KR20010052151A

KR20010052151A - 소결 제품 제조용 강분말

Info

Publication number: KR20010052151A
Application number: KR1020007007945A
Authority: KR
Inventors: 요한 아비드손; 올라 에릭손
Original assignee: 클래스 린트크비스트, 에스-아 헤닝손, 스텐-아게 크피스트; 회가내스 아베
Priority date: 1998-01-21
Filing date: 1999-01-21
Publication date: 2001-06-25
Also published as: US6348080B1; EP1049552B1; ATE256520T1; JP2010159495A; RU2216433C2; SE9800154D0; CN1288402A; AU2446699A; PL189271B1; EP1049552A1; CN1116944C; TW450855B; JP4909460B2; DE69913650D1; JP2002501122A; DE69913650T2; CA2318112C; WO1999037424A1; CA2318112A1; KR100601498B1

Abstract

본 발명은 2.5 내지 3.5 중량%의 Cr, 0.3 내지 0.7 중량%의 Mo, 0.09 내지 0.3 중량%의 Mn, 0.2 ＞ O, 0.01 ＞ C, 나머지가 철, 및 1 중량% 이하의 불가피한 불순물을 포함하는 물분무 및 어닐링 처리된 철-기질 분말을 600MPa 이상의 압력으로 압축하는 단계와, 상기 압분체를 최대 1220℃의 온도에서 소결하는 단계를 포함하는 750MPa 이상의 인장 강도를 갖는 소결 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 방법에 사용된 어닐링 처리된 분말 및 소결 제품에 관한 것이다.

Description

소결 제품 제조용 강분말 {STEEL POWDER FOR THE PREPARATION OF SINTERED PRODUCTS}

최근에는 분말 야금학을 통해 여러 합금강 분말로부터 제조된 소결된 기계 부품용 재료를 강화하기 위한 다양한 기술이 개발되어 왔다. 저산소, 저탄소 철분말에 크롬, 몰리브덴, 및 망간과 같은 합금 원소를 사용하는 기술은 미국 특허 제 4,266,974호 및 유럽 특허 제 0 653 262호에 개시되어 있다. 양 특허 공보에서 분말용 기질 재료는 물분무되고 환원-어닐링된 분말이다. 상기 미국 특허에는, 저산소 및 저탄소함량의 분말을 얻기 위한 가장 중요한 단계가 특히 진공 유도 가열에 의해 감소된 압력 하에서 수행되는 어닐링 단계임이 개시되어 있다. 상기 미국 특허에는 또한 상업적 설비 용량이 제한되는 단점을 갖는 다른 방법의 환원 어닐링이 개시되어 있다. 상기 유럽 특허에는 환원 어닐링에 대해서는 언급되어 있지 않다. 상기 미국 특허에 따르면, 효율적인 합금 원소의 함량은 0.2 내지 5.0 중량%의 크롬, 0.1 내지 7.0 중량%의 몰리브덴, 및 0.35 내지 1.50 중량%의 망간인 것으로 개시되어 있다. 상기 유럽 특허에 따르면, 효율적인 합금 원소의 함량은 0.5 내지 3 중량%의 크롬, 0.1 내지 2 중량%의 몰리브덴, 및 최대 0.08 중량%의 망간인 것으로 개시되어 있다. 상기 미국 특허 발명의 목적은 고압축성과 고성형성, 및 소결체에서의 탄소처리, 경화능과 같은 양호한 열처리 특성을 만족하는 분말을 제공하는 것이다. 유럽 특허에 개시된 발명을 사용하는 경우에는, 스크랩이 0.08 중량%의 망간을 포함하기 때문에 저렴한 스크랩을 사용할 수 없다는 심각한 문제점을 가진다. 이에 대해, 유럽 특허에는 망간의 함량을 0.08 중량% 이하로 감소시키기 위한 특별한 처리를 수행해야 한다고 개시되어 있다. 상기 유럽 특허의 다른 문제점으로는, 크롬, 망간과 같은 산화에 민감한 원소를 포함하는 물분사된 철분말에서 저산소 및 저탄소 함량을 얻기 위한 가능성 및 환원 어닐링에 대해서는 언급되지 않았다는 점이다. 다만, 이에 대해 주어진 유일한 정보로는 실시예 1에서 최종 환원이 수행되어야 한다고 개시되어 있을 뿐이다.

본 발명은 크롬 기질 합금강 분말에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 철에 부가하여 크롬, Mo, Mn, 및 그의 예비물을 포함하는 저산소, 저탄소 합금강 분말에 관한 것이다. 본 발명은 또한 소결 제품 뿐만 아니라 이러한 분말로부터 소결 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 높은 인장 강도 및 충격 강도의 조합을 달성하기 위해 Cr 함량이 2.5 내지 3.5 중량%의 좁은 범위로 선택되는 중요성을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 2.5 내지 3.5 중량%의 크롬, 0.3 내지 0.7 중량%의 몰리브덴, 및 0.09 내지 0.3 중량%의 망간을 포함하는 크롬 기질의 저산소 및 저탄소 강분말에 관한 것이다. 이러한 조성은 물분무 및 환원 어닐링된 저렴한 재료로부터 우수한 기계적 특성을 갖는 소결 제품을 제조할 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 분말로부터 준비된 소결 제품이 높은 인장강도, 높은 강성, 및 높은 치수정밀성을 가짐을 예상치 못하게 발견하였다. 더욱 놀라운 점은, 이들 특성이 소결 제품을 열처리하지 않고서도 얻을 수 있다는 점이다. 800MPa 이상의 인장 강도 및 19J 이상의 충격 강도를 겸비한 소결 제품은 약 1200℃의 온도에서 약 30분의 소결 시간 동안 작동함으로써 높은 수율의 벨트식 노와 같은 저렴한 소결 장비에서 수득될 수 있음을 발견하였다.

바람직하게, Cr의 함량은 2.7 내지 3.3 중량% 사이에서 변하며, Mo의 양은 0.4 내지 0.6 중량% 사이에서 변하고, Mn의 함량은 0.09 내지 0.3 중량% 사이에서 변한다.

본 발명의 합금강 분말은 상기한 합금 원소의 조성을 갖도록 제조된 강괴를 공지된 물분무 방법으로 처리함으로써 용이하게 제조될 수 있다. 물분무 분말은 어닐링하기 전에 물분무 분말이 O : C 가 1 : 4의 비를 갖도록, 바람직하게는 1.5 : 3.5의 비를 갖도록, 가장 바람직하게는 2 : 3의 비를 갖도록 준비되고, 탄소 함량이 0.1 내지 0.9 중량%를 갖도록 준비된다. 본 발명에 따른 공정에 있어서, 이러한 물분무 분말은 국제출원번호 PCT/SE97/01292 에 개시된 방법(본 발명에서 참조함)에 따라 어닐링될 수 있는데, 이러한 방법은

a) 필수적으로 철, 및 선택적으로 크롬, 망간, 구리, 니켈, 바나듐, 니오븀, 붕소, 규소, 몰리브덴, 및 텅스텐으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 합금 원소로 구성된 물분무 분말을 준비하는 단계;

b) 적어도 H₂및 H₂O 가스를 포함하는 분위기 내에서 분말을 어닐링하는 단계;

c) 탈탄 공정 동안 형성된 적어도 하나의 이산화탄소의 농도를 측정하는 단계; 또는

d) 노의 종방향으로 서로로부터 소정의 거리에 위치된 적어도 2지점에서 필수적으로 동시에 산소 포텐셜을 측정하는 단계; 또는

e) 노 내의 하나 이상의 지점에서 산소 포텐셜을 측정하는 것과 조합하여 상기 단계 c)에 따라 농도를 측정하는 단계; 및

f) 측정값을 이용하여 탈탄 분위기에서 H₂O 가스의 함량을 조절하는 단계를 포함한다.

소량의 용이하게 산화되는 합금 원소를 포함하는 저산소, 저탄소 철-기질 분말을 준비하는데 사용될 수 있는 다른 공정은 스웨덴 출원 9800153-0에 개시되어 있다. 이러한 공정은

- 필수적인 불활성 가스 분위기에서 물분무 분말로 가스 기밀 노를 충진하고 노를 폐쇄하는 단계;

- 바람직하게는 직류 또는 가스 가열에 의해 노온도를 800 내지 1350℃의 온도로 증가시키는 단계;

- CO 가스 형성의 증가를 모니터링하고, CO 가스의 형성이 현저하게 증가하는 경우, 노로부터 CO 가스를 배출시키는 단계; 및

- CO 가스 형성의 증가가 감소될 때 분말을 냉각시키는 단계를 포함한다.

어닐링된 저산소, 저탄소 분말은 이후 흑연 분말, 및 선택적으로 Cu, P, B, Nb, V, Ni, 및 W의 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 합금 원소와 혼합되며, 이때 사용되는 양은 최종 소결 제품의 용도에 따라 결정된다. 첨가된 흑연량은 대개 철-기질 분말의 0.15 내지 0.65 중량% 사이에서 변하며, 아연 스테아레이트 또는 H-왁스와 같은 윤활제는 철-기질 분말의 1 중량% 까지 함유된다. 이러한 혼합물은 이후 종래의 압축 압력, 즉 400 내지 800MPa의 압력으로 압축되고, 1100 내지 1300℃의 온도에서 소결된다. 그렇지만, 본 발명에 따른 분말로부터 준비된 제품은 바람직하게는 분말이 저온, 즉 약 1220℃의 온도, 바람직하게는 1200℃ 미만 또는 약 1150℃ 미만의 온도에서 비교적 짧은 단시간, 즉 45분과 같은 1시간 미만의 소결 시간 동안 소결될 때, 우수한 기계적 특성을 나타낸다.

본 발명의 합금강 분말의 각각의 구성성분 및 소결체가 소정의 범위 내로 한정되는 이유는 다음과 같다.

합금강 분말에서 C가 0.01 중량% 이하로 제한되는 이유는 C가 철 내로 침투될 때 고용체의 형성을 통한 페라이트 기지를 경화시키는 역할을 하는 원소이기 때문이다. 만일 C 함량이 0.01 중량%를 초과한다면, 분말은 현저하게 경화되어서, 분말이 상업적으로 사용되기에는 압축성이 현저하게 불량하게 된다.

소결 제품 내의 C의 함량은 본 발명의 합금강 분말과 혼합되는 흑연 분말의 양에 의해 결정된다. 일반적으로, 분말에 첨가된 흑연량은 0.15 내지 0.65 중량%이다. 3 내지 3.5 중량%의 Cr 함량을 갖는 분말에 있어서, 첨가된 흑연량은 다소 낮으며, 바람직하게는 0.15 내지 0.5 중량%이다. 소결 제품에서 C의 양은 분말에 첨가될 흑연의 양과 필수적으로 동일하다.

다음의 구성성분 함량의 제한은 합금강 분말 및 소결체 모두에 공통적으로 적용된다.

Mn 성분은 경화능의 향상 및 고용 강화를 통해 강의 강도를 향상시킨다. 그렇지만, Mn의 함량이 0.3%를 초과한다면, 페라이트 경도는 고용 강화를 통해 증가할 것이며, 이는 분말의 압축성을 불량하게 할 것이다. Mn의 함량이 0.08 미만인 경우, 철 제조가 수행되는 동안 Mn을 감소시키기 위한 특별한 처리가 수행되지 않는다면(유럽 특허 653 262호 4쪽 42 내지 44줄), 0.08 중량%의 Mn 함량을 갖는 저렴한 스크랩을 사용할 수 없다. 본 발명에 따른 Mn의 바람직한 함량은 0.09 내지 0.3 중량%이다. 0.007 중량% 미만의 C 함량과 조합하여, 이러한 Mn 함량의 간격은 가장 중요한 결과를 제공한다.

Cr 성분은 강분말에 적합한 합금 원소인데, 이는 Cr 성분이 페라이트 경도를 현저하게 증가시키지 않으면서 개선된 경화능을 갖는 소결 제품을 제공하기 때문이다. 소결 후에 충분한 강도를 얻기 위해, 2.5 중량% 이상의 Cr을 함유하는 것이 바람직하다. 3.5 중량% 이상의 Cr 함량은 산화물 및/또는 탄화물의 형성과 같은 문제점을 유발한다. 추가로, Cr의 함량이 3.5 중량%를 초과하는 경우에는, 소결 제품을 실용적으로 적용하기에 경화능이 너무 높게 된다. 높은 인장 강도 및 충격 강도의 조합을 달성하기 위한 2.5 내지 3.5 중량%의 좁은 범위를 선택하는 중요성은 첨부된 도 1에 도시되어 있다.

Mo 성분은 경화능을 향상시킴으로써 강의 강도를 향상시키는 역할을 하며, 또한 고용 강화 및 석출 강화를 통해 강의 강도를 향상시키는 역할을 한다. 0.3 중량% 미만의 Mo 함량은 상기 특성에 무시될 수 있는 영향을 미친다. 더욱이, 합금 원소의 비용에 기인하여, Mo 함량은 0.7 중량%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

일반적으로, 고강도의 소결체 및 고압축성의 분말을 얻기 위해 0.01 중량% 미만의 소량의 S 및 P가 요구되며, 본 발명에 따라 사용되는 분말 내의 S 및 P의 함량은 0.01 중량% 미만이다.

O 성분은 소결체의 기계적 강도에 큰 영향을 미치며, 일반적으로 O의 함량은 가능한 한 낮게 유지되는 것이 바람직하다. O성분은 Cr과 함께 안정한 산화물을 형성하며, 이러한 산화물은 적절한 소결 메카니즘을 방해한다. O의 함량은 0.2 중량%를 초과하지 않아야 한다. 만일 O의 함량이 0.25 중량%를 초과한다면, 다량의 산화물이 발생한다.

압분체의 소결은 1220℃ 미만, 바람직하게는 1200℃ 미만, 가장 바람직하게는 1150℃ 미만의 온도에서 수행된다. 다음의 실시예에 기술된 바와 같이, 1120℃ 미만의 온도에서 단지 30분 동안 소결될 때, 연속적인 열처리를 필요로 하지 않고 예상치 못한 양호한 인장 강도가 얻어진다. 1220℃ 이상의 고온에서는 소결 비용이 바람직하게 못하게 증가하는데, 이는 본 발명에 따른 분말 및 방법이 산업상에서 매우 불적절하게 한다.

0.5℃/초 미만의 냉각 속도는 페라이트를 형성시키고, 2℃/초를 초과하는 냉각 속도는 마르텐사이트를 형성시킨다. 철분말의 조성 및 첨가된 흑연량에 따라, 벨트식 노에서의 전형적인 0.5 내지 2℃/초 의 냉각 속도는 양호한 강도 및 강성의 조합을 얻을 수 있는 완전한 베이나이트 구조를 형성한다. 따라서, 본 발명에 따른 소결 공정은 바람직하게는 벨트식 노에서 수행되어야 함을 알 수 있다.

본 발명은 다음의 실시예에 의해 증명된다.

실시예 1

2 내지 3 중량%의 Cr 함량, 0.5 중량%의 Mo 함량, 및 0.11 중량%의 Mn 함량을 갖는 강분말을 국제 특허 출원 PCT/SE97/01292호에 개시된 바와 같이 물분무 및 어닐링 처리하였다. 0.3 내지 0.7 중량%의 흑연(C-UF4)을 0.8 중량%의 H-왁스와 같은 윤활제와 함께 첨가하였다. 이러한 분말을 700MPa에서 압축하였으며, 이후 1120℃에서 30분 동안 90% N₂/ 10% H₂의 분위기에서 소결하였다. 이하의 표 1, 표 2, 및 표 3은 준비된 제품에 대한 그린 밀도(GD), 칫수 변화(dl/L), 경도(Hv10), 인장 강도(TS), 항복 강도(YS), 및 충격 에너지(샤르피)를 개시하고 있다.

분말 : 2Cr-0.5Mo-0.11Mn

첨가된 흑연 중량%	GD (g/cc)	dl/L	Hv10	TS (MPa)	YS (MPa)	샤르피 (J)
0.3	7.14	-0.072	200	669	521	23.5
0.4	7.11	-0.085	210	720	538	20.8
0.5	7.12	-0.072	221	761	576	21.2
0.6	7.10	-0.056	237	808	612	18.6
0.7	7.12	-0.025	261	861	698	16.8

분말 : 2.5Cr-0.5Mo-0.11Mn

첨가된 흑연 중량%	GD (g/cc)	dl/L	Hv10	TS (MPa)	YS (MPa)	샤르피 (J)
0.3	7.13	-0.089	218	731	534	25.8
0.4	7.12	-0.077	227	762	561	22.1
0.5	7.11	-0.065	251	814	595	20.4
0.6	7.11	-0.044	268	877	679	18.5
0.7	7.07	-0.019	361	1007	732	16.1

분말 : 3Cr-0.5Mo-0.11Mn

첨가된 흑연 중량%	GD (g/cc)	dl/L	Hv10	TS (MPa)	YS (MPa)	샤르피 (J)
0.3	7.10	-0.106	234	754	526	24.0
0.4	7.10	-0.076	247	804	563	20.7
0.5	7.10	-0.034	257	856	623	18.0
0.6	7.09	-0.001	315	969	704	16.4
0.7	7.04		508		685	15.6

실시예 2

과도한 Mn 함량은 고용 강화를 통해 페라이트 경도가 증가하므로 압축성에 악영향을 미친다. 이는 표 2에 개시하였는데, 윤활 다이에서의 600MPa에서 Fe-3Cr-0.5Mo의 압축성을 개시하고 있다.

분말	C (중량%)	O (중량%)	Mn (중량%)	GD (g/cc)
A	0.003	0.12	0.09	7.00
B	0.004	0.14	0.12	6.98
C	0.004	0.13	0.18	6.90
D	0.004	0.13	0.28	6.81

Claims

물분무 및 어닐링 처리된 철-기질 분말로서,

2.5 내지 3.5 중량%의 Cr

0.3 내지 0.7 중량%의 Mo

0.09 내지 0.3 중량%의 Mn

0.10 중량% ＞ Cu

0.15 중량% ＞ Ni

0.02 중량% ＞ P

0.01 중량% ＞ N

0.10 중량% ＞ V

0.10 중량% ＞ Si

0.10 중량% ＞ W

0.25 중량% ＞ O

0.01 중량% ＞ C

나머지 철, 및 0.5 중량% 이하의 불가피한 불순물을 포함하는 물분무 및 어닐링 처리된 철-기질 분말.
제 1항에 있어서,

2.7 내지 3.3 중량%의 Cr

0.4 내지 0.6 중량%의 Mo

0.09 내지 0.25 중량%의 Mn

0.15 ＞ O

0.007 ＞ C

나머지가 철, 및 0.2 중량% 이하의 불가피한 불순물을 포함하는 물분무 및 어닐링 처리된 철-기질 분말.
연속적인 열처리를 수행하지 않고 750MPa 이상의 인장 강도를 갖는 소결 제품을 제조하는 방법으로서,

제 1항 또는 제 2항에 따른 함량을 갖는 합금 원소 Cr, Mo, 및 Mn를 포함하는 철-기질 분말을 물분무하는 단계와,

상기 물분무된 분말을 어닐링하는 단계와,

흑연, 및 선택적으로 상기 소결 제품의 최종 용도에 의해 결정된 함량으로 Cu, P, B, Nb, V, Ni, 및 W로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 합금 원소를 첨가하는 단계와,

600MPa 이상의 압력으로 상기 어닐링된 분말을 압축하는 단계와, 그리고

상기 압분체를 소결하는 단계를 포함하는 방법.
제 3항에 있어서, 상기 환원은 H₂및 제어된 양의 H₂O이 존재하는 환원성 분위기에서 대기압으로 수행되는 방법.
제 3항에 있어서, 상기 환원은 필수적으로 불활성 분위기 및 CO 배출 분위기에서 저압으로 수행되는 방법.
제 3항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물분무 분말은 어닐링하기 전에 1 : 4, 바람직하게는 1.5 : 3.5, 가장 바람직하게는 2 : 3의 O : C의 비를 가지며, 0.1 내지 0.9 중량%의 탄소 함량을 갖는 방법.
제 3항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축 단계 이전에, 0.25 내지 0.65 중량%, 바람직하게는 0.3 내지 0.5 중량%의 흑연이 상기 분말에 첨가되는 방법.
제 3항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 3 내지 3.5 중량%의 Cr을 갖는 분말에서, 첨가되는 흑연량은 0.25 내지 0.5 중량%인 방법.
제 3항에 있어서, 상기 소결 온도는 최대 1220℃이며, 바람직하게는 1200℃ 미만이며, 가장 바람직하게는 1150℃ 미만인 방법.
제 3항에 있어서, 상기 소결 시간은 60분 미만이며, 바람직하게는 50분 미만이며, 가장 바람직하게는 40분 미만인 방법.
0.25 중량% 이상, 바람직하게는 0.3 중량% 이상의 혼합된 탄소 함량을 갖는 제 5항내지 제 8항 중 어느 한 항에 따라 제조된 소결 제품.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 어닐링된 철-기질 분말은 PCT/SE97/01292 에 개시된 방법에 따라 제조되는 분말.