KR102077522B1 - 합금분말 조성물 및 이를 이용한 소결체 제조방법 - Google Patents

합금분말 조성물 및 이를 이용한 소결체 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 합금분말 조성물 및 이를 이용한 소결체 제조방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 합금분말 조성물은 2 이상의 합금 성분을 포함하는 합금계 분말 80~95 중량%; 및 철(Fe)분말 5~20 중량%;를 포함하며, 상기 합금계 분말은 평균입경이 50~250㎛ 이며, 상기 철분말은 평균입경이 50nm 이상 10㎛ 미만이다.

Description

합금분말 조성물 및 이를 이용한 소결체 제조방법 {COMPOSITION FOR ALLOY POWDER AND MANUFACTURING METHOD FOR SINTERED BODY USING THE SAME}
본 발명은 합금분말 조성물 및 이를 이용한 소결체 제조방법에 관한 것이다.
소결체 제조에 사용되는 분말 재료는, 철(Fe)을 주성분으로 포함하며, 강도 향상 등을 목적으로 탄소(C), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 몰리브덴(Mo) 등의 합금원소를 첨가하여 제조된다.
한편, 분말야금 공정을 통해 제조되는 소결체는 상기 분말 재료를 이용하여 성형 및 소결을 진행함에 따라 통상적으로 약 10 부피% 이하의 기공이 소결체 내부에 존재하게 된다. 상기 소결체의 밀도는, 소결체의 강도와 직접적으로 연관되기 때문에, 고강도의 소결체를 제조하기 위해 소결체의 밀도를 향상시켜, 고밀도화를 이끌어내기 위한 연구가 이루어지고 있다.
본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2017-0075508호(2017.07.03. 공개, 발명의 명칭: 금속 분말의 제조 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 하나의 목적은 혼합성 및 성형성이 우수한 합금분말 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제조된 소결체의 조직 치밀성, 치수 안정성 및 밀도 향상 효과가 우수하며, 내마모성 및 기계적 강도가 우수한 합금분말 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 경제성 및 생산성이 우수한 합금분말 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 합금분말 조성물을 이용한 소결체 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 소결체 제조방법에 의해 제조된 소결체를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 합금분말 조성물에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 합금분말 조성물은 2 이상의 합금 성분을 포함하는 합금계 분말 70~95 중량%; 및 철(Fe)분말 5~30 중량%;를 포함하며, 상기 합금계 분말은 평균입경이 50~250㎛ 이며, 상기 철분말은 평균입경이 10㎛ 미만이다.
한 구체예에서 상기 합금계 분말은, 전체중량에 대하여 탄소(C) 0.01~5 중량%, 실리콘(Si) 0.5~20 중량%, 망간(Mn) 3~25 중량%, 인(P) 0 초과 0.5 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.5 중량% 이하, 니켈(Ni) 3~35 중량%, 크롬(Cr) 10~40 중량%, 바나듐(V) 0.1~5 중량%, 니오븀(Nb) 0.5~5 중량% 및 질소(N) 0.01~1 중량%를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 합금분말 조성물은, 전체중량에 대하여 탄소(C) 0.3~3 중량%, 실리콘(Si) 0.5~5 중량%, 망간(Mn) 5~15 중량%, 인(P) 0 초과 0.5 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.5 중량% 이하, 니켈(Ni) 5~12 중량%, 크롬(Cr) 15~26 중량%, 바나듐(V) 0.1~3 중량%, 니오븀(Nb) 0.5~3 중량%, 질소(N) 0.1~0.5 중량%, 잔량부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 철분말은 평균입경이 50nm~10㎛일 수 있다.
다른 구체예에서 상기 합금분말 조성물은, 2 이상의 합금 성분을 포함하는 합금계 분말 70~95 중량%; 및 철(Fe)분말 5~30 중량%;를 포함하며, 상기 합금계 분말은 평균입경이 0.1~40㎛이며, 상기 철분말은 평균입경이 50~250㎛ 이다.
본 발명의 다른 관점은 상기 합금분말 조성물을 이용한 소결체 제조방법에 관한 것이다. 상기 소결체 제조방법은 상기 합금분말 조성물을 예열하는 단계; 상기 예열된 합금분말 조성물을 압축성형하여 중간 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 중간성형체를 소결온도: 1050~1300℃ 조건으로 소결하는 단계;를 포함한다.
한 구체예에서 상기 예열은, 상기 합금분말 조성물을 650~800℃ 조건으로 가열할 수 있다.
한 구체예에서 상기 소결시 질소(N2) 및 수소(H2)를 포함하는 혼합 가스 분위기 또는 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점은 상기 소결체 제조방법에 의해 제조된 소결체에 관한 것이다.
본 발명의 합금분말 조성물은 혼합성 및 성형성이 우수하며, 제조된 소결체의 조직 치밀성, 치수 안정성과 밀도 향상 효과가 우수하고, 내마모성 및 기계적 강도가 우수하며, 원가 절감을 통해 경제성 및 생산성이 우수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 소결체를 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 소결체의 광학현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 소결체의 광학현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 소결체의 표면을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 소결체의 단면을 나타낸 광학현미경 사진이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
합금분말 조성물
본 발명의 하나의 관점은 합금분말 조성물에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 합금분말 조성물은 2 이상의 합금 성분을 포함하는 합금계 분말 70~95 중량%; 및 철(Fe)분말 5~30 중량%;를 포함하며, 상기 합금계 분말은 평균입경이 50~250㎛ 이며, 상기 철분말은 평균입경이 10㎛ 미만이다.
합금계 분말
상기 합금계 분말은, 상기 철분말의 철(Fe)과 합금을 형성할 수 있는 2 이상의 합금 성분을 포함한다.
한 구체예에서 상기 합금계 분말은 구형 또는 무정형일 수 있다.
상기 합금계 분말은 평균입경(d50)이 50~250㎛ 이다. 상기 범위에서 본 발명의 혼합성 및 소결체의 밀도 향상효과가 우수할 수 있다. 상기 합금계 분말이 평균입경이 50㎛ 미만인 경우, 상기 합금계 분말의 제조 비용이 지나치게 증가하여 경제성이 저하되며, 250㎛ 초과인 경우 소결체의 기공 수가 증가하여 밀도 향상 효과가 저하되며, 입자 그레인이 크게(Grain Growth) 되어 물성이 저하되고 기계적 강도가 저하될 수 있다.
한 구체예에서 상기 합금계 분말은, 전체중량에 대하여 탄소(C) 0.01~5 중량%, 실리콘(Si) 0.5~20 중량%, 망간(Mn) 3~25 중량%, 인(P) 0 초과 0.5 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.5 중량% 이하, 니켈(Ni) 3~35 중량%, 크롬(Cr) 10~40 중량%, 바나듐(V) 0.1~5 중량%, 니오븀(Nb) 0.5~5 중량% 및 질소(N) 0.01~1 중량%를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 합금계 분말은 상기 합금분말 조성물 전체중량에 대하여 70~95 중량% 포함된다. 상기 범위로 포함시 상기 조성물의 혼합성과 성형성이 우수하며, 소결체의 사잇돌 효과로 인해 조직 치밀성 및 기계적 강도가 우수할 수 있다. 상기 합금계 분말을 70 중량% 미만으로 포함시 본 발명의 기계적 강도가 저하되거나, 소결체 제조 비용이 증가하며, 95 중량%를 초과하여 포함시 본 발명의 소결체의 조직 치밀성 또는 기계적 강도가 저하될 수 있다. 예를 들면 80~90 중량% 포함될 수 있다. 다른 예를 들면 85~90 중량% 포함될 수 있다.
철분말
상기 철분말은 통상적으로 제조한 것을 사용할 수 있다. 예를 들면 고철 등을 전기로에서 용해한 다음, 산소를 취입하여 정련하여, 탈탄, 탈린 등의 공정을 수행하여 용강을 제조한 다음, 상기 용강을 수분사, 가스분사 처리 또는 열처리 파쇄 하여 분말 제조 후, 상기 분말을 환원 열처리하여 철분말을 제조할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기와 같이 수분사, 가스분사 처리 및 열처리 파쇄 하여 철분말 제조시, 소결체의 조직 치밀성과 기계적 강도가 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 철분말은 구형 또는 무정형일 수 있다.
한 구체예에서 상기 철분말은 평균입경(d50)이 10㎛ 미만이다. 상기 범위에서 본 발명의 혼합성 및 소결체의 밀도 향상효과가 우수할 수 있다. 상기 철분말의 평균입경을 10㎛ 이상으로 적용하는 경우, 조성물의 혼합성이 저하되어 편석이 발생하거나, 소결체의 조직 치밀성이 저하될 수 있다. 예를 들면 상기 철분말은 평균입경이 50nm 이상 10㎛ 미만일 수 있다.
한 구체예에서 상기 철분말은 상기 합금분말 조성물 전체중량에 대하여 5~30 중량% 포함된다. 상기 철분말을 5 중량% 미만으로 포함시 본 발명의 조성물의 혼합성이 저하되며, 30 중량%를 초과하여 포함시 본 발명의 소결체의 조직 치밀성 또는 기계적 강도가 저하될 수 있다. 예를 들면 10~20 중량% 포함될 수 있다. 다른 예를 들면 10~15 중량% 포함될 수 있다.
한 구체예에서 상기 합금계 분말 및 철분말을 포함하는 합금분말 조성물은, 전체중량에 대하여 탄소(C) 0.3~3 중량%, 실리콘(Si) 0.5~5 중량%, 망간(Mn) 5~15 중량%, 인(P) 0 초과 0.5 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.5 중량% 이하, 니켈(Ni) 5~12 중량%, 크롬(Cr) 15~28 중량%, 바나듐(V) 0.1~3 중량%, 니오븀(Nb) 0.5~3 중량%, 질소(N) 0.1~0.5 중량%, 잔량부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 합금계 분말 및 철분말을 포함하는 합금분말 조성물은, 전체중량에 대하여 탄소(C) 0.3~0.8 중량%, 실리콘(Si) 1.5~2.5 중량%, 망간(Mn) 10~15 중량%, 인(P) 0 초과 0.05 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.3 중량% 이하, 니켈(Ni) 5~10 중량%, 크롬(Cr) 20~26 중량%, 바나듐(V) 0.1~1 중량%, 니오븀(Nb) 0.5~1.5 중량%, 질소(N) 0.1~0.5 중량%, 잔량부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
이하, 상기 합금분말 조성물의 구성 성분에 대하여 보다 상세히 설명하도록 한다.
탄소(C)
상기 탄소(C)는 본 발명의 강도 및 경도 향상을 목적으로 포함된다. 한 구체예에서 상기 합금분말 조성물 전체중량에 대하여 상기 탄소는 0.3~3 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 본 발명의 가공성을 저해하지 않으면서, 강도 및 경도가 우수할 수 있다. 예를 들면 0.3~0.8 중량% 포함될 수 있다.
실리콘( Si )
상기 실리콘(Si)은 고용강화를 통해 본 발명의 소결체의 기계적 강도를 증가시키며, 연성을 향상시킬 수 있다. 한 구체예에서 상기 실리콘은 상기 합금분말 조성물 전체중량에 대하여 0.5~5 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 본 발명의 소결체의 조직 안정성 및 기계적 강도가 우수할 수 있다. 예를 들면 1.5~2.5 중량% 포함될 수 있다.
망간(Mn)
상기 망간(Mn)은 본 발명의 강도 및 경도 향상을 목적으로 포함된다. 한 구체예에서 상기 망간은 상기 합금분말 조성물 전체중량에 대하여 5~15 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 본 발명의 기계적 강도 향상 효과가 우수할 수 있다. 예를 들면 10~15 중량% 포함될 수 있다.
인(P)
한 구체예에서 상기 인(P)은 상기 합금분말 조성물 전체중량에 대하여 0 초과 0.5 중량% 이하로 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 본 발명의 소결체의 결함 및 기계적 강도의 저하를 방지할 수 있다. 예를 들면 0 초과 0.05 중량% 이하로 포함될 수 있다.
황(S)
상기 황(S)은 상기 합금분말 조성물 전체중량에 대하여 0 초과 0.5 중량% 이하로 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 본 발명의 소결체의 결함 및 기계적 강도의 저하를 방지할 수 있다. 예를 들면 0 초과 0.05 중량% 이하로 포함될 수 있다.
니켈( Ni )
상기 니켈(Ni)은 강도 및 경도를 증가시키는 목적으로 포함된다. 한 구체예에서 상기 니켈은 상기 합금분말 조성물 전체중량에 대하여 5~12 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 본 발명의 강도 및 경도가 우수할 수 있다. 예를 들면 5~10 중량% 포함될 수 있다.
크롬( Cr )
상기 크롬(Cr)은 본 발명의 강도, 경도 및 내마모성을 향상시키는 목적으로 포함된다. 한 구체예에서 상기 크롬은 상기 합금분말 조성물 전체중량에 대하여 15~28 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 본 발명의 강도 및 경도가 우수할 수 있다. 예를 들면 20~26 중량% 포함될 수 있다.
바나듐(V)
상기 바나듐(V)은 질화물 형성 원소이며, 소결체의 그레인 사이즈(grain size) 미세화 효과를 가진다. 한 구체예에서 상기 바나듐은 상기 합금분말 조성물 전체중량에 대하여 0.1~3 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 제조 비용의 증가를 최소화하면서, 우수한 기계적 강도를 확보할 수 있다. 예를 들면 0.1~1 중량% 포함될 수 있다.
니오븀( Nb )
상기 니오븀(Nb)은 질화물 형성 원소이며, 소결체의 그레인 사이즈(grain size) 미세화 효과를 가진다. 한 구체예에서 상기 니오븀은 상기 합금분말 조성물 전체중량에 대하여 0.5~3 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 제조 비용의 증가를 최소화하면서, 우수한 기계적 강도를 확보할 수 있다. 예를 들면 0.5~1.5 중량% 포함될 수 있다.
질소(N)
상기 질소(N)는 상기 합금분말 조성물 전체중량에 대하여 0.1~0.5 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 본 발명의 성형성을 저해하지 않으면서, 우수한 기계적 강도를 확보할 수 있다.
다른 구체예에서 상기 합금분말 조성물은, 2 이상의 합금 성분을 포함하는 합금계 분말 70~95 중량%; 및 철(Fe)분말 5~30 중량%;를 포함하며, 상기 합금계 분말은 평균입경이 0.1~40㎛이며, 상기 철분말은 평균입경이 50~250㎛ 이다.
상기 합금계 분말의 평균입경을 40㎛를 초과하여 적용하는 경우, 조성물의 혼합성이 저하되거나, 소결체의 조직 치밀성 및 기계적 강도가 저하될 수 있다. 상기 합금계 분말의 평균입경을 0.1㎛ 미만으로 적용하는 경우, 합금계 분말의 제조비용이 지나치게 증가하여 경제성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 철분말의 평균입경이 50㎛ 미만인 경우, 상기 합금계 분말의 제조 비용이 지나치게 증가하여 경제성이 저하되며, 250 ㎛ 초과인 경우 소결체의 기공 수가 증가하여 밀도 향상 효과가 저하되거나, 입자 그레인이 크게(Grain Growth) 되어 물성이 저하되고 기계적 강도가 저하될 수 있다.
상기 합금계 분말을 70 중량% 미만으로 포함시 본 발명의 기계적 강도가 저하되거나, 소결체 제조 비용이 증가하며, 95 중량%를 초과하여 포함시 본 발명의 소결체의 조직 치밀성 또는 기계적 강도가 저하될 수 있다. 예를 들면 80~90 중량% 포함될 수 있다. 다른 예를 들면 85~90 중량% 포함될 수 있다. 한 구체예에서 상기 철분말은 상기 합금분말 조성물 전체중량에 대하여 5~30 중량% 포함된다. 상기 철분말을 5 중량% 미만으로 포함시 본 발명의 조성물의 혼합성이 저하되며, 30 중량%를 초과하여 포함시 본 발명의 소결체의 조직 치밀성 또는 기계적 강도가 저하될 수 있다. 예를 들면 10~20 중량% 포함될 수 있다. 다른 예를 들면 10~15 중량% 포함될 수 있다.
합금분말 조성물을 이용한 소결체 제조방법
본 발명의 다른 관점은 상기 합금분말 조성물을 이용한 소결체 제조방법에 관한 것이다. 상기 소결체 제조방법은 상기 합금분말 조성물을 금형에 투입하고 예열하는 단계; 상기 예열된 합금분말 조성물을 압축성형하여 중간 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 중간성형체를 소결온도: 1050~1300℃ 조건으로 소결하는 단계;를 포함한다.
한 구체예에서 상기 예열은, 상기 합금분말 조성물을 650~800℃ 조건으로 가열할 수 있다. 상기 온도 범위로 예열시 압축성형이 용이하며, 조직 치밀성과 기계적 강도가 우수한 소결체를 제조할 수 있다.
한 구체예에서 상기 압축 성형은, 6~15 ton/cm2의 압력조건으로 실시될 수 있다. 상기 조건으로 압축 성형시 소결체의 조직 치밀성과, 기계적 강도가 우수할 수 있다. 예를 들면 7~8 ton/cm2의 압력조건으로 실시될 수 있다.
상기 압축 성형된 중간성형체는 성형밀도 6~8g/cm3일 수 있다. 상기 조건에서 소결체의 조직 치밀성과, 기계적 강도가 우수할 수 있다. 예를 들면 7~8g/cm3일 수 있다.
상기 소결온도를 1050℃ 미만으로 실시하는 경우, 소결체의 기계적 강도가 저하되며, 1300℃를 초과하여 실시하는 경우 소결체의 경도 및 조직 치밀성이 지나치게 증가하여 가공성이 저하되거나, 설비 부하가 발생할 수 있다.
한 구체예에서 상기 소결시 질소(N2) 및 수소(H2)를 포함하는 혼합 가스 분위기, 또는 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 수행될 수 있다. 상기 조건의 가스분위기에서, 상기 소결되는 합금 분말 조성물 구성 성분이 고온에서 산화되지 않으면서 기계적 강도가 우수한 소결체를 제조할 수 있다. 예를 들면, 상기 소결시 질소 및 암모니아(NH3) 가스를 투입하여, 질소 60~80 부피% 및 수소 20~40 부피%를 포함하는, 혼합 가스 분위기를 형성할 수 있다.
한 구체예에서 상기 소결단계 이후, 상기 소결체를 디버링 등 후 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
소결체 제조방법에 의해 제조된 소결체
본 발명의 또 다른 관점은 상기 소결체 제조방법에 의해 제조된 소결체에 관한 것이다.
한 구체예에서 상기 소결체는 소결밀도가 7~8 g/cm3일 수 있다. 예를 들면 소결밀도가 7.0~7.5 g/cm3일 수 있다. 한 구체예에서 상기 소결체는 소결밀도 및 성형밀도의 차이가 0.3 g/cm3 이하일 수 있다. 예를 들면, 0.01~0.2 g/cm3 일 수 있다.
한 구체예에서 상기 소결체는 표면 기공율이 5% 이하일 수 있다. 예를 들면 3% 이하일 수 있다.
상기 소결체는, 내연기관용 부재로 사용될 수 있다. 예를 들면 터보챠저의 베인링(vane ring) 용도로 사용될 수 있다.
본 발명의 합금분말 조성물은 혼합성 및 성형성이 우수하며, 제조된 소결체의 조직 치밀성, 치수 안정성과 밀도 향상 효과가 우수하고, 내마모성 및 기계적 강도가 우수하며, 원가 절감을 통해 경제성 및 생산성이 우수할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예 및 비교예
상기 실시예 및 비교예에 사용된 성분은 하기와 같다.
(1) 합금계 분말: 평균입경이 50~250㎛ 이며, 전체중량에 대하여 탄소(C) 0.01~5 중량%, 실리콘(Si) 0.5~20 중량%, 망간(Mn) 3~25 중량%, 인(P) 0 초과 0.5 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.5 중량% 이하, 니켈(Ni) 3~35 중량%, 크롬(Cr) 10~40 중량%, 바나듐(V) 0.1~5 중량%, 니오븀(Nb) 0.5~5 중량% 및 질소(N) 0.01~1 중량%를 포함하는 합금계 분말을 사용하였다.
(2) 철(Fe)분말: 수분사법을 이용하여 제조된, 평균입경이 50nm 이상 10㎛ 미만인 철분말을 사용하였다.
실시예 1
(1) 합금분말 조성물 제조: 상기 합금계 분말 80 중량% 및 철분말 20 중량%를 균일하게 혼합하여, 탄소(C) 0.329~0.471 중량%, 실리콘(Si) 1.529~2.176 중량%, 망간(Mn) 10.588~12.941 중량%, 인(P) 0 초과 0.053 중량% 이하, 황(S) 0.176~0.294 중량%, 니켈(Ni) 6.471~7.647 중량%, 크롬(Cr) 22.706~25.294 중량%, 바나듐(V) 0.588~0.041 중량%, 니오븀(Nb) 0.941~1.412 중량%, 질소(N) 0.118~0.353 중량%, 잔량부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 합금분말 조성물 시편을 3개 제조하였다.
(2) 소결체 제조: 상기 실시예 1의 합금분말 조성물을 금형에 투입하고, 690~750℃의 온도로 예열하였다. 이때, 상기 금형에 투입되는 합금분말 조성물의 중량을 하기 표 1에 나타내었다. 상기 예열된 합금분말 조성물을 성형압력 8.4ton/cm2 조건으로 압축성형하여 성형밀도: 7.0g/cm3인 중간 성형체를 제조하였다. 그 다음에, 상기 중간성형체를 소결로에 투입한 다음, 질소(N2)가스: 14.7Nm3/h, 암모니아 가스(NH3): 10.7Nm3/h의 유량 조건으로 투입하여, 질소(N2) 및 수소(H2) = 7:3 부피비를 갖는 혼합기체 분위기에서 트레이 속도: 4분/트레이 및 소결온도: 1150~1200℃에서 70~90분 동안 소결하여, 도 1과 같은 외경 65φ 및 내경 50φ 사이즈의 소결체(터보챠저용 베인링)를 제조하였다.
실시예 2~3
하기 표 1에 개시된 가압조건과, 성형밀도를 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 소결체를 제조하였다.
실시예 4~6
합금계 분말 90 중량% 및 철분말 10 중량%를 균일하게 혼합하여, 탄소(C) 0.329~0.471 중량%, 실리콘(Si) 1.529~2.176 중량%, 망간(Mn) 10.588~12.941 중량%, 인(P) 0 초과 0.053 중량% 이하, 황(S) 0.176~0.294 중량%, 니켈(Ni) 6.471~7.647 중량%, 크롬(Cr) 22.706~25.294 중량%, 바나듐(V) 0.588~0.041 중량%, 니오븀(Nb) 0.941~1.412 중량%, 질소(N) 0.118~0.353 중량%, 잔량부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 합금분말 조성물 적용하되, 하기 표 1의 성형 조건을 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 소결체를 제조하였다.
실시예 7
상기 합금계 분말 70 중량% 및 철분말 30 중량%를 균일하게 혼합하여, 합금분말 조성물을 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 소결체를 제조하였다.
비교예 1
상기 합금계 분말 60 중량% 및 철분말 40 중량%를 균일하게 혼합하여, 합금분말 조성물을 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 소결체를 제조하였다.
비교예 2
상기 합금계 분말 50 중량% 및 철분말 50 중량%를 균일하게 혼합하여, 합금분말 조성물을 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 소결체를 제조하였다.
상기 실시예 1~7 및 비교예 1~2에 대하여, 중간성형체의 성형밀도와, 각 소결체 시편의 소결밀도를 측정하고, 상기 소결밀도 및 성형밀도차 및 기공율을 계산하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 이때, 상기 기공율은 상기 실시예 소결체 시편의 광학현미경 사진을 이용하여 분석한 것이다.
또한, 상기 실시예 및 비교예 중에서 대표적으로 실시예 1~6의 중간성형체의 외경 및 내경 사이즈와, 소결체의 외경 및 내경 사이즈를 측정하고, 상기 외경 및 내경 변화율(%)과, 조도측정기를 사용하여 평면도를 측정하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
Figure 112019031973973-pat00001
Figure 112019031973973-pat00002
Figure 112019031973973-pat00003
하기 도 2는 실시예 1 소결체의 미세조직을 나타낸 것이며, 하기 도 3은 본 발명에 따른 실시예 1, 2, 4 및 5 소결체의 미세조직을 나타낸 광학현미경 사진이다. 상기 도 2 및 도 3의 결과를 참조하면, 본 발명에 따른 합금분말 조성물을 적용하여 제조된 소결체는, 합금계 분말(무정형) 사이에, 상대적으로 미세한 크기의 철분말(구형)이 분포되어 있음을 알 수 있었다.
하기 도 4는 본 발명의 실시예 1~3 소결체의 표면을 나타낸 사진이다. 상기 도 4 및 표 2~3의 결과를 참조하면, 본 발명의 소결체는, 본 발명의 조건을 벗어난 비교예보다 수축률과 기공율을 최소화하여, 조직 치밀성과 치수 안정성이 우수하였음을 알 수 있었다.
하기 도 5는 본 발명의 실시예 3 소결체의 단면을 나타낸 광학현미경 사진(주사전자현미경, SEM)이다. 상기 도 5의 결과를 참조하면, 소결체 파단면 전체 영역에 걸쳐, 합금계 분말(무정형) 사이에, 상대적으로 미세한 크기의 철분말(구형)이 분포되어 있고, 상기 합금계 분말과 철분말 사이에 소결 넥킹(necking)이 형성됨을 알 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (9)

  1. 2 이상의 합금 성분을 포함하는 합금계 분말 80~95 중량%; 및
    철(Fe)분말 5~20 중량%;를 포함하는 내연기관 부재용 합금분말 조성물이며,
    상기 합금계 분말은, 전체중량에 대하여 탄소(C) 0.01~5 중량%, 실리콘(Si) 0.5~20 중량%, 망간(Mn) 3~25 중량%, 인(P) 0 초과 0.5 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.5 중량% 이하, 니켈(Ni) 3~35 중량%, 크롬(Cr) 10~40 중량%, 바나듐(V) 0.1~5 중량%, 니오븀(Nb) 0.5~5 중량% 및 질소(N) 0.01~1 중량%를 포함하며,
    상기 합금계 분말은 평균입경이 50~250㎛ 이며, 상기 철분말은 평균입경이 50nm 이상 10㎛ 미만이고,
    상기 합금분말 조성물은, 전체중량에 대하여 탄소(C) 0.3~3 중량%, 실리콘(Si) 0.5~5 중량%, 망간(Mn) 5~15 중량%, 인(P) 0 초과 0.5 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.5 중량% 이하, 니켈(Ni) 5~12 중량%, 크롬(Cr) 15~28 중량%, 바나듐(V) 0.1~3 중량%, 니오븀(Nb) 0.5~3 중량%, 질소(N) 0.1~0.5 중량%, 잔량부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
    소결후 기공율이 6.64% 이하인 것을 특징으로 하는 내연기관 부재용 합금분말 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 2 이상의 합금 성분을 포함하는 합금계 분말 80~95 중량%; 및
    철(Fe)분말 5~20 중량%;를 포함하는 내연기관 부재용 합금분말 조성물이며,
    상기 합금계 분말은, 전체중량에 대하여 탄소(C) 0.01~5 중량%, 실리콘(Si) 0.5~20 중량%, 망간(Mn) 3~25 중량%, 인(P) 0 초과 0.5 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.5 중량% 이하, 니켈(Ni) 3~35 중량%, 크롬(Cr) 10~40 중량%, 바나듐(V) 0.1~5 중량%, 니오븀(Nb) 0.5~5 중량% 및 질소(N) 0.01~1 중량%를 포함하며,
    상기 합금계 분말은 평균입경이 0.1~40㎛ 이며, 상기 철분말은 평균입경이 50~250㎛ 이고,
    상기 합금분말 조성물은, 전체중량에 대하여 탄소(C) 0.3~3 중량%, 실리콘(Si) 0.5~5 중량%, 망간(Mn) 5~15 중량%, 인(P) 0 초과 0.5 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.5 중량% 이하, 니켈(Ni) 5~12 중량%, 크롬(Cr) 15~28 중량%, 바나듐(V) 0.1~3 중량%, 니오븀(Nb) 0.5~3 중량%, 질소(N) 0.1~0.5 중량%, 잔량부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
    소결후 기공율이 6.64% 이하인 것을 특징으로 하는 내연기관 부재용 합금분말 조성물.
  6. 제1항의 내연기관 부재용 합금분말 조성물을 650~750℃로 예열하는 단계;
    상기 예열된 합금분말 조성물을 압축성형하여 중간 성형체를 제조하는 단계; 및
    상기 중간성형체를 소결온도: 1050~1300℃ 조건으로 소결하는 단계;를 포함하며,
    기공율이 6.64% 이하인 것을 특징으로 하는 소결체 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서, 상기 소결시 질소(N2) 및 수소(H2)를 포함하는 혼합 가스 분위기 또는 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 소결체 제조방법.
  9. 제6항의 소결체 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 소결체.
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