KR20230068340A

KR20230068340A - 용융 응고 성형용 Fe기 합금 및 금속 분말

Info

Publication number: KR20230068340A
Application number: KR1020220148591A
Authority: KR
Inventors: 타카시 요시모토
Original assignee: 다이도 토쿠슈코 카부시키가이샤
Priority date: 2021-11-10
Filing date: 2022-11-09
Publication date: 2023-05-17
Also published as: CN116103581A; US20230151471A1; JP2023071110A; US11884999B2; EP4180549A1

Abstract

본 발명은, 0.05 질량% ≤ C ≤ 0.25 질량%, 0.01 질량% ≤ Si ≤ 2.0 질량%, 0.05 질량% ≤ Mn ≤ 2.5 질량%, 2.5 질량% ≤ Ni ≤ 9.0 질량%, 0.1 질량% ≤ Cr ≤ 8.0 질량% 및 0.005 질량% ≤ N ≤ 0.200 질량%를 함유하고,잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지며, 11.5 < 15C+Mn+0.5Cr+Ni < 20을 만족하는 용융 응고 성형용 Fe기 합금에 관한 것이다.

Description

용융 응고 성형용 Fe기 합금 및 금속 분말{Fe-BASED ALLOY FOR MELT-SOLIDIFICATION-SHAPING AND METAL POWDER}

본 발명은 용융 응고 성형용 Fe기 합금 및 금속 분말에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 조형(manufacturing) 시 변형이 적고, 조형된 상태에서 가공 효율이 높으며, 고가의 합금 원소들의 함량이 낮은 대상물(object)을 오버레이 용접(overlaying welding) 및 적층 조형(additive manufacturing)과 같은 용융 응고 성형을 통해 얻을 수 있는 용융 응고 성형용 Fe기 합금에 관한 것이고, Fe기 합금과 동등한 평균 조성을 갖는 금속 분말에 관한 것이다.

최근 몇 년 동안, 금속 적층 조형 기술이 주목을 받고 있다. 이는 금속 적층 조형 기술이 다음과 같은 장점을 가지고 있기 때문이다:

(a) 복잡한 형상을 갖는 금속부가, 최종 형상에 가까운 형상으로 형성될 수 있음;

(b) 디자인의 자유도가 향상됨; 및

(c) 종래 기술보다 절삭 마진이 더 적음.

여기서, "적층 조형 방법"이란, 3차원 구조를 수평 방향으로 슬라이스하여 얻어진 구조에 대응하는 얇은 층을 다양한 방법을 이용하여 적층함으로써 3차원 구조를 제조하는 방법을 말한다. 얇은 층을 적층하는 방법의 예에는 다음이 포함된다:

(a) 금속 분말로 이루어진 얇은 분말층을 형성하는 단계와, 레이저빔 또는 전자빔과 같은 에너지빔으로 조사하여 분말층을 국소적으로 용융 및 응고시키는 단계를 반복하는 방법, 및

(b) 각각이 정해진 형상을 갖는 박판을 적층하고, 그 박판을 확산 접합하는 방법.

이들 중, 촘촘히 깔린(spread) 금속 분말층에 레이저 빔을 조사하여 분말층을 국소적으로 용융 및 응고시키는 적층 조형 방법을 "선택적 레이저 용융(SLM)"이라고도 한다. SLM 적층 조형 방법은, 단지 레이저 빔의 조사 위치를 변경함으로써 복잡한 3차원 형상이 쉽게 형성될 수 있다는 장점이 있다.

또한, 금속 분말을 공급하면서 레이저 또는 전자빔을 금속 분말에 조사하고, 오버레이되는 기존의 부재, 기판 또는 재료 상에 용융 금속을 선택적으로 적층하는 적층 조형 방법을 "직접 에너지 적층(DED)"이라고도 한다.

이러한 적층 조형 방법을, 예컨대 다이캐스팅 금형 또는 플라스틱 성형용 금형의 제조에 적용할 경우, 금형 내부에 비선형 또는 3차원 수냉 회로를 자유롭게 배치할 수 있다.

종래 기술에서는, 이러한 적층 조형에 사용하기 위한 금속 분말에 대해 다양한 제안이 이루어져 왔다. 예컨대, 특허문헌 1에는 C, Si, Cr, Mn, Mo, V 및 N을 소정량 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 금속 분말이 개시되어 있다.

동 문헌에는 다음과 같은 점이 개시되어 있다:

(a) SKD61, SUS420J2와 같은 금형강 및 종래 기술의 마레이징강(maraging steel)은 고온 강도는 높지만, 매트릭스(matrix)에서 쉽게 용해되는 Si, Cr, Ni 및 Co와 같은 원소들을 다량으로 함유하기 때문에 열전도율이 낮다;

(b) 이러한 유형의 고합금강에서, 열전도율을 감소시키는 합금 성분의 함량이 감소하고 Cr의 양이 최적화되면, 높은 내식성을 유지하면서 높은 열전도율을 달성할 수 있다; 그리고

(c) 이러한 강 분말은 적층 조형용 분말로서 적합하다.

특허문헌 2에는 C, Ni, Co, Mo, Ti 및 Al을 소정량 함유하고 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진 마레이징강으로 제조되고, 200 μm 이하의 메디안 직경(median diameter) D₅₀을 갖는 적층 조형용 금속 분말이 개시되어 있다.

동 문헌에는 다음과 같은 점이 개시되어 있다:

(a) Ti를 함유하는 마레이징강으로 제조된 금속 분말을 사용하여 적층 조형을 수행하는 경우, Ti가 선형적으로 편석되며, 적층 조형물의 인성이 감소하는 경향이 있다; 그리고

(b) Ti의 함량이 0.1질량% 내지 5.0질량%로 제어되는 경우, 적층 조형물에서의 Ti 편석을 방지할 수 있고, 적층 조형물의 인성을 향상시킬 수 있다.

복잡한 수냉 회로를 도입함으로써 납기를 단축하고 성형 품질을 향상시키기 위해, 적층 조형 기술을 이용한 플라스틱 성형용 금형의 제조가 시작되었다. 종래 기술에서 금속 분말을 이용한 적층 조형(SLM 및 DED)에는 SUS420J2, 마레이징강, SKD61 등의 분말이 자주 사용된다. 특허 문헌 1에 개시된 금속 분말은 열전도성 및 내식성이 우수하여, 플라스틱 성형용 금형의 적층 조형에 사용될 수 있다. 마찬가지로, 특허 문헌 2에 개시된 마레이징강 분말은 인성이 우수하여, 플라스틱 성형용 금형의 적층 조형에 사용될 수 있다.

플라스틱 성형용 금형의 적층 조형에 있어서, 제조 능력을 향상시키기 위해, 적층 조형 기능 및 절삭 기능을 모두 갖는 적층 조형 장치가 사용되는 경우가 있다. 이 경우에, 절삭은 조형된 상태에서 수행된다. 이러한 적층 조형 장치에 사용되는 금속 분말은 다음의 3가지 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

(a) 조형 시 변형(deformation)이 적고 마무리 가공 시 효율이 높음(가공 마진이 작음).

(b) 조형된 상태의 경도(as-manufactured hardness)가 낮고, 조형된 상태에서의 가공 효율이 높음.

(c) Ni, Co 및 Mo와 같은 고가의 합금 원소들의 함량이 낮고, 생산 비용이 낮음.

그러나, 종래 기술에서는 상기 3가지 조건을 모두 만족하는 금속 분말의 예는 제안되고 있지 않다. 예컨대, SKD61 또는 특허 문헌 1에 개시된 금속 분말의 경우, 적층 조형 시의 열응력에 의한 적층 조형물의 변형이 큰 경향이 있다. 변형이 크면, 조형된 금형의 치수 정밀도가 저하될 수 있고, 가공 시 가공 마진이 증가할 수도 있다. 그렇지 않으면, 변형에 대해 미리 고려한 후 금형을 설계할 필요가 있고, 이는 가공 효율을 저하시킬 수도 있다.

또한, SUS420J 및 마레이징강의 적층 조형 시 변형은 SKD61보다 작다. 그러나, SUS420J2는 조형된 상태의 경도가 높기 때문에, 절삭 시 절삭 공구가 심하게 마모되어, 가공 효율이 낮게 된다. 반면에, 마레이징강은 조형된 상태의 경도가 낮고, 조형된 상태에서의 가공이 비교적 용이하다. 그러나, 마레이징강은 Ni, Co 및 Mo와 같은 고가의 희귀 금속들을 다량 함유하고 있고, 이는 높은 생산 비용을 요구한다.

일본특허 제6601051호 공보 일본공개특허공보 특개2020-045567호

본 발명의 목적은 조형 시 변형이 적고, 조형된 상태에서 가공 효율이 높으며, 고가의 합금 원소들의 함량이 낮은 대상물을 오버레이 용접 및 적층 조형과 같은 용융 응고 성형을 통해 얻을 수 있는, 용융 응고 성형용 Fe기 합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 이러한 용융 응고 성형용 Fe기 합금과 동등한 평균 조성을 갖는 금속 분말을 제공하는 것이다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 용융 응고 성형용 Fe기 합금은,

0.05 질량% ≤ C ≤ 0.25 질량%,

0.01 질량% ≤ Si ≤ 2.0 질량%,

0.05 질량% ≤ Mn ≤ 2.5 질량%,

2.5 질량% ≤ Ni ≤ 9.0 질량%,

0.1 질량% ≤ Cr ≤ 8.0 질량% 및

0.005 질량% ≤ N ≤ 0.200 질량%

를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고,

다음의 식 (1)을 만족한다.

11.5 < 15C+Mn+0.5Cr+Ni < 20 (1)

본 발명에 따른 금속 분말은 본 발명에 따른 용융 응고 성형용 Fe기 합금과 동등한 평균 조성을 갖는다.

소정의 원소들을 함유하고 식 (1)을 만족하는 금속 분말을 이용하여 적층 조형을 수행할 경우, 조형 후 냉각 공정에서 발생하는 잔류 인장 응력은 마르텐사이트 변태에 의한 부피 팽창에 의해 완화된다. 그 결과, 적층 조형 시의 변형이 방지될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 금속 분말은 SUS420J2보다 탄소량이 적기 때문에, 조형된 상태의 경도가 낮고, 조형된 상태에서의 가공 효율이 SUS420J2에 비해 높다.

또한, 본 발명에 따른 금속 분말은 마레이징강에 비하여 탄소량이 많고, Ni, Mo 및 Co의 함량이 낮다. 따라서, 본 발명에 따른 금속 분말은 마레이징강보다 비용이 저렴하다. 또한, Ni, Mo 및 Co의 함량 감소에 따른 경도 감소는 탄소량 증가에 의한 경도 증가(마르텐사이트 변태에 의한 강화, 탄화물 석출에 의한 석출 강화 등)로 보상될 수 있다.

도 1은 변수 A와 Ms점 사이의 관계를 나타낸 도면이다.
도 2는 Ms점과 조형 후 변형 사이의 관계를 나타낸 도면이다.
도 3은 변수 A와 조형 후 변형 사이의 관계를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.

[1. 용융 응고 성형용 Fe기 합금]

[1.1. 주(main) 구성 요소]

본 실시예에 따른 용융 응고 성형용 Fe기 합금(이하, 간단히 "Fe기 합금"이라 칭한다)은 하기의 원소들을 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 첨가되는 원소들의 종류, 그의 성분 범위 및 한정 이유는 다음과 같다.

(1) 0.05 질량% ≤ C ≤ 0.25 질량%:

C의 양은 오버레이 용접 직후 또는 적층 조형 직후(이하, 일괄하여 "조형 직후"라 칭한다) 마르텐사이트의 경도에 영향을 미친다. 일반적으로, C의 양이 증가할수록, 조형 직후 마르텐사이트의 경도는 증가한다. 또한, C는 Ms점을 효과적으로 낮출 수 있는 원소이기도 하다. C의 양이 너무 적은 경우에는, 조형 직후의 경도가 감소할 수도 있고, 또는 Ms점이 증가할 수도 있다. 따라서, C의 양은 0.05 질량% 이상이 요구된다. C의 양은 0.08 질량% 이상인 것이 바람직하고, 0.11 질량% 이상인 것이 더욱 바람직하다.

반면에, C의 양이 과도한 경우에는, 조형 직후의 경도가 과도하게 높아질 수 있고, 이는 절삭 효율을 저하시킬 수도 있다. 따라서, C의 양은 0.25 질량% 이하가 요구된다. C의 양은 0.22 질량% 이하인 것이 바람직하고, 0.19 질량% 이하인 것이 더욱 바람직하다.

(2) 0.01 질량% ≤ Si ≤ 2.0 질량%:

Si는 절삭 시 피삭성(machinability)을 향상시키는 효과가 있다. 적층 조형에서는, 대상물이 최종 형상에 가까운 형상으로 형성되므로, 절삭 시 절삭 마진이 작다. 따라서, 높은 피삭성이 반드시 요구되는 것은 아니다. 그러나, Si의 양을 지나치게 감소시키는 것은 생산 시 정련 비용(refining costs)의 증가로 이어져 경제성이 떨어진다. 따라서, Si의 양은 0.01 질량% 이상으로 설정된다. Si의 양은 0.05 질량% 이상인 것이 바람직하고, 0.10 질량% 이상인 것이 더욱 바람직하다.

반면에, Si의 양이 과도한 경우에는, 인성이 저하될 수도 있다. 따라서, Si의 양은 2.0 질량% 이하가 요구된다. Si의 양은 1.5 질량% 이하인 것이 바람직하고, 1.2 질량% 이하인 것이 더욱 바람직하고, 0.5 질량% 이하인 것이 보다 더 바람직하다.

(3) 0.05 질량% ≤ Mn ≤ 2.5 질량%:

Mn은 퀀칭성(hardenability)을 확보하는 데 효과적인 원소이다. 또한, Mn은 Ms점을 효과적으로 낮추는 원소이기도 하다. Mn의 양이 너무 적으면, 퀀칭성이 저하될 수도 있고, 또는 Ms점이 증가할 수도 있다. 따라서, Mn의 양은 0.05 질량% 이상이 요구된다. Mn의 양은 0.1 질량% 이상인 것이 바람직하고, 0.3 질량% 이상인 것이 더욱 바람직하다.

반면에, Mn의 양이 과도한 경우에는, Ms점이 크게 낮아지고, 오히려 적층 조형물의 변형이 증가할 수도 있다. 따라서, Mn의 양은 2.5 질량% 이하가 요구된다. Mn의 양은 2.3 질량% 이하인 것이 바람직하고, 1.9 질량% 이하인 것이 더욱 바람직하다.

(4) 2.5 질량% ≤ Ni ≤ 9.0 질량%:

Ni는 퀀칭성을 확보하는 데 효과적인 원소이다. 또한, Ni는 Ms점을 효과적으로 낮추는 원소이기도 하다. Ni의 양이 너무 적은 경우에는, Ms점을 낮추기 어려울 수도 있다. 따라서, Ni의 양은 2.5 질량% 이상이 요구된다. Ni의 양은 2.8 질량% 이상인 것이 바람직하고, 4.0 질량% 이상인 것이 더욱 바람직하고, 5.0 질량% 이상인 것이 보다 더 바람직하다.

반면에, Ni의 양이 과도한 경우에는, Ms점이 크게 낮아지고, 오히려 적층 조형물의 변형이 증가할 수도 있다. 따라서, Ni의 양은 9.0 질량% 이하가 요구된다. Ni의 양은 8.0 질량% 이하인 것이 바람직하고, 7.0 질량% 이하인 것이 더욱 바람직하다.

(5) 0.1 질량% ≤ Cr ≤ 8.0 질량%:

Cr은 탄화물 또는 질화물을 형성하여 강에 미세하게 분산되어 경도 및 내마모성 향상에 기여한다. 또한, Cr은 퀀칭성 및 내식성을 확보하는데 효과적인 원소이기도 하다. Cr의 양이 너무 적은 경우에는, 퀀칭성 및 경도가 저하될 수도 있다. 따라서, Cr의 양은 0.1 질량% 이상이 요구된다. Cr의 양은 0.5 질량% 이상인 것이 바람직하고, 0.8 질량% 이상인 것이 더욱 바람직하다.

반면에, Cr을 과도하게 첨가하는 경우에도, 퀀칭성에 대한 효과는 포화되기 때문에 실질적인 이득이 없다. 따라서, Cr의 양은 8.0 질량% 이하로 설정된다. Cr의 양은 6.5 질량% 이하인 것이 바람직하고, 5.5 질량% 이하인 것이 더욱 바람직하다.

(6) 0.005 질량% ≤ N ≤ 0.200 질량%:

N은 용융 금속이 질소 아토마이징(nitrogen atomization)에 의해 분말화될 때 Fe기 합금에 혼합되는 원소이다. N의 양을 과도하게 줄이는 것은 생산 비용에 큰 상승을 초래한다. 따라서, N의 양은 0.005 질량% 이상으로 설정된다. N의 양은 0.010 질량% 이상인 것이 바람직하고, 0.015 질량% 이상인 것이 더욱 바람직하다.

반면에, N의 양이 과도한 경우에는, 질화물 형성이 촉진되어 인성이 크게 저하될 수도 있다. 따라서, N의 양은 0.200 질량% 이하가 요구된다. N의 양은 0.100 질량% 이하인 것이 바람직하고, 0.050 질량% 이하인 것이 더욱 바람직하다.

(7) 불가피적 불순물:

본 실시예에 따른 Fe기 합금은 하기에 나타낸 성분들을 하기에 나타낸 양으로 함유할 수도 있다. 이러한 경우에, 이들 성분은 본 발명에서 불가피적 불순물로서 취급된다.

P≤0.05 질량%, S≤0.01 질량%, O≤0.08 질량%, Mo<0.20 질량%, W≤0.20 질량%, V<0.05 질량%, Al<0.30 질량%, Ti≤0.20 질량%, Cu <0.50 질량%, Co≤0.05 질량%, Sn≤0.05 질량%, Nb≤0.05 질량%, Ta≤0.05 질량%, Zr≤0.05 질량%, B ≤ 0.01 질량%, Ca ≤ 0.01 질량%, Se ≤ 0.03 질량%, Te ≤ 0.01 질량%, Bi ≤ 0.01 질량%, Pb ≤ 0.05 질량%, Mg ≤ 0.02 질량%, REM ≤ 0.01 질량%.

[1.2. 보조 구성 원소들]

본 실시예에 따른 Fe기 합금은, 상기 주 구성 원소에 더하여, 하기 원소들 중 하나 이상을 더 함유할 수도 있다. 첨가되는 원소들의 종류, 그의 성분 범위 및 한정 이유는 다음과 같다.

(1) 0.5 질량% ≤ Cu ≤ 3.0 질량%:

Cu는 시효 처리(aging treatment)에 의해 미세한 Cu 입자로서 강에 석출되어 내부에서 분산됨으로써 경도 향상에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해, Cu의 양은 0.5 질량% 이상인 것이 바람직하다. Cu의 양은 0.6 질량% 이상인 것이 더욱 바람직하다.

반면에, Cu의 양이 과도한 경우에는, 경도 향상에 기여하는 효과는 포화될 뿐만 아니라, 생산 비용도 증가하게 된다. 따라서, Cu의 양은 3.0 질량% 이하인 것이 바람직하다. Cu의 양은 2.5 질량% 이하인 것이 더욱 바람직하고, 1.5 질량% 이하인 것이 보다 더 바람직하다.

(2) 0.2 질량% ≤ Mo ≤ 2.0 질량%:

Mo는 탄화물 또는 질화물을 형성하는 원소로, 강에 미세하게 분산되어 경도 및 내마모성 향상에 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해, Mo의 양은 0.2 질량% 이상인 것이 바람직하다. Mo의 양은 0.3 질량% 이상인 것이 더욱 바람직하다.

반면에, Mo의 양이 과도한 경우에는, 탄화물 또는 Laves상의 석출량이 증가할 수도 있고, 이는 인성을 저하시킬 수도 있다. 따라서, Mo의 양은 2.0 질량% 이하인 것이 바람직하다. Mo의 양은 1.8 질량% 이하인 것이 더욱 바람직하고, 1.2 질량% 이하인 것이 보다 더 바람직하다.

(3) 0.05 질량% ≤ V ≤ 0.1 질량%:

V는 Mo와 마찬가지로 탄화물 또는 질화물을 형성하는 원소로서, 강에 미세하게 분산되어 경도 및 내마모성 향상에 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해, V의 양은 0.05 질량% 이상인 것이 바람직하다.

반면에, V의 양이 과도한 경우에는, 탄화물을 형성하고 절삭 시 공구 마모를 증가시킬 수도 있다. 따라서, V의 양은 0.1 질량% 이하인 것이 바람직하다. V의 양은 0.08 질량% 이하인 것이 더욱 바람직하다.

본 실시예에 따른 Fe기 합금은 Mo 또는 V 중 어느 하나를 함유할 수도 있고, 또는 둘 다 함유할 수도 있다.

(4) 0.3 질량% ≤ Al ≤ 1.5 질량%:

Al은 템퍼링 동안 Ni와 금속간 화합물을 형성하며 강에서 석출한다. 금속간 화합물의 석출은 경도 향상에 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해, Al의 양은 0.3 질량% 이상인 것이 바람직하다.

반면에, Al의 양이 과도한 경우에는, 금속간 화합물 또는 질화물이 과도하게 증가하고, 이는 인성을 저하시킬 수도 있다. 따라서, Al의 양은 1.5 질량% 이하인 것이 바람직하다. Al의 양은 1.3 질량% 이하인 것이 더욱 바람직하고, 1.2 질량% 이하인 것이 보다 더 바람직하다.

[1.3. 성분 밸런스]

본 실시예에 따른 Fe기 합금은 다음의 식 (1)을 만족한다.

11.5 < 15C+Mn+0.5Cr+Ni < 20 (1)

식 (1)에서 "15C+Mn+0.5Cr+Ni"(이하, "변수 A"라고도 칭함)는 Fe기 합금의 Ms점과 상관 관계가 있다. 변수 A의 모든 원소들은 Ms점을 낮추는 효과가 있다. 본 실시예에 따른 Fe기 합금에서, 변수 A가 식 (1)을 만족하도록 최적화되면, Fe기 합금의 Ms점이 적층 조형에 적합한 범위(구체적으로는, 약 50℃ 내지 약 280℃)로 설정될 수 있다.

변수 A는 각 원소의 함량(질량%)에 소정의 계수를 곱하고 이들을 함께 합하여 얻어진다.

Fe기 합금의 Ms점이 너무 낮은 경우에는, 적층 조형 직후의 잔류 오스테나이트의 양이 과도하고, 충분한 경도를 얻을 수 없다. 또한, 적층 조형 직후에 재료가 상온으로 냉각되는 경우에도, 마르텐사이트 변태량이 적어, 변태 팽창에 의한 변형 감소 효과가 얻어지지 않을 수도 있다. 따라서, Ms점은 50℃ 이상인 것이 바람직하다. Ms점이 상기 값과 같거나 더 크도록 하기 위해, 변수 A는 20 미만인 것이 바람직하다.

반면에, 변태 팽창에 의한 변형 감소 효과를 얻기 위해서는, 적층 조형 직후의 조형물을 Ms점보다 낮고 마르텐사이트 변태가 완전히 완료되는 온도(Mf점)보다 높은 온도로 가열할 필요가 있다. 현재의 적층 조형 장치는 기기 제약으로 인해 200℃까지만 가열할 수 있다. 조형물의 가열 온도가 200℃이고 금속 분말(Fe기 합금)의 Ms점이 280℃보다 높은 경우에는, 가열 온도가 너무 낮아, 적층 조형 직후 마르텐사이트 변태가 거의 완료되고, 변태 팽창에 의한 변형 감소 효과를 얻을 수 없다.

적층 조형물을 200℃ 이상으로 가열하는 것이 가능하다고 하더라도, Ms점이 280℃ 이상인 경우에는, 가열에 필요한 온도가 베이나이트 변태가 일어나는 온도와 같거나 그보다 높다. 따라서, 적층 조형 시 베이나이트 변태에 의한 팽창이 일어나고, 변태 팽창에 의한 변형 감소 효과를 얻을 수 없다. 따라서, Ms점은 280℃ 이하인 것이 바람직하다. Ms점이 상기 값과 같거나 더 작도록 하기 위해, 변수 A는 11.5 초과인 것이 바람직하다.

[1.4. 형상]

본 실시예에서, Fe기 합금의 형상은 특별히 제한되지 않는다. Fe기 합금의 형상의 예에는 덩어리(lump), 막대, 튜브, 와이어, 분말 등이 포함된다. 특히, 용융 응고 성형용 원료로는 분말이 적합하다.

[2. 금속 분말]

본 실시예에 따른 금속 분말은 본 발명에 따른 용융 응고 성형용 Fe기 합금과 동등한 평균 조성을 갖는다.

[2.1. 성분]

용어 "용융 응고 성형용 Fe기 합금과 동등한 평균 조성"은 다음을 가리킨다:

(a) 개별 금속 입자가 전술한 범위 내의 조성을 갖는, 동일한 조성을 갖는 1종의 금속 입자들로 이루어진 금속 분말,

(b) 개별 금속 입자가 전술한 범위 내의 성분을 갖는, 상이한 조성을 갖는 2종 이상의 금속 입자들의 혼합물로 이루어진 금속 분말; 및

(c) 1종 이상의 금속 입자들은 조성이 전술한 범위에 속하지 않지만, 전체 금속 분말의 조성의 평균값은 전술한 범위 내에 있는, 상이한 조성을 갖는 2종 이상의 금속 입자들의 혼합물로 이루어진 금속 분말.

금속 분말이 조성이 상이한 2종 이상의 금속 입자들의 혼합물로 구성되는 경우, 개별 금속 입자들은 단일 금속 원소로 이루어진 순금속 입자일 수도 있고, 2종 이상의 금속 원소들을 함유하는 합금 입자일 수도 있다. 금속 분말이 혼합물로 구성되는 경우, 평균 조성은, 예컨대 혼합물로부터 약 10g의 시료를 추출하고, 형광 X선 분석, 연소 적외선 흡수 또는 플라즈마 방출 분광법과 같은 방법을 이용하여 시료를 분석함으로써 결정될 수 있다.

금속 분말의 조성(평균 조성)에 대한 자세한 내용은 전술한 Fe기 합금과 동일하므로, 설명은 생략한다.

[2.2. 평균 입경]

용어 "평균 입경"은 개수 빈도(number frequency) D₅₀(μm), 즉 분말의 누적 50개수%의 입경(메디안 직경)을 의미한다. D₅₀의 측정 방법의 예에는 다음이 포함된다:

(a) 레이저 회절/분산법에 기초한 입자 분포 측정 장치를 이용하는 측정 방법;

(b) 입자 이미지 분석기를 사용한 측정 방법;

(c) 콜터 카운터(coulter counter)를 사용한 측정 방법 등.

본 실시예에서, 용어 "D₅₀"은 레이저 회절/분산법에 기초한 입자 분포 측정 장치에 의해 측정되는 메디안 직경을 의미한다.

금속 분말의 평균 입경 및 입경 분포는 금속 분말의 제조 조건 및 금속 분말의 분급 조건에 의해 제어될 수 있다.

일반적으로, 미분(fine powder)(입경이 10 μm 이하인 입자들)의 함량은 D₅₀이 증가할수록 상대적으로 증가한다. 입경이 작아질수록 반 데르 발스 힘 및 정전기력과 같은 입자들 사이에 발생하는 접착력이 증가한다. 따라서, D₅₀이 너무 낮은 경우에는, 분말이 덩어리가 되는(agglomerate) 경향이 있고, 그 결과 유동성이 저하된다. 따라서, D₅₀은 10 μm 이상인 것이 바람직하다. D₅₀은 20 μm 이상인 것이 더욱 바람직하고, 30 μm 이상인 것이 보다 더 바람직하다.

반면에, D₅₀이 너무 큰 경우에는, 입자들 간에 발생하는 접착력보다 분말 표면에 발생되는 마찰력이 보다 더 우세하게 된다. 따라서, 분말 유동 시 전단 저항이 증가하고, 유동성이 억제된다. 따라서, D₅₀은 50 μm 이하인 것이 바람직하다.

[2.3. 입자 형상]

금속 분말에 포함되는 개별 금속 입자의 입자 형상은 특별히 제한되지 않는다. 금속 입자들은 구형(spherical) 입자 또는 불규칙한 형상의 입자일 수도 있다. 높은 유동성을 얻기 위해, 금속 입자는 구형 입자인 것이 바람직하다.

[2.4. 표면 코팅]

금속 입자의 표면은 나노입자로 코팅될 수도 있다. 용어 "나노입자"는 직경이 1 nm 이상 100 nm 이하인 무기 화합물 입자를 의미한다.

금속 입자의 표면이 특정 나노입자로 코팅되는 경우, 금속 입자들의 덩어리화가 경우에 따라서는 방지될 수 있다. 이러한 금속 입자들의 덩어리화를 방지하는 효과가 있는 나노입자의 예에는, 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃), 망간 산화물(MnO), 철 산화물(Fe₂O₃), 칼슘 산화물(CaO) 및 마그네슘 산화물(MgO)과 같은 금속 산화물이 포함된다.

금속 입자의 표면을 나노입자로 코팅하는 경우에, 코팅량이 너무 낮으면, 금속 입자들의 덩어리화가 충분히 방지되지 않을 수도 있다. 따라서, 나노입자의 함량은 0.005 질량% 이상인 것이 바람직하다.

반면에, 나노입자의 코팅량이 과도한 경우에는, 나노입자가 개재물로서 기능할 수도 있고, 이는 용융 응고 성형이 수행될 때 조형물의 강도 및/또는 인성을 감소시킬 수도 있다. 따라서, 나노입자의 함량은 0.05 질량% 이하인 것이 바람직하다.

[2.5. 용도]

본 실시예에 따른 금속 분말은 용융 응고 성형용 원료 분말로서 사용될 수 있다.

여기서, 용어 "용융 응고 성형법"은, 금속 분말을 다양한 열원을 이용하여 용융하고 용융된 금속 분말을 응고 및 적층함으로써 조형물의 전체 또는 일부를 형성하는 방법을 말한다.

"조형물 전체를 형성한다"는 표현은 금속 분말을 용융, 응고 및 적층하는 것만으로 조형물 전체를 형성하는 것을 의미한다.

"조형물의 일부를 형성한다"는 표현은, 조형물의 다른 부분을 구성하는 기재(base material)의 표면 상에, 금속 분말을 용융, 응고 및 적층하여 조형물의 부분을 구성하는 새로운 층을 쌓는 것(예컨대, 금형의 보수)을 의미한다.

용융 응고 성형법의 대표적인 예에는 다음이 포함된다:

(a) 직접 에너지 적층(DED) 방법;

(b) 분말상(powder bed) 융합법; 및

(c) 플라즈마 오버레이 용접법.

이들 중, "직접 에너지 적층(DED) 방법"은 금속 분말을 공급하면서 레이저 또는 전자빔을 금속 분말에 조사하고, 용융된 금속을 오버레이되는 기존 부재, 기판 또는 재료에 선택적으로 적층하는 방법을 말한다. DED 방법에서는, 금속층이 반복적으로 적층될 수 있으며 라인, 벽 및 블록 등의 다양한 형상으로 오버레이될 수 있다. 열원으로서 레이저를 사용하는 장치를 사용하는 경우에는, 적층되는 용융물(melt)의 부피를 줄일 수 있고, 오버레이되는 재료와의 계면에서 일어나는 성분들의 혼합에 의한 품질 저하를 방지할 수 있다. 따라서, 오버레이되는 재료로서, Fe기 합금, Ni기 합금 및 Co기 합금과 같은 다양한 재료가 사용될 수 있다.

"분말상 융합법"이란 3D-CAD 등에 의해 생성된 3차원 데이터(예컨대, STL 데이터)에 기초하여 수십 μm 단위로 슬라이스 데이터를 생성하고, 얻어진 슬라이스 데이터에 기초하여 레이저 또는 전자빔을 분말상에 선택적으로 스캐닝 및 조사하고, 소결층을 적층하는 제조 방법을 말한다. SLM법은 분말상 융합법 중 하나이다.

"플라즈마 오버레이 용접법"은 전극과 기재 사이에 플라즈마 아크를 발생시키고, 플라즈마 아크 내로 금속 분말을 도입하여 금속 분말을 용융시키고, 기재 표면에 금속을 오버레이하는 방법을 말다.

[2. 금속 분말 제조 방법]

본 실시예에서, 금속 분말의 제조 방법은 특별히 제한되지 않는다. 금속 분말을 제조하는 방법의 예에는 가스 아토마이즈법, 물 아토마이즈법, 플라즈마 아토마이즈법, 플라즈마 회전 전극법, 원심력 아토마이즈법 등이 포함된다.

예컨대, 가스 아토마이즈법을 이용하여 금속 분말을 제조하는 경우에는, 턴디시(tundish)의 바닥에서 용융 금속을 떨어뜨리면서 용융 금속에 고압 가스를 분사하여, 용융 금속을 분쇄 및 응고시킨다. 이 경우에, 고압 가스로서 질소 가스, 아르곤 가스 또는 헬륨 가스와 같은 불활성 가스가 사용될 수 있다. 가스 아토마이즈법을 이용하여 금속 분말을 제조하는 경우에, P, S, Cu, Co, Ti, Zr 및 Nb와 같은 불순물이 불가피하게 혼합될 수도 있다.

또한, 금속 분말은 2종 이상의 금속 분말들을 혼합하고, 예컨대 기계적 합금화 방법을 이용하여 제조될 수도 있다.

또한, 상기 방법들 중 어느 하나의 방법을 이용하여 금속 분말을 제조한 후, 금속 분말에 환원성 열플라즈마를 이용하여 구형화 처리(spheroidizing treatment)를 더 실시할 수도 있다. 다른 방법으로, 금속 분말의 유동성을 향상시키기 위하여, 분말 제조 후 입자 표면에 적정량의 나노입자를 코팅할 수도 있다. 금속 분말의 입경 분포는 제조 조건에 의해 제어될 수 있고, 또한 습식 사이클론, 건식 사이클론, 건식 체(sieve) 및 초음파 체와 같은 분급 방법에 의해 제어될 수도 있다.

[4. 효과]

소정의 원소를 함유하고 식 (1)을 만족하는 금속 분말을 사용하여 적층 조형을 수행하는 경우, 조형 후 냉각 공정에서 발생하는 잔류 인장 응력이 마르텐사이트 변태에 의한 부피 팽창에 의해 완화된다. 그 결과, 적층 조형 시의 변형이 방지될 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 금속 분말(Fe기 합금)은 SUS420J2보다 탄소량이 적기 때문에, 조형된 상태의 경도가 낮고, 조형된 상태에서의 가공 효율이 높다.

마레이징강은 저탄소 18% Ni강에 Mo 및 Co와 같은 시효 경화(age-hardening) 원소를 다량 첨가하여 얻어지는 시효경화 초고강도강이다. 마레이징강 분말을 이용하여 적층 조형을 수행하고, 조형물을 시효 처리한 경우에, 높은 경도가 얻어진다. 그러나, Ni, Mo 및 Co는 모두 비싼 원소이다. 제조 비용 절감을 위해 이들 원소의 함량을 감소시키는 경우에는, 요구되는 경도가 얻어지지 않을 수도 있다.

이에 반해, 본 실시예에 따른 금속 분말(Fe기 합금)은 마레이징강보다 탄소량이 많고 Ni, Mo 및 Co의 함량이 낮다. 따라서, 본 실시예에 따른 금속 분말(Fe기 합금)은 마레이징강보다 비용이 저렴하다. 또한, Ni, Mo 및 Co의 함량 감소에 따른 경도 감소는 탄소량 증가에 따른 경도 증가(마르텐사이트 변태에 의한 강화, 탄화물 석출에 의한 석출 강화 등)로 보상할 수 있다.

실시예

(실시예 1 내지 10 및 비교예 1 내지 8)

[1. 시료 준비]

[1.1. 금속 분말의 제조]

가스 아토마이즈법을 이용하여, 표 1에 나타낸 조성(잔부는 Fe)을 갖는 18종의 강 분말을 제조하였다. 표 1에 기재된 강 분말은 상기 규정량 이내에서 표 1에 기재되지 않은 원소들를 불순물로서 함유할 수도 있다. 비교예 2는 열간 가공 공구강(JIS SKD61)에 대응하고, 비교예 3은 마르텐사이트계 스테인리스강(JIS SUS420J2)에 대응하며, 비교예 4는 18Ni 마레이징강에 대응한다.

[표 1]

[1.2. 적층 조형물 제조]

컨셉 레이저(Concept Laser)에서 제조한 금속 3D 프린터 M2를 사용하여 적층 조형을 통해 Ms점 및 경도를 측정하기 위한 대상물(15 mm × 15 mm × 15 mm 정육면체)을 제조하였다. 적층 조형 조건은 후술하는 조형 특성의 평가 시험 조건과 동일하였다.

[2. 시험 방법]

[2.1. Ms점]

변태점 측정을 위한 시험편(φ4 mm × 10 mm)을 조형된 상태에서의 적층 조형물부터 잘라내었다. 시험편을 1,000℃ 내지 1,300℃로 가열한 후, 100℃/min의 냉각 속도로 20℃로 냉각하고, 냉각 동안 온도 변화 및 치수 변화를 측정하였다.

[2.2. 조형된 상태의 경도]

경도 측정을 위한 시험편을 조형된 상태에서의 적층 조형물의 중앙 부근에서 잘라내었다. 얻어진 시험편의 록웰(Rockwell) 경도(JIS Z2245: 2016)를 측정하였다.

[2.3. 조형 후 변형]

길이 20 mm, 폭 150 mm 및 높이 15 mm의 스트립 형상의 베이스 플레이트 상에, 콘셉트 레이저에서 제조한 금속 3D 프린터 M2를 사용하여 적층 조형을 통해 길이 18 mm, 폭 30 mm 및 높이 10 mm의 대상물을 제조하였다. 에너지 밀도는 85 J/㎟로 설정하였다. 히터를 사용하여 적층 조형물을 Ms-30℃ 내지 Ms-80℃의 온도로 예열하면서 적층 조형을 수행하였다. 조형 중 분위기는 질소 분위기였다.

적층 조형의 완료 후, 적층 조형물이 있는 베이스 플레이트를 금속 3D 프린터로부터 꺼내고, 적층 조형물이 있는 베이스 플레이트를 표면 플레이트 상에 위치시켰다. 조형물 전체의 외관 사진은 수평 방향에서 촬영되었다. 외관 사진에 대한 이미지 분석을 통해 적층 조형물 곡률 반경 R 및 두께 t를 산출하였다. 그 후, 조형 후 변형은 다음의 식 (2)에 의해 산출하였다.

조형 후 변형(%) = t×100/(2R+t) (2)

여기서, 식 (2)에 있어서, 곡률 반경 R은 적층 조형물이 하방으로 볼록하게(즉, 베이스 플레이트를 향하여 볼록하게) 변형될 때 음의 값으로 정의되고, 적층 조형물이 상방으로 볼록하게 변형될 때 곡률 반경 R은 양의 값으로 정의되었다.

곡률 반경 R은, 베이스 플레이트를 표면 플레이트상에 배치하고, 레이저 변위계 또는 스타일러스형(stylus type) 치수 측정기로 조형물의 길이 방향으로 일정한 간격으로 표면 플레이트로부터의 치수를 측정하고, 그 변위를 원으로 근사함으로써 계산할 수도 있다.

[3. 결과]

결과를 표 2에 나타낸다. 도 1은 변수 A와 Ms점 사이의 관계를 나타낸다. 도 2는 Ms점과 조형 후 변형 사이의 관계를 나타낸다. 도 3은 변수 A와 조형 후 변형 사이의 관계를 나타낸다.

[표 2]

표 2 및 도 1 내지 도 3은 다음의 사항을 나타낸다.

(1) 비교예 1, 5 및 8에서는, 조형 후 변형이 컸고, 변형의 절대값이 0.3%를 초과하였다. 이는, 지나치게 작은 변수 A로 인해 Ms점이 280℃보다 높았기 때문인 것으로 생각된다.

(2) 비교예 2 및 3에서는, 조형된 상태의 경도가 50 HRC를 초과하여 높게 나타났다. 이는 C의 양이 과도했기 때문인 것으로 생각된다.

(3) 비교예 4 및 6에서는, 조형된 상태의 경도가 낮았고, 조형 후 변형이 작았다. 그러나, 비교예 4는 다량의 Ni, Mo 및 Co를 함유하였고, 비교예 6은 다량의 Ni 및 Mo를 함유하였으며, 양자 모두 높은 비용으로 이어졌다.

(4) 비교예 7에서는, 조형 후 변형이 약간 컸으며, 변형의 절대값이 0.3%를 초과한다. 이는 지나치게 큰 변수 A로 인해 Ms점이 50℃보다 낮았기 때문인 것으로 생각된다.

(5) 실시예 1 내지 10 모두에서는, 조형된 상태의 경도가 적당하고(moderate), 조형 후 변형이 작았다. 또한, Ni, Mo 및 Co의 양이 상대적으로 적기 때문에, 비용이 낮았다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않고 다양한 변형이 가능하다.

본 출원은 2021년 11월 10일에 출원된 일본 특허출원 제2021-183724호에 기초하고 있으며, 그 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.

본 발명에 따른 금속 분말(Fe기 합금)은 적층 조형 방법을 통해 냉각을 필요로 하는 금형(플라스틱 성형 금형, 다이캐스팅 금형, 핫 스탬핑 금형, 테일러드 다이 퀀칭 금형(tailored die quenching mold) 등)을 제조하기 위한 분말 원료로 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 금속 분말(Fe기 합금)은 조형물의 엄격한 형상 제어를 수반하는 적층 조형뿐만 아니라, 조형물의 엄격한 형상 제어를 수반하지 않는 오버레이 용접에도 적용될 수 있다.

Claims

용융 응고 성형용 Fe기 합금으로서,
0.05 질량% ≤ C ≤ 0.25 질량%,
0.01 질량% ≤ Si ≤ 2.0 질량%,
0.05 질량% ≤ Mn ≤ 2.5 질량%,
2.5 질량% ≤ Ni ≤ 9.0 질량%,
0.1 질량% ≤ Cr ≤ 8.0 질량% 및
0.005 질량% ≤ N ≤ 0.200 질량%
를 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
다음의 식 (1)을 만족하는 용융 응고 성형용 Fe기 합금.
11.5 < 15C+Mn+0.5Cr+Ni < 20 (1)
제1항에 있어서,
0.5 질량% ≤ Cu ≤ 3.0 질량%
를 추가로 포함하는 용융 응고 성형용 Fe기 합금.
제1항에 있어서,
0.2 질량% ≤ Mo ≤ 2.0 질량% 및
0.05 질량% ≤ V ≤ 0.1 질량%
중 적어도 하나를 추가로 포함하는 용융 응고 성형용 Fe기 합금.
제2항에 있어서,
0.2 질량% ≤ Mo ≤ 2.0 질량%
0.05 질량% ≤ V ≤ 0.1 질량%
중 적어도 하나를 추가로 포함하는 용융 응고 성형용 Fe기 합금.
제1항에 있어서,
0.3 질량% ≤ Al ≤ 1.5 질량%
를 추가로 포함하는 용융 응고 성형용 Fe기 합금.
제2항에 있어서,
0.3 질량% ≤ Al ≤ 1.5 질량%
를 추가로 포함하는 용융 응고 성형용 Fe기 합금.
제3항에 있어서,
0.3 질량% ≤ Al ≤ 1.5 질량%
를 추가로 포함하는 용융 응고 성형용 Fe기 합금.
제4항에 있어서,
0.3 질량% ≤ Al ≤ 1.5 질량%
를 추가로 포함하는 용융 응고 성형용 Fe기 합금.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 용융 응고 성형용 Fe기 합금과 동등한 평균 조성을 갖는 금속 분말.