KR101061346B1

KR101061346B1 - 분말 야금용 혼합 분말, 그 압분체 및 소결체

Info

Publication number: KR101061346B1
Application number: KR1020087019698A
Authority: KR
Inventors: 다까야스 후지우라; 야스꼬 야꼬오; 사또시 니시다; 유우지 다니구찌; 데쯔야 고또오
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2007-03-13
Publication date: 2011-08-31
Also published as: MY140046A; WO2007119346A1; CN101360575A; CN101360575B; KR20080085907A; US7645317B2; US20090007725A1; EP1995004A1; TWI317665B; EP2586547A1; EP1995004A4; TW200800441A; EP1995004B1; CA2632409A1

Abstract

본 발명은 철기 분말 및 탄소 공급 성분을 포함하는 분말 야금용 혼합 분말이며, 상기 탄소 공급 성분은 흑연 분말 및 카본 블랙을 포함하고, 흑연 분말과 카본 블랙의 혼합 비율이, 흑연 분말 : 카본 블랙 = 25 내지 85 중량부 : 75 내지 15 중량부의 범위 내인 분말 야금용 혼합 분말 ; 및 철기 분말 및 탄소 공급 성분을 포함하는 분말 야금용 혼합 분말이며, 상기 탄소 공급 성분이, 프탈산디부틸 흡수량이 60 mL/100 g 이하이고, 또한 질소 흡착 비표면적이 50 ㎡/g 이하인 카본 블랙을 주성분으로서 포함하는 분말 야금용 혼합 분말에 관한 것이다. 본 발명의 분말 야금용 혼합 분말은 탄소 공급 성분의 분진 발생이나 편석이 적고, 또한 본 발명의 분말 야금용 혼합 분말을 이용하면 기계적 특성이 우수한 압분체 및 소결체를 제조할 수 있다.

압분체, 소결체, 카본 블랙, 철기 분말, 야금용 혼합 분말

Description

분말 야금용 혼합 분말, 그 압분체 및 소결체{MIXED POWDER FOR POWDER METALLURGY, GREEN COMPACT THEREOF AND SINTERED COMPACT}

본 발명은 탄소 공급 성분의 비산 및 편석이 적은 분말 야금용 혼합 분말, 당해 분말 야금용 혼합 분말을 이용하여 얻어지는 고밀도의 압분체 및 당해 압분체를 소결하여 얻어지는 소결체에 관한 것이다.

철기 분말을 이용하여 소결체 등의 제품을 제조하는 분말 야금법은, 다른 방법에 비해 가격, 제품 치수의 정밀도, 생산성 등의 점에서 우수하기 때문에 범용되고 있다.

분말 야금법에서는 철기(鐵基) 분말을 포함하는 원료 분말을 혼합하고, 가압 성형하여 압분체를 성형하고, 용융점 이하의 온도에서 소결함으로써 소결체를 제조하고 있다. 이 중 혼합 공정은, 혼합 분말의 핸들링성을 높여 가압 성형 공정에서의 작업 효율을 향상시키고, 균질의 소결체를 얻는 면에서 매우 중요한 조작이다. 혼합 공정에서는, 통상 철기 분말에 소정의 탄소 공급 성분(탄소원)을 가한 원료 분말에, 윤활성을 양호하게 하기 위한 윤활제를 첨가하여 혼합하고 있다.

종래, 탄소 공급 성분으로서 저렴하고 입수가 용이한 흑연(그라파이트) 분말이 범용되고 있다.

그러나 흑연 분말을 사용하면, 혼합 공정 또는 가압 성형 공정에서 흑연 분말이 분진 발생(비산)되기 때문에 혼합 분말의 핸들링성이 저하되어 직장 환경이 악화되는 것과 같은 문제를 안고 있다. 또한, 흑연 분말은 철기 분말에 비해 입경에 차이가 있고 비중의 차이도 크기 때문에, 혼합기 중에서 일단 균질하게 혼합되었다고 해도 그 이후의 핸들링 중에 분리, 편석(입도 편석, 비중 편석)이 일어나기 쉽다.

그래서 종래 흑연 분말의 편석을 방지하는 방법으로서, 바인더(점결제)가 이용되고 있다.

그러나 바인더는, 일반적으로 점착성을 갖고 있기 때문에, 혼합 분말의 유동성을 저해한다. 혼합 분말의 유동성이 나쁘면, 예를 들어 혼합 분말을 저장 호퍼로부터 배출하여 성형 금형으로 이송할 때, 또는 혼합 분말을 성형 금형에 충전할 때 등의 가압 성형 공정에서, 저장 호퍼의 배출 상부에서 브리징(bridging) 등에 의한 배출 불량이 발생하거나, 저장 호퍼로부터 슈 박스까지의 호스가 폐색되는 등의 문제가 발생한다. 또한, 혼합 분말의 유동성이 나쁘면, 성형 금형(특히 박육 부분) 내 전체에 혼합 분말이 균일하게 충전되기 어려워져, 균질의 압분체가 얻어지기 어렵다고 하는 문제도 있다.

바인더에 의한 상기 문제점을 해결하기 위해, 특허 문헌 1 내지 3에는 흑연 분말의 편석을 방지할 수 있고, 또한 혼합 분말의 유동성도 개선할 수 있는 새로운 바인더가 개시되어 있다. 그러나 이들 바인더를 이용하면 압분체의 밀도가 충분히 상승하지 않아, 강도 및 경도가 높은 소결체가 얻어지기 어려운 등의 문제가 있다.

또한, 바인더를 이용하는 종래의 방법에서는 혼합 분말 중에 바인더를 첨가하여, 혼합하는 공정이 별도로 필요해 생산성의 저하는 피할 수 없다.

한편, 특허 문헌 4 내지 5에는 탄소 공급 성분으로서 흑연 분말 외에 카본 블랙도 예시되어 있지만, 실시예의 란에는 흑연 분말을 이용한 실험 결과가 기재되어 있을 뿐이며, 카본 블랙을 이용한 실험 결과는 전혀 기재되어 있지 않다.

특허 문헌 1 : 일본 특허출원공개 제2003-105405호 공보

특허 문헌 2 : 일본 특허출원공개 제2004-256899호 공보

특허 문헌 3 : 일본 특허출원공개 제2004-360008호 공보

특허 문헌 4 : 일본 특허출원공개 제2004-162170호 공보

특허 문헌 5 : 일본 특허출원공개 제2004-115882호 공보

본 발명은 상기 사정에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적은 바인더를 사용하지 않고도 탄소 공급 성분의 분진 발생이나 편석을 방지할 수 있어 균질의 분말 야금용 혼합 분말을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 전술한 특성을 구비한 혼합 분말이며, 게다가 기계적 특성이 우수한 압분체 및 균질의 소결체를 제조 가능한 분말 야금용 혼합 분말을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 고밀도이며 형상 유지성이 양호한 압분체를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 강도 및 경도가 높고, 기계적 특성이 우수한 소결체를 제공하는 데 있다.

즉, 본 발명은,

철기 분말 및 탄소 공급 성분을 포함하는 분말 야금용 혼합 분말이며,

상기 탄소 공급 성분은 흑연 분말 및 카본 블랙을 포함하고,

흑연 분말과 카본 블랙의 혼합 비율이, 흑연 분말 : 카본 블랙 = 25 내지 85 중량부 : 75 내지 15 중량부의 범위 내인 분말 야금용 혼합 분말에 관한 것이다.

상기한 분말 야금용 혼합 분말에 있어서, 카본 블랙의 프탈산디부틸 흡수량이 60 mL/100 g 이하이고, 또한 질소 흡착 비표면적이 50 ㎡/g 이하인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은,

상기 탄소 공급 성분이, 프탈산디부틸 흡수량이 60 mL/100 g 이하이고, 또한 질소 흡착 비표면적이 50 ㎡/g 이하인 카본 블랙을 주성분으로서 포함하는 분말 야금용 혼합 분말에도 관한 것이다.

여기서 주성분이라 함은, 탄소 공급 성분이 카본 블랙만으로 이루어지거나, 탄소 공급 성분 중 가장 비율이 큰 성분이 카본 블랙인 것을 가리킨다.

상기한 분말 야금용 혼합 분말에 있어서, 상기 철기 분말 100 중량부에 대해 상기 탄소 공급 성분이 4 중량부 이하의 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 탄소 공급 성분의 바람직한 하한은 0.1 중량부이다.

상기한 분말 야금용 혼합 분말은 물성 개선 성분을 더 함유하는 것이 바람직하다.

상기한 분말 야금용 혼합 분말은 윤활제를 더 함유하는 것이 바람직하다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명의 압분체는 상기한 어느 하나에 기재된 분말 야금용 혼합 분말을 이용하여 얻어진다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명의 소결체는 상기한 압분체를 소결하여 얻어진다.

본 발명에 따르면, 바인더를 사용하지 않고도 탄소 공급 성분의 분진 발생이나 편석을 저감 가능한 혼합 분말이 얻어지므로 생산성이 우수하다.

또한, 본 발명의 분말 야금용 혼합 분말을 이용하면, 고밀도이며 형상 유지성이 양호한 압분체가 얻어지므로 최종적으로 기계적 특성이 우수한 소결체가 얻어진다.

도1은 제1 실시예에 있어서 유리 카본량의 측정에 이용한 장치의 개략 단면도이다.

[부호의 설명]

1 : 뉴 밀리포어 필터

2 : 깔때기 형상 유리관

P : 혼합 분말

본 발명자는 바인더를 사용하지 않고도 탄소 공급 성분의 분진 발생이나 편 석을 방지할 수 있는 새로운 분말 야금용 혼합 분말을 제공하기 위해, 특히 카본 블랙에 착안하여 예의 검토해 왔다. 그 결과, 탄소 공급 성분으로서 종래와 같이 흑연 분말만을 사용하는 것이 아니라, 흑연 분말과 카본 블랙의 소정의 혼합물을 이용하면 소기의 목적이 달성되는 것을 발견하고 본 발명을 완성하였다.

이하, 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명자는 바인더가 불필요한 분말 야금용 혼합 분말이며, 특히 고밀도의 압분체를 제조 가능한 혼합 분말을 제공하기 위해, 특히 탄소 공급 성분에 착안하여 검토를 행하였다.

구체적으로는, 본 발명에서는 혼합 분말의 지표로서, (1) 유리(遊離) 카본량이 30 ％ 이하이고, 또한 (2) 성형 압력 490 ㎫에서 압분체로 하였을 때의 밀도가 6.70 g/㎤ 이상인 것으로 정하였다.

본 발명자는 우선 카본 블랙만을 이용하여 실험을 행하였다. 그 결과, 흑연 분말 대신에 카본 블랙을 사용하면 대체로 혼합 분말의 유리 카본량(C-loss)은 적어져, 탄소 공급 성분의 분진 발생이나 편석을 저감할 수 있는 것을 알 수 있었다. 그런데 카본 블랙의 품종(프탈산디부틸 흡수량, 비표면적, 입자 직경)에 따라서는 철기 분말에의 균일한 혼합이 곤란해, 흑연 분말을 이용한 경우에 비해 분진 발생이나 편석의 정도가 상승하는 것, 또한 압분 성형에 의해서도 충분한 강도를 갖는 압분체가 얻어지지 않는 것이 본 발명자의 실험에 의해 판명되었다.

그래서 본 발명자는, 카본 블랙의 품종에 관계없이 카본 블랙을 탄소 공급 성분으로서 이용하는 신규 기술을 제공한다고 하는 관점에서 더욱 검토를 거듭해 왔다. 그 결과, 탄소 공급 성분으로서 카본 블랙만을 이용하는 것이 아니라, 소정 비율로 카본 블랙을 흑연 분말과 혼합하여 이용함으로써 카본 블랙의 품종에 관계없이 혼합 분말에 요구되는 특성(탄소 공급 성분의 분진 발생이나 편석을 방지할 수 있는)을 구비하는 것을 알 수 있었다. 또한, 압분체에 가압 성형하였을 때의 특성(압분체의 밀도 및 래틀러값)도 양호하고, 최종 제품인 소결체로 하였을 때의 특성[밀도, 압환(壓環) 강도, 경도]도 우수한, 그러한 혼합 분말을 제공할 수 있는 것을 발견하고 본 발명에 도달하였다.

본 발명과 같이 흑연 분말과 카본 블랙을 소정 비율로 병용함으로써, 원하는 특성을 모두 겸비한 분말 야금용 혼합 분말이 얻어지는 메카니즘은, 상세하게는 불분명하지만 이하와 같이 추측된다. 카본 블랙을 흑연 분말과 혼합하면, 카본 블랙 입자끼리의 응착·고착을 방지할 수 있으므로 카본 블랙의 품종에 관계없이, 철기 분말에의 균일한 혼합이 가능해져 분진 발생이나 편석의 정도를 저감할 수 있는 것이 고려된다. 또한, 카본 블랙을 흑연 분말과 혼합하면 흑연 분말 입자를 덮도록 하여 카본 블랙 입자가 존재하고, 이러한 피복 형태를 갖는 카본 블랙이 철기 분말에 부착되므로 철기 분말에의 부착성이 부족한 흑연 분말의 사용이 가능해지는 것이 고려된다.

우선, 본 발명에 이용되는 카본 블랙에 대해 설명한다.

일반적으로, 카본 블랙은 거의 95 ％ 이상의 무정형 탄소질로 이루어지고, 비표면적이 최대 1000 ㎡/g 전후에 달하는 미립 분체이다. 카본 블랙은 각각의 입자끼리가 융착되어 3차원적으로 확대된 연쇄 형상 또는 다발 형상의 응집체(스트럭 처라 불림)로서 존재하고 있다.

카본 블랙의 특성은, 주로 입자 형태(입경, 비표면적 등), 입자의 응집 형태 및 입자 표면의 물리 화학적 성상(性狀)을 기초로 하여 평가된다. 본 발명에서는, 이들 특성에 대해 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 작용을 손상시키지 않는 범위에서 적절한 범위의 것을 선택할 수 있다.

단, 혼합 분말에 요구되는 상기 특성을 한층 개선하기 위해, 카본 블랙은 이하의 요건을 만족하고 있는 것이 바람직하다.

우선, 입자의 응집 형태를 나타내는 프탈산디부틸(dibutylphthalate, DBP) 흡수량은 대체로 120 mL/100 g 이하인 것이 바람직하다.

여기서,「DBP 흡수량」은 카본 블랙의 공극을 채우는 데 필요한 DBP의 양[즉, 카본 블랙이 액체인 DBP를 흡수하는 흡유량(吸油量)]이다. DBP 흡수량은 스트럭처와 밀접한 관계가 있는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 소 입경(수 ㎚ 내지 20 ㎚ 정도)의 1차 입자가 고차로 연쇄 응집된, 즉 스트럭처가 고도로 발달한 카본 블랙에서는 입자 사이에 존재하는 공극의 용적이 크기 때문에 DBP 흡수량은 커진다. 한편, 1차 입자의 입경이 크고 또한 그들 입자가 독립된 구조를 갖고 있는, 즉 스트럭처가 발달되어 있지 않은 카본 블랙에서는 공극 용적이 작기 때문에 DBP 흡수량은 작아진다.

DBP 흡수량이 큰 카본 블랙은 스트럭처가 고도로 발달한 응집 구조를 갖고 있으므로 압분체의 밀도는 그다지 상승하지 않아, 래틀러값으로 대표되는 기계적 강도도 저하될 것이라 추측된다.

카본 블랙의 DBP 흡수량은 적을수록 좋고, 예를 들어 60 mL/100 g 이하인 것이 보다 바람직하고, 50 mL/100 g 이하인 것이 더욱 바람직하고, 40 mL/100 g 이하인 것이 한층 더 바람직하다. 또한, 그 하한은 압분체의 밀도나 기계적 강도의 개선과 같은 관점에서는 특별히 한정되지 않지만, 카본 블랙을 형성할 수 있는 스트럭처 등을 고려하면 20 mL/100 g 이상인 것이 바람직하다.

카본 블랙의 DBP 흡수량은 JIS K6217-4의「고무용 카본 블랙-기본 특성-제4부 : DBP 흡수량 구하는 법」을 기초로 하여 측정한다.

또한, 비표면적의 대표적인 지표인 질소 흡착 비표면적은, 대체로 150 ㎡/g 이하인 것이 바람직하다.

여기서,「질소 흡착 비표면적」은 카본 블랙 표면의 세공 부분을 포함하는 전체 비표면적에 대응하는 양이다.

질소 흡착 비표면적이 커지면, 압분체의 밀도는 그다지 상승하지 않아 래틀러값이 커진다. 그로 인해, 소결체에 요구되는 특성이 충분히 얻어지지 않을 우려가 있다.

카본 블랙의 질소 흡착 비표면적은 작을수록 좋고, 예를 들어 50 ㎡/g 이하인 것이 보다 바람직하고, 40 ㎡/g 이하인 것이 더욱 바람직하고, 30 ㎡/g 이하인 것이 한층 더 바람직하다. 또한, 그 하한은 압분체의 밀도나 기계적 강도의 개선과 같은 관점에서는 특별히 한정되지 않지만, 카본 블랙을 형성할 수 있는 스트럭처 등을 고려하면 5 ㎡/g 이상인 것이 바람직하다.

카본 블랙의 질소 흡착 비표면적은, JIS K6217-2에 기재된 방법을 기초로 하 여 측정한다.

카본 블랙의 1차 입자의 평균 입경은 40 ㎚ 이상인 것이 바람직하다. 전술한 질소 흡착 비표면적에 부가하여, 1차 입자의 평균 입경을 더욱 제어하여 카본 블랙의 입자 형태를 엄밀하게 조정함으로써, 압분체의 특성이 한층 개선되어 기계적 특성이 한층 우수한 소결체가 얻어진다. 1차 입자의 평균 입경이 40 ㎚ 미만인 경우, 카본 블랙은 혼합 공정에 있어서 고도로 응집된 복잡한 스트럭처를 형성하기 쉬워져, 압분체의 밀도 등이 저하되어 버린다. 1차 입자의 평균 입경은 클수록 좋고, 예를 들어 70 ㎚ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 그 상한은 압분체의 밀도나 기계적 강도의 개선과 같은 관점에서는 특별히 한정되지 않지만, 카본 블랙을 형성할 수 있는 스트럭처 등을 고려하면 1000 ㎚ 이하인 것이 바람직하다.

카본 블랙의 1차 입자의 평균 입경은 전자 현미경을 이용하여 측정할 수 있다. 구체적으로는, 전자 현미경으로 수만배의 사진을 여러 시야 촬영하고, 투영된 각 입자의 근사 원 직경을 1시료당 약 2천개 내지 1만개 계측한다. 계측은 입자 직경 자동 해석 장치(Zeiss Model TGA10) 등을 이용하여 행할 수 있다.

카본 블랙의 탄소 순도는 특별히 한정되지 않는다. 단, 탄소(C) 이외의 원자는 소결체의 특성에 악영향을 미칠 가능성이 있으므로, 카본 블랙의 탄소 순도는 가능한 한 높은 것이 바람직하다. 구체적으로는, 카본 블랙 중의 C의 비율은 95 ％ 이상인 것이 바람직하고, 99 ％ 이상인 것이 보다 바람직하다. C 이외의 원소로서, 예를 들어 수소(H)나 회분(금속 원소, 무기 원소) 등을 들 수 있다. 회분으로서는, 예를 들어 Mg, Ca, Si, Fe, Al, V, K, Na 등의 염류나 이들 산화물 등을 들 수 있고, 이 중 수소(H)는 0.5 ％ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 회분은 합계 0.5 ％ 이하인 것이 바람직하고, 0.1 ％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

이러한 요건을 만족하는 카본 블랙의 제작 방법은 특별히 한정되지 않고, 통상 이용되는 방법을 적절하게 선택할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들어 오일 퍼니스법, 서멀법(열분해법) 등을 들 수 있다. 이 중, 후자인 서멀법은 1차 입자의 평균 입경이 커 1차 입자를 독립된 구조로 제어하기 쉽다고 하는 특징을 갖고 있어, 본 발명에서 규정하는 카본 블랙의 제작 방법으로서 추천된다.

상기 요건을 만족하는 카본 블랙은, 예를 들어 시판품을 이용할 수도 있다.

또한, 본 발명자들은 탄소 공급 성분의 주성분이, 프탈산디부틸 흡수량이 60 mL/100 g 이하이고, 또한 질소 흡착 비표면적이 50 ㎡/g 이하인 카본 블랙인 분말 야금용 혼합 분말이 혼합 분말의 유리 카본량을 적게 하고, 또한 압분체에 가압 성형하였을 때의 특성(압분체의 밀도 및 래틀러값)이 양호한 것을 발견하였다. 이 경우, 탄소 공급 성분이 카본 블랙 단독이라도 양호한 특성이 얻어진다. 이 경우, 카본 블랙은 베이스로 되는 철기 분말 100 중량부에 대해 4.0 중량부 이하의 비율로 함유하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 카본 블랙은 압분체의 밀도나 강도를 상승시키는 작용을 갖고 있지만, 카본 블랙의 함유량이 4.0 중량부를 초과하면 상기 작용이 오히려 저하될 우려가 있다. 또한, 카본 블랙의 함유량의 하한은 0.1 중량부로 하는 것이 바람직하고, 이에 의해 카본 블랙에 의한 상기 작용이 유효하게 발휘된다. 카본 블랙의 함유량은 0.2 중량부 이상 20 중량부 이하인 것이 보다 바람직하다.

또한, 소결시의 카본 블랙의 철기 분말에의 침탄(浸炭) 거동은 흑연 분말과 동등해 카본 블랙도 탄소 공급원으로 된다.

다음에, 본 발명에 이용되는 흑연 분말에 대해 설명한다.

흑연 분말은 분말 야금용 혼합 분말에 통상 이용되는 것이면 특별히 한정되지 않는다.

단, 흑연 분말의 평균 입경은 대체로 40 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 평균 입경이 40 ㎛를 초과하면, 소결 공정에서 철기 분말과의 반응이 불충분해질 우려가 있기 때문이다. 또한, 그 하한은 특별히 한정되지 않는다. 통상 이용되는 흑연 분말의 평균 입경은 대체로 5 내지 20 ㎛ 정도이지만, 본 발명에서는 이러한 흑연 분말을 이용할 수도 있다.

상기 요건을 만족하는 흑연 분말은, 예를 들어 시판품을 이용할 수도 있다.

카본 블랙과 흑연 분말의 혼합 비율은, 후기하는 실시예에 나타내는 바와 같이 카본 블랙의 품종에 관계없이 카본 블랙 및 흑연 분말의 합계 100 중량부에 대해 카본 블랙을 15 중량부 이상 75 중량부 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 즉, 흑연 분말과 카본 블랙의 혼합 비율이, 흑연 분말 : 카본 블랙 = 25 내지 85 중량부 : 75 내지 15 중량부의 범위 내인 것이 바람직하다. 카본 블랙의 비율이 15 중량부 미만인 경우, 유리 카본량(C-loss)이 커져 탄소 공급 성분의 분진 발생이나 편석이 상승해 버린다. 한편, 카본 블랙의 비율이 75 중량부를 초과하면 카본 블랙의 품종에 의한 영향이 커지고, 선택한 카본 블랙 따라서는 가압 성형시 물러지기 쉬워 형상을 유지하는 것이 곤란한 것이 발생되는 경우가 있다. 또한, 원하는 압분체의 밀도에 도달하지 않는 경우도 있다. 카본 블랙의 비율은 20 중량부 이상 60 중량부 이하인 것이 보다 바람직하고, 20 중량부 이상 50 중량부 이하인 것이 더욱 바람직하다.

구체적으로는, 카본 블랙의 혼합 비율은 후기하는 실시예에 나타내는 바와 같이 카본 블랙의 DBP 흡수량 및 질소 흡착 비표면적의 범위에 따라서 적절하게 변경하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 원하는 혼합 분말(유리 카본량 30 ％ 이하, 압분체의 밀도 6.70 g/㎤ 이상)이 얻어진다.

본 발명의 분말 야금용 혼합 분말은 상기한 탄소 공급 성분과 철기 분말을 함유하고 있다.

본 발명에 이용되는 철기 분말에는 순철 분말 및 철 합금 분말의 양쪽이 포함된다. 이들은 단독으로 사용해도 좋고, 병용해도 좋다.

이 중 순철 분말은, 철 분말을 97 ％ 이상 포함하고, 잔량부 : 불가피 불순물(예를 들어, 산소, 규소, 탄소, 망간 등)로 이루어지는 실질적으로 순철 성분으로 간주되는 철 분말이다.

또한, 철 합금 분말은 철 이외의 성분으로서 소결체의 특성 개선을 목적으로 하여, 구리, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 유황, 망간 등의 합금 성분을 포함하는 것이다. 철 합금 분말에는 확산형 철 분말(철기 분말에 합금 원소를 확산 접합하여 제조한 것, partially alloyed powder) 및 프리얼로이형 철 분말(용해 공정에서 합금 원소를 첨가하여 제조한 것, prealloyed powder)로 크게 구별되지만, 본 발명에서는 이들을 단독으로, 또는 양자를 조합한 것을 적절하게 이용할 수 있다.

본 발명의 혼합 분말은 전술한 탄소 공급 성분과 철기 분말로 구성되어 있어도 좋지만, 소결체의 특성 등을 개선하는 목적에서 물성 개선 성분을 더 첨가해도 좋다.

물성 개선 성분으로서는, 예를 들어 금속 분말, 무기 분말을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용해도 좋고, 2종 이상을 병용해도 좋다.

이 중 금속 분말로서는, 예를 들어 구리, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 주석, 바나듐, 망간, 페로인 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 병용해도 좋다. 특히, 철기 분말로서 순철 분말을 이용하는 경우, 상기한 금속 분말을 첨가하는 것이 바람직하다. 이들 금속 분말은 철과 합금으로 된 페로 얼로이, 또는 철 이외의 2종류 이상으로 이루어지는 합금 분말이라도 좋다.

무기 분말로서는, 예를 들어 황화망간, 이산화망간 등의 황화물, 질화붕소 등의 질화물, 붕산, 산화마그네슘, 산화칼륨, 산화규소 등의 산화물, 인, 유황 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용해도 좋고, 2종 이상을 병용해도 좋다.

상기한 물성 개선 성분의 함유량은 특별히 한정되지 않고, 본 발명의 작용을 저해하지 않는 한도에서 최종 제품에 요구되는 여러 특성에 따라서 임의로 정할 수 있지만, 대체로 철기 분말 100 중량부에 대한 비율을 합계 0.01 중량부 이상 10 중량부 이하로 하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 철기 분말로서 순철 분말을 이용한 경우, 하기 분말의 바람직한 함유량은 각각 이하와 같다. 구리 : 0.1 내지 10 중량부, 니켈 : 0.1 내지 10 중량부, 크롬 : 0.1 내지 8 중량부, 몰리브덴 : 0.1 내지 5 중량부, 인 : 0.01 내지 3 중량부, 유황 : 0.01 내지 2 중량부.

본 발명의 혼합 분말은, 본 발명의 작용에 악영향을 미치지 않는 범위에서 윤활제를 더 함유해도 좋다. 윤활제는 압분체의 가압 성형시에 압분체와 금형의 마찰 계수를 저감하고, 형 마모나 금형 손상의 발생 등을 제압하는 작용을 갖고 있다.

본 발명에서 이용되는 윤활제는 분말 야금용 혼합 분말에 통상 이용되는 것이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 에틸렌비스스테아릴아미드, 스테아린산아미드, 스테아린산아연, 스테아린산리튬 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용해도 좋고, 2종 이상을 병용해도 좋다.

상기한 윤활제는 철기 분말 100 중량부에 대해, 0.01 내지 1.5 중량부의 범위 내에서 함유하는 것이 바람직하다. 윤활제의 함유량이 0.01 중량부 미만에서는, 윤활제의 첨가에 의한 작용이 충분히 발휘되지 않는다. 한편, 윤활제의 함유량이 1.5 중량부를 초과하면, 압분체의 압축성 등이 저하될 우려가 있다. 윤활제의 보다 바람직한 함유량은 0.1 내지 1.2 중량부이고, 더욱 바람직한 함유량은 0.2 내지 1.0 중량부이다.

본 발명에서는 분말 야금용 혼합 분말에 통상 첨가되는 바인더를 생략할 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명에서는 흑연 분말과 카본 블랙의 소정의 혼합물, 혹은 소정의 카본 블랙을 탄소 공급 성분으로서 사용하고 있으므로, 바인더를 사용하지 않고도 탄소 공급 성분의 비산이나 편석을 충분히 방지할 수 있기 때문이다(후기하는 실시예를 참조). 단, 본 발명의 작용(특히, 혼합 분말의 유동성)을 손 상시키지 않는 범위에서 종래 범용되고 있는 바인더를 사용해도 좋다. 바인더는 탄소 공급 성분의 편석 방지라고 하는 관점에서 첨가하는 것이 아니라, Ni 분말이나 Cu 분말 등과 같이 자기 부착성이 없는 분말의 편석을 억제하기 위해 첨가한다. 혹은, 전술한 일본 특허출원공개 제2003-105405호 공보, 일본 특허출원공개 제2004-256899호 공보, 일본 특허출원공개 제2004-360008호 공보 등에 기재된 바인더를 사용할 수도 있다.

다음에, 상기한 성분을 이용하여 혼합 분말, 압분체 및 소결체를 제작하는 방법을 설명한다.

본 발명의 혼합 분말은 본 발명에 규정된 탄소 공급 성분(흑연 분말과 카본 블랙의 소정의 혼합물, 혹은 소정의 카본 블랙)과, 철기 분말을 혼합함으로써 얻어진다. 필요에 따라서, 전술한 물성 개선 성분을 첨가해도 좋고, 또한 윤활제나 바인더를 첨가해도 좋다.

철기 분말과의 혼합시에 있어서의 카본 블랙 및 흑연 분말의 형태는 특별히 한정되지 않는다.

예를 들어, 카본 블랙은 분말 형태인 채로 철기 분말과 혼합해도 좋고, 카본 블랙을 유기 용제 등의 분산매에 분산시킨 분산액의 상태로 철기 분말과 혼합해도 좋다. 후자의 경우, 혼합 후에 분산매를 가열 등의 방법으로 제거하는 것이 바람직하다.

혼합 방법은 특별히 한정되지 않으며, 날개가 부착된 혼합기, V형 혼합기, 이중 원뿔형 혼합기(W콘) 등, 통상 사용되고 있는 혼합기를 이용하여 혼합하면 된 다. 혼합 조건은, 예를 들어 날개가 부착된 혼합기를 이용하는 경우, 날개의 회전 속도(날개의 원주 속도)를 약 2 내지 10 ㎧의 범위 내로 제어하고, 약 0.5 내지 20분간 교반하는 것이 바람직하다. 또한, V형 혼합기나 이중 원뿔형 혼합기를 이용하는 경우, 대체로 2 내지 50 rpm으로 1 내지 60분간 혼합하는 것이 바람직하다.

다음에, 상기한 혼합 분말을 이용하여 분말 압축 성형기를 이용한 통상의 가압 성형 방법에 의해 압분체를 얻는다. 구체적인 성형 조건은 혼합 분말을 구성하는 성분의 종류나 첨가량, 압분체의 형상, 성형 온도(대체로, 실온 내지 150 ℃), 성형 압력 등에 따라서도 상이하지만, 압분체의 밀도가 약 6.0 내지 7.5 g/㎤의 범위 내로 되도록 성형하는 것이 바람직하다.

마지막으로, 상기한 압분체를 이용하여 통상의 소결 방법에 의해 소결체를 얻는다. 구체적인 소결 조건은, 압분체를 구성하는 성분의 종류나 첨가량, 최종 제품의 종류 등에 따라서도 상이하지만, 예를 들어 N₂, N₂-H₂, 탄화수소 등의 분위기하, 1000 내지 1300 ℃의 온도에서 5 내지 60분간 소결을 행하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니며, 전기·후기의 취지에 적합한 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 또한, 이하의 실시예에 있어서의「％」는 특별히 단정하지 않는 한,「중량％」를 의미한다.

제1 실시예(혼합 분말 및 압분체의 특성의 검토)

본 실시예에서는, 탄소 공급 성분으로서 다양한 카본 블랙 및 흑연 분말을 이용하였을 때의 혼합 분말 및 압분체의 특성을 검토하였다.

구체적으로는, 표1에 나타내는 a 내지 c의 카본 블랙(시판품) 및 표2에 기재한 X 내지 Z의 흑연 분말(시판품)을 이용하여, 이하와 같이 하여 분말 야금용 혼합 분말 및 압분체를 얻었다(실험 1 내지 실험 24). 표1 및 표2에는 시판품의 카탈로그에 기재된 수치를 옮겨 적고 있다.

각 실험에서 얻어진 혼합 분말 및 압분체의 특성을 이하의 방법으로 측정하고 평가하였다.

(혼합 분말의 특성)

1. 겉보기 밀도의 측정

JIS Z2504(금속 분말의 겉보기 밀도 시험법)를 기초로 하여, 혼합 분말의 겉보기 밀도(g/㎤)를 측정하였다.

2. 유동성의 측정

JIS Z2502(금속 분말의 유동도 시험법)를 기초로 하여, 2.63 ㎜φ의 오리피스를 혼합 분말(50 g)이 흘러나올 때까지의 시간(초/50 g)을 측정하였다.

3. 유리 카본량(분진 발생률, C-loss)

도1에 도시하는 바와 같이, 뉴 밀리포어 필터(1)(메쉬 12 ㎛)를 장착한 깔때기 형상 유리관(2)(내경 : 16 ㎜, 높이 : 106 ㎜)에 혼합 분말(P)(25 g)을 넣고, 유리관(2)의 하방으로부터 N₂ 가스를 0.8 리터/분의 속도로 20분간 흘려, 다음 식으로부터 유리 카본량(％)을 구하였다. 본 실시예에서는 유리 카본량이 30 ％ 이하인 것을 합격으로 하였다.

유리 카본량(％) = [1 - (N₂ 가스 유통 후의 카본량(％))/(N₂ 가스 유통 전의 카본량(％))] × 100

여기서, 카본량(％)이라 함은 혼합 분말 중의 카본의 중량％를 의미한다.

(압분체의 특성)

1. 밀도의 측정

압분체의 밀도를 측정하기 위해, 일본 분체 분말 야금 협회(Japan Society of Powder and Powder Metallurgy, JSPM) 표준 1-64(금속 분말의 압축성 시험 방법)를 기초로 하여 직경 11.3 ㎜, 높이 10 ㎜인 원기둥 형상의 압분체를 제작하였다. 성형 압력은 490 ㎫로 하였다. 얻어진 압분체의 중량을 측정하여 체적으로 나눈 값(g/㎤)을 압분체의 밀도로 하였다. 본 실시예에서는 압분체의 밀도가 6.70 g/㎤ 이상인 것을 합격으로 하였다.

2. 래틀러값의 측정

일본 분말 야금 공업 규격(Japan Powder Metallurgy Association standard, JPMA) 011-1192(금속 압분체의 래틀러값 측정 방법)를 기초로 하여, 압분체의 래틀러값(％)을 측정하였다.

(실험 1)

우선, 철기 분말로서 시판된 순철 분말(고베 세이꼬오쇼제「아트멜 300M」)을 준비하고, 이 순철 분말에 대해 시판된 아토마이즈 구리 분말(평균 입경 48 ㎛)을 2.0 ％, 탄소 공급 성분을 0.80 ％[상세하게는, 표1에 기재된 카본 블랙 a를 0.004 ％, 표2에 기재된 흑연 분말 X를 0.796 ％(카본 블랙 : 흑연 분말 = 0.5 중량부 : 99.5 중량부)], 윤활제로서 에틸렌비스스테아릴아미드를 0.75 ％의 비율로 첨가한 후, V형 혼합기를 이용하여 30 rpm의 회전 속도로 30분간 혼합하여 혼합 분말을 얻었다. 여기서는, 바인더는 사용하고 있지 않다.

다음에, 상기한 혼합 분말을 분말 압축 성형기에 넣고, 490 ㎫의 압력하에서 압축 성형하여 외경 11.3 ㎜, 높이 10 ㎜인 원기둥 형상의 압분체를 얻었다.

(실험 2 내지 실험 7)

실험 1에 있어서, 카본 블랙 a와 흑연 분말 X의 혼합 비율을 각각 표3에 기재한 바와 같이 변화시킨 것 이외에는 실험 1과 마찬가지로 하여, 실험 2 내지 실험 7의 혼합 분말 및 압분체를 각각 제작하였다.

(실험 8)

실험 1에 있어서, 흑연 분말 X를 이용하지 않고 표1의 카본 블랙 a를 0.80 ％ 이용한 것 이외에는 실험 1과 마찬가지로 하여, 실험 8의 혼합 분말 및 압분체를 제작하였다.

(실험 9 내지 실험 13)

실험 1에 있어서, 카본 블랙 a 대신에 표1의 카본 블랙 b를 이용하여 표3에 기재한 바와 같이 카본 블랙 b와 흑연 분말 X의 혼합 비율을 변화시킨 것 이외에는 실험 1과 마찬가지로 하여, 실험 9 내지 실험 13의 혼합 분말 및 압분체를 각각 제작하였다.

(실험 14)

실험 1에 있어서, 흑연 분말 X를 이용하지 않고 표1의 카본 블랙 b를 0.80 ％ 이용한 것 이외에는 실험 1과 마찬가지로 하여, 실험 14의 혼합 분말 및 압분체를 제작하였다.

(실험 15 내지 실험 18)

실험 1에 있어서, 카본 블랙 a 대신에 표1의 카본 블랙 c를 이용하여 표3에 기재한 바와 같이 카본 블랙 c와 흑연 분말 X의 혼합 비율을 변화시킨 것 이외에는 실험 1과 마찬가지로 하여, 실험 15 내지 18의 혼합 분말 및 압분체를 각각 제작하였다.

(실험 19)

실험 1에 있어서, 흑연 분말 X를 이용하지 않고 표1의 카본 블랙 c를 0.80 ％ 이용한 것 이외에는 실험 1과 마찬가지로 하여, 실험 19의 혼합 분말 및 압분체를 제작하였다.

(실험 20)

실험 1에 있어서, 카본 블랙을 이용하지 않고 표2의 흑연 분말 X를 0.80 ％ 이용한 것 이외에는 실험 1과 마찬가지로 하여, 실험 20의 혼합 분말 및 압분체를 제작하였다.

(실험 21)

실험 5에 있어서, 흑연 분말 X 대신에 흑연 분말 Y를 이용한 것 이외에는 실험 5와 마찬가지로 하여, 실험 21의 혼합 분말 및 압분체를 제작하였다.

(실험 22)

실험 20에 있어서, 흑연 분말 X 대신에 표2의 흑연 분말 Y를 0.80 ％ 이용한 것 이외에는 실험 20과 마찬가지로 하여, 실험 22의 혼합 분말 및 압분체를 제작하였다.

(실험 23)

실험 5에 있어서, 흑연 분말 X 대신에 흑연 분말 Z를 이용한 것 이외에는 실험 5와 마찬가지로 하여, 실험 23의 혼합 분말 및 압분체를 제작하였다.

(실험 24)

실험 20에 있어서, 흑연 분말 X 대신에 표2의 흑연 분말 Z를 0.80 ％ 이용한 것 이외에는 실험 20과 마찬가지로 하여, 실험 24의 혼합 분말 및 압분체를 제작하였다.

이들의 결과를 표3에 정리하여 나타낸다. 참고를 위해, 표3에 종합 평가의 란을 마련하여, 본 발명의 합격 기준(유리 카본량 30 ％ 이하, 성형 압력 490 ㎫로 압분체에 성형하였을 때의 밀도 6.70 g/㎤ 이상)을 충족시키는 혼합 분말에 A를, 어느 한쪽도 합격 기준을 충족시키지 않는 것에 B를 부여하였다.

표3으로부터 이하와 같이 고찰할 수 있다.

(카본 블랙 a에 대해)

우선, 탄소 공급 성분으로서 카본 블랙 a(DBP 흡수량 38 mL/100 g, 질소 흡착 비표면적 8 ㎡/g) 및 흑연 분말 X를 이용하여, 이들의 혼합 비율을 변화시켰을 때의 결과(실험 1 내지 실험 8, 실험 20)에 대해 고찰한다.

탄소 공급 성분으로서 흑연 분말 X만을 이용하였을 때에는, 실험 20에 나타내는 바와 같이 고밀도의 압분체는 얻어지지만 혼합 분말의 유리 카본량이 많아졌다. 또한, 카본 블랙 a의 비율이 작은 실험 1에 있어서도 혼합 분말의 유리 카본량이 많아졌다.

이에 대해, 실험 2 내지 실험 5에서는 유리 카본량, 압분체의 밀도 모두 양호한 범위 내이다. 특히 카본 블랙 a와 흑연 분말 X의 혼합 비율이 본 발명의 바람직한 범위(카본 블랙의 비율 : 15 내지 75 중량부)를 만족하는 실험 2 내지 실험 5에서는, 표3에 나타내는 바와 같이 양호한 혼합 분말이 얻어졌다.

상기는 카본 블랙 a에 흑연 분말 X를 이용하였을 때의 결과이지만, 흑연 분말 X 대신에 흑연 분말 Y를 이용하였을 때(실험 21 및 실험 22를 참조), 혹은 흑연 분말 X 대신에 흑연 분말 Z를 이용하였을 때(실험 23 및 실험 24를 참조)도 상기와 동일한 결과가 얻어진다. 또한, 표3에는 카본 블랙 a의 비율을 60 중량부로 하였을 때의 결과(실험 21, 실험 23)만 나타내고 있지만, 카본 블랙 a의 비율을 전술한 실험 1 내지 실험 7과 같이 다양하게 변화시켰을 때도 상기와 동일한 실험 결과가 얻어지는 것을 실험에 의해 확인하고 있다(표3에는 나타내지 않음).

또한, 상기한 일련의 결과는 카본 블랙 a뿐만 아니라, 카본 블랙 A군에 속하는 카본 블랙을 이용하였을 때에 있어서도 동일한 경향이 얻어지는 것을 실험에 의해 확인하고 있다(표3에는 나타내지 않음).

(카본 블랙 b에 대해)

다음에, 탄소 공급 성분으로서 카본 블랙 b(DBP 흡수량 113 mL/100 g, 질소 흡착 비표면적 130 ㎡/g) 및 흑연 분말 X를 이용하여 이들의 혼합 비율을 변화시켰을 때의 결과(실험 9 내지 실험 14, 실험 20)에 대해 고찰한다.

탄소 공급 성분으로서 흑연 분말 X만을 이용하였을 때에는, 실험 20에 나타내는 바와 같이 고밀도의 압분체는 얻어지지만 혼합 분말의 유리 카본량이 많아지고, 한편 카본 블랙 b만을 이용하였을 때는 실험 14에 나타내는 바와 같이 혼합 분말의 유리 카본량은 적지만 압분체의 밀도가 저하되었다.

이에 대해, 카본 블랙 b와 흑연 분말 X의 혼합 비율이 본 발명의 바람직한 범위(카본 블랙의 비율 : 15 내지 75 중량부)를 만족하는 실험 10 내지 실험 12에서는 표3에 나타내는 바와 같이 원하는 혼합 분말이 얻어진다. 또한, 실험 9는 카본 블랙 b의 비율이 작은 예로, 유리 카본량이 많아졌다. 또한, 실험 13은 카본 블랙 b의 비율이 많은 예로, 압분체의 밀도가 저하되었다.

상기는 카본 블랙 b에 흑연 분말 X를 이용하였을 때의 결과이지만, 흑연 분말 X 대신에 흑연 분말 Y 또는 Z를 이용하였을 때도 상기와 동일한 결과가 얻어졌던 것을 실험에 의해 확인하고 있다(표3에는 나타내지 않음).

또한, 상기한 일련의 결과는 카본 블랙 b뿐만 아니라, 카본 블랙 B군에 속하는 카본 블랙을 이용하였을 때에 있어서도 동일한 경향이 얻어지는 것을 실험에 의해 확인하고 있다(표3에는 나타내지 않음).

(카본 블랙 c에 대해)

다음에, 탄소 공급 성분으로서 카본 블랙 c(DBP 흡수량 22 mL/100 g, 질소 흡착 비표면적 80 ㎡/g) 및 흑연 분말 X를 이용하여, 이들의 혼합 비율을 변화시켰을 때의 결과(실험 15 내지 실험 20)에 대해 고찰한다.

탄소 공급 성분으로서 흑연 분말 X만을 이용하였을 때에는, 실험 20에 나타내는 바와 같이 고밀도의 압분체는 얻어지지만 혼합 분말의 유리 카본량이 많아졌다.

이에 대해, 실험 16 내지 실험 19는 유리 카본량, 압분체의 밀도 모두 양호한 범위 내이다. 특히, 카본 블랙 c와 흑연 분말 X의 혼합 비율이 본 발명의 바람직한 범위(카본 블랙의 비율 : 15 내지 75 중량부)를 만족하는 실험 16 내지 17에서는, 표3에 나타내는 바와 같이 원하는 혼합 분말이 얻어졌다. 또한, 실험 15는 카본 블랙 c의 비율이 작은 예이며, 유리 카본량이 많아졌다.

상기는 카본 블랙 c에 흑연 분말 X를 이용하였을 때의 결과이지만, 흑연 분말 X 대신에 흑연 분말 Y 또는 Z를 이용하였을 때도 상기와 동일한 결과가 얻어진 것을 실험에 의해 확인하고 있다(표3에는 나타내지 않음).

또한, 상기한 일련의 결과는 카본 블랙 c뿐만 아니라, 카본 블랙 C군에 속하는 카본 블랙을 이용하였을 때에 있어서도 동일한 경향이 얻어지는 것을 실험에 의해 확인하고 있다(표3에는 나타내지 않음).

제2 실시예(소결체의 특성의 검토)

본 실시예에서는, 전술한 제1 실시예에 있어서 탄소 공급 성분으로서 카본 블랙 및 흑연 분말의 혼합물을 이용하였을 때의 소결체의 특성을 흑연 분말과 대비하여 검토하였다. 여기서는 소결체의 밀도는 6.80 g/㎤로 하였다.

구체적으로는, 전술한 제1 실시예의 실험 3 내지 실험 8(카본 블랙 a를 사용), 실험 11, 실험 13(카본 블랙 b를 사용), 실험 16, 실험 18 내지 실험 19(카본 블랙 c를 사용)와, 실험 20, 실험 22, 실험 24(카본 블랙을 첨가하지 않고 흑연 분말만을 사용)의 종래예에 대해 각 혼합 분말을 분말 압축 성형기에 넣고, 400 내지 600 ㎫의 압력하에서 압축 성형하여 외경 30 ㎜, 내경 10 ㎜, 높이 10 ㎜의 링 형상의 압분체를 얻었다.

상기한 압분체를 N₂-10 vol％ H₂ 가스 분위기하, 푸셔식 소결로를 이용하여 1120 ℃에서 20분간 소결하여 소결체(밀도 6.80 g/㎤)를 얻었다.

이와 같이 하여 얻어진 소결체의 압환(壓環) 강도 및 경도를 이하와 같이 하여 측정하고 평가하였다.

(소결체의 특성)

1. 압환 강도의 측정

JIS Z2507에 기재된 압환 시험을 실시하여 압환 강도(N/㎟)를 측정하였다.

2. 경도의 측정

JIS Z2245의 로크웰 경도 시험-시험 방법을 기초로 하여, 로크웰 경도(HRB)를 측정하였다.

이들의 결과를 표4에 정리하여 나타낸다.

표4로부터 이하와 같이 고찰할 수 있다.

표4로부터, 소결 밀도가 6.80 g/㎤일 때의 특성을 비교하면, 어떠한 카본 블랙(a 내지 c)을 이용하였을 때에 있어서도 카본 블랙과 흑연 분말을 혼합하여 이용하면, 카본 블랙의 혼합 비율에 관계없이 흑연 분말만을 이용하였을 때와 동일한 정도의 기계적 특성(압환 강도 및 경도)이 얻어지는 것을 알 수 있었다. 또한, 소결체의 미크로 조직을 관찰한 결과, 모든 샘플에 펄라이트 조직이 관찰되었다. 이것은 카본 블랙이 흑연과 마찬가지로 철기 분말에 침탄되어 있는 것을 나타내고 있다.

또한, 표4에는 표3에 나타내는 실험예 중 일부의 것에 대한 결과를 나타내고 있지만, 표3에 나타내는 다른 실험에 있어서도 상기와 동일한 실험 결과가 얻어지는 것을 실험에 의해 확인하고 있다(표4에는 나타내지 않음).

또한, 상기한 일련의 결과는 카본 블랙 a, b, c뿐만 아니라, 카본 블랙 A군, B군, C군에 속하는 카본 블랙을 이용하였을 때에 있어서도 동일한 경향이 얻어지는 것을 실험에 의해 확인하고 있다(표4에는 나타내지 않음).

제3 실시예(혼합 분말 및 압분체의 특성의 검토)

본 실시예에서는 다양한 카본 블랙을 이용하였을 때의 혼합 분말 및 압분체의 특성을 검토하였다.

구체적으로는, 표5에 나타내는 d 내지 o의 카본 블랙(시판품)을 이용하여, 이하와 같이 하여 분말 야금용 혼합 분말 및 압분체를 얻었다(실험 25 내지 실험 36). 상기한 카본 블랙 중 d 내지 i는 본 발명의 요건을 만족하는 예이고, j 내지 o는 본 발명의 요건을 만족하지 않는 예이다. 표5에는 시판품의 카탈로그에 기재된 수치를 옮겨 적고 있다. 또한, 비교를 위해 카본 블랙 대신에 흑연 분말을 이용하여 분말 야금용 혼합 분말 및 압분체를 얻었다(실험 37).

각 실험에서 얻어진 혼합 분말 및 압분체의 특성은 제1 실시예에 기재된 방법으로 측정하여 평가하였다.

(실험 25)

우선, 철기 분말로서 시판된 순철 분말(고베 세이꼬오쇼제「아트멜 300M」)을 준비하고, 이 순철 분말에 대해 시판된 아토마이즈 구리 분말(평균 입경 48 ㎛)을 2.0 ％, 탄소 공급 성분으로서 표4에 기재된 카본 블랙 a를 0.80 ％, 윤활제로서 에틸렌비스스테아릴아미드를 0.75 ％의 비율로 첨가한 후, 날개가 부착된 믹서를 이용하여 2분간 고속 교반하여(날개의 회전 속도 5 ㎧) 혼합 분말을 얻었다. 여기서는, 바인더는 사용하고 있지 않다.

다음에, 상기한 혼합 분말을 분말 압축 성형기에 넣고, 490 ㎫의 압력하에서 압축 성형하여 외경 11.3 ㎜, 높이 10 ㎜의 원기둥 형상의 압분체를 얻었다.

(실험 26 내지 실험 36)

실험 25에 있어서, 탄소 공급 성분으로서 표5에 기재된 카본 블랙 d 내지 o를 이용한 것 이외에는 실험 25와 마찬가지로 하여, 실험 26 내지 실험 36의 혼합 분말 및 압분체를 각각 제작하였다.

(실험 37)

실험 25에 있어서, 탄소 공급 성분으로서 카본 블랙 대신에 시판된 흑연 분말(평균 입경 5 ㎛)을 이용한 것 이외에는 실험 25와 마찬가지로 하여, 혼합 분말 및 압분체를 제작하였다.

이들 결과를 표6에 정리하여 나타낸다. 표6에는 참고를 위해 사용한 탄소 공급 성분의 종류 및 특성도 병기하고 있다.

표6으로부터 이하와 같이 고찰할 수 있다.

실험 25 내지 실험 30은 각각 본 발명의 요건을 만족하는 카본 블랙 d 내지 i를 이용한 본 발명예이며, 혼합 분말의 각 특성이 우수할 뿐만 아니라 압분체의 특성도 우수하다.

이에 대해, 실험 31 내지 실험 36은 본 발명의 요건을 만족하지 않는 카본 블랙을 이용한 비교예이며, 혼합 분말의 유리 카본량, 압분체의 밀도 및 래틀러값이 본 발명에서 규정하는 기준값에 도달하지 않았다.

또한, 실험 35 및 실험 36에서는 혼합 분말의 유리 카본량이 증가하여 유동도가 저하되어 있지만, 이것은 DBP 흡수량 및 질소 흡착 비표면적이 극단적으로 큰 카본 블랙(n, o)을 이용하였기 때문에, 혼합 공정에서 철기 분말과 혼합되기(철기 분말에 부착되기) 전에, 당해 카본 블랙이 큰 스트럭처를 형성해 버리기 때문이라고 고려된다.

실험 37은 탄소 공급 성분으로서 흑연 분말만을 이용한 종래예이며, 혼합 분말의 유리 카본량이 많아졌다.

제4 실시예(소결체의 특성의 검토)

본 실시예에서는 본 발명의 요건을 만족하는 카본 블랙을 이용하였을 때의 소결체의 특성을 흑연 분말과 대비하여 검토하였다. 여기서는, 소결체의 밀도는 6.80 g/㎤로 하였다.

구체적으로는, 전술한 실험 25 내지 실험 30(표5의 카본 블랙 d 내지 i를 사용) 및 실험 38(흑연 분말을 사용)의 혼합 분말을 분말 압축 성형기에 넣고, 400 내지 600 ㎫의 압력하에서 압축 성형하여 외경 30 ㎜, 내경 10 ㎜, 높이 10 ㎜의 링 형상의 압분체를 얻었다.

상기한 압분체를 N₂-10 vo1％ H₂ 가스 분위기하, 푸셔식 소결로를 이용하여 1120 ℃에서 20분간 소결하여 소결체(밀도 6.80 g/㎤)를 얻었다.

이와 같이 하여 얻어진 소결체의 압환 강도 및 경도를 이하와 같이 하여 측정하고 평가하였다.

(소결체의 특성)

1. 압환 강도의 측정

2. 경도의 측정

이들 결과를 표7에 정리하여 나타낸다.

표7로부터, 소결 밀도가 6.80 g/㎤일 때의 특성을 비교하면 어떠한 카본 블랙을 이용하였을 때에도 흑연 분말을 이용하였을 때와 동일한 정도의 기계적 특성(압환 강도 및 경도)을 갖고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 카본 블랙은 흑연 분말을 대신하는 탄소 공급 성분으로서 매우 유용한 것이 확인되었다.

본 발명을 특정한 형태를 참조하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 정신과 범위를 벗어나는 일 없이 다양한 변경 및 수정이 가능한 것은 당업자에게 있어서 명백하다.

또한, 본 출원은 2006년 3월 14일자로 출원된 일본 특허출원(특원 제2006-069731호) 및 2006년 3월 14일자로 출원된 일본 특허출원(특원 제2006-069732호)을 기초로 하고 있고, 그 전체가 인용에 의해 원용된다.

또한, 본원에 인용되는 모든 참조는 전체로서 포함된다.

또한, 본 발명의 분말 야금용 혼합 분말을 이용하면, 고밀도이며 형상 유지성이 양호한 압분체가 얻어지므로, 최종적으로 기계적 특성이 우수한 소결체가 얻어진다.

Claims

철기 분말 및 탄소 공급 성분을 포함하는 분말 야금용 혼합 분말이며,

상기 탄소 공급 성분은 흑연 분말 및 카본 블랙을 포함하고,

흑연 분말과 카본 블랙의 혼합 비율이, 흑연 분말 및 카본 블랙의 합계 100 중량부에 대해 흑연 분말을 25 내지 85 중량부의 범위 내로 하고, 카본 블랙을 15 내지 75 중량부의 범위 내로 하고,

상기 카본 블랙의 프탈산디부틸 흡수량이 0 mL/100 g 이상, 60 mL/100 g 이하이고, 또한 질소 흡착 비표면적이 0 ㎡/g 이상, 50 ㎡/g 이하인 분말 야금용 혼합 분말.
삭제
철기 분말 및 탄소 공급 성분을 포함하는 분말 야금용 혼합 분말이며,

상기 탄소 공급 성분이, 프탈산디부틸 흡수량이 0 mL/100 g 이상, 60 mL/100 g 이하이고, 또한 질소 흡착 비표면적이 0 ㎡/g 이상, 50 ㎡/g 이하인 카본 블랙만을 포함하거나 상기 카본 블랙을 가장 큰 중량비로 포함하는 분말 야금용 혼합 분말.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 철기 분말 100 중량부에 대해 상기 탄소 공급 성분을 0 중량부 초과, 4 중량부 이하의 범위로 함유하는 분말 야금용 혼합 분말.
제1항 또는 제3항에 있어서, 물성 개선 성분을 더 함유하는 분말 야금용 혼합 분말.
제1항 또는 제3항에 있어서, 윤활제를 더 함유하는 분말 야금용 혼합 분말.
제1항 또는 제3항에 기재된 분말 야금용 혼합 분말을 이용하여 얻어지는 압분체.
제7항에 기재된 압분체를 소결하여 얻어지는 소결체.