KR20040003062A - 고밀도 스테인레스 스틸 제품 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 7.3 g/cm³이상의 소결 밀도를 가지는 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 물 무화된 스레인레스 스틸 분말을 2 m/s 이상의 충격 램 속도로 단일축방향으로 압축 운동하여 HVC 조밀화하는 단계, 및 그린 본체를 소결하는 단계를 포함한다.

Description

고밀도 스테인레스 스틸 제품 및 그 제조 방법{HIGH DENSITY STAINLESS STEEL PRODUCTS AND METHOD FOR THE PREPARATION THEREOF}

스테인레스 스틸로 이루어진 플랜지(flange)와 같은 고밀도 제품을 제조하는데 현재 이용되는 방법은 스테인레스 스틸 분말을 600-800 MPa 의 조밀화 압력하에서 약 6.4 내지 6.8 g/cm³의 밀도로 압축하는 것을 포함한다. 그렇게 얻어진 그린(green; 열처리 등의 가공이 되지 않은) 본체는 1400℃ 까지의 고온에서 30 내지 120 분간 소결되어 약 7.25 g/cm³의 밀도가 된다. 비교적 고온에서 긴 시간동안 소결하여야 하는 것은 물론 높은 에너지 비용을 고려할 때 문제가 된다. 특히 높은 온도의 노(furnace)를 필요로 하는 것 역시 또 다른 문제가 된다.

소결된 스테인레스 스틸 부품내의 높은 소결 밀도를 달성하는 방법으로서 최근에 개발된 방법이 국제특허공보 WO 99/36214에 기재되어 있다. 이러한 방법에 따르면, 구형(spherical) 입자를 가지는 가스 무화된(atomised) 금속 분말이 결합제인 0.5 중량% 이상의 열-가역성 하이드로 콜로이드(thermo-reversible hydrocolloid)에 의해 덩어리화된다. 그 후에, 덩어리 조성물은 고밀도를 가지는 그린 본체에 대해 2 m/s 이상의 램(ram) 속도로 가해지는 일축방향 압축 작용에 의해 조밀화된다. 금속 분말이 스테인레스 스틸 분말인 경우, 상기 국제특허공보는 1350℃에서 2 내지 3 시간 동안 소결하여 높은 소결 밀도를 얻을 것을 권장하고 있다.

본 발명은 전체적으로 분말 야금 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 고밀도 스테인레스 스틸 제품 및 그러한 제품을 얻기 위한 조밀화 및 소결에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 이러한 문제점들에 대한 해결책을 제공하고 고밀도 제품 특히 7.25 g/cm³, 바람직하게는 7.30 g/cm³, 가장 바람직하게는 7.35 g/cm³이상의 소결 밀도를 가지는 제품을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

두번째 목적은 그러한 고밀도 제품의 대량 생산을 위한 산업적 용도에 적합한 조밀화 방법을 제공하는 것이다.

세번째 목적은 보다 적은 에너지를 필요로 하는 조밀화된 제품의 소결 공정을 제공하는 것이다.

네번째 목적은 특별한 고온 장비를 필요로 하지 않고 통상적인 노(爐)에서 실시될 수 있으며 스테인레스 스틸 조밀체를 약 7.25 g/cm³이상의 밀도로 소결할 수 있는 공정을 제공하는 것이다.

다섯번째 목적은 비교적 단순한 형상을 가지는 플랜지와 같은 대형의 소결된 스테인레스 스틸 PM 제품의 제조를 위한 공정을 제공하는 것이다.

여섯번째 목적은 열-가역성 하이드로콜로이드를 이용한 별도의 덩어리화 단계를 이용하지 않고도 소결된 스테인레스 스틸 PM 제품을 제조하는 공정을 제공한다.

간단히 말해서, 그러한 고밀도 제품을 제조하는 방법은:

2 m/s 이상의 충격 램 속도의 단일축 압축 운동으로 물-무화된 스테인레스 스틸을 조밀화하는 단계; 및

그린 본체를 소결하는 단계를 포함한다.

조밀화되는 분말은 물-무화된 스테인레스 스틸 분말이며, 상기 스테인레스 스틸 분말은 철 외에도 10-30 중량%의 크롬을 포함한다. 스테인레스 스틸 분말은 니켈, 망간, 니오븀, 티탄, 바나듐과 같은 기타 원소들과 선택적으로 미리-합금될 수도 있다. 이러한 원소들의 양은 0-5% 몰리브덴, 0-22% 니켈, 0-1.5% 망간, 0-2% 니오븀, 0-2% 티탄, 0-2% 바나듐이다. 일반적으로 최대 0.3% 의 불가피한 불순물이 포함된다. 가장 바람직하게는, 미리-합금되는 원소의 양은 10-20% 의 크롬, 0-3% 의 몰리브덴, 0.1-0.4% 의 망간, 0-0.5% 의 니오븀, 0-0.5% 의 티탄, 0-0.5% 바나듐, 및 실질적으로 포함되지 않는 니켈 또는 선택적으로 5-15% 의 니켈이다. 본 발명에 따라 사용하기에 적합한 물-무화된 스테인레스 스틸 분말의 예를 들면, 316 LHC, 316 LHD, 409 Nb, 410 LHC, 434 LHC 가 있다. 본 발명에 따라, 일반적으로 0.5 중량% 이상의 Si 를 포함하는 표준 강철 분말이 바람직하다. 통상적으로, 그러한 표준 분말의 Si 함량은 0.7 내지 1 중량% 이다.

본 발명에 따라 사용된 스테인레스 스틸 분말은 물 무화에 의해 제조되고, 그에 따라 가스 무화에 의해 제조되는 구형 입자의 분말과 대비되는 불규칙적인 형태를 가지는 입자들을 포함한다.

그러나, 마찬가지로 어닐링된 저 탄소, 저 산소의 스테인레스 스틸 분말이 사용된다. 그러한 분말은, 크롬 및 전술한 선택적인 기타 원소들 외에도, 0.4 중량% 이하, 바람직하게는 0.3 중량% 이하의 산소, 0.05% 이하, 바람직하게는 0.02% 이하, 가장 바람직하게는 0.015% 이하의 탄소, 최대 0.5 중량%의 Si 및 0.5% 이하의 불순물을 포함한다. 그러한 분말들 및 그 분말들의 제조는 본 명세서에서 참조된 미국 특허 6342087 호에 기재되어 있다.

본 발명에 따라 원하는 고밀도를 가지는 제품을 얻기 위해서는 조밀화 방법이 중요하다. 일반적으로 사용되는 조밀화 장비는, 그 장비에 가해지는 압력이 너무 크기 때문에, 충분히 만족스럽게 작동하지 못한다. 본 명세서에 참조로 통합된 미국 특허 제 6202757 호에 개시된 컴퓨터 제어식 충격(percussion) 장치를 사용하여 필요한 고밀도를 달성할 수 있다는 것을 발견하였다. 특히, 그러한 충격 장치의 충격 램은 최종 조밀화된 부품의 원하는 형상에 대응하는 형상을 가지는 공동(空洞)내의 분말을 포함하는 다이(die)의 상부 펀치에 충격을 가하는데 사용될 것이다. 다이, 예를 들어 통상적으로 사용되는 다이를 유지하는 시스템, 및 분말 충전용 유닛(이것 역시 통상적인 타입일 수 있다)을 포함하는 경우, 이러한 충격 장치에 의해 고밀도 조밀체의 제조 방법을 산업적으로 이용할 수 있게 된다. 특히 중요한 장점은, 종래의 방법과 대조적으로, 유압에 의해 구동되는 이러한 장치가 그러한 고밀도 부품의 대량 생산(연속적인 생산)을 가능하게 한다는 것이다.

미국 특허 제 6202757 호에는, 충격 장치를 이용하는 것은 "단열" 몰딩을 포함한다고 기재되어 있다. 명확하게 기재되어 있지 않지만, 만약 조밀화가 엄격한 과학적 의미로 단열이라면, 조밀화되는 제품의 밀도가 분말에 전달되는 충격 에너지에 의해 제어될 수 있는 타입의 조밀화에 대해 고속 조밀화(HVC; high velocity compaction)라는 용어를 사용한다.

본 발명에 따라, 램 속도는 2 m/s 이상이다. 램 속도는 다이의 펀치를 통해 분말에 에너지를 제공하는 방식이다. 통상적인 압축에서의 조밀화 압력과 램 속도는 완전히 일치하지 않는다. 이러한 컴퓨터 제어식 HVC 에 의해 얻어지는 조밀화는, 충격 램 속도 뿐만아니라, 조밀화 되는 분말의 양, 충격 본체의 중량, 충격 또는 행정(stroke)의 수, 충격 길이 및 부품의 최종 형상에 따라 달라진다. 또한, 많은 양의 분말은 적은 양의 분말 보다 충격을 더 필요로 한다. 따라서, HVC 조밀화를 위한 최적의 조건, 즉 분말에 전달되는 운동 에너지의 양은 소위 당업자에 의해 실행되는 실험에 의해 결정될 것이다. 그러나, 미국 특허 제 6 202 757 호에 기재된 것과 대조적으로, 분말의 조밀화를 위한 가벼운 행정, 높은 에너지 행정 및 중간-고에너지 행정을 포함하는 특정 충격 시퀀스(sequence)를 사용할 필요는 없다. 현존하는 장비로 실시되는 실험은 최대 30 m/s 의 램 속도를 허용하고, 그리고 예로서 설명된 바와 같이, 약 10 m/s 의 램 속도에서 높은 그린 밀도를 얻을 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 방법은, 이러한 램 속도로 한정되지 않고, 최대 100 또는 심지어 200 내지 250 m/s 의 램 속도가 사용될 수 있는 것으로 믿어진다.그러나, 약 2 m/s 이하의 램 속도는 상당한 고밀도화 효과를 나타내지 않는다.

조밀화는 윤활식(lubricant) 다이로 실시될 수 있다. 압축되는 분말내에 적절한 윤활제를 포함시킬 수도 있다. 그 대신에, 그 조합도 사용될 수 있다. 코팅된 분말 입자를 사용할 수도 있다. 이러한 코팅 또는 필름은 이하의 방법으로 얻어진다. 즉, 자유로운 또는 구속되지 않은(free or loose) 비-덩어리형(non agglomerated) 분말 입자를 갖는 분말 조성물을 윤활제와 혼합하고, 그 혼합물을 고온에 노출시켜 윤활제를 용융시키며, 이어서 윤활제의 응고를 위해 얻어진 혼합물을 냉각시키며, 그에 따라 윤활제 필름 또는 코팅을 구비하는 분말 입자들 또는 덩어리가 제공된다.

윤활제는 금속 비누(metal soap), 왁스, 그리고 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리알콕사이드, 폴리알코올 등과 같은 열가소성 재료 등의 통상적으로 이용되는 윤활제들 중에서 선택된다. 윤활제의 특정 예를 들면, 아연 스테아르산염(stearate), 리튬 스테아르산염, H-wax^?및 Kenolube^?가 있다.

내부 윤활을 위해 사용되는 윤활제의 양은 다음과 같다. 즉, 조밀화 이전에 분말은 일반적으로 조성물의 0.1 내지 2 중량%, 바람직하게는 0.6 내지 1.2 중량%의 윤활제와 혼합된다.

이어지는 소결은 약 1120 내지 1250℃ 의 온도에서 약 30 내지 120 분 동안 실시될 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 소결은 벨트형 노내에서 1180℃ 이하, 바람직하게는 1160℃ 이하, 가장 바람직하게는 1150℃ 이하에서 실시된다. 이는 전술한 어닐링된 스레인레스 스틸의 경우에 특히 그러하다. 그러한 어닐링된 분말이 사용되는 경우에, 거의 이론적인 밀도를 가지는 조밀체가 벨트형 노와 같은 통상적인 노내에서 그리고 예를 들어 1120-1150℃의 저온에서 소결되는 것이 특히 바람직하다. 이는 종래의 조밀화 방법과 대조적이며, 종래의 방법에서는 그러한 높은 그린 밀도를 얻을 수 없었고 또 높은 소결 밀도는 조밀체의 수축을 유도하는 고온의 소결에 의해서 얻을 수 있었다. 윤활제 없이 또는 매우 적은 양의 윤활제가 압축될 분말 조성물내에 포함된 상태에서 HVC 조밀화 방법을 이용함으로써, 그린 밀도는 소결 밀도와 실질적으로 동일해 질 것이다. 이는 다시 매우 양호한 공차(tolerance)를 얻을 수 있다는 것을 의미한다.

그러나, 본 발명은 그러한 저온에서의 소결로 한정되는 것이 아니며, 1400℃ 정도의 고온에서의 소결에 의해 보다 높은 밀도가 얻어질 수 있을 것이다. 본 발명에 따라 표준형 스레인레스 스틸 분말이 사용되는 경우에, 1200 내지 1280℃의 소결 온도가 가장 유용한 실시예로 보였다.

소결이 진공 또는 환원 분위기 또는 불활성 분위기 내에서 이루어지는 것도 바람직하다. 가장 바람직하게, 소결은 수소 분위기에서 실시된다. 소결 시간은 대개 1시간 미만이다.

본 발명에 따른 방법은 7.25, 7.30 및 7.35 g/cm³이상의 높은 밀도를 가지는 그린 및 소결 조밀체를 제조할 수 있게 한다. 그 방법은 또한 높은 연신(elongation)을 허용한다. 예를 들어, 스레인레스 스틸 316 은 30% 이상의 연신율을 가질 수 있을 것이다.

이상에서 설명되고 청구범위에 기재된 본 발명은 높은 소결 밀도가 요구되고 큰 연성(延性)이 중요한 비교적 단순한 형상의 대형 소결 스레인레스 스틸 PM 조밀체의 대향 생산에 특히 중요하다고 믿어진다. 그러한 제품의 예를 들면 플랜지가 있다. 다른 제품으로는 기밀(氣密) 산소 프로브(probe)가 있다. 그러나, 본 발명이 그러한 제품으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 이하의 예에 의해 보다 상세히 설명될 것이다.

예 1

스웨덴에 소재하는 Hydropulsor AB 사가 제조한 조밀화 장치 모델 HYP 35-4 를 이용하여, 이하의 표 1 에 기재된 조성을 가지는 분말을 HVC 압축하였다.

* 미국 특허 제 6342087 호에 기재된 방법에 따라 어닐링 함.

기본 분말은 이하의 표 2 에 기재된 양에 따라 윤활 분말과 혼합된다. 윤활제는 Kenolube^TM, Acrawax^TM이다. 샘플 1-6 은 0.1 중량%의 Li 스테아르산염을 포함한다.

이하의 표 3 은 HVC 조밀화 방법으로 얻어진 소결 밀도 및 그린 밀도를 나타낸다. 표 3 에 기재된 바와 같이, 건식 수소 내에서 그리고 1250℃에서 45 분 동안 소결하였을 때 얻어지는 밀도는 두개의 샘플을 제외한 모든 샘플에서 7.5 g/cm³이상이었다. 표 3 은 또한 행정 길이 및 행정의 수가 밀도에 미치는 영향을 보여준다.

다음의 표 4 는 800 MPa 의 압축 압력에서 종래의 조밀화 장치를 사용하여 압축되고 각각 1300℃ 및 1325℃ 에서 소결된 샘플의 결과를 나타낸다. 그 표에 기재된 바와 같이, 1325℃ 에서 소결한 두개의 샘플에서만 7.5 g/cm³이상의 밀도가 얻어졌다. 소결은 수소 분위기에서 60 분 동안 실시되었다.

예 2

본 예는 표 1 에 기재된 조성을 가지는 스레인레스 스틸 분말의 두가지 타입으로부터 얻어진 결과를 나타낸다. 윤활 방법은 다이 벽(die wall) 윤활로 일반적으로 알려진 타입을 이용하였으며, 아세톤에 용해된 아연 스테아르산염으로 다이를 윤활하는 것을 포함하였다. 70g 의 분말을 건조 한 후에 다이내로 주입하였다. 표 5 에 기재한 바와 같이, 분말 샘플은 각각 A 와 B 로 지정하였으며, 그린 밀도 및 소결 밀도는 표 6 에 기재하였다. 소결 시간 및 분위기는 예 1 의 경우와 동일하다.

표 6 은 행정 길이가 밀도에 미치는 영향을 나타낸다. 10 내지 70 mm 의 행정 길이는 약 3 내지 약 8 m/s 의 램 속도에 상응한다. 표 6 에서 볼 수 있는 바와 같이, 7.3 g/cm³이상의 소결 밀도는 어닐링된 분말을 이용함으로써 얻어질 수 있다. 표 6 은 또한 매우 적은 크기 변화가 얻어진다는 것을 나타낸다.

이하의 표 7 은, 800 MPa 의 압축 압력으로 종래의 다이에서 조밀화가 실시되는 경우에, 종래의 방법에 비한 본 발명의 중요한 특징들의 일부를 요약하여 기재한 것이다. 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법에 의해, 낮은 온도에서 소결이 실시되었음에도 불구하고 높은 소결 밀도를 얻을 수 있었다. 또한, 보다 작은 크기 변화는 보다 양호한 공차를 얻을 수 있다는 것을 나타낸다.

* 본 발명에 따른 경우임.

Claims (11)

1. 높은 밀도를 갖는 조밀체를 제조하는 방법으로서:

   철 이외에 10 중량% 이상의 크롬을 포함하고 물 무화된 스레인레스 스틸 분말을 2 m/s 이상의 충격 램 속도로 단일축방향으로 압축 운동하여 HVC 조밀화하는 단계, 및 그린 본체를 소결하는 단계를 포함하는 조밀체 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 분말은 덩어리화 되지 않은 조밀체 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 스틸 분말은 어닐링되지 않은 표준형 스레인레스 스틸 분말인 조밀체 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 스틸 분말은 어닐링된 스레인레스 스틸 분말인 조밀체 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 스틸 분말은 윤활제와 혼합되는 조밀체 제조 방법.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 윤활제는 금속 비누, 왁스, 그리고 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리알콕사이드, 폴리알코올 등과 같은 열가소성 재료로 이루어진 군으로부터 선택되는 조밀체 제조 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 조밀화는 선택적으로 분말 조성물과 혼합된 적은 양의 윤활제를 가지는 윤활된 다이를 이용하여 실시되는 조밀체 제조 방법.
8. 제 3 항에 있어서, 상기 소결은 약 1200 내지 1300℃의 온도에서 약 30 분 내지 120 분 동안, 바람직하게는 60 분 이하 동안 실시되는 조밀체 제조 방법.
9. 제 4 항에 있어서, 상기 소결은 연속 노내에서, 1250℃ 이하, 바람직하게는 1200℃ 이하, 및 가장 바람직하게는 1160℃ 이하에서 약 30 분 내지 약 120 분, 바람직하게는 60 분 이하 동안 실시되는 조밀체 제조 방법.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 소결은 진공내에서 또는 환원 분위기 또는 불활성 분위기 내, 바람직하게는 수소 분위기 내에서 실시되는 조밀체 제조 방법.
11. 물 무화된 스레인레스 스틸 분말로 준비되고, 7.2 g/cm³이상의 그린 밀도로 조밀화되며, 7.3 g/cm³이상, 바람직하게는 7.4 g/cm³이상의 밀도로 소결된 플랜지와 같은 제품.