KR100245511B1 - 피절삭성이 개선된 철-기지분말조성물및그소결제품 - Google Patents

피절삭성이 개선된 철-기지분말조성물및그소결제품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철-기지 분말 조성물의 피절삭성을 개선시키기 위한 첨가제를 제공하려는 것이며, 상기 첨가제를 포함하는 분말 조성물 및 이로부터 제조된 소결제품을 제공하려는 것이다. 본 발명에 다른 첨가제는 분말 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 0.6중량 퍼센트의 플루오르화 칼슘을 포함한다.

Description

피절삭성이 개선된 철-기지 분말 조성물 및 그 소결제품
본 발명은 물품들을 분말 야금학적으로 제조하는데 사용하기 위한 철-기지 분말 조성물에 첨가되는 피절삭성 개선용 분말에 관한 것이다.
물품들을 분말 야금학적으로 제조하는데에는 다음의 단계들을 필요로 한다. 일반적으로, 철 또는 강 분말인 기지 분말(base powder)이 니켈, 구리, 몰리브덴 및 탄소와 같은 (분말 형태의) 합금원소 및 윤활제와 혼합된다. 그런후에, 분말 혼합물은 최종형상의 생형본체(green body)를 만드는 프레스 공구에서 압분된다. 압분후에, 압분체는 최종 강도, 경도, 연신율 등을 얻기 위해서 소결된다.
물품들의 분말 야금학적 제조에 따른 주요 잇점들 중의 한 가지는 압분 및 소결에 의해서 최종형상 또는 최종형상에 가까운 블랭크(blank)를 만들어 낼 수 있다는 것이다. 그러나, 상기 압분 및 소결단계 이후에는 예를 들어, 기계가공과 같은 부수적인 단계들을 더 필요로 한다. 즉, 최종 물품이 높은 정밀도를 필요로 하거나 가압직후 보다는 소결후의 기계 가공에 의하여 최종 형상을 가지므로, 부수적인 기계 가공단계들이 필요하다. 특히, 압분 방향으로 관통하는 구멍, 언더커트(under cut) 및 나사줄과 같은 기하학적 형상들은 부수적인 기계가공을 필요로 한다.
고강도, 즉, 고경도를 갖는 새로운 소결 강들을 연속적으로 개발함에 따라서, 기계가공은 물품들의 분말 야금학적인 제조에 있어서 주요한 문제중의 하나로 부상하게 되었다. 즉, 기계가공은 분말 야금학적인 제조가 물품의 제조를 위한 가장 경제적인 방법이 될 수 있는지의 여부를 결정하는 제한 요소가 된다. 그러므로, 소결된 강의 피절삭성을 개선시키기 위해서 새롭고 보다 효과적인 첨가제들이 필요하다. 첨가제는 인장강도 및 연신율과 같은 소결된 재료의 기계적인 성질들에 악영향을 끼치지 않는 것이 중요하다.
현재는, 소결후에 물품들의 피절삭성을 개선시키기 위해서 철-기지 분말 혼합물에 추가되는 다수의 공지된 물질들이 존재한다.
유럽 특허 제 0 183 666호에 개시된 바와 같이, 가장 일반적인 분말 첨가제는 MnS이다. 상기 유럽 특허에는 소결된 강의 피절삭성이 상기 분말 첨가제에 의해서 어느 정도 개선되는지가 기재되어 있다. 또한, 약 180HV 이상의 경도를 갖는 재료들은 기계 가공하기 어렵고 MnS를 추가하여도 적절하게 기계가공될 수 없음이 기재되어 있다. 게다가, MnS를 추가하게 되면, 소결후에 재료의 강도가 수용 불가능할 정도로 감소된다는 사실이 기재되어 있다.
미합중국 특허 제4,927,461호에는 소결후에 피절삭성을 개선시키기 위해서 철-기지 분말 혼합물에 육방정계 질화붕소(BN)를 추가하는 것이 기재되어 있다., 미세한 질화붕소(BN) 분말(0.05 내지 1.0㎛)을 괴상화함으로써, 소결후에 MnS를 추가하여 철-기지 분말 혼합물의 피절삭성을 개선시키는 것과 유사한 결과를 얻을 수 있다. 그러나, 소결 강도는 정량의 질화붕소(BN)를 추가하는 것은 MnS를 추가하는 것에 비해 영향을 덜 받는다. MnS를 추가할 때와 같이, 질화붕소(BN)를 추가한 경우에도 200HV 이상의 경도를 갖는 재료들을 기계가공하는 것은 불가능하다.
WO 91/14526 호에는 기계 가공하기 어려운 분말 야금학적 재료들의 피절삭성을 약 2배정도 개선시키기 위해서 MnS와 함께 소량의 텔루륨(Te) 및/또는 셀레늄(Se)이 어떻게 사용되는 지가 개시되어 있다. 텔루륨(Te) 및/또는 셀레늄(Se)을 추가하면 환경오염 문제가 발생하는데, 이 첨가제들에 대한 위생학적인 한도는 매우 낮다. 따라서, 환경보호의 측면에서 볼 때 이 첨가제들에 대한 규제가 시급하다.
본 발명의 목적은 소결후 합성 물품들에 대한 개선된 피절삭성을 부여하기 위해서 철-기지 분말 조성물 또는 강-기지 분말 조서물에 추가되는 분말을 제공하는데 있다. 특히, 본 발명은 기계가공이 어려운 재료의 피절삭성을 개선시키기 위한 첨가제를 제공한다. 상기 재료는 약 180HV 이상의 경도와 약 700MPa 이상의 강도를 가지며 경질상의 재료로부터 유리되어 있다.
본 발명의 다른 목적은 소결중의 강도 및 칫수변화와 같은 소결된 물품의 기계적인 성질에는 거의 영향을 끼치지 않으면서 환경에 무해한 피절삭성 개선제를 제공하는데 있다.
이러한 목적들은 불화 칼슘입자들을 함유하는 첨가제를 철-기지 분말 조성물에 혼합함으로써 달성될 수 있다. 이러한 입자들은 필수적으로 자유로운 상태(즉, 흑연입자들에 부착되지 않음)가 되고, 100㎛ 이하의 평균 입자크기를 갖는다. 바람직한 입자크기는 20㎛ 내지 70㎛이다. 만일, 입자크기가 너무 크면, 소결된 물품의 강도가 저하되고 피절삭성 개선 효과가 불량해진다. 또한, 분말 첨가제가 너무 미세하면, 피절삭성 개선효과가 불충분해진다. 불화칼슘 입자들은 합성되거나 또는 자연상태 그대로 존재하게 된다. 불화 칼슘의 순도는 피절삭성 개선효과에 영향을 끼치며, 형석과 같은 사용된 시발재료의 불순물 함유량은 3 중량 퍼센트, 바람직하게는 2 중량 퍼센트를 초과해서는 안된다. 본 발명에 따르면, 피절삭성 개선용 불화 칼슘 함유 분말이, 분말 조성물의 약 0.1 내지 0.6 중량 퍼센트, 바람직하게는 0.15 내지 0.6 중량 퍼센트, 보다 바람직하게는 0.2 내지 0.5 중량 퍼센트에 달하는 양으로 철 또는 강 분말에 추가된다. 0.1 중량 퍼센트 이하의 불화 칼슘(CaF2)이 포함되면, 피절삭성 개선 효과가 불충분하게 된다. 반면에, 0.6 중량 퍼센트 이상이 되면, 불화 칼슘(CaF2)은 강도 및 칫수 변화에 악영향을 끼친다.
불화 칼슘(CaF2)을 기초로한 불소 화합물을 사용하는 경우에는 실온과 승온하에 놓이는 포면들 사이의 마찰을 줄이기 위해서 고체 윤활제가 채용된다. 이것은 ASLE 보고서, 제 16/1권, 42 내지 49쪽에 "고온 작동을 위한 고체 윤활제 피복의 개량(Some Improvements in Solid Lubricants Coatings for High Temperature operations)"이라는 제목으로 발표된 바있다.
경질상의 재료를 포함하는 밸브 시이트와 같은 소결된 제품의 내마모성을 개선시키기 위해서 분말 야금학적 재료들에 불화 칼슘 및 또는 불화 바륨을 윤활제로서 사용하는 것이 미합중국 특허 제4,274,876호, 제4,836,848호, 일본국 특허출원 제53-123314호, 구소련 특허출원 제885-319호, 제1114-70호, 제1481-262호, 일본국 특허출원 63-42348호 및 유럽 특허 제277 239호에 설명되어 있다.
구소련 특허출원 제1585-069호에는 분말 야금학적 재료들의 피절삭성을 개선시키기 위해서 사용될 수 있는 불화 칼슘(CaF2) 및 황(S)의 추가방법이 기재되어 있다. 불화 칼슘(CaF2)의 추가함량은 매우 높다(2 내지 3%). 한편, 황(S)은 종래의 재료와 분말 야금학적 재료들의 피절사성을 개선시키기 위한 원소로서 잘 알려져 있다. 그러나, 이 소련 특허출원에서는 분말 야금학적 재료의 피절삭성을 개선시키고자 하는 해당 기술분야의 숙련된 당업자에 대한 안내기능을 제대로 수행하지 있지 못하다. 왜냐하면, 불화 칼슘(CaF2)의 양을 줄이기 전에 황(S)을 먼저 제거해햐여야 하는데, 그러한 내용이 기재되어 있지 않기 때문이다. 비록, 본 발명에 따른 첨가제가 MnS와 같은 다른 종래의 피절삭성 개선용 첨가제와 결합할 수 있을 지라도, 황은 제거되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 황은 환경을 오염시킬 뿐만 아니라 상당한 칫수변화를 초래하기 때문이다.
일본국 특허출원 제63-137137호에는 소결후에 얻어진 물품, 즉 본 발명에서와 동일한 물체의 피절삭성을 개선시키기 위해서 철-기지 분말 혼합물에 불화 칼슘(CaF2) 또는 불화 바륨(BaF2)을 추가하는 것이 기재되어 있다, 그러나, 이 일본국 특허 출원에 따르면, 불화물은 철 또는 강 조성물에 추가되는 경우에 유리되지 않으며, 흑연에 완전하게 또는 부분적으로 달라붙는다. 흑연에 달라붙는 불화물을 사용하는 목적은 철 기지 내에서 흑연이 완전하게 용해되는 것을 방지하기 위한 것이다. 용해되지 않은 흑연은 기계가공시에 공구와 재료사이에 윤활막을 형성시킴으로써 윤활제로서 작용한다. 또한, 일본국 특허출원은 비교적 굵은 탄소 입자들을 추가하는 것이 기재되어 있는데, 이것은 최종 물품의 강도를 해치게 된다. 그러므로, 일본국 특허 출원은 유리된 불화물 입자들이 개선된 피절삭성을 제공한다는 점에 대해서는 설명되어 있지 않다. 일본국 특허출원에 따른 발명에 대비한 본 발명의 장점은 탄소에 대한 불화 칼슘의 흡착단계를 제거하였다는 것이다. 왜냐하면, 탄소는 본 발명에서 사용될 필요가 없기 때문이다. 만일, 탄소를 추가하는 것이 바람직한 경우에는 미세한 탄소입자들을 사용함으로써 비교적 개선된 강도를 얻을 수 있다.
전술한 첨가제 이외에도, 본 발명은 첨가제를 함유하는 철-기지 분말 또는 강-기지 분말을 제공한다. 소결된 제품들은 이러한 조성물로부터 제조된다. 이러한 분말 조성물들은 경질상의 재료로부터 필수적으로 유리된다. 예비 시험을 통해서 볼 때, 경질상의 재료가 철 또는 강 조성물들에 포함되는 경우에 본 발명에 따른 첨가제는 별다른 피절삭성 개선 효과를 나타내지 않음을 보여준다. 명세서에 사용된 "경질상의 재료(hard phase material)"는 합금의 경도를 초과하거나 또는 800 마이크로비커스(microvickers)를 초과하는 경도를 갖는 비금속 재료에 관계된다. 경질상 재료의 예로서는 탄화물, 질화물, 산화물 및 붕화물이 있다.
본 발명에 따른 분말 조성물은 철(Fe)과 첨가제 이외에, 통상적으로 분말형태로 포함되는 탄소(C), 인(P), 크롬(Cr), 망간(Mn), 구리(Cu), 니켈(Ni) 및/또는 몰리브덴(Mo)과 같은 다른 물질을 포함한다. 바람직하게도, 이러한 물질들은 다음과 같은 함량으로 분말 조성물에 포함된다. 즉, 0.1 내지 2 중량 퍼센트의 탄소(C), 0.6 중량 퍼센트 이하의 인(P), 25 중량 퍼센트 이하의 크롬(Cr), 10 중량 퍼센트 이하의 망간(Mn), 5 중량 퍼센트 이하의 구리(Cu), 8 중량 퍼센트 이하의 니켈(Ni), 2 중량 퍼센트 이하의 몰리브덴(Mo)이 포함되며, 전술한 첨가제는 0.1 내지 1.0중량 퍼센트, 바람직하게는 0.3 내지 0.9 중량 퍼센트의 양으로 포함된다.
본 발명에 따른 불화 칼슘(CaF2) 및 불화 바륨(BaF2)은 본 발명의 이전에도 피절삭성을 개선시키기 위해서 황(S)과 함께, 공지된 철 및 강 조성물에 사용된 바 있다. 그러나, 황(S)이 소결중에 팽창(swelling)을 유발시키는 반면에, 불화 칼슘(CaF2) 및 불화 바륨(BaF2)은 소결중에 물품의 칫수에 영향을 끼치지 않기 때문에, 상기 공지된 조성물은 소결중에 팽창을 유발시킬 수 있는 황(S)과 같은 물질과 혼합될 수 있다. 이와같은 팽창물질의 예로서는 MoS2가 있는데, 이것은 철-기지 조성물의 0.05 내지 0.5 중량 퍼센트, 바람직하게는 0.1 내지 0.3 중량 퍼센트를 차지한다.
본 발명에 따른 첨가제를 이용하는 물품의 분말 야금학적 제조 방법은 종래의 방식으로 수행된다. 이 방식에는 다음과 같은 단계들이 포함된다. 먼저, 철 또는 강 분말인 기지 분말이 본 발명에 따른 분말형 첨가제 뿐만아니라, 니켈, 구리, 몰리브덴 및 임의의 탄소와 같은 바람직한 합금 원소들과 혼합된다. 이러한 분말 혼합물은 압분하기 전에 스테아르산 아연과 같은 종래의 윤활제와 혼합된다. 이 윤활제는 소결과정 동안에 없어진다. 합금 원소들을 재료내에 균일하게 분포시키기 위하여 혼합이 수행되었다. 그후에, 분말 혼합물은 최종형상의 생형본체(green body)를 만드는 프레스 공구에서 압분된다. 압분은 400 내지 800 MPa의 압력하에서 수행된다. 높은 압분압력은 밀도를 크게 증가시키는 반면에, 공구의 마모를 증가시킨다. 낮은 압분 압력은 대부분의 물품으로 쓰이기에는 너무 낮은 밀도를 수반한다. 압분후에, 압분체는 소결되고, 최종 강도, 경도 및 연신율 등을 얻게 된다. 소결은 구리를 합금원소로서 사용할 수 있게 하기 위하여 1083℃ 이상의 온도에서 수행되어야 한다. 재료내에서의 확산율과 소결시간의 최소화라는 측면에서 볼때 최대 온도가 바람직하다. 그러나, 대부분의 제작로는 1150℃ 이상의 온도에서 작동하게 된다. 현재, 가장 일반적인 소결온도는 1120℃이다. 이 온도에서, 30분 동안 소결한 후에 바람직한 특성들이 달성된다.
이하, 비제한적인 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
이 실시예들에 사용된 모든 재료들은 스웨덴 왕국의 회가내스 아베(Hoganas AB)사에 의해서 시판중에 있으며, 다만, 고순도(99% CaF2)의 미세한 형석인 불화 칼슘(CaF2)은 스웨덴 왕국의 인데스코 아베(Indesko AB)사에 의해서 시판되고 있는 제품을 사용하였고, 불화 바륨(BaF2)은 독일의 칼리-케미 악티엔게젤샤프트(Kali-Chemie AG)사에 의해서 시판되고 있는 제품을 사용하였다. 다음의 실시예들에 사용된 재료들은 600MPa의 압력하에서 ISO 2740-1973에 따른 표준화된 인장 시험용 막대 및 50㎜ 직경과 12㎜ 높이를 갖는 원판으로 압분되었다. 이 재료들은 실험적인 메쉬 벨트로(mesh belt furnace)에서 흡열 분위기하에서 1120℃로 30분동안 소결되었다. 이때, 재료들의 탄소 함유량은 0.5%이다. 시험 막대들은 EN 10002-1에 따른 인장강도, ISO 6507/1-1992에 따른 경도 및 칫수변화를 결정하기 위해서 사용되었다. 원판들은 피절삭성 지표를 결정하기 위한 드릴 시험에 사용되었다. 피절삭성 지표는 6개의 동일한 드릴이 닳아 없어지기 전에 6개의 원판을 뚫은 평균 구멍 갯수로서 정의된다. 드릴링은 냉각수 없이 일정한 속도 및 일정한 작동주기로 고속강 드릴을 사용하여 수행되었다.
모든 시험에 사용된 시험재료는 4% 니켈, 1.5% 몰리브덴, 0.5% 탄소와 그 나머지로 철을 함유하는 고강도 철-기지 재료이다. 하기에 특정화된 조건하에서 압분과 소결이 진행된 후에, 상기 시험재료는 약 700MPa의 강도와 약 200HV의 경도를 가진다.
[제 1 실시예]
기계적인 성질 및 피절삭성에 대한 첨가제의 영향을 평가하기 위해서, 하기 표 1에 기재된 성분들을 갖는 6개의 각기 다른 재료가 MnS 또는 CaF2첨가제와 혼합 되었다. 사용된 MnS는 피절삭성의 향상을 위해서 일반적으로 사용되는 성분이지만, 본원 발명에서는 CaF2의 총중량을 기초로할때 적어도 30 중량 퍼센트, 바람직하게는 적어도 15 중량 퍼센트의 비율로 첨가된다. CaF2는 63㎛ 크기의 체에 의해서 걸러져서, 미세한 분말로서 사용되었다. 해리된 암모니아내에서 소결된 Fe+0.6%P 재료를 제외하고는, 재료들은 위에서 언급한 바와 같이 처리되었다. 표 1을 통해서 알 수 있는 바와 같이, 참고용인 MnS를 함유하는 재료보다 CaF2를 함유하는 재료의 피절삭성이 우수하다. 인장강도는 MnS를 추가할 때 보다 CaF2를 초가할 때 더 적은 영향을 받는다. 또한, CaF2를 초가할 때, 더 작은 칫수변화가 초래된다.
[표 1]
[제 2 실시예]
Fe+4%Ni+1.5%Cu+0.5%Mo+0.5%C로 구성된 재료가 각기 다른 양의 63㎛ 이상 크기의 CaF2와 혼합되었다. 이 재료는 위에서 언급한 바와 같이 처리되었다. 처리후에, 피절삭성과 인장강도를 측정하였다. CaF2가 추가되지 않은 재료는 736MPa의 인장강도, 205HV 10의 경도 및 4의 피절삭성 지표를 갖는다. 그 결과들이 제1도에 표시되어 있다. 제1도를 통해서 잘 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 영역내에 해당하는 양만큼 CaF2가 추가되는 경우, 피절삭성이 크게 향상된다. 또한, 제1도를 참조하면, 인장강도는 CaF2의 양이 증가함에 따라서 허용불가능한 수준까지 감소된다.
[제 3 실시예]
Fe+4%Ni+1.5%Cu+0.5%Mo+0.5%C로 구성된 재료가 각기 다른 입자 크기로 분류된 0.3% CaF2와 혼합되었다. 최대 입자크기는 20㎛ 내지 150㎛이다. 이 재료를 위에서 언급한 바와 같이 처리한 후, 피절삭성과 인장강도를 측정하였다. 그 결과가 제2도에 나타나있다. CaF2가 추가되지 않은 재료는 736MPa의 인장강도, 205HV 10의 경도 및 4의 피절삭성 지표를 갖는다. 최대 CaF2입자크기가 30㎛ 내지 100㎛인 경우에, 피절삭성은 최대가 된다. 인장강도의 영향은 최대 입자크기가 증가함에 따라서 감소하지만, 최대 입자크기가 140㎛를 초과하는 경우에는 그러하지 아니한다. 즉, 허용불가능할 만큼 저하된다. 평균 입자크기는 최대 입자크기의 ½ 내지 ⅔이다.

Claims (6)

  1. 철(Fe) 이외에, 합금원소인 탄소(C), 인(P), 크롬(Cr), 망간(Mn), 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 몰리브덴(Mo) 중 하나 이상의 원소를 함유하며 경질상의 재료로부터 유리되어 있는 피절삭성이 개선된 철-기지 분말 조성물에 있어서, 상기 조성물은 피절삭성을 개선시키기 위한 첨가제로서 0.1 내지 0.6 중량%의 불화 칼슘(CaF2)을 함유하고, 상기 불화 칼슘(CaF2)의 입자들이 흑연 입자들에 부착되지 않고 하나 이상의 피절삭성 개선용 첨가제와 결합하며, 소결제품의 피절삭성 개선용 첨가제내에 황(S)이 존재하지 않음을 특징으로 하는 피절삭성이 개선된 철-기지 분말 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 합금원소는 상기 철-기지 분말 조성물의 중량을 기초로 할 때, 0.1 내지 1.2 중량%의 탄소(C), 0.6 중량% 이하의 인(P), 25 중량% 이하의 크롬(Cr), 10 중량% 이하의 망간(Mn), 5 중량% 이하의 구리(Cu), 8 중량% 이하의 니켈(Ni), 2 중량% 이하의 몰리브덴(Mo)을 포함하는 것을 특징으로 하는 철-기지 분말 조성물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 철-기지 분말 조성물은 0.05 내지 0.5 중량%의 MoS2를 함유하는 것을 특징으로 하는 철-기지 분말 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 불화 칼슘(CaF2)의 평균입자 크기는 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 철-기지 분말 조성물.
  5. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 피절삭성 개선용 첨가제는 불화 칼슘(CaF2)의 총중량을 기초로 할때, 30 중량% 이상의 MnS임을 특징으로 하는 철-기지 분말 조성물.
  6. 경질상의 재료로부터 유리되어 있고 피절삭성이 개선된 소결제품에 있어서, 0.1 내지 1.2 중량%의 탄소(C), 0.6 중량% 이하의 인(P), 25 중량% 이하의 크롬(Cr), 10 중량% 이하의 망간(Mn), 5 중량% 이하의 구리(Cu), 8 중량% 이하의 니켈(Ni), 2 중량% 이하의 몰리브덴 및 0.1 내지 0.6 중량%의 불화 칼슘(CaF2)을 함유하는 것을 특징으로 하는 소결제품.
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