KR20010005724A - 미립자형 철 재료로 부품을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미립자형 철 재료로 부품을 제조하는 방법이 제공되어 있다. 각각의 미립자 상에 0 내지 50 중량% 이상의 연성 금속 또는 합금 층으로 도금된다. 미립자는 부품을 형성하기 위해 경화되며, 부품은 대략 350℃ 내지 800℃의 온도에서 30분 내지 120분동안 가열된다. 분말 야금에 의한 복합 형상을 갖는 부품을 제조하기 위한 방법이 또한 제공되어 있다. 다량의 제 1 재료 미립자가 제공되며, 각각의 미립자 표면 상으로 대략 2 내지 50 중량%의 제 2 재료로부터 층을 도금함으로써 제 1 재료 상으로 제 2 재료가 피복된다. 피복된 미립자는 부품을 형성하기 위해 경화되며 부품은 열처리된다.

Description

미립자형 철 재료로 부품을 제조하는 방법 {METHOD FOR MAKING PARTS FROM PARTICULATE FERROUS MATERIAL}

부품을 제조하기 위해 다이 프레스(die presses) 내에서 분말 금속을 압축시키는 분말 야금술(powder metallurgy)은 다양한 산업 분야에서 저가의 부품 원천으로 이용되어져 왔다. 현재의 분말 야금술을 이용하여 제조된 (아이론 또는 강 등의) 철 금속 부품은 분말 프레스에서 벗어나는 지점에서의 밀도가 이론 밀도인 100%에 미치지 못한다("그린" 밀도). 예를 들어, 아이론 부품이 공지된 방법을 이용하여 압축될 때 얻어진 밀도는 6.4 g/cc 내지 7.4g/cc 범위 내에 놓여있다. 대조적으로, 완전히 충전된(100% 이론 밀도) 아이론 부품은 대략 7.8 g/cc 이어야 한다.

소결된 철 압축물에 대한 대부분의 적용은 고 밀도를 요한다. 이에 대한 이유는 영률(Young's modulus), 증가된 밀도를 갖는 전자석 특성 및 개선된 포아존 비(Poission's ratio)등의 다수의 특성으로 인해서이다. 현재 이용가능한 분말 야금 방법을 이용하여 완전히 충전된 철 부품을 얻고자 할때 어려운 요인은 (순수 철이 일반적으로 연성 재료이더라도) 미립자형 철 재료의 "가공 경화(work harden)"때문이다. 부가적으로, 철 분말이 압축될 때, 분말 표면상에서 자연스럽게 발생하는 산화물은 어느정도 벗겨지며 부품이 고밀도 및 최종 형상으로 압축되기 이전에 분말들 사이에서 점간 용접(point to point welding)이 일어난다. 밀도는 100% 이론 보다는 항상 낮다. 그 결과, 가공 경화의 문제점을 극복하고 입자의 입자 결합를 해제시키고 다이 벽 마찰을 경감시키고 입자를 보다 잘 처리하기 위해서는 보다 증가된 에너지 소비가 필요하다. 종래 기술 방법에서, 분말은 분말 대 분말, 및 분말 대 다이 벽의 점간 용접을 최소화시키기 위한 방법으로서 압축 단계 이전에 유기성 윤활제로 윤활된다. 일반적인 종래 기술에서, 윤활제는 아연 스테아르산염 또는 왁스 등의 다수의 유기성 화합물을 포함한다. 이러한 윤활제의 예인 폴리에테르 윤활제(polyether lubricant)는 루크(Luk)에 의해 미국 특허 제 5,498,276호에 기술되어 있다. 이러한 윤활 작동이 부품 내부로 철 분말을 압축하기 위해 필요한 작업 소모량을 감소시킨다 하더라도, 이러한 부품은 부품이 상승된 온도 및 환원 대기에 노출될 때 부품 내부의 유기성 윤활제의 분해 생성물을 외부로 이동시키기 위해 부품 내에 내부 상호 연결 공극율이 유지되어야 함으로 완전 밀도로 압축될 수 없다. 따라서, 이러한 "윤활된(lubed)" 부품의 최종 그린 밀도는 일반적으로 대략 6.3 내지 7.0g/cm³이다. "윤활 제거작업(delubing)"중에, 윤활제는 부품의 모든 부분 외부로 휘발되고 확산되는 것으로 추정된다. 그러나, 이러한 완전한 휘발은 항상 발생되지 않는다. 부품은 공극율을 붕괴시키기 위해 분리된 암모니아 또는 수소 등의 환원 대기내에서 통상적인 소결 온도(재료 용융 온도의 0.8 이상)에 놓이게 된다. 내부 윤활제는 거의 완전하게 제거되지 않으므로, 부품은 결과적으로 완전히 소결되지 않는다. 따라서, 부품 내의 결합은 통상적이다. 부가적으로, 윤활제중 일부가 부품의 내부 공극 내에 존재함으로 인해, 부품의 특성이 강등된다.

또한, 등급 9 및 10 헬리컬 형상의 기어, 다른 정밀 기어, 및 미소한 치수 공차를 갖는 스포라켓 등의 복합 부품의 형상은 일반적으로 본 발명의 방법을 이용한 분말 야금술에 의해 제조될 수 없는데, 이는 (부품의 밀도를 증가시키기 위해)요구되는 고온 소결 단계가 부품을 고유 형상으로부터 변이되도록 하여 상업상 이용할 수 없도록 한다. 이러한 복합 부품은 고가의 기술을 이용하여 개별적으로 기계가공된다. 따라서, 덜 고가의 분말 야금 기술을 이용하여 분말화된 철 재료로부터 완전히 충전된 부품이 제조 가능하고 압축된 부품 형태의 뒤틀림이 방지되도록 부품이 고온 소결단계를 거치지 않고 제조가능한 방법이 요구된다.

순수 아이론이 일반적으로 철 분말로터 제조된 부품의 강도를 증가시키기 위해, 강도가 강한 재료(strong material)가 아님으로 인해, 선혼합(premixing) 및 선합금(prealloying)으로 공지된 방법이 이용된다. 선혼합은 아이론 분말을 금속 또는 메탈로이드 분말, 또는 합금 분말로 균일하게 혼합하고 이를 압축시키고 상기 압축물을 고용화된 부가 금속, 일부 경우에 부가된 탄소 또는 인산 함유 화합물에 열을 가하여 소결하는 단계를 포함하는 방법이다. 이러한 방법은 이상적이지 못한데, 이는 아이론 분말 내에 부가된 금속 분말이 각각의 비중과 아이론 분말과 부가 분말의 입자 형상 사이의 차이로 인해 분리를 초래한다. 이는 소결 제품의 강도 및 크기의 다양한 가변도를 초래함으로써 부품 품질에 문제를 초래한다. 리(Li)에 의한 미국 특허 제 4,323,395호는 입자 표면을 합금 부재로 덮기 위해 "합금 부재"의 화학 용액 내부로 기저 금속 부품을 담금으로써 상기 분리 문제점을 해결하고자 시도했다. 본 발명에 따른 방법은 금속 부품을 담그기 위해 합금 부재의 용해성 화합물을 이용함으로 인해, 최종 피복물은 순수한 야금 피복물이 아니며 화학 화합물(예를 들어, 음이온)과 관련하여 압축된 부품 내부로 오염물질을 도입시킨다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 고 품질의 부품을 생성하기 위한 관점에서 이상적이지 못하다.

선합금은 합금된 강 분말을 이용하는 것으로서, 압축 단계 이전에 니켈, 탄소, 구리, 몰리브데늄, 및 크롬등의 합금 부재가 아이론 내부로 고용화된다. 이러한 방법은 선합금 방법의 변동예를 제공하는 존슨등에 의한 미국 특허 제 5,240,742호의 선혼합의 분리 문제점을 방지하기 위해 이용된다. 존슨 등에 의한 전술한 특허에서, 아이론 분말은 분말 표면 상에 니켈, 구리, 및 몰리브데늄 화합물 층을 제공하기 위해 화학 전조 용액 또는 "졸(sol)" 내부로 담겨진다. 담겨진 분말은 분말 표면상에 금속의 화학 전조체를 금속 산화물로 변환하고 분말 표면상에 부분적으로 합금된 층을 형성하기 위해 열 및/또는 환원 처리에 놓이게 된다. 이러한 부분적으로 합금된 분말은 압축되며 압축물은 고온 소결 단계에 놓이게 된다. 그러나, 이러한 방법은 단점을 갖는다. 즉, 선합금 공정에 의해 얻어진 합금된 강 분말이 순수 아이론 분말과 비교될 때 비교적 경질이며, 압축 밀도는 압축시 충분히 증가되지 못하여 고밀도의 그린 제품을 얻기 어려우며, 이로 인해 고온 소결의 요구량을 얻기 어렵다. 따라서, 존슨 등에 의한 선합금 공정에서, 합금된 강의 우등한 물리적인 특성의 잇점을 얻을 수 없다. 부가적으로 존슨 등에 의한 화학 전조체는 완성된 압축 부품 내부로 오염 인자를 도입시키는 가능성을 갖게 된다. 고온 소결은 또한 분말을 제조하고 존슨 등에 의한 방법은 복합 형상의 부품 및 정확한 치수 제어를 위해 적합하지 않다.

따라서, 전술한 방법의 단점(예를 들어, 감소된 밀도, 오염인자의 도입)이 극복되도록 압축된 아이론(또는 철 기저) 부품의 밀도, 강도, 및 다른 특성이 증가되는 방법이 요구된다.

본 발명은 아이론(iron) 및 강(steel) 분말 등의 미립자형 철 재료(particulate ferrous materials)로부터 부품을 제조하기 위한 것이다. 특히, 본 발명은 증가된 그린 밀도(green density)및 증가된 강도 등의 개선된 물리적 특성을 갖는 다른 합금 재료로부터 부품 뿐만 아니라 철 부품을 제조하기 위한 것이다. 본 발명은 또한 복합 형상을 갖는 부품의 제조 방법에 관한 것으로서, 이러한 부품의 특성은 야금 피복물을 철 기저 분말로 피복하고, 부품을 제조하기 위해 분말을 압축시키고, 그리고 저온 가열 단계를 이용함으로써 개선가능하다. 또한, 본 발명은 분말 야금술에 의해 이전에는 이용하지 못했던 합금 재료와 같은 전술한 방법에 이용되거나 생산된 재료 및 부품에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 방법에서 순수 아이론 분말(■) 및 아연으로 피복된 아이론 분말()로부터 압축된 부품의 압력 대 시간의 함수로서 밀도를 도시한 그래프.

도 2는 본 발명에 따라 압축된 부품의 밀도와 아연 피복, 코발트 피복, 및 구리 피복된 아이론 분말을 각각 비교한 바아 그래프.

도 3a및 도 3b는 대략 500℃의 온도에서 대략 10 중량% 아이론 내의 코발트 피복물의 용해도를 도시한 상 도표.

도 4a 및 도 4b는 대략 420℃의 온도에서 가열된 이후에 대략 425℃의 온도에서 대략 7 중량% 아이론 내의 아연 피복물의 용해도를 도시한 상 도표.

도 5a및 도 5b는 대략 600℃의 온도에서 비교적 소량의 아이론 내의 구리 피복물의 용해도를 도시한 상 도표.

도 6a 및 도 6b는 200℃의 온도에서 2 중량%, 및 347℃의 온도에서 4.9 중량%의 아이론 내의 니켈 피복물의 용해도를 도시한 상 도표.

본 발명의 목적은 특히, 전술한 단점을 극복한 철 재료 및 다른 재료의 미립자로부터 부품을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 목적에 따라, "철(ferrous)"은 순수 아이론 및 모든 강뿐만 아니라 아이론 합금을 포함한 모든 아이론 재료를 포함하도록 한다. 본 발명은 압축됨과 동시에 급격하게 가공 경화되고 점간 "용점"으로 경화되는 철 재료 등의 분말 재료를 압축함으로써 제조된 부품의 그린 밀도를 증가시키기 위한 방법을 제공하는 것이다. 더욱이, 본 발명은 고온 소결 단계를 필요로 하지 않는 방법을 제공하는 것이며, 복합 형상 및 치수 공차을 갖는 부품을 제조하기 위해 쉽게 사용될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 본 발명은 철 재료 및 강 등의 그 자체로 경화되는 재료 등의 압축시 용접되는 다량의 미립자를 제공하여, 각각의 미립자 상에 0 내지 50 중량% 이상 바람직하게, 2 중량% 이하의 연성 금속 또는 합금 층을 전기화학적으로 증착시킨다. 금속은 윤활제로 작동하거나 미립자 대 미립자, 및 미립자 대 다이 벽의 용접을 제거하기 위해 작동한다. 도금되거나 피복된 미립자는 부품을 형성하기 위해 압력하에서 경화되며, 상기 부품은 가열된다. 이러한 가열 단계는 바람직하게 환원 대기, 200 내지 800℃의 온도, 가장 바람직하게는 대략 400℃의 온도에서 1 내지 10시간 동안 수행된다. 일반적으로 가열 단계는 통상적인 고온 소결 온도의 대략 30% 내지 80%의 온도에서 도전된다. 가열 단계에서 비교적 저온을 이용하고 고밀도 재료로 개시함으로써, 강화된 부품은 통상의 고온 소결에 의해서와 같이 형태의 변화가 발생하지 않는다.

따라서, 본 발명은 압축된 부품이 비교적 저온에서 가열가능한 공정을 제공함으로써 분말 야금 부품의 고온 소결과 관련된 형상 변이 문제점을 해결할 수 있는데, 이는 a)아이론 입자 상에 균일한 야금 피복물이 윤활성을 제공하고 이로 인해 부품이 통상의 그린 밀도보다 더 높은 밀도에서 압축되도록 하여, 그린 부품 내의 내부 공극율을 붕괴시키고 그 밀도를 증가시킬 고온 상태가 필요 없기 때문이며, 그리고 b) 각각의 입자 주변의 균일한 피복물은 금속 피복 재료와 코어 입자 사이의 확산 거리를 보다 짧게 하여 완성된 부품의 균일성을 증진시키기 위한 고온 상태의 필요성을 제거시킨다.

더욱이, 본 발명은 종래의 분말 야금 방법을 이용할 수 없는 분말 야금술에 의해 합금 및 금속의 형성을 가능하게 하는 방법을 제공한다. 이는 합금 및 금속간(intermetallics)이 혼합 분말을 이용하여 형성되고, 분말 입자가 서로 접하는 점간에만 존재하기 때문이다. 본 발명에 따른 방법에서, 코어 입자는 합금 재료로 완전히 둘러싸여 그 결과 최종 합금 부재의 총괄적인 균일성을 이룰 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서, 압축된 부품은 아이론(철) 또는 강 코어 미립자 및 금속 피복물 사이의 금속간의 형성을 방지하기 위해 선택된 시간동안, 그리고 코어 내부로 피복재의 확산을 증진시키기 위해 충분한 시간동안 가열된다. 따라서, 본 발명은 합금 일부 경우에 있어서, TiNi,M2,M4,S7강 등의 분말 야금술에 의해 생성하기 어려운 합금을 신속하게 형성할 수 있도록 한다.

본 발명의 제 1 실시예는 철 재료의 미립자로부터 부재를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 제 1 단계로서, 연성 금속 또는 합금의 0 내지 50 중량% 이상 (윤활등의 일부 적용예에서는 2% 이하)의 균일한 금속층은 각각의 미립자 상으로 전기화학적으로 증착된다. 본 발명의 목적에 따라, "미립자(particulates)"는 분말, 위스커(whiskers), 섬유, 연속 와이어, 시이트, 및 박막등을 포함하는 것으로 설명된다. 이러한 공정에 사용되기 적합한 철 재료는 아이론, 강, 스테인리스강, 그리고 M2(0.85C, 0.34Mn, 0.30Si, 4.0Cr, 2.0V, 6.0W, 5.0Mo), M4(1.30C, 0.30Mn, 0.30Si, 4.0Cr, 4.0V, 5.5W, 4.5Mo), S7(0.5C, 1.4Mo, 3.25Cr), 및 52100 강 합금을 포함하나, 이들로 제한되는 것은 아니다.

피복물은 금속 분말 상에 균일한 금속 피복물을 제공하기 위해 공지된 방법에 의해 행해질 수 있다. 바람직하게, 피복 단계는 전기화학 증착에 의해 행해지며 보다 바람직하게 가능한 미립자 철 재료 상에 균일한 금속 재료층을 보장하기 위해 전자도금에 의해 행해진다. 금속 피복에 대한 유일한 요구 사항은 진정한 야금 피복물이다. 따라서, 임의의 공지된 피복 공정(스퍼터링, CVD, 또는 화학 환원) 또는 전자도금 공정은 본 발명에서 입자를 피복하기 위해 사용가능하다. 미립자 상으로 연성 금속층 또는 합금을 도금하기 위한 특히 바람직한 방법은 참고로 구체화된 미국 특허 제 5,603,815호에 나타난 유동층 장치를 이용하는 방법이다.

전술한 방법은 구멍이 없는 기판 재료 입자와 구멍이 없는 콘테이너내의 전해질을 결합시키는 단계와, 전해질 내의 입자의 유동층을 발생시키기 위해 콘테이너를 진동시키고 전해질 내의 반응물로부터 입자 상에 피복물을 전기화학적으로 증착시키는 단계를 포함한다. 이러한 콘테이너는 바람직하게 전기적으로 도전되고 이러한 방법은 입자 유동층의 존재하에서 동시에 전해질을 통해 (직접 또는 펄스) 전류를 인가하는 전해질 방법이다. 실시예로서, 니켈은 상업상 이용가능한 순수 아이론 분말 상의 유동층 내에 술판산염, 황산염, 구연산염, 또는 아세트산염 전해질로부터 증착될 수 있다(입자 크기가 20μ내지 150μ에서 변화하는 회가내스(Hoeganaes) 1000C Fe 입자). 아연은 바람직하게 시안화물 또는 암모니아 전해질로부터 증착되며, 구리는 바람직하게 피로인산염 도는 시안화물 전해질로부터 증착되며, 코발트는 바람직하게 황산염 또는 술판산염 전해질로부터 증착된다.

연성 도금 금속 또는 합금으로 사용되는 바람직한 재료는 아연, 주석 합금(바람직하게, 주석75 아연 25의 아연-주석 합금, 또는 주석30 아연70 내지 주석70 아연30등의 조성물), 코발트, 니켈, 팔라듐, 및 레늄등을 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니다. 이러한 실시예에서 사용하기 특히 바람직한 재료는 코발트, 주석-아연 합금, 니켈, 및 구리이다. 상기 피복물은 바람직하게 0중량% 내지 50중량% 이상이며, 보다 바람직하게는 피복 분말 전체 중량의 1 내지 20% 이상이다.

일반적으로, 임의의 공지된 연성 금속은 본 발명에서 사용되기 적합하다. 적합한 피복 재료는 경화중에 철 미립자를 윤활하는 능력으로 선택될 수 있다. 그 예로서, 윤활 금속은 아연이며, 윤활 합금은 주석75 아연25이다. 본 발명의 목적에 따라, "윤활제"는 경화중에 입자를 미끄러지도록 하여, 그 결과 압축 공정의 초기 단계중에 분말의 점간 용접을 최소화시키거나 제거시키며 최종적인 그린 압축 부품의 밀도를 최대화시킨다. 피복 재료는 가열되면서 코어 미립자 재료 내부로 용해하기 위한 능력에 따라 선택되어져야 한다.

이러한 관점에서, 대략 500℃의 어닐링 온도에서 대략 10%의 아이론 내의 코발트 피복물의 용해도를 도시한 상 도표가 도 3a 및 3b이다. 도 4a 및 4b는 대략 425℃의 어닐링 온도에서 대략 7%의 아이론 내의 아연 피복물의 용해도를 도시한 도면이다. 아연은 입자 피복 계면에서 아이론이 금속간 상의 일부 형태를 형성하고 있음을 나타내고 있다. 도 5a 및 도 5b는 대략 600℃의 어닐링 온도에서 비교적 소량의 아이론 내의 구리 피복물의 용해도를 도시한 도면이다. 도 6a 및 도 6b는 200℃의 온도에서 대략 2 중량% 및 347℃의 온도에서 4.9%의 아이론 내의 니켈 피복물의 용해도를 도시한 도면이다. 상기 수치 이하의 중량 %에서 윤활을 부여하는 연속 피복물이 용이하게 달성된다. 일부 피복물이 기계적인 특성에 충격을 받는다 하더라도, 상기 낮은 농도에서 피복된 분말의 사용은 충전된 분말 금속 합금이 제조가능하도록 하며 그렇지 않으면 피복물 없이 달성될 수 없다.

부가적으로, 피복 재료는 기계 강도, 인장 강도 등의 특성에 따라 선택가능하다. 또 다른 소정의 특성을 갖는 재료를 갖는 아이론(또는 강) 입자를 피복함으로써, 본 발명은 그린 밀도를 증가시키고 아이론(또는 강) 분말로부터 제조된 부재의 특성을 증가시키는데 사용될 수 있다. 코발트, 니켈, 구리, 티타늄, 및 아연은 일반적으로 코어 재료 내부를 용해시키고 최종 부재에 우등한 기계적 특성을 부여하기 위한 능력에 따라 선택된다.

본 발명의 실시예에서 사용하기 위한 바람직한 미립자 및 피복 재료의 실시예로서, 상기 미립자는 강(강도로 인해)일 수 있으며, 피복 재료는 코발트(윤활도 및 기계적 특성으로 인해)일 수 있다. 따라서, 임의의 경우에서, 본 발명에 따른 방법은 강의 우등한 인장 강도 및 코발트의 우등한 기계적인 특성을 갖는 완전히 충전된 그린 부품을 생산하기 위해 제공될 수 있다. 공지된 기술중의 하나는 미립자 및 피복 재료 및 각각의 특성을 적절하게 결합하여 구성한 것이며, 본 발명에 따른 방법은 강도 및 기계적 특성을 갖는 재료 또는 철 금속을 선택하는 것으로 제한되지 않는다. 금속 피복 세라믹은 본 발명의 범주 내에 놓여져 있다. 완성된 부품이 각각의 특성중 하나 또는 두가지 모두를 나타내는 정도는 미립자 상의 피복 재료의 두께에 따라 달라진다.

일단 피복되면, 미립자는 부품을 형성하기 위해 경화되며 상기 부품은 대략 10분 내지 10시간동안 대략 200℃ 내지 800℃의 온도에서 가열된다. 바람직하게, 온도는 대략 300 내지 550℃이며 시간 주기는 대략 20 내지 180분이다. 이러한 방법에서, 가열단계에 적합한 온도 및 시간은 일반적으로 피복재가 코어(미립자) 재료 내부로 확산되도록 충분히 높은 반면에, 미립자 부재와 그 피복물 사이의 금속간 상의 형성을 방지하기 위해 충분히 낮게 선택되어야 한다. 따라서, 피복재의 두께 및 그 재료에 따라 적절한 온도가 선택되어야 한다. 예를 들어, 주석-아연 피복 철 재료는 바람직하게 대략 175℃의 온도에서 대략 6시간동안 가열되어야 하며, 니켈로 피복된 철 재료는 바람직하게 대략 350℃의 온도에서 30 내지 120분동안 가열되어야 한다. 대략 500 내지 800℃의 온도, 바람직하게 대략 700℃ 의 온도에서 코발트로 피복된 재료는 바람직하게 대략 700 내지 750℃의 온도에서 20 내지 120분동안 가열되어야 한다.

피복된 입자는 대략 "완전 또는 이론 밀도(full or theoretical density)"로 압축되어야 한다(압축 피복된 미립자가 적어도 상호연결되지 않은 공극율을 갖는 밀도). 따라서, 피복된 입자 압축물(및 그 형상)의 그린 밀도는 압축된 제품이 고온 소결 상태에 놓여 있는 경우에는 다소 증가된다.

임의의 압력원이 분말을 경화시키거나 압축시키기에 적합하더라도, 경화 단계는 바람직하게 분말 프레스 다이 공동 내에서 행해진다. 이러한 분말 압축 방법은 분말 야금술에 공지되어 있다. 그러나, 점성 부품을 형성하기 위해 적절한 압력이 인가될 수 있는(피복된 입자가 서로 부착되도록 하는) 임의의 방법은 본 발명에서 사용이 적합하다. 일반적으로, 이러한 피복된 입자를 "완전히"(100% 이론 밀도) 충전된 그린 부품에 피복된 입자를 충분히 경화시키기 위한 적절한 압력은 바람직하게 가열된 다이가 있거나 또는 없이 통상적인 분말 프레스 상에서 압축이 행해질 때 대략 60 Ksi 내지 200 Ksi이다. 부가적으로, 경화는 고속 분사(열 분사와 유사함), 롤 본딩(roll-bonding), "HIP"ing, "CIP"ing, 단조(forging), 분말 압출, 피복된 분말의 코이닝(coining) 또는 롤링, 또는 활성화 용액의 고속 분사 냉각 등에 의해 작동가능하다.

본 발명은 완전히 충전된 그린 부품을 제조하는데 사용가능하며, 코발트 및 니켈 기저 재료의 미립자는 철 재료 미립자 대신에 이용된다. 이러한 경우에서, 공정 변수는 철 기저 미립자와 동일하다.

따라서, 본 발명은 신속하게 가공 경화되거나 또는 경화중에 점간 용접되는 아이론, 또는 이미 경화된 강 등의 재료의 분말을 압축시킴으로써 제조된 부품의 밀도를 증가시키기에 특히 적합하다. 본 발명은 분말 야금술에 의해 복합 형상을 갖는 철 및 다른 금속 부품을 제조하기 위해 특히 적합한데 이는 고온 소결이 필요하지 않기 때문이다. 한 예로서, 금속 부품은 헬리컬 형상의 기어 또는 스포라켓이다. 이러한 부품은 고온 소결로 인한 형상 변형을 방지하기 위해 기계가공된다.

본 발명은 분말 야금술에 의해 제조된 아이론 또는 강 부품의 특성이 강화되는 또 다른 실시예를 제공하고 있다. 상기 실시예에서 다량의 제 1 철 또는 강 재료의 미립자가 제공된다. 제 1 재료는 상기 재료 위에 제 2 재료 2 내지 10 중량%의 층을 도금함으로써 피복된다. 피복된 입자는 부품을 형성하기 위해 경화되며, 부품은 350℃ 내지 400℃의 온도에서 대략 120분동안 가열된다. 이러한 실시예에서, 온도 및 시간은 코어 철 재료 내부로 피복재의 용해를 증진시키기 위해 선택된다.

이러한 실시예는 전술한 방법의 특정 적용예를 포함한다. 특히, 본 실시예는 아연 또는 주석-아연 합금으로 균일하게 피복된 일반적으로 유연재를 압축시킴으로써 경화 부품을 생성하기 위해 이용가능하다. 압축되고 피복된 재료는 열 처리중에 놓여 있으며, 아이론 또는 강 내부로 피복물을 확산시키기 위해 제공된다.

부가적으로, 이러한 실시예는 경화된 표면을 갖춘 케이스를 구비한 강 또는 아이론 부품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 이러한 방법에서, 다량의 부드럽게 어닐링된 철 미립자는 크롬 또는 몰리브데늄의 야금 피복물이 제공되며, 이러한 미립자는 헬리컬 형상의 기어등의 부재를 형성하기 위해 경화된다. 이러한 부품은 크롬 또는 몰리브데늄 부화 표면을 형성하기 위해 대략 400℃내지 600℃의 온도에서 120 내지 500분동안 가열된다. 상기 부품은 대략 700 ℃내지 1400℃의 온도에서 1시간 내지 4시간동안 노출된다. 노출 단계는 바람직하게 탄소 가스 대기에서 행해진다. 상기 부분의 케이스(외부면)은 부품이 오일로 담금질될 때 경화된다.

다른 대안의 실시예로서, 이러한 실시예에서, 미립자 재료는 알루미늄이며, 제 2 피복 재료는 니켈 또는 니켈 붕소이다. 이러한 경우에서, 저온 소결을 위한 온도 및 시간 주기는 니켈 알루미나이드 금속간(B2(NiAl) 또는 Li₃Al) 산출량을 발생하기 위해 바람직하게 200℃ 내지 450℃의 온도에서 60분 내지 300분 주기이다. 이러한 금속간이 다소 취성을 갖는 합금이더라도, 고온 상태에서 우등한 온도 부식 거동 및 우수한 기계적 특성을 나타내어, 취성 재료로부터 최종 형상의 부품 등의 다수의 적용예에서 그 사용법을 찾을 수 있다.

모든 전술한 실시예에서, 가열 단계(어닐링)는 바람직하게 환원 대기 또는 중화 산소 부재 대기에서 행해진다. 이러한 대기는 질소, 수고, 또는 아르곤에 의해 제공될 수 있다. 환원 대기에서 경화된 부품을 어닐링함으로써, 아이론 산화물의 생산은 방지된다.

본 발명은 전술한 방법에 의해 제조된 철(아이론 또는 강 부품)이다. 특히, 본 발명은 그 내부에 확산된 피복물을 갖는 균일한 형태의 다량의 연성금속으로 피복된 철 미립자로 구성된 아이론 또는 강 부품이다. 철 재료 내부로의 피복물의 확산은 철 입자 내부로의 금속 피복물을 용해시키기 위해 충분한 온도 및 시간동안 압축 피복된 철 입자로 인해서이다. 이러한 부재의 예는 강 스포라켓 및 강 기어이다.

본 발명은 또한 그 내부에 위치된 균일한 연성 야금 피복물을 갖는 철 입자를 포함하는 철 입자 재료에 관한 것이다. 피복물은 1 내지 50 중량%의 범위를 가지며 철 부품을 제조하기 위해 본 발명과 관련된 철 입자를 피복시키기 위한 전술한 금속으로부터 선택된다.

실시예

실시예 1

99.9%의 아이론 분말(회가내스 1000C) 300g은 상기 분말을 10 중량% 아연으로 도금함으로써 아연층으로 피복된다. 피복된 분말은 50 톤 유압 프레스(데이크(Dake) 50H)로 1.23cm의 다이 내부로 충전되며 20 Ksi 내지 250 Ksi의 고압 간격에서 압축된다. 압축된 부품은 다이로부터 이동되고 그 밀도가 측정된다. 압축된 부품의 밀도는 압력 대 시간의 함수로서 작성되어 그 결과가 도 1에 도시되어 있다.

순수 피복되지 않은 아이론 분말(회가내스 1000C) 300g은 전술한 바와 같이 동일한 50톤 유압 프레스로 다이 내부로 충전되며 피복된 아이론 분말에 대해 상기 공정에 따라 압축된다. 압축된 부품의 밀도는 압력 대 시간의 함수로서 작성되어 그 결과가 도 1에 도시되어 있다.

실시예 2

M2 강 분말 300g은 유동층으로부터 분말을 13.9중량% 코발트로 전자도금함으로써 코발트 층으로 피복된다. 피복된 분말의 각각의 20g 샘플(A,B,C) 은 50톤 유압 프레스(Dake 50H)로 0.95 cm(3/8 inch) 직경, 1.27cm(1/2 inch)높이의 원통형상 다이 내부에 충전되며 200 Ksi 내지 250 Ksi 에서 압축된다. 압축된 부품은 다이로부터 이동되며 강 내부로 코발트를 확산시키기 위해 대략 500℃의 온도에서 1시간동안 열처리된다. 원통형상의 강 샘플은 1500℉의 온도에서 가열되고(흡수되기 이전) 그 다음 2150℉에서 5분동안 가열된다. 샘플은 3 기압에서 질소내에서 담금질되어 대략 1000℉에서 이중으로 불림된다. 각각의 샘플의 밀도 및 로크웰 경도(Rockell C scale)가 측정되며 그 결과는 도표 1에 나타나 있다.

도표 1

샘플	A	B	C
경도	54.2	54.4	54.0
밀도	7.768	7.768	7.768

Claims (13)

1. 미립자형 철 재료로 부품을 제조하는 방법에 있어서,

   다량의 미립자 철 재료를 제공하는 단계,

   피복된 미립자를 생산하기 위해, 각각의 상기 각각의 미립자 상에 0 내지 50 중량% 이상의 연성 금속 또는 합금 야금층으로 전자도금시키는 단계,

   상기 미립자 철 재료를 경화시킴으로써 제조된 부품의 밀도보다 높은 그린 밀도를 갖는 부품을 제조하기 위해, 상기 피복된 미립자를 부품 형상으로 경화시키는 단계, 및

   상기 미립자 철 재료 내부로 상기 금속 또는 합금 야금층을 확산시키기 위해 충분한 시간동안 충분한 온도에서 상기 부품을 가열시키는 단계를 포함하며,

   상기 온도는 상기 철 재료의 소결 온도보다 낮은 미립자형 철 재료로 부품을 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 철 재료는 아이론, 및 강으로 구성된 군으로부터 선택된 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 연성 금속 또는 합금은 코발트, 니켈, 아연, 안티몬, 및 주석-아연 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 도금의 중량%는 2 중량% 이하인 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 경화 단계는 분말 프레스의 다이 내에서 행해지는 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 코발트 및 니켈 기저 재료의 미립자는 상기 철 재료 미립자 대신에 이용되는 방법.
7. 신속하게 가공 경화되는 분말 재료를 압축시킴으로써 제조된 부품의 밀도를 증가시키기 위한 방법에 있어서,

   가공 경화되는 다량의 분말 재료를 제공하는 단계,

   상기 분말의 각각의 부분위를 연성 재료 층으로 피복시키는 단계,

   상기 피복된 분말 재료를 완전히 충전된 부품을 형성하기 위한 압력에서 경화시키는 단계, 및

   상기 피복 재료가 상기 철 재료 내부로 용해되도록 상기 부품을 충분한 시간동안 충분한 온도에서 가열시키는 단계를 포함하는 방법.
8. 부품의 특성을 엔지니어링하기 위한 방법에 있어서,

   적어도 하나의 특성을 구비한 제 1 수치를 갖는 다량의 미립자 재료를 제공하는 단계,

   각각의 미립자 표면상에 상기 적어도 하나의 특성을 구비한 제 2 수치를 갖는 대략 2 중량% 내지 대략 50 중량%의 제 2 재료 층을 도금하는 단계,

   부품을 형성하기 위해 상기 도금된 미립자를 경화시키는 단계, 및

   최종 부품을 생성하기 위해 대략 10분 내지 대략 120분의 시간 주기동안 대략 350℃ 내지 대략 700℃의 온도에서 상기 부품을 가열시키는 단계를 포함하며,

   상기 온도 및 상기 시간 주기는 상기 최종 부품이 상기 부품 내의 상기 제 1 및 제 2 수치의 하나 또는 두가지 모두를 나타내도록 선택되는 방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 제 1 재료는 강 및 아이론으로 구성된 군으로부터 선택된 방법.
10. 제 8항에 있어서, 상기 제 2 재료는 코발트, 니켈, 구리, 아연, 또는 주석-아연 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 방법.
11. 제 9항에 있어서, 상기 제 1 재료는 강이며, 상기 제 2 재료는 코발트인 방법.
12. 제 11항에 있어서, 상기 가열 단계의 상기 온도 및 시간 주기는 상기 최종 부품이 강의 인장 강도 및 코발트의 기계적 특성을 나타낼 수 있도록 선택되며, 상기 온도는 대략 350℃ 내지 대략 800℃의 범위이며, 상기 시간 주기는 대략 10분 내지 대략 120분 범위인 방법.
13. 경화된 표면을 갖는 케이스를 구비한 강 부품을 생산하기 위한 방법에 있어서,

    다량의 철 미립자를 제공하는 단계,

    부품을 형성하기 위해 상기 미립자를 경화시키는 단계,

    대략 400℃내지 대략 600℃의 온도 및 대략 120분 내지 대략 500분의 시간 주기동안 상기 부품을 가열시키는 단계,

    대략 1 시간 내지 대략 4 시간의 주기동안 대략 700℃ 내지 대략 1400℃의 상승된 온도에서 상기 부품을 노출시키는 단계, 및

    상기 케이스가 경화된 부품을 오일속에서 담금질하는 단계를 포함하며,

    상기 노출 단계는 탄소 가스 대기 내에서 행해져, 그 결과 상기 부품의 케이스를 경화시키는 방법.