KR20020082829A - 결합제/윤활제를 함유하는 향상된 야금 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

결합제/윤활제를 함유하는 향상된 야금 조성물 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저전단(low shear) 상태 및 바람직하게는 코팅 물질의 용융점 이하에서 입자 물질을 코팅하는 향상된 방법을 제공한다. 본 발명의 하나의 측면에서, 야금 조성물은 낮은 온도에서 융해되는 중합체 또는 왁스 결합제로, 즉 바람직하게는 폴리에틸렌으로 금속-기저 분말에 합금 분말을 결합시켜 이루어진 것으로 제공된다. 결합제의 바람직하게 용융점 이하로 승온된 상태에서 금속-기저 및 합금 분말을 결합제와 블렌딩한다. 결합된 야금 조성물은 강도를 향상시키기 위하여 소결될 수 있는 압축편(compacted parts)을 제조하는 압축 공정에 이용될 수 있다.

Description

결합제/윤활제를 함유하는 향상된 야금 조성물 및 그 제조 방법{Improved Metallurgical Compositions Containing Binding Agent/Lubricant and Process for Preparing Same}
본 발명은 1997년 10월 21에 출원된 선출원 번호 08/955,382의 CIP(continuation-in-part) 출원이다.
발명의 분야
본 발명은 코팅 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 조성물에 관한 것이다. 본 발명은 특히 철-기저 야금 조성물에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 압축 공정이 이루어지는 동안, 부분(part)을 형성하는데 이용되는 윤활제를 제공하는 결합제를 함유하는 야금 조성물에 관한 것이다.
발명의 배경
입자 코팅은 입자 및 입자의 표면 물성을 개질 시키는데 있어서 중요한 방법이다. 입자 코팅 방법은 낮은 점도를 갖는 용융물로써 코어 입자 상에 분무되는 코팅 물질 또는 다양한 용매에 융해되는 코팅 물질로 분무 코팅되는 유동화된 입자, 및 여러 가지 방식으로 유동화되는 입자들에 대하여 개시하고 있는 미국특허제2,648,609호, 제3,117,027 및 제3,253,944호와 최근의 미국특허 제4,731,195호 및 5,085,930호에도 기재되어 있는 우스터(Wurster)공정을 포함하고, 그리고 분무 코팅 방법도 바람직한 분무기를 통하여 입자 및 코팅 물질을 통과시킴으로써 이루어진다. 이러한 방법들 중 한 예는 미국특허 제4,675,140호에 기재되어 있으며, 여기에서 코팅 물질은 용융된 중합체(melted polymer)이다. 미국특허 제5,262,240호에서 제시하고 있는 흥미로운 방법은 라텍스와 입자를 혼합하고 그 반응 생성 혼합물을 건조시킴으로써 코팅이 이루어진다는 것이다. 이러한 방법으로 코팅된 응집체(aggregate)가 생성된다. 얇은 유기 층을 갖는 입자를 코팅하는 공지된 방법에서는 표면 물성을 개질 시키기 위하여 유기실란(organosilanes) 또는 탄화불소(fluorocarbons)와 같은 계면활성제를 이용한다. 그러한 방법에 있어서, 입자들이 용액에 스며들고, 상기 계면활성제들은 상기 입자와 반응된다. 미국특허 제4,994,326호는 상기 방법 중 한 가지 실시예를 제시하고 있으며, 반응 생성물이 처리된다. 마지막으로, 입자 코팅의 바람직한 방법으로는 텀블 블렌딩(tumble blending) 또는 고전단 고열 블렌딩(high shear hot blending)이 있다. 이러한 방법들에 대하여 많은 특허들이 허여된 바 있다. 미국특허 제4,233,387호는 전자 사진 운반자(electrocardiographic carrier)를 약 327 ℉에서 열가소성 수지와 함께 처리하는 것에 대하여 개시하고 있다. 반응 혼합물을 냉각시키고 적당한 크기로 갈아서, 사진 복사기에서 충진 토너로 이용한다. 미국특허 제4,774,139호는 열가소성 고열 용융 수지(thermoplastic hot melt resin) 위에 파라핀(paraffin)을 코팅하는 방법을 개시하고 있다. 미국특허 제4,885,175호에는 용융된 왁스로감미제(sweetener)를 코팅하고, 혼합물을 냉각시키고, 그리고 바람직한 크기로 냉각된 덩어리를 분쇄하는 방법에 대하여 기술되어 있다. 마지막으로 상기와 같은 고열 용융 블렌딩 공정을 예시하고 있는 미국특허 제4,1356,566호는 고전단 혼합기(high shear mixer)에서 중합체 코팅 물질의 용융점 위의 온도에서 재료들을 혼합시킴으로써 중합체 및 첨가제로 철(iron) 분말을 코팅하는 것에 대하여 개시하고 있다.
상기 언급한 모든 경우에 있어서, 상기 방법들에는 많은 중요한 점들이 결여되어 있다. 우스터(Wurster) 공정과 같은 방법들에 있어서, 상기 방법들은 모두 유동될 수 있는 입자를 포함한다. 전형적으로, 상기 입자의 평균 크기는 최소한 50 마이크론(micron)이다. 더욱이 우스터(Wurster) 공정과 같은 방법들에 있어서, 용액이 코팅 부형제(coating vehicle)로 이용된다면, 용매, 물 또는 유기 용매는 건조하여 제거되어야만 한다. 이것은 수용액에 대하여 끈질기고 가연성 액체에 대하여 위험하다. 직접 분사 방법(direct atomization method)은 코팅된 그리고 코팅되지 않은 입자들을 분리하기 어렵다. 미국특허 제4,675,140호는 입자 분리 방법에 대하여 개시하고는 있으나, 이 기술은 모든 물질에 일반적으로 통용되지는 않는 것이었다. 용융점 이상의 공정 온도에서 행해지는 고열 블렌딩 방법의 적용에 있어서 방해가 되는 두 가지 문제점들이 있다. 첫 번째 문제점은 응집 현상으로써 상기 공정에 바람직하지 않은 부작용으로 제공된다. 여러 가지 적용을 위한 차후의 분쇄 및 분류 공정(classification processing)은 까다롭거나 매우 비용이 들 수 있다. 두 번째 문제점은 용융점 이상에서 공정 작업은 높은 에너지 비용이 들게 하며, 이로써 바람직하지 않다. 미국특허 제5,147,722호는 중합체 결합제의 용융점 이하에서 수행될 수 있는 입자 코팅 방법을 제시하고 있다. 상기 방법을 수행하기 위한 조건은 고전단(high shear) 혼합 및 고압이며, 그러한 조건하에서, 입자들은 코팅되지만 웨브와 같은 메트릭스(web-like matrix)가 형성된다. 그러나, 다양한 조성물에 있어서 응집 현상(agglomeration)은 바람직하지 않으며, 고전단 혼합기(high shear mixers) 및 고압을 이용함으로써 부가적인 자본 및 작동 비용이 추가된다. 미국특허 제5,236,649호는 코팅 물질의 용융점 이하의 온도에서 입자 코팅을 수행하는 것에 관하여 개시하고 있다. 그러나 미국특허 제5,147,722호에서와 같이, 상기 공정은 우수한 코팅 효과를 얻기 위하여 고전단 혼합(high shear mixing)을 요구한다.
코팅된 입자는 장식 석조재, 유정(oil well)을 위한 프로포넌트(proponent), 식품, 제약 산업 및 분말 야금 산업(powder metallurgy industry)의 미각 마스킹(taste masking)에 사용되어 왔다. 분말 야금 산업은 금속-기저 분말 조성물, 일반적으로 철-기저 분말을 발달시켰으며, 상기 조성물은 자동차 및 전자 산업을 포함한 다양한 산업 분야에서 다양한 형태 및 크기를 갖는 전체 금속 부품(integral metal parts)으로 가공될 수 있다. 기초 분말로부터 상기 부품을 생성시키기 위한 가공 기술 중 하나는 다이 공동(die cavity)으로 분말을 충진하고 고압 하에서 상기 분말을 압축시키는 것이다. 생성된 압분체(green compact)를 다이 공동으로부터 제거하고, 최종 부품을 형성하기 위하여 소결(sinter)한다.
금속 분말 조성물의 압축 및 소결에 의하여 제조된 금속 부품의 산업적인 이용은 수많은 분야로 급속하게 확산되고 있다. 금속 분말 조성물로 상기 부품을 제조함에 있어서 제조 공정에 용융된 합금(molten alloy)을 이용하는 편이 실질적으로 이롭다. 예를 들어, 금속 분말 조성물들은 고압 압축 다이 기계 및 소결 오븐(sintering oven)에서 제조 공정이 이루어지도록 하는 것을 가능하게 한다. 다른 부품들은 압축 다이를 간단하게 치환함으로써 제조된다. 더욱이, 융해 합금을 조작할 필요가 없어진다.
그러한 부품들의 제조에 있어서, 철(iron) 또는 스틸(steel) 입자 분말은 입자 형태로 존재하는 적어도 하나의 합금 원소(element)와 함께 혼합되곤 한다. 이러한 합금 원소들은 최종 소결된 부분(part)의 강도 및 다른 기계적 물성을 향상시킨다. 상기 합금 원소들은 입자 크기, 형상 및 밀도에 있어서 기초 철 또는 스틸 분말과는 일반적으로 다르다. 예를 들어, 철-기저 분말의 평균 입자 크기는 일반적으로 약 70∼100 마이크론인 반면에, 대부분의 합금된 성분들의 평균 입자 크기는 약 20 마이크론 미만이며, 대부분은 약 15 마이크론 미만이고, 그리고 몇몇 경우에는 약 5 마이크론 미만이다. 합금 파우더(alloying powders)는 미세하게 분리된 상태(finely-divided state)로 이용되어, 소결 작용이 일어나는 동안 고체 상태의 확산에 의하여 합금 재료들을 빠르게 균질화시키는 것을 촉진한다.
다른 입자 크기의 물질이 존재하는 경우 운송, 저장 및 사용에 있어서 응집 현상이나 가루가 날리는 등의 문제가 발생한다. 철 및 합금 원소 분말은 균질한 분말로 초기에 혼합된다. 저장 및 이송 동안의 분말 혼합물을 취급하는 동력은 철-기저 분말 매트릭스의 틈을 통하여 이동될 수 있는 더욱 작은 합금 분말 입자를 생성시켜, 그 결과 동종 혼합물을 감소시키거나 분리한다. 반면에, 취급 결과로써 분말 매트릭스 내에서 유발될 수 있는 공기 흐름(air current)은 더욱 작은 합금 분말을 생성시키고, 특히 상기 분말이 철 분말보다 덜 조밀하다면, 상부로 이동시킨다. 상기 합금 분말의 부력이 충분히 높다면, 합금 입자들 중 몇몇은 가루 날림 현상(dusting)과 같은 형태로 완전히 혼합물로부터 흘러나와, 합금 원소들의 농도를 감소시키는 결과를 야기한다.
다양한 유기 결합제는 더욱 미세한 합금 분말에 거친 철-기저 입자를 결합시키거나 접착(glue)시켜, 상온에서 압축된 분말에 대하여 가루로 날리거나 응집되는 현상을 방지한다. 예를 들어, 앵스트롬(Engstrom)의 미국특허 제4,483,905호는 "점착성 또는 지방성"인 것으로써 분말 조성물의 약 1 중량% 이하로 존재하는 결합제를 사용하는 것에 대하여 개시하고 있다. 앵스트롬(Engstrom)의 미국특허 제4,676,831호는 결합제로 탈유(tall oil)를 사용하는 것에 대하여 개시하고 있다. 또한 세멜(Semel)의 미국특허 제4,834,800호는 결합제로 물에 용해되지 않거나 실질적으로 물에 용해되지 않는 필름-형성 중합체 수지를 이용하는 것에 관하여 개시하고 있다.
다양한 결합제의 다른 형태들이 특허 문헌에 개시된 바 있다. 적어도 약 7,000의 분자량을 갖는 폴리알킬렌 옥사이드는 미국특허 제5,298,055호에서 결합제로 개시되어 있다. 2 염기 유기산(dibasic organic acid) 및 결합제인 고체 폴리에스테르, 액체 폴리에스테르 및 아크릴 수지와 같은 하나 이상의 첨가 성분의 결합은 미국특허 제5,290,336호에 개시된 바 있다. 고온의 압축 윤활제와 함께 이용될 수 있는 결합제는 미국특허 제5,368,630호에 개시되어 있다.
미국특허 제5,480,469호("469 특허")는 분말 야금 산업에 있어서의 결합제 이용에 대하여 간단히 소개하고 있다. 상기 469 특허는 결합제로 철-기저 분말에 고착되는 합금 분말 뿐 아니라, 다이(die) 내에서 분말 조성물의 충분한 압축성을 달성하고 다이로부터 부품을 제거하기에 필요한 동력을 감소시키기 위한 윤활제를 갖는 분말 조성물에 대하여 중점적으로 언급하고 있다. 상기 469 특허는 금속 비누와 같은 윤활제 분말과 결합하는 결합제를 사용하여, 철-기저 및 합금 분말을 혼합하는 것을 개시하고 있다. 이러한 블렌드(blend)를 가열하고 혼합하여 결합제와 윤활제를 융해되도록 하여 철-기저 분말에 합금 분말을 결합시킨다. 그 다음 상기 혼합물을 냉각시켜 최종 조성물을 형성시킨다. 상기 469 특허는 금속 비누 윤활제가 필요 없는 결합제로써 디아미드 왁스(diamide wax)를 이용함으로써 이러한 기술의 향상점을 제시하였다.
결합제의 존재는 분말 야금 조성물의 압축성에 역효과를 미치지 않아야 한다. 분말 블렌드의 "압축성"은 압축의 다양한 조건하에서 그 성능을 측정한 것이다. 분말 야금의 분야에서, 분말 조성물은 일반적으로 다이에서 높은 압력으로 압축되고, 그 다음 압분체(compacted "green" part)는 다이로부터 제거되고 소결된다. 본 발명의 분야에서는 상기 압분체(green part)의 밀도 및 일반적인 강도는 직접적으로 압축 압력에 의하여 변화된다. "압축성"의 견지에서, 주어진 압축 압력에서 더욱 높은 압분 밀도까지 압축될 수 있다면, 또는 선택적으로 특정한 압분 밀도를 획득하는데 더욱 낮은 압축 압력을 요구한다면, 하나의 분말 조성물은 다른 것보다 더욱 압축될 수 있을 것이다. 결합제가 우수한 "내부" 윤활성("internal" lubrication characteristics)을 가진다면, 분말 조성물의 압축성은 향상될 것이며, 주어진 압축 압력에서 더욱 높은 압분 밀도를 가질 것이다.
그러므로, 다양한 입자를 코팅하는 간단하고 저렴한 방법을 제공할 수 있는 코팅 공정에 대한 필요성이 존재하는 것이다. 분말 야금 산업에 있어서, 용매가 사용되지 않는 공정에서 제조될 수 있는 조성물의 금속-기저 분말에 결합되는 합금 분말을 함유하는 야금 조성물에 대한 특정한 필요성이 존재한다. 그러한 야금 조성물에 이용되는 결합제는 합금 분말이 가루가 날리거나 응집되는 양을 감소시키는 기능을 하여 조성물의 압축성에 역효과를 미치지 않게 한다.
발명의 요약
본 발명은 저전단(low shear), 저온 방법을 이용하여 뭉침이 없이 코팅되는 입자를 생성시키는 입자 코팅에 있어서 향상된 방법을 제공한다. 하나의 구체예에서, 본 발명은 최소량의 적어도 하나의 합금 분말에 결합되는 최대량의 금속-기저 분말을 함유하는 향상된 분말 야금 조성물을 제공한다.
본 발명에 부합되도록 코팅될 수 있는 입자 분말은 철, 구리, 니켈, 코발트, 크롬, 알루미늄, 아연, 실리콘, 망간, 은, 금, 백금, 팔라듐, 티타늄, 이들의 합금 및 이들의 블렌드와 같은 금속 분말; 알루미나, 실리카 및 티타니아와 같은 무기 산화물; 일반적인 식염, 과산화물 표백분(peroxide bleaches), 천연 소다, 염화칼슘 및 칼륨 등의 무기 비료와 같은 무기 화합물; 및 중합체, 산 및 염기와 같은 고체 유기 화합물을 포함한다. 코어 입자는 적어도 한 길이의 수 평균이 10 마이크론 내지 1 cm이고, 바람직하게는 20 마이크론 내지 0.75 cm이고, 그리고 가장 바람직하게는 25 내지 10,000 마이크론의 범위일 수 있는 비드(bead), 박편(flake), 섬유(fiber) 및 바늘 모양처럼 뾰족한(acicular) 입자와 같은 모든 형태일 수 있다.
특히 분말 야금 조성물에 관하여 여기에서 결합제 또는 재료로 인용하는 코팅 물질은 낮은 온도에서 융해되는 고체 중합체 또는 왁스, 예를 들어 200 ℃(390 ℉) 이하의, 바람직하게는 150 ℃(300 ℉) 이하의, 그리고 더욱 바람직하게는 약 65∼95 ℃(150∼250 ℉)의 연화 온도를 갖는 중합체 또는 왁스일 수 있다. 고체 중합체 결합제의 예로는 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 에폭사이드 및 우레탄이 있다. 왁스의 예들은 파라핀, 에틸렌 비스스테아라미드(bisstearamides) 및 코튼 시드 왁스(cotton seed waxes)를 포함한다. 상기 고체 결합제는 중량 평균 분자량이 3,000 이하인 폴리올레핀일 수 있으며, 코튼 시드 오일, 소이빈 오일(soybean oil), 호호바 오일(jojoba oil) 및 이들의 블렌드와 같은 수소 경화된 유도체를 포함하는 C14∼24의 알킬 부분의 트리글리세라이드 및 이들의 유도체인 수소 경화된(hydrogenated) 식물성 오일일 수 있다. 상기 코팅 물질은 바람직하게 적어도 하나의 길이가 200 또는 100 마이크론 미만으로, 바람직하게는 0.01∼50 마이크론으로, 그리고 더욱 바람직하게는 0.01∼20 마이크론으로 평균 입자 크기를 감소시킨다.
본 발명의 코팅 공정은 결합제를 위한 용매를 요구하지 않는 "건성" 결합 공정("dry" bonding process)일 수 있다. 이용되는 공정은 바람직한 입자 크기 범위로, 적절한 결합제를 코어 입자 및 합금 입자 또는 첨가제들을 상온 또는 상승된 온도에서 혼합하는 것을 포함한다. 그 다음 여기에서 만들어진 블렌드는 저전단(low shear) 상태 하에서 일반적인 혼합기를 이용하여 천천히 혼합된다. 상기 혼합물은 적어도 120 ℉(49 ℃)로 가열되고, 바람직하게는 결합제의 용융점 이하로 가열되고, 혼합되고, 그리고 냉각되어 최종 생성물을 제공한다.
본 발명의 분말 야금 조성물은 상온 또는 상승된 온도에서 합금 분말과 금속-기저 분말을 혼합함으로써, 그리고 상온 또는 상승된 온도에서 분말과 결합제를 블렌딩 함으로써 제조된다. 블렌딩 공정 동안에, 결합제는 적어도 약 120 ℉(49 ℃)의 온도에서 금속-기저 분말과 합금 분말을 접촉시킨다. 그 다음 이러한 블렌드 조성물은 상온에서 냉각될 수 있다. 블렌딩 공정의 온도는 결합제의 용융점 아래의 벌크(bulk) 분말 온도에서 바람직하게 수행된다.
분말 야금 분야에 적용하기 위한 바람직한 결합제는 폴리에틸렌 왁스이다. 상기 폴리에틸렌 왁스는 고체 상태로 합금 분말 및 금속-기저 분말의 혼합물 내로 바람직하게 주입된다. 고체 상태로 주입되는 경우, 구(spheres), 섬유(fibers), 또는 박편(flakes)과 같은 다양한 형태로 이용될 수 있다. 특히 약 50 이하, 바람직하게는 약 30 마이크론 이하의 평균 입자 크기를 갖는 구형의 폴리에틸렌 왁스를 이용하는 것이 유리하다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 코팅된 입자를 형성하기 위한 향상된 방법, 향상된 야금 분말 조성물, 상기 조성물의 제조 방법, 및 압축편(compacted parts)을 제조하기 위하여 상기 조성물을 이용하는 방법에 관한 것이다. 분말 야금 조성물은 적어도 하나의 합금 분말, 상기 분말과 혼합되는 금속-기저 분말, 바람직하게는 철-기저 금속 분말, 및 상기 금속-기저 분말에 합금 분말을 접착시키는 결합제를 포함한다. 분말 야금 적용을 위한 바람직한 결합제는 중량 평균 분자량이 약 4,000 이하, 바람직하게는 약 2,000 이하의 폴리에틸렌 왁스이다. 야금 분말 조성물을 위한 결합제로써 상기 폴리에틸렌 왁스를 이용함으로써 가루날림/응집현상을 방지하는데 우수한 효과가 있고, 압분체(green compact)의 향상된 강도 및 사출성이 제공된다.
본 발명에 따라 코팅될 수 있는 입자들은 철, 구리, 니켈, 코발트, 크롬, 알루미늄, 아연, 실리콘, 망간, 은, 금, 백금, 팔라듐, 티타늄, 이들의 합금 및 이들의 블렌드와 같은 금속 분말; 알루미나, 실리카 및 티타니아와 같은 무기 산화물; 일반적인 식염, 과산화물 표백분(peroxide bleaches), 천연 소다, 염화칼슘 및 칼륨과 같은 무기 비료와 같은 무기 화합물; 및 중합체, 산 및 염기와 같은 고체 유기 화합물을 포함한다. 코어 입자는 적어도 한 길이의 수 평균이 10 마이크론∼1 cm이고, 바람직하게는 20 마이크론∼0.75 cm이고, 그리고 가장 바람직하게는 25∼10,000 마이크론의 범위일 수 있는 비드, 박편, 섬유(fiber) 및 바늘모양처럼 뾰족한(acicular) 입자와 같은 모든 형태일 수 있다.
본 발명의 분말 야금 조성물은 철-기저 분말 및 니켈-기저 분말과 같은 분말 야금 산업에 일반적으로 이용되는 종류의 금속 분말을 포함한다. 상기 금속 분말은야금 분말 조성물의 주요 부분을 구성하고, 일반적으로 조성물의 적어도 약 80 중량%를 구성하고, 바람직하게는 적어도 약 90 중량%를 구성하고, 그리고 더욱 바람직하게는 약 95 중량%를 구성한다.
여기에서 이용되는 용어인 "철-기저" 분말의 예는 최종 생성물의 강도, 경화성(hardenability), 전자기성 또는 다른 바람직한 물성을 향상시키는 실질적으로 순수한 철 분말, 다른 원소(예로써 스틸-생성 원소(steel-producing element)를 들 수 있다)들과 예비-합금된 분말, 및 다른 원소들이 확산 결합된 철 분말을 포함한다.
본 발명에 이용될 수 있는 실질적으로 순수한 철 분말은 약 1.0 중량% 이하, 바람직하게는 약 0.5 중량% 이하의 정상적인 불순도를 갖는 철 분말이다. 상기 언급한 바와 같이 매우 압축될 수 있는 야금 철 분말로는 미국 뉴저지주 리버톤 소재 회가나에스 코오포레이션(Hoeganaes Corporation)으로부터 구입할 수 있는 1000, 1000B 및 1000C와 같은 순수한 철 분말 앵커스틸(ANCORSTEEL) 1000 시리즈가 있다. 예를 들어, 앵커스틸(ANCORSTEEL) 1000 철 분말은 325번 체(No. 325 sieve)(U.S. series) 이하의 입자 약 22 중량%, 및 100번 체(No. 100 sieve)보다 더 큰 입자 약 10 중량%로 두 크기 사이의 잔여물(60번 체보다 더 큰 것이 매우 미량으로 존재함)과 함께 전형적인 스크리닝 프로필(screening profile)을 갖는다. 앵커스틸(ANCORSTEEL) 1000 분말은 약 2.85∼3.00 g/cm3, 일반적으로 2.94 g/cm3의 외관 밀도를 가진다. 본 발명에 이용될 수 있는 다른 철 분말은 일반적으로 스폰지철 분말(sponge iron powder)이고, 특히 회가나에스(Hoeganaes)의 앵커(ANCOR) MH-100 분말이다.
철-기저 분말은 최종 금속편의 기계적 또는 다른 물성을 향상시키는 하나 이상의 합금 원소와 결합할 수 있다. 그러한 철-기저 분말은 하나 이상의 원소와 예비-합금된 철, 바람직하게는 순수한 철 분말일 수 있다. 예비-합금된 분말은 철 및 바람직한 합금 원소를 용융시켜 제조될 수 있고, 그 다음 상기 용융물을 분무하고, 그럼으로써 분무된 작은 물방울이 고체화되어 분말을 형성한다.
철 분말과 함께 예비-합금될 수 있는 합금 원소들은 몰리브덴, 망간, 마그네슘, 크롬, 실리콘, 구리, 니켈, 금, 바나듐, 콜럼븀(니오븀), 그라파이트, 인, 알루미늄 및 이들의 조합물을 포함하며, 이에 제한되지는 않는다. 결합되는 합금 원소 또는 원소들의 양은 최종 금속편(metal part)에서 요구되는 물성에 따라 달라진다. 합금 원소들과 같이 결합되는 예비-합금되는 철 분말은 앵커스틸(ANCORSTEEL) 라인의 분말로써 회가나에스 코오포레이션으로부터 입수 가능하다.
철-기저 분말의 다른 예는 확산-결합된 철-기저 분말이며, 상기 분말은 외부 막으로 확산되는 스틸-생성 원소와 같은 하나 이상의 다른 금속의 코팅(coating) 또는 층(layer)을 갖는 실질적으로 순수한 철 입자이다. 상기 상업적으로 입수 가능한 분말로는 분말은 약 1.8 % 니켈, 약 0.55 % 몰리브덴 및 약 1.6 % 구리를 함유하는 회가나에스 코오포레이션으로부터 입수 가능한 디스탈로이(DISTALOY) 4600A 확산 결합된 분말, 및 약 4.05 % 니켈, 약 0.55 % 몰리브덴 및 약 1.6 % 구리를 함유하는 회가나에스 코오포레이션으로부터 입수 가능한 디스탈로이(DISTALOY) 4800A확산 결합된 분말이 있다.
바람직한 철-기저 분말은 몰리브덴(Mo)으로 철(iron) 예비-합금된 분말이다. 상기 분말은 약 0.5∼2.5 중량%의 몰리브덴(Mo)을 함유하는 실질적으로 순수한 철의 용융물을 분무함으로써 생성된다. 상기 분말의 예는 회가나에스의 앵커스틸(ANCORSTEEL) 85HP 스틸 분말이며, 상기 분말은 약 0.85 중량%의 몰리브덴(Mo), 약 0.4 중량% 미만의 망간, 크롬, 실리콘, 구리, 니켈, 몰리브덴 또는 알루미늄과 같은 다른 물질, 약 0.02 중량% 미만의 탄소를 포함한다. 상기 분말의 다른 예로는 회가나에스 앵커스틸(ANCORSTEEL) 4600V 스틸 분말이 있으며, 상기 분말은 약 0.5∼0.6 중량%의 몰리브덴, 약 1.5∼2.0 중량%의 니켈, 및 약 0.1∼0.25 중량%의 망간, 및 약 0.02 중량% 미만의 탄소를 함유한다.
본 발명에 이용될 수 있는 또 다른 예비-합금된 철-기저 분말은 "철 합금의 독특한 예비-합금된 분말을 포함하는 스틸 분말 혼합물"에 관한 미국특허 제5,108,493호에 개시되어 있다. 이러한 스틸 분말 조성물은 두 가지 다른 예비-합금된 철-기저 분말들의 혼합물로써, 여기에서 한 가지 분말은 0.5∼2.5 중량%의 몰리브덴이고, 다른 하나의 분말은 적어도 약 25 중량%의 전이 원소 성분과 탄소를 갖는 예비-합금된 철이며, 여기에서 상기 전이 원소 성분은 크롬, 망간, 바나듐 및 콜럼븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함한다. 상기 혼합물은 스틸 분말 조성물에 대하여 적어도 약 0.05 중량%의 전이 원소 성분으로 이루어져 있다. 상기 분말의 예로는 회가나에스 앵커스틸(ANCORSTEEL) 41 AB 스틸 분말이 있으며 상업적으로 입수 가능하고, 상기 분말은 약 0.85 중량%의 몰리브덴,약 1 중량%의 니켈, 약 0.9 중량%의 망간, 약 0.75 중량%의 크롬 및 약 0.5 중량%의 탄소를 함유한다.
본 발명을 수행하는데 있어서 유용한 철-기저 분말은 강자성 분말(ferromagnetic powder)이다. 그 예는 소량의 인(phosphorus)을 갖는 철 예비-합금된 분말이다.
상기 철-기저 분말은 본 발명을 수행하는데 있어서 유용한 것이며, 스테인레스 스틸 분말을 포함한다. 상기 스테인레스 스틸 분말들은 앵커(ANCOR) 303L, 304L, 316L, 410L, 430L, 434L 및 409Cb 분말과 같은 다양한 등급의 회가나에스 앵커(ANCOR)시리즈로 상업적으로 입수 가능하다.
철 또는 예비-합금된 철 입자들은 1 마이크론 이하 정도로 작거나 약 850∼1,000 마이크론 이하의 중량 평균 입자 크기를 가질 수 있으나, 일반적으로 상기 입자들은 약 10∼500 마이크론의 범위로 중량 평균 입자 크기를 가질 것이다. 약 350 마이크론에 이르는 최대 중량 평균 입자 크기를 갖는 철 또는 예비-합금된 철 입자가 바람직하며, 상기 입자가 약 25∼150 마이크론의 중량 평균 입자 크기를 갖는 것이 더욱 바람직할 것이고, 그리고 가장 바람직한 상기 중량 평균 입자 크기의 범위는 80∼150 마이크론 이다.
본 발명에 이용되는 금속 분말은 니켈-기저 분말을 포함할 수 있다. "니켈-기저" 분말의 예로는 실질적으로 순수한 니켈 분말이 있으며, 최종 생성물의 강도, 견고성, 전자기성 또는 다른 바람직한 물성을 향상시키는 다른 원소와 니켈 예비-합금된 분말이 있다. 니켈-기저 분말은 철-기저 분말에 관하여 앞에서 언급한 합금분말 중 어떤 것과도 혼합될 수 있다. 니켈-기저 분말들의 예는 N-70/30 Cu, N-80/20 및 N-20 분말과 같은 회가나에스의 앵커스프레이(ANCORSPRAY) 분말로 이러한 분말들은 상업적으로 입수 가능하다.
금속-기저 분말은 기술된 금속-기저 분말의 모든 조합들을 포함할 수 있다.
본 발명의 야금 분말 조성물은 적어도 하나의 최소량의 합금 분말을 포함한다. 여기에서 사용되는 "합금 분말"은 소결되면서 금속-기저 분말과 합금될 수 있는 물질을 의미한다. 상기에서 언급된 종류의 금속-기저 분말과 혼합될 수 있는 합금 분말들은 최종 소결된 생성물의 강도, 견고성, 전자기성 또는 그 외 바람직한 물성을 향상시키도록 야금 분야에서 널리 알려져 있다. 스틸-생성 원소는 가장 많이 알려져 있는 상기 물질들 사이에 있다. 합금 물질의 특정한 예로는 원소의 몰리브덴, 망간, 크롬, 실리콘, 구리, 니켈, 틴(tin), 바나듐, 콜럼븀(니오븀), 야금 탄소(그라파이트), 인(phosphorus), 알루미늄, 황 및 이들의 조합이 있으며, 이에 제한되지 않는다. 다른 바람직한 합금 물질들에는 틴(tin) 또는 인의 2원 합금(binary alloy); 망간, 크롬, 보론, 인 또는 실리콘의 철 합금; 탄소 및 2 또는 3개의 철, 바나듐, 망간, 크롬 및 몰리브덴의 낮은 용융점을 갖는 3원 및 4원 합금; 텅스텐 또는 실리콘의 카바이드; 실리콘 니트라이드; 및 망간 또는 몰리브덴의 황화물이 있다.
합금 분말은 혼합되는 금속 분말의 입자 보다 일반적으로 더욱 미세한 입자 형태를 갖는다. 합금 입자는 일반적으로 약 100 마이크론 미만의, 바람직하게는 약 75 마이크론 미만의, 더욱 바람직하게는 약 30 마이크론 미만의, 그리고 가장 바람직하게는 약 5∼20 마이크론의 중량 평균 입자 크기를 갖는다. 조성물에 존재하는 합금 분말의 양은 최종 소결된 부분(sintered part)에서 요구되는 물성에 따라 다를 것이다. 일반적으로 그 양은 총 분말 조성물 중량의 약 5 중량% 이하일 것이며, 특정한 분말에는 10∼15 중량%가 존재할 수도 있을 것이다. 대부분의 적용을 위한 바람직한 범위는 총 분말 조성물의 약 0.25∼4.0 중량%이다.
본 발명의 결합제는 약 200 ℃(390 ℉), 바람직하게는 약 150 ℃(300 ℉), 더욱 바람직하게는 약 50∼110 ℃(125∼225 ℉), 그리고 가장 바람직하게는 65∼95 ℃(150∼200 ℉)의 연화 온도를 가지며 낮은 온도에서 융해되는 고체상의 중합체 또는 왁스를 포함할 수 있다. 중합체 결합제의 예로는 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 에폭사이드 및 우레탄 등이 있다. 왁스의 예로는 파라핀, 에틸렌, 비스스테아라미드(ACRAWAX) 및 코튼 시드 왁스(cotton seed wax) 등이 있다. 결합제는 또한 중량 평균 분자량이 3,000 미만인 고체상의 폴리올레핀을 포함하며, C14∼24의 곁사슬(side chain)을 갖는 트리글리세라이드(triglycerides)와, 코튼 시드 오일, 소이빈 오일 및 호호바 오일과 같은 수소 경화된 유도체를 포함하는 상기의 유도체로 나타낼 수 있는 고체상의 수소 경화된 식물성 오일, 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 결합제는 또한 폴리에틸렌 글리콜(특히 분자량이 100,000이상인 경우 폴리에틸렌 옥사이드라고도 함)을 포함할 수 있다. 바람직한 폴리에틸렌 글리콜은 분자량이 약 100,000 이하인 것으로, 카보왁스(Carbowax) 8000, 20000, 및 3350과 같은 제품이 있다. 바람직한 고분자량의 폴리에틸렌 글리콜(폴리에틸렌 옥사이드)은 분자량이 약 100,000 이상인 것으로, 폴리옥스(Polyox) N10과 같은 제품이 있다
결합제는 적어도 하나의 평균 입자 크기가 200 마이크론 미만, 바람직하게는 100 마이크론 미만, 바람직하게는 0.01∼50 마이크론의 범위, 가장 바람직하게는 0.01∼20 마이크론으로 범위로 감소된다. 그러므로, 구, 바늘 모양 비드(acicular beads), 박편(flakes) 또는 섬유(fibers) 형태의 입자가 바람직하다. 작은 입자 크기를 갖는 입자를 얻기 위하여 결합제 물질을 제조하는 방법은 분쇄, 스프레이 건조, 용융 분무(melting atomization), 압출, 세이빙(shaving) 및 직접 반응(direct reaction)을 포함한다. 가장 바람직한 용융 분무는 상기 나열한 입자 크기의 범위로 결합제 물질을 제조하는데 이용된다. 추가적인 첨가제는 필요에 따라 색소, 다른 금속, 염, 그라파이트, 또는 카본 블랙, 알루미네이트, 실리카 및 티타니아와 같은 무기 산화물 등의 무기 화합물로써 결합 물질에 첨가될 수 있다.
분말 야금 분야에 특히 적용되는 본 발명의 바람직한 결합제는 약 4,000 미만의, 바람직하게는 약 2,000 이하의, 그리고 일반적으로 약 100∼4,000이고 더욱 바람직하게는 약 500∼2,000의 중량 평균 분자량을 갖는 고체상의 폴리에틸렌 왁스이다. 바람직한 폴리에틸렌 왁스는 폴리왁스(Polywax) 500 및 폴리왁스(Polywax) 2000과 같은 폴리왁스(Polywax) 시리즈로써 페트롤라이트 스페셜리티 중합체 그룹(Petrolite Speciality Polymers Group)으로부터 상업적으로 입수 가능하다. 폴리에틸렌 왁스는 바람직하게 약 1∼500 cps이고, 더욱 바람직하게는 약 3∼50 cps의 용융 점도를 가진다. 상기 폴리에틸렌 왁스의 용융점은 바람직하게는 50∼200 ℃이고, 더욱 바람직하게는 75∼130 ℃이다.
분말 야금 분야의 적용에 있어서, 폴리에틸렌 왁스와 같은 결합제의 바람직한 평균 입자 크기는 약 1∼50 마이크론이고, 더욱 바람직하게는 약 1∼25 마이크론 이며, 이것은 블렌딩 공정 동안 철 및 합금 분말과 결합제 사이의 접촉을 돕기 위한 것이다. 상기 입자 크기를 갖는 구 형태의 입자들이 이용될 수 있으나, 이러한 경우 블렌딩 공정의 온도가 적당한 결합을 가능하게 하도록 증가되어야 한다. 입자의 결합제가 구형이 아니라면, 적어도 하나의 입자 크기는 구 형태의 입자에 대하여 상기에서 언급한 범위 내이어야 한다. 결합제의 입자 크기는 레이저 회절 기술과 같은 방법에 의하여 측정될 수 있다. 결합제의 입자 크기는 산업 분야에 일반적으로 알려진 스프레이 분무 기술에 의하여 상기 범위로 감소될 수 있다.
야금 분말 조성물은 다양한 블렌딩 기술에 의하여 제조될 수 있다. 금속-기저 및 합금 분말과 함께 중합체 또는 왁스 결합제의 블렌딩은 적어도 약 27 ℃, 바람직하게는 약 50 ℃ 미만, 일반적으로 약 50∼190 ℃, 더욱 바람직하게는 약 65∼90 ℃의 분말 블렌딩 온도에서 수행된다.
특정한 상황에서, 그리고 고체상의 박편(flakes) 또는 낮은 입자 크기의 구(spheres)의 형태로 결합제를 이용하는 경우, 압분체의 물성을 향상시키고 다이 공동(die cavity)으로부터 압축물을 제거하는데 요구되는 배출력을 제한하기 위하여, 결합제의 용융점 이하로 금속-기저 및 합금 분말과 함께 결합제를 블렌딩하는 것이 바람직하다. 이와 같이 특정한 상황에서는 결합제의 용융점 이하인 약 3∼35 ℃, 바람직하게는 약 5∼30 ℃, 그리고 더욱 바람직하게는 약 8∼25 ℃의 온도에서 금속-기저 및 합금 분말과 함께 고체상의 결합제를 블렌딩하는 것이 바람직하다.예를 들어, 약 65 ℃의 온도에서 금속-기저 및 합금 분말과 함께 폴리에틸렌 물질을 블렌딩하기 위하여 약 88 ℃의 용융점, 500의 Mw, 그리고 약 20 ㎛의 중량 평균 입자 크기를 갖는 폴리에틸렌을 이용함으로써 바람직한 물성을 획득할 수 있다.
금속-기저 분말은 상승된 혼합 온도 또는 상온에서 균질한 혼합물을 형성하기 위하여 합금 분말(들)과 함께 초기에 블렌딩될 수 있다. 그 다음, 부분적으로 또는 완전히 예열된 결합제는 분말 블렌드의 온도가 금속-기저 및 합금 분말의 대부분(전체 부분이 아니라면)과 충분히 접촉할 수 있는 시간 동안 바람직한 수준으로 유지될 수 있는 적절한 용기 내에서 금속-기저 및 합금 분말과 블렌딩될 수 있다. 결합제의 블렌딩은 균질한 혼합물을 획득할 때까지 바람직하게 지속된다. 선택적으로, 결합제는 금속-기저 및 합금 분말이 혼합될 당시 함께 혼합될 수 있으며, 상기 혼합물은 바람직하게 선택된 블렌딩 온도에서 가열될 수 있으며, 혼합은 균질한 블렌드가 얻어질 때까지 상기 온도 또는 온도의 범위에서 행해진다. 두 가지 방법 모두, 블렌드 조성물은 선택적으로 간헐적으로 또는 연속적으로 혼합되면서 상온에서 냉각된다.
야금 조성물(금속-기저 및 합금 분말과 다른 윤활제 등을 함유하는)에 있어서 결합제의 농도는 약 0.05∼2 중량%이고, 바람직하게는 약 0.25∼1.5 중량%이고, 그리고 더욱 바람직하게는 약 0.5∼1 중량%이다. 상기 수준 이하의 결합제 농도는 합금 분말 및 금속-기저 분말 사이에서 효과적인 결합을 야기하고, 그리고 우수하지 않은 압분 밀도(green density) 및 강성을 야기한다.
야금 조성물 내로 결합제를 블렌딩 한 후에, 그리고 바람직하게 상기 조성물이 적어도 결합제의 용융점 미만으로, 바람직하게는 약 65 ℃ 미만으로, 더욱 바람직하게는 약 50 ℃ 미만으로, 그리고 더 더욱 바람직하게는 약 40 ℃ 미만으로 냉각된 후, 그리고 일반적으로 상기 조성물이 상온으로 유지될 때, 일반적인 윤활제는 균질한 조성물이 획득될 때까지 선택적으로 첨가되고 혼합될 수 있다. 첨가되는 윤활제의 양은 최종 야금 조성물의 약 0.01∼2 중량%, 바람직하게는 약 0.05∼1 중량%이다. 전형적인 윤활제는 윗코(Witco) Corp.으로부터 상업적으로 입수 가능한 리튬, 아연, 망간 및 칼슘 스테아레이트와 같은 스테아레이트 화합물; 샴락 테크놀로지(Shamrock Technologies), Inc.으로부터 상업적으로 입수 가능한 에틸렌 비스스테아라미드 및 폴리올레핀과 같은 왁스; 페롤루브(Ferrolube) M과 같은 알칸 파워 앤 피그먼트(Alcan Powder & Pigments)로부터 상업적으로 입수 가능한 아연 및 리튬 스테아레이트의 혼합물; 및 윗코(Witco) ZB-90 금속 스테아레이트와 같은 금속 스테아레이트를 갖는 에틸렌 비스스테아라미드 및 글리코 케미컬 컴퍼니(Glyco Chemical Company)로부터 입수 가능한 "아크라왁스(ACRAWAX)" 또는 "PM 100"과 같은 합성 왁스의 혼합물이 있다.
그 다음 상기에서 기재한 야금 분말 조성물은 전형적인 입자와 함께 금속편을 형성하는 다이(die) 내에서 압축될 수 있다. 생성된 압분체는 전형적인 입자와 함께 소결될 수 있다.
실시예
하기 실시예는 본 발명의 특정한 구체예 및 장점을 나타낸 것이며 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 다른 언급이 없는 한 모든 %는 중량에 기초한다.
실시예 1의 대비(CONTROL) 조성물을 제외한 각각의 실시예에 있어서, 야금 조성물은 합금 분말과 함께 철-기초 분말(회가나에스 코오포레이션의 앵커스틸 1000B)과 우선 혼합된 후 약 200 ℉(93 ℃)의 온도로 상기 혼합물을 가열함으로써 제조되었다. 가열된 혼합물을 시험 온도로 가열된 혼합 용기에 충진하고, 상기 조성물이 시험 온도에 이를 때까지 혼합하였다. 그 다음 결합제를 혼합 용기에 첨가하고, 균질한 블렌드가 획득될 때까지 연속적으로 혼합되었다. 그 상기 블렌드된 조성물은 냉각 구동을 향상시키기 위하여 간헐적으로 혼합하면서 상온으로 냉각되었다.
이용되는 합금 분말은 2∼6 ㎛의 그라파이트 분말(Asbury grade 3203) 및 니켈 분말(International Nickel Inc. grade INCO 123)이었다.
그 다음 조성물은 50 tsi(tons per square inch)의 압력으로 다이(die)에서 그린 바(green bar)내로 압축되었고, 약 145 ℉(63 ℃)의 다이 및 분말 온도에서 압축되었다.
야금 조성물의 물성, 및 압분된 그리고 소결된 바(green and sintered bars)의 물성은 하기 시험 방법 및 공식에 따라 일반적으로 결정되었다.
물 성 시험 방법
외관 밀도(Apparent Density: g/cc) ASTM B212-76
유동성(Flow: sec/50 g) ASTM B213-77
압분 밀도(Green Density: g/cc) ASTM B331-76
압분 강도(Green Strength: psi) ASTM B312-76
압분 팽창률(Green Expansion: %) = {100[(그린 바(green bar) 길이)-(다이 길이)]}/다이 길이
스트립 압력(strip pressure)은 다이(die)로부터 압축편(compacted part)을 배출하기 시작하도록 하는 정전기 마찰(static friction)을 측정한 것이다. 다이 접촉면과 접촉하는 압축편의 십자 구역 위로 배출이 시작되도록 하기 위해 필요한 부하의 몫을 계산하였고, psi의 단위로 나타낸다.
슬라이드 압력(slide pressure)은 다이 공동(die cavity)으로부터 압축편의 배출이 연속적으로 이루어지도록 하는 동력적 마찰(kinetic friction)을 측정한 것이며, 압축편의 접촉면으로부터 분할된 압축 지점으로부터 다이(die)의 입구에 이르는 거리를 가로지르는 부분으로 관찰되는 평균적인 부하의 몫을 계산한 것이고, psi의 단위로 나타낸다.
시험 야금 조성물의 가루 날림에 대한 저항성(dust resistance)은 여기에서 참고로 인용된 미국특허 제5,368,630호의 시험 방법을 이용하여 측정되었다. 상기 혼합물은 질소의 제어된 흐름(flow)으로 세정됨과 동시에 가루 날림에 대한 저항성이 측정되었다. 시험 기구는 질소의 흐름을 받기 위한 사이드 포트(side port)가 장착된 2 L의 Erlenmeyer 플라스크에 수직으로 올려진 실린더형 유리 튜브로 이루어져 있다. 상기 유리 튜브(길이: 17.5 cm, 내부 직경: 2.5 cm)는 플라스크 입구 위 약 2.5 cm 지점에서 400 메쉬 스크린 플레이트가 구비되어 있다. 시험되는 혼합물의 샘플(20∼25 g)은 스크린 플레이트 상에 놓이고, 질소는 15 분 동안 분당 2 L의 비율로 튜브를 통하여 통과되었다. 시험 마지막 부분에서, 혼합물은 혼합물에 남아있는 합금 분말의 상대량을 측정해 봄으로써 분석되었으며(합금 분말의 시험 전 농도 %와 비교하여 봄), 이 분석은 가루 날림(dusting) 및/또는 응집(segregation) 현상으로 야기되는 합금 분말의 손실에 대한 조성물의 저항성을 측정한 것이다.
실시예 1
하기 실시예는 폴리에틸렌 결합제의 금속-기저 및 합금 분말에 대한 적용 온도가 상기 금속-기저 분말 및 합금 분말 사이를 효과적으로 결합시키는데 있어서 매우 중요하다는 것을 보여주는 것이다.
본 실시예에서 야금 조성물은 금속-기저 분말인 앵커스틸(ANCORSTEEL) 1000B 96.25 %, 얼로이 분말인 니켈 분말 2 % 및 그라파이트(graphite) 분말 1%, 또한 폴리왁스(Polywax) 500 0.75 %로 이루어졌으며, 상기 폴리왁스(Polywax) 500은 190 ℉(88 ℃)의 용융점 및 약 500의 수평균분자량(Mn)을 갖는 폴리에틸렌 결합제이다. 테스트에 이용되는 상기 폴리왁스(Polywax) 500은 약 20 ㎛의 중량 평균 입자 크기를 갖는다. 이러한 입자 크기 분포는 2 mm의 평균 입자 크기를 갖는 폴리왁스(Polywax) 500 제품을 취하여 중합체에 스프레이 분무함으로써 이루어졌다.
"결합된" 조성물은 블렌딩 온도가 150 ℉(65 ℃) 이상으로 일반적인 실시예절차를 통하여 제조되었고, "대조" 조성물은 상온에서 조성물의 성분을 혼합함으로써 제조되었다. 대조 샘플의 외관 밀도는 결합된 샘플에 대하여 3.03 g/cc 및 2.83 g/cc 였으며, 어떠한 샘플도 유동되지 않았다.
표 1은 폴리에틸렌 결합제의 가루 날림 저항성 또는 결합 효율, 압축물의 압분 물성, 및 두 조성물의 다이 배출력 값(values of the die ejection forces)을 나타낸 것이다. 약 150 ℉(65 ℃)의 온도에서 폴리에틸렌 결합제와 함께 조성물을 혼합한 결과 조성물의 가루 날림 저항성이 증가되고 압축물의 압분 강도가 증가되었다. 압분 밀도는 더욱 높은 블렌딩 온도에서 적용되는 폴리에틸렌 결합제가 압축 동안에 조성물에 대한 얼마간의 내부적인 윤활성을 제공한다는 것을 나타내면서 증가되었다.
시험 조성물
대조군 결합된 것
압분 물성(Green Properties) 압분 밀도(g/cm3) 7.15 7.20
압분 강도(psi) 2609 3300
압분 팽창률(%) 0.14 0.15
배출 능력(Ejection Performance) 스트립 압력(psi) 4100 3700
슬라이드 압력(psi) 1700 1400
가루 날림 저항성(Dust Resistance) % C 65.6 94.0
% Ni 24.7 67.6
실시예 2
실시예 1에서 이용된 폴리에틸렌 결합제의 다양한 수준은 상기에 언급한 일반적인 실시예 절차에 따라서 금속-기저 및 합금 분말과 결합제를 건조 블렌딩(dryblending)시킴으로써 제조되는 여러 야금 조성물에 가루 날림 저항성을 제공하는데 효과적으로 이용되었다. 상기 시험 조성물은 합금 분말인 2 %의 니켈 및 1 %의 그라파이트(graphite)를 함유하였다. 상기 조성물은 회가나에스 앵커스틸(ANCORSTEEL) 1000B인 철-기저 분말을 이루는 조성물과 균형을 이루도록 0.5 %, 0.75 % 및 1 %의 폴리에틸렌(Polywax 500)을 함유하였다. 상기 분말 야금 조성물과 폴리에틸렌을 블렌딩하는 단계의 시험 온도는 150 ℉(65 ℃)였다. 상기 샘플의 외관 밀도는 0.5 %, 0.75 % 및 1 %의 시험 샘플에 대하여 각각 2.92, 2.83 및 2.89였고, 상기 샘플들은 유동(flow)을 나타내지 않았다.
표 2는 세 가지 조성물에 대하여 폴리에틸렌 결합제의 다양한 수준의 가루 날림 저항성 또는 결합 효능, 압축물의 압분 물성, 다이 배출력 값을 보여준다. 폴리에틸렌의 농도 증가는 우수한 가루 날림 저항성 및 낮은 배출력을 나타내었지만, 압분 밀도 및 강도는 감소되었다.
시험 조성물
0.5 % 결합제 0.75 % 결합제 1.0 % 결합제
압분 물성(Green Properties) 압분 밀도(g/cm3) 7.25 7.20 7.14
압분 강도(psi) 3700 3300 3200
압분 팽창률(%) 0.16 0.15 0.19
배출 능력(Ejection Performance) 스트립 압력(psi) 4900 3700 3600
슬라이드 압력(psi) 1900 1400 1300
가루 날림 저항성(Dust Resistance) % C 90.0 94.0 98.0
% Ni 40.2 67.6 73.1
실시예 3
철-기저 및 합금 분말과 폴리에틸렌 결합제의 블렌딩은 실시예 1에 기재된 결합제를 이용하여 다양한 온도에서 수행되었다. 시험 조성물은 합금 분말인 2 % 니켈 및 1 % 그라파이트와, 0.75 % 폴리에틸렌 및 96.25 % 앵커스틸(ANCORSTEEL) 1000B 철-기저 분말이 결합되어 이루어졌다. 혼합된 분말 조성물의 벌크 온도에 대한 시험 블렌딩 온도는 100 ℉(38 ℃), 150 ℉(65 ℃), 170 ℉(77 ℃) 및 220 ℉(104 ℃)였다.
150 ℉ 및 170 ℉에서 블렌딩 된 시험 조성물은 상기 지적한 일반적인 절차에 따라서 제조되었다. 100 ℉에서 블렌딩 된 시험 조성물은 철-기저 및 합금 분말을 초기에 혼합시키고, 그 다음 100 ℉의 블렌딩 온도에서 폴리에틸렌을 차차 첨가하면서 100 ℉로 유지된 용기 내에서 블렌딩 함으로써 제조되었다. 220 ℉에서 블렌딩 된 시험 조성물은 200 ℉에서 철-기저 및 합금 분말을 초기에 가열하고, 200 ℉의 블렌딩 온도에서 폴리에틸렌을 차차 첨가하면서 220 ℉로 유지된 용기 내에서 블렌딩 함으로써 제조되었다. 샘플들의 외관 밀도는 100 ℉, 150 ℉, 170 ℉ 및 220 ℉의 시험 샘플에 대하여 각각 2.88, 2.83, 2.90 및 2.92였고; 상기 샘플들은 유동을 나타내지 않았다.
표 3은 네 가지 조성물에 대하여 폴리에틸렌의 다양한 블렌딩 온도에서의 가루 날림 저항성 또는 결합 효율, 압축물의 압분 물성, 다이 배출력 값을 나타낸 것이다. 폴리에틸렌은 블렌딩 온도가 약 150 ℉에 이를 때까지 결합에 효과를 나타내지 않았다. 더욱 높은 블렌딩 온도에서 폴리에틸렌의 내부 및 외부 윤활성이 감소되어 그 결과, 압분 밀도가 감소되었고, 배출 압력이 증가되었다.
시험 조성물 - 블렌딩 온도
100 ℉ 150 ℉ 170 ℉ 220 ℉
압분 물성(Green Properties) 압분 밀도(g/cm3) 7.16 7.20 7.18 7.17
압분 강도(psi) 2900 3300 3100 3600
압분 팽창률(%) 0.21 0.15 0.19 0.19
배출 능력(Ejection Performance) 스트립 압력(psi) 3800 3700 4100 4300
슬라이드 압력(psi) 1500 1400 1500 1500
가루 날림 저항성(Dust Resistance) % C 47 94.0 98 98
% Ni 24 68 75 78
실시예 4
페트로라이트(Petrolite)로부터 입수한 폴리왁스(Polywax) 500을 200 ℉에서 융해시켰고, 30 psi, 100 psi의 공기압 및 시간 당 50 파운드의 속도로 표준 용융 분무 시스템으로 분무하였다. 생성된 평균 입자 크기가 50 마이크론인 물질이 차후의 스크리닝(screening)이나 가공 없이 이용되었다. 10 g의 폴리왁스(Polywax) 500 결합제를 100g의 쯔므라(Tsumura) 천연 소다(대략 0.5 cm의 직경)에 클라리언트(Clariant)로부터 구입한 2.5 g의 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine) 색소와 함께 첨가하였고, 30 분 동안 150 ℉에서 1 쿼트(quart)의 피케이 블렌더(PK Blender)에서 블렌딩하였다. 냉각시킨 후에, 코팅되고 도색된 생성물을 텀블링(tumbling)시키면서 블렌더로부터 제거하였다. 상기 염(salt)은 결합제 및 색소의 우수한 점착력으로 코어 염 입자에 균일하게 코팅되었다. 다른 실시예로, 적은 양의 천연 소다인 약 1000 마이크론 직경의 쯔므라 염기(Tsumura Sea Pouri Salt Base)를 상기에 열거한 것과 같은 조건으로 클라리언트(Clariant)로부터 입수한 11 g의 폴리왁스(Polywax) 500 및 2.75 g의 구리 프탈로시아닌으로 코팅한 결과, 유사하게 코팅되었고 점착되었다.
실시예 5
실시예 4에서 제조되는 것과 같이 폴리왁스(Polywax) 500을 이용하여, 유리 구슬(glass beads)을 다양한 색소로 코팅하였다. 유리 구슬인 Glass Spheres-시리즈 A는 포터스 인더스트리(Potters Industries, 뉴저지주 Carlstadt 소재)로부터 입수하였고, 직경이 약 1000 마이크론이었다. 세 가지 색소인 엥겔하드 클리블렌드(Engelhard Cleveland, 오하이오주 소재)로부터 입수한 디아니시딘 오렌지(Dianisidine Orange) 2915; 다이아칼라-포프 클립튼(Daicolor-Pope Clifton, 뉴저지주 소재)으로부터 입수한 티타니아(Titania) Mt-100-HD; 및 클라리언트(Clariant)로부터 입수한 코퍼 프탈로시아닌의 코팅 절차는 패터슨 켈리(Patterson Kelly)로부터 입수한 2 쿼트 비 블렌더(quart Vee Blender)에 681 g의 유리 구슬, 6.8 g의 결합제 및 6.9 g의 색소를 첨가하고, 30 분 동안 160 ℉에서 가열하고, 그 다음 30 분 동안 텀블링하면서 냉각시켰다. 반응 생성물은 우수한 점착성을 가지면서 균일하게 코팅되었다. 상기 물질들로 두 번째 실험을 함에 있어서는 색소를 36 g 사용하였다. 최종 생성물은 색상이 더욱 짙어졌고, 코팅 균일성 및 점착성은 동일하게 나타났다.
실시예 6
유니민 그레이즈 미니스피어(Unimin grades Minispheres 4900 및 그래뉴실(Granusil) 4030의 오타와 공장(Ottawa plant)으로부터 입수한 모래를 2 시간 동안 텀블링하면서 150 ℉에서 1 세제곱 피트의 패터슨-켈리 비 블렌더(Patterson-Kelly Vee Blender)에서 폴리왁스(Polywax) 500으로 코팅하였고, 1 시간 동안 텀블링하면서 냉각시켰다. 생성된 물질은 균일하게 코팅되었으며, 물에 방치하여 소수성을 테스트하였다. 물에 젖지 않았으며, 코팅은 일 주일 후 침수(submersion)에 대하여 안정적으로 나타났다. 상기 샘플은 우수한 세균 박멸을 갖는 물 여과 시스템(water filtration system)에 이용되었다.

Claims (17)

  1. (a) 금속-기저 분말과 적어도 하나의 합금 분말의 혼합물을 공급하고;
    (b) 최초 블렌드를 만들기 위해 용매 없이 고체이고, 연화온도가 150 ℃ 이하인 저용융점(low melting) 고분자 또는 왁스로서 적어도 한 방향이 50 마이크론 이하의 평균 입자 크기를 갖는 결합제를 상기 금속-기저 분말 및 상기 적어도 하나의 합금 분말과 블렌딩하고;
    (c) 상기 금속-기저 분말과 상기 적어도 하나의 합금 분말이 상기 결합제에 의해 결합되도록 상기 최초 블렌드의 온도를 적어도 50 ℃, 그러나 상기 결합제의 녹는점 이하의 온도로 상승시키고; 그리고
    (d) 야금 분말 조성물을 형성하도록 상기 혼합 분말 조성물의 온도를 상온으로 낮추는;
    단계로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 야금 분말 조성물의 총 중량에 대하여 상기 금속-기저 분말이 적어도 80 중량%, 상기 합금 분말이 약 0.25∼4 중량%, 상기 결합제는 약 0.25∼2 중량%의 양으로 존재하는 응집-저항성(segregation-resistance) 및 가루날림-저항성(dust-resistance)을 갖는 야금 분말 조성물의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 결합제는 폴리에스테르, 에폭시, 우레탄, 파라핀 왁스, 에틸렌 비스스테아라미드(ethylene bisstearamide) 또는 목화씨 왁스(cotton seed wax)를 함유하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 결합제는 약 4,000 이하의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리에틸렌을 함유하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 조성물이 적어도 90 중량%의 철-기저 분말을 함유하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 폴리에틸렌 결합제는 약 2,000 이하의 중량 평균 분자량을 갖는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 야금 분말 조성물이 약 0.25∼2 중량%의 폴리에틸렌 결합제를 함유하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 결합제는 중량 평균 분자량이 3,000 이하인 고체의 저용융점 폴리올레핀 또는 고체 식물 오일 또는 이들의 수소경화(hydrogenated) 유도체인 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 결합제는 평균 입자 크기가 적어도 한 방향으로 0.01∼50 마이크론인 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 결합제는 평균 입자 크기가 적어도 한 방향으로 0.01∼20 마이크론인 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조방법.
  10. 제2항에 있어서, 상기 결합제는 평균 입자 크기가 적어도 한 방향으로 0.01∼50 마이크론인 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조방법.
  11. 제2항에 있어서, 상기 결합제는 평균 입자 크기가 적어도 한 방향으로 0.01∼20 마이크론인 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조방법.
  12. 제3항에 있어서, 상기 결합제는 평균 입자 크기가 적어도 한 방향으로 0.01∼50 마이크론인 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조방법.
  13. 제3항에 있어서, 상기 결합제는 평균 입자 크기가 적어도 한 방향으로 0.01∼20 마이크론인 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조방법.
  14. 제5항에 있어서, 상기 결합제는 평균 입자 크기가 적어도 한 방향으로 0.01∼50 마이크론인 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조방법.
  15. 제5항에 있어서, 상기 결합제는 평균 입자 크기가 적어도 한 방향으로 0.01∼20 마이크론인 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 결합제는 폴리에스테르, 에폭시, 우레탄, 파라핀 왁스, 목화씨 오일, 중량 평균 분자량이 약 4,000 이하인 폴리에틸렌, 중량 평균 분자량이 약 3,000 이하인 폴리올레핀, 고체 식물 오일, 고체 식물 오일의 수소경화(hydrogenated) 유도체, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 고분자 또는 왁스를 함유하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 결합제는 분자량이 약 100,000 이하인 폴리에틸렌 글리콜을 함유하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 혼합물의 제조방법.
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