KR20150006215A

KR20150006215A - 금속분말 사출성형용 고강도 합금의 제조방법

Info

Publication number: KR20150006215A
Application number: KR20130079712A
Authority: KR
Inventors: 백응률; 권해욱; 여윤정; 장주성; 전성준; 하수영
Original assignee: 영남대학교 산학협력단; 계림금속 주식회사; 아진산업(주)
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2015-01-16
Also published as: KR101568383B1

Abstract

본 발명은 Fe-2Ni-C계 합금분말에 Cu 분말을 첨가하여 혼합하는 단계; 상기 혼합된 금속분말에 바인더를 첨가하여 혼합하는 단계; 상기 혼합된 혼합물을 분말사출하는 단계; 상기 분말사출된 성형체를 탈지하는 단계; 상기 탈지된 성형체를 소결하는 단계; 및 상기 소결된 소결체를 열처리하는 단계를 포함하는 금속분말 사출성형(MIM)용 고강도 합금의 제조방법을 제공한다.

Description

금속분말 사출성형용 고강도 합금의 제조방법{Method for manufacturing high strength alloy for metal injection molding}

본 발명은 Fe-2Ni-C계의 합금분말에 구리 분말을 첨가하고 열처리하여 금속분말 사출성형(MIM)용 고강도 합금을 제조하는 방법에 관한 것이다.

금속분말 사출성형(Metal Injection Molding)은 플라스틱 산업에서 사용된 사출성형기술과 분말야금 산업에서 발달한 금속분말의 소결기술의 장점을 융합시킨 프로세스이다. 기존의 분말야금 공정에 의해 얻을 수 없는 복잡한 형상의 부품을 플라스틱 사출성형에서와 같은 성형원리를 이용하여 분말성형체를 얻을 수 있게 하는 새로운 성형방법이다. 이 방법으로 난가공성 소재를 3차원 복잡형상으로 대량생산이 가능하며 낮은 생산 단가를 가지는 장점이 있다. 금속분말 사출성형 공정에서 사용되는 대표적인 분말 중 하나가 Fe-2Ni-C이다.

대한민국 특허공개공보 제 10-2009-0039835호는 개선된 분말 야금 조성물을 개시하고 있다.

종래의 금속분말 사출성형(MIM)용 합금의 제조방법은 철계 매트릭스 분말 55∼90%, 및 경질상(hard phase) 분말 45∼10% 의 조성(부수적 불순물 제외)을 가지며, 상기 경질상은, 30% 이상의 Fe, 및: 1∼3% C, 20∼35% Cr, 2∼22% Co, 2∼15% Ni, 8∼25% W 의 조성(부수적 불순물 제외)을 가지는 것을 특징으로 한다.

그러나 종래의 금속분말 사출성형(MIM)용 합금은 기계적 성질이 우수하지 못하므로 고강도 및 고인성이 요구되는 분야에 쓰이지 못하는 단점을 가지고 있다.

본 발명은 Fe-2Ni-C에 Cu를 첨가하고 열처리하여 고강도 및 고인성을 갖는 금속분말 사출성형용 고강도 합금을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

또한 상기 Fe-2Ni-C계 합금분말 100 중량부에 대하여 Cu 분말을 1 내지 3 중량부로 첨가하여 혼합하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 금속분말 사출성형 분말로 대표적인 저합금강인 Fe-2Ni-C에 Cu 분말을 첨가하여 금속분말 사출성형 공정 적용 및 열처리를 통한 고강도 합금을 제조할 수 있어, 초정밀 실형상 부품에서부터 초소형 고강도 및 고인성이 요구되는 부품에 이르기까지 다양한 제품군에 적용 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 금속분말 사출성형(MIM)용 고강도 합금의 제조방법에서 소결체를 열처리하는 단계의 열처리조건을 나타낸 그래프이다.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 Fe-2Ni-C계 합금분말에 Cu 분말을 첨가하여 혼합하는 단계에서 상기 Cu 분말은 기공의 부피 분율을 증가시키는 역할을 수행하고, 상기 Fe-2Ni-C계 합금분말 100 중량부에 대하여 1 내지 3 중량부, 1 내지 2 중량부 또는 2 내지 3중량부 일 수 있다.

또한 상기 혼합된 금속분말에 바인더를 첨가하여 혼합하는 단계에서 상기 바인더는 사출성형 과정에서 성형체의 형상유지와 성형체의 강도를 우수하게 하는 역할을 수행하고, 상기 혼합된 금속분말 100 중량부에 대하여 5 내지 15 중량부, 5 내지 10 중량부 또는 8 내지 15 중량부 일 수 있다.

이때 상기 바인더는 밀도 1.20 내지 1.50 g/cm³의 폴리옥시메틸렌 30 내지 85 중량 %, 0.90 내지 1.00 g/cm³의 저밀도 열가소성 수지 1 내지 20 중량 % 및 밀도 0.88 내지 1.00 g/cm³의 분산 보강제 14 내지 50 중량 %일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 다른 구체예에서, 상기 탈지된 성형체를 소결하는 단계의 상기 소결은 아르곤 가스 분위기 하에서 1,280 내지 1,330℃의 온도 범위에서 소결하며, 최고온도에서 180분 동안 유지한 후 냉각할 수 있다.

상기 소결된 소결체를 열처리하는 단계의 상기 열처리는 오스테나이트화 처리 온도를 920 내지 960℃의 온도 범위에서 20℃ 간격으로 변화시키고, 오스테나이트화 처리시간을 60 내지 150분 동안으로 하여 오스테나이트화 처리 후 오일 ?칭하여 다시 템퍼링할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

< 실시예 1> Cu 분말이 1 중량 % 함유된 고강도 합금의 제조

Fe-2Ni-C계 합금분말(제조사: ATMIX) 99 중량 % 와 Cu 분말(제조사: 조인엠) 1 중량 % 를 혼합하여 교반기를 이용하여 1시간 동안 교반하였다. 상기 혼합된 금속분말에 유기혼합체 바인더(제조사: BASF)를 10 중량부로 첨가한 후 인장시편 금형을 이용하여 분말사출하였다. 상기 분말사출된 성형체를 헵탄에 넣고 20 시간 동안 유지하여 유기혼합체 바인더를 제거하였다. 상기 탈지된 성형체를 1330 ℃ 질소 분위기에서 2시간 유지한 후 냉각하여 소결체를 제조하였다. 상기 소결체를 640 ℃에서 20 ℃ 간격으로 변화시키며 2시간 동안 유지하여 오스테나이트화 한 후 300 ℃ 에서 1시간 동안 오일 ?칭하고 다시 템퍼링하여 Cu 분말이 1 중량 % 함유된 고강도 합금을 제조하였다.

< 실시예 2> Cu 분말이 2 중량 % 함유된 고강도 합금의 제조

상기 실시예 1의 제조방법과 동일하게 Fe-2Ni-C계 합금분말(제조사: ATMIX) 98 중량 % 와 Cu 분말(제조사: 조인엠) 2 중량 % 를 이용하여 Cu 분말이 2 중량 % 함유된 고강도 합금을 제조하였다.

< 실시예 3> Cu 분말이 3 중량 % 함유된 고강도 합금의 제조

상기 실시예 1의 제조방법과 동일하게 Fe-2Ni-C계 합금분말(제조사: ATMIX) 97 중량 % 와 Cu 분말(제조사: 조인엠) 3 중량 % 를 이용하여 Cu 분말이 3 중량 % 함유된 고강도 합금을 제조하였다.

< 비교예 1> 종래의 고강도 합금의 제조

상기 실시예 1의 제조방법과 동일하게 Fe-2Ni-C계 합금분말(제조사: ATMIX) 100 중량 % 를 이용하여 Cu 분말이 함유되지 않은 고강도 합금을 제조하였다.

< 비교예 2> Cu 분말이 6 중량 % 함유된 고강도 합금의 제조

상기 실시예 1의 제조방법과 동일하게 Fe-2Ni-C계 합금분말(제조사: ATMIX) 94 중량 % 와 Cu 분말(제조사: 조인엠) 6 중량 % 를 이용하여 Cu 분말이 6 중량 % 함유된 고강도 합금을 제조하였다.

< 실험예 1> 물성분석

소결체와 열처리 후의 인장강도, 연신률 및 경도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다. 인장강도는 Instron사의 4885P모델을 이용하여 크로스 헤드 스피드(cross head speed)는 0.5mm/min으로 진행되었고, 경도는 로크웰 경도기를 이용하여 HRA 스케일에서 수행되었다.

또한, 실시예에 따라 Fe-2Ni-0.5C에 Cu 분말을 1, 2, 3 중량 %로 각각 첨가하여 제조한 소결체의 물성을 분석하여 하기 표 2에 나타내었다.

종래재	소결체		열처리 후
종래재	평균	표준 편차	평균	표준 편차
인장강도[MPa]	774	25	1343	80
%연신률	4.3	0.9	1.5	1
경도[HRC]	22	1.6	44.6	1.3

	소결체
	실시예 1 1 중량 % Cu분말 첨가	실시예 2 2 중량 % Cu분말 첨가	실시예 3 3 중량 % Cu분말 첨가	비교예 1 Fe-2Ni-0.5C
인장강도[MPa]	730	800	962	774
%연신률	7.2	5	5.7	4.3
경도[HRC]	14.5	20	28.5	22

표 2를 살펴보면 Cu 분말을 첨가함에 따라 종래에 비해 인장강도와 연신률이 증가하는 것을 알 수 있다.

도 1은 소결 후 열처리 단계의 열처리 조건을 나타낸 그래프이다.

도 1을 살펴보면, 오스테나이트화 처리 온도는 920 ℃ 에서 960 ℃ 까지 20 ℃ 간격으로 변화시켰고 오스테나이트화 처리시간은 120분으로 하였다. 오스테나이트화 처리 후 오일 ?칭하여 템퍼링 과정을 거치는데, 이때 온도는 200 ℃ 에서 350 ℃ 까지 50 ℃ 간격으로 변화시켰고, 템퍼링 시간은 60분으로 하였다. 열처리 후 인장강도, 연신률 및 경도의 변화를 하기 표 3에 나타내었다.

	열처리 후
	실시예 1 1 중량 % Cu분말 첨가	실시예 2 2 중량 % Cu분말 첨가	실시예 3 3 중량 % Cu분말 첨가	비교예 1 Fe-2Ni-0.5C	비교예 2 6 중량 % Cu분말 첨가
인장강도[MPa]	1145	1234	1399	1343	1365
%연신률	2.84	2.23	6.4	1.5	1.08
경도[HRC]	42	41	41	44.6	35

표 3에서 실시예 3의 경우 인장강도가 1399 MPa 로서 비교예 1의 1343 MPa 보다 상당히 개선됨을 알 수 있으며 연신률이 4배 이상 향상되었다. 따라서 종래의 Fe-2Ni-C 계 합금분말보다 우수한 기계적 강도 및 연신률을 가짐으로서 복잡하고 정밀한 부품을 경제적으로 생산할 수 있는 금속사출성형이 적용 가능함을 알 수 있다.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

Fe-2Ni-C계 합금분말에 Cu 분말을 첨가하여 혼합하는 단계;
상기 혼합된 금속분말에 바인더를 첨가하여 혼합하는 단계;
상기 혼합된 혼합물을 분말사출하는 단계;
상기 분말사출된 성형체를 탈지하는 단계;
상기 탈지된 성형체를 소결하는 단계; 및
상기 소결된 소결체를 열처리하는 단계
를 포함하는 금속분말 사출성형(MIM)용 고강도 합금의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 Fe-2Ni-C계 합금분말 100 중량부에 대하여 Cu 분말을 1 내지 3 중량부로 첨가하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 금속분말 사출성형(MIM)용 고강도 합금의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 혼합된 금속분말 100 중량부에 대하여 바인더를 5 내지 15 중량부로 첨가하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 금속분말 사출성형(MIM)용 고강도 합금의 제조방법.
청구항 3에 있어서,
상기 바인더는 밀도 1.20 내지 1.50 g/cm³의 폴리옥시메틸렌 30 내지 85 중량 %, 0.90 내지 1.00 g/cm³의 저밀도 열가소성 수지 1 내지 20 중량 % 및 밀도 0.88 내지 1.00 g/cm³의 분산 보강제 14 내지 50 중량 %를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속분말 사출성형(MIM)용 고강도 합금의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 소결은 진공 또는 아르곤 가스 분위기 하에서 1,280 내지 1,330℃의 온도 범위에서 소결하며, 최고온도에서 180분 동안 유지한 후 냉각하는 것을 특징으로 하는 금속분말 사출성형(MIM)용 고강도 합금의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 열처리는 오스테나이트화 처리 온도를 920 내지 960℃의 온도 범위에서 20℃ 간격으로 변화시키고, 오스테나이트화 처리시간을 60 내지 150분 동안으로 하여 오스테나이트화 처리 후 오일 ?칭하여 다시 템퍼링하는 것을 특징으로 하는 금속분말 사출성형(MIM)용 고강도 합금의 제조방법.