KR20190116890A

KR20190116890A - FeMnNiC계 합금 분말을 이용한 페라이트-오스테나이트계 강 분말 야금 방법

Info

Publication number: KR20190116890A
Application number: KR1020180086995A
Authority: KR
Inventors: 이석재; 오승진
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2019-10-15
Also published as: KR102167935B1

Abstract

본 발명은 나노사이즈의 미세결정립을 가지는 FeMnNiC계 합금 분말을 이용하여 제품 제조시 비교적 단순한 공정을 통해 높은 분율의 오스테나이트를 포함하는 FeMnNiC계 합금 분말을 이용한 페라이트-오스테나이트계 강 분말 야금 방법에 관한 것이다. 본 발명은 본 발명은 나노결정사이즈를 가지는 FeMnNiC계 합금 분말을 방전 플라즈마 소결법을 통해 소결시키는 FeMnNiC계 합금 분말을 이용한 페라이트-오스테나이트계 강 분말 야금 방법을 제공한다.

Description

FeMnNiC계 합금 분말을 이용한 페라이트-오스테나이트계 강 분말 야금 방법{Ferrite-Austenitic Steel Powder Metallurgy Method Using Femnnic Alloy Powder}

본 발명은 FeMnNiC계 합금 분말을 이용한 페라이트-오스테나이트계 강 분말 야금 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노사이즈의 FeMnNiC계 합금 분말을 이용하여 제품 제조시 비교적 단순한 공정을 통해 높은 분율의 오스테나이트를 포함하는 FeMnNiC계 합금 분말을 이용한 페라이트-오스테나이트계 강 분말 야금 방법에 관한 것이다.

강(steel)이란 철과 탄소를 기반으로 이루어진 합금을 의미하는 것으로 일반적으로 탄소함량이 0.03~1.7중량%인 철의 합금을 의미한다. 측 탄소성분이 2중량%미만인 철을 강으로 정의할 수 있다. 이러한 강은 탄소의 비율이 2중량%를 초과하는 철(iron)에 비하여 성형성이 우수하지만 강도가 낮아 대부분의 강은 열처리 또는 다른 원소와의 합금을 통하여 인장강도가 높은 강을 제조하고 있다.

이러한 고장력강은 인장강도에 따라 고장력강(HSS)과 초고장력강(AHSS)로 구분될 수 있으며, 최근들어 AHSS의 인장강도를 더욱 개선한 UHSS가 출시되어 사용되고 있다. 상기 고장력강과 초고장력강을 구분하는 기준으로서 일반적으로는 항복강도 550Mpa 및 인장강도 780MPa를 넘는 강을 초고장력강으로 구분하고 있지만 일부 제조업체에서는 인장강도 340MPa이상을 고장력강, 590MPa이상을 초고장력강으로 구분하고 있기도 하다.

이러한 초고장력강은 세계적인 환경규제 및 안전규제가 강화됨에 따라 각 자동차 제조업체에서 경쟁적으로 채용하고 있다. 기존의 강판을 초고장력 강판으로 대체하면 동일한 충돌안정성을 가지면서고 차체를 가볍게 만들 수 있을 뿐만 아니라, 제한된 차체중량의 한계 속에서도 높은 강도를 가지도록 제작할 수 있어 많은 자동차 제조사는 초고장력 강판의 사용을 늘리고 있는 추세이다.

하지만 초고장력강은 강에 다양한 원소를 혼합하여 제조됨과 더불어, 인장강도가 높음에 따라 후가공이 어려워 제조에 많은 비용을 필요로 하므로, 차량 제작시 일반 강판과의 혼합사용을 통하여 제조비용 및 안정성증대를 동시에 만족시키고 있다.

최근 이러한 흐름에 맞도록 3세대 AHSS와 관련된 연구가 진행되고 있으며, 이를 반영한 수요도 증가하고 있다. 하지만 기존의 AHSS는 우수한 기계적 성질과 복합상 조직을 얻기 위하여 제선-제강-연주-압연-임계간 열처리 등의 공정을 거쳐 제작하고 있어 제조비용이 기존의 연강에 비하여 높다는 단점을 가지고 있다.

철계 분말 합금은 우수한 치수 정밀도와 높은 생산 효율, 우수한 기계적 성질을 갖는 소재로 기계 부품이나 자동차 부품 분야에 활용되고 있다. 자동차 엔진과 변속기의 컨트롤 기어, 시프트 기어 등 구조용 부품 제작에 사용되고 있다. 현재 중형 세단 기준으로 북미에서는 20kg, 유럽이나 일본에서는 10kg 정도의 철 분말 합금이 사용되고 있으며 국내는 6kg 수준에 그치고 있는 실정이다. 앞으로 자동차 품질 강화를 위해 철 분말 부품 비중을 확대하는 추세이다.

국내의 경우 현대 제철이 2013년 10월 연간 2만 5천톤 규모의 철 분말 공장을 당진 제철서 내 부지에 착공하여 순철 분말을 양산함으로써 철계 분말 합금에 대한 투자를 진행 중에 있다. 또한, 포스코 역시 연간 3만톤 규모의 철 분말 공장을 설립하여 생산에 돌입했다. 이에 따라 대기업 연구소를 비롯해 국내 연구소와 대학에서도 철 분말 소재에 관한 관심이 높아지고 있으며 철계 분말 합금에 대한 기초 연구들이 보고되고 있다.

철계 분말 소재는 2017년 전체 분말 야금 시장의 약 70%의 점유율을 차지할 것으로 예상되었다. P/M 산업 분야 중 약 70%의 점유율을 보이는 자동차 부품의 규모는 2020년 까지 그림과 같이 증가할 것으로 예측이 되며 아시아 지역의 경우 2020년 증가율은 2014년 대비 44.5% 이상 증가할 것으로 예상되었다. 이에 스웨덴, 미국, 일본, 캐나다 등의 해외 주요 기업을 중심으로 철계 및 철합금 분말 제조 기술, 철계 분말 고밀도화 기술에 대한 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

(0001) 대한민국 등록특허 제10-0711357호 (0002) 대한민국 공개특허 제10-2000-0015391호

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 나노사이즈의 미세결정립을 가지는 페라이트-오스테나이트계 FeMnNiC 합금 분말을 이용하여 제품 제조시 오스테나이트의 함량을 높일 수 있는 분말야금 방법을 제공하고자 한다.

상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 나노결정사이즈를 가지는 FeMnNiC계 합금 분말을 방전 플라즈마 소결법을 통해 소결시키는 FeMnNiC계 합금 분말을 이용한 페라이트-오스테나이트계 강 분말 야금 방법을 제공한다.

상기 분말야금 방법은 1~2회의 가열단계 및 1~2회의 냉각단계를 포함할 수 있다.

상기 FeMnNiC계 합금 분말은 철 100중량부 대비 망간(Mn) 2~15중량부, 또는 니켈(Ni) 5~20중량부를 포함할 수 있다.

상기 FeMnNiC계 합금 분말은 질소, 코발트, 또는 구리를 추가로 함유할 수 있다.

본 발명은 또한 상기 방법으로 제조되는 분말야금 제품을 제공한다.

상기 분말야금 제품은 전체 철 함량 중 오스테나이트가 10~90부피%일 수 있다

본 발명에 의한 분말야금 방법은 기존의 야금 방법에 비하여 낮은 합금원소의 첨가로도 오스테나이트 함량 및 안정성을 높일 수 있음과 더불어 오스테나이트의 안정성을 높이기 위한 열처리 공정을 생략 가능함에 따라 저렴한 비용으로 복합상 조직을 가지는 합금 제품의 제조가 가능하다.

도 1은 기존의 AHSS제조방법의 온도변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 분말야금 방법의 온도변화를 나타낸 그래프이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 의한 Mn의 함량에 따른 X-선 회절 분석 시험 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 합금 분말의 결정립 사이즈가 작아짐에 따른 X-선 회절 분석 시험 결과를 나타내고 있다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 의한 Ni의 함량에 따른 X-선 회절 분석 시험 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 Fe-Mn 합금에서의 C의 함량에 따른 X-선 회절 분석 시험 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 Fe-Ni 합금에서의 C의 함량에 따른 X-선 회절 분석 시험 결과를 나타낸 것이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 나노결정사이즈를 가지는 FeMnNiC계 합금 분말을 방전 플라즈마 소결법을 통해 소결시키는 FeMnNiC계 합금 분말을 이용한 페라이트-오스테나이트계 강 분말 야금 방법에 관한 것이다.

C는 강도와 소입성을 확보하기 위한 가장 기본적인 원소로서, 일반적인 강에서 사용하는 것과 같이 철 100중량부 대비 0.03~2중량부를 포함할 수 있다. 0.03중량부 미만으로 포함되는 경우 강도가 규정치 이하로 낮아질 수 있으며, 2중량부를 초과하여 포함되는 경우 경도는 높아지지만 탄성이 떨어져 가공성 및 인장강도가 떨어질 수 있으며 탄화물 형성 이외의 기지조직 내 고용 C에 의해 인성이 열화될 우려가 있다.

Mn은 강도의 증가에 유효한 원소로서, 철 100중량부 대비 2~15중량부를 포함할 수 있다. 2중량부 미만으로 포함되는 경우 강도가 낮아질 수 있으며, 15중량부를 초과하여 포함되는 경우 제조시 황과 반응으로 MnS를 형성하여 인성이 저하될 수 있다.

Ni은 저온인성의 확보를 위해서는 필수적인 합금원소로 저온인성의 확보를 위해 철 100중량부 대비 5~20중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 5중량부 미만으로 포함되는 경우 저온인성이 떨어질 수 있으며, 20중량부를 초과하여 포함되는 경우 고가의 니켈 사용으로 인하여 제조되는 제품의 가격이 높아질 수 있다.

상기 질소(N), 구리(Cu) 및 코발트(Co)은 잔류 오스테나이트 안정화에 기여하는 원소로서, 상술한 C, Mn, Ni 등과 복합 작용하여 오스테나이트의 안정화에 기여한다. 하지만 그 함량이 N 및 Co의 경우 각각 5중량부를 초과하고, Cu의 경우 각각 1중량부를 초과하게 되면 제조원가가 과다하게 증가하는 문제가 있다. 또한, Cu는 열연시 취성을 야기할 수 있으므로, Cu 첨가시 Ni이 함께 첨가되는 것이 보다 바람직하다.

상기 분말야금 방법은 1~2회의 가열단계 및 1~2회의 냉각단계를 포함할 수 있다. 기존의 야금방법은 주조, 단조 공정 이후, 열간-냉간 압연의 가공을 거쳐 추가적인 여러번의 열처리를 통해 제품을 생산하고 있지만(도 1), 본 발명의 분말야금 방법은 1회의 소결단계를 통하여 제품을 생산하므로, 추가적인 열처리를 최소화 할 수 있다(도 2). 다만 본원 발명에 의한 제품에 추가적인 물성이 필요한 경우 최소한의 열처리(1회)를 통하여 물성을 향상시키는 것도 가능하다.

본 발명은 또한 상기 방법으로 제조되는 분말야금 제품을 제공한다. 분말야금 제품은 자동차 및 다양한 기계장치 등의 엔진부, 트랜스미션부, 기어부 등에 쓰이는 기계 부품으로 활용될 수 있다.

상기 분말야금 제품은 전체 철 함량 중 오스테나이트가 10~90부피%일 수 있다.

오스테나이트는 강 또는 주철 미세조직의 한 가지로, 탄소를 고용(固溶)하고 있는 γ철, 즉 γ고용체를 말한다. 결정구조는 면심입방정(面心立方晶)으로, A1변태점(723℃)이상 가열한 때에 얻을 수 있다. 오스테나이트를 냉각할 때, 냉각속도의 차이에 따라서 마르텐사이트, 베이나이트(bainite), 펄라이트(pearlite) 조직으로 변태한다. 그렇게 함으로서 강 또는 주철에 소요 기계적 성질 등의 성질을 부여시킨다. 본 발명의 경우 분말야금 방법을 이용하여 제품을 제조하므로 1회의 소결만으로도 전체 철 함량 중 오스테나이트가 10~90부피%를 차지할 수 있으며, 이에 따라 높은 인장강도를 가질 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

실시예

하기의 표1은 Mn, Ni, C 등의 합금원소를 첨가량과 분말 제조 공정 조건에 따라 소결합금 내의 오스테나이트 부피 분율의 변화를 나타낸 것이다.

합금조성(wt%)	밀링조건(time/PCA)	오스테나이트 분율	X-선 회절 시험 결과
Fe-4%Mn	5hr/0wt%	20%	도3
Fe-7%Mn	5hr/0wt%	48%	도3
Fe-10%Mn	5hr/0wt%	67%	도3
Fe-7%Mn	24hr/0wt%	66%	도4
Fe-7%Mn	24hr/0.5wt%	72%	도4
Fe-7%Mn	24hr/1wt%	81%	도4
Fe-11%Mn	5hr/0wt%	42%	도5
Fe-13%Mn	5hr/0wt%	58%	도5
Fe-15%Mn	5hr/0wt%	80%	도5
Fe-11%Mn	24hr/1wt%	64%	도5
Fe-7%Mn-0.05%C	24hr/1wt%	84%	도6
Fe-7%Mn-0.1%C	24hr/1wt%	86%	도6
Fe-7%Mn-0.2%C	24hr/1wt%	89%	도6
Fe-7%Mn-0.5%C	24hr/1wt%	90%	도7
Fe-11%Ni-0.05%C	24hr/1wt%	70%	도7
Fe-11%Ni-0.1%C	24hr/1wt%	73%	도7
Fe-11%Ni-0.2%C	24hr/1wt%	76%	도7
Fe-11%Ni-0.5%C	24hr/1wt%	90%	도7

오스테나이트 부피 분율은 X-선 회절 분석(X-ray difraction)을 이용하여 분말야금 샘플 내부의 상을 분석할 수 있다. 표 1에 나타난 바와 같이, Mn의 함량이 증가함에 따라 오스테나이트 부피 분율이 높아진다(도 3). 분말 제조시 밀링 시간과 공정제어제 첨가에 따라 분말 결정 크기를 줄일 수 있다. 분말의 결정립 사이즈가 작아짐에 따라 같은 합금원소 함량에도 오스테나이트 부피 분율이 높아진다(도 4). 또한, Ni의 함량이 증가함에 따라 오스테나이트 부피 분율이 높아진다(도 5). C의 첨가에 따라 오스테나이트 안정성이 높아진다. 각각 동일한 양의 Mn, Ni이 첨가된 합금에서 C의 함량이 증가함에 따라 오스테나이트 부피 분율이 높아진다(도 6, 7).

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

나노결정사이즈를 가지는 FeMnNiC계 합금 분말을 방전 플라즈마 소결법을 통해 소결시키는 FeMnNiC계 합금 분말을 이용한 페라이트-오스테나이트계 강 분말 야금 방법.
제1항에 있어서,
상기 분말야금 방법은 1~2회의 가열단계 및 1~2회의 냉각단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말야금 방법.
제1항에 있어서,
상기 FeMnNiC계 합금 분말은 철 100중량부 대비 망간(Mn) 2~15중량부, 또는 니켈(Ni) 5~20중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말야금 방법.
제3항에 있어서,
상기 FeMnNiC계 합금 분말은 질소, 코발트, 또는 구리를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 분발야금 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 분말야금 제품.
제5항에 있어서,
상기 분말야금 제품은 전체 철 함량 중 오스테나이트가 10~90부피%인 것을 특징으로 하는 분말야금 제품.