KR20000057241A - 철계분말 - Google Patents

Abstract

제 1 합금분말의 주부분, 제 2 합금분말의 소부분 및 일정분량의 고상윤활제로 구성되되, 제 1 합금분말은 14 - 30 wt % 크롬, 1 - 5 wt % 몰리브데늄, 0 - 5 wt % 바나듐, 0 - 6 wt % 텅스텐, 몰리브데늄, 바나듐 및 텅스텐의 총량은 적어도 3 wt %, 총 0 - 5 wt % 의 다른 강탄화물형성원소, 0 - 1.5 wt % 실리콘, 몰리브데늄, 바나듐, 텅스텐 및 다른 강탄화물형성원소의 모두와 실질적으로 탄화물을 형성하기에 충분한 양의 탄소, 및 나머지는 철과 부수적인 불순물로 구성되고, 제 2 합금분말은 오스테나이트 스테인레스강으로 된 혼합체임을 특징으로 하는 철계분말.

Description

철계분말{Iron-based powder}

본 발명은 분말야금(PM) 방식으로 부품을 제조하는데 사용하는 철계분말에 관한 것이다.

PM 방식, 즉 철계분말의 준비, "생(green)" 동체를 형성하도록 분말의 압밀 및 분말이 부품을 형성하도록 상호 융융되는 소결에 의해 부품을 제조하는 것은 공지되어 있다. 분말은 철을 주성분으로하는 원소분말의 혼합이거나 철합금 및 다른원소 [이런 합금분말은 수분무화(water atomization)로 만들어질 수 있다]를 포함한다. 원소철을 갖는 합금 분말을 혼합하는 것 및 다른 합금분말을 혼합하는 것은 공지되어 있다. PM 방식은 많은 장점, 특히 기계가공을 감소시키는 장점을 제공한다.

실제로, 분말야금의 공지방식에 의한 제품의 특성에 따라서 최소한도의 기계가공이 요구되는 것이 바람직하다. 분말야금의 공지방식에 의해 제조된 제품은, 전밀도(full density) 제품이 아니므로, 떨림(chattering)으로 알려진 현상을 격게되며, 이는 제품과 공구 모두를 손상시킨다. 이 문제는 제품을 형성하는 혼합물이 공구강분말을 포함할 때 가속되는데, 이는 지나친 공구마모로 이어질 수 있다.

예를들면 850 ℃ 까지의 온도에서 고온 내산화성을 요구하는 조건 및 부식성 가스 존재하에서 사용되는 부품의 제조를 위해 PM 방식을 이용하는 것이 바람직할 것이라는 것은 알려져 있다. 이런 응용의 한예는 배가스 분위기에서 사용되는 터보차저웨이스트게이트 밸브 부싱이다. 이런 부싱들은 종래에는 고크롬주철 또는 오스테나이트강으로 만들어 졌다. 그러나, 지금까지, PM 방식으로 만들어진 이런 종류의 부싱들은 만족할 만한 것으로 입증되지 않았는바, 예를들면 스웰링(swelling)에 따른 용착 (seizure)을 초래하기 쉽다.

GB 2 298 869A 는, 14 - 30 wt% 크롬, 1 - 5 wt% 몰리브데늄, 0 - 6 wt% 바나듐, 0 - 6 wt% 텅스텐으로 구성되되, 몰리브데늄, 바나늄 및 텅스텐의 총량은 적어도 3 wt%, 예를들면 니오븀, 탄탈륨 및 타이타늄같은 다른 강력한 탄화물 형성원소가 총 0 - 5 wt%, 실리콘이 0 - 1.5 wt%, 몰리브데늄, 바나듐, 텅스텐 및 다른 탄화물 형성원소 모두와 탄화물을 형성하기에 충분한 최소한도의 탄소 및 나머지는 철과 부수적인 불순물로 된 합금분말을 기술하고 있다. 탄소의 최대양은 크롬양의 1/5 - 2 로 표시되어 있다. 실시예는 20 - 28 wt% 크롬, 2 - 3 wt% 몰리브데늄, 1.5 - 2.5 wt% 바나듐, 2.5 - 3.5 wt% 텅스텐, 0.8 - 1.5 wt% 실리콘 및 0.555 - 5 wt% 탄소로 구성된다. 분말은 소둔처리 후 급속 분무화로 제공되며 용액에 적어도 12 wt% 의 크롬을 포함하는 페라이트 기지에 탄화물이 분산되어 있다.

GB 2 298 869A 에 기술된 합금분말로 만들어진 부품들은 양호한 고온내산화성을 보이지 않는다. 공지의 스테인레스강 분말로 만들어진 부품의 내마모성은 스테인레스강 분말과 기술된 분말을 혼합하여 개선될 수 있다고 GB 2 298 869A 는 제안하고 있다. 실시예는 80 % 스테인레스강에 20 % 의 기술된 분말이다. 그러나 스테인레스강 분말에 기술된 분말의 혼합은 부품에 양호한 고온 내산화성을 주지는 않는다.

또한 GB 2 298 869A 는, 공지의 스테인레스강 분말과 기술된 분말의 혼합물로 만든 제품의 제조에서, 이들 분말의 조합으로부터 발생되는 예기치 못한 바람직한 물리적 또는 기계적 특성을 기술하지 않고 있다. 기술된 분말의 보다 높은 경도가 보다 연한 스테인레스강 분말의 경도를 향상시켰으며 분말혼합물로 만든 제품의 특성은 주로 사용된 스테인레스강 분말로부터 온 것일 것이다.

그러나, 최종제품의 특성을 더욱 목적에 맞게하는 것이 소망스러운 응용부분이 남아았다. 예를들면, 분말혼합물로 만든 최종제품의 열팽창계수를 전 사용온도 범위에서 최종제품과 맞물리는 부품의 열팽창계수에 보다 근접시키도록 바꾸는 것이 바람직할 수도 있다. 이런 상황은 최종제품과 다른 부품이 엇갈려 물리거나(interferance fitting) 상대운동을 할 때 발생할 수도 있다.

제 1 도는 MPa 단위의 압밀압력(x 축)에 대한 Mg/cm³단위의 생밀도를 나타내는 그래프,

제 2 도는 10^-6mm/mm/℃ 단위의 열팽창계수(x 축)에 대한 ℃ 단위의 온도를 나타내는 그래프,

제 3 도는 고온내산화성 시험(y 축)에서 24 시간에서의 질량증가의 백분율을 ℃ 단위의 온도에 대해 나타내는 그래프이다.

본 발명의 목적은 언급한 상황에서도 만족스럽게 사용할 수 있는 부품을 PM 방식으로 제조할 수 있도록 하는 철계분말을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 혼합물로 만든 부품들은 기계가공중 떨림을 제거하는 또다른 장점을 가져서 부품을 고정밀도로 제조할 수 있게한다. 이렇게 기계가공된 부품들은 훌륭한 표면 마무리를 갖는다는 것이 본 발명의 장점이다. 또한, 본 발명에 의한 개선된 기계가공 특성은 공구강의 수명을 향상시킨다.

본 발명은 제 1 합금분말의 주부분, 제 2 합금분말의 소부분 및 일정분량의 고상윤활제로 구성된 혼합물로서, 제 1 합금분말은 14 - 20 wt% 크롬, 1 - 5 wt% 몰리브데늄, 0 - 5 wt% 바나듐, 0 - 6 wt% 텅스텐으로 구성되고, 몰리브데늄, 바나듐 및 텅스텐의 총량은 적어도 3 wt% 이고 총 0 - 5 wt% 의 다른 강력한 탄화물 형성원소, 0 - 1.5 wt% 실리콘, 몰리브데늄, 바나듐, 텅스텐 및 다른 강력한 탄화물 형성원소 모두와 실질적으로 탄화물을 형성하기에 충분한 최소양의 탄소 및 나머지는 철과 부수적인 불순물로 구성되며, 제 2 합금분말은 오스테나이트 스테인레스강이다.

본 발명에 따른 분말은 언급된 조건에서 만족스러운 성능을 갖는 부품들이 일단계 냉간압밀 및 일단계 소결의 PM 방식으로 제조될 수 있도록 한다. 제 1 합금분말은 양호한 내마모성과 내식성을 부여한다. 제 2 합금은 생강도(green strength)에 도움을 주고, 기공도를 낮추며 내식성을 증가시킨다. 또한 제 2 합금분말은 열팽창계수를 증가시켜서 같이 사용되는 부품과의 양립성에 맞도록 이 계수를 조절할 수 있게 한다.

고상 윤활제는 혼합물의 30 % 까지 포함되는 것이 바람직하다. 보다다 바람직한 것은 고상 윤활제가 혼합물의 50 % 까지 포함된다. 바람직한 고상윤활제는 이황화 몰리브데늄(MoS₂)을 포함한다.

본 발명에 따른 분말은 제 1 합금분말만을 포함하는 비교분말과 비교되었으며 압축성이 증가된 것으로 밝혀졌다. 본 발명에 따른 본말로 만든 부품들은 비교분말로 만든 부품과 비교시 개선된 고온내산화성, 열팽창계수의 상승 및 증가된 밀도로 갖는 것으로 밝혀졌다.

바람직하게는, 제 1 분말은 20 - 28 wt% 크롬, 2 - 3 wt% 몰리브데늄, 1.5 - 2.5 wt% 바나듐, 2.5 - 3.5 wt% 텅스텐, 0.8 - 1.5 wt% 실리콘, 0.555 - 2 wt% 탄소 및 나머지는 철과 부수적인 불순물로 구성된다.

바람직하게는, 제 2 합금분말은 1 - 37 wt% 니켈, 12 - 28 wt% 크롬, 0 - 19 wt% 망간, 0 - 7 wt% 몰리브데늄, 최대 1 wt% 의 니오븀, 최대 0.4 wt% 의 질소, 최대 0.2 wt% 의 탄소 및 나머지는 철과 부수적인 불순물로 구성된다. 특히 제 2 합금분말은 8 - 16 wt% 니켈, 12 - 20 wt% 크롬, 0 - 4 wt% 몰리브데늄, 0.1 wt% 이하의 탄소, 및 나머지는 철과 부수적인 불순물로 구성될 수 있다. 제 2 합금분말이 11 - 13 wt% 니켈, 16.2 - 17.2 wt% 크롬, 1 - 3 wt% 몰리브데늄 및 0 - 1 wt% 실리콘으로 구성될 때 양호한 결과가 얻어졌다.

본 발명의 분말에서, 상기 혼합물은 50 - 95 wt% 의 제 1 혼합분말을 포함할 수 있다. 이 비율이 70 - 80 wt% 일 때 양호한 결과가 얻어졌다. 제 2 합금분말의 비율은 열팽창계수를 조절하도록 조절될 수 있으며, 예를들면 부품이 터보차져 부싱인 경우, 열팽창계수는 하우징의 열팽창계수에 맞춰질 수 있다. 열팽창계수는 12 × 10^-6℃^-1보다 클 수 있다.

본 발명에따른 분말에서, 상기 혼합물은 유리탄소(free caron)를 1 wt% 까지 첨가될 수 있다.

또한 혼합물은 소결 보조제(sintering aid), 즉 0.5 wt% 까지의 인을 포함할 수 있다.

본 발명은 분말야금방식으로 고온내산화성을 갖는 부품 제조를 위한 분말의 사용을 제공한다.

이하 첨부도면을 참조로하여 본 발명의 예시적인 실시예의 상세한 설명이 주어질 것이다.

실시예 1

실시예에서, 철계분말은 제 1 수분무화된 합금분말, 제 2 수분무화된 합금분말, 고상윤활제 및 표준 점결제(binder)를 혼합하여 만들어졌다. 제 1 합금분말은 24.3 wt% 크롬, 3.1 wt% 몰리브데늄, 2.2 wt% 바나듐, 3.2 wt% 텅스텐, 1.6 wt% 탄소, 1.3 wt% 실리콘 및 나머지는 철과 부수적인 불순물(주로 황으로 약 0.1 wt%)의 조성을 갖는다. 제 2 합금분말은 12.7 wt% 크롬, 23.4 wt% 몰리브데늄, 0.9 wt% 실리콘, 0.025 wt% 탄소, 및 나머지는 철과 부수적인 불순물의 조성을 갖는다. 고상윤활제는 이황화 몰리브데늄이며 점결제는 아크라왁스(Acrawax)이다.

제 1 실시예에서, 혼합물은 70 % 의 제 1 합금분말, 26.5 % 의 제 2 합금분말 및 3.5 wt% 의 고상윤활제로 구성되었다. 여기에 0.5 % 의 점결제가 더해졌다. 혼합물의 시료는 제 1 도에 발표로 예시된 압밀압력에서 생동체를 형성하도록 가압되었다. 제 1 도는 제 1 실시예에서 얻어진 밀도들을 예시한다. 또한 제 1 도는 비교분말(대각선 십자표시)에서 얻어진 밀도를 보여준다. 비교분말은 제 2 합금분말이 없으며 96.5 % 의 제 1 합금과 3.5 % 의 고상윤활제를 갖는다.

제 1 실시예에서, 생동체는 650 ℃ 에서 탈왁스되고 메쉬벨드 소결로에서 1110 ℃ 로 소결되었다. 소결된 부품은 6.27 Mgm^-3에 이르는 밀도를 가졌다.

제 1 실시예에 의해 만들어진 소결부품은 5PHRA 의 경도를 갖는 것으로 밝혀졌다. 부품들은 마모시험과 부식시험(특히 제 3 도에 예시된 산화시험)을 받았으며 배가스존재 및 고온사용이 적합한 것으로 밝혀졌다.

제 2 도에 도시된 것처럼, 제 1 실시예에 의해 만들어진 부품들은 일정온도 범위에서 선형열팽창계수를 결정하는 시험을 받았다. 제 2 도의 선 A 는 그 결과를 보여주며 선 B 는 언급된 비교분말로 만든 부품의 결과이다. 제 3 도는 작은 사각형으로 제 1 실시예의 부품 및 큰 사각형으로 비교분말의 부품을 보여준다. 제 3 도로부터, 비교예의 고온내산화성은 고온일수록 점차 악화되나 제 1 실시예의 경우 양호할 뿐만 아니라 온도증가에 따라 훨씬 저율로 증가함을 볼 수 있다.

이 실시예의 시편은 시험리그(test rig)에 위치시키는 마찰실험을 하였다. 시험리그에서 시편의 각 단부는 부싱에 위치됐으며, 각 부싱은 시편의 각 단부에 하강력을 발생시키도록 2 kg 의 하중을 받았다. 그 후 시편은 고온 디젤 배가스 분위기에서 약 600 ℃ 로 가열되었다. 그 후 시편은 이 분위기에서 분당 20 사이클로 110 시간 동안 연속회전되었다. 이 상태에서의 지지압력은 약 0.1 MPa 이고 시험중 마찰계수는 0.15 - 0.5 사이로 밝혀졌다.

실시예 2

제 2 실시예에서는 소결이 1200 ℃ 에서 진공소결된 외에는 제 1 실시예가 반복되었다. 부품들은 50 HRA 의 경도를 가졌으며 소결밀도는 6.53 Mgm^-3에 이르렀다. 또한 부품들은 마모와 부식저항시험을 통과했다.

실시예 3

실시예에서 제 2 합금분말의 백분율은 제 1 합금분말의 백분율 변화에 따라 변화되었다.

46.5 % 제 2 합금분말의 경우, 제 1 도에 작은 사각형으로 도시된 생밀도가 얻어졌으며 230 kg/mm²의 경도가 얻어졌다. 이 실시예의 시편들은 블럭 앤드 링 마모시험을 받았으며, 시험 중 일어나는 마모는 흉터형상을 만들었다. 흉터형상의 기하학은 시험중 제거된 재료의 부피-마모손실을 결정하는데 사용될 수 있다. 마모시험에 1.50 mm³의 손실이 관찰되었다.

36.5 % 의 제 2 합금분말의 경우, 제 1 도에 십자형으로 도시된 생밀도가 얻어졌으며 경도는 246 kg/mm²이었다. 마모시험에서, 마모손실은 1.8 mm³이었다. 16.5 % 의 제 2 합금분말의 경우, 큰 사각형으로 도시된 생밀도가 얻어졌으며 경도는 270 kg/mm²이었다. 마모시험에서 마모손실은 2.1 mm³이었다.

시험결과는 본 발명에 따른 분말혼합물은 PM 방식으로 부품을 제조할 수 있게 하였으며 부품들은 제 1 합금분말로 만든, 즉 오스테나이트 스테인레스강 성분이 없는 부품과 비교시 개선된 고온내산화성과 약간 감소된 내마모성을 보여주었다.

실시예 4

또다른 실시예가 상업적으로 입수가능한 316 L 오스테나이트 스테인레스강을 사용하여 준비되었다. 전 사편에서 고상윤활제의 양이 예정양만큼 증가되면, 제 1 합금과 오스테나이트 스테인레스강의 양은 각각 감소되어서 오스테나이트 스테인레스강에 대한 제 1 합금의 비가 2.6 : 1 이 유지되었다. 시편은 제 1 합금, 스테인레스강 및 요구되는 고상윤활제를 혼합하여 준비되었다. 각 혼합물은 가압되어 생압밀체를 형성하였다. 생압밀체는 약 600 ℃ 까지 10 ℃/분으로 가열되고 그 온도에서 30 분간 유지되었다. 이후 시편은 900 ℃ 까지 10 ℃/분으로 가열된 후 그 온도에서 30 분간 유지되었고, 끝으로 1175 ℃ 까지 4 mbar Ar 의 거의 진공하에서 5 ℃/분으로 가열되고 상온으로 냉각되기전 그 온도에서 60 분간 유지되었다.

각 시편은 고온산화시험을 받았다. 시편들은 750 ℃ 의 일정온도에서 24 시간 동안 유지되었으며 각 시편의 질량증가가 측정되었다. 질량증가는 각 시편에 형성된 산화물의 양을 예시한다. 30 % 이산화황 몰리브데늄까지에서 1 % 이하의 질량증가가 검출될 정도로 만족스러운 결과가 얻어질 수 있었음이 밝혀졌다.

산화물이 형성될 때, 이들은 소결된 재료의 공공 또는 기공에 형성되어서 산화물의 부피가 기공의 부피보다 커질때 소결된 재료를 파단시킨다. 명백히 PM 부분의 파단이 회피되며 물리적 성질을 유지하며 적은 산화물을 형성하는 부분이 소망스럽다.

실시예 5

또다른 실시예가 준비되었다. 시편은 각각 제 1 합금, 제 2 합금 및 고상윤활제의 소정양을 포함하여서 실질적으로 동일하다. 각 경우, 분말혼합물은 질소/수소분위기에서 워킹 빔로에서 소결되었다.

시편은 여러온도에서 소결되었으며, 1230 ℃ 이상의 소결온도가 기계공구에 평균 마모이상을 초래함이 없이 기계가공될 수 있는 시편을 만들기 위해 필요함이 밝혀졌다.

Claims (14)

1. 제 1 합금분말의 주부분, 제 2 합금분말의 소부분 및 일정분량의 고상윤활제로 구성되되, 제 1 합금분말은 14 - 30 wt% 크롬, 1 - 5 wt% 몰리브데늄, 0 - 5 wt% 바나듐, 0 - 6 wt% 텅스텐, 몰리브데늄, 바나듐 및 텅스텐의 총량은 적어도 3 wt%, 총 0 - 5 wt% 의 다른 강탄화물형성원소, 0 - 1.5 wt% 실리콘, 몰리브데늄, 바나듐, 텅스텐 및 다른 강탄화물형성원소의 모두와 실질적으로 탄화물을 형성하기에 충분한 양의 탄소, 및 나머지는 철과 부수적인 불순물로 구성되고, 제 2 합금분말은 오스테나이트 스테인레스강으로 된 혼합체임을 특징으로 하는 철계분말.
2. 제 1 항에 있어서, 제 1 합금분말은 20 - 28 wt% 크롬, 2 - 3 wt% 몰리브데늄, 1.5 - 2.5 wt% 바나듐, 2.5 - 3.5 wt% 텅스텐, 0.8 - 1.5 wt% 실리콘 및 0.555 - 2 wt% 탄소로 구성된 철계분말.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제 2 합금분말은 1 - 37 wt% 니켈, 12 - 28 wt% 크롬, 0 - 19 wt% 망간, 0 - 7 wt% 몰리브데늄, 최대 1 wt% 의 니오븀, 최대 0.4 wt% 의 질소, 최대 0.2 wt% 의 탄소 및 나머지는 주로 철로 구성된 철계분말.
4. 제 3 항에 있어서, 제 2 합금분말이 8 - 16 wt% 니켈, 12 - 20 wt% 크롬, 0 - 4 wt% 몰리브데늄, 0.1 wt% 이하의 탄소 및 나머지는 주로 철로 구성된 철계분말.
5. 제 4 항에 있어서, 제 2 합금분말이 11 - 13 wt% 니켈 및 16.2 - 17.2 wt% 크롬으로 구성된 철계분말.
6. 제 5 항에 있어서, 제 2 합금분말이 1 - 3 wt% 몰리브데늄을 포함하는 철계분말.
7. 제 1 - 6 항 중 하나에 있어서, 혼합물이 50 - 95 wt% 의 제 1 합금분말을 포함하는 철계분말.
8. 제 1 - 7 항 중 하나에 있어서, 혼합물이 1 wt% 까지 첨가된 유리탄소를 또한 포함하는 철계분말.
9. 제 1 - 8 항 중 하나에 있어서, 혼합물이 소결보조제를 또한 포함하는 철계분말.
10. 상기 항 중 하나에 있어서, 고상윤활제가 30 wt% 까지 포함되는 철계분말.
11. 제 10 항에 있어서, 고상윤활제가 5 wt% 까지 포함되는 철계분말.
12. 상기 항 중 하나에 있어서, 고상윤활제가 이황화 몰리브데늄을 포함하는 철계분말.
13. 제 1 - 12 항 중 하나에 따른 분말을 사용하여 분말야금방법으로 만들어진 부품.
14. 분말야금방법으로 고온내산화성을 갖는 부품을 만들기 위해 제 1 - 12 항 중 하나에 따른 분말의 용도.