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KR102364152B1 - 금속 분말, 적층 조형물의 제조방법 및 적층 조형물 - Google Patents

금속 분말, 적층 조형물의 제조방법 및 적층 조형물 Download PDF

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KR102364152B1
KR102364152B1 KR1020207030628A KR20207030628A KR102364152B1 KR 102364152 B1 KR102364152 B1 KR 102364152B1 KR 1020207030628 A KR1020207030628 A KR 1020207030628A KR 20207030628 A KR20207030628 A KR 20207030628A KR 102364152 B1 KR102364152 B1 KR 102364152B1
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류스케 츠보타
준이치 타나카
요헤이 오카
타카유키 나카모토
타카히로 스가하라
마모루 타케무라
소헤이 우치다
Original Assignee
가부시키가이샤 다이헨
오사카 리서치 인스티튜트 오브 인더스트리얼 사이언스 앤드 테크놀러지
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Abstract

적층 조형용 금속 분말이다. 상기 금속 분말은 크롬 및 규소 중 적어도 하나를 0.10질량% 이상 1.00질량% 이하로 함유하고, 상기 크롬 및 상기 규소의 합계량이 1.00질량% 이하이며, 잔부가 구리로 이루어진다.

Description

금속 분말, 적층 조형물의 제조방법 및 적층 조형물{METAL POWDER, METHOD FOR PRODUCING MULTILAYER SHAPED STRUCTURE, AND MULTILAYER SHAPED STRUCTURE}
본 발명은 금속 분말, 적층 조형물의 제조방법 및 적층 조형물에 관한 것이다.
일본국 공개특허공보 2011-21218호(특허문헌 1)에는 금속 분말을 대상으로 한 레이저 적층 조형장치(이른바 "3D 프린터")가 개시되어 있다.
일본국 공개특허공보 2011-21218호
금속 제품의 가공 기술로서, 금속 분말을 대상으로 한 적층 조형법이 주목을 받고 있다. 이러한 방법의 이점은 절삭 가공으로는 불가능했던 복잡한 형상의 창제가 가능한 데 있다. 지금까지 철계 합금 분말, 알루미늄 합금 분말, 티타늄 합금 분말 등을 이용한 적층 조형물의 제작예가 보고되어 있다. 그러나 현재로는 사용 가능한 금속종이 한정되어 있으며 적용 가능한 금속 제품에도 일정한 제한이 있다.
본 발명의 목적은 기계 강도 및 도전율을 양립할 수 있는, 구리 합금으로 구성되는 적층 조형용 금속 분말, 적층 조형물의 제조방법 및 적층 조형물을 제공하는 것이다.
(1) 금속 분말은 적층 조형용 금속 분말이다. 상기 금속 분말은 크롬 및 규소 중 적어도 하나를 0.10질량% 이상 1.00질량% 이하로 함유하고, 상기 크롬 및 상기 규소의 합계량이 1.00질량% 이하이며, 잔부가 구리로 이루어진다.
(2) 상기 (1)의 금속 분말은 크롬을 0.10질량% 이상 0.60질량% 이하로 함유하고, 잔부가 구리로 이루어진 금속 분말이어도 된다.
(3) 상기 (1)의 금속 분말은 규소를 0.10질량% 이상 0.60질량% 이하로 함유하고, 잔부가 구리로 이루어진 금속 분말이어도 된다.
(4) 적층 조형물의 제조방법은 상기 (1)~(3) 중 어느 하나의 금속 분말을 포함하는 분말층을 형성하는 제1 공정; 및 상기 분말층에서 소정 위치의 상기 금속 분말을 고화(固化)시킴으로써 조형층을 형성하는 제2 공정;을 포함한다. 이 제조방법에서는 제1 공정과 제2 공정을 순차 반복하여 조형층을 적층함으로써 적층 조형물을 제조한다.
(5) 상기 (4)의 적층 조형물의 제조방법은 적층 조형물을 열처리하는 열처리 공정을 더 포함해도 된다.
(6) 적층 조형물은 상기 (1)~(3) 중 어느 하나의 금속 분말로 제조된 적층 조형물이고, 조형 후에 열처리가 실시되어 있는 것이 바람직하다.
(7) 적층 조형물은 구리 합금으로 구성된 적층 조형물이다. 구리 합금은 크롬 및 규소 중 적어도 하나를 0.10질량% 이상 1.00질량% 이하로 함유하고, 상기 크롬 및 상기 규소의 합계량이 1.00질량% 이하이며, 잔부가 구리로 이루어진다. 적층 조형물은 구리 합금의 이론밀도에 대한 상대밀도가 96% 이상 100% 이하이고, 도전율이 26% IACS 이상이다.
(8) 상기 (7)에 있어서, 구리 합금은 크롬을 0.10질량% 이상 0.60질량% 이하로 함유하고, 잔부가 구리로 이루어진 크롬 함유 구리 합금이어도 된다. 이 경우, 적층 조형물은 크롬 함유 구리 합금의 이론밀도에 대한 상대밀도가 96% 이상 100% 이하이고, 도전율이 30% IACS 이상이다.
(9) 상기 (7)에 있어서, 구리 합금은 규소를 0.10질량% 이상 0.60질량% 이하로 함유하고, 잔부가 구리로 이루어진 규소 함유 구리 합금이어도 된다. 이 경우, 적층 조형물은 규소 함유 구리 합금의 이론밀도에 대한 상대밀도가 96% 이상 100% 이하이고, 도전율이 26% IACS 이상이다.
상기에 따르면, 기계 강도 및 도전율을 양립할 수 있는, 구리 합금으로 구성된 적층 조형물이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 적층 조형물의 제조방법의 개략을 나타낸 플로우 차트이다.
도 2는 STL 데이터의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 3은 슬라이스 데이터의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 4는 적층 조형물의 제조 과정을 도해한 제1 개략도이다.
도 5는 적층 조형물의 제조 과정을 도해한 제2 개략도이다.
도 6은 적층 조형물의 제조 과정을 도해한 제3 개략도이다.
도 7은 적층 조형물의 제조 과정을 도해한 제4 개략도이다.
도 8은 인장 시험에 사용되는 시험편을 나타낸 평면도이다.
이하, 본 발명의 일실시형태(이하 "본 실시형태"라고 함)에 대해 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 본 발명자가 본 실시형태에 이른 경위를 설명한다.
기계 강도 및 도전율을 필요로 하는 기계 부품에는 구리가 많이 사용되고 있다. 그러한 기계 부품으로는, 예를 들면 용접 토치, 배전 설비 부품 등을 들 수 있다. 본 발명자는 순동(純銅)의 지금(地金)을 아토마이즈 가공함으로써 구리 분말을 얻고, 이것을 이용해서 적층 조형물 제작을 시도하였다. 그러나 이러한 방법으로는 원하는 적층 조형물이 얻어지지 않았다. 구체적으로, 조형물은 다수의 공극을 가지고 있고 원재(元材)에 대해 밀도가 대폭으로 저하되어 있었다. 또한 도전율도 원재에 대해 큰 폭으로 저하되어 있었다. 밀도가 저하되면 당연히 기계 강도도 저하된다고 생각된다. 본 발명자는 각종 조건을 변경하여 물성 개선을 시도하였다. 그러나 순동을 이용하는 한, 조건을 고정해도 최종 물성이 안정되지 않아, 기계 강도 및 도전율을 양립할 수는 없었다.
이에 본 발명자는 구리 합금에 대해 검토하였다. 그 결과, 특정 합금 조성을 갖는 구리 합금 분말을 이용함으로써, 적층 조형물에 있어서 기계 강도 및 도전율을 양립할 수 있음이 발견되었다.
여기서 "기계 강도 및 도전율을 양립할 수 있다"란, 적층 조형물이 다음 (a)~(c)의 조건을 모두 만족하는 것을 나타낸다.
(a) 인장 강도가 대략 195MPa 이상이다. 즉, 인장 강도가 무산소 구리(UNS 번호: C10200)의 지금과 대체로 동등 이상이다. 인장 강도는 다음 절차를 통해 측정한다. 측정에는 "JIS B 7721: 인장 시험기·압축 시험기 - 힘 계측계의 교정방법 및 검증방법"에 근거한 등급 1급 이상의 인장 시험 장치를 사용한다. 도 8에 도시한 덤벨형상 시험편(20)을 제조한다. 덤벨형상 시험편(20)을, 인장 시험 장치를 이용해서 2mm/min의 속도로 파단될 때까지 잡아당긴다. 이 때, 그립핑(gripping) 장치 또는 지그에는 덤벨형상 시험편(20)의 형상에 적합한 것을 이용한다. 또한 덤벨형상 시험편(20)의 축방향으로 힘이 가해지도록 조정한다. 파단될 때까지 나타나는 최대 인장 응력을 측정한다. 최대 인장 응력을 평행부(21)의 단면적으로 나눔으로써 인장 강도를 산출한다. 평행부(21)의 단면적은 9.616㎟(=π×3.5mm×3.5mm÷4)이다. 한편, 덤벨형상 시험편(20) 각 부분의 치수는 다음과 같다.
덤벨형상 시험편(20)의 전체 길이(L0): 36mm
평행부(21)의 길이(L1): 18±0.5mm
평행부(21)의 직경(D1): 3.5±0.05mm
어깨부(23)의 반경(R): 10mm
그립부(22)의 길이(L2): 4.0mm
그립부(22)의 직경(D2): 6.0mm.
(b) 이론밀도에 대한 상대밀도가 96% 이상이다. 여기서 합금의 이론밀도는 상기 합금과 동일한 조성을 갖는 용제재(溶製材)의 밀도를 나타낸다. 이론밀도에 대한 상대밀도는 적층 조형물의 실측밀도를 합금의 이론밀도로 나눈 값의 백분율을 나타낸다.
(c) 소둔 표준 연동(International Annealed Copper Standard: IACS)의 도전율을 100% IACS로 해서 정의되는, 도전율이 26% IACS 이상이다. 즉 도전율이 황동(UNS 번호: C26000)의 지금과 대략 동등 이상이다.
[금속 분말]
본 실시형태의 금속 분말은 적층 조형용 금속 분말이다. 금속 분말은 통상적인 2차원 프린터의 토너, 잉크에 해당한다. 금속 분말은 크롬(Cr) 및 규소(Si) 중 적어도 하나를 0.10질량% 이상 1.00질량% 이하로 함유하고, Cr 및 Si의 합계량이 1.00질량% 이하이며, 잔부가 구리(Cu)로 이루어진다. 금속 분말에서의 Cu 함유량은 예를 들면 98질량% 이상이어도 되고, 98.5질량% 이상이어도 되며, 99.0질량% 이상이어도 된다.
금속 분말에서의 Cu 함유량은 "JIS H 1051: 구리 및 구리 합금 중 구리 정량방법"에 준거한 방법으로 측정할 수 있다. Cr 함유량은 "JIS H 1071: 구리 및 구리 합금 중 크롬 정량방법"에 준거한 ICP 발광 분석법으로 측정할 수 있다. Si 함유량은 "JIS H 1061: 구리 및 구리 합금 중 규소 정량방법"에 준거한 ICP 발광 분석법으로 측정할 수 있다. 금속 분말에서 Cr 및 Si 중 적어도 하나의 함유량의 상한은 0.90질량%여도 되고, 0.80질량%여도 되고, 0.70질량%여도 되고, 0.60질량%여도 된다. 동(同) 함유량의 하한은 0.15질량%여도 되고, 0.20질량%여도 된다.
금속 분말은 Cu, Cr, Si 외에 불순물 원소를 함유하는 경우도 있다. 불순물 원소는 제조시에 의도적으로 첨가된 원소(첨가 원소)여도 된다. 즉, 본 실시형태의 금속 분말에서는 잔부가 Cu 및 첨가 원소로 이루어지는 경우도 있다. 불순물 원소는 제조시에 불가피하게 혼입된 원소(불가피 불순물)여도 된다. 즉, 본 실시형태의 금속 분말에서는 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지는 경우도 있다. 혹은 잔부는 Cu, 첨가 원소 및 불가피 불순물로 이루어지는 경우도 있다. 불순물 원소로는, 예를 들면 산소(O), 인(P) 등을 들 수 있다. 불순물 원소의 함유량은 예를 들면 0.10질량% 미만이어도 되고, 0.05질량% 미만이어도 된다.
본 실시형태의 금속 분말에는 예를 들면 이하에 제시하는 크롬 함유 구리 합금 분말 및 규소 함유 구리 합금 분말이 포함된다.
(크롬 함유 구리 합금 분말)
크롬 함유 구리 합금 분말은 Cr을 0.10질량% 이상 0.60질량% 이하로 함유하고, 잔부가 Cu로 이루어진다. 전술한 바와 같이, 잔부는 첨가 원소, 불가피 불순물을 포함해도 된다. 이러한 화학 조성을 갖는 구리 합금 분말에 따르면, 적층 조형물에 있어서 특히 도전율의 향상을 기대할 수 있다. 크롬 함유 구리 합금 분말에서 Cr 함유량의 하한은 예를 들면 0.15질량%여도 되고, 0.20질량%여도 되고, 0.25질량%여도 된다. Cr 함유량의 상한은 예를 들면 0.55질량%여도 되고, 0.50질량%여도 된다. Cr 함유량은 예를 들면 0.22질량% 이상 0.51질량% 이하여도 된다. 이러한 범위들에서 기계 강도와 도전율의 밸런스가 양호해지는 경우도 있다.
(규소 함유 구리 합금 분말)
규소 함유 구리 합금 분말은 Si를 0.10질량% 이상 0.60질량% 이하로 함유하고, 잔부가 Cu로 이루어진다. 전술한 바와 같이, 잔부는 첨가 원소, 불가피 불순물을 포함해도 된다. 이러한 화학 조성을 갖는 구리 합금 분말에 따르면, 적층 조형물에 있어서 특히 기계 강도의 향상을 기대할 수 있다. 규소 함유 구리 합금 분말에서 Si 함유량의 하한은 예를 들면 0.15질량%여도 되고, 0.20질량%여도 되고, 0.25질량%여도 된다. Si 함유량의 상한은 예를 들면 0.55질량%여도 되고, 0.50질량%여도 된다. Si 함유량은 예를 들면 0.21질량% 이상 0.55질량% 이하여도 된다. 이러한 범위들에서 기계 강도와 도전율의 밸런스가 양호해지는 경우도 있다.
(입도 분포)
금속 분말의 입도 분포는 분말 제조 조건, 분급, 체로 거르기 등에 의해 적절히 조정된다. 금속 분말의 평균 입경은 적층 조형물을 제조할 때의 적층 피치에 맞춰 조정해도 된다. 금속 분말의 평균 입경은 예를 들면 100~200㎛ 정도여도 되고, 50~100㎛ 정도여도 되고, 5~50㎛ 정도여도 된다. 여기서 본 명세서의 평균 입경은 레이저 회절·산란법으로 측정된 입도 분포에서 적산값 50%에서의 입경(이른바 "d50")을 나타내는 것으로 한다. 금속 분말에서 입자 형상은 특별히 한정되지 않는다. 입자 형상은 예를 들면 대략 구(球)형상이어도 되고, 불규칙 형상이어도 된다.
(금속 분말의 제조방법)
본 실시형태의 금속 분말은 예를 들면 가스 아토마이즈법 또는 워터 아토마이즈법에 의해 제조된다. 즉 턴디시(tundish)의 바닥부에서 용융 상태의 합금 성분을 낙하시키면서 고압 가스 또는 고압수와 접촉시켜, 합금 성분을 급랭 응고시킴으로써 합금 성분을 분말화한다. 이 외에, 예를 들면 플라즈마 아토마이즈법, 원심력 아토마이즈법 등으로 금속 분말을 제조해도 된다. 이러한 제조방법들로 얻어진 금속 분말을 이용함으로써 치밀한 적층 조형물이 얻어지는 추세이다.
[적층 조형물의 제조방법]
다음으로, 상기의 금속 분말을 이용한 적층 조형물의 제조방법에 대해 설명한다. 여기서는 금속 분말을 고화시키는 수단으로서, 분말상(powder bed) 용융 결합법 중 레이저를 이용하는 양태를 설명한다. 그러나 상기 수단은 금속 분말의 고화가 가능한 한, 레이저에 한정되지 않는다. 상기 수단은 예를 들면 전자 빔, 플라즈마 등이어도 된다. 본 실시형태에서는 분말상 용융 결합법 이외의 부가 제조법(Additive Manufacturing: AM)을 이용해도 된다. 예를 들어 본 실시형태에서는 지향성 에너지 퇴적법을 이용할 수도 있다. 또한 본 실시형태에서는 조형 중에 절삭 가공을 실시해도 된다.
도 1은 본 실시형태의 적층 조형물의 제조방법의 개략을 나타낸 플로우 차트이다. 상기 제조방법은 데이터 처리 공정(S10)과 조형 공정(S20)을 구비한다. 상기 제조방법은 조형 공정(S20) 후에, 열처리 공정(S30)을 구비해도 된다. 조형 공정(S20)은 제1 공정(S21)과 제2 공정(S22)을 포함한다. 상기 제조방법에서는 제1 공정(S21)과 제2 공정(S22)을 순차 반복함으로써 적층 조형물을 제조한다. 이하, 도 1~도 7을 참조하면서 상기 제조방법을 설명한다.
1. 데이터 처리 공정(S10)
먼저, 3D-CAD 등에 의해 3차원 형상 데이터가 작성된다. 3차원 형상 데이터는 STL 데이터로 변환된다. 도 2는 STL 데이터의 일례를 나타낸 개략도이다. STL 데이터(10d)에서는 예를 들면 유한 요소법에 의한 요소 분할(메쉬화)이 이루어진다.
STL 데이터로부터 슬라이스 데이터가 작성된다. 도 3은 슬라이스 데이터의 일례를 나타낸 개략도이다. STL 데이터는 제1 조형층(p1)~제n 조형층(pn)의 n층으로 분할된다. 슬라이스 두께(d)는 예를 들면 10~150㎛ 정도이다.
2. 조형 공정(S20)
이어서, 슬라이스 데이터에 기초하여 적층 조형물이 조형된다. 도 4는 적층 조형물의 제조 과정을 도해한 제1 개략도이다. 도 4에 도시된 레이저 적층 조형장치(100)는 피스톤(101); 피스톤(101)에 지지된 테이블(102); 및 레이저 출력부(103);를 구비한다. 이후의 공정은 조형물의 산화를 억제하기 위해, 예를 들면 불활성 가스 분위기에서 이루어진다. 불활성 가스는 예를 들면 아르곤(Ar), 질소(N2), 헬륨(He) 등이어도 된다. 또는 불활성 가스 대신에, 예를 들면 수소(H2) 등의 환원성 가스를 이용해도 된다. 또한 진공 펌프 등을 이용해서 감압 분위기로 해도 된다.
피스톤(101)은 테이블(102)을 승강할 수 있도록 구성되어 있다. 테이블(102) 상에서 적층 조형물이 조형된다.
2-1. 제1 공정(S21)
제1 공정(S21)에서는 금속 분말을 포함하는 분말층이 형성된다. 슬라이스 데이터에 기초하여 피스톤(101)은 테이블(102)을 1층분만큼 강하시킨다. 테이블(102) 상에 1층분의 금속 분말이 깔린다. 이로써 금속 분말을 포함하는 제1 분말층(1)이 형성된다. 제1 분말층(1)의 표면은 도시하지 않은 스퀴징 블레이드 등에 의해 평활화된다. 분말층은 복수종의 금속 분말을 포함해도 된다. 예를 들면, 분말층은 전술한 크롬 함유 구리 합금 분말 및 규소 함유 구리 합금 분말을 모두 포함하는 경우도 있다. 분말층은 금속 분말 외에 레이저 흡수제(예를 들면 수지 분말) 등을 포함해도 된다. 분말층은 실질적으로 금속 분말만으로 형성되는 경우도 있다.
2-2. 제2 공정(S22)
도 5는 적층 조형물의 제조 과정을 도해한 제2 개략도이다. 제2 공정(S22)에서는 적층 조형물의 일부가 될 조형층이 형성된다.
레이저 출력부(103)는 슬라이스 데이터에 기초하여 제1 분말층(1)의 소정 위치에 레이저광을 조사한다. 레이저광의 조사에 앞서 미리 분말층을 가열해 두어도 된다. 레이저광이 조사된 금속 분말은 용융, 소결을 거쳐 고화된다. 이처럼 제1 분말층(1)에서 소정 위치의 금속 분말을 고화시킴으로써 제1 조형층(p1)이 형성된다.
본 실시형태의 레이저 출력부에는 범용 레이저 장치를 채용할 수 있다. 레이저광의 광원에는 예를 들면 파이버 레이저, YAG 레이저, CO2 레이저, 반도체 레이저 등이 이용된다. 레이저광의 출력은 예를 들면 100~1000W 정도여도 되고, 200~500W 정도여도 된다. 레이저광의 주사 속도는 예를 들면 100~1000mm/s의 범위 내에서 조정해도 된다. 또한 레이저광의 에너지 밀도는 예를 들면 100~1000J/㎣의 범위 내에서 조정해도 된다.
여기서 레이저광의 에너지 밀도는 아래 식(I):
E=P÷(v×s×d) …(I)
으로 산출되는 값을 나타낸다. 식(I) 중 E는 레이저광의 에너지 밀도[단위: J/㎣]를, P는 레이저의 출력[단위: W]을, v는 주사 속도[단위: mm/s]를, s는 주사 폭[단위: mm]을, d는 슬라이스 두께[단위: mm]를 각각 나타낸다.
도 6은 적층 조형물의 제조 과정을 도해한 제3 개략도이다. 도 6에 도시된 바와 같이 제1 조형층(p1)이 형성된 후, 피스톤(101)은 테이블(102)을 1층분만큼 더 강하시킨다. 그 후, 상기와 마찬가지로 제2 분말층(2)이 형성되고, 슬라이스 데이터에 기초하여 제2 조형층(p2)이 형성된다. 이후, 제1 공정(S21)과 제2 공정(S22)을 반복한다. 도 7은 적층 조형물의 제조 과정을 도해한 제4 개략도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 마지막으로 제n 조형층(pn)이 형성되고 적층 조형물(10)이 완성된다.
3. 제3 공정(S30)
그 후 적층 조형물을 열처리하는 것이 바람직하다. 즉, 적층 조형물은 조형 후에 열처리가 실시되어 있는 것이 바람직하다. 열처리에 의해 적층 조형물의 기계적 성질 및 도전율의 향상을 기대할 수 있다. 열처리시의 분위기는 예를 들면 질소, 대기, 아르곤, 수소, 진공 등의 분위기여도 된다. 열처리 온도는 예를 들면 300℃ 이상 400℃ 이하여도 된다. 열처리 시간은 예를 들면 2시간 이상 4시간 이하여도 된다.
[적층 조형물]
다음으로, 상기 제조방법에 의해서 얻어진 적층 조형물에 대해 설명한다. 적층 조형물은 절삭 가공으로는 실현할 수 없는 복잡한 형상을 가질 수 있다. 또한 본 실시형태의 적층 조형물은 기계 강도 및 도전율을 양립할 수 있다. 본 실시형태의 적층 조형물은 일례로서 플라즈마 토치에 적용할 수 있다.
원료로 본 실시형태의 금속 분말을 사용했을 경우, 적층 조형물은 다음 구성을 구비할 수 있다.
즉 본 실시형태의 적층 조형물은 특정 구리 합금으로 구성되는 적층 조형물이다. 상기 구리 합금은 Cr 및 Si 중 적어도 하나를 0.10질량% 이상 1.00질량% 이하로 함유하고, Cr 및 Si의 합계량이 1.00질량% 이하이며, 잔부가 Cu로 이루어진다. 금속 분말과 마찬가지로 잔부는 첨가 원소, 불가피 불순물을 포함해도 된다. 이 적층 조형물에서는 이론밀도에 대한 상대밀도가 96% 이상 100% 이하이며, 또한 도전율이 26% IACS 이상이다.
구리 합금에서 Cr 및 Si 중 적어도 하나의 함유량의 상한은 0.90질량%여도 되고, 0.80질량%여도 되고, 0.70질량%여도 되고, 0.60질량%여도 된다. 동(同) 함유량의 하한은 0.15질량%여도 되고, 0.20질량%여도 된다.
적층 조형물의 밀도는 예를 들면 아르키메데스법으로 측정할 수 있다. 아르키메데스법에 의한 밀도 측정은 "JIS Z 2501: 소결 금속 재료 - 밀도, 함유율(含油率) 및 개방 기공률 시험방법"에 준거하여 실시할 수 있다. 액체로는 물을 사용하면 된다.
이론밀도에 대한 상대밀도가 96% 이상이면 실용상 견딜 수 있는 기계 강도를 기대할 수 있다. 상대밀도는 높을수록 바람직하다. 적층 조형물의 상대밀도는 96.5% 이상이어도 되고, 97.0% 이상이어도 되고, 97.5% 이상이어도 되고, 98.0% 이상이어도 되고, 98.5% 이상이어도 되고, 99.0% 이상이어도 된다.
도전율은 시판되는 와류식 도전율계로 측정할 수 있다. 도전율도 높을수록 바람직하다. 적층 조형물의 도전율은 30% IACS 이상이어도 되고, 40% IACS 이상이어도 되고, 50% IACS 이상이어도 되고, 60% IACS 이상이어도 된다. 도전율의 상한은 예를 들면 100% IACS여도 된다.
(크롬 함유 구리 합금으로 구성되는 적층 조형물)
원료로 본 실시형태의 크롬 함유 구리 합금 분말을 사용했을 경우, 적층 조형물은 다음 구성을 구비할 수 있다.
즉, 적층 조형물은 특정한 크롬 함유 구리 합금으로 구성되는 적층 조형물이다. 상기 크롬 함유 구리 합금은 Cr을 0.10질량% 이상 0.60질량% 이하로 함유하고, 잔부가 Cu로 이루어진다. 금속 분말과 마찬가지로 잔부는 첨가 원소, 불가피 불순물을 포함해도 된다. 이 적층 조형물에서는 크롬 함유 구리 합금의 이론밀도에 대한 상대밀도가 96% 이상 100% 이하이고, 또한 도전율이 30% IACS 이상이다. 이 적층 조형물에서 예를 들어 Cr 함유량이 0.10질량% 이상 0.30질량% 이하일 경우, 98.0% 이상의 상대밀도와 60% IACS 이상의 도전율의 양립을 기대할 수 있다.
(규소 함유 구리 합금으로 구성되는 적층 조형물)
원료로 본 실시형태의 규소 함유 구리 합금 분말을 사용했을 경우, 적층 조형물은 다음 구성을 구비할 수 있다.
즉, 적층 조형물은 특정한 규소 함유 구리 합금으로 구성되는 적층 조형물이다. 상기 규소 함유 구리 합금은 Si를 0.10질량% 이상 0.60질량% 이하로 함유하고, 잔부가 Cu로 이루어진다. 금속 분말과 마찬가지로 잔부는 첨가 원소, 불가피 불순물을 포함해도 된다. 이 적층 조형물에서는 규소 함유 구리 합금의 이론밀도에 대한 상대밀도가 96% 이상 100% 이하이고, 또한 도전율이 26% IACS 이상이다. 이 적층 조형물에서 예를 들어 Si 함유량이 0.10질량% 이상 0.30질량% 이하일 경우, 98.5% 이상의 상대밀도와 45% IACS 이상의 도전율의 양립을 기대할 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 이용해서 본 실시형태를 설명하지만, 본 실시형태는 이에 한정되는 것은 아니다.
1. 금속 분말의 준비
표 1에 나타낸 화학 성분을 갖는 금속 분말 A1, A2, A3, B1, B2, X 및 Y를 준비하였다.
Figure 112020112635857-pat00001
이 금속 분말들은 소정의 아토마이즈법으로 제조하였다. 금속 분말 A1, A2, A3, B1 및 B2는 실시예에 해당한다.
금속 분말 X는 시판 순동의 지금을 원료로 하였다. 금속 분말 Y는 시판 구리 합금(제품명 "AMPCO940")의 지금을 원료로 하였다. 금속 분말 X 및 Y는 비교예에 해당한다.
2. 레이저 적층 조형장치
이하 사양의 레이저 적층 조형장치를 준비하였다.
*레이저: 파이버 레이저, 최대 출력 400W
스폿 직경: 0.05~0.20mm
주사 속도: ~7000mm/s
적층 피치: 0.02~0.08mm
조형 사이즈: 250mm×250mm×280mm.
3. 적층 조형물의 제조
상기 장치를 이용해서 원기둥형상의 적층 조형물(직경 14mm×높이 15mm)을 제조하였다.
3-1. 시판 순동 분말
도 1에 도시한 플로우를 따라 금속 분말을 포함하는 분말층을 형성하는 제1 공정(S21); 및 분말층의 소정 위치에 레이저광을 조사하여 금속 분말을 고화시킴으로써 조형층을 형성하는 제2 공정(S22);을 순차 반복하여, No.X-1~40에 따른 적층 조형물을 제조하였다. 각 적층 조형물의 제조 조건을 표 2 및 표 3에 나타낸다.
전술한 방법에 따라, 각 적층 조형물의 상대밀도 및 도전율을 측정하였다. 결과를 표 2 및 표 3에 나타낸다.
Figure 112020112635857-pat00002
Figure 112020112635857-pat00003
표 2 및 표 3에서 알 수 있듯이, 순동 분말(금속 분말 X)을 이용한 적층 조형물에서는 조건을 고정해도 최종 물성의 편차가 매우 크다. 표 2에서 "측정 불가"는 공극이 너무 많기 때문에 아르키메데스법으로는 신뢰성이 높은 밀도를 측정할 수 없었던 것을 나타내고 있다. 순동의 지금의 도전율은 100% IACS 정도로 생각해도 된다. 순동을 이용한 적층 조형물에서는 지금에 비해 도전율이 대폭으로 저하되어 있다. 이러한 결과들로부터, 순동 분말을 이용했을 경우, 실용적인 기계 부품의 제조는 곤란하다고 할 수 있다.
3-2. 시판 구리 합금 분말
표 4에 나타낸 각 조건으로 상기와 마찬가지로 해서 Y-1~7에 따른 적층 조형물을 제조하였다. 각 적층 조형물의 제조 조건을 표 4에 나타낸다.
전술한 방법에 따라, 각 적층 조형물의 상대밀도 및 도전율을 측정하였다. 결과를 표 4에 나타낸다.
Figure 112020112635857-pat00004
시판 구리 합금 분말(금속 분말 Y)을 이용한 적층 조형물에서는 순동에 비해 높은 밀도를 실현할 수 있었다. 그러나 도전율은 원재(45.5% IACS 정도)에 비해 큰폭으로 저하되었다.
3-3. 크롬 함유 구리 합금 분말
3-3-1. Cr=0.22질량%
표 5에 나타낸 각 조건으로 상기와 마찬가지로 해서 No.A1-1~11에 따른 적층 조형물을 제조하였다. 또한 여기서는 적층 조형물을 조형한 뒤, 열처리 공정(S30)을 실행하였다. 열처리 조건은 질소 분위기하 300℃×3시간으로 하였다(이하의 열처리도 마찬가지임). 각 적층 조형물의 물성을 평가하였다. 평가 결과를 표 5에 나타낸다. 인장 강도는 No.A1-12~14에 나타낸 조건으로 별도, 도 8에 나타낸 덤벨형상 시험편(20)을 제조하여 그 시험편으로 측정하였다(이하의 인장 강도도 마찬가지임).
Figure 112020112635857-pat00005
표 5에서 알 수 있듯이, 크롬을 0.22질량% 함유하는 구리 합금 분말(금속 분말 A1)을 이용한 적층 조형물에서는 전술한 순동에 비해 최종 물성의 편차를 억제할 수 있었다. 이러한 적층 조형물들에서는 실용적인 기계 강도와 도전율을 양립할 수 있었다. 또한 이 조성에서는 열처리 후에 60% IACS 이상의 높은 도전율을 실현할 수 있었다.
3-3-2. Cr=0.51질량%
표 6에 나타낸 각 조건으로 상기와 마찬가지로 해서 No.A2-1~12에 따른 적층 조형물을 제조하였다. 각 적층 조형물의 물성을 평가하였다. 평가 결과를 표 6에 나타낸다.
Figure 112020112635857-pat00006
표 6에서 알 수 있듯이, 크롬을 0.51질량% 함유하는 구리 합금 분말(금속 분말 A2)을 이용한 적층 조형물에서는 전술한 순동에 비해 최종 물성의 편차를 억제할 수 있었다. 이러한 적층 조형물들에서는 상대밀도가 99%를 넘는 치밀함과 35% IACS를 넘는 도전율을 양립할 수 있었다. 인장 강도도 양호하였다.
3-3-3. Cr=0.94질량%
표 7에 나타낸 각 조건으로 상기와 마찬가지로 해서 No.A3-1~7에 따른 적층 조형물을 제조하였다. 각 적층 조형물의 물성을 평가하였다. 평가 결과를 표 7에 나타낸다.
Figure 112020112635857-pat00007
표 7에서 알 수 있듯이, 크롬을 0.94질량% 함유하는 구리 합금 분말(금속 분말 A3)을 이용한 적층 조형물에서는 전술한 순동에 비해 최종 물성의 편차를 억제할 수 있었다. 이러한 적층 조형물들에서는 실용적인 기계 강도와 도전율을 양립할 수 있었다. 또한 이 조성에서는 상대밀도가 99%를 넘는 치밀함을 실현할 수 있었다. 인장 강도도 양호하였다.
3-4. 규소 함유 구리 합금 분말
3-4-1. Si=0.21질량%
표 8에 나타낸 각 조건으로 상기와 마찬가지로 해서 No.B1-1~11에 따른 적층 조형물을 제조하였다. 각 적층 조형물의 물성을 평가하였다. 평가 결과를 표 8에 나타낸다.
Figure 112020112635857-pat00008
표 8에서 알 수 있듯이, 규소를 0.21질량% 함유하는 구리 합금 분말(금속 분말 B1)을 이용한 적층 조형물에서는 전술한 순동에 비해 최종 물성의 편차를 억제할 수 있었다. 이러한 적층 조형물들에서는 실용적인 기계 강도와 도전율을 양립할 수 있었다. 또한 이 조성에서는 45% IACS 이상의 높은 도전율을 실현할 수 있었다.
3-4-2. Si=0.55질량%
표 9에 나타낸 각 조건으로 상기와 마찬가지로 해서 No.B2-1~8에 따른 적층 조형물을 제조하였다. 각 적층 조형물의 물성을 평가하였다. 평가 결과를 표 9에 나타낸다.
Figure 112020112635857-pat00009
표 9에서 알 수 있듯이, 규소를 0.55질량% 함유하는 구리 합금 분말(금속 분말 B2)을 이용한 적층 조형물에서는 전술한 순동에 비해 최종 물성의 편차를 억제할 수 있었다. 이러한 적층 조형물들에서는 실용적인 기계 강도와 도전율을 양립할 수 있었다. 또한 이 조성에서는 상대밀도가 99%를 넘는 치밀함을 실현할 수 있었다.
이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구범위에 의해 제시되며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1 제1 분말층, 2 제2 분말층, 10 적층 조형물, 10d STL 데이터, 20 덤벨형상 시험편, 21 평행부, 22 그립부, 23 어깨부, 100 레이저 적층 조형장치, 101 피스톤, 102 테이블, 103 레이저 출력부, D1, D2 직경, L0 전체 길이, L1, L2 길이, R 반경, d 두께, p1 제1 조형층, p2 제2 조형층, pn 제n 조형층.

Claims (8)

  1. 분말상 용융 결합법 또는 지향성 에너지 퇴적법에 의한 적층 조형용 금속 분말로서,
    크롬 및 규소 중 적어도 하나를 0.10질량% 이상 1.00질량% 이하로 함유하고, 상기 크롬 및 상기 규소의 합계량이 1.00질량% 이하이며, 잔부가 구리로 이루어지고,
    상기 적층 조형은 레이저, 전자 빔 및 플라즈마로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 상기 금속 분말에 조사함으로써 상기 금속 분말을 고화시키는 공정을 포함하는, 금속 분말.
  2. 청구항 1에 있어서, 0.10질량% 미만의 불가피 불순물을 더 포함하는, 금속 분말.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 크롬을 0.22질량% 이상 0.51질량% 이하로 함유하고, 상기 잔부가 상기 구리로 이루어진, 금속 분말.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 규소를 0.21질량% 이상 0.55질량% 이하로 함유하고, 상기 잔부가 상기 구리로 이루어진, 금속 분말.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 크롬을 0.51질량% 이상 0.94질량% 이하로 함유하는, 금속 분말.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서, 레이저 회절·산란법으로 측정된 입도 분포에서 적산값 50%에서의 입경인 평균 입경이 5㎛ 이상 200㎛ 이하인, 금속 분말.
  8. 청구항 1에 기재된 금속 분말로 제조된 적층 조형물로서 조형 후에 열처리가 실시된, 적층 조형물.
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