KR20140083164A - 철계 확산접합분말 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철계 확산접합분말의 제조방법에 관한 것으로, 용강을 수분사하여 표면이 산화된 철계분말을 제조하고, 상기 표면이 산화된 철계분말과 산화망간 분말을 균일하게 혼합하며, 상기 혼합된 분말을 환원성 분위기의 열처리로에서 상기 철계분말과 산화망간 분말을 환원시키면서, 상기 산화망간 분말을 상기 철계분말 표면에 확산접합시킨 다음, 상기 확산접합된 분말을 파쇄하는 단계를 포함하는 철계 확산접합분말의 제조방법이 개시된다.

Description

철계 확산접합분말 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING IRON-BASED DIFFUSION BONDING POWDERS}

본 발명은 철계 확산접합분말 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화망간 분말을 이용하여 확산접합시키는 철계 확산접합분말의 제조방법에 관한 것이다.

최근, 분말야금을 이용한 자동차 부품의 수요가 높아지고 있다. 그 이유는 기계적 특성은 가공 부품에 비해 떨어지지만 정밀하고 복잡한 부품을 낮은 단가로 대량 생산할 수 있기 때문이다.

특히, 자동차용 소결부품을 제조하기 위해서는 경량화 및 고강도, 고인성의 특성을 나타내는 소결체가 요구된다.

일반적으로 분말야금에 의하여 제조된 철계 소결부품은 단조 또는 압연공정을 거쳐 제조되는 제품에 비하여 품질이 우수하고, 경제적이다. 그러나, 소결제품은 제조과정의 특성상 필연적으로 제품 내에 기공이 형성되며, 이러한 잔류기공은 소결된 제품의 기계적 특성을 저하시킨다. 이는 기공이 응력집중부로 작용하며 응력을 받는 유효부피를 감소시키기 때문이다.

따라서, 기공에 의한 특성저하를 방지하기 위하여 철계 소결부품의 경우 여러 금속을 첨가하여 제조된 철계 합금분말을 이용하는 기술이 많이 개발되고 있다. 특히, 탄소, 구리, 니켈은 순철분말에 주로 첨가되는 합금원소로써 소결체의 기계적 특성, 성형성, 소결성에 영향을 미치게 되어 적절한 비율로 혼합하여 사용한다.

상기 탄소는 가장 흔하게 첨가되는 원소이며 소결체의 강도 및 경도의 증가에 효과적이며 보통 그래파이트 분말(Graphite powder)의 형태로 성형공정 전에 첨가된다. 상기 탄소를 예비합금화하여 제조된 분말은 탄소의 강화 효과로 철계분말의 압축성이 저하된다.

구리는 소결온도에서 액상으로 확산되어 소결성을 촉진시키며 소결체의 경화성을 높여주는 역할을 하지만 소결공정 중에 팽창하는 단점을 가지고 있다.

니켈은 여러 첨가금속 중 인장강도 향상을 위하여 사용되는 금속이며 단독으로 사용되기보다는 몰리브덴, 구리 등과 같이 사용될 경우 효과가 크다.

그러나, 이와 같은 금속합금분말의 경우 고가의 합금원소인 니켈, 몰리브덴 등을 다량 함유하고 있으므로 그 금속합금분말의 가격은 매우 고가이다.

최근 자동차 부품의 사용 추세를 살피면 제품 가격 중 원재료가 차지하는 비중이 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 니켈은 매우 고가이며 그 단가가 상승하고 있으므로 이러한 니켈을 함유한 금속합금분말로 인하여 제품 가격 대비 원재료가 차지하는 비중은 계속 증가하고 있다. 따라서, 우수한 기계적 특성을 갖추며 경제적인 자동차 부품을 제조할 수 있는 철계합금분말이 절실히 요구된다.

합금의 제조방법에는 일반적인 혼합기를 이용한 단순혼합, 용강상태에 합금원소를 첨가하여 예비합금화하는 방법 등이 있다. 이러한 방법들은 편석 발생 또는 성형성 저하의 여러 문제점을 갖게 되며 이를 해결하기 위하여 철계분말 표면에 첨가금속을 확산시켜 접합하는 확산접합분말 제조방법을 사용한다. 확산접합분말의 제조방법은 환원된 철분말과 금속분말 또는 금속계산화물을 첨가하여 무산소 분위기 또는 환원 분위기에서 열처리하여 철분말 표면에 첨가 금속을 확산시켜 제조하게 된다. 이때 환원 철분말 제조시 환원 공정과 확산접합분말 제조시 열처리 공정이 필요하기 때문에 확산접합분말의 가격은 순철 분말에 비하여 통상 2배 가량 높은 가격에 판매된다.

한편, 고망간강은 원자재 가격 상승에 따른 효율적인 자원 이용에 대한 사회적 요구가 증가됨에 따라 고강도 및 고연성의 기계적 성질의 철강 소재의 요구에 대응하기 위하여 개발되었다. 고망간 TWIP(Twinning-Induced Plasticity)강의 경우 소성변형 중 오스테나이트 조직 내 변형쌍정(deformation twin)을 발생시켜 높은 가공경화를 보이기 때문에 우수한 강도 및 연신율을 보인다.

이와 같은 우수한 기계적 특성은 망간의 함유량에 따라 변하며 C, Al, Si, Cr등의 원소를 10%이내 함유되어 영향을 미치기 때문에 적절한 비율의 합금설계가 필요하다. 높은 망간의 함량은 제조 공정 부하와 재료 가격의 상승을 수반하기 때문에 망간의 함량을 줄이는 합금개발이 요구되고 있는 실정이다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은 니켈 또는 몰리브덴과 같은 고가의 첨가금속 대신 비교적 값싼 망간을 이용하여 철계 합금분말을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 용강을 수분사하여 표면이 산화된 철계분말을 제조하는 단계; 상기 표면이 산화된 철계분말과 산화망간 분말을 균일하게 혼합하는 단계; 상기 혼합된 분말을 환원성 분위기의 열처리로에서 상기 철계분말과 산화망간 분말을 환원시키면서, 상기 산화망간 분말을 상기 철계분말 표면에 확산접합시키는 단계; 및 상기 확산접합된 분말을 파쇄하는 단계를 포함하는 철계 확산접합분말의 제조방법이 제공될 수 있다.

상기 열처리로의 온도는 600~900℃의 온도범위인 것을 특징으로 하고, 상기 열처리로에서의 환원 시간은 20~120분인 것을 특징으로 한다.

상기 산화망간 분말은 망간 금속으로 환산했을 경우, 5~40중량%인 것을 특징으로 하며, 상기 환원성 분위기는 수소와 질소의 혼합가스로 이루어지며, 수소의 비율이 30% 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면 동등한 기계적 특성을 가지며 보다 값싼 망간으로 대체하여 원자재 가격을 낮출 수 있으며, 2회 실시하던 고온 열처리 공정을 1회만 실시하여 생산성을 높이고 보다 경제적으로 철계 확산접합분말을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 확산 접합분말의 제조공정도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 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.

일반적인 철계분말에는 낮은 망간 함량을 유지하며 기계적 특성 향상을 위하여 니켈, 몰리브덴 등과 같은 고가의 금속을 사용하나, 본 발명에 따른 실시예에서는 TWIP(Twinning-Induced Plasticity)강 또는 하드필드강(Hadfield Steel)과 같은 철강제품에서 사용되는 망간의 함량을 높여 고강도, 고인성의 특성을 갖는 소결용 합금분말을 제조하는 방법이 개시된다.

본 발명에 따른 실시예에서는 수분사와 건조 공정만을 통하여 제조된 미환원 철계분말과 금속계 산화물 분말을 혼합 후 1회의 열처리를 통하여 환원 및 확산공정을 동시에 실시하여 생산성을 높이고 보다 경제적으로 확산접합분말을 제조할 수 있다.

먼저, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 확산접합 분말의 제조공정도인데, 이하에서는 도 1을 참조하여 확산접합 분말의 제조공정 순서에 대하여 간략히 설명한다.

먼저, 순철 용강을 사용하여 수분사 및 건조하여 표면이 산화된 철계분말을 제조(S10)하고, 제조된 미환원 철계분말과 산화망간 분말을 균일하게 혼합(S20)한 다음, 혼합된 분말을 환원성 분위기 또는 무산화 분위기에서 환원 및 확산접합을 위한 열처리(S30)를 실시하고, 마지막으로 접합된 분말들이 고온에서 서로 엉겨 붙어 만들어진 덩어리를 파쇄(S40)하여 떼어 놓는 과정을 포함한다.

이때, 본 발명에 따른 실시예에서는 수분사로 제조된 미환원 철계분말은 각각 탄소 0.2중량%이하, 산소 1.2중량%이하의 함유량을 가지며 이외에 분순물 함량은 1.5중량%인 것을 사용하며, 접합용 분말로써 금속계산화물을 사용하는데, 본 발명에 따른 실시예에서는 산화망간을 사용한다.

상기 산화망간은 망간(Mn)과 산소(O)가 이루는 모든 화합물을 포함하며, 바람직하게는 Mn₃O₄, Mn₂O₃를 사용한다. 상기 Mn₃O₄ 는 추가적인 방법 없이 천연에서 구할 수 있으며 환원성 분위기에서 쉽게 환원되어 철계 표면에 반응을 일으키며, Mn₂O₃는 500℃ 이상으로 가열하면 Mn₃O₄가 생성되어 확산반응이 일어나기 좋은 환경을 만들어 준다. 반면, MnO의 경우에는 1200℃의 고온에서도 환원반응이 쉽지 않아 접합용 분말로 사용하기 적합하지 못하다.

본 발명에 따른 실시예에서는 상기 산화망간의 함량은 금속망간으로 환산하였을 경우 5~40중량%일 수 있으며, 만약, 상기 범위를 벗어나면 오스테나이트 조직이 생성되지 못하거나 소결체의 내충격성이 떨어질 수 있으므로, 본 발명에 따른 실시예에서의 산화망간의 함량은 상기 범위로 한정한다. 더 바람직하게는 10~30중량%일 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 철계 확산접합분말 제조 과정에 대하여 설명하기로 한다.

먼저, 전로 또는 전기로 등을 이용하여 철계 분말을 제조하기 위한 용강을 제조한다. 이때 용강의 성분 제어를 통하여 목표로 하는 기타 금속성분들을 제어할 수 있다.

상기와 같이 제조된 순철 분말을 수거하여 소정의 탈수 장비를 이용하여 탈수하고 건조하여 수분사시 철계분말과 혼재되어 있는 수분을 제거할 수도 있다.

이때, 건조된 철계분말의 불순물을 분리하는 과정이 더 포함될 수 있으며, 표면이 산화된 철계분말을 접합용분말인 산화망간 분말과 균일하게 혼합한다. 이때 브이믹서(V-mixer) 또는 더블콘믹서(Double cone mixer)와 같은 일반적인 혼합기를 사용할 수 있다.

균일하게 혼합된 분말은 컨베이어 벨트 타입 로(Conveyor Belt Furnace)를 사용하여 열처리를 실시할 수 있다. 본 발명에 따른 실시예에서의 열처리로의 온도는 600~900℃이며 환원시간은 20~120분으로 한정한다.

만약, 상기 열처리로의 온도가 600℃보다 낮은 경우에는 환원 및 확산접합반응의 시간이 오래 걸려 생산성이 저하될 수 있는 반면, 상기 열처리로의 온도가 900℃보다 높은 경우에는 표층의 반응속도가 빨라 가소결됨에 따라 깊이 방향으로 환원가스가 투입되지 못하기 때문에 부분적으로 환원이 되지 않을 수 있으므로 본 발명에 따른 실시예에서의 열처리로의 온도는 상기 범위로 한정한다.

또한, 본 발명에 따른 실시예에서의 열처리를 20분 미만으로 실시하는 경우에는 환원 및 확산접합이 충분히 일어나지 않을 수 있으며, 120분을 초과하는 경우에는 추가적인 장점이 발생하지 않으므로 본 발명에 따른 실시예에서의 열처리 시간은 상기 범위로 한정한다.

또한, 본 발명에 따른 실시예에서의 환원성 분위기는 수소와 질소의 혼합가스를 사용할 수 있으며, 수소의 비율은 30%이상이 되도록 한다. 만약, 수소 비율이 30% 미만인 경우에는 과량의 질소 분위기로 인하여 질소 트랩(trap)현상이 발생되어 분말의 물성을 저하시킬 수 있으므로 본 발명에 따른 실시예에서의 환원성 분위기 가스는 수소의 비율을 30%이상으로 한정한다.

상기 열처리시 로(furnace)내 산소 농도는 10ppm이하로 유지하여 고온에서 분말의 산화를 방지하며, 고온의 열처리를 통하여 얻어진 철계분말 덩어리를 볼밀(ball mill), 해머크러셔(hammer crusher)등과 같은 일반적인 파쇄기를 통하여 엉겨 붙은 확산접합분말들을 서로 분리시켜 철계 확산접합분말을 제조한다.

상기와 같이 본 발명에 따른 실시예에서는 환원 열처리 공정과 접합 열처리 공정을 실시하여 총 2회의 열처리로 확산접합분말의 제조하던 종래방법 대신 1회의 열처리로 환원공정과 접합 공정을 동시에 실시하여 생산성 및 경제성을 향상시키도록 하였다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예에 의해 제조한 고망간 철계 확산접합분말의 특성평가를 위하여 겉보기 밀도, 유동도, 성형강도, 인장강도 및 첨가분말의 분산도를 측정한 결과에 대하여 설명한다.

상기 제조 방법으로 철계확산 접합분말을 제조하였으며 철계분말 내의 망간 함유량은 13중량%로 하였다. 850℃, 60min의 열처리를 통하여 환원 및 확산접합을 실시하였으며 이때 열처리 분위기는 수소와 질소의 비율 1:1이었으며 로내 산소농도는 10ppm 미만으로 유지하였다. 물성비교를 위하여 망간을 확산접합시키지 않은 환원철분과 환원 철분에 금속망간 분말을 첨가한 혼합분말을 제조하였다. 표 1은 본 발명에 따른 실시예에 의해 제조한 순철분말(A), 단순혼합분말(B), 확산접합분말(C)의 성분 함량이다.

구분	화학성분(중량%)
	C	O	N	S	P	Si	Mn	Cr	Cu	Ni	Al
A	0.008	0.125	0.0052	0.02	0.008	0.009	0.13	0.08	0.12	0.07	0.12
B	0.006	0.11	0.0048	0.018	0.01	0.009	13.4	0.07	0.12	0.07	0.12
C	0.008	0.124	0.0051	0.02	0.008	0.009	12.7	0.08	0.12	0.07	0.12

상기 제조된 분말에 상용윤활제 ZS1000F를 0.6중량%혼합 한 후 600MPa의 압력으로 링 형의 성형체 및 ASTM E8에 따른 인장강도를 측정하기 위한 인장강도 시편을 각각 10개씩 제조하여 900에서 120분 동안 소결 공정을 통하여 소결체를 제조하였다. 이때, 소결로의 분위기는 수소와 질소의 비를 1:3으로 진행하였다. 이때, 소결특성의 결과는 아래의 표 2와 같다.

구분	최대인장강도(MPa)	항복강도 (MPa)	연신율 (% in 25.4mm)
A	266±30	170±30	3.2±0.4
B	870±50	592±60	32±6
C	1157±15	674±10	37±1

소결특성을 분석한 결과 순철분말(A)에 비하여 순철분말에 금속망간분말을 단순히 혼합한 분말과 확산접합분말의 강도 및 연신율이 증가됨을 확인할 수 있었다.

이는 종래의 다량의 망간을 함유한 고망간강의 특성과 유사함을 보였다. 또한, 확산접합시켜 제조한 C분말의 소결체가 단순 혼합한 B분말의 소결체보다 강도 및 연신율이 높은 값을 보였으며 이와 같은 편차는 단순혼합 분말에 편석이 발생되어 강화제로 사용된 첨가분말 Mn의 분산도에 따른 영향으로 볼 수 있다.

이상 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 (5)

1. 용강을 수분사하여 표면이 산화된 철계분말을 제조하는 단계;
   상기 표면이 산화된 철계분말과 산화망간 분말을 균일하게 혼합하는 단계;
   상기 혼합된 분말을 환원성 분위기의 열처리로에서 상기 철계분말과 산화망간 분말을 환원시키면서, 상기 산화망간 분말을 상기 철계분말 표면에 확산접합시키는 단계; 및
   상기 확산접합된 분말을 파쇄하는 단계를 포함하는 철계 확산접합분말의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열처리로의 온도는 600~900℃의 온도범위인 것을 특징으로 하는 철계 확산접합분말의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 열처리로에서의 환원 시간은 20~120분인 것을 특징으로 하는 철계 확산접합분말의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 산화망간 분말은 망간 금속으로 환산했을 경우, 5~40중량%인 것을 특징으로 하는 철계 확산접합분말 제조방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 환원성 분위기는 수소와 질소의 혼합가스로 이루어지며, 수소의 비율이 30% 이상인 것을 특징으로 하는 철계 확산접합분말 제조방법.

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