KR20060109914A - 고밀도 표면을 갖는 소결 금속 부품의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고밀도 표면을 갖는 분말 금속 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 7.2 g/㎤ 이상의 밀도로 고속 압축 기술에 의해 철계 분말을 압축하는 단계 - 상기 금속 분말 부품을 소결하는 단계 - 상기 부품을 표면 고밀도화 공정에 적용시키는 단계를 포함한다.

Description

고밀도 표면을 갖는 소결 금속 부품의 제조 방법 {METHOD FOR THE MANUFACTURING OF SINTERED METAL PARTS HAVING A DENSIFIED SURFACE}

본 발명은 소결 금속 부품의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 고밀도 표면을 갖춘 소결 금속 부품의 제조 방법에 관한 것이다.

분말 금속 부품의 이용과 관련해서 미래 성장의 한 분야는 자동차 산업 분야이다. 이 분야에 있어서의 특히 관심이 집중되는 분야는 동력 전송 분야 예를 들어, 기어 휠과 같은 분말 금속 부품 분야이다. 분말 금속 공정에 의해 형성되는 기어 휠이 갖는 문제점은 분말 금속 기어 휠이 기어 휠의 이 뿌리(tooth root)영역에서의 굽힘 피로 강도가 감소되고, 바 스톡(bar stock) 또는 단조품으로부터 기계가공되는 기어에 비해 이 플랭크에서의 낮은 접촉 피로 강도를 가진다는 점이다. 이러한 문제점들은 표면 고밀도화로서 일반적으로 공지된 공정을 통해 이 뿌리 및 플랭크 영역 표면의 소성 변형에 의해 감소되거나 심지어 제거될 수 있다. 고밀도 표면을 갖는 제품은 미국 특허 제 5,711,187호 및 제 6,171,546 호에 기재되어 있다.

미국 특허 제 5,711,187 호에 따라서, 기어 휠은 압축 및 소결 분말 금속 블랭크에 의해 형성되며, 그 표면은 압연에 의해 경화된다. 소결은 1350℃이하의, 즉 높은 소결 온도에서 수행됨이 공지되어 있다. 소결에 이용되는 정확한 온도에 관한 구체적인 예는 기재되어 있지 않지만, 일반적으로 "높은 소결 온도"라는 용어는 소결이 약 1250℃에서 수행됨을 의미한다. 높은 에너지 소비 이외에도 높은 소결 온도는 소결 부품의 치수 공차에 부정적 영향을 미칠것이며 이는 압연 부품의 치수 공차 문제를 야기할 수 있다.

US 6,171,546 호에도 고밀도 표면을 달성하는 방법이 기재되어 있다. 본 특허에 따라서, 표면 고밀도화는 압연 또는 바람직하게, 철계 분말 그린 바디(green body)의 쇼트 피닝(short peening)에 의해 달성된다. 본 특허로부터, 예비-소결 단계가 최종 고밀도화 및 소결 공정 전에 수행된다면 대부분 이로운 결과가 달성된다는 결론을 내릴 수 있다. 본 특허에 따라서, 소결은 1120℃ 즉, 통상적인 소결온도에서 수행될 수 있지만, 두 개의 소결 단계가 추천되기 때문에, 에너지 소비는 꽤 상당할 것이다.

따라서, 기어 휠 및 유사한 제품의 제조를 위해서 그린 보디와 소결 압분체 사이에서 최소 치수 변경을 필요로 하는 단순하며 비용 효과적인 방법은 흥미로울 수 있으며, 본 발명의 주목적이 이러한 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 측면은 보다 낮은 에너지가 소비됨으로써 보다 낮은 에너지 비용이 달성될 수 있다는 점이다.

요컨대, 철 또는 철계 분말을 7.2 g/㎤ 이상의 밀도로 고속 압축 기술에 의해 압축하는 단계, 상기 압축된 부품을 낮은 온도에서 소결하는 단계, 및 이어서 상기 부품을 표면 고밀도화 공정에 적용시키는 단계를 수반하는 방법을 이용함으로써 고밀도 표면을 갖는 상기 제품이 제조될 수 있다는 점이 발견되었다.

분말 형태

압축 공정용 출발 재료로서 이용될 수 있는 적합한 금속 분말은 철과 같은 금속으로 제조되는 분말이다. 탄소, 크롬, 망간, 몰리브덴, 구리, 니켈, 인, 황 등과 같은 합금 원소가 최종 소결 제품의 특성을 변경시키기 위해서 예비 합금화되거나 확산 합금화되며, 입자로서 첨가될 수 있다. 철계 분말은 대체로 순수 철 분말, 예비 합금화 철계 입자, 확산 합금화 철계 철 입자 및 철 입자 또는 철계 입자의 혼합물 및 합금 원소로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 가장 바람직한 분말은, 높은 경화능으로 인해서 예비 합금화된 철계 분말이다.

압축 및 소결

본 발명에 따라서, 고속 압축(HVC)은 바람직한 고밀도 및 제한된 치수 공차를 달성하기 위해서 이용된다. 고속 압축용 장치의 예는 본 원에 전체가 참조되며 위에서 언급한 미국 특허 6,207,757 호에 기재되어 있는 컴퓨터 제어 충격 장치(the computer controlled percussion machine)이다. 특히, 이러한 충격 장치의 충돌 램은 최종 압축 부품의 바람직한 형상에 상응하는 형상을 갖는 공동 내에 분말을 포함하는 다이의 상부 펀치에 충격을 가하도록 이용될 수 있다. 다이, 예를 들어, 통상적으로 이용되는 다이 유지용 시스템, 및 (통상적인 형태일 수도 있는)분말 충진용 유닛으로 보완할 때, 이러한 충돌 장치는 고밀도의 제품의 제조를 위한 산업적으로 유용한 방법을 허용한다. 바람직하게, 2 m/s 이상의 램 속도는 7.2 g/㎤ 이상의 밀도에 도달하기 위해서 이용된다.

본 발명에 따른 소결은 낮은 소결 온도, 즉 1200℃ 이하, 바람직하게는 1160℃이하, 가장 바람직하게는 1200℃ 내지 1160℃에서 수행된다. 임의의 통상적인 소결로가 이용될 수 있으며, 소결 시간은 약 15분 내지 60분으로 다양할 수 있다. 소결로의 분위기는 흡열 분위기(endogas atmosphere), 수소와 질소의 혼합 또는 진공 분위기일 수 있다.

전술된 이점에 도달하기 위한 본 발명의 방법의 중요한 특징은 압축 부품의 밀도가 약 7.2 g/㎤이상인 점과 소결이 낮은 온도에서 수행된다는 점이다.

고밀도의 소결 부품을 달성하는 미리 공지된 방법은 고온 소결 또는 이중 압착 및 이중 소결이다.

낮은 소결 온도를 이용하면 높은 소결 온도에 요구되는 것에 비해, 에너지 소비를 줄일 것이다. 부가적으로, 예를 들어, 1200℃ 내지 1160℃의 범위의 온도 내에서 저온 소결 후에, 부품의 치수 스캐터(dimensional scatter)는 고온 소결 후에 치수 스캐터에 비해 상당히 적다. 소결 블랭크 상의 적은 치수 공차가 높은 품질의 표면 고밀도 부품에 도달하기 위해서 필수적이다.

이중 압착 및 이중 소결을 수반하는 방법에 비해, 본 발명에 따른 방법은 하나의 압착 단계 및 하나의 소결 단계가 제거되는 이점이 있다.

부가적으로, 높은 그린 밀도를 달성하는 이러한 HVC 기술을 이용함으로써, 최종 소결 부품의 기계적인 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 표면 고밀도화 깊이를 증가시킬 수 있다.

표면 고밀도화

표면 고밀도화는 방사상 또는 축방향 압연, 쇼트 피닝, 사이징(sizing) 등에 의해 수행될 수 있다. 본 방법이 상당한 고밀도화 깊이와 관련하여 짧은 주기를 제공하기 때문에 방사상 압연이 바람직한 방법이다. 본 발명의 방법에 의해 1.5 mm, 2 mm 및 3 mm 이하, 또는 그보다 큰 치수 이하에서 바람직한 고밀도화 깊이가 원형 부품에서 달성될 수 있다. 기어와 같은 보다 복잡한 부품을 위해, 달성된 고밀도화 깊이는 약 0.3mm 이상, 바람직하게는 0.5 mm 이상이다. 분말 금속 부품은 고밀도화 깊이를 증가시키면서 더욱 양호한 기계적 특성을 달성할 것이다.

도 1은 소결 밀도와 표면 고밀도화 깊이 사이의 관계를 도시하는 도표이며,

도 2a는 종래의 압축 및 표면 고밀도화된 샘플의 현미경 사진이며,

도 2b는 고속 압축 및 표면 고밀도화된 샘플의 현미경 사진이며,

도 3은 그린 부품과 소결 부품 사이의 치수 변경을 위한 표준 편차를 도시한 도표이다.

본 발명은 다음의 비-제한 예에 의해 더 기재될 것이다.

예 1

실린더는 0.3 %의 그래파이트 첨가물 및 아미드 왁스 윤활제를 갖춘 예비 합금 분말 아스탈로이 Mo(Astaloy Mo)로 구성된 분말 야금학적 구성으로 압착되었다. 7.2 g/㎤ 이상의 그린 밀도를 달성하기 위해서, 고속 압착이 이용되었으며, 7.2 g/ ㎤ 이하의 밀도를 위해서, 종래의 단축 압착이 이용되었다. 실린더는 90 % 질소와 10 % 수소의 대기에서 30분 동안, 1120 ℃에서 소결되었다. 표면 고밀도화는 방사상 압연에 의해 수행되었으며, 압연 중에 직경 감소는 0.3mm였다. 고밀도화 깊이는 형상 분석을 이용하여 측정되었으며, 밀도가 이론 밀도의 98%로 감소되는 경우에 표면에서 포인트까지의 가장 짧은 거리로 정의된다.

블랭크의 소결 밀도와 고밀도화 부품의 달성된 고밀도화 깊이 사이의 관계가 도 1에 도시되어 있을 수 있다.

예 2

도 2에, 압축, 소결, 표면 고밀도화 실린더의 현미경 사진이 도시되어 있다. 도 2a의 실린더는 통상적으로 7.0 g/㎤의 밀도로 압축되어, 달성된 고밀도화 깊이는 1mm인 반면에, 도 2b에 도시된 실린더는 7.5 g/㎤의 밀도로 고속으로 압축되어, 달성된 고밀도화 깊이는 2 mm 이다.

예 3

N₂ 대 H₂의 비율이 90대 10인 대기에서 30분 동안 1200℃로 소결된, 고속 압축된 실린더는 이중-롤 버니싱 머신에 의해 표면 고밀도화되었다. 압연 중에 직경 감소는 0.3mm였다. 압연 실린더의 폴리싱된 횡단면은 광학 현미경으로 조사되었으며, 고밀도화 깊이는 형상 분석을 이용하여 측정되었다. 압연 실린더의 달성된 고밀도화 깊이는 표 1에 도시되어 있다.

표 1

예4

표 2에 도시된 기어 데이타를 갖춘 기어는 압착되며, 다음의 두 개의 다른 제조 루트:

1) 7.2의 그린 밀도에서 고속 압착하여, 30분 동안 1120℃로 소결하는 단계

2) 7.1의 그린 밀도에서 단축 압착하여, 120분 동안 1300℃로 소결하는 단계를 이용하여 소결된다.

표 2

상기 루트 1)에 의해 제조된 기어는 7.27의 소결 밀도에 도달하며, 상기 루트 2)에 의해 제조된 기어는 7.36의 소결 밀도에 도달한다.

그린 상태로부터 소결 상태로의 치수 변화는 각각의 제조 루트로부터 20 기어가 측정되었다. 네 개의 다른 치수에 있어서 치수 변화의 표준 편차는 도 3에 도시되어 있다.

Claims (10)

1. 고밀도 표면을 갖는 분말 금속 부품의 제조 방법으로서,

   고속 압축 기술에 의해 7.2 g/㎤ 이상의 밀도로 철 또는 철계 분말을 압축하는 단계,

   상기 부품을 소결하는 단계, 및

   상기 부품을 표면 고밀도화 방법에 적용시키는 단계를 포함하는,

   고밀도 표면을 갖는 분말 금속 부품의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 소결하는 단계는 저온에서 수행되는,

   고밀도 표면을 갖는 분말 금속 부품의 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   표면 고밀도화 단계는 압연에 의해 수행되는,

   고밀도 표면을 갖는 분말 금속 부품의 제조 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 부품은 약 7.3 g/㎤ 이상, 바람직하게는 약 7.4 g/㎤ 이상의 밀도로 압축되는,

   고밀도 표면을 갖는 분말 금속 부품의 제조 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 부품은 1160℃ 이하의 온도로 소결되는,

   고밀도 표면을 갖는 분말 금속 부품의 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 압축된 부품은 1120℃ 내지 1150℃의 온도에서 소결되는,

   고밀도 표면을 갖는 분말 금속 부품의 제조 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 압축된 부품은 15분 내지 60분 동안 소결되는,

   고밀도 표면을 갖는 분말 금속 부품의 제조 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 압축된 부품은 흡열 분위기, 수소와 질소의 혼합 또는 진공 분위기에서 소결되는,

   고밀도 표면을 갖는 분말 금속 부품의 제조 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 표면 고밀도화 부품은 약 0.3 mm 이상, 바람직하게는, 약 0.5 mm 이상의 깊이로 고밀도화되는,

   고밀도 표면을 갖는 분말 금속 부품의 제조 방법.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제조된 분말 금속 부품은 기어, 베어링, 롤, 스프로킷(sprockets) 등인,

    고밀도 표면을 갖는 분말 금속 부품의 제조 방법.

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