KR20170130110A - 적층성형가공법을 활용한 균일분산강화물 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 금속(또는 합금)과 분산물이 일체화된 분말이 3D 프린터에 의하여 적층되는 과정에서 금속(또는 합금) 매트릭스에 분산물이 균일하게 분산됨으로써, 금속(또는 합금)이 균일하게 분산된 분산물에 의하여 분산강화되어 제조되는 균일분산강화물에 관한 것으로, 균일분산강화물의 다양한 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은, 적층성형가공법을 활용한 균일분산강화물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 금속(또는 합금)과 분산물이 일체화된 분말이 3D 프린터에 의하여 적층되는 과정에서 금속(또는 합금) 매트릭스에 분산물이 균일하게 분산됨으로써, 금속(또는 합금)이 균일하게 분산된 분산물에 의하여 분산강화되어 제조되는 균일분산강화물에 관한 것이다.
금속강화기구에는 고용강화, 가공경화, 석출강화, 분산강화 등이 있다. 금속 제품의 사용 환경에 따라 다른 금속강화기구가 적용될 수 있으나, 일반적으로 석출강화와 분산강화가 많이 활용된다.
석출강화 및 분산강화는 공히 금속 매트릭스에 미세하게 분산된 불용성의 제2상을 이용하여 금속을 강화하는 방법이다. 그러나 석출강화는 열처리 과정을 통하여 과포화 고용체로부터 제2상을 석출함으로써 금속을 강화하는 방법인데 비해, 분산강화는 분산물인 제2상이 석출에 의하지 않고 인위적으로 첨가되어 금속을 강화하는 방법이라는 점에서, 양 강화기구에는 차이가 있다. 특히 분산강화는 석출강화와 달리 기지용해도가 높고, 확산 속도가 느리며, 융점 및 화학적 안정성이 높은 재료를 사용하므로 고온 특성이 우수하도록 금속을 강화할 수 있다는 장점이 있다.
석출강화 및 분산강화는 오로완 기구(Orowan mechanism)에 따라 첨가되는 제2상이 금속 매트릭스 내에서 작고 균일하게 분포하는 것이 중요한데, 예를 들어, 미국 등록특허 제4419130호(발명의 명칭 : Titanium-diboride dispersion strengthened iron materials, 이하 종래기술 1이라 한다.)에서는 철 매트릭스 내에서 TiB2를 석출하여 미세한 TiB2입자들이 비교적 균일하게 분산된 고강도의 철 합금이 개시되어 있다.
한편 적층성형가공은 3D 프린터가 3차원의 CAD 설계 데이터로부터 정보를 받아 금속 등의 재료를 한 층씩 적층하여 원하는 형상의 입체물을 제조하는 방식이다. 따라서 적층성형가공은 다품종 소량 생산이 가능하여 개인 맞춤형 제작의 용이하다는 점, 복잡한 형상 제작이 용이하다는 점 등의 장점이 있다.
적층성형가공에 분산강화기구가 적용될 수 있다면 적층성형가공의 장점과 분산강화의 장점을 모두 가지는 제품을 제조할 수 있을 것이다. 적층성형가공에 분산강화기구를 적용하는 방법으로, 도 1에 도시된 바와 같이 금속 분말 및 분산물 분말을 따로 3D 프린터에 장입하여 열을 가하면서 금속 분말 및 분산물 분말을 적층하거나, 도 2에 도시된 바와 같이 금속 분말 및 분산물 분말을 혼합한 다음, 혼합된 분말을 3D 프린터에 장입하여 열을 가하면서 혼합된 분말을 적층할 수 있다. 그러나 도 1 및 도 2에 도시된 방법 모두 금속 분말 입자와 분산물 분말 입자 간 크기 차이 때문에 분산물이 균일하게 분포되지 않을 가능성이 높다는 문제가 있다. 분산물 분말이 금속 매트릭스 내에서 균일하게 분산되지 않고 분산물 분말끼리 뭉치게 되면 분산강화 효과가 떨어지게 되므로 이를 극복하기 위한 방안이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래기술 1이 특허문헌 1에 도시된 이미지를 토대로 판단할 때 분산물이 균일하게 분산된 분산강화를 실현하지 못한다는 제1문제점 및 적층성형가공을 이용하는 경우 금속 분말과 분산물 분말을 3D 프린터에 따로 장입하든 혼합하여 장입하든 분산물이 균일하게 분산되지 못할 확률이 높다는 제2문제점을 해결하려 하는 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 문제점을 해결하기 위해 안출되는 본 발명은, 매트릭스를 이루는 금속 또는 합금, 및 상기 매트릭스에 균일하게 분산되는 분산물을 포함하여 이루어지고, 상기 분산물은 3D 프린터를 이용하는 적층성형가공에 의하여 균일하게 분산되는 것을 특징으로 하는 균일분산강화물을 제공한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 분산물은 탄화물, 질화물, 산화물, 붕화물, 상기 금속의 화합물, 및 상기 합금의 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 적층성형가공은 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식, 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방식, 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 방식, 직접 금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS) 방식, 및 고에너지 직접 조사(Directed Energy Deposition, DED) 방식 중 하나의 방식인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 균일분산강화물의 제조방법에 있어서, 상기 금속 또는 합금의 용탕을 형성하는 단계, 상기 용탕에 첨가 분말을 투입하는 단계, 상기 첨가 분말이 투입된 용탕을 분무하여 구상화 분말을 제조하는 단계, 상기 구상화 분말을 열처리하여 상기 분산물을 석출하는 단계, 상기 분산물이 석출된 구상화 분말을 상기 3D 프린터에 장입하는 단계, 및 상기 3D 프린터에 의하여 상기 균일분산강화물이 적층성형되는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 균일분산강화물의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 첨가 분말은 탄소, 질소, 산소, 붕소, 상기 금속, 및 상기 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 분산물을 석출하는 단계는 상기 구상화 분말이 유동되면서 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 균일분산강화물의 제조방법에 있어서, 상기 금속 또는 합금의 분말과 상기 첨가 분말을 기계적 합금화하여 기계적 합금화 분말을 제조하는 단계, 상기 기계적 합금화 분말을 열간성형하여 성형체를 제조하는 단계, 상기 성형체를 미분쇄하여 적층성형가공용 분말을 제조하는 단계, 상기 적층성형가공용 분말을 상기 3D 프린터에 장입하는 단계, 및 고에너지 직접 조사(Directed Energy Deposition, DED) 방식에 의하여 상기 균일분산강화물이 적층성형되는 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 기계적 합금화 분말을 제조하는 단계에서 상기 첨가 분말은 상기 금속 또는 합금의 분말에 고용되고, 상기 성형체를 제조하는 단계에서 상기 성형체에 상기 분산물이 석출되는 것을 특징으로 하는 균일분산강화물의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 균일분산강화물의 제조방법에 있어서, 상기 금속 또는 합금의 분말과 상기 분말의 표면에 형성된 상기 분산물의 층을 포함하는 적층성형가공용 분말을 제조하는 단계, 상기 분산물의 층을 포함하는 적층성형가공용 분말을 3D 프린터에 장입하는 단계, 및 상기 3D 프린터에 의하여 상기 균일분산강화물이 적층성형되는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 균일분산강화물의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 분산물의 층은 아일랜드(island) 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 금속 또는 합금의 분말과 그 분말의 표면에 형성된 분산물의 층을 포함하는 적층성형가공용 분말은 코어-쉘(core-shell) 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 금속(또는 합금)과 분산물이 일체화된 분말이 3D 프린터에 장입됨으로써 분산물이 금속(또는 합금) 매트릭스 내에 균일하게 분산된 분산강화를 실현할 수 있다는 제1효과 및 적층성형가공의 장점과 분산강화의 장점을 모두 가지는 제품을 제조할 수 있다는 제2효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따르면 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 금속 분말 및 분산물 분말을 따로 3D 프린터에 장입하여 적층하는 것을 나타내는 모식도.
도 2는 금속 분말 및 분산물 분말을 혼합한 다음, 혼합된 분말을 3D 프린터에 장입하여 적층하는 것을 나타내는 모식도.
도 3은 분산물이 석출된 금속 고용체 분말을 3D 프린터에 장입하여 적층하는 것을 나타내는 모식도.
도 4는 표면에 분산물이 아일랜드(island) 형태로 형성된 금속 분말을 3D 프린터에 장입하여 적층하는 것을 나타내는 모식도.
도 5는 금속-분산물 분말이 코어-쉘(core-shell) 형태인 분말을 3D 프린터에 장입하여 적층하고, 이를 구상화 열처리하는 것을 나타내는 모식도.
도 2는 금속 분말 및 분산물 분말을 혼합한 다음, 혼합된 분말을 3D 프린터에 장입하여 적층하는 것을 나타내는 모식도.
도 3은 분산물이 석출된 금속 고용체 분말을 3D 프린터에 장입하여 적층하는 것을 나타내는 모식도.
도 4는 표면에 분산물이 아일랜드(island) 형태로 형성된 금속 분말을 3D 프린터에 장입하여 적층하는 것을 나타내는 모식도.
도 5는 금속-분산물 분말이 코어-쉘(core-shell) 형태인 분말을 3D 프린터에 장입하여 적층하고, 이를 구상화 열처리하는 것을 나타내는 모식도.
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.
본 발명의 균일분산강화물을 이루는 성분들에 대하여 상술하고자 한다. 본 발명의 균일분산강화물은 상기 성분들을 포함하고 있는 어떠한 형태든 될 수 있다. 즉, 본 발명의 균일분산강화물은 상기 성분들을 포함하는 분말 형태인 것, 상기 성분들을 포함하며 3D 프린팅에 의하여 소정의 형태로 제조된 것, 상기 제조된 것이 소정의 형태로 가공(압연, 압출, 절삭 등)된 것, 상기 가공된 것이 열처리된 것 등 중에서 어떠한 것이라도 될 수 있음을 명확히 한다.
본 발명의 균일분산강화물은 금속 및 분산물을 포함하여 이루어지거나, 또는 합금 및 분산물을 포함하여 이루어진다. 금속 또는 합금은 균일분산강화물 내에서 매트릭스를 이룬다. 그리고 분산물은 금속 매트릭스에 균일하게 분산되어 금속을 분산강화하거나, 또는 합금 매트릭스에 균일하게 분산되어 합금을 분산강화한다. 분산강화된 균일분산강화물은 분산물이 전위 이동(dislocation motion)에 대한 장애물로서 작용하기 때문에 높은 강도를 보인다. 여기까지는 재료 분야의 당업자에게 자명한 사실이나, 본 발명이 종래의 분산강화 관련 기술들과 구별되는 점은 분산물이 3D 프린터를 이용하는 적층성형가공에 의하여 균일하게 분산된다는 것이다. 구체적으로 분산물이 어떤 공정에 의하여 균일하게 분산되는지는 후술하는 실시예들을 통하여 확인될 수 있을 것이다.
금속은 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 알루미늄(Al), 크로뮴(Cr), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망가니즈(Mn), 몰리브데넘(Mo), 로듐(Rh), 규소(Si), 탄탈럼(Ta), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 및 지르코늄(Zr)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종이 될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 합금은 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 알루미늄(Al), 크로뮴(Cr), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망가니즈(Mn), 몰리브데넘(Mo), 로듐(Rh), 규소(Si), 탄탈럼(Ta), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 및 지르코늄(Zr)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
분산물은 금속 매트릭스에 포함되어 금속을 분산강화하는 제2상 또는 합금 매트릭스에 포함되어 합금을 분산강화하는 제2상을 말한다. 분산물은 탄화물, 질화물, 산화물, 붕화물, 상기 금속의 화합물, 및 상기 합금의 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 균일분산강화물은 3D 프린터의 적층성형가공에 의하여 제조된다. 여기서 적층성형가공은 분말 형태의 물질을 원료로 하여 소정 형태의 입체물을 제조하는 방식일 수 있다. 이 경우 적층성형가공 방식은 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식, 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방식, 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 방식, 직접 금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS) 방식, 및 고에너지 직접 조사(Directed Energy Deposition, DED) 방식 중 하나의 방식일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 균일분산강화물의 제조방법에는 수많은 방법이 있을 수 있다. 그 중 몇 가지를 다음 실시예들을 통하여 상술하기로 한다.
[실시예 1]
첫째, 금속(또는 합금)의 용탕을 형성한다. 예를 들어, 소정의 형상의 도가니를 준비하여 도가니에 고상의 금속(또는 합금)을 소정의 양만큼 투입하고, 고상의 금속(또는 합금)에 열을 가하면, 고상의 금속(또는 합금)이 용해되어 금속(또는 합금)의 용탕이 형성될 수 있다. 고상의 금속(또는 합금)은 용해효율을 높이기 위하여 소정의 크기로 절단되어 용탕에 투입될 수 있다. 고상의 금속(또는 합금)을 용해하는 방법은 전열선, 플라즈마, 전자빔, 및 유도코일 중 하나 이상을 이용하는 방법이 될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
둘째, 금속(또는 합금)의 용탕에 첨가 분말을 투입한다. 첨가 분말은 탄소, 질소, 산소, 붕소, 상기 금속, 및 상기 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 상기 전열선, 플라즈마, 전자빔, 유도코일 등을 이용하여 용탕을 가열함에 있어서, 상기 첨가 분말이 용탕에 완전히 용해되도록 가열 온도를 설정하여야 한다. 이는 다음 단계에서 구상화 분말을 제조할 때 과포화 고용체 상태의 구상화 분말을 제조하기 위함이다. 첫째 단계와 둘째 단계는 원하는 성분으로 이루어진 합금을 상업적으로 구입하여 그 합금의 용탕을 형성하는 것으로 갈음할 수도 있다.
셋째, 첨가 분말이 투입된 용탕을 분무하여 구상화 분말을 제조한다. 구상화 분말을 제조하는 이유는, 고에너지 직접 조사(Directed Energy Deposition, DED) 방식을 이용할 때는 불규칙적인 형상의 분말을 사용해도 무방하나, 분말 적층 용융(Powder Bed Fusion, PBF) 방식은 구형의 분말을 요하기 때문에, 구상화 분말을 제조할 경우 이를 더 다양한 적층성형가공 방식에 응용할 수 있기 때문이다. 첨가 분말이 투입된 용탕을 분무한다는 것은 Gas Atomization, Plasma Atomization, 또는 Centrifugal Atomization을 한다는 의미일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 첨가 분말이 투입된 용탕이 투입된 용탕은 분무되는 과정에서 과포화 고용체 상태의 구상화 분말로 된다. Atomization은 공지된 기술이므로 상세한 설명을 생략한다.
넷째, 구상화 분말을 열처리하여 분산물을 석출한다. 구상화 분말을 로(furnace)에 장입하여 소정의 공정 조건(온도, 압력, 로(furnace) 내에 주입하는 가스 등)에서 열처리한다. 열처리는 구상화 분말의 가열 및 냉각이 1번 이상 진행됨으로써 분산물을 석출하는 방식일 수 있다. 상기 셋째 단계에서 완전한 과포화 고용체 상태가 되지 않은 경우, 본 단계에서 용체화 처리 및 분산물 석출이 이루어질 수도 있다. 이러한 관점에서 상기 열처리는 T1 내지 T6 중 하나의 열처리일 수 있다. 제2상으로 석출되는 분산물은 전술한 바와 같이 탄화물, 질화물, 산화물, 붕화물, 금속의 화합물, 및 합금의 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나, 상기 첨가 분말과는 다른 물질일 수 있다.
상기 넷째 단계를 수행함에 있어서, 구상화 분말이 가소결되는 것을 방지하기 위해, 구상화 분말을 유동시키면서 상기 넷째 단계를 수행할 수 있다. 예를 들어, 로(furnace) 내에 팬(fan)을 설치하여 구상화 분말을 부유 및 유동시키면서 상기 넷째 단계를 수행할 수 있다.
다섯째, 분산물이 석출된 구상화 분말을 3D 프린터에 장입한다. 박스(box)에 분산물이 석출된 구상화 분말을 부은 다음, 이 박스(box)를 3D 프린터에 밀어넣음으로써 적층성형을 위한 준비를 할 수 있다.
여섯째, 3D 프린터에 의하여 균일분산강화물이 적층성형된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 3D 프린터는 분산물이 석출된 구상화 분말을 열을 가하면서 한 층씩 적층함으로써 소정의 형태의 균일분산강화물을 성형할 수 있다. 가능한 적층성형가공들에 대하여는 전술하였고, 상기 가능한 적층성형가공들은 모두 공지된 기술이므로 상세한 설명을 생략한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 분산물이 석출된 구상화 분말을 이루는 금속(또는 합금)과 분산물이 일체화되어 있기 때문에, 분산물이 석출된 구상화 분말이 적층되어 성형된 균일분산강화물에 있어서 금속(또는 합금) 매트릭스에 분산물이 균일하게 분산될 수 있다. 또한 분산물은, 통상의 분산강화의 경우처럼, 매트릭스를 이루는 금속(또는 합금)보다 녹는점이 높을 수 있으므로, 적층성형 공정 중에 균일하게 잔류할 수 있다. 균일하게 분산된 분산물은 금속(또는 합금)을 분산강화할 수 있다.
[실시예 2]
첫째, 금속(또는 합금)의 분말과 첨가 분말을 기계적 합금화하여 기계적 합금화 분말을 제조한다. 첨가 분말은 탄소, 질소, 산소, 붕소, 상기 금속, 및 상기 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 기계적 합금화에는 볼밀이 이용될 수 있다. 기계적 합금화 분말은 금속(또는 합금)과 첨가 성분(첨가 분말을 이루는 성분을 말함.)이 소정의 조성비로 혼합된 혼합물이다. 또한 기계적 합금화 분말은 금속(또는 합금)에 첨가 성분이 고용된 고용체일 수 있다. 즉, 기계적 합금화를 진행하는 과정에서, 첨가 분말이 금속(또는 합금)의 분말에 분산 미립자로서 강제 고용될 수 있다.
둘째, 기계적 합금화 분말을 열간성형하여 성형체를 제조한다. 열간성형은 열간등방가압(Hot Isostatic Pressing, HIP), 열간압출(Hot Extrusion), 또는 열간일축가압(Uniaxial Hot Pressing, UHP) 공정일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 열간성형을 진행하는 과정에서, 성형체에 분산물이 제2상으로 석출될 수 있다. 여기서 제2상으로 석출되는 분산물은 전술한 바와 같이 탄화물, 질화물, 산화물, 붕화물, 금속의 화합물, 및 합금의 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나, 상기 첨가 분말과는 다른 물질일 수 있다. 예를 들어, 첫째 단계에서 철(Fe) 분말과 산화이트륨(Y2O3) 분말을 기계적 합금화하는 경우, 매트릭스 분말은 철(Fe) 분말이고 첨가 분말은 산화이트륨(Y2O3) 분말이지만, 둘째 단계에서 제2상으로 석출되는 분산물은 Y-Fe-O계 복합산화물일 수 있다.
셋째, 성형체를 미분쇄하여 적층성형가공용 분말을 제조한다. 제2상이 석출된 고용체를 소정의 분쇄기(grinder)를 이용하여 미분쇄함으로써 미세한 크기의 적층성형가공용 분말을 제조할 수 있다.
넷째, 적층성형가공용 분말을 3D 프린터에 장입한다. 박스(box)에 적층성형가공용 분말을 부은 다음, 이 박스(box)를 3D 프린터에 밀어넣음으로써 적층성형을 위한 준비를 할 수 있다.
다섯째, 3D 프린터에 의하여 균일분산강화물이 적층성형된다. 3D 프린터는 적층성형가공용 분말을 열을 가하면서 한 층씩 적층함으로써 소정의 형태의 균일분산강화물을 성형할 수 있다. 실시예 2에서 이용되는 적층성형가공은 고에너지 직접 조사(Directed Energy Deposition, DED) 방식이다. 실시예 2는 셋째 단계에서 성형체를 미분쇄하여 적층성형가공용 분말을 제조하나, 구상화 분말을 제조하는 단계는 따로 존재하지 않기 때문이다. 다시 말해, 실시예 2에서의 적층성형가공용 분말은 미세한 크기이기는 하나, 불규칙적인 형상을 가질 수 있다. 적층성형가공용 분말을 이루는 금속(또는 합금)과 분산물이 일체화되어 있기 때문에, 적층성형가공용 분말이 적층되어 성형된 균일분산강화물에 있어서 금속(또는 합금) 매트릭스에 분산물이 균일하게 분산될 수 있다. 또한 분산물은, 통상의 분산강화의 경우처럼, 매트릭스를 이루는 금속(또는 합금)보다 녹는점이 높을 수 있으므로, 적층성형 공정 중에 균일하게 잔류할 수 있다. 균일하게 분산된 분산물은 금속(또는 합금)을 분산강화할 수 있다.
[실시예 3]
첫째, 적층성형가공용 분말을 제조한다. 여기서 적층성형가공용 분말은 금속의 분말 및 금속의 분말의 표면에 형성된 분산물의 층을 포함하거나, 또는 합금의 분말 및 합금의 분말의 표면에 형성된 분산물의 층을 포함한다. 적층성형가공용 분말을 제조하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있다.
예를 들어, (i) 금속(또는 합금)의 분말을 로(furnace)에 장입하여 가열한 다음, (ii) 로(furnace)에 공정 가스를 주입하면, (iii) 금속(또는 합금)의 분말의 표면에 분산물의 층이 형성될 수 있다. 상기 로(furnace)는 배치형(batch-type) 열처리로 또는 연속형(continuous-type) 열처리로일 수 있다. 상기 공정 가스는 탄소, 질소, 산소, 및 붕소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 그리고 상기 분산물의 층은 도 4에 도시된 바와 같이 아일랜드(island) 형태일 수 있다.
상기 (i), (ii), 및 (iii)단계 중 하나 이상의 단계를 수행함에 있어서, 금속(또는 합금)의 분말이 가소결되는 것을 방지하기 위해, 금속(또는 합금)의 분말을 유동시키면서 상기 (i), (ii), 및 (iii)단계 중 하나 이상의 단계를 수행할 수 있다. 예를 들어, 로(furnace) 내에 팬(fan)을 설치하여 금속(또는 합금)의 분말을 부유 및 유동시키면서 상기 (i), (ii), 및 (iii)단계 중 하나 이상의 단계를 수행할 수 있다.
상기 공정 가스가 이를 테면 탄소를 포함하는 가스인 일산화탄소, 이산화탄소 또는 탄화수소계 가스(메탄, 프로판, 부탄 등)인 경우, 상기 (ii)단계에서 금속(또는 합금) 분말에 대한 침탄 또는 진공침탄이 이루어질 수 있고, 상기 (iii)단계에서 상기 침탄 또는 상기 진공침탄에 의하여 금속(또는 합금)의 분말의 표면에 분산물의 층인 탄화층이 형성될 수 있다.
상기 공정 가스가 이를 테면 질소를 포함하는 가스인 암모니아 가스인 경우, 상기 (ii)단계에서 금속(또는 합금) 분말의 질화 또는 진공질화가 이루어질 수 있고, 상기 (iii)단계에서 상기 질화 또는 상기 진공질화에 의하여 금속(또는 합금)의 분말의 표면에 분산물의 층인 질화층이 형성될 수 있다.
상기 공정 가스가 산소를 포함하는 경우, 상기 (ii)단계에서 금속(또는 합금) 분말의 산화가 이루어질 수 있고, 상기 (iii)단계에서 상기 산화에 의하여 금속(또는 합금)의 분말의 표면에 분산물의 층인 산화층이 형성될 수 있다.
상기 공정 가스가 이를 테면 붕소를 포함하는 가스인 염화붕소계 가스 또는 브로민화붕소계 가스인 경우, 상기 (ii)단계에서 금속(또는 합금) 분말에 대한 침붕 또는 진공침붕이 이루어질 수 있고, 상기 (iii)단계에서 상기 침붕 또는 상기 진공침붕에 의하여 금속(또는 합금)의 분말의 표면에 분산물의 층인 붕화층이 형성될 수 있다.
상기 공정 가스가 탄소 및 질소를 포함하는 경우, 상기 (ii)단계에서 금속(또는 합금) 분말의 침탄질화, 진공침탄질화, 침질탄화 또는 진공침질탄화가 이루어질 수 있고, 상기 (iii)단계에서 금속(또는 합금)의 분말의 표면에 분산물의 층인 침탄질화층 또는 침질탄화층이 형성될 수 있다. 적층성형가공용 분말을 제조하는 방법은 열처리 분야의 당업자라면 더 이상의 상세한 설명 없이도 이해할 수 있을 것이다.
둘째, 적층성형가공용 분말을 3D 프린터에 장입한다. 박스(box)에 적층성형가공용 분말을 부은 다음, 이 박스(box)를 3D 프린터에 밀어넣음으로써 적층성형을 위한 준비를 할 수 있다.
셋째, 3D 프린터에 의하여 균일분산강화물이 적층성형된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 3D 프린터는 적층성형가공용 분말을 열을 가하면서 한 층씩 적층함으로써 소정의 형태의 균일분산강화물을 성형할 수 있다. 가능한 적층성형가공들에 대하여는 전술하였고, 상기 가능한 적층성형가공들은 모두 공지된 기술이므로 상세한 설명을 생략한다. 본 단계에서 적층성형가공용 분말이 3D 프린터에 의하여 한 층씩 적층되는 과정에서, 금속(또는 합금) 분말의 표면에 아일랜드(island) 형태로 형성되어 있었던 분산물이, 도 4에 도시된 바와 같이, 금속(또는 합금) 매트릭스에 균일하게 분산될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 적층성형가공용 분말을 이루는 금속(또는 합금)과 분산물이 일체화되어 있기 때문에, 적층성형가공용 분말이 적층되어 성형된 균일분산강화물에 있어서 금속(또는 합금) 매트릭스에 분산물이 균일하게 분산될 수 있는 것이다. 또한 분산물은, 통상의 분산강화의 경우처럼, 매트릭스를 이루는 금속(또는 합금)보다 녹는점이 높을 수 있으므로, 적층성형 공정 중에 균일하게 잔류할 수 있다. 균일하게 분산된 분산물은 금속(또는 합금)을 분산강화할 수 있다.
[실시예 4]
첫째, 적층성형가공용 분말을 제조한다. 여기서 적층성형가공용 분말은 금속의 분말 및 금속의 분말의 표면에 형성된 분산물의 층을 포함하거나, 또는 합금의 분말 및 합금의 분말의 표면에 형성된 분산물의 층을 포함한다. 적층성형가공용 분말을 제조하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있다.
예를 들어, (i) 금속(또는 합금)의 분말을 로(furnace)에 장입하여 가열한 다음, (ii) 로(furnace)에 공정 가스를 주입하면, (iii) 금속(또는 합금)의 분말의 표면에 분산물의 층이 형성될 수 있다. 상기 로(furnace)는 배치형(batch-type) 열처리로 또는 연속형(continuous-type) 열처리로일 수 있다. 상기 공정 가스는 탄소, 질소, 산소, 및 붕소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 그리고 상기 적층성형가공용 분말은, 도 5에 도시된 바와 같이, 구형의 금속(또는 합금) 분말 및 이를 둘러싸는 구형의 분산물의 층으로 이루어진 코어-쉘(core-shell) 형태일 수 있다. 상기 코어-쉘(core-shell) 형태는 실시예 2의 아일랜드(island) 형태에서 온도나 시간 등의 공정 조건을 조절하면 만들어질 수 있다.
상기 (i), (ii), 및 (iii)단계 중 하나 이상의 단계를 수행함에 있어서, 금속(또는 합금)의 분말이 가소결되는 것을 방지하기 위해, 금속(또는 합금)의 분말을 유동시키면서 상기 (i), (ii), 및 (iii)단계 중 하나 이상의 단계를 수행할 수 있다. 예를 들어, 로(furnace) 내에 팬(fan)을 설치하여 금속(또는 합금)의 분말을 부유 및 유동시키면서 상기 (i), (ii), 및 (iii)단계 중 하나 이상의 단계를 수행할 수 있다.
상기 공정 가스가 이를 테면 탄소를 포함하는 가스인 일산화탄소, 이산화탄소 또는 탄화수소계 가스(메탄, 프로판, 부탄 등)인 경우, 상기 (ii)단계에서 금속(또는 합금) 분말에 대한 침탄 또는 진공침탄이 이루어질 수 있고, 상기 (iii)단계에서 상기 침탄 또는 상기 진공침탄에 의하여 금속(또는 합금)의 분말의 표면에 분산물의 층인 탄화층이 형성될 수 있다.
상기 공정 가스가 이를 테면 질소를 포함하는 가스인 암모니아 가스인 경우, 상기 (ii)단계에서 금속(또는 합금) 분말의 질화 또는 진공질화가 이루어질 수 있고, 상기 (iii)단계에서 상기 질화 또는 상기 진공질화에 의하여 금속(또는 합금)의 분말의 표면에 분산물의 층인 질화층이 형성될 수 있다.
상기 공정 가스가 산소를 포함하는 경우, 상기 (ii)단계에서 금속(또는 합금) 분말의 산화가 이루어질 수 있고, 상기 (iii)단계에서 상기 산화에 의하여 금속(또는 합금)의 분말의 표면에 분산물의 층인 산화층이 형성될 수 있다.
상기 공정 가스가 이를 테면 붕소를 포함하는 가스인 염화붕소계 가스 또는 브로민화붕소계 가스인 경우, 상기 (ii)단계에서 금속(또는 합금) 분말에 대한 침붕 또는 진공침붕이 이루어질 수 있고, 상기 (iii)단계에서 상기 침붕 또는 상기 진공침붕에 의하여 금속(또는 합금)의 분말의 표면에 분산물의 층인 붕화층이 형성될 수 있다.
상기 공정 가스가 탄소 및 질소를 포함하는 경우, 상기 (ii)단계에서 금속(또는 합금) 분말의 침탄질화, 진공침탄질화, 침질탄화 또는 진공침질탄화가 이루어질 수 있고, 상기 (iii)단계에서 금속(또는 합금)의 분말의 표면에 분산물의 층인 침탄질화층 또는 침질탄화층이 형성될 수 있다. 적층성형가공용 분말을 제조하는 방법은 열처리 분야의 당업자라면 더 이상의 상세한 설명 없이도 이해할 수 있을 것이다.
둘째, 적층성형가공용 분말을 3D 프린터에 장입한다. 박스(box)에 적층성형가공용 분말을 부은 다음, 이 박스(box)를 3D 프린터에 밀어넣음으로써 적층성형을 위한 준비를 할 수 있다.
셋째, 3D 프린터에 의하여 균일분산강화물이 적층성형된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 3D 프린터는 적층성형가공용 분말을 열을 가하면서 한 층씩 적층함으로써 소정의 형태의 균일분산강화물을 성형할 수 있다. 가능한 적층성형가공들에 대하여는 전술하였고, 상기 가능한 적층성형가공들은 모두 공지된 기술이므로 상세한 설명을 생략한다. 3D 프린터가 전자빔, 레이저 등으로 적층성형가공용 분말에 열을 가하면, 금속(또는 합금)의 분말과 분산물의 층의 열팽창계수 차이로 인하여 분산물의 층이 깨져 조각나게 된다. 본 단계에서 적층성형가공용 분말이 3D 프린터에 의하여 한 층씩 적층되는 과정에서, 3D 프린터의 열에 의하여 조각난 분산물이, 도 5의 좌측에 도시된 바와 같이, 금속(또는 합금) 매트릭스에 균일하게 분산될 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 적층성형가공용 분말을 이루는 금속(또는 합금)과 분산물이 코어-쉘(core-shell) 형태로 일체화되어 있기 때문에, 적층성형가공용 분말이 적층되어 성형된 균일분산강화물에 있어서 금속(또는 합금) 매트릭스에 분산물이 균일하게 분산될 수 있는 것이다. 또한 분산물은, 통상의 분산강화의 경우처럼, 매트릭스를 이루는 금속(또는 합금)보다 녹는점이 높을 수 있으므로, 적층성형 공정 중에 균일하게 잔류할 수 있다. 균일하게 분산된 분산물은 금속(또는 합금)을 분산강화할 수 있다.
넷째, 적층성형된 균일분산강화물을 구상화 열처리할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 적층성형된 균일분산강화물을 구상화 열처리하면 조각난 분산물이 구상화(spheroidizing)될 수 있다. 분산물이 구형에 가까울수록 응력 집중(stress concentration)이 발생하지 않으므로 구상화 열처리를 통하여 균일분산강화물에 더욱 효과적인 분산강화가 이루어질 수 있다.
본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.
Claims (15)
- 매트릭스를 이루는 금속 또는 합금; 및
상기 매트릭스에 균일하게 분산되는 분산물;
을 포함하여 이루어지고,
상기 분산물은 3D 프린터를 이용하는 적층성형가공에 의하여 균일하게 분산되는 것을 특징으로 하는 균일분산강화물.
- 청구항 1에 있어서,
상기 분산물은 탄화물, 질화물, 산화물, 붕화물, 상기 금속의 화합물, 및 상기 합금의 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 균일분산강화물.
- 청구항 1에 있어서,
상기 적층성형가공은 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식, 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방식, 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 방식, 직접 금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS) 방식, 및 고에너지 직접 조사(Directed Energy Deposition, DED) 방식 중 하나의 방식인 것을 특징으로 하는 균일분산강화물.
- 청구항 1의 균일분산강화물의 제조방법에 있어서,
(A1) 상기 금속 또는 합금의 용탕을 형성하는 단계;
(A2) 상기 용탕에 첨가 분말을 투입하는 단계;
(A3) 상기 첨가 분말이 투입된 용탕을 분무하여 구상화 분말을 제조하는 단계;
(A4) 상기 구상화 분말을 열처리하여 상기 분산물을 석출하는 단계;
(A5) 상기 분산물이 석출된 구상화 분말을 상기 3D 프린터에 장입하는 단계; 및
(A6) 상기 3D 프린터에 의하여 상기 균일분산강화물이 적층성형되는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 균일분산강화물의 제조방법.
- 청구항 4에 있어서,
상기 첨가 분말은 탄소, 질소, 산소, 붕소, 상기 금속, 및 상기 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 균일분산강화물의 제조방법.
- 청구항 4에 있어서,
상기 (A4)단계는 상기 구상화 분말이 유동되면서 수행되는 것을 특징으로 하는 균일분산강화물의 제조방법.
- 청구항 1의 균일분산강화물의 제조방법에 있어서,
(B1) 상기 금속 또는 합금의 분말과 첨가 분말을 기계적 합금화하여 기계적 합금화 분말을 제조하는 단계;
(B2) 상기 기계적 합금화 분말을 열간성형하여 성형체를 제조하는 단계;
(B3) 상기 성형체를 미분쇄하여 적층성형가공용 분말을 제조하는 단계;
(B4) 상기 적층성형가공용 분말을 상기 3D 프린터에 장입하는 단계; 및
(B5) 고에너지 직접 조사(Directed Energy Deposition, DED) 방식에 의하여 상기 균일분산강화물이 적층성형되는 단계;
를 포함하여 이루어지고,
상기 (B1)단계에서 상기 첨가 분말은 상기 금속 또는 합금의 분말에 고용되고, 상기 (B2)단계에서 상기 성형체에 상기 분산물이 석출되는 것을 특징으로 하는 균일분산강화물의 제조방법.
- 청구항 7에 있어서,
상기 첨가 분말은 탄소, 질소, 산소, 붕소, 상기 금속, 및 상기 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 균일분산강화물의 제조방법.
- 청구항 1의 균일분산강화물의 제조방법에 있어서,
(C1) 상기 금속 또는 합금의 분말과 상기 분말의 표면에 형성된 상기 분산물의 층을 포함하는 적층성형가공용 분말을 제조하는 단계;
(C2) 상기 적층성형가공용 분말을 상기 3D 프린터에 장입하는 단계; 및
(C3) 상기 3D 프린터에 의하여 상기 균일분산강화물이 적층성형되는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 균일분산강화물의 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 (C1)단계는,
(C1-1) 상기 금속 또는 합금의 분말을 로(furnace)에 장입하여 가열하는 단계;
(C1-2) 상기 로(furnace)에 공정 가스를 주입하는 단계; 및
(C1-3) 상기 금속 또는 합금의 분말의 표면에 상기 분산물의 층이 형성되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 균일분산강화물의 제조방법.
- 청구항 10에 있어서,
상기 공정 가스는 탄소, 질소, 산소, 및 붕소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 균일분산강화물의 제조방법.
- 청구항 10에 있어서,
상기 (C1-1)단계, 상기 (C1-2)단계, 및 상기 (C1-3)단계 중 하나 이상의 단계는 상기 금속 또는 합금의 분말이 유동되면서 수행되는 것을 특징으로 하는 균일분산강화물의 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 분산물의 층은 아일랜드(island) 형태인 것을 특징으로 하는 균일분산강화물의 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 적층성형가공용 분말은 코어-쉘(core-shell) 형태인 것을 특징으로 하는 균일분산강화물의 제조방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 (C3)단계 이후에,
(C4) 적층성형된 균일분산강화물을 구상화 열처리하는 단계;
를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 균일분산강화물의 제조방법.
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