KR20090049608A - 금속 광조형용 금속분말 및 그것을 이용한 금속 광조형법 - Google Patents

금속 광조형용 금속분말 및 그것을 이용한 금속 광조형법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는, 금속분말로 이루어지는 분말층에 광빔을 조사하여 소결층을 형성하는 동시에, 상기 소결층을 적층함으로써 3차원 형상 조형물을 얻는 금속 광조형에 사용되는 금속분말이 제공된다. 이러한 금속 광조형용 금속분말은, 철계분말과, 니켈, 니켈계 합금, 구리, 구리계 합금 및 흑연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 분말을 포함하여 이루어지고, 철계분말이 소둔처리되어 있는 것을 특징으로 하는 금속분말이다. 이러한 금속분말에서는 철계분말이 소둔처리되어 부드러워져 있다. 따라서, 이러한 금속분말을 금속광조형에 사용하면, 얻어지는 조형물의 표면에 부착한 금속분말에 기인하는 절삭저항이 작아지고, 절삭공구의 수명을 늘릴 수 있다.
금속 광조형, 금속분말

Description

금속 광조형용 금속분말 및 그것을 이용한 금속 광조형법{METAL POWDER FOR METAL-LASER SINTERING AND METAL-LASER SINTERING PROCESS USING THE SAME}
본 발명은 금속 광조형에 사용하는 금속분말에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 광빔을 조사하여 3차원 형상 조형물을 얻는 금속 광조형에 사용되는 금속분말에 관한 것이다.
종래부터, (1) 금속분말로 이루어지는 분말층에 광빔(예를 들어, 레이저광과 같은 지향성 에너지빔)을 조사하여 소결층을 형성하고, (2) 얻어진 소결층 위에 새로운 분말층을 깔고 광빔을 조사하여 다시 소결층을 형성하는 것을 반복하여, 3차원 형상 조형물을 제조하는 금속 광조형 기술이 알려져 있다. 이 기술에 따르면, 복잡한 3차원 형상 조형물을 단시간에 제조할 수 있다. 특히, 에너지 밀도가 높은 광빔을 조사함으로써 금속분말을 완전히 용융시킨 후에 고화시킴으로써, 소결밀도를 거의 100%의 상태로 할 수 있다. 이러한 고밀도의 조형물은, 그 표면을 마무리 가공하여 매끄러운 면으로 함으로써, 플라스틱 성형용 금형 등에 적용할 수 있다.
하지만, 이와 같은 금속 광조형의 원료로서 사용되는 금속분말은, 압축성형하고 나서 소결하는 등의 다른 분말소결에서 사용되는 금속분말과는 다른 특성이 요구된다.
예를 들어, 금속분말의 입자직경은 광빔이 조사되는 분말층의 두께보다 작아야 한다. 입자직경이 작으면, 분말의 충전밀도가 높아지고 조형시의 광빔 흡수율도 좋기 때문에, 소결밀도를 높일 수 있는 동시에, 얻어지는 조형물의 표면 조도(roughness)를 줄일 수 있다. 한편, 입자직경이 너무 작으면, 금속분말의 응집이 일어나서 분말의 충전밀도가 작아지고, 분말층을 얇고 균일하게 깔 수 없게 된다.
조형물의 강도를 높이기 위해서는, 형성하는 새로운 소결층과 그 아래층에 있는 고화된 소결층의 접합면적이 넓고 그 밀착강도가 높아야 하는 동시에, 인접하는 고화된 소결층과의 접합면적도 넓고 밀착강도가 높아야 한다.
또한, 새로운 소결층의 윗면이 너무 많이 높아지면 안된다. 그 높이가 분말층 두께 이상이 되면 다음 번에 분말층을 깔 때 장해가 되어, 그러한 다음 분말층의 형성 자체가 어려워진다.
여기서, 금속 광조형시에 광빔이 조사된 금속분말은 그 일부 또는 전부가 일단 용융하고, 그 후 급냉 응고되어 소결층이 되는데, 용융하였을 때의 젖음성(wettability)이 크면 인접하는 소결층과의 접합면적이 커지고, 유동성이 크면 높이가 낮아진다. 따라서, 용융시의 유동성이 크고, 젖음성이 큰 금속분말이 바람직하다.
또한, 금속 광조형으로 제조되는 3차원 형상 조형물은, 그 조형물 표면에 금속분말이 부착하여 표면 조도를 악화시킬 수 있다. 따라서, 이 3차원 형상 조형물을 높은 정밀도를 가지는 플라스틱 사출성형 금형 등으로서 사용하기 위해서는, 조형물 표면에 부착한 금속분말을 제거하여야 하고, 절삭용 공구 등을 이용하여 절삭 마무리 등의 가공을 해야 한다. 경도가 높은 철계분말이 배합된 금속분말을 이용하여 금속 광조형을 실시하였을 경우, 이 철계분말에 기인하여 절삭가공시에 절삭용 공구의 날끝이 마모되어 버린다. 특히, 가는 홈을 가지는 형상을 절삭가공하는 경우에는 직경이 작은 공구로 실시하여야 하여, 공구의 마모가 일어나 경우에 따라서는 날끝이 깨지거나(chipping)이나 공구가 부러지는 일이 발생하게 된다. 따라서, 절삭마무리 등의 가공시에 가공성이 양호한 금속분말이 요구된다.
또한, 얻어진 3차원 형상 조형물의 외관에 큰 깨짐이 있어서는 안된다. 특히, 3차원 형상 조형물을 사출성형금형으로서 사용하는 경우, 그 내부에 유체(냉각수)를 흘리는 것 등을 고려하면, 조형물의 내부 조직에 마이크로크랙(microcrack)이 없는 것이 바람직하다.
이와 같은 사정에 감안하여, 본 발명의 출원인은 일본특허공개 2001-152204호 공보에 나타낸 바와 같이, 철계분말(크롬몰리브덴강, 합금공구강)과, 니켈, 니켈계 합금, 구리 및 구리계 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 비철계분말을 포함하는 금속 광조형용 금속분말을 제안하였다. 또한, 본 출원인은 일본특허공개 2004-277877호 공보에 나타낸 바와 같이, 철계분말(크롬몰리브덴강)과, 니켈 또는/및 니켈계 합금의 분말과, 구리 또는/및 구리계 합금의 분말과, 흑연분말로 이루어지는 금속 광조형용 혼합분말도 제안하였다. 크롬몰리브덴강 등은 그 강도나 인성(靭性) 때문에 사용된다. 구리 및 구리계 합금분말은 젖음성 및 유동성 때문에 사용된다. 또한, 니켈 및 니켈계 합금분말은 강도 및 가공성 때문에 사용된다. 더욱이, 흑연분말은 광빔의 흡수율 및 마이크로크랙 저감 때문에 사용된 다.
하지만, 상기 공보들에 나타낸 바와 같은 금속 광조형용 금속분말이더라도, 금속 광조형에서 얻어지는 조형물의 표면에 단단한 철계분말이 부착하는 것에 기인하여, 절삭에 의한 표면 마무리시에 절삭 저항이 커져서 공구수명이 짧아지는 문제가 있으며, 한편 공구수명을 늘리려면 절삭속도를 늦추어야 하기 때문에 가공에 시간이 걸린다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위하여 이루어진 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 조형물의 표면에 부착한 불필요한 금속분말을 절삭제거할 때, 그 절삭저항을 줄일 수 있고, 사용되는 절삭공구의 수명을 늘릴 수 있는 금속 광조형용 금속분말을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 금속분말로 이루어지는 분말층에 광빔을 조사하여 소결층을 형성하는 동시에, 상기 소결층을 적층함으로써 3차원 형상 조형물을 얻는 금속 광조형에 사용되는 금속 광조형용 금속분말로서,
상기 금속분말은, 철계분말과, 니켈, 니켈계 합금, 구리, 구리계 합금 및 흑연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 분말을 포함하여 이루어지고,
상기 철계분말이 소둔(燒鈍)처리되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 광조형용 금속분말이 제공된다. 본 발명의 금속 광조형용 금속분말은, 철계분말이 소둔처리되어 연해져 있는 것을 하나의 특징으로 한다. 한편, 본 명세서에서 사용하는 '소둔처리'란, 철계분말을 어느 온도로 가열하여 적당한 시간 유지한 후, 냉각(바람직하게는 천천히 냉각)하는 처리를 일반적으로 가리키며, '소둔' 또는 '어닐링(annealing)'이라고도 한다.
본 발명의 금속 광조형용 금속분말에 있어서, 철계분말과, 니켈, 니켈계 합금, 구리, 구리계 합금 및 흑연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 분말은 혼합(바람직하게는 균일하게 혼합)되어 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 금속 광조형용 금속분말에 있어서, 금속분말은, 철계분말과, 니켈 및 니켈계 합금분말 모두 또는 어느 하나와, 구리 및 구리계 합금분말 모두 또는 어느 하나와, 흑연분말을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
하나의 바람직한 형태에 있어서, 철계분말은, 감압하, 진공하 또는 불활성 분위기하에서 600~700℃의 온도로 유지된 후, 서랭(徐冷) 또는 냉각함으로써 소둔되어 있다. 이 경우, 철계분말의 평균입자직경은 5~50㎛인 것이 바람직하다.
소둔처리되는 철계분말은 아토마이즈(atomize) 분말(분무분말)이어도 된다. 즉, 소둔처리되는 철계분말이 아토마이즈법(예를 들어, 물 아토마이즈법)으로 제조된 분말이어도 된다.
본 발명에서는, 상술한 금속 광조형용 금속분말을 사용한 금속 광조형법도 제공된다. 이러한 본 발명의 금속 광조형법은, 상술한 금속 광조형용 금속분말로 이루어지는 분말층에 광빔을 조사하여 소결층을 형성하는 공정과, 상기 소결층의 적층에 의해 형성한 조형물의 표면부 및 불필요 부분 모두 또는 어느 한쪽을 절삭제거하는 공정을 반복함으로써 3차원 형상 조형물을 얻는 방법이다.
본 발명의 금속 광조형용 금속분말에서는, 철계분말이 소둔처리되어 부드러워져 있기 때문에, 금속 광조형에서 얻어진 조형물 표면에 부착하는 금속분말에 기인하는 절삭저항이 작아진다. 즉, 조형물의 표면에 부착한 불필요한 금속분말을 절삭제거할 때 그 절삭저항을 줄일 수 있기 때문에, 사용되는 절삭공구의 수명을 늘릴 수 있다. 한편, 여기서 말하는 '절삭공구'란, 금속 광조형에 사용되는 일반적인 절삭공구를 가리킨다.
특히, 금속분말이, 철계분말과, 니켈 및 니켈계 합금분말 모두 또는 어느 하나와, 구리 및 구리계 합금분말 모두 또는 어느 하나와, 흑연분말을 포함하여 이루어지는 경우에는, 얻어지는 3차원 형상 조형물의 소결밀도가 높아질 수 있다.
철계분말(바람직하게는 평균입자직경 5~50㎛)이, 감압하, 진공하 또는 불활성 분위기하에서 600~700℃의 온도로 유지된 후에 서랭 또는 냉각됨으로써 소둔처리되어 있을 경우, 소둔처리시에 철계분말끼리 융착하지 않기 때문에, 금속 광조형용 금속분말로서 특히 바람직하게 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 철계분말이 비교적 단단한 아토마이즈 분말이어도, 이러한 분말을 소둔처리하여 사용하기 때문에 결과적으로 부드러워져서 금속 광조형에서 얻어진 조형물 표면에 부착하는 금속분말에 기인하는 절삭저항을 줄일 수 있다. 즉, 비교적 단단한 아토마이즈 분말을 금속 광조형의 원료로서 사용하는 경우에도, 조형물의 표면에 부착한 불필요한 금속분말을 절삭제거할 때 사용되는 절삭공구의 수명을 늘릴 수 있다.
도 1은 본 발명의 금속 광조형용 금속분말을 사용하는 금속 광조형 복합가공 기의 구성도이다.
도 2는 금속 광조형 복합가공기의 동작(본 발명의 금속조형법)을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 금속 광조형 복합가공기의 동작을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 금속 광조형용 금속분말에 포함되는 크롬몰리브덴강 분말의 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 금속 광조형용 금속분말에 포함되는 니켈분말의 SEM 사진이다.
도 6은 본 발명의 금속 광조형용 금속분말에 포함되는 구리망간 합금분말의 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 금속 광조형용 금속분말에 포함되는 플레이크(flake) 형상 흑연분말의 SEM 사진이다.
도 8은 본 발명의 금속 광조형용 금속분말(본 발명의 금속분말에 포함되는 분말성분이 혼합된 것)의 SEM 사진이다.
**부호의 설명**
1: 금속 광조형 복합가공기 2: 분말층 형성수단
3: 소결층 형성수단 4: 제거수단
20: 승강 테이블 21: 조형용 베이스
22: 분말층 23: 스퀴징용 블레이드
24: 소결층 30: 광빔 발신기
31: 검류계 40: 밀링헤드
41: XY 구동기구 L: 광빔
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 먼저, 본 발명의 금속 광조형용 금속분말이 사용되는 금속 광조형 복합가공에 대하여 설명하고, 그 후 본 발명의 금속 광조형용 금속분말을 설명한다.
[금속 광조형용 금속분말이 사용되는 금속 광조형 복합가공]
본 발명의 금속 광조형용 금속분말을 사용하여 금속 광조형법이 실시되는 금속 광조형 복합가공에 대하여, 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 금속 광조형 복합가공을 실시하는 금속 광조형 복합가공기(1)의 구성을 나타낸다. 금속 광조형 복합가공기는, 금속분말을 소정 두께의 층으로 까는 분말층 형성수단(2)과, 광빔(L)을 발하여 광빔(L)을 임의의 위치에 조사하는 소결층 형성수단(3)과, 조형물의 주위를 깎는 제거수단(4)을 구비하고 있다. 분말층 형성수단(2)은, 상하로 승강하는 승강테이블(20)과, 승강테이블(20) 위에 배치되어 조형물의 토대가 되는 조형용 베이스(도 3에 도시)와, 조형용 베이스에 금속분말의 분말층(22)을 까는 스퀴징용 블레이드(squeezing blade)(23)를 가지고 있다. 소결층 형성수단(3)은, 광빔(L)(지향성 에너지빔, 예를 들어, 레이저)을 발하는 광빔 발신기(30)와, 광빔(L)을 분말층(22) 위에 스캐닝하는 검류계(galvanometer)(31)를 가지고 있다. 제거수단(4)은, 조형물의 주위를 깎는 밀링헤드(milling head)(40)와, 밀링헤드(40)를 절삭부분으로 이동시키는 XY 구동기구(41)를 가지고 있다.
금속 광조형 복합가공기(1)의 동작을 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다. 도 2는 금속 광조형 복합가공기(1)의 동작의 흐름을 나타내고, 도 3은 금속 광조형 복합가공기(1)의 동작을 나타낸다.
금속 광조형 복합가공기(1)의 동작은, 금속분말을 까는 분말층 형성단계(S1)와, 분말층(22)에 광빔(L)을 조사하여 소결층(24)을 형성하는 소결층 형성단계(S2)와, 조형물의 표면을 절삭하는 제거단계(S3)로 구성되어 있다. 분말층 형성단계(S1)에서는, 처음에 승강테이블(20)을 화살표 Z 방향으로 Δt1 내린다(S11). 조형용 베이스(21)에 금속분말을 공급하고(S12), 스퀴징용 블레이드(23)를 화살표 A 방향으로 이동시켜서, 공급된 금속분말을 조형용 베이스(21) 위에 고르게 하여, 소정 두께 화살표 Δt1의 분말층(22)을 형성한다(S13). 이어서, 소결층 형성단계(S2)로 이행하여, 광빔 발신기(30)로부터 광빔(L)을 발하고(S21), 광빔(L)을 검류계(31)에 의해 분말층(22) 위의 임의의 위치에 스캐닝하며(S22), 금속분말을 용융하고 소결시켜서 조형용 베이스(21)와 일체화된 소결층(24)을 형성한다(S23).
소결층(24)의 두께가 밀링헤드(40)의 공구길이 등으로부터 구한 소정의 두께가 될 때까지, 분말층 형성단계(S1)와 소결층 형성단계(S2)를 반복하여 소결층(24)을 적층한다.
그리고, 적층한 소결층(24)의 두께가 소정 두께가 되면, 제거단계(S3)로 이행하여 밀링헤드(40)를 구동시킨다(S31). XY구동기구(41)에 의해 밀링헤드(40)를 화살표 X 및 화살표 Y 방향으로 이동시켜서, 소결층(24)이 적층한 조형물의 표면을 절삭한다(S32). 그리고, 3차원 형상 조형물의 조형이 종료하지 않은 경우에는, 분 말층 형성단계(S1)로 돌아간다. 이와 같이 하여, S1 내지 S3을 반복하여 더욱더 소결층(24)을 적층함으로써 3차원 형상 조형물을 제조한다.
소결층 형성단계(S2)에서의 광빔(L)의 조사경로와 제거단계(S3)에서의 절삭가공경로는, 미리 3차원 CAD 데이터로 작성해 둔다. 이 때, 등고선 가공을 적용하여 가공경로를 결정한다. 그리고, 제거단계(S3)로 이행하는 소결층(24)의 두께는, 조형물의 형상에 따라 변동시킨다. 조형물의 형상이 경사져 있을 때는 소정의 두께보다 얇은 시점에서 제거단계(S3)로 이행함으로써 매끄러운 표면을 얻을 수 있다.
[금속 광조형용 금속분말]
이어서, 본 발명의 금속 광조형용 금속분말에 대하여 설명한다. 본 발명의 금속 광조형용 금속분말은, 철계분말과, 니켈, 니켈계 합금, 구리, 구리계 합금 및 흑연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 분말을 포함하여 이루어진다.
철계분말로서는, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 크롬몰리브덴강 분말, 탄소공구강 분말, 다이스강 분말, 고속도 공구강 분말 등을 들 수 있다. 탄소함유량이 많은 철계분말은, 급랭에 의해 마텐자이트(martensite) 조직이 되어 경도가 높아지고, 템퍼링(tempering)에 의해 경도가 떨어진다. 철계분말이 크롬몰리브덴강 분말 또는 공구강의 분말인 경우에는, 표면 절삭성이 양호해질 뿐만 아니라, 얻어지는 조형물이 고강도·고경도가 될 수 있다. 이러한 철계분말 개개의 입자 형상은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 구형상, 타원체 형상 또는 다면체 형상(예를 들어, 입방체 형상) 등이어도 된다. 이러한 철계분말의 평균입자직경은, 바람직하 게는 2~100㎛, 보다 바람직하게는 5~50㎛, 더욱 바람직하게는 10~30㎛이다(한편, 평균입자직경이 5㎛보다 작으면 응집이 일어나기 쉬워진다. 또한, 금속 광조형시에 형성되는 분말층의 두께는 일반적으로는 약 50㎛ 정도이다). 여기서, '입자직경'이란, 입자의 모든 방향에서의 길이 중 최대가 되는 길이를 실질적으로 의미하고, '평균입자직경'이란, 입자의 전자현미경 사진 또는 광학현미경 사진에 근거하여 어느 개수의 입자의 직경을 측정하고, 그 수평균으로서 산출한 것을 실질적으로 의미한다.
이러한 철계분말은, 이후 상세히 설명하는 바와 같이 소둔처리에 사용되어부드러워지기 때문에, 철계분말이 아토마이즈법(예를 들어, 물 아토마이즈법)으로 제조된 비교적 단단한 아토마이즈 분말이어도 된다.
'니켈, 니켈계 합금, 구리, 구리계 합금 및 흑연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 분말'에서의 '니켈계 합금'은, 제한되는 것은 아니지만, 니켈과, 실리콘, 보론(붕소) 및 몰리브덴으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속으로 이루어지는 합금을 들 수 있다. 마찬가지로, '구리계 합금'은, 제한되는 것은 아니지만, 구리와, 망간, 인 및 주석으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속으로 이루어지는 합금을 들 수 있다. '철계분말'과 마찬가지로, 이러한 분말 개개의 입자 형상도 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 구형상, 타원체 형상 또는 다면체 형상(예를 들어, 입방체 형상) 등이어도 된다. 또한, '철계분말'과 마찬가지로, '니켈', '니켈계 합금', '구리', '구리계 합금' 및/또는 '흑연'의 평균입자직경은, 바람직하게는 2~100㎛, 보다 바람직하게는 5~50㎛, 더욱 바람직하게는 10~30㎛이다. 여기서 말하는 '입자직경'도 입경의 모든 방향에서의 길이 중에서 최대가 되는 길이를 실질적으로 의미하고, '평균입자직경'이란, 입자의 전자현미경 사진 또는 광학현미경 사진에 근거하여 어느 개수의 입자의 직경을 측정하고, 그 수평균으로서 산출한 것을 실질적으로 의미한다.
'철계분말' 및 '니켈, 니켈계 합금, 구리, 구리계 합금 및 흑연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 분말'의 제조방법도 특별히 제한되지 않으나, 일반적인 분말제조법 예를 들어, 아토마이즈법(가스 아토마이즈법, 물 아토마이즈법, 원심력 아토마이즈법, 플라즈마 아토마이즈법 등), 회전전극법(REP법), 기계적 프로세스(예를 들어, 분쇄법, 기계적 합금법(mechanical alloying) 등), 화학적 프로세스(산화물 환원법, 염화물 환원법 등)를 이용할 수 있다. 또한, 당연하겠지만, 이러한 제조방법으로 미리 제조된 시판되는 분말을 그대로 사용하여도 된다.
소둔처리에 기인한 금속 광조형물 표면 절삭성 개선 효과는, 금속분말의 조성 비율(배합비율)의 영향을 특별히 받지 않기 때문에, 본 발명의 금속분말에 포함되는 각종 분말의 비율(배합비율)은 특별히 제한되지 않는다. 단, 일례를 들면, '철계분말의 비율'은, 금속 광조형용 금속분말을 기준으로 하여 바람직하게는 40~95 중량%, 보다 바람직하게는 60~90 중량%이고, '니켈, 니켈계 합금, 구리, 구리계 합금 및 흑연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 분말의 비율'은, 금속 광조형용 금속분말을 기준으로 하여 바람직하게는 5~60 중량%, 보다 바람직하게는 10~40 중량%이다.
금속분말이, 본 발명에 따라, 철계분말과, 니켈, 니켈계 합금, 구리, 구리계 합금 및 흑연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 분말이 혼합된 것이면, 금속 광조형물은 표면 절삭성이 양호해지는 것 외에 강도 등도 양호해지는데, 여기서 '니켈, 니켈계 합금, 구리, 구리계 합금 및 흑연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 분말'이 '니켈 및 니켈계 합금분말 모두 또는 어느 하나와, 구리 및 구리계 합금분말 모두 또는 어느 하나와, 흑연분말로 이루어지는 분말'인 경우에는, 특히 금속 광조형물의 밀도가 고밀도가 되는 효과도 부가적으로 나타나게 된다. 예를 들어, 철계분말의 배합량이 60~90 중량%, 니켈 및 니켈계 합금 모두 또는 어느 하나의 분말의 배합량이 5~35 중량%, 구리 및 구리계 합금 모두 또는 어느 하나의 분말의 배합량이 5~15 중량%, 흑연분말의 배합량이 0.2~0.8 중량%인 금속분말에서는, 표면 절삭성이 양호할 뿐만 아니라, 내부에 마이크로 크랙이 없는 조형물을 만들 수 있다.
본 발명에서는, 철계분말이 소둔처리되어 있다. 즉, 철계분말을 어느 온도로 가열하여 적당한 시간 유지한 후, 냉각(바람직하게는 천천히 냉각)하는 처리가 실시되어 있다. 이에 의해, 철계분말이 부드러워지기 때문에, 금속 광조형에서 얻어지는 조형물 표면에 부착하는 금속분말에 기인하는 절삭저항을 줄일 수 있다는 효과, 즉 표면 절삭성이 양호해지고, 사용되는 절삭공구(예를 들어, 초경합금, 고속도 공구강 및/또는 cBN 등의 재질로 이루어지는 절삭공구)의 수명이 늘어나는 효과가 나타난다. 예를 들어, 철계분말이 소둔처리되어 있을 경우, 철계분말이 소둔처리되지 않은 경우에 비하여 1.2~2.0배 정도(예를 들어, 약 1.5배) 절삭공구의 수명이 늘어난다. 소둔처리에서 가열되는 온도는, 바람직하게는 580℃~780℃, 보다 바 람직하게는 590℃~740℃, 더욱 바람직하게는 600℃~700℃이다. 가열후에 유지되는 시간은, 바람직하게는 0.5~10시간, 보다 바람직하게는 1~2시간이다. 가열시간이 너무 길면 과열중에 분말이 소결되어 딱딱해져 버린다. 한편, 너무 짧으면 소둔효과가 작다. 냉각 또는 서랭에서는, 상기 온도까지 가열한 철계분말을 25℃ 정도까지 천천히 온도를 내린다. 이러한 냉각 또는 서랭은, 무가열 상태하에서의 자연 방치에 의해 실시하는 것이 바람직하다. 한편, 이러한 소둔처리는, 감압하, 진공하 또는 불활성 분위기하에서 실시하는 것이 바람직하다. 여기서 말하는 '감압하'란, 대기압보다 낮은 압력하를 실질적으로 의미하고, '진공하'란 실질적으로 진공상태라고 볼 수 있는 분위기 또는 통상의 진공 디바이스를 사용하여 만들어지는 분위기(예를 들어, 약 100Pa의 압력분위기하)를 의미한다. '불활성 분위기하'는 특별히 제한되는 것은 아니지만, '아르곤 가스 분위기' 또는 '질소 가스 분위기'가 바람직하다. 한편, 이것들을 조합한 상태, 예를 들어 불활성 분위기의 감압하이어도 상관없다.
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였는데, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고 여러가지로 변경할 수 있다는 것을, 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 금속분말을 금속 광조형 복합가공기에 사용하는 예를 설명하였는데(즉, 소결층의 형성공정과 절삭공정을 반복 실시하여 3차원 형상 조형물을 얻는 예인데), 금속 광조형에 의해 3차원 형상 조형물 전체를 제조하고 나서, 조형물 표면을 절삭가공하는 금속 광조형에 대하여, 본 발명의 금속분말을 사용하여도 된다.
한편, 상술한 본 발명은 다음의 형태를 포함하는 것에 유의하여야 한다.
제1 형태: 금속분말로 이루어지는 분말층에 광빔을 조사하여 소결층을 형성하는 동시에, 상기 소결층을 적층함으로써 3차원 형상 조형물을 얻는 금속 광조형에 사용되는 금속 광조형용 금속분말로서,
철계분말과, 니켈, 니켈계 합금, 구리, 구리계 합금 및 흑연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 분말을 포함하여 이루어지고,
상기 철계분말이 소둔처리되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 광조형용 금속분말.
제2 형태: 상기 제1 형태에 있어서, 철계분말과, 니켈, 니켈계 합금, 구리, 구리계 합금 및 흑연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 분말이, 상기 금속분말로서 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 광조형용 금속분말.
제3 형태: 상기 제1 또는 제2 형태에 있어서, 철계분말과, 니켈 및 니켈계 합금분말 모두 또는 어느 하나와, 구리 및 구리계 합금분말 모두 또는 어느 하나와, 흑연분말을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 광조형용 금속분말.
제4 형태: 상기 제1 내지 제3 형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 철계분말이, 감압하, 진공하 또는 불활성 분위기하에서, 600~700℃의 온도로 유지된 후에 서랭됨으로써 소둔처리되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 광조형용 금속분말.
제5 형태: 상기 제4 형태에 있어서, 상기 철계분말의 평균입자직경이 5~50㎛인 것을 특징으로 하는 금속 광조형용 금속분말.
제6 형태: 상기 제1 내지 제5 형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 소둔처리되는 상기 철계분말이 아토마이즈 분말인 것을 특징으로 하는 금속 광조형용 금속분말.
제7 형태: 상기 제1 내지 제6 형태 중 어느 하나에 기재된 금속 광조형용 금속분말로 이루어지는 분말층에 광빔을 조사하여 소결층을 형성하는 공정과, 상기 소결층의 적층에 의해 형성한 조형물의 표면부 및 불필요 부분 모두 또는 어느 한쪽을 절삭제거하는 공정을 반복함으로써 3차원 형상 조형물을 얻는 금속 광조형법.
(실시예)
금속 광조형용 금속분말에 포함되는 철계분말을 소둔처리하였다. 철계분말은 열처리를 하면 분말의 최표면이 활성화된 상태가 되고, 접촉한 부분은 보다 안정적인 형상으로, 즉 표면적을 줄이는 방향으로 금속원자가 이동하여, 분말끼리 일체가 되는 소결이 일어난다. 분말입경이 가늘어질수록 분말의 표면적이 증가하고 분말끼리의 접촉면적도 늘어나기 때문에, 저온에서 소결이 진행되게 된다. 또한, 열처리온도가 높을수록 소결은 일어나기 쉬워진다. 따라서, 많은 접촉면적을 가진 분말끼리를 한번에 소둔처리하는 경우, 그 소둔온도는 통상의 용제재의 소둔온도보다 낮아야 하며, 소둔처리조건을 검토하였다.
소둔처리조건은, 철계분말로서 평균입자직경이 20㎛인 크롬몰리브덴강(SCM 440) 분말을 이용하여, 소둔온도와 분위기 조건을 바꾸면서 검토하였다. 검토에 사용한 크롬몰리브덴강 분말은, 대량 생산이 가능한 물 아토마이즈법으로 만들어져 있고, 분말제작과정의 냉각속도가 매우 빠르기 때문에 담금질된 조직으로 되어 있 으며, 매우 단단한 분말로 되어 있다
이 크롬몰리브덴강 분말을 스테인레스 팔렛트에 깔고, 1000℃, 800℃, 650℃의 온도조건에서 소둔로에서 소둔처리하였다. 분위기는 대기중과 진공중(약 100Pa)과 환원분위기중에서 실시하였다. 그 결과, 1000℃, 800℃에서 처리한 것은 인접한 분말끼리 융착한 상태가 되어, 그 분말을 원래의 분말로 분리하기 어려웠다. 1000℃에서 처리한 분말에서 특히 그 현상이 심하였다. 650℃에서 처리한 것은 분말끼리 다소 융착하였는데, 체 위에서 갈아으깸으로써 원래의 분말 상태로 돌아갔다.
철은 580℃ 이하의 온도에서는 그다지 소둔되지 않으며, 상술한 결과로부터 철계분말의 소둔처리의 최적의 온도범위는 600~700℃라고 판단할 수 있었다.
또한, 소둔처리시의 분위기에 대해서는, 650℃의 소둔온도에 있어서, 진공중에서 열처리한 것은 양호하였지만, 대기중에서 열처리한 것은 분말의 표면산화가 심하고, 환원분위기중에서 열처리한 것은 인접한 분말끼리 달라붙어서 사용할 수 없었다. 이로부터, 소둔처리의 분위기로는, 철계분말이 분위기와 반응하지 않는 진공하나 감압하, 또는 예를 들어 아르곤 가스나 질소 가스와 같은 불활성 분위기하가 적합하다고 판단할 수 있다.
이어서, 상술한 바와 같이, 진공중 650℃에서 소둔처리한 크롬몰리브덴강 분말을 배합한 금속 광조형용 금속분말과, 소둔처리를 하지 않은 크롬몰리브덴강 분말을 배합한 금속 광조형용 금속분말을, 도 1에 나타내는 바와 같은 금속 광조형 복합가공기(1)(예를 들어, 마츠우라기카이 세이사쿠쇼 제품, 형식 LUMEX25C)를 이용하여, 조형물 표면 절삭성을 비교하였다. 사용한 금속분말은, 상술한 크롬몰리브 덴강 분말에 평균입자직경이 30㎛인 니켈(Ni) 분말과, 평균입자직경이 30㎛인 구리망간합금(CuMnNi) 분말과, 플레이크 형상 흑연(C) 분말을 혼합하여 작성하였다. 조성은 70중량% SCM440 - 20중량% Ni - 9중량% CuMnNi - 0.3중량% C이었다. 도 4에는 진공중 650℃에서 소둔처리한 크롬몰리브덴강 분말의 SEM 사진을 나타내고, 도 5에는 니켈분말의 SEM 사진을 나타내며, 도 6에는 구리망간합금분말의 SEM 사진을 나타내고, 도 7에는 플레이크 형상 흑연분말의 SEM 사진을 나타내고, 도 8에는 그것들을 혼합한 금속분말의 SEM 사진을 나타낸다.
금속 광조형 복합가공에서는, 광빔(L)으로서 탄산 가스 레이저를 사용하고, 분말층(22)의 두께 Δt1은 0.05mm로 하였다. 밀링헤드(40)의 공구(볼엔드밀)는 직경이 0.6mm(유효날길이 1mm)인 것을 사용하고, 10층의 소결층(24)을 형성한 시점, 즉 0.5mm의 소결층을 형성한 시점에서 제거수단(4)을 작동시켰다.
절삭성 비교 결과, 소둔처리한 크롬몰리브덴강 분말을 배합한 금속 광조형용 금속분말에서의 조형물의 절삭성은, 소둔처리를 하지 않은 크롬몰리브덴강 분말을 배합한 것과 비교하여, 공구의 절삭수명이 약 1.5배로 되었다. 이 공구의 절삭수명의 차이는, 조형물 표면에 부착한 크롬몰리브덴강 분말이 소둔처리에 의해 부드러워진 것에 기인하는 것으로 생각된다.
이상과 같이, 본 발명자들은 입자직경이 20㎛인 철계분말의 소둔조건을 발견하고, 그 조건으로 소둔한 철계분말을 포함하는 금속분말을 이용하여 금속광조형을 할 수 있었다. 그 결과, 고밀도이며 강도나 경도가 높은 3차원 형상 조형물을 얻을 수 있는 동시에, 표면 절삭성도 개선되어 공구수명의 향상을 도모할 수 있었다.
한편, 철계분말의 소둔처리의 검토는, 상술한 바와 같이 금속분말의 조성 비율을 (70중량% SCM440 - 20중량% Ni - 9중량% CuMnNi - 0.3중량% C)로 하여 실시하였는데, 소둔처리에 의한 금속 광조형물의 표면 절삭성 개선 효과는, 금속분말 조성의 영향을 특별히 받지는 않기 때문에, 철계분말의 소둔처리는 철계분말을 배합한 모든 금속 광조형용 금속분말에 효과가 있다고 할 수 있다.
본 발명은 일본특허출원 제2006-230291호(출원일: 2006년 8월 28일, 발명의 명칭: '금속 광조형용 금속분말')에 근거한 파리조약상의 우선권을 주장한 것으로, 상기 출원에 개시된 모든 내용은 이 인용에 의해 본 명세서에 포함되는 것으로 한다.
본 발명의 금속 광조형용 금속분말을 이용하여 금속 광조형법을 실시함으로써, 플라스틱 사출성형용 금형, 프레스 금형, 다이캐스트 금형, 주조 금형, 단조 금형 등의 3차원 형상 조형물을 제조할 수 있다.

Claims (6)

  1. 금속분말로 이루어지는 분말층에 광빔을 조사하여 소결층을 형성하는 동시에, 상기 소결층을 적층함으로써 3차원 형상 조형물을 얻는 금속 광조형에 사용되는 금속 광조형용 금속분말로서,
    상기 금속분말은, 철계분말과, 니켈, 니켈계 합금, 구리, 구리계 합금 및 흑연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 분말을 포함하여 이루어지고,
    상기 철계분말이 소둔(燒鈍)처리되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 광조형용 금속분말.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속분말이, 철계분말과, 니켈 및 니켈계 합금분말 모두 또는 어느 하나와, 구리 및 구리계 합금분말 모두 또는 어느 하나와, 흑연분말을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 광조형용 금속분말.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 철계분말이, 감압하, 진공하 또는 불활성 분위기하에서, 600~700℃의 온도로 유지된 후에 서랭됨으로써 소둔처리되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 광조형용 금속분말.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 철계분말의 평균입자직경이 5~50㎛인 것을 특징으로 하는 금속 광조형용 금속분말.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소둔처리되는 상기 철계분말이 아토마이즈 분말인 것을 특징으로 하는 금속 광조형용 금속분말.
  6. 제 1 항에 기재된 금속 광조형용 금속분말로 이루어지는 분말층에 광빔을 조사하여 소결층을 형성하는 공정과, 상기 소결층의 적층에 의해 형성한 조형물의 표면부 및 불필요 부분 모두 또는 어느 한쪽을 절삭제거하는 공정을 반복함으로써 3차원 형상 조형물을 얻는 금속 광조형법.
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