KR20180057626A

KR20180057626A - 소결된 재료로 이루어진 부품 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20180057626A
Application number: KR1020187008306A
Authority: KR
Inventors: 옌스 부르크하우스; 비톨트 피퍼; 토비아스 쉐프터
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2018-05-30
Also published as: JP2018535312A; SE1850434A1; DE102015218440A1; JP6611924B2; WO2017050572A1; CN108026615A

Abstract

본 발명은 소결된 재료로 이루어진 부품의 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조될 수 있는 부품에 관한 것이다. 제조는 분말 혼합물의 소결에 의해 수행된다. 상기 분말 혼합물은 제1 소결 분말(1) 및 제2 소결 분말(2)을 함유한다. 제1 소결 분말은 16 내지 99.97중량%의 철, 0 내지 7중량%의 규소, 0 내지 20중량%의 크롬 및 0 내지 50중량%의 코발트를 함유한다. 또한, 제1 소결 분말(1)은 0.03 내지 2.00중량%의 탄소 및 0 내지 5중량%의 추가 원소를 함유한다. 제2 소결 분말은 0 내지 90중량%의 철, 0 내지 90중량%의 규소, 0 내지 100중량%의 크롬, 0 내지 100중량%의 인, 0 내지 100중량%의 몰리브덴, 0 내지 100중량%의 텅스텐, 0 내지 100중량%의 티타늄, 0 내지 100중량%의 니켈, 0 내지 100중량%의 코발트, 0 내지 100중량%의 황, 0 내지 100중량%의 탄소 및 0 내지 5중량%의 추가 원소를 함유한다. 제1 소결 분말(1) 및 제2 소결 분말(2) 중의 성분들의 합은 각각 100중량%이다.

Description

소결된 재료로 이루어진 부품 및 그 제조 방법

본 발명은 소결에 의해 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조될 수 있는 부품에 관한 것이다. 상기 부품은 특히 낮은 코어 손실을 갖는다.

순수한 철 재료 및 철 코발트 재료로 이루어진 분말 야금 부품은 다수의 응용에서 증가된 정적 및 동적 자기 손실(magnetic loss)을 나타낸다. 액추에이터(actuator)에서, 예를 들면 앵커(anchor) 재료로서, 센서에 그리고 전기 기계에서, 예를 들면 고정자 및/또는 회전자로서 사용하기 위해, 부품의 낮은 코어 손실 및 연자성(soft magnetic property), 즉 20A/cm 미만의 보자력(H_C)이 요구된다. 이러한 특성들은, 재료를 제조하기 위한 소결 방법에서 저탄소 철 분말 또는 철 코발트 분말이 출발 물질로서 사용됨으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 과제는 낮은 코어 손실 및 연자성을 갖는 부품을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 부품 제조 방법에서, 제1 소결 분말 및 제2 소결 분말이 사용된다. 제1 소결 분말은 49 내지 99.97중량%의 철, 0 내지 7중량%의 규소, 0 내지 20중량%의 크롬, 0 내지 50중량%의 코발트 및 0.03 내지 2.00중량%의 탄소, 바람직하게는 0.06 내지 1.00중량%의 탄소, 특히 바람직하게는 0.06 내지 0.4중량%의 탄소를 함유하는 철 분말이다. 즉, 비용 효율적인 탄소 풍부 소결 분말이다. 마지막으로, 제1 소결 분말은 0 내지 5중량%의 추가 원소를 함유할 수 있다. 추가 원소는 특히 망간, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 황 및 인, 즉 전형적으로 철과 관련하여 발생하는 원소로 이루어진 군으로부터 선택된다. 제1 소결 분말 중의 성분들의 합은 100중량%이다.

제2 소결 분말은 0 내지 90중량%의 철, 0 내지 90중량%의 규소, 0 내지 100중량%의 크롬, 0 내지 100중량%의 인, 0 내지 100중량%의 몰리브덴, 0 내지 100중량%의 텅스텐, 0 내지 100중량%의 티타늄, 0 내지 100중량%의 황, 0 내지 100중량%의 코발트, 0 내지 100중량%의 니켈, 0 내지 100중량%의 탄소, 및 0 내지 5중량%의 추가의 원소를 함유하고, 상기 추가 원소는 특히 제1 소결 분말의 추가 원소와 동일한 군으로부터 선택된다. 바람직하게는, 상기 제2 소결 분말은 0 내지 90중량%의 철, 0 내지 90중량%의 규소, 0 내지 100중량%의 크롬, 0 내지 20중량%의 인 및 0 내지 5중량%의 추가 원소를 함유한다. 제2 소결 분말 중의 성분들의 합은 100중량%이다. 분말 혼합물의 소결 동안 제2 소결 분말의 원소들이 제1 소결 분말 내로 확산하는 것을 촉진하기 위해, 제2 소결 분말은 바람직하게는 공융 조성물을 포함하거나 또는 제1 소결 분말의 성분들과 1300℃ 이하의 융점을 갖는 합금을 중간에 형성하는 것이 바람직하다.

분말 혼합물의 소결 시, 제2 소결 분말이 제1 소결 분말과 균일하게 혼합되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 제1 소결 분말의 수 평균 입자 크기가 제2 소결 분말의 수 평균 입자 크기보다 큰 것이 바람직하다. 이를 위해, 제1 소결 분말은 바람직하게는 10 내지 500㎛ 범위의 수 평균 입자 크기를 갖고, 제2 소결 분말은 바람직하게는 1 내지 400㎛, 특히 바람직하게는 1 내지 200㎛ 범위의 수 평균 입자 크키를 갖는다.

소결된 재료로 이루어진 부품은 분말 혼합물을 소결함으로써 제조될 수 있다. 소결 공정의 상승된 온도에서, 제2 소결 분말의 원소들은 제1 소결 분말의 원소들과 상호 확산한다.

그러나 제1 또는 제2 소결 분말의 재료 중에 탄소의 용해도가 저하된다. 따라서, 소결 분말에 용해된 탄소는 그 입계로 또는 소결 분말에 이미 형성된 카바이드로 이동하여, 예를 들면 재료에서 펄라이트(perlite)로서 부분적으로 발생하는 시멘타이트(cementite)로서 석출된다. 대안으로서, 탄소 또는 탄소 함유 분말이 제2 소결 분말로서 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 탄소는 제2 소결 분말을 통해 추가로 도입될 수 있고, 열처리 공정에서 카바이드 미세구조 내로 재배치되고 전기 저항을 크게 증가시켜, 코어 손실의 개선을 유도한다. 얻어진 소결된 재료 전체에 걸쳐 상기 효과를 균일하게 달성하기 위해서는, 소결 전에 제1 소결 분말과 제2 소결 분말이 분말 혼합물 내에 균일하게 분포되어, 소결 분말의 원소들이 균일하게 상호 확산함으로써, 제1 소결 분말 전체에서 탄소의 유사한 석출이 나타나는 것이 바람직하다. 결정적인 요인은 자화 반전 동안 자벽 이동에 장애물로 간주되는 카바이드의 무작위적인 분포가 나타나지 않는 것이다. 바람직하게는 입계에서 더 많거나 적은 카바이드 네트워크가 형성된다. 철 입자 자체는 대부분 카바이드가 없는 상태로 남아 있다.

소결은 바람직하게는 제2 소결 분말 또는 제1 및 제2 소결 분말의 원소들로 이루어진 합금(전이 액체 상 소결(transient liquid phase sintering))의 용융 온도 이상의 온도에서 수행된다. 이러한 방식으로, 제1 소결 분말의 입자가 용융된 제2 소결 분말로 습윤되는 것이 바람직하며, 이는 제1 소결 분말과 제2 소결 분말의 원소들의 확산을 용이하게 하고 부품의 밀도를 높인다.

이러한 방식으로 얻어지는 부품은 석출된 탄소로 인해 정렬된 카바이드 네트워크를 갖는 미세구조를 갖는 소결된 재료로 이루어진다. 카바이드 미세구조는 예를 들면 펄라이트 구조로서 부분적으로 존재하는 시멘타이트 구조이다.

소결 공정에서 제1 소결 분말로만 제조되는 부품에 비해, 본 발명에 따른 부품은 적어도 재료 포화의 20 내지 90% 범위에서 그리고 100 내지 1000Hz의 주파수에서 적어도 10%의 코어 손실의 감소를 갖는다. 또한, 상기 부품은 특히 연자성을 갖는다.

본 발명의 양태들이 도면에 도시되며 이하의 설명에서 상세히 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 방법의 하나의 양태에서 2개의 소결 분말의 상호 확산을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 하나의 양태에서 2개의 소결 분말의 상호 확산에 의해 형성된 소결 분말의 입자를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 양태에 따른 부품의 일부를 나타낸 개략도이다.

본 발명의 하나의 양태에서, 90g의 제1 소결 분말(1)과 10g의 제2 소결 분말(2)을 혼합하여 분말 혼합물을 먼저 제조한다. 제1 소결 분말(1)은 철 99중량%, 탄소 0.06중량%, 및 망간, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 황 및 인과 같은, 철과 통상적으로 관련된 원소들로 이루어진 추가 불순물 1중량% 미만을 함유하는 철 기반 재료이다. 제1 소결 분말은 250㎛의 수 평균 입자 크기를 갖는다. 제2 소결 분말(2)은 철 80중량%와 규소 20중량%로 이루어진 분말이다. 제2 소결 분말은 1,172℃의 융점 및 73㎛의 평균 입자 크기를 갖는다. 분말 혼합물에 윤활제를 첨가한다. 그런 다음, 이를 균일하게 혼합하고 압착하여 그린 바디(green body)를 형성한다. 마지막으로, 오븐 내에서 1200℃의 온도로 불활성 질소 분위기에서 열처리한다. 1시간 후, 수득된 부품을 냉각시켜, 낮은 코어 손실을 갖는 연자성 소결 재료로 이루어진 부품을 얻는다.

도 1에 도시된 바와 같이, 소결 공정 동안, 제2 소결 분말(2) 및 제1 소결 분말(1)의 원소들이 상호 확산한다. 제1 소결 분말(1)은 처음에는 철(Fe)에 녹아있는 많은 양의 탄소(C)를 함유한다. 제2 소결 분말(2)의 규소(Si)가 철에 녹으면, 탄소의 용해도가 저하하여 탄소가 제1 소결 분말(1)의 입계로 이동한다. 이로 인해, 도 2에 도시된, 변형된 소결 분말(3)의 입자들이 얻어지고, 상기 소결 분말로부터 많은 양의 탄소가 시멘타이트로서 석출되며, 이는 구조에서 펄라이트로서 검출될 수 있다. 이 입자들은 추가의 소결 공정에서 결합되어, 도 3에 도시된 연자성 소결 재료(4)를 형성한다.

비교 양태에서는, 본 발명의 양태의 제1 소결 분말에만 윤활제를 첨가한다. 그런 다음, 이를 균일하게 혼합하고 압착하여 그린 바디를 형성한다. 마지막으로, 오븐 내에서 1200℃의 온도로 불활성 질소 분위기에서 열처리한다. 1시간 후, 얻어진 부품을 냉각시켜 비교 부품을 얻는다.

본 발명의 양태에 따른 부품의 코어 손실은 비교 부품에 비해, 재료 포화의 20 내지 90% 범위에서 그리고 100 내지 1000Hz의 주파수에서 적어도 10% 감소한다.

Claims

액추에이터에서, 전기 기계의 연자성 회전자 또는 고정자에서 또는 센서에서 사용하기 위한, 소결된 재료(4)로 이루어진 부품의 제조 방법으로서, 상기 부품은 제1 소결 분말(1) 및 제2 소결 분말(2)로 이루어진 분말 혼합물을 소결함으로써 얻어지고,
- 상기 제1 소결 분말(1)은
49 내지 99.97중량%의 철,
0.03 내지 2.00중량%의 탄소,
0 내지 7중량%의 규소,
0 내지 20중량%의 크롬,
0 내지 50중량%의 코발트,
0 내지 5중량%의 추가 원소
의 조성을 갖고, 상기 성분들의 합은 100중량%이고,
- 상기 제2 소결 분말(2)은
0 내지 90중량%의 철,
0 내지 90중량%의 규소,
0 내지 100중량%의 크롬,
0 내지 100중량%의 인,
0 내지 100중량%의 몰리브덴,
0 내지 100중량%의 텅스텐,
0 내지 100중량%의 티타늄,
0 내지 100중량%의 니켈,
0 내지 100중량%의 코발트,
0 내지 100중량%의 황,
0 내지 100중량%의 탄소,
0 내지 5중량%의 추가 원소
의 조성을 갖고, 상기 성분들의 합은 100중량%인, 소결된 재료(4)로 이루어진 부품의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 소결 분말(1)의 수 평균 입자 크기는 상기 제2 소결 분말(2)의 수 평균 입자 크기보다 큰 것을 특징으로 하는, 방법.
제2항에 있어서, 상기 제1 소결 분말(1)은 10 내지 500㎛ 범위의 수 평균 입자 크기를 갖고, 상기 제2 소결 분말(2)은 1 내지 400㎛ 범위의 수 평균 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 방법.
제3항에 있어서, 상기 제2 소결 분말(2)은 1 내지 200㎛ 범위의 수 평균 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 소결 분말(1)은 적어도 0.06중량%의 탄소를 함유하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1 항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 소결 분말(2)은
0 내지 90중량%의 철,
0 내지 90중량%의 규소,
0 내지 100중량%의 크롬,
0 내지 20중량%의 인,
0 내지 5중량%의 추가 원소
의 조성을 갖고, 상기 성분들의 합은 100중량%인 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 소결 분말(2)은 제1 소결 분말의 성분과 최대 1300℃의 융점을 갖는 합금을 중간에 형성하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 소결 분말(1) 및 상기 제2 소결 분말(2)은 소결 전에 분말 혼합물 내에 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소결은 상기 제2 소결 분말(2)의 용융 온도 이상의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 제조 가능한 부품.
제10항에 있어서, 상기 부품은 정렬된 카바이드 네트워크를 갖는 카바이드 미세구조를 포함하는 것을 특징으로 하는, 부품.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 카바이드 미세구조는 시멘타이트 구조인 것을 특징으로 하는, 부품.
제12항에 있어서, 상기 시멘타이트 구조는 부분적으로 펄라이트 구조로서 존재하는 것을 특징으로 하는, 부품.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부품은 상기 제1 소결 분말(1)로만 소결 방법으로 제조되는 부품에 비해, 적어도 재료 포화의 20 내지 90% 범위에서 그리고 100 내지 1000Hz의 주파수에서 적어도 10%의 코어 손실의 감소를 갖는 것을 특징으로 하는, 부품.