KR20050073078A - 금속분말의 고형화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속분말로부터 우리가 원하는 형태/성질의 금속제품을 생산하는 과정에서 필수적으로 요구되는 금속분말의 고형화를 효과적으로 실시할 수 있는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 금속분말의 고형화 방법은, 냉간 등방압 성형기(CIP) 내에 금속분말을 충진하여 소정 형상의 예비성형체로 압축?성형하는 압축성형과정; 압축성형과정에서 제조된 예비성형체를 소정 가열온도에서 일정시간 가열하는 열처리과정; 열처리과정에서 고형화 된 예비성형체를 재결정온도 범위(200℃±100℃)이하의 온도에서 전단변형하여 결정립을 미세화 하는 ECAP과정; 을 포함한다.

이때, 상기 가열온도는 온도범위가 (100(하한온도)~300(상한온도))℃ 인 것이 바람직하며, 필요에 따라 ECAP과정이 수 차례 반복될 수 있다.

Description

금속분말의 고형화 방법{Methods for solidfying of metal powder}

본 발명은 금속분말의 고형화 방법에 관한 것이다.

더욱 구체적으로는 금속분말을 분말야금법에 의해 소정 형상의 예비성형체로 성형한 후 등통로각압출법(Equal Channel Angular Pressing)에 의해 상기 예비성형체의 금속조직 내 전위를 증가시켜 결정립을 초미세화 하는 방법에 관한 것이다.

금속분말을 가압·성형하여 굳히거나 성형 후 가열함으로써 원하는 형태의 금속제품을 얻는 분말야금법은, ①분말야금법 이외의 다른 제조방법(예를 들면, 주물·단조 등)으로는 금속제품의 제조가 불가능하거나 매우 어려운 경우 또는 ② 다른 제조방법에 비해 이 방법이 큰 경제적인 이점을 지니는 경우에 이용된다.

이중, 유일한 가공법이 되는 전자의 경우로는 다음과 같은 예를 들 수 있다.

⑴ 고온재료(高溫材料) : 용융온도가 높은 텅스텐(3,410℃), 몰리브덴·탄탈 등이나 내화물·세라믹스 등의 제품.

⑵ 복합재료(複合材料) : 상호간에 비고용성(非固溶性)을 보이는 금속들(텅스텐-구리, 철-팔라듐)의 합금이나 초경합금(탄화텅스텐-코발트), 분산강화재료 등

⑶ 다공성 재료 : 베어링·필터 또는 스펀지상의 재료.

⑷ 금속과 비금속의 결합재료 : 전기접점재료, 구리-흑연과 같은 금속-비금속의 복합재료, 서멧(cermet) 등.

⑸ 치과용 아말감과 층상조직을 가지는 재료

한편, 경제적인 이점으로는 ① 주물가공이나 기계가공 도중에 생기게 마련인 칩(쇳가루)으로 버려지는 재료의 손실이 분말야금법에서는 거의 발생되지 않는다는 점과 ② 소형부품의 대량 및 자동생산이 가능하다는 점을 들 수 있다.

따라서, 자동차나 농기구 또는 가전제품 등의 기계부품을 대량생산할 때에는 분말야금법이 경제적으로 큰 이점을 가져다 준다.

그러나, 분말야금법은 금속분말의 성형방식에 따라 다음과 같은 단점을 가지고 있다.

⑴ 냉간압축방식(또는 냉간 등방압 성형방식 : CIP방식)

소정 형상의 외피 속에 금속분말을 충진하여 매우 높은 압력을 가하는 방식으로서, 성형과정 중에 외피가 휘어지거나 금속분말 쪽으로 접혀 들어가는 일이 많아 소형의 금속제품에만 적용할 수 있으며, 금속분말간의 결합이 쉽게 파괴되는 단점이 있다.

⑵ 열간압축방식(HIP방식)

특수금속(Ti, Be)/초경합금/고속도강/초합금등의 제조에 폭넓게 사용되는 방식으로서, CIP방식보다 낮은 압력과 높은 열을 금속분말에 가하게 된다.

따라서, 이 방식에 따르면 소성변형과 물질의 이동이 촉진되어 비교적 기공 (氣孔)이 적은 금속제품을 얻을 수 있지만, 금속조직내의 결정립 사이즈가 조대화 (粗大化) 하는 문제점이 생기게 된다.

이상과 같이, 종래에는 금속분말에 단순히 높은 압력을 가해 고형화 하거나 추가적으로 높은 열을 가해 고형화 함으로써 금속조직 내의 결정립 사이즈가 조대화 하는 문제가 있었다.

따라서 본 발명은 금속분말로부터 우리가 원하는 형태/성질의 금속제품을 생산하는 과정에서 필수적으로 요구되는 금속분말의 고형화와 관련하여, 나노분말/기능성 분말/비정질 분말 등과 같은 다양한 금속분말을 효과적으로 고형화 하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 냉간 등방압 성형기(CIP) 내에 금속분말을 충진하여 소정형상의 예비성형체로 압축·성형하는 압축성형과정과, 상기 압축성형과정에서 제조된 예비성형체를 소정 가열온도에서 일정시간 가열하는 열처리과정과, 상기 열처리과정에서 고형화 된 예비성형체를 재결정온도 범위(100~300℃)이하의 온도에서 전단변형하여 결정립을 미세화 하는 ECAP과정을 포함한다.

더욱 바람직하게는, 상기 ECAP(Equal Channel Angular Pressing : 등통로각압출법 또는 강구속전단변형)과정을 수회 반복하고, 상기 가열온도의 온도범위를 (100~300)℃ 미만으로 하는 것이다.

이러한 본 발명의 고형화 방법에 따르면, ECAP과정에서 금속분말의 진밀도 (true density)가 상승하게 되며 전단변형에 의해 불순물이 제거됨과 동시에 열처리과정 중에 생성된 예비성형체 표면의 산화피막이 제거된다.

또한, 전단응력의 작용에 의해서 금속조직 내 전위가 증가하여 미세한 결정립을 유지할 수 있으며, 금속분말의 성형과정에 외피를 사용하지 않기 때문에 외피제거를 위한 추가 작업이 필요 없어진다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속분말의 고형화 방법에 대해 설명한다.

본 발명의 공정기술은 최근에 많이 제조되고 있는 금속분말(나노 분말, 기능성 분말, 비정질 분말 등)을 효과적으로 고형화함에 목적이 있다. 금속분말을 효과적으로 고형화 하기 위해서는 미세한 결정립은 그대로 유지하면서 진밀도에 해당하는 벌크화 된 재료를 만들어야 하는데, 본 발명에서 채용한 ECAP과정은 그런 부분을 충분히 감당할 수 있다.

즉, 높은 압력 하에서 극심한 소성변형을 얻을 수 있는 ECAP과정에 의해 금속분말의 진밀도화와 전단변형으로 인한 불순물의 제거 및 산화피막의 제거 효과를 얻을 수 있으며, 전단응력에 기인한 전위 증식으로 미세한 결정립을 유지하는 가운데 종래 방법에서보다 상대적으로 낮은 온도에서 많은 변형을 주어 보다 효과적인 금속분말의 고형화를 이룰 수 있는 것이다.

또한, 본 발명에서는 금속분말의 압축성형 시 외피를 사용하지 않기 때문에, 종래 그 어떤 방법에서보다 더욱 벌크화된 금속제품을 얻을 수 있다.

바람직한 실시예

⒜ 먼저, 금속분말을 준비한다.

금속분말은 덩어리 금속을 기계적 충격으로 분화시키는 기계적 방법이나 화학적 방법 또는 물리적 방법에 의해, 금속분말의 종류나 크기 또는 모양에 따라 특성에 맞게 제조해서 사용할 수 있다.

⒝ 이어서, 준비된 금속분말을 압축성형 하여 예비성형체를 제조하는데 이때 사용되는 공정기술은 외피를 사용하지 않는 변형된 상압공정기술(CIP방식)이다.

종래의 CIP방식에서는 외피 내에 금속분말을 충진하였으나, 압축성형 시 외피가 금속분말의 영역으로 침투하고 외피 모형이 휘어지거나 접히는 부분이 생겨 금속분말의 사용량이 극히 소량이었다.

그러나, 이런 문제들은 외피를 전혀 사용하지 않는 본 발명의 변형된 상압공정기술에 의해 완전히 해결될 수 있다.

⒞ 한편, 상기 상압공정기술에 따라 제조된 예비성형체는 재결정온도보다 낮은 온도 하에서 일정시간 동안 열처리되어 포러스(porous) 구조로 된다.

여기서, “재결정온도”는 1시간 동안 가열하였을 때 금속분말의 결정립이 100% 재결정화 되는 온도를 말한다. 그러므로, 본 실시예에서는 재결정온도보다 낮은 온도 하에서 재결정화가 일어나기 직전까지만 가열하여 결정립의 성장을 최소화 하는 것이 바람직하다.

⒟ 이후, 재결정온도보다 약간 높은 온도에서 ECAP과정을 수회 실시하여 금속분말의 고형화를 완료한다.

대개의 경우, 금속분말은 400℃±50℃(즉 재결정온도 이상)에서 고형화 하여야 진밀도를 이룰 수 있는 것이 보통이다.

그러나, 본 실시예에서는 ECAP과정을 통해 그보다 낮은 온도 하에서도 금속분말의 고형화뿐 아니라 진밀도의 재료 즉 금속제품을 만들 수 있다.

또한, 앞에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 외피를 전혀 사용하지 않기 때문에, 금속분말의 예비성형체 전체가 ECAP 과정 중에 균일한 정수압과 전단변형을 받게 됨으로 균일하게 벌크화될 수 있다. 또한, ECAP과정에서 금속 조직 내의 전위 밀도가 높아지므로 미세한 분말조직을 거의 그대로 유지할 수 있으며 나노화가 가능하게 된다.

따라서, 고형화 초기에는 균일하지 못했던 예비성형체 내의 조직도 미세화를 진행할 수 있으며, 외피 제거를 위한 별도의 추가 작업이 요구되지 않는다.

최근 들어 나노 분말이나 기능성 분말 또는 비정질 분말과 분말 합금 등이 많이 제조되고 있지만, 이러한 금속분말이 고형화 되어 산업에 이용되는 사례는 거의 찾아 볼 수 없기 때문에 산업발전에 대한 기여도는 매우 낮은 것이 사실이다.

따라서, 본 발명에 따르면 금속분말의 고형화가 보다 경제적으로 이루어질 수 있으며 종래의 어떤 방식보다 많은 양의 금속분말을 고형화 또는 벌크화할 수 있다. 또한, 나노소재를 만드는 공정과 관련하여, 종래에는 Top-down 방식 또는 Bottom-up 방식 중 어느 한 가지 방식에 따라 나노소재를 만들었지만, 본 발명에서는 이들 양 방식이 가지는 장점만 취합하여 예컨대 금속분말의 성형에는 Bottom-up 방식을 채택하고 예비성형체 내의 금속 조직을 미세화 하는 데에는 Top-down 방식을 채용함으로써 보다 우수한 성질의 나노 신소재 개발에 기여할 것으로 기대된다.

Claims (3)

1. 냉간 등방압 성형기(CIP) 내에 금속분말을 충진하여 소정 형상의 예비성형체로 압축·성형하는 압축성형과정;

   상기 압축성형과정에서 제조된 예비성형체를 소정 가열온도에서 일정시간 가열하는 열처리과정;

   상기 열처리과정에서 고형화 된 예비성형체를 재결정온도 범위(100~300℃)이하의 온도에서 전단변형하여 결정립을 미세화 하는 ECAP과정;

   을 포함하는 금속분말의 고형화 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 ECAP과정이 수회 반복되는 것을 특징으로 하는 금속분말의 고형화 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 가열온도는 온도범위가 (100~300)℃ 미만인 것을 특징으로 하는 금속 분말의 고형화 방법.