KR20180031750A - 분말 야금용 혼합분, 소결체 및 소결체의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

소결체에 있어서의 금속 조직의 불균일을 발생시키는 원인이 되고, 합금 분말의 비용 상승의 최대의 요인이 되고 있는 Ni 를 일절 사용하지 않는 성분계이면서, 합금강분의 성형체를 소결하고, 추가로 침탄·??칭·템퍼링한 부품의 기계 특성을 Ni 첨가품과 동등 이상으로 할 수 있는, 분말 야금용 혼합분을 제공한다. 철기 분말의 입자 표면에 Mo 가 확산 부착된 부분 확산 합금강분과, Cu 분 및 흑연분을 가지며, 또한 Mo：0.2 ∼ 1.5 mass％, Cu：0.5 ∼ 4.0 mass％, C：0.1 ∼ 1.0 mass％ 를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고, 상기 부분 확산 합금강분은, 평균 입경이 30 ∼ 120 ㎛ 및 비표면적이 0.10 ㎡/g 미만이며, 직경이 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 입자의 원형도가 0.65 이하인 것으로 한다.

Description

분말 야금용 혼합분, 소결체 및 소결체의 제조 방법 {MIXED POWDER FOR POWDER METALLURGY, SINTERED COMPACT, AND METHOD FOR PRODUCING SINTERED COMPACT}

본 발명은, 분말 야금용 혼합분에 관한 것이고, 특히 자동차용 고강도 소결 부품의 제조에 바람직한 분말 야금용 혼합분으로서, 그 합금강분을 성형하여 소결한 소결체의 밀도와, 그 소결체에 침탄·??칭·템퍼링의 처리를 실시한 후의 인장 강도 및 인성 (충격치) 이 확실하게 향상되는, 분말 야금용 혼합분 및 그것을 사용하여 제작되는 소결체에 관한 것이다. 또, 본 발명은, 그 소결체의 제조 방법에 관한 것이다.

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

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

일반적으로, 소결 전의 성형체는, 철기 분말에, 구리분이나 흑연분 등의 합금용 분말과, 스테아르산, 스테아르산리튬 등의 윤활제를 혼합하여 혼합분으로 하고, 이것을 금형에 충전하여, 가압 성형함으로써 제조된다.

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

여기서 사용하는 철기 분말은, 성분에 따라, 철분 (예를 들어 순철분 등) 과 합금강분으로 분류된다. 또, 철기 분말의 제법에 따른 분류로는, 아토마이즈 철분과 환원 철분이 있다. 이 제법에 따른 분류에서의 철분은, 순철분 외에, 합금강분을 포함하는 넓은 의미에서 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 예 (豫) 합금강분,

(3) 순철분이나 예합금강분의 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 않아 불균질 조직이 되고, 그 결과, 최종적으로 얻어지는 소결체의 강도가 열등한 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 노점을 엄밀하게 제어할 필요가 있다. 이 때문에, 상기 (1) 의 혼합분은, 최근의 고강도화의 요구에 대응하지 못해, 사용되지 않는 상태에 이르러 있다.

한편, 상기 (2) 의, 각 원소를 완전히 합금화한 예합금강분을 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 경우에도, 합금 원소의 종류와 양을 한정함으로써 소결체를 저산소량화할 수 있는 이점이 있다. 그러나, 예합금강분을, 용강으로부터 아토마이즈법으로 제조하는 경우, 용강의 아토마이즈 공정에서의 산화와 완전 합금화에 의한 강분의 고용 경화를 발생시키기 쉽기 때문에, 가압 성형 후의 성형체의 밀도를 높이는 것이 어렵다는 문제가 있었다. 성형체의 밀도가 낮으면, 그 성형체를 소결하였을 때의 소결체에서의 인성이 낮아진다. 그 때문에, 예합금강분을 사용하는 경우에도, 최근의 고강도화 및 고인성화의 요구에 대응하지 못한다.

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

따라서, 부분 확산 예합금강분을 사용함으로써, 소결체에서의 저산소량화와 순철분 정도의 성형체에서의 고압축성이 얻어지기 때문에, 소결체는 완전 합금상과 부분적인 농화상 (濃化相) 으로 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 강화하는 작용을 가지고 있다.

이에 대하여, Mo 는 ??칭성을 향상시키는 효과를 가지고 있다. 따라서, Mo 는, ??칭 처리시에 페라이트의 생성을 억제하고, 베이나이트 또는 마텐자이트를 생성하기 쉽게 함으로써, 소결체의 매트릭스를 강화한다. 또, Mo 는, 매트릭스에 고용되어 고용 강화하는 작용과, 미세 탄화물을 형성하여 매트릭스를 석출 강화하는 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, 최소한 1.5 mass％ 의 Ni 를 함유하고 있고, 그 실시예를 보면, 실질적으로는 3 mass％ 이상의 Ni 를 함유하고 있다. 즉, 소결체에서 800 MPa 이상의 고강도를 얻기 위해서는, 3 mass％ 이상과 같은 다량의 Ni 가 필요해지는 것을 의미한다. 또한, 소결체에, 침탄·??칭·템퍼링 처리를 실시하여 1000 MPa 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. 비용 면에서도, 수 mass％ 의 Ni 의 첨가는 매우 불리하다. 또한, Ni 를 합금 원소로서 사용하면, 철분이나 강분에 Ni 를 충분히 확산시키기 위해서 장시간의 소결이 필요해진다는 문제도 있다. 나아가서는, 오스테나이트상 안정화 원소인 Ni 의 확산이 불충분한 경우, 고 Ni 영역은 오스테나이트상 (이하, γ 상으로도 나타낸다) 으로서 안정화되고, Ni 가 희박한 영역은 그 이외의 상으로 안정화되는 결과, 소결체의 금속 조직이 불균일해진다.

Ni 를 함유하지 않는 기술로서, 특허문헌 2 에는, Ni 를 함유하지 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 하고 있다.

또, Ni 를 함유하지 않는 고밀도의 소결체에 대해, 특허문헌 3 에는, 평균 입경이 1 ∼ 18 ㎛ 인 철계 분말에, 평균 입경이 1 ∼ 18 ㎛ 인 구리분을 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/㎤ 이상이라는 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 함유하지 않는 분말을 사용함으로써, 고강도 또한 고인성의 소결체를 얻는 것이 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 5 에는, 환원 철분을 함유하는 철기 분말에 Mo 를 확산 부착시킨 분말을 사용함으로써, 고강도 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

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

특허문헌 2 에 기재된 기술은, Ni 의 첨가는 없기는 하지만, 소결 후의 재압축에 의해 고강도를 얻는 것을 상정하고 있어, 통상적인 분말 야금 프로세스로 제조한 경우에는 충분한 강도, 인성 및 경도의 정립은 어렵다.

또, 특허문헌 3 에 기재된 소결 재료에서는, Ni 는 첨가하지 않기는 하지만, 사용하고 있는 철계 분말의 평균 입경이 1 ∼ 18 ㎛ 로 통상보다 작다. 이와 같이 입경이 작으면, 혼합분의 유동성이 나빠져, 가압 성형시에 혼합분을 금형 충전할 때의 작업 효율이 낮아진다는 문제가 있다.

또, 특허문헌 4 에 기재된 분말은, 매우 비표면적이 크기 때문에, 이와 같은 분말을 사용한 경우, 분말의 유동성이 저하되어 버려, 분말의 취급이 곤란해진다.

특허문헌 5 에 기재된 소결체에 있어서도, 특허문헌 4 에 기재된 기술과 마찬가지로, 비표면적이 큰 환원 철분을 사용하기 때문에, 분말의 유동성이 저하되어 버려, 분말의 취급이 곤란해진다.

본 발명의 목적은, 소결체에 있어서의 금속 조직의 불균일을 발생시키는 원인이 되고, 합금 분말의 비용 상승의 최대 요인이 되고 있는 Ni 를 일절 사용하지 않는 (이하, Ni 프리라고도 칭한다) 성분계이면서, 합금강분의 성형체를 소결하고, 추가로 침탄·??칭·템퍼링한 부품의 기계 특성을 Ni 첨가품과 동등 이상으로 할 수 있는, 분말 야금용 혼합분을 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 목적은, 그 혼합분을 사용하여 제작하는 기계 특성이 우수한 철기 소결체를 제공하는 것에 있다.

그런데, 발명자들은, 상기의 목적을 달성하기 위해서, Ni 를 함유하지 않는 분말 야금용 혼합분의 합금 성분, 그 첨가 수단 및 분체 특성에 대해 다양한 검토를 거듭하였다. 그 결과, 분말 야금용 혼합분에 대해, Ni 를 일절 사용하지 않는 대신에, Mo 를 부분 합금화한 부분 확산 합금강분의 평균 입경, 비표면적 및 원형도를 제어하고, 이 부분 확산 합금강분에, Cu 분을 흑연분과 함께 혼합하여 구성하는 것에 상도하였다.

즉, Mo 는, 소결 열처리시에는 페라이트 안정화 원소로서 작용한다. 그 결과, Mo 량이 많은 부분의 근방에서는 페라이트상을 생성하여 철분끼리의 소결이 촉진되어, 소결체의 밀도를 향상시킨다. 또, 상기 부분 확산 합금강분의 원형도를 제어하여, 낮은 원형도로 함으로써, 소결체에 있어서 인성을 저하시키는 조대한 공공 (空孔) 을 저감시킬 수 있다. 또한, 부분 확산 합금강분의 비표면적을 일정한 값 이하로 함으로써, 성형시의 압축성이 개선되는 것도 동시에 알아냈다. 그리고 또, 부분 확산 합금강분의 평균 입경을 30 ㎛ 이상으로 제어하면, 합금강분의 유동성의 향상을 함께 실현시킬 수 있는 것을 알 수 있었다.

본 발명은, 이러한 지견에 기초하고, 추가로 검토를 더하여 완성된 것이다. 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.

1. 철기 분말의 입자 표면에 Mo 가 확산 부착된 부분 확산 합금강분과, Cu 분 및 흑연분을 가지며, 또한 Mo：0.2 ∼ 1.5 mass％, Cu：0.5 ∼ 4.0 mass％, C：0.1 ∼ 1.0 mass％ 를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 분말 야금용 혼합분으로서,

상기 부분 확산 합금강분은, 평균 입경이 30 ∼ 120 ㎛ 및 비표면적이 0.10 ㎡/g 미만이며, 직경이 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 입자의 원형도가 0.65 이하인 것을 특징으로 하는 분말 야금용 혼합분.

2. 상기 Cu 분의 평균 입경이 50 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 상기 1 에 기재된 분말 야금용 혼합분.

3. 상기 철기 분말이 아토마이즈 생분 (生粉) 및 아토마이즈 철분의 어느 일방 또는 양방인 것을 특징으로 하는 상기 1 또는 2 에 기재된 분말 야금용 혼합분.

4. 상기 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 분말 야금용 혼합분을 함유하는 성형체의 소결체인 소결체.

5. 철기 분말의 입자 표면에 Mo 가 확산 부착된 부분 확산 합금강분과, Cu 분 및 흑연분을 가지며, 또한 Mo：0.2 ∼ 1.5 mass％, Cu：0.5 ∼ 4.0 mass％, C：0.1 ∼ 1.0 mass％ 를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 분말 야금용 혼합분으로서, 상기 부분 확산 합금강분은, 평균 입경이 30 ∼ 120 ㎛ 및 비표면적이 0.10 ㎡/g 미만이며, 직경이 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 입자의 원형도가 0.65 이하인, 분말 야금용 혼합분의 성형체를 소결하는 소결체의 제조 방법.

6. 상기 Cu 분의 평균 입경이 50 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 상기 5 에 기재된 소결체의 제조 방법.

7. 상기 철기 분말이 아토마이즈 생분 및 아토마이즈 철분의 어느 일방 또는 양방인 것을 특징으로 하는 상기 5 또는 6 에 기재된 소결체의 제조 방법.

본 발명에 의하면, Ni 를 일절 사용하지 않는 Ni 프리의 성분계이면서, Ni 를 함유하는 경우와 동등 이상의 우수한 특성을 갖는 소결체를 제조할 수 있는, 분말 야금용 혼합 분말이 얻어진다. 또, 본 발명의 분말 야금용 혼합 분말은, 유동성이 높기 때문에, 가압 성형하기 위해서 그 분말 야금용 혼합 분말을 금형에 충전할 때의 작업 효율이 우수하다. 또한, 본 발명에 의하면, 통상적인 소결법이라 하더라도, 우수한 강도와 인성을 겸비한 소결체를 저렴하게 제조할 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 분말 야금용 혼합분은, 철기 분말의 표면에 Mo 가 확산 부착된, 적정한 평균 입경 및 비표면적을 갖는 부분 확산 합금강분 (이하, 부분 합금강분이라고도 한다) 에, Cu 분 및 흑연분을 혼합한 분말 야금용 혼합분이다.

특히, 부분 확산 합금강분은, 평균 입경이 30 ∼ 120 ㎛ 및 비표면적이 0.10 ㎡/g 미만인 것 그리고 직경이 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 분말의 원형도가 0.65 이하인 것이 필요하다. 또한, 분말 야금용 혼합분은, Mo：0.2 ∼ 1.5 mass％, Cu：0.5 ∼ 4.0 mass％, C：0.1 ∼ 1.0 mass％ 를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 가질 필요가 있다.

그 분말 야금용 혼합분은, 통상적인 방법의 가압 성형에 의해 성형체로 하고, 추가로 통상적인 방법의 소결을 실시함으로써, 본 발명에 따른 소결체가 얻어진다. 이 때, 성형체의 철기 분말 입자 간의 소결 네크부에, Mo 의 농화부가 형성되는 것, 및 부분 확산 합금강분의 원형도가 낮은 것에 의해, 성형시의 분말끼리의 얽힘이 강해지는 결과, 그 후의 소결이 촉진된다.

이와 같이 소결체에서의 밀도가 증가하면, 소결체의 강도 및 인성은 함께 향상되지만, 종래재와 같은 Ni 를 사용한 소결체와는 달리, 본 발명의 소결체의 기계 특성은, 금속 조직이 균일하기 때문에, 편차가 작고 안정적인 것이 된다.

이하, 본 발명의 분말 야금용 혼합분에 대해 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 것이고, 평균 입경이 30 ∼ 120 ㎛ 및 비표면적이 0.10 ㎡/g 미만인 것 그리고 직경이 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 분말의 원형도가 0.65 이하인 것이 중요하다. 여기서, 철기 분말에 부분 합금화를 실시하였을 때, 입경 및 원형도는 거의 변화되지 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 이유로부터 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 만족하는 것이 필요하다.

여기서, 철기 분말 및 부분 합금강분의 평균 입경은, 중량 누적 분포의 메디안 직경 D50 으로서, JIS Z 8801-1 에 규정되는 체를 사용하여 입도 분포를 측정하고, 얻어진 입도 분포로부터 적산 입도 분포를 작성하였을 때에, 체상 및 체하의 중량이 50 ％ 가 되는 입자경이다.

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

우선은, 철기 분말을 열경화성 수지에 매립한다. 이 때, 매립 수지를 연마하여 출현시키는 관찰면에 있어서, 충분한 양의 철기 분말 단면을 관찰할 수 있도록, 0.5 mm 이상의 두께로 골고루 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 위생연구소) 등이 있다. 구한 단면적 A 로부터 원 상당 직경 dc 를 산출한다. 여기서, dc 는 이하의 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. 여기서, 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 따라 부정형인 단면이 된다.

또한, 철기 분말이란, Fe 함유량이 50 ％ 이상인 분말을 의미한다. 철기 분말로는, 예를 들어, 아토마이즈 생분 (아토마이즈 상태의 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 기점 (起點) 이 되는 개재물을 아토마이즈 철분보다 많이 포함하여, 소결체의 중요한 역학 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 따른 철기 분말은, 아토마이즈시의 분무 조건이나 분무 후에 실시하는 추가 공정의 조건을 적절히 조정함으로써 얻을 수 있다. 또, 원형도가 상이한 철기 분말을 혼합하고, 입자경이 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 철기 분말의 원형도가 상기의 범위 내에 들어가도록 조정해도 상관없다.

(부분 확산 합금강분)

부분 확산 합금강분은, 상기한 철기 분말의 표면에 Mo 가 확산 부착된 것이고, 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 ％ 이며, 더욱 바람직하게는 0.4 ∼ 0.8 ％ 이다.

여기서, 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 없고, 예를 들어 헨셸 믹서나 콘형 믹서 등을 사용하여, 통상적인 방법에 따라 실시할 수 있다.

이어서, 상기한 철기 분말과 Mo 함유 분말의 혼합분을 가열하여, 철기 분말과 Mo 함유 분말의 접촉면을 통하여 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 적합하다. 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 중에 확산되지 않아, Mo 의 부착이 곤란해진다. 또, 1100 ℃ 초과하면, 열처리 중의 철기 분말끼리의 소결이 진행되어, 철기 분말의 원형도가 규정 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 분말에 대한 Mo 의 확산이 불충분해져 Mo 의 부착이 곤란해진다. 한편, 1100 ℃ 를 초과하면, 열처리 중의 철기 분말끼리의 소결이 진행되어, 부분 합금강분의 원형도가 규정 범위를 초과해 버린다.

상기 서술한 바와 같이 하여, 열처리 즉 확산 부착 처리를 실시한 경우, 통상적으로는, 부분 합금강분 상호가 소결되어 굳어진 상태로 되어 있기 때문에, 이하에 나타내는 규정 입경으로 분쇄·분급을 실시한다. 즉, 규정 입경이 되도록, 필요에 따라 분쇄 조건의 강화, 혹은, 소정 눈금 간격의 체로의 분급에 의한 조분 (粗粉) 의 제거를 실시한다. 추가로, 필요에 따라, 어닐링을 실시해도 된다.

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

또한, 부분 합금강분의 평균 입경은, 상기 서술한 바와 같이, 중량 누적 분포의 메디안 직경 D50 으로서, JIS Z 8801-1 에 규정되는 체를 사용하여 입도 분포를 측정하고, 얻어진 입도 분포로부터 적산 입도 분포를 작성하였을 때에, 체상 및 체하의 중량이 50 ％ 가 되는 입자경이다.

여기서, 부분 합금강분의 평균 입경이 30 ㎛ 를 하회하면, 부분 합금강분의 유동성이 나빠져, 금형으로의 압축 성형시의 제조 효율 등의 면에 지장을 초래한다. 한편, 부분 합금강분의 평균 입경이 120 ㎛ 를 초과하면, 소결시의 구동력이 약해져, 소결 공정에 있어서 조대한 부분 합금강분 주위에 조대한 공공이 형성되고, 소결 밀도의 저하를 초래하여, 소결체나 이 소결체에 침탄·??칭·템퍼링을 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. 여기서, 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 (粗粒) 및 50 ㎛ 미만의 미립의 입도를 체 분급에 의해 조정함으로써, 임의로 제어하는 것이 가능하다. 즉, 미립의 비율을 작게 하거나 혹은 조립의 비율을 크게 하는 것에 의해, 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 얽힘이 강해짐과 함께, 분말 야금용 혼합분의 압축성이 향상되기 때문에, 성형체 및 소결체 중의 조대한 공공이 감소된다. 한편, 과도하게 원형도를 작게 하면 분말 야금용 혼합분의 압축성의 저하를 초래하기 때문에, 원형도는 0.40 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 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 하고, 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 대해, 상기한 철기 분말의 경우와 마찬가지로 원형도의 산출을 실시한다.

또한, 부분 합금강분의 입자경을 50 ∼ 100 ㎛ 로 한정하는 이유는, 상기 범위의 분말의 원형도를 낮추는 것이, 소결 촉진에는 가장 효과적이기 때문이다. 즉, 50 ㎛ 미만의 입자는 미립인 점에서 원래 소결 촉진 효과가 높아, 50 ㎛ 미만의 입자의 원형도를 저하시켰다고 해도 그 소결 촉진 효과는 작다. 또, 입자경 100 ㎛ 초과의 입자는, 매우 조대하여, 가령 원형도를 저하시켰다고 해도 소결 촉진 효과는 작다.

또한, 부분 합금강분의 원형도는, 전술한 철기 분말의 원형도와 동일한 방법으로 구할 수 있다.

본 발명에 있어서, 부분 합금강분에 있어서의 잔부 조성은, 철 및 불가피 불순물이다. 여기서, 부분 합금강분에 함유되는 불순물로는, C (흑연분 (分) 을 제외한다), O, N 및 S 등을 들 수 있지만, 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, 불가피 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 침탄·??칭·템퍼링 후에 1000 MPa 이상의 인장 강도를 얻을 목적으로부터, 상기에서 얻어진 부분 합금강분에 Cu 분 및 흑연분을 첨가한다.

(Cu 분)

Cu 는, 철기 분말의 고용강화 및 ??칭성 향상을 촉진시켜, 소결 부품의 강도를 높이는 유용 원소로, 0.5 ％ 이상 4.0 ％ 이하로 첨가한다. 즉, Cu 분의 첨가량이 0.5 ％ 에 못 미치면, 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 성긴 Cu 분을 사용하면, 분말 야금용 혼합분의 성형체를 소결할 때에, 용융된 Cu 가 부분 합금강분의 입자 간에 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 위해서 0.5 ㎛ 정도가 바람직하다.

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

평균 입자경이 45 ㎛ 이하인 분말은 체 분급에 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 위해서 측정 가능 입자경 범위의 하한이 0.1 ㎛ 이하, 상한이 45 ㎛ 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 장치에서는, Cu 분을 분산시킨 용매에 대해 레이저 광을 조사하여, 레이저 광의 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 반데르발스력이 높고, 분산성이 낮은 용매를 사용하면, 측정 중에 입자가 응집되어, 본래의 평균 입자경보다 성긴 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 사이에서 10 min 간격의 7 단계로 실시하고, 각 분산 처리 후에 Cu 분의 평균 입자경의 측정을 실시한다. 각 측정 중에는 입자의 응집을 방지하기 위해서, 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 그리고 피로 강도를 높이기 위해서 유효하기 때문에, 부분 합금강분에 0.1 ∼ 1.0 ％ 를 첨가하고, 혼합한다. 흑연분의 첨가량이 0.1 ％ 에 못 미치면 상기한 효과를 얻을 수 없다. 한편, 1.0 ％ 를 초과하면 과공석 (過共析) 이 되기 때문에, 세멘타이트가 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 것이지만, 그 혼합 방법은, 분체 혼합의 통상적인 방법에 따라 실시하면 된다.

또한, 소결체 단계에서, 절삭 가공 등에 의해 추가로 부품 형상을 만들 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 대해 설명한다.

본 발명의 분말 야금용 혼합분을 사용한 가압 성형에서는, 추가로 분말상의 윤활제를 혼합할 수 있다. 또, 금형에 윤활제를 도포 혹은 부착시켜 성형할 수도 있다. 어느 경우라 하더라도, 윤활제로서, 스테아르산아연이나 스테아르산리튬 등의 금속 비누, 에틸렌비스스테아르산아미드 등의 아미드계 왁스 및 그 외 공지된 윤활제 모두를 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 MPa 의 가압력으로 실시하는 것이 바람직하다. 가압력이 400 MPa 에 못 미치면, 얻어지는 성형체의 밀도가 낮아져, 소결체의 특성이 저하된다. 한편, 1000 MPa 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 못 미치면 소결이 진행되지 않게 되어, 원하는 인장 강도：1000 MPa 이상을 얻는 것이 어려워진다. 한편, 1300 ℃ 를 초과하면 소결노의 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.

실시예

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

[실시예 1]

철기 분말에는, 원형도가 상이한 아토마이즈 생분을 사용하였다. 아토마이즈 생분의 원형도를, 하이 스피드 믹서 (후카에 파우테크사 제조 LFS-GS-2J 형) 에 의한 분쇄 가공을 아토마이즈 생분에 제공함으로써 여러 가지 상이하게 하였다.

이 철기 분말에, 산화 Mo 분말 (평균 입경：10 ㎛) 을 소정의 비율로 첨가하고, V 형 혼합기로 15 분간 혼합한 후, 노점：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 mm 이상의 두께로 골고루 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 합금강분도 비표면적이 0.10 ㎡/g 미만인 것을 확인하였다.

이어서, 이들 부분 합금강분에 대해, 표 1 에 나타내는 평균 입경과 양의 Cu 분, 마찬가지로 표 1 에 나타내는 양의 흑연분 (평균 입경：5 ㎛) 을 첨가하여 혼합함으로써, 분말 야금용 혼합분을 제작하였다. 또한, 표 1 중의 Cu 분의 입자경은 상기한 방법으로 측정한 값이다.

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

그 후, 얻어진 분말 야금용 혼합분：100 질량부에 대해 에틸렌비스스테아르산아미드를 0.6 질량부 첨가하여 V 형 혼합기로 15 분간 혼합한 것을, 밀도 7.0 g/㎤ 로 가압 성형하여, 길이：55 mm, 폭：10 mm 및 두께：10 mm 의 봉상 성형체 (각각 10 개), 및 외경：38 mm, 내경：25 mm 및 두께：10 mm 의 링상 성형체를 각각 제작하였다.

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.

봉상 소결체에 대해서는, 각각 5 개를 JIS Z 2241 에서 규정되는 인장 시험에 제공하기 위해서, 평행부 직경：5 mm 의 환봉 인장 시험편 (JIS 2 호) 으로 가공하고, 또, 각각 5 개를 JIS Z 2242 에서 규정되는 샤르피 충격 시험에 제공하기 위해서, JIS Z 2242 에 규정된 크기의 소결한 채의 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 침탄·??칭·템퍼링 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 (MPa) 및 충격치 (J/㎠) 를 측정하고, 시험수 n ＝ 5 로의 평균치를 구하였다.

이상의 측정 결과를 표 1 에 병기한다.

또한, 판정 기준은 이하와 같다.

(1) 유동성

분말 야금용 혼합분：100 g 을 직경：2.5 mmφ 의 노즐을 통과시켜, 정지되지 않고 전체량 80 s 이내에 다 흐른 것을 합격 (○), 80 s 를 초과하는 시간을 필요로 한 것, 혹은 전체량 혹은 일부가 정지되어 흐르지 않았던 것을 불합격 (×) 으로 판정하였다.

(2) 소결체 밀도

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

(3) 인장 강도

침탄·??칭·템퍼링 처리를 실시한 환봉 인장 시험편에 대한 인장 강도가 1000 MPa 이상인 경우를 합격으로 판정하였다.

(4) 충격치

침탄·??칭·템퍼링 처리를 실시한 샤르피 충격 시험용 봉상 시험편에 대한 충격치가 14.5 J/㎠ 이상인 경우를 합격으로 판정하였다.

여기서, 시료 No.1 ∼ 8 은 Mo 량의 영향, No.9 ∼ 14 는 Cu 량의 영향, No.15 ∼ 19 는 흑연량의 영향, 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, Ni 를 일절 사용하지 않는 성분계이면서, Ni 첨가재를 사용한 경우와 동등 이상의 인장 강도와 인성을 가지는 소결체를 얻을 수 있는, 분말 야금용 혼합분이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.

또한, 발명예에서는, 합금강분의 유동성이 우수하다는 것도 확인할 수 있다.

[실시예 2]

본 발명예와 특허문헌 3 의 기술적 차이를 명확하게 하기 위해서, 이하와 같은 실험을 실시하였다.

비표면적 및 원형도가 상이한 3 종류의 아토마이즈 철분을 준비하였다. 비표면적 및 원형도의 조정은, 하이 스피드 믹서 (후카에 파우테크사 제조 LFS-GS-2J 형) 에 의한 분쇄 가공을 아토마이즈 철분에 제공하는 것과, 입도 100 ㎛ 이상의 조분 및 45 ㎛ 이하의 미분 (微粉) 의 배합 비율을 조정하는 것에 의해 실시하였다.

이 철기 분말에, 산화 Mo 분말 (평균 입경：10 ㎛) 을 소정의 비율로 첨가하고, V 형 혼합기로 15 분간 혼합한 후, 노점：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 후 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 첨가하여 혼합함으로써, 분말 야금용 혼합분을 제작하였다. 얻어진 분말 야금용 혼합분：100 질량부에 대해 에틸렌비스스테아르산아미드를 0.6 질량부 첨가하여 V 형 혼합기로 15 분간 혼합한 것을, 성형 압력 686 MPa 로 성형하여, 길이：55 mm, 폭：10 mm 및 두께：10 mm 의 봉상 성형체 (각각 10 개), 및 외경：38 mm, 내경：25 mm 및 두께：10 mm 의 링상 성형체를 제작하였다.

이 봉상 성형체 및 링상 성형체를 소결하여, 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.

봉상 소결체에 대해서는, 각각 5 개를 JIS Z 2241 에서 규정되는 인장 시험에 제공하기 위해서 평행부 직경：5 mm 의 환봉 인장 시험편 (JIS 2 호) 으로 가공하고, 또, 각각 5 개를 JIS Z 2242 에서 규정되는 샤르피 충격 시험에 제공하기 위해서, JIS Z 2242 에 규정된 크기의 소결한 채의 봉형상으로 (노치 없음), 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 침탄·??칭·템퍼링 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 (MPa) 및 충격치 (J/㎠) 를 측정하고, 시험수 n ＝ 5 로의 평균치를 구하였다.

측정 결과를 표 2 에 병기한다. 또, 각종 특성치의 합격 기준은 실시예 1 과 동일하다.

표 2 로부터 알 수 있는 바와 같이, 비표면적이 발명의 범위 내가 되는 것만이 유동성이 양호한 것을 알 수 있다. 또, 원형도가 크면 충격치가 낮아져 있는 것을 알 수 있다.

Claims (7)

1. 철기 분말의 입자 표면에 Mo 가 확산 부착된 부분 확산 합금강분과, Cu 분 및 흑연분을 가지며, 또한 Mo：0.2 ∼ 1.5 mass％, Cu：0.5 ∼ 4.0 mass％, C：0.1 ∼ 1.0 mass％ 를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 분말 야금용 혼합분으로서,
   상기 부분 확산 합금강분은, 평균 입경이 30 ∼ 120 ㎛ 및 비표면적이 0.10 ㎡/g 미만이며, 직경이 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 입자의 원형도가 0.65 이하인 것을 특징으로 하는 분말 야금용 혼합분.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 Cu 분의 평균 입경이 50 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 분말 야금용 혼합분.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 철기 분말이 아토마이즈 생분 및 아토마이즈 철분의 어느 일방 또는 양방인 것을 특징으로 하는 분말 야금용 혼합분.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 분말 야금용 혼합분을 함유하는 성형체의 소결체인 소결체.
5. 철기 분말의 입자 표면에 Mo 가 확산 부착된 부분 확산 합금강분과, Cu 분 및 흑연분을 가지며, 또한 Mo：0.2 ∼ 1.5 mass％, Cu：0.5 ∼ 4.0 mass％, C：0.1 ∼ 1.0 mass％ 를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 분말 야금용 혼합분으로서, 상기 부분 확산 합금강분은, 평균 입경이 30 ∼ 120 ㎛ 및 비표면적이 0.10 ㎡/g 미만이며, 직경이 50 ∼ 100 ㎛ 의 범위에 있는 입자의 원형도가 0.65 이하인, 분말 야금용 혼합분의 성형체를 소결하는 소결체의 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 Cu 분의 평균 입경이 50 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 소결체의 제조 방법.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 철기 분말이 아토마이즈 생분 및 아토마이즈 철분의 어느 일방 또는 양방인 것을 특징으로 하는 소결체의 제조 방법.