KR20070010118A - 알루미늄과 알루미늄 합금 성분 소결 공정 - Google Patents

Abstract

알루미늄 분말 소결 방법은 알루미늄 분말을 제공하는 단계와, 상기 알루미늄 분말을 약 13.8 MPa 이상의 횡 파단 강도로 소결하도록 약 0.001 kPa 내지 0.02 kPa 범위의 분압을 가진 수증기를 함유하는 주로 질소로 이루어진 분위기에서 알루미늄 분말을 가열하는 단계를 포함하고 있다. 알루미늄 분말은 가열 단계 도중에 또는 그 이전에 알루미늄 분말 입자를 실질적으로 변형시키는 기계적 힘에 의해 함께 가압되지 않는다. 물품은 소결된 알루미늄 분말을 포함하고 있다. 소결된 알루미늄 분말은 적어도 약 13.8MPa의 횡 파단 강도를 가지고 있다. 소결된 알루미늄 분말의 미세구조는 소결 조제의 사용을 나타내는 어떠한 성분 농도 구배도 없고, 알루미늄 분말의 소결 중에 또는 그 이전에 기계적 힘을 가하여 생기는 입자 변형의 흔적도 없다.

Description

알루미늄과 알루미늄 합금 성분 소결 공정{PROCESSES FOR SINTERING ALUMINUM AND ALUMINUM ALLOY COMPONENTS}

본 발명은 야금 분말 분야에 관한 것이다. 더 구체적으로 말하자면, 본 발명은 알루미늄 분말 소결 공정에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 소결된 알루미늄 물품에 관한 것이다.

알루미늄은 경량이고, 강도가 양호하며, 내부식성이 있어서 많은 용도에서 바람직한 재료가 된다. 현재, 알루미늄 분말을 분말 야금 성형법에 유용한 크기로 만드는 기법이 존재하고 있다. 이러한 알루미늄 분말은 대체로 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다. 분말 야금 성형법에 의하면 물품이 거의 또는 전혀 기계가공 없이 그 최종 형상 또는 그 최종 형상과 유사하게 제조되어, 전체 공정 비용과 재료 낭비를 줄일 수 있다.

알루미늄은 산소와 매우 급속하고 강렬하게 반응함으로써 알루미나(Al₂O₃)를 형성하여, 알루미늄 표면이 소량의 대기 중의 산소 또는 수증기에라도 노출되면 알루미나 막이 즉시 형성된다. 알루미나 막은 매우 얇아서, 그 두께는 일반적으로 약 30 내지 90nm이다. 알루미나 막은 알루미늄과 산소를 모두 거의 통과시키지 않 는다. 알루미늄보다 산소와 더 쉽게 반응하는 원소가 거의 없기 때문에, 일단 알루미나 막이 형성되면 이 막은 매우 안정적이고 화학적 침투에 내성이 있다.

따라서, 알루미늄 분말을 제조할 때, 보호성 알루미나 박막이 각 알루미늄 분말 입자의 전체 표면에 걸쳐 형성된다. 알루미나 막은 알루미나 분말로부터 분말 야금 부품을 제조하는 데에 문제점을 제공한다. 별개의 알루미늄 분말 입자를 함께 결합시켜 유용한 물품을 성형하기 위해서는, 하나의 분말 입자의 금속 원자가 인접한 입자의 금속 원자와 직접 접촉하게 되어 그들 사이에서 야금학적 결합을 형성하고, 입자들 사이에서 금속이 이동하는 것을 허용하여 입자간 경계를 따라 입자들이 재배치되어야 한다. 그러나, 분말 표면 상의 알루미나 막은 입자간 원자 이동을 방해한다.

다행스럽게도, 분말 야금업에 종사하는 사람들은 알루미늄 분말 입자 상의 알루미나 막에 의해 생긴 문제점을 극복하는 몇 가지 방법을 찾아냈다. 그 한 가지 방법은 알루미나 막을 기계적으로 파열시키고, 기계적 힘의 인가를 통해 알루미늄 분말 입자를 소성 변형시킴으로써 인접한 분말 입자의 하부 금속을 함께 가압하는 것이다. 예를 들어, 알루미늄 분말은 다이 프레스 공정, 정수압 프레스 공정, 단조 공정 또는 압출 공정에서 가해진 기계적 변형으로, 함께 야금학적으로 결합될 수 있다.

알루미나 막 문제를 취급하는 다른 방법은 분말을 소정 형상물으로 성형하기 전에 알루미늄 분말을 소결 조제와 혼합한 후, 성형물을 소정의 온도까지 가열하는데, 이 온도에서 소결 조제는 알루미나 막을 침투하는 액체가 생성되게 한다. 텍 사스주 샌안토니오에서 2002년 4월 8일부터 10일까지의 미국 분말야금 산업체 협회(MPIF)의 급속 제조용 금속 분말 증착법에 대한 2002년 국제회의 회보인 엔.마이어즈(N. Myers) 등의 "선택적인 레이저 소결에 의한 알루미늄의 쾌속 조형(Rapid Prototyping of Aluminum by Selective Laser Sintering)" 233 내지 241 페이지에는, 마그네슘 분말을 알루미늄 분말에 혼합하고, 고체 자유 형태 제작법(solid free-form fabricating)으로 혼합물을 소정 형상으로 만들고, 혼합물을 가열하여 높은 밀도의 야금학적으로 결합된 물품을 달성하는 것이 기재되어 있다. 마이어는 알루미늄 분말과 마그네슘 분말에 분말화된 주석을 첨가하면 분말 혼합물의 치밀화를 촉진하게 된다고 보고하고 있다. 다른 소결 조제는 1995년 10월 24일자로 특허 허여된 하야시 명의의 미국특허 제5,640,775호에 언급되어 있다.

당업계의 일부 사람들은 알루미늄 분말 상의 알루미나 막을 취급하는 방법으로서 마그네슘의 산소에 대한 높은 친화성을 이용하여 왔다. 마그네슘은 알루미늄보다 산소와 더 강하게 반응하는 몇 가지 원소 중에 하나이다. 또한, 마그네슘은 알루미늄과 양호하게 혼합되어 합금이 된다.

전술한 하야시 등의 명의의 특허에는 특수 처리와 조합된 0.4 내지 4.0 중량%의 마그네슘을 함유하는 급속 고화 알루미늄 분말을 이용하여 고밀도의 유용한 물품을 얻는 것이 교시되어 있다. 이것은 알루미늄 분말이 기계적 힘에 의해 함께 압착되는 것을 교시하고 있다. 압착된 알루미늄은 적어도 81kPa의 질소 분압과, 질소 결합 가속 가스 성분으로서 작용하는 적어도 1kPa의 환원 가스 분압과, 그리고 오직 1kPa의 수증기 분압을 가지는 분위기에서 압착된 알루미늄을 가열하여 알 루미늄 분말 표면 상에 질소 화합물을 생성시킴으로써 소결된다. 하야시 등은 마그네슘을 첨가하여 분말 표면을 재구성하고 분위기 중의 질소와의 결합 반응을 동시에 달성하여 알루미늄 분말의 소결 현상을 가속시킬 수 있다는 것을 이론화하고 있다. 하야시 등은 수증기가 마그네슘의 효과를 해치고 분말 표면에 형성되는 질소 화합물을 분해하기 때문에, 수증기의 분압을 1kPa 이하로 억제해야 한다고 경고하고 있다.

1996년 6월 11일에 특허 허여된 나카오 명의의 미국 특허 제5,525,292호에는 승화된 마그네슘 즉, 고체 상태에서 기체로 증발된 마그네슘을 사용하는 것이 교시되어 있다. 나카오 등은 먼저 알루미늄 분말을 함께 가압하여 압착물을 성형한다. 이 압착물을 아르곤과 같은 희소 가스로 약 1 기압(101 kPa)의 압력으로 가열한다. 온도가 500℃에 도달하면, 압력은 몇 분 동안에 1 kPa 이하로 감소하여 마그네슘이 승화 상태로 존재하게 만든다. 마그네슘은 압착물에서 알루미늄 분말과 혼합되어 있는 마그네슘 분말 또는 고체 조각의 마그네슘으로 존재할 수 있다. 마그네슘은 또한 합금의 마그네슘 함량이 적어도 0.3 중량% 이라면 알루미늄 분말의 알루미늄 합금 부붐으로서 존재할 수도 있다. 이 후, 예를 들어 약 540℃의 소결 온도까지 가열이 계속됨에 따라 약 1 기압까지 압력이 복원되도록 질소 가스가 주입되고, 소결에 의해 압착물이 치밀화되는 동안 유지된다. 나카오 등은 승화된 마그네슘이 반응하여 질화 마그네슘(Mg₃N₂)을 생성시키고, 이는 알루미늄 분말 표면 상의 산화 알루미늄과 반응하여 금속 알루미늄을 노출시켜서, 압착물이 소결될 수 있게 한다.

일본 특허 공개 공보 평06-033164호에는 마그네슘을 함유하고 있는 알루미늄 분말을 이용하고 질소 분위기 중에 가열하는 것이 교시되어 있다. 이러한 경우에, 마그네슘은 550℃ 내지 600℃의 온도 범위에서 알루미늄 분말 입자의 표면에 질화 알루미늄(AIN)이 형성되는 것을 촉진하는 데에 사용된다. 그 후, 분말은 제조된 알루미늄 성형물 내에서 질화 알루미늄 코팅부를 파열시키고 소산시키는 소성 변형에 의해 함께 압착된다.

알루미나 막 문제를 다루는 다른 방법으로는 서로 직접 입자를 야금학적으로 결합시키는 것을 단념하고, 별개의 결합제 예를 들어 에폭시 또는 저융점 금속이나 합금을 사용하여 알루미늄 분말을 집합체로 결합시키는 것이다.

알루미늄 분말 상의 알루미나 막에 의해 생기는 문제점을 극복하는 기존의 방법들은 그 범위에서 유용하다. 그러나, 알루미늄 분말을 변형시키거나, 소결 조제를 사용하거나, 마그네슘을 저압에서 승화시키거나, 또는 최종 물품을 고화된 집합체로 만들 필요없는 간단한 공정을 갖는 것이 유리할 것이다.

본 발명은 종래 기술보다 더 간단한 알루미늄 분말 소결 방법을 제공한다. 본 발명은 약 0.001 kPa 내지 0.02 kPa의 좁은 범위 내의 소정 분압을 가진 수증기(H₂O)를 함유하고 있는 질소 분위기(N₂)에서 알루미늄 분말을 가열하면, 소결 조제를 사용하지 않고 또는 분말의 가열 중에 또는 그 이전에 알루미나 막을 파단시키는 기계적 힘으로 알루미늄 분말을 가압하지 않고, 적어도 약 13.8 MPa의 횡 파단 강도로 알루미늄 분말이 함께 소결된다는 발명자의 놀라운 발견에 기초한 것이다. 이러한 발견을 했을 때에는 당업자들은 알루미늄이 산소 및 수소와 반응하기 때문에 알루미늄을 소결할 때에는 수증기는 가급적 회피되어야 한다고 믿고 있었기 때문에, 이러한 발견이 특히 놀랍다. 수증기는 알루미늄을 알루미나 막으로 변환시키는 산소의 원천으로 작용한다고 일반적으로 생각된다. 따라서, 당업자는 수증기가 알루미늄 분말의 소결을 더 어렵게 만든다고 믿고 있었다.

이에 구속되지 않고, 발명자는, 질소 분위기에서 약 0.001 kPa 내지 0.02 kPa의 좁은 분압 범위에 있는 수증기는 알루미나 표면 상의 산소 빈자리(oxygen vacancy)에서 원자 수소의 방출과, 알루미나 막으로의 수소의 확산과, 인접한 알루미늄 막 입자의 접촉점으로부터 이격되는 알루미나 분자의 후속 이동을 수반하는 촉매 반응에 참가하여 알루미늄 분말의 소결을 촉진시키는 작용을 한다는 것을 이론화하였다. 이러한 현상으로 인해 인접한 알루미늄 분말 입자는 금속 대 금속 접촉을 하게 되고, 이 접촉점에 걸친 금속 원자의 충분한 질량 이송이 소결 공정을 시작시키고 유지시키며, 상기 소결 공정으로 알루미늄 분말 입자가 치밀화되고 야금학적으로 함께 결합된다.

본 발명의 방법에 있어서, 제 1 단계로서, 알루미늄 분말이 제공된다. 알루미늄 분말은 순수한 알루미늄이거나 알루미늄 합금일 수도 있다. 알루미늄 분말은 산개된 분말로 제공되거나, 알루미늄 분말 입자를 실질적으로 변형되지 않게 하는 어떤 공정에 의해 소정의 형상으로 성형될 수 있다. 본 발명의 사상 범위 내에 있는 예를 들어, 이러한 알루미늄 분말 성형 공정은 사출 성형과, 분말의 용기에의 수용, 적층 제조법과 같은 고체 자유 형태 제작법을 포함하고 있다. 알루미늄 분말은 주로 질소 가스로 이루어진 분위기에서 가열된다. 이 분위기는 약 0.001 kPa 내지 0.02 kPa 범위의 수증기 분압을 가지고 있다. 알루미늄 분말은 적어도 약 13.8MPa의 횡 파단 강도를 가진 고체 물품으로 함께 소결되기에 충분한 시간 동안 소정 온도로 가열된다. 소결 후에, 소결된 분말 입자는 실온으로 냉각시키기 전이나 후에, 임의의 원하는 후속 처리를 할 수 있다.

소결에는 소정 양의 치밀화가 수반되는데, 이 치밀화의 양은 적을 수도 있고 많을 수도 있다. 소결을 수반하는 치밀화의 양은 소결 시간과 온도의 선택에 의해 제어된다.

어떤 용례에 있어서는, 예를 들어, 소결된 물품이 필터로 사용되는 경우에는, 소결된 물품이 상대 밀도가 낮은 것이 바람직하다. 본 명세서에서 사용된 "상대 밀도"는 절대 밀도 즉, 물품 또는 분말 더미가 공극이 없다면 가지게 될 밀도에 대한 다공성 물품 또는 가루 분말 더미의 측정된 밀도의 비율이다. 상대 밀도는 절대 밀도의 퍼센트로 표현되는 반면, 절대 밀도는 단위 체적 당 단위 질량 예를 들어, g/cm³로 표현된다. 고다공성 물품 또는 분말 더미는 낮은 상대 밀도를 갖는 한편, 공극이 없는 물품 또는 소결 분말 더미는 100%의 상대 밀도를 갖는다.

대부분의 용례에 있어서, 소결된 물품에는 큰 강도가 제공되기 때문에, 상대 밀도가 높은 것이 바람직하다. 따라서, 알루미늄 분말은 적어도 약 60%의 상대 밀도로 소결되는 것이 일반적으로 바람직하다.

본 발명의 다른 양태는 적어도 약 13.8 MPa의 횡 파단 강도로 약 0.001 kPa 내지 0.02 kPa의 좁은 범위의 분압을 가지는 수증기를 함유하는 질소 분위기에서 알루미늄 분말을 소결함으로써 생성되는 소결 물품에 관한 것으로, 상기 소결은 소결 조제없이 수행되고 또는 분말을 가열하는 도중에 또는 그 이전에 알루미나 막을 파단하는 기계적인 힘에 의해 알루미늄 분말을 함께 가압하지 않도록 수행된다. 소결 조제와 가압 방식을 채택하지 않고 알루미늄 분말로부터 이러한 소결 입자를 제조하는 당업계에 알려진 다른 방법은 없다.

본 발명의 장점 및 특징의 중요성은 첨부된 도면을 참고하면 더 잘 이해될 것이다. 그러나, 도면은 단지 예시의 목적일 뿐 본 발명을 한정하는 의미가 아니라는 것을 이해하여야 한다.

도 1은 상대 밀도의 그래프로서, 상대 밀도는 본 발명에 따라 처리된 합금 6061 알루미늄 분말 샘플에 대한 635℃의 소결 온도에서의 질소 소결 분위기 중의 수증기 분압의 함수이다.

도 2는 본 발명에 따라 0.009 kPa의 수증기 분압을 가진 질소 분위기 중에 635℃ 에서 99.1%의 상대 밀도로 소결된 합금 6061 알루미늄 분말 샘플의 현미경 사진이다.

도 3은 상대 밀도의 그래프로서, 상대 밀도는 본 발명에 따라 0.004 kPa의 수증기 분압을 가지는 질소 분위기 중에 소결되는 합금 6061 알루미늄 분말 샘플에 대한 소결 온도의 함수이다.

이하, 본 발명의 몇 가지 바람직한 실시예를 당업자가 충분히 실시할 수 있게 자세히 설명하겠다.

본 발명의 실시예에 있어서, 알루미늄 분말은 노에 제공되고 배치된다. 노의 분위기는 약 0.001 KPa 내지 약 0.02 KPa 범위의 수증기 분압을 가진 질소 가스로 대체로 이루어지도록 제어된다. 알루미늄 분말을 규정된 속도로 소정의 소결 온도까지 가열하고, 이 소결 온도에서 소정 시간 동안 유지시켜 알루미늄 분말을 적어도 약 13.8MPa의 횡파단 강도(transverse rupture strength)까지 함께 소결시킨다. 실제 횡파단 강도 수준은 소결된 물품이 사용되는 특정 용도에 따라 달라지는 것이 바람직할 것이다.

소결 중에는 약간의 수축이 발생하게 된다. 바람직한 수축량은 알루미늄 분말 파라미터와 소결된 물품이 사용되는 특정 용도에 따라 달라질 것이다. 예를 들어, 소정의 경우에는, 매우 높은 상대 초기 상대 밀도를 채용하거나 다공성 소결 물품을 원하는 경우, 소결에 의해 소량의 수축만이 있는 것이 바람직하다. 그러나, 치밀한 물품을 얻으면, 소결 중에 많은 양의 수축이 있는 것이 바람직할 것이다.

마찬가지로, 원하는 소결 부품의 상대 밀도는 알루미늄 분말 파라미터와 소결 물품이 사용되는 용도에 따라 달라지게 된다. 소정의 경우에 예를 들어, 소결 물품을 필터로 사용하는 경우, 낮은 상대 밀도 예를 들어, 약 40%가 바람직할 수 있다. 다른 용례에 있어서, 더 큰 힘을 제공하기 때문에 높은 상대 밀도가 바람직 하다. 일반적으로, 물품의 강도가 주요한 고려 대상인 경우, 상대 밀도가 적어도 약 60%인 것이 바람직하다. 바람직하게는, 알루미늄 분말을 적어도 약 75%의 상대 밀도로, 더 바람직하게는 85%의 상대 밀도로, 가장 바람직하게는 약 95%의 상대 밀도로 소결한다.

본 발명에 따르면, 알루미늄 분말은 가열 단계 중에 또는 그 이전에 알루미늄 분말 입자를 실질적으로 변형시키도록 함께 가압되지 않는다. 다르게 말하면, 알루미늄 분말 입자 상의 알루미나 막을 파열시키는 데에 기계적 힘이 사용되지 않는다.

본 발명에 따라 제공되는 알루미늄 분말은 구형인 것이 바람직하다. 그 이유는 구형 분말의 우수한 유동성 때문이다. 그러나, 분말 형상에 제한이 있는 것은 아니다. 예를 들어, 필터 바디와 같은 용도에 있어서, 불규칙한 형상의 분말 입자가 더 낮은 초기 충전 밀도를 제공하고 더 낮은 밀도의 극다공성 소결 물품이 되기 때문에 바람직하다.

마찬가지로, 입자 크기는 약 1 미크론 내지 약 5 미크론 범위에 있는 것이 바람직하지만, 제한이 있는 것은 아니다. 아주 굵은 분말은 분말 입자 체적에 대한 접촉 지점 수의 비율이 매우 낮기 때문에 바람직하지 않다. 매우 미세한 분말도 자연 발화성 및 폭발성 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 알루미늄 분말의 입자 크기는 약 45 미크론 내지 106 미크론의 범위 즉, -170/+325 메시 분말인 것이 바람직하다.

알루미늄 분말은 순수한 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다. 알루미늄 분말은 순수 알루미늄 입자와 하나 이상의 알루미늄 합금의 혼합물이거나, 다양한 알루미늄 합금의 혼합물일 수 있다. 분말 입자가 실질적으로 밀봉된 알루미나 막을 형성하도록 충분한 금속 형태의 알루미늄을 함유해야 하는 것 외에는, 알루미늄 분말의 조성에 제한은 없다.

제공된 알루미늄 분말은 하나 이상의 세라믹 분말과 혼합될 수 있다. 이러한 분말은 제한없이 알루미나, 실리카, 실리콘 카바이드, 질화 붕소, 및 텅스텐 카바이드와 같은 내화성 금속 카바이드를 포함하고 있다. 세라믹 분말의 크기와 양은 원하는 양의 알루미늄 분말 소결을 얻을 수 있도록 조절된다.

본 발명에 따른 방법의 실시예에 있어서, 제공된 알루미늄 분말은 비록 소결 조제의 사용이 본 발명의 실시에 반드시 필요한 것은 아니지만, 소결 조제와 혼합할 수 있다. 소결 조제로는 그 성분이 주석 및/또는 마그네슘을 함유하고 있는 것(이에 한정되는 것은 아니다)들이 있을 수 있다.

알루미늄 분말을 용기에 담겨져 있지 않은 형태인 루즈 분말 파일(loose powder pile)로 가열할 수 있지만, 이것은 거의 실용적인 유용성이 없다. 바람직하게는, 알루미늄 분말은 알루미늄 분말 입자의 실질적인 변형을 수반하지 않는 소정의 기법에 의해 소정 형상으로 성형된다. 예를 들어, 알루미늄 분말은 용기에 수용될 수 있는데 즉, 원하는 예비 소결체 형상을 가진 불활성 컨테이너에 배치될 수 있다. 알루미늄 분말은 또한, 사출 성형에 의해 성형될 수도 있다.

바람직하게는, 알루미늄 분말은 적층 제조법(layered manufacturing method)에 의해 성형된다. 본 명세서에서 사용하고 있는 "적층 제조법"이라는 용어는 유 용한 3차원 물품이 되게 하고 한 번에 하나의 층으로 순차적으로 물품의 형상을 성형하는 단계를 포함하는 임의의 공정을 의미한다. 적층 제조법은 "쾌속 조형법(rapid prototyping process)로 당업계에 알려져 있는데, 층층이 쌓아 올리는 방법은 소수의 특정 물품을 생산하기 위해 사용된다. 바람직한 적층 제조법으로는 3차원 인쇄법("3DP")와, 선택적 레이저 소결법("SLS")이 있다. 3차원 인쇄법의 예는 사치스(Sachs)명의의 2000년 3월 14일에 특허 허여된 미국 특허 제6,036,777호에서 찾을 수 있다. 선택적 레이저 소결법의 예는 보우렐(Bourell) 등의 명의의 1991년 12월 31일에 특허 허여된 미국 특허 제5,076,869호에서 찾을 수 있다.

가장 바람직하게는, 알루미늄 분말은 3차원 인쇄법을 이용하여 성형된다. 3차원 성형법은 잉크젯 인쇄와 개념적으로 유사하다. 그러나, 잉크 대신에, 3차원 인쇄법은 분말층의 상층에 결합제를 퇴적시킨다. 이 결합제는 제조될 물품의 3차원 전자 재현의 2차원 슬라이스에 따른 소정 패턴으로 분말층 상에 프린팅된다. 전체 물품이 성형될 때까지 한 층에 이어 다른 층이 프린팅된다. 결합제는 폴리머와 탄수화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 절적한 결합제의 예가 보우렐 등의 명의의 1991년 12월 31일에 특허 허여된 미국 특허 제5,076,869호와, 리우(Liu) 등의 명의의 2003년 7월 1일에 특허 허여된 미국 특허 제6,585,930호에 제시되어 있다.

3차원 인쇄법 프린팅 물품은 분말 충전 밀도에 따라, 일반적으로 약 30부터 60을 초과하는 체적율의 분말과, 약 10 체적율의 결합제로 이루어지고, 나머지는 빈 공간이다. 이 단계에서 프린팅된 물품은 다소 깨지기 쉽다. 프린팅 후처리가 프린팅된 물품의 물리적 및/또는 기계적 성질을 향상시키기 위해 수행될 수 있다. 일반적으로, 이러한 프린팅 후처리는 결합제를 후속하여 경화되고 고화되는 침투제 재료로 교체하도록 프린팅된 물품을 열처리하는 것을 포함하고, 이에 의해 원하는 물리적 기계적 특성을 갖는 높은 밀도의 물품을 제조한다. 그러나, 본 발명은 프린팅되는 물품을 최종으로 원하는 수준으로 치밀화하고 강화하도록 소결함으로써 침투의 필요성을 제거할 수 있다. 또는, 점착성 바디로 프린팅되는 부분을 부분적으로 치밀화하기 위해 소결을 이용하여 침투가 증가될 수 있는데, 상기 점착성 바디에 침투제가 주입될 수 있다.

적층 제조법에 사용되는 물품의 3차원 전자 재현은 일반적으로 캐드(Computer-Aided Design; CAD) 소프트웨어를 이용하여 생성된다. 3차원 전자 재현의 캐드 파일은 스테레오리쏘그래픽(stereolithographic) 또는 스탠다드 트라이앵글 랭귀지(standard triangle language; STL) 파일 포맷 또는 STL 포맷으로 산업계에 알려져 있는 다른 파일 포맷으로 변환된다. 그 후, STL 파일 포맷을 적절한 슬라이싱 프로그램으로 처리하여 물품의 3차원 전자 재현을 2차원 슬라이스로 재현된 물품을 포함하는 STL 포맷 파일로 변환시키는 전자 파일을 생성시킨다. 슬라이스의 두께는 일반적으로 약 0.008 cm 내지 약 0.03 cm 범위에 있지만, 정해진 물품 설계 기준과 특정 적층 제조법을 채용하는 가에 따라, 그 범위는 실질적으로 다를 수 있다. 이 다양한 전자 파일을 생성하는 적절한 프로그램은 당업자에게 공지되어 있다.

알루미늄 분말을 가열하는 단계는 성형 또는 비성형 조건에서, 제어된 조성 분위기를 유지할 수 있는 임의의 유형의 노에서 수행될 수 있다. 노는 알루미늄 분말을 원하는 소결 온도까지 가열할 수 있어야 한다. 소결은 고체 상태 소결, 수퍼솔리더스 액상 소결(supersolidus liquid phase sintering), 또는 소결 조제를 사용하는 경우와 같이 액상 소결일 수 있다. 일반적으로, 소결은 약 550℃ 내지 650℃ 범위의 온도에서 수행될 것이다. 이 범위 밖에 있는 사용되는 온도는 알루미늄 분말의 입자 크기 분포와 조성 및 원하는 소결 정도에 따라 달라지게 된다. 알루미늄 분말이 소결 온도에 노출되는 시간도 알루미늄 분말의 입자 크기와 조성 및 원하는 소결 정도에 따라 달라지게 된다.

알루미늄 분말을 소정 형상으로 성형하는 데에 결합제를 사용한 경우, 가열 사이클은 결합제가 제거 가능하도록 제어된다.

알루미늄 분말을 노에 배치한 후에, 노의 분위기를 교체하거나 정화하여 약 0.001 kPa 내지 0.02 kPa 범위에 있는 수증기 부분 압력을 가진 질소로 주로 이루어져 있는 분위기를 제공한다. 이 범위 밖에 있는 부분 압력의 수증기를 사용하면 알루미늄 분말이 소결되지 않거나 불량하게 된다. 더 바람직하게는, 수증기의 부분 압력은 0.003 kPa 내지 0.015 kPa의 범위에 있다. 당업자라면 과도한 실험없이도 채택한 소결 온도와 특정 알루미늄 분말 조성 및 크기 분포에 대한 상기 범위 내에서 수증기의 최적의 분압을 결정할 수 있을 것이다. 분위기는 알루미늄 분말의 소결을 방해하지 않는 한 적은 양의 다른 성분을 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 알루미늄 분말의 소결 중에 또는 그 이전에 가해지는 기계적 힘에 의한 입자 변형 또는 소결 조제의 사용없이 적어도 약 13.8MPa의 횡 파단 강 도로 소결된 알루미늄 분말을 포함하는 물품을 실시예로서 포함하고 있다. 이러한 소결된 물품은 질소 분위기에서 알루미늄 분말을 가열하여 생성되는데, 상기 질소 분위기는 알루미늄 분말을 소결하기 위해 약 0.001 kPa 내지 약 0.02 kPa의 좁은 범위의 수증기 분압을 가지고 있다. 이러한 물품을 생산하기 위해 알려진 다른 방법은 없다.

소결 조제를 사용할지 사용하지 않을지는 소결 조제의 사용을 나타내는 성분 농도 구배를 포함하고 있는가 아닌가를 탐지하도록 소결 물품의 미세구조를 검사함으로써 결정될 수 있다. 알루미늄 분말 입자가 기계적 힘에 의해 변형되었는가 그렇지 않은가는 소결 물품의 미세구조를 검사하여 소결 이전에는 입자를 포위하고 있는 막을 구성하는 알루미나에 의해 구획되는 것과 같은 이전의 입자 경계 형상을 측정함으로써 결정될 수 있다. 이전의 입자 경계 형상은 기계적 힘이 가해지지 않은 상태의 변형되지 않은 알루미늄 분말의 형상에 대응한다.

이러한 물품을 포함하는 알루미늄 분말은 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다. 또한, 순수 알루미늄 입자와 하나 이상의 알루미늄 합금 입자의 혼합물이거나, 다양한 알루미늄 합금의 혼합물일 수 있다. 분말 입자가 실질적으로 밀봉된 알루미나 막을 형성하도록 충분한 금속 형태의 알루미늄을 함유해야 하는 것 외에는, 알루미늄 분말의 조성에 제한은 없다.

본 발명의 실시예인 물품은 그 미세 구조에 하나 이상의 세라믹을 포함할 수 있다. 이러한 세라믹은 알루미나, 실리카, 실리콘 카바이드, 질화 붕소, 텅스텐 카바이드와 같은 내화성 금속 카바이드를 포함하고 있다. 세라믹 분말의 크기와 양은 원하는 양의 알루미늄 분말 소결을 얻을 수 있도록 제어된다.

이러한 물품의 원하는 상대 밀도는 알루미늄 분말 파라미터와 물품이 사용되는 용도에 따라 달라지게 된다. 어떤 경우에는, 예를 들어 물품을 필터로 사용할 경우, 낮은 상대 밀도 예를 들어 약 40%가 바람직할 수 있다. 다른 용도에서, 더 큰 강도를 제공하기 때문에 더 큰 상대 밀도가 바람직하다. 일반적으로, 물품의 강도가 주요한 고려 대상인 경우, 상대 밀도가 적어도 약 60%인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 상대 밀도는 적어도 약 75%이고, 더 바람직하게는, 약 85%이며, 가장 바람직하게는 약 95%이다.

예 1

상업적으로 순수한 알루미늄 분말의 2개 샘플{등급 유엔 번호 1396(grade UN No 1396)}을 마련하였다. 알루미늄 분말은 구형이고 평균 입자 크기가 17 내지 30 미크론 범위에 있다. 각 샘플을 직경이 약 2.54cm이고 높이가 6.35cm인 원통형 알루미나 도가니에 배치하고, 가볍게 태핑하여 알루미늄 분말을 안정화시켰다. 각 샘플을 5℃/min로 소결 온도까지 분위기 제어가 가능한 소형 박스 노에서 가열하고, 1 시간 동안 소결 온도 630℃로 유지시키며, 그 후 약 5℃/min로 실온까지 냉각시킨다. 노의 분위기는 미리 선택된 분압의 수증기를 함유하고 있는 질소였다.

미리 선택된 수증기의 분압이 거의 0인 질소 분위기에서 하나의 샘플을 처리하였다. 분말에서는 어떠한 소결도 관찰되지 않았다. 비교로서, 미리선택된 0.014 kPa 분압의 수증기로 처리한 샘플을 74.4%의 상대 밀도로 소결하였다.

예 2

예 1과 같이 상업적으로 순수한 알루미늄 분말의 3개 샘플을 소결 온도가 635℃라는 것을 제외하고는 예 1과 동일하게 처리하였다. 미리선택된 0.004kPa 분압의 수증기를 구비하는 질소 분위기에서 제1 샘플을 처리하였다. 이 제1 샘플을 83.3%의 상대 밀도로 소결하였다. 미리선택된 0.009kPa 분압 수증기를 구비하는 질소 분위기에서 제2 샘플을 처리하였다. 이 제2 샘플을 80.8%의 상대 밀도로 소결하였다. 미리선택된 0.018kPa 분압 수증기를 구비하는 질소 분위기에서 제3 샘플을 처리하였다. 이 제3 샘플을 74.9%의 상대 밀도로 소결하였다.

예 3

예 1과 같이 상업적으로 순수한 알루미늄 분말의 2개 샘플을 소결 온도가 640℃라는 것을 제외하고는 예 1에서와 동일하게 처리하였다. 미리선택된 0.004 kPa 분압의 수증기를 구비하는 질소 분위기에서 하나의 샘플을 처리하였다. 이 샘플을 75.3%의 상대 밀도로 소결하였다. 다른 샘플을 미리선택된 0.017kPa 분압의 수증기를 구비하는 질소 분위기에서 처리하였다. 이 샘플에서는 소결이 관찰되지 않았다.

예 4

알루미늄 분말 합금 UN No. 6061의 2개 샘플을 마련하였다. 알루미늄 분말의 조성은 알루미늄과 잔부와 크롬이 0.07 중량%, 구리 0.25 중량%, 철 0.25 중량%, 마그네슘 0.89 중량%, 망간 0.03 중량%, 실리콘 0.65 중량%, 티타늄 0.02 중량%, 바나듐 0.01 중량%이다. 입자 크기 분포는 +140 메시(>106 미크론) 0.2 중량%, -140 메시/+170메시(<106 미크론/>90미크론) 4.8 중량%, -170 메시/+200 메시(<90 미크론/>75 미크론) 9.2 중량%, -200 메시/+325 메시(<75 미크론/>45 미크론) 77.6 중량%, -325 메시(<45 미크론) 8.2 중량%이다.

630℃ 소결 온도와 미리 선택된 수준의 수증기 분압을 비롯하여 예 1에서와 동일하게 샘플을 처리하였다. 미리 선택된 수증기 분압이 거의 0인 질소 분위기에서 처리한 샘플에서는 알루미늄 분말의 소결이 나타나지 않았다. 미리 선택된 수증기 압력이 0.014인 질소 분위기에서 처리한 샘플을 64.3%의 상대 밀도로 소결하였다.

예 5

예 4와 같은 6061 알루미늄 분말의 2개 샘플을, 소결 온도 635℃와 미리 선택된 수준의 수증기 분압을 비롯하여 도 2에서와 동일하게 처리하였다. 0.004 kPa의 미리 선택된 수증기 압력을 가지는 질소 분위기에서 제1 샘플을 처리하였다. 이 샘플을 85.4%의 상대 밀도로 소결하였다. 0.009kPa의 미리 선택된 수증기 압력을 가지는 질소 분위기에서 제2 샘플을 처리하였다. 이 샘플을 99.1%의 상대 밀도로 소결하였다. 0.018kPa의 미리 선택된 수증기 압력을 가지는 질소 분위기에서 제3 샘플을 처리하였다. 이 샘플을 78.6%의 상대 밀도로 소결하였다.

도 1에는 이 실험에 대한 질소 분위기 내의 수증기 분압의 함수로서 소결 밀도의 그래프가 도시되어 있다. 도 2에는 99.1%의 상대 밀도를 확보하도록 0.009 kPa의 수증기 분압을 갖는 질소 분위기에서 처리한 샘플의 치밀한 미세구조가 도시되어 있다. 도 2에 미세구조에 사용되는 식각제는 10 체적%의 질소산, 1 체적%의 플루오루화수소산, 89 체적%의 물이다.

예 6

예 4에서와 같은 6061 알루미늄 분말 2개 샘플을, 소결 온도 640℃와 미리 선택된 수준의 수증기 분압을 비롯하여 예 3에서와 동일하게 처리하였다. 0.004 kPa의 미리 선택된 수증기 분압을 가지는 질소 분위기에서 하나의 샘플을 처리하였다. 이 샘플을 84.2%의 상대 밀도로 소결하였다. 0.017kPa의 미리 선택된 수증기 분압을 가지는 질소 분위기에서 다른 샘플을 처리하였다. 이 샘플에서는 어떠한 소결도 관찰되지 않았다.

예 7

예 4에서와 같은 5 개의 6061 알루미늄 분말을, 소결 온도가 600℃ 내지 645℃ 사이에서 변화하고 질소 분위기에서의 수증기 분압이 0.004kPa로 유지된다는 것을 제외하고는 예 1과 동일하게 처리하였다. 630℃의 소결 온도에서 어떠한 테스트도 수행하지 않았다. 소결 후의 샘플의 상대 밀도는 아래와 같다.

소결 온도	상대 밀도
600℃	56.9 %
620℃	66.5 %
635℃	85.4 %
640℃	84.2 %
645℃	86.3 %

도 3에는 소결 후의 이들 샘플의 상대 밀도가 소결 온도의 함수로서 도시되어 있다.

전술한 예들은 본 발명을 채택하여 순수한 알루미늄 분말과 알루미늄 함금 분말을 모두 소결할 수 있다는 것을 보여주고 있다. 또한, 전술한 예들은 본 발명이 소정 범위의 입자 크기에 걸쳐 실시되고 있다는 것을 보여주고 있고, 질소 소결 분위기에서 동일한 범위의 수증기 분압의 임계성을 강조한다.

본 발명의 몇 가지 실시예를 도시하고 설명하였지만, 아래의 청구범위에 기재되는 본 발명의 보호범위 및 기술적 사상을 벗어나지 않는 한 많은 변형 및 수정이 있을 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 본 명세서에서 언급하고 있는 모든 미국 특허는 본 명세서에 완전히 설명되어 있는 것처럼 참고용으로 포함되어 있다.

Claims (29)

1. 알루미늄 분말을 제공하는 단계와;

   상기 알루미늄 분말을 약 13.8 MPa 이상의 횡 파단 강도로 소결하도록 예정된 온도에서 예정된 시간 동안 주로 질소로 이루어진 분위기에서 알루미늄 분말을 가열하는 단계로서, 상기 분위기는 약 0.001 kPa 내지 0.02 kPa 범위의 분압을 가진 수증기를 함유하는 것인 알루미늄 분말 단계

   를 포함하고, 상기 알루미늄 분말은 상기 가열 단계 이전에 또는 그 도중에 상기 알루미늄 분말 입자를 실질적으로 변형시키는 기계적 힘에 의해 함께 가압되지 않는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
2. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 분말은 주로 알루미늄으로 이루어진 조성을 갖는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
3. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 분말은 알루미늄 합금인 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
4. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 분말을 세라믹 분말과 혼합하는 단계를 더 포함하는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
5. 제4항에 있어서, 상기 세라믹 분말은 알루미나, 실리카, 실리콘 카바이드, 질화 붕소, 및 내화성 카바이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
6. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 분말을 소결 조제와 혼합하는 단계를 더 포함하는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
7. 제6항에 있어서, 상기 소결 조제의 조성은 마그네슘과 주석으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
8. 제1항에 있어서, 상기 가열 단계 이전에 알루미늄 분말을 소정 형상으로 성형하는 단계를 더 포함하는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
9. 제8항에 있어서, 상기 성형 단계는 상기 알루미늄 분말을 용기에 수용하는 것을 포함하는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
10. 제8항에 있어서, 상기 성형 단계는 상기 알루미늄 분말을 금속 사출 성형하는 것을 포함하는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
11. 제8항에 있어서, 상기 성형 단계는 상기 알루미늄 분말을 적층 제조 기법에 의해 성형하는 것을 포함하는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
12. 제11항에 있어서, 상기 적층 제조 기법은 3차원 인쇄법(3DP process)을 포함하는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
13. 제11항에 있어서, 상기 적층 제조 기법은 선택적 레이저 소결법(SLS process)을 포함하는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
14. 제1항에 있어서, 상기 수증기의 분압은 약 0.003 kPa 내지 0.015 kPa 범위 내에 있는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
15. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 분말은 약 1 미크론 내지 500 미크론 사이의 크기 범위에 있는 입자로 이루어져 있는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
16. 제15항에 있어서, 상기 알루미늄 분말 입자의 크기 범위는 약 45 미크론 내지 106 미크론 사이에 있는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
17. 제1항에 있어서, 상기 가열 단계에서, 상기 알루미늄 분말은 적어도 약 60%의 상대 밀도로 소결되는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
18. 제1항에 있어서, 상기 가열 단계에서, 상기 알루미늄 분말은 적어도 약 75%의 상대 밀도로 소결되는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
19. 제1항에 있어서, 상기 가열 단계에서, 상기 알루미늄 분말은 적어도 약 85%의 상대 밀도로 소결되는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
20. 제1항에 있어서, 상기 가열 단계에서, 상기 알루미늄 분말은 적어도 약 95%의 상대 밀도로 소결되는 것인 알루미늄 분말 소결 공정.
21. 소결된 알루미늄 분말을 포함하는 물품으로서, 상기 소결된 알루미늄 분말은 적어도 약 13.8 MPa의 횡 파단 강도와, 소결 조제의 사용을 나타내는 어떠한 성분 농도 구배도 없고 소결 이전에 또는 그 도중에 기계적 힘의 인가에 의해 발생된 입자 변형 흔적도 없는 미세구조을 구비하는 물품.
22. 제21항에 있어서, 상기 알루미늄 분말은 주로 알루미늄으로 이루어진 조성을 갖는 것인 물품.
23. 제21항에 있어서, 상기 알루미늄 분말은 알루미늄 합금인 것인 물품.
24. 제21항에 있어서, 세라믹을 더 포함하는 것인 물품.
25. 제24항에 있어서, 상기 세라믹은 알루미나, 실리카, 실리콘 카바이드, 질화 붕소, 및 내화성 카바이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인 물품.
26. 제21항에 있어서, 약 60% 이상의 상대 밀도를 갖는 것인 물품.
27. 제21항에 있어서, 약 75% 이상의 상대 밀도를 갖는 것인 물품.
28. 제21항에 있어서, 약 85% 이상의 상대 밀도를 갖는 것인 물품.
29. 제21항에 있어서, 약 95% 이상의 상대 밀도를 갖는 것인 물품.

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