KR100258376B1 - 고인장 강도를 갖는 망간함유 철-기저 분말 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분말을 압축 및 소결함으로써 제품을 분말 야금학적으로 제조하기 위한 철-기저 분말에 관한 것이다. 상기 분말은 중량비로, 0.25 내지 2.0% Mo, 1.2 내지 3.5% Mn, 0.5 내지 1.75% Si, 0.2 내지 1.0% C, 및 0.25% 이하의 Cu를 포함하는 불순물을 2% 이하로 함유한다. 본 발명은 또한, 상기 철 분말로부터 소결된 제품을 제조하기 위한 방법 및 그 방법에 의해 제조된 소결 제품에 관한 것이다.

Description

고인장 강도를 갖는 망간함유 철-기저 분말 {MANGANESE CONTAINING IRON-BASED POWDER HAVING HIGH TENSILE STRENGTH}

니켈은 분말 야금분야의 철-기저 분말 조성물에 있어서 상당히 보편적인 합금 원소이며 니켈을 8%까지 함유하는 철 분말합금에 의해 제조된 소결제품의 인장강도를 개선하는 것으로 알려져 있다. 또한, 니켈은 소결작용을 촉진하며 경도를 증가시키는 동시에, 연신율에 양호한 결과를 제공한다.

본 발명에 따라 제조된 제품과 유사한 특성을 갖는, 현재 시판중인 분말로는 니켈을 4%까지 함유하는 디스탈로이 에이이(Distaloy AE,등록상표)가 있다.

그러나, 니켈은 예를들어 고가이고 분말처리 공정중 먼지문제를 유발하며 소량으로도 알레르기의 원인을 유발하므로, 니켈을 함유하지 않은 분말에 대한 요구가증대하고 있다. 따라서, 환경오염적 측면으로부터 니켈의 사용은 억제되어야 한다.

본 발명은 가압 및 소결에 의해 제품을 제조하기 위한 철-기저(iron-based powder) 분말합금에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 니켈을 함유하지 않고 소결시 고인장 강도와 같은 유효한 특성을 갖는 제품을 제공할 수 있는 분말 조성물에 관한 것이다. 상기 제품은 예를들어, 자동차 산업분야에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 이러한 분말을 이용하여 분말 야금학적으로 제조된 제품 및 그러한 제품을 분말 야금학적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 니켈 함유 조성물과 동일한, 적어도 몇몇 특성을 갖는 니켈을 함유하지 않는 분말 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 저가의 환경 친화적 재료를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 저온 및 고온에서의 소결후에 공지의 디스탈로이 에이이 분말보다 우수한 인장강도치를 갖는 소결제품을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른, 철 이외에도 중량비 단위로, 0.25 내지 2.0%의 Mo, 1.2 내지 3.5%의 Mn, 0.5 내지 1.75%의 Si, 0.2 내지 1.0%의 C, 및 2%의 불순물을 함유하는 금속 분말은 매우 흥미있는 특성을 나타낸다. 본 발명에 따른 상기 금속 분말을 고온에서 가압하여 소결하면 1200MPa까지의 인장강도를 갖는 금속 분말이 얻어진다.

본 발명에 따른 양호한 철-기저 분말 조성물은 중량비 단위로, 0.5 내지 2%의 Mo, 1.2 내지 3%의 Mn, 0.5 내지 1.5%의 Si, 0.3 내지 0.9%의 C, 및 0.25%이하의 Cu를 포함하는 2%이하의 불순물을 함유한다. 상기 Cu 이외에도 불순물로는 각각 중량비로 0.5%이하의 범위내에서, Cr, Ni, Al, P, S, O, N, Be, B 등을 포함한다.

상기 Mo는 Fe와 부분적으로 예비합금화되거나 Fe와 예비합금화된 금속 분말로서 사용된다. Mo가 상기 철분말에 첨가되면, 압축된 재료의 경도가 증가되나, Mo의 함량은 중량비로 적어도 0.25% 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, Mo의 함량이 증가하면 압축율이 감소되어 밀도를 감소시키므로, Mo의 함량은 중량비로 2.0%이하가바람직하다. 게다가, 고함량의 C와 관련하여 Mo의 양이 너무 많아지면, 소결재료를 경질로 만들고 취성을 띠게 하여 소결재료의 강도가 감소하게 된다.

Mo는 소결재료에 있어서 베이나이트와 마르텐사이트로 구성된 더욱 균질한 미세구조를 얻을 수 있게 하는 예비합금화된 기저 분말의 형태로 첨가되는 것이 바람직하다.

특히 양호한 본 발명의 실시예에 따라서, Mo는 각각 1.5 및 0.85% Mo을 함유하는 상기 아스탈로이 Mo 또는 아스탈로이 85 Mo(스웨덴 회가내스 아베 시판)의 형태로 첨가된다.

Mn과 Si는 경도를 개선한다. 상기 원소는 바람직하게, 중량비로 각각, 1.2%와 0.5% 이상의 양으로 첨가된다. 그러나, 상기 Mn과 Si의 양이 예컨데, 3.5%와 1.75% 이상과 같이, 너무 많으면 압축율을 감소시키고 산화 문제점을 일으키게 된다. 예비합금화된 기저 분말내에 Mn과 Si의 함량이 너무 많으면 용체화에 의한 강력한 경화효과를 초래하는 반면에, 원소 형태로 첨가된 상기 원소들은 산소에 대해 높은 친화력을 가진다.

그러나, 상기 원소들이 마스터(master)합금 형태로 추가된다면 산소에 대한 친화력이 감소되어 산소에 대한 감도가 낮아지게 된다. 이와같이, 본 발명의 양호한 실시예에 따라서, 상기 Mn과 Si는 중량비로, 10 내지 30%의 Si와, 20 내지 70%의 Mn과, 나머지는 Fe로 구성되며, Mn/Si의 중량비가 1 내지 3인 Fe-Mn-Si-마스터 합금의 형태로 첨가된다. 상기 마스터 합금은 예를들어, (Fe,Mn)₃Si 및 (Fe,Mn)₅Si₃으로 구성될 수 있으며 이러한 합금은 EP 97 737호에 기술되어 있다. 상기 마스터 합금은 또한 개선된 압축율을 제공하며 소결된 재료의 미세구조를 더욱 균일하게 하는데, 그 이유는 소결중 상기 Fe-Mn-Si-마스터 합금은 소결을 촉진하고 확산을 용이하게 하고 마르텐사이트의 양을 증가시키고 또한 미세 공동을 둥글게 하는 액상을 일시적으로 형성하기 때문이다. 상기 마스터 합금의 경우에는 실리콘에 의해 유발되는 커다란 수축을 방지할 수 있고 거의 0에 가깝게 칫수 변화율을 유지할 수 있다. 이와는 달리, 상기 Mn 및 Si는 페로-망간 및 페로실리콘의 형태로 첨가될 수도 있다.

흑연 분말로 첨가되는 C의 양이 0.2% 이하이면 인장강도가 너무 낮아지고 C의 양이 1.0% 이상이면 소결제품은 너무 높은 취성을 갖게 된다. C의 함량이 상당히 낮은 본 발명에 따른 조성물로 제조된 제품은 양호한 인성과 허용가능한 인장강도를 갖는 반면에, C의 함량이 높은 조성물로 제조된 제품은 낮은 인성과 증가된 인장강도를 가진다. 흑연의 첨가는 소결 분위기에서 수행되어야 한다. 소결 분위기중에 수소가 많으면 많을수록 보다 큰 탈탄으로 인해 더 많은 양의 흑연이 첨가되어야 한다. 보통 약간의 탄소가 소결공정중에서 사라지므로 소결제품의 탄소 함량은 철-기저 분말의 탄소 함량보다 낮아야 한다. 따라서, 소결된 제품의 탄소 함량은 보통 중량비로 0.15 내지 0.70% 범위에서 변화하게 된다.

첨가될 수 있는 불순물로서는 Ni, Cu, 및 Cr이 첨가될 수 있다. 상기 원소들은 각각 중량비로 0.25%이하로 존재할 수 있으나, 단지 소량 즉, 조성물중의 중량비로 0.1% 이하로 존재하는 것이 양호하다. 다른 가능한 불순물로서는 청구범위에 제시한 바와같은 Al, P, S, O, N, Be 및 B가 첨가될 수 있다. 불순물의 총량은 중량비로 2% 이하이나 바람직하게는 1% 이하라야 한다.

상이한 양의 Mo, Mn/Si, 및 C의 첨가에 의한 영향은 각각, 도 1 내지 도 3에 나타냈다.

상기 철-기저 분말이외에도, 본 발명은 이와같은 신규한 분말을 이용하여 제품을 생산하는 방법 및 그 생산된 제품에 관한 것이다. 상기 분말야금학적 방법은 본 기술분야에 있어서의 숙련자들에게 공지되어 있는 종래의 방식대로 수행되는데, 그러한 방법은 압축, 소결 ,및 선택적으로 재압축 및 소결 및/또는 분말의 ??칭 및 템퍼링 단계들을 포함한다. 상기 압축단계는 냉간 및 열간 압축단계에 의해 수행될 수 있고 상기 소결단계는 저온 소결 및 고온 소결단계에 의해 수행될 수 있다. 소결 분위기 및 소결 시간은 종래기술에 공지된 바와같이 최종제품의 예비특성에 강력한 영향을 주는 것으로 공지되어 있다.

공지의 기술로서는 WO 80/01083호 공보가 있으며, 이 공보에는 본 발명의 제품의 조성과 유사한 조성을 갖는 합금강 제품이 기술되어 있다. 그러나, 이들 공지의 제품은 종래의 주조법에 의해 제조된 공동이 없는 제품들이다. 특별한 연속적인 열처리법인 오스템퍼링(austempering)은 거의 완전한 베이나이트 구조를 갖는 제품을 얻기 위해 수행된다. 상기 합금원소들의 상기 범위이외에도, 상기 공지 제품들은 출발재료, 처리공정 및 미세구조와 같은 여러 측면에서 본 발명에 따라 제조된 제품과 상이하다.

약 1200 MPa까지의 인장강도를 갖는 재료를 신규한 철-기저 조성물을 사용하여 얻을 수 있다는 점은 전혀 예상할 수 없는 것이었다. 이와같은 현저한 특성은예를들어, 수소 분위기하에서 약 1 시간동안 1200 내지 1280℃에서 고온 소결함으로써 얻어질 수 있다. 저온 소결 즉, 1110 내지 1150℃ 사이에서의 소결시, 본 발명에 따라 제조된 압축 소결체는 1000 MPa까지의 매우 높은 인장강도를 갖는다는 점에서 구별된다. 또한, 6.8 내지 7.0 g/㎤와 같은 상당히 적절한 밀도에서 예상치 못한 높은 인장강도를 얻을 수 있다는 점도 발견되었다. 또한, 상기 신규한 조성물이 상이한 밀도에서의 칫수변화에 대한 상당한 안정성을 나타낸다는 것도 알아냈다.

요약하면, 분말제조 비용 및 환경에 대한 적합한 결과를 고려할 때, 본 발명에 따른 소결제품의 고인장강도는 본 발명을 매우 유용하게 한다.

본 발명에 대해 다음 실시예에서 더욱 상세히 설명한다.

Mo, Mn, Si, 및 C에 대해 서로 상이한 합금 조성물에 대해 실험했다. 45% Mn, 및 21% Si 및 나머지 성분으로서 철을 갖는 마스터 합금이 다음 실험에 사용되었다. 상기 마스터 합금, 흑연 ,및 일부 실험에서는 Mo분말이 ASC100.29, 아스탈로이 85 MO 또는 아스탈로이 MO에 혼합되었다. 인장 실험용 바아가 혼합된 수소 질소 분위기하에서 30 내지 60 분동안 1250℃에서 소결된 이후에 600 MPa에서 압축되었다. 최적의 강도 특성은 도 1에서 0.25 내지 2.0%의 함량을 갖는 몰리브덴에서 얻어진다. 경도는 몰리브덴의 첨가 함량이 낮을수록 매우 낮은 반면에 밀도는 몰리브덴의 첨가 함량이 높을수록 매우 낮아진다. 상기 몰리브덴의 함량은 0.5 내지 2% 범위가 바람직하다. 철과 상이한 양의 Mo 이외에도, 상기 실험 분말은 2.8% Mn, 및 1.2% Si 및 0.7% 흑연을 함유한다.

소량의 마스터 합금의 첨가는 재료의 경도 약화를 초래하여 강도를 저하시킨다. 많은 합금화 원소의 첨가는 압축율을 감소시키는 마스터 합금의 체적을 크게 하며 재료의 팽윤(swelling)을 초래하게 된다. 그러므로, 상기 강도는 낮은 밀도로 인해 감소하게 된다. 상기 망간과 실리콘의 첨가량은 도 2에서 알수 있듯이, 각각 1 내지 3.5% Mn 및 0.5 내지 1.75% Si일때 최적이다. 철 및 상이한 함량의 Mn과 Si의 첨가 이외에도, 실험된 분말은 0.85% Mo와 0.7%의 흑연을 포함한다.

분석된 탄소의 함량은 첨가된 흑연의 양과 사용된 소결 분위기에 의존한다. 수소의 함량이 높을수록 커다란 탈탄화를 필요로 한다. 소결된 제품의 탄소함량은 도 4에서와 같이 0.15 내지 0.7% 범위가 최적이다. 상기 실험에 있어서, 분말 조성물의 흑연의 최적치는 도 3에서와 같이 0.3 내지 0.9% 범위이다. 실험된 철-기저 분말은 0.85% Mo, 1.8% Mn, 0.8% Si 및 가변량의 흑연을 함유한다.

재료의 강도는 소결온도와 소결시간의 증가에 따라 증가된다. 이는 주로 혼합된 합금원소의 양호한 확산으로 인한 것인데, 경도를 개선시켜 재료의 강도를 개선한다. 이러한 효과는 0.85% Mo, 1.8% Mn, 0.8% Si 및 0.5 내지 0.7% 흑연을 함유하는 분말에 대한 도 5에서 알수 있다.

상이한 밀도에서의 칫수변화는 전술한 본 발명에 따른 재료가 안정적이다. 이는 커다란 내부 밀도변화를 갖는 제품의 제조시 특히 유용하다. 또한, 칫수적으로 안정한 재료를 사용함으로써 칫수 허용공차를 작게 유지하는 것이 용이해 진다. 도 6은 400, 600 및 800 MPa에서 압축된 Fe- 0.85 Mo- 1.8 Mn- 0.8 Si- (0.6 내지 0.7 C)합금에 대한 칫수변화율을 나타낸다. 소결은 1120℃ 및 1250℃에서 수행되었다. 상기 칫수변화율은 밀도 범위가 6.6 내지 7.1 g/㎤일 때 각각, 0.03%와 0.12%였다.

Claims (9)

1. 철이외에도 중량비로, 0.25 내지 2.0% Mo, 1.2 내지 3.5% Mn, 0.5 내지 1.75% Si, 0.2 내지 1.0% C, 및 0.25% 이하의 Cu를 포함한 1% 이하의 불순물을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 압축 및 소결에 의해 다공질 제품을 제조하기 위한, 고인장 강도를 갖는 망간함유 철-기저 분말.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 Mo의 양이 중량비로 0.5 내지 2.0%인 것을 특징으로 하는 고인장 강도를 갖는 망간 함유 철-기저 분말.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 Mn의 양이 중량비로 1.2 내지 3.0%인 것을 특징으로 하는 고인장 강도를 갖는 망간 함유 철-기저 분말.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 Si의 양이 0.5 내지 1.50%인 것을 특징으로 하는 고인장 강도를 갖는 망간 함유 철-기저 분말.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 C의 양이 0.3 내지 0.9%인 것을 특징으로 하는 고인장 강도를 갖는 망간 함유 철-기저 분말.
6. 제 1 항에 있어서,상기 Mn과 Si이 페로망간, 페로실리콘 또는 실리콘-망간-철마스터합금의 형태로 첨가되는 것을 특징으로 하는 고인장 강도를 갖는 망간 함유 철-기저 분말.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 실리콘-망간-철 마스터합금의 망간대 실리콘의 중량비가 1 내지 3 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 고인장 강도를 갖는 망간 함유 철-기저 분말.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 Mo이 Fe와 Mo의 예비합금의 형태로 첨가되는 것을 특징으로 하는 고인장 강도를 갖는 망간 함유 철-기저 분말.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금이 Cr < 0.25, Cu < 0.25, Ni < 0.25, Al < 0.20, P < 0.05, S < 0.05, O < 0.03, N < 0.02, Be < 0.01, B < 0.02, 기타 < 0.5 의 불가피한 불순물을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 고인장 강도를 갖는 망간 함유 철-기저 분말.

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