KR102029687B1

KR102029687B1 - 고순도 소결체의 제조방법

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Publication number: KR102029687B1
Application number: KR1020170170480A
Authority: KR
Inventors: 박형기; 양승민; 김형균; 박광석; 강장원; 김건희; 이창우
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2019-10-10
Also published as: KR20190070027A

Abstract

본 발명에 실시예에 따른 고순도 소결체의 제조방법은, 제1 분말을 수소화시켜 제2 분말을 형성하는 단계, 제2 분말을 적층 성형법으로 성형시켜 성형체를 형성하는 단계 및 성형체에 소결 에너지를 제공하여 소결 에너지로 탈수소화됨과 동시에 산소농도가 저감되어 형성되는 소결체를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

고순도 소결체의 제조방법{Method of manufacturing high purity sintered body}

본 발명은 고순도 소결체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 분말을 수소화시켜 성형체를 형성하고, 상기 성형체에 소결 에너지를 제공하여 상기 성형체를 소결함과 동시에 상기 소결 에너지를 이용하여 상기 성형체를 탈수소화시키고, 소결체의 산소농도를 저감시킬 수 있는 고순도 소결체의 제조방법에 관한 것이다.

종래의 고순도 타이타늄분말 제조공정은 구형의 타이타늄 분말을 사용할 경우, 타이타늄의 높은 반응성 때문에 고가의 공정을 사용했다. 일 예로, 종래에는 플라즈마장치, 인덕션 코일 등을 이용한 공정을 수행하였다.

이에, 최근에는 비용을 절감하기 위해, 타이타늄 스크랩을 이용하여 고순도의 타이타늄분말을 제조할 수 있는 제조방법의 연구가 활발이 이루어지고 있다.

예를 들면, 타이타늄 스크랩/스펀지와 같은 금속 스크랩/스펀지를 이용하여 고순도 금속분말을 형성할 수 있다.

종래의 고순도 타이타늄 금속분말의 제조방법은 타이타늄 스크랩/스펀지를 열처리로에 장입하여 수소화 열처리한다.

상기 수소화 열처리한 타이타늄 스크랩/스펀지는 밀링시켜 타이타늄 스크랩/스펀지를 분쇄한다. 이와 같이, 타이타늄 스크랩/스펀지를 분쇄시켜 분말의 입도를 제어할 수 있다. 여기서 분쇄된 타이타늄 스크랩/스펀지는 밀링 동안 산소와 결합하여 산소농도가 증가할 수 있다.

다음으로 밀링된 타이타늄 스크랩/스펀지는 진공로에 장입시켜 탈수소화시키는 과정을 거쳐 타이타늄 분말을 형성한다.

여기서 고순도의 타이타늄 분말을 형성하기 위해 산소농도를 저감시키는 공정을 수행할 수 있다.

종래에는 금속분말에 결합된 산소를 제거하여 고순도 타이타늄 분말을 형성하기 위해 반응로에 마그네슘(Mg)을 주입하였다. 이처럼, 산소와 결합된 타이타늄 분말이 수용된 반응로에 마그네슘을 주입할 경우, 마그네슘은 타이타늄 분말에 결합된 산소와 결합되어 산화마그네슘(MgO)을 형성함으로써, 금속분말에 결합된 산소를 제거할 수 있었다.

그러나, 이처럼 마그네슘 증기를 주입하는 공정은 환경 오염이 유발되고, 반응성이 커 조업시 안전성에 문제가 있다.

따라서, 고순도 타이타늄 분말을 이용하여 경제적이고, 환경 오염 유발이 적으며, 안전하게 조업할 수 있고 품질 높은 고순도 소결체를 제조할 수 있는 방법이 필요하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 금속 분말을 수소화시켜 성형체를 형성하고, 상기 성형체에 소결 에너지를 제공하여 상기 성형체를 소결함과 동시에 상기 소결 에너지를 이용하여 상기 성형체를 탈수소화시키고, 소결체의 산소농도를 저감시킨 고순도 소결체의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 소결 에너지를 이용하여 성형체를 탈수소화시키고, 산소 농도를 저감시킴으로써 친환경적이면서 안전하고, 공정비용을 저감시킬 수 있는 고순도 소결체의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체의 제조방법은 제1 분말을 수소화시켜 제2 분말을 형성하는 단계, 상기 제2 분말을 적층 성형법으로 성형시켜 성형체를 형성하는 단계 및 상기 성형체에 소결 에너지를 제공하여 상기 소결 에너지로 탈수소화됨과 동시에 산소농도가 저감되어 형성되는 소결체를 형성하는 단계를 포함한다.

상기 제1 분말은 타이타늄(Ti), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 탄탈럼(Ta) 및 이들을 혼합한 혼합물 중 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.

상기 제2 분말은 각형분말 또는 구형분말일 수 있다.

상기 제2 분말을 적층 성형법으로 성형시켜 성형체를 형성하는 단계에 있어서, 상기 적층 성형법은 3D 프린팅 방법일 수 있다.

상기 성형체에 소결 에너지를 제공하여 상기 소결 에너지로 탈수소화됨과 동시에 산소농도가 저감되어 형성되는 소결체를 형성하는 단계에 있어서, 상기 성형체를 이루는 제2 분말은, 상기 제2 분말의 내부에 활성수소(atomic hydrogen)를 형성하고, 상기 활성수소는, 상기 제2 분말과 상기 제2 분말의 외부의 기체가 접촉하는 계면에서 수소 분자를 발생시켜 수소 가스를 아웃 갯싱(out-gassing)시킬 수 있다.

상기 활성수소(atomic hydrogen)는 상기 제2 분말로 성형된 성형체 성분 중 산소 성분과 결합하여 상기 성형체의 산소 농도를 저감시킬 수 있다.

상기 소결 에너지를 제공하는 장치는, 직접 금속 레이저 소결(direct metal laser sintering), 전자빔 용해(electron beam melting), 선택적 레이저 용해(selective laser melting), 선택적 레이저 소결(selective laser sintering), 직접 금속 적층(direct metal deposition), 레이저 직접 금속 적층(laser-aided direct metal deposition)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 장치로 수행될 수 있다.

상기 성형체에 소결 에너지를 제공하여 상기 소결 에너지로 탈수소화됨과 동시에 산소농도가 저감되어 형성되는 소결체를 형성하는 단계에 있어서, 상기 소결 에너지는 상기 성형체에 제공되는 온도 또는 진공 분위기를 제어하여 상기 소결체를 형성할 수 있다.

상기 성형체에 소결 에너지를 제공하여 상기 소결 에너지로 탈수소화됨과 동시에 산소농도가 저감되어 형성되는 소결체를 형성하는 단계에 있어서, 상기 소결체의 산소농도는 0.2 wt% 이하일 수 있다.

상기 성형체에 소결 에너지를 제공하여 상기 소결 에너지로 탈수소화됨과 동시에 산소농도가 저감되어 형성되는 소결체를 형성하는 단계에 있어서, 상기 소결 에너지는 100 W 이상 내지 1,000W이하 범위의 에너지가 제공될 수 있다.

상기 소결체의 수소 농도는 1 ppm 내지 2 ppm범위로 형성될 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고순도 소결체의 제조방법은 금속 스크랩/스펀지로 형성된 제1 금속분말을 수집하여 제1 분말을 마련하는 단계, 상기 제1 분말을 수소화시켜 제2 금속분말을 형성하고, 상기 제2 금속분말을 분쇄시켜 제2 분말을 형성하는 단계, 상기 제2 분말을 적층 성형법으로 성형시켜 성형체를 형성하는 단계 및 상기 성형체에 소결 에너지를 제공하여 상기 소결 에너지로 탈수소화됨과 동시에 산소농도가 저감되어 형성되는 소결체를 형성하는 단계를 포함한다.

상기 제2 금속분말을 분쇄시켜 제2 분말을 형성하는 단계에 있어서, 상기 제2 분말은 상기 제2 금속분말과 비교하여 산소 농도가 증가할 수 있다.

제1 분말을 수소화시켜 제2 분말을 형성하는 단계에 있어서, 상기 제2 분말은 취성 특성을 가질 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고순도 소결체는 상기 고순도 소결체의 제조방법으로 형성된다.

상기 고순도 소결체의 산소농도는 0.2 wt% 이하일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 고순도 소결체의 제조방법은 금속 분말을 수소화시켜 성형체를 형성하고, 상기 성형체에 소결 에너지를 제공하여 상기 성형체를 소결함과 동시에 상기 소결 에너지를 이용하여 상기 성형체를 탈수소화시킴으로써 소결체의 산소농도를 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 소결 에너지를 이용하여 소결체를 탈수소화시키고, 소결체의 산소 농도를 저감시킴으로써 친환경적이면서 안전하고, 공정비용을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 2 내지 도 7은 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체의 제조방법을 도시한 공정도들이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체 제조방법의 탈수소화 거동을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고순도 타이타늄 분말의 엘링험 다이어그램(Ellingham diagram)을 도시한 그래프이다.
도 10은 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체의 제조방법의 산화물 환원 과정을 도시한 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체의 제조방법을 도시한 순서도이고, 도 2 내지 도 7은 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체의 제조방법을 도시한 공정도들이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체 제조방법의 탈수소화 거동을 도시한 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체(10)의 제조방법은 제1 분말(100)을 수소화시켜 제2 분말(200)을 형성하는 단계(S100), 상기 제2 분말(200)을 적층 성형법으로 성형시켜 성형체(300)를 형성하는 단계(S200) 및 상기 성형체(300)에 소결 에너지(E)를 제공하여 소결체(10)를 형성하는 단계(S300)를 포함한다. 여기서 상기 소결체(10)는 상기 소결 에너지(E)로 탈수소화됨과 동시에 상기 소결체(400)의 산소농도가 저감되도록 형성될 수 있다.

다시 말해, 상기 소결체(10)는 상기 소결 에너지(E)를 통해 탈수소화되고, 상기 소결체(400)의 산소농도는 상기 성형체(300)의 산소 농도보다 저감되어 형성될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체(10)의 제조방법은 소결 에너지를 이용하여 소결체(400)를 탈수소화시키고, 소결체(10)의 산소 농도를 저감시킴으로써 친환경적이면서 안전하고, 공정비용을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

상기 제2 분말(200)은 각형분말 또는 구형분말일 수 있다. 이하에서는 경제적인 각형 분말을 예를 들어 설명하기로 하나 이에 한정하는 것은 아니고, 구형 분말을 사용할 수도 있다.

이하에서는 공정도와 순서도를 매칭시켜 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체(10)의 제조방법은 제1 분말(100)을 수소화시켜 제2 분말(200)을 형성하는 단계(S100)를 실시한다.

구체적으로, 제1 분말(100)은 금속 스크랩/스펀지로 형성된 제1 금속분말(100-1)을 수집하여 마련할 수 있다.

제1 금속분말(100-1)은 타이타늄(Ti), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 탄탈럼(Ta) 및 이들을 혼합한 혼합물 중 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니고 수소화시켜 취성을 향상시킬 수 있는 금속이면 어떠한 금속으로도 사용이 가능하다. 이하에서는 실시예로써 타이타늄 분말을 예를 들어 설명하기로 한다.

상기 금속 스크랩/스펀지는 예를 들어, 산화티탄(TiO₂)와 금속환원제를 사용하여 형성할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니고, 상기 금속 스크랩/스펀지를 형성할 수 있는 방법이면 다양한 방법 등으로 제조 가능하다. 여기서 제1 금속분말(100-1)은 각형의 분말일 수 있다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 제1 분말(100)를 수소화시켜 제2 금속분말(200-1)을 형성하는 단계를 실시한다. 여기서 제1 분말(100)을 진공로(500)에 넣고 수소를 불어 넣어 제2 금속분말(200-1)를 수소화 열처리를 수행한다.

예를 들어, 상기 수소화 열처리는 진공로(500) 내에 제1 분말(100)를 장입시키고, 진공펌프로 상기 진공로(500) 내 산소를 제거한 후, 상기 진공로(500) 내에 수소가스를 주입하고, 분당 10℃씩 700℃까지 승온시켜 1시간을 유지시킨 후 상기 진공로(500)를 냉각시키는 공정일 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.

여기서 상기 진공로(500)에 대한 예를 들어 설명하였으나 이에 한정하는 것은 아니며, 튜브로 등 진공을 형성할 수 있는 챔버 형상이면 어떠한 형태로도 사용이 가능하다.

이와 같이, 제1 분말(100)에 수소를 결합시켜 수소화된 제2 금속분말(200-1)을 형성할 수 있다. 여기서 제2 금속분말(200-1)은 수소화됨으로 인해 취성이 증가할 수 있다.

다시 말해, 제2 금속분말(200-1)은 취성이 향상된 TiH₂성분을 포함한 벌크 형상일 수 있다. 여기서 제2 금속분말(200-1)은 반듯이 TiH₂로 형성되는 것은 아니며, 주요성분이 TiH₂로 형성됨을 말한다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 제2 금속분말(200-1)을 분쇄시켜 제2 분말(200)을 형성한다.

취성이 증가한 제2 금속분말(200-1)에 볼 밀링(600)을 제공하여 상기 제2 금속분말(200-1)를 분쇄할 수 있다. 여기서 볼 밀링(600)은 제2 금속분말(200-1)의 입도를 제어시켜 제2분말(200)을 형성할 수 있다. 이와 같이, 제2 금속분말(200-1)을 분쇄시켜 제2 분말(200)을 형성할 수 있다.

제2 금속분말(200-1)에 볼 밀링(400)을 수행함로써 제2 분말(200)은 제1 분말(100)보다 상대적으로 산소 농도가 증가할 수 있다. 다시 말해, 제2 분말(200)은 산소농도가 증가하여 TiH₂ 및 TiO₂ 를 포함할 수 있다. 여기서 제2 분말(200)은 반듯이 TiH₂ 및 TiO₂로 형성되는 것은 아니며, 주요성분이 TiH₂ 및 TiO₂ 로 형성됨을 말한다.

그리고, 제2 분말(200)의 성분은 TiH₂ 및 TiO₂가 주요성분인 제1 분말(100)에서 분쇄공정이 진행됨에 따라 TiO₂ 성분이 증가하여 TiH₂, TiO₂ 및 Ti 가 주요성분이 될 수 있다.

도 1 및 도 5를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체(10)의 제조방법은 상기 제2 분말(200)을 적층 성형법으로 성형시켜 성형체(300)를 형성하는 단계(S200)를 실시한다.

상기 성형체(300)는 팔렛트(400) 상에 목표 형상으로 형성될 수 있다. 상기 수소화 공정으로 제2 분말(200)의 성분은 TiH₂, TiO₂ 및 Ti를 포함할 수 있다. 여기서 제2 분말(200)은 반듯이 TiH₂, TiO₂ 및 Ti 로 형성되는 것은 아니며, 주요성분이 TiH₂, TiO₂ 및 Ti 로 형성됨을 말한다.

여기서 상기 적층 성형법은 3D 프린팅 방법일 수 있다. 상기 3D 프린팅 방법는 적층 성형재료인 제2 분말(200)을 적층시켜 목표 형상을 구현할 수 있다.

이와 같이, 상기 적층 성형법을 사용하여 목표 형상을 갖는 성형체(300)를 형성할 수 있다.

도 1, 도 6 및 도 7을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체(10)의 제조방법은 상기 성형체(300)에 소결 에너지(E)를 제공하여 상기 소결 에너지(E)로 탈수소화됨과 동시에 산소농도가 저감되어 형성되는 고순도 소결체(10)를 형성하는 단계(S300)를 실시한다.

상기 소결 에너지(E)를 상기 성형체(300)에 제공하기 위한 소결 에너지 제공 장치는, 직접 금속 레이저 소결(direct metal laser sintering), 전자빔 용해(electron beammelting), 선택적 레이저 용해(selective laser melting), 선택적 레이저 소결(selective laser sintering), 직접 금속 적층(direct metal deposition), 레이저 직접 금속 적층(laser-aided direct metal deposition)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 장치로 수행될 수 있다. 그리고 상기 소결 에너지(E)는 추후 설명하기로 한다.

그리고 상기 소결 에너지(E)로 탈수소화됨과 동시에 산소농도가 저감되어 형성되는 고순도 소결체(10)를 형성하는 과정에서 수소화 거동을 설명하기 위해 도 8을 참조하면, 상기 제2 분말(200)이 상기 소결 에너지(E)를 통해 탈수소화됨에 따라 제2 분말(200)의 성분은 산소 농도가 저감될 수 있다.

구체적으로, 제2 분말(200)의 TiH₂성분이 분해되어 제2 분말(200) 내부에서 활성수소(atomic hydrogen, 800)가 형성될 수 있다.

따라서 제2 분말(200)의 내부의 활성 가스(atomic hydrogen, 800)는, 제2 분말(200) 외부의 서라운드, 즉, 진공 분위기 또는 기체 분위기와 제2 분말(200)의 성형체(300)의 계면(900)에서 수소분자를 형성시켜 수소가스(H₂ gas)를 아웃 갯싱(out-gassing)시킬 수 있다.

즉, 상기한 수소 가스(H₂ gas)는 제2 분말(200)로 성형된 성형체(300)의 TiO₂성분 중 산소 성분과 결합하여 성형체(300)의 산소 농도를 저하시켜 고순도 소결체(10)을 형성할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체(10)의 제조방법은 금속 분말을 수소화시켜 성형체(300)를 형성하고, 상기 성형체(300)에 소결 에너지(E)를 제공하여 상기 성형체(300)를 소결함과 동시에 상기 소결 에너지(E)를 이용하여 상기 성형체(300)를 탈수소화시키고, 소결체(10)의 산소농도를 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 소결 에너지(E)를 이용하여 소결체(10)를 탈수소화시키고, 소결체(10)의 산소 농도를 저감시킴으로써 친환경적이면서 안전하고, 공정비용을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고순도 타이타늄 분말의 엘링험 다이어그램(Ellingham diagram)을 도시한 그래프이고, 도 10은 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체의 제조방법의 산화물 환원 과정을 도시한 그래프이다.

여기서 도 9 및 도 10은 중복설명을 회피하고 용이한 설명을 위해 도 1 내지 도 8을 인용하여 설명하기로 한다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체(10)는 온도 및 압력에 따라 환원과 산화 반응을 하게 된다. 여기서 “A”는 수소 분압을 나타낸다. 여기서 성형체(300)를 타이타늄 분말을 사용한 것을 예를 들어 설명하기로 한다.

타이타늄은 온도 및 압력에 따라 산화 또는 환원됨에 따라 이를 제어하여 타이타늄 분말은 수소화-탈수소화될 수 있다. 다시 말해, 상기 성형체(300)에 제공되는 에너지 및 챔버의 진공도를 제어하여 타이타늄 분말을 수소화-탈수소화 처리할 수 있다.

구체적인 예를 들면, 타이타늄 분말은 상압(760torr=1atm)에서 772℃를 기준으로 772℃ 미만일 경우는 Ti+H₂ -> TiH₂로 반응을 하고, 772℃ 초과일 경우, TiH₂-> Ti+H₂ 반응을 하게 된다. 또한, 10torr에서는 567℃를 기준으로 산화 또는 환원 반응을 하게 된다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체(10)의 제조방법은 압력이 낮아짐에 따라 산화하고, 또는 환원 반응하는 온도가 낮아지며, 온도가 낮아짐에 따라 진공도는 높아져야 한다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체(10)의 제조방법에서 상기 소결 에너지(E)는 상기 성형체(300)에 제공되는 온도 또는 진공 분위기를 제어하여 상기 소결체(10)를 형성할 수 있다.

도 10를 참조하면, 전술한 제2 분말(200)은 볼 밀링(600)의 공정 등으로 인해 산소성분이 증가하여 TiO, TiO_2,Ti₂O_3, 및 Ti₃O₅등으로 형성될 수 있다.

여기서 제2 분말(200)에 상기 소결 에너지(E)를 제공하게 되면, 제2 분말(200)은 활성 수소(800)를 생성할 수 있고, 상기 활성수소(800)는 상기 제2 분말(200) 성분에서 산소 성분과 반응하여 산소 농도를 저하시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 제2 분말(200) 성분에서 TiO의 성분은 TiO+ 2H= Ti+ H₂O의 반응식을 가질 있고, TiO₂의 성분은 TiO₂+4H= Ti+ 2H₂O의 반응식을 가질 있고, Ti₂O₃ 의 성분은 Ti₂O₃ + 6H = 2Ti + 3H₂O의 반응식을 가질 수 있고, Ti₃O₅성분은 Ti₃O₅ + 10H = 3Ti +5H₂O의 반응식을 가질 수 있다.

즉, 제2 분말(130)로 성형 후 상기 성형체(300)에 소결 에너지(E)를 제공하게 되면, 소결체(10)는 산화 농도가 저감된 성분으로 형성될 수 있다.

예를 들어, 순수 구형의 타이타늄 분말을 수소화시킨 분말과 타이타늄 분말을 형성하기 위해 제조된 각형의 타이타늄 분말을 각각 사용하여 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체 제조방법으로 형성하였다. 그리고 이들의 산소 농도를 측정하였다.

여기서 구형의 분말과 각형의 분말을 각각 3D 분프린터로 사용하여 성형체(300)를 형성하고, 상기 성형체(300)에 소결 에너지를 제공하기 위해 레이저 에너지를 제공하였다.

그리고 표 1은 타이타늄 구형 분말을 사용한 것이고, 표 2는 타이타늄 각형 분말을 사용한 경우를 표시한다.

구체적으로, 표 1은 구형의 제1 분말을 수소화시켜 구형의 제2 분말을 형성하는 단계, 상기 구형의 제2 분말을 적층 성형법으로 성형시켜 성형체를 형성하는 단계 및 상기 성형체에 소결 에너지를 제공하여 상기 소결 에너지로 탈수소화됨과 동시에 산소농도가 저감되어 형성되는 소결체를 형성하는 단계를 실시하였다. 그리고 상기 소결체의 산소 농도를 측정하였다.

그리고, 상기 구형의 제1 분말을 수소화시켜 구형의 제2 분말을 형성하는 단계에 있어서, 상기 수소화시키는 온도는 800℃ 이하에서 실시하는 것이 바람직하다. 구체적으로 구형의 제1 분말은 구형으로 인해 표면 에너지가 증가하여 반응성이 높아 분말끼리 소결하는 문제점이 발생할 수 있다. 다시 말해, 수소화 과정에서 소결성을 갖는 분말이 형성됨에 따라 추후 실시되는 성형 및 소결 과정에서 목표하는 형상 및 소결 특성을 구현하기 곤란할 수 있다.

	성형체의 산소 농도	소결체의 산소농도
Ti분말	0.242 wt%	0.256 wt%
수소화시킨 TiH분말	0.245 wt%	0.196 wt%

그리고, 표 2는 금속 스크랩/스펀지로 형성된 각형의 제1 금속분말을 수집하여 각형의 제1 분말을 마련하는 단계, 상기 각형의 제1 분말을 수소화시켜 각형의 제2 금속분말을 형성하고, 상기 각형의 제2 금속분말을 분쇄시켜 제2 분말을 형성하는 단계, 상기 각형의 제2 분말을 적층 성형법으로 성형시켜 성형체를 형성하는 단계 및 상기 성형체에 소결 에너지를 제공하여 상기 소결 에너지로 탈수소화됨과 동시에 산소농도가 저감되어 형성되는 소결체를 형성하는 단계를 실시하였다. 그리고 상기 소결체의 산소 농도를 측정하였다.

여기서 표 2의 경우는, 각형의 분말을 사용하여 표 1의 경우보다 저렴하게 소결체를 형성할 수 있다는 장점이 존재한다.

	성형체의 산소 농도	소결체의 산소농도
TiH각형분말	0.243 wt%	0.194 wt%
탈수소화시킨 Ti각형분말	0.239 wt%	0.249 wt%

표 1 및 표 2에 나타난 바와 같이, 순수 타이타늄 분말 및 탈수소화시킨 타이타늄 분말을 사용하여 성형체를 형성하는 경우, 상기 소결 에너지(E)로 인해 성형체(300)에서는 산화작용이 발생할 수 있다. 이에 따라 성형체(300)에서 산소 농도가 증가할 수 있기 때문에 소결체(10)의 산소 농도가 증가하는 것을 판단할 수 있다.

그러나 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체(10)의 제조방법으로 형성된 소결체(10)는 성형체(300)가 수소화되어 있기 때문에 수소 성분이 성형체(300) 내에서 활성 수소(800)를 형성하고, 상기한 활성 수소(800)가 성형체(300)의 산소 성분과 반응하여 탈수소화와 함께 산소 성분을 저하시키는 것으로 판단할 수 있다.

다시 말해, 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체(10)의 제조방법으로 형성된 소결체(10)의 산소 농도는 0.2 wt% 이하일 수 있다. 그러나 순수 타이타늄 분말, 즉 수소화되지 않은 분말을 사용한 소결체의 산소농도는 모두 0.2 wt% 초과한 것으로 나타났다.

이와 같이, 성형체(300)에 소결 에너지(E)를 제공함으로써 탈수소화처리됨과 동시에 성형체(300)의 산소 농도를 저감시켜 고순도 소결체(10)를 형성할 수 있다.

한편, 상기 표 1 및 표 2의 경우에서 레이저 세기에 따른 소결체의 수소 농도를 측정하였다. 그리고 레이저 세기에 따른 소결체의 수소 농도를 측정한 결과를 표 3에서 정리하였다.

레이저 세기(W)	80	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
수소농도(PPM)	42	2	1	2	1	1	1	2	1	1	2

본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체(10)의 제조방법은 레이저로 제공된 소결 에너지(E)를 성형체(300)에 제공하여 소결체(400)를 형성할 수 있다. 여기서 상기 소결체(400)에 수소 농도가 증가하게 되면 취성의 특성이 강해짐에 따라 소결체(400)에서 수소 농도를 저감시키는 것이 바람직하다. 그리고, 수소 농도를 저감시킴으로써 상기 소결체의 품질을 향상시킬 수 있다.

표 3에 나타낸 바와 같이, 레이저로 제공되는 소결 에너지는 100W 이상 내지 1,000W이하 범위의 에너지가 제공되는 것이 상기 소결체의 수소 농도를 저감시키는 것으로 나타났다.

구체적으로 100 W 이상 내지 1,000W이하 범위로 소결 에너지가 제공되는 분위기에서 상기 소결체의 수소 농도는 1 ppm 내지 2 ppm범위로 형성되는 것을 표 3으로부터 알 수 있다.

다시 말해, 소결 에너지가 100 W 미만으로 제공되는 경우는, 소결체 내에 수소 농도가 증가하여 소결체의 취성이 증가하고, 소결 에너지가 1000W 초과하여 제공되는 경우는, 높은 에너지로 인해 성형체의 일부 성분이 증발하여 성형체의 형상을 유지할 수 없었다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체(10)의 제조방법은 100W 이상 내지 1,000W이하 범위의 소결 에너지를 성형체에 제공하여 소결체의 수소 농도를 1 ppm 내지 2 ppm범위로 형성하는 것이 바람직하다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체(10)의 제조방법은 산소 농도를 줄이기 위한 산세 공정이 필요하지 않기 때문에 환경 오염을 유발시키지 않고, 반응성이 커 조업시 안전성의 문제점이 발생하지 않으며, 반응성으로 인해 고가의 장비를 사용하지 않음으로 경제적으로 고순도의 소결체(10)를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 고순도 소결체의 제조방법은 금속 분말을 수소화시켜 성형체(300)를 형성하고, 상기 성형체(300)에 소결 에너지(E)를 제공하여 상기 성형체(300)를 소결함과 동시에 상기 소결 에너지(E)를 이용하여 상기 성형체(300)를 탈수소화시킴으로써 소결체(10)의 산소농도를 저감시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 고순도 소결체(10) 제조방법은 소결 에너지를 이용하여 소결체(10)를 탈수소화시키고, 소결체(10)의 산소 농도를 저감시킴으로써 친환경적이면서 안전하고, 공정비용을 저감시킬 수 있고 공정의 편의성 및 생산성을 향상시킬 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 소결체
100: 제1 분말
100-1: 제1 금속분말
200: 제2 분말
200-1: 제2 금속분말
300: 성형체
400: 팔렛트
500: 진공로
600: 볼 밀링
800: 활성 수소
900: 계면
E: 소결 에너지
A: 수소 분압

Claims

제1 분말을 수소화시켜 제2 분말을 형성하는 단계;
상기 제2 분말을 적층 성형법으로 성형시켜 성형체를 형성하는 단계; 및
상기 성형체에 소결 에너지를 제공하여 상기 소결 에너지로 탈수소화됨과 동시에 산소농도가 저감되어 형성되는 소결체를 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 소결체의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 제1 분말은 타이타늄(Ti), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 탄탈럼(Ta) 및 이들을 혼합한 혼합물 중 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고순도 소결체의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 제2 분말은 각형분말 또는 구형분말인 것을 특징으로 하는 고순도 소결체의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 제2 분말을 적층 성형법으로 성형시켜 성형체를 형성하는 단계에 있어서,
상기 적층 성형법은 3D 프린팅 방법인 것을 특징으로 하는 고순도 소결체의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 성형체에 소결 에너지를 제공하여 상기 소결 에너지로 탈수소화됨과 동시에 산소농도가 저감되어 형성되는 소결체를 형성하는 단계에 있어서,
상기 성형체를 이루는 제2 분말은,
상기 제2 분말의 내부에 활성수소(atomic hydrogen)를 형성하고,
상기 활성수소는,
상기 제2 분말과 상기 제2 분말의 외부의 기체가 접촉하는 계면에서 수소 분자를 발생시켜 수소 가스를 아웃 갯싱(out-gassing)시키는 것을 특징으로 하는 고순도 소결체의 제조방법.
제 5항에 있어서,
상기 활성수소(atomic hydrogen)은 상기 제2 분말로 성형된 성형체 성분 중 산소 성분과 결합하여 상기 성형체의 산소 농도를 저감시키는 것을 특징으로 하는 고순도 소결체의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 소결 에너지를 제공하는 장치는, 직접 금속 레이저 소결(direct metal laser sintering), 전자빔 용해(electron beam melting), 선택적 레이저 용해(selective laser melting), 선택적 레이저 소결(selective laser sintering), 직접 금속 적층(direct metal deposition), 레이저 직접 금속 적층(laser-aided direct metal deposition)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 장치로 수행되는 것을 특징으로 하는 고순도 소결체의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 성형체에 소결 에너지를 제공하여 상기 소결 에너지로 탈수소화됨과 동시에 산소농도가 저감되어 형성되는 소결체를 형성하는 단계에 있어서,
상기 소결 에너지는 상기 성형체에 제공되는 온도 또는 진공 분위기를 제어하여 상기 소결체를 형성하는 것을 특징으로 하는 고순도 소결체의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 성형체에 소결 에너지를 제공하여 상기 소결 에너지로 탈수소화됨과 동시에 산소농도가 저감되어 형성되는 소결체를 형성하는 단계에 있어서,
상기 소결체의 산소농도는 0 wt% 초과 내지 0.2 wt% 이하인 것을 특징으로 하는 고순도 소결체의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 성형체에 소결 에너지를 제공하여 상기 소결 에너지로 탈수소화됨과 동시에 산소농도가 저감되어 형성되는 소결체를 형성하는 단계에 있어서,
상기 소결 에너지는 100 W 이상 내지 1,000W이하 범위의 에너지가 제공되는 것을 특징으로 하는 고순도 소결체의 제조방법.
제 10항에 있어서,
상기 소결체의 수소 농도는 1 ppm 내지 2 ppm범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 고순도 소결체의 제조방법.
금속 스크랩/스펀지로 형성된 제1 금속분말을 수집하여 제1 분말을 마련하는 단계;
상기 제1 분말을 수소화시켜 제2 금속분말을 형성하고, 상기 제2 금속분말을 분쇄시켜 제2 분말을 형성하는 단계;
상기 제2 분말을 적층 성형법으로 성형시켜 성형체를 형성하는 단계; 및
상기 성형체에 소결 에너지를 제공하여 상기 소결 에너지로 탈수소화됨과 동시에 산소농도가 저감되어 형성되는 소결체를 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 소결체의 제조방법.
제 12항에 있어서,
상기 제2 금속분말을 분쇄시켜 제2 분말을 형성하는 단계에 있어서,
상기 제2 분말은 상기 제2 금속분말과 비교하여 산소 농도가 증가한 것을 특징으로 하는 고순도 소결체의 제조방법.
제 12항에 있어서,
제1 분말을 수소화시켜 제2 분말을 형성하는 단계에 있어서,
상기 제2 분말은 취성 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 고순도 소결체의 제조방법.
청구항 1항 또는 청구항 12항의 고순도 소결체의 제조방법으로 형성되는 것을 특징으로 하고,
상기 고순도 소결체의 산소농도는 0 wt% 초과 내지 0.2 wt% 이하인 것을 특징으로 하는 고순도 소결체.
삭제
제 15항에 있어서,
상기 소결체의 수소 농도는 1 ppm 내지 2 ppm범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 고순도 소결체.