KR100366773B1 - 금속사출성형용 나노금속분말 피드스톡 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화안정성이 우수하고 분말입자가 나노미터크기인 금속사출성형용 금속분말 피드스톡의 제조방법에 관한 것으로 나노미터크기의 금속분말을 70-200℃의 온도에서 금속사출성형용 유기결합제와 혼합하는 단계와, 70-120℃의 온도에서 상기의 혼합물을 과립형태로 제조하는 단계로 구성되며 상기의 두 단계는 불활성 가스 또는 보호성 가스로 채워진 청정설비에서 이루어짐을 특징으로 하는 제조방법을 제공함으로써 나노금속분말의 폭발적인 산화문제를 제어하고 제품의 제조과정에서의 형상을 건전하게 유지하면서 완전치밀화를 이룰 수 있는 금속사출성형용 피드스톡의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

금속사출성형용 나노금속분말 피드스톡 제조방법{Manufacturing method of nano-metal feedstock for metal injection molding}

본 발명은 금속사출성형용 피드스톡(Feedstock)의 제조방법에 관한 것으로써, 특히 산화안정성이 우수하고 분말입자가 나노미터크기인 금속사출성형용 금속 분말 피드스톡의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 금속사출성형에 사용되는 유기결합제를 제거한 후 금속분말성형체는 밀도가 낮아 완전 치밀화와 균일한 수축성을 갖기 힘들다. 따라서 소량의 합금원소를 첨가하거나 재성형 또는 소결온도를 높이는 방법 등이 사용되어 왔다.

그러나 상기의 방법은 재료의 기능을 저하시키고 제조공정의 복잡화와 함께 제조비용이 과도하게 높아지는 문제점이 있다. 이에 반해 분말입자 크기가 0.1㎛ 이하인 나노금속분말은 우수한 소결성으로 인해 균일한 수축과 완전치밀화가 가능하고 제품의 특성이 향상되기 때문에 나노금속분말을 금속사출성형기술에 적용하려는 연구가 국내외에서 활발히 진행되고 있다.

그러나 현재 나노금속분말에 관한 국내 수준은 몇몇 기업체에서 시험공장(pilot plant)단계이고 선진국에서는 분말형태로 생산하고 있으나 금속사출성형용 원료로는 제조하지 못하고 있다. 그 이유중 하나는 나노금속분말은 입자 미세화에 기인하여 대기중에서 산화 또는 발화되기 쉽고, 더욱이 이 분말을 금속사출성형용 피드스톡으로 가공할때 70∼200℃의 온도 구간에서 작업하므로 산화 또는 발화는 더욱 심각하다.

금속사출성형용 피드스톡의 설계 및 분말제조에 대한 구체적인 예를 살펴보면 미국공고특허 제US5064463호에는 반응성이 높은 Al, Mg, Ti 분말을 반응성이 낮은 Cu, Co, Fe, Ni, Sn등과 같은 금속으로 피복한 후 바인더에 분산 혼합하여 금속사출성형용 피드스톡을 제조하는 기술로서 반응성이 높은 금속을 금속사출성형용 원료로 제조하는 방법에 대하여 개시되어 있다. 그러나 상기의 방법으로 나노입자상 분말을 피복하는 것은 불가능하며 또한 가능한 경우에도 매우 높은 생산비가 예상되는 문제점이 있다.

미국공고특허 제US4708741호에는 저온소결에서 치밀화와 우수한 기계적 성질을 갖는 스테인리스 스틸(stainless steel) 금속사출성형용 피드스톡에 관한 것으로서 종래의 316L 스테인리스 스틸에 비해 Cr 조성을 높이고, Ni 함량을 낮추는 방법에 대하여 개시되어 있다. 금속사출성형용 분말제품의 가장 어려운 문제는 가공후 균일한 소결치밀화를 얻는 것인데 이 기술에서는 스테인리스 스틸의 조성을 조절하여 소결성을 꾀하고 있으나, 상기 방법은 고가의 합금성분의 경우에 제조비용이 높아지고, 또 불필요한 합금원소를 다량 사용해야 하는 문제점이 있다.

또한 상기의 종래의 기술에는 나노금속분말의 폭발적인 산화문제를 제어하고 탈지 및 소결과정에서 형상을 유지제어함으로써 최종적으로 완전치밀화에 이룰 수 있는 피드스톡의 설계가 전혀 고려되어 있지 않다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 산소가 없는 환경에서 나노분말과 유기결합제를 혼합함으로써 산화가 최소화된 나노 합금/복합분말을 금속사출성형용 피드스톡으로 제공하는 것으로 종래의 동일 조성의 금속사출성형용 소재에 비하여 완전치밀화한 초미세 구조의 나노합금/복합소재로서 금속사출성형용 피드스톡을 제조하는 방법을 제공한다.

도 1은 접사카메라로 촬영한 사진으로서 그래뉼(granule)로 제조된 실시예의 피드스톡의 형상사진.

도 2는 엑스레이(X-ray) 회절분석기를 이용하여 실시예와 비교예 1의 피드스톡에 대한 내산화특성을 평가한 그래프.

도 3은 실시예와 비교예 1의 피드스톡에 대한 대기중에서의 산화 안정성을 평가한 그래프.

도 4는 실시예의 피드스톡으로 제조한 기어형상의 금속사출성형체 사진.

도 5는 실시예의 피드스톡을 금속사출성형 후 1150℃에서 30분동안 소결한 소결체 사진.

도 6은 실시예와 비교예 2의 피드스톡을 1250℃에서 유지시 소결밀도변화를 나타낸 그래프.

도 7은 1250℃에서 2시간 소결한 실시예의 피드스톡의 미세구조를 주사현미경을 이용하여 측정한 사진(배율 2,000 배).

상기한 목적을 달성하기 위해 초미세 나노금속분말을 사용하는 금속사출성형용 피드스톡의 제조에 있어서, 나노미터크기의 금속분말을 금속사출성형용 유기결합제와 혼합하는 단계와, 상기의 혼합물을 과립형태로 제조하는 단계로 이루어짐을 특징으로하는 금속사출성형용 피드스톡의 제조방법을 제공한다.

이때, 상기의 두 단계는 불활성 또는 보호성 가스로 채워진 청정설비에서 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명은 산화오염이 되지 않고 대기중에서 장시간 저장하여도 산화반응이 일어나지 않는 금속사출성형용 나노합금/복합분말 피드스톡을 제조하는 것으로 W-Cu, Fe-Ni, Fe-Ni-Mo, Fe-Cu등의 나노금속분말과 Al₂O₃-Ni, Al₂O₃-W, Al₂O₃-Cu등과 같은 나노금속-세라믹 복합분말에 적용할 수 있다. 불활성 또는 보호성 가스로 채워진 청정설비에서 유기결합제와 나노분말을 혼합한 후 과립형으로 제조된 피드스톡을 제조하는 것으로 일단 나노분말의 표면이 유기결합제로 코팅되면 산소접촉을 막을 수 있어 대기중에서도 안정적이다.

금속사출성형용 나노금속분말 피드스톡의 제조방법에 대해서 살펴보면 다음과 같다.

이하 모든 단계는 불활성 또는 보호성 가스로 채워진 청정설비에서 진행한다. 첫 번째 단계로 유기결합제가 녹을 수 있는 온도로 가열한 혼합기에 금속사출성형용 유기결합제와 나노합금/복합분말을 넣고 균일하게 혼합한다. 두 번째 단계로 유기결합제와 나노합금/복합분말의 혼합물질을 과립제조기로 과립형태의 금속사출 성형용 피드스톡을 제조한다. 상기의 제조된 금속사출성형용 초미세 금속분말 피드스톡을 청정설비에서 꺼내어 금속사출성형용 원료로 저장한다.

나노미터크기의 금속분말의 종류에 따라서 유기결합제의 종류와 함량, 혼합온도 및 시간등의 제조조건이 달라지게 되며 불활성 또는 보호성 가스로 채워진 청정설비에서 각 금속계 분말에 적합한 혼합조건을 변화시킴으로써 각 금속계의 사출성형용 피드스톡을 제조할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

평균입도가 30㎛인 텅스텐산화물과 평균입도가 2㎛인 구리산화물을 97중량%-13중량%(W-Cu)의 조성이 되도록 혼합하여 습식 마찰밀링(attrition milling)을 1시간한 후 건조시키고 청정설비에서 순도 99.999%의 수소분위기하에서 200℃에서 1시간 유지한 후 800℃까지 승온하여 1시간 유지시켜 환원시킨다. W-Cu 나노복합분말은 입자크기가 20∼50 nm로 텅스텐입자와 구리입자가 균일하게 혼합된 응집체로 이루어져 있다.

혼합공정도 청정설비에서 진행되며 상기의 W-Cu 나노복합분말에 W-Cu계의 최적화된 결합제인 30중량% 폴리에틸렌-45중량% 파라핀왁스-15중량% 비스왁스-10중량% 스테아린산을 사용하여 150℃에서 1시간 동안 혼합한 후 노즐 직경 3mm의 몰드를 110℃로 유지하면서 100kg의 압력을 주어 직경 3mm, 높이 약 3mm 크기의 원통형 그래뉼(granule)을 제조한다.

비교예 1

평균입도가 30㎛인 텅스텐산화물과 평균입도가 2㎛인 구리산화물을 97중량%-13중량%(W-Cu)의 조성이 되도록 혼합하여 습식 마찰밀링을 1시간 하여 건조시킨 후 대기중에서 실시예와 동일한 방법으로 제조한다.

비교예 2

평균입도가 0.5㎛인 텅스텐 분말과 평균입도가 16㎛인 구리분말을 97중량%-13중량%(W-Cu)의 조성이 되도록 혼합하여 청정설비에서 실시예와과 동일한 방법으로 제조한다.

도 1은 그래뉼(granule)로 제조된 실시예의 금속사출성형용 W-Cu의 나노복합분말 피드스톡의 형상사진으로 W-Cu의 나노복합분말과 유기결합제가 혼합되어 3mm의 크기로 제조되었음을 알 수 있다.

도 2는 엑스레이(X-ray) 회절분석기를 이용하여 피드스톡의 내산화특성을 평가한 결과로서 청정설비에서 제조한 W-Cu 나노복합분말 피드스톡은 대기중에서 제조한 W-Cu 나노복합분말과 비교했을 때 Cu산화물(Cu₂O)만 소량 존재한다. Cu산화물(Cu₂O)은 유기결합제에서 분해되는 산소에 의해 형성된 것으로, 주요 성분인 W은 산화되지 않았음을 알 수 있다.

도 3은 실시예와 비교예 1의 각각의 피드스톡에 대한 대기중에서의 산화 안정성을 평가하기 위해서 W-Cu 나노복합분말을 40℃, 습도 30%의 환경에서 17시간 동안 유지한 결과 비교예 1의 피드스톡은 약 4%의 산화에 의한 무게증가를 보인 반면에 실시예의 피드스톡은 무게변화가 없음을 알 수 있다.

도 4는 사출성형성을 시험하기 위해서 실시예의 W-Cu 나노복합분말 피드스톡으로 제조한 기어형상의 금속사출성형체 사진으로 기어형상으로 성공적으로 사출성형되었음을 알 수 있다.

도 5는 소결시 형상유지성을 시험하기 위해서 실시예의 W-Cu 나노복합분말 피드스톡을 금속사출성형 후 1150℃에서 30분동안 소결한 소결체 사진으로 소결후에도 시편외형이 건전하게 유지되었음을 알 수 있다.

도 6은 실시예의 금속사출성형용 W-Cu 나노복합분말 피드스톡과 비교예 2의 피드스톡을 1250℃에서 유지시 소결밀도변화를 레이저 포토 디라토메트리(Laser Photo Dilatometery)를 이용하여 측정한 결과이다. 실시예는 50℃/min의 승온속도로 1250℃까지 승온하여 유지시간 30분후 부터 97%의 치밀화율을 보임을 알 수 있고 비교예 2는 같은 속도로 1250℃ 까지 승온하여 유지시간 120분후에 81%의 치밀화율을 보임을 알 수 있다.

도 7은 1250℃에서 2시간 소결한 실시예의 금속사출성형용 W-Cu 나노복합분말 피드스톡의 미세구조를 주사현미경을 이용하여 측정한 사진(배율 2,000배)으로 미세구조가 완전 치밀화되어 있고 균일함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 청정설비에서 제조한 나노금속분말 피드스톡은 제조상의 산화문제를 해결하였으며 나노금속분말 피드스톡은 혹독한 환경에서 산화안정성이 우수하며 사출성형성과 형상유지성이 우수함을 알 수 있다. 또한 소결 특성 및 미세구조가 우수하여 기존의 피드스톡이 가지고 있던 제품제조상의 문제점을 해결할 수 있으며 나노금속분말의 폭발적인 산화문제를 제어하고 제품제조과정에서의 형상을 건전하게 유지하면서 완전치밀화를 이룰 수 있는 금속사출성형용 피드스톡제조에 유용하게 사용할 수 있다.

Claims (4)

1. 초미세 나노금속분말을 사용하는 금속사출성형용 피드스톡의 제조에 있어서, 나노미터크기의 금속분말과 유기결합제를 유기결합제가 녹는 온도 이상 가열하여 서로 혼합하는 혼합단계와,

   상기 혼합단계에서 얻어진 혼합물을 상기 유기결합제가 유동성을 갖는 온도로 가열하여 과립형태로 제조하는 단계를 포함하며,

   상기 혼합단계 및 상기 과립화 단계는 공기에 노출되지 않은 상태로 연속적으로 이루어지는 것을 특징으로하는 금속사출성형용 나노금속분말 피드스톡 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기의 두 단계는 불활성 또는 보호성 가스로 채워진 청정설비에서 이루어짐을 특징으로 하는 금속사출성형용 나노금속분말 피드스톡 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기의 나노미터크기의 금속분말은 W-Cu, Fe-Ni, Fe-Cu, Fe-Ni-Mo 중에서 선택된 1종이상의 것임을 특징으로 하는 금속사출성형용 나노금속분말 피드스톡 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 금속분말은 나노미터 크기의 Al₂O₃를 함유할 수 있는 것을 특징으로 하는 금속사출성형용 나노금속분말 피드스톡 제조방법.