KR20160045825A

KR20160045825A - 분말 야금용 합금 강분 및 철기 소결체의 제조 방법

Info

Publication number: KR20160045825A
Application number: KR1020167007363A
Authority: KR
Inventors: 도시오 마에타니; 시게루 우나미; 도모시게 오노; 유키코 오자키
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2016-04-27
Also published as: US20160214171A1; WO2015045273A1; SE540965C2; JP5949952B2; WO2015045273A8; JPWO2015045273A1; SE1650273A1; CA2922018A1; CN105555440A; CA2922018C

Abstract

본 발명에 따라, 분말 야금용 합금 강분의 비표면적을 0.100 ㎡/g 이상으로 하고, 그 합금 강분 중의 Mo 량을 0.2 ∼ 1.5 질량％ 의 범위에서 함유하고, 추가로, 그 분말 야금용 합금 강분 : 100 질량％ 에 대해, 흑연분을 0.1 ∼ 1.0 질량％ 의 범위에서 함유함으로써, 그것을 사용한 소결체의 강도와 인성의 양립이 높은 레벨로 가능한 분말 야금용 합금 강분을 얻을 수 있다.

Description

분말 야금용 합금 강분 및 철기 소결체의 제조 방법{ALLOY STEEL POWDER FOR POWDER METALLURGY AND METHOD OF PRODUCING IRON-BASED SINTERED BODY}

본 발명은, 분말 야금 기술에 제공하기에 바람직한 분말 야금용 합금 강분에 관한 것으로, 특히, 이러한 합금 강분을 사용한 소결 재료의 강도 및 인성 (靭性) 의 향상을 도모하고자 하는 것이다.

또, 본 발명은, 상기의 분말 야금용 합금 강분을 사용하여 제조한 강도 및 인성이 우수한 철기 소결체의 제조 방법에 관한 것이다.

분말 야금 기술은, 복잡한 형상의 부품을, 제품 형상에 매우 가까운 형상 (이른바 니어 넷 형상) 으로, 또한 높은 치수 정밀도로 제조할 수 있는 점에서, 대폭적인 절삭 비용의 저감이 가능해진다. 이 때문에, 분말 야금 제품이 각종 기계 구조물이나 그 부품으로서 다방면으로 이용되고 있다.

또한, 최근에는, 부품의 소형화, 경량화를 위하여, 분말 야금 제품의 강도의 향상이 강하게 요망되고 있고, 특히, 철기 분말 제품 (철기 소결체) 에 대한 고강도화의 요구가 강하다.

철기 소결체의 전단계인 분말 야금용 철기 분말 성형체는, 일반적으로, 철기 분말에 대해, 구리분, 흑연분 등의 합금용 분말과, 스테아르산, 스테아르산아연 등의 윤활제를 혼합하여 철기 분말 혼합분으로 하고, 이것을 금형에 충전하여 가압 성형함으로써 제조된다. 그리고, 철기 분말은, 성분에 따라 철분 (예를 들어 순철분 등) 이나, 합금 강분 등으로 분류된다. 또, 제법에 다른 분류에서는, 아토마이즈 철분이나, 환원 철분 등이 있고, 이들 분류에 있어서의 철분이라는 단어는, 합금 강분을 포함하는 넓은 의미로 사용된다.

통상적인 분말 야금 공정으로 얻어지는 분말 야금용 철기 분말 성형체의 밀도는, 6.8 ∼ 7.3 Mg/㎥ 정도가 일반적이다. 이 철기 분말 성형체는, 그 후에 소결 처리가 실시되어 철기 소결체로 되고, 또한, 필요에 따라 사이징나 절삭 가공 등이 실시되어, 분말 야금 제품이 된다. 또, 더욱 높은 강도가 필요한 경우에는 소결 후에 침탄 열처리나 광휘 열처리가 실시되는 경우도 있다.

여기에, 종래부터, 원료분의 단계에서 합금 원소를 첨가한 분말로서,

(1) 순철분에 각 합금 원소 분말을 배합한 혼합분,

(2) 완전히 각 원소를 합금화한 프리 (pre) 합금 강분,

(3) 순철분이나 프리 합금 강분의 표면에, 각 합금 원소 분말을 부분적으로 확산시킨 확산 부착 합금 강분 등이 알려져 있다.

상기 (1) 에 나타낸 순철분에 각 합금 원소 분말을 배합하는 혼합분은, 순철분과 동등한 고압축성을 확보할 수 있다는 이점이 있다. 그러나, 각 합금 원소 분말의 편석이 크기 때문에, 특성의 편차가 크고, 또, 합금 원소가 Fe 중에 충분히 확산되지 않아, 불균질 조직인 채가 되어 효과적인 기지 강화를 달성할 수 없다는 문제가 있었다.

이 때문에, 상기 순철분에 각 합금 원소 분말을 배합한 혼합분은, 최근의 특성 안정화, 고강도화의 요구에 대응하지 못하여, 그 사용량이 감소되어 왔다.

또, 상기 (2) 에 나타낸 각 원소를 완전히 합금화하는 프리 합금 강분은, 용강을 아토마이즈하여 제조하는 것으로서, 균질 조직에 의한 기지 (基地) 강화를 달성할 수 있기는 하지만, 고용 경화 작용에 의한 압축성 저하가 과제가 되고 있다.

또한, 상기 (3) 에 나타낸 확산 부착 합금 강분은, 순철분이나 프리 합금 강분에 각 원소의 금속 분말을 배합하고, 비산화성 또는 환원성의 분위기 하에서 가열하여, 순철분이나 프리 합금 강분의 표면에 각 금속 분말을 부분적으로 확산 접합하여 제조하는 점에서, 상기 (1) 의 철기 혼합분 및 상기 (2) 의 프리 합금 강분의 좋은 점을 조합할 수 있다.

따라서, 합금 원소의 편석을 방지하면서, 순철분과 동등한 고압축성을 확보할 수 있음과 동시에, 부분적인 합금 농화상이 분산되는 복합 조직이 되기 때문에, 기지 강화의 가능성이 있고, 고강도를 위한 확산 부착 합금 강분으로서 개발이 실시되고 있다.

이와 같이, 분말 야금 제품의 강도, 인성을 향상시키기 위해서는 고합금화를 생각할 수 있다. 그러나, 이 합금화에는, 소재가 되는 합금 강분이 경화되어 압축성이 저하되고, 가압 성형에 있어서의 설비 부담이 증대된다는 문제가 발생한다. 또, 합금 강분의 압축성의 저하는, 소결체의 밀도 저하를 일으켜 고강도화를 상쇄하게 된다. 즉, 분말 야금 제품의 강도, 인성을 향상시키기 위해서는, 압축성의 저하를 최대한 억제하면서, 소결체를 고강도화하는 기술이 요구된다.

상기 서술한 바와 같은, 압축성을 유지하면서 소결체를 고강도화하는 기술로는, ?칭성을 개선하는 Ni, Cu 및 Mo 등의 합금 원소를 철기 분말에 첨가하는 것이 일반적으로 실시되고 있다. 이 목적에 대해 유효한 원소로서, 예를 들어 특허문헌 1 에서는, Mo 를 압축성이 저해되지 않는 범위 (Mo : 0.1 ∼ 1.0 질량％) 에서 철분에 프리 합금 원소로서 첨가하고, 또한 이 철분의 입자 표면에 Cu 와 Ni 를 분말의 형태로 확산 부착시킴으로써, 압분 성형시의 압축성과 소결 후의 부재의 강도를 양립시키는 기술이 개시되어 있다.

또, 특허문헌 2 에는, 철강분 표면에 2 종류 이상의 합금 원소, 특히 Mo 와 Ni, 혹은 추가로 Cu 를 확산 부착시킨 고강도 소결체용 분말 야금용 합금 강분이 제안되어 있다.

이 기술에서는, 추가로, 각 확산 부착 원소에 대해, 입자경 : 44 ㎛ 이하의 미립분에 대한 확산 부착 농도가, 그 철강분 전체에 대한 확산 부착 농도의 0.9 ∼ 1.9 배의 범위 내에 들어가도록 제어하는 것이 제안되어 있고, 이 비교적 넓은 범위로의 한정에 의해 소결체의 충격 인성이 확보되는 것으로 되어 있다.

한편, Mo 를 주된 합금 원소로 하고, Ni 나 Cu 를 함유하지 않는 Mo 계 합금 강분도 지금까지 제안되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 3 에서는, 자기 확산 속도가 빠른 Fe 의 α 단일상을 형성하여 소결을 촉진시키기 위하여, 페라이트 안정화 원소인 Mo 를 1.5 ∼ 20 질량％ 의 범위에서 프리 합금으로서 함유하는 합금 강분이 제안되어 있다. 이 합금 강분은, 가압 소결이라는 공정에 입경 분포 등을 적합시킴으로써, 고밀도의 소결체가 얻어지는 것으로 되어 있고, 또 확산 부착형의 합금 원소를 사용하지 않음으로써, 균질하고 안정적인 조직이 얻어지는 것으로 되어 있다.

동일하게, Mo 를 주된 합금 원소로 하는 분말 야금용 합금 강분으로서 특허문헌 4 에 개시된 기술이 있다. 이 기술은, Mn 을 1.0 질량％ 이하, 혹은 추가로 Mo 를 0.2 질량％ 미만, 프리 합금으로서 함유하는 철기 분말의 표면에, Mo : 0.2 ∼ 10.0 질량％ 를 확산 부착시킨 합금 강분을 제안하는 것이다. 철기 분말은, 아토마이즈 철분을 사용해도 되고, 또 환원 철분을 사용해도 되며, 평균 입경은 30 ∼ 120 ㎛ 로 하는 것이 바람직한 것으로 되어 있다. 그리고, 이 합금 강분은, 압축성이 우수할 뿐만 아니라, 고밀도 또한 고강도의 소결 부품을 얻을 수 있는 것으로 되어 있다.

일본 특허공보 소63-66362호 일본 공개특허공보 소61-130401호 일본 특허공보 평6-89365호 일본 공개특허공보 2002-146403호

그러나, 특허문헌 1 및 2 에 기재된 기술에서는, Ni 를 필수의 첨가 성분으로 하는데, Ni 는, 소결시의 확산이 느리기 때문에, 철분이나 철강분에 Ni 를 충분히 확산시키기 위해서는 장시간의 소결이 필요해진다.

또, 특허문헌 3 에 기재된 기술에서는, Mo 첨가량이 1.8 질량％ 이상으로 비교적 높고, 압축성이 낮기 때문에, 높은 성형 밀도가 얻어지지 않는다는 결점이 있다. 이 때문에, 통상적인 소결 공정 (가압하지 않고 1 회 소결) 을 적용한 경우에는 낮은 소결 밀도인 것 밖에 얻어지지 않고, 충분한 강도, 인성이 얻어지지 않는다는 문제가 있었다.

또한, 특허문헌 4 에 기재된 기술은, 소결체의 재압축 및 재소결을 포함하는 분말 야금 공정에 적합시킨 것이다. 즉, 통상적인 소결법에서는, 상기 서술한 효과가 그다지 발휘되지 않는다는 문제가 있었다.

결과적으로, 발명자들의 연구에서는, 상기한 특허문헌 1 ∼ 4 에 기재된 어느 합금 강분을 사용한 소결체에서도, 강도와 인성을 높은 레벨로 양립시키는 것은 곤란하다는 것을 알 수 있었다.

본 발명은, 상기한 현 상황을 감안하여 개발된 것으로, 상기한 종래 기술의 문제점을 극복하고, 그것을 사용한 소결체의 강도와 인성의 양립이 높은 레벨로 가능한 분말 야금용 합금 강분을 제안하는 것을 목적으로 한다.

그런데, 발명자들은, 상기의 목적을 달성하기 위해서, 철기 분말의 합금 성분 및 그 첨가 수단에 대해 여러 가지 검토를 거듭한 결과, 이하에 서술하는 지견을 얻었다.

즉, 철기 분말 표면에, Mo 함유 합금 분말을 부착시킨 분말 야금용 합금 강분으로서, 이 합금 강분의 비표면적을 0.100 ㎡/g 이상으로 하고, 또한 Mo 가 합금 강분 중, 0.2 ∼ 1.5 질량％ 함유된 합금 강분을 사용함으로써, 이 합금 강분을 성형, 소결했을 때, 그 소결성이 우수하기 때문에, 소결체의 기공이 적당히 미세화되어, 소결체의 강도와 함께, 소결체의 인성도 향상된다는 지견을 얻었다.

본 발명은, 상기 지견에 기초하여 이루어진 것이다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. 철기 분말의 표면에 Mo 함유 합금 분말을 부착시킨 분말 야금용 합금 강분에 있어서, 그 분말 야금용 합금 강분의 비표면적이 0.100 ㎡/g 이상이고, 또한 그 분말 야금용 합금 강분 중의 Mo 량이 0.2 ∼ 1.5 질량％ 의 범위이고, 추가로, 그 분말 야금용 합금 강분 : 100 질량％ 에 대해, 흑연분이 0.1 ∼ 1.0 질량％ 의 범위에서 함유되어 있는 분말 야금용 합금 강분.

2. 상기 1 에 기재된 분말 야금용 합금 강분에, 추가로. 그 분말 야금용 합금 강분 : 100 질량％ 에 대해, Cu 분이 0.5 ∼ 4.0 질량％ 의 범위에서 함유되어 있는 분말 야금용 합금 강분.

3. 상기 1 또는 2 에 기재된 분말 야금용 합금 강분으로서, 상기 철기 분말이 환원 철분을 함유하고, 또한 그 철기 분말의 평균 입경이 80 ㎛ 이하인 분말 야금용 합금 강분.

4. 상기 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 분말 야금용 합금 강분으로서, 상기 철기 분말의 산소 함유량이 0.3 질량％ 이하인 분말 야금용 합금 강분.

5. 상기 1 내지 4 중 어느 하나에 기재된 분말 야금용 합금 강분에 윤활제를 첨가하여 혼합한 후, 가압 성형 처리, 소결 처리를 실시하여 철기 소결체로 하는 철기 소결체의 제조 방법.

본 발명에 따른 분말 야금용 합금 강분에 의하면, Ni 를 사용할 필요가 없고, 또한 압축성이 높기 때문에, 통상적인 소결법이어도, 고강도와 고인성을 겸비한 소결재를 염가로 얻을 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 분말 야금용 합금 강분은, 철기 분말의 표면에 Mo 함유 합금 분말을 부착시킨 분말 야금용 합금 강분으로서, 합금 강분의 비표면적이 0.100 ㎡/g 이상이고, 합금 강분 중의 Mo 량이 0.2 ∼ 1.5 질량％ 의 범위인 것을 특징으로 하고 있다.

그리고, 상기한 분말 야금용 합금 강분을, 이하에 나타내는 적당량의 흑연 분말과 혼합하고, 성형체로 하여 소결함으로써, 소결체의 기공이 효과적으로 미세화되고, 강도, 인성이 함께 향상된 소결 부품을 얻을 수 있다.

본 발명에 의해, 소결체의 기공이 효과적으로 미세화되고, 강도나 인성이 향상된 소결 부품을 얻을 수 있는 기구에 대해, 발명자들은 이하와 같이 생각하고 있다.

일반적으로, 소결체에는 기공이 많이 존재하기 때문에, 기공 부분에 응력이 집중되어, 소결체의 강도나 인성이 저하되는 경향이 있다. 그러나, 본 발명에 따른 분말 야금용 합금 강분에서는, 합금 강분의 비표면적을 0.100 ㎡/g 이상으로 함으로써, 소결체의 기공이 미세화되고, 응력 집중의 정도가 완화됨과 함께, 소결 넥부가 강인화되게 된다.

추가로, 합금 강분 중의 Mo 를 0.2 ∼ 1.5 질량％ 의 범위로 함으로써, 소결체의 기공 주위부에 Mo 가 농화되어, 소결체가 더욱 강화될 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 분말 야금용 합금 강분은, 철기 분말의 표면에 Mo 함유 합금 분말이 부착되어 있고, 기지부에 Mo 가 함유되어 있지 않기 때문에, 소결 넥부에 비하면 탄화물의 생성이 어려워져, 고인성의 조직이 된다.

즉, 소결체의 기공 분포와 Mo 분포의 제어를 실시함으로써, 본 발명에서는, 소결체의 고강도와 고인성의 양립이 가능해진 것으로 생각된다.

이하, 본 발명의 한정 사항의 한정 이유에 대해 설명한다.

먼저, 본 발명의 분말 야금용 합금 강분의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명에서는, 철기 분말로서 아토마이즈 철분, 환원 철분 등의 철분, 그리고 Mo 함유 합금 분말의 원료인 Mo 원료 분말을 준비한다.

상기 철기 분말로는, 통상적으로 분말 야금법에 사용되는 철기 분말이면, 특별히 한정은 되지 않지만, 이른바 아토마이즈 생분 (生粉), 아토마이즈 철분 혹은 환원 철분이 바람직하다. 아토마이즈 철기 분말로는, 용강을 아토마이즈하고, 건조, 분급한 아토마이즈 생분, 아토마이즈 생분을 환원 분위기 하에서 환원한 아토마이즈 철분 중 어느 것이어도 된다.

또, 환원 철분은, 강재의 제조시에 생성되는 밀 스케일이나 철광석을 환원하여 얻어진 환원 철분을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 환원 철분의 겉보기 밀도로는, 1.7 Mg/㎥ 내지 3.0 Mg/㎥ 정도이면 된다. 보다 바람직하게는 2.2 ∼ 2.8 Mg/㎥ 이다. 여기서, 겉보기 밀도란, JIS Z 2504 의 시험 방법으로 측정되는 것이다.

한편, 상기한 Mo 원료 분말로는, 목적으로 하는 Mo 함유 합금 분말 그 자체를 사용해도 되고, Mo 함유 합금 분말로 환원하는 것이 가능한 Mo 의 화합물을 사용해도 된다. 또한, Mo 원료 분말의 평균 입경은 50 ㎛ 이하, 바람직하게는 20 ㎛ 이하로 한다. 여기서, 평균 입경이란, 체적 기준의 메디안 직경 (이른바 d50) 을 말한다.

또, Mo 함유 합금 분말로는, Mo 의 순금속 분말을 비롯하여, 산화 Mo 분말, 혹은 Fe-Mo (페로몰리브덴) 분말 등의 Mo 합금 분말이 유리하게 적합하다. 한편, Mo 의 화합물로는, Mo 탄화물, Mo 황화물, Mo 질화물 등을 들 수 있다.

이어서, 상기한 철기 분말과 Mo 원료 분말을 소정의 비율로 혼합하여 혼합분으로 하는데, 이 비율은, 최종적으로 분말 야금용 합금 강분 중, Mo 량이 0.2 ∼ 1.5 질량％ 의 범위가 되도록 조정한다. 또, 혼합시에 혼합 방법이나, 혼합 설비에 대해 특별히 제한은 없고, 예를 들어 헨셀 믹서나 콘형 믹서 등을 사용하여 통상적인 방법에 따라 실시할 수 있다.

또한, 이 혼합분을 고온에서 유지하고, 철기 분말과 Mo 원료 분말의 접촉면에서 Mo 를 철 중에 확산시켜 접합 (확산 부착 처리) 함으로써, 본 발명의 분말 야금용 합금 강분이 얻어진다.

상기 확산 부착 처리의 분위기로는, 환원성 분위기나 수소 함유 분위기가 바람직하고, 특히 수소 분위기가 적합하다. 또한, 진공하에서 열처리를 가해도 된다. 또, 바람직한 확산 부착 처리의 온도는 800 ∼ 1000 ℃ 의 범위이다.

상기 서술한 바와 같이 하여, 확산 부착 처리를 실시한 경우, 통상적으로는, 철기 분말과 Mo 함유 합금 분말이 소결되어 굳어진 상태로 되어 있으므로, 원하는 입경으로 분쇄·분급을 실시한다. 또한, 필요에 따라 어닐링을 실시해도 된다. 또한, 분말 야금용 합금 강분의 입경으로는 180 ㎛ 이하가 바람직하다.

본 발명에 있어서, Mo 함유 합금 분말은, 철기 분말 표면에 대해, 균일하게 부착되어 있는 것이 바람직하다. 균일하게 부착되어 있지 않은 경우, 분말 야금용 합금 강분을 확산 부착 처리 후에 분쇄할 때나 운반 등 할 때에, 철기 분말 표면으로부터 탈락하기 쉽기 때문에, 유리 (遊離) 상태의 Mo 함유 합금 분말이 특히 증가되기 쉽다. 그러한 상태의 합금 강분을 성형하고, 소결하면, 탄화물의 분산 상태가 편석된다. 따라서, 소결체의 강도, 인성을 높이기 위해서는, 철기 분말의 표면에 Mo 함유 합금 분말을 균일하게 부착시켜, 탈락 등에 의해 발생하는 유리 상태의 Mo 함유 합금 분말을 저감시키는 것이 바람직하다.

확산 부착시키는 Mo 량은, 분말 야금용 합금 강분 중, 0.2 ∼ 1.5 질량％ (내수 (內數)) 의 범위로 한다. 0.2 질량％ 를 하회하면, ?칭성 향상 효과가 적고, 강도 향상 효과도 적은 한편, 1.5 질량％ 를 초과하면, ?칭성 향상 효과는 포화되고, 오히려 소결체의 조직의 불균일성이 높아지기 때문에, 높은 강도와 인성을 얻을 수 없게 되기 때문이다. 따라서, 확산 부착시키는 Mo 량은, 합금 강분 중, 0.2 ∼ 1.5 질량％ 의 범위로 한다. 바람직하게는 0.3 ∼ 1.0 질량％ 의 범위이다.

한편, 본 발명에 사용하는 Mo 를 확산 부착시킨 합금 강분은, 그 비표면적을 0.100 ㎡/g 이상으로 한정한다. 바람직하게는 0.150 ㎡/g 이상이다. 비표면적이 0.100 ㎡/g 미만에서는, 조대한 기공이 존재하거나 소결시의 반응성이 불충분하거나 혹은 그것들의 이유가 복합되기 때문에, 기공의 미세화가 진행되지 않아, 인성이 저하되기 때문이다. 비표면적의 상한은, 특별히 한정되지 않기는 하지만, 0.5 ㎡/g 을 초과하면 미분을 많이 함유하게 되어, 압축성이 저하되기 때문에, 0.5 ㎡/g 이하가 바람직하다.

또, 철기 분말 표면에 Mo 를 확산 부착 처리함으로써, 분체의 비표면적은 저하되기 때문에, 이 점에서, 기초가 되는 철기 분말의 비표면적은, 0.150 ㎡/g 이상이 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서의 비표면적이란, 기체 흡착법 (BET 법) 에 의해 측정한 것이다.

본 발명에 있어서, 합금 강분의 잔부는 철 및 불가피 불순물이다. 합금 강분에 함유되는 불순물로는, C, O, N 및 S 등을 들 수 있는데, 이들의 함유량은, 합금 강분 중에 각각 C : 0.02 질량％ 이하, O : 0.3 질량％ 이하, N : 0.004 질량％ 이하 및 S : 0.03 질량％ 이하이면 특별히 문제는 없지만, O 는 0.25 질량％ 이하가 보다 바람직하다. 불가피 불순물량이 이들의 범위를 초과하면, 합금 강분의 압축성이 저하되어, 충분한 밀도를 갖는 예비 성형체로 압축 성형하는 것이 곤란해지기 때문이다.

상기한 복합 합금 강분을 주성분으로 하는 분말 야금용 합금 강분에는, 분말 야금용 합금 강분 전체 (100 질량％) 에 대한 비율로, 흑연분을 0.1 ∼ 1.0 질량％ 의 범위에서 첨가하는 것이 중요하다. 또, 본 발명에서는, 분말 야금용 합금 강분 전체 (100 질량％) 에 대한 비율로, Cu 분을 0.5 ∼ 4.0 질량％ 첨가할 수 있다.

흑연분의 주성분인 C 는, 소결시에 철에 고용하여, 고용 강화나, ?칭성 향상 등을 도모할 수 있고, 소결 부품의 강도를 높이기 위하여 유용한 원소이다. 본 발명에서는, 소결 후에 침탄 열처리 등으로, 소결체에 외부로부터 침탄시키는 경우에는, 첨가하는 흑연량은 적어도 되지만, 0.1 질량％ 에 못 미치면 상기 서술한 첨가 효과가 부족하다. 한편, 소결시에 침탄 열처리를 실시하지 않은 경우에는, 흑연분을 첨가하는데, 1.0 질량％ 를 초과하면 과공석이 되기 때문에, 세멘타이트가 석출되어 강도의 저하를 초래한다. 따라서, 흑연분은 0.1 ∼ 1.0 질량％ 의 범위로 한정한다. 또한, 흑연분의 평균 입경은 50 ㎛ 이하가 바람직하다.

한편, Cu 는, 철기 분말의 고용 강화, ?칭성 향상에 의해, 소결 부품의 강도를 높이는 효과가 있는 유용 원소로서, 철기 분말의 소결시에 용융되어 액상이 되어, 철기 분말의 입자를 서로 고착시키는 작용도 있다. 그러나, 첨가량이 0.5 질량％ 에 못 미치면 그 첨가 효과가 부족하고, 한편 4.0 질량％ 를 초과하면, 소결 부품의 강도 향상 효과가 포화될 뿐만 아니라, 절삭성의 저하를 초래한다. 따라서, Cu 분은 0.5 ∼ 4.0 질량％ 의 범위가 바람직하다. 보다 바람직하게는 1.0 ∼ 3.0 질량％ 의 범위이다. 또한, Cu 분의 평균 입경은, 50 ㎛ 이하가 바람직하다.

본 발명에 사용하는 철기 분말은, 환원 철분을 함유하고, 또한 평균 입경 80 ㎛ 이하가 바람직하는 것은, 평균 입경이 80 ㎛ 를 초과하여 큰, 즉, 입경이 큰 분말이 함유되어 있으면, 소결시의 구동력이 약해져, 성긴 철기 분말의 주위에 조대한 공공이 형성되기 때문이다. 그리고, 이 조대 공공은, 소결체의 강도, 인성을 저하시키는 원인이 된다.

여기서, 상기 평균 입경이란, 질량 기준의 메디안 직경 (이른바 d50) 을 말한다. 구체적으로는, JIS Z 8801 에 규정하는 체를 사용하여 체분급하고, 각각의 체 상에 남은 시료의 질량을 계측하여, 작은 쪽과 큰 쪽이 등량이 되는 입경으로서 구하였다.

본 발명에서는, 목적에 따라 특성을 개선하기 위한 첨가재를 첨가할 수 있다. 예를 들어, 소결체의 강도를 개선할 목적으로 Ni 분의 첨가를, 또, 소결체의 절삭성을 개선할 목적으로, MnS 등의 절삭성 개선용 분말의 첨가를 적절히 할 수 있다. 또한, Ni 분은, 철기 합금 분말 전체 (100 질량％) 에 대한 비율로, 0.5 ∼ 5 질량％ 의 범위로 하는 것이 바람직하다.

한편, MnS 등의 절삭성 개선용 분말의 첨가량은, 종래 공지된 첨가량, 즉, 철기 합금 분말 전체 (100 질량％) 에 대한 비율로, 0.1 ∼ 1 질량％ 정도이면 된다.

또한, 본 발명의 분말 야금용 합금 강분을 사용하여 소결체를 제조할 때에 바람직한 성형 조건, 소결 조건에 대해 설명한다.

본 발명의 분말 야금용 합금 강분을 사용한 가압 성형시에는, 그 밖에 분말상의 윤활제를 혼합할 수 있다. 또, 금형에 윤활제를 도포 혹은 부착시켜 성형할 수도 있다. 어느 경우여도, 윤활제로서 스테아르산아연이나 스테아르산리튬 등의 금속 비누, 에틸렌비스스테아르산아미드 등의 아미드계 왁스 및 그 밖에 공지된 윤활제 중 어느 것도 바람직하게 사용할 수 있다. 또한, 윤활제를 혼합하는 경우에는, 분말 야금용 합금 강분 : 100 질량부에 대해, 0.1 ∼ 1.2 질량부 정도 (외첨가) 로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 분말 야금용 합금 강분을 가압 성형할 때에는, 400 ∼ 1000 ㎫ 의 가압력으로 실시하는 것이 바람직하다는 것은, 가압력이 400 ㎫ 에 못 미치면, 얻어지는 성형체의 밀도가 낮아져, 소결체의 특성이 저하되는 한편, 1000 ㎫ 를 초과하면 금형의 수명이 짧아져, 경제적으로 불리해지기 때문이다. 또한, 가압시의 온도는, 상온 (약 20 ℃) ∼ 약 160 ℃ 의 범위로 하는 것이 바람직하다.

또, 본 발명의 분말 야금용 합금 강분의 소결은, 1100 ∼ 1300 ℃ 의 온도역에서 실시하는 것이 바람직하다는 것은, 소결 온도가 1100 ℃ 에 못 미치면 소결이 진행하지 않게 되어, 소결체의 특성이 저하되기 때문이고, 한편, 1300 ℃ 를 초과하면 소결로의 수명이 짧아져, 경제적으로 불리해지기 때문이다. 또한, 소결 시간은 10 ∼ 180 분의 범위로 하는 것이 바람직하다.

얻어진 소결체에는 필요에 따라, 침탄 ?칭, 광휘 ?칭, 고주파 ?칭 및 침탄 질화 처리 등의 강화 처리를 실시할 수 있는데, 강화 처리를 실시하지 않은 경우여도, 본 발명에 따른 분말 야금용 합금 강분을 사용한 소결체는, 종래의 소결체 (강화 처리를 실시하지 않은 것) 에 비하여 강도 및 인성이 개선되어 있다. 또한, 각 강화 처리는 통상적인 방법에 따라 실시하면 된다.

실시예

이하, 실시예에 의해, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하는데, 본 발명은, 이하의 예에 전혀 한정되지 않는다.

본 실시예에 있어서, 철기 분말에는, 겉보기 밀도 : 2.65 Mg/㎥ 혹은 겉보기 밀도 : 2.80 Mg/㎥, 겉보기 밀도 : 3.25 Mg/㎥ 의 아토마이즈 생분, 또, 겉보기 밀도 : 2.60 Mg/㎥ 혹은 겉보기 밀도 : 2.75 Mg/㎥ 의 환원 철분, 또한 겉보기 밀도 : 2.60 Mg/㎥ 혹은 겉보기 밀도 : 2.80 Mg/㎥, 겉보기 밀도 : 3.30 Mg/㎥ 의 아토마이즈 철분을 사용하였다.

이들 철기 분말에 산화 Mo 분말 (평균 입경 : 10 ㎛) 을 소정의 비율로 첨가하고, V 형 혼합기로 15 분간 혼합한 후, 노점 : 30 ℃ 의 수소 분위기에서 열처리 (유지 온도 : 880 ℃, 유지 시간 : 1 h) 하여, 철기 분말의 표면에 표 1 에 나타내는 소정량의 Mo 를 확산 부착시킨 분말 야금용 합금 강분을 제조하였다.

이어서, 이들의 분말 야금용 합금 강분에 대해, 표 1 에 나타내는 양의 구리분 (평균 입경 : 30 ㎛), 흑연분 (평균 입경 : 5 ㎛) 을 첨가하고, 또한 이들 철기 분말 혼합분 : 100 질량부에 대해 에틸렌비스스테아르산아미드를 0.6 질량부 첨가한 후, V 형 혼합기로 15 분간 혼합하였다. 계속하여, 성형체의 밀도가 7.0 Mg/㎥ 가 되도록 가압 성형하여, 길이 : 55 ㎜, 폭 : 10 ㎜, 두께 : 10 ㎜ 의 태블릿상 성형체를 제작하였다.

이 태블릿상 성형체에 소결을 실시하여 소결체로 하였다. 또한, 이 소결은, 프로판 변성 가스 분위기 중에서, 소결 온도 : 1130 ℃, 소결 시간 : 20 분의 조건에서 실시하였다.

계속하여, 얻어진 소결체를, JIS Z 2241 에서 규정되는 인장 시험용으로 평행부 직경 : 5 ㎜ 의 환봉 인장 시험편으로 가공하였다. 또, JIS Z 2242 에서 규정되는 샤르피 충격 시험용으로는, 얻어진 소결체를, 소결한 채인 형상으로, 카본 포텐셜 : 0.8 mass％ 로 가스 침탄 (유지 온도 : 870 ℃, 유지 시간 : 60 분) 한 후, ?칭 (60 ℃, 오일 ?칭) 과 템퍼링 (180 ℃, 60 분) 을 실시한 것을 사용하였다.

이들 소결체를 JIS Z 2241 에서 규정되는 인장 시험 및 JIS Z 2242 에서 규정되는 샤르피 충격 시험에 의해 인장 강도 (㎫) 및 충격치 (J/c㎡) 를 측정하였다. 각각의 측정 결과를, 표 1 에 아울러 나타낸다.

표 1 에 나타내는 바와 같이, 발명예와 비교예의 인장 강도 및 충격치를 비교하면, 발명예는 모두, 인장 강도 : 1000 ㎫ 이상으로서 충격치 : 14.0 J/c㎡ 이상을 나타내어, 강도와 인성을 높은 레벨로 양립시킬 수 있던 것에 비하여, 비교예는, 모두 충격치가 14.0 J/c㎡ 미만으로서, 인장 강도와 충격치 중 적어도 어느 것에 있어서 발명예에 비하여 떨어졌다.

또한, 표 1 에는, 종래재로서 4Ni 재 (4Ni-1.5Cu-0.5Mo, 원료분의 최대 입경 : 180 ㎛) 의 결과를 아울러 나타냈다. 발명예는, 종래의 4Ni 재 이상의 특성이 얻어지는 것을 알 수 있다.

Claims

철기 분말의 표면에 Mo 함유 합금 분말을 부착시킨 분말 야금용 합금 강분에 있어서, 그 분말 야금용 합금 강분의 비표면적이 0.100 ㎡/g 이상이고, 또한 그 분말 야금용 합금 강분 중의 Mo 량이 0.2 ∼ 1.5 질량％ 의 범위이고, 추가로, 그 분말 야금용 합금 강분 : 100 질량％ 에 대해, 흑연분이 0.1 ∼ 1.0 질량％ 의 범위에서 함유되어 있는 분말 야금용 합금 강분.
제 1 항에 있어서,
추가로, 그 분말 야금용 합금 강분 : 100 질량％ 에 대해, Cu 분이 0.5 ∼ 4.0 질량％ 의 범위에서 함유되어 있는 분말 야금용 합금 강분.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 철기 분말이 환원 철분을 함유하고, 또한 그 철기 분말의 평균 입경이 80 ㎛ 이하인 분말 야금용 합금 강분.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 철기 분말의 산소 함유량이 0.3 질량％ 이하인 분말 야금용 합금 강분.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 분말 야금용 합금 강분에 윤활제를 첨가하여 혼합한 후, 가압 성형 처리, 소결 처리를 실시하여 철기 소결체로 하는 철기 소결체의 제조 방법.