KR20190077414A - 무화 기술을 위한 용융물의 처리 - Google Patents

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KR20190077414A
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질 레스페랑스
매튜 보이스버트
데니스 비. 주니어 크리스토퍼슨
필리프 불리
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에꼴 폴리테크닉 드 몬트리올
테네코 인코퍼레이티드
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Abstract

물, 기체, 플라즈마, 또는 회전 디스크 무화에 의해 분말 금속 재료를 제조하는 개선된 방법이 제공된다. 이 방법은 무화 과정 전이나 도중에 용융 금속 재료에 적어도 하나의 첨가제를 첨가하는 단계를 포함한다. 적어도 하나의 첨가제는 처리될 용융물의 부피보다 적어도 3배 더 큰 용융 금속 재료를 둘러싼 보호 기체 분위기를 형성한다. 보호 분위기는 황(S) 및 산소(O2)와 같은 오염물질이 재료에 도입되거나 다시 도입되는 것을 방지한다. 생성된 무화된 입자는 적어도 0.60의 중간값 원형도, 적어도 0.60의 중간값 원마도, 더 적은 내부 기공, 더 적은 내부 산화물, 및 미세구조 상 및/또는 구성성분의 증가된 구형성의 이점 중 적어도 하나를 포함한다.

Description

무화 기술을 위한 용융물의 처리
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2016년 10월 17일자 제출된 미국 실용 특허출원 No. 15/295,733의 이익을 주장하며, 이 출원의 전체 개시는 본 출원의 개시의 일부로서 간주되고 여기 참고로 포함된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 분말 금속 재료, 및 물 또는 기체 무화(atomization) 또는 무화될 재료가 액체 금속 조(bath)의 생성을 거쳐야 하는 임의의 다른 무화 과정에 의해 분말 금속 재료를 형성하는 방법에 관한 것이다.
분말 금속 재료는 물 무화, 기체 무화, 플라즈마 무화, 또는 회전 디스크 무화와 같은 다양한 과정에 의해 형성될 수 있다. 통상의 무화 과정은 용융 금속 재료에 유체(물, 기체, 오일, 또는 플라즈마)를 적용하여 복수의 입자를 형성하는 것을 포함한다. 물 무화 과정 동안 용융 금속의 냉각 속도는 기체 무화에서의 냉각 속도보다 훨씬 더 빠르며, 이것은 불규칙적인 모양의 입자들을 가져오는데, 이것은 일반적으로 금속 사출성형, 용사, 적층 가공(additive manufacturing) 과정, 예컨대 선택적 레이저 소결, 전자빔 용융, 입체 프린팅 및 더 구형인 모양의 입자가 바람직한 다른 제조 기술에서 바람직하지 않다. 따라서, 물 무화에 의해 형성된 분말 금속 재료는 주로 전형적인 압축(press) 및 소결 과정에서 사용된다. 기체 무화는 더 구형인 모양을 가진 입자를 형성한다고 알려져 있다. 그러나, 기체 무화는 물 무화보다 3 내지 9배 더 비싸다. 대부분의 무화된 분말에서 직면하는 다른 공통된 문제는 내부 공극(porosities) 및 내부 산화물의 존재이다. 이들 결함은 분말로부터 제조된 부품의 기계적 특성에 부정적인 영향을 미칠 것이다.
본 발명의 한 양태는 분말 금속 재료를 제조하는 개선된 방법을 제공한다. 이 방법은 용융물을 둘러싼 보호 기체상 분위기를 형성하도록 용융 금속 재료에 적어도 하나의 첨가제를 첨가하는 단계; 및 첨가제(들)의 적어도 일부를 첨가한 후 용융 금속 재료를 무화하여 복수의 입자를 생성하는 단계를 포함한다. 보호 분위기는 황(S) 및/또는 산소(O2)와 같은 불순물이 용융 금속 재료로 들어가거나 다시 들어가는 것을 방지하는 장벽으로서 작용한다. 무화될 합금의 화학 조성과 관련하여 선택된 첨가제(들)의 화학적 성질은 적어도 0.6의 원형도(circularity) 중간값(median) 및 적어도 0.6의 원마도(roundness) 중간값을 가진 입자, 및/또는 더 적은 내부 기공, 및/또는 더 적은 내부 산화물의 개선들 중 적어도 하나를 야기할 수 있다.
첨부한 도면과 함께 이후의 상세한 설명을 참조하여 본 발명의 다른 이점들이 더 잘 이해되며 쉽게 인정될 것이다.
도 1은 -200 메시(74 마이크론 이하)에서 스크리닝된 마그네슘이 첨가되지 않은 약 1.3% C 및 1.1% Si를 함유하는 비교를 위한 물 무화된 강 분말(FGP1210)의 광학 현미경 사진이며, 여기서 붉은색 화살표는 내부 공극을 가리킨다.
도 2는 한 예시의 구체예에 따른 -200 메시(74 마이크론 이하)에서 스크리닝된 마그네슘이 첨가된 약 1.4% C 및 1.1% Si를 함유하는 물 무화된 강 분말(FGP-1210Mg, "FGP"는 유리 흑연 분말을 표시한다)의 광학 현미경 사진이며, 여기서 붉은색 화살표는 도 1의 것들과 비교하여 더 적고 더 작은 내부 공극을 가리킨다.
도 3은 -200 메시(74 마이크론 이하)에서 스크리닝된 마그네슘이 첨가되지 않은 약 4.0% C 및 2.3% Si를 함유하는 비교를 위한 물 무화된 주철 분말(FGP4025)의 역산란 전자 현미경 사진이며, 여기서 하나의 붉은색 화살표는 하나의 공극을 가리킨다.
도 4는 한 예시의 구체예에 따른 -200 메시(74 마이크론 이하)에서 스크리닝된 마그네슘이 첨가된 약 4.1% C 및 2.4% Si를 함유하는 물 무화된 주철 분말(FGP-4025Mg)의 역산란 전자 현미경 사진이며, 여기서 공극은 도 3과 비교하여 관찰되지 않았다.
도 5는 -200 메시(74 마이크론 이하)에서 스크리닝된 마그네슘이 첨가되지 않은 비교를 위한 물 무화된 스테인리스 강 분말(SS304)의 역산란 전자 현미경 사진이다.
도 6은 한 예시의 구체예에 따른 -200 메시(74 마이크론 이하)에서 스크리닝된 마그네슘이 첨가된 물 무화된 스테인리스 강 분말(SS304Mg)의 역산란 전자 현미경 사진이다.
도 7은 물 무화 과정 및 평가가 행해진 조성을 열거한 표를 포함한다.
도 8은 -200 메시(74 마이크론 이하)에서 스크리닝된 도 7의 FGP1210 조성을 가진 분말의 원형도 빈도 분포를 나타낸다.
도 9는 -200 메시(74 마이크론 이하)에서 스크리닝된 도 7의 FGP1210 조성을 가진 분말의 원마도 빈도 분포를 나타낸다.
도 10은 -200 메시(74 마이크론 이하)에서 스크리닝된 도 7의 FGP4025 조성을 가진 분말의 원형도 빈도 분포를 나타낸다.
도 11은 -200 메시(74 마이크론 이하)에서 스크리닝된 도 7의 FGP4025 조성을 가진 분말의 원마도 빈도 분포를 나타낸다.
도 12는 -200 메시(74 마이크론 이하)에서 스크리닝된 도 7의 SS304 조성을 가진 분말의 원형도 빈도 분포를 나타낸다.
도 13은 -200 메시(74 마이크론 이하)에서 스크리닝된 도 7의 SS304 조성을 가진 분말의 원마도 빈도 분포를 나타낸다.
도 14는 도 7에 열거된 조성의 원형도에 대한 수치 데이터를 나타낸 표이다.
도 15는 도 7에 열거된 조성의 원마도에 대한 수치 데이터를 나타낸 표이다.
도 16은 -80/+200 메시(177 내지 74 마이크론)에서 스크리닝된 마그네슘이 첨가되지 않은 물 무화된 스테인리스 강 분말(SS304)의 역산란 전자 현미경 사진이며, 여기서 붉은색 화살표는 내부 공극을 가리킨다.
도 17은 -80/+200 메시(177 내지 74 마이크론)에서 스크리닝된 마그네슘이 첨가된 다른 물 무화된 스테인리스 강 분말(SS304Mg)의 역산란 전자 현미경 사진이며, 여기서 하나의 붉은색 화살표는 도 16의 것들과 비교하여 단지 하나의 더 작은 내부 공극을 가리킨다.
도 18은 마그네슘이 첨가되지 않은 물 무화된 주철 분말(FGP4025)의 역산란 전자 현미경 사진이며, 이 경우 무화 과정의 주입 단계 동안 용융물에 도입된 내부 규소 산화물 상에 많은 불규칙한 1차 흑연 단괴(primary graphite nodules)가 침전했다.
도 19는 마그네슘이 첨가된 다른 물 무화된 주철 분말(FGP4025Mg)의 역산란 전자 현미경 사진이며, 이 경우 무화 과정 동안 Mg를 함유하는 비균질 산화물 핵 상에 하나의 구형 1차 흑연 단괴가 침전했다.
도 20은 마그네슘이 첨가되지 않은 약 4.0% C 및 2.3% Si를 함유하는 물 무화된 주철 분말(FGP4025)의 역산란 전자 현미경 사진이며, 이 경우 후반 열처리 과정 동안 고체 상태로 성장한 흑연 단괴가 존재한다.
도 21은 예시의 구체예에 따른, 마그네슘이 첨가된 다른 물 무화된 주철 분말(FGP4025Mg)의 현미경 사진이며, 이 경우 후반 열처리 과정 동안 고체 상태로 성장한, 도 20에 존재하는 것들과 비교하여 더 구형인 흑연 단괴가 존재한다.
도 22는 열처리 후 도 7의 FGP4025 조성을 가진 분말에서 흑연 단괴의 원형도 빈도 분포를 나타낸다.
도 23은 열처리 후 도 7의 FGP4025 조성을 가진 분말에서 흑연 단괴의 원마도 빈도 분포를 나타낸다.
도 24는 도 7에 열거된 조성을 가진 두 분말에 대해 고체 상태에서 성장한 흑연 단괴의 원형도에 대한 수치 데이터를 나타낸 표이다.
도 25는 도 7에 열거된 조성을 가진 두 분말에 대해 고체 상태에서 성장한 흑연 단괴의 원마도에 대한 수치 데이터를 나타낸 표이다.
도 26은 도 7의 예시의 조성에서 첨가제 양의 함수로서 용융물 100g 당 얻어진 기체의 계산된 전체 부피를 나타낸 그래프이다.
도 27은 도 26에 설명된 분말의 무화 과정 동안 턴디시 위에서 분위기에 노출되기 전후, 연마된 순수한 철 표면에 대해 실험적으로 획득된 EDS 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 28은 상이한 온도(800 및 900℃)에서 알루미늄 중 나트륨 및 칼륨 첨가제에 의해 생성된 기체의 계산된 부피를 나타낸 그래프이다. 점선은 기체의 최소 한계를 나타낸다.
도 29는 1800℃의 온도에서 티타늄 중 상이한 첨가제에 의해 생성된 기체의 계산된 부피를 나타낸 그래프이다. 점선은 기체의 최소 한계를 나타낸다.
도 30은 1600℃의 온도에서 코발트 중 상이한 첨가제에 의해 생성된 기체의 계산된 부피를 나타낸 그래프이다. 점선은 기체의 최소 한계를 나타낸다.
도 31은 2000℃의 온도에서 크로뮴 중 상이한 첨가제에 의해 생성된 기체의 계산된 부피를 나타낸 그래프이다. 점선은 기체의 최소 한계를 나타낸다.
도 32는 1200℃의 온도에서 구리 중 상이한 첨가제에 의해 생성된 기체의 계산된 부피를 나타낸 그래프이다. 점선은 기체의 최소 한계를 나타낸다.
도 33은 1650℃의 온도에서 철 중 상이한 첨가제에 의해 생성된 기체의 계산된 부피를 나타낸 그래프이다. 점선은 기체의 최소 한계를 나타낸다.
도 34는 1400℃의 온도에서 망간 중 상이한 첨가제에 의해 생성된 기체의 계산된 부피를 나타낸 그래프이다. 점선은 기체의 최소 한계를 나타낸다.
도 35는 1600℃의 온도에서 니켈 중 상이한 첨가제에 의해 생성된 기체의 계산된 부피를 나타낸 그래프이다. 점선은 기체의 최소 한계를 나타낸다.
도 36은 첨가제(K 및 Li)의 양의 함수로서 1600℃의 온도에서 복합 코발트 합금의 용융물 100g 당 얻어진 기체의 계산된 전체 부피를 나타낸 그래프이다.
도 37는 각 화학 시스템(Al, Cu, Mn, Ni, Co, Fe, Ti, 및 Cr)에서 보호 기체 분위기를 생성하는 첨가제를 나타낸 표이다.
도 38은 각 화학 시스템(Al, Cu, Mn, Ni, Co, Fe, Ti, 및 Cr)에서 용해된 황과 반응하는 첨가제를 나타낸 표이다.
도 39는 각 화학 시스템의 천연 산화물(Al의 Al2O3, Cu의 CuO, Mn의 MnO2, Ni의 NiO, Co의 CoO, Fe의 Fe2O3, Ti의 TiO2, 및 Cr의 Cr2O3)과 반응하는 첨가제를 나타낸 표이다.
본 발명의 한 양태는 무화 과정 전에 및/또는 도중에 용융 금속 재료에 적어도 하나의 첨가제를 첨가함에 의한, 물 또는 기체 무화 또는 플라즈마 무화, 또는 회전 디스크 무화와 같은 무화되는 재료가 액체 금속 조의 생성을 거치는 것을 필요로 하는 임의의 다른 무화 과정에 의해 분말 금속 재료를 제조하는 개선된 방법을 포함한다. 적어도 하나의 첨가제는 처리될 용융물의 부피보다 적어도 3배 더 큰 용융 금속 재료를 둘러싼 보호 기체 분위기를 형성한다.
용융 재료에 첨가된 적어도 하나의 첨가제는 용융물로부터 보호 기체가 나옴에 따라 용융 재료로부터 불순물을 멀리 밀어냄으로써 황(S) 및/또는 산소(O2) 등과 같은 불순물이 용융 금속 재료로 들어가거나 다시 들어가는 것을 방지하는 장벽으로서 작용하는 보호 분위기를 생성할 것이다. 보호 기체 분위기를 형성하는 첨가제(들)는 또한 용융물 중의 용해된 황 및/또는 첨가제(들)의 도입 전에 용융물에 현탁 상태로 있는 산화물과 반응할 수 있다. 첨가제(들)와 용융물 중의 용해된 황의 반응은 입자 및/또는 미세구조 상 및 구성성분의 구형성(sphericity)을 증가시킬 것이다. 첨가제의 도입 전에 용융물에 현탁 상태로 있는 산화물과 첨가제(들)의 반응은 내부 공극의 양 및 크기를 저하시킬 것이다. 첨가제의 도입 전 용융물에 있는 용해된 황과 산화물 둘 다와 첨가제(들)의 반응은 내부 기공의 양 및 크기를 저하시키고 입자 및/또는 미세구조 상 및 구성성분의 구형성을 증가시킬 것이다. 일부 경우, 첨가제(들)와 용해된 황의 반응은 또한 내부 기공의 양 및 크기를 저하시킬 것이다. 개선된 방법에 의해 형성된 입자는 더 깨끗하고, 및/또는 더 적은 내부 기공을 함유하고, 및/또는 더 구형이고, 및/또는 더 구형인 미세구조 구성성분 및/또는 상을 포함한다.
물 무화가 이용되었을 때, 용융 금속 재료에 첨가제(들)를 첨가하는 것은 무화된 입자의 구형성을 기체 무화에 의해 형성된 입자의 구형성에 근접하는 수준으로 증가시킬 수 있지만, 기체 무화와 비교하여 비용은 감소된다. 용융 금속 재료에 첨가제(들)를 첨가하는 것은 또한 용융물의 표면으로부터 새로운 산화물의 형성 및 비말동반(entrainment)을 제한하고 첨가제(들)의 도입 전에 용융물에 이미 존재하는 것들과 반응함으로써 더 깨끗한 입자를 생성할 수 있다. 이들 산화물은 산화물의 필름들이 중첩되어 산화물 필름 사이에 약한 계면이 남는 이중필름을 형성할 수 있다. 첨가제(들)는 또한 무화된 분말에서 직면하는 문제인 내부 공극의 양 및 크기를 저하시킬 수 있다. 첨가제(들)는 또한 무화된 분말에서 및/또는 후속 열처리 과정 동안 형성된 미세구조 구성성분 및/또는 상의 구형성을 증가시킬 수 있다. 예를 들어 무화된 입자가 주철 재료로부터 형성된다면, 후반 열처리 과정 동안 형성된 흑연 침전물의 적어도 50%는 적어도 0.6의 원형도 및 적어도 0.6의 원마도를 가질 것이다.
한 예시의 구체예에 따라서, 방법은 베이스 금속 재료를 용융시킴으로써 시작된다. 많은 상이한 금속 조성이 베이스 금속 재료로서 사용될 수 있다. 그러나, 보호 분위기로서 작용하는 충분한 기체를 생성하고, 따라서 분말의 원하는 구 모양 및/또는 더 구형인 미세구조 구성성분 및/또는 더 깨끗한 분말 및/또는 더 적은 내부 기공을 얻기 위해, 첨가제(들)는 금속 재료에서 낮은 용해성을 가져야 한다. 베이스 재료 및 첨가제(들)는 첨가제(들)가 도입되었을 때 생성된 보호 기체 분위기의 부피가 처리될 용융물의 부피의 적어도 3배가 되도록 선택되어야 한다. 예를 들어 0.22 중량 퍼센트(wt.%) 마그네슘이 도 7의 FGP4025Mg와 유사한 조성을 가진 용융물에 첨가된다면, 생성된 기체 부피는 최소 부피 한계의 약 20배인 것으로 계산된다.
베이스 금속 재료는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 티타늄(Ti), 및 크로뮴(Cr) 중 적어도 하나를 전형적으로 포함한다. 베이스 재료는 순수한 Al, Cu, Mn, Ni, Co, Fe, Ti, 또는 Cr을 포함할 수 있다. 알루미늄-부화, 구리-부화, 망간-부화, 니켈-부화, 코발트-부화, 철-부화, 티타늄-부화 및 크로뮴-부화 합금, 또는 Al, Cu, Mn, Ni, Co, Fe, Ti, 및/또는 Cr을 적어도 50 wt.%를 포함하는 합금이 또한 출발 베이스 금속 재료로서 사용하기에 꽤 적합하다. 제한은 아니지만 Al-Cu, Fe-Ni, Fe-Co, Fe-Ni-Co, Ni-Cr, Ti-Cu, 및 Co-Cr 합금과 같은, 이들 베이스 금속 재료들의 상이한 비율의 혼합물이 또한 출발 재료로서 사용하기에 꽤 적합하다. 합금은 또한 합금 원소로서 은(Ag), 붕소(B), 바륨(Ba), 베릴륨(Be), 탄소(C), 칼슘(Ca), 세륨(Ce), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 칼륨(K), 란타늄(La), 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 몰리브데늄(Mo), 질소(N), 나트륨(Na), 니오븀(Nb), 인(P), 황(S), 스칸듐(Sc), 규소(Si), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 텅스텐(W), 이트륨(Y), 아연(Zn) 및 지르코늄(Zr) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 단 이들은 관심의 합금의 용융물에서 용액 상태로 존재할 것이다.
한 예시의 구체예에 따라서, Al-Mg 합금에서 기체상 보호 분위기를 생성하기 위해 K 및/또는 Na가 첨가제로서 사용되어야 하고, 용융물 온도는 선택된 첨가제(들)에 따라서 선택되어야 한다(도 28 참조). Mg는 알루미늄 합금(Al-5000 시리즈)에서는 합금 원소로서 사용되며 보호 기체 분위기를 생성하지 않을 것이다.
그러나, 출발 금속 재료가 상기 언급된 조성에 제한되는 것은 아니다. 첨가제가 선택된 재료에서 낮은 용해성을 가지고 충분한 양의 보호 기체 분위기를 생성하는 한 다른 금속 조성들도 사용될 수 있다. 또한, 첨가제 처리가 분말 및 미세구조 구성성분 및/또는 상의 모양 변화에 효과가 있도록 하기 위해, 첨가제는 용융 금속 재료에 존재하는 황과 같은 불순물과 반응해야 하며, 이로써 용융물 중 용액 상태의 황의 양을 감소시키고 표면 장력을 증가시켜야 한다. 주변 환경에 노출된 높은 표면 장력의 액체 또는 고체 구성성분의 표면적은 구 구성성분이 구 모양을 채택할 때 최소화되며, 이것은 차례로 표면 대 부피 비를 최소화한다. 기체상 보호 분위기를 생성하기 위해 사용되는 일부 첨가제는 용융물 중의 용해된 황과 당연히 반응하여 더 안정한 화합물을 생성하고 따라서 표면 장력을 증가시킬 것이다. Fe-부화 시스템 중 Mg가 이 경우이며, 고체 MgS가 침전될 것이다. 그러나, Fe-부화 시스템 중 Na의 경우와 마찬가지로 일부 첨가제는 보호 분위기는 생성하지만 용해된 황과는 반응하지 않을 것이다. 이런 상황에서는 표면 장력을 증가시키기 위해 상이한 첨가제들의 조합이 사용되어야 한다.
황은 상이한 화학 시스템에서 합금 원소로서 사용될 수 있고 무화된 분말에서 고체 황화물을 생성할 수 있다(예비합금화된 황화물을 가진 분말로서 알려짐). 이들 황화물은 주로 이들 분말로 제조된 부품의 절삭성을 개선하는데 바람직하다. 예비합금화된 황화물을 함유하는 더 구형인 입자를 생성하기 위해, 보호 기체 분위기를 생성하고 용해된 황과 반응하여 입자 및/또는 미세구조 상 및 구성성분의 구형성을 증가시키기 위한 첨가제(들)의 양은 원하는 황화물의 양에 따라서 증가되어야 한다. 예를 들어, 계산에 의하면 1.4% C, 1.1% Si 및 0.50 wt.% S를 함유하는 Fe-부화 합금에 0.70 wt.% Mg를 첨가하는 것은 기체 최소 한계의 약 18배를 생성하고, 약 0.90 wt.% 황화물(MgS)을 생성하고, 용융물 중 용해된 황의 양을 저하시켜 입자의 구형성을 증가시킨다고 결정되었다.
상기 언급된 대로, 증가된 보호 분위기 및 상기 언급된 나머지 이점을 달성하기 위해 다양한 상이한 첨가제들이 용융 금속 재료에 첨가될 수 있다. 선택된 첨가제(들)는 베이스 금속 재료의 조성에 따른다. 예를 들어, 적어도 하나의 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Ca, Sr, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 첨가제(들)에 의해 생성된 보호 기체 분위기는 용융 금속 재료로 불순물이 들어가거나 다시 들어가는 것을 방지한다.
상기 열거된 첨가제들은 그들이 사용된 화학 시스템에 따라 상이한 양의 보호 기체 분위기를 생성한다. 일부 첨가제는 다른 것들보다 일부 시스템에 더 적합하다. 예를 들어, 알루미늄 합금에는 K 및 Na가 대체로 바람직하다. 구리 합금에는 K 및 Na가 대체로 바람직하다. 망간 합금에는 K, Na, Zn, Mg, 및 Li가 대체로 바람직하다. 니켈 합금에는 K 및 Na가 대체로 바람직하다. 코발트 합금에는 K, Na, Li, 및 Ca가 대체로 바람직하다. 철 합금에는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, 및 Ca가 대체로 바람직하다. 티타늄 합금에는 Zn, Mg, Li, Ca, 및 Ba가 대체로 바람직하다. 크로뮴 합금에는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba가 대체로 바람직하다. 예들은 도 37에 제공된다.
보호 분위기의 생성에 더하여, 더 구형인 입자 및 미세구조 상 및/또는 구성성분이 바람직하다면, 첨가제(들)는 용해된 황과 반응해야 한다. 일부 첨가제는 다른 것보다 일부 시스템에서 더 효과적이다. 한 구체예에 따라서, 동일한 첨가제가 보호 분위기를 형성하고 황과 반응할 수 있다. 다른 구체예에 따라서, 추가 첨가제가 불순물로서 존재하며 용융 베이스 금속 재료에 이미 용해된 황과 반응하기 위해 첨가된다. 이 추가 첨가제는 보호 기체 분위기에 기여할 수 있지만, 반드시 보호 기체 분위기를 생성하는 것은 아니며, 이 경우 그것은 보호 기체 분위기를 생성할 수 있는 다른 첨가제와 결합되어야 한다.
용융 베이스 재료가 철-기반이고 불순물로서 황을 포함할 때, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba가 황과 반응하기 위해 바람직하다. 더 구형인 입자 및/또는 상 및 구성성분을 생성하기 위한 철-기반 재료 또는 Fe-부화 합금에서 첨가제들의 이러한 조합의 예는 Na와 Ba의 혼합물일 수 있다. Na는 보호 분위기를 생성하고 Ba는 S와 반응할 것이다. 용융 베이스 금속 재료가 티타늄 합금이거나 또는 티타늄-기반이고 불순물로서 황을 포함할 때, K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba가 황과 반응하기 위해 바람직하다. 용융 베이스 금속 재료가 코발트 합금이거나 또는 코발트-기반이고 불순물로서 황을 포함할 때, Na, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba가 황과 반응하기 위해 바람직하다. 용융 베이스 금속 재료가 크로뮴 합금이거나 또는 크로뮴-기반이고 불순물로서 황을 포함할 때, K, Na, Zn, Mg, Sr, Ca, 및 Ba가 황과 반응하기 위해 바람직하다. 용융 베이스 금속 재료가 알루미늄 합금이거나 알루미늄-기반이고 불순물로서 황을 포함할 때, K, Na, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba가 황과 반응하기 위해 바람직하다. 용융 베이스 금속 재료가 니켈 합금이거나 또는 니켈-기반이고 불순물로서 황을 포함할 때, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba가 황과 반응하기 위해 바람직하다. 용융 베이스 금속 재료가 구리 합금이거나 또는 구리-기반이고 불순물로서 황을 포함할 때, K, Na, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba가 황과 반응하기 위해 바람직하다. 용융 베이스 금속 재료가 망간 합금이거나 또는 망간-기반이고 불순물로서 황을 포함할 때, K, Na, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba가 황과 반응하기 위해 바람직하다. 예들은 도 38에 제공된다.
한 특정한 예시의 구체예에 따라서, 금속 베이스 재료는 철-부화 재료이며, 보호 기체를 생성하고 또한 황 불순물과 반응하는 Mg를 포함한다. 또는 달리, 베이스 금속 재료는 순수한 철이며 첨가제는 Mg이다. 다른 특정한 예에 따라서, 금속 베이스 재료는 철-부화 재료이며, 첨가제는 K와 Ba의 혼합물을 포함한다. 칼륨(K)은 보호 기체 분위기를 생성할 것으로 예상되고, 바륨(Ba)은 황과 반응할 것으로 예상된다.
보호 분위기는 무화된 입자에서 산화물의 양을 제한하며, 또한 내부 공극의 크기 및 양을 제한할 것이다. 기체상 보호 분위기를 생성하기 위해 사용되는 일부 첨가제는 용융물에 현탁 상태로 있는 산화물과 당연히 반응하여 더 안정한 화합물을 생성할 것이고, 또한 화학 반응 과정 동안 이들의 형태를 변화시킬 것이며, 예를 들어 합금 원소로서 Si를 함유하는 Fe-부화 시스템 중의 Mg 첨가제가 그러하다. 이들 재료에서는 이중필름의 형태일 수 있는 SiO2의 산화물이 용융물에 현탁 상태로 있다. 더 적은 양의 공극이 관찰되는 것을 설명하는 이유 중 하나는 Mg가 Mg와 산화물의 화학 반응의 결과로서 이중필름의 계면을 밀봉하고, 이로써 기공이 형성되도록 더 부풀려질 수 없는 더 강한 계면이 생성된다는 것이다. 도 16 및 17에서 Mg 처리에 의해 177 마이크론보다 더 작은 스테인리스 강의 입자에서 더 적은 양의 공극에 대한 예들을 참조한다. 자체-생성 Mg 기체상 분위기는 용융물의 표면의 산화를 더 제한할 것이며, 이것은 입자에서 내부 산화물의 양을 제한할 것이다. 그러나, Ti-부화 시스템 중 Zn의 경우와 마찬가지로 일부 첨가제는 보호 분위기는 생성하지만 용융물 중 현탁 상태의 산화물과는 반응하지 않을 것이다. 이런 상황에서는 내부 공극의 양 및 크기를 제한하기 위해 상이한 첨가제들의 조합이 사용되어야 한다. 예를 들어, 적어도 하나의 첨가제는 용융 금속 재료로 불순물이 들어가거나 다시 들어가는 것을 방지하는 보호 기체 분위기를 생성하기 위해 첨가될 수 있고, 적어도 하나의 첨가제는 반드시 보호 기체 분위기를 생성하는 것은 아니지만 용융물에 이미 존재하는 산화물과 반응시키기 위해 첨가될 수 있다. 더 구형인 입자 및/또는 더 적은 내부 공극을 가진 상 및 구성성분을 생성하기 위한 Ti-부화 합금에서 첨가제들의 이러한 조합의 예는 보호 분위기를 생성할 수 있는 Zn과 S 및 TiO2와 반응할 수 있지만 보호 부위기의 생성시 침전하지 않는 Sr의 혼합물일 수 있다.
다시 말해서, 일부 첨가제는 형성되는 산화물의 종류에 따라 다른 것들보다 일부 시스템에서 더 효과적이다. 상기 나타낸 대로, 더 작은 크기를 가진 더 적은 내부 공극을 원한다면 첨가제(들)가 용융물 중 현탁 상태의 산화물과 반응해야 한다. 이들 산화물은 또한 용융된 베이스 금속 재료에서 불순물로서 간주되며, 예를 들어 알루미늄-기반 재료에서 Al2O3, 또는 철-기반 재료에서 Fe2O3가 그러하다. 용융 베이스 금속 재료가 알루미늄 합금이거나 또는 알루미늄-기반일 때, 산화물과 반응할 수 있는 바람직한 첨가제는 K, Na, Mg, Li, 및 Ca를 포함한다. 용융 베이스 금속 재료가 철 합금이거나 또는 철-기반일 때, 산화물과 반응할 수 있는 바람직한 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba를 포함한다. 용융 베이스 금속 재료가 티타늄 합금이거나 또는 티타늄-기반일 때, 산화물과 반응할 수 있는 바람직한 첨가제는 Sr, Ca, 및 Ba를 포함한다. 용융 베이스 금속 재료가 크로뮴 합금이거나 또는 크로뮴-기반일 때, 산화물과 반응할 수 있는 바람직한 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba를 포함한다. 용융 베이스 금속 재료가 코발트 합금이거나 또는 코발트-기반일 때, 산화물과 반응할 수 있는 바람직한 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba를 포함한다. 용융 베이스 금속 재료가 구리 합금이거나 또는 구리-기반일 때, 산화물과 반응할 수 있는 바람직한 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba를 포함한다. 용융 베이스 금속 재료가 망간 합금이거나 또는 망간-기반일 때, 산화물과 반응할 수 있는 바람직한 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba를 포함한다. 용융 베이스 금속 재료가 니켈 합금이거나 또는 니켈-기반일 때, 산화물과 반응할 수 있는 바람직한 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba를 포함한다. 예들은 도 39에 제공된다.
또한, 특정 첨가제는 보호 기체 분위기를 성공적으로 생성하고, 또한 용융 베이스 금속 재료에 불순물로서 존재하는 황 및 산화물과도 반응할 것이다. 예를 들어, 용융 베이스 금속 재료가 철-합금이거나 철-기반일 때, 보호 기체 분위기를 생성하고 황 및 산화물 불순물과 반응하는 첨가제는 Zn, Mg, Li, Sr, 및 Ca를 포함한다. 용융 베이스 금속 재료가 티타늄 합금이거나 티타늄-기반일 때, 보호 기체 분위기를 생성하고 황 및 산화물 불순물과 반응하는 첨가제는 Ca 및 Ba를 포함한다. 용융 베이스 금속 재료가 크로뮴 합금이거나 크로뮴-기반일 때, 보호 기체 분위기를 생성하고 황 및 산화물 불순물과 반응하는 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Sr, Ca, 및 Ba를 포함한다. 용융 베이스 금속 재료가 코발트 합금이거나 코발트-기반일 때, 보호 기체 분위기를 생성하고 황 및 산화물 불순물과 반응하는 첨가제는 Na, Li, 및 Ca를 포함한다. 용융 베이스 금속 재료가 알루미늄 합금이거나 알루미늄-기반일 때, 보호 기체 분위기를 생성하고 황 및 산화물 불순물과 반응하는 첨가제는 K 및 Na를 포함한다. 용융 베이스 금속 재료가 구리 합금이거나 구리-기반일 때, 보호 기체 분위기를 생성하고 황 및 산화물 불순물과 반응하는 첨가제는 K 및 Na를 포함한다. 용융 베이스 금속 재료가 망간 합금이거나 망간-기반일 때, 보호 기체 분위기를 생성하고 황 및 산화물 불순물과 반응하는 첨가제는 K, Na, Mg, 및 Li를 포함한다.
상기 언급된 대로, 분말 금속 재료는 물 또는 기체 무화에 의해 제조될 수 있다. 또한, 일부 금속 재료는 물 무화에 덜 적합하며, 기체 및 플라즈마 무화와 같은 다른 무화 과정이 바람직하다. 예를 들어 티타늄은 산소와 쉽게 반응하여 매우 안정한 화합물인 티타늄 산화물을 형성할 수 있으며, 따라서 티타늄 합금의 물 무화는 바람직하지 않다. 티타늄 합금 분말은 기체 무화 및 플라즈마 무화에 의해 더 통상적으로 생성된다. 이 경우, 사용되는 적어도 하나의 첨가제는, 예를 들어 칼슘(Ca)이며, 이것은 또한 용해된 S와 반응할 것이다. 이것은 분말의 크기 분포를 저하시키고 작은 구형 분말의 수율을 개선할 수 있는 더 공격적인 무화 변수에 유리한 조건을 제공할 수 있다. Ca는 또한 공정에 존재할 수 있는 임의의 잔류 산소와 반응하고, 따라서 내부 공극의 양 및 크기를 저하시킬 것이다.
상기 언급된 대로, 주로 선택되는 출발 베이스 금속 재료는 첨가제(들)를 첨가하기 전 금속 재료의 총 중량을 기준으로 적어도 50.0 wt.%의 양으로 철을 포함한다. 예를 들어, 주철, 고 합금 주철, 스테인리스 강, 비합금 및 합금 강, 도구강, 마레이징 강(Maraging steels), 또는 하드필드 강(Hadfield steels)이 사용될 수 있다. 한 예시의 구체예에 따라서, 금속 재료는 1.3 wt.% 탄소 및 1.1 wt.% 규소를 포함하는 강 분말이다. 다른 예시의 구체예에 따라서, 금속 재료는 4.0 wt.% 탄소 및 2.3 wt.% 규소를 포함하는 주철 분말이다. 다른 예시의 구체예에 따라서, 금속 재료는 1.2% Mn, 0.30% Si, 0.44% Cu, 0.23% Mo, 17.3% Cr, 9.5% Ni, 및 기타 미량 원소들을 포함하는 스테인리스 강 분말이다. 상기 언급된 대로, 알루미늄 합금(예를 들어, 2024, 3003, 3004, 6061, 7075, 7475, 5080 및 5082로 지칭된 합금), 구리 합금(예컨대 알루미늄 청동, 규소 청동, 및 황동), 망간 합금, 니켈 합금(예를 들어, 625로 지칭된 합금), 코발트 합금(예컨대 트리밸로이 및 Haynes188), 코발트-크로뮴 합금(예컨대 CoCrMo 합금 및 스텔라이트), 티타늄 합금(예를 들어, Ti-6Al-4V로 지칭된 합금), 크로뮴 합금(예컨대 Kh65NVFT 합금) 및 이들 화학 시스템으로부터 제조된 임의의 하이브리드 합금이 또한 출발 분말 금속 재료로서 사용될 수 있다(예를 들어, Invar, Monel, Chromel, Alnico, 및 Nitinol60로 지칭된 합금). 이 예들은 배타적이지 않으며, 적어도 하나의 첨가제(칼륨(K), 나트륨(Na), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 리튬(Li), 스트론튬(Sr), 칼슘(Ca), 및 바륨(Ba))가 선택된 재료에서 낮은 용해성을 가지고, 이로써 보호 기체 분위기가 처리될 용융물의 초기 부피의 적어도 3배의 총량으로 용융 재료 위에 형성되는 한 다른 금속 조성들도 사용될 수 있다. 도 26-36는 본 발명의 예시의 구체예에 따라서 첨가제(들)가 용융 금속 재료에 첨가되었을 때 생성된 보호 기체 분위기의 증가된 부피를 보여주기 위해 수행된 실험 및 계산의 결과를 나타낸다. 도 26은 예시의 조성에서 첨가제(들)의 양의 함수로서 얻어진 기체의 전체 부피의 곡선을 나타낸다. 첨가제(여기서 첨가제는 90 wt.% Mg 및 10 wt.% Na의 혼합물이었다). 합금은 4.0% C, 1.5% Si, 0.02% S 및 2.0% Cu를 함유하는 주철 재료(Fe-부화)이다. 이 곡선은 물 무화된 한 분말의 화학 조성을 사용하여 계산되었으며, 이 실험에서 사용된 첨가제의 양은 0.11 wt.%이었고, 이것은 용융물 각 100g 당 보호 기체(Mg 및 Na) 약 0.40L를 가져왔다. 점선은 처리될 용융물의 초기 부피의 3배 부피를 가진 보호 분위기를 제공하기 위해 얻어져야 하는 기체의 총량의 최소 한계를 표시한다. 이 특정한 예에서, 계산된 기체량은 최소 한계의 약 5배이다.
도 27은 도 26에 설명된 분말의 무화 과정 동안 턴디시 위에서 기체상 분위기에 노출 전후 연마된 순수 철 표면에 대해 획득된 에너지-분산 엑스선 분광법(EDS) 스펙트럼을 나타낸다. 이것은 첨가제(이 경우 Mg 및 Na)가 용융물 위에 생성된 기체상 보호 분위기를 형성했음과 이들 원소가 노출된 연마된 철 표면에 부착했음을 확인한다.
도 28은 상이한 온도에서 상이한 첨가제에 대해 알루미늄 합금에서 생성될 수 있는 기체의 상이한 양의 예를 나타낸다. 계산을 위한 기준 시스템은 Al + 0.02% S + 0.02% Al2O3이다. 점선은 처리될 용융물의 초기 부피의 3배로서 한정된 보호 분위기를 제공하기 위해 얻어져야 하는 기체량의 최소 한계를 표시한다. 이들 예에서, 첨가되어야 하는 첨가제의 최소량은 첨가제의 성질 및 용융물의 온도에 따라서 변한다. 예를 들어, Na는 첨가되는 양과 무관하에 용융물이 약 800℃의 온도이면 충분한 기체를 생성할 수 없다. 그러나, 용융물의 온도가 약 900℃로 증가되면 처리될 용융물의 초기 부피의 적어도 3배를 생성하기 위한 Na의 최소량은 약 0.32 wt.%가 된다. K의 경우, 최소량은 용융물이 800℃이면 0.36 wt.%이고 용융물이 약 900℃이면 0.26 wt.%이다. Na 절반과 K 절반의 혼합물이 900℃에서 알루미늄 용융물에 사용된다면, Na + K의 최소량은 약 0.29 wt.%일 것이다(0.16 wt.% Na 및 0.13 wt.% K). 도 29는 1800℃에서 티타늄 용융물에 첨가되어야 하는 상이한 첨가제들의 최소량의 예를 나타낸다. 예를 들어, 0.11 wt.% Ca의 첨가는 0.48 wt.% Zn의 첨가와 대략 동일한 기체 보호의 최소량을 제공할 것이다. 유사하게, 도 30 내지 35은 상이한 시스템(Co, Cr, Cu, Fe, Mn, 및 Ni)에서 상이한 첨가제들에 대한 최소량의 다른 예들을 나타낸다. 도 36는 복합 코발트 합금에서 첨가제(K + Li)의 계산된 최소량을 나타낸다.
용융 베이스 금속 재료에 적어도 하나의 첨가제를 첨가한 후, 방법은 다음으로 용융 금속 재료를 무화하는 단계를 포함한다. 기체 무화, 물 무화, 플라즈마 무화, 또는 회전 디스크 무화가 사용될 수 있다. 그러나, 물 무화가 대체로 바람직한데, 그것이 기체 무화보다 3 내지 9배 더 적은 비용과 나머지 무화 과정에 비해 훨씬 더 적은 비용 때문이다. 그러나, 쉽게 산화되는 일부 합금의 경우에는 기체 무화가 바람직하다. 기체 무화 전 첨가제 처리는 더 큰 기체 압력과 같은 무화를 위한 개선된 조건을 허용할 수 있고, 둥근 입자를 여전히 달성할 수 있으며, 또한 내부 산화물 및 공극의 양을 제한할 수 있다. 또한, 첨가된 첨가제(들)는 구형성이 기체 무화된 입자의 구형성에 근접하도록 물 무화된 입자의 구형성을 증가시킬 수 있다.
물 무화 단계는 전형적으로 주어진 압력에서 용융 금속 재료에 물을 적용하는 것을 포함한다. 예시의 구체예에서, 압력은 2.6 내지 7.5 MPa의 범위인데, 무화가 실험실 규모 무화장치 및 제한된 이용가능한 압력 범위에서 수행되었기 때문이다. 그러나, 사용된 조성 및 공정 변수에 따라 다른 압력 수준도 사용될 수 있다. 예를 들어, 무화 단계의 압력은 약 2 MPa 내지 약 150 MPa 및 그 이상일 수 있다. 제한은 아니지만 질소(N2) 흐름의 발사, 또는 용융물 위에 아르곤 스트림의 발사와 같은 외부 보호 분위기 또는 진공 시스템이 또한 여기 설명된 자체-생성 보호 분위기와 함께 사용될 수 있다. 용융물은 또한 진공 시스템을 가진 챔버에 봉입될 수 있다. 이들 시스템은 과정의 유효성을 증가시킬 수 있다.
무화 단계 도중이나 전에, 방법은 용융 금속 재료에 첨가제(들)를 첨가하는 단계를 포함한다. 다시 말해서, 방법은 첨가제(들)의 적어도 일부를 첨가한 후 용융 금속 재료를 무화하는 단계를 포함한다. 상기 논의된 대로, 첨가제(들)는 첨가제(들)의 도입 후 기체의 전체 부피가 처리될 용융물의 초기 부피의 적어도 3배가 되는 양으로 첨가된다. 한 예시의 구체예에서, 구체적으로 도 7의 합금 FGP1210Mg에서, 첨가제, 이 경우 Mg가 용융 베이스 금속 재료와 첨가된 마그네슘의 총 중량을 기준으로 0.05 내지 1.0 wt.%, 예를 들어 0.18 wt.%의 양으로 순수한 Mg의 덩어리(lumps)로서 한 번의 작업으로 첨가된다. 따라서, 결과의 무화된 분말 금속 재료 또는 주물은 매우 적은 양의 잔류 마그네슘 및 첨가제가 없는 분말과 유사한 전체 황 함량을 포함하며, S는 현재 첨가제와 화학적으로 결합된 상태이고(MgS의 고체 침전물로서) 용융물에 용해된 상태가 아니며, 이것은 더 큰 표면 장력과 따라서 더 구형인 입자를 가져온다. 열역학적 계산은 전체 황 함량이 두 분말에서 유사했음에도 Mg-처리된 분말에서 유리 황 함량이 비-처리 재료의 함량보다 10배 넘게 더 낮았음을 보여주었다.
첨가제(들)는 단일 연속 단계로, 예를 들어 단일 연속 단계로 최대 1.0 wt.%가 첨가될 수 있거나, 또는 일정 시간 기간만큼 서로 이격된 다수 단계로, 예를 들어 각 단계가 최대 0.2 wt.%의 첨가제(들)를 포함하는 3 또는 4 단계로 첨가될 수 있다. 단지 한 번의 연속 마그네슘 처리가 용융 베이스 금속 재료에 적용된다면, 무화 단계는 전형적으로 10 내지 30분 동안 지속된다. 그러나, 무화 단계는 더 많은 용융물의 무화가 수행되는 경우 더 긴 시간 기간 동안 수행될 수 있다. 철-기반 재료를 무 무화할 때, 첨가제(들)는 전형적으로 물 무화 과정 전에 첨가되며, 이로써 무화 단계는 첨가제(들)와 액체 철의 격렬한 반응 후 일어난다. 첨가제(들)는 퍼니스에서 또는 레이들에서 첨가될 수 있으며, 이들은 순수한 금속의 형태로, 또는 첨가제(들)를 포함하는 합금 또는 화합물로서 첨가될 수 있다. 용융 금속 재료에 첨가제(들)를 도입하기 위해 이미 이용가능한 상이한 기술들이 사용될 수 있으며, 제한은 아니지만 예컨대 첨가제(들)를 함유하는 재료의 덩어리들/큰 덩어리(lumps/chunk)를 용융물 위에 직접 넣거나, 또는 코어드 와이어 기술이나 플런저 과정을 사용하여 용융물에 도입할 수 있다.
무화 단계는 또한 구 모양을 가진 복수의 입자를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 입자의 구형성은 두 이미지 분석 지표, 구체적으로 아래 식에 따른 원형도 및 원마도에 의해 계산될 수 있다:
원형도(C) = 4π x ([면적]/[둘레]2)
원마도(R) = 4 x ([면적]/(π x [장축]2)) = 1/AR
여기서 AR = [장축]/[단축].
이미지 분석 지표는 오픈 소스 소프트웨어 ImageJ를 사용하여 계산될 수 있다(http://imagej.nih.gov/ij/). 1.0의 구형성 지수 값은 완벽한 원을 나타낸다.
첨가제(들)가 용해된 황과 반응했을 때, 상기 설명된 방법에 의해 형성된 분말 금속 재료의 원형도의 중간값은 적어도 0.60이고, 상기 설명된 방법에 의해 형성된 분말 금속 재료의 원마도의 중간값도 역시 적어도 0.60이다. 더 바람직하게, 설명된 방법에 의해 형성된 분말 금속 재료의 원형도의 중간값 및 원마도의 중간값은 적어도 0.64이고, 더욱 바람직하게 분말 금속 재료의 원형도의 중간값 및 원마도의 중간값은 적어도 0.68이다.
상기 언급된 대로, 용융 금속 재료에 첨가제(들)를 첨가함으로써(이 경우 Fe-부화 합금에 Mg), 0.6 이상의 원형도 및 원마도 값을 가진 물 무화된 입자의 수가 첨가제(들)가 없는 동일한 물 무화된 재료와 비교하여 적어도 8%만큼 증가했다. 첨가제(들), 예를 들어 마그네슘은 또한 더 적은 내부 산화물을 가져왔고, 용융 금속 재료에 존재하는 잔류 산화물 이중필름의 계면을 밀봉할 수 있었고, 이것은 차례로 더 적고 더 작은 내부 기공을 가진 더 깨끗한 무화된 입자를 생성한다.
도 1-6은 물 무화 과정 전이나 도중에 마그네슘을 첨가함으로써 달성된 개선된 구형성을 나타낸 현미경 사진이다. 각 도면은 -200 메시(74 마이크론 이하)로 스크리닝된 Si-합금 강, 주철 분말 및 스테인리스 스틸(타입 304)을 도시한다. 도 1 및 2에 도시된 재료는 물 무화되었고 1.3 wt.% 탄소 및 1.1 wt.% 규소를 포함한다. 도 1의 재료는 마그네슘을 첨가하지 않고 무화되었고, 본 발명의 예시의 구체예에 따라서, 도 2의 재료는 마그네슘을 첨가해서 무화되었다. 마그네슘이 첨가된 도 2에 도시된 본 발명의 분말 금속 입자의 원형도의 중간값은 0.81인 것으로 계산되었다. 마그네슘이 없는 도 1에 도시된 비교 금속 입자의 원형도의 중간값은 0.71인 것으로 계산되었다. 마그네슘이 첨가된 도 2에 도시된 본 발명의 분말 금속 입자의 원마도의 중간값은 0.72인 것으로 계산되었다. 마그네슘이 없는 도 1에 도시된 비교 금속 입자의 원마도의 중간값은 0.63인 것으로 계산되었다. 도 14 및 15에 도시된 대로, 나머지 실험적으로 시험된 분말에서도 원형도의 중간값과 원마도의 중간값의 개선이 또한 관찰되었다. 요약하면, 보호 분위기를 형성하고 용해된 황과 반응하는 적어도 하나의 첨가제, 예를 들어 마그네슘을 첨가하는 것은 물 무화된 입자의 구형성(원형도 및 원마도)을 기체 무화된 분말의 구형성에 근접한 수준으로 증가시킬 것이다.
무화 단계 후, 방법은 후반 열처리 과정을 포함할 수 있다. 열처리 단계는 아닐링 또는 분말 금속 재료에 전형적으로 적용되는 다른 가열 과정을 포함할 수 있다. 열처리는 제한은 아니지만 질소, 아르곤, 및/또는 수소를 포함하는 분위기 또는 진공과 같은, 비활성 또는 환원 분위기에서 수행된다. 예를 들어, 물 무화 후 환원 분위기에서 아닐링은 표면 산화물을 감소시킬 수 있다. 열처리 단계는 또한 무화된 입자에서 새로운 미세구조 상 및/또는 구성성분, 예를 들어 흑연 침전물 또는 단괴, 탄화물, 또는 질화물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 미세구조 상 및/또는 구성성분도 금속 재료의 조성에 따라 존재할 수 있다. 한 예시의 구체예에서, 금속 재료는 과공정 주철 합금이고, 주철 합금에 존재하는 시멘타이트가 열처리 단계 동안 페라이트 및 타원형(spheroidal) 흑연 단괴로 변형한다. 고 합금강의 열처리 동안 구형 탄화물이 또한 형성된다.
첨가제(들)는 또한 후반 열처리 동안 무화된 입자에서 형성된 미세구조 구성성분 및/또는 상의 구형성을 증가시킬 수 있다. 그러나, 더 둥근 상 및/또는 구성성분은 열처리 후는 물론 무화 직후 분말 금속 재료에도 존재할 수 있다. 미세구조 상은 흑연 침전물, 탄화물, 및/또는 질화물을 포함할 수 있다. 금속 재료의 조성에 따라 다른 미세구조 상 및/또는 구성성분도 존재할 수 있다. 전형적으로, 미세구조 구성성분 및/또는 상은 적어도 0.6의 원형도의 중간값 및 원마도의 중간값을 가진다. 또한, 마그네슘-처리된 재료에 형성된 구성성분 및/또는 상의 적어도 10% 이상, 및 바람직하게 적어도 15% 이상은 첨가제 처리가 없는 동일한 합금과 비교하여 0.6보다 큰 원형도 및 원마도 값을 가진다.
한 예시의 구체예에 따라서, 분말 금속 재료는 철, 예컨대 주철을 적어도 50 wt.%의 양으로 포함하고, 무화된 입자는 흑연 침전물을 포함하며, 여기서 흑연 침전물의 적어도 50%는 0.6 이상의 원형도 및 원마도 값을 가진다. 다른 구체예에서, 금속 재료가 철-기반이며, 예를 들어 도 7의 합금 FGP4025 및 FGP4025Mg이고, 아닐링 단계는 흑연 침전물 또는 단괴를 생성하는 것을 포함하며, 흑연 침전물 또는 단괴는 적어도 0.6의 원형도의 중간값 및 원마도의 중간값을 가진다. 한 예시의 구체예에서, 금속 재료는 과공정 주철 합금이고, 열처리 과정 동안 타원형 흑연 단괴가 형성된다.
도 20 및 21은 물 무화 과정 전이나 도중과 열처리 후에 첨가제(이 경우 마그네슘)를 첨가함으로써 달성된, 미세구조 상 및/또는 구성성분, 구체적으로 흑연 단괴의 개선된 구형성을 도시한 현미경 사진이다. 각 재료는 약 4.0 wt.% 탄소 및 2.3 wt.% 규소를 포함하는 주철 분말이다. 그러나, 도 20의 재료는 마그네슘 첨가 없이 무화되었고, 도 21의 재료는 마그네슘을 첨가하여 무화되었다. 마그네슘을 첨가하지 않은 도 20에 도시된 흑연 단괴의 원마도의 중간값은 0.56인 것으로 계산되었다. 도 21에 도시된 마그네슘을 가진 흑연 단괴의 원마도의 중간값은 0.73인 것으로 계산되었다. 첨가제 처리에 의해 단괴의 개선된 구형성을 보이는 다른 결과들이 도 24 및 25에 제시된다.
무화 과정 후 무화된 입자가 원하는 입자 크기나 형태를 포함하지 않는다면, 방법은 무화된 입자를 밀링하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 무화된 입자는 구형에서 불규칙적인 모양으로 형태를 바꾸고 생 강도(green strength)를 개선하기 위해 밀링될 수 있다.
또한, 첨가된 마그네슘은 입자의 내부 공극을 저하시킬 것으로 예상된다. 예를 들어, 도 16은 임의의 첨가제가 없는 스테인리스 강 분말(SS304, -80 및 +200 메시에서 스크리닝)에서의 다량의 대형 내부 공극을 나타낸다(도 7의 화학 참조). 그러나, 용융물에 0.15 wt.% Mg를 첨가함으로써 무화된 분말에서 내부 공극의 양 및 크기가 도 17에 도시된 대로 유의하게 감소되었다. 각 분말(SS304 및 SS304Mg)에 대해 약 260개 입자의 관찰은 내부 공극을 함유하는 입자의 수가 17%에서 8%로 떨어졌음을 보여주며, 따라서 50%를 초과하는 개선이 있었다. 내부 산화물의 수가 또한 측정되었으며 15%에서 약 10%로 떨어졌고, 따라서 약 33%의 개선이 있었다.
상기 언급된 대로, 첨가제(들)의 도입 후 생성된 자체-생성 보호 분위기는 용융물 표면의 산화를 억제하고 분말에서 내부 산화물의 양을 제한할 것이다. 도 18은 FGP4025 분말의 무화 전에 도가니로부터 턴디시로 주입하는 동안 형성되고 용융물 중 현탁 상태인 규소 산화물 상에 침전한 1차 흑연 단괴를 도시한다. 높은 탄소 함량을 함유하는 Fe-부화 시스템에서, 탄소는 도가니에서 용융물의 산화(고온으로 인한)에 대한 보호를 제공하며, 이것은 도가니에서 산화물의 형성을 방지한다. 첨가제가 없는 분말에서는 이들 상이한 산화물 상에 성장한 다수의 흑연 단괴가 관찰될 수 있다. 비교로서 도 19는 첨가제(도 7의 FGP4025Mg 합금 중 Mg)로 처리된 합금에서 관찰될 수 있는 소수의 1차 흑연 단괴 중 하나를 나타낸다. Mg 기체로 이루어진 보호 분위기가 도가니에서 직접 그리고 주입 동안 내내 용융물의 산화를 제한했기 때문에, 첨가제의 도입 전 용융물에 존재했던 산화물의 양은 첨가제가 없는 용융물에서보다 유의하게 더 적었다. 따라서, FGP4025Mg 분말의 무화 동안 흑연 침전에 매우 적은 기질이 이용될 수 있었다.
상기 설명된 대로, 보호 분위기의 생성과 용해된 황과의 반응에 대한 첨가제(들)의 조합된 효과로 인해, 무화된 입자는 물 무화에 의해 생성되었을 때도 구 모양을 가진다. 무화된 입자의 원형도의 중간값 및 원마도의 중간값은 적어도 0.6이다. 무화된 입자의 입자 크기는 다양할 수 있다. 한 구체예에 따라서, 무화된 입자는 2.5mm 이하의 입자 크기 또는 직경을 가진다. 예를 들어, FPG4025(Mg) 조성물이 2.6 MPa의 수압으로 무화되었을 때 약 2mm 정도의 최대 직경을 가진 입자들이 얻어졌다. 다른 구체예에 따라서, 무화된 입자는 500 마이크론 이하의 입자 크기를 가진다. 예를 들어, 무화된 입자는 -200 메시(74 마이크론 이하)로 스크리닝될 수 있다. 다른 구체예에 따라서, SS304(Mg) 조성물이 7.5 MPa의 수압으로 무화되었을 때 약 400 마이크론 정도의 최대 직경을 가진 입자들이 얻어졌고, 이때 중간 크기는 약 72 마이크론이었다. 또한, 수압을 더 다양하게 하는 것이 가능하며 및/또는 무화된 분말을 상이한 크기로 스크리닝하고 적층 가공을 포함하는 표적 공정에 맞는 크기 분포를 얻는 것이 가능하다.
분말 금속 재료는 전형적으로 물 또는 기체 무화에 의해 형성된다. 그러나, 다른 무화 과정도 다양한 상이한 자동차 또는 비-자동차 용도에 사용될 수 있다. 예를 들어, 무화된 입자는 전형적인 압축 및 소결 과정에서 사용될 수 있다. 무화된 입자는 또한 금속 사출성형, 용사, 및 적층 가공 용도, 예컨대 입체 프린팅 및 선택적 레이저 소결에서 사용될 수 있다.
실험
도 7의 표에 나타낸 조성을 가진 분말 금속 재료의 내부 공극 및 내부 산화물의 구형성을 물 무화 과정 후 측정했다. 조성물 중 4개는 무화 단계 전 용융 금속 재료에 첨가된 마그네슘을 포함했고, 이들 중 3개를 마그네슘이 첨가되지 않은 동일한 재료와 비교했다. 이들 분말 각각에 대해 원료 약 15 내지 25kg을 유도로에서 용융했다. 무화 과정 동안 내내 용융물 위에 아르곤 흐름을 발사했다. 다음에, FGP1210Mg로 지칭된 규소강 및 FGP4025Mg로 지칭된 주철에는 Mg를 순수한 Mg로서 첨가했고, S4-FGP#1로 지칭된 주철에는 약 0.01 wt.% Na와 함께 FeSiMg(3.65 wt.% Mg)로서, 스테인리스 강 분말(SS304Mg)에는 NiMg(15 wt.% Mg)로서 첨가했다. 무화 온도는 규소강은 약 1550℃, 주철 FGP4025Mg는 약 1500℃, 주철 S4-FGP#1은 약 1620℃, 그리고 스테인리스 강은 1640℃였다. 수압은 규소강은 4.5 MPa, 주철 FGP4025Mg는 2.6 MPa, 주철 S4-FGP#1은 5.0 MPa, 그리고 스테인리스 강은 7.5 MPa였다. Mg로 처리된 4개의 분말에 대해 무화는 Mg 첨가 후 약 10 내지 20분에 완료되었다. 상기 상세한 사항은 실험실에서 수행되었지만 유사한 메커니즘 및 경향이 산업 환경에도 적용될 것이다.
도 8은 -200 메시에서 스크리닝된 FGP1210 및 FGP1210Mg 분말의 원형도 빈도 분포를 나타낸다. 도 9는 -200 메시에서 스크리닝된 FGP1210 및 FGP1210Mg 분말의 원마도 빈도 분포를 나타낸다. 도 10은 -200 메시에서 스크리닝된 FGP4025 분말 및 FGP4025Mg 분말의 원형도 빈도 분포를 나타낸다. 도 11은 -200 메시에서 스크리닝된 FGP4025 및 FGP4025Mg 분말의 원마도 빈도 분포를 나타낸다. 도 12는 -200 메시에서 스크리닝된 SS304 및 SS304Mg 분말의 원형도 빈도 분포를 나타낸다. 도 13은 -200 메시에서 스크리닝된 SS304 및 SS304Mg 분말의 원마도 빈도 분포를 나타낸다. 도 14는 도 7의 표에 열거된 각 조성의 원형도에 대한 수치 데이터를 나타낸 표이다. 도 15는 도 7의 표에 열거된 각 조성의 원마도에 대한 수치 데이터를 나타낸 표이다. 모든 이들 시스템에서 Mg는 용해된 황과 반응했기 때문에 원형도 및 원마도의 개선이 이 첨가제로 처리된 모든 분말에서 관찰된다.
도 20은 Mg가 첨가되지 않은 주철 분말 FGP4025의 후반 열처리 과정 동안 고체 상태에서 성장한 흑연 단괴를 나타낸다. 비교로서 도 21은 주철 분말 FGP4025-Mg(Mg 첨가)의 후반 열처리 과정 동안 고체 상태에서 성장한 더 구형인 흑연 단괴를 나타낸다. 두 분말은 동일한 열처리 프로파일하에 동일한 노에서 처리되었다. 도 22는 주철 분말 FGP4025 및 FGP4025Mg에서 고체 상태에서 성장한 흑연 단괴의 원형도 빈도 분포를 나타낸다. 도 23은 주철 분말 FGP4025 및 FGP4025Mg에서 고체 상태에서 성장한 흑연 단괴의 원마도 빈도 분포를 나타낸다. 도 24는 주철 분말 FGP4025 및 FGP4025Mg에서 고체 상태에서 성장한 흑연 단괴의 원형도에 대한 수치 데이터를 나타낸 표이다. 도 25는 주철 분말 FGP4025 및 FGP4025Mg에서 고체 상태에서 성장한 흑연 단괴의 원마도에 대한 수치 데이터를 나타낸 표이다. FGP4025Mg 분말에서 Mg가 용해된 황과 반응했기 때문에 Mg로 처리되지 않은 분말(FGP4025)에 존재하는 흑연 단괴와 비교하여 후반 열처리 과정 동안 고체 상태에서 성장한 흑연 단괴의 원형도 및 원마도의 개선이 관찰되었다.
도 16은 첨가제가 없는 SS304에서 다수의 내부 공극을 보여준다. 도 17은 무화 전 용융물에 Mg의 도입에 의해 도 16의 것들과 비교하여 내부 공극의 양이 저하되었음을 보여준다. 각 분말(SS304 및 SS304Mg)에 대해 약 260개 입자의 관찰은 내부 공극을 함유한 입자의 수가 17%에서 8%로 떨어졌음을 보여주며, 이것은 50%를 초과하는 개선이다. 내부 산화물의 수가 또한 측정되었고 15%에서 약 10%로 떨어졌으며, 이것은 약 33%의 개선이다. 내부 산화물 및 내부 공극의 양의 개선에 대한 정확한 값은 합금, 무화 과정 및 공정 변수에 의존한다는 것을 주지한다. 도 18은 무화 과정의 주입 단계 동안 용융물에 도입된 내부 규소 산화물 상에 침전한 주철 분말 FGP4025(마그네슘이 첨가되지 않은) 중의 많은 불규칙적인 1차 흑연 단괴를 보여준다. 비교로서 도 19는 주철 분말 FGP4025Mg(Mg 첨가된)에서 관찰될 수 있는 소수의 1차 흑연 단괴 중 하나를 나타낸다. Mg의 보호 기체 분위기는 도가니에서 직접 그리고 주입 동안 내내 용융물의 산화를 제한했으며, 첨가제의 도입 전 용융물에 존재했던 산화물의 양은 첨가제가 없는 용융물에서보다 유의하게 더 적었다. 이것은 FGP4025Mg 분말의 무화 동안 흑연 침전에 이용될 수 있는 매우 제한된 양의 기질에 의해 증명된다.
도 27은 분말 S4-FGP#1의 용융물의 주입 후 턴디시 위에서 분위기에 노출 전후에 연마된 순수한 철 표면에 대해 실험적으로 획득된 EDS 스펙트럼을 나타낸다. 이 경우 첨가제는 Mg와 Na였다. 도 27의 스펙트럼은 Mg와 Na로 이루어진 보호 기체 분위기가 용융물의 상부에 형성되었음을 증명한다. 도 26은 S4-FGP#1 합금과 유사한 조성을 가진 용융물 각 100g에서 형성된 보호 기체의 계산된 부피를 나타낸다. 0.11 wt.% Mg+Na의 첨가시 형성된 보호 기체의 양은 최소 부피 한계의 약 5배이다.
도 28 내지 35는 상이한 순수한 금속(Al, Ti, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, 및 Ni)의 용융물 각 100g 및 상이한 양의 다양한 첨가제에서 형성된 보호 기체의 계산된 부피를 나타낸다. 이들 도면은 하나의 특정 화학 시스템에서 보호 기체 분위기를 생성하기 위해 첨가되어야 하는 첨가제의 최소량은 첨가제의 성질에 따라서 변한다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 1650℃에서 철은, Zn으로 이루어진 보호 기체 분위기를 생성하기 위한 Zn의 최소량이 약 0.20 wt.%이지만, Li로 이루어진 보호 기체 분위기를 생성하기 위한 Li의 최소량은 약 0.06 wt.%이다. 도 28 내지 35는 또한 보호 기체 분위기를 생성하기 위한 하나의 특정 첨가제의 최소량은 그것이 사용된 화학 시스템에 따라서 다양하다는 것을 보여준다. 예를 들어, 1650℃에서 철은, Zn으로 이루어진 보호 기체 분위기를 생성하기 위한 Zn의 최소량은 약 0.20 wt.%이지만, 1800℃에서 티타늄은, Zn으로 이루어진 보호 기체 분위기를 생성하기 위한 Zn의 최소량이 약 0.50 wt.%이다.
도 36은 1600℃에서 다양한 합금 원소(28% Cr, 6% Mo, 0.5% Si, 0.5% Fe, 0.5% Mn 및 0.02%S) 및 용융물 중 크로뮴 산화물(Cr2O3)을 함유하는 복합 코발트 합금의 용융물 각 100g에서 형성된 보호 기체의 계산된 부피를 나타낸다. 보호 기체 분위기를 형성한 첨가제는 60 wt. % K와 40 wt.% Li로 이루어진 혼합물이다. 이 시스템에서, 처리될 용융물 부피의 적어도 3배인 기체 부피를 생성하기 위한 첨가제의 최소량은 약 0.025 wt.% K + Li(0.015 wt.% K 및 0.010 wt.% Li)이다. 예를 들어, 0.10 wt.% K + Li가 첨가된다면, 보호 기체 분위기의 부피는 최소 한계의 약 5배인 것으로 계산상 나타났고, 보호 기체의 조성은 약 66 vol.% K 및 27 vol.% Li인 것으로 나타났다. 또한, 첨가제 Li는 용해된 황 및 크로뮴 산화물과 반응한 것으로 계산상 나타났다. 도 26 내지 36에 제시된 예들은 배타적이지 않으며 포괄적이지도 않다.
실험에 기초하면, 첨가제(들)가 용해된 황과 반응했을 때 원형도 및 원마도에 대해 bin ]0.7-1.0]에서 입자의 최소 퍼센트는 전형적으로 30%인 것으로 결론이 내려졌다. 더 바람직하게, 원형도 및 원마도에 대해 bin ]0.7-1.0]에서 입자의 최소 퍼센트는 40%이다. 더욱 바람직하게, 원형도 및 원마도에 대해 bin ]0.7-1.0]에서 입자의 최소 퍼센트는 50%이다.
실험에 기초하면, 첨가제(들)가 용해된 황과 반응했을 때 원형도 및 원마도에 대해 bin ]0.8-1.0]에서 입자의 최소 퍼센트는 전형적으로 15%인 것으로 결론이 내려졌다. 더 바람직하게, 원형도 및 원마도에 대해 bin ]0.8-1.0]에서 입자의 최소 퍼센트는 20%이다. 더욱 바람직하게, 원형도 및 원마도에 대해 bin ]0.8-1.0]에서 입자의 최소 퍼센트는 25%이다.
실험에 기초하면, 첨가제(들)가 용해된 황과 반응했을 때 원형도 및 원마도에 대해 bin ]0.6-1.0]에서 입자의 최소 상대 퍼센트 증가는 첨가제가 없는 분말과 비교하여 전형적으로 8%인 것으로 결론이 내려졌다. 더 바람직하게, 원형도 및 원마도에 대해 bin ]0.6-1.0]에서 입자의 최소 상대 퍼센트 증가는 10%이다. 더욱 바람직하게, 원형도 및 원마도에 대해 bin ]0.6-1.0]에서 입자의 최소 상대 퍼센트 증가는 12%이다.
실험에 기초하면, 첨가제(들)가 용해된 황과 반응했을 때 원형도 및 원마도에 대해 bin ]0.7-1.0]에서 입자의 최소 상대 퍼센트 증가는 첨가제가 없는 분말과 비교하여 전형적으로 15%인 것으로 결론이 내려졌다. 더 바람직하게, 원형도 및 원마도에 대해 bin ]0.7-1.0]에서 입자의 최소 상대 퍼센트 증가는 20%이다. 더욱 바람직하게, 원형도 및 원마도에 대해 bin ]0.7-1.0]에서 입자의 최소 상대 퍼센트 증가는 25%이다.
실험에 기초하면, 첨가제(들)가 용해된 황과 반응했을 때 원형도 및 원마도에 대해 bin ]0.8-1.0]에서 입자의 최소 상대 퍼센트 증가는 첨가제가 없는 분말과 비교하여 전형적으로 20%인 것으로 결론이 내려졌다. 더 바람직하게, 원형도 및 원마도에 대해 bin ]0.8-1.0]에서 입자의 최소 상대 퍼센트 증가는 25%이다. 더욱 바람직하게, 원형도 및 원마도에 대해 bin ]0.8-1.0]에서 입자의 최소 상대 퍼센트 증가는 30%이다.
실험에 기초하면, 첨가제(들)가 용해된 황과 반응했을 때 원형도와 원마도 둘 다에 대해 bin ]0.6-1.0]에서 미세구조 상 및/또는 구성성분의 양의 최소 상대 퍼센트 증가는 첨가제가 없는 분말의 미세구조 상 및 구성성분과 비교하여 전형적으로 10%인 것으로 결론이 내려졌다. 더 바람직하게, bin ]0.6-1.0]에서 미세구조 상 및/또는 구성성분의 양의 최소 상대 퍼센트 증가는 전형적으로 15%이다. 더욱 바람직하게, bin ]0.6-1.0]에서 미세구조 상 및/또는 구성성분의 양의 최소 상대 퍼센트 증가는 전형적으로 20%이다.
이 실험은 물 무화 과정 전이나 도중에 Fe-부화 용융 금속 재료에 마그네슘을 첨가함으로써 마그네슘을 첨가하지 않은 동일한 재료와 비교하여 무화된 분말 금속 재료의 구형성의 증가가 얻어진다는 것을 나타낸다.
명백히 본 발명의 많은 변형 및 변화가 상기 교시에 비추어 가능하며 첨부된 청구항의 범위 내에서 구체적으로 설명된 것과 다르게도 실시될 수 있다. 모든 청구항과 모든 구체예의 모든 특징은 서로 조합될 수 있으며, 이러한 조합은 서로 모순되지 않아야 한다.

Claims (25)

  1. 용융 베이스 금속 재료에 적어도 하나의 첨가제를 첨가하는 단계; 및
    적어도 하나의 첨가제의 적어도 일부를 첨가한 후 용융 금속 재료를 무화하여 복수의 입자를 생성하는 단계를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 첨가제는 처리될 용융 베이스 금속 재료의 부피보다 적어도 3배 더 큰 부피를 가진 용융 금속 재료를 둘러싼 보호 기체 분위기를 형성하는, 분말 금속 재료의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 입자의 중간값 원형도는 적어도 0.60인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 입자의 중간값 원마도는 적어도 0.60인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 무화 단계 후 입자를 열처리하여 미세구조 구성성분 또는 상을 형성하는 단계를 더 포함하며, 미세구조 구성성분 또는 상은 적어도 0.60의 중간값 원형도 및 적어도 0.60의 중간값 원마도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 금속 재료는 철-기반 재료이고, 적어도 하나의 첨가제는 마그네슘을 포함하며, 미세구조 구성성분 또는 상은 흑연 침전물 및/또는 탄화물 및/또는 질화물이고, 상 및/또는 구성성분은 적어도 0.60의 중간값 원형도 및 적어도 0.60의 중간값 원마도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 무화 단계는 물 무화, 기체 무화, 플라즈마 무화, 또는 회전 디스크 무화를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 무화 단계는 물 무화를 포함하고, 물 무화 단계는 2 MPa 내지 150 MPa 및 그 이상의 압력에서 용융 금속 재료에 물을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 베이스 금속 재료는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 티타늄(Ti), 및 크로뮴(Cr) 중 적어도 하나를 포함하며, 베이스 금속 재료는 선택적으로 은(Ag), 붕소(B), 바륨(Ba), 베릴륨(Be), 탄소(C), 칼슘(Ca), 세륨(Ce), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 칼륨(K), 란타늄(La), 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 몰리브데늄(Mo), 질소(N), 나트륨(Na), 니오븀(Nb), 인(P), 황(S), 스칸듐(Sc), 규소(Si), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 텅스텐(W), 이트륨(Y), 아연(Zn), 및 지르코늄(Zr)으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 합금 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 베이스 금속 재료에 첨가된 적어도 하나의 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 베이스 금속 재료는 철-기반 재료이고, 보호 기체 분위기를 형성하는 적어도 하나의 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, 및 Ca 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 베이스 금속 재료는 철-기반이고 불순물로서 존재하는 황을 포함하며, 적어도 하나의 첨가제는 황과 반응하기 위해 Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 베이스 금속 재료는 철-기반이고 불순물로서 존재하는 적어도 하나의 산화물을 포함하며, 적어도 하나의 첨가제는 적어도 하나의 산화물과 반응하기 위해 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 8 항에 있어서, 베이스 금속 재료는 철-기반이고 불순물로서 존재하는 황 및 적어도 하나의 산화물을 포함하며, 보호 기체 분위기를 형성하는 적어도 하나의 첨가제는 Zn, Mg, Li, Sr, 및 Ca 중 적어도 하나를 포함하고, 적어도 하나의 첨가제는 또한 황 및 적어도 하나의 산화물과 반응하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 8 항에 있어서, 베이스 금속 재료는 알루미늄 합금이고 불순물로서 존재하는 황 및/또는 적어도 하나의 산화물을 포함하며, 보호 기체 분위기를 형성하는 적어도 하나의 첨가제는 K 및 Na 중 적어도 하나를 포함하고, 적어도 하나의 첨가제는 황과 반응하기 위해 K, Na, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하며, 및/또는 적어도 하나의 첨가제는 적어도 하나의 산화물과 반응하기 위해 K, Na, Mg, Li, Ca 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 8 항에 있어서, 베이스 금속 재료는 티타늄-기반이고 불순물로서 존재하는 황 및/또는 적어도 하나의 산화물을 포함하며, 보호 기체 분위기를 형성하는 적어도 하나의 첨가제는 Zn, Mg, Li, Ca 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하고, 적어도 하나의 첨가제는 황과 반응하기 위해 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하며, 및/또는 적어도 하나의 첨가제는 적어도 하나의 산화물과 반응하기 위해 Sr, Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 8 항에 있어서, 베이스 금속 재료는 코발트 합금이고 불순물로서 존재하는 황 및/또는 적어도 하나의 산화물을 포함하며, 보호 기체 분위기를 형성하는 적어도 하나의 첨가제는 K, Na, Li, 및 Ca 중 적어도 하나를 포함하고, 적어도 하나의 첨가제는 황과 반응하기 위해 Na, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하며, 및/또는 적어도 하나의 첨가제는 적어도 하나의 산화물과 반응하기 위해 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, Ba 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 8 항에 있어서, 베이스 금속 재료는 크로뮴 합금이고 불순물로서 존재하는 황 및/또는 적어도 하나의 산화물을 포함하며, 보호 기체 분위기를 형성하는 적어도 하나의 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하고, 적어도 하나의 첨가제는 황과 반응하기 위해 K, Na, Zn, Mg, Sr, Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하며, 및/또는 적어도 하나의 첨가제는 적어도 하나의 산화물과 반응하기 위해 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 8 항에 있어서, 적어도 하나의 첨가제는 Mg를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 베이스 금속 재료와 적어도 하나의 첨가제로부터 형성된 복수의 무화된 입자를 포함하는 물 무화된 분말 금속 재료로서, 무화된 입자는 적어도 0.60의 중간값 원형도 및 적어도 0.60의 중간값 원마도를 갖는, 물 무화된 분말 금속 재료.
  20. 제 19 항에 있어서, 베이스 금속 재료는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 티타늄(Ti), 및 크로뮴(Cr) 중 적어도 하나를 포함하며, 베이스 금속 재료는 선택적으로 은(Ag), 붕소(B), 바륨(Ba), 베릴륨(Be), 탄소(C), 칼슘(Ca), 세륨(Ce), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 칼륨(K), 란타늄(La), 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 몰리브데늄(Mo), 질소(N), 나트륨(Na), 니오븀(Nb), 인(P), 황(S), 스칸듐(Sc), 규소(Si), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 텅스텐(W), 이트륨(Y), 아연(Zn), 및 지르코늄(Zr)으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 합금 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 재료.
  21. 제 20 항에 있어서, 적어도 하나의 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 베이스 금속 재료와 적어도 하나의 첨가제로부터 형성된 복수의 무화된 입자를 포함하는 물 무화된 분말 금속 재료로서, 무화된 입자는 미세구조 구성성분 또는 상을 포함하고, 미세구조 구성성분 또는 상은 적어도 0.60의 중간값 원형도 및 적어도 0.60의 중간값 원마도를 갖는, 물 무화된 분말 금속 재료.
  23. 제 22 항에 있어서, 베이스 금속 재료는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 티타늄(Ti), 및 크로뮴(Cr) 중 적어도 하나를 포함하며, 베이스 금속 재료는 선택적으로 은(Ag), 붕소(B), 바륨(Ba), 베릴륨(Be), 탄소(C), 칼슘(Ca), 세륨(Ce), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 칼륨(K), 란타늄(La), 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 몰리브데늄(Mo), 질소(N), 나트륨(Na), 니오븀(Nb), 인(P), 황(S), 스칸듐(Sc), 규소(Si), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 텅스텐(W), 이트륨(Y), 아연(Zn), 및 지르코늄(Zr)으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 합금 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 재료.
  24. 제 23 항에 있어서, 적어도 하나의 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 23 항에 있어서, 베이스 금속 재료는 철-기반 재료이고, 적어도 하나의 첨가제는 Mg를 포함하며, 미세구조 구성성분 또는 상은 흑연 침전물이고, 흑연 침전물은 적어도 0.60의 중간값 원형도 및 적어도 0.60의 중간값 원마도를 갖는 것을 특징으로 하는 분말 금속 재료.
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