KR102569196B1 - 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법에 관한 것으로, 구리분말 및 바인더를 혼합하여 사출성형용 원료인 피드스탁(feedstock)을 제조하는 단계; 상기 제조된 피드스탁을 사출성형기를 이용하여 커넥터 부품 형상의 금형 내로 사출함으로써 성형체를 성형하는 단계; 상기 성형된 성형체를 탈지하는 단계; 상기 탈지된 성형체를 소결하여 소결체 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법으로 이루어져 복잡한 형상 부품의 제작이 가능하고, 재료 손실률을 낮추며 대량생산이 가능하도록 하는 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터를 제조할 수 있다.

Description

금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법{Manufacturing method of copper connector for electric vehicle using metal powder injection molding}

본 발명은 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 구리분말 및 바인더를 혼합하여 사출성형체를 성형한 후, 소결하여 복잡한 형상 부품의 제작이 가능하고, 재료 손실률을 낮추며 대량생산이 가능하도록 하는 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법에 관한 것이다.

전자기기용 커넥터나 자동차 차재용 부품의 커넥터 등에 사용되는 구리 합금 판재는 일반적으로 감육이나 펀칭등의 프레스 가공이 실시된다. 이는 가공 비용이 많이 소요되고, 시간이 오래 걸리며 작업자의 작업 숙달 능력에 따라 제품의 품질이 좌우되는 단점이 있다. 또한, 대량생산시 제조설비비가 증가하고, 재료 손실률이 크다.

전자기기나 자동차 차재용 부품의 소형화에 따라, 프레스 가공품의 형상 균일성이 더 요구되어 오고 있다.

프레스 가공품의 형상 균일성은 구리 합금 판재의 결정 입경이나 석출 상태에 영향을 받는다고 알려져 있으며, 그러한 조직 제어에 의해서 프레스 가공품의 형상 균일성 향상이 시도되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에서는, 프레스 가공하였을 때의 치수 안정성을 향상시키는 것을 목적으로 하여, Co: 05∼30질량%, Si: 01∼10질량%를 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지는 전자 재료용 구리 합금으로서, 압연 평행 방향의 02% 내력이 500MPa이상, 도전율이 60%IACS이상, 압연 평행 단면에서의 평균 결정 입경이 10㎛이하이고, 표면에서 {200} 결정면으로부터의 X선 회절 적분 강도(I) {200}과, {220} 결정면으로부터의 X선 회절 적분 강도(I) {220}과, {311} 결정면으로부터의 X선 회절 적분 강도(I) {311}이 (I{220}＋I{311})/I{200}50인 관계를 만족하는 전자 재료용 구리 합금으로 한 기술이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 2나 특허문헌 3에는 Cu-Ni-Si계 합금의 결정립 내의 평균 KAM값 등을 제어함으로써 에칭 후 가공면의 표면 평활성을 향상시키는 기술이 개시되어 있다. 이와 같은 소재를 원재료 가격이 높아지는 어려움이 있었다.

일본특허공보 제6306632호 일본특허공보 제6154565호 일본특허공보 제6152212호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법을 적용하여 실형상으로 복잡한 구조 부품의 제작이 가능하도록 하고, 재료 손실률을 낮추고 대량생산이 가능하도록 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법은, 구리분말 및 바인더를 혼합하여 사출성형용 원료인 피드스탁(feedstock)을 제조하는 단계; 상기 제조된 피드스탁을 사출성형기를 이용하여 커넥터 부품 형상의 금형 내로 사출함으로써 성형체를 성형하는 단계; 상기 제조된 성형체의 바인더를 용매 탈지하는 단계; 상기 용매 탈지된 성형체를 열풍 탈지로에서 2차 가열 탈지하는 단계; 상기 2차 가열 탈지된 성형체를 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법은, 상기 구리분말은 입도크기 D50이 8~12㎛인 구형 분말이며, 구리분말의 내부 및 표면에 구리와 반응하여 생성된 산화물에서의 산소의 농도가 구리분말 전체에서 1,000ppm 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법은, 상기 바인더는 POM(폴리아세탈) 60∼75중량부, 카나우바 왁스나 파라핀 왁스를 포함하는 군에서 하나 이상 선택도디는 왁스 10∼25중량부, 폴리카보네이트 (polycarbonate; PC), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리에틸렌(polyethylene; PE)을 포함하는 군에서 하나 이상 선택되는 폴리머 5∼15중량부로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법은, 상기 용매 탈지 공정은 70∼90℃로 유지된 수조 내에 제품을 적치하고 용제를 공급하여 36시간 이상 탈지하고, 2차 가열 탈지 공정은 수소 분위기 하에서 상온부터 830℃까지 단계별로 서서히 승온하여 열풍탈지로 바인더를 제거하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법은, 상기 2차 가열 탈지 공정후, 수소분위기 하에서 1000℃~1100℃까지 가열하고 2시간 이상 유지후 냉각하는 소결공정이 추가되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 복잡한 구조 부품의 제작이 가능하도록 하고, 재료 손실률을 낮추고 대량생산이 가능하도록 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 구리 분말의 산소 농도를 낮추고, 탈지 공정과 소결 공정시 환원분위기로 관리되어 구리분말의 산화를 억제함으로써, 기존의 구리환봉의 비하여 전기전도도가 향상되는 구리 커넥터를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 전기자동차용 구리 커넥터 실물사진이다.
도 3은 본 발명의 제조방법 중 발명의 제조방법 중 실시예 1, 2의 용매 탈지된 성형체를 2차 가열탈지공정에서의 승온과정, 유지시간을 나타낸 그래프이다.
도 4는 발명의 제조방법 중 실시예 1, 2의 2차 가열탈지공정후, 소결공정에서의 승온과정, 유지시간을 나타낸 그래프이다.

이하에서 본 발명의 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법의 구현예들을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 명세서에 정의된 상태를 기준으로 정의한다.

도 1은 본 발명에 따른 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법을 나타낸 순서도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명은 따른 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법은, 구리분말 및 바인더를 혼합하여 사출성형용 원료인 피드스탁(feedstock)을 제조하는 단계; 상기 제조된 피드스탁을 사출성형기를 이용하여 커넥터 부품 형상의 금형 내로 사출함으로써 성형체를 성형하는 단계; 상기 제조된 성형체의 바인더를 용매 탈지하는 단계; 상기 용매 탈지된 성형체를 열풍 탈지로에서 2차 탈지하는 단계; 상기 2차 탈지된 성형체를 소결하는 단계;를 포함하는 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법을 제공한다.

더욱 상세하게, 본 발명은 전기자동차용 구리 커넥터의 원료인 구리분말과 바인더를 준비하는 단계; 상기 구리분말과 바인더를 혼련하는 단계; 상기 제조된 피드스탁을 사출성형기를 이용하여 커넥터 부품 형상의 금형 내로 사출함으로써 성형체를 성형하는 단계; 성형체에서 POM(폴리아세탈) 바인더를 용제인 노멀핵산(Nomal Hexane)이 담겨진 탈지설비에 장입하여 성형체내의 바인더를 용매 탈지하는 단계; 탈지된 제품을 높은 온도로 승온하여 성형체 내부에 잔존하는 카나우바 왁스나 파라핀 왁스 바인더를 2차 탈지하는 단계; 상기 2차 탈지된 성형체를 소결시켜 Back Bone Binder인 용 폴리머인 폴리카보네이트 (polycarbonate; PC), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리에틸렌(polyethylene; PE)을 열분해시키고 구리분말을 용융점 이하의 온도에서 접합시키는 소결 단계;를 포함하는 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 구리분말은 상기 구리분말은 입도크기 D50이 8~12㎛인 구형 분말이며, 구리분말의 내부 및 표면에 구리와 반응하여 생성된 산화물에서의 산소의 농도가 구리분말 전체에서 1,000ppm 이하인 것이 바람직하다.

상기 구리분말이 구형인 점은 구리분말과 바이더 혼합된 피드스탁을 원하는 형상의 금형에 사출성형기에 공급시 흐름성을 높이기 위하여 구형 형상을 갖는 것이 바람직하고, 구리분말은 입도크기 D50이 8~12㎛인 점은 전기자동차용 구리 커넥터의 소결후 밀도를 95% 이상 유지하기 위한 입도범위이다.

상기 구리분말은 구리분말의 내부 및 표면에 구리와 반응하여 생성된 산화물에서의 산소의 농도가 구리분말 전체에서 1,000ppm 이하인 것이 바람직한데, 구리분말의 산소농도가 높으면 구리분말의 표면에 산화물의 량이 증가하여 전기전도도가 낮아지고, 발열되는 문제가 발생하므로, 구리분말의 전체에서 산소 농도를 1,000ppm 이하로 유지하는 것이 바람직하다.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 바인더는 POM(폴리아세탈) 60∼75중량부, 카나우바 왁스나 파라핀 왁스를 포함하는 군에서 하나 이상 선택되는 왁스 10∼25중량부, 폴리카보네이트 (polycarbonate; PC), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리에틸렌(polyethylene; PE)을 포함하는 군에서 하나 이상 선택되는 폴리머 5∼15중량부로 구성될 수 있다.

또한, 상기 혼련하는 단계는 구리 분말, 바인더를 혼련기에 주입하여 150 내지 175℃로 30분 내지 2시간 동안 가열하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 원료의 주입은 105-140℃의 온도를 유지하는 노즐에 의해 이루어질 수 있다.

또한, 사출 성형 시, 금형의 온도는 25∼65℃ 일 수 있다.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 탈지하는 단계는 성형체를 70∼90℃로 유지된 수조 내에 성형체를 적치하고 용제인 노멀핵산(Nomal Hexane)을 공급하여 36시간 탈지 후 수소 분위기 하에서 상온부터 830℃까지 단계별로 서서히 승온하여 열풍탈지로 바인더를 제거할 수 있다.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 탈지단계 후, 수소분위기 하에서 1000℃~1100℃까지 가열하고 2시간 이상 유지후 냉각하는 소결공정을 한다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

도 2는 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 전기자동차용 구리 커넥터 실물사진이다. 도 2에 나타낸 바와 같이 전기자동차용 구리 커넥터는 그 형상이 복잡하여 구리 환봉소재를 다수의 기계가공을 통하여 제작하여야 하므로, 가공비용이 높고, 가공으로 재료 손실률이 높아질 수 밖에 없는 문제가 있었다.

<실시예 1> 구리 분말을 사출성형하여 전기자동차용 구리 커넥터 제조

구리 분말의 입도크기 D50이 8~12㎛인 구형상 분말, 산소의 농도가 1,000ppm 이하인 구리분말을 POM 75%, 왁스류 15%, PE 10%의 조성을 가진 바인더와 혼합하여 사출성형용 피드스탁(Feedstock)를 제조한 후 이를 사출성형기에 넣고 금형 내부로 사출하였다. 사출한 성형품을 용액온도 80℃로 유지한 수조에 장입하고 용제인 노멀핵산(Nomal Hexane)을 공급하면서 36시간 탈지를 시행한 후, 수소 분위기 하에서 상온부터 830℃까지 단계별로 서서히 승온하여 열풍탈지로 바인더를 제거하고, 아르곤 가스와 수소 가스의 혼합가스 조건에서 성형품을 소결로에서 1070℃, 2시간 유지 후 냉각 시 상대소결밀도 95~97%의 제품을 최종 전기자동차용 구리 커넥터을 얻을 수 있었다.

<실시예 2> 구리 분말을 사출성형하여 전기자동차용 구리 커넥터 제조

실시예 2는 구리 분말과 바안더를 혼합하여 가열 탈지하는 공정까지는 동일하고, 소결 단계의 온도만을 달리한 것이다.

소결은 수소 가스의 혼합가스 조건에서 성형품을 소결로에서 1075℃, 2시간 유지 후 냉각 시 상대소결밀도 96.3%의 제품을 최종 제품을 얻을 수 있었다.

<실험예 1> 물성분석

실시예 1과 실시예 2의 소결체의 인장강도, 크랙유무, 표면 부풀음을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

인장강도는 Instron사의 4885P모델을 이용하여 크로스 헤드 스피드(cross head speed)는 05mm/min으로 진행되었고, 경도는 로크웰 경도기를 이용하여 HRA 스케일에서 수행되었다.

크랙유무는 X-ray를 통하여 확인하였고, 표면 부품음은 육안검사를 통하여 확인하였다.

	실시예 1	실시예 2	비교예(풍산금속의 환봉소재)
전기전도도(ms/m)	1.858	1.812	1.724
크랙유무	없음	없음	없음
표면 부풀음	없음	없음	없음

표 1을 살펴보면, 전기전도도를 비교예인 시중에서 시판되고 있는 풍산금속의 환봉소재이고, 비교예의 전기전도도인 1.724 ms/m 보다 본 발명의 실시예 1, 2가 더 높은 전기전도도를 갖음을 알 수 있다. 이는 원료인 구리 분말의 산소농도를 1,000ppm 이하로 관리하고, 가열탈지 및 소결시 환원분위기상태에 가열됨으로써, 제조된 구리 커넥터의 입계내에 산화물이 비교예에 비하여 적게 포함되어 있다는 것을 의미하는 것으로 판단된다.

실시예 1 및 실시예 2 모두 X-ray를 통하여 확인한 결과 크랙이 발생하지 않았고, 소결후 표면의 부풀음을 발견되지 않았다.

도 3은 본 발명의 제조방법 중 발명의 제조방법 중 실시예 1, 2의 용매 탈지된 성형체를 2차 가열탈지공정에서의 승온과정, 유지시간을 나타낸 그래프이다.

상기 도 3의 그래프에서와 같이 용매 탈지된 성형체에 남아있는 바인더는 수소분위기에서 다수의 상이한 승온과정과 특정온도에서의 유지시간을 통하여 서서히 탈지되어 소결시 잔존하는 바인더로 인한 악영향을 없앨 수 있었다.

도 4는 발명의 제조방법 중 실시예 1, 2의 2차 가열탈지공정후, 소결공정에서의 승온과정, 유지시간을 나타낸 그래프이다.

상기 도 4의 가열 탈지된 성형체를 4단의 승온과정과 4회의 유지시간을 통하여 구리 분말간의 결합과 치밀화를 이루어 성형밀도를 높일 수 있고, 이 소결공정을 통하여 전기자동차용 구리 커넥터에 요구되는 전기전도도를 만족시킬 수 있었다. 또한 전기자동차용 구리 커넥터의 크랙이 없고, 표면 부풀음도 없는 양호한 전기자동차용 구리 커넥터가 제조되었다.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다.

따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (5)

1. 구리분말 및 바인더를 혼합하여 사출성형용 원료인 피드스탁(feedstock)을 제조하는 단계;
   상기 구리분말은 입도크기 D50이 8~12㎛인 구형 분말이며, 구리분말의 내부 및 표면에 구리와 반응하여 생성된 산화물에서의 산소의 농도가 구리분말 전체에서 1,000ppm 이하이며,
   상기 바인더는 POM(폴리아세탈) 60∼75중량부, 카나우바 왁스나 파라핀 왁스를 포함하는 군에서 하나 이상 선택된 왁스 10∼25중량부, 폴리카보네이트 (polycarbonate; PC), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리에틸렌(polyethylene; PE)을 포함하는 군에서 하나 이상 선택되는 폴리머 5∼15중량부로 구성되고,
   상기 제조된 피드스탁을 사출성형기를 이용하여 커넥터 부품 형상의 금형 내로 사출함으로써 성형체를 성형하는 단계;
   상기 제조된 성형체의 바인더를 70∼90℃로 유지된 수조 내에 제품을 적치하고 용제를 공급하여 36시간 이상 탈지하는 용매 탈지하는 단계;
   상기 용매 탈지된 성형체를 열풍 탈지로에서 수소 분위기 하에 상온부터 830℃까지 단계별로 서서히 승온하여 열풍탈지로 바인더를 제거하는 2차 가열 탈지하는 단계;
   상기 2차 가열 탈지된 성형체를 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어,
   상기 2차 탈지공정후, 수소분위기 하에서 1000℃~1100℃까지 가열하고 2시간 이상 유지후 냉각하는 소결공정이 추가되는 것을 특징으로 하는 금속분말 사출성형을 이용한 전기자동차용 구리 커넥터의 제조방법.