KR102398886B1

KR102398886B1 - 고밀도 혼합분말 성형방법

Info

Publication number: KR102398886B1
Application number: KR1020170161445A
Authority: KR
Inventors: 김기정; 김진우; 류현곤; 최현규; 윤준철; 유지민
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2022-05-18
Also published as: KR20190062842A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 혼합분말 성형방법은 금속분말을 이용하여 자동차용 소결부품을 성형하는 방법으로서, Fe-Cu-C계 금속분말과 바인더 및 윤활제를 마련하는 준비단계; 상기 Fe-Cu-C계 금속분말에 상기 바인더 및 상기 윤활제를 혼합하여 혼합분말을 제조하는 혼합단계; 및 상기 혼합분말을 금형에 충진한 후, 110 ~ 130℃의 온도에서 가압하여 성형체를 제조하는 성형단계;를 포함한다.

Description

고밀도 혼합분말 성형방법{HIGH DENSITY FORMING METHOD MIXED POWDER}

본 발명은 자동차용 소결부품을 성형하기 위한 고밀도 혼합분말 성형방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Fe-Cu-C계 철계 혼합분말을 100℃ 이상의 온도에서 온간 성형시 7.2g/㎤ 이상의 성형밀도를 확보하면서 우수한 표면품질을 확보할 수 있는 고밀도 혼합분말 성형방법에 관한 것이다.

일반적으로, 분말 야금법은 금속분말을 금형 내에서 가압하여 성형한 후, 소결하여 소결부품을 제조하는 방법으로, 복잡한 형상의 기계 부품 등을 고정밀도를 갖도록 제조할 수 있어 고정밀도가 요구되는 기어 등 자동차의 부품 제조에 주로 사용되고 있다.

자동차용 소결 부품을 상기와 같은 방식으로 제조하기 위해서는 고강도, 고인성 및 경량화 특성을 갖는 금속분말이 요구되는바, 상기와 같은 금속분말은 철(Fe)계 분말 단독으로 사용되지 않고, 통상적으로 강도 향상 등 다양한 목적에 따라 탄소(C), 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 등과 같은 합금원소가 첨가되어 혼합 금속분말 형태로 사용된다.

특히, 유성캐리어 및 스프로켓과 같은 자동차용 소결 부품은 상기와 같은 특성 외에 고밀도의 성형밀도가 요구되는데, 종래 이러한 소결 부품은 통상적으로 성형 후 7.15g/㎤ 이상의 성형밀도가 요구된다.

상기와 같은 고밀도로 성형하기 위해서는 일반 성형방법으로는 어렵기 때문에 금속분말 및 성형금형을 약 110 ~ 130℃의 온도로 가열한 후 성형하는 온간성형 방법이 사용된다.

이때, 온간성형 방법에 적용되는 혼합분말에 사용되는 고온 윤활제로서 한가지 이상의 재질이 혼합된 EBS 및 스테아레이트(Stearate)계 윤활제(Lubricant)와 같은 복합 윤활제가 사용되는데, 이러한 복합 윤활제는 보통 융점이 100℃ 미만의 저융점 윤활제와 100℃ 이상의 고융점 윤활제가 혼합되어 사용된다.

그러나 성형과정에서 분말온도가 100℃ 이상으로 지속되면, 7.2g/㎤ 이상의 성형밀도를 구현할 수 있으나, 혼합분말 내에서 국부적으로 뭉침현상이 발생되어 금형 충진시 충진성을 저하시킴에 따라 성형체에 국부적 공극(pore)를 형성하여 결함을 유발하게되고, 이후 소결 부품의 크랙(Crack) 결함을 유발하는 문제점을 가지고 있었다.

또한, 최근 감성품질의 요구가 점차 증가함에 따라 제조되는 성형체의 외관 품질이 중요해지는 추세이나, 종래 고밀도용 혼합분말의 경우 성형시 100℃ 이상의 고온에서 윤활성이 현저하게 감소되어 성형 후 취출시 성형체의 외관에 스크래치 또는 표면 조도저하 등으로 인한 표면결함이 발생되는 문제점을 가지고 있었다.

상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 2012-0102915 A (2012. 09. 19.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 100℃ 이상의 고온에서 7.2g/㎤ 이상의 성형밀도와 윤활성을 확보하여 강도 및 표면품질을 향상시킬 수 있는 고밀도 혼합분말 성형방법을 제공한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

상기 혼합단계는, 상기 Fe-Cu-C계 금속분말 100 중량부에 대하여 상기 바인더 0.05 ~ 0.3 중량부를 투입하고 155 ~ 180℃의 온도에서 100 ~ 400rpm의 속도로 10 ~ 30분간 교반하여 상기 Fe-Cu-C계 금속분말의 표면에 상기 바인더가 부착된 제1 혼합분말을 제조하는 온간 교반과정; 및 상기 제1 혼합분말에 상기 Fe-Cu-C계 금속분말 100 중량부에 대하여 상기 윤활제 0.3 ~ 0.65 중량부를 투입하고 상온에서 45 ~ 90rpm의 속도로 5 ~ 20분간 교반하여 상기 혼합분말을 제조하는 냉간 교반과정;을 포함할 수 있다.

상기 바인더는, 평균 입도가 30 ~ 40㎛인 포도송이 형상(aciniform)을 갖는 폴리아미드 12(polyamide12)인 것이 바람직하다.

상기 바인더는, 다수의 미세기공(microporous)이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 윤활제는, 평균입도가 20 ~ 30㎛인 구형의 금속 스테아린계 윤활제 100 중량부에 대하여, 평균입도가 10 ~ 20㎛인 구형의 붕산(H₃BO₃) 8 ~ 15 중량부가 혼합된 것이 바람직하다.

상기 혼합분말은, 유동도가 30sec/50g 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 성형체는, 성형밀도가 7.2g/㎤ 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 혼합분말의 유동도를 감소시키면서, 7.2g/㎤ 이상의 성형밀도를 확보할 수 있는 효과가 있으며, 나아가 취출시 성형체의 표면에 스크래치 등 결함이 발생되는 것을 최소화하여 표면품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, Fe-Cu-C계 혼합조성을 가지는 본드 혼합분(bonded mix) 제조시, 금속분말에 표면 처리제 도포 등과 같은 별도의 표면처리 공정을 생략할 수 있어 제조원가를 절감시키고 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 혼합분말 성형방법을 도시한 순서도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 바인더를 설명하기 위한 사진이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 윤활제를 설명하기 위한 사진이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 윤활제 중 붕산 함량에 따른 유동도 및 성형밀도를 나타낸 그래프이며,
도 5는 본 발명의 실시예들과 비교예들에 따라 제조된 성형체를 보여주는 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명은 유성캐리어 및 스프로켓과 같은 자동차용 소결부품을 제조하기 위해 Fe-Cu-C계 금속분말을 가압 성형하여 성형체 제조시 Fe-Cu-C계 금속분말에 윤활제와 바인더를 혼합하여 혼합분말의 유동도를 향상시켜 성형밀도 7.2g/㎤ 이상을 확보하면서 취출시 표면에 스크래치 등 결함이 발생되는 것을 최소화하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 혼합분말 성형방법을 도시한 순서도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 혼합분말 성형방법은 Fe-Cu-C계 금속분말과 바인더 및 윤활제를 마련하는 준비단계와 Fe-Cu-C계 금속분말에 바인더와 윤활제를 혼합하여 혼합분말을 제조하는 혼합단계 및 혼합분말을 가압 성형하여 성형체를 제조하는 성형단계를 포함한다.

준비단계는 철(Fe) 분말에 탄소(C)와 구리(Cu)를 첨가한 혼합물 형태의 Fe-Cu-C계 금속분말과 금속분말에 첨가되는 윤활제 및 바인더를 마련하는데, Fe-Cu-C계 금속분말은 제조하고자 하는 자동차의 소결부품의 용도 및 환경 등에 따라 요구되는 특성을 만족시킬 수 있도록 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo) 등과 같은 합금원소를 더첨가되어 마련될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 바인더를 설명하기 위한 사진이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 윤활제를 설명하기 위한 사진이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 바인더는 폴리아미드 12(polyamide12)를 사용하는 것이 바람직한데, 보다 상세하게는 평균 입도가 30 ~ 40㎛인 포도송이 형상으로 마련된 폴리아미드 12를 사용하는 것이 바람직하다.

그 이유는 포도송이 형상은 구형 또는 판상 형상에 비해 비표면적이 클 뿐만 아니라, 수 마이크로 크기의 요철이 존재하기 때문에 혼합분말 제조시 탄소(C) 도는 구리(Cu)가 정전기적 인력에 의해 표면에 흡착될 가능성이 높아 분말의 뭉침을 방지하여 편석이 발생되는 것을 최소화 할 수 있기 때문이다.

또한, 폴리 아미드 12는 내화학성이 우수하여 온간 성형방법에 적합하며, 낮은 수분 흡수율을 갖는 바, 고온 다습한 환경에서도 우수한 물성을 갖는 성형체를 제조할 수 있는 장점이 있다.

보다 바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 바인더는 다수의 미세기공(microporous)이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이에, 혼합분말을 고압으로 압축시 슬립(slip) 특성을 향상시켜 성형 후 취출시 스크래치 등 표면 결함이 발생되는 것을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 윤활제는 평균입도가 20 ~ 30㎛인 구형의 금속 스테아린계 윤활제에 평균입도가 10 ~ 20㎛인 구형의 붕산(H₃BO₃)이 혼합되어 마련되는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 평균입도가 10 ~ 20㎛인 구형의 붕산(H₃BO₃)이 유동도를 감소시키는 효과가 있을 뿐만 아니라 Fe-Cu-C계 금속분말을 재배열함으로써 충진밀도를 향상시킬 수 있고 나아가 제조되는 성형체의 성형밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있기 때문이다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 윤활제는 금속 스테아린산 윤활제 100 중량부에 대하여 붕산 8 ~ 15 중량부가 혼합되어 마련되는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 윤활제 중 붕산 함량에 따른 유동도 및 성형밀도를 나타낸 그래프이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 금속 스테아린산 윤활제에 100 중량부에 대하여 붕산이 8중량부 미만으로 첨가되는 경우 금속 스테아린산 윤활제에 함유된 크기가 비교적 큰 기둥(column) 형상의 멜라민 시아누르산에 비하여 붕산의 함량이 적어 유동도가 증가되고 충진밀도가 저하되어 제조되는 성형의 성형밀도를 저하시키는 문제점을 가지고 있고, 금속 스테아린산 윤활제 100 중량부에 대한 붕산의 함량이 15 중량부를 초과하는 경우 붕산의 함량이 과도하게 증가함에 따라 오히려 충진밀도가 저하되어 최종적으로 생산되는 성형체의 성형밀도를 저하시키기 때문에 상기 범위로 제한한다.

붕산의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 30sec/50g 이하의 유동도를 확보할 수 있어 동일 압력으로 가압하여 성형하더라도 성형밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

상기와 같이, Fe-Cu-C계 금속분말과 바인더 및 윤활제가 마련되면 혼합단계에서 Fe-Cu-C계 금속분말과 바인더 및 윤활제를 혼합하여 혼합분말을 마련하는데, 보다 상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합단계는 Fe-Cu-C계 금속분말과 바인더를 혼합하여 제1 혼합분말을 제조하는 온간 교반과정과 제1 혼합분말에 윤활제를 첨가하여 혼합분말을 제조하는 냉간 교반과정으로 이루어진다.

온간 교반과정은 Fe-Cu-C계 금속분말 100 중량부에 대하여 바인더 0.05 ~ 0.3 중량부를 투입하고 155 ~ 180℃의 온도에서 100 ~ 400rpm의 속도로 10 ~ 30분간 교반하여 Fe-Cu-C계 금속분말의 표면에 상기 바인더가 부착된 제1 혼합분말을 제조한다.

왜냐하면, 혼합 단계에서 바인더 함량을 0.3 중량부 이상으로 제조하게 되면 바인더 함량이 과다게 되어 부착 균일도가 저하되어 편석을 유발하게 되어 성형시 표면 긁힘 현상이 일어나 소착 현상이 발행하게 되므로 최소 금속분말 100 중량부에 대하여 0.05, 최대 0.3 중량부를 투입하는 것이 적합하다.

이에, Fe-Cu-C계 금속분말에 윤활제를 부착시키기 위한 별도의 처리공정을 생략할 수 있어 제조원가를 절감시키고 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이때, 155℃ 미만의 온도에서 교반하는 경우 바인더가 Fe-Cu-C계 금속분말의 표면에 원활하게 부착되지 못하며, 180℃ 초과하는 경우 바인더의 상변화를 유발하여 윤활성이 현저하게 저하될 수 있기 때문에 상기 온도범위로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, 교반속도 및 시간은 상기 범위로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는, 상기 범위 미만으로 교반하는 경우, 바인더가 Fe-Cu-C계 금속분말의 표면에 충분히 부착되지 못하며, 상기 범위를 초과하는 경우 Fe-Cu-C계 금속분말의 구형화가 과도하게 진행되어 이후 스프링 백으로 인한 결함이 발생될 수 있기 때문이다.

상기와 같이 제1 혼합분말이 마련되면, 냉간 교반과정에서 제1 혼합분말에 Fe-Cu-C계 금속분말 100 중량부에 대하여 윤활제 0.3 ~ 0.65 중량부를 투입하고 상온에서 45 ~ 90rpm의 속도로 5 ~ 20분간 교반하여 혼합분말을 제조하게 된다.

윤활제 함량은 금속분말 100 중량부에 대하여 0.65 중량부 이상일 경우 혼합분의 윤활제가 과다하여 철분말과 부원료의 최적 충진성을 벗어나 성형체의 스프링백(spring back)이 과다하게 되어 최종 부품의 치수변화율이 상이하게 되므로 0.65 중량부 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합단계는 바인더와 윤활제를 순차적로 2회에 걸쳐 분산 투입함으로써, Fe-Cu-C계 금속분말의 표면에 바인더와 윤활제가 고르게 부착되도록 할 수 있는 효과가 있으며, 나아가 성형성을 향상시키고 제조되는 성형체의 품질을 균일하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

이때, 윤활제와 바인더의 총 함량이 Fe-Cu-C계 금속분말 100 중량부에 대하여 0.4 ~ 0.7 중량부로 첨가되는 것이 바람직한데, 그 이유는 0.4 중량부 미만으로 혼합된 경우 가압 성형시 윤활성이 충분히 확보되지 못함에 따라 제조되는 성형체의 조도가 균일하지 못하여 스크래치 등 표면결함을 발생시키며, 0.7 중량부를 초과하여 투입되는 경우 바인더 및 윤활제의 양이 과다하여 스프링 백(spring back)으로 인한 성형성이 저하되는 문제점을 가지고 있기 때문에 상기 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 혼합분말이 제조되면, 성형단계에서 금형에 혼합분말을 충진하고 110 ~ 130℃의 온도로 금형을 가열한 후 가압하여 성형체를 제조한다.

이에, 성형 밀도가 7.2g/㎤ 이상이면서, 표면품질이 우수한 성형체를 제조할 수 있다.

	혼합분말		성형압력에 따른 성형밀도(g/㎤)			표면품질
	유동도 (sec/50g)	겉보기 밀도 (g/㎤)	400MPa	500MPa	600MPa	표면품질
비교예 1	28	3.51	6.93	7.11	7.22	fail
비교예 2	25	3.54	6.99	7.16	7.26	fail
실시예 1	27	3.40	6.93	7.10	7.20	pass
실시예 2	25	3.38	6.93	7.11	7.21	pass

표 1은 동일한 Fe-Cu-C계 금속분말에 대하여 첨가되는 동일한 양의 윤활제를 첨가하여 성형체를 제조하되 첨가되는 윤활제의 종류 달리하여 성형체를 제조한 결과를 나타낸 표이다.

비교예 1은 종래 일반적인 윤활제를 첨가한 혼합분말이며, 비교예 2는 바인더가 첨가되지 않은 본 발명의 일 실시예에 따른 윤활제만 첨가한 혼합분말이며, 실시예 1은 Fe-Cu-C계 금속분말 100 중량부에 대하여 바인더 0.1 중량부 및 윤활제 0.6 중량부를 첨가한 혼합분말이고, 실시예 2는 Fe-Cu-C계 금속분말 100 중량부에 대하여 바인더 0.2 중량부 및 윤활제 0.5 중량부를 첨가한 혼합분말이다.

도 5는 본 발명의 비교예 1(a), 비교예 2(b), 실시예 1(c), 실시예 2(d)에 따라 제조된 성형체를 보여주는 사진이다.

표 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기와 같이 마련된 혼합분말을 동일한 압력 조건으로 가압 성형한 후 제조된 성형체는 동등수준의 성형밀도를 보이나, 비교예 1, 2의 경우 바인더가 첨가되지 않아 본원발명의 실시예들에 비하여 성형체의 표면 조도가 균일하지 않아 금형으로 부터 성형체 취출시 스크래치 등 결함이 발생됨을 알 수 있다.

살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 제조되는 성형체의 성형 밀도가 7.2g/㎤ 이상을 확보하면서 성형체의 표면 조도가 균일하여 스크래치 등 표면 결함을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims

금속분말을 이용하여 자동차용 소결부품을 성형하는 방법으로서,
Fe-Cu-C계 금속분말과 바인더 및 윤활제를 마련하는 준비단계;
상기 Fe-Cu-C계 금속분말에 상기 바인더 및 상기 윤활제를 혼합하여 혼합분말을 제조하는 혼합단계; 및
상기 혼합분말을 금형에 충진한 후, 110 ~ 130℃의 온도에서 가압하여 성형체를 제조하는 성형단계;를 포함하고,
상기 혼합단계는,
상기 Fe-Cu-C계 금속분말 100 중량부에 대하여 상기 바인더 0.05 ~ 0.3 중량부를 투입하고 155 ~ 180℃의 온도에서 100 ~ 400rpm의 속도로 10 ~ 30분간 교반하여 상기 Fe-Cu-C계 금속분말의 표면에 상기 바인더가 부착된 제1 혼합분말을 제조하는 온간 교반과정; 및
상기 제1 혼합분말에 상기 Fe-Cu-C계 금속분말 100 중량부에 대하여 상기 윤활제 0.3 ~ 0.65 중량부를 투입하고 상온에서 45 ~ 90rpm의 속도로 5 ~ 20분간 교반하여 상기 혼합분말을 제조하는 냉간 교반과정;을 포함하는, 고밀도 혼합분말 성형방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 바인더는,
평균 입도가 30 ~ 40㎛인 포도송이 형상(aciniform)을 갖는 폴리아미드 12(polyamide12)인 것을 특징으로 하는, 고밀도 혼합분말 성형방법.
청구항 3에 있어서,
상기 바인더는,
다수의 미세기공(microporous)이 형성된 것을 특징으로 하는, 고밀도 혼합분말 성형방법.
청구항 1에 있어서,
상기 윤활제는,
평균입도가 20 ~ 30㎛인 구형의 금속 스테아린계 윤활제 100 중량부에 대하여, 평균입도가 10 ~ 20㎛인 구형의 붕산(H₃BO₃) 8 ~ 15 중량부가 혼합된 것을 특징으로 하는, 고밀도 혼합분말 성형방법.
청구항 5에 있어서,
상기 혼합분말은,
유동도가 30sec/50g 이하인 것을 특징으로 하는, 고밀도 혼합분말 성형방법.
청구항 6에 있어서,
상기 성형체는,
성형밀도가 7.2g/㎤ 이상인 것을 특징으로 하는, 고밀도 혼합분말 성형방법.