KR100869211B1 - 철계 분말 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철계 분말 이외에, 0.02 중량% 내지 1.0 중량%의 기계가공성 개선제를 포함하는 철계 분말 조성물에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 본질적으로 첨가제에 관한 것이다.

Description

철계 분말 조성물 {IRON-BASED POWDER COMPOSITION}

본 발명은 분말 금속 부품 제조용 분말 금속 조성물에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 새로운 기계가공성 개선 첨가제를 포함하는 분말 금속 조성물에 관한 것이다.

부품의 분말 야금 제조(powder-metallurgical manufacture)의 주요 이점들 중 하나는 압축 및 소결에 의해 최종 형상 또는 최종 형상에 매우 가까운 블랭크를 제조하는 것이 가능할 수 있다는 점이다. 그러나, 후속적인 기계가공이 필요한 예가 있다. 예를 들어, 이는 높은 허용오차 요구 때문에 필요할 수 있거나 최종 부품이 바로 프레스될 수 없고 소결 후에 기계가공을 필요로 하는 형상을 가질 수 있기 때문에 필요할 수 있다. 특히, 압착 방향으로 가로질러 형성되는 구멍, 언더컷 및 나사산과 같은 기하학적 형상은 후속적인 기계가공을 요구한다.

보다 높은 강도 및 이에 따른 보다 높은 경도의 새로운 소결 강을 연속적으로 개발함으로써, 기계가공은 부품의 분말 야금 제조에서의 주요 문제점 중 하나가 되고 있다. 분말 야금 제조가 부품을 제조하는 가장 비용-효율적인 방법인지 아닌지를 평가할 때, 제한적인 요소가 종종 있다. 따라서, 소결 강의 기계가공성을 개선하기 위해서 새롭고 보다 효과적인 첨가제가 많이 요구된다. 이러한 첨가제가 소결 재료의 인장 강도 및 신장률과 같은 기계적 특성에 현저히 영향을 미치지 않는 것이 중요하다.

현재, 소결 후에 성분의 기계 가공을 용이하게 하기 위해서 철계 분말 혼합물에 첨가되는 다수의 공지된 물질이 있다. 가장 일반적인 분말 첨가제는 MnS이며, 이는 EP 0 183 666 호에 언급되어 있으며, 여기서는 이러한 분말의 혼합물에 의해 소결 강의 기계가공성이 어떻게 개선되는지 기재하고 있다. 그러나, 기계가공 하기 어려운 재료, 상기 EP 0 183 666 호에서는 약 180 HV 이상의 경도를 갖는 재료는 MnS를 첨가함으로써 적절히 기계가공될 수 없다. 게다가, 베이스-재료 및 첨가량에 따라서 MnS 첨가는 소결 후 재료의 기계 강도를 감소시킬 수 있다.

WO 91/14526 호에는 MnS와 함께 Te 및/또는 Se의 얼마나 작은 양이 기계가공하기 어려운 분말 야금 재료의 약 두 배의 기계가공성을 개선하기 위해 이용되는지가 기재되어 있다. 이러한 첨가제에 대한 위생학적 한계 값이 매우 낮으며, 보다 엄격한 환경 규제의 추세에 있다는 점에서, Te 및/또는 Se의 첨가는 이미 환경 문제와 충돌하고 있다.

미국 특허 제 4 927 461 호에는 소결 후 금속 부품의 기계가공성을 개선하는, 철계 분말 혼합물에 육방 BN(붕소 질화물)의 첨가가 기재되어 있다. 상기 특허에는 초미세 BN 분말의 덩어리를 이용함으로써, MnS의 첨가에 의한 것과 유사하게 기계가공성의 개선을 달성하는 것이 가능할 수 있음이 명시되어 있다. 그러나, 정확한 양의 BN 분말이 첨가된다면 MnS가 첨가될 때보다 소결 강도에 영향이 보다 적게 미친다.

미국 특허 제 5 631 431 호도 기계가공성을 개선하기 위한 첨가제에 관한 것이다. 상기 특허에 의하면, 첨가제는 분말 조성물 내에 0.1 내지 0.6 중량%의 양으로 포함되는 칼슘 플루오르화물 입자를 포함한다. 실제, 칼슘 플루오르화물은 우수한 기계가공성 개선제인 것으로 판명되었다. 그러나, PM 재료의 계속적인 개발로 인해, 첨가제의 성능 또한 개선할 필요가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 기계가공성을 추가로 개선하는 분말 금속 조성물용의 새로운 첨가제를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 기계적 특성에 영향을 미치지 않거나 본질적으로 영향을 미치지 않는 새로운 첨가제를 제공하는 것이다. 부가적으로, 새로운 첨가제는 환경적으로 수용가능할 수 있어야 한다.

본 발명에 따라서, 칼슘 플루오르화물과 육방 붕소 질화물을 결합시킴으로써 매우 높은 기계가공 개선 효과를 갖는 첨가제를 얻을 수 있다는 것이 발견되었다. 기계가공의 개선은 공동작용 효과(synergetic effect)로서 잘 기재될 수 있다. 부가적으로, 이러한 새로운 첨가제는 소결 부품의 기계 특성에 본질적으로 영향을 미치지 않거나 약간만 영향을 미친다. 새로운 첨가제는 또한, 환경적으로 수용가능할 수 있다. 본 발명은 또한, 이러한 첨가제를 포함하는 철계 분말 조성물에 관한 것이다.

기계가공성 개선 효과를 달성하기 위해서, 첨가제는 0.02 중량% 내지 1.0중량%, 바람직하게는, 0.02 중량% 내지 0.6 중량%의 양으로 철계 분말 조성물 내에 포함되어야 한다.

게다가, 새로운 첨가제 성분의 유형 및 양 모두가 중요하다. 따라서, 육방 붕소 질화물의 양은 철계 분말 조성물의 0.01 중량% 내지 0.5 중량%, 바람직하게는 0.01 중량% 내지 0.2 중량%의 범위 내에 있어야 한다. 칼슘 플루오르화물의 양은 철계 분말 조성물의 0.01 중량% 내지 0.5 중량%, 바람직하게는 0.1 중량 % 내지 0.4 중량%의 범위 내에 있어야 한다. 전술된 양보다 적은 양의 육방 붕소 질화물 및 칼슘 플루오르화물 둘 모두는, 각각, 기계가공성에 있어서 의도된 효과를 함께 또는 단독으로 부여할 수 없으며, 보다 많은 양은 기계적 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 또한, 칼슘 플루오르화물의 양은 붕소 질화물의 양보다 많은 것이 바람직하다.

새로운 첨가제 내에 포함되는 성분의 입자 크기에 관해서, 본 발명에 따른 육방 붕소 질화물의 평균 입자 크기는 1 내지 50 ㎛, 바람직하게는 1 내지 30 ㎛ 범위 내에서 변할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 바람직하게, 육방 붕소 질화물은 비-덩어리(non-agglomerated) 판형 입자이다.

칼슘 플루오르화물의 평균 입자 크기는 약 100 ㎛ 미만, 바람직하게는 20 내지 70 ㎛ 범위이다. 100 ㎛ 이상의 평균 입자 크기는 기계가공성 및 기계적 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있으며 20 ㎛ 이하의 입자 크기는 기계가공 개선 효과를 감소시킨다.

철계 분말 형태

이러한 새로운 기계가공성 개선 분말 첨가제는 본질적으로 임의의 제 1 철 분말 조성물(ferrous powder composition) 내에 이용될 수 있다. 따라서, 철계 분말은 분무 철 분말(atomized iron powder), 환원 분말 등과 같은 순수 철 분말일 수 있다. 합금화 원소를 포함하는 예비-합금화 물 분무 분말(Pre-alloyed water atomized powders)은 가장 유리하지만, 부분적으로 합금화된 강 분말도 유리하다. 물론, 이러한 분말은 조합되어 이용될 수 있다.

다른 첨가제

본 발명에 따른 분말 조성물은 흑연, Ni, Mo, Cr, V, Co, Mn 또는 Cu와 같은 다른 합금화 원소와 같은 첨가제, 결합제 및 윤활제 및 MnS와 같은 다른 통상적인 기계가공 개선제를 포함할 수도 있다.

공정

본 발명에 따른 첨가제를 포함하는 부품의 분말 야금 제조는 통상적인 방식, 즉 다음 공정 단계에 의해 종종 수행된다.

철계 분말, 즉, 철 또는 강 분말은 흑연 및 니켈 구리 몰리브덴과 같은 바람직한 임의의 합금화 원소뿐만 아니라 분말 형태로 본 발명에 따른 첨가제와 혼합된다. 합금화 원소는 예비 합금화(prealloyed) 또는 확산 합금화된(diffusion alloyed) 철계 분말로서 또는 혼합된 합금화 원소, 확산 합금화된 분말 또는 예비 합금화된 분말 사이의 조합물로서 첨가될 수도 있다. 이러한 분말 혼합물은 통상적인 윤활제, 예를 들어, 압축 전에, 아연 스테아르산염 또는 에틸렌비스스테라미드(ethylenebisstearamide)와 혼합된다. 혼합물 내의 보다 미세한 입자는 결합 물질에 의해서 철계 분말에 결합될 수 있다. 이후, 분말 혼합물은 최종 기하학 형상에 밀접한 소위 압출물(green body)로서 알려진 것을 생산하는 프레스 공구(press tool) 내에서 압축된다. 압축은 일반적으로, 400 내지 1200 MPa의 압력으로 발생한다. 압축 후에, 압분체(compact)는 소결되어 최종 강도, 경도, 신장률 등이 주어진다.

본 발명에 따른 기계가공성 개선 첨가제는 가루 칼슘 플루오르화물 및 가루 육방 붕소 질화물로 구성된다. 기계가공성의 현저한 개선은 1:1 보다 작고 1:40 이상의, 바람직하게는 1:10 이상의 육방 붕소 질화물과 칼슘 플루오르화물 양 사이의 비율에 대응하는 양으로 기계가공성 개선 첨가제를 첨가함으로써 달성된다. 다시 말하자면, 육방 붕소 질화물의 양은 칼슘 플루오르화물의 양보다 어느 정도 적어야 한다.

본 발명은 다음의 비제한적인 실시예에서 설명된다.

예 1

a) 기계적 특성 검사

표 1에 따른 여러 가지 종류의 육방 붕소 질화물이 검사된다. 육방 붕소 질화물 형태 Ⅰ는 비 덩어리 입자 분말이며, 형태 Ⅱ는 서브-미크론 입자 덩어리, 즉, 1 ㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 입자 덩어리이다.

육방 붕소 질화물 및 칼슘 플루오르화물은 Mo, Ni 및 Cu와 확산 합금화되는 순수 철인, 회가내스 아베(Hoeganaes AB)로부터 이용가능한 금속 분말 디스탈로이(등록상표) 에이이(Distaloy® AE)와, 표 2에 따라서, 다른 양으로 혼합된다. 금속 분말은 윤활제, 0.8% EBS(에틸렌비스스테라미드) 및 0.5%의 흑연과도 혼합될 수도 있다.

표 2의 재료 혼합물은 ISO 2740에 따른 표준 인장 테스트 바로, 7.10 g/㎤의 그린 밀도(green density)로 압축된다. 테스트 바는 10 % 수소 및 90 % 질소의 혼합물로 30분 동안 1120℃로 실험용 메시 벨트 노(laboratory mesh belt furnace)에서 소결된다. 소결된 테스트 바는 EN 10001-1에 따른 인장 강도, ISO 4498/1에 따른 경도 및 ISO 4492에 따른 치수 변화를 결정하는데 이용된다.

DC는 소결 중에 인장 강도에 대한 길이 변화이다.

SD는 인장 강도 바에 대한 소결 밀도이다.

HV10은 인장 강도 바에 대한 비커스 경도(Vickers hardness)이다.

TS는 인장 강도 바에 대한 인장 강도이다.

A는 인장 강도 테스트 중에 플라스틱 신장률이다.

표 2에 도시된 바와 같이 디스탈로이 에이이에 h-BN 형태 Ⅱ의 0.2% 내지 0.4 %의 양을 첨가함으로써 소결된 바디의 기계적 특성에 강한 영향을 미치는 반면에, h-BN 형태 Ⅰ의 0.2%의 첨가는 소결 바디의 기계적 특성에 작은 영향만을 미친다.

b) 기계가공성 지수 검사

표 3에 도시된 바와 같은 여러 첨가제 조성물로 기계가공성을 결정하기 위해서 80 mm의 직경 및 12 mm의 높이를 갖는 디스크가 7.10 g/㎤의 그린 밀도로 압축된다. 디스크는 10%의 수소 및 90%의 질소의 혼합물에서 30분 동안 1120℃로 실험용 메시 벨트 노에서 소결된다. 디스크는 기계가공성 지수를 결정하도록 드릴 테스트에 이용된다. 지수는 드릴이 닳기 전에 기계가공될 수 있는 드릴 하나 당 평균 구멍 수로서 정의된다. 드릴링은 어떠한 냉각제도 없이 일정 공급 및 일정 속도에서 고속 강 드릴로 수행된다.

표 3에 도시된 바와 같이, 기계가공성 지수는 첨가제 h-BN 또는 첨가제 CaF₂중 어느 하나를 이용함으로써 개선된다. 그러나, h-BN(형태 Ⅰ) 및 CaF₂를 조합하여 이용함으로써 현저한 개선이 있을 수 있다.

M.지수는 하나의 드릴로 소재 디스크 내에 드릴링하기 위한, 가능한 평균 구멍 수이다.

이득분(gain)은 혼합물 1-4b에 대한 기계가공성의 증분이다.

예2

육방 붕소 질화물, 형태 Ⅰ, 및 CaF₂는 1.5 % Mo로 철 예비 합금화되며 그 후 2 % 구리와 확산 합금화된 철인, 회가내스 아베로부터의 금속 분말 디스탈로이(등록상표) DH-1과 표 4에 따른 여러 가지 양으로 혼합된다. 금속 분말은 윤활제, 0.8% EBS(에틸렌비스스테라미드) 및 여러 양의 흑연과도 혼합된다. 표 4의 재료 혼합물은 여러 가지 밀도로, ISO 2740에 따른 표준화 인장 테스트 바로 압축되며, 80 mm 직경 및 12 mm의 높이의 디스크는 기계가공성을 결정하기 위해서 준비된다. 테스트 바 및 디스크는 10 % 수소 및 90% 질소의 혼합물 내에서 30 분 동안 1120 ℃로 실험용 메시 벨트 노 내에서 소결된다. 소결된 테스트 바는 EN 10001-1에 따른 인장 강도, ISO 4498/1에 따른 경도 및 ISO 4495에 따른 치수 변화를 결정하는데 이용될 수 있다. 디스크는 기계가공성 지수를 결정하기 위해서 드릴 테스트에 이용된다. 지수는 드릴이 닳기 전에 기계가공될 수 있는 드릴 하나 당 평균 구멍 수로서 정의된다. 드릴링은 어떠한 냉각제도 없이 일정 공급 및 일정 속도에서 고속 강 드릴로 수행된다

표 4는 h-BN 형태 Ⅰ이 디스탈로이 DH-1에 첨가되는 경우에, 소결 바디가 보다 낮은 경도 및 인장 강도를 갖는 것을 나타내고 있다. h-BN은 매트릭스 내의 흑연의 가용성을 감소시키기 때문에, 보다 낮은 경도 및 인장 강도는 보다 적은 양의 용해된 흑연에 의해 야기되는 것으로 여겨지며, 몇몇의 흑연은 유리 흑연(free graphite)으로서 존재하는 것으로 여겨진다. 소결 바디의 보다 낮은 경도는 기계가공성의 점에서 유리할 수 있다. 그러나, 첨가된 흑연의 양이 유리 흑연의 양을 보상하기 위해서 증가되는 경우에, h-BN 및 CaF₂의 조합물을 포함하는 샘플에 대해 여전히 기계가공성의 현저한 증가가 달성된다. 이는 샘플 2-8, 2-10 및 2-11에 대한 결과를 비교할 때 알 수 있다.

GR은 중량%로 표시된 흑연의 첨가 량이다.

GD는 압축 그린 밀도이다.

DC는 소결 중에 인장 강도 바에 대한 길이의 변화이다.

SD는 인장 강도 바에 대한 소결 밀도이다.

HV10은 인장 강도 바에 대한 비커스 경도이다.

TS는 인장 강도 바에 대한 인장 강도이다.

A는 인장 강도 테스트 중에 플라스틱 신장률이다.

M.지수는 하나의 드릴로 디스크 재료 내에 드릴링하기 위한, 가능한 평균 구멍 수이다.

Claims (15)

1. 철계 분말 조성물로서,

   철계 분말에 추가하여, 0.02 중량% 내지 0.6 중량%의 기계가공성 개선 첨가제를 포함하며,

   상기 기계가공성 개선 첨가제는 0.01 중량% 내지 0.5 중량%의 가루 칼슘 플루오르화물 및 0.01 중량% 내지 0.5 중량%의 가루 육방 붕소 질화물 및 선택적인 첨가제를 포함하며,

   상기 육방 붕소 질화물과 상기 칼슘 플루오르화물 사이의 중량 비율이 1:1 보다 작고 1:40 이상인,

   철계 분말 조성물.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 붕소 질화물의 양은 0.01 중량% 내지 0.2 중량%의 범위를 갖는,

   철계 분말 조성물.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 칼슘 플루오르화물의 양은 0.1 중량% 내지 0.4 중량%의 범위를 갖는,

   철계 분말 조성물.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 붕소 질화물의 평균 입자 크기는 1 내지 50 ㎛인,

   철계 분말 조성물.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 붕소 질화물의 평균 입자 크기는 1 내지 30 ㎛ 인,

   철계 분말 조성물.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 칼슘 플루오르화물의 평균 입자 크기는 100 ㎛ 보다 적은,

   철계 분말 조성물.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 칼슘 플루오르화물의 평균 입자 크기는 20 내지 70 ㎛인,

    철계 분말 조성물.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 조성물은 흑연, 결합제 또는 윤활제로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 첨가제도 포함하는,

    철계 분말 조성물.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 제 1 항에 따른 상기 철계 조성물로부터 제조되는, 개선된 기계가공성을 갖는 소결 제품.