KR102074121B1

KR102074121B1 - 소결 부재 원료용 합금 강분의 제조 방법

Info

Publication number: KR102074121B1
Application number: KR1020187002583A
Authority: KR
Inventors: 나오미치 나카무라; 아키오 고바야시; 시게루 우나미
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2015-09-24
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2020-02-06
Also published as: JPWO2017051541A1; WO2017051541A1; KR20180021861A; JP6164387B1

Abstract

산화되기 쉬운 Cr 이나 Mo 를 합금화 원소로서 함유하는 합금 강분을, 워터 아토마이즈법에 의해 효율적이고 또한 안정적으로 제조하는 방법을 제공한다. 용강을 워터 아토마이즈하여 워터 아토마이즈 철기 분말을 얻는 워터 아토마이즈 공정과, 상기 워터 아토마이즈 철기 분말에, 환원을 위한 열 처리를 실시하여 합금 강분을 얻는 열 처리 공정을 갖고, 상기 합금 강분이, 질량％ 로, Cr：0.3 ∼ 3.5 ％ 및 Mn：0.08 ％ 초과, 1.0 ％ 이하를 합금화 원소로서 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고, 상기 용강 중에 있어서의 C 함유량 [C] (질량％) 와, 상기 용강 중에 있어서의 Cr, Mn 및 V 의 함유량 [Cr], [Mn] 및 [V] (질량％) 가, 하기 (1) 식의 관계를 만족시키는, 소결 부재 원료용 합금 강분의 제조 방법.
0.07 ≤ [C]/{[Cr]^2/3 ＋ 2([Mn] ＋ [V])} ≤ 0.23 … (1)

Description

소결 부재 원료용 합금 강분의 제조 방법 {METHOD FOR MANUFACTURING ALLOY STEEL POWDER FOR SINTERED MEMBER RAW MATERIAL}

본 발명은, 소결 부재 원료용 합금 강분 (鋼粉) 의 제조 방법에 관한 것으로, 특히, Cr 이나 Mn 등의 산화되기 쉬운 합금화 원소를 함유하는 합금 강분을 워터 아토마이즈법으로 제조할 때의 상기 합금화 원소의 산화를 억제하여, 합금 강분을 안정적으로 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.

철분이나 합금 강분을, 금형을 사용하여 원하는 형상으로 압축 성형한 후에 소결하는 분말 야금법은, 복잡한 형상을 갖는 기계부 부품을 저비용으로 제조할 수 있는 기술로서, 예를 들어, 자동차용 부품의 제조 등, 폭넓은 용도로 사용되고 있다. 분말 야금법에 있어서 원료로서 사용되는 철분이나 합금 강분 (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 워터 아토마이즈 철분 등이 공업적으로 제조되고 있다.

어느 방법으로 제조된 철분도, 수소 등의 환원 분위기에서 어닐링하는 열 처리 (마무리 환원 처리) 를 실시함으로써, 분말 야금용의 원료로서 적합한 품질이 된다. 상기 열 처리에서는, 철분에 함유되는 탄소나 산소가 제거되고, 또 철분 입자 내에 포함되는 변형이 제거되며, 결정립이 성장한다.

특히 높은 강도가 요구되는 부재를 분말 야금법에 의해 제조하는 경우에는, 합금화 원소를 첨가한 합금 강분이 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 합금 강분이나 그 응용이 폭넓게 연구되고 있다.

Cr 을 합금화 원소로서 함유하는 합금 강분 (Cr 함유 합금 강분) 은, 워터 아토마이즈법에 의해 제조하는 것이 바람직하다. 워터 아토마이즈법을 사용한 Cr 함유 합금 강분의 제조 플로의 일례를 도 2 에 나타낸다. 주원료인 철원으로는, 전해철이나 베이스 메탈 등의 고순도인 것을 사용하는 것이 바람직하지만, 전로로 정련된 용강이나 고순도 스크랩 등 저비용이고 비교적 고순도인 것도 공업적으로는 사용 가능하다. 상기 철원을 가열 용해하고, Cr 원이나 그 밖의 합금화 원소, 필요에 따라 슬래그 성분이나 가탄재 등의 부원료를 첨가하여, 원료 용강으로 한다. 다음으로, 상기 원료 용강은, 워터 아토마이즈법에 의해 분쇄되어, 워터 아토마이즈 철기 분말 (water-atomized iron-based powder) 이 된다. 워터 아토마이즈법에 있어서는, 턴디시의 노즐로부터 유출되는 원료 용강에 고압의 물을 내뿜음으로써, 용강이 분쇄됨과 함께 응고된다. 얻어진 워터 아토마이즈 철기 분말에는, 추가로 환원을 위한 열 처리 (마무리 열 처리) 가 실시되어, 고강도 소결 부재의 제조에 적합한 Cr 함유 합금 강분이 얻어진다.

그러나, Cr 은 Fe 에 비해 산화되기 쉬운 원소이기 때문에, 상기 서술한 바와 같이 워터 아토마이즈법에 의해 철기 분말을 제조하면, 용이하게 산화된다. 원료 분말에 함유되는 산소의 양이 많아지면, 가압 성형시의 압축성이 낮아지기 때문에, 소결 부재용 원료분으로서 고품질의 Cr 함유 합금 강분을 제조하기 위해서는 합금 강분 중에 함유되는 산소의 양을 저감시킬 필요가 있다. 그래서, 합금 강분의 산소량을 저감시키기 위해서, 여러 가지 방법이 제안되어 있다.

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

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

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

특허문헌 4 에는, 워터 아토마이즈 철기 분말을 불활성 가스 분위기 중에서 가열하고, 그 때에 발생하는 CO 가스의 양을 모니터하여, CO 가스 발생량이 증대했을 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 워터 아토마이즈 철기 분말을 열 처리에 의해 환원하여, 합금 강분 중에 함유되는 산소의 양을 저감시킬 수 있다. 그러나, Cr 의 산화는, 열 처리를 실시하기 전의 철기 분말을 얻는 단계, 즉, 원료 용강을 워터 아토마이즈하는 공정에 있어서 주로 진행되기 때문에, 종래의 방법에서는, Cr 함유 철기 분말을, 워터 아토마이즈법으로 안정적으로 제조할 수 없다는 문제가 있었다.

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

이 때, 용강 노즐 (4) 로부터 흘러내리는 원료 용강 (2) 의 온도는, 주위의 분위기와 접촉함으로써 급격히 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 막는 형태로 퇴적되어 간다.

상기와 같이 Cr 산화물이 퇴적된 결과, 용강 주입 속도가 시간과 함께 감소하고, 워터 아토마이즈 철기 분말의 생산 효율이 저하된다. 그리고, 또한 Cr 산화물의 퇴적이 진행되면, 결국 용강 주입구 (10) 가 폐색되므로, 퇴적물을 제거하기 위해서 조업을 정지할 필요가 생겨, 더욱 생산 효율이 저하된다.

또, 용강 주입량이 시간과 함께 감소하면, 그에 수반하여, 얻어지는 워터 아토마이즈 철기 분말의 입도나 입자 형상 등이 변화한다. 이것은, 제조되는 합금 강분의 품질의 불균일로 이어지고, 그 결과, 소결 부재용 원료로서 바람직한 합금 강분을 제조하는 것이 곤란해진다.

이와 같이, ?칭성을 향상시키기 위해 Cr 을 첨가하면, Cr 산화물의 생성에 의한 생산 효율의 저하나 품질의 불균일과 같은 문제가 생기기 때문에, Cr 함유 철기 분말을 워터 아토마이즈법에 의해, 효율적이고 또한 안정적으로 제조할 수 없었다. 특허문헌 1 ∼ 4 에 개시된 종래의 기술은, 모두 워터 아토마이즈법에 의해 철기 분말을 얻은 후의 처리에 관한 것이기 때문에, 상기의 문제를 해결할 수 없다.

또, Mn 이나 V 도 Cr 과 마찬가지로 산화되기 쉬운 성질을 갖고 있기 때문에, 이들 합금화 원소를 함유하는 철기 분말을 워터 아토마이즈법에 의해 안정적으로 제조하는 것은 곤란하였다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, Cr 이나 Mn 등의 합금화 원소를 함유하는 철기 분말을 워터 아토마이즈법에 의해 제조할 때에 발생하는 상기 합금화 원소의 산화를 억제하여, 소결 부재 원료용 합금 강분을 효율적이고 또한 안정적으로 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 아울러, 입자 내부에 공공이 적은 조밀한 분말 입자를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 요지 구성은, 다음과 같다.

1. 소결 부재 원료용 합금 강분의 제조 방법으로서,

C, Cr 및 Mn 을 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 용강을 워터 아토마이즈하여 워터 아토마이즈 철기 분말로 하는 워터 아토마이즈 공정과,

상기 워터 아토마이즈 철기 분말에 열 처리를 실시하여 소결 부재 원료용 합금 강분으로 하는 열 처리 공정을 갖고,

상기 용강 중에 있어서의 C 함유량 [C] (질량％) 와, 상기 용강 중에 있어서의 Cr, Mn 및 V 의 함유량 [Cr], [Mn] 및 [V] (질량％) 가, 하기 (1) 식의 관계를 만족시키고,

상기 소결 부재 원료용 합금 강분이, 질량％ 로,

Cr：0.3 ∼ 3.5 ％ 및

Mn：0.08 ％ 초과, 1.0 ％ 이하

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

0.07 ≤ [C]/{[Cr]^2/3 ＋ 2([Mn] ＋ [V])} ≤ 0.23 … (1)

(단, 상기 용강이 V 를 함유하지 않는 경우, [V] 는 0 으로 한다)

2. 상기 용강의 성분 조성 및 상기 소결 부재 원료용 합금 강분의 성분 조성이, 질량％ 로,

Mo：0.1 ∼ 2.0 ％ 및

V：0.1 ∼ 0.5 ％ 의 일방 또는 양방을 합금화 원소로서 추가로 함유하는, 상기 1 에 기재된 소결 부재 원료용 합금 강분의 제조 방법.

3. 상기 용강의 성분 조성 및 상기 소결 부재 원료용 합금 강분의 성분 조성이, 질량％ 로,

S：0.3 ％ 이하

를 추가로 함유하는, 상기 1 또는 2 에 기재된 소결 부재 원료용 합금 강분의 제조 방법.

4. 상기 용강의 성분 조성이, 상기 소결 부재 원료용 합금 강분 중에 함유되는 상기 합금화 원소보다 산화물의 표준 생성 자유 에너지가 낮은 산화 용이성 원소를, 합계로 0.01 ∼ 0.10 질량％ 추가로 함유하는, 상기 1 ∼ 3 중 어느 한 항에 기재된 소결 부재 원료용 합금 강분의 제조 방법.

5. 상기 산화 용이성 원소가, Si, Ti 및 Al 에서 선택되는 1 또는 2 이상인, 상기 4 에 기재된 소결 부재 원료용 합금 강분의 제조 방법.

본 발명에 의하면, Cr 이나 Mn 등을 합금화 원소로서 함유하는 철기 분말을 워터 아토마이즈법에 의해 제조할 때에 발생하는 합금화 원소의 산화를 억제하여, 합금 강분을 효율적이고 또한 안정적으로 제조할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 합금 강분의 제조 플로를 나타내는 도면이다.
도 2 는 종래의 워터 아토마이즈법을 사용한 Cr 함유 합금 강분의 제조 플로의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3 은 일반적인 워터 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 지칭하는 것으로 한다.

본 발명의 소결 부재 원료용 합금 강분의 제조 방법은, 용강을 워터 아토마이즈하여 워터 아토마이즈 철기 분말을 얻는 워터 아토마이즈 공정과, 상기 워터 아토마이즈 철기 분말에, 환원을 위한 열 처리를 실시하여 합금 강분을 얻는 열 처리 공정을 갖고 있다.

도 1 에, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 합금 강분의 제조 플로를 나타낸다. 먼저, 철원을 용해하여 원료 용강을 제조한다. 상기 철원으로는, 전로 용강이나 고순도 스크랩 등 임의의 것을 사용할 수 있다. 전해철 등 고순도의 철원을 사용하는 것도 가능하고, 복수의 종류의 철원을 조합하여 사용할 수도 있다. 원료 용강의 제조시에는, 최종적으로 원하는 성분 조성의 합금 강분이 얻어지도록, 상기 철원에 Cr 원, Mn 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, Mn 원으로는, 예를 들어, 금속 망간이나 페로망간 등을 사용할 수 있다. 그 밖의 합금화 원소는, 그 합금화 원소 단체 (금속), 그 합금화 원소를 함유하는 합금, 그 합금화 원소를 함유하는 화합물 등 임의의 형태로 첨가할 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, 워터 아토마이즈 장치에 주입하여 분쇄함으로써 워터 아토마이즈 철기 분말을 얻는다. 상기 워터 아토마이즈법에 의한 워터 아토마이즈 철기 분말의 제조에는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 도 3 에 나타낸 것 등 임의의 워터 아토마이즈 장치를 사용할 수 있다.

그 후, 얻어진 워터 아토마이즈 철기 분말에 열 처리를 실시함으로써, Cr 및 Mn 을 함유하는 소결 부재 원료용 합금 강분이 제조된다. 상기 열 처리는, 예를 들어, 특허문헌 1 ∼ 4 에 기재되어 있는 방법 등 워터 아토마이즈 철기 분말을 환원할 수 있는 방법이면 임의의 방법을 사용할 수 있다.

상기 열 처리에 의해, 워터 아토마이즈 철기 분말에 함유되는 탄소나 산소가 제거된다. 또, 상기 열 처리에 의해 철기 분말은 어닐링되고, 철분 입자 내에 포함되는 변형이 제거됨과 함께, 결정립이 성장한다. 열 처리 후의 합금 강분에 함유되는 C 와 O 의 양은, C：0.1 질량％ 이하, O：0.2 질량％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 열 처리의 조건은, 워터 아토마이즈 철기 분말에 함유되어 있는 C 및 O 의 양에 따라 조정하면 된다.

[용강의 성분 조성]

본 발명의 일 실시형태에 있어서는, 상기 용강으로서 C, Cr 및 Mn 을 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 용강을 사용할 수 있다. 또, 다른 실시형태에 있어서, 상기 용강의 성분 조성은, Mo：0.1 ∼ 2.0 ％ 및 V：0.1 ∼ 0.5 ％ 의 일방 또는 양방을 합금화 원소로서 추가로 함유할 수 있다. 또, 다른 실시형태에 있어서, 상기 용강의 성분 조성은, S：0.3 ％ 이하를 추가로 함유할 수 있다. 또, 다른 실시형태에 있어서, 상기 용강의 성분 조성은, 후술하는 산화 용이성 원소를, 합계로 0.01 ∼ 0.10 질량％ 추가로 함유할 수도 있다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서의 용강은, 다음의 성분 조성을 갖는 것이어도 된다.

C,

Cr,

Mn,

임의로, Mo：0.1 ∼ 2.0 ％ 및 V：0.1 ∼ 0.5 ％ 의 일방 또는 양방,

임의로, S：0.3 ％ 이하 및,

임의로, 산화 용이성 원소를 합계로 0.01 ∼ 0.10 질량％ 를 함유하고,

잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성.

[용강의 C, Cr, Mn, V 함유량]

본 발명에서는 워터 아토마이즈에 제공하는 용강 중에 있어서의 C 함유량 [C] (질량％) 와, 상기 용강 중에 있어서의 Cr, Mn 및 V 의 함유량 [Cr], [Mn] 및 [V] (질량％) 가, 하기 (1) 식의 관계를 만족시키도록 하는 것이 중요하다.

0.07 ≤ [C]/{[Cr]^2/3 ＋ 2([Mn] ＋ [V])} ≤ 0.23 … (1)

또한, 상기 용강이 V 를 함유하지 않는 경우, 상기 (1) 식의 [V] 는 0 으로 한다. 상기 (1) 식을 만족시키도록, 합금화 원소의 함유량에 따라 C 함유량을 조정함으로써, Cr 등의 산화되기 쉬운 원소를 합금화 원소로서 함유하는 철기 분말을, 워터 아토마이즈법에 의해 효율적이고 또한 안정적으로 제조할 수 있다. 그 이유를 이하에 설명한다.

용강 중에 C 가 존재하면, 그 C 는 O 와 반응하여 CO 가스를 발생시킨다. 거기서, 합금화 원소인 Cr, Mn 및 V 의 함유량에 대한 C 함유량이 일정 비율 이상, 구체적으로는 0.07 ≤ [C]/{[Cr]^2/3 ＋ 2([Mn] ＋ [V])} 가 되도록 C 함유량을 조정하면, C 가 O 와 반응하여 CO 가스가 발생하는 반응의 쪽이, 상기 합금화 원소가 O 와 반응하여 산화물이 생성되는 반응보다 우선적으로 일어나게 된다. 그 결과, 워터 아토마이즈 중에 상기 합금화 원소의 산화물이 생성되어 용강 주입 노즐구에 부착되는 것이 방지되어, 용강을 안정적으로 주입할 수 있게 된다. 또한, 보다 바람직한 C 함유량은, 0.1 ≤ [C]/{[Cr]^2/3 ＋ 2([Mn] ＋ [V])} 이다.

한편, C 함유량이 많을수록, 합금화 원소의 산화물의 생성을 억제하는 효과는 높아지기 때문에, 산화물의 부착 방지라는 관점에서는 C 함유량을 많게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 과도하게 C 함유량이 많아지면 CO 가스의 발생량이 증대되어, 발생된 CO 가스가 아토마이즈 철기 분말의 내부에 공공을 형성한다. 그래서, 상기 공공의 형성을 억제하기 위해서, {[Cr]^2/3 ＋ 2([Mn] ＋ [V])} ≤ 0.23 이 되도록 C 함유량을 조정한다. 또한, 보다 바람직한 C 함유량은, [C]/{[Cr]^2/3 ＋ 2([Mn] ＋ [V])} ≤ 0.2 이다.

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

또한, 상기 (1) 식에 있어서는, [C] 를, [Cr]^2/3, [Mn] 및 [V] 에 대한 비로 규정하고 있다. 이것은, 다음의 (2) ∼ (4) 식으로 나타내는, Cr 산화물 Cr₂O₃, Mn 산화물 MnO 및 V 산화물 VO 의 각각이 C 로 환원되는 반응이 열역학적으로 성립하는지의 여부가, [Cr]^2/3, [Mn] 및 [V] 와 [C] 의 비에 의해 결정되기 때문이다.

Cr₂O₃ ＋ 3C → (2/3)Cr ＋ 3CO … (2)

MnO ＋ C → Mn ＋ CO … (3)

VO ＋ C → V ＋ CO … (4)

또한, 본 발명 방법에 의해 제조되는 합금 강분에는, 상기 합금화 원소 이외에도, Mo 가 합금화 원소로서 함유되는 경우가 있다. 그러나, Mo 는 Cr 보다 산화되기 어렵기 때문에, 본 발명의 조건을 만족시키면 안정적으로 워터 아토마이즈를 실시할 수 있다.

특허문헌 1 ∼ 4 에 개시되어 있는 종래의 기술에서는, 워터 아토마이즈법에 의해 얻어진 철기 분말을 열 처리함으로써 환원할 때의 조건에는 주의가 기울여지고 있었지만, 본 발명과 같이, 워터 아토마이즈를 실시할 때의 용강 중의 C 함유량과, Cr, Mn 및 V 의 함유량의 관계를 제어하는 것은 실시되지 않았었다. 또, 그러한 제어를 실시함으로써, 조업의 안정성을 향상시키고, 또한 철기 분말 내부에 공공이 형성되는 것을 억제할 수 있는 것도 알려지지 않았었다. 예를 들어, 특허문헌 2 에는, Cr：2.5 ∼ 3.5 ％, C：0.1 ∼ 0.9 ％ 를 함유하는 워터 아토마이즈 철기 분말이 개시되어 있는데, C 함유량은, 합금 원소의 함유량과 관계없이 선택되고 있다.

또한, 상기 용강에 있어서의 C 함유량은, 상기 (1) 식의 관계를 만족시키는 것이면 특별히 한정되지 않지만, C：0.01 ∼ 1.00 ％ 로 하는 것이 바람직하다.

[산화 용이성 원소]

본 발명에 있어서는, 워터 아토마이즈에 사용하는 용강이, 산화 용이성 원소를 함유할 수도 있다. 여기서,「산화 용이성 원소」란, 후술하는 합금 강분 중에 함유되는 합금화 원소보다 산화물의 표준 생성 자유 에너지가 낮은 원소를 의미한다. 예를 들어, 합금 강분이 Cr 및 Mn 을 함유하는 경우, 상기 산화 용이성 원소란, Cr 및 Mn 의 양자보다 산화물의 표준 생성 자유 에너지가 낮은 원소를 의미한다. 또, 합금 강분이 Cr, Mn, Mo 및 V 를 함유하는 경우, 상기 산화 용이성 원소란, Cr, Mn, Mo 및 V 중 어느 것보다 산화물의 표준 생성 자유 에너지가 낮은 원소를 의미한다.

상기 산화 용이성 원소로는, 예를 들어, Si, Al, Ti 등을 사용할 수 있다. 상기 산화 용이성 원소로는, 1 개의 원소만을 사용할 수도 있고, 복수의 원소를 조합하여 사용할 수도 있다. 저렴한 원료가 입수 가능하다는 점에서는, Si 를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 산화 용이성 원소는, 용강 중에 용해되어 있는 산소와 반응하여 산화물이 되어, 용강 중의 용융 산소량을 저감시킨다. 그 때문에, 산화 용이성 원소를 용강에 첨가함으로써, 워터 아토마이즈시에, 용강이 용강 주입구로부터 주입되어 그 용강의 온도가 저하되어도, 용강 중의 산소가 포화되기 어려워져, 합금화 원소의 산화물의 생성이 억제된다. 이 작용에 의해, 용강 노즐에 대한 합금화 원소의 산화물의 부착이 더욱 억제되어, 조업이 한층 안정된다. 또, CO 가스의 발생량도 억제되고, 그 결과, 워터 아토마이즈 철기 분말 중에 공공이 형성되는 현상이 더욱 억제된다.

상기 산화 용이성 원소의 용강 중의 함유량은 합계로 0.01 ∼ 0.10 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 0.10 질량％ 를 초과하면 용강류에 혼입되는 양이 증대되고, 그 산화 용이성 원소의 산화물이 용강 주입구에 부착되어 조업 불안정성의 원인이 되기 때문에 바람직하지 않다.

[합금 강분의 성분 조성]

본 발명의 일 실시형태에 있어서의 소결 부재 원료용 합금 강분은, Cr：0.3 ∼ 3.5 ％ 및 Mn：0.08 ％ 초과, 1.0 ％ 이하를 합금화 원소로서 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물인 성분 조성을 갖는다. 또, 그 합금 강분의 성분 조성은, Mo：0.1 ∼ 2.0 ％ 및 V：0.1 ∼ 0.5 ％ 의 일방 또는 양방을 합금화 원소로서 추가로 함유할 수도 있다. 또, S：0.3 ％ 이하를 추가로 함유할 수도 있다. 이하, 상기 성분 조성의 한정 이유에 대해 설명한다.

Cr：0.3 ∼ 3.5 ％

Cr 은, ?칭성을 향상시키고, 소결 부재의 인장 강도 및 피로 강도를 향상시키는 기능을 갖는 원소이다. 또한 Cr 은, 소결 부재를 열 처리한 후의 경도를 높여, 내마모성을 향상시키는 효과가 있다. 이들 효과를 얻기 위하여, 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 함유량을 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 발명 방법에 의하면, 용강 중의 Cr 의 산화가 억제되기 때문에, Cr 산화물의 석출에 의한 용강 중 Cr 량의 감소는 거의 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명의 소결 부재 원료용 합금 강분에 있어서의 Cr 함유량을 상기 범위로 하기 위해서는, 워터 아토마이즈 공정에서 사용되는 용강의 Cr 함유량을 0.3 ∼ 3.5 ％ 로 하는 것이 바람직하다.

Mn：0.08 ％ 초과, 1.0 ％ 이하

Mn 은, ?칭성 향상, 고용 강화 등에 의해, 소결 부재의 강도를 향상시키는 기능을 갖는 원소이다. 상기 효과를 얻기 위해서, Mn 함유량을 0.08 ％ 초과로 한다. Mn 함유량은 0.10 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Mn 함유량이 1.0 ％ 를 초과하면 인성이 저하된다. 그 때문에, Mn 함유량을 1.0 ％ 이하로 한다. Mn 함유량은, 0.8 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, Cr 과 마찬가지로, 본 발명 방법에 의하면, Mn 산화물의 석출에 의한 용강 중 Mn 량의 감소는 거의 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명의 소결 부재 원료용 합금 강분에 있어서의 Mn 함유량을 상기 범위로 하기 위해서는, 워터 아토마이즈 공정에서 사용되는 용강의 Mn 함유량을 0.08 ％ 초과, 1.0 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Mo：0.1 ∼ 2.0 ％

Mo 는, ?칭성 향상, 고용 강화, 석출 강화 등에 의해, 소결 부재의 강도를 향상시키는 기능을 갖는 원소이다. 상기 효과를 충분히 얻기 위해서는, Mo 함유량을 0.1 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Mo 함유량이 2 ％ 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. 또한, Mo 함유량의 바람직한 하한은 0.1 ％ 이며, 더욱 바람직하게는 0.2 ％ 이다. 한편, Mo 함유량의 바람직한 상한은 1.5 ％ 이며, 보다 바람직하게는 1.0 ％ 이다.

V：0.1 ∼ 0.5 ％

V 도 또한, ?칭성 향상, 고용 강화, 석출 강화 등에 의해, 소결 부재의 강도를 향상시키는 기능을 갖는 원소이다. 상기 효과를 충분히 얻기 위해서는, V 함유량을 0.1 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, V 함유량이 0.5 ％ 를 초과하면 인성이 저하되기 때문에, V 함유량을 0.5 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 따라서, V 를 첨가하는 경우에는, V 함유량을 0.1 ∼ 0.5 ％ 로 한다. 또한, V 함유량의 하한은 0.2 ％ 인 것이 바람직하다. 또 V 함유량의 상한은 0.4 ％ 인 것이 바람직하다.

S：0.3 ％ 이하

S 는, Mn 과 결합하여 MnS 를 형성하고, 소결 후의 절삭 가공성을 개선시키는 작용을 가진다. 그러나, 과잉으로 S 를 첨가하면 고용 S 가 증가하고, S 의 편석에서 기인하는 입계 강도의 저하가 현저해진다. 이것을 방지하기 위해서, 합금 강분의 S 함유량을 0.3 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 소결 후 S 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않고, 0 ％ 로 할 수 있는데, 공업적으로는 0 ％ 초과여도 된다.

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

상기 불가피 불순물로는, 예를 들어, C, O 및 P 를 들 수 있다. 또, 상기 서술한 바와 같이 본 발명의 합금 강분은 0.3 ％ 이하의 S 를 함유할 수 있는데, S 가 첨가되지 않는 경우라도, 합금 강분은 불가피 불순물로서의 S 를 함유할 수 있다. 또한 상기 산화 용이성 원소를 용강에 첨가한 경우에는, 그 산화 용이성 원소의 잔류분도, 불가피 불순물로서 합금 강분에 함유된다.

P 는, S 와 마찬가지로 결정립계에 편석되어 입계 강도를 저하시키는 성질을 갖고 있다. 그 때문에, 합금 강분 중에 불순물로서 함유되는 P 의 양은 0.01 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, P 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않고, 0 ％ 로 할 수 있는데, 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 워터 아토마이즈 장치를 사용하여, 여러 가지 성분 조성을 갖는 용강으로부터 워터 아토마이즈 철기 분말을 제조하였다. 먼저, 표 1 에 나타내는 성분 조성을 갖는 용강을, 유도 가열로를 사용하여, 각 2000 ㎏ 제조하였다. 상기 용강을 턴디시에 장입하고, 턴디시 바닥의 용강 주입 노즐로부터 용강류로서 분무조에 낙하시키고, 수압 15 ㎫ 의 워터 제트를 상기 용강류에 충돌시켜 아토마이즈 철기 분말을 얻었다. 아토마이즈 중에는 유도 가열로의 총 중량을 로드 셀로 연속적으로 계측하였다. 또, 유도 가열로로부터 턴디시에 대한 장입량을 조정하고, 아토마이즈 중에는 턴디시 내의 용강의 액면 높이가 일정해지도록 하였다. 따라서, 아토마이즈되는 용강류의 주입 속도는, 유도 가열로의 총 중량의 단위 시간당의 감소율로부터 예측할 수 있다. 또한, 용강 주입 개시 직전에 유도 가열로로부터 용강 샘플을 채취하고, 그 성분을 콴토벡 (Quantovac, 스파크 방전 발광 분석법) 으로 분석하였다. 표 1 에 나타낸 용강의 성분 조성은, 상기 분석에 의해 얻어진 것이다. 또한, 용강의 성분 조성 중, 표 1 에 용강의 성분 조성으로서 나타나 있는 원소 이외의 잔부는, Fe 와 다른 불가피 불순물이다. 또, 표 중의「Tr.」은 검출 한계 이하인 것을 의미하고, 구체적으로는 0.001 ％ 이하이다. 표 1 에는, [C]/{[Cr]^2/3 ＋ 2([Mn] ＋ [V])} 의 값을「함유량비」로서 나타냈다. 이와 같이 하여 제조한 워터 아토마이즈 철기 분말을, 드라이 수소 분위기에서 1200 ℃ × 2 시간 열 처리하여, 소결 부재 원료용 합금 강분을 제조하였다.

[주입 속도 안정률]

워터 아토마이즈 공정에 있어서의 용강 주입 속도의 안정성을 이하와 같이 하여 평가하였다. 용강의 주입 개시 후 5 분의 시점부터 2 분간의 평균 용강 주입 속도를 초기 주입 속도 M_i, 주입 완료 5 분전부터 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 워터 아토마이즈를 실시할 수 있는 것을 나타낸다. 한편, R_M 이 작을수록, 조업 시간의 경과와 함께 용강 주입 속도가 저하되어 불안정한 조업이 되고 있는 것을 나타낸다. 따라서, R_M 은 100 ％ 에 가까울수록 바람직하다. 또한, R_M 은 90 ％ 이상인 것이 바람직하고, 최저라도 70 ％ 이상, 바람직하게는 75 ％ 이상인 것이 필요하다.

[입자 조밀률]

또, 워터 아토마이즈 철기 분말에 함유되는 개개의 입자 내부의 공공 생성 상태를 이하와 같이 하여 평가하였다. 먼저, 상기 서술한 방법에 의해 제조된 워터 아토마이즈 철기 분말을, 메시 106 ㎛ 와 75 ㎛ 의 체의 간격으로 분급하였다. 이어서, 얻어진 입자를 수지에 매립한 후, 입자 단면을 경면 연마하고, 얻어진 단면을 광학 현미경을 사용하여 관찰하였다. 관찰 배율을 100 배로 하고, 800 ㎛ × 600 ㎛ 의 시야에서 10 개 지점 사진 촬영을 실시하였다. 촬영된 광학 현미경 이미지에 포함되는 입자의 총수를 N_T, 그 중 직경 20 ㎛ 이상의 공공을 포함하는 입자수를 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 적고, 조밀한 입자가 얻어지는 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 모두 나타낸다. 본 발명의 조건을 만족시키는 발명예에 있어서는, R_M 이 높고, 용강의 주입 안정성이 우수하였다. 이에 반하여, C 함유량이 낮고, 본 발명의 (1) 식의 조건을 만족시키지 않는 비교예에 있어서는, 용강의 주입 안정성이 떨어졌다. 또, [C]/{[Cr]^2/3 ＋ 2([Mn] ＋ [V])} 가 본 발명의 범위보다 낮은 No. 17 의 비교예에 있어서는, 약 500 ㎏ 의 원료 용강을 주입한 시점에서 용강 주입구가 폐색되었지만, 본 발명의 조건을 만족시키는 발명예에 있어서는, 원료 용강 전체량을 아토마이즈할 수 있었다. 이상의 결과로부터, 본 발명 방법에 의하면, 워터 아토마이즈 중에 있어서의 Cr 이나 Mn 의 산화물의 생성을 억제하여, 합금 강분을 효율적이고 또한 안정적으로 제조할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, Si 함유량이 과잉인 비교예 No. 9 에서는, Si 산화물이 용강 주입구에 퇴적되어 R_M 이 저하됨과 함께, 불가피적으로 불순물로서 함유되는 이상의 Si 가 합금 강분 중에 함유되어 있었다.

또, 본 발명의 조건을 만족시키는 발명예에 있어서는, R_V 가 높고, 얻어지는 워터 아토마이즈 철기 분말의 조밀성이 우수하였다. 이에 반하여, 용강의 C 함유량이 많고, 본 발명의 (1) 식의 조건을 만족시키지 않는 비교예에 있어서는, 워터 아토마이즈 철기 분말의 조밀성이 떨어졌다. 이 결과로부터, 본 발명 방법에 의하면, 용강 중의 C 가 산소와 반응함으로써 발생하는 CO 가스가 분말 중에 잔류하는 것에서 기인하는 공공의 형성을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.

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

또한, (1) 식의 조건을 만족시키는 본 발명예에서는 용강 중의 합금 원소의 산화가 억제되기 때문에, 열 처리하여 제조된 합금 강분에 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 불순물로서의 존재하는 것을 제외하고, 본 발명예의 합금 강분에 C 는 잔류하고 있지 않았다. 따라서, 본 발명예에 있어서의 합금 강분은 본 발명에 있어서의 성분 조성의 조건을 만족시켰다. 한편, 표 1 에 나타낸「함유량비」가 (1) 식에서 규정되는 범위보다 낮은 비교예에서는, 합금 강분에 함유되는 합금화 원소의 양은 용강 중에 있어서의 양보다 0.1 질량％ 이상 낮았다. 또한, 표 1 에 나타낸「함유량비」가 (1) 식에서 규정되는 범위보다 높은 비교예에서는, 입자 조밀률은 낮지만, 용강 중의 합금 원소의 산화는 억제되기 때문에, 합금 강분의 합금화 원소 함유량은 용강 성분 조성과 거의 차이가 없었다.

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

Claims

소결 부재 원료용 합금 강분의 제조 방법으로서,
C, Cr 및 Mn 을 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 용강을 워터 아토마이즈하여 워터 아토마이즈 철기 분말로 하는 워터 아토마이즈 공정과,
상기 워터 아토마이즈 철기 분말에 열 처리를 실시하여 소결 부재 원료용 합금 강분으로 하는 열 처리 공정을 갖고,
상기 용강 중에 있어서의 C 함유량 [C] (질량％) 와, 상기 용강 중에 있어서의 Cr, Mn 및 V 의 함유량 [Cr], [Mn] 및 [V] (질량％) 가, 하기 (1) 식의 관계를 만족시키고,
상기 소결 부재 원료용 합금 강분이, 질량％ 로,
Cr：0.3 ∼ 3.5 ％ 및
Mn：0.08 ％ 초과, 1.0 ％ 이하
를 합금화 원소로서 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는, 소결 부재 원료용 합금 강분의 제조 방법.
0.07 ≤ [C]/{[Cr]^2/3 ＋ 2([Mn] ＋ [V])} ≤ 0.23 … (1)
(단, 상기 용강이 V 를 함유하지 않는 경우, [V] 는 0 으로 한다)
제 1 항에 있어서,
상기 용강의 성분 조성 및 상기 소결 부재 원료용 합금 강분의 성분 조성이, 질량％ 로,
Mo：0.1 ∼ 2.0 ％ 및
V：0.1 ∼ 0.5 ％ 의 일방 또는 양방을 합금화 원소로서 추가로 함유하는, 소결 부재 원료용 합금 강분의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 용강의 성분 조성 및 상기 소결 부재 원료용 합금 강분의 성분 조성이, 질량％ 로,
S：0.3 ％ 이하
를 추가로 함유하는, 소결 부재 원료용 합금 강분의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 용강의 성분 조성이, 상기 소결 부재 원료용 합금 강분 중에 함유되는 상기 합금화 원소보다 산화물의 표준 생성 자유 에너지가 낮은 산화 용이성 원소를, 합계로 0.01 ∼ 0.10 질량％ 추가로 함유하고,
상기 산화 용이성 원소가, Si, Ti 및 Al 에서 선택되는 1 또는 2 이상인, 소결 부재 원료용 합금 강분의 제조 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 용강의 성분 조성이, 상기 소결 부재 원료용 합금 강분 중에 함유되는 상기 합금화 원소보다 산화물의 표준 생성 자유 에너지가 낮은 산화 용이성 원소를, 합계로 0.01 ∼ 0.10 질량％ 추가로 함유하고,
상기 산화 용이성 원소가, Si, Ti 및 Al 에서 선택되는 1 또는 2 이상인, 소결 부재 원료용 합금 강분의 제조 방법.