KR101988271B1

KR101988271B1 - 내마모성 용도를 위한 철 기재 소결된 분말 금속

Info

Publication number: KR101988271B1
Application number: KR1020127011909A
Authority: KR
Inventors: 데니스 보이드 주니어 크리스토퍼슨; 레슬리 존 파팅; 제레미 레이몬드 코스
Original assignee: 테네코 인코퍼레이티드
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2019-06-12
Also published as: EP2488318A2; US20130028780A1; KR20170091173A; WO2011046718A3; EP2488318A4; EP2488318B8; JP5858921B2; EP2488318B1; CN102655966A; CN102655966B; US10232438B2; US8257462B2; WO2011046718A2; KR101802276B1; KR20120095898A; US20110091344A1; JP2013508540A; US20190210105A1; US20140301886A1; US8801828B2

Abstract

분말 금속 재료는 예비 합금된 철 기재 분말의 0.25 내지 1.50 중량%의 양으로 존재하는 탄소를 포함하는 예비 합금된 철 기재 분말을 포함한다. 그라파이트는 분말 금속 재료의 0.25 내지 1.50 중량%의 양으로 혼합된다. 혼합된 그라파이트는 혼합된 그라파이트의 90.0 중량% 보다 많은 양으로 200 메쉬보다 더 미세한 입자를 포함한다. 이황화 몰리브덴은 분말 금속 재료의 0.1 내지 4.0 중량%의 양으로 혼합되고, 구리는 분말 금속 재료의 1.0 내지 5.0 중량%의 양으로 혼합되고, 그리고 재료에는 인이 없다. 그 다음 분말 금속 재료는 압축되고 1030 ℃ 내지 1150 ℃의 온도에서 소결된다. 시작 분말 금속 재료의 혼합된 그라파이트의 적어도 50 %는 소결 후 유리 그라파이트로 남는다.

Description

내마모성 용도를 위한 철 기재 소결된 분말 금속{IRON-BASED SINTERED POWDER METAL FOR WEAR RESISTANT APPLICATIONS}

본 발명은 일반적으로 분말 금속공학과 관련되고, 더 구체적으로는 자동차 밸브 가이드와 같은 내마모성 용도를 위한 철 기재 분말 금속 물품에 관련된다.

분말 금속 밸브 가이드와 다른 고온 내마모성 물품은 종종 철 기재 분말 금속 혼합물로부터 형성된다. 전형적으로, 물품은 여러 가지 분말 첨가제를 원소상 철 분말과 혼합하고, 그 다음, 1000 ℃ 보다 높은 온도에서 혼합물을 소결함으로써 형성된다.

분말 금속 물품의 윤활성은 이황화 몰리브덴과 같은 고체 윤활제를 원소상 철 분말과 혼합함으로써 종종 향상된다. 비록 혼합된 이황화 몰리브덴이 우수한 고체 윤활제이지만, 충분한 윤활성을 공급하기에 충분히 큰 양으로 제공될 때, 이것은 소결 공정 중 원하지 않는 성장을 당하는 경향이 있다. 이황화 몰리브덴과 연관된 변형은 밸브 가이드와 밸브 시트 삽입물과 같은 저비용, 고정밀도, 그물 모양 물품의 제조에 해로운 영향을 미친다. 그래서, 높은 수준의 이황화 몰리브덴은 전형적으로 분말 금속 용도에서 회피된다.

유리 그라파이트는 분말 금속 혼합물에 사용되는 또 다른 고체 윤활제이다. 약 200 메쉬 보다 미세한 미국 표준 체 지정을 갖는 입자와 같은 미세 그라파이트 입자는, 거친 그라파이트 입자보다 바람직한데, 이것은 가공하기가 더 쉽고 소결된 물품에서 우수한 기계적 성질을 제공하기 때문이다. 그러나, 미세 그라파이트 입자는 소결 중 원소상 철 분말로 쉽게 확산할 것이고, 그래서 소결된 물품의 고체 윤활제로서 기능하는데 사용될 수 없다. 예를 들어, 만약 1.0 wt% 혼합된 미세 그라파이트 분말을 포함하는 분말 혼합물이 1000 ℃ 보다 높은 온도에서 소결되면, 거의 모든 혼합된 그라파이트는 소결 중 쉽게 원소상 철 매트릭스로 확산할 것이고, 상당한 수준의 유리 그라파이트가 최종 소결된 물품에 남아 있지 않을 것이다. 최종 소결된 물품에서 유용한 수준의 유리 그라파이트를 보유하기 위해, 200 메쉬 보다 더 거친 입자 크기를 갖는 혼합된 그라파이트를 사용하여, 입자크기가 소결 중, 혼합된 그라파이트의 원소상 철 분말로의 확산을 제한하도록 하는 것이 필요하다. 그러나 200 메쉬 보다 더 거친 입자 크기를 갖는 혼합된 그라파이트는 종종 소결된 물품의 가공하는 어려움과 덜 바람직한 기계적 성질을 이끈다.

미국 특허 5,507,257은 원소상 철 분말 매트릭스, 혼합된 거친 그라파이트(200 메쉬 내지 30 메쉬), 혼합된 미세 그라파이트(200 메쉬 보다 더 미세한), 그리고 혼합된 제1철 인 분말 또는 혼합된 구리 인 분말을 포함한, 밸브 가이드 용도를 위한 철 기재 분말 혼합물을 개시한다. 위에서 암시된 것과 같이, 혼합된 미세 그라파이트는 혼합된 거친 그라파이트보다 더 반응성이고, 소결 중 철 분말 매트릭스로 쉽게 확산된다. 혼합된 거친 그라파이트는 더 큰 입자 크기로 인하여 덜 반응성이고, 구체적으로 통합되어, 상당한 수준의 유리 그라파이트가 소결된 물품에 보유되도록 한다. 그러나 위에 언급된 것과 같이, 혼합된 거친 그라파이트는 바람직하지 않은 분말 분리와 같은 가공하는 어려움이 일어나기 쉽다.

미국 특허 5,507,257의 소결된 물품은 카바이드를 포함하고, 이때 혼합물은 혼합된 몰리브덴 분말, 철 메트릭스에서 단단한 Fe-C-P 분산물, 및 혼합된 거친 그라파이트로 인한 유리 그라파이트를 포함한다. 혼합된 인 분말은 일시적인 액상의 형성을 통해 소결을 촉진하고, 소결 중 알파-철 상에서 안정화 효과를 가진다. 알파-철 상에서의 낮은 탄소 용해도는 소결된 물품에서 유리 그라파이트의 유익한 존재를 촉진한다. 그러나, 혼합된 인은, 그물 모양의 용도를 위한 소결된 물품의 허용 오차가 부정적인 영향을 받을 수 있을 정도로 부분적인 액상 소결이 고화 시에 치수 변화를 야기할 수 있다는 점에서 해롭다. 단단한 인 화합물과 시멘타이트는 일부 액상 소결의 결과로서 결정립 경계에서 형성한다. 단단한 인 화합물과 시멘타이트는 분말 금속 물품의 기계가공과 그물 모양의 안정화에 해로운 영향을 가진다. 그래서, 철 기재 분말 금속 용도에서 인의 첨가는 전형적으로 바람직하지 않다.

미국 특허 6,632,263은, 밸브 가이드 용도를 위한 철 기재 분말 금속 혼합물을 또한 개시한다. 혼합물은 원소상 철 분말 매트릭스, 혼합된 거친 그라파이트(325 메쉬 내지 100 메쉬), 혼합된 미세 그라파이트(325 메쉬 보다 더 미세함), 혼합된 이황화 몰리브덴 및 혼합된 구리를 포함한다. 미국 특허 5,507,257의 혼합물처럼, 미국 특허 6,632,263의 혼합된 미세 그라파이트는 더 반응성이고, 소결 중 철 분말 매트릭스로 쉽게 확산되는 반면, 혼합된 거친 그라파이트가 특이적으로 포함되어 최종 소결된 물품에서 상당한 수준의 유리 그라파이트를 보유한다. 또다시, 혼합된 거친 그라파이트는 가공 중에 바람직하지 않은 분말 분리를 일으키기 쉽고, 거친 그라파이트 입자는 고온에서 바람직한 기계적 성질을 보유하지 않을 수 있다.

분말 금속 재료는 예비 합금된 철 기재 분말과 분말 금속 재료의 약 0.25 내지 약 1.50 중량%의 양으로 존재하는 혼합된 그라파이트를 포함한다. 철 기재 분말은 예비 합금된 철 기재 분말의 약 0.25 내지 약 1.50 중량%의 양으로 존재하는 예비 합금된 탄소를 포함한다. 소결된 분말 금속 물품은 예비 합금된 철 기재 분말의 약 0.25 내지 약 1.50 중량%의 양으로 존재하는 탄소를 포함하는 예비 합금된 철 기재 분말을 포함한다. 소결된 분말 금속 물품은 소결된 물품의 약 0.05 내지 약 1.50 중량%의 양으로 혼합된 유리 그라파이트를 포함한다. 소결된 물품은, 소결된 물품의 약 1.0 내지 약 2.0 중량%의 양으로 예비 합금된 철 기재 분말 및 혼합된 유리 그라파이트의 탄소를 포함하는 조합 탄소 함량을 갖는다.

시작 분말 금속 재료의 형성 방법은, 분말 금속 혼합물을 소결한 후 유리 그라파이트로서 적어도 약 50 %의 혼합된 그라파이트를 보유하기에 충분한 양으로 철 기재 분말을 탄소와 예비 합금하는 것을 포함한다. 소결된 분말 금속 물품은, 예비 합금된 철 기재 분말의 약 0.25 내지 약 1.50 중량%의 양으로 존재하는 탄소를 포함하는 예비 합금된 철 기재 분말의 분말 금속 혼합물을 얻고, 분말 금속 혼합물의 약 0.25 내지 약 1.50 중량%의 양으로 그라파이트 분말을 혼합하고, 그리고 분말 금속 혼합물을, 소결된 물품에서 유리 그라파이트로서 적어도 약 50 중량%의 혼합된 그라파이트를 보유하는 조건하에 압축하고 소결함으로써 형성된다.

철 기재 분말을 탄소와 예비 합금하는 것은 소결에 앞서 철 기재 분말을 탄소와 포화시키는데, 이것은 혼합된 그라파이트가 소결 공정 중 철 기재 분말과 합금되는것을 방지한다. 그래서, 혼합된 그라파이트의 적어도 50 %는 소결 물품에서 안정한 유리 그라파이트로 남아있다. 종래 기술의 분말 금속 재료와 달리, 혼합된 그라파이트의 90 중량% 보다 많은 양으로 약 200 메쉬 보다 미세한 미국 표준 체 지정을 갖는, 미세 입자를 포함하는 혼합된 그라파이트는 소결된 물품에서 안정한 유리 그라파이트로서 보유된다. 소결된 물품에서 상당량의 안정한 유리 그라파이트를 보유하기 위해 거친 그라파이트 분말은 필요하지 않다.

소결된 분말 금속 물품은 자동차 밸브 가이드와 같은 높은 마모, 고온 용도에 적합한, 우수한 윤활, 내마모성 및 다른 기계적 성질을 제공하기에 충분한 유리 그라파이트를 포함한다. 분말 금속 재료는 표준 분말 취급 기술을 사용하여 가공하기 쉽고, 양호한 기계 가공성 및 우수한 열 안정성을 제공한다. 거친 그라파이트 입자와 관련된 가공하는 어려움은 회피되는데, 이는 혼합된 미세 그라파이트 입자가 혼합물로부터 분리하지 않고, 또는 소결된 물품에서 탄소 보이드를 야기하지 않기 때문이다. 미세 그라파이트 입자는 고온에서 우수한 기계적 성질을 유지한다. 분말 금속 재료는 자동차 밸브 가이드와 같은 그물 모양, 고온, 높은 마모 용도를 위한 우수한 치수 안정성을 제공한다.

본 발명의 다른 이점들은, 첨부된 도면과 관련하여 고려될 때 다음의 상세한 설명의 참조에 의해 더 잘 이해됨에 따라 쉽게 인식될 것이다.
도 1은 그라파이트 입자가 확인된 실시예 1에 따라 제조된 예시적인 철 기재 분말 금속 재료의 현미경 사진이다.
도 2는 그라파이트 입자가 확인된 비교예 2에 따라 제조된 비교용 철 기재의 분말 금속 재료의 현미경 사진이다.
도 3은 그라파이트 입자가 확인된 비교예 3에 따라 제조된 비교용 철 기재의 분말 금속 재료의 현미경 사진이다.
도 4는 실시예 1의 예시적인 철 기재 분말 금속 재료로 형성된 밸브 가이드를 포함하는 전형적인 내연 기관의 종방향 단면도이다.
도 5는 실시예 5의 밸브 가이드의 마모 시험 결과를 종래 기술의 밸브 가이드의 마모 시험 결과와 비교하는 막대 그래프이다.
도 6은 실시예 5의 밸브 가이드에서 왕복하는 밸브 스템의 마모 시험 결과를 종래 기술의 밸브 가이드에서 왕복하는 밸브 스템의 마모 시험 결과와 비교하는 막대 그래프이다.

먼저 도 1을 참고하여, 내마모성 철 기재 분말 금속 재료를 나타낸다. 분말 금속 재료는 탄소를 포함한 예비 합금된 철 기재 분말, 혼합된 그라파이트, 혼합된 이황화 몰리브덴 및 혼합된 구리를 포함한다. 분말 금속 재료는 추가의 예비 합금된 원소와 불순물을 포함할 수 있다. 분말 금속 재료는 전형적으로 압축되고 소결되어 정해진 그물 모양을 갖고 상당량의 유리 그라파이트를 포함하는 소결된 물품을 형성한다. 소결된 물품은, 소결된 물품의 약 1.0 내지 약 2.0 중량%의 양으로 예비 합금된 철 기재 분말 및 혼합된 유리 그라파이트의 탄소를 포함하는 조합 탄소 함량을 갖는다. 분말 금속 재료는 내연기관의 밸브 가이드와 밸브 시트 삽입물과 같은 요구하는 마모 표면 용도에 적합하다.

탄소를 포함하는 예비 합금된 철 기재 분말은 분말 금속 재료의 베이스를 형성한다. 탄소는 소결에 앞서 예비 합금된 철 기재 분말의 약 0.25 내지 약 1.5 중량%, 전형적으로 약 0.7 내지 1.1 중량%의 양으로 존재한다. 소결 후, 탄소는 소결 조건에 따라, 예비 합금된 철 기재 분말의 약 0.25 내지 약 1.50 중량%의 양으로 존재한다. 탄소와 철 기재 분말을 예비 합금함으로써, 철 기재 분말은 탄소로 포화된 후 소결시키는데, 이것은 소결 중 혼합된 그라파이트 분말의 철 기재 분말과의 합금을 제한한다. 그 결과, 소결된 물품은 상당량의 안정한 유리 그라파이트를 포함한다. 철 기재 분말은 혼합된 그라파이트의 적어도 50 %를 분말 금속 재료의 소결 후의 유리 그라파이트로서 보유하기에 충분한 양으로 탄소와 예비 합금된다. 철 기재 분말을 철 기재 분말의 약 0.25 중량% 미만의 양으로 탄소로 예비 합금하는 것은 철 기재 분말을 충분히 포화하지 않고, 혼합된 그라파이트가 소결 중 철 기재 분말과의 합금하는 것을 방지한다. 전형적으로, 예비 합금된 철 기재 분말은 예비 합금된 철 기재 분말의 약 1.20 wt%의 양으로 탄소로 충분히 포화되고, 그래서, 산소 함량, 퍼니스 조건 또는 여러가지 다른 요인으로 인한 탄소 손실이 일어나지 않는 한, 더 큰 양의 탄소는 불필요하다.

예비 합금된 철 기재 분말은 지배적으로 펄라이트 구조를 포함한다. 펄라이트 구조는 분말 금속 재료로 하여금 표준 분말 금속 공학 기술을 이용하여 쉽게 압축되고 소결되도록 허용한다. 예비 합금된 철 기재 분말의 철은 전형적으로 약 100 메쉬의 미국 표준 체 지정을 가진다. 철 기재 분말은 추가 합금을 포함하여 내마모성을 증가시키거나 다른 기계적 성질을 개선 시킬 수 있다. 이러한 성질을 개선시킬 수 있는 많은 원소들 중에는 몰리브덴, 니켈, 크롬 및 망간이 있다. 이러한 추가의 합금의 각각은 예비 합금된 철 기재 분말의 약 3.0 중량%까지의 양으로 철 기재 분말에서 예비 합금된다. 철 기재 분말은 또한 소량의 다른 첨가제와 불순물을 포함할 수 있다.

시작 분말 금속 재료의 혼합된 그라파이트는 분말 금속 재료의 약 0.25 내지 약 1.50 중량%의 양으로 존재한다. 혼합된 그라파이트는 약 200 메시 보다 미세한 미국 표준 체 지정을 갖는 미세 입자를 포함하는데, 이는 약 75 미크론 이하의 입자 크기와 동일하다. 이러한 미세 입자는 혼합된 그라파이트의 약 90.0 중량% 이상의 양으로 존재한다. 그라파이트의 나머지 10.0 %는 약 100 메쉬 보다 미세한 미국 표준 체 지정을 갖는데, 이는 125 마이크론 이하의 입자 크기와 동일하다. 위에서 언급한 바와 같이, 철 기재 분말의 탄소와의 예비 합금은 소결에 앞서 탄소와 철 기재 분말을 포화하고, 혼합된 그라파이트가 소결 공정 중 철 기재 분말과 합금하는 것을 방지한다. 그래서 상당량의 혼합된 그라파이트 입자는 소결된 분말 금속 물품에서 안정한 유리 그라파이트로 남아있다. 혼합된 그라파이트의 적어도 50 %는 소결 후, 철 기재 분말과 합금되지 않은, 유리 그라파이트로서 남아있다. 만약 예비 합금된 철 기재 분말이 탄소로 충분히 포화되지 않으면, 소량의 혼합된 그라파이트가 소결 중 철 분말과 합금될 수 있으며, 그래서 소결 물품에 존재하는 유리 그라파이트의 양이 시작 분말 금속 재료에 존재하는 혼합된 그라파이트의 양보다 약간 적을 수 있다. 소결된 분말 금속 물품에서, 유리 그라파이트는 전형적으로 소결된 물품의 약 0.05 내지 1.50 중량%의 양으로 존재한다.

소결된 물품에 존재하는 유리 그라파이트는 우수한 고체 윤활제로서 역할을 한다. 유리 그라파이트는 또한 우수한 내마모성, 강도 및 경도를 제공한다. 종래 기술에서 사용된 거친 그라파이트 입자와 관련된 가공하는 어려움은 회피되는데, 이는 혼합된 그라파이트의 적어도 90 wt%가 200 메쉬 또는 그보다 더 미세하기 때문이다. 미세 그라파이트 입자는 또한 고온에서 바람직한 기계적 성질을 유지하는데 있어서 거친 그라파이트 입자보다 더 우수하다. 그래서, 200 메쉬 보다 더 미세한 입자 크기를 갖는 혼합된 그라파이트를 포함하는 분말 금속 재료는 자동차 밸브 가이드와 같은 고온과 높은 마모 용도에 특히 적합하다. 위에서 언급한 바와 같이, 소결된 물품은, 소결된 물품의 약 1.0 내지 약 2.0 중량%의 양으로 예비 합금된 철 기재 분말 및 혼합된 유리 그라파이트의 탄소를 포함하는 조합 탄소 함량을 갖는다.

분말 금속 재료는, 소결에 앞서 분말 금속 재료의 약 0.1 내지 약 4.0 중량%의 양으로, 소결 후에 4.0 중량% 미만의 양으로, 혼합된 이황화 몰리브덴을 포함할 수 있다. 혼합된 이황화 몰리브덴은 전형적으로 약 325 메쉬의 입자 크기를 가진다. 혼합된 이황화 몰리브덴은 또한 고체 윤활제로서 역할을 하고, 유리 그라파이트와 혼합된 이황화 몰리브덴의 조합은 소결된 물품에서 특히 효과적인 고체 윤활제를 제공한다. 약 4.0 중량% 보다 많은 양으로 이황화 몰리브덴을 혼합하는 것은 소결 공정 중 압축된 분말 금속 혼합물의 바람직하지 않은 성장과 변형을 야기할 수 있다. 약 0.1 중량% 미만의 양으로 이황화 몰리브덴을 혼합하는 것은 소결된 분말 금속 물품의 윤활성에 있어서 상당한 개선을 제공하지 않을 수도 있다.

분말 금속 재료는, 소결에 앞서 분말 금속 재료의 약 1.0 내지 약 5.0 중량%의 양으로, 소결 후에 5.0 중량% 미만의 양으로, 혼합된 구리을 포함한다. 혼합된 구리는 전형적으로 약 100 메쉬의 입자 크기를 가진다. 소결 중, 혼합된 구리는 예비 합금된 철 기재 분말과 합금하여, 개선된 강도와 다른 원하는 기계적 성질을 제공한다. 5.0 중량% 보다 많은 양으로 구리를 혼합하는 것은 부서지기 쉬운 미세 구조로 이어질 수 있는 반면, 약 1.0 중량% 미만의 양으로 구리를 혼합하는 것은 기계적 성질에 상당한 개선을 제공하지 않을 수도 있다.

소결에 앞서, 분말 금속 재료는 또한 분말 금속 재료의 약 0.25 내지 1.50 중량%, 전형적으로 약 0.75 wt%의 양으로 존재하는 EBS(에틸렌 비스-스테아르아미드)와 같은 혼합된 유기 왁스를 포함한다. EBS 왁스는 도피하는 압축 윤활제로서 역할을 하고, 압축 가공 중 압축 도구에 윤활작용을 한다. 그러나, EBS 왁스는 이어서 소결 공정 중에 소실되고, 소결된 물품에서 검출 불가능하다.

시작 분말 금속 재료와 소결된 분말 금속 물품은 둘 다 인 없이 형성된다. 예비 합금된 철 기재 분말 및 혼합된 그라파이트의 효과로 인해, 소결된 분말 금속 물품에서 유리 그라파이트을 촉진하거나 보유하기 위해 인은 필요하지 않다. 그것은 종래 기술에는 있었다. 따라서, 인과 관련된 가공하는 어려움, 소결 물품의 변형, 그리고 다른 바람직하지 않은 효과는 피하게 된다.

소결된 분말 금속 물품은 ASTM B328 방법을 사용하여 시험한 약 6.40 내지 약 7.10 g/㎤의 밀도를 포함한다. 소결된 물품은 전형적으로, ASTM B528 방법을 사용하여 시험한 약 614 ㎫의 TRS(가로 파열 강도) 및 ASTM E18 방법을 사용하여 시험한 HRB(로크웰 경도 B) 스케일의 경도 측정에 따른 약 79 내지 약 83의 경도를 포함한다. 그러나, 소결된 물품의 TRS와 경도는 변화하고, 소결된 물품의 합금의 양, 첨가제 및 밀도에 따라 개시된 값보다 높거나 낮을 수 있다.

소결된 분말 금속 물품은 전형적인 내연기관에서 사용된다. 도 4에서 나타낸 것과 같이, 이러한 엔진은 배기 또는 흡기 통로(22)와 왕복 밸브(26)가 안에 배치되 밸브 통로(24)로 형성된 실린더 헤드(20)를 전형적으로 포함한다. 분말 금속 재료로 형성된 밸브 가이드(28)는 밸브 통로(24)에 배치되고, 왕복 밸브(26)를 위한 베어링으로서 기능한다. 밸브(26)의 스템(30)은 전형적으로 밸브 가이드(28)의 보어(32) 안에서 매우 높은 속도로 왕복한다. 게다가, 밸브 가이드(28)는 밸브 가이드의 보어(32) 아래로 엔진 오일의 유입을 제한하기 위해 밸브 가이드(28)의 상단에 위치된 스템 씰(34)을 포함한다. 밸브 가이드(28)는 연소실(36)에 근접한 결과로 고온, 왕복 밸브(26)로 인한 높은 속도 접촉 및 스템 씰(34)로 인한 한계 윤활을 받는다. 분말 금속 재료는 이러한 가혹한 조건에서 고강도, 내마모성 및 윤활성을 제공한다. 분말 금속 재료는 또한 밸브 시트 삽입물(38)과 같은, 가혹한 조건을 받는 다른 엔진 부품에도 사용될 수 있다.

위에서 언급한 것과 같이, 분말 금속 재료을 형성하는 방법은 예비 합금된 철 기재 분말과 혼합된 그라파이트 분말의 분말 금속 혼합물을 얻는 것을 포함한다. 분말 금속 혼합물은 분말 금속 혼합물의 소결 후 유리 그라파이트로서 혼합된 그라파이트의 적어도 약 50 %, 전형적으로 예비 합금된 철 기재 분말의 약 0.25 내지 약 1.50 중량%를 보유하기 충분한 양으로 철 기재 분말에서 탄소의 예비 합금에 의해 형성될 수 있다. 방법은 또한 철 기재 분말을, 몰리브덴, 니켈, 크롬 및 망간 중 적어도 하나와 예비 합금하는 것을 포함할 수 있다. 그 다음, 방법은 분말 금속 혼합물에서 그라파이트, 구리 및 이황화 몰리브덴을 혼합하는 것을 포함한다. 방법은 또한, 분말 금속 혼합물에서 EBS(에틸렌 비스-스테아르아미드)와 같은 유기 왁스를 혼합하는 것을 포함한다.

방법은 탄소, 혼합된 그라파이트, 혼합된 구리, 혼합된 이황화 몰리브덴, 혼합된 EBS 왁스 및 만약 존재하는 경우 기타 첨가제를 포함하여 예비 합금된 철 기재 분말을 포함하는 분말 금속 혼합물을 혼합하는 것을 포함한다. 전형적으로, 혼합은 Y-원뿔 형 믹서 또는 쟁기날 믹서에서 일어나지만, 다른 믹서가 사용될 수 있다. 혼합은 전형적으로 약 30 분 동안 일어나지만, 혼합은 가공 조건과 혼합물의 성분에 따라, 길거나 짧은 기간 동안 일어날 수 있다. 방법은 다음에 분말 금속 혼합물을 압축하고, 혼합물을 정해진 밀도로 압착하는 것을 포함한다. 압착된 분말 금속 재료의 밀도는 약 6.40 내지 약 7.10 g/㎤이다. 다음에, 방법은 종래의 메쉬 벨트 퍼니스에서 분말 금속 혼합물을 소결하는 것을 포함한다. 소결은 전형적으로 약 1030 ℃ 내지 약 1150 ℃의 온도에서 일어난다. 소결은 또한 전형적으로 약 10 % 수소 및 약 90 % 질소의 분위기에서 또는 해리된 암모니아 분위기에서 일어나고, 그러나, 소결은 다른 분위기에서 일어날 수 있다.

특정 구체예들

다음의 실시예들은 본 발명의 특정 구체예들로서, 그것의 실시와 이점을 입증하기 위해 주어진다. 실시예들은 예시로써 주어지고, 어떤 방식으로든 명세서 또는 청구범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

실시예 1

제 1 실시예로, 예시적으로 소결된 분말 금속 물품을,

90.0 wt%가 200 메쉬보다 더 미세한 입자 크기를 가진, 1.0 wt%의 그라파이트 분말;

1.0 wt%의 이황화 몰리브덴;

3.0 wt%의 구리;

0.94 wt%의 예비 합금된 탄소를 함유하는 94.25 wt%의 철 기재 분말; 및

0.75 wt% EBS(에틸렌 비스-스테아르아미드) 기재 유기 왁스

를 포함하는 시작 분말 금속 재료로부터 제조하였다.

분말 금속 재료를 Y-원뿔 형 믹서에서 약 30 분 동안 혼합하였다. 그 다음, 분말 혼합물을 압축하고 압착하여 약 6.70 g/㎤의 밀도를 갖는 표준 TRS 시험 막대로 하였다. 시험 막대는 10 % 수소 및 90 % 질소의 분위기에서 1040 ℃까지의 종래의 메쉬 벨트 퍼니스에서 소결하였다. 소결된 분말 금속 물품은 614 ㎫의 가로 파열 강도와 HRB 스케일에서 83의 평균 경도를 가졌다. 소결된 분말 금속 물품의 미세 구조는 도 1에 나타낸다.

비교예 2

제 2 실시예로, 실시예 1의 소결된 분말 금속의 TRS 시험 막대를 미국 특허 5,507,257에 따라 제조된 표준 TRS 시험 막대와 비교하여, 실시예 1의 소결된 물품의 기계적 성질의 개선을 입증하였다. 미국 특허 5,507,257에 따라 제조된 시험 막대는 실시예 1의 소결된 물품에 의해 달성된 개선을 보여줄 의도로, 단지 비교 목적을 위해 제조되었다.

소결된 분말 금속 물품은 미국 특허 5,507,257에 따라,

100.0 wt%가 200 메쉬보다 더 미세한 입자 크기를 가진, 1.0 wt%의 그라파이트 분말;

100.0 wt%가 약 200 메쉬 내지 약 30 메쉬의 입자 크기를 가진, 1.0 wt%의 거친 그라파이트 분말;

3.0 wt%의 구리;

0.30 wt%의 인;

0.75 wt% EBS(에틸렌 비스-스테아르아미드) 기재 유기 왁스를 포함하고; 및

나머지는 표준 원소상 철 분말인

시작 분말 금속 재료로부터 제조하였다.

거친 그라파이트 분말은 주의 깊게 체로 걸러져 약 200 메쉬 내지 약 30 메쉬의 입자 크기를 가졌다. 그 다음, 시작 분말 금속 재료를 Y-원뿔 형 믹서에서 약 30 분간 혼합하였다. 그 다음, 분말 혼합물을 압축하고 압착하여 약 6.70 g/㎤의 밀도를 갖는 표준 TRS 시험 막대로 하였다. 시험 막대를 10 % 수소 및 90 % 질소의 분위기에서 1040 ℃까지의 종래의 메쉬 벨트 퍼니스에서 소결하였다. 소결된 분말 금속 물품은 440 ㎫의 가로 파열 강도 및 HRB 스케일에서 75의 평균 경도를 가졌고, 따라서 기계적 성질은 실시예 1의 소결된 물품보다 상당히 낮은 것을 알 수 있다. 미국 특허 5,507,257에 따라 제조된, 소결된 분말 금속 재료의 미세 구조는 도 2에 나타낸다.

비교예 3

제 3 실시예로, 실시예 1의 소결된 분말 금속의 TRS 막대를 미국 특허 6,632,263에 따라 제조된 표준 TRS 시험 막대와 비교하여, 실시예 1의 소결된 물품의 기계적 성질의 개선을 추가로 입증하였다. 미국 특허 6,632,263에 따라 제조된 시험 막대는 실시예 1의 소결된 물품에 의해 달성된 개선을 보여줄 의도로, 단지 비교 목적을 위해 제조되었다.

소결 분말 금속 물품은 미국 특허 6,632,263에 따라,

100.0 wt%가 325 메쉬보다 더 미세한 입자 크기를 가진, 1.0 wt%의 그라파이트 분말;

100.0 wt%가 약 325 메쉬 내지 약 100 메쉬의 입자 크기를 가진, 1.0 wt%의 거친 그라파이트 분말;

3.0 wt%의 구리;

1.0 wt%의 이황화 몰리브덴;

0.30 wt%의 인;

나머지는 표준 원소상 철 분말인

시작 분말 금속 재료로부터 제조하였다.

거친 그라파이트 분말은 주의 깊게 체로 걸러져 약 325 메쉬 내지 약 100 메쉬의 입자 크기를 가졌다. 분말 금속 재료를 Y-원뿔 형 믹서에서 약 30 분간 혼합하였다. 그 다음, 분말 혼합물을 압축하고 압착하여 약 6.70 g/㎤의 밀도를 갖는 표준 TRS 시험 막대로 하였다. 시험 막대를 10 % 수소 및 90 % 질소의 분위기에서 1040 ℃까지의 종래의 메쉬 벨트 퍼니스에서 소결하였다. 소결된 분말 금속 물품은 617 ㎫의 가로 파열 강도 및 HRB 스케일에서 75의 평균 경도를 가졌고, 따라서 기계적 성질은 실시예 1의 소결된 물품보다 상당히 낮은 것을 알 수 있다. 미국 특허 6,632,263에 따라 제조된, 소결된 재료의 미세 구조는 도 3에 나타낸다.

실시예 4

제 4 실시예로, 예시적으로 소결된 분말 금속 물품을,

1.0 wt%의 이황화 몰리브덴;

4.0 wt%의 구리;

0.94 wt%의 예비 합금된 탄소를 함유하는 93.25 wt%의 철 기재 분말; 및

0.75 wt% EBS(에틸렌 비스-스테아르아미드) 기재 유기 왁스

를 포함하는 시작 분말 금속 재료로부터 제조하였다.

분말 금속 재료를 Y-원뿔 형 믹서에서 약 30 분 동안 혼합하였다. 그 다음, 분말 혼합물을 압축하고 압착하여 15.2 ㎜의 외경, 4.5 ㎜의 내경, 55 ㎜의 길이 및 6.65 g/㎤의 밀도를 갖는 긴 속이 빈 실린더로 하였고, 이는 일반적 자동차 밸브 가이드의 크기를 나타낸다. 그 다음, 물품은 10 % 수소 및 90 % 질소의 분위기에서 1055 ℃까지의 종래의 메쉬 벨트 퍼니스에서 소결하였다. 긴 원통형 물품은 실시예 1의 훨씬 더 작은 TRS 시험 막대로서 같은 방법으로 소결하였다. 소결 중 원통형 물품의 상당한 변형이나 크기 변화는 없었다. 소결된 분말 금속 물품은 HRB 스케일에서 80의 평균 경도를 가졌다. 실시예 1의 TRS 시험 막대에 비교하여, 소결된 긴 원통형 물품의 낮은 경도 값은 소결된 원통형 물품의 낮은 밀도를 반영한다.

실시예 5

제 5 실시예로, 예시적으로 소결된 금속 분말 물품을,

90.0 wt%가 200 메쉬보다 더 미세한 입자 크기를 가진, 1.0 wt%의 그라파이트;

1.0 wt%의 이황화 몰리브덴;

4.0 wt%의 구리;

1.01 wt%의 예비 합금된 탄소를 함유하는 93.25 wt%의 철 기재 분말; 및

0.75 wt% EBS(에틸렌 비스-스테아르아미드) 기재 유기 왁스

를 포함하는 시작 분말 금속 재료로부터 제조하였다.

분말 금속 재료는 Y-원뿔 형 믹서에서 약 30 분 동안 혼합되었다. 그 다음, 분말 혼합물을 압축하고 압착하여 15.2 ㎜의 외경, 4.5 ㎜의 내경, 60 ㎜의 길이 및 6.60 g/㎤의 밀도를 갖는 긴 속이 빈 실린더로 하였고, 이는 일반적 자동차 밸브 가이드의 크기를 나타낸다. 그 다음, 물품은 10 % 수소 및 90 % 질소의 분위기에서 1055 ℃까지의 종래의 메쉬 벨트 퍼니스에서 소결하였다. 원통형 물품은 실시예 1 및 실시예 4의 원통형 물품의 훨씬 더 작은 TRS 시험 막대로서 같은 방식으로 소결하였다. 소결 중 원통형 물품의 상당한 변형이나 크기 변화는 없었다. 소결된 분말 금속 물품은 HRB 스케일에서 77의 평균 경도를 가졌다. 실시예 1 및 실시예 4의 소결된 물품에 비교하여, 실시예 5의 소결된 물품의 낮은 경도 값은 소결된 원통형 물품의 낮은 밀도를 반영한다.

실시예 5의 소결된 물품을 연방-모글 밸브 가이드 벤치 리그 마모(Federal-Mogul Valve Guide Bench Rig Wear) 시험 기계에서 시험하였고 현존하는 업계 표준 재료인 PMF-11 및 PMF-10과 비교하였다. 마모 시험은 원하는 밸브 스템을 지정된 지속 기간 동안 소결된 긴 원통형 물품의 내경(I.D.)에 대해 가동하는 열 및 왕복 밸브 스트로크 동작에의 측면 로딩을 포함하였다. 원통형 물품 내경으로의 마모 깊이를 시험 후 측정하였고, 결과는 도 5에 나타낸다. 밸브 스템 외경(O.D.)에서 마모 깊이를 또한 시험 후 측정하였고, 결과는 도 6에 나타낸다. 시험 결과는 업계 표준 재료인 PMF-11 및 PMF-10 보다 실시예 5의 분말 금속 물품으로 더 적은 마모를 보인다.

실시예 6

소결 분말 금속 물품을 또한 2리터의 E85 연료된 엔진에서 시험하였다. 소결된 분말 금속 물품을 실시예 5에 따라 제조되고, 그 다음, 약 11 ㎜의 외경, 약 5 ㎜의 내경 및 40 ㎜의 길이를 가진 자동차 밸브 가이드로 기계가공 하였다. 밸브 가이드를 2리터 엔진의 실린더 헤드에 설치하였고, 그리고 엔진은 300 시간의 총 시험 시간 동안 가동하였다. 각 밸브 가이드의 마모는 시험 전후 내경을 비교함으로써 결정되었다.

비교예 7

제 7 실시예로, 실시예 6의 밸브 가이드의 성능을 같은 2리터 엔진에서 현존하는 표준 상용 밸브 가이드(등급 PMF-11)의 성능과 비교하였다. 표준 밸브 가이드는 실시예 6의 밸브 가이드와 같은 크기로 제조되었다. 실시예 6 및 실시예 7의 밸브 가이드 모두는 2리터 엔진에서 받아들일 수 있게 수행했다. 제 6 예의 밸브 가이드 및 제 7 예의 표준 상용 밸브 가이드 사이에 유의한 통계적 차이는 없었다.

명백하게, 본 발명의 많은 수정 및 변형은 위의 가르침에 비추어 가능하고, 첨부한 청구의 범위 내에서 구체적으로 기재한 것과 달리 실시될 수도 있다. 이러한 열거는 모든 조합을 망라한 것으로 해석되어야하는데, 본 발명의 신규성은 그것의 유틸리티를 행사한다. 게다가, 청구범위에서 부재번호는 단지 편의를 위해 있고, 어떤 방식으로든 제한으로서 읽어서는 안 된다.

Claims

분말 금속 재료로서,
예비 합금된 철 기재 분말 및
상기 분말 금속 재료의 0.25 내지 1.50 중량%의 양으로 존재하는 혼합된 그라파이트를 포함하고
상기 예비 합금된 철 기재 분말은 상기 예비 합금된 철 기재 분말의 0.25 내지 1.50 중량%의 양으로 존재하는 탄소를 포함하며,
상기 혼합된 그라파이트는 200 메쉬보다 더 미세한 미국 표준 체 지정을 갖고 상기 혼합된 그라파이트의 90.0 중량% 보다 많은 양으로 존재하는 입자를 포함하는, 분말 금속 재료.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 예비 합금된 철 기재 분말의 상기 탄소는 상기 예비 합금된 철 기재 분말의 1.1 중량% 미만의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 재료.
제 1항에 있어서, 상기 예비 합금된 철 기재 분말의 상기 탄소는 상기 예비 합금된 철 기재 분말의 0.7 중량% 보다 많은 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 재료.
제 1항에 있어서, 상기 분말 금속 재료는 인이 없는 것을 특징으로 하는 분말 금속 재료.
제 1항에 있어서, 상기 분말 금속 재료의 0.1 내지 4.0 중량%의 양으로 존재하는 혼합된 이황화 몰리브덴을 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 재료.
제 1항에 있어서, 상기 분말 금속 재료의 1.0 내지 5.0 중량%의 양으로 존재하는 혼합된 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 재료.
제 1항에 있어서, 상기 예비 합금된 철 기재 분말은 상기 예비 합금된 철 기재 분말의 3.0 중량% 이하의 양으로 각각 존재하는 의도적으로 첨가된 몰리브덴, 니켈, 크롬 및 망간 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 재료.
제 1항에 있어서, 상기 예비 합금된 철 기재 분말은 펄라이트 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 재료.
제 1항에 있어서, 상기 분말 금속 재료의 0.25 내지 1.5 중량%의 양으로 존재하는 의도적으로 첨가된 혼합된 유기 왁스를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 재료.
분말 금속 재료로서,
예비 합금된 철 기재 분말의 0.25 내지 1.50 중량%의 양으로 존재하는 탄소를 포함하는 예비 합금된 철 기재 분말,
상기 분말 금속 재료의 0.25 내지 1.50 중량%의 양으로 존재하는 혼합된 그라파이트로서, 200 메쉬보다 더 미세한 미국 표준 체 지정을 갖고 상기 혼합된 그라파이트의 90.0 중량% 보다 많은 양으로 존재하는 입자를 포함하는 혼합된 그라파이트,
상기 분말 금속 재료의 0.1 내지 4.0 중량%의 양으로 존재하는 혼합된 이황화 몰리브덴, 및
상기 분말 금속 재료의 1.0 내지 5.0 중량%의 양으로 존재하는 혼합된 구리를 포함하고,
상기 분말 금속 재료는 인이 없는, 분말 금속 재료.
소결된 분말 금속 물품으로서,
예비 합금된 철 기재 분말의 0.25 내지 1.50 중량%의 양으로 존재하는 탄소를 포함하는 예비 합금된 철 기재 분말 및
상기 소결된 분말 금속 물품의 0.05 내지 1.50 중량%의 양으로 존재하는 혼합된 유리 그라파이트를 포함하고,
상기 혼합된 그라파이트가 200 메쉬보다 더 미세한 미국 표준 체 지정을 갖고 상기 혼합된 그라파이트의 90.0 중량% 보다 많은 양으로 존재하는 입자를 포함하는, 소결된 분말 금속 물품.
삭제
제 12항에 있어서, 상기 소결된 분말 금속 물품의 4.0 중량% 미만의 양으로 존재하는 의도적으로 첨가되고 혼합된 이황화 몰리브덴을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결된 분말 금속 물품.
제 12항에 있어서, 상기 소결된 분말 금속 물품의 5.0 중량% 미만의 양으로 존재하는 의도적으로 첨가되고 혼합된 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결된 분말 금속 물품.
제 12항에 있어서, 상기 예비 합금된 철 기재 분말은 펄라이트 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결된 분말 금속 물품.
제 12항에 있어서, 6.40 내지 7.10 g/㎤의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 소결된 분말 금속 물품.
제 12항에 있어서, 인이 없이 형성되는 것을 특징으로 하는 소결된 분말 금속 물품.
제 12항에 있어서, 1030 ℃ 내지 1150 ℃의 온도에서 상기 예비 합금된 철 기재 분말 및 상기 혼합된 유리 그라파이트를 소결함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 소결된 분말 금속 물품.
제 12항에 있어서, 상기 물품이 밸브 가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결된 분말 금속 물품.
제 12항에 있어서, 상기 소결된 물품의 1.0 내지 2.0 중량%의 양으로 존재하는 조합 탄소 함량을 포함하고, 상기 조합 탄소 함량은 상기 예비 합금된 철 기재 분말 및 상기 혼합된 유리 그라파이트의 상기 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결된 분말 금속 물품.
소결된 분말 금속 물품의 1.0 내지 2.0 중량%의 양으로 존재하는 조합 탄소 함량을 포함하고, 상기 조합 탄소 함량은 예비 합금된 철 기재 분말 및 혼합된 유리 그라파이트의 탄소를 포함하며,
상기 혼합된 그라파이트가 200 메쉬보다 더 미세한 미국 표준 체 지정을 갖고 상기 혼합된 그라파이트의 90.0 중량% 보다 많은 양으로 존재하는 입자를 포함하는, 소결된 분말 금속 물품.
소결된 분말 금속 물품으로서,
탄소를 포함하는 예비 합금된 철 기재 분말; 및
상기 소결된 분말 금속 물품의 0.05 내지 1.50 중량%의 양으로 존재하는 혼합된 유리 그라파이트를 포함하고;
상기 예비 합금된 철 기재 분말의 상기 탄소는 소결 후 유리 그라파이트로서 소결에 앞서 존재하는 상기 혼합된 그라파이트의 적어도 50 중량%를 보유하기에 충분한 양으로 존재하며,
상기 혼합된 그라파이트가 200 메쉬보다 더 미세한 미국 표준 체 지정을 갖고 상기 혼합된 그라파이트의 90.0 중량% 보다 많은 양으로 존재하는 입자를 포함하는, 소결된 분말 금속 물품.
분말 금속 재료로부터 형성된 소결된 분말 금속 물품으로서,
예비 합금된 철 기재 분말의 0.25 내지 1.50 중량%의 양으로 존재하는 탄소를 포함하는 예비 합금된 철 기재 분말, 및
상기 분말 금속 재료의 0.25 내지 1.50 중량%의 양으로 존재하는 혼합된 그라파이트를 포함하고,
상기 혼합된 그라파이트가 200 메쉬보다 더 미세한 미국 표준 체 지정을 갖고 상기 혼합된 그라파이트의 90.0 중량% 보다 많은 양으로 존재하는 입자를 포함하는, 소결된 분말 금속 물품.
예비 합금된 철 기재 분말 및 혼합된 그라파이트 분말의 분말 금속 혼합물을 얻는 단계; 및
혼합된 그라파이트의 적어도 50 %를, 분말 금속 혼합물을 소결한 후 유리 그라파이트로서 보유하기에 충분한 양으로 탄소와 철 기재 분말을 예비 합금하는 단계를 포함하고,
상기 혼합된 그라파이트가 200 메쉬보다 더 미세한 미국 표준 체 지정을 갖고 상기 혼합된 그라파이트의 90.0 중량% 보다 많은 양으로 존재하는 입자를 포함하는, 분말 금속 재료의 형성 방법.
제 25항에 있어서, 이황화 몰리브덴 및 구리를 분말 금속 혼합물에 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 재료의 형성 방법.
탄소를 포함하는 예비 합금된 철 기재 분말 및 혼합된 그라파이트 분말의 분말 금속 혼합물을 얻는 단계; 및
혼합된 그라파이트를 적어도 50 %를, 분말 금속 혼합물을 소결 한 후 유리 그라파이트로서 보유하는 단계를 포함하고,
상기 혼합된 그라파이트가 200 메쉬보다 더 미세한 미국 표준 체 지정을 갖고 상기 혼합된 그라파이트의 90.0 중량% 보다 많은 양으로 존재하는 입자를 포함하는, 소결된 분말 금속 재료의 형성 방법.
제 27항에 있어서, 분말 금속 혼합물을 6.40 내지 7.10 g/㎤의 밀도로 압착하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결된 분말 금속 재료의 형성 방법.
제 27항에 있어서, 상기 보유하는 단계는 분말 금속 혼합물을 압축하고 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결된 분말 금속 재료의 형성 방법.
제 29항에 있어서, 상기 소결하는 단계는 1030 ℃ 내지 1150 ℃의 온도에서 일어나는 것을 특징으로 하는 소결된 분말 금속 재료의 형성 방법.
제 29항에 있어서, 상기 소결하는 단계는 수소 및 질소의 분위기에서 일어나는 것을 특징으로 하는 소결된 분말 금속 재료의 형성 방법.
제 29항에 있어서, 상기 소결하는 단계는 해리된 암모니아의 분위기에서 일어나는 것을 특징으로 하는 소결된 분말 금속 재료의 형성 방법.