KR100966266B1

KR100966266B1 - 소결경화된 분말금속부품의 제조방법

Info

Publication number: KR100966266B1
Application number: KR1020090110149A
Authority: KR
Inventors: 강병찬; 조영철
Original assignee: (주)씬터온
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2010-06-28

Abstract

본 발명은 구리(copper), 탄소(carbon), 몰리브덴(molybdenum), 크롬(chromium) 및 잔량으로서의 철(iron)의 집합체로 구성된 분말금속으로부터 싱크로나이져허브 등과 같이 강도(Strength) 및 우수한 내마모성을 요구하는 분말금속부품을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 분말금속을 이용하여 분말금속부품을 제조함에 있어서, (1) 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서, 0.45 내지 0.90중량%의 탄소, 1.00 내지 2.00중량%의 크롬, 0.10 내지 0.50중량%의 몰리브덴, 1.00 내지 2.00중량%의 구리, 0.30 내지 0.50중량%의 망간 및 잔량으로서 철을 포함하는 분말금속을 성형체를 제공하기 위해 6.5 내지 7.0톤/㎠의 압력에서 상기 분말금속을 압축하는 압축단계; (2) 1100 내지 1140℃의 온도에서 10 내지 30분 동안 상기 성형체를 가열하여 소결시키는 소결단계; (3) 상기 소결단계에서 소결된 상기 성형체를 질소 분위기 하에서 1 내지 3℃/초의 속도로 냉각시키는 냉각단계; 및 (4) 180 내지 200℃의 온도에서 60 내지 90분 동안 상기 소결체를 공기 분위기에서 풀림 처리를 하여 템퍼드 마르텐사이트(Tempered martensite)를 획득하는 뜨임단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

분말금속, 야금, 소결경화, 급속냉각, 완속냉각, 마르텐사이트, 베이나이트

Description

소결경화된 분말금속부품의 제조방법 {Manufacturing method of sinter hardening powder metal machine part}

본 발명은 야금(metallurgy) 분야에 관련된 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 구리(copper), 탄소(carbon), 몰리브덴(molybdenum), 크롬(chromium) 및 잔량으로서의 철(iron)의 집합체로 구성된 분말금속으로부터 싱크로나이져허브 등과 같이 우수한 내마모성을 요구하는 분말금속부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

내마모성 및 강도를 높이기 위한 종래 기술들의 문제점들을 요약하면 다음과 같다.

열처리는 침탄열처리와 고주파열처리로 대별될 수 있으나, 침탄열처리는 전면 열처리로 인한 제품의 변태(뒤틀림) 및 급속냉각(quenching, 20℃/초)이 요구되며, 이러한 급속냉각 역시 변태(뒤틀림)를 유발시켜 불량률을 증가시키고, 급속냉각을 위한 물의 사용에 의해 증기(fume)가 발생하여 대기오염 및 작업환경의 악화, 작업자의 건강에의 유해성 등의 문제점이 있으며, 고주파열처리는 고합금 재질이 사용되며, 부분열처리를 실시하나, 역시 열처리 후, 급속냉각 시 역시 변태(뒤틀림)를 유발시켜 불량률을 증가시키고, 급속냉각을 위한 물의 사용에 의해 증기가 발생하여 대기오염 및 작업환경의 악화, 작업자의 건강에의 유해성 등의 문제점이 있으며, 급속냉각에서와 같이 물에 의한 냉각이 아닌 질소가스의 분사에 의한 완속냉각(2℃/초)은 소정의 강도(strength) 및 내마모성의 달성이 불가능하다는 단점이 있다.

또한, 소결경화(sinter hardening)는 전체 부위를 경화시키는 배치 열처리(batch heat-treating) 또는 국부적으로 경화시키는 유도열처리 경화(induction heat hardening)와 같은 종래의 열처리 과정 없이 마르텐사이트(martensite) 및 약간의 베이나이트(bainite)를 생산하기 위해 이용되는 공정이다. 소결경화 공정은 마르텐사이트 변태(martensite transformation)를 하기위해 소결로(sinter furnace) 고온부 끝에 급랭장치(Rapid cooling system)를 설치하여 A₁변태점에서 M_S까지 콤팩트를 빠르게 냉각하는 단계를 포함한다. 이때 사용되는 가스는 보호 가스로 사용하고 있는 질소(N₂)를 강제 순환 및 냉각시켜 사용하고 있다.

소결경화는 종래의 제품을 경화시키는 방법을 삭제하여 간단한 공정과 원가절감을 가능하게 하면서 종래의 배치(batch) 열처리와 유도열처리 경화(induction hardening) 시 발생되는 제품의 뒤틀림으로 인한 고질적인 품질 문제를 개선하여 높은 품질을 얻을 수 있도록 한 경화방법의 일종이다.

예를 들어, 싱크로나이져허브는 자동차 엔진의 파워트레인에 사용되는 부품으로서, 내부에 샤프트가 포함되는 구조이며, 상기 샤프트가 전후진 운동을 하기 때문에, 특히, 상대 부품인 슬리브와 샤프트와의 간섭 작동 시, 내마모성을 갖기 위해 침탄열처리 또는 고주파 열처리를 실시하여 제품의 표면 경도를 확보하게 된다.

예비 소결 단계를 포함하는 소결 경화 분말금속부품을 생산하는 수많은 방법들이 특허되어 있다.

야금 물질의 예비 소결은 1986년 6월 17일 등록된 캠축 제조 방법(Method for Manufacturing Camshaft)으로 우메하 등(Umeha et al., U.S. 4,595,556)에 의해 발표되었다. 우메하 등은 캠축상에 끼워지기 위한 부재를 생산하는 방법을 개시한다. 예비 소결 단계 후에, 부품은 소결 경화에 앞서 상기 축 상에 적절하게 위치될 수 있다. 컴팩트는 상기 예비 소결된 컴팩트보다 축상으로 50% 짧다.

1991년 9월 17일 등록된, 사카 등(Saka et al., U.S. 5,049,183)의 소결된 분말금속부품 및 방법(Sintered Machine Part And Method)은 제품 크기의 향상된 정밀도를 허용하는 예비 소결 단계를 포함한 우메하 등과 유사한 방법을 개시한다. 컴팩트는 상기 예비 소결을 거친 후 다시 프레스된다. 그러한 방법은 전동차(motorcars)용 동기 장치 허브(synchronizer hubs)를 생산하는데 특별히 적합하다.

1997년 8월 19일 등록된, 세이케머(Seykammer, U.S. 5,659,873)의 조인트된 캠축용 캠 생산방법(Method Of Making Producing A Cam For A Jointed Camshaft)은 예비 소결 단계를 포함한 방법을 역시 설명하고 있다. 이 방법은 조인트된 캠축용 캠을 생산하는데 이용된다. 상기 예비 소결 단계는 상기 캠이 퀀칭(quenching)과 탬퍼링(tempering) 동안 벗어날 수 있는 바람직한 윤곽으로 재가공 되게 한다.

1997년 8월 26일 등록된, 플램퍼(Plamper, U.S. 5,659,955)의 분말 금속 헬리컬 기어(Method Of Powder Metal Helical Gears)는 35°이상의 헬릭스 각을 갖는 헬리컬 기어를 만들기 위해 냉간압연(冷間壓延)될 수 있는 분말 금속 블랭크(blank)를 생산하기 위해 예비 소결을 이용한다. 표준 분말 금속 압축 공정은 큰 헬릭스 각의 헬리컬 기어를 만들기 위해 이용될 수 없다.

1998년 3월 17일 등록된, 시바나스 등(Shivanath et el., U.S. 5,729,822)의 기어(Gears)는 상기 기어가 진공 로(vacuum furnace)속에서 최종 열처리(final heating) 및 침탄(carburizing)에 앞서 압연되는 상기 기어를 역시 예비 소결한다.

1999년 3월 9일 등록된, 시바나스 등(Shivanath et el., U.S. 5,881,354)의 포밍(forming)을 갖는 소결된 고밀도 공정(Sintered Hi-Density Process With Forming)은 예비 소결된 컴팩트가 2차 열처리에 앞서 구상화(spheroidization)를 수행하는 고밀도 물품 형성을 위한 공정을 설명한다. 상기 구상화 단계는 상기 컴팩트를 워밍업(warming up) 및 사이징(sizing) 또는 주조(coining)하는 것을 포함한다. 이 공정은 소결된 부품의 피로 한도(fatigue endurance)를 향상시키기 위해 표면 산화를 줄인다.

마지막으로, 2000년 11월 21일 등록된, 캐들 등(Cadle et al., U.S. 6,148,685)의 2중 스프로켓/기어 구조 및 그 제조 방법(Duplex Sprocket/Gear Construction and Method of Making Same)은 스프로켓을 생산하기 위해 두 야금 분말 혼합, 하나는 티스(teeth)용 및 하나는 바디(body)용을 이용한다. 상기 두 분말 합금은 최종 제품의 국부 기능적 요구들(local functional requirements)에 맞 추기 위한 특성들을 갖는다. 상기 소결된 바디는 기계 가공될 수 있다.

엔진 및 전동(transmission) 장치에서, 일부 스프로켓들은 단순한 압축으로 생산될 수 없는 다중의 치열(rows of teeth)을 갖는다. 2차 기계 가공(machining)이 요구된다. 기계 가공 후 행해진 열처리는 보통 유도 경화(induction hardening) 또는 배치(batch) 열처리이다. 상기 선행 기술은 예비 소결 단계를 포함함으로써 분말금속부품이 형성될 수 있는 제한된 방법을 다루는 반면, 더 복잡한 형상의 분말금속부품의 효율적인 제조 방법에 대한 요구가 당해 기술 분야에 있다.

본 발명은 구리(copper), 탄소(carbon), 몰리브덴(molybdenum), 크롬(chromium) 및 잔량으로서의 철(iron)의 집합체로 구성된 분말금속으로부터 싱크로나이져허브 등과 같이 우수한 강도(strength) 및 내마모성을 요구하는 분말금속부품을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 소결경화된 분말금속부품의 제조방법은, 분말금속을 이용하여 분말금속부품을 제조함에 있어서, (1) 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서, 0.45 내지 0.90중량%의 탄소, 1.00 내지 2.00중량%의 크롬, 0.10 내지 0.50중량%의 몰리브덴, 1.00 내지 2.00중량%의 구리, 0.30 내지 0.50중량%의 망간 및 잔량으로서 철을 포함하는 분말금속을 성형체를 제공하기 위해 6.5 내지 7.0톤/㎠의 압력에서 상기 분말금속을 압축하는 압축단계; (2) 1100 내지 1140℃의 온도 에서 10 내지 30분 동안 상기 성형체를 가열하여 소결시키는 소결단계; (3) 상기 소결단계에서 소결된 상기 성형체를 질소 분위기 하에서 1 내지 3℃/초의 속도로 냉각시키는 냉각단계; 및 (4) 180 내지 200℃의 온도에서 60 내지 90분 동안 상기 소결체를 공기 분위기에서 풀림 처리를 하여 템퍼드 마르텐사이트(Tempered martensite)를 획득하는 뜨임단계;를 포함하여 이루어진다.

상기 소결경화된 분말금속부품의 제조방법에는 상기 뜨임단계에 후속하여 소결경화된 성형체를 정형하는 정형단계가 더 수행될 수 있다.

상기 뜨임단계 또는 상기 정형단계에 후속하여 상기 성형체를 2차가공하는 2차가공단계를 더 포함할 수 있다.

상기 뜨임단계, 상기 정형단계 또는 상기 2차가공단계 중 어느 한 단계에 후속하여 상기 성형체를 디버링하는 디버링단계를 더 포함할 수 있다.

상기 압축단계에서 수득되는 성형품은 7.0 내지 7.1g/㎤의 범위 이내의 밀도를 갖도록 압축될 수 있다.

상기 성형품은 톱니(sawtooth), 언더컷(undercut) 및 테이퍼된(tapered) 것으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 표면형상을 갖도록 성형될 수 있다.

상기 분말금속부품은 싱크로나이져허브 또는 스프라켓어셈블리가 될 수 있다.

본 발명에 따르면 구리(copper), 탄소(carbon), 몰리브덴(molybdenum), 크롬(chromium) 및 잔량으로서의 철(iron)의 집합체로 구성된 분말금속으로부터 싱크 로나이져허브 등과 같이 강도(strength) 및 우수한 내마모성을 요구하는 분말금속부품을 제조하는 방법이 제공되며, 또한 그러한 본 발명에 따른 방법을 이용하는 것에 의하여 싱크로나이져허브 등과 같이 우수한 내마모성을 요구하는 분말금속부품이 제공되는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 소결경화된 분말금속부품의 제조방법은, 분말금속을 이용하여 분말금속부품을 제조함에 있어서, (1) 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서, 0.45 내지 0.90중량%의 탄소, 1.00 내지 2.00중량%의 크롬, 0.10 내지 0.50중량%의 몰리브덴, 1.00 내지 2.00중량%의 구리, 0.30 내지 0.50중량%의 망간 및 잔량으로서 철을 포함하는 분말금속을 성형체를 제공하기 위해 6.5 내지 7.체를 제공하기 위해 6.5 내지 7.체를 제공하기 위해 6.5 내지 7.체를 제공하기 위해 6.5 내지 7.체를 제공하기 위기 성형체를 가열하여 소결시키는 소결단계; (3) 상기 소결단계에서 소결된 상기 성형체를 질소 분위기 하에서 1 내지 3℃/초의 속도로 냉각시키는 냉각단계; 및 (4) 180 내지 200℃의 온도에서 60 내지 90분 동안 상기 소결체를 공기 분위기에서 풀림 처리를 하여 템퍼드 마르텐사이트(Tempered martensite)를 획득하는 뜨임단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 (1)의 압축단계는 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서, 0.45 내지 0.90중량%의 탄소, 1.00 내지 2.00중량%의 크롬, 0.10 내지 0.50중량%의 몰리브덴, 1.00 내지 2.00중량%의 구리, 0.30 내지 0.50중량%의 망간 및 잔량으로서 철을 포함하는 분말금속을 성형체를 제공하기 위해 6.5 내지 7.0톤/㎠의 압력에서 상기 분말금속을 압축하여 성형체를 제조하는 것으로 이루어진다. 상기 성형체는 본 발명에 따라 제조하고자 하는 분말금속부품의 형상의 외형을 갖도록 하여 금형을 사용하여 상기 분말금속을 압축하여 성형되는 것으로서, 예를 들어 상기 분말금속부품은 싱크로나이져허브 또는 스프라켓어셈블리가 될 수 있다.

상기 분말금속에서 상기 탄소는 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서 0.45 내지 0.90중량%의 양으로 포함되며, 0.45중량% 미만으로 포함되는 경우, 강도 저하, 페라이트-퍼얼라이트의 생성 등의 문제점이 있을 수 있고, 반대로 0.90중량%를 초과하는 경우, 취성(brittleness)이 강한 시멘타이트가 형성되어 인성 등 기계적 물성의 저하 등의 문제점이 있을 수 있다.

상기 분말금속에서 상기 크롬은 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서 1.00 내지 2.00중량%의 양으로 포함되며, 1.00중량% 미만으로 포함되는 경우, 냉각능(Hardenability) 저하에 의한 낮은 경도, 페라이트-퍼얼라이트의 생성 등의 문제점이 있을 수 있고, 반대로 2.00중량%를 초과하는 경우, 크롬 산화물로 인한 인성 등 기계적 물성의 저하 등의 문제점이 있을 수 있다. 특히 크롬의 과량 사용은 크롬산화물이 생성되어 기계적 물성에 영향을 주는 문제점이 있을 수 있다.

상기 분말금속에서 상기 몰리브덴은 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서 0.10 내지 0.50중량%의 양으로 포함되며, 0.10중량% 미만으로 포함되는 경우, 냉각능(Hardenability) 저하에 의한 낮은 경도, 페라이트-퍼얼라이트의 생성 등으로 인한 강도(strength)저하의 문제점이 있을 수 있고, 반대로 0.50중량%를 초과하는 경우, 제품의 특성을 향상시키나 그 폭이 미미하여 에너지 및 경제적인 효율면에서 효과가 떨어지게 되는 문제점이 있을 수 있다. 특히 몰리브덴의 과량의 사용은 원재료의 높은 가격으로 인하여 제품의 전체 생산단가가 크게 상승하게 되는 문제점이 있을 수 있다.

상기 분말금속에서 상기 구리는 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서 1.00 내지 2.00중량%의 양으로 포함되며, 1.00중량% 미만으로 포함되는 경우, 액상 소결량이 적어져서 소결 시 치밀화(densification) 거동 효과가 적어져 강도저하 등의 문제점이 있을 수 있고, 반대로 2.00중량%를 초과하는 경우, 소결 시 과도한 액상소결로 인한 공정관리(변화율)가 어려워지는 등의 문제점이 있을 수 있다. 특히 구리의 과량의 사용은 과도한 합금액상의 생성으로 인하여 공정관리가 어려워지는 문제점이 있을 수 있다.

상기 분말금속에서 상기 망간은 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서 0.30 내지 0.50중량%의 양으로 포함되며, 이러한 망간은 황화망간(MnS)의 형태의 가공첨가제로서 사용되며, 상기한 범위를 벗어나는 경우, 피로강도가 저하되는 문제점이 있을 수 있다.

상기 철은 상기한 성분들 외의 잔량으로서 포함되며, 상기한 성분들을 고용하는 베이스가 되며, 본 발명에 따라 수득하고자 하는 분말금속부품의 기본적인 구성성분으로 기능한다.

상기 분말금속에는 불순물로서 황이 최대 0.15중량%의 양으로, 그리고 기타 미량원소들이 최대 0.10중량%의 양으로 포함될 수 있으나, 이들은 글자 그대로 불순물의 형태로서 자연적으로 분말금속의 가공 동안에 포함될 수 있는 것이며, 임의로 이를 제거하지 않는 한 자연적으로 포함되는 것으로서, 본 발명에 영향을 주지는 않는 것으로 이해될 수 있는 것이다.

상기 (2)의 소결단계는 1100 내지 1140℃의 온도에서 10 내지 30분 동안 상기 성형체를 가열하여 소결경화시키는 것으로 이루어진다. 상기 소결경화는 바람직하게는 수소가스와 질소가스가 중량비로 10 : 90의 비율로 혼합된 가스분위기 하에서 수행될 수 있다. 이러한 가스분위기는 상기 소결되는 분말금속의 산화를 방지하여, 고온에서 산화되지 않으면서 소결되도록 기능한다. 상기 소결단계에서 소결 온도가 1100℃ 미만으로 되거나 또는 소결시간이 10분 미만으로 되는 경우, 소결이 충분치 못하게 되어 입자간 결합이 취약하게 되는 문제점이 있을 수 있고, 반대로 소결온도가 1,140℃를 초과하거나 소결시간이 30분을 초과하는 경우, 소결로의 벨트파손 및 과도한 치밀화(densification)로 인하여 가공 시 공구수명(tool life) 저하 등의 문제점이 있을 수 있다.

상기 (3)의 냉각단계는 상기 소결단계에서 소결된 상기 소결체를 질소 분위기 하에서 1 내지 3℃/초의 속도로 냉각시키는 것으로 이루어진다. 상기 냉각단계에서 냉각속도가 1℃/초 미만으로 되는 경우, 마르텐사이트, 베이나이트등의 요구 미세조직을 확보하는데 어려움이 있을 수 있고, 반대로 3℃/초를 초과하는 경우, 제품 특성을 향상시키나 그 폭이 미미하여 에너지 및 경제적인 효율 면에서 떨어지게 된다.

상기 (4)의 뜨임단계에서는 소결된 분말금속 부품을 180 내지 200℃의 온도에서 60 내지 90분 동안 소결체를 공기 분위기에서 뜨임(Tempering) 처리를 하는 것으로 이루어진다. 상기 뜨임단계에서 뜨임 온도가 180℃ 미만으로 되는 경우 장시간의 뜨임이 요구되어 경제적인 효율면에서 효과가 떨어지게 되는 문제점이 있을 수 있고, 반대로 200℃를 초과하는 경우 공기(Air) 분위기로 인한 소결체의 산화 및 기지조직 전체가 템퍼드 마르텐사이트(Tempered Martensite)가 아닌 베이나이트(Bainite) 등의 강도(strength) 및 내마모 특성이 낮은 하위조직으로 변태가 발생하는 문제점이 있을 수 있다. 그 이유는 상기 합금조성 재료의 Mf점이 210 내지 230℃로 매우 낮아, 200℃를 넘으면 조직의 변태(transformation)에 의해 기지조직을 만족할 수 없기 때문이다.

상기에서 Mf점은 마르텐사이트 조직 변태 종료온도이다.

또한, 상기 소결경화된 분말금속부품의 제조방법에는 상기 (4)의 뜨임단계에 후속하여 소결경화된 소결체를 정형하는 정형단계가 더 수행될 수 있다.

여기에서 정형이란 성형품의 소결 시 발생되는 미소한 뒤틀림(twist)(열처리 시 발생되는 뒤틀림(twist)과는 다른 개념임)의 보정 및 치형의 정밀도(Tooth profile)를 확보하기 위하여 성형과 같은 상하 가압 방식으로 실시하는 공정을 의미하며, 이러한 정형은 당업자에게는 용이하게 실시될 수 있는 것으로 이해될 수 있는 것이다.

상기 뜨임단계 또는 상기 정형단계에 후속하여 상기 성형체를 2차가공하는 2차가공단계를 더 포함할 수 있다. 상기에서 2차 가공이란 성형, 소결, 정형에 의 해 획득할 수 없는 정밀한 치수를 확보하기 위해 특정 부위에 대해서 컴퓨터수치제어(CNC ; computer numerical control) 가공 등을 이용하여 실시하는 공정을 의미하며, 이러한 2차가공 역시 당업자에게는 용이하게 실시될 수 있는 것으로 이해될 수 있는 것이다.

상기 뜨임단계, 상기 정형단계 또는 상기 2차가공단계 중 어느 한 단계에 후속하여 상기 성형체를 디버링하는 디버링단계를 더 포함할 수 있다. 상기에서 디버링이란 상기 2차 가공에서의 가공 시 발생된 버어(burr ; 쇠가시)를 제거하기 위해 실시하는 공정을 의미한다. 버어가 잔존될 경우 상대부품과 간섭 및 청정도를 요구하는 트랜스미션 부품에서는 치명적인 결함이 발생하게 되는 문제점이 있을 수 있다. 이러한 디버링 역시 당업자에게는 용이하게 실시될 수 있는 것으로 이해될 수 있는 것이다.

상기 압축단계에서 수득되는 성형품은 7.0 내지 7.1g/㎤의 범위 이내의 밀도를 갖도록 압축될 수 있다. 상기 성형품의 밀도가 7.0g/㎤ 미만으로 되는 경우, 경도 및 기계적 물성을 만족할 수 없게 되는 문제점이 있을 수 있고, 반대로 7.1g/㎤를 초과하는 경우, 고성형압에 의한 금형수명(파손 및 심각한 마모)에 문제가 있을 수 있다.

상기 분말금속부품은 싱크로나이져허브가 될 수 있다. 그러나 본 발명의 분말금속부품이 단지 싱크로나이져허브로 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 자동차 4 륜조정용 스프라켓어셈블리 등과 같이 내마모성 등의 우수한 강도를 요구하며, 톱니(기어치), 언더컷, 축 등의 구조를 포함하는 각종의 기계부품들도 본 발명의 범주에 속함은 당업자에게는 당연히 이해될 수 있는 것이다.

이하에서 본 발명의 바람직 한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한시키는 것으로 이해되어져서는 안될 것 이다.

실시예

분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서, 0.50중량%의 탄소, 1.50중량%의 크롬, 0.20중량%의 몰리브덴, 1.50중량%의 구리, 0.35중량%의 망간 및 잔량으로서 철을 포함하는 분말금속을 6.75톤/㎠의 압력에서 압축하여 7.05g/㎤의 밀도를 갖도록 가압하여 싱크로나이져허브의 형상을 갖도록 하여 성형체를 제조하고, 이를 수소 : 질소 = 10 : 90의 중량비로 혼합한 혼합가스 하에서 1120℃의 온도에서 20분 동안 상기 성형체를 가열하여 소결시킨 후, 소결된 상기 소결체를 질소 분위기 하에서 2℃/초의 속도로 냉각시킨 후, 정형, 2차가공 및 디버링을 수행하여 자동차용 싱크로나이져허브를 수득하였다.

비교예

분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서, 4.00중량%의 니켈, 1.50중량%의 구리, 0.50중량%의 몰리브덴, 0.55중량%의 탄소 및 잔량으로서 철을 포함하는 분말금속을 6.5톤/㎠의 압력에서 압축하여 7.20g/㎤의 밀도를 갖도록 가압하여 싱크로나이져허브의 형상을 갖도록 하여 성형체를 제조하고, 이를 수소 : 질소 = 5 : 95의 중량비로 혼합한 혼합가스 하에서 1120℃의 온도에서 20분 동안 상기 성형체를 가열하여 소결한 후, 소결경화된 상기 성형체를 정형, 선삭가공, 디버링한 후, 침탄열처리를 수행한 후, 소입수(물)을 사용하여 80℃/초의 속도로 급속냉각을 실시한 후, 쇼트블라스팅, 세척 및 방청 등의 후처리를 하는 등의 종래의 방법(SMF9060M)에 따른 공정들을 수행하여 자동차용 싱크로나이져허브를 수득하였다. 상기 비교예에서의 종래의 방법에서의 SMF9060M이란 대한민국 소재 현대자동차 재질규격에 규제된 재질명으로, 상기 나열한 합금원소로 구성되어 있으며, 또한 SMF9060M 재질은 1 내지 3℃/초의 냉각속도로는 요구하는 마르텐사이트 및 베이나이트 조직을 확보할 수 없으며, 상기 조직을 획득하기 위해서는 침탄열처리 또는 고주파 열처리를 필요로 하는 재질이다.

상기 실시예 및 비교예에서 수득된 싱크로나이져허브의 물성을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구 분	실시예	비교예(열처리후)
항복강도	650MPa	550MPa
인장강도	850MPa	800MPa
경도(HRC)	HRC 40	HRC 40
미세조직	템퍼드 마르텐사이트, 베이나이트	템퍼드 마르텐사이트, 베이나이트, 페라이트 + 펄라이트 + 잔류 오스테나이트

상기 표 1에서의 결과로서의 미세조직은 준비된 시편을 피크랄 에칭액으로 에칭을 한 후 100배의 비율로 확대하여 관찰한 것으로서, 그의 광학현미경사진을 도 1에 나타내었다.

상기한 실시예들을 종합한 결과, 본 발명에 따라 수득되는 싱크로나이져허브는 비교예로서 나타낸 종래의 방법에 따라 수득되는 싱크로나이져허브에 비해 항복강도나 인장강도 등 강도의 면에서 우수함을 확인할 수 있었으며, 그 미세조직 또한 기지조직이 템퍼드 마르텐사이트이고, 고립된 베이나이트 영역이 광학현미경의 관찰영역내에서 2% 범위 내에서 허용되는 기준을 만족하며, 페라이트와 탄화물이 관측되지 않음을 확인할 수 있었으며, 그에 따라 강도가 개선되며, 내마모성이 우수한 조직의 소결성형품을 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.

본 발명은 분말금속의 소결성형품으로서 분말금속부품을 제조하는 산업, 특히 자동차용 부품의 제조 등과 같은 내마모성이 우수한 분말금속부품을 제조하는 산업에서 이용될 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 제조되는 분말금속부품으로서의 싱크로나이져허브의 미세조직을 피크랄 에칭액으로의 에칭 후, 100배 확대하여 촬영한 광학현미경사진이다.

Claims

분말금속을 이용하여 분말금속부품을 제조함에 있어서,

(1) 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서, 0.45 내지 0.90중량%의 탄소, 1.00 내지 2.00중량%의 크롬, 0.10 내지 0.49중량%의 몰리브덴, 1.00 내지 2.00중량%의 구리, 0.30 내지 0.50중량%의 망간 및 잔량으로서 철을 포함하는 분말금속을 성형체를 제공하기 위해 6.5 내지 7.0톤/㎠의 압력에서 상기 분말금속을 압축하는 압축단계;

(2) 1100 내지 1140℃의 온도에서 10 내지 30분 동안 상기 성형체를 가열하여 소결시키는 소결단계;

(3) 상기 소결단계에서 소결된 상기 성형체를 질소 분위기 하에서 1 내지 3℃/초의 속도로 냉각시키는 냉각단계; 및

(4) 180 내지 200℃의 온도에서 60 내지 90분 동안 상기 소결체를 공기 분위기에서 풀림 처리를 하여 템퍼드 마르텐사이트(Tempered martensite)를 획득하는 뜨임단계;

를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 소결경화된 분말금속부품의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 소결경화된 분말금속부품의 제조방법에는 상기 뜨임단계에 후속하여 소 결경화된 성형체를 정형하는 정형단계가 더 수행됨을 특징으로 하는 소결경화된 분말금속부품의 제조방법.
제 2 항에 있어서,

상기 뜨임단계 또는 상기 정형단계에 후속하여 상기 성형체를 2차가공하는 2차가공단계를 더 포함함을 특징으로 하는 소결경화된 분말금속부품의 제조방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 뜨임단계, 상기 정형단계 또는 상기 2차가공단계 중 어느 한 단계에 후속하여 상기 성형체를 디버링하는 디버링단계를 더 포함함을 특징으로 하는 소결경화된 분말금속부품의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 압축단계에서 수득되는 성형품은 7.0 내지 7.1g/㎤의 범위 이내의 밀도를 갖도록 압축됨을 특징으로 하는 소결경화된 분말금속부품의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 성형품은 톱니(sawtooth), 언더컷(undercut) 및 테이퍼된(tapered) 것으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 표면형상을 갖도록 성형됨을 특징으로 하는 소결경화된 분말금속부품의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 분말금속부품이 싱크로나이져허브 및 스프라켓어셈블리 중 어느하나인 것을 특징으로 하는 소결경화된 분말금속부품의 제조방법.