KR100451332B1 - 수지상금속입자의형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (1) 초기 단계 소결에 적합한 조건하에서, 비수지상 입자를 포함하는 분말을 가열하여 약간 소결된 물질을 형성하는 단계, 및
(2) 약간 소결된 물질을 분쇄하여 수지상 입자를 포함하는 분말을 형성하는 단계로 이루어지는 수지상 금속 분말의 형성 방법에 관한 것이다. 하나의 양태에서, 약간 소결된 물질은 스크린을 통해 물질을 브러싱함으로써 분쇄된다.
본 발명의 또 다른 양태는 상기 방법에 의해 생성된 수지상 입자이다. 이들 입자들은 전이 금속, 희토류 금속, 주족 금속 또는 준금속과 같은 임의의 적합한 금속, 또는 2개 이상의 상기 금속으로 이루어진 합금을 포함할 수 있다. 또한 이들 입자들은 금속 산화물과 같은 세라믹 물질을 포함할 수 있다. 이들 입자들은 실질적으로 비수지상인 입자들의 융합으로 발생한 수지상, 고도의 비등방성 형태, 및 실질적으로 비수지상인 출발 물질에 비해 낮은 겉보기 밀도를 특징으로 한다. 본 발명의 수지상 입자들은 높은 순도이며 실질적으로 탄소 오염물을 함유하지 않을 수 있다.

Description

수지상 금속 입자의 형성 방법{Method for Forming Dendritic Metal Particles}
금속 분말은 금속성 구조물의 제작에서 공통의 출발 물질이다. 그러한 구조물은 통상적으로 금속 분말을 몰드에 패킹한 다음, 성형된 분말을 소결시켜 원하는 기계적 특성을 가지는 연속적인 구조물을 형성함으로써 제조된다. 최종 구조물의 특성은 출발 분말 입자의 형태에 따라 크게 좌우된다. 예를 들어 입자 형태는 입자의 패킹 효능을 결정하므로, 최종 구조물의 밀도 및 다공성을 결정한다.
니켈 및 철의 수지상 또는 필라멘트상 분말은 시판되고 있으며, 예컨대 인코 필라멘터리 니켈 파우더, 타입 287 (등록상표; INCO Filamentary Nickel Powder, Type 287) (미국 뉴저지주의 새들 브룩에 소재한 인터내셔날 니켈 컴퍼니사 제품)이 있다. 그러나, 철, 니켈 및 구리 외의 다른 금속으로된 수지상 분말은 시판되는 것이 없다. 대부분 금속들의 분말들은 통상 대체적으로 비수지상 분말 입자를 생성하는, 미립화에 의해 형성될 수 있다. 전착 (電着)은 철, 구리 및 은 분말의 제조에 사용된다. 이들 분말들은 수지상일 수 있으나, 생산 비용이 많이 들고 출발 물질에 존재하는 음이온으로부터 유도된 불순물을 혼합한다 (문헌 [Tarbenblat in Powder Metallurgy, Volume 7 of Metals Handbook, Ninth Edition, American Society of Metals, Metals Park, OH]을 참조). 또한 금속성 니켈 및 철의 분말은고독성의 유기금속 화합물, 즉 각각 니켈 테트라카르보닐 및 철 펜타카르보닐의 열분해에 의해 형성될 수 있다. 이 방법의 상세한 설명에 따르면, 생성되는 분말은 대체로 구상 또는 필라멘트상 중 어느 한 형태를 가진다.
그러나, 많은 금속 및 합금의 수지상 입자는 금속 카르보닐 분해에 의해 형성될 수 없다. 니켈 테트라카르보닐 및 철 펜타카르보닐과는 달리, 다른 2성분 금속 카르보닐 화합물들은 열분해되어 원소 금속 및 일산화탄소를 형성하지 않는다. 더욱이, 주족 (main group) 금속들, 백금, 팔라듐 및 희토류 금속들 (란탄족 및 악티늄족)와 같은 특정 금속들에 있어서, 2성분 카르보닐 화합물은 알려져 있지 않다 (문헌 [Cotton et al., Advanced Inorganic Chemistry, Wiley: New York, 1021-1051 (1987)]을 참조). 또한, 분자 전구체의 분해를 통한 금속 합금 분말의 형성은 합금과 같은 고용체가 필요로 하는, 원자 단위에서의 치밀한 혼합을 이루기 위해, 전구체가 원하는 금속을 원하는 비율로 함유할 필요가 있다. 특정 2금속 카르보닐 화합물은 알려져 있으나, 이들은 일반적으로 대량으로 생산하기 어렵고 분해상태에서 합금을 형성하는 것은 알려진 것이 없다 (Cotton 등의 상기 문헌 (1987)을 참조). 더욱이, 필라멘트상 니켈 및 철 분말의 제조에 사용된 방법은 실질적으로 순수한 다른 금속 및 합금에는 사용할 수 없다. 또한 이 방법은 특히 철의 경우, 상당량의 탄소 불순물을 가진 생성물을 낳는다.
다양한 용도에 있어서, 수지상 또는 필라멘트상 분말을 포함하며 순도가 증가된, 다양한 금속 분말로 제조된 금속 막 필터 요소를 필요로 한다. 이는 니켈 및 철이 기구의 잠재적인 용도에 어울리지 않을 경우, 특히 절실하다. 예를 들어,그러한 필터들은 반도체 제조에 사용된 가스를 정제하는데 사용될 수 있을 것이다. 그러나, 이 용도에서 니켈은 포스핀, 아르신 및 디보란과 같이 반도체 합성에 흔히 사용되는 특정 수소화물 시약의 분해를 촉진하므로, 불리할 것이다.
따라서, 시판되고 있는 것들 외의 금속 및 금속 함유 물질로된 수지상 분말을 필요로 한다. 수지상 금속 분말의 제조를 위한 종래 공지된 방법들의 제한은 이런 요구가 상기 분말의 형성을 위한 새로운 방법들의 계발을 통해 이루어질 수 있음를 나타낸다.
발명의 요약
본 발명은 (1) 초기 단계 소결에 적합한 조건하에서, 비수지상 입자들을 포함하는 분말을 가열하여 약간 소결된 물질을 형성하는 단계, 및
(2) 약간 소결된 물질을 분쇄하여 수지상 입자들을 포함하는 분말을 형성하는 단계로 이루어지는, 수지상 금속 입자를 형성하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 대한 하나의 양태에서, 비수지상 입자를 포함하는 분말은 가열하기 전에 적합한 기판상에 살포되거나 층상으로 놓인다. 또 다른 양태에서, 약간 소결된 물질은 스크린을 통해 이 물질을 브러싱함으로써 분쇄된다. 또 다른 양태에서, 상기 단계 (1) 및 (2)는 순서대로 1회 이상 반복된다.
본 발명의 또 다른 양태는 상기 방법에 의해 형성될 수 있는 수지상 입자들을 포함한다. 이들 입자들은 전이 금속, 희토류 금속, 주족 금속 또는 준금속 또는 2종 이상의 전술한 금속으로된 합금과 같은 임의의 적합한 금속을 포함할 수 있다. 또한 입자들은 금속 산화물과 같은 세라믹 물질을 포함할 수 있다. 이 방법에 의해 생성된 입자들은 수지상, 고도의 비등방성, 실질적으로 비수지상인 입자의 융합으로 일어난 형태, 및 실질적으로 비수지상인 출발 물질에 비해 낮은 겉보기 밀도를 특징으로 한다. 본 발명의 수지상 입자는 고순도일 수 있고 탄소 오염물을 거의 함유하지 않을 수 있다. 본 발명의 방법의 부가적인 잇점은 강한 독성의 금속 카르보닐 전구체들을 사용하지 않고, 니켈 및 철과 같은 금속의 수지상 입자를 제공한다는 것이다.
도 1은 제조자로부터 받은 상태 및 초기 단계 소결/분쇄 주기를 6회 반복한 후의 인코넬 (등록상표; INCONEL) 625 분말 입자의 크기 분포를 나타내는 그래프이다.
도 2는 초기 단계 소결/분쇄 주기를 수회 반복한 작용으로서 인코넬 625 분말의 에어-레이드 (air-laid) 밀도의 변화를 예시하는 그래프이다.
도 3A는 처리되지 않은 인코넬 625 분말에 대한 에너지 분산 X-선 형광 스펙트럼이다.
도 3B는 초기 단계 소결/분쇄 주기를 6회 반복한 후의 인코넬 625 분말에 대한 에너지 분산 X-선 형광 스펙트럼이다.
도 4는 초기 단계 소결/분쇄 주기를 연속적으로 2회 행한 후의 316L 스테인리스 스틸 분말의 밀도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 처리되지 않은 316L 스테인리스 스틸 분말 및 초기 단계 소결/분쇄 주기로 4회 처리한 316L 스테인리스 스틸에 대한 입자 크기 분포를 비교하는 그래프이다.
도 6은 실시예 1에 기재된 것과 같이 생성된 수지상 금속 입자의 주사 전자 현미경 조직 사진이다.
본 발명은 수지상 금속 입자를 형성하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 (1) 초기 단계 소결에 적합한 조건하에서 비수지상 입자들을 포함하는 분말을 가열하여 약간 소결된, 및 경우에 따라서 연속적인 물질을 형성하는 단계,
(2) 약간 소결된, 및 경우에 따라서 연속적인 물질을 분쇄하여 수지상 금속 입자들을 포함하는 분말을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태로는 본 발명의 방법에 의해 형성된 수지상 입자가 있다. 이들 입자들은 스칸듐, 티탄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리 또는 아연, 또는 이들 금속들의 보다 무거운 동종 원소와 같은 전이 금속, 우라늄, 가돌리늄, 유로퓸, 사마륨, 이테르븀 또는 란탄족 및 악티늄족으로부터의 다른 금속과 같은 희토류 금속, 리튬, 베릴륨 및(또는) 동종 원소, 알루미늄, 주석, 납, 갈륨, 안티몬 또는 인듐과 같은 주족 금속, 또는 붕소, 실리콘, 텔루륨, 게르마늄 또는 비소와 같은 준금속을 포함하는 임의의 적합한 금속을 포함할 수 있다. 또한 이들 입자들은 합금과 같이, 또 다른 것 중에서 1종 이상의 이들 금속들로 이루어진 단상 또는 다상의 고용체를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 방법에 의해 형성된 입자들은 금속 또는 준금속 산화물 또는 금속 또는 준금속 질화물과 같은 세라믹 물질을 포함할 수 있다.
본 출원에 있어서, "수지상"이란 용어는 실질적으로 다른 2개 보다 더 큰 하나의 치수를 각각 가지는 하나 이상의 필라멘트상을 포함하는 고도로 비등방성인, 불규칙적인 형태를 의미한다. 필라멘트상은 곧거나 굽은 모양일 수 있고 또한 분지되거나 그렇지 않을 수 있다. 수지상 입자는 보다 규칙적인 형태의 입자에 비해 낮은 패킹 효율을 특징으로 하기에, 보다 규칙적인 형태의 입자에 의해 형성된 것들 보다 더 낮은 밀도의 분말을 형성한다. 본 발명의 수지상 입자들은 실질적으로 비수지상인 출발 물질들의 융합에 의해 형성된다. 확대하면, 입자들은 실질적으로 수지상 형태를 가지는 출발 입자들의 집합체로서 나타날 수 있다. 또한 수지상 분말들은 자기-지지 그린 (self-supporting green) 형태 및 저밀도의 소결품을 형성하며, 따라서 보다 규칙적인 형태의 분말에 비해 보다 큰 다공성을 형성한다.
"실질적으로 비수지상 분말"이란 용어는 통상 비수지상 형태를 가지는 입자를 포함하는 분말을 일컫는다. 따라서, 이들 입자들은 실질적으로 동등한, 예컨대 동일한 자리수의 길이를 가진 2개 이상의 치수를 가진다.
"약간 소결된 물질"이란 용어는 랜달에 의해 정의된 것과 같이 (참고로 본 명세서에 도입된 문헌 ["Powder Metallurgy Science", second edition, German, ed., Metal Powder Federation Industry (1994)]을 참조), 소결의 초기 단계를 통한 금속 분말 입자의 융합에 의해 형성된 물질을 일컫는다. 초기 단계의 소결 또는 짧은 범위의 확산 소결에서, 금속 분말 입자들이 단지 그들의 인접한 입자들과 융합을 일으키는, 결합은 입자의 접촉점에서 입자들간에 형성된다. 따라서, 소결의 초기 단계는 기계적 강도가 낮은 깨지기 쉬운 구조를 낳는다. 주어진 물질에있어서, 소결은 물질의 소결을 위한 온도 범위 중 최저점에서의 이 초기 단계를 지나서 서서히 진행된다. 본 발명에 있어서, "초기 단계 소결"이란 용어는 초기 단계를 지나서는 실질적으로 소결이 진행되지 않는 조건에서 분말을 소결하는 것을 일컫는다.
본 명세서에서 사용된 "에어-레이드 밀도"란 용어는 스크린을 통해 체질하고, 소정의 부피의 몰드 또는 용기로 공기를 통해 떨어뜨린 후에 측정된 분말의 밀도를 일컫는다. 이 밀도 측정 방법은 본 명세서에 기재된 유형의 수지상 분말에 대해서와 같이, 고도의 재생성이 있다.
본 명세서에 사용된 "금속"이란 용어는 모든 금속성 또는 비금속성 화학 원소 또는 2개 이상의 이들 원소로된 합금을 일컫는다. 바람직한 금속으로는 백금, 크롬 및 니켈과 같은 전이 금속, 및 스테인리스 스틸 및 인코넬 625와 같은 합금이 있다.
본 명세서에서 사용된 "세라믹"이란 용어는 금속 또는 준금속의 산화물 또는 질화물과 같이, 비분자상 고체 물질을 형성하는, 1종 이상의 금속 또는 준금속 원소와 1종 이상의 비금속 주족 원소의 모든 조합을 일컫는다. 예로는 다양한 실리케이트, 텅스텐 삼산화물, 탄탈 질화물 및 실리콘 질화물이 있다.
본 발명의 방법은 지금까지는 구하기 어려웠고, 순도가 오직 구입하는 비수지상 출발 물질의 순도에 의해서만 제한되는 수지상 금속 분말의 생산을 가능케 한다. 유기 금속 전구체의 분해에 의해 형성된 금속-함유 물질은 일반적으로 탄소 불순물을 내포한다. 예를 들어, 인터내셔날 니켈 컴퍼니, 인크사가 판매하는 인코필라멘터리 니켈 파우더, 타입 287과 같은, 필라멘트상 니켈 분말은 최대 탄소 함량이 0.25%로 기재되어 있으며, 99.6%의 규정된 통상 순도를 가진다. 이와는 달리, 미립화에 의해 형성된 분말은 보다 높은 순도를 가질 수 있다. 예를 들어, 알트리히 케미칼 컴퍼니 (Aldrich Chemical Company, 위스콘신주 밀워키 소재)에서 판매하는 비필라멘트상 니켈 분말은 99.999%의 규정 순도를 가진다. 본 발명의 방법을 온도 및 압력의 조건이 비교적 완만한 상태에서 수행하고, 불활성 또는 환원성 대기 중에서 수행할 수 있을 경우, 분말의 화학 조성이 이 공정의 결과로서는 실질적으로 변화하지 않는다. 따라서, 수지상 분말 생성물은 사실상 실질적으로 비수지상인 출발 물질의 순도를 가진다. 그러므로, 본 발명의 방법에서 출발 물질로서 알트리히 니켈 분말의 사용은 실질적으로 이와 동등한 순도, 즉 현재 시판되는 필라멘트상 또는 수지상 니켈 분말에 비해 현저하게 증가된 순도의 수지상 니켈 분말을 생성할 것으로 기대된다.
따라서, 본 발명의 방법은 탄소-함유 출발 물질에 의존하지 않기에, 탄소 오염물이 실질적으로 없는 수지상 입자를 제공할 수 있다. 따라서 생성된 수지상 입자의 탄소 함량은 이와 관련하여 시판되는 비수지상 분말 물질에 따라, 실질적으로 0.20% 미만일 수 있다.
온도를 비롯하여, 초기 단계의 소결이 일어나는 곳에서의 조건들은 관련 물질에 따라 좌우되고 당업계의 숙련자에 의해 쉽게 결정될 수 있다. 주어진 물질에 있어서 초기 단계의 소결은 물질의 소결 온도 범위의 최하점에서 일반적이고도 최적으로 일어나고, 소결은 이들 조건하에서 단지 서서히 초기 단계를 지나서 이동한다. 가열은 진공 (예를 들어, 대략 10-6토어의 압력), He, Ar 또는 이질소화합물과 같은 불활성 대기, 또는 이산소화합물과 같은 환원성 대기하에서 수행되는 것이 바람직하다. 마지막 둘의 경우, 압력은 바람직하게는 약 0 내지 5기압 사이 또는 이보다 약간 높은 압력, 보다 바람직하게는 0 내지 약 1.5기압 사이이다. 이들 조건들은 승온 상태에서 많은 금속과 반응하여 금속 산화물 표면을 형성할 수 있는, 산소에 금속 입자를 노출시키지 않으므로 바람직하다. 이수소화합물과 같은 환원성 대기는 산소, 질소, 탄소 및 황과 같은 오염물을 제거함으로써 입자를 정제할 수 있다. 물론, 원하는 금속이 금속 산화물일 경우, 대기는 산소를 포함할 수 있다.
상기의 단계 (1)의 지속 시간은 전체 출발 분말 시료에 대해 초기 단계 소결을 수행하기에 충분할 수 있다. 필수적인 시간은 관련 물질, 처리되는 분말의 양, 분말 시료의 두께 및 금속 입자의 크기에 따른다.
하나의 양태에서, 비수지상 입자를 함유하는 분말은 가열하기 전에, 판 또는 다른 적합한 기판 위에, 바람직하게는 두께 약 2 cm 이하의 균일한 층으로 살포되거나 놓인다. 이는 전체 시료에 대한 초기 단계 소결의 균일도를 증가시킨다.
본 발명의 추가 양태에서, 분말 시료는 연속적으로 2회 이상 본 방법의 단계 (1) 및 (2)를 반복하여 거칠 수 있다. 본 명세서에서 사용된 "주기" 및 "초기 단계 소결/분쇄 주기"란 용어는 상기 방법의 단계 (1) 및 (2)의 순차적인 완료를 일컫는다. 실시예 1 및 2에 기재된 바와 같이, 분말 시료의 밀도는 본 공정의 각 주기에 따라 감소한다. 따라서, 출발 물질로서 니켈/크롬/철/몰리브덴 합금 분말 인코넬 625를 사용한 경우, 구입한 당시 분말의 에어-레이드 밀도는 3.7 g/cm3이었다. 초기 단계 소결/분쇄 주기를 3회 반복한 후의 에어-레이드 밀도는 3.0 g/cm3이었고, 6회 반복한 후의 에어-레이드 밀도는 2.38 g/cm3로 더 감소되었다. 또 다른 양태에서, 단계 (2)의 약간 소결된 물질은 예를 들어 스터링 (stirring)과 같은 교반에 의해 분쇄된다. 이 단계는 자동화될 수 있고 당업계에 공지된 수단을 사용하여 노내에서 수행될 수 있다.
수회의 연속적인 초기 단계 소결/분쇄 주기에 따른 에어-레이드 밀도의 감소는 각 주기에 따른 분말 입자의 증가된 수지상 특성을 표시함으로써 해석된다. 따라서, 보다 긴 수지상 분말 입자 및 보다 큰 분지도의, 보다 낮은 패킹성과 그에 따른 보다 낮은 밀도의 분말이 존재할 것으로 예상된다. 이 효과는, 보다 높은 밀도의 분말이 보다 짧고 보다 두꺼운 입자들로 구성되어 있는 반면, 보다 낮은 밀도의 분말들이 평균적으로 보다 길고, 보다 얇고 보다 고도로 분지된 입자들로 구성되어 있는 인코 (인터내셔날 니켈 코.) 필라멘트상 니켈 분말로 설명되었다. 따라서, 본 발명의 방법은, 주어진 분말의 밀도가 분말의 제조에 사용된 초기 단계 소결/분쇄 주기의 회수에 따라 좌우되기에, 상이한 밀도의 분말을 제조할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 방법은 금속 분말 출발 물질의 에어-레이드 밀도를 약 20% 이상, 바람직하게는 약 30%, 및 더욱 바람직하게는 약 40%로 감소시킬 수 있다.
본 방법에 적합한 물질은 실질적으로 비수지상인 분말로서 시판되는 소결가능한 물질이다. 이들에는 알칼리 및 알칼리 토 군 (family), 전이 금속, 알루미늄, 주석 및 납과 같은 주족 금속, 희토류 금속 (란탄족 및 악티늄족) 및 실리콘, 게르마늄 및 비소와 같은 준금속이 있다. 또한 금속 또는 준금속 산화물 및 금속 또는 준금속 질화물과 같은 세라믹 물질로서 합금도 사용할 수 있다. 비수지상 출발 물질은 임의의 크기일 수 있으나, 대략 10 ㎛ 이하의 직경을 가진 것이 바람직하다.
바람직한 양태에서, 약간 소결된 물질은 스크린을 통해 물질을 브러싱하여 기계적으로 분쇄된다. 상기 스크린의 체눈의 크기는 입자 직경의 상한치로 고정한다. 본 방법에 의해 생성된 수지상 입자를 포함하는 분말은 소정의 크기 보다 작은 입자를 제거하기 위해 더 체질될 수 있다. 이 경우, 뚜렷이 규정된 입자 크기 범위를 가진 분말 시료를 제조할 수 있다.
본 발명의 또 다른 국면은 본 발명의 방법에 의해 제조된 수지상 입자를 포함한다. 이들은 임의의 알칼리 금속, 알칼리 토 금속, 전이 금속, 주족 금속 또는 준금속 또는 희토류 금속 (즉, 란탄족 또는 악티늄족 금속)과 같은 단일 금속 또는 준금속 원소를 실질적으로 함유하는 수지상 입자를 포함한다. 또한 이들에는 상기 원소들의 족들로부터의 2종 이상의 금속 또는 준금속으로된 합금을 함유하는, 본 발명의 방법에 의해 제조된 수지상 입자가 포함된다. 또한, 본 발명은 금속 또는 준금속 산화물, 금속 또는 준금속 질화물, 또는 예를 들어 삼원과 같이 혼합된 금속 산화물을 함유하는, 본 발명의 방법에 의해 제조된 수지상 입자를 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 알칼리 또는 알칼리 토 금속, 3족 내지 7족, 9족 또는 12족 내지 16족 또는 희토류 금속의 원소인 금속 또는 준금속을 실질적으로 포함하는 수지상 입자를 포함한다. 또한 이에는 백금, 팔라듐, 루테늄, 오스뮴, 은 및 금을 함유하는 수지상 입자가 포함된다. 본 발명은 또한 2개 이상의 금속 원자를 포함하는 합금으로 이루어진 수지상 입자를 포함한다. 또한, 본 발명은 금속 또는 준금속 산화물, 금속 또는 준금속 질화물 또는 혼합된 금속 산화물과 같은 세라믹 물질을 함유하는 수지상 입자를 더 포함한다.
본 발명의 수지상 금속 분말은 몇가지 잇점을 가진다. 일부 내용이 전적으로 참고 문헌으로서 본 명세서에 도입된, 미국 특허 제5,487,771호에 기재된 금속 막 필터의 제작에서 출발 재료로서, 이들은 다양한 화학 물질 및 사용 조건에 어울리는 고 다공성 필터에 이용할 수 있다. 예를 들어 실시예 1에 기재된 것과 같이 제조된 수지상 인코넬 625 분말의 시료를 상기 금속 막 필터 요소의 제작을 위한 출발 재료로서 사용할 수 있다. 최종 소결품의 밀도가 3.44 g/cm3(60% 다공질)인데 반해, 그린 형태의 중간 생성물의 밀도는 3.13 g/cm3(63% 다공질)이었다. 처리된 분말이 비처리된 인코넬 625 분말 (3.7 g/cm3) 보다 낮은 밀도의 소결품을 생성한다는 것은 명백하다. 따라서, 처리된 분말은 결합제가 없는 상태에서 비처리된 분말로 얻을 수 있는 것에 비해, 보다 낮은 밀도 (및 보다 높은 다공성)의 소결품을 제공한다.
보다 규칙적인 형태의 입자에 비해 그들의 표면적이 더 크기에, 이종 촉매로서 유용한 금속 및 금속 산화물의 수지상 분말이 보다 규칙적인 형태를 가진 동일한 물질의 분말에 비해 향상된 활성을 보일 것으로 예상된다. 또한, 수지상 분말은 고도로 압축 가능하고, 소결하기 전에 몰드내에서 분말의 압축으로부터 생성되는 구조인, 자기-지지 그린 형태를 이룰 수 있다. 따라서, 그러한 그린 형태는 몰드 없이 소결될 수 있다. 이는 몰드내에서 분말의 소결이 몰드의 변형 및 금속 분말의 오염을 야기할 수 있기에 유리하다.
1회 이상의 초기 단계 소결/분쇄 주기에 의한 금속 분말의 처리는 또한 출발 물질에 비해서 개선된 분산성을 가지는 분말을 생성한다. 이는, 입자 형태가 보다 불규칙적으로 제조된 경우에 일반적으로 관찰되는 분산성의 감소를 상계하는, 초기 단계 소결/분쇄 주기로부터 일어난 입자 크기의 증가 때문이다. 따라서, 본 발명의 분말은 분말의 분산성이 중요한 용도에 사용될 것이다.
본 발명은 이제 아래의 실시예에 의해 더 구체적으로 설명될 것이다.
<실시예 1>
수지상 Ni/Cr/Mo/Fe 합금 분말의 제조
물질
인코넬 625 Ni/Cr/Mo/Fe 합금 분말 (3 ㎛ 이하의 단편)을 인터내셔날 니켈 컴퍼니, 인크로부터 구하였다. 구입 당시, 비분말 고체 인코넬 625의 밀도가 8.44 g/cm3인 반면, 이 분말의 에러-레이드 밀도는 3.70 g/cm3이었다.
방법
200 g 분량의 인코넬 625 분말을 몰리브덴 판 위에 놓고 유사한 상판으로 약간 압력을 가하여 약 2.0 cm 두께의 균일층을 형성하였다. 분말을 지닌 판을 진공 상태 (10-6토어)의 진공로에 두었다. 그 다음 760℃에 이를 때까지 노의 온도를 분 당 25℃의 속도로 증가시켰다. 이 온도를 30분간 유지시킨 다음, 노를 실온으로 냉각시켜서, 약간 소결된 물질을 얻었다. 그 다음 약간 소결된 분말을 체눈의 크기가 100 ㎛인 스크린에 두고 스크린을 통해 브러싱하여 서서히 분말로 분쇄하였다. 생성 분말을 다시 상기와 같이 약간 소결시키고 생성 물질을 분말로 분쇄하였다. 이 분말 시료에 대해 총 6회의 초기 단계 소결/분쇄 주기를 행하였다.
상기 약술된 방법에 의해 제조된 분말 시료를 사용하여, 미국 특허 제5,487,771호에 기재된 방법에 따라, 금속 막 필터 요소를 제조하였다.
결과
6회 처리한 후 이 분말의 에어-레이드 밀도는 2.38 g/cm3이었다. 도 1에서 보는 바와 같이, 이 처리는 출발 물질에 존재하는 것보다 크기가 더 큰 쪽으로 이동된, 훨씬 더 광범위한 크기 분포를 초래한다. 분포는 5 내지 20 ㎛의 사이에 가장 큰 비율로 존재하는 5 ㎛ 미만으로부터 30 ㎛ 초과의 범위이다. 도 2는 분말의 에어-레이드 밀도가 부가의 처리 주기에 따라 어떻게 변하는가를 보여준다. 처리 회수가 증가함에 따라 에어-레이드 밀도가 단조 증가하였다. 이는 분말 입자 형태가 각 처리에 따라 보다 규칙적으로됨을 나타낸다.
도 3A 및 도 3B는 초기 단계 소결/분쇄 주기를 6회 수행한 전후의 인코넬625 분말의 EDS 스펙트럼을 나타낸다. 처리 및 비처리된 분말의 원소 조성에는 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
미국 특허 제5,487,771호에서 개시된 방법을 통해, 처리된 인코넬 625 분말로부터 금속 막 필터 요소를 제작하였다. 상기와 같이, 처리된 분말의 에어-레이드 밀도는 2.38 g/cm3이었다. 이 분말을 몰드에서 가압하여 생성된 그린 형태의 밀도는 3.13 g/cm3(63% 다공질)이었고, 소결한 다음의 최종 필터 요소의 밀도는 3.44 g/cm3(60% 다공질)이었다.
<실시예 2>
수지상 스테인리스 스틸 분말의 제조
물질
316L 스테인리스 스틸 분말 (10 ㎛ 이하의 단편)을 아메텍 (Ametek) (펜실바니아주에 소재한 Ametek Specialty Metal Products Division, Eighty-four)사로부터 구입하였다. 구입 당시, 분말의 에어-레이드 밀도는 2.79 g/cm3이었다.
방법
2가지 사항을 제외하고, 실시예 1에 기재된 방법을 계속하였다. 우선, 출발 물질로서 100 g의 316L 스테인리스 스틸 시료를 사용하였다. 다음으로, 800℃로 최대 온도를 올리고, 이를 30분간 유지하였다. 초기 단계 소결/기계적 분쇄 공정을 총 4회 행하였다. 미국 특허 제5,487,771호에 기재된 방법에 따라, 생성되는수지상 316L 스테인리스 스틸 분말로 금속 막 필터 요소를 제작하였다.
결과
도 4는 일련의 초기 단계 소결/분쇄 주기에 따른 316L 스테인리스 스틸 분말의 에어-레이드 밀도 변화를 예시한다. 주기의 회수를 증가시킴에 따라 밀도가 단조 감소하는 것이 관찰되었다. 처리 주기를 4회 수행한 후, 에어-레이드 밀도는 1.54 g/cm3이었다.
도 5는 4회의 초기 단계 소결/분쇄 주기에 따른 입자 크기 분포의 변화를 예시한다. 출발 분말은 대부분의 입자가 3 ㎛ 내지 15 ㎛의 범위에 존재하는, 비교적 좁은 크기 분포를 가졌다. 그러나, 4회의 초기 단계 소결/분쇄 주기를 행한 후, 분포는 훨씬 넓어졌고, 입자 대부분의 크기가 20 ㎛ 초과인, 크기가 보다 큰 쪽으로 이동하였다.
조밀한 그린 형태의 밀도가 2.83 g/cm3(65% 다공질)인 반면, 수지상 316L 스테인리스 스틸 분말로부터 생성된 금속 막 필터 요소의 밀도는 3.13 g/cm3(61% 다공질)이었다.
등가물
당업계의 숙련자들은 단지 일상적인 실험을 사용하여 본 명세서에 기재된 본 발명의 구체적인 양태에 대한 등가물을 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 그러한 등가물은 아래의 특허 청구의 범위내에 포함될 것이다.

Claims (33)

  1. (a) 초기 단계 소결에 적합한 조건하에서 비수지상 입자들을 포함하는 분말을 가열하여, 약간 소결된 물질을 형성하는 단계 및
    (b) 약간 소결된 물질을 분쇄하여 수지상 입자들을 형성하는 단계
    를 포함하는 수지상 입자의 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계 (a) 및 단계 (b)가 순서대로 2회 이상 수행되는 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서, 약간 소결된 물질이 교반에 의해 분쇄되는 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서, 비수지상 입자들을 포함하는 분말이 단계 (a)에서 실질적으로 균일한 층상으로 가열되는 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  5. 제4항에 있어서, 층이 약 2 cm 이하의 두께인 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서, 비수지상 입자의 가장 큰 치수가 독립적으로 약 10 ㎛ 이하인 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서, 약간 소결된 물질이 스크린을 통한 브러싱으로 분쇄되는 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서, 단계 (a)가 0 기압 및 약 1.5 기압 사이의 압력에서 수행되는 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서, 단계 (a)가 진공, 불활성 대기 또는 수소 대기하에서 수행되는 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  10. 제9항에 있어서, 불활성 대기가 이질소화합물, Ar 또는 He을 포함하는 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  11. 제1항에 있어서, 비수지상 입자가 금속을 포함하는 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  12. 제11항에 있어서, 금속이 실질적으로 단일 원소를 포함하는 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  13. 제11항에 있어서, 금속이 합금인 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  14. 제1항에 있어서, 비수지상 입자가 세라믹 물질을 포함하는 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  15. 제14항에 있어서, 세라믹이 금속 산화물, 금속 질화물, 혼합된 금속 산화물, 준금속 산화물 또는 준금속 질화물인 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  16. 제13항에 있어서, 합금이 니켈, 크롬, 몰리브덴 및 철을 포함하는 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  17. 제16항에 있어서, 비수지상 합금 입자가 약 725-775℃ 사이의 온도로 가열되는 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  18. 제13항에 있어서, 합금이 스테인리스 스틸인 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  19. 제18항에 있어서, 비수지상 스테인리스 스틸 입자가 약 775-825℃ 사이의 온도로 가열되는 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  20. 제1항에 있어서, 수지상 입자를 체질하여 소정의 값보다 적은 직경을 가진입자를 제거함으로써, 비수지상 입자를 제거하는 단계를 더 포함하는 것인 수지상 입자의 형성 방법.
  21. 제1항의 방법에 의해 형성된 수지상 입자.
  22. 제21항에 있어서, 금속을 포함하는 것인 수지상 입자.
  23. 제22항에 있어서, 금속이 합금인 수지상 입자.
  24. 제22항에 있어서, 금속이 단일 원소를 실질적으로 포함하는 것인 수지상 입자.
  25. 제21항에 있어서, 세라믹 물질을 포함하는 것인 수지상 입자.
  26. 제25항에 있어서, 세라믹 물질이 금속 산화물, 금속 질화물, 혼합된 금속 산화물, 준금속 산화물 또는 준금속 질화물인 수지상 입자.
  27. 제23항에 있어서, 합금이 니켈, 크롬, 몰리브덴 및 철을 포함하는 것인 수지상 금속 입자.
  28. 제27항에 있어서, 복수의 상기 입자를 포함하는 분말이 약 2.4 g/cm3의 에어-레이드 (air-laid) 밀도를 가지는 것인 수지상 금속 입자.
  29. 제23항에 있어서, 합금이 스테인리스 스틸인 수지상 금속 입자.
  30. 제29항에 있어서, 복수의 상기 입자를 포함하는 분말이 약 1.5 g/cm3의 에어-레이드 밀도를 가지는 것인 수지상 금속 입자.
  31. 제22항에 있어서, 금속이 1족 내지 7족, 9족, 12족 내지 16족, 란탄족, 악티늄족, 백금, 팔라듐, 루테늄, 오스뮴, 은 및 금으로부터 선택된 것인 수지상 금속 입자.
  32. 제22항에 있어서, 실질적으로 비수지상인 출발 분말의 순도를 사실상 가지는 수지상 금속 입자.
  33. 제25항에 있어서, 세라믹이 금속 산화물, 금속 질화물, 혼합된 금속 산화물, 준금속 산화물 또는 준금속 질화물인 수지상 세라믹 입자.
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