KR20190096334A - 액체 금속을 위한 자체 생성된 보호 분위기 - Google Patents

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질 레스페랑스
필리프 불리
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Abstract

샌드 캐스팅, 퍼머넌트 몰드 캐스팅, 인베스트먼트 캐스팅, 로스트 폼 캐스팅, 다이 캐스팅, 또는 원심 주조에 의한 주조 부품, 또는 물, 기체, 플라즈마, 초음파, 또는 회전 디스크 무화에 의해 분말 금속 재료를 제조하는 개선된 방법이 제공된다. 이 방법은 주조 또는 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 주조 부품 또는 무화된 입자는 더 적은 내부 기공, 더 적은 내부 산화물, 적어도 0.60의 중간값 원형도, 적어도 0.60의 중간값 원마도 및 미세구조 상 및/또는 구성성분의 증가된 구형성의 이점 중 적어도 하나를 포함한다.

Description

액체 금속을 위한 자체 생성된 보호 분위기
관련 출원에 대한 상호 참조
본 특허출원은 2016년 10월 17일자 제출된 미국 가 특허출원 no. 62/409,192 및 2017년 9월 1일자 제출된 미국 실용 특허출원 no. 15/693,747에 대한 우선권을 주장하며, 이들의 내용은 그 전체가 참고로 여기 포함된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 금속 재료에 관한 것이며, 더 구체적으로는 무화되거나(atomized) 또는 고화되어(solidified) 분말 금속 또는 주물(castings)을 형성할 수 있는 용융 금속 재료, 및 그것의 형성 방법에 관한 것이다.
분말 금속 재료는 물 무화(atomization), 기체 무화, 플라즈마 무화, 초음파 무화 또는 회전 디스크에 의한 것과 같은 다양한 과정에 의해 형성될 수 있다. 분말 금속 재료는 압축(pressed) 및 소결, 금속 사출성형, 및 적층 가공(additive manufacturing)과 같은 여러 상이한 기술에서 사용된다. 금속 주물이 또한 자동차 및 비-자동차 부품을 포함하는 다양한 기술에서 통상 사용되며, 샌드 캐스팅, 퍼머넌트 몰드 캐스팅, 인베스트먼트 캐스팅, 로스트 폼 캐스팅, 다이 캐스팅, 또는 원심 주조와 같은 다양한 과정에 의해 생산된다. 무화 및 주조 과정은 둘 다 용융 금속 재료를 가지고 시작한다. 통상의 무화 과정은 용융 금속 재료에 유체(물, 기체, 오일, 초음파, 또는 플라즈마)를 적용하여 복수의 입자를 형성하는 것을 포함한다. 주조 과정은 전형적으로 원하는 모양을 가진 몰드에 용융 금속 재료를 붓고 액체 금속이 고화하도록 둔 다음 몰드로부터 금속 부품을 제거하는 것을 포함한다.
본 발명의 한 양태는 분말 금속 재료의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 용융 베이스 금속 재료에 적어도 하나의 첨가제를 첨가하는 단계; 및 적어도 하나의 첨가제의 적어도 일부를 첨가한 후 용융 베이스 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 베이스 금속 재료를 둘러싼 보호 기체 분위기를 형성한다. 본 발명의 다른 양태는 자체-생성(self-generated) 보호 분위기를 가진 용융 금속 재료로부터 형성된 분말 금속 재료를 제공한다.
본 발명의 다른 양태는 주조 부품의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 용융 베이스 금속 재료에 적어도 하나의 첨가제를 첨가하는 단계; 및 적어도 하나의 첨가제의 적어도 일부를 첨가한 후 용융 금속 재료를 주조하는 단계를 포함하며, 상기 적어도 하나의 첨가제는 처리될 용융 베이스 금속 재료의 부피보다 적어도 3배 더 큰 부피를 가진 용융 베이스 금속 재료를 둘러싼 보호 기체 분위기를 형성한다. 본 발명의 다른 양태는 자체-생성 보호 분위기를 가진 용융 금속 재료로부터 형성된 주물을 제공한다.
두 방법 모두 용융 베이스 금속 재료에서 자체-생성 보호 분위기를 제조하는 것을 포함한다. 용융 베이스 금속 재료에 적어도 하나의 첨가제를 첨가하는 것은 용융물의 품질을 개선할 수 있다. 적어도 하나의 첨가제는 산화에 대한 보호 장벽으로서 작용하는 보호 분위기를 생성할 수 있다. 보호 분위기는 또한 황(S) 및/또는 산소(O2)와 같은 불순물이 용융 금속 재료로 들어가거나 다시 들어가는 것을 방지하는 장벽으로서 작용한다. 따라서, 적어도 하나의 첨가제는 공정의 용융 및 주입(pouring) 단계 동안 산화를 제한하고 내부 산화물의 양을 제한할 수 있다. 추가로, 분말 입자의 물리적 구조 및/또는 고화된 금속 재료에서의 미세구조적 특징이 재료 특성을 개선하거나 그에 영향을 미치기 위해 변경될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 첨가제는 또한 크기 및 형태와 같은 침전물의 미세구조 조작에 기여할 수 있다.
용융 금속 재료가 무화될 때 적어도 하나의 첨가제는 결과의 분말 입자의 모양 및 형태를 조작할 수 있다. 또한, 분말 무화의 경우, 적어도 하나의 첨가제는 결과의 분말 입자의 원마도(roundness) 및 구형성(sphericity)을 개선한다. 분말 및 주물에서 내부 공극(porosity)의 양이 또한 저하될 수 있다.
무화 단계는 또한 구 모양을 가진 복수의 입자를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 무화된 그 상태, 주조된 그 상태 또는 열처리된 상태의 무화된 입자 또는 주물에서 입자의 구형성 및 미세구조 상 또는 구성성분 모양의 구형성은 두 이미지 분석 지표, 구체적으로 아래 식에 따른 원형도(circularity) 및 원마도에 의해 결정될 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 ImageJ(http://imagej.nih.gov/ij/)와 같은 오픈 소스 소프트웨어를 사용하여 계산될 수 있다. 1.0의 구형성 지수 값은 완벽한 원을 나타낸다.
첨부한 도면과 함께 이후의 상세한 설명을 참조하여 본 발명의 다른 이점들이 더 잘 이해되며 쉽게 인정될 것이다.
도 1 내지 3은 다양한 화학 시스템(Al, Cu, Mn, Ni, Co, Fe, Ti, 및 Cr)에서 각각 보호 기체 분위기를 생성하고, 산화물과 반응하며, 황과 반응하는 첨가제("x"로 표시된 셀)를 나타낸다.
도 4는 예시의 조성에서 첨가제(들)의 양의 함수로서 생성된 기체의 계산된 전체 부피의 곡선을 나타낸다.
도 5는 도 4에 설명된 분말의 무화 과정 동안 턴디시 위에서 분위기에 노출 전후 연마된 순수 철 표면에 대해 실험적으로 획득된 EDS 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6은 상이한 온도(800 및 900℃)에서 알루미늄 중 나트륨(Na) 및 칼륨(K) 첨가제에 의해 생성된 기체의 계산된 부피를 나타낸 그래프이며, 여기서 점선은 기체의 최소 한계를 나타낸다.
도 7은 1800℃의 온도에서 티타늄 중 상이한 첨가제들에 의해 생성된 기체의 계산된 부피를 나타낸 그래프이며, 여기서 점선은 기체의 최소 한계를 나타낸다.
도 8은 1600℃의 온도에서 코발트 중 상이한 첨가제들에 의해 생성된 기체의 계산된 부피를 나타낸 그래프이며, 여기서 점선은 기체의 최소 한계를 나타낸다.
도 9는 2000℃의 온도에서 크로뮴 중 상이한 첨가제들에 의해 생성된 기체의 계산된 부피를 나타낸 그래프이며, 여기서 점선은 기체의 최소 한계를 나타낸다.
도 10은 1200℃의 온도에서 구리 중 상이한 첨가제들에 의해 생성된 기체의 계산된 부피를 나타낸 그래프이며, 여기서 점선은 기체의 최소 한계를 나타낸다.
도 11은 1650℃의 온도에서 철 중 상이한 첨가제들에 의해 생성된 기체의 계산된 부피를 나타낸 그래프이며, 여기서 점선은 기체의 최소 한계를 나타낸다.
도 12는 1400℃의 온도에서 망간 중 상이한 첨가제들에 의해 생성된 기체의 계산된 부피를 나타낸 그래프이며, 여기서 점선은 기체의 최소 한계를 나타낸다.
도 13은 1600℃의 온도에서 니켈 중 상이한 첨가제들에 의해 생성된 기체의 계산된 부피를 나타낸 그래프이며, 여기서 점선은 기체의 최소 한계를 나타낸다.
도 14는 첨가제(K 및 Li)의 양의 함수로서 1600℃의 온도에서 복합 코발트 합금의 용융물 100g 당 얻어진 기체의 계산된 전체 부피를 나타낸 그래프이다.
도 15는 마그네슘이 첨가되지 않은 물 무화된 과공정(hypereutectic) 주철 분말의 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 16은 마그네슘이 첨가된 다른 물 무화된 과공정 주철 분말의 역산란 전자 현미경 사진이며, 이 경우 무화 과정 동안 Mg를 함유하는 비균질 산화물 핵 상에 하나의 구형 1차 흑연 단괴가 침전했다.
도 17은 마그네슘이 첨가되지 않은 약 4.0% C 및 2.3% Si를 함유하는 물 무화된 과공정 주철 분말의 역산란 전자 현미경 사진이며, 이 경우 후반 열처리 과정 동안 고체 상태로 성장한 흑연 단괴가 존재한다.
도 18은 예시의 구체예에 따른, 마그네슘이 첨가된 다른 물 무화된 과공정 주철 분말의 현미경 사진이며, 이 경우 후반 열처리 과정 동안 고체 상태로 성장한, 도 17에 존재하는 것들과 비교하여 더 구형인 흑연 단괴가 존재한다.
도 19는 도 17 및 18에 나타낸 물 무화된 과공정 주철 분말에서 관찰된 흑연 단괴의 원형도 빈도 분포를 도시한다.
도 20은 도 17 및 18에 나타낸 물 무화된 과공정 주철 분말에서 관찰된 흑연 단괴의 원마도 빈도 분포를 도시한다.
도 21은 도 17 및 18에서 관찰된 두 과공정 주철 분말에 대해서 고체 상태로 성장한 흑연 단괴의 원형도에 대한 수치 데이터를 나타낸 표이다.
도 22는 도 17 및 18에서 관찰된 두 과공정 주철 분말에 대해서 고체 상태로 성장한 흑연 단괴의 원마도에 대한 수치 데이터를 나타낸 표이다.
도 23은 -80/+200 메시(177 내지 74 마이크론)에서 스크리닝된 마그네슘이 첨가되지 않은 물 무화된 스테인리스 강 분말의 역산란 전자 현미경 사진이며, 여기서 붉은색 화살표는 내부 공극을 가리킨다.
도 24는 -80/+200 메시(177 내지 74 마이크론)에서 스크리닝된 마그네슘이 첨가된 다른 물 무화된 스테인리스 강 분말의 역산란 전자 현미경 사진이며, 여기서 하나의 붉은색 화살표는 도 23의 것들과 비교하여 단지 하나의 더 작은 내부 공극을 가리킨다.
도 25는 -200 메시(74 마이크론 이하)에서 스크리닝된 마그네슘이 첨가되지 않은 약 1.3% C 및 1.1% Si를 함유하는 규소 분말과 합금된 물 무화된 고 탄소강의 광학 현미경 사진이며, 여기서 붉은색 화살표는 내부 공극을 가리킨다.
도 26은 한 예시의 구체예에 따른, -200 메시(74 마이크론 이하)에서 스크리닝된 마그네슘이 첨가된 약 1.4% C 및 1.1% Si를 함유하는 규소와 합금된 비교를 위한 물 무화된 고 탄소강의 광학 현미경 사진이며, 여기서 붉은색 화살표는 도 25의 분말보다 더 적은 내부 공극을 가리킨다.
도 27은 평가된 표에 열거된 조성을 포함한다.
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, 초음파 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. 본 발명의 다른 양태는 용융 금속 재료에 적어도 하나의 첨가제를 첨가함에 의한 용융 금속 재료로부터 샌드 캐스팅, 퍼머넌트 몰드 캐스팅, 인베스먼트 캐스팅, 로스트 폼 캐스팅, 다이 캐스팅, 또는 원심 주조와 같은 과정에 의해 주물을 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 첨가제에 의해 생성된 보호 분위기는 용융물로부터 보호 기체가 나옴에 따라 용융 재료의 표면으로부터 불순물을 멀리 밀어냄으로써 황(S) 및/또는 산소(O2) 등과 같은 불순물이 용융 금속 재료로 들어가거나 다시 들어가는 것을 방지하는 장벽으로서 작용한다. 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 용융물로부터 형성된 무화된 입자의 구형성을 증가시키고 및/또는 무화된 입자 또는 주물에서 미세구조 상 및 구성성분의 구형성을 증가시킬 것이다.
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 접혀서 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.
주조가 이용되었을 때, 용융 금속 재료에 첨가제(들)를 첨가하는 것은 주물에서 및/또는 후속 열처리 과정 동안 형성된 미세구조 구성성분 및/또는 상의 구형성을 증가시킬 수 있다. 용융 금속 재료에 첨가제(들)를 첨가하는 것은 또한 용융물의 표면으로부터 새로운 산화물의 형성 및 비말동반을 제한하고 첨가제(들)의 도입 전에 용융물에 이미 존재하는 것들과 반응함으로써 더 깨끗한 주물을 생성할 수 있다. 이들 산화물은 산화물의 필름들이 접혀서 산화물 필름 사이에 약한 계면이 남는 이중필름을 형성할 수 있다. 첨가제(들)는 또한 많은 주물에서 직면하는 문제인 내부 공극의 양 및 크기를 저하시킬 수 있다.
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 용융 금속 재료의 부피의 적어도 3배가 되도록 선택되어야 한다. 예를 들어 0.22 중량 퍼센트(wt.%) 마그네슘이 철-부화 용융물에 첨가된다면, 생성된 기체 부피는 처리될 용융물의 초기 부피의 3배로서 한정되는 보호 분위기를 제공하기 위해 필요한 기체의 최소 한계의 약 20배가 될 것이다.
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 금속 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.
"합금 원소"라고 설명된 원소들과 "첨가제"라고 설명된 것들은 구별되어야 한다. 합금 원소는 베이스 금속 재료에 용액 상태로 존재하며 및/또는 최종 부품/분말에서 상이한 상/구성성분을 형성할 것이다. 합금 원소는 부품의 미세구조 및 특성에 영향을 미칠 것이다. 예를 들어 Fe에서 C는 시멘타이트를 형성할 것이고, 이것은 강도를 증가시킨다. 첨가제는 보호 기체 분위기를 생성하거나, S 및/또는 산화물과 반응하기 위해 용융물에 첨가된 원소로서 정의된다. 도 1 내지 3은 상이한 베이스 금속 재료 중 첨가제의 완전한 리스트를 포함한다. 하나의 특정 원소는 하나의 베이스 재료에서는 합금 원소이지만 다른 베이스 재료에서는 첨가제일 수 있다. 예를 들어, Mg는 Al-부화 합금에서는 합금 원소이지만 Fe-부화 합금에서는 첨가제이다. 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. 예를 들어, 알루미늄 합금(Al-5000 시리즈)에서는 합금 원소로서 Mg가 사용되므로 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. 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 증가시키고 보호 분위기를 생성하기 위해 상이한 첨가제들의 조합이 사용되어야 한다.
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 1에 제공되며, 바람직한 첨가제가 표시된다.
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 생성하고 바륨(Ba)은 황과 반응할 것이다.
보호 분위기는 무화된 입자 및 주물에서 산화물의 양을 제한하며, 또한 무화된 입자 및 주물에서 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 이중필름(약하게 결합된 산화물의 중첩된 필름)의 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 중첩된 필름들 간 계면의 결합을 돕고, 이로써 기공이 형성되도록 분리될 수 없는 더 강한 계면이 생성된다는 것이다. 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 2에 제공된다.
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 3에 제공된다.
또한, 특정 첨가제는 보호 기체 분회기를 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, 용융 금속 재료는 분말 금속을 형성하기 위해, 예를 들어 물 또는 기체 무화에 의해 무화될 수 있다. 또는 달리, 용융 금속 재료는 주물로 형성될 수 있다.
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-4V 또는 Ti-6Al로 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 4-14는 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 4는 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 분말 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 부피인 보호 분위기를 제공하기 위해 얻어져야 하는 기체의 최소 한계를 표시한다. 이 특정한 예에서, 계산된 기체량은 최소 한계의 약 5배이다.
도 5는 도 4에 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 6은 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 7은 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 8 내지 13은 상이한 시스템(Co, Cr, Cu, Fe, Mn, 및 Ni)에서 상이한 첨가제들에 대한 최소량의 다른 예들을 나타낸다. 도 14는 복합 코발트 합금에서 첨가제(K + Li)의 계산된 최소량을 나타낸다.
용융 베이스 금속 재료에 적어도 하나의 첨가제를 첨가한 후, 용융물은 무화되거나 주조될 수 있다. 물 무화가 기체 무화보다 대체로 바람직한데, 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.
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, 첨가제, 이 경우 Mg가 용융 베이스 금속 재료(철-부화 합금)와 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 재료와 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 입자, 및/또는 더 구형인 미세구조 상 및 구성성분, 및/또는 더 적은 양은 내부 공극을 가져온다. 열역학적 계산은 전체 황 함량이 두 재료에서 유사했음에도 Mg-처리된 철-부화 재료에서 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. 또한 또는 다르게는, 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 덩어리/큰 덩어리(lumps/chunks)를 용융물 위에 또는 퍼니스/도가니의 바닥에, 또는 몰드에 직접 넣거나, 또는 코어드 와이어 기술이나 플런저 과정을 사용하여 용융물에 도입할 수 있다. 예를 들어, 코어드 와이어 기술은 Mg-부화 합금으로 충전된 스틸 시스(steel sheath)를 사용하며, 공정 변수에 의존하는 속도로 용융물에 도입된다. 플런저 기술은 Mg 함유 주 합금이 위치된 용기를 사용하며, 이 용기가 액체 주철에 담가진다. 따라서, 마그네슘이 표면으로부터 떨어져 용융물에 더 깊게 액체 주철과 접촉하게 된다.
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 가깝게 할 수 있었다. 이것은 차례로 더 깨끗한 무화된 입자 및 더 적고 더 작은 내부 공극을 가진 더 깨끗한 주물을 생성한다.
무화 또는 주조 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 수행될 수 있다. 예를 들어, 물 무화 후 환원 분위기에서 아닐링은 표면 산화물을 감소시킬 수 있다. 열처리 단계는 또한 무화된 입자 또는 주물에서 새로운 미세구조 상 및/또는 구성성분, 예를 들어 흑연 침전물 또는 단괴, 탄화물, 또는 질화물을 형성하기 위해 사용될 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(도 17 및 18 참조). 고 합금강의 열처리 동안 구형 탄화물이 또한 형성된다. 제한은 아니지만 용융물 위에 질소(N2) 흐름의 발사, 또는 아르곤(Ar) 스트림의 발사와 같이, 여기 설명된 자체-생성 보호 분위기와 함께 외부 보호 분위기 또는 진공 시스템이 또한 사용될 수 있다. 용융물은 또한 보호 비활성 분위기 또는 진공 시스템을 가진 챔버에 봉입될 수 있다. 이들 시스템은 공정의 효능을 증가시킬 수 있다.
첨가제(들)는 또한 후반 열처리 동안 무화된 입자 또는 주물에서 형성된 미세구조 구성성분 및/또는 상의 구형성을 증가시킬 수 있다. 그러나, 더 둥근 상 및/또는 구성성분은 열처리 후는 물론 무화 직후 분말 금속 재료나 주조된 그 상태의 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(median) 및 원마도의 중간값을 가진다. 또한, 마그네슘-처리된 철-기반 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-기반이고 Mg로 처리되었을 때, 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 Mg로 처리된 과공정 주철 합금이고, 열처리 과정 동안 타원형 흑연 단괴가 형성된다.
상기 언급된 대로, 첨가제(들)의 도입 후 생성된 자체-생성 보호 분위기는 용융물의 표면 산화를 억제하고, 무화 후 분말 및 고화 후 주물에서 내부 산화물의 양을 제한할 것이다. 도 15는 도가니에서 턴디시로 주입하는 동안 형성된 용융물 중 현탁 상태의 규소 산화물 상에 침전한 과공정 주철 분말에서 1차 흑연 단괴를 나타낸다; 이 합금은 임의의 첨가제로 처리되지 않았다. 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 16은 첨가제(Mg)로 처리된 과공정 주철 분말에서 관찰될 수 있는 상대적으로 적은 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, 고화 동안 흑연 침전에 매우 적은 기질이 이용될 수 있었고, 더 적은 흑연 단괴가 존재한다.
상기 언급된 대로, 용융 금속 재료는 분말 금속 재료를 형성하기 위해 무화될 수 있거나, 또는 고화된 부품을 형성하기 위해 주조될 수 있다. 분말 금속 재료는 전형적으로 물 또는 기체 무화에 의해 형성되지만 다른 무화 과정도 사용될 수 있다. 개시된 방법으로 얻어진 분말 및 주물은 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, 전자 빔 용융, 바인더 젯팅 및 선택적 레이저 소결에서 사용될 수 있다.
용융 금속 재료가 주조될 때, 방법은 베이스 금속 재료를 용융하는 단계, 및 다음에 베이스 금속 재료에 적어도 하나의 첨가제를 첨가하는 단계를 포함한다. 다음에, 방법은 용융 금속 재료를 원하는 모양을 가진 몰드에 주입하는 단계, 및 액체 금속이 고화하도록 둔 후 몰드로부터 고화된 금속 부품을 제거하는 단계를 포함한다.
실험
도 17은 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 17의 재료는 마그네슘 첨가 없이 무화되었고, 도 18의 재료는 마그네슘을 첨가하여 무화되었다. 마그네슘을 첨가하지 않은 도 17에 도시된 흑연 단괴의 원마도의 중간값은 0.56인 것으로 계산되었다. 도 18에 도시된 마그네슘을 가진 흑연 단괴의 원마도의 중간값은 0.73인 것으로 계산되었다. 첨가제 처리에 의해 단괴의 개선된 구형성을 보이는 다른 결과들이 도 19 내지 22에 제시된다.
도 23 및 24는 본 발명의 예시의 구체예에 따른 더 낮은 내부 공극 함량을 도시한다. 이 예에서는 304 스테인리스 강이 물 무화되었다. 도 24에 제시된 분말은 Mg로 처리되었고 더 적은 양의 내부 공극을 보였다.
도 25 및 26은 본 발명의 예시의 구체예에 따른 더 낮은 내부 공극 함량을 도시한다. 이 예에서는 규소와 합금된 고 탄소강이 물 무화되었다. 도 26에 제시된 분말은 Mg로 처리되었고 더 적은 양의 내부 공극을 보였다.
도 27은 본 발명의 예시의 구체예의 화학 조성을 나타낸다.
명백히 본 발명의 많은 변형 및 변화가 상기 교시에 비추어 가능하며 아래 청구항의 범위 내에서 구체적으로 설명된 것과 다르게도 실시될 수 있다. 특히, 모든 청구항과 모든 구체예의 모든 특징은 서로 조합될 수 있으며, 이러한 조합은 서로 모순되지 않아야 한다.

Claims (28)

  1. 용융 베이스 금속 재료에 적어도 하나의 첨가제를 첨가하는 단계; 및
    적어도 하나의 첨가제의 적어도 일부를 첨가한 후 용융 베이스 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 베이스 금속 재료를 둘러싼 보호 기체 분위기를 형성하는, 분말 금속 재료의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 용융 베이스 금속 재료는 철-기반이고, 적어도 하나의 첨가제는 마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 무화 단계는 물 무화, 기체 무화, 플라즈마 무화, 초음파 무화 또는 회전 디스크 무화를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 용융 베이스 금속 재료는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 티타늄(Ti), 및 크로뮴(Cr) 중 적어도 하나를 포함하며, 용융 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.
  5. 제 4 항에 있어서, 적어도 하나의 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 용융 베이스 금속 재료는 철-기반이고, 보호 기체 분위기를 형성하는 적어도 하나의 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, 및 Ca 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 4 항에 있어서, 용융 베이스 금속 재료는 철-기반이고 불순물로서 존재하는 황을 포함하며, 적어도 하나의 첨가제는 Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 4 항에 있어서, 용융 베이스 금속 재료는 철-기반이고 불순물로서 존재하는 적어도 하나의 산화물을 포함하며, 적어도 하나의 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 4 항에 있어서, 용융 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 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 4 항에 있어서, 용융 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.
  11. 제 4 항에 있어서, 용융 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.
  12. 제 4 항에 있어서, 용융 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.
  13. 제 4 항에 있어서, 용융 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.
  14. 제 4 항에 있어서, 용융 베이스 금속 재료는 철-기반이고, 적어도 하나의 첨가제는 Mg를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 용융 베이스 금속 재료에 적어도 하나의 첨가제를 첨가하는 단계; 및
    적어도 하나의 첨가제의 적어도 일부를 첨가한 후 용융 금속 재료를 주조하는 단계를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 첨가제는 처리될 용융 베이스 금속 재료의 부피보다 적어도 3배 더 큰 부피를 가진 용융 베이스 금속 재료를 둘러싼 보호 기체 분위기를 형성하는, 주조 부품의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 용융 베이스 금속 재료는 철-기반이고, 적어도 하나의 첨가제는 마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 주조 단계는 샌드 캐스팅, 퍼머넌트 몰드 캐스팅, 인베스트먼트 캐스팅, 로스트 폼 캐스팅, 다이 캐스팅, 또는 원심 주조를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 15 항에 있어서, 용융 베이스 금속 재료는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 티타늄(Ti), 및 크로뮴(Cr) 중 적어도 하나를 포함하며, 용융 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.
  19. 제 18 항에 있어서, 적어도 하나의 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 용융 베이스 금속 재료는 철-기반이고, 보호 기체 분위기를 형성하는 적어도 하나의 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, 및 Ca 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 18 항에 있어서, 용융 베이스 금속 재료는 철-기반이고 불순물로서 존재하는 황을 포함하며, 적어도 하나의 첨가제는 Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 18 항에 있어서, 용융 베이스 금속 재료는 철-기반이고 불순물로서 존재하는 적어도 하나의 산화물을 포함하며, 적어도 하나의 첨가제는 K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 18 항에 있어서, 용융 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 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 18 항에 있어서, 용융 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.
  25. 제 18 항에 있어서, 용융 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.
  26. 제 18 항에 있어서, 용융 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.
  27. 제 18 항에 있어서, 용융 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.
  28. 제 18 항에 있어서, 용융 베이스 금속 재료는 철-기반이고, 적어도 하나의 첨가제는 Mg를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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