KR101658381B1 - 분말 성형체 제조방법 및 분말 성형체 제조용 혼합분말 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 가지 양태에 따라서, 금속분말과 폴리머 바인더 분말을 준비하는 단계; 상기 각각의 분말을 물리적 에너지 인가 매체와 함께 용기 내에 투입하는 단계; 상기 용기에 물리적 에너지를 인가하여, 상기 물리적 에너지 인가 매체를 상기 분말과 충돌시켜, 금속분말과 폴리머 바인더 분말의 혼합분말을 제조하는 단계로서, 폴리머 바인더 분말이 금속분말 사이사이에 개재된 채 금속분말 표면에 물리적으로 결합되어, 금속분말들을 결합시키고 있는, 상기 혼합분말을 제조하는 단계; 상기 혼합분말에 대해 상온에서 압력을 인가하여 소정의 형상을 갖는 예비 성형체를 제조하는 단계; 상기 예비성형체에 대하여 탈지 공정 및 소결 공정을 수행하는 단계로서, 이 탈지 공정 및 소결 공정 전후에 상기 예비성형체의 치수는 거의 변하지 않는 것인, 상기 탈지 공정 및 소결 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 성형체 제조 방법이 제공된다.

Description

분말 성형체 제조방법 및 분말 성형체 제조용 혼합분말{METHOD OF MANUFACTURING POWDER MOLDED PRODUCT AND MIXED POWDER FOR MANUFACTURING POWDER MOLDED PRODUCT}

본 발명은 분말을 이용하여 성형체를 제조하는 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 금속분말과 폴리머 바인더를 이용하여 분말 성형체를 제조하는 기술에 관한 것이다.

금속분말과 바인더를 이용하여 분말성형체를 제조하는 기술이 알려져 있다(예컨대, 등록특허 제10-1076785호).

각종 금속분말재료나 세라믹 분말재료를 적절한 바인더 시스템과 혼합하여 분말과 바인더 시스템의 분말혼합체를 제조한 후, 이 분말혼합체를 사출성형 공정을 이용하여 원하는 형상의 예비 성형체(Green Compact)를 만들고, 그 중에 포함되어 있는 바인더 시스템을 제거하는 탈지공정을 거쳐 최종적으로 소결공정을 거쳐 완성된 금속이나 세라믹 성형제품을 만드는 제조공법을 분말사출성형(Powder Injection Molding, PIM)이라고 한다.

성형재료가 금속인 경우에는 금속사출성형(MIM : Metal Injection Molding)으로 분류되는데, 금속사출성형은 복잡한 부품의 대량생산을 비용 효과적으로 가능케 하는 첨단가공기술로서 많은 주목을 받고 있다. 금속사출성형시 크게 혼합, 사출성형, 탈지, 소결, 프레싱 등의 공정을 거치므로 각 공정에 대한 기술이 확보되어야만 성공적인 사출성형제품을 완성할 수 있게 되므로 혼합공정부터 주어진 분말재료에 적합한 바인더 시스템을 선택하는 것이 중요하다.

현재 많은 사출공정에서는 분말혼합체의 사출성형성과 탈지공정의 용이성을 고려하여, 바인더의 분율이 40% 이상 요구된다[H. Ye et al., J. Mater. Process. Tech. 200 (2008), M. Bulger, Adv. Mater. Process. (2005) 39, D.F. Heaney, Woodhead Publishing, Cambridge, UK (2012) p89.]. 그러나, 높은 분율의 바인더시스템은 혼합공정의 균일성과 치수정밀도를 어렵게 하여 산업적 응용을 어렵게 하고 있다. 즉, 사출공정 측면에서는 바인더의 함량이 상기와 같이 가능한 한 높은 것이 요구된다(바인더는 결합재의 역할을 한다). 그러나, 재료적 관점에서는 바인더의 함량은 가능한 적은 것이 좋다. 또한, 바인더는 추후 탈지 공정시 pore가 될 수 있는 site로서 작용할 수 있으며, 이에 따라 최종 성형품의 정확한 치수 제어가 어려운 문제점이 있다. 또한, 바인더의 양이 많으면 탈지 공정이 길어지고 복잡해지기 때문에, 비용면에서도 바람직하지 않다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 적은 비율의 바인더만을 사용하여 금속분말과 혼합하여 분말 성형체를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 바인더/금속분말의 분말혼합체로 제조된 예비 성형체의 탈지공정을 빠른 시간 내에 수행하여 성형체의 치수 변화를 작게 할 수 있는 성형체 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 장시간 소결에도 형상을 유지하며 치수정밀도가 정확한 분말 성형체 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 분말 성형체를 제조하는 데에 이용될 수 있는 혼합분말을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 가지 양태에 따라서, 금속분말과 폴리머 바인더 분말을 준비하는 단계; 상기 각각의 분말을 물리적 에너지 인가 매체와 함께 용기 내에 투입하는 단계; 상기 용기에 물리적 에너지를 인가하여, 상기 물리적 에너지 인가 매체를 상기 분말과 충돌시켜, 금속분말과 폴리머 바인더 분말의 혼합분말을 제조하는 단계로서, 폴리머 바인더 분말이 금속분말 사이사이에 개재된 채 금속분말 표면에 물리적으로 결합되어, 금속분말들을 결합시키고 있는, 상기 혼합분말을 제조하는 단계; 상기 혼합분말에 대해 상온에서 압력을 인가하여 소정의 형상을 갖는 예비 성형체를 제조하는 단계; 상기 예비성형체에 대하여 탈지 공정 및 소결 공정을 수행하는 단계로서, 이 탈지 공정 및 소결 공정 전후에 상기 예비성형체의 치수는 거의 변하지 않는 것인, 상기 탈지 공정 및 소결 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 성형체 제조 방법이 제공된다.

한 가지 실시예에 있어서, 볼 밀링법 또는 핸드 밀링법을 이용하여, 상기 혼합분말을 제조할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 폴리머 바인더 분말은 상기 금속 분말 대비 10~25 vol%의 비율로 혼합할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 탈지 공정은 상기 폴리머 바인더 분말의 비등점 이상의 온도로 가열하여 수행할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 소결 공정은 상기 금속 분말의 융점(Tm)의 약 0.8 Tm의 온도에서 수행할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 소결 공정은 상기 금속 분말의 산화를 방지하기 위하여, 아르곤, 수소 또는 질소의 보호가스 분위기 하에서 수행할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 금속분말은 알루미늄, 구리, 철, 티타늄 및 마그네슘의 순금속, 텅스텐, 코발트와 같은 초경금속 또는 이들 중 하나 이상을 기지로 하는 합금 분말일 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 폴리머 바인더 분말은 파라핀 왁스일 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따라서, 분말 성형체 제조용 혼합분말이 제공되는데, 상기 혼합분말은 금속분말과 폴리머 바인더 분말을 포함하고, 폴리머 바인더 분말이 금속분말 사이사이에 개재된 채 금속분말 표면에 물리적으로 결합되어, 금속분말들을 결합시키고 있는 혼합분말이다.

상기 혼합분말은, 금속분말과 폴리머 바인더 분말을 물리적 에너지 인가 매체와 함께 용기 내에 투입하고, 상기 용기에 물리적 에너지를 인가하여, 상기 물리적 에너지 인가 매체를 상기 분말과 충돌시켜, 금속분말과 폴리머 바인더 분말의 혼합분말을 제조하는 방법을 통해 제공될 수 있다.

상기 혼합분말에서, 상기 폴리머 바인더 분말은 상기 금속 분말 대비 10~25 vol%의 비율로 혼합될 수 있다.

상기 혼합분말에서, 상기 금속분말은 알루미늄, 구리, 철, 티타늄 및 마그네슘의 순금속, 텅스텐, 코발트와 같은 초경금속 또는 이들 중 하나 이상을 기지로 하는 합금 분말일 수 있다.

상기 혼합분말에서, 상기 폴리머 바인더 분말은 파라핀 왁스일 수 있다.

본 발명의 금속분말/폴리머 바인더 분말을 이용한 분말 성형체 제조방법에 따르면, 종래의 방법에 비하여 간단한 볼밀링 혹은 핸드밀링 과정을 통해 적은 부피분율의 폴리머 바인더를 금속분말과 균일 분산시킬 수 있는 장점이 있기 때문에 산업적 응용 측면에서 보았을 때 생산 효율의 급격한 향상을 기대할 수 있다. 또한 본 발명의 탈지 및 소결 공정에 따르면, 적은 부피분율의 폴리머 바인더가 사용되므로, 탈지공정 후 치수변화가 적어 후속되는 소결 공정 후에 형상이 크게 변하지 않아, 산업적 응용범위를 크게 확대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 제조 방법에 있어서, 볼 밀링을 적용하여 금속복합분말과 폴리머 바인더 분말을 균일하게 혼합한 혼합분말을 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 제조 방법에 있어서, 금속복합분말/폴리머 바인더 분말의 탈지 및 소결 공정을 도식한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 제조 방법에 따라 제조된 벌크재의 모습을 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 제조 방법에 따라 제조된 벌크재의 탈지공정 전 후 치수변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 제조된 벌크재의 소결 후 치수변화를 도시화한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 제조된 벌크재의 소결 후 치수안정성을 도시화한 그래프이다.

이하에서는, 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 당업계에서 널리 알려진 기술 등에 대한 설명은 생략한다. 그러나 당업자라면 이하의 실시예를 통해 본 발명의 특징적 구성 내지 그 효과를 쉽게 이해할 수 있을 것이고, 또 특별한 어려움 없이 본 발명을 구현할 수 있을 것이다

1. 복합분말/폴리머 바인더의 혼합분말 제조

본 발명자는 텅스텐 기지 복합 분말과 파라핀 왁스를 각각 금속 복합 분말 및 폴리머 바인더 분말로 선정하여 복합재를 제조하고 그 특성을 평가하였다. 텅스텐 기지 복합 분말은 텅스텐 기지에 Zr₂Cu 와 탄소나노튜브로 강화한 복합 분말로서, 이러한 복합 분말 자체 및 그 제조 방법은 이미 널리 알려진 것이므로, 그 설명은 생략한다.

본 발명자는 복합분말(금속분말)과 폴리머 바인더 분말을 혼합하는 단순한 공정법을 고안하였는데, 볼밀링 법을 채용하여 두 종류의 분말을 혼합하였다. 구체적으로. 먼저, 스테인리스 용기(250 mL) 내에 폴리머 바인더 분말 대 텅스텐 기지 복합분말을 10~25%의 부피 분율로 혼합하고 복합분말-바인더 분말 전체 무게의 15 배에 해당하는 지름 5 mm의 스테인레스 볼(약 30 g)을 추가한 후 1시간 동안 200 rpm의 속도로 용기를 회전시켰다. 이러한 용기의 회전에 따라, 용기 내의 스테인레스 볼이 분말에 대해 물리적 에너지를 인가하였고, 결국 복합분말/폴리머 바인더 분말이 혼합되어, 혼합분말이 얻어졌다. 얻어진 혼합분말을 전자주사현미경으로 관찰하였으며, 이를 도 1에 나타내었다.

도 1에 도시한 바와 같이, 텅스텐 기지 복합분말과 바인더 분말이 균일하게 혼합되어 있는 것을 알 수 있으며, 특히 바인더 분말이 복합분말 사이사이에 개재된채 복합분말 표면에 물리적으로 결합되어, 복합분말을 잘 결합시키고 있는 것을 볼 수 있다. 이는 종래기술과 비교하여, 바인더 분말을 적게 혼합하여도, 금속분말을 잘 결합시킬 수 있다는 것을 의미하며, 이와 같이 폴리머 바인더 분말의 양을 줄임으로써, 후술하는 바와 같이, 소결 공정 등을 거치더라도 높은 치수안정성을 확보할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 볼 밀링법을 적용하여, 금속분말과 폴리머 바인더 분말을 혼합하였지만, 볼 밀링법 이외에, 핸드 밀링과 같은 방법을 적용할 수도 있다. 즉 금속분말과 폴리머 바인더 분말에 물리적 에너지를 인가하여, 두 종류의 분말을 균일하게 혼합하여 결합할 수 있다면, 본 발명의 목적에 맞게 임의의 방법을 적절히 채용할 수 있다.

상기 볼 밀링 공정을 통해 혼합분말을 제조한 후, 체를 이용하여 혼합분말과 볼을 분리하여 혼합 분말을 수거하였다. 한편, 본 발명에 있어서, 볼 밀링 및 핸드밀링법에서 사용되는 기계적 에너지는 분말의 종류 및 미세구조에 따라 달라질 수 있으며, 밀링 매체의 종류/크기/무게, 밀링 속도, 밀링 용기의 크기 등에 의해 제어될 수 있다.

2. 복합분말/폴리머 바인더 분말의 혼합분말을 이용한 예비 성형체 제조

본 발명자는 텅스텐 기지 복합분말/폴리머 바인더 분말로 이루어진 상기 혼합분말에 대해 상온에서 200MPa의 압력을 가해 예비 성형체를 제조하였다. 본 공정에 필요한 최소한의 압력은 원하는 최종 제품의 면적을 고려하여 200 MPa를 인가하였지만, 이 압력은 제조하고자 하는 제품마다 달라질 수 있다.

3. 예비 성형체 탈지 및 소결공정

상기 공정에 따라 제조한 복합분말/폴리머 바인더 분말의 혼합분말로 이루어진 예비 성형체 중의 폴리머 바인더를 탈지하기 위하여, 상기 제조한 예비 성형체를 폴리머 바인더로 쓰인 파라핀왁스의 끓는점(370℃) 이상의 온도(500℃)로 가열하였다. 이때, 500℃ 까지 도달할 때까지의 승온 속도는 2℃/min 로 하였으며, 진공분위기 하에서 가열을 진행하였다(도 2 참조).

탈지공정 후 소결 공정을 수행하였는데(도 2 참조), 텅스턴 기지 복합분말을 고려하여 최소 소결온도인 1400℃에서 48 시간 동안 수소가 3% 포함된 아르곤 분위기(Ar-3%H₂)하에서 진행하였다. 이때, 소결온도는 텅스텐 기지 복합분말 중의 Zr₂Cu의 융점 1013℃을 고려하여 선택하였다. 통상, 금속분말의 융점(Tm)의 0.8 Tm의 온도에서 소결을 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 금속분말의 산화를 방지하기 위하여, 아르곤 분위기를 이용하였으며, 아르곤 외에, 수소나 질소 등을 이용하여 보호가스를 제공할 수도 있다.

상기한 제조 공정 후에, 공지의 여러 공정을 이용하여 다양한 형상의 벌크재, 예컨대 판상(sheet-type), 선상(wire-type), 봉상(rod-type), 관상(pipe-type), 원반(disc-type) 등 다양한 형태와 크기의 벌크재를 제조할 수 있다. 도 3은 상기 방법으로 제조된 벌크재의 모습을 촬영한 사진이다.

상기와 같이 탈지, 소결 공정 후 벌크재에 대하여 여러 특성을 검사하였으며, 그 결과를 도 4 내지 도 6에 나타내었다.

먼저, 도 4는 탈지공정 전 후 벌크재의 치수 변화를 보여주는 그래프이다. 분말성형체의 경우, 탈지/소결 공정 후 통상적으로 프레싱 공정을 거치게 되는데, 이러한 공정을 거치면서 치수 변화가 생긴다. 종래에 따르면, 이러한 치수 변화를 제어하는 것이 곤란하였다. 그러나, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기한 본 발명의 방법에 따라 분말성형체를 제조한 경우, 탈지 후 분말성형체의 치수가 프레싱 공정 후 분말성형체의 치수와 거의 동일함을 알 수 있다. 즉, 종래와 달리 치수 변동이 거의 없었는데, 이는 종래 기술과 비교하여 바인더 분말의 함량을 대폭 줄인데에서 비롯된 것으로 보인다. 종래에 따르면, 바인더의 비율이 40% 이상 요구되었지만, 본 발명에 따르면, 10~25 vol% 비율의 바인더 분말만을 혼합하여도, 바인더 분말과 금속분말이 균일하게 혼합되어 금속분말이 바인더 분말에 의해 안정되게 결합되고(도 1), 그 혼합분말을 이용하여 벌크재를 제조할 수 있다(도 3). 이와 같이 제조한 벌크재의 경우, 탈지공정 전후 치수 변화가 크게 일어나지 않았으며, 따라서 최종 성형품 제조시 치수 안정성을 증대시킬 수 있어, 제조공정에서 치수 변화를 크게 고려하지 않아도 되며, 이는 종래 기술과 비교하여 큰 이점을 제공한다.

본 발명자는 또한 소결공정에 따른 분말성형체의 치수 변화를 관찰하였으며, 그 결과를 도 5 및 도 6에 나타내었다. 치수변화는 다음의 식을 이용하여 계산하였다.

상기 식에서, D_O는 벌크재의 초기 직경, H₀는 초기 높이이며, △는 소결전후 그 변화량이다.

도 5를 통해 명확히 알 수 있는 바와 같이, 소결이 진행됨에 따라 벌크재의 부피는 감소하지만, 벌크재의 외경, 내경, 높이는 실질상 거의 변하지 않았다. 즉, 본 발명에 따라 제조되는 분말 성형체는 높은 치수안정성을 나타내었으며(도 6), 이는 종래 기술과 비교하여 큰 이점을 제공한다.

이와 같이, 본 발명에 따라 금속분말/폴리머 바인더 분말의 혼합분말을 이용하여 제조되는 분말 성형체는 종래 기술과 비교하여, 적은 양의 폴리머 바인더를 첨가하였음에도 불구하고, 금속분말과 폴리머 바인더가 균일하게 혼합되고, 그 혼합분말을 이용하여 제조한 분말 성형체는 금속분말사출성형에 적용하기에 적합한 수준의 치수안정성을 나타낸다. 한편, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 탈지/소결 공정 후, 성형체의 치수는 거의 변하지 않는다. 즉, 100% 전혀 변하지 않는 것이 아니라, 약간의 치수 변화는 일어나지만, 실질상 공정 전후 치수는 거의 동일하다. 따라서, 상세한 설명 및 청구항에 있어서, "실질상", "거의"라는 용어를 불가피하게 사용하는 것으로 한다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 예컨대, 금속분말로서 텅스텐 기지 복합분말을 예시하였지만, 이외에도 일반적인 금속분말, 예컨대, 알루미늄, 구리, 철, 티타늄 및 마그네슘의 순금속, 텅스텐, 코발트와 같은 초경금속 또는 이들 중 하나 이상을 기지로 하는 합금 분말을 이용할 수도 있다. 또한, 파라핀 왁스를 폴리머 바인더로 예시하였지만, 분말의 형태로 제공될 수 있는 임의의 폴리머 바인더를 이용할 수 있다. 즉 본 발명은 후술하는 특허청구범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속한다. 따라서 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

Claims (13)

1. 분말사출성형에 의한 분말 성형체 제조 방법으로서,
   금속분말과 폴리머 바인더 분말을 준비하는 단계;
   상기 폴리머 바인더 분말을 금속 분말 대비 10~25 vol%의 비율로 혼합하여 물리적 에너지 인가 매체와 함께 용기 내에 투입하는 단계;
   상기 용기에 물리적 에너지를 인가하여, 상기 물리적 에너지 인가 매체를 상기 분말과 충돌시켜, 금속분말과 폴리머 바인더 분말의 혼합분말을 제조하는 단계로서, 폴리머 바인더 분말이 금속분말 사이사이에 개재된 채 금속분말 표면에 물리적으로 결합되어, 금속분말들을 결합하도록 상기 물리적 에너지 인가 매체를 상기 분말과 충돌시켜 상기 혼합분말을 제조하는 단계;
   상기 혼합분말에 대해 상온에서 압력을 인가하여 소정의 형상을 갖는 예비 성형체를 제조하는 단계;
   상기 예비성형체에 대하여 상기 폴리머 바인더 분말의 비등점 이상의 온도에서의 탈지 공정을 수행하고 후속하여 소결 공정을 수행하는 단계로서, 이 탈지 공정 및 소결 공정 전후에 상기 예비성형체의 치수는 변하지 않고 소결 시간에 따라서도 변하지 않으며, 상기 소결 공정은 금속 분말의 산화를 방지하기 위하여, 아르곤, 수소 또는 질소의 보호가스 분위기 하에서 수행되는 것인, 상기 탈지 공정 및 소결 공정을 수행하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 성형체 제조 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 볼 밀링법 또는 핸드 밀링법을 이용하여, 상기 혼합분말을 제조하는 것을 특징으로 하는 분말 성형체 제조 방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서, 상기 소결 공정은 상기 금속 분말의 융점(Tm)의 0.8 Tm의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 분말 성형체 제조 방법.
6. 삭제
7. 청구항 1, 청구항 2, 및 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속분말은 알루미늄, 구리, 철, 티타늄 및 마그네슘의 순금속, 텅스텐, 코발트와 같은 초경금속 또는 이들 중 하나 이상을 기지로 하는 합금 분말인 것을 특징으로 하는 분말 성형체 제조 방법.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 폴리머 바인더 분말은 파라핀 왁스인 것을 특징으로 하는 분말 성형체 제조 방법.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제

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