KR20030023637A - 표면 조밀화된 분말 금속 부품의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선택적으로 소결 금속 분말 부품의 표면층의 조밀화 방법을 제공하며, 상기 방법은 상기 부품의 표면층을 연화시키기 위해 상기 표면층을 탈탄하는 단계와 상기 부품의 표면층을 조밀화하는 단계를 포함한다.

Description

표면 조밀화된 분말 금속 부품의 제조 방법 {METHOD OF PRODUCTION OF SURFACE DENSIFIED POWDER METAL COMPONENTS}

금속 부품을 제조하는 종래의 방법은 예를 들어, 각재(bar stock) 또는 튜브를 단조하는 단계로부터 기계가공하는 단계를 포함한다. 그러나, 이러한 종래의 제조 방법은 분말 야금(PM)법에 의한 제조 방법과 비교하여 열악한 재료 이용과 상대적으로 높은 비용을 소비한다. PM법의 다른 장점은 단일 형성 작업으로 복잡한 형상을 형성할 수 있는 가능성, 최소 마무리 가공, 높은 부피 성능 및 에너지 효율을 포함한다.

전술한 장점에도 불구하고, 자동차 산업에서 PM 소결된 부품의 이용율은 저합금 연강(low alloy wrought steel)과 비교할 때 여전히 상대적으로 낮다. 자동차 산업에서 PM 부품이 이용될 미래의 성장 영역은 동력 전달 분야, 예를 들어 전달 기어와 같은 응용 분야에 PM 부품을 성공적으로 도입할 수 있느냐에 있다. 과거에 PM법으로 형성된 기어 휘일이 갖는 문제점은 각재 또는 단조물로부터 기계가공된 기어와 비교할 때 미세조직 내에 잔류하는 공극으로 인해 치형 플랭크 상에서 낮은 내마모성과 기어의 이 영역과 기어의 이뿌리 영역에서 낮은 굽힘 피로 강도를 갖는다는 것이었다. PM 전동 기어를 성공적으로 제조하는 하나의 방법은 GB 2250227B에 개시된 것처럼 표면을 조밀화하기 위해 기어 프로파일을 롤링하는 것이다. 그러나, 이 방법은 조밀화된 영역에서의 밀도 보다 낮은 코어 밀도를 야기하며, 그 코어 영역에서의 밀도는 연강의 최대 이론 밀도의 약 90%이다. 이는 기계가공된 연강 부품 보다 상대적으로 낮은 굽힘 피로 내구성을 갖는 기어 이를 야기한다.

소결 온도가 소정의 밀도에서 소결된 PM 부품의 동적 특성에 상당한 영향을 주지만, 소정의 소결 영역에서 얻을 수 있는 극한의 동적 특성은 또한 사용된 합금계와 얻어진 소결 밀도의 조합에 의해 제어된다. 7.2g/㎤ 정도 이상의 단일 프레스 밀도 수준에서 일반적인 PM법으로 높은 인장 강도를 얻을 수 있지만, 주기적인 하중 하에서 파괴 인성 및 내피로성과 같은 동적 특성은 유사한 강도를 갖는 강의 값보다 반드시 작을 것이다. 그러므로, PM 전동 기어의 제조 방법은 광범위한 지지를 얻지 못했다. 이는 주로 잔류 공극의 부정적인 영향 때문이다. 따라서, 높은 하중을 받는 PM 부품의 특성을 개선시키기 위한 방법은 각각 양호한 주기적 내굽힘성 및 내표면성을 위해 높은 하중을 받는 영역의 조밀화와 미세조직을 고려해야 한다.

PM 부품의 특성을 개선시키기 위한 방법은 미국 특허 제 5,729,822호, 5,540,883호 및 5,997,805호로부터 공지되어 있다.

미국 특허 제 5,729,822호에는 기어용으로 유용한 PM 부품을 제조하는 방법이 개시되어 있으며, 상기 방법은 a) 7.4 내지 7.6g/㎤ 범위의 코어 밀도를 얻기 위해 분말 금속 블랭크를 소결하는 단계, b) 표면을 조밀화하기 위해 기어 블랭크의 표면을 롤링하는 단계, c) 롤링된 소결 기어를 가열하고 진공로 내에서 침탄화하는 단계를 포함한다.

미국 특허 제 5,540,883호에는 베어링으로 유용한 PM 부품을 제조하는 방법이 개시되어 있으며, 상기 방법은 a) 혼합물을 형성하기 위해 탄소, 제 1철 합금 분말 및 윤활제를 압축성 철 분말과 혼합하는 단계, b) 제품을 형성하기 위해 혼합물을 가압하는 단계, c) 상기 제품을 소결하는 단계, d) 상기 제품 표면의 적어도 일부분을 롤러로 롤 성형하는 단계 및 e) 상기 층을 열처리하는 단계를 포함한다.

미국 특허 제 5,540,883호에는 고밀도, 고탄소, 소결된 PM 강을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 상기 방법은 소정 조성의 분말들을 혼합하는 단계, 상기 분말을 압축(compact) 및 소결하는 단계, 상기 소결된 제품을 등온 유지 또는 서냉에 의해 냉각시키는 단계, 상기 제품을 7.4 내지 7.7g/㎤ 범위의 밀도로 형성하는 단계를 포함한다. 등온 유지에 의해 소결된 제품을 냉각시킴으로써 보다 낮은 경도의 고탄소 재료가 다음의 성형 작업을 위해 얻어진다.

본 발명은 고밀도, 고항복강도의 측면에서 중간 부분과 구분되는 코어, 및 고경도와 고밀도의 표면을 갖는 PM 부품을 제조하기 위한 신규한 방법을 제공한다.

본 발명은 분말 금속 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 높은 코어 강도와 경하고 조밀한 표면을 갖는 분말 금속 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 상이한 표면 처리 후 미세경도를 도시하는 그래프이며,

도 2는 탈탄 표면 상에서 표면 가압의 결과를 도시하며,

도 3은 소결된 표본 상에서 표면 가압의 결과를 도시한다.

간략히, 본 발명은 선택적으로 소결된 분말 금속 부품의 표면층을 조밀화하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 상기 부품의 표면층을 연화시키기 위해 표면층을 탈탄하는 단계, 및 상기 부품의 표면층을 조밀화하는 단계를 포함한다.

소결된 부품에 있어서 탈탄은 소결 단계의 일부로서 또는 소결 단계를 수반하는 별개의 공정으로 수행될 수도 있다.

본 발명은 또한 그 코어에서 0.3 내지 1.0%, 경화된 외부층에서 0.3 내지 1.5%, 바람직하게 0.5 내지 0.9%의 탄소 함량을 갖는 소결된 분말 금속 부품의 합금강에 관한 것이다.

탈탄의 주 이유는 부품의 표면 조밀화를 효과적으로 수행하기 위해 부품의 표면을 연화시키는 것이다. 탈탄된 표면층은 코어와 비교할 때 낮은 항복 응력을 갖는다. 코어 상의 응력이 낮아지면서 표면층은 조밀화될 것이다. 본 발명에 따른 방법으로 높은 항복 강도의 코어 및 정상 압력을 이용한 연한 표면층을 갖는 재료와 장치 재료에 대해 조밀화가 수행될 수 있다. 최종 부품은 높은 치수 정확성과 높은 코어 강도를 가질 것이다. 표면 조밀화 후 표면은 표면 경도와 내마모성을 증가시키기 위해 선택적으로 표면 경화되거나 다른 표면 경화 방법에 따라 경화된다. 표면은 보다 높은 밀도와 표면 경화층으로 인해 코어보다 우수한 경도에 도달하고 굽힘 피로 및 롤링 접촉 피로 특성이 실질적으로 증가한다. 부품의 코어는 높은 인장 및 항복 강도를 위해 공정을 통해 최적의 탄소 함량을 유지한다.

본 발명에 따라 사용될 수도 있는 바람직한 분말은 철 분말 또는 하나 이상의 합금 원소를 선택적으로 포함하는 철 기저 분말이다. 분말은 예를 들어 Cu, Cr, Mo, Ni, Mn, P, V 및 C를 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 합금 원소 중 10%까지 함유할 수도 있다. 분말은 분말 혼합물, 예비 합금화된 분말 및 확산 결합된 합금 분말 또는 이들의 조합물일 수도 있다.

압축은 400 내지 1000Mpa, 바람직하게 600 내지 800Mpa에서 수행된다.

소결은 예비 합금화되고 부분적으로 합금화된 철에 대한 일반적인 온도인 1100 내지 1350℃에서 수행된다.

탈탄은 제어된 분위기에서 750 내지 1200℃, 바람직하게 850 내지 1000℃의 온도에서 수행된다. 분위기는 바람직하게 H₂O가 선택적으로 추가된 수소 또는 질소 및 수소의 혼합물로 구성되며, 특히 수소의 50 내지 100%가 H₂O로 포화된 질소/수소 혼합물로 양호한 결과가 얻어졌다.

탈탄층의 두께는 0.1 내지 1.5㎜, 바람직하게 0.8 내지 1.2㎜이고 탄소 함량은 0 내지 0.5%, 바람직하게 0.03 내지 0.3%이다.

부품 표면의 낮은 탄소 함량으로 인해, 재료는 기계 가공될 때 연화된다. 표면층은 기계적 가공으로 인해 최대 밀도에 도달하는데, 이는 재료의 최대 포텐셜이 이용될 수 있음을 의미한다. 층의 두께는 부품의 사용 환경에 의해 발생되는 응력을 수용하기에 충분해야 한다.

표면 조밀화는 표면 프레싱, 쇼트 피닝, 사이징 또는 부품의 밀도를 국부적으로 증가시킬 수 있는 소정의 다른 방법과 같은 기계적 성형에 의해 수행될 수도 있다. 그러나 사이징과 롤링에는 상당한 차이가 있다. 사이징 작업의 주목적은 형상 공차(shape tolerance)를 개선시키는 것이고 국부적 밀도 증가는 2차적인 목적이다.

롤링 작업은 연강 및 표면 경화 강과 비교할 수 있는 특성에 도달하기 위한 주요 작업이다. 그러나, 2차적인 작용으로서 롤링 작업에 의해 개선된 형상 공차가 달성된다. 정밀한 롤링 과정 및 롤링과 관련된 다른 변수는 요구되는 부품에 따라 맞춰져야 한다.

조밀화 후의 표면 경화로 인해 매우 조밀하고 경한 표면을 얻을 것이다. 표면 경화는 0.3 내지 1.5%의 탄소, 바람직하게 0.5 내지 0.9%의 탄소로 부화된 분위기에서 850 내지 1000℃, 바람직하게 900 내지 950℃에서 수행된다. "표면 경화"라는 용어는 경화제, 즉 탄소 또는 질소의 첨가를 포함하는 소정의 표면 경화 형태를 포함하는 것으로 해석된다. 일반적인 경화 방법으로는 종래의 표면 경화, 침탄 질화(carbo nitriding), 침질 탄화(nitro carburizing), 플라즈마 질화(plasma nitriding), 이온 질화(ion nitriding) 등을 포함한다.

표면층의 탄소 함량은 표면 경화 후에 0.3 내지 1.5%, 바람직하게 0.5 내지 0.9%이다. 코어의 탄소 함량은 0.3 내지 1.0%로 유지된다.

표면 경화는 바람직하게 공기중에서의 저온 뜨임에 의해 수반된다.

본 발명은 다음의 예를 참조하여 보다 자세히 설명될 것이다.

표 1에 따른 조성을 갖는 철 기저 합금이 제공되었다. 분말 혼합물은 약 7.0g/㎤의 프레스 밀도를 제공하기 위해 약 600Mpa의 압축 압력에서 시험 부품으로 압축되었다. 압축된 부품은 그 후 아래와 같은 5개의 상이한 탈탄 공정으로 처리되었다.

A. 30% N₂/ 70% H₂및 1120℃/30분으로 소결되고, 0.5 내지 2.0℃/초로 냉각됨.

B. (단일 공정)90% N₂/ 10% H₂및 1120℃/25분으로 소결되고, 33%의 습도 및 67%의 건조도를 갖는 90% N₂/ 10% H₂분위기에서 1120℃/5분으로 소결(탈탄)되고 33%의 습도 및 67%의 건조도를 갖는 90% N₂/ 10% H₂분위기에서 0.5 내지 2.0℃/초로 냉각됨.

C. (단일 공정)90% N₂/ 10% H₂분위기에서 1120℃/25분으로 소결되고, 20%의 습도 및 80%의 건조도를 갖는 90% N₂/ 10% H₂분위기에서 1120℃/5분으로 소결(탈탄)되고 20%의 습도 및 80%의 건조도를 갖는 90% N₂/ 10% H₂분위기에서 0.5 내지 2.0℃/초로 냉각됨.

D. 0.65%의 CO₂를 갖는 엔도가스(endogas)에서 1120℃/30분으로 소결되고, 0.5 내지 2.0℃/초로 냉각됨.

E. (이중 공정)30% N₂/ 70% H₂분위기에서 1120℃/30분로 소결되고, 50%의 습도 및 50%의 건조도를 갖는 H₂분위기에서 950℃/20분으로 탈탄되고 0.5 내지 2.0℃/초로 냉각됨.

부품 상에서 표면 조밀화는 15 내지 35kN의 롤링력 및 5 내지 40R의 롤링 회전 하에서 표면 롤링에 의해 수행되었다.

조밀화된 부품 상에서의 표면 경화는 상기 부품을 0.5%의 탄소 포텐셜 분위기 및 950℃/60분에 노출시킴으로써 수행되고 공기 내에서 그리고 185℃/60분에서 뜨임을 수반한다.

표면 조밀화에 대한 탈탄의 효과 및 그 영향을 특징화하기 위해, 탈탄된 부품 단면의 표면 경도 측정(HV10) 및 미세조직 관찰(LOM)이 수행되었다. 상기 분석으로 인해 연한 탈탄층의 표면 경도와 두께에 대한 정보를 얻을 수 있다.

표면 경도 측정 결과가 표 2 및 도 1에 도시된다. 표면 경도는 탈탄 후 감소하고 표면 조밀화 및 표면 경화 후 증가함을 명백히 알 수 있다.

도 2 및 도 3은 각각 탈탄된 표면 및 소결된 표면에 대해 표면 프레싱(프레싱 힘 60kN)의 충격을 나타낸다.

상이한 탈탄 공정 후의 탄소 함량이 표 3에 표시된다. 표 3으로부터 단일 공정(공정 B 및 C)이 소정의 탈탄 효과를 갖지만, 별개의 탈탄 공정(공정 E, 이중 공정)이 단일 공정(공정 B 및 C) 보다 훨씬 큰 효과를 제공함을 알 수 있다. 단일 및 이중 공정과 비교할 때 소결은 표면 탈탄에 대해 매우 제한된 효과를 갖는다. 이는 주로 반응 중 운동역학적 효과에 의해 결정된다.

탄소 측정은 표본의 표면에서가 아니라 전체 부피에 대해 수행되었다. 표본의 표면 상의 탄소 함량은 측정된 값보다 훨씬 작아야 한다.

인장 시험이 90% N₂/ 10% H₂분위기 하에서 30분 동안 1120℃에서 소결된 표본에 대해 수행되었다. 그 결과가 표 4에 표시된다.

Claims (11)

1. 철 또는 철 기저 분말로부터 제조된 선택적으로 소결된 탄소 함유 부품의 표면층의 조밀화 방법으로서,

   상기 부품의 표면층을 연화시키기 위해 상기 표면층을 탈탄하는 단계, 및

   상기 부품의 표면층을 기계적 성형에 의해 조밀화하는 단계를 포함하는 조밀화 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 탈탄 단계는 0.1 내지 1.5㎜, 바람직하게 0.8 내지 1.2㎜의 두께를 갖는 연질 표면층을 제공하기에 충분한 조건에서 수행되는 조밀화 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 탈탄 단계는 상기 부품의 연질 표면층에 0 내지 0.5 중량%, 바람직하게 0.03 내지 0.3 중량%의 탄소 함량을 제공하기에 충분한 조건에서 수행되는 조밀화 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 표면 조밀화 후 표면 경화가 수행되는 조밀화 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 표면 경화는 침탄 공정으로서 수행되는 조밀화 방법.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 표면 경화는 상기 부품의 표면층에 0.3 내지 1.5 중량%, 바람직하게 0.5 내지 0.9 중량%의 탄소 함량을 제공하기에 충분한 조건에서 수행되는 조밀화 방법.
7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 탄소 함량은 상기 표면 경화된 부품의 코어에서 0.3 내지 1.0 중량%인 조밀화 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 탈탄은 제어된 분위기 하의 750 내지 1200℃, 바람직하게 850 내지 1000℃에서 상기 부품을 가열하는 단계를 포함하는 조밀화 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 부품은 Cu, Cr, Mo, Ni, Mn, P, V 및 C를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 합금 원소를 포함하는 조밀화 방법.
10. 고밀도 및 조밀화된 표면을 갖는 분말 금속 부품의 제조 방법으로서,

    프레스된 부품을 소결하고 표면층을 연화하기 위해 상기 소결 과정의 일부에서 상기 부품의 표면층을 탈탄하는 단계, 및

    상기 부품의 연질 표면층을 조밀화하는 단계를 포함하는 분말 금속 부품의 제조 방법.
11. 철 합금의 소결 분말 금속 부품으로서,

    코어에서 0.3 내지 1.0%의 탄소 함량과, 표면 경화된 외부층에서 0.3 내지 1.5%, 바람직하게 0.5 내지 0.9%의 탄소 함량을 갖는 철 합금의 소결 분말 금속 부품.