KR101608912B1 - 마모 및 온도 저항성 용도의 분말 금속 합금 조성물 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

높은 마모 및 온도 저항성 용도의 분말 금속 강 합금 조성물이 적어도 3.0 wt%의 양으로 C를 함유하고; Cr, V, Mo 또는 W로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 한가지 탄화물-형성 합금 원소; 약 0.5 wt% 미만의 O 함량을 함유하고, 나머지는 부수적인 불순물은 별도로 하고 본질적으로 Fe를 포함하는 용융 강 합금 조성물을 수분사함으로써 만들어진다. 고탄소 함량은 용융물에서 산소의 용해도를 감소시키고 따라서 산소 함량을 탄화물-형성 원소가 수분사의 동안에 산화하도록 야기하게되는 수준보다 아래의 수준으로 저하시킨다. 합금 원소는 따라서 산화물로서 매여있지 않고 후속 소결 단계에서 신속하게 쉽게 탄화물을 형성하도록 이용가능하다. 과잉으로 존재하는 탄소는 또한 최종 제품의 미세조직 및 성질을 제어하기 위해 소결 동안에 예비합금된 분말에 첨가될 수도 있는 한가지 이상의 다른 혼합된 분말에 확산되도록 이용된다.

Description

마모 및 온도 저항성 용도의 분말 금속 합금 조성물 및 그 제조 방법{POWDERED METAL ALLOY COMPOSITION FOR WEAR AND TEMPERATURE RESISTANCE APPLICATIONS AND METHOD OF PRODUCING SAME}

이 출원은 2008년 4월 8일 출원된 미국 출원 일련번호 61/043,256의 우선권을 주장하며, 이것은 여기에 참고로 포함된다.

본 발명은 일반적으로 분말로된 금속 물품을 형성하기 위해 단독으로 또는 다른 분말 금속 조성물과 혼합된, 압축성형 및 소결하기에 적합한 분말로 된 금속 경질 예비합금된 강 조성물에 관한 것이며, 이러한 경질 합금 강 분말의 제조방법 및 그로부터 만든 부품에 관한 것이다.

공구 강 등급의 분말과 같은 높은 경도의 예비합금된 강 분말은 단독으로 사용될 수도 있고, 아니면 여러가지 제조 물품의 분말-금속학 생산에서의 다른 분말 금속 조성물과 혼합될 수 있다. 공구 강은 M₆C, MC, M₃C, M₇C₃, M₂₃C₆와 같은 여러가지 탄화물을 형성하기 위해 탄소와 조합하는 크롬, 바나듐, 몰리브덴 및 텅스텐과 같은 원소들을 함유한다. 이들 탄화물은 매우 경질이고 공구 강의 내마모성에 기여한다.

분말 금속 가공처리는 입자들이 충분히 합금된 용융 금속으로부터 형성되도록 허용하여 이러한 입자가 금속 용융 배치의 충분히 합금된 화학 조성을 지니게 된다. 분말 금속은 또한 용융 금속의 소형 입자로의 신속한 고화를 허용하는데 이는 잉곳 주조와 통상 연관되는 매크로 편석을 제거한다. 공구 강과 같은 고도로 합금된 강의 경우에, 탄화물의 균일한 분포가 각 입자내에 전개되어 매우 경질의 내마모성 분말 재료를 만들 수 있게 된다.

분사(atomization)를 통해 분말을 만드는 것이 통상적이다. 크게 산화하기 쉬운 높은 수준의 크롬, 바나듐 및/또는 몰리브덴을 함유하는 공구 강 및 다른 합금의 경우에, 기체 분사가 종종 사용되는데, 이때 용융 합금의 스트림을 노즐을 통해 보호용 챔버에 붓고 질소와 같은 고압 비활성 기체의 흐름에 의해 충격을 주는데 이것이 용융 금속 스트림을 점적들로 분산시키게 된다. 비활성 기체는 분사의 동안에 합금 원소들이 산화하는 것으로부터 보호하며 기체 분사된 분말은 특징적인 매끄러운 둥근 형상을 갖는다.

수분사(water atomization)도 또한 분말 금속을 제조하기 위해 통상 사용된다. 이것은 기체 분사와 유사한데, 단지 분사 유체로서 질소 기체의 대신에 고압수를 사용한다. 물은 더욱 효과적인 급냉(quenching) 매질이 될 수 있고, 따라서 고화 속도가 종래의 기체 분사에 비해 더 높을 수 있다. 수분사된 입자들은 전형적으로 더 불규칙적인 형상을 갖는데 이것은 분말의 후속 압축성형의 동안에 분말 금속 압축성형물의 더 큰 미가공(green) 강도를 달성하기에 보다 바람직할 수 있다. 그러나, 높은 수준의 크롬, 바나듐 및/또는 몰리브덴을 함유하는 공구 강 및 다른 합금의 경우에, 분사 유체로서 물의 사용은 합금 원소들이 분사의 동안에 산화를 야기하고 이들 합금 원소들을 잡아매어 그것들이 탄화물을 형성하는 탄소와의 반응에 이용되지 못하게 할 것이다. 결국, 수분사를 사용한다면 별도의 산화물 환원 및/또는 어닐링 사이클이 추가로 이어지는 것이 필요할 수 있고, 이때 분말 그라파이트, 또는 다른 탄소원 또는 다른 환원제와 같은 환원제의 존재하에 또는 또 다른 환원 공정에 의해 분말을 긴 기간동안(수시간 또는 수일 정도) 고온에서 가열 및 유지하게 된다. 그라파이트의 탄소는 산소와 합해져서 합금 원소를 풀어놓아 그것들이 분말의 미가공 압축성형물로의 고화 후 후속 소결 및 템퍼링 단계의 동안에 탄화물 형성에 이용되도록 할 것이다. 여분의 어닐링/환원 단계 및 그라파이트 분말의 추가의 요건은 수분사 공정을 통해 고급 합금 분말의 형성에 비용 및 복잡성을 부가한다는 것이 인정될 것이다.

발명의 개요

본 발명의 한 양태에 따르면, 수분사를 사용하여, 그러나 산화하기 쉬운 합금 원소(들)를 분사의 동안에 산화하는 것으로부터 보호하여 합금 원소(들)가 탄화물을 형성하는데 이용되도록 하는 방식으로, 몰리브덴, 크롬, 텅스텐 또는 바나듐 중 적어도 한가지를 함유하는 고급 합금 강 분말을 제조하는 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 고급 합금 강에서 탄소 수준은 원하는 탄화물을 형성하는데 화학양론적으로 필요로 하는 것보다 위로 상당히 증가된다. 증가된 탄소는 용융 강에서 산소의 용해도를 상당히 감소시키고, 따라서 용융물에서 산소 수준을 억제하는 유리한 효과를 갖는다. 산소 수준을 효과적으로 감소시킴으로써, 합금 원소들은 용융물에서 및 분사의 동안에 산화를 덜 받게 된다. 결국, 몰리브덴, 크롬, 텅스텐 및/또는 바나듐의 합금 원소들의 한가지 이상이 용융 및 분사 후 유리상태로 남아 탄소와 조합되어 입자 매트릭스에서 미세하게 분산된 높은 탄화물 부피 농도를 달성하게 된다. 따라서, 탄소의 높은 농도는 용융물에서 산소 함량을 감소시켜 합금 원소들이 산화하는 것을 방지함으로써 보호 역할에 있어서와 미산화 유리 합금 원소들과 나중 조합에 의해 소결 동안에 분말에서 높은 농도의 미세하게 분산된 탄화물을 생성함으로써 성질 발현 역할에 있어서 모두 기여한다. 결과는 기체 아니면 종래의 수분사 공정에 의해 전형적으로 달성된 것 보다 위인 것으로 생각되는 높아진 경도를 갖는 저가로 생산되는 충분히 합금된 분말이고 비교용 합금 조성물은 낮은 탄소 수준을 갖는다. 고탄소 수분사된 분말은 또한 낮은 탄소 수준으로 산소를 감소하고 적당한 미세조직을 생성하기에 필요한 것과 같은 후속 열처리 공정(연장된 어닐링 및/또는 산화물 환원)의 필요를 회피한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 합금 조성물에 포함된 탄소의 "높은" 양의 탄소는 입자들에서 탄화물의 원하는 유형 및 부피 백분율을 형성하는데 요구되는 탄소의 화학양론 양을 초과하는 양으로서 정의된다. "높은" 것으로 간주되는 탄소의 백분율은 따라서 특정 합금 조성에 의존하여 다양할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 저가의 고급 합금 강 분말은 상기 수분사 공정에 의해 제조된다. 수분사된 분말 합금은 Cr, V, Mo 또는 W로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 한가지 합금을 함유하고 적어도 3.0 wt%의 C 함량을 갖는다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 적어도 3.0 wt%의 C 함량, 10 wt.% 초과의 Cr 함량, 5 wt.% 미만의 Mo 함량 및 약 0.5 wt.% 미만의 산소 함량을 갖는 저가의 수분사된 공구 강 합금 분말이 제공되며, 약 0.2 wt.% 산소가 달성되었다. 분사된 대로의 상태에서, 탄화물-형성 합금은 수분사의 동안에 일어나는 신속한 고화로 인해 과포화된(supersaturated) 상태로 존재한다. 높은 탄소 함량과 조합된 합금 원소들의 미산화 과포화된 상태는 연장된 사전 어닐링 사이클(수시간 또는 수일)에 대한 필요 없이 후속 소결 단계의 동안에 신속하게(수분 내에) 탄화물이 침전하고 충분히 전개되는 것을 허용하나, 분말은 원함에 따라, 예를 들면, 약 900-1100 ℃에서 1 내지 48시간 동안 또는 원한다면 다른 어닐링 사이클에 따라서 어닐링될 수 있다. 어닐링은 강제적이지 않고 선택적이다. 높은 부피 퍼센트의 탄화물이 생성될 수 있고(약 47-52 vol% 정도) 탄화물은 균일하게 분산되고 매우 미세하다(약 1 내지 2 μm). 결과된 높은 부피 밀도의 탄화물 침전은 1000-1200 Hv₅₀의 범위의 마이크로경도를 갖는 매우 경질의 분말을 제공한다.

본 발명의 더 이상의 양태에 따르면, 중량 퍼센트로, 3.8 C, 13 Cr, 4 V, 1.5 Mo 및 2.5 W를 갖고, 나머지는 본질적으로 Fe인 특정 합금 조성물이 만들어졌다. 소결 후 분말 입자는 약 40-45 vol%의 크롬-풍부 탄화물 및 약 7 vol%의 바나듐-풍부 탄화물의 부피 분율을 갖는다. 크롬-풍부 탄화물은 약 1-2 μm의 크기를 갖는다. 입자들은 약 1000-1200 Hv₅₀의 마이크로경도를 갖는다. 이들 입자는 본질적으로 1000 Hv₅₀ 초과의 경도를 포함하는 소결 및 템퍼링을 통해 유지될 수 있으나, 탄화물을 전개하는데 필요한 것 이상으로 입자에 함유된 과잉의 탄소 중 일부는 낮은 탄소 함량을 갖는 또 다른 제1철(ferrous) 분말과 혼합된다면 경질 입자 밖으로 확산될 수도 있다. 이 과잉의 탄소 확산은 때때로 미세조직의 제어 및 성질 향상을 위해 압축성형 및 소결의 동안에 첨가되는 탄소-풍부 분말(예를 들면 분말 그라파이트)의 첨가에 대한 필요를 제거 또는 적어도 감소시키는 부가된 이점을 갖는다. 게다가, 사전합금된 탄소는 별도의 그라파이트 첨가로 일어날 수 있는 그라파이트 편석의 경향을 감소시킬 것이다.

본 발명의 더 이상의 양태에 따르면, 수분사된 분말은 수분사의 동안에 형성될 수도 있는 어떤 외부 산화물 스킨을 파괴 및 분리해내기 위해 분사 후 기계적으로 분쇄된다. 입자의 외부 표면은 합금의 증가된 탄소 함량으로도 산화될 수 있는 한편, 입자 내의 합금 구성성분들은 용융 및 분사의 동안에 산화로부터 보호된다는 것이 인정되어야 한다. 어떤 경우에는, O 함량은 분말의 표면에서의 어떤 산화물이 최소한이고 제거없이 허용되는 경우 충분히 낮을 수 있고(예를 들면 0.03 wt% 미만), 따라서 적어도 외부 산화물 층을 파괴할 목적으로 어떤 경우에는 분쇄가 선택적일 수 있게 한다. 기계적 분쇄는 입자의 크기를 감소시키기 위해서와 수분사의 동안에 형성될 수도 있는 재료의 외부 산화된 층을, 원한다면, 파괴해냄으로써 입자의 유효 산소 함량을 감소시키기 위해서 둘다에 유리하게 사용될 수 있다.

본 발명의 더 이상의 양태에 따르면, 합금의 원하는 성질을 손상하지 않는, 황, 망간, 그리고 부수적인 및/또는 불가피한 불순물을 포함하는 다른 원소들의 첨가도 또한 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려된다.

본 발명의 이들 및 다른 특징 및 이점들은 구체적인 내용의 설명과, 분말을 제조하기 위해 사용된 공정을 개략적으로 예시하는 첨부 도면으로부터 당업자에게 보다 명백해질 것이다.

도 1은 고탄소, 고급 합금 강 분말을 제조하는 방법을 개략적으로 예시한다.

충분히 합금된 강의 용융 배치(10)를 준비하여 수분사기(12)에 이송하고 거기에서 용융된 금속 스트림을 불규칙한 형상의 충분히 합금된 금속 점적들 또는 입자들로 분산 및 신속히 고화시키는 고압수의 흐름에 의해 용융 금속 스트림(10)에 충격을 준다. 입자의 외부 표면은 물 및 미보호 분위기에의 노출에 의해 산화될 수도 있다. 분사된 분말을 건조기(14)를 통과시킨 다음 분쇄기(16)에 통과시키고 거기서 분말이 기계적으로 분쇄되고 파쇄된다. 볼밀 또는 다른 기계적 입도저감 장치가 사용될 수도 있다. 입자의 기계적 분쇄는 입자의 외부 산화물 스킨을 부수고 분리시킨다. 입자들 자체도 또한 부서지고 크기가 감소된다. 분쇄된 입자들은 다음에 산화물로부터 분리되어 수분사된 분말(18) 및 산화물 입자(20)를 수득한다. 분말(18)은 또한 통상 분말 금속과 연관된 크기, 형상 및 다른 특징들에 대해 분류될 수 있다.

합금 강의 배치(10)는 높은 합금 함량과 고탄소 함량 그리고 저산소 함량을 갖는 것이다. 합금 함량은 공구 강 등급의 강들에 사용된 것들, 이른바 크롬, 몰리브덴, 바나듐 또는 텅스텐의 적어도 한가지를 특징으로 하는 탄화물-형성 원소들을 포함한다. "고" 탄소 함량은 입자들에서 탄화물의 원하는 유형 및 부피%를 전개하는데 화학양론적으로 필요로 하는 양의 과잉량으로서 정의된다. "저" 산소 함량은 약 0.5 wt% 미만이다.

용융물에 과잉의 탄소를 첨가하는 한가지 이유는 용융 동안에 및 분사의 동안에 합금이 산화하는 것으로부터 보호하는 것이다. 강의 증가된 탄소 함량은 용융물에서 산소의 용해도를 감소시킨다. 용융물에서 산소 수준의 고갈은 탄화물-형성 합금 구성성분들이 용융의 동안에 또는 수분사의 동안에 산화하는 것으로부터 차단하고, 따라서 소결의 동안에 자유롭게 탄소와 조합되어 원하는 탄화물을 형성하도록 하는 이점을 갖는다. 높은 탄소 수준의 또 다른 이유는, 특히 Cr 및/또는 V의 수준이 높을 때, 탄화물이 침전하고 속해있는 매트릭스가 본질적으로 마르텐사이트 및/또는 오스테나이트 중 하나인 것을 보장하기 위한 것이다.

적어도 비용을 이유로, 탄화물-형성 합금 원소들의 일부의 양을 다른 것들보다 증가시키려는 요구가 있다. 따라서, Mo는 높은 탄화물 밀도를 가진 매우 경질의 탄화물을 형성하기 위한 탁월한 선택인 한편, 그것은 현재는 말하자면 Cr과 비교하여 매우 고가이다. 그래서, 더욱 고가의 종래의 M2 등급의 공구 강과 적어도 성능에 있어서 비교할만한 저가의 공구 등급 품질의 강을 개발하기 위해, 성질 및 비용 구조 면에서 원하는 목적 결과물을 달성하기 위해 탄소 함량을 증가시키면서 더 고가의 형성 원소들을 덜 고가의 원소들로 대체하는 것이 제안되고 있다. 이것은 강 합금에 Cr을 적어도 10 wt.%의 양으로 첨가하고, Mo를 5 wt.% 미만으로 감소시키고 C의 양을 3 wt%를 초과하여 증가시킴으로써 행해진다. V, W의 첨가는 형성할 원하는 탄화물에 따라 다양할 수 있다. 이하의 표 1은 본 발명과 관련하여 제조된 특정 합금 조성물 LA의 예를 비교용의 시판 등급의 M2 공구 강의 조성과 함께 나타낸다.

표 1. 합금 조성 (wt.%)
분말	Cr	V	Mo	W	C	Fe
LA	13	4	1.5	2.5	3.8	나머지
M2	4	2	5	6	0.85	나머지

본 발명 분말 LA를 도면에 개략적으로 예시한 상기한 공정에 따라 제조하였다. 약 40-45 vol.% 정도로 매우 높은 부피%의 크롬-풍부 탄화물과 약 7 vol.% 정도로 바나듐-풍부 탄화물을 갖는 것으로 나타났다. 크롬-풍부 탄화물은 약 1-2 μm의 크기를 갖고 V-풍부 탄화물은 약 1 μm의 크기를 갖는다. 탄화물이 침전된 입자들의 둘러싸는 매트릭스는 본질적으로 페라이트가 없는 본질적으로 마르텐사이트계이었다. 오스테나이트가 허용가능할 수도 있다. LA 입자의 마이크로경도는 소결된 상태에서 약 1000-1200 Hv₅₀의 범위인 것으로 측정되었다. 경도는, 일차 저탄소, 저합금 분말 조성물로 15 및 30 vol.%에서 경질 입자들로서 LA 입자들을 혼합했을 때 압축성형, 소결 및 템퍼링 후 1000 Hv₅₀보다 위에서 유지되었다. 경질 입자들로부터의 탄소의 일부는 혼합물의 이웃하는 저탄소 함량 일차 분말 매트릭스 재료로 확산된 것으로 나타났다. 소결 및 템퍼링 사이클을 제어하는 것은 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 및/또는 마르텐사이트의 양을 다양하게 하는 것을 포함하는 일차 매트릭스의 성질을 제어하는 것을 허용한다. MnS 및/또는 다른 화합물들과 같은 첨가물들이 혼합물의 성질을 변경하기 위해서, 예를 들면 기계가공성을 개선하기 위해 혼합물에 첨가될 수 있다. LA 경질 입자들은 본질적으로 안정하고 그것들의 성질은 본질적으로 일차 매트릭스 재료의 성질을 발현시키기 위해 사용된 후속 열처리에 의해 제약을 받지 않는다.

본 발명을 현재 바람직한 구체예와 관련하여 기술하였고, 따라서 그 기술 내용은 본질상 제한이라기 보다 예시이다. 개시된 구체예들에 변형 및 수정은 당업자들에게 명백해질 수 있고 본 발명의 범위 내에 든다. 따라서, 본 발명의 범위는 이들 특정 구체예들에 제한되지 않아야 하며, 어떤 궁극적으로 허용된 특허청구범위에 의해 정의된다.

Claims (35)

1. 예비합금된 수분사된 강 분말을 포함하는 예비소결된 분말 금속 조성물로서, 상기 예비합금된 수분사된 강 분말은:
   3.8 wt%의 양인 C;
   13 wt%의 양인 Cr;
   4 wt%의 양인 V;
   1.5 wt%의 양인 Mo;
   2.5 wt%의 양인 W;
   0.5 wt% 미만의 O 함량; 및
   부수적인 불순물은 별도로 하고 본질적으로 Fe를 포함하는 나머지;
   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 예비소결된 분말 금속 조성물.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 Cr, V, Mo 및 W 중 적어도 한가지는 과포화된 상태로 존재하는 것을 특징으로 하는 조성물.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 예비합금된 강 분말은 또 다른 분말과 혼합되는 것을 특징으로 하는 조성물.
5. 3.8 wt%의 양인 C, 13 wt%의 양인 Cr, 4 wt%의 양인 V, 1.5 wt%의 양인 Mo, 2.5 wt%의 양인 W, 및 부수적인 불순물은 별도로 하고 본질적으로 Fe를 포함하는 나머지로 이루어지는 용융 강 합금 조성물을 제조하는 단계; 그리고
   용융 합금을 수분사하여 예비합금된 분말 금속 입자를 수득하는 단계를 포함하는 분말 금속의 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 0.5 wt% 미만의 O 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제 5 항에 있어서, 소결에 앞서서 예비합금된 분말을 어닐링하는 것을 포함하고, Cr, V, Mo 및 W 중 적어도 한가지는 과포화된 상태로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 5 항에 있어서, 예비합금된 분말은 소결 전에 어닐링되지 않고 분쇄되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 3.8 wt%의 양인 C, 13 wt%의 양인 Cr, 4 wt%의 양인 V, 1.5 wt%의 양인 Mo, 2.5 wt%의 양인 W; 0.5 wt% 미만의 O 함량; 및 부수적인 불순물은 별도로 하고 본질적으로 Fe를 포함하는 나머지로 이루어지는 용융 강 합금 조성물을 제조하는 단계;
    용융 강 합금을 수분사하여 예비합금된 분말을 제조하는 단계;
    예비합금된 분말을 단독으로 또는 또 다른 분말과 혼합하여 압축성형 및 소결하여 탄소가 Cr, V, Mo 및 W과 조합을 야기하여 탄화물을 생성하도록 하는 단계를 포함하는 소결된 물품의 제조 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 소결된 예비합금된 분말은 40 내지 45 vol%의 크롬-풍부 탄화물의 부피 분율을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 12 항에 있어서, 소결된 예비합금된 분말은 7 vol%의 바나듐-풍부 탄화물의 부피 분율을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 11 항에 있어서, 탄화물의 원상당 직경은 1-2 μm의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 11 항에 있어서, 소결된 예비합금된 분말은 1000-1200 Hv₅₀의 마이크로경도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 예비합금된 수분사된 강 분말을 포함하는 소결된 분말 금속 조성물로서, 상기 예비합금된 수분사된 강 분말은:
    3.8 wt%의 양인 C;
    13 wt%의 양인 Cr;
    4 wt%의 양인 V;
    1.5 wt%의 양인 Mo;
    2.5 wt%의 양인 W;
    0.5 wt% 미만의 O 함량; 및
    부수적인 불순물은 별도로 하고 본질적으로 Fe를 포함하는 나머지;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결된 분말 금속 조성물.
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