KR101736228B1

KR101736228B1 - 3d 프린팅 금속 조형품의 기계적 성질 향상을 위한 열처리 방법

Info

Publication number: KR101736228B1
Application number: KR1020150113401A
Authority: KR
Inventors: 박형기; 이병수; 김형균; 이창우; 김건희; 송국현; 김경훈; 안용근; 김효규
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2035-08-11
Also published as: KR20170019558A

Abstract

본 발명은 상변태 온도(Phase transition temperature)를 갖는 금속 재료를 3D 프린팅 방법으로 성형하여 제조한 금속 조형품에 대해 상변태 열처리을 적어도 1회 이상 실시하는 단계를 포함하는 금속 조형품의 열처리 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 금속 조형품의 열처리 방법을 사용하는 경우 3D 프린팅에 의해 제조된 금속 조형품의 3D 프린팅 적층방향에서의 금속 미세구조가 상변태, 특히 반복 상변태에 의해 조대한 연신립에서 미세한 등축립으로 변경되고, 그로 인해 금속 조형품의 기계적 성질이 등방성(Isotropy)을 갖게 되고 금속 조형품의 인장 강도 내지 경도 등과 같은 기계적 성질이 크게 향상된다.

Description

3D 프린팅 금속 조형품의 기계적 성질 향상을 위한 열처리 방법{Heat treatment method for improving mechanical property of metal product manufactured by 3D printing}

본 발명은 금속 조형품의 기계적 성질 향상을 위한 열처리 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 3D 프린팅에 의해 제조된 금속 조형품을 소정의 조건으로 열처리하여 금속 결정립 구조를 변화시키고 인장 강도, 경도 등과 같은 기계적 성질을 향상시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.

금속 재료로부터 소정의 형상을 가진 금속 조형품을 제조하는 일반적인 방법은 금속 재료의 용해 단계 → 주조 단계 → 열간 압연 단계 → 재결정 단계로 이루어진다. 종래의 주조 방법을 이용하여 금속 조형품을 제조하는 경우 기계적 물성 등을 향상시키기 위해 금속 소재 자체를 열처리하거나, 금속 조형품을 소성가공하는 방법이 사용되어 왔다. 예를 들어, 대한민국 등록특허공보 제10-1440595호에는 중량 퍼센트(wt%)로, Si: 2.0~4.5%, Al: 0.005~0.040%, Mn: 0.20%이하(0%를 포함하지 않음), N: 0.010%이하(0%를 포함하지 않음), S: 0.010%이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.005~0.05%, C: 0.04~0.07%, Sn: 0.08~0.10%를 함유하고 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 이루어지는 슬라브를 재가열하는 단계; 상기 슬라브를 열간압연 후 열연판을 공냉, 수냉 및 유냉 중 선택된 적어도 하나의 냉각방법 및 20℃/s 이상의 냉각속도로 냉각시키는 단계; 상기 냉각된 열연판을 열연판 소둔하는 단계; 상기 소둔된 열연판을 냉간압연하는 단계; 냉연강판을 1차 재결정 소둔하는 단계; 및 1차 재결정 소둔된 강판을 최종소둔을 하는 단계를 포함하며, 상기 냉각에 의해 열연판 내부에 마르텐사이트, 베이나이트 또는 탄화물이 분절된 시멘타이트가 존재하는 것을특징으로 하는 방향성 전기강판 제조방법이 개시되어 있다. 또한, 대한민국 등록특허 제10-1346808호에는 Al 3~7 중량%, Fe 0.5~1.5 중량%, Mo 0.3 ~ 1.0 중량% 및 잔부 Ti를 첨가하고 용해하여 합금 잉고트를 제조하는 단계; 및 상기 잉곳트를 1050~1150 ℃에서 2시간 유지 후 변형률 50~70%로 열간가공 후 수냉하고, 850~950 ℃에서 1시간 유지 후 20%의 변형률로 2차 열간가공하는 단계를 포함하는 기계적 성질 및 내산화성이 개선된 티타늄 합금의 제조방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 주조 및 소성가공을 이용하여 복잡한 구조의 금속 조형품을 제조하는 경우 공정이 복잡해지고 시간이 오래 걸리는 등의 문제가 있다.

이에 대한 대안으로 최근 3D 프린팅 기술을 이용하여 금속 조형품을 제조하는 기술이 부상하고 있다. 3D 프린팅은 기존의 깎아서 가공하는 방식(subtractive manufacturing method)이 아닌 3D모델 데이터로부터 정보를 받아 한 층씩 쌓아가는 방식으로 대상물을 가공하는 방식으로서, 공식적인 기술용어는 적층가공(Additive Manufacturing)이다. 3D 프린팅 공정은 파우더 베드위에 임의 형상의 최하위 레이어의 단면을 프린팅 하고, 프린팅 된 단면 위에 다시 일정량의 파우더를 적층한 뒤 다음 레이어의 단면을 프린팅 한다. 이러한 과정을 최상위 레이어까지 반복함으로서 3차원 형상을 제작하기 때문에 세밀한 부분까지 구현해 낼 수 있다. 공업 분야에서는 이러한 특성을 이용하여 좀 더 세밀한 구현이 가능하다. 또한 기존에 시제품을 Mock-up으로 제작하고 테스트까지의 진행시간이 3D 프린터를 이용함으로서 5~10배 이상 빨라진다. 따라서 제품 개발에 소요되는 비용과 노력을 절감할 수 있다. 3D 프린팅은 시제품의 제작 비용 및 시간 절감, 다품종 소량 생산, 개인 맞춤형 제작 용이, 복잡한 형상 제작 및 재료비 절감 우위, 완제품 제작 시의 제작 공정 간소화 등과 같은 장점을 보유하고 있으며, 최근 항공산업과 의료분야 부품 제작 등에 이용되고 있다. 3D 프린팅 기술과 관련하여 종래의 연구는 주로 3D 프린팅의 원료 내지 시스템 설계에 집중되어 있고, 3D 프린팅을 이용하여 제조한 금속 조형품의 고유한 특성 내지 문제점에 기반하여 이를 개선하는 열처리 연구는 미비한 편이다.

본 발명은 종래의 기술적 배경하에서 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 3D 프린팅에 의해 제조된 금속 조형품의 금속 결정립 구조를 변화시키고 인장 강도, 경도 등과 같은 기계적 성질을 향상시킬 수 있는 열처리 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 발명자들은 티타늄 금속 분말을 3D 프린팅 방법 중 하나인 전자빔 용해 방법으로 적층가공 하여 금속 조형품을 제조할 때, 금속 조형품의 금속 미세구조가 적층방향으로 조대한 연신립(large elongagted grain) 형태로 성장하고, 그로 인해 금속 조형품의 기계적 성질이 방향에 따라 달라지는 이방성(Anisotropy)을 갖게 되고 금속 조형품의 인장 강도 내지 경도 등과 같은 기계적 성질이 높지 않다는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명의 발명자들은 3D 프린팅에 의해 제조된 금속 조형품을 금속 결정구조의 상변태, 특히 반복 상변태가 일어나도록 소정의 조건에서 열처리하면, 조대한 연신립이 미세한 등축립(small equiaxed grain)으로 변경되고, 그로 인해 금속 조형품의 기계적 성질이 등방성(Isotropy)을 갖게 되고 금속 조형품의 인장 강도 내지 경도 등과 같은 기계적 성질이 크게 향상되는 점을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

상기 목적을 해결하기 위하여 본 발명은 상변태 온도(Phase transition temperature)를 갖는 금속 재료를 3D 프린팅 방법으로 성형하여 제조한 금속 조형품에 대해 상변태 열처리를 적어도 1회 이상 실시하는 단계를 포함하는 금속 조형품의 열처리 방법을 제공한다. 이때, 상기 상변태 열처리는 금속 조형품을 금속 재료의 상변태 온도보다 높은 온도로 가열한 후 금속 재료의 상변태 온도보다 낮은 온도로 냉각하는 것으로 구성된다. 본 발명에서 상기 "상변태 온도"는 금속이 고체 상태에서 결정 변태를 보이는 온도를 말하며, 예를 들어 Ti(티타늄)은 882℃ 이상에서 금속 결정구조가 α형의 조밀육방격자(hexagonal close-packed lattice, hcpl) 구조에서 β형의 체심입방격자(body-centered cubic lattice, bccl) 구조로 변한다. 또한, 철(Fe)은 약 906℃(A₃ 변태점)에서 금속 결정구조가 체심입방격자(body-centered cubic lattice, bccl) 구조의 α-철(ferrite)에서 면심입방격자(face-centered cubic lattice, fccl) 구조의 γ-철(austenite)로 변하고, 약 1401℃(A₄ 변태점)에서 금속 결정구조가 면심입방격자(face-centered cubic lattice, fccl) 구조의 γ철(austenite)에서 체심입방격자(body-centered cubic lattice, bccl) 구조의 δ-철로 변한다. 또한, 합금의 경우 합금에 포함되는 성분에 따라 상변태 온도가 변화되는데, 예를 들어 티타늄 합금이 알루미늄, 갈륨, 게르마늄, 탄소, 산소 또는 질소를 포함하는 경우 순수 티타늄에 비해 상변태 온도가 올라가고, 티타늄 합금이 몰리브덴, 바나듐, 탄탈륨, 니오븀, 망간, 철, 크롬, 코발트, 니켈, 구리 또는 규소를 포함하는 경우 상변태 온도가 내려간다. 또한, 철 합금이 탄소, 니켈 또는 망간을 포함하는 경우 A₃ 변태점은 내려가고, A₄ 변태점은 올라간다. 또한, 철 합금이 크롬, 규소 또는 텅스텐을 포함하는 경우 A₃ 변태점 및 A₄ 변태점 모두 내려간다.

본 발명에서 상기 상변태 온도를 갖는 금속 재료는 금속 결정이 변태되는 소정의 온도를 갖는 금속 재료라면 그 종류가 크게 제한되지 않으며, 3D 프린팅의 금속 원료인 점을 고려할 때, Ti(티타늄), Ti(티타늄) 합금, Fe(철), Fe(철) 합금, 인코넬(Inconel) 합금, Ni-Cr(니켈-크롬) 합금 또는 Co-Cr(코발트-크롬) 합금에서 선택되는 것이 바람직하다. 상기 인코넬 합금은 니켈을 주재로 하고 15 %의 크롬, 6∼7 %의 철, 2.5 %의 티탄, 1 % 이하의 알루미늄 ·망간 ·규소를 첨가한 내열 합금이다. 상기 Ti(티타늄) 합금은 Ti(티타늄) 및 Fe(철) 외에 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 플래티늄(Pt), 마그네슘(Mg) 및 나트륨(Na) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, Ti(티타늄) 합금에는 Ti-Fe 합금, Ti-Al-Fe 합금, Ti-Fe-Sn 합금, Ti-Fe-Ni-Al 합금, Ti-Al-Fe-Si 합금, Ti-Cr-V-Fe 합금, Ti-Mo-Fe 합금, Ti-6Al-4V 합금, Ti-6Al-7Nb 합금, Ti-5Al-2.5Sn 합금, Ti-13V-11Cr-3Al 합금 등이 있다. 상기 Fe(철) 합금에는 탄소강, Fe-Al 합금, Fe-B 합금, Fe-Ce 합금, Fe-Cr 합금, Fe-Mg 합금, Fe-Mn 합금, Fe-Mo 합금, Fe-Nb 합금, Fe-Ni 합금, Fe-P 합금, Fe-Si 합금, Fe-Si-Mg 합금, Fe-Ti 합금, Fe-U 합금, Fe-V 합금, Fe-W 합금 등이 있다. 또한, 본 발명에서 상기 Ti(티타늄) 합금은 Ti-6Al-4V 합금, Ti-6Al-7Nb 합금에서 선택되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 상기 Fe(철) 합금은 탄소강인 것이 바람직하다.

또한, 상기 3D 프린팅 방법은 금속 원료의 적층가공을 위해 사용되는 방법이라면 그 종류가 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 레이저를 이용한 적층가공 방법, 전자빔을 이용한 적층가공 방법, 초음파를 이용한 적층가공 방법 등이 있다. 본 발명에서 사용되는 3D 프린팅 방법은 금속 원료가 주로 분말 형태인 점을 고려할 때 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방법, 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방법, 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 방법 또는 직접 금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS)에서 선택되는 것이 바람직하다. 상기 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방법은 고진공 상태에서 전자빔을 활용하여 금속 분말을 용해하는 방식으로 적층가공 하는 기술이고, 상기 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방법은 베드에 도포된 금속 분말에 선택적으로 고출력 레이저를 조사하여 용융시키는 방식으로 적층가공 하는 기술이고, 상기 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 방법은 베드에 도포된 금속 분말에 선택적으로 레이저를 조사하여 소결하고, 금속 분말의 도포 공정을 반복하여 적층가공 하는 기술이고, 상기 직접 금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS) 방법은 직접적으로 금속 분말을 레이저로 소결하여 적층가공 하는 기술이다. 상기 3D 프린팅 방법의 미세한 차이점은 공지된 선행문헌에 잘 나타나 있으므로 자세한 설명을 생략한다.

또한, 상기 상변태 열처리의 실시 횟수는 금속 결정의 반복 상변태에 의한 결정립 크기 및 형상의 변화 정도 또는 인장 강도 내지 경도와 같은 기계적 성질의 향상 정도를 고려할 때 2~10 회인 것이 바람직하고, 2~5회인 것이 더 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 금속 조형품의 열처리 방법을 3D 프린팅의 금속 원료가 Ti(티타늄)인 경우를 들어 설명한다. 티타늄 금속 분말을 3D 프린팅 방법 중 하나인 전자빔 용해 방법으로 적층가공 하여 제조한 금속 조형품은 적층 방향으로 약 700~800㎛ 및 적층 방향과 수직 방향으로 약 200㎛의 크기를 가진 연신립 형태의 금속 미세구조를 가진다. 또한, 상기 금속 조형품은 적층 방향 인장 강도가 약 563 ㎫ 이고, 비커스 경도(Vickers hardness, HV)가 약 223 HV 이다. 본 발명에서 티타늄 금속 재료로부터 3D 프린팅에 의해 제조된 금속 조형품의 상변태 열처리는 금속 조형품을 900~1000℃로 가열한 후 550~850℃로 냉각하는 것으로 구성되는 것이 바람직하고, 금속 조형품을 920~980℃로 가열한 후 570~700℃로 냉각하는 것으로 구성되는 것이 더 바람직하다. 티타늄으로 형성된 금속 조형품을 티타늄의 상변태 온도인 882℃ 보다 소정의 범위만큼 높은 온도로 가열하고, 882℃ 보다 소정의 범위만큼 낮은 온도로 냉각하는 경우 상변태에 의해 금속 결정구조가 효과적으로 변화할 수 있다. 또한, 본 발명에서 티타늄 금속 재료로부터 3D 프린팅에 의해 제조된 금속 조형품의 상변태 열처리는 금속 조형품을 900~1000℃로 가열하고 5~300초 동안 유지시킨 후 550~850℃로 냉각하는 것으로 구성되는 것이 바람직하고, 금속 조형품을 920~980℃로 가열하고 30~240초 동안 유지시킨 후 570~700℃로 냉각하는 것으로 구성되는 것이 더 바람직하다. 티타늄으로 형성된 금속 조형품을 티타늄의 상변태 온도인 882℃ 보다 소정의 범위만큼 높은 온도로 가열하고 비교적 짧은 시간 동안 유지한 후 티타늄의 상변태 온도인 882℃ 보다 소정의 범위만큼 낮은 온도로 냉각시켰을 때 상변태가 급격하게 일어나고 금속 미세구조가 미세한 등축립(small equiaxed grain)로 쉽게 전환된다. 또한, 본 발명에서 티타늄 금속 재료로부터 3D 프린팅에 의해 제조된 금속 조형품의 상변태 열처리는 금속 조형품을 900~1000℃로 가열하고 5~300초 동안 유지시킨 후 550~850℃로 냉각하고 5~300초 동안 유지시키는 것으로 구성되는 것이 바람직하고, 금속 조형품을 920~980℃로 가열하고 30~240초 동안 유지시킨 후 570~700℃로 냉각하고 30~240초 동안 유지시키는 것으로 구성되는 것이 더 바람직하다. 티타늄으로 형성된 금속 조형품을 티타늄의 상변태 온도인 882℃ 보다 소정의 범위만큼 높은 온도로 가열하고 비교적 짧은 시간 동안 유지한 후 티타늄의 상변태 온도인 882℃ 보다 소정의 범위만큼 낮은 온도로 냉각하고 비교적 짧은 시간 동안 유지하는 경우 반복 상변태에 의한 금속 미세구조의 변화가 효과적으로 발생한다. 또한, 본 발명에서 티타늄 금속 재료로부터 3D 프린팅에 의해 제조된 금속 조형품에 대해 상변태 열처리를 실시하는 경우 금속 조형품의 가열 속도는 1~25 ℃/초 인 것이 바람직하고, 3~15 ℃/초인 것이 더 바람직하다. 또한, 본 발명에서 티타늄 금속 재료로부터 3D 프린팅에 의해 제조된 금속 조형품에 대해 상변태 열처리를 실시하는 경우 금속 조형품의 냉각 속도는 1~25 ℃/초 인 것이 바람직하고, 3~15 ℃/초 인 것이 더 바람직하다. 티타늄으로 형성된 금속 조형품의 상변태 열처리시 가열 속도 및 냉각 속도를 크게 하는 경우 상변태가 매우 빠르게 진행되어 보다 미세한 등축립(small equiaxed grain) 형태의 금속 미세구조를 얻을 수 있다. 본 발명에서 티타늄 금속 재료로부터 3D 프린팅에 의해 제조된 금속 조형품은 상변태 열처리, 특히 반복 상변태 열처리에 의해 600~900 ㎫, 바람직하게는 650~800 ㎫의 인장 강도를 갖게 된다. 또한, 본 발명에서 티타늄 금속 재료로부터 3D 프린팅에 의해 제조된 금속 조형품은 상변태 열처리, 특히 반복 상변태 열처리에 의해 250~400 HV, 바람직하게는 260~340 HV의 비커스 경도(Vickers hardness, HV)를 갖게 된다.

본 발명에 따른 금속 조형품의 열처리 방법을 사용하는 경우 3D 프린팅에 의해 제조된 금속 조형품의 3D 프린팅 적층방향에서의 금속 미세구조가 상변태, 특히 반복 상변태에 의해 조대한 연신립에서 미세한 등축립으로 변경되고, 그로 인해 금속 조형품의 기계적 성질이 등방성(Isotropy)을 갖게 되고 금속 조형품의 인장 강도 내지 경도 등과 같은 기계적 성질이 크게 향상된다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 기술적 특징을 명확하게 예시하기 위한 것 일뿐, 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.

1. 분석 방법

(1) 인장 강도

방전 가공기를 이용하여 금속 조형품으로부터 3D 프린팅의 적층 방향(build direction, BD)과 평행한 방향의 시편을 제작한 후, 인장 시험 장치(모델명 : ASG-X; 제조사 : Shimazu, 일본)를 이용하여 시편에 적층 방향으로 응력을 가하면서 시편이 절단되었을 때의 응력을 측정하였다.

(2) 비커스 경도(Vickers hardness, HV)

금속 조형품의 비커스 경도는 경도 시험 장치(모델명 : HM-200; 제조사 Mitutoyo, 일본)를 이용하여 측정하였다.

2. 3D 프린팅을 이용한 금속 조형품의 제조

2등급의 순수 티타늄(평균 입도 : 73㎛) 분말을 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린터(모델명 : A2X; 제조사 : Arcam AB, 스웨덴)로 적층가공 하여 금속 조형품을 제조하였다. 구체적으로 베드 위에 금속 분말을 도포하고 금속 분말을 약 650℃로 예열한 후 전자빔을 특정 위치에 조사하여 금속 분말을 용해하여 두께가 약 50~80㎛인 최하위 레이어(layer)를 형성하였다. 다시 최하위 레이어 위에 금속 분말을 도포하고 예열 및 전자빔 조사를 통해 다음 레이어를 형성하였다. 상기 과정을 최상위 레이어 형성까지 반복하여 3차원 형상의 금속 조형품(가로 100㎜×세로 40㎜×높이 40㎜)을 제조하였다. 도 1은 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린터의 개략적인 구조 및 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린터를 이용하여 금속 조형품을 제조하는 과정을 단계별(A→B→C→D 순서)로 나타낸 것이다.

전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린팅에 의해 2등급의 순수 티타늄으로부터 제조된 금속 조형품을 방전 가공기로 절단하여 시편을 만들고, 금속 미세구조를 광학 현미경으로 관찰하였다. 도 2는 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린팅에 의해 2등급의 순수 티타늄으로부터 제조된 금속 조형품의 금속 미세구조를 광학 현미경으로 관찰한 사진이다. 도 2에서 Z 방향은 3D 프린팅의 적층 방향(build direction, BD)과 평행한 방향을 나타낸다. 도 2에서 보이는 바와 같이 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린팅에 의해 2등급의 순수 티타늄으로부터 제조된 금속 조형품은 적층 방향으로 약 700~800㎛ 및 적층 방향과 수직 방향으로 약 200㎛의 크기를 가진 조대한 연신립 형태의 금속 미세구조를 보였다. 또한, 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린팅에 의해 2등급의 순수 티타늄으로부터 제조된 금속 조형품의 적층 방향 인장 강도는 약 563 ㎫ 이었고, 비커스 경도(Vickers hardness, HV)는 약 223 HV 이었다.

3. 3D 프린팅을 이용하여 제조한 금속 조형품의 열처리

열처리 실시예 1.

앞에서 제조한 금속 조형품을 도 3의 온도 프로파일에 맞추어 열처리하였다. 구체적으로, 상온의 금속 조형품을 80초 동안에 걸쳐 950℃로 가열한 후 950℃에서 120초 동안 유지하고, 60초 동안에 걸쳐 600℃로 냉각하여 1회의 열처리를 실시하였다.

열처리 실시예 2.

앞에서 제조한 금속 조형품을 도 4의 온도 프로파일에 맞추어 열처리하였다. 구체적으로, 상온의 금속 조형품을 80초 동안에 걸쳐 950℃로 가열한 후 950℃에서 120초 동안 유지하고, 60초 동안에 걸쳐 600℃로 냉각한 후 600℃에서 60초 동안 유지하고, 다시 금속 조형품을 60초 동안에 걸쳐 950℃로 가열한 후 950℃에서 120초 동안 유지하고, 60초 동안에 걸쳐 600℃로 냉각하여 2회의 열처리를 실시하였다.

열처리 실시예 3.

앞에서 제조한 금속 조형품을 도 5의 온도 프로파일에 맞추어 열처리하였다. 구체적으로, 상온의 금속 조형품을 80초 동안에 걸쳐 950℃로 가열한 후 950℃에서 60초 동안 유지하고, 60초 동안에 걸쳐 600℃로 냉각하여 1회의 열처리를 실시하였다.

열처리 실시예 4.

앞에서 제조한 금속 조형품을 도 6의 온도 프로파일에 맞추어 열처리하였다. 구체적으로, 상온의 금속 조형품을 80초 동안에 걸쳐 950℃로 가열한 후 950℃에서 60초 동안 유지하고, 60초 동안에 걸쳐 600℃로 냉각한 후 600℃에서 60초 동안 유지하고, 다시 금속 조형품을 60초 동안에 걸쳐 950℃로 가열한 후 950℃에서 60초 동안 유지하고, 60초 동안에 걸쳐 600℃로 냉각하여 2회의 열처리를 실시하였다.

열처리 비교실시예 1.

앞에서 제조한 금속 조형품을 도 7의 온도 프로파일에 맞추어 열처리하였다. 구체적으로, 상온의 금속 조형품을 80초 동안에 걸쳐 750℃로 가열한 후 750℃에서 120초 동안 유지하고, 60초 동안에 걸쳐 600℃로 냉각하여 1회의 열처리를 실시하였다.

열처리 비교실시예 2.

앞에서 제조한 금속 조형품을 도 8의 온도 프로파일에 맞추어 열처리하였다. 구체적으로, 상온의 금속 조형품을 80초 동안에 걸쳐 750℃로 가열한 후 750℃에서 120초 동안 유지하고, 60초 동안에 걸쳐 600℃로 냉각한 후 600℃에서 60초 동안 유지하고, 다시 금속 조형품을 60초 동안에 걸쳐 750℃로 가열한 후 750℃에서 120초 동안 유지하고, 60초 동안에 걸쳐 600℃로 냉각하여 2회의 열처리를 실시하였다.

열처리 비교실시예 3.

앞에서 제조한 금속 조형품을 도 9의 온도 프로파일에 맞추어 열처리하였다. 구체적으로, 상온의 금속 조형품을 80초 동안에 걸쳐 850℃로 가열한 후 850℃에서 120초 동안 유지하고, 60초 동안에 걸쳐 600℃로 냉각하여 1회의 열처리를 실시하였다.

열처리 비교실시예 4.

앞에서 제조한 금속 조형품을 도 10의 온도 프로파일에 맞추어 열처리하였다. 구체적으로, 상온의 금속 조형품을 80초 동안에 걸쳐 850℃로 가열한 후 850℃에서 120초 동안 유지하고, 60초 동안에 걸쳐 600℃로 냉각한 후 600℃에서 60초 동안 유지하고, 다시 금속 조형품을 60초 동안에 걸쳐 850℃로 가열한 후 850℃에서 120초 동안 유지하고, 60초 동안에 걸쳐 600℃로 냉각하여 2회의 열처리를 실시하였다.

4. 3D 프린팅을 이용하여 제조한 금속 조형품의 열처리에 따른 기계적 성질 변화

(1) 금속 조형품의 미세 금속구조 변화

도 11은 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린팅에 의해 2등급의 순수 티타늄으로부터 제조된 금속 조형품 및 이를 열처리 실시예 1 및 열처리 실시예 2의 방법으로 열처리한 금속 조형물의 미세 금속구조를 광학 현미경으로 촬영한 사진이다. 도 11에서 "As-printed"는 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린팅에 의해 2등급의 순수 티타늄으로부터 제조된 금속 조형품을 나타내고, "1cycle"은 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린팅에 의해 2등급의 순수 티타늄으로부터 제조된 금속 조형품을 열처리 실시예 1의 방법으로 1회 열처리한 것을 나타내고, "2cycle"는 3D 프린팅에 의해 2등급의 순수 티타늄으로부터 제조된 금속 조형품을 열처리 실시예 2의 방법으로 2회 열처리한 것을 나타낸다. 도 11에서 보이는 바와 같이 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린팅에 의해 2등급의 순수 티타늄으로부터 제조된 금속 조형품을 티타늄의 상변태가 일어나도록 열처리하는 경우 금속 미세구조가 조대한 연신립 형태에서 미세한 등축립 형태로 변하기 시작하였고, 상변태 열처리 횟수가 증가할수록 금속 미세구조가 미세한 등축립 형태에 더 가까워졌다.

(2) 금속 조형품의 인장 강도 변화

앞에서 언급한 바와 같이 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린팅에 의해 2등급의 순수 티타늄으로부터 제조된 금속 조형품의 적층 방향 인장 강도는 약 563 ㎫ 이었다. 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린팅에 의해 2등급의 순수 티타늄으로부터 제조된 금속 조형품을 열처리 실시예 1의 방법으로 1회 열처리하는 경우 금속 조형품의 적층 방향 인장 강도가 652 ㎫로 증가하였다. 또한, 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린팅에 의해 2등급의 순수 티타늄으로부터 제조된 금속 조형품을 열처리 실시예 2의 방법으로 2회 열처리하는 경우 금속 조형품의 적층 방향 인장 강도가 758 ㎫로 현저하게 증가하였다

(3) 금속 조형품의 비커스 경도(Vickers hardness, HV) 변화

앞에서 언급한 바와 같이 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린팅에 의해 2등급의 순수 티타늄으로부터 제조된 금속 조형품의 비커스 경도(Vickers hardness, HV)는 약 223 HV 이었다. 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린팅에 의해 2등급의 순수 티타늄으로부터 제조된 금속 조형품을 열처리 실시예 1의 방법으로 1회 열처리하는 경우 금속 조형품의 비커스 경도는 267 HV로 증가하였다. 또한, 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린팅에 의해 2등급의 순수 티타늄으로부터 제조된 금속 조형품을 열처리 실시예 2의 방법으로 2회 열처리하는 경우 금속 조형품의 비커스 경도는 312 HV로 현저하게 증가하였다.

하기 표 1은 열처리 실시예 3, 열처리 실시예 4, 열처리 비교실시예 1, 열처리 비교실시예 2, 열처리 비교실시예 3 및 열처리 비교실시예 4의 방법으로 열처리된 금속 조형품의 비커스 경도 측정 결과를 나타낸 것이다.

금속 조형품의 열처리 방법	금속 조형품의 비커스 경도(HV)
열처리 실시예 3	251
열처리 실시예 4	294
열처리 비교실시예 1	226
열처리 비교실시예 2	224
열처리 비교실시예 3	220
열처리 비교실시예 4	226

상기 표 1에서 보이는 바와 같이 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린팅에 의해 2등급의 순수 티타늄으로부터 제조된 금속 조형품을 티타늄의 상변태가 일어나도록 열처리하는 경우 비커스 경도가 크게 증가하였으나(열처리 실시예 3, 열처리 실시예 4), 티타늄의 상변태 점 미만의 온도 범위에서 열처리하는 경우 비커스 경도의 변화가 거의 없었다(열처리 비교실시예 1, 열처리 비교실시예 2, 열처리 비교실시예 3 및 열처리 비교실시예 4).

이상에서와 같이 본 발명을 상기의 실시예를 통해 설명하였지만 본 발명이 반드시 여기에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 본 발명에 첨부된 특허청구의 범위에 속하는 모든 실시 형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

상변태 온도를 갖는 금속 재료를 3D 프린팅 방법으로 성형하여 제조한 금속 조형품에 대해 상변태 열처리를 적어도 2회 이상 실시하는 단계를 포함하는 방법으로서,
상기 상변태 온도를 갖는 금속 재료는 Ti(티타늄), Ti(티타늄) 합금, Fe(철), Fe(철) 합금, 인코넬(Inconel) 합금, Ni-Cr(니켈-크롬) 합금 또는 Co-Cr(코발트-크롬) 합금에서 선택되고,
상기 상변태 열처리는 금속 조형품을 금속 재료의 상변태 온도보다 높은 온도로 가열하고 30~240초 동안 유지한 후 금속 재료의 상변태 온도보다 낮은 온도로 냉각하고 30~240초 동안 유지하는 것으로 구성되고,
상기 상변태 열처리시 금속 조형품의 가열 속도는 3~15 ℃/초 이고,
상기 상변태 열처리시 금속 조형품의 냉각 속도는 3~15 ℃/초 인 것을 특징으로 하는 금속 조형품의 열처리 방법.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 상변태 온도를 갖는 금속 재료는 Ti-6Al-4V 합금, Ti-6Al-7Nb 합금 또는 탄소강에서 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 조형품의 열처리 방법.
제 1항에 있어서, 상기 3D 프린팅 방법은 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방법, 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방법, 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 방법 또는 직접 금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS) 방법에서 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 조형품의 열처리 방법.
제 1항에 있어서, 상기 상변태 열처리의 실시 횟수는 2~10 회인 것을 특징으로 하는 금속 조형품의 열처리 방법.
제 1항에 있어서, 상기 금속 재료는 Ti(티타늄)이고, 상기 상변태 열처리는 금속 조형품을 900~1000℃로 가열하고 30~240초 동안 유지한 후 550~850℃로 냉각하고 30~240초 동안 유지하는 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 조형품의 열처리 방법.
삭제
삭제
삭제
삭제
제 6항에 있어서, 상기 상변태 열처리된 금속 조형품의 인장 강도는 600~900 ㎫ 인 것을 특징으로 하는 금속 조형품의 열처리 방법.
제 6항에 있어서, 상기 상변태 열처리된 금속 조형품의 비커스 경도(Vickers hardness, HV)는 250~400 HV 인 것을 특징으로 하는 금속 조형품의 열처리 방법.