JP2011503361A

JP2011503361A - 粉末射出成形体の製造方法

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Publication number: JP2011503361A
Application number: JP2010533972A
Authority: JP
Inventors: ヨンスクパク
Original assignee: エムティーアイジーカンパニーリミテッド; ヨンスクパク
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2011-01-27
Also published as: CN101633042B; US20110123384A1; US20140077426A1; CN101633042A; WO2010010993A1; KR20100010976A; KR101076785B1

Abstract

少なくともチタン水素化合物（ＴｉＨｘ）粉末とバインダーとを混合して成形混合物を製造する段階と、成形混合物を粉末射出して成形体を形成する段階と、成形体を脱脂する段階と、脱脂された成形体を焼結する段階と、を含む粉末射出成形体の製造方法を提供する。この際、チタン水素化合物で、チタン（Ｔｉ）に対する水素（Ｈ）の比率（ｘ）は、０．４５より大きく１．９８より小さい。したがって、脱脂工程または焼結工程時、チタン水素化合物がチタンと水素とに分解されるが、水素が、酸素、炭素、窒素と反応するために、焼結体内での不純物の発生可能性が大きく減少する。また、脱脂工程時、チタン水素化合物から水素発生量が減少するために、生成された水素による爆発の可能性が大きく減少する。これにより、最終成形体の品質が向上する。

Description

本発明は、粉末射出成形体の製造方法に係り、より詳細には、最終成形体の品質が向上する粉末射出成形体の製造方法に関する。

チタンは、優れた機械的特性と人体への無害性などの長所によって、各種工具や機械部品の材料として利用されている。チタンを用いて工具などの成形体を製造する従来の方法としては、チタン粉末を利用した焼結方法と、チタン粉末をバインダーと混合して射出成形する方法とがある。

しかし、チタン粉末は、成形体の形成過程で粒子表面が大気中の酸素と反応して酸化層を形成する。前記酸化層によって純粋チタン粉末間の結合が困難になるにつれて、生産されるチタン成形体の機械的性能が落ちるという問題があった。このような問題点を解決するために、チタン水素化合物粉末を用いて射出成形する技術が、特許文献１に開示されている。しかし、チタン水素化合物粉末の種類が非常に多様であるために、最終成形体の品質もチタン水素化合物粉末の種類に影響を受けるという問題点がある。

大韓民国特許登録番号第１０−０７２５２０９号

本発明は、最終成形体の品質が向上するチタン粉末射出成形体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、少なくともチタン水素化合物（ＴｉＨｘ）粉末とバインダーとを混合して成形混合物を製造する段階と、前記成形混合物を粉末射出して成形体を形成する段階と、前記成形体を脱脂する段階と、前記脱脂された成形体を焼結する段階と、を含み、前記チタン水素化合物で、チタン（Ｔｉ）に対する水素（Ｈ）の比率（ｘ）は、０．４５より大きく１．９８より小さな粉末射出成形体の製造方法を提供する。

本発明において、前記チタン（Ｔｉ）に対する水素（Ｈ）の比率（ｘ）は、０．５より大きく１．９８より小さなことが望ましい。また、本発明において、前記成形混合物は、金属物質の粉末または非金属物質の粉末をさらに含みうる。

本発明の粉末射出成形体の製造方法では、チタン水素化合物が使われる。脱脂工程または焼結工程時、チタン水素化合物がチタンと水素とに分解されるが、前記水素が、酸素、炭素、窒素と反応するために、焼結体内での不純物の発生可能性が大きく減少する。また、チタン（Ｔｉ）に対する水素（Ｈ）の比率（ｘ）は、０．４５より大きく１．９８より小さいために、前記脱脂工程時、前記チタン水素化合物からチタンと水素とが分解される時、水素発生量が減少する。したがって、前記生成された水素による爆発の可能性が大きく減少する。したがって、最終成形体の不良率が減少し、品質が向上する。

もし、成形混合物に、前記チタン水素化合物の以外に金属物質の粉末及び／または非金属物質の粉末がさらに含まれれば、最終成形体の特性が向上する。

本発明の一実施形態による粉末射出成形体の製造方法を示すフローチャートである。

本発明の一実施形態は、添付した図面を参照して、以下で、より詳細に説明される。
図１に、本発明の一実施形態による粉末射出成形体の製造方法が示されている。図１を参照すれば、チタン水素化合物（ＴｉＨｘ）粉末を準備する。前記チタン水素化合物で、チタン（Ｔｉ）に対する水素（Ｈ）の比率（ｘ）は、０．４５より大きく１．９８より小さく、望ましくは、０．５より大きく１．９８より小さい。これについての詳細な事項は、後述する。

前記チタン水素化合物粉末は、多様な方法を用いて製造可能である。スポンジ（ｓｐｏｎｇｅ）チタンを水素ガス状態で熱処理すれば、ＴｉＨ_２が製造される。前記ＴｉＨ_２を脱水素反応させれば、ＴｉＨｘが製造される。しかし、本発明は、これに限定されるものではない。

前記チタン水素化合物粉末の粒子サイズは、主に２２５メッシュ（ｍｅｓｈ）以下（望ましくは、３２５メッシュ以下）の範囲を有する。一般的に、ＴｉＨ_２の粒子サイズが６２５メッシュ以下になると、最終成形体の品質が保証される。しかし、本実施形態では、前記チタン水素化合物粉末が２２５メッシュ以下の範囲を有しても、焼結が効果的に発生しうるために、最終成形体の品質が向上する。また、前記チタン水素化合物粉末が、一部または全体として２２５メッシュの範囲を有することもある。それだけではなく、最終成形体の経済性及び粉末の充填性を高めるために、２２５メッシュの粉末、３２５メッシュの粉末、６２５メッシュの粉末、６２５メッシュ未満の粉末のうち少なくとも２種が互いに混合されて、使われることもある。もちろん、６２５メッシュより小さなサイズの粉末が利用されることもある。

前記チタン水素化合物とバインダーとを混合して、成形混合物を製造する（Ｓ１１０段階）。前記バインダーとしては、ＬＰＤＰ（ｌｏｗｄｅｎｓｉｔｙｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＨＤＰＥ（ｈｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙｐｏｌｙｅｔｈyｌｅｎｅ）、ＰＥＧ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ）、ＰＷ（ｐａｒａｆｆｉｎｗａｘ）が利用されることがある。前記チタン水素化合物粉末とバインダーとの構成は、チタン水素化合物粉末４０ないし６０ｖｏｌ．％と残量のバインダーとの比率を有する。

最終成形品の特性を向上させるために、前記チタン水素化合物粉末の以外に添加物が追加されることもある。添加物としては、金属物質または非金属物質がある。前記金属物質としては、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、ステンレス、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、アルミニウム（Ａｌ）、錫（Ｓｎ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、シリコン（Ｓｉ）などがある。前記チタン水素化合物は、ＨＣＰ結晶構造を有するために、加工し難く、コストも高価である。しかし、鉄及びステンレスは、ＢＣＣ構造を有し、ニッケル及び銅は、ＦＣＣ構造を有するために、チタンと合金になれば、軟性が高くなって、加工性が向上するだけではなく、合金素材の価格がチタンより安く、焼結温度が純粋チタンを利用する時より低くなって、製品の価格も安い。また、コバルトが、前記チタン水素化合物と焼結する場合、焼結温度が低くなる。一般的なチタン水素化合物の焼結温度は、１３００℃ないし１４００℃であるが、コバルト粉末が添加されれば、焼結温度が約１２００℃に低くなって、経済的に焼結体を製造することができる。さらに、コバルトが添加される場合、鉄やニッケルを添加するものより最終成形品の強度が向上する。また、モリブデン、クロム、バナジウム、マンガンが添加されれば、最終成形品の高温強度及び耐蝕性が増加し、ジルコニウムが添加されれば（特に、６ｗｔ％以下で添加される場合）、最終成形品の高温強度が向上する。前記シリコン粉末及び前記チタン水素化合物粉末の混合粉末で、前記シリコン粉末が、０．５ｗｔ％以内である場合、最終成形体のクリープ強度が向上する。

アルミニウム（Ａｌ）が添加されれば、製品の密度を低めながら引張及びクリープ強度を増加させる。錫が添加されれば、固溶強化がなされて、機械的特性を向上させる。タングステン（Ｗ）が添加されれば、最終成形体の耐磨耗性が向上する。

前記チタン水素化合物粉末と前記金属物質の粉末との混合粉末中で、鉄、ニッケル、コバルトは、１０ｗｔ％以下を有することが、最終成形品の軟性が向上する効果を有する。銅は、１０ｗｔ％ないし３０ｗｔ％の範囲で最終成形品の強度が向上する効果を有する。しかし、全体として、前記金属物質が、２０ｗｔ％以内の比率を有する時、チタン合金の本然の強度、耐蝕性及び高軽量を維持させるという点で望ましい。前記金属物質は、粉末は１種のみ混合されることもあり、複数個が混合されることもある。

既存のチタン粉末は、熱力学的安定性が低いために、チタンバルクをボールミリング（粉砕）すれば、酸素、窒素、炭素と反応して、副産物を発生させる。したがって、チタン粉末を効果的に粉砕することは難しい。しかし、前記チタン水素化合物は、熱力学的安定性が高いために、チタン水素化合物バルクを粉砕して、製造可能である。したがって、製造コストが非常に安くなる。ここで、最終粉末の粒子サイズは、２２５メッシュ以下（望ましくは、３２５メッシュ以下）の範囲を有しうる。この際、前記金属粉末を前記ボールミリング工程に投入して、前記チタン水素化合物粉末と前記金属物質の粉末とを混合することもできる。しかし、前記チタン水素化合物粉末を製造した後、前記チタン水素化合物粉末と前記金属物質の粉末とを混合器で混合することもできる。前記混合された粉末を前記バインダーと混じる。

前記添加物として、タングステン（Ｗ）粉末、タングステンカーバイド（ＷＣ）粉末も利用されることがある。タングステン粉末及びタングステンカーバイド粉末は、ともに混合され、非常に優れた耐磨耗性を有する。タングステン（Ｗ）とタングステンカーバイド（ＷＣ）との混合粉末の粒子サイズは、５μｍ以下であり、チタン水素化合物粉末の粒子サイズは、２２５メッシュ以下（望ましくは、３２５メッシュ以下）である。しかし、タングステン（Ｗ）とタングステンカーバイド（ＷＣ）との混合粉末の粒子サイズが、１μｍ以下である場合、最終成形体の耐磨耗性が高くなる効果を有する。タングステン（Ｗ）及びタングステンカーバイド（ＷＣ）の混合粉末と、前記チタン水素化合物粉末及びバインダーとを混ぜて、成形混合物を製造する。また、前記チタン水素化合物粉末、タングステン（Ｗ）粉末及びタングステンカーバイド（ＷＣ）粉末の混合粉末に、タングステン（Ｗ）粉末及びタングステンカーバイド（ＷＣ）粉末の比率は、２０ｗｔ％以下である。もし、前記混合粉末の比率が、２０ｗｔ％より大きくなれば、タングステン（Ｗ）とタングステンカーバイド（ＷＣ）との混合粉末の比重が大きくなって、前記成形混合物の偏析が生じ、前記成形混合物の物性の均一度が低くなる。

前記非金属物質としては、セラミック粉末がある。前記セラミックとしては、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２などがある。前記セラミックは、金属セラミック複合材料で最終成形品の耐磨耗性が向上し、高温強度が向上する効果を有する。前記セラミック粉末及び前記チタン水素化合物粉末の混合粉末で、前記セラミック粉末の比率は、２０ｗｔ％以下である。前記セラミックの粒子サイズは、５μｍ以下であり、前記チタン水素化合物粉末の粒子サイズは、２２５メッシュ以下（望ましくは、３２５メッシュ以下）である。しかし、前記セラミック粉末の粒子サイズが、１μｍ以下である場合、最終成形体の強度が向上する効果を有する。前記セラミック粉末、前記チタン水素化合物粉末及びバインダーを混ぜて、成形混合物を製造する。

以下、前記成形混合物に添加物が含まれないと仮定し、説明する。前記バインダーは、多様な混合比を有し、例えば、ＬＤＰＥ１０ないし２０ｖｏｌ．％、ＨＤＰＥ１０ないし２０ｖｏｌ．％、ＰＥＧ５ないし１０ｖｏｌ．％及びＰＷ１ないし１０ｖｏｌ．％を混合比率を有しうる。

前記成形混合物は、各チタン水素化合物粉末の粒子をバインダーが取り囲んでいる形態を有する。前記成形混合物は、バインダーの相互結合によって塊の形態を成すこともできるが、若干の加圧力によって粉末形態（Ｆｅｅｄｓｔｏｃｋ）に容易に破砕されうる。

前記成形混合物は、射出成形機内で十分な流動性を有するだけではなく、射出直後には、ＨＤＰＥ及びＬＤＰＥによって焼結前の成形混合物の強度を維持することができる。また、今後脱脂過程では、ＰＥＧがヘキサンを通じて除去されて、前記成形混合物に気孔が形成されれば、これを通じてＰＷが除去され、以後、ＬＤＰＥ、ＨＤＰＥが順次に除去されて、成形体の形状変形を最小化することができる。前記混合は、通常のダブルプラネタリーミキサー（Ｄｏｕｂｌｅｐｌａｎｅｔａｒｙｍｉｘｅｒ）やスクリューミキサーなどを用いて行われる。

前記成形混合物が製造されれば、粉末射出成形装置を用いて、前記成形混合物を金型内に射出して設定形状の成形体を得る（Ｓ１２０）。前記粉末射出成形装置の構成は、当業者レベルで多様に選択されうる。前記粉末射出は、３５０℃の温度で前記成形混合物が加熱された状態で、１０００ないし５０００［ｐｓｉ］の射出圧力で前記成形混合物を加圧してなされる。

前記成形体を脱脂処理する（Ｓ１３０）。脱脂は、成形体内でバインダーを除去する工程であって、真空炉内で熱分解方式で脱脂がなされる。例えば、前記脱脂過程は、窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）などのような所定の不活性ガスと水素ガスとを含む真空状態（真空度：１０^−３ないし１０^−６気圧）または大気状態で１段階として、常温（２０℃）から３００℃まで０．５−１℃／ｍｉｎの昇温速度で前記成形体を加熱した後、３００℃で３〜５時間維持し、２段階として、３００℃から７００℃まで０．５−１℃／ｍｉｎの昇温速度で前記成形体を加熱した後、７００℃で３〜５時間維持することでなされる。

一般的なチタン粉末を利用した成形体を脱脂処理すれば、チタン粉末の熱力学的安定性が低いために、約４００℃程度で炭素、酸素、窒素及び水素と反応して、ＴｉＣ、ＴｉＯ_２、ＴｉＮ、ＴｉＨ_２などを生成する。ここで、ＴｉＣ、ＴｉＯ_２、ＴｉＮは、焼結過程でも分解されないために、最終成形製品に残っていて、最終成形製品の品質が低くなる。また、チタン水素化合物でも、前記水素の比率（ｘ）が、０．４５以下であれば、前記チタン水素化合物の熱力学的安定性が低くなるために、酸素、炭素、窒素、水素と反応して、ＴｉＯ_２、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＨ_２などを生成する。特に、前記水素の比率が、０．５以下である場合、前記水素の比率が、０．５より大きな場合より格段に熱力学的安定性が低くなるために、前記水素の比率が、０．５より大きなことがさらに望ましい。

しかし、前記水素の比率が、１．９８以上であれば、脱脂時、チタン水素化合物から水素が分解される時、粉体の間でエネルギーが発生する。チタン水素化合物の場合、水素が分解される時、大きなエネルギーを発生させるために、粉末の間で小さな爆発を発生させ、前記爆発は、前記成形体に損傷を加えて、表面の均一性を低めるか、結合部の公差を増加させる問題点を引き起こす。このような問題点は、最終成形体の品質を悪くする。

前記から、前記水素の比率が、０．４５より大きく１．９８より小さく維持されることが望ましく、前記水素の比率が、０．５より大きく１．９８より小さく維持されることがさらに望ましい。

脱脂過程をより詳しく説明すれば、昇温初期温度範囲では、バインダーが脱脂されるための通路が射出成形体内に形成され、中間温度範囲では、低温用バインダーの脱脂がなされ、高温範囲では、高温用バインダーの脱脂が順次になされる。

一方、以上の脱脂過程に溶媒抽出方式の脱脂工程をさらに含ませることもできる。溶媒抽出方式は、射出された成形物を溶媒に浸漬させてバインダーを溶出除去する方式である。この際に使われる溶媒は、バインダーの種類によって変わり、メタノール、ブタノール、ヘキサン、ジクロロメタノールなどが使われる。特に、前記バインダーとしてＰＥＧを含む場合には、射出された成形体を５０ないし８０℃のヘキサンに３時間浸漬させることで、前記成形体からＰＥＧを抽出して除去することができる。このような溶媒抽出脱脂工程がさらに含まれる場合には、前記熱分解脱脂工程の前段階として経るようにすることもできる。

次いで、脱脂処理された成形体を焼結炉内で焼結処理する（Ｓ１４０）。
焼結は、アルゴンなどの不活性ガスを大気として含む高真空状態（真空度：１０^−６ないし１０^−３気圧）で行われ、別途の焼結炉内でなされることもでき、脱脂工程が完了した真空炉内で連続的に行わせることもできる。前記チタン水素化合物粉末は、焼結時、脱水素反応によって純粋チタン焼結体を生成する。前記成形体の焼結は、前記成形体を７００℃から１３００℃まで１−５℃／ｍｉｎで加熱した後、１３００℃で１〜５時間維持する過程で行われる。しかし、本発明は、これに限定されるものではない。

前記では、焼結が高真空状態で行われる。しかし、前記焼結がアルゴンなどの不活性ガスを大気として含む低真空状態（１０^−３ないし１０^−１気圧）で行われる。もし、チタン粉末自体が焼結されれば、焼結温度で炭素、酸素、及び窒素と反応して、ＴｉＣ、ＴｉＯ_２、ＴｉＮなどを生成する。ここで、ＴｉＣ、ＴｉＯ_２、ＴｉＮは、焼結過程でも分解されないために、最終成形製品に残っていて、最終成形製品の品質が低くなる。しかし、チタン水素化合物は、焼結温度でＴｉとＨ_２とに分解され、Ｈ_２がＴｉの代りに水素が炭素、酸素、及び窒素と反応するために、前記不純物の生成率が大きく減少する。したがって、低真空でも焼結が可能となる。高真空は、拡散ポンプを利用するために、高真空装置が非常に高価である。しかし、低真空は、ロータリーポンプを用いて形成されるために、低コストで低真空形成が可能である。したがって、本実施形態の場合、最終成形体の品質を維持しながら、前記焼結工程のコストが減少する。

前記焼結工程によって最終成形体が完成される。しかし、本発明は、これに限定されず、後処理工程がさらに追加されうる。

本発明は、図面に示された実施形態を参考にして説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これより多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されるべきである。

本発明によるチタン粉末射出成形体の製造方法は、高品質の最終成形体を製造することができる。

Claims

少なくともチタン水素化合物（ＴｉＨｘ）粉末とバインダーとを混合して成形混合物を製造する段階と、
前記成形混合物を粉末射出して成形体を形成する段階と、
前記成形体を脱脂する段階と、
前記脱脂された成形体を焼結する段階と、を含み、
前記チタン水素化合物で、チタン（Ｔｉ）に対する水素（Ｈ）の比率（ｘ）は、０．４５より大きく１．９８より小さなことを特徴とする粉末射出成形体の製造方法。
前記チタン（Ｔｉ）に対する水素（Ｈ）の比率（ｘ）は、０．５より大きく１．９８より小さなことを特徴とする請求項１に記載の粉末射出成形体の製造方法。
前記焼結段階で、前記脱脂された成形体は、低真空状態で焼結されることを特徴とする請求項１に記載の粉末射出成形体の製造方法。
前記チタン水素化合物（ＴｉＨｘ）粉末は、６２５メッシュ（ｍｅｓｈ）より大きな粒子サイズを有する粉末を含むことを特徴とする請求項１に記載の粉末射出成形体の製造方法。
前記成形混合物は、金属物質の粉末をさらに含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４のうち何れか一項に記載の粉末射出成形体の製造方法。
前記金属物質の粉末は、アルミニウム（Ａｌ）、錫（Ｓｎ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、バナジウム（Ｖ）、シリコン（Ｓｉ）、ステンレス、クロム（Ｃｒ）及び銅（Ｃｕ）からなる群から選択された少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項５に記載の粉末射出成形体の製造方法。
前記金属物質の粉末及び前記チタン水素化合物粉末は、ボールミリングや混合器で混合された後、前記混合された粉末が、前記バインダーに混合されることを特徴とする請求項６に記載の粉末射出成形体の製造方法。
前記チタン水素化合物粉末と前記金属物質の粉末との混合粉末で、前記金属物質の粉末の比率は、２０ｗｔ％以内であることを特徴とする請求項５に記載の粉末射出成形体の製造方法。
前記チタン水素化合物粉末と前記金属物質の粉末は、６２５メッシュより大きな粒子サイズを有する粉末を含むことを特徴とする請求項５に記載の粉末射出成形体の製造方法。
前記成形混合物は、タングステン（Ｗ）粉末及びタングステンカーバイド（ＷＣ）粉末をさらに含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４のうち何れか一項に記載の粉末射出成形体の製造方法。
前記チタン水素化合物粉末、前記タングステン（Ｗ）粉末及び前記タングステンカーバイド（ＷＣ）粉末の混合粉末で、前記タングステン（Ｗ）粉末及び前記タングステンカーバイド（ＷＣ）粉末の比率は、２０ｗｔ％以内であることを特徴とする請求項１０に記載の粉末射出成形体の製造方法。
前記タングステン（Ｗ）粉末及び前記タングステンカーバイド（ＷＣ）粉末は、５μｍ以下の粒子サイズを有する粉末を含み、
前記チタン水素化合物粉末は、２２５メッシュ以下の粒子サイズを有する粉末を含むことを特徴とする請求項１０に記載の粉末射出成形体の製造方法。
前記成形混合物は、非金属粉末をさらに含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４のうち何れか一項に記載の粉末射出成形体の製造方法。
前記非金属粉末は、セラミック粉末を含むことを特徴とする請求項１３に記載の粉末射出成形体の製造方法。
前記セラミック粉末は、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ及びＳｉＯ_２からなる群から選択された少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１４に記載の粉末射出成形体の製造方法。
前記チタン水素化合物粉末と前記セラミック粉末との混合粉末で、セラミック粉末の比率は、２０ｗｔ％以内であることを特徴とする請求項１３に記載の粉末射出成形体の製造方法。
前記セラミック粉末は、５μｍ以下の粒子サイズを有する粉末を含み、
前記チタン水素化合物粉末は、６２５メッシュより大きな粒子サイズを有する粉末を含むことを特徴とする請求項１３に記載の粉末射出成形体の製造方法。