KR101382304B1

KR101382304B1 - 분말 야금법에 의한 소결체의 제조 방법

Info

Publication number: KR101382304B1
Application number: KR1020117006410A
Authority: KR
Inventors: 시게루 우나미; 유키코 오자키; 타다유키 츠츠이; 유지 야마니시
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2014-04-08
Also published as: EP2339042A1; JP5389577B2; KR20110042241A; WO2010035853A1; JP2010100932A; EP2339042B1; CN102165083A; EP2339042A4; CN102165083B; US20110176950A1

Abstract

분말 야금법에 의한 소결체의 제조 방법에 있어서, Cr: 0.3∼0.7질량％, Mn: 0.1∼0.5질량％, Mo: 0.1∼0.5질량％, O: 0.25∼0.5질량％를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 분말 야금용 합금강분을 이용하여, 당해 분말 야금용 합금강분 또는 이를 포함하는 혼합분을 700MPa 이상의 압력에서 성형한 후, 1150∼1300℃의 온도에서 소결함으로써, Ni이나 Cu를 첨가하지 않는 분말 야금용 합금강분을 이용하여 고강도의 소결체를 염가로 제조한다.

Description

분말 야금법에 의한 소결체의 제조 방법 {PROCESS FOR PRODUCTION OF SINTERED COMPACT BY POWDER METALLURGY}

본 발명은, 분말 야금법에 의한 자동차용 고강도 소결 부품 등에 매우 적합한 소결체의 제조 방법에 관한 것이다.

철분(iron powder)이나 합금강분을 금형 내에서 가압하여 성형한 후, 소결하여 소결체를 얻는 분말 야금법은, 높은 치수 정밀도가 요구되는 기어 등의 자동차용 부품의 제조에 널리 사용되고 있다. 자동차용 부품으로서 사용되는 소결체는, 원료분(철분, 합금강분)에 Cu분, 흑연분, 윤활제 등을 혼합한 혼합분을 금형에 충전하여 가압 성형하고, 이를 소결함으로써 제조되고, 일반적으로 6.0∼7.2g/㎤ 정도의 밀도를 갖는다.

자동차 부품 중에서도 고강도가 요구되는 부품(이하, 자동차용 고강도 소결 부품이라고 함)을 제조하는 경우는, 합금 원소(예를 들면, Ni, Cu, Mo, Cr, Mn 등)를 철기(iron-based) 분말에 첨가하여 원료분으로서 사용하는 기술이 실용화되고 있다. 이러한 원료분에 Cu분, 흑연분, 윤활제 등을 혼합하여 가압 성형하고, 추가로 소결하는 순서는, 상기한 통상의 자동차용 부품과 동일하다. 단, 자동차용 고강도 소결 부품에서는, 필요에 따라서, 광택 담금질 템퍼링(bright quenching and tempering) 처리, 침탄(浸炭: carburization) 처리 등이 행해진다.

또한 합금 원소를 첨가하는 방법으로서는, 미리 철기 분말을 합금화(소위 예합금화)하는 방법, 소망하는 합금 원소를 함유하는 합금용 분말을 결합제와 함께 철기 분말과 혼합하는 방법, 합금용 분말을 철기 분말과 혼합하는(결합제를 이용하지 않는) 방법, 합금용 분말을 철기 분말과 혼합한 후에 고온으로 보지(保持)하여 야금적으로 결합시키는(소위 확산 부착) 방법 등이 있다. 이들 방법으로 얻어지는 합금강분(혹은 혼합분체)의 특성이나 합금 원소의 균일도, 소결에 의한 합금 원소의 확산 상태는 각각 상이하다. 이 때문에, 합금 원소의 선택 및 첨가 방법의 선택은, 소결체의 품질에 다대한 영향을 미치는 중요한 인자이다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, Ni, Cu, Mo 등의 금속 분말을 철분에 확산 부착한 것을 원료분으로서 사용하는 기술이 개시되어 있다. 이 기술은, 원료분을 가압 성형한 후에 행하는 소결에 의해, 철분의 표면에 부착한 금속 분말로부터 철분 중으로 Ni, Cu, Mo 등이 확산하여, 철분을 합금화한다. 그런데, Ni, Cu, Mo 등의 확산에는 장시간을 요하기 때문에, 철분을 충분히 합금화하기 위해서는 장시간의 소결이 필요해져, 소결의 생산성이 저하된다. 또한, 자동차용 고강도 소결 부품에 요구되는 강도를 얻기 위해서는, Ni, Cu, Mo 등의 금속 분말을 다량으로 사용하지 않으면 안 되기 때문에, 원료 비용의 상승을 초래한다.

또한, 특허문헌 1에 개시된 기술로 제조한 소결체는, Ni이나 Cu를 함유하지만, Ni은 인체에 유해한 원소이고, Cu는 강재(鋼材)를 리사이클했을 경우에 유해한 원소로서 스크랩에 축적되는 문제가 있다. 그래서, Ni이나 Cu를 함유하지 않는 합금강분이 검토되고 있다.

예를 들면, 특허문헌 2에는, Mo: 0.2∼1.4질량％, Cr: 0.1∼0.3질량％, C: 0.10질량％ 이하, O: 0.3질량％ 이하를 함유하는 합금강분이 개시되어 있다. Cr, Mo은 담금질성을 개선하는 작용을 갖기 때문에, 이 합금강분으로부터 제조되는 소결체는 비교적 높은 강도를 갖는다.

특허문헌 3에는, C: 0.1질량％ 이하, Mn: 0.08질량％ 이하, Cr: 0.5∼3질량％, Mo: 0.1∼2질량％, S: 0.01질량％ 이하, P: 0.2질량％ 이하, O: 0.2질량％ 이하를 함유하는 합금강분이 개시되어 있다.

특허문헌 4에는, Cr: 1.3∼1.7질량％, Mo: 0.15∼0.3질량％, Mn: 0.09∼0.3질량％, C: 0.01질량％ 이하, O: 0.25질량％ 이하를 함유하는 합금강분이 개시되어 있다.

일본공고특허공보 소45-9649호 일본공개특허공보 소61-117201호 일본공개특허공보 평5-287452호 일본공표특허공보 2005-530037호

그러나, 특허문헌 2나 3에 개시된 합금강분은, 자동차용 고강도 소결 부품에 요구되는 바와 같은 높은 강도를 용이하게 얻을 수는 없다. 특허문헌 2의 합금강분에 대해서는, 예를 들면 Cr, Mo의 함유량을 증가시키면, 이 문제는 해결되지만, Cr, Mo을 다량으로 첨가하면, 합금강분의 압축성의 저하나 원료 비용의 상승을 초래해 버린다. 특허문헌 3의 합금강분에 대해서는, 예를 들면 Mn 함유량을 증가시키면, 강도의 문제는 해결되지만, Mn은 산화되기 쉬운 원소이기 때문에, Mn을 다량으로 첨가하면, 가압 성형 후의 소결에 의해, 혹은 소결 후의 열처리에 의해 산화물이 생성되어, 소결체의 강도가 저하되어 버린다. 특허문헌 4의 합금강분에 있어서는, Cr 함유량이 많기 때문에 합금강분의 압축성이 저하되어, 소결체의 밀도가 낮아진다. 또한, Cr은 산화되기 쉬운 원소이기 때문에, Cr을 다량으로 첨가하면, 가압 성형 후의 소결에 의해, 혹은 소결 후의 열처리에 의해 산화물이 생성되어, 소결체의 강도가 저하되어 버린다.

본 발명의 목적은, 이상과 같은 종래 기술의 과제를 해결하고, 분말 야금법에 의한 소결체의 제조 방법으로서, Ni이나 Cu를 첨가하지 않는 분말 야금용 합금강분을 이용하여, 고강도의 소결체를 염가로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결할 수 있는 분말 야금용 합금강분의 성분 조건 및 소결체의 제조 조건에 대해서 상세한 검토를 행했다. 그 결과, 분말 야금용 합금강분의 Cr 함유량, Mn 함유량, Mo 함유량을 최적화하고, 그리고 원료분을 특정의 조건으로 고압 성형 및 고온 소결함으로써, Ni이나 Cu를 첨가하지 않고 그리고 Mo 첨가량이 비교적 적은 합금강분을 이용하여, 자동차용 고강도 소결 부품으로서 사용 가능한 고강도 소결체를 염가로 제조할 수 있는 것을 발견했다.

또한, 산소량이 어느 정도 높은 합금강분을 이용해도, 합금강분에 충분한 양의 흑연 분말을 첨가하여, 소결시에 흑연과 산소를 반응시켜 환원함으로써, 소결체의 강도 저하가 억제되는 것을 알았다. 즉, 상기의 분말 야금용 합금강분은, 산화 용이 원소인 Cr이나 Mn을 함유하기 때문에, 그의 산소량을 저감하기 위해서는, 1100℃ 정도의 고온의 감압 분위기 중에서 환원 처리할 필요가 있다. 그러나, 이러한 고가의 환원 처리가 아니라, 염가의 수소 가스 분위기에 의한 환원 처리를 행한 산소량이 어느 정도 높은 합금강분을 이용해도, 충분한 양의 흑연 분말을 첨가하여 소결하면, 소결시에 합금강분의 산소가 흑연과 반응해 환원되어 제거되기 때문에, 소결체의 강도 저하가 억제되는 것을 알았다.

단, 이 기술은 소결체 중에 잔류하는 탄소량의 불균일을 발생시킬지도 모르지만, 더 한층의 연구의 결과, 소결시에 있어서 합금강분 중의 산소의 환원에 사용되는 흑연량은, 주로 합금강분의 Cr량, Mn량 및, 이들 원소의 산화율에 의해 결정되기 때문에, 소결체의 강도에 중요한 영향을 주는 소결체 중의 C량은, 합금강분의 Cr량, Mn량 및, 이들 원소의 산화율에 의해 결정되는 양의 흑연을 부가적으로 첨가함으로써 제어할 수 있는 것을 알았다.

본 발명은 이러한 인식에 기초하여 이루어진 것으로, 이하를 요지로 하는 것이다.

[1] Cr: 0.3∼0.7질량％, Mn: 0.1∼0.5질량％, Mo: 0.1∼0.5질량％, O: 0.25∼0.5질량％를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 분말 야금용 합금강분을 이용하여, 당해 분말 야금용 합금강분 또는 이를 포함하는 혼합분을 700MPa 이상의 압력에서 성형한 후, 1150∼1300℃의 온도에서 소결하는 것을 특징으로 하는 분말 야금법에 의한 소결체의 제조 방법.

[2] 상기 [1]의 제조 방법에 있어서, 혼합분이 흑연 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결체의 제조 방법.

[3] 상기 [1] 또는 [2]의 제조 방법에 있어서, 혼합분이, 소결체 중에 잔류시키는 C량과, 소결시에 분말 야금용 합금강분 중의 산소와 반응하는 C량의 합계에 상당하는 양의 흑연 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결체의 제조 방법.

[4] 상기 [2]의 제조 방법에 있어서, 분말 야금용 합금강분에, 하기 (1)식의 조건을 만족하는 양[％Gr](분말 야금용 합금강분의 질량에 대한 질량％)의 흑연 분말을 첨가하는 것을 특징으로 하는 소결체의 제조 방법.

[％Gr]＝t×(α×0.46×[％Cr]＋β×0.29×[％Mn])

＋γ＋[％C] …(1)

단 [％Cr]: 분말 야금용 합금강분 중의 Cr량(질량％)

[％Mn]: 분말 야금용 합금강분 중의 Mn량(질량％)

[％C]: 흑연 분말 중에서, 소결체 중에 잔류시키는 C량(분말 야금용 합금강분의 질량에 대한 질량％)

α: 분말 야금용 합금강분 중의 Cr의 산화율

β: 분말 야금용 합금강분 중의 Mn의 산화율

γ: 흑연 분말 중에서, 분말 야금용 합금강분에 흡착되어 있는 산소분 및 소결 분위기 중에 포함되는 산소분과의 반응에 소비되는 C량(분말 야금용 합금강분의 질량에 대한 질량％). 단, γ≤0.2질량％

t: 0.25∼0.75

본 발명에 의하면, 분말 야금법에 의한 소결체의 제조 방법에 있어서, Ni이나 Cu를 첨가하지 않고, 그리고 Mo 첨가량이 비교적 적은 합금강분을 이용하여, 자동차용 고강도 소결 부품으로서 사용 가능한 고강도 소결체를 염가로 제조할 수 있다.

도 1은, 실시예 2의 시료번호 2, 5∼7의 성형 압력과 인장 강도와의 관계를, 기존 고강도재인 시료번호 8∼11의 그것과 비교하여 나타낸 그래프이다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

우선, 본 발명에서 이용하는 분말 야금용 합금강분(이하, 단순히 「합금강분」이라고 하는 경우가 있음)의 화학 성분과 그의 한정 이유에 대해서 설명한다.

·Cr: 0.3∼0.7질량％

Cr은 담금질성을 향상시키는 원소로서, 소결 후의 담금질에 의해 마텐자이트 변태를 발생시킴으로써, 소결체의 강도를 높이는 효과를 갖는다. Cr 함유량이 0.3질량％ 미만에서는, 그 효과가 충분하지 않다. 한편, Cr 함유량이 0.7질량％를 초과하면, 고용 경화(solid solution hardening)에 의해 각 입자의 경도가 증가하고, 그리고 합금강분의 산소량이 증가함으로써, 가압 성형시의 압축성이 저하된다. 또한, 소결 후의 담금질시의 분위기에 의한 산화가 증가하기 때문에, 담금질성 향상에 따른 소결체의 강도의 대폭적인 향상은 기대할 수 없고, 오히려 압축성 저하에 따른 소결체의 강도 저하가 현저해진다. 이 때문에 Cr 함유량은 0.3∼0.7질량％로 한다.

·Mn: 0.1∼0.5질량％

Mn은 담금질성을 향상시키는 원소로서, 소결 후의 담금질에 의해 마텐자이트 변태를 발생시킴으로써, 소결체의 강도를 높이는 효과를 갖는다. Mn 함유량이 0.1질량％ 미만에서는, 그 효과가 충분하지 않다. 한편, Mn 함유량이 0.5질량％를 초과하면, 고용 경화에 의해 각 입자의 경도가 증가하고, 그리고 합금강분의 산소량이 증가함으로써, 가압 성형시의 압축성이 저하되어, 소결체의 강도가 저하된다. 또한, 소결을 약산화성 분위기(예를 들면, 탄화 수소 변성 가스 분위기 등)에서 행하는 경우에는, Mn을 과잉으로 함유하면 소결 후의 담금질시의 분위기에 의한 산화가 증가하기 때문에, 담금질성 향상에 따른 소결체의 강도의 대폭적인 향상은 기대할 수 없고, 오히려 압축성 저하에 따른 소결체의 강도 저하가 현저해진다. 이 때문에 Mn 함유량은 0.1∼0.5질량％, 바람직하게는 0.1∼0.25질량％로 한다.

·Mo: 0.1∼0.5질량％

Mo은 담금질성 향상, 고용강화 및 석출 강화에 의해, 소결체의 강도를 높이는 효과를 갖는다. Mo 함유량이 0.1질량％ 미만에서는, 그 효과가 충분하지 않다. 한편, Mo 함유량이 0.5질량％를 초과하면, 가압 성형시의 압축성이 저하되기 때문에, 소결체의 강도의 대폭적인 향상은 기대할 수 없고, 오히려 Mo의 첨가량 증가에 수반하여 원료 비용이 현저하게 상승한다. 이 때문에 Mo 함유량은 0.1∼0.5질량％로 한다.

·O: 0.25∼0.5질량％

O 함유량을 0.25질량％ 미만으로 하려면, 매우 청정한 환원 분위기 중 또는 감압 분위기하에서의 환원 처리가 필요해져, 제조 비용이 증대된다. 한편, O 함유량이 0.5질량％를 초과하면 압축성이 저하되고, 그리고 소결이 저해되기 때문에, 소결체의 강도가 저하된다. 이 때문에 O 함유량은 0.25∼0.5질량％, 바람직하게는 0.25∼0.35질량％로 한다.

일반적으로, Cr, Mn 등과 같은 산화 용이 원소를 함유하는 합금강분에서는, O 함유량을 줄이려고 하면, 매우 청정한 환원 분위기 중 또는 감압 분위기하에서의 환원 처리가 필요해져, 제조 비용이 증대된다. 이에 대하여 본 발명자들은, 염가의 통상의 환원 분위기 중에서 환원 처리를 행함으로써 합금강분 중의 O 함유량이 어느 정도 높아져도, 나중의 소결 공정에 있어서, 합금강분 중의 산소를 환원할 수 있는 것을 발견했다. 이 때문에 본 발명에서는, 합금강분 중의 O 함유량을 0.25∼0.5질량％로 하여, 일반의 산화 용이 원소를 함유하는 합금강분에 비교해 높게 하고 있다.

상기한 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물이다. 또한, 본 발명에서 이용하는 합금강분은, C 함유량을 0.01질량％ 이하, 바람직하게는 0.005질량％ 이하로 하는 것이 바람직하다. C 함유량이 0.01질량％를 초과하면, 합금강분의 각 입자의 경도가 과잉으로 높아지기 때문에, 가압 성형시의 압축성이 저하되어, 소결체의 강도가 저하되기 쉽다.

이상과 같은 합금강분은, 예를 들면, 다음과 같이 하여 제조된다.

소정의 화학 성분을 갖는 합금강을 용제(溶製)하여, 물 아토마이즈법(water atomization)으로 합금강분을 제조한다. 이 물 아토마이즈법에서는, 조업 조건이나 사용하는 장치의 구성에 특별한 제한은 없고, 종래 공지의 기술을 적용하면 좋다. 이어서, 그 합금강분에 환원 열처리를 행한다. 이 환원 열처리에 대해서도, 조업 조건이나 사용하는 장치의 구성에 특별한 제한은 없어, 종래 공지의 기술을 적용하여, 수소 가스 분위기 등의 환원성 분위기 또는 진공 분위기에서 행하면 좋다. 또한 본 발명에서는, 필요에 따라서 합금강분에 첨가되는 흑연 분말에 의해, 합금강분 중의 산소를 후의 소결 공정에서 제거할 수 있기 때문에, 염가인 수소 가스 분위기를 이용하여 환원 처리를 행할 수 있다. 환원 처리 온도도 한정되지 않지만, 800∼1000℃ 정도가 예시된다. 비용의 관점에서는 950℃ 이하가 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 제조 조건에 대해서 설명한다.

본 발명에서는, 전술한 합금강분에 필요에 따라서 다른 금속 분말, 흑연 분말, 윤활제 등의 1종 이상을 첨가하여 혼합한 후, 합금강분 또는 이를 포함하는 혼합분을 금형에 충전하여 가압 성형하고, 이어서 소결을 행하여 소결체를 얻는다.

상기 윤활제로서는, 예를 들면, 스테아린산 아연, 스테아린산 리튬, 올레인산, 스테아린산 아미드, 에틸렌비스스테아로아미드 등의 공지의 윤활제의 1종 이상을 사용할 수 있다. 윤활제의 배합량은, 합금강분의 질량에 대하여 0.2∼1질량％가 바람직하다.

다른 금속 분말로서는, 예를 들면, Cu분 등을 들 수 있다. 즉, 본 발명에 있어서는 이들 금속이 없어도 충분한 소결체 강도를 얻을 수 있지만, 보다 유리한 특성을 목표로 하여 이들 금속 분말을 4％ 정도 이하 혼합하는 것을 금하는 것은 아니다.

금속 분말 이외의 합금용 분말이나 절삭성 개선용 분말 등을 혼합해도 좋다. 예를 들면 합금용 분말로서 인화 철분(iron phosphide powder) 등, 절삭성 개선용 분말로서 황화 망간 분말 등을 들 수 있다.

상기 흑연 분말에 대해서는, 소결성을 보다 향상시키기 위해 합금강분의 산소를 저감시키고 싶은 경우에는, 소결체 중에 잔류시키는 C량과, 소결시에 합금강분 중의 산소와 반응하는 C량의 합계에 상당하는 양의 흑연 분말을 첨가하면 좋다. 즉, 후술하는 바와 같은 소결 온도의 범위에서는, 합금강분 중의 산소가 합금강분 중의 Cr이나 Mn보다도 C와 반응하기 쉬워, 흑연 분말의 형태로 주어진 C와 결합하여, CO가스로서 환원 제거된다. 이 만큼, 소결체 중에 잔류하는 C량이 감소하게 되기 때문에, 소결체 중에 소망하는 C량을 잔류시키기 위해서는, 그 C량의 감소분(즉, 소결시에 합금강분 중의 산소와 반응하는 C량)을 미리 여분으로 첨가해 두면 좋다.

소결체에 잔류하는 C량은 소결체의 강도에 큰 영향을 주기 때문에, 소결체 중에 잔류하는 C량을 제어하는 것, 즉 합금강분 중의 산소와 반응하는 C량을 미리 결정하는 것은, 매우 중요하다. 이 과제에 대하여, 본 발명자들은, 소결시에 있어서 합금강분 중의 산소의 환원에 사용되는 흑연량은, 주로 합금강분의 Cr량, Mn량 및, 이들 원소의 산화율에 의해 결정되는 것, 따라서, 소결체에 잔류시키는 C량은, 합금강분의 Cr량, Mn량 및, 이들 원소의 산화율에 의해 결정되는 양의 흑연을 부가적으로 첨가함으로써 제어할 수 있는 것을 발견했다.

구체적으로는, 합금강분 중의 Cr량[％Cr] 및 Mn량[％Mn]과, 합금강분 중의 Cr의 산화율α 및 Mn의 산화율β를 미리 구해 두고, 소결체 중에 잔류시키는 C량[％C]에 대하여, 하기 (1)식에 의해 흑연 분말의 첨가량[％Gr](분말 야금용 합금강분의 질량에 대한 질량％)을 구하여, 합금강분에 흑연 분말을 첨가함으로써, 소결체 중의 C량을 용이하게 소망하는 양으로 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는, 분말 야금용 합금강분에, 하기 (1)식의 조건을 만족하는 양[％Gr](분말 야금용 합금강분의 질량에 대한 질량％)의 흑연 분말을 첨가하는 것이 바람직하다.

[％Gr]＝t×(α×0.46×[％Cr]＋β×0.29×[％Mn])

＋γ＋[％C] …(1)

단 [％Cr]: 분말 야금용 합금강분 중의 Cr량(질량％)

[％Mn]: 분말 야금용 합금강분 중의 Mn량(질량％)

α : 분말 야금용 합금강분 중의 Cr의 산화율

β : 분말 야금용 합금강분 중의 Mn의 산화율

γ : 흑연 분말 중에서, 분말 야금용 합금강분에 흡착되어 있는 산소분 및 소결 분위기 중에 포함되는 산소분과의 반응에 소비되는 C량(분말 야금용 합금강분의 질량에 대한 질량％). 단, γ≤0.2질량％

t: 0.25∼0.75

상기 (1)식에 있어서, α×0.46×[％Cr]은, 합금강분 중에 함유되는 Cr과 결합하는 산소를 환원하기 위해 필요한 C량이고, 또한, β×0.29×[％Mn]은, 합금강분 중에 함유되는 Mn과 결합하는 산소를 환원하기 위해 필요한 C량으로서, 산화 용이 원소인 Cr이나 Mn을 함유하는 합금강분에 고유한 것이다. 즉, 0.46은 2Cr＋3O＝Cr₂O₃의 관계로부터 Cr: 52(원자량), O: 16(원자량)으로 계산한 계수이고, 0.29는 Mn＋O＝MnO의 관계로부터 Mn: 55(원자량), O: 16(원자량)으로 계산한 계수이다.

또한 상기 (1)식에 있어서, 계수 t의 상한: 0.75는, 합금강분 중의 Cr 및 Mn과 결합하는 산소의 전량이 환원된다고 했을 경우에 대해서, O와 C가 C＋O＝CO로 반응한다고 하고 생각하여, C와 O의 질량비(12:16＝0.75:1)로부터 계산한 값이다. 단 소결 조건 등에 따라서는, Cr 산화물 및 Mn 산화물의 전량이 환원되지 않는 경우도 있기 때문에, 환원되지 않고 잔존하는 산소의 양을 고려하여 계수 t에 0.25∼0.75의 범위를 갖게 했다. 계수 t는, 소결체의 제조 조건에 맞추어 0.25∼0.75의 범위 내의, 보다 좁은 수치 범위 혹은 수치(예를 들면 t＝0.4∼0.75, t＝0.5∼0.75, t＝0.5, t＝0.75 등)로 좁혀도 좋다.

또한, 산화율α＝[분말 야금용 합금강분 중에 산화물로서 포함되는 Cr량]/[분말 야금용 합금강분 중의 Cr량], 산화율β＝[분말 야금용 합금강분 중에 산화물로서 포함되는 Mn량]/[분말 야금용 합금강분 중의 Mn량]이다. 산화물로서 포함되는 Cr량, Mn량은, 분말 야금용 합금강분을 브롬 또는 요오드 등을 알코올에 용해한 할로겐 알코올 용액에 용해하고, 그 추출 잔사 중의 금속분을 원자 흡광법으로 분석함으로써 측정할 수 있다. 또한 사용하는 합금강분의 산화율α,β에 특별한 제한은 없지만, (α×0.46×[％Cr]＋β×0.29×[％Mn])의 값을 0.05질량％ 미만으로 하기 위해서는, 매우 청정한 환원 분위기 또는 감압 분위기가 필요해져, 비용이 증대되기 때문에, (α×0.46×[％Cr]＋β×0.29×[％Mn])의 값이 0.05질량％ 이상이 되는 바와 같은 산화율α,β인 것이 바람직하다.

또한, γ는 첨가된 흑연 분말 중에서, 분말 야금용 합금강분의 입자 표면에 흡착되어 있는 산소분(산소 함유 가스, 수분의 형태로 흡착되어 있는 산소분) 및 소결 분위기에 포함되는 산소분(산소 함유 가스, 수분으로서 포함되는 산소분)과의 반응으로 소비되는 C량이다. γ의 값은 경험칙에 기초하여 결정해도 좋고, 통상의 순철분을 유사한 성형·소결 조건으로 처리했을 경우의 C소비량을 조사하여, 이 C소비량을 γ로 해도 좋다. 단, γ는 0.2질량％ 이하로 한다. γ가 0.2질량％를 초과하면 불필요하게 탄소를 소비하는 조건에서 소결체를 제조하고 있을 가능성이 높기 때문에, 상기의 입자 표면에 흡착되어 있는 산소분이나 소결 분위기에 포함되는 산소분을 저감하는 등의 조치를 취하는 것이 바람직하다. 한편, γ를 0.01질량％ 미만으로 하려면, 소결에 도달하는 전(全)공정에서 엄격한 산화 관리가 필요해져, 제조 비용에도 영향을 주기 때문에, 일반적으로 γ는 0.01질량％ 이상인 것이 바람직하다.

또한 실제로 첨가하는 흑연 분말량의, 목표값[％Gr]에 대한 정밀도는 목적에 따라 정해도 좋다. 예를 들면, [％Gr]±0.05질량％의 범위 내로 해도 좋다. 혹은 [％Gr]을 0.05질량％ 단위, 0.1질량％ 단위 등, 소정의 단위폭으로 정리해도 좋다. 한편, [％Gr]을 0.01질량％ 단위, 혹은 보다 세밀한 정밀도로 설정해도 좋은 것은 말할 필요도 없다.

상기 (1)식에서 정해지는 양의 흑연 분말을 이용함으로써, 소결체 중에 잔류하는 흑연 유래의 C량을 적어도 [％C]±0.05질량％ 정도의 범위로 넣을 수 있다.

이하, 가압 성형 및 소결되는「합금강분 또는 합금강분을 포함하는 혼합분」을 설명의 편의상 「원료 분말」이라고 부른다.

원료 분말의 가압 성형에서는, 사용하는 장치의 구성 등에 특별한 제한은 없지만, 700MPa 이상의 압력에서 성형을 행할 필요가 있다. 성형 압력이 700MPa 미만에서는, 충분한 강도의 소결체가 얻어지지 않는다. 또한, 소결 후에 침탄 담금질 처리(통상, 침탄성 가스 분위기 중에서 가열하여 소결체에 C를 고용(침탄)시킨 후, 기름 중에 담금질하는 처리)를 행하는 경우에, 성형 압력이 700MPa 미만에서는, 얻어지는 성형체의 밀도가 충분하지 않고, 침탄성 가스 분위기 중에 포함되는 산소에 의해 입계(intergranular) 산화(침탄성 가스 분위기 중에 함유되는 산소와, 소결체 중의 산화 용이 원소인 Cr, Mn이 결합함으로써 발생하는 입계 산화)가 발생하여 소결체(열처리체) 강도가 저하된다. 이에 대하여, 700MPa 이상의 성형 압력에서 성형을 행하면, 충분한 밀도의 성형체가 얻어지기 때문에, 소결 후에 침탄 담금질 처리하는 경우라도 입계 산화가 발생하기 어려워, 충분한 강도의 열처리체를 얻을 수 있다.

또한, 가압 성형은, 실온(약 20℃)∼160℃의 온도로 행하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 금형의 온도를 50∼70℃로 유지하면서, 실온의 원료 분말을 충전하여 가압 성형하면, 양호한 압축성이 얻어진다. 또한, 금형과 원료 분말을 120∼130℃로 가열하여 가압 성형하는 기술(소위 온간(warm) 성형)도 적용할 수 있다.

상기 가압 성형 후의 소결은, 1150∼1300℃의 온도에서 행할 필요가 있다. 소결 온도가 1150℃ 미만에서는, 상기의 산소의 환원 반응이 불충분해져, 분말 입자의 결합이 불충분하기 때문에, 충분한 강도의 소결체가 얻어지지 않는다. 한편, 소결 온도가 1300℃를 초과하면 결정립의 조대화(粗大化)가 발생하여, 오히려 강도가 저하되어 버린다. 또한, 제조 비용의 관점에서는, 소결 온도는 1150∼1200℃가 특히 바람직하다.

또한, 이러한 소결 온도에 의한 소결 시간은, 소결성 및 제조 비용의 관점에서 20∼120분 정도가 바람직하다.

또한, 소결을 행하는 분위기에는, 환원 가스, 불활성 가스, 탄화 수소 변성 가스(소위 RX가스) 등을 사용한다. 또한, 분위기를 진공으로 해도 좋다. 본 발명에서 사용하는 합금강분은, 산화되기 쉬운 원소인 Cr, Mo의 배합량을 적게 했기 때문에, RX가스 분위기에서 소결해도 입계 산화가 억제되어, 자동차용 고강도 소결 부품 등으로서 충분한 특성을 얻을 수 있다.

사용하는 소결 설비 등에 특별한 제한은 없지만, 소결 비용 삭감의 관점에서는, 대량 생산이 가능한 메시 벨트로(mesh belt furnace)나 푸셔로(pusher furnace)를 사용하는 것이 바람직하다.

또한 얻어지는 소결체의 산소 함유량에 특별한 제한은 없지만, 일반적으로는, 0.1질량％ 이하까지 저감하는 것이 바람직하고, 0.05질량％ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 소결체 C량에도 특별한 제한은 없지만, 일반적으로 0.1∼0.9질량％ 정도이다.

이상과 같이 하여 얻어진 소결체는, 소결한 채라도 자동차용 고강도 소결 부품으로서 사용할 수 있다. 단, 필요에 따라서 침탄 담금질(소위 CQT), 광택 담금질(소위 BQT), 고주파 담금질, 침탄 질화 열처리 등의 열처리를 행해도 좋다. 침탄 담금질, 광택 담금질, 고주파 담금질을 행하는 경우는, 추가로 템퍼링을 행하는 것이 바람직하다. 이들 열처리를 행함으로써, 자동차용 고강도 소결 부품으로서의 특성이 한층 더 향상된다. 또한, 이들 열처리에서는, 조업 조건이나 사용하는 장치의 구성에 특별한 제한은 없고, 종래 공지의 기술을 적용하면 좋다.

(실시예)

(실시예 1)

표 1에 나타내는 조성의 합금강분에, 소결 후의 C량(소결체 C량)이 0.3질량％가 되는 양의 흑연 분말을 첨가하여, 혼합한 원료 분말을 이용했다. 이 원료 분말을 성형 압력 700MPa에서 저면(底面)이 10mm×60mm의 각주(rectangular-column) 형상 성형체로 성형하고, 질소 가스 분위기 중에 있어서 1200℃에서 소결했다. 이 각주 형상 소결체에 침탄 담금질 템퍼링을 행한 후, 인장 강도와 충격값을 측정함과 함께, 금속 조직을 관찰했다. 또한, 침탄 담금질 템퍼링의 소결체에 대해서, C분석을 행했다. 그들 결과를 표 1에 함께 나타낸다.

표 1에 있어서, 합금강분의 Cr량이 적은 시료번호 1(비교예)은, 생성하는 마텐자이트량이 적기 때문에 소결체의 인장 강도는 낮다. 한편, Cr량이 너무 많은 시료번호 4(비교예)는 입계 산화가 발생하기 때문에, 이 경우도 소결체의 인장 강도는 낮다. 이에 대하여, 본 발명예인 시료번호 2, 3은, 충분한 담금질성이 확보되기 때문에, 소결체는 1000MPa 이상의 높은 인장 강도가 얻어지고 있다.

또한, 합금강분의 Mn량이 적은 시료번호 5(비교예)는, 생성하는 마텐자이트량이 적기 때문에 소결체의 인장 강도는 낮다. 한편, Mn량이 너무 많은 시료번호 8(비교예)은, 입계 산화가 발생하기 때문에, 이 경우도 소결체의 인장 강도는 낮다. 이에 대하여, 본 발명예인 시료번호 6, 7은, 충분한 담금질성이 확보되기 때문에, 소결체는 1000MPa 이상의 높은 인장 강도가 얻어지고 있다.

또한, 합금강분의 Mo량이 적은 시료번호 9(비교예)는, 생성하는 마텐자이트량이 적기 때문에 소결체의 인장 강도는 낮다. 한편, Mn량이 너무 많은 시료번호 12(비교예)는, 원료분체의 압축성이 저하되기 때문에, 이 경우도 소결체의 인장 강도는 낮다. 이에 대하여, 본 발명예인 시료번호 10, 11은, 충분한 담금질성이 확보되기 때문에, 소결체는 1000MPa 이상의 높은 인장 강도가 얻어지고 있다.

또한, 합금강분의 O량이 너무 많은 시료번호 16(비교예)은, 원료분체의 압축성이 저하되기 때문에 소결체의 인장 강도는 낮다. 이에 대하여, 본 발명예인 시료번호 13∼15의 소결체는 1000MPa 이상의 높은 인장 강도가 얻어지고 있다.

(실시예 2)

실시예 1(표 1)의 시료번호 2에서 이용한 합금강분(Cr: 0.3질량％, Mn: 0.3질량％, Mo: 0.2질량％, C: 0.004질량％, O량: 0.3질량％, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물)에, 소결 후의 C량(소결체 C량)이 0.3질량％가 되는 양의 흑연 분말과 성형 윤활제(스테아린산 아연)를 첨가하여, 혼합한 원료 분말을 이용했다. 이 원료 분말을 저면이 10mm×60mm의 각주 형상 성형체로 성형하고, 질소 가스 분위기 중에 있어서 소결했다. 이 각주 형상 소결체에 침탄 담금질 템퍼링을 행한 후, 인장 강도와 밀도를 측정했다. 이 결과를, 성형 압력 및 소결 온도와 함께 표 2에 나타낸다. 또한 도 1에, 시료번호 2, 5∼7의 성형 압력과 인장 강도와의 관계를, 기존 고강도재인 시료번호 8∼11의 그것과 비교하여 나타낸다.

표 2에 있어서, 소결 온도가 너무 낮은 시료번호 1(비교예)은, 합금강분의 입자의 결합이 불충분하고, 또한 침탄 담금질시에 입계 산화가 발생하기 때문에, 소결체의 인장 강도는 낮다. 한편, 소결 온도가 너무 높은 시료번호 4(비교예)는, 결정 알갱이의 조대화가 발생하여, 이 경우도 소결체의 인장 강도는 낮다. 또한, 도 1에 나타내는 바와 같이, 가압 성형시의 압력이 너무 낮은 시료번호 5, 6(비교예)은, 밀도가 낮기 때문에 침탄 담금질시에 입계 산화가 발생하여, 기존의 고강도재(시료번호8∼11)보다도 인장 강도가 현저하게 낮다. 이에 대하여, 본 발명예인 시료번호 2, 3, 7의 소결체는 1000MPa 이상의 높은 인장 강도가 얻어지고 있다.

(실시예 3)

표 3에 나타내는 조성의 합금강분에 흑연 분말을 첨가하여, 혼합한 원료 분말을 이용했다. 이 원료 분말을 성형 압력 700MPa에서 저면이 10mm×60mm의 각주 형상 성형체로 성형하고, 질소 가스 분위기 중에 있어서 1200℃에서 소결했다. 이 각주 형상 소결체의 인장 강도를 측정함과 함께, C분석을 행했다. 이들 결과를 표 3에 함께 나타낸다.

표 3에 있어서, 시료번호 1∼4는 흑연 분말의 첨가량을 0.60질량％로 일정하게 하고 있기 때문에, 합금강분 중의 산소량의 증가와 함께 탈탄량(amount of carbon removed)이 증가해, 소결체의 C량에 불균일이 발생하여, 인장 강도가 크게 변동하고 있다. 한편, 시료번호 5∼7은, 소결시에 산소와 반응하는 양을 고려하여 흑연 분말을 첨가하고 있기 때문에, 소결체의 C량과 인장 강도에 실질적인 불균일은 발생하지 않는다.

(실시예 4)

표 4에 나타내는 조성의 합금강분에, 소결 후의 C량(소결체 C량)이 0.4질량％가 되도록, 상기 (1)식(t＝0.75, γ＝0.1질량％)에 의해 구한 양의 흑연 분말을 첨가하여, 혼합한 원료 분말을 이용했다. 이 원료 분말을 성형 압력 700MPa에서 저면이 10mm×60mm의 각주 형상 성형체로 성형하고, 질소 가스 분위기 중에 있어서 1200℃에서 소결했다. 이 각주 형상 소결체에 침탄 담금질 템퍼링을 행한 후, 인장 강도와 충격값을 측정함과 함께, 금속 조직을 관찰했다. 또한, 침탄 담금질 템퍼링 전의 소결체에 대해서, C분석을 행했다. 그들 결과를 표 4에 함께 나타낸다.

또한 표 4에 의하면, 어느 소결체(단, No.16의 소결체는 제외함)도 C분석으로 측정된 C량은 거의 0.40질량％(±0.03질량％)로서, 상기 (1)식에 의해, 목표로 하는 소결체 중의 C량에 대하여, 흑연 분말의 첨가량을 정확하게 구하는 것이 가능하다는 것을 알았다. 또한, 합금강분 중의 산소 함유량이 많은 No.16은, 소결체 C량이 (1)식에 의한 목표값(0.40질량％)으로부터 큰 폭으로 일탈했지만, 이는 γ가 (1)식의 설정값: 0.1질량％보다도 상당히 일탈했기 때문이라고 생각된다.

(실시예 5)

표 5에 나타내는 조성의 합금강분에 흑연 분말을 첨가하여, 혼합한 원료 분말을 이용했다. 이 원료 분말을 성형 압력 700MPa에서 저면이 10mm×60mm의 각주 형상 성형체로 성형하고, 질소 가스 분위기 중에 있어서 1200℃에서 소결했다. 이 각주 형상 소결체의 인장 강도를 측정함과 함께, C분석을 행했다. 이들 결과를 표 5에 함께 나타낸다.

표 5에 있어서, 시료번호 1∼4는 흑연 분말의 첨가량을 0.60질량％로 일정하게 한 것이다. 이들은, 합금강분 중의 산소량의 증가와 함께 탈탄량이 증가해, 소결체의 C량에 불균일이 발생하여, 인장 강도가 크게 변동하고 있다. 한편, 시료번호 5∼7은, 소결시에 산소와 반응하는 C량을 고려하여, 상기 (1)식(t＝0.75, γ＝0.1질량％)에 의해 구한 양의 흑연 분말을 첨가한 것이다. 이들은, 소결체의 C량과 인장 강도에 실질적인 불균일은 발생하지 않는다.

(실시예 6)

표 6에 나타내는 조성의 합금강분에 흑연 분말을 첨가하여, 혼합한 원료 분말을 이용했다. 이 원료 분말을 성형 압력 700MPa에서 저면이 10mm×60mm의 각주 형상 성형체로 성형하고, 질소 가스 분위기 중에 있어서 1150℃에서 소결했다. 이 각주 형상 소결체의 인장 강도를 측정함과 함께, C분석을 행했다. 그들 결과를 표 6에 함께 나타낸다.

표 6에 있어서, 시료번호 1∼3은, 소결시에 산소와 반응하는 C량을 고려하여, 소결체 C량이 0.5질량％가 되도록, 상기 (1)식(t＝0.5, γ＝0.1질량％)에 의해 구한 양의 흑연 분말을 첨가한 것이다. 이들은, 소결체의 C량과 인장 강도에 실질적인 불균일은 발생하지 않는다.

Claims

Cr: 0.3∼0.7질량％, Mn: 0.1∼0.5질량％, Mo: 0.1∼0.5질량％, O: 0.25∼0.5질량％를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는, Ni 미(未)첨가의 분말 야금용 합금강분(粉)을 이용하고, 상기 합금강분에, 소결체 중에 잔류시키는 C량과, 소결시에 분말 야금용 합금강분 중의 산소와 반응하는 C량의 합계에 상당하는 양의 흑연 분말을 첨가하여, 당해 분말 야금용 합금강분을 700MPa 이상의 압력에서 성형한 후, 1150∼1300℃의 온도에서 소결하여, 소결체 내에 Ni을 함유하지 않으면서 1000MPa 이상의 인장 강도를 갖는 소결체를 얻는 것을 특징으로 하는 분말 야금법에 의한 소결체의 제조 방법.
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제1항에 있어서,
분말 야금용 합금강분에, 하기 (1)식의 조건을 만족하는 양[％Gr](분말 야금용 합금강분의 질량에 대한 질량％)의 흑연 분말을 첨가하는 것을 특징으로 하는 소결체의 제조 방법.
[％Gr]＝t×(α×0.46×[％Cr]＋β×0.29×[％Mn])
＋γ＋[％C] …(1)
단 [％Cr]: 분말 야금용 합금강분 중의 Cr량(질량％)
[％Mn]: 분말 야금용 합금강분 중의 Mn량(질량％)
[％C]: 흑연 분말 중에서, 소결체 중에 잔류시키는 C량(분말 야금용 합금강분의 질량에 대한 질량％)
α: 분말 야금용 합금강분 중의 Cr의 산화율
β: 분말 야금용 합금강분 중의 Mn의 산화율
γ: 흑연 분말 중에서, 분말 야금용 합금강분에 흡착되어 있는 산소분 및 소결 분위기 중에 포함되는 산소분과의 반응에 소비되는 C량(분말 야금용 합금강분의 질량에 대한 질량％). 단, γ≤0.2질량％
t: 0.25∼0.75