KR102064146B1

KR102064146B1 - 소결 부재 원료용 합금강분의 제조 방법

Info

Publication number: KR102064146B1
Application number: KR1020187002470A
Authority: KR
Inventors: 나오미치 나카무라; 아키오 고바야시; 시게루 우나미
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2020-01-08
Also published as: KR20180021150A; WO2017043091A1; JPWO2017043091A1; JP6409953B2

Abstract

산화되기 쉬운 Cr 을 합금화 원소로서 함유하는 합금강분을, 물 아토마이즈법에 의해 효율적으로, 안정적으로 제조하는 방법을 제공한다.
소결 부재 원료용 합금강분의 제조 방법으로서, 용강을 물 아토마이즈하여 물 아토마이즈 철기 분말을 얻는 물 아토마이즈 공정과, 상기 물 아토마이즈 철기 분말에, 환원을 위한 열처리를 실시하여 합금강분을 얻는 열처리 공정을 갖고, 상기 합금강분이, 질량％ 로, Cr：0.3 ∼ 3.5 ％ 및 Mn：0.08 ％ 이하를 합금화 원소로서 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고, 상기 용강 중에 있어서의 C 함유량 [C] (질량％) 과, 상기 용강 중에 있어서의 Cr 함유량 [Cr] (질량％) 이, 하기 (1) 식의 관계를 만족하는, 소결 부재 원료용 합금강분의 제조 방법.
0.10 ≤ [C]/[Cr]^2/3 ≤ 0.35 …… (1)

Description

소결 부재 원료용 합금강분의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING ALLOYED STEEL POWDER FOR SINTERED MEMBER STARTING MATERIAL}

본 발명은, 소결 부재 원료용 합금강분의 제조 방법에 관한 것이며, 특히, Cr 과 같이 산화되기 쉬운 합금화 원소를 함유하는 합금강분을 물 아토마이즈법으로 제조할 때의 상기 합금화 원소의 산화를 억제하여, 합금강분을 안정적으로 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.

철분 (鐵粉) 이나 합금강분을, 금형을 사용하여 원하는 형상으로 압축 성형한 후에 소결하는 분말 야금법은, 복잡한 형상을 갖는 기계 부품을 저비용으로 제조할 수 있는 기술로서, 예를 들어, 자동차용 부품의 제조 등, 폭넓은 용도에 이용되고 있다. 분말 야금법에 있어서 원료로서 사용되는 철분이나 합금강분 (이하, 간단히 「철분」이라고 하는 경우가 있다) 으로는, 밀 스케일이나 철광석을 코크스 등의 탄소원을 환원제로 하여 고상 환원함으로써 얻어지는 해면철분이나, 소정의 성분으로 조정한 용강에 고압수 제트를 분사하여 분쇄한 물 아토마이즈 철분 등이 공업적으로 제조되고 있다.

어느 방법으로 제조된 철분도, 수소 등의 환원 분위기에서 어닐링하는 열처리 (마무리 환원 처리) 를 실시함으로써, 분말 야금용의 원료에 적합한 품질이 된다. 상기 열처리에서는, 철분에 함유되는 탄소나 산소가 제거됨과 함께, 철분 입자 내에 포함되는 번형이 제거되어, 결정립이 성장한다.

특히 높은 강도가 요구되는 부재를 분말 야금법에 의해 제조할 때에는, 합금화 원소를 첨가한 합금강분이 원료분으로서 사용된다. 그 때, 상기 합금화 원소로서 ?칭성 향상 효과가 높은 원소를 사용함으로써, 원료분에 혼합된 흑연이 원료분 입자에 확산되어 강화된 조직을 형성하는 작용을 촉진시킬 수 있다. 그 중에서도 Cr 은, 비교적 저비용임에도 불구하고 ?칭성 향상 효과가 높기 때문에, Cr 을 주요한 합금화 원소로서 함유하는 합금강분이나 그 응용이 폭넓게 연구되고 있다.

Cr 을 합금화 원소로서 함유하는 합금강분 (Cr 함유 합금강분) 은, 물 아토마이즈법에 의해 제조하는 것이 바람직하다. 물 아토마이즈법을 이용한 Cr 함유 합금강분의 제조 플로우의 일례를 도 2 에 나타낸다. 주원료인 철원으로는, 전해철이나 베이스 메탈 등의 고순도의 것을 사용하는 것이 바람직하지만, 전로에서 정련된 용강이나 고순도 스크랩 등 저비용이며 비교적 고순도인 것도 공업적으로는 사용 가능하다. 상기 철원을 가열 용해하고, Cr 원이나 그 밖의 합금화 원소, 필요에 따라 슬래그 성분이나 가탄재 (加炭材) 등의 부원료를 첨가하여, 원료 용강으로 한다. 다음으로, 상기 원료 용강은, 물 아토마이즈법에 의해 분쇄되어 물 아토마이즈 철기 분말 (water-atomized iron-based powder) 이 된다. 물 아토마이즈법에 있어서는, 턴디쉬의 노즐로부터 흘러나오는 원료 용강에 고압의 물을 분사함으로써, 용강이 분쇄됨과 함께 응고된다. 얻어진 물 아토마이즈 철기 분말에는, 추가로 환원을 위한 열처리 (마무리 열처리) 가 실시되어, 고강도 소결 부재의 제조에 적합한 Cr 함유 합금강분이 얻어진다.

그러나, Cr 은 Fe 에 비해 산화되기 쉬운 원소이기 때문에, 상기 서술한 바와 같이 물 아토마이즈법에 의해 철기 분말을 제조할 때에 용이하게 산화되어 버린다. 원료 분말에 함유되는 산소의 양이 많아지면, 가압 성형시의 압축성이 저하되기 때문에, 소결 부재용 원료분으로서 고품질의 Cr 함유 합금강분을 제조하기 위해서는 합금강분 중에 함유되는 산소의 양을 저감시킬 필요가 있다. 그래서, 합금강분의 산소량을 저감시키기 위해서 다양한 방법이 제안되어 있다.

예를 들어, 특허문헌 1 에는, Cr 을 합금화 원소로서 함유하는 물 아토마이즈 철기 분말을, 환원 분위기 중이 아니라 진공 중에서 열처리하여 환원하는 방법이 개시되어 있다. 상기 방법에서는, 물 아토마이즈 철기 분말에 함유되어 있는 탄소가 환원제로서 기능한다.

또, 특허문헌 2 에는, 합금화 원소로서 Cr, Mo, 및 Mn 을 함유하는 물 아토마이즈 철기 분말에 있어서, 산소와 탄소의 중량비 O：C 를 1 ∼ 4 로 하고, 상기 물 아토마이즈 철기 분말을 노점이 제어된 감압 분위기 중에서 환원하는 방법이 개시되어 있다.

특허문헌 3 에는, H₂O 가스를 함유하는 H₂ 가스 분위기 중에서 물 아토마이즈 철기 분말을 열처리할 때에, 노 내의 산소 포텐셜 등을 측정하고, 그 결과에 기초하여 H₂O 가스량을 조정하는 방법이 개시되어 있다.

특허문헌 4 에는, 물 아토마이즈 철기 분말을 불활성 가스 분위기 중에서 가열하고, 그 때에 발생하는 CO 가스의 양을 모니터하여, CO 가스 발생량이 증대되었을 때에 CO 가스를 배기하는 방법이 개시되어 있다. 상기 방법에 의해, 상기 철기 분말 중의 탄소와 산소의 양이, 각각 C：0.005 ％, O：0.10 ％ 까지 저감된다.

일본 공개특허공보 소55-62101호 일본 공개특허공보 2010-159495호 일본 공표특허공보 2000-514875호 일본 공표특허공보 2002-501123호

특허문헌 1 ∼ 4 에 개시되어 있는 방법에 의하면, Cr 을 함유하는 물 아토마이즈 철기 분말을 열처리에 의해 환원하여, 합금강분 중에 함유되는 산소의 양을 저감시킬 수 있다. 그러나, Cr 의 산화는, 열처리를 실시하기 전의 철기 분말을 얻는 단계, 즉, 원료 용강을 물 아토마이즈하는 공정에 있어서 주로 진행되기 때문에, 종래의 방법에서는, Cr 함유 철기 분말을, 물 아토마이즈법으로 안정적으로 제조할 수 없다는 문제가 있었다.

도 3 은, 철기 분말의 제조에 일반적으로 사용되는 물 아토마이즈 장치 (100) 를 모식적으로 나타낸 도면이다. 용해로 (1) 에 있어서, 소정의 성분 조성을 갖는 원료 용강 (2) 을 제작하고, 이어서, 원료 용강 (2) 을 턴디쉬 (3) 로 옮긴다. 원료 용강 (2) 은, 턴디쉬 (3) 의 바닥부에 형성된 용강 노즐 (4) 을 통과하여, 용강류 (5) 로서 분무조 (6) 내에 낙하한다. 용강류 (5) 는, 물 노즐 (7) 로부터 분사되는 고압수 제트 (8) 에 의해 분쇄되어, 물 아토마이즈 철기 분말 (9) 이 된다.

이 때, 용강 노즐 (4) 로부터 유하하는 원료 용강 (2) 의 온도는, 주위의 분위기와 접촉함으로써 급격하게 저하된다. 그 결과, 용강 중에 있어서의 산소의 용해도가 저하되고, 포화 용해도 이상의 산소는 Cr 과 반응하여 Cr 산화물을 생성한다. 생성된 Cr 산화물의 일부는, 용강 노즐 (4) 의 선단부인 용강 주입구 (10) 의 근방에, 용강 주입구 (10) 를 막도록 퇴적된다.

상기와 같이 Cr 산화물이 퇴적되는 결과, 용강 주입량이 시간과 함께 감소되어, 물 아토마이즈 철기 분말의 생산 효율이 저하된다. 그리고, 더욱 Cr 산화물의 퇴적이 진행되면, 결국에는 용강 주입구 (10) 가 폐색되어 버리므로, 퇴적물을 제거하기 위해서 조업을 정지할 필요가 생겨, 더욱 생산 효율이 저하된다.

또, 용강 주입량이 시간과 함께 저하되면, 그것에 수반하여, 얻어지는 물 아토마이즈 철기 분말의 입도나 입자 형상 등이 변화된다. 이는, 제조되는 합금강분의 품질의 편차로 이어지고, 그 결과, 소결 부재용 원료로서 바람직한 합금강분을 제조하는 것이 곤란해진다.

이와 같이, ?칭성을 향상시키기 위해서 Cr 을 첨가하면, 용강 중에 Cr 산화물이 생성되는 것으로 인한 생산 효율의 저하나, 강분의 품질의 편차와 같은 문제가 발생하기 때문에, Cr 함유 철기 분말을 물 아토마이즈법에 의해, 효율적으로, 안정적으로 제조할 수는 없었다. 특허문헌 1 ∼ 4 에 개시된 종래의 기술은, 모두, 물 아토마이즈법에 의해 철기 분말을 얻은 후의 처리에 관한 것이기 때문에, 상기의 문제를 해결하지는 못한다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 산화되기 쉬운 Cr 을 함유하는 철기 분말을 물 아토마이즈법에 의해 제조할 때에 발생하는 Cr 의 산화를 억제하여, Cr 함유 합금강분을, 효율적으로, 안정적으로 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 아울러, 입자 내부에 공공 (空孔) 이 적은 조밀한 분말 입자를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 요지 구성은, 다음과 같다.

1. 소결 부재 원료용 합금강분의 제조 방법으로서,

용강을 물 아토마이즈하여 물 아토마이즈 철기 분말로 하는 물 아토마이즈 공정과,

상기 물 아토마이즈 철기 분말에 열처리를 실시하여 소결 부재 원료용 합금강분으로 하는 열처리 공정을 갖고,

상기 용강 중에 있어서의 C 함유량 [C] (질량％) 과, 상기 용강 중에 있어서의 Cr 함유량 [Cr] (질량％) 이, 하기 (1) 식의 관계를 만족하고,

상기 소결 부재 원료용 합금강분이, 질량％ 로,

Cr：0.3 ∼ 3.5 ％ 및

Mn：0.08 ％ 이하

를 합금화 원소로서 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는, 소결 부재 원료용 합금강분의 제조 방법.

0.10 ≤ [C]/[Cr]^2/3 ≤ 0.35 …… (1)

2. 상기 소결 부재 원료용 합금강분의 성분 조성이, 질량％ 로,

Mo：0.1 ∼ 2.0 ％

를 합금화 원소로서 추가로 함유하는, 상기 1 에 기재된 소결 부재 원료용 합금강분의 제조 방법.

3. 상기 용강이, 상기 소결 부재 원료용 합금강분 중에 함유되는 상기 합금화 원소보다 산화물의 표준 생성 자유 에너지가 낮은 산화 용이성 원소를, 합계로 0.01 ∼ 0.1 질량％ 함유하는, 상기 1 또는 2 에 기재된 소결 부재 원료용 합금강분의 제조 방법.

4. 상기 산화 용이성 원소가, Si, V, Ti, 및 Al 로 이루어지는 군에서 선택되는 1 또는 2 이상인, 상기 3 에 기재된 소결 부재 원료용 합금강분의 제조 방법.

본 발명에 의하면, Cr 을 합금화 원소로서 함유하는 철기 분말을 물 아토마이즈법에 의해 제조할 때에 발생하는 Cr 의 산화를 억제하여, Cr 함유 합금강분을, 효율적으로, 안정적으로 제조할 수 있다.

도 1 은, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 Cr 함유 합금강분의 제조 플로우를 나타내는 도면이다.
도 2 는, 종래의, 물 아토마이즈법을 이용한 Cr 함유 합금강분의 제조 플로우의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3 은, 일반적인 물 아토마이즈 장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.

다음으로, 본 발명을 실시하는 방법에 대해 구체적으로 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 성분에 관한 「％」 표시는, 특별히 언급하지 않는 한 「질량％」를 의미하는 것으로 한다. 또, 「철기 분말」이란, Fe 함유량이 50 ％ 이상인 금속 분말을 가리키는 것으로 한다.

본 발명의 소결 부재 원료용 합금강분의 제조 방법은, 용강을 물 아토마이즈하여 물 아토마이즈 철기 분말을 얻는 물 아토마이즈 공정과, 상기 물 아토마이즈 철기 분말에, 환원을 위한 열처리를 실시하여 합금강분을 얻는 열처리 공정을 가지고 있다.

도 1 에, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 Cr 함유 합금강분의 제조 플로우를 나타낸다. 먼저, 철원을 용해하여 원료 용강을 제조한다. 상기 철원으로는, 전로 용강이나 고순도 스크랩 등, 임의의 것을 사용할 수 있다. 전해철 등의 고순도의 철원을 사용할 수도 있고, 복수 종류의 철원을 조합하여 사용할 수도 있다. 원료 용강의 제조시에는, 최종적으로 원하는 성분 조성의 합금강분이 얻어지도록, 상기 철원에 Cr 원 및 그 밖의 합금화 원소를 첨가할 수 있다. 또, 필요에 따라, 탄재, 그 밖의 부원료 (슬래그 성분 등), 및 후술하는 「산화 용이성 원소」를 첨가할 수도 있다.

상기 Cr 원으로는 임의의 것을 사용할 수 있다. 사용할 수 있는 Cr 원으로는, 예를 들어, 페로크롬이나 금속 크롬 등을 들 수 있다. 또, 상기 합금화 원소는, 그 합금화 원소 단체 (單體) (금속), 그 합금화 원소를 함유하는 합금, 그 합금화 원소를 함유하는 화합물 등, 임의의 형태로 첨가할 수 있다. 예를 들어, Mn 원으로는, 금속 망간이나 페로망간 등을 사용할 수 있다. 상기 탄재로는, 임의의 탄소 함유 재료를 사용할 수 있다. 상기 탄소 함유 재료로는, 예를 들어, 코크스나 흑연분 등의 탄소 재료에 더하여, 주철 등의 탄소 농도가 높은 철 소재를 들 수 있다.

상기와 같이 하여 얻은 원료 용강을, 물 아토마이즈 장치에 주입하여 분쇄함으로써 물 아토마이즈 철기 분말을 얻는다. 상기 물 아토마이즈법에 의한 물 아토마이즈 철기 분말의 제조에는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 도 3 에 나타낸 것 등, 임의의 물 아토마이즈 장치를 사용할 수 있다.

그 후, 얻어진 물 아토마이즈 철기 분말에, 환원을 위한 열처리를 실시함으로써, Cr 을 함유하는 소결 부재 원료용 합금강분이 제조된다. 상기 열처리는, 예를 들어, 특허문헌 1 ∼ 4 에 기재되어 있는 방법 등, 물 아토마이즈 철기 분말을 환원할 수 있는 방법이면 임의의 방법을 이용할 수 있다.

상기 열처리에 의해, 물 아토마이즈 철기 분말이 환원되어 탄소나 산소가 제거된다. 또, 상기 열처리에 의해 철기 분말은 어닐링되어, 철분 입자 내에 포함되는 변형이 제거됨과 함께, 결정립이 성장한다. 열처리 후의 합금강분에 함유되는 C 와 O 의 양은, C：0.1 질량％ 이하, O：0.2 질량％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 열처리의 조건은, 물 아토마이즈 철기 분말에 함유되어 있는 C 및 O 의 양에 따라 조정하면 된다.

[용강의 C, Cr 함유량]

본 발명에서는 물 아토마이즈에 제공하는 용강 중에 있어서의 C 함유량 [C] (질량％) 과, 상기 용강 중에 있어서의 Cr 함유량 [Cr] (질량％) 이, 하기 (1) 식의 관계를 만족하도록 하는 것이 중요하다.

0.10 ≤ [C]/[Cr]^2/3 ≤ 0.35 …… (1)

상기 (1) 식을 만족하도록, Cr 함유량에 따라 C 함유량을 조정함으로써, Cr 을 합금화 원소로서 함유하는 철기 분말을, 물 아토마이즈법에 의해 효율적으로, 안정적으로 제조할 수 있다. 그 이유를 이하에 설명한다.

용강 중에 C 가 존재하면, 그 C 는 O 와 반응하여 CO 가스를 생성한다. 그래서, Cr 함유량에 대한 C 함유량이 일정 비율 이상, 구체적으로는, 0.10 ≤ [C]/[Cr]^2/3 가 되도록 C 함유량을 조정하면, C 가 O 와 반응하여 CO 가스가 발생하는 반응 쪽이, Cr 이 O 와 반응하여 Cr 산화물이 생성되는 반응보다 우선적으로 일어나게 된다. 그 결과, 물 아토마이즈 중에 Cr 산화물이 생성되어 용강 주입구에 부착되는 것이 방지되어, 용강을 안정적으로 주입할 수 있게 된다. 또한, 보다 바람직한 범위는 0.15 ≤ [C]/[Cr]^2/3 이다.

한편, C 함유량이 많을수록 Cr 산화물의 생성을 억제하는 효과는 높아지기 때문에, Cr 산화물의 부착 방지라는 관점에서는 C 함유량을 많게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 과도하게 C 함유량이 높아지면, CO 가스의 발생량이 증대되고, 발생한 CO 가스가 아토마이즈 철기 분말의 내부에 잔류하여 공공이 형성된다. 그래서, 상기 공공의 형성을 억제하기 위해서, [C]/[Cr]^2/3 ≤ 0.35 가 되도록 C 함유량을 조정한다. 또한, 보다 바람직한 범위는 [C]/[Cr]^2/3 ≤ 0.25 이다.

또한, 상기 (1) 식에 있어서는, [C] 의 바람직한 범위를 [Cr]^2/3 에 대한 비율로 규정하고 있다. 이는, 다음의 (2) 식으로 나타내는, Cr 의 산화물인 Cr₂O₃ 이 C 에 의해 환원되는 반응이 열역학적으로 성립하는지의 여부가, [C] 와 [Cr]^2/3 의 비에 의해 결정되기 때문이다.

C ＋ (1/3)Cr₂O₃ → (2/3)Cr ＋ CO …… (2)

원료 용강의 C 함유량은, 철원을 용해하는 공정에 있어서의 탄재의 투입량을 조정함으로써 제어할 수 있다. 마찬가지로, 원료 용강 중의 Cr 함유량은, 용강을 제조할 때에 첨가되는 Cr 원의 양을 조정함으로써 제어할 수 있다. 따라서, 상기 (1) 식의 관계를 만족하도록 용강 제조시의 탄재 및 Cr 원의 첨가량을 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 합금강분에는, Cr 이외에도, Mn, 및 임의로 Mo 가 합금화 원소로서 함유된다. 그러나, Mo 는 Cr 보다 잘 산화되지 않고, 또, Mn 은 Cr 보다 산화되기 쉽지만 그 양은 0.08 질량％ 이하로 Cr 량과 비교하여 충분히 작기 때문에, 본 발명의 조건을 만족하고 있으면, Cr 이외의 합금화 원소의 산화도 억제된다.

특허문헌 1 ∼ 4 에 개시되어 있는 바와 같은 종래의 기술에 있어서는, 물 아토마이즈법에 의해 얻어진 철기 분말을 열처리함으로써 환원할 때의 조건에는 주의를 기울이고 있었지만, 본 발명과 같이, 물 아토마이즈를 실시할 때의 용강 중에 있어서의 C 함유량과 Cr 함유량의 관계를 제어하는 것은 실시되고 있지 않았다. 또, 그러한 제어를 실시함으로써, 조업의 안정성을 향상시킴과 함께, 철기 분말 내부에 공공이 형성되는 것을 억제할 수 있는 것도 알려져 있지 않았다. 예를 들어, 특허문헌 2 에는, Cr：2.5 ∼ 3.5 ％, C：0.1 ∼ 0.9 ％ 를 함유하는 물 아토마이즈 철기 분말이 개시되어 있지만, C 함유량은, Cr 함유량과 관계없이 선택되어 있다.

[산화 용이성 원소]

본 발명에 있어서는, 물 아토마이즈에 사용하는 용강이, 추가로 산화 용이성 원소를 함유할 수도 있다. 여기서, 「산화 용이성 원소」란, 후술하는 합금강분 중에 함유되는 합금화 원소보다 산화물의 표준 생성 자유 에너지가 낮은 원소를 의미한다. 예를 들어, 합금강분이 Cr 및 Mn 을 함유하는 경우, 상기 산화 용이성 원소란, Cr 및 Mn 양자보다 산화물의 표준 생성 자유 에너지가 낮은 원소를 의미한다. 또, 합금강분이 Cr, Mn, 및 Mo 를 함유하는 경우, 상기 산화 용이성 원소란, Cr, Mn, 및 Mo 의 어느 것보다 산화물의 표준 생성 자유 에너지가 낮은 원소를 의미한다. 단, Cr, Mn, 및 Mo 중에서는, Mn 이 가장 산화물을 형성하기 쉽기 (산화물의 표준 생성 자유 에너지가 가장 낮기) 때문에, 상기 산화 용이성 원소란, Mn 보다 산화물의 표준 생성 자유 에너지가 낮은 (산화되기 쉬운) 원소라고 볼 수도 있다.

상기 산화 용이성 원소로는, 예를 들어, Si, V, Al, Ti 등을 사용할 수 있다. 상기 산화 용이성 원소로는, 1 개의 원소만을 사용할 수도 있고, 복수의 원소를 조합하여 사용할 수도 있다.

상기 산화 용이성 원소는, 용강 중에 용해되어 있는 산소와 반응하여 산화물이 되어, 용강 중의 용융 산소량을 저감시킨다. 그 때문에, 산화 용이성 원소를 용강에 첨가함으로써, 물 아토마이즈시에, 용강이 용강 주입구로부터 주입되어 그 용강의 온도가 저하되어도, 용강 중의 산소가 잘 포화되지 않게 되어, 합금화 원소의 산화물의 생성이 억제된다. 이 작용에 의해, 용강 노즐에 대한 합금화 원소의 산화물의 부착이 더욱 억제되어 조업이 한층 안정화된다. 또, CO 가스의 발생량도 억제되고, 그 결과, 물 아토마이즈 철기 분말 중의 공공의 형성이 억제된다.

상기 산화 용이성 원소의 용강 중에 있어서의 함유량은 합계로 0.01 ∼ 0.1 질량％ 로 하는 것이 바람직하다. 산화 용이성 원소의 합계 함유량이 0.01 질량％ 미만에서는, 상기 서술한 효과를 충분히 얻을 수 없다. 또한, 산화 용이성 원소의 산화물은 원료 용강 표면의 슬래그에 흡수되기 때문에, 불가피적으로 불순물로서 함유되는 이상의 산화 용이성 원소가 아토마이즈되는 용강류에 혼입되는 경우는 없다. 그러나, 산화 용이성 원소의 합계 함유량이 0.1 질량％ 를 초과하면 용강류에 혼입되는 양이 증대되고, 그 산화 용이성 원소의 산화물이 용강 주입구에 부착되어 조업 불안정성의 원인이 되기 때문에 바람직하지 않다.

[합금강분의 성분 조성]

본 발명의 일 실시형태에 있어서의 소결 부재 원료용 합금강분은, Cr：0.3 ∼ 3.5 ％ 및 Mn：0.08 ％ 이하를 합금화 원소로서 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물인 성분 조성을 갖는다. 또, 필요에 따라, Mo：0.1 ∼ 2.0 ％ 를 합금화 원소로서 추가로 함유할 수도 있다. 이하, 상기 성분 조성의 한정 이유에 대해 설명한다.

Cr：0.3 ∼ 3.5 ％

Cr 은, ?칭성을 향상시켜, 소결 부재의 인장 강도 및 피로 강도를 향상시키는 기능을 갖는 원소이다. 또한, Cr 은, 소결 부재를 열처리한 후의 경도를 높여, 내마모성을 향상시키는 효과가 있다. 이들 효과를 얻기 위해, Cr 함유량을 0.3 ％ 이상으로 한다. 한편, Cr 함유량이 3.5 ％ 를 초과하면, 소결시에 생성되는 Cr 산화물의 양이 많아지고, 생성된 산화물은 피로 파괴의 기점이 되어, 소결 부재의 피로 강도를 저하시킨다. 그 때문에, Cr 함유량은 3.5 ％ 이하로 한다. 또한, Cr 함유량은, 0.5 ∼ 3.5 ％ 로 하는 것이 바람직하고, 1.0 ∼ 3.5 ％ 로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 본 발명의 방법에 의하면, 용강 중의 Cr 의 산화가 억제되기 때문에, Cr 산화물의 석출로 인한 용강 중 Cr 량의 감소는 거의 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명의 소결 부재 원료용 합금강분에 있어서의 Cr 함유량을 상기 범위로 하기 위해서는, 물 아토마이즈 공정에서 사용되는 용강의 Cr 함유량을 0.3 ∼ 3.5 ％ 로 하는 것이 바람직하다.

Mn：0.08 ％ 이하

Mn 은, ?칭성 향상, 고용 강화 등에 의해, 소결체의 강도를 향상시키는 기능을 갖는 원소이다. 상기 효과를 얻기 위해서, 본 발명에서는 Mn 을 합금화 원소로서 함유하는 합금강분을 제조한다. 그러나, Mn 함유량이 0.08 ％ 를 초과하면, 소결시에 생성되는 Mn 산화물의 양이 많아지고, 생성된 산화물은 피로 파괴의 기점이 되어 소결 부재의 피로 강도를 저하시킨다. 그 때문에, Mn 함유량은 0.08 ％ 이하로 한다. 한편, Mn 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않고, 0 ％ 초과로 할 수 있다. Mn 의 첨가 효과를 충분히 얻는다는 관점에서는, Mn 함유량을 0.01 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.04 ％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

Mo：0.1 ∼ 2.0 ％

Mo 는, ?칭성 향상, 고용 강화, 석출 강화 등에 의해, 소결체의 강도를 향상시키는 기능을 갖는 원소이다. 상기 효과를 충분히 얻기 위해서는, Mo 함유량을 0.1 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Mo 함유량이 2.0 ％ 를 초과하면 인성이 저하되기 때문에, Mo 함유량을 2.0 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 따라서, Mo 를 첨가하는 경우에는, Mo 함유량을 0.1 ∼ 2.0 ％ 로 한다.

본 발명의 소결 부재용 합금강분은, 이상의 성분과, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어진다. 본 발명의 소결 부재용 합금강분은, 본 발명의 작용·효과를 저해하지 않는 한, 다른 미량 원소를 함유할 수도 있다.

상기 불가피 불순물로는, 예를 들어, C, O, S, 및 P 를 들 수 있다. 또, 상기 산화 용이성 원소를 용강에 첨가한 경우에는, 그 산화 용이성 원소의 잔류분도, 불가피 불순물로서 합금강분에 함유된다.

또한, S 는, 결정립계에 편석되어 입계 강도를 저하시키는 성질을 가지고 있지만, Mn 이 존재하면, 비금속 개재물인 MnS 를 형성한다. 본 발명에서는, Mn 함유량이 0.08 ％ 이하로 억제되어 있기 때문에, Mn 과 반응하여 MnS 를 형성하는 S 가 감소하고, 결정립계에 편석되는 S 가 증가한다. 따라서, 합금강분 중에 과잉의 S 가 함유되어 있으면, S 의 편석에서 기인되는 입계 강도의 저하가 현저해진다. 이것을 방지하기 위해, 합금강분 중에 불순물로서 함유되는 S 의 양을 0.01 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, S 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않고, 0 ％ 로 할 수 있지만, 공업적으로는 0 ％ 초과여도 된다.

마찬가지로, P 도, 결정립계에 편석되어 입계 강도를 저하시키는 성질을 가지고 있다. 그 때문에, 합금강분 중에 불순물로서 함유되는 P 의 양을 0.01 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, P 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않고, 0 ％ 로 할 수 있지만, 공업적으로는 0 ％ 초과여도 된다.

실시예

다음으로, 실시예에 기초하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예는, 본 발명의 바람직한 일례를 나타내는 것으로, 본 발명은, 그 실시예에 의해 전혀 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는, 본 발명의 취지에 적합한 범위에서 적절히 변경하는 것이 가능하고, 그것들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

도 3 에 나타낸 구성의 물 아토마이즈 장치를 사용하여, 다양한 성분 조성을 갖는 용강으로부터 물 아토마이즈 철기 분말을 제조하였다. 먼저, 표 1 에 나타내는 성분 조성을 갖는 용강을, 유도 가열로를 사용하여, 각 2000 kg 제작하였다. 상기 용강을 턴디쉬에 장입하고, 턴디쉬 바닥의 용강 주입 노즐로부터 분무조에 낙하시키고, 용강류를 수압 15 MPa 의 물 제트로 분쇄하여 아토마이즈 철기 분말을 얻었다. 아토마이즈 중에는 유도 가열로의 총 중량을 로드 셀로 연속적으로 계측하였다. 또, 유도 가열로로부터 턴디쉬에 대한 장입량을 조정하여, 아토마이즈 중에는 턴디쉬 내의 용강의 액면 높이가 일정해지도록 하였다. 따라서, 아토마이즈되는 용강류의 주입 속도는, 유도 가열로의 총 중량의 단위 시간당의 감소율로부터 추측할 수 있다. 또한, 용강 주입 개시 직전에 유도 가열로로부터 용강 샘플을 채취하고, 그 성분을 콴토백 (Quantovac, 스파크 방전 발광 분석법) 으로 분석하였다. 표 1 에 나타낸 용강의 성분 조성은, 상기 분석에 의해 얻어진 것이다. 용강의 성분 조성 중, 표 1 에 용강의 성분 조성으로서 나타내어져 있는 원소 이외의 잔부는, Fe 와, 다른 불가피 불순물이다. 또, S 및 P 는, 용강 중에 불가피 불순물로서 함유되어 있는 것이다. 또, 표 중의 「Tr.」은 검출 한계 이하인 것을 의미한다. 이와 같이 하여 제조한 물 아토마이즈 철기 분말을, 드라이 수소 분위기에서 1200 ℃ × 2 시간 열처리하여, 소결 부재 원료용 합금강분을 제조하였다.

[주입 속도 안정률]

물 아토마이즈 공정에 있어서의 용강 주입 속도의 안정성을, 이하와 같이 하여 평가하였다. 용강의 주입 개시 후 5 분의 시점으로부터 2 분간에 있어서의 평균 용강 주입 속도를 초기 주입 속도 M_i, 주입 완료 5 분전으로부터 2 분간의 평균 용강 주입 속도를 종기 주입 속도 M_f 로 하고, 용강 주입의 안정성의 지표로서, 다음 식으로 정의되는 주입 속도 안정률 R_M 을 구하였다.

R_M ＝ M_f/M_i × 100 (％)

R_M 이 100 ％ 에 가까울수록, 주입 초기부터 종기까지 주입 속도가 변화되지 않고 안정적으로 물 아토마이즈를 실시할 수 있는 것을 나타낸다. 한편, R_M 이 작을수록, 조업 시간의 경과와 함께 용강 주입 속도가 저하되어 불안정한 조업이 되어 있는 것을 나타낸다. 따라서, R_M 은 100 ％ 에 가까울수록 바람직하다. 또한, R_M 은 70 ％ 이상인 것이 바람직하다.

[입자 조밀률]

또, 소결 부재 원료용 합금강분에 함유되는 개개의 입자 내부의 공공 생성 상태를 이하와 같이 하여 평가하였다. 먼저, 상기 서술한 방법으로 제조된 물 아토마이즈 철기 분말을, 눈금 간격 106 ㎛ 와 75 ㎛ 의 체 사이로 분급하였다. 이어서, 얻어진 입자를 수지에 매립한 후, 입자 단면을 경면 연마하고, 얻어진 단면을 광학 현미경을 사용하여 관찰하였다. 그 때의 관찰 배율은 100 배로 하고, 800 ㎛ × 600 ㎛ 의 시야에서 10 개 지점 사진 촬영을 실시하였다. 촬영된 광학 현미경 이미지에 포함되는 입자의 총 수를 N_T, 그 중 직경 20 ㎛ 이상의 공공을 포함하는 입자 수를 N_V 로 하고, 입자의 조밀성의 지표로서, 다음 식으로 정의되는 입자 조밀률 R_V 를 구하였다.

R_V ＝ (1 － N_V/N_T) × 100 (％)

R_V 가 100 ％ 에 가까울수록, 큰 공공을 포함하는 입자가 적어, 조밀한 입자가 얻어지고 있는 것을 나타낸다. 한편, R_V 가 작을수록, 많은 입자에 큰 공공이 포함되어 있는 것을 나타낸다. 따라서, R_V 는 100 ％ 에 가까울수록 바람직하다. 또한, R_V 는 80 ％ 이상인 것이 바람직하다.

산출된 R_M 및 R_V 의 값을, 표 1 에 함께 나타낸다. 본 발명의 조건을 만족하는 발명예에 있어서는, R_M 이 높아, 용강의 주입 안정성이 우수하였다. 이에 반해, C 함유량이 낮아, 본 발명의 (1) 식의 조건을 만족하지 않는 비교예에 있어서는, 용강의 주입 안정성이 열등하였다. 또, [C]/[Cr]^2/3 가 본 발명의 범위보다 낮은 No.16 의 비교예에 있어서는, 약 500 kg 의 원료 용강을 주입한 시점에서 용강 주입구가 폐색되었지만, 본 발명의 조건을 만족하는 발명예에 있어서는, 원료 용강 전체량을 아토마이즈할 수 있었다. 이상의 결과로부터, 본 발명의 방법에 의하면, 물 아토마이즈 중에 있어서의 Cr 산화물의 생성을 억제하여, Cr 함유 합금강분을, 효율적으로, 안정적으로 제조할 수 있음을 알 수 있다.

또, 본 발명의 조건을 만족하는 발명예에 있어서는, R_V 가 높아, 얻어지는 물 아토마이즈 철기 분말의 조밀성이 우수하였다. 이에 반해, 용강의 C 함유량이 높아, 본 발명의 (1) 식의 조건을 만족하지 않는 비교예에 있어서는, 물 아토마이즈 철기 분말의 조밀성이 열등하였다. 이 결과로부터, 본 발명의 방법에 의하면, 용강 중의 C 가 산소와 반응함으로써 발생하는 CO 가스가 분말 중에 잔류하는 것에서 기인되는 공공의 형성을 억제할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 산화 용이성 원소인 Si, Al, Ti 의 적어도 1 개를 용강에 첨가한 발명예에 있어서는, 산화 용이성 원소를 첨가하지 않았던 예에 비해 R_M 및 R_V 가 향상되었다.

또한, 표 1 중에서 용강 중의 [C]/[Cr]^2/3 가 본 발명의 범위에 있는 본 발명예에서는 용강 중의 합금 원소의 산화가 억제되기 때문에, 열처리하여 제조된 합금강분에 있어서의 합금화 원소의 함유량은, 표 1 에 나타낸 용강 중에 있어서의 합금화 원소의 함유량과 실질적으로 동일하였다. 또, C 는 산화되어 CO 가스로서 제거되는 결과, 불가피 불순물로서 존재하는 것을 제외하고, 본 발명예의 합금강분에 C 는 잔류하고 있지 않았다. 따라서, 본 발명예에 있어서의 합금강분은 본 발명에 있어서의 성분 조성의 조건을 만족하고 있었다. 한편, 용강 중의 [C]/[Cr]^2/3 가 본 발명의 범위보다 낮은 비교예에서는, 합금강분에 함유되는 Cr 량은 용강 중의 Cr 량보다 0.1 질량％ 이상 낮았다. 또한, 용강 중의 [C]/[Cr]^2/3 가 본 발명의 범위보다 높은 비교예에서는, 입자 조밀률은 낮지만 용강 중의 합금 원소의 산화는 억제되기 때문에, 합금강분의 합금화 원소 함유량은 용강 성분 조성과 거의 차이가 없었다.

1 : 용해로
2 : 원료 용강
3 : 턴디쉬
4 : 용강 노즐
5 : 용강류
6 : 분무조
7 : 물 노즐
8 : 고압수 제트
9 : 물 아토마이즈 철기 분말
10 : 용강 주입구
100 : 물 아토마이즈 장치

Claims

소결 부재 원료용 합금강분의 제조 방법으로서,
용강을 물 아토마이즈하여 물 아토마이즈 철기 분말로 하는 물 아토마이즈 공정과,
상기 물 아토마이즈 철기 분말에 열처리를 실시하여 소결 부재 원료용 합금강분으로 하는 열처리 공정을 갖고,
상기 용강 중에 있어서의 C 함유량 [C] (질량％) 과, 상기 용강 중에 있어서의 Cr 함유량 [Cr] (질량％) 이, 하기 (1) 식의 관계를 만족하고,
상기 소결 부재 원료용 합금강분이, 질량％ 로,
Cr：0.3 ∼ 3.5 ％ 및
Mn：0 % 초과, 0.08 ％ 이하
를 합금화 원소로서 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는, 소결 부재 원료용 합금강분의 제조 방법.
0.10 ≤ [C]/[Cr]^2/3 ≤ 0.35 …… (1)
제 1 항에 있어서,
상기 소결 부재 원료용 합금강분의 성분 조성이, 질량％ 로,
Mo：0.1 ∼ 2.0 ％
를 합금화 원소로서 추가로 함유하는 소결 부재 원료용 합금강분의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 용강이, 상기 소결 부재 원료용 합금강분 중에 함유되는 상기 합금화 원소보다 산화물의 표준 생성 자유 에너지가 낮은 산화 용이성 원소를, 합계로 0.01 ∼ 0.1 질량％ 함유하는 소결 부재 원료용 합금강분의 제조 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 산화 용이성 원소가, Si, V, Ti, 및 Al 로 이루어지는 군에서 선택되는 1 또는 2 이상인 소결 부재 원료용 합금강분의 제조 방법.