KR20170054516A

KR20170054516A - 예합금 철계 분말, 예합금 철계 분말을 포함하는 철계 분말 혼합물, 및 철계 분말 혼합물로부터 가압성형 및 소결된 컴포넌트들을 제조하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20170054516A
Application number: KR1020177010304A
Authority: KR
Inventors: 올라 베르크만
Original assignee: 회가내스 아베 (피유비엘)
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2017-05-17
Also published as: WO2016041977A1; KR102382537B1; ES2885820T3; US10465268B2; BR112017004710A2; CN107002210A; EP3194631A1; BR112017004710B1; JP2017534754A; EP3194631B1; RU2017112692A3; RU2017112692A; US20170275740A1; RU2699882C2; JP6688287B2

Abstract

본 발명은 압축 및 소결된 컴포넌트가 높은 그린 밀도(GD) 및 높은 소결된 밀도(SD)로 되는 것을 가능케 하는 높은 압축률을 갖는 저비용의 예합금 철계 분말을 제공한다. 또한, 예합금 철계 분말을 포함하는 분말 혼합물의 압축, 압축된 컴포넌트의 소결, 저압 침탄(LPC), 고압 가스 담금질(HPGQ) 및 템퍼링을 포함하는 컴포넌트들, 특히, 기어들을 제조하기 위한 방법 또는 프로세스가 제공된다. 일 실시예에서, 프로세스는 고온 소결을 포함한다. 본 발명의 다른 양태들은, 예합금 철계 분말을 포함하는 분말 혼합물 및 분말 혼합물로부터 새로운 프로세스에 의해 제조된 컴포넌트들을 포함한다. 이러한 침탄된 컴포넌트들은 예컨대 가혹한 환경을 받게 되는 자동차 기어들에 대한 필수 특징들인 보다 연질이고 보다 강인한 코어가 결합된 경질 표면을 나타낸다.

Description

예합금 철계 분말, 예합금 철계 분말을 포함하는 철계 분말 혼합물, 및 철계 분말 혼합물로부터 가압성형 및 소결된 컴포넌트들을 제조하기 위한 방법 {A PRE-ALLOYED IRON- BASED POWDER, AN IRON-BASED POWDER MIXTURE CONTAINING THE PRE-ALLOYED IRON-BASED POWDER AND A METHOD FOR MAKING PRESSED AND SINTERED COMPONENTS FROM THE IRON-BASED POWDER MIXTURE}

본 발명은 예합금 철계 분말(pre-alloyed iron based powder)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 소결된 부품들(sintered parts), 특히 기어들(gears)의 비용 효과적인 제조를 허용하는 소량의 합금 원소들(alloying elements)을 포함하는 예합금 철계 분말에 관한 것이다.

산업 분야에서, 금속 분말 조성물들을 압축 및 소결함으로써 제조된 금속 제품들의 사용이 점차 광범위해지고 있다. 다양한 형상들 및 두께의 다수의 상이한 제품들이 생산되고 있다. 품질 요구사항들이 지속적으로 증가되고 이와 동시에 비용들을 절감하는 것이 요망된다. 일축가압성형(uniaxial pressing)을 이용한 분말 야금(powder metallurgy)(PM) 기술은, 특히 복잡한 컴포넌트들을 길게 연속으로(in long series) 생산할 때 비용이 많이 드는 기계가공을 필요로 하지 않고, 네트 형상(net shape) 또는 네트 형상에 가까운 형상(near net shape)의 컴포넌트들이 제조될 수 있기 때문에, 컴포넌트들의 비용 효율적인 생산을 가능케 한다. 그러나, 일축가압성형을 사용하는 PM 기술의 단점은, 소결된 부품들이 부품의 기계적 특징들에 부정적인 영향을 줄 수 있는 다공성(porosity )을 어느 정도 나타낼 것이라는 점이다. 따라서, PM 산업 분야에서의 개량은 기본적으로, 2 개의 상이한 개량 방향들에 따라 다공성의 부정적인 영향을 극복하도록 지향되고 있다.

하나의 개량 방향은 분말을 보다 높은 그린 밀도(green density)(GD)로 압축하고, 높은 소결 밀도(sintered density)(SD)로의 소결을 용이하게 하며, 그리고/또는 그린 바디(green body)가 높은 SD로 수축할 것인 이러한 조건들 하에서 소결을 수행함으로써 기공들(pores)의 양을 감소시키는 것이다. 다공성의 부정적인 영향은, 또한, 다공성이 다른 종류들의 표면 치밀화(surface densification) 작업들을 통해 기계적 특징들과 관련하여 가장 해로운 컴포넌트의 표면 영역에서 기공들을 제거함으로써 제거될 수 있다.

또 다른 개량 루트(route)는 철계 분말에 추가되는 합금 원소들에 초점을 두고 있다. 합금 원소들이 혼합된 분말들(admixed powders)로서 추가되고; 베이스 철 분말에 완전히 예합금화되며; 또는 소위 확산 접합 프로세스(diffusion bonding process)를 통해 베이스 철 분말의 표면에 접합될 수 있다. 탄소는, 보통, 예합금화된다면, 분말의 경도의 해로운 증가 및 압축률의 감소를 회피하기 위해서 흑연으로 혼합된다. 기타 보편적으로 사용되는 합금 원소들은 구리, 니켈, 몰리브덴 및 크롬이다. 그러나, 합금 원소들, 특히 니켈, 구리 및 몰리브덴의 비용은 이들 원소들의 추가들을 덜 매력적으로 만든다. 이러한 재활용 재료는, 구리가 요구되지 않거나 최소한의 구리가 요구되는 많은 강 품질들에 있어서 사용하기에 부적합하기 때문에, 구리는 또한 고철(scrap)의 재활용 과정에서 축적될 것이다. 낮은 비용과 뛰어난 경화능 효과(hardenability effect)로 인해 크롬이 보다 매력적이다.

US 4 266 974는 의도적으로 추가된 합금 원소들로서 단지 망간 및 크롬만을 포함하는 청구범위 외의 합금 분말들의 예들을 개시한다. 예들은 망간 0.24 중량 %와 결합하여 크롬 2.92 중량 %, 망간 0.21 중량 %와 결합하여 크롬 4.79 중량 % 또는 망간 0.89 중량 %와 결합하여 크롬 0.55 중량 %를 포함한다

JP 59173201은 크롬, 망간 및 몰리브덴을 포함하는 저 합금강 분말의 환원 어닐링(reduction annealing) 방법을 개시한다. 일 예는 단지 의도적으로 추가된 합금 원소들로서 1.14 중량 %의 크롬 함량 및 1.44 중량 %의 망간 함량을 갖는 분말을 나타낸다.

크롬, 망간 및 몰리브덴계 예합금강 분말은 US 6 348 080에 개시된다.

WO 03/106079는 US 6,348,080에 설명된 강 분말과 비교하여 합금 원소들의 함량이 낮은 크롬, 망간 및 몰리브덴 합금강 분말을 개시한다. 분말은 탄소 함량이 약 0.4 중량 %를 초과하는 베이나이트계 조직들(bainitic structures)을 형성하는 데 적합하다.

최근 수년 동안, 자동차 적용들을 위한 기어들 및 동기화 허브들(synchronization hubs)과 같은 컴포넌트들을 PM 프로세스들 ― 이러한 컴포넌트들이 길게 연속으로 생산되며 정상적으로 이 제조 프로세스에 적합한 크기 및 형상을 갖기 때문 ―에 의해 생산하는 것에 대해 산업계에서 관심이 증가되고 있는 것으로 나타나 있다. 그러나, 이러한 컴포넌트들이 받게 되는 가혹한 환경을 견딜 정도로 이러한 컴포넌트들이 충분한 강도 및 경도를 얻는 것에 대한 어려움들이 존재하는 것이 나타나 있다. 이러한 문제점들을 극복하기 위해서, 충분한 표면 경도 및 치수 허용공차들(dimensional tolerances)을 얻기 위해 표면 치밀화(surface densification)와 같은 부가적인 프로세스 단계들을 적용할 필요가 있다. 컴포넌트들의 다공성은 정상적인 압력에서의 가스 침탄(gas carburizing) 이후의 오일 담금질(quenching in oil)에 의한 종래의 케이스(case) 경화 프로세스들이 적용될 때 케이스 깊이(case depth)를 제어하기 어렵게 하기 때문에, 소결된 컴포넌트들의 경화와 관련하여 또한 문제들에 직면하고 있다. 또한, PM 기어들의 종래의 케이스 경화가, 예컨대, 크롬과 같은 산화 민감성 합금 원소들을 함유하는 분말 재료들에 대한 산화 문제들을 야기한다. 따라서, 스트레스가 많은 조건들(stressful conditions)을 목표로 하는 PM 컴포넌트들의 제조를 위한 개선된 재료들 및 프로세스들에 대한 요구가 존재한다.

PM 부품들의 케이스 깊이의 보다 양호한 제어를 가능케 하고 Cr 합금 재료들에 대한 산화 문제들을 최소화하는 대안의 케이스 경화 프로세스는, 후속 고압 가스 담금질(High Pressure Gas Quenching)(HPGQ)을 이용하는 저압 침탄(Low Pressure Carburizing)(LPC)이다. 고온 진공 소결과 LPC-HPGQ 프로세스에 의한 열처리를 결합한 퍼니스 기술(furnace technology)은 기어들 및 동기화 허브들과 같은 고품질 PM 컴포넌트들의 비용 효율적인 제조를 위한 탁월한 가능성들을 제공한다. 이 기술은 또한 비용 효율적인 크롬 합금 분말 강 재료들의 프로세싱에 매우 적합하다. 예컨대, 기어들 및 동기화 허브들에 대한 이러한 분말 재료의 주요 특징들은, 고압축률(high compressibility)(높은 컴포넌트 밀도에 대한 압축(compaction)을 가능하게 함), 고순도(high purity)(기계적 특징들에 개재물들에 의한 유해한 영향들을 회피하기 위함), 및 LPC-HPGQ 프로세스에 대한 최적화된 경화능(hardenability)(가스 담금질 이후 기어에 원하는 미세조직(microstructure)을 제공함)이다. 본 발명은 상기 설명된 모든 중요한 특징들을 갖도록 설계된 새로운 저비용의 희박한(lean) 예합금 철계 분말로 이루어진다. 이에 따라, 합금된 분말 내의 합금 원소들의 함량이 낮고 종래의 오일 담금질에 비해서 HPGQ의 비교적 낮은 냉각 속도에도 불구하고, 재료의 경화능이, 새로운 프로세스에 의해 생산되는 기어들 및 동기화 허브들과 같은 PM 컴포넌트들의 우수한 특징들을 제공하기에 충분하다. 용어 "저압 침탄"은 또한 이러한 맥락에서 저압 침탄질화(Low Pressure Carbonitriding)를 포함하는 것을 의미한다.

본 발명의 제 1 양태에서,

0.7 내지 0.9 중량 %의 크롬(Cr);

0.2 내지 0.4 중량 %의 몰리브덴(Mo);

0.01 내지 0.15 중량 %의 망간(Mn);

최대 0.20 중량 %의 산소(O);

최대 0.05 중량 %의 탄소(C);

0.05 중량 % 미만의 질소(N);

최대 0.3의 다른 불가피적 불순물들; 및

잔부 철(Fe)로 구성되는 예합금화된 철계 분말이 제공된다.

제 1 양태의 일 실시예에서, O의 양이 최대 0.15 중량 %인 예합금 철계 분말이 제공된다.

제 1 양태의 또다른 실시예에서, Mn의 양이 0.09 내지 0.15 중량 %인 예합금 철계 분말이 제공된다.

제 1 양태의 또다른 실시예에서, Mn의 양이 0.01 내지 0.09 중량 %인 예합금 철계 분말이 제공된다.

제 1 양태의 또다른 실시예에서, ASTM B796-02에 따른 측정시에 100 ㎛ 초과의 가장 긴 신장을 갖는 개재물들의 수는 최대 1.0/㎠인 예합금 철계 분말이 제공된다.

제 1 양태의 또다른 실시예에서, ASTM B796-02에 따른 측정시에 150 ㎛ 초과의 가장 긴 신장을 갖는 개재물들의 수는 최대 0.0/㎠인 예합금 철계 분말이 제공된다.

본 발명의 제 2 양태에서,

- 제 1 양태 또는 실시예들에 따른 예합금 철계 분말;

- 철계 분말 혼합물의 0.2 내지 0.7 중량 %의 양의 흑연;

- 선택적으로, 철계 분말 혼합물의 1 중량 % 이하의 양의 윤활제(들);

- 선택적으로, 철계 분말 혼합물의 1 중량 % 이하의 양의 절삭성 향상제(들)(machinability enhancing agent(s)); 및,

- 선택적으로, 경질상(hard phase) 재료들을 포함하거나 구비하는 철계 분말 혼합물이 제공된다.

본 발명의 제 3 양태에서,

-a) 제 2 양태에 따른 철계 분말 혼합물을 제공하는 단계;

-b) 철계 분말 혼합물을 압축 몰드(compaction mold)로 전달하는 단계;

-c) 압축시; 그린 컴팩트(green compact)로 적어도 600 MPa의 압력으로 철계 분말 혼합물을 압축하는 단계 ;

-d) 그린 컴팩트를 몰드로부터 배출하는 단계;

-e) 그린 컴팩트를 소결 처리하는 단계;

-f) 선택적으로, 소결된 컴포넌트를 더 치밀화시키는 단계;

-g) 최대 40 mbar, 바람직하게는 최대 20 mbar의 압력으로 탄소 함유 분위기에서, 소결된 컴포넌트을 저압 침탄(Low Pressure Carburizing)(LPC)하는 단계;

-h) 침탄된 컴포넌트를 10 내지 30 bar의 압력 및 약 850 내지 1000 ℃의 온도에서 적어도 약 300 ℃ 미만의 온도로 적어도 5 ℃의 냉각 속도로 고압 가스 담금질(High Pressure Gas Quenching)(HPGQ)하는 단계; 및

-i) 선택적으로, 담금질된 컴포넌트를 150 내지 300 ℃의 온도에서 공기 중에서 템퍼링하는 단계를 포함하는 소결된 컴포넌트를 제조하는 방법이 제공된다.

본 발명의 제 3 양태의 일 실시예에서, (상기 d 단계로부터의) 배출 이후에 그린 컴팩트가 적어도 7.10 g/㎤, 바람직하게는 적어도 7.15 g/㎤, 및 가장 바람직하게는 적어도 7.20 g/㎤의 그린 밀도를 갖는 방법이 제공된다.

본 발명의 제 3 양태의 일 실시예에서, 소결 단계가 최대 20 mbar의 압력으로 환원 분위기 또는 진공에서 1000 ℃ 내지 1350 ℃의 온도, 바람직하게는 1200 ℃ 내지 1350 ℃의 온도에서 소결하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

본 발명의 제 3 양태의 일 실시예에서, 소결하는 동안 환원 분위기(reducing atmosphere)는 수소를 포함하는 방법이 제공된다.

본 발명의 제 3 양태의 일 실시예에서, 단계 f)는 표면 치밀화(surface densification) 또는 열간정수압 소결법(Hot Isostatic Pressing)(HIP)으로 이루어진다.

본 발명의 제 3 양태의 일 실시예에서, 저압 침탄 단계가 C₂H₂, CH₄ 및 C₃H₈ 중 적어도 하나를 포함하는 분위기에서 침탄하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

본 발명의 제 3 양태의 일 실시예에서, 저압 침탄 단계가 암모니아를 포함하는 분위기에서 침탄질화하는 단계를 더 포함하는 방법이 제공된다.

본 발명의 제 4 양태에서, 제 3 양태 또는 실시예들에 따라 획득된 컴포넌트가 제공된다.

본 발명의 제 5 양태에서,

0.7 내지 0.9 중량 %의 크롬(Cr);

0.2 내지 0.4 중량 %의 몰리브덴(Mo);

0.01 내지 0.15 중량 %의 망간(Mn);

0.2 내지 1.0 중량 %의 탄소(C);

최대 0.15 중량 %의 산소(O);

최대 1.0 중량 %, 바람직하게는 0.5 중량 % 미만, 가장 바람직하게는 0.3 중량 % 미만의 O 이외의 불가피적 불순물들; 및

잔부 철(Fe)로 구성되는, 소결된 컴포넌트가 제공된다.

본 발명의 제 5 양태의 일 실시예에서, 상기 컴포넌트는 기어인 것을 특징으로 하는 소결된 컴포넌트가 제공된다.

본 발명의 제 5 또는 제 4 양태의 일 실시예에서, 기어 치형부들 표면 미세경도가 적어도 700 HV0.1이고 기어 치형부들 코어 경도가 300 내지 550 HV0.1인 것을 특징으로 하는 소결된 컴포넌트가 제공된다.

철계 예합금강 분말의 준비

강 분말은 합금 원소들의 규정된 양들을 포함하는 강 용융물의, 보호 또는 비보호적인 분위기에서, 물 분무(water atomization)에 의해 생산될 수 있다. 분무화된 분말은 US 6,027,544 ― 이는 본원에 인용에 의해 포함됨 ―에서 설명된 바와 같은 환원 어닐링 프로세스(reduction annealing process)로 추가 처리될 수 있다. 강 분말의 입자 크기는 프레스(press) 및 소결 또는 분말 단조(powder forging) 프로세스와 양립할 수 있는 한 임의의 크기일 수 있다. 바람직한 입도 분포(particle size distribution)에 있어서, SS-EN 24-497에 따라 측정된 바와 같이, 분말의 20 중량 % 이하는 150 ㎛ 초과이고 분말의 30 중량 % 이하는 45 ㎛ 미만이다. 또다른 바람직한 입도 분포에 있어서, 분말의 10 중량 % 이하는 75 ㎛ 초과이고 분말의 30 중량 % 이상은 45 ㎛ 미만이다.

강 분말의 함량들

크롬(Cr)은 고용 경화에 의해 매트릭스를 강화시키는 역할을 한다. 또한, Cr은 소결체(sintered body)의 경화능 및 마멸저항(abrasion resistance)을 증가시킬 것이다. 그러나, 철계 분말의 0.9 중량 % 초과의 Cr 함량은 강 분말의 압축률을 감소시킬 것이다. 0.7 중량 % 미만의 Cr 함량은 경화능 및 연삭 저항(abrasive resistance)과 같은 원하는 특징들에 불충분한 영향을 미칠 것이다. 0.7 중량 % 미만의 Cr에서는, 단지 사소한 압축률의 증가만이 얻어진다.

몰리브덴(Mo)은 Cr과 같이 고용 경화에 의해 매트릭스를 강화시키고 경화능을 증가시킬 것이다. 그러나, Mo는 강 분말의 압축률에 부정적인 영향을 덜 미치고 Cr과 비교하여 소결된 컴포넌트에 대해 더욱 높은 경화능 영향을 미친다. 그러나, Mo는 비교적 고가이다. Mo의 함량은, 이러한 이유들로 철계 분말의 0.2 내지 0.4 중량 %이다.

망간(Mn)은 Cr과 같이 강 분말의 강도, 경도 및 경화능을 증가시킬 것이다. 그러나, 정상적으로, 낮은 함량의 Mn이 요망되고, 0.15 중량 %를 초과하는 함량은 강 분말 내 망간 포함 개재물의 형성을 불리하게 증가시킬 것이며, 또한 고용 경화 및 증가된 페라이트 경도로 인해 압축률에 부정적인 영향을 미칠 것이다. Mn 함량이 0.01 중량 % 미만이면, 그러한 낮은 함량을 얻기 위한 비용들은 비합리적으로 높아질 것이다. Mn의 긍정적인 영향이 부정적인 영향보다 우세한 일부 적용들에서는, 더 높은 Mn의 간격 ― 0.09 내지 0.15 중량 % ― 이 요망될 수 있다. 다른 적용들(예컨대, 고부하를 받게 되는 컴포넌트들)에 대해, 0.01 내지 0.09 중량 %의 간격에서 Mn 함량과 같이, Mn의 더 낮은 함량이 요망된다.

이들 산화물들이 분말의 강도 및 압축률을 손상시키기 때문에, 크롬 및 망간을 갖는 산화물들의 형성을 방지하기 위해, 산소(O)는 바람직하게는 최대 0.20 중량 %이다. 이러한 이유들로, O는 바람직하게는 최대 0.15 중량 %이다.

강 분말 중 탄소(C)는 최대 0.05 중량 %이어야 하며, 함량이 높을수록 분말의 압축률이 허용할 수 없을 정도로 감소할 것이다. 동일한 이유로, 질소(N)는 0.05 중량 % 미만으로 유지되어야 한다.

O, C 및 N을 포함하는 불가피적 불순물들의 총량은 1.0 중량 % 미만이어야 하며, 바람직하게는 불가피적 불순물들, 게다가 O, C 및 N의 총량은 강 분말의 압축률을 저하시키지 않거나 해로운 개재물들의 형성자들로서 작용하지 않도록 최대 0.3 중량 %이어야 한다.

예컨대, 자동차 적용분야들에서 사용될 기어들 또는 동기화 허브들과 같은 컴포넌트들에 대한 필수 조건은 고장들(failures)에 대한 높은 신뢰성이며, 이 신뢰성은, 그 중에서 특히, 높고 제어된 피로 강도(fatigue strength)와 관련된다. 원하는 특징들을 얻기 위해서는, 합금 원소들(Cr 및 Mo)의 정밀하고 신중한 조합이 중요할 뿐만 아니라, 강 분말의 개재물들의 수가 적고 제어되는 최대 크기가 중요하다. 새로운 예합금 철계 분말은 100㎛ 초과의 그의 가장 긴 신장을 갖는 개재물들의 개수가 최대 1.0/㎠인 것을 특징으로 한다. 150 ㎛ 초과의 가장 긴 신장을 갖는 개재물들의 수는 ASTM B796-02에 따라 측정시 최대 0.0/㎠이다.

철계 분말 혼합 조성물

압축하기 전에, 철계 강 분말은 흑연 및 윤활제들과 혼합된다. 흑연이 조성물의 0.2 내지 0.7 중량 %의 양으로 추가되고, 윤활제들이 조성물의 0.05 내지 1.0 중량 %의 양으로 추가된다.

특정 실시예들에서, 분말 형태의 구리 및/또는 니켈이 각각 2 중량 % 이하의 양으로 추가될 수 있다.

흑연

소결된 컴포넌트의 강도 및 경도를 향상시키기 위해, 매트릭스에 탄소가 도입된다. 탄소가 흑연으로서 조성물의 0.2 내지 0.7 중량 %의 양으로 추가된다. 0.2 중량 % 미만의 양은 너무 낮은 강도를 초래할 것이며, 0.7 중량 % 초과의 양은 너무 높은 경도, 불충분한 연신율 및 최종 컴포넌트의 절삭성 특징들을 악화시킬 것이다. 300 내지 550 HV0.1의 코어 경도를 얻는데 필요한 철계 분말 혼합물의 0.2 내지 0.7 중량 %의 범위 내의 흑연의 정확한 양은 컴포넌트 크기 및 냉각 속도에 의존하며 당업자에 의해 결정될 수 있다.

구리 및/또는 니켈

구리(Cu) 및 니켈(Ni)은 분말 야금 기술에서 보편적으로 사용되는 합금 원소들이다. Cu 및 Ni는 고용 경화를 통해 강도 및 경도를 향상시킬 것이다. Cu는 또한 고체 상태에서 소결하는 것보다 훨씬 빠른 소위 액상 소결을 제공하는 소결 온도에 도달하기 이전에 Cu가 녹을 때와 같이 소결 중 소결 넥들(sintering necks)의 형성을 촉진할 것이다. 특정 실시예들에서, Cu 및/또는 Ni는 철계 분말 혼합물에 각각 2 중량 % 이하의 양으로 추가될 수 있다.

윤활제들

압축된 컴포넌트의 압축 및 배출을 용이하게 하기 위해 윤활제들이 조성물에 추가된다. 윤활제들의 조성물의 0.05 중량 % 미만의 추가는 대수롭지 않은 효과를 가질 것이며 철계 분말 혼합물의 1 중량 % 초과의 추가는 컴팩티드 바디(compacted body)의 낮은 밀도를 초래할 것이다.

윤활제들은 금속 스테아레이트들(metal stearates), 왁스들(waxes), 지방산들(fatty acids) 및 그 유도체들(derivates), 올리고머들(oligomers), 중합체들(polymers) 및 윤활 효과를 갖는 다른 유기 물질들의 군으로부터 선택될 수 있다.

기타 물질들

경질상 재료들 및 절삭성 향상제들, 이를테면, MnS, MoS₂, CaF₂, 상이한 종류들의 미네랄들 등의 다른 물질들이 추가될 수 있다.

소결된 컴포넌트들의 제조 방법

압밀(consolidation)

철계 분말 혼합물은 몰드 내로 전달되고, 예컨대, 적어도 600 MPa의 단축 압축 압력(uniaxial compaction pressure)에 의해 적어도 7.10 g/㎤, 바람직하게는 적어도 7.15 g/㎤ 및 가장 바람직하게는 적어도 7.20 g/㎤의 그린 밀도로 압밀화된다.

소결

얻어진 컴팩티드 그린 컴포넌트가 이를테면, 대기압에서, 또는 감소된 압력에서, 이른바 진공 소결, 예컨대 최대 20 mbar의 압력에서, 90 체적 %의 질소 및 10 체적 %의 수소의 환원성 분위기에서, 1000 내지 1350 ℃, 바람직하게는 1200 내지 1350 ℃의 온도에서 15 분 내지 120 분간의 시간 간격동안 더 소결된다. 진공 소결의 바람직한 실시예에서, 수소 또는 수소와 질소의 혼합물이 컴포넌트의 산화물들의 효율적인 환원을 보장하기 위해서 저압 환원 분위기로서 사용된다.

선택적인 추가 치밀화

소결 단계 이후에, 소결된 컴포넌트는 HIP 또는 예컨대 표면 압연과 같은 표면 치밀화에 의해 최적의 추가 치밀화를 받게될 수 있다.

경화

소결 이후에, 컴포넌트는 CH₄, C₂H₂ 및 C₃H₈ 또는 이의 혼합물들과 같은 탄소 함유 물질을 포함하는, 저압 분위기, 즉, 최대 40 mbar, 바람직하게는 최대 20 mbar에서 케이스-경화 프로세스를 받게 된다(즉, 저압 침탄(LPC)). 탄소 함유 물질은 온도가 소결 온도로부터 오스테나이트 온도를 최대 약 100 ℃ 초과하는 온도, 즉 850 내지 1000 ℃의 온도로 감소될 때 퍼니스 내에 도입된다. 대안으로, 컴포넌트들이 소결 후에 850 내지 1000 ℃보다 낮은 온도로 냉각된다면, 컴포넌트들은 탄소 함유 물질(들)이 LPC-퍼니스에 도입되기 전에 오스테나이트화 온도보다 최대 약 100 ℃ 초과하는 온도로 가열된다. 침탄 온도에서 총 유지 시간은 약 15 내지 120 분이다. 오스테나이트화 온도를 초과하는 낮은 제어된 온도에서 침탄을 수행함으로써, 컴포넌트의 입자 성장 및 왜곡이 최소화될 수 있다.

탄소 함유 물질(들)은 단기간 ― 때로는, 부스트 사이클(boost cycle)로 표시됨 ― 동안 퍼니스로 도입된다. 부스트 사이클은 여러 번 반복될 수 있다. 각각의 부스트 사이클 이후에, 확산 사이클로 지칭될 수 있는 기간이 뒤따른다. LPC 프로세스가 저압 침탄 질화로서 수행될 때, 질소 함유 물질, 바람직하게는 암모니아가 또한 퍼니스 내로 도입된다.

담금질

침탄 단계 후에, 컴포넌트는 불활성 가스 분위기에서 고압으로 담금질된다(고압 가스 담금질(High Pressure Gas Quenching)(HPGQ)). 담금질 가스들의 예들은 질소(N₂) 및 헬륨(He)이다. 담금질은 10 내지 30 bar의 압력에서 수행되어 약 850 내지 1000 ℃의 온도로부터 적어도 약 300 ℃ 미만의 온도로 적어도 5 ℃/s의 냉각 속도를 발생시킨다.

템퍼링

응력 경감(stress relieving)을 위해, 컴포넌트는 공기 중에서 150 내지 300 ℃의 온도에서 15 내지 120 분의 기간 동안 템퍼링을 받게될 수 있다.

마무리된 컴포넌트들의 특징들

본 발명에 따른 예합금화된 철계 분말과 특정 제조 프로세스의 조합은 예컨대, 기어들의 생산을 가능하게 하며, 이 기어들에서, 치형부들은 경질 마르텐사이트계 표면층 및 주로 베이나이트 및/또는 펄라이트로 이루어진 연질 코어를 가질 것이다. 마르텐 사이트계 표면층은 최소 700HV0.1의 미세경도를 가져야 하고 코어 미세경도는 바람직하게는 300 내지 550Hv0.1이어야 한다. 이러한 기어들은 양호한 응력들의 분포, 즉 표면층들에서 바람직한 압축 응력들을 가질 것이다. 또한, 마무리된 PM 기어 컴포넌트는 약 0.3 내지 1.5 mm의 밀접하게 제어된 케이스 깊이(case depth), 즉 경도가 550HV0.1인 깊이를 가질 것이다.

도 1은 예 1에서 조사된 재료들에 대한 탄소 함량에 대한 극한 인장 강도(ultimate tensile strength)(UTS)를 도시한다.
도 2는 예 1에서 조사된 재료들에 대한 탄소 함량에 대한 미세경도(HV0.1)를 도시한다.
도 3은 예 2에서 사용된 PM 기어 시편(단위는 mm)을 도시한다.
도 4는 예 2에서 열처리된 시험 샘플의 기어 치형부 단면의 금속 조직 이미지(metallographic image)를 도시한다.
도 5는 예 2에서 열처리된 시험 샘플의 기어 치형부들 상에서 측정된 미세경도(HV0.1) 프로파일들을 도시한다.
도 6은 예 3에서 시험 혼합물들에 사용된 예합금강 분말들의 Cr 함량에 대한 시험 시편들(700 MPa 압축 압력을 사용한 일축 압축 이후)의 그린 밀도(GD)(압축률)를 도시한다.

예 1

본 발명에 따른 예합금화된 강 분말(A1)은 물 분무(water atomization) 이후에 후속적인 환원 어닐링 프로세스에 의해 제조되었다. 분무는 소규모(용융물 크기 15 kg) 물 분무 유닛에서 보호 N₂ 분위기에서 수행되었다. 어닐링은 1000 내지 1100 ℃ 범위의 온도에서 H₂ 분위기에서 실험실 규모의 벨트 퍼니스에서 수행되었다. 어닐링 후에 분말들의 분쇄 및 체질(-212 ㎛)이 수행되었다. 분말의 화학적 조성은 상업적 등급들 - B = Astaloy?? 85Mo 및 C = Astaloy?CrA, 스웨덴 Hoganaas AB에서 이용 가능함 -이며, 참조 재료들로서 사용되는 2 개의 다른 예합금강 분말들의 조성물들과 함께 표 1에 제시된다. 모든 3 개의 분말들은 PM에 대한 표준 입도 분포를 가지며 -212 ㎛ 메쉬(mesh) 체 크기(sieve size)로 체질된다.

강 분말들의 압축률은 600 MPa의 압축 압력을 갖는 윤활된 다이(lubricated die)에서 원통형 시험편들(직경 25 mm, 높이 20 mm)의 일축 압축에 의해 평가되었다. 각 시편의 그린 밀도(green density)(GD)는 아르키메데스(Archimedes) 원리에 따라 시험편을 공기와 물로 칭량함으로써 측정되었다. 그 결과들이 표 2에서 주어졌으며, 그리고 분말(A1)이 분말(C)보다 상당히 양호한 압축률 및 분말(B)에 비교가능한 압축률을 갖는다는 것을 보여준다.

강 분말들은 0.25 내지 0.35 중량 % 흑연(Kropfmuhl UF4) 및 0.60 중량 % 윤활제(Lube E, 스웨덴 Hoganaas AB로부터 이용 가능)와 혼합되었다. ISO 2740에 따른 표준 인장 시험 바들(tensile test bars)이 700 MPa의 압축 압력으로 일축 압축에 의해 분말 혼합물들로부터 제조되었다. 시험 바들의 그린 밀도는 대략 7.25 g/㎤이었다.

시험 바들은 N2/H2(95/5) 분위기에서 30 분 동안 1120 ℃에서 소결되었다. 소결된 시편들의 열처리는 60 분 동안 920 ℃에서 진공(10 mbar)으로 이후에 20 bar의 N₂를 사용하여 고압 가스에 의해 담금질 수행되었다. 이 열처리 작업에서는 침탄 처리가 수행되지 않았는데, 이는 실험의 목적이 분말 혼합물들에 대한 흑연 추가들에 의해 주어진 탄소 함량들에서 합금들의 경화능을 평가하기 위한 것이었기 때문이다. 후속 템퍼링은 공기 중에서 60 분 동안 200 ℃에서 수행되었다.

인장 시험은 열처리된 시험 시편들에서 수행되었다. 시험 결과들은 A1 및 C가 조사된 탄소 함량 범위에 대해 약 750 내지 1130 MPa의 유사한 극한 인장 강도(UTS) 값들을 갖는 것을 도시한다(도 1 참조). 재료(B)는 모든 탄소 함량들에 대해 600 MPa 미만의 현저히 낮은 UTS 값들을 갖는다. 미세경도 측정들(비커스 법에 따른 Hv0.1)은 또한 열처리된 시험편들의 연마된 단면들에서 수행되었다(도 2의 결과들을 참조). 재료(A1)는 0.25 내지 0.31 % C 범위의 탄소 함량들에 대해 310 내지 510HV0.1의 미세경도 값들을 갖는다. 재료(B)는 가장 높게 평가된 탄소 함량(0.30 % C)에서 조차 300HV0.1 미만의 비교적 낮은 미세경도를 갖는다. 재료(C)의 미세경도 값들은 재료(A1)의 미세경도 값들에 비교적 필적한다.

이 예는 분말(A1)이 PM 기어 재료에 대한 특징들의 매력적인 조합을 갖는다는 것을 입증한다. 높은 압축률은 고밀도로의 압축을 가능하게 하고 경화 능은 300 내지 550HV0.1 범위의 미세경도 값들을 제공하기에 충분하다. 고부하 트랜스미션 적용들을 위한 기어들의 제조에서 케이스 경화 이후에 기어 치형부들의 코어 경도에 대해 원하는 경도 범위이다. 평가된 탄소 함량들은 기어 치형부들의 코어 영역들의 전형적인 탄소 수준들에 해당한다.

예 2

본 발명에 따른 예합금화된 강 분말(A2)은 물 분무(water atomization) 이후에 후속적인 환원 어닐링 프로세스에 의해 제조되었다. 분무는 소규모(용융물 크기 15 kg) 물 분무 유닛에서 보호 N₂ 분위기에서 수행되었다. 어닐링은 1000 내지 1100 ℃ 범위의 온도에서 H₂ 분위기에서 실험실 규모의 벨트 퍼니스에서 수행되었다. 어닐링 후에 분말들의 분쇄 및 체질(-212 ㎛)이 수행되었다. 분말의 화학적 조성이 표 3에 제시된다. 분말은 PM에 대한 표준 입도 분포를 가지며 -212 ㎛ 메쉬 체 크기로 체질된다.

분말(A2)은 0.40 중량 % 흑연(C-UF) 및 0.60 중량 % 윤활제(윤활유 E)와 혼합되었다. 대형 기어 시편들(도 3의 치수들 참조)은 700 MPa의 압축 압력으로 일축 압축에 의해 분말 혼합물로부터 압축되었다. 기어 시편들의 그린 밀도는 7.20 g/㎤이었다.

기어 시편들은 N₂/H₂(95/5) 분위기에서 30 분 동안 1250 ℃에서 소결되었다. 소결된 기어들의 케이스 경화는 965 ℃의 저압 침탄(LPC) 이후에 20 bar의 N₂를 사용하여 고압 가스 담금질 수행되었다. LPC 프로세스의 베이스 분위기는 N₂(8 mbar 압력)이었고 침탄 가스는 C₂H₂/N₂(50/50)이었다. 네 번의 침탄 부스트 사이클들이 37 내지 65 초의 각각의 부스트 사이클의 길이로 적용되었다. 각각의 부스트 사이클 이후의 확산 시간은 312 내지 3550 초에서 변했다. 965 ℃에서의 총 시간은 96 분이었다. 가스 담금질 이후의 후속 템퍼링이 공기 중에서 60 분 동안 200 ℃에서 수행되었다.

열처리된 기어 시편들의 연마되고 에칭된 단면들 상에서 수행된 금속 조직 검사는, 기어 치형부들이 마르텐사이트계 표면층 및 베이나이트 코어 조직을 가지고 있음을 보여준다(도 4를 참조). 미소경도 측정들(비커스 방법에 따른 Hv0.1)은 또한 기어 치형부들의 경도 프로파일들을 조사하기 위해서 연마된 횡단면에서 수행되었다(도 5의 결과들을 참조). 이들 측정들은, 플랭크(flank)에서보다 치형부의 루트에서 다소 낮은 경도 수준들과 함께, 표면 경도가 800HV0.1 초과이고 코어 경도가 320 내지 340Hv0.1인 것을 도시한다. 케이스 깊이(여기서, 경도 550HV0.1임)는 플랭크에서 0.8 mm이고 루트(root)에서 0.6 mm이다.

이 예는, LPC-HPGQ 방법으로 케이스 경화가 수행된 프로세스에서 분말(A2)이 고강도 PM 기어들의 제조에 적합함을 입증한다. HPGQ가 적용될 때 큰 기어 컴포넌트들의 내부에서 얻어진 냉각 속도들에서 합금에 충분한 경화능을 제공하기 위해서, 철계 분말 혼합물의 0.40 중량 %의 흑연 함량이 분말 혼합물에 사용되었다. 분말의 높은 압축률은 기어의 높은 밀도에 대한 압축을 가능하게 하고, 열처리 후에 원하는 수준의 경도 값들이 기어 치형부들의 표면 및 코어 영역들 양자 모두에서 얻어진다. 잘 정의된 케이스 깊이들도 달성되었다.

예 3

다른 Cr 함량(0.5 내지 1.0 %) 및 동일한 Mo 함량(0.3 %)을 갖는 예합금강 분말들이 물 분무 이후에 후속하는 환원 어닐링 프로세스에 의해서 제조되었다. 분무는 소규모(용융물 크기 15 kg) 물 분무 유닛에서 보호 N₂ 분위기에서 수행되었다. 어닐링은 1000 내지 1100 ℃ 범위의 온도에서 H₂ 분위기에서 실험실 규모의 벨트 퍼니스에서 수행되었다. 동일한 어닐링 파라미터들이 모든 분말들에 사용되었다. 어닐링 후에 분말들의 밀링(milling) 및 체질(sieving)(-212 ㎛)이 수행되었다. 분말들의 화학적 조성이 표 4에서 제시된다.

강 분말들은 0.25/0.35 중량 % 흑연(Kropfmuhl UF4) 및 0.60 중량 % 윤활제(Lube E, 스웨덴 Hoganaas AB로부터 이용 가능)와 혼합되었다. 분말 혼합물들의 압축률은 700 MPa의 압축 압력을 갖는 원통형 시험편들(직경 25 mm, 높이 20 mm)의 일축 압축에 의해 평가되었다. 각 시편의 그린 밀도(green density)(GD)는 아르키메데스(Archimedes) 원리에 따라 시험편을 공기와 물로 칭량함으로써 측정되었다. 결과들은 도 6에 제시되고, 0.7 내지 0.9 중량 % Cr 및 0.3 중량 % Mo의 합금 함량(청구된 발명에 따름)을 갖는 예합금 철계 분말이 높은 압축률을 산출하며 그리고 Cr 함량이 최대 0.9 중량 %이어야 함을 입증한다. 0.7 중량 % 미만의 Cr - 함량은 압축률을 현저하게 증가시키지 않으며, 즉 보다 높은 그린 밀도(green density)(GD)를 산출한다.

Claims

- 0.7 내지 0.9 중량 %의 크롬(Cr);
- 0.2 내지 0.4 중량 %의 몰리브덴(Mo);
- 0.01 내지 0.15 중량 %의 망간(Mn);
- 최대 0.20 중량 %의 산소(O);
- 최대 0.05 중량 %의 탄소(C);
- 0.05 중량 % 미만의 질소(N);
- 최대 0.3의 다른 불가피적 불순물들; 및
- 잔부 철(Fe)로 구성되는,
예합금 철계 분말(pre-alloyed iron based powder).
제 1 항에 있어서,
상기 Mn의 양은 0.09 내지 0.15 중량 %인,
예합금 철계 분말.
제 1 항에 있어서,
상기 Mn의 양은 0.01 내지 0.009 중량 %인,
예합금 철계 분말.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 O의 양은 0.15 중량 % 미만인,
예합금 철계 분말.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 O, C 및 N 이외의 불가피적 불순물들의 양은 최대(at most) 0.3 중량 % 미만인,
예합금 철계 분말.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
ASTM B796-02에 따른 측정시에 100 ㎛ 보다 더 긴 가장 긴 신장(longest extension)을 갖는 개재물들(inclusions)의 수는 최대 1.0/㎠인,
예합금 철계 분말.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
ASTM B796-02에 따른 측정시에 100 ㎛ 보다 더 긴 가장 긴 신장을 갖는 개재물들의 수는 최대 0.0/㎠인,
예합금 철계 분말.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 예합금 철계 분말;
- 철계 분말 혼합물의 0.2 내지 0.7 중량 %의 양의 흑연;
- 선택적으로, 철계 분말 혼합물의 1 중량 % 이하의 양의 윤활제(들);
- 선택적으로, 철계 분말 혼합물의 1 중량 % 이하의 양의 절삭성 향상제(들)(machinability enhancing agent(s)); 및,
- 선택적으로, 경질상(hard phase) 재료들을 포함하거나 구비하는,
철계 분말 혼합물.
-a) 제 8 항에 따른 철계 분말 혼합물을 제공하는 단계;
-b) 철계 분말 혼합물을 압축 몰드(compaction mold)로 전달하는 단계;
-c) 압축; 그린 컴팩트(green compact)로 적어도 600 MPa의 압력에 의해 철계 분말 혼합물을 압축하는 단계;
-d) 그린 컴팩트를 몰드로부터 배출하는 단계;
-e) 그린 컴팩트를 소결 단계로 보내는 단계;
-f) 선택적으로, 소결된 컴포넌트를 더 치밀화시키는 단계;
-g) 최대 40 mbar, 바람직하게는 최대 20 mbar의 압력으로 탄소 함유 분위기에서, 소결된 컴포넌트을 저압 침탄(Low Pressure Carburizing)(LPC)처리하는 단계;
-h) 침탄된 컴포넌트를 10 내지 30 bar의 압력 및 약 850 내지 1000 ℃의 온도에서 적어도 약 300 ℃ 미만의 온도로 적어도 5 ℃의 냉각 속도로 고압 가스 담금질(High Pressure Gas Quenching)(HPGQ)처리하는 단계; 및
-i) 선택적으로, 담금질된 컴포넌트를 150 내지 300 ℃의 온도에서 공기 중에서 템퍼링하는 단계를 포함하는,
소결 및 침탄된 컴포넌트를 제조하기 위한 방법,
제 9 항에 있어서,
배출 이후에 그린 컴팩트가 적어도 7.10 g/㎤, 바람직하게는 적어도 7.15 g/㎤, 및 가장 바람직하게는 적어도 7.20 g/㎤의 그린 밀도(green density)를 갖는,
소결 및 침탄된 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 소결 단계는 20 mbar 미만의 압력으로 환원 분위기 또는 진공에서 1000 ℃ 내지 1350 ℃의 온도, 바람직하게는 1200 ℃ 내지 1350 ℃의 온도에서 소결하는 단계를 포함하는,
소결 및 침탄된 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저압 침탄 단계는 C₂H₂, CH₄ 및 C₃H₈ 중 적어도 하나를 포함하는 분위기에서 침탄하는(carburizing) 단계를 포함하는,
소결 및 침탄된 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저압 침탄 단계는 암모니아 함유 분위기에서 침탄질화하는(carbonitriding) 단계를 더 포함하는,
소결 및 침탄된 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
- 0.7 내지 0.9 중량 %의 크롬(Cr);
- 0.2 내지 0.4 중량 %의 몰리브덴(Mo);
- 0.01 내지 0.15 중량 %의 망간(Mn);
- 0.2 내지 1.0 중량 %의 탄소(C);
- 최대 0.15 중량 %의 산소(O);
- 최대 1.0%의 불가피적 불순물들; 및,
잔부 철(Fe)로 구성되는,
소결된 컴포넌트.
제 14 항에 있어서,
상기 컴포넌트는 기어이며, 기어 치형부들 표면 미세경도는 최소 700 HV0.1이고 기어 치형부들 코어 경도가 300 내지 550 HV0.1인,
소결된 컴포넌트.