KR20190099141A - 소결체용 경질 입자 분말 - Google Patents

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KR20190099141A
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이와네 나가세
토모미 야마모토
타카히사 엔도
?스케 고노
히로키 핫토리
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다이도 토쿠슈코 카부시키가이샤
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Abstract

0.01≤C≤3.5질량%, 0.5≤Si≤4.0질량%, 0.1≤Mn≤10.0질량%, 0.1≤Ni≤35.0질량%, 0.1≤Cr≤40.0질량%, 5.0≤Mo≤50.0질량%, 0.1≤Fe≤30.0질량%, 및 0.01≤REM≤0.5질량%, 잔부는 Co 및 불가피적 불순물로 이루어지는 소결체용 경질 입자 분말을 제공한다.

Description

소결체용 경질 입자 분말{HARD PARTICLE POWDER FOR SINTERED BODY}
본 발명은 소결체용 경질 입자 분말에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 희토류 금속(REM)이 첨가되고, 분말 특성 또는 소결 특성의 관점에서 우수하며, 이를 이용하여 소결체(예컨대, 자동차 엔진 밸브 시트)를 제조했을 때, 높은 내마모성을 부여할 수 있는 경질 입자 분말에 관한 것이다.
TRIBALOY(등록 상표) T-400은, 높은 내마모성을 갖고, 주로 Mo 규화물을 함유하는 경질상을 형성하는 Co계 경질 입자로 알려져 있다. TRIBALOY(등록 상표) T-400과 동일한 재료인 Co-2.5Si-28Mo-8.5Cr계 합금 분말은, 높은 하중이 가해지는 자동차 엔진에서, 자동차 엔진 밸브 시트(이하, 간략히 "밸브 시트"라고 한다)의 내마모성의 향상에 현저하게 기여하는 경질 입자로서 자주 사용된다. 따라서, 몇몇 종래 기술이 제안되어 있다.
예를 들어, 특허문헌 1은, 내마모성, 강도 등을 열화시키지 않고, 지철(base) 중에 다량의 경질층을 분산시키는 것을 목적으로 하는 내마모성 소결 부재의 제조방법을 개시하고 있다. 상기 방법은, 지철 형성 분말(철, SUS316, SUS304, SUS310 또는 SUS430)과 경질층 형성 분말(Co-28Mo-2.5Si-8Cr)을 함유하는 원료 분말을 압축 성형하고, 소결을 실시하는 것을 포함한다. 상기 방법은 지철 형성 분말의 90질량% 이상이 46㎛의 최대 입경을 갖는 미세한 분말이고, 원료 분말에서 경질층 형성 분말의 비율이 40질량% 내지 70질량%인 것을 특징으로 한다.
또한, 특허문헌 2는, 우수한 내마모성을 갖는 철계 소결 합금 재료를 얻는 것을 목적으로 하는 밸브 시트용 내마모성 철계 합금 재료의 제조방법을 개시하고 있다. 상기 방법은, (a) 고체 윤활제 분말(황화물 또는 불화물) 0.2 내지 3.0 중량부 및/또는 산화물 안정화 분말(희토류 원소의 산화물인 Y2O3, CeO2 또는 CaTiO3) 0.2에서 5.0 중량부를, 순철 분말, 합금철 분말, 탄소 분말, 미세 탄화물 석출강 분말 및 경질 입자 분말(Cr-Mo-Co계 분말, Ni-Cr-Mo-Co계 분말 등)을 함유하는 철계 합금 분말 100 중량부에 첨가하여 얻어진 철계 합금 분말을 압축 성형한 다음; (b) 소결을 실시하여 소결체를 얻는 것을 포함한다.
그러나, 엔진 요구 특성에 있어서 하중의 증가에 대한 응답으로, 밸브 시트 재료에 있어서 더 높은 내마모성에 대한 요구가 있다. 따라서, 특허문헌 1, 2 등에 개시되어 있는 경질 입자는, 밸브 시트 재료에 요구되는 내마모성을 충분히 만족시킬 수 없는 문제점이 있다. 또한, 밸브 시트 재료에 요구되는 내마모성을 향상시키기 위한 시도는, 분말 특성(성형성) 또는 소결 특성을 열화시키기 쉽다는 것도 고려할 필요가 있다. 따라서, 분말 특성과 소결 특성을 열화시키지 않고, 밸브 시트 재료에 요구되는 내마모성을 향상시키기 위한 기술에 대한 요구가 있다.
또한, 최근 들어, CO2 감축 및 석유 자원의 고갈과 같은 세계적인 사회 문제에 대응하기 위해, 직접 분사 엔진과 예혼합 압축 착화(HCCI) 엔진과 같은 연료 저감 희박 연소 기술, 그리고 화석 연료가 사용되지 않는 식물 원료를 이용하는 바이오에탄올 연료 엔진이 촉진되고 있다.
희박 연소 엔진 또는 알콜 연료 엔진은, 통상적인 엔진에 비해 연소 중 소량의 그을음을 생성한다. 따라서, 엔진 연소 후 저온 상태에서, 밸브 시트가 그을음에 의해 보호되지 않아 쉽게 마모될 수 있다는 문제가 있다.
특허문헌 1: 일본공개특허공보 2007-107034 특허문헌 2: 일본공개특허공보 2003-193173
본 발명이 달성하고자 하는 목적은, 소결체의 원료 분말에 첨가되는 경질 입자로서, 분말 특성과 소결 특성을 열화시키지 않고 소결체의 내마모성을 향상시킬 수 있는 소결체용 경질 입자 분말을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 소결체용 경질 입자 분말은,
0.01≤C≤3.5질량%,
0.5≤Si≤4.0질량%,
0.1≤Mn≤10.0질량%,
0.1≤Ni≤35.0질량%,
0.1≤Cr≤40.0질량%,
5.0≤Mo≤50.0질량%,
0.1≤Fe≤30.0질량%, 및
0.01≤REM≤0.5질량%,
잔부는 Co 및 불가피적 불순물
을 포함한다.
본 발명자들은, REM을 포함하는 Co계 경질 입자에서 성분이 최적화되었을 때, 분말 특성과 소결 특성을 열화시키지 않고, 경질 입자를 포함하는 소결체의 내마모성이 향상될 수 있음을 발견했다. 이는, 적당량의 REM이 경질 입자에 첨가되었을 때, 약 600℃의 저온 범위에서 소결체의 표면상에 산화물 피막이 생성되고, 이 산화물 피막이 윤활 작용을 나타내기 때문으로 생각된다.
도 1은 싱글 밸브 시트용 마모 시험기의 개요를 도시하는 단면도이다.
도 2는 마모 시험편의 마모량의 측정 위치를 설명하는 도면이다.
도 3은 온도와 발명예 2 및 비교예 13에서 얻은 경질 입자 분말에서의 무게 증가 간의 관계를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 상세히 설명한다.
1. 소결체용 경질 입자 분말
본 발명에 따른 소결체용 경질 입자 분말은, 후술하는 원소를 포함하며, 잔부는 Co 및 불가피적 불순물이다. 성분 원소의 종류, 그 함유량의 범위 및 그 제한의 이유는 후술하는 바와 같다.
(1) 0.01≤C≤3.5질량%:
C의 함유량이 과다한 경우, 탄화물의 생성 때문에 인성이 저하한다. 따라서, 본 소결체용 경질 입자 분말에서 C의 함유량은 3.5질량% 이하일 필요가 있다. 바람직하게는 C의 함유량은 2.0질량% 이하이다.
한편, C의 함유량의 감소가 필요 이상으로 큰 경우, 효과에 있어서 어떠한 차이도 만들지 못하고, 어떠한 실용적인 이점도 만들지 못한다. 따라서, 본 소결체용 경질 입자 분말에서 C의 함유량은 0.01질량% 이상일 필요가 있다. 바람직하게는 C의 함유량은 0.5질량% 이상이다.
(2) 0.5≤Si≤4.0질량%:
Si은 규화물의 생성으로 인해 경도를 향상시키기 위한 목적으로 첨가되는 성분 원소이다. Si의 함유량이 지나치게 적은 경우, 경도가 지나치게 열화하고, 경질 입자 분말은 경질 입자로서 기능하지 않는다. 따라서, 본 소결체용 경질 입자 분말에서 Si의 함유량은 0.5질량% 이상일 필요가 있다. 바람직하게는 Si의 함유량은 0.8질량% 이상이다.
한편, Si의 함유량이 과다한 경우, 경도가 지나치게 높아진다. 결과적으로, 경질 입자가 깨지고 경질 입자를 포함하는 소결체로부터 떨어지며, 반대로, 소결체의 마모량은 커진다. 따라서, 본 소결체용 경질 입자 분말에서 Si의 함유량은 4.0질량% 이하일 필요가 있다. 바람직하게는 Si의 함유량은 3.0질량% 이하이다.
(3) 0.1≤Mn≤10.0질량%:
Mn의 함유량이 지나치게 적은 경우, 분말의 표면에 산화물 피막이 쉽게 생성되지 않아, 윤활 특성의 감소를 야기한다. 결과적으로, 내마모성이 열화한다. 따라서, 본 소결체용 경질 입자 분말에서 Mn의 함유량은 0.1질량% 이상일 필요가 있다. 바람직하게는 Mn의 함유량은 0.2질량% 이상이고, 보다 바람직하게는 4.0질량% 이상이다.
한편, Mn의 함유량이 과다한 경우, 분말 산화량의 증가 때문에 소결 특성이 열화한다. 본 소결체용 경질 입자 분말에서 Mn의 함유량은 10.0질량% 이하일 필요가 있다. 바람직하게는 Mn의 함유량은 7.0질량% 이하이다.
(4) 0.1≤Ni≤35.0질량%:
Ni의 함유량이 지나치게 적은 경우, 내열성의 저하 때문에 내마모성이 열화한다. 따라서, 본 소결체용 경질 입자 분말에서 Ni의 함유량은 0.1질량% 이상일 필요가 있다. 바람직하게는 Ni의 함유량은 0.3질량% 이상이고, 보다 바람직하게는 9.0질량% 이상이다.
한편, Ni의 함유량이 과다한 경우, 내열성의 저하 때문에 내마모성이 열화한다. 따라서, 본 소결체용 경질 입자 분말에서 Ni의 함유량은 35.0질량% 이하일 필요가 있다. 바람직하게는 Ni의 함유량은 30.0질량% 이하이다.
(5) 0.1≤Cr≤40.0 질량%:
Cr은 내산화성을 부여하기 위한 목적으로 첨가되는 원소이다. Cr의 함유량이 지나치게 적은 경우, 내산화성의 저하 때문에 내마모성이 열화한다. 따라서, 본 소결체용 경질 입자 분말에서 Cr의 함유량은 0.1질량% 이상일 필요가 있다. 바람직하게는 Cr의 함유량은 3.0질량% 이상이다.
한편, Cr의 함유량이 과다한 경우, 내열성의 저하 때문에 내마모성이 열화한다. 따라서, 본 소결체용 경질 입자 분말에서 Cr의 함유량은 40.0질량% 이하일 필요가 있다. 바람직하게는 Cr의 함유량은 30.0질량% 이하이다.
(6) 5.0≤Mo≤50.0질량%:
Mo은 분말 입자의 경도를 유지하기 위한 목적으로 첨가되는 성분 원소이다. Mo의 함유량이 지나치게 적은 경우, 경질 입자 분말을 포함하는 소결체의 내마모성이 불충분해진다. 따라서, 본 소결체용 경질 입자 분말에서 Mo의 함유량은 5.0질량% 이상일 필요가 있다. 바람직하게는 Mo의 함유량은 14.0질량% 이상이다.
한편, Mo의 함유량이 과다한 경우, 경도가 지나치게 높아진다. 결과적으로, 경질 입자가 깨지고 경질 입자 분말을 포함하는 소결체로부터 떨어지며, 반대로, 소결체의 마모량은 커진다. 따라서, 본 소결체용 경질 입자 분말에서 Mo의 함유량은 50.0질량% 이하일 필요가 있다. 바람직하게는, Mo의 함유량은 40.0질량% 이하이다.
(7) 0.1≤Fe≤30.0질량%:
Fe는 경질 입자 분말의 철 분말로의 확산을 향상시키는 역할을 수행하는 원소이다. Fe의 함유량이 지나치게 적은 경우, 철 분말로의 확산의 저하 때문에, 경질 입자가 깨지고 경질 입자 분말을 포함하는 소결체로부터 떨어진다. 결과적으로, 내마모성이 열화한다. 따라서, 본 소결체용 경질 입자 분말에서 Fe의 함유량은 0.1질량% 이상일 필요가 있다. 바람직하게는 Fe의 함유량은 2.0질량% 이상이다.
한편, Fe의 함유량이 과다한 경우, Co의 함유량이 감소한다. Fe는 내열성과 내마모성의 관점에서 Co보다 떨어지며, 이에 따라, Fe의 함유량이 과다한 경우, 내열성과 내마모성이 현저하게 저하한다. 따라서, 본 소결체용 경질 입자 분말에서 Fe의 함유량은 30.0질량% 이하일 필요가 있다. 바람직하게는 Fe의 함유량은 20.0질량% 이하이다.
(8) 0.01≤REM≤0.5질량%:
"REM"은 Sc, Y 및 란탄족 원소(lanthanoid element)(예를 들어, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu)로 이루어지는 원소의 그룹으로 정의된다. 본 발명의 경질 입자 분말은 상기 란탄족 원소 중 적어도 1종을 함유하고, 바람직한 REM은, 산업적으로 비싸지 않다는 점에서, La, Ce, Nd, Pr, Sm 및 Y의 합금 또는 혼합물과 같은 미슈 메탈(mischmetal)이다. REM은, 분말 특성과 소결 특성을 열화시키지 않고, 경질 입자 분말을 포함하는 소결체의 내마모성을 향상시키기 위해 첨가되는 성분 원소이다. REM의 함유량이 지나치게 적은 경우, REM은 소결체의 내마모성의 향상에 거의 기여하지 않는다. 따라서, 본 소결체용 경질 입자 분말에서 REM의 함유량은 0.01질량% 이상일 필요가 있다. 바람직하게는 REM의 함유량은 0.05질량% 이상이다.
한편, REM의 함유량이 과다한 경우, 분말 산화량의 증가 때문에 소결 특성이 열화하고, 또한, 내마모성도 저하한다. 따라서, 본 소결체용 경질 입자 분말에서 REM의 함유량은 0.5질량% 이하일 필요가 있다. 바람직하게는 REM의 함유량은 0.3질량% 이하이다.
2. 소결체 제조방법
본 발명에 따른 소결체용 경질 입자 분말을 포함하는 소결체는, (a) 본 발명에 따른 소결체용 경질 입자 분말, 순철 분말 및 그래파이트 분말을 혼합하여 혼합된 분말을 얻고, (b) 압분체(compact body)를 제조하기 위해 혼합된 분말을 압분 성형(compacting and molding)하고, (c) 압분체를 소결함으로써 제조될 수 있다.
2.1. 혼합 단계
먼저, 본 발명에 따른 소결체용 경질 입자 분말(이하, 간략히 "경질 입자 분말"이라고도 한다), 순철 분말 및 그래파이트 분말을 함께 혼합한다(혼합 단계). 각각의 성분의 혼합량으로서, 목적에 따라 최적의 혼합량을 바람직하게 선택한다. 또한, 성형성을 향상시키기 위해, 바람직하게 성형 윤활제를 원료에 첨가한다.
경질 입자 분말의 혼합량이 지나치게 적은 경우, 소결체의 내마모성이 저하한다. 따라서, 바람직하게는, 혼합된 분말에서의 경질 입자 분말의 혼합량은 5.0질량% 이상이다. 바람직하게는 경질 입자 분말의 혼합량은 10.0질량% 이상이다.
한편, 경질 입자 분말의 혼합량이 과다한 경우, 소결 특성이 저하한다. 따라서, 바람직하게는 혼합된 분말에서의 경질 입자 분말의 혼합량은 50.0질량% 이하이다. 바람직하게는 경질 입자 분말의 혼합량은 30.0질량% 이하이다.
그래파이트 분말의 혼합량이 너무 적은 경우, 소결체의 내마모성이 저하한다. 따라서, 바람직하게는, 혼합된 분말에서의 그래파이트 분말의 혼합량은 0.5질량% 이상이다. 바람직하게는 그래파이트 분말의 혼합량은 0.8질량% 이상이다.
한편, 그래파이트 분말의 혼합량이 과다한 경우, 소결 특성이 저하한다. 따라서, 바람직하게는, 혼합된 분말에서 그래파이트 분말의 혼합량은 2.0질량% 이하이다. 바람직하게는 그래파이트 분말의 혼합량은 1.5질량% 이하이다.
2.2. 압분 성형 단계
다음, 혼합된 분말을 압분 성형하여, 압분체를 얻는다. 압분 성형 조건은 특별히 한정하지 않으며, 목적에 따라 최적의 조건을 선택할 수 있다. 일반적으로, 성형 압력이 증가할수록, 컴팩트 밀도(compact density)는 더욱 향상된다. 성형 후, 탈지를 위해 대기 중에서 압분체를 연소할 수도 있다.
2.3. 소결 단계
다음, 압분체를 소결한다(소결 단계).
소결 조건으로서, 압분체의 조성에 따라 최적의 조건을 바람직하게 선택한다. 일반적으로, 소결 온도가 증가할수록, 더 조밀한 소결체를, 더 짧은 시간의 열처리로 얻을 수 있다. 한편, 소결 온도가 지나치게 높은 경우, 경질 입자가 철계 매트릭스로 과도하게 확산하거나, 녹는 문제가 있다. 비록 최적의 소결 조건은 압분체의 조성에 따라 달라지나, 일반적으로 소결은, 바람직하게 1,100℃ 내지 1,300℃에서 0.5시간 내지 3시간 실시한다. 또한, 소결은 바람직하게 환원성 분위기(예를 들어, 해리된(resolved) 암모니아 분위기)에서 실시한다.
3. 작용
REM을 포함하는 Co계 경질 입자에서, 성분이 최적화되었을 때, 분말 특성과 소결 특성을 열화시키지 않고, 경질 입자를 포함하는 소결체의 내마모성이 향상될 수 있다. 이는, 적당량의 REM이 경질 입자에 첨가되었을 때, 약 600℃의 저온 범위에서 소결체의 표면 상에 산화물 피막이 형성되고, 이 산화물 피막이 윤활 작용을 나타내기 때문으로 생각된다.
실시예
(발명예 1 내지 30과 비교예 1 내지 44)
1. 시편의 제조
1.1. 경질 입자 분말의 제조
표 1 및 표 2에 나타낸 조성(단위: 질량%)을 얻기 위해 원료를 혼합했다. 원료 혼합물을 녹이고, 분무법(atomization method)을 통해 경질 입자 분말을 얻었다. 상기 제조에서 사용된 REM은 La, Ce, Nd, Pr, Sm 및 Y의 혼합물인 미슈 메탈이었다. 표 1 및 표 2는 또한, 경질 입자 분말을 포함하는 소결체의 소결 밀도와, 후술하는 내마모성 시험을 실시했을 때의 소결체의 마모량을 나타낸다.
Figure pat00001
(표 1 - 계속)
Figure pat00002
Figure pat00003
(표 2 - 계속)
Figure pat00004
1.2. 소결체의 제조
순철 분말(ASC100.29) 69.2질량%, 경질 입자 분말 30질량% 및 그래파이트 분말(CPB) 0.8질량%로 이루어진 혼합물을 준비했다. 혼합물 100 중량부에 Zn-St(성형 윤활제) 0.5 중량부를 더 첨가하여 이를 혼합했다.
다음, 8t/cm2의 성형 압력에서 원료를 압축 성형했다. 얻어진 압분체의 형상을 (a) 35mm의 직경과 14mm의 두께를 갖는 원판 형상 또는 (b) 28mm의 외경, 20mm의 내경 및 4mm의 두께를 갖는 고리 형상으로 설정했다.
다음, 대기 중 400℃에서 1시간 동안 압분체를 탈지했다. 또한, 탈지체를 해리된 암모니아 분위기(N2+3H2) 중 1,160℃에서 1시간 동안 소결하여 소결체를 얻었다.
2. 시험 방법
2.1. 분말 특성
얻어진 경질 입자 분말에 있어서, 분말 특성(입자 크기 분포, 겉보기 밀도, 유동도, 분말 경도 및 산화 개시 온도)를 조사했다. 여기서, 각각 (a) 입자 크기 분포는 일본 공업 규격 JIS Z 2510-2004에 따라 측정했고, (b) 겉보기 밀도는 일본 공업 규격 JIS Z 2504-2012에 따라 측정했고, (c) 유동도는 일본 공업 규격 JIS Z 2502-2012에 따라 측정했고, (d) 분말 경도는 마이크로경도 측정 장비를 이용하여 측정했고, (e) 산화 개시 온도는 열천칭(thermobalance)을 이용하여 측정했다.
2.2. 성형 특성과 소결 특성
제조된 압분체와 소결체에 있어서, 성형 특성과 소결 특성(컴팩트 밀도, 소결 밀도, 화학 성분, 소결체 경도 및 압환 강도(radial crushing strength))를 조사했다.
여기서, 컴팩트 밀도와 소결 밀도는 일본 공업 규격 JIS Z 2508 및 JIS Z 2509-2004에 따라 측정했다. 화학 성분은 적외선 흡수법(infrared absorption method)을 통해 얻었다. 소결체 경도(HRA)는 록웰 경도 시험기를 이용하여 측정했다. 압환 강도는 고리 형상의 소결체와 앰슬러 시험기(Amsler tester)를 이용하여 측정했다.
2.3. 소결체의 내마모성 시험
도 1에 도시한 바와 같이, 싱글 밸브 시트용 마모 시험기(이하, 간략히 "마모 시험기"라고도 한다)를 이용하여 소결체에 있어서 내마모성 시험을 실시했다. 각각의 원판 형상의 소결체들(직경 35mm 및 두께 14mm를 구비)을 밸브 시트 형상으로 가공하고, 개개의 마모 시험편으로 이용했다. 또한, 마모 시험편은 시트 홀더에 압압하여 마모 시험기에 설치했다.
마모 시험기는 표 3에 나타낸 시험 조건 하에서 구동했다. 가열 밸브에 의해 가스 화염으로 마모 시험편을 간접적으로 가열하면서, 크랭크 구동에 의해 입력된 태핑(tapping)에 의해 마모 시험편을 마모했다.
Figure pat00005
형상 측정 장치(shape measurement instrument)를 이용하여 마모 시험 전후의 마모 시험편의 형상을 측정했다. 도 2(도 1에서 화살표 A로 표시한 부분의 확대도)에 도시한 바와 같이, 마모 시험편의 표면에 수직인 방향으로 차이 D를 얻어, 마모 시험편의 마모량으로 이용했다.
3. 결과
3.1. 분말 특성
표 4는 발명예 1 내지 3과 비교예 9 및 10에서 얻은 경질 입자 분말의 분말 특성을 나타낸다. 도 3은 온도와 발명예 2 및 비교예 13에서 얻은 경질 입자 분말의 무게 증가 간의 관계를 나타낸다. 표 4 및 도 3으로부터, 이하의 사실을 발견했다. (1) 발명예 1 내지 3에서의 입자 크기 분포 및 분말 특성은, 비교예 9 및 10에서의 입자 크기 분포 및 분말 특성과 거의 동일했다. (2) 발명예 1 내지 3과 비교예 9 및 10에서의 입자 크기 분포와 관련하여, -100 내지 +145 메쉬(mesh)에서의 입자 크기 분포와, -145에서 +200 메쉬에서의 입자 크기 분포 사이에 작은 차이가 있었다. 따라서, 입자 크기 분포는 분말의 제조 중 변화로부터의 결과라고 생각된다. (3) 발명예 1 내지 3에서의 경도는 비교예 9 및 10의 경도와 거의 동일했다. (4) 산화 개시 온도는 발명예 2에서 비교예 13보다 낮았다. 이는 REM의 첨가 때문에 경질 입자 분말을 산화시키기 쉬워졌기 때문이다.
Figure pat00006
3.2. 성형 특성과 소결 특성
표 5는 발명예 1 내지 3과 비교예 9 및 10에서 얻은 압분체 및 소결체의 특성을 나타낸다. 표 5로부터, 이하의 사실을 발견했다. (1) 발명예 1 내지 3과 비교예 9 및 10에서, 조성은 서로 달랐으나, 거의 동일한 컴팩트 밀도, 소결 밀도 및 소결체 경도를 얻었다. (2) 압환 강도는 발명예 1 내지 3에서 비교예 9 및 10보다 높았다. 압환 강도는 소결체 경도에 기여하며, 이에 따라, 소결체 경도가 더 높을 때, 압환 강도도 높아지는 경향이 있다.
Figure pat00007
3.3. 내마모성 시험
표 1 및 표 2는 각각의 경질 입자 분말의 조성, 경질 입자 분말이 이용된 소결체의 소결 밀도 및 내마모성 시험에서의 소결체의 마모량을 나타낸다. 표 1 및 표 2로부터, 이하의 사실을 발견했다. (1) 발명예 1 내지 30 모두에서, 마모량은 20㎛ 미만이었다. 반면, 비교예 1 내지 44 모두에서, 마모량은 20㎛ 이상이었다. 즉, 마모량은 발명예 1 내지 3에서 비교예 1 내지 44보다 더 작아졌다.
(2) 발명예 1 내지 30과 비교예 13 내지 28을 서로 비교했을 때, 이들 실시예 모두 REM의 존부를 제외하고, 본 발명의 바람직한 성분 범위를 만족했다. 따라서, 발명예 1 내지 30에 따른 성분 조성(REM 제외)에 있어서, REM의 첨가는 소결체(밸브 시트)의 내마모성의 향상에 영향을 준다는 것을 발견했다. (3) 비교예 29 내지 44에서 입증된 바와 같이, REM의 함유량이 지나치게 많은 경우, 소결체(밸브 시트)의 내마모성을 향상시키는 효과는 얻을 수 없다. 이들 사실로부터, REM의 함유량은 0.6질량%를 초과하지 않는 것이 바람직함을 발견했다. 또한, 바람직하게는 REM의 함유량은 0.5질량% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.25질량% 이하임을 발견했다.
(4) 비교예 1에서 마모량이 많았다. 이는 C의 양이 지나치게 많아, 경도가 높아지고 경질 입자 분말이 분쇄되었기 때문인 것으로 생각된다. (5) 비교예 2에서 마모량이 많았다. 이는 Si의 양이 지나치게 많아, 경도가 과도하게 높아지고 경질 입자 분말이 떨어졌기 때문인 것으로 생각된다. (6) 비교예 3에서 마모량이 많았다. 이는 소결체가 Mn을 함유하지 않아, 분말 산화 피막이 형성되지 않고 윤활 특성이 저하했기 때문인 것으로 생각된다. (7) 비교예 4에서 마모량이 많았다. 이는 Mn의 양이 많아, 분말 산화량이 증가하고 소결 특성이 열화했기 때문인 것으로 생각된다. (8) 비교예 5에서 마모량이 많았다. 이는 소결체가 Ni을 함유하지 않아, 내열성이 저하했기 때문인 것으로 생각된다. (9) 비교예 6에서 마모량이 많았다. 이는 Ni의 양이 지나치게 많아, 반대로, 잔부 원소인 Co의 양이 줄어들어, 내열성과 내마모성이 저하했기 때문인 것으로 생각된다.
(10) 비교예 7에서 마모량이 많았다. 이는 소결체가 Cr을 함유하지 않아, 내마모성이 저하했기 때문인 것으로 생각된다. (11) 비교예 8에서 마모량이 많았다. 이는 Cr의 양이 지나치게 많아, 반대로, 잔부 원소인 Co의 양이 감소하여, 내열성과 내마모성이 저하했기 때문인 것으로 생각된다. (12) 비교예 9에서, 마모량이 많았다. 이는 Mo의 양이 지나치게 적어, 경도가 저하하고 내모마성이 저하했기 때문인 것으로 생각된다. (13) 비교예 10에서 마모량이 많았다. 이는 Mo의 양이 지나치게 많아, 경도가 지나치게 높아지고 경질 입자 분말이 떨어졌기 때문인 것으로 생각된다. (14) 비교예 11에서 마모량이 많았다. 이는 소결체가 Fe를 함유하지 않아, 철 분말로의 확산이 저하하고, 경질 입자 분말이 떨어지기 쉬워졌기 때문인 것으로 생각된다. (15) 비교예 12에서 마모량이 많았다. 이는 Fe의 양이 지나치게 많아, 내열성이 저하했기 때문인 것으로 생각된다.
(16) 비교예 13 내지 28에서 마모량이 많았다. 이는 소결체가 REM을 포함하지 않아, 산화가 낮은 온도에서 일어나지 않고, 밸브 표면에서의 윤활 특성이 저하했기 때문인 것으로 생각된다. (17) 비교예 29 내지 44에서 마모량이 많았다. 이는 REM의 양이 지나치게 많아, 분말 산화량이 증가했고, 소결 특성이 저하했기 때문인 것으로 생각된다.
전술한 바에 기초하여, 소정의 성분계로 이루어진 경질 입자 분말에 REM이 첨가된 경우, 분말 특성과 소결 특성을 거의 열화시키지 않으면서, 소결체(밸브 시트)의 내마모성이 향상될 수 있고, 우수한 내마모성을 갖는 소결체가 얻어질 수 있음을 발견했다.
이상, 본 발명의 실시 형태를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변형이나 변경이 가능하다.
본원은 2018년 2월 16일자로 출원된 일본특허출원 제2018-026177호를 기초로 하며, 상기 출원의 전체 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명에 따른 소결체용 경질 입자 분말은, 내마모성을 향상시키기 위한 목적을 위해, 밸브 시트, 밸브 가이드 또는 다른 기계 구조 부품으로 이용되는 다양한 소결체에 포함되는 경질 입자 분말로서 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 0.01≤C≤3.5질량%,
    0.5≤Si≤4.0질량%,
    0.1≤Mn≤10.0질량%,
    0.1≤Ni≤35.0질량%,
    0.1≤Cr≤40.0질량%,
    5.0≤Mo≤50.0질량%,
    0.1≤Fe≤30.0질량%, 및
    0.01≤REM≤0.5질량%,
    잔부는 Co 및 불가피적 불순물
    로 이루어지는 소결체용 경질 입자 분말.
  2. 제1항에 있어서,
    Mn의 함유량은,
    4.0≤Mn≤7.0질량%
    인 소결체용 경질 입자 분말.
  3. 제1항에 있어서,
    Ni의 함유량은,
    0.2≤Ni≤30질량%
    인 소결체용 경질 입자 분말.
  4. 제2항에 있어서,
    Ni의 함유량은,
    0.2≤Ni≤30질량%
    인 소결체용 경질 입자 분말.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    Fe의 함유량은,
    2.0≤Fe≤20질량%
    인 소결체용 경질 입자 분말.
  6. 경질 입자 분말,
    순철 분말, 및
    그래파이트 분말
    을 포함하고,
    상기 경질 입자 분말은,
    0.01≤C≤3.5질량%,
    0.5≤Si≤4.0질량%,
    0.1≤Mn≤10.0질량%,
    0.1≤Ni≤35.0질량%,
    0.1≤Cr≤40.0질량%,
    5.0≤Mo≤50.0질량%,
    0.1≤Fe≤30.0질량%, 및
    0.01≤REM≤0.5질량%,
    잔부는 Co 및 불가피적 불순물로 이루어지는, 소결체.
  7. 제6항에 있어서,
    Mn의 함유량은,
    4.0≤Mn≤7.0질량%
    인 소결체.
  8. 제6항에 있어서,
    Ni의 함유량은,
    0.2≤Ni≤30질량%
    인 소결체.
  9. 제7항에 있어서,
    Ni의 함유량은,
    0.2≤Ni≤30질량%
    인 소결체.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    Fe의 함유량은,
    2.0≤Fe≤20질량%
    인 소결체.
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