KR20200076085A - 소결 공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금 및 이의 제조방법 - Google Patents

소결 공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소결공정이 단축된 산화물 분산강화용 철계 소결합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 한 번의 가압 공정과 소결 공정으로 소결 공정을 단축시키면서도 자동차와 같은 내연기관의 밸브 시트의 고온 내마모성을 만족시킬 수 있는 소결공정이 단축된 산화물 분산강화용 철계 소결합금에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소결 공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금 조성물은, 분산강화용 철계 소결합금 조성물에 있어서, Fe-Cr계 분산강화용 합금분말 10∼40wt%, 고체윤활제 1∼5wt%, 잔부 철계 합금분말로 이루어진 것일 수 있다.

Description

소결 공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금 및 이의 제조방법 {IRON BASED SINTERED ALLOY FOR DISPERSION WITH STRENGTHENING MATERIALS WITH SHORTENED SINTERING PROCESS AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 자동차 엔진 부품을 제조하기 위한 소결 공정이 단축된 분산 강화용 철계 소결합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
밸브시트는 자동차 엔진의 실린더 헤드에 압입, 가공되어 흡, 배기 밸브의 개폐시 밸브와 밀착됨으로써 연소실 내의 기밀 유지와 밸브면의 방열을 조장하는 매우 중요한 부품이다. 특히 배기측 밸브시트는 연료의 폭발행정 시, 발생되는 고온의 연소가스에 노출되어 밸브의 개폐작용에 따른 충격하중과 높은 열부하를 받게 되며, 밸브의 개폐작용에 따른 충격과 밸브의 불규칙한 회전에 의한 미끄럼 작용도 받기 때문에 탁월한 내마모성과 내열성, 내충격성 등이 요구되고 있다.
분말을 소결한 밸브시트의 열적, 기계적 성질에 영향을 미치는 인자로는, 원료 분말의 종류와 첨가량, 성형방법과 밀도, 열처리 방법 등 여러가지 변수가 있다. 이와 같이 많은 변수들 중에서 가장 큰 영향을 미치는 인자로는 원료분말의 종류와 혼합되는 분말의 첨가량이다. 원료분말은 기지 조직을 이루는 분말과 열적 및 기계적 성질을 향상시키기 위하여 첨가되는 경질 입자로 구분할 수 있다.
현재 밸브시트의 제조에는 기본 철계 분말 이외에 Fe-Mo, Cr-W-Co, Co-Mo-Cr과 같은 경질입자가 첨가되고 있다. 첨가된 경질입자는 분산 강화 효과에 의하여 재료의 특성을 향상시킬 뿐만 아니라, 기지조직으로 확산되어 기지 조직을 강화시키는 효과도 있다.
본 출원인은 내연기관 내 가혹한 환경 하에서 마찰마모, 고온강도, 및 내열성을 가지는 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금에 대하여 연구한 결과, 철계 소결합금을 이용한 밸브시트는 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 등의 성분을 함유하고 있고, 단순히 이러한 성분으로 이루어지는 철계 소결합금을 이용한 밸브시트는, 고온에서의 내마모성이 저하되는 문제가 있음을 발견함에 따라, 이를 개선하기 위하여 발명을 계속하게 되었다.
한국 공개특허 제2014-0006520호(경사 구조면을 가지는 밸브시트용 구리합금 소재 및 밸브시트의 제조방법)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 새로운 조성으로 이루어지는 분산강화용(dispersion strengthening) 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 소결 공정이 단축되고, 고온 내마모성이 향상된 분산강화용 철계 소결합금의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 소결 공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금 조성물은, 분산강화용 철계 소결합금 조성물에 있어서, Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말 10~40wt%, 고체윤활제 1~5wt%, 잔부 철계 합금분말로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 철계 합금분말은 C; 1~2wt%, Cr: 0.1~2.0wt%, Mo: 0.2~4wt%와 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고체윤활제는 MnS,와 CaF2로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말은 Cr: 10~20wt%, W: 1~5wt%, Ti: 0.1~0.5wt%, Y 0.3~1.5wt%와 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 분산강화용 철계 소결합금에는 Y-Ti-O 복합산화물이 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 분산강화용 철계 소결합금분말의 압환강도는 400 내지 500 MPa일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소결공정이 단축된 분산 강화용 철계 소결합금의 제조방법에 있어서, 분산강화용 합금분말 10~40wt%, 고체윤활제 1~5wt%, 잔부 철계 합금분말로 이루어진 분산강화용 철계 소결합금 조성물을 15~30rpm, 30-90분 동안 배합 및 혼합하는 단계;와, 상기 혼합된 분말을 성형하는 단계;와, 성형된 분말을 1000~1300℃에서 30분~120분간 소결하는 단계;와 상기 소결된 조성물을 가공하는 단계로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 철계 합금분말은 C: 1~2wt%, Cr: 0.1~2.0wt%, Mo: 0.2~4wt%와 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고체윤활제는 MnS와 CaF2로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말은 Cr: 10~20wt%, W: 1~5wt%, Ti: 0.1~0.5wt%, Y: 0.3~1.5wt%와 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상기 배합된 분말을 성형하는 단계에서 성형압력은 7~9ton/㎠인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 소결공정이 단축된 산화물 분산 강화용 철계 소결합금 분말은 소결 공정 중에 Y-Ti-Oxide로 이루어지는 복합 산화물이 형성되어 고온 내마모성이 향상될 수 있고, 밸브 시트에서 요구되는 압환 강도 향상과 밸브 침하량 및 밸브시트 마모량 등을 감속시켜 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소결공정이 단축된 산화물 분산 강화용 철계 소결 합금의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산강화용 합금분말이 밸브시트형성된 단면을 도시한 모식도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소결공정이 단축된 철계 소결합금의 조직을 도시한 광학 현미경 사진이다.
도 4, 5는 각각 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2, 비교예로 측정된 데이터로서 압환강도와 밸브시트 마모량을 보여주는 그래프이다.
도 6은 소결공정이 단축된 분산강화용 철제 합금의 산화물에 대해 투과 전자현미경으로 관찰한 것을 보여주는 사진이다.
이하 본 발명에 관하여 상세히 설명하도록 한다. 다음에 소개되는 실시예 및 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명의 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원인은 철계 합금분말로 이루어지는 기지 상인 철계 합금 분말 내에 분산강화용 합금분말로 이루어지는 입자를 혼합하여 분산시킴으로써, 고가의 금속이 과량 사용되는 것을 방지하며, 또한 상기 기지에 소정 함량의 분산강화용 합금분말이 첨가되는 경우, 오히려 내열성 및 고온 내마모성이 더 향상되는 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결 합금의 제조방법을 개발하였다.
우선 본 발명에 일 실시예에 따른 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 1을 참조로 하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소결 공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금의 제조방법은, 분산강화용 합금분말 10~40wt%, 고체윤활제 1~5wt%, 잔부 철계 합금분말을 배합한 후, 15~30rpm으로 30-90분 동안 혼합하는 단계(S10)와, 상기 혼합된 분말을 프레스를 이용하여 성형하는 단계(S20)와, 성형된 그린 컴팩트를 1000~1300℃에서 30분~120분간 소결하는 단계(S30)와, 소결된 소결체를 부품에 맞도록 가공하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
이러한 각 단계를 간략하게 기재하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소결 공정이 단축된 철계 소결 합금의 제조방법은 배합 및 혼합단계(S10), 가압 성형 단계(S20), 소결 단계(S30), 및 가공 단계(S40)를 포함하여 이루어진다.
상기 배합 단계(S10)는 밸브 시트(Valve seat)의 원재료인 철계 합금분말과 분산강화용 합금분말을 일정비율로 칭량한 후 배합하고 배합된 분말들을 혼합기를 이용하여 혼합하는 단계를 의미한다. 이때, 상기 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말의 조성은 크롬(Cr) 10-20wt%, 텅스텐(W) 1-5wt%, 티타늄(Ti) 0.1-0.5wt%, 이트륨(Y) 0.3-1.5wt% 및 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하여 이루어지는 것일 수 있다.
또한 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말과 혼합되는 철계 합금분말은 탄소 1 내지 2.0 wt%, 크롬 0.1 내지 2.0 wt%, 몰리브덴 0.2 내지 4 wt%, 잔부 철 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다. 이와 같은 조성을 가지는 철계 소결 합금은 내연기관 내부의 가혹한 환경 하에서 발생하는 표면 피로 마모, 부식 마모 등에 대하여 저항성을 가질 수 있다.
이와 같은 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말과 철계합금분말을 혼합하여 제조된 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결 합금은 합금분말들 간의 밀착성을 향상시킬 수 있고, 또한 최종 제조된 분산강화용 철계 소결 합금의 내마모성을 증대시킬 수 있다.
상기 배합 및 혼합 단계(S10) 이후에 가압 성형 단계(S20)를 수행하게 되는데, 상기 가압 성형 단계(S20)는 상기 배합 단계(S10)에서 일정비율로 혼합된 합금분말을 금형에 충진하고 소정의 압력으로 가압하여 성형체(그린 컴팩트)를 제조하는 단계를 의미한다.
이때, 가압하는 압력은 5 내지 10 ton/cm2일 수 있고, 바람직하게는 7 내지 9 ton/cm2일 수 있다. 상기 압력 범위는 본 발명의 밸브시트가 일정한 물리적 특성을 가질 수 있는 적절한 압력범위인 것이다.
가압방법의 구체적인 예로는 기계적인 프레스, 유압 프레스 등의 프레스 성형에 의해 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 가압단계(S20)에서 성형된 성형체를 소결하는 소결 단계(S30)를 수행한다. 소결 온도는 1000 내지 1300℃ 일 수 있으며, 바람직하게는 1100 내지 1200℃ 일 수 있다. 또한, 상기 소결로에서 소결 시, 유지시간은 30 내지 120분 일 수 있고, 바람직하게는 60 내지 100분 일 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 배합 및 혼합단계(S10), 가압 성형 단계(S20) 및 소결 단계(S30)를 수행함으로써, 본 발명에 따른 소결 공정이 단축된 분산강화용 철계 소결 합금의 물리적 특성을 향상시킬 수 있고, 혼합된 합금분말의 조대화를 방지할 수 있다.
또한, 상기 분산강화용 합금분말의 평균입경(D50)은 10 내지 90 ㎛ 이하가 바람직하며, 더 바람직하게는 25 내지 65 ㎛ 일 수 있다.
상기 분산강화용 합금분말이 상기 평균입경 크기를 만족하는 경우, 상기 분산강화용 합금분말이 기지 조직을 이루는 철계 합금분말과 혼합될 시 발생되는 결합상 응집(binderpool)을 방지할 수 있으며, 입자간 거리에 영향을 받는 분산 강화 효과가 증대될 수 있다. 따라서 분산강화용 합금분말의 평균입경 크기가 10㎛ 이하인 경우에는 입자들 간의 응집이 발생하여 분산에 문제가 발생할 수 있으며, 분산강화용 합금분말의 평균입경 크기가 90㎛ 이상인 경우에는 분말의 크기가 너무 커서 소결이 불안정하게 일어나 결함이 발생하는 원인이 되기도 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결 합금의 제조방법에 있어서, 상기 배합 및 혼합 단계(S10) 시, 철계 합금분말 및 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말에 그 밖의 첨가제, 예컨대 증발성 윤활제, 고체 윤활제, 가공성 증진제(machinability enhancing agent) 등과 혼합될 수 있다. 이때 상기 첨가제의 함량은 1 내지 5wt%일 수 있다.
상기 첨가제는 분말 야금 분야에서 사용되는 통상적인 첨가제일 수 있으며, 예를 들면, 상기 증발성 윤활제로는 왁스, 스테아레이트, 금속 비누(metal soap) 등이 사용될 수 있다. 상기 고체 윤활제로는 MnS, CaF2, MoS2 등에서 적어도 하나 이상 사용될 수 있다. 이때, 상기 고체 윤활제는 1 내지 5 wt%, 바람직하게는 2 내지 4 wt%로 사용될 수 있다. 고체 윤활제는, 고체 윤활 효과를 증대시키기 위한 것으로, 캠의 회전에 의한 밸브가 상, 하 운동으로 분당 수천번의 밸브시트와 밸브가 접촉하고 특히 밸브가 일정 각도로 회전하면서 밸브시트와 접촉이 이루어지는 것으로, 이때 첨가된 고체윤활제가 밸브와 밸브시트 금속간 접촉면에서의 윤활작용을 일으켜 직접적인 접촉을 방지하여 고온에서의 내마모성을 증대시킬 수 있는 것이다. 이러한 고체 윤활제의 첨가량이 1 wt% 미만이면, 고체 윤활제의 첨가에 따른 효과가 미미하고, 5 wt%를 초과하여 첨가되면 고체 윤활제의 과량 첨가로 피로 강도가 낮아지고, 내피팅성이 저하되며, 일부의 경우에는 내부식성이 저하되기도 한다.
본 발명에 따른 내연기관용 철계 소결 합금 조성물은 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말 10~40 wt%, 고체윤활제 1~5 wt%, 잔부 철계 합금분말로 이루어진다. 이러한 합금분말의 첨가량의 상하한에 대하여 살펴보면, 분산강화용 합금분말의 첨가량이 10wt% 미만이면, 목적으로 하는 압환강도 등 내마모성 개선에 대한 효과가 미미하며, 40wt%를 초과하면 압환강도 등 소결합금의 물리적 특성이 점차 나빠지게 되어 목표치 이하로 되는 동시에 경제적으로도 바람직하지 못하다.
상술한 바와 같이, 상기 철계 합금분말은 탄소 1 내지 2.0 wt%, 크롬 0.1 내지 2.0 wt%, 몰리브덴 0.2 내지 4 wt%, 잔부의 철 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있으며, 상기 분산강화용 합금분말은 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말로 크롬(Cr) 10-20wt%, 텅스텐(W) 1-5wt%, 티타늄(Ti) 0.1-0.5wt%, 이트륨(Y) 0.3-1.5wt% 및 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하여 이루어지는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어, 소결 공정이 단축된 분산강화용철계 소결 합금에 적용된 조성물은 소결 공정이 단축된 분산강화용 철계 소결 합금의 제조방법에 이용된 첨가제를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 소결 공정이 단축된 분산강화용 철계 소결 합금 분말로 만들어지는 내연 기관 등에 이용될 수 있는 밸브시트를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 밸브시트는 6.7 내지 7.4 g/cm3,바람직하게는 6.9 내지 7.1 g/cm3의 밀도를 가질 수 있다. 또한, 상기 소결합금재 밸브시트는 400 내지 500 MPa, 더욱 바람직하게는 420 내지 480 MPa의 압환강도를 가질 수 있다.
이하 본 발명에 따른 소결 공정이 단축된 분산강화용 철계 소결 합금에 첨가되는 각 성분의 성분조성 범위 및 그 수치한정 이유에 대하여 설명하기로 한다.
기지상 입자를 형성하는 철계 합금 분말의 각 성분을 보면,
탄소: 1 내지 2.0 wt%;
탄소(C)는 철과 시멘타이트 조직을 형성하여 강도를 증진시키는 동시에, 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 등과 탄화물을 형성하여 내마모성을 향상시키는 원소로 탄소(C)가 상기한 1 wt% 미만이면 탄화물을 형성하는데 있어 탄소의 함량이 적어 그 효과를 얻을 수 없으며, 상기 상한치보다 많으면, 흑연치 정출하기 시작하여 강도를 저해할 수 있다.
크롬(Cr): 0.1 내지 2.0 wt%
크롬(Cr)은 상대부재(밸브)의 기계적 특성에 따라 0.1~2.0 wt%의 범위에서 조정된다. Cr 함유량이 2.0 wt%를 넘으면, Cr 탄화물이 과량으로 존재하여 경도가 과다하게 높아질 수 있으며, Cr 함유량이 0.1 wt% 미만이면, Cr 탄화물의 양이 적어지고 기지의 고용량이 적어져 내마모성이 떨어지는 문제점이 있다.
몰리브덴(Mo): 0.2-4 wt%
몰리브덴은 고용체 경화에 기인하는 고온 크리프 강도를 증가시키고, 탄화물을 안정화시키기 위하여 첨가된다. 또한, 몰리브덴은 고경도 미세입자를 형성하는 역할을 하며, Mo의 양이 0.2 wt% 미만일 경우에는 석출입자의 양이 미약하여 내마모성이 부족한 문제점이 있다. Mo의 함량이 2.0 wt%를 초과하는 경우에는 기지 금속이 취약하게 되고 Mo첨가에 따른 효과가 나타나지 않는 문제점이 있다.
다음은 소결 공정이 단축된 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말의 첨가량에 대하여 살펴보면,
10 내지 40 wt%의 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말은 내연기관용 엔진에서와 같은 가혹한 환경 하에서 소결재가 기지상으로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있으며, 소결시 결정립 성장을 억제하여 강도와 내마모성을 향상시킨다. 이때, 상기 분산강화용 합금분말이 10 wt% 미만이면 도 4 및 도 5에서와 같이 압환강도가 400 MPa 이하로 내마모성 개선에 대한 효과가 종래의 기술에 비해 차이가 없으며, 첨가량이 40 wt%를 초과하면 압환강도가 저하되고 밸브시트의 마모량이 증대되는 것이다.
이에 바람직하게는 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말을 15~30 wt%로 더욱 한정하여 압환강도가 420 MPa 이상이고 밸브시트 마모량도 0.3mm 이하가 되도록 할 수 있다.
위와 같이 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말을 이루고 있는 성분들의 조성범위에 대하여 살펴보면,
첨가 원소 중 Cr 함유량은 10~ 20 wt%로서 Cr 함유량이 10 wt% 미만이면, 산화방지, 내마모성 등의 향상 등의 효과가 충분하지 못한 문제점이 발생할 수 있으며, 20 wt%를 넘으면 그 이상의 첨가량에서는 Cr 첨가에 따른 효과가 미미하다.
Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금 분말의 조성중 텅스텐(W)은 고온강도 및 내마모성에 긍정적인 영향을 주는 원소이다. 다만 상기 텅스텐은 고가이고, 다량 첨가하면, 금속간 화합물의 생성을 촉진할 수 있으므로 상안정성, 기계적 성질 및 내마모성의 측면에서 텅스텐 함량을 1~5 wt%의 범위 내에서 적정량을 첨가하는 것이 바람직하다.
Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말의 조성 중 티타늄(Ti)은 본 발명에 따른 분산강화용 합금분말의 취성을 낮추는 역할을 하며 특히, 이트륨과 소결 후에 복산화물을 형성하여 분산강화 효과를 더욱 증진하는 효과를 발휘하는 원소로서 상기 티타늄은 0.1 내지 0.5 wt%로 첨가되는 것이 바람직하다.
Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말의 조성 중 이트륨(Y)은 합금에서 소결시 대기중의 산소 및 티타늄과 반응함으로써 고온에서 안정한 복산화물을 형성하는 것으로 보여지며, 분산강화 효과를 추가로 향상시키는 것은 물론 내마모성을 높여주는 역할을 한다. 상기 이트륨(Y) 첨가량이 0.3 wt% 이하에서는 첨가량이 적어 고온에서 안정한 복합산화물을 형성하기 어려워 산화물 분산강화 효과가 미미하며 1.5 wt%를 초과하면 과량의 이트륨이 기지로 석출되어 취성을 유발하고, 과량의 이트륨산화물이 형성되어 분산강화에 대한 효과가 미미하다.
이하 본 발명을 뒷받침하기 위하여 하기의 구체적인 실시예를 들어 보다 상세하게 설명하겠으며, 이에 본 발명이 다음 실시예에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1 >
본 실시예 1에서는 밸브시트 제조를 위하여 가스 아토마이제이션으로 제조된 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말과 아래의 철계 소결합금 분말, 고체윤활제를 일정 비율로 배합하였다.
실시예 1에 따른 철계 소결 합금의 조성은 wt%로 하기 표 1에 수록하였으며, 아토마이제이션으로 제조된 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말은 Fe-14Cr-0.3Ti-3W-0.5Y 분말을 아토마이징 공정에 의해 제조하였다. 분산강화용 합금분말을 각각 20 wt%, 40 wt% 칭량하여 배합한 다음 고체윤활제로 Mns와 CaF2를 각각 2.0 wt%, 0.5 wt% 첨가하고, 각각의 칭량된 분말을 배합기에 넣은 후, 20 rpm, 1 시간 동안 혼합되도록 하였다.
상기 혼합된 합금분말을 밸브시트 형상의 금형에 충진하고 7.5 ton/cm2의 압력으로 프레스 성형하였고, 성형된 그린컴팩트를 1150℃에서 90분 동안 소결로에서 소결하였다.
혼합된 철계 기지상 합금의 조성은 아래의 표1과 같으며, 실시예 1-3에서는 Cr과 Mo의 첨가량을 각각 2.0 및 4.0 wt%로 변화시킨 철계 기지상 합금분말을 이용하였다.
밸브시트번호 기지상 조성 고체 윤활제 Atomized
Powder		 제조방법
Fe C Cr Mo 기타 MnS CaF2
1-1 Bal. 1.2 1.0 0.3 2.0 2.0 0.5 20 1P1S
1-2 Bal. 1.2 1.0 0.3 2.0 2.0 0.5 40 1P1S
1-3 Bal. 1.2 2.0 4.0 2.0 2.0 0.5 40 1P1S
상기 소결된 조성물을 가공하여 밸브 시트 형태로 제조하였으며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산강화용 합금분말이 밸브시트(500)에 분산되어 있는 개념적으로 형상을 도시한 모식도이다.
< 실시예 2 >
기계적 합금화법(Mechanical Alloying)으로서 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말인 Fe-14Cr-0.3Ti-3W-0.5Y 분말을 고에너지 볼밀기인 Simoloyer에 넣은 다음 아르곤 분위기에서 8시간 동안 1100rpm으로 볼밀링을 실시하였다. 기계적 합금화법을 거친 분산강화용 합금분말은 형상이 플레이크 등의 각진 형상으로 변할 뿐만 아니라, 볼에 의한 가공경화 및 파쇄 인해 합금분말의 결정립 크기가 작아지고 분말 내부 잔류응력이 증가하여 합금분말의 경도가 최초 220(mHv 0.05)에서 기계적 합금화 후 550(mHv 0.05)으로 2배 이상 증가 하였다. 기계적 합금화법을 거친 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말을 앞의 실시예 1과 동일한 방법으로 배합 및 혼합하고, 프레스기를 이용하여 그린 컴팩트를 만들고 소결로에서 소결하였다.
혼합된 철계 기지상 합금의 조성은 아래의 표 2와 같으며, 실시예 2-3에서는 Cr과 Mo의 첨가량을 각각 2.0 및 4.0wt%로 변화시킨 철계 기지상 합금분말을 이용하였다.
밸브시트
번호		 기지상 조성 고체 윤활제 MAed
Powder		 제조방법
Fe C Cr Mo 기타 MnS CaF2
2-1 Bal. 1.2 1.0 0.3 2.0 2.0 0.5 20 1P1S
2-2 Bal. 1.2 1.0 0.3 2.0 2.0 0.5 40 1P1S
2-3 Bal. 1.2 2.0 4.0 2.0 2.0 0.5 40 1P1S
< 비교예 >
다음은 비교예로서 비교예 3-1은 분산강화용 합금을 첨가하지 않은 것이고 비교예 3-2는 현재 사용되는 분산강화용 합금 42 wt%와 철계 기재합금 분말을 배합하고 혼합한 것이다. 나머지 윤활제 및 혼합시간 프레스 및 소결온도 등의 조건은 앞의 실시예와 동일한 조건으로 하여 소결재를 제조하였다. 앞의 실시예와 비교예에 있어서 "1P1S"는 1회 press(프레스) 및 1회 sintering(소결)을 의미한다.
아래의 표 3은 기지상 철계합금의 성분조성과 분산강화용 합금분말의 배합에 대하여 나타낸 것이다.
밸브시트
번호		 기지상 조성 고체 윤활제 분산강화용
합금분말		 제조방법
Fe C Cr Mo 기타 MnS CaF2
3-1 Bal. 1.2 1.0 0.3 2.0 2.0 0.5 - 1P1S
3-2 Bal. 1.2 1.0 0.3 2.0 2.0 0.5 42 1P1S
아래의 표 4는 현재 사용하고 있는 분산강화용 합금 분말의 조성으로서 Co-Mo-Cr계를 29wt%, Cr-W-Co계를 8wt% 및 Fe-Mo계를 5wt%를 혼합하여 분산강화용 합금분말로 사용하고 있다.
분산강화용
합금분말		 조성
Fe Ni Co Mo Cr W Si Al Ti Y 기타
Co-Mo-Cr계 - - Bal. 28 8.5 - 2.5 - - - 2.0
이하
Cr-W-Co계 Bal. - 10 2.5 40 20.5 1.8 - - - 2.0
이하
Fe-Mo계 Bal. - - 60 - - - - - - 2.0
이하
< 물리적 특성 측정방법 >
1. 밀도 및 압환강도 측정
밀도는 아르키메데스법을 이용하여 측정하였으며, 압환강도(Radial Crushing Strength, RCS)는 JIS Z 2507의 규정에 준거해서 구해진 값으로 하였다. 일 예로서, 압환강도 측정은 밸브시트를 Instron의 ram 축과 시편의 원주방향이 일치하도록 하부 ram 상단에 시편을 고정시킨 후 ram 속도 3 mm/sec로 가압하여 수행하였다. 이때 압환강도 측정은 각각 5회이상 측정하여 최대, 최소치를 제외한 값들의 평균치를 구하였다.
2. 내마모성
상기 밸브시트를 Rig 시험기에서 시험조건을 회전수 1500rpm, 시험온도 400℃, 시간 15hr로 설정한 후 실험을 실행했다. 또, 상대 밸브재는 내열강 SUH35으로 사용하였다. 내마모성은 밸브시트 마모량과 밸브 침하량을 평가했다.
밸브시트
번호		 시험결과 비고
밀도
(g/cm3)		 압환강도
(MPa)		 마모 시험
배기측 마모량
밸브시트 마모량 (mm) 밸브 침하량
(mm)
1-1 6.95 461 0.261 0.043 실시예1-1
1-2 6.91 423 0.317 0.058 실시예1-2
1-3 6.90 422 0.318 0.059 실시예1-3
2-1 6.93 456 0.246 0.050 실시예2-1
2-2 6.89 416 0.311 0.064 실시예2-2
2-3 6.88 414 0.313 0.066 실시예2-3
3-1 6.96 351 0.511 0.103 비교예3-1
3-2 6.93 366 0.467 0.097 비교예3-2
위의 표 5는 본 발명의 실시예 1, 2와 비교예에 따라 측정된 밀도, 압환강도 등의 데이터이며, 도 4, 5는 표5의 데이터를 바탕으로 한 압환강도 및 밸브시트 마모량 각각에 대한 경향을 보여주는 그래프로 가로축은 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말의 wt%이며, 세로축은 각각 압환강도(MPa) 및 밸브시트 마모량(mm)을 도시한 것이다.
상기 표 5에서 보여주듯이 종래의 분산강화용 합금분말을 42 wt% 첨가한 3-2의 경우에는 본 발명의 20 wt% 첨가한 밸브시트인 1-1이나 1-2에 비해 90-100MPa 낮은 값을 나타내고 있으며, 이에 따라 밸브시트의 마모량도 1.5 내지 2배인 것을 알 수 있다. 본 발명의 밸브시트는 도 4에서 보여주고 있듯이 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말이 10 wt% 이상 첨가되면 400MPa 이상을 나타내고 있으며, 20 wt%에서 각각 최대치 461MPa, 456MPa를 보이다가 첨가량이 증가함에 따라 압환강도가 다소 감소하여 40 wt%를 초과하면 410MPa 이하로 낮아지는 것을 알 수 있다.
밸브 침하량에 있어서도 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말이 40 wt% 이상 첨가되면 0.07mm 이상 침하되었으며, 분산강화용 합금이 첨가되지 않은 경우나 현재 사용되고 있는 분산강화용 합금분말로 제조된 밸브시트는 약 0.1mm 정도 침하되어 본 발명이 약 50% 이상 향상된 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 종래의 합금분말로 제조된 밸브시트 보다 압환강도 및 내마모성이 현격하게 우수함에 따라 프레스 및 소결단계를 두 번 이상 반복적으로 수행하였던 종래의 것을 한 번의 단계로 그 특성을 구현할 수 있어 본 발명은 소결공정을 단축시킬 수 있어 생산성을 획기적으로 개선될 수 있다.
이와 같이 물리적 특성이 우수하게 되는 원인을 분석하기 위해 투과 전자 현미경 분석을 하였다.
도 6은 투과 전자현미경으로 소결된 후 소결공정이 단축된 분산강화용 철제 합금을 관찰한 것을 보여주는 사진이다.
도 6에서 투과 전자 현미경 사진과 이러한 투과 전자현미경 사진에서 상부의 점선 원에 도시된 바와 같이 산화물(oxide)의 존재를 확인하였고, 라인 스캐닝(line scanning)의 방법으로 산화물을 구성하는 성분에 대한 확인을 수행하였다.
도 6의 산화물의 성분을 조사한 결과, 하부의 사진을 참조하면 파란 형광색으로 표시된 Ti와 붉은색 형광색으로 표시된 이트륨(Y)이 존재하고 있는 것을 확인할 수 있었으며, 이에 상기 산화물은 Y-Ti-O의 복합산화물인 것으로 추정된다. 이와 같은 복합산화물로 인하여 고온 마모저항성이 크게 향상되어 밸브시트의 마모량과 침하량이 개선된 것으로 추정된다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 분산강화용 합금입자 110: 밸브시트 단면
500: 밸브시트(valve seat)

Claims (13)

  1. 분산강화용 철계 소결합금에 있어서,
    Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말 10~40wt%, 고체윤활제 1~5wt%, 잔부 철계 합금분말로 이루어진 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금.
  2. 제1항에 있어서,
    Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말이 15~30wt%로 이루어진 것에 특징이 있는 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 철계 합금분말은
    C; 1~2wt%, Cr: 0.1~2.0wt%, Mo: 0.2~4wt%와 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고체윤활제는 MnS와 CaF2로 이루어진 것에 특징이 있는 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말은 Cr: 10~20wt%, W: 1~5wt%, Ti: 0.1~0.5wt%, Y: 0.3~1.5wt%와 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 분산강화용 철계 소결합금은 소결 후에 Y-Ti-O 복합산화물이 형성된 것에 특징이 있는 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 분산강화용 철계 소결합금으로 제조된 밸브시트의 압환강도는 400 내지 500 MPa인 것에 특징이 있는 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금.
  8. Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말 10~40wt%, 고체윤활제 1~5wt%, 잔부 철계 합금분말로 이루어진 분산강화용 철계 소결합금 조성물을 15~30rpm, 30-90분 동안 배합하는 단계;
    상기 배합된 분말을 성형하는 단계;
    성형된 분말을 1000~1300℃에서 30~120분간 소결하는 단계;
    소결된 조성물을 가공하는 단계로 이루어진 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 철계 합금분말은 C; 1~2wt%, Cr: 0.1~2.0wt%, Mo: 0.2~4wt%와 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금 제조방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 고체윤활제는 MnS와 CaF2로 이루어진 것에 특징이 있는 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 소결하는 단계는 성형된 분말을 60~100분간 소결하는 것에 특징이 있는 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 Fe-Cr-Y계 분산강화용 합금분말은 Cr: 10~20wt%, W: 1~5wt%, Ti: 0.1~0.5wt%, Y 0.3~1.5wt%와 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 배합된 분말을 성형하는 단계에서 성형압력은 7~9ton/cm2인 것에 특징이 있는 소결공정이 단축된 분산강화용 철계 소결합금 제조방법.
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