KR20070023759A - 소결 금속 부품 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 1.3-3.5 중량%의 크롬, 0.15-0.7 중량%의 몰리브덴, 망간 및 불가피한 불순물을 포함하는 미리-합금화된 철계 금속 분말을 제공하는 단계; 상기 분말을 0.1-1.0 중량% 그라파이트와 혼합하는 단계; 상기 혼합에 의해 얻어진 혼합물을 600 MPa 이상의 압력으로 압밀하는 단계; 1100℃ 이상의 온도의 단일 단계에서 압밀된 부품을 소결하는 단계; 상기 부품을 쇼트 피닝하는 단계; 및 소결 후에 상기 부품을 선택적으로 경화시키는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 벤딩 피로 한계가 7.15 g/cm3의 소결 밀도에서 340 MPa 이상, 바람직하게 7.3 g/cm3의 소결 밀도에서 400 MPa 이상인 노치형 소결 부품을 제공하기 위한 낮은 크롬 함량의 미리-합금화된 분말의 용도 및 분말 야금 부품에 관한 것이다.

Description

소결 금속 부품 및 그 제조 방법{SINTERED METAL PARTS AND METHOD FOR THE MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 분말 야금에 관한 것으로서, 특히 피로 특성이 개선된 미리-합금화된(pre-alloyed) 크롬 분말 금속 부품에 관한 것이다.
일반적으로, 분말 야금에 의해 제조된 소결 제품은 단조 및 압연 단계를 통해 얻어지는 잉곳 스틸에 비해 비용면에서 유리하고 예를 들어 차량의 부품과 같이 이용분야가 다양하다. 그러나, 소결 제품은 제조 중에 필연적으로 형성되는 기공(pore)을 가진다. 소결된 분말-야금학적 재료의 이러한 잔류 기공은 완전히 조밀한(dense) 물질에 비해 기계적 특성을 떨어뜨린다. 이는 기공이 응력 집중부로서 작용하기 때문이고 또 기공이 응력을 받는 유효 부피를 감소시키기 때문이다. 따라서, 기공도가 커짐에 따라, 철계 분말-야금 물질의 강도, 연성, 피로 강도, 매크로-경도(macro-hardness) 등이 감소된다.
비교적 낮은 피로 강도에도 불구하고, 철계 분말-야금 물질이, 어느 정도 까지는, 높은 피로 강도를 필요로 하는 부품에 사용된다. 스웨덴에 소재하는 회가내스 아베®가 공급하는 Distaloy® HP는 고성능 목적에 사용될 수 있는 강 분말이다. 이러한 Distaloy®-분말에서, 기본-분말은 고가의 합금 원소인 니켈과 합금화된다. 이러한 고성능 물질은 보다 고가이며, 따라서 적어도 양호한 피로 강도를 가지는 저렴한 물질이 요구되고 있다.
분말 야금학적 스틸의 피로 성능을 개선하기 위한 하나의 방법은, 2차 공정이다. 부품의 가능한 한 가장 높은 피로 저항을 획득하기 위해, 전체 경화(through hardening), 표면 경화(case hardening) 또는 쇼트 피닝(shot peening)(또는 그 조합) 프로세스를 이용할 수 있다. 일반적으로, 쇼트 피닝은 표면에서의 압축 잔류 응력의 유리한 영향을 이용하기 위해 이용된다. 표면으로 개방된 기공들은 분말 야금학적 물질의 취약점이 된다. 표면 압축 잔류 응력을 도입함으로써 이러한 기공들이 적어도 부분적으로 중화된다.
압밀된(compacted) 부분의 쇼트 피닝이 예를 들어 미국 특허 6 171 546에 개시되어 있다. 이러한 특허에 따라, 최종 소결 단계 후에 쇼트 피닝이 실시된다. 니켈을 함유하는 철계 분말이 시작 물질로 사용된다. 전술한 바와 같이, 고가의 니켈을 포함하지 않는 분말에 대한 수요가 증가하고 있다. 니켈 함유 금속의 다른 단점은 분말의 처리 중에 발생할 수 있는 분진 문제이며, 그러한 분진은 일부 사람들에게 알러지 반응을 유발할 수 있다. 따라서, 니켈의 이용을 피하여야 한다. 미국 특허 출원 제 2004/0177719는 쇼트 피닝을 포함하는 방법에 관한 것이다. 특히, 이러한 출원은 압밀 부품의 표면의 일부가 소결 후에 쇼트 피닝되는 방법에 대해 개시하고 있다. 이러한 출원에 따라, 최종 압밀 부품의 특성을 개선하기 위해 서는 분말 단조 또는 사이징(sizing)을 포함하는 조밀화 프로세스가 필요하다.
본 발명의 목적은 코어 조밀화를 달성하기 위한 어떠한 단계 없이도 높은 피로 강도를 가지는 분말 야금 부품을 제공할 수 있는 저렴한 프로세스를 제공하는 것이다. 다른 목적은 니켈이 없는 분말 물질을 포함하는 프로세스를 제공하는 것이다.
크롬 및 몰리브덴의 함량이 낮은 철계 분말로부터 준비된 소결 부품의 쇼트 피닝에 의해 피로 강도가 높은 부품이 얻어질 수 있다는 것을 예상외로 발견하였다.
본 발명에 이용되는 분말은 크롬 및 몰리브덴의 함량이 적은 미리-합금화된 철계 분말이다. 바람직한 함량은 1.3-3.5 중량% 크롬 및 0.15-0.7 중량% 몰리브덴이다. 분말은 또한 적은 양의, 즉 0.09 내지 0.3 중량%의 망간 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 그러한 분말이 미국 특허 6 348 080 및 WO 03/106079로부터 공지되어 있다.
물질의 원하는 강도를 얻기 위해, 기본 분말이 그라파이트와 추가로 혼합된다. 철계 분말과 혼합되는 그라파이트의 양은 0.1-1.0%, 바람직하게 0.15-0.85% 이다. 분말 혼합물을 다이내에서 압밀하여 그린(green) 본체를 제조한다. 압밀 압력은 600 MPa 이상, 바람직하게는 700 MPa 이상, 보다 바람직하게는 800 MPa 이상이다. 압밀은 저온 압밀 또는 고온 압밀에 의해 실시될 수 있다. 압밀 후에, 얻어진 그린 부품을 1100℃ 이상, 바람직하게 1220℃ 이상의 소결 온도에서 소결한다. 소결 분위기는 바람직하게 질소와 수소의 혼합물이다. 소결 프로세스에서의 일반적인 냉각 속도는 0.8 ℃/s이고, 바람직하게는 0.5 ℃/s 내지 1.0 ℃/s 이다. 소결 밀도는 바람직하게 7.15 g/cm3 이상, 보다 바람직하게 7.3 g/cm3 이상이다. 소결된 물질내에서 얻어진 미세조직은 주로 크롬 및 몰리브덴 함량이 낮은 미세-펄라이트 및 크롬 및 몰리브덴 함량이 약간 높은 하부 베이나이트(lower bainitic) 또는 마르텐사이트이다.
벤딩 피로 한계의 상당한 증대가 소결된 저 크롬 분말 물질의 쇼트 피닝에 의해 얻어진다는 것을 예상치 못하게 발견하였다. 특히 주목할만한 증대가 노치형(notched) 부품에서 얻어졌는데, 이하의 예에서 확인할 수 있는 바와 같이, 50% 이상 심지어는 70% 이상의 증대가 얻어졌다. Almen A 강도(intensity)에 의해 규정된 쇼트 피닝의 정도는 바람직하게 0.20 내지 0.37 mm 이다.
2차적인 작업, 예를 들어 전체적인 경화 및 표면 경화를 쇼트 피닝 전에 실시하여 특성을 보다 개선할 수 있다. 따라서, 전체 경화 및 후속 템퍼링(tempering) 후에, 물질은 주로 마르텐사이트 조직을 가지며, 피로 한계가 쇼트 피닝에 의해 높아진다. 표면 경화 중에 형성된 표면의 마르텐사이트가 압축 응력을 형성하는 것으로 믿어지며, 그러한 압축 응력은 피로 한계에 유리하게 작용한다.
소결경화(sinterhardening)는 소결 프로세스에 적용되는 다른 대안적인 프로 세스이다. 소결경화는 부품의 소결 프로세스의 말기 중에 강제 냉각을 이용하며, 이는 경화 조직을 초래한다.
1.38의 응력 집중 인자(Kt)로 노치형 시편 및 비-노치형 시편에 대해 피로 테스트를 실시하였다. 테스트 결과, 비-노치형 시편에 대해 쇼트 피닝을 실시한 경우 보다 노치형 시편에 대해 쇼트 피닝을 실시한 경우에 벤딩 피로 한계가 크게 증대된다는 것을 확인할 수 있다. 본 명세서에서 "노치형"이라는 표현은 1.3 이상의 응력 집중 인자를 가지는 부품 또는 시편을 지칭한다.
이하의 비-제한적인 예를 통해 본 발명을 설명한다.
예 1
두 개의 미리-합금화된 기본 분말 즉, Astaloy® CrL 및 Astaloy® CrM, 그리고 하나의 확산-합금화 기본 분말 즉, Distaloy® HP가 본 연구에 포함된다. Distaloy® HP가 Ni 및 Cu로 확산-합금화되고 Mo로 미리-합금화된다. 이러한 연구에 포함된 3 개의 물질이 표 1에 기재되어 있다.
Figure 112006094402009-PCT00001
프로세스 파라미터, 밀도 및 탄소 레벨에 대한 상세한 정보가 이하에 기재된다. 90/10의 N2/H2에서 30분간 소결되고 약 0.8 ℃/초의 속도로 냉각된 여러 합금에 대한, 비-노치형 시편의 평면 벤딩(plane bending) 피로 성능을 표 2에 기재하였다. 모따기형 엣지(chamfered edge)를 가지는 5 mm ISO3928 샘플을 이용하여 비-노치형 시편에 대한 피로 테스트를 실시하였다. 테스트는 4-지점 평면 벤딩에서 하중 비율(load ratio) R=-1로 실시되었다. 계단(staircase)내의 13-18 샘플에 대해서 그리고 런-아웃(run-out) 한계로서 2백만 사이클을 채용한 계단 방법(staircase method)을 이용하였다. MPIF 56 표준에 따라 계단에 대한 평가(50% 확률 피로 한계 및 표준 편차)를 하였다. 테스트 주파수는 27-30 Hz이다.
Figure 112006094402009-PCT00002
0.6% 미만의 소결된 탄소 및 약 0.8 ℃/s의 냉각속도에서 Astaloy® CrL의 미세조직은 상부(upper) 베이나이트이다. 0.74% 초과의 높은 탄소는 미세조직을 미세(fine) 펄라이트로 변화시킨다.
냉각 속도가 0.8 ℃/s이고 소결 탄소 레벨이 0.32% 내지 0.49%인 1120℃ 소결 Astaloy® CrM 물질의 미세조직 분석 결과, 조밀한 상부 베이나이트 미세조직을 확인하였다. 조밀한 상부 베이나이트는 일반적인 상부 베이나이트와 동일한 특성을 가진다. 즉, 페라이트와 시멘타이트의 불규칙적인 혼합을 나타낸다. 차이점은 탄화물들 사이의 거리가 짧고 탄화물들의 크기가 다르다는 것이다. 소결 탄소가 높아지면 미세조직이 마르텐사이트 및 하부 베이나이트의 혼합으로 이동된다.
표 3은 냉간 압밀된 Astaloy® CrL에 대한 압밀 압력 및 탄소 레벨의 영향을 보여준다. 모든 물질이 90/10 N2/H2 에서 30분 동안 1120℃의 온도로 소결되었다. 표 3에는, 두 가지 압밀 압력 및 두 레벨의 추가적인 그라파이트에서 Astaloy® CrL의 평면 벤딩 피로 성능을 요약하여 기재하였다. 5 미만의 표준편차는 산란이 적고 표준편차의 MPIF 표준 56 평가가 적용되지 않는다는 것을 나타낸다. 표 3의 시편들은 비-노치형이다.
Figure 112006094402009-PCT00003
비-노치형 시편에서 피로 성능에 미치는 소결 온도의 영향이 표 4에 기재되어 있다. 표 4의 물질의 미세조직은 주로 상부 베이나이트(1120℃ 0.58 %C) 및 미세 펄라이트(1120℃, 0.77 %C 및 1250℃, 0.74 %C)를 특징으로 한다.
Figure 112006094402009-PCT00004
예 2
쇼트 피닝의 영향과 열처리 및 쇼트 피닝의 영향이 Astaloy® CrL 3mm 엣지-노치형 시편에 대해 조사되었다. 프레스 공구에서 노치를 형성하였고 가공(machining)은 하지 않았다. 벤딩에서의 응력 집중 인자는 FEM에 의해 Kt=1.38까지 얻어졌다. 테스트 주파수는 27-30Hz 이다.
물질을 1280℃에서 그리고 H2 내에서 30분간 소결하였다. 냉각 속도는 0.8 ℃/s 였다.
0.32 mm의 Almen A 강도를 얻기 위해 쇼트 피닝을 실시하였다.
소결된 그리고 소결 및 쇼트 피닝된 샘플의 평면 벤딩 피로 성능 결과를 표 5에 기재하였다.
Figure 112006094402009-PCT00005
표 6에는, 전체 경화되고 템퍼링된 그리고 쇼트 피닝된 샘플의 평면 벤딩 피로 성능을 기재하였다. 880℃의 오스테나이트화 온도에서 전체 경화를 실시하였다. 오스테나이트화 후의 냉각 속도는 8℃/s 였다. 마지막으로, 시편을 250℃에서 1시간 동안 템퍼링하였다.
Figure 112006094402009-PCT00006
표 5 및 표 6 으로부터, 크롬 및 몰리브덴을 포함하는 물질을 쇼트 피닝함으로써 벤딩 피로 한계의 큰 증가를 달성할 수 있다는 것을 확인할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 피로 강도가 개선된 분말 야금 부품 제조 방법으로서:
    - 적어도 1.3-3.5 중량%의 크롬, 0.15-0.7 중량%의 몰리브덴을 포함하는 미리-합금화된 철계 금속 분말을 제공하는 단계;
    - 상기 분말을 0.1-1.0 중량% 그라파이트와 혼합하는 단계;
    - 상기 혼합에 의해 얻어진 혼합물을 600 MPa 이상의 압력으로 압밀하는 단계;
    - 1100℃ 이상의 온도의 단일 단계에서 압밀된 부품을 소결하는 단계; 및
    - 상기 부품을 쇼트 피닝하는 단계를 포함하는 분말 야금 부품 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 피로 강도의 증가가 50% 이상인 분말 야금 부품 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 압밀되고 소결된 부품을 쇼트 피닝에 앞서서 경화 및 템퍼링하는 분말 야금 부품 제조 방법.
  4. 주로 펄라이트 미세구조를 가지는, 바람직하게는 주로 미세한 펄라이트 미세구조를 가지는 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따라 제조된 분말 야금 부품.
  5. 마르텐사이트 및 하부 베이나이트 미세조직을 가지는 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따라 제조된 분말 야금 부품.
  6. 주로 템퍼링된 마르텐사이트 미세조직을 가지는 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따라 제조된 분말 야금 부품.
  7. 벤딩 피로 한계가 7.15 g/cm3의 소결 밀도에서 340 MPa 이상, 바람직하게 7.3 g/cm3의 소결 밀도에서 400 MPa 이상인 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따라 제조된 분말 야금 부품.
  8. 벤딩 피로 한계가 7.15 g/cm3의 소결 밀도에서 340 MPa 이상, 바람직하게 7.3 g/cm3의 소결 밀도에서 400 MPa 이상인 노치형 소결 부품을 위한 낮은 크롬 함량의 미리-합금화된 분말의 용도에 있어서:
    상기 분말이 압밀되고, 소결되며, 선택적으로 템퍼링되고 어닐링되며, 쇼트 피닝되는 분말의 용도.
  9. 응력 집중 인자가 1.3 이상인 제 10 항에 따른 분말 야금 부품의 용도.
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