KR100505933B1 - 소결경화법에의한저합금강제조용분말 - Google Patents

Abstract

정제된 강과 합금제조용 망간, 크롬, 몰리브덴 및 니켈을 결합하여 강분말을 제조하였다. 강분말은 분말야금법에 의해서 금속부품을 제조하는데 사용되는 것이다. 합금제조용 원소의 첨가는 금속부품의 강도 및 경도를 더욱 그게 증가시킴과 아울러 산소함량을 줄이고 압축성을 양호하게 하는 것이다.

Description

소결경화법에 의한 저합금강 제조용 분말

본 발명은 합금제조용 분말에 관한 것으로서, 특히 분말야금법(P/M: Powder Metallurgy)에 의해서 고경도의 금속부품을 제조하는데 사용하는 분말조성물에 관한 것이며, 또한 그러한 조성물을 제조하고 사용하는 방법에 관한 것이다.

P/M은 고순도의 균일한 철분말에 고압을 가하여 고밀도의 철제부품을 제조하는 공정이다. 이 방법은 "가압단조(pressure forging)"라고 부르기도 한다. 소결정 화법은 P/M의 한 가지로서, P/M에 의한 부품이 하나의 소결주기중의 냉각기간 동안에 부분적으로 또는 완전히 마르텐사이트(martensite)로 변환되도록 하는 것이다.

P/M 및 소결경화법에서는 기초 P/M 재료에 전형적으로 소량의 2차 금속을 첨가하여 경화성(hardenability)을 높인다. 최적의 경화성을 얻기 위해서는 원소첨가에 예비합금기술(prealloying techiques)을 이용하는 것이 일반적으로 바람직하다.

보통의 탄소강의 강도와 경화성을 개선하기 위해서 전형적인 상업용 강에 망간을 0.25 내지 1.0 중량부로 첨가한다. 또한, 크롬도 일반적인 강의 경화성, 강도 및 내마모성을 향상시키기 위해서 통상 첨가되는 것이다. 그러나, 분말야금법에서 사용되는 강분말, 예컨대, 평균입자크기가 55 내지 100 미크론 되는 분말의 경우 풀림처리(annealing)시에 산화물의 형성을 줄이기 위해서 망간 및 크롬함량을 일반적으로 0.3 중량부 미만으로 유지시키는데, 이것에 관해서는 1997년도 "분말야금의 진보(Advance in Powder Metallurgy)" 제 5권 제 45 ∼ 58 페이지에 게재된 "저합금강 분말의 제조를 위한 설계기준(Design Criteria for the manufacturing of Low Alloy Steel Powders)"을 보면 알 수 있다.

몰리브덴과 니켈이 저합금 P/M강분말에 통상적으로 사용되는데 왜냐하면, 이들의 산화물은 물을 분사시킨 분말의 풀림처리(annealing)시에 쉽게 환원되기 때문이다. 몰리브덴과 니켈은 강의 강도와 경화성을 효과적으로 증가시킴은 물론, 특히 니켈은 강의 강도, 인성 및 피로저항을 증가시키는데, 이것에 관해서는 1974년도 뉴욕 맥그로-힐(McGraw-Hill, N.Y.)사가 출판한 에스. 에이치. 애브너(S. H. Avner) 저 물리야금입문(Introduction to Physical Metallurgy)의 제 349 ~ 361 페이지를 보면 잘 알 수 있다. 그러나, 이 원소들은 망간과 크롬보다 훨씬 값이 비싸고 가걱변동이 크기 때문에 강분말의 가격안정에 명백히 해가 된다.

소결경화법은 고경도의 P/M 부품을 제조할 때 관심을 불러일으키는 기술인데, 왜냐하면, 소결후의 열처리를 필요로 하지 않아서 공정비용을 현저하게 떨어뜨리기 때문이다. 더구나, 재래식의 급냉처리에서 오는 높은 열응력(high thermal stresses)으로 인한 부품의 찌그러짐이 방지되어 최후의 부품칫수의 조절을 더욱 잘 할 수 있게 해준다.

P/M용 저합금강 분말을 제조하기 위한 이전의 기술은 "회가나스(Hoganas)의 미국특허 제 3,764,295 호에서와 같이 산화층을 제거하기 위해서 산처리(acid treatment)를 필요로 함과 아울러 영국특허 제 1,564,737 호에서와 같이 풀림처리(annealing)된 분말에서 고농도의 탄소를 사용해야한다.

이에 대하여, 본 발명은 산처리과정을 제거함과 동시에 분쇄 및 풀림처리중에 분말의 산화를 최소화하고 압축성(compressibility)을 개선하기 위해서 산소 및 탄소의 농도를 낮게 유지시킨다.

본 발명의 목적은 공지기술의 단점을 극복하고, 재래식 소결로에서의 소결경화법을 개선시켜 경화성이 향상된 합금강 분말을 제공하는 것이다.

특히, 본 발명의 목적은 재래식 로에서 소결처리후에 겉보기 경도가 최소한 30 HRC되는 강분말을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 분말의 압축성을 40 tsi (550 MPa)에서 6.8 g/㎤이상으로 유지하는 것이다.

본 발명의 또 한 목적은 몰리브덴 및 니켈과 같은 비싼 합금제조용 원소들의 양을 줄이면서도 분말의 경화성은 그대로 유지시키는 것이다.

이러한 목적들을 성취하기 위한 본 발명에 의한 분말야금용 합금분말은 입자 크기가 300 미크론 이하, 바람직하게는 50 내지 100 미크론이며, 탄소함량이 최대 0.1 중량부, 더욱 바람직하게는 0.02중량부, 망간함량이 0.3 내지 0.9 중량부, 더욱 바람직하게는 0.4 내지 0.7 중량부, 니켈 함량이 0.8 내지 1.5 중량부, 더욱 바람직하게는 1.0 내지 1.2 중량부, 몰리브덴함량이 0.5 내지 1.30 중량부, 더욱 바람직하게는 0.85 내지 1.05 중량부, 그리고 크롬함량이 0.3 내지 0.9 중량부, 가장 바람직하게는 0.4 내지 0.7 중량부인 것이다.

이와같은 양으로 합금제조용 망간, 크롬, 몰리브덴 및 니켈을 첨가함으로써 상기한 바와같은 바람직한 특성을 가진 강분말을 얻어낼 수가 있다.

[발명의 바람직한 실시예]

본 발명자들은 재래식 소결로에서의 소결깅화법을 개선시켜 산화물을 줄이고 경화성이 향상된 합금제조용 강분말을 개발하였다.

서로 다른 재료들의 소결경화성에 대하여 합금제조용 원소들이 끼치는 영향을 비교측정하기 위해서 물을 분사시킨(water-atomized) 강분말중의 몰리브덴, 니켈, 망간 및 크롬함량을 여러가지로 다르게 조합하여 시험하기 위한 시험용 매트릭스(matrix)를 준비하였다. 물분사공정 다음의 후속공정에서 시험용 강분말을 흑연, 구리 및 윤활제와 혼합하여 6.8g/㎤ 로 압축하여 1120℃에서 소결시킨 다음 205℃에서 1시간 동안 소려(tempering)하였다. 망간과 크롬을 첨가하면 저합금 강분말의 경화성이 향상된다는 것을 알았다.

합금제조용 원소들의 조합을 여러가지로 다르게 하여 강의 경화성을 향상시킬 수가 있다. 도 1에서, 1971년에 미합중국 강철협회(United States Steel Corporation)가 펴낸 강철의 제조, 성형 및 처리(Making, Shaping and Treating of Steel) 제 9판의 제 1136 페이지에 설명되어있는 경화성계수(hardenability multiplying factor)를 이용해서 경화성에 대하여 몰리브덴, 망간, 니켈 및 크롬이 미치는 효과를 설명하였다. 도시한 바와같이, 망간의 효과가 제일 현저하였으며, 다음이 몰리브덴, 크롬 및 니켈 순이었다.

그러나, 몰리브덴과 니켈은 비싼 합금원소이기 때문에 본 발명에서는 일정량을 망간과 크롬으로 대체하였다. 그러나, 망간과 크롬은 분말야금공정시에 산화되므로 생성된 압축물의 압축성과 소결특성을 저하시킨다.

합금제조용 원소들이 P/M 강의 특성에 미치는 효과를 정량분석하기 위해서 200kg 용량의 유도로를 사용해서 일련의 시험분말을 준비하였다. 고순도의 강을 페로망간(ferromanganese), 페로크롬, 페로몰리브덴 및 니켈과 함께 재용융시켜서 다음의 표 1에 표시한 바와같은 강의 화학성분을 얻어냈다.

표 1

불활성 질소분위기에서 물을 분사시킨 분말합금들을 건조시키고 걸러내서 풀림처리한 다음, 측정하기전에 소결체를 분쇄하여 혼합기에 의해서 균일하게 혼합하였다.

이들 여러가지 분말합금들의 화학적조성을 분석한 다음, 흑연 0.8중량부, 구리 2 중량부 및 스테아르산 아연(zinc stearate) 0.75 중량부와 혼합하였다(본문과 표들중의 "%" 및 "wt. %"는 모두 중량부를 표시한 것이다). 시편들을 6.8 g/㎤의 장방형블록의 형상으로 압축하여 질소/수소의 비가 90/10인 분위기에서 1120℃로 25분간 소결시킨 다음, 205℃의 공기중에서 한시간동안 소려(tempering)처리 하였다. 엠피아이에프 표준규격 재 41번(MPIF Standard 41)에 따라서 가로파괴강도(transverse rupture strength)를 측정하고, 인장특성은 원형가공한 시편을 사용해서 엠피아이에프 표준규격 제 10번에 따라서 측정하였다. 최종적으로 충격강도를 엠피아이에프 표준규격 제 41번에 따라서 측정하였다. 이들 표준규격은 금속분말공업연맹(Metal Powder Industries Federation)이 1994년에 발간한 P/M 구조용 부품들을 위한 재료 표준규격에 근거한 것이다.

무게가 각각 450, 895 및 1345g 되는 4인치 직경을 갖는 원반형 시편들을 가지고서 시편의 크기가 겉보기강도(apparent hardness)와 현미경조직에 미치는 영향을 측정하였다. 이 시험을 위해서, 표 1의 1, 3, 4 및 5의 합금들을 사용하여 1.0 중량부의 흑연, 2 중량부의 구리 및 0.75 중량부의 스테아르산 아연을 함유하는 혼합물들을 마련하고, 상업용 아토메트 4601 분말야금합금에 1.0 중량부의 흑연, 2 중량부의 구리 및 0.75 중량부의 스테아르산 아연을 혼합하여 기준을 삼았다. 이들을 6.8 g/㎤ 로 압축하여 공업용 소결로에서 1120℃로 20분간 소결시키고, 냉각속도는 870℃ 내지 650℃의 범위에서 0.75℃/s 또는 1.5℃/s로 하였다.

[결론]

시험합금들의 화학적, 물리적, 성형 및 소결특성을 하기한 표 2에 표시하였다. 표 2에서 변수 C, O, S, Ni, Mo, Mn, Cr, +100 메쉬(Mesh), -325 메쉬, App. Dens. 및 플로우(Flow)는 합금분말에 관한 것이고, Comp. Press.및 성형강도(Green Strength)는 흑연, 구리 및 윤활제와 혼합된 합금분말로 제조한 성형체에 관한 것이다. 또한 변수들의 균형은 소결체에 관한 것이다.

망간과 크롬의 농도가 성형압(compacting pressure)과 산소함량에 미치는 효과를 조 2에 도시하였다. 풀림처리된 분말중의 탄소함량이 압축성에 미치는 영향을 배제하기 위해서 탄소함량이 0.01 중량부 미만되는 합금만을 사용해서 분석하였다. 산소의 함량이 망간과 크롬의 함량에 선형적으로 비례한다는 것을 알았다. 성형압에 대해서도 동일한 관계가 성립한다. 산소함량을 0.25중량부 미만으로 유지하기 위해서는 망간과 크롬의 총량을 1.0중량부 미만으로 유지시켜야 한다. 이러한 수준으로 망간과 크롬의 양을 유지하면 6.8g/㎤에서 36tsi 미만의 성형압으로 할 수 있다. 이러한 압축성은 상업용 아토메트 4601 분말의 경우보다도 더 우수하며, 아토메트 4601 분말의 경화성계수는 8.3으로서 본 실험의 분말의 경화도계수 20에 비하면 현저하게 떨어진다.

도 3은 풀림처리된 시험분말에서 탄소와 산소농도의 영향을 도시한 것이다. 성형압은 풀림처리된 분말의 탄소 및 산소함량에 따라서 증가한다. 성형압을 36tsi 미만의 저수준으로 감소시키려면 탄소함량을 0.02 중량부 미만으로 유지시켜야 한다. 아울러, 산소함량도 최소화 시켜야지만 압축성을 최적화할 수 있다. 그러나, 강분말의 풀림처리시에 간소의 감소는 "로" 속의 탄소량에 의해서 조절되기 때문에 탄소의 양을 너무 낮게 하면 산화물을 환원시키지 못 하므로 풀림처리된 분말중의 산소 함량이 높아지게 되는 바, 결국 압축성을 저하시킨다. 한편, 풀림처리된 분말중의 탄소함량이 너무 높으면 산소함량은 더욱 많이 감소시킬 수 있지만 마찬가지로 압축성은 저하시키게 된다. 따라서, 이 두 원소들의 양은 풀림처리된 분말중의 탄소함량이 0.02 중량부 미만되도록 유지하면서 산소를 줄일 수 있도록 조절해야한다.

도 4에 도시한 바와같이, 탄소함량은 0.02 중량부 미만 그리고 산소함량은 0.25 중량부 미만으로 유지시킨 신규의 저합금강은 상용 아토메트 4601과 비교했을 때 압축성에서는 맞먹으면서도 경화성에서는 현저하게 뛰어남을 알 수 있다.

서로 다른 경화성계수를 가지는 합금들을 소결하여 소려처리한 후에 산소함량이 겉보기 경도에 미치는 영향을 도 5에 도시하였다. 겉보기경도는 산소함량에 따라서 감소하며, 그 감소율은 경화성 계수가 낮은 합금의 경우에 더욱 두드러졌다. 이것은 시편중에 존재하는 흑연의 일부가 분말중의 산소와 반응하는 것과 관계가 있다. 탄소에 의한 산소의 감소는 소결된 시편중의 탄소함량을 감소시킴으로써 합금의 경화성에 영향을 끼치고, 이러한 영향은 경도가 낮은 합금의 경우에 더욱 두드러지게 되는 것이다. 따라서, 분말로 제조된 강의 경화성을 최적화시키기 위해서는 풀림처리된 분말의 산소함량을 최소화시켜야 한다. 상기한 바와같이, 산소함량을 낮게 유지하기 위해서는 풀림처리하기전에 분말중의 탄소함량을 적절히 조절하는 것이다.

도 6은 합금 #1, 3, 4, 5, 급냉한 5 및 상용 FLC4608합금으로 만든 원반형 시편의 단면에 대해서 측정한 것으로서 소결후의 겉보기경도에 미치는 시편중량의 영향을 도시한 것이다. 이들 합금의 경화성계수는 각각 22, 29, 23, 30 및 8이다. 450g의 시편의 경우에 급냉하지 않고 소결시킨 합금은 31 내지 35 HRC 범위의 겉보기 경도값을 가지고서 소결경화법에 유사하게 반응하였다 그러나, 시편중량이 895g에 이름에 따라서 FLC4608 시편의 겉보기경도는 10 내지 15 HRC의 범위로 급격히 떨어졌으며, 이것은 시험분말의 경우에 비해서 거의 반 밖에 안되는 수준이다. 후자의 경우에는 겉보기 경도가 시편중량의 매 100g 증가당 약 1 HRC 씩 선형적으로 감소한다. 또한, 급냉합금 #5는 450g 짜리 시편일 경우에는 겉보기 경도가 제일 높지만, 시편의 중량이 895g 에 달하면 그 차이가 줄어든다.

무거운 부품들의 경우에 겉보기경도를 유지하기 위해서는 경화성계수의 값을 최소한 22가 되도록 유지해야한다. 그러나, 소결된 부품중의 탄소함량에 대한 합금의 강도를 양호하게 하기위해서는 경도계수값을 25 이상으로 하고 산소함량은 0.25 중량부 미만으로 유지하는 것이 바람직하다.

표 2

도 1은 합금성분들의 경화성계수를 도시한 도표.

도 2는 합금강 제조용 분말의 성형압력과 산소합량에 대한 망간과 크롬의 효과를 도시한 도표.

도 3은 성형압력에 대한 산소 및 탄소함량의 효과를 도시한 도표.

도 4는 성형압력에 따른 성형물의 밀도를 도시한 도표.

도 5는 풀림처리한 분말의 산소함량이 소결만 시킨 시편들과 소려처리(tempering)까지 한 시편들의 겉보기 경도에 미치는 영향을 도시한 도표.

도 6은 시편의 중량이 겉보기 경도에 미치는 영향을 도시한 도표.

Claims (11)

1. 탄소, 크롬 및 망간 군(群)에서 선택된 한개 이상의 합금재와 철로 구성된 합금제조용 분말로서, 탄소함량이 최대 0.1 중량부, 크롬과 망간의 총함량이 최소한 0.7 중량부, 상기 합금제조용 분말의 입자크기가 최대 300미크론이고 산소함량이 최대 0.3 중량부이며, 상기 합금은 망간함량이 0.3 내지 0.9 중량부이고, 크롬함량이 0.3 내지 0.9 중량부이고, 니켈함량이 0.8 내지 1.5 중량부이고, 몰리브덴 함량이 0.5 내지 1.30 중량부이며,

   입자크기가 50 내지 100미크론인 상기 합금은 산처리(acid treatment)없이 물분사(water atomization)에 의해서 제조되며, 망간, 크롬, 몰리브덴 및 니켈의 총함량이 2.65 내지 3.65 중량부가 되며, 니켈 대 크롬의 중량비가 1.5대 1 내지 2.65대 1이 되는 합금제조용 분말.
2. 제 1항에 있어서, 상기 합금은 강합금(Steel alloy)이며, 상기 탄소함량은 최대 0.02 중량부인 합금제조용 분말.
3. 제 2항에 있어서, 경화계수(hardenability factor)가 최소한 22인 합금제조용 분말.
4. 제 2항에 있어서, 망간함량이 0.4 내지 0.7 중량부, 크롬함량이 0.4 내지 0.7 중량부, 니켈함량이 0.8 내지 1.2 중량부, 몰리브덴함량이 0.90 내지 1.25 중량부인 합금제조용 분말.
5. 제 4항에 있어서, 니켈함량이 0.8 내지 1.0 중량부인 합금제조용 분말.
6. 제 5항에 있어서, 몰리브덴함량이 0.90 내지 1.1 중량부인 합금제조용 분말.
7. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 구리와 흑연중의 어느 하나와 윤활제를 포함하는 합금제조용 분말.
8. 제 7항에 있어서, 불활성 분위기 하에서 물분사로 제조되는 합금제조용 분말.
9. 제 3항에 있어서, 최대 40 tsi의 압력에서 최소한 6.8 g/㎤의 밀도에 도달할 수 있는 압축성을 지닌 합금제조용 분말.
10. 제 7항에 따른 합금제조용 철분말을 선택하는 단계와, 최소한 20 tsi의 압력으로 상기 철분말을 압축하여 압축물을 성형하는 단계와, 상기 압축물을 소결하는 단계로 이루어진 분말야금법.
11. 제 10항에 있어서, 최하 1120℃에서 상기한 압축물을 소결하는 분말야금법.

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