KR20190128427A - 분말 야금 방법 - Google Patents

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Abstract

분말 야금 방법은 에틸렌 비스스테아마이드(Ethylene Bis Stearmide) 50 내지 80 중량부, 에루카미드(Erucamide) 10 내지 30 중량부, 및 에스터산 10 내지 50 중량부를 150 내지 170 ℃에서 혼합 및 교반하여 액상의 윤활제를 제조하는 단계, 상기 액상의 윤활제를 10 내지 30 ℃로 냉각하여 고상의 윤활제를 제조하는 단계, 상기 고상의 윤활제를 10 내지 75 ㎛의 입자 크기로 분쇄하여 고상의 분말 윤활제를 제조하는 단계, 금속 분말 100 중량부 및 상기 분말 윤활제 0.5 내지 0.8 중량부를 혼합하여 분말 야금 조성물을 제조하는 단계, 및 상기 분말 야금 조성물을 압축 성형하여 성형체를 제조하는 단계를 포함한다.

Description

분말 야금 방법{THE METHOD OF POWDER METALLURGY}
본 발명은 분말 야금 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 적은 분말 윤활제를 첨가하여, 종래와 동일한 취출 에너지를 가지면서도, 밀도가 상승한 성형체를 제조할 수 있는 분말 야금 방법에 관한 것이다.
엔진의 고출력화에 따라 운송 수단의 엔진 및 변속기 부품은 더 높은 기계적물성을 요구하고 있다. 이러한 기계적 물성을 상승시키기 위한 방법으로 여러 성형 기술이 개발되어 있으나, 부품의 제조원가 상승 및 고압력 성형 시 금형의 파손 등으로 인하여 성형 기술이 제한적으로 적용되고 있다. 많은 고밀도 성형 기술 중 기존 일반 성형과 유사한 압력(400 내지 700 MPa)에서 높은 밀도를 확보할 수 있는 방법으로서 윤활제의 첨가량을 감소시키는 방법이 있다.
분말 야금의 분야에서는 성형 압축과정에서 금속기재 분말 입자 간의 내부 마찰을 줄이고, 분말 야금이 균일하게 압축되도록 하고, 그리고 다이의 손상을 최소화하기 위한 목적으로 윤활제를 사용하고 있다. 그러나 윤활제 가 포함된 금속 기재 분말을 압출 성형하게 되면, 윤활제가 금속 기재 분말 입자 사이에 잔류함으로써 고밀도 성형체를 얻을 수 없다. 하지만 금속 기재 분말에 첨가되는 윤활체의 첨가량을 낮추면 압분체와 금형 벽면의 마찰 저항이 증가하여, 압분체를 금형으로부터 빼낼 때의 탈형력이 상승하여, 형마모 등의 금형 손상의 문제가 발생한다. 또한, 압축 성형에 수반하는 금속 기재 분말 입자의 재배열 시에 분말 입자 사이의 윤활성도 저하 되어, 압분체의 밀도 향상에 한계가 발생한다. 고밀도 성형용 윤활제로서는 에틸렌 비스스테아라미드 (Ethylene Bis Stearamide; EBS)가 포함되는 아미드계 왁스(Wax)가 일반적으로 사용되고 있다.
윤활제를 금속 기재 분말에 혼합하는 방법으로는 단순히 혼합하는 기계적 혼합 방법과 윤활제 기초 재료인 단량체를 중합하는 중합 방법이 있다. 기계적 혼합 방법은 윤활제 기초 재료를 25 μm 이하 크기로 파쇄한 후에, 혼합기에 금속 기재 분말과 윤활제 기초 재료를 투입하여 혼합하는 과정으로 이루어져 그 공정이 비교적 단순하다는 장점이 있다. 반면, 취출 에너지가 높아 윤활제의 첨가량을 감소시킬 수 없으며 성형체의 표면 조도(surface roughness)를 낮게 확보하는 데 있어 불리하다는 단점이 있다.
중합 반응을 통한 윤활제의 제조 방법은 윤활제 기초 재료들의 분자간 화학적 결합을 유도하기 때문에 균질성 및 낮은 취출 에너지를 확보할 수 있는 장점이 있는 반면에, 공정이 복잡하여 공정 비용이 크게 상승하는 단점이 있다.
한국공개특허공보 10-2007-0046958호 한국공개특허공보 10-2007-0132455호
본 발명의 목적은 적은 분말 윤활제를 첨가하여, 종래와 동일한 취출 에너지를 가지면서도, 밀도가 상승한 성형체를 제조할 수 있는 분말 야금 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분말 야금 방법은 에틸렌 비스스테아마이드(Ethylene Bis Stearmide) 50 내지 80 중량부, 에루카미드(Erucamide) 10 내지 30 중량부, 및 에스터산 10 내지 50 중량부를 150 내지 170 ℃에서 혼합 및 교반하여 액상의 윤활제를 제조하는 단계, 상기 액상의 윤활제를 10 내지 30 ℃로 냉각하여 고상의 윤활제를 제조하는 단계, 상기 고상의 윤활제를 10 내지 75 ㎛의 입자 크기로 분쇄하여 고상의 분말 윤활제를 제조하는 단계, 금속 분말 100 중량부 및 상기 분말 윤활제 0.5 내지 0.8 중량부를 혼합하여 분말 야금 조성물을 제조하는 단계, 및 상기 분말 야금 조성물을 압축 성형하여 성형체를 제조하는 단계를 포함한다.
상기 에스터산은 몬탄 왁스(Montan Wax), 글리세롤 모노스테아레이트(Glycerol Mono-stearate), 글리세롤 모노올레이트(Glycerol monooleate) 및 다이스테아릴 프탈라이트(Distearyl Phthalate) 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 액상의 윤활제를 제조하는 단계는 10 내지 30분 동안 수행되는 것일 수 있다.
상기 성형체를 제조하는 단계는 500 내지 700 MPa에서 압축 수행되는 것일 수 있다.
상기 성형체를 제조하는 단계는 취출력 800 내지 1,100 kgf을 가하여, 상기 성형체를 금형으로부터 취출하는 것일 수 있다.
상기 성형체를 제조하는 단계는 7.2 내지 7.3g/㎤의 밀도를 갖는 성형체를 제조하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분말 야금 방법에 의하면, 적은 분말 윤활제를 첨가하여, 종래와 동일한 취출 에너지를 가지면서도, 밀도가 상승한 성형체를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 야금 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2a, 도 2b, 도 2c, 도 2d, 도 2e, 도 2f, 도 2g, 및 도 2h 각각은 실시예 1 내지 실시예 8 각각의 취출력을 측정한 그래프이다.
도 3a는 비교예1 및 상기 비교예1에서 에틸렌 비스스테아마이드와 에루카미드의 조성을 변경한 것의 취출력을 측정한 그래프이다. 구체적으로 비교예1은 도 3a의 #4이고, #3은 상기 비교예1에서 에틸렌 비스스테아마이드와 에루카미드의 조성을 60:40으로 변경한 것, #2는 55:45로 변경한 것, #1은 50:50으로 변경한 것이다.
도 3b는 비교예2의 취출력을 측정한 그래프이다. 상기 비교예2를 #1, #2, #3 세 번에 걸쳐 테스트한 결과를 도시하였다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 야금 방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 야금 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 야금 방법은 에틸렌 비스스테아마이드(Ethylene Bis Stearmide) 50 내지 80 중량부, 에루카미드(Erucamide) 10 내지 30 중량부, 및 에스터산 10 내지 50 중량부를 150 내지 170 ℃에서 혼합 및 교반하여 액상의 윤활제를 제조하는 단계(S100), 윤활제를 10 내지 30 ℃로 냉각하여 고상의 윤활제를 제조하는 단계(S200), 고상의 윤활제를 10 내지 75 ㎛의 입자 크기로 분쇄하여 고상의 분말 윤활제를 제조하는 단계(S300), 금속 분말 100 중량부 및 분말 윤활제 0.5 내지 0.8 중량부를 혼합하여 분말 야금 조성물을 제조하는 단계(S400), 및 분말 야금 조성물을 압축 성형하여 성형체를 제조하는 단계(S500)를 포함한다.
에틸렌 비스스테아마이드(Ethylene Bis Stearmide) 50 내지 80 중량부, 에루카미드(Erucamide) 10 내지 30 중량부, 및 에스터산 10 내지 50 중량부를 150 내지 170 ℃에서 혼합 및 교반하여 액상의 윤활제를 제조한다(S100).
액상의 윤활제를 기준으로, 에틸렌 비스스테아마이드(Ethylene Bis Stearmide) 50 내지 80 중량부, 에루카미드(Erucamide) 10 내지 30 중량부, 및 에스터산 10 내지 50 중량부 혼합할 수 있다. 상기 범위에서 제조된 액상의 윤활제로 분말 윤활제를 형성할 때, 금속 분말과의 혼합시 첨가되는 분말 윤활제의 양을 최소화하면서도, 고밀도를 확보하고 취출 에너지를 낮출 수 있다.
에스터산은 몬탄 왁스(Montan Wax), 글리세롤 모노스테아레이트(Glycerol Mono-stearate), 글리세롤 모노올레이트(Glycerol monooleate) 및 다이스테아릴 프탈라이트(Distearyl Phthalate) 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
액상의 윤활제를 제조하는 단계(S100)는 예를 들어, 챔버에 에틸렌 비스스테아마이드, 에루카미드, 및 에스터산을 제공하고, 챔버를 가열하여 수행되는 것일 수 있다.
액상의 윤활제를 제조하는 단계(S100)가 150 ℃ 미만에서 수행되면, 에틸렌 비스스테아마이드와 에루카미드의 고른 분산이 이루어지지 않아 취출 에너지를 낮추는데 한계가 있고, 표면 조도 (Ra)가 높은 성형체가 제조될 수 있다. 액상의 윤활제를 제조하는 단계(S100)가170 ℃ 초과에서 수행되면, 융점이 낮은 에루카마이드의 산화 현상이 발생하고, 에루카미드의 변색 및 점도가 상승하여 파쇄시 불리할 수 있다.
윤활제를 제조하는 단계(S100)는 10 내지 30분 동안 수행되는 것일 수 있다. 윤활제를 제조하는 단계(S100)가 10분 미만시 여러 성분이 충분히 용융 및 중합시간이 부족하고, 30분을 초과시 융점이 낮은 물질이 먼저 휘발하는 현상이 발생할 수 있다.
액상의 윤활제를 10 내지 30 ℃로 냉각하여 고상의 윤활제를 제조한다(S200). 액상의 윤활제를 냉각하여 고상의 윤활제를 제조하는 단계(S200)에서, 액상의 윤활제를 냉각시켜, 예를 들어, 케이크 형태의 고상의 윤활제를 형성할 수 있다. 윤활제를 냉각하여 고상의 윤활제를 제조하는 단계(S200)가 30 ℃ 초과에서 수행되면 냉각 시간이 과다 소요될 수 있다.
고상의 윤활제를 10 내지 75 ㎛의 입자 크기로 분쇄하여 고상의 분말 윤활제를 제조한다(S300). 고상의 분말 윤활제의 입자 크기가 10 ㎛ 미만이거나, 75 ㎛ 초과이면, 금속 분말과 혼합할 때, 균일하게 혼합되지 않을 수 있다.
금속 분말 100 중량부 및 분말 윤활제 0.5 내지 0.8 중량부를 혼합하여 분말 야금 조성물을 제조한다(S400). 분말 윤활제는 성형체를 제조할 때 금속 분말과 금형 사이, 금속 분말 및 금속 분말 사이에 윤활성을 부여할 수 있다. 분말 윤활제 0.5 중량부 미만이면, 성형체의 취출력이 떨어질 수 있고, 분말 윤활제 0.8 중량부 초과이면, 성형체의 밀도가 떨어질 수 있다.
분말 야금 조성물을 압축 성형하여 성형체를 제조한다(S500). 성형제를 제조하는 단계(S500)는 500 내지 700 MPa에서 압축 수행되는 것일 수 있다. 500 MPa 미만에서 수행되면, 성형체가 충분히 압축되지 않을 수 있고, 700 MPa 초과에서 수행되면, 성형체에 미세한 크랙이 발생하여 내구성에 문제가 생길 수 있다.
성형체를 제조하는 단계(S500)는 취출력800 내지 1,100 kgf 을 가하여, 상기 성형체를 금형으로부터 취출하는 것일 수 있다. 상기 취출력 범위를 벗어나면 800이하시 윤활제 과다로 성형체 밀도가 낮아질 가능성이 있고, 1,100이상시 금형 내벽이 손상될 가능성이 있다.
성형체를 제조하는 단계(S500)는 7.2 내지 7.3g/㎤의 밀도를 갖는 성형체를 제조하는 것일 수 있다. 7.2 g/㎤ 미만시 밀도가 낮으므로 성형체 내구성이 떨어지고 7.3 g/㎤ 이상시 과다한 압력으로 금형과의 마찰력이 증대되므로 취출력 저하가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분말 야금 방법은 적은 분말 윤활제를 첨가하여, 종래와 동일한 취출 에너지를 가지면서도, 밀도가 상승한 성형체를 제조할 수 있다. 보다 구체적으로, 종래의 기계적 혼합 방법 및 중합 방법으로 제조한 분말 윤활제를 첨가하여 제조한 성형체와 비교할 때, 약 0.15g/㎤의 밀도를 상승하는 효과를 확보할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
에틸렌 비스스테아마이드, 에루카미드, 에스터산을 하기 표 1에 표시된 중량부 비율로 혼합하여, 160 ℃에서 20분 동안 교반하여 액상의 윤활제를 제조하였다. 액상 윤활제를 20 ℃로 냉각하여 케이크 형태의 고상의 윤활제를 제조하였다. 10 내지 75 ㎛의 입자 크기로 분쇄하여 고상의 분말 윤활제를 제조하였다.
금속 분말로, HSPP (현대제철 순철분말)를 준비하였다. 금속 분말 100 중량부 및 고상의 분말 윤활제 0.8 중량부를 혼합하여, 분말 야금 조성물을 제조하였다. 분말 야금 조성물을 다이에 넣고 500 MPa 성형 압력을 가하여 성형체를 제조하였다.
실시예 2
고상의 분말 윤활제를 0.5 중량부 혼합하여 분말 야금 조성물을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 3
하기 표 1에 표시된 중량부 비율로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 4
고상의 분말 윤활제를 0.5 중량부 혼합하여 분말 야금 조성물을 제조한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 실시하였다.
실시예 5
하기 표 1에 표시된 중량부 비율로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 6
고상의 분말 윤활제를 0.5 중량부 혼합하여 분말 야금 조성물을 제조한 것을 제외하고는 실시예 5과 동일하게 실시하였다.
실시예 7
하기 표 1에 표시된 중량부 비율로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 8
고상의 분말 윤활제를 0.5 중량부 혼합하여 분말 야금 조성물을 제조한 것을 제외하고는 실시예 7과 동일하게 실시하였다.
비교예 1
에틸렌 비스스테아마이드, 및 에루카미드를 준비하였다. 하기 표 1에 표시된 중량부 비율로 혼합하여, 160 ℃에서 20분 동안 교반하여 액상의 윤활제를 제조하였다. 액상 윤활제를 20 ℃로 냉각하여 케이크 형태의 고상의 윤활제를 제조하였다. 10 내지 75 ㎛의 입자 크기로 분쇄하여 고상의 분말 윤활제를 제조하였다.
금속 분말로, HSPP (현대제철 순철분말)를 준비하였다. 금속 분말 100 중량부 및 고상의 분말 윤활제 0.8 중량부를 혼합하여, 분말 야금 조성물을 제조하였다. 분말 야금 조성물을 다이에 넣고 500 MPa 성형 압력을 가하여 성형체를 제조하였다.
비교예 2
액상 윤활제를 제조할 때, 종래의 중합 방법을 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실시하였다.
구분 윤활제 윤활제 제조 방법
구성 (중량부) 첨가량 (중량부)
실시예1 EBS : 에루카미드 : 에스터산
(60:10:30)		 0.8 160 ℃
실시예 2 0.5
실시예 3 EBS : 에루카미드 : 에스터산
(50:10:40)		 0.8 160 ℃
실시예 4 0.5
실시예 5 EBS : 에루카미드 : 에스터산
(70:10:20)		 0.8 160 ℃
실시예 6 0.5
실시예 7 EBS : 에루카미드 : 에스터산
(80:10:10)		 0.8 160 ℃
실시예 8 0.5
비교예 1 EBS : 에루카미드
(70:30)		 0.8 160 ℃
비교예 2 0.8 중합
물성 측정
MPIF Standard 45에 근거하여 취출력을 측정하여 하기 표 2에 나타내어다. 실시예 1 내지 실시예 8 각각의 취출력을 측정한 그래프를 도 2a, 도 2b, 도 2c, 도 2d, 도 2e, 도 2f, 도 2g, 및 도 2h 각각에 나타내었다. 또한 비교예 1 및 비교예 2 각각의 취출력을 측정하여, 도 3a, 및 도 3b 각각에 나타내었다. 또한, 성형체의 밀도를 측정하여 표 2이 나타내었다.
구분 취출력(Kgf) 성형체 밀도(g/cm3)
실시예1 850~900 7.20
실시예2 1,000~1,100 7.22
실시예3 800~950 7.25
실시예4 950~1,050 7.30
실시예5 900~1,100 7.20
실시예6 950~1,300 7.23
실시예7 1,100~1,300 7.22
실시예8 1,600~2,000 7.24
비교예1 1,100~1,400 7.12
비교예2 1,500 7.10
물성 평가
상기 표2를 참조하면, 실시예1은 비교예1 및 비교예2과 비교하여 밀도가 유사하지만 상대적으로 취출력이 낮음을 알 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (6)

  1. 에틸렌 비스스테아마이드(Ethylene Bis Stearmide) 50 내지 80 중량부, 에루카미드(Erucamide) 10 내지 30 중량부, 및 에스터산 10 내지 50 중량부를 150 내지 170 ℃에서 혼합 및 교반하여 액상의 윤활제를 제조하는 단계;
    상기 액상의 윤활제를 10 내지 30 ℃로 냉각하여 고상의 윤활제를 제조하는 단계;
    상기 고상의 윤활제를 10 내지 75 ㎛의 입자 크기로 분쇄하여 고상의 분말 윤활제를 제조하는 단계;
    금속 분말 100 중량부 및 상기 분말 윤활제 0.5 내지 0.8 중량부를 혼합하여 분말 야금 조성물을 제조하는 단계; 및
    상기 분말 야금 조성물을 압축 성형하여 성형체를 제조하는 단계;를 포함하는 분말 야금 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에스터산은
    몬탄 왁스(Montan Wax), 글리세롤 모노스테아레이트(Glycerol Mono-stearate), 글리세롤 모노올레이트(Glycerol monooleate) 및 다이스테아릴 프탈라이트(Distearyl Phthalate) 중 적어도 하나를 포함하는 분말 야금 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액상의 윤활제를 제조하는 단계는
    10 내지 30분 동안 수행되는 것인 분말 야금 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 성형체를 제조하는 단계는
    500 내지 700 MPa에서 압축 수행되는 것인 분말 야금 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 성형체를 제조하는 단계는
    취출력 800 내지 1,100 kgf을 가하여, 상기 성형체를 금형으로부터 취출하는 것인 분말 야금 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 성형체를 제조하는 단계는
    7.2 내지 7.3g/㎤의 밀도를 갖는 성형체를 제조하는 것인 분말 야금 방법.
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