KR102351273B1

KR102351273B1 - 티타늄 합금 제조를 위한 금속 분말 사출 성형 방법

Info

Publication number: KR102351273B1
Application number: KR1020200105120A
Authority: KR
Inventors: 전성준; 김종하; 우창훈; 이은혜
Original assignee: 계림금속 주식회사
Priority date: 2020-08-21
Filing date: 2020-08-21
Publication date: 2022-01-17

Abstract

본 발명은 티타늄 합금 제조를 위한 금속 분말 사출 성형 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면인 티타늄 합금 제조를 위한 금속 사출 성형 방법에 의할 경우, 티타늄 합금내에 존재하는 탄소 등의 불순물의 함유량을 최소화할 수 있다. 따라서, 순도가 높은 티타늄 합금을 제조할 수 있으며, 본 방법에 의해 제조된 티타늄 합금은 연신율이 우수하며, 인장강도와 항복강도 등의 기계적 물성이 우수하다.

Description

티타늄 합금 제조를 위한 금속 분말 사출 성형 방법{METAL POWDER INJECTION MOLDING METHOD FOR MANUFATURING TITANIUM ALLOY}

본 발명은 티타늄 합금 제조를 위한 금속 분말 사출 성형 방법에 관한 것이다.

티타늄 또는 티타늄 합금은 내식성, 기계적 물성 등이 우수하면서 가볍고 인체에 무해하여, 항공우주산업, 전자산업, 해양산업, 생체의료산업, 스포츠산업 등 산업분야 전반에 걸쳐 사용되고 있으며 그 수요가 증가하고 있는 추세에 있다.

그러나, 티타늄 또는 티타늄 합금 소재는 상기와 같은 장점에도 불구하고, 용융점이 높고, 고온에서 쉽게 산화되는 단점이 있다. 특히, 최근에는 금속의 정밀한 성형을 위해 금속 분말 사출 성형의 활용도가 증가하고 있는데, 티타늄은 사출 성형시 사용되는 결합제의 탄소 등의 성분들과의 반응성이 높아 불순물이 다량 발생하고, 다수의 기공이 발생하는 결과, 티타늄 또는 티타늄 합금을 이용하여 성형한 성형체의 연실률과 기계적 물성이 저하된다는 한계가 있다.

이에 금속 분말 사출시 사용되는 결합제의 조성을 변경한 기술, 탈지 공정에서 사용되는 촉매에 관한 기술, 소결 온도 등에 대한 기술들이 개발되고 있으나, 아직까지 만족할만한 결과를 얻지 못한 상황이다.

KR 10-2020-0028416 A

일 측면에서, 본 발명의 목적은 불순물의 함량을 최소화하여, 순도가 높은 티타늄 합금을 제조하는 것이다.

일 측면에서, 본 발명의 목적은 기계적 물성이 우수한 티타늄 합금을 제조하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일 측면에서, 사출 단계; 탈지 단계; 및 소결 단계를 포함하며, 상기 탈지 단계는, i) 80~140℃에서 1~5시간 동안 열처리하는 것을 포함하는 제1 탈지단계 및; ii) 300~750℃에서 3~6시간 동안 열처리하는 것을 포함하는 제2 탈지단계를 포함하며, 상기 소결 단계는, 800~1200℃에서 5~9시간 동안 열처리하는 것을 포함하는, 티타늄 합금 제조를 위한 금속 분말 사출 성형 방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면인 티타늄 합금 제조를 위한 금속 사출 성형 방법에 의할 경우, 티타늄 합금내에 존재하는 탄소 등의 불순물의 함유량을 최소화할 수 있다. 따라서, 순도가 높은 티타늄 합금을 제조할 수 있으며, 본 방법에 의해 제조된 티타늄 합금은 연신율이 우수하며, 인장강도와 항복강도 등의 기계적 물성이 우수하다.

본 연구는 ㈜계림금속의 주관 하에 (재)경상북도경제진흥원 경상북도 중소벤처기업과의 소재부품개발 산학연 기술융합지원 사업의 지원에 의하여 이루어진 것으로, 연구과제명은 일체화 금속분말사출성형 기술을 활용한 저결함 고PSE 타이타늄 프레임 소재 개발(과제고유번호: ○○○○○○○○○○, 과제번호: 2019-NOV-I-U-I-C-5)이고, 연구기간은 2020.01.01~2020.09.30이며, 기여율은 1/1이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

이하에서, 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.

본 발명은 일 측면에서 사출 단계; 탈지 단계; 및 소결 단계를 포함하며, 상기 탈지 단계는, i) 80~140℃에서 1~5시간 동안 열처리하는 것을 포함하는 제1 탈지단계 및; ii) 300~750℃에서 3~6시간 동안 열처리하는 것을 포함하는 제2 탈지단계를 포함하며, 상기 소결 단계는, 800~1200℃에서 5~9시간 동안 열처리하는 것을 포함하는, 티타늄 합금 제조를 위한 금속 분말 사출 성형 방법이다.

금속 분말 사출 성형은, 수지 성형 기술과 분말 야금 기법을 조합한 금속 부품 제조 방법으로서, 금속 및/또는 세라믹 분말을 유기재료의 결합제(binder)와 혼합하고 금형에 이 혼합물을 사출한 뒤 사출체를 가열한 후, 결합제를 제거하고 소결 공정을 거쳐 최종 제품을 제조하는 제조 공법을 의미할 수 있다.

일반적으로 분말 사출 성형은 통상적으로 혼련(mixing), 사출(injection), 탈지(debinding) 및 소결(sintering)의 순으로 수행된다.

상기 제2 탈지 단계는, 하기와 같이 2 단계로 다시 나뉜다. 구체적으로 상기 제2 탈지 단계는, 300~450℃에서 1~3시간 동안 열처리하는 것을 포함하는 제2-A 탈지 단계; 및 500~750℃에서 1~3시간 동안 열처리하는 것을 포함하는 제2-B 탈지 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2-A 탈지 단계와, 상기 제2-B 탈지 단계는, 2-A 탈지 단계에서 2-B 탈지 단계로 순차적으로 수행될 수 있다.

상기 제2-A 탈지 단계는 구체적으로 약 300~400℃, 또는 약 330~370℃에서 약 70분~160분, 또는 약 90분~150분, 또는 약 110분~130분 동안 가열 탈지를 통해 수행될 수 있다.

또한, 상기 제2-B 탈지 단계는 구체적으로 약 400~750℃, 또는 약 550~650℃에서 약 70분~160분, 또는 약 90분~150분, 또는 약 110분~130분 동안 가열 탈지를 통해 수행될 수 있다.

상기 제2-A 탈지 단계를 수행한 후, 약 0.1~5℃/min 의 승온 속도로 승온하여, 제2-B 탈지 단계를 수행할 수 있다. 이때 승온 속도는 약 약 1~3℃/min일 수 있고, 또는 약 1.5~2.5℃/min일 수 있고, 또는 1.8~2.3℃/min일 수 있다.

또한, 상기와 같은 측면에서, 상기 소결 단계는 하기와 같이 3단계로 나누어 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 소결 단계는, 850~950℃에서 1~3시간 동안 열처리하는 것을 포함하는 제1 소결 단계; 950~1050℃에서 1~3시간 동안 열처리하는 것을 포함하는 제2 소결 단계; 및 1050~1150℃에서 1~3시간 동안 열처리하는 것을 포함하는 제3 소결 단계를 포함할 수 있다.

상기 제1 소결 단계, 제2 소결 단계, 및 상기 제3 소결 단계는 저온에서 고온으로 순차적으로 수행될 수 있다.

상기 제1 소결 단계는 구체적으로, 880~920℃에서 약0.5~1.5시간, 또는 약40분~80분, 또는 약 50분~70분 동안 수행될 수 있으며, 상기 제2 소결 단계는 약1~3시간, 또는 약 70분~160분, 또는 약 90분~150분, 또는 약 110분~130분 동안 수행될 수 있다. 또한 상기 제3 소결 단계는 약 1080~1120℃에서 약2~4시간, 또는 약 150분~210분, 또는 약 170분~190분 동안 수행될 수 있다.

상기 탈지 공정을 수행한 후, 약 0.1~5℃/min 의 승온 속도로 승온하여, 제2-B 탈지 단계를 수행할 수 있다. 이때 승온 속도는 약 약 1~3℃/min일 수 있고, 또는 약 1.5~2.5℃/min일 수 있고, 또는 1.8~2.3℃/min일 수 있다.

상기 소결 단계는, 10^-4~10^-6 Torr의 고진공 환경에서 수행될 수 있으며, 구체적으로는 약 10^-6 Torr의 고진공 환경에서 수행될 수 있다.

상기 방법에 의한 티타늄 합금은 하기 중 하나 이상의 특징을 포함할 수 있다:

i) 98% 이상의 탈지율, ii) KB B0802에 의할 때, 800 Mpa 이상의 인장강도, iii) KS D ISO270(2004)에 의할 때, 600 Mpa 이상의 항복강도, iv) KS D ISO270(2004)에 의할 때, 4% 이상의 연신율, 및 v) 소결 반응성 0.1 이하.

상기 소결 반응성은, 제조된 합금 내 탄소 함량이 0.1 중량% 이하임을 의미할 수 있다.

즉, 본원발명의 티타늄 합금 제조를 위한 금속 분말 사출 성형 방법은, 티타늄 합금을 금속 분말 사출 성형으로 제조할 경우, 제조된 합금의 탈지율, 인장 강도, 항복강도 및 연신율을 개선하기 위하여 최적화된 것으로, 각 단계의 가온 온도, 시간 등의 조건이 상이해질 경우 목적하는 효과를 얻기 어려울 수 있다.

또한, 상기 방법에 사용되는 바인더는 폴리옥시메틸렌, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 상기와 같은 바인더를 사용함으로써, TiC의 형성을 최소화할 수 있다.

상기 폴리옥시메틸렌, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌은 이들 혼합물의 총 중량을 기준으로, 순서대로 약 70~90 중량%, 2~20 중량%, 및 2~10 중량%로 포함될 수 있다.

또한, 상기 방법상의 소결 단계는, 지르코니아를 도포한 소결 세터(setter)에서 수행될 수 있다.

또한, 상기 소결 단계에 사용되는 소결 퍼니스에는 TiH₂가 잠입되어 있을 수 있다. 이에 티타늄과 산소 또는 탄소의 결합을 최소화할 수 있다.

구체적으로, 상기 소결 단계에서 TiH₂ 분말을 분위기 분말을 배치하여 소결 중 탄소와 산소를 일부 흡수하는 역할을 하게 함으로써 제품의 탄소와 산소의 흡수량을 최소화하였다.

일 측면에서, 상기 티타늄 합금은 티타늄, 알루비늄 및 바리튬의 합금을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 상기 티타늄 합금은 Ti-6Al-4V를 포함할 수 있다.

이하, 제조예 및 실시예 등을 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 제조예와 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

<Ti-6Al-4V 의 제조>

폴리옥시메틸렌, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌을 포함하는 바인더(약 85:10:5의 비율로 혼합)와 합금 분말(Ti-6Al-4V용 합금 분말)를 2:8의 중량 비율로 혼련한 후, 40 ton 사출기를 이용하여 사출하였다. 그 후, 사출된 사출물을 배치탈지로에서 약 110℃에서 HNO₃를 3~4.5ml/min으로 가하여 3시간 동안 1차 탈지를 수행한 후 상온이 되도록 식혔다. 그 후 다시 2℃/min의 속도로 승온하여 소결로에서 2℃/min의 속도로 승온하여 약 350℃, 약 600℃에서 각각 약 2시간 탈지를 수행한 후, 다시 2℃/min의 속도로 승온하여 900℃ 에서 1시간, 1000℃에서 2시간, 1100℃에서 3시간 동안, Ar 가스 및 10^-5torr의 진공 분위기에서 소결하여 티타늄 합금체를 제조하였다.

<실험예> 티타늄 합금체의 물성

KS D ISO270(2004)에 의거하여 제조된 합금체와 일반 금속분말 사출성형 공법으로 제조한 SUS합금체의 항복강도와 연신율을 측정하였다. 또한, CS 분석기(탄소함량 측정기)를 통해 합금 내 탄소 함량을 측정하여 탈지성과 소결성을 확인하였다. 탈지율은 사출체와 탈지체의 바인더의 질량 변화율로 계산하였다.

그 결과는 아래 표 1 내지 3에 기재된 바와 같다. 구체적으로, 일반 합금체(개선 전)와 비교하여 본원발명의 합금체(개선 후)의 탈지율은 약 10% 개선되었고, 소결성은 100% 개선되었다. 또한, 일반 합금체와 비교하여 본원발명의 합금체의 인장강도는 약 70% 개선되고, 항복강도는 100% 개선되었으며 연신율은 5배 향상되었다.

<표 1. 탈지성 측정 결과>

구 분	개선 전	개선 후
탈지율	탈지 후 90%이하	1단계 탈지 후 - 90% 이상 2단계 탈지 후 - 98%이상

<표 2. 소결 반응성(탄소 함량) 측정 결과>

구 분	개선 전	개선 후
소결 반응성	0.2 이상	0.1 이하

<표 3. 기계적 물성 측정 결과>

구 분	개선 전	개선 후
인장강도	500 MPa 이하	850 Mpa 이상
항복강도	350 Mpa 이하	700 Mpa 이상
연신율	1% 미만	5% 이상

Claims

티타늄 합금 제조를 위한 금속 사출 성형 방법으로,
상기 방법은,
사출 단계; 탈지 단계; 및 소결 단계를 포함하며,
상기 탈지 단계는,
i) 80~140℃에서 1~5시간 동안 열처리하는 것을 포함하는 제1 탈지단계 및;
ii) 300~750℃에서 3~6시간 동안 열처리하는 것을 포함하는 제2 탈지단계를 포함하며,
상기 소결 단계는,
850~950℃에서 0.5~1.5시간 동안 열처리하는 것을 포함하는 제1 소결 단계;
950~1050℃에서 1~3시간 동안 열처리하는 것을 포함하는 제2 소결 단계; 및
1050~1150℃에서 2~4시간 동안 열처리하는 것을 포함하는 제3 소결 단계를 포함하며,
상기 방법에 의한 티타늄 합금은,
하기 중 하나 이상의 특징을 포함하는, 상기 티타늄 합금 제조를 위한 금속 분말 사출 성형 방법:
i) 98% 이상의 탈지율;
ii) KB B0802에 의할 때, 800 Mpa 이상의 인장강도;
iii) KS D ISO270(2004)에 의할 때, 600 Mpa 이상의 항복강도; 및
iv) KS D ISO270(2004)에 의할 때, 4% 이상의 연신율.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제2 탈지단계는,
300~450℃에서 1~3시간 동안 열처리하는 것을 포함하는 제2-A 탈지 단계; 및
500~750℃에서 1~3시간 동안 열처리하는 것을 포함하는 제2-B 탈지 단계를 포함하는, 티타늄 합금 제조를 위한 금속 분말 사출 성형 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 소결 단계는,
10^-4~10^-6 Torr의 고진공 환경에서 수행되는, 티타늄 합금 제조를 위한 금속 분말 사출 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 방법은,
상기 제1탈지 단계를 수행한 후, 0.1~5℃/min의 승온 조건으로 가열하는 것을 포함하고,
상기 제2 탈지 단계를 수행한 후, 0.1~5℃/min의 승온 조건으로 가열하는 것을 포함하는, 티타늄 합금 제조를 위한 금속 분말 사출 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 방법은,
폴리옥시메틸렌, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 구성된 군으로부터 선택된 하나이상을 바인더로 포함하는, 티타늄 합금 제조를 위한 금속 분말 사출 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 소결 단계는,
지르코니아를 도포한 소결 세터(setter)에서 수행되는, 티타늄 합금 제조를 위한 금속 분말 사출 성형 방법.
삭제