KR20210149177A - 철기 합금 소결체 및 분말 야금용 철기 혼합 가루 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 인장 강도가 800 ㎫ 이상이고, 또한 절삭성이 우수한 철기 합금 소결체를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은, 철기 합금 소결체로서, 비커스 경도의 평균치가 300 Hv 이상 900 Hv 이하이고, 비커스 경도의 표준 편차가 200 Hv 이하인 마이크로 조직을 갖고, 또한 기공의 평균 원형도가 0.30 이상인 철기 합금 소결체이다.
Description
본 발명은, 철기 합금 소결체 및 분말 야금용 철기 혼합 가루에 관한 것이다.
분말 야금 기술에 의하면, 복잡한 형상의 부품을, 제품 형상에 매우 가까운 형상 (이른바 니어 넷 형상) 으로, 게다가 높은 치수 정밀도로 제조할 수 있어, 부품의 제작에 있어서 대폭적인 절삭 비용의 저감을 도모할 수 있다. 그 때문에, 분말 야금 제품은, 각종 기계용 부품으로서, 다방면으로 이용되고 있다. 또한, 부품의 소형화, 경량화 및 복잡화에 대응하기 위해서, 분말 야금 기술에 대한 요구는 더욱 높아져 오고 있다.
상기를 배경으로 하여, 인장 강도 800 ㎫ 이상이고, 절삭성이 우수한 소결체를 제조하는 기술이 개발되어 왔다.
예를 들어, 특허문헌 1 에서는, Ni 를 사용하지 않고, 기존의 Fe-Ni-Cu-Mo 합금과 동등 이상의 강도를 확보할 수 있도록 하여, 비용 저감과 소결 시간의 단축에 의한 생산성 향상을 실현하기 위해서, 면적비에서 기공부를 제외한 금속 조직의 97 ％ 이상이 마텐자이트상으로 되어 있는 철계 소결 합금이 제안되어 있다.
특허문헌 2 에는, Mo, Ni 및 Cu 를 갖는 철계 분말을 사용하여, 양호한 기계적 특성을 갖는 프레스 및 소결된 부품을, 비용 효율적으로 제조하는 기술이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 3 에는, 연질 금속 화합물 입자 및 경질 금속 화합물 입자로 이루어지는 절삭성 개선용 분말을 배합한 분말 야금용 혼합 가루를 사용하여, 기지상 중에, 연질 금속 화합물의 입자와 경질 금속 화합물의 입자가 분산된 구조를 갖는 소결체를 얻어, 절삭성을 향상시키는 기술이 개시되어 있다.
그러나, 상기 특허문헌 1 ∼ 3 에 기재되어 있는 종래의 기술에는, 이하에 서술하는 문제가 있었다.
특허문헌 1 에 대해서는, 소결체 (철계 소결 합금) 의 제조에 사용되는 합금강 가루가, 산화하기 쉬운 Cr 과 Mn 을 포함하기 때문에, 소결체 (철계 소결 합금) 가 산화하여 기계 특성이 저하하기 쉽다는 문제가 있다.
특허문헌 2 에 대해서는, 프레스 및 소결된 부품의 제조에 사용되는 철계 분말이, 금속 조직 중에서 확산이 느린 Ni 를 포함하기 때문에, 소결체에 잔류 오스테나이트가 발생하여, 소결체의 인장 강도가 저하하기 쉽고, 또한, 소결체 중에 연질상인 잔류 오스테나이트와 경질상을 포함하는 것이 절삭성의 저하를 초래한다는 문제도 있다.
특허문헌 3 에 대해서는, 분말 야금용 혼합 가루에 소정 절삭성 개선용 분말을 첨가할 필요가 있어, 비용 증가의 염려가 있다.
본 발명은, 상기 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 인장 강도가 800 ㎫ 이상이고, 또한 절삭성이 우수한 소결체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 예의 검토를 거듭한 결과, 철기 합금 소결체에 있어서, 기공의 평균 원형도 및 마이크로 조직의 비커스 경도의 평균치와 표준 편차를 제어함으로써, 인장 강도가 800 ㎫ 이상이고, 또한 절삭성이 우수한 소결체가 얻어지는 것을 알아내고, 본 발명을 완성시켰다.
본 발명의 요지 구성은 이하와 같다.
[1] 철기 합금 소결체로서,
비커스 경도의 평균치가 300 Hv 이상 900 Hv 이하이고, 비커스 경도의 표준 편차가 200 Hv 이하인 마이크로 조직을 갖고, 또한
기공의 평균 원형도가 0.30 이상인,
철기 합금 소결체.
[2] 상기 철기 합금 소결체의 밀도가 6.6 Mg/㎥ 이상인,
상기 [1] 의 철기 합금 소결체.
[3] 상기 철기 합금 소결체의 성분 조성이,
Cu : 1.8 질량％ 이상 10.2 질량％ 이하,
Mo : 2.0 질량％ 이하, 및
C : 0.2 질량％ 이상 1.2 질량％ 이하를 포함하고,
잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는,
상기 [1] 또는 [2] 에 기재된 철기 합금 소결체.
[4] Mo 함유량이 0.5 질량％ 이상 2.0 질량％ 이하인,
상기 [3] 의 철기 합금 소결체.
[5] Cu 또는 Mo 와 Cu 를 미리 합금화한 합금강 가루, Cu 가루 및 흑연 가루를 포함하는 분말 야금용 철기 혼합 가루로서,
상기 분말 야금용 철기 혼합 가루의 성분 조성이,
Cu : 1.8 질량％ 이상 10.2 질량％ 이하,
Mo : 2.0 질량％ 이하, 및
C : 0.2 질량％ 이상 1.2 질량％ 이하를 포함하고,
잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
상기 분말 야금용 철기 혼합 가루 중, Cu 가루가 0.3 질량％ 이상인,
분말 야금용 철기 혼합 가루.
[6] 상기 Cu 또는 Mo 와 Cu 를 미리 합금화한 합금강 가루가 Mo 와 Cu 를 미리 합금화한 합금강 가루이고,
Mo 함유량이 0.5 질량％ 이상 2.0 질량％ 이하인,
상기 [5] 의 분말 야금용 철기 혼합 가루.
[7] 상기 합금강 가루의 평균 입자경이 30 ㎛ 이상 120 ㎛ 이하인, 상기 [5] 또는 [6] 의 분말 야금용 철기 혼합 가루.
[8] 추가로 윤활제를 포함하는, 상기 [5] ∼ [7] 중 어느 하나의 분말 야금용 철기 혼합 가루.
본 발명에 의하면, 인장 강도가 800 ㎫ 이상이고, 또한 절삭성이 우수한 철기 합금 소결체가 제공된다.
본 발명의 철기 합금 소결체는, Cr 및 Mn 을 포함할 필요가 없기 때문에, 이들 원소에서 기인하는 소결체의 산화에 의한 강도 저하를 회피할 수 있다. 또한, 본 발명의 철기 합금 소결체는, Ni 를 포함할 필요가 없기 때문에, 잔류 오스테나이트의 생성에 의한 인장 강도나 절삭성의 저하를 회피할 수 있다. 또한, 본 발명의 철기 합금 소결체는, 소정 절삭성 개선용 분말 (연질 금속 화합물 입자 및 경질 금속 화합물 입자로 이루어지는 절삭성 개선용 분말) 을 사용하지 않고 제조할 수 있어, 비용 증가를 억제할 수 있다.
도 1 은, 평균 원형도의 측정을 위한 소결체의 단면의 사진 촬영 영역의 예시이다.
＜철기 합금 소결체＞
본 발명의 철기 합금 소결체 (이하 「소결체」 라고도 한다) 에 대하여, 구체적으로 설명한다. 또한, 본 명세서에 있어서, 「철기」 란, Fe 를 50 질량％ 이상 함유하는 것을 말한다.
[비커스 경도]
본 발명의 철기 합금 소결체는, 비커스 경도의 평균치가 300 Hv 이상 900 Hv 이하이고, 비커스 경도의 표준 편차가 200 Hv 이하인 마이크로 조직을 갖는다. 소결체의 비커스 경도는, 마이크로 비커스 경도 측정에 의해, 이하와 같이 하여 구할 수 있다.
소결체의 단면의 중앙부에, 압자 (대면각 136 도의 다이아몬드 정사각뿔) 를, 압입 하중 98 N, 유지 시간 10 초로 타흔한다. 타흔은 기공으로부터 5 ㎛ 이상 떨어져 있는 것으로 하고, 타흔 예정 위치에 기공이 존재하는 경우에는 타흔하지 않고, 다음 타흔 예정 위치에서 타흔을 실시한다.
30 점의 타흔의 측정치로부터, 비커스 경도의 평균치 (산술 평균) 와 표준 편차를 산출한다. 이렇게 하여 구한 비커스 경도는, 소결체의 기공이 존재하고 있지 않은 부분 (마이크로 조직) 의 비커스 경도이다.
소결체의 비커스 경도의 평균치는, 300 Hv 이상 900 Hv 이하로 한다. 300 Hv 미만에서는, 800 ㎫ 이상의 인장 강도를 달성하는 것이 곤란하다. 한편, 900 Hv 초과에서는, 기공에 대한 절결 감수성이 높아져, 인장 시험시에 충분히 신장되지 않아, 800 ㎫ 의 인장 강도를 달성하는 것이 곤란하다. 비커스 경도의 평균치는, 500 Hv 이상이 바람직하고, 또한, 850 Hv 이하가 바람직하다.
소결체의 비커스 경도의 표준 편차는, 200 Hv 이하로 한다. 200 Hv 초과에서는, 마이크로 조직 중의 연질상에 의해, 절삭성이 저하하기 때문이다. 표준 편차는, 180 Hv 이하가 바람직하다. 하한은 0 이고, 비커스 경도의 표준 편차는 0 이어도 된다.
[기공의 평균 원형도]
본 발명의 철기 합금 소결체의 기공의 평균 원형도는 0.30 이상이다. 소결체의 기공의 평균 원형도는, 화상 해석에 의해, 이하와 같이 하여 구할 수 있다.
소결체의 단면을 경면 연마하고, 광학 현미경 (100 배) 을 사용하여, 중앙부 (예를 들어, 각 표면으로부터의 깊이 1/5 이상의 부분. 소결체가 폭 및 길이가 M ㎜ 인 봉상 소결체의 경우에 대한 촬영 영역에 대하여 도 1 참조.) 에 대하여 사진을 촬영한다.
얻어진 단면 사진 (1 시야 약 0.8 ㎜ × 약 0.6 ㎜) 으로부터, 화상 해석에 의해, 개개의 기공의 면적 A 와 외주 길이 l 을 측정한다. 이와 같은 화상 해석이 가능한 소프트로는, 예를 들어 Image J (오픈 소스, 아메리카 국립 위생 연구소) 등을 들 수 있다.
면적 A 및 외주 길이 l 로부터, 하기 식 :
로부터 원형도 c 를 산출한다. 원형도는 기공 형상을 나타내는 지표로서, 기공 형상이 진원에 가까워질수록 커진다. 다음으로 개개의 기공의 면적을 원형도가 작은 것부터 순서대로 적산하고, 1 시야마다 시야 중의 전체 기공의 면적의 합계에 대하여 50 ％ 에 해당하는 곳의 원형도 ci 를 구한다. 5 시야의 각각에서 산출한 ci 의 평균을 평균 원형도로 한다.
기공 형상이 부정형이 될수록, 파괴의 기점이 되는 응력이 집중되어, 인장 강도가 저하한다. 그 때문에, 기공의 평균 원형도가 0.30 미만에서는, 기공 형상이 과잉으로 부정형이 되어, 800 ㎫ 이상의 인장 강도를 달성하는 것이 곤란해지기 때문에, 기공의 평균 원형도는, 0.30 이상으로 한다. 기공의 평균 원형도는, 0.35 이상이 바람직하다. 상한은 1 이고, 기공의 평균 원형도는 1 이어도 된다.
[소결체의 밀도]
소결체의 밀도는 6.6 Mg/㎥ 이상이 바람직하다. 6.6 Mg/㎥ 미만에서는 밀도가 낮기 때문에, 800 ㎫ 이상의 인장 강도를 달성하는 것이 곤란해질 수 있다. 밀도는, 6.9 Mg/㎥ 이상이 바람직하다. 밀도는, 높은 인장 강도를 얻는 점에서 큰 것이 바람직하고, 그 상한은, 특별히 한정되지 않지만, 순철의 밀도는 7.9 Mg/㎥ 이기 때문에, 그것보다 작고, 예를 들어 7.6 Mg/㎥ 이하로 할 수 있다. 소결체의 밀도는, 소결체의 제조에 있어서의 성형체의 밀도를 제어함으로써, 소정 범위의 것으로 할 수 있다.
[성분 조성]
철기 합금 소결체는, Cu : 1.8 질량％ 이상 10.2 질량％ 이하, Mo : 2.0 질량％ 이하, 및 C : 0.2 질량％ 이상 1.2 질량％ 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성일 수 있다. 성분 조성은, 예를 들어, Cu : 1.8 질량％ 이상 10.2 질량％ 이하 및 C : 0.2 질량％ 이상 1.2 질량％ 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것, Cu : 1.8 질량％ 이상 10.2 질량％ 이하, Mo : 0.5 질량％ 이상 2.0 질량％ 이하, 및 C : 0.2 질량％ 이상 1.2 질량％ 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 포함한다.
(Cu 함유량)
소결체 중의 Cu 의 함유량은, 1.8 질량％ 이상 10.2 질량％ 이하가 바람직하다. Cu 함유량이 1.8 질량％ 미만에서는, 퀀칭이 불충분해지기 쉽고, 또한 소결체의 마이크로 조직의 비커스 경도의 평균치가 300 Hv 미만이 되는 경향이 있어, 800 ㎫ 이상의 인장 강도를 달성하는 것이 곤란해질 수 있다. Cu 함유량이 10.2 질량％ 초과에서는, 소결체의 마이크로 조직의 비커스 경도의 평균치가 900 Hv 초과가 되는 경향이 있고, 거기에 수반하여, 기공에 대한 절결 감수성이 증가하여, 인장 강도가 저하할 수 있다. Cu 함유량은, 3.5 질량％ 이상이 바람직하고, 또한, 8.0 질량％ 이하가 바람직하다.
소결체 중의 Cu 는, Cu 가루 또는 Cu 를 포함하는 합금강 가루에서 유래하는 것일 수 있다. 분말 야금용 철기 혼합 가루에 첨가된 Cu 가루는, 소결시에 1085 ℃ (구리의 융점) 에서 용융되어 액상이 되고, 분말 사이의 공극을 매립하여, 소결체 중의 기공의 형상을 부정형으로부터 원형에 접근시켜, 원형도를 증가시킬 수 있다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서, 소결체 중, Cu 가루에서 유래하는 Cu 의 양은 0.3 질량％ 이상이 바람직하다. 0.3 질량％ 미만에서는, 기공의 원형도가 충분히 증가하지 않아, 소결체에 있어서 800 ㎫ 이상의 인장 강도를 달성하는 것이 곤란해질 수 있다. Cu 가루에서 유래하는 Cu 의 양은, 0.5 질량％ 이상이 보다 바람직하다. 또한, Cu 가루에서 유래하는 Cu 의 양은, 5.0 질량％ 이하가 바람직하고, 3.0 질량％ 이하가 보다 바람직하다.
(Mo 함유량)
소결체는, Mo 를 2.0 질량％ 이하로 함유할 수 있다. Mo 비함유여도 되지만, Mo 를 함유시킴으로써, 용이하게 퀀칭을 충분한 것으로 할 수 있고, 또한 소결체의 비커스 경도의 평균치가 300 Hv 이상이고, 또한 800 ㎫ 이상의 인장 강도를 달성하는 것이 용이해진다. 이 효과를 충분히 얻는 점에서, Mo 함유량은, 0.5 질량％ 이상이 바람직하고, 1.0 질량％ 이상이 보다 바람직하고, 또한, 1.5 질량％ 이하가 보다 바람직하다. 한편, Mo 함유량이 2.0 질량％ 초과에서는, 소결체의 마이크로 조직의 비커스 경도의 평균치가 900 Hv 초과가 되는 경향이 있고, 거기에 수반하여, 기공에 대한 절결 감수성이 증가하여, 인장 강도가 저하할 수 있기 때문에, Mo 함유량은 2.0 질량％ 이하가 바람직하다.
(C 함유량)
소결체 중의 C 의 함유량은, 0.2 질량％ 이상 1.2 질량％ 이하가 바람직하다. C 를 함유시킴으로써, 소결체의 마이크로 조직의 경도를 증가시키고, 또한 퀀칭성을 향상시켜, 소결체의 인장 강도를 증가시킬 수 있다. C 함유량이 0.2 질량％ 미만에서는, 퀀칭이 불충분하고, 또한 소결체의 마이크로 조직의 비커스 경도의 평균치가 300 Hv 미만이 되는 경향이 있어, 800 ㎫ 이상의 인장 강도를 달성하는 것이 곤란해질 수 있다. C 함유량이 1.2 질량％ 초과에서는, 소결체의 마이크로 조직의 비커스 경도의 평균치가 900 Hv 초과가 되는 경향이 있고, 거기에 수반하여, 기공에 대한 절결 감수성이 증가하여, 인장 강도가 저하할 수 있다. C 함유량은, 0.4 질량％ 이상이 보다 바람직하고, 또한, 1.0 질량％ 이하가 보다 바람직하다. 소결체 중 C 는, 흑연 가루에서 유래하는 것일 수 있다.
소결체의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물이란, 제조 공정 등에서 불가피적으로 혼입되는 불순물로서, O, N, S, Mn, Cr 등을 들 수 있고, 이것들로 이루어지는 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 함유할 수 있다. 불가피적 불순물로서의 상기 원소의 함유량은, 각각 이하의 범위인 것이 바람직하다.
O : 0.30 질량％ 이하, 보다 바람직하게는 0.25 질량％ 이하
N : 0.004 질량％ 이하
S : 0.03 질량％ 이하
Mn : 0.5 질량％ 이하
Cr : 0.2 질량％ 이하
＜분말 야금용 철기 혼합 가루＞
본 발명의 소결체는, 분말 야금용 철기 혼합 가루 (이하 「혼합 가루」 라고도 한다) 를 소결함으로써 제조할 수 있다. 분말 야금용 철기 혼합 가루로는, Cu 또는 Mo 와 Cu 를 미리 합금화한 합금강 가루, Cu 가루 및 흑연 가루를 포함하는 분말 야금용 철기 혼합 가루를 들 수 있다.
(Cu 또는 Mo 와 Cu 를 미리 합금화한 합금강 가루)
Cu 또는 Mo 와 Cu 를 미리 합금화한 합금강 가루는, Cu 를 미리 합금화한 합금강 가루, 및 Mo 와 Cu 를 미리 합금화한 합금강 가루의 어느 것이다. 이것들 합금강 가루는 퀀칭성이 높고, 고인장 강도를 획득하기 쉽고, 또한, 소결체에 있어서 연질상이 형성되는 것을 충분히 억제하여, 균일한 경질상으로 하는 것이 가능하다. Mo 와 Cu 를 미리 합금화한 합금강 가루를 사용하는 것이 바람직하다.
여기서, 소결 (추가적인 열 처리를 실시하지 않는 상태) 인 채로 충분한 인장 강도를 갖기 위해서는, 퀀칭성 향상 원소의 합금화가 유효하다. 퀀칭성 향상 원소가 갖는 퀀칭성 향상 효과는, 높은 것부터 순서대로, Mn ＞ Mo ＞ P ＞ Cr ＞ Si ＞ Ni ＞ Cu ＞ S 이다.
한편, 일반적인 합금강 가루의 제조에서는, 아토마이즈법이 채용되는 경우가 많은데, 아토마이즈법으로 제조한 분말에는, 통상적으로, 열 처리 (마무리 환원) 가 실시된다. 상기의 퀀칭성 향상 원소 중, 마무리 환원의 일반적인 조건인 950 ℃, H2 분위기에 있어서의 환원되기 쉬움은, 높은 것부터 순서대로, Mo ＞ Cu ＞ S ＞ Ni 이고, Mn 과 Cr 은, 마무리 환원의 일반적인 조건인 950 ℃, H2 분위기에서 환원할 수 없다.
이와 같이, Mo 및 Cu 는, 모두 퀀칭성이 Ni 와 동등 또는 Ni 보다 높고, 또한, Ni, Mn 및 Cr 보다 H2 환원되기 쉬운 성질을 가지고 있어, 합금화 원소로서 Cu 또는 Mo 와 Cu 를 사용함으로써, 퀀칭성의 향상 및 산화 억제를 도모할 수 있다.
Cu 또는 Mo 와 Cu 를 미리 합금화한 합금강 가루에 있어서의 Cu 또는 Mo 와 Cu 이외의 성분은, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 불가피적 불순물이란, 제조 공정에서 불가피적으로 혼입되는 불순물로서, 예를 들어, C, S, O, N, Mn, Cr 을 들 수 있고, 이것들로 이루어지는 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 함유할 수 있다. 불가피적 불순물로서의 상기 원소의 함유량은, 각각 이하의 범위인 것이 바람직하다. 이들 불순물 원소의 함유량을 이하의 범위로 함으로써, 합금강 가루의 압축성을 더욱 향상시킬 수 있다.
C : 0.02 질량％ 이하
O : 0.30 질량％ 이하, 보다 바람직하게는 0.25 질량％ 이하
N : 0.004 질량％ 이하
S : 0.03 질량％ 이하
Mn : 0.5 질량％ 이하
Cr : 0.2 질량％ 이하
Cu 또는 Mo 와 Cu 를 미리 합금화한 합금강 가루의 평균 입자경이 작아질수록 성형시에 스프링 백이 증가하여, 성형체에 균열이 생기기 때문에, 평균 입자경은, 30 ㎛ 이상이 바람직하고, 50 ㎛ 이상이 보다 바람직하다. 또한, 평균 입자경이 작아질수록, Cu 와 C 는, Fe 입자 하나 하나로 확산되지 않고, 몇 개의 Fe 입자에 확산되기 때문에, 소결체 미시 조직이 불균일해져, 비커스 경도의 표준 편차가 소정 범위로부터 벗어나, 절삭성이 저하하기 쉬워진다. 또한, 평균 입자경이 커질수록 소결체의 기공이 커지고, 강도가 저하하기 때문에, 평균 입자경은 120 ㎛ 이하가 바람직하고, 100 ㎛ 이하가 보다 바람직하다. 또한, 평균 입자경이 커질수록, Cu 와 C 는, Fe 입자 하나 하나로 확산되지만, 개개의 Fe 입자에 있어서 균일하게 확산되지 않아, 소결체 미시 조직이 불균일해지고, 비커스 경도의 표준 편차가 소정 범위로부터 벗어나, 절삭성이 저하하기 쉬워진다. 본 명세서에 있어서, 평균 입자경은, 중량 누적 분포의 메디안 직경 D50 을 말하고, JIS Z 8801-1 에 규정되는 체를 사용하여 입도 분포를 측정하고, 얻어진 입도 분포로부터 적산 입도 분포를 작성했을 때에, 체 위 및 체 아래의 중량이 50 ％ 가 되는 입자경을 구했을 때의 값이다. Mo 또는 Mo 와 Cu 를 미리 합금화한 합금강 가루의 최대 입자경은, 250 ㎛ 이하로 할 수 있고, 200 ㎛ 이하가 바람직하고, 180 ㎛ 이하가 보다 바람직하다.
Cu 또는 Mo 와 Cu 를 미리 합금화한 합금강 가루의 제조 방법은, 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 물 아토마이즈법을 들 수 있다.
(Cu 가루)
혼합 가루에 합금용 분말로서 Cu 가루를 사용함으로써, Cu 가루가 소결시에 용융하여 액상이 되어 분말 사이의 공극을 매립하여, 소결체 중의 기공의 원형도를 증가시킬 수 있다.
Cu 가루의 평균 입자경은, 입도가 큰 Cu 가루가 소결시에 용융하여, 소결체의 체적을 팽창시키고, 소결체의 밀도를 저하시킬 우려를 회피하는 점에서, 50 ㎛ 이하가 바람직하고, 40 ㎛ 이하가 보다 바람직하다. Cu 가루의 평균 입자경의 하한에 특별히 제한은 없지만, 제조 비용을 무리하게 높이지 않기 위해서 0.5 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
(흑연 가루)
혼합 가루에 합금용 분말로서 흑연 가루를 사용함으로써, 소결체에 C 를 함유시켜, 소결체의 마이크로 조직의 경도의 증가 및 퀀칭성의 향상을 도모하고, 소결체의 인장 강도를 증가시킬 수 있다. 흑연 가루는, 평균 입자경이 1 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하인 것을 사용할 수 있다.
분말 야금용 철기 혼합 가루의 성분 조성은, Cu : 1.8 질량％ 이상 10.2 질량％ 이하, Mo : 2.0 질량％ 이하, 및 C : 0.2 질량％ 이상 1.2 질량％ 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어질 수 있다. 성분 조성은, Cu : 1.8 질량％ 이상 10.2 질량％ 이하 및 C : 0.2 질량％ 이상 1.2 질량％ 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것, Cu : 1.8 질량％ 이상 10.2 질량％ 이하, Mo : 0.5 질량％ 이상 2.0 질량％ 이하, 및 C : 0.2 질량％ 이상 1.2 질량％ 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 포함한다.
바람직한 Cu 함유량, Mo 함유량 및 C 함유량에 대해서는, 소결체에 있어서의 이것들의 함유량과 동일하고, 소결체에 있어서의 기재 (예시, 바람직한 범위를 포함한다) 가 각각 적용된다.
분말 야금용 철기 혼합 가루 중에 Cu 가루가 0.3 질량％ 이상 포함되는 것이 바람직하다. 0.3 질량％ 미만에서는, 기공의 원형도가 충분히 증가하지 않아, 소결체에 있어서 800 ㎫ 이상의 인장 강도를 달성하는 것이 곤란해질 수 있다. Cu 가루는, 0.5 질량％ 이상이 보다 바람직하다. 또한, Cu 가루는, 5.0 질량％ 이하가 바람직하고, 3.0 질량％ 이하가 보다 바람직하다.
C 는, 분말 야금용 철기 혼합 가루 중에 흑연 가루로서 포함되고, 흑연 가루의 함유량은 성분 조성에 있어서의 C 함유량과 동등하게 된다. 분말 야금용 철기 혼합 가루 중에 흑연 가루는 0.2 질량％ 이상 1.2 질량％ 이하일 수 있다. 흑연 가루가 0.2 질량％ 미만에서는, 퀀칭이 불충분하고, 또한 소결체의 마이크로 조직의 비커스 경도의 평균치가 300 Hv 미만이 되는 경향이 있어, 800 ㎫ 이상의 인장 강도를 달성하는 것이 곤란해질 수 있다. 흑연 가루가 1.2 질량％ 초과에서는, 소결체의 마이크로 조직의 비커스 경도의 평균치가 900 Hv 초과가 되는 경향이 있고, 거기에 수반하여, 기공에 대한 절결 감수성이 증가하고, 인장 강도가 저하할 수 있다. 흑연 가루는, 0.4 질량％ 이상이 보다 바람직하고, 또한, 1.0 질량％ 이하가 보다 바람직하다.
불가피적 불순물의 종류, 양에 대해서는, 소결체에 있어서의 불가피적 불순물의 종류, 양과 동일하고, 소결체에 있어서의 기재 (예시, 바람직한 범위를 포함한다) 가 적용된다.
[윤활제 등]
혼합 가루는, 추가로 윤활제를 포함할 수 있다. 윤활제를 함유시킴으로써, 성형체의 금형으로부터의 발출을 용이하게 할 수 있다. 윤활제는, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 유기 윤활제를 사용할 수 있고, 지방산, 지방산아미드, 지방산비스아미드 및 금속 비누로 이루어지는 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 사용할 수 있다. 금속 비누 (예를 들어, 스테아르산리튬, 스테아르산아연), 아미드계 윤활제 (예를 들어, 에틸렌비스스테아르산아미드) 등이 바람직하다. 윤활제의 배합량은, 분말 야금용 철기 혼합 가루 100 질량부에 대하여, 0.1 질량부 이상 1.2 질량부 이하가 바람직하다. 0.1 질량부 이상이면, 성형체의 금형으로부터의 발출을 충분히 용이하게 할 수 있고, 한편, 1.2 질량부 이하이면, 혼합 가루 전체에서 차지하는 비금속의 비율이 많아져 소결체의 인장 강도가 저하하는 것을 회피할 수 있다. 혼합 가루는, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서, 공지된 첨가제 등을 함유할 수 있다.
＜소결체의 제조＞
본 발명의 분말 야금용 철기 혼합 가루를 사용하여, 소결체를 얻을 수 있다. 소결체의 제조 방법은, 특별히 한정되지 않고, 혼합 가루를 성형하여 성형체로 한 후, 소결 처리에 부여하는 방법을 들 수 있다. 윤활제를 함유하는 혼합 가루를 사용하는 것이 바람직하다.
[성형]
혼합 가루를 가압 성형하여 성형체로 할 때의 가압 성형의 압력은, 400 ㎫ 이상 1000 ㎫ 이하가 바람직하다. 400 ㎫ 미만에서는, 성형 밀도가 낮고, 거기에 수반하여 소결체의 밀도가 저하하여, 인장 강도가 저하할 수 있다. 한편, 1000 ㎫ 초과에서는, 금형에 대한 부담이 증가하고, 금형 수명이 짧아져, 경제적인 부하가 증가한다.
가압 성형의 온도는, 상온 (약 20 ℃) 이상 160 ℃ 이하가 바람직하다. 상온 이하로 하기 위해서는, 상온 이하로 냉각시키는 설비가 필요하게 되는 한편, 온도의 상승과 함께 성형 밀도는 증가하기 때문에, 상온 이하에서 성형하는 메리트가 적다. 160 ℃ 초과에서는, 부대 설비가 필요하게 되어, 경제적인 부하가 증가한다.
[소결]
상기 성형체를 소결할 때의 소결 온도는, 1100 ℃ 이상 1300 ℃ 이하가 바람직하다. 1100 ℃ 미만이면, 소결이 충분히 진행되지 않아, 인장 강도가 저하할 수 있다. 1300 ℃ 초과이면, 소결체의 인장 강도는 증가하지만, 제조 비용의 증가를 초래한다.
소결 시간은, 15 분 이상 50 분 이하가 바람직하다. 15 분 미만이면, 소결이 충분히 실시되지 않아, 소결 부족이 되어, 인장 강도가 저하할 수 있다. 50 분 이상이면, 소결에 필요한 제조 비용의 증가가 현저해진다.
소결 후의 냉각시의 냉각 속도는, 20 ℃/분 이상 40 ℃/분이 바람직하다. 냉각 속도 20 ℃/분 미만에서는, 충분히 퀀칭을 실시할 수 없어, 인장 강도가 저하할 수 있다. 냉각 속도 40 ℃/분 이상에서는, 냉각 속도를 촉진시키는 부대 설비가 필요하게 되어, 제조 비용이 증가한다.
얻어진 소결체는, 침탄 퀀칭, 템퍼링 등의 처리에 부여해도 된다.
실시예
이하, 실시예에 기초하여, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예는, 본 발명의 바람직한 일례를 나타내는 것으로, 본 발명은, 이들 실시예에 의해 전혀 한정되는 것이 아니다.
표 1 에 나타내는 종류 및 양의 합금화 원소를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 합금강 가루 (평균 입자경을 표 1 에 나타낸다) 에, 합금용 분말 (Cu 가루 (평균 입자경 약 25 ㎛), 흑연 가루 (평균 입자경 약 5 ㎛)) 를 표 1 에 나타내는 양으로 배합하여, 철기 혼합 가루로 하였다.
또한 철기 혼합 가루 100 중량부에 대하여, 윤활제로서의 에틸렌비스스테아르산아미드 (EBS) 0.5 질량부를 첨가하여, 성형체 제조용 혼합 가루를 얻었다.
이것들 성형체 제조용의 혼합 가루를, 소정 형상의 금형에 장입하고, 밀도가 7.0 Mg/㎥ 으로 일정해지는 조건으로 가압하여, 성형체를 얻었다. 일부의 시료는, 밀도가 6.6 ∼ 7.3 Mg/㎥ 이 되도록 가압하여, 성형체를 얻었다.
이들 성형체를, RX 가스 (프로판 변성 가스) 분위기 중에서, 1130 ℃, 20 분간의 조건으로 소결하고, 30 ℃/분의 냉각 속도로 냉각시켜, 소결체 (링상 소결체 (외경 38 ㎜, 내경 25 ㎜, 높이 10 ㎜), 봉상 소결체 (길이 : 55 ㎜, 폭 : 10 ㎜, 두께 : 10 ㎜), JIS Z 2550 에 규정되는 평판 인장 시험편 및 선반 절삭 시험편 (외경 60 ㎜, 내경 20 ㎜, 두께 20 ㎜) 을 얻었다.
얻어진 소결체에 대하여, 이하의 측정을 실시하였다. 결과를 표 1 에 나타낸다.
얻어진 링상 소결체에 대하여, 외경, 내경, 두께 및 질량의 측정을 실시하여, 소결체 밀도를 산출하였다.
얻어진 평판 인장 시험편을 사용하여, JIS Z 2550 에 의해, 인장 시험을 실시하고, 인장 강도를 측정하였다.
얻어진 봉상 소결체의 중앙부를 절단하여 경면 연마하고, 단면 중앙부의 6 ㎜ × 6 ㎜ 에 대하여, 상기 서술한 바와 같이 하여, 마이크로 비커스 경도 측정을 실시하여, 비커스 경도의 평균치 및 표준 편차를 구하였다. 타흔은, 0.1 ㎜ 의 일정 간격으로 실시했지만, 타흔 예정 위치가 기공인 경우에는 타흔을 실시하지 않고, 다음 타흔 예정 위치를 타흔하였다. 합계 30 점의 비커스 경도를 측정하였다.
얻어진 봉상 소결체의 중앙부를 절단하여, 단면을 경면 연마하고, 광학 현미경 (100 배) 을 사용하여, 단면 중앙부의 6 ㎜ × 6 ㎜ 의 영역에 대하여 사진을 촬영하였다. 얻어진 단면 사진 (1 시야 826 ㎛ × 619 ㎛, 5 시야) 에 대하여, Image J (오픈 소스, 아메리카 국립 위생 연구소) 를 사용하여, 상기 서술한 바와 같이 하여, 화상 해석에 의한 기공의 평균 원형도를 산출하였다.
얻어진 링상 소결체를 3 개 겹치고, 그 측면을, 선반으로 절삭하였다. 초경의 절삭 공구를 사용하여, 절삭 속도 : 120 m/분, 이송량 : 0.1 ㎜/회, 절입 깊이 : 0.5 ㎜, 절삭 거리 : 1000 m 로 하여, 절삭 후, 절삭 공구의 플랭크면의 마모흔의 폭 (마모 폭) 을 측정하였다. 비교재인 Ni 를 포함하는 No.1 의 시료에 있어서의, 절삭 공구의 플랭크면의 마모 폭 0.98 ㎜ 를 기준으로 하여, 이것보다 작을수록, 소결체의 절삭성이 우수한 것으로 평가하였다.
본 발명예는 모두, 인장 강도가 800 ㎫ 이상이고, 절삭 공구의 플랭크면 마모 폭이 작고, 선삭성이 우수한, 고강도의 소결체인 것을 알 수 있다.
Claims (8)
- 철기 합금 소결체로서,
비커스 경도의 평균치가 300 Hv 이상 900 Hv 이하이고, 비커스 경도의 표준 편차가 200 Hv 이하인 마이크로 조직을 갖고, 또한
기공의 평균 원형도가 0.30 이상인, 철기 합금 소결체. - 제 1 항에 있어서,
상기 철기 합금 소결체의 밀도가 6.6 Mg/㎥ 이상인, 철기 합금 소결체. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 철기 합금 소결체의 성분 조성이,
Cu : 1.8 질량％ 이상 10.2 질량％ 이하,
Mo : 2.0 질량％ 이하, 및
C : 0.2 질량％ 이상 1.2 질량％ 이하를 포함하고,
잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는, 철기 합금 소결체. - 제 3 항에 있어서,
Mo 함유량이 0.5 질량％ 이상 2.0 질량％ 이하인, 철기 합금 소결체. - Cu 또는 Mo 와 Cu 를 미리 합금화한 합금강 가루, Cu 가루 및 흑연 가루를 포함하는 분말 야금용 철기 혼합 가루로서,
상기 분말 야금용 철기 혼합 가루의 성분 조성이,
Cu : 1.8 질량％ 이상 10.2 질량％ 이하,
Mo : 2.0 질량％ 이하, 및
C : 0.2 질량％ 이상 1.2 질량％ 이하를 포함하고,
잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
상기 분말 야금용 철기 혼합 가루 중, Cu 가루가 0.3 질량％ 이상인, 분말 야금용 철기 혼합 가루. - 제 5 항에 있어서,
상기 Cu 또는 Mo 와 Cu 를 미리 합금화한 합금강 가루가 Mo 와 Cu 를 미리 합금화한 합금강 가루이고,
Mo 함유량이 0.5 질량％ 이상 2.0 질량％ 이하인, 분말 야금용 철기 혼합 가루. - 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 합금강 가루의 평균 입자경이 30 ㎛ 이상 120 ㎛ 이하인, 분말 야금용 철기 혼합 가루. - 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
추가로 윤활제를 포함하는, 분말 야금용 철기 혼합 가루.
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