KR20120102915A

KR20120102915A - 온간다이 고 밀도 성형후 소결경화된 분말금속부품의 제조방법

Info

Publication number: KR20120102915A
Application number: KR1020110020806A
Authority: KR
Inventors: 조영철; 강병찬; 김문태
Original assignee: (주)씬터온
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2012-09-19

Abstract

본 발명은 그라파이트 형태의 무기탄소(inorganic carbon), 크롬(chromium), 몰리브덴(molybdenum) 및 잔량으로서의 철(iron)의 집합체로 구성된 분말금속으로부터 고압의 펌프에 적용되는 파워 스티어링 베인로터(vane rotor), 캠링(cam ring) 등과 같이 우수한 내마모성과 강성을 요구하는 분말금속부품을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 분말금속을 이용하여 분말금속부품을 제조함에 있어서, 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서, 0.10 내지 1.00중량%의 무기탄소, 2.00 내지 4.00중량%의 크롬, 0.10 내지 1.00중량%의 몰리브덴 및 잔량으로서 철을 포함하는 분말금속 100중량부를 기준으로 여기에 윤활제(lubricant)로서 0.10 내지 1.00중량부의 유기탄소를 더 혼합시켜 성형혼합물을 준비하고, 이를 50 내지 70의 온도범위로 가열된 다이에 투입, 압축하여 고밀도 성형체를 만든 후, 소결경화(sinter hardening)과정을 통하여 고강도, 내마모성 분말금속부품을 제조하는 방법이 제공된다.

Description

온간다이 고 밀도 성형후 소결경화된 분말금속부품의 제조방법 {Manufacturing method of sinter hardened after warm die compacting with high density for powder metal machine part}

본 발명은 야금(metallurgy) 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 그라파이트(graphite) 형태의 무기탄소(inorganic carbon), 크롬(chromium), 몰리브덴(molybdenum) 및 잔량으로서의 철(iron)의 집합체로 구성된 분말금속으로부터 고밀도 및 고정밀도를 확보하기 위해 베인로터(vane rotor), 캠링(cam ring) 등과 같이 우수한 강성과 내마모성을 요구하는 분말금속부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

내마모성 및 강도를 높이기 위한 종래 기술들의 문제점들을 요약하면 다음과 같다.

분말야금(powder metallurgy) 산업에서 재료의 밀도를 높여 강성을 확보하기 위한방법으로 분말단조(powder forging), DPDS(double pressing double sintering), 온간성형(warm compaction)등 다양한 방법으로 시도되어 현재 많은 부품들이 생산되어지고 있다. 분말단조는 열간 상태에서 소결체를 재가압하여 진밀도(full density)를 확보하기 위한 방법으로 커넥팅로드와 같은 피로 특성을 요구하는 제품군에 적용 중에 있으나, 성형, 소결, 단조 설비를 연속라인으로 설치해야 하며, 해당 설비를 외국에서 수입해서 사용해야 하는 단점이 있다. 도 1의 DPDS 및 온간성형은 철계 분말야금 산업에 있어 분말단조와 같이 진밀도를 구현할 수 없으나, 높은 인장강도 및 인장항복강도를 요구하는 반면 낮은 피로강도를 요구하는 스프라켓(sprocket), 파워스티어링 펌프 로터(rotor)와 같은 제품군에 적용 생산 되고 있다. 첫째 DPDS는 예비성형(pre compaction), 예비소결(pre sintering), 재가압(repressing), 본소결(sintering)의 공정 순서로 구성 되어 있어 공정간 치수 변화율 등의 품질 관리가 어려우며, 예비 소결 후 냉간 상태에서 재가압 시 가압량이 전체 높이의 3 내지 5% 수준으로 상당히 높아 금형 마모 및 파손 등의 이차적인 문제가 빈번하게 발생된다. 두 번째로 온간성형은 DPDS와 같은 복잡한 공정 구성은 아니지만 최초 성형 단계에서 성형 다이와 펀치, 원재료 중간 저장소인 호퍼에 열선이 장착 되어져 일정시간 동안 금형(tool)과 원재료를 가열해야하는 단점이 있다. 2006년 3월 23일 등록(10-0566070) 된 특허를 인용하면 금형과 분말의 가열 온도는 통상적으로 130 내지 150 범위에서 실시되고 있으며, 가열 후 분말의 온도는 100 내지 125 수준이다. 또한 상기 윤활제는 통상적으로 윤활제는 약 70중량% 폴리에스테르(불포화 폴리에스테르, 방향족 폴리에스테르, 부분방향족 폴리에스테르)와 약 30중량%의 스테아린산 계열로 구성되어 있으며, 이 윤활제는 150 내지 160의 최대 융점을 가지고 있다. 즉, 상기 온간성형용 윤활제는 최대 융점이 150 내지 160 이며, 가열장치로 130 내지 150의 온도로 가열 시 분말의 온도는 100 내지 125이고 성형 가압 시 발생되는 외부 압력(6 내지 8ton/)에 의해 실제 용융점보다 낮은 온도에서 반용융(준 액상) 상태가 되어 분말과 분말 사이에, 금형과 분말 사이에 균질하게 분포되어 성형 시 윤활제에 의한 반발력을 최소화 할 수 있다. 후속하여 동시에 금형을 가열하는 이유는 전 단계에서 가열된 윤활제의 상태를 성형 가압 완료 시점까지 지속 유지하기 위함이다. 중간 저장소에 위치한 분말을 가열 시 장치의 온도가 130 보다 낮을 경우 분말의 온도는 낮아져 성형 시 성형압에 의한 외부 압력이 발생 되어도 반용융(준액상) 상태가 되지 않아 예비성형체의 밀도를 높이는데 있어 윤활제의 반발력으로 인해 제한이 있으며, 가열 장치의 온도가 150 보다 높을 경우 금형 투입, 성형 가압 전 반용융(준 액상) 상태가 되어 윤활제간 뭉침(agglomeration)현상이 발생, 소결 시 탈윤활(dewaxing) 되는 과정에서 거대 기공이 잔류 될 수 있는 치명적인 결함을 가지고 있다. 이 거대 기공은 분말 야금 제품의 기계적 물성을 저하시키는 결함으로 작용된다.

통상적으로 금속 제품의 열처리는 침탄열처리와 고주파열처리로 대별될 수 있으나, 도 3a의 침탄열처리는 전면 열처리 후 냉각 시 급속냉각(quenching, 20/초)이 요구되며, 이러한 급속냉각으로 인하여 열 변형에 의한 변태(뒤틀림)를 유발시켜 불량률을 증가시키고, 급속냉각을 위한 물의 사용에 의해 증기(fume)가 발생하여 대기오염 및 작업환경의 악화, 작업자의 건강에의 유해성 등의 문제점이 있으며, 고주파열처리는 고합금 재질이 사용되며, 부분열처리를 실시하나, 역시 열처리 후, 급속냉각 시 역시 변태(뒤틀림)를 유발시켜 불량률을 증가시키고, 급속냉각을 위한 물의 사용에 의해 증기가 발생하여 대기오염 및 작업환경의 악화, 작업자의 건강에의 유해성 등의 문제점이 있으며, 급속냉각에서와 같이 물에 의한 냉각이 아닌 질소가스의 분사에 의한 완속냉각(2/초)은 소정의 강도(strength) 및 내마모성의 달성이 불가능하다는 단점이 있다. 도 3a에서 고온부는 30 내지 60분간 1,120 내지 1,150의 온도로 유지되는 부분이고, 냉각속도는 0.5 내지 0.7/초의 범위 이내이며, A부분은 급냉을 나타내는 구간으로서, 급냉(유냉) 시 소재의 뒤틀림(twist)이 심하여 품질문제가 다량 발생할 수 있는 구간이며, 침탄열처리 구간은 가열 후 급냉시키는 구간으로서 여기에서의 냉각속도는 20/초 이상이고, 뜨임구간은 180에서 60분간 뜨임처리를 수행하는 구간으로서 마르텐사이트 변태 시 내부에 집중된 응력을 제거한다.

또한, 도 3b의 소결경화(sinter hardening)는 전체 부위를 경화시키는 배치 열처리(batch heat-treating) 또는 국부적으로 경화시키는 유도열처리 경화(induction heat hardening)와 같은 종래의 열처리 과정 없이 마르텐사이트(martensite) 및 약간의 베이나이트(bainite)를 생산하기 위해 이용되는 공정이다. 소결경화 공정은 마르텐사이트 변태(martensite transformation)를 하기위해 소결로(sinter furnace) 고온부 끝에 급랭장치(Rapid cooling system)를 설치하여 A₁변태점에서 M_S까지 콤팩트를 빠르게 냉각하는 단계를 포함한다. 이때 사용되는 가스는 소결로에서 보호 가스로 사용하고 있는 질소(N₂)를 강제 순환 및 냉각시켜 사용하고 있다. 도 3b에서 고온부는 10 내지 30분간 1,100 내지 1,140의 온도로 유지되는 부분이고, 냉각속도는 1 내지 3/초의 범위 이내이며, 뜨임구간은 180에서 60분간 뜨임처리를 수행하는 구간으로서 마르텐사이트 변태 시 내부에 집중된 응력을 제거한다.

소결경화는 종래의 제품을 경화시키는 방법을 삭제하여 간단한 공정과 원가절감을 가능하게 하면서 종래의 배치(batch) 열처리와 유도열처리 경화(induction hardening) 시 발생되는 제품의 뒤틀림으로 인한 고질적인 품질 문제를 개선하여 높은 품질을 얻을 수 있도록 한 경화방법의 일종이다.

예를 들어, 도 6의 베인로터는 베인펌프(vane pump) 등과 같은 유압펌프에서 사용되는 핵심적인 기계요소의 하나로서, 회전자(回轉子:rotor) 부분이 들어 있는 케이싱 속에 여러 장의 날개(베인)를 설치하여 회전시켜 유체를 흡입하고 송출하는 펌프이다. 회전자는 반지름 방향이거나 그보다 더 경사진 방향으로 4 내지 12개의 홈이 같은 간격으로 파여 있으며, 이 홈에 날개가 들어 있다. 이것은 회전자가 회전할 때 홈 안에서 왕복운동을 한다. 흡입구 쪽에서 가까운 날개 사이로 들어온 유체는 이 날개와 케이싱과 회전자로 이루어진 공간에 담겨져서 회전운동으로 송출구로 보내진다. 이때 날개 끝부분과 회전자의 날개 또는 날개 옆부분과 케이싱 내부와의 틈으로 유체가 역류하기도 한다. 유압펌프에 많이 쓰며 전진 또는 후퇴로 속도를 바꾸거나 진행 중에 변화를 주어야 하는 공작기, 프레스 등에도 널리 사용한다. 평형형과 불평형형으로 크게 나뉘는데, 평형형은 1단펌프, 2단펌프, 2연펌프, 복합펌프, 불평형형은 가변용 베인펌프로 구분된다. 이러한 베인로터는 우수한 내마모성 및 높은 강도를 요구하는 분말금속부품의 일종이다.

금속재료에서 내마모성을 확보하기 위해서는 통상 침탄열처리 또는 고주파 열처리를 실시하여 제품의 표면 경도를 확보하게 된다.

예비 소결 단계를 포함하는 소결 경화 분말금속부품을 생산하는 수많은 방법들이 특허되어 있다.

야금 물질의 고밀도 성형은 2006년 7월 7일 국내 출원, 등록(10-0601267) 된 사일런트 체인용 스프라켓 및 그 제조방법으로 후지키 아키라 등에 의해 발표 되었다. 후지키 등은 높은 전체 밀도를 확보할 수 있고, 뛰어난 내면압성(耐面厭性)이 있는 소결 스프로켓이다. 하기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 소결합금으로 구성하여, 치부(齒剖)의 표층부를 전조(轉造: form rolling)에 의해서 상대밀도를 95% 이상으로 치밀화하여, 표면 경도를 700HV 이상으로 한다.

(1) Mo: 1.O 내지 2.O질량%를 함유하고 있는 Fe-Mo-C계 소결합금

(2) Mo: 1.0질량%를 초과하여 2.0질량% 이하, Ni: 1.0질량%를 초과하여 2.5질량% 이하를 함유하고 있는 Fe-Mo-Ni-C계 소결합금

(3) Mo: 0.3 내지 1.0질량%, Ni: 1.5질량% 이상 3.0질량% 미만, Cu: 1.0 내지 2.5질량%를 함유하고 있는 Fe-Mo-Ni-Cu-C계 소결합금

이는 윤활제 및 흑연가루를 혼합한 분말을 100 이상으로 가열하고, 120 이상으로 가열된 금형을 사용하여 압축성형을 한다는 것을 특징으로 한다.

1997년 12월 16일 등록된 분말 야금학적 수단에 의해 제조된 성형품, 특히 소결합금의 캠, 및 그의 제조방법으로 카알 라이트너(독일연방공화국)등에 의해 발표 되었다.

성형품, 특히 내열기관의 캠축용 캠은 고 마모상태를 겪는다. 그들을 마모에 대해 견딜 수 있도록 하기 위하여, 분말 야금학적 수단에 의해 제조된 소결합금으로부터 제조된다. 그 합금은 틈이 갈라진 구리를 함유하는 경화된 매트릭스를 가지며, 몰리브덴 0.5 내지 16중량%와, 구리 1 내지 20중량%와, 탄소 0.1 내지 1.5중량%, 그리고 선택적으로 총합이 최대한 5중량%인 크롬, 망간, 실리콘 및 니켈의 혼합물로 구성된다. 컴팩트의 밀도를 높이기 위해 혼합 단계에서 1 내지 20% 범위의 구리 합금량에 대한 내용을 개시하고 있다. 구리는 소결온도에서 액상으로 형성되어 기공에 침투하기가 용이하다.

야금 물질의 예비 소결은 1986년 6월 17일 등록된 캠축 제조 방법(Method for Manufacturing Camshaft)으로 우메하 등(Umeha et al., U.S. 4,595,556)에 의해 발표되었다. 우메하 등은 캠축상에 끼워지기 위한 부재를 생산하는 방법을 개시한다. 예비 소결 단계 후에, 부품은 소결 경화에 앞서 상기 축 상에 적절하게 위치될 수 있다. 컴팩트는 상기 예비 소결된 컴팩트보다 축상으로 50% 짧다.

1991년 9월 17일 등록된, 사카 등(Saka et al., U.S. 5,049,183)의 소결된 분말금속부품 및 방법(Sintered Machine Part And Method)은 제품 크기의 향상된 정밀도를 허용하는 예비 소결 단계를 포함한 우메하 등과 유사한 방법을 개시한다. 컴팩트는 상기 예비 소결을 거친 후 다시 프레스된다. 그러한 방법은 전동차(motorcars)용 동기 장치 허브(synchronizer hubs)를 생산하는데 특별히 적합하다.

1997년 8월 19일 등록된, 세이케머(Seykammer, U.S. 5,659,873)의 조인트된 캠축용 캠 생산방법(Method Of Making Producing A Cam For A Jointed Camshaft)은 예비 소결 단계를 포함한 방법을 역시 설명하고 있다. 이 방법은 조인트된 캠축용 캠을 생산하는데 이용된다. 상기 예비 소결 단계는 상기 캠이 퀀칭(quenching)과 탬퍼링(tempering) 동안 벗어날 수 있는 바람직한 윤곽으로 재가공 되게 한다.

1997년 8월 26일 등록된, 플램퍼(Plamper, U.S. 5,659,955)의 분말 금속 헬리컬 기어(Method Of Powder Metal Helical Gears)는 35이상의 헬릭스 각을 갖는 헬리컬 기어를 만들기 위해 냉간압연(冷間壓延)될 수 있는 분말 금속 블랭크(blank)를 생산하기 위해 예비 소결을 이용한다. 표준 분말 금속 압축 공정은 큰 헬릭스 각의 헬리컬 기어를 만들기 위해 이용될 수 없다.

1998년 3월 17일 등록된, 시바나스 등(Shivanath et el., U.S. 5,729,822)의 기어(Gears)는 상기 기어가 진공로(vacuum furnace)속에서 최종 열처리(final heating) 및 침탄(carburizing)에 앞서 압연되는 상기 기어를 역시 예비 소결한다.

1999년 3월 9일 등록된, 시바나스 등(Shivanath et el., U.S. 5,881,354)의 포밍(forming)을 갖는 소결된 고밀도 공정(Sintered Hi-Density Process With Forming)은 예비 소결된 컴팩트가 2차 열처리에 앞서 구상화(spheroidization)를 수행하는 고밀도 물품 형성을 위한 공정을 설명한다. 상기 구상화 단계는 상기 컴팩트를 워밍업(warming up) 및 사이징(sizing) 또는 주조(coining)하는 것을 포함한다. 이 공정은 소결된 부품의 피로 한도(fatigue endurance)를 향상시키기 위해 표면 산화를 줄인다.

마지막으로, 2000년 11월 21일 등록된, 캐들 등(Cadle et al., U.S. 6,148,685)의 2중 스프로켓/기어 구조 및 그 제조 방법(Duplex Sprocket/Gear Construction and Method of Making Same)은 스프로켓을 생산하기 위해 두 야금 분말 혼합, 하나는 티스(teeth)용 및 하나는 바디(body)용을 이용한다. 상기 두 분말 합금은 최종 제품의 국부 기능적 요구들(local functional requirements)에 맞추기 위한 특성들을 갖는다. 상기 소결된 바디는 기계 가공될 수 있다.

엔진 및 전동(transmission) 장치에서, 일부 스프로켓들은 단순한 압축으로 생산될 수 없는 다중의 치열(rows of teeth)을 갖는다. 2차 기계 가공(machining)이 요구된다. 기계 가공 후 행해진 열처리는 보통 유도 경화(induction hardening) 또는 배치(batch) 열처리이다. 상기 선행 기술은 예비 소결 단계를 포함함으로써 분말금속부품이 형성될 수 있는 제한된 방법을 다루는 반면, 더 복잡한 형상의 분말금속부품의 효율적인 제조 방법에 대한 요구가 당해 기술 분야에 있다.

본 발명은 무기탄소(inorganic carbon), 크롬(chromium), 몰리브덴(molybdenum) 및 잔량으로서의 철(iron)의 집합체로 구성된 분말금속으로부터 온간다이성형 후 소결경화를 적용하여 베인로터, 캠링 등과 같이 우수한 내마모성과 강도 및 치수 정밀도를 요구하는 분말금속부품을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 소결경화된 분말금속부품의 제조방법은, 분말금속을 이용하여 분말금속부품을 제조함에 있어서, (1) 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서, 0.10 내지 1.00중량%의 무기탄소, 2.00 내지 4.00중량%의 크롬, 0.10 내지 1.00중량%의 몰리브덴 및 잔량으로서 철을 포함하는 분말금속 100중량부를 기준으로 여기에 윤활제로서 0.10 내지 1.00중량부의 유기탄소를 더 혼합시켜 성형혼합물을 준비하는 혼합단계(mixing step); (2) 상기 혼합단계에서 수득되는 상기 성형혼합물을 50 내지 70의 온도범위로 가열된 금형에 투입하고, 7 내지 7.5ton/의 압력 하에서 압축시켜 고밀도 성형체를 수득하는 열간 압축 단계(warm die compaction step); (3) 상기 열간 압축 단계에서 수득되는 상기 성형체를 1100 내지 1140의 온도에서 10 내지 30분 동안 가열하여 소결시키는 소결단계(sintering step); (4) 상기 소결단계에서 소결된 상기 성형체를 질소 분위기 하에서 1 내지 3/초의 속도로 완속 냉각시키는 냉각단계(cooling step); 및 (5) 상기 소결체를 180 내지 200의 온도에서 60 내지 90분 동안 공기 분위기에서 풀림 처리를 수행하는 뜨임단계(tempering step);를 포함하여 이루어진다.

상기 소결경화된 분말금속부품의 제조방법에는 상기 뜨임단계에 후속하여 소결경화된 성형체를 정형하는 정형단계를 더 포함할 수 있다.

상기 뜨임단계 또는 상기 정형단계에 후속하여 상기 성형체를 2차가공하는 2차가공단계를 더 포함할 수 있다.

상기 뜨임단계, 상기 정형단계 또는 상기 2차가공단계 중 어느 한 단계에 후속하여 상기 성형체를 디버링하는 디버링단계를 더 포함할 수 있다.

상기 압축단계에서 수득되는 성형품은 7.1 내지 7.2g/의 범위 이내의 밀도를 갖도록 압축될 수 있다.

상기 성형품은 홈(groove), 홀(aperture), 톱니(sawtooth), 언더컷(undercut) 및 테이퍼된(tapered) 것으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 표면형상을 갖도록 성형될 수 있다.

상기 분말금속부품은 베인로터(vane rotor) 또는 캠링(cam ring)이 될 수 있다.

본 발명에 따르면 무기탄소(inorganic carbon), 크롬(chromium), 몰리브덴(molybdenum) 및 잔량으로서의 철(iron)의 집합체로 구성된 분말금속으로부터 고밀도 및 고정밀도를 확보하기 위해 베인로터, 캠링 등과 같이 우수한 강성과 내마모성을 요구하는 분말금속부품을 제조하는 방법이 제공되며, 또한 그러한 본 발명에 따른 방법을 이용하는 것에 의하여 베인로터 또는 캠링 등과 같이 우수한 내마모성을 요구하는 분말금속부품이 제공되는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 베인로터 및 캠링의 제조방법을 보여주는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 베인로터 및 캠링의 제조방법을 보여주는 블록도이다.
도 3a 및 도 3b들은 종래기술(도 3a)과 본 발명의 실시예에 따른 열 선도(Heat Curve)(도 3b)를 비교한 그래프들이다.
도 4는 본 발명의 제어 냉각하여 소결 경화 된 미세 조직을 보여주는 확대사진이다.
도 5는 종래 기술의 침탄 열처리 후 경화 된 미세조직을 보여주는 확대사진이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조되는 분말금속부품으로서의 베인로터 및 캠링을 나타내는 도면 대용 사진이다.
도 7a 및 도 7b들은 본 발명에 따른 베인로터(실시예) 및 비교예의 베인로터의 표면 경도(C-타입 경도)(도 7a)와 심부경도(비커스 경도)(도 7b)들를 측정한 결과를 비교한 그래프이다.
도 8은 종래기술과 비교하여, 본 발명에 적용된 윤활제의 열량 분석 결과들을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 소결경화된 분말금속부품의 제조방법은, 분말금속을 이용하여 분말금속부품을 제조함에 있어서, (1) 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서, 0.10 내지 1.00중량%의 무기탄소, 2.00 내지 4.00중량%의 크롬, 0.10 내지 1.00중량%의 몰리브덴 및 잔량으로서 철을 포함하는 분말금속 100중량부를 기준으로 여기에 윤활제로서 0.10 내지 1.00중량부의 유기탄소를 더 혼합시켜 성형혼합물을 준비하는 혼합단계(mixing step); (2) 상기 혼합단계에서 수득되는 상기 성형혼합물을 50 내지 70의 온도범위로 가열된 금형에 투입하고, 7 내지 7.5ton/의 압력 하에서 압축시켜 고밀도 성형체를 수득하는 열간 압축 단계(warm die compaction step); (3) 상기 열간 압축 단계에서 수득되는 상기 성형체를 1100 내지 1140의 온도에서 10 내지 30분 동안 가열하여 소결시키는 소결단계(sintering step); (4) 상기 소결단계에서 소결된 상기 성형체를 질소 분위기 하에서 1 내지 3/초의 속도로 완속 냉각시키는 냉각단계(cooling step); 및 (5) 상기 소결체를 180 내지 200의 온도에서 60 내지 90분 동안 공기 분위기에서 풀림 처리를 수행하는 뜨임단계(tempering step);를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 (1)의 혼합단계는 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서, 0.10 내지 1.00중량%의 무기탄소, 2.00 내지 4.00중량%의 크롬, 0.10 내지 1.00중량%의 몰리브덴 및 잔량으로서 철을 포함하는 분말금속 100중량부를 기준으로 여기에 윤활제로서 0.10 내지 1.00중량부의 유기탄소를 더 혼합시켜 성형혼합물을 준비하는 것으로 이루어진다. 상기 분말금속에서 상기 무기탄소는 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서 0.10 내지 1.00중량%의 양으로 포함되며, 0.10중량% 미만으로 포함되는 경우, 금형 내 투입된 분말과 분말간, 분말과 금형간 마찰력이 증가하여 성형체의 뜯김 및 금형의 수명이 감소되는 문제점이 있을 수 있고, 반대로 1.00중량%를 초과하는 경우, 과도한 윤활제로 인해 밀도를 상승시키는 데 있어 문제점이 있을 수 있다. 상기 무기탄소로는 바람직하게는 흑연(graphite)이 사용될 수 있다.

상기 분말금속에서 상기 크롬은 금속의 강화 기구 중 고용강화에 의한 강도 향상을 위해 첨가하는 원소로서, 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서 2.00 내지 4.00중량%의 양으로 포함되며, 2.00중량% 미만으로 포함되는 경우, 강도가 저하되는 문제점이 있을 수 있고, 반대로 4.00중량%를 초과하는 경우, 크롬 산화물로 인한 인성 등 기계적 물성의 저하 및 성형압의 상승 등의 문제점이 있을 수 있다. 상기 분말금속에서 상기 몰리브덴은 고용강화 및 소입성을 높이기 위해 첨가하는 원소로서, 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서 0.10 내지 1.00중량%의 양으로 포함되며, 0.10중량% 미만으로 포함되는 경우, 강도의 저하 및 소입성이 확보되지 않아 소결경화 시 적용되는 1 내지 3/S의 냉각 속도에서 목표로 하는 마르텐 사이트 조직을 획득할 수 없으며, 반대로 1.00중량%를 초과하는 경우, 제품의 특성을 향상시키나 그 폭이 미미하여 에너지 및 경제적인 효율면에서 효과가 떨어지게 되는 문제점이 있을 수 있다. 특히 몰리브덴의 과량의 사용은 원재료의 높은 가격으로 인하여 제품의 전체 생산단가가 크게 상승하게 되는 문제점이 있을 수 있다. 상기 철은 상기한 성분들 외의 잔량으로서 포함되며, 상기한 성분들을 고용하는 베이스가 되며, 본 발명에 따라 수득하고자 하는 분말금속부품의 기본적인 구성성분으로 기능한다. 상기 분말금속에는 불순물로서 황이 최대 0.15중량%의 양으로, 그리고 기타 미량원소들이 최대 0.10중량%의 양으로 포함될 수 있으나, 이들은 글자 그대로 불순물의 형태로서 자연적으로 분말금속의 제조과정 중 포함될 수 있는 것이며, 임의로 이를 제거하지 않는 한 자연적으로 포함되는 것으로서, 본 발명에 영향을 주지는 않는 것으로 이해될 수 있는 것이다. 본 발명에서는 상기 분말금속의 분말금속부품으로의 제조 과정 중 성형과정에서 스테아린산 계열의 윤활제가 아닌 융점이 상대적으로 낮은 유기탄소를 사용하는 것에 의하여 50 내지 70의 온도범위에서 금형(다이)이 가열되고, 7 내지 7.5ton/의 압력 하에서 상기 분말금속을 압축시켜 성형체를 수득하는 것을 가능하게 하며, 여기에서 상기 유기탄소는 상기 분말금속 100중량부를 기준으로 0.10 내지 1.00중량부의 양으로 상기 분말금속에 더 포함된다. 상기 유기탄소는 앞서 설명한 온간 성형 시 적용되는 스테아린산 계열의 윤활제가 아니며, 열량 분석결과 종래의 스테아린산 계열의 윤활제보다 낮은 융정 온도를 나타내고 있다. 열량 분석결과 종래 기술인 온간 성형 시 적용된 스테아린산 계열의 윤활제는 약 130 수준에서 발열 반응을 보이는 반면, 본 발명에 적용되는 윤활제는 약 60 수준에서 발열 반응을 보인다. 발열 반응은 해당 온도에서 윤활제가 고체에서 준액상으로 상태가 바뀔 때 발열 되는 열량을 나타낸 것이다. 상기 유기탄소의 사용량이 상기 분말금속 100중량부를 기준으로 0.10중량부 미만으로 사용되는 경우, 금형 내 투입된 분말과 분말간, 분말과 금형간 마찰력이 증가하여 성형체의 뜯김 및 금형의 수명이 감소되는 문제점이 있을 수 있고, 반대로 1.00중량부를 초과하는 경우, 과도한 윤활제로 인해 밀도를 상승 하는데 있어 문제점이 있을 수 있다.

상기 (2)의 열간 압축 단계는 상기 혼합단계에서 수득되는 상기 성형혼합물을 50 내지 70의 온도범위로 가열된 금형에 투입하고, 7 내지 7.5ton/의 압력 하에서 압축시켜 고밀도 성형체를 수득하는 것으로 이루어진다. 상기 성형체는 본 발명에 따라 제조하고자 하는 분말금속부품의 형상의 외형을 갖도록 하여 금형을 사용하여 상기 분말금속을 압축하여 성형되는 것으로서, 예를 들어 상기 분말금속부품은 베인로터(vane rotor) 또는 캠링(cam ring)이 될 수 있다.

상기 (3)의 소결단계는 상기 열간 압축 단계에서 수득되는 상기 성형체를 1100 내지 1140의 온도에서 10 내지 30분 동안 가열하여 소결 경화시키는 것으로 이루어진다. 상기 소결경화는 바람직하게는 수소가스와 질소가스가 중량비로 10 : 90의 비율로 혼합된 가스분위기 하에서 수행될 수 있다. 이러한 가스분위기는 상기 소결되는 분말금속의 산화를 방지하여, 고온에서 산화되지 않으면서 소결되도록 기능한다. 상기 소결단계에서 소결 온도가 1100 미만으로 되거나 또는 소결시간이 10분 미만으로 되는 경우, 소결이 충분치 못하게 되어 입자간 결합이 취약하게 되는 문제점이 있을 수 있고, 반대로 소결온도가 1,140를 초과하거나 소결시간이 30분을 초과하는 경우, 소결로의 벨트파손 및 과도한 치밀화(densification)로 인하여 가공 시 공구수명(tool life) 저하 등의 문제점이 있을 수 있다.

상기 (4)의 냉각단계는 상기 소결단계에서 연속하여 소결된 상기 성형체를 질소 분위기 하에서 1 내지 3/초의 속도로 완속 냉각시키는 것으로 이루어진다. 상기 냉각단계에서 냉각속도가 1/초 미만으로 되는 경우, 마르텐사이트, 베이나이트 등의 요구 미세조직을 확보하는데 어려움이 있을 수 있고, 반대로 3/초를 초과하는 경우, 제품 특성을 향상시키나 그 폭이 미미하여 에너지 및 경제적인 효율 면에서 떨어지게 된다.

상기 (5)의 뜨임단계에서는 소결된 분말금속 부품을 180 내지 200의 온도에서 60 내지 90분 동안 소결체를 공기 분위기에서 뜨임(tempering) 처리를 하는 것으로 이루어진다. 상기 뜨임단계에서 뜨임 온도가 180 미만으로 되는 경우 장시간의 뜨임이 요구되어 경제적인 효율면에서 효과가 떨어지게 되는 문제점이 있을 수 있고, 반대로 200를 초과하는 경우 공기(air) 분위기로 인한 소결체의 산화 및 기지조직 전체가 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)가 아닌 베이나이트(bainite) 등의 강도(strength) 및 내마모 특성이 낮은 하위조직으로 변태가 발생하는 문제점이 있을 수 있다. 그 이유는 상기 합금조성 재료의 Mf점이 210 내지 230로 매우 낮아, 200를 넘으면 조직의 변태(transformation)에 의해 기지조직을 만족할 수 없기 때문이다. 상기에서 Mf점은 마르텐사이트 조직 변태 종료온도이다.

또한, 상기 소결경화된 분말금속부품의 제조방법에는 상기 (5)의 뜨임단계에 후속하여 소결경화된 소결체를 정형하는 정형단계가 더 수행될 수 있다. 여기에서 정형이란 성형품의 소결 시 발생되는 미소한 뒤틀림(twist)(열처리 시 발생되는 뒤틀림(twist)과는 다른 개념임)의 보정 및 치형의 정밀도(tooth profile)를 확보하기 위하여 성형과 같은 상하 가압 방식으로 실시하는 공정을 의미하며, 이러한 정형은 당업자에게는 용이하게 실시될 수 있는 것으로 이해될 수 있는 것이다.

상기 뜨임단계 또는 상기 정형단계에 후속하여 상기 성형체를 2차가공하는 2차가공단계를 더 포함할 수 있다. 상기에서 2차 가공이란 성형, 소결, 정형에 의해 획득할 수 없는 정밀한 치수를 확보하기 위해 특정 부위에 대해서 컴퓨터수치제어(CNC ; computer numerical control) 가공 등을 이용하여 실시하는 공정을 의미하며, 이러한 2차가공 역시 당업자에게는 용이하게 실시될 수 있는 것으로 이해될 수 있는 것이다.

상기 뜨임단계, 상기 정형단계 또는 상기 2차가공단계 중 어느 한 단계에 후속하여 상기 성형체를 디버링하는 디버링단계를 더 포함할 수 있다. 상기에서 디버링이란 상기 2차 가공에서의 가공 시 발생된 버어(burr ; 쇠가시)를 제거하기 위해 실시하는 공정을 의미한다. 버어가 잔존될 경우 상대부품과 간섭 및 청정도를 요구하는 트랜스미션 부품에서는 치명적인 결함이 발생하게 되는 문제점이 있을 수 있다. 이러한 디버링 역시 당업자에게는 용이하게 실시될 수 있는 것으로 이해될 수 있는 것이다.

상기 압축단계에서 수득되는 성형품은 7.1 내지 7.2g/의 범위 이내의 밀도를 갖도록 압축될 수 있다. 상기 성형품의 밀도가 7.1g/ 미만으로 되는 경우, 경도 및 기계적 물성을 만족할 수 없게 되는 문제점이 있을 수 있고, 반대로 7.2g/를 초과하는 경우, 고성형압에 의한 금형수명(파손 및 심각한 마모)에 문제가 있을 수 있다.

상기 성형품은 홈, 홀, 톱니, 언더컷 및 테이퍼된 것으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 표면형상을 갖도록 성형될 수 있다. 상기에서 홈은 상기 성형품의 표면의 일부가 제거되어 형성되는 것이고, 상기에서 홀은 상기 성형품의 일부를 관통하도록 하여 형성되는 것이고, 상기에서 톱니는 상기 성형품의 일부가 기어치의 구조를 갖도록 형성되는 것이고, 상기에서 언더컷은 상기 성형품의 일부가 움푹 들어가도록 가공되는 것이며, 여기에서 상기 언더컷은 정상적인 나사의 언더컷 처리는 암나사의 경우 하코아가 회전하면서 나사산 피치와 동일한 나선 가이드를 따라 밑으로 빠진 후 상하 분리가 되고 취출하는 것이 가장 정상적인 방법의 한 예로 들 수 있다. 상기에서 테이퍼는 상기 성형품의 일부가 점점 좁아지거나 점점 넓어지도록 가공하는 것을 의미한다. 그러나, 본 발명의 성형품의 가공 형상이 단지 상기한 바의 홈, 홀, 톱니, 언더컷 및 테이퍼된 것으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 표면형상으로만 한정되는 것은 아니며, 상기 성형품의 용도에 따라 적절한 형상을 갖도록 성형될 수 있음은 당업자에게는 용이하게 이해될 수 있는 것이다.

상기 분말금속부품은 베인로터 또는 캠링이 될 수 있다. 그러나 본 발명의 분말금속부품이 단지 베인로터 또는 캠링으로 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 자동차 4륜조정용 스프라켓어셈블리 또는 싱크로나이져허브 등과 같이 내마모성 등의 우수한 강도를 요구하며, 톱니(기어치), 언더컷, 축 등의 구조를 포함하는 각종의 기계부품들도 본 발명의 범주에 속함은 당업자에게는 당연히 이해될 수 있는 것이다.

이하에서 본 발명의 바람직 한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한시키는 것으로 이해되어져서는 안될 것 이다.

실시예

분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서, 0.50중량%의 무기탄소로서의 흑연, 2.50중량%의 크롬, 0.25중량%의 몰리브덴 및 잔량으로서 철을 포함하는 분말금속을 7.1ton/의 압력에서 압축하여 7.15g/의 밀도를 갖도록 가압하여 베인로터의 형상을 갖도록 하여 성형체를 제조하고, 이를 수소 : 질소 = 10 : 90의 중량비로 혼합한 혼합가스 하에서 1120의 온도에서 20분 동안 상기 성형체를 가열하여 소결시킨 후, 소결된 상기 소결체를 질소 분위기 하에서 2/초의 속도로 냉각시킨 후, 정형, 2차가공 및 디버링을 수행하여 도 6에 나타낸 바와 같은 베인로터와 캠링을 수득하였다.

비교예

분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서, 0.3중량%의 탄소, 1.5중량%의 구리, 4.0중량%의 니켈, 0.5중량%의 몰리브덴 및 잔량으로서 철을 포함하는 분말금속을 통상의 2회 성형 및 2회 소결에 의하는 2P2S 공정에 따라 100 이상의 온도에서 2회 성형하고, 1,120에서의 1차 소결 1,270에서의 2차 소결시키는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일 또는 유사하게 정형, 2차가공 및 디버링을 수행한 후, 계속해서 침탄열처리를 수행한 후, 소입수(물)을 사용하여 80/초의 속도로 급속냉각을 실시한 후, 쇼트블라스팅, 세척 및 방청 등의 후처리를 하는 등의 종래의 방법(SMF9060M)에 따른 공정들을 수행하여 베인로터를 수득하였다. 상기 비교예에서의 종래의 방법에서의 SMF9060M이란 대한민국 소재 현대자동차 재질규격에 규제된 재질명으로, 상기 나열한 합금원소로 구성되어 있으며, 또한 SMF9060M 재질은 1 내지 3/초의 냉각속도로는 요구하는 마르텐사이트 및 베이나이트 조직을 확보할 수 없으며, 상기 조직을 획득하기 위해서는 침탄열처리 또는 고주파 열처리를 필요로 하는 재질이다.

상기 실시예 및 비교예에서 수득된 베인로터의 물성을 측정하되, 상기 실시예 및 비교예의 베인로터 샘플들을 각 3개씩 채취하여 물성을 측정하고, 그 결과를 평균하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구 분	실시예(소결경화후)	비교예(열처리후)
인장강도 평균 (MPa)	1,165	1,065
항복강도 평균 (MPa)	1,063	864
연신율 평균	1.22	0.50
인장/항복 비율 (%)	91	81
충격에너지 (J/)	10.0	8.5
소결밀도 (g/)	7.15	7.36

따라서 상기 표 1에 나타난 바와 같이, 인장특성 및 충격 특성 평가결과 종래기술 대비 약 3% 낮은 밀도에서 온간다이성형 후 소결경화를 적용한 실시예가 인장(항복)강도 및 항복비가 높게 평가되었으며, 충격 에너지 시험 결과, 실시예와 비교예들의 결과는 유사하나, 충격에너지 측면에서도 종래 기술 대비하여 약간 상회하는 값이 평가됨을 확인할 수 있었다.

또한, 겉보기 경도(HRC-로크웰 C scale) 및 심부 경도(마이크로 비커스 경도)들을 측정하였으며, 그 결과를 도 7a 및 도 7b들에 나타내었다.

상기 도 7a 및 도 7b들에 나타난 바와 같이, 겉보기 경도 측정 결과, 본원발명의 소결경화 제품이 비교예에 비하여 1 내지 3포인트(point) 높게 측정되었음을 확인할 수 있었다(도 7a). 또한, 심부 경도 측정 결과, 표면부의 차이는 미소하나, 심부 경도는 본원발명의 소결 경화 제품이 비교 예에 비하여 약 100HV 0.1(0.1=100g)높게 측정되어 내마모성 측면에서도 우위에 있음을 확인할 수 있었다(도 7b).

상기 표 1에서의 결과로서의 미세조직은 준비된 시편을 피크랄 에칭액으로 에칭을 한 후 100배의 비율로 확대하여 관찰한 것으로서, 그의 광학현미경사진을 본 발명에 의해 획득된 도 4와 종래기술에 의해 획득된 도 5에 나타내었다.

하기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본원발명의 소결 경화 제품은 비교예에 비하여 충분히 마르텐사이트의 조직을 형성하고 있음을 확인할 수 있었다

		횟수
		1	2	3	4	5
조건	다이 히팅 전 성형 밀도 (g/㎤)	7.01	6.99	7.02	7.01	7.00
조건	다이 히팅 후 성형 밀도 (g/㎤)	7.16	7.16	7.15	7.17	7.15
* 다이 히팅의 영향 분석을 위하여 동일한 성형압을 적용하였음(7.0ton/㎠) * 다이 히팅 온도는 60℃로 설정하여 실시하였음.

상기한 실시예들을 종합한 결과, 본 발명에 따라 수득되는 베인로터는 비교예로서 나타낸 종래의 방법에 따라 수득되는 베인로터에 비해 항복강도나 인장강도 등 강도의 면에서 우수함을 확인할 수 있었으며, 그 미세조직 또한 기지조직이 템퍼드 마르텐사이트이고, 고립된 베이나이트 영역이 광학현미경의 관찰영역 내에서 2% 범위 내에서 허용되는 기준을 만족하며, 페라이트와 탄화물이 관측되지 않음을 확인할 수 있었으며, 그에 따라 강도가 개선되며, 내마모성이 우수한 조직의 소결성형품을 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 발명에 따르면, 앞서의 배경기술에서 기술한 바와 같은 종래기술과 비교하여, 본 발명에 적용된 윤활제의 열량 분석 결과는 도 8에 나타난 바와 같다. 특징으로는 상기 설명된 온간성형과 같이, 분말을 가열 할 필요가 없으며, 그 이유는 1차 용융(준액상) 온도가 외부의 성형압이 가해지지 않은 상태에서 온간성형의 윤활제(150 내지 160)에 비하여 상대적으로 낮기(109)때문에 성형 시 압력이 작용된다면 다이만 가열한 상태에서도 1차 용융(준액상)이 형성되어 성형체의 밀도를 높이는데 더욱 용이하기 때문이다. 외부의 가압력 발생 시 용융 온도가 낮아지는 것은 이상기체 상태방정식으로 설명될 수 있다. 즉, 이상기체 상태방정식인 PV=nRT에서 P는 압력, V는 체적, R은 기체상수 T는 온도이며, 압력과 온도는 비례 관계에 있기 때문에 압력이 증가할 때 온도는 비례하여 증가하게 된다.

본 발명은 분말금속의 소결성형품으로서 분말금속부품을 제조하는 산업, 특히 자동차용 부품의 제조 등과 같은 내마모성이 우수한 분말금속부품을 제조하는 산업에서 이용될 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims

분말금속을 이용하여 분말금속부품을 제조함에 있어서,
(1) 분말금속의 총 중량에 기초해 계산된 중량%로서, 0.10 내지 1.00중량%의 무기탄소, 2.00 내지 4.00중량%의 크롬, 0.10 내지 1.00중량%의 몰리브덴 및 잔량으로서 철을 포함하는 분말금속 100중량부를 기준으로 여기에 윤활제로서 0.10 내지 1.00중량부의 유기탄소를 더 혼합시켜 성형혼합물을 준비하는 혼합단계(mixing step);
(2) 상기 혼합단계에서 수득되는 상기 성형혼합물을 50 내지 70의 온도범위로 가열된 금형에 투입하고, 7 내지 7.5ton/의 압력 하에서 압축시켜 고밀도 성형체를 수득하는 열간 압축 단계(warm die compaction step);
(3) 상기 열간 압축 단계에서 수득되는 상기 성형체를 1100 내지 1140의 온도에서 10 내지 30분 동안 가열하여 소결시키는 소결단계(sintering step);
(4) 상기 소결단계에서 소결된 상기 성형체를 질소 분위기 하에서 1 내지 3/초의 속도로 완속 냉각시키는 냉각단계(cooling step); 및
(5) 상기 소결체를 180 내지 200의 온도에서 60 내지 90분 동안 공기 분위기에서 풀림 처리를 수행하는 뜨임단계(tempering step);
를 포함하여 이루어짐을 특징으로하는 소결경화된 분말금속부품의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 소결경화된 분말금속부품의 제조방법에는 상기 뜨임단계에 후속하여 소결경화된 성형체를 정형하는 정형단계가 더 수행됨을 특징으로 하는 소결경화된 분말금속부품의 제조방법.
제 2 항에 있어서,
상기 뜨임단계 또는 상기 정형단계에 후속하여 상기 성형체를 2차가공하는 2차가공단계를 더 포함함을 특징으로 하는 소결 경화된 분말금속부품의 제조방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 뜨임단계, 상기 정형단계 또는 상기 2차가공단계 중 어느 한 단계에 후속하여 상기 성형체를 디버링하는 디버링단계를 더 포함함을 특징으로 하는 소결경화된 분말금속부품의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 압축단계에서 수득되는 성형품은 7.1 내지 7.2g/의 범위 이내의 밀도를 갖도록 압축됨을 특징으로 하는 소결 경화된 분말금속부품의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 성형품은 홈(groove), 홀(aperture), 톱니(sawtooth), 언더컷(undercut) 및 테이퍼된(tapered) 것으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 표면형상을 갖도록 성형됨을 특징으로 하는 소결경화된 분말금속부품의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 분말금속부품이 베인로터(vane rotor) 또는 캠링(cam ring) 임을 특징으로 하는 소결경화된 분말금속부품의 제조방법.