[논문]나노분말 분쇄 및 분산용 고성능 초경합금 볼의 제조를 위한 분말사출성형 공법

정성택; 조주현; 이민철; 권영삼; 전만수

나노분말 분쇄 및 분산용 고성능 초경합금 볼의 제조를 위한 분말사출성형 공법
Powder Injection Molding Technique of Fabricating Cemented Tungsten Carbide Balls for Milling and Dispersing Nano-Powder 원문보기

정성택 ((주) 쎄타텍) , 조주현 (경상대학교 기계공학과) , 이민철 (경상대학교 기계항공공학부 2 단계 BK21 항공기부품기술연구소) , 권영삼 ((주) 쎄타텍) , 전만수 (경상대학교 기계항공공학부)

We present a powder injection molding technique of fabricating cemented tungsten carbide(WC) balls for milling and dispersing nano-powder in this paper. The conventional powder metallurgy approach is investigated to reveal its drawbacks of density non-homogeneity. New procedures of powder injection molding for the homogeneous high-precision WC balls, involving the binding process, powder injection molding process and sintering process, are presented in detail. Each process is investigated empirically and numerically to obtain its engineering information, which can used for process optimization.

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문제 정의

본 연구에서는 분말사출성형 공업을 이용하여 분쇄 및 분산용 직경 6.35 mm(1/4 inch) 내외의 초경 볼의 제조 공정을 개발하고, 그 과정에서 습득한 기술적 내용과 결과물을 정량적 관점에서 정리하고자 한다.
본 연구에서는 분쇄 및 균질화(또는 분산)용 초경 볼의 제조 공법에 관한 실험적 연구와 해석적 연구가 실시되었다. 기존의 분말야금에 의한 볼 제조 기술의 단점을 체계적으로 분석하였으며, 이를 바탕으로 분말사출성형 공법에 의한 초경 볼의 제조 기술을 제안하였다.

제안 방법

Boy(독일) 55 톤 사출성형기를 이용하였다. CAE 해석 및 사출성형 실험을 통하여 미성형과 플래쉬(flash)와 같은 성형 불량이 발생하지 않으며, 스프루, 런너 및 볼의 취출 과정에서 문제점이 없고, 사출압력을 최소화하는 성형 조건을 선정하였다. 직경 6.
기 축적된 경험과 실험을 통하여 바인더 및 피드스탁의 제조 공정을 확립하였으며, 분말사출성형 공정 시뮬레이션 기술을 활용하여 공정 설계가 이루어졌다. 그리고 소결 공정에 관한 실험적 연구가 이루어졌으며, 초경 볼의 소결공정이 제시되었다.
본 연구에서는 분쇄 및 균질화(또는 분산)용 초경 볼의 제조 공법에 관한 실험적 연구와 해석적 연구가 실시되었다. 기존의 분말야금에 의한 볼 제조 기술의 단점을 체계적으로 분석하였으며, 이를 바탕으로 분말사출성형 공법에 의한 초경 볼의 제조 기술을 제안하였다.
초경 분말혼합체(feedstock)의 최적 부피분율을 결정하기 위해서 Torque Rheometer 실험을 수행하였다. 바인더 시스템을 일정량 투입하고 일정한 온도를 유지한 상태에서 분말의 양을 조금씩 늘려가면서 혼합 도중에 발생하는 토크의 변화를 시간에 따라 측정하였다. Fig.
그런데 초경-바인더 혼합물에 대한 물성치 정보는 문헌으로부터 구할 수가 없었고, 직접 획득하는데 많은 비용이 소요되는 문제가 있다. 본 연구에서 공정 시뮬레이션의 목적이 유동 특성을 거시적으로 조사 하자는데 있으므로 스테인레스 스틸 피드스탁의 물성치 정보[9]를 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 경험적으로 볼 때, 세부적으로는 맞지 않을 것으로 예상되지만, 전체적인 유동 특성을 예측하는 목적으로는 크게 부족하지 않을 것으로 사료된다.
분말사출성형체의 탈지공정은 용매탈지와 열간 탈지의 2 가지 단계로 구성되는데 용매탈지공정은 성형체 내부의 왁스 성분을 노말 헥산(N-Hexane) 등의 용매(solvent)를 사용하여 제거하는 단계이며 이후 열간탈지공정은 성형체 내부의 폴리머 성분을 제거하는 단계로 열간탈지이후 분말사출성형체를 최종 소결단계로 이동하기에 적당한 기계적 강도를 갖도록 하기 위하여 900 도 정도의 온도에서 예비소결을 수행하게 된다. 본 연구에서 용매탈지 공정은 50 도의 용매온도에서 10 시간의 탈지시간 동안 용매탈지를 수행하였다.
중요한 설계상의 오류를 방지할 수 있기 때문이다. 본 연구에서는 분말사출 성형 공정 시뮬레이션 전용 소프트웨어인 PIMsolver[8]를 이용하여 설계된 공정을 평가하고 개선시키는 과정을 통하여 최적에 가까운 공정 설계를 획득하였다. 공정 시뮬레이션에서 재료의 거동특성에 관한 정보는 매우 중요하다.
초경의 열간탈지 공정은 탈지온도 뿐만 아니라 적정 탄소 함유량을 유지하기 위해 탈지 분위기가 매우 중요하다. 본 연구에서는 수소와 질소의 비율을 1:3 으로 하여 열간탈지를 수행하였다. 열간 탈지 온도는 250 도와 450 도이며 각각의 온도에서 3 시간씩 유지하였다.
초경분말의 소결은 일반적으로 진공분위기에서 수행된다. 본 연구에서는 열간탈지가 끝난 초경볼 탈지체를 흑연시료받침을 사용하여 진공분위기에서 1400 도에서 1 시간 동안 소결을 수행하였다. 소결 후 초경 볼의 경우 표면은 그림 9 와 같이 매끄럽지 않기 때문에 소결된 초경 볼을 미립분쇄기(Attrition mill)를 사용하여 연마하였다.
분말과 바인더 시스템의 혼합은 두날 혼합기(Double Planetary Mixer)를 이용한 1 차 혼합과 이축 압출형혼합기를 이용한 2 차 혼합으로 이루어졌다. 1 차 혼합은 다음과 같이 3 단계의 혼합 공정으로 이루어져 있다.
일정한 크기의 볼을 한 번의 사출공정을 통해 가능한 많이 생산하기 위해서는 사출금형의 스프루, 런너, 게이트, 캐비티 등의 레이아웃 설계가 매우 중요하다. 주어진 사출성형기의 사양 범위 내에서 최대한 고품질의 성형체를 많이 생산할 수 있는 최적의 금형 설계를 위하여 CAE 해석을 수행하였다. CAE 해석을 통한 금형 설계 과정에서 최우선적으로 고려한 사항은 균일한 충전 패턴을 이루는 것이다.
해석 결과와 마찬가지로 수지의 흐름 패턴이 해석 결과와 유사하게 나타났다. 직접 초경 분말 혼합체를 투입하였을 경우, 취출 과정에서 사출성형체의 게이트 부위가 자동으로 절단되어 Fig. 7 과 같은 전체 모양을 갖출 수가 없기 때문에 초경 대신 폴리에틸렌 재료를 사용하여 얻은 전체 사출성형체에 대한 실험결과를 제시하였다.
초경 분말혼합체(feedstock)의 최적 부피분율을 결정하기 위해서 Torque Rheometer 실험을 수행하였다. 바인더 시스템을 일정량 투입하고 일정한 온도를 유지한 상태에서 분말의 양을 조금씩 늘려가면서 혼합 도중에 발생하는 토크의 변화를 시간에 따라 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 파라핀 왁스(paraffin wax), 스테아릭 에시드(stearic acid), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene)으로 구성된 바인더 시스템을 사용하였다. 본 연구에 사용된 초경분말은 평균입경이 3 ㎛인 탄화텅스텐(WC)분말에 무게분율로 10%의 코발트(Co)분말을 터뷸러 믹서(Turbular Mixer)를 사용하여 30분간 혼합하여 만든 것이다.
이것은 분말부피분율이 56% 이상인 경우에 균일하게 혼합이 이루어지지 못하고 있기 때문이다. 본 연구에서는 원활한 사출 성을 위해서 최대치보다 두 단계 낮은 54%를 초경 분말의 혼합 부피분유로 결정하였다.
분말혼합체의 성질은 왁스 및 플라스틱 재료로 이루어진 바인더 시스템(binder system)의 구성과 혼합되는 분말의 특성 및 부피분율에 따라 결정된다. 본 연구에서는 파라핀 왁스(paraffin wax), 스테아릭 에시드(stearic acid), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene)으로 구성된 바인더 시스템을 사용하였다. 본 연구에 사용된 초경분말은 평균입경이 3 ㎛인 탄화텅스텐(WC)분말에 무게분율로 10%의 코발트(Co)분말을 터뷸러 믹서(Turbular Mixer)를 사용하여 30분간 혼합하여 만든 것이다.
사출성형은 Dr. Boy(독일) 55 톤 사출성형기를 이용하였다. CAE 해석 및 사출성형 실험을 통하여 미성형과 플래쉬(flash)와 같은 성형 불량이 발생하지 않으며, 스프루, 런너 및 볼의 취출 과정에서 문제점이 없고, 사출압력을 최소화하는 성형 조건을 선정하였다.

성능/효과

2 에서 보는 바와 같이 금속 또는 세라믹 분말과 플라스틱, 왁스 등의 유기바인더의 혼합체를 사출공정을 통해 성형한 후에, 탈지공정을 통해 유기바인더를 제거하고 최종적으로 소결공정을 통하여 금속 또는 세라믹 부품을 제조하는 특수성형기술로서 매우 복잡한 형상의 부품을 저렴하게 양산할 수 있는 장점을 지니고 있다. 기존 분말야금 공법의 프레스 성형 대신 분말사출성형공법을 사용하여 초경합금 볼을 제조하는 경우에 성형 중 발생하는 밀도구배를 없앨 수 있으므로 치수 정밀도가 매우 높을 뿐만 아니라 한번의 사출로 수십 개 정도의 볼 성형이 가능하다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

초경합금은 전통적으로 어떤 방법으로 제조되어 왔는가?

초경합금은 절삭공구 및 금형 소재로 널리 사용되고 있으며, 전통적으로 분말야금(powder metallurgy) 공법에 의하여 제조되어 왔다. 그러나, 분말 압축 성형 후 소결하여 제품을 제조하므로 제조단가가 높고 프레스 성형시 발생하는 밀도구배로 인하여 소결후 변형이나 크랙을 유발하는 것으로 알려져 있다.

분말야금 및 분말사출성형에서 분산 및 분쇄 공정이 제품의 품질을 좌우하는 매우 중요한 공정인 이유는 무엇인가?

분말야금 및 분말사출성형에서 우수한 물성을 갖는 부품의 제조를 위해서는 가능한 한 입자 크기가 작은 분말을 사용하여야 한다[4]. 그리고 일반적으로 입자 크기가 매우 작은 금속 및 세라믹 분말들은 분말의 특성상 서로 응집되어 있으므로[5] 미세 분말 재료를 사용하여 부품을 성형하기 위해서는 이러한 응집된 상태를 분산시켜야 한다. 따라서 분말야금 및 분말사출성형에서 분산 및 분쇄 공정은 제품의 품질을 좌우하는 매우 중요한 공정이다.

분말야금 및 분말사출성형에서 우수한 물성을 갖는 부품의 제조를 위해 크기가 어떤 것을 사용해야 하는가?

분말야금 및 분말사출성형에서 우수한 물성을 갖는 부품의 제조를 위해서는 가능한 한 입자 크기가 작은 분말을 사용하여야 한다[4]. 그리고 일반적으로 입자 크기가 매우 작은 금속 및 세라믹 분말들은 분말의 특성상 서로 응집되어 있으므로[5] 미세 분말 재료를 사용하여 부품을 성형하기 위해서는 이러한 응집된 상태를 분산시켜야 한다.

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