KR20010049011A - 내마모성 소결합금 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고 재료강도 및 우수한 내마모성을 갖는 소결재료 및 그 제조방법을 제공한다. 우수한 내마모성을 갖는 소결합금은 Ni 6.0∼25 중량%, Cr 0.6∼8.75 중량%, C 0.54∼2.24 중량% 및 Fe 잔여부로 된 전체 조성을 가지며, Cr 탄화물로 된 코어 및 코어를 둘러싸는 Cr가 확산된 페라이트상, 또는 이 페라이트 및 Cr가 확산된 오스테나이트의 혼합상으로 이루어진 경질상이 마르텐사이트와 오스테나이트의 혼합조직 중에 분산되는 금속조직을 나타내고, 상기 금속조직에 있어서의 혼합조직 중의 오스테나이트 면적비는 5∼30%이다.

Description

내마모성 소결합금 및 그 제조방법 {Sintered alloy having superior wear resistance and process of manufacture therefor}

본 발명은 내마모성이 우수한 내마모성 소결합금 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 내연기관용 밸브 시트에 사용하기에 적합한 기술에 관한 것이다.

최근, 자동차 엔진은 고성능화에 의해 작동조건이 한층 더 엄격하게 되고 있고, 엔진에 사용되는 밸브 시트에 있어서도, 종래 보다 엄격한 사용환경조건에 견디는 것이 불가피하게 필요하게 되었다. 이러한 요청으로부터, 본 출원인은 이전에 예를 들면, 일본 특허공고 제17968/74호 공보, 특허공고 제36242/80호 공보, 특허공고 제56547/82호 공보, 특허공고 제55593/93호 공보 및 특허공고 제98985/95호 공보에 내마모성이 우수한 각종 소결합금을 제안했다.

상기 제안에 관한 내마모성 소결합금 중, 특히 일본 특허공고 제55593/93호 공보에 개시된 소결합금은 특허공고 제36242/80호 공보에 개시된 합금을 기지로 하여, 그 기지조직 중에 Mo 규화물로 이루어지는 경질상의 주위를 Co가 확산한 확산상이 둘러싸는 금속조직을 나타내는 것으로, 경질상의 존재에 의해 우수한 내마모성을 나타낸다. 일본 특허공고 제98985호/95호 공보에 개시된 내마모성 소결합금은 상기 일본 특허공고 제55593/93호 공보로 개시된 합금에 Ni 5∼27 중량%를 함유시킴으로써, 기지조직을 강화하여 내마모성을 더욱 향상시킨 것이다.

그렇지만, 이들 합금은 경질상을 형성하기 위해 Co 등의 고가 재료를 사용하기 때문에, 최근의 성능 대 가격비(cost-performance)의 요청에 합치하지 않게 될 것으로 예상된다. 즉, 최근의 자동차 개발은 고성능화를 목표로 하는 것 뿐만 아니라, 경제성을 중시한 염가의 자동차의 개발도 중요시되고 있다. 그래서, 본 출원인은 특허공개 제195012/97호에 저렴한 재료로 요구되는 내마모성을 발휘할 수 있는 내마모성 소결합금을 제안하였다. 이 제안에서는 기지형성분말로서 Fe 분말에 Ni, Cu, Mo의 각 분말을 부분확산한 분말을 사용하여 기지를 강화하여, 이 기지조직에 주로 Cr 탄화물로 이루어진 경질상을 분산시킴으로써, Co 등의 고가 재료를 사용하지 않고서도 요구되는 내마모성과 강도를 부여하고 있다.

그런데, 성능 대 가격비의 요청은 해마다 엄격함이 더해져서, 상기 제안에 관한 내마모성 소결합금 보다도 더욱 저렴한 밸브 시트용 내마모성 소결합금의 요청이 높아지고 있다. 따라서, 상기 제안한 내마모성 소결합금에 있어서도 고가의 Mo를 사용하기 때문에, 사용재료면에서 한층 더 개선의 여지가 있다고 생각된다.

현재, 자동차 엔진의 한층 더 고성능화에 의해 작동조건이 한층 더 엄하게 되는 것이 현상이고, 상기와 같은 소결합금 보다도 내마모성 및 강도가 더욱 우수한 재료가 요망되고 있다.

본 발명은 이러한 사정을 배경으로서 이루어진 것으로, 고가의 재료를 사용하는 일없이, 재료강도와 내마모성을 더욱 향상시킬 수 있는 내마모성 소결재료 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

도 1은 본 발명의 내마모성 소결합금의 금속조직을 개략적으로 나타내는 도면,

도 2는 본 발명의 실시예에 있어서, Ni 양과, 마모량 및 압환강도(radial crushing strength) 사이의 관계를 나타내는 그래프,

도 3은 본 발명의 실시예에 있어서, Ni 양과 오스테나이트 양 사이의 관계를 나타내는 그래프,

도 4는 본 발명의 실시예에 있어서, 오스테나이트 양과 마모량 사이의 관계를 나타내는 그래프,

도 5는 본 발명의 실시예에 있어서, 흑연 분말의 첨가량과, 마모량 및 압환강도 사이의 관계를 나타내는 그래프,

도 6은 본 발명의 실시예에 있어서, 경질상 형성분말의 첨가량과, 마모량 및 압환강도 사이의 관계를 나타내는 그래프,

도 7은 본 발명의 실시예에 있어서, 경질상 형성분말 중의 Cr 양과, 마모량 및 압환강도 사이의 관계를 나타내는 그래프,

도 8은 본 발명의 실시예에 있어서, 경질상 형성분말 중의 C 양과, 마모량 및 압환강도 사이의 관계를 나타내는 그래프,

도 9는 본 발명의 실시예에 있어서, 경질상 형성분말 중의 Mo 양과, 마모량 및 압환강도 사이의 관계를 나타내는 그래프,

도 10은 본 발명의 실시예에 있어서, 경질상 형성분말 중의 V 양과, 마모량 및 압환강도 사이의 관계를 나타내는 그래프,

도 11은 본 발명의 실시예에 있어서, 경질상 성형 분말 중의 W 양과, 마모량 및 압환강도 사이의 관계를 나타내는 그래프,

도 12는 본 발명의 실시예에 있어서, MnS 분말 첨가량과, 마모량 및 압환강도 사이의 관계를 나타내는 그래프,

도 13은 본 발명의 실시예에 있어서, MnS 분말 첨가량과 가공 기공수 사이의 관계를 나타내는 그래프,

도 14는 본 발명의 실시예에 있어서, Pb 분말 첨가량과, 마모량 및 압환강도 사이의 관계를 나타내는 그래프,

도 15는 본 발명의 실시예에 있어서, Pb 분말 첨가량과 가공 기공수 사이의 관계를 나타내는 그래프,

도 16은 본 발명의 실시예에 있어서, MgSiO₃분말 첨가량과 마모량 및 압환강도 사이의 관계를 나타내는 그래프,

도 17은 본 발명의 실시예에 있어서, MgSiO₃분말 첨가량과 가공 기공수 사이의 관계를 나타내는 그래프, 및

도 18은 본 발명의 실시예에 있어서, 납, 구리 및 아크릴 수지의 용침(infiltration) 또는 함침이 마모량과 가공 기공수에 미치는 영향을 나타내는 그래프.

본 발명의 제 1 내마모성 소결합금은 본 출원인이 특허공개 제195012/97호에서 이미 제안한 내마모성 소결합금의 개량에 관한 것이며, 그 기지조직을 형성하는 성분으로부터 Mo를 제외하는 한편, Ni의 함유량을 많게 하여, 기지조직 중의 오스테나이트의 비율을 적정범위로 하는 것으로 본 발명의 과제를 달성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 제 1 내마모성 소결합금은 Ni 6.0∼25.0 중량%, Cr 0.6∼8.75중량%, C 0.54∼2.24 중량%, 및 Fe 및 불가피한 불순물로 된 잔여부로 이루어지는 전체조성을 가지며, 마르텐사이트와 오스테나이트의 혼합조직 중에 Cr 탄화물로 되는 핵의 주위를 Cr가 확산된 페라이트상 또는 이 페라이트 및 Cr가 확산된 오스테나이트의 혼합상이 둘러싸는 경질상이 분산하는 금속조직을 나타내고, 상기 금속조직에 있어서의 혼합조직 중의 오스테나이트의 면적비율이 5∼30%인 것을 특징으로 한다.

이하, 상기 구성의 내마모성 소결합금의 작용에 관해, 도 1을 참조하여 수치한정의 근거와 함께 설명한다.

① 기지

도 1은 상기 내마모성 소결합금의 표면을 나이탈(nital) 등으로 부식 처리한 경우의 금속조직을 나타내는 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이 내마모성 소결합금의 기지는 마르텐사이트와 오스테나이트의 혼합조직이다. 마르텐사이트는 경도 및 재료강도가 높은 조직이므로 내마모성의 향상에 기여할 수 있다. 그렇지만, 경도로 인해, 예를들면 상대부품이 되는 밸브의 마모를 촉진한다. 그리고, 상대부품의 마모로 생긴 금속입자는 연마용 입자로서 작용하여, 결과적으로 밸브 시트의 마모를 촉진한다. 따라서, 본 발명에서는 인성(toughness)이 높은 오스테나이트를 분산시킴으로써, 기지의 내마모성을 손상하는 일없이 상대부품에 대한 손상을 경감시킨다. 본 발명자의 검토에 의하면, 오스테나이트의 면적비율이 5% 미만이면, 마르텐사이트의 양이 지나치게 높아 상대부품에 대한 공격성이 높아지며, 오스테나이트의 면적비율이 30%를 초과하면, 내마모성 및 재료강도가 저하된다는 것이다.

또한, 도 1에는 도시되어 있지 않지만, 성분조성 및 소결후의 냉각조건에 의해서는 소르바이트(sorbite)나 베이나이트(bainite)가 생성되는 경우도 있으며, 본 발명에는 그와 같은 구성도 포함된다. 구체적으로는, 소르바이트 및/또는 상부 베이나이트의 핵을 베이나이트가 둘러싸는 조직이고, 마르텐사이트에 근접한 고 경도 및 고 강도를 갖는 베이나이트를 포함하는 혼합조직으로 함으로써, 경도를 적절히 조정하여 내마모성을 확보하면서 동시에 상대부품에 대한 공격성을 억제할 수 있다. 이 마르텐사이트나 베이나이트의 생성은 후술하는 Ni나 Cr 등의 담금질성(hardenability)을 향상시키는 원소의 확산 농도와 냉각속도에 의해 결정된다. 즉, 이와 같은 원소가 풍부한(농도가 높은) 부분에서는 마르텐사이트로, 이어서 풍부한 부분은 베이나이트로 변태한다. 또한, 냉각속도가 빠르면 마르텐사이트로, 이어서 연속해서 빠르면 베이나이트로 변태한다. 한편, 상기 담금질성을 향상시키는 원소가 모자란 부분이나 냉각속도가 느린 경우에는 소르바이트 및/또는 상부 베이나이트로 변태한다.

② 경질상

도 l에 도시된 바와 같이, 기지에는 Cr 탄화물로 된 핵의 주위를 페라이트상 또는 페라이트와 오스테나이트의 혼합상이 둘러싸는 경질상이 분산되어 있다. Cr 탄화물의 핵은 마르텐사이트 보다도 경도가 높아 내마모성을 더욱 향상시킨다. 또한, 페라이트상 또는 상기 혼합상은 Cr 탄화물의 핵을 기지에 고착함과 동시에 Cr 농도가 높기 때문에 인성이 높고, 밸브 착석시에 핵에 대한 충격을 완화하는 완충재가 되어 탄화물의 탈락을 방지한다. 또한, 경질상의 Cr가 기지에 확산함으로써 기지를 강화하여, 내마모성을 한층 더 향상시킨다.

다음에, 상기 성분조성의 수치한정의 근거에 관해 설명한다.

Ni: Ni는 기지에 고용되어 기지를 강화하는 것으로서, 내마모성의 향상에 기여하며, 또한 기지조직의 담금질성을 개선하여 마르텐사이트화를 촉진한다. 또한, 기지에 확산하여 기지의 고용강화에 작용함과 동시에, Ni 농도가 높은 부분은 연질 오스테나이트로서 잔류하여, 기지의 인성을 향상시킨다. Ni의 함유량이 6.0 중량% 미만이면, 상기 효과가 불충분하고, 25.0 중량%를 초과하면, 연질 오스테나이트상의 양이 증가함으로써 내마모성이 저하된다. 따라서, Ni의 함유량은 6.0∼25.0 중량%로 한정된다.

Cr: Cr는 기지에 고용하여 기지를 강화함과 동시에, 기지조직의 담금질성을 개선하는 작용이 있으며, 이러한 작용에 의해 기지의 강도와 내마모성의 향상에 기여한다. 또한, Cr는 Cr 탄화물을 핵으로 하는 경질상을 형성하여 내마모성을 더욱 향상시킨다. 또한, 경질상으로부터 기지에 확산한 Cr는 경질상을 기지에 강고하게 결합함과 동시에, 기지조직을 더욱 강화하여, 담금질성을 더욱 향상시키는 기능이 있다. 또한, 경질상의 주위의 Cr 농도가 높은 부분은 페라이트상 또는 페라이트 및 오스테나이트의 혼합상을 형성하므로, 밸브 착석때의 충격을 완화하는 효과, 및 마찰 슬라이딩면에서의 Cr 탄화물 등의 경질성분의 탈락을 방지하는 효과가 있다. Cr의 함유량이 0.6 중량% 미만이면 상기 효과가 불충분하고, 8.75 중량%를 초과하면 분말이 경화되어 압축성이 손상된다. 따라서, Cr의 함유량은 0.6∼8.75 중량%로 한정된다.

C: C는 기지의 강화에 작용함과 동시에, 내마모성의 향상에 기여한다. 또한, C는 Cr 탄화물을 형성하여 내마모성의 향상에 더욱 기여한다. C의 함유량이 0.54 중량% 미만이면, 기지조직에 내마모성 및 강도가 낮은 페라이트가 잔류하게 됨 과 동시에, 탄화물의 형성이 불충분해져 내마모성의 향상이 불충분해진다. 한편, C의 함유량이 2.24 중량%를 초과하면, 입계에 시멘타이트가 석출하기 시작하여 기지가 취화하여, 강도가 저하됨과 동시에, 형성하는 탄화물의 양이 증가하여 상대부품의 마모를 촉진하며, 또한 분말이 경화됨으로써 압축성이 저하된다. 따라서, C의 함유량은 0.54∼2.24 중량%로 한정된다.

다음에, 본 발명의 제 2 내마모성 소결합금은 상기 구성의 내마모성 소결합금에 Mo, V, W 중 1종 이상을 첨가함으로써, 경질상의 핵을 Cr 탄화물 이외에도, Mo 탄화물, V 탄화물 및 W 탄화물 중 1 종 이상으로 구성한 것을 특징으로 한다.

즉, 제 2 내마모성 소결합금은 Ni 6.0∼25.0 중량%, Cr 0.6∼8.75 중량%, C 0.54∼2.24 중량%를 함유함과 동시에, Mo 0.05∼1.05 중량%, V 0.03∼0.77 중량%, W 0.15∼1.75 중량% 중 1 종 이상을 함유하고, 잔여부가 Fe로 이루어지는 전체조성을 가지며, 마르텐사이트와 오스테나이트의 혼합조직 중에, 주로 Cr 탄화물로 된 핵의 주위를 Cr가 확산한 페라이트상 또는 이 페라이트 및 Cr가 확산한 오스테나이트의 혼합상이 둘러싸는 경질상이 분산하는 금속조직을 나타내고, 상기 금속조직에 있어서의 상기 혼합조직 중의 오스테나이트의 면적비율이 5∼30%인 것을 특징으로 한다.

상기 구성의 내마모성 소결합금에서는, 경질상 내의 경질 입자(핵)는 Cr 탄화물 이외에도, Mo 탄화물, V 탄화물 또는 W 탄화물이나, Cr와 Mo, V 또는 W의 금속간 화합물로 구성된다. 즉, 도 1의 개략도에 있어서, Cr 탄화물로 된 핵을 주로 Cr 탄화물로 된 핵으로 대체한 금속조직이 된다. 또한, V 및 W는 C와 미세한 탄화물을 형성하여 내마모성의 향상에 기여함과 동시에, 금속간 화합물 및 탄화물은 Cr 탄화물의 조대화(coarsening)를 방지하는 효과를 갖는다. 조대화한 Cr 탄화물은 상대부품의 마모를 촉진하기 때문에, 조대화의 방지에 의해 상대부품인 밸브의 마모가 억제되어, 내마모성도 향상된다. Mo는 기지에 고용하여 기지를 강화함과 동시에, 기지조직의 담금질성을 개선하는 작용이 있으며, 이러한 작용에 의해 기지의 강도와 내마모성의 향상에 기여한다. 또한, V도 기지를 고용강화하여 기지의 강화와 내마모성의 향상에 작용한다. 따라서, 본 발명의 제 2 내마모성 소결합금은 상기한 우수한 특성을 갖는 것은 물론, 내마모성이 한층 더 향상된 것이다.

여기서, Mo, V 및 W의 함유량이 각각 0.05 중량%, 0.03 중량%, 0.15 중량% 미만이면, 상술한 효과가 기대될 수 없다. 한편, 각각 1.05 중량%, 0.77 중량%, 1.75중량%를 초과하면, 분말이 경화되어 압축성이 손상됨과 동시에, 석출하는 금속간 화합물이나 탄화물의 양이 증가하여 상대부품의 마모를 촉진한다. 따라서, 제 2 내마모성 소결합금에서는, Mo의 함유량을 0.05∼1.05 중량%, V의 함유량을 0.03∼0.77 중량%, W의 함유량을 0.15∼1.75 중량%로 한정한다. 또한, 본 발명자의 검토에 의하면, Mo, V 및 W의 함유량이 상기 상한치 이내이면, 그것들을 병용하더라도 상기와 같은 문제는 생기지 않은 것으로 확인된다.

상기 제 l, 제 2 내마모성 소결합금의 금속조직 중에는 황화망간, 납, 메타규산마그네슘계 광물 중 1종 이상을 0.1∼2.0 중량% 분산시키는 것이 바람직하다. 이들 화합물은 피삭성(machinability) 개선성분으로, 기지 중에 분산시킴으로써, 절삭가공시에 절삭력을 감소시키고 절삭 칩의 브레이킹의 기점이 되어, 소결합금의 피삭성을 개선할 수 있다. 이들 피삭성 개선성분의 함유량이 0.1 중량% 미만이면, 그 효과가 불충분하고, 2.0 중량%를 초과하면, 이들 피삭성 개선성분이 소결시에 분말끼리의 확산을 저해하므로, 소결합금의 강도가 저하된다. 따라서, 상기 피삭성 개선성분의 함유량은 0.1∼2.0 중량%로 한정된다.

또한, 상기 내마모성 소결합금의 기공 중에, 납, 구리, 구리 합금 또는 아크릴 수지를 함유시키는 것이 바람직하다. 이들도 피삭성 개선성분이고, 특히, 기공을 갖는 소결합금을 절삭하면 단속절삭이 되지만, 납, 구리, 구리합금 또는 아크릴 수지를 기공 중에 함유시킴으로써 연속절삭이 되어, 공구의 칼날으로의 충격이 완화된다. 또한, 납은 고체윤활제로서도 기능하며, 구리 또는 구리 합금은 열전도성이 높기 때문에, 열이 내부에 가득함을 방지하여, 열에 의한 칼날의 손상을 경감하는 기능이 있으며, 아크릴 수지는 절삭가공시에 절삭 칩의 브레이킹의 기점이 되는 기능이 있다.

다음에, 본 발명의 내마모성 소결합금의 제조방법은 혼합분말 전체에 대하여 흑연분말 0.5∼1.4 중량%, Ni 6.0∼25.0 중량% 및 Fe 잔여부로 이루어진 조성의 기지형성분말 0.6∼1.2%에, Cr 4.0∼25.0 중량%, C 0.25∼2.4 중량% 및 Fe 잔여부로 이루어진 조성의 경질상 형성분말 15.0∼35.0%를 혼합한 혼합분말을 제조하고, 이 혼합분말을 성형 및 소결하여, 마르텐사이트와 오스테나이트의 혼합조직 중에, Cr 탄화물로 된 핵의 주위를 Cr가 확산된 페라이트상 또는 이 페라이트 및 Cr가 확산된 오스테나이트의 혼합상이 둘러싸는 경질상이 분산하는 금속조직을 형성하며, 상기 금속조직에 있어서의 혼합조직 중의 오스테나이트의 면적비율을 5∼30%로 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 각 분말의 성분과 각 성분의 비율의 한정이유에 관해 설명한다.

(1) 기지형성분말

Ni: Ni는 기지를 고용강화하여 내마모성을 향상시킴과 동시에, 기지조직의 담금질성을 개선하여 마르텐사이트화를 촉진하는 원소이다. 또한, Ni 농도가 높은 기지의 부분은 오스테나이트로서 잔류하여, 기지의 인성을 향상시킨다.

Ni의 부여형태로는 단순한 분말의 형태로 부여하는 것이 간편하지만, 분말의 유동성을 고려하여, Ni를 Fe 분말에 부분확산시킨 분말, 또는 Ni를 합금화한 합금분말(Fe-Ni 합금분말)을 단독 사용 또는 병용하는 것도 가능하다. 그러나, Fe-Ni 합금분말의 형태로만 첨가하면, Ni의 농도가 균일하게 되어, 성분 편석이 생기지 않는다. 그 결과, 기지 중에 마르텐사이트와 오스테나이트의 혼합조직이 형성되지 않게 된다. 따라서, Ni의 첨가는 다음 5개의 형태가 바람직하다. 또한, 부분확산이란 Fe 분말에 Ni 분말이 확산고착하는 것을 말한다.

① Fe 분말 + Ni 분말

② Ni 부분확산 Fe 분말

③ Ni 부분확산 Fe 분말 + Ni 분말

④ Fe-Ni 합금분말(프레알로이(pre-alloy) 분말) + Ni 분말

⑤ Fe-Ni 합금분말에 Ni를 부분확산시킨 분말

이러한 형태로 부여되는 Ni 양은 혼합분말 전체 중의 Ni의 함유량이 6.0 중량% 미만이면, 그와 같은 효과를 기대할 수 없다. 한편, Ni 양이 혼합분말 전체의 중량에 대하여 25 중량%를 초과하면, 잔류하는 오스테나이트의 양이 증가하여, 내마모성 및 강도가 저하된다. 따라서, 기지형성분말 중의 Ni의 함유량은 혼합분말 전체의 Ni 양으로 6.0∼25.0 중량%에 해당하는 양으로 한정된다.

흑연: C을 Fe 분말 또는 Ni 분말에 고용시켜 가한 경우, 분말이 경화되어 압축성이 저하하기 때문에, 흑연분말의 형태로 첨가한다. 흑연분말의 형태로 첨가된 C는 기지를 고용강화함과 동시에, 내마모성을 향상시킨다. 흑연의 첨가량이 0.50 중량% 미만이면, 기지조직에 내마모성 및 강도가 낮은 페라이트가 잔류하게 됨과 동시에, Cr 탄화물의 석출량이 불충분하다. 한편, 1.40 중량%를 초과하면, 입계에 시멘타이트가 석출하기 시작하여 기지가 취화하여 강도가 저하한다. 따라서, 첨가하는 흑연은 혼합분말 전체의 중량에 대하여 0.50∼1.4O 중량%로 한정된다.

(2) 경질상 형성분말

경질상 형성분말은 Fe-Cr-C 합금분말이고, 경질상 형성분말의 성분조성의 수치한정의 근거를 설명한다.

Cr: 경질상 형성분말 중의 Cr는 이 합금분말에 고용되어 있는 C와 Cr 탄화물을 형성하여, 경질상의 핵이 되어 내마모성의 향상에 기여한다. 또한, Cr의 일부는 기지에 확산하여, 기지의 담금질성을 향상시켜 마르텐사이트화를 촉진함과 동시에, 경질상 주위의 Cr 농도가 높은 부분에서는 페라이트상 또는 이 페라이트와 오스테나이트의 혼합상을 형성하여, 밸브 착석시의 충격을 완화하는 효과에 기여한다. Cr의 함유이은 경질상 형성분말 전체중량에 대하여 4 중량% 미만이면, 형성하는 Cr 탄화물의 양이 불충분하여 내마모성에 기여할 수 없게 된다. 또한, 25 중량%를 초과하면, 형성하는 탄화물의 양이 많아져, 상대부품의 마모를 촉진하게 됨과 동시에, 분말의 경도가 증대하여 압축성이 손상된다. 또한, 페라이트상 또는 이 페라이트와 오스테나이트의 혼합상의 양이 증가함으로써 내마모성도 저하한다. 이상과 같이, 경질상 형성분말 중의 Cr의 함유량은 4∼25 중량%로 한정된다.

C: 경질상 형성분말 중의 C는 Cr와 Cr 탄화물을 형성하여, 경질상의 핵으로 되어 내마모성의 향상에 기여한다. C의 함유량이 경질상 형성분말 전체중량에 대하여 0.25 중량% 미만이면, 탄화물의 형성량이 불충분하여 내마모성의 향상에 기여하지 않고, 2.4 중량%를 초과하면, 형성하는 탄화물의 양이 증가하여 상대부품의 마모를 촉진함과 동시에, 분말의 경도가 증대하여 압축성이 저하한다. 따라서, 경질상 형성분말에 있어서의 C의 함유량은 0.25∼2.4 중량%로 한정된다.

(3) 기지형성분말과 경질상 형성분말의 중량비

경질상 형성분말에 의해 형성되는 경질상은 원래의 분말부분이 Cr 탄화물에의한 경질입자를 갖는 경질상의 핵을 형성함과 동시에, 이 핵의 주위를 연질인 Cr 농도가 높은 오스테나이트와 페라이트의 혼합상이 둘러싸는 조직을 형성한다. 이 경질상은 상술한 바와 같이, 내마모성을 향상시킴과 동시에, 인성이 높은 혼합상의 존재에 의해 재료강도의 저하를 방지하는 기능을 갖는다. 경질상 형성분말의 첨가량이 혼합분말 전체중량에 대하여 15 중량% 미만이면, 형성하는 경질상의 양이 불충분하여 내마모성에 기여하지 않고, 35 중량%를 초과하여 첨가하더라도 내마모성이 보다 향상될 수 없을 뿐만 아니라, 연질인 Cr 농도가 높은 페라이트상 또는 오스테나이트와 페라이트의 혼합상의 양이 증가함으로써 재료강도의 저하, 압축성의 저하 등의 불량이 생긴다. 따라서, 경질상 형성분말의 첨가량은 혼합분말 전체중량에 대하여 15∼35 중량%로 한정된다.

(4) 오스테나이트의 면적비율의 조정

금속조직 중의 오스테나이트의 비율을 저감하여, 마르텐사이트의 비율을 늘리기 위해서는, 소결후의 냉각속도를 증가하는 것이 가장 간편하다. 기지형성분말 중의 Ni의 함유량이 많은 경우에는, 잔류 오스테나이트의 비율이 많아지지만, 이 경우에는 후술하는 심냉처리(subzero treatment)에 의해 마르텐사이트로 변태시킬 수 있다. 또는, 기지형성분말 중의 Ni로서 Fe와 Ni의 프레알로이 분말을 주로 사용함으로써, Ni의 확산이 보다 균일하게 되어, 오스테나이트의 비율이 저감된다.

상기 소정량의 기지형성분말 및 경질상 형성분말로 이루어지는 혼합분말을 사용하여 제조한 내마모성 소결합금은 Ni 6.0∼25.0 중량%, Cr 0.6∼8.75 중량%, C 0.54∼2.24 중량%, 및 Fe 잔여부로 이루어지는 전체조성을 가지며, 마르텐사이트와 오스테나이트의 혼합조직 중에, Cr 탄화물로 된 핵의 주위를 Cr가 확산한 페라이트상 또는 이 페라이트와 Cr가 확산한 오스테나이트의 혼합상이 둘러싸는 경질상이 분산하는 금속조직을 나타내고, 또한 상기 금속조직에 있어서의 상기 혼합조직 중의 오스테나이트의 면적비율이 5∼30%로 된다.

여기서, 경질상 형성분말로는 Cr 4.0∼25.0 중량%, C 0.25∼2.4 중량%를 함유함과 동시에, Mo 0.3∼3.0 중량%, V 0.2∼2.2 중량% 및 W 1.0∼5.0 중량% 중 1종 이상을 함유하고, Fe 및 불가피한 불순물로 된 잔여부로 이루어지는 조성의 합금분말를 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 합금분말을 사용하는 내마모성 합금의 제조방법은 상기 제조방법의 기지형성분말에 Mo, V, W 중 1 종 이상을 첨가하는 것을 특징으로 한다. 이 기지형분말을 사용하여 제조한 내마모성 소결합금은 Ni 6.0∼25.0 중량%, Cr 0.6∼8.75 중량%, C 0.54∼2.24 중량%를 함유함과 동시에, Mo 0.05∼1.05 중량%, V 0.03∼0.77 중량%, W 0.15∼1.75 중량% 중 1 종 이상을 함유하고, 잔부가 Fe로 이루어지는 전체조성을 가지며, 마르텐사이트와 오스테나이트의 혼합조직 중에, 주로 Cr 탄화물로 된 핵의 주위를 Cr가 확산한 페라이트상 또는 이 페라이트와 Cr가 확산한 오스테나이트의 혼합상이 둘러싸는 경질상이 분산하는 금속조직을 나타내고, 또한 상기 금속조직에 있어서의 상기 혼합조직 중의 오스테나이트의 면적비율이 5∼30%로 된다.

납, 황화망간, 질소화붕소, 메타규산마그네슘계 광물의 분말

본 발명의 내마모성 소결합금의 피삭성을 개선하기 위해, 상기 혼합분말에는, 납 분말, 황화망간 분말, 질소화붕소 분말, 메타규산마그네슘계 광물 분말 중 1 종 이상을 분말전체에 대하여 0.1∼2.0 중량% 첨가할 수 있다. 또한, 이 첨가량의 수치한정의 근거는 상술한 바와 같다.

납, 구리, 구리합금, 또는 아크릴 수지의 함유량

본 발명의 내마모성 소결합금의 기공 중에 납, 구리, 구리합금 또는 아크릴 수지를 용침 또는 함침할 수 있다. 구체적으로는, 혼합분말 중에 납이나 구리 또는 구리합금의 분말을 첨가하여, 분말의 성형체를 소결하는 것으로 기공 중에 이들 금속을 용침 또는 함침시킬 수 있다. 또는, 밀폐용기내에 용융한 아크릴 수지와 내마모성 소결합금을 충전하여, 밀폐용기의 내부를 감압함으로써, 아크릴 수지를 기공내에 충전(함침)할 수 있다. 또한, 아크릴 수지 대신에 용융한 납, 또는 구리 또는 구리합금을 사용함으로써, 이들 금속을 기공내에 함침시킬 수 있다.

심냉처리

본 발명의 내마모성 소결합금에 심냉처리를 함으로써, 상온에서 잔류하는 오스테나이트의 일부가 강도가 높은 마르텐사이트로 변태하여, 강도, 내마모성을 더욱 향상시킬 수 있다. 그러나, 상술한 아크릴 수지의 함침을 실시하는 경우에는, 심냉처리에 의해 함침한 수지가 열화하는 것을 막기 위해, 수지를 함침하기 전에 심냉처리를 실시할 필요가 있다.

(실시예)

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.

[제 1 실시예]

기지형성용 분말로서, 표 1에 나타낸 Ni 부분확산 Fe 분말, 표 2에 나타낸 Fe-Ni 합금분말(프레알로이 분말), 단일 Ni 분말, 단일 Fe 분말 및 흑연 분말을 준비한다. 또한, 경질상 형성분말로서, 표 3에 나타낸 합금분말을 준비한다.

이들 분말을 표 4 및 표 5에 나타낸 배합비로 혼합하여, 혼합분말(합금번호 1∼76)을 제조한다. 이들 혼합분말을 성형압력 6.5 ton/㎠으로 외경 50㎜, 내경 45㎜, 높이 10㎜의 원통상으로 성형하여, 암모니아 분해 가스 분위기 중 1180℃에서 60분간 소결하여, 표 6 및 표 7에 나타낸 성분조성을 갖는 합금(합금번호 1∼76)을 얻는다. 또한, 대부분의 합금을 액체질소에 침지하는 심냉처리를 행한다. 침지시간(분)은 표 4 및 표 5에 나타낸다.

상기 합금의 표면을 나이탈로 부식하고, 이의 현미경 사진으로부터 금속조직 중의 오스테나이트의 면적비율을 측정하여 표 6 및 표 7에 나타낸다.

상기 합금에 대하여 압환강도의 측정과 간이 마모시험을 행하여, 그 결과를 표 8 및 표 9, 도 2∼도 11에 나타낸다. 또한, 간이 마모시험은 알루미늄 합금제 하우징에 밸브 시트 형상으로 가공한 소결합금을 프레스하여 끼워 맞춰, 밸브를 모터 구동에 의한 편심 캠의 회전으로 상하 피스톤 운동시킴으로써, 밸브의 면과 밸브 시트의 시트면을 반복 충돌시키는 시험이다. 또한, 이 시험에서의 온도 설정은 밸브의 베벨을 버너로 가열함으로써, 간이적으로 엔진실내에서의 사용환경을 시뮬레이트한 시험으로 하였다. 이번 시험에서는 편심 캠의 회전수를 2700 rpm, 밸브 시트부분의 시험온도를 250℃, 반복 시간을 15시간으로 설정하여, 시험후의 밸브 시트 및 밸브의 마모량을 측정하여 평가한다.

(1) Ni 양의 영향

도 2는 Ni 양이 서로 다른 각 합금(합금 1∼7)의 마모량과 강도 사이의 관계를 비교한 그래프이며, 도 3은 해당 각 합금의 Ni 함유량과 오스테나이트의 양(면적%)의 관계를 나타낸 그래프이다. 합금 1∼7은 심냉처리를 10분간 행한 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 오스테나이트 양은 Ni 함유량에 대하여 거의 직선적으로 변화하며, Ni의 함유량을 6∼25 중량%으로 함으로써, 오스테나이트 양이 5∼30%의 범위로 되는 것이 확인되었다.

도 2로부터 명백한 바와 같이, Ni 양의 증가에 따라, 오스테나이트와 함께 마르텐사이트의 양이 증가하기 때문에, Ni 양의 증가에 따라 밸브 시트의 내마모성과 강도가 높아지지만, 특정값을 초과하면 마르텐사이트의 증가에 의한 강도, 내마모성의 향상 효과보다도 오스테나이트의 증가에 의한 기지강도의 저하의 영향이 커져 밸브 시트의 내마모성과 강도가 저하된다.

Ni 양이 6 중량% 미만인 합금 1에서는 마르텐사이트의 양이 불충분하기 때문에, 밸브 시트(VS)의 마모량이 많고, 또한 압환강도가 낮게 되어 있다. 또한, Ni 양이 25 중량%를 초과하는 합금 7에서는 도 3에서 명백하듯이, 연질인 오스테나이트의 양이 지나치게 증가한 결과, 강도가 저하함과 동시에 밸브 시트의 마모량이 현저하게 증가된다. 이에 대하여, Ni 양이 본 발명에서 규정하는 6∼25 중량%의 범위이고, 오스테나이트 양이 본 발명에서 규정하는 5∼30 중량%의 범위에 있는 합금 2∼6에서는, 밸브 시트와 밸브의 마모량이 적고, 압환강도도 충분한 범위로 유지된다.

(2) 오스테나이트 양의 영향

도 4는 2종 성분계에 있어서, 동일한 성분조성에서 심냉처리시의 액체질소 침지시간을 변화시켜 오스테나이트 양만이 서로 다르도록 조정한 각 합금의 마모량을 비교한 그래프이다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 오스테나이트 양이 5 중량% 미만인 합금 19에서는 상대부품인 밸브에 대한 공격성이 높고, 그 때문에 밸브(V)의 마모량이 많아지게 되어, 그 마모분말이 연마용 입자로서 작용하여 밸브 시트(VS)의 마모량도 많아진다. 또한, 오스테나이트 양이 30 중량%를 초과하는 합금 23 및 24에서는 연질인 오스테나이트의 양이 많아지므로, 밸브 시트의 마모량이 꽤 많아지고, 밸브도 오스테나이트의 응착에 의해 마모가 증가된다. 이에 대하여, 합금 6, 16, 21에서는 오스테나이트 양이 5∼30 중량%의 범위이기 때문에, 마모량이 적고 우수한 내마모성을 나타낸다. 또한, 합금 22는 오스테나이트 양이 30.4%로 거의 상한값이기 때문에, 내마모성은 충분하다.

(3) 흑연분말 첨가량의 영향

도 5는 흑연분말 첨가량이 서로 다른 각 합금의 마모량을 비교한 그래프이다. 도 5로부터 알 수 있는 있는 바와 같이, 흑연의 C는 기지를 고용강화함과 동시에 탄화물을 형성하기 때문에, 그 첨가량의 증가에 따라 밸브 시트의 내마모성이 증가되지만, 상대부품에 대한 공격성이 높아져 밸브 마모량이 증가한다. 또한, 어떤 값을 초과하면, 시멘타이트의 석출이 증가하여 기지가 취화하여 내마모성과 강도가 저하하는 것과, 밸브의 마모분말이 연마용 입자로서 작용함으로써 밸브 시트의 마모를 촉진하게 된다. 흑연분말 첨가량이 0.5 중량% 미만인 합금 25에서는 기지의 고용강화와 경질상의 형성이 불충분하기 때문에, 밸브 시트(VS)의 마모량이 많고, 또한 압환강도가 낮다. 또한, 흑연분말 첨가량이 1.4 중량%를 초과하는 합금 30에서는 시멘타이트가 석출한 결과, 밸브 시트 및 밸브의 마모량이 증가하고, 또한 압환강도도 낮다. 이에 대하여, 흑연 첨가량이 본 발명에서 규정하는 0.5∼1.4 중량%의 범위인 합금 26∼29에서는 밸브 시트와 밸브의 마모량이 적고, 압환강도도 충분한 범위로 유지된다.

(4) 경질상 형성분말 첨가량의 영향

도 6은 경질상 형성분말 첨가량이 서로 다른 각 합금의 마모량을 비교한 그래프이다. 도 6로부터 알 수 있는 바와 같이, 경질상 형성분말 첨가량이 증가함에 따라 연질인 페라이트와 오스테나이트의 혼합상의 양이 증가함과 동시에, 분말이 경화되어 압축성이 저하함으로써, 합금의 밀도가 저하하기 때문에, 합금의 강도가 서서히 저하된다. 또한, 연질인 혼합상이 지나치게 많으면, 밸브 시트의 내마모성이 저하하는 것도 도 6으로부터 알 수 있다. 경질상 형성분말 첨가량이 15 중량% 미만인 합금 31에서는, 경질상의 형성이 불충분하기 때문에, 밸브 시트(VS)의 마모량이 많아진다. 또한, 경질상 형성분말 첨가량이 35 중량%를 초과하는 합금 35에서는 경질상의 증가에 의한 밸브로의 공격성의 증가에 의해 밸브가 마모함과 동시에, 마모분말이 연마용 입자로서 작용하고, 연질인 혼합상이 증가하며, 기지의 강도가 저하함으로써, 밸브 시트의 마모량이 많아진다. 이에 대하여, 경질상 형성분말 첨가량이 본 발명에서 규정하는 15∼35 중량%의 범위인 합금 32∼34에서는 압환강도도 충분한 범위로 유지되며, 밸브 시트와 밸브의 마모량이 적어진다.

(5) 경질상 형성분말 중의 Cr 양의 영향

도 7은 경질상 형성분말 중의 Cr 양이 서로 다른 각 합금의 마모량을 비교한 그래프이다. 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 경질상 형성분말 중의 Cr 양이 증가함에 따라 분말의 경도가 증대하여 압축성이 저하하기 때문에, 합금의 압환강도가 서서히 저하한다. 또한, Cr 양이 지나치게 많으면, Cr 탄화물의 양이 증가하여 밸브의 마모를 촉진하여, 그것에 의하여 밸브 시트의 마모도 촉진되는 것도 도 7로부터 알 수 있다. 경질상 형성분말 중의 Cr 양이 4 중량% 미만인 합금 36에서는 Cr 탄화물의 생성이 불충분하기 때문에, 밸브 시트(VS)의 마모량이 많아진다. 또한, Cr 양이 25 중량%를 초과하는 합금 42에서는 분말의 압축성 저하에 의한 기지 강도 저하와 동시에, 밸브 공격성 증가에 의한 밸브 마모 증가 및 밸브 마모 분말에 의한 밸브 시트 마모 증가에 의해, 밸브 시트 및 밸브의 마모량이 많아진다. 이에 대하여, Cr 양이 본 발명에서 규정하는 4∼25 중량%의 범위인 합금 37∼41에서는 밸브 시트와 밸브의 마모량이 적고, 압환강도도 충분한 범위로 유지된다.

(6) 경질상 형성분말 중의 C 양의 영향

도 8은 경질상 형성분말 중의 C 양이 서로 다른 각 합금의 마모량을 비교한 그래프이다. 도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 경질상 형성분말 중의 C 양이 증가함에 따라 분말의 경도가 증대하여 압축성이 저하하기 때문에, 합금의 압환강도가 서서히 저하된다. 또한, C 양이 지나치게 많으면, 탄화물 증가에 의해 밸브의 마모를 촉진하여, 그것에 의하여 밸브 시트의 마모도 촉진되는 것도 도 8로부터 알 수 있다. 경질상 형성분말 중의 C 양이 0.25 중량% 미만인 합금 43에서는 탄화물의 생성이 불충분하기 때문에, 밸브 시트(VS)의 마모량이 많아진다. 또한, C 양이 2.4 중량%를 초과하는 합금 49에서는 분말의 압축성이 저하하기 때문에, 압환강도가 낮고, 또한 기지 강도의 저하, 및 밸브의 마모에 기인하여 밸브 시트의 마모량이 많아진다. 이에 대하여, C 양이 본 발명에서 규정하는 0.25∼2.4 중량%의 범위인 합금 44∼48에서는 밸브 시트와 밸브의 마모량이 적고, 압환강도도 충분한 범위로 유지된다.

(7) 경질상 형성분말 중의 Mo 양의 영향

도 9는 경질상 형성분말 중의 Mo 양이 서로 다른 각 합금의 마모량과 압환강도 사이의 관계를 비교한 그래프이다. 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 경질상 형성분말 중의 Mo 양이 증가함에 따라 분말의 경도가 증대하여 압축성이 저하하기 때문에, 합금의 압환강도가 서서히 저하한다. 또한, Mo 양이 지나치게 많으면, 탄화물의 증가에 의해 밸브의 마모를 촉진하여, 그것에 의하여 밸브 시트의 마모도 촉진되는 것도 도 9로부터 이해할 수 있다. Mo 양이 본 발명에서 규정하는 0.3∼3 중량%의 범위인 합금 51∼57에서는 밸브 시트와 밸브의 마모량은 꽤 낮은 값으로 안정되고, 압환강도도 충분한 범위로 유지된다. 이에 대하여, 경질상 형성분말 중의 Mo 양이 0.3 중량% 미만인 합금 39에서는 탄화물의 생성이 적당하지 않기 때문에, 밸브 시트(VS)의 마모량이 비교적 많다. 또한, Mo 양이 3 중량%를 초과하는 합금 58에서는 분말의 압축성 저하에 의해 압환강도가 낮고, 또한 기지 강도의 저하, 및 밸브의 마모에 기인하여 밸브 시트의 마모량도 많아진다.

(8) 경질상 형성분말 중의 V 양의 영향

도 10은 경질상 형성분말 중의 V 양이 서로 다른 각 합금의 마모량과 압환강도 사이의 관계를 비교한 그래프이다. 도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 경질상 형성분말 중의 V 양이 증가함에 따라 분말의 경도가 증대하여 압축성이 저하하기 때문에, 합금의압환강도가 서서히 저하된다. 또한, V 양이 지나치게 많으면, 탄화물의 증가에 의해 밸브의 마모를 촉진하여, 그것에 의하여 밸브 시트의 마모도 촉진되는 것도 도 10로부터 알 수 있다. V 양이 본 발명에서 규정하는 0.2∼2.2 중량%의 범위인 합금 59∼65에서는 밸브 시트와 밸브의 마모량은 꽤 낮은 값으로 안정하고, 압환강도도 충분한 범위로 유지된다. 이에 대하여, 경질상 형성분말 중의 V 양이 0.2 중량% 미만인 합금 39에서는 탄화물의 생성이 적당하지 않기 때문에, 밸브 시트(VS)의 마모량이 비교적 많다. 또한, V 양이 2.2 중량%를 초과하는 합금 66에서는 분말의 압축성 저하에 의해 압환강도가 낮고, 또한 기지 강도의 저하 및 밸브의 마모에 기인하여 밸브 시트의 마모량도 많아진다.

(9) 경질상 형성분말 중의 W 양의 영향

도 11은 경질상 형성분말 중의 W 양이 서로 다른 각 합금의 마모량과 압환강도 사이의 관계를 비교한 그래프이다. 도 11로부터 알 수 있는 바와 같이, 경질상 형성분말 중의 W 양이 증가함에 따라 분말의 경도가 증대하여 압축성이 저하하기 때문에, 합금의 압환강도가 서서히 저하된다. 또한, W 양이 지나치게 많으면, 탄화물의 증가에 의해 밸브의 마모를 촉진하여, 그것에 의하여 밸브 시트의 마모도 촉진되는 것도 도 11로부터 알 수 있다. W 양이 본 발명에서 규정하는 1∼5 중량%의 범위인 합금 68∼72에서는 밸브 시트와 밸브의 마모량은 꽤 낮은 값이고, 압환강도도 적절한 범위로 유지된다. 이에 대하여, 경질상 형성분말 중의 W 양이 5 중량%를 초과하는 합금 73에서는 분말의 압축성 저하에 의해 압환강도가 낮고, 또한 기지 강도의 저하, 및 밸브의 마모에 기인하여 밸브 시트의 마모량도 많아진다.

(10) 경질상 형성분말의 Mo 등의 다수 성분 함유의 영향

합금 76은 경질상 형성분말 중에 Mo 3중량%, V 2.2 중량%, W 5 중량%를 함유하는데, 이들 값은 본 발명의 수치한정의 상한값이다. 따라서, 그 마모량과 압환강도에 미치는 영향에 관해 검토한다. 표 9에 의하면, 합금 76의 압환강도는 947 MPa, 밸브 시트 마모량은 31㎛, 밸브 마모량은 18㎛이다. 이로부터, Mo, V, W를 다수 종류 함유하더라도, 압환강도에는 약간의 저하가 확인되지만, 내마모성에 있어서는 유리함을 알았다.

[제 2 실시예]

(1) 시료 제조

기지형성용 분말로서, 단일 Ni 분말, 단일 Fe 분말 및 흑연분말과, 경질상 형성 분말로서 표 3에 나타낸 합금분말을 준비하여, 이들 분말과, 황화망간 분말, 납 분말, 메타규산마그네슘계 광물 분말로서 MgSiO₃분말 중 어느 하나를 표 10에 나타낸 배합비로 혼합하여, 제 1 실시예와 동일한 조건으로 성형 및 소결을 하여, 표 11에 나타낸 성분조성을 갖는 합금 77∼101을 제조한다. 합금 96∼101의 기공 중에 납, 구리 또는 아크릴 수지를 용침 또는 함침하였다. 또한, 모든 합금에 대하여 액체질소에 침지하는 심냉처리를 하고, 그 침지시간(분)을 표 10에 병기한다.

(2) 강도 및 피삭성의 평가

상기 합금에 대하여 압환강도의 측정, 간이 마모시험 및 피삭성 시험을 하였다. 그 결과를 표 12 및 도 12∼도 15에 나타낸다. 또한, 피삭성 시험은 벤치 드릴을 사용하여 일정한 하중으로 드릴로 시료에 구멍을 뚫어, 가능한 가공수를 비교하는 시험이고, 이번 시험에서는 하중은 1.0 kg, 사용 드릴은 ø3 초경 드릴(cemented carbide drill), 시료의 두께를 3 ㎜로 설정하여 행하였다.

(3) 황화망간 분말 첨가의 영향

도 12는 피삭성 개선성분인 황화망간 분말의 첨가량이 서로 다른 각 합금의 마모량과 압환강도 사이의 관계를를 비교한 그래프이고, 도 13은 가공 기공수를 비교한 그래프이다. 도 13으로부터 알 수 있는 바와 같이, 황화망간 분말 첨가량의 증가에 따라, 기지 중에 분산한 황화망간 입자의 효과로 피삭성은 향상하지만, 도 12에 의하면, 황화망간 분말이 소결시에 분말끼리의 확산을 저해하므로, 기지강도가 저하되기 때문에, 압환강도가 저하되는 것을 알 수 있다. 또한, 도 12로부터 알 수 있는 바와 같이, 밸브 시트 마모량은 황화망간 분말의 첨가량이 2.0 중량% 까지는 약간의 증가경향을 나타내나 낮은 값이고, 양호한 내마모성을 나타내지만, 2.0 중량%을 초과하면 기지 강도저하의 영향에 의해 마모량이 증대한다. 이로부터, 황화망간 분말의 첨가량이 2.0 중량% 이하인 경우에, 강도, 내마모성을 손상하지 않는 범위로 피삭성을 개선할 수 있는 것을 알았다.

(4) 납 분말 첨가의 영향

다음에, 도 14는 피삭성 개선성분인 납 분말의 첨가량이 서로 다른 각 합금의 마모량과 압환강도 사이의 관계를 비교한 그래프이고, 도 15는 가공 기공수를 비교한 그래프이다. 도 15로부터, 납 분말의 첨가량의 증가에 따라 피삭성이 향상하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 14로부터 알 수 있는 바와 같이, 납 분말의 첨가량이 2.0 중량% 미만이면, 기지 중에 미세한 납상이 분산한 금속조직이 되어, 강도, 내마모성과 함께 무첨가의 경우와 거의 동등한 양호한 특성값을 나타내지만, 납 분말의 첨가량이 2.0 중량%를 초과하면, 내마모성이 저하하는 경향을 나타낸다. 그 이유는 아래와 같이 생각된다. 즉, 납 분말을 2.0 중량%를 초과하여 첨가하면, 납 분말이 응집하여 기지 중에 조대한 납상이 생긴다. 이 기지 중의 조대한 납상에 의해, 고온하에 있어서 납의 팽창 현상에 의해 기지를 눌러 확대하고자 하는 힘이 커져, 그 결과, 기지의 강도가 저하하는 것으로 생각된다. 그러나, 이 경향은 상온하에서의 압환시험에서는 현저하게 나타나지 않는다. 이로부터, 납 분말을 2.0 중량% 이하로 첨가함으로써, 강도, 내마모성을 손상하는 일없이 피삭성을 개선할 수 있음을 알 수 있다.

(5) MgSiO₃분말 첨가의 영향

다음에, 도 16은 피삭성 개선성분인 MgSiO₃분말의 첨가량이 서로 다른 각 합금의 마모량과 압환강도 사이의 관계를 비교한 그래프이고, 도 17은 가공 기공수를 비교한 그래프이다. 도 17로부터, MgSiO₃분말 첨가량의 증가에 따라 기지 중에 분산한 MgSiO₃입자의 효과로 피삭성이 향상함을 알 수 있다. 또한, 도 16으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, MgSiO₃분말의 첨가량의 증가에 따라, 소결시에 분말끼리의 확산을 저해하므로, 기지 강도가 저하되기 때문에 압환강도가 저하됨을 알 수 있다. 또한, 도 16으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 밸브 시트 마모량은 MgSiO₃분말 첨가량이 2.0 중량% 미만이면, 약간의 증가경향을 보이지만 낮은 값이고, 양호한 내마모성을 보이지만, 2.0 중량%를 넘으면 기지 강도저하의 영향에 의해 마모량이 증대한다. 이 로부터, MgSiO₃분말을 2.0 중량% 이하로 첨가함으로써, 강도, 내마모성을 손상하지 않는 범위로 피삭성을 개선할 수 있는 있음을 알 수 있다.

(6) 납 등의 용침의 영향

다음에, 도 18은 납 등을 용침 또는 함침한 합금의 마모량과 가공 기공수 사이의 관계를 비교한 그래프이다. 또한, 비교를 위해 용침 등을 행하지 않은 합금 3의 마모량과 가공 기공수를 병기한다. 도 18로부터 알 수 있는 바와 같이, 납, 구리, 아크릴 수지를 용침 또는 함침함으로써, 내마모성은 용침 또는 함침하지 않은 경우와 동등 이상이고, 양호한 내마모성을 유지한 채로 피삭성을 대폭으로 개선할 수 있다.

또한, 본 발명의 내마모성 소결합금은 상기 실시예와 같은 밸브 시트에 한정되는 것이 아니라, 내마모성이 요구되는 모든 부품에 적용가능하다.

이상 설명한 대로, 본 발명의 내마모성 소결합금 및 그 제조방법에서는 내연기관의 밸브 시트용 소결합금으로서, 종래의 기술과 비교하여 높은 내마모성을 부여할 수 있다. 또한, 황화망간 분말, 납 분말, 질소화붕소 분말 또는 메타규산마그네슘계 광물 분말의 첨가, 또는 납, 구리, 구리합금 또는 아크릴 수지를 용침 또는 함침함으로써, 양호한 내마모성을 유지하면서 피삭성을 개선할 수 있다.

Claims (12)

1. Ni 6.0∼25.0 중량%, Cr 0.6∼8.75중량%, C 0.54∼2.24 중량%, 및 Fe 및 불가피한 불순물로 된 잔여부로 이루어지는 전체조성을 가지며, 마르텐사이트와 오스테나이트의 혼합조직 중에 Cr 탄화물로 된 핵의 주위를 Cr가 확산된 페라이트상 또는 이 페라이트 및 Cr가 확산된 오스테나이트의 혼합상이 둘러싸는 경질상이 분산하는 금속조직을 나타내고, 상기 금속조직에 있어서의 혼합조직 중의 오스테나이트의 면적비율이 5∼30%인 것을 특징으로 하는 내마모성 소결합금.
2. Ni 6.0∼25.0 중량%, Cr 0.6∼8.75 중량%, C 0.54∼2.24 중량%를 함유함과 동시에, Mo 0.05∼1.05 중량%, V 0.03∼0.77 중량%, W 0.15∼1.75 중량% 중 1 종 이상을 함유하고, 잔여부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 전체조성을 가지며, 마르텐사이트와 오스테나이트의 혼합조직 중에, 주로 Cr 탄화물로 된 핵의 주위를 Cr가 확산한 페라이트상 또는 이 페라이트 및 Cr가 확산한 오스테나이트의 혼합상이 둘러싸는 경질상이 분산하는 금속조직을 나타내고, 상기 금속조직에 있어서의 혼합조직 중의 오스테나이트의 면적비율이 5∼30%인 것을 특징으로 하는 내마모성 소결합금.
3. Ni 6.0∼25.0 중량%, Cr 0.6∼8.75중량%, C 0.54∼2.24 중량%, 및 Fe 및 불가피한 불순물로 된 잔여부로 이루어지는 전체조성을 가지며, 마르텐사이트와 오스테나이트와, 베이나이트 및 소르바이트 중 하나 이상으로 된 혼합조직 중에 Cr 탄화물로 된 핵의 주위를 Cr가 확산된 페라이트상 또는 이 페라이트 및 Cr가 확산된 오스테나이트의 혼합상이 둘러싸는 경질상이 분산하는 금속조직을 나타내고, 상기 금속조직에 있어서의 혼합조직 중의 오스테나이트의 면적비율이 5∼30%인 것을 특징으로 하는 내마모성 소결합금.
4. Ni 6.0∼25.0 중량%, Cr 0.6∼8.75 중량%, C 0.54∼2.24 중량%를 함유함과 동시에, Mo 0.05∼1.05 중량%, V 0.03∼0.77 중량%, W 0.15∼1.75 중량% 중 1 종 이상을 함유하고, 잔여부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 전체조성을 가지며, 마르텐사이트와 오스테나이트와, 베이나이트 및 소르바이트 중 하나 이상으로 된 혼합조직 중에, 주로 Cr 탄화물로 된 핵의 주위를 Cr가 확산한 페라이트상 또는 이 페라이트 및 Cr가 확산한 오스테나이트의 혼합상이 둘러싸는 경질상이 분산하는 금속조직을 나타내며, 상기 금속조직에 있어서의 혼합조직 중의 오스테나이트의 면적비율이 5∼30%인 것을 특징으로 하는 내마모성 소결합금.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 납, 황화망간, 질소화붕소 및 메타규산마그네슘계 광물 중의 1종 이상이 0.1∼2.0 중량%로 상기 금속조직 중에 분산하고 있는 것을 특징으로 하는 내마모성 소결합금.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소결합금의 기공 중에 납, 구리 또는 구리합금, 또는 아크릴 수지로 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 내마모성 소결합금.
7. 혼합분말 전체에 대하여, 흑연분말 0.5∼1.4 중량%, Ni 6.0∼25.0 중량%, Fe 및 Fe 및 불가피한 불순물로 된 잔여부로 이루어진 조성의 기지형성분말 0.6∼1.2%에, Cr 4.0∼25.0 중량%, C 0.25∼2.4 중량%, 및 Fe 및 불가피한 불순물로 된 잔여부로 이루어진 조성의 경질상 형성분말 15.0∼35.0%를 혼합한 혼합분말을 제조하고, 이 혼합분말을 성형 및 소결하여, 마르텐사이트와 오스테나이트의 혼합조직 중에, Cr 탄화물로 된 핵의 주위를 Cr가 확산된 페라이트상 또는 이 페라이트 및 Cr가 확산된 오스테나이트의 혼합상이 둘러싸는 경질상이 분산하는 금속조직을 형성하며, 상기 금속조직에 있어서의 혼합조직 중의 오스테나이트의 면적비율을 5∼30%로 하는 것을 특징으로 하는 내마모성 소결합금의 제조방법.
8. 혼합분말 전체에 대하여, 흑연분말 0.5∼1.4 중량%, Ni 6.0∼25.0 중량%, 및 Fe 및 불가피한 불순물로 된 잔여부로 이루어진 조성의 기지형성분말 0.6∼1.2%에, Cr 4.0∼25.0 중량%, C 0.25∼2.4 중량%, 및 Fe 및 불가피한 불순물로 된 잔여부로 이루어진 조성의 경질상 형성분말 15.0∼35.0%를 혼합한 혼합분말을 제조하고, 이 혼합분말을 성형 및 소결하여, 마르텐사이트와 오스테나이트와, 베이나이트 및 소르바이트 중 하나 이상으로 된 혼합조직 중에, Cr 탄화물로 된 핵의 주위를 Cr가 확산된 페라이트상 또는 이 페라이트 및 Cr가 확산된 오스테나이트의 혼합상이 둘러싸는 경질상이 분산하는 금속조직을 형성하며, 상기 금속조직에 있어서의 혼합조직 중의 오스테나이트의 면적비율을 5∼30%로 하는 것을 특징으로 하는 내마모성 소결합금의 제조방법.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 경질상 형성분말이 Cr 4.0∼25.0 중량%, C 0.25∼2.0 중량%를 함유함과 동시에, Mo 0.3∼3.0 중량%, V 0.2∼2.2 중량%, W 1.0∼5.0 중량% 중 1 종 이상을 함유하고, Fe 및 불가피한 불순물로 된 잔여부로 이루어지는 조성의 합금분말인 것을 특징으로 하는 내마모성 소결합금의 제조방법.
10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합분말에는 납 분말, 황화망간 분말, 질소화붕소 분말, 메타규산마그네슘계 광물 분말 중 1 종 이상이 상기 혼합분말 전체에 대하여 0.1∼2.0 중량%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 내마모성 소결합금의 제조방법.
11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 혼합분말을 사용하여 제조한 내마모성 소결합금의 기공 중에, 납, 구리, 구리합금 또는 아크릴 수지를 용침 또는 함침하는 것을 특징으로 하는 내마모성 소결합금의 제조방법.
12. 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법으로 제조한 내마모성 소결합금을 추가로 심냉처리를 행하는 것을 특징으로 하는 내마모성 소결합금의 제조방법.