KR101115225B1 - Feedstock composition and method of using same for powder metallurgy forming of reactive metals - Google Patents
Feedstock composition and method of using same for powder metallurgy forming of reactive metals Download PDFInfo
- Publication number
- KR101115225B1 KR101115225B1 KR1020067018253A KR20067018253A KR101115225B1 KR 101115225 B1 KR101115225 B1 KR 101115225B1 KR 1020067018253 A KR1020067018253 A KR 1020067018253A KR 20067018253 A KR20067018253 A KR 20067018253A KR 101115225 B1 KR101115225 B1 KR 101115225B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- delete delete
- metal
- composition
- raw material
- powder
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/22—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces for producing castings from a slip
Abstract
원료 조성물 및 분말야금 기술을 사용하여 금속 부품을 성형하는 방법은 금속 또는 금속 화합물과 새로운 방향족 바인더 시스템을 혼합하는 것을 포함한다. 새로운 원료의 조성물은 방향족 바인더 시스템 및 금속 분말을 포함한다. 방향족 바인더 시스템은 방향족을 포함하고 윤활제, 계면활성제, 및 폴리머를 첨가물로서 더 포함할 수 있다. 금속 분말은, 특히 높은 반응성 금속을 위해서, 금속, 금속 화합물, 및 금속 합금을 포함한다. 금속 부품을 성형하는 방법은 새로운 원료를 생성하도록 금속 분말과 방향족 바인더 시스템을 공급하고 혼합하는 단계를 포함한다. 그 방법은, 금속 사출성형 등의 분말야금 성형기술을 사용하여 새로운 원료를 금속 부품으로 가공하는 것을 더 포함한다. 본 발명을 통하여 성형된 금속 부품은 부품을 제조하기 위해 사용된 금속 분말에 대해 각각 0.2 wt% 이하의 산소 및 탄소 함유량의 증가를 가진다.Methods of forming metal parts using raw material compositions and powder metallurgy techniques include mixing a metal or metal compound with a new aromatic binder system. Compositions of the new raw materials include aromatic binder systems and metal powders. Aromatic binder systems include aromatics and may further include lubricants, surfactants, and polymers as additives. Metal powders include metals, metal compounds, and metal alloys, especially for highly reactive metals. The method of forming a metal part includes feeding and mixing the metal powder and the aromatic binder system to produce new raw materials. The method further includes processing new raw materials into metal parts using powder metallurgy molding techniques such as metal injection molding. Metal parts molded through the present invention each have an increase in oxygen and carbon content of 0.2 wt% or less relative to the metal powder used to make the part.
Description
본 발명은 통상적으로 금속 성형 기술에 관한 것이며, 보다 상세하게 반응성 금속 및 이들로부터 제조된 부품을 위한 분말야금 성형 기술 분야에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention generally relates to metal forming techniques, and more particularly to the field of powder metallurgy forming techniques for reactive metals and components made therefrom.
분말야금은, 높은 무결성의, 빈번하게 매우 조밀한 금속 부품을 성형하는 금속 분말의 사용을 포함한다. 이는 복합적인 그물과 유사한 형상의 부품의 경제적인 생산을 위한 매우 다양한 금속 제조기술을 포함한다. 분말야금 제조기술의 예는, 압출성형, 사출성형, 압축성형, 분말압연, 블로우 몰딩(blow molding), 레이저성형, 등압성형(isostatic pressing), 및 스프레이성형을 포함한다. 분말야금 제조기술은, 경사 구조(graded structures)를 용이하게 생성하고, 다공성 예비성형품을 주입하고, 패런트 매트릭스(parent matrix)에 제2 상 입자의 분산을 제조하고, 비평형 상 및 구조를 생성하는 능력을 포함하는 몇몇의 바람직한 특징을 제공한다. 많은 물질이 분말야금 기술을 사용하여 성형될 수 있지만, 높은 반응성을 가진 금속은 현재의 가공 프랙티스에는 적합하지 않다. 기술분야에서 알려진 분말야금 기술에 따라 반응성 금속을 가공하는 것은 허용할 수 없이 높은 불순물 농도를 함유하는 금속 부품에 이르게 한다. 특히 탄소, 산소, 및 질소인 이들 불순물의 존재가 결과로서 발생한 부품의 기계적인 성질을 매우 낮춘다. 머시닝 및 캐스팅 등의 대안의 성형방법이 존재하지만, 많은 예에서, 이 대안은 고비용이거나 허용할 수 없는 물성을 가진 부품을 생산한다. 따라서, 대안의 성형방법은 특정 시장의 외부에서 거의 효용이 없다.Powder metallurgy involves the use of metal powders to form highly integrity, frequently very dense metal parts. This includes a wide variety of metal fabrication techniques for the economical production of complex net-like shaped parts. Examples of powder metallurgy manufacturing techniques include extrusion, injection molding, compression molding, powder rolling, blow molding, laser molding, isostatic pressing, and spray molding. Powder metallurgy manufacturing techniques facilitate the creation of graded structures, injecting porous preforms, preparing dispersion of second phase particles in a parent matrix, and creating non-equilibrium phases and structures. It provides some desirable features, including the ability to do so. While many materials can be molded using powder metallurgy techniques, highly reactive metals are not suitable for current processing practices. Processing reactive metals in accordance with powder metallurgy techniques known in the art leads to metal parts containing unacceptably high impurity concentrations. The presence of these impurities, in particular carbon, oxygen, and nitrogen, greatly lowers the mechanical properties of the resulting components. Alternative molding methods exist, such as machining and casting, but in many instances, this alternative produces parts that are expensive or have unacceptable properties. Thus, alternative molding methods have little utility outside of certain markets.
현재의 티타늄 금속 사출 성형(MIM) 프랙티스는 분말야금의 제한에 관한 훌륭한 사례를 제공한다. 티타늄은 놀라운 성질의 조합을 나타낸다; 이것은 매우 경량이며, 예외적으로 내부식성이고, 강도와 경도가 매우 높고, 크리프(creep) 및 피로에 강하다. MIM을 포함하는 대부분의 분말야금 기술은, 금속 분말을 주-중합 또는 -수성 바인더(primarily-polymeric or -aqueous binder)와 혼합하는 것, 금속 부품의 형상을 성형하는 것, 바인더를 제거하도록 가열하는 것, 및 높은 온도에서 소결하는 것을 수반한다. 그러나, 티타늄은 상승된 온도에서 즉 바인더의 연소 및 소결 동안에 산소, 탄소, 및 질소와 손쉽게 반응하며, 이것의 많은 바람직한 성질을 잃어버린다. 결과적으로, 티타늄은 오염되지 않은 금속의 기계적 성질을 요구하는 적용에서, 현재의 MIM 가공에 통상적으로 부적합하다.Current titanium metal injection molding (MIM) practices provide a good example of the limitations of powder metallurgy. Titanium exhibits a surprising combination of properties; It is very lightweight, exceptionally corrosion resistant, very high in strength and hardness, and resistant to creep and fatigue. Most powder metallurgy techniques, including MIM, include mixing metal powder with a primary-polymeric or -aqueous binder, shaping the shape of the metal part, and heating to remove the binder. And sintering at high temperatures. However, titanium readily reacts with oxygen, carbon, and nitrogen at elevated temperatures, ie, during combustion and sintering of the binder, and loses many of its desirable properties. As a result, titanium is typically unsuitable for current MIM processing in applications requiring the mechanical properties of uncontaminated metals.
반응성 금속에 적합한 바인더 시스템의 개발은 분말야금 기술을 광범위한 물질 및 시장을 통하여 가치있고 폭넓게 적용가능하게 하는데 핵심 기술 장벽으로 나타나고 있다. 따라서, 높은 반응성을 가진 금속 및 금속 합금의 분말야금을 위해 바인더 시스템과 금속 부품을 성형하는 방법 모두에 대한 요구가 존재한다. The development of binder systems suitable for reactive metals has emerged as a key technical barrier to making powder metallurgy technology valuable and widely applicable across a wide range of materials and markets. Thus, there is a need for both binder systems and methods for forming metal parts for powder metallurgy of highly reactive metals and metal alloys.
전술한 그리고 다른 문제점의 관점에서, 본 발명은 반응성이 높은 금속을 위한 분말야금 기술의 제한 및 단점을 연구하였다. 본 발명은 분말야금 성형기술을 위한 새로운 원료의 조성물 및 금속 부품을 성형하는 방법에 존재한다. 새로운 원료의 조성물은 방향족 바인더 시스템 및 금속 분말을 포함한다.In view of the foregoing and other problems, the present invention has studied the limitations and disadvantages of powder metallurgy techniques for highly reactive metals. The present invention exists in a new raw material composition for powder metallurgy molding technology and a method for forming metal parts. Compositions of the new raw materials include aromatic binder systems and metal powders.
금속 부품을 성형하는 방법은, 금속 분말 및 방향족 바인더 시스템을 공급하고 새로운 원료를 생성하도록 금속 분말 및 방향족 바인더 시스템을 혼합하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 새로운 원료를 분말야금 성형기술을 사용하여 새로운 원료를 금속 부품으로 가공하는 것을 더 포함한다.The method of forming a metal part includes mixing the metal powder and the aromatic binder system to supply the metal powder and the aromatic binder system and generate new raw materials. The method further includes processing the new raw material into metal parts using powder metallurgy molding technology.
본 발명의 목적은, 금속 분말 시작 물질에 비해 거의 또는 전혀 불순물의 증가를 가지지 않는 금속 부품에 이르는 분말야금 성형기술을 위한 원료를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a raw material for the powder metallurgy forming technology which leads to metal parts with little or no increase in impurities compared to the metal powder starting material.
본 발명의 다른 목적은, 분말야금 성형기술의 적용가능성을 더 많은 금속, 특히 높은 반응성을 가진 금속으로 확장하는 것이다.Another object of the present invention is to extend the applicability of the powder metallurgy forming technology to more metals, especially metals with high reactivity.
금속 분말 시작 물질에 비해 거의 또는 전혀 불순물의 증가를 가지지 않는 금속 부품을 성형하는 방법을 제공하는 것이 또 다른 목적이다.It is another object to provide a method for forming a metal part that has little or no increase in impurities compared to the metal powder starting material.
부품이 가공되는 Ti 분말에 대해 각각 0.2 % 미만의 증가된 탄소 및 산소 함유량을 가지는 금속-사출-성형된 Ti 부품을 제공하는 것이 본 발명의 여전히 다른 목적이다.It is still another object of the present invention to provide a metal-injection-molded Ti part having an increased carbon and oxygen content of less than 0.2% each for the Ti powder to be processed.
도 1은 성형 방법의 일 실시예의 개략도이다.1 is a schematic view of one embodiment of a forming method.
도 2는 시간의 함수에 대한 혼합 블레이드에 가해지는 토크의 플롯이다.2 is a plot of the torque applied to the mixing blade as a function of time.
도 3은 시간의 함수에 대한 소결 시의 온도의 플롯이다.3 is a plot of temperature at sintering as a function of time.
본 발명은 분말야금 기술을 위한 원료 조성물과 금속 부품을 성형하는 방법으로 향해 있다. 금속 부품은 매우 높은 순도를 가지고, 반응성 금속으로 조성될 때, 원료가, 용이하게 제거되는 바인더 시스템을 이용하기 때문에, 산화 환경에서 연소시킬 필요가 없고, 부품에 탄소 및/또는 질소를 거의 남기지 않는다. 바인더는 비교적 높은 그린-파트(green-part) 및 브라운-파트(brown-part) 강도, 적당한 진공 하에서 신속한 승화, 및/또는 상승된 온도를 제공하고, 열가소성 및/또는 열경화성 폴리머, 윤활제, 및/또는 계면활성제 등의 추가 바인더를 위해 동시에 솔벤트 역할을 한다. The present invention is directed to raw material compositions for powder metallurgy techniques and methods of molding metal parts. Metal parts have a very high purity and, when composed of reactive metals, do not need to burn in an oxidizing environment because the raw material uses a binder system that is easily removed and leaves little carbon and / or nitrogen in the part. . The binder provides relatively high green-part and brown-part strengths, rapid sublimation under moderate vacuum, and / or elevated temperatures, thermoplastic and / or thermosetting polymers, lubricants, and / Or simultaneously serve as a solvent for additional binders such as surfactants.
본 발명은 방향족 바인더 시스템 및 금속 분말을 포함하는 원료를 포함한다. 방향족 바인더 시스템은 적어도 하나의 방향족을 포함하고 선택적으로 폴리머, 윤활제, 및/또는 계면활성제를 포함할 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, 금속 분말은 미세하게 나누어진 고체 상태에서, 원소 금속, 뿐만 아니라, 그 화합물 및 합금을 지칭한다. 또한, 방향족이라는 표현은 휘켈의 방향족성에 관한 판정기준을 만족하는 환식 유기 화합물계를 지칭한다. 본 발명은 방향족 바인더 시스템 및 금속 분말을 혼합하여 원료를 형성한 후, 분말야금 성형기술에 사용되는 것을 예상한다. The present invention includes a raw material comprising an aromatic binder system and a metal powder. Aromatic binder systems include at least one aromatic and can optionally include polymers, lubricants, and / or surfactants. As used herein, metal powder refers to elemental metals, as well as their compounds and alloys, in a finely divided solid state. In addition, the expression aromatic refers to a cyclic organic compound system that satisfies the criterion for aromaticity of Whikel. The present invention is expected to be used in powder metallurgy molding technology after forming a raw material by mixing an aromatic binder system and a metal powder.
요즈음, 흔히 사용되는 바인더는, 가열 시 금속을 산화시키는 물, 또는 왁스 및 오일 등의 제거하기 어려운 유기물을 포함한다. 반대로, 본 발명은 원료의 주 바인더 성분으로 방향족을 사용한다. 방향족은 단일환식 또는 다환식일 수 잇고, 벤젠, 나프탈렌, 안트라센(anthracene), 피렌(pyrene), 페난트렌퀴논(phenanthrenequinone) 및 이들의 조합을 포함할 수 있다; 적당한 방향족 화합물의 목록이 이들 물질에 한정되는 것은 아니다. 방향족은 원료의 대략 40 부피% 미만을 포함할 수 있으며, 일 실시예에서, 이는 대략 29%와 37% 사이를 포함한다. 바람직하게, 원료는 그린 및 브라운 파트의 무결성을 유지하기에 필요한 만큼만의 방향족을 함유한다.These days, commonly used binders include water that oxidizes the metal upon heating, or organic materials that are difficult to remove, such as waxes and oils. In contrast, the present invention uses aromatics as the main binder component of the raw materials. Aromatics may be monocyclic or polycyclic and may include benzene, naphthalene, anthracene, pyrene, phenanthrenequinone and combinations thereof; The list of suitable aromatic compounds is not limited to these materials. Aromatics may comprise less than about 40% by volume of the raw material, in one embodiment, between about 29% and 37%. Preferably, the raw material contains only as much aromatic as necessary to maintain the integrity of the green and brown parts.
본 발명은 반응성 금속 부품을 성형하는데 특히 장점이 있으나, 기술분야의 당업자는 거의 모든 금속 부품에 적용가능함을 이해할 것이다. 일 실시예에서, 금속 분말은, 난융 금속(refractory metals)의 그룹, 게터링(gettering)을 위해 흔히 사용되는 금속, 알카리토금속, 및 Ⅳ족 금속, 뿐만 아니라 이들의 합금 및 화합물로부터 선택되는 원소 금속을 포함한다. 난융 금속의 예는 Mo, W, Ta, Rh, 및 Nb를 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 케터(getter) 물질은 흡착, 흡수, 및/또는 내포(occlusion)에 의해서 자유 가스(free gases)를 손쉽게 수집하고, 흔히, Al, Mg, Th, Ti, U, Ba, Ta, Nb, Zr, 및 P를 포함하지만, 몇몇의 다른 것들도 존재한다. 결국, 4족 금속은 Ti, Zr, 및 Hf를 포함한다. 금속 화합물의 예는 TiH2 등의 금속 수소화물, 및 TiAl과 TiAl3 등의 금속간 화합물(intermetallics)을 포함한다. 합금의 특정한 예는 다른 것들 중에서 Ti-6Al,4V를 포함한다. TiH2 분말은 비교적 더 낮은 소결 온도에서 더 높은 밀도를 촉진하는 것으로 여겨진다. 또한, 수소가 불순물과 반응하여 열로 용이하게 제거될 수 있는 휘발성 유기물을 형성하기 때문에, 생각컨대 더 적은 불순물을 포함하는 것으로 여겨진다. 다른 실시예에서, 금속 분말은 원료의 적어도 대략 45 부피%를 포함하며, 또 다른 것에서, 이는 대략 54.6%와 70.0% 사이를 포함한다.Although the present invention is particularly advantageous in forming reactive metal parts, those skilled in the art will appreciate that it is applicable to almost all metal parts. In one embodiment, the metal powder is an elemental metal selected from a group of refractory metals, metals commonly used for gettering, alkaline earth metals, and Group IV metals, as well as alloys and compounds thereof. It includes. Examples of refractory metals include, but are not limited to, Mo, W, Ta, Rh, and Nb. The getter material readily collects free gases by adsorption, absorption, and / or occlusion, and often contains Al, Mg, Th, Ti, U, Ba, Ta, Nb, Zr, And P, but some others also exist. Eventually, Group 4 metals include Ti, Zr, and Hf. Examples of the metal compound include metal hydrides such as TiH 2 and intermetallics such as TiAl and TiAl 3 . Specific examples of alloys include Ti-6Al, 4V, among others. TiH 2 powders are believed to promote higher densities at relatively lower sintering temperatures. It is also believed to contain fewer impurities because hydrogen reacts with impurities to form volatile organics that can be easily removed by heat. In another embodiment, the metal powder comprises at least about 45% by volume of the raw material, and in another, it includes between about 54.6% and 70.0%.
일 실시예에서, 방향족 바인더 시스템은 폴리머를 원료의 대략 10 부피%까지 포함한다. 폴리머는 열가소성 물질, 열경화성 물질, 또는 이들의 조합일 수 있다. 적절한 열가소성 물질은 그린 및 브라운 바디(green and brown bodies)의 강도를 향상시키며, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 폴리에틸렌, 및 부타디엔계 폴리머를 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 다른 것둘 중에서, 불포화 폴리에스테르, 에폭시, 및 폴리메틸메타크릴레이트 등의 열경화성 물질은 방향족 바인더의 제거 후에 서로 부품을 유지하는 것을 궁극적으로 돕는다. 열가소성 물질은 원료의 대략 2.1 부피%와 5.3 부피% 사이를 포함한다. 열경화성 물질은 원료의 대략 2.3 부피%일 수 있다. 바람직하게, 폴리머는 열경화성 물질 및 열가소성 물질의 혼합물을 포함하며, 열가소성 물질이 원료 부피의 2.1%-5.3%를 포함하고, 열경화성 물질이 원료 부피의 2.3%를 포함한다.In one embodiment, the aromatic binder system comprises up to approximately 10% by volume of the polymer. The polymer may be a thermoplastic, a thermoset, or a combination thereof. Suitable thermoplastics enhance the strength of green and brown bodies and include, but are not limited to, ethylene vinyl acetate (EVA), polyethylene, and butadiene-based polymers. Among other things, thermosets such as unsaturated polyesters, epoxies, and polymethylmethacrylates ultimately help to retain parts from each other after removal of the aromatic binder. Thermoplastics comprise between approximately 2.1% and 5.3% by volume of the raw material. The thermoset may be approximately 2.3% by volume of the raw material. Preferably, the polymer comprises a mixture of thermosets and thermoplastics, wherein the thermoplastics comprise 2.1% -5.3% of the raw material volume and the thermosets comprise 2.3% of the raw material volume.
다른 실시예에서, 방향족 바인더 시스템은 계면활성제를 더 포함한다. 계면활성제는 원료 응집의 경우를 감소시키고 더 높은 금속 분말 로딩(loadings)을 허용한다. 수포닉 N-100?은 헌트먼사(Huntsman Corporation)(포트 네체스, 텍사스(Port Neches, Texas))로부터 입수하였고 효과적이었던 비이온 계면활성제이지 만, 당업자는 적절한 대안을 확인할 수 있다. 계면활성제는 원료의 대략 3 부피%까지 포함할 수 있고, 바람직하게 원료 부피의 대략 2.3%까지 포함한다.In another embodiment, the aromatic binder system further comprises a surfactant. Surfactants reduce the case of raw material agglomeration and allow for higher metal powder loadings. Blisters Nick N-100? Hunt is meonsa (Huntsman Corporation) million (four ports chess, Texas (Port Neches, Texas)) not a non-ionic surfactant was obtained which was effective from those skilled in the art can determine the appropriate alternative. The surfactant may comprise up to about 3% by volume of the raw material, preferably up to about 2.3% of the raw material volume.
본 발명의 다른 변형에서, 방향족 바인더 시스템은 윤활제를 더 포함한다. 윤활제의 예는, 다른 것 중에서, 미정질(microcrystalline) 왁스를 포함하는 고체 왁스 및 유기 지방산을 포함한다. 유기 지방산은 스테아르 산 뿐만 아니라 금속염(metallic salts) 그리고 이들의 분지되거나 치환된 버전을 포함한다. 고체 왁스의 예는 파라핀 왁스 및 카누바 왁스(carnuba wax)를 포함한다. 원료 조성물에 윤활제를 첨가하는 것은 분말 성형체(powder compact) 내의 균질성 및 주형(mold) 내부의 유동을 향상시키고 주형으로부터 파트의 방출을 용이하게 한다. 윤활제는 원료 부피의 대략 3%까지 포함할 수 있고, 바람직하게 대략 1.5%를 포함한다.In another variation of the invention, the aromatic binder system further comprises a lubricant. Examples of lubricants include, among others, solid waxes including microcrystalline waxes and organic fatty acids. Organic fatty acids include stearic acid as well as metallic salts and branched or substituted versions thereof. Examples of solid waxes include paraffin wax and carnuba wax. Adding lubricant to the raw material composition improves homogeneity in the powder compact and flow inside the mold and facilitates the release of the part from the mold. The lubricant may comprise up to approximately 3% of the raw material volume and preferably comprises approximately 1.5%.
다른 실시예에서, 금속 분말은 합금 분말을 더 포함할 수 있다. 예시적인 합금 분말은 소결조제(sintering aid)를 포함한다. 은 등의 소결조제는 최종 부품에 이르는 브라운 스테이트(brown state)의 효과적인 소결을 위해 요구되는 온도를 감소시킬 수 있다. 종래의 금속 성형 가공을 통하여 얻을 수 없는 금속 매트릭스 복합 물질(metal matrix composite material) 부품 및 금속 합금을 성형하는 유일한 방식으로서 합금 분말의 사용도 예상한다. 용융 합금(melt alloying) 등의 종래 가공은 상이한 용융점에 기초한 성분 금속의 편석(segregation)으로 인하여 비균질 생성물에 자주 이를 수 있다. 원료의 분말, 즉 금속 분말 및 합금 분말로서 금속 원소를 혼합하는 것은 금속 합금 및 금속 매트릭스 복합 물질로부터 합금을 제조하고 이들 부품에 비균질성을 잠재적으로 최소화하는 고체 상태 접근법을 제공한다. 금속 매트릭스 복합 물질의 예는 Ti-TiB2 복합물을 포함한다.In another embodiment, the metal powder may further comprise an alloy powder. Exemplary alloy powders include sintering aids. Sintering aids such as silver can reduce the temperature required for effective sintering of the brown state to the final part. The use of alloy powders is also envisaged as the only way to form metal matrix composite material parts and metal alloys that cannot be obtained through conventional metal forming processes. Conventional processing, such as melt alloying, can frequently lead to heterogeneous products due to segregation of component metals based on different melting points. Mixing metal elements as powders of raw materials, ie metal powders and alloy powders, provides a solid state approach to preparing alloys from metal alloy and metal matrix composite materials and potentially minimizing heterogeneity in these parts. Examples of metal matrix composite materials include Ti-TiB 2 composites.
표 1은 새로운 원료 조성물의 일 실시예의 요약을 제공한다. 또한, 이는 성공적으로 금속 부품으로 성형된 Ti계 원료 조성물의 예를 나타낸다.Table 1 provides a summary of one embodiment of new raw material compositions. In addition, this shows an example of a Ti-based raw material composition successfully molded into a metal part.
표 1: 새로운 원료 조성물의 일 실시예의 요약. Ti계 원료의 샘플 조성도 요약되어 있다.Table 1: Summary of one example of new raw material compositions. Sample compositions of Ti-based raw materials are also summarized.
(원료의 부피%)Acceptable composition
(Volume% of raw materials)
(원료의 부피%)Sample Ti-based Raw Material
(Volume% of raw materials)
(예를 들어, 반응성 금속의 분말)Metal powder
(Eg, powder of reactive metal)
(TiH2 분말)62.1
(TiH 2 Powder)
(예를 들어, 방향족 화합물)Binder (can also act as a solvent)
(For example, aromatic compounds)
(나프탈렌)29.3
(naphthalene)
(예를 들어, 열가소성 물질 및 열경화성 물질)Polymer
(Eg, thermoplastics and thermosets)
(EVA/에폭시)2.1 / 2.3
(EVA / epoxy)
(예를 들어, 수포닉 엔-100?)Surfactants
(For example, Suphonic N-100 ? )
(수포닉 엔-100?)2.3
(Nick naught yen -100?)
(예를 들어, 유기산 및 고체 왁스)slush
(E.g., organic acids and solid waxes)
(스테아르 산)1.5
(Stearic acid)
(예를 들어, 은)Sintering aid
(For example, silver)
(은)0.4
(silver)
본 발명의 다른 측면은 이전에 기술된 원료로부터 금속 부품을 성형하는 방법이다. 도 1을 참고하면, 발명의 일 실시예는, 금속 분말(101) 및 방향족(102)을 혼합하여 원료를 형성하는 단계; 및 그 후 분말 야금 기술을 이용하여 원료를 금속 부품으로 가공하는 단계를 포함한다. 도 1이 금속 사출 성형 가공을 도시하고 있지만, 본 발명은 단지 하나의 분말 야금 기술에 제한되지 않는다. 추가적인 기술은, 다른 것 중에서, 압출 성형, 압축 성형, 분말 압연, 블로우 몰딩(blowing molding), 및 등압 성형(isostatic pressing)을 포함하며; 이들 모두가 본 발명에서 예상된다. 성형 방법에 이용되는 원료의 방향족 바인더 시스템은 위에 설명된 실시예와 상응하는 농도 및 다양한 조합의, 폴리머, 계면활성제, 윤활제, 및 소결조제 등의 첨가물(103)을 더 포함할 수 있다. 원료는, 원료의 가공 후 금속 합금 부품에 이르는 합금 분말(104)도 포함할 수 있다.Another aspect of the invention is a method of molding a metal part from the raw materials described previously. Referring to FIG. 1, an embodiment of the present invention may include forming a raw material by mixing the
원료 성분의 혼합은, 임펠러(106)에 가해지는 토크를 측정하면서, 고 전단 믹서(high-shear mixer)(105)를 사용하여 특정한 온도에서 발생할 수 있다. 믹서는 원료를 구성하는 원소를 분산하기에 충분한 회전 속도로 동작하여야 한다. 일 실시예에서, 고전단 믹서는 50 RPM으로 동작한다. 도 2의 시간 대 측정된 토크의 플롯을 참고하면, 임펠러를 회전시키는데 요구되는 토크의 양이 감소하여 시간에 대해 일정(21)한 상태로 남게 된 후에, 원료가 잘 혼합된 것으로 간주된다. 나프탈렌 및 Ti계 분말을 포함하는 원료를 위한 전형적인 혼합 시간은 대략 10 분이다.Mixing of the raw material components may occur at a particular temperature using a high-
너무 이른 승화를 최소화하고 혼합 동안 원료의 너무 이른 응고를 방지하기 위해서, 온도는 바인더 시스템의 용융 온도 바로 위에 있어야 한다. 방향족(102)이 나프탈렌을 포함하고 금속 분말(101)이 Ti계 분말인 바람직한 실시예에서, 적당한 혼합 온도는 대략 85 ℃를 포함한다. 당업자는, 원료의 조성물 및 계면활성제, 윤활제, 및 폴리머 등의 첨가물의 존재가 방향족 바인더 시스템의 용융점 내림에 이를 수 있음을 이해할 것이다. 이런 예에서, 바인더 시스템의 실제 용융 온도는 당업자에 의해, 예를 들어 냉각 또는 가열 곡선을 구성함으로써, 경험적으로 손쉽게 결정될 수 있다.In order to minimize premature sublimation and prevent premature solidification of the raw materials during mixing, the temperature should be just above the melting temperature of the binder system. In a preferred embodiment in which the aromatic 102 comprises naphthalene and the
성형 방법은 원료를 펠레타이징(pelletizing)하고 응고시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 이들 단계는, 믹서(105)를 계속 작동시키면서 방향 족 바인더 시스템의 어는 온도 아래의 값으로 믹서(105)의 온도를 감소시키는 것을 포함한다. 감소된 온도는, 믹서 블레이드(106)가 원료를 펠릿(pellets), 그래뉼(granules), 또는 분말로 미립화하는 지점에서 바인더 시스템을 응고시키도록 야기한다. 나프탈렌 및 Ti계 분말을 포함하는 원료를 위한 적당한 온도는 대략 78 ℃이다.The molding method may further comprise pelletizing and solidifying the raw material. In one embodiment, these steps include reducing the temperature of the
혼합하고 펠레타이징하는 단계는 압출기(extruder) 및 펠릿타이저(109)를 사용하여 달리 발생할 수 있다. 펠레타이징에 앞서, 큰 회분식 믹서(batch mixer)(105)가 금속 분말 및 방향족 바인더 시스템을 예혼합한다. 예혼합된 분말은 그 후 단일 또는 이중 스크루 압출기(107)를 통과하여, 방향족 바인더 시스템을 용융하고 가열된 압출기 통(barrel)에서 균등하게 금속 분말을 분산시켜 균질한 원료에 이른다. 압출기는 1/8 내지 3/16 인치 직경의 로드를 압출 다이를 통하여 압출하여, 냉각 시에 응고시킨다. 냉각된 로드(108)는 펠릿타이저(109) 내로 공급되어 로드를 1/8 내지 1/4 인치 길이의 펠릿(110)으로 자른다.Mixing and pelletizing may occur differently using an extruder and
방법에 관한 다른 실시예에서, 원료의 가공은, 원료를 주형(111) 내로 사출하여 그린 스테이트(green state)(112)를 성형하는 단계; 그린 상태를 탈지하여(debinding) 브라운 스테이트를 성형하는 단계; 브라운 스테이트를 소결하여, 매우 조밀한 금속 부품을 성형하는 단계; 및 결과로서 생기는 금속 부품을 냉각시키는 단계를 포함한다. 본 발명에 따라 형성된 금속 부품은, 부품을 성형하기 위해 사용된 금속 분말에 대해 대략 0.2 wt% 이하의 탄소 및 산소 함유량의 증가를 가진다. 표 2는, 본 발명의 실시예에 따른 금속 부품의 탄소 및 산소 함유량을, 같은 부품을 성형하도록 원료에 사용되는 Ti-6Al,4V 분말의 탄소 및 산소 함유량과 비교한 실험 결과를 나타낸다. Ti-6Al,4V 분말은 티타늄 시스템즈(Titanium Systems, Inc.)(피닉스, 아리조나)로부터 입수한 4 wt% 바나듐 및 6 wt%의 알루미늄을 함유하는 고순도 합금이었다. 가공에 앞서, 분말은 0.08 wt% 탄소 및 1.46 wt% 산소를 함유하였다. 분말이 바인더와 혼합되어 원료를 형성하여 가공된 후, 탄소 및 산소는 대략 0.2 및 0.07 wt% 만큼 각각 증가하였다.In another embodiment of the method, processing of the raw material comprises: molding the
표2: 본 발명의 실시예에 따라 MIM 가공에 앞서 Ti 6Al,4V 금속 분말 그리고 MIM 가공 후에 결과로서 생기는 Ti 금속 부품에 존재하는 탄소 및 산소 함유량의 요약Table 2: Summary of the carbon and oxygen content present in Ti 6Al, 4V metal powder prior to MIM processing and the resulting Ti metal parts after MIM processing in accordance with an embodiment of the present invention.
금속 부품은 부품을 성형하기 위해 사용되는 금속 분말에 대해 대략 0.2 wt% 이하의 질소 함유량의 증가를 더 포함한다. The metal part further comprises an increase in nitrogen content of about 0.2 wt% or less relative to the metal powder used to mold the part.
방법에 관한 일 실시예에 있어서, 인젝터(113)에서 원료를 이것의 용융점보다 더 높은 온도로 유지하는 동안, 원료의 주형(111)으로의 사출이 발생한다. 그러나, 주형(111)의 온도는 사출된 파트를 응고시키도록 하기 위해서 원료의 용융점 아래로 유지되어야 한다. 예를 들어, 나프탈렌 및 Ti계 분말을 포함하는 원료를 위한 바람직한 온도는 대략 85 ℃ 이상이다. 같은 원료를 위해, 주형(111)은 대략 85 ℃ 아래에서 유지되어야 하고, 바람직하게 대략 78 ℃이다. 또한, 사출은 대략 120 ℃와 140 ℃ 사이의 범위인 온도에서 유지되는 통(114)을 가진 인젝터(113)를 사용하여 발생한다. 인젝터(113) 내의 압력, 즉 사출 압력은 3000과 20,000 psi 사이일 수 있고 공압, 수압 및 기계적인 다양한 방식으로 생성될 수 있다. In one embodiment of the method, injection of the raw material into the
원료가 주형(111)에서 응고하여 그린 상태(112)를 성형한 후, 탈지하는 단계(115)는 가능한 한 많은 방향족 바인더를 제거하려 한다. 일 실시예에서, 그린 파트(112)는 진공 하에서 원료의 용융점 바로 아래의 온도로 가열된다. 대략 35 Torr의 진공 압력이 무난하지만, 더 낮은 압력도 바인더의 승화를 돕기에 바람직하다. 탈지하는 단계의 지속시간은 대략 8 내지 48 시간을 포함할 수 있다. 대신에, 그린-상태-탈지 단계는 밀도를 높인 유체, 예를 들어, 밀도를 높인 프로판을 사용한 건조 및 세척을 포함할 수 있다. 밀도를 높인 프로판을 사용한 탈지는 수반한다: ⅰ) 프로판을 밀도를 높인 상으로 전이하도록 그린 파트를 함유하는 챔버의 가열 및 가압; ⅱ) 밀도를 높인 유체에 바인더 족을 노출; ⅲ) 프로판의 완전한 증발에 이르는 챔버의 감압.After the raw material solidifies in the
브라운 스테이트는 그린 스테이트를 탈지한 결과이며 응집 질량(coherent mass)을 형성하도록 소결 단계(116)를 필요로 한다. 도 3의 시간 대 소결 온도의 플롯을 참고하면, 소결 단계는 제1 설정 지점(31)까지 온도를 높이고 특정 기간동안 그 온도를 유지하는 것을 포함한다. 제1 가열 스테이지 후에, 온도의 상승은 제2 설정 지점(32)까지 계속하며, 가열은 다른 시간 동안 지속한다. 제1 설정 지점(31)은 대략 300 ℃ 내지 600 ℃이다. 제1 가열 기간(31)은 대략 60 내지 180분이다. 제2 가열 기간(32)은 1000 ℃에서 1350 ℃까지의 범위일 수 있고 한 시간과 여섯 시간 사이에서 지속할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 제2 가열 스테이지는 1100 ℃에서 대략 네 시간의 지속시간을 가진다. 양자의 경우에서 상승률은 분당 1 내지 20 ℃의 범위일 수 있다. 파트의 냉각(33)이 소결 단계를 마무리하고, 가능한 한 신속하게 온도를 감소시키도록 노 냉각장치(furnace chiller)를 사용하는 것을 포함한다.The brown state is the result of degreasing the green state and requires a
탈지 단계(115)에서와 같이, 소결 단계(116)는 불순물, 특히 산소, 탄소, 및 질소가 없이 브라운 스테이트를 가열하는 것을 수반하여, 순수 금속 또는 합금의 요구 물성을 유지한다. 따라서, 소결 단계(116)가 수소 커버 가스(hydrodgen cover gas)에서 금속 파트를 가열하는 것을 포함한다. 대신에, 가열은, 고진공 하에서, 대략 1 X 10-5 Torr 또는 그 아래에서 발생할 수 있다. 소결은, 수소 커버 가스를 포함하는 다양한 환경에서 그리고 고진공 하에서 가열의 일련의 조합을 포함할 수도 있다.As in the
본 발명은, 위에 설명된 성형방법 실시예에 따라서 처리된 금속 사출 성형 부품도 포함한다. 이 경우의 부품은 부품을 처리하는데 사용되는 금속 분말에 대해 대략 0.2% 이하의 탄소 및 수소 함유량의 증가를 가진다. 같은 부품이, 부품을 처리하는데 사용되는 금속 분말에 대하여 대략 0.2% 이하의 질소 함유량의 증가를 더 포함할 수 있다.The invention also includes metal injection molded parts processed according to the molding method embodiments described above. The part in this case has an increase in carbon and hydrogen content of approximately 0.2% or less relative to the metal powder used to process the part. The same part may further comprise an increase in nitrogen content of about 0.2% or less relative to the metal powder used to process the part.
본 발명의 수 많은 실시예가 도시되고 설명되었으며, 보다 넓은 측면에서 본 발명으로부터 출발함이 없이 많은 변형과 개량이 만들어질 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는, 본 발명의 범위와 요지와 맞도폭 하면서 이런 모든 변형과 개량을 커버하도록 되어 있다. Numerous embodiments of the invention have been shown and described, and it will be apparent to those skilled in the art that many more modifications and improvements can be made without departing from the invention in its broader aspects. Accordingly, the appended claims are intended to cover all such modifications and improvements while matching the scope and spirit of the invention.
본 발명은, 금속 분말 시작 물질에 비해 거의 또는 전혀 불순물의 증가를 가지지 않는 금속 부품에 이르는 분말야금 성형 기술을 위한 원료를 제공하며, 분말야금 성형기술의 적용가능성을 더 많은 금속, 특히 높은 반응성을 가진 금속으로 확장하는 것이고, 금속 분말 시작 물질에 비해 거의 또는 전혀 불순물의 증가를 가지지 않는 금속 부품을 성형하는 방법을 제공하는 것과, 부품이 가공되는 Ti 분말에 대해 각각 0.2 % 이하의 증가된 탄소 및 산소 함유량을 가지는 금속-사출-성형된 Ti 부품을 제공하는 것에 관한 발명이다.The present invention provides a raw material for powder metallurgy forming technology leading to metal parts that have little or no increase in impurities compared to metal powder starting materials, and the applicability of powder metallurgy technology to more metals, especially high reactivity To provide a method of forming a metal part that extends to the metal having an excitation and has little or no increase in impurities relative to the metal powder starting material, an increased carbon of up to 0.2% each for the Ti powder to which the part is processed, and The invention relates to providing a metal-injection-molded Ti part having an oxygen content.
Claims (95)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US10/796,424 | 2004-03-08 | ||
PCT/US2005/007178 WO2005087412A1 (en) | 2004-03-08 | 2005-03-02 | Feedstock composition and method of using same for powder metallurgy forming of reactive metals |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20070018026A KR20070018026A (en) | 2007-02-13 |
KR101115225B1 true KR101115225B1 (en) | 2012-02-21 |
Family
ID=43651596
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020067018253A KR101115225B1 (en) | 2004-03-08 | 2005-03-02 | Feedstock composition and method of using same for powder metallurgy forming of reactive metals |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR101115225B1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101788139B1 (en) * | 2015-11-27 | 2017-11-16 | 한국생산기술연구원 | Binder composition for powder metallurgy |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6376585B1 (en) * | 2000-06-26 | 2002-04-23 | Apex Advanced Technologies, Llc | Binder system and method for particulate material with debind rate control additive |
-
2005
- 2005-03-02 KR KR1020067018253A patent/KR101115225B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6376585B1 (en) * | 2000-06-26 | 2002-04-23 | Apex Advanced Technologies, Llc | Binder system and method for particulate material with debind rate control additive |
US6846862B2 (en) * | 2000-06-26 | 2005-01-25 | Apex Advanced Technologies, Llc | Binder system and method for particulate material cross-reference to related application |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20070018026A (en) | 2007-02-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7585348B2 (en) | Feedstock composition for powder metallurgy forming of reactive metals | |
EP0311407B1 (en) | Process for fabricating parts for particulate material | |
AU758878B2 (en) | Powder metal injection molding process for forming an article from the nickel-based superalloy "Hastelloy X" | |
JP3142828B2 (en) | Binder system for powder injection molding | |
US4762558A (en) | Production of reactive sintered nickel aluminide material | |
US5531958A (en) | Process for improving the debinding rate of ceramic and metal injection molded products | |
AU2003271541B2 (en) | Method for the production of near net-shaped metallic and/or ceramic parts | |
EP0397513A1 (en) | Consolidation of powder aluminum and aluminum alloys | |
JP2005330585A (en) | Method for preparing metallic article having other additive constituent without any melting | |
AU680571B2 (en) | Semi-solid processed magnesium-beryllium alloys | |
US6849229B2 (en) | Production of injection-molded metallic articles using chemically reduced nonmetallic precursor compounds | |
US5354534A (en) | Method for manufacturing sintered parts | |
KR101115225B1 (en) | Feedstock composition and method of using same for powder metallurgy forming of reactive metals | |
JPH02200743A (en) | Method for compacting ti-al series intermetallic compound member | |
KR100509938B1 (en) | Method for fabricating TiAl intermetallic articles by metal injection molding | |
US20050163646A1 (en) | Method of forming articles from alloys of tin and/or titanium | |
WO2009112192A2 (en) | Composite material based on transition metal borides, method for the production thereof, and use thereof | |
JPS5926653B2 (en) | How to form cemented carbide | |
KR100436401B1 (en) | Manufacturing method of high heat-resistance dispersion strengthened aluminum alloys | |
JPH07188801A (en) | Production of titanium sintered compact | |
WO2016205263A1 (en) | Manufacture of near-net shape titanium alloy articles from metal powders by sintering with presence of atomic hydrogen | |
MXPA01002138A (en) | Powder metal injection molding process for forming an article from the nickel-based superalloy"hastelloy x" |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |