KR101279553B1 - Method of manufacturing an oxide dispersion strengthened platinum materials using a plasma process - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용한 백금 합금 분말 및 산화물을 미세하게 분산시킨 산화물 분산강화형 백금 재료의 제조방법에 관한 것으로 종래의 습식 및 건식방법으로 백금합금 분말 제조 및 산화물 분산강화 백금 재료 제조시 제조공정이 복잡하고 제조비용이 높을 뿐만 아니라 제조시간도 장시간이라는 단점을 극복하기 위해 고안된 것이다.
이를 위해서, 백금에 목적조성의 합금원소를 첨가하여 백금 합금 잉곳을 제조 후, 친환경적인 공법인 플라즈마 공법을 이용하여 백금합금 분말을 제조하고, 제조된 백금분말을 투입하여 일정형상의 성형체 제조, 고온 산화 열처리 및 고온 가압 소결을 통하여 밀도를 향상시킨 후 열간가공 및 냉간가공을 통하여 미세한 산화물이 분산된 산화물 분산강화형 백금 재료를 만드는 것을 목적으로 한다.
The present invention relates to a method for producing an oxide dispersion-enhanced platinum material obtained by finely dispersing a platinum alloy powder and an oxide using plasma, and a manufacturing process in the production of platinum alloy powder and oxide dispersion-enhanced platinum material by conventional wet and dry methods. It is designed to overcome the disadvantages of complicated and high manufacturing cost as well as long time.
To this end, after the addition of the alloying element of the target composition to the platinum to produce a platinum alloy ingot, to produce a platinum alloy powder using an environmentally friendly plasma method, the prepared platinum powder is added to produce a shaped body, high temperature oxidation After improving the density through heat treatment and high temperature pressurized sintering, an object of the present invention is to produce an oxide dispersion-enhanced platinum material in which fine oxides are dispersed through hot working and cold working.

Description

플라즈마를 이용한 산화물 분산강화형 백금재료의 제조방법{Method of manufacturing an oxide dispersion strengthened platinum materials using a plasma process}Method of manufacturing an oxide dispersion strengthened platinum materials using a plasma process}

본 발명은, 친환경 공법인 플라즈마에 의해 백금 합금분말 제조 및 이를 이용하여 산화물 분산강화형 백금 재료를 제조하는 것으로, 유리(glass)관련 산업에 사용되는 백금 장치류(용해장치, 크루서블(Crucible), 부싱(Bushing) 등) 등에 고강도가 요구되는 곳에 많이 사용되고 있는 백금재료의 제조방법에 관한 것이다. The present invention is to produce a platinum alloy powder by using an environmentally friendly plasma, and to manufacture an oxide dispersion-enhanced platinum material using the same, platinum devices used in the glass-related industries (melting device, Crucible, The present invention relates to a method for producing a platinum material which is widely used where high strength is required.

백금은 면심입방 구조로 실온 및 고온에서 가공이 용이하고, 높은 융점을 가지고 있으며, 고온에서 화학적 안정성 및 산화에 대한 저항력, 휘발성이 우수하고, 산 및 화학약품에 대한 부식성도 우수하여 재료가 고가임에도 여러 용도로 이용되고 있다. Platinum is a face-centered cubic structure, which is easy to process at room temperature and high temperature, has a high melting point, chemical stability at high temperature, resistance to oxidation and volatility, and excellent corrosion resistance to acids and chemicals. It is used for various purposes.

특히, 최근 LCD 산업의 성장과 더불어 LCD용 고품질 글라스(Glass) 제조용 소재 및 장치에 백금이 많이 사용되고 있다. 이러한 고품질의 글라스를 제조하기 위해서는 기존 백금에 비해 강도가 강화된 백금소재가 이용되는데, 백금의 강도를 향상시키기 위해 종래에는 백금에 금(Au), 로듐(Rh) 등을 합금화하여 고용강화시킨 백금소재가 많이 사용되어 왔으나, 강화원소로 사용된 합금원소가 고비용이며 합금성분에 따라 착색한다는 단점이 있어, 최근에는 이러한 합금보다 고온강도가 우수한 산화물 분산강화형 백금소재로 대체되고 있는 추세이다.In particular, with the recent growth of the LCD industry, platinum has been widely used in materials and devices for manufacturing high-quality glass for LCDs. In order to manufacture such a high-quality glass, platinum material having a stronger strength than that of conventional platinum is used. In order to improve the strength of platinum, conventionally, platinum (Au), rhodium (Rh), etc. are alloyed with platinum and solid-solution strengthened. Although a lot of materials have been used, alloy elements used as reinforcing elements have a high cost and have a disadvantage of coloring according to alloying components, and recently, they have been replaced by oxide dispersion-reinforced platinum materials having higher high temperature strength than these alloys.

상기와 같은 고용강화된 백금 소재의 문제점을 해결하기 위해, 백금에 비해 산화력이 우수한 지르코늄(Zr), 사마륨(Sm), 이트륨(Y), 유로퓸(Eu), 하프늄(Hf) 등의 원소를 이용하여 산화물을 형성 및 분산시킨 백금재료가 개발되어지고 있는데, 이들 산화물을 함유한 백금재료는 1200℃이상의 고온에서 장시간 사용해도 결정립의 성장이 없고 변형이 적으며, 산화물에 의해 재결정이 방해되어 연신된 결정립을 갖게 되어 높은 고온 크립 강도를 나타내는 것으로 알려져 있다.In order to solve the problems of the solid solution strengthened platinum material, using elements such as zirconium (Zr), samarium (Sm), yttrium (Y), europium (Eu), hafnium (Hf), which is superior to the platinum Platinum materials that form and disperse oxides have been developed. Platinum materials containing these oxides have no grain growth and little deformation even when used for a long time at high temperatures of more than 1200 ° C. It is known to have crystal grains and exhibit high high temperature creep strength.

산화물 분산강화형 백금소재에 대한 종래의 제조방법으로는 백금 분말을 제조하는 방법에 의해 습식법과 건식법이 알려져 있다. 습식법의 경우, 사용되는 분말을 산 등의 약품에 의해 습식법으로 제조하고, 냉간등방압 성형(CIP), 가압소결, 산화열처리, 열간가공 및 냉간압연을 거쳐 최종 백금재료를 제조하는 방법으로, 이 공정은 습식법 특성상 화학반응 제어가 난해하여 산화물 원소의 함량제어가 어렵고, 분말을 제조하는데 장시간 소요 및 제조비용이 증가한다는 단점이 있다.As a conventional manufacturing method for the oxide dispersion-enhanced platinum material, a wet method and a dry method are known by a method of producing platinum powder. In the wet method, the powder to be used is prepared by the wet method by chemicals such as acid, and is manufactured by cold isotropic pressure forming (CIP), pressure sintering, oxidation heat treatment, hot working, and cold rolling to produce the final platinum material. The process is difficult to control the content of the oxide element due to the difficulty in controlling the chemical reaction due to the wet method characteristics, there is a disadvantage in that it takes a long time to manufacture the powder and the manufacturing cost increases.

건식법의 경우에는, 상기 습식법의 산화물 원소의 함량제어를 용이하게 하기 위해 진공용해 및 합금화하고, 제조된 합금소재를 와이어(wire)하여 아크 스프레이(Arc Spray) 장치를 이용하여 수냉 커튼에 분사하여 분말을 제조하고 분말 분쇄, 탈가스 처리 후, 성형체 제조, 열간가공 및 냉간압연을 거쳐 최종 백금 소재를 제조하는 방법으로, 습식법에 비해 산화물 원소의 함량제어가 용이하고, 제품 특성이 균일하다는 장점이 있지만, 공정 수가 복잡하여 백금소재의 순도저하, 비용 증가의 우려가 있으며, 전체 제조 시간이 증가하는 단점이 있다. In the dry method, in order to facilitate the control of the content of the oxide element of the wet method, vacuum melting and alloying, the alloy material is wired and sprayed on a water-cooled curtain using an arc spray device to powder And the final platinum material through powder pulverization, degassing, molding, hot working and cold rolling, which has the advantages of easier control of oxide content and uniform product characteristics compared to the wet method. Due to the complexity of the process, there is a concern that the purity of platinum material may decrease, and the cost may increase, and the overall manufacturing time may increase.

본 발명은 산화물을 분산시킨 백금소재를 제조함에 있어서, 종래의 습식공법이 아닌 세계 최초로 친환경적인 플라즈마 공법을 도입하여 분말을 제조하여, 분말제조 시간을 대폭 단축시키는 동시에 분말의 오염이 최소화된 고순도의 백금분말을 제조하는 것을 목적으로 하며, 이를 이용하여 산화물 분산강화형 백금 재료를 제조하는데 목적이 있다.In the present invention, in the production of platinum-dispersed platinum material, by introducing the world's first environmentally friendly plasma method, instead of the conventional wet method to produce a powder, significantly shorten the powder manufacturing time and at the same time minimize the contamination of the powder of high purity An object of the present invention is to prepare a platinum powder, and to produce an oxide dispersion-enhanced platinum material using the same.

이를 해결하기 위해, 백금에 목적조성의 합금원소를 첨가하여 백금합금 잉곳을 제조하고, 플라즈마를 이용하여 백금합금 분말을 제조한 후, 분위기 열처리를 통한 성형체 제조, 산화열처리, 고온 가압 열처리, 열간가공, 냉간가공 및 최종 재결정 열처리를 실시하여 산화물 분산화형 백금 재료를 제조하는 것을 목적으로 한다.To solve this problem, a platinum alloy ingot is prepared by adding an alloying element of platinum to a target composition, and a platinum alloy powder is prepared using plasma, followed by fabrication of a molded body through atmospheric heat treatment, oxidation heat treatment, high temperature pressurization heat treatment, and hot working. It is aimed to produce oxide dispersed platinum material by cold working and final recrystallization heat treatment.

본 발명은, 진공분위기 또는 불활성 분위기에서 백금에 목적조성의 합금원소를 첨가하여 목적조성의 백금합금 잉곳을 제조하고, 플라즈마를 이용하여 백금합금 분말을 제조하고, 무가압 진공 또는 분위기 열처리를 통한 백금합금 성형체의 제조, 고온 대기 열처리를 통한 합금원소의 산화, 고온 가압 성형을 통한 고밀도 소결체를 제조하며, 열간가공, 냉간가공 및 재결정 열처리를 실시하여 산화물 분산강화형 백금 재료를 제조하는 것을 특징으로 한다. The present invention is to prepare a platinum alloy ingot of the target composition by adding the alloying composition of the target composition to the platinum in a vacuum atmosphere or inert atmosphere, to prepare a platinum alloy powder using plasma, the platinum through a pressureless vacuum or atmosphere heat treatment It is characterized in that the production of alloy compacts, oxidation of alloy elements through high temperature atmospheric heat treatment, high density sintered compacts through high temperature press molding, and hot dispersion, cold working and recrystallization heat treatment to produce oxide dispersion-enhanced platinum material. .

산화물 분산강화형 백금재료의 분말을 제조하는데 있어서, 종래에 알려진 습식법을 적용할 경우 합금원소의 함량제어가 난해하고, 질산, 염산 등의 위험한 산용액을 다루기 때문에 핸들링에 상당한 제약이 있으며, 용해, 응축 및 정제의 반복 공정에 의한 분말을 제조하는데 장시간이 소요된다는 단점이 있다. In the production of powder of oxide dispersion-enhanced platinum material, when the wet method known in the art is applied, it is difficult to control the content of alloying elements and handles dangerous acid solutions such as nitric acid and hydrochloric acid, and therefore there are considerable restrictions on handling. There is a disadvantage that it takes a long time to prepare the powder by the repeated process of condensation and purification.

그리고, 최근에 알려진 건식법의 경우에도 습식법에 비해 산화물 원소의 함량제어 및 고온크립 강도 등이 개선되었으나, 백금합금 분말 및 백금 재료의 제조시간이 장시간 소요된다는 단점이 있다. In addition, in the case of the recently known dry method, the content control and the high temperature creep strength of the oxide element have been improved, compared with the wet method, but it has a disadvantage in that it takes a long time to manufacture the platinum alloy powder and the platinum material.

그러나, 본 발명의 핵심구성은 산화물 분산강화형 백금 분말을 제조하는데 있어서 습식법이 아닌 건식법을 이용하고 분무법이 아닌 플라즈마를 이용함으로써 백금합금 분말의 제조시간을 대폭 단축시키고, 분쇄공정 생략에 따른 강화백금 분말의 오염을 최소화할 수 있으며, 전체 제조시간도 감소되는 장점이 있다.However, the core structure of the present invention is to use a dry method rather than a wet method in the production of the oxide dispersion-enhanced platinum powder, and by using a plasma rather than a spray method to significantly reduce the production time of the platinum alloy powder, and strengthened platinum by eliminating the grinding process The contamination of the powder can be minimized, and the overall manufacturing time is also reduced.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 플라즈마에 의해 제조된 Pt-Zr 분말에 대하여 일정크기 이하로 분급 후 촬영된 FESEM 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 산화물 분산강화형 백금소재의 TEM 과 성분분석결과를 나타낸 도면이다.
1 is a FESEM image taken after classification to a predetermined size or less for the Pt-Zr powder prepared by the plasma according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing the TEM and component analysis results of the oxide dispersion-enhanced platinum material prepared according to an embodiment of the present invention.

산화물 분산강화형 백금 재료를 제조하는데 있어서, 백금합금 잉곳을 제조하는 단계에 진공 용해법을 적용하고, 백금합금 분말을 제조하는 단계에서 친환경 공법인 플라즈마를 이용하여 분말을 제조하는 것을 특징으로 한다. 이를 통해, 기존의 습식 및 건식법을 이용한 분말제조법에 비해 제조시간 단축 및 오염이 최소화된 백금합금 분말을 제조할 수 있다. In preparing the oxide dispersion-enhanced platinum material, the vacuum melting method is applied to the production of the platinum alloy ingot, and the powder is manufactured by using plasma, which is an environmentally friendly method, in the production of the platinum alloy powder. Through this, it is possible to produce a platinum alloy powder with a reduced production time and minimized contamination compared to conventional wet and dry powder manufacturing methods.

산화물 분산강화형 백금재료를 제조하는 제조방법은, 백금에 합금원소를 첨가하여 백금합금 잉곳을 제조하는 단계; 제조된 백금합금 잉곳에 플라즈마를 이용하여 백금합금 분말을 제조하는 단계; 백금합금 분말에 무가압 열처리를 통한 성형체 제조 및 대기열처리를 통한 산화물 원소의 산화 처리된 백금합금 성형체를 제조하는 단계; 산화 열처리된 성형체에 고온 가압성형을 통하여 밀도를 향상시키는 단계; 및 열간가공, 냉간가공 및 재결정 열처리를 통해 최종 재료를 제조하는 단계로 구성된다.The production method for producing an oxide dispersion-enhanced platinum material comprises the steps of: adding an alloying element to platinum to produce a platinum alloy ingot; Preparing a platinum alloy powder using a plasma on the prepared platinum alloy ingot; Preparing a molded article through a pressureless heat treatment to the platinum alloy powder and a oxidized platinum alloy molded article of an oxide element through queuing; Improving the density of the molded body subjected to the oxidative heat treatment through hot pressing; And manufacturing the final material through hot working, cold working and recrystallization heat treatment.

이하, 상기 각 공정 단계에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, each process step will be described in detail.

먼저, 순수백금에 목적조성의 합금원소를 첨가하여 백금합금 잉곳을 제작한다. First, a platinum alloy ingot is prepared by adding an alloying element of the target composition to pure platinum.

이때, 합금원소로 첨가되는 금속원소로서는 지르코늄(Zr), 사마륨(Sm), 이트륨(Y), 유로퓸(Eu), 하프늄(Hf) 등을 첨가하여 백금합금 잉곳을 제조한다. 첨가되는 합금원소의 종류는 다양하게 선택가능하나, 유리용 산업에 쓰이는 용도를 감안하여 내식성을 저해시키지 않고, 백금(Pt)에 비해 산화도가 큰 원소로 선정하는 것이 바람직하다. 첨가되는 합금원소의 양은 0.02 wt% 내지 1 wt%인 것을 특징으로 하는데, 이는 0.02 wt% 미만에서는 분산강화 효과를 얻을 수 없고, 1 wt%를 초과하는 경우 잔류 분산 입자에 의한 분산 강화효과가 커져 가공성이 저하되는 단점이 있다. 따라서 상기의 합금 원소 및 합금 원소의 양은 분산강화 효과를 극대화하면서 가공성을 좋게 하는데 특징이 있다. 이들 원소는 백금(Pt)에 비해 산화성이 우수하나 대기 중에서 용해할 경우 산화 및 기화에 의해 목적조성의 함량제어가 어려우므로 진공 또는 불활성 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다.At this time, as a metal element to be added as an alloying element, zirconium (Zr), samarium (Sm), yttrium (Y), europium (Eu), hafnium (Hf) and the like are added to prepare a platinum alloy ingot. Although various kinds of alloying elements can be added, it is preferable to select an element having a higher oxidation degree than platinum (Pt) without sacrificing corrosion resistance in view of the use in the glass industry. The amount of alloying element added is characterized in that 0.02 wt% to 1 wt%, the dispersion strengthening effect is not obtained at less than 0.02 wt%, the dispersion strengthening effect by the residual dispersed particles is increased when it exceeds 1 wt% There is a disadvantage in that workability is lowered. Therefore, the amount of the alloying element and the alloying element is characterized in that the workability is improved while maximizing dispersion strengthening effect. These elements are more oxidative than platinum (Pt), but when dissolved in the air, it is difficult to control the content of the target composition by oxidation and vaporization, so it is preferable to carry out in a vacuum or inert atmosphere.

제조된 백금합금 잉곳에 플라즈마를 이용하여 백금 합금 분말을 제조한다.A platinum alloy powder is prepared by using plasma in a prepared platinum alloy ingot.

본 발명에 사용된 플라즈마 장비는 진공반응챔버, 쿠엔칭부, 필터부로 구성되어 있는데, 진공반응챔버에서는 원료투입, 진공펌프에 의한 감압, 반응가스 투입 및 전력인가에 의한 플라즈마 형성, 플라즈마 형성 후 원료가 용융 및 기화되어 진공 펌프 및 냉간가스 유도에 의해 쿠엔칭부로 이동되어 필터부에서 미세한 분말을 얻는 것이 특징이다.The plasma equipment used in the present invention is composed of a vacuum reaction chamber, a quenching part, and a filter part. In the vacuum reaction chamber, raw material input, decompression by a vacuum pump, reaction gas input and power plasma formation, and raw material after plasma formation It is characterized in that it is melted and vaporized and moved to the quenching portion by vacuum pump and cold gas induction to obtain fine powder in the filter portion.

이러한 플라즈마 장비 챔버에 백금합금 잉곳을 투입한다. 이때 사용 가능한 몰드의 재료로는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 구리(Cu), 그라파이트(Graphite) 등이 사용될 수 있으며, 몰드에 의한 오염을 최소화하는 것이 바람직한데, 분말내부에 몰드 성분 등의 오염물이 잔존할 경우 최종 강화백금 재료의 순도를 저하시켜 품질에도 영향을 주기 때문이다. 플라즈마를 형성하기 위해 원재료를 투입 후 진공장치를 이용하여 감압 후 플라즈마 형성용 가스를 투입하고 일정전력을 투입하여 플라즈마를 형성한다. 분말을 제조하기 위한 플라즈마 전력인가는 초기에 10 kw 이하의 낮은 전력으로 플라즈마를 형성시켜 백금합금 잉곳을 승온 및 용융시키고, 용융이 완료되면 플라즈마 전력을 증가시켜 분말을 기화 및 비산시키는 것이 유리한데, 이는 초기부터 플라즈마 전력을 10 kw 이상 높게 할 경우 급격한 승온에 의해 용탕이 끓거나 용탕이 불안정하여 미세하고 균일한 분말제조가 난해하기 때문이다.A platinum alloy ingot is introduced into the plasma equipment chamber. Molybdenum (Mo), tungsten (W), copper (Cu), graphite, etc. may be used as the material of the mold, and it is preferable to minimize contamination by the mold. If contaminants remain, the purity of the final strengthened platinum material is lowered, which affects the quality. In order to form a plasma, after inputting raw materials, a vacuum apparatus is used to inject a plasma forming gas after depressurization, and a predetermined power is input to form a plasma. Plasma power application to produce the powder is advantageous to initially form a plasma with a low power of 10 kw or less to heat up and melt the platinum alloy ingot, and to increase the plasma power to vaporize and scatter the powder when melting is completed. This is because when the plasma power is increased from 10 to 10 kw or more, it is difficult to prepare fine and uniform powder due to the boiling of the molten metal due to the rapid temperature rise or the instability of the molten metal.

제조된 백금합금분말을 이용하여 무가압 열처리를 통한 성형체 제조 및 대기열처리를 통한 산화물 원소의 산화 처리된 백금합금 성형체를 제조한다.The prepared platinum alloy powder is used to prepare a molded body through a pressureless heat treatment and to prepare an oxide-treated platinum alloy molded body of an oxide element through queuing.

플라즈마를 이용하여 제조된 백금합금분말의 크기는 수십 nm 내지 수십 ㎛로 다양하게 분포되어 있데, 최종 산화물 분산강화형 백금재료의 균일한 물성을 나타내기 위해서는 제조된 분말을 분급하여 일정한 크기의 분말을 사용하는 것이 바람직하다. The size of the platinum alloy powder prepared by using plasma is variously distributed in the range of several tens of nm to several tens of micrometers. In order to show uniform physical properties of the final oxide dispersion-enhanced platinum material, the prepared powder is classified and a powder having a constant size It is preferable to use.

백금합금 성형체는 몰드 내부형상을 원하는 형상으로 제작하고, 플라즈마를 이용하여 제조된 백금합금분말을 몰드 내부에 투입 후 열처리를 실시하여 제조한다. 이때 산화처리된 백금합금 성형체 제조는 진공 또는 무가압의 불활성 분위기에서 열처리를 실시한 후 대기 중에서 열처리를 통하여 가능하다.The platinum alloy molded body is manufactured by manufacturing a mold internal shape into a desired shape, and injecting a platinum alloy powder prepared by using a plasma into the mold and then performing heat treatment. In this case, the oxidized platinum alloy molded body may be manufactured by heat treatment in an atmosphere of vacuum or pressureless inert atmosphere.

이때 각각의 열처리 조건으로는 1000℃ 내지 1400℃의 온도에서 1 내지 5 시간 동안 실시하는 것이 바람직한데, 1000℃ 이하이거나 1 시간 이하일 경우 백금합금 성형체가 파손되기 쉬워 건전한 백금합금 성형체 제조가 어렵고 또한 합금원소의 산화가 충분하지 않을 수 있으며, 온도가 1400℃ 이상 높고 시간이 5 시간 이상 장시간일 경우 합금원소의 조대화에 의한 분산강화효과가 저하되는 단점이 있다. At this time, the heat treatment conditions are preferably carried out for 1 to 5 hours at a temperature of 1000 ℃ to 1400 ℃, when the alloy is less than 1000 ℃ or less than 1 hour is easy to break the platinum alloy molded body is difficult to manufacture a healthy platinum alloy molded body and alloy The oxidation of the element may not be sufficient, and if the temperature is higher than 1400 ° C. and the time is longer than 5 hours, there is a disadvantage in that the dispersion strengthening effect due to coarsening of alloying elements is lowered.

또한, 몰드는 고비용이고 대기 중 고온에서 사용시 몰드가 손상되거나 파손될 가능성이 있으므로, 우선적으로는 진공이나, 불활성 분위기에서 카본 몰드를 이용하여 건전한 백금합금 성형체를 제조하고, 후공정으로 합금원소의 산화를 위해 몰드를 제거한 후 백금합금 성형체만 대기 중에서 열처리를 실시하여 산화처리된 백금합금 성형체 제조가 가장 바람직하다. 백금합금 성형체 제조시 백금에 비해 산화가 용이한 합금원소의 산화가 충분히 이루어지도록 해야 하며, 이를 위해 산화에 유리한 저밀도 백금합금 성형체가 제조되어야 하므로 무가압 상태에서 열처리를 실시하는 것이 균일한 산화물 분산강화형 백금재료를 제조하는데 유리하다. In addition, since the mold is expensive and there is a possibility that the mold may be damaged or broken when used at high temperature in the air, firstly, a sound platinum alloy molded body is manufactured by using a carbon mold in a vacuum or in an inert atmosphere, and oxidation of the alloying element is performed in a post process. After removing the mold, only the platinum alloy molded article is heat-treated in air to prepare the oxidized platinum alloy molded article. When manufacturing a platinum alloy molded body, it is necessary to sufficiently oxidize the alloying element, which is easier to oxidize than platinum, and for this purpose, a low density platinum alloy molded body which is advantageous for oxidation should be manufactured. It is advantageous to produce a type platinum material.

산화처리된 백금합금 성형체에 고온가압성형을 통하여 고밀도의 소결체를 제조한다. The high-density sintered compact is manufactured through high temperature press molding on the oxidized platinum alloy compact.

산화처리된 백금합금 성형체에 열간단조나 열간압연을 통해 고밀도화가 가능하나, 성형체의 밀도가 낮아 열간가공시 파손되는 경우가 많아 이를 억제하기 위해 고온가압성형을 실시하여 80% 이상의 상대밀도를 갖는 소결체를 제조 후 열간가공 및 냉간가공이 용이하도록 하는 것이 목적이다.High-density can be achieved by hot forging or hot rolling on the oxidized platinum alloy molded body.However, due to the low density of the molded body, it is often damaged during hot processing. The purpose is to facilitate the hot working and cold working after manufacturing.

적용 가능한 고온가압성형 공정으로는 핫 프레스(Hot Press) 또는 고온 등방압 성형(Hot Isostatic Press)이 가능하며, 고온가압성형 공정 조건으로는 1200℃ 내지 1400℃의 온도범위에서 1 내지 5 시간으로 5 내지 50 MPa 압력으로 제조하는 것이 바람직하다. 온도가 1200℃ 이하이거나 소결 시간 및 압력이 낮을 경우 고밀도의 소결체를 얻는데 불리하고, 온도가 1400℃, 소결시간이 5 시간 이상일 경우 산화물의 조대화로 인한 특성저하 가능성이 높으며, 압력이 높을 경우, 적용 몰드 및 장비의 위험성이 증가하여 비용적인 손실을 초래할 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.Applicable hot press molding process can be hot press or hot isostatic press, and the hot press molding process condition is 1 to 5 hours in the temperature range of 1200 ° C to 1400 ° C. It is preferred to produce at a pressure of from 50 MPa. If the temperature is less than 1200 ℃ or the sintering time and pressure is low, it is disadvantageous to obtain a high density sintered body, if the temperature is 1400 ℃, the sintering time is more than 5 hours, there is a high possibility of deterioration of characteristics due to the coarsening of the oxide, when the pressure is high, This is undesirable because the risk of the application molds and equipment can be increased resulting in costly losses.

고온가압성형에 의해 고밀도화된 소결체에 열간가공 및 냉간가공을 통하여 최종 산화물 분산강화형 백금재료를 제조한다.The final oxide dispersion-enhanced platinum material is produced by hot working and cold working on a sintered body densified by high temperature pressing.

열간가공공정은 이론밀도에 가깝게 밀도를 확보하기 위해 적용되는 공정으로, 열간압연이나, 열간단조 또는 해머링(Hammering) 공정 중 적용이 용이한 공정을 도입하여 실시하는 것이 바람직하다. 열간가공을 통해 제조된 강화백금의 경우에는 98% 이상의 상대밀도를 갖게 하는 것이 바람직한데, 이는 98% 이하의 상대밀도를 가질 경우 후속 냉간가공 후 99% 이상의 상대밀도를 확보하더라도, 열간가공시 잔존한 세공(pore)의 단면적 감소에 의한 상대밀도가 증가한 것으로, 최종 재결정 열처리에 의해 Blister(결함)가 발생할 가능성이 높기 때문이다. 상대밀도 = (제조된 분산강화형 백금 비중/이론비중) x 100의 의미이다. 따라서, 본 발명에 의해 제조된 분산강화형 백금의 측정 비중이 21.06이고, 분산강화형 백금 이론비중이 21.39gr/cm3 임으로, 본원발명에서 상대밀도 98%이상의 의미는 상대밀도 98.5% = (21.06/21.39) x 100 의 값이다. 열간가공시 가공온도는 1100℃ 내지 1400℃에서 실시하는 것이 적절한데, 이는 1100℃ 이하로 낮을 경우 열간가공 중 크랙이 발생되기 쉽고, 고밀도를 확보하기 난해하며, 1400℃ 이상으로 높을 경우에는 합금원소의 조대화 등으로 인해 산화물 분산강화형 백금소재의 특성이 저하될 수 있기 때문이다.The hot working process is a process applied to secure the density close to the theoretical density, and is preferably carried out by introducing a process that is easy to apply during hot rolling, hot forging or hammering. In the case of reinforced platinum manufactured by hot working, it is desirable to have a relative density of 98% or more. If a relative density of 98% or less is used, even if a relative density of 99% or more is secured after subsequent cold working, it remains during hot working. This is because the relative density due to the decrease in the cross-sectional area of one pore is increased, and the possibility of the occurrence of a blister due to the final recrystallization heat treatment is high. Relative density = (manufactured dispersion-enhanced platinum specific gravity / theoretical specific gravity) x 100 Therefore, the measurement specific gravity of the dispersion-reinforced platinum prepared by the present invention is 21.06, and the theoretical specific gravity of the dispersion-reinforced platinum is 21.39 gr / cm 3 , and in the present invention, the relative density of 98% or more means that the relative density of 98.5% = (21.06 /21.39) x 100. In the case of hot working, the processing temperature is appropriately carried out at 1100 ℃ to 1400 ℃. If it is lower than 1100 ℃, it is easy to cause cracks during hot working, and it is difficult to secure high density. This is because the characteristics of the oxide dispersion-enhanced platinum material may be deteriorated due to coarsening.

열간가공 후에는 냉간가공 중 균열의 발생을 방지하기 위해 풀림처리를 행하고 냉간가공을 실시하는 것도 바람직하다. 이때에 가공조직을 도입하는 목적은 후열처리를 통해 재결정화를 시킴으로써 조직의 균질화가 우선이고 냉간가공을 통한 크기를 증가시키기 위한 목적도 있다. 압하율은 후속열처리를 통해 재결정화가 일어날 수 있도록 50 내지 90% 압하율이 적절하다. 이는 50% 이하일 경우 가공응력이 낮아 재결정이 일어나지 않을 수 있으며, 90% 이상일 경우 높은 가공응력으로 인해 재료의 파손 가능성이 높기 때문이다.After hot working, it is also preferable to perform annealing and cold working in order to prevent the occurrence of cracking during cold working. At this time, the purpose of introducing the processing tissue is to recrystallize through the post-heat treatment to homogenize the tissue first, and also to increase the size through cold working. The reduction ratio is suitably 50 to 90% reduction ratio so that recrystallization can occur through subsequent heat treatment. This is because recrystallization may not occur when the processing stress is lower than 50%, and the breakage of the material is high due to the high processing stress when it is 90% or more.

냉간 가공된 재료에 대해 대기 중에서 1200℃ 내지 1400℃의 온도범위에서 1 내지 5 시간으로 열처리를 행하는 것이 바람직한데, 1200℃ 이하의 온도 또는 1 시간 이하일 경우, 미세조직의 재결정이 억제될 수 있으며, 1400℃ 이상의 온도 또는 5 시간 이상일 경우 결정립 및 산화물이 조대화되어 고온강도가 저하될 우려가 있어 바람직하지 못하다. It is preferable to heat-treat the cold worked material in the air at a temperature range of 1200 ° C. to 1400 ° C. for 1 to 5 hours. When the temperature is below 1200 ° C. or 1 hour or less, recrystallization of the microstructure may be suppressed. If the temperature is 1400 ° C. or more or 5 hours or more, grains and oxides are coarsened and high temperature strength may be lowered, which is not preferable.

[[ 실시예Example ]]

진공 고주파 유도 용해로를 이용하여 Pt-0.3wt%Zr 잉곳 500g을 제조하였다. 제조된 잉곳에 대해, DC 플라즈마 장비를 이용하여 Pt-Zr분말을 제조하였는데 제조공정은 다음과 같다. 플라즈마 장비에 부착된 진공펌프를 이용하여 10-3 torr까지 감압 후 Ar을 반응가스로 하여 플라즈마를 형성시켜, 잉곳을 용융시키고 플라즈마 전력을 더욱 상승시켜 분말을 제조하였으며, 최종 제조된 분말을 챔버 내부 및 쿠엔칭부 등에서 포집하여 최종 Pt-Zr분말을 확보하였다. 플라즈마를 이용한 Pt의 제조공정조건을 표 1에 나타내었다.500 g of Pt-0.3 wt% Zr ingot were prepared using a vacuum high frequency induction furnace. For the prepared ingot, Pt-Zr powder was prepared by using a DC plasma equipment, the manufacturing process is as follows. After depressurization to 10 -3 torr using a vacuum pump attached to the plasma equipment, plasma was formed by using Ar as a reaction gas, thereby melting the ingot and further increasing the plasma power to prepare a powder. And the final Pt-Zr powder was collected by the quenching part and the like. Table 1 shows the process conditions for producing Pt using plasma.

공정항목Process item 공정조건-실시예Process conditions - Examples 1단계(저전력)Tier 1 (Low Power) 2단계Step 2 인가된 플라즈마 출력Applied plasma output 5 Kw5 Kw 30 Kw30 Kw 플라즈마용 반응가스Reaction gas for plasma 조성Furtherance ArAr ArAr 가스유량Gas flow rate 20 L/min20 L / min 20 L/min20 L / min 냉각용 가스조성(유량)Gas composition for cooling (flow rate) Ar+N2(150L/min)Ar + N 2 (150L / min) Ar+N2(150L/min)Ar + N 2 (150L / min)

플라즈마에 의해 제조된 Pt-Zr 분말에 대하여 일정크기 이하로 분급 후 FESEM 이미지 분석결과를 도 1에 나타내었다.The result of FESEM image analysis after classifying the Pt-Zr powder prepared by plasma below a certain size is shown in FIG. 1.

도 1로부터, 플라즈마에 의해 제조된 백금 합금분말의 경우 기화분말의 특징인 1 ㎛ 이하의 구형분말도 관찰되나, 비산에 의한 수십 ㎛급의 분말도 관찰된다.From Fig. 1, in the case of the platinum alloy powder produced by plasma, spherical powder of 1 mu m or less, which is a characteristic of the vaporized powder, is also observed.

플라즈마에 의해 제조된 백금합금분말의 합금원소 함량 확인을 위해 ICP분석결과를 표 1에 나타내었다.Table 1 shows the results of ICP analysis to confirm the alloying element content of the platinum alloy powder prepared by plasma.

(단위:wt%)(Unit: wt%) 원소element 실시예Example 원소element 실시예Example 원소element 실시예Example AlAl 0.00000.0000 FeFe 0.00100.0010 RuRu 0.00200.0020 AsAs 0.00010.0001 IrIr 0.00000.0000 SbSb 0.00000.0000 AuAu 0.00010.0001 MgMg 0.00000.0000 SiSi 0.00000.0000 BB 0.00010.0001 MnMn 0.00000.0000 SnSn 0.00290.0029 BiBi 0.00000.0000 MoMo 0.00100.0010 TeTe 0.00000.0000 CaCa 0.00000.0000 NiNi 0.00000.0000 TiTi 0.00500.0050 CdCD 0.00010.0001 OsOs 0.00000.0000 WoWo 0.00000.0000 CoCo 0.00010.0001 PbPb 0.00000.0000 ZnZn 0.00700.0070 CrCr 0.00030.0003 PdPd 0.00200.0020 ZrZr 0.27700.2770 CuCu 0.00070.0007 RhRh 0.01000.0100

표 2에서 보면 제조된 백금 합금 분말의 경우, 합금원소인 Zr 함량은 목적조성에 유사한 0.28 wt%를 나타내고 있으며, Zr 함량을 제외한 Pt 순도도 3N5의 고순도를 나타내고 있어, 건전한 백금 합금분말 제조가 가능하였다.As shown in Table 2, in the case of the prepared platinum alloy powder, the Zr content, which is an alloying element, showed 0.28 wt% similar to the target composition, and exhibited a high purity of PN purity 3N5 except for the Zr content, thereby making it possible to manufacture a healthy platinum alloy powder. It was.

제조된 분말은 사각 성형체 카본 몰드 내부에 투입하고 아르곤(Ar)분위기에서 1300℃에서 2 시간 동안 열처리하여 성형체를 제조하였으며, 제조된 성형체는 산화처리를 위해 대기 중에서 1400℃에서 2 시간 동안 열처리를 실시하였다. 산화처리된 시편은 고밀도를 확보하기 위해 1300℃에서 2 시간 동안 20 MPa압력으로 고온가압성형을 실시하였으며, 초고밀도 확보를 위해 1300℃에서 열간압연, 냉간압연 및 열처리를 통해 최종 산화물 분산강화형 백금재료를 제조하였다. The prepared powder was placed in a square molded carbon mold and heat-treated at 1300 ° C. for 2 hours in an argon (Ar) atmosphere to prepare a molded product. The molded product was heat-treated at 1400 ° C. for 2 hours in air for oxidation treatment. It was. Oxidized specimens were subjected to high temperature pressing at 20 MPa pressure for 2 hours at 1300 ℃ to ensure high density, and final oxide dispersion strengthened platinum by hot rolling, cold rolling and heat treatment at 1300 ℃ for ultra high density. The material was prepared.

비교를 위해 종래의 제조방법인 습식법을 이용하여 강화백금분말을 제조한 후 상기와 동일하게 성형체 제조, 산화처리, 가압소결, 열간가공 및 냉간가공을 실시하여 산화물 분산강화형 백금 재료를 제조한 후 특성을 비교하였다(비교예1). 또한 물성평가의 신뢰성을 높이기 위해 시판중인 0.3wt% Pt-Zr강화백금 재료를 구입하여 분석 및 비교하였다(비교예2).For comparison, after the reinforced platinum powder was manufactured by using the wet method, which is a conventional manufacturing method, an oxide dispersion-enhanced platinum material was prepared by manufacturing a molded body, oxidation treatment, pressure sintering, hot working, and cold working as described above. The characteristics were compared (Comparative Example 1). In addition, commercially available 0.3 wt% Pt-Zr-reinforced platinum material was analyzed and compared to improve the reliability of the physical property evaluation (Comparative Example 2).

각각에 대해 제조된 강화백금 재료에 대해 제조시간, 상대밀도, 순도, 지르코늄(Zr)함량 및 강화백금재료의 물성을 표 3에 나타내었으며, Blister(결함) 테스트 결과에 대해서 표 4에 나타내었다.The preparation time, relative density, purity, zirconium (Zr) content, and physical properties of the reinforced platinum material are shown in Table 3, and the Blister test results are shown in Table 4, respectively.

항목Item 실시예Example 비교예1Comparative Example 1 비교예2Comparative Example 2 제조기간(일)Manufacturing period (days) 22 1010 -- 상대밀도(%)Relative density (%) 99↑99 ↑ 99↑99 ↑ 99↑99 ↑ Zr함량(wt%)Zr content (wt%) 0.280.28 0.230.23 0.160.16 순도(Zr함량제외)Purity (excluding Zr content) 3N53N5 2N92N9 3N23N2 경도(Hv)Hardness (Hv) 8989 8787 7878

실시예Example 비교예1Comparative Example 1 비교예2Comparative Example 2 1200℃x1hr1200 ℃ x1hr Blister 無Blister None Blister 無Blister None Blister 無Blister None 1500℃x1hr1500 ℃ x1hr Blister 無Blister None Blister 無Blister None Blister 無Blister None

표 3으로부터 본 발명에 의해 제조된 산화물 분산강화형 백금 재료가 제조기간이 대폭 감소함을 알 수 있고, 백금의 순도도 가장 우수함을 알 수 있다. 특히 습식법에 의해 제조된 백금재료에 비해 Zr 함량이 목적조성과 유사한 결과로부터 본 발명이 지르코늄(Zr) 함량 제어가 매우 유리함을 알 수 있다. 산화물 분산강화의 주요한 특성인 열안정성 평가결과에서도(표 4) 본 발명은 습식법으로 제조한 백금 재료나 시판중인 산화물 분산강화형 백금와 동등수준의 열안정성을 보이고 있었다.It can be seen from Table 3 that the oxide dispersion-enhanced platinum material produced by the present invention significantly reduces the production period, and the platinum has the highest purity. In particular, it can be seen that the present invention is very advantageous to control the zirconium (Zr) content from the results of the Zr content similar to the target composition compared to the platinum material prepared by the wet method. In the thermal stability evaluation result, which is a major characteristic of the oxide dispersion strengthening (Table 4), the present invention showed thermal stability equivalent to that of the platinum material manufactured by the wet method and commercially available oxide dispersion-reinforced platinum.

본 발명에 의해 제조된 산화물 분산강화형 백금소재의 산화물 확인을 위해 TEM 분석결과 성분분석결과를 도 2에 나타내었다. TEM 분석결과(도 2)로부터, 본 발명에 의해 100 nm 크기의 Zr 산화물이 분포된 백금 재료의 제조가 가능하였다.
2 shows the results of TEM analysis for analyzing the oxide of the oxide dispersion-enhanced platinum material prepared by the present invention. From the TEM analysis result (FIG. 2), the present invention enabled the production of platinum material in which Zr oxide of 100 nm size was distributed.

Claims (12)

플라즈마를 이용한 산화물 분산강화형 백금 재료를 제조함에 있어서,
백금에 합금원소를 첨가하여 백금합금 잉곳을 제조하는 단계;
제조된 백금합금 잉곳에 플라즈마를 이용하여 백금합금 분말을 제조하는 단계;
백금합금 분말에 무가압 열처리를 통한 성형체 제조 및 대기열처리를 통한 산화물 원소의 산화 처리된 백금합금 성형체를 제조하는 단계;
산화 열처리된 성형체에 고온 가압성형을 통하여 밀도를 향상시키는 단계; 및
열간가공, 냉간가공 및 재결정 열처리를 통해 최종 재료를 제조하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 산화물 분산강화형 백금재료의 제조방법.
In manufacturing the oxide dispersion-enhanced platinum material using plasma,
Adding an alloying element to platinum to produce a platinum alloy ingot;
Preparing a platinum alloy powder using a plasma on the prepared platinum alloy ingot;
Preparing a molded article through a pressureless heat treatment to the platinum alloy powder and a oxidized platinum alloy molded article of an oxide element through queuing;
Improving the density of the molded body subjected to the oxidative heat treatment through hot pressing; And
A method of producing an oxide dispersion-enhanced platinum material using plasma, comprising the steps of preparing a final material through hot working, cold working and recrystallization heat treatment.
제 1항에 있어서,
상기 백금합금 잉곳을 제조하는 단계에 첨가되는 합금원소는 지르코늄(Zr), 사마륨(Sm), 이트륨(Y), 유로퓸(Eu), 하프늄(Hf) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 산화물 분산강화형 백금재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The alloying element added in the step of manufacturing the platinum alloy ingot is any one selected from zirconium (Zr), samarium (Sm), yttrium (Y), europium (Eu), hafnium (Hf) using a plasma Method for producing oxide dispersion strengthened platinum material.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 백금합금 잉곳을 제조하는 단계에 첨가되는 합금원소의 양은 0.02 wt% 내지 1 wt%인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 산화물 분산강화형 백금재료의 제조방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
The method for producing an oxide dispersion-enhanced platinum material using a plasma, characterized in that the amount of alloying elements added in the step of producing the platinum alloy ingot is 0.02 wt% to 1 wt%.
제 1항에 있어서,
플라즈마를 이용하여 백금합금 분말을 제조하는 단계에서 사용되는 몰드의 재료는 그라파이트(Graphite), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 백금(Pt) 또는 텅스텐(W) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 산화물 분산강화형 백금재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The material of the mold used in the production of the platinum alloy powder using plasma is any one selected from graphite, copper (Cu), molybdenum (Mo), platinum (Pt) or tungsten (W). Method for producing an oxide dispersion-enhanced platinum material using a plasma.
제 1항에 있어서,
상기 백금합금 성형체를 제조하는 단계는 진공 또는 불활성분위기에서 1000℃ 내지 1400℃의 온도에서 1 내지 5 시간 동안 열처리하고, 후속으로 대기 중에서 1000℃ 내지 1400℃의 온도에서 1 내지 5 시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 산화물 분산강화형 백금재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The step of preparing the platinum alloy molded body is heat-treated for 1 to 5 hours at a temperature of 1000 ℃ to 1400 ℃ in a vacuum or inert atmosphere, followed by heat treatment for 1 to 5 hours at a temperature of 1000 ℃ to 1400 ℃ in air Method for producing an oxide dispersion-enhanced platinum material using a plasma.
제 1항에 있어서,
상기 성형체에 고온가압성형은 핫프레스 또는 고온 등방압 성형으로 제조하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 산화물 분산강화형 백금재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The high pressure pressing molding the molded body is produced by hot pressing or high temperature isostatic molding.
제 6항에 있어서,
상기 성형체에 고온가압성형은 1200℃ 내지 1400℃의 온도, 5 내지 50 MPa 압력으로, 1 내지 5 시간 실시하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 산화물 분산강화형 백금재료의 제조방법.
The method according to claim 6,
The high-temperature press molding to the molded body is carried out at a temperature of 1200 ℃ to 1400 ℃, 5 to 50 MPa pressure, 1 to 5 hours, characterized in that the production method of the oxide dispersion strengthening platinum material using plasma.
제 1항에 있어서,
상기 열간가공은 열간압연, 열간단조 또는 해머링(Hammering) 공정 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 산화물 분산강화형 백금재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The hot working is a method of producing an oxide dispersion-enhanced platinum material using plasma, characterized in that any one selected from hot rolling, hot forging or hammering (Hamering) process.
제 8항에 있어서,
상기 열간가공은 1100℃ 내지 1400℃ 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 산화물 분산강화형 백금재료의 제조방법.
The method of claim 8,
The hot working is a method of producing an oxide dispersion-enhanced platinum material using a plasma, characterized in that carried out at a temperature of 1100 ℃ to 1400 ℃.
제 1항에 있어서,
상기 열간가공된 백금재료의 상대밀도가 98% 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 산화물 분산강화형 백금재료의 제조방법.
The method of claim 1,
A method of producing an oxide dispersed strengthening platinum material using plasma, characterized in that the relative density of the hot worked platinum material is 98% or more.
제 1항에 있어서,
상기 냉간가공은 열간가공된 백금합금 성형체를 50% 내지 90%의 압하율로 냉간가공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 산화물 분산강화형 백금재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The cold working method is a method of manufacturing an oxide dispersion-enhanced platinum material using a plasma, characterized in that the cold-worked platinum alloy molded body is cold worked at a reduction ratio of 50% to 90%.
제 1항에 있어서,
상기 재결정 열처리는 냉간가공된 백금재료를 1200℃ 내지 1400℃의 온도에서 1 내지 5 시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 산화물 분산강화형 백금재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The recrystallization heat treatment is a method of producing an oxide dispersion-enhanced platinum material using a plasma, characterized in that the cold-processed platinum material is heat-treated for 1 to 5 hours at a temperature of 1200 ℃ to 1400 ℃.
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