KR102090035B1

KR102090035B1 - 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법

Info

Publication number: KR102090035B1
Application number: KR1020187008471A
Authority: KR
Inventors: 아키오 고바야시; 나오미치 나카무라; 이츠야 사토
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2020-03-17
Also published as: JP6112283B1; WO2017056512A1; KR20180043821A; JPWO2017056512A1

Abstract

이동상로를 이용한 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법으로서, 번잡한 유지 관리가 필요해지는 가스 분석을 필요로 하지 않고, Cr, Mn, V 등의 이산화성 원소를 함유하는 철기 분말을 열처리하여, C 함유량 및 O 함유량을 안정적으로 저감할 수 있는 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법을 제공한다. 특정한 성분 조성을 갖는 애토마이즈 철기 분말을 준비하고, 상기 애토마이즈 철기 분말을, 필요에 따라서 탄소 성분과 혼합한 후, 두께 d(㎜)의 충전층을 형성하도록 이동상로 내로 공급하고, 상기 이동상로 내에, 불활성 가스를 평균 가스 유속 ｖ(㎜/s)가 되도록 공급하고, 상기 애토마이즈 철기 분말을 상기 이동상로 내에서 열처리함으로써 환원하여, 분말 야금용 합금 강분으로 하는, 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법으로서, 상기 d 및 v가, 하기식을 만족하는, 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법.
ｄ/√v≤3.0(㎜^1/2·s^1/2)

Description

분말 야금용 합금 강분의 제조 방법

본 발명은, 애토마이즈 철기 분말을 환원하여 분말 야금용 합금 강분으로 하는, 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 상기 애토마이즈 철기 분말이, Cr 등의 산화되기 쉬운 합금 원소를 함유하고 있어도, 합금 강분 중의 C(탄소) 함유량 및 O(산소) 함유량을 효과적으로 내릴 수 있는 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법에 관한 것이다.

분말 야금 기술은, 복잡한 형상의 부품을, 제품 형상에 매우 가까운 형상(소위 니어 넷 형상(near net shape))으로, 또한 높은 치수 정밀도로 제조할 수 있다. 따라서, 분말 야금 기술을 이용하여 부품을 제작하면, 대폭적인 절삭 비용의 저감이 가능해진다. 이 때문에, 분말 야금 기술을 적용한 분말 야금 제품은, 각종의 기계용 부품으로서, 다방면으로 이용되고 있다. 또한, 최근에는, 부품의 소형화, 경량화를 위해, 분말 야금 제품의 강도의 향상이 강하게 요망되고 있고, 특히, 철기 분말 야금 제품(철기 소결체)에 대한 고강도화의 요구가 강하다.

이 고강도화의 요구에 따르기 위해, 분말 야금에 이용되는 철기 분말에 대하여 합금 원소가 첨가된다. 상기 합금 원소로서는, 예를 들면, 퀀칭성(quenching) 향상 효과가 높고, 비교적 염가인 점에서, Cr, Mn, Mo가 사용된다. 또한, 고온 강도나 내(耐)마모성을 향상시키기 위해서는, V가 합금 원소로서 사용된다.

상기와 같은 합금 원소를 포함하는 분말 야금용 합금분으로서는, 예를 들면, Cr-Mo계 합금 강분(특허문헌 1), Cr-Mn-Mo계 합금 강분(특허문헌 2, 특허문헌 3), Cr-Mn-Mo-V계 합금 강분(특허문헌 4)이 알려져 있다.

또한, 분말 야금용 철기 분말의 제조에 있어서는, 원료로서의 철기 분말 중의 C 함유량 및 O 함유량을 저감하기 위해서 열처리가 행해진다. 상기 열처리는, 일반적으로 이동상로(moving bed furnace)를 이용하여 연속적으로 실시되고, 상기 철기 분말로서는, 애토마이즈한 채로의 조(粗)철기 분말이나, 밀 스케일을 조(粗)환원한 조환원 철기 분말 등의 조철기 분말이 이용된다. 그리고, 상기 열처리에 있어서는, 분말의 용도에 따라서, 탈탄, 탈산 및, 탈질 중 적어도 1개의 처리가 행해진다.

상기 열처리를 행하기 위한 장치로서는, 예를 들면, 특허문헌 5에 기재된 장치가 알려져 있다. 특허문헌 5에 기재된 장치에서는, 원료 분말의 주행 방향에 수직이 되도록 설치된 칸막이 벽에 의해, 이동상로 내의 공간이 복수로 분할되어 있다. 그리고, 분할된 각 공간의 상부에는, 분위기 가스를 흐르게 하기 위한 유로가 형성되어 있다. 열처리는, 상기 유로에, 향류적으로(countercurrently), 즉, 원료 분말의 주행 방향과 반대의 방향으로, 분위기 가스를 흐르게 하면서, 연속적으로 행해진다.

일본특허공보 제3224417호 일본특허공보 제5125158호 일본특허공보 제5389577호 일본공개특허공보 소55-062101호 일본특허공고공보 평01-40881호 일본공표특허공보 2002-501123호 일본특허공보 제4225574호

특허문헌 1∼3에 기재되어 있는 바와 같이 합금 원소를 포함하는 분말 야금용 합금분의 제조에 있어서, C 함유량이나 O 함유량을 저감하기 위해서 특허문헌 5에 기재되어 있는 바와 같은 열처리법을 이용한 경우, 다음과 같은 문제가 있었다. 즉, Fe에 비해 산화되기 쉬운 성질을 갖는 Cr이나 Mn과 같은 원소(이하, 「이(易)산화성 원소」라고 함)가 포함되어 있다. 그 때문에, 애토마이즈법(특히 물 애토마이즈법)에 의해 Cr이나 Mn을 함유하는 철기 분말을 제조하면, 얻어진 철기 분말에는 애토마이즈시에 Cr이나 Mn이 산화되어 발생한 산화물이 포함되게 된다. 상기 산화물은, 상기 열처리에 있어서도 충분히 환원되는 일 없이 잔류한다. 또한, 경우에 따라서는, 열처리시에 추가로 Cr이나 Mn이 산화되어, 오히려 산화물의 양이 증가한다. 일반적으로 C 함유량이나 O 함유량이 많으면 가압 성형시에 있어서의 상기 합금 강분의 압축성이 저하하기 때문에, 산화물이 많이 잔류하는 것은 문제이다.

또한, 특허문헌 4에 있어서 합금 원소로서 이용되고 있는 V는, Cr 및 Mn보다도 더욱 산화되기 쉬운 성질을 갖고 있기 때문에, 애토마이즈 철기 분말에 포함되는 V 산화물을 통상의 열처리에 의해 제거하는 것은 곤란하다. 그 때문에, 특허문헌 4에서는, 비용이 드는 진공 환원을 행하고 있었다.

그래서, 특허문헌 6 및 특허문헌 7에서는, Cr 및 Mn 등의 이산화성 원소를 포함하는 합금 강분의 제조시에, 탈탄이나 탈산을 가능하게 하는 방법이 제안되고 있다.

그러나, 특허문헌 6에서 제안되어 있는 처리 방법에서는, 기밀성의 배치로를 사용하여, 불활성 가스 분위기하에서 열처리가 행해진다. 상기 방법에서는 배치로(batch furnace)가 이용되기 때문에, 벨트로(belt furnace)를 포함하는 이동상로를 이용하여 연속적으로 열처리를 행하는 경우에 비해 생산성이 낮고, 따라서 대량 생산에 적합하지 않다.

한편, 특허문헌 7에서 제안되어 있는 방법은, 벨트로를 이용하여 연속적으로 열처리를 행하는 방법이기 때문에, 양산에 적합하다. 그러나, 상기 방법에서는, 열처리를 행하는 동안, 분위기 가스 중의 CO 또는 CO₂ 농도, 혹은 산소 포텐셜(O₂ 농도 또는 H₂/H₂O 농도비)을 연속적으로 측정하는 것이 필수이고, 또한 이들 측정값이 목표한 값이 되도록 로 내에 주입하는 수증기량을 조절할 필요가 있다. 이러한 가스 분석을 위한 장치를, 실제로, 철분 등을 제조하는 공장에 있어서 연속적으로 사용하는 경우, 센서 부분의 오염이나 가스 취입구의 막힘이 발생하여, 측정을 정상적으로 행할 수 없게 된다는 문제가 있다. 그 때문에, 특허문헌 7의 방법을 연속적으로 실시하는 데에 있어서, 분석 장치의 유지 관리가 큰 부담이 된다.

본 발명은, 상기 실상을 감안하여 이루어진 것으로, 이동상로를 이용한 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법으로서, 번잡한 유지 관리가 필요해지는 가스 분석을 필요로 하지 않고, Cr, Mn, V 등의 이산화성 원소를 함유하는 철기 분말을 열처리하여, C 함유량 및 O 함유량을 안정적으로 저감할 수 있는 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. 질량％로,

C: 0.8％ 이하,

O: 1.0％ 이하,

S: 0.3％ 이하,

P: 0.03％ 이하, 그리고

합금 원소로서,

Mn: 0.08％ 초과 1.0％ 이하,

Cr: 0.3∼3.5％,

Mo: 0.1∼2％ 및,

V: 0.1∼0.5％로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 또는 2 이상

을 함유하고,

잔부 Fe 및 불가피 불순물인 애토마이즈 철기 분말을 준비하고,

상기 애토마이즈 철기 분말을, 두께 d(㎜)의 충전층을 형성하도록 이동상로 내로 공급하고,

상기 이동상로 내에, 불활성 가스를 평균 가스 유속 ｖ(㎜/s)가 되도록 공급하고,

상기 애토마이즈 철기 분말을 상기 이동상로 내에서 열처리함으로써 환원하고, 분말 야금용 합금 강분으로 하는, 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법으로서,

상기 d 및 v가, 하기 (1)식을 만족하고,

상기 애토마이즈 철기 분말의 C 함유량 [C](질량％)와 상기 애토마이즈 철기 분말의 O 함유량 [O](질량％)가, 하기 (2)식을 만족하고,

상기 애토마이즈 철기 분말의 이동상로로의 공급에 있어서, 상기 애토마이즈 철기 분말의 C 함유량 [C] 및 O 함유량 [O]가 하기 (3)식을 충족하는 경우에는, 당해 애토마이즈 철기 분말을 그대로 상기 이동상로에 공급하고, 하기 (3)식을 충족하지 않는 경우에는, 하기 (4)식을 만족하도록 당해 애토마이즈 철기 분말에 탄소 성분을 추가로 혼합한 후, 상기 이동상로에 공급하는, 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법.

　　　　　　　　　　　　기

　d/√v≤3.0(㎜^1/2·s^1/2)…(1)

　[O]≥4/3[C]－2/15…(2)

　4/3[C]＋0.28≥[O]…(3)

　4/3([C]＋[MXC])＋0.28≥[O]…(4)

(여기에서, [MXC]는, (상기 애토마이즈 철기 분말에 혼합되는 탄소 성분의 질량/당해 애토마이즈 철기 분말의 질량)×100(질량％)으로 함)

2. 상기 환원된 애토마이즈 철기 분말을, 수소 가스 또는 수소 함유 기체를 이용하여 냉각하는, 상기 1에 기재된 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법.

3. 상기 불활성 가스의 노점(露点)을 5℃ 이하로 하는, 상기 1 또는 2에 기재된 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법.

4. 상기 열처리에 있어서, 분위기 온도 T: 1080℃ 이상, 유지 시간 t: 10^{4－0.0037·T}(h) 이상의 조건에서 탈산이 행해지는, 상기 1∼3 중 어느 한 항에 기재된 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법.

본 발명에 의하면, Cr, Mn, V 등의 이산화성 원소를 함유하는 합금 강분이라도, 번잡한 유지 관리가 필요해지는 가스 분석을 행하는 일 없이 이동상로를 이용하여 열처리하여, C 함유량 및 O 함유량을 안정적으로 저감할 수 있다. 그리고 그 결과, 저비용이고, 또한 가압 성형시의 압축성이 우수한 합금 강분을 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 제조 방법에 의해 얻어지는 분말 야금용 합금 강분을 이용하여 제조되는 소결 부품은, 우수한 강도, 인성, 피로 특성 등의 기계적 특성을 갖는 점에서, 분말 야금용 합금 강분 및 소결체의 용도를 확대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서 이용할 수 있는 열처리 장치의 예를 나타내는 측단면도이다.
도 2는 특허문헌 5에 기재된 열처리 장치에 있어서의 온도 패턴의 예를 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다. 본 발명에 있어서는, 원료가 되는 애토마이즈 철기 분말을, 이동상로를 이용하여 열처리함으로써 분말 야금용 합금 강분(이하, 간단히 「합금 강분」이라고 하는 경우가 있음)이 제조된다. 구체적으로는, 본 발명의 제조 방법은, 다음의 각 처리를 포함한다;

(1) 애토마이즈 철기 분말을 준비한다,

(2) 상기 애토마이즈 철기 분말을, 두께 d(㎜)의 충전층을 형성하도록 이동상로 내로 공급한다,

(3) 상기 이동상로 내에, 불활성 가스를 평균 가스 유속 ｖ(㎜/s)가 되도록 공급한다 및,

(4) 상기 애토마이즈 철기 분말을 상기 이동상로 내에서 열처리함으로써 환원하여, 분말 야금용 합금 강분으로 한다.

상기 각 처리는, 각각 독립적으로, 임의의 타이밍에서 행할 수 있고, 복수의 처리를 동시에 행할 수도 있다.

또한, 본 발명에 있어서는, 상기 충전층의 두께 d 및 상기 평균 가스 유속 ｖ가 전술한 조건을 충족할 필요가 있다. 또한, 애토마이즈 철기 분말을 이동상로 내로 공급할 때, 당해 애토마이즈 철기 분말의 C 함유량 및 O 함유량에 따라서, 당해 애토마이즈 철기 분말에 탄소 성분을 추가로 혼합한 후, 상기 이동상로에 공급한다.

이하, 각 처리의 상세와, 상기 조건의 한정 이유에 대해서 설명한다.

[애토마이즈 철기 분말]

본 발명에 있어서는, 원료로서 애토마이즈 철기 분말을 사용한다. 애토마이즈 철기 분말의 제조 방법은 특별히 한정되지 않고, 일반적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 또한, 「애토마이즈 철기 분말」이란, 애토마이즈법에 따라 제조된 철기 분말을 의미한다. 또한, 「철기 분말」이란, Fe를 50질량％ 이상 함유하는 분말을 의미한다.

상기 애토마이즈 철기 분말로서는, 가스 애토마이즈법에 의해 얻어지는 가스 애토마이즈 철기 분말과, 물 애토마이즈법에 의해 얻어지는 물 애토마이즈 철기 분말 중 어느 것도 사용할 수 있다. 상기 가스 애토마이즈법에서는, 질소, 아르곤 등의 불활성 가스를 이용하는 것이 바람직하다. 단, 가스는 물에 비해 냉각 능력이 뒤떨어지기 때문에, 가스 애토마이즈법으로 철기 분말을 제조하는 경우에는, 다량의 가스를 사용할 필요가 있다. 그 때문에, 양산성이나 제조 비용의 관점에서는, 물 애토마이즈법을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 물 애토마이즈법은, 통상 대기가 혼입되는 바와 같은 분위기에서 애토마이즈가 행해지기 때문에, 가스 애토마이즈법에 비해 제조 과정에 있어서의 철기 분말의 산화가 발생하기 쉽다. 그 때문에, 본 발명의 방법은, 물 애토마이즈 철기 분말을 이용하는 경우에 특히 유효하다.

(성분 조성)

다음으로, 본 발명에 있어서 애토마이즈 철기 분말의 성분 조성을 상기와 같이 한정하는 이유에 대해서 설명한다. 또한, 특별히 언급하지 않는 한, 이하의 설명에 있어서 「％」는 「질량％」를 의미하는 것으로 한다.

본 발명에 있어서, C 및 O는, 후술하는 열처리에 의해 저감시켜야 할 원소이다. 그리고, 최종적으로 얻어지는 분말 야금용 합금 강분의 압축성을 향상시킨다는 관점에서는, 당해 합금 강분의 C 함유량 및 O 함유량을 가능한 한 저감하는 것이 바람직하고, 구체적으로는, C: 0.1％ 이하, O: 0.28％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이들 C 및 O의 적정량을 달성하기 위해, 본 발명에 따르는 열처리로 저감할 수 있는 양을 예상하여, 애토마이즈 철기 분말의 C 함유량 및 O 함유량의 적정 범위를 이하와 같이 정한다.

C: 0.8％ 이하

C는, 주로 시멘타이트 등의 석출물로서, 혹은 고용 상태로 애토마이즈 철기 분말 중에 존재한다. 애토마이즈 철기 분말 중의 C 함유량이 0.8％를 초과하면, 본 발명의 열처리에 있어서 C 함유량을 0.1％ 이하까지 내리는 것이 곤란해져, 우수한 압축성을 갖는 합금 분말을 얻을 수 없다. 그 때문에, 애토마이즈 철기 분말의 C 함유량을 0.8％ 이하로 한다. 한편, C 함유량이 낮으면 낮을수록, 열처리시의 C 함유량의 저감(탈탄)이 용이하게 된다. 그 때문에, C 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않고, 0％라도 좋고, 공업적으로는 0％ 초과라도 좋다.

O: 1.0％ 이하

O는, 주로 Cr 산화물, Mn 산화물, V 산화물 및, Fe 산화물로서 철기 분말 표면에 존재한다. 애토마이즈 철기 분말 중의 O 함유량이 1.0％를 초과하면, 열처리에 있어서 O 함유량을 0.28％ 이하까지 내리는 것이 곤란해져, 우수한 압축성을 갖는 합금 분말을 얻을 수 없다. 그 때문에, 애토마이즈 철기 분말의 O 함유량을 1.0％ 이하로 한다. O 함유량은, 0.9％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, O 함유량이 낮으면 낮을수록, 열처리시의 O 함유량의 저감(탈산)이 용이하게 된다. 그 때문에, O 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 과도한 저감은 제조 비용의 증가를 초래하기 때문에, O 함유량은 0.4％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, S, P, Cr, Mn, Mo 및, V의 함유량은, 모두 본 발명의 열처리에 의해 변화되지는 않는다. 따라서, 애토마이즈 철기 분말 중에 포함되는 이들 원소는, 열처리 후의 분말 야금용 합금 강분 중에 그대로 잔류한다. 이것에 입각하여, 애토마이즈 철기 분말에 있어서의 이들 원소의 함유량을, 각각 이하와 같이 규정한다.

S: 0.3％ 이하

합금 강분에 포함되는 S의 일부는 Mn과 결합하여 MnS를 형성하고, 소결 후의 절삭성을 향상시킨다. 그러나, 합금 강분 중의 S 함유량이 0.3％를 초과하면 고용 S가 증가하여, 입계 강도가 저하한다. 그 때문에, 합금 강분 중의 S 함유량을 0.3％ 이하로 하기 위해, 애토마이즈 철기 분말의 단계에서의 S 함유량을 0.3％ 이하로 한다. 입계 강도의 저하를 확실히 회피하기 위해서는, S 함유량을 0.25％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, S 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않고, 0％라도 좋지만, 공업적으로는 0％ 초과라도 좋다. 소결 후의 절삭성을 개선한다는 관점에서는, S 함유량을 0.05％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

P: 0.03％ 이하

P는 불가피 불순물의 하나로서 포함되는 원소이다. P 함유량을 0.03％ 이하로 함으로써, 입계 강도가 증가하고, 인성이 향상한다. 그 때문에, 애토마이즈 철기 분말의 P 함유량을 0.03％ 이하로 한다. 한편, P 함유량은 낮으면 낮을수록 입계 강도가 증가하고, 인성이 향상하기 때문에 바람직하다. 그 때문에, P 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않고, 0％라도 좋지만, 공업적으로는 0％ 초과라도 좋다. 그러나, 과도한 저감은 제조 비용의 증가를 초래하기 때문에, P 함유량은 0.0005％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서의 애토마이즈 철기 분말은, 이상의 성분에 더하여, Mn, Cr, Mo 및, V로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 또는 2 이상을 함유한다.

Mn: 0.08％ 초과 1.0％ 이하

Mn은, 퀀칭성 향상, 고용 강화 등에 의해, 소결체의 강도를 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. Mn을 첨가하는 경우는, 상기 효과를 얻기 위해 Mn 함유량을 0.08％ 초과로 한다. Mn 함유량은 0.10％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Mn 함유량이 1.0％보다 높으면, Mn 산화물의 생성량이 많아져, 합금 강분의 압축성이 저하한다. 또한, Mn 산화물이, 소결체 내부의 파괴의 기점이 되어, 피로 강도 및 인성을 저하시킨다. 그 때문에, Mn 함유량을 1.0％ 이하로 한다. Mn 함유량은 0.95％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.80％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

Cr: 0.3∼3.5％

Cr은, 퀀칭성을 향상시키고, 소결체의 인장 강도 및 피로 강도를 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. 추가로 Cr은, 소결체의 퀀칭·템퍼링 등의 열처리 후의 경도를 높여, 내마모성을 향상시키는 효과를 갖고 있다. Cr을 첨가하는 경우는, 이들 효과를 얻기 위해 Cr 함유량을 0.3％ 이상으로 한다. 한편, Cr 함유량이 3.5％를 초과하면, Cr 산화물의 생성량이 많아진다. Cr 산화물은, 소결체 내부의 피로 파괴의 기점이 되기 때문에, 소결체의 피로 강도를 저하시킨다. 따라서, Cr 함유량을 3.5％ 이하로 한다.

Mo: 0.1∼2％

Mo는, 퀀칭성 향상, 고용 강화, 석출 강화 등에 의해, 소결체의 강도를 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. Mo를 첨가하는 경우는, 상기 효과를 얻기 위해, Mo 함유량을 0.1％ 이상으로 한다. 한편, Mo의 함유량이 2％를 초과하면, 소결체의 인성이 저하한다. 따라서, Mo 함유량을 2％ 이하로 한다.

V: 0.1∼0.5％

V는, 퀀칭성 향상, 고용 강화, 석출 강화 등에 의해, 소결체의 강도를 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. V를 첨가하는 경우는, 상기 효과를 얻기 위해 V 함유량을 0.1％ 이상으로 한다. 한편, V 함유량이 0.5％를 초과하면, 소결체의 인성이 저하한다. 그 때문에, V 함유량을 0.5％ 이하로 한다.

본 발명에 있어서의 애토마이즈 철기 분말의 성분 조성은, 상기 원소와, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어진다.

또한 본 발명에 있어서는, 상기 애토마이즈 철기 분말의 C 함유량 [C](질량％)와 상기 애토마이즈 철기 분말의 O 함유량 [O](질량％)가, 하기 (2)식을 만족할 필요가 있다.

[O]≥4/3[C]－2/15…(2)

애토마이즈 철기 분말에 포함되는 C와 O는, 주로 C＋O＝CO의 반응에 의해 일산화탄소 가스가 되어 철기 분말로부터 제거된다. 그때, 상기 애토마이즈 철기 분말의 C 함유량 [C](질량％)와 상기 애토마이즈 철기 분말의 O 함유량 [O](질량％)가, 하기 (2)식을 만족하면, 열처리에 의해 분말 중의 C량을, 예를 들면, 0.1질량％ 이하와 같은 충분히 낮은 양까지 저감할 수 있다.

또한 본 발명에 있어서는, 이하에 서술하는 바와 같이, 필요에 따라서 상기 애토마이즈 철기 분말에 탄소 성분을 추가로 혼합하여 이용한다.

·(3)식을 충족하는 경우

상기 애토마이즈 철기 분말의 C 함유량 [C] 및 O 함유량 [O]가 하기 (3)식을 충족하는 경우에는, 당해 애토마이즈 철기 분말을 그대로 상기 이동상로에 공급한다. 또한, 「그대로 공급한다」란, 탄소 성분 등의 다른 성분과 혼합하는 일 없이, 애토마이즈 철기 분말만을 이동상로에 공급하는 것을 의미한다.

4/3[C]＋0.28≥[O]…(3)

애토마이즈 철기 분말의 [C] 및 [O]가 (3)식의 조건을 충족하고 있는 경우에는, 산소에 대하여 충분한 양의 탄소가 존재하고 있기 때문에, 열처리에 의해 분말 중의 O량을, 예를 들면, 0.28질량％ 이하와 같은 충분히 낮은 양까지 저감할 수 있다.

·(3)식을 충족하지 않는 경우

한편, 애토마이즈 철기 분말의 [C] 및 [O]가 (3)식의 조건을 충족하고 있지 않는 경우에는, 열처리에 의해 분말 중의 O량을 충분히 저감할 수 없다. 그래서, 하기 (4)식을 만족하도록 당해 애토마이즈 철기 분말에 탄소 성분을 추가로 혼합한 후, 이동상로로 공급한다.

4/3([C]＋[MXC])＋0.28≥[O]…(4)

이와 같이 탄소 성분을 혼합함으로써, 애토마이즈 철기 분말에 포함되는 탄소의 부족을 보충할 수 있다. 그리고 그 결과, 열처리에 의해 분말 중의 O량을, 예를 들면, 0.28질량％ 이하와 같은 충분히 낮은 양까지 저감할 수 있다.

또한, 탄소 성분을 첨가하는 경우, 다음의 (5)식을 추가로 만족하는 것이, 보다 바람직하다.

[O]≥4/3([C]＋[MXC])－2/15…(5)

또한, 애토마이즈 철기 분말의 C 함유량과 O 함유량을 조정하는 방법은, 특별히 한정되지 않고, 임의의 방법을 이용할 수 있다. 예를 들면, 애토마이즈 철기 분말의 C 함유량 및 O 함유량이 상기 조건을 충족하도록, 애토마이즈 철기 분말의 제조에 이용하는 용강의 성분 조성을 조정하면 좋다. 용강의 성분 조성의 조정은, 일반적인 전로(轉爐)를 사용한 철강의 정련·제강 기술에 의해 행할 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 애토마이즈 철기 분말이, 애토마이즈인 채로(as-atomized), 상기 (2) 및 (3)식의 조건을 충족하고 있으면, 당해 애토마이즈 철기 분말을 그대로 열처리에 제공할 수 있기 때문에, 바람직하다. 단, 애토마이즈 철기 분말에 있어서의 C 함유량이 과잉으로 되어, (2)식의 조건을 충족할 수 없게 되면, 열처리 전의 조정을 행하여 (2)식을 만족하도록 할 수 없다. 따라서, 애토마이즈 철기 분말을 제조할 때에는, 반드시 (2)식을 만족하도록 할 필요가 있고, 그러기 위해서는 산소가 과잉으로 되는 일도 허용된다. 산소가 과잉이고, (3)식을 충족하지 않는 경우라도, 전술한 바와 같이 탄소 성분을 첨가함으로써, 최종적인 합금 강분에 있어서의 C량과 O량을 저감할 수 있기 때문이다.

(평균 입경)

애토마이즈 철기 분말의 평균 입경은 특별히 한정되지 않고, 애토마이즈법에 의해 얻어진 철기 분말이면, 임의의 입경의 것을 이용할 수 있다. 그러나, 애토마이즈 철기 분말의 평균 입경이 30㎛를 하회하면, 애토마이즈 철기 분말의 유동성이 저하하여, 호퍼 등을 이용하여 이동상로로 공급하는 것이 곤란해지는 경우가 있다. 또한, 애토마이즈 철기 분말의 평균 입경이 30㎛를 하회하면, 열처리 후의 합금 강분의 유동성도 저하하기 때문에, 당해 합금 강분을 프레스 성형할 때의 금형으로의 충전의 작업 효율이 저하하는 경우가 있다. 그 때문에, 애토마이즈 철기 분말의 평균 입경을 30㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 40㎛ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 50㎛ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.

한편, 애토마이즈 철기 분말의 평균 입경이 120㎛보다 크면, 얻어진 합금 분말을 이용하여 얻어지는 소결체에 조대한 공공(空孔)이 발생하여 소결체의 밀도가 저하하여, 강도나 인성이 부족한 경우가 있다. 그 때문에, 애토마이즈 철기 분말의 평균 입경을 120㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 100㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 90㎛ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 여기에서 평균 입경이란, 메디안 지름(소위 d50, 체적 기준)을 가리키는 것으로 한다.

(겉보기 밀도)

애토마이즈 철기 분말의 겉보기 밀도는, 특별히 한정되지 않지만, 2.0∼3.5Mg/㎥로 하는 것이 바람직하고, 2.4∼3.2Mg/㎥로 하는 것이 보다 바람직하다.

[이동상로]

상기 성분 조성을 갖는 애토마이즈 철기 분말을, 이동상로로 공급하고, 당해 이동상로의 이동상 위에 두께 d(㎜)의 충전층을 형성한다. 상기 이동상로로서는, 애토마이즈 철기 분말을 열처리할 수 있는 것이면 임의의 것을 이용할 수 있지만, 반송용의 벨트를 구비한 이동상로(이하, 「벨트식 이동상로」 또는 「벨트로」라고도 함)를 이용하는 것이 바람직하다. 벨트로를 이용하여 열처리를 행하는 경우에는, 벨트 위에 애토마이즈 철기 분말을 공급하여, 충전층을 형성할 수 있다. 애토마이즈 철기 분말의 공급은, 임의의 방법으로 행할 수 있지만, 호퍼를 이용하여 행하는 것이 바람직하다. 또한, 이동상로에 있어서의 애토마이즈 철기 분말의 반송 방향은 특별히 한정되지 않지만, 이동상로의 입구측으로부터 출구측으로 직선적으로 반송하는 것이 일반적이다. 또한, 충전층의 두께에 대해서는 후술한다.

상기 이동상로의 가열 방식은 특별히 한정되지 않고, 애토마이즈 철기 분말을 가열할 수 있는 것이라면, 임의의 방식을 이용할 수 있지만, 분위기 제어의 관점에서는, 간접 가열식으로 하는 것이 바람직하고, 라디언트 튜브를 이용한 가열을 이용하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 머플로(muffle furnace)도, 간접 가열식의 로로서 적합하게 이용할 수 있다.

또한, 상기 이동상로로서는, 특허문헌 5에 기재되어 있는 이동상로를 이용할 수 있다. 그래서, 참고를 위해, 특허문헌 5에 있어서의 이동상로에 대해서, 이하에 설명한다. 단, 본 발명에서 이용되는 애토마이즈 철기 분말이나 분위기 가스는, 이하에 설명하는 특허문헌 5에 있어서의 처리와는 상이하다. 본 발명에서 이용되는 애토마이즈 철기 분말이나 분위기 가스에 대해서는 후술한다.

특허문헌 5의 기재에서는, 연속식 이동상로를 이용하여, 탈탄, 탈산 또는 탈질 중 1종 이상의 처리를 연속적으로 행하고, 철기 분말의 열처리를 행하는 것으로 되어 있다. 또한, 특허문헌 5의 기재에서는, 이동상로의 분할된 공간을 이용하여, 탈탄, 탈산, 탈질의 각 처리 공정을 독립시키고, 탈탄 공정에서는 600∼1100℃, 탈산 공정에서는 700∼1100℃, 탈질 공정에서는 450∼750℃로 독립적으로 온도 제어하여, 철기 분말의 열처리를 행하는 것으로 되어 있다. 또한, 특허문헌 5에서는, 분위기 가스로서, 탈탄존에서는 H₂나 AX 가스 등의 환원성 가스, 또는, N₂나 Ar 등의 불활성 가스, 탈산존에서는 H₂나 AX 가스 등의 환원성 가스, 또한 탈질존에서는 H₂ 주체의 가스가 이용된다고 되어 있다.

여기에서, 특허문헌 5에 기재된 연속식 이동상로와 동형의 열처리 장치를, 도 1에 나타낸다. 도 1에 나타낸 열처리 장치(100)는, 칸막이 벽(1)에 의해 복수의 존, 즉 탈탄존(2), 탈산존(3), 탈질존(4)으로 분할된 로체(盧體;30)와, 로체(30)의 입측에 설치된 호퍼(8)와, 로체(30)의 입출측에 설치된 휠(10)과, 당해 휠(10)에 의해 연속 회전하고, 로체(30) 내의 각 존을 순회하는 벨트(9)와, 라디언트 튜브(11)를 갖는다. 호퍼(8)로부터, 휠(10)의 연속 회전에 의해 연속적으로 이동하는 벨트(9) 위에 소정의 충전층 두께(벨트 위에 적재되는 조제(粗製) 철기 분말의 두께)로 공급된 조제 철기 분말(7)은, 라디언트 튜브(11)에 의해 적정 온도로 가열된 각 존(2, 3, 4)을 이동하면서 열처리되고, 탈탄, 탈산, 탈질되어 제품분(13)으로 된다. 또한, 제품분(13)은 제품 탱크(14)로 모인다.

그리고, 특허문헌 5에 기재된 기술에 있어서, 각 존에서의 반응은 다음과 같이 고려되어 있다. 탈탄존(2)에서는, 라디언트 튜브(11)에 의해 분위기 온도를 600∼1100℃로 제어하고, 탈탄존(2)의 하류측에 형성된 수증기 취입구(12)로부터 도입된 수증기(H₂O 가스)에 의해, 다음 존인 탈산존(3)의 분위기 가스를 노점: 30∼60℃로 조정하면서, 조제 철기 분말로부터 탈탄을 행한다고 되어 있다.

탈탄존(2)의 상류측에는, 분위기 가스의 배출구(6)가 형성되어, 분위기 가스를 장치 외로 배출하고 있다. 또한, 탈탄의 반응식은, 다음식 (Ⅰ)로 나타난다.

C(in Fe)＋H₂O(g)＝CO(g)＋H₂(g)…(Ⅰ)

탈산존(3)에서는, 라디언트 튜브(11)에 의해 분위기 온도를 700∼1100℃로 제어하고, 탈질존(4)으로부터의 분위기 가스(노점: 40℃ 이하의 수소 가스)를 이용하여, 조제 철기 분말로부터 탈산을 행한다고 되어 있다. 또한, 탈산의 반응식은, 다음식 (Ⅱ)로 나타난다.

FeO(s)＋H₂(g)＝Fe(s)＋H₂O(g)…(Ⅱ)

탈질존(4)에서는, 라디언트 튜브(11)에 의해 분위기 온도를 450∼750℃로 제어하고, 이 탈질존(4)의 하류측에 형성된 분위기 가스 도입구(5)로부터 반응 가스인 수소 가스(노점: 40℃ 이하)를 도입하여, 조제 철기 분말로부터 탈질한다고 되어 있다. 또한, 탈질의 반응식은, 다음식 (Ⅲ)으로 나타난다.

N(in Fe)＋3/2H₂(g)＝NH₃(g)…(Ⅲ)

수봉조(水封槽;15)는, 로 외 가스의 로 내 가스로의 혼입이나 로 내 가스의 로 외로의 누설을 차단하는 작용을 하고 있다.

또한, 특허문헌 5에 기재된 벨트로 타입의 열처리 장치에 의한 열처리 온도 패턴의 전형예를 도 2에 나타낸다. 처리되는 철기 분말은, (가) 또는 (나)에 나타낸 바와 같이, 로에 들어가면 우선 탈탄존에서 승온되고, 이어서 탈산존에서 균열되고, 마지막으로 탈질존에서 냉각된다. 철기 분말의 흐름과 역방향으로 도입되는 수소 가스는, 우선 탈질존에 들어가 승온되면서 철기 분말의 탈질을 행하고, 다음으로 탈산존에 들어가 일정한 온도로 유지되면서 철기 분말의 탈산을 행하고, 마지막으로 탈탄존에 소정량의 수증기와 함께 들어가, 냉각되면서 철기 분말의 탈탄을 행한다.

[불활성 가스]

본 발명에 있어서, 상기 불활성 가스로서는, 특별히 한정되지 않고, 임의의 불활성 가스를 이용할 수 있다. 적합하게 이용할 수 있는 불활성 가스의 예로서는, 아르곤(Ar) 가스, 질소(N₂) 가스 및, 그들의 혼합 가스를 들 수 있다.

상기 불활성 가스는, 상기 이동상로에 있어서 애토마이즈 철기 분말의 열처리를 행하는 동안, 평균 가스 유속 ｖ(㎜/s)가 되도록 당해 이동상로 내로 공급된다. 불활성 가스는, 이동상로 내에, 원료 분말의 이동 방향과 반대의 방향으로 흐르게 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 이동상로의 일단(상류측)으로부터 애토마이즈 철기 분말을 공급하고, 당해 애토마이즈 철기 분말을 벨트 등의 반송 수단에 의해 당해 이동상로의 타단(하류측)으로 반송하는 경우에는, 불활성 가스를 상기 타단(하류측)으로부터 도입하고, 상기 일단(상류측)으로 배기하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 이동상로는, 일단에 애토마이즈 철기 분말 공급구 및 분위기 가스 배출구를 구비하고, 타단에 처리 완료된 분말(합금 강분)의 배출구 및 불활성 가스 공급구를 구비하는 것이 바람직하다.

[열처리]

상기와 같이 불활성 가스를 공급한 상태에서, 상기 애토마이즈 철기 분말을 상기 이동상로 내에서 열처리함으로써, 분말 야금용 합금 강분을 얻을 수 있다. 상기 열처리에 의해, 애토마이즈 철기 분말에 포함되는 C 및 O는, 후술하는 탈탄 및 탈산(환원)의 반응에 의해, 제거된다.

·d/√v≤3.0

본 발명에 있어서는, 상기 열처리를 행하는 동안, 상기 충전층의 두께 d(㎜) 및 평균 가스 유속 ｖ(㎜/s)의 양자를, 하기 (1)식을 만족하도록 제어한다.

d/√v≤3.0(㎜^1/2·s^1/2)…(1)

상기 조건에서 열처리를 행함으로써, 애토마이즈 철기 분말이 Cr, Mn, V 등의 이산화성 원소를 포함함에도 불구하고, 애토마이즈 철기 분말에 포함되는 C 및 O를 안정적으로 저감할 수 있다. 그리고 그 결과, 열처리 후의 합금 강분에 있어서의 C 함유량 및 O 함유량을, 예를 들면, C≤0.1％, O≤0.28％와 같은 매우 낮은 값으로 할 수 있다. 이하, 그 이유에 대해서 설명한다.

애토마이즈 철기 분말에 포함되는 Fe, Cr, Mn 및, V의 산화물과 탄소의 반응(탈산 반응)은, 다음의 (a)∼(d)식으로 나타난다.

FeO(s)＋C＝Fe(s)＋CO(g)…(a)

Cr₂O₃(s)＋3C＝2Cr(in Fe)＋3CO(g)…(b)

MnO(s)＋C＝Mn(in Fe)＋CO(g)…(c)

VO(s)＋H₂(g)＝V(in Fe)＋H₂O(g)…(d)

상기 반응에서는 CO 가스가 생성되기 때문에, 탈산 반응을 효율 좋게 진행하기 위해서는, 로 내 분위기에 있어서의 CO 분압을 낮게 유지할 필요가 있다.

그러기 위해서는, 이동상로 내로 장입하는 철기 분말의 양, 즉 충전층 두께를 억제하는 것이 생각된다. 또한, 상기 반응에 의해 발생한 CO 가스를 제거하거나, 혹은 이동상로에 도입하는 불활성 가스로 희석함으로써 CO 분압을 저하시키는 것이 생각된다. 그래서, 본 발명에서는, 충전층의 두께 d와, 불활성 가스를 로 내로 도입했을 때의 로 내에서의 평균 가스 유속 ｖ를, 상기 (1)식을 충족하도록 제어하는 것으로 했다.

상기 (1)식을 충족하도록 충전층 두께 d와 평균 가스 유속 ｖ를 제어함으로써, 탈산이 효율적으로 진행되는 이유에 대해서는, 반드시 명확하지는 않지만, 다음과 같이 추정된다.

즉, 이동상로 내에서의 열처리 중, 충전층의 표면 상부의 공간에는 흐르고 있는 불활성 가스의 속도 경계층이 발생한다. 이 속도 경계층의 두께는 √v에 반비례하는 것이 경계층에 관한 이론으로부터 도출된다. 또한, 환원 반응에 의해 발생한 CO의 확산 속도는, 속도 경계층의 두께에 의하지 않고 일정하다고 생각되기 때문에, 확산 시간은 속도 경계층의 두께에 비례한다. 따라서, 속도 경계층 두께를 절반으로 하여 동일한 확산 시간을 부여하면 충전층 표면에서의 CO의 농도는 1/2이 된다고 생각되고, 그렇다면, 충전층의 두께를 2배로 해도 충전층의 최하층에서의 CO의 농도를 동일한 농도로 할 수 있다고 추정된다. 따라서, 농도를 일정하다고 가정하면 충전층 두께와 속도 경계층의 두께는 반비례하게 되고, 요컨대, 충전층 두께와 √v가 비례 관계에 있다고 추정된다. 따라서, 본 발명과 같이, 열처리에 있어서, d/√v≤3.0의 조건이 충족되도록 충전층 두께와 가스 유속의 조정을 행하면, 번잡한 유지 관리를 필요로 하는 가스 분석 장치를 사용하지 않아도, 상기 (a)∼(d)식의 반응에 의해 결정되는 평형 CO 분압보다도 로 내 분위기에 있어서의 CO 분압이 낮은 상태가 유지되게 된다.

또한, 분말 야금용 합금 강분에 있어서의 O 함유량을 더욱 저감한다는 관점에서는, d/√v≤2.6(㎜^1/2·s^1/2)로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, d/√v의 하한은 특별히 한정되지 않고, 낮으면 낮을수록 좋지만, d를 과도하게 작게 하면 생산 효율이 저하하고, 또한, v를 과도하게 크게 하면 비용이 증대하기 때문에, 0.1 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.3 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

[냉각]

본 발명의 일 실시 형태에 있어서는, 상기 열처리에 의해 환원된 애토마이즈 철기 분말을, 추가로, 수소 가스 또는 수소 함유 기체를 이용하여 냉각하는 것이 바람직하다. 그 이유는 다음과 같다.

환원된 애토마이즈 철기 분말에는, 불순물로서 N이 포함되어 있는 경우가 있다. 특히, 상기 환원을, N₂ 함유 분위기 중에서 행한 경우, 최종적으로 얻어지는 분말 야금용 합금 강분의 N 함유량이, 0.005질량％를 초과하는 바와 같은, 고농도가 되는 경우가 있다. 합금 강분에 N이 포함되어 있으면 압축성이 저하하기 때문에, 합금 강분의 N 함유량을 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 그래서, 환원된 애토마이즈 철기 분말을, 수소 가스 또는 수소 함유 기체를 이용하여 냉각하면, 하기 (e)식의 반응에 의해, 분말 중에 포함되는 N을 제거할 수 있다. 또한, 최종적으로 얻어지는 분말 야금용 합금 강분의 N 함유량은, 0.005질량％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

2N(in Fe)＋3H₂(g)＝2NH₃(g)…(e)

상기 (e)식의 반응을 효과적으로 진행한다는 관점에서는, 상기 냉각을, 수소 가스를 이용하여 행하는 것이 보다 바람직하다.

상기 냉각에 이용하는 가스는, 임의의 방법으로 공급하면 좋다. 예를 들면, 이동상로 내의, 철기 분말의 환원이 완료된 위치, 또는 상기 위치보다도 반송 방향의 하류측에 있어서, 이동상로 내의 불활성 가스를 배기함과 함께, 냉각용의 가스를 이동상로 내로 도입할 수 있다. 상기 타이밍(이동상로 중의 배기 및 도입 위치)에 대해서는, 엄밀하게 냉각이 시작되는 위치가 아니어도 좋고, 균열(均熱) 중이라도 철분의 환원이 완료되고 있는 위치 이후라면 문제는 없다. 또한, 반대로, 냉각(분말의 온도 저하)이 시작된 후에, 상기 분위기 가스의 교체를 행할 수도 있다. 단, 반응 효율의 관점에서는, 상기 (e)식의 반응을, 450∼750℃의 온도역에서 진행시키는 것이 바람직하기 때문에, 분말의 온도가 450℃ 미만이 되기 전, 환언하면, 분말의 온도가 450℃ 이상인 시점에서, 상기 불활성 가스의 배기와 냉각용 가스의 도입을 행하는 것이 바람직하다.

(노점)

·불활성 가스의 노점: 5℃ 이하

로 내로 도입하는 불활성 가스의 노점을 5℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 불활성 가스의 노점이 지나치게 높으면, 탈산 반응(환원 반응)이 진행되기 어려워진다. 본래, 상기식 (b) 및 (c)의 반응에 있어서 Cr₂O₃ 및 MnO의 환원에 사용되어야 할 C가 분위기 중의 수증기와 반응하여 소비되거나, 일단 환원된 Cr이나 Mn이 분위기의 수증기에 의해 재산화되거나 하기 때문이다. 열처리에서의 환원 반응을 효율 좋게 진행하기 위해서는, 이러한 C의 헛된 소비나, Cr 및 Mn의 재산화를 억제하는 것이 필요하다. 상기 관점에서, 본 발명자들이 검토를 행한 결과, 충전층 두께 d와 불활성 가스의 평균 가스 유속 ｖ가 상기의 조건을 만족하는 경우에 있어서는, 불활성 가스의 노점을 5℃ 이하로 함으로써, 환원 반응을 효율적으로 진행할 수 있는 것을 발견했다.

또한, 종래와 같이, Cr 등의 이산화성 원소를 포함하지 않는 철기 분말에서는, 특허문헌 5에 있는 바와 같이, 노점을 40℃ 이하로 하면 문제는 없다. 그러나, 본 발명에서는 이산화성 원소를 포함하는 철기 분말을 이용하기 때문에, 상기와 같이 불활성 가스의 노점을 5℃ 이하로 하는 것이 바람직하고, －10℃ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

탈산 반응이 진행되기 쉬운 점에서는, 불활성 가스의 노점은 낮을수록 좋다. 그러나, 노점이 낮은 가스는 고가이고, 과도하게 노점이 낮은 가스를 사용하는 것은 제조 비용의 증가를 초래하기 때문에, 통상은 상기 노점을 －40℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 낮은 노점을 달성하기 위해서는, 로 외 가스의 로 내로의 침입이나 로 내 가스의 로 외로의 누설을 차단하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 상기 이동상로는, 가스의 누설 및 침입을 방지하기 위한 밀봉 수단을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 밀봉 수단으로서는, 예를 들면, 특허문헌 5에 기재되어 있는 바와 같은 수봉조(도 1의 15)를 이용할 수 있지만, 시일 롤 등의 물을 사용하지 않는 방식으로 하는 것이 보다 바람직하다. 상기 밀봉 수단은, 반송 방향의 상류측과 하류측의 양단에 형성하는 것이 바람직하다.

(분위기 온도, 유지 시간)

또한, 상기 열처리에서는, 분위기 온도 T: 1080℃ 이상, 유지 시간 t: 10^{4－0.0037·T}(h) 이상의 조건에서 탈산을 행하는 것이 바람직하다. 환언하면, 상기 열처리에서는, 분위기 온도 T: 1080℃ 이상에서, 유지 시간 t: 10^{4－0.0037·T}(h) 이상 유지하는 시간을 마련하는 것이 바람직하다. 이하, 그 이유에 대해서 설명한다.

·분위기 온도 T: 1080℃ 이상

종래와 같이, Cr, Mn, V 등의 이산화성 원소를 포함하지 않는 철기 분말을 환원하는 경우에는, 환원해야 할 산화물은 FeO뿐이다. 그 때문에, 특허문헌 5에 기재되어 있는 바와 같이 탈산존에 있어서의 분위기 온도를 700℃ 이상으로 하면, 상기식 (2)의 평형 반응으로부터 결정되는 평형 노점은 70℃ 이상으로 높은 온도가 된다. 이때, 도입하는 불활성 가스의 노점을 특허문헌 5에 있는 바와 같이 40℃ 이하로 하면, 충분한 속도로 탈산 반응(환원 반응)이 진행되기 때문에 문제는 발생하지 않았다.

이에 대하여, Cr, Mn, V 등의 이산화성 원소를 포함하는 철기 분말을 환원하는 경우, 분위기 온도를 1080℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 분위기 온도의 상한은, 특별히 한정되지 않지만, 장치의 내열 성능, 제조 비용 등을 고려하면, 1200℃ 정도로 하는 것이 바람직하다. 또한, 여기에서 「분위기 온도」란, 이동상로 내의 철기 분말(충전층)의 표면으로부터 바로 위 20㎜의 위치에서, 열전쌍에 의해 측정한 온도로 한다.

·유지 시간 t: 10^{4－0.0037·T}(h) 이상

유지 시간 t를, 분위기 온도 T(℃)에 따라서, 10^{4－0.0037·T}(h) 이상으로 하면, O를 보다 저감할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 상기 t 및 T의 사이의 관계는, 여러 가지의 T 및 t에서 합금 강분을 제조하는 실험을 행한 결과로부터 결정했다. 구체적으로는, 얻어진 합금 강분의 O 함유량을, T-t 도면 상으로 플롯하여, 동일 산소량을 연결하는 곡선(등고선)을 근사식으로서 정했다. 한편, 유지 시간의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 탈산 반응 완료에 필요한 시간 이상으로 유지를 행해도 제조 비용이 증가하기만 하기 때문에, 상기 유지 시간은 4시간 이하로 하는 것이 바람직하다.

실시예

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이하의 예에 하등 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

물 애토마이즈법으로, 표 1에 나타내는 성분 조성을 갖는 애토마이즈 철기 분말을 제조했다. 애토마이즈 철기 분말 기호: A, B, F, I 및, M에 대해서는, [O]≥4/3[C]－2/15를 충족하고 있지만, 4/3[C]＋0.28≥[O]를 충족하고 있지 않고 O 과잉이기 때문에, 열처리 후의 C량 및 O량을 적정 범위로 조정하기 위해서는, 열처리 전에, 적정량의 탄소 성분, 예를 들면, 흑연분 등의 탄소 분말의 혼합이 필요하다. 애토마이즈 철기 분말 기호: C∼E, G, H 및, J에 대해서는, [O]≥4/3[C]－2/15 및 4/3[C]＋0.28≥[O]를 함께 충족하고 있어, 열처리 전에서의 탄소 분말의 혼합은 필요 없다. 애토마이즈 철기 분말 기호: K 및 L에 대해서는, [O]≥4/3[C]－2/15를 충족하고 있지 않고 C 과잉이다. 애토마이즈 철기 분말 기호: L 및 M에 대해서는, C량 또는 O량이 애토마이즈 철기 분말에서의 적정 범위를 벗어나 있다.

이들 애토마이즈 철기 분말을, 이동상로를 이용하여 열처리하고, 해쇄하여 분말 야금용 합금 강분을 얻었다. 사용한 애토마이즈 철기 분말과, 열처리 조건을 표 2, 3에 나타낸다. 일부의 예에 있어서는, 탄소 성분으로서의 흑연분을 상기 애토마이즈 철기 분말에 혼합한 후에, 이동상로로 공급했다. 상기 탄소 성분의 혼합량을, 표 2, 3에 아울러 나타냈다.

또한, 상기 열처리에 있어서는, 상기 애토마이즈 철기 분말을 표 2, 3에 나타낸 충전층 두께 d가 되도록 이동상로 내로 공급하고, 표 2, 3에 나타낸 평균 가스 유속 ｖ가 되도록 불활성 가스를 공급하면서, 연속적으로 열처리를 실시했다. 얻어진 분말 야금용 합금 강분의 성분 조성은 표 2, 3에 나타낸 바와 같았다. 또한, 각 표 및 이하의 설명에 있어서의 불활성 가스의 조성에 있어서의 ％ 표시는, vol％를 의미한다.

·Ar 함유 가스를 이용한 경우

표 2는, 불활성 가스로서 Ar 함유 가스를 이용한 경우의 예이다. 분말 기호: A 및 I를 사용하고, 탄소 분말을 혼합하고 있지 않는 것(분말 기호: A10, I10)에 대해서는, 애토마이즈 철기 분말이 O 과잉이기 때문에, 열처리 조건을 적정하게 조정한 후에도 이들을 열처리한 후의 O량이 적정값을 벗어나 있다. 따라서, 애토마이즈 철기 분말 기호: A 및 I에 대해서는, 4/3([C]＋[MXC])＋0.28≥[O]를 충족하는 바와 같은 적정량의 탄소 분말의 혼합이 필요하다. 애토마이즈 철기 분말 기호: B, F, M에 대해서도, 애토마이즈 철기 분말이 O 과잉이기 때문에, 동일하다. 이들에 대해서, 4/3([C]＋[MXC])＋0.28≥[O]를 충족하도록 표 2에 나타낸 바와 같은 흑연분의 혼합을 행한 예가, 분말 기호: A11∼A18, B11∼B15, F11, I11 및, M11로 나타나 있다.

동표로부터 분명한 바와 같이, 철분의 충전층 두께 d(㎜)와 불활성 가스의 유속 ｖ(㎜/s)의 관계가 d/√v≤3.0을 충족하는 것(분말 기호: A11∼A15, A17∼A19, B12∼B15, C11∼C14, D11∼D13, E11∼E13, F11, G11, H11, I11, J11)에 대해서는 O량이 0.28질량％ 이하로 되어 있고, 반대로 d/√v≤3.0을 충족하지 않는 것(분말 기호: A15, B11)에 대해서는 O량이 0.28질량％를 초과하고 있다. 또한, 불활성 가스가 100％ Ar로 d/√v≤2.6의 것(분말 기호: A11∼A13, A16, B13∼B15, C11∼C14, D11∼D14, E11∼E13, F11, G11, H11, I11, J11)에 대해서는 C량이 0.1질량％ 이하, O량이 0.23질량％ 이하로 되어 있고, O량이 보다 저감되어 있기 때문에, d/√v≤2.6으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 분말 기호: A16∼A18에 대해서는, 도입 가스를 100％ Ar로부터 50％ Ar－50％ N₂까지 변화시키고 있지만, 모두 O량에서 0.28질량％ 이하가 얻어지고 있다.

또한, 분말 기호: C11∼C14에 대해서는, 노점이 5℃ 이하인 것(분말 기호: C12∼C14)에서 O량이 0.20질량％ 이하로, 양호한 값이 얻어지고 있다. 또한, 노점이 －10℃ 이하인 것(분말 기호: C14)에서는 O량이 0.15질량％ 이하로, 한층 양호한 값이 얻어지고 있다. 또한, 분말 기호: D11∼D13 및 E11∼E13에 대해서는, 균열 온도가 1080℃ 이상에서 t≥10^{4－0.0037·T}를 충족하는 것(분말 기호: D13∼D14, E13)에서 O량이 0.20질량％ 이하로, 한층 양호한 값이 얻어지고 있다.

또한, 분말 기호: C11∼C14, D11∼D14, E11∼E13, G11, H11, J11에 대해서는, 애토마이즈 철기 분말에서의 C량 및 O량이 [O]≥4/3[C]－2/15 및 4/3[C]＋0.28≥[O]를 함께 충족하고 있기 때문에, 열처리 전에 탄소 분말을 혼합하지 않아도, 적정한 열처리 조건을 이용하여 불활성 가스 분위기에서 처리함으로써, 열처리 후의 C량 및 O량에 대해서 적정값이 얻어지는 것을 나타내고 있다.

한편, 분말 기호: K11에 대해서는, 애토마이즈 철기 분말에서의 C량 및 O량이 [O]≥4/3[C]－2/15를 충족하지 않고, C 과잉이기 때문에, 적정한 열처리 조건에서 처리해도, 열처리 후의 C량이 적정 범위를 벗어나 있는 것을 나타내고 있다.

또한, 분말 기호: L11 및 M11에 대해서는, 애토마이즈 철기 분말의 C량 또는 O량이 지나치게 높았기 때문에, 열처리에 의해서도 C량 또는 O량이 규정의 양까지 저감되지 못하고 있다.

·N₂ 함유 가스를 이용한 경우

표 3은, N₂ 함유 분위기에서 열처리를 행한 경우의 예이다. 애토마이즈 철기 분말 기호: A, B, F 및 I에 대해서는 O 과잉이기 때문에, 4/3([C]＋[MXC])＋0.28≥[O]를 충족하는 바와 같은 적정량의 탄소 분말의 혼합이 필요하다. 그래서, 표 3에 나타낸 바와 같은 흑연분의 혼합을 행하고, 여러 가지의 열처리 조건에서 처리한 예가, 분말 기호: A21∼A28, B21∼B25, C21∼C24, D21∼D24, E21∼E23, F21, G21, H21, I21, J21에 나타나 있다.

동표로부터 분명한 바와 같이, 철분의 충전층 두께 d(㎜)와 불활성 가스의 유속 ｖ(㎜/s)의 관계가 d/√v≤3.0을 충족하는 것(분말 기호: A21∼A24, A26∼A28, B22∼B25, C21∼C24, D21∼D24, E21∼E23, F21, G21, H21, I21, J21)에 대해서는 O량이 0.28질량％ 이하로 되어 있고, 반대로 d/√v≤3.0을 충족하지 않는 것(분말 기호: A25, B21)에 대해서는 O량이 0.28질량％를 초과하고 있다. 또한, 도입 가스가 100％ N₂에서 d/√v≤2.6인 것(분말 기호: A21∼A23, A26, B23∼B25, C21∼C24, D21∼D24, E21∼E23, F21, G21, H21, I21, J21)에 대해서는 C량이 0.1질량％ 이하, O량이 0.23질량％ 이하로 되어 있고, O량이 보다 저감되어 있기 때문에, 충전층 두께 d(㎜)와 불활성 가스의 유속 ｖ(㎜/s)의 관계는, d/√v≤2.6으로 하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.

또한, 분말 기호: A26∼A28에 대해서는, 도입 가스를 100％ N₂로부터 90％ N₂－10％ He까지 변화시키고 있지만, 모두 O량에서 0.28질량％ 이하가 얻어지고 있다.

또한, 분말 기호: C21∼C24에 대해서는, 노점이 5℃ 이하인 것(분말 기호: C22∼C24)에서 O량이 0.20질량％ 이하로, 양호한 값이 얻어지고 있다. 또한, 노점이 －10℃ 이하인 것(분말 기호: C24)에서는 O량이 0.15질량％ 이하로, 한층 양호한 값이 얻어지고 있다. 또한, 분말 기호: D21∼D24 및 E21∼E23에 대해서는, 균열 온도가 1080℃ 이상에서 t≥10^{4－0.0037·T}를 충족하는 것(분말 기호: D23∼D24, E23)에서 O량이 0.20질량％ 이하로, 한층 양호한 값이 얻어지고 있다.

또한, 분말 기호: C21∼C24, D21∼D24, E21∼E23, G21, H21, J21에 대해서는, 애토마이즈 철기 분말에서의 C량 및 O량이 [O]≥4/3[C]－2/15 및 4/3[C]＋0.28≥[O]를 함께 충족하고 있기 때문에, 열처리 전에 탄소 분말을 혼합하지 않아도, 적정한 열처리 조건에서 환원함으로써, 열처리 후의 C량 및 O량에 대해서 적정값이 얻어지는 것을 나타내고 있다.

(실시예 2)

표 1의 애토마이즈 철기 분말 중, A 및 J를, 불활성 가스로서 N₂를 이용하여 열처리함으로써 환원했다. 처리 조건을 표 4에 나타낸다. 그때, 애토마이즈 철기 분말 A에 대해서는, 표 4에 나타낸 양의 흑연분과 혼합한 후에, 이동상로로 공급했다. 한편, 애토마이즈 철기 분말 J에 대해서는, 흑연분과 혼합하는 일 없이, 그대로(애토마이즈 철기 분말 J만을) 이동상로로 공급했다.

또한, 상기 환원 종료 후, 이동상로 내의 불활성 가스를 배기함과 함께 H₂가스를 공급하고, 환원된 분말을 상기 H₂가스 분위기 중에서 냉각했다(A31, J31). 냉각 후, 얻어진 분말을 해쇄하여 분말 야금용 합금 강분을 얻었다. 얻어진 합금 강분의 성분 조성을 표 4에 나타낸다. 또한, 비교를 위해, 실시예 1에 있어서의 A23, J21의 열처리 조건과 합금 강분의 성분 조성을 표 4에 병기했다. 상기 A23, J21에서는, 환원 후의 냉각이, N₂ 분위기 중에서 행해지고 있다.

H₂ 분위기에서 냉각을 행한 A31 및 J31에서는, C량 및 O량이 각각 0.1질량％ 이하, 0.28질량％ 이하까지 저감할 수 있음과 함께, N량은 0.002질량％(20질량ppm) 이하였다. 이에 대하여, N₂ 분위기에서 냉각을 행한 A23 및 J21에서는, N량이 0.007질량％(70질량ppm)보다도 높았다.

이상의 결과로부터, 환원된 애토마이즈 철기 분말을, 수소 가스 또는 수소 함유 기체를 이용하여 냉각함으로써, 합금 강분에 포함되는 불순물로서의 N을 더욱 저감할 수 있는 것을 알 수 있다.

1 : 칸막이 벽
2 : 탈탄존
3 : 탈산존
4 : 탈질존
5 : 분위기 가스 공급구(공급 분위기 가스)
6 : 분위기 가스 배출구(배출 분위기 가스)
7 : 조제 철기 분말
8 : 호퍼
9 : 벨트
10 : 휠
11 : 라디언트 튜브
12 : 수증기 취입구
13 : 제품분
14 : 제품 탱크
15 : 수봉조
20 : 제품분 분쇄용 장치
21 : 냉각기
22 : 순환 팬
30 : 로체(가열로)
100 : 열처리 장치

Claims

질량％로,
C: 0.8％ 이하,
O: 1.0％ 이하,
S: 0.3％ 이하,
P: 0.03％ 이하, 그리고
합금 원소로서,
Mn: 0.08％ 초과 1.0％ 이하,
Cr: 0.3∼3.5％,
Mo: 0.1∼2％ 및,
V: 0.1∼0.5％로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 또는 2 이상
을 함유하고,
잔부 Fe 및 불가피 불순물인 애토마이즈 철기 분말을 준비하고,
상기 애토마이즈 철기 분말을, 두께 d(㎜)의 충전층을 형성하도록 이동상로(爐) 내로 공급하고,
상기 이동상로 내에, 불활성 가스를 평균 가스 유속 ｖ(㎜/s)가 되도록 공급하고,
상기 애토마이즈 철기 분말을 상기 이동상로 내에서 열처리함으로써 환원하여, 분말 야금용 합금 강분으로 하는, 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법으로서,
상기 d 및 v가, 하기 (1)식을 만족하고,
상기 애토마이즈 철기 분말의 C 함유량 [C](질량％)와 상기 애토마이즈 철기 분말의 O 함유량 [O](질량％)가, 하기 (2)식을 만족하고,
상기 애토마이즈 철기 분말의 이동상로로의 공급에 있어서, 상기 애토마이즈 철기 분말의 C 함유량 [C] 및 O 함유량 [O]가 하기 (3)식을 충족하는 경우에는, 당해 애토마이즈 철기 분말을 그대로 상기 이동상로로 공급하고, 하기 (3)식을 충족하지 않는 경우에는, 하기 (4)식을 만족하도록 당해 애토마이즈 철기 분말에 탄소 성분을 추가로 혼합한 후, 상기 이동상로로 공급하는, 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법.
　　　　　　　　　　　　기
d/√v≤3.0(㎜^1/2·s^1/2)…(1)
[O]≥4/3[C]－2/15…(2)
4/3[C]＋0.28≥[O]…(3)
4/3([C]＋[MXC])＋0.28≥[O]…(4)
(여기에서, [MXC]는, (상기 애토마이즈 철기 분말에 혼합되는 탄소 성분의 질량/당해 애토마이즈 철기 분말의 질량)×100(질량％)으로 함)
제1항에 있어서,
상기 환원된 애토마이즈 철기 분말을, 수소 가스 또는 수소 함유 기체를 이용하여 냉각하는, 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 불활성 가스의 노점(露点)을 5℃ 이하로 하는, 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 열처리에 있어서, 분위기 온도 T: 1080℃ 이상, 유지 시간 t: 10^{4－0.0037·T}(h) 이상의 조건에서 탈산이 행해지는, 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법.
제3항에 있어서,
상기 열처리에 있어서, 분위기 온도 T: 1080℃ 이상, 유지 시간 t: 10^{4－0.0037·T}(h) 이상의 조건에서 탈산이 행해지는, 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법.