KR100978901B1 - 고인장강도 및 고경도를 가지는 철계 소결체 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 적어도 2종 이상의 분말 및 윤활제를 혼합하여 혼합물을 형성한 후, 상기 혼합물을 가압 성형하여 성형체를 형성한 후, 상기 성형체를 예비소결을 거쳐 본소결한 후 냉각하여 철계 소결체을 제조하는 방법에 있어서 : 상기 분말은 Mo 0.1~1.8wt%, Mn 0.3~3.5wt%, Cu 0.3~3.5wt%, C 0.3~1.1wt% 및 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지되, 상기 분말 중 Mn은 원소 형태의 분말로 존재하며 ; 상기 성형체는 6.9g/cm³ 이상의 성형밀도를 가지며 ; 상기 본소결은 -30℃ 이하의 이슬점이 유지되는 환원성 또는 중성의 보호분위기에서 1100℃ 내지 1300℃의 온도에서 15분 내지 90분간 소결하는 것 ; 을 특징으로 하며, 이에 의하여 1100Mpa 이상의 인장강도 및 Hv 300 이상의 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 고인장강도 및 고경도를 가진 철계 소결체를 얻을 수 있다.

Description

고인장강도 및 고경도를 가지는 철계 소결체 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF Fe-BASED SINTERED BODY WITH HIGH TENSILE STRENGTH AND HIGH HARDNESS}

본 발명은 자동차 부품 등으로 널리 이용되고 있는 철계 소결합금으로 된 소결체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

자동차 부품으로 분말 야금에 의하여 제조되는 소결합금이 널리 이용되고 있으며, 이러한 부품의 경량화 및 고강도화 요구에 따라 더욱더 고강도 및 고경도를 가지는 소결합금의 필요성이 증대하고 있다.

일반적으로 분말야금에 의하여 제조된 철계 소결 합금 제품은 단조 또는 압연 공정을 거쳐 제조되는 제품에 비하여 품질은 물론 비용 면에서도 유리하다. 그러나 소결 합금 제품은 그 제조 과정의 특성상 필연적으로 제품 내에 기공이 형성되며, 이러한 잔류 기공은 소결된 분말야금 제품의 기계적 특성을 단조와 같은 완전 조밀 합금에 비하여 저하시키는 효과를 가진다. 이는 기공이 응력집중부로서 작용하기 때문이며, 또한 기공이 응력을 받는 유효부피를 감소시키기 때문이다.

따라서 이러한 기공에 의한 특성 저하를 방지하기 위하여 철계 소결 합금의 경우, 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu) 등이 첨가된 합금강 분말을 이용하는 기술이 많이 개발되고 있다.

그 중 인장강도를 증가시키기 위하여 주로 사용되고 있는 분말이 1 내지 8중량%의 니켈을 함유한 금속합금분말이다.

니켈은 분말야금분야에서 인장강도를 증가시키기 위하여 철기지 합금분말의 조성물 내에 통상적으로 함유되는 합금원소이고, 니켈을 8%까지 함유한 철기지 합금분말에 의하여 제조되는 철계 소결합금 제품은 그 인장강도가 니켈에 의하여 향상된다는 것은 본 명세서에 일체화된 종래의 기술로서 미국특허 제6620218호 "IRON POWDER COMPOSITIONS"에 기술되어 있다.

또한 니켈은 소결을 촉진시키고 경화능을 증가시키는 동시에 인성(elongation)에 영향을 미치나, 니켈 단독으로 사용하기 보다는 몰리브덴, 구리 등과 같이 사용될 경우 그 효과가 더욱 커진다.

그러나 이와 같은 금속합금분말의 경우 고가의 합금원소인 니켈, 몰리브덴, 구리를 다량 함유하고 있으므로, 그 금속합금분말의 가격이 매우 고가이다.

최근 자동차 부품의 사용 추세를 살피면, 제품 가격 중 원재료가 차지하는 비중이 지속적으로 증가하고 있다. 특히 니켈은 매우 고가이며 그 단가가 상승하고 있으므로 이러한 니켈을 함유한 금속합금분말로 인하여 제품 가격 대비 원재료가 차지하는 비중은 계속 증가하고 있다.

한편, 크롬을 사용하는 기술로서 미국특허 WO/2005/120749 "SINTERED METAL PARTS AND METHOD FOR THE MANUFACTURING"에 개시된 바 있다. 상기 종래 기술은 본 명세서에 일체화된 것으로 본다.

그러나 도 1의 합금원소에 따른 산소친화도에서 확인되는 바와 같이 크롬의 경우 높은 산소와의 친화성 때문에 소결 분위기의 엄격한 제어가 필요하다.

또한 크롬계 합금분말의 경우 성형성이 매우 낮기 때문에 이로 인하여 성형체가 높은 밀도를 가지기 어렵고 또한 기공의 함량이 증가되어 전체적으로 고강도화를 실현시키기가 매우 어렵다.

또한 상당량의 몰리브덴과 구리를 함유한 분말을 사용하는 기술로서 미국특허 제7329380호 "METHOD OF CONTROLLING THE DIMENSIONAL CHANGE WHEN SINTERING AN IRON-BASED POWDER MIXTURE"가 개시된 바 있다. 상기 종래 기술은 본 명세서에 일체화된 것으로 본다. 몰리브덴의 경우는 성형성이 낮아지는 문제는 해결이 되지만, 몰리브덴만으로는 강도의 향상이 어려워 몰리브덴을 1.0wt% 이상 첨가하고도 강도가 낮아지는 문제가 있어서 1.0wt% 내외의 니켈을 추가로 첨가하여야 하는 문제가 있다.

이러한 단점을 극복하기 위하여 Fe-Mn-Si계 모합금(mother alloy or master alloy)을 만들어 사용하는 기술로서 EP 0,097,737B1 "Powder metallurgy process for producing parts having high strength and hardness from Si-Mn or Si-Mn-C alloyed steel"가 개시된 바 있다. 상기 종래 기술은 본 명세서에 일체화된 것으로 본다. 이와 같이 모합금을 사용하여 소결하는 경우 구성 성분의 산소친화력은 줄일 수 있지만 균일한 조직을 가진 합금의 제조가 어렵고 합금제조의 용이성이 떨어지게 된다.

또한 상기와 같은 금속합금분말을 이용하여 소결체를 제작할 경우 인장강도와 경도 등 기계적 특성을 증가시키기 위하여 소결 후 열처리 공정이 수반되어야 한다. 그러나 이와 같은 소결 후 열처리에 의하여 인장강도와 경도는 대폭 증가되지만, 저온으로 이미 냉각된 제품을 경화시키기 위하여 다시 가열하여야 하며, 열처리 후 냉각제로 사용된 냉각유를 제거하여야 하므로 비용문제와 함께 에너지 및 환경 문제를 발생시키는 요인이 된다.

따라서 고인장강도 및 고경도의 기계적 특성을 구비하면서도 저렴하게 자동차 부품 등으로 제조될 수 있는 소결합금이 절실히 요구되고 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 망간을 이용하여 저렴하면서도 고인장강도 및 고경도를 가지는 철계 소결체를 제조하는 방법 및 1100MPa 이상의 인장강도 및 Hv 300 이상의 경도를 가지는 철계 소결체을 제공하고자 한다.

특히 본 발명은 가압성형되기 전의 혼합물에 망간이 원소 형태의 분말로서 첨가되도록 하여 망간이 합금내에 균일하게 분포될 수 있도록 하고, 원소 형태의 분말로서 첨가된 망간이 소결 중에 산화되는 것을 방지하기 위하여 적절하게 소결 분위기를 제어함으로써, 고인장강도 및 고경도를 가지는 철계 소결체를 얻을 수 있도록 한다.

이에 의하여 고가의 니켈을 함유한 철계 소결합금보다 우수한 인장강도 및 경도를 가지는 망간을 함유한 철계 소결합금을 제공하게 된다.

또한 통상적인 소결로의 냉각조건 혹은 통상적인 소결로의 냉각조건보다는 빠르지만 후속 열처리 공정의 유냉에 의한 냉각조건보다는 느린 냉각조건에서도 원하는 경도와 강도가 얻어질 수 있도록 경화능(hardenability)을 조절할 필요가 있다. 이러한 기술은 소결경화(sinter hardening)라고 알려져 있는데 이러한 소결 경화가 가능할 경우 소결 후 재가열이 필요없고 유냉 후에 기름을 제거해야 하는 공정이 줄어들어 경제적, 환경적으로 유리할 뿐만 아니라 소결부품의 뒤틀림이나 변형도 줄어들게 되기 때문에 정밀도가 향상된다. 따라서 소결경화를 이용하여 적절한 경화능을 확보할 필요가 있다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 적어도 2종 이상의 분말 및 윤활제를 혼합하여 혼합물을 형성한 후, 상기 혼합물을 가압 성형하여 성형체를 형성한 후, 상기 성형체를 예비소결을 거쳐 본소결한 후 냉각하여 철계 소결체을 제조하는 방법에 있어서 : 상기 분말은 Mo 0.1~1.8wt%, Mn 0.3~3.5wt%, Cu 0.3~3.5wt%, C 0.3~1.1wt% 및 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지되, 상기 분말 중 Mn은 원소 형태의 분말로 존재하며 ; 상기 성형체는 6.9g/cm³ 이상의 성형밀도를 가지며 ; 상기 본소결은 -30℃ 이하의 이슬점이 유지되는 환원성 또는 중성의 보호분위기에서 1100℃ 내지 1300℃의 온도에서 15분 내지 90분간 소결하는 것 ; 을 특징으로 한다.

한편, 상기의 철계 소결체의 제조 방법에 있어서, 소결체의 기계 가공성을 향상시키기 위하여 기계 가공성 향상용 분말로 널리 알려진 S, FeS, MnS, Pb, Pb화합물, 규산마그네슘계 광물질, BN, Bi, Ce, CaF₂ 등이 단독 또는 복수로 원료 분말에 0.1wt% 내지 2.5wt% 첨가될 수 있다.

상기에 있어서, 상기 본소결후 냉각은 소결경화를 위하여 0.5℃/s~2.5℃/s로 냉각하는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 분말 중 Mo 및 Fe는 Fe-Mo의 합금 분말로 존재하며, 상기 분말 중 Cu는 구리 분말로, C는 흑연 분말로 존재하는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 원소 형태의 Mn 분말은 200메쉬 이하의 입자 크기를 가지며, 입자 크기 10μm이하의 입자분포가 30wt% 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 사상으로, Mo 0.1~1.8wt%, Mn 0.3~3.5wt%, Cu 0.3~3.5wt%, C 0.3~1.1wt% 및 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지되, 1100MPa 이상의 인장강도 및 Hv 300 이상의 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 고인장강도 및 고경도를 가진 철계 소결체가 제공된다.

아울러 본 발명의 다른 사상으로 기계가공성 향상용 분말이 함유된, Mo 0.1~1.8wt%, Mn 0.3~3.5wt%, Cu 0.3~3.5wt%, C 0.3~1.1wt%, 기계가공성 향상용 분말 0.1~2.5wt%, 및 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지되, 기계가공성 향상용 분말은 S, FeS, MnS, Pb, Pb화합물, 규산마그네슘계 광물질, BN, Bi, Ce, CaF₂ 로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 분말이며, 1100MPa 이상의 인장강도 및 Hv 300 이상의 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 고인장강도 및 고경도를 가진 철계 소결체가 제공된다.

상기와 같은 본 발명에 의하여, 망간을 이용하여 저렴하면서도 고인장강도 및 고경도를 가지는 철계 소결체를 제조하는 방법 및 1100MPa 이상의 인장강도 및 Hv 300 이상의 경도를 가지는 망간을 함유한 철계 소결체를 제공할 수 있다.

특히 본 발명은 가압성형되기 전의 혼합물에 망간이 원소 형태의 분말로서 첨가되도록 하여 망간이 합금 내에 균일하게 분포될 수 있도록 하고, 원소 형태의 분말로서 첨가된 망간이 소결 중에 산화되는 것을 방지하기 위하여 적절하게 소결 분위기를 제어함으로써, 고인장강도 및 고경도를 가지는 철계 소결체를 얻을 수 있다.

이와 같은 소결체는 본소결 후 냉각 시 0.5℃/sec 이상으로 냉각될 때 후속 열처리 공정이 부가되지 않고도 Hv 300 이상의 경도와 1100MPa이상의 인장강도를 얻을 수 있다.

이하 본 발명에 의한 일 실시례에 따라 그 구성과 작용을 상세히 설명한다.

일반적으로 금속 분말에 의하여 소결체를 제조하는 방법은 2종 이상의 분말과 윤활제를 골고루 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계와, 상기 혼합물을 가압 성형하여 성형체를 형성하는 단계와, 상기 성형체를 예비소결을 거쳐 본소결한 후 냉각하여 소결체를 얻게 된다. 또한 이와 같이 얻은 소결체의 기계적 특성을 높이기 위하여 열처리를 수반할 수 있다.

이하에서는 일반적인 소결체 제조 방법에 대한 설명은 가급적 생략하며, 본 발명의 실시례에서 특이하거나 유의하여야 할 점들을 주로 설명한다.

(1) 혼합물 형성 단계

분말야금에 있어서 혼합물의 형성은 2종 이상의 분말과 윤활제를 적절히 혼 합하게 된다.

2종 이상의 분말의 조성은 Mo 0.1~1.8wt%, Mn 0.3~3.5wt%, Cu 0.3~3.5wt%, C 0.3~1.1wt% 및 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지도록 하며, 윤활제는 분말야금에서 일반적으로 사용되는 윤활제라면 적절히 적용될 수 있다.

혼합물 형성 방법은 소결을 위한 통상적인 혼합 방법이 사용될 수 있으며, 특이한 사항은 혼합물을 이루는 구성 성분들의 비율, 망간의 입자 크기, 망간의 형태 등이다.

본 실시례에서는 성형성이 낮아지지 않고 원재료의 가격이 너무 높아지지 않도록 기존 분말 제조업자에 의해서 제공되고 있는 Fe-0.3~1.5wt%Mo 합금분말을 베이스로 하면서 경화능을 향상시키고 인장강도와 경도를 향상시키기 위하여 망간과 구리를 첨가하도록 하였다.

물론 Mo 및 Fe는 각각 원소 형태의 분말로 혼합물에 첨가될 수도 있고 이 경우 제조 용이성과 가격 면에서도 유리할 수 있지만, Fe-Mo을 첨가하였을 경우에도 성형성이 낮아지지 않기 때문에 성형상의 문제가 없고 합금화할 경우 균일성의 장점이 있어 합금분말을 사용하는 경우가 유리하다. 따라서 성형성이 낮아지지 않으면서도 성능대비 가격이 저렴하며 이미 분말 제조업자에 의하여 시중에 판매중인 저몰리브덴계 Fe-0.3~0.85wt%Mo 합금분말을 사용하였다. 이러한 저몰리브덴계 철합금 분말은 45μm~150μm의 입자크기를 갖고 있다.

몰리브덴(Mo)은 최종 제조된 소결체에서 우수한 경화능을 제공한다. 몰리브덴의 함량은 중량비로 0.1 내지 1.8% 사이에서 존재하도록 한다. 몰리브덴의 함량 이 0.1% 이하이면 첨가 효과가 미미하고, 첨가량이 많을수록 경화능이 향상되나 분말의 압축성을 낮추고, 몰리브덴 또한 니켈 이상으로 고가의 금속인 관계로 사용량을 중량비로 1.8% 이내로 제한하여야 한다. 다만 이 경우 분말제조업자에 의해서 제공되는 것과 같이 원료분말에 탄소가 합금되어 있을 경우 분말 자체가 경화되어 성형성이 크게 떨어지므로 원료합금분말의 탄소함량은 0.05% 이하로 제한된다.

망간(Mn)은 원소 형태의 분말, 즉 망간 플레이크를 평균입자크기 10μm 내지 20μm로 파쇄한 망간 분말로서 혼합물에 첨가되며, 중량비로 0.3% 이상 3.5%이하로 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 및 이하에서 원소 형태의 망간 분말이란, 망간이 화합물 또는 합금 형태로 존재하는 것이 아니라 순수하게 망간으로 이루어진 망간 분말을 의미한다. 물론 순수한 망간 분말이라 하여도 불가피한 불순물이 첨가될 수 있다.

망간은 니켈과 유사한 첨가 효과가 있으며 경화능이 니켈에 비하여 더 우수하다(도 2 합금원소에 따른 경화능지수 참조).

망간의 함량이 중량비로 0.3% 이하인 경우 첨가 효과가 급격히 감소하고, 중량비로 3.5%이상인 경우 치수안정성과 인성을 감소시키며, 또한 산화 발생가능성이 높아 소결체의 인장강도가 감소되는 문제점을 초래한다.

한편, 망간과 대비되는 니켈의 경우 철과의 확산 속도가 느리고 확산속도의 차이가 발생해서 니켈이 미처 확산되지 않은 니켈리치상(Ni-rich phase)이 존재하거나 커켄달 기공(Kirkendall pore)이 존재하게 된다. 니켈의 경우 이와 같은 문제 점을 줄이기 위하여 10μm 이하의 미세한 니켈을 사용하거나 혹은 합금상태의 분말을 제조하여 사용한다.

망간의 경우도 이와 같은 조직상의 불균일을 줄이기 위하여 첨가되는 망간의 크기를 조절해야 한다. 본 발명자의 연구에 의하면 첨가되는 망간은 입자 크기 200 메쉬 이하의 크기로 첨가되면 통상의 소결 온도에서 완전하게 합금화가 된다. 그러나 입자 크기가 200 메쉬 이상의 크기가 되면 망간리치상이 존재하게 된다. 따라서 첨가되는 망간의 입자 크기는 200메쉬 이하로 제한된다. 또한 너무 미세한 크기를 갖게 되면 성형 중에 분말의 흐름을 나쁘게 하고 소결 중에도 쉽게 산화되기 때문에 10μm 이하의 크기를 갖는 분말의 양은 전체 망간 분말의 중량에 대하여 30wt%이하로 제한할 필요가 있다. 이와 같은 크기의 망간 분말을 사용하면 합금분말을 사용할 때보다 합금 조절이 용이할 뿐만 아니라 ‘미세조직의 불균일’이라는 합금분말의 단점을 줄일 수 있다.

한편, 망간을 페로망간(Fe-Mn)이나 Fe-Mn-Si의 예비합금의 분말 형태로서 첨가하는 경우도 가능하다. 이와 같은 금속간화합물 내지 예비합금 형태로 첨가될 경우 산소와의 친화력이 줄어들기 때문에 분위기의 민감도가 줄어드는 장점이 있고 전체적인 불균일은 줄일 수 있으나 확산이 늦어져서 충분한 소결 시간이 필요하거나 미세적인 불균일을 피하기 어렵게 된다.

그러나 망간을 원소 형태의 분말로서 혼합물에 첨가할 경우 소결 중에 산소와의 친화력으로 망간이 산화되는 것을 막기 위하여 소결 분위기를 적절하게 제어할 필요가 있다.

구리(Cu)는 원소 형태의 구리 분말로 첨가되며, 첨가되는 구리의 양은 중량비로 0.3~3.5%이다. 구리 분말은 통상 150 메쉬 이하의 크기를 갖는 분말이 첨가된다.

구리는 소결 공정 중에 용융되어 확산 고용되기 때문에 소결품의 강도를 증가시키고 고용 및 석출경화에 의한 경화효과를 나타내어 경화능을 향상시키며, 또한 소결체의 인장강도를 증가시키기 때문에 철계 소결 재료에 가장 널리 첨가되는 원소이다.

구리는 보다 효과적인 경화를 위해서 중량비로 0.3% 내지 3.5% 첨가하는 것이 좋다. 그러나 3.5wt% 이상으로 첨가되는 경우 재료를 팽창시켜 밀도가 감소하게 되며 결과적으로 소결체의 기계적 특성을 저하시킨다. 또한 경제적으로도 좋지 않다.

탄소(C)는 흑연 분말로 첨가되며, 첨가되는 탄소의 양은 중량비로 0.3 내지 1.1%이다.

탄소가 첨가되는 양은, 소결재료의 소결 경도 및 인장강도에 크게 영향을 미치므로 최소 0.3wt%이상인 것이 바람직하며, 고강도 및 고경도의 재료가 필요한 경우 탄소량은 0.6 내지 1.1 wt%가 된다. 탄소가 1.1wt% 이상의 경우는 취성이 증가하므로 그 사용이 제한된다.

한편, 최종 제조되는 소결체의 기계 가공성의 향상을 위해서 기계 가공성 향상용 분말로 널리 알려진 S, FeS, MnS, Pb, Pb화합물, 규산마그네슘계 광물질, BN, Bi, Ce, CaF₂ 등이 단독 혹은 복수로 0.1 내지 2.5wt% 첨가될 수 있다.

기타 불가피한 불순물로는 P, Si, Al, O, N, S 등이 각 0.1중량%이하로 포함될 수 있다.

윤활제는 성형이 용이하게 이루어지도록 첨가되며, 통상의 분말야금용 윤활제가 사용되는 것으로 족하다. 윤활제는 추후 예비소결과정에서 제거된다. 윤활제의 대표적인 예는 스테아린산 아연(Zinc stearate)이다. 스테아린산 아연은 분말 전체 중량에 대하여 약 0.5 내지1.5% 첨가될 수 있다.

상기와 같이 몰리브덴은 저몰리브덴 철합금 분말 상태로 하고, 망간과 구리 및 탄소는 성형이 용이하게 이루어지도록 첨가되는 윤활제와 함께 혼합 공정 전에 상기 철합금 분말에 첨가된 후, 골고루 혼합하여 혼합물을 형성한다.

(2) 성형체 성형 단계

상기와 같은 혼합에 의하여 얻어진 금속합금 분말들의 혼합물을 가압 성형하여 6.9 ~ 7.25 g/cm³의 성형밀도를 가지는 성형체를 제조한다. 성형체의 성형밀도는 인장강도 등과 직접 연관되므로 소결체에서 1100MPa 이상의 인장강도를 원하는 경우는 적어도 6.9g/cm³이상의 성형밀도를 가지는 것이 바람직하다.

(3) 소결 단계

소결 단계는 본소결과 윤활제 제거를 위한 예비소결로 구분될 수 있지만, 예비소결은 본소결을 위하여 소결로 내의 온도를 높이는 과정에서 자연스럽게 해결되므로 본 발명의 핵심이라고 볼 수 없다.

상기와 같이 제조된 성형체를 본소결할 경우 원소 형태의 망간 분말의 산화 발생률이 높기 때문에 적절한 소결조건을 맞추어 주어야 한다.

이를 위하여 상기와 같이 제조된 성형체를 -30℃이하(바람직하게는 -40℃ 내지 -60℃)의 이슬점이 유지되는 환원성 또는 중성의 보호분위기에서 450℃ 내지 900℃의 온도에서 10분 내지 60분간 예비소결하고 1100℃ 내지 1300℃의 온도에서 15분 내지 90분간 본소결한 후 0.5~2.5℃/s의 냉각속도로 냉각하여 최종 소결체를 얻게 된다.

예비소결 조건은 윤활제의 양과 종류에 따라 달라질 수 있으며, 예비소결은 본소결을 위하여 소결로의 온도를 높이는 과정에서 자연스럽게 이루어지므로, 예비소결의 공정조건은 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 기술자라면 적절히 변형하여 사용할 수 있을 것이라 이해된다.

상기에서 보호분위기는 질소와 수소의 혼합 분위기를 이용하되 이슬점을 -30 ℃이하로 유지하여 망간의 산화를 방지한다. 일반적인 보호분위기는, 경제성을 고려하고 낮은 이슬점을 유지하기 위하여 부피비로 5 내지 95의 질소에 5 내지 95의 수소를 혼합 사용한다. 질소가 많이 사용되는 이유는 종래에는 액화질소를 사용하였으나 이는 가스공급업자로부터 수요자까지 고압으로 이송하는 과정에서 공기 중에 수차례 노출되어 이슬점이 점차로 올라가게 되는 단점이 있어 왔으나 최근 공기 중의 질소를 분자체로 직접 분리하고 정제하여 고순도의 질소를 얻는 정제 기술이 발달하게 됨에 따라 질소발생기로부터 라인으로 이슬점이 -75℃ 이하인 고순도 상태의 질소를 저렴하게 로에 공급하는 것이 가능하게 되어 분위기 제어가 용이하게 되었기 때문이다. 이와 같은 고순도 질소에 환원성을 갖는 소량의 수소를 혼합하여 이슬점을 -30℃이하로 유지함으로써 그동안 제어가 곤란한 망간 분말의 소결이 가능하게 되었다.

이와 같은 공정으로 소결된 철계 소결합금은 그 밀도가 성형체보다 0.05~ 0.15g/cm³정도 높은 수준이며, 밀도가 6.9g/cm³ 이상에서는 1100MPa 이상의 인장강도와 Hv 300 이상의 경도를 가진다.

본 실시례에 의하여 제조된 철계 소결체는 우수한 강도와 경도, 즉 1100MPa 이상의 인장강도와 Hv 300이상의 경도를 가진 소결체가 제조될 수 있다.

(실험례1)

실험례 1은 표 1에 나타난 바와 같이 Fe-0.5wt%Mo합금분말에 원소형태의 망간과 구리분말, 흑연분말을 혼합하여 사용하였으며, 윤활제로서는 분말 전체 중량에 대하여 스테아린산 0.8wt% 첨가하여 사용하였다. 표 1의 수치는 중량비 기준이다.

표 1

- 뒷면 계속

표 1에 확인된 바와 같이, 재료 1 내지 재료 8은 Fe-0.5wt%Mo 합금 분말을 기지 분말로 하여, 이에 대하여 원소 형태의 망간 분말이 전체 중량에 대하여 각 0.1, 0.2, 0.3, 1.0, 2.0, 3.0, 3.5, 4.0의 중량비로 첨가되고, 0.1wt%의 구리분말과 흑연 분말이 0.6wt% 첨가되도록 하였다.

재료 9 내지 재료 16은 Fe-0.5wt%Mo 합금 분말을 기지 분말로 하여, 이에 대하여 원소 형태의 망간 분말이 전체 중량에 대하여 각 0.1, 0.2, 0.3, 1.0, 2.0, 3.0, 3.5, 4.0의 중량비로 첨가되고, 0.2wt%의 구리분말과 흑연 분말이 0.6wt% 첨가되도록 하였다.

재료 17 내지 재료 24는 Fe-0.5wt%Mo 합금 분말을 기지 분말로 하여, 이에 대하여 원소 형태의 망간 분말이 전체 중량에 대하여 각 0.1, 0.2, 0.3, 1.0, 2.0, 3.0, 3.5, 4.0의 중량비로 첨가되고, 0.3wt%의 구리분말과 흑연 분말이 0.6wt% 첨가되도록 하였다.

재료 25 내지 재료 32는 Fe-0.5wt%Mo 합금 분말을 기지 분말로 하여, 이에 대하여 원소 형태의 망간 분말이 전체 중량에 대하여 각 0.1, 0.2, 0.3, 1.0, 2.0, 3.0, 3.5, 4.0의 중량비로 첨가되고, 1.0wt%의 구리분말과 흑연 분말이 0.6wt% 첨가되도록 하였다.

재료 33 내지 재료 40은 Fe-0.5wt%Mo 합금 분말을 기지 분말로 하여, 이에 대하여 원소 형태의 망간 분말이 전체 중량에 대하여 각 0.1, 0.2, 0.3, 1.0, 2.0, 3.0, 3.5, 4.0의 중량비로 첨가되고, 2.0wt%의 구리분말과 흑연 분말이 0.6wt% 첨가되도록 하였다.

재료 41 내지 재료 48은 Fe-0.5wt%Mo 합금 분말을 기지 분말로 하여, 이에 대하여 원소 형태의 망간 분말이 전체 중량에 대하여 각 0.1, 0.2, 0.3, 1.0, 2.0, 3.0, 3.5, 4.0의 중량비로 첨가되고, 3.0wt%의 구리분말과 흑연 분말이 0.6wt% 첨가되도록 하였다.

재료 49 내지 재료 56은 Fe-0.5wt%Mo 합금 분말을 기지 분말로 하여, 이에 대하여 원소 형태의 망간 분말이 전체 중량에 대하여 각 0.1, 0.2, 0.3, 1.0, 2.0, 3.0, 3.5, 4.0의 중량비로 첨가되고, 3.5wt%의 구리분말과 흑연 분말이 0.6wt% 첨가되도록 하였다.

재료 57 내지 재료 64는 Fe-0.5wt%Mo 합금 분말을 기지 분말로 하여, 이에 대하여 원소 형태의 망간 분말이 전체 중량에 대하여 각 0.1, 0.2, 0.3, 1.0, 2.0, 3.0, 3.5, 4.0의 중량비로 첨가되고, 4.0wt%의 구리분말과 흑연 분말이 0.6wt% 첨가되도록 하였다.

이들 재료들을 각각 더불콘 혼합기에서 40분간 혼합하고 기계식 프레스에서 700MPa의 압력으로 실린더 상의 형태로 가압성형한 후, 부피비 90:10 내지 80:20의 질소와 수소의 혼합 분위기에서 이슬점을 -40℃ 이하로 유지한 상태로 1140℃에서 40분간 소결을 실시한 후 2.5℃/s의 냉각속도로 냉각하여 소결체를 제작하였다. 이렇게 얻어진 철계 소결합금의 소결체에 대하여 인장강도, 경도, 밀도, 외관검사 등의 검사를 실시하여 표 2의 결과를 얻었다.

표 2

- 앞면 계속

표 2에서 알 수 있는 바와 같이 동일한 소결조건에서 망간의 함유율이 0.3% 내지 3.5%이고, 구리의 함유율이 0.3% 내지 3.5%인 재료의 경우 모두 인장강도 1100MPa이상, 경도 Hv300이상을 가진다는 것을 확인할 수 있다.

이에 반하여 망간의 함유율이 0.3% 미만인 재료의 경우 인장강도, 경도가 모두 급격히 감소하였으며, 망간의 함유율이 3.5%를 초과하는 재료의 경우 망간 함량 3.5%의 재료에 비하여 경도는 비슷한 상태지만 인장강도가 급격히 감소하였다.

이와 같이 Mo 0.1~1.8wt%, Mn 0.3~3.5wt%, Cu 0.3~3.5wt%, C 0.3~1.1wt% 및 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 철계 소결합금의 소결체는 매우 우수한 인장강도와 경도를 가지는 것이 확인되었다.

(실험례 2)

실험례 2는 Fe-0.5wt%Mo의 합금분말을 기준중량 100으로 하여, 이에 대하여 2.0wt%의 원소 형태의 망간 분말과 1.5wt%의 원소형태의 구리분말 및 0.6wt%의 흑연분말을 혼합하여 사용하였으며, 윤활제로서는 분말 전체 중량에 대하여 스테아린산 0.8wt% 첨가하여 사용하였다. 이들 재료들을 더불콘 혼합기에서 40분간 혼합하고 기계식 프레스에서 700MPa의 압력으로 실린더 상의 형태로 가압성형한 후, 90:10 내지 80:20의 질소와 수소의 혼합 분위기에서 1140℃에서 40분간 소결을 실시한 후 2.5℃/s의 냉각속도로 냉각하여 소결체를 제작하였다. 이때 동일한 재료 각각에 대하여 소결로 내의 이슬점을 -10℃에서 -60℃로 변화시키면서 소결을 실시하여, 이슬점의 변화에 따른 소결체의 특성을 알 수 있도록 하였다.

이렇게 얻어진 철계 소결합금의 소결체에 대하여 인장강도, 경도, 밀도, 외관 등의 검사를 실시하여 표 3과 같은 결과를 얻었다.

표 3

표 3에서 확인되는 바와 같이 이슬점을 -30℃ 이하로 유지하여 소결된 소결체는 우수한 기계적 특성, 즉 1100MPa이상의 인장강도, Hv 300이상의 경도를 가지는 것으로 확인되었으며, 이슬점을 -30℃ 이상으로 유지한 경우에는 인장강도, 경도 및 외관이 불량하였다. 따라서 소결 시 이슬점을 -30℃ 이하, 바람직하게는 -40℃ 이하로 유지하는 것이 매우 중요하다.

(실험례 3)

실험례 3은 Fe-0.5wt%Mo의 합금분말을 기준중량 100으로 하여, 이에 대하여 2.0wt%의 원소 형태의 망간 분말과 3.0wt%의 원소형태의 구리분말 및 0.6wt%의 흑연분말을 혼합하여 사용하였으며, 윤활제로서는 분말 전체 중량에 대하여 스테아린산 0.8wt% 첨가하여 사용하였다. 이들 재료들을 더불콘 혼합기에서 40분간 혼합하고 기계식 프레스에서 700MPa의 압력으로 실린더 상의 형태로 가압성형한 후, 90:10 내지 80:20의 질소와 수소의 혼합 분위기에서 이슬점이 -40℃로 유지된 소결로를 이용하여, 1140℃에서 40분간 소결을 실시하여 소결체를 제작하였다. 이때 동일한 재료 각각에 대하여 소결 후 냉각속도를 0.2℃/s에서 3.0℃/s로 변화시키면서 소결을 실시하여, 냉각속도의 변화에 따른 소결체의 특성을 알 수 있도록 하였다.

이렇게 얻어진 철계 소결합금의 소결체에 대하여 인장강도, 경도, 밀도, 외관 등의 검사를 실시하여 표4와 같은 결과를 얻었다.

표 4

표 4에서 확인되는 바와 같이 이슬점을 -40℃ 이하로 유지된 소결로에서 소결 후 0.5 내지 2.5℃/s의 속도로 냉각되어 소결경화된 소결체는 우수한 기계적 특성, 즉 1100MPa이상의 인장강도, Hv300이상의 경도를 가지는 것으로 확인되었으며, 냉각속도가 0.2℃/s의 경우에는 인장강도는 양호하나 경도가 불량하며, 냉각속도가 3.0℃/s의 경우에는 경도와 인장강도가 양호하나 표에는 나타나지 않았지만 취성이 발생하였다. 따라서 소결 후 합금조성에 따라 적절한 냉각속도를 유지하는 것이 매우 중요하다.

한편, 소결체의 합금 조성에 따라 적절한 냉각속도는 조금씩 변화할 수 있으며, 재료에 따라서는 냉각속도가 4℃/s 이상이 되어야 취성이 발생하는 경우도 있지만, 여러 가지 재료를 통하여 실험하였을 때 0.5℃/s~2.5℃/s의 범위로 냉각될 경우 취성이 발생하지 않으면서도 양호한 인장강도와 경도 특성이 나타났다.

본 실시례에 의하여 제조된 철계 소결체는 그 우수한 특성으로 인하여, 기존의 금속합금분말의 경우 소결 후 소결체의 기계적 특성을 향상시키기 위하여 열처 리 등의 후속 공정이 필요로 하는 것이 대부분인데 비하여, 본 실시례는 별도의 후속 열처리 없이도 우수한 강도와 경도, 즉 1100MPa 이상의 인장강도와 Hv 300 이상의 경도를 가진 소결체가 제조될 수 있다.

상기의 실시례는 본 발명의 바람직한 실시례일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상은 당업자에 의하여 다양하게 변형 내지 조정되어 실시될 수 있다. 이러한 변형 내지 조정이 본 발명의 기술적 사상을 이용한다면 이는 본 발명의 범위에 속하는 것이다.

본 발명에 의하여 고강도 및 고경도를 요구하는 소결 기계부품, 자동차 부품 등이 저렴하게 제조될 수 있다.

도 1은 합금원소에 따른 산소친화도.

도 2는 합금원소에 따른 경화능지수.

Claims (7)

1. 적어도 2종 이상의 분말 및 윤활제를 혼합하여 혼합물을 형성한 후, 상기 혼합물을 가압 성형하여 성형체를 형성한 후, 상기 성형체를 예비소결을 거쳐 본소결한 후 냉각하여 철계 소결체을 제조하는 방법에 있어서 :

   상기 분말은 Mo 0.1~1.8wt%, Mn 0.3~3.5wt%, Cu 0.3~3.5wt%, C 0.3~1.1wt% 및 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지되, 상기 분말 중 Mn은 원소 형태의 분말로 존재하며 ;

   상기 성형체는 6.9g/cm³ 이상의 성형밀도를 가지며 ;

   상기 본소결은 -30℃ 이하의 이슬점이 유지되는 환원성 또는 중성의 보호분위기에서 1100℃ 내지 1300℃의 온도에서 15분 내지 90분간 소결하는 것 ;

   상기 본소결후 냉각은 소결경화를 위하여 0.5℃/s~2.5℃/s로 냉각하는 것 ;

   을 특징으로 하는 고인장강도 및 고경도를 가지는 철계 소결체의 제조 방법.
2. 적어도 2종 이상의 분말 및 윤활제를 혼합하여 혼합물을 형성한 후, 상기 혼합물을 가압 성형하여 성형체를 형성한 후, 상기 성형체를 예비소결을 거쳐 본소결한 후 냉각하여 철계 소결체을 제조하는 방법에 있어서 :

   상기 분말은 Mo 0.1~1.8wt%, Mn 0.3~3.5wt%, Cu 0.3~3.5wt%, C 0.3~1.1wt%, 기계가공성 향상용 분말 0.1~2.5wt%, 및 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지되, 상기 분말 중 Mn은 원소 형태의 분말로 존재하며, 기계가공성 향상용 분말은 S, FeS, MnS, Pb, Pb화합물, 규산마그네슘계 광물질, BN, Bi, Ce, CaF₂ 로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 분말이며;

   상기 성형체는 6.9g/cm³ 이상의 성형밀도를 가지며 ;

   상기 본소결은 -30℃ 이하의 이슬점이 유지되는 환원성 또는 중성의 보호분위기에서 1100℃ 내지 1300℃의 온도에서 15분 내지 90분간 소결하는 것 ;

   상기 본소결후 냉각은 소결경화를 위하여 0.5℃/s~2.5℃/s로 냉각하는 것 ;

   을 특징으로 하는 고인장강도 및 고경도를 가지는 철계 소결체의 제조 방법.
3. 삭제
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 분말 중 Mo 및 Fe는 Fe-Mo의 합금 분말로 존재하며, 상기 분말 중 Cu는 구리 분말로, C는 흑연 분말로 존재하는 것을 특징으로 하는 고인장강도 및 고경도를 가지는 철계 소결체의 제조 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 원소 형태의 Mn 분말은 200메쉬 이하의 입자 크기를 가지며, 입자 크기 10μm이하의 입자분포가 30wt% 이하인 것을 특징으로 하는 고인장강도 및 고경도를 가지는 철계 소결체의 제조 방법.
6. 삭제
7. 삭제

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