KR20210107289A - 스테인리스강 분말 및 이를 포함하는 분말야금용 분말 조성물과 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 성형성, 성형강도 및 내습성이 우수한 스테인리스강 분말 및 이를 포함하는 분말야금용 분말 조성물과 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 스테인리스강 분말은 분말야금에 사용되는 금속분말로서, 중량%로, Cr: 16 ~ 18%, Mo: 0.95 ~ 1.05%, Si: 0.7 ~ 0.9%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 스테인리스강 분말은 분말야금에 사용되는 금속분말로서, 중량%로, Cr: 16 ~ 18%, Mo: 0.95 ~ 1.05%, Si: 0.7 ~ 0.9%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
Description
본 발명은 스테인리스강 분말 및 이를 포함하는 분말야금용 분말 조성물과 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 성형성, 성형강도 및 내습성이 우수한 스테인리스강 분말 및 이를 포함하는 분말야금용 분말 조성물과 그 제조방법에 관한 것이다.
분말야금은 금속분말을 가압 성형하고 소결함으로써 목적으로 하는 형태의 금속 제품을 얻는 방법으로서, 다양하고 복잡한 형상의 성형품을 제조할 수 있기 때문에 자동차 부품을 제조하는데 많이 사용되고 있다.
최근에는 분말야금이 자동차의 구동 및 샤시 부품에 적용될 뿐만 아니라 소결 시 금속 특유의 광택 및 재질 특성이 발현되는 특성을 이용하여 자동차의 내장재에도 적용시키는 시도가 활발히 진행되고 있다.
또한, 분말야금에 의해 제조된 부품은 다른 재질 대비 강도가 높아 그 적용 범위도 증가하고 있는 추세이다.
이러한 동향에 맞추어 광택 및 재질 특성이 다른 금속 대비 우수한 스테인리스 스틸의 내장재 적용 비율이 증가하고 있고, 이에 따라 내장재의 적용 목적별 적합한 특성을 갖는 스테인리스강 분말 개발 필요성이 대두되고 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 Cr, Mo의 함유에 따른 높은 강도를 유지하면서 Si의 함량을 조절하여 내습성을 향상시키는 동시에 성형성 및 성형강도를 향상시킬 수 있는 스테인리스강 분말 및 이를 포함하는 분말야금용 분말 조성물과 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 스테인리스강 분말은 분말야금에 사용되는 금속분말로서, 중량%로, Cr: 16 ~ 18%, Mo: 0.95 ~ 1.05%, Si: 0.7 ~ 0.9%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 스테인리스강 분말은 Mn: 0.4% 이하를 더 포함할 수 있다.
상기 스테인리스강 분말은 C: 0.05% 이하를 더 포함할 수 있다.
상기 스테인리스강 분말은 자화처리된 것을 특징으로 한다.
상기 스테인리스강 분말은 1000 ~ 1500G의 자장으로 자화처리된 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 분말야금용 분말 조성물은 분말야금에 사용되는 분말 조성물로서, 중량%로, Cr: 16 ~ 18%, Mo: 0.95 ~ 1.05%, Si: 0.7 ~ 0.9%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강 분말과; 상기 스테인리스강 분말 100중량부에 대하여 1중량부 이하(0중량부 제외)로 혼합되는 윤활제를 포함한다.
상기 윤활제는 상기 스테인리스강 분말 100중량부에 대하여 0.6 ~ 0.8중량부로 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 윤활제는 스테아린산 리튬(Lithium Stearate)인 것을 특징으로 한다.
상기 윤활제는 스테아린산 리튬을 파쇄법으로 제조하여 불규칙 또는 침상형으로 준비된 제 1 윤활분말 60 ~ 80wt%와, 스테아린산 리튬을 분사법으로 제조하여 구형 또는 라운드형으로 준비된 제 2 윤활분말 40 ~ 20wt%를 혼합한 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 윤활분말의 입도 크기는 10 ~ 50㎛이고, 상기 제 2 윤활분말의 입도 크기는 20 ~ 70㎛인 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 일 실시형태에 따른 분말야금용 분말 조성물의 제조방법은 분말야금에 사용되는 분말 조성물을 제조하는 방법으로서, 중량%로, Cr: 16 ~ 18%, Mo: 0.95 ~ 1.05%, Si: 0.7 ~ 0.9%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강 분말을 준비하는 스테인리스강 분말 준비단계와; 윤활제를 준비하는 윤활제 준비단계와; 준비된 스테인리스강 분말과 윤활제를 혼합하는 혼합단계를 포함한다.
상기 스테인리스강 분말 준비단계는, 중량%로, Cr: 16 ~ 18%, Mo: 0.95 ~ 1.05%, Si: 0.7 ~ 0.9%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 준비하는 용강 준비과정과; 상기 용강을 수분사 또는 가스분사하여 분말화 시키는 분말화 과정을 포함한다.
상기 용강 준비과정은 1550 ~ 1650℃의 용해 온도에서 실시하는 것을 특징으로 한다.
상기 스테인리스강 분말 준비단계는, 상기 분말화 과정 이후에, 분말화 된 스테인리스강 분말을 1000 ~ 1500G의 자장으로 자화처리시키는 자화처리 과정을 더 포함한다.
상기 윤활제 준비단계는, 파쇄법으로 준비된 제 1 윤활분말과 분사법으로 준비된 제 2 윤활분말을 혼합하여 윤활제를 준비하는 것을 특징으로 한다.
상기 윤활제 준비단계에서, 상기 제 1 윤활분말은 불규칙 또는 침상형의 스테아린산 리튬이고, 상기 제 2 윤활분말은 구형 또는 라운드형의 스테아린산 리튬이며, 상기 제 1 윤활분말 60 ~ 80wt%와, 제 2 윤활분말 40 ~ 20wt%를 혼합하여 윤활제를 준비하는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합단계는 상기 스테인리스강 분말 100중량부에 대하여 윤활제 1중량부 이하(0중량부 제외)를 혼합시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, Cr 및 Mo의 함량을 조절하여 성형성 및 성형강도를 우수하게 유지하면서, Si의 함량을 조절하여 소결체의 표면에 형성되는 기공의 크기가 작아지도록 하여 내습성을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 스테인리스강 분말은 습도 100%, 온도 50℃ 조건에서 144시간 동안 내습성 시험 시 녹발생이 일어나지 않는 효과를 기대할 수 있다.
그리고, 스테인리스강 분말을 자화처리하여 성형강도를 소결체의 성형강도를 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.
또한, C의 함량을 조절하고, 스테인리스강 분말에 혼합되는 윤활제의 형상을 조절하여 성형밀도를 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 분말야금용 분말 조성물의 제조방법을 보여주는 순서도이고,
도 2는 Si의 첨가여부에 따른 소결체의 기공크기 및 분포 변화를 보여주는 그래프이며,
도 3a 및 도 3b는 제 1 윤활분말과 제 2 윤활분말의 형상을 보여주는 사진이다.
도 2는 Si의 첨가여부에 따른 소결체의 기공크기 및 분포 변화를 보여주는 그래프이며,
도 3a 및 도 3b는 제 1 윤활분말과 제 2 윤활분말의 형상을 보여주는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 분말야금용 분말 조성물의 제조방법을 보여주는 순서도이고, 도 2는 Si의 첨가여부에 따른 소결체의 기공크기 및 분포 변화를 보여주는 그래프이며, 도 3은 제 1 윤활분말과 제 2 윤활분말의 형상을 보여주는 사진이다.
본 발명에 따른 스테인리스강 분말은 분말야금에 사용되는 금속분말로서, 성형성 및 성형강도를 우수하게 유지하면서 내습성을 향상시킨 스테인리스강 분말에 대한 것이다. 특히, 본 발명에 따른 스테인리스강 분말은 내습성을 향상시킴으로써 자동차용 미러베이스 부품에 사용되는 것이 바람직하다.
구체적으로 본 발명에 따른 스테인리스강 분말은 중량%로, Cr: 16 ~ 18%, Mo: 0.95 ~ 1.05%, Si: 0.7 ~ 0.9%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다. 또한, Mn: 0.4% 이하, C: 0.05% 이하 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 합금성분 및 그 조성범위를 한정하는 이유는 아래와 같다. 이하, 특별한 언급이 없는 한 조성범위의 단위로 기재된 %는 중량%를 의미한다.
크롬(Cr)은 16 ~ 18%를 함유하는 것이 바람직하다.
크롬(Cr)은 스테인리스강 분말의 내식성을 확보하기 위하여 가장 중요하게 첨가되는 원소이다. 일반적인 스테인리스강 분말은 크롬(Cr)의 함량을 12 ~ 20% 범위로 제어하지만, 본 발명에서는 내식성의 향상을 위하여 16% 이상의 크롬(Cr)을 첨가하였다. 하지만, 크롬(Cr)이 18%를 초과하면 연신율과 같은 특성이 저하되고, 원가가 상승하는 문제가 있다. 그래서 크롬(Cr)은 바람직하게는 17%를 함유하는 것이 좋다.
몰리브덴(Mo)은 0.95 ~ 1.05%를 함유하는 것이 바람직하다.
몰리브덴(Mo)은 부동태피막의 재부동태화를 촉진해, 스테인리스강 분말의 내식성을 향상시키는 원소로서, 크롬(Cr)과 함께 첨가하여 그 효과는 배가된다. 또한, 본 발명에서는 스테인리스강이 분말화 될 때 금속분말 내 산소함량을 제어하는 원소이다. 몰리브덴(Mo)에 의한 내식성 향상 효과를 위하여 0.95% 이상 첨가하고, 몰리브덴(Mo)이 1.05%를 초과하면 가격이 비싸지는 문제가 있다. 그래서 몰리브덴(Mo)은 바람직하게는 1.00%를 함유하는 것이 좋다.
규소(Si)는 0.7 ~ 0.9%를 함유하는 것이 바람직하다.
규소(Si)는 분말 내 산소함량을 제어하는 매우 중요한 역할을 하는 동시에 스테인리스강 분말을 성형시킨 다음 소결하여 소결부품(이하, '소결체'라 함)으로 제조시 강도에 영향을 미치는 원소로서, 일반적으로 스테인리스강 분말 내 산소함량을 제어를 위하여 최대 2.5%를 첨가하는 것이 바람직하다. 하지만, 규소(Si)의 함량이 2.5% 이하 범위에서도 그 함량이 증가할수록 내습성에 악영향을 미치므로 1% 이상으로 첨가하는 것은 바람직하지 않다. 바람직하게는 규소(Si)의 함량을 0.7 ~ 0.9%로 한정하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 규소(Si)의 함량을 0.8%로 한정하는 것이 좋다. 그 이유는 규소(Si)의 함량이 소결체의 표면 기공 크기를 결정하는 주요 인자로 작용하기 때문이다. 그래서, 규소(Si)의 함량을 0.7 ~ 0.9%로 조절하여 소결체 표면의 기공 크기를 감소시킬 수 있다. 하지만, 규소(Si)의 함량이 0.7% 미만이거나 0.9%를 초과하는 경우에는 오히려 소결체 표면의 기공 크기가 커져지는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 규소(Si)를 포함하는 스테인리스강 분말의 경우 통상적으로 1100℃에서 소결 시 그 표면이 액상으로 상태가 변환된 후 스테인리스강 분말 사이 기공에 침투하여 기공을 막거나 크기를 감소시키는 역할을 할 수 있다. 소결체는 주조체와 달리 표면 및 내부에 약 10%정도의 기공을 갖고 있기 때문에, 진밀도 대비 90%정도의 밀도를 갖게 되는데 이러한 표면의 기공에 수분이 침투되고 정체하면서 내습성의 저하 및 부식을 야기하는 것이다. 특히 스테인리스강 분말의 표면 기공크기가 클수록 수분 침투가 용이하기 때문에 규소(Si)의 함량을 조절하여 내습성 및 내부식성을 우수하게 유지하는 것이다.
망간(Mn)은 0.4% 이하로 함유하는 것이 바람직하다.
망간(Mn)은 스테인리스강 분말의 강도에 영향이 있는 원소로서, 과잉 함유시 부식의 원인이 되는 MnS를 석출시켜 내식성이 저하되므로 그 함량을 0.4% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
탄소(C)는 0.05% 이하로 함유하는 것이 바람직하다.
탄소(C)는 스테인리스강 분말의 강도에 영향이 있는 원소로서, 과잉 함유시 성형성이 저하되므로 그 함량을 0.05% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
한편, 산소(O)는 0.3% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
상기한 성분 이외의 잔부는 Fe 및 불가피하게 함유되는 불순물이다.
그리고, 본 발명에 따른 스테인리스강 분말은 성형강도 향상을 위하여 자화처리 시킬 수 있다. 이때 스테인리스강 분말을 자화처리시키는 자장의 크기는 1000 ~ 1500G인 것이 바람직하다. 만약 스테인리스강 분말을 자화처리시키는 자장의 크기가 제시된 범위를 벗어나는 경우에는 오히려 성형강도의 향상효과를 기대할 수 없거나 오히려 성형강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 분말야금용 분말 조성물은 상기와 같은 조성을 갖는 스테인리스강 분말과 윤활제를 포함하여 이루어진다.
상기 스테인리스강 분말은 전술된 스테인리스강 분말이 사용되는 것이므로 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
윤활제는 스테인리스강 분말과 혼합되어 성형시 성형성을 향상시키기 위하여 첨가되는 첨가제로서, 본 실시예에서는 윤활제로 스테아린산 리튬(Lithium Stearate, LiC18H35O2)을 사용하는 것이 바람직하다.
이때 윤활제의 혼합량은 스테인리스강 분말 100중량부에 대하여 1중량부 이하(0중량부 제외)로 혼합되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 윤활제의 혼합량은 스테인리스강 분말 100중량부에 대하여 0.6 ~ 0.8중량부로 혼합되는 것이 좋다. 윤활제의 혼합량이 제시된 양보다 적은 경우에는 성형성의 향상 효과가 미비하고, 윤활제의 혼합량이 제시된 양보다 많은 경우에는 상대적으로 스테인리스강 분말의 혼합량이 적어지면서 성형체의 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 상기 윤활제는 성형체의 성형밀도를 향상시키기 위하여 윤활제의 형상 및 크기를 한정할 수 있다. 이때 '성형체'라 함은 스테인리스강 분말과 윤활제가 혼합되어 이루어진 분말 조성물을 소정의 형상으로 가압하여 성형된 상태를 의미한다.
예를 들어 윤활제는 스테아린산 리튬을 파쇄법으로 제조하여 불규칙 또는 침상형으로 준비된 제 1 윤활분말과, 스테아린산 리튬을 분사법으로 제조하여 구형 또는 라운드형으로 준비된 제 2 윤활분말을 혼합하여 사용할 수 있다.
이때, 제 1 윤활분말의 입도 크기는 10 ~ 50㎛이고, 제 2 윤활분말의 입도 크기는 20 ~ 70㎛인 것이 바람직하다.
그리고 윤활제는 제 1 윤활분말 60 ~ 80wt%와, 제 2 윤활분말 40 ~ 20wt%를 혼합하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 제 1 윤활분말 70wt%와, 제 2 윤활분말 30wt%를 혼합하는 것이 좋다.
제 1 윤활분말과 제 2 윤활분말이 혼합비율이 제시된 범위를 벗어나는 경우에는 오히려 성형체의 성형밀도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 분말야금용 분말 조성물의 제조방법은 상기와 같은 조성을 갖는 스테인리스강 분말을 준비하는 스테인리스강 분말 준비단계와; 상기와 같은 윤활제를 준비하는 윤활제 준비단계와; 준비된 스테인리스강 분말과 윤활제를 혼합하는 혼합단계를 포함한다.
스테인리스강 분말 준비단계는 전술된 스테인리스강 분말의 조성을 만족시키기 위하여 모재료를 용해시켜 용강을 준비하는 용강 준비과정과; 상기 용강을 수분사 또는 가스분사하여 분말화 시키는 분말화 과정을 포함한다.
용강 준비과정은 스테인리스강 분말의 조성을 만족시키기 위하여 모재료로 스테인리스강 430계 스크랩을 사용할 수 있다. 이 때 Mo은 페로몰리브덴 형태로 스크랩이 용해된 후 목표하는 함량에 맞추어 첨가할 수 있다. 다만, 모재료의 선정은 제시된 실시예로만 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, Fe-17%Cr-1%Mo의 대표 조성을 갖는 잉곳(ingot)도 가능하며, 형태에 따라 빌렛(billet), 블룸(bloom), 슬라브(slab) 등 여러 가지 크기로 분류될 수 있지만, 본 발명에서 제시한 성분계 및 함량을 포함하는 경우 어떠한 형태의 모재료도 적용이 가능하다. 또한 Mo의 투입 형태 또한 페로합금 상태가 아닌 순수 금속형태로도 투입이 가능하다.
용강 준비과정은 모재료를 유도로에 투입하여 용해시킴으로써 용강으로 준비하는 것이다. 이때 모재료의 용해는 유도로 외에도 대기분위기에서 실시되는 아크로 및 반사로 등에서도 실시가 가능하다.
한편, 용강 준비과정에서는 모재료를 대기 분위기에서 실시하고, 이때 용해 온도는 1550 ~ 1650℃의 온도로 실시하는 것이 바람직하다.
이렇게 용강 준비과정에서 모재료의 용해 온도를 한정하는 이유는 용강 온도별 스테인리스강 분말 내 산소함량으로 미루어 볼 때 용해온도는 1600℃가 바람직하다. 일반적으로 수분사 공정으로 제조되는 스테인리스강 분말의 산소성분을 0.3% 이하로 제어하는 것을 감안할 때 1650℃를 초과하는 용해온도는 바람직하지 않다. 그 이유는 일반적으로 1650℃를 초과하는 용해온도에서 스테인리스강 분말의 산소성분을 낮추기 위해서는 알루미늄 탈산 공정이 필요하지만, 알루미늄 탈산 공정시 발생되는 부산물이 알루미나(Al2O3) 재질로 제작된 턴디쉬 노즐 또는 오리피스를 사용할 경우 노즐 또는 오리피스 내경을 잠식하여 용강막힘현상(clogging)이 발생할 수 있기 때문에 알루미늄 탈산 공정을 실시하지 않도록 하기 위함이다. 또한, 용해온도가 1550℃ 미만인 경우에는 용해된 용강을 수분사 하기 위하여 턴디쉬로 이동시키는 동안 용강 온도가 급감하여 수분사 시 용강막힘현상(clogging)이 발생할 수 있기 때문이다.
모재료를 용해하여 용강이 준비되면, 용강을 수분사 공정을 통하여 분말형태로 제조한다. 이때 용강 준비과정에서 모재료를 용해시키는 공정이 대기분위기에서 실시되었다면 용강을 가스분사 공정을 통하여 분말형태로 제조할 수 있다.
이렇게 준비된 스테인리스강 분말은 성형강도 향상을 위하여 자화처리 과정을 더 실시할 수 있다.
자화처리 과정은 분말화 된 스테인리스강 분말을 1000 ~ 1500G의 자장으로 자화처리시키는 공정이다. 예를 들어 자화처리 과정은 드럼 형태의 자화기를 사용하여 적용할 수 있다. 구체적으로는 스크류 컨베이어를 통하여 분말화 된 스테인리스강 분말을 연속적으로 내부에 영구자석이 내장된 드럼을 통과시킴으로써 스테인리스강 분말을 자화처리하는 것이다. 이때 드럼의 내부에 내장된 영구자석의 자력은 1000 ~ 1500G(가우스)인 것이 바람직하다.
한편, 윤활제 준비단계는 성형밀도의 향상을 위하여 스테인리스강 분말에 혼합되는 윤활제를 준비하는 단계로서, 파쇄법으로 준비된 제 1 윤활분말과 분사법으로 준비된 제 2 윤활분말을 혼합하여 윤활제를 준비한다.
이때, 제 1 윤활분말은 스테아린산 리튬을 파쇄법으로 제조하여 불규칙 또는 침상형이면서 입도 크기는 10 ~ 50㎛로 준비된다. 그리고, 제 2 윤활분말은 스테아린산 리튬을 분사법으로 제조하여 구형 또는 라운드형이면서 입도 크기는 20 ~ 70㎛로 준비된다.
이렇게 제 1 윤활분말과 제 2 윤활분말이 준비되면, 제 1 윤활분말 60 ~ 80wt%와, 제 2 윤활분말 40 ~ 20wt%를 혼합하여 윤활제를 준비한다. 더욱 바람직하게는 제 1 윤활분말 70wt%와, 제 2 윤활분말 30wt%를 혼합하여 윤활제를 준비하는 것이 좋다.
상기와 같이 스테인리스강 분말과 윤활제가 각각 준비되었다면, 스테인리스강 분말과 윤활제를 혼합하는 혼합단계를 실시한다.
이때 스테인리스강 분말과 윤활제의 혼합량은 스테인리스강 분말 100중량부에 대하여 윤활제 1중량부 이하를 혼합시키는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 윤활제의 혼합량은 스테인리스강 분말 100중량부에 대하여 0.6 ~ 0.8중량부로 혼합되는 것이 좋다.
이렇게 스테인리스강 분말과 윤활제를 혼합하여 분말야금용 분말 조성물을 준비하였다면, 도 1에 도시된 바와 같이 준비된 분말 조성물을 가압 성형하여 성형체를 준비하고, 준비된 성형체를 소결시켜 소결체를 제조하는 것이다.
이하, 비교예 및 실시예를 사용하여 본 발명을 설명한다.
상업 생산되는 스테인리스강 분말의 생산 조건에 따라 비교예 및 실시예에 따른 스테인리스강 분말을 생산하는 실험을 실시하였으며, 하기의 표 1과 같이 각 성분의 함량을 변경하면서 생산된 용강을 수분사하여 분말을 제조하였다.
그리고, 상기와 같이 제조된 비교예 및 실시예 따른 스테인리스강 분말의 특성 확인을 위한 시험, 즉 내습성 및 성형밀도를 측정하였고, 그 결과를 표 2 및 표 3에 나타내었다.
이때 내습성 시험은 비교예 및 실시예에 따른 시편을 습도 100%, 온도 50℃ 조건에서 노출하여 녹 및 변색의 발생 여부를 확인하였고, 144시간 동안 녹 및 변색이 발생하지 않는 것을 합격 기준으로 설정하였다. 그리고 성형밀도는 스테인리스강을 600MPa의 압력을 가하여 성형한 후 성형밀도를 측정하였다.
| 구분 | Cr | Mo | Si | C |
| 비교예 1 | 16.9 | 0.99 | - | - |
| 비교예 2 | 17.1 | 1.01 | 0.3 | - |
| 실시예 1 | 17.1 | 1.00 | 0.7 | - |
| 실시예 2 | 17.0 | 0.98 | 0.8 | - |
| 실시예 3 | 17.2 | 0.98 | 0.9 | - |
| 비교예 3 | 17.0 | 0.99 | 1.0 | - |
| 비교예 4 | 17.2 | 0.99 | 1.5 | - |
| 비교예 5 | 17.2 | 1.00 | 3.0 | - |
| 실시예 4 | 17.0 | 0.98 | 0.80 | 0.02 |
| 실시예 5 | 17.1 | 0.99 | 0.79 | 0.05 |
| 비교예 6 | 17.2 | 1.01 | 0.81 | 0.07 |
| 구분 | 내습성 |
| 비교예 1 | 48hr 경과시 변색 발생 |
| 비교예 2 | 96hr 경과시 변색 발생 |
| 실시예 1 | 144hr 경과후 변색 미발생 |
| 실시예 2 | 144hr 경과후 변색 미발생 |
| 실시예 3 | 144hr 경과후 변색 미발생 |
| 비교예 3 | 96hr 경과시 변색 발생 |
| 비교예 4 | 96hr 경과시 변색 발생 |
| 비교예 5 | 48hr 경과시 변색 발생 |
| 구분 | 성형밀도(g/cm3) |
| 실시예 2 | 6.23 |
| 실시예 4 | 6.15 |
| 비교예 6 | 5.83 |
상기 표 2에서 알 수 있듯이, 비교예 1의 경우 Si가 함유되지 않은 스테인리스강 분말로서, 내습성이 취약한 것을 확인할 수 있었다. 그리고 다른 비교예 및 실시예에서 알 수 있듯이, Si를 함유하는 경우에 비교예 1에 비하여 상대적으로 내습성이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 비교예 2의 경우에는 Si의 함유량이 제시된 범위보다 적어서 내습성의 향상 효과가 미비한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 3 내지 비교예 5의 경우에는 Si의 함유량이 제시된 범위보다 많았지만 오히려 실시예 1 내지 실시예 3 보다 내습성이 상대적으로 저하된 것을 확인할 수 있었다.
그리고, 표 3에서 알 수 있듯이, C의 함량이 많아질수록 성형밀도가 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 비교예 6에서 알 수 있듯이, C의 함량이 0.05%를 초과하는 경우에 성형밀도가 상대적으로 더 많이 저하되는 것을 확인할 수 있었다.
다음으로, Si의 첨가여부에 따른 소결체의 기공크기 및 분포 변화를 알아보는 시험을 실시하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2는 Si의 첨가여부에 따른 소결체의 기공크기 및 분포 변화를 보여주는 그래프이다.
도 2에서 알 수 있듯이, 비교예 1 및 실시예 2에 따른 스테인리스강 분말을 사용하여 소결체를 제조한 다음 기공크기 및 분포 변화를 측정한 결과, Si를 0.8% 함유한 실시예 2가 Si를 함유하지 않은 비교예 1에 비하여 기공의 크기가 상대적으로 작았고, 기공이 분포도 크기가 작은 기공의 분포가 더 많은 것을 확인할 수 있었다. 앞서 설명된 것과 같이 소결체의 표면에 형성되는 기공은 내습성에 영향을 미치는 인자로서, 상대적을 기공의 크기가 작은 실시예 2가 비교예 1에 비하여 내습성이 향상될 수 있음을 유추할 수 있었고, 그에 따른 효과는 표 2에서 확인할 수 있었다.
다음으로, 용강을 준비하는 과정에서 모재료를 용해시키는 용해온도에 따른 스테인리스강 분말 내 산소(O)의 함량을 알아보는 시험을 실시하였다.
이때 스테인리스강 분말의 성분은 표 1의 실시예 4를 사용하여 표 4와 같이 용해온도를 변경하면서 용강을 준비하였고, 이렇게 준비된 용강을 이용하여 스테인리스강 분말을 제조한 다음 스테인리스강 분말 내 산소함량을 측정하였다.
| 구분 | 분말 | 용해온도(℃) | 분말 내 산소함량(%) |
| 비교예 7 | 실시예 4 조성 | 1500 | 용강막힘현상 발생 |
| 실시예 6 | 실시예 4 조성 | 1550 | 0.14 |
| 실시예 7 | 실시예 4 조성 | 1600 | 0.16 |
| 실시예 8 | 실시예 4 조성 | 1650 | 0.26 |
| 비교예 8 | 실시예 4 조성 | 1700 | 0.35 |
표 4에서 알 수 있듯이, 비교예 7의 경우에는 용해온도가 너무 낮아서 용강을 수분사 하기 위하여 턴디쉬로 이동시키는 동안 용강 온도가 급감하여 수분사 시 용강막힘현상(clogging)이 발생한 것을 확인할 수 있었다.
그리고, 비교예 8의 경우에는 용해온도가 너무 높아서 분말 내 산소함량이 많이 증가한 것을 확인할 수 있었고, 이러한 결과는 스테인리스강 분말을 사용하여 소결체를 제조하는 경우에 소결시 성형체 내의 산소와 분위기 내 수소가 반응하여 발생되는 H2O에 의해 소결체 내부에 기공이 발생하여 결함으로 작용될 수 있음을 유추할 수 있다.
반면에, 실시예 6 내지 실시예 8은 용해온도를 적절히 조정함에 따라 스테인리스강 분말 내 산소의 함량을 적절히 유지하여 소결체에서 내부에 기공이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
다음으로, 스테인리스강 분말을 준비하는 단계에서 스테인리스강 분말의 자화처리 여부 및 자장의 크기 변화에 따른 성형체의 성형강도 변화를 알아보는 시험을 실시하였다.
이때 스테인리스강 분말의 성분은 표 1의 실시예 4를 사용하여 표 5와 같이 자장의 크기를 변경하면서 스테인리스강 분말을 자화처리하였고, 이렇게 준비된 스테인리스강 분말을 600MPa로 가압하여 성형체를 제조한 다음 성형체의 성형강도를 측정하였다.
| 구분 | 분말 | 자장(G) | 성형강도(MPa) |
| 비교예 9 | 실시예 4 조성 | 0 | 6.1 |
| 비교예 10 | 실시예 4 조성 | 700 | 6.0 |
| 실시예 9 | 실시예 4 조성 | 1000 | 7.5 |
| 실시예 10 | 실시예 4 조성 | 1500 | 7.4 |
| 비교예 11 | 실시예 4 조성 | 1700 | 6.2 |
표 5에서 알 수 있듯이, 자화처리를 실시하지 않은 비교예 9에 비하여 본 발명에서 제시한 1000 ~ 1500G의 자장으로 자화처리를 실시한 실시예 9 및 실시예 10의 경우에 성형강도가 향상된 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 비교예 10과 같이 본 발명에서 제시한 자장의 크기보다 작은 크기의 자장으로 자화처리를 실시한 경우에는 오히려 성형강도가 저하된 것을 확인할 수 있었고, 비교예 11과 같이 본 발명에서 제시한 자장의 크기보다 큰 크기의 자장으로 자화처리를 실시한 경우에도 성형강도의 향상이 미비한 것을 확인할 수 있었다.
성형강도는 스테인리스강 분말을 사용하여 성형된 성형체가 갖는 강도로써, 금형에서 성형체 취출 시, 부품 이송 시, 핸들링 시 파손이 일어나지 않는 것을 나타내는 정량적인 척도를 의미한다. 특히 전장이 높은 성형체의 경우 높은 성형강도가 필수이다. 일반적으로 스테인리스강 분말은 앞서 명기된 바와 같이 분말 자체의 강도가 높아 소성변형이 어려워 분말 간의 결합력이 떨어지기 때문에 낮은 성형강도를 갖는다. 소성변형은 화학조성이 갖는 고유특성이므로 변화가 어렵지만 본 발명에서는 이러한 한계점을 극복하기 위해 스테인리스강 분말의 자화처리를 실시하는 것이다.
이렇게 자화처리를 통해 분말을 일정 수준의 자성을 입혀주게 되면 성형 시 금형 안에 충진된 스테인리스강 분말의 배열이 달라져 분말 간의 공공(vacancy)를 증대시키고 소성변형 구간에서 해당 공공으로의 분말 이동이 추가로 일어나면서 분말 간의 결합 포인트를 증가시켜 성형강도가 향상되는 것이다.
다음으로, 윤활제를 준비하는 단계에서 윤활제의 형상 및 그 혼합비율에 따른 성형체의 성형강도 변화를 알아보는 시험을 실시하였다.
이때 스테인리스강 분말의 성분은 표 1의 실시예 4를 사용하여 표 6과 같이 제 1 윤활분말과 제 2 윤활분말의 혼합비율을 변경하면서 분말 조성물을 준비하였고, 이렇게 준비된 분말 조성물을 600MPa로 가압하여 성형체를 제조한 다음 성형체의 성형밀도를 측정하였다. 또한, 제 1 윤활분말과 제 2 윤활분말의 형상을 관찰하였고, 그 결과를 도 3a 및 도 3b에 나타내었다. 이때 도 3a는 제 1 윤활분말의 형상을 보여주는 사진이고, 도 3b는 제 2 윤활분말의 형상을 보여주는 사진이다.
| 구분 |
분말 |
윤활제(%) | 성형밀도(g/cm3) | |
| 제 1 윤활분말 | 제 2 윤활분말 | 600MPa 성형시 | ||
| 비교예 12 | 실시예 4 조성 | 100 | 0 | 6.35 |
| 실시예 11 | 실시예 4 조성 | 70 | 30 | 6.43 |
| 비교예 13 | 실시예 4 조성 | 50 | 50 | 6.36 |
| 비교예 14 | 실시예 4 조성 | 30 | 70 | 6.34 |
| 비교예 15 | 실시예 4 조성 | 0 | 100 | 6.31 |
도 3a에서 알 수 있듯이, 스테아린산 리튬을 파쇄법으로 제조한 제 1 윤활분말은 그 형상이 불규칙하거나 침상형으로 형성되는 것을 확인할 수 있었고, 입도 크기가 10 ~ 50㎛인 것을 확인할 수 있었다.
그리고, 도 3b에서 알 수 있듯이, 스테아린산 리튬을 분사법으로 제조한 제 2 윤활분말은 그 형상이 구형이거나 라운드형으로 형성되는 것을 확인할 수 있었고, 입도 크기가 20 ~ 70㎛인 것을 확인할 수 있었다.
또한, 표 6에서 알 수 있듯이, 실시예 11의 경우 제 1 윤활분말과 제 2 윤활분말을 본 발명에서 제시한 혼합비율로 혼합한 경우에 성형밀도가 향상된 것을 확인할 수 있었다.
반면에, 비교예 12 내지 비교예 15이 경우에는 본 발명에서 제시한 혼합비율을 벗어나는 비교예로서, 상대적으로 실시예 11에 비하여 성형밀도가 낮은 것을 확인할 수 있었다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
Claims (17)
- 분말야금에 사용되는 금속분말로서,
중량%로, Cr: 16 ~ 18%, Mo: 0.95 ~ 1.05%, Si: 0.7 ~ 0.9%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강 분말.
- 청구항 1에 있어서,
상기 스테인리스강 분말은 Mn: 0.4% 이하를 더 포함하는 스테인리스강 분말.
- 청구항 1에 있어서,
상기 스테인리스강 분말은 C: 0.05% 이하를 더 포함하는 스테인리스강 분말.
- 청구항 1에 있어서,
상기 스테인리스강 분말은 자화처리된 것을 특징으로 하는 스테인리스강 분말.
- 청구항 4에 있어서,
상기 스테인리스강 분말은 1000 ~ 1500G의 자장으로 자화처리된 것을 특징으로 하는 스테인리스강 분말.
- 분말야금에 사용되는 분말 조성물로서,
중량%로, Cr: 16 ~ 18%, Mo: 0.95 ~ 1.05%, Si: 0.7 ~ 0.9%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강 분말과;
상기 스테인리스강 분말 100중량부에 대하여 1중량부 이하(0중량부 제외)로 혼합되는 윤활제를 포함하는 분말야금용 분말 조성물.
- 청구항 6에 있어서,
상기 윤활제는 상기 스테인리스강 분말 100중량부에 대하여 0.6 ~ 0.8중량부로 혼합되는 것을 특징으로 하는 분말야금용 분말 조성물.
- 청구항 6에 있어서,
상기 윤활제는 스테아린산 리튬(Lithium Stearate)인 것을 특징으로 하는 분말야금용 분말 조성물.
- 청구항 8에 있어서,
상기 윤활제는 스테아린산 리튬을 파쇄법으로 제조하여 불규칙 또는 침상형으로 준비된 제 1 윤활분말 60 ~ 80wt%와, 스테아린산 리튬을 분사법으로 제조하여 구형 또는 라운드형으로 준비된 제 2 윤활분말 40 ~ 20wt%를 혼합한 것을 특징으로 하는 분말야금용 분말 조성물.
- 청구항 9에 있어서,
상기 제 1 윤활분말의 입도 크기는 10 ~ 50㎛이고,
상기 제 2 윤활분말의 입도 크기는 20 ~ 70㎛인 것을 특징으로 하는 분말야금용 분말 조성물.
- 분말야금에 사용되는 분말 조성물을 제조하는 방법으로서,
중량%로, Cr: 16 ~ 18%, Mo: 0.95 ~ 1.05%, Si: 0.7 ~ 0.9%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강 분말을 준비하는 스테인리스강 분말 준비단계와;
윤활제를 준비하는 윤활제 준비단계와;
준비된 스테인리스강 분말과 윤활제를 혼합하는 혼합단계를 포함하는 분말야금용 분말 조성물의 제조방법.
- 청구항 11에 있어서,
상기 스테인리스강 분말 준비단계는,
중량%로, Cr: 16 ~ 18%, Mo: 0.95 ~ 1.05%, Si: 0.7 ~ 0.9%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 준비하는 용강 준비과정과;
상기 용강을 수분사 또는 가스분사하여 분말화 시키는 분말화 과정을 포함하는 분말야금용 분말 조성물의 제조방법.
- 청구항 12에 있어서,
상기 용강 준비과정은 1550 ~ 1650℃의 용해 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 분말야금용 분말 조성물의 제조방법.
- 청구항 12에 있어서,
상기 스테인리스강 분말 준비단계는,
상기 분말화 과정 이후에, 분말화 된 스테인리스강 분말을 1000 ~ 1500G의 자장으로 자화처리시키는 자화처리 과정을 더 포함하는 분말야금용 분말 조성물의 제조방법.
- 청구항 11에 있어서,
상기 윤활제 준비단계는,
파쇄법으로 준비된 제 1 윤활분말과 분사법으로 준비된 제 2 윤활분말을 혼합하여 윤활제를 준비하는 것을 특징으로 하는 분말야금용 분말 조성물의 제조방법.
- 청구항 15에 있어서,
상기 윤활제 준비단계에서,
상기 제 1 윤활분말은 불규칙 또는 침상형의 스테아린산 리튬이고, 상기 제 2 윤활분말은 구형 또는 라운드형의 스테아린산 리튬이며,
상기 제 1 윤활분말 60 ~ 80wt%와, 제 2 윤활분말 40 ~ 20wt%를 혼합하여 윤활제를 준비하는 것을 특징으로 하는 분말야금용 분말 조성물의 제조방법.
- 청구상 11에 있어서,
상기 혼합단계는 상기 스테인리스강 분말 100중량부에 대하여 윤활제 1중량부 이하(0중량부 제외)를 혼합시키는 것을 특징으로 하는 분말야금용 분말 조성물의 제조방법.
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| KR20050058215A (ko) | 2003-12-11 | 2005-06-16 | 보그워너 인크. | 고온 적용용 스테인레스 스틸 분말 |
| KR20100126806A (ko) | 2002-06-14 | 2010-12-02 | 회가내스 아베 | 스테인레스 강 분말의 고온 압축을 위한 방법 및 조성물 |
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2020
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