KR20090034373A

KR20090034373A - 분말 단조 부재, 분말 단조용 혼합 분말, 분말 단조 부재의제조 방법 및 그것을 이용한 파단 분할형 커넥팅 로드

Info

Publication number: KR20090034373A
Application number: KR1020097002425A
Authority: KR
Inventors: 마사아키 사토; 미노루 다카다; 겐타로 다카다; 젠지 이이다; 료스케 고구레
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2006-07-06
Filing date: 2007-07-04
Publication date: 2009-04-07
Also published as: US20130192414A1; JP4902280B2; CN101506401A; US20090311122A1; WO2008004585A1; CN101506401B; CA2658051C; CA2658051A1; JP2008013818A; KR101186445B1; SE0900121L; SE535027C2

Abstract

본 발명은, 경도를 상승시키지 않고 피삭성을 확보하면서 피로 강도를 개선함과 아울러, 파단 분할 후의 자기 정합성을 확보할 수 있는 분말 단조 부재, 분말 단조용 혼합 분말 및 분말 단조 부재의 제조 방법, 및 그 분말 단조 부재를 이용한 파단 분할형 커넥팅 로드를 제공한다. 혼합 분말을 예비 성형한 후에 소결하여 형성된 소결 프리폼을 고온 하에서 단조하여 이루어지는 분말 단조 부재로서, 단조 개시시에 있어서의 소결 프리폼 중의 프리 Cu 비율이 10% 이하임과 아울러, 단조 후의 성분 조성이 질량%로 C: 0.2~0.4%, Cu: 3~5%, Mn: 0.4% 이하(0을 포함하지 않음), 잔부 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 또한 페라이트율이 40~90%이다.

Description

분말 단조 부재, 분말 단조용 혼합 분말, 분말 단조 부재의 제조 방법 및 그것을 이용한 파단 분할형 커넥팅 로드{MEMBER PRODUCED BY POWDER FORGING, POWDER MIXTURE FOR POWDER FORGING, PROCESS FOR PRODUCING MEMBER BY POWDER FORGING, AND FRACTURE SPLITTING CONNECTING ROD OBTAINED FROM THE SAME}

본 발명은, 혼합 분말을 예비 성형한 후에 소결하고, 그 후 단조(鍛造)하여 얻어지는 분말 단조 부재, 분말 단조용 혼합 분말, 분말 단조 부재의 제조 방법, 및 그 분말 단조 부재를 이용하여 제조되는 파단(破斷) 분할형 커넥팅 로드(connecting rod)에 관한 것이다.

종래부터, 혼합 분말을 예비 성형한 후에 소결하고, 그 후 단조하여 기계 부품을 제조하는 분말 단조법은 널리 행해지고 있다. 분말 단조법으로 제조되는 대표적인 기계 부품으로는, 커넥팅 로드, 베어링 레이스 등이 있다. 이들 기계 부품의 성분 배합은, 단조 후의 기계 가공시에 있어서의 피삭성(被削性)이나 제품의 피로(疲勞) 강도 등의 관계로부터, 순철분계(純鐵粉系)의 분말을 이용한 것에서는 C: 0.45~0.65질량%(이하, 「질량%」를 간단히 「%」라고 표기함), Cu: 1.5~2%의 것이 주가 되고 있다. 그리고, 이들 기계 부품의 경량화나 고(高) 피로 강도화의 요구에 대해서는, C 함유량을 증가시키는 방법, 또는 C와 Cu 함유량을 함께 증가시키는 방법에 의한 것이 일반적이다. 그런데, 이들 C 함유량을 증가시키는 방법에서는, 부품의 피로 강도는 상승하지만 경도도 상승하기 때문에, 단조 후의 기계 가공시에 있어서의 공구 수명이 현저히 저하되어, 결과적으로는 제품 비용이 상승하여 버리는 문제가 있다. 또한, Cu의 함유량을 증가시키면 단조에서 균열이 발생하기 쉽다는 문제도 있다.

또한, 기계 부품의 피로 강도를 상승시키는 다른 방법으로서, 단조 공정 후에 재가열 공정과 냉각 공정을 추가하는 방법(특허 문헌 1 참조)이나, Ni, Mo 등 다른 합금 원소를 첨가하는 방법(특허 문헌 2 참조)이 개시되어 있다. 그러나, 전자의 방법에서는 공정 증가에 의해, 후자의 방법에서는 고가의 합금 사용에 의해, 모두 부품 비용이 상승함과 아울러, 상기 C 함유량을 상승시키는 방법과 마찬가지로, 모두 부품의 경도가 상승하기 때문에, 피삭성이 저하되는 문제가 있다.

또한, 상기 종래의 방법에서는, 모두 부품의 경도의 상승에 동반하여 인성이 저하되기 때문에, 그 파단면이 평평(flat)하게 되기 쉬워, 커넥팅 로드 등에서 채용되고 있는 파단 분할법을 이용하여 부품을 제조하는 경우는, 그 맞붙임시에 있어서의 위치 어긋남이 발생하기 쉬워진다는(즉, 자기 정합성이 저하된다는) 특유의 문제도 발생한다.

특허 문헌 1: 일본 특허공개 소61-117203호 공보

특허 문헌 2: 일본 특허공개 소60-169501호 공보

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

그래서, 본 발명은, 경도를 상승시키지 않고 피삭성을 확보하면서 피로 강도를 개선함과 아울러, 파단 분할 후의 자기 정합성을 확보할 수 있는 분말 단조 부재 및 그 제조 방법, 및 그 분말 단조 부재를 이용한 파단 분할형 커넥팅 로드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명의 제 1 국면은, 혼합 분말을 예비 성형한 후에 소결하여 형성된 소결 프리폼(preform)을 고온 하에서 단조하여 이루어지는 분말 단조 부재로서, 단조 개시시에 있어서의 소결 프리폼 중의 프리(free) Cu 비율이 10% 이하임과 아울러, 단조 후의 성분 조성이 질량%로 C: 0.2~0.4%, Cu: 3~5%, Mn: 0.5% 이하(0을 포함하지 않음), 잔부 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 또한 페라이트율이 40~90%인 것을 특징으로 하는 피삭성 및 피로 강도가 우수한 분말 단조 부재이다.

상기 분말 단조재에 있어서, 이론 밀도에 대한 상대 밀도가 97% 이상인 것이 바람직하다.

상기 분말 단조재에 있어서, 경도가 HRC 33 이하, 편진 인장 피로 한도(partial pulsating tensile fatigue limit)가 325㎫ 이상인 것이 바람직하다.

상기 분말 단조재에 있어서, MnS, MoS₂, B₂O₃ 및 BN으로 이루어지는 군으로부 터 선택된 적어도 1종의 피삭성 개선재가 합계량으로 0.05~0.6질량% 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제 2 국면은 상기 제 1 국면의 분말 단조 부재를 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 파단 분할형 커넥팅 로드이다.

본 발명의 제 3 국면은, 상기 제 1 국면의 분말 단조 부재의 원료로서 사용되는 혼합 분말로서, 윤활제를 제외한 부분의 성분 조성이 질량%로 C: 0.1~0.5%, Cu: 3~5%, Mn: 0.4% 이하(0을 포함하지 않음), O: 0.3% 이하, 잔부 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 분말 단조용 혼합 분말이다.

상기 분말 단조용 혼합 분말은, 질량%로 C: 0.05% 미만, O: 0.3% 이하, 잔부 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 철기(鐵基) 분말에, 흑연 가루와, 구리 가루와, 윤활제를 첨가하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 제 4 국면은, 상기 제 1 국면의 분말 단조 부재의 원료로서 사용되는 혼합 분말로서, 윤활제를 제외한 부분의 성분 조성이 질량%로 C: 0.1~0.5%, Cu: 3~5%, Mn: 0.4% 이하(0을 포함하지 않음), O: 0.3% 이하를 포함하고, 또한 MnS, MoS₂, B₂O₃ 및 BN으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 피삭성 개선재를 합계량으로 0.05~0.6질량% 포함하며, 잔부 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 분말 단조용 혼합 분말이다.

상기 분말 단조용 혼합 분말은, 질량%로 C: 0.05% 미만, O: 0.3% 이하, 잔부 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 철기 분말에, 흑연 가루와, 구리 가루와, MnS, MoS₂, B₂O₃ 및 BN으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 피삭성 개선재와, 윤활제를 첨가하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 제 5 국면은, 상기 제 1 국면의 분말 단조 부재의 제조 방법으로서, 상기 제 3 국면의 분말 단조용 혼합 분말을 예비 성형한 후에 소결하여 소결 프리폼을 형성하는 성형 소결 공정과, 이 소결 프리폼을 고온 하에서 단조하여 분말 단조 부재를 형성하는 단조 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 피삭성 및 피로 강도가 우수한 분말 단조 부재의 제조 방법이다.

본 발명의 제 6 국면은, 상기 제 1 국면의 분말 단조 부재의 제조 방법으로서, 상기 제 4 국면의 분말 단조용 혼합 분말을 예비 성형한 후에 소결하여 소결 프리폼을 형성하는 성형 소결 공정과, 이 소결 프리폼을 고온 하에서 단조하여 분말 단조 부재를 형성하는 단조 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 피삭성 및 피로 강도가 우수한 분말 단조 부재의 제조 방법이다.

발명의 효과

본 발명에 의하면, 분말 단조 부재의 C 함유량을 종래와는 반대로 감소시키는 대신에 Cu 함유량을 종래보다 증가시킴과 아울러, 단조 개시시에 있어서의 소결 프리폼 중의 프리 Cu 비율을 제한하였다. 이에 의해, C 함유량의 감소에 의해 부드러운 페라이트가 증가하여 경도의 증가가 억제되기 때문에, 피삭성을 확보할 수 있음과 아울러, 인성이 유지되어 파단 분할 후의 자기 정합성도 확보할 수 있게 되 었다. 또, Cu 함유량의 증가와 프리 Cu 비율의 제한에 의해 페라이트 중으로의 Cu의 확산량이 증가하여 고용(固溶) 강화가 촉진되기 때문에, 피로 강도도 대폭 개선되게 되었다. 또한, 프리 Cu 비율을 제한함으로써, 단조시에 있어서의 균열을 방지할 수 있게 되었다.

도 1은 실시예의 피로 시험에 이용한 분말 단조 부재의 시험편의 형상 및 치수를 나타내며, (a)는 사시도, (b)는 A-A선 단면을 나타내는 단면도이다.

도 2는 피로 시험에서의 분말 단조 부재의 시험편으로의 인장 하중의 부가 상태를 나타내는 단면도이다.

도 3은 프리 Cu 비율과 피로 한도의 관계를 나타내는 그래프도이다.

도 4는 분말 단조 부재의 미크로(micro) 조직을 나타내는 단면도이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명을 더 상세하게 설명한다.

[분말 단조 부재의 구성]

우선, 본 발명에 따른 분말 단조 부재의 구성, 즉 성분 조성, 조직, 밀도, 및 소결 프리폼 중의 프리 Cu 비율의 한정 이유를 설명한다.

C: 0.2~0.4%

C는 지철(地鐵, base steel)의 강도를 확보하기 위해 필수적인 원소이며, 종래는 C 함유량을 증가시킴으로써, 지철 조직 중의 페라이트를 감소시켜 펄라이트를 증가시키는 것에 의해 지철의 경도 및 강도를 상승시키고 있었다. 이에 반하여, 본 발명에서는, 지철의 경도 상승을 억제하기 위해서 C 함유량은 종래와는 반대로 감소시켜 0.4% 이하로 한다. 단, C 함유량을 지나치게 적게 하면 Cu의 함유량을 증가시키더라도 지철의 강도를 충분히 확보할 수 없어지므로 0.2% 이상으로 한다. 따라서, C 함유량은 0.2~0.4%로 한다.

Cu: 3~5%

Cu는 소결, 단조를 위한 가열시에 지철 조직의 페라이트상 중에 고용되어 고용 강화의 작용을 하고, 또한 냉각시에 일부 석출되어 지철의 강도를 향상시키는 원소이며, 종래품(從來品)에서는 Fe-C계의 공석(共析) 온도 부근에서의 페라이트상 중으로의 고용 한도 2% 정도로 사용되는 예가 대부분이었다. 한편, 오스테나이트상 중으로의 Cu의 고용 한도는 약 8%이며, 종래품보다 가열 온도를 높이고 및/또는 가열 시간을 연장함으로써 지철 중에 3% 이상의 Cu를 고용시키는 것도 충분히 가능하다. 본 발명은, 이 오스테나이트상 중으로 종래품보다 다량의 Cu를 고용시켜, 냉각 과정에서 생성하는 페라이트상의 고용 강화를 도모하는 것이다. Cu 함유량은, 3.0% 미만에서는 충분히 목적으로 하는 고용 강화의 효과를 발휘할 수 없고, 한편 5.0%를 초과하면 프리 Cu가 잔존하기 쉬워져, 프리 Cu 비율을 10% 이하로 제한하기 위해서는 소결 시간의 연장 등 가열 시간을 길게 할 필요가 있기 때문에, 생산성이 저하된다. 따라서, Cu 함유량은 3~5%로 한다. 바람직하게는 3~4%이다.

Mn: 0.5% 이하(0을 포함하지 않음)

Mn은 지철의 탈산 작용을 가짐과 아울러, 담금질성을 높여 지철의 강도를 향상시키는데 유용한 원소이다. 그러나, Mn은 산소와의 친화성이 높아, 분말 제조 과정 또는 예비 성형품의 소결 과정에서 분위기 중의 산소와 반응하여 산화물을 만들기 쉬워, Mn의 함유량이 0.5%를 초과하면, Mn 산화물의 환원이 어렵게 되어, Mn 산화물에 의한 밀도의 저하나 강도의 저하 등 분말 단조 부재의 품질 특성의 열화가 현저하게 된다. 따라서, Mn 함유량은 0.5% 이하(0을 포함하지 않음)로 한다. 바람직하게는 0.4% 이하(0을 포함하지 않음)이다.

잔부: 철 및 불가피적 불순물

본 발명에 따른 분말 단조 부재는 불가피적 불순물로서 P, S, Si, O, N 및 그 외의 원소를 포함하는 것이더라도 좋다.

프리 Cu 비율: 10% 이하

상기한 바와 같이, 페라이트상의 고용 강화를 위해, 종래의 2배 가까운 Cu를 함유시키므로, 지철 중에 미용해된 Cu(즉, 프리 Cu)가 잔존하기 쉽기 때문에, 단조시에 열간 취성(脆性)에 의해 단조 균열이 발생하거나, 심한 경우는 성형 소결 공정으로부터 단조 공정으로의 핸들링 중에 소결 프리폼이 파손되거나 할 우려가 높아진다. 이 때문에, 본 발명에서는, 단조 개시시에 있어서의 소결 프리폼 중의 프리 Cu 비율을 10% 이하로 한다. 여기서, 프리 Cu 비율이란, 첨가한 Cu 전량 중, 지철 중에 미용해된 Cu의 비율을 말하며, 이하의 방법으로 정량(定量)을 행할 수 있다. 즉, 피측정 부재인 소결 프리폼의 단면을 페이퍼 및 버프(buff)로 연마한 후, 피크르산으로 부식시키고, 공학 현미경을 이용하여 400배로 0.2㎜×0.3㎜의 범위를 3개소 사진 촬영하여, 화상 처리로 구리색의 부분의 합계 면적을 측정한다. 한편, 마찬가지의 방법에 의해 기준재의 구리색의 부분의 합계 면적을 측정해 둔다. 또, 기준재로서는, 상기 피측정 부재와 성분 배합, 형상 및 성형 압력이 동일한 조건에서 성형한 성형물을, Cu가 지철 중에 실질적으로 고용되지 않는 1000℃, 20min의 조건에서 소결한 물건을 사용한다. 그리고, 프리 Cu 비율은 프리 Cu 비율(%)=[피측정 부재의 Cu색의 부분의 합계 면적]/[기준재의 Cu색의 부분의 합계 면적]×100의 식을 이용하여 산출하면 된다.

페라이트율: 40~90%

분말 단조 부재 중의 페라이트율은, 40% 미만에서는 인성이 부족하여, 파단 분할 후의 자기 정합성이 충분히 얻어지지 않고, 한편 90%를 초과하면 인성이 너무 높아져 신장이 커지기 때문에, 파단 분할시에 변형되어 치수 정밀도가 악화된다. 따라서, 분말 단조 부재 중의 페라이트율은 40~90%로 한다.

이론 밀도에 대한 상대 밀도: 97% 이상

분말 단조 부재의 밀도는 이론 밀도에 대한 상대 밀도가 97% 미만으로 되면 피로 강도의 저하 정도가 커진다. 따라서, 분말 단조 부재의 이론 밀도에 대한 상대 밀도는 97% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 상대 밀도를 97% 이상으로 함으로써, 분말 단조 부재의 경도가 HRC 33 이하, 편진 인장 피로 한도가 325㎫ 이상으로 되어, 피삭성을 확보하면서 피로 강도가 우수한 분말 단조 부재가 얻어진다.

피삭성 개선재: 합계량으로 0.05~0.6%

분말 단조 부재의 피삭성을 개선하는 것을 목적으로 하여, 예비 성형시에(즉, 분말 단조용 혼합 분말에) 피삭성 개선재를 첨가하여도 된다. 피삭성 개선재로서는, 예컨대 MnS, MoS₂, B₂O₃, 또는 BN의 분말을 이용할 수 있으며, 이들을 단독으로 이용하여도 되고, 2종 이상을 혼합하여 이용하여도 된다. 피삭성 개선재의 첨가량은, 그 합계량으로 0.05% 미만에서는 피삭성 개선 효과가 충분히 얻어지지 않고, 한편 0.6%를 초과하면 철재(鐵材)의 점유 면적이 저하되는 것 및 피로 균열의 기점으로 되는 비금속이 증가하는 것에 의해 피로 강도가 크게 저하되는 경향을 나타낸다. 따라서, 피삭성 개선재의 첨가량은 합계량으로 0.05~0.6%로 하는 것이 바람직하다.

[분말 단조용 혼합 분말의 성분 조성]

다음으로, 분말 단조용 혼합 분말(이하, 간단히 「혼합 분말」이라고도 함)의 성분 조성의 한정 이유를 설명한다.

C: 0.1~0.5%

혼합 분말의 C 함유량은, 최종적으로 얻어지는 분말 단조 부재의 C 함유량이 0.2~0.4%로 되도록, 혼합 분말 중의 산소량 및 소결시의 분위기 가스의 종류를 고려하여 조정할 필요가 있다. 즉, 소결 과정에서 N₂ 가스 등 불활성 가스 분위기를 이용한 경우는 혼합 분말 중의 산소 및 분위기 가스 중의 불순물 산소에 의해서 C가 산화 소비되어, 소결 프리폼(즉, 분말 단조 부재)은 혼합 분말보다 C 함유량이 낮아지기 때문에, 혼합 분말의 C 함유량은 분말 단조 부재의 C 함유량보다 높은 0.2% 초과 0.5% 이하로 조정된다. 한편, RX 가스 등 카본 포텐셜이 높은 분위기 가스를 이용한 경우는, 통상, 혼합 분말 중의 산소에 의한 C의 산화 소비량 이상으로 분위기 가스에 의한 침탄(浸炭)이 진행되어, 소결 프리폼(즉, 분말 단조 부재)은 혼합 분말보다 C 함유량이 높아지기 때문에, 혼합 분말의 C 함유량은 분말 단조 부재의 C 함유량보다 낮은 0.1% 이상 0.4% 미만으로 조정된다. 따라서, 혼합 분말의 C 함유량은 0.1~0.5%의 범위에서, 혼합 분말의 산소 함유량 및 소결 분위기 가스의 종류에 따라 C 함유량의 변화를 예측하여 설정하면 된다.

O: 0.3% 이하

혼합 분말 중의 산소 함유량이 높아지면 소비되는 C량의 편차도 커져, 분말 단조 부재의 C 함유량을 목표한 0.2~0.4%로 하기 곤란해지기 때문에 혼합 분말의 산소 함유량은 0.3% 이하로 한다.

그 외의 성분

Cu, Mn, 피삭성 개선재는, C와 같이 소결시에 소비되거나 생성되거나 하지 않기 때문에, 혼합 분말 중의 이들 각 성분의 함유량은 분말 단조 부재 중의 이들 각 성분의 함유량과 동일하게 한다(엄밀하게는, 소결시에 있어서의 C량의 증감에 따라, 이들 각 성분의 함유량의 값은 극히 약간 변화되지만, 무시할 수 있는 범위이다).

[분말 단조 부재의 제조 방법]

다음으로, 상기 구성을 만족하는 분말 단조 부재를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

우선, 철기 분말에, 철기 분말 중의 산소 함유량 및 소결 분위기 가스의 종류에 따라 소결시에서의 C 함유량의 변화를 예측하여 소결 후의 C 함유량이 0.2~0.4%로 되도록, 혼합 분말의 C 함유량이 0.1~0.5%의 범위로 되는 흑연 가루와, Cu 함유량이 3~5%가 되는 구리 가루와, 필요에 따라 상기 피삭성 개선재를 합계량으로 0.05~0.6% 첨가하고, 적량의 윤활제를 더 첨가하여 혼합 분말을 제작해서, 이것을 가압 성형기로 예비 성형하여 성형 프리폼을 제작한다.

또, 혼합 분말의 제작에 사용하는 철기 분말은, 딱딱하면 예비 성형시에 성형 프리폼의 밀도를 높이기 어려워, 소결 후, 단조까지의 고온 반송 중에 소결 프리폼이 내부까지 산화되어, 단조하더라도 산화막으로 인해 강도가 저하되는 현상이 일어난다. 따라서, 철기 분말을 부드럽게 하여 성형 프리폼의 밀도를 높여 내부 산화를 방지하기 위해, 철기 분말의 C 함유량은 0.05% 미만, 바람직하게는 0.04% 이하, 보다 바람직하게는 0.02% 이하로 한다.

다음에, 이 성형 프리폼을 고온 하에서 소결하여 소결 프리폼을 제작한다. 여기서, 소결 조건은, 온도가 높을수록, 또한 시간이 길수록 Cu의 확산이 진행되어, 프리 Cu의 양이 감소하기 때문에 바람직하지만, 예컨대 Cu 함유량 4%인 경우, 1190℃ 이상에서 10분의 소결을 행함으로써, 프리 Cu 비율을 10% 이하로 할 수 있다.

그리고, 이 소결 프리폼을 냉각하지 않고 즉시 고온 하에서 소정의 단조 압력으로 단조함으로써 분말 단조 부재가 얻어진다. 단조 압력은, 높게 할수록 분말 단조 부재의 밀도가 높아져 강도가 상승하기 때문에 바람직하지만, 예컨대 도 1에 나타내는 바와 같은 형상 및 치수의 커넥팅 로드를 형성하는 경우, 면압 6.0ton/㎠ 이상으로 단조함으로써, 이론 밀도에 대한 상대 밀도를 97% 이상으로 할 수 있어, 피삭성 및 피로 강도가 우수한 분말 단조 부재가 얻어진다.

또, 상기 제조 방법에서는, 소결 후에 그 온도를 이용하여 즉시 단조하는 예를 설명했지만, 소결 후 일단 냉각하고, 재차 가열하여 단조하도록 하여도 된다. 이 경우, 소결시 및 단조시의 2회 가열되게 되어 필연적으로 가열 시간이 길어지기 때문에, 가열 온도는 상기 하한 온도(1190℃)보다 더 낮은 1050~1120℃ 정도에서도 프리 Cu 비율을 10% 이하로 할 수 있다.

그리고, 이 분말 단조 부재를 이용하여 제작된 파단 분할형 커넥팅 로드는, 기계 가공시에서의 공구 마모가 저감되어 부품 비용의 상승이 억제됨과 아울러, 피로 강도가 우수하고, 나아가서는 파단 분할 후의 맞붙임시에 있어서의 자기 정합성도 우수한 것으로 된다.

실시예 1

(프리 Cu 비율의 영향)

표 1에 나타내는 성분 조성의 순철분 철기 분말에 소결 후의 C 함유량이 0.3%, Cu 함유량이 4%로 되도록 흑연 가루와 구리 가루를 첨가하고, 윤활제로서 스테아르산아연을 0.75% 더 첨가하여 30min 혼합해서 혼합 가루를 제작하고, 이것을 성형 면압 6ton/㎠로 예비 성형하여 성형 프리폼을 제작하였다.

그리고, 이 성형 프리폼을, N₂ 가스 분위기 하에서 600℃에서 10분 탈납 후, 1110~1260℃ 사이의 여러 온도에서 10분 소결을 행하여 복수개의 소결 프리폼을 제작하였다. 그리고, 일부의 소결 프리폼에 대하여, 상기 [분말 단조 부재의 구성] 중에서 설명한 방법을 이용하여 프리 Cu 비율의 측정을 행하였다. 나머지 소결 프리폼은 즉시 10ton/㎠의 단조 압력으로 단조하여, 커넥팅 로드의 형상을 모의(模擬)한 분말 단조 부재의 시험편을 제작하였다. 그리고, 이 시험편은 버(burr)를 제거하고, 쇼트 등으로 표면 스케일을 제거한 후, 편진 인장의 피로 시험에 제공하였다. 피로 시험에 이용한 시험편의 형상 및 치수를 도 1에, 피로 시험에서의 시험편으로의 인장 하중의 부가 상태를 도 2에 나타낸다.

측정 및 시험 결과를 표 2 및 도 3에 나타낸다. 이들 표 및 도면으로부터 명백하듯이, 소결 온도가 높아지는 것에 동반하여 프리 Cu 비율이 감소하여, 피로 한도는 상승하고 있어, 소결 시간 10분의 경우, 온도 1190℃ 이상에서 프리 Cu 비율이 10% 이하로 되어, 피로 한도 325㎫ 이상이 얻어지는 것을 알 수 있다. 또, 도 4에, 프리 Cu 비율이 100%인 기준재, 15%인 비교재, 3%인 발명재의 단면 미크로 조직을 비교하여 나타낸다. 도면 중, 그물눈 해칭을 실시한 부분이 프리 Cu가 존재하는 부분이다.

또, 발명예에 있어서는, 분말 단조 부재의 페라이트율은 어떤 소결 온도에서도 70% 정도였다.

실시예 2

(C 및 Cu 함유량의 영향)

상기 실시예 1과 동일한 표 1에 나타내는 성분 조성의 순철분 철기 분말에, 단조 후의 C 함유량이 0.1~0.6%, Cu 함유량이 2~5%로 되도록 흑연 가루와 구리 가루의 첨가량을 여러 가지 변경하여 첨가해서 혼합 분말을 제작하고, 이 혼합 분말을 상기 실시예 1과 마찬가지의 조건에서 예비 성형하여 성형 프리폼을 작성하였다. 그리고, 이 성형 프리폼을, N₂ 가스 분위기 하에서 600℃에서 10분 탈납 후, N₂ 가스 분위기하 1120℃에서 30분 소결을 행하여 소결 프리폼을 제작하였다. 그 후, 이 소결 프리폼을 N₂ 가스 분위기하 1050℃에서 30분 가열 후 10ton/㎠의 단조 압력으로 단조하여, 상기 실시예 1과 마찬가지의 커넥팅 로드의 형상을 모의한 분말 단조 부재의 시험편을 제작하였다. 그리고, 이 시험편에 대하여, 상기 실시예 1과 마찬가지의 조건에서 인장의 피로 시험을 행함과 아울러, 기계 가공 후의 표면의 HRC 경도를 측정하였다.

또한, 파단 분할 후의 자기 정합성을 정량화하기 위해서, 이하의 시험을 행하였다. 즉, 상기와 마찬가지의 조건에서 직경 90㎜×두께 40㎜의 원반 형상의 분말 단조 부재의 시험편을 제작하고, 이것을 기계 가공하여 외경 80㎜, 내경 40㎜×두께 20㎜이고, 그 내륜(內輪) 대각선 상에 깊이 1㎜, 각도 45°의 V 노치를 갖는 링 형상의 시험편을 제작하였다. 그리고, 이 시험편을 노치의 깊이 방향과 직각 방향으로 인장 파단시키고, 그 파단면의 미크로 요철을 포함한 실면적을 광학식 3차원 측정 장치(GFMesstechnik사 제품, 형식: MicroCAD 3×4)로 측정하여, 요철을 무시한 평평한 투영 면적에 대한 비율(「파단 분할 면적비」라고 함)을 산출함과 아울러, 파단 분할 후의 파단면의 맞물림 위치의 어긋남의 유무를 육안으로 조사하였다.

시험 결과를 표 3에 나타낸다. 또, 단조 전(단조 개시시)의 시험편의 프리 Cu 비율은, Cu 함유량이 5%를 초과한 시험편 No. 222에서는 10%를 초과했지만, 그 외는 모두 10% 이하였다.

표 3에 나타낸 바와 같이, C 및 Cu 함유량, 페라이트율 및 프리 Cu 비율이 본 발명이 규정하는 범위 내에 있는 발명예에서는, 경도는 모두 HRC 33 이하로서 피삭성에 문제가 없고, 또한 피로 한도는 모두 300㎫ 이상, 일부(시험편 No. 210, 211)를 제외하면 325㎫ 이상이 얻어짐과 아울러, 파단 분할 후의 파단면에 어긋남은 보이지 않아 자기 정합성에 문제는 생기지 않으므로, 피삭성, 피로 강도 및 파단 분할 후의 자기 정합성을 동시에 만족하는 것을 확인할 수 있었다.

이에 반하여, 성분 조성 및/또는 페라이트율이 본 발명이 규정하는 범위를 벗어난 비교예에서는, 일부(시험편 No. 230, 231)를 제외하면, 경도가 HRC 33 이하인 것에서는 피로 한도가 300㎫에 달하지 않음과 동시에, 파단 분할시에 신장에 의한 변형이 발생하여 치수 정밀도가 저하되고(시험편 No. 201~209), 한편 피로 한도가 300㎫ 이상인 것에서는 경도가 HRC 33을 초과하여 피삭성이 열화됨과 아울러, 파단면의 맞물림 위치 어긋남이 발생하여 자기 정합성에 문제가 생기기 때문에, 피삭성, 피로 강도, 및 파단 분할 후의 자기 정합성을 동시에 만족하는 분말 단조 부재를 얻는 것이 매우 곤란한 것을 알 수 있다.

표 3에 나타낸 바와 같이, 자기 정합성을 나타내는 지표로서 파단 분할 면적비를 이용할 수 있으며, 파단 분할 면적비가 1.37 미만이면 파단 분할면의 맞물림 어긋남이 발생하기 쉬워지고, 한편 1.51을 초과하면 신장에 의한 변형이 현저하게 되어 치수 정밀도가 악화되는 것을 알 수 있다.

실시예 3

(상대 밀도의 영향)

다음으로, 상기 실시예 2의 시험편 No. 218과 동일한 성분 조성(C: 0.3%, Cu: 3.5%)에서, 단조 압력만을 2.5~10ton/㎠의 범위에서 여러 가지 변경하고, 그 외의 조건은 상기 실시예 2와 동일한 조건에서 분말 단조 부재의 시험편을 제작하여, 피로 한도에 미치는 분말 단조 부재의 상대 밀도의 영향을 조사하였다. 또, 피로 한도의 측정에 더불어 시험편의 HRB 경도도 측정하였다. 시험 결과를 표 4에 나타낸다.

상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 이론 밀도에 대한 상대 밀도가 97% 이상으로 되면 피로 한도가 325㎫ 이상을 확보할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 4

(피삭성 개선재의 영향)

다음으로, 상기 실시예 3과 동일하게, 실시예 2의 시험편 No. 218과 동일한 성분 조성(C: 0.3%, Cu: 3.5%)에서, 여러 가지의 피삭성 개선재를 그 첨가량을 변경하여 첨가하고, 그 외의 조건은 상기 실시예 2와 동일한 조건에서 분말 단조 부재의 시험편을 제작하여, 피삭성에 미치는 영향을 조사하였다. 피삭성은, 직경 5㎜의 SKH 드릴을 이용하여 200rpm의 회전수, 0.12㎜/rev의 절삭 속도로 시험편의 표면으로부터 구멍 뚫기를 했을 때에 있어서의 스러스트력(thrust force)을 측정하여, 이것을 피삭성의 지표로서 이용하였다. 표 5에 측정 결과를 나타낸다.

표 5로부터 명백하듯이, 스러스트력은 피삭성 개선재의 첨가량의 증가와 함께 작아져, 피삭성이 개선되고 있는 것을 알 수 있다. 그러나, 피삭성 개선재의 첨가량이 0.6%를 초과하면, 어떠한 피삭성 개선재라도 피로 한도가 크게 저하되는 경향을 보인다.

실시예 5

(혼합 분말의 산소 함유량의 영향)

다음으로, 산소 함유량이 다른 철기 분말을 이용하여 혼합 분말의 산소 함유량을 변화시켜, 상기 실시예 1과 마찬가지의 조건에서 분말 단조 부재의 시험편을 제작하였다. 또, 단조 후의 C 함유량은 0.3%, Cu 함유량은 4%로 목표를 설정하고, C 함유량의 조정은 흑연 가루의 첨가량을 0.3%＋(철기 분말의 산소 함유량%－0.05%)×3/4로 함으로써 행하였다. 그리고, 이 시험편에 대하여, C 함유량과 피로 한도를 측정하여, 이들에 미치는 혼합 분말의 산소 함유량의 영향을 조사하였다.

시험 결과를 표 6에 나타낸다. 동(同) 표에 나타낸 바와 같이, 철기 분말(즉, 혼합 분말)의 산소 함유량이 0.3% 이하인 경우(시험편 No. 501~503)는 분말 단조 부재의 C 함유량이 거의 목표한 C 함유량으로 되었지만, 철기 분말(즉, 혼합 분말)의 산소 함유량이 0.3%를 초과한 경우(시험편 No. 504)는 분말 단조 부재의 C 함유량이 목표 C 함유량으로부터 크게 어긋나, 본 발명에서 규정하는 C 함유량의 적정 범위(0.2~0.4%)를 벗어나서, 피로 강도도 대폭 저하되는 것을 알 수 있다.

실시예 6

(철기 분말의 C 함유량의 영향)

다음으로, C 함유량이 다른 철기 분말을 이용하고, 흑연 가루의 첨가량을 조정함으로써 동일한 성분 조성의 혼합 분말을 제작해서, 상기 실시예 1과 마찬가지의 조건에서 성형 프리폼과 분말 단조 부재의 시험편을 제작하였다. 또, 단조 후의 C 함유량은 0.3%, Cu 함유량은 4%로 목표를 설정하였다. 그리고, 성형 프리폼 및 분말 단조 부재의 밀도와, 분말 단조 부재의 피로 한도를 측정하였다.

시험 결과를 표 7에 나타낸다. 동 표로부터 명백하듯이, 철기 분말의 C 함유량의 증가와 함께 성형 프리폼의 밀도가 저하되는 경향을 나타내고 있으며, 철기 분말의 C 함유량이 0.05%인 경우(시험편 No. 604)는, 0.05% 미만인 경우(시험편 No. 601~603)와 비교하면, 단조 후의 분말 단조 부재의 밀도는 거의 동일하지만, 피로 강도는 대폭 낮아지는 것을 알 수 있다.

Claims

혼합 분말을 예비 성형한 후에 소결하여 형성된 소결 프리폼(preform)을 고온 하에서 단조하여 이루어지는 분말 단조 부재로서,

단조 개시시에 있어서의 소결 프리폼 중의 프리(free) Cu 비율이 10% 이하임과 아울러,

단조 후의 성분 조성이 질량%로 C: 0.2~0.4%, Cu: 3~5%, Mn: 0.5% 이하(0을 포함하지 않음), 잔부 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고,

또한 페라이트율이 40~90%인 것을 특징으로 하는 피삭성 및 피로 강도가 우수한 분말 단조 부재.
제 1 항에 있어서,

이론 밀도에 대한 상대 밀도가 97% 이상인 피삭성 및 피로 강도가 우수한 분말 단조 부재.
제 2 항에 있어서,

경도가 HRC 33 이하, 편진 인장 피로 한도(partial pulsating tensile fatigue limit)가 325㎫ 이상인 피삭성 및 피로 강도가 우수한 분말 단조 부재.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

MnS, MoS₂, B₂O₃ 및 BN으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 피삭성 개선재가 합계량으로 0.05~0.6질량% 포함되는 피삭성 및 피로 강도가 우수한 분말 단조 부재.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 분말 단조 부재를 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 파단 분할형 커넥팅 로드(connecting rod).
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 분말 단조 부재의 원료로서 사용되는 혼합 분말로서, 윤활제를 제외한 부분의 성분 조성이 질량%로 C: 0.1~0.5%, Cu: 3~5%, Mn: 0.4% 이하(0을 포함하지 않음), O: 0.3% 이하, 잔부 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 분말 단조용 혼합 분말.
제 6 항에 있어서,

질량%로 C: 0.05% 미만, O: 0.3% 이하, 잔부 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 철기(鐵基) 분말에, 흑연 가루와, 구리 가루와, 윤활제를 첨가하여 이루어지는 분말 단조용 혼합 분말.
제 4 항에 기재된 분말 단조 부재의 원료로서 사용되는 혼합 분말로서, 윤활제를 제외한 부분의 성분 조성이 질량%로 C: 0.1~0.5%, Cu: 3~5%, Mn: 0.4% 이하(0 을 포함하지 않음), O: 0.3% 이하를 포함하고, 또한 MnS, MoS₂, B₂O₃ 및 BN으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 피삭성 개선재를 합계량으로 0.05~0.6질량% 포함하며, 잔부 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 분말 단조용 혼합 분말.
제 8 항에 있어서,

질량%로 C: 0.05% 미만, O: 0.3% 이하, 잔부 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 철기 분말에, 흑연 가루와, 구리 가루와, MnS, MoS₂, B₂O₃ 및 BN으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 피삭성 개선재와, 윤활제를 첨가하여 이루어지는 분말 단조용 혼합 분말.
제 6 항 또는 제 7 항에 기재된 분말 단조용 혼합 분말을 예비 성형한 후에 소결하여 소결 프리폼을 형성하는 성형 소결 공정과,

이 소결 프리폼을 고온 하에서 단조하여 분말 단조 부재를 형성하는 단조 공정

을 구비한 것을 특징으로 하는 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 피삭성 및 피로 강도가 우수한 분말 단조 부재의 제조 방법.
제 7 항 또는 제 8 항에 기재된 분말 단조용 혼합 분말을 예비 성형한 후에 소결하여 소결 프리폼을 형성하는 성형 소결 공정과,

이 소결 프리폼을 고온 하에서 단조하여 분말 단조 부재를 형성하는 단조 공정

을 구비한 것을 특징으로 하는 제 4 항에 기재된 피삭성 및 피로 강도가 우수한 분말 단조 부재의 제조 방법.