KR20130043871A

KR20130043871A - 분말사출성형용 철계 합금

Info

Publication number: KR20130043871A
Application number: KR1020110108028A
Authority: KR
Inventors: 이성학; 이병주; 도정현; 신양수
Original assignee: 주식회사 포스코; 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2013-05-02
Also published as: WO2013058453A1; CN103890210A; KR101350944B1; JP5819001B2; US20140227124A1; EP2770074A4; EP2770074A1; CN103890210B; JP2014534344A

Abstract

분말사출성형용 철계 합금이 개시된다. 본 발명에 의한 분말사출성형용 철계 합금은 철(Fe) 52.59~78.15wt.%, 크롬(Cr) 16.45~37.34wt.%, 보론(B) 3.42~7.76 wt.%, 실리콘(Si) 1.64~1.92wt.%, 황(S) 0~0.21wt.%, 탄소(C) 0.16~0.18wt.% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

분말사출성형용 철계 합금{FERROUS-ALLOYS FOR POWDER INJECTION MOLDING}

본 발명은 철계 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분말사출성형용 철계 합금에 관한 것이다.

분말사출성형(powder injection molding, PIM)은 분말야금(powder metallurgy)기술과 정밀한 플라스틱 부품의 대량생산기술인 사출성형(injection molding)법이 접목된 신분말야금 성형기술이다.

분말사출성형(PIM) 공정은 미세한 분말과 유동의 주체가 되는 고분자 결합제를 혼합하여 이를 금형 내로 사출성형한 후 사출성형체에서 결합제(binder)를 제거하고 분말만을 최종 고온 소결하여 부품을 제조하는 공정으로 구성되어 있다.

분말사출성형 공정이 지속적인 연구개발과 응용이 확대되고 있는 이유는 기존 부품설계자나 현장사용자가 분말사출성형 기술에 사용되는 재료와 형상의 조합에 의한 부품설계의 자유도가 크다는 장점을 인지하고 있고, 분말사출성형 기술과 관련된 연구기관과 업체를 중심으로 응용 재료의 다변화와 경제성이 있는 공정이 개발되고 있기 때문이다.

즉, 금속, 세라믹, 초경, 금속간화합물 등 모든 분말재료에 의한 3차원 정밀부품의 제조가 가능하고, 난가공 재료나 주조 불가능 재료의 경우에도 후가공이 거의 필요 없이 대량생산이 가능하므로 고부가가치 부품을 경제적으로 생산하는 데 분말사출성형 기술이 적합하다.

금속 분말사출성형 시장의 대부분을 차지하고 있는 스테인리스강의 경우 화학조성의 변화로 최종 분말사출성형 부품이 요구하는 강도, 경도, 내마모성, 내식성 등의 물성을 맞추고 있다.

따라서 분말사출성형에 사용되는 스테인리스강 분말은 SUS304L, SUS316L, SUS430, SUS630 등 다양하며, 마르텐사이트계 스테인리스강 분말사출성형의 경우에는 추가적인 열처리 공정이 필요하다.

따라서 통상적인 분말사출성형 부품의 물성을 충분히 만족시키면서, 열처리가 필요 없고 경제적이고 다양한 미세조직과 물성으로 다양한 분말사출성형 부품에 적용될 수 있는 합금의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 기존의 분말사출성형에 사용되는 스테인리스강에 비해 우수한 경도, 내마모성, 내식성을 나타내며 저렴한 생산 원가의 철계 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 분말사출성형용 철계 합금은 철(Fe) 52.59~ 78.15 wt.%, 크롬(Cr) 16.45~ 37.34 wt.%, 보론(B) 3.42~7.76 wt.%, 실리콘(Si) 1.64~1.92wt.%, 황(S) 0~0.21 wt.%, 탄소(C) 0.16~0.18 wt.% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 크롬(Cr)과 보론(B)의 비율(X_Cr/X_B)은 1.0 인 것을 특징으로 한다.

상기 크롬(Cr)과 보론(B)의 조성의 합(X_Cr+X_B)은 0.30 내지 0.60 인 것을 특징으로 한다.

상기 철(Fe), 크롬(Cr) 및 보론(B)의 조성의 합(X_Fe+X_Cr+X_B)은 0.9635 인 것을 특징으로 한다.

상기 분말사출성형용 철계 합금의 미세조직은 크롬 보라이드(Cr₂B)가 페라이트(ferrite) 기지 내에 네트워크 형태로 분포하는 것을 특징으로 한다.

상기 크롬 보라이드(Cr₂B)의 부피 분율(volume fraction)은 51%~91% 인 것을 특징으로 한다.

상기 분말사출성형용 철계 합금의 경도는 600 ~ 1600 VHN 인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 철계 분말의 사출성형방법은 상기 분말사출성형용 철계 합금의 분말을제공하는 단계, 상기 분말사출성형용 철계 합금의 분말과 결합제를 혼합하여 분말혼합체를 형성하는 단계, 상기 분말 혼합체를 압축 성형하는 단계, 상기 분말 혼합체를 가열하여 결합제를 제거하는 단계, 및 상기 결합제가 제거된 분말 혼합체를 소결하는 단계를 포함한다.

상기 분말 혼합체의 형성은 상기 분말사출성형용 철계 합금의 분말과 파라핀 왁스, 텅스텐 카바이드 볼 및 헵탄(heptanes)을 용기에 혼합 후 상기 용기를 회전시켜 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 분말사출성형용 철계 합금들은 단단한 Cr₂B boride를 각기 다른 부피 분율로 형성시킴으로써, 종래에 사용되는 스테인리스강에 비해 경도 및 내마모성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 분말사출성형용 철계 합금들은 합금원소의 분율을 낮추어 상용 스테인리스강 보다 합금 가격이 저렴하며, 소결 온도와 시간의 감소에 의해 생산비를 절감하여 가격 경쟁력이 우수하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 분말사출성형용 철계 합금의 미세조직을 나타낸 주사전사현미경(SEM) 사진이다.
도 2는 본 발명에 의해 설계한 철계 합금의 Fe-Cr-B 3원계 등온상태도이다.
도 3은 본 발명에 의한 철계 합금의 설계시 기본 합금의 구성원소(Fe, Cr, B, Si, S, C)별로 각 성분 조성에 따른 Cr2B의 석출 구동력 변화를 계산한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 의한 철계 합금에서, 크롬과 보론의 비율에 따른 1,000℃ 에서 존재하는 평형 상들의 분율을 도시한 그래프이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 의해 설계한 9개의 철계 합금의 합금 조성의 온도에 따른 평형 상 분율을 나타낸 그래프이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명에 의한 철계 합금들을 주조 및 열처리한 후의 미세조직에 대한 주사전자현미경 사진들이다.
도 11은 본 발명에 의한 철계 합금들의 X-선 회절분석 결과들이다.
도 12는 부품에 요구되는 물성(경도 기준)에 따라 합금원소의 가격을 그래프로 나타낸 것이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 분말사출성형용 철계 합금에 대하여 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 분말사출성형용 철계 합금은

철(Fe) 52.59~ 78.15 wt.%, 크롬(Cr) 16.45~ 37.34 wt.%, 보론(B) 3.42~7.76 wt.%, 실리콘(Si) 1.64~1.92wt.%, 황(S) 0.21 wt.%, 탄소(C) 0.16~0.18 wt.% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 철계 합금의 미세조직은 크롬 보라이드(Cr₂B)가 페라이트(ferrite) 기지 내에 네트워크 형태로 분포하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 크롬 보라이드(Cr₂B) 상은 매우 단단하기 때문에 석출된 크롬 보라이드 상(phase)의 형상, 분율 분포 상태는 시편의 전체 경도와 내마모성에 직접적인 영향을 미칠 수 있다.

상기 철계 합금의 크롬 보라이드 상은 네트워크 구조를 이루고 있어, 시편의 전체의 경도 분포는 위치에 따라서 균일하며, 마모 환경에서도 가해지는 하중이 분산되어 내마모 성질이 우수하다.

또한, 상기 크롬 보라이드(Cr₂B)의 부피 분율(volume fraction)은 51%~91% 인 것을 특징으로 한다.

상기 합금의 경도는 600 ~ 1600 VHN 인 것을 특징으로 한다.

분말사출성형 공정에서 요구하는 철계 합금의 고경도와 저비용 조건을 만족시키기 위하여 비교적 가격이 저렴한 Cr과 B의 화합물인 크롬보라이드 석출을 이용하여 고경도 물성을 얻을 수 있다.

크롬(Cr)과 보론(B)의 조성 비율을 1:1로 고정하고 크롬(Cr)과 보론(B)의 조성 비율의 합(몰비율의 합)을 0.30~0.60 까지 조절할 수 있다. 이때 주성분인 철(Fe)과 크롬(Cr) 및 보론(B)의 조성 비율의 합(몰분율의 합)은 0.9634 로 고정할 수 있다.

상기 크롬(Cr)은 일반적으로 급냉시 합금의 경화능을 증가시키고 내식성을 향상시키기 위해 첨가하는 합금 원소로 본 발명에서는 보론(B)과 결합하여 크롬보라이드 석출 분율을 조절하는 원소이다.

크롬의 함량이 16.45 wt.% 이상이어야 크롬보라이드의 석출 분율이 50 vol. % 이상으로 형성되어 분말사출 성형 공정에서 요구하는 고경도 요구치 약 600VHN 이상의 경도를 얻을 수 있다.

크롬의 함량이 37.34 wt.% 를 초과하는 경우에는 과도한 크롬보라이드가 석출되어 인성을 저해하기 때문에 그 함량을 16.45 ~ 37.34 wt.% 로 제한한다.

그리고 상기 크롬(Cr) 함량에 따라서 B의 함량이 보론(B) 3.42~7.76 wt.%으로 결정된다.

보론은 경화능 향상을 위하여 첨가되는 원소로 본 발명에서는 크롬과 결합하여 크롬보라이드 석출 분율을 조절하는 원소이다. 보론의 함량이 3.42 wt.% 이상이어야 크롬보라이드의 석출 분율이 50 vol. % 이상으로 형성되어 분말사출 성형 공정에서 요구하는 고경도 요구치 약 600VHN 이상의 경도를 얻을 수 있다.

보론의 함량이 7.76 wt.% 를 초과하는 경우에는 과도한 크롬보라이드가 석출되어 인성을 저해하기 때문에 그 함량을 3.42 ~ 7.76 wt.% 로 제한한다. 그리고 이러한 보론의 함량에 따라서 크롬의 함량이 16.45 ~ 37.34 wt.%으로 결정된다.

실리콘(Si)은 본 발명에서 분말사출성형 공정 중 소결 공정에서 기지를 페라이트로 안정화시키고 고용 강화를 통하여 경화능을 높이는 역할을 하는 원소이다. 실리콘의 함량이 1.64 wt.% 이하로 첨가될 경우 고용 강화 및 페라이트 안정화 효과가 미미하며, 1.92 wt.% 이상 첨가되는 경우 고용강화 효과가 비례하여 증가하지 않아 그 함량을 1.64~1.92wt.% 로 제한한다.

황은 일반적으로 비금속개재물을 형성하여 합금의 물성을 저하시키므로 가능한 낮게 제어 하는게 바람직하지만, 본 발명에서 황화물 (FeS)이 형성되지 않는 한도까지 첨가하여 기지와 크롬보라이드 안정화 효과를 얻고자 하였다. 따라서 그 상한을 0.21wt.%로 두는 것이 바람직하다.

탄소는 합금의 경화능을 효율적으로 향상시킬 수 있는 원소로 본 발명이 의도하고자 하는 경도를 만족시키기 위하여 0.16 wt.% 이상이 함유되어야 하며 0.18 wt.% 이상 첨가될 경우 인성이 저하되기 때문에 그 함량을 0.16~0.18 wt.%로 제한한다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 철계 분말의 사출성형방법은 분말사출성형용 철계 합금의 분말을 제공하는 단계, 상기 분말사출성형용 철계 합금의 분말과 결합제를 혼합하여 분말혼합체를 형성하는 단계, 상기 분말 혼합체를 압축 성형하는 단계, 상기 분말 혼합체를 가열하여 결합제를 제거하는 단계, 및 상기 결합제가 제거된 분말 혼합체를 소결하는 단계를 포함한다.

상기 분말 혼합체의 형성은 전술한 분말사출성형용 철계 합금의 분말과 파라핀 왁스, 텅스텐 카바이드 볼 및 헵탄(heptanes)을 용기에 혼합 후 상기 용기를 회전시켜 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 분말 혼합체의 압축 성형은 상기 분말 혼합체를 금형에 장입한 후 100kgf/cm² 이상의 압력으로 프레스를 이용하여 이루어질 수 있다.

상기 결합제의 제거는 상기 압축 성형된 분말 혼합체를 2℃/min 이상의 승온 속도로 500℃까지 올린 후 1시간 유지시킴으로써 이루어질 수 있다.

상기 소결은 상기 결합제가 제거된 분말 혼합체를 열처리로에 장입하고 수소 분위기에서 3℃/min 이상의 승온 속도로 1,175℃까지 가열한 후 1시간 동안 유지시킴으로써 이루어질 수 있다.

본 발명은, Fe-43Cr-5.6B-1.8Si-0.2S-0.17C (wt.%) 합금을 기본으로 하여, 합금 원소의 비율을 줄이고 크롬(Cr)과 보론(B)의 비율을 변화시킴으로써 각기 다른 부피 분율의 크롬 보라이드(Cr₂B)를 페라이트 기지에 형성시켜 다양한 물성을 나타낼 수 있는 분말사출성형용 고경도 저비용 철계 합금을 제공한다.

또한, 본 발명에 의한 합금들의 미세조직은 크롬 보라이드(Cr₂B)와 페라이트 기지 외에 다른 결정질 입자가 분산되어 있는 조직을 가질 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예와 비교예의 설명을 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.　 그러나 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소되거나 한정되어서는 안 된다.

<실시예 1>

아래의 표 1은 본 발명에 따른 분말사출성형용 철계 합금의 설계시 기준으로 한 기본 합금의 조성을 나타낸 표이다.

	Fe	Cr	B	Si	S	C
원자%	Bal.(38.15)	35.79	22.40	2.77	0.27	0.61
중량%	Bal.(49.23)	43	5.6	1.8	0.2	0.17

아래의 표 2은 본 발명에 따른 분말사출성형용 철계 합금을 열역학적 계산에 의해 설계한 합금의 조성을 나타낸 표이다.

합금	비율	Fe	Cr	B	Si	S	C
실시예1	원자%	66.34	15.00	15.00	2.77	0.27	0.61
실시예1	중량%	78.15	16.45	3.42	1.64	0.18	0.16
실시예2	원자%	51.34	22.50	22.50	2.77	0.27	0.61
실시예2	중량%	65.54	26.75	5.56	1.78	0.20	0.17
실시예3	원자%	38.15	29.10	29.10	2.77	0.27	0.61
실시예3	중량%	52.59	37.34	7.76	1.92	0.21	0.18
실시예4	원자%	66.34	18.46	11.54	2.77	0.27	0.61
실시예4	중량%	75.86	19.66	2.55	1.59	0.18	0.15
실시예5	원자%	51.34	27.70	17.31	2.77	0.27	0.61
실시예5	중량%	62.49	31.39	4.08	1.70	0.19	0.16
실시예6	원자%	38.15	35.81	22.38	2.77	0.27	0.61
실시예6	중량%	49.22	43.02	5.59	1.80	0.20	0.17
실시예7	원자%	66.34	20.63	9.38	2.77	0.27	0.61
실시예7	중량%	74.50	21.57	2.04	1.57	0.17	0.15
실시예8	원자%	51.34	30.94	14.06	2.77	0.27	0.61
실시예8	중량%	60.72	34.07	3.22	1.65	0.18	0.16
실시예9	원자%	38.15	40.01	18.19	2.77	0.27	0.61
실시예9	중량%	47.33	46.22	4.37	1.73	0.19	0.16

분말사출성형용 철계 합금을 표 2의 조성에 맞춰 이들을 아르곤(Ar) 분위기 하에서 아크 용해하였다. 아크 용해에 사용된 합금은 고순도의 Fe(99.9wt%), Si(99.99wt%), C(99wt%)와 미리 합금화 한 FeB(99.2wt%), FeS(98.5wt%), FeCr(98.6wt%) 예비 합금(pre-alloy)이며, 모합금 성분의 균일화를 위해 4~5번 뒤집어 반복하여 용해하였다.

아크 용해에 의해 제조된 모합금을 석션 캐스팅(suction casting)하여 5mm 두께의 봉상시편을 주조하였다. 주조 합금은 분말사출성형 공정 제품과 달리 충분히 확산이 일어나 균질화된 상태가 아니므로, 분말사출성형 공정의 소결 조건과 유사한 조건(1200^oC에서 30 분 유지)으로 열처리한 후 노냉하였다.

주조 및 열처리된 합금들을 Viella 용액(45ml Glycerol, 15ml HNO3, 30ml HCl)으로 에칭한 후 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다.

합금내 존재하는 상들을 X-선 회절시험방법으로 분석하였으며, 크롬보라이드(Cr₂B)의 부피분율을 영상분석기로 측정하였다.

합금의 전체적인 경도를 비커스(Vickers) 경도기로 300g의 하중 하에서 측정하였다.

<실시예 2>

분말사출성형용 철계 합금을 표 2의 합금 조성들에 맞춰 원소분말들을 30 kg 용량의 진공유도로로 용융하여 모합금 잉곳(ingot)을 제조하였다.

사용된 합금은 고순도의 Fe(99.9wt%), Si(99.99wt%), C(99wt%)와 미리 합금화 한 FeB(99.2wt%), FeS(98.5wt%), FeCr(98.6wt%) 예비 합금(pre-alloy)이다.

상기 잉곳을 다시 아르곤(Ar) 분위기에서 1,550 ^oC 로 용융한 후 20 bar의 분사압력으로 질소가스분무법(N₂ gas atomization)으로 구형의 분말을 제조하였다.

이 분말을 분급하여 25μm 이하 크기의 분말을 분말사출성형에 사용하였다.

본 발명에서는 혼합을 용이하게 하고 부피팽창을 줄이기 위하여 파라핀(paraffin) 왁스를 결합제로 사용하였다. 철계 분말 97g과 3g의 결합제를 혼합하여 20 ml의 텅스텐 카바이드 볼(tungsten carbide ball)과 함께 300 ml 용량의 고밀도폴리에틸렌(HDPE; high-density polyethylene) 용기에 장입한 후 250 ml까지 헵탄(heptanes)을 채워 넣었다.

용기의 회전속도를 45 rpm으로 하고 24 시간 회전함으로써 혼합하였다. 분말 혼합체를 55^oC의 핫 플레이트(hot plate)에서 건조한 후 직경 13 mm의 원형 금형에 장입한 후 100kgf/cm² 의 압력으로 상온에서 프레스를 이용하여 압축, 성형하였다.

성형체에서 결합제를 제거하기 위하여 2 ^oC/min.의 승온속도로 500 ^oC까지 올린 후 이 온도에서 1시간 유지하여 탈지하였다. 탈지된 성형체를 치밀화하기 위하여 열처리로에 장입하고 수소 분위기에서 3 ^oC/min.의 승온속도로 1175^oC까지 올린 후 1시간 소결하였다.

<실시예 3: 열역학 계산에 의한 고온 상평형 해석>

합금의 기본 조성으로부터 변화된 합금 조성을 설계하기 위하여 합금의 물성 결정 요소를 파악하는 것이며 합금의 물성(특히 경도)은 크롬보라이드(Cr₂B)의 석출과 밀접한 관련이 있다.

이에 따라 크롬보라이드(Cr₂B) 형성량을 예측하기 위하여 열역학 계산을 수행하였다. 계산에 사용된 소프트웨어는 상용 열역학 계산 프로그램인 ThermoCalc이며, 열역학 데이터베이스는 TCFE2000를 기반으로 업그레이드된 버전(upgraded version)을 사용하였다.

도 2는 이 데이터베이스를 이용하여 작성한 Fe-Cr-B 3원계 등온 상태도이다.

도 3은 1250^oC(분홍색)와 1000^oC(연두색)에서 기본 합금의 구성 원소(Fe, Cr, B, Si, S, C)별로 각 성분 조성에 따른 Cr₂B의 석출 구동력 변화를 계산한 결과이다.

석출 구동력은 다른 성분들간의 비율을 고정시킨 상태에서 조절하려는 성분의 양을 0부터 원래 양의 두 배까지의 범위에서 계산한 것이다.

도 3으로부터 기본 합금의 주된 구성 성분인 철(Fe), 크롬(Cr), 보론(B)의 양을 변화시킬 때 크롬보라이드(Cr₂B)의 석출 구동력이 크게 변함을 알 수 있다. 따라서 합금 설계를 위한 기초 합금의 선정에서는 철, 크롬, 보론을 주요 변수로 하였다.

기본 합금은 PIM용으로 사용될 경우 분말사출공정 중 1,200^oC에서 장시간 소결되므로 소결된 미세조직은 평형에 도달했다고 생각할 수 있다.

평형 도달 후 냉각되고 있는 중이라 생각할 수 있는 온도인 1,000^oC에서 철, 크롬, 보론의 조성을 조절하여 평형 상 분율을 계산하였다.

조성은 기준이 되는 표 1의 기본 합금을 기초로 하여, 주 성분의 몰분율의 합(X_Fe+X_Cr+X_B)이 0.9634 를 유지하되, Cr과 B의 비율(X_Cr/X_B)을 1.0(B 비율 증가), 1.6(기본 비율), 2.2(Cr 비율 증가)의 세 가지 경우로 하여 X_Fe와 (X_Cr+X_B)값을 조절하였다.

도 4는 세 가지 경우에 대한 1,000^oC에서 존재하는 평형 상들의 분율을 보여준다. 보론 비율이 증가할수록, 그리고 X_Cr+X_B 값이 증가할수록 크롬보라이드(Cr₂B)의 평형 상 분율이 증가한다.

세 경우의 조성 비율에서 각각 X_Cr+X_B=0.30, 0.45, 0.5819의 세 가지 경우를 다시 선택하여 모두 아홉개의 합금 조성을 도출하였으며, 이를 표 2에 나타내었다.

우선 X_Cr/X_B 비율이 1.0, 1.6, 2.2인 조성을 중심으로, 각각에 대하여 X_Cr+X_B 합이 0.30, 0.45, 0.5819인 경우를 실시예 1 내지 9로 구분하였다.

여기서 X_Cr/X_B=1.6, X_Cr+X_B=0.5819의 실시예 6은 기준 조성인 표 1의 합금과 동일하다.

도 5 내지 도 7은 아홉 개 합금 조성의 온도에 따른 평형 상 분율을 나타낸 그래프이다. 이로부터 여러 온도에서 크롬보라이드(Cr₂B)의 평형 상 분율의 열역학 계산값을 알 수 있다.

예를 들어, 실시예 1(X_Cr/X_B=1.0, X_Cr+X_B=0.30) 합금 조성에서 1000^oC에서의 Cr₂B 분율은 43 vol. % 정도이고, 나머지는 BCC α-Fe(페라이트)와 FCC γ-Fe (오스테나이트)이다. 온도가 상온으로 내려오면, Cr₂B의 분율은 그대로 유지되고 γ-Fe는 α-Fe로 변태되어 상온 미세조직은 43 vol. %의 Cr₂B과 57 vol. %의 α-Fe로 이루어질 것으로 예상할 수 있다.

< 실시예 4 : Fe 계 합금의 미세조직>

PIM 부품은 고온에서 장시간 소결이 진행됨에 따라 충분한 평형 상태에 이르지만, 주조 합금은 용융 후 냉각에 의한 응고가 비교적 빨리 일어나 평형 상태에 도달하지 못할 수 있다.

따라서 충분한 평형 상태에 도달한 미세조직을 얻기 위하여 PIM의 소결공정에 해당하는 열처리를 주조 합금에 적용하였다.

도 8 내지 10은 주조 후 열처리된 합금들의 주사전자현미경(SEM) 미세조직이다. 열처리 후에는 확산이 일어나므로, 그 미세조직은 주조 합금의 미세조직과 상당히 다르다.

고온에서 장시간 유지되면 마르텐사이트는 미세한 탄화물들이 석출한 템퍼드 마르텐사이트, 즉 페라이트로 변화하며, Cr₂B도 형태가 침상 또는 봉상에서 구형 또는 타원형으로 변화한다.

주조 합금에서와 마찬가지로, (X_Cr+X_B)이 증가함에 따라 Cr₂B 양이 증가하는 경향을 나타낸다. 기준 조성의 합금과 동일한 조성인 실시예 6의 합금의 미세조직(도 9 (f))은 도 1의 기본 합금 분말로 분말사출성형한 부품의 미세조직과 비슷하다. 이로부터 주조 후 열처리된 합금의 미세조직은 이를 분말로 만든 후 PIM 공정을 거친 부품의 미세조직과 비슷할 것이라고 예상할 수 있다.

도 11은 열처리된 합금들의 X-선 회절분석결과이다. 모든 합금에서 α-Fe (페라이트)와 Cr₂B의 피크가 나타나므로, Cr₂B가 페라이트 기지 내에 분포함을 알 수 있다. 석출된 Cr₂B 분율을 측정하여 표 3에 나타내었으며, 평형 상 분율을 나타낸 도 5 내재 7로부터 구한 Cr₂B 분율과 비교하였다.

< 실시예 5: Fe 계 합금의 경도>

주조된 합금과 열처리된 합금들의 경도를 측정하여 표 3에 나타내었다. 같은 화학조성에서 주조 합금과 열처리 합금의 경도가 다른 것은 Cr₂B와 마르텐사이트로 이루어진 주조 합금의 미세조직이 열처리 후 달라지기 때문이다.

합금	크롬보라이드의 부피분율(vol. %)		비커스 경도(VHN)
합금	계산값	열처리후	주조후	열처리후
실시예1	48	51	1107.5 (±60.8)	595.4 (±37.8)
실시예2	71	76	1200.5 (±7.6)	1144.6 (±123.7)
실시예3	89	91	1649.6 (±105.1)	1624.7 (±125.2)
실시예4	40	46	837.4 (±52.8)	404.4 (±14.6)
실시예5	57	59	735.3 (±14.0)	648.9 (±170.7)
실시예6	71	80	759.5 (±33.4)	1260.5 (±55.5)
실시예7	34	42	658.0 (±89.2)	325.7 (±17.7)
실시예8	47	47	482.8 (±18.3)	537.0 (±58.2)
실시예9	60	66	617.6 (±6.2)	962.5 (±149.2)

주조 합금에서 마르텐사이트는 열처리 후 페라이트로 변화하며, Cr₂B는 고온 열처리에 의한 확산 효과에 의해 평형 상태에 도달함에 따라 Cr₂B 자체의 경도와 분율이 증가한다. 열처리 후에는 마르텐사이트가 페라이트로 변화함에 따라 경도는 감소하고, Cr₂B의 경도와 분율이 증가함에 따라 경도는 증가하며, 이 둘 사이의 경쟁 관계에 따라 주조 합금의 경도는 열처리 후 증가 또는 감소하게 된다.

즉, Cr₂B 분율이 높은 합금 조성에서는 마르텐사이트-페라이트 변태에 의한 경도 감소보다 Cr₂B 경도와 분율의 증가 효과가 커서 열처리 후 경도가 증가한다. 반면, 페라이트 분율이 높은 합금 조성에서는 마르텐사이트-페라이트 변태에 의한 경도 감소 효과가 Cr₂B 경도와 분율의 증가 효과보다 커서 열처리 후 경도가 감소하는 경향을 보인다.

실시예 6의 합금의 미세조직(도 9 (f))과 기본 합금 분말로 PIM한 부품의 미세조직(도 1)과 비슷한 것을 고려할 때, 본 연구에서 제조한 Fe계 합금들은 Cr₂B 분율과 경도에 따라 다양하게 PIM 부품의 제조에 사용될 수 있다.

일반적으로 Cr₂B분율이 증가하면 경도도 증가하지만, 취성 파괴 가능성은 증가한다. 따라서 PIM 부품에 적용될 때 높은 Cr₂B분율과 경도가 반드시 필요한 것은 아니기 때문에, 부품에 요구되는 물성에 적합한 물성을 가진 합금을 효과적으로 선택하는 것이 바람직하다.

예를 들어, PIM 부품에 요구되는 경도 조건이 500~600 VHN이라면, 여기에 맞는 합금, 예를 들어 실시예 1, 5, 8의 합금들이 적용될 수 있다. 이 경우 경도가 높은 합금보다 취성이 감소하고 인성은 증가되는 이점도 가질 수 있다.

또한 Cr₂B 분율이 증가하려면 이에 따른 합금원소의 양도 증가하므로, PIM 부품에 요구되는 물성은 물론, 합금원소의 가격을 포함한 경제성을 함께 고려하는 것이 바람직하다.

도 12는 부품에 요구되는 물성(경도 기준)에 따라 합금원소의 가격을 그래프로 나타낸 것이다. 합금원소의 가격 기준은 LME dailiy price (2010.07.27기준)에 의거하였다.

본 연구에서 제조한 합금에 함유된 합금원소의 가격은 기본합금 낮으며, 경도가 감소하면 합금원소 가격도 감소한다.

또한, PIM용으로 많이 사용되고 있는 페라이트계 또는 마르텐사이트계 SUS630 스테인리스강(조성: Fe-17Cr-4Ni-4Cu-0.35Nb-0.07C(wt.%), 경도: 360 VHN)보다 합금원소의 가격이 낮아 이의 대체가 충분히 가능하다.

따라서 PIM 부품에 요구되는 물성과 경제성을 동시에 고려할 때, 본 연구의 합금은 다양한 조건의 PIM 부품에 적용이 충분히 가능하며, 우수한 물성과 유리한 경제성까지 갖추고 있다.

이상과 같이 단단한 Cr₂B이 페라이트 기지에 분포된 PIM용 합금을 설계한 본원발명으로부터 Cr₂B 분율을 조절함으로써 다양한 물성을 나타내는 합금을 성공적으로 제조할 수 있었다.

특히 열역학 계산에 의한 고온 평형 상 분율의 계산 결과로부터 Cr₂B 분율 및 경도를 예측하였고, 이를 이용하여 다양한 Cr₂B분율과 경도를 가지는 Fe계 합금을 제조하였다.

이 합금들은 고온에서 안정하고 내식성이 우수한 Cr₂B를 많이 함유하여 상온 경도는 물론, 고온 물성, 내마모성, 내식성도 기존 스테인리스강 PIM 부품보다 우수할 것으로 예상되므로 우수한 물성을 요구하는 구조용 부품에 적용할 수 있는 새로운 가능성을 보여준다.

실시예 3 합금은 1600 VHN 이상의 경도를 나타내고 있으므로, 스테인리스강 뿐만 아니라 초경합금의 PIM 부품에도 충분히 적용 가능하다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

분말사출성형용 철계 합금에 있어서,
철(Fe) 52.59~ 78.15 wt.%, 크롬(Cr) 16.45~ 37.34 wt.%, 보론(B) 3.42~7.76 wt.%, 실리콘(Si) 1.64~1.92wt.%, 황(S) 0~0.21 wt.%, 탄소(C) 0.16~0.18 wt.% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.
제 1 항에 있어서,
상기 크롬(Cr)과 보론(B)의 비율(X_Cr/X_B)은 1.0 인 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.
제 2 항에 있어서,
상기 크롬(Cr)과 보론(B)의 몰분율의 합(X_Cr+X_B)은 0.30 내지 0.60 인 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 철(Fe), 크롬(Cr) 및 보론(B)의 몰분율의 합(X_Fe+X_Cr+X_B)은 0.9635 인 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.
제 4 항에 있어서,
상기 분말사출성형용 철계 합금의 미세조직은 크롬 보라이드(Cr₂B)가 페라이트(ferrite) 기지 내에 네트워크 형태로 분포하는 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.
제 5 항에 있어서,
상기 크롬 보라이드(Cr₂B)의 부피 분율(volume fraction)은 51%~91% 인 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.
제 6 항에 있어서,
상기 분말사출성형용 철계 합금의 경도는 600 ~ 1600 VHN 인 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.
제 1 항 내지 제 7 항에 의한 분말사출성형용 철계 합금의 분말을제공하는 단계;
상기 분말사출성형용 철계 합금의 분말과 결합제를 혼합하여 분말혼합체를 형성하는 단계;
상기 분말 혼합체를 압축 성형하는 단계;
상기 분말 혼합체를 가열하여 결합제를 제거하는 단계; 및
상기 결합제가 제거된 분말 혼합체를 소결하는 단계를 포함하는 철계 분말의 사출성형방법.
제 8 항에 있어서,
상기 분말 혼합체의 형성은 제1 항 내지 제 8항에 의한 분말사출성형용 철계 합금의 분말과 파라핀 왁스, 텅스텐 카바이드 볼 및 헵탄(heptanes)을 용기에 혼합 후 상기 용기를 회전시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 철계 분말의 사출성형방법.