KR20220023823A

KR20220023823A - 나노결정질 금속 분말의 사출 성형을 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20220023823A
Application number: KR1020217034686A
Authority: KR
Inventors: 앨런 씨. 런드; 트로이 홀랜드; 룩크 이스트먼 조겐스
Original assignee: 벨록신트 코포레이션
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2022-03-02
Also published as: WO2020198658A1; JP2022527477A; CN115052696A; EP3946779A1

Abstract

본원에 개시된 양태는 일반적으로 나노결정질 금속 사출 성형(Nanocrystalline Metal Injection Molding: NMIM) 공정을 이용하여 나노결정질 및/또는 미세결정질 금속 합금 제품을 생성하기 위해 나노결정질 금속 합금 입자 또는 분말을 이용하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 일부 양태에서, NMIM을 이용하여 금속 제품을 제조하기 위한 방법은 복수의 나노결정질 금속 입자를 결합제와 혼합하여 성형 공급원료를 형성하는 단계, 상기 성형 공급원료를 금형으로 이송하여 성형 구조물을 형성하는 단계, 상기 성형 구조물을 탈지하는 단계 및 상기 성형 구조물을 소결하여 금속 합금 제품을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 금속 합금 제품은 적어도 90 %의 상대 밀도를 가진다. 일부 양태에서, 상기 성형 공급원료는 약 55 vol% 미만의 상기 나노결정질 금속 입자를 포함할 수 있다.

Description

나노결정질 금속 분말의 사출 성형을 위한 시스템 및 방법

본 출원은 2019년 3월 28일에 출원된 미국 가출원 제 62/825,611호 "나노결정질 금속 분말의 사출 성형을 위한 시스템 및 방법"에 대한 우선권 및 이익을 주장하며, 전체 개시는 그 전체가 참조로서 본원에 포함된다.

본원에 설명된 양태는 일반적으로 나노결정질 금속 합금 분말의 사출 성형을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 나노결정질 금속 합금 성형 화합물이 사용되는 경우, 금속 입자의 사출 성형을 위한 종래의 방법은 종종 산화적으로 불안정한 배합 물질 및 증가된 결함 발생률 및 불만족스러운 기계적 특성을 갖는 소결 부품을 초래한다. 또한, 나노결정질 금속 입자의 높은 표면적으로 인해 금속 사출 성형 공정에서 나노결정질 금속 입자를 사용할 때 높은 고형물 부하(solid loading)를 달성하는 것은 상당히 어려울 수 있다.

본원에 설명된 양태는 일반적으로 나노결정질 금속 사출 성형(Nanocrystalline Metal Injection Molding: NMIM) 공정을 이용하여 나노결정질 및/또는 미세결정질 금속 합금 제품을 생성하기 위해 나노결정질 금속 합금 입자 또는 분말을 사용하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

일부 양태에서, NMIM을 사용하는 금속 제품 제조하기 위한 방법은 복수의 나노결정질 금속 입자를 결합제와 혼합하여 성형 공급원료를 형성하는 단계, 상기 성형 공급원료를 금형으로 이송하여 성형 구조물을 형성하는 단계, 상기 성형 구조물을 탈지하는 단계 및 상기 성형 구조물을 소결하여 금속 합금 제품을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 금속 합금 제품은 적어도 약 90 %의 상대 밀도를 갖는다. 일부 양태에서, 상기 성형 공급원료는 약 55 vol% 미만의 상기 나노결정질 금속 입자를 포함할 수 있다.

일부 양태에서, 상기 탈지화 단계는 열 탈지화, 촉매 탈지화 및/또는 화학적 탈지화를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 상기 방법은 압력 용기에서 상기 금속 합금 제품을 프레스 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 상기 성형 공급원료는 약 52 vol% 미만의 상기 나노결정질 금속 입자를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 상기 성형 공급원료는 약 48 vol% 내지 약 55 vol% 미만의 상기 나노결정질 금속 입자를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 상기 금속 합금 제품은 적어도 약 95 %, 적어도 약 98 % 또는 적어도 약 99 %의 상대 밀도를 가질 수 있다. 일부 양태에서, 상기 나노결정질 금속 입자는 습윤제, 윤활제 또는 NMIM 공정 중 배합에 도움이 될 수 있는 기타 화합물과 혼합될 수 있다. 일부 양태에서, 상기 나노결정질 금속 입자의 질량분율에 대한 상대 밀도의 비는 적어도 약 1.5:1, 적어도 약 1.75:1, 적어도 약 1.8:1, 적어도 약 1.85:1 또는 적어도 약 1.9:1이다.

도 1은 나노결정질 금속 분말의 사술 성형을 통해 금속 합금 제품을 생산하는 방법(100)을 도시한다.

본원에 설명된 양태는 일반적으로 나노결정질 금속 사출 성형(Nanocrystalline Metal Injection Molding: NMIM)을 이용하여 금속 합금 제품을 생성하기 위해 나노결정질 금속 합금 입자 또는 분말을 사용하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 일부 양태에서, NMIM을 이용하여 금속 제품을 제조하기 위한 방법은 복수의 금속 입자를 결합제와 혼합하여 성형 공급원료를 제공하는 단계, 성형 공급원료를 금형으로 이송하여 성형 구조물을 형성하는 단계, 성형 구조물을 탈지하는 단계 및 성형 구조물을 소결하여 소결 제품을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 양태에서, 탈지화 단계는 열 탈지화, 촉매 탈지화 및 화학적 탈지화 중 적어도 하나을 포함한다. 일부 양태에서, 금속 입자는 나노결정질일 수 있다.

사출 장치를 통해 금속 사출 성형(Metal Injection Molding: MIM)으로부터 생성된 금속 합금 제품은 흔히 성형 공급원료 중 금속 입자의 중량 백분율(즉, 성형 공급원료의 고형물 부하)에 정비례하는 밀도를 갖는다. 높은 상대 밀도를 갖는 금속 합금 제품을 생성하기 위해 일반적으로 적용된 전략은 성형 공급원료의 고형물 부하를 가능한 한 높게 하는 것을 포함한다. 다만, 고형물 부하의 달성 가능한 수준은 사출 장치의 성능 파라미터에 의해 제한될 수 있다. MIM 공정에서 나노결정질 금속 입자 또는 분말을 포함하는 금속 입자 또는 분말의 사용으로 생산 중 상대적으로 낮은 고형물 부하로부터 높은 상대 밀도를 갖는 금속 합금 제품을 생성할 수 있다.

종래의 야금 방법은 소결된 벌크 금속 물질에서 물질을 정밀하게 제거하여 완성된 금속 제품을 개발하는 단계, 후에 금속 부품으로 조립되는 소결된 하위 구성 부품을 형성하는 단계 또는 금속 분말을 결합제와 혼합하고 미가공체의 소결화를 위해 미가공체로 배합하는 단계를 포함한다. 다만, 복합 부품을 형성하기 위해 물질을 제거하는 데는 많은 시간과 비용이 소요되고, 하위 구성 부품을 복합 부품으로 조립하는 것은 추가적인 단계를 요구하며 원하는 기계적 특성을 달성하지 못하는 부품을 생산하고, 그리고 금속 분말의 미가공체 형성은 통상적으로 소결화 전 단일 배합(가압) 단계를 요구하는 단순 부품에만 유용하다.

종래의 MIM 공정은 흔히 복합된, 흔히 작은 금속 제품을 대량으로 생산하기 위한 제조 공정이다. MIM은 보다 내구성 있는 금속 완제품을 생성하는 기계적 합금 및 소결과 같은 분말 야금 기술을 이용하여 플라스틱 사출 성형의 다양성 및 높은 생산성을 갖춘다.

보다 정확하고 보다 신속하게 복합 금속 제품을 생산할 수 있는 MIM 공정이 최근 개발되었다. MIM 공정은 베이스 금속 분말과 합급 원소를 혼합하는 단계, 고분자 및/또는 왁스를 첨가하는 단계 및 혼합물을 혼련하여 균질의 성형 공급원료를 형성하는 단계를 포함한다. 그런 다음 성형 공급원료를 상승된 온도 및 압력에서 캐비티, 예컨대 금형 내로 사출하여 배합된 미가공체를 형성한다. 이어서 배합된 미가공체는 통상적으로 열 탈지 단계, 화학적 탈지 단계 및/또는 촉매 탈지 단계를 거쳐 고분자 및/또는 왁스 결합제의 대부분 또는 실질적으로 전부를 제거한다. 마지막으로, 탈지화 후 미가공체를 소결하여 완제품을 형성한다.

MIM 공정 중 직면하게 되는 일부 문제로 성형 공급원료의 처리(예컨대, 금속 분말을 금형으로 유동시키는 방법), 혼련, 부동태화 동안 그리고/또는 성형 공급원료를 금형으로 배합 시 성형 공급원료 물질의 반응성, MIM 물질 화합물의 화학적 및/또는 열 탈지화 동안 결합의 형성, 소결화 전 성형 제품의 형상을 유지하는 방법, 그리고 원하는 임계값 이상으로 완성된 소결 합금의 기계적 특성 유지 등의 문제를 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다.

종래의 MIM 공정은 통상적으로 조대 또는 극초미세 결정입도를 갖는 금속 입자를 사용하고, 이는 상대적으로 열악한 기계적 특성을 갖는 완성된 금속 부품을 초래한다. 또한, 나노구조 또는 미세구조 입자를 갖는 종래의 금속 입자는 대체로 본원에 설명된 기계적 합금화 공정에 따라 제조된 나노결정질 금속 합금 입자만큼 배합가능하지는 않다. 종래의 나노결정질 합금 분말은 또한 나노입자(즉, 1,000 nm 미만의 평균 입자 규격을 갖는 입자)이고 높은 표면적/용적 비에 의해 대체로 반응성이 더 높아질 것이며, 이는 보다 많은 결정입계가 노출되고 부동태화 동안 산화가 더 발생할 것이라는 것을 의미한다. 또한, 종래의 나노결정질 합금 분말은 밀링(milling) 후 그리고 소결 중에 보다 많은 결정입성장을 경험할 수 있으며, 이는 완제품의 입자의 파열 및 더 높은 결함률로 이어질 수 있다. 이러한 요인은 증가된 결함률, 더 높은 공극률, 미가공체의 공실률, 및/또는 낮은 총입자 밀도 및 충진 밀도로 이어질 수 있으며, 이는 차례로 열악한 기계적 특성을 갖는 덜 조밀한 완제품을 생성하게 한다.

미세 또는 나노결정질 결정입도를 갖는 종래의 입자가 MIM 공정에 사용되는 경우, 종래의 MIM 공정을 위해 유동성 분말을 유지하기 위하여 결합제 대 금속 입자의 더욱 높은 질량비(예컨대, 1.5:1)가 흔히 사용된다. 다만, 성형 공급원료 중 결합제의 높은 비율은 열적 및/또는 화학적 탈지화 후 결함률의 유의미한 증가로 이어질 수 있다.

추가적으로, 종래의 나노결정질 입자는 또한 나노입자이기 때문에, 미세 또는 나노크기의 결정입도를 갖는 종래의 금속 입자가 MIM 공정에 사용되는 경우, 결정입계의 증가는 통상적으로 비표면적의 증가를 초래하고 부동태화 및 배합 중 반응성으로 인해 보다 더 불안전한 공정을 초래한다. 예를 들어, 종래의 나노구조 금속 분말을 사용하는 종래의 MIM공정은 약 100 내지 약 300 m²/g 사이의 비표면적을 가질 수 있고 결정입도 및 입도는 실질적으로 유사하다. 따라서, 이러한 비표면적 대 용적 비를 갖는 종래의 나노구조 금속 분말은 예를 들어, 부동태화 동안 공기에 노출되는 경우, 격렬하게 반응할 수 있고, 예를 들어, 사출 성형 또는 열 탈지화 동안 스파크를 일으키고 그리고/또는 반응성을 보이는 성형 공급원료를 생성할 수 있으며, 매우 불안전한 제조 환경으로 이어질 수 있다.

따라서, 금속 합금 입자를 금형 내로 사출될 수 있을 만큼 충분히 유동 가능하게 할 수 있는 공정 및 탈지화로 인한 결함이 없거나 거의 없는 성형 구조물을 형성하기 위한 상응하는 사출 성형 공정에 대한 산업계의 필요성이 오랫동안 있어왔다.

본원에 사용된 바와 같이, 용어 "약", "대략" 및 "실질적으로"는 일반적으로 명시된 값의 ± 10%를 의미하고, 예컨대, 약 250 nm는 225 nm 내지 275nm를 포함하고, 약 1,000 nm는 900 nm 내지 1,100 nm를 포함할 것이다.

본원에 사용된 바와 같이, 용어 "경도"는 압축력이 가해질 때 물질이 영구적인 형태 변화에 대해 얼마나 저항성이 있는지를 지칭한다.

본원에 사용된 바와 같이, 용어 "연성"은 파열 또는 파단 없이 인장 하중 하에 소성 변형하는 물질의 능력을 지칭한다.

본원에 사용된 바와 같이, 용어 "인성"은 파열 없이 소성 변형하는 물질의 능력을 지칭한다. 인성은 경도와 연성의 균형으로 생각할 수 있다.

본원에 사용된 바와 같이, 용어 "나노구조" 및 "나노결정질"은 약 100 nm 미만의 입자 결정입도 규모를 지칭한다.

본원에 사용된 바와 같이, 용어 "극초미세"는 약 100 nm 내지 약 500 nm 사이의 입자 결정입도 규모를 지칭한다.

본원에 사용된 바와 같이, 용어 "미세구조" 및 "미세결정질"은 약 500 nm 초과하고 약 5 ㎛ 미만인 입자 결정입도 규모를 지칭한다.

본원에 사용된 바와 같이, 용어 "조대"는 약 5 ㎛를 초과하는 입자 결정입도 규모를 지칭한다.

본원에 사용된 바와 같이, 용어 "미가공체(green body)" 또는 "성형 구조물"은 주요 구성요소가 약하게 결합된 물체를 지칭하며, 이는 일반적으로 소결 또는 소성되기 전 결합된 분말의 형태이다. 결합제를 사용할 경우, 용어 "미가공체"는 유사하게 금속 및/또는 금속 합금 물질 및 결합제를 3차원 형상 또는 물체로 실질적으로 형성할 수 있는 약하게 결합된 결합제 네트워크를 지칭할 수 있다.

본원에 사용된 바와 같이, 용어 "나노결정질"은 일반적으로 1 ㎛ 미만, 약 900 nm 이하, 약 800 nm, 약 700 nm, 약 600 nm, 500 nm, 400 nm, 300 nm, 200 nm, 150 nm, 100 nm, 약 50 nm, 약 30 nm, 약 20 nm, 약 10 nm 이하의 용적 평균 결정입도를 지칭한다.

금속 분말은 하나 이상의 전이 금속의 입자를 함께 혼합하고 결정입도가 나노규모로 정제될 때까지 혼합물을 기계적으로 합금화하여 생산될 수 있다. 본원에 설명된 나노결정질 금속 합금 시스템의 예시는 2014년 3월 14일 출원된 미국 특허출원 공개 제 2014/0271325 A1("'325 공개")호의 "소결 나노결정질 합금", 2018년 2월 26일에 출원된 U.S 가출원 62/812,381("'381 출원")호의 "연화제를 포함하는 합금 및 이의 제조방법", 및 2018년 2월 26일에 출원된 U.S. 가출원 제 62/812,383("'383 출원)호의 "강인화제를 포함하는 크롬-함유 합금 및 이의 제조방법"에서 상세 기술되어 있으며, 이들의 개시는 그 전체가 참조로 본원에 포함된다.

도 1은 나노결정질 금속 분말의 사출 성형을 통한 금속 합금 제품을 생산하는 방법(100)을 도시한다. 방법(100)은 단계(102)의 금속 입자의 기계적 작업 및 단계(104)의 금속의 부동태화를 선택적으로 포함한다. 방법(100)은 단계(106)에서 결합제와 금속 입자를 혼합하여 성형 공급원료를 형성하는 것을 포함한다. 방법(100)은 단계(110)에서 성형 공급원료를 금형으로 이송하여 성형 구조물 (또는 미가공체)를 형성하기에 앞서서, 단계(108)에서 성형 공급원료를 가열하는 것을 선택적으로 포함할 수 있다. 성형된 구조물은 탈지화(112) 및 소결화(114)를 거쳐 금속 합금 제품을 형성한다. 일부 양태에서, 금속 합금 제품은 단계(116)에서 고밀도화될 수 있다. 일부 양태에서, 단계(112)의 탈지화 및 단계(114)의 소결화는 단일 단계로 조합될 수 있다.

일부 양태에서, 복수의 나노결정질 금속(NanoCrystalline Metal:NCM) 합금 입자를 제조하기 위한 방법(100)은 단계(102)에서 복수의 금속 입자 및 제 2 금속 물질을 포함하는 분말의 기계적 작업을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 제 1 금속 물질은 안정화제 성분일 수 있으며 제 2 금속 물질은 활성화제 성분 또는 안정화제 성분일 수 있다. 일부 양태에서, NCM 합금 입자를 제조하기 위한 방법은 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 또는 그 이상의 금속 물질을 포함하는 분말을 기계적으로 작업하는 것을 포함할 수 있다.

일부 양태에서, NCM 분말은 둘 이상의 금속 물질, 예를 들어 하나 이상의 전이 금속으로부터 형성될 수 있다. 본원에서는 나노결정질 합금 입자 또는 NCM 분말을 지칭하지만, 미세결정질 합금 입자 및 극초미세 합금 입자가 또한 사용될 수 있다. 합금 시스템 및 기계적 합금화 및 소결화 방법의 적합한 예시는 '325 공개에 설명되어 있다. 일부 양태에서, 적합한 합금 시스템은 텅스텐, 오스뮴, 레늄, 바나듐, 이리듐, 탄탈륨, 루테늄, 우라늄, 로듐, 니오븀, 게르마늄, 크롬, 망간, 티타늄, 하프늄, 몰리브덴, 베릴륨, 지르코늄, 코발트, 팔라듐, 니켈, 철, 백금, 토륨, 안티몬, 구리 및 기타 금속 원소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

기계적 작업은 볼 밀링(ball-milling) 공정, 고에너지 밀링 공정, 저에너지 밀링 공정 등일 수 있다. 일부 양태에서, 볼 밀링 공정은 약 2:1 내지 약 5:1의 볼 대 분말의 중량비 및 약 0.01 wt.% 내지 약 3 wt.%의 스테아르산 공정 조절제 함량을 적용할 수 있다. 일부 양태에서, 기계적 작업은 약 1 wt.%, 약 2 wt.% 또는 약 3 wt.%의 스테아르산 공정 조절제 함량의 존재 하에 수행될 수 있다. 일부 양태에서, 기계적 작업은 공정 조절제의 부재 하에 수행될 수 있다. 일부 양태에서, 볼 밀링은 과포화 상을 포함하는 나노결정질 입자를 생산하기에 충분한 임의의 조건 하에서 수행될 수 있다.

일부 양태에서, 볼 밀링 공정은 적어도 약 2:1, 적어도 약 3:1, 적어도 약 4:1, 적어도 약 5:1, 적어도 약 6:1, 적어도 약 7:1, 적어도 약 8:1, 적어도 약 9:1, 적어도 약 10:1, 적어도 약 11:1, 적어도 약 12:1, 적어도 약 13:1, 적어도 약 14:1, 적어도 약 15:1, 적어도 약 16:1, 적어도 약 17:1, 적어도 약 18:1, 적어도 약 19:1의 볼 대 분말의 비를 적용할 수 있다. 일부 양태에서, 볼 밀링 공정은 약 20: 1 이하, 약 19:1 이하, 약 18:1 이하, 약 17:1 이하, 약 16:1 이하, 약 15:1 이하, 약 14:1 이하, 약 13:1 이하, 약 12: 1 이하, 약 11 : 1 이하, 약 10: 1 이하, 약 9: 1 이하, 약 8:1, 약 7:1 이하, 약 6:1 이하, 약 5:1 이하, 약 4:1 이하, 또는 약 3:1 이하의 볼 대 분말의 비를 적용할 수 있다. 볼 대 분말 비에 대한 상기 언급된 범위의 조합이 또한 가능하며(예컨대, 적어도 약 2:1 및 약 20:1 이하 또는 적어도 약 3:1 및 5:1 미만), 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 볼 밀링 공정은 약 2:1, 약 3:1, 약 4:1, 약 5:1, 약 6:1, 약 7:1, 약 8:1, 약 9:1, 약 10:1, 약 11:1, 약 12:1, 약 13:1, 약 14:1, 약 15:1, 약 16:1, 약 17:1, 약 18:1, 약 19:1, 또는 약 20:1의 볼 대 분말의 비를 적용할 수 있다.

일부 양태에서, 스테아릭산 공정 조절제 함량은 적어도 약 0.01 wt%, 적어도 약 0.5 wt%, 적어도 약 0.1 wt%, 적어도 약 0.5 wt% , 적어도 약 1 wt%, 적어도 약 1.5 wt%, 적어도 약 2 wt%, 또는 적어도 약 2.5 wt% 일 수 있다. 일부 양태에서, 스테아릭산 공정 조절제 함량은 약 3 wt% 이하, 약 2.5 wt% 이하, 약 2 wt% 이하, 약 1.5 wt% 이하, 약 1 wt% 이하, 약 0.5 wt% 이하, 약 0.1 wt% 이하, 또는 약 0.05 wt% 이하일 수 있다. 상기 업급한 스테아르산 공정 조절제 함량의 조합이 또한 가능하며(예컨대, 적어도 약 0.01 wt% 및 약 3 wt% 이하 또는 적어도 약 0.1 wt% 및 약 5 wt% 이하), 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 스테아르산 공정 조절제 함량은 약 0.01 wt%, 약 0.05 wt%, 약 0.1 wt%, 약 0.5 wt%, 약 1 wt%, 약 1.5 wt%, 약 2 wt%, 약 2.5 wt%, 또는 약 3 wt% 일 수 있다.

일부 양태에서, 임의의 적합한 밀링 방법이 적용되어 분말을 기계적으로 작업하여 나노결정질 입자를 형성할 수 있다. 일부 양태에서, 볼 밀이 적용될 수 있다. 일부 양태에서, 고에너지 교반조형 밀이 적용될 수 있다. 일부 양태에서, 다른 유형의 고에너지 밀이 적용될 수 있으며 쉐이커 밀 및 유성 밀을 포함한다. 일반적으로, 기계적 합금화 효과를 생성하는 임의의 기계적 밀링 방법이 적용될 수 있다.

일부 양태에서, 밀링은 약 2 시간 이상 - 예컨대, 약 4 시간 이상, 약 6 시간, 약 8 시간, 약 20 시간, 약 12 시간, 약 15 시간, 약 20 시간, 약 25 시간 약 30 시간 또는 약 35 시간 동안 수행될 수 있다. 일부 양태에서, 볼 밀링은 약 1 시간 내지 약 35 시간 - 예컨대, 약 2 시간 내지 약 30 시간, 약 4 시간 내지 약 25 시간, 약 6 시간 내지 약 20 시간, 약 8 시간 내지 약 15 시간, 또는 약 10 시간 내지 약 12 시간 동안 수행될 수 있다. 밀링 시간이 너무 길면, 분말은 밀링 용기 물질에 의해 오염될 수 있다. 제 1 금속 물질에 확산된 제 2 금속 물질의 양은 또한 밀링 시간이 증가됨에 따라 증가될 수 있다. 일부 양태에서, 볼 밀링 단계 후에, 제 2 금속 물질의 풍부한 상이 관찰될 수 있다.

일부 양태에서, 본원에 설명된 바와 같이, 균질한 혼합물을 기계적으로 합금화하면 입도 및 결정입도 모두를 감소시킬 수 있다. 임의의 특정 이론에 얽매이지 않고, 더 낮은 온도에서 금속 분말을 기계적으로 합금화하면 안정화된 상-분리 나노결정질 구조물이 생성될 수 있다. 일부 양태에서, 금속 분말을 기계적으로 합금화하면 단계(104)에서 부동태화 중의 산화 전위로 인해 합금 시스템은 감소된 결정입도, 증가된 연성, 증가된 인성, 증가된 소결성 및/또는 감소된 반응성을 갖게 된다. 임의의 특정 이론에 얽매이지 않고, 합금 시스템으로 금속 분말을 기계적으로 밀링하면 입도로부터 결정입도를 분리할 수 있어 비표면적을 훨씬 더 작게 할 수 있기 때문에, NCM 분말은 적어도 부분적으로 부동태화 동안 반응성이 덜 할 수 있다. 즉, '325 공개, '381 출원 및 '383 출원에 설명된 방법에 따라 제조된 NCM 분말은 비표면적 대 결정입계 비가 낮아, 부동태화 동안 공기에 노출되는 경우 반응성이 덜 할 수 있다.

일부 양태에서, 기계적 합금화로 생성된 입자는 적어도 약 200 nm, 적어도 약 300 nm, 적어도 약 400 nm, 적어도 약 500 nm, 적어도 약 600 nm, 적어도 약 700 nm, 적어도 약 800 nm, 적어도 약 900 nm, 적어도 약 1 ㎛, 적어도 약 2 ㎛, 적어도 약 3 ㎛, 적어도 약 4 ㎛, 적어도 약 5 ㎛ 적어도 약 10 ㎛, 적어도 약 20 ㎛, 적어도 약 30 ㎛, 적어도 약 40 ㎛, 적어도 약 50 ㎛, 적어도 약 60 ㎛, 적어도 약 70 ㎛, 적어도 약 80 ㎛, 또는 적어도 약 90 ㎛의 평균 입자 규격을 가질 수 있다. 일부 양태에서, 기계적 합금화로 생성된 입자는 약 100 ㎛ 이하, 약 90 ㎛ 이하, 약 80 ㎛ 이하, 약 70 ㎛ 이하, 약 60 ㎛ 이하, 약 50 ㎛ 이하, 약 40 ㎛ 이하, 약 30 ㎛ 이하, 약 20 ㎛ 이하, 약 10 ㎛ 이하, 약 5 ㎛ 이하, 약 4 ㎛ 이하, 약 3 ㎛ 이하, 약 2 ㎛ 이하, 약 1 ㎛ 이하, 약 900 nm 이하, 약 800 nm 이하, 약 700 nm 이하, 약 600 nm 이하, 약 500 nm 이하, 약 400 nm 이하, 또는 약 300 nm 이하의 평균 입자 규격을 가질 수 있다. 상기 언급한 입도 범위의 조합이 또한 가능하며 (예컨대, 적어도 약 200 nm 및 약 100 ㎛ 이하 또는 적어도 약 500 nm 및 약 5 ㎛ 이하), 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 기계적 합금화로 생성된 입자는 약 200 nm, 약 300 nm, 약 400 nm, 약 500 nm, 약 600 nm, 약 700 nm, 약 800 nm, 약 900 nm, 약 1 ㎛, 약 2 ㎛, 약 3 ㎛, 약 4 ㎛, 약 5 ㎛, 약 10 ㎛, 약 20 ㎛, 약 30 ㎛, 약 40 ㎛, 약 50 ㎛, 약 60 ㎛, 약 70 ㎛, 약 80 ㎛, 약 90 ㎛, 또는 약 100 ㎛의 평균 입자 규격을 가질 수 있다.

일부 양태에서, 생성된 합금 금속 분말은 적어도 약 2 nm, 적어도 약 3 nm, 적어도 약 4 nm, 적어도 약 5 nm, 적어도 약 6 nm, 적어도 약 7 nm, 적어도 약 8 nm, 적어도 약 9 nm, 적어도 약 10 nm, 적어도 약 20 nm, 적어도 약 30 nm, 적어도 약 40 nm, 적어도 약 50 nm, 적어도 약 60 nm, 적어도 약 70 nm, 적어도 약 80 nm, 적어도 약 90 nm, 적어도 약 100 nm, 적어도 약 200 nm, 적어도 약 300 nm, 적어도 약 400 nm, 적어도 약 500 nm, 적어도 약 600 nm, 적어도 약 700 nm, 적어도 약 800 nm, 적어도 약 900 nm, 적어도 약 1 ㎛, 적어도 약 2 ㎛, 적어도 약 3 ㎛, 또는 적어도 약 4 ㎛의 결정입도를 가질 수 있다. 일부 양태에서, 생성된 합금 금속 분말은 약 5 ㎛ 이하, 약 4 ㎛ 이하, 약 3 ㎛ 이하, 약 2 ㎛ 이하, 약 1 ㎛ 이하, 약 900 nm 이하, 약 800 nm 이하, 약 700 nm 이하, 약 600 nm 이하, 약 500 nm 이하, 약 400 nm 이하, 약 300 nm 이하, 약 200 nm 이하, 약 100 nm 이하, 약 90 nm 이하, 약 80 nm 이하, 약 70 nm 이하, 약 60 nm 이하, 약 50 nm 이하, 약 40 nm 이하, 약 30 nm 이하, 약 20 nm 이하, 약 10 nm 이하, 약 9 nm 이하, 약 8 nm 이하, 약 7 nm 이하, 약 6 nm 이하, 약 5 nm 이하, 약 4 nm 이하, 또는 약 3 nm 이하의 결정입도를 가질 수 있다. 상기 언급한 결정입도의 조합이 또한 가능하며 (예컨대, 적어도 약 2 nm 및 약 5 ㎛ 이하 또는 적어도 약 5 nm 및 약 100 nm 이하), 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 생성된 합금 금속 분말은 약 2 nm, 약 3 nm, 약 4 nm, 약 5 nm, 약 6 nm, 약 7 nm, 약 8 nm, 약 9 nm, 약 10 nm, 약 20 nm, 약 30 nm, 약 40 nm, 약 50 nm, 약 60 nm, 약 70 nm, 약 80 nm, 약 90 nm, 약 100 nm, 약 200 nm, 약 300 nm, 약 400 nm, 약 500 nm, 약 600 nm, 약 700 nm, 약 800 nm, 약 900 nm, 약 1 ㎛, 약 2 ㎛, 약 3 ㎛, 약 4 ㎛, 또는 약 5 ㎛의 결정입도를 가질 수 있다.

일부 양태에서 이러한 합금을 기계적으로 합금화하면 고밀도의 결정입계에 의해 야기되는 에너지 패널티를 극복할 수 있다. 둘 이상의 금속 원소를 소결화 전에 특정 비율로 일정 시간 동안 금속 원소의 입자와 함께 밀링하여 기계적으로 합금화할 수 있다. 고에너지 볼 밀링과 같은 공정은 소성 변형 매커니즘을 선호하며 전체적인 처리 시간을 줄일 수 있다. 적절한 둘 이상의 금속 원소를 선택하면 기본 모합금 분말의 전체적인 반응성을 감소시킬 수 있다. 고에너지 볼 밀링은 정제된 복합 합금을 생산하거나 매우 높은 결정입 밀도 및 극초미세 또는 나노규모의 결정입을 포함하는 매우 균질한 분말 합금 시스템을 달성할 수 있다.

금속 분말을 기계적으로 합금화하면 결정입도를 감소시키고 보다 안정화되고 분리된 상이 되게 할 수 있을 뿐만 아니라, 또한 충분한 에너지를 합금 시스템에 공급하여 특정 결정입계 구성을 형성할 수 있다. 일부 양태에서, 특정 결정입계 구성은 결정입 사이의 나노미터 규모의 무정질층으로 소결, 고상 활성 소결이라 지칭되는 공정 중 원자의 빠른 수송을 유도할 수 있으며, 이는 소결을 가속화하고 요구되는 소결 온도를 낮출 수 있다. 요구되는 소결 온도가 낮아지면, 극초미세 및/또는 나노규모의 결정입은 소결화 동안 조대화될 가능성이 낮으며, 극초미세 및/또는 나노규모의 결정입을 포함하는 완성된 합금 시스템을 생성하고, 이는 완성된 합금의 기계적 특성을 개선할 수 있다.

본원에 설명된 기계적으로 합금화하는 합금 시스템은 요구되는 소결 온도를 낮출 수 있고, 공극률을 감소시킬 수 있으며(예컨대, 고밀도), 소결화 동안 열적으로 활성화된 결정입성장을 제한할 수 있고, 그리고/또는 완성된 합금에서 나노구조 결정입을 포함하는 소결 합금 시스템을 형성할 수 있게 한다. 즉, 본원에 설명된 합금 시스템은 종래의 합금 시스템보다 더 낮은 소결 온도를 요구할 수 있고, 종래의 합금 시스템보다 소결화 동안 결정입성장을 나타낼 가능성이 낮으며, 그리고/또는 통상적으로 종래의 합금 시스템으로는 달성되지 않는 소결화 후 나노구조 결정질을 달성할 수 있다. 일부 양태에서, 처리된 그대로의 분말은 이어서 나노-상 분리 소결화 접근방식에 따라 소결될 수 있다. 제 2 상의 발생으로 고밀도화가 가속화되기 때문에 나노-상 분리 소결화 접근방식은 소결 시간을 단축시킨다. 이러한 방법에 따라 형성된 소결 합금 시스템은 고강도, 증가된 저항성, 및 증가된 내부식성 및 내크리프성과 같은 원하는 특성을 나타낼 수 있다.

일부 양태에서, 안정화제 구성요소 및 활성화제 구성요소의 밀링은 비평형 상을 생성할 수 있다. 비평형 상은 고용체를 포함할 수 있다. 비평형 상은 과포화 상일 수 있다. "과포화 상"은 평형 상에 확산될 수 있는 활성화제 구성요소의 양을 초과하는 양으로 활성화제 구성요소가 제 1 금속 물질에 강제 확산된 활성화제 구성요소를 포함하는 비평형 상일 수 있다. 일부 양태에서, 과포화 상은 볼 밀링 공정 후에 존재하는 유일한 상일 수 있다. 일부 양태에서, 활성화제 구성요소가 풍부한 제 2 상은 볼 밀링 후에 존재할 수 있다.

일부 양태에서, 기계적 합금화 후에, NCM 분말 입자의 표면은 단계(104)에서 부동태화될 수 있다. 일부 양태에서, NCM 분말 입자의 표면은 얇은 산화물층으로 부동태화될 수 있어 분말 입자의 추가적인 산화를 감소시킨다. 일부 양태에서, 부동태화로 NCM 분말 입자 표면 상에 수산화물층, 붕화물층, 질화물층, 수소화물층, 이들의 조합 등이 형성된다. 일부 양태에서, 부동태화는 분말을 냉각하고(예컨대 100 ℃ 미만) 그런 다음 온화한 가스를 도입하여 발생될 수 있다. 일부 양태에서, 온화한 산화 가스는 이산화 탄소, 불활성 가스에 희석된 산소, 수증기 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 부동태화는 분말을 "버핑(burping)"하여 수행될 수 있고, 이는 장기간의 혼합 동안 (예컨대, 짧은 시간 동안 액세스 포트를 열어) 소량의 산소를 밀 내로 도입하면서 밀에서 분말의 혼합을 지속하는 것을 포함한다. 일부 양태에서 부동태화의 완료를 예측하는 일 방법으로 추가적으로 산화 가스를 도입하더라도 밀 내부의 온도가 상승하지 않을 때까지 산화 가스를 도입할 때마다 공기 온도의 상승 또는 밀 내부의 분말 온도를 모니터링한다,

생성된 합금 금속 분말은 나노미터 범위 내 - 즉, 약 100 nm 미만: 예컨대, 약 90 nm, 약 80 nm 이하, 약 70 nm, 약 60 nm, 약50 nm, 약 40 nm, 약 30 nm, 약 20 nm, 약 15 nm, 약 10 nm, 또는 그 이하 결정입도를 가질 수 있다. 일부 양태에서, 나노결정질 물질은 다결정질 물질일 수 있다. 일부 양태에서, 나노결정질 물질은 단결정질 물질일 수 있다. 일부 양태에서, 나노결정질 금속 입자를 사용하여 소결화를 가속화할 수 있다.

일부 양태에서, 생성된 합금 금속 분말은 적어도 약 10 nm, 적어도 약 20 nm, 적어도 약 30 nm, 적어도 약 40 nm, 적어도 약 50 nm, 적어도 약 60 nm, 적어도 약 70 nm, 적어도 약 80 nm, 적어도 약 90 nm, 적어도 약 100 nm, 적어도 약 200 nm, 적어도 약 300 nm, 적어도 약 400 nm, 적어도 약 500 nm, 적어도 약 600 nm, 적어도 약 700 nm, 적어도 약 800 nm, 적어도 약 900 nm, 적어도 약 1 ㎛, 적어도 약 2 ㎛, 적어도 약 3 ㎛, 적어도 약 4 ㎛, 적어도 약 5 ㎛, 적어도 약 6 ㎛, 적어도 약 7 ㎛, 적어도 약 8 ㎛, 적어도 약 9 ㎛, 적어도 약 10 ㎛, 적어도 약 20 ㎛, 적어도 약 30 ㎛, 적어도 약 40 ㎛, 적어도 약 50 ㎛, 적어도 약 60 ㎛, 적어도 약 70 ㎛, 적어도 약 80 ㎛, 또는 적어도 약 90 ㎛의 결정입도를 가질 수 있다. 일부 양태에서, 생성된 합금 분말은 약 100 ㎛ 이하, 약 90 ㎛ 이하, 약 80 ㎛ 이하, 약 70 ㎛ 이하, 약 60 ㎛ 이하, 약 50 ㎛ 이하, 약 40 ㎛ 이하, 약 30 ㎛ 이하, 약 20 ㎛ 이하, 약 10 ㎛ 이하, 약 9 ㎛ 이하, 약 8 ㎛ 이하, 약 7 ㎛ 이하, 약 6 ㎛ 이하, 약 5 ㎛ 이하, 약 4 ㎛ 이하, 약 3 ㎛ 이하, 약 2 ㎛ 이하, 약 1 ㎛ 이하, 약 900 nm 이하, 약 800 nm 이하, 약 700 nm 이하, 약 600 nm 이하, 약 500 nm 이하, 약 400 nm 이하, 약 300 nm 이하, 약 200 nm 이하, 약 100 nm 이하, 약 90 nm 이하, 약 80 nm 이하, 약 70 nm 이하, 약 60 nm 이하, 약 50 nm 이하, 약 40 nm 이하, 약 30 nm 이하, 또는 약 20 nm 이하의 결정입도를 가질 수 있다. 상기 언급한 결정입도의 조합이 또한 가능하며 (예컨대, 적어도 약 10 nm 및 약 약 10㎛ 이하 또는 적어도 약 50 nm 및 약 1 pnm 이하), 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 생성된 합금 금속 분말은 약 10 nm, 약 20 nm, 약 30 nm, 약 40 nm, 약 50 nm, 약 60 nm, 약 70 nm, 약 80 nm, 약 90 nm, 약 100 nm, 약 200 nm, 약 300 nm, 약 400 nm, 약 500 nm, 약 600 nm, 약 700 nm, 약 800 nm, 약 900 nm, 약 1 ㎛, 약 2 ㎛, 약 3 ㎛, 약 4 ㎛, 약 5 ㎛, 약 6 ㎛, 약 7 ㎛, 약 8 ㎛, 약 9 ㎛, 약 10 ㎛, 약 20 ㎛, 약 30 ㎛, 약 40 ㎛, 약 50 ㎛, 약 60 ㎛, 약 70 ㎛, 약 80 ㎛, 약 90 ㎛, 또는 약 100 ㎛의 결정입도를 가질 수 있다.

일부 양태에서, 복수의 NCM 입자(예컨대, NCM 분말) 및 결합제는 단계(106)에서 혼합되어 성형 공급원료를 형성하고 단계(108)에서 가열되어 이후 단계(110)에서 성형 공동으로 사출되는 유동성 조성물을 형성할 수 있으며, 여기서 냉각되고 공동의 구성에 따라 경화되어 미가공체를 형성한다. 일부 양태에서, 결합제는 사출 성형 동안 성형 공급원료의 유동성을 개선할 수 있다. 일부 양태에서, 결합제는 가교제, 고분자 물질, 플라스틱, 수용성 고분자, 폴리올레핀, 폴리스티렌, 에틸렌 비닐 아세테이트, 왁스, 폴리옥시메틸렌 공중합체, 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 등방성 폴리프로필렌, 어택틱 폴리프로필렌, 폴리아세탈, 폴리옥시메틸렌, 전분, 합성 왁스, 천연 왁스, 에틸렌 디스테아르아미드, Acrowax®, 스테아르산 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 결합제 시스템은 탈지화 동안 점진적으로 제거되는 등급 결합제 시스템일 수 있다. 일부 양태에서, 결합제는 고분자 및 왁스 중 하나 이상을 포함하는 결합제 시스템일 수 있다. 일부 양태에서, 결합제 시스템은 용융점과 비점을 갖는 고분자 및 고분자의 용융점과 다른 용융점 및 고분자의 비점과 다른 비점을 갖는 왁스를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 고분자는 왁스의 화학적 용매화율 보나 높거나 낮은 특정 화학적 탈지제와 접촉할 때 화학적 용매화율을 갖는다. 임의의 특정 이론에 얽매이지 않고, 차등적 결합 시스템을 사용하면 더욱 단계적인 또는 점진적인 탈지율을 허용할 수 있으며, 이는 무결합제 배합 제품 내부의 공극률, 특히 공기 연행 공극률을 낮춘다. 또한, 일부 양태에서, 차등적 결합제를 사용하면 NMIM 동안 상이한 지점에서 온도를 상승 또는 감소시켜 성형 공급원료의 점도를 조정할 수 있다. 일부 양태에서, 탈지화 단계 동안, 제 1 왁스 물질 및 제 2 고분자 물질의 단계적 탈지화는 고분자 물질의 제거 방안의 결여로 인한 균열을 방지하는데 도움이 될 수 있다. 다시 말해, 일부 양태에서, 제 1 왁스의 제거는 부분적으로 탈지된 제품에 공극을 제공하고 온도가 중합체 물질의 용융 온도 이상으로 상승하는 경우 고분자 물질은 이를 통해 빠져 나갈 수 있다.

일부 양태에서, 성형 공급원료는 결합제 외에 또는 이를 대신하여 습윤제, 윤활제, 계면활성제, 분산제, 가교제, 커플링제, 이들의 조합 및/또는 기타 화합물을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 첨가제 또는 상기에 열거한 것과 같은 첨가제를 첨가하여 성형 공급원료의 유동성, 성형 공급원료의 배합성, 달성 가능한 배합 제품 밀도, 배합 제품의 탈지성, 탈지 제품의 소결성, 및/또는 나노결정질 금속 합금 분말의 NMIM을 부분적으로 이용하여 제조된 소결 제품의 밀도, 내구성 또는 기타 기계적 특성을 증가시킨다. 일부 양태에서, 커플링제는 두 기재 사이의 인터페이스에서 분자 가교로 작용하는 티타늄-유래 커플링제, 충진제/섬유 및 유기 고분자 매질의 혼합물, 네오펜틸(디알릴)옥시, 트리(디옥틸)피로포스페이트 티타네이트, 티타늄 IV 2,2(비스 2-프로페놀레이토메틸)부탄올레이토, 트리스(디옥틸) 피로포스페이트-O, Ken-React® LICA® 38(Kenrich Petrochemicals, Inc.), Ken-React® KR® 38S(Kenrich Petrochemicals, Inc.), 네오펜틸(디알릴)옥시, 트리(디옥틸)포스페이트 티타네이트, 티타늄 IV 2,2(비스 2-프로페놀라토메틸) 부탄올레이토, 트리스(디옥틸) 포스페이트-O), Ken-React® LICA® 12(Kenrich Petrochemicals, Inc.), Ken-React® KR® 12(Kenrich Petrochemicals, Inc.), 이들의 조합 등을 포함한다.

일부 양태에서, 성형 공급원료는 첨가제 또는 적어도 약 0.1 wt%, 적어도 약 0.5 wt%, 적어도 약 1 wt%, 적어도 약 2 wt%, 적어도 약 3 wt%, 적어도 약 4 wt%, 적어도 약 5 wt%, 적어도 약 6 wt%, 적어도 약 7 wt%, 적어도 약 8 wt%, 적어도 약 9 wt%, 적어도 약 10 wt%, 적어도 약 20 wt%, 적어도 약 30 wt%, 또는 적어도 약 40 wt%의 첨가제 함량을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 성형 공급원료는 첨가제 또는 약 50 wt% 이하, 약 40 wt% 이하, 약 30 wt% 이하, 약 20 wt% 이하, 약 10 wt% 이하, 약 9 wt% 이하, 약 8 wt% 이하, 약 7 wt% 이하, 약 6 wt% 이하, 약 5 wt% 이하, 약 4 wt% 이하, 약 3 wt% 이하, 약 2 wt% 이하, 약 1 wt% 이하, 또는 약 0.5 wt% 이하의 첨가제 함량을 포함할 수 있다. 상기 언급한 첨가제 또는 첨가제 함량의 조합이 또한 가능하다(예컨대, 적어도 약 0.1 wt% 및 약 50 wt% 이하 또는 적어도 약 1 wt% 및 10 wt% 이하).

NCM 분말 및 본원에 개시된 결합제 시스템의 일부를 사용하는 경우 발견되는 한가지 특정 문제는 결합제 시스템으로 NCM 분말을 습윤시키는 데에 어려움이 있다는 것이다. 일부 양태에서, 커플링제를 결합제 시스템에 첨가하여 결합제 시스템으로 NCM 분말을 용이하게 습윤시킬 수 있다. 일부 양태에서, 커플링제는 계면활성제를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 커플링제의 첨가는 NCM 분말의 모든 입자를 코팅하는데 필요한 결합제의 양을 감소시켜 고형물 부하의 증가를 도울 수 있다. 일부 양태에서, 커플링제는 결합 시스템의 약 1 wt%, 약 2 wt%, 약 3 wt%, 약 4 wt%, 약 5 wt%, 약 6 wt%, 약 7 wt%, 약 8 wt%, 약 9 wt%, 또는 10 wt%이며, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 특정 이론에 얽매이지 않고, 계면활성제와 같은 커플링제를 결합제 시스템과 함께 사용하면 고형물 부하를 약 1 vol% 내지 약 10 vol% 정도 증가시킬 수 있다. 일부 양태에서, 계면활성제는 나트륨 도데실 설페이트, 나트륨 라우릴 에테르 설페이트, 트리톤 X-100(4-[1,1,3,3-테트라메틸부틸]페닐-폴리에틸렌 글리콜), 디옥틸 나트륨 설포숙시네이트, 퍼플루오로옥탄설포네이트, 퍼플루오로부탄설포네이트, 알킬 에테르 포스페이트, 플루오로계면활성제, 실록산 계면활성제, 암모늄 라우릴 설페이트, 나트륨 미레스 설페이트, 나트륨 라우레스 설페이트, 나트륨 라우로일 사르코시네이트, 나트륨 스테아레이트, 퍼플루오로노나노에이트, 퍼플루오로옥타노에이트, 옥테니드 디하이드로클로라이드, 세트리모늄 브로마이드, 세틸피리디니늄 클로라이드, 벤잘코늄 클로라이드, 벤제토늄 클로라이드, 임의의 다른 적합한 계면활성제, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.

단계(106)에서 성형 공급원료의 제조는 합금 금속 분말 및 결합제를 혼합하여 성형 공급원료를 형성하는 단계를 포함한다. 일부 양태에서, 혼합 단계는 혼합교반조형 밀, 볼 밀, 전단 혼합기, 원뿔 혼합기, 수직 원뿔 혼합기, 분말 블렌더, 수직 혼합기, 수직 이중축 혼합기, 수직 단축 혼합기, 리본 블렌더, 드럼 분말 혼합, 연속 제립기, 링 레이어 혼합 펠리타이저, 컨테이너 혼합기 및 임의의 다른 적합한 혼합, 블렌딩, 결합, 분해 및/또는 밀링 장치를 사용하여 수행될 수 있다.

일부 양태에서, 나노결정질 합금 입자 및 결합제를 용기 내에서 결합하여 교반하거나, 또는 임의의 다른 유형 또는 형태의 혼합, 진탕, 원심분리 또는 블렌딩을 한다. 일부 양태에서, 혼합 방법은 혼합물을 기계적으로 작업하는 것을 포함한다. 일부 양태에서, 생성된 나노결정질 합금 입자 및 결합제의 혼합물은 건조 혼합물, 액체, 반고체, 슬러리, 겔 또는 페이스트 형태일 수 있다.

일부 양태에서, 성형 공급원료는 약 20 wt% 및 약 80 wt%, 약 25 wt% 내지 약 75 wt%, 약 30 wt% 내지 약 70 wt%, 약 35 wt% 내지 약 30 wt%, 65 wt%, 약 40 wt% 내지 약 60 wt%, 약 45 wt% 내지 약 55 wt%, 또는 약 30 wt% 내지 약 60 wt% 사이의 금속 분말을 포함할 수 있고, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 성형 공급원료는 약 10 wt% 초과, 약 15 wt% 초과, 약 20 wt% 초과, 약 25 wt% 초과, 약 30 wt% 초과, 약 35 wt% 초과, 약 40 wt% 초과, 약 45 wt% 초과, 약 50 wt% 초과, 약 55 wt% 초과, 약 60 wt% 초과, 약 65 wt% 초과, 약 70 wt% 초과, 약 75 wt% 초과, 약 80 wt% 초과, 또는 약 85 wt% 초과의 금속 분말 포함할 수 있고, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 성형 공급원료는 약 80 wt% 미만, 약 75 wt% 미만, 약 70 wt% 미만, 약 65 wt% 미만, 약 60 wt% 미만, 약 55 wt%, 약 50 wt% 미만, 약 45 wt% 미만, 약 40 wt% 미만, 약 35 wt% 미만, 약 30 wt% 미만 또는 약 25 wt% 미만의 금속 분말을 포함할 수 있고, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다.

일부 양태에서 성형 공급원료는 적어도 약 48 vol%, 적어도 약 49 vol%, 적어도 약 50 vol%, 적어도 약 51 vol%, 적어도 약 52 vol%, 적어도 약 53 vol%, 적어도 약 54 vol%, 적어도 약 55 vol%, 적어도 약 56 vol%, 적어도 약 57 vol%, 적어도 약 58 vol%, 적어도 약 59 vol%, 적어도 약 60 vol%, 적어도 약 61 vol%, 적어도 약 62 vol%, 적어도 약 63 vol%, 또는 적어도 약 64 vol%의 금속 분말을 포함할 수 있다. 일부 양태에서 성형 공급원료는 약 65 vol% 이하, 약 64 vol% 이하, 약 63 vol% 이하, 약 62 vol% 이하, 약 61 vol% 이하, 약 60 vol% 이하, 약 59 vol% 이하, 약 58 vol% 이하, 약 57 vol% 이하, 약 56 vol% 이하, 약 55 vol% 이하, 약 54 vol% 이하, 약 53 vol% 이하, 약 52 vol% 이하, 약 51 vol% 이하, 약 50 vol% 이하, 또는 약 49 vol% 이하의 금속 분말을 포함할 수 있다. 상기 언급한 성형 공급원료 금속 분말 함량의 조합이 또한 가능하고(예컨대, 적어도 약 48 vol% 및 약 65 vol% 이하 또는 적어도 약 50 vol% 및 약 52 vol% 이하), 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 성형 공급원료는 약 48 vol%, 약 49 vol%, 약 50 vol%, 약 51 vol%, 약 52 vol%, 약 53 vol%, 약 54 vol%, 약 55 vol%, 약 56 vol%, 약 57 vol%, 약 58 vol%, 약 59 vol%, 약 60 vol%, 약 61 vol%, 약 62 vol%, 약 63 vol%, 약 64 vol%, 또는 약 65 vol%의 금속 분말을 포함할 수 있다.

일부 양태에서, 성형 공급원료는 약 30 vol% 및 약 90 vol%, 약 35 vol% 및 약 85 vol%, 약 40 vol% 및 약 80 vol%, 약 45 vol% 및 약 75 vol%, 약 50 vol% 및 약 70 vol%, 약 55 vol% 및 약 65 vol%, 약 60 vol% 및 약 65 vol%, 약 60 vol% 및 약 64 vol%, 약 30 vol% 및 약 85 vol%, 약 30 vol% 및 약 80 vol%, 약 30 vol% 및 약 75 vol%, 약 30 vol% 및 약 70 vol%, 약 30 vol% 및 약 65 vol%, 약 30 vol% 및 약 60 vol%, 약 30 vol% 및 약 55 vol%, 약 30 vol% 및 약 50 vol%, 약 30 vol% 및 약 45 vol%, 약 30 vol% 및 약 40 vol%, 약 50 vol% 및 약 90 vol%, 약 55 vol% 및 약 90 vol%, 약 60 vol% 및 약 90 vol%, 약 65 vol% 및 약 90 vol%, 또는 약 70 vol% 및 약 90 vol% 사이의 금속 분말을 포함할 수 있고, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다.

일부 양태에서, 성형 공급원료는 약 20 wt% 및 약 80 wt%, 약 25 wt% 내지 약 75 wt%, 약 30 wt% 내지 약 70 wt%, 약 35 wt% 내지 약 65 wt%, 약 40 wt% 내지 약 60 wt%, 약 45 wt% 내지 약 55 wt%, 또는 약 30 wt% 내지 약 60 wt% 사이의 결합제를 포함할 수 있고, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 성형 공급원료는 약 10 wt% 초과, 약 15 wt% 초과, 약 20 wt% 초과, 약 25 wt% 초과, 약 30 wt% 초과, 약 35 wt% 초과, 약 40 wt% 초과, 약 45 wt% 초과, 약 50 wt% 초과, 약 55 wt% 초과, 약 60 wt% 초과, 약 65 wt% 초과, 약 70 wt% 초과, 약 75 wt% 초과, 약 80 wt% 초과, 또는 약 85 wt% 초과의 결합제를 포함할 수 있고, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 성형 공급원료는 약 80 wt% 미만, 약 75 wt% 미만, 약 70 wt% 미만, 약 65 wt% 미만, 약 60 wt% 미만, 약 55 wt% 미만, 약 50 wt% 미만, 약 45 wt% 미만, 약 40 wt% 미만, 약 35 wt% 미만, 약 30 wt% 미만, 약 25 wt% 미만, 또는 약 20 wt% 미만의 결합제를 포함할 수 있고, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다.

일부 양태에서, 성형 공급원료는 약 45 wt%, 약 46 wt%, 약 47 wt%, 약 48 wt%, 약 49 wt%, 약 50 wt%, 또는 약 51 wt%의 결합제를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 성형 공급원료는 약 52 wt% 이하, 약 51 wt% 이하, 약 50 wt% 이하, 약 49 wt% 이하, 약 48 wt% 이하, 약 47 wt% 이하, 또는 약 46 wt% 이하의 결합제를 포함할 수 있다. 상기 언급된 성형 공급원료 결합제 함량은 또한 조합이 가능하다 (예컨대, 적어도 약 45 wt% 및 약 52 wt% 이하 또는 적어도 약 48 wt% 및 약 50 wt% 이하). 일부 양태에서, 성형 공급원료는 약 45 wt%, 약 46 wt%, 약 47 wt%, 약 48 wt%, 약 49 wt%, 약 50 wt%, 약 51 wt%, 또는 약 52 wt%의 결합제를 포함할 수 있다.

일부 양태에서, 금속 분말 대 결합제의 상대 중량비, 용적비 및/또는 원자비는 약 1:5 및 약 5:1 사이, 약 1:4 및 약 4:1 사이, 약 1:3 및 약 3:1 사이, 약 1:2 및 약 2:1 사이 또는 약 1:1일 수 있고, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다.

일부 양태에서, 단계(106)에서 NCM 합금을 사용하면 더 높은 결합제 부하를 촉진할 수 있다. 일부 양태에서, 더 높은 결합제 부하율은 성형 공급원료의 유동성을 더 높일 수 있다. 일부 양태에서, NCM 분말을 사용하면 종래의 성형 공급원료 및 종래의 MIM 공정을 사용할 때보다 탈지화 후 결함을 더 줄일 수 있다. 마찬가지로, 본원에 사용된 나노결정질 금속 분말은 입도 분포 및 비표면적을 비롯한 개선된 형태학적 특성으로 인해 종래의 금속 분말보다 더 배합 가능하다. 예를 들어, 일부 양태에서, 본원에 설명된 기계적 밀링 공정은 금속 분말이 고도로 맞춤화된 입도 분포를 가질 수 있게 한다. 다시 말해, 일부 양태에서, 특정 시스템, 금형 설계, 금속 합금 시스템, 결합제를 이유로 또는 다른 이유로 배합 밀도(예컨대, 배합 용이성)를 증가시키는 경우, 짧은 시간 동안 보다 광폭의 입도 분포를 달성할 수 있다. 일부 양태에서, 소결화 용이성 또는 신속성을 개선하는 경우, 보다 소폭의 입도 분포를(예컨대, 더 오랜 시간 동안, 아마도 더 낮은 속도 또는 온도에서) 고에너지 밀링에 의해 달성할 수 있다. 일부 양태에서, NCM 분말을 사용하면 금속 합금 제품은 NCM 분말을 사용하지 않는 공정보다 더 높은 상대 밀도를 갖게 된다.

나노결정질 금속 및 합금의 사용으로 동일한 화학적 특성의 기존 미세결정질 금속 및 합금에 비해 실질적으로 개선된 특성을 제공하며, 이는 기계적 특성, 부식 성능 및 자기 특성의 개선을 포함한다. 기존의 금속 형성 및 소결화 기술은 통상적으로 고온을 요구하며, 이는 나노결정질 금속 및 합금에서 원하지 않는 결정입성장으로 이어질 수 있다. 따라서 높은 상대 밀도 및 제한된 결정입성장을 갖는 벌크 나노결정질 물질의 생산은 어려운 문제이고 달성하기 어려울 수 있다. 또한, 분말 야금 소결 기술은 흔히 적용 압력을 요구하여 완성된 금속 및 합금 제품을 강화하고, 이는 전소결 금형의 설계를 단순한 형상 및 형태로 제한할 수 있다.

일부 양태에서, 성형 공급원료는 유사 가소성, 점성, 전단 강도 및 유동성을 포함하지만 이에 제한되지 않는 특정 유동학적 사양을 갖도록 구성될 수 있다. 일부 양태에서, 성형 공급원료는 유동학적 첨가제를 포함하여 성형 공급원료의 유동성 및/또는 성형 구조물의 기계적 특성을 변경할 수 있다(예컨대, 성형 구조물의 인장 강도를 증가하여 소결에 앞서 실질적으로 동일한 형상을 유지함). 일부 양태에서, 유동학적 첨가제는 탈지 및 소결화 공정에서 생존할 수 있고 소결된 물질의 경도/인성에 영향을 미칠 수 있다.

일부 양태에서, 금속 분말로 사용된 NCM 합금은 사출 동안 성형 공급원료의 배합성을 증가시킬 수 있고, 이는 사출 후 제품의 초기 밀도를 증가시킬 수 있다. 특정 이론에 얽매이지 않고, 본원에 설명된 NCM 합금은 통상적으로 배합하기 어려운 결합제와의 반응을 촉진시킬 수 있어서 유동성 성형 공급원료를 더 쉽게 배합할 수 있다. 일부 양태에서, 본원에 설명된 NCM 분말은 종래의 나노구조 금속 분말보다 낮은 자릿수의 비표면적을 가질 수 있다. 다시 말해, 본원에 설명된 NCM 분말은 용적률 대비 훨씬 낮은 비표면적을 가지며 부동태화 및/또는 사출 성형 동안 격렬하게 반응할 가능성이 낮다. 다시 말해, 종래의 나노구조 금속 분말에 비해, 본원에 설명된 NCM 분말은 독특한데 이는 더 많은 결정입계가 분말의 기계적 합금화로 인해 공기에 노출되기보다는 다른 결정입계와 직접 맞닿아 있기 때문이다. 특정 이론에 얽매이지 않고, 본원에 개시된 NCM 분말의 기계적 합금화로 인해, 입자 간 나노결정입 구조물이 입자 파열없이 생성될 수 있다. 즉, 다량의 표면적 대신 다량의 결정입계가 형성된다.

일부 양태에서, NCM 분말은 약 1 m²/g 및 약 50 m²/g 사이, 약 1 m²/g 및 약 25 m²/g 사이, 약 1 m²/g 및 약 10 m²/g 사이, 그리고 약 1 m²/g 및 약 5 m²/g 사이의 비표면적 값을 가질 수 있으며, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다, 반대로, 종래의 나노구조 금속 분말은 흔히 약 100 m²/g 및 약 300 m²/g 사이 또는 이상의 비표면적을 갖는다. 본원에 설명된 NCM 분말에서 달성된 비표면적의 유의미한 감소는 NCM 분말의 반응성 감소 및 본원에 설명된 야금 공정 및 시스템 전반의 안정성에 대해 유의미한 영향을 미친다.

일부 양태에서, 단계(110)에서 금형으로 사출하기 위한 성형 공급원료를 제조하기 위해, 단계(108)에서 성형 결합제가 용융될 때까지 공급원료를 가열할 수 있지만 결합제가 끓거나 또는 휘발되기 시작하는 점까지는 가열하지 않는다. 일부 양태에서, 가열은 직접 또는 간접적인 가열, 예를 들어 화염, 왕복 스크루의 설계 및 작용으로 인한 전단 및 마찰 가열, 전도성 가열, 조사 또는 임의의 적합한 방법을 사용하여 달성될 수 있다. 일부 양태에서, 성형 공급원료는 예를 들어 스크루 혼합기에서 동시에 가열되고 혼합될 수 있다. 일부 양태에서, 성형 공급원료를 오버헤드 호퍼 또는 다른 용기에 저장할 수 있고 혼합물을 가열하여 유동적이게 만들고 유동성 성형 공급원료를 사출장치로 이송하는 압출기 또는 스크루 혼합기 내에 배치할 수 있다.

일부 양태에서, 단계(110)에서 사용되는 사출 장치는 노즐, 포트 또는 임의의 다른 개구일 수 있으며, 이는 사출 장치를 공동에 직접 연결하거나, 유동성 성형 공급원료를 공동 내로 안내하도록 구성된 스푸루(sprue) 또는 유동성 성형 공급원료를 다중 공동에 연결된 러너(runners) 내로 안내하도록 구성된 스프루에 연결한다. 더욱 작은 제품의 경우, 둘 이상의 공동을 동시에 충진하는 것이 더욱 경제적일 수 있다. 일부 양태에서, 유동성 성형 공급원료의 공동 내로의 연통을 용이하게 하기 위해 스프루 및/또는 러너의 사용으로 성형 폐기물을 증가시킬 수 있다. 일부 양태에서, 성형 폐기물(예컨대, 스프루, 러너, 결함 부품 등)은 재연마되고 새로운 성형 공급원료와 혼합될 수 있다.

일부 양태에서, 금형은 사출 성형 중 유동성 성형 공급원료로 충진되는 공동을 일부 정의하는 이동 가능한 랜딩(landing) 표면을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 금형은 랜딩 표면에 배치되어 유동성 성형 공급원료가 공동 내로 사출될 때 공기가 빠져나가게 하는 복수의 통기구를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 복수의 통기구는 약 50 미크론, 약 40 미크론, 약 30 미크론, 약 20 미크론 미만 그 이하의 깊이에서 랜딩 표면 내로 연마될 수 있어, 유동성 성형 공급원료가 복수의 통기구를 통해 공동에서 빠져나가지 못하게 한다. 일부 양태에서, 금형은 공동을 일부 정의하고 사출 장치와 관련하여 이동이 불가한 제 2 표면을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 금형의 제 2 표면은 성형 구조물을 형성하기 위해 금형 표면 아래에 사출된 유동성 성형 공급원료의 신속한 냉각을 촉진하도록 구성된 냉각 라인을 포함할 수 있다.

일부 양태에서 금형은 이동 가능한 제 1 성형 표면에 연결되고 성형 구조물의 사출 및 형성 동안 금형을 폐쇄된 상태로 유지하도록 구성된 클램프를 포함한다. 일부 양태에서, 금형은 일단 클램프가 고정된 금형 표면으로부터 금형의 제 1 표면을 이동시키면 금형으로부터 성형된 구조물의 이형을 용이하게 하는 이형핀 또는 복수의 사출핀을 포함한다.

일부 양태에서, 성형 구조물은 대략 결합제의 용융점 및 대략 실온 사이의 임의의 온도로 냉각시킬 수 있어 결합제는 응고되고 성형 구조물은 취급되는 동안 원하는 형상을 유지할 수 있다. 일부 양태에서, 냉각은 성형 구조물 내 또는 그 주위에 배치된 냉각 유로를 이용하여 달성될 수 있다.

일부 양태에서, 본원에 설명된 NMIM 공정에 따라 형성된 성형 구조물은 실질적으로 공극이 없을 수 있다. 일부 양태에서, 본원에 설명된 NMIM 공정에 따라 형성된 성형 구조물은 고도로 복잡한 기하학적 구조일 수 있으며, 이는 종래의 미가공체 가공 또는 제조 기술로는 생성될 수 없다.

일부 양태에서, 성형 구조물은 제품과 연결된 스프루 및/또는 러너를 유지할 수 있고, 따라서 유지된 스프루 및/또는 러너는 성형 구조물의 탈지화에 앞서 제거될 수 있다. 일부 양태에서, 스프루는 성형 구조물이 응고 및 이형되는 동안 스프루 내의 유동성 성형 공급원료가 유동성을 유지(예컨대, 결합제는 적어도 부분적으로 용융 상태를 유지)할 수 있도록 가열될 수 있어서 스프루 및/또는 러너는 성형 구조물과 함께 유지되지 않는다.

일부 양태에서, 성형 공급원료는 직접 압출, 간접 압출, 충격 압출, 정수압 압출, 냉간 압출, 열간 압출, 캐스팅, 테이프 캐스팅, 드롭 캐스팅, 나이프 코팅, 닥터 블레이드를 이용한 살포, 또는 임의의 적합한 방식에 의해 성형 구조물(미가공체)로 형성될 수 있다. 일부 양태에서, 성형 공급원료는 예를 들어, 막대, 시트, 튜브, I-형, 임의의 다른 적합한 다각형 또는 평면 구조 또는 이들의 조합과 같은, 적합한 폼 팩터로 형성될 수 있다.

성형 구조물은 이후 단계(112)에서 성형 구조물의 화학적, 열적 및/또는 촉매적 탈지화에 의해 더 가공된다. 일부 양태에서, 탈지화는 성형 구조물을 용매에 함침시켜 달성될 수 있다. 일부 양태에서, 탈지화는 결합제를 분해하여 이를 성형 구조물의 상호연결된 금속 입자 밖으로 쉽게 유동하게 하는 고농도의 산성 가스를 도입하여 달성될 수 있다. 일부 양태에서, 탈지화는 결합제가 성형 구조물의 상호 연결된 금속 입자 밖으로 유동하도록 결합제 또는 결합제 혼합물의 용융점 이상으로 부품을 가열시켜 달성될 수 있다.

일부 양태에서, 열적 탈지화 공정은 성형 구조물을 적어도 약 400 ℃, 적어도 약 450 ℃, 적어도 약 500 ℃, 적어도 약 550 ℃, 적어도 약 600 ℃, 적어도 약 650 ℃, 적어도 약 700 ℃, 적어도 약 750 ℃, 적어도 약 800 ℃, 적어도 약 850 ℃, 적어도 약 900 ℃, 적어도 약 950 ℃, 적어도 약 1,000 ℃, 또는 적어도 약 1,050 ℃의 탈지화 온도로 가열하여 수행될 수 있다. 일부 양태에서, 열적 탈지화 공정은 중간물질을 약 1,100 ℃ 이하, 약 1,050 ℃ 이하, 약 1,000 ℃ 이하, 약 950 ℃ 이하, 약 900 ℃ 이하, 약 850 ℃ 이하, 약 800 ℃ 이하, 약 750 ℃ 이하, 약 700 ℃ 이하, 약 650 ℃ 이하, 약 600 ℃ 이하, 약 550 ℃ 이하, 약 500 ℃ 이하, 또는 약 450 ℃ 이하의 탈지화 온도로 가열하여 수행될 수 있다.

탈지화 온도에 대한 상기 언급한 범위의 조합이 또한 가능하다(예컨대, 적어도 약 400 ℃ 및 약 1, 100 ℃ 이하 또는 적어도 약 450 ℃ 및 약 900 ℃ 이하). 일부 양태에서, 탈지화 온도는 약 400 ℃, 약 450 ℃, 약 500 ℃, 약 550 ℃, 약 600 ℃, 약 650 ℃, 약 700 ℃, 약 750 ℃, 약 800 ℃, 약 850 ℃, 약 900 ℃, 약 950 ℃, 약 1,000 ℃, 약 1,050 ℃, 또는 약 1,100 ℃일 수 있다.

일부 양태에서, 탈지화 후 성형 구조물은 전제적인 규격이 감소되는 동안에 성형 구조물의 정형을 유지할 수 있다. 다시 말해, 성형 구조물의 특정한 특성의 규격은 상대적 기준으로 실질적으로 동일할 수 있는 반면 탈지화 후 성형 구조물의 전체 크기는 성형 구조물보다 작을 수 있다. 일부 양태에서, 탈지화 후 성형 구조물의 이러한 수축은 용적 감소로 특징될 수 있으며 변위 측정 기술에 의해 특징될 수 있다. 일부 양태에서, 탈지화로 인한 수축은 적어도 약 0.01 vol%, 적어도 약 0.02 vol%, 적어도 약 0.03 vol%, 적어도 약 0.04 vol%, 적어도 약 0.05 vol%, 적어도 약 0.06 vol%, 적어도 약 0.07 vol%, 적어도 약 0.08 vol%, 적어도 약 0.09 vol%, 적어도 약 0.1 vol%, 적어도 약 0.2 vol%, 적어도 약 0.3 vol%, 적어도 약 0.4 vol%, 적어도 약 0.5 vol%, 적어도 약 0.6 vol%, 적어도 약 0.7 vol%, 적어도 약 0.8 vol%, 적어도 약 0.9 vol%, 적어도 약 1 vol%, 적어도 약 2 vol%, 적어도 약 3 vol%, 또는 적어도 약 4 vol% 일 수 있다. 일부 양태에서, 탈지화로 인한 수축은 약 5 vol% 이하, 약 4 vol% 이하, 약 3 vol% 이하, 약 2 vol% 이하, 약 1 vol% 이하, 약 0.9 vol% 이하, 약 0.8 vol% 이하, 약 0.7 vol% 이하, 약 0.6 vol% 이하, 약 0.5 vol% 이하, 약 0.4 vol% 이하, 약 0.3 vol% 이하, 약 0.2 vol% 이하, 약 0.1 vol% 이하, 약 0.09 vol% 이하, 약 0.08 vol% 이하, 약 0.07 vol% 이하, 약 0.06 vol% 이하, 약 0.05 vol% 이하, 약 0.04 vol% 이하, 약 0.03 vol% 이하, 또는 약 0.02 vol% 이하 일 수 있다. 탈지화로 인한 수축의 상기 언급된 범위의 조합이 또한 가능하고(예컨대, 적어도 약 0.01 vol% 및 약 5 vol% 이하 또는 적어도 0.1 vol% 및 약 1 vol% 이하), 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 탈지화로 인한 수축은 약 0.01 vol%, 약 0.02 vol%, 약 0.03 vol%, 약 0.04 vol%, 약 0.05 vol%, 약 0.06 vol%, 약 0.07 vol%, 약 0.08 vol%, 약 0.09 vol%, 약 0.1 vol%, 약 0.2 vol%, 약 0.3 vol%, 약 0.4 vol%, 약 0.5 vol%, 약 0.6 vol%, 약 0.7 vol%, 약 0.8 vol%, 약 0.9 vol%, 약 1 vol%, 약 2 vol%, 약 3 vol%, 약 4 vol%, 또는 약 5 vol%일 수 있다.

탈지화 후 성형 구조물은 이후 단계(114)에서 소결되어 완성된 금속 제품을 형성한다. 소결화는 여러 상이한 확산 메커니즘으로 인한 미세구조 변화를 부분적으로 포함할 수 있는 복잡한 공정이다. 일부 양태에서, 이러한 복합한 소결화 공정은 미세 구조의 진화에 기초하여 초기, 중간 및 최종 단계: 3단계로 구별될 수 있다. 초기 단계는 입자 사이에서 목(necks)이 생성될 때 더 낮은 온도에서 시작될 수 있다. 목은 표면 확산을 통해 생성될 수 있으며 밀도를 약간 증가시킬 수 있다. 초기 단계는 3% 미만의 수축과 관련이 있을 수 있다. 중간 단계는 상당한 고밀도화를 생성할 수 있다. 중간 단계에서 고밀도화는 최대 약 93 %의 상대 밀도일 수 있다. 최종 단계 동안, 분리된 기공은 형성된 후 제거될 수 있다. 최종 단계에서, 용적 확산이 우세할 수 있다. 일부 양태에서, 나노결정질 금속 합금 시스템의 사용은 소결율 및 소결된 제품의 밀도를 증가시킬 수 있다.

일부 양태에서, 소결화는 수소, 진공, 공기, 불활성 가스 분위기를 함유하는 분위기에서 수행될 수 있다. 일부 양태에서, 소결화는 불활성 가스 및 반응성 가스의 혼합물 또는 반응성 가스의 혼합물을 함유하는 분위기에서 수행될 수 있다. 소결화 분위기는 일부 합금 분말의 소결성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 수소-함유 분위기는 텅스텐 분말을 소결하는데 사용될 수 있고, 상대적으로 높은 밀도의 물질을 생성하지만, 다른 합금 시스템에 적합하지 않을 수 있다.

일부 양태에서, 높은 소결화 온도는 짧은 소결화 시간 동안 사용되어 소결된 물질을 생성할 수 있다. 일부 양태에서, 비교적 낮은 소결화 온도는 더욱 긴 시간 동안 사용되어 동일한 정도로 고밀도화되는 소결된 물질을 생성할 수 있다. 일부 양태에서, 연장된 소결화 시간 또는 상승된 소결화 온도는 원하지 않는 결정입도의 증가를 초래할 수 있다. 일부 양태에서, 소결화는 무압 소결화 공정일 수 있다. 일부 양태에서, 본원에 설명된 소결화 메커니즘은 소결화 공정 동안 인가되는 외부 압력의 부재 하에서도 충분히 조밀한 소결 극초미세 및 나노결정질 물질의 생성을 허용한다.

일부 양태에서, 소결화는 적어도 약 1,000 ℃, 적어도 약 1,100 ℃, 적어도 약 1,200 ℃, 적어도 약 1,300 ℃, 적어도 약 1,400 ℃, 적어도 약 1,500 ℃, 적어도 약 1,600 ℃, 적어도 약 1,700 ℃, 적어도 약 1,800 ℃, 또는 적어도 약 1,900 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 일부 양태에서, 소결화는 약 2,000 ℃ 이하, 약 1,900 ℃ 이하, 약 1,800 ℃ 이하, 약 1,700 ℃ 이하, 약 1,600 ℃ 이하, 약 1,500 ℃ 이하, 약 1,400 ℃ 이하, 약 1,300 ℃ 이하, 약 1,200 ℃ 이하, 또는 약 1,100 ℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 언급한 소결화 온도의 조합이 또한 가능하며(예컨대, 적어도 약 1,000 ℃ 및 약 2,000 ℃ 이하 또는 적어도 약 1,200 ℃ 그리고 약 1,800 ℃ 이하), 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 소결화는 약 1,000 ℃, 약 1,100 ℃, 약 1,200 ℃, 약 1,300 ℃, 약 1,400 ℃, 약 1,500 ℃, 약 1,600 ℃, 약 1,700 ℃, 약 1,800 ℃, 약 1,900 ℃, 또는 약 2,000 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 일부 양태에서, 열적 탈지화 및 소결화는 동시에 또는 단일 공정 단계의 일부로서 발생할 수 있다.

일부 양태에서, 소결화는 적어도 약 30 분, 적어도 약 1 시간, 적어도 약 2 시간, 적어도 약 3 시간, 적어도 약 4 시간, 적어도 약 5 시간, 적어도 약 6 시간, 적어도 약 7 시간, 적어도 약 8 시간, 적어도 약 9 시간, 적어도 약 10 시간, 적어도 약 12 시간, 적어도 약 15 시간, 적어도 약 20 시간, 또는 적어도 약 24 시간의 지속기를 가질 수 있다. 일부 양태에서, 소결화는 약 25 시간 이하, 약 24 시간 이하, 약 20 시간 이하, 약 15 시간 이하, 약 12 시간 이하, 약 10 시간 이하, 약 9 시간 이하, 약 8 시간 이하, 약 7 시간 이하, 약 6 시간 이하, 약 5 시간 이하, 약 4 시간 이하, 약 3 시간 이하, 약 2 시간 이하, 또는 약 1 시간 이하의 지속기를 가질 수 있다. 상기 언급된 소결 시간의 조합이 또한 가능하며(예컨대, 적어도 약 30분 및 25 시간 이하, 또는 적어도 약 1시간 및 약 10 시간 이하), 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 소결화는 약 30 분, 약 1 시간, 약 2 시간, 약 3 시간, 약 4 시간, 약 5 시간, 약 6 시간, 약 7 시간, 약 8 시간, 약 9 시간, 약 10 시간, 약 12 시간, 약 15 시간, 약 20 시간, 약 24 시간, 또는 약 25 시간의 지속기를 가질 수 있다.

일부 양태에서, 성형 공급원료는 결합제 시스템의 용융 온도 이상의 상승된 온도에서 NCM 분말 및 결합제 시스템을 배합할 때 생성되는 소성 변형 물질일 수 있다. 일부 양태에서, 성형 공급원료의 소성 성질은 더욱 균질한 성형 구조물, 더욱 균질한 탈지된 미가공체 밀도 및 더욱 균질한 소결화를 가능하게 할 수 있다. 특정 이론에 얽매이지 않고, '325 공개에 설명된 바와 같이 더 낮은 온도에서 소결하여 소결된 제품의 미세구조를 제어할 수 있다. 일부 양태에서, 더 낮은 소결화 온도에서 더욱 미세한 미세구조가 달성될 수 있으며, 이는 완제품의 결함을 감소시키고 경도를 증가시킬 수 있다. 일부 양태에서, 소결화 온도 출력률 및/또는 피크 온도 유지 시간을 변경하여 특정 미세구조의 형성을 조정하고 그리고/또는 제품의 기계적 특성을 최적화할 수 있다. 예를 들어, 일부 양태에서, 소결되는 복합 제품의 단면 두께에 따라, 출력률을 낮춰 제품의 모든 부분을 실질적으로 균질하게 가열할 수 있다. 특정 이론에 얽매이지 않고, 소결화 동안 더 낮은 소결화 온도 및 더 낮은 온도 출력률은 차등 소결화의 경우를 줄이고 소결화 후에 제품 균열률을 더 낮출 수 있다.

일부 양태에서, 소결된 제품은 나노결정질 금속 입자의 입자 밀도와 비교할 때 약 75 % 이상 - 예컨대, 적어도 약 80 %, 적어도 약 85 %, 적어도 약 90 %, 적어도 약 91 %, 적어도 약 92 %, 적어도 약 93 %, 적어도 약 94 %, 적어도 약 95 %, 적어도 약 96 %, 적어도 약 97 %, 적어도 약 98 %, 적어도 약 99 %, 또는 적어도 약 99.9 %의 상대 밀도를 나타내며, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 소결된 물질의 상대 밀도는 약 100 % 일 수 있다. 일부 양태에서, 소결된 물질은 충분히 조밀할 수 있다.

일부 양태에서, 소결된 제품은 성형 공급원료 내 소결된 제품의 밀도 대 나노결정질 금속 입자의 중량 백분율의 비로 정의되는 상대 밀도 대 부하 지수를 가질 수 있다. 예를 들어, 소결된 제품이 나노결정질 금속 입자의 입자 밀도와 비교할 때 96 %의 상대 밀도를 갖고 성형 공급원료가 48 wt%의 나노결정질 금속 입자를 포함하면, 상대 밀도 대 부하 지수는 96 %/48 % 또는 2,0으로 계산된다. 일부 양태에서, 상대 밀도 대 부하 지수는 적어도 약 1.4, 적어도 약 1.45, 적어도 약 1.5, 적어도 약 1.55, 적어도 약 1.6, 적어도 약 1.65, 적어도 약 1.7, 적어도 약 1.75, 적어도 약 1.8, 적어도 약 1.85, 적어도 약 1.9, 적어도 약 1.95, 적어도 약 2, 적어도 약 2.05, 적어도 약 2.1, 적어도 약 2.15, 또는 적어도 약 2.2이며, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함할 수 있다.

일부 양태에서, 소결된 제품은 실질적으로 공극이 없을 수 있다. 일부 양태에서, 공극은 20 % 미만, 15 % 미만, 10 % 미만, 9 % 미만, 8 % 미만, 7 % 미만, 6 % 미만, 5 % 미만, 4 % 미만, 3 % 미만, 2 % 미만, 1 % 미만, 0.5 % 미만, 0.25 % 미만, 0.1 % 미만, 0.05 % 미만의 용적, 또는 이의 백분율 또는 범위의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 소결된 제품은 실질적으로 결함이 없을 수 있다. 일부 양태에서, 소결된 제품은 소결화 전의 나노결정질 합금 입자의 나노구조 또는 미세구조와 실질적으로 유사한 나노구조 또는 미세구조를 가질 수 있다. 달리 말하면, 나노구조 또는 미세구조는 실질적으로 변화되지 않은 채로 유지되며 최소의 결정입성장이 관찰된다. 나노결정질 합금 입자 및 소결화 후의 소결된 제품 사이의 구조적 비교는 결정질 결정입도가 특정 합금 시스템에서 실질적으로 유지된다는 것을 나타낸다.

일부 양태에서, 소결된 제품은 예를 들어, 복합 형상, 막대, 시트, I-형상, 임의의 다른 적합한 다각형 또는 평면구조, 또는 이들의 조합과 같은 임의의 적합한 폼 팩터를 가질 수 있다. 일부 양태에서, 소결된 제품은 종래의 입자 및 종래의 MIM 공정을 사용하여 형성된 종래의 제품에 비해 기계적 특성 개선에 있어서 상응하는 감소 없이, 나노구조, 극초미세, 미세구조 및/또는 조대 결정입도를 가질 수 있다. 예를 들어, 주로 또는 오로지 나노결정질 결정입을 갖는 금속 입자는 NMIM 공정에 사용될 수 있고, 소결화 후에, 나노결정질 결정입을 갖는 이러한 금속 입자의 NMIM을 통해 생성된 제품은 일부, 대부분 또는 오로지 극초미세, 미세구조 또는 조대 결정입을 갖는 결합 입자를 포함할 수 있다.

일부 양태에서, 소결된 제품의 추가적인 고밀도화는 열간 등압 프레스 가공을 이용하여 단계(116)에서 수행될 수 있다. 일부 양태에서, 등압 프레스 가공은 무압 소결화 후에 실시될 수 있다. 일부 양태에서, 등압 프레스 가공은 밀폐 용기에서 소결된 제품을 공기압으로 고밀도화하는 것을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 불활성 가스를 밀폐 용기에 충진하여 고압을 달성할 수 있고 가열 구성요소를 사용하여 소결된 제품의 온도를 증가시킬 수 있다. 임의의 특정 이론에 얽매이지 않고, 열간 등압 프레스 가공은 소결된 제품의 정형을 변경하지 않고 소결된 제품에 남아있는 다공성을 감소시키거나 제거할 수 있다. 일부 양태에서, 열간 등압 프레스 가공은 밀도를 대략 이론 밀도 또는 이론 밀도까지 증가시킬 수 있다. 일부 양태에서, 소결된 제품에서 내부 다공성을 제거하면 결함을 감소시키고 완제품의 기계적 강도 및 내구성을 증가시킬 수 있다. 일부 양태에서, 등압 프레스 가공에 의해 개선될 수 있는 기계적 특성은 또한 또는 대안적으로 내피로성, 내충격성, 내부식성, 연성 및 열저항성 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

일부 양태에서, 등압 프레스 가공은 약 1,500 psi 내지 약 100,000 psi, 약 2,000 psi 내지 약 75,000 psi, 약 2,500 psi 내지 약 60,000 psi, 약 3,000 psi 내지 약 50,000 psi, 약 3,500 psi 내지 약 40,000 psi, 약 4,000 psi 내지 약 30,000 psi, 약 4,500 psi 내지 약 20,000 psi, 약 5,000 psi 내지 약 15,000 psi, 약 5,500 psi 내지 10,000 psi, 약 1,500 psi 및 약 35,000 psi, 약 1,500 psi 및 약 30,000 psi, 약 1,500 psi 및 약 25,000 psi, 약 1,500 psi 및 약 20,000 psi, 약 1,500 psi 및 약 15,000 psi, 약 1,500 psi 및 약 10,000 psi, 약 1,500 psi 및 약 8,000 psi, 약 1,500 psi 및 약 7,000 psi, 약 1,500 psi 및 약 6,000 psi, 약 1,500 psi 및 약 5,000 psi, 약 1,500 psi 및 약 4,000 psi, 약 1,500 psi 및 약 3,000 psi, 약 10,000 psi 및 약 50,000 psi, 약 15,000 psi 및 약 50,000 psi, 약 20,000 psi 및 약 50,000 psi, 약 25,000 psi 및 약 50,000 psi, 약 30,000 psi 및 약 50,000 psi 사이의 압력에서 수행될 수 있고, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 등압 프레스 가공은 약 1,500 psi 초과, 약 2,000 psi, 약 3,000 psi, 약 4,000 psi, 약 5,000 psi, 약 6,000 psi, 약 7,000 psi, 약 8,000 psi, 약 9,000 psi, 약 10,000 psi, 약 15,000 psi, 약 20,000 psi, 약 25,000 psi, 약 30,000 psi, 약 35,000 psi, 약 40,000 psi, 약 45,000 psi, 약 50,000 psi 초과, 약 55,000 psi 초과, 약 60,000 psi 초과, 약 65,000 psi 초과, 약 70,000 psi 초과, 약 75,000 psi 초과, 약 80,000 psi 초과, 약 85,000 psi 초과, 약 90,000 psi 초과, 약 95,000 psi 초과, 또는 약 100,000 psi 초과의 압력에서 수행될 수 있고, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 등압 프레스 가공은 약 100,000 psi 미만, 약 95,000 psi 미만, 약 90,000 psi 미만, 약 85,000 psi 미만, 약 80,000 psi 미만, 약 75,000 psi 미만, 약 70,000 psi 미만, 약 65,000 psi 미만, 약 60,000 psi 미만, 약 55,000 psi 미만, 약 50,000 psi 미만, 약 45,000 psi, 약 40,000 psi, 약 35,000 psi, 약 30,000 psi, 약 25,000 psi, 약 20,000 psi, 약 15,000 psi, 약 10,000 psi, 약 9,000 psi, 약 8,000 psi, 약 7,000 psi, 약 6,000 psi, 약 5,000 psi, 약 4,000 psi, 약 3,000 psi, 약 2,000 psi 또는 1,500 psi 미만의 압력에서 수행될 수 있고, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다,

일부 양태에서, 열간 등압 프레스 가공 용기 내 압력은 대략 실온에서 작동 온도에서 약 10 psi/minute 초과, 20 psi/minute, 30 psi/minute, 40 psi/minute, 50 psi/minutes, 60 psi/minutes, 70 psi/minute, 80 psi/minute, 90 psi/minute, 100 psi/minute, 150 psi/minute, 200 psi/minute, 250 psi/minute, 300 psi/minute, 400 psi/minute, 500 psi/minute, 600 psi/minute, 700 psi/minute, 800 psi/minute, 900 psi/minute, 1,000 psi/minute, 1,500 psi/minute, 약 2,000 psi/minute, 약 2,500 psi/minute, 약 3,000 psi/minute, 약 3,500 psi/minute, 약 000 psi/minute, 약 4,500 psi/minute, 약 5,000 psi/minute, 약 7,500 psi/minute, 약 10,000 psi/minute, 약 20,000 psi/minute 초과, 약 30,000 psi/minute 초과, 약 40,000 psi/minute 초과, 약 50,000 psi/minute 초과, 또는 약 60,000 psi/minute 초과하는 출력률로 출력될 수 있고, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다.

일부 양태에서, 열간 등방압 동안 압력 용기 내 온도는 적어도 약 500 ℃, 적어도 약 750 ℃, 적어도 약 1,000 ℃, 적어도 약 1,250 ℃, 적어도 약 1,500 ℃, 적어도 약 1,750 ℃, 적어도 약 2,000 ℃, 또는 적어도 약 2,250 ℃일 수 있다. 일부 양태에서, 열간 등압 프레스 가공 동안 압력 용기 내 온도는 약 2,500 ℃ 이하, 약 2,250 ℃ 이하, 약 2,000 ℃ 이하, 약 1,750 ℃ 이하, 약 1,500 ℃ 이하, 약 1,250 ℃ 이하, 약 1,000 ℃ 이하, 또는 약 750 ℃ 이하 일 수 있다. 열간 등압 프레스 가공 동안 압력 용기 내 상기 언급된 온도의 조합이 또한 가능하고(예컨대, 적어도 약 500 ℃ 및 약 2,500 ℃ 이하 또는 적어도 약 1,000 ℃ 및 약 1,500 ℃ 이하), 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 열간 등압 프레스 가공 동안 압력 용기 내 온도는 약 500 ℃, 약 750 ℃, 약 1,000 ℃, 약 1,250 ℃, 약 1,500 ℃, 약 1,750 ℃, 약 2,000 ℃, 약 2,250 ℃, 또는 약 2,500 ℃일 수 있다.

일부 양태에서, 열간 등압 프레스 가공은 약 1 분 및 약 15 시간, 약 5 분 및 약 10 시간, 약 10 분 및 약 9 시간, 약 30 분 및 약 8 시간, 약 1 시간 및 약 7 시간, 약 1 시간 및 약 6 시간, 약 1 시간 및 약 5 시간, 약 1 시간 및 약 4 시간, 약 1 시간 및 약 3 시간, 약 1 시간 및 약 2 시간, 약 1.5 시간 및 약 10 시간, 약 2 시간 및 약 10 시간, 약 3 시간 및 약 10 시간, 약 4 시간 및 약 10 시간, 약 5 시간 및 약 10 시간, 또는 약 10 시간 및 약 15 시간 사이의 지속기간 동안 수행될 수 있다. 일부 양태에서, 열간 등압 프레스 가공은 약 1 분, 5 분, 10 분, 30 분, 1 시간, 3 시간, 4 시간, 5 시간, 6 시간, 7 시간, 8 시간, 9 시간, 10 시간, 11 시간, 12 시간, 13 시간, 14 시간, 또는 15 시간을 초과하는 지속기간 동안 수행될 수 있고, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다. 일부 양태에서, 열간 등압 프레스 가공은 15 시간, 14 시간, 13 시간, 12 시간, 11 시간, 10 시간, 9 시간, 8 시간, 7 시간, 6 시간, 5 시간, 4 시간, 3 시간, 2 시간, 1 시간, 30 분, 10 분, 5 분, 또는 1 분 미만의 지속기간 동안 수행될 수 있고, 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한다.

일부 양태에서, 등압 프레스 가공을 사용하면 또한 합금된 금속의 효과적인 확산 결합 개선할 수 있다. 일부 양태에서, '325 공개, 381 출원 및 383 출원에 설명된 나노결정질 금속 합금을 사용하는 경우, 열간 등압 프레스 가공은 종래의 금속 분말로부터 형성된 소결된 제품의 열간 등압 프레스 가공보다 더욱 효과적일 수 있다. 구체적으로, 일부 양태에서, 본원에 설명된 나노결정질 금속 분말은 더 작은 표면적을 가지며 따라서 반응을 덜하고, 이는 소결된 제품에서 더 조밀한 충진 및 더 적은 다공성을 초래한다. 일부 양태에서, 본원에 설명된 나노결정질 금속 분말은 더 적은 결합제를 사용하여 NMIM 공정을 거칠 수 있고, 이는 탈지화, 소결화 및/또는 열간 등압 프레스 가공 동안 결함 전파를 줄일 수 있다. 특정 이론에 얽매이지 않고, 나노결정질 금속 분말의 NMIM에 의해 형성된 소결된 제품의 열간 등압 프레스 가공은 더 조밀하고, 결함이 적으며, 열간 등압 프레스 가공 중 감소된 비대칭 수축을 갖고 그리고/또는 개선된 기계적 특성을 갖는 완제품을 이루어낼 수 있다.

일부 양태에서, 본원에 설명된 NCM 합금 시스템을 이용하여 본원에 설명된 NMIM 공정에 따라 형성된 소결된 제품은 종래의 금속 합금 및 종래의 NMIM 공정을 사용하여 형성된 제품에 비해 증가된 경도 및/또는 파괴 인성을 나타낼 수 있다.

특허, 특허출원, 기사, 서적, 논문 및 웹 페이지를 포함하나, 이에 제한되지 않는, 본 출원에 인용된 모든 문헌 및 유사 자료는 그러한 문헌 및 유사 자료의 형식에 관계없이 명시적으로 그 전체를 참조로 포함한다. 정의된 용어, 용어의 사용, 설명된 기술 등을 포함하나, 이에 제한되지 않는, 통합 문헌 및 유사 자료 중 하나 이상이 본 출원과 다르거나 상충되는 경우, 본 출원이 우선한다.

본 교시가 다양한 양태 및 예시와 함께 설명되었지만, 본 교시가 그러한 양태 및 예시로 제한되는 것을 의도하지 않는다. 반대로, 본 교시는 당업자에 의해 이해되는 바와 같은 다양한 대안, 변경 및 등가물을 포함한다.

다양한 발명의 양태가 본원에 개시되고 예시되었지만, 당업자는 기능을 수행하고 그리고/또는 결과 및/또는 여기에 설명된 하나 이상의 이점을 얻기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 쉽게 구상할 것이며 이러한 변형 및/또는 수정 각각은 본원에 설명된 발명의 양태의 범주 내에 있는 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 당업자는 본원에 개시된 모든 매개변수, 규격, 물질 및 구성이 예시를 의미하며 실제 매개변수, 규격, 물질 및/또는 구성이 특정 적용 또는 발명의 교시를 이용하는 적용에 따른다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 당업자는 본원에 설명된 특정 발명의 양태에 대한 많은 등가물을 인식할 것이다. 따라서, 전술한 양태가 첨부된 청구범위 및 그에 대한 등가물의 범주 내에서 단지 예시의 방식으로 제시된다는 것으로 이해된다; 발명의 양태는 구체적으로 설명되고 청구된 것과 다르게 실시될 수 있다. 본 개시의 발명의 양태는 본원에 설명된 각각의 개별 특징, 시스템, 제품, 물질, 키트 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 이러한 특징, 시스템, 제품, 물질, 키트 및/또는 방법이 서로 부합하는 경우, 둘 이상의 그러한 특징, 시스템, 제품, 물질, 키트 및/또는 방법의 임의의 조합은 본 개시의 발명의 범주 내에 포함된다.

본원에서 정의되고 사용된 모든 정의는 사전적 정의, 참조로서 포함된 문서에서의 정의 및/또는 정의된 용어의 일반적인 의미를 통제하는 것으로 이해되어야 한다.

본원 및 청구범위에 사용된 부정관사 "a" 및 "an"은 반대하여 명확하게 나타내지 않는 한 "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 본원에 인용된 모든 범위가 포함된다.

본원 명세서 및 청구범위에 사용된 바와 같은 구문 "및/또는"은 그렇게 결합된 구성요소, 즉, 일부의 경우에는 결합적으로 존재하고 다른 경우에는 분리적으로 존재하는 구성요소 중 "하나 또는 둘 모두"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"으로 나열된 다중 구성요소는 동일한 방식, 즉 그렇게 결합된 "하나 이상"의 구성요소로 해석되어야 한다. "및/또는" 절에 의해 구체적으로 식별되는 구성요소 이외의 다른 구성요소가 그러한 구체적으로 식별되는 구성요소와의 관련 여부와 상관없이 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예시로, "A 및/또는 B"에 대한 언급은 "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용될 때, 일부 양태에서, A만(선택적으로 B 이외의 구성요소 포함); 일부 양태에서, B만(선택적으로 A 이외의 구성요소 포함); 또 다른 양태에서, A 및 B 모두(선택적으로 다른 구성요소 포함); 등을 지칭할 수 있다.

명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같이 "또는"은 상기에서 정의한 바와 같은 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 목록에서 항목을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은, 즉 다수의 또는 목록의 구성요소 및 선택적으로 목록에 없는 추가 항목 중 적어도 하나를 포함할 뿐만 아니라 하나 이상을 포함하는 포괄적인 의미로 해석되어야 한다. 반대로 명확하게 나타내는 "~중 단 하나" 또는 "~중 정확히 하나", 또는 청구범위에서 사용되는 경우의 "~로 구성된"과 같은 용어만이 다수의 또는 목록의 구성요소 중 정확히 하나를 포함하는 것을 지칭할 것이다. 일반적으로, 본원에 사용된 바와 같은 용어 "또는"은 "둘 중 하나", "~중 하나", "~중 단 하나" 또는 "~중 정확히 하나"와 같이 독점성 용어가 선행되는 경우 배타적인 대안(즉, "둘 모두는 아니지만 하나 또는 다른 하나)을 나타내는 것으로 해석되어야 한다. 청구 범위에서 사용되는 경우 "~로 반드시 구성된"은 특허법 분야에서 사용되는 바와 같은 일반적인 의미를 갖는다.

본원 명세서 및 청구범위에 사용된 바와 같이, 구문 "적어도 하나"는, 하나 이상의 구성요소 목록과 관련하여, 구성요소의 목록에서 임의의 하나 이상의 구성요소로부터 선택된 적어도 하나의 구성요소를 의미하는 것으로 이해되어야 하지만, 구성요소의 목록 내에 구체적으로 목록화된 구성요소 각각 및 전부 중 적어도 하나를 반드시 포함할 필요는 없으며, 구성요소 목록에서 구성요소의 임의의 조합을 제외하지 않는다. 이러한 정의는 또한 구문 "적어도 하나"가 지칭하는 구성요소의 목록 내에 구체적으로 식별된 구성요소 이외의 구성요소가 구체적으로 식별된 그러한 구성요소와의 관련 여부에 상관없이 선택적으로 존재할 수 있음을 허용한다. 따라서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는 동등하게, "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는 동등하게 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는, 일부 양태에서, B가 존재하지 않으며, 하나를 초과하는 A를 선택적으로 포함하는(그리고 선택적으로 B 이외의 구성요소를 포함하는), 적어도 하나며; 일부 양태에서, A가 존재하지 않으며, 하나를 초과하는 B를 선택적으로 포함하는(그리고 선택적으로 A 이외의 구성요소를 포함하는) 적어도 하나; 또 다른 양태에서, 하나를 초과하는 A를 선택적으로 포함하는 적어도 하나 및 하나를 초과하는 B를 선택적으로 포함하는(그리고 다른 구성요소를 선택적으로 포함하는) 적어도 하나; 등을 지칭할 수 있다.

본원에 사용된 바와 같이 "at%"는 원자 백분율을 지칭하고 "wt%"는 중량 백분율을 지칭한다. 다만, 특정 양태에서, "at%"가 이용되는 경우 설명된 값은 또한 "wt%"를 설명할 수 있다. 예를 들어, "20 at%"가 일부 양태에서 사용되는 경우, 다른 양태에서 동일한 설명은 "20 wt%"를 지칭할 수 있다. 결과적으로, 모든 "at%" 값은 또한 일부 예시에서 "wt%"를 지칭하고 모든 "wt%" 값은 일부 예시에서 "at%"를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.

특정 양태에서, 합금 시스템이 "조대" 및/또는 "극초미세" 및 또는 "나노구조" 및/또는 "나노결정질"로 설명되는 경우, 시스템은 또한 다른 양태에서 임의의 다른 용어를 사용하여 설명될 수 있다. 결과적으로, 이러한 용어 중 하나를 사용하여 설명된 임의의 합금 시스템은 또한 일부 양태에서 다른 유사한 용어를 사용하여 설명될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다.

청구범위 뿐만 아니라 상기 명세서의 "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "운반하는", "가지는", "함유하는", "수반하는", "유지하는", "구성되는(composed of)" 등과 같은 모든 전환 구문은 개방형, 즉 포함하지만 그에 제한되지 않는다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 미국 특허청 심사 절차 매뉴얼, 섹션 2111.03에 명시된 바와 같이, 전환 구문 "구성되는(consisting of)" 및 "필수적으로 구성된(consisting essentially of)" 만이 각각 폐쇄형 또는 반폐쇄형 전환 구문이어야 한다.

청구범위는 달리 그 취지를 명시하지 않는 한 설명된 순서 또는 구성요소에 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다. 첨부된 청구범위의 사상 및 범주 내에서 형태 및 세부사항의 다양한 변경이 당업자에 의해 이루어질 수 있다. 다음의 청구범위 및 이에 대한 등가물의 사상과 범주 내에 있는 모든 양태가 청구된다.

Claims

금속 사출 성형을 이용하여 금속 합금 제품을 제조하기 위한 방법에 있어서,
복수의 나노결정질 금속 입자를 결합제와 혼합하여 성형 공급원료를 형성하는 단계;
상기 성형 공급원료를 금형으로 이송하여 성형 구조물을 형성하는 단계;
상기 성형 구조물을 탈지하는 단계; 및
상기 성형 구조물을 소결하여 금속 합금 제품을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 금속 합금 제품은 적어도 약 90 %의 상대 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 성형 공급원료는 약 55 vol% 미만의 상기 나노결정질 금속 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 성형 공급원료는 적어도 약 52 vol% 미만의 상기 나노결정질 금속 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 성형 공급원료는 약 48 vol% 내지 약 55 vol%의 상기 나노결정질 금속 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 합금 제품의 상기 상대 밀도는 적어도 약 95 %인 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 합금 제품의 상기 상대 밀도는 적어도 약 98 %인 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 합금 제품의 상기 상대 밀도는 적어도 약 99 %인 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 탈지화 단계는 열 탈지화, 촉매 탈지화 및 화학적 탈지화 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,
가압 용기에서 상기 금속 합금 제품을 프레스 가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 프레스 가공 단계는 열간 등압 프레스 가공을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 나노결정질 금속 입자는 약 100 nm 미만의 부피 평균 결정입도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
금속 사출 성형을 이용하여 금속 합금 제품을 제조하기 위한 방법에 있어서,
복수의 나노결정질 금속 입자를 결합제와 혼합하여 성형 공급원료를 형성하는 단계;
상기 성형 공급물질을 금형으로 이송하여 성형 구조물을 형성하는 단계;
상기 성형 구조물을 탈지하는 단계; 및
상기 성형 구조물을 소결하여 상기 금속 합금 제품을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 성형 공급원료는 상기 나노결정질 금속 입자의 질량분율을 포함하고,
상기 금속 합금 제품은 상대 밀도를 가지며,
상기 나노결정질 금속 입자의 상기 질량분율에 대한 상기 상대 밀도의 비는 적어도 약 1.5:1인 것을 특징으로 하는 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 나노결정질 금속 입자의 상기 질량분률에 대한 상기 상대 밀도의 상기 비는 적어도 약 1.75:1인 것을 특징으로 하는 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 나노결정질 금속 입자의 상기 질량분률에 대한 상기 상대 밀도의 상기 비는 적어도 약 1.8:1인 것을 특징으로 하는 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 나노결정질 금속 입자의 상기 질량분률에 대한 상기 상대 밀도의 상기 비는 적어도 약 1.85:1인 것을 특징으로 하는 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 나노결정질 금속 입자의 상기 질량분률에 대한 상기 상대 밀도의 상기 비는 적어도 약 1.9:1인 것을 특징으로 하는 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 탈지화 단계는 열 탈지화, 촉매 탈지화 및 화학적 탈지화 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로하는 방법.
제 12 항에 있어서,
가압 용기에서 상기 금속 제품을 프레스 가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제14 항에 있어서,
상기 프레스 가공 단계는 열간 등압 프레스 가공을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
금속 합금 제품을 제조하기 위한 방법에 있어서,
복수의 나노결정질 금속 입자를 결합제와 혼합하여 성형 공급원료를 형성하는 단계;
상기 성형 공급원료를 금형으로 이송하여 성형 구조물을 형성하는 단계;
상기 성형 구조물을 탈지하는 단계; 및
상기 성형 구조물을 소결하여 상기 금속 합금 제품을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 성형 공급원료는 적어도 약 48 vol%의 고형물 부하율을 가지며,
상기 금속 합금 제품은 적어도 약 90 %의 상대 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 20 항에 있어서,
상기 성형 구조물은 약 48 vol% 내지 약 55 vol% 사이의 고형물 부하율을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 21 항에 있어서,
상기 성형 구조물은 약 50 vol% 내지 약 55 vol% 사이의 고형물 부하율을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 22 항에 있어서,
상기 성형 구조물은 약 50 vol% 내지 약 52 vol% 사이의 고형물 부하율을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 20 항에 있어서,
상기 금속 합금 제품의 상기 상대 밀도는 적어도 약 95% 인 것을 특징으로 하는 방법.
제 20 항에 있어서,
상기 금속 합금 제품의 상기 상대 밀도는 적어도 약 98 %인 것을 특징으로 하는 방법.
제 20 항에 있어서,
상기 금속 합금 제품의 상기 상대 밀도는 적어도 약 99 %인 것을 특징으로 하는 방법.
제 20 항에 있어서,
상기 탈지단계는 열 탈지화, 촉매 탈지화 및 화학적 탈지화 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 20 항에 있어서,
가압 용기에서 상기 금속 합금 제품을 프레스 가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 28 항에 있어서,
상기 프레스 가공 단계는 열간 등압 프레스 가공을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.