KR100674216B1 - 텅스텐-구리 합금 부품 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부 기공이 없으며 균일한 미세조직을 갖는 텅스텐-구리 합금 부품 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 텅스텐-구리 합금 부품 제조 방법은 텅스텐이 코팅된 텅스텐-구리 복합분말을 제조하는 단계; 텅스텐이 코팅된 텅스텐-구리 복합분말과 바인더의 혼합체를 제조하는 단계; 혼합체를 사출 성형하는 단계; 상기 성형체에 포함된 바인더를 제거하는 단계; 상기 바인더가 제거된 성형체를 소결하는 단계; 및 상기 소결체의 잔류기공을 제거하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 본 발명은 기존 텅스텐-구리 합금 부품에 비하여 내부 잔류기공이 완전히 제거되어 기계적 물성과 물리적 물성이 향상되어 복잡한 형상의 히트싱크, 전기접점 및 성형작약탄의 라이너 제조시 우수한 물성을 발휘하며 제조공정이 간단하여 부품의 대량 생산이 가능한 효과가 있다.

텅스텐-구리 복합분말, 분말사출성형, 열간 등압 성형

Description

텅스텐-구리 합금 부품 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF TUNGSTEN-COPPER ALLOY PART}

도 1은 종래기술에 의한 구리 분말과 텅스텐 분말이 물리적으로 단순히 혼합된 상태의 텅스텐-구리 혼합분말의 도식도.

도 2는 종래기술에 의한 텅스텐이 구리 분말을 둘러싼 형태로 화학적으로 결합된 상태의 텅스텐-구리 복합분말의 도식도.

도 3은 본 발명에 의한 텅스텐-구리 합금 부품 제조공정을 설명하기 위해 나타낸 공정도.

도 4는 본 발명에 의한 텅스텐-구리 합금 부품 제조공정에 따라 제조된 텅스텐-구리 합금 볼의 기공제거단계 이전의 미세조직을 보여주는 광학현미경 사진.

도 5는 본 발명에 의해 제조된 텅스텐-구리 합금 볼의 사진.

도 6은 본 발명에 의한 텅스텐-구리 합금 부품 제조공정에 따라 제조된 텅스텐-구리 합금 볼 단면의 미세조직의 광학현미경 사진.

도 7은 본 발명에 의한 텅스텐-구리 합금 부품 제조공정에 따라 제조된 텅스텐-구리 합금 볼 단면의 미세조직의 주사전자현미경 사진.

도 8은 본 발명에 의한 텅스텐-구리 합금 부품 제조공정에 따라 제조된 텅스 텐-구리 합금 성형작약탄의 라이너의 기공제거단계에서 금형을 이용한 냉간 또는 열간 압축 성형 공정을 설명하기 위해 나타낸 공정도.

<도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 두 날 혼합기 2: 압출형 혼합기

3: 볼형상의 금형 4: 열간 등압 성형기

5: 소결체 6: 금형

본 발명은 내부 기공이 없으며 균일한 미세조직을 갖는 텅스텐-구리 합금 부품 제조방법에 관한 것이다.

이러한 텅스텐-구리 합금의 사용 예로서는 컴퓨터에 사용되는 히트싱크 및 전기 접점, 방전용 전극 등을 찾아볼 수 있다.

종래에는 텅스텐-구리 합금 소재의 제조 방법은 텅스텐과 구리 분말을 혼합 하여 일정한 내부 기공을 갖는 텅스텐-구리 혼합분말 성형체를 제조한 후, 소결하여 내부에 기공을 갖는 골격체(skeleton)를 만들고 구리를 녹여서 골격체 내부로 용침(infiltration)하는 방법이 널리 사용되어 왔다.

여기서, 상기 "혼합분말(mixed powder)"이라 함은 서로 다른 분말이 단순히 물리적으로 혼합된 상태의 분말을 의미하는 것으로서, 도 1은 종래의 구리 분말(10)과 텅스텐 분말(11)이 물리적으로 단순히 혼합된 상태의 텅스텐-구리 혼합분말의 도식도이다.

그러나 상기와 같은 방법으로 제조된 텅스텐-구리 합금 소재는 텅스텐-구리 복합소재 내부에 텅스텐과 구리가 균일하게 분포되지 않은 영역과 잔류기공이 발생하게 되는 문제가 있다.

또한, 이와 같이 불균질 미세조직을 갖는 텅스텐-구리 합금은 히트싱크(heat sink)나 전기접점 부품으로 사용될 때 불균일한 열전도도와 전기 전도도 및 열팽창계수의 차이를 가져와서 수명단축의 원인이 될 뿐만 아니라 소재의 신뢰성을 저하시키는 문제가 있었다.

이러한 텅스텐-구리 합금의 불균질한 미세조직의 문제점을 극복하여 텅스텐의 균질도를 향상시키기 위하여 종래에 시도된 좀더 개량된 방법으로는 특허등록 10-0490879호에서와 같은 텅스텐-구리 복합 소재 제조방법이 제안되어 있다.

상기 종래기술은 텅스텐 분말과 함께 텅스텐-구리 복합분말을 혼합하고, 상기 혼합체를 이용해 텅스텐-구리 성형체를 제조한 후, 상기 성형체를 소결한 다음, 구리를 소결체 내부로 용침시킴으로써 균일한 미세조직을 얻도록 하고 있다.

여기서, 상기 "복합분말(composite powder)"이라 함은 서로 다른 성분들이 서로 화학적으로 결합된 하나의 독립된 분말을 의미하며 도 2는 종래기술에 의한 텅스텐(12)이 구리 분말(10)을 둘러싼 형태로 화학적으로 결합된 텅스텐-구리 복합분말(13)을 보여주는 도식도이다.

그러나, 상기와 같은 종래기술의 용침법을 이용해 히트싱크나 군사용 성형 작약탄의 라이너를 제조하는 경우, 텅스텐-구리 골격체를 제품형상과 동일 또는 유사하게 제조하기 매우 어려운 문제가 있다.

또한, 용침 후에는 반드시 후가공이 수반되기 때문에 양산성이 없어 실제로 복잡한 형상의 히트싱크나 성형 작약탄의 라이너 제조공정으로 사용되기에는 적합하지 않은 문제점이 있었다.

종래에 사용된 또 다른 방법은 위에서 기술한 이러한 용침법의 단점을 극복하기 위하여 텅스텐 분말과 구리 분말을 혼합하여 텅스텐-구리 혼합분말을 분말사출성형 공정을 이용하여 복잡한 형상의 히트싱크를 제조하였으나 소결밀도가 낮아 열전도성이 떨어지고 텅스텐과 구리 분말이 균일하게 분포되지 않는 문제점이 있었다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 미립의 텅스텐 입자가 코팅된 텅스텐-구리 복합분말을 분말사출공정에 적용하여 텅스텐-구리 합금을 제조함으로써 합금 내부에 존재하는 잔류기공을 최소화하고 텅스텐과 구리가 매우 균질한 조직을 갖도록 하며 열전도도, 연성(ductility), 인장강도 및 피로강도를 향상시킬 수 있게 되는 텅스텐-구리 합금 부품 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 우수한 물성을 갖는 텅스텐-구리 합금을 이용한 히트싱크, 방전용 전극, 전기접점 및 성형작약탄의 라이너를 손쉽게 제조할 수 있도록 하는 텅스텐-구리 합금 부품 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 텅스텐-구리 합금 부품 제조 방법은 산화텅스텐(WO3 혹은 WO2.9) 분말과 산화구리(CuO 혹은 Cu2O) 분말을 혼합 분쇄한 후, 환원성 분위기에서 1단계로 200 ℃ 내지 400 ℃의 온도범위에서 1분에서 5시간 유지한 후, 다시 온도를 올려서 2 단계로 500 ℃ 내지 700 ℃의 온도범위에서 1분에서 5시간 유지한 후, 다시 온도를 올려서 3단계로 750 ℃ 내지 1080 ℃의 온도범위에서 1분에서 5시간 환원 열처리 하여 텅스텐이 구리 분말을 감싸는 구조의 텅스텐-구리 복합분말을 제조하는 단계; 상기 텅스텐-구리 복합 분말 제조단계를 통해 제조된 텅스텐-구리 복합 분말로 되어 있는 원재료에 부피비로 30% ~ 70%의 바인더를 혼합하여 사출성형이 가능한 혼합체를 제조하는 단계; 상기 혼합체 제조단계를 통해 제조한 바인더가 혼합된 혼합체를 히트싱크나 성형 작약탄의 라이너 등 원하는 형상의 금형을 이용하여 성형체를 사출 성형하는 단계; 상기 사출 성형단계를 통해 사출된 성형체에서 용매를 이용하여 혼합된 바인더를 녹인 이후 가열을 통해 바인더를 태우는 방법 또는 단지 가열으로만 상기 텅스텐-구리 성형체에 혼합된 바인더를 제거하는 단계; 상기 바인더 제거단계에서 바인더가 제거된 성형체를 1100∼1400℃에서 수소 분위기 또는 수소를 포함하는 환원성 분위기에서 소결하여 소결체의 밀도를 이론밀도 대비 95%이상으로 치밀화 시키는 단계; 및 상기 소결 단계에서 치밀화된 소결체를 500∼1400℃에서 5∼200MPa의 압력으로 1분∼10시간동안 열간 등압 성형에 의하여 소결체 내부의 기공을 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 텅스텐-구리 합금 부품의 제조 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 텅스텐-구리 합금 부품 중의 하나인 볼의 제조 방법을 설명하기 위해 나타낸 공정도이다.

동 도면에서 보는 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 텅스텐-구리 합금 부품 제조 방법은 크게 도 2와 같은 형태의 텅스텐이 코팅된 텅스텐-구리 복합분말을 제조하는 단계와, 상기 텅스텐-구리 복합분말과 바인더의 혼합체를 제조하는 단계와, 상기 혼합체를 사출 성형하는 단계와, 상기 성형체에 포함된 바인더를 제거하는 단계와, 상기 바인더가 제거된 성형체를 소결하는 단계와, 상기 소결체의 잔류기공을 제거하는 단계로 이루어져 있다.

먼저, 상기 텅스텐이 코팅된 텅스텐-구리 복합분말을 제조하는 단계에 대해 설명하면, 산화텅스텐 분말과 산화구리 분말을 텅스텐과 구리의 무게비가 65%:35%가 되도록 칭량하여 초경볼과 함께 산화분말들을 용기에 넣은 후 균질한 혼합 및 분쇄를 위하여 3시간 동안 볼 밀링을 행한다.

상기 볼 밀링된 산화복합분말들은 수소분위기에서 250도의 온도로 1시간 유지하여 구리 분말을 환원한 후, 승온하여 600도에서 1시간 유지하여 환원된 구리분말 위에 텅스텐을 핵 생성시키고, 다시 승온하여 860도에서 1시간 유지하여 텅스텐을 성장시켜 텅스텐이 구리분말 위에서 환원되어 구리를 코팅하도록 한 후, 냉각하여 텅스텐이 코팅된 텅스텐-구리 복합분말을 제조한다.

이어, 혼합체 제조단계에 대해 설명하면, 상기 텅스텐-구리 복합분말 제조방법에 따라 제조된 텅스텐이 코팅된 텅스텐-구리 복합분말에 부피비로 48%의 바인더를 혼합하여 사출성형이 가능한 혼합체를 제조한다.

이때, 상기 바인더는 파라핀왁스(paraffin wax), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 스테아릭산(stearic acid)으로 구성되며, 상기한 바인더와 텅스텐-구리 복합분말의 혼합 시 균질한 혼합을 위하여 두 날 혼합기(1)와 압출형 혼합기(2)가 사용된다.

이어, 성형체 사출 성형단계로서, 상기 혼합체 제조단계를 통해 제조한 바인더가 혼합된 텅스텐-구리 복합분말 혼합체를 성형하고자 하는 볼 형상의 금형(3)에 주입시키고, 이후 상기 금형(3)으로부터 라이너 형상의 성형체를 사출 성형한다.

이어, 바인더 제거단계로서, 상기 사출 성형단계를 통해 사출된 볼 형상의 성형체로부터 노말 헥산(n-hexane)을 이용하여 혼합된 바인더를 녹인 후 수소 분위기에서 가열을 통해 혼합된 바인더를 제거한다.

이어, 소결 단계로서, 상기 바인더 제거단계에서 바인더가 제거된 볼 형상의 텅스텐-구리 성형체를 수소분위기에서 1200℃에서 1시간 동안 소결하여 성형된 볼이 기계적 강도와 물리적 특성을 갖도록 한다.

이때, 상기 소결된 텅스텐-구리 합금 볼의 밀도는 이론밀도 대비 98∼99%를 나타내게 된다.

도 4는 소결된 텅스텐-구리 합금 볼 내부의 미세조직을 보여주는 사진으로서, 소결체가 매우 치밀하고 균일한 조직을 보이고 있으나 미세 기공이 일부 존재하고 있음을 알 수 있다.

그런 후, 상기 소결체 내부 기공 제거 단계에서는 상기 소결 단계를 통해 치밀화된 텅스텐-구리 합금 볼을 열간 등압 성형기(4)에 넣고 1200℃의 온도에서 200 MPa의 압력으로 5시간동안 열간 등압 성형하여 텅스텐-구리 합금 볼 내부의 미세 기공을 모두 제거한다.

상기 열간 등압 성형된 텅스텐-구리 합금 볼의 밀도는 이론밀도 대비 100%를 나타냈으며 도 5는 이러한 방법으로 제조된 텅스텐-구리 합금 볼의 실제형상을 보여주는 실물사진이다.

도 6은 본 발명으로 제조된 텅스텐-구리 합금 볼 내부의 미세조직을 보여주는 광학현미경 사진으로서, 사진에서 보는 바와 같이 상기 열간 등압 성형 후 소결체 내부의 잔류기공이 완전히 제거되었음을 알 수 있다.

도 7은 본 발명에 의한 텅스텐-구리 합금 부품 제조공정에 따라 제조된 텅스텐-구리 합금 볼 단면의 미세조직의 주사전자현미경 사진으로서, 사진에서 보는 바와 같이 텅스텐과 구리가 매우 균질하게 분포되어 있으며 텅스텐 입자의 크기가 매우 작음을 알 수 있다.

또한, 상기 실시 예에서 텅스텐-구리 합금 소결체 내부 잔류기공 제거 단계에서 열간 등압 성형 대신 사출체의 형상에 따라 금형을 이용한 냉간 압축 성형이 사용될 수도 있다.

도 8은 본 발명에 의한 텅스텐-구리 합금 부품 제조공정에 따라 제조된 텅스텐-구리 합금 성형작약탄의 라이너의 기공제거단계에서 금형을 이용한 냉간 압축 성형 공정을 설명하기 위해 나타낸 공정도로서, 동 도면에서 보는 바와 같이 라이너 형상의 소결체(5)를 동일한 형상으로 가공된 금형(6)에 삽입한 후 프레스를 이용하여 냉간 금형 압축 성형하여 소결체(5) 내부의 기공을 제거하게 되면, 정밀하게 가공된 금형(6)에 따른 소결체(5)의 미세한 치수변화를 보정할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 텅스텐-구리 합금 부품 제조방법에 의하면, 기존 텅스텐-구리 합금 부품에 비하여 내부 조직이 균일하고 잔류기공이 없는 매우 우수한 물성을 갖는 텅스텐-구리 히트싱크, 전기접점 및 성형작약탄의 라이너를 손쉽게 제조할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 텅스텐-구리 합금 내부에 존재하는 잔류기공을 최소화 하고 텅스텐이 매우 미세하게 분산되어 있으므로 열과 전기 전도도, 연성, 인장강도, 피로강도 및 경도를 향상시킬 수 있게 되는 효과가 있고, 상기 본 발명으로 제조된 텅스텐-구리 합금 성형 작약탄의 라이너는 기존 텅스텐-구리 합금을 사용하는 경우에 비하여 제조공정이 간단할 뿐만 아니라 물성이 우수하고 신뢰성이 높아지는 효과가 있다.

Claims (8)

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2. 산화텅스텐(WO3 혹은 WO2.9) 분말과 산화구리(CuO 혹은 Cu2O) 분말을 혼합 분쇄한 후, 환원성 분위기에서 1단계로 200 ℃ 내지 400 ℃의 온도범위에서 1분에서 5시간 유지한 후, 다시 온도를 올려서 2 단계로 500 ℃ 내지 700 ℃의 온도범위에서 1분에서 5시간 유지한 후, 다시 온도를 올려서 3단계로 750 ℃ 내지 1080 ℃의 온도범위에서 1분에서 5시간 환원 열처리 하여 텅스텐이 구리 분말을 감싸는 구조의 텅스텐-구리 복합분말을 제조하는 단계;

   상기 텅스텐-구리 복합 분말 제조단계를 통해 제조된 텅스텐-구리 복합 분말로 되어 있는 원재료에 부피비로 30% ~ 70%의 바인더를 혼합하여 사출성형이 가능한 혼합체를 제조하는 단계;

   상기 혼합체 제조단계를 통해 제조한 바인더가 혼합된 혼합체를 히트싱크나 성형 작약탄의 라이너 등 원하는 형상의 금형을 이용하여 성형체를 사출 성형하는 단계;

   상기 사출 성형단계를 통해 사출된 성형체에서 용매를 이용하여 혼합된 바인더를 녹인 이후 가열을 통해 바인더를 태우는 방법 또는 단지 가열으로만 상기 텅스텐-구리 성형체에 혼합된 바인더를 제거하는 단계;

   상기 바인더 제거단계에서 바인더가 제거된 성형체를 1100∼1400℃에서 수소 분위기 또는 수소를 포함하는 환원성 분위기에서 소결하여 소결체의 밀도를 이론밀도 대비 95%이상으로 치밀화 시키는 단계; 및

   상기 소결 단계에서 치밀화된 소결체를 500∼1400℃에서 5∼200MPa의 압력으로 1분∼10시간동안 열간 등압 성형에 의하여 소결체 내부의 기공을 제거하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 텅스텐-구리 합금 부품 제조방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 잔류기공 제거단계는 상기 치밀화된 소결체를 금형을 이용한 냉간 또는 열간 압축 성형에 의하여 소결체 내부의 기공을 제거하고 치수변화를 보정하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 텅스텐-구리 합금 부품 제조방법.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 소결 단계에서 소결체의 치밀화가 이론밀도 대비 97%이상으로 매우 높은 경우 소결체 내부의 기공을 제거하는 열간 정수압 성형이나 금형압축성형이 생략됨을 특징으로 하는 텅스텐-구리 합금 부품 제조방법.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법에 의해서 제조된 방전용 전극.
6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법에 의해서 제조된 성형 작약탄의 라이너.
7. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법에 의해서 제조된 전기 접점.
8. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법에 의해서 제조된 히트싱크.

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