KR20120136227A - Low temperature sintering method of high melting point metal and high melting point metal compact manufactured by method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고융점 금속의 소결 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구상의 마이크로 입자와, 상기 마이크로 입자의 표면에 증착되는 동종의 나노 입자가 단일 공정에서 형성된 후, 그 혼합 분말을 소결 처리함으로써 분말 미세화에 따른 소결 온도의 저감 효과를 유도할 수 있게 하는 고융점 금속의 저온 소결 방법 및 이를 이용하여 제조되는 고융점 금속 성형체에 관한 것이다.The present invention relates to a sintering method of a high melting point metal, and more particularly, spherical microparticles and the same type of nanoparticles deposited on the surface of the microparticles are formed in a single step, and then powders are mixed by sintering the mixed powder. The present invention relates to a low-temperature sintering method of a high melting point metal capable of inducing a reduction effect of sintering temperature according to miniaturization, and to a high melting point metal molded product manufactured using the same.
일반적으로 고융점 금속은 2,000℃ 또는 3,000℃ 이상의 높은 융점을 가지는 금속을 나타내는데, 최근 원자력, 전자공학, 우주개발 등의 실용화에 따라 공업적으로 금속의 형태로 생산되고 있는 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 루테늄 등이 고융점 금속에 속한다.In general, the high melting point metal represents a metal having a high melting point of 2,000 ° C. or 3,000 ° C. or higher. Tungsten, titanium, tantalum, molybdenum, which are industrially produced in the form of metal according to the practical use of nuclear power, electronics, space development, etc. And ruthenium belong to the high melting point metal.
이러한 고융점 금속의 성형체를 제조함에 있어서 소결 공정을 이용하는 경우에는, 고온에서 장시간의 열처리를 반드시 필요로 하는데, 통상적으로 융점의 1/2 ~ 2/3 온도에서 소결 공정을 수행하는 것이 일반적이다. 따라서 고융점 금속인 텅스텐은 용융온도가 3,370℃이므로, 분말 소결 공정을 통해 고순도의 텅스텐 성형체를 제조하는 경우에는 대략 2,000℃ 이상의 높은 소결 온도가 요구된다.When the sintering process is used in manufacturing such a high melting point metal molded body, a long time heat treatment is necessarily required at a high temperature, and it is generally performed at a temperature of 1/2 to 2/3 of the melting point. Therefore, since tungsten, which is a high melting point metal, has a melting temperature of 3,370 ° C., a high sintering temperature of about 2,000 ° C. or more is required when manufacturing a high purity tungsten molded body through a powder sintering process.
그러나 소결 온도가 높을수록 장비나 소결시 사용되는 몰드 등이 제한적일 수 밖에 없고, 에너지 효율성 역시 떨어지게 된다. 또한 소결이 완료되는 과정에서 소결 온도가 높을수록 열응력이 증가하는 문제도 발생하게 된다.However, the higher the sintering temperature, the more limited the equipment and mold used for sintering, and the less energy efficient. In addition, the problem that thermal stress increases as the sintering temperature is increased in the process of sintering is completed.
이러한 소결 공정은 분말 계면 간에 물질 이동을 통해 초기 계면이 소실되면서 진행되는 공정이다. 그러나 이러한 소결 공정에서 분말 내부의 결정립이 성장하는 열적 활성화 반응이 동반되는 문제점이 있다.This sintering process is a process that proceeds as the initial interface is lost through the mass transfer between the powder interface. However, there is a problem in which the thermal activation reaction in which the grains inside the powder grow in the sintering process.
그리고 기계적 강도가 높게 요구되는 고순도의 성형체를 제조하는 과정에서는, 충분한 밀도가 확보될 수 있도록 높은 온도에서 장시간 열처리를 실시하는 것이 유리한 반면, 결정 성장에 따른 기계적 특성 저하가 동반되는 문제점도 발생된다.In the process of manufacturing a high purity molded article requiring high mechanical strength, it is advantageous to perform a heat treatment at a high temperature for a long time so that a sufficient density can be ensured, while also causing a problem accompanied by deterioration of mechanical properties due to crystal growth.
이러한 문제를 해결하기 위해, 고밀도-미세립의 성형체 제조를 위한 소결 공정에서, 제2상을 이용하여 소결을 조장하거나 혹은 결정 성장 억제를 적용할 수 있으나, 제2상이 불순물로 작용하므로 고순도를 요하는 응용 분야에서는 적합하지 않다.In order to solve this problem, in the sintering process for the production of high-density fine granules, the second phase may be used to promote sintering or to suppress crystal growth, but the second phase acts as an impurity, requiring high purity. It is not suitable for the application.
상기와 같이 고순도의 균질한 성형체의 제조에 있어서, 제반 문제점을 해결하기 위해 나노 입자의 활용을 고려해 볼 수 있다.In the production of a homogeneous molded article of high purity as described above, it is possible to consider the utilization of nanoparticles in order to solve the problems.
나노 입자는 소위 크기 효과에 의해 동일한 화학 조성을 가진 벌크 소재와 매우 상이한 물성을 나타낸다. 예를 들어, 구리의 순수 금속의 경우 녹는 온도가 1,063℃로 알려져 있지만, 입자의 크기가 10nm 이하가 되는 경우에는 녹는점이 1,000℃ 이하로 급격하게 떨어지게 된다.Nanoparticles exhibit very different physical properties from bulk materials with the same chemical composition by so-called size effects. For example, in the case of pure metal of copper, the melting temperature is known to be 1,063 ° C, but when the particle size is 10 nm or less, the melting point drops rapidly to 1,000 ° C or less.
이러한 소재의 나노화에 따른 새로운 물성을 활용하는 연구가 전기전자산업, 바이오산업, 광학산업, 화학산업 및 구조소재 산업분야에서 폭넓게 진행되고 있다. 그로 인해 최근에는 나노 입자를 합성하는 기술이나 나노 입자를 응용하는 기술에 대한 산업적 수요가 크게 증가하고 있고, 이에 대한 다양한 기술이 제시되고 있다.Researches utilizing new properties of nanomaterials have been widely conducted in the fields of electrical and electronics, biotechnology, optics, chemicals and structural materials. Therefore, in recent years, industrial demand for technology for synthesizing nanoparticles or applying nanoparticles is greatly increased, and various technologies for this have been proposed.
나노 입자의 합성은 크게 물리적 현상을 이용하는 건식 공정 기술과 화학 반응에 기초한 습식 공정 기술로 분류할 수 있고, 금속 나노 입자의 경우 다양한 건식 기술이 제시되고 있다.Synthesis of nanoparticles can be largely classified into dry process technology using physical phenomena and wet process technology based on chemical reactions, and in the case of metal nanoparticles, various dry technologies have been proposed.
그러나 나노 입자를 이용하여 고순도의 균질한 성형체를 제조하기 위해서는, 미세한 나노 입자에 따른 경제적 측면을 고려하고, 또한 공정 과정상의 오염이나 변형 발생 등을 방지할 수 있는 보다 간략한 공정기술과 이를 가능하게 하는 장치의 개발이 요구된다.However, in order to produce a homogeneous molded article of high purity using nanoparticles, it is possible to consider the economical aspects of the fine nanoparticles, and also to provide a simpler process technology capable of preventing contamination or deformation in the process. Development of the device is required.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 고융점 금속의 성형체 제조를 위한 소결 공정을 수행함에 있어서, 성형체의 밀도를 높이는 동시에 결정립 성장을 억제할 수 있도록 저온에서 소결 공정을 수행할 수 있게 하는 고융점 금속의 저온 소결 방법 및 이를 이용하여 제조되는 고융점 금속 성형체를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, in the sintering process for producing a molded body of a high melting point metal, the sintering process at a low temperature to increase the density of the molded body and to suppress grain growth It is an object of the present invention to provide a low-temperature sintering method of a high melting point metal and a high melting point metal molded body manufactured using the same.
상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 고융점 금속의 저온 소결 방법은, 고융점 금속의 성형체를 제조하기 위한 소결 방법에 있어서, 고융점 금속의 분말을 플라즈마 챔버에 장입하는 제1단계; 상기 장입 분말에 열 플라즈마를 처리하여, 마이크로 크기의 입자는 용융시키지 않으면서 나노 크기의 입자만 용융 또는 기화시키는 제2단계; 상기 용융 또는 기화된 소재를 냉각시켜서 마이크로 입자의 표면에서 나노 입자로 응축시키는 제3단계; 상기 마이크로 입자 표면에 나노 입자가 증착된 혼합 분말을 불활성 분위기에서 소결하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the low-temperature sintering method of the high melting point metal according to the present invention for solving the above object, the sintering method for producing a molded body of a high melting point metal, the first step of charging the powder of the high melting point metal into the plasma chamber; A second step of treating the charged powder by thermal plasma to melt or vaporize only nano-sized particles without melting micro-sized particles; Cooling the molten or vaporized material to condense nanoparticles on the surface of the microparticles; And sintering the mixed powder having nanoparticles deposited on the surface of the microparticles in an inert atmosphere.
상기 제1단계에서 장입되는 분말은, 나노 크기의 입자와 마이크로 크기의 입자가 불규칙하게 혼합된 벌크 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.The powder charged in the first step is preferably made of a bulk shape in which nano-sized particles and micro-sized particles are irregularly mixed.
또한 상기 열 플라즈마는 RF 플라즈마로 이루어지는 것을 특징으로 하고, 여기서 상기 열 플라즈마는 20 ~ 30kW의 범위 내에서 처리되는 것이 바람직하다.In addition, the thermal plasma is characterized in that the RF plasma, wherein the thermal plasma is preferably treated in the range of 20 ~ 30kW.
아울러, 본 발명에 따른 저온 소결 방법은 상기 제3단계를 통해 형성된 혼합 분말을 다시 플라즈마 챔버에 장입시켜서 상기 제2단계 및 제3단계를 수행시키는 제3-1단계를 더 수행하도록 구성될 수 있다.In addition, the low-temperature sintering method according to the present invention may be configured to further perform step 3-1 to charge the mixed powder formed through the third step into the plasma chamber again to perform the second step and the third step. .
또한, 상기 제4단계는 충진된 혼합 분말에 펄스 전류를 통전시키는 스파크 플라즈마 공정을 통해 소결이 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the fourth step is characterized in that the sintering is carried out through a spark plasma process for applying a pulse current to the mixed powder filled.
그리고 상기 제1단계에서 장입되는 고융점 금속은 텅스텐 소재로 이루어지ㄴ는 경우, 상기 제3단계에서 형성되는 마이크로 입자와 나노 입자는 각각 평형상인 α상과 비형형상인 β상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.When the high melting point metal charged in the first step is made of a tungsten material, the microparticles and the nanoparticles formed in the third step are composed of equilibrium α phase and non-shaped β phase, respectively. do.
또한 텅스턴 소재에 대한 소결은, 소결 온도가 1,250 ~ 1,950℃의 범위에서 이루어지고, 승온 속도는 20 ~ 200℃/min의 범위에서 이루어지며, 소결 압력은 30 ~ 80MPa의 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the sintering of the tungsten material, the sintering temperature is in the range of 1,250 ~ 1,950 ℃, the temperature increase rate is in the range of 20 ~ 200 ℃ / min, the sintering pressure is preferably made in the range of 30 ~ 80MPa. .
그리고 저온 소결 방법을 이용하여 제조되는 고융점 금속 성형체는, 고융점 금속의 분말을 플라즈마 챔버에 장입한 후, 상기 장입 분말에 열 플라즈마를 처리하여, 마이크로 크기의 입자는 용융시키지 않으면서 나노 크기의 입자만 용융 또는 기화시키고, 상기 용융 또는 기화된 소재를 냉각시켜서 마이크로 입자의 표면에서 나노 입자로 응축시킴으로써, 마이크로 입자 표면에 나노 입자가 증착된 혼합 분말을 형성하고, 상기 혼합 분말을 불활성 분위기에서 소결하는 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.The high melting point metal molded product produced by using a low temperature sintering method is charged with a powder of a high melting point metal into a plasma chamber, and then subjected to thermal plasma to the charged powder, whereby nano-sized particles are not melted. Only the particles are melted or vaporized, and the molten or vaporized material is cooled to condense into nanoparticles on the surface of the microparticles, thereby forming a mixed powder having nanoparticles deposited on the surface of the microparticles, and sintering the mixed powder in an inert atmosphere. It is characterized by being manufactured by the method.
또한 상기 플라즈마 챔버에 장입되는 고융점 금속이 텅스텐 소재로 이루어지는 경우, 1,250 ~ 1,950℃ 범위의 소결 온도와, 20 ~ 200℃/min 범위의 승온 속도, 그리고 30 ~ 80MPa 범위의 소결 압력에 따른 공정 조건에서 소결이 이루어지는 것이 바람직하다.
In addition, when the high melting point metal charged into the plasma chamber is made of tungsten material, the process conditions according to the sintering temperature in the range of 1,250 ~ 1,950 ℃, the temperature increase rate in the range of 20 ~ 200 ℃ / min, and the sintering pressure in the range of 30 ~ 80MPa Sintering is preferably performed at.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 고융점 금속의 저온 소결 방법 및 이를 이용하여 제조되는 고융점 금속 성형체에 의하면, 고융점 금속의 성형체 제조를 위한 소결 공정을 수행함에 있어서, 구상의 마이크로 입자와 나노 입자의 형성, 그리고 마이크로 입자의 표면에 대한 나노 입자 증착이 단일 공정에서 이루어지짐으로써 복잡한 소결 공정을 단축할 수 있다.According to the low-temperature sintering method of the high melting point metal and the high melting point metal molded body manufactured using the same according to the present invention having the above configuration, in performing the sintering process for producing a molded body of the high melting point metal, The formation of nanoparticles and the deposition of nanoparticles on the surface of the microparticles in a single process can shorten the complicated sintering process.
또한 본 발명에 따르면, 마이크로 분말 입자의 표면에 증착된 동종의 나노 입자로 인해 소결 속도가 촉진되고, 그로 인해 상대적으로 저온에서 소결 공정이 진행될 수 있게 되어, 성형체의 밀도를 높이는 동시에 결정립 성장을 억제할 수 있게 되는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, the sintering speed is accelerated by the homogeneous nanoparticles deposited on the surface of the micropowder particles, thereby allowing the sintering process to proceed at a relatively low temperature, thereby increasing the density of the molded body and inhibiting grain growth. There is an effect that can be done.
또한 본 발명에 의하면, 저온 소결 공정을 통해 제조되는 성형체는 고순도를 이루면서 동시에 높은 기계적 특성을 구비하게 되고, 그 이외에도 고융점 금속의 소결 온도를 낮춤으로써, 에너지 소비를 저감하고 결과적으로 탄소 배출을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 저온 소결에 따른 생산성 증대와 설비활용도 및 설비비용의 저감이 부가적으로 실현될 수 있다.In addition, according to the present invention, the molded article produced through the low temperature sintering process achieves high purity and at the same time has high mechanical properties, in addition to lowering the sintering temperature of the high melting point metal, thereby reducing energy consumption and consequently suppressing carbon emissions In addition to this, productivity increase, facility utilization, and facility cost reduction due to low temperature sintering can be additionally realized.
또한 본 발명에 따르면, 소결 온도의 저감을 통해 진밀도 성형공정의 경우 열적 활성화 반응인 결정립 성장을 억제할 수 있으므로, 성형체의 물성 감소를 최소화하는 공정기술을 실현할 수 있게 된다.In addition, according to the present invention, since the grain growth, which is a thermal activation reaction, can be suppressed in the true density molding process by reducing the sintering temperature, it is possible to realize a process technology for minimizing the reduction of the physical properties of the molded body.
도 1은 본 발명에 따른 고융점 금속의 저온 소결을 위해 플라즈마 챔버에 장입되는 분말을 나타내는 사진.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 고융점 금속의 저온 소결을 위해 형성된 혼합 분말을 나타내는 사진.
도 3은 본 발명에 따른 고융점 금속의 저온 소결을 위해 형성된 혼합 분말에서 나노 입자 분율을 나타내는 그래프.
도 4는 다양한 소결 공정에 의해 형성된 성형체의 소결 밀도를 나타내는 그래프.1 is a photograph showing a powder charged in a plasma chamber for low temperature sintering of a high melting point metal according to the present invention.
2a to 2d are photographs showing the mixed powder formed for low temperature sintering of the high melting point metal according to the present invention.
Figure 3 is a graph showing the nanoparticle fraction in the mixed powder formed for low temperature sintering of the high melting point metal according to the present invention.
4 is a graph showing the sintered densities of shaped bodies formed by various sintering processes.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고융점 금속의 저온 소결 방법 및 이를 이용하여 제조되는 고융점 금속 성형체에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment for a low-temperature sintering method of a high melting point metal and a high melting point metal molded body produced using the same.
본 발명은 고융점 금속의 성형체를 제조하기 위한 저온 소결 방법에 관한 것이다. 상기 고융점 금속은 2,000℃ 또는 3,000℃ 이상의 높은 융점을 가지는 금속을 나타내는데, 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 루테늄 등이 이러한 고융점 금속에 속한다.The present invention relates to a low temperature sintering method for producing a molded article of a high melting point metal. The high melting point metal represents a metal having a high melting point of 2,000 ° C. or 3,000 ° C. or higher, and tungsten, titanium, tantalum, molybdenum, ruthenium, and the like belong to this high melting point metal.
이러한 고융점 금속의 저온 소결 방법은 다음과 같은 공정으로 진행된다.The low temperature sintering method of such a high melting point metal proceeds as follows.
우선, 고융점 금속의 분말을 플라즈마 챔버에 장입한다.First, a powder of high melting point metal is charged into a plasma chamber.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 플라즈마 챔버에 장입되는 분말은 나노 크기의 입자에서부터 마이크로 크기의 입자까지 다양한 크기의 입자들이 불규칙하게 혼합된 벌크 형상으로 이루어진다. 그리고 상기 장입 분말은 모두 동종의 고융점 금속으로 이루어지고, 다만 입자의 크기가 나노 단위부터 마이크로 단위까지 다양하게 이루어지게 된다. 상기와 같이 플라즈마 챔버에 장입되는 분말은 고상, 액상, 기상 혹은 혼상의 형태로 이루어질 수 있다.As shown in FIG. 1, the powder charged in the plasma chamber has a bulk shape in which particles of various sizes are irregularly mixed, from nano-sized particles to micro-sized particles. And the charged powder is all made of the same high melting point metal, but the particle size is made from a variety of nano units to micro units. The powder charged into the plasma chamber as described above may be in the form of a solid phase, a liquid phase, a gas phase, or a mixed phase.
이러한 장입 분말은 플라즈마 챔버에서 고온의 열 플라즈마에 의해 분말 사이의 열, 운동량, 물질 전달 반응이 일어나게 된다. 이러한 과정을 통해 장입된 분말 소재는 완전 기상화, 부분 기상화, 용융, 부분용융 등의 다양한 상변화 과정을 거치게 된다. Such charged powders undergo heat, momentum, and mass transfer reactions between the powders by high temperature thermal plasma in the plasma chamber. Through this process, the charged powder material undergoes various phase change processes such as complete vaporization, partial vaporization, melting, and partial melting.
본 발명에서는 장입된 분말 소재가 완전 용융 혹은 부분 용융 상태에서 표면의 물질이 일부 기화되어 기상과 액상/고상이 혼상되는 조건을 인위적으로 유도하고, 이러한 혼상을 냉각하는 과정에서 액상 입자의 응고와 기상 입자의 나노 입자화를 유발함으로써, 결과적으로 나노 입자가 부착된 구상화된 마이크로 입자를 얻게 된다.In the present invention, the charged powder material artificially induces a condition in which gaseous phase and liquid phase / solid phase are mixed by partially vaporizing the material on the surface in a completely melted or partially melted state, and solidification and vapor phase of liquid particles in the process of cooling the mixed phase By triggering the nanoparticles of the particles, the result is spherical microparticles with nanoparticles attached.
한편, 장입 분말 중에서 마이크로 크기의 입자는 용융시키지 않으면서 나노 크기의 입자만 용융 또는 기화시킬 수 있게 열 플라즈마를 처리하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 상기 열 플라즈마는 20 ~ 30kW의 범위 내에서 처리되는 것이 바람직하다. 20kW 미만의 열 플라즈마에서는 나노 입자가 용융 또는 기화되기 어려울 수 있고, 반대로 30kW를 초과하는 열 플라즈마에서는 마이크로 입자까지도 용융 혹은 기화되는 문제가 있다.On the other hand, it is preferable to treat the thermal plasma so that only the nano-sized particles can be melted or vaporized without melting the micro-sized particles in the charged powder. For this purpose, the thermal plasma is preferably treated in the range of 20 ~ 30kW. In the thermal plasma below 20 kW, the nanoparticles may be difficult to melt or vaporize. On the contrary, in the thermal plasma exceeding 30 kW, the microparticles may be melted or vaporized.
이러한 열 플라즈마를 이용한 기상 응축 공정은, 열 플라즈마 화염의 온도가 10,000K 이상으로 높은 열에너지를 가지고 있어서, 기상 응축 현상을 구현함에 있어 소재의 제한성이 낮은 이점이 있다.The vapor phase condensation process using the thermal plasma has a high thermal energy of the thermal plasma flame is 10,000K or more, there is an advantage of low material limitation in implementing the vapor phase condensation phenomenon.
한편, 상기 기상 응축 공정에서의 열 플라즈마로는 DC와 RF 플라즈마가 모두 활용될 수 있으나, DC 플라즈마의 경우 일반적으로 화염축에 수직한 방향의 장입으로 인해 균질한 기상의 발생이 어려운 단점이 있다.On the other hand, both the DC and RF plasma may be utilized as the thermal plasma in the gas phase condensation process, but in the case of DC plasma, it is difficult to generate a homogeneous gas phase due to charging in a direction perpendicular to the flame axis.
따라서 본 발명에서는 기상 응축 공정을 위한 열 플라즈마로써 RF 플라즈마를 이용하고, 이처럼 RF 플라즈마를 이용하는 경우에 보다 균질한 기상의 분포를 가질 수 있으며, 결과적으로 균일한 나노 입자의 증착이 가능하다.Therefore, in the present invention, the RF plasma is used as a thermal plasma for the vapor condensation process, and thus, when the RF plasma is used, a more homogeneous gaseous distribution can be obtained, and as a result, uniform nanoparticles can be deposited.
이러한 RF 플라즈마가 장입 분말에 가해지면, 장입 분말을 구성하는 다양한 크기의 입자 중에서 상대적으로 입자 크기가 적은, 예를 들어 나노 크기의 입자들만 용융 또는 기화되고, 마이크로 크기의 입자들은 고상 형태로 남게 된다.When such an RF plasma is applied to the charged powder, only particles having a smaller particle size, for example, nano-sized particles, among the various sizes of the particles constituting the charged powder are melted or vaporized, and the micro-sized particles remain in solid form. .
다음으로, 상기에서 열 플라즈마에 의해 용융 또는 기화된 소재를 냉각시켜서 마이크로 입자의 표면에서 나노 입자로 응축시키는 공정을 거친다. 즉, 마이크로 입자와 함께 플라즈마 챔버에 장입된 나노 입자들은 열 플라즈마에 의해 용융 또는 기화된 후, 냉각 과정을 거치면서 다시 나노 입자의 고상을 형성하게 되는데, 이때 구상의 마이크로 입자 표면에서 응축된다. 이러한 공정을 통해 구상의 마이크로 입자 표면에 나노 입자가 증착된 혼합 분말이 형성된다.Next, the molten or vaporized material is cooled by thermal plasma and condensed into nanoparticles on the surface of the microparticles. That is, the nanoparticles charged in the plasma chamber together with the microparticles are melted or vaporized by thermal plasma, and then cooled again to form a solid phase of the nanoparticles, which are condensed on the surface of the spherical microparticles. This process forms a mixed powder in which nanoparticles are deposited on the surface of spherical microparticles.
예를 들어, 열 플라즈마에 의해 용융 또는 기화된 소재가 플라즈마 화염의 온도 구배에 의해 낮은 온도 부위에서 다시 고상으로 응축되는데, 이때 응축되는 소재의 입자 크기를 제어하는 수단으로 냉매 가스가 주입됨으로써, 결국 열 플라즈마에 의해 기화된 소재가 나노 입자로 형성될 수 있다.For example, a material melted or vaporized by thermal plasma is condensed back to a solid phase at a low temperature region by a temperature gradient of the plasma flame, whereby refrigerant gas is injected as a means for controlling the particle size of the material to be condensed. The material vaporized by the thermal plasma may be formed of nanoparticles.
그리고 상기와 같이 열 플라즈마에 의해 용융 또는 기화된 소재가 냉매 가스에 의해 나노 입자로 응축되면서, 동시에 응축된 나노 입자가 마이크로 입자의 표면에 증착되는 반응이 일어나고, 그 결과 마이크로 입자의 표면에 나노 입자가 균일하게 증착된 혼합 분말이 형성된다.As the material melted or vaporized by the thermal plasma is condensed into the nanoparticles by the refrigerant gas as described above, a reaction occurs in which the condensed nanoparticles are deposited on the surface of the microparticles, resulting in nanoparticles on the surface of the microparticles. The uniformly deposited mixed powder is formed.
이처럼 본 발명에 의하면, 열 플라즈마 및 냉매 가스를 이용하여 용융 또는 기화된 소재를 응축 단계에서 마이크로 입자와 반응하도록 유도함으로써, 용융 또는 기화된 소재의 나노 입자 응축이 마이크로 입자의 표면에서 직접 이루어지도록 할 수 있고, 결과적으로 나노 입자의 형성 및 마이크로 입자의 표면에 대한 나노 입자 증착을 단일 공정에서 수행할 수 있게 된다.As such, according to the present invention, the thermal plasma and the refrigerant gas are used to induce the molten or vaporized material to react with the microparticles in the condensation step, so that the nanoparticle condensation of the molten or vaporized material is performed directly on the surface of the microparticles. As a result, the formation of nanoparticles and nanoparticle deposition on the surface of the microparticles can be performed in a single process.
한편, 상기에서 플라즈마 챔버에 장입되는 고융점 금속 분말이 텅스텐 소재로 이루어지는 경우, 기상 응축 공정을 통해 형성되는 마이크로 입자는 평형상인 α상으로 이루어지고, 상기 마이크로 입자의 표면에 증착되는 나노 입자는 비형형상인 β상으로 이루어지게 된다.On the other hand, in the case where the high melting point metal powder charged into the plasma chamber is made of tungsten material, the microparticles formed through the vapor phase condensation process is composed of the α phase of the equilibrium, and the nanoparticles deposited on the surface of the microparticles are amorphous The shape is made of β phase.
또한 소결 성형체의 균질성을 확보하기 위해서는 마이크로 입자의 표면에 나노 입자가 균일하게 분포된 혼합 분말을 형성하는 것이 중요하다. 이처럼, 나노 입자의 분포 균일성을 확보하기 위해 습식 공정을 통해 나노 입자가 균일하게 분포된 혼탁액을 만드는 방법이 있으나, 이 경우에도 불순물이 유입될 수 있으며, 처리 과정에서 나노 입자의 표면이 산화 등으로 인해 오염될 염려가 있다.In addition, in order to ensure homogeneity of the sintered compact, it is important to form a mixed powder in which nanoparticles are uniformly distributed on the surface of the microparticles. As such, there is a method of making a turbid liquid in which the nanoparticles are uniformly distributed through a wet process to ensure uniform distribution of the nanoparticles. In this case, impurities may also be introduced, and the surface of the nanoparticles may be oxidized during the treatment. There is a risk of contamination by the back.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 열 플라즈마에 의해 용융 또는 기화된 소재가 마이크로 입자의 표면에서 응축되면서 증착되는 기상 응축 공정 기술을 적용한다.Therefore, in order to solve this problem, the present invention applies a gas phase condensation process technology in which the material melted or vaporized by thermal plasma is deposited while condensing on the surface of the microparticles as described above.
이후, 상기 마이크로 입자 표면에 나노 입자가 증착된 혼합 분말을 불활성 분위기에서 소결하여 고융점 금속 성형체를 제조하는 공정을 거치게 된다.Thereafter, the mixed powder in which the nanoparticles are deposited on the surface of the microparticles is sintered in an inert atmosphere to prepare a high melting point metal compact.
한편, 소결 온도를 낮추기 위해서는 나노 입자가 마이크로 입자의 표면에 균일하게 증착되는 것이 중요한데, 나노 입자와 마이크로 입자의 소재에 따라서 혹은 나노 입자의 도포량에 따라서, 1회 공정만으로는 마이크로 입자의 표면에 나노 입자가 균일하게 증착된 혼합 분말을 제조하기 어려운 경우가 발생될 수 있다.On the other hand, in order to lower the sintering temperature, it is important that the nanoparticles are uniformly deposited on the surface of the microparticles, but depending on the material of the nanoparticles and the microparticles or depending on the application amount of the nanoparticles, the nanoparticles may be applied to the surface of the microparticles in a single step. It may be difficult to produce a uniformly deposited mixed powder.
이러한 문제점을 해소하기 위해, 본 발명에서는 상기와 같은 공정을 통해 형성된 혼합 분말에 대해 다시 나노 입자를 증착시키는 공정을 반복적으로 수행하도록 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 기상 응축 공정을 통해 마이크로 입자 표면에 나노 입자가 증착된 혼합 분말을 1차적으로 형성한 후, 다시 상기 혼합 분말을 플라즈마 챔버에 장입시켜서 기상 응축 공정을 다시 거치도록 구성할 수 있다.In order to solve this problem, the present invention is preferably configured to repeatedly perform the process of depositing nanoparticles again for the mixed powder formed through the above process. That is, after forming the mixed powder in which the nanoparticles are deposited on the surface of the microparticles through the vapor phase condensation process, the mixed powder may be charged into the plasma chamber and subjected to the vapor phase condensation process again.
이때, 상기 1차 혼합 분말과 함께 벌크형 장입 분말을 함께 플라즈마 챔버에 장입하도록 구성할 수도 있다. 여기서 상기 벌크형 장입 분말은 상기 1차 혼합 분말과 동종의 고융점 금속으로 이루어지고, 나노 크기부터 마이크로 크기까지의 다양한 크기의 분말로 이루어진다.In this case, the bulk charged powder together with the primary mixed powder may be configured to charge together with the plasma chamber. Here, the bulk charged powder is made of a high melting point metal of the same kind as the primary mixed powder, and is made of powder of various sizes from nano size to micro size.
그리고 상기와 같은 공정을 통해 형성된 혼합 분말, 즉 마이크로 입자 표면에 나노 입자가 증착된 혼합 분말은 다음과 같이 소결된다.In addition, the mixed powder formed through the above process, that is, the mixed powder in which nanoparticles are deposited on the surface of the microparticles is sintered as follows.
통상적으로 금속 분말의 소결 공정은 상온이나 250℃ 이하의 온도에서 프레싱 혹은 CIP 공정을 실시한 후, 고온에서 소결하거나 또는 고온 프레스, 스파크 플라즈마 소결, HIP 공정 등을 적용하는 방식으로 진행된다.Typically, the sintering process of the metal powder is carried out by pressing or CIP at room temperature or 250 ° C. or lower, followed by sintering at high temperature, or applying hot pressing, spark plasma sintering, or HIP process.
소결 방식에 따라서 소결 온도가 크게 달라지고, 일반적인 고온 프레스 공정의 경우에는 마이크로 분말을 이용하는 경우 대략 2000℃ 이상의 소결 온도에서 수시간 이상 공정을 실시해야 상대밀도 95% 정도의 성형체를 얻을 수 있다. 그러나 이처럼 고온에서 이루어지는 소결 공정의 경우에는 상기에서 언급한 바와 같은 여러 문제점들이 발생하게 된다.The sintering temperature varies greatly depending on the sintering method, and in the case of a general high-temperature press process, when a micro powder is used, the molded product having a relative density of about 95% can be obtained by performing the process at a sintering temperature of about 2000 ° C. or more for several hours or more. However, in the case of the sintering process performed at a high temperature, various problems as mentioned above occur.
따라서 본 발명에서는, 소결 온도를 낮추기 위해 표면 활성이 가능한 공정, 바람직하게는 스파크 플라즈마 소결 공정을 적용하여 소결 공정을 수행한다. 이러한 스파크 플라즈마 소결 공정을 이용하면, 마이크로 입자의 표면에 나노 입자가 증착된 혼합 분말 충진체에 펄스 전류를 통전하는 과정에서 계면을 따라 흐르는 전류에 의한 저항가열이나 아크를 활용할 수 있고, 특히 나노 입자가 적층된 표면으로 가열을 실시함으로써 분말 계면에서의 온도 구배를 활용할 수 있게 된다.Therefore, in the present invention, in order to lower the sintering temperature, a sintering process is performed by applying a surface active process, preferably a spark plasma sintering process. By using the spark plasma sintering process, resistance heating or arc due to current flowing along an interface can be utilized in the process of energizing a pulsed current through a mixed powder filler in which nanoparticles are deposited on the surface of the microparticles. The temperature gradient at the powder interface can be utilized by heating to the laminated surface.
또한 동종의 나노 입자가 증착된 마이크로 입자를 이용하여 소결하는 경우에는 소결의 진행 양상이 저온에서 더욱 촉진되는 현상이 관찰되며, 소결시 상대밀도를 기준으로 마이크로 입자만을 이용하는 경우에 비해 200℃ 이상의 소결 온도 감소 효과를 나타낸다.In addition, when sintering using the same type of nanoparticles deposited, the sintering process is further promoted at low temperature, and the sintering is more than 200 ° C. compared to the case of using only microparticles based on relative density. Exhibits a temperature reducing effect.
한편, 이처럼 동종의 나노 입자가 마이크로 입자의 표면에 증착된 혼합 분말을 이용하여 소결하는 경우에는, 나노 입자 사이의 소결, 그리고 나노 입자와 마이크로 입자 사이의 소결이 동시에 진행된다.On the other hand, when the same kind of nanoparticles are sintered using the mixed powder deposited on the surface of the microparticles, sintering between the nanoparticles and sintering between the nanoparticles and the microparticles proceed simultaneously.
이때, 나노 입자 사이의 소결은 마이크로 입자에 비해 상대적으로 작은 크기로 인해 입자 계면에서의 소결압(sinter stress)이 증가되여 결과적으로 소결 속도가 증가되는 효과가 발생하게 되고, 또한 나노 입자와 마이크로 입자 사이의 소결 역시 입자 크기의 차이로 인해 상대적으로 큰 마이크로 입자가 상대적으로 작은 나노 입자를 흡수하여 성장하는 몹업(mop-up) 현상이 발생하면서 소결 속도가 증가되는 효과가 발생하게 된다.At this time, the sintering between the nanoparticles due to the relatively small size compared to the microparticles increases the sintering stress (sinter stress) at the interface of the particles, resulting in the effect of increasing the sintering rate, and also nanoparticles and microparticles The sintering also occurs due to the difference in particle size, the effect of increasing the sintering rate as the mop-up phenomenon that the relatively large microparticles absorb and grow the relatively small nanoparticles occurs.
이처럼 동종의 나노 입자가 마이크로 입자의 표면에 증착된 혼합 분말을 이용하여 소결하게 되면, 입자 크기 효과로 인해 소결 속도가 촉진되면서 상대적으로 낮은 온도에서 소결이 진행될 수 있게 되어, 종래의 고온 소결에 따른 문제점을 해소할 수 있게 된다.When the same type of nanoparticles are sintered using the mixed powder deposited on the surface of the microparticles, the sintering can be performed at a relatively low temperature while the sintering speed is promoted due to the particle size effect. The problem can be solved.
즉, 본 발명에서 마이크로 입자 표면에 균일하게 증착되는 동종의 나노 입자는 소결을 촉진하는 제2상의 역할을 수행하게 된다. 그리고 표면에 나노 입자가 증착되는 동종의 마이크로 입자는, 나노 입자의 균일한 분산을 위한 운반체 역할을 수행하고, 동시에 마이크로 입자와 나노 입자 사이의 소결 과정에서 입자 크기 차이에 의한 소결 촉진 현상(mop-up)을 유발하여 소결을 용이하게 하는 역할을 수행하게 된다.That is, in the present invention, homogeneous nanoparticles uniformly deposited on the surface of the microparticles may serve as a second phase to promote sintering. The homogeneous microparticles, in which nanoparticles are deposited on the surface, serve as a carrier for uniform dispersion of nanoparticles, and at the same time, the sintering promotion phenomenon due to the difference in particle size during the sintering process between the microparticles and the nanoparticles (mop- up) to facilitate the sintering.
그리고 구체적인 소결 조건은 다음과 같이 이루어질 수 있다.And specific sintering conditions can be made as follows.
소결 온도는 1,250 ~ 1,950℃ 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. 1,250℃ 미만의 온도에서는 계면을 통한 열 확산이 일어나기 어려워서 소결이 이루어지지 않고, 1,950℃를 초과하는 온도에서는 불필요한 에너지의 낭비가 되고 또한 부분 용융이 일어날 수도 있다.Sintering temperature is preferably made in the range of 1,250 ~ 1,950 ℃. At temperatures below 1,250 ° C., heat diffusion through the interface is unlikely to occur and sintering is not performed. At temperatures above 1,950 ° C., unnecessary energy is wasted and partial melting may occur.
그리고 승온 속도는 20 ~ 200℃/min 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. 20℃/min 미만의 승온 속도는 너무 느리게 승온이 되면서 입자들 내부에서 재결정이 시작될 수 있고, 200℃/min를 초과하는 승온 속도에서는 열에너지가 분말 전체에 걸쳐 골고루 분산될 수 없다는 문제가 있다.And the temperature increase rate is preferably made in the range of 20 ~ 200 ℃ / min. The temperature increase rate of less than 20 ℃ / min is too slow the temperature can be recrystallized to start inside the particles, there is a problem that the thermal energy can be evenly distributed throughout the powder at a temperature rising rate of more than 200 ℃ / min.
또한 소결 압력은 30 ~ 80MPa 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. 30MPa 미만의 압력에서는 너무 작은 압력으로 인해 소결이 이루어지지 않고, 80MPa를 초과하는 압력에서는 소결이 진행되는 몰드가 깨질 수 있다.
In addition, the sintering pressure is preferably made in the range of 30 ~ 80MPa. At pressures below 30 MPa, sintering is not performed due to too little pressure, and at a pressure above 80 MPa, the mold undergoing sintering may be broken.
다음으로 본 발명에 따른 고융점 금속의 저온 소결 방법에 관한 일 실시예로써, 고융점 금속인 텅스텐의 저온 소결을 위한 혼합 분말 형성 방법에 대해 살펴본다.Next, as an embodiment of the low-temperature sintering method of the high melting point metal according to the present invention, a method of forming a mixed powder for low-temperature sintering of tungsten, which is a high melting point metal, will be described.
도 1에는 플라즈마 챔버에 장입되는 텅스텐 분말의 조직 사진이 도시되어 있고, 도 2a 내지 도 2d에는 텅스텐 혼합 분말의 조직 사진이 도시되어 있다. 그리고 도 3에는 텅스텐 혼합 분말에서 나노 입자 분율이 도시되어 있다.1 shows a tissue picture of a tungsten powder charged into a plasma chamber, and a tissue picture of a tungsten mixed powder is shown in FIGS. 2A to 2D. 3 shows nanoparticle fraction in tungsten mixed powder.
도 1을 참조하면, 플라즈마 챔버에 장입되는 텅스텐 분말은 나노 크기부터 마이크로 크기까지의 다양한 크기를 갖는 벌크형 구조로 이루어진다.Referring to FIG. 1, the tungsten powder charged into the plasma chamber has a bulk structure having various sizes from nano size to micro size.
이러한 벌크형 텅스텐 분말을 플라즈마 챔버에 장입한 후, 열 플라즈마에 의해 용융 또는 기화 공정과, 이후의 냉각 공정을 거치게 되면, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 바와 같이 구상의 마이크로 입자의 표면에 나노 입자가 증착된 텅스텐 혼합 분말이 형성된다. 이때, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 바와 같이 상기 텅스텐 혼합 분말은 공정 변수에 따라서 상이하게 달라질 수 있다.After the bulk tungsten powder is charged into the plasma chamber and subjected to melting or vaporization by thermal plasma and subsequent cooling, nanoparticles are formed on the surface of the spherical microparticles as shown in FIGS. 2A to 2D. The deposited tungsten mixed powder is formed. At this time, as shown in Figures 2a to 2d the tungsten mixed powder may vary differently according to the process parameters.
기준 공정조건을 T1이라 하면, 이러한 공정조건 T1은 장입 속도를 결정하는 장입 진동수를 110으로 하고, 20 ~ 30kW의 RF 플라즈마를 적용한 것으로써, 그 결과 형성되는 텅스텐 혼합 분말의 조직 사진이 도 2a에 도시되어 있다.When the reference process condition is T1, the process condition T1 is a charging frequency for determining a charging speed of 110, and 20 to 30 kW of RF plasma is applied. Is shown.
그리고 공정조건 T2는 상기 T1에 대해 상대적으로 장입속도를 증가시킨 것으로써, 그 결과 형성되는 텅스텐 혼합 분말의 조직 사진은 도 2b에 도시되어 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 분말의 장입 속도가 증가하면 장입되는 분말의 양이 증가되므로, 플라즈마 냉각효과가 없는 범위에서도 기상 분압의 증가를 통해서 응축되는 나노입자의 함량이 증가할 수 있게 된다.And process condition T2 is to increase the charging speed relative to the T1, the resulting tissue picture of the tungsten mixed powder is shown in Figure 2b. As shown in FIG. 2B, when the charging speed of the powder is increased, the amount of the charged powder is increased, so that the content of the nanoparticles condensed through an increase in the gas partial pressure may be increased even in a range in which there is no plasma cooling effect.
또한 공정조건 T3은 상기 T1에 대해 상대적으로 RF 플라즈마의 세기를 높인 것으로써, 그 결과 형성되는 텅스텐 혼합 분말의 조직 사진은 도 2c에 도시되어 있다. 도 2c에 도시된 바와 같이, RF 플라즈마의 세기가 높아지면 장입 분말의 기상화가 증가되고, 그로 인해 기상 분압이 상승하면서 나노 입자의 응축량이 증가할 수 있게 된다.In addition, the process condition T3 is to increase the intensity of the RF plasma relative to the T1, the resulting tissue picture of the tungsten mixed powder is shown in Figure 2c. As shown in FIG. 2C, as the intensity of the RF plasma is increased, the gasification of the charged powder is increased, thereby increasing the vapor partial pressure, thereby increasing the amount of condensation of the nanoparticles.
또한 공정조건 T4는 상기 T1의 결과로 형성된 텅스텐 혼합 분말(도 2a에 도시됨)을 최초의 벌크형 장입 분말(도 1에 도시됨)과 혼합하여 사용한 것으로써, 그 결과 형성되는 텅스텐 혼합 분말의 조직 사진은 도 2d에 도시되어 있다. 도 2d에 도시된 바와 같이, 2가지 서로 다른 형상의 장입 분말을 이용하면, 크기가 미세한 분말일수록 낮은 질량으로 인해 동일한 열원에서도 기화가 용이하게 되어, 결국 기상 분압이 상승하면서 나노 입자의 응축량이 증가할 수 있게 된다.In addition, the process condition T4 is obtained by mixing the tungsten mixed powder (shown in FIG. 2A) formed as a result of the T1 with the first bulk charged powder (shown in FIG. 1), and the structure of the resultant tungsten mixed powder. The picture is shown in FIG. 2D. As shown in FIG. 2D, when two different shapes of the charged powder are used, the finer the powder, the lower the mass and the easier it is to vaporize the same heat source. You can do it.
그리고 도 3을 참조하면, 장입 속도와 플라즈마의 세기, 그리고 장입 분말의 구조에 따라 마이크로 입자의 표면에 증착되는 나노 입자의 분율이 달라짐을 확인할 수 있다.
3, it can be seen that the fraction of nanoparticles deposited on the surface of the microparticles varies depending on the charging speed, the intensity of the plasma, and the structure of the charging powder.
다음으로 본 발명에 따른 고융점 금속의 저온 소결 방법에 관한 일 실시예로써, 고융점 금속인 텅스텐의 저온 소결 방법에 대해 살펴본다.Next, as an embodiment of the low-temperature sintering method of the high melting point metal according to the present invention, it looks at the low-temperature sintering method of tungsten, a high melting point metal.
도 4에는 다양한 소결 공정에 의해 형성된 텅스텐 성형체의 소결 밀도가 도시되어 있다.4 shows the sintered density of tungsten formed bodies formed by various sintering processes.
본 실험에서는 장입되는 소재의 구조만 달리하고, 나머지 공정 조건은 모두 동일하게 적용하였다. 공통의 공정 조건으로는 모두 스파크 플라즈마 공정을 이용하여 소결을 진행하였고, 50℃/min의 승온 속도로 승온하여 1,250℃ 및 50MPa의 조건에서 5분 동안 유지하였다.In this experiment, only the structure of the charged material was different, the rest of the process conditions were applied to the same. As common process conditions, all were sintered using the spark plasma process, and it heated up at the temperature increase rate of 50 degree-C / min, and maintained for 5 minutes at the conditions of 1,250 degreeC and 50 Mpa.
그리고 상기의 소결 공정을 서로 다른 형상의 분말에 대해 적용하였는데, 나노 입자 없이 구상화된 마이크로 입자만으로 이루어지는 SM 분말, 마이크로 입자와 나노 입자를 별도의 공정에서 형성한 후 기계적으로 혼합시킨 BNM 분말, 그리고 본 발명에 따른 방식을 적용하여 단일 공정에서 구상의 마이크로 입자의 표면에 나노 입자가 증착된 NAP 분말에 대해 각각 동일한 공정 조건으로 소결을 실시하였다.And the above sintering process was applied to powders of different shapes, SM powder consisting of only micro particles spheroidized without nano particles, BNM powder formed by mechanically mixing the micro particles and nano particles in a separate process, and By applying the method according to the invention, the sintering was performed on the NAP powders in which nanoparticles were deposited on the surface of spherical microparticles in a single process under the same process conditions.
한편, 도 1에 도시된 벌크형 텅스텐 분말에 대해 상기 공정 조건으로 소결을 수행하여 형성된 성형체는 84% 정도의 소결 밀도를 나타내었다.Meanwhile, the molded body formed by sintering the bulk tungsten powder shown in FIG. 1 under the above process conditions exhibited a sintered density of about 84%.
그리고 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 나노 입자 없이 구상화된 마이크로 입자만으로 이루어지는 SM 분말에 대해 상기 공정 조건으로 소결을 수행하여 형성된 성형체는 87.2% 정도의 소결 밀도를 나타내었다.As shown in FIG. 4, the molded body formed by sintering under the above process conditions with respect to the SM powder including only the microparticles spherical without the nanoparticles exhibited a sintered density of about 87.2%.
또한 마이크로 입자와 나노 입자를 별도의 공정에서 형성한 후 기계적으로 혼합시킨 BNM 분말에 대해 상기 공정 조건으로 소결을 수행하여 형성된 성형체는 95% 정도의 소결 밀도를 나타내었다.In addition, the molded article formed by sintering the microparticles and nanoparticles in a separate process and then mechanically mixed the BNM powder under the above process conditions showed a sintered density of about 95%.
그리고 단일 공정에서 구상의 마이크로 입자의 표면에 나노 입자가 증착된 NAP 분말에 대해 상기 공정 조건으로 소결을 수행하여 형성된 성형체는 93 ~ 95% 범위의 소결 밀도를 나타내었다.In the single process, the molded body formed by sintering the NAP powder having nanoparticles deposited on the surface of spherical microparticles under the above process conditions exhibited a sintered density in the range of 93 to 95%.
이처럼, 나노 입자와 마이크로 입자를 함께 혼합한 분말을 사용하여 소결할 때 소결 밀도가 더욱 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한 본 발명에서와 같이 단일 공정에서 나노 응축 및 마이크로 입자의 표면에 나노 입자 증착이 함께 일어나도록 구성하면, 훨씬 저온에서 소결이 이루어질 수 있고, 공정의 축소로 인해 소결 비용이 감소하게 된다.As such, it can be seen that the sintered density is higher when sintering using a powder mixed with nanoparticles and microparticles. In addition, when the nano-condensation and the nano-particle deposition on the surface of the microparticles in the same process as in the present invention is configured to occur together, the sintering can be made at a much lower temperature, the sintering cost is reduced due to the reduction of the process.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.While the invention has been shown and described with respect to the specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Anyone with it will know easily.
Claims (10)
고융점 금속의 분말을 플라즈마 챔버에 장입하는 제1단계;
상기 장입 분말에 열 플라즈마를 처리하여, 마이크로 크기의 입자는 용융시키지 않으면서 나노 크기의 입자만 용융 또는 기화시키는 제2단계;
상기 용융 또는 기화된 소재를 냉각시켜서 마이크로 입자의 표면에서 나노 입자로 응축시키는 제3단계;
상기 마이크로 입자 표면에 나노 입자가 증착된 혼합 분말을 불활성 분위기에서 소결하는 제4단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고융점 금속의 저온 소결 방법.In the sintering method for producing a molded article of a high melting point metal,
Charging a high melting point metal powder into a plasma chamber;
A second step of treating the charged powder by thermal plasma to melt or vaporize only nano-sized particles without melting micro-sized particles;
Cooling the molten or vaporized material to condense nanoparticles on the surface of the microparticles;
Sintering the mixed powder having nanoparticles deposited on the surface of the microparticles in an inert atmosphere;
Low temperature sintering method of a high melting point metal comprising a.
상기 제1단계에서 장입되는 분말은, 나노 크기의 입자와 마이크로 크기의 입자가 불규칙하게 혼합된 벌크 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고융점 금속의 저온 소결 방법.The method of claim 1,
The powder charged in the first step is a low-temperature sintering method of a high melting point metal, characterized in that the bulk of the nano-size particles and micro-size particles are mixed irregularly.
상기 열 플라즈마는 RF 플라즈마로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고융점 금속의 저온 소결 방법.The method of claim 1,
The thermal plasma is a low-temperature sintering method of a high melting point metal, characterized in that the RF plasma.
상기 제2단계에서 열 플라즈마는 20 ~ 30kW의 범위 내에서 처리되는 것을 특징으로 하는 고융점 금속의 저온 소결 방법.The method of claim 3,
The low temperature sintering method of the high melting point metal, characterized in that the thermal plasma is treated in the second step in the range of 20 ~ 30kW.
상기 제3단계를 통해 형성된 혼합 분말을 다시 플라즈마 챔버에 장입시켜서 상기 제2단계 및 제3단계를 수행시키는 제3-1단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고융점 금속의 저온 소결 방법.The method of claim 1,
A third step of charging the mixed powder formed through the third step into a plasma chamber to perform the second step and the third step;
Low temperature sintering method of a high melting point metal further comprising.
충진된 혼합 분말에 펄스 전류를 통전시키는 스파크 플라즈마 공정을 통해 소결이 이루어지는 것을 특징으로 하는 고융점 금속의 저온 소결 방법.The method of claim 1, wherein the fourth step,
A low-temperature sintering method for a high melting point metal, characterized in that sintering is performed through a spark plasma process in which pulsed current is supplied to the mixed powder filled.
상기 제1단계에서 장입되는 고융점 금속은 텅스텐 소재로 이루어지고,
제3단계에서 형성되는 마이크로 입자와 나노 입자는 각각 평형상인 α상과 비형형상인 β상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고융점 금속의 저온 소결 방법.The method of claim 1,
The high melting point metal charged in the first step is made of a tungsten material,
The low temperature sintering method of the high melting point metal, characterized in that the microparticles and nanoparticles formed in the third step is composed of a phase α and a non-shaped equilibrium phase, respectively.
소결 온도가 1,250 ~ 1,950℃의 범위에서 이루어지고, 승온 속도는 20 ~ 200℃/min의 범위에서 이루어지며, 소결 압력은 30 ~ 80MPa의 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 고융점 금속의 저온 소결 방법.The method of claim 7, wherein the sintering of the fourth step,
The sintering temperature is in the range of 1,250 ~ 1,950 ℃, the temperature increase rate is in the range of 20 ~ 200 ℃ / min, the sintering pressure is in the range of 30 ~ 80MPa low temperature sintering method of the high melting point metal.
상기 플라즈마 챔버에 장입되는 고융점 금속은 텅스텐 소재로 이루어지고,
1,250 ~ 1,950℃ 범위의 소결 온도와, 20 ~ 200℃/min 범위의 승온 속도, 그리고 30 ~ 80MPa 범위의 소결 압력에 따른 공정 조건에서 소결이 이루어지는 것을 특징으로 하는 고융점 금속 성형체.10. The method of claim 9,
The high melting point metal charged in the plasma chamber is made of tungsten material,
A high melting point metal molded body characterized by sintering at processing conditions in accordance with a sintering temperature in the range of 1,250 to 1,950 ° C., a heating rate in the range of 20 to 200 ° C./min, and a sintering pressure in the range of 30 to 80 MPa.
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