KR20160069447A

KR20160069447A - 금속 분말, 그 제조 방법, 및 이를 이용한 성형품의 제조 방법

Info

Publication number: KR20160069447A
Application number: KR1020150037564A
Authority: KR
Inventors: 이건용; 최준필; 송준일; 이재성
Original assignee: 한양대학교 에리카산학협력단
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2015-03-18
Publication date: 2016-06-16
Also published as: KR101935671B1; US20170326641A1; US10875091B2; KR20170064520A

Abstract

금속 분말의 제조 방법이 제공된다. 상기 금속 분말의 제조 방법은, 제1 금속 분말을 준비하는 단계, 상기 제1 금속 분말을 응집시켜, 상기 제1 금속 분말이 응집된 제2 금속 분말을 제조하는 단계, 상기 제2 금속 분말을 유기 바인더로 코팅하는 단계, 및 상기 유기 바인더가 코팅된 상기 제2 금속 분말을 응집 및 조대화시켜, 상기 유기 바인더가 코팅된 상기 제2 금속 분말보다 높은 유동성을 갖는 제3 금속 분말을 제조하는 단계를 포함한다.

Description

금속 분말, 그 제조 방법, 및 이를 이용한 성형품의 제조 방법{Metal powder, method of fabricating the same, and method of fabricating molded article using the same}

본 발명은 금속 분말, 그 제조 방법, 및 이를 이용한 성형품의 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 높은 유동성 및 성형성을 갖는 금속 분말, 그 제조 방법, 및 이를 이용한 성형품의 제조 방법에 관련된 것이다.

마이크로/나노 크기를 갖는 금속 분말은 미세한 입자 크기로부터 발현되는 우수한 물리적, 화학적 특성으로 인해, 현대 부품 산업이 요구하는 경량화, 소형화, 고강도를 실현할 수 있는 차세대 부품 소재로 각광 받고 있다.

예를 들어, 대한 민국 특허 공개 공보 10-2001-0032240(출원번호 10-2000-7005441, 출원인 가부시키가이샤 인젝스)에는, 금속 분말과 결합 수지를 포함하는 혼합물을 사출 성형한 사출 성형체에 언더 컷을 형성하고, 언더 컷이 형성된 사출 성형체를 탈지 후, 소결하는 금속 분말 사출 성형품의 제조 방법이 개시되어 있다.

하지만, 마이크로/나노 크기를 갖는 미세한 금속 분말은 넓은 비표면적으로 인해, 대기 중에서 폭발적으로 산화되는 특성을 보이며, 금속 분말 사이의 마찰력으로 인해 불규칙한 응집 현상을 보이기도 한다. 이러한 특성으로 인해, 마이크로/나노 크기를 갖는 미세한 금속 분말은 낮은 유동성을 가지며, 이로 인해, 분말 야금 공정을 통한 부품 제조 시, 분말의 취급, 및 이송 단계에서 큰 어려움을 겪고 있다. 또한, 금속 분말의 낮은 유동성으로 인해, 다이 성형 시 다이 내로 금속 분말을 장입하는 것이 용이하지 않고, 성형성이 낮아 성형품을 제조하는 것이 용이하지 않으며, 성형품 내 밀도 불균일 및 높은 수축률로 인해 제품의 치수 안정성이 낮은 문제가 있다.

이에 따라, 마이크로/나노 크기를 갖는 미세한 금속 분말의 유동성 및 성형성을 향상시키기 위한 연구 개발이 필요한 실정이다.

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 유동성이 향상된 금속 분말, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 성형성이 향상된 금속 분말, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고신뢰성의 금속 분말, 그 제조 방법, 및 이를 이용한 성형품의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 대기 중에서 취급 가능한 금속 분말, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 성형품의 밀도의 균일성을 향상시키는 금속 분말, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 상술된 것에 제한되지 않는다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 금속 분말의 제조 방법을 제공한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 금속 분말의 제조 방법은, 제1 금속 분말을 준비하는 단계, 상기 제1 금속 분말을 응집시켜, 상기 제1 금속 분말이 응집된 제2 금속 분말을 제조하는 단계, 상기 제2 금속 분말을 유기 바인더로 코팅하는 단계, 및 상기 유기 바인더가 코팅된 상기 제2 금속 분말을 응집 및 조대화시켜, 상기 유기 바인더가 코팅된 상기 제2 금속 분말보다 높은 유동성을 갖는 제3 금속 분말을 제조하는 단계를 포함한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 금속 분말을 응집시키는 것은, 상기 제2 금속 분말을 기계적 혼합하는 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 금속 분말의 제조 방법은, 상기 제3 금속 분말을 열처리하여, 상기 제3 금속 분말의 응집 강도를 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제3 금속 분말은, 상기 유기 바인더의 녹는점에서 열처리될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 금속 분말을 기계적 혼합하는 시간이 증가될수록 상기 제3 금속 분말의 크기가 증가될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제3 금속 분말의 지름의 최대값은 800 μm일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제3 금속 분말의 Hausner ratio는 1.1 이하일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 금속 분말을 응집시켜, 상기 제3 금속 분말을 형성하는 단계는, 상기 제2 금속 분말에 포함된 금속과 다른 첨가 원소를 포함하는 첨가 분말을 상기 제2 금속 분말에 첨가한 후, 상기 제2 금속 분말 및 상기 첨가 분말을 응집시키는 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 분말을 준비하는 단계는,금속 산화물을 준비하는 단계, 및상기 금속 산화물을 분쇄하여, 상기 제1 금속 분말을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 제2 금속 분말을 제조하는 단계는, 상기 금속 산화물이 분쇄되어 제조된 상기 제1 금속 분말을 응집시킨 후, 응집된 상기 제1 금속 분말을 환원하는 것을 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 성형품의 제조 방법을 제공한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 성형품의 제조 방법은, 상술된 본 발명의 실시 예에 따라 금속 분말의 제조 방법에 따라 금속 분말을 제조하는 단계, 및상기 금속 분말을 이용하여 성형품을 제조하는 단계를 포함한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 금속 분말을 제공한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 금속 분말은, 제1 금속 입자가 응집된 제2 금속 입자가 재 응집되어 조대화된 제3 금속 입자를 포함하되, 상기 제3 금속 입자의 지름은 100~800μm이고, Hausner ratio는 1.1 이하일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제3 금속 입자는, 금속, 및 상기 금속과 결합되지 않고 혼합된 첨가 원소를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제3 금속 입자는, 금속, 및 상기 금속과 화학적으로 결합된 첨가 원소를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 제1 금속 분말이 응집되어 제2 금속 분말이 제조되고, 상기 제2 금속 분말이 유기 바인더로 코팅될 수 있다. 상기 유기 바인더가 코팅된 상기 제2 금속 분말이 응집 및 조대화되어, 유동성 및 성형성이 향상된 제3 금속 분말이 제조될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 분말의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 분말 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 분말의 제조 방법에 따라 제조된 금속 분말을 설명하기 위한 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 분말의 제조 방법에서 금속 분말의 응집 공정 시간에 따른 크기 변화를 설명하기 위한 사진이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 분말의 제조 방법에 따라 제조된 조대화된 혼합 분말에 대한 사진 및 X선 회절 분석 그래프들이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 분말의 제조 방법에 따라 제조된 조대화된 합금 분말에 대한 사진 및 X선 회절 분석 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 분말의 성형 밀도를 측정한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본명세서에서 "및/또는"은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

또한, 본 명세서에서, 금속 입자 및 금속 분말은, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 산질화물, 또는 금속 탄화물 등, 금속을 포함하는 입자 및 금속을 포함하는 분말을 각각 의미하는 것으로 해석된다. 또한, 본 명세서에서, 금속 입자 및 금속 분말은 하나의 종류의 금속을 포함하는 것은 물론, 복수의 종류의 금속을 포함하는 입자 및 분말을 각각 의미하는 것으로 해석된다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 분말의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 분말 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 금속 입자(102)를 갖는 제1 금속 분말(100)이 준비된다(S10). 상기 제1 금속 입자(102)는 나노 사이즈를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속 입자(102)의 지름은 100nm 이하 일 수 있다. 상기 제1 금속 입자(102)는, 철(Fe), 텅스텐(W), 구리(Cu), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 또는크롬(Cr) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 분말(100)을 준비하는 단계는, 금속 산화물을 준비하는 단계, 및 상기 금속 산화물을 분쇄하여 상기 제1 금속 분말(100)을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물은 기계적 분쇄 방법(예를 들어, 볼 밀링(ball milling))으로 분쇄될 수 있다.

또는, 상술된 바와 달리, 다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 분말(102)을 준비하는 단계는, 상기 금속 산화물 및 첨가물을 준비하는 단계, 상기 금속 산화물 및 상기 첨가물을 혼합 및 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 금속 분말(102)은 상기 금속 산화물의 분쇄물 및 상기 첨가물의 분쇄물을 포함할 수 있다. 상기 첨가물은, 상기 금속 산화물(예를 들어, 철 산화물)과 다른 첨가 원소(예를 들어, 텅스텐, 구리, 니켈, 몰리브덴, 크롬 등)를 포함하는 산화물(예를 들어, 텅스텐 산화물, 구리 산화물, 니켈 산화물, 몰리브덴 산화물, 크롬 산화물 등)일 수 있다.

상기 제1 금속 분말(100)을 응집시켜, 상기 제1 금속 분말(100)이 응집된 제2 금속 분말(200)이 제조될 수 있다(S20). 상기 제2 금속 분말(200)은, 지름 5~20μm의 제2 금속 입자(202)를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 금속 분말(200)을 제조하는 단계는, 상기 제1 금속 분말(100)을 응집시키는 단계, 및 응집된 상기 제1 금속 분말(100)을 환원시키는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 분말(100)은 분무 건조기를 이용하여 구형의 응집체로 제조되고, 상기 구형의 응집체는 환원 열처리되어 망상 구조를 갖는 구형의 상기 제2 금속 입자(202)로 제조될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 금속 분말(100)이 상기 금속 산화물을 건식 볼 밀링하여 제조되는 경우, 상기 제1 금속 분말(100) 및 PCA(process, control agent, 예를 들어, 메틸알코올, 에틸알코올, 아세톤, 물 등)를 혼합한 슬러리가 분무 건조기에 주입되어, 상기 구형의 응집체가 제조될 수 있다. 또는, 다른 예를 들어, 상기 제1 금속 분말(100)이 상기 금속 산화물을 습식 볼 밀링하여 제조되는 경우, 볼 밀링 직후의 재료를 바로 분무 건조기에 주입하여, 상기 구형의 응집체가 제조될 수 있다.

예를 들어, 상기 구형의 응집체는 수소 분위기에서 200~800℃ 조건에 환원될 수 있다. 상기 구형의 응집체가 환원하는 과정에서 열처리되어, 분말간의 결합으로 상기 제2 금속 입자(202)는 망상 구조를 가질 수 있다.

상기 제1 금속 분말(100)이 상기 금속 산화물의 분쇄물 및 상기 첨가물의 분쇄물을 포함하는 경우, 상기 제1 금속 분말(100)을 상술된 바와 같이 응집시켜 제조된 상기 제2 금속 분말(200)은, 상기 금속 산화물의 분쇄물이 환원된 금속, 및 상기 첨가물의 상기 첨가 원소의 합금 분말일 수 있다. 다시 말하면, 상기 제2 금속 분말(200)은 상기 금속 및 상기 첨가 원소가 화학적으로 결합된 화합물 분말일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속 분말(100)이 철 산화물 및 니켈 산화물을 분쇄하여 제조되는 경우, 상기 제2 금속 분말(200)은 철 및 니켈의 합금 분말일 수 있다.

상기 제2 금속 분말(200)의 상기 제2 금속 입자(202)는 제1 지름을 갖는 제1 입자, 및 상기 제1 지름보다 큰 제2 지름을 갖는 제2 입자가 응집된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 지름은 1~30nm이고, 상기 제2 지름은 100~500nm일 수 있다. 크기가 다른 상기 제1 입자 및 상기 제2 입자가 응집되어, 상기 제2 금속 입자(202)의 충진 효율이 향상될 수 있다.

상기 제2 금속 분말(200)이 유기 바인더로 코팅될 수 있다(S30). 상기 유기 바인더로 상기 제2 금속 분말(200)이 코팅되어, 상기 제2 금속 분말(200)의 재산화가 최소화되고, 입자간 결합력이 향상될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 유기 바인더는 습식 코팅 방법으로 상기 제2 금속 분말(200)에 코팅될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 금속 분말(200)을 상기 유기 바인더로 코팅하는 단계는, 상기 유기 바인더를 용매에 용해하여 코팅액을 제조하는 단계, 상기 코팅액을 상기 제2 금속 분말(200)에 제공하는 단계, 및 상기 제2 금속 분말(200)을 건조시켜, 상기 용매를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 에틸알코올일 수 있고, 상기 유기 바인더는 스테아린산일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 유기 바인더는 상기 제2 금속 분말(200) 대비 5vol% ~ 10vol% 첨가될 수 있다.

상기 유기 바인더가 코팅된 상기 제2 금속 분말(200)을 응집 및 조대화시켜, 상기 유기 바인더가 코팅된 상기 제2 금속 분말(200)보다 높은 유동성을 갖는 제3 금속 분말(300)이 제조될 수 있다.다시 말하면, 상기 제2 금속 분말(200)이 응집 조대화되어, 상기 제3 금속 분말(300)이 제조될 수 있다. 상기 제3 금속 분말(300)의 Hausner ratio는 상기 제2 금속 분말(200)의 Hausner ratio보다 낮을 수 있다.일 실시 예에 따르면, 상기 제3 금속 분말(300)의 Hausner ratio는 1.1이하이고, 상기 제2 금속 분말(200)의 Hausner ratio는 1.1보다 클 수 있다. 상기 제3 금속 분말(300)은, 지름 100~800μm의 제3 금속 입자(302)를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 금속 분말(200)은 기계적 혼합되어 응집될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 금속 분말(200)은 볼밀링 방법으로 혼합될 수 있다. 상기 제2 금속 분말(200)을 기계적으로 혼합하는 시간이 증가될수록, 상기 제2 금속 분말(200)이 응집되어 형성된 상기 제3 금속 분말(300)의 상기 제3 금속 입자(302)의 크기가 증가되되, 상기 제3 금속 입자(302)의 지름의 최대 값은 800 μm일 수 있다. 다시 말하면, 상기 제2 금속 분말(200)이 기계적으로 혼합되는 일정 시간 동안 상기 제3 금속 입자(302)의 크기가 점차적으로 증가되고, 상기 일정 시간이 경과된 후 상기 제3 금속 입자(302)의 지름이 800μm 이하로 제어될 수 있다.

상기 제2 금속 분말(200)을 기계적으로 혼합하기 위한 혼합기의 종횡비는 길 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 금속 분말(200)의 미끄러짐 거리가 충분히 확보되어, 상기 제3 금속 분말(300)이 용이하게 제조될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 금속 분말(200)은 10vol% 이하로, 상기 혼합기에 장입될 수 있다.

상술된 바와 같이, 상기 제2 금속 분말(200)이 상기 금속 및 상기 첨가 원소의 합금 분말인 경우, 상기 제2 금속 분말(200)이 응집된 상기 제3 금속 분말(300)의 상기 제3 금속 입자(302)는, 상기 금속 및 상기 첨가 원소가 화학적으로 결합된 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 금속 입자(302)는 철 및 니켈의 화합물(Fe₃Ni)을 포함할 수 있다. 상기 제3 금속 입자(302)가 상기 금속 및 상기 첨가 원소가 화학적으로 결합된 화합물을 포함하는 경우, 상기 제3 금속 입자(302)의 조성은 X선 회절 분석으로 확인될 수 있다.

또는, 이와는 달리, 상기 제1 금속 분말(100)의 제조 과정에서 상기 첨가물이 첨가되지 않는 경우, 상기 제2 금속 분말(200)을 응집시키는 단계에서 첨가 원소(예를 들어, 텅스텐, 구리, 니켈, 몰리브덴, 크롬, 탄소 등)를 갖는 상기 첨가 분말(예를 들어, 텅스텐 산화물, 구리 산화물, 니켈 산화물, 몰리브덴 산화물, 크롬 , 그래파이트 등)이 투입될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 금속 분말(200) 및 상기 첨가 분말을 혼합하고, 상술된 바와 같이 기계적 분쇄하여, 상기 제3 금속 분말(300)이 제조될 수 있다. 이 경우, 상기 제3 금속 분말(300)의 상기 제3 금속 입자(302)는 상기 금속 및 상기 첨가 원소가 결합되지 않고 혼합된(mixture) 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 제3 금속 입자(302)가 상기 금속 및 상기 첨가 원소가 혼합된 혼합물을 포함하는 경우, 상기 제3 금속 입자(302)의 조성은 X선 회절 분석으로 확인될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제3 금속 분말(300)이 열 처리될 수 있다. 상기 제3 금속 분말(300)은 상기 유기 바인더의 녹는점에서 열 처리될 수 있다. 이로 인해, 상기 제3 금속 분말(300)의 상기 제3 금속 입자(302)의 응집 강도가 증가될 수 있다.

또는, 이와는 달리, 다른 실시 예에 따르면, 상기 제3 금속 분말(300)의 열 처리는 생략될 수 있다.

상술된 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 제3 금속 분말(300)은 다이 성형 및 소결 공정 등을 통하여 성형품으로 제조될 수 있다. 상기 제3 금속 분말(300)의 높은 유동성 및 성형성으로 인해, 상기 제3 금속 분말(300)을 이용하여, 용이하게, 성형품이 제조될 수 있다.

이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 금속 분말의 특성 평가 결과가 설명된다.

응집된 철 분말의 제조

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 분말의 제조 방법에 따라 제조된 금속 분말을 설명하기 위한 사진이다.

도 3을 참조하면, 금속 산화물로, Fe₂O₃를 준비하였다. Fe₂O₃를 볼 밀링 방법으로 분쇄하여, 제1 금속 분말로 지름 10~30nm의 Fe₂O₃ 분말을 제조하였다. Fe₂O₃분말을 PCA 와 혼합하여 Fe₂O₃ 분말 슬러리를 제조하였다. Fe₂O₃분말 슬러리를 2,500cc/h 속도로 분무 건조기에 주입하였다. 이후, 공기 분사압을 80 kPa로 제어하여 구형의 응집체를 제조하고, 수소 분위기에서 450℃ 및 550℃ 온도 조건에서, 1시간 동안 환원 열처리하고, 유기 바인더로 코팅하여응집된 철 분말을 제조하였다.

도 3의 (a) 및 (b)는 450℃에서 환원 열처리되어 제조된 상기 응집된 철 분말을 도시한 것이고, 도 3의 (c) 및 (d)는 550℃에서 환원 열처리되어 제조된 상기 응집된철 분말을 도시한 것이다. 450℃에서 환원 열처리된 경우, 200~300nm 크기의 입자 및 1~20nm 크기의 입자가 응집된 것을 확인할 수 있고, 550℃에서 환원 열처리된 경우, 200~500nm 크기의 입자 및 20~30nm 크기의 입자가 응집된 것을 확인할 수 있다.

조대화 공정 시간에 따른 조대화된 철 분말의 크기 변화

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 분말의 제조 방법에서 금속 분말의 응집 공정 시간에 따른 크기 변화를 설명하기 위한 사진이다.

도 4를 참조하면, 도 3을 참조하여 설명된 방법으로 제조된 상기 응집된 철 분말을 혼합기에 장입하고, 기계적으로 혼합하여. 제3 금속 분말로 조대화된 철 분말을 제조하였다. 상기 응집된 철 분말을 기계적으로 혼합하면서, 시간에 따른 크기 변화를 확인하였다. 상기 응집된 철 분말은, 초기 1~5μm의 1차 응집을 이루고 있었으나, 기계적으로 혼합되면서 1차 응집이 붕괴되고, 이후, 분말 간의 응집력 및 상기 혼합기 벽면과의 마찰에 의해 구 형상의 조대화 응집을 이루는 것을 확인할 수 있다.

또한, 기계적으로 혼합되는 시간이 증가할수록, 크기가 점차적으로 증가되어, 5시간 혼합되는 경우 300~400μm의 크기로 조대화되고, 10시간 혼합되는 경우 500~800μm 크기로 조대화되고, 800μm 이상 크기가 증가하지 않음을 확인할 수 있다.

제1 및 제2 실시 예에 따른 조대화된 철 분말의 제조

도 4를 참조하여 설명된 방법으로, 각각 5시간 및 10시간 응집 공정을 수행하여 제1 및 제2 실시 예에 따른 상기 조대화된 철 분말을 제조하였다. 상기 조대화된 철 분말의 응집 강도를 향상시키기 위해, 유기 바인더의 녹는점(69℃)과 유사한 70℃에서 10분간 상기 조대화된 철 분말을 열처리하였다. 이후, 열 처리 전후 상기 조대화된 철 분말의 압축 실험을 수행하고, 아래의 <식 1>을 이용하여, 압축 강도를 아래 <표 1>과 같이 계산하였다.

<식 1>

S_t = (2.8 × F_t) / (π × d²)

(S_t: 압축 강도(MPa), F_x: 압출력(mN), d²: 입자의 직경(μm))

구분	조대화 시간(h)	입자 지름(μm)	압축 강도(MPa) (열 처리 전)	압축 강도(MPa) (열 처리 후)
제1 실시 예	5	300~400	0.19	0.37
제2 실시 예	10	500~800	0.07	0.16

<표 1>에서 알 수 있듯이, 열 처리 전, 제1 및 제2 실시 예들에 따른 상기 조대화된 철 분말의 압축 강도는 각각 0.19 MPa 및 0.07 MPa로 계산되었으나, 여 처리 후, 제1 및 제2 실시 예들에 따른 상기 조대화된 철 분말의 압축 강도는 각각 0.37 MPa 및 0.16 MPa로 약 2배 이상 증가된 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 조대화된 금속 분말을 열 처리하는 것이, 분말의 압축 강도를 향상시켜,우수한 유동성을 유지시킬 수 있는 효율적인 방법임을 알 수 있다.

제3 내지 제5 실시 예에 따른 조대화된 혼합 분말의 제조

본 발명의 실시 예에 따라 금속 및 첨가 원소의 혼합물을 포함하는 조대화된 혼합 분말을 제조하기 위해, 도 3을 참조하여 설명된 방법으로, 1~30nm 크기의 철 입자 및 100~500nm 크기의 철 입자가 응집된 철 분말을 준비하고, 유기 바인더로 코팅하였다.

본 발명의 제3 실시 예로, 300nm 크기의 그래파이트 분말을 유기 바인더로 코팅된 상기 응집된 철 분말과 혼합 후, 10시간 동안 조대화 공정을 수행하여, 철 및 탄소가 혼합된 제3 실시 예에 따른 조대화된 혼합 분말(Fe-0.5wt%C)을 제조하였다.

본 발명의 제4 실시 예로, 구리 산화물을 기계적으로 밀링하고, 200℃ 수소 분위기에서 열 처리 환원시켜 구리 분말을 제조하였다. 상기 구리 분말을 유기 바인더로 코팅된 상기 응집된 철 분말과 혼합 후, 10시간 동안 조대화 공정을 수행하여, 철 및 구리가 혼합된 제4 실시 예에 따른 조대화된 혼합 분말(Fe-10wt%Cu)을 제조하였다.

본 발명의 제5 실시 예로, 니켈 산화물을 기계적으로 밀링하고, 300℃ 수소 분위기에서 열 처리 환원시켜 니켈 분말을 제조하였다. 상기 니켈 분말을 유기 바인더로 코팅된 상기 응집된 철 분말과 혼합 후, 10시간 동안 조대화 공정을 수행하여, 철 및 니켈이 혼합된 제5 실시 예에 따른 조대화된 혼합 분말(Fe-10wt%Ni)을 제조하였다.

구분	조성
제3 실시 예	Fe-0.5wt%C
제4 실시 예	Fe-10wt%Cu
제5 실시 예	Fe-10wt%Ni

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 분말의 제조 방법에 따라 제조된 조대화된 혼합 분말에 대한 사진 및 X선 회절 분석 그래프들이다.

도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 상술된 제3 내지 제5 실시 예에 따라 제조된 Fe-0.5wt%C 조대화된 혼합 분말, Fe-10wt%Cu 조대화된 혼합 분말, 및 Fe-10wt%Ni 조대화된 혼합 분말의 미세 구조, 및 X선 회절 분석 그래프를, 도 5a 내지 도 5c에 각각 도시하였다.

제3 실시 예에 따른 Fe-0.5wt%C 조대화된 혼합 분말은 500~700μm의 입자 사이즈를 가지며, 공정 중 재 산화로 인한 산화물 상(phase)은 나타나지 않았다. 또한, 제4 실시 예에 따른 Fe-10wt%Cu 조대화된 혼합 분말 및 제5 실시 예에 따른 Fe-10wt%Ni 조대화된 혼합 분말은 180~200μm의 입자 사이즈를 가지며, 공정 중 재 산화로 인한 산화물 상은 나타나지 않았다.

도 5a 내지 도 5c의 X선 회절 분석 그래프에서 알 수 있듯이, 탄소, 니켈, 구리와 같은 다양한 첨가 원소들이, 철과 화학적으로 결합되지 않고 혼합된 상태로 분말 내에 존재하는 것을 확인할 수 있다.

제6 실시 예에 따른 조대화된 합금 분말의 제조

본 발명의 실시 예에 따라 금속 및 첨가 원소의 화합물을 포함하는 조대화된 합금 분말을 제조하기 위해, 금속 산화물로 Fe₂O₃를 준비하고, 첨가물로 NiO를 준비하였다. Fe₂O₃ 및 NiO를 혼합하고 기계적 밀링하였다. 밀링된 혼합 산화물을 분무 건조 후, 600℃ 수소 분위기에서 1시간 동안 열처리하여 환원 및 합금화를 수행하였다. 응집된 Fe-Ni 합금 분말을 유기 바인더로 코팅하고, 10시간 동안 조대화 공정을 수행하여, 철 및 니켈의 화합물을 포함하는 조대화된 합금 분말(Fe-10wt%Ni)을 제조하였다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 분말의 제조 방법에 따라 제조된 조대화된 합금 분말에 대한 사진 및 X선 회절 분석 그래프이다.

도 6을 참조하면, 상술된 제6 실시 예에 따라 제조된 Fe-10wt%Ni 조대화된 합금 분말의 미세 구조 및 X선 회절 분석 그래프가 도시된다. 제6 실시 예에 따른 Fe-10wt%Ni 조대화된 합금 분말은 100~130μm의 입자 사이즈를 가지며, Fe 및 Fe₃Ni합금상을 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, 공정 중 재 산화로 인한 산화물 상은 나타나지 않았다.

도 6에서 알 수 있듯이, 니켈 등 다양한 첨가 원소가 철과 화학적으로 결합된 화합물이 분말 내에 존재하는 것을 확인할 수 있다.

유동성 평가

상술된 제1 및 제2 실시 예에 따라 제조된 조대화된 철 분말의 유동성(flowability)를 평가하기 위해, Hausner Ratio를 아래의 <식 2>를 이용하여 계산하였다. Hausner Ratio는 유동성을 평가하는 기준으로, 1 이상의 값을 가지며, 1에 가까울수록 유동성이 우수하다.

<식 2>

Hausner Ratio = ρ_T/ρ_B

(ρ_T: 탭 밀도, ρ_B: 벌크 겉보기 밀도)

<식 2>를 이용하여 계산된 제1 및 제2 실시 예에 따른 조대화된 철 분말, 제1 비교 예에 따라 조대화 처리되지 않은 일반 철 나노 분말, 제2 비교 예에 따라 현재 시판 중인 3D 프린팅 용 Co계 Alloy, 및 제3 비교 예에 따라 현재 시판 중인 3D 프린팅 용 Fe계 Alloy의 Hausner Ratio를 아래 <표 3>과 같이 계산하였다.

구분	조대화 시간(h)	크기 (μm)	벌크 밀도 (%T.D.)	탭 밀도 (%T.D.)	Hausner Ratio
제1 실시 예	5	300~400	61.41 (28.25)	64.48 (29.66)	1.05
제2 실시 예	10	500~800	62.98 (28.97)	65.22 (30.00)	1.03
제1 비교 예	-	1~5	(12.54)	(24.73)	1.97
제2 비교 예	-	5~70	50.95	56.63	1.11
제3 비교 예	-	5~10	58.28	66.71	1.14

<표 3>에서 알 수 있듯이, 제1 비교 예에 따른 철 나노 분말의 Hausner Ratio는 1.97로 가장 낮은 유동성을 갖는 것으로 계산되었다. 또한,제1 및 제2 실시 예에 따른 조대화된 철 분말은, 제2 비교 예 및 제3 비교 예에 따라 현재 시판 중인 3D 프린팅 용 합금 분말들과 비교하여, 낮은 Hausner Ratio를 갖는 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 본 발명의 실시 예에 따라 조대화된 금속 분말이 높은 유동성으로 인해, 3D 프린팅 용 분말로 용이하게 사용될 수 있음을 확인할 수 있다.

성형 밀도 평가

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 분말의 성형 밀도를 측정한 그래프이다.

도 7을 참조하면, 도 4 및 <표 1>을 참조하여 설명된 본 발명의 제2 실시 예에 따른 조대화된 철 분말, 제4 비교 예에 따라 평균 50nm 크기의 철 입자가 5~200μm 크기로 불규칙하게 응집된 철 분말, 및 제5 비교 예에 따라 1~30nm 크기의 철 입자와 100~500nm 크기의 철 입자가 1-5μm 크기의 구형으로 응집된 철 분말을 준비하였다.

구분	철 분말
제2 실시 예	500~800μm의 조대화된 철 분말
제4 비교 예	50nm의 철 입자가 5~200μm로 불규칙하게 응집된 철 분말
제5 비교 예	1~30nm의 철 입자와 100~500nm의 철 입자가 1-5μm로 응집된 철 분말

제2 실시 예, 제4 비교 예, 및 제5 비교 예에 따른 철 분말들을 이용하여 성형품을 제조하고, 성형 압력에 따른 성형 밀도를 측정하였다. 측정 결과, 도 7에서 알 수 있듯이, 제4 비교 예에 따른 철 분말을 이용하여 제조된 성형품의 성형 밀도가 가장 낮은 것으로 측정되었다. 또한, 제2 실시 예에 따른 철 분말로 제조된 성형품과 제5 비교 예에 따른 철 분말로 제조된 성형품은 실질적으로 동일한 성형 밀도를 갖는 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 본 발명의 실시 예에 따른 조대화된 철 분말이, 높은 성형성 및 유동성을 동시에 갖는 것을 확인할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

100: 제1 금속 분말
102: 제1 금속 입자
200: 제2 금속 분말
202: 제2 금속 입자
300: 제3 금속 분말
302: 제3 금속 입자

Claims

제1 금속 분말을 준비하는 단계;
상기 제1 금속 분말을 응집시켜, 상기 제1 금속 분말이 응집된 제2 금속 분말을 제조하는 단계;
상기 제2 금속 분말을 유기 바인더로 코팅하는 단계; 및
상기 유기 바인더가 코팅된 상기 제2 금속 분말을 응집 및 조대화시켜, 상기 유기 바인더가 코팅된 상기 제2 금속 분말보다 높은 유동성을 갖는 제3 금속 분말을 제조하는 단계를 포함하는 금속 분말의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제2 금속 분말을 응집시키는 것은,
상기 제2 금속 분말을 기계적 혼합하는 것을 포함하는 금속 분말의 제조 방법.
제2 항에 있어서,
상기 제3 금속 분말을 열처리하여, 상기 제3 금속 분말의 응집 강도를 증가시키는 단계를 더 포함하는 금속 분말의 제조 방법.
제3 항에 있어서,
상기 제3 금속 분말은, 상기 유기 바인더의 녹는점에서 열처리되는 것을 포함하는 금속 분말의 제조 방법.
제2 항에 있어서,
상기 제2 금속 분말을 기계적 혼합하는 시간이 증가될수록 상기 제3 금속 분말의 크기가 증가되는 것을 포함하는 금속 분말의 제조 방법.
제5 항에 있어서,
상기 제3 금속 분말의 지름의 최대값은 800 μm인 것을 포함하는 금속 분말의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제3 금속 분말의 Hausner ratio는 1.1 이하인 것을 포함하는 금속 분말의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제2 금속 분말을 응집시켜, 상기 제3 금속 분말을 형성하는 단계는,
상기 제2 금속 분말에 포함된 금속과 다른 첨가 원소를 포함하는 첨가 분말을 상기 제2 금속 분말에 첨가한 후, 상기 제2 금속 분말 및 상기 첨가 분말을 응집시키는 것을 포함하는 금속 분말의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제1 금속 분말을 준비하는 단계는,
금속 산화물을 준비하는 단계; 및
상기 금속 산화물을 분쇄하여, 상기 제1 금속 분말을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 제2 금속 분말을 제조하는 단계는,
상기 금속 산화물이 분쇄되어 제조된 상기 제1 금속 분말을 응집시킨 후, 응집된 상기 제1 금속 분말을 환원하는 것을 포함하는 금속 분말의 제조 방법.
제1 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 금속 분말의 제조 방법에 따라 금속 분말을 제조하는 단계; 및
상기 금속 분말을 이용하여 성형품을 제조하는 단계를 포함하는 성형품의 제조 방법.
제1 금속 입자가 응집된 제2 금속 입자가 재 응집되어 조대화된 제3 금속 입자를 포함하되,
상기 제3 금속 입자의 지름은100~800μm이고, Hausner ratio는 1.1 이하인 금속 분말.
제11 항에 있어서,
상기 제3 금속 입자는, 금속, 및 상기 금속과 결합되지 않고 혼합된 첨가 원소를 포함하는 금속 분말.
제11 항에 있어서,
상기 제3 금속 입자는, 금속, 및 상기 금속과 화학적으로 결합된 첨가 원소를 포함하는 금속 분말.