KR20030070116A

KR20030070116A - 구리 함유 소결 철재

Info

Publication number: KR20030070116A
Application number: KR10-2003-7009507A
Authority: KR
Inventors: 패리토시 몰릭
Original assignee: 페더랄-모굴 신터드 프로덕츠 리미티드
Priority date: 2001-01-24
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2003-08-27
Also published as: ES2237669T3; US20040112173A1; ATE294255T1; RU2280706C2; DE60203893D1; CN1314824C; JP2004520486A; EP1370704A1; PL200915B1; GB0315414D0; EP1370704B1; GB2386908A; BR0206677A; DE60203893T2; CN1488006A; PL362787A1; RU2003125845A; WO2002059388A1; GB2386908B

Abstract

본 발명은 구리를 12 ~ 26 중량% 함유하는 철-기재 소결 물품의 제조방법으로, 상기 제조방법은, 철과 구리의 총 함량의 적어도 일부가, 철과 불가분하게 결합된, 예를 들면, 예비-합금 또는 확산 결합된 구리를 갖는 철분말로 제공되는, 원하는 조성을 갖는 분말 혼합물을 제조하는 단계; 상기 분말 혼합물을 압착하여 생성되어질 물품의 압분체를 형성하는 단계; 및 상기 압분체를 소결하는 단계를 포함한다.

Description

구리 함유 소결 철재{SINTERED FERROUS MATERIAL CONTAINING COPPER}

분말 야금법으로는 종래의 주조 및 주괴(ingot) 작업 공정으로는 불가능한 금속재료의 디자인이 가능하다. 예를 들면 납과 구리와 같은 융점이 낮은 금속을 소결된 철 분말 야금 제품에 침윤시키는 것이 알려져있다. 납은 소결된 철 재료의 절삭성을 향상시키는 반면, 구리는 상기 효과 뿐만 아니라 소결재에 다른 바람직한 특성을 제공한다. 지금까지 납은 환경에 유해한 특성으로 사용이 기피되어 왔다. 구리는 절삭성을 향상시키며 또한 소결 물품의 열 전도성을 향상시킨다.

구리가 침윤된 제품은 예를 들면, 내연기관의 실린더 헤드 내의 밸브 시트 삽입물에 적용되는 등과 같은 자동차 산업에서 광범위하게 사용되고 있다. 이와같은 제품은 반복되는 충돌 하중, 한계 윤활, 고온 작업 및 열 부식성 가스를 포함한 매우 어려운 조건하에서 실행되어야만 한다. 이들 조건에 대한 내구성들은 철 매트릭스 시스템을 알맞게 디자인함에 의해 얻어진다. 이와 같은 철 매트릭스는 종종 고도로 합금되며 이것은 절삭성에 불리하게 작용한다. 절삭성은 생산성에 영향을 미치는 만큼 생산 주변상황의 엔진 빌더에 중요하다. 구리 침윤은 절삭성을 향상시키는 반면, 구리 자체는 열 전도성을 향상시켜 작업 온도를 낮추는 효과를 가지며, 이것은 기계적 특성을 유지하는 것을 돕는다.

침윤 공정은 구리 합금 컴팩트를 철 성분과 접촉하도록 쌓고, 두 독립된 성분들이 쌓인 조립체를 비활성 또는 환원 대기중에서 약 1100 ℃ 부근의 소결 온도에서 소결로를 통과시켜 소결과 침윤이 동시에 일어나도록 실시된다. 이와 같은 소결 공정 동안 구리 합금 컴팩트는 용융되고, 용융된 합금은 침윤되어 모세관 작용에 의해 철 성분의 구멍에 채워진다. 이 방법에서는 오직 서로 연결된 구멍들만이 채워질 수 있고, 고립되거나 또는 연결되지 않은 구멍들은 채워질 수 없다. 구리 합금 컴팩트의 조성은, 철 재료와 양립가능하며 바람직하지 않은 반응이나 부식을 가능한 한 피할 수 있도록 선택된다. 구리 합금 컴팩트의 중량은 대부분의 구멍을 채울 수 있도록 선택되지만, 상기와 같이, 몇몇 구멍이 남게 되는 것은 피할 수 없다.

상기 공정의 변화로서, 구리 합금 컴팩트를 예비 소결된 철 성분과 쌓고, 그 두개를 소결로를 통과시켜 침윤을 수행한다.

침윤 공정은 별도의 공정단계를 포함하므로 고비용 공정이다. 이 공정은, 독립된 구리 합금 분말 혼합물을 제조하고; 정확한 중량의 분말 혼합물로 알맞는 캠팩트를 압착하고; 컴팩트를 소결로를 통과시키기 전에 그들의 철 물품과 쌓고; 및 소결되고 침윤된 물품들을 냉각시킨 후 배럴링(bqrrelling)하여 소결 공정 중 물품 위에 불가피하게 형성되는 분말상 퇴적물을 제거하는, 추가 단계를 필요로 한다.

종래의 구리 침윤된 철 제품에서, 구리 함량은 일반적으로 15 ~ 25 중량% 범위 정도이다. 비-침윤 제품에서는, 구리 분말이 최대 약 5 중량%로 예비-압축 분말 혼합물에 첨가되는 것이 일반적이다. 이와 같이 비교적 소량의 구리를 비-침윤 철 재료에 첨가하는 것은 액상의 구리가 존재함으로 인해 소결 공정을 돕기 때문이다.

침윤공정에서, 압착 및 소결에 앞서 초기 분말 혼합물에 적당량의 원소 구리를 첨가함으로써 침윤 공정에서 얻어지는 구리의 함량을 높이기 위한 시도가 많이 있었다. 그러나, 분말 혼합물을 다루는 동안 예를 들면, 분말 입자 크기, 분말 밀도 및 분말 입자 형태 등의 차이로 인하여 구리가 분리되는 경향이 있다. 이와 같은 분말의 분리로 인해, 제품은 허용불능의 편차를 갖게 된다. 위에서 언급한 바와 같이, 약 5 중량%까지의 오직 소량의 원소 구리가 존재하는 경우, 분리는 여전히 발생하지만, 제품에 대한 영향은 최소화 되고 심각한 문제를 야기하지 않는다.

예전에는 가장 어려운 작업환경을 갖는 엔진용 밸브 시트 삽입물과 같은 구성요소들은 전적으로, 예를 들면 M3/2 류 강철과 같은 고합금 강철로 제조 했었다. 이와 같은 강철은 비교적 많은 양의 크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐 등을 함유한다. 이와 같은 재료로 제조된 구성요소들은 우수한 성능과 내구성을 갖는 반면, 제조 및 가공이 본질적으로 비싸다. 이들은 우선적으로 본질적으로 재료비용이 비싸고 두번째로 미세구조적으로 경질 탄화물의 함량이 높은 구성요소들을 절삭하는 것이 어렵기 때문에 제조하기 비싸다. 비용절감을 위한 끝없는 탐구로, 분말 혼합물에 실질적으로 순수한 철 분말을 비교적 높은 비율로 첨가하여, 결과적으로 경질상의 양을 감소시키고, 구리 또는 조각으로 부서지는(chip-breaking) 상과 같은 절삭성을 돕는 상을 첨가함으로써 절삭이 쉬워진 소결 재료를 제조함에 의해 재료 비용을 감소시키기 위한 작업이 많이 실행되었다.

예를 들어 GB-A-2 188 062에 예시된 바와 같은, 이러한 새로운 재료들의 성능 및 내구연한에서의 단점은, 분말 혼합물 중 초기 압축된 철 분말 입자들로 소결되어 형성된 철 입자들의 코어에, 마모와 강도 특성에 해로운 영양을 미칠 수 있는 연성 페라이트 상이 유지되는 것이다. 이와 같은 재료는 초기적으로, 예를 들면, 약 50%의 고도로 합금된 M3/2 재료와 약 50%의 순수한 철 분말 및 소량의 탄소 및 염료, 다이 윤활 왁스와 같은 첨가물의 혼합물로 이루어질 수 있다. 완전히 소결될 때조차 철 과립은, M3/2 영역에서부터 철 과립들의 표면 영역으로, 겨우 약간의 크롬이 확산된 페라이트 코어를 가지며, 여기서 소결 후 마르텐사이트가 형성될 수 있다. 이 구조는 재료가 침윤되었을 때 또는 최대 약 5 중량%의 원소 구리가 분말 혼합물에 첨가되었을 때에도 여전히 적용된다.

본 발명은 소결 철재(ferrous materials), 그것을 이용하여 제조된 물품 및 그것, 특히 구리가 함유된 철재의 제조방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 재료에 대한 엔진 시험에서 밸브 시트 삽입물의 마모를 나타내는 히스토그램이다.

도 2는 본 발명에 따라 제조된 재료 및 선행 기술의 재료에 대한 공구 마모 대 절삭 부분의 수를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 목적은 침윤된 재료의 함량에 상응하는 높은 구리 함량을 가지면서 선행 방법에서 요구된 추가 가공 단계들의 단점이 없는, 철재 물품의 제조방법을 제공하는 것이다.

다른 장점은 아래의 본 발명의 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명의 제 1면에 따르면, 구리를 12 ~ 26 중량%의 범위로 함유하는 철-기재 소결 물품의 제조방법이 제공되며, 상기 제조방법은, 철과 구리의 총 함량의 적어도 일부가 철과 불가분하게 결합된 구리를 갖는 철분말로 제공되는, 원하는 조성을 갖는 분말 혼합물을 제조하고; 상기 분말 혼합물을 압착하여 생성되어질 물품의압분체(green compact)를 형성하고; 그리고 상기 압분체를 소결하는 단계를 포함한다.

구리 성분은 일차적으로는 생산된 물품의 열 전도성을 강화하려는 것이지만, 본 발명의 방법으로 생산된 물품에 다른 중요한 이점을 또한 제공한다. 구리가 12 중량% 이하이면, 원하는 열전도성 강화가 얻어지지 않는 반면, 26 중량% 이상이 면, 소결동안 재료로부터 용융된 구리가 "유출(bleeding)"되는 문제점이 있다.

구리 함량은 15 ~ 20 중량%의 범위인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 방법에서, 불가분하게 구리와 결합된 철 분말은 실제로 예비-합금된 분말로서, 여기서 개별의 분말 입자들은 철과 구리 모두를 포함하며 따라서 철과 구리사이에 주목할만한 분리는 일어날 수 없다. 철과 구리 분말 입자들은 두개의 기본적인 분말 저장 형태로부터 선택된다: 예비-합금된 철-구리 분말; 또는 확산 결합된 철-구리 분말. 예비-합금된 철-구리 분말은 구성 재료들을 함께 용융시키고 그 다음, 예를 들면, 물 또는 가스로 용융물을 미립화하여 원하는 예비-합금된 분말을 생성하는 공지의 기술로 생산될 수 있다. 확산 결합된 철-구리 재료는, 예를 들면, 원소 철과 구리 분말들의 혼합물을 제조하고, 비압축된 혼합물을 로(furnace)에 통과시켜 입자들간에 확산이 일어나 그들이 함께 결합되도록 하여 제조된다. 이와 같이 형성된 "케이크"는 가벼운 충돌작용에 의해, 서로 붙어있는 철과 구리로 이루어진 입자들로 부수어지는 경향이 있다. 이와 같은 공정은 어느 정도의 구리를 각 철 입자들의 외부 영역으로 확산시킨다.

본 발명의 방법은 구리 합금 분말 혼합물을 분리하는 선행 방법의 몇몇 공정단계를 제거하며, 그 결과 압축물을 제조할 필요가 없고, 이들을 철 재료 압축물과 쌓을 필요가 없으며, 선행 침윤 방법에서와 같이, 최종 소결된 물품들 위에 점착된 퇴적물을 제거하기 위해 물품들을 처리할 필요가 없다.

본 발명의 방법에 의해 제공되는 특별한 장점은 합금된 강철 분말과 저-합금 철 또는 실질적으로 순수한 철 분말의 혼합물로 이루어지는 이들 철재의 가공에 관한 것이다. 예를 들면, 탄소 분말 첨가물을 갖는 혼합물의 사용 및, 이들을 압착, 소결 및 소결후(post-sintering) 열처리하여 예를 들면, 내연기관의 밸브 시트 삽입물과 같은 물품으로 가공하는 것이 알려져 있다. 이와 같은 선행 자료들은 상기의 종래의 방법 중 어느 하나에 의해 구리 합금으로 침윤되거나 침윤되지 않을 수 있다. 이와 같은 재료들은, 예를 들면, GB-A-2 188 062 및 EP-A-0 312 161에 기재된 이들 재료와 생산방법에서 예시된다. 이들 재료들은 예를 들면, 약 50 중량%의 고합금 강철분말과 약 50 중량%의 실질적으로 순수한 철분말의 비율로 이루어진다. 합금 강철분말은 보통, 약 1100 ℃의 일반적인 소결 조건하에서, 소결 후 물품이 냉각될 때 마르텐사이트의 형성을 촉진하는 합금 원소들 중에서, 확산 속도 면에서 탄소 다음으로 가장 이동성이 있는 원소인 크롬을 함유한다. 탄소 원자는 가장 이동성이 있으며 결정 구조에서 철 원자의 틈새로 이동한다. 그러나, 크롬은 철과 원자 크기 및 중량이 유사하므로, 철을 대체하며, 결과적으로 일반적인 소결 조건 하에서 철과 유사한 이동도를 갖는다. 크롬의 존재는, 크롬이 소결재의 영역으로 확산하여 소결 사이클 마지막의 재료의 냉각시에 마르텐사이트를 형성함으로써, 마르텐사이트의 형성을 촉진한다. 이와 같은 물품의 경우, 소결은 주로, 물품의 이송을위해 벨트 또는 작업-빔형(working-beam type) 메카니즘과 같은, 일반적으로 로의 끝에서 끝까지 트레이에 의해 지지되는 연속 이송 수단을 갖는 용광로에서 수행된다. 일반적으로, 로의 제 1 부분은 물품의 온도를 소결 온도까지 상승시키고; 제 2 부분은 물품을 소결 온도에서 유지시키며; 그리고 제 3 부분은 소결온도로부터 소결로에서 배출된 후 물품의 심각한 산화를 막을 수 있는 온도로물품을 냉각시킨다. 물품들은 일반적으로, 로를 통해 흐르면서 중성 또는 환원 대기를 공급하고 로에 공기(산소)가 들어가는 것을 막는 역할을 하는, 연속보호기체 분위기 하에서 소결된다. 상기 대기는 실질적으로 대기압이며, 로 내부는 로 내부로 공기가 들어오는 것을 막기 위해 약간 양압(positive pressure)이다. 소결재가 초기 혼합물에 상당한 양의 철 분말을 함유하는 경우, 압축된 철분말 입자들을 소결하여 생긴 철 과립등은 철-풍부 비-공구 강철 영역의 코아에 페라이트에서 펄라이트에 걸친 미세구조를 가지며, 탄소 함량에 따라 이들 두 상의 혼합물을 갖는다. 철 과립의 외부 영역은 일반적으로 소결 공정동안 크롬이 확산되어 생긴 마르텐사이트를 포함하지만, 코어는 근본적으로 첨가된 탄소의 수준에 따라 페라이트 또는 펄라이트 또는 페라이트와 펄라이트의 혼합물로 남는다. 소결 조건에서, 철-풍부 비-공구 강철 상 또는 과립 구조는, 비록 과립의 중심에 약간의 페라이트가 있을 수 있으나, 주로 펄라이트로 이루어지며 상기 과립들의 외부 영역은 마르텐사이트/바이나이트의 혼합물이다.

소결된 물품에 오스테나이트가 유지되면, 이것은 일반적으로 소결 후 저온 처리에 의해 변형된다. 보통 저온처리 후에 실시되는 템퍼링(tempering) 작업 동안, 펄라이트 상의 일부 분해가 일어나 철-풍부 과립 또는 상 내에 페라이트가 형성된다. 이것은 페라이트의 존재로 인해 내마모 특성을 열화시키고 또한 페라이트로 인해 강도를 저하시킬 수 있다. 남아있는 γ-상(오스테나이트)을 마르텐사이트로 변환시키기 위한, 저온처리를 포함하는 소결후 열처리 및 그 후의 템퍼링 처리는, 템퍼링 공정의 바람직하지 않은 부작용인 펄라이트의 분해를 일으키기 보다는 마르텐사이트의 경도 및 깨짐성의 정도를 감소시킨다. 템퍼링 처리는 예상 작업온도를 초과하는 온도에서 실시되므로, 작업 환경(예를 들면, 내연기관의 연소 챔버 내의 밸브 시트 삽입) 하에서 물품의 크기 안정성은 보장된다. 그러나, 이와 같은 처리는 (적어도 페라이트 일부를 생성하는 책임이 있는 것과는 달리) 페라이트 상의 존재 또는 그의 고유의 불량한 마모 및 기계적 특성에 영향을 미치지 않는다.

본 발명의 방법으로, 구리와 크롬은 서로 철 과립의 중심을 향한 구리와 크롬의 확산을 촉진시키는 시너지 효과를 나타내며, 철 과립의 코아가 페라이트 또는 펄라이트 또는 이들의 혼합물로 남는 대신, 정상적인 로의 냉각 동안 철 과립의 코아가 마르텐사이트로 변형되는 것이 발견되었다. 본 발명의 방법에 따라 예비-소결된 철-구리 또는 확산 결합된 철-구리 분말을 사용하여 제조된 소결된 철재는 크롬 또는 다른 마르텐사이트 촉진 원소가 철 과립으로 확산됨으로써 철-풍부 과립의 코아에 마르텐사이트가 존재함을 나타낸다. 마르텐사이트는 오스테나이트를 냉각시키는 동안 형성되며, 유지된 오스테나이트는 소결 후 저온 처리에 의해 변형된다. 소결온도에서부터 냉각 공정동안, 몇몇 오스테나이트는 또한 바이나이트로 변형될 수 있다. 그 다음, 마르텐사이트는 쉽게 가공할 수 있는 템퍼링된 마르텐사이트 구조를 형성하기 위해 템퍼링 된다. 그러나, 철 과립의 기존의 연성 페라이트성/펄라이트성 코어는 본 발명의 방법으로 인해 더 강하고, 더 세고, 내마모성이 더 우수한 재로로 이루어진다는 것을 확인하는 것이 중요하다. 예비-합금 및 확산 결합된 철-구리 재료를 형성하기 위해 사용된 방법은 적어도 어느 정도의 구리상이 철 구성요소로 확산되도록 하며, 구리의 존재는 크롬과 다른 마르텐사이트 촉진 원소들이 소결 후에 형성된 철 과립의 코아로 확산되는 것을 도우며, 따라서 마르텐 사이트가 형성된다.

예를 들면 압착 압력과 소결 온도와 같은 실질적으로 동일한 가공 계수들을 사용하여, 본 발명의 방법에 따라 재료를 제조하는 것과, 실질적으로 동일한 재료를 선행기술에 따라 제조하는 시험은, 이미 언급한 바와 같이, 철-구리 예비합금 또는 확산 결합된 분말을 사용하는 것이 유익하다는 것을 나타낸다. 구리 함량을 제외하고는 거의 동일한 조성물의 재료는 1)본 발명의 방법에 의해; 2)소결과 침윤을 동시에 실시하는 경로에 의해; 및 3)초기 분말에 13 중량%의 구리 원소 분말을 첨가하고 소결함에 의해 (즉, 침윤 없이 및 예비-합급된 철-구리 분말의 첨가 없이) 제조된다.

동일한 가공 조건하에서 종래의 침윤법에 의해 제조된 재료는 철 과립 코어의 마르텐사이트 형성에 유리한 영향을 나타내지 않는다. 주사전자 현미경에 의한 분석은 본 발명의 방법으로 제조된 입자의 코어에 크롬이 존재함을 나타낸다. 비교시험에 사용된 가공조건은 산업적 선행 재료의 생산에 사용되는 가공 조건과 동일하며 그러므로 모든 인자를 고려했을 때 현재 최적의 가공 조건을 나타낸다는 것을강조된다.

본 발명에 따른 재료는 또한 -120 ℃ 이하의 저온 처리와 같은 소결후 열처리에 의해 유지된 오스테나이트 상을 마르텐사이트로 변환시키고, 마르텐사이트를 연성화하고 규모를 안정화시키고, 절삭을 위해 다루기 쉽도록 템퍼링된다.

그러므로, 본 발명의 한 구현예의 특징에 따르면, 분말 혼합물은, 비교적 비-합금된 철 분말을 포함하는 분말성분과, 예비-합금 또는 확산 결합된 철-구리 분말에 더하여, 적어도 약간의 크롬 또는 다른 마르텐사이트 촉진 원소들을 함유하는 강철 분말로 이루어진 분말성분을 함유한다. 대체적으로 또는 추가적으로 분말 혼합물은, 예를 들면, 몰리브덴 및/또는 니켈과 같은 마르텐사이트 촉진 재료 첨가물을 함유할 수 있다.

M3/2 고-속도 강철 분말의 이용예가 설명되어 있으나, 그로부터 생산된 물품을 사용할 적용에 따라, 다른 알맞은 공구 강철 또는 고-속도 강철, 예를 들면 크롬 함유 강철 분말을 사용할 수 있다.

대체적인 강철 재료의 예는, 소위 316 강철이며, 이것은 Cr 17중량%/ Mo 2중량%/ Ni 13중량%/ 나머지 Fe로 이루어지며 실질적으로 탄소가 없는 스테인레스 강철이다.

그러므로, 예를 들면 구리와 반응하도록 미리 처리된 철과 결합시킴에 의해 구리를 소결된 철재에 도입하는 방법은, 소결 후 냉각시에 마르텐사이트로 변형되는 것을 돕거나, 또는 저온처리하여 유지된 오스테나이트를 변형시킴으로써, 크롬 또는 다른 마르텐사이트 촉진 원소들이 철 매트릭스를 통해 확산되는 것을 돕는,예상치 못한 시너지 효과를 갖는 것으로 보인다.

철-구리 예비-합금 또는 확산-결합 재료의 조성물은 예를 들면, 철-20 구리의 어느 원하는 것일 수 있다. 분말 혼합물은 예를 들면, 철; 철-구리; 예비-합금된 강철 분말; 및 탄소분말로 이루어진 분말 성분들을 갖도록 제조될 수 있다. 철-구리 예비-합금 분말의 양은, 물품 중 최종 요구되는 구리 함량 및 철-구리 예비-합금 분말의 초기 조성에 의존한다.

원소 구리 분말의 첨가와 함께 분말 혼합물에 철-구리 예비-합금 및/또는 확산 결합된 재료를 사용하는 것은 배제되지 않으며, 몇몇 경우에는 유리할 수 있다. 예비-합금 및 확산 결합된 철-구리 분말 모두를 사용하는 것이 분말 혼합물에 적용될 수 있다.

예비-합금된 철-구리재는 확산 결합된 철-구리재보다 철 과립에 마르텐사이트의 형성을 촉진하는데 다소 더 효과적인 것으로 보인다. 그러므로, 예비- 합금된 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 확산 결합된 재료는 소결 및 이후의 공정 후 마르텐사이트를 형성하는 반면, 선행기술의 침윤된 재료는 철 과립 코어에 어떠한 마르텐사이트도 형성하지 않으며 코어는 오직 펄사이트와 페라이트의 혼합물 만을 포함한다.

본 발명의 제 2 면에 따르면, 본 발명의 제 1면에 따라 생산된 소결 물품이 제공된다.

본 발명을 더욱 완전히 이해하기 위해, 첨부 도면을 참조로 하여 설명하는 방법으로 실시예가 설명될 것이다.

밸브 시트 삽입 재료 - 실시예 1

내연기관용 밸브 시트 삽입물의 제조에 사용되는 전형적인 조성의 철 분말 혼합물을 다양한 경로로 제조하였다. 이 혼합물을 제조하기 위해 사용되는 실질 구성요소로서, 분말 혼합물의 조성을 하기 표 1에서 기술하였다.

표 1

성분요소 wt%	M 3/2	흑연	MoS₂	원소 Cu	Fe-Cu 분말	윤활왁스	Fe 분말
실시예 1	45	0.55	1	6	47.47	0.75	-
실시예 1a	40.9	0.42	0.87	13	-	0.75	42.9
실시예 1b	49.75	0.5	-	침윤됨	-	0.75	49.75

실시예 1은 본 발명의 방법으로 제조된 재료이고, 모든 철과 구리의 일부는 예비-합금 철-20 구리 분말로서 첨가되었다. 상기 예비-합금 분말은 최종 재료에 약 9.5중량%의 구리를 제공한다. 추가로 6중량%의 원소 구리 분말을 초기 분말 혼합물에 첨가하여 총 구리가 최대 15중량%이도록 하였다. 강철 예비-합금 분말은 물로 미립화된 M3/2 분말이고, 이것은 1 C; 4 Cr; 5 Mo; 3 V; 5 W의 명목 조성을 갖는다. 원소 구리 분말은 6중량%만이 첨가되었으므로, 분리는 최소화되었다.

실시예 1a는 철 분말 함량 모두가 순수한 철 분말로서 제공되고 구리 함량은원소 구리 분말 13중량%이 제공된 분말 혼합물이다. 이러한 재료는 일반적으로 상기 이유 때문에 이와 같은 고함량의 원소 구리 분말로 제조되지 않지만, 상기 재료는 크롬의 철 성분으로의 확산 특성에 대한 구리 함량의 영향을 결정하기 위하여 제조되었다.

실시예 1b은 구리를 동시에 일어나는 소결 및 침윤 단계를 통하여 공급하는 GB-A-2 188 062에 따른 선행기술의 방법으로 제조되었다.

모든 분말은 와이-콘(Y-cone) 혼합기에서 설정된 방식에 따라 혼합하였다. 각각의 경우에 압력 650-800㎫의 범위에서 압착하고 컨베이어 용광로에서 약 1100℃에서 소결하고, 모든 실시예는 동일한 조건하에서 소결하였다. 소결 후, 모든 샘플을 -120℃에서 저온처리하여 구조 안에 유지된 오스테나이드(γ-상)을 변형시켰고, 그 다음 600℃에서 2시간 동안 템퍼링하여 마르텐사이트를 연화시켜, 치수적으로 더욱 안정해졌고 절삭 품질이 높아졌다.

하기 표 2는 실질 조성물을 구성요소, 소결재의 밀도, 및 저온처리 및 템퍼링 소결후 처리한 다음의 최종 경도를 나타낸 것이다.

표 2

구성요소중량%	C	Cr	Cu	Mo	S	V	W	Fe	밀도Mgm^-3	경도HRA
실시예 1	1	1.8	15.5	2.9	0.4	1.4	2.3	나머지	7.2	64-67
실시예 1a	0.9	1.7	13	2.7	0.3	1.3	2.1	나머지	7.0	59-64
실시예 1b	0.9	2.0	15	2.5		1.5	2.5	나머지	7.95	67-71

실시예 1에 따라서 제조된 샘플의 미세구조는 철 입자의 코아에서도 템퍼링된 마르텐사이트 구조를 나타냈다. 상기 마르텐사이트는 소결 온도로부터 냉각된 후 형성되었다. 재료의 M3/2 상에서 남아있는 오스테나이트를 마르텐사이트로 변형시키기 위해 저온처리를 실시하였다. 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변화는 현미경으로는 쉽게 관측되지 않고, 오스테나이트에서 마르텐사이트로 변화된 후 강도가 증가하는 것으로 증명된다.

실시예 1a의 샘플은 소결 온도로부터 냉각된 후 형성된 마르텐사이트와 유지된 오스테나이트로 이루어진 미세구조를 나타냈다. 저온처리 이후, 유지된 오스테나이트는 M3/2 영역에서 마르텐사이트로 변형되고, 철 과립은 주로 펄라이트(페라이트 및 시멘타이트의 박판 구조로 이루어진 상) 및 약간의 페라이트로 이루어졌다. 펄라이트는 흑연상태로 첨가된 탄소 분말에 의해 형성되지만, 철 과립 코아에는 크롬이 없으므로 마르텐사이트가 형성되지 않았다. 템퍼링 후, 펄라이트의 광범위한 분해가 일어났고, 페라이트의 용적 부분은 소결 상태의 용적과 비교하여 증가하였다. 그러므로, 실시예 1a 재료의 내구성은 열화되고, 기계적 특성 역시 경도 수치로 증명되는 바와 같이 열화되었다.

실시예 1b의 샘플은 실시에 1a와 같은 거의 동일한 구조 및 특성을 나타내었다. 이 재료는 GB-A-2 188 062의 공지의 방법에 따라 제조되었다. 실시예 1b의 경도는 실시예 1의 경도보다 약간 높고, 이것은 침윤 후 재료의 밀도를 더 높이는데 기여하였다. 하지만, 실시예 1b의 재료는 템퍼링 후, 본질적으로 약한 페라이트 지역이 상당한 양으로 나타났고, 본 발명의 방법에 따라 제조된 실시예 1에서 나타난 바람직한 템퍼링된 마르텐사이트 구조는 나타나지 않았다.

도 1은 무연 가솔린으로 6000 rev/min에서 180시간 동안 작동된, Stellite(상표명) 페이스드 밸브(faced valve)를 갖는 1.81, 4-실린더, 16-밸브 엔진의 배기위치에서의, 실시예 1의 재료로 제조된 밸브 시트 삽입물의 밸브 시트 삽입물 마모의 히스토그램이다. 이 시험의 성공 기준은 밸브 시트 삽입 내성이 100㎛을 초과하지 않아야 한다는 것이다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 최고 마모는 밸브 시트 위치 4의 60㎛였고, 다른 모든 삽입물의 마모는 약 30㎛ 이하였다.

그러므로, 실시예 1, 1a 및 1b로부터, 그들의 제조에서 실질적인 차이는 구리가 소결된 재료로 도입되는 방법 뿐이라는 것이 명백하다. 향상된 구조 및 특성은 철-구리 예비-합금 재료의 사용으로 에 직접적으로 기여할 수 있으며, 여기서 적어도 구리의 일부는 불가분하게 철과 결합되며 이것은 예비-합금 재료에 의해 촉진되는 강화된 확산으로부터 유래된다고 믿어진다.

실시예 2

M3/2 공구강철 분말 45중량%/ C 0.55중량%/ MoS₂1중량%/ Cu 6중량%/ FeCu₂O(확산 결합된 분말) 47.45중량%/ 윤활 왁스 0.75중량%로 이루어진 분말 혼합물을 제조하였다. 이 혼합물을 770㎫에서 미가공 밀도 7.1Mgm^-3이 되도록 압분체로 압착하고, 컨베이어로에서 질소-수소 가스 대기가 지속적으로 흐르는 상태에 약 1100℃에서 소결하였다. 소결된 물품을 -120℃ 이하에서 저온처리하여 남은 오스테나이트를 마르텐사이트로 변환시키고 마지막으로 600℃에서 템퍼링하였다. 소결재의 밀도는 7.0Mgm^-3이었다. 소결재의 경도는 61HRA이고; 저온처리된 재료의 경도는 65HRA이고; 저온처리되고, 템퍼링된 재료의 경도는 62-65HRA였다.

(소결 및 저온처리 후) 템퍼링 한 후, 실시예 2 재료(확산-결합된 철-구리 분말)의 미세구조는 철-풍부 비-공구 강철 중의 작고 임시적인 지역에서 페라이트를 나타냈다. 하지만, 이 철-풍부 상은 본질적으로 침윤 기술을 사용하여 제조된 선행 재료로 대표되는 광범위한 영역의 페라이트 보다는 펄라이트로 이루어졌다.

실시예 3

예비-합금 Fe-Cu₂0 분말 75 중량%/ 316 스테인레스 강철 분말 23 중량%/ MoS₂분말 0.75 중량%/ 탄소 분말 1중량%로 이루어진 혼합물을 제조하고; 이 재료를 N1으로 명명하였다. 316 스테인레스 강철의 조성은 17 Cr/ 2 Mo/ 13 Ni/ 나머지 Fe이다. N으로 명명된 비교 실시예는 비합금 철 분말 70.9 중량%/ 316 스테인레스 강철 분말 27 중량%/ MoS₂분말 0.9중량%/ 탄소 분말 1.2중량%로 이루어진 혼합물로 제조되었다. 두 재료를 모두 770㎫에서 압착하였다. 그러나, 재료 N1은 소결만 하였고(Fe-Cu 예비-합금으로 제공된 15중량%의 Cu를 포함), 재료 N은 공지된 선행 방법에 따라서 동시에 소결 및 침윤시켰다. 두 재료 N1 및 N 모두의 최종 이론적인 총 조성은 C 1중량%/ Cr 3.9중량% / Cu 15중량% / Mo 0.9중량% / Ni 3중량% / S 0.3중량% /나머지 Fe이다. 소결/침윤 단계는 질소/수소 대기의 흐름 하에 약 1100℃에서 실행되었다. 두 재료는 모두 소결된 후 저온처리되고 템퍼링되었다.

N1 재료는 철이 지배적인 과립의 코아에도 페라이트가 없는 미세구조를 나타냈다. 이 재료의 구조는 본질적으로 템퍼링된 마르텐사이트 구조를 나타냈다. 한편, N 재료는 1.2 중량%의 약간 높은 탄소를 갖지만, 이전 철 입자들과 316 스테인레스 강철 입자들 사이의 변이대(transition zone)에서 펄라이트의 구조를 가지며, 철 과립에는 광범위한 페라이트를 나타냈다. 그러므로, 불가분하게 철과 결합되는 구리의 영향은 가공 후 생성된 구조물에 나타났다.

실시예 4

재료 FMCA 및 FMCD로 명명된 추가 혼합물을 본 발명에 따라서 제조하였다. 분말 혼합물에서 이들 재료의 혼합 조성을 구성요소의 항목으로 하기 표 3에서 나타냈다.

표 3

	FMCA	FMCD
Fe-20 Cu (예비 합금)	75	75
C	1.35	1.35
Mo	0.5
MoSO₂		1
비합급 Fe	23.15	22.65
윤활 왁스	0.75	0.75

재료들을 이전 실시예처럼, 770㎫에서 압착하고 연속가스 대기 하의 약 1100℃에서 소결하였다. 소결재의 생성 밀도 및 경도를 하기 표 4에서 나타냈다. 이들 샘플의 경우, 소결후 열처리를 하지 않았다.

표 4

	FMCA	FMCD
미가공 밀도, Mgm^-3	7.05	7.05
소결 밀도, Mgm^-3	7.35-7.40	7.15-7.20
경도, HRB	99-101	95-98

본 발명에 따라서 제조된 FMCA 재료에서, 예비-합금된 Fe-Cu 분말 및 0.5% 원소 Mo 분말을 초기 분말 혼합물에 사용하였다. 상기 FMCA 재료는 광범위한 Mo-풍부대 및 이들 대와 결합된 마르텐사이트 및 바이나이트 영역을 나타냈다. 상기FMCA 재료는 또한 입자 경계 카바이드를 나타냈다. FMCA의 미세구조는 FMC로 명명된 비교 재료(비합금 철 분말, 1.35% C, 0.5% Mo)에 어느 정도 유사하였고, 여기서 구리 성분은 종전 기술분야에 따른 동시 소결 및 침윤 방법으로 제공되었다. 침윤 단계와 구별하여, 소결 조건은 FMCA 및 FMCD 재료의 경우와 동일하였다. FMC 재료에서, 입자 경계 카바이드가 존재하였고, 매트릭스는 펄라이트이었고, Mo 입자와 결합된 Mo-풍부대는 FMCA 재료와 비교하여 매우 작았지만 존재하였다.

소결동안 FMCD 재료의 MoS₂는 부분 분해되었고, 유리 Mo를 구조물에 내놓음으로써, 구조물은 Mo-풍부대와 결합된 국부적인 마르텐사이트/바이나이트 구조를 생성할 수 있다. 분해된 MoS₂의 약간의 황은 철 및 구리와 반응하여 금속성 황화물을 형성하고, 이것은 절삭성 향상에 유리하다. FMCD 재료에서 카바이드 망상조직은 나타나지 않았고, 매트릭스는 펄라이트였다.

도 2는 공구 마모 대 FMC, FMCA 및 FMCD 재료에 대한 절삭 부분의 수를 나타 것이다. 상기 도는 광범위한 마르텐사이트/바이나이트 대를 발생하는 예비-합금된 Fe-Cu 분말을 사용한 재료가, 더 강하고 더 마모내성인 재료의 구조물을 형성함에도 불구하고, 그들의 절삭성은 손상되지 않았음을 명확하게 한다. 실제로, FMCA 및 FMCD 재료 모두의 절상성은 종전 기술분야의 방법으로 제조된 FMC 재료보다 월등하다.

Claims

구리를 12 ~ 26 중량% 함유하는 철-기재 소결 물품의 제조방법으로, 상기 제조방법은, 철과 구리의 총 함량의 적어도 일부가 철과 불가분하게 결합된 구리를 갖는 철분말로 제공되는, 원하는 조성을 갖는 분말 혼합물을 제조하는 단계; 상기 분말 혼합물을 압착하여 생성되어질 물품의 압분체를 형성하는 단계; 및 상기 압분체를 소결하는 단계를 포함하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 구리 함량이 15 ~ 20 중량%의 범위인 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 분말 혼합물이 강철분말을 함유하는 방법.
제 3항에 있어서, 상기 강철 분말이 크롬을 함유하는 방법.
제 3항에 있어서, 상기 강철 분말이 몰리브덴을 함유하는 방법.
제 3항에 있어서, 상기 강철 분말이 니켈을 함유하는 방법.
제 3항에 있어서, 상기 강철 분말이 고-속도 강철인 방법.
제 7항에 있어서, 상기 강철 분말이 M3/2 강철 분말인 방법.
제 3항에 있어서, 상기 강철 분말이 스테인레스 강철 분말인 방법.
제 9항에 있어서, 상기 스테인레스 강철 분말이 316 강철인 방법.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 분말 혼합물이 탄소분말을 함유하는 방법.
제 1항 내지 제 11항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 철-구리 재료가: 확산 결합된 철-구리 분말 및 예비-합금된 철-구리 분말로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
제 12항에 있어서, 상기 철-구리 재료가 Fe-20 Cu 중량%의 조성을 갖는 방법.
제 1항 내지 제 13항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 분말 혼합물이 또한 원소 구리 분말을 포함하는 방법.
제 1항 내지 제 15항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 분말 혼합물이 마르텐사이트의 형성을 촉진하는 원소를 포함하는 방법.
제 15항에 있어서, 상기 원소가 크롬, 몰리브덴 및 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
제 1항 내지 제 16항 중 어느 하나의 항에 있어서, 소결재를 저온처리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 1항 내지 제 17항 중 어느 하나의 항에 있어서, 소결재를 템퍼링하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 1항 내지 제 18항 중 어느 하나의 항에 있어서, 분말 혼합물에 이황화 몰리브덴 또는 이황화텅스텐을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 1항 내지 제 19항 중 어느 하나의 항에 따른 방법으로 제조된 소결된 철-기재 물품.
제 20항에 있어서, 내연기관용 밸브시트 삽입물을 포함하는 물품.