KR20180031749A

KR20180031749A - 철기 소결체 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20180031749A
Application number: KR1020187005231A
Authority: KR
Inventors: 다쿠야 다카시타; 아키오 고바야시; 나오미치 나카무라; 이츠야 사토
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2015-09-18
Filing date: 2016-09-16
Publication date: 2018-03-28
Also published as: SE542547C2; US20180178291A1; CA2990561C; CN108026614B; CN108026614A; JP6428909B2; CA2990561A1; JPWO2017047101A1; SE1850423A1; WO2017047101A1

Abstract

기계적 특성이 우수한 철기 소결체를 제공한다. 소결체에 있어서, 기공의 면적 분율이 15 ％ 이하이면서 또한 기공의 면적 기준의 메디안 직경 D50 을 20 ㎛ 이하로 한다.

Description

철기 소결체 및 그 제조 방법{IRON-BASED SINTERED COMPACT AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은 철기 소결체에 관한 것으로, 특히 자동차용 고강도 소결 부품의 제조에 바람직한 철기 소결체로서, 소결 밀도가 높고, 게다가 소결체에 침탄ㆍ??칭ㆍ템퍼링의 처리를 실시한 후의 인장 강도 및 인성 (충격값) 이 확실히 향상되는, 철기 소결체에 관한 것이다. 또, 본 발명은, 그 철기 소결체의 제조 방법에 관한 것이다.

분말 야금 기술은, 복잡한 형상의 부품을, 제품 형상에 매우 가까운 형상 (이른바 니어넷 형상) 으로 게다가 높은 치수 정밀도로 제조할 수 있는 점에서, 대폭적인 절삭 비용의 저감을 가능하게 하는 기술이다. 이 때문에, 분말 야금 제품이 각종의 기계나 부품으로서 다방면에 이용되고 있다.

최근에는, 부품의 소형화나 경량화를 위한 강도의 향상이나, 안전성의 관점에서의 인성의 향상이, 분말 야금 제품에 강력하게 요망되고 있다. 특히, 기어 등에 빈번하게 사용되는 분말 야금 제품 (철기 소결체) 에 대해서는, 고강도화 및 고인성화에 추가하여, 내마모성의 관점에서 고경도화의 요구도 강하다. 철기 소결체에 있어서의 강도 및 인성은, 그 성분, 조직 및 밀도 등에 따라 다양하게 변화하기 때문에, 상기 요망에 부응하기 위해, 이것들을 적절히 제어한 철기 소결체의 개발이 필요하다.

일반적으로, 소결 전의 성형체는, 철기 분말에, 동분 (銅粉) 이나 흑연분 (粉) 등의 합금용 분말과, 스테아르산, 스테아르산리튬 등의 윤활제를 혼합하여 혼합분으로 하고, 이것을 금형에 충전하여, 가압 성형함으로써 제조된다.

통상의 분말 야금 공정에서 얻어지는 성형체의 밀도는, 6.6 ∼ 7.1 Mg/㎥ 정도가 일반적이다. 성형체는, 그 후에 소결 처리가 실시되어 소결체가 되고, 추가로 필요에 따라 사이징이나 절삭 가공이 실시되어, 분말 야금 제품이 된다. 또, 더욱 높은 강도가 필요한 경우에는, 소결 후에 침탄 열처리나 광휘 열처리가 실시되는 경우도 있다.

여기에서 사용하는 철기 분말은, 성분에 따라, 철분 (鐵粉) (예를 들어 순철분 등) 과 합금강분으로 분류된다. 또, 철기 분말의 제법에 의한 분류로는, 아토마이즈 철분과 환원 철분이 있다. 이 제법에 의한 분류에서의 철분은, 순철분 외에, 합금강분을 포함하는 넓은 의미로 사용되고 있다.

그리고, 고강도 및 고인성의 소결체를 얻기 위해서는, 특히 주성분이 되는 철기 분말에 있어서, 합금화의 촉진과 고압축성의 유지가 양립하는 것이 유리하다.

먼저, 철기 분말의 합금화 수단으로는,

(1) 순철분에 각 합금 원소 분말을 배합한 혼합분,

(2) 각 합금 원소를 완전히 합금화한 예비 합금강분,

(3) 순철분이나 예비 합금강분의 표면에 각 합금 원소 분말을 부분적으로 부착 확산시킨 부분 확산 합금강분 (복합 합금강분이라고도 한다)

등이 알려져 있다.

상기 (1) 의 혼합분은, 순철분과 동등한 고압축성을 갖는다는 이점을 가지고 있다. 그러나, 소결시에, 각 합금 원소가 Fe 중에 충분히 확산되지 않고 불균질 조직이 되고, 그 결과, 최종적으로 얻어지는 소결체의 강도가 떨어지는 경우가 있었다. 또, 합금 원소로서 Mn, Cr, V 및 Si 등을 사용하는 경우, 이들 원소는 Fe 에 비해 보다 용이하게 산화되기 때문에, 소결시에 산화를 받아, 최종적으로 얻어지는 소결체의 강도가 저하된다는 문제가 있었다. 상기 산화를 억제하고, 소결체를 저산소량화하기 위해서는, 소결시의 분위기나, 소결 후에 침탄을 실시하는 경우에는 침탄 분위기 중의 CO₂ 농도나 이슬점을 엄밀하게 제어할 필요가 있다. 이 때문에, 상기 (1) 의 혼합분은, 최근의 고강도화의 요구에 대응할 수 없어, 사용되지 않는 상태에 이르렀다.

한편, 상기 (2) 의, 각 원소를 완전히 합금화한 예비 합금강분을 사용하면, 합금 원소의 편석이 완전히 방지되어 소결체의 조직을 균일화할 수 있기 때문에, 기계 특성이 안정화된다. 게다가, Mn, Cr, V 및 Si 등을 합금 원소로서 사용하는 경우도, 합금 원소의 종류와 양을 한정함으로써 소결체를 저산소량화할 수 있는 이점이 있다. 그러나, 예비 합금강분을, 용강으로부터 아토마이즈법으로 제조하는 경우, 용강의 아토마이즈 공정에서의 산화와 완전 합금화에 의한 강분의 고용 경화를 발생시키기 쉽기 때문에, 가압 성형 후의 성형체의 밀도를 높이기 어렵다는 문제가 있었다. 성형체의 밀도가 낮으면, 그 성형체를 소결했을 때의, 소결체에서의 인성이 낮아진다. 그 때문에, 예비 합금강분을 사용하는 경우도, 최근의 고강도화 및 고인성화의 요구에 대응할 수 없다.

상기 (3) 의 부분 확산 합금강분은, 순철분이나 예비 합금강분에 각 합금 원소의 분말을 배합하고, 비산화성 또는 환원성의 분위기하에서 가열하여, 순철분이나 예비 합금강분의 입자 표면에 각 합금 원소 분말을 부분적으로 확산 접합하여 제조된다. 그 때문에, 상기 (1) 의 철기 혼합분 및 상기 (2) 의 예비 합금강분의 이점을 얻을 수 있다.

따라서, 부분 확산 예비 합금강분을 사용함으로써, 소결체에서의 저산소량화와 순철분과 동등한 성형체에서의 고압축성이 얻어지기 때문에, 소결체는 완전 합금상과 부분적인 농화상으로 이루어지는 복합 조직이 되어 소결체의 강도는 높아지게 된다.

이 부분 확산 합금강분에서 사용되는 기본적인 합금 성분으로서, Ni 및 Mo 가 다용되고 있다.

Ni 는, 소결체의 인성을 향상시키는 효과를 가지고 있다. 이것은, Ni 의 첨가에 의해, 오스테나이트가 안정화되고, 그 결과, 보다 많은 오스테나이트가 ??칭 후에도 마텐자이트로 변태되지 않고 잔류 오스테나이트로서 남기 때문이다. 또, Ni 는, 고용 강화에 의해 소결체의 매트릭스를 강화시키는 작용을 가지고 있다.

이에 대해, Mo 는 ??칭성을 향상시키는 효과를 가지고 있다. 따라서, Mo 는, ??칭 처리시에 페라이트의 생성을 억제하고, 베이나이트 또는 마텐자이트를 생성하기 쉽게 함으로써, 소결체의 매트릭스를 강화시킨다. 또, Mo 는, 매트릭스에 고용되어 고용 강화시키는 작용과, 미세 탄화물을 형성하여 매트릭스를 석출 강화시키는 작용의 양자를 구비하고 있다.

상기한 부분 확산 합금강분을 사용한 고강도 소결 부품용의 혼합분의 예로서, 예를 들어, 특허문헌 1 에는, Ni : 0.5 ∼ 4 mass％, Mo : 0.5 ∼ 5 mass％ 를 부분 합금화한 합금강분에 추가로, Ni : 1 ∼ 5 mass％, Cu : 0.5 ∼ 4 mass％, 흑연분 : 0.2 ∼ 0.9 mass％ 를 혼합한 고강도 소결 부품용 혼합분이 개시되어 있다. 특허문헌 1 에 기재된 소결 재료는, 아무리 적어도 1.5 mass％ 의 Ni 를 포함하고 있고, 그 실시예를 보면, 실질적으로는 3 mass％ 이상의 Ni 를 포함하고 있다. 즉, 소결체에서 800 ㎫ 이상의 고강도를 얻기 위해서는, 3 mass％ 이상과 같은 다량의 Ni 가 필요해지는 것을 의미한다. 또한, 소결체에, 침탄ㆍ??칭ㆍ템퍼링 처리를 실시하여 1000 ㎫ 이상의 고강도재를 얻기 위해서는, 마찬가지로 3 mass％ 혹은 4 mass％ 와 같은 다량의 Ni 가 필요하다.

그러나, Ni 는 최근의 환경 문제에 대한 대응이나 리사이클의 관점에서는 불리한 원소로, 가능한 한 사용을 피하는 것이 바람직하다. 비용면에서도, 수 mass％ 의 Ni 의 첨가는 매우 불리하다. 또한, Ni 를 합금 원소로서 사용하면, 철분이나 강분에 Ni 를 충분히 확산시키기 위해 장시간의 소결이 필요해진다는 문제도 있다. 게다가, 오스테나이트상 안정화 원소인 Ni 의 확산이 불충분한 경우, 고 Ni 영역은 오스테나이트상 (이하, γ 상이라고도 나타낸다) 으로서 안정화되고, Ni 가 희박한 영역은 그 이외의 상으로 안정화되는 결과, 소결체의 금속 조직이 불균일해진다.

Ni 를 포함하지 않는 기술로서, 특허문헌 2 에는, Ni 를 포함하지 않는 Mo 의 부분 확산 합금강분에 관한 기술이 개시되어 있다. 즉, Mo 량을 적정화함으로써, 소결 후의 재가압에 견딜 수 있는, 높은 연성과 인성을 갖는 소결체가 얻어진다고 되어 있다.

또, Ni 를 포함하지 않는 고밀도의 소결체에 대하여, 특허문헌 3 에는, 평균 입경이 1 ∼ 18 ㎛ 인 철계 분말에, 평균 입경이 1 ∼ 18 ㎛ 인 동분을 100 : (0.2 ∼ 5) 의 중량비로 혼합하여 성형, 소결하는 것이 개시되어 있다. 특허문헌 3 에 기재된 기술에서는, 통상보다 극단적으로 작은 평균 입경의 철계 분말을 사용함으로써, 소결체 밀도가 7.42 g/㎤ 이상이라고 하는 매우 높은 밀도의 소결체를 얻는 것을 가능하게 하고 있다.

특허문헌 4 에는, 철기 분말의 표면에 Mo 를 확산 부착시켜 비표면적을 0.1 ㎡/g 이상으로 한, Ni 를 포함하지 않는 분말을 사용함으로써, 고강도이면서 또한 고인성의 소결체를 얻는 것이 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 5 에는, 환원 철분을 포함하는 철기 분말에 Mo 를 확산 부착시킨 분말을 사용함으로써, 고강도이면서 또한 고인성의 소결체를 얻는 것이 기재되어 있다.

특허문헌 6 에는, 입도가 작은 철분에 Fe-Mn-Si 분을 첨가하고, 금형 윤활하에서 온간 성형을 실시함으로써, 소결체의 최대 기공 길이를 감소시켜 고강도이면서 또한 고인성의 소결체를 얻는 것이 기재되어 있다.

일본 특허공보 제3663929호 일본 특허공보 제3651420호 일본 공개특허공보 평4-285141호 WO 2015/045273 A1 일본 공개특허공보 2015-14048호 일본 공개특허공보 2015-4098호

그러나, 상기한 특허문헌 2, 특허문헌 3, 특허문헌 4, 특허문헌 5 및 특허문헌 6 의 기재에 따라 얻어지는 소결 재료에는, 각각 다음과 같은 문제점이 있는 것을 알 수 있었다.

특허문헌 2 에 기재된 기술은, 소결 후의 재압축에 의해 고강도를 얻는 것을 상정하고 있어, 통상의 분말 야금 프로세스로 제조한 경우에는, 충분한 강도 및 인성의 양립은 어렵다.

또, 특허문헌 3 에 기재된 소결 재료에서는, 사용하고 있는 철계 분말의 평균 입경이 1 ∼ 18 ㎛ 로 통상보다 작다. 이와 같이 입경이 작으면, 혼합분의 유동성이 나빠져, 금형 충전시의 분말의 소밀이 성형체의 균열이나 결손 등을 유발하는 결과, 충분한 강도 및 인성의 소결체를 얻기 어렵다.

또, 특허문헌 4 에 기재된 분말은, 매우 비표면적이 크기 때문에, 이와 같은 분말을 사용한 경우, 분말의 유동성이 저하되어 버려, 금형 충전시의 분말의 소밀이 성형체의 균열이나 결손 등을 유발하는 결과, 충분한 강도 및 인성의 소결체를 얻기 어렵다.

특허문헌 5 에 기재된 소결체에 있어서도, 특허문헌 4 에 기재된 기술과 마찬가지로, 비표면적이 큰 환원 철분을 사용하기 때문에, 분말의 유동성이 저하되어 버려, 금형 충전시의 분말의 소밀이 성형체의 균열이나 결손 등을 유발하는 결과, 충분한 강도 및 인성의 소결체를 얻기 어렵다.

특허문헌 6 에 기재된 소결체는, 최대 기공 길이를 규제함으로써 주로 인성을 높이고 있지만, 강도 및 인성의 양립은 최대 기공 길이의 규제만으로는 실현하기 어려워, 추가적인 개선이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은, 기계 특성이 우수한 철기 소결체를, 그 제조 방법에 아울러 제공하는 것에 있다.

그런데, 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위해서, 고강도이면서 또한 고인성인 소결체를 얻기 위한 여러 가지의 검토를 거듭하였다. 그 결과, 이하에 서술하는 지견을 얻었다.

즉, 철기 분말 및 첨가재로 이루어지는 혼합 분말을 가압 성형한 후에 소결하여 얻어지는 철기 소결체에 있어서, 기공의 평균 직경을 제어하는 것이 조직 중의 응력 집중부의 분산에 의한 충격값의 향상에 기여하는 것을 알아내기에 이르렀다.

본 발명은, 이러한 지견에 기초하여, 더욱 검토를 하여 완성된 것이다. 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.

1. 기공의 면적 분율이 15 ％ 이하이면서 또한 기공의 면적 기준의 메디안 직경 D50 이 20 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 철기 소결체.

2. Mo, Cu 및 C 를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 1 에 기재된 철기 소결체.

3. Mo : 0.2 ∼ 1.5 mass％, Cu : 0.5 ∼ 4.0 mass％ 및 C : 0.1 ∼ 1.0 mass％ 를 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 2 에 기재된 철기 소결체.

4. 상기 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 철기 소결체를 침탄, ??칭 및 템퍼링하여 이루어지는 철기 소결체.

5. 철기 분말의 입자 표면에 Mo 를 확산 부착시킨 부분 확산 합금강분에, 적어도 Cu 분 및 흑연분을 혼합한 분말 야금용 혼합분을, 400 ㎫ 이상의 압력으로 성형한 후에, 1000 ℃ 이상 및 10 min 이상의 소결을 실시하는 것을 특징으로 하는 철기 소결체의 제조 방법.

6. 상기 5 의 방법으로 제조된 철기 소결체에, 침탄, ??칭 및 템퍼링을 실시하는 것을 특징으로 하는 철기 소결체의 제조 방법.

7. 상기 분말 야금용 혼합분은, Mo : 0.2 ∼ 1.5 mass％ 를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물의 성분을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 5 또는 6 에 기재된 철기 소결체의 제조 방법.

8. 상기 부분 확산 합금강분은, 평균 입경이 30 ∼ 120 ㎛ 및 비표면적이 0.10 ㎡/g 미만이고, 직경이 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 입자의 원형도가 0.65 이하인 것을 특징으로 하는 상기 5 내지 7 중 어느 하나에 기재된 철기 소결체의 제조 방법.

9. 상기 Cu 분의 혼합량이, 상기 분말 야금용 혼합분의 0.5 ∼ 4.0 mass％ 인 것을 특징으로 하는 상기 5 내지 8 중 어느 하나에 기재된 철기 소결체의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 고강도 및 고인성을 겸비한 철기 소결체를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 철기 소결체는, 그 소결체 중의 기공의 면적 분율이 15 ％ 이하이면서 또한 기공의 면적 기준의 메디안 직경 D50 이 20 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.

분말 야금용 합금강분을 가압 성형한 성형체를 소결하여 이루어지는 철기 소결체는, 기공의 생성이 불가피하며, 이 기공을 규제하는 것이 소결체에 있어서의 강도 및 인성을 향상시키는 데에 중요하다. 즉, 기공은 직경이 작은 편이 균열의 기점이 되기 어렵기 때문에, 면적 기준의 메디안 직경 D50 이 20 ㎛ 이하인 것이 중요하다. 더욱 바람직하게는 15 ㎛ 이하이다. 이 메디안 직경 D50 이 20 ㎛ 를 초과하면, 인성이 현저히 저하되게 된다.

여기에서, 기공의 메디안 직경 D50 은, 이하에 따라 측정할 수 있다.

우선은, 소결체를 열경화성 수지에 매립한다. 그 후, 단면을 경면 연마하고, 광학 현미경으로 100 배의 배율로, 1 시야당 843 ㎛ × 629 ㎛ 의 촬영을 실시한다. 얻어진 단면 사진으로부터 화상 해석에 의해 임의로 추출한 20 시야 중의 모든 기공의 단면적 A 를 구한다. 얻어진 단면적과 동일한 면적을 갖는 원의 직경인 원 상당 직경 d_c 를 이하의 식 (Ⅰ) 에 따라 구한다. 다음으로, 원 상당 직경이 작은 순서대로 면적을 적산해 나가, 적산값이 총 기공 면적에 대해 50 ％ 가 되는 원 상당 직경을 면적 기준 메디안 직경 D50 으로 한다.

상기와 같이, 소결체에 있어서의 기공의 메디안 직경 D50 을 20 ㎛ 이하로 하는 것은, 메디안 직경 D50 이 20 ㎛ 를 초과하면 부정형한 공공이 증가하고, 이와 같은 공공은 변형이 가해졌을 때의 응력 집중점이 되어, 강도나 인성이 저하되기 때문이다.

여기에서, 소결체에 있어서의 기공의 면적 분율을 15 ％ 이하이면서 또한 기공의 메디안 직경 D50 을 20 ㎛ 이하로 하려면, 소결체의 원료인 분말 야금용 혼합분의 부분 확산 합금강분에, 평균 입경이 30 ∼ 120 ㎛ 및 비표면적이 0.10 ㎡/g 미만이고, 직경이 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 입자의 원형도가 0.65 이하 분말의 원형도를 0.65 이하로 하고, Mo 를 철기 분말 표면에 부착시킨 것을 사용함으로써, 후술하는 소결체의 제조에 있어서 소결이 촉진되는 결과, 소기한 소결체가 얻어진다.

또한, 기공은, 적은 편이 좋기 때문에, 소결체 중의 기공은 면적 분율을 15 ％ 이하로 제한한다. 왜냐하면, 기공이 면적 분율로 15 ％ 를 초과하면, 소결체 중에 포함되는 금속분이 줄어들어 버리기 때문에, 비록 공공경을 작게 했다고 하더라도, 충분한 강도와 인성을 얻을 수 없기 때문이다. 또한, 소결체 중의 공공을 0 ％ 로 하려면 다대한 노력이 필요해져 현실적이지 않다. 후술하는 방법으로 얻어지는 소결체의 공공은, 적어도 5 ％ 정도가 된다.

여기에서, 소결체 중의 기공의 면적 분율은 이하의 수법으로 구할 수 있다.

상기와 마찬가지로, 20 시야 중의 모든 기공의 단면적 A 를 구하고, 그것들을 서로 더함으로써, 관찰한 모든 시야 중의 총 기공 면적 A_t 를 얻는다. 이 A_t 를, 관찰한 모든 시야의 면적의 총합으로 나눔으로써, 기공의 면적 분율이 얻어진다.

또한, 소결체에 포함되는 기공의 길이는 작은 편이 보다 바람직하다. 기공의 길이의 지표인 「평균 최대 기공 길이」는, 이하와 같이 산출된다. 먼저, 상기 단면 사진의 시야에 포함되는 각 기공의 둘레 가장자리 상에 있는 2 점간 거리의 최대값을 화상 해석에 의해 구하고, 이것을 각 기공의 「기공 길이」로 한다. 「최대 기공 길이」는, 단면 사진 1 시야에 포함되는 모든 기공의 「기공 길이」 중, 최대인 것으로 한다. 또한 「평균 최대 기공 길이」는, 임의로 추출한 20 시야에서, 각각 측정된 최대 기공 길이의 상가 평균값으로 한다. 또한, 충분한 기계 특성을 얻기 위해서는, 평균 최대 기공 길이를 100 ㎛ 미만으로 하는 것이 바람직하다.

또, 상기한 소결체는, Mo, Cu 및 C 를 함유하는 것이 바람직하다. 즉, Mo 는 ??칭성 향상 효과를 갖는다. Cu 는 철기 분말의 고용 강화 및 ??칭성 향상을 촉구하는 효과를 갖는다. C 는 철 중에 고용 혹은 미세 탄화물로서 석출됨으로써 철기 소결체의 강도를 높이는 효과를 갖는다. 본 발명의 철기 소결체에 포함되는 각각의 원소의 바람직한 범위는, Mo : 0.2 ∼ 1.5 mass％, Cu : 0.5 ∼ 4.0 mass％, C : 0.1 ∼ 1.0 mass％ 이다. 어느 원소나, 상기 범위보다 적은 경우에는 충분한 강도 상승 효과가 얻어지지 않고, 상기 범위보다 많이 첨가한 경우에는, 과도하게 조직이 경화되어 인성을 저해하기 때문이다.

다음으로, 상기 소결체를 얻는 방법에 대하여 서술한다. 이하에 서술하는 방법은 일례로서, 이하의 방법 이외의 방법에 의해, 본 발명의 철기 소결체를 얻어도 상관없다.

즉, 분말 야금용 혼합분을 가압 성형하여 얻어지는 성형체를 소결하여 소결체를 제작함에 있어서, 혼합분을 펀치의 가압에 의해 성형체로 할 때, 그 펀치에 가압 방향을 축으로 하는 회전을 가하면서 성형하는 수법으로 실시한다. 이 수법에 의해, 혼합 분말에 대해 통상의 성형보다 많은 전단 변형이 가해져, 혼합분의 소성 변형이 용이해지고, 소결체에 있어서의 기공 직경의 미세화를 실현할 수 있다.

다음으로, 소결체가 Mo, Cu 및 C 를 함유하는 경우에, 특히 적합한 소결체의 제조 방법에 대하여 설명한다.

즉, 철기 분말 및 첨가재를 포함하는 분말 야금용 혼합분을, 통상의 방법의 가압 성형에 의해 성형체로 하고, 추가로 통상의 방법의 소결을 실시함으로써, 철기 소결체는 얻어진다. 이 때, 성형체에 있어서 철기 분말의 입자 간의 소결 넥부에, Mo 의 농화부가 형성되는 것, 및 원형도가 낮은 철기 분말을 사용하여 성형시의 분말끼리의 낙합을 강하게 하여 소결을 촉진하는 것, 게다가 소결을 Cu 팽창이 억제되어 진행하는 것이 소결체의 밀도를 높이는 데에 있어서 바람직하다. 소결체 밀도가 높아지면, 강도와 인성은 모두 향상되지만, 종래재와 같은 Ni 를 사용한 소결체와는 달리, 이 제법으로 얻어지는 소결체의 기계 특성은, 금속 조직이 균일하기 때문에, 편차가 작으면서 또한 안정된 것이 된다.

이와 같은 소결체를 얻으려면, 상기 분말 야금용 혼합분의 철기 분말을 이하에 나타내는 부분 확산 합금강분으로 하여, 소결체의 제조를 실시하는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명에서 바람직하게 사용하는 분말 야금용 혼합분은, 적정한 평균 입경, 원형도 및 비표면적을 갖는 철기 분말의 표면에 Mo 를 확산 부착시킨 부분 확산 합금강분 (이하, 부분 합금강분이라고도 한다) 에 대해, 후술하는 평균 입경의 범위를 갖는 적량의 Cu 분과 함께, 흑연분을 혼합한 것이다.

이하, 본 발명의 분말 야금용 혼합분에 대하여 구체적으로 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 「％」는 특별히 언급하지 않는 한 「mass％」를 의미하고, Mo 량, Cu 량 및 흑연분량은, 분말 야금용 혼합분 전체 (100 mass％) 에 있어서의 각각의 비율을 나타내고 있다.

(철기 분말)

상기와 같이, 부분 확산 합금강분은, 철기 분말의 표면에 Mo 가 확산 부착된 것으로, 평균 입경이 30 ∼ 120 ㎛ 및 비표면적이 0.10 ㎡/g 미만인 것 그리고 직경이 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 분말의 원형도 (단면 원형도) 가 0.65 이하인 것이 바람직하다. 여기에서, 철기 분말에 부분 합금화를 실시했을 때, 입경 및 원형도는 거의 변화하지 않는다. 따라서, 부분 확산 합금강분의 평균 입경 및 원형도와 동일한 범위 내의 철기 분말을 사용한다.

먼저, 철기 분말은, 평균 입경이 30 ∼ 120 ㎛ 및 직경이 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 분말의 원형도 (단면 원형도) 가 0.65 이하인 것이 바람직하다. 즉, 후술하는 이유에서, 부분 합금강분의 평균 입경을 30 ∼ 120 ㎛ 및 직경이 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 분말의 원형도를 0.65 이하로 할 필요가 있고, 그러기 위해서는, 철기 분말도 이들 조건을 만족시키는 것이 필요하다.

여기에서, 철기 분말 및 부분 합금강분의 평균 입경은, 중량 누적 분포의 메디안 직경 D50 을 말하는 것으로서, JIS Z 8801-1 에 규정되는 체를 사용하여 입도 분포를 측정하고, 얻어진 입도 분포로부터 적산 입도 분포를 작성했을 때, 체 위 및 체 아래의 중량이 50 ％ 가 되는 입자경을 말한다.

또, 철기 분말 및 부분 합금강분의 원형도는 이하에 따라 구할 수 있다. 또한, 이하에서는 철기 분말을 예로 하여 설명하지만, 부분 합금강분의 경우도 동일한 순서로 원형도를 구한다.

우선, 철기 분말을 열경화성 수지에 매립한다. 이 때, 매립 수지를 연마하여 출현시키는 관찰면에 있어서, 충분한 양의 철기 분말 단면을 관찰할 수 있도록, 0.5 ㎜ 이상의 두께로 고루 철기 분말을 열경화성 수지에 매립한다. 그 후, 연마에 의해 철기 분말의 단면을 출현시켜, 그 단면을 경면 연마하고, 그 단면을 광학 현미경으로 확대하여 사진 촬영한다. 얻어진 단면 사진으로부터 화상 해석에 의해 그 단면 사진에 있어서의 각 철기 분말의 단면적 A 및 외주 길이 Lp 를 구한다. 이와 같은 화상 해석이 가능한 소프트로는, 예를 들어 Image J (오픈 소스, 미국 국립 위생 연구소) 등이 있다. 구한 단면적 A 로부터 원 상당 직경 dc 를 산출한다. 여기에서, dc 는 기공의 경우와 동일한 식 (Ⅰ) 에 의해 구해진다.

다음으로, 입자경 dc 에 원주율 π 를 곱함으로써 원 근사 외주 Lc 를 산출한다. 얻어진 Lc 와 철기 분말 단면의 외주 길이 Lp 로부터 원형도 C 를 산출한다. 여기에서, 원형도 C 는 이하의 식 (Ⅱ) 로 정의되는 값으로 한다.

이 원형도 C 가 1 인 경우, 단면 형상은 진원이 되고, 값 C 가 작아짐에 따라서 부정형한 단면이 된다.

또한, 철기 분말이란, Fe 함유량이 50 ％ 이상인 분말을 의미한다. 철기 분말로는, 예를 들어, 아토마이즈 생분 (아토마이즈인 채의 아토마이즈 철분), 아토마이즈 철분 (아토마이즈 생분을 환원성 분위기하에서 환원한 것) 및 환원 철분 등을 들 수 있다. 특히, 본 발명에서 사용하는 철기 분말은, 아토마이즈 생분 또는 아토마이즈 철분이 바람직하다. 왜냐하면, 환원 철분은 입자 중에 많은 공공을 포함하기 때문에, 가압 성형시에 충분한 밀도가 얻어지지 않을 가능성이 있기 때문이다. 또, 환원 철분은, 입자 중에 파괴의 기점이 되는 개재물을 아토마이즈 철분보다 많이 포함하여, 소결체의 중요한 기계 특성인 피로 강도를 저하시킬 우려가 있다.

즉, 본 발명에 사용되는 바람직한 철기 분말은, 용강을 아토마이즈하고, 건조, 분급하고, 탈산 처리 (환원 처리) 나 탈탄 처리 등을 위한 열처리를 가하지 않은 아토마이즈 생분이거나, 또는 아토마이즈 생분을 환원 분위기하에서 환원한 아토마이즈 철분 중 어느 것이다.

상기한 원형도에 따르는 철기 분말은, 아토마이즈시의 분무 조건이나 분무 후에 실시하는 추가 공정의 조건을 적절히 조정함으로써 얻을 수 있다. 또, 원형도가 상이한 철기 분말을 혼합하여, 입자경이 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 철기 분말의 원형도가 상기 범위 내에 들어가도록 조정해도 상관없다.

(부분 확산 합금강분)

부분 확산 합금강분은, 상기한 철기 분말의 표면에 Mo 가 확산 부착된 것으로, 평균 입경이 30 ∼ 120 ㎛ 및 비표면적이 0.10 ㎡/g 미만인 것 그리고 직경이 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 분말의 원형도가 0.65 이하일 필요가 있다.

즉, 부분 확산 합금강분은, 상기한 철기 분말에 Mo 를 확산 부착하여 제작한다. 그 때의 Mo 량은, 분말 야금용 혼합분 전체 (100 ％) 에 있어서 0.2 ∼ 1.5 ％ 의 비율로 한다. Mo 량이 0.2 ％ 를 하회하면, 분말 야금용 혼합분을 사용하여 제작하는 소결체에 있어서, ??칭성 향상 효과가 적고, 강도 향상 효과도 적어진다. 한편, 1.5 ％ 를 초과하면, 소결체에 있어서의 ??칭성 향상 효과는 포화되고, 오히려 소결체의 조직의 불균일성이 높아지기 때문에, 소결체에서 고강도나 고인성이 얻어지지 않게 된다. 따라서, 확산 부착시키는 Mo 량은 0.2 ∼ 1.5 ％ 로 한다. 바람직하게는 0.3 ∼ 1.0 ％ 이고, 더욱 바람직하게는 0.4 ∼ 0.8 ％ 이다.

여기에서, Mo 의 공급원으로는, Mo 함유 분말을 들 수 있다. Mo 함유 분말은, Mo 의 순금속 분말을 비롯하여, 산화 Mo 분말, 혹은 Fe-Mo (페로몰리브덴) 분말 등의 Mo 합금 분말이 예시된다. 또, Mo 의 화합물로는, Mo 탄화물, Mo 황화물 및 Mo 질화물 등을 바람직한 Mo 함유 분말로서 사용할 수 있다. 이것들은 단독으로 사용해도 되고, 복수의 물질을 혼합하여 사용해도 된다.

구체적으로는, 상기한 철기 분말과 Mo 함유 분말을, 전술한 비율 (분말 야금용 혼합분 전체 (100 ％) 에 있어서의, Mo 량이 0.2 ∼ 1.5 ％) 로 혼합한다. 혼합 방법에 대해서는, 특별히 제한은 없으며, 예를 들어 헨셸 믹서나 콘형 믹서 등을 사용하여, 통상적인 방법에 따라 실시할 수 있다.

이어서, 상기한 철기 분말과 Mo 함유 분말의 혼합분을 가열하고, 철기 분말과 Mo 함유 분말의 접촉면을 통해 Mo 를 철기 분말 중에 확산시켜 Mo 를 철기 분말에 접합시킨다. 이 열처리에 의해, Mo 를 함유하는 부분 합금강분이 얻어진다.

상기 열처리의 분위기로는, 환원성 분위기나 수소 함유 분위기가 바람직하고, 특히 수소 함유 분위기가 바람직하다. 혹은, 진공하에서 열처리를 가해도 된다.

또, 열처리의 온도는, 예를 들어, Mo 함유 분말로서 산화 Mo 분말 등의 Mo 화합물을 사용한 경우, 800 ∼ 1100 ℃ 의 범위가 바람직하다. 열처리의 온도가 800 ℃ 미만이면, Mo 화합물의 분해가 불충분해져 Mo 가 철기 분말 중으로 확산되지 않아, Mo 의 부착이 곤란해진다. 또, 1100 ℃ 를 초과하면, 열처리 중의 철기 분말끼리의 소결이 진행되어, 철기 분말의 원형도가 규정한 범위를 초과해 버린다. 한편, Mo 함유 분말로서, Mo 순금속이나 Fe-Mo 등의 금속 및 합금을 사용하는 경우, 바람직한 열처리 온도는 600 ∼ 1100 ℃ 의 범위이다. 열처리의 온도가 600 ℃ 미만이면, 철기 분말로의 Mo 의 확산이 불충분해져 Mo 의 부착이 곤란해진다. 한편, 1100 ℃ 를 초과하면, 열처리 중의 철기 분말끼리의 소결이 진행되어, 부분 합금강분의 원형도가 규정한 범위를 초과해 버린다.

상기 서술한 바와 같이 하여, 열처리 즉 확산 부착 처리를 실시한 경우, 통상은, 부분 합금강분 서로가 소결되어 굳어진 상태로 되어 있기 때문에, 이하에 나타내는 규정의 입경으로 분쇄ㆍ분급을 실시한다. 즉, 규정하는 입경이 되도록, 필요에 따라 분쇄 조건의 강화, 혹은, 소정 눈금의 체에 의한 분급에 의한 조분 (粗粉) 의 제거를 실시한다. 또한, 필요에 따라 어닐링을 실시해도 된다.

즉, 부분 합금강분의 평균 입경을 30 ∼ 120 ㎛ 의 범위로 하는 것이 중요하다. 바람직하게는 상기 평균 입경의 하한은 40 ㎛ 이고, 더욱 바람직하게는 50 ㎛ 이다. 한편, 상기 평균 입경의 상한은 100 ㎛ 이고, 더욱 바람직하게는 80 ㎛ 이다.

또한, 부분 합금강분의 평균 입경은, 상기 서술한 바와 같이, 중량 누적 분포의 메디안 직경 D50 을 말하는 것으로서, JIS Z 8801-1 에 규정되는 체를 사용하여 입도 분포를 측정하고, 얻어진 입도 분포로부터 적산 입도 분포를 작성했을 때, 체 위 및 체 아래의 중량이 50 ％ 가 되는 입자경을 말한다.

여기에서, 부분 합금강분의 평균 입경이 30 ㎛ 를 하회하면, 부분 합금강분의 유동성이 나빠져, 금형에 의한 압축 성형시의 제조 효율 등의 점에 지장을 가져온다. 한편, 부분 합금강분의 평균 입경이 120 ㎛ 를 초과하면, 소결시의 구동력이 약해져, 소결 공정에 있어서 조대한 부분 합금강분의 주위에 조대한 공공이 형성되어, 소결 밀도의 저하를 가져와, 소결체나 이 소결체에 침탄ㆍ??칭ㆍ템퍼링을 실시한 후의, 강도나 인성을 저하시키는 원인이 된다. 또한, 부분 합금강분의 최대 입경은, 180 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

또, 압축성의 관점에서, 부분 합금강분의 비표면적을 0.10 ㎡/g 미만으로 한다. 여기에서, 부분 합금강분의 비표면적은, 첨가제 (Cu 분, 흑연분, 윤활제) 를 제외한, 부분 합금강분의 분말의 비표면적을 가리킨다.

부분 합금강분의 비표면적이 0.10 ㎡/g 을 초과하면, 분말 야금용 혼합분의 유동성이 저하된다. 또한, 하한은 특별히 없지만, 0.010 ㎡/g 정도가 공업적으로 얻어지는 한계이다. 비표면적에 대해서는, 확산 부착 처리 후의 100 ㎛ 를 초과하는 조립 및 50 ㎛ 미만의 미립 (微粒) 의 입도를 체질에 의해 조정함으로써, 임의로 제어하는 것이 가능하다. 즉, 미립의 비율을 작게 하거나 혹은 조립의 비율을 크게 함으로써 비표면적은 저하된다.

또한, 부분 합금강분의 직경이 50 ∼ 100 ㎛ 에 있는 입자의 원형도를 0.65 이하로 할 필요가 있다. 이 원형도는, 바람직하게는 0.60 이하, 더욱 바람직하게는 0.58 이하로 하는 것이 좋다. 즉, 원형도를 작게 함으로써, 가압 성형시의 분말끼리의 낙합이 강해짐과 함께, 분말 야금용 혼합분의 압축성이 향상되기 때문에, 성형체 및 소결체 중의 조대한 공공이 감소한다. 한편으로, 과도하게 원형도를 작게 하면 분말 야금용 혼합분의 압축성의 저하를 초래하기 때문에, 원형도는 0.40 이상으로 하는 것이 바람직하다.

여기에서, 부분 합금강분의 직경이 50 ∼ 100 ㎛ 에 있는 입자의 원형도는, 다음과 같이 측정할 수 있다. 먼저, 상기한 철기 분말과 마찬가지로 산출한, 부분 합금강분의 입자경을 dc 로 하여, 이 dc 가 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 부분 합금강분을 추출한다. 이 때, 적어도 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 부분 합금강분의 입자를 150 개 추출할 수 있기에 충분한 광학 현미경 촬영을 실시한다. 그리고, 추출한 부분 합금강분에 대하여, 상기한 철기 분말의 경우와 마찬가지로 원형도의 산출을 실시한다.

또한, 부분 합금강분의 입자경을 50 ∼ 100 ㎛ 로 한정하는 이유는, 상기 기재한 범위의 분말의 원형도를 낮추는 것이, 소결 촉진에는 가장 효과적이기 때문이다. 즉, 50 ㎛ 미만의 입자는 미립이기 때문에 원래 소결 촉진 효과가 높으며, 50 ㎛ 미만의 입자의 원형도를 저하시켰다고 하더라도 그 소결 촉진 효과는 작다. 또, 입자경 100 ㎛ 초과인 입자는, 매우 조대하여, 예를 들어 원형도를 저하시켰다고 하더라도 소결 촉진 효과는 작다.

본 발명에 있어서, 부분 합금강분에 있어서의 잔부 조성은, 철 및 불가피적 불순물이다. 여기에서, 부분 합금강분에 함유되는 불순물로는, C (흑연분을 제외한다), O, N 및 S 등을 들 수 있는데, 이들의 함유량은, 부분 합금강분에 있어서 각각, C : 0.02 ％ 이하, O : 0.3 ％ 이하, N : 0.004 ％ 이하, S : 0.03 ％ 이하, Si : 0.2 ％ 이하, Mn : 0.5 ％ 이하, P : 0.1 ％ 이하이면 특별히 문제는 없지만, O 는 0.25 ％ 이하가 보다 바람직하다. 또한, 불가피적 불순물량이 이들 범위를 초과하면, 부분 합금강분을 사용한 성형에 있어서의 압축성이 저하되어 버려, 충분한 밀도를 갖는 성형체로 성형하는 것이 곤란해진다.

본 발명에서는, 분말 야금용 혼합분을 사용하여 제작한 소결체를, 추가로 침탄ㆍ??칭ㆍ템퍼링 후에 1000 ㎫ 이상의 인장 강도를 얻을 목적에서, 상기에서 얻어진 부분 합금강분에 Cu 분 및 흑연분을 첨가한다.

(Cu 분)

Cu 는, 철기 분말의 고용 강화 및 ??칭성 향상을 촉구하여, 소결 부품의 강도를 높이는 유용한 원소이며, 0.5 ％ 이상 4.0 ％ 이하로 첨가한다. 즉, Cu 분의 첨가량이 0.5 ％ 에 미치치 않으면, 상기한 Cu 첨가의 유용한 효과가 잘 나타나지 않고, 한편 4.0 ％ 를 초과하면, 소결 부품의 강도 향상 효과가 포화될 뿐만 아니라, 소결체 밀도의 저하를 초래한다. 따라서, Cu 분의 첨가량을 0.5 ∼ 4.0 ％ 의 범위로 한정한다. 바람직하게는 1.0 ∼ 3.0 ％ 의 범위이다.

또, 입도가 큰 Cu 분을 사용하면, 분말 야금용 혼합분의 성형체를 소결할 때, 용융된 Cu 가 부분 합금강분의 입자 사이에 침입하여 소결 후의 소결체의 체적을 팽창시켜, 소결체 밀도를 저하시켜 버릴 우려가 있다. 이와 같은 소결체 밀도의 저하를 억제하려면, Cu 분의 평균 입경을 50 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 40 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 30 ㎛ 이하로 한다. 또한, Cu 분의 평균 입경의 하한에 특별히 제한은 없지만, Cu 분의 제조 비용을 불필요하게 높이지 않기 위해 0.5 ㎛ 정도가 바람직하다.

여기에서, Cu 분의 평균 입자경은 이하의 수법에 의해 구할 수 있다.

평균 입자경이 45 ㎛ 이하인 분말은 체질에 의한 평균 입자경의 측정이 곤란하기 때문에, 레이저 회절/산란식 입도 분포 측정 장치에 의한 입자경의 측정을 실시한다. 레이저 회절/산란식 입도 분포 측정 장치로는, 호리바 제작소 제조 : LA-950V2 등이 있다. 물론, 다른 레이저 회절/산란식 입도 분포 측정 장치를 사용해도 상관없지만, 정확한 측정을 실시하기 위해 측정 가능 입자경 범위의 하한이 0.1 ㎛ 이하, 상한이 45 ㎛ 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 장치에서는, Cu 분을 분산시킨 용매에 대해 레이저광을 조사하여, 레이저광의 회절, 산란 강도로부터 Cu 분의 입도 분포 및 평균 입자경을 측정한다. Cu 분을 분산시키는 용매로서, 입자의 분산성이 양호하고, 취급이 용이한 에탄올을 사용하는 것이 바람직하다. 물 등의 반데르발스힘이 높고, 분산성이 낮은 용매를 사용하면, 측정 중에 입자가 응집되어, 본래의 평균 입자경보다 큰 측정 결과가 얻어지기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, Cu 분을 투입한 에탄올 용액에 대해, 측정 전에 초음파에 의한 분산 처리를 실시하는 것이 바람직하다.

또한, 대상으로 하는 분말에 따라, 적정한 분산 처리 시간이 상이하기 때문에, 상기 분산 처리 시간을 0 ∼ 60 min 의 사이에서 10 min 간격의 7 단계로 실시하여, 각 분산 처리 후에 Cu 분의 평균 입자경의 측정을 실시한다. 각 측정 중에는 입자의 응집을 방지하기 위해, 용매를 교반하면서 측정을 실시한다. 그리고, 분산 처리 시간을 10 min 간격으로 변경하여 실시한 7 회의 측정으로 얻어진 입자경 중, 가장 작은 값을 Cu 분의 평균 입자경으로서 사용한다.

(흑연분)

흑연분은, 강도 및 피로 강도를 높이는 데에 유효하기 때문에, 부분 합금강분에 0.1 ∼ 1.0 ％ 의 범위 내에서 첨가하고, 혼합한다. 흑연분의 첨가량이 0.1 ％ 에 미치치 않으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, 1.0 ％ 를 초과하면 과공석이 되기 때문에, 시멘타이트가 석출되어 강도의 저하를 초래한다. 따라서, 흑연분의 첨가량을 0.1 ∼ 1.0 ％ 의 범위로 한정한다. 바람직하게는 0.2 ∼ 0.8 ％ 이다. 또한, 첨가하는 흑연분의 평균 입경은, 1 ∼ 50 ㎛ 정도의 범위가 바람직하다.

또, 본 발명에서는, Mo 를 확산 부착시킨 부분 확산 합금강분에, 상기한 Cu 분 및 흑연분을 혼합하여 Fe-Mo-Cu-C 계의 분말 야금용 혼합분으로 하는 것인데, 그 혼합 방법은, 분체 혼합의 통상적인 방법에 따라 실시하면 된다.

또한, 소결체의 단계에서, 절삭 가공 등에 의해 추가로 부품 형상을 만들어 넣을 필요가 있는 경우에는, 분말 야금용 혼합분에 MnS 등의 절삭성 개선용 분말의 첨가를 통상적인 방법에 따라 적절히 실시할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 분말 야금용 혼합분을 사용한 소결체의 제조에 바람직한 성형 조건 및 소결 조건에 대하여 설명한다.

상기한 분말 야금용 혼합분을 사용한 가압 성형에 있어서, 추가로, 분말상의 윤활제를 혼합할 수 있다. 또, 금형에 윤활제를 도포 혹은 부착시켜 성형할 수도 있다. 어느 경우라도, 윤활제로서, 스테아르산아연이나 스테아르산리튬 등의 금속 비누, 에틸렌비스스테아르산아미드 등의 아미드계 왁스 및 기타 공지된 윤활제 모두 바람직하게 사용할 수 있다. 또한, 윤활제를 혼합하는 경우에는, 분말 야금용 혼합분 : 100 질량부에 대해, 0.1 ∼ 1.2 질량부 정도로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 분말 야금용 혼합분을 가압 성형하여 성형체를 제조함에 있어서, 가압 성형을 400 ∼ 1000 ㎫ 의 가압력으로 실시하는 것이 바람직하다. 가압력이 400 ㎫ 에 미치치 않으면, 얻어지는 성형체의 밀도가 낮아져, 소결체의 특성이 저하된다. 한편, 1000 ㎫ 를 초과하면 금형의 수명이 극단적으로 짧아져, 경제적으로 불리해진다. 또한, 가압 성형의 온도는, 상온 (약 20 ℃) ∼ 약 160 ℃ 의 범위로 하는 것이 바람직하다.

또, 상기 성형체의 소결은, 1100 ∼ 1300 ℃ 의 온도역에서 실시하는 것이 바람직하다. 소결 온도가 1100 ℃ 에 미치치 않으면 소결이 진행되지 않게 되어, 원하는 인장 강도 : 1000 ㎫ 이상을 얻기 어려워진다. 한편, 1300 ℃ 를 초과하면 소결로의 수명이 짧아져, 경제적으로 불리해진다. 또한, 소결 시간은 10 ∼ 180 분의 범위로 하는 것이 바람직하다.

이러한 순서로, 본 발명에 따른 분말 야금용 혼합분을 사용하고, 상기 소결 조건에서 얻어진 소결체는, 상기 범위를 벗어난 합금강분을 사용한 경우에 비해, 동일 성형체 밀도라 하더라도, 소결 후에 높은 소결체 밀도가 얻어진다.

또, 얻어진 소결체에는, 필요에 따라, 침탄 ??칭이나, 광휘 ??칭, 고주파 ??칭, 침탄 질화 처리 등의 강화 처리를 실시할 수 있지만, 이들 강화 처리를 실시하지 않는 경우라 하더라도, 본 발명에 따른 분말 야금용 혼합분을 사용한 소결체는, 강화 처리를 실시하지 않는 종래의 소결체에 비해 강도 및 인성이 개선되어 있다. 또한, 각 강화 처리는 통상적인 방법에 따라 실시하면 된다.

이와 같이 하여 얻어지는 본 발명의 철기 소결체는, Mo : 0.2 ∼ 1.5 mass％, Cu : 0.5 ∼ 4.0 mass％ 및 C : 0.1 ∼ 1.0 mass％ 를 함유하는 것이 바람직하다. 즉, C 량은, 고강도화 및 고피로 강도화의 효과가 최대한으로 발현되는, 0.1 ∼ 1.0 ％ 의 범위로 하는 것이 바람직하다. 즉, C 가 0.1 ％ 에 미치치 않으면 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, 1.0 ％ 를 초과하면 과공석이 되기 때문에, 시멘타이트가 석출되어 강도의 저하를 초래한다. 따라서, 소결체에 포함되는 C 량을 0.1 ∼ 1.0 ％ 의 범위로 한정한다. 바람직하게는 0.2 ∼ 0.8 ％ 이다. 또, Mo 및 Cu 의 바람직한 함유량에 대해서는, 상기한 분말 야금용 혼합분에 있어서의 이유와 동일하다.

또한, 소결체를 제조함에 있어서, 상기한 분말 야금용 혼합분에 윤활제 등을 혼합하는 경우에는, 소결체에 있어서의 Mo, Cu 및 C 의 함유량이 상기 범위 내가 되도록, 분말 야금용 혼합분에 있어서의 Mo, Cu 및 C 의 양을 조정한다.

또, 소결체에 포함되는 C 량은, 소결 조건 (온도, 시간, 분위기 등) 에 따라 첨가한 흑연량으로부터 변화하는 경우가 있다. 그 때문에, 소결 조건에 따라 흑연분의 첨가량을 상기 서술한 범위 내에서 조정함으로써, 본 발명의 바람직한 범위의 C 량 (0.1 ∼ 1.0 ％, 더욱 바람직하게는 0.2 ∼ 0.8 ％) 을 함유하는 철기 소결체의 제조가 가능해진다.

실시예

이하, 실시예에 의해, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이하의 예만으로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

철기 분말에는, 원형도가 상이한 아토마이즈 생분을 사용하였다. 아토마이즈 생분의 원형도를, 하이 스피드 믹서 (후카에 파우텍사 제조 LFS-GS-2J 형) 에 의한 분쇄 가공에 의해 여러 가지로 상이하도록 조정하였다.

이 철기 분말에, 산화 Mo 분말 (평균 입경 : 10 ㎛) 을 소정의 비율로 첨가하고, V 형 혼합기로 15 분간 혼합한 후, 이슬점 : 30 ℃ 의 수소 분위기 중에서 열처리 (유지 온도 : 880 ℃, 유지 시간 : 1 h) 하여, 철기 분말의 입자 표면에 표 1 에 나타내는 소정량의 Mo 를 확산 부착시킨 부분 합금강분을 제작하였다. 또한, Mo 량을 표 1 의 시료 No.1 ∼ 8 에 나타내는 바와 같이 여러 가지로 변경하였다.

제작한 부분 합금강분을 수지에 매립하고, 부분 합금강분의 단면이 노출되도록 연마를 실시하였다. 또한, 이 연마면, 즉 관찰면에 있어서 충분한 양의 부분 합금강분 단면을 관찰할 수 있도록, 0.5 ㎜ 이상의 두께로 고루 부분 합금강분을 열경화성 수지에 매립하였다. 연마 후에 당해 연마면을 광학 현미경으로 확대하여 사진 촬영하고, 상기 서술한 바에 따라 화상 해석에 의해 원형도를 산출하였다.

또, BET 법에 의한 비표면적 측정을 부분 합금강분에 실시하였다. 어느 부분 합금강분이나 비표면적이 0.10 ㎡/g 미만인 것을 확인하였다.

이어서, 이들 부분 합금강분에 대해, 표 1 에 나타내는 평균 입경과 양의 Cu 분, 동일하게 표 1 에 나타내는 양의 흑연분 (평균 입경 : 5 ㎛) 을 첨가하고, 추가로, 얻어진 분말 야금용 합금강분 : 100 질량부에 대해 에틸렌비스스테아르산아미드를 0.6 질량부 첨가한 후, V 형 혼합기로 15 분간 혼합하였다.

이와 관련하여, 시료 No.9 ∼ 25 는, 시료 No.5 와 동등한 부분 합금강분을 사용하고 있으며, 첨가하는 Cu 분이나 흑연분의 양을 여러 가지로 변경하고 있다. 시료 No.26 ∼ 31 은, 시료 No.5 의 부분 합금강분을 베이스로 하여, 체질에 의해 평균 입자경을 조정하고 있다. 또, 시료 No.32 ∼ 38 은 부분 합금강분의 원형도가 여러 가지로 상이하다.

그 후, 혼합분을 밀도 7.0 g/㎤ 로 가압 성형하여, 길이 : 55 ㎜, 폭 : 10 ㎜ 및 두께 : 10 ㎜ 의 봉상 성형체 (각각 10 개), 및 외경 : 38 ㎜, 내경 : 25 ㎜ 및 두께 : 10 ㎜ 의 링상 성형체를 제작하였다. 이 때의 성형 압력은 모두 400 ㎫ 이상이었다.

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

링상 소결체에 대해서는, 외경, 내경 및 두께의 측정 및 질량 측정을 실시하여, 소결체 밀도 (Mg/㎥) 를 산출하였다. 또한, 상기 서술한 방법에 따라, 소결체에 있어서의 기공의 메디안 직경, 면적 분율 및 평균 최대 기공 길이를 각각 조사하였다.

봉상 소결체에 대해서는, 각각 5 개를 JIS Z 2241 에서 규정되는 인장 시험에 제공하기 위해, 평행부 직경 : 5 ㎜ 의 환봉 인장 시험편 (JIS 2 호) 으로 가공하고, 또, 각각 5 개를 JIS Z 2242 에서 규정되는 샤르피 충격 시험에 제공하기 위해, JIS Z 2242 에 규정된 크기의 소결된 그대로의 봉 형상 (노치 없음) 으로, 모두 카본 포텐셜 : 0.8 mass％ 의 가스 침탄 (유지 온도 : 870 ℃, 유지 시간 : 60 분) 을 실시하고, 계속해서 ??칭 (60 ℃, 오일 ??칭) 및 템퍼링 (유지 온도 : 180 ℃, 유지 시간 : 60 분) 을 실시하였다.

이들 침탄ㆍ??칭ㆍ템퍼링 처리를 실시한 환봉 인장 시험편 및 샤르피 충격 시험용 봉상 시험편을, JIS Z 2241 에서 규정되는 인장 시험 및 JIS Z 2242 에서 규정되는 샤르피 충격 시험에 제공하여, 인장 강도 (㎫) 및 충격값 (J/㎠) 을 측정하고, 시험수 n ＝ 5 에서의 평균값을 구하였다.

이상의 측정 결과를 표 1 에 병기한다. 또한, 판정 기준은 이하와 같다.

(1) 혼합분 유동성

분말 야금용 혼합분 : 100 g 을 직경 : 2.5 ㎜φ 의 노즐을 통과시켜, 정지하지 않고 전체량이 80 s 이내에 완전히 흐른 것을 합격 (○), 그 이상의 시간을 필요로 한 것, 혹은 전체량 혹은 일부가 정지하여 흐르지 않은 것을 불합격 (×) 으로 판정하였다.

(2) 소결체 밀도

소결체 밀도는, 종래재인 4Ni 재 (4Ni-1.5Cu-0.5Mo, 원료분(粉)의 최대 입경 : 180 ㎛) 와 동등 이상인, 6.95 Mg/㎥ 이상인 경우를 합격으로 판정하였다.

(3) 인장 강도

침탄ㆍ??칭ㆍ템퍼링 처리를 실시한 환봉 인장 시험편에 대한 인장 강도가 1000 ㎫ 이상인 경우를 합격으로 판정하였다.

(4) 충격값

침탄ㆍ??칭ㆍ템퍼링 처리를 실시한 샤르피 충격 시험용 봉상 시험편에 대한 충격값이 14.5 J/㎠ 이상인 경우를 합격으로 판정하였다. 또한, 이 충격값에 관한 시험은, 침탄ㆍ??칭ㆍ템퍼링 처리를 실시하기 전의 소결체에서도 실시하였다.

여기에서, 시료 No.1, 8, 9, 14, 19, 26, 38 및 38* 는, 소결체에 있어서의 기공의 메디안 직경 D50 이 20 ㎛ 를 초과한 사례이며, 모두 충격값이 낮으며 인성이 부족하고, 인장 강도도 낮아져 있다.

또한, 소결체에 있어서의 성분의 영향에 대하여, 시료 No.1 ∼ 8 에서는 Mo 량, No.9 ∼ 14 에서는 Cu 량, No.15 ∼ 19 에서는 흑연량을 각각 대비하고 있다. 마찬가지로, No.20 ∼ 25 는 Cu 입자경의 영향, No.26 ∼ 31 은 합금분 입자경의 영향, No.32 ∼ 38 은 부분 합금강분의 원형도 및 평균 입경의 영향을 검토한 결과이다. 또한, 표 1 에는, 종래재로서 4Ni 재 (4Ni-1.5Cu-0.5Mo, 원료분의 최대 입경 : 180 ㎛) 의 결과를 함께 나타냈다. 발명예는, 종래의 4Ni 재 이상의 특성이 얻어지는 것을 알 수 있다.

표 1 에 나타내는 바와 같이, 발명예는 모두 높은 인장 강도와 인성을 갖는 소결체이다.

[실시예 2]

비표면적 및 원형도가 상이한 3 종류의 아토마이즈 철분을 준비하였다. 비표면적 및 원형도의 조정은, 하이 스피드 믹서 (후카에 파우텍사 제조 LFS-GS-2J 형) 에 의한 분쇄 가공을 아토마이즈 철분에 부여하는 것과, 입도 100 ㎛ 이상의 조분 및 45 ㎛ 이하의 미분의 배합 비율을 조정함으로써 실시하였다.

이 철기 분말에, 산화 Mo 분말 (평균 입경 : 10 ㎛) 을 소정의 비율로 첨가하고, V 형 혼합기로 15 분간 혼합한 후, 이슬점 : 30 ℃ 의 수소 분위기 중에서 열처리 (유지 온도 : 880 ℃, 유지 시간 : 1 h) 하여, 철기 분말의 입자 표면에 표 2 에 나타내는 소정량의 Mo 를 확산 부착시킨 부분 합금강분을 제작하였다. 이들 부분 합금강분을 수지에 매립하고, 부분 합금강분의 단면이 노출되도록 연마를 실시한 후에, 광학 현미경으로 확대 후에 사진을 촬영하고, 화상 해석에 의해 원형도를 산출하였다. 또, BET 법에 의한 비표면적의 측정을 부분 합금강분에 실시하였다.

이어서, 이들 부분 합금강분에 대해, 평균 입경 35 ㎛ 의 Cu 분을 2 mass％ 와, 0.3 mass％ 의 흑연분 (평균 입경 : 5 ㎛) 을 첨가하고, 추가로, 얻어진 분말 야금용 합금강분 : 100 질량부에 대해 에틸렌비스스테아르산아미드를 0.6 질량부 첨가한 후, V 형 혼합기로 15 분간 혼합하였다. 이들 혼합 분말을 성형 압력 686 ㎫ 로 성형하여, 길이 : 55 ㎜, 폭 : 10 ㎜ 및 두께 : 10 ㎜ 의 봉상 성형체 (각각 10 개), 및 외경 : 38 ㎜, 내경 : 25 ㎜ 및 두께 : 10 ㎜ 의 링상 성형체를 제작하였다.

이 봉상 성형체 및 링상 성형체에 소결하여, 소결체로 하였다. 이 소결은, 프로판 변성 가스 분위기 중에서, 소결 온도 : 1130 ℃, 소결 시간 : 20 분의 조건에서 실시하였다.

봉상 소결체에 대해서는, 각각 5 개를 JIS Z 2241 에서 규정되는 인장 시험에 제공하기 위해, 평행부 직경 : 5 ㎜ 의 환봉 인장 시험편 (JIS 2 호) 으로 가공하고, 또, 각각 5 개를 JIS Z 2242 에서 규정되는 샤르피 충격 시험에 제공하기 위해 소결된 그대로의 봉 형상 (노치 없음) 으로, 모두 카본 포텐셜 : 0.8 mass％ 의 가스 침탄 (유지 온도 : 870 ℃, 유지 시간 : 60 분) 을 실시하고, 계속해서 ??칭 (60 ℃, 오일 ??칭) 및 템퍼링 (유지 온도 : 180 ℃, 유지 시간 : 60 분) 을 실시하였다.

측정 결과를 표 2 에 병기한다. 또, 각종 특성값의 합격 기준은 실시예 1 의 경우와 동일하다.

표 2 로부터 알 수 있는 바와 같이, 소결체에 있어서의 기공의 메디안 직경 D50 이 20 ㎛ 이하이면, 모두 충격값이 높고 인성이 우수하며, 또한 인장 강도도 높아져 있다. 또한, 원형도 및 비표면적이 발명의 범위 내가 되는 부분 합금강분을 사용하여 제조한 결과, 소결체 밀도, 인장 강도 및 충격값은 목표를 달성하고 있다.

Claims

기공의 면적 분율이 15 ％ 이하이면서 또한 기공의 면적 기준의 메디안 직경 D50 이 20 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 철기 소결체.
제 1 항에 있어서,
Mo, Cu 및 C 를 포함하는 것을 특징으로 하는 철기 소결체.
제 2 항에 있어서,
Mo : 0.2 ∼ 1.5 mass％, Cu : 0.5 ∼ 4.0 mass％ 및 C : 0.1 ∼ 1.0 mass％ 를 함유하는 것을 특징으로 하는 철기 소결체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 철기 소결체를 침탄, ??칭 및 템퍼링하여 이루어지는 철기 소결체.
철기 분말의 입자 표면에 Mo 를 확산 부착시킨 부분 확산 합금강분에, 적어도 Cu 분 및 흑연분을 혼합한 분말 야금용 혼합분을, 400 ㎫ 이상의 압력으로 성형한 후에, 1000 ℃ 이상 및 10 min 이상의 소결을 실시하는 것을 특징으로 하는 철기 소결체의 제조 방법.
제 5 항의 방법으로 제조된 철기 소결체에, 침탄, ??칭 및 템퍼링을 실시하는 것을 특징으로 하는 철기 소결체의 제조 방법.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 분말 야금용 혼합분은, Mo : 0.2 ∼ 1.5 mass％ 를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물의 성분을 갖는 것을 특징으로 하는 철기 소결체의 제조 방법.
제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부분 확산 합금강분은, 평균 입경이 30 ∼ 120 ㎛ 및 비표면적이 0.10 ㎡/g 미만이고, 직경이 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 입자의 원형도가 0.65 이하인 것을 특징으로 하는 철기 소결체의 제조 방법.
제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Cu 분의 혼합량이, 상기 분말 야금용 혼합분의 0.5 ∼ 4.0 mass％ 인 것을 특징으로 하는 철기 소결체의 제조 방법.