KR101745689B1 - 자동차 배기시스템용 고밀도 스테인리스 강 부품의 제조방법 및 그 부품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 배기시스템용 고밀도 스테인리스 강 부품의 제조방법 및 그 부품에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 오스테나이트계 스테인리스 강 분말 100중량부에 주석(Sn) 성분 2~10중량부를 첨가하여 혼합하는 단계와, 상기 스테인리스 강과 주석 성분의 혼합 분말을 금형 내에 충전하여 가압 성형하는 단계와, 상기 성형된 압분체를 1200~1350℃의 온도에서 소결하는 단계를 포함하며, 상기 주석 성분은 주석 분말 또는 주석 합금 분말인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 분말야금공법으로 자동차 배기시스템용 부품을 제조함으로써, 기존 공법에 비해 20% 이상의 원가절감효과가 기대되며, 고밀도, 고내식성의 부품 제조가 가능하게 되어 다양한 분야에 분말야금공법을 적용할 수 있는 효과가 있다. 또한, 소결 온도를 높임으로써, 내식성을 더욱 높일 수 있다는 효과도 있다.

Description

자동차 배기시스템용 고밀도 스테인리스 강 부품의 제조방법 및 그 부품{METHOD FOR MANUFACTURING STAINLESS STEEL PARTS IN A MOTOR VEHICLE AND THE PARTS}

본 발명은 자동차 배기시스템용 고밀도 스테인리스 강 부품의 제조방법 및 그 부품에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스테인리스 강 분말에 주석(Sn) 성분을 첨가, 혼합하여 소결함으로써, 고밀도, 고강도, 고내식성 및 고내열성의 자동차 배기시스템용 부품을 분말야금법으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

스테인리스 강은 특히 공격적인 환경에 노출되는 많은 적용분야에서 매우 우수한 내식성을 발휘하기 때문에, 최근 들어 그 사용량이 늘어나고 있는 추세이며, 분말야금공법, 프레스공법, 정밀주조공법 등을 이용하여 각 분야의 스테인리스 강 부품들을 제조하여 왔다.

이 중 분말야금공법을 이용하여 스테인리스 강 부품을 제조할 경우, 추가적인 기계가공공정이 불필요하므로 고가의 원재료를 절감할 수 있다는 점과, 대량생산에 적합하다는 이유로, 자동차부품을 비롯한 스테인리스 강 부품제조에 널리 사용되어 왔다.

그러나 분말야금공법으로 스테인리스 강 부품을 제조할 경우, 부품의 내부에는 필연적으로 표면으로부터 서로 연결된 기공이 다수 존재하게 되므로, 부식원의 침투가 매우 용이하게 되어 내부 금속학적 조직이 건전하지 않게 되면 내식성이 현저하게 떨어지게 되는 단점이 있다.

이러한 분말야금공법의 단점을 해결하기 위해 후처리로서 열간단조나 기계적인 처리를 통해 기계적으로 서로 연결된 기공을 폐쇄하는 방법을 적용하고 있으나, 이러한 공정은 부품의 모든 표면에 적용할 수 없을 뿐 아니라, 원가의 상승을 초래하는 문제가 있다.

그리고 상기 프레스공법 등으로 스테인리스 강 부품을 제조할 경우, 매우 우수한 내식성을 얻을 수 있으나, 고가의 재료인 스테인리스 강의 손실이 불가피하게 다량 발생하여 제조원가가 현저히 높아지는 등의 단점이 있다.

한편, 현재 자동차 디젤엔진의 경우, 환경규제에 대응하고 효율을 높일 목적으로 배기가스를 재순환하는 시스템이 널리 적용되고 있다. 따라서 관련 부품의 수요가 매우 빠르게 증가하고 있는 추세이다. 이때, 상기 배기가스의 배출부를 포함한 배기가스 재순환부의 경우, 필연적으로 부식 환경과 고온에 노출되기 때문에 대부분 스테인리스 강 소재의 부품이 적용되고 있다. 또한, 배기시스템의 장착을 위한 플랜지류도 당연히 스테인리스 강 소재가 적용되고 있다.

현재 적용되고 있는 플랜지류의 제조공법으로는, 고객의 요구나 두께를 포함한 형상 및 가공원가를 고려하여 판재의 프레스가공이나 정밀주조공법이 적용되고 있다. 그러나 판재의 프레스가공공법은 재료의 손실이 많고 장착을 위한 볼트 구멍을 비롯하여 면가공, 파이프 조립부 가공 등, 추가적인 가공공정이 많아 원가의 상승요인이 되며, 단면 등의 외관도 불량한 단점이 있다. 아울러, 정밀주조공법 역시 탕구부의 재료손실과 탕부의 제거, 추가적인 기계가공이 필요하며 공정비용 자체도 높은 편인 단점이 있다.

따라서, 상기한 공법들의 적용에 따른 원가부담을 낮추기 위해 자동차 배기시스템용 부품의 제조에도 분말야금공법을 적용한 시도가 일부 있었으나, 태생적인 표면 및 내부 기공으로 인해 충격강도, 인성 및 피로강도 등의 동적 강도가 경쟁 공법에 비해 크게 못 미치며, 내식성이 상대적으로 낮고, 플랜지와 파이프를 브레이징 할 경우 결합 이전에 소결부품이 먼저 용가재를 빨아들이기 때문에 브레이징이 불가한 점 등의 문제로 인해 적용이 어려웠다.

이러한 문제점들을 모두 해소하기 위하여, 대한민국 등록특허 제10-1522627호에서는 스테인리스 강 분말에 붕소 성분을 첨가하여 소결하는 방법이 제안되었다. 이러한 선행특허에서는 붕소를 통해 간편한 방법으로, 부품의 내식성, 내열성 등을 크게 향상시키고, 제품원가를 절감하도록 하였다.

그러나 이러한 붕소첨가 스테인리스 강은, 100%의 수소분위기나 진공에서만 소결하여야 하므로, 소결 공정비가 높고, 소결 위험성 역시 내포하고 있는 단점이 있었다.

KR 10-1345982 B1 KR 10-1522627 B1

따라서, 본 발명의 목적은 자동차 배기시스템용 부품을 분말야금법으로 제조하되, 스테인리스 강 분말과 함께 주석 성분을 첨가하여 소결시 액상이 형성되게 함으로써, 소결체의 표면 기공이 대부분 폐쇄되고, 내부 기공이 구형화되어 기공 간의 연결이 차단되도록 하며, 부품의 내식성, 내열성, 동적 강도를 크게 향상시키는 것이다.

또한, 소결온도를 1200℃ 이상으로 함으로써, 추가적인 환원반응에 의한 잔류 탄소량을 최소화하여 내식성을 더욱 높이는 것이다.

또한, 진공이나 수소가스 분위기가 아닌 질소-수소 혼합가스 분위기에서 소결함으로써, 소결 공정비 및 위험성을 낮추는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자동차 배기시스템용 고밀도 스테인리스 강 부품의 제조방법은, 오스테나이트계 스테인리스 강 분말 100중량부에 주석(Sn) 성분 2~10중량부를 첨가하여 혼합하는 단계와, 상기 스테인리스 강과 주석 성분의 혼합 분말을 금형 내에 충전하여 가압 성형하는 단계와, 상기 성형된 압분체를 1200~1350℃의 온도에서 소결하는 단계를 포함하며, 상기 주석 성분은 주석 분말 또는 주석 합금 분말인 것을 특징으로 한다.

상기 주석 합금 분말은 주석-안티몬, 주석-구리, 주석-비스무스, 주석-안티몬-구리 중 1종 이상의 것임을 특징으로 한다.

상기 소결 단계는 질소와 수소의 혼합가스 분위기에서 소결하는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 따른 자동차 배기시스템용 고밀도 스테인리스 강 부품은, 상기한 제조방법으로 제조되되, 자동차 배기시스템용 플랜지, 피팅용 너트, 수동밸브용 핸들 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 분말야금공법으로 자동차 배기시스템용 부품을 제조함으로써, 기존 공법에 비해 20% 이상의 원가절감효과가 기대되며, 고밀도, 고내식성의 부품 제조가 가능하게 되어 다양한 분야에 분말야금공법을 적용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 소결 온도를 높임으로써, 내식성을 더욱 높일 수 있다는 효과도 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

종래의 분말야금공법에서는 스테인리스 강의 원료분말을 원하는 형상의 금형에 충전시키고, 이를 가압하여 성형한 후 소결시킴으로써, 원하는 형상의 부품을 제조하여 왔다. 그러나 스테인리스 강 분말은 고합금이기 때문에 상대적으로 경도가 높아 일반 철계 분말에 비해 성형 밀도가 낮게 되고, 소결시에도 소결밀도가 이론밀도의 90%를 넘지 않아 고밀도 부품을 제조함에 있어 큰 제약 요인이 되고 있다. 또한, 소결 후 표면과 내부에 형성된 기공의 형상이 불규칙할 뿐만 아니라, 대부분의 기공이 연결됨에 따라 동적인 강도 및 내식성이 종래의 프레스가 공법(기계가공법) 및 정밀주조법에 비해 좋지 못한 단점이 있었다.

그리고 이러한 단점으로 인해 고밀도, 고강도 및 고내식성이 요구되는 자동차 배기시스템용 부품의 생산에 있어서는 스테인리스 강의 분말야금공법을 적용할 수 없으므로, 상대적으로 제조원가가 높은 프레스가공법이나 정밀주조법을 이용하여 왔다.

또한, 분말야금공법을 적용한 스테인리스 강은 붕소를 첨가제로서 사용함으로써, 고밀도의 제품을 성형하였으나, 고내식성을 증가시키는데 한계가 있었으며, 진공 또는 수소분위기에서만 소결해야 하므로 그 소결 공정비가 높고, 위험성을 내포하고 있는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명은 고밀도, 고강도 및 고내식성이 요구되는 자동차 배기시스템용 부품, 예를 들면 플랜지, 피팅(fitting)류의 너트, 수동밸브의 핸들 등을 분말야금공법으로 제조하되, 요구되는 물성(고밀도, 고강도 및 고내식성)을 충분히 만족시키면서도, 소결 공정비를 낮추고, 위험성을 줄이도록 하는 것이다.

이러한 본 발명의 자동차 배기시스템용 고밀도 스테인리스 강 부품의 제조방법은, 오스테나이트계 스테인리스 강 분말 100중량부에 주석(Sn) 성분 2~10중량부를 첨가하여 혼합하는 단계와, 상기 스테인리스 강과 주석 성분의 혼합 분말을 금형 내에 충전하여 가압 성형하는 단계와, 상기 성형된 압분체를 1200~1350℃의 온도에서 소결하는 단계를 포함하며, 상기 주석 성분은 주석 분말 또는 주석 합금 분말인 것을 특징으로 한다.

이하, 각 제조단계별로 본 발명을 상세히 설명한다.

오스테나이트계 스테인리스 강 분말 100중량부에 주석( Sn ) 성분 2~ 10중량부를 첨가하여 혼합하는 단계.

먼저, 본 발명에서 자동차 배기시스템용 부품의 원료로서는 스테인리스 강 분말을 이용하는데, 상기 스테인리스 강 분말로는 철-크롬-니켈 합금, 철-크롬-니켈-몰리브데늄 합금 등 오스테나이트계(300계열)의 스테인리스 강 분말을 사용할 수 있으며, 그 합금 비율 역시 제한하지 않는다

그리고 본 발명에서는 스테인리스 강 분말에 주석 성분을 첨가하여 혼합하는 것을 가장 큰 특징으로 하는데, 상기 주석 성분을 첨가함으로써 후공정인 소결공정에서 일정량의 액상이 형성되어 소결이 현격하게 촉진되는 것이다. 즉, 상기 주석 성분을 첨가할 경우, 저융점 금속인 주석이 소결공정에서 액상이 되어 스테인리스 강 분말의 소결을 촉진함으로써, 소결체의 절대적인 밀도가 대폭 증가하며, 기공의 형상이 구형화되고 기공 간의 연결이 차단되며, 특히 표면의 기공이 대부분 폐쇄되어 동적인 강도, 내식성 등이 현저히 증가한다. 또한, 상기 주석 성분은 침탄 역시 억제함으로써, 탄소로 인한 내식성의 감소를 방지할 수 있는바, 종래 붕소 성분을 이용한 스테인리스 강 부품에 비해서도 더욱 우수한 내식성을 갖는다.

본 발명에서 상기 주석 성분으로는 주석 분말은 물론, 주석 합금(주석을 포함하는 금속 합금) 분말을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있는데, 일례로서 서로 다른 종류의 주석 합금분말을 2종 혼합하여 사용하거나, 주석 분말과 주석 합금 분말을 혼합 사용하는 것도 가능하다. 여기서, 상기 주석 합금으로는 그 종류를 제한하지 않는바, 다양한 종류의 금속을 주석과 녹여 합친 합금을 이용할 수 있으며, 그 예로서 주석-안티몬, 주석-구리, 주석-비스무스, 주석-안티몬-구리 등의 분말을 1종 이상 선택하여 사용할 수 있다.

그리고 본 발명에서 상기 주석 성분의 첨가량은 상기 스테인리스 강 분말 100중량부를 기준으로, 주석 성분을 2.0~10.0중량부만큼, 더욱 바람직하게는 5.0~7.0중량부만큼 첨가하는 것이 바람직한데, 상기 주석의 첨가량이 2.0중량% 미만일 경우 소결시 액상의 양이 적어 액상소결이 촉진되지 못하고, 10.0중량%를 초과할 경우 액상이 과량이 되어 입자성장이 너무 조대하게 됨으로써 부품의 물성이 오히려 떨어지는 등의 단점이 있기 때문이다.

한편, 본 발명에서 사용되는 스테인리스 강 분말과 주석 분말 또는 주석 합금 분말의 입도는 크게 제한하지 않지만, 저융점의 주석 또는 주석 합금 분말의 입도가 너무 크게 되면, 소결공정에서 이들 분말이 먼저 녹아 주변의 기공 통로를 통해 이동하게 됨에 따라, 원래 주석 또는 주석 합금 분말이 있던 자리가 큰 기공으로 남게 되어, 소결공정이 완료된 이후에도 비교적 큰 기공으로 남게 된다. 따라서 주석 또는 주석 합금 분말의 입도는 100㎛ 이하, 바람직하게는 1~100㎛, 더욱 바람직하게는 50~60㎛의 것이다.

상기 스테인리스 강과 주석 성분의 혼합 분말을 금형 내에 충전하여 가압 성형하는 단계.

상기와 같이 주석 성분의 첨가, 혼합이 완료되면, 상기 스테인리스 강 분말과 주석 성분의 혼합분말을 금형에 충전시킨 후, 이를 가압 성형한다.

상기 스테인리스 강 분말은 합금 후 성형되는 것이기 때문에, 매우 무른 주석 분말 또는 주석 합금 분말을 일정량 첨가하더라도 밀도가 철 분말에 비해 좋지 못하다. 따라서, 성형밀도가 낮은 상태에서 액상소결이 이루어져 소결밀도가 이론밀도의 95% 이상이 될 경우에는 수축률이 너무 커져 소결 부품의 뒤틀림이 발생하거나 치수 정밀도를 충족시키기가 매우 어려워지므로 성형밀도를 최대한 높일 필요가 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 성형밀도를 높이기 위한 방법으로, 상기 스테인리스 강 분말과 주석 성분의 혼합분말에 윤활제를 혼합하여 성형하거나, 상기 혼합분말에 윤활제를 혼합하지 않고 다이 윤활 방식으로 성형하는 것이 바람직하다.

먼저, 상기 윤활제를 혼합하여 성형하는 방법은, 상기 혼합분말과 윤활제를 혼합시킨 후, 분말성형 프레스에 장착된 성형용 금형에 윤활제와 혼합이 완료된 분말을 충전시키고 이를 가압 성형하는 방법으로, 상기 윤활제로 인해 성형체가 높은 성형압력에서도 견디도록 하고, 금형의 마모 역시 방지하도록 하여 성형체의 성형밀도를 높이는 것이다. 이때, 상기 혼합분말과 윤활제는 혼합분말 99.4~99.0중량%와 윤활제 0.6~1.0중량%의 혼합비로 브이-콘(V-Cone)형 혼합기, 더블-콘(Double-Cone)형 혼합기, 터뷸라(Turbula) 혼합기 또는 볼밀을 이용하여 혼합함이 바람직하다. 그리고 그 혼합시간은 제한하지 않는데, 0.5~10시간 정도 혼합할 수 있다. 여기서, 상기 윤활제의 혼합량이 상기한 혼합량보다 적을 경우 성형 밀도가 상승하지 않고, 많을 경우 과량이 되어 성형성이 저하되므로 상기한 혼합비로서 혼합함이 바람직하다. 상기 윤활제로는 아연-스테아레이트(Zn-Sterate), 리튬-스테아레이트(Li-Sterate) 또는 아크라왁스(acrawa)등을 사용할 수 있는데, 그 종류 역시 제한하지 않는다.

다음으로, 상기 혼합분말을 다이 윤활 방식의 금형에 충전시켜 가압 성형하는 방법은 상기 윤활제를 혼합하는 방법과 동일하게 윤활제를 이용하여 성형밀도를 높이는 것이나, 윤활제를 혼합분말과 혼합하지 않고, 고 휘발성 유기용제에 일정량의 윤활제를 균일하게 혼합하여 다이, 즉 금형에 윤활제를 도포하는 방법을 통해 성형밀도를 높이는 것으로 윤활제를 직접 혼합하는 방식에 비해 동일한 성형 압력에서 더 높은 성형밀도를 얻을 수 있다.

상기와 같이, 본 발명은 성형시 성형밀도를 최대한 높임으로써, 후공정인 소결공정에서 수축률이 너무 커져 소결 부품의 뒤틀림이 발생하거나 치수 정밀도가 좋지 못해지는 등의 문제가 발생하지 않는다.

한편, 본 발명에서 상기 성형시의 압력은 5~10ton/㎠임이 바람직한데, 이는 성형밀도를 고려한 것이며, 성형압력이 너무 낮을 경우 충분한 밀도를 갖지 못하고, 너무 높을 경우금형이 파손될 우려가 있기 때문이다.

상기 성형된 압분체를 1200~1350℃의 온도에서 소결하는 단계

다음으로, 상기 성형된 압분체를 밸트(mesh-belt), 푸셔(pusher) 또는 워킹 빔(walking-beam)형의 연속식 소결로에 장입하여 소결한다.

이때, 상기 소결은 100% 수소분위기에서 실시할 수 있다. 상기 소결은 내식성만을 고려할 때 100% 수소분위기에서 실시하는 것이 가장 바람직하나, 소결 공정비가 상승하고 소결 위험성 역시 내포하므로, 이러한 단점을 해소하기 위해 수소와 질소의 혼합가스 분위기에서도 실시할 수 있다. 이때, 수소와 질소의 혼합비는 제한하지 않으며, 예시적으로 1:0.1~1의 비율로 혼합할 수 있다.

그리고 그 소결온도는 1200~1350℃, 더욱 바람직하게는 1280~1350℃로 함이 바람직한데, 소결온도가 낮을 경우 액상소결에서 입자의 조대화에 의한 고밀도화 기구가 작동하지 않게 되고, 소결온도가 너무 높을 경우 입자성장이 과다하여 물성이 오히려 나빠질 수 있기 때문이다. 아울러, 상기 소결시간은 30~120분 정도가 바람직한데, 너무 오래 소결할 경우 입자가 과도하게 조대화될 수 있기 때문이다.

그리고 상기 소결로는 예비구간과 소결구간으로 구분될 수 있으며, 앞서 설명된 소결온도 및 소결시간은 소결구간을 의미하는 것이고, 종래의 소결방법과 동일하게 예열구간을 통과시켜 성형체를 예비소결 함으로써, 성형용 윤활제가 완전히 제거되도록 한다. 상기 예비구간의 온도 및 시간은 종래 소결방법과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

한편, 내식성, 밀도 등의 추가적인 향상을 위하여, 상기 스테인리스 강 분말에 주석 성분을 혼합하는 단계에서, 붕소 분말 또는 붕소 합금 분말을 0.01~0.5중량부만큼 더 첨가할 수도 있다. 즉, 상기 붕소 성분을 더 혼합할 경우 스테인리스 강 부품의 전체적인 밀도가 더욱 향상됨은 물론, 내식성 역시 우수해지기 때문인바, 이는 붕소 성분이 주석 성분과 함께 기공을 폐쇄해주므로, 기공 간 연결 차단성을 높이고, 표면 기공을 제거해주기 때문이다. 상기 붕소 합금 분말은 철-붕소, 철-크롬-붕소, 철-크롬-몰리브데늄-붕소 및 철-몰리브데늄-니켈-붕소 중 1종 이상일 수 있다.

이상에서와같이 소결이 완료된 소결체, 즉 소결 부품은 별다른 후처리가 불필요한 것으로, 원재료인 스테인리스 강 분말의 손실이 없고, 별다른 후처리공정이 없어 종래 프레스 공법이나 주조법에 비해 제조원가를 20% 이상 절감할 수 있는 것이다.

아울러, 앞서 설명된 바와 같이, 표면의 기공이 대부분 폐쇄되고, 내부의 기공 역시 구형화 되어 기공 간 연결되지 않아, 그 밀도를 이론밀도에 가깝게 할 수 있는 것은 물론, 동적 강도, 내식성 및 내열성 등이 종래 분말야금법에 의한 것보다 현저히 상승하여 종래 분말야금공법을 통해 제조할 수 없었던 기계 부품의 제조가 가능해진다.

본 발명에서 상기한 방법을 통해 제조하는 자동차 배기시스템용 부품으로는 플랜지는 물론, 피팅류의 너트, 수동밸브의 핸들 등일 수 있는데, 본 발명을 이용할 경우 파이프와의 브레이징 접합이 가능해진다.

또한, 상기에서는 본 발명을 상기 자동차 배기시스템용 부품을 생산하기 위한 방법만으로 설명하였지만, 상기 자동차 배기시스템용 부품은 물론, 고밀도, 고내식성 및 고내열성이 요구되는 다양한 기계분야에 적용하여 분말야금법으로 생산할 수 있는 각종 부품을 생산할 수 있는 것은 당연하다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (5)

1. 오스테나이트계 스테인리스 강 분말 100중량부에 주석(Sn) 성분 2~10중량부를 첨가하여 혼합하는 단계와,
   상기 스테인리스 강과 주석 성분의 혼합 분말을 금형 내에 충전하여 가압 성형하는 단계와,
   상기 성형된 압분체를 1280~1350℃의 온도에서 소결하는 단계를 포함하며,
   상기 주석 성분은 주석 분말 또는 주석 합금 분말이고, 상기 주석 분말 또는 주석 합금 분말의 입도는 1~100㎛이며,
   상기 주석 합금 분말은 주석-안티몬, 주석-비스무스, 주석-안티몬-구리 중 1종 이상의 것이고,
   상기 소결 단계는 질소와 수소의 혼합가스 분위기에서 소결하는 것임을 특징으로 하는 자동차 배기시스템용 고밀도 스테인리스 강 부품의 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 스테인리스 강 분말에 주석 성분을 첨가하여 혼합하는 단계에서,
   붕소 분말 또는 붕소 합금 분말을 0.01~0.5중량부를 더 혼합하며,
   상기 붕소 합금 분말은 철-붕소, 철-크롬-붕소, 철-크롬-몰리브데늄-붕소 및 철-몰리브데늄-니켈-붕소 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는 자동차 배기시스템용 고밀도 스테인리스 강 부품의 제조방법.
   
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