KR100697534B1 - 향상된 야금 분말 조성물 및 그 제조방법과 사용방법 - Google Patents
향상된 야금 분말 조성물 및 그 제조방법과 사용방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 철-기저 야금 분말 조성물과 그 제조 방법 및 그 사용 방법을 제공한다. 본 발명의 야금 분말 조성물은 철과 적어도 하나의 합금 첨가제를 함유하는 일정 양의 철-합금 분말을 함유한다; 실질적으로 순수한 철 분말, 그리고 흑연과 같은 탄소 분말로 이루어진다. 야금 분말 조성물은 철-합금 분말과 철 분말 및 탄소 분말을 혼합하여 얻어진다. 예컨대, 상기와 같이 제작되고, 금속 부분으로 형성된 야금 분말 조성물은 향상된 가공 물성(machinability property)을 가지게 된다.
Description
발명의 분야
본 발명은 향상된 철-기저 야금 분말 조성물 및 그 제조방법과 사용방법에 관한 것이다. 상기 철-기저 분말 조성물은 실질적으로 순수한 철 분말과 합금 첨가제로 몰리브덴(molybdenum)을 함유하는 것이 선호되는 철-합금 분말의 혼합물을 포함한다. 상기 제조된 철-기저 분말 조성물은 금속의 한 부분으로 형성되었을 경우에 향상된 기계적 물성을 가지게 된다.
발명의 배경
금속 분말 조성물을 압축(compaction) 및 소결(sintering)하여 생산되는 금속 부분(part)의 산업상 이용성은 많은 영역으로 급속하게 팽창되고 있다. 상기와 같은 금속 부분(part)을 생산함에 있어서, 금속 분말 조성물은 전형적으로 금속-기저 분말 및 윤활제나 결합제 같은 첨가제들로부터 만들어진다. 상기 금속-기저 분말은 전형적으로 하나 또는 그 이상의 합금 성분과 선택적으로 합금될 수 있는 철 분말이다.
철-합금 분말을 준비하는 공통적인 기술은 철 및 하나 또는 그 이상의 원하는 합금 성분을 함유하는 균질한 철 용융물을 만들고, 균질한 분말 조성물을 형성하기 위해 용융된 철 조성물을 세분화(atomizing)하는 물(water)을 준비하는 것이다.
여하의 선택적인 합금이 이루어진 후에, 상기 금속-기저 분말에는 최종적인 부분(part)의 물성을 향상시키기 위해 다른 첨가제가 혼합된다. 예를 들어, 상기 금속-기저 분말에는 분말 형태("합금 분말")의 적어도 하나의 다른 합금 첨가제가 부가 혼합된다. 예로 든 상기 합금 분말은 최종적으로 소결된 부분의 강도 및 다른 기계적 물성을 높여준다.
금속-기저 분말과 선택적 합금 분말에는 최종적인 금속 분말 조성물을 형성하기 위하여 종종 윤활제나 결합제와 같은 다른 첨가제가 혼합된다. 상기 금속 조성물은 압축 다이(die)속에 넣어진 뒤에, 승온된 일정한 환경 및 압력(즉, 5∼70 tons per square inch(tsi))이 가해져 압축되어 압축 또는 압분(green) 부분을 형성하게 된다. 압분(green) 부분은 통상적으로 응집된 금속 부분을 형성하기 위하여 소결되고, 선택적으로 완성된다. 완결 단계의 형태에 관한 예로서, 금속 부분을 원하는 형태로 가공(즉, 절단, 연마, 드릴링, 밀링 등)하는 단계를 포함한다.
금속 부분을 완성시키는 과정에서 발생하는 문제는 금속이 가공하기 어렵다는 것이다. 예를 들어, 금속 부분은 드릴링 등이 어렵고, 더욱 긴 가공 시간을 요하며, 가공 기계의 공구 수명을 감소시키고, 가공 기계를 운용함에 있어서 에너지 소비량을 증가시킨다.
철-기저 금속 부분의 가공성을 증가시키기 위한 한 방법이 슈미트(Schmidt)에 의해 미국 특허 제4,018,632호에 개시되어 있다. 상기 슈미트 공정은 흑연(graphite)과 철-몰리브덴-망간 합금의 금속 분말 혼합물을 사용함으로써 철-기저 금속 부분의 가공성이 향상될 수 있다는 것을 개시하고 있다. 압축(compaction)과 소결(sintering) 과정 후에, 상기 금속 분말은 금속 부분의 가공성을 향상키 위한 온도 프로필(profile)에 따라 가열되고 냉각된다.
철-기저 금속 부분의 가공성을 향상키 위한 다른 방법이 미국 특허 제5,599,377호에 우에노소노(Uenosono)에 의해 개시되어 있다. 상기 우에노소노 공정은 0.1 중량%의 망간과 약 0.08 중량%에서 약 0.15 중량%의 황(sulfur), 흑연(graphite); 그리고 약 0.05 중량%에서 약 0.70 중량%의 MoO3 또는 WO3 중에서 선택된 적어도 하나의 화합물을 포함하는 금속 분말을 개시하고 있다. 상기 금속 분말은 수소 함유 기압 하에서 소결 및 압축 과정을 거친 철 입자 속에 용해된 몰리브덴 또는 텅스텐 화합물로 인하여 높은 가공성과 높은 강도를 가지는 것으로 개시되어 있다.
금속 부분의 가공성을 향상시키기 위한 또 다른 방법이 미국 특허 제5,679,909호에 카네코(Kaneko)에 의해 개시되어 있다. 상기 카네코 공정은 CaO-MgO-SiO2의 산화물과 철을 주성분으로 하는 금속 매트릭스(matrix)의 조성물 혼합물을 함유하는 분말을 압축하고 소결함으로써 얻어지는 소결 물질이 좋은 가공성을 가지고 있음을 개시하고 있다. 상기의 철을 주성분으로 하는 금속 매트릭스는 순수 한 철과 FeMo, FeCr, FeW, 또는 트리발로이(Co-Ho-Cr 과/또는 Co-Ho-Si를 함유하는)의 경도가 높은 입자의 혼합물로부터 얻어질 수 있다. 상기의 경도가 높은 입자들은 원하는 경도를 얻기 위해 비철금속 성분을 적어도 50 중량%를 포함해야 하는 것으로 알려진다.
비록 상기의 조성물과/또는 방법들이 금속 부분의 가공성을 향상시키는 방법을 제공하고 있으나, 이를 대체할 수 있는 조성물과 방법을 발전시키는 것이 바람직하다. 이러한 대체된 조성물 또는 방법들은 금속 부분에서 상대적인 또는 향상된 가공성을 가지게 된다.
발명의 요약
본 발명은 야금 분말 조성물과 그 제조 방법 및 사용방법을 제공하고 있다. 상기 야금 분말 조성물은 금속의 부분을 형성할 경우에 가공성을 향상시키게 된다. 이러한 향상된 가공성은 적어도 일부분은 야금 분말 조성물 속의 적어도 하나의 철-합금 분말의 일정 양의 존재에 기인한다.
본 발명에 따른 한 구체예에서는 철과 적어도 하나의 합금 첨가제를 함유하고, 철-합금 분말의 총 질량에 대하여 상기 합금 첨가제는 약 0.01 중량%에서 약 7.0 중량% 사이에서 존재하며, 철은 적어도 85 중량%로 존재하는 철-합금 분말을 제공하는 방법을 제공한다. 실질적으로 순수한 철 분말과 탄소 즉, 탄소 분말이 철-합금 분말과 혼합되어 야금 분말 조성물을 형성하게 된다. 상기 야금 분말 조성물은 야금 분말 조성물의 총 중량에 대하여 약 5 중량%에서 약 40 중량%의 철-합금 분말과 적어도 55 중량%의 철 분말, 그리고 적어도 0.1 중량%의 탄소를 함유한다.
본 발명에 따른 다른 구체예에서는 약 5 중량%에서 약 40 중량%의 철-몰리브덴 합금 분말을 함유하고, 철-몰리브덴 합금 분말의 총 중량에 대하여 상기 몰리브덴의 양은 약 0.10 중량%에서 약 7.0 중량%이며, 상기 철의 양은 적어도 85 중량%인 야금 분말 조성물이 제공된다. 또한, 상기 야금 분말 조성물은 적어도 55 중량%의 실질적으로 순수한 철 분말과 약 0.1 중량%에서 약 3.0 중량%의 탄소를 함유한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 야금 분말 조성물을 제공하고 금속 부분을 형성하기 위하여 적어도 약 5 tsi의 압력 하에서 야금 분말 조성물을 압축하여 금속 부분을 형성하는 방법을 제공한다.
도면의 간단한 설명
제1도는 철-합금 분말을 함유하지 아니하는 야금 분말 조성물(비교 실시예 1과 2)로부터 형성된 금속 부분과 비교하여, 본 발명에 따른 야금 분말 조성물(실시예 5)로부터 형성된 금속 부분을 드릴링 함으로써 얻어지는 평균 추력(thrust)을 파운드 단위로 나타낸 그래프이다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 금속 부분을 형성할 경우에 향상된 가공성(machinability)을 가지는 향상된 야금 분말 조성물을 제공한다. 상기한 '가공성(machinability)'이란 기 계 공작 공구에 의해 금속 부분이 어떤 형태로 완성될 수 있는 능력을 말한다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법에 따라 제작된 금속 부분은 형태 가공, 연마, 드릴링, 절단, 휨, 밀링, 또는 이들의 조합의 작업에 있어서 향상된 능력을 보여준다.
본 발명에 따른 야금 분말 조성물은 실질적으로 순수한 철 분말과 철-합금 분말, 그리고 탄소를 함유하는 철-기저 분말 조성물이다. 상기의 야금 분말 조성물은 합금 분말, 하나 또는 그 이상의 윤활제, 하나 또는 그 이상의 결합제, 종래의 분말 야금 첨가제, 또는 이들의 조합을 선택적으로 함유할 수 있다.
철-기저 금속 부분의 가공성은 금속 부분을 형성하는데 사용되는 야금 분말 조성물 속의 철-합금 분말을 일정량 부가함으로써 비약적으로 향상될 수 있다는 것이 밝혀져 왔다. 본 발명에 있어서 유용한 철-합금 분말은 가공성을 향상시킴에 있어서 경도가 높은 상(phase)을 제공할 수 있는 적어도 하나의 합금 첨가제(예를 들어, 화합물을 함유하는 몰리브덴을 들 수 있다)와 철을 합금함으로써 부분적으로 또는 완전하게 얻어진다.
상기한 '합금'이란 합금 첨가제와 철이 혼합되어 녹여진 후에, 철과 합금 첨가제 사이에 확산 결합(diffusion bonding) 또는 화학 결합을 이루게 되는 것을 말한다. 합금을 위한 적합한 공정에는 예컨대 '예비합금(prealloying)' 과 '확산 결합(diffusion bonding)'과 같은 과정을 포함한다.
예비 합금되고(prealloyed) 확산 결합된(diffusion bonded) 철-합금 분말은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 제작될 수 있다. 예를 들어, 예비 합금된 철-합금 분말은 철과 하나 또는 그 이상의 원하는 합 금 첨가제를 용융하여 만들어질 수 있다. 바람직하게는, 상기 용융된 이후에 세분화함으로써 세분된 입자들이 응결물 위에 분말을 형성할 수 있도록 한다. 확산 결합된 철-합금 분말은, 예를 들어, 철 분말과 하나 또는 그 이상의 합금 첨가제(바람직하게는 산화물의 형태를 가진)를 섞은 후에 고온(약 800℃ 또는 그 이상)에서 혼합물을 서서히 식힘으로써 얻어질 수 있다. 상기한 고온에서 서서히 식히는 과정을 통해 합금 화합물은 철 입자의 외부 표면으로 확산되고 부분적으로 합금되는 것이다. 바람직한 확산 결합 과정은 GB 제1,162,702호에 개시되어 있으며, 이하 전체에서 참고 자료로 적용된다.
본 발명에 따른 바람직한 구체예에서, 철-합금 분말은 예비 합금 공정을 통하여 만들어진다. 예비 합금 과정은 철과 합금 첨가제의 완벽한 합금을 용이하게 하여주는 이점이 있다.
바람직하게는, 야금 분말 조성물 속에 철-합금 분말은 철-합금 분말을 함유치 아니하는 조성물과 대비하여 금속 부분의 가공성을 향상하는 데에 효과적인 농도로 존재한다. 철-합금 분말의 양은 야금 분말 조성물의 전체 중량에 대하여, 바람직하게는 약 5 중량%에서 약 40 중량%이며, 더욱 바람직하게는 약 10 중량%에서 약 30 중량%이고, 가장 바람직하게는 약 12 중량%에서 약 20 중량%이다.
철-합금 분말을 형성하는 데에 사용될 수 있는 철은 기본적으로 일반적인 불순물의 함유량이 약 1.0 중량%, 바람직하게는 약 0.5 중량%를 넘지 않는 실질적으로 순수한 철이어야 한다. 본 명세서에서 "실질적으로 순수한 철 분말"이란 이와 같이 불순물을 허용 가능한 범위 내에서 함유하고 있는 철 분말을 의미하며, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 널리 사용되고 있는 용어기도 하다. 상기 철은 예비 합금 과정에 앞서, 어떠한 물리적 형태를 가지고 있어도 무방하다. 예를 들어, 상기 철은 분말의 형태나 철조각의 형태를 가질 수 있다. 확산 결합에 있어서, 철은 분말의 형태를 가지는 것이 바람직하다.
철-합금 분말을 형성하는 데에 적합한 합금 첨가제의 예로서는 몰리브덴, 망간, 마그네슘, 텅스텐, 크롬, 실리콘, 구리, 니켈, 금, 바나듐, 콜럼븀(니오븀), 알루미늄, 또는 상기의 산화물들의 원소, 화합물, 합금; 구리와 주석 또는 인의 이종 합금; 텅스텐 또는 실리콘의 탄화물(carbide); 실리콘의 질화물(nitride); 망간 또는 몰리브덴 또는 이들의 조합의 황화물(sulfide); 등을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. 바람직하게는, 상기의 철-합금 분말은 몰리브덴, 망간, 마그네슘, 텅스텐, 크롬, 실리콘, 구리, 니켈, 바나듐, 이들의 산화물들, 또는 이들의 조합물, 그리고 더욱 바람직하게는 몰리브덴, 크롬, 바나듐, 텅스텐, 또는 이들의 조합물들을 함유하는 적어도 하나의 합금 첨가제를 함유한다.
철-합금 분말 속의 합금 첨가제의 전체 양은 선택된 합금 첨가제에 의해 결정된다. 전형적으로, 합금 첨가제는 철-합금 분말 속에 철-합금 분말의 총 중량에 대하여 약 0.01 중량%에서 약 7.0 중량%, 바람직하게는 약 0.10 중량%에서 약 3.0 중량%, 가장 바람직하게는 약 0.10 중량%에서 약 2.0 중량%의 양으로 존재한다.
철-합금 분말은 또한 철-합금 분말을 형성하는 데에 사용되는 철로부터 발생되는 잔여 불순물 등을 함유할 수 있다. 일반적으로, 철-합금 분말은 철-합금 분말의 총 중량에 대하여, 적어도 약 0.15 중량%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 0.25 중량%의 최소한의 잔여 불순물과 바람직하게는 약 1.0 중량%, 더욱 바람직하게는 약 0.9 중량%의 최대한의 잔여 불순물을 함유한다.
철-합금 분말에서 가장 지배적인 것은 바람직하게는 철이다. 철은 철-합금 분말 속에서 바람직하게는, 적어도 85.0 중량%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 90.0 중량%, 가장 바람직하게는 약 94.0 중량%에서 약 99.8 중량%의 양으로 존재한다.
본 발명에 따른 바람직한 구체예에서, 철은 철-몰리브덴 예비 합금 분말을 형성하기 위하여 몰리브덴을 함유하는 적어도 하나의 합금용 첨가제와 예비 합금된다. 철-몰리브덴 예비 합금 분말을 형성함에 있어서 유용한 몰리브덴 첨가제는 몰리브덴을 함유하고 있는 어떠한 원소, 화합물, 또는 합금이어도 되며, 예비 합금 과정에서 철과 합금될 수 있다. 예를 들어, 상기 몰리브덴 첨가제는 몰리브덴 트라이옥사이드 또는 페로몰리브덴 합금과 같은 몰리브덴의 산화물일 수 있다. 몰리브덴 첨가제는 또한 실질적으로 순수한 몰리브덴 원소(바람직하게는 약 90 중량% 이상의 순도를 가지는)이어도 무방하다. 바람직하게는, 몰리브덴 첨가제는 몰리브덴 트라이옥사이드와 같은 몰리브덴의 산화물이다.
본 발명에 따른 가장 바람직한 구체예에서, 철-몰리브덴 예비 합금 분말은 철-몰리브덴 예비 합금 분말 총 중량에 대해서 바람직하게는 약 0.40 중량%에서 약 1.6 중량%의 몰리브덴과 약 97.4 중량%에서 약 99.50 중량%의 철을 함유한다. 철-몰리브덴 예비 합금 분말은 예비 합금 분말의 총 중량에 대하여 바람직하게는 약 0.03 중량%의 황, 약 0.02 중량%의 실리콘, 및 약 0.01 중량%의 질소를 잔여 불순물의 최대치로 함유한다.
상업적으로 입수 가능한 적합한 철-몰리브덴 예비 합금 분말의 예로는 회가나에스(Hoeganaes) 앵커스틸(ANCORSTEEL) 150HP 철 분말, 85HP 철 분말, 50HP 철 분말, 또는 이들의 조합들을 들 수 있다. 상기 150HP, 85HP, 50HP 철 분말 속의 몰 리브덴의 양은 예비 합금의 총 중량에 대하여 각각 약 1.5 중량%, 0.85 중량%, 0.55 중량%이다. 상기 철-몰리브덴 예비 합금 분말은 철을 주된 성분으로 하여, 약 0.75 중량%보다 적은 양의 망간, 크롬, 실리콘, 구리, 니켈, 또는 알루미늄과 같은 물질과 약 0.02 중량%보다 적은 양의 탄소를 함유한다. 상업적으로 입수 가능한 철-몰리브덴 예비 합금 분말의 다른 예는 회가나에스 앵커스틸 4600V 철 분말로서, 약 0.5∼0.6 중량%의 몰리브덴, 약 1.5∼2.0 중량%의 니켈, 약 0.1∼0.25 중량%의 망간, 약 0.02 중량% 이하의 탄소를 함유하며, 철을 주된 성분으로 하는 것이 바람직하다. 본 발명에 유용한 다른 앵커스틸 철-몰리브덴 예비 합금 분말의 예로서는 앵커스틸 2000과 737 철 분말이 있다. 150HP, 85HP, 또는 50HP 철 분말은 본 발명의 예비 합금 분말로서 사용함에 있어서 바람직하다.
본 발명에 따른 야금 분말 조성물은 또한 실질적으로 순수한 철 분말을 함유한다. 실질적으로 순수한 철 분말은 야금 분말 조성물 속에 야금 분말 조성물의 총 중량에 대해서, 바람직하게는 적어도 약 55 중량%, 더욱 바람직하게는 약 60 중량%에서 약 95 중량%, 가장 바람직하게는 약 70 중량%에서 약 90 중량%의 양이 존재한다.
본 발명에 사용될 수 있는 실질적으로 순수한 철 분말은 통상적인 불순물의 함유량이 약 1.0 중량%를 넘지 않는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하기로는 약 0.5 중량%를 넘지 않아야 한다. 고도의 압축 가능성과 야금-등급을 지닌 철 분말의 예로서는 회가나에스 코오퍼레이션(뉴저지 리버튼 소재)으로부터 구입 가능한 앵커스틸 1000 시리즈 즉, 1000, 1000B, 그리고 1000C 등의 순수한 철 분말이 있다. 예를 들어, 앵커스틸 1000 철 분말은 U. S. 시리즈 325번 체(sieve) 아래의 입자가 약 22 중량%이고, 100번 체(sieve)보다 큰 입자가 약 10 중량%이며, 나머지 입자들은 상기의 두 사이즈 중간 크기(60번 체보다 큰 입자의 양은 미미함)인 전형적인 입자크기 프로필(screen profile)을 가진다. 앵커스틸 1000 분말은 약 2.85∼3.00 g/cm3의, 전형적으로는 2.94 g/cm3의 겉보기 밀도(apparent density)를 가진다.
철-합금 분말과 실질적으로 순수한 철 분말의 입자들은 입자 크기의 분포를 가진다. 전형적으로, 상기 입자들은 적어도 약 90 중량%의 분말 샘플들이 U.S. 시리즈 45번 체를 통과할 수 있으며, 보다 바람직하게는, 적어도 약 90 중량%의 분말 샘플들이 60번 체를 통과할 수 있다. 상기 입자들은 적어도 약 50 중량%의 분말들이 70번 체를 통과하며, 400번 체보다 입자가 크다. 보다 바람직하게는, 적어도 약 50 중량%의 분말들이 70번 체를 통과하며, 325번 체보다 입자가 크다. 또한, 상기 분말들은 적어도 약 5 중량%, 보다 일반적으로는 적어도 약 10 중량%, 그리고 가장 일반적으로는 적어도 약 15 중량%의 입자들이 325번 체를 통과한다. 상기한 바와 같이, 이러한 입자들은 1 마이크론 또는 그 이하에서 약 850∼1,000 마이크론의 중량 평균 입자 크기를 가지며, 일반적으로는 입자들은 약 10∼500 마이크론의 중량 평균 입자 크기를 가진다. 최대의 중량 평균 입자 크기가 약 350 마이크론 정도인 철-합금 입자 또는 실질적으로 순수한 철 입자가 선호되며; 더욱 바람직하기로는 중량 평균 입자 크기가 약 25∼150 마이크론, 가장 바람직하기로는 80∼150 마이크론인 것이 선호된다. 체(sieve) 분석을 위해 MPIF 표준 05를 참고로 하였다.
또한, 야금 분말 조성물은 탄소를 함유하는 것이 바람직하다. 탄소는 흑연과 같이 실질적으로 순수한 탄소 분말 상태로 부가되는 것이 바람직하다. 탄소 분말은 적어도 약 99.0 중량%의 순도를 가지는 것이 바람직하며, 보다 바람직하기로는 적어도 약 99.5 중량%의 순도를 가진다. 탄소 분말은 결정형 그리고/또는 무정형일 수 있다. 탄소는 야금 분말 조성물 속에서 야금 분말 조성물의 총 중량에 대하여 바람직하게는 약 0.1 중량%에서 약 3.0 중량%, 더욱 바람직하게는 약 0.2 중량%에서 약 2.0 중량%, 가장 바람직하게는 약 0.3 중량%에서 약 1.2 중량%가 존재한다.
본 발명에 따른 야금 분말 조성물은 탄소 분말에 덧붙여서, 합금 분말을 선택적으로 함유할 수 있다. 이하 '합금 분말'이라는 용어는 첨가제가 야금 분말 조성물과 완전하게 합금을 하든지, 부분적으로 합금을 하든지 간에, 야금 분말 조성물과 혼합된 미립자 원소, 화합물, 또는 합금 분말을 의미한다.
야금 분말 조성물 속에 존재할 수 있는 선택적인 합금 분말의 예로서는, 원소, 화합물, 또는 몰리브덴, 망간, 구리, 니켈, 크롬, 실리콘, 금, 바나듐, 콜롬븀(니오븀), 인, 알루미늄, 붕소, 또는 이들의 산화물; 구리와 주석, 구리와 니켈, 또는 구리와 인의 이종 합금(binary alloys); 망간, 크롬, 붕소, 인, 또는 실리콘의 철과의 합금; 철, 바나듐, 망간, 크롬, 몰리브덴, 또는 이들의 조합들로부터 선택된 원소들과 탄소를 조합한 3원(ternary) 그리고 4원(quaternary) 저-용융점 혼합물; 텅스텐 또는 실리콘의 탄화물(carbide); 알루미늄 산화물(oxide); 그리고 망간 또는 몰리브덴, 그리고 이들의 조합의 황화물(sulfide)을 함유하는 합금이 있다. 바람직한 합금 분말은 원소, 화합물, 또는 몰리브덴, 망간, 구리, 니켈, 크롬, 바나듐, 인, 또는 이들의 조합을 함유하는 합금, 보다 바람직하게는, 화합물, 구리, 니켈, 또는 이들의 조합을 함유하는 합금이 있다.
야금 분말 조성물 속에 합금 분말의 양은 약 10 중량% 이하로, 그리고 전형적으로 약 0.25 중량%에서 약 10 중량%의 범위 내에서, 바람직하게는 약 0.25 중량%에서 약 7 중량% 내에, 보다 바람직하게는 약 0.5 중량%에서 약 5 중량% 내에 존재한다. 합금 분말은 일반적으로 약 100 마이크론 이하의, 바람직하기로는 약 75 마이크론 이하의, 보다 바람직하기로는 약 30 마이크론 이하의, 가장 바람직하기로는 약 5 마이크론에서 약 20 마이크론의 범위 내의 중량 평균 입자 크기를 가진다. 합금 분말의 입자 크기는 상대적으로 작아서 스크리닝 기술(screening technique)과 반대로 레이저 광선 분산 기술에 의해 분석될 수 있다. 상기 레이저 광선 분산 기술은 입자 크기 분산을 dx 값으로 나타내는데, 이는 분말 부피의 "x" 퍼센트가 얻어진 값보다 작은 직경을 가지고 있음을 나타내는 것이다. 합금 입자들은 일반적으로 입자 크기 분산을 가져서, 약 100 마이크론 이하의, 바람직하게는 약 75 마이크론 이하의, 그리고, 더욱 바람직하게는 약 50 마이크론 이하의 d90 값을 가진다; 그리고, 약 75 마이크론 이하의, 바람직하게는 약 50 마이크론 이하의, 그리고, 더욱 바람직하게는 약 30 마이크론 이하의 d50 값을 가진다.
본 발명에 따른 바람직한 구체예에서, 야금 분말 조성물은 구리를 함유하는 합금 분말을 포함한다. 상기 구리는 야금 분말 조성물로부터 형성되는 금속 부분에 강성(hardenability property)제공한다. 분말을 함유하는 구리는 상대적으로 적은 불순물을 포함하는 구리 원소가 바람직하다. 바람직하게는, 분말을 함유하는 구리는 분말을 함유하는 구리의 총 중량에 대하여 적어도 90 중량%의, 더욱 바람직하게는 적어도 98 중량%의, 가장 바람직하게는 적어도 99.5 중량%의 구리를 함유한다.
본 발명에 따른 야금 분말 조성물에 있어서, 분말을 함유하는 구리는 야금 분말 조성물의 총 중량에 대하여, 바람직하게는 적어도 0.2 중량%, 더욱 바람직하게는 약 0.5 중량%에서 약 4.0 중량%, 그리고, 가장 바람직하게는 약 1.0 중량%에서 약 3.0 중량%의 구리 원소를 함유한다.
본 발명에 따른 야금 분말 조성물은 윤활제, 가공제(machining agent), 가소제(plasticizer) 등과 같이 야금 조성물에 통상적으로 사용되는 특수한 목적에 사용되는 첨가제를 함유할 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 구체예에서, 야금 분말 조성물은 다이(die) 틀에서 압축된 부분을 떼어내는데 요구되는 사출력(ejection force)을 감소시키기 위해 윤활제를 함유하기도 한다. 전형적인 분말 야금 윤활제의 예로서는, 징크 스테아레이트(zinc stearates), 리튬 스테아레이트, 망간 스테아레이트, 칼슘 스테아레이트 등과 같은 스테아르산염(stearates); 에틸렌 비스스테아라미드(ethylene bisstearamide) 또는 폴리올레핀 등과 같은 합성 왁스; 또는 이들의 조합을 포함하는 윤활제를 들 수 있다. 윤활제는 미국 특허 번호 제5,368,630호에 개시된 PROMOLD-450과 같은 폴리아미드 윤활제, 루크(Luk)에 의해 미국 특허 제5,498,276호에 개시된 미립자 에테르, 존슨(Johnson)에 의해 미국 특허 제5,330,792호에 개시된 지방산의 금속 염들을 사용할 수 있으며, 상기 개시된 내용들은 이하 본 발명 의 참고 자료로 활용된다. 윤활제는 상기 전술하여 묘사된 윤활제들의 조합물일 수도 있다.
윤활제는 일반적으로 야금 분말 조성물의 총 중량에 대해서, 약 2.0 중량%의 양으로, 바람직하게는 약 0.1 중량%에서 1.5 중량%의 양으로, 더욱 바람직하게는 약 0.1 중량%에서 약 1.0 중량%의 양으로, 가장 바람직하게는 약 0.2 중량%에서 약 0.75 중량%의 양으로 첨가된다.
바람직한 윤활제로서는 에틸렌 비스스테아라미드(ethylene bisstearamide), 징크 스테아레이트(zinc stearate), 케노루브TM (Kenolube, 스웨덴 호가나스에 위치한 호가나스 코오퍼레이션이 공급함), 그리고 폴리에틸렌 왁스 등이 있다. 바람직하게는, 상기의 윤활제들은 형성된 야금 분말 조성물의 총 중량에 대하여 약 0.2 중량%에서 약 1.5 중량%의 양으로 첨가된다.
가소제(plasticizers), 가공제(machining agent)와 같은 다른 첨가제들도 야금 분말 조성물 속에 부가될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 첨가제들은 야금 분말 조성물 속에서 야금 분말 조성물의 총 중량에 대하여 약 0.05 중량%에서 약 1.5 중량%의 양으로, 더욱 바람직하게는 약 0.1 중량%에서 약 0.5 중량%의 양으로 존재한다. 폴리에틸렌-폴리에틸렌 공중합체와 같은 가소제는 전형적으로 결합제 그리고/또는 윤활제와 함께 사용된다. 황화 몰리브덴(molybdenum sulfides), 황화 철(iron sulfides), 보론 나이트리드(boron nitride), 붕산, 또는 이들의 조합물 등과 같은 가공제(machining agents)는 전형적으로 최종적인 가공 동작에서 도움이 되도록 사 용된다. 바람직한 구체예에서, 황화 망간은 야금 분말 조성물 속에서 야금 분말 조성물의 총 중량에 대해서 약 0.1 중량%에서 약 0.75 중량%의 양으로 존재한다.
또한, 야금 분말 조성물은 야금 분말 조성물 속에 존재하는 서로 다른 입자들을 결합하고 분리되지 않도록 하기 위하여 하나 또는 그 이상의 결합제를 함유할 수 있다. 이하 '결합'이라 함은 야금 분말 조성물의 입자들의 접합을 용이하게 해주는 물리적 또는 화학적 방법을 의미한다.
본 발명에 따른 바람직한 구체예에서, 결합은 적어도 하나의 결합제를 사용함으로써 얻어진다. 본 발명에서 사용될 수 있는 결합제는 분말 야금 분야에서 통상적으로 사용되는 것이다. 상기와 같은 결합제의 예는 세멀(Semel)의 미국 특허 제4,834,800호, 앵스트롬(Engstrom)의 미국 특허 제4,483,905호, 루쯔(Rutz)의 미국 특허 제5,154,881호, 세멀(Semel)의 미국 특허 제5,298,055호에 개시되어 있으며, 상기의 개시된 내용은 이하 본 발명에 참고 자료로 이용된다.
상기 결합제는, 예로써, 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리프로필렌 글리콜과 같은 폴리글리콜; 글리세린; 폴리비닐 알코올; 비닐 아세테이트의 단량중합체 또는 공중합체; 셀룰로스 에스테르(cellulosic ester) 또는 에테르 수지(ether resins); 메타크릴레이트 중합체 또는 공중합체; 알카이드 수지; 폴리우레탄 수지; 폴리에스테르 수지; 또는 이들의 조합들을 들 수 있다. 유용한 결합제의 다른 예로는, 세멀(Semel)의 미국 특허 제5,298,055호에 설명된 상대적으로 높은 분자량의 폴리알킬렌 산화물-기저 조성물을 들 수 있다. 유용한 결합제로는 아즈레익(azelaic) 산과 같은 이 염기(dibasic) 유기산, 그리고 폴리에테르(액체 또는 고체)와 같은 하나 또는 그 이상의 극성(polar) 입자, 그리고 루크(Luk)의 미국 특허 제5,290,336호에 개시된 아크릴(acrylic) 수지 등을 또한 들 수 있으며, 이하 본 발명에 그 내용이 참고 자료로 활용된다. 상기 루크의 미국 특허 제5,290,336호에 개시된 결합제는 또한 윤활제로서도 활용될 수 있는 이점이 있다. 유용한 결합제로서 덧붙일 수 있는 것으로는 루크의 미국 특허 제5,368,630호에 개시된 셀룰로오스 에스테르 수지, 히드록시 알킬셀룰로오스 수지, 그리고 열가소성 페놀 수지 등을 들 수 있으며, 상기 개시된 내용은 이하 본 발명의 참고 자료로 활용된다.
결합제로는 나아가 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 에폭시, 우레탄, 파라핀, 에틸렌 비스스테라미드, 그리고 목화씨 오일, 그리고 또한 중량 평균 분자량이 3,000 이하인 폴리올레핀, 그리고 C14-24 알킬부 트리글리세리드의 경화된 식물유(vegetable oils), 그리고 이들의 유도체와 같은 저-용융점의 고체 고분자 또는 왁스, 즉, 200℃(390℉) 이하의 연화점을 가지는 고분자 또는 왁스를 들 수 있으며, 상기 유도체는 이하 본 발명의 참고자료로 활용되는 1999년 4월 29일에 출간된 WO 제99/20689호에 개시된 목화씨 오일, 소이빈 오일, 호호바 오일, 그리고 이들의 혼합물과 같은 경화된 유도체를 포함한다. 상기 결합제들은 그 적용에 있어서 논의된 건식 결합 기술(dry bonding techniques)과 결합제로서 상기에 개시된 일반적인 양으로 적용될 수 있다. 나아가, 본 발명에서 사용될 수 있는 결합제로 미국 특허 제5,069,714호에 개시된 폴리비닐 피롤리돈 또는 톨유(tall oil) 에스테르를 들 수 있으며, 상기 개시된 내용은 이하 본 발명에서 참고 자료로 활용된다. 바람직한 결합제로는 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 아세테이트, 또는 이들의 조합물들을 들 수 있으며, 상기 결합제는 WO 제99/20689호에 개시되어 있다.
야금 분말 조성물 내에 존재하는 결합제의 양은 밀도, 입자 크기 분포 그리고 철-합금 분말의 양 즉, 야금 분말 조성물 속의 철 분말과 선택적 합금 분말의 양 등과 같은 인자에 의존한다. 일반적으로, 결합제는 야금 분말 조성물의 총 중량에 대해서, 적어도 약 0.005 중량%의 양이, 보다 바람직하게는 약 0.005 중량%에서 약 2 중량%의 양이, 가장 바람직하게는 약 0.05 중량%에서 약 1 중량%의 양이 첨가된다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 야금 분말 조성물은 약 10 중량%에서 약 20 중량%의 철-몰리브덴 예비 합금 분말, 약 80 중량%에서 약 90 중량%의 실질적으로 순수한 철 분말, 흑연 분말인 것이 바람직한 약 0.1 중량%에서 약 1.2 중량%의 탄소, 그리고 분말을 함유하는 구리의 형태인 것이 바람직한 약 0.1 중량%에서 약 3.0 중량%의 구리를 함유한다. 본 구체예에서, 철-몰리브덴 예비 합금은 약 0.4 중량%에서 약 2.0 중량%의 몰리브덴과 약 98 중량%에서 약 99.6 중량%의 철을 함유하는 것이 바람직하다. 야금 분말 조성물에서 철, 몰리브덴, 탄소 그리고 구리의 퍼센트는 예컨대, 원소 분석에 의해 결정될 수 있다.
본 발명은 야금 분말 조성물을 준비하는 방법들을 제공하고 있다. 본 발명에 따른 방법에서, 바람직하게는 상기에 기술된 방법에 따라 준비된 철-합금 분말이 제공된다. 본 발명에 따른 야금 분말 조성물을 형성하기 위하여 철-합금 분말은 실질적으로 순수한 철 분말과 바람직하게는 탄소 분말과 상기에 기술된 양으로 혼합 된다. 덧붙여서, 다른 첨가제들도 상기에 기술된 양으로 야금 분말 조성물에 부가될 수 있다. 예를 들어, 합금 분말, 윤활제, 결합제, 가공제, 가소제, 또는 다른 종래의 야금 분말 첨가제의 어떠한 조합으로도 첨가될 수 있다.
철-합금 분말, 실질적으로 순수한 철 분말, 탄소 분말, 그리고 다른 원하는 첨가제들을 혼합하는 방법은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 익히 알려진 기술에 의해 행해질 수 있다. 바람직하게는, 사용된 방법은 쉽게 분리되지 아니하는 균일하게 혼합된 야금 분말 조성물을 제공하게된다. 더욱이, 철-합금 분말, 실질적으로 순수한 철 분말, 탄소 분말, 그리고 다른 원하는 첨가제를 부가하는 순서는 엄격하지 않다. 그러나, 바람직하게는, 상기의 부가 순서는 균일한 야금 분말 조성물의 혼합물을 얻을 수 있도록 정해진다.
바람직한 구체예에서, 본 발명에 따른 방법은 야금 분말 조성물에 철-합금 분말과 실질적으로 순수한 철 분말을 결합시키기 위한 결합제와 분리를 막기 위한 다른 첨가제를 부가하는 과정을 포함한다. 결합제는 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 기술에 의해 첨가될 수 있다. 예를 들어, 세멀의 미국 특허 제4,834,800호; 앵스트롬의 미국 특허 제4,483,905호; 루쯔의 미국 특허 제5,154,881호; 그리고 세멀의 미국 특허 제5,298,055호; 그리고, 1999년 4월 29일에 출판된 WO 제99/20689호 들이 있으며, 상기 개시된 내용은 이하 본 발명에서 참고 자료로 활용된다. 바람직하게는, 결합제는 액체 형태로 첨가되고, 분말이 완전히 젖을 때까지 분말과 섞여진다. 일반의 환경조건에서 액체의 상태로 있는 상기의 결합제들은 그 상태 그대로 첨가될 수 있으나, 액체 상태이건 고체 상태이건, 결합 제는 유기 용매 속에 용해 또는 분산되어 액체 용액으로 첨가되는 것이 바람직하고, 그럼으로써, 혼합물 전체를 통해 결합제의 균질한 분포를 얻을 수 있다. 용매를 제거하기 위한 종래의 기술을 이용하여 젖은 분말의 이후 과정이 진행된다. 만일 혼합물의 양이 일반적으로, 5 lbs 또는 그 이하로 적다면, 전형적으로, 상기의 젖은 분말을 얕은 접시에 넓게 편 후에 공기 중에서 건조되도록 놓아둔다. 다른 한편, 혼합물의 양이 많은 경우에는 건조 단계는 혼합 용기 속에서 열과 진공을 가하면서 행하여진다.
또한, 결합제와 윤활제를 첨가하는 일련의 과정은, 원한다면, 야금 분말 조성물의 최종적인 특성을 변환시키기 위해 다양하게 변화될 수 있다. 예를 들어, 세멀의 미국 특허 제5,256,185호에 개시된 공정이 사용될 수 있으며, 상기 공정은 이하 본 발명에서 참고 자료로 이용된다. 또 다른 예로서, 윤활제는 철-합금 분말, 실질적으로 순수한 철 분말, 탄소 분말, 합금 분말, 그리고 다른 선택적 첨가제들과 혼합된 후에 결합제가 이 조성물에 부가되는 것이다. 다른 한편, 윤활제는 바람직하게는 약 50 중량%에서 약 90 중량%, 더욱 바람직하게는 약 75 중량%에서 약 95 중량%의 양이 철-합금 분말, 실질적으로 순수한 철 분말, 그리고 다른 첨가제의 혼합물에 부가되며, 그 이후에 결합제가 첨가되고, 용매를 제거한 후에, 남은 윤활제를 금속 분말 조성물에 부가한다. 또 하나의 방법은 첫 번째로 결합제를 철-합금 분말과 다른 첨가제의 혼합물에 부가한 후에, 용매를 제거하고, 전체 양의 윤활제를 첨가하는 것이다.
상기와 같이 형성된 본 발명에 따른 야금 분말 조성물은 금속 부분을 형성하 기 위하여 표준화된 야금 기술에 따라 다이(die) 속에서 압축된다. 전형적인 압축 압력은 약 5∼200 tons per square inch(tsi)(69∼2760 MPa)이며, 바람직하게는 약 20∼100 tsi(276∼1379 MPa)이고, 더욱 바람직하게는 약 25∼60 tsi(345∼828 MPa)이다.
압축 이후에, 야금 분말 조성물에 적합한 온도, 소결 시간, 그리고 다른 조건에 있어서 표준화된 야금 기술에 의해 상기 압축된 부분은 소결될 수 있다. 예를 들어, 바람직한 구체예에서, 소결 온도는 약 1,900에서 약 2,400 ℉의 범위 내이고, 야금 결합과 합금이 이루어지기에 충분한 시간 동안 행해진다. 야금 분말 조성물은 또한 당해 분야의 통상의 지식을 가지고 있는 자에게 익히 알려진 기술에 의해 이중 압축되고, 이중 소결될 수 있다.
다양한 모양과 다양한 용도의 금속 부분은 본 발명에 따른 야금 분말 조성물에 의해 제작될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속부분은 자동차, 비행기, 또는 핵에너지 산업 등에서의 용도에 맞게 그 모양을 제작할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 의해 제작된 야금 분말 조성물은 우수한 가공 물성을 가지는 것으로 밝혀졌다. 상기와 같은 향상된 물성은 특히 야금 분말 조성물이 약 10 중량%에서 약 30 중량%의 철-몰리브덴 예비 합금 분말, 약 70 중량%에서 약 90 중량%의 실질적으로 순수한 철 분말, 약 0.1 중량%에서 약 3.0 중량%의 탄소 분말, 약 0.1 중량%에서 약 3.0 중량%의 구리 함유 분말을 함유하는 경우에 관찰된다. 바람직하게는, 철 몰리브덴 예비 합금은 약 0.40 중량%에서 약 2.0 중량%의 몰리브덴과 약 98 중량%에서 약 99.6 중량%의 철을 함유한다. 야금 분말 조성물 속에 황화 망간(manganese sulfide)과 같은 가공제를 첨가함으로써 보다 높은 가공성을 가질 수 있다.
실시예
본 발명의 일부 구체예가 이하의 실시예에서 자세히 설명될 것이다. 철-기저 분말 조성물은 본 발명의 방법에 따라 준비된다. 비교 실시예를 위한 금속 분말 조성물도 또한 준비된다. 준비된 분말 조성물은 압축되고, 금속 부분을 형성하기 위해 소결되며, 가공성을 평가받는다.
비교실시예 1∼2 와 실시예 3∼10
표 1에 나타난 조성을 가지는 야금 분말 조성물이 준비되었다.
조성물은 표 1에 나타난 양으로 모든 성분을 균질하게 혼합하여 준비되었다. 모든 실시예에서 사용된 철 분말은 회가나에스 코오퍼레이션(Hoeganaes Co., 뉴저지 시나민슨에 위치)으로부터 입수 가능한 앵커스틸(Anchorsteel) 1000A였다. 모든 실시예에서 사용된 철-합금 분말은 역시 회가나에스 코오퍼레이션으로부터 입수할 수 있는 철 분말인 앵커스틸(AnchorsteelTM) 85HP이었다. 앵커스틸 85HP는 약 0.85 중량%의 몰리브덴을 함유하는 철-몰리브덴 예비 합금 분말이다. 모든 실시예에서 사용된 흑연(표 1에서 "Carbon"이라고 기재)은 약 6 마이크론에서 약 8 마이크론의 중량 평균 입자 크기를 가지며, 애스버리 밀스 인코오퍼레이티드(Asbury Mills, Inc., 뉴저지 애스버리에 위치)로부터 입수할 수 있다. 모든 실시예에서 사용된 구리 분말(표 1에서 "Cu"라고 기재)은 아큐파우더 코오퍼레이션(Accupowder Co.)으로부터 구입한 아큐파우더(Accupowder)였다. 구리 분말은 약 10 마이크론에서 약 14 마이크론의 중량 평균 입자 크기와 99.5 중량%의 순도를 가진다. 표 1에서 나타난 "MnS"는 가공제인 황화 망간(manganese sulfide)이었다. 표 1에 나타난 윤활제는 아크라왁스 C(Acrawax TMC) 윤활제였다. 상기 아크라왁스 C는 합성 왁스이며, 알그룹 론자(Algroup Lonza, 뉴저지의 페어론에 위치)로부터 입수할 수 있다.
실시예 11
비교실시예 1과 2, 그리고 실시예 3 내지 10의 금속 분말 조성물은 가공성을 평가받았다.
가공성을 평가하기 위하여, 표 1의 각각의 야금 분말 조성물은 밀도 6.8 g/cm3의 직경 4 inch, 두께 1 inch의 원판으로 압축되었다. 상기 원판은 2050 ℉의 온도와 10 %의 수소 및 90 %의 질소 대기 하에서 30분간 소결시킨 후에 상온으로 냉각되었다.
가공성 검사를 실행하기 이전에, 각 드릴 비트(bit)는 하기의 방법으로 조정되었다. 직경이 0.25 inch인 20개의 드릴 비트가 표 1에 기재된 "대조(Control)" 분말로부터 형성된 원판에 0.95 inch 깊이의 구멍을 뚫는데 사용되었다. 각 드릴 비트는 총 약 40 내지 약 60 개의 구멍 중에서 대략 2 내지 3 개의 구멍을 뚫는데 사용되었다. 구멍은 드릴 비트 1회전 당 0.005 inch 구멍 깊이의 속도와 2220 rpm의 절단 속도로 드릴링 되었다. 드릴링 과정 동안 드릴 토크(torque)와 드릴 트러스트(thrust)는 각 드릴 비트에 대해 자동적으로 측정되었으며, 평균 드릴 토크 및 트러스트는 모든 측정방법을 통해 계산되었다. 평균 ±5 % 내의 드릴 토크와 트러스트를 가지는 드릴 비트만이 가공성 시험에 사용되었다.
드릴 비트를 조정하는데 사용된 것과 동일한 장비를 사용하여 표 1에 기재된 각 야금 분말 조성물로부터 형성된 원판에 드릴 비트를 사용할 수 없을 때까지(즉, 마멸의 정도가 미리 정해진 수치를 넘게 될 때까지) 0.95 inch의 깊이를 가지는 구멍을 뚫었다. 각 구멍을 드릴링 함에 있어서, 드릴 비트 1회전 당 0.005 inch 구멍 깊이의 속도와 2220 rpm의 절삭 속도로 드릴링 되었다. 검사 과정 중에 드릴 토크와 드릴 트러스트가 측정되었고, 10 개의 구멍을 드릴링 한 후에는 각 드릴 비트의 마멸 정도가 측정되었다. 마멸 정도는 비젼 엔지니어링(Vision Engineering, 영국 서레이에 위치)에 의해 공급되는 마이크로다이나스코프(Microdynascope) 모델 5E 유니버설 인스펙션(Universal Inspection)과 게이징 시스템(Gauging System)에 의해서 측정되었다. 표 2에는 가공성 시험의 결과가 도시되어 있다. 평균 트러스트라 함은 드릴 비트를 더 이상 사용할 수 없을 때까지 드릴링된 모든 구멍에 대한 트러스트 값의 평균값이다. 표 2는 평균 트러스트를 계산하는데 사용되는, 드릴 비트를 사용할 수 없을 때까지 드릴링된 구멍 수를 나타낸다. 드릴 비트를 사용할 수 없을 때까지 드릴링된 구멍 수는 일부분은 물질의 강도에 의존한다(강도가 증가할수록 구멍 수가 늘어나게 된다).
표 2에 나타난 결과는 야금 분말 조성물 속에 철-합금 분말을 첨가함으로써 원판을 드릴링 하는 과정에서 드릴 비트의 평균 트러스트가 감소함을 보여주고 있다. 예를 들어, 비록 철-기저 분말 조성물에 황화 망간을 첨가함으로써 평균 트러스트가 어느 정도 감소하지만(비교 실시예 2와 비교 실시예 1을 대비), 철-합금 분말을 첨가함으로써 보다 더 향상될 수 있다. 비교 실시예 1과 2, 그리고 실시예 5에 대해서 얻어진 평균 트러스트의 결과가 제1도에 도시되어 있다. 제1도는 비교 실시예 1과 2, 그리고 실시예 5로부터 준비된 원판에 대한 평균 트러스트를 나타내 는 막대 그래프이다. 평균 트러스트를 감소시킴으로써, 드릴 비트의 마멸 정도가 감소하고, 따라서, 드릴 비트의 수명을 연장시킬 수 있다는 이점이 있다.
이상 본 발명에 따른 향상된 야금 분말 조성물 및 그 제조방법과 사용방법의 바람직한 구체예를 설명하였다. 비록 상기에서 본 발명의 바람직한 구체예가 설명되었지만, 본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 본 발명의 범위 내에 속한다는 것은 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 이하 첨부된 청구 범위는 본 발명의 모든 변형 또는 변경을 포함하도록 의도되었다.
Claims (37)
- (a) 철-합금 분말의 총 중량에 기초하여 합금 첨가제가 0.1 중량%에서 7 중량%의 양으로 존재하고, 철이 적어도 85 중량%의 양으로 존재하도록, 철과 적어도 하나의 합금 첨가제를 함유하는 철-합금 분말을 제공하고, 여기서 상기 철-합금 분말 속의 합금 첨가제는 몰리브덴을 포함하며; 그리고(b) 야금 분말 조성물의 총 중량에 기초하여 10 중량%에서 40 중량%의 상기 철-합금 분말, 적어도 55 중량%의 실질적으로 순수한 철 분말, 0.1 내지 0.75 중량%의 황화 망간, 및 적어도 0.1 중량%의 탄소로 이루어지는 야금 분말 조성물을 형성하기 위하여 실질적으로 순수한 철 분말과 탄소를 상기 철-합금 분말과 혼합하는;단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 철-합금 분말 속의 상기 합금 첨가제는 몰리브덴, 크롬, 바나듐, 텅스텐, 그리고 이들의 조합들로 이루어지는 군(群)으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 몰리브덴은 상기 철-합금 분말 속에서 상기 철-합금 분말의 총 중량에 기초하여 0.1 중량%에서 2.0 중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 야금 분말 조성물은 적어도 하나의 합금 분말을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 합금 분말은 구리, 니켈, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 야금 분말 조성물은 구리, 니켈, 흑연(graphite), 황화 망간(manganese sulfide), 또는 이들의 조합들을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 야금 분말 조성물은 상기 야금 분말 조성물의 총 중량에 기초하여 10 중량%에서 30 중량%의 상기 철-합금 분말을 포함하고, 상기 철-합금 분말은 상기 철-합금 분말의 총 중량에 기초하여 0.1 중량%에서 2 중량%의 몰리브덴을 함유하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 야금 분말 조성물은 상기 야금 분말 조성물의 총 중량에 기초하여 70 중량%에서 95 중량%의 상기 실질적으로 순수한 철 분말, 0.1 중량%에서 3 중량%의 탄소, 그리고 0.10 중량%에서 3.0 중량%의 구리를 함유하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
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- (a) (i) 철-합금 분말의 총 중량에 기초하여 합금 첨가제가 0.01 중량%에서 7 중량%의 양으로 존재하고, 철이 적어도 85 중량%의 양으로 존재하도록, 철 및 적어도 하나의 합금 첨가제로 이루어진, 야금 분말 조성물의 중량에 기초하여 10 중량%에서 40 중량%의 철-합금 분말;(ii) 적어도 55 중량%의 실질적으로 순수한 철 분말;(iii) 0.1 내지 0.75 중량%의 황화 망간; 및(iv) 적어도 0.1 중량%의 탄소;의 혼합물로 이루어지고, 상기 철-합금 분말 중의 합금 첨가제는 몰리브덴을 포함하는 야금 분말 조성물을 제공하고; 그리고(b) 금속 부분(metal part)을 형성하기 위하여 상기 야금 분말 조성물을 적어도 5 tsi의 압력 하에서 압축(compacting)하는;단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 부분(metal part)을 형성하는 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 합금 첨가제는 몰리브덴이며, 상기 철-합금 분말의 총 중량에 기초하여 상기 철-합금 분말 속에서 0.1 중량%에서 3.0 중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 금속 부분을 형성하는 방법.
- 제15항에 있어서, 가공-가능한(machinable) 금속 소결 부분을 형성하기 위하여 적어도 1,900 ℉의 온도에서 상기 압축된 금속 부분을 소결(sintering)하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 부분을 형성하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 야금 분말 조성물은 상기 야금 분말 조성물 전체 중량에 대하여 10 중량% 내지 30 중량%의 철 합금 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 야금 분말 조성물은 상기 야금 분말 조성물 전체 중량에 대하여 10 중량% 내지 30 중량%의 철 합금 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 부분을 형성하는 방법.
- (a) 철-합금 분말의 전체 중량에 대하여 0.1 중량%에서 7.0 중량%의 합금 첨가제 및 적어도 90 중량%의 철로 이루어진 철-합금 분말을 제공하되, 상기 철-합금 분말 중의 상기 합금 첨가제는 철-합금 분말의 전체 중량에 대하여 0.1 내지 2.0 중량%의 몰리브덴을 포함하고; 그리고(b) 야금 분말 조성물 전체 중량에 대하여,5 내지 40 중량%의 상기 철-합금 분말,0.10 내지 0.75 중량%의 황화 망간,0.1 내지 2.0 중량%의 탄소,야금 분말 조성물의 전체 중량에 대하여 1.0 내지 3 중량%의 구리를 포함하는 1.0 내지 10 중량%의 합금 분말,선택적으로 0.1 내지 1.5 중량%의 윤활제,선택적으로 0.05 내지 0.5 중량%의 가소제,선택적으로 0.005 내지 2 중량%의 결합제, 및불순물을 적어도 55 중량%의 철 분말,로 이루어지는 야금 분말 조성물을 형성하기 위하여 상기 철-합금 분말을 혼합하는;단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 철-합금 분말 중의 상기 합금 첨가제는 크롬, 바나듐, 텅스텐 또는 이들의 조합을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 합금 분말은 몰리브덴, 망간, 니켈, 크롬, 실리콘, 금, 바나듐, 콜럼븀(니오븀), 인, 알루미늄, 붕소 또는 이들의 산화물; 구리와 주석, 구리와 니켈, 또는 구리와 인의 이종 합금; 망간, 크롬, 붕소, 인, 또는 실리콘의 철 합금; 철, 바나듐, 망간, 크롬, 몰리브덴, 또는 이들의 조합들로부터 선택된 원소들과 탄소를 조합한 3원 및 4원 저-용융점 혼합물; 텅스텐 또는 실리콘의 탄화물; 실리콘의 질화물; 알루미늄 산화물; 몰리브덴 황화물 및 이들의 조합;을 함유하는 성분, 화합물 또는 합금을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제21항에 있어서, 상기 합금 분말은 몰리브덴, 망간, 니켈, 크롬, 바나듐, 인, 또는 이들의 조합을 함유하는 성분, 화합물 또는 합금을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제22항에 있어서, 상기 합금 분말은 니켈을 함유하는 성분, 화합물, 또는 합금을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 윤활제는 스테아레이트, 합성 왁스, 폴리아미드계 윤활제, 지방산의 금속염 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 야금 분말 조성물의 전체 중량에 대하여 0.1 내지 1.5 중량%의 윤활제가 상기 야금 분말 조성물 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 가소제는 폴리에틸렌-폴리프로필렌 공중합체인 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 야금 분말 조성물 전체 중량에 대하여 0.05 내지 1.5 중량%의 가소제가 상기 야금 분말 조성물 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 결합제는 폴리글리콜, 글리세린, 폴리비닐 알코올, 비닐 아세테이트의 단량중합체 또는 공중합체; 셀룰로스 에스테르 또는 에테르 수지, 메타크릴레이트 중합체 또는 공중합체, 알카이드 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리에스테르 수지, 200℃ 이하의 연화점을 가지는 저-용융점의 고체 고분자 또는 왁스, 폴리비닐 피롤리돈, 톨유(tall oil) 에스테르 또는 이들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 결합제는 폴리에틸렌 산화물, 폴리비닐아세테이트 EH는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 야금 분말 조성물 전체 중량에 대하여 0.005 내지 2 중량%의 결합제가 상기 야금 분말 조성물 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 야금 분말 조성물의 전체 중량에 대하여 10 내지 30 중량%의 철-합금 분말이 상기 야금 분말 조성물 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- (a) 제19항에서의 야금 분말 조성물을 제공하고; 그리고(b) 금속 부분(metal part)을 형성하기 위하여 상기 야금 분말 조성물을 적어도 5 tsi의 압력 하에서 압축하는;단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 부분(metal part)을 형성하는 방법.
- 제32항에 있어서, 가공-가능한(machinable) 금속 소결 부분을 형성하기 위하여 적어도 1,900 ℉ (섭씨 1038도)의 온도에서 상기 압축된 금속 부분을 소결(sintering)하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 부분을 형성하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 야금 분말 조성물의 전체 중량에 대하여 1.75 내지 2.0 중량%의 구리가 상기 야금 분말 조성물 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 금속 부분을 형성하는 방법.
- 제34항에 있어서, 상기 야금 분말 조성물의 전체 중량에 대하여 0.6 중량%의 탄소가 상기 야금 분말 조성물 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 금속 부분을 형성하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 야금 분말 조성물의 전체 중량에 대하여 0.35 중량%의 황화 망간이 상기 야금 분말 조성물 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 야금 분말 조성물의 전체 중량에 대하여 20 중량%의 철 합금 분말이 상기 야금 분말 조성물 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물을 제조하는 방법.
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