KR100991993B1 - 내열성 저하를 방지한 필터용 철계 다공질 소결체 제조 방법 및 이에 의하여 제조되는 필터용 철계 다공질 소결체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 필터용 소결체를 제조함에 있어서, 순철 또는 철계합금인 철기지용 분말과 소결조제용 분말을 혼합 및 성형하여 성형체를 제작한 후 상기 성형체를 소결하는 필터용 철계 다공질 소결체의 제조 방법에 있어서 : 상기 철기지용 분말은 평균입자크기가 100메쉬 이상 10메쉬 이하인 조대 구형 분말이며 ; 상기 소결조제용 분말은 평균입자크기가 250메쉬 이상 100메쉬 이하이며 중량비 95:5 내지 45:55인 망간 분말과 주석 분말의 혼합 분말로서, 상기 소결조제용 분말은 상기 철기지용 분말에 대하여 1wt%~5wt%로 혼합되며, 상기 성형체의 소결은 1100℃~1350℃사이에서 이루어지도록 하여, 소결을 촉진하여 통상의 고온 소결 설비를 이용하여 용이하게 소결하는 것이 가능하며 동시에 완성된 필터용 소결체의 내열성 저하와 통기성 저하를 방지하며 압환강도의 향상을 달성할 수 있다.

Description

내열성 저하를 방지한 필터용 철계 다공질 소결체 제조 방법 및 이에 의하여 제조되는 필터용 철계 다공질 소결체{Manufacturing method of Fe-based sintered body for filter and Fe-based sintered body for filter}

본 발명은 철기지용 분말과 소결조제용 분말을 이용하여 필터용 철계 다공질 소결체를 제조하는 방법 및 이에 의하여 제조되는 필터용 철계 다공질 소결체에 관한 것이다.

종래부터 필터용 철계 다공질 소결체 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 필터용 철계 다공질 소결체가 알려져 있다.

필터용 철계 다공질 소결체는, 철기지용 분말을 소결함으로써 제조되나, 사용되는 철기지용 분말의 입자크기가 너무 작으면 적정한 통기성을 구현할 수 없어 문제가 되며, 이러한 문제를 해결하기 위하여 철기지용 분말의 입자크기가 굵게 되면 소결성이 떨어지게 된다.

따라서 필터용 철계 다공질 소결체를 제조함에 있어, 적정한 통기성을 구현 하도록 철기지용 분말의 크기를 크게 하면서도, 철기지용 분말의 굵은 입자크기로 인한 소결성 저하를 보완하여 소결을 촉진하기 위하여 소결조제용 분말이 철기지용 분말에 함께 첨가되어 소결되도록 한다.

필터용 철계 다공질 소결체의 제조에 있어서 첨가되는 소결조제용 분말로서, 철보다 낮은 용융점을 가지는 구리(Cu), 주석(Sn), 아연(Zn), 인(P), 붕소(B), 또는 코발트(Co)나 구리계의 합금 등의 원소가 이용된다.

그러나 이와 같이 낮은 용융점을 가지는 소결조제용 분말을 철기지용 분말에 첨가하게 되면 소결시 용융에 의하여 액상이 형성됨으로써 소결성은 크게 향상되나, 완성된 소결체는 소결조제용 분말의 낮은 용융점으로 인하여 내열성이 저하되는 단점이 있을 뿐만 아니라 소결시 과용융에 의해 기공의 막힘이 발생하여 통기성이 떨어지는 문제점 또한 발생하게 된다.

즉, 소결조제용 분말로서 저융점 금속이나 저융점이 되도록 합금된 금속합금을 사용하는 경우 소결성과 내열성의 상반된 특성으로 인하여 소결성이 향상되는 반면 제품 자체의 내열성과 통기성이 저하되는 특성을 가지게 된다.

이러한 문제는 매우 뜨거운 환경에 노출되는 필터에 있어서 특히 문제가 된다. 예컨대 자동차 에어백의 가스발생장치에 사용되는 필터의 경우, 화약 폭발에 의하여 고온, 고압의 가스가 발생하며, 필터는 이러한 고온, 가압의 가스에 견딜 수 있는 내열성과 적정한 통기성을 가져야 하나, 종래의 철계 다공질 소결체에 의하여는 적정한 통기성을 구현할 수 있지만 내열성의 문제에서는 취약하다는 단점을 가지게 된다.

필터용 철계 다공질 소결체가 고온 환경에서 용융되는 경우 이는 다공질 소결체의 강도를 저하시킴은 물론이며 심한 경우 다공질 소결체의 기공을 없애는 요인이 되어 다공질 소결체의 기능을 저하시키는 요인으로 작용한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것이다.

한편, 본 발명의 출원인은 대한민국 특허출원번호 제10-2008-0076955호를 특허출원하였으며, 상기 특허출원에서는 비교적 큰 입자크기를 가진 철기지용 분말에 철과 전율고용체를 이루는 망간 분말을 소결조제용 분말로서 첨가하여 혼합한 후 이를 소결하면, 제조과정에서의 양호한 소결성을 기대할 수 있을 뿐만 아니라 완성된 소결체의 내열성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 기술을 제시하였다.

본 발명은 이에 더 나아가 소결조제용 분말로서 망간 분말을 기본으로 하여 이에 주석 분말을 혼합하여 망간 분말과 주석 분말의 혼합 분말로 이루어진 소결조제용 혼합분말을 철기지용 분말에 혼합하여 소결함으로써 상기 특허출원과 같은 소결성의 증대 및 내열성의 증대 효과는 물론이며, 제조된 소결체의 압환강도 향상을 달성하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 순철 또는 철계합금인 철기지용 분말과 소결조제용 분말을 혼합 및 성형하여 성형체를 제작한 후 상기 성형체를 소결하는 필터용 철계 다공질 소결체의 제조 방법에 있어서 : 상기 철기지용 분말은 평균입자크기가 100메쉬 이상 10메쉬 이하인 조대 구형 분말이며 ; 상기 소결조제 용 분말은 평균입자크기가 250메쉬 이상 100메쉬 이하이며 중량비 95:5 내지 45:55인 망간 분말과 주석 분말의 혼합 분말로서, 상기 소결조제용 분말은 상기 철기지용 분말에 대하여 1wt%~5wt%로 혼합되며, 상기 성형체의 소결은 1100℃~1350℃사이에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 철기지용 분말은 평균입자크기가 40메쉬 이상 10메쉬 이하인 것이 바람직하다.

이에 의하여 제조되는 필터용 철계 다공질 소결체는 소결체를 구성하는 소결입자의 표면부 및 목부가 대부분 Fe-Mn 고용체로 이루어진다.

본 발명은 필터를 제조함에 있어서, 순철 또는 철계합금인 철기지용 분말의 평균입자크기 100메쉬 이상 10메쉬 이하인 조대 구형 분말을 소결할 때 망간 분말과 주석 분말이 혼합된 혼합 분말을 소결조제용 분말로서 첨가 혼합함으로써 소결을 촉진하여, 통상의 고온 소결 설비를 이용하여 용이하게 소결하는 것이 가능하며 동시에 완성된 필터용 소결체의 내열성 저하와 통기성 저하를 방지하며 압환강도의 향상을 달성할 수 있다.

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다.

통상적으로 필터용 철계 다공질 소결체를 제조하는 방법은, i) 분말들을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계와, ii) 상기 혼합물을 적절한 압력으로 가압 성형하여 성형체(green body)를 제작하는 단계와, iii) 상기 성형체를 소결하는 단계로 이루어진다.

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

(1) 혼합물의 형성

혼합물을 형성하기 위하여, 철기지용 분말과 소결조제용 혼합 분말(망간분말과 주석분말의 혼합 분말)과 윤활제를 적절히 혼합하게 된다.

윤활제는 분말야금에서 일반적으로 사용되는 윤활제라면 적절히 적용될 수 있을 것이라 이해된다.

혼합물 형성 방법은 소결을 위한 통상적인 혼합 방법이 사용될 수 있으며, 특이한 사항은 혼합물을 이루는 철기지용 분말의 입자크기, 소결조제용 분말의 입자 크기, 철기지용 분말에 대한 소결조제용 분말의 혼합 비율, 소결조제용 분말에서의 망간 분말과 주석 분말의 혼합 비율이다.

철기지용 분말에 대하여 1wt%~5wt%의 소결조제용 혼합분말이 혼합되며, 철기지용 분말은 평균입자크기가 100메쉬 이상 10메쉬 이하인 조대 구형분말이며, 소결 조제용 혼합 분말은 평균입자크기가 250메쉬 이상 100메쉬 이하인 것이 바람직하다.

철기지용 분말로서 순철 분말 또는 철계합금분말이 이용될 수 있다.

본 발명자는 순철 분말 이외에도, 철계합금분말로서 Fe-5.0wt%Sn-0.5wt%P-0.3~0.7wt%C, Fe-4wt%Ni-0.5wt%Mo- 1.5wt%Cu-0.3~0.7wt%C, Fe-0.1wt%Mo-2.0wt%Cu-0.1wt%S-0.3~0.7wt%C 등에 대하여 실험을 진행하여 본 발명의 효과를 검증하였으나, 상기의 철계합금분말 이외에도 다양한 조성의 철계합금분말이 본 발명의 철기지용 분말로서 사용될 수 있을 것이라 이해된다.

철기지용 분말로서 순철인 경우에 비하여 철에 불순물이 첨가되어 있거나 혹은 철계합금분말인 경우에는 통상 철보다 낮은 용융점을 가지게 되어 소결온도를 낮추는 효과가 있다.

예컨대 철에 함유된 탄소의 함량에 따른 영향을 살펴보면, 철의 용융점은 1538℃이며, 철-탄소 상태도에서 철과 탄소는 1123℃에서 공정을 형성하므로 4.3%의 탄소를 함유한 철 조성물은 1123℃에서 녹게 된다. 그러나 통상 소결재료로 사용하는 철기지용 분말은 탄소 함유량이 1.2% 미만인 것이 일반적이며, 탄소 함유량 1.2% 미만인 구간에서는 철의 용융점보다 조금 낮은 정도이며, 이와 같이 탄소에 의하여 철기지용 분말의 용융점이 낮아지면 그 낮아지는 정도 만큼 소결온도는 낮아질 수 있다.

철계 다공질 소결체의 기지분말로 이용되는 철기지용 분말의 평균입자크기는 100메쉬 이상 10메쉬 이하인 것이 바람직하다.

일반적인 철계 소결체의 경우 철기지용 분말의 입자크기는 통상 100메쉬 이하이다. 그러나 필터용 다공질 소결체의 경우는 양호한 통기성을 확보하기 위하여 평균 입자 크기가 100메쉬 이상인 것이 바람직하다. 철기지용 분말의 평균입자크기가 클수록 통기성은 증가하나, 이에 따라 분말의 표면적 감소로 소결성은 감소한다. 분말의 표면적은 반지름의 3승에 비례하기 때문에, 분말의 입자크기가 굵어지면 표면적은 빠르게 감소하며, 따라서 소결성이 급격히 악화되는 것이다.

따라서 철기지용 분말의 평균입자크기는 매우 바람직하게는 40메쉬 이상 10메쉬 이하이다.

철기지용 분말의 입자크기 증가에 따른 소결성 악화를 방지하기 위하여 소결조제용 분말로서 망간 분말과 주석 분말의 혼합 분말이 첨가되어 혼합된다.

소결조제용 분말로서 망간 분말과 주석 분말의 혼합 분말이 철기지용 분말에 첨가된다.

본 필터용 철계 소결체를 제조할 때 소결성과 이에 따른 내열성의 저하를 방지하기 위하여 소결조제용 분말의 45wt% ~95wt%가 망간 분말로 구성된다.

망간 분말의 경우 산소와의 높은 친화력을 가지고 있기 때문에 분말의 입자크기가 작을 경우 산소와의 반응성이 높아 보관과 취급이 어렵다. 이러한 문제로 인하여 일반적으로 입자크기가 325메쉬 이상을 사용하는 것이 좋다.

그러나 상기와 같은 취급이나 산화 문제 이외에도 미세한 입자의 응집 등을 고려하여 망간 분말의 평균입자크기는 250메쉬 이상인 것이 바람직하다.

한편, 망간 분말의 입자 크기가 굵어질수록 편석에 대한 우려와 부분적인 과대 액상이 발생할 수 있기 때문에 철기지용 분말보다 더 작은 크기의 평균입자크기를 가지는 것이 바람직하다. 따라서 망간 분말의 평균입자크기는 100메쉬 이하인 것이 바람직하다.

이와 같은 점을 고려하여 망간 분말의 평균입자크기는 250메쉬 이상 200메쉬 이하인 것이 가장 바람직하다.

도 1은 Fe-Mn 상태도이다.

도 1에서 확인되는 바와 같이 순수한 망간은 용융점이 1246℃이며, 순수한 철은 용융점이 1538℃이다

또한 철과 망간은 어떠한 비율에도 모두 고용되는 전율 고용체를 형성한다. 망간 이외에도 철에 대하여 전율 고용체를 이루는 원소들(니켈(Ni), 크롬(Cr), 코발트(Co), 바나듐(V), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh))이 있지만 망간 이외의 원소들은 대부분 가격이 매우 높으며 용융점이 매우 높아 소결성을 향상시키지 못한다.

즉, 일반적으로 철에 대하여 전율 고용체를 이루는 원소들의 경우 내열성을 높이기 위한 목적으로 철기지용 분말에 첨가될 수도 있지만, 이러한 원소들은 매우 높은 용융점을 가지기 때문에 소결성 촉진 목적으로는 사용될 수 없다. 이러한 원소를 사용하는 경우에는 통상의 고온도 영역의 소결온도인 1250℃보다 훨씬 더 높은 소결온도를 요구하기 때문에 통상의 소결장치로서는 소결을 할 수 없으며 특수 한 소결장치를 필요로 하게 된다. 게다가 철기지용 분말의 입자 크기가 굵어지면 분말의 표면적이 줄어들면서 철기지용 분말은 더욱 안정화되며, 소결의 원리는 분말의 입도가 작아서 표면적이 증가되면 불안정해지면서 소결 구동력이 발생하고 소결 중에 낮은 소결온도에서도 표면적을 줄여 안정화하려는 경향때문에 확산 현상이 발생하여 소결이 촉진되기 때문에, 굵은 입도를 가진 철기지용 분말의 경우 이러한 소결 구동력이 작거나 없어서 상기와 같은 원소들을 이용하여 소결을 촉진하기는 더욱 어렵게 된다.

그러나 철기지용 분말과 망간 분말이 혼합된 상태로 소결되면 망간 분말의 낮은 용융점으로 인하여 전체적인 소결 온도를 낮출 수 있으며, 또한 이렇게 소결된 소결체에서 망간은 철에 고용되어 Fe-Mn 고용체를 이루게 되며, Fe-Mn 고용체는 그 성분비에 따라 상이하나 비교적 높은 용융점을 가지게 되므로 내열성이 향상된다.

또한 망간 분말의 첨가량이 많아질수록 소결성이 촉진되기 때문에 소결 온도는 더욱 낮아질 수 있으며, 이렇게 망간 분말이 첨가되는 경우에도 그 첨가율이 철기지용 분말에 비하여 일정 비율 이하로 한정된다면 완성된 소결체는 철기지용 분말의 융점에 더 많은 영향을 받게 된다. 즉, 망간 분말 첨가량이 첨가될 경우 완성된 소결체는 비교적 높은 내열성(즉, 철의 용융점에 가까운 용융점)을 가지게 된다.

상기와 같이 철기지용 분말에 망간 분말이 소결조제용 분말로서 혼합되면, 소결성이 향상될 뿐만 아니라 소결조제용 분말로 인한 내열성 저하를 방지할 수 있 다.

본 필터용 철계 소결체를 제조할 때 소결체의 압환 강도를 향상시키기 위하여 소결조제용 분말의 5wt%~55wt%가 주석 분말로 구성된다. 또한 주석 분말이 55wt% 이상이 되면 소결 촉진 효과가 급격하게 향상되어 소결성이 더욱 증대되나, 소결 중 조대 구형분말 사이의 표면 확산이 증가되어 조대 구형분말 사이의 기공 막힘 현상이 증가되어 통기성이 저하되고 잔류 주석으로 인하여 내열성이 저하되는 문제점이 발생하게 된다. 주석 분말이 5wt% 이하일 경우에는 주석의 첨가 효과가 극히 미미하게 된다. 따라서 소결조제용 분말에서 망간 분말과 주석 분말은 중량비 95:5 내지 45:55로 혼합되는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 실시례는 소결조제용 분말로서 망간 분말을 사용할 뿐만 아니라 망간 성분에 의한 내열성 저하 방지의 효과에 영향을 미치지 않을 정도의 주석 분말을 더 첨가하여 사용함으로써 소결체의 압환 강도가 향상되도록 한다.

망간 분말과 주석 분말을 중량비 95:5 내지 45:55로 혼합한 소결조제용 혼합 분말이 철기지용 분말에 혼합되면, 낮은 주석 분말의 융점(232℃)으로 인하여 소결 중 주석 분말이 망간 분말보다 먼저 용융되어 철기지용 분말과 반응하여 α-Fe를 형성하면서 확산속도가 빨라지면서 주석의 대부분은 망간과 반응하기 전에 철기지용 분말로 확산되며, 극히 일부가 소결이 계속 진행되면서 망간에 용융된 후 철기지용 분말과 반응하게 되어, 완성된 소결체는 철기지용 분말을 소결입자로 하여 그 표면부와 목부위 대부분은 Fe-Mn 고용체로 이루어지게 된다. 그러나 소결조제용 분 말에서 주석 분말이 55wt% 이상이 되면 소결 촉진 효과가 급격하게 향상되어 소결성이 더욱 증대되나, 소결 중 조대 구형분말 사이의 표면 확산이 증가되어 조대 구형분말 사이의 기공 막힘 현상이 증가되어 통기성이 저하되고 잔류 주석으로 인한 내열성이 저하되는 문제점이 발생하게 된다.

주석과 대비될 수 있는 원소로서, 소결조제용으로 사용될 수 있는 융점이 낮은 원소인 구리(Cu, 융점 1083℃)와 아연(Zn, 융점 420℃)의 경우에는 소결조제용으로 첨가될 경우 소결 촉진 효과가 발생하여 소결성이 향상되지만, 구리와 아연의 경우에는 소결 중 구리 또는 아연이 먼저 용용되어 철기지용 분말과 반응하여 γ-Fe를 형성하면서 확산속도가 느리기 때문에 철기지용 분말로 확산되지 못하고 대부분이 망간분말과 반응하여, 완성된 소결체는 철기지용 분말을 소결입자로 하여 그 표면부와 목부위에 다량의 Fe-Mn-Cu 고용체 또는 Fe-Mn-Zn 고용체를 형성하기 때문에 망간 분말의 첨가를 통한 Fe-Mn 고용체 형성에 의한 내열성 저하 방지의 효과를 오히려 저해시키는 요인이 된다.

즉, 철기지용 분말과, 망간 분말과 주석 분말의 혼합 분말이 혼합된 상태로 소결되면 망간 분말과 주석 분말의 낮은 용융점으로 인하여 전체적인 소결 온도를 낮출 수 있으며, 또한 이렇게 소결된 소결체에서 주석은 그 대부분이 먼저 철에 확산되어 고용되고 일부 주석이 망간에 고용된 후 철에 고용되어, 소결체의 소결입자를 이루는 철기지용 분말의 표면부와 목부는 대부분 Fe-Mn 고용체로 이루어지게 되며 극미량의 Fe-Mn-Sn을 포함하게 된다.

따라서 소결입자의 표면부와 목부가 대부분 Fe-Mn 고용체로 이루어지는 소결 체는 비교적 높은 용융점을 가지게 되어 소결체의 내열성 저하를 방지할 수 있으며, 또한 주석의 첨가로 인하여 소결성의 증대는 물론이며 소결체의 압환강도와 같은 물리적 특성이 향상된다.

이와 같은 이유로 망간 분말과 주석 분말의 혼합분말인 소결조제용 분말은 그 평균입자크기가 250메쉬 이상 100메쉬 이하, 더욱 바람직하게는 250메쉬 이상 200 메쉬 이하인 것이 바람직하며, 소결조제용 분말의 망간 분말과 주석 분말의 혼합비는 중량비로 95:5 내지 45:55인 것이 바람직하다.

소결조제용 혼합분말의 첨가 비율은 바람직하기로는 철기지용 분말에 대하여 1wt% 내지 5wt%로 혼합되는 것이 바람직하다.

소결조제용 혼합분말의 첨가 비율은, 망간 분말과 주석 분말의 입자크기 및 철기지용 분말의 입자크기와도 연관성이 있지만 어느 경우에도 철기지용 분말에 대하여 0.5wt% 이하로 첨가될 경우에는 소결촉진제로서의 역할이 미미하게 된다. 따라서 소결조제용 혼합분말은 철기지용 분말에 대하여 1wt%이상 첨가되는 것이 바람직하다.

또한 망간 분말과 주석 분말의 혼합분말이 철기지용 분말에 대하여 10wt%이상 첨가하게 되면 소결시 과다한 액상의 발생이나 혹은 접합면의 발생으로 통기도에 악영향을 주며 치수 관리나 형상 유지에도 어려움을 준다. 따라서 망간 분말과 주석 분말의 혼합분말은 철기지용 분말에 대하여 5wt% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.

윤활제는 성형이 용이하게 이루어지도록 첨가되며, 통상의 분말야금용 윤활제가 사용되는 것으로 충분하다. 윤활제는 소결온도에 이르기 위하여 성형체를 가열할 때 중간과정에서 제거된다. 윤활제의 대표적인 예는 스테아린산(stearic acid)이다. 스테아린산은 보통 분말 전체 중량에 대하여 약 0.5wt%~1.0wt% 첨가될 수 있다.

(2) 성형체 성형 단계

상기와 같은 혼합물로 성형체를 제작하는 것은 종래의 일반적인 방법이 그대로 이용될 수 있다.

예컨대, 상기와 같은 혼합에 의하여 얻어진 혼합물을 600 내지 700MPa의 압력으로 성형하여 성형체를 제조할 수 있다. 그러나 성형 압력은 요구되는 제품의 성능에 따라 다양한 범위의 성형 압력이 이용될 수 있으며, 성형 방법 또한 가압성형은 물론 충진성형 등 다양한 방식이 이용될 수 있다.

(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 보호분위기가 유지된 소결로 또는 가열장치에 서 1100℃ 내지 1350℃ 사이에서 소결한다.

소결온도는 철기지용 분말의 조성, 철기지용 분말의 입자크기, 소결조제용 분말의 입자 크기, 망간 분말과 주석 분말의 첨가 비율 등에 따라 1100℃ 내지 1350℃ 사이에서 적정한 온도를 선택할 수 있다.

즉 본 발명의 소결온도는 통상적인 소결온도인 1100℃ 내지 1350℃이며, 이는 소결조제용 분말로서 망간 분말과 주석 분말의 혼합 분말을 첨가하였기 때문이다. 즉 본 발명의 소결온도는 매우 큰 입자크기를 가진 철기지용 분말을 소결함에도 불구하고 1350℃ 이상의 통상의 소결로 소결할 수 없는 매우 높은 소결온도를 필요로 하지 않는다.

소결온도로서 적정한 온도는 앞서 설명한 바와 같이, 입자 크기가 작을 수록 낮아지며, 망간 분말과 주석 분말의 첨가 비율이 높을 수록 낮아지며, 철기지용 분말에 포함된 철 이외의 원소량에 따라 낮아지는 것이 일반적이다.

또한 본 발명에 따른 소결은, 소결에 의하여 완성된 소결체의 융점이 낮아지지 않도록 전율고용체를 이루는 Fe-Mn 고용체가 형성되도록 하여 철합금에 비하여 내열성이 떨어지지 않도록 하여 내열성 저하를 방지하며, 종래의 소결조제에 비하여 내열성이 향상되는 효과를 기대할 수 있으며, 주석 분말이 망간 분말과 혼합됨으로써 더욱 향상된 소결성을 기대할 수 있어 소결체의 압환 강도의 증대를 기대할 수 있다.

상기와 같은 일련의 제조방법에 의하여 제조된 필터용 철계 다공질 소결체는 우수한 통기성과 비교적 높은 내열성, 및 높은 압환강도를 가지게 된다.

도 2는 여러가지 조성에 의하여 제조된 필터용 철계 다공질 소결체의 조직 사진이다.

좌측의 사진(A)은 소결조제용 분말이 첨가되지 않은 경우의 조직 사진이며, 중간의 사진(B)은 소결조제용 분말이 철기지용 분말에 대하여 3wt%로 첨가되되 소결조제용 분말은 망간분말과 주석분말이 80:20의 중량비로 혼합된 경우의 조직 사진이며, 우측의 사진(C)은 소결조제용 분말이 철기지용 분말에 대하여 3wt%로 첨가되되 소결조제용 분말은 망간분말과 주석분말이 20:80의 중량비로 혼합된 경우의 조직 사진이다.

소결조제용 분말이 첨가된 경우 망간 분말과 주석 분말의 혼합비율에 따라 소결입자의 표면부와 목부위의 조직사진이 다르게 나타남을 확인할 수 있다.

사진에서 소결체의 조직을 이루는 소결입자는 철기지용 분말이며, 망간 분말과 주석 분말을 80:20으로 하여 제조된 소결체(B)의 경우 소결입자의 표면부와 목(neck)부 대부분은 망간이 확산되어 철에 고용된 Fe-Mn 고용체의 리치(rich)상으로 존재하게 되며, 또한 소결입자 사이에 형성되는 기공은 소결체의 외부와 통기되는 열린 기공을 이루고 있다.

그러나 망간 분말과 주석 분말을 20:80으로 하여 제조된 소결체(C)의 경우 망간이 철에 고용된 Fe-Mn 고용체는 부분적으로 존재하게 된다. 즉, C의 경우 소결입자의 표면부와 목부의 형성은, 소결이 진행되면서 주석분말이 용융하면서 확산에 의하여 소결된 것이 대부분이며, 그 결과 소결입자의 표면부와 목부의 대부분은 철 이 주석과 반응하여 형성되는 비교적 융점이 낮은 Fe-Sn의 금속간화합물로 이루어지게 되며, 이렇게 제조된 철계 다공질 소결체의 경우 고온에서 내열성이 저하되는 문제점을 초래하게 된다.

(실험례 1)

순철 조성을 가지는 평균입자크기 20메쉬의 철기지용 조대 구형 분말에 평균입자크기 200메쉬의 소결조제용 분말(망간 분말과 주석 분말을 45:55의 중량비로 혼합한 혼합분말)을 철기지용 분말 중량에 대하여 0.1wt%에서 7wt%로 첨가하여 혼합 후 1500kgf/cm²으로 가압 성형하여 각각 동일한 형태의 성형체를 제작한 후, 이 성형체를 보호분위기가 유지된 소결로에서 1300℃에서 60분동안 소결하였다.

이렇게 제작된 필터용 철계 다공질 소결체의 특성(압환강도, 목크기)을 확인하였다.

실험번호	소결조제용 분말 첨가율 (wt%)	특 성
		압환강도 (kgf/mm2)	목크기 (μm)	비 고
1-01	0.1	51	150~200	NG
1-02	0.3	55	250~300	NG
1-03	0.5	62	350~400	NG
1-04	1	90	550~850	OK
1-05	3	115	650~950	OK
1-06	5	134	850~1150	OK
1-07	7	177	1300~1700	과용융발생

상기 실험결과에서 확인되는 바와 같이, 소결조제용 분말의 첨가율이 높아질수록 소결체의 압환 강도는 향상되며, 목(neck)의 크기가 커진다는 것을 확인할 수 있다.

실험번호 1-01 내지 1-03은 너무 낮은 강도를 가지므로 불량으로 판단하였으며, 실험번호 1-07은 소결조제용 분말의 과용융발생으로 통기성이 불량하여 불량으로 판단하였다.

한편, 소결조제용 분말에서 주석 분말의 영향으로 인한 압환강도의 변화를 확인하기 위하여, 상기와 동일한 실험조건에서 소결조제용 분말을 망간 단일 분말로 한 경우와 소결조제용 분말이 망간 분말과 주석 분말의 혼합 분말인 경우 양자에 대하여, 소결조제용 분말의 첨가량을 변화시켰을 때의 소결체의 압환강도를 도 3에 표시하였다.

도시된 바와 같이 소결조제용 분말이 철기지용 분말에 대하여 1wt%이상 첨가된 경우에는 소결조제용 분말이 혼합 분말(망간 분말과 주석 분말의 혼합)인 경우가 소결조제용 분말이 망간 단일 분말인 경우에 비하여 약 20%의 강도 증가를 나타내고 있다.

(실험례 2)

순철 조성을 가지는 평균입자크기 20메쉬의 철기지용 조대 구형 분말에 평균입자크기 200메쉬의 소결조제용 분말(망간 분말과 주석 분말의 혼합 분말)을 철기지용 분말 중량에 대하여 3wt%로 첨가하여 혼합 후 1500kgf/cm²으로 가압 성형하여 각각 동일한 형태의 성형체를 제작한 후, 이 성형체를 보호분위기가 유지된 소결로에서 1300℃에서 60분동안 소결하였다.

이때 소결조제용 분말의 망간 분말과 주석 분말의 혼합 비율을 중량비로 80:20에서 20:80까지 변화시켜, 이렇게 제작된 필터용 철계 다공질 소결체의 특성(압환강도, 목크기, 내열성)을 확인하였다.

내열성의 평가는, 제작된 소결체를 고온에서의 내열성을 평가하기 위하여 1500℃로 유지된 로에 집어넣어 20초 동안 노출시킨 후 외관의 이상 유무를 확인하였다.

실험번호	망간 분말과 주석 분말의 혼합비(wt%)		특 성
	Mn	Sn	압환강도 (kgf/mm2)	목크기 (μm)	내열성
2-01	100	0	102	600~900	OK
2-02	95	5	104	600~900	OK
2-03	80	20	106	600~900	OK
2-04	70	30	108	650~950	OK
2-05	60	40	112	650~950	OK
2-06	50	50	113	650~1050	OK
2-07	45	55	115	700~1050	OK
2-08	40	60	122	800~1100	NG
2-09	30	70	131	850~1200	NG
2-10	20	80	134	900~1200	NG

상기 실험결과에서 확인되는 바와 같이 망간 분말과 주석 분말의 혼합 비율 중 주석의 비율이 높아질수록 소결체의 강도는 향상되며, 목(neck)의 크기가 커지는 것을 확인할 수 있으며, 또한 주석 비율이 60%이상인 경우인 실험번호 2-08 내지 2-10은 내열성 평가시 소결입자의 표면부와 목부위에 용융 현상이 발생하여 내열성이 약하다는 것을 확인할 수 있었다.

도 4는 본 실험례에 의하여 용융 현상이 나타나지 않은 필터용 소결체의 사진이며, 도 5는 본 실험례에 의하여 용융 현상이 나타난 필터용 소결체의 사진이다.

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

본 발명은 필터용 철계 다공질 소결체를 제조함에 있어서, 필터용 철계 다공질 소결체의 소결을 촉진하는 동시에 내열성 저하를 방지할 수 있으며, 압환강도를 증가시킬 수 있다.

도 1은 Fe-Mn 상태도,

도 2는 필터용 다공질 소결체의 여러가지 조직 사진,

도 3은 소결조제용 분말의 성분과 철기지용 분말에 대한 첨가비에 따른 압환강도의 변화를 나타낸 그래프,

도 4는 실험례 2에 의하여 용융 현상이 나타나지 않은 필터용 소결체의 사진,

도 5는 실험례 2에 의하여 용융 현상이 나타난 필터용 소결체의 사진.

Claims (3)

1. 순철 또는 철계합금인 철기지용 분말과 소결조제용 분말을 혼합 및 성형하여 성형체를 제작한 후 상기 성형체를 소결하는 필터용 철계 다공질 소결체의 제조 방법에 있어서 :

   상기 철기지용 분말은 평균입자크기가 100메쉬 이상 10메쉬 이하인 조대 구형 분말이며 ;

   상기 소결조제용 분말은 평균입자크기가 250메쉬 이상 100메쉬 이하이며 중량비 95:5 내지 45:55인 망간 분말과 주석 분말의 혼합 분말로서, 상기 소결조제용 분말은 상기 철기지용 분말에 대하여 1wt%~5wt%로 혼합되며,

   상기 성형체의 소결은 1100℃~1350℃사이에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 필터용 철계 다공질 소결체의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 철기지용 분말은 평균입자크기가 40메쉬 이상 10메쉬 이하인 것을 특징으로 하는 필터용 철계 다공질 소결체의 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항의 방법에 의하여 제조되는 필터용 철계 다공질 소결체.

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