KR100484349B1 - 분말 야금용 복합 금속분말 - Google Patents

Abstract

동(銅) 이외의 금속 분말에 5 wt% 이상 75 wt% 이하의 동 또는 동 합금 피복층이 형성된 분말 야금용 복합 금속분말로서, 이 복합 금속 분말 중의 칼슘함유량이 0.02 wt% 이하인 분말 야금용 복합 금속분말에 관한 것으로서 소결 후 안정된 강도를 가지는 소결 부품을 제조할 수 있는 분말 야금용 복합 금속분말을 얻는 것이다.

Description

분말 야금용 복합 금속분말{COMPOSITE METAL POWDER FOR POWDER METALLURGY}

본 발명은 소결 기계부품, 소결 베어링 등의 제조에 사용되는 분말 야금용 복합 금속분말에 관한 것으로서, 특히 소결체 강도가 뛰어난 소결 부품을 안정하게 제조할 수 있는 분말 야금용 복합 금속분말에 관한 것이다.

일반적으로 소결 기계부품, 소결 베어링 등에 사용되는 자기(自己) 윤활성 재료는 철분, 주석분, 동분(銅粉) 혹은 이황화 몰리브덴 등으로써 동(銅) 또는 동합금 등을 피복하여 사용하고 있다.

예컨데, 소결 부품의 원료로서 사용되는데에 적당한 철분 표면에 동을 피복한 이른바 동 피복 철분이 있으나, 이것은 동계압분체(銅系壓粉體)의 소결 온도에 해당하는 745 ℃ 이하의 소결 온도에서 목표치로서 15 kg/mm² 정도의 압환(壓環) 강도를 가지는 소결 부품(예컨데 베어링 금속)을 제조하는 것이다.

종래에는 이러한 동(銅) 피복 철분의 제조법으로서 0.05∼10 % 의 황산을 첨가한 동염(銅鹽) 용액 중에 철분을 투입하여 필요량의 동을 철분의 단일 입자마다 피복시킨 후 세정 건조하고, 다시 수소 등의 환원 가스 분위기 중에서 가열 환원처리를 실시하는 것으로 이루어진 방법(일본 특개소 48-88053호 공보 참조)이 제안되어 있다.

그러나, 이러한 방법으로 얻어진 동 피복 철분은 최적 소결 온도가 1100 ∼1150 ℃ 로 비교적 높다는 결점이 있었다.

즉, 상기 방법으로 얻어진 동 피복 철분에 대하여 피복 동량(銅量)이 40.4 중량 % 의 것을 3.0 T/cm² 로 가압 성형하여 800 ℃에서 30 분간 소결하여 제작한 원통 압분체(壓粉體)의 압환(壓環) 강도는 기껏 12∼15 kg/mm² 으로서, 안정적인 15 kg/mm² 정도 또는 그 이상의 압환 강도를 가지는 것을 얻는 것은 곤란하였다.

이러한 이유에서 본 출원인은 유기산을 함유하는 동염(銅鹽) 용액에 철분을 접촉시켜서 이 철분의 개개의 입자에 동을 피복시키고, 이어 얻어진 동 피복 철분을 세정한 후 방청처리(녹이 슬지 않게 하는 처리)를 실시하여 건조함으로써, 745 ℃ 이하의 소결 온도에서 15 kg/mm² 이상의 압환 강도가 나타나는 동 피복 철분을 제안하였다.(일본 특공소 57-1561호 공보).

이 자체가 유효한 제조방법이지만 소결 함유(含油) 베어링, 소결 기계 부품등의 용도에 사용하는 경우, 복합 금속 분말 제조 조건 또는 사용하는 분말원료의 종류에 따라 소결체 강도에 격차가 생기고 경우에 따라서는 압환 강도가 13∼14 kg/mm² 정도 또는 그 이하가 된다는 문제가 있었다.

(발명의 개시)

본 발명은 소결 후 안정된 강도를 가지는 소결 부품을 제조할 수 있는 분말야금용 복합 금속 분말을 얻는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 원료 분말 및 피복에 사용하는 도금액의 조건을 여러 가지로 검토한 결과 이들 중에 함유하는 불순물로서의 칼슘이 소결체 강도의 격차를 생기게 하는 원인이라고 하는 사실을 알아내었다.

본 발명은 상기에서 알아낸 것에 근거하여,

1. 동 이외의 금속 분말에 5 wt% 이상 75 wt% 이하의 동 피복층이 형성된 분말 야 금용 복합 금속 분말로서, 이 복합 금속 분말 중의 동 함유량이 50 wt% 이상 75 wt% 이하, 칼슘함유량이 0.02 wt% 이하, 잔부가 동 이외의 금속인 것을 특징으 로 하는 분말 야금용 복합 금속분말

삭제

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2. 원료 분말인 동 이외의 금속분말에 함유되는 칼슘 함유량이 0.06 wt% 이하인 것

을 특징으로 하는 상기 1 기재의 분말 야금용 복합 금속분말

3. 동 이외의 금속 분말이 철분인 것을 특징으로 하는 상기 1 또는 2 기재의 분말

야금용 복합 금속분말

4. 철분이 환원 철분인 것을 특징으로 하는 상기 3 기재의 분말 야금용 복합금속

분말

삭제

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을 제공하는 것이다.

(발명의 실시의 형태)

본 발명의 분말 야금용 복합 금속분말의 원료분말로서, 동 이외의 금속 분말을 사용한다. 이 원료 분말로서는 철분, 주석분 등의 금속분말을 사용한다.

본 발명에 있어서는 철분은 가격이 저렴하고, 강도, 내마모성 면에서 우수한 성질의 소결체를 얻을 수 있다.

그런데 철분 중에서도 대표적인 분무(噴霧) 철분(아톰마이즈 철분)은 용융 공정을 거치기 때문에 칼슘 함유량은 환원 철분보다 낮으나 분말내부가 환원 철분과 같은 스폰지 모양으로 되어있지 않기 때문에 철이 소결되지 않는 1000 ℃ 이하의 소결에서는 높은 소결 강도를 얻기 어렵다.

따라서, 이상과 같은 이유에서 철분, 특히 환원 철분을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 동 이외의 금속 분말인 원료 분말에 함유되는 칼슘 함유량이 0.06 wt% 이하일 필요가 있으며, 바람직하게는 0.04 wt% 이하로 한다.

원료 분말에 함유되는 칼슘 함유량이 0.06 wt%를 초과하면 이 원료를 사용하여 제조된 분말 야금용 복합 금속 분말 중의 칼슘 함유량이 증가하여 0.02 %를 초과해 압환 강도가 저하하므로 상기의 범위로 한다.

상기 철분 등의 금속 분말에 다시 5 wt% 이상 75 wt% 이하의 동 또는 동 합금 피복층을 형성하여 분말 야금용 복합 금속 분말로 만든다. 동 또는 동 합금 피복층이 5 wt% 미만에서는 금속 분말 위의 동의 피복이 얇거나 불균일하게 되어 특성이 얻어지지 않든지 격차가 커지게 된다. 또한 75 wt% 를 초과하면 제조비용이 높아져서 경제적이지 못하다. 따라서, 상기의 범위로 한다.

이 복합 금속 분말 중의 칼슘 함유량은 0.02 wt% 이하로 하는 것이 필요하다. 복합 금속 분말 중의 칼슘함유량이 0.02 wt%를 초과하면 압환 강도가 저하하기 때문에 상기의 범위로 한다.

특히, 수돗물 등으로부터 칼슘이 혼입될 가능성이 높기 때문에 제조의 각 공정에서 외부로부터 칼슘이 혼입되지 않도록 하는 것이 필요하다.

동 합금 피복층의 동 함유량은 50 wt% 이상으로 한다. 일반적으로, 소결체에 사용되는 금속은 철과 동이 주체가 되며, 그 외의 금속은 첨가재로서 사용될 뿐으로 그 양은 10 % 이하이다. 따라서, 통상 동 이외의 금속함유량을 50 % 이상으로 할 필요가 없으며 그렇게 하는 것은 실용적이지 못하다. 따라서, 상기의 범위로 한다.

다음에 본 발명의 실시예에 관하여 설명한다. 또한, 본 실시예는 어디까지나 일례이며 이 예에 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 실시예 이외의 태양 또는 변형을 모두 포함하는 것이다.

(실시예1)

칼슘 농도가 0.05 wt% 이하인 환원 철분 A (시료 No.l∼4) 를 치환법에 의해 동을 도금하여 동 21 wt%의 도금 철분을 얻었다.

이 동 도금 철분에 대하여 윤활제(스테아린산 아연)를 0.5 wt% 혼합하여 얻은 혼합분말을 사용하여, 10 φ×18 φ×7 mmH 의 시험편을 압분(壓粉) 밀도 5.75 g/cm³으로 성형하고, 메시 벨트 로(爐)에서 소결 온도 770 ℃, 소결 시간 20분, 암모니아 분해 가스 분위기 N₂ : H₂ = 1 : 3 으로 소결하였다.

이 소결체를 소결 함유(含油) 베어링의 압환 강도 시험방법(JIS Z 2507)에 따라 압환 강도와 외경 치수 변화율을 측정하였다. 철분 중에서의 칼슘농도, 동 합금 피복층을 형성한 분말 야금용 복합 금속 분말의 칼슘농도(총량), 압환 강도 및 외경 치수 변화율의 결과를 표 1에 나타낸다.

(실시예2)

칼슘농도가 0.037 wt% 인 환원철분 B(시료 No.5)를 치환법에 의해 동을 도금하여 동 21 wt% 의 도금 철분을 얻었다.

이 동 도금 철분에 대하여 윤활제(스테아린산 아연)를 0.5 wt% 혼합하여 얻은 혼합 분말을 사용하여, 10 φ × 18 φ × 7 mmH 의 시험편을 압분밀도 5.75 g/cm³ 으로 성형하고, 메시 벨트 로(爐)에서 소결 온도 770 ℃, 소결 시간 20 min, 암모니아 분해 가스 분위기 N₂ : H₂ = 1 : 3 으로 소결하였다.

이 소결체를 소결 함유(含油) 베어링의 압환 강도 시험방법(JIS Z 2507)에 따라 압환 강도를 측정하였다. 철분 중에서의 칼슘농도, 동 합금 피복층을 형성한 분말 야금용 복합 금속 분말의 칼슘농도(총량), 압환 강도 외경 치수 변화율의 결과를 표 1에 나타낸다.

(실시예3)

상기 실시예 2에서 얻은 동 21 wt%의 도금 철분(시료 No. 5)에, 체로 걸러서 45 ㎛ 이하의 미세한 분말로 한 산화칼슘(일본국 和光純藥工業製, 시약 1급)을 칼슘 분(分)으로 하여 0.005 wt% 를 첨가하였다(시료 No.6).

이것을 실시예 2와 동일한 조건에서 소결하고, 다시 이 소결체를 소결 함유 베어링의 압환 강도 시험방법(JIS Z 2507)에 따라 압환 강도를 측정하였다. 철분 중에서의 칼슘농도, 동 합금 피복층을 형성한 분말 야금용 복합 금속 분말의 칼슘농도(총량), 압환 강도 및 외경 치수 변화율의 결과를 표 1에 나타낸다.

(비교예1)

칼슘농도가 높은 환원 철분 A (시료 No.7∼10)를 실시예 1과 동일하게 처리하여 압환 강도를 측정하였다.

실시예 1과 마찬가지로 철분 중에서의 칼슘농도, 동 합금 피복층을 형성한 분말 야금용 복합 금속 분말의 칼슘농도(총량) 및 압환 강도의 결과를 표 1에 나타낸다.

(비교예2)

실시예 1의 시료 No.1의 동 21 wt% 도금 철분에, 수산화 칼슘(일본국 和光純藥工業製, 시약 1급)을 사용하여 이 도금 철분에 칼슘 분으로서 0.010 wt%를 첨가한(시료 No.11) 것이다.

그리고, 상기와 같이 압환 강도를 측정하였다.

실시예 1과 마찬가지로 철분 중에서의 칼슘농도, 동 합금 피복층을 형성한 분말 야금용 복합 금속분말의 칼슘농도(총량), 압환 강도 및 외경치수 변화율의 결과를 표 1에 나타낸다.

(비교예3)

상기 실시예 2에서 얻은 동 21 wt% 의 도금 철분(시료 No.12)에, 체로 걸러서 45 ㎛ 이하의 미세한 분말로 한 산화칼슘(일본국 和光純藥工業製, 시약1급)을 칼슘 분으로 하여 0.020 wt% 를 첨가하였다.

이것을 실시예 2와 같은 조건에서 소결하고, 다시 이 소결체를 소결 함유 베어링의 압환강도 시험방법(JIS Z2507)에 따라 압환강도를 측정하였다. 철분 중에서의 칼슘농도, 동 합금 피복층을 형성한 분말 야금용 복합 금속분말의 칼슘농도(총량), 압환 강도 및 외경치수변화율의 결과를 표 1에 나타낸다.

(실시예4)

칼슘농도가 0.038 wt% 인 환원 철분 A (시료 No. 13)를 치환법에 의해 동 도금할 때에, 도금 액에 탄산칼슘(和光純藥工業製, 시약1급)을 첨가하여, 칼슘농도를 0.006 wt%, 0.024 wt% 으로 하여 도금을 행한(시료 No. 13,14) 것이다.

이것을 실시예 1과 마찬가지로, 철분 중에서의 칼슘농도, 동 합금 피복층을 형성한 분말 야금용 복합 금속분말의 칼슘농도(총량) 및 압환 강도의 결과를 표 1에 나타낸다.

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시예 1 (시료 No.1∼4)에서는 환원철분 A 중의 칼슘농도가 각각 0.034 wt%, 0.037 wt%, 0.040 wt%, 0.036 wt% 로서 0.06 wt% 이하이며, 또한 복합 금속 분말 중의 칼슘 함유량이 각각 0.0l5 wt%, 0.014 wt%, 0.016 wt%, 0.016 wt %로서 0.02 wt% 이하이다.

이 결과, 압환 강도가 각각 14.5 kg/mm², 14.7 kg/mm², 15 kg/mm², 14.9 kg/mm² 로서 안정되고 양호한 압환 강도를 나타내었다. 또한, 시료 No.1 에 나타난 치수 변화율은 - 0.33 % 로서 양호한 소결성을 가지고 있었다.

본 실시예 2의 시료 No.5 에서는 환원철분 B 중의 칼슘농도가 0.037 wt% 이고, 또한 본 실시예 3의 시료 No.6 에서는 시료 No.5 에 Ca 50 ppm을 첨가한 것으로 복합 금속 분말 중의 칼슘함유량이 각각 본 발명의 범위인 0.008 wt%, 0.0l3 wt% 이었다.

이 결과, 압환 강도가 각각 15.9 kg/mm², 15.1 kg/mm² 으로 안정되고 양호한 압환 강도를 나타내었다. 또한, 시료 No. 5 및 6 에 나타나는 치수변화율은 각각

- 0.49 % 및 - 0.44 % 로 실시예 1과 마찬가지로 양호한 소결성을 가지고 있다.

이것에 비하여, 비교예 1 (시료 No. 7 ∼ 10)에서는 환원철분 A 중의 칼슘농도가 각각 0.092 wt%, 0.095 wt%, 0.120 wt%, 0.107 wt% 로서 0.06 wt%를 초과하고 있으며, 또한 복합 금속 분말 중의 칼슘함유량이 각각 0.034 wt%, 0.034 wt%, 0.038 wt%, 0.033 wt % 로서 0.02 wt%를 초과하고 있다.

이 결과, 압환 강도가 각각 12.3 kg/mm², 12.6 kg/mm², 13.2 kg/mm², 12.9 kg/mm² 로서 압환 강도가 현저히 저하하였다.

이것은, 얼마 안되는 칼슘농도의 영향으로 압환 강도가 크게 변동하는 것을 나타내고 있다. 1000 ℃ 이하의 소결에서는 철이 거의 소결되지 않으므로 소결하고 있는 2할(割)의 동에 대한 칼슘농도의 영향은 커진다고 생각된다.

비교예 2의 시료 No.11은 시료 No.l 에 Ca l00 ppm을 첨가한 것으로 복합 금속 분말 중의 칼슘함유량이 0.025 wt% 가 되어 0.02 wt%를 초과한 것이다. 이 경우 함유량은 0.025 wt% 이지만 칼슘이 복합 금속 분말 표면에 치우쳐 분포하기 때문에 압환 강도가 1O.5 kg/mm² 로 현저히 저하하였다.

또한, 치수 변화율을 비교하면 치수 변화율이 - 0.33 % 에서 - 0.16 % 로 줄어들지 않으므로 칼슘에 의해 소결이 저해되고 있다고 생각된다.

비교예 3의 시료 No.12는 시료 No.5에 Ca 200 ppm을 첨가한 것인데, 복합 금속 분말 중의 칼슘함유량이 0.028 wt% 로 0.02 wt% 을 초과한 것이다. 이러한 경우 외경 치수 변화율은 양호한 값를 나타내고 있지만, 압환 강도가 15.9 kg/mm² 에서 l2.4 kg/mm² 로 현저히 저하하였다.

실시예 4의 시료 No.13, 14는 도금액 중에 Ca을 첨가하여 도금 층에 칼슘이 함유되는지 안되는지를 검토한 것이다. 복합 금속 분말 중의 칼슘함유량은 시료 No.1∼4와 거의 같은 레벨의 0.0l6 wt% 로서, 도금 층에는 칼슘이 거의 함유되어 있지 않은 것을 알 수 있었다. 이러한 경우 압환 강도가 14.4 kg/mm², 14.6 kg/mm² 로 양호한 강도를 나타내었다.

이상에 나타나 있는 바와 같이, 철분 중에 함유되는 칼슘이 복합 금속 분말에 잔류하여 1000 ℃ 이하의 소결에 영향을 끼쳐 압환 강도가 변동하고, 이것이 많은 경우에는 안정된 강도를 가지는 소결 부품이 얻어지지 않는다는 것을 알 수 있다. 이 결과는 원료 분말로서 철분 이외의 금속 분말을 사용한 경우에도 동일한 결과가 얻어진다.

이상에 나타난 바와 같이, 복합 금속 분말 중의 칼슘 함유량을 0.02 wt% 이하로 함으로써 소결체 강도의 향상에 효과가 있으며, 안정된 소결 부품을 제조할 수 있는 현저한 효과를 가지며, 소결 기계 부품, 소결 베어링 등의 품질향상이 우수한 분말 야금용 복합 금속 분말을 제공할 수 있다.

Claims (5)

1. 동(銅) 이외의 금속 분말에 5 wt% 이상 75 wt% 이하의 동 피복층이 형성된 분말 야금용 복합 금속분말로서, 이 복합 금속 분말 중의 동 함유량이 50 wt% 이상 75 wt% 이하, 칼슘함유량이 0.02 wt% 이하, 잔부가 동 이외의 금속인 것을 특징으로 하는 분말 야금용 복합 금속분말.
2. 제1항에 있어서, 원료 분말인 동 이외의 금속분말에 함유되는 칼슘함유량이 0.06 wt% 이하인 것을 특징으로 하는 분말 야금용 복합 금속 분말.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 동 이외의 금속 분말이 철분인 것을 특징으로 하는 분말 야금용 복합 금속분말
4. 제3항에 있어서, 철분이 환원 철분인 것을 특징으로 하는 분말 야금용 복합 금속분말.
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