KR102383517B1

KR102383517B1 - 분말 야금용 합금 강분 및 분말 야금용 철기 혼합 분말

Info

Publication number: KR102383517B1
Application number: KR1020207030247A
Authority: KR
Inventors: 타쿠야 다카시타; 나오 나스; 아키오 고바야시
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2022-04-08
Also published as: JP6930590B2; EP3778067A4; KR20200128158A; CN111886089A; JPWO2019189012A1; US20210047713A1; WO2019189012A1; EP3778067A1; CN111886089B

Abstract

고가의 Ni나 산화하기 쉬운 Cr, Mn을 함유하지 않고, 압축성이 우수하고, 또한, 소결인 채로 높은 강도를 갖는 소결 부품을 얻을 수 있는 분말 야금용 합금 강분을 제공한다.　
분말 야금용 합금 강분으로서, Cu: 1.0∼8.0질량％를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로부 이루어지는 성분 조성을 갖고, 상기 분말 야금용 합금 강분을 구성하는 입자 중에 석출된 상태로 존재하는 Cu 의 평균 지름이 10㎚ 이상인, 분말 야금용 합금 강분

Description

분말 야금용 합금 강분 및 분말 야금용 철기 혼합 분말

본 발명은, 분말 야금용 합금 강분에 관한 것으로, 특히, 압축성이 우수하고, 소결인 채(as-sintered)로 높은 강도를 갖는 소결 부품을 얻을 수 있는 분말 야금용 합금 강분에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 상기 분말 야금용 합금 강분을 함유하는 분말 야금용 철기 혼합 분말에 관한 것이다.

분말 야금 기술은, 복잡한 형상의 부품을, 제품 형상에 매우 가까운 형상(소위 니어 넷 쉐이프 성형(near net shapes))으로 조형할 수 있는 수법으로, 자동차 부품을 비롯한 여러 가지 부품의 제조에 이용되고 있다.

최근, 자동차 부품 등의 소형화, 경량화가 요구되고 있고, 그 때문에, 분말 야금에 의해 제조되는 소결체의 추가적인 고강도화가 강하게 요구되고 있다. 또한, 세간의 저비용화 수요의 상승에 의해, 분말 야금의 기술 분야에 있어서도, 저비용 또한 고품질의 분말 야금용 합금 강분의 니즈가 높아지고 있다.

대부분의 분말 야금용 합금 강분에서는, Ni를 비롯하는 여러 가지 합금 원소를 첨가함으로써 고강도화를 도모하고 있다. 그 중에서도 Ni는, 퀀칭성(hardenability) 향상 원소이고, 또한 고용 강화하기 어려워, 성형 시의 압축성이 좋기 때문에, 널리 이용되고 있다. 또한, Ni는 산화하기 어렵기 때문에, 합금 강분을 제조할 때의 열처리 분위기에 특별한 배려를 할 필요가 없어, 취급하기 쉬운 원소인 것도, Ni가 이용되고 있는 한 원인이다.

예를 들면, 특허문헌 1에서는, 고강도화를 위해, 합금 원소로서 Ni, Mo 및, Mn이 첨가된 합금 강분이 제안되어 있다.

또한, 특허문헌 2에서는, Cr, Mo 및, Cu 등의 합금 원소를 함유하는 합금 강분을, 저감된 양의 C와 혼합하여 이용하는 것이 제안되어 있다.

특허문헌 3에서는, Ni, Cr, Mo 및, Mn 등의 합금 원소를 함유하는 합금 강분을, 흑연분 등과 혼합하여 이용하는 방법이 제안되어 있다.

일본공표특허공보 2010-529302호 일본공개특허공보 2013-204112호 일본공표특허공보 2013-508558호

그러나, Ni는 고비용인 것에 더하여, 공급이 불안정하여 가격 변동이 크다는 디메리트가 있다. 그 때문에, Ni의 사용은 저비용화에 적합하지 않아, Ni를 포함하지 않는 합금 강분의 니즈가 높아지고 있다.

그래서, Ni를 대신하여 다른 합금 원소를 첨가함으로써 퀀칭성을 향상시키는 것이 고려된다. 그러나, Ni 이외의 합금 원소를 첨가한 경우, 퀀칭성은 향상하기는 하지만, 당해 합금 원소의 고용강화에 의해 합금 강분의 성형 시의 압축성이 저하하여, 결과적으로, 소결체의 강도가 오르지 않는다는 딜레마가 있었다.

또한, Ni 이외의 합금 원소로서 Cr이나 Mn을 이용하는 것이 제안되어 있다. 그러나, Cr 및 Mn은 산화하기 쉽기 때문에, 소결 중에 산화가 일어나, 소결체의 기계 특성이 저하한다. 그 때문에, 산화하기 쉬운 Cr, Mn을 대신하여, 산화하기 어려운 원소를 사용하는 것이 요구되고 있다.

또한, 분말 야금에서는, 고강도 부품을 제조하는 경우, 분말을 성형, 소결한 후, 열처리를 행하여 강도를 향상시키는 것이 일반적이다. 그러나, 소결 후에 열처리를 행한다는 2번의 가열 처리는, 제조 비용의 증가를 초래하기 때문에, 상기 프로세스에서는 저비용화의 수요를 충족할 수 없다. 따라서, 추가적인 저비용화를 위해서는, 열처리를 행하지 않아도, 소결인 채로 소결체가 우수한 강도를 갖는 것이 요구된다.

이상의 이유로부터, 하기 (1)∼(4)의 모든 요건을 충족하는 합금 강분이 요구되고 있다.

(1) 고가의 Ni를 함유하지 않을 것.

(2) 압축성이 우수할 것.

(3) 산화하기 쉬운 원소를 함유하지 않을 것.

(4) 소결체(sintered body)가, 「소결인 채」(추가적인 열처리를 실시하지 않는 상태)로 우수한 강도를 가질 것.

상기 특허문헌 1, 3에서 제안되어 있는 합금 강분은, Ni를 함유하기 때문에, 상기 (1)의 요구를 충족하지 않는다. 또한, 특허문헌 1∼3에서 제안되어 있는 합금 강분은, 산화되기 쉬운 원소인 Cr, Mn을 함유하고 있어, 상기 (3)의 요구를 충족하지 않는다.

또한, 특허문헌 2에서는, C량을 특정의 범위로 저감함으로써 성형 시에 있어서의 혼합분의 압축성을 향상시키고 있다. 그러나, 특허문헌 2에 있어서의 방법은, 어디까지나, 합금 강분과 혼합되는 C(흑연분 등)의 양을 저감함으로써, 혼합분의 압축성을 향상시키고 있는 것에 불과하여, 합금 강분 자체의 압축성을 향상시킬 수는 없다. 따라서, 이 방법에서는, 상기 (2)의 요구를 충족할 수 없다. 또한, 특허문헌 2의 방법에서는, C량을 저감하는 것에 의한 강도 저하를 보상하기 위해, 소결 후의 퀀칭에 있어서의 냉각 속도를 2℃/s 이상으로 하는 것이 필요시되고 있다. 이러한 냉각 속도의 제어를 행하기 위해서는, 제조 설비의 개조가 필요하여, 제조 비용이 증가한다.

또한, 특허문헌 3에서 제안되어 있는 방법에서는, 소결체의 기계적 특성을 향상시키기 위해, 소결 후에 침탄(carburizing), 퀀칭(quenching), 템퍼링(tempering) 등의 열처리를 행하는 것을 필요로 하고 있다. 그 때문에, 상기 (4)의 요건을 충족하지 않는다.

이와 같이, 상기 (1)∼(4)의 요건을 모두 충족하는 분말 야금용 합금 강분은, 아직도 개발되고 있지 않은 것이 실상이었다.

본 발명은, 상기 실상을 감안하여 이루어진 것으로서, 고가의 Ni나 산화하기 쉬운 Cr, Mn을 함유하지 않고, 압축성이 우수하고, 또한, 소결인 채로 높은 강도를 갖는 소결 부품을 얻을 수 있는 분말 야금용 합금 강분을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은, 상기 분말 야금용 합금 강분을 함유하는 분말 야금용 철기 혼합 분말을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그의 요지 구성은 다음과 같다.

1. 분말 야금용 합금 강분으로서,

Cu: 1.0∼8.0질량％를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고,

상기 분말 야금용 합금 강분을 구성하는 입자 중에 석출된 상태로 존재하는 Cu의 평균 지름이 10㎚ 이상인, 분말 야금용 합금 강분.

2. 상기 성분 조성이, Mo: 0.5∼2.0질량％를 추가로 포함하는, 상기 1에 기재된 분말 야금용 합금 강분.

3. 분말 야금용 철기 혼합 분말로서,

상기 1 또는 2에 기재된 분말 야금용 합금 강분과,

상기 분말 야금용 철기 혼합 분말 전체에 대하여 0.2∼1.2질량％의 흑연분을 함유하는, 분말 야금용 철기 혼합 분말.

4. 추가로, 상기 분말 야금용 철기 혼합 분말 전체에 대하여 0.5∼4.0질량％의 Cu분을 함유하는, 상기 3에 기재된 분말 야금용 철기 혼합 분말.

본 발명의 분말 야금용 합금 강분은, 고가의 합금 원소인 Ni를 함유하지 않기 때문에, 염가로 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 분말 야금용 합금 강분은, Cr이나 Mn 등의 산화하기 쉬운 합금 원소를 함유하지 않기 때문에, 합금 원소의 산화에 기인하는 소결체의 강도 저하가 발생하지 않는다. 또한, Mo 및 Cu가 갖는 퀀칭성 향상 효과에 더하여, 석출된 Cu의 평균 지름을 10㎚ 이상으로 하는 것에 의한 합금 강분의 압축성 향상 효과에 의해, 소결 후의 열처리 없이 우수한 강도를 갖는 소결체를 제조할 수 있다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

[분말 야금용 합금 강분]

[성분 조성]

다음으로, 본 발명을 실시하는 방법에 대해서 구체적으로 설명한다. 본 발명에 있어서는, 분말 야금용 합금 강분(이하, 간단히 「합금 강분」이라고 하는 경우가 있음)이 상기 성분 조성을 갖는 것이 중요하다. 그래서, 우선 본 발명에 있어서 합금 강분의 성분 조성을 상기와 같이 한정하는 이유를 설명한다. 또한, 성분 조성에 관한 「％」는, 특별히 언급하지 않는 한 「질량％」를 의미하는 것으로 한다.

Cu: 1.0∼8.0％

본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 분말 야금용 합금 강분은, 필수 성분으로서 Cu를 함유한다. Cu는 퀀칭성 향상 원소이고, 또한, Si, Cr, Mn 등의 원소보다도 산화되기 어렵다는 우수한 성질을 갖고 있다. 또한, Cu는, Ni와 비교하여 염가이다. 퀀칭성 향상 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, Cu 함유량을 1.0％ 이상, 바람직하게는 2.0％ 이상으로 한다. 한편, 소결 부품의 제조에 있어서는, 일반적으로 1130℃ 정도에서 소결이 행해지지만, 그 때, Fe-Cu계 상태도로부터 알 수 있는 바와 같이, 8.0％를 초과하는 Cu는 오스테나이트상 중에 석출된다. 소결 시에 석출되어 있는 Cu는 퀀칭성 향상 원소로서 유효하게는 기능하지 않고, 오히려 조직 중에 연질상으로서 잔류하여, 기계적 특성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Cu 함유량은 8.0％ 이하, 바람직하게는 6.0％ 이하로 한다.

본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 분말 야금용 합금 강분은, Cu를 상기 범위로 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는다.

Mo: 0.5∼2.0％

본 발명의 다른 실시 형태에 있어서는, 상기 성분 조성은, 추가로 Mo를 함유할 수 있다. Mo는, Cu와 동일하게, 퀀칭성 향상 원소이고, 또한, Si, Cr, Mn 등의 원소보다도 산화되기 어렵다는 우수한 성질을 갖고 있다. 또한, Mo는, Ni에 비교하여 소량의 첨가로 충분한 퀀칭성 향상 효과가 얻어진다는 특성을 갖고 있다.

Mo를 첨가하는 경우, 퀀칭성 향상 효과를 충분히 발휘시키기 위해, Mo 함유량을 0.5％ 이상, 바람직하게는 1.0％ 이상으로 한다. 한편, Mo 함유량이 2.0％를 초과하면, 고합금화에 의해 프레스 시에 있어서의 합금 강분의 압축성이 저하하고, 성형체 밀도가 저하한다. 그 결과, 퀀칭성 향상에 의한 강도 상승이, 밀도 저하에 의한 강도 저하에 상쇄되고, 결과적으로 소결체의 강도가 저하한다. 그 때문에, Mo 함유량은 2.0％ 이하, 바람직하게는 1.5％ 이하로 한다.

상기 실시 형태에 있어서의 분말 야금용 합금 강분은, Cu: 1.0∼8.0％ 및 Mo: 0.5∼2.0％를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 가질 수 있다.

상기 불가피적 불순물로서는, 특별히 한정되지 않고, 임의의 원소가 포함될 수 있다. 상기 불가피적 불순물로서는, 예를 들면, C, S, O, N, Mn, Cr로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 또는 2 이상을 함유할 수 있다. 불가피적 불순물로서의 상기 원소의 함유량은 특별히 한정되지 않지만, 각각 독립적으로 이하의 범위인 것이 바람직하다. 이들 불순물 원소의 함유량을 이하의 범위로 함으로써, 합금 강분의 압축성을 더욱 향상시킬 수 있다.

C: 0.02％ 이하

O: 0.3％ 이하, 보다 바람직하게는 0.25％ 이하

N: 0.004％ 이하

S: 0.03％ 이하

Mn: 0.5％ 이하

Cr: 0.2％ 이하

[석출 Cu]

평균 지름: 10㎚ 이상

본 발명에 있어서는, 분말 야금용 합금 강분을 구성하는 입자 중에 석출된 상태로 존재하는 Cu(이하, 「석출 Cu」라고도 함)의 평균 지름이 10㎚ 이상인 것이 중요하다. 이하, 그 이유에 대해서 설명한다.

석출 Cu는, 크기에 따라 결정 구조가 변화한다는 특성을 갖는다. 지름이 10㎚ 미만인 경우, 석출 Cu는 모상(matrix phase)에 대하여 정합 석출되어 있고, 주로 BCC(body-centered cubic) 구조를 취하는 것이 알려져 있다. 이와 같은 상태로 석출되어 있는 Cu는, 모상과 석출 Cu의 사이에 발생하는 정합 왜곡장(coherent strain field)에 의해, 매우 큰 석출 강화능을 갖는다. 따라서, 석출 Cu의 평균 지름이 10㎚ 미만인 경우, 합금 강분은 경질로, 매우 압축성이 나쁘다. 한편, 지름이 10㎚ 이상인 경우, 석출 Cu의 결정 구조는 BCC 구조가 아니라 FCC(face-centered cubic) 구조를 취한다. 그 결과, 모상과의 정합성은 상실되고, 정합 왜곡장도 소실된다. 또한, FCC 구조를 갖는 석출 Cu는 매우 연질이기 때문에, 석출 강화의 효과도 작다. 따라서, 석출 Cu의 평균 지름이 10㎚ 이상인 합금 강분은, Cu를 함유하고 있음에도 불구하고 연질이고, Cu를 함유하고 있지 않는 합금 강분과 동등한 압축성을 갖는다. 그 때문에, 석출 Cu의 평균 지름을 10㎚ 이상으로 한다.

한편, 상기 평균 지름의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 열처리 등에 의해 Cu를 조대화(coarsened)시켰다고 해도, 평균 지름이 1㎛를 초과하는 일은 없다고 생각된다. 따라서, 상기 평균 지름은 1㎛ 이하로 할 수 있다.

또한, 석출 Cu의 평균 지름은, STEM(주사 투과형 전자 현미경)에 의한 EDX(에너지 분산형 X선 분석) 원소 매핑(element mapping)에 의해 Cu의 분포 상태를 맵화하고, Cu 농화부를 석출물로 간주하여 화상 해석을 행함으로써 측정할 수 있다. 측정 방법을 이하에 나타낸다.

우선, 분말 야금용 합금 강분으로부터 STEM 관찰용의 박막 시료를 채취한다. 채취 방법에 특별히 지정은 없지만, FIB(수속 이온 빔)를 이용한 샘플링을 행하는 것이 일반적이다. 또한, 채취한 박막 시료에 대하여 Cu의 매핑을 행하기 위해, 박막 시료를 부착하는 메시(mesh)의 재질은 Cu 이외, 예를 들면, W, Mo, 또는 Pt로 하는 것이 바람직하다.

다음으로, STEM-EDX에 의한 매핑을 행한다. 특히 미세한 Cu 석출물은 매핑에 의한 검출이 곤란하기 때문에, 고감도의 EDX 검출기를 이용할 필요가 있다. 그러한 검출기가 부착되어 있는 STEM 장치로서는, FEI 제조의 Talos F200X 등이 있다. 관찰 영역은 석출 입자 사이즈에 따라서 적절히 조정하면 좋지만, 적어도 시야 중에 50개 이상의 입자가 포함되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 대부분의 석출 입자의 입경이 10㎚ 이하인 경우, 적절한 해석 영역은 180㎚×180㎚ 정도이다. 이와 같은 매핑을 적어도 각 시료로 2시야 이상 실시하는 것이 바람직하다.

다음으로, 얻어진 원소 맵을 2치화하여 석출 Cu의 입경을 측정한다. 화상의 2치화에 사용할 수 있는 소프트웨어로서는, Image J(오픈 소스) 등이 있다. 화상 해석에 의해, 시야 중의 석출 입자의 원상당 지름 d를 구하여, 면적이 작은 순서대로 적산해 나간다. 적산 면적이 전체 입자의 50％가 되는 원상당 지름 d를 각 시야에서 구하고, 그의 평균값을 석출 Cu의 평균 지름으로서 이용한다. 환언하면, 상기 평균 지름은, 면적 기준에 있어서의 메디안(median) 지름이다.

또한, 상기 조건을 충족하는 평균 지름은, 후술하는 바와 같이, 합금 강분의 제조에 있어서, 마무리 환원 시의 평균 냉각 속도를 제어하는 것이나, 마무리 환원 후에 추가로 석출 Cu 조대화를 위한 열처리를 행함으로써 얻을 수 있다.

[분말 야금용 철기 혼합 분말]

본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 분말 야금용 철기 혼합 분말(이하, 간단히 「혼합 분말」이라고 하는 경우가 있음)은, 상기 분말 야금용 합금 강분과, 합금용 분말로서의 흑연분을 함유한다. 또한, 다른 실시 형태에 있어서의 혼합 분말은, 상기 분말 야금용 합금 강분과, 합금용 분말로서의 흑연분 및 Cu분을 함유한다. 이하, 분말 야금용 철기 혼합 분말에 포함되는 각 성분에 대해서 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 혼합 분말에 포함되는 합금용 분말의 첨가량은, 특별히 언급하지 않는 한, 당해 혼합 분말 전체의 질량(단, 윤활제를 제외함)에 대한 당해 합금용 분말의 질량의 비율(질량％)로 나타낸다. 환언하면, 혼합 분말에 있어서의 합금용 분말의 첨가량은, 합금 강분과 합금용 분말의 합계 질량에 대한 당해 합금용 분말의 질량의 비율(질량％)로 나타낸다.

[분말 야금용 합금 강분]

본 발명의 분말 야금용 철기 혼합 분말은, 전술한 성분 조성 및 석출 Cu의 평균 지름을 갖는 분말 야금용 합금 강분을 필수 성분으로서 포함한다. 따라서, 상기 혼합 분말은, 상기 합금 강분에 유래하는 Fe를 함유하고 있다. 또한, 여기에서 「철기(iron-based)」라는 문언은, 상기 혼합 분말 전체의 질량에 대한, 당해 혼합 분말에 포함되는 Fe의 질량의 비율로서 정의되는 Fe 함유율(질량％)이, 50％ 이상인 것을 의미한다. 또한, 상기 Fe 함유율은 80％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 85％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 90％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 상기 혼합 분말에 포함되는 Fe는, 모두 상기 합금 강분에 유래하는 것이라도 좋다.

[흑연분]

흑연분: 0.2∼1.2％

흑연분을 구성하는 C는, 소결 시에 Fe에 고용하여, 고용 강화, 퀀칭성 향상에 의해, 소결체의 강도를 더욱 향상시킨다. 합금용 분말로서 흑연분을 사용하는 경우, 상기 효과를 얻기 위해, 흑연분의 첨가량을 0.2％ 이상, 바람직하게는 0.4％ 이상, 보다 바람직하게는 0.5％ 이상으로 한다. 한편, 흑연분의 첨가량이 1.2％를 초과하면 과공석(hypereutectoid)이 되기 때문에, 시멘타이트가 많이 석출되어, 오히려 소결체의 강도가 저하한다. 그 때문에, 흑연분을 사용하는 경우, 흑연분의 첨가량을 1.2％ 이하, 바람직하게는 1.0％ 이하, 보다 바람직하게는 0.8％ 이하로 한다.

상기 흑연분의 평균 입경은 특별히 한정되지 않지만, 0.5㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1㎛ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 50㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 20㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

[Cu분]

Cu분: 0.5∼4.0％

본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 분말 야금용 철기 혼합 분말은, 추가로 임의로 Cu분을 함유할 수 있다. Cu분은, 퀀칭성 향상에 의해, 소결체의 강도를 높이는 효과를 갖는다. 또한, Cu분은, 소결 시에 용융되어 액상이 되고, 합금 강분의 입자를 서로 고착시키는 작용도 갖고 있다. 합금용 분말로서 Cu분을 사용하는 경우, 상기 효과를 얻기 위해, Cu분의 첨가량을 0.5％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.7％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 1.0％ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, Cu분의 첨가량이 4.0％를 초과하면, Cu의 팽창에 의한 소결 밀도 저하에 의해 소결체의 인장 강도가 저하한다. 따라서, Cu분을 사용하는 경우, Cu분의 첨가량은 4.0％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 3.0％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 2.0％ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 Cu분의 평균 입경은 특별히 한정되지 않지만, 0.5㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1㎛ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 50㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 20㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 일 실시 형태에 있어서는, 상기 분말 야금용 철기 혼합 분말은, 상기 합금 강분과 흑연분으로 이루어지는 것이라도 좋다. 또한, 다른 실시 형태에 있어서는, 상기 분말 야금용 철기 혼합 분말은, 상기 합금 강분과 흑연분과 Cu분으로 이루어지는 것이라도 좋다.

[윤활제]

본 발명의 일 실시 형태에 있어서는, 상기 분말 야금용 철기 혼합 분말은, 추가로 임의로 윤활제를 함유할 수 있다. 윤활제를 첨가함으로써, 성형체의 금형으로부터의 발출을 용이하게 할 수 있다.

상기 윤활제로서는, 특별히 한정되는 일 없이 임의의 것을 이용할 수 있다. 상기 윤활제로서는, 예를 들면, 지방산, 지방산 아미드, 지방산 비스아미드 및, 금속 비누(metal soap)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 또는 2 이상을 이용할 수 있다. 그 중에서도, 스테아르산 리튬, 스테아르산 아연 등의 금속 비누, 또는 에틸렌비스스테아르산 아미드 등의 아미드계 윤활제를 이용하는 것이 바람직하다.

상기 윤활제의 첨가량은 특별히 한정되지 않지만, 윤활제의 첨가 효과를 보다 높인다는 관점에서는, 합금 강분과 합금용 분말의 합계 100질량부에 대하여 0.1질량부 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.2질량부 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 윤활제의 첨가량을 합금 강분과 합금용 분말의 합계 100질량부에 대하여 1.2질량부 이하로 함으로써, 혼합 분말 전체에 차지하는 비금속의 비율을 저감하여, 소결체의 강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 그 때문에, 윤활제의 첨가량은 합금 강분과 합금용 분말의 합계 100질량부에 대하여 1.2질량부 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시 형태에 있어서는, 상기 분말 야금용 철기 혼합 분말은, 상기 합금 강분, 흑연분 및, 윤활제로 이루어지는 것이라도 좋다. 또한, 다른 실시 형태에 있어서는, 상기 분말 야금용 철기 혼합 분말은, 상기 합금 강분, 흑연분, Cu분 및, 윤활제로 이루어지는 것이라도 좋다.

[합금 강분의 제조 방법]

다음으로, 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법에 대해서 설명한다.

본 발명의 분말 야금용 합금 강분은, 특별히 한정되지 않고 임의의 방법으로 제조할 수 있지만, 애토마이즈법(atomizing method)을 이용하여 제조하는 것이 바람직하다. 환언하면, 본 발명의 분말 야금용 합금 강분은, 애토마이즈분(atomizing powder)인 것이 바람직하다. 그래서, 이하, 애토마이즈법을 이용하여 합금 강분을 제조하는 경우에 대해서 설명한다.

[애토마이즈]

우선, 상기 성분 조성을 갖는 용강을 조제하고, 상기 용강을 애토마이즈법에 의해 원료분(생분(raw powder))으로 한다. 상기 애토마이즈법으로서는, 물(water) 애토마이즈법 및 가스(gas) 애토마이즈법의 모두 이용할 수 있지만, 생산성의 관점에서는 물 애토마이즈법을 이용하는 것이 바람직하다. 환언하면, 본 발명의 분말 야금용 합금 강분은, 물 애토마이즈분인 것이 바람직하다.

[건조·분급]

애토마이즈법으로 제조된 생분은 다량으로 수분을 포함하고 있기 때문에, 여과포 등에 의해 탈수를 행한 후, 건조시킨다. 그 후, 조립(coarse grains)이나 이물의 제거를 목적으로 한 분급(classification)을 행한다. 분급할 때의 체(sieve)의 눈금 간격은 180㎛(80메시) 정도로 하고, 체를 통과한 생분을 다음 공정에 이용한다.

[마무리 환원]

그 후, 마무리 환원(열처리)을 실시한다. 상기 마무리 환원에 의해, 합금 강분의 탈탄, 탈산, 탈질이 행해진다. 상기 마무리 환원을 행할 때의 분위기는, 환원성 분위기로 하는 것이 바람직하고, 수소 분위기에서 행하는 것이 보다 바람직하다. 상기 열처리에 있어서는, 승온한 후, 균열대(soaking zone)에 있어서 소정의 균열 온도(soaking temperature)로 유지하고, 그 후, 강온하는 것이 바람직하다. 상기 균열 온도는, 800℃∼1000℃로 하는 것이 바람직하다. 800℃ 이하에서는 합금 강분의 환원이 불충분해진다. 또한, 1000℃ 이상에서는 소결이 과도하게 진행되기 때문에, 마무리 환원 후에 실시되는 해쇄(crushing process)가 곤란해진다. 또한, 합금 강분의 탈탄, 탈산, 탈질은 1000℃ 이하에서 충분히 가능하기 때문에, 저비용화의 관점에서도, 균열 온도를 800℃∼1000℃로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 마무리 환원에 있어서의 강온 과정에 있어서의 냉각 속도는, 20℃/min 이하, 바람직하게는 10℃/min 이하로 한다. 상기 냉각 속도가 20℃/min 이하이면, 마무리 환원 후의 합금 강분에 있어서의 석출 Cu의 평균 지름을 10㎚ 이상으로 할 수 있다.

[분쇄·분급]

마무리 환원 후의 합금 강분은, 입자끼리가 소결되어 굳어진 상태로 되어 있다. 그 때문에, 소망하는 입도로 하기 위해, 분쇄하고, 추가로, 체질에 의해 180㎛ 이하로 분급하는 것이 바람직하다.

상기의 마무리 환원 공정에서의 석출 Cu의 조대화가 불충분한 경우는, 마무리 환원 후의 합금 강분에 대하여, 추가로 조대화를 목적으로 한 열처리(조대화 열처리)를 실시할 수도 있다. 상기 조대 가열 처리에 있어서의 균열 온도는, Cu가 석출된 상태를 유지할 필요가 있기 때문에, 변태점 이하의 온도로 하지 않으면 안 된다. 상기 변태점은 합금 강분의 성분에 따라 다소 변화하기 때문에, 성분에 따라서 임의로 조정할 필요가 있다. 예를 들면 단순한 Fe-Cu의 2원계, Fe-Cu-Mo의 3원계이면, 상기 균열 온도를 900℃ 미만으로 하는 것이 바람직하다.

[혼합 분말의 제조 방법]

또한, 분말 야금용 철기 혼합 분말을 제조할 때에는, 상기의 순서로 얻은 합금 강분에, 필요에 따라서 흑연분, Cu분 및, 윤활제 등을 첨가, 혼합한다.

[소결체의 제조 방법]

본 발명의 합금 강분 및 혼합 분말은, 특별히 한정되지 않고, 임의의 방법으로 소결체로 할 수 있다. 이하, 소결체의 제조 방법의 일 예에 대해서 설명한다.

우선, 금형에 분말을 충전하고, 가압 성형한다. 그 때의 가압력은 400㎫∼1000㎫로 하는 것이 바람직하다. 상기 가압력이 400㎫ 이하이면, 성형체의 밀도가 낮아지고, 소결체의 강도가 저하한다. 상기 가압력이 1000㎫ 이상이면, 금형으로의 부담이 증가하여, 금형 수명이 짧아지고, 경제적인 이점이 없어진다. 상기 가압 성형 시의 온도는, 상온(약 20℃)∼160℃로 하는 것이 바람직하다. 상기 가압 성형에 앞서, 분말 야금용 혼합 분말에 추가로 윤활제를 첨가할 수도 있다. 그 경우, 윤활제를 첨가한 후의 분말 야금용 혼합 분말에 포함되는 최종적인 윤활제의 양을, 합금 강분과 합금용 분말의 합계 100질량부에 대하여, 0.1∼1.2질량부로 하는 것이 바람직하다.

이어서, 얻어진 성형체를 소결한다. 소결 온도는 1100∼1300℃로 하는 것이 바람직하다. 상기 소결 온도가 1100℃ 이하이면, 소결이 충분히 진행되지 않는다. 한편, 소결은 1300℃ 이하에서 충분히 진행되고, 또한, 소결 온도를 1300℃보다 높게 하면 제조 비용이 증가한다. 소결 시간은, 15분∼50분이 바람직하다. 소결 시간이 15분 미만에서는 소결이 충분히 행해지지 않아, 소결 부족이 된다. 한편, 소결은 50분 이하에서 충분히 진행되는 것에 더하여, 소결 시간이 50분보다 길면 비용의 증가가 현저해진다. 소결 후의 강온 과정에서는, 소결로(sintering furnace) 중에서, 20℃/min∼40℃/min의 냉각 속도로 냉각하는 것이 바람직하다. 이는 통상의 소결로의 냉각 속도이다.

실시예

다음으로, 실시예에 기초하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예는, 본 발명의 적합한 일 예를 나타내는 것으로, 본 발명은, 당해 실시예에 의해 하등 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

석출 Cu 지름의 조대화에 의한 압축성 향상 효과를 확인하기 위해, 다음의 실험을 행했다. 우선, 표 1 및 2에 나타내는 성분 조성을 갖고, 석출 Cu를 함유하는 예합금(pre-alloyed) 강분(생분)을, 물 애토마이즈법에 의해 작성했다. 이어서, 얻어진 예합금 강분에 대하여 마무리 환원을 실시하여, 분말 야금용 합금 강분을 얻었다. 상기 마무리 환원에 있어서는, 수소 분위기에서 950℃로 균열한 후, 석출 Cu의 평균 입경을 변화시키기 위해 여러 가지 속도로 냉각했다. 단, 냉각 속도는 어느 예에 있어서도 20℃/min 이하로 했다.

얻어진 분말 야금용 합금 강분에 있어서의 석출 Cu의 평균 지름을, 전술한 방법으로 측정했다. 측정 결과를 표 1, 2에 병기한다.

이어서, 얻어진 합금 강분에 대하여, 윤활제로서의 에틸렌비스아미드(EBS)를, 당해 합금 강분 100질량부에 대하여 0.5질량부 혼합한 후에, 성형압 686㎫로 압축하여 성형체로 했다. 얻어진 성형체의 밀도를 측정함으로써 압축성을 평가했다. 측정 결과를 표 1, 2에 병기한다.

합격 여부 판정은, Cu를 첨가하고 있지 않은 합금 강분을 기준으로 하여, 성형체의 밀도로 기준값과의 차가 －0.05Mg/㎥ 이상인 것을 합격, 그 미만의 것을 불합격으로 했다. 표 1에서는 No.A1의 밀도가, 표 2에서는 No.B1의 밀도가, 각각 기준값이 된다. 표 1, 2에 나타낸 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조건을 충족하는 합금 강분은, 모두 합격 기준을 충족하고 있고, Cu를 첨가하고 있음에도 불구하고, Cu를 첨가하고 있지 않은 합금 강분에 필적하는 압축성을 갖고 있었다.

(실시예 2)

표 3에 나타내는 양으로 Cu 및 Mo를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 합금 강분(예합금 강분)을, 물 애토마이즈법에 의해 제조했다. 이어서, 얻어진 합금 강분(물 애토마이즈분)에 대하여, 마무리 환원을 실시하여, 분말 야금용 합금 강분을 얻었다. 상기 마무리 환원에 있어서는, 수소 분위기에서, 950℃로 균열한 후, 10℃/min의 속도로 냉각했다.

얻어진 분말 야금용 합금 강분에 있어서의 석출 Cu의 평균 지름을, 전술한 방법으로 측정했다. 측정 결과를 표 3에 병기한다.

이어서, 마무리 환원 후의 합금 강분에, 합금용 분말로서의 흑연분 및 윤활제로서의 에틸렌비스스테아르산 아미드(EBS)를 첨가하고, 회전 날개식의 가열 혼합기에 의해 140℃에서 가열 혼합하여, 분말 야금용 철기 혼합 분말을 얻었다. 흑연분의 첨가량은, 합금 강분과 흑연분의 합계 질량에 대한 흑연분의 질량의 비율로, 0.5질량％로 했다. 또한, EBS의 첨가량은, 합금 강분과 합금용 분말의 합계 100질량부에 대하여, 0.5질량부로 했다.

얻어진 분말 야금용 철기 혼합 분말을, 성형압: 686㎫로 성형하고, 외경 38㎜, 내경 25㎜, 두께 10㎜의 링 형상 성형체와, JIS Z 2550에 규정되는 평판 형상 성형체를 얻었다. 분말의 압축성의 지표로서, 얻어진 링 형상 성형체의 치수와 중량을 측정하여, 밀도(성형 밀도)를 산출했다. 측정 결과를 표 3에 병기한다.

이어서, 상기 성형체를, RX 가스(프로판 변성 가스) 분위기 중에서, 1130℃×20분의 조건으로 소결하고, 얻어진 소결체의 외경, 내경, 높이 및 중량을 측정하여, 밀도(소결 밀도)를 산출했다. 측정 결과를 표 3에 병기한다.

추가로, 상기 평판 형상 성형체를 소결하여 얻은 소결체를 시험편으로서 이용하여, 소결체의 인장 강도를 측정했다. 측정 결과를 표 3에 병기한다.

여기에서, 인장 강도가 800㎫ 이상인 것을 합격, 그 미만의 것을 불합격으로 했다. 표 3에 나타낸 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조건을 충족하는 발명예에 있어서는, 석출 Cu의 평균 지름을 10㎚ 이상으로 함으로써, 성형 밀도가 증가하고, 소결인 채로 인장 강도가 800㎫ 이상인 소결체가 얻어졌다.

(실시예 3)

마무리 환원 후의 냉각 속도를 변화시킨 점 이외는 실시예 2와 동일한 조건으로, 합금 강분, 혼합 분말, 성형체 및, 소결체를 제조하여, 실시예 2와 동일한 평가를 행했다. 제조 조건 및 평가 결과를 표 4에 나타낸다.

표 4에 나타낸 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조건을 충족하는 발명예에 있어서는, 석출 Cu의 평균 지름을 10㎚ 이상으로 함으로써, 성형 밀도가 증가하고, 소결인 채로 인장 강도가 800㎫ 이상인 소결체가 얻어졌다.

(실시예 4)

혼합분에 있어서의 Cu분의 첨가량을 변화시킨 점 이외는 실시예 2와 동일한 조건으로, 합금 강분, 혼합 분말, 성형체 및, 소결체를 제조하여, 실시예 2와 동일한 평가를 행했다. 제조 조건 및 평가 결과를 표 5에 나타낸다. 또한, 표 5에 나타낸 흑연분의 첨가량은, 합금 강분과 합금용 분말의 합계 질량에 대한 흑연분의 질량의 비율이다. 또한, 표 5에 나타낸 Cu분의 첨가량은, 합금 강분과 합금용 분말의 합계 질량에 대한 Cu분의 질량의 비율이다.

표 5에 나타낸 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조건을 충족하는 발명예에 있어서는, 석출 Cu의 평균 지름을 10㎚ 이상으로 함으로써, 성형 밀도가 증가하여, 소결인 채로 인장 강도가 800㎫ 이상인 소결체가 얻어졌다.

Claims

분말 야금용 합금 강분으로서,
Cu：1.0∼8.0질량％를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고,
상기 불가피적 불순물로서 포함되는 C, O, N, S, Mn 및 Cr의 양이, 질량％로 각각 C: 0.02％ 이하, O: 0.3％ 이하, N: 0.004％ 이하, S: 0.03％ 이하, Mn: 0.5％ 이하 및 Cr: 0.2％ 이하이고,
상기 분말 야금용 합금 강분을 구성하는 입자 중에 석출된 상태로 존재하는 Cu의 평균 지름이 10㎚ 이상인, 분말 야금용 합금 강분.
제1항에 있어서,
상기 성분 조성이, Mo: 0.5∼2.0질량％를 추가로 포함하는, 분말 야금용 합금 강분.
분말 야금용 철기 혼합 분말로서,
제1항 또는 제2항에 기재된 분말 야금용 합금 강분과,
상기 분말 야금용 철기 혼합 분말 전체에 대하여 0.2∼1.2질량％의 흑연분을 함유하는, 분말 야금용 철기 혼합 분말.
제3항에 있어서,
추가로, 상기 분말 야금용 철기 혼합 분말 전체에 대하여 0.5∼4.0질량％의 Cu분을 함유하는, 분말 야금용 철기 혼합 분말.