KR20220089843A - 분말야금의 기계적 합금화 및 방전 플라즈마 소결을 통해 베어링 강을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 분말야금을 이용한 베어링 강의 제조 방법은, 고에너지 볼 밀링을 실시하여 분말야금의 기계적 합금화를 진행하는 단계; 및 방전플라스틱 방식을 통해 철계 소결체에 대하여 결정립 성장 억제 및 높은 상대밀도를 갖는 베어링 강을 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

분말야금의 기계적 합금화 및 방전 플라즈마 소결을 통해 베어링 강을 제조하는 방법{Method for manufacturing bearing steel through mechanical alloying and discharge plasma sintering of powder metallurgy}

본 발명은 분말야금의 기계적 합금화 및 방전 플라즈마 소결을 통해 베어링 강을 제조하는 방안에 관한 것이다.

기존의 베어링 강은 코일 형상의 STB2강 선재를 압조 공정을 통해 구 또는 원통 형상으로 가공한 후에 성형, 연마 및 열처리 공정을 통해 제조되는데, 상기와 같은 방식으로 제조된 베어링 강은 미세조직 특성을 조절하여 기계적 특성을 향상시키는데 한계가 있다.

종래에는 세라믹 분말을 이용하여 성형된 볼을 소결 공정을 거쳐 조립하여 제조하는 기술, 철계금속 분말과 고체윤활제분말의 혼합분말을 도포하여 소결층을 형성하여 고상소결하는 기술 및 방전 플라즈마 소결법으로 형성하는 기술에 대하여 제안을 하고 있다.

한편, 미세조직 특성 중 결정립 크기가 작으면 기계적 강도가 증가하게 되며, 상온에서의 잔류 오스테나이트 양을 증가시키는데, 잔류 오스테나이트는 외력으로 변형이 되었을 때 소성 유기 마르텐사이트로 변태하는 변태유기소성이 발생하여 시편의 강도와 연성이 증가하게 되는바, 상기한 원리를 이용한 소결합금 제조법을 베어링강 합금 설계에 적용함으로써 상대적으로 높은 강도와 긴 수명을 갖게 함으로써 기존의 제조 기술을 대체할 수 있을 것이다.

대한민국 공개특허 10-2019-0023568은 혼합된 분말을 승온속도를 달리하여 소결함으로써 소결체의 기공률 및 경도값을 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라 기계유압부품으로 이용이 가능한 높은 기공률을 가지면서 고강도의 소결체를 제조할 수 있는 방전 플라즈마 소결법을 이용한 소결 합금의 소결 방법을 제안한다.

(특허문헌 1) KR 10-2019-00235680 A

본 발명은 기존의 베어링강 제조방법과는 달리 금속 분말을 원재료로 하여 기계적 합금화와 방전플라스틱 방식을 사용하는 새로운 방안을 제공하는 것이 목적이다.

즉, 본 발명은 기계적 합금화를 통해서 일반적인 합금보다는 높은 강도를 얻고, 방전 플라즈마 소결을 통해 철계 소결체에 대하여 결정립 성장을 나노 크기로 억제하여 기계적 강도 향상 및 높은 상대밀도를 갖는 베어링 강을 획득하는 방안에 대한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 분말야금을 이용한 베어링 강의 제조 방법은, 고에너지 볼 밀링을 실시하여 분말야금의 기계적 합금화를 진행하는 단계; 및 방전플라스틱 방식을 통해 철계 소결체에 대하여 결정립 성장 억제 및 높은 상대밀도를 갖는 베어링 강을 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 금속 분말을 원재료로 하여 기계적 합금화와 방전플라스틱 방식을 통해 철계 소결체에 대하여 결정립 성장 억제 및 높은 상대밀도를 갖는 베어링 강을 획득하도록 하는 것으로서, 1분 이내의 소결 시간으로 인해 기존의 제품보다 높은 내모성을 갖는 베어링을 제조하는 새로운 방안을 제공한다.

본 발명은 베어링 산업의 50% 비중을 차지하고 있는 자동차 베어링 뿐만 아니라 극한의 환경을 요구하는 우주 항공, 국방, 로봇 산업에 적용 가능한 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따라 분말야금의 기계적 합금화 및 방전 플라즈마 소결을 진행하는 실험 방법을 보인다.
도 2는 본 발명에 따라 분말야금의 기계적 합금화 및 방전 플라즈마 소결을 진행하는 실험 진행 과정을 보인다.
도 3은 본 발명에 따른 공정 중 Spark Plasma Sintering (SPS) 과정을 보인다.
도 4는 본 발명에 따라 Spark Plasma Sintering 컨디션을 보인다.
도 5는 Fe-Mn 합금의 합금 분말 XRD를 보이며, 기계적 합금화 이후에 분말이 BCC 단상으로 합금화된 것을 보인다.
도 6은 열역학적 계산과 소결 시편의 잔류 오스테나이트를 나타낸다.

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. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따라 분말야금의 기계적 합금화 및 방전 플라즈마 소결을 진행하는 실험 방법을 보인다. 도 2는 본 발명에 따라 분말야금의 기계적 합금화 및 방전 플라즈마 소결을 진행하는 실험 진행 과정을 보인다. 도 3은 본 발명에 따른 공정 중 Spark Plasma Sintering (SPS) 과정을 보인다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 분말야금의 기계적 합금화 및 방전 플라즈마 소결을 진행하는 공정을 설명한다.

먼저, 합금 분말을 준비한다.

상기의 준비된 합금 분말에 대한 고에너지 볼 밀링을 실시한다. 구체적으로는 250rpm, 24h 상의 조건을 유지한다. 상기의 고에너지 볼 밀링을 실시하여 기계적 합금화를 진행함으로써 나노 스케일의 분말 상태를 갖게 한다. 고에너지 볼 밀링은 FRITSCH Pulverisette-6을 사용하는 것일 수 있다.

다음으로는, SPS(Spark Plasma Sintering) 과정을 실시한다.

구체적으로는, Temperature : 1000℃, Heating rate : 1000ㅀ/min, Holding time : 0 , 10 min, Cooling method : Air , Water 상태를 갖는다.

SPS 과정 이후엔 기계적 특성 내지 마이크로구조에 대한 검사를 실시한다.

기계적 특성은 경도 측정을 실시한다.

마이크로구조 검사는 XRD 및 SEM(ESBD) 측정을 실시한다.

XRD 측정은 구체적으로는, Target : Copper, Range of angles : 30ㅀ- 100ㅀ, Step size : 0.02ㅀ , Scan speed : 2ㅀ/min 상태를 갖는다.

도 3을 참조하면, 방전 플라즈마 소결은 합금 분말을 충진한 몰드에 가압과 함께 펄스 전류를 통전하여 짧은 시간 내에 소결하는 방식을 지칭한다. 상기 방식으로 제작된 소결체는 결정립 성장의 억제와 높은 상대 밀도를 갖게 된다.

방전 플라즈마 소결(Spark plasma sintering)은 압분체의 입자 간극에 직접 펄스 상의 전기에너지를 투입하여, 불꽃 방전에 의해 순식간에 발생하는 고온 플라즈마(방전 플라즈마)의 고에너지를 열확산, 전기장의 작용 등에 효과적으로 응용하는 공정을 말한다. 저온부터 고온영역(2,000ㅀC 이상) 까지의 소결온도를 조절할 수 있다. 상기 공정은 다른 소결 공정에 비해 200~500ㅀC 정도 낮은 온도 영역에서 단시간 내에 소결 또는 소결 접합을 할 수 있는 독특한 소결법이다

방전 플라즈마 소결은 재료를 소결형으로 충진해서 가압기구를 가진 ＳＰＳ 소결 스테이지의 전극 간에 끼워서 셋팅한다. 수 ㎫의 저압력 내지 1000 ㎫의 고압하까지 저온에서 2500℃의 고온영역에 있어서 단시간에 고품질의 소결체를 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 것으로서, 펄스 통전에 의한 단속적인 방전 에너지에 의해 급속 승온을 가능하게 하기 때문에 출발원료 분체의 입성장을 제어가능하고, 단시간에 치밀한 소결체를 얻을 수 있게 한다는 장점이 있다. 또한, 난소결 재료, 각종복합재료, 유기계재료(Polymid그 외) 라도 용이하게 소결가능한 등 우수한 특징을 갖고 있다.

도 4는 본 발명에 따라 Spark Plasma Sintering 컨디션을 보인다.

구체적으로는, 1000℃를 일관적으로 유지하되, 홀딩 타임을 갖지 않은 상태에서 0A의 Air 쿨링을 실시하거나 0W의 Water ??칭을 실시하는 것일 수 있다. 한편, 1000℃를 일관적으로 유지하되, 홀딩 타임을 10mim 갖는 상태에서 10A의 Air 쿨링을 실시하거나 10W의 Water ??칭을 실시하는 것일 수 있다.

도 5는 Fe-Mn 합금의 합금 분말 XRD를 보이며, 기계적 합금화 이후에 분말이 BCC 단상으로 합금화된 것을 보인다.

도 6은 열역학적 계산과 소결 시편의 잔류 오스테나이트를 나타낸다.

본 발명에 따른 기계적 합금화 및 방전 플라즈마 소결을 이용하여 Fe-Mn, Fe-Ni, Fe-Mn-C, Fe-Ni-C 및 Fe-Mn-Ni-C 합금을 제조한다. 이후, 기계적 특성 평가, 미세 조직 분석, 열역학 계산 등을 이용하여 합금의 최적화를 진행한다.

본 발명에 따를 때, 잔류 오스테나이트가 기존의 공정 방법에 비해 최대 50% 까지 더 나오는 것을 확인한다. 이러한 잔류 오스테나이트는 압축 실험 시 마르텐사이트로 변태하는 변태유기소성(Transformation-induced Plasticity TRIP)이 발생하여 합금의 강도와 연성이 증가한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 금속 분말을 원재료로 하여 기계적 합금화와 방전플라스틱 방식을 통해 철계 소결체에 대하여 결정립 성장 억제 및 높은 상대밀도를 갖는 베어링 강을 획득하도록 하는 것으로서, 1분 이내의 소결 시간으로 인해 기존의 제품보다 높은 내모성을 갖는 베어링을 제조하는 새로운 방안을 제공한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (1)

1. 고에너지 볼 밀링을 실시하여 분말야금의 기계적 합금화를 진행하는 단계; 및
   방전 플라스틱 방식을 통해 철계 소결체에 대하여 결정립 성장 억제 및 높은 상대밀도를 갖는 베어링 강을 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   분말야금을 이용한 베어링 강의 제조 방법.

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