KR101687357B1

KR101687357B1 - 치형제작용 알루미늄 분말 조성물 및 상기 치형의 제조방법

Info

Publication number: KR101687357B1
Application number: KR1020150143467A
Authority: KR
Inventors: 박종관; 기영채; 도경록
Original assignee: 대한소결금속 주식회사
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2015-10-14
Publication date: 2016-12-16

Abstract

본 발명은 치형제작용 조성물 및 치형의 제조방법에 관한 것으로, 상용 알루미늄 배합분말을 이용하여 성형, 소결 한 후, 원활한 전조공정을 위해 1차 열처리 하고 전조 공정을 거쳐 강도 및 경도를 부여하는 2차 열처리를 통해 제조되는 치형의 제조방법에 관한 것이다.

Description

치형제작용 알루미늄 분말 조성물 및 상기 치형의 제조방법 {ALUMINIUM POWDER COMPOSITION FOR PRODUCING TOOTH PROFILE AND METHOD FOR PRODUCING TOOTH PROFILE}

본 발명은 치형제작용 알루미늄 분말 조성물 및 상기 치형의 제조방법에 관한 것이다.

분말야금(powder metallurgy)은 금속분말을 성형금형내에 충만하여 가압한 뒤 용융 온도이하의 온도로 소결하여 제품을 얻는 방법이다. 분말야금은 난가공재, 복합재에 의한 부품을 제조하기 쉽고, 생산성이 높으며, 재료이용률이 좋고, 다량생산에 적합한 장점이 있다. 또한 치수정밀도가 높고, 최종형상에 가까운 제품이 되어 절삭가공을 대폭적으로 생략할 수 있는 장점이 있다.

용도별로 자동차부품, 기계부품, 함유베어링, 자성재료, 내마모 재료, 집전 제료, 접점 재료, 절삭공구 등으로 분류한다. 이중 40%가 자동차 부품을 중심으로 한 수송기기 부품으로서 사용된다. 새로운 개발분야로서는 분말 고속도강, 소결티탄, 소결초내열합금 등의 재료, HIP, CIP, 분말의 사출성형 등의 기술이 발달하고 있으며, 특히 경량화가 필요한 분야에서 알루미늄을 이용한 분말야금법을 이용한 소결체 등의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

알루미늄을 이용한 분말야금법의 경우 알루미늄분말을 기초로 하여 Cu, Mg등의 원소를 첨가하여 소결이 이루어지는데, 기존에 철계 base의 소결체 대비 60% 이상의 경량화가 가능하며, 내식성, 열전도도 등 철계대비 뛰어난 특성들을 가지고 있다.

분말야금법을 통한 치형제조의 경우 금형에 원료분말을 주입한 후 가압장치로 가압성형한 다음 소결과 열처리 및 가공과정을 거쳐 기어를 성형할 수 있도록 한 분말야금을 이용한 기어제조방법이 개시되고 있으나, 금형 및 가공 Tool이 비교적 고가이고, 가공시 긴 시간이 소요되어, 기술적으로 해결하여야 하는 점이 존재한다.

한편, 전조 공정은 전조다이스 사이에 소재(素材)를 끼워 소성변형(塑性變形)시켜 원하는 모양으로 만드는 가공법으로 상온(常溫)에서 주로 수행되는 것으로, 복잡한 형상의 사출품을 만드는 데 이용되고 있다.

전조다이스는 금형강(金型鋼)·베어링강·합금공구강 등으로 만들어지며, 나사 또는 기어의 모양으로 되어 있다. 나사의 모양을 판상(板狀)으로 만든 평판형 다이스는 1쌍의 다이스 사이에 소재를 끼우고 압력을 가하면서 다이스를 왕복운동시켜 나사산을 제조하는데, 나사의 모양이 둥근형으로 만들어진 원형 다이스는 2개의 원형 다이스를 회전시켜 그 사이에 소재를 끼우고 나사산을 만든다. 이때 절삭가공에 의한 나사 제작에 비해 가공시간이 매우 단축되는 장점이 있으며, 전조나사가 절삭나사보다 정밀도가 우수한 장점이 있다.

본 발명은 상기와 같이 치형가공을 위해 상당한 비용 및 시간이 걸리는 종래 기술상의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 소결 후 1차 열처리한 후, 전조하여 치형상을 제조하고 2차 열처리하는 단계를 포함하는 치형의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이에 본 발명은 알루미늄 분무분 30 내지 95 중량%에, 구리 분말 3 내지 6 중량%, 마그네슘 분말 0.2 내지 1.0 중량%, 및 규소 분말 0.2 내지 1.5 중량%를 포함하거나, Al-Zn-Mg-Cu 합금분말 30 내지 70중량%를 포함하는 상용 알루미늄 분말 배합분을 기초로 하여 원분말을 치형제작이 가능한 조성물로 성형/소결한 후 전조공정 동안 원활한 치형제작을 위해 1차 열처리 단계를 거쳐 조성물의 인장강도, 항복강도를 낮추고 연신율을 증가시켜보다 낮은 압력에서 치의 파괴가 없이 전조가 가능하도록 해주었다. 그후 2차 열처리 단계를 통해 제품에 물성을 증가시켜 주었다.

또한, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 치형의 제조방법을 제공한다:

a) 상용으로 배합된 조성물을 금형에 장입한 후, 가압하는 단계;

b) 상기 가압된 조성물을 소결하여 소결품을 제조하는 단계;

c) 상기 b)단계의 소결품을 1차 열처리하는 단계;

d) 상기 c)단계에서 1차 열처리된 소결품을 치형 다이에서 가압하면서 회전하여 치형상을 가공하는 단계;

e) 상기 f)단계에서 전조된 소결품을 100 내지 200℃에서 2차 열처리하는 단계.

본 발명은 치형상의 제조에 있어 소결 후 1차 열처리하고, 전조공정 후 치형 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 방법은 호빙가공하지 않아, 제작 시간이 10분의 1 이하로 감소되는 효과가 있고, 제작 가격이 감소하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 방법과 기존 공정을 비교한 도면이다.
도 2는 본 발명의 치형 제작 공정을 상세하게 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 방법을 통해 제조된 치형의 형태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 치형의 형태를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 전조공정에서 사용하는 전조다이스의 도면을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에서 소결단계, 1차 열처리 단계, 2차 열처리 단계를 거친 치형의 인장강도, 항복강도, 연신율, 및 경도를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 소결단계에서 소결 온도에 따른 경도, 연신율, 최대 인장강도, 항복강도 및 밀도의 변화와 1차 및 2차 열처리 후 물성을 나타낸 도면이다.

도 1에 나타낸 것과 같이, 기존의 생산 공정은 상용분말을 성형한 후, 소결하고, 호빙가공하는 공정을 포함하였다. 상기 호빙가공을 위해서는 높은 비용과 상당한 시간이 필요한 단점이 존재하였다.

이에 본 발명자들은 이러한 단점을 보완하기 위해 호빙가공 공정 없이, 열처리 및 전조를 통한 제조방법을 제공하고자 한다. 본 발명의 특징은 원활한 전조공정을 위해 소결품을 100~500℃에서 10~120분 유지시킨 후 수냉을 통해 소결품 내 2차상들을 고용시켜 주어 소재의 인장강도 및 항복강도, 경도를 감소시키고 연성을 증가시켜주는 것에 있다.

즉 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제를 극복한 치형 제조방법에 관한 것으로서, 하기 단계를 포함하는 치형의 제조방법을 제공한다:

a) 상용 배합 조성물을 금형에 장입한 후, 가압하는 단계;

b) 상기 가압된 조성물을 소결하여 소결품을 제조하는 단계;

c) 상기 b)단계의 소결품을 1차 열처리하는 단계;

e) 상기 d)단계에서 전조된 소결품을 100 내지 200℃에서 2차 열처리하는 단계.

본 발명의 일구현예로, 상기 a) 단계에서 가압은 1 내지 7 Ton/cm2의 세기로 수행되는 것이 제품의 형상을 유지시키고, 성형체의 강도 및 밀도를 증가시키는 측면에서 바람직하다.

본 발명의 다른 구현예로, 상기 b) 단계에서 소결은 585 내지 595℃에서 30 내지 90분 동안 수행되는 것이 바람직하다. 만약 소결이 상기 온도 범위 및 시간 범위를 벗어나는 범위로 수행되면, 물성이 떨어지며, 제품이 원하는 형상으로 만들어지지 않는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 c) 단계에서 1차 열처리는 100 내지 500℃에서 10 내지 120분 동안 수행되는 것일 수 있다.

본 말명의 또 다른 구현예로, 상기 d) 단계에서 전조공정은 Feed량이 0.8 내지 2.0mm, 회전속도는 40 내지 80rpm, 드웰시간은 1 내지 10초동안 수행되었다. e) 단계에서 2차 열처리는 100 내지 200℃에서 10 내지 24시간 동안 수행되는 것이석출경화를 통한 물성증대 측면에서 바람직하다.

본 발명에서 제조된 치형은 경도가 HRF100 이상이고, 인장강도가 440MPa 이상이며, 항복강도가 400MPa 이상이고, 연신율이 1.5% 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 물성의 측정방법은 하기와 같다.

①경도

경도는 KS B 0806 측정법을 이용하여 측정되는 것으로, 로크웰 경도측정기기를 이용하여 강구지름 1.5875㎜로 588N의 하중으로 측정되는 것이다.

②인장강도

인장강도는 JIS Z2550 규격의 시료형상으로 JIS Z2241 측정법을 이용하여 측정되는 것으로 INSTRON 8801시험기기로 1.0mm/min의 속도로 시험되었다.

③항복강도

항복강도는 JIS Z2550 규격의 시료형상으로 JIS Z2241 측정법을 이용하여 측정되는 것으로 INSTRON 8801시험기기로 1.0mm/min의 속도로 시험되었으며, 0,2% offset을 통해 항복강도가 계산되었다.

④연신율

연신율의 경우 JIS Z2550 규격의 시료형상으로 JIS Z2241 측정법을 이용하여 측정되는 것으로 INSTRON 8801시험기기와 25mm Extensometer를 통해 시험되었다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

[ 실시예 ]

제조예 1. 치형 제조용 조성물의 제조

본 실시예에서는 치형 제조를 위하여 아래 [표 1]의 조성을 가지는 상용분말을 이용하여 치형 제조용 조성물을 제조하였다.

	제조예 1-a	제조예 1-b
알루미늄 분말	94.3	50
구리 분말	4.5	-
마그네슘 분말	0.5	-
규소 분말	0.7	-
Al-Zn-Mg-Cu 합금분말	-	50
합계	100	100

단위 : 중량%

제조예 2. 치형의 제조

도 2와 같이 제조예 1의 상용원료를 내측, 외측 형상이 원형인 금형에 분말을 장입하여 배합조성 1-a의 경우 3 Ton/cm², 배합조성 1-b의 경우 6 Ton/cm²의 압력으로 가압하여 분말 간에 물리적 결합을 통한 강도를 부여 성형하였다. 이때 성형된 조성물은 2.60g/cm³의 밀도를 가졌다.

상기 성형 후, 초고순도로 관리된 질소분위기의 소결로에서 400℃에서 1시간동안 윤활제의 탈지(윤활제의 제거)가 진행되었고, 하기 표 2에 따른 온도에서 60분 동안 소결하여 액상소결을 일으켜 분말간의 결합을 일으켜 강도를 부여해주었다(소결단계).

1차 열처리 단계로, 원활한 치형 제작을 위해 470℃에서 60분 유지시킨 후, 수냉을 통해 소결품 내 2차상들을 고용시켜주어 소재의 인장강도 및 항복강도, 경도를 감소시키고 연성을 증가시켜 주었다(1차 열처리 단계).

전조단계에서 치형이 새겨진 dies(도 5)와 열처리된 Al 소결품 소재 간의 가압/회전을 통해 외경이 원형인 제품에서 외경에 치형상을 가공해주었다. 제조된 치형의 형태는 도 3에 나타내었고, 이를 도식화하여 도 4에 나타내었다. 이때, 다이스의 피드량은 1.6mm였으며, 회전속도는 40rpm, 드웰시간은 2초였다.

전조공정 이후 2차 열처리단계에서 130℃에서 24시간 동안 인공시효를 통해 제품의 강도를 부여하여, 치형을 제작하였다.

이때, 소결단계, 1차 열처리단계, 2차 열처리 단계에서 최대인장강도, 항복강도, 연신율, 및 경도를 측정하여 도 6 및 표 2에 나타내었다.

	최대인장강도(MPa)	항복강도(MPa)	연신율(%)	경도(HRF)
소결품	290	195	4.2	88
1차 열처리	310	180	8.5	82
2차 열처리	450	410	109	100

상기 치형의 제작에 소요된 시간은 총 30초로, 종래 치형의 제작에 소요되는 시간이 일반적으로 1,000초 이상이라는 것을 고려했을 때, 제작 시간이 현저히 감소했다는 것을 알 수 있다.

소결 온도(℃)	경도 (HRF)	밀도(g/cm³)	연신율 (%)	인장강도 (MPa)	항복강도 (MPa)
570	69	2.63	2.8	196	132
575	76	2.64	2.8	224	158
580	84	2.72	3.0	271	187
585	86	2.74	4.0	288	190
590	88	2.75	4.0	287	198
595	87	2.75	4.1	305	206

상기 표 3에서 확인할 수 있는 것과 같이, 소결온도가 585~595℃에서 가장 우수한 물성을 보인다는 것을 알 수 있다. 이에 대한 그래프를 도 7에 나타내었다.

본 발명의 2차 열처리 단계 후 최종 제품의 소결온도에 따른 물성을 하기 표 3에서 나타내었다.

소결 온도 (℃)	경도 (HRF)	연신율 (%)	인장강도 (MPa)	항복강도 (MPa)
570	89	0.8	312	305
575	88	0.8	312	315
580	95	0.9	403	394
585	97	1.7	448	418
590	100	1.8	446	414
595	103	1.5	451	421

표 4에서 확인할 수 있는 것과 같이, 2차 열처리 후 물성이 상당히 올라가는 것을 확인할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

Claims

하기 단계를 포함하는 치형의 제조방법으로, 하기 상용 배합된 조성물은 알루미늄 분무분 40 내지 60 중량%에, Al-Zn-Mg-Cu 합금분말 40 내지 60중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제조방법:
a) 상용 배합된 조성물을 금형에 장입한 후, 가압하는 단계;
b) 상기 가압된 조성물을 소결하여 소결품을 제조하는 단계;
c) 상기 b)단계의 소결품을 1차 열처리하는 단계;
d) 상기 c)단계에서 1차 열처리된 소결품을 치형 다이에서 가압하면서 회전하여 치형상을 가공하는 단계;
e) 상기 d)단계에서 전조된 소결품을 100 내지 200℃에서 2차 열처리하는 단계.
제1항에 있어서,
상기 a) 단계에서 가압은 1 내지 5 Ton/cm²의 세기로 수행되는 것을 특징으로 하는, 치형의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 b) 단계에서 소결은 585 내지 595℃에서 30 내지 90분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 치형의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 c) 단계에서 1차 열처리는 100 내지 500℃에서 10 내지 120분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 치형의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 d) 단계에서 0.8 내지 2.0mm의 피드량을 가지며, 40 내지 80 rpm의 회전속도로 다이스가 회전하며, 1 내지 10초의 드웰시간을 가지는 특징으로 하는 치형의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 e) 단계에서 2차 열처리는 100 내지 200℃에서 10 내지 24시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 치형의 제조방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 치형은 경도가 HRF100 이상인 것을 특징으로 하는, 치형의 제조방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 치형은 인장강도가 440MPa 이상인 것을 특징으로 하는, 치형의 제조방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 치형은 항복강도가 400MPa 이상인 것을 특징으로 하는, 치형의 제조방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 치형은 연신율이 1.5% 이상인 것을 특징으로 하는, 치형의 제조방법.