KR100749396B1 - Titanium formative product using powder metallurgy and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 분말야금을 이용한 티타늄 성형제품의 제조방법을 설명하기 위한 순서도,1 is a flow chart for explaining a method for producing a titanium molded product using powder metallurgy according to an embodiment of the present invention;
도 2는 도 1의 제조방법에 사용되는 압축성형장치의 구성을 설명하기 위한 개략도,2 is a schematic view for explaining the configuration of a compression molding apparatus used in the manufacturing method of FIG.
도 3은 도 2의 압축성형장치의 작용 압력 대비 가압 성형체의 밀도를 나타내는 그래프,3 is a graph showing the density of the press-formed body compared to the working pressure of the compression molding apparatus of FIG.
도 4 내지 도 7은 상기 도 1의 방법을 사용하여 제조된 제품의 예를 도시한 도면이다.4 to 7 show examples of products manufactured using the method of FIG.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
1: 혼합분말 10: 다이(die)1: mixed powder 10: die
20: 프레스 100: 휴대폰20: press 100: mobile phone
200: 시계 310: 의료용 연결볼트200: clock 310: medical connection bolt
410: 의류용 단추410: button for clothing
본 발명은 분말야금을 이용한 티타늄 성형제품 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 티타늄 수소화물 분말을 분말야금에 사용하여 제조되는 티타늄 성형제품 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a titanium molded product using powder metallurgy and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a titanium molded product manufactured using titanium hydride powder in powder metallurgy and a method for manufacturing the same.
티타늄은 우수한 기계적 특성과 인체에의 무해성 등과 같은 장점으로 인해 각종 공구나 기계 부품의 재료로서 이용되고 있다.Titanium is used as a material for various tools and machine parts due to its advantages such as excellent mechanical properties and harmlessness to human body.
이러한 티타늄을 이용하여 공구 등의 성형제품을 제조하는 종래의 방법으로는 티타늄 분말을 이용한 소결방법, 티타늄 분말을 바인더와 혼합하여 사출성형하는 방법(한국특허등록 제508471호 참조) 등이 제안된 바 있다.As a conventional method for manufacturing a molded product such as a tool using such titanium, a sintering method using titanium powder, a method of injection molding by mixing titanium powder with a binder (see Korean Patent Registration No. 508471), etc. have been proposed. have.
그러나, 티타늄 분말은 성형제품의 형성과정에서 입자 표면이 대기 중의 산소와 반응하여 산화층을 형성하고 이러한 산화층으로 인하여 순수 티타늄 분말 간의 결합이 곤란해짐에 따라 생산되는 티타늄 성형제품의 기계적 성능이 떨어진다는 문제가 있었다.However, the titanium powder has a problem that the surface of the particles reacts with oxygen in the air to form an oxide layer during formation of the molded product, and the mechanical performance of the titanium molded product produced is deteriorated due to the difficulty in bonding the pure titanium powder due to the oxide layer. There was.
한편, 티타늄 성형제품의 제조 시 티타늄 분말의 산화를 방지하기 위해, 소결 중 티타늄에 수소 기체를 공급하는 방식, 소결 중 수소기체를 발생토록 하기 위해 티타늄 수소화물을 소결하는 방식(한국공개특허공보 제2004-99477호 참조) 등이 개시된 바 있다.On the other hand, in order to prevent the oxidation of titanium powder in the production of titanium molded products, a method of supplying hydrogen gas to titanium during sintering, and a method of sintering titanium hydride to generate hydrogen gas during sintering (Korean Patent Publication 2004-99477).
따라서, 본 발명의 목적은 티타늄 수소화물 분말을 분말야금에 적용함으로써 기계적 성능이 향상된 티타늄 성형제품 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a titanium molded article and a method of manufacturing the same by applying titanium hydride powder to powder metallurgy.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 분말야금을 이용한 성형제품의 제조방법에 있어서, 티타늄 수소화물 분말과 소정의 유동제를 혼합하여 혼합분말을 수득하는 단계와; 압축성형장치로 상기 혼합분말을 가압하여 성형체를 형성하는 단계; 및 상기 성형체를 소결 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말야금을 이용한 성형제품의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a molded article using powder metallurgy, comprising the steps of: mixing titanium hydride powder and a predetermined flow agent to obtain a mixed powder; Pressing the mixed powder with a compression molding device to form a molded body; And it provides a method for producing a molded article using powder metallurgy comprising the step of sintering the molded body.
여기서, 상기 혼합분말은, 상기 티타늄 수소화물 95 내지 99 부피부와 상기 유동제 1 내지 5 부피부를 포함할 수도 있다. 이 경우, 상기 유동제는 스테아린산을 포함할 수도 있다.Here, the mixed powder may include 95 to 99 parts by volume of the titanium hydride and 1 to 5 parts by volume of the flow agent. In this case, the flow agent may include stearic acid.
그리고, 상기 성형체를 형성하는 단계는, 상기 혼합분말을 80 내지 140[kg/cm2]의 압력으로 가압하여 상기 성형체를 형성하는 단계를 포함할 수도 있다.In addition, the forming of the molded body may include pressing the mixed powder to a pressure of 80 to 140 [kg / cm 2 ] to form the molded body.
또한, 상기 소결 처리하는 단계는, 상기 성형체를 불활성 가스를 포함하는 소정의 진공상태에서 300℃에서 1250℃까지 가열하는 과정에서 수행되도록 할 수도 있다. 이 경우, 상기 소결 처리하는 단계는, 상기 성형체를 300℃에서 시간당 1℃의 승온속도로 1시간 동안 가열하는 단계와; 상기 성형체를 600℃에서 시간당 1℃의 승온속도로 3시간 동안 가열하는 단계; 및 상기 성형체를 1250℃에서 시간당 5℃의 승온속도로 3시간 동안 가열하는 단계를 포함할 수도 있다. 그리고, 상기 소결 처리하는 단계는, 10-3 내지 10-6 기압의 진공도 하에서 수행되도록 할 수도 있 다.In addition, the sintering may be performed in the process of heating the molded body from 300 ° C. to 1250 ° C. under a predetermined vacuum including an inert gas. In this case, the step of sintering, the step of heating the molded body for 1 hour at a temperature increase rate of 1 ℃ per hour at 300 ℃; Heating the molded body at 600 ° C. for 3 hours at an elevated temperature rate of 1 ° C. per hour; And it may include the step of heating the molded body at 1250 ℃ at a temperature increase rate of 5 ℃ per hour for 3 hours. In addition, the sintering may be performed under a vacuum degree of 10 −3 to 10 −6 atmospheres.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 상기 분말야금을 이용한 성형제품의 제조방법에 의해 제조되는 티타늄 성형제품을 제공한다.In addition, the present invention provides a titanium molded article manufactured by the method for producing a molded article using the powder metallurgy in order to achieve the above object.
여기서, 상기 성형제품은 휴대폰 내/외장재를 포함할 수도 있다.Here, the molded product may include a mobile phone interior / exterior material.
그리고, 상기 성형제품은 액세서리, 의료용 부품, 항공우주용 부품, 초정밀 부품, 스포츠용품, 의류용 단추 중 어느 하나를 포함할 수도 있다.The molded article may include any one of an accessory, a medical component, an aerospace component, an ultra precision component, a sports article, and a button for clothes.
각종 공구 재료나 기계 부품을 제조하기 위하여 다양한 형태의 가공방법이 제안된 바 있다. 이러한 가공방법 중에서 특히, 금속분말을 가압 및 성형하여 굳히고, 가열하여 소결함으로써 목적하는 형태의 금속 제품을 얻는 분말야금이 각광받고 있다.Various types of processing methods have been proposed to manufacture various tool materials or machine parts. Among these processing methods, powder metallurgy which obtains a metal product of a desired form by pressurizing and shaping | molding a metal powder, hardening | curing, and heating and sintering has attracted much attention.
분말야금은 주물, 단조와 같은 다른 가공방법으로는 제조가 불가능하거나 매우 어려운 제품의 제조를 가능하게 해준다.Powder metallurgy enables the manufacture of products that are otherwise difficult or impossible to manufacture with other processing methods such as casting and forging.
예를 들어, 용융온도가 높은 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈 등이나 내화성, 세라믹스 등의 고온재료는 융해방법을 통한 제조가 어려운 반면, 분말야금에 의할 경우에는 제조가 용이해질 수 있다.For example, high-temperature materials such as tungsten, molybdenum, tantalum, fire resistance, ceramics, etc., which have high melting temperatures, are difficult to be manufactured by melting, but they may be easily manufactured by powder metallurgy.
상호간에 비고용성을 보이는 금속들(ex. 텅스텐-구리, 철-팔라듐)의 합금이나, 초경합금(탄화텅스텐-코발트), 분산강화제료 등의 복합재료, 전기접점재료, 구리-흑연과 같은 금속-비금속의 복합재료, 치과용 아말감과 같이 층상조직을 가지는 재료 등도 분말야금을 통한 제조가 가능하다.Alloys of metals (e.g. tungsten-copper, iron-palladium) that are incompatible with each other, composite materials such as cemented carbide (tungsten carbide-cobalt) and dispersant hardeners, electrical contact materials, metals such as copper-graphite- Composite materials of nonmetals, materials having a layered structure, such as dental amalgam, can also be produced through powder metallurgy.
베어링, 필터 또는 스펀지상의 재료와 같은 다공성 재료는 주물로서 얻을 수 없으나 분말야금으로는 제조가 가능하다.Porous materials such as bearings, filters or sponge-like materials cannot be obtained as castings but can be manufactured with powder metallurgy.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 분말야금을 이용한 성형제품의 제조방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 티타늄 수소화물 분말과 유동제를 혼합하여 혼합분말을 수득하는 단계(S10), 혼합분말을 가압하여 성형체를 형성하는 단계(S20) 및 성형체를 소결 처리하는 단계(S30)를 포함한다.Method for producing a molded article using a powder metallurgy according to an embodiment of the present invention, as shown in Figure 1, to obtain a mixed powder by mixing the titanium hydride powder and the flow agent (S10), pressurized the mixed powder Forming a molded body (S20) and sintering the molded body (S30).
먼저, 혼합분말을 수득하는 단계(S110)는 원료로서 티타늄 수소화물 분말과 유동제를 사용한다. 상기 분말야금을 이용한 성형제품의 제조방법에 사용되는 티타늄 수소화물은 수소화 탈수화법(Hydride-dehydride, HDD)에 의해 제조되는 순도 99.7% 이상의 TiH2(Titanium hydride)의 상용분말로서, 635메쉬(mesh)의 비교적 동일한 입자 크기를 가진다.First, the step of obtaining a mixed powder (S110) uses a titanium hydride powder and a flow agent as a raw material. Titanium hydride used in the manufacturing method of the molded product using the powder metallurgy is a commercial powder of TiH 2 (Titanium hydride) having a purity of 99.7% or more manufactured by a hydrodehydration method (HDD), 635 mesh (mesh Have a relatively identical particle size.
일반적인 분말사출용 티타늄 분말의 입자는 6방정계(hexagonal) 형상을 가지고 평균 20㎛의 입자 크기를 가지는데 반해, 본 발명의 실시예에 적용되는 티타늄 수소화물은 입방체(cubic) 형상을 가지며 평균 8.5㎛의 입자 크기를 가진다. 다만, 이러한 원료 분말의 크기는, 가격이 고려되지 않고 소재의 특성이 우선시되는 경우라면 나노 사이즈가 될 수도 있다.The particles of the titanium powder for general injection have a hexagonal shape and an average particle size of 20 μm, whereas the titanium hydride used in the embodiment of the present invention has a cubic shape and an average of 8.5. Have a particle size of μm. However, the size of the raw material powder may be nano size if the characteristics of the material is prioritized without considering the price.
그리고, 종래 티타늄 분말의 단위 부피당 표면적은 0.368[m2/cc]인데 대하여 본 발명의 실시예에 적용되는 티타늄 수소화물의 단위 부피당 표면적은 0.997[m2/cc]이다.In addition, the surface area per unit volume of the conventional titanium powder is 0.368 [m 2 / cc], whereas the surface area per unit volume of the titanium hydride applied to the embodiment of the present invention is 0.997 [m 2 / cc].
이상의 특징을 가지는 티타늄 수소화물 분말에 의하면 종래의 티타늄(Ti) 분말에 비해 소결체의 밀도를 현저하게 증가시킬 수 있다. 상기 티타늄 수소화물은 소결 시 탈수소 반응에 의해 순수 티타늄 소결체를 생성하게 된다.According to the titanium hydride powder having the above characteristics, the density of the sintered compact can be remarkably increased as compared with the conventional titanium (Ti) powder. The titanium hydride produces a pure titanium sintered body by dehydrogenation upon sintering.
상기 유동제는 분말야금 시 티타늄 수소화물 분말의 압축률을 향상시키고 분말과 금형 간의 마찰을 줄여 입자의 유동을 돕기 위해 일반적으로 사용되는 스테아린산 등을 사용할 수 있다.The flow agent may be a stearic acid or the like generally used to improve the compression ratio of the titanium hydride powder during powder metallurgy and to help the particles flow by reducing the friction between the powder and the mold.
티타늄 수소화물 분말과 유동제는 티타늄 수소화물 분말 95 내지 99 vol.%와 유동제 1 내지 5 vol.%의 비율로 혼합된다. 상기와 같은 혼합비에 의할 경우 상기 혼합분말은 압축성형장치 내에서 충분한 유동성을 가질 수 있다. 유동제, 즉 스테아린산이 5 vol.%를 초과하는 경우에는 후술하는 소결 과정에서 소결체 내에 기공이나 크랙이 발생할 우려가 있으며, 반대로 스테아린산이 1 vol.% 미만인 경우에는 상기 혼합분말의 가압 시 불필요하게 고압력이 요구되어 성형에 어려움이 발생하게 된다.Titanium hydride powder and flow agent are mixed at a ratio of 95 to 99 vol.% Titanium hydride powder and 1 to 5 vol.% Flow agent. By the above mixing ratio, the mixed powder may have sufficient fluidity in the compression molding apparatus. When the flow agent, that is, stearic acid exceeds 5 vol.%, Pores or cracks may occur in the sintered body during the sintering process described later. On the contrary, when stearic acid is less than 1 vol.%, Unnecessarily high pressure is required when pressurizing the mixed powder. This is required, which causes difficulty in molding.
상기 혼합은 통상의 더블 플래니터리 믹서(Double planetary mixer) 등을 이용하여 수행될 수도 있다.The mixing may be performed using a conventional double planetary mixer or the like.
다음으로, 압축성형장치를 이용하여 상기 수득된 혼합분말을 금형 내에서 가압하여 소정 형상의 성형체를 얻는다(S20).Next, using the compression molding apparatus, the obtained mixed powder is pressed in a mold to obtain a molded article having a predetermined shape (S20).
분말야금 성형제품을 제조하기 위한 압축성형장치는, 도 2에 도시된 바와 같 이, 내부에 혼합분말(1)을 수용하기 위한 공간부가 형성된 다이(die, 10)와, 혼합분말(1)을 가압하여 소정의 형상을 이루도록 형성된 가압 표면을 가지는 프레스(20)를 포함한다. 여기서, 프레스(20)는 혼합분말(1)과 접촉하는 표면에 성형하고자 하는 형상이 형성된 상부 및 하부 프레스(21, 22)를 포함할 수 있다.Compression molding apparatus for manufacturing a powder metallurgical molded product, as shown in Figure 2, the die (die) 10 and the mixed powder (1) formed with a space for accommodating the mixed powder (1) therein And a
이와 같은 압축성형장치는 유압프레스 방식에 의해 작동되는 것으로 할 수도 있으며, 기계프레스 방식에 의할 수도 있다. 혼합분말(1)은 압축성형장치에 의해 다이(10) 속에 눌려져 소정의 형상을 가지게 된다.Such a compression molding apparatus may be operated by a hydraulic press method, or may be a mechanical press method. The mixed
압축성형장치에 의해 혼합분말(1)에 가하는 압력은 80 내지 140 [kg/cm2]으로 설정하는 것이 바람직하다. 압력이 80[kg/cm2]보다 낮으면 성형체의 형상 유지가 어려워질 수 있으며, 반대로 압력이 140[kg/cm2]보다 높으면 몰드가 손상되거나 내부 크랙이 발생할 우려가 있다. 도 3은 압축성형장치의 가압력에 따라 형성되는 성형체의 밀도를 나타낸다. 도시된 바와 같이 압축성형장치의 혼합분말(1)에 대한 가압력이 80[kg/cm2]에서 140[kg/cm2]까지 증가함에 따라, 형성되는 성형체의 밀도는 95[kg/cm2]에서 99[kg/cm2]까지 증가함을 알 수 있다.The pressure applied to the mixed
성형체의 밀도는 최종 성형제품의 강도, 탄성계수, 전기전도도 등에 영향을 미치게 되므로, 필요한 특성에 맞추어 적절한 값을 가지도록 상기 가압력을 선정할 필요가 있다.Since the density of the molded article affects the strength, elastic modulus, electrical conductivity, etc. of the final molded product, it is necessary to select the pressing force so as to have an appropriate value according to the required characteristics.
다음으로, 가압된 성형체를 소결로 내에서 소결 처리한다(S30).Next, the press-formed molded body is sintered in the sintering furnace (S30).
소결은 아르곤 등의 불활성 가스를 대기로서 포함하는 진공 상태(진공도: 10-3 내지 10-6 기압)에서 수행된다.Sintering is carried out in a vacuum state (degree of vacuum: 10 -3 to 10 -6 atmospheres) containing an inert gas such as argon as the atmosphere.
성형체의 소결은 상기 성형체를 300℃에서 1250℃까지 가열하는 과정에서 수행된다. 상기 온도 조건보다 낮은 온도에서는 상기 성형체를 구성하는 티타늄 분말이 소결되어도 충분한 경도를 가지지 못할 수 있으며, 반면 이보다 높은 온도에서는 티타늄 소결 분말이 열 손상을 입을 수 있으므로 상기 온도 조건을 유지하는 것이 바람직하다.Sintering of the molded body is carried out in the process of heating the molded body from 300 ℃ to 1250 ℃. At a temperature lower than the temperature condition, the titanium powder constituting the molded body may not have sufficient hardness even when the titanium powder sintered. On the other hand, the titanium sintered powder may be thermally damaged at a higher temperature.
그리고, 바람직하게는, 상기 소결 과정은, 최종 성형제품의 강도, 밀도, 연성, 전기전도도 등의 향상을 위해, 상기 성형체를 300℃에서 시간당 1℃의 승온속도로 1시간 동안 가열하는 단계와, 상기 성형체를 600℃에서 시간당 1℃의 승온속도로 3시간 동안 가열하는 단계 및 상기 성형체를 1250℃에서 시간당 5℃의 승온속도로 3시간 동안 가열하는 단계의 3가지 단계로 이루어지도록 한다.And, preferably, the sintering process, for improving the strength, density, ductility, electrical conductivity, etc. of the final molded product, heating the molded body for 1 hour at a temperature increase rate of 1 ℃ per hour at 300 ℃, Heating the molded body at 600 ° C. for 3 hours at a temperature increase rate of 1 ° C. per hour and heating the molded body at 1250 ° C. for 3 hours at a temperature increase rate of 5 ° C. per hour.
이상과 같은 분말야금을 이용한 티타늄 성형제품의 제조방법의 일 실험예에 따르면, 상기 제조방법에 의해 형성되는 티타늄 성형제품은 티타늄 밀도 99%, 경도 HRC 20의 특성을 나타냈다. 이러한 수치는 기존의 주조에 의해 제조된 티타늄 성형제품의 경도 및 밀도와 비슷한 값에 해당한다.According to an experimental example of a method of manufacturing a titanium molded product using the powder metallurgy as described above, the titanium molded product formed by the manufacturing method exhibited characteristics of
한편, 상기에서 설명한 티타늄 성형제품의 제조방법은 상기 소결 처리 단계에서 종료할 수도 있으며, 상기 성형체에 후처리 가공을 추가하여 실시할 수도 있다. 이러한 후처리 가공에는, 성형체의 치수정확도 향상, 표면개선 등을 위한 부가 압축공정; 베어링 등의 용도를 위한 침윤공정; 경도, 인장강도 등의 개선을 위한 용융금속의 침투공정 등이 있다.On the other hand, the above-described method for producing a titanium molded product may be finished in the sintering treatment step, it may be carried out by adding a post-treatment to the molded body. Such post-treatment processing includes an addition compression step for improving the dimensional accuracy of the molded body, improving the surface, and the like; Infiltration processes for applications such as bearings; Molten metal penetration process for improving hardness, tensile strength and the like.
이상에서 설명한 바와 같은 분말야금을 이용한 성형제품의 제조방법은 휴대폰의 내/외장재, 액세서리, 항공우주용 부품, 의료용 부품, 초정밀 부품, 스포츠용품, 의류용 단추 등의 제품 제조에 사용할 수 있다.The method for manufacturing molded products using powder metallurgy as described above can be used to manufacture products such as interior / exterior materials of mobile phones, accessories, aerospace parts, medical parts, ultra-precision parts, sporting goods, and buttons for clothes.
도 4는 상기 실시예의 방법이 휴대폰의 내/외장재에 적용된 예를 나타낸 도면으로서, 상기 방법은 휴대폰(100)의 버튼(110), 렌즈 프레임(120), 케이스(130) 등의 성형에 사용될 수 있다.4 is a view showing an example in which the method of the embodiment is applied to the interior / exterior materials of the mobile phone, the method can be used for molding the
도 5는 액세서리의 일례로서 시계를 나타낸 도면이다. 상기 실시예에서 설명한 방법은 시계(200)의 케이스(210), 바늘침(220), 체인(230), 버튼(240) 등의 성형에 사용될 수 있다.5 is a view showing a watch as an example of an accessory. The method described in the above embodiment may be used for molding the
도 6a 및 도 6b는 의료용 부품을 나타낸 도면으로서, 상기 실시예의 방법은 의료용 연결볼트(310), 조인트, 지지부품, 치아보조기구 등의 제조에 사용될 수 있다.6A and 6B are views showing medical parts, the method of the embodiment can be used in the manufacture of medical connecting
도 7은 의류용 단추를 나타낸 도면으로서, 상기 실시예의 방법은 의류용 단추(410) 기타 장신구의 제조에 사용될 수도 있다.7 shows a button for a garment, the method of this embodiment may be used for the manufacture of the
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 분말야금을 이용한 티타늄 성형제품 및 이의 제조방법에 의하면, 티타늄 성형제품의 제조에 분말야금법을 이용함으로써 난가공성 소재인 티타늄에 대한 저비용, 고효율의 대량 생산이 가능하다. 특히, 본 발명은, 분말야금에 티타늄 수소화물 분말과 소정의 유동제의 혼합분말을 성형재료로 사용함으로써 티타늄 산화층의 형성을 방지하여 순수 티타늄 간 결합이 원활하게 이루어지도록 하여 제조되는 티타늄 성형제품의 기계적 성능을 향상시킬 수 있다.As described above, according to the titanium molded product using the powder metallurgy according to the present invention and a method for manufacturing the same, by using the powder metallurgy method for the production of the titanium molded product, it is possible to mass-produce low cost and high efficiency for titanium, which is a hard workable material. Do. In particular, the present invention, by using a mixed powder of titanium hydride powder and a predetermined flow agent in the powder metallurgy as a molding material of the titanium molded product manufactured by preventing the formation of titanium oxide layer to facilitate the connection between pure titanium Mechanical performance can be improved.
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- 2006-01-04 KR KR1020060000923A patent/KR100749396B1/en active IP Right Grant
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