이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 다공성금속의 소재가 되는 미세금속사를 제조하기 위한 본 발명의 공정단계는 도 1의 공정블록도에 도시되어 있는 바와 같이, 미세금속사의 제조에 필요한 금속모재를 성형시키는 금속모재 성형단계(S1)와, 상기 금속모재를 바이트와 함께 선반에 장착시키는 가공선반 세팅단계(S2)와, 선반을 이용하여 금속모재를 절삭가공시킴으로서 파이프형 미세금속사를 절삭칩으로서 얻어내는 금속모재 절삭단계(S3)로 이루어진다.

상기 금속모재 성형단계(S1)는 도 2 및 도 3에 각각 도시되어 있는 바와 같이, 두께 0.5mm ~ 3mm의 금속제 원판이 되는 금속모재(1)의 중앙에 선반고정용 중공부(2)를 형성시키는 공정단계로서, 상기 금속모재(1)의 두께는 바이트에 의한 절삭가공시 금속모재(1)로부터 생성되는 절삭칩의 길이 즉, 본 발명에 의하여 제조되는 파이프형 미세금속사의 길이가 된다.

따라서, 상기 금속모재(1)의 두께는 다공성금속의 제조에 적합한 파이프형 미세금속사의 길이에 해당하는 0.5mm ~ 3mm 정도가 가장 바람직하며, 0.5mm 미만의 두께를 가지는 금속모재(1)는 모재 자체의 제조가 비교적 까다롭게 되므로 바람직하지 못하며, 3mm를 초과한 두께의 금속모재(1)는 파이프형 미세금속사를 얻어내기 위한 균일한 절삭작업이 까다롭게 될 뿐만 아니라, 초경합금이나 다이아몬드 등이 적용되는 바이트의 절삭부가 크게 되어 비경제적이다.

그러나, 3mm가 초과된 두께의 금속모재(1)를 바이트로서 절삭하여 그 길이가 길게 되는 파이프형 미세금속사를 제조한 다음, 이를 잘게 부수어서 사용할 수도 있고, 다공성금속의 경우 크기가 작은 향기금속 뿐만 아니라 가스필터나 멤브레인 지지체와 같은 기계부품의 용도로도 사용될 수 있으므로, 금속모재(1)의 두께는 최대 1cm까지 적용시킬 수 있다.

이와 더불어, 상기 금속모재(1)의 직경은 크게 제한을 두지 않지만, 파이프형 미세금속사의 제조시 소형의 기계선반이나 CNC선반을 사용하므로, 금속모재(1)의 직경(지름)은 2,5cm ~ 10cm의 범위내가 되도록 하는 것이 가장 무방하고, 중공부(2)의 직경 또한 금속모재(1)를 선반용 척(Chuck: 선반용 물림쇠)에 용이하게 고정시킬 수 있는 정도가 되면 무방하다.

또한, 상기 금속모재 성형단계(S1)에 있어서, 금속모재(1)의 둘레 부분을 따라 일정한 간격을 두고 절개홈(3)을 방사상으로 형성시켜, 도 2 및 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 금속모재(1)의 주연부가 부채꼴 형상을 가지는 다수 개의 절삭편(4)으로 분할 형성되도록 하는 것이 보다 더 바람직한데, 이는 바이트에 의한 금속모재(1)의 절삭시 구성인선(Built-up edge) 등과 같은 요인을 방지함으로서 파이프형 절삭칩이 균일하게 생성될 수 있도록 한 것이다.

다시 말해서, 원판 형상의 금속모재(1)를 선반에서 바이트로 절삭할 경우, 바이트에 구성인선(Built-up edge: 절삭날에 단단한 물질이 부착되어 가공면에 흠이 생기는 경우) 등이 발생하게 되면, 금속모재(1)로부터 파이프형의 미세금속사가 일정한 절삭칩으로 끊어지지 못하고 나선형으로 연이어져 나올 수도 있으며, 이는 금속모재(1)의 재질이 연성(알루미늄이나 은 등)이거나 절삭속도가 느리게 되는 경우에 발생할 확률이 높다.

따라서, 금속모재(1)의 둘레 부분을 따라 일정한 간격을 두고 절개홈(3)을 방사상으로 형성시켜, 금속모재(1)의 주연부가 다수 개의 절삭편(4)으로 분할 형성되도록 하면, 바이트에 의한 금속모재(1)의 절삭부하를 덜어주어 구성인선 등의 요인을 차단시킬 수 있음은 물론, 절삭칩이 하나의 파이프 단위로 끊어지지 못하고 연이어져 나오는 현상을 절개홈(3)에 의하여 방지할 수 있으며, 이로 인하여 금속모재(1)로부터 파이프형 미세금속사가 균일한 절삭칩으로 제조되도록 하는 측면에 보다 더 기여할 수 있게 된다.

또한, 금속모재(1)의 둘레 부분을 따라 형성되는 절개홈(3)의 개수를 증가시킬수록 파이프형 미세금속사를 균일한 절삭칩으로 얻어내는 측면에서 바람직하지만, 절개홈(3)의 개수를 단순히 증가시키는 것은 재료의 낭비와 금속모재(1)의 제조원가 상승을 유발시키므로, 절개홈(3)의 간격 즉, 절삭편(4)의 최대 원주길이(L)는 3mm ~ 1cm의 범위가 되도록 하는 것이 바람직하고, 절개홈의 폭(d1)은 1mm ~ 2mm 정도가 되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 절개홈(3)의 길이는 금속모재(1)의 외주면과 중공부(2) 내주면 사이의 폭을 기준으로 할 경우, 해당 폭의 3/4 내지 4/5 정도의 길이가 되도록 하는 것이 가공상 유리하고, 상기 절개홈(3)의 내측 단부에는 절개홈(3)의 가공시 발생하는 불균일면을 해소하여 금속모재(1)의 절삭작업에 지장을 초래하지 않도록 원형의 완충구멍(5)을 형성시키는 것이 바람직하며, 상기 완충구멍(5)의 직경은 절개홈(3)의 폭(d1)과 동일하거나 이보다 조금 더 클 수도 있다.

상기와 같은 금속모재 성형단계(S1)를 거친 후에는, 도 4 내지 도 6에 각각 도시되어 있는 바와 같이, 소형 기계선반 또는 CNC선반과 같이 금속모재(1)의 절삭가공이 가능한 선반(10)의 척(13)에 금속모재(1)를 죠오(15)로 장착시키는 한편, 선반(10)의 공구대(11)에는 절삭면이 0˚(수평) ~ 15˚각도로 하향 경사진 바이트(6)를 고정볼트(11a)로서 장착시켜, 금속모재(1)의 외주면이 바이트(6)의 절삭날과 인접되도록 하는 가공선반 세팅단계(S2)를 거치게 된다.

상기 가공선반 세팅단계(S2)에서 금속모재(1)의 절삭에 사용되는 바이트(6)는 도 4의 (가) 및 (나)에 도시되어 있는 바와 같이, 초경합금 바이트(6) 또는 그 절삭부에 다이아몬드팁(7)이 고정 설치된 바이트(6)를 사용하되, 상기 바이트(6)의 절삭면, 즉, 주절삭날(8)과 보조절삭날(9)을 포함하는 바이트(6)의 선단 상측면이 0˚(수평) ~ 15˚각도(θ1)로 하향 경사진 것을 사용하게 되며, 상기 보조절삭날(9)은 주절삭날(8)에 의한 절삭가공을 행할 수 없는 경우에 이를 보조토록 하기 위하여 주절삭날(8)과 다른 방향에 위치토록 한 것이다.

일반적으로 선반을 이용한 절삭가공에 사용되는 바이트의 경우 절삭면이 상부측으로 경사지게 형성되는 한편, 그 절삭면의 후방측에는 칩브레이커가 형성되어 있음에 따라, 바이트에 의하여 모재로부터 절삭되어져 나오는 절삭칩이 나선형으로 연이어지도록 한 다음, 이와 같은 절삭칩이 어느 정도의 길이로 나오게 되면 칩브레이커에 의하여 절단되도록 한 구조를 가지게 되는 바, 상기 절삭날이 모재와 이루는 각도가 크게 될수록 절삭칩이 유동형칩(Flow type chip)을 이루게 된다.

따라서, 바이트의 절삭날이 모재와 이루는 각도를 90˚ 또는 그 미만의 각도가 되도록 하면, 절삭칩이 나선형으로 연이어져 나오지 않고 파이프 형태로 말린 다음 짧은 크기로 끊어지게 되는 바, 이러한 원리를 이용하여 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 0˚(수평) ~ 15˚각도(θ1)로 하향 경사진 바이트(6)의 절삭날(8)을 금속모재(1)의 외주면과 밀착시킨 상태에서, 금속모재(1)를 고속으로 회전시켜 바이트(6)에 의한 절삭가공을 수행토록 함에 따라, 금속모재(1)로부터 파이프형의 미세금속사가 절삭칩으로 제조되도록 한 것이다.

상기 바이트(6)의 절삭각도(θ1)는 파이프형 미세금속사를 절삭칩으로 얻어내기 위한 최적의 각도로서, 상기 각도범위를 벗어나게 되면 금속모재(1)로부터 절삭칩이 나선형으로 연이어져 배출되거나 또는 절삭칩이 요구하는 파이프 형상을 이루지 못하게 되며, 도 4의 (가) 및 (나)에서 α 및 β로 표시된 각도는 바이트(6)의 여유각을 나타내는 것으로서, 금속모재(1)의 재질에 따라 다소 차이가 있을 수 있으나, 개략 4 ~ 30˚의 각도범위가 된다.

그러나, 상기 α 및 β로 표시된 바이트(6)의 여유각도는 본 발명에 의한 제조방법에 영향을 미치는 구성요소는 아니라고 볼 수 있으며, 절삭날(8)(9)에 의한 바이트(6)의 절삭각도(θ1)를 제외한 바이트(6)의 외관형상은 도면에 도시된 것 이외에도 다른 형태의 바이트(6)가 사용될 수 있고, 바이트(6)에 의한 금속모재(1)의 절삭가공이 가능한 것이라면 상기 선반(10) 또한 다양한 종류의 것이 사용될 수 있음은 물론이다.

이와 더불어, 도 6에 보다 명확하게 도시되어 있는 바와 같이 상기 가공선반 세팅단계(S2)에 있어, 선반(10)의 공구대(11)와 바이트(6)의 하측면 사이에 스페이서(16)를 개재시킴으로서, 바이트(6)의 하측면이 0.1mm ~ 1mm의 극간(17)을 두고 공구대(11)와 이격되도록 세팅하는 것이 보다 더 바람직하며, 이러한 극간(17)은 금속모재(1)의 절삭시 바이트(6)의 절삭날(8)(9) 선단에 절삭저항이 순간적으로 크게 작용할 경우, 이를 완충시키는 기능을 담당하여 파이프형 미세금속사의 제조를 보다 더 손쉽고 정확하게 수행토록 하게 된다.

상기 스페이서(16)는 절개홈(3)이 형성되지 않은 금속모재(1)를 선반(10)에 장착시키고, 경사각도(θ1)가 0˚(수평) ~ 5˚ 정도로 하향 경사진 바이트(6)로서 금속모재(1)를 절삭시킬 경우에 적용시킴으로서, 바이트(6)의 절삭날(8)(9)에 작용하는 절삭저항을 완충시켜 구성인선 등의 요인이 발생하지 않도록 한 것이며, 상기 스페이서(16)는 공구대(11)와 맞물리는 바이트(6)의 하측면이 공구대(11)와 소정의 각도(θ2)만큼 벌어지도록 얇은 칼날과 같은 도구를 사용하되, 공구대(11)와 바이트(6)가 벌어지는 최대간격을 0.1mm(θ1= 5˚) ~ 1mm(θ1= 0˚)의 범위내에서 조정시키게 된다.

상기와 같은 가공선반 세팅단계(S2)를 거친 후에는, 선반(10)의 구동축(14)을 회전시킴으로서 척(13)에 장착된 금속모재(1)가 고속으로 회전되도록 하는 한편, 공구대(11)에 장착된 바이트(6)를 왕복대(12)를 이용하여 금속모재(1)측으로 이송시키는 금속모재 절삭단계(S3)를 거침에 따라, 도 7의 (가) 내지 (다)에 도시된 바와 같이, 길이 0.5mm ~ 3mm, 직경(d2) 0.05mm ~ 0.3mm가 되는 파이프형 미세금속사(20)를 절삭칩으로서 얻어내는 본 발명에 의한 파이프형 미세금속사 제조방법이 완료된다.

상기 금속모재 절삭단계(S3)에서 금속모재(1)의 회전속도(rpm)와 왕복대(12)에 의한 바이트(6)의 급이속도는 모재가 되는 금속의 종류와 두께 및 제조하고자 하는 파이프형 미세금속사(20)의 치수와 같은 여러 가지 조건에 의하여 일정한 범위내로 규정하기는 어렵다고 볼 수 있으나, 금속모재(1)의 회전속도는 500rpm ~ 2000rpm 정도가 적당하고, 바이트(6)의 급이속도는 0.1cm/min ~ 3cm/min 정도가 적당하다고 볼 수 있다.

상기와 같이 금속모재(1)의 회전속도를 500rpm ~ 2000rpm 정도로 하는 이유는, 금속모재(1)의 효과적인 절삭을 위한 최소 회전수를 확보토록 함과 동시에, 선반(10)의 가동에 따른 과도한 전력낭비를 방지하면서도 구성인선 등과 같은 절삭가공의 장애요인이 발생하지 않도록 하고, 금속모재(1)로부터 발생하는 파이프형 미세금속사(20)로서의 절삭칩이 넓은 범위로 비산되지 않도록 할 수 있는 바람직한 범위이기 때문이다.

또한, 금속모재(1)의 회전속도를 2000rpm 이상으로 할 경우에는 절삭칩의 비산을 방지할 수 있도록 가공부위의 주변에 절삭칩의 차폐커버와 같은 수단을 설치하는 것이 바람직하며, 바이트(6)의 급이속도(이송속도)는 절삭칩이 되는 파이프형 미세금속사(20)의 직경(d2), 다시 말해서 바이트(6)의 절삭깊이에 따른 칩의 두께와 이로 인한 칩의 곡률반경을 결정하는 요인이 되는 바, 파이프형 미세금속사(20)의 직경(d2)이 다공성금속의 제조에 바람직한 0.05mm ~ 0.3mm 정도가 되도록 바이트(6)의 급이속도 또한 위에서 기재된 범위내에서 조정하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 본 발명에 의한 파이프형 미세금속사 제조방법에 따르면, 다공성금속의 소재가 되는 미세금속사(20)를 선반(10)에 의한 금속모재(1)의 절삭가공을 통하여 절삭칩으로서 손쉽게 얻어낼 수 있으므로, 미세금속사(20)의 제조에 따른 시간과 비용을 최대한으로 단축 및 절감시킬 수 있으며, 이로 인하여 미세금속사(20)를 원소재로 하여 제조되는 다공성금속의 제조원가 또한 현저하게 절감시킬 수 있게 된다.

뿐만 아니라, 상기 미세금속사(20)로 이루어지는 섬유덩어리를 프레스장치에서 가압시켜 예비성형체를 1차적으로 제조하는 과정에 있어서도, 파이프 형태를 가지는 미세금속사(20)끼리 서로 맞물리면서 구조적 또는 기계적으로 긴밀하게 연계될 수 있으므로, 프레스장치를 이용하여 미세금속사(20)에 의한 섬유덩어리를 비교적 낮은 압력으로 가압시키더라도 충분한 강도를 가지는 예비성형체를 제조할 수 있게 된다.

따라서, 종래의 경우와 같이 미세금속사(20)의 접착을 위한 바인더나 점결제를 사용하여 대용량의 프레스 작업을 수행하지 않더라도 예비성형체의 강도를 충분히 확보할 수 있음에 따라, 예비성형체 및 이를 소결처리한 다공성금속의 제조원가 절감에 더욱 크게 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 미세금속사(20) 자체가 파이프형으로 형성되어 있음은 물론, 미세금속사(20)에 의한 섬유덩어리에 바인더나 점결제가 포함되지 않기 때문에, 다공성금속의 기공률 또한 20 ~ 40% 정도의 수준으로 확보할 수 있게 되는 것이다.

이하, 상기와 같은 본 발명의 파이프형 미세금속사 제조방법과 연이이져 수행되는 본 발명의 다공성금속 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 미세금속사(20)를 이용하여 다공성금속을 제조하기 위한 본 발명의 공정단계는 도 1의 공정블록도에 도시되어 있는 바와 같이, 미세금속사(20)로 이루어지는 섬유덩어리를 프레스금형의 성형면으로 투입하는 미세금속사 투입단계(S11)와, 프레스금형을 사용하여 미세금속사(20)의 섬유덩어리를 가압시키는 프레스 성형단계(S12)와, 상기 프레스 성형단계(S12)를 거쳐 제조된 예비성형체를 소결로에 장입시켜 소결 처리하는 소결처리단계(S13)로 이루어지게 된다.

상기 미세금속사 투입단계(S11)는 금속모재 절삭단계(S3)까지의 과정을 거쳐서 제조된 미세금속사(20)를 예비성형체의 제조에 필요한 량만큼 한데 모아서 미세금속사(20)에 의한 섬유덩어리를 형성시킨 다음, 이 섬유덩어리를 프레스금형의 성형면 내부로 투입하는 공정단계이며, 도 8에서는 본 발명에 적용될 수 있는 프레스금형의 대표적인 예로서 상,하부프레스(21)(22)에 상,하부금형(23)(24)이 장착된 유압식 프레스금형을 도시하였는 바, 상기 미세금속사(20)의 섬유덩어리는 하부금형(24)의 성형면(24a)으로 투입된다.

상기와 같은 미세금속사 투입단계(11)를 거친 후에는, 도 9에 도시된 바와 같이 미도시된 유압장치에 의하여 가이드봉(27)을 따라 승하강되도록 설치된 상부프레스(21)를 하부프레스(22)측으로 하강시킴에 따라, 상부금형(23)의 성형면(23a)을 하부금형(24)의 성형면(24a)과 밀착시키는 동시에, 이 과정에서 하부금형(24)의 성형면(24a)에 투입된 미세금속사(20)의 섬유덩어리가 가압되도록 함으로서, 미세금속사(20)의 섬유덩어리가 압밀된 예비성형체(26)를 제조하는 프레스 성형단계(S12)를 거치게 된다.

상기와 같은 프레스 성형단계(S12)에서 별도의 바인더나 점결제를 혼합시키지 않고 미세금속사(20)의 섬유덩어리를 300kg/cm ² ~ 1500kg/cm ² 정도의 압력으로 가압시키는 것만으로도 충분한 결합강도를 가지는 예비성형체(26)를 제조할 수 있게 되는 바, 이는 위에서 이미 설명되어진 바와 같이 상기 예비성형체(20)의 소재로서 본 발명에 의하여 제조된 파이프형 미세금속사(20)를 적용시킴에 따라 얻을 수 있는 잇점에 해당하는 것이다.

또한, 상기 프레스장치는 미세금속사(20)의 섬유덩어리를 요구하는 형상의 예비성형체(26)로 가압 성형시킬 수 있도록 하는 성형면을 구비하는 동시에, 미세금속사(20)의 섬유덩어리를 300kg/cm ² ~ 1500kg/cm ² 정도의 압력으로 가압시키는 기능을 달성할 수 있는 것이라면, 도면에 도시된 것 이외에도 어떠한 종류의 유압식 또는 기계식 프레스장치가 적용될 수 있음을 밝혀두는 바이며, 프레스금형에 의한 가압처리는 금형(23)(24)의 밀착 이후 압력을 서서히 상승시켜 요구하는 압력 수준에 도달하는 즉시 금형(23)(24)을 분리시키도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상,하부금형(23)(24)의 성형면(23a)(24a) 내측에 형성된 가열코일(25)은 프레싱 과정에서 미세금속사(20)의 섬유덩어리가 보다 더 용이하게 뭉쳐질 수 있도록 200℃ 이하의 온도로 섬유덩어리를 가열시키거나, 또는 미세금속사(20)의 용융온도 즉, 예비성형체(26)의 소결온도가 200℃ 이하가 될 경우 프레스금형 자체 내에서 예비성형체(26)의 소결처리를 수행할 수 있도록 한 것이지만, 이러한 경우 예비성형체(26)가 성형면(23a)(24a)에 부착될 우려가 있으므로, 상기 프레스 성형단계(S12)는 상온하에서 행하고 예비성형체(26)의 가열 및 소결처리는 가급적 별도의 소결로에서 수행토록 하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 프레스 성형단계(S12)를 거친 후에는, 예비성형체(26)를 소결로에 장입하여 모재용 금속의 용융점 직전까지 예비성형체(26)를 가열 및 소결시킴으로서 다공성금속을 제조하는 소결처리단계(S13)를 거침에 따라, 본 발명에 의한 다공성금속 제조방법이 완료되어지며, 본 발명에 적용될 수 있는 금속의 대표적인 종류 및 그에 따른 용융온도와 해당 용융온도를 기초로 한 소결온도의 범위는 표 1에 기재된 바와 같다.

표 1

위에서 설명되어진 종류의 금속 이외에도 다른 여러 가지의 금속이나 합금이 본 발명에 따른 다공성금속의 소재가 될 수 있는 바, 예비성형체(26)의 소결온도는 해당 금속이나 합금의 용융온도를 기준으로 하여, (용융온도 - 30℃) 내지 (용융온도 -10℃)의 범위내에서 미세금속사(20)의 직경과 크기에 따라 적절하게 조정시키는 것이 바람직하다.

또한, 예비성형체(26)를 소결로에 장입하여 가열 및 소결처리하는 시간은 소결로의 온도구배를 300℃/hr ~ 500℃/hr 정도로 하여 요구하는 소결처리 온도가 되면, 소결로의 작동을 중지시키는 것이 바람직하며, 예비성형체(26)의 소결처리에 사용되는 소결로는 고주파 유도식 가열로가 가장 적합하나, 소결처리에 필요한 온도를 확보할 수 있는 것이라면 다른 어떠한 종류의 소결로를 사용하더라도 무방함을 밝혀두는 바이다.

상기와 같은 소결처리단계(S13)를 거쳐 최종적으로 제조된 다공성금속은 도 10의 확대된 절단면 부분에 도시되어 있는 바와 같이, 바인더나 점결제를 사용하지 않고 파이프형 미세금속사(20)간의 구조적 또는 기계적 연계방식에 의하여, 20% ~ 40% 수준의 높은 기공률을 가지면서도, 각각의 미세금속사(20) 성분이 소결처리에 의하여 견고하게 접착됨으로서 구조적,기계적인 강도가 매우 우수한 금속소결체가 된다.

이와 더불어, 예비성형체(26)를 소결 처리하여 다공성금속을 제조할 시에도 미세금속사(20)의 용융온도만을 고려하여 해당 금속의 용융온도 직전의 온도 수준에서 적절하게 소결 처리함에 따라, 미세금속사(20) 자체가 완전히 용융되어 기공이 없는 일정한 크기의 덩어리로 뭉쳐지는 문제점이 발생하지 않게 되며, 이로 인하여 다공성금속에 형성되는 기공의 구조가 서로 치밀하게 얽히면서 매우 복잡한 통로를 형성함을 알 수 있다.

상기와 같이 다공성금속의 기공률을 크게 향상시키는 한편, 기공의 구조 또한 치밀하게 얽혀진 복잡한 통로구조를 가지도록 함에 따라, 향기금속의 제조시 다공성금속을 통한 향료의 침투량 및 이로 인한 향기의 지속시간을 최대한으로 확보할 수 있음은 물론이고, 다공성금속을 가스필터나 멤브레인(Membrane) 지지체로 사용할 경우에도, 기공을 통한 이물질의 흡착력이나 흡착량 또한 크게 향상시킬 수 있게 됨으로서, 다공성금속에 의하여 제조되는 제품의 대외경쟁력 확보에도 크게 기여할 수 있게 되는 것이다.