KR20230011757A - 3d 프린터용 금속 분말 - Google Patents
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Abstract
C(탄소) 0.18~0.23 wt%, Si(규소) 0.3~2.0 wt%, Mn(망간) 0.6~0.9 wt%, Ni(니켈) 0.01~0.25 wt%, Cr(크롬) 0.9~1.2 wt%, O(산소) 0.1 wt% 이하, S(황)와 P(인)를 포함하는 불가피한 불순물 및 잔부 Fe(철)로 구성된 3D 프린터용 금속 분말이 소개된다.
Description
본 발명은 3D 프린터의 프린팅 소재로 사용될 수 있는 3D 프린터용 금속 분말에 관한 것이다. 구체적으로는 높은 강도를 가지면서도 분산성, 내습성, 유동도가 우수한 3D 프린터용 금속 분말에 관한 것이다.
금속 3D 프린팅은 우주항공, 해양 분야 등에서 요구되는 고강도와 고인성 특성을 만족하기 위한 효과적인 기술로 인정 받아 활발한 연구개발과 실제 양산과 연계되어 많은 부품이 제조되고 있다.
최근에는 자동차 분야에서 복잡한 형상의 제품(위상최적화 설계 모델의 구현)의 제작에 있어서 시간과 비용, 제조 기술의 한계에 의해 제한되는 설계를 충족하기 위한 도구로 각광받고 있어 많은 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나 대부분의 금속3D 프린팅은 Ti, Al, SUS, Ni계 고합금 재료에 집중되어 있으며, 현재 선택할 수 있는 적층 재료는 전체 금속 재료의 극히 일부분이다.
특히 Ti6Al4V와 AlSi10Mg는 우수한 비강도 특성을 가지고 있으나 높은 원재료 가격으로 인해 부품화 시 자동차 산업에서의 손익 분기점을 확보하기는 어려우며 Ni계 고합금 또한 원재료 자체의 가격이 매우 높게 형성되어 있다.
따라서 자동차 산업에서의 금속 3D프린팅을 위한 재료는 우수한 비강도 특성과 함께 재료 자체의 가격 경쟁력이 필요하며, 이를 해결하기 위해서는 기존 소결부품과 유사한 조성을 갖는 철계 저합금 분말이 적합하다.
그러나, 일반적인 저합금 소재가 3D 프린터의 프린팅 소재로 차용되는 경우, 금속 분말 표면에 수분이 흡착되어 있거나, 산화가 일어나며, 분산성이 좋지 않아 서로 응집하는 등의 이유로 인해 적층이 불균일하게 이루어진다는 문제가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, C(탄소) 0.18~0.23 wt%, Si(규소) 0.3~2.0 wt%, Mn(망간) 0.6~0.9 wt%, Ni(니켈) 0.01~0.25 wt%, Cr(크롬) 0.9~1.2 wt%, O(산소) 0.1 wt% 이하, S(황)와 P(인)를 포함하는 불가피한 불순물 및 잔부 Fe(철)로 구성된 3D 프린터용 금속 분말을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3D 프린터용 금속 분말은 C(탄소) 0.18~0.23 wt%, Si(규소) 0.3~2.0 wt%, Mn(망간) 0.6~0.9 wt%, Ni(니켈) 0.01~0.25 wt%, Cr(크롬) 0.9~1.2 wt%, O(산소) 0.1 wt% 이하, S(황)와 P(인)를 포함하는 불가피한 불순물 및 잔부 Fe(철)로 구성된다.
Ni의 함량은 0.5~2.0 wt% 일 수 있다.
3D 프린터용 금속 분말의 표면에 지방산을 포함하는 산화방지층이 형성될 수 있다.
지방산은 스테아린산, 미리스트산, 팔미트산으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
산화방지층 내 지방산은 금속 분말 중량과 대비하여 0.3 wt% 내지 1 wt% 일 수 있다.
3D 프린터용 금속 분말의 표면에 계면활성제를 포함하는 계면활성층이 형성될 수 있다.
계면활성제는 스테아릴알콜 또는 세틸알콜일 수 있다.
계면활성층 내 계면활성제는 금속 분말 중량과 대비하여 0.5 wt% 이하일 수 있다.
3D 프린터용 금속 분말의 표면에 산화된 금속을 포함하는 미세금속층이 형성될 수 있다.
산화된 금속은 Al2O3, Y2O3 또는 TiO2로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
산화된 금속은 금속 분말 중량과 대비하여 0.5% 이하일 수 있다.
산화된 금속의 입자의 크기는 1㎛ 이하일 수 있다.
산화된 금속의 입자의 크기는 50㎚ 내지 300㎚ 일 수 있다.
3D 프린터용 금속 분말의 크기는 45㎛ 내지 150㎛일 수 있다.
3D 프린터용 금속 분말의 크기는 10㎛ 내지 45㎛일 수 있다.
본 발명의 3D 프린터용 금속 분말은 표면에 산화방지층이 형성되어 산화가 방지되며, 계면활성층이 형성되어 금속 분말의 분산성이 뛰어나다. 이에 따라 흐름성이 뛰어나기 때문에 균일하게 제조물을 프린팅할 수 있다는 효과가 있으며, 제조물의 연신율 또한 뛰어나다는 장점이 있다.
도 1의 (a)와 (b)는 각각 대기 분위기와 진공 분위기에서 가스 분사에 의해 금속 분말을 제조하는 공정을 도시한 것.
도 2는 Si 산화물계 개재물이 형성된 금속 분말.
도 3의 (a)는 미세금속층이 형성되지 않은 금속 분말이며, (b)는 미세금속층이 형성된 금속 분말.
도 4는 본 발명의 프린터용 금속 분말을 사용하여 PBF 방식으로 3D 프린팅한 제조물을 확대하여 조직의 구조를 도시한 것.
도 2는 Si 산화물계 개재물이 형성된 금속 분말.
도 3의 (a)는 미세금속층이 형성되지 않은 금속 분말이며, (b)는 미세금속층이 형성된 금속 분말.
도 4는 본 발명의 프린터용 금속 분말을 사용하여 PBF 방식으로 3D 프린팅한 제조물을 확대하여 조직의 구조를 도시한 것.
이하, 상술한 목적, 문제점을 해결하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조해 상세하게 설명한다. 한편, 본 발명을 이해하는 데 있어 동일 분야의 공지된 기술에 대한 상세한 설명이 발명의 핵심 내용을 이해하는데 도움이 되지 않는 경우, 그 설명을 생략하기로 하며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않으며 통상의 기술자에 의해 변경되어 다양하게 실시될 수 있다.
도 1의 (a)와 (b)는 각각 대기 분위기와 진공 분위기에서 가스 분사에 의해 금속 분말을 제조하는 공정을 나타낸 것이다. (b)의 경우, 즉, 진공 분위기에서 금속 분말을 제조하면 (a)와 같이 대기 분위기에서 금속 분말을 제조하는 것보다 금속 분말 내 산소 함량을 제어하는 것이 용이하다(금속 분말 내 산소 함량이 높을 경우 용융되었다가 다시 응고시에 산소와 친화력이 높은 원소와 반응하여 제조물 내 불순물이 형성되고 이것이 균일한 적층을 방해하여 제조물 형성을 방해할 수 있기 때문에 산소 함량은 일반적으로 0.1 wt%(금속 분말의 질량을 기준으로) 이하로 제한되어야 한다.). 다만, 제조원가의 측면에서는 대기 분위기에서 금속 분말을 제조하는 것이 더 우위에 있다.
이에, 금속분말의 제조원가를 절감하면서도 산소 함량을 제어할 수 있는 합금이 필요하였으며, 본 발명은 금속 분말 내 규소의 양을 조절하여 금속 분말 내 산소 함량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는, 비교예와 실시예를 제시하여 본 발명을 자세히 설명한다. 비교예와 실시예에 나타난 금속 분말을 제조하기 위해 SCR420 봉강 및 스크랩을 사용하였으며, 이때 Si 와 Ni은 각각 페로실리콘과 페로니켈의 형태로 봉강 및 스크랩이 용해된 후 목표하는 함량에 맞추어 첨가하였다. 구체적으로 각 실시예에 대한 합금의 비율을 제시하지 않았다면 C(탄소) 0.18~0.23 wt%, Si(규소) 0.3~2.0 wt%, Mn(망간) 0.6~0.9 wt%, Ni(니켈) 0.01~2 wt%, Cr(크롬) 0.9~1.2 wt%, O(산소) 0.1 wt% 이하, S(황)와 P(인) 0.04 wt%, 및 잔부 Fe(철)의 범위를 만족하도록 금속 분말을 제조한 것이다.
| Si 함량(wt%) | 산소 함량(wt%) | |
| 비교예 1 | 0.3 | 0.27 |
| 실시예 1 | 0.5 | 0.21 |
| 실시예 2 | 1.0 | 0.17 |
| 실시예 3 | 1.5 | 0.13 |
| 실시예 4 | 2.0 | 0.09 |
| 실시예 5 | 2.5 | 0.09 |
비교예 1과 실시예 1 내지 5는 철계 합금으로, 모두 공통적으로 C(탄소) 0.18~0.23 wt%, Cr(크롬) 0.9~1.2 wt%, Mn(망간) 0.6~0.9 wt%, Ni(니켈) 0.01~0.25 wt%, 불순물인 S,P는 0.04 wt% 이하로 포함되며, Si의 함량의 변화에 따른 산소 함량의 변화를 관찰한 것이다. 결과적으로, Si의 함량이 2.0 wt%에 가까워질수록 산소 함량은 0.09 wt% 까지 감소하는 양상을 나타낸다. Si의 함량이 2.5 wt%인 경우에는 도 2와 같이 분말내 Si 산화물계 개재물이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 이러한 Si 산화물계 개재물이 형성되면 외부 충격에 따라 개재물부터 균열이 발생하므로, Si의 함량은 0.3 내지 2.0 wt%인 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 0.5 내지 2.0wt% 이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 금속 분말의 Ni의 함량은 0.5~2.0 wt% 까지 증가시킬 수 있다. 일반적으로 금속 3D 프린팅으로 제조된 제조물은 금속 분말이 레이저에 의해 급속하게 용융되었다가 응고되는 특성으로 인해 미세조직의 관점에서 내부에 급냉조직과 분말 용융에 따른 기공을 내포하고 있으며, 표면조도가 거친 특성이 있다. 이렇게 제조된 부품은 경도가 높고 재질이 여려 취성이 높은 특성을 보유하게 되어 최종 부품의 적용 목적에 따라 열처리를 진행한다. 이때 내부 기공은 감소되고, 표면조도도 더불어 향상되나 통상적으로 인장강도와 경도는 감소하는 거동을 보인다. 본 발명에서는 Ni의 함량을 더 높임으로써 취성, 인장강도 및 경도 문제를 해결하였다.
| Ni 함량(wt%) | 연신율(%) | 질화층의 두께 (0.35~0.6㎜) |
잔류 오스테나이트 분율 | |
| 비교예 2 | 0 | 13% | 양호 | 0% |
| 실시예 6 | 0.5 | 13.5% | 양호 | 1~3% |
| 실시예 7 | 1.0 | 14.1% | 양호 | 3~7% |
| 실시예 8 | 1.5 | 14.8% | 양호 | 6~9% |
| 실시예 9 | 2.0 | 15.2% | 양호 | 8~10% |
| 실시예 10 | 2.5 | 15.7% | 불량 | 15~20% |
비교예 2와 실시예 6 내지 10은 철계 합금으로, 모두 공통적으로 C(탄소) 0.18~0.23 wt%, Cr(크롬) 0.9~1.2 wt%, Mn(망간) 0.6~0.9 wt%, Si(규소) 0.3~2.0 wt%, O(산소) 0.1 wt% 이하, 불순물인 S,P는 0.04 wt% 이하로 포함되며, Ni의 함량의 변화에 따른 연신율, 질화처리시 질화층의 두께, 잔류 오스테나이트의 분율의 변화를 관찰한 것이다.
구체적으로, 표 2와 같이 Ni의 함량이 증가할수록 연신율이 향상되는 것을 알 수 있다. 한편, 3D 프린팅을 이용하여 제조할 제조물이 요구하는 특성(내마모성 향상 등)에 따라 표면을 질화처리하는 경우가 있는데, 질화처리가 필요한 경우에는 Ni의 함량을 0.5 내지 2.0 wt%로 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 표 2와 같이 Ni의 함량이 2.0 wt%를 초과하게 되면 잔류 오스테나이트상이 증가하면서 질화처리의 효과가 저하되기 때문이다.
한편, 3D 프린팅 방식에는 PBF(Powder Bed Fusion)과 DED(Directed Energy Deposition) 방식이 있는데, PBF 방식은 베드에 제조물의 형태로 금속 분말을 적층하고, 이를 레이저로 한층씩 용융하여 제조물을 완성시키는 방식이고, DED 방식은 금속 분말을 실시간으로 공급하고 레이저로 용융시키며 한층씩 적층해 제조물을 완성시키는 방식이다. 일반적으로 PBF 방식은 크기가 45㎛ 이하인 금속 분말을 사용하며, DED 방식은 크기가 45㎛ 내지 150㎛ 인 금속 분말을 사용한다.
그런데, 금속 분말의 크기가 작을수록 비표면적이 증가하기 때문에, 대기중에 노출되면 공기 중의 산소 및 수분 등과 반응하여 금속 분말의 표면에 산소가 결합하거나 수분에 의한 분말이 응집체를 형성한다. 이러한 상태의 금속 분말을 사용할 경우 PBF 방식과 DED 방식 모두 금속 분말의 유동성(흐름성)이 저하되어 PBF 방식에서 분말의 배딩(Bedding)효과(분말이 깔리는 특성)가 저하되어 제조물 내 기공률과 불순물의 양이 증가한다. DED 방식에서는 주입되는 금속 분말의 양이 불균일해지면서 적층 두께가 일정하지 않게 되어 제조물 내 기공률과 불순물이 증가할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 금속 분말의 표면에 지방산을 포함하는 산화방지층이 형성될 수 있다. 지방산은 스테아린산, 미리스트산, 팔미트산으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 에탄올을 용매로 사용하여 코팅액을 제조하고, 제조된 코팅액을 금속 분말에 분사하여 산화방지층을 형성할 수 있다.
예를 들어, 유동층법(Fluidized Bed Process)가 사용될 수 있는데, 60℃ 내지 120℃의 열풍을 금속 분말의 아래에서 송풍하여 금속 분말을 부유시킨 후, 제조된 코팅액을 금속 분말에 분사하여 산화방지층을 금속 분말의 표면에 형성할 수 있다.
에탄올을 용매로 사용하는 이유는 낮은 기화점을 갖기 때문에고, 상기 지방산은 모두 에탄올에 잘 용해되기 때문에 유동층법을 사용하기 적절하다는 특징이 있다. 또한, 상기 지방산은 금속 분말에 레이저를 조사할 때 기화될 수 있는데, 레이저 조사시 쉽게 기화되어 제거되어야 하기 때문에 끓는점이 충분히 낮아야 할 필요가 있고, 기화시 주변 금속 분말에 미치는 영향이 적어야하므로, 상기 스테아린산, 미리스트산, 팔미트산을 사용하는 것이 적절하다.
| 스테아린산(wt%) | 내습성 습도 100% 온도 50℃ |
유동도 (산화방지층 형성 직후, MPIF standard 03 기준) |
|
| 비교예 3 | 0 | 37hr, 적색녹 | 22s/50g |
| 실시예 11 | 0.3 | 101hr, 적색녹 | 22s/50g |
| 실시예 12 | 0.5 | 120hr 만족 | 23s/50g |
| 실시예 13 | 0.7 | 120hr 만족 | 30s/50g |
| 실시예 14 | 1.0 | 120hr 만족 | 33s/50g |
한편, 산화방지층 내 지방산은 금속 분말 중량과 대비하여 0.5 wt% 이하인 것이 바람직하다. 상기 표 3을 참조하면, 스테아린산이 0.5 wt% 이상으로 첨가된 경우 120hr 동안 녹이 발생하지 않아 내습성 조건을 만족하였다. 다만, 0.7 wt% 이상으로 첨가되면 유동도가 급격하게 저하되므로, 0.5 wt% 첨가하는 것이 가장 바람직하다고 할 수 있다. 스테아린산과 마찬가지로 미리스트산, 팔미트산은 화학식, 몰질량, 밀도, 녹는점, 끓는점이 유사하여 동일한 중량비로 첨가하는 것이 바람직하다.
한편, 3D 프린터용 금속 분말 사이의 분산을 강화하기 위해 계면활성제를 포함하는 계면활성층이 형성될 수 있다. 계면활성제로는 계면활성제는 스테아릴알콜 또는 세틸알콜이 사용될 수 있다. 계면활성제 또한 에탄올에 용해시켜 유동층법을 사용해 금속 분말을 코팅할 수 있다. 계면활성층의 형성은 상기 산화방지층의 형성과 동시에 이루어질 수 있다. 계면활성층은 45㎛ 이하인 금속 분말에 형성될 때 효과를 보일 수 있다.
다만, 10㎛ 미만의 금속 분말이 다수 포함될 경우, 반데르발스 힘, 정전기 등의 영향에 따라 금속 분말 사이 응집이 쉽게 일어나고 높은 비표면적으로 인해 금속 분말간 마찰력이 증가하여 분말의 배딩 효과가 저하되어, 10㎛ 이상 45㎛ 이하의 금속 분말의 표면에 계면활성층을 형성하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 계면활성층 내 계면활성제는 금속 분말 중량과 대비하여 0.5 wt% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.
| 10㎛ 분말 포함 여부 | 스테아릴알콜 첨가량(wt%) | 유동도 (계면활성층 형성 직후, MPIF standard 03 기준) |
탭핑 횟수 | |
| 비교예 4 | X | 0 | 22s/50g | 0 |
| 실시예 16 | O | 0 | 45s/50g | 7 |
| 실시예 17 | 0.1 | 31s/50g | 2 | |
| 실시예 18 | 0.3 | 24s/50g | 0 | |
| 실시예 19 | 0.5 | 25s/50g | 0 |
표 4는, 45㎛ 이하의 금속 분말을 제조하여 계면활성층을 형성한 것과 형성하지 않은 금속 분말의 유동도 및 탭핑 횟수를 나타낸 결과이다. 탭핑이란 용융된 금속 분말이 자연적으로 흐르지 않아 외부에서 충격을 주어 강제로 흐르게 하는 행동을 뜻한다. 비교예 4와 실시예 16을 비교하면, 모두 스테아릴알콜은 첨가되지 않았지만, 10㎛ 분말이 혼입된 실시예 16은 비교예 4와 유동도가 많은 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 16 내지 19를 비교하면 10㎛ 분말을 함유하고 있음에도, 계면활성층을 형성하면 유동도가 상승하는 것을 확인할 수 있다. 가장 바람직하게는 0.3 wt% 첨가되는 것이 유동도가 가장 뛰어나다.
스테아릴알콜과 마찬가지로 세틸알콜 또한 0.3 wt% 첨가되는 것이 바람직하다. 계면활성층 또한 산화방지층과 마찬가지로, 금속 분말에 레이저 조사시 쉽게 제거될 필요가 있으며, 기화되어 제거시 주변 금속 분말에 미치는 영향이 적어야하므로, 스테아릴알콜 또는 세틸알콜을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 3D 프린터용 금속 분말의 표면에는 산화된 금속을 포함하는 미세금속층이 형성될 수 있다. 미세금속층은 고온 환경에서 작동하는 제조물의 고온 기계적 특성의 향상을 위해 형성될 수 있다.
미세금속층은 에탄올과 Al2O3, Y2O3 또는 TiO2로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 용해시켜 유동층법으로 분말 표면에 형성될 수 있다. 구체적으로, 에탄올에 스테아린산을 용해시킨 후, 해당 용액에 산화된 금속을 첨가하여 유동층법을 실시해 에탄올을 기화시키면 스테아린산이 금속 분말 표면에 코팅되면서 산화된 금속 입자가 표면에 코팅되어 미세금속층을 형성할 수 있는 것이다.
미세한 산화된 금속 입자는 금속 분말의 용융시 금속기지 내에서 분산되어 전위의 이동을 효과적으로 억제시켜 제조물의 고온 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
기존에 이러한 미세한 산화된 금속 입자를 금속 분말 내 분산시키기 위해 가장 많이 사용하는 방법은 기계적 합금화(Mechanical Alloying) 공정이다. 기계적 합금화 공정은 원료 분말과 미세한 산화물 입자, 그리고 금속 또는 세라믹 재질을 볼에 혼합하여 기계적인 밀링에 의해 분말의 합금화와 동시에 세라믹계의 미세한 산화물 입자를 분산시키게 된다.
이러한 공정은 밀링 시간만 최소 3~5시간, 액상 매질을 사용 할 경우에는 건조시간만 24시간이 걸리는 등 장시간의 공정시간이 필요하며 , 분말이 제조되더라도 방전 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering), 열간 등방압 성형 (Hot Isostatic Pressing) 등을 이용하여 소결체를 제조하게 되는데 이러한 공정은 복잡한 형상을 제조하기 어렵다는 문제점이 존재한다. 본 발명에서는 유동층법을 통해 미세금속층을 형성할 수 있으므로, 위와 같은 문제점을 해결했다는 장점이 있다.
도 3의 (a)에서는 미세금속층이 형성되지 않은 금속 분말을 나타내었으며, (b)에서는 미세금속층이 형성된 금속 분말을 나타내었다. Al2O3를 사용하였으며, 사용된 Al2O3의 평균 크기는 100㎚이다. 첨가되는 산화된 금속 입자 크기는 1㎛ 이하일 수 있고, 바람직하게는 50㎚ 내지 300㎚일 수 있다. 이는, 3D 프린팅에 사용되는 금속 분말이 최대 150㎛ 이므로, 금속 분말의 표면에 도 3(b)와 같이 미세금속층이 코팅되기 가장 적합한 크기이기 때문이다. 만약 산화된 금속 입자의 크기가 1㎛를 초과하면 10㎛ 이하의 분말과 크기 차이가 크지 않아 응집되는 형태가 발생해 편석이 발생할 수 있으며, 이러한 편석은 45㎛ 이하의 분말을 사용하는 PBF 방식을 사용할 때 금속 분말의 배딩이 저하되어 유동성이 저하되는 결과를 초래한다.
또한, 첨가되는 산화된 금속 입자의 중량은 0.5 wt% 내지 1.0 wt%로 첨가되는 것이 바람직한데, 미첨가시에는 제조된 제조물의 인장강도가 1120MPa를 보였고, 0.5 wt% 첨가된 경우 제조된 제조물의 인장강도가 약 1390MPa를 보인 반면, 0.6 wt%로 증가하면 1370MPa 수준으로 감소하여, 산화된 금속 입자가 특정 임계값 이상으로 첨가될 경우 인장강도가 감소되는 결과를 보인다. 따라서, 산화된 금속은 0.5 wt% 이하로 첨가되는 것이 가장 바람직하다.
아울러, 미세금속층이 형성된 금속 분말을 사용할 경우, 레이저에 의해 용융된 금속 분말의 액적에 코팅되었던 미세한 산화된 금속 입자가 분산되면서 분산 강화 효과 또한 기대할 수 있다.
도 4는 본 발명의 프린터용 금속 분말을 사용하여 PBF 방식으로 3D 프린팅한 제조물을 확대하여 조직의 구조를 도시한 것이다. 이러한 미세조직의 구조를 관찰한 결과 Melt Pool Boundary에 형성된 Tempered Martensite와 Melt Pool Core에 형성된 급랭 조직인 Martensite의 이중 미세 조직이 확인되었으며, 3D프린팅 시(적층 제조 시) 레이어별로 재용융에 의해 형성되는 Melt Pool Boundary의 Tempered martensite는 네트워크를 형성하는 것으로 나타났다.
| 인장강도(MPa) | 항복강도(MPa) | 연신율(%) | 항복비(%) | |
| 실시예 20 | 1126 | 1054 | 17.4 | 93.6 |
| 비교예 5 | 1450 | 1360 | 2.0 | 93.7 |
| 비교예 6 | 938 | 758 | 6.0 | 80.8 |
표 5는 본 발명에 따른 금속 분말(실시예 20)과 비교소재인 SCr420 (단조+열처리)(비교예 5), SCr420(침탄열처리)(비교예 6)로 제조한 제조물의 물성을 비교한 것이다. 결과적으로, 3D프린팅된 소재의 기계적 특성 평가 결과 비교재인 특수강 SCr420 봉강과 동등 수준의 인장강도와 항복강도값이 확인되었으며, 연신율이 17.4%로 비교예 5 대비 약 8.5배 높은 연신을 나타내었다.
본 발명에서 개발된 금속 분말을 활용한 3D프린팅 부품은 우주 항공 및 자동차 분야에서 다양한 응용을 할 수 있으며, 특히 복잡한 형상의 차체 연결부재, 격자구조 적용을 통한 고강도 경량화 차체/샤시 부품 등에 적용되어 외부 강한 충격에도 파손되지 않으면서 탑승자의 안전을 확보할 수 있는 분야로의 응용을 기대할 수 있다는 효과가 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Claims (15)
- C(탄소) 0.18~0.23 wt%, Si(규소) 0.3~2.0 wt%, Mn(망간) 0.6~0.9 wt%, Ni(니켈) 0.01~0.25 wt%, Cr(크롬) 0.9~1.2 wt%, O(산소) 0.1 wt% 이하, S(황)와 P(인)를 포함하는 불가피한 불순물 및 잔부 Fe(철)로 구성된 3D 프린터용 금속 분말.
- 청구항 1에 있어서,
Ni의 함량은 0.5~2.0 wt% 인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 금속 분말.
- 청구항 1에 있어서,
3D 프린터용 금속 분말의 표면에 지방산을 포함하는 산화방지층이 형성된 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 금속 분말.
- 청구항 3에 있어서,
지방산은 스테아린산, 미리스트산, 팔미트산으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 금속 분말.
- 청구항 3에 있어서,
산화방지층 내 지방산은 금속 분말 중량과 대비하여 0.3 wt% 내지 1 wt% 인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 금속 분말.
- 청구항 1에 있어서,
3D 프린터용 금속 분말의 표면에 계면활성제를 포함하는 계면활성층이 형성된 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 금속 분말.
- 청구항 6에 있어서,
계면활성제는 스테아릴알콜 또는 세틸알콜인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 금속 분말.
- 청구항 6에 있어서,
계면활성층 내 계면활성제는 금속 분말 중량과 대비하여 0.5 wt% 이하인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 금속 분말.
- 청구항 1에 있어서,
3D 프린터용 금속 분말의 표면에 산화된 금속을 포함하는 미세금속층이 형성된 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 금속 분말.
- 청구항 9에 있어서,
산화된 금속은 Al2O3, Y2O3 또는 TiO2로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 금속 분말.
- 청구항 9에 있어서,
산화된 금속은 금속 분말 중량과 대비하여 0.5% 이하인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 금속 분말.
- 청구항 9에 있어서,
산화된 금속의 입자의 크기는 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 금속 분말.
- 청구항 9에 있어서,
산화된 금속의 입자의 크기는 50㎚ 내지 300㎚ 인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 금속 분말.
- 청구항 1에 있어서,
3D 프린터용 금속 분말의 크기는 45㎛ 내지 150㎛인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 금속 분말.
- 청구항 1에 있어서,
3D 프린터용 금속 분말의 크기는 10㎛ 내지 45㎛인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 금속 분말.
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