KR100966753B1 - 철 나노분말 소결체 제조 방법 - Google Patents

Abstract

소결의 구동력을 극대화시킨 순수 철(Fe) 나노분말을 사용하여 완전 치밀화되고 수백 nm급 결정립 미세조직을 가지며 우수한 물성을 나타내는 철 나노분말 소결체를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 철 나노분말 소결체 제조 방법에서는 철 나노분말을 합금원소의 첨가 없이 100-600 MPa의 저압 영역대에서 성형한 다음, 500-1000℃의 저온 영역대에서 소결한다.

Description

철 나노분말 소결체 제조 방법{Method of fabricating iron nano powder sintered part}

본 발명은 금속 소결체 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철(Fe) 분말 소결체 제조 방법에 관한 것이다.

본 명세서에 있어서, 나노(nano) 크기라 함은 100nm 이하의 크기를, 마이크로(micro) 크기라 함은 1㎛ 이상의 크기를 의미한다.

철 분말은 현재 공업용 재료의 기본원소로서 다양한 산업분야에서 활용되고 있으며, 특히 소결을 통해서 자동차나 기계의 부품재료로 널리 쓰이고 있다. 이렇게 다양한 적용분야에도 불구하고 철 분말은 철이 가지는 고유특성으로 인해 철만으로 제품을 생산할 경우 소결체의 기본적인 특성이 취약하여 단독으로는 사용되고 있지 않다.

현재 사용되고 있는 철계 소결 기계부품들은 단일성분의 마이크로 크기의 금속분말을 혼합하고, 400-800 MPa의 압력으로 성형한 후, 1100-1350℃의 고온 영역에서 소결하여 1-5% 정도 치밀화시켜 사용한다. 이렇게 제조된 소결부품은 내부에 약 10%의 기공이 잔류하고, 불균일한 미세구조로 인해 물성저하를 초래한다. 이렇 듯 마이크로 크기의 분말을 사용함에 있어서 저하된 물성을 증가시키기 위해 현재 산업공정에서는 철강재료의 기본 합금원소인 탄소를 포함한, Ni, Cu, Mo 등의 합금 원소 첨가 및 후처리 공정을 실시함으로써 공정비용이 높아지는 한계가 있다.

본 발명은 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 합금원소의 첨가 없이도 완전 치밀화되고 우수한 물성을 갖는 철 분말 소결체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는, 나노 크기의 철 분말(이하, 철 나노분말)을 사용하며, 여기에 합금원소의 첨가 없이 100-600 MPa의 저압 영역대에서 성형하여 성형체를 제조한 다음, 상기 성형체를 500-1000℃의 저온 영역대에서 소결함으로써 철 나노분말 소결체로 제조하는 단계를 포함하는 철 나노분말 소결체 제조 방법을 제안한다.

본 발명에 따르면, 소결의 구동력을 극대화시킨 순수 철 나노분말을 사용하여, 합금원소의 첨가 없이 저압으로 성형한 후 저온 소결하여 완전 치밀화되고 수백 nm급 결정립 미세조직을 가지며 우수한 물성을 나타내는 철 나노분말 소결체를 제조할 수 있다. 이러한 소결체는 고밀도, 치밀화 부품으로 사용될 수 있다.

이하, 첨부 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.

(실시예)

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 철 나노분말 소결체 제조 방법의 순서도이다.

먼저, 순수 철 나노분말을 준비한다(단계 s1).

이 철 나노분말을 얻기 위해서는 밀스케일 또는 철 산화물을 볼밀링 분쇄(이것은 볼밀링에 기초한 유사한 저에너지, 고에너지 볼밀링을 모두 포함하는 개념임) 등으로 분쇄하여 덩어리 상태의 산화물을 제조한 후 수소 분위기와 같은 환원성 분위기에서 환원 처리한 다음, 스테아린산을 함유한 알코올계 용매를 이용한 습식밀링으로 재산화 방지 코팅을 하는 동시에 분말 표면을 개선하며 최적 크기를 갖도록 하는 과정을 거칠 수 있다. 이 때, 밀스케일의 분쇄를 통한 나노 크기 분말의 제조 및 습식밀링으로 재산화 방지 코팅을 하는 것에 대해서는 각각 대한민국 등록특허 제0489671호와 제0660653호를 참고할 수 있으며, 이 등록특허들의 개시 내용은 본 명세서에 원용되어 통합된다.

다음으로, 이 철 나노분말을 합금원소의 첨가 없이 100-600 MPa의 저압 영역 대에서 성형하여 성형체를 제조한다(단계 s2). 100 MPa 미만의 성형 압력은 높은 성형 밀도를 얻을 수 없으며, 원하는 수준의 성형 밀도(40-50%)를 얻는 데에 600 MPa를 넘는 성형 압력까지는 필요치 않다. 더욱 바람직하게는 250 MPa을 전후한 성형 압력을 이용하는데, 이 정도의 성형 압력은 성형 몰드의 기계적 마모를 초래하지 않으면서도 원하는 수준의 성형 밀도를 얻을 수 있다.

그런 다음, 상기 성형체를 500-1000℃의 저온 영역대에서 소결하여 철 나노분말 소결체로 제조한다(단계 s3). 500℃ 미만의 소결 온도는 높은 소결 밀도를 얻을 수 없으며, 원하는 수준의 소결 밀도(90-99% T.D(true density))를 얻는 데에 1000℃를 넘는 소결 온도까지는 필요치 않다. 더욱 바람직하게는 700℃를 전후한 소결 온도를 이용하는데, 이 정도의 소결 온도는 나노분말의 입성장을 과도하게 초래하지 않으면서도 원하는 수준의 소결 밀도를 얻을 수 있다. 상기 소결시 소결 분위기 중에 탄소를 첨가함으로써, 기계적 특성(예컨대 비커스(Vickers) 경도)을 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 소결의 구동력을 극대화시킨 철 나노분말을 사용해 종래보다 저압, 저온 소결이 가능하다. 고압 성형을 하게 되면 위험하고 성형 몰드의 기계적 마모가 크기 때문에 경제적이지 않을 뿐 아니라 능률적이지 않다. 또한 고가 기술인 고온가압성형(HIP) 혹은 저온가압성형(CIP) 방법도 사용될 수 있으나 그 결과 또한 만족할 만한 것이 못되고 있다. HIP와 같은 고온등압성형공정을 사용하면 입자성장을 억제하고 치밀한 소결체를 제조할 수 있지만 경제적으로 가장 불리한 것이 문제점이다. 따라서, 본 발명의 저압, 저온 소결은 이러한 문제를 해결할 수 있는 새로운 성형 및 소결 방식이며, 순수 철 나노분말을 사용함에 따라 본 발명에 따른 소결체는 침탄 및 질화처리(nitridation) 적용의 가능한 기본재료가 되는 것이다.

다음으로, 선택적인 단계로서, 상기 철 나노분말 소결체에 대하여 이온플라즈마 질화처리하는 단계(s4)를 더 실시하여 기계적 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.

(실험예)

밀스케일의 Fe₂O₃ 산화물 분말을 분쇄기(attritor) 내에서 고에너지 볼밀링을 10시간 동안 실시하여 산화물을 20-30 nm 크기로 분쇄하였다. 이어, 그 결과물을 건조한 후에 수소 분위기 하에서 450℃에서 50분간 환원시킴으로서 철 나노분말을 제조하였다. 본 과정에서 얻어진 철 나노분말은 약 100 nm 크기의 입자가 모여 5-20 ㎛ 크기의 응집체로 형성되었다.

완전 치밀화를 위한 최적의 응집체 크기를 갖게 하고, 재산화를 억제한 철 나노분말은 습식밀링 공정을 실시하여 제조되었다. 앞서 기술된 충분한 효과를 위해서는 습식밀링은 알코올계 용매에 철 나노분말과 스테아린산 2 vol% 이상을 첨가하여 실시하는 것이 바람직하다. 습식밀링을 거친 철 나노분말은 대기 중에서 취급함에도 불구하고, 도 2에 나타낸 바와 같은 XRD 분석결과 산화물 피크가 관찰되지 않았으며, 완전 치밀화가 용이하게 이루어질 수 있도록 응집체의 크기가 0.5-5 ㎛ 크기로 조절되었다.

철 나노분말을 이용하여 250 MPa의 압력으로 직경 1센티의 디스크형으로 성 형하였다. 도 3의 (a)는 이러한 성형체의 상면 사진이며, 도 3의 (b)는 성형체 파단면의 200배 확대 SEM 사진이다. 성형체 파단면을 1000배 확대한 SEM 사진인 도 3의 (c)에서 볼 수 있는 바와 같이, 성형체 내부는 균일하고 미세한 기공분포를 나타내었다. 측정 결과, 성형체의 밀도는 46%를 나타내었다.

이후 수소 분위기에서 10℃/min의 속도로 700℃까지 승온하여 소결을 실시하였다. 도 4의 (a)는 소형체의 상면 사진이며, 도 4의 (b)는 소결체 단면의 광학현미경 관찰 사진이다. 소결체 단면에 대한 TEM 사진인 도 4의 (c)에서 볼 수 있는 바와 같이, 소결체 내부에는 기공이 거의 없으며, 평균 결정립 크기는 500 nm로 확인되었다. 700℃의 저온 영역에서 소결을 진행했음에도 불구하고 철 나노분말 소결체 밀도 측정 결과, 96% T.D 이상을 나타내었다.

비교예로 마이크로 크기의 상용분말을 Fe-8wt%Ni 조성으로 혼합하여 500 MPa의 압력으로 성형한 후 이를 300℃/min의 승온속도로 1100℃까지 승온한 후 2시간 유지하여 소결을 진행하였다. 이 소결체는 1100℃라는 고온영역에서 소결을 진행했음에도 불구하고 밀도는 89%로 확인되었다.

비커스 경도기를 통해 소결체의 기계적 특성을 조사한 결과, 철 나노분말 소결체의 경도값은 210 H_V로 확인되었으며, 비교예로 사용된 Fe-8wt%Ni 상용분말 소결체의 경도값은 70 H_V로 확인되었다. 철 나노분말 소결체의 기계적 특성을 더욱 더 향상시키기 위하여 이온 플라즈마 방식으로 500℃에서 28 시간동안 질화처리한 결과, 철 나노분말 소결체의 비커스 경도값은 210 H_v에서 365 H_v로 크게 향상되었으 며, 이는 내마모성을 중시하는 소결 기계부품에 적용 가능하다.

철 나노분말 소결체와 비교예로 상기 기술한 Fe-8wt%Ni 상용분말 소결체의 부식 특성을 염수분무시험법을 사용하여 평가하였다. 염도 5%의 염수를 사용하여 35℃에서 24시간 동안 0.118-0.157 MPa의 분무압으로 염수분무시험 후 질량변화율을 분석해본 결과, 철 나노분말 소결체는 시험 후 0.458%의 질량증가율을 보였고, Fe-8wt%Ni 상용분말 소결체는 4.448%의 질량증가율을 나타내었다. 이상의 비교결과를 통해 철 나노분말 소결체의 내식성이 내식성 및 강도를 증가시키기 위하여 고가의 Ni를 8wt% 첨가한 상용분말 소결체의 내식성보다 우수함을 확인하였다.

이상의 실험예를 통해 내마모, 고밀도 순수 철 나노분말 소결체의 제조가 가능함을 검증하였다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. 본 발명의 실시예들은 예시적이고 비한정적으로 모든 관점에서 고려되었으며, 이는 그 안에 상세한 설명 보다는 첨부된 청구범위와, 그 청구범위의 균등 범위와 수단내의 모든 변형예에 의해 나타난 본 발명의 범주를 포함시키려는 것이다.

도 1은 바람직한 실시예에 따른 철 나노분말 소결체 제조 방법의 순서도이다.

도 2는 본 발명의 실험예에 사용되어진 철 나노분말의 XRD 그래프이다.

도 3(a) 내지 (c)는 본 발명의 실험예에서 제조한 철 나노분말 성형체의 사진들이다.

도 4(a) 내지 (c)는 본 발명의 실험예에서 제조한 철 나노분말 소결체의 사진들이다.

Claims (6)

1. 철 나노분말을 합금원소의 첨가 없이 100-600 MPa의 저압 영역대에서 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및

   상기 성형체를 500-1000℃의 저온 영역대에서 소결하여 철 나노분말 소결체로 제조하는 단계를 포함하고,

   상기 철 나노분말은 나노입자의 응집체 크기가 0.5-5 ㎛이며,

   밀스케일 또는 철 산화물을 볼밀링 분쇄하여 나노 크기 철 산화물 분말을 준비하는 단계;

   상기 철 산화물 분말을 환원시켜 철 분말을 얻는 단계; 및

   상기 철 분말에 재산화 방지 코팅을 하는 단계를 거쳐 얻어진 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 철 나노분말 소결체 제조 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 재산화 방지 코팅을 하는 단계는, 스테아린산을 함유한 알코올계 용매를 이용한 습식밀링으로 실시하는 것을 특징으로 하는 철 나노분말 소결체 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 소결시 침탄 처리하는 것을 특징으로 하는 철 나노분말 소결체 제조 방법.
6. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 철 나노분말 소결체로 제조하는 단계 이후, 상기 철 나노분말 소결체에 대하여 이온플라즈마 질화처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철 나노분말 소결체 제조 방법.

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