KR20030056165A

KR20030056165A - 단차를 갖는 물품의 분말야금방법

Info

Publication number: KR20030056165A
Application number: KR1020010086334A
Authority: KR
Inventors: 윤정구
Original assignee: 윤정구
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2003-07-04

Abstract

본 발명은 분말 야금법을 이용하여 단차를 갖는 물품을 제조하는 방법에 관한 것으로, 철을 주재로 하는 금속분말을 압분하고 소결하는 단차를 갖는 물품의 분말야금방법에 있어서, 상기 단차를 갖는 물품을 이너와 아웃터로 구분하고, 상기 이너와 아웃터를 형성하기 위한 금형에 각각 철을 주재로 하는 금속분말을 투입하여 압분하되 아웃터의 금형에는 수축부여제가 0.3 내지 0.6중량% 더 포함된 금속분말을 투입하여 압분하고, 상기 압분한 이너를 아웃터에 삽입하여 조립한 후 소결하는 것을 특징으로 하는 단차를 갖는 물품의 분말야금방법을 제공함으로서 내경에 대한 정밀도를 높이면서 용이하게 단차를 갖는 물품을 제조할 수 있다.

Description

단차를 갖는 물품의 분말야금방법{Powder metallurgy method for stepped goods}

본 발명은 분말 야금법을 이용하여 단차를 갖는 물품을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정밀도를 요하는 내경과 단차를 갖는 제품을 분말 야금법을 통해 용이하게 제조할 수 있도록 한 단차를 갖는 물품의 분말야금방법에 관한 것이다.

분말야금법이라 함은 금속분말을 압분성형한 다음 소결하여 최종성형물을 얻는 방법이다. 상기 분말야금법은 압연, 단조 및 주조 등으로 성형물을 얻는 방법과 매우 큰 차이점을 나타내게 되는데, 통상적으로 용융공정을 통해 제조하기 어려운 제품을 분말야금법으로 제조하고 있다.

분말야금법은 소결된 철(Fe) 재료가 주재로 사용된다. 이와 같은 철 재료에는 제조된 성형품의 물리적 특성을 보완하기 위하여 다양한 금속분말이 부가적으로 투입되어 성형된다. 일 예로 상기 철 재료에 흑연, 구리 등의 미세분말을 혼합하고 이 분말혼합물을 소결하여 강도, 내후성, 내마모성 등을 개선시키는 것에 관한 기술이 공지되어 있다. 또, 소결부품의 적용범위를 확대시킬 목적으로 철 재료에 니켈과 몰리브데늄을 첨가하여 소결함으로서 고인성 및 고강도성를 갖는 소결부품을 제조하는 기술이 공지되어 있다.

상기와 같은 분말야금법은 용융에 의해 제조된 재료로써 얻을 수 없는 다양한 종류의 장점을 가지고 있다. 특히, 높은 치수정밀도를 요하는 제품을 용이하게 얻을 수 있을 뿐만 아니라 제조된 제품을 절단하지 않아도 되는 장점이 있다. 이와 같은 장점으로 인하여 용융공정으로 제조되어 오던 여러 종류의 부품들이 점차 분말야금법을 통해 제조되고 있다.

그러나, 분말야금법에 적용되는 부품들의 형태가 다변화되면서 상기 분말야금법은 그 한계를 보이고 있다. 특히, 적어도 하나 이상의 단차를 갖는 물품의 경우 컴팩팅(compacting)에 가장 큰 문제점을 나타내고 있다.

보다 구체적으로 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 도 1에 도시한 적어도 하나 이상의 단차(1)를 갖는 형태의 물품을 제조하기 위하여 금속분말을 금형에 투입하여 압분한 다음 이를 소결하게 되면 도 1에 도시한 물품을 제조할 수 있게 된다. 이때의 단면도를 도 2에 도시하였다. 도시된 바와 같이 도 1에 도시된 물품은 일체로 성형됨을 알 수 있다.

그러나 상기한 종래 분말야금법에 의해 제조된 단차(1)를 갖는 물품의 경우 단차(1)를 중심으로 상측(2)과 하측(3)의 두께가 다르므로 상측(2)과 하측(3)의 수축 정도가 달라지게 되고, 따라서 상측(2)과 하측(3)의 내부 관통공(4)의 지름이 변화되는 단점이 있다. 따라서 제조된 단차를 갖는 물품의 내경 정밀도가 저하되고 불량발생율이 높아지게 된다. 특히, 단차를 갖는 물품을 압분하기 위한 금형이 복잡해지고 그에 따라 압분이 매우 어렵기 때문에 단차를 갖는 물품의 생산성이 저하되고 제조단가를 상승시키는 단점이 있다.

이러한 방법의 단점으로 인하여 최근에는 성형하고자 하는 물품을 내재(inner; 이하 '이너'라 함)와 외재(outer; 이하 '아웃터'라 함)로 구분하고, 이들을 각각 금속분말로 압분하여 성형한 다음, 이너를 먼저 소결하고, 상기 소결한 이너를 아웃터에 삽입(insert)하여 조립한 후 이를 다시 소결하여 제조하는 기술이 알려져 있다.

즉, 도 1에 도시한 형태의 물품은 이너금형과 아웃터금형 각각에 금속분말을 투입하고 압분하여 이너와 아웃터를 제조한 다음, 상기 이너를 소결한 후 이를 아웃터에 삽입하여 조립하고, 상기 조립체를 재 소결하면 얻을 수 있다.

이와 같은 방법은 먼저 이너를 소결하므로 이너의 내부 관통공의 지름이 일정하게 되어 내경의 정밀도를 높일 수 있게 된다. 그러나 상기한 방법은 이너를 먼저 소결함에 따라 소결된 이너의 치수에 맞게 아웃터를 제작하거나 또는 아웃터에 맞게 소결된 이너를 부가적으로 절삭가공하여야 하므로 공정이 번거롭고 생산성이 저하되며, 또한 부가적인 절삭가공공정의 추가로 비용이 상승하는 단점이 있다.

이에 본 발명은 내경의 정밀도를 높임과 동시에 적어도 하나 이상의 단차를 갖는 물품을 용이하게 제조할 수 있도록 한 단차를 갖는 물품의 분말야금방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 단차를 갖는 물품의 일 예를 나타낸 사시도.

도 2는 종래 분말야금법에 의해 제조된 도 1에 도시된 물품의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 분말야금법에 의해 제조된 도 1에 도시된 물품의 단면도.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은

철을 주재로 하는 금속분말을 압분하고 소결하는 단차를 갖는 물품의 분말야금방법에 있어서,

상기 단차를 갖는 물품을 이너와 아웃터로 구분하고, 상기 이너와 아웃터를 형성하기 위한 금형에 각각 철을 주재로 하는 금속분말을 투입하여 압분하되 아웃터의 금형에는 수축부여제가 0.3 내지 0.6중량% 더 포함된 금속분말을 투입하여 압분하고, 상기 압분한 이너를 아웃터에 삽입하여 조립한 후 소결하는 것을 특징으로 하는 단차를 갖는 물품의 분말야금방법을 제공함으로서 달성할 수 있다.

이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 분말야금법에 의해 제조된 도 1에 도시된 물품의 단면도로서, 도 1에 도시한 단차를 갖는 물품을 분말야금법을 적용하여 용이하게 성형할 수 있도록 하기 위하여 먼저 종래 인서트 분말야금법과 동일하게 단차(1)를 갖는 물품을 이너(5)와 아웃터(6)로 구분하고, 상기 이너(5)와 아웃터(6)를 형성하기 위한 금형에 각각 철을 주재로 하는 금속분말을 투입하여 압분하게 된다. 이때,이너(5)와 아웃터(6)의 분리는 통상적으로 단차(1)를 중심으로 한 경계에서 분리하는 것이 일반적이며, 이는 제조하고자 하는 물품에 따라 적절히 조절할 수 있다.

이때, 본 발명에 따르면 아웃터(6)에 투입되는 금속분말에는 이너(5)에 투입되는 금속분말에 비하여 수축부여제 0.3 내지 0.6중량% 더 포함된 것을 사용하여 압분하게 된다.

이와 같이 압분한 이너(5)를 아웃터(6)에 삽입하여 조립한 다음 소결하게 되면 아웃터(6)의 수축부여제에 의해 아웃터(6)의 수축률이 이너(5)의 수축률 보다 크게 된다. 따라서 이너(5)에 견고하게 아웃터(6)가 부착되게 되어 용이하게 단차(1)를 갖는 물품을 제조할 수 있게 된다.

상기에서 이너(5)는 수축부여제를 투입하지 않고 소결됨에 따라 이너(5)의 관통공(4)의 지름에 대한 정밀도를 극대화시킬 수 있게 된다. 따라서 도 1에 도시한 형태의 단차를 갖는 물품을 제조시 내경의 정밀도를 높이면서 소결할 수 있을 뿐만 아니라 아웃터(6) 역시 일정한 수축률을 가지고 이너(5)에 견고하게 부착이 되므로 용이하게 단차(1)를 갖는 물품의 제조가 가능해진다.

뿐만 아니라 본 발명에 따르면 이너(5)와 아웃터(6)를 결합된 상태에서 동시에 소결함으로서 종래 이너(5)를 먼저 소결하여 인서트 방식에 비하여 별도의 절삭가공이 필요 없게 됨으로서 공정이 단순화되고 생산성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 생산비용을 낮출 수 있다는 이점이 있다.

이때, 상기 철을 주재로 하는 금속분말은 공지된 분말야금에 이용되는 다양한 금속분말을 적용할 수 있다. 이는 제조하고자 하는 물품의 용도에 맞게 적절히선택하여 사용할 수 있다.

또한, 상기 수축부여제를 포함하는 금속분말로는 인이나 황을 포함하는 금속분말을 사용할 수 있다. 즉, 인 또는 황을 포함하는 금속분말을 이용할 경우 소결하는 과정에서 대부분이 증발되어 그 함유량에 비례적으로 수축이 부여되게 된다. 보다 바람직하게는 인을 포함하는 금속분말을 사용하는 것이 좋다.

이때 상기 수축부여제를 포함하는 금속분말에서 수축부여제의 함유량이 총 금속분말 100중량%에 대하여 0.3중량% 미만으로 포함될 경우 아웃터(6)에 충분한 수축이 부여되지 않아 이너(5)와 아웃터(6)의 부착력이 저하되는 단점이 있으며, 그 함유량이 0.6중량%를 초과하도록 포함될 경우 너무 큰 아웃터(6)의 수축으로 인해 아웃터(6)에 크랙이 발생하는 단점이 있다. 따라서 수축부여제는 총 금속분말 100중량%에 대하여 0.3 내지 0.6중량% 포함되도록 하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 아웃터(6) 제조에 사용되는 금속분말에 이너(5) 제조에 사용되는 금속분말에 비하여 수축부여제가 0.3 내지 0.6중량% 더 포함될 경우 소결후 아웃터(6)는 약 0.3 내지 0.7% 정도의 범위 내에서 수축이 발생하게 된다. 따라서 이너(5)에 아웃터(6)가 견고하게 부착될 수 있게 된다.

상기와 같이 소결이 완료된 물품은 후 공정으로 통상적으로 실시하는 스팀피막공정을 더 거치도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 소결품은 철을 주재로 하여 형성됨으로 사용시 외부 산소와 접촉하여 산화되거나 수축부여제의 증발에 따른 개기공이 형성될 소지가 있다. 이와 같이 개기공이 형성될 경우 소결된 물품의 물리적 특성을 저하시킬 수 있게 되는데, 특히 소결품이 자성체로 사용될 경우 상기 개기공에 의해 잔류자기가 많아질 수 있다. 따라서 본 발명에서는 녹을 방지하고, 폐기공을 형성하여 밀도를 증진시킬 목적으로 스팀피막공정을 부가적으로 더 실시하였다.

본 발명에서는 내부온도가 560∼580℃, 내부압력이 0.2기압으로 유지되는 로내에 상기 소결된 물품을 넣고 2kg/㎤의 수증기를 연속적으로 투입하여 소결품의 표면에 산화철(Fe₃O₄)을 형성하는 스팀피막공정을 실시하였다.

상기에서 본 발명은 단차를 갖는 물품을 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이며, 단차를 갖는 물품은 첨부된 도면에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형이 가능하다. 또한 여러 개의 단차를 갖는 물품은 적어도 하나 이상의 이너와 아웃터로 분리하고, 각각의 수축률을 제어하여 압분한 다음 이를 조립하여 소결함으로서 용이하게 제조할 수 있게 된다.

이하 본 발명을 하기한 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명하기로 하나 이는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1 내지 6>

도 1에 도시한 물품을 제조하기 위하여 이를 이너(5)와 아웃터(6)로 구분하고, 상기 이너(5)를 제조하기 위한 이너금형에 0.01중량%의 탄소를 포함하는 분말야금용 철분말을 투입하고 압분하여 이너(5)를 제조하고, 상기 아웃터(6)를 제조하기 위한 아웃터금형에 0.01%의 탄소와 하기 표 1에 나타낸 비율만큼 인을 포함하는분말 야금용 철분말을 투입하고 압분하여 아웃터(6)를 제조한 다음, 상기 이너(5)를 아웃터(6)에 삽입하여 조립한 후 1120℃에서 40분간 유지하여 소결하였다. 소결품의 단면은 도 3에 나타낸 바와 같다.

<실험예 1>

상기 실시예 1 내지 6을 각각 50회 반복 실시하여 도1에 도시한 물품을 제조하고, 제조된 물품의 아웃터 수축률을 측정하고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

<실험예 2>

상기 실시예 1 내지 6을 각각 50회 반복하여 도1에 도시한 물품을 제조하고, 이때의 불량발생개수(아웃터의 크랙발생개수, 이너와 아웃터의 부착불량개수)를 하기 표 1에 나타내었다.

구분	인함유량(중량%)	수축률(%)	불량발생개수
구분	인함유량(중량%)	수축률(%)	크랙발생개수	부착불량개수	총불량개수
실시예 1	0	0.05	0	45	45
실시예 2	0.1	0.2	0	9	9
실시예 3	0.3	0.3	0	2	2
실시예 4	0.5	0.6	0	0	0
실시예 5	0.6	0.7	0	0	0
실시예 6	0.8	0.9	5	0	5

상기 표 1에서 보는 바와 같이 아웃터 제조에 사용되는 금속분말이 이너 제조에 사용되는 금속분말에 비하여 본 발명의 범위 내에서 인을 더 포함하는 실시예 3 내지 5의 경우 불량발생개수가 매우 낮음을 알 수 있다. 그러나 인을 포함하지 않는 실시예 1과 인을 0.1중량% 포함되도록 한 실시예 2의 경우 수축률이 작아 부착불량발생개수가 매우 높게 나타남을 알 수 있다. 또한 인이 0.8중량% 포함되도록 한 실시예 5의 경우 수축률이 너무 커 아웃터에 크랙이 발생한 불량개수가 높게 나타남을 알 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은 내경에 대한 정밀도를 높이면서 용이하게 단차를 갖는 제품을 제조할 수 있도록 한 단차를 갖는 물품의 분말야금방법을 제공하는 유용한 발명이다.

특히, 이너와 아웃터를 동시에 소결함으로서 종래 이너를 먼저 소결하여 인서트 방식에 비하여 별도의 절삭가공이 필요 없게 됨으로서 공정이 단순화되고 생산성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 생산비용을 낮출 수 있다는 이점이 있다.

Claims

철을 주재로 하는 금속분말을 압분하고 소결하는 단차를 갖는 물품의 분말야금방법에 있어서,

상기 단차(1)를 갖는 물품을 이너(5)와 아웃터(6)로 구분하고, 상기 이너(5)와 아웃터(6)를 형성하기 위한 금형에 각각 철을 주재로 하는 금속분말을 투입하여 압분하되 아웃터(6)의 금형에는 수축부여제가 0.3 내지 0.6중량% 더 포함된 금속분말을 투입하여 압분하고, 상기 압분한 이너(5)를 아웃터(6)에 삽입하여 조립한 후 소결하는 것을 특징으로 하는 단차를 갖는 물품의 분말야금방법.
청구항 1에 있어서, 상기 수축부여제가 인임을 특징으로 하는 단차를 갖는 물품의 분말야금방법.
청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 소결된 물품의 표면에 스팀피막함을 특징으로 하는 단차를 갖는 물품의 분말야금방법.
청구항 3에 있어서, 상기 스팀피막은 내부온도가 560∼580℃, 내부압력이 0.2기압으로 유지되는 로내에 소결된 물품을 넣고 2kg/㎤의 수증기를 연속적으로 투입하여 소결품의 표면에 산화철(Fe₃O₄)을 형성하는 것임을 특징으로 하는 단차를갖는 물품의 분말야금방법.
청구항 1의 분말야금방법에 의하여 제조됨을 특징으로 하는 단차를 갖는 물품.