KR20040041813A - 다공질 소결판을 이용한 방향성 금속제품의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면성형 특성이 우수하고 기공율의 제어가 용이한 방향성 금속제품의 제조에 관한 것이다. 직경이1 미크론 보다 크고 200 미크론 보다 작은 금속 분말이나 금속섬유로 만들어진 기공율 30%-60%의 판상의 금속소결체를 원하는 형상의 금형으로 프레스 성형하여 제조 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 표면 성형 특성이 우수하여 보다 미려하고 섬세한 가공품을 얻을수 있으며 칫수 변화 없이 내부 기공율을 용이하게 제어하여 방향성이 우수하고 표면이 정교한 심미적 장식품을 얻을수 있다.

Description

다공질 소결판을 이용한 방향성 금속 제품의 제조방법 {Process for preparing a fragnant metal body using a sintered porous metal plate }

본 발명은 직경이 1 미크론 보다 크고 200 미크론보다 작은 금속분말이나 금속섬유를 판상으로 성형한후 고온에서 소결하여 기공율 30%-60%의 판상 다공질 소결체를 만든후 이 다공질 소결판을 이용해 프레스 성형 작업으로 원하는 다공질 성형체를 제조하여 표면이 미려하면서도 기공율의 제어가 용이하여 향료의 주입이 자유롭고 형상의 표현이 보다 심미적인 방향성 금속 장식품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

이러한 방향성을 가지는 금속소결체의 제조방법은 특허 100255185, 출원1020010061313에서 보듯이 직경 100 미크론 이상의 금속분말이나 직경 50미크론 이하의 금속섬유상 분말을 사용하여 원하는 형상의 금형에 장입한후 유압 프레스에서 600Mpa 이상으로 성형하여 예비 성형체(green body ) 를 만든다.

이때 600Mpa이상의 고압으로 성형하는 이유는 예비성형체의 강도를 확보하기 위한 것으로 600Mpa이하의 압력에서 성형할 경우 예비성형체의 강도가 적어서 다음공정의 취급시 성형체가 파손될 우려가 있다. 또한 100 미크론 이하의 급속분말을 사용할 경우, 600Mpa의 고압으로 성형할 경우 기공율이 15%이하가 되어 향료의 주입이 어려워 진다. 따라서 적정한 기공율과 강도를 얻기 위해서 100미크론 이상의 분말과 600Mpa 이상의 고압성형이 필요해진다.(특허100255185)

출원 1020010061313 에서는 금속소결체의 기공율을 증가시키기 위해 금속섬유상 분말을 사용하거나 구형분말과 혼합하여 사용한다. 그러나 이방법은 금속분말을 사용시 보다 표면의 미려도가 떨어지고 고온에서 소결함으로써 수축율이 높아 정교한 제품을 제조하기 어렵다.

따라서 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해서 금속분말을 프레스 성형하여 고온에서 소결하는 대신 금속분말 혹은 금속섬유를 다공성을 가지는 소결 판상으로 제조한후 판상의 소결제를 원료로하여 프레스 성형하므로써 성형 압력을 낯추고 이미 소결된 판재를 성형하는 것이기 때문에 미려한 형상의 제품을 얻을수 있다.

본 발명에서 이루려는 과제는, 종래의 기술에서 문제점인 고압성형후 고온소결시 생기는 수축에의한 칫수 변화와 표면의 미려도가 감소하는 것을 방지하여 판재를 소결한후에 성형하기 때문에, 금형의 형상 그대로 성형이 되며 다공성 판재의 성형으로, 프레스 압력을 적게하여도 종래의 기술에 비해 고도의 정밀한 표면을 가질수 있다.

본 발명이 이루려는 또하나의 과제는, 종래의 기술에서 달성하기 어려운 기공율 제어가 용이한 것이다. 종래의 기술에서는 금속분말을 600Mpa이상의 고압에서 성형하여야만 그 다음 공정에서 취급이 가능한 강도가 얻어지기 때문에 성형체의 기공율이 10% -25% 에 불과하다. 이러한 기공율은 대기압상태에서 향료를 주입하기가 어려워 진공함침 방법을 사용한다.

이러한 진공함침은 진공장치가 필요하며 일반 수요자들이 손쉽게 사용하기 어려운 문제가 있다. 본 발명에 의한 다공성 금속 소결판을 이용하여 성형한 방향성 금속소결체는 원료로 사용하는 금속소결판의 기공율과 소결판의 두께를 조정하여 최종 성형체의 기공율을 20%-50%까지 용이하게 조절할수 있어 대기압에서 향료를 소결체 표면에 접촉하는 것만으로도 쉽게 향료의 주입이 가능하다. 이와같은 용이한 향료 주입은 일반 수요자가 필요에 따라 재사용을 가능하게 하기 때문에 보다 높은 상품성을 부여할수 있다.

본 발명은 금속분말 혹은 금속섬유를 수용성 열경화 특성을 가지는 수지 바인더 수용액과 혼합하여 스러리 상태로 유동성을 부여하여 판상의 주형에 주입하는 습식 성형 방법이거나, 혹은 건식으로 판상의 주형에 금속분말이나 금속섬유를 직접 일정두께로 적층성형하는 단계와, 성형된 금속분말 혹은 금속섬유를 환원분위기나 진공에서 고온가열하여 다공성 금속 소결판을 제조하는 단계, 다공성 금속 소결판을 원료로 하여 일정형상의 금형이 부착된 프레스에서 성형하여 소정의 성형체를 만드는 단계, 성형체를 연마하거나 표면을 코팅한후 향료를 주입하여 방향성을 부여하는 단계로 이루어져 있다.

본 발명을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

금속분말의 크기는 1-200 미크론이 적당하다. 1 미크론 이하는 형성되는 기공의 크기가 너무 작아 향료의 주입이 어려우며 200 미크론 이상은 소결체의 표면이 미려하지 않아 장식품으로는 적당하지가 않다. 판상의 소결체를 제조하기위한 판재의 성형은 열충격에 강하고 고온에서 안정한 그라파이트 주형에 금속분말이나 금속섬유를 일정두께로 적층한 다음 암모니아 가스를 분해한 질소와 수소의 혼합가스 분위기에서 소결처리 하거나 , 1 토르 이하의 진공분위기에서 소결처리 하는 것이 좋다.

그러나 그라파이트 주형은 고가의 재료이기 때문에 대량 생산시 다량의 그라파이트 주형은 생산원가를 높이는 원인이 된다. 이러한 이유로 소결하기 전에 예비 성형체를 만드는 것이 좋다. 금속분말 혹은 금속섬유를 열경화성을 가지며 수용성인 유기바인더와 혼합하여 스러리 상태로 주형에 주입후 섭씨80-140도에서 1시간이상 가열 건조하면 수분은 제거 되고 바인더가 경화되어 주형에서 취출하여도 다음공정에서 취급이 가능한 강도를 가지게 된다. 이때 바인더는 폴리비닐알콜(polyvinylalchol),메틸 셀룰로우스(methylcellulose), 카복시메틸셀룰로우스(carboxy methylcellulose)등을 사용한다.

소결분위기는 건식 방법과 동일하며 바인더는 소결온도로 가열되는 동안 열분해되어 제거된다. 소결시 가압을 하지않는 것이 기공율을 높이는 방법이다. 이렇게 얻어지는 판상 소결체의 기공율은 30%-60%에 달하며 분말크기가 클수록 기공율은 증가한다.

이렇게 얻어진 판상 소결체는 소정의 형상을 부여하기위해 금형으로 프레스 성형을 하게된다. 분말을 성형하는 경우와 달리 다공성 판재를 성형하기 때문에 100Mpa의 압력으로 성형이 가능하다. 따라서 고가의 유압프레스 대신 파워프레스로 성형이 가능하다.

분말을 프레스성형 하는 경우는 성형체의 표면이 미려하기 어렵고 표면 요철이 심한 경우 파손되기 쉬우나 본 발명에서 제안한 판상 소결체를 사용하는 경우는 매우 예리한 표현도 가능해진다.

제조된 성형체는 기공율이 20%-50%에 달하여 표면을 연마하거나 코팅하여도 기공이 막힐 염려가 없으며 장신구의 목적에 따라 가공한후 향료를 대기압에서 표면에 떨어뜨리면 형성된 기공을 통해 향료가 모세관 현상에의해 내부로 침투되고 방향성을 장시간 유지하는 금속장신구로 이용되는 것이다.

< 실시예1 >

평균직경 50 미크론인 Cu 18Ni 18Zn의 조성을 가지는 구리합금 분말 350g과 5%폴리비닐알콜 50cc를 잘 혼합하여 스러리형태를 만들었다. 이 스러리를 10cm * 10cm 그라파이트 주형에 부어넣고 일정두께로 유지 시킨다음 섭씨 100도에서 1시간 건조하여 예비성형체를 만들었다. 이 예비성형체는 수분은 제거되고 바인더가 경화되어 딱딱한 상태로 주형에서 분리하여도 다음공정에서 취급하는데 지장이 없었다.

이 성형체를 암모니아를 분해한75%의수소와 25%의 질소 분위기에서 섭씨 900도로 가열하여 소결하였다. 유기바인더는 가열도중 열분해되어 제거 되었고 금속분말은 소결되어 기공율 50%인 판상의 다공성 소결체를 얻었다. 이 다공성 소결체를 원료로 하여 1 톤 파워 프레스에서 직경3 cm , 두께0.5cm 의 장신구를 성형하였다. 표면이 매우 미려하면서 기공율이35%인 다공질 성형체를 얻었다. 이 성형체를 배럴연마를 통해 표면에 광택을 낸후 향료를 표면에 떨어뜨려 주입시켜 방향성을 가지는 장신구를 만들었다.

< 실시예2 >

평균직경 15 미크론 이고 평균길이 150 미크론인 스테인레스 섬유상 분말 200g과 평균직경 50 미크론인 스테인레스 구형분말 100g을 잘 혼합한 다음 표면이 알루미나로 코팅된 10cm * 10 cm 그라파이트 주형에 넣고 가벼운 진동을 주어 일정두께로 균일하게 분포시켰다. 이때 두께는 1.5cm 이고 겉보기비중은 진비중의 30%인 2.4g/cc였다. 이 섬유상 분말이 충진된 그라파이트 주형을 진공도가 1 토르 이하인 진공로에서 섭씨 1200도에서 1시간 가열하여 소결하여 판상의 소결체를 얻었다. 이때 소결체의 비중은 3.2g/cc로서 기공율은 60%였다. 이 다공성 소결체를 원료로 하여 1 톤 파워 프레스에서 직경3 cm , 두께0.5cm 의 장신구를 성형하였다. 표면이 매우 미려하면서 기공율이40%인 다공질 성형체를 얻었다. 이 성형체를 배럴연마를 통해 표면에 광택을 낸후 0.5 미크론 두께로 진공증착 금도금을 한뒤 향료를 표면에 떨어뜨려 주입시켜 방향성을 가지는 장신구를 만들었다.

본 발명은 금속분말을 직접 고압의 프레스로 성형하여 소결체를 만드는 것과 달리 판상의 소결체를 제조한 다음 프레스 성형을 하여 다공질의 금속성형체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이러한 제조방법은 기존의기술에 비해 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 고가의 유압프레스 대신 파워프레스를 사용할수 있고 분말성형 금형에 비해 금형비용이 1/5에 불과하여 경제적이다.

둘째, 직접 분말을 성형하는 것이 아니고 소결된 판재를 성형하기 때문에 성형깊이가 크고 표면형상이 훨씬 미려하고 세밀하게 표현 할수 있다.

셋째, 고압으로 성형 할 필요가 없기 때문에 분말크기와 판재의 두께로 기공율 제어가 용이하여 최대 50%까지 기공율을 유지하므로서 향료의 주입시 진공함침이 필요치 않고 대기압에서 향료를 접촉시키는 것으로 충분하다. 이것은 수요자의 필요에 따라 향료 주입이 가능하여 방향성 금속으로서 상품성을 크게 향상 시킨다.

Claims (4)

1. 미세한 금속분말 이나 금속섬유, 금속분말 혹은 금속섬유를 수용성 열경화 특성을 가지는 수지 바인더 수용액과 혼합하여 스러리 상태로 유동성을 부여하고 판상의 주형에 주입하는 습식 성형 방법이거나, 혹은 건식으로 판상의 주형에 금속분말이나 금속섬유를 직접 일정두께로 적층성형하는 단계와, 성형된 금속분말 혹은 금속섬유를 환원분위기나 진공에서 고온가열하여 다공성 금속 소결판을 제조하는 단계, 다공성 금속 소결판을 원료로 하여 일정형상의 금형이 부착된 프레스에서 성형하여 소정의 성형체를 만드는 단계, 성형체를 연마하거나 표면을 코팅한후 향료를 주입하여 방향성을 부여하는 단계로 이루어진 다공질 방향성 금속 소결체의 제조방법.
2. 1항에서 금속분말 이나 금속섬유는 직경이 1 미크론이상 200 미크론 이하인 스테인레스, 구리-니켈합금, 구리-니켈-아연합금, 니켈 및 그합금, 티타늄 및 그합금 , 금 및 그합금, 은 및 그 합금 으로 한다.
3. 1항에서 바인더는 폴리비닐알콜(polyvinylalchol),메틸셀룰로우스(methylcellulose),에틸셀룰로우스(ethylcellulose),카복시메틸셀룰로우스(carboxymethylcellulose)로 한다.
4. 1항에서 바인더의 금속에 대한 혼합비는 부피비율로 30% - 60%로 한다.