KR20090058546A

KR20090058546A - 야금 분말 조성물, 및 제조 방법

Info

Publication number: KR20090058546A
Application number: KR1020097006995A
Authority: KR
Inventors: 올라 베르그만; 폴 더드필드 누션
Original assignee: 회가내스 아베
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2009-06-09
Also published as: PL2066823T3; JP5461187B2; JP2010504425A; WO2008034614A1; US8231702B2; EP2066823A1; EP2066823B1; KR101499707B1; US20090252639A1

Abstract

본 발명은, 높은 내마모성을 갖는 압축되고 소결된 성분을 생산하는데 적합한, 어닐링되고 사전 합금화되고 물 분무된 철 기재 분말에 관한 것이다. 상기 철 기재 분말은 15 내지 30중량%의 Cr; 각각 0.5 내지 5중량%의, Mo, W 및 V 중 하나 이상; 및 0.5 내지 2중량%, 바람직하게는 0.7 내지 2중량% 및 가장 바람직하게는 1 내지 2중량%의 C를 포함한다. 상기 분말은 10중량% 미만의 Cr을 포함하는 매트릭스르 가지며, 큰 크롬 카바이드를 포함한다. 본 발명은 또한 상기한 철 기재 분말을 생산하는 방법에 관한 것이다.

Description

야금 분말 조성물, 및 제조 방법{METALLURGICAL POWDER COMPOSITION AND METHOD OF PRODUCTION}

본 발명은 철 기재 분말에 관한 것이다. 특히 본 발명은 내마모성 제품의 생산에 적합한 분말에 관한 것이다.

높은 내마모성을 갖는 제품은 광범위하게 사용되며 기존 제품과 동등하거나 그보다 더 우수한 성능을 가진 덜 고가인 제품이 계속적으로 요구되고 있다.

높은 내마모성을 갖는 제품의 제조는, 예를 들어 카바이드 형태의 탄소를 포함하는 분말, 예컨대 철 또는 철 기재의 분말에 기초하고 있다.

일반적으로, 카바이드는 매우 경질이며, 높은 융점의, 다수의 용도에서 높은 내마모성을 부여하는 특성을 갖는다. 이러한 내마모성은 종종 카바이드가, 높은 내마모성을 요하는 강, 예를 들어 고속도 강(high speed steels: HSS)으로 된 성분, 예컨대 드릴, 선반, 밸브 시트 등에 대한 강으로서 바람직하게 만든다.

높은 내마모성을 갖는 종래의 철 기재 분말의 예는 예를 들어, 카바이드가 미세하게 분산되어 있는 툴(tool) 강 분말을 포함하는 분말 혼합물에 관한 미국 특허 제 6,679,932호, 및 스테인레스 강 분말에 관한 미국 특허 제 5,856,625호에 개시되어 있다.

W, V, Mo, Ti 및 Nb는 이들 원소를 특히 내마모성 제품의 생산에 관심갖도록 만드는 강력한 카바이드 형성 원소이다. Cr은 다른 카바이드 형성 원소이다. 그러나, 이러한 종래의 카바이드 형성 금속의 대부분은 고가이며 부적절한 높은 가격의 제품을 형성시킨다. 따라서, 분말 야금 산업 내에서는, 밸브 시트 등을 위한 것과 같은 압축되고 소결된 제품에 충분한 내마모성을 제공하는, 덜 고가인 철 기재 분말, 또는 고속도 강에 대한 요구가 존재한다.

크롬이, 높은 내마모성을 지닌 통상적인 분말 및 경질 상에 사용된 그러한 다른 금속보다 훨씬 더 저가이고 더욱 용이하게 입수가능한 카바이드 형성 금속이기 때문에, 주요 카바이드 형성 금속으로 크롬을 사용할 수 있게 하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 맥락에서, 분말 및 이에 따라 압축된 제품은 더욱 저가로 생산될 수 있다.

표준 고속도 강의 카바이드는 대개 매우 작으나, 본 발명에 따르면, 예를 들어 밸브 시트 용도를 위한 동등하게 유리한 내마모성을 갖는 분말이, 만약 카바이드가 충분히 크다면 주 카바이드 형성 금속으로서 크롬을 사용하여 얻어질 수 있음이 예상치 못하게 새로이 발견되었다.

발명의 개요

따라서, 본 발명의 과제는 높은 내마모성을 갖는 분말 야금 제품을 제조하기 위한 저가의 철 기재 분말을 제공하는 것이다.

이 과제, 및 하기 논의로부터 자명한 다른 과제는 본 발명에 따라, 15 내지 30중량%의 Cr, 각각 0.5 내지 5중량%의, Mo, W 및 V 중 하나 이상, 및 0.5 내지 2 중량%, 바람직하게는 0.7 내지 2중량% 및 가장 바람직하게는 1 내지 2중량%의 C를 포함하는 어닐링되고 사전 합금화되고 물 분무된 철 기재 분말로서, 이 철 기재 분말이 10중량% 미만의 Cr을 포함하는 매트릭스를 가지며 큰 크롬 카바이드를 포함하는 철 기재 분말을 통해 달성된다.

15 내지 30중량% 범위 내의 Cr 함량이 적당한 타입, 크기 및 경도의 충분량의 카바이드를 형성하는 것으로 확인되었으나, 18중량% 또는 그 초과의 Cr 함량이 이 효과를 추가로 증대시키고, 특히 많은 양의 적당한 타입, 크기 및 경도의 카바이드를 야기시킴이 확인되었다. 따라서, 몇몇의 구체예에서, 어닐링되고 사전 합금화되고 물 분무된 철 기재 분말은 18 내지 30중량%의 Cr을 포함한다.

몇몇의 구체예에서, 어닐링되고 사전 합금화되고 물 분무된 철 기재 분말은 15 내지 30중량%의 Cr, 0.5 내지 5중량%의 Mo, 및 1 내지 2중량%의 C를 포함한다.

본 발명에 따르면, 상기 과제를 달성하는 이러한 신규 분말은 15 내지 30중량%의 Cr, 0.5 내지 5중량%의 Mo, W 및 V 중 하나 이상, 및 0.5 내지 2중량%, 바람직하게는 0.7 내지 2중량%, 및 가장 바람직하게는 1 내지 2중량%의 C를 포함하는 철 기재 용융물을 물 분무하여 철 기재 분말 입자를 얻는 단계, 및 이 분말 입자를 입자 내에서 큰 카바이드를 얻기에 충분한 온도에서 충분한 시간 동안 어닐링시키는 것을 포함하는 철 기재 분말의 생산 방법을 통해 얻어질 수 있다.

바람직한 구체예에서, 900 내지 1100℃ 범위 내의 온도, 및 15 내지 72시간 범위 내의 어닐링 시간이 입자 내에서 목적하는 카바이드를 얻는데 충분함이 확인되었다.

몇몇의 구체예에서, 철 기재 용융물은 18 내지 30중량%의 Cr을 포함한다.

몇몇의 구체예에서, 철 기재 용융물은 15 내지 30중량%의 Cr, 0.5 내지 5중량%의 Mo, 및 1 내지 2중량%의 C를 포함한다.

본 발명의 사전 합금화된 분말은 15 내지 30중량%, 바람직하게는 18 내지 25중량%의 크롬; 각각 0.5 내지 5중량의, 몰리브데늄, 텅스텐 및 바나듐 중 하나 이상; 0.5 내지 2중량%, 바람직하게는 0.7 내지 2중량%, 및 가장 바람직하게는 1 내지 2중량%의 탄소; 잔여 중량%의 철, 임의적인 다른 합금 원소 및 불가피하게 유입되는 불순물을 함유한다.

상기한 사전 합금화된 분말은 예컨대 최대 3중량%의 텅스텐, 최대 3중량%의 바나듐, 및 최대 2중량%의 실리콘과 같은 다른 합금 원소를 임의로 포함할 수 있다. 다른 합금 원소 또는 첨가제가 또한 임의로 포함될 수 있다. 일 구체예에서, 사전 합금화된 분말은 최대 2중량%의 실리콘을 포함한다.

특히 매우 고가의 카바이드 형성 금속인 니오븀 및 티타늄은 본 발명의 분말에는 필요치 않음이 주목되어야 한다.

사전 합금화된 분말은 바람직하게는 40 내지 100 ㎛, 바람직하게는 약 80㎛ 범위 내의 평균 입도를 갖는다.

바람직한 구체예에서, 사전 합금화된 분말은 20 내지 25중량%의 Cr, 1 내지 2중량%의 Mo, 1 내지 2중량%의 W, 0.5 내지 1.5중량%의 V, 0.2 내지 1중량%의 Si, 1 내지 2중량%의 C 및 잔여 중량%의 Fe, 또는 20 내지 25중량%의 Cr, 2 내지 4중량%의 Mo, 1 내지 2중량%의 C, 및 잔여 중량%의 Fe로 구성된다.

다른 바람직한 구체예에서, 사전 합금화된 분말은 19 내지 23중량%의 Cr, 1 내지 2중량%의 Mo, 1.5 내지 3.5중량%의 W, 0.5 내지 1.5중량%의 V, 0.2 내지 1중량%의 Si, 1 내지 2중량%의 C 및 잔여 중량%의 Fe, 또는 20 내지 25중량%의 Cr, 2 내지 4중량%의 Mo, 1 내지 2중량%의 C, 및 잔여 중량%의 Fe로 구성된다.

본 발명의 분말의 카바이드는 바람직하게는 8 내지 45㎛, 더욱 바람직하게는 8 내지 30㎛ 범위 내의 평균 크기를 지니며, 바람직하게는 전체 분말의 20 내지 40부피%를 구성한다.

카바이드가 불규칙한 형태를 갖기 때문에, 현미경으로 측정된 가장 긴 신장부분(extension)이 "크기"로 의도된다.

다른 유형의 큰 카바이드가 적합할 수 있지만, 몇몇의 구체예에서 본 발명의 분말의 큰 카바이드는 M₂₃C₆-타입(M = Cr, Fe, Mo, W)의 것이며, 즉 주요한 카바이드 형성 원소로서 Cr 이외에도 Fe, Mo 및 W 중 하나 또는 그 초과의 원소가 존재할 수 있다. 큰 카바이드는 또한 상기 특정된 카바이드 형성 원소 이외의 것을 소량으로 함유할 수 있다.

이러한 큰 카바이드를 얻기 위해서, 사전 합금화된 분말에 바람직하게는 진공 하에서 연장된 어닐링을 실시한다. 상기 어닐링은 바람직하게는 900 내지 1100℃ 범위 내, 가장 바람직하게는 약 1000℃에서 수행되는데, 상기 온도에서 사전 합금화된 분말의 크롬이 탄소와 반응하여 크롬 카바이드를 형성한다.

어닐링 동안에, 새로운 카바이드가 형성되어 성장하고, 기존 카바이드는 크롬과 탄소 간의 반응을 통해 계속하여 성장한다. 어닐링은 바람직하게는 15 내지 72시간, 더욱 바람직하게는 48 초과의 시간 동안 지속되어 목적하는 크기의 카바이드가 수득된다. 어닐링 지속 기간이 길면 길수록 카바이드 그레인(carbide grain)이 더욱 크게 성장한다. 그러나, 어닐링은 다량의 에너지를 소비하며 장기간 계속될 경우 생산 흐름에 장애가 생길 수 있다. 따라서, 약 20 내지 30㎛의 평균 카바이드 그레인 크기가 적절할 수 있지만, 우선순위에 따라 다르나 평균 카바이드 그레인 크기가 약 10㎛이면 어닐링을 더욱 일찍 종결시키는 것이 경제적인 관점에서 더욱 편리할 수 있다.

어닐링 온도로부터, 바람직하게는 12시간 초과의 매우 완속의 냉각이 적용된다. 완속 냉각은, 더욱 많은 양의 카바이드가 더욱 낮은 온도에서 열역학적으로 안정하기 때문에 카바이드를 추가로 성장시킬 수 있을 것이다. 완속 냉각은 또한 매트릭스가 철을 함유하도록 할 것인데, 이는 분말의 압축성(compressibility)에 있어서 중요하다.

분말을 어닐링하는 것은 또한 카바이드의 성장 이외에 다른 이점을 갖는다.

어닐링 동안 매트릭스 그레인이 성장하며, 물 분무의 결과로 얻어진 분말 입자의 고유 응력이 완화된다. 이러한 요인은 분말을 덜 경질을 띠게 하고 압축을 더욱 용이하게 하는데, 예를 들어 분말이 더욱 큰 압축성을 띠게 된다.

어닐링 동안, 분말의 탄소 및 산소 함량은 조정될 수 있다. 산소 함량을 낮게 유지하는 것이 대개 바람직하다. 어닐링 동안 탄소는 산소와 반응하여 이산화탄소 가스를 형성하는데, 이는 분말의 산소 함량을 감소시킨다. 사전 합금화된 분말 자체 내에 충분한 탄소가 존재하지 않으면, 형성되는 카바이드 및 감소되는 산소 함량 모두에 있어서 흑연 분말 형태의 추가 탄소가 어닐링을 위해 제공될 수 있다.

사전 합금화된 분말 중 다량의 크롬이 어닐링 동안 매트릭스로부터 카바이드로 이동하기 때문에, 생성되는 어닐링된 분말의 매트릭스는 매트릭스의 10중량% 미만, 바람직하게는 9중량% 미만 및 가장 바람직하게는 8중량% 미만의 용해된 크롬 함량을 갖는데, 이를 이유로 상기 분말은 녹슬지 않는다.

분말의 매트릭스 조성은 소결 동안에 페라이트(ferrite)가 오스테나이트(austenite)로 변형되도록 설계된다. 이에 의해, 오스테나이트가 소결 후 냉각 시에 마르텐사이트(martensite)로 변형될 수 있다. 마르텐사이트 매트릭스 내의 큰 카바이드는 압축되고 소결된 성분의 양호한 내마모성을 제공할 것이다.

본 발명의 분말의 카바이드의 주요 부분이 크롬 카바이드라 하더라도, 몇몇의 카바이드는 또한 사전 합금화된 분말 내의 다른 카바이드 형성 화합물, 예컨대 상기 언급된 몰리브데늄, 텅스텐 및 바나듐에 의해 형성될 수도 있다.

본 발명의 어닐링된 분말은 압축 및 소결 전에 다른 분말 성분, 예컨대 다른 철 기재 분말, 흑연, 증발성 윤활제, 고체 윤활제, 기계가공성(machinability) 증진제 등과 혼합되어 높은 내마모성을 지닌 제품을 생산할 수 있다. 예를 들어, 순수한 철 분말 및 흑연 분말, 또는 스테인레스 스틸 분말과 본 발명의 분말을 혼합할 수 있다. 압축을 용이하게 한 후에 소결 동안 증발되는 윤활제, 예컨대 왁스, 스테아레이트, 금속 소프(soap) 등과, 소결된 제품의 사용 동안 마찰을 감소시키고 또한 이의 기계가공성을 증진시킬 수 있는 고체 윤활제, 예컨대 MnS, CaF₂, MoS₂이 첨가될 수 있다. 또한 다른 기계가공성 증진제, 및 분말 야금 분야의 다른 통상적인 첨가제가 첨가될 수 있다.

도 1은 A3 기재의 시험 물질의 미세구조를 나타낸다.

도 2는 M3/2 기재의 시험 물질의 미세구조를 나타낸다.

실시예 1

21.5중량% Cr, 1.5중량%의 Mo, 1.5중량%의 W, 1중량%의 V, 0.5중량%의 Si, 1.5중량%의 C 및 잔여 중량%의 Fe의 용융물(melt)을 물 분무시켜 사전 합금화된 분말을 형성시켰다. 수득된 분말을 후속하여 1000℃에서 약 48시간 동안 진공 어닐링시켰는데, 총 어닐링 시간은 약 60시간이었으며, 이후 분말 입자는 페라이트 매트릭스 내에 약 10㎛의 평균 크레인 크기의 크롬 카바이드를 약 30부피%로 함유하였다.

실시예 2

21.5중량% Cr, 3중량%의 Mo, 1.5중량%의 C 및 잔여 중량%의 Fe의 용융물을 물 분무시켜 사전 합금화된 분말을 형성시켰다. 수득된 분말을 후속하여 1000℃에서 약 48시간 동안 진공 어닐링시켰는데, 총 어닐링 시간은 약 60시간이었으며, 이 후 분말 입자는 페라이트 매트릭스 내에 약 10㎛의 평균 크레인 크기의 크롬 카바이드를 약 30부피%로 함유하였다.

실시예 3

21.0중량% Cr, 1.5중량%의 Mo, 2.5중량%의 W, 1중량%의 V, 0.5중량%의 Si, 1.6중량%의 C 및 잔여 중량%의 Fe의 용융물을 물 분무시켜 사전 합금화된 분말을 형성시켰다. 수득된 분말을 후속하여 1000℃에서 약 48시간 동안 진공 어닐링시켰는데, 총 어닐링 시간은 약 60시간이었으며, 이후 분말 입자는 페라이트 매트릭스 내에 약 10㎛의 평균 크레인 크기의 크롬 카바이드를 약 30부피%로 함유하였다.

수득된 분말(이후, 이것을 A3으로 지칭함)을 0.5중량%의 흑연 및 0.75중량%의 증발성 윤활제와 혼합하였다. 상기 혼합물을 700 MPa의 압력에서 시험 바(test bars)로 압축하였다. 얻어진 샘플을 1120℃의 온도 및 90N₂/10H₂의 분위기에서 소결하였다. 소결시킨 후에, 샘플을 액체 질소 중에서 극저온 냉각시키고 나서 550℃에서 템퍼링(tempering)하였다.

공지된 HSS 분말 M3/2 기재의 유사 혼합물을 제조하고, 상기 기술된 것과 동일한 과정을 이용하여 시험 바를 생성하였다.

시험 바에 비커스 방법(Vickers method)에 따라 경도 시험을 실시하였다. 고온 경도를 3개의 상이한 온도(300/400/500℃)에서 시험하였다. 그 결과가 하기 표에 요약되어 있다:

혼합물 중 분말	다공율 (%)	HV0.025	HV5	고온 경도 (HV5)
혼합물 중 분말	다공율 (%)	HV0.025	HV5	300℃	400℃	500℃
A3	23	825	356	286	256	268
M3/2	17	836	415	363	326	267

A3 시험 물질의 미세구조(도 1 참조)는 마르텐사이트 매트릭스 내의 다수의 큰 카바이드로 구성되는 반면, 기준 물질은 마르텐사이트 매트릭스 내에 훨씬 더 작은 카바이드를 지닌 미세구조를 갖는다(도 2 참조).

A3 물질은 M3/2 물질보다 약간 더 큰 다공율을 갖는데, 이는 두 물질에 대한 미세경도값(HV0.025)이 거의 동일하다 하더라도 A3 경도 값(HV5)이 M3/2에 대한 경도값보다 더 낮은 이유를 설명한다. PM VSI 성분의 생산에서, 다공은 소결 동안의 구리 침투에 의해 정상적으로 제거되며, 이에 따라 상기 효과는 무시될 수 있다. 이러한 측면에서, A3 물질의 경도값은 기준 M3/2 물질의 경도값에 필적하며, 이는 상기 물질이 필적할만한 내마모성을 가져야 함을 잘 보여준다. 특히, 고온에서 경도를 유지하는 것은 VSI 적용에서의 내마모성에 있어 중요하다. 고온 경도 시험 결과로부터, A3 물질이 이러한 요건을 충족함을 알 수 있다.

실시예 4

21.5중량% Cr, 3중량%의 Mo, 1.5중량%의 C 및 잔여 중량%의 Fe의 용융물을 물 분무시켜 사전 합금화된 분말을 형성시켰다. 수득된 분말을 후속하여 1000℃에서 약 48시간 동안 진공 어닐링시켰는데, 총 어닐링 시간은 약 60시간이었으며, 이후 분말 입자는 페라이트 매트릭스 내에 약 10㎛의 평균 크레인 크기의 크롬 카바이드를 약 30부피%로 함유하였다.

실시예 3에서와 동일한 방식으로 이 분말을 가공하고, 0.5중량%의 흑연 및 0.75중량%의 증발성 윤활제와 혼합하여 시험 바를 생성하였는데, 이는 도 1에 도시된 미세구조와 매우 유사한 미세구조를 나타냈다.

Claims

어닐링되고 사전 합금화되고 물 분무된(annealed pre-alloyed water-atomised) 철 기재 분말로서,

15 내지 30중량%의 Cr; 각각 0.5 내지 5중량%의, Mo, W 및 V 중 하나 이상; 및 0.5 내지 2중량%, 바람직하게는 0.7 내지 2중량% 및 가장 바람직하게는 1 내지 2중량%의 C를 포함하며, 상기 철 기재 분말이 10중량% 미만의 Cr을 포함하는 매트릭스를 지니며 큰 크롬 카바이드를 포함하는 철 기재 분말.
제 1항에 있어서, 18 내지 25중량%의 Cr을 포함하는 철 기재 분말.
제 1항에 있어서,

15 내지 30중량%의 Cr;

0.5 내지 5중량%의 Mo; 및

1 내지 2중량%의 C를 포함하는 철 기재 분말.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 평균 크기 8 내지 45㎛의 카바이드를 포함하는 철 기재 분말.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 평균 크기 8 내지 30㎛의 카바 이드를 포함하는 철 기재 분말.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 20 내지 40부피%의 카바이드를 포함하는 철 기재 분말.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 매트릭스가 녹슬지 않는(stainless) 철 기재 분말.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 분말이 0 내지 3중량의 W, 0 내지 3중량%의 V 및 0 내지 2중량%의 Si를 추가로 포함하는 철 기재 분말.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 분말이 0 내지 2중량%의 Si를 추가로 포함하는 철 기재 분말.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 중량 평균 입도가 40 내지 100㎛인 철 기재 분말.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 20 내지 25중량%의 Cr, 1 내지 2중량%의 Mo, 1 내지 2중량%의 W, 0.5 내지 1.5중량%의 V, 0.2 내지 1중량%의 Si, 1 내지 2중량%의 C, 및 잔여 중량%의 Fe로 구성되는 철 기재 분말.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 19 내지 23중량%의 Cr, 1 내지 2중량%의 Mo, 1.5 내지 3.5중량%의 W, 0.5 내지 1.5중량%의 V, 0.2 내지 1중량%의 Si, 1 내지 2중량%의 C, 및 잔여 중량%의 Fe로 구성되는 철 기재 분말.
제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 20 내지 25중량%의 Cr, 2 내지 4중량%의 Mo, 1 내지 2중량%의 C, 및 잔여 중량%의 Fe로 구성되는 철 기재 분말.
철 기재 분말의 생산 방법으로서,

15 내지 30중량%의 Cr, 각각 0.5 내지 5중량%의, Mo, W 및 V 중 하나 이상, 및 0.5 내지 2중량%, 바람직하게는 0.7 내지 2중량%, 및 가장 바람직하게는 1 내지 2중량%의 C를 포함하는 철 기재 용융물을 물 분무시켜 철 기재 분말 입자를 수득하는 단계; 및

상기 분말 입자를, 입자 내에서 큰 카바이드를 얻기에 충분한 온도에서 충분한 시간 동안 어닐링시키는 단계를 포함하는 방법.
제 14항에 있어서, 철 기재 용융물이 18 내지 25중량%의 Cr을 포함하는 방법.
제 14항에 있어서, 철 기재 용융물이

15 내지 30중량%의 Cr;

0.5 내지 5중량%의 Mo; 및

1 내지 2중량%의 C를 포함하는 방법.