KR20170080668A - 분말 야금용 합금강분 및 소결체 - Google Patents

Abstract

Fe-Mo-Cu-C계의 분말 야금용 합금강분에 있어서, Mo：0.2∼1.5mass%, Cu：0.5∼4.0mass%, C：0.1∼1.0mass%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 철기 분말의 평균 입경을 30∼120㎛로 하고, 또한 Cu분의 평균 입경을 25㎛이하로 하는 것에 의해서, Ni를 포함하지 않는 성분계이면서, 그 분말의 프레스 성형품을 소결하고, 또한 침탄·담금질·템퍼링 부품의 기계적 특성이 Ni 첨가품과 동등 이상의 인장 강도나 인성, 소결 밀도를 갖는 분말 야금용 합금강분을 얻는다.

Description

분말 야금용 합금강분 및 소결체{ALLOY STEEL POWDER FOR POWDER METALLURGY, AND SINTERED BODY}

본 발명은 부분 확산 합금강분을 이용한 Ni를 포함하지 않는 분말 야금용 합금강분으로서, 자동차용 고강도 소결 부품의 제조에 바람직한 분말 야금용 합금강분에 관한 것이다. 또, 본 발명은 소결했을 때에 소결 밀도가 오르기 쉽고, 침탄·담금질·템퍼링의 처리 후의 인장 강도와 인성(충격값), 더 나아가서는 피로 강도가 종래의 합금강분보다 상승하는 분말 야금용 합금강분에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 분말 야금용 합금강분을 이용한 소결체에 관한 것이다. 특히, 본 발명에서는 침탄·담금질·템퍼링의 처리 후의 인장 강도에서 1000㎫이상이 얻어지는 소결체를 대상으로 한다.

분말 야금 기술을 이용하면, 복잡한 형상의 부품을 제품 형상에 극히 가까운 형상(소위 니어 네트(near net) 형상)이고, 또한 높은 치수 정밀도로 제조할 수 있다. 따라서, 분말 야금 기술을 이용해서 부품을 제작하면, 대폭적인 절삭 코스트의 저감이 가능하게 된다. 이 때문에, 분말 야금 기술을 적용한 분말 야금 제품은 각종 기계용 부품으로서 다방면으로 이용되고 있다.

이러한 분말 야금 기술에는 철기 분말이 주로 이용된다. 철기 분말은 성분에 따라, 철분(예를 들면 순 철분 등)이나, 합금강분 등으로 분류된다. 또, 철기 분말은 그 제법에서 본 분류도 있어, 아토마이즈 철분이나, 환원 철분 등으로 칭해진다. 그리고, 제법에서 본 분류를 이용하는 경우, 철분은 순 철분 뿐만 아니라 합금강분을 포함하는 넓은 의미에서 이용된다.

그리고, 이 철기 분말을 이용해서, 성형체를 제작한다. 성형체는 일반적으로, 철기 분말에 Cu분·흑연분 등의 합금용 분말과, 스테아린산, 스테아린산 리튬 등의 윤활제를 혼합하여 철기 분말 혼합분으로 한 후, 이것을 금형에 충전하여, 가압 성형하는 것에 의해서 제조된다.

여기서, 통상의 분말 야금 공정에서 얻어지는 성형체의 밀도는 6.6∼7.1Mg/㎥ 정도가 일반적이다. 그리고, 성형체는 소결 처리가 실시되어 소결체로 되고, 또한 필요에 따라 사이징이나 절삭 가공이 실시되어, 분말 야금 제품으로 된다.

또, 더욱 높은 강도가 필요한 경우에는 소결 후에 또한 침탄 열 처리나 광휘 열 처리를 실시하기도 한다.

최근에는 부품의 소형화나 경량화를 위해, 분말 야금 제품의 강도의 상승이 강하게 요망되고 있다. 특히, 철기 분말로부터 만들어지는 철기 분말 제품(철기 소결체)에 대한 고강도화의 요구가 강하다.

여기서, 철기 분말은 원료분의 단계에서, 합금 원소를 더한 분말로서,

(1) 순 철분에 각 합금 원소 분말을 배합한 혼합분,

(2) 각 원소를 완전히 합금화한 예합금강분,

(3) 순 철분이나 예합금강분의 표면에 각 합금 원소 분말을 부분적으로 확산 부착시킨 부분 확산 합금강분(복합 합금강분이라고도 함) 등이 알려져 있다.

상기 (1)에 기재된 순 철분에 각 합금 원소 분말을 배합한 혼합분은 순 철분 수준의 고압축성을 확보할 수 있다고 하는 이점이 있다.

그러나, 상기 (1)에 기재된 혼합분은 소결시에, 각 합금 원소가 Fe중에 충분히 확산되지 않아 불균질의 조직인 채로 되기 쉽고, 고강도화에 필요한 기지 강화를 달성할 수 없는 경우가 있었다. 또, Fe보다 활성의 금속인 Mn, Cr, V 및 Si 등을 혼합하는 경우에는 소결 분위기나 침탄 분위기 중에 있어서의 CO₂ 농도나 노점을 낮게 엄밀히 제어하지 않으면, 소결체가 산화해 버리고, 소결체의 고강도화에 필요한 소결체의 저산소량화를 도모할 수 없다고 하는 문제가 있었다.

이 때문에, 상기 (1)에 기재된 순 철분에 각 합금 원소 분말을 배합한 혼합분은 근래의 고강도화의 요구에 대응할 수 없어, 사용되지 않는 상태에 이르고 있다.

한편, 상기 (2)에 기재된 예합금강분은 합금 원소의 편석을 완전히 방지할 수 있기 때문에 조직을 균일화할 수 있다. 그 때문에, 기계적 특성이 안정화되는 것에 부가해서, Mn, Cr, V 및 Si 등을 합금 원소로서 사용하는 경우에도, 이러한 합금 원소의 종류와 양을 한정하는 것에 의해서, 소결체의 저산소량화를 달성할 수 있는 이점이 있다.

그러나, 예합금강분은 용강을 아토마이즈해서 제조하기 때문에, 용강의 아토마이즈 공정에서의 산화와 완전 합금화에 의한 고용 경화가 생기기 쉽고, 프레스 성형시에 압분체 밀도가 오르기 어렵다고 하는 문제가 있었다.

상기 (3)에 기재된 부분 확산 합금강분은 순 철분이나 예합금강분에 금속 분말을 배합하고, 비산화성 또는 환원성의 분위기하에서 가열하여, 순 철분이나 예합금강분의 표면에 각 금속 분말을 부분적으로 확산 접합해서 제조하는 것이다. 그리고, 이 부분 확산 합금강분은 상기 (1)의 철기 혼합분이나 상기 (2)의 예합금강분에서 보여지는 각종 문제를 회피하면서, 상기 (1)의 철기 혼합분 및 상기 (2)의 예합금강분의 좋은 점을 조합해서 얻을 수 있다.

즉, 상기 (3)에 기재된 부분 확산 합금강분은 소결체의 저산소량화와 순 철분 수준의 고압축성을 확보할 수 있다. 더 나아가서는 완전 합금상과 부분적인 농화상으로 이루어지는 복합 조직으로 되기 때문에 기지 강화가 가능하게 된다. 고로, 부분 확산 합금강분은 근래의 부품의 고강도화의 요구에 대응하는 것이 가능하며, 그 개발이 널리 실행되고 있다.

여기에, 상기의 부분 확산 합금강분에서 사용되는 기본적인 합금 성분으로서는 Ni 및 Mo를 들 수 있다.

Ni는 금속 조직 중에, 담금질 처리를 실시해도 담금질 조직으로는 되지 않는 미변태의 오스테나이트상을 많이 잔류시킬 수 있다. 그리고, 이 작용에 의해서, 부품의 인성을 개선하는 동시에, 모상을 고용 강화하는 효과를 갖는 것이 알려져 있다.

이에 대해, Mo는 담금질성을 올리는 효과를 갖기 때문에, 담금질 처리시에 페라이트의 생성을 억제하고, 금속 조직 중에, 베이나이트 또는 마텐자이트가 생성되기 쉬워진다. 이러한 효과에 의해서, Mo는 모상을 변태 강화할 뿐만 아니라, 모상에 분산해서 모상을 고용 강화하고, 모상 중에서 미세 탄화물을 형성하여 모상을 석출 강화할 수 있다. 또, Mo는 가스 침탄성이 좋고, 비립계 산화 원소이므로, 소결체를 침탄 강화할 수도 있다.

이들 합금 성분을 포함하는 부분 확산 합금강분을 사용한 고강도 소결 부품용의 혼합분의 예로서는 예를 들면, 특허문헌 1에, Ni：0.5∼4mass%와 Mo：0.5∼5mass%를 부분 합금화한 합금강분에 또한 Ni：1∼5mass%, Cu：0.5∼4mass% 및 흑연분：0.2∼0.9mass%를 혼합한 고강도 소결 부품용 혼합분이 나타나 있다.

또, Ni를 포함하지 않고, 또한 고밀도의 철계 소결체로서, 특허문헌 2에는 평균 입경이 1∼18㎛의 철계 분말에, 평균 입경이 1∼18㎛의 Cu분을 100：(0.2∼5)의 중량비로 혼합하여 성형, 소결하는 철계 소결체의 제조 방법이 기재되어 있다.

이 기술에서는 통상보다 극단적으로 작은 평균 입경의 철계 분말을 사용하는 것에 의해서, 소결체 밀도가 7.42g/㎤이상이라고 하는 통상에서는 있을 수 없을 정도로 높은 소결체 밀도를 얻는 것을 가능하게 하고 있다.

특허문헌 1: 일본국 특허공보 제3663929호 특허문헌 2: 일본국 특허공개공보 평성4-285141호

그러나, 발명자들의 고찰의 결과, 상기한 특허문헌 1에 기재된 혼합분을 사용한 소결 재료나 특허문헌 2에 기재된 방법에 의해 얻어지는 소결 재료는 각각 다음과 같은 문제점이 있는 것을 알 수 있었다.

즉, 특허문헌 1에 기재된 혼합분을 사용한 소결 재료에서는 최저라도 1.5mass%의 Ni를 포함하고 있고, 그 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 실질적으로는 3mass%이상의 Ni를 포함하고 있다. 고로, 특허문헌 1에 기재된 혼합분을 사용한 소결 재료에서 800㎫이상의 고강도를 얻기 위해서는 3mass%이상과 같은 다량의 Ni가 필요하게 된다.

또한, 특허문헌 1에 기재된 혼합분에서 1000㎫이상의 고강도재를 얻고자 한 경우에는 또한 다량의 Ni가 필요하다고 고려된다.

그러나, Ni는 근래의 환경 대응이나 리사이클성의 관점에서는 불리한 원소이며, 가능한 한 사용을 피하는 것이 바람직하다. 또한, 수 mass%의 Ni의 첨가는 제조 코스트의 점에서도 극히 불리하게 된다.

또, Ni를 합금 원소로서 사용하면, 철분이나 강분에 대해 Ni를 충분히 확산시키기 위해 장시간의 소결이 필요하게 된다. 이 때문에, 단시간의 소결에서는 금속 조직이 불균일하게 된다고 하는 문제가 있다.

한편, 특허문헌 2에 기재된 방법에 의해 얻어지는 소결 재료에서는 Ni의 첨가는 없지만, 사용하고 있는 철계 분말의 평균 입경이 1∼18㎛로 통상보다 작다. 이와 같이 입경이 작으면, 분말의 유동성이 나빠져, 분말의 금형 충전성이 나빠진다. 그 결과, 프레스 성형시의 작업 효율이 극히 나빠진다고 하는 문제가 있다.

또한, 근래에는 안전성 향상의 관점에서, 각종 부품은 높은 피로 강도가 요구되고 있다. 그러나, 상기한 종래 기술에서는 높은 피로 강도를 얻는 것은 곤란하였다.

본 발명은 상기한 현상을 감안하여, 이하의 특징을 갖는 분말 야금용 합금강분을, 그 합금강분을 이용한 소결체와 함께 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명의 분말 야금용 합금강분은 금속 조직이 불균일하게 되는 원인으로 되고, 비용 상승의 요인으로도 되는 Ni를 일절 사용하지 않는 성분으로 한다. 그리고, 그 합금강분의 프레스 성형품을 소결하고, 또한 침탄·담금질·템퍼링한 부품은 Ni첨가품과 동등 이상의 인장 강도나 인성, 피로 강도 및 높은 소결 밀도를 갖는다.

그런데, 발명자들은 상기의 목적을 달성하기 위해, Ni를 포함하지 않는 분말 야금용 합금강분의 합금 성분 및 그 첨가 수단에 대해 각종 검토를 거듭하였다. 그 결과, 이하에 기술하는 지견을 얻었다.

즉, 분말 야금용 합금강분을, Ni를 일절 사용하지 않는 대신에, Mo를 부분 확산 합금화한 철분을 사용하는 동시에, 평균 입경 등을 제어한 Cu분을 흑연분와 함께 혼합한 분말 야금용 합금강분으로 하였다. 그러면, 그 합금강분의 프레스 성형품을 소결하고, 더 나아가서는 침탄·담금질·템퍼링한 부품의 기계적 특성은 Ni첨가품과 동등 이상의 인장 강도나 인성, 피로 강도로 되는 것을 알 수 있었다.

여기서, Mo는 소결 열 처리시, 페라이트 안정화 원소로서 작용한다. 이 때문에, Mo가 많은 부분이나 그 근방에서는 페라이트상을 발생시켜 철분끼리의 소결이 진행하고, 소결체의 소결 밀도가 상승한다.

한편, Cu는 소결 처리시에 용융하여 철분립의 사이에 침투하고, 철분의 입자간 거리를 밀어 넓히기 때문에, 성형체의 사이즈에 비해 소결체의 사이즈가 커지는 소위 Cu 팽창을 야기시킨다. 이 Cu 팽창이 일어나면, 소결체 밀도는 저하한다. 그리고, 이 Cu 팽창에 의한 밀도 저하가 크면, 소결체의 강도나 인성의 저하로 이어지는 불합리가 생긴다.

그래서, 발명자들은 사용하는 Cu분의 성상에 대해, 예의 검토를 거듭하였다. 그 결과, 특정의 형상으로 제한하면, 상기 Cu 팽창이 저감하고, 소결체 밀도의 저하가 억제될 뿐만 아니라, 오히려 소결체 밀도가 상승하는 경우가 있는 것을 알아내었다.

그리고, 동시에, 사용하는 철기 분말의 평균 입경을 30㎛이상으로 제어하면, 합금강분의 유동성이 향상하는 것, 또, 아토마이즈법에 의해 제조된 철기 분말을 이용하면, 소결체의 피로 강도가 상승하는 것을 아울러 알 수 있었다.

본 발명은 상기의 지견에 의거하는 것이다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

１．철기 분말에 Mo를 확산 부착시킨 부분 확산 합금강분과, Cu분 및 흑연분을 포함하는 Fe-Mo-Cu-C계의 분말 야금용 합금강분으로서, Mo：0.2∼1.5mass%, Cu：0.5∼4.0mass% 및 C：0.1∼1.0mass%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 상기 철기 분말의 평균 입경이 30∼120㎛이고, 또한 상기 Cu분의 평균 입경이 25㎛이하인 분말 야금용 합금강분.

２．철기 분말에 Mo를 확산 부착시킨 부분 확산 합금강분과, Cu분 및 흑연분을 포함하는 Fe-Mo-Cu-C계의 분말 야금용 합금강분으로서, Mo：0.2∼1.5mass%, Cu：0.5∼4.0mass% 및 C：0.1∼1.0mass%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 상기 철기 분말의 평균 입경이 30∼120㎛이고, 또한 상기 Cu분은 편평형상을 한 Cu분으로서, 해당 Cu분의 두께를 d(㎛), 긴 직경을 L(㎛)로 했을 때, L≤-2d＋50의 관계를 만족시키는 분말 야금용 합금강분.

３．철기 분말에 Mo를 확산 부착시킨 부분 확산 합금강분과, Cu분 및 흑연분을 포함하는 Fe-Mo-Cu-C계의 분말 야금용 합금강분으로서, Mo：0.2∼1.5mass%, Cu：0.5∼4.0mass% 및 C：0.1∼1.0mass%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 상기 철기 분말의 평균 입경이 30∼120㎛이고, 또한 상기 Cu분은 평균 입경：25㎛이하의 Cu분과, 편평형상을 한 Cu분으로서 분체의 두께를 d(㎛), 긴 직경을 L(㎛)로 했을 때 L≤-2d＋50의 관계를 만족시키는 Cu분의 혼합분인 분말 야금용 합금강분.

４．상기 1∼3의 어느 하나에 기재된 분말 야금용 합금강분을 원료로 하는 소결체.

본 발명에 따르면, Ni를 일절 사용하지 않는 성분계이면서, 그 기계적 특성이 Ni 첨가품과 동등 이상의 인장 강도나 인성, 피로 강도를 갖고, 더 나아가서는 높은 소결 밀도를 갖는 소결체를 제조 가능한 분말 야금용 합금강분이 얻어진다.

또, 본 발명에 따르면, 통상의 소결법이어도 저렴하며 고강도와 고인성을 겸비한 소결체(철기 소결체)를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 합금강분의 유동성이 우수하므로, 프레스 성형시에, 분말을 금형 충전할 때의 작업 효율이 향상한다고 하는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명에 따르는 편평형상 Cu분말을 모식적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 Fe-Mo-Cu-C계의 분말 야금용 합금강분은 적정한 평균 입경을 갖는 철기 분말의 표면에 Mo함유 분말을 확산 부착시킨 부분 확산 합금강분(이하, 부분 합금강분이라고도 함)에 대해, 후술하는 평균 입경의 범위 등, 소정의 형상을 갖는 적량의 Cu분과 함께, 흑연분을 혼합해서 이루어지는 분말 야금용 합금강분이다.

상기한 분말 야금용 합금강분을, 상법의 프레스 성형에 의해 성형체로 하고, 또한 상법의 소결을 실시하는 것에 의해서, 본 발명에 따르는 소결체가 얻어진다.

본 발명의 분말 야금용 합금강분은 성형체의 철기 분말 입자간의 소결 네크부에, Mo의 농화부가 형성됨으로써 소결이 촉진하고, 또한 그 소결은 Cu 팽창이 저감되므로, 소결체의 밀도는 증가한다.

소결체 밀도가 증가하면, 소결체의 강도와 인성은 함께 향상한다. 또한, 종래재와 같은 Ni를 사용한 소결체와는 달리, 본 발명의 소결체는 금속 조직이 균일하기 때문에, 강도나 인성의 편차가 작은 기계적 특성을 갖는다.

이하, 본 발명에 있어서의 제반 요건의 한정 이유에 대해 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 「%」는 질량 %를 의미하며, Mo량, Cu량, 및 흑연분량은 분말 야금용 합금강분에 대한 각각의 함유 비율을 의미하는 것으로 한다.

우선, 본 발명에서 이용하는 철기 분말에 대해 설명한다.

본 발명에 이용하는 철기 분말의 평균 입경은 30∼120㎛로 한다. 평균 입경이 30㎛를 하회하면, 철기 분말 그 자체나, 이것을 사용해서 제작한 혼합분의 유동성이 나빠져, 제조 효율 등의 점에 지장을 초래한다. 한편, 120㎛를 넘으면, 소결시에, 성형체의 수축의 구동력이 약해져, 조대한 철분립의 주위에 조대한 빈 구멍이 형성되어 버린다. 그리고, 이 조대한 빈 구멍은 소결체의 소결 밀도의 저하를 초래하며, 소결체의 침탄·담금질·템퍼링 후의 강도나 인성을 저하시키는 원인으로 된다.

따라서, 본 발명에 있어서, 철기 분말의 적정한 평균 입경의 범위는 30∼120㎛로 한정한다. 바람직하게는 40∼100㎛, 더욱 바람직하게는 50∼80㎛의 범위이다. 또한, 본 발명에 있어서 평균 입경은 메디안직경(소위 d₅₀, 체적 기준)을 말한다.

여기서, 철기 분말에는 아토마이즈 생분, 아토마이즈 철분 및 환원 철분 등을 들 수 있지만, 본 발명에 이용하는 철기 분말로서는 아토마이즈법에 의해 제조된 철기 분말, 즉 아토마이즈 생분 및/또는 아토마이즈 철분이 바람직하다.

즉, 본 발명에 이용하는 철기 분말은 용강을 아토마이즈하고, 건조, 분급하며, 탈산 처리(환원 처리)나 탈탄 처리 등을 위한 열 처리를 부가하고 있지 않은 아토마이즈 생분 또는 아토마이즈 생분을 환원 분위기하에서 환원한 아토마이즈 철분의 어느 것이라도 좋다.

아토마이즈 생분이나 아토마이즈 철분의 겉보기 밀도로서는 2.0Mg/㎥ 내지 3.5Mg/㎥ 정도이면 좋다. 더욱 바람직하게는 2.5∼3.2Mg/㎥의 범위이다. 또, 아토마이즈 생분이나 아토마이즈 철분의 비표면적으로서는 0.005㎡/g 정도 이상이면 좋다. 더욱 바람직하게는 0.01㎡/g이상이다.

여기서, 상기 겉보기 밀도는 JIS Z 2504의 시험 방법으로 측정되어 구해지는 것이다.

다음에, 본 발명에서 이용하는 Mo에 대해 설명한다.

본 발명에 있어서, 확산 부착시키는 Mo량은 분말 야금용 합금강분에 대해 0.2∼1.5%의 범위로 한다. 0.2%를 하회하면, 담금질성 향상 효과가 적고, 강도 상승 효과도 적다. 한편, 1.5%를 넘으면, 담금질성 향상 효과는 포화하고, 오히려 소결체의 조직의 불균일성이 높아지기 때문에, 고강도나 고인성이 얻어지지 않게 된다. 따라서, 확산 부착시키는 Mo량은 0.2∼1.5%로 한다. 바람직하게는 0.3∼1.0%의 범위, 더욱 바람직하게는 0.4∼0.8%의 범위이다.

Mo 원료 분말로서는 Mo함유 분말 그 자체를 이용해도 좋고, 혹은 Mo함유 분말에 환원 가능한 Mo의 화합물을 이용해도 좋다. Mo함유 분말로서는 Mo의 순금속 분말을 비롯하여, 산화 Mo분말, 혹은 Fe-Mo(페로몰리브덴) 분말 등이 유리하게 적합하다. 또, Mo의 화합물로서는 Mo탄화물, Mo황화물 및 Mo질화물 등이 바람직하다.

다음에, 상기한 철기 분말과 Mo원료 분말을, 분말 야금용 합금강분에 대해, Mo량이 0.2∼1.5%의 범위로 되도록 혼합한다. 혼합 방법에 대해서는 특히 제한은 없으며, 예를 들면 헨셸 믹서나 콘형 믹서 등을 이용하여, 상법에 따라 실행할 수 있다.

또한, 상기의 혼합분(철기 분말+Mo원료 분말)을 고온에서 유지하고, 철기 분말과 Mo원료 분말의 접촉면에 있어서, Mo를 철 중에 확산시켜 접합하는 열 처리를 실시하는 것에 의해서, Mo의 부분 합금강분이 얻어진다.

상기 열 처리의 분위기로서는 환원성 분위기나 수소 함유 분위기가 바람직하고, 특히 수소 분위기가 적합하다. 또한, 상기 열 처리는 대기압에서 실행해도 상관없으며, 감압하 또는 진공하로 해도 좋다. 또, 바람직한 열 처리의 온도는 800∼1000℃의 범위이다.

상술한 바와 같이 해서, 확산 부착 처리를 실행한 경우, 철기 분말과 Mo함유 분말은 소결해서 굳어진 상태로 되어 있으므로, 원하는 입경으로 분쇄·분급을 실행한다. 즉, 원하는 입경이 되도록, 필요에 따라 분쇄 조건의 강화, 혹은 소정의 체눈에서의 분급에 의한 조분(거친 가루)의 제거를 실행한다. 또한, 이렇게 해서 얻어진 부분 합금강분의 최대 입경은 180㎛이하가 바람직하다.

그렇다고 하는 것은 180㎛를 넘는 조대립은 침탄 담금질시에 입자 중심까지 C가 도달하는데 시간이 걸리기 때문에, 침탄-담금질-템퍼링 후의 조직이 불균일하게 되어 버리기 때문이다.

또한, 본 발명에서는 필요에 따라, 소둔을 추가해서 실시해도 좋다.

본 발명에 있어서, 부분 합금강분의 잔부는 철 및 불가피한 불순물이다. 부분 합금강분에 함유되는 불순물로서는 C, O, N 및 S 등을 들 수 있지만, 이들 함유량은 부분 합금강분에 대해 각각, C：0.02%이하, O：0.3%이하, N：0.004%이하 및 S：0.03%이하이면 특히 문제는 없지만, O는 0.25%이하가 더욱 바람직하다. 또한, 불가피한 불순물량이 이들 범위를 넘으면, 부분 합금강분의 압축성이 저하해 버리고, 충분한 밀도를 갖는 예비 성형체로 압축 성형하는 것이 곤란하게 된다.

본 발명에서는 소결체를 침탄·담금질·템퍼링 후에 1000㎫이상의 인장 강도를 얻을 목적으로, 상기에서 얻어진 부분 합금강분에 또한 Cu분 및 흑연분(흑연 등의 탄소 분말)을 첨가한다.

다음에, 본 발명에서 이용하는 Cu분에 대해 설명한다.

Cu분의 평균 입경이 25㎛이하

Cu는 철기 분말의 고용 강화, 담금질성 향상을 촉진하고, 소결 부품의 강도를 높이는 유용 원소이다. 그러나, Cu분으로서, 철기계의 분말 야금에서 이용되는 것으로서 일반적인 평균 입경이 28∼50㎛ 정도의 것을 사용하면, 용융된 Cu가 철분의 입자간에 용침하여 소결 후의 부품의 체적을 팽창시켜, 소결체 밀도를 저하시켜 버린다(Cu 팽창). 이러한 소결체 밀도의 저하를 억제하기 위해서는 평균 입경：25㎛이하의 Cu분을 사용할 필요가 있다. 바람직하게는 10㎛이하이며, 더욱 바람직하게는 5㎛이하이다. 한편, Cu분의 평균 입경의 하한에 특히 제한은 없지만, Cu분의 제조 코스트를 불필요하게 올리지 않기 위해 0.5㎛ 정도가 바람직하다.

또한, 본 발명에서, Cu분의 평균 입자 직경은 Cu분의 1차 입자의 메디안직경을 가리킨다.

이러한 메디안직경은 이하에 기술하는 방법에 의해서 구할 수 있다.

본 발명과 같은 입경의 Cu분은 체 분류에 의한 평균 입자 직경의 측정이 곤란하기 때문에, 레이저 회절/산란식 입도 분포 측정 장치에 의한 입자 직경의 측정을 실행한다. 이러한 측정 장치로서는 호리바 제작소(HORIBA, Ltd.)제：LA-950V2 등이 있다. 물론, 다른 레이저 회절/산란식 입도 분포 측정 장치를 사용해도 상관없지만, 정확한 측정을 실행하기 위해서는 측정 가능 입자 직경의 범위의 하한이 0.1㎛이하이고, 상한이 45㎛이상의 것을 이용하는 것이 바람직하다.

상기 레이저 회절/산란식 입도 분포 측정 장치에서는 Cu분을 분산시킨 용매에 대해 레이저광을 조사하여, 레이저광의 회절, 산란 강도로부터 Cu분의 입도 분포 및 평균 입자 직경을 측정한다. Cu분을 분산시키는 용매로서는 입자의 분산성이 좋고, 취급이 용이한 에탄올을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 물 등의 판데르발스력이 높고, 분산성이 낮은 용매를 이용하면, 측정 중에 입자가 응집하고, 본래의 평균 입자 직경보다 거친 측정 결과로 되므로 바람직하지 않다.

또, Cu분을 투입한 에탄올 용액에 대해서는 측정 전에 초음파에 의한 분산 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 대상으로 하는 분말에 의해서, 적정한 분산 처리 시간이 다르기 때문에, 측정은 분산 처리 시간을 0∼60min의 사이에서 각종 변경해서 수 회 실시한다.

측정 중에는 입자의 재응집을 막기 위해, 용매를 교반하면서 측정을 실행한다. 다양하게 분산 처리 시간을 변경하여 측정을 실행한 결과 중, 가장 낮은 값을 Cu분의 평균 입자 직경으로서 채용한다.

Cu분은 편평형상을 한 Cu분, Cu분의 두께를 d(㎛), 긴 직경을 L(㎛)로 했을 때, L≤-2d＋50의 관계를 만족시킨다.

상기 Cu분은 평균 입경이 25㎛를 넘는 것이어도, 소정의 편평형상을 하고 있으면, 상기한 소결체 밀도의 저하를 억제할 수 있다. 즉, 분말의 두께를 d(㎛), 긴 직경을 L(㎛)로 했을 때, L≤-2d＋50의 관계를 만족시키고 있으면 좋다. 또한, 상기 d의 하한에 특히 제한은 없지만, Cu분의 제조 코스트를 불필요하게 올리지 않기 위해 0.05㎛ 정도가 바람직하다. 또, 상기 d의 상한에도 특히 제한은 없지만, 12.5㎛ 정도가 바람직하다.

여기서, 본 발명에 있어서의 편평형상을 한 분말은 L≤-2d＋50의 관계를 만족시키는 동시에, 도 1에 나타내는 바와 같이, 두께 방향(가장 편평률이 작은(진원에 가까운) 면에 수직인 방향, 도 1 중, '2'의 방향)의 직경(길이)이 확산 방향(가장 편평률이 작은 면방향, 도 1 중, '1'의 방향)의 직경에 비해 작은 소위 평판형상의 입자로 이루어지는 분말을 말한다. 본 발명에서는 도 1에 나타낸 바와 같이, 일차 입자의 두께 방향의 직경(길이)을 두께：d와, 확산 방향의 직경 중, 가장 긴 부분의 길이를 긴 직경：L로 정의한다. 또한, L은 0초과이다.

또, 본 발명에 있어서의 편평형상을 한 분말의 두께와 긴 직경은 SEM(Scanning Electron Microscope)에 의해서 Cu입자를 관찰하고, 랜덤하게 선택한 100개 이상의 입자에 대해 입자의 두께 d와 긴 직경 L을 계측하면 대표값으로 평가할 수 있다. 이들 d와 L에는 분포가 있으므로, 각각의 평균값을 산출하고, 이로써 본 발명에 이용하는 두께 d와 긴 직경 L로 한다.

이상 기술한 형상으로 Cu분을 제한하면, Cu 팽창이 억제되어 소결체 밀도의 저하가 작아지거나, 오히려 소결체 밀도는 상승한다.

또한, 본 발명에서는 상기한 평균 입경 25㎛이하의 Cu분과, 상기 소정의 편평형상을 한 Cu분, 즉 L≤-2d＋50의 관계를 만족시키는 Cu분을 혼합한 혼합 Cu분도 사용할 수 있다. 또한, 혼합 Cu분에 있어서의 각각의 형상의 Cu분의 혼합 비율은 특히 한정되는 일은 없다.

Cu분의 첨가량：0.5∼4.0%

Cu분의 첨가량이 0.5%에 미치지 않으면, 상술한 Cu첨가의 유용한 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Cu분의 첨가량이 4.0%를 넘으면, 소결 부품의 강도 상승 효과가 포화할 뿐만 아니라, Cu분의 형상 효과가 옅어져 소결체 밀도의 저하를 초래한다. 따라서, Cu분의 첨가량은 0.5∼4.0%의 범위로 한정한다. 바람직하게는 1.0∼3.0%의 범위이다.

다음에, 본 발명에서 이용하는 흑연분에 대해 설명한다.

흑연분은 고강도화 및 고피로 강도화에 유효하다. 그래서, 상기한 부분 합금강분에 함유되는 불순물로서의 C와는 별도로, C로서 0.1∼1.0%분의 흑연분을 합금강분에 첨가한다. 첨가량이 0.1%에 미치지 않으면, 상술한 고강도화 등의 효과를 얻을 수 없다. 한편, 첨가량이 1.0%를 넘으면 과공석(過共析)으로 되기 때문에, 시멘타이트가 석출하여 소결체의 강도의 저하를 초래한다. 따라서, 흑연분의 첨가량은 0.1∼1.0%의 범위로 한정한다. 또한, 첨가하는 흑연분의 평균 입경은 1∼50㎛ 정도의 범위가 바람직하다.

이상, 본 발명에서는 상기한 Mo를 확산 부착시킨 부분 확산 합금강분에, 상기한 Cu분 및 흑연분을 혼합해서 Fe-Mo-Cu-C계의 분말 야금용 합금강분으로 하는 것이지만, 각각의 혼합 방법은 분체 혼합의 상법에 따라 실행하면 좋다.

또한, 소결체의 단계에서, 절삭 가공 등에 의해서 또한 부품 형상을 만들어 넣을 필요가 있는 경우에는 상법에 따라, MnS 등의 절삭성 개선용 분말의 첨가를 적절히 실행할 수 있다.

다음에, 본 발명의 분말 야금용 합금강분을 이용해서 소결체를 제조할 때에 바람직한 성형 조건, 소결 조건에 대해 설명한다.

본 발명의 분말 야금용 합금강분을 가압 성형할 때는 그 밖에, 분말형상의 윤활제를 혼합할 수 있다. 또, 금형에 윤활제를 도포 혹은 부착시켜 성형할 수도 있다. 어느 경우에도, 윤활제로서, 스테아린산 아연이나 스테아린산 리튬 등의 금속 비누, 에틸렌비스스테아린산아미드 등의 아미드계 왁스 및 그 밖의 공지의 윤활제의 어느 것도 바람직하게 이용할 수 있다. 또한, 윤활제를 혼합하는 경우에는 분말 야금용 합금강분：100 질량부에 대해, 윤활제를 0.1∼1.2질량부 정도로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 분말 야금용 합금강분을 가압 성형하여 성형체를 제조할 때에는 400∼1000㎫의 가압력으로 실행하는 것이 바람직하다. 가압력이 400㎫에 미치지 못하면, 얻어지는 성형체의 밀도가 낮아져, 소결체의 강도 등, 제반 특성이 저하한다. 한편, 1000㎫를 넘으면 금형의 수명이 극단적으로 짧아져, 경제적으로 불리하게 된다. 또한, 가압 성형시의 온도는 상온(약 20℃)∼약 160℃의 범위로 하는 것이 바람직하다.

또, 상기 성형체의 소결은 1100∼1300℃의 온도역에서 실행하는 것이 바람직하다. 소결 온도가 1100℃에 미치지 못하면, 소결이 진행하지 않게 되어, 원하는 인장 강도(1000㎫이상)가 얻어지지 않게 된다. 한편, 1300℃를 넘으면 소결로의 수명이 짧아져, 경제적으로 불리하게 된다. 또한, 소결 시간은 10∼180분의 범위로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르는 합금강분을 이용하고, 이러한 수순에 따라 얻어진 소결체는 동일한 성형체 밀도의 성형체라도, 종래의 제법의 것보다 높은 소결체 밀도로 된다.

또, 얻어진 소결체에는 필요에 따라, 침탄 담금질이나, 광휘 담금질, 고주파 담금질, 침탄 질화 처리 등의 강화 처리를 실시할 수 있지만, 이들 강화 처리를 실시하지 않는 경우에도, 본 발명에 따르는 분말 야금용 합금강분을 이용한 소결체는 종래의 강화 처리를 실시하지 않는 소결체에 비해 강도 및 인성이 개선되어 있다. 또한, 각 강화 처리는 상법에 따라서 실시하면 좋다.

실시예

이하, 실시예에 의해, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하겠지만, 본 발명은 이하의 예에만 한정되는 것은 아니다.

철기 분말에는 겉보기 밀도：2.50∼3.05Mg/㎥의 아토마이즈 생분 및 환원 철분을 이용하였다.

이 철기 분말에, 산화 Mo분말(평균 입경：10㎛)을 소정의 비율로 첨가하고, V형 혼합기에서 15분간 혼합한 후, 노점：30℃의 수소 분위기 중에서 열 처리(유지 온도：880℃, 유지 시간：1h)하여, 철기 분말의 표면에 표 1에 나타내는 소정량의 Mo를 확산 부착시킨 부분 합금강분을 제작하였다.

다음에, 이들 부분 합금강분에 대해, 표 1에 나타내는 평균 입경과 양의 Cu분, 마찬가지로 표 1에 나타내는 양의 흑연분(평균 입경：5㎛)을 첨가하여 혼합하고, 분말 야금용 합금강분을 제작하였다.

또한, 얻어진 분말 야금용 합금강분：100질량부에 대해 에틸렌비스스테아린산아미드를 0.6질량부 첨가한 후, V형 혼합기에서 15분간 혼합하였다. 혼합 후, 밀도 7.0g/㎤로 가압 성형하여, 길이：55㎜, 폭：10㎜, 두께：10㎜의 태블릿형상 성형체(각각 10개), 길이：80㎜, 폭：15㎜, 두께：15㎜의 태블릿형상 성형체(각각 10개), 및 외경：38㎜, 내경：25㎜, 두께：10㎜의 링형상 성형체를 제작하였다.

이 태블릿형상 성형체 및 링형상 성형체에 소결을 실시하여, 소결체로 하였다. 이 소결은 프로판 변성 가스 분위기 중에서, 소결 온도：1130℃, 소결 시간：20분의 조건에서 실행하였다.

링형상 소결체에 대해서는 외경, 내경, 두께의 측정 및 질량 측정을 실행하고, 소결체 밀도(Mg/㎥)를 산출하였다.

길이：55㎜, 폭：10㎜, 두께：10㎜의 태블릿형상 소결체에 대해서는 각각 5개를 JIS Z 2241에서 규정되는 인장 시험에 제공하기 위해, 평행부 직경：5㎜의 환봉 인장 시험편으로 가공하였다.

또, 태블릿형상 소결체 각각 5개를, JIS Z 2242에서 규정되는 샤르피 충격 시험에 제공하기 위해, 소결한 채의 태블릿형상으로 하였다. 또, 길이：80㎜, 폭：15㎜, 두께：15㎜의 태블릿형상 성형체에 대해서는 회전 구부림 피로 시험에 제공하기 위해, 평행부 8㎜, 길이 15.4㎜의 평활 환봉 시험편으로 가공하고, 모두 카본 포텐셜：0.8mass%의 가스 침탄(유지 온도：870℃, 유지 시간：60분)을 실행하고, 계속해서 담금질(60℃, 오일 담금질) 및 템퍼링(유지 온도：180℃, 유지 시간：60분)을 실행하였다.

이들 침탄·담금질·템퍼링 처리를 실시한 환봉 인장 시험편, 평활 환봉 시험편 및 샤르피 충격 시험용 태블릿형상 시험편은 JIS Z 2241에서 규정되는 인장 시험 및 JIS Z 2242에서 규정되는 샤르피 충격 시험 및 오노식(Ono-type) 회전 구부림 피로 시험기에 의한 피로 시험에 제공하여, 인장 강도(㎫), 충격값(J/㎠) 및 구부림 피로 강도(㎫)를 측정하였다. 또한, 상기의 측정은 모두, 시험수 n=5에서의 평균값으로 하였다.

이들 측정 결과를 표 1에 병기한다.

판정 기준은 이하와 같다.

(1) 입자의 두께 d와 긴 직경 L

분말의 두께와 긴 직경은 SEM(Scanning Electron Microscope)에 의해서 Cu 입자를 관찰하고, 랜덤하게 선택한 100개 이상의 입자에 대해 입자의 두께 d와 긴 직경 L을 계측하였다. 이들 d와 L에는 분포가 있으므로, 각각의 평균값을 갖고 실시예의 두께 d와 긴 직경 L로 하였다.

(2) 철분 흐름성(유동성)

시험분：100g을 직경：5㎜φ의 노즐을 통과시켜, 정지하는 일 없이 전량 다 흐른 것을 합격(○), 전량 혹은 일부가 정지하여 흐르지 않았던 것을 불합격(×)으로 판정하였다.

(3) 소결체 밀도

소결체 밀도는 6.89Mg/㎥이상에서 합격(○), 6.89Mg/㎥미만에서 불합격(×)으로 판정하였다.

(4) 인장 강도

침탄·담금질·템퍼링 처리를 실시한 환봉 인장 시험편에 대한 인장 강도가 1000㎫이상에서 합격(○), 1000㎫미만에서 불합격(×)으로 판정하였다.

(5) 충격값

침탄·담금질·템퍼링 처리를 실시한 샤르피 충격 시험용 태블릿형상 시험편에 대한 충격값이 14.5J/㎠이상에서 합격(○), 14.5J/㎠미만에서 불합격(×)으로 판정하였다.

(6) 피로 시험

오노식 회전 구부림 피로 시험기에 의한 피로 시험을, 회전수：3000rpm, 응력비：R=-1의 조건에서 실시하고, 반복수 10⁷회에 있어서 파괴하지 않는 최대의 응력을 피로 강도로 하며, 4Ni재와 동등한 350㎫이상을 합격, 그 이하를 불합격으로 판정하였다.

[표 1]

표 1에 나타낸 바와 같이, 발명예는 모두, Ni를 일절 사용하지 않는 성분계이면서, 그것을 원료분으로서 이용한 부품의 기계적 특성이, Ni 첨가재와 동등 이상의 인장 강도와 인성을 갖는 바와 같은 분말 야금용 합금강분이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.

또한, 표 1에는 종래예로서 4Ni재(4%Ni-1.5%Cu-0.5%Mo 부분 합금강분으로서, 철기 분말(아토마이즈 생분, 겉보기 밀도：2.80Mg/㎥, 평균 입경：65㎛)에 Ni분말(평균 입경：8㎛), 산화 Mo분말(평균 입경：10㎛), 및 Cu분말(평균 입경：28㎛)을 첨가하고, 혼합한 후, 열 처리하여, 철기 분말의 표면에 Ni, Mo, 및 Cu를 확산 부착시킨 부분 합금강분)의 결과를 아울러 나타내고 있다.

또, 발명예에서는 통상의 소결법이어도, 고밀도이며, 고강도와 고인성을 겸비한 소결체(철기 소결체)가 얻어지고 있다.

또한, 발명예에서는 합금강분의 유동성이 우수한 것도 확인할 수 있다.

1 긴 직경：L
2 두께：d

Claims (4)

1. 철기 분말에 Mo를 확산 부착시킨 부분 확산 합금강분과, Cu분 및 흑연분을 포함하는 Fe-Mo-Cu-C계의 분말 야금용 합금강분으로서,
   Mo：0.2∼1.5mass%, Cu：0.5∼4.0mass% 및 C：0.1∼1.0mass%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고,
   상기 철기 분말의 평균 입경이 30∼120㎛이고, 또한 상기 Cu분의 평균 입경이 25㎛이하인 분말 야금용 합금강분.
2. 철기 분말에 Mo를 확산 부착시킨 부분 확산 합금강분과, Cu분 및 흑연분을 포함하는 Fe-Mo-Cu-C계의 분말 야금용 합금강분으로서,
   Mo：0.2∼1.5mass%, Cu：0.5∼4.0mass% 및 C：0.1∼1.0mass%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고,
   상기 철기 분말의 평균 입경이 30∼120㎛이고, 또한 상기 Cu분은 편평형상을 한 Cu분으로서, 해당 Cu분의 두께를 d(㎛), 긴 직경을 L(㎛)로 했을 때, L≤-2d+50의 관계를 만족시키는 분말 야금용 합금강분.
3. 철기 분말에 Mo를 확산 부착시킨 부분 확산 합금강분과, Cu분 및 흑연분을 포함하는 Fe-Mo-Cu-C계의 분말 야금용 합금강분으로서,
   Mo：0.2∼1.5mass%, Cu：0.5∼4.0mass% 및 C：0.1∼1.0mass%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고,
   상기 철기 분말의 평균 입경이 30∼120㎛이고, 또한 상기 Cu분은 평균 입경：25㎛이하의 Cu분과, 편평형상을 한 Cu분으로서 분체의 두께를 d(㎛), 긴 직경을 L(㎛)로 했을 때 L≤-2d＋50의 관계를 만족시키는 Cu분의 혼합분인 분말 야금용 합금강분.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 기재된 분말 야금용 합금강분을 원료로 하는 소결체.

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