KR880001497B1 - 정밀성형용 금속복합체 - Google Patents

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알.딜론 케네쓰
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미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩춰링 컴페니
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Abstract

내용 없음.

Description

정밀성형용 금속복합체
제 1 도는 본 발명 복합체의 일부를 나타내는 도식도.
제 2 도는 본 발명에 따라 정밀 성형된 복합체의 제조과정을 나타내는 계통도.
제 3 도는 본 발명 복합체의 광학현미경 스케치.
제 4 도는 본 발명따라 성형된 다이 공동의 사시도.
본 발명은 분말야금술에 의해 제조되는, 내충격성과 내마모성 성분을 함유하는 정밀성형용 금속복합체를 관한 것이다.
본말야금술은 높은 경도와 높은 충격강도를 가지는 내화금속복합체를 만드는데 사용되어 왔다. 미합중국 특허 제4,024,902호에는 탄화텅스텐과 코발트를 함유한 소결탄화물합금(cememted carbide)입자로 부터 만들어지는 복합금속재료에 관해 기재되어 있는데, 이와 같은 소결탄화물합금 입자는 주형에 주입되어 용강합금에 용침된다. 탄화텅스텐과 코발트는 강합금중에 용해되고, 이어서 성형체가 냉각됨에 따라 합금으로 부터 석출한다. 그 결과 얻어진 복합체는 텅스텐(탄화텅스텐으로 부터의), 탄소(탄화텅스텐으로 부터의), 코발트와 강을 함유하는 연속될 쉘(shell)로 둘러싸이는 탄화텅스텐입자를 함유하며, 각 셀은 탄화텅스텐 입자보다 낮은 경도를 가진다.
그리고 성형체의 잔부는 강합금에 의해 차지된다. 이와 같은 복합체에 있어서, 가장강한 재료는 탄화텅스텐이고, 가장 연한 재료는 강합금이다. 미합중국 특허 제4,140,170호에는 미합중국 특허 제4,024,902호의 성형방법에 대한 개선점이 설명되어 있다. 후자 특허의 방법에 따르면, 소결된 탄화텅스텐은 분쇄되어 철분말과 혼합되게 되어 있고, 그뒤에 이 분말 혼합물은 주형에 채워진후, 가열됨에 따라 복합재료를 형성하게 되어 있다. 이들 특허의 방법은 액상 반응을 사용하고 있으나, 복합체중의 재료가 서로 화학적으로 결합할 때 칫수 변화가 발생하기 때문에 정밀성형 방법으로서는 적당하지 않는 것이다.
미합중국 특허 3,258,817호에는 주형에 구형의 내화경질 금속입자를 위치시키고, 융점이 816℃와 1649℃사이인 용융 결합체 금속으로 입자를 용침시키고, 용침된 성형체를 냉각시킴에 의해 만들어지는 복합재료에 관해 기재되어 있다. 내화성 입자는 용침시, 결합제금속중에 부분적으로 용해되고, 성형체의 냉각시 결합제로부터 석출된다. 공정조건은 내화성 입자의 "상호성장"과 연속적인 경질 금속상의 형상을 일으키도록 조절되는 것이 바람직하다. 이러한 복합재료는 내화성 입자의 상호결합이나 상호성장 때문에 낮은 내충격성을 가지게 되는데, 그 이유는 이러한 상호성장에 위해 재료를 통해 균열을 전파시키는데 유효한 경로가 제공되기 때문이다. 또한, 본 특허의 방법은 액상반응의 사용으로 인해 정밀성형 방법으로서는 적절하지 못하다.
미합중국 특허 3,823,002호의 3,929,476호에는 가요성주형내에서 다양한 상(multimodal)의 내화물분말과 열가소성 결합제의 소성 혼합물을 성형시켜 소정의 형상 및 칫수를 갖는 생(green)성형체를 형성하고, 그 생성형체를 가열하여 결합제를 제거함과 동시에 내화물분말을 상호결합시킨 골격의 형태로 합체시키고, 상기의 골격에 저융점 금속이나 합금으로 구성되는 용융 용침제를 용침시킴에 의해 만들어지는 방전 가공용전극과 같은 정밀 성형체가 기재되어 있다.
영국 공개 특허출원 제2,005,728호에는 가요성 주형내에서 비내화성 구상 금속분말과 열가소성재료를 혼합하는 열불안정성 결합체와의 가소성 혼합물을 성형하여 소정의 형상 및 칫수의 생성형체를 형성하고, 이것을 가열하여 결합제를 제거함과 동시에 비내화성 구형 금속분말을 비내화성 금속이 서로 네킹된 입자의 다공성 일체상 골격형태로 합체시키고, 골격에 구형의 비내화성 입자의 최저융점보다 최소한 25℃만큼 낮은 융점을 가지는 용융금속을 용침시킨 후, 용침된 골격을 냉각시켜, 두종의 재료가 서로 결합된 금속 매트릭스를 가지는, 기공이 없고, 균질의 비내화성 금속체를 성형함으로써 만들어진 비내화성 금속성형체가 기재되어 있다. 성형된 골격은 Fe, Co, Ni 또는 이들의 합금입자로 될 수 있고, 용침제 금속은 Cu, Ag나 Sn으로 될 수 있다.
본 발명은 서로 결합된 제1, 제 2 매트릭스를 포함하는 실질적으로 기공이 없는 붕합체로서, 상기 제 1 매트릭스는 내화물 입자를 포함하고, 제 2 매트릭스는 연속 금속상을 포함하는 금속복합체에 있어서, (a) 상기의 내화물 입자는 1-100마이크로미터의 평균직경을 가지고, 내화물은 (i) 금속탄화물, 봉화물, 산화물, 규화물, 질화물이나 (ii) 텅스텐, 몰리브텐, 탄탈, 니오비움, 바나듐, 티탄으로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 금속이나 (iii) 이들의 조합물로 되어 있고, (b) 제 1 매트릭스는 광학 현미경으로 관찰했을 때 융점이하의 온도에서 균질의 결정성외관을 가지고 상기 내화물보다 낮은 로크웰경도를 가지는 고형의 제 1 금속이나 합금을 포함하는 일체상 골격으로 구성되고, 상기의 제 1 금속이나 합금은 내화물 입자를 완전히 둘러싸고, 상기 내화물 입자는 골격중에 균일하게 분산되고, (c) 제 2 매트릭스의 연속금속상은 상기 골격중의 연결된 기공을 채우며, 연속금속상은 골격을 습윤시키고, 제 1 금속이나 합금의 로크웰경도 이하의 로크웰은 경도를 갖고, 제 1 금속이나 합금의 융점미만의 융점을 가지는 고형의 제 2 금속이나 합금으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속복합체를 제공하는 있다.
본 발명의 실시에 있어서는 바라는 형상과 크기의 모형물을 사용하여 가요성 고무주형을 준비하게 된다. 다음에, 내화금속, 탄화물, 붕화물, 산화물, 규화물, 질화물 혹은 전술한 내화금속 또는 이들의 조합물(즉, 상기 구성요소(a), 이하 "내화물" 혹은 "내화물입자"라 부름)의 입자를 상기의 제 1 금속이나 합금[즉, 상기의 골격 (b), 이하 "제 1 금속"이라 부름]의 입자와 혼합시킨다. 그뒤에는 얻어진 분말 혼합물을 열불안정성 결합체와 혼합시키고, 다음에 주형에 주입시켜 바라는 최종 모양과 같은 모양으로 성형시킨다. 분말결합체 혼합물을 가요성 주형에서 경화시키고, 이결과 경화된 생성형체를 주형에서 제거한 후, 가열하여 모든 결합제를 열분해시켜 제거된다. 그뒤에는 얻어진 다공성의 성형체 즉, "예비성형체"를 제1금속의 융점미만의 온도에서 제 2 금속이나 합금(이하 "용침제"라 함)으로 용침공정중에 내화물과 제 1 금속의 인접한 인자는 체적확산에 의해 소결되고, 이로서 제 1 금속 입자는 원래의 입자형성을 잃고 융합하여 내화물 입자를 충분히 둘러싸는 단일상의 골격을 형성한다.
이로써 제 1 금속 입자는 원래의 형태에서 광범위한 변화를 한다. 차례로 골격의 요소는 용침제에 의해 둘러싸인다. 최종성형체의 냉각후에, 용침된 골격의 형상은 정밀주형의 형상과 일치하게 된다. 이 골격에서, 연결된 기공(즉, 골격의 외부와 연결되는 기공으로 부터 고립되거나 밀폐되지 않은 공극공간을 말하며, 이에 반해 골격내에서 외부로 부터 완전히 차단된 공극공간은 "밀폐된 기공"이라 함)은 용침제로 채워진다. 용침된 성형체는 분산된(즉, 서로 연결되지 않은)내화물 입자를 함유하며, 이들 각각은 낮은 경도와 큰 충격강도를 갖는 재료의 경사 형미경조직에 의해 둘러싸인다. 전체적으로, 본 성형체는 높은 내마모성, 높은 경도와 높은 충격강도를 나타내고, "예비성형체"를 제작하는 주형을 준비하는데 사용된 모형물과 똑같은 형상을 하고 있다.
"경사 현미경조직"이란 각기 내화물 입자를 둘러싸고 있는 하나의 쉘 또는 다수의 쉘의 형태를 갖는 다수의 인접하는 결정영역을 포함하는 불균일 결정조직을 의미하며, 상기 쉘의 로크웰경도와 충격강도와 같은 물리적 성질은 각 내화물 입자로부터 반경방향 외측으로 진보적이고 점진적인 변화를 나타낸다. 이러한 경사 현미경 조직은 복합체의 어떤 구성요소(즉, 내화물, 제 1 금속이나 용침제)로도 단독으로는 완전하게 나타나지 않는 내부(bulk)물리적 성질을 가지는 복합체를 제공한다.
전술한 체적확산 현상은 제 1 금속의 융점미만의 온도에서 발생하는 고상반응이다. 이 반응이 일어나는 방식은 "확산 운송수단에 의한 입자의 둘러쌈"이라 기술할 수 있지만, 종전의 분말야금술에서는 아직 알려져 있지 않았다. 제 1 금속입자의 광범위한 형상변화와, 제 1 금속입자가 단일체상의 골격으로 합체함에도 불구하고 본 발명의 완성 복합체는 철을 함유하는 분말 금속 복합체에서 전형적으로 나타나는 칫수변화에 비해서 칫수 및 형상의 변화가 거의 나타나지 않는다.
본 발명의 성형체의 경사 현미경조직은 제 1 도를 참조하면 더욱 이해가 잘 될 것이다. 제 1 도에는 내화물입자(11)의 개략적으로 나타나 있다. 이들 내화물 입자들은 제 1 금속(15)에 의해 충분히 둘러싸여 있다. 그리고 제 1 금속(15)은 용침제(19)(제 2 금속)에 의해 둘러싸여 있다. 내화물 입자는 용침제(19)와 접촉하지 않는다.
경우에 따라서는 내화물과 제 1 금속과의 중간조성물인 하나 또는 그 이상의 층 또는 쉘(13)이 내화물 입자(11)과 제 1 금속(15)의 사이에 배치되어 있다. 내화물과 제 1 금속간의 그 중간층은 내화물이 제 1 금속에 용해된다면 소정의 처리조건하에서 내화물 입자와 금속사이에 생기는 경향이 있는 경우도 있다.
내화물과 제 1 금속간의 중간층은 존재는 본 발명에는 필요하지 않다.
제 1 금속과 함께 이루어진 내화물의 중간층이 존재하면, 이에 의해 최종성형 복합체의 현미경 조직내의 제 1 금속과 내화물 사이에서의 충격 저항과 경도에 좀더 점진적인 변화가 발생하게 되어 본 발명의 최종성형 복합체의 충격저항과 경도가 개선되는 경향이 있다.
경우에 따라서는, 층(17)과 같은 하나 이상의 층 또는 쉘이 제 1 금속과 용침제 사이에 배치된다. 이들 중간층들은 용침제의 주금속(혹 그안에 존재하는 합금금속)이 제 1 금속에 대한 반응성을 갖는 것이면 소정의 처리 조건하에서 형성되어 경향도 있다. 층(17)과 같은 중간합금상의 존재는 본 발명에서 필요치는 않는 것이다. 이러한 증간층들이 존재하면 본 발명의 성형복합체의 현미경 조직내의 용침제와 제 1 금속 사이의 충격저항과 경도에 좀더 점진적인 변화가 발생하게 되어, 본 발명의 최종성형 복합체의 충격저항과 경도가 개선되는 경향이 있다.
전형적인 야금학적 방법으로 준비된 본 발명 복합체의 단면을 현미경을 사용하여 두개의 매트릭스를 식별할 수 있는 배율(예, 150배율)로 관찰한 결과, 내화물 입자는 제 1 금속에 의해 형성된 골격전체를 통해 실질적으로 균일하게 분포되고, 상기 제 1 금속과 용침제는 복합체 전반에 걸쳐 균일하게 분포되어 있다. 물론, 이보다 더 큰 배율에서는 내화물 입자, 제 1 금속과 용침제는 시야내에서도 더이상 고르게 분포되어 있지 않는 것과 같이 보이는 경우도 있다. 골격의 어떤 부분(특히 주변부, 성형체표면의 인접부분)에도 압력을 사용하여 최종성형체를 성형한 경우에 볼 수 있는 내화물 입자의 축 또는 치밀화는 없다.
본 발명의 성형체는 내부와 표면에 공극이나 구멍같은 결합이 거의 없고, 성형체 하나하나가 모두 균일한 물리적, 화학적, 전기적인 성질을 나타낸다.
골격의 소결과 용침시 최소의 수축이 일어나는데, 이러한 최소의 수축량은 선택된 공정변수에 의존한다. 이러한 수축의 보상으로 정밀한 공차, 즉 청사진 설계서와 비교할 때의 용침된 최종성형체의 칫수의 퍼센트 편차는 ±0.2%이하, 예를들어 ±0.1%로 얻어질 수 있다.
이와 같은 본 발명 성형체 하나하나의 균일한 성질과 성형체의 정밀한 공차는 이들 성형체가 높은 경도, 내마모성과 내충격성과 정밀한 칫수 공차를 갖는 것이 바람직한 경우, 즉 다이의 형상과 일치하는 금속이나 플라스틱 부품을 제조하는데 사용되는 스탬핑 및 사출성형 다이공과 같이 복잡하고 미세한 표면을 가지는 성형체에 특히 적합하다는 것을 나타낸다. 본 발명에 따라 준비된 성형체는 로크웰 경도가 50이상을 나타내고,노치없는 샤르피 충격치가 15주울(11ft. 1bs) 이상을 나타낸다.
본 발명에 따른 성형체를 제작하는데 사용되는 모형물을 나무, 플라스틱, 금속이나 다른 기계가공으로 성형할 수 있는 재료를 사용하는 종래의 방법으로 만들어질 수 있다. 본 발명의 공정에 따라 준비된 성형체가 상당한 칫수변화(예, 수축)를 나타낸다면, 모형물의 칫수는 공정시행시 발생하는 상술한 바와같은 칫수변화를 보상하기 위해 조절될 수 있다(예로, 크게 제작한다). 이러한 조절은 본 발명에 있어서와 같이 대형의 성형체(1리터나 그 이상)를 제조하는 경우에 유용하다.
본 발명에 있어서, 가요성을 갖는 주형을 준비하는데 사용되는 주형재료는 탄성이나 가요성이 있고 고무형태로 경화되는 재료들로서, 일반적으로 25-60정도의 쇼어 A경도값을 가지며, 모형물로 부터 상당한 칫수변화, 일례로 1%이상의 선형 칫수변화를 수반하지 않고 모형물의 세세한 부분까지 복제해 낼 수 있는 재료이다.
주형재료는 성형온도(180℃)까지 가열될 때 특성이 저하되어서는 아니되며, 또한 낮은 경화온도(예, 실온)를 가지는 것이 바람직하다. 저온 경화주형재료로는 모형물로 부터 칫수변화가 거의 적은 주형을 형성할 수 있는 반면에, 고온 경화주형 재료로는 모형물의 칫수와 바람직하지 못할 정도로 다른 칫수를 가지는 주형이 형성되게 된다. 칫수조절을 유지하기 위해서는, 주형재료는 습기에 민감하지 않은 것이 바람직하다. 적절한 주형재료로는, 일례로 경화성 규소고무(이는 다우 코닝 컴패니(DOW Corning Co.)의 1969년 1월 잡지 "RTV" 08-347에 나타나 있음)와 낮은 발열 우레탄수지이다. 이러한 주형재료는 낮은 경화수축을 가지는 탄성체로 경화한다. 경우에 따라서는 본 주형재료는 44마이크로미터 이하의 유리비이드를 첨가하여 보강할 수 있는데, 이것은 주조공정상의 치수조절에 개선점을 제공해준다.
모형물의 주형을 형성하는데 사용되는 주형재료의 양은 사용된 주형재료 특성과 모형물의 형상에 따라 변화할 수 있다. 모형물 1입방 센티미터당 10-14입방 센티미터의 주형재료를 사용하여, 유용한 가요성을 가지며 또한 결합제의 응고전에 주형내에서 따뜻한 분말-결합제 복합물에 의해 발생되는 작은 정수두를 지탱할 수 있는 충분한 강도를 가지는 주형을 형성할 수 있다는 것을 알게 되었다.
본 발명의 성형체를 성형하기 위한 성형조건(후술됨)에 따르면, 가해지는 압력이 단지 주형내에서의 따뜻한 분말-결합제 복합물의 정수두뿐이고, 또한 이 압력은 매우 작고 무시할 수 있는 뒤틀림만을 일으키는 것이기 때문에, 부드러우며 탄성이 있는 고무형태의 주형을 사용하는 것이 가능하다. 이와같은 온건한 주형조건에 의해 커다란 변형성의 주형이 사용될지라도 정밀하게 성형된 성형체가 확실히 제공될 수 있게 된다.
내화물 입자는 성형되고 용침된 최종성형체내에 체적%로 약 15%이하의 양으로 존재하는 것이 바람직하다. 내화물 입자가 약 50마이크로미터의 평균직경을 가진다면, 내화물 입자는 5-15체적%의 양으로 존재하는 것이 바람직하다. 내화물 입자가 15마이크로미터 이하의 평균직경을 가진다면, 내화물 입자는 2-15체적%사이의 양으로 존재하는 것이 바람직하다. 보다 큰 내마모성이 요구되는 용침성형체의 경우에는 보다 많은 양의 내화물을 사용할 수 있지만, 이 경우 이러한 성형체의 충격강도는 저하될 것인데, 그 이유는 내화물 입자가 과도하게 충전되면 내화물 입자의 밀접충전이 이루어져, 이 때문에 성형체의 내부에서 균열을 전파하는 경향이 커지게 되기 때문이다. 최종 성형체의 내충격성과 경도의 최적관계를 제공하기 위한 내화물의 양은 15체적%이하, 바람직하게는 8-13체적%이하이다. 최종 성형체를 제작하는데 사용된 내화물 입자로는 평균직경이 코울터(coulter)계기로 측정해서 약 1-100마이크로미터, 바람직하게는 1-50마이크로미터의 규칙적인 형상 또는 불규칙적인 형상을 갖는 것을 사용할 수 있다.
원래 평균직경이 작은 내화물 입자를 사용하면 매끄럽게 가공된 표면을 가지는 최종 성형체를 형성시킬 수 있다. 그러나, 1마이크로미터 이하의 평균직경을 가지는 내화물 입자가 상당량 사용된다면, 요구되는 경사 현미경 조직의 형성은 기대할 수 없다.
본 발명에 사용되는 적절한 내화물 입자는 W, Mo, Ta, Nb, V, Ti 같은 내화물 금속, B, W, Mo, Si, Ti, V, Nb, Ta, Cr같은 금속탄화물 Ti, Zr, V같은 내화물 금속의 붕화물 Al, Zr, Hf, Si같은 금속산화물 W, Mo같은 내화물 금속의 규화물 Al같은 금속의 질화물을 포함한다.
선택된 내화물은 제 1 금속에서 충분히 한정된 용해도를 가져야하며 따라서, 내화물 입자는 복합체의 성형공정시 제 1 금속에 완전히 용해하지 않아야 한다. 또한, 내화물은 용침이 수행되는 공정조건과 온도에서 분해되지 않고 충분히 안정해야 한다. 이와 같은 공정의 조건은 평행용해도와 주어진 내화물-제 1 금속의 조합에 대한 용해도 비율 데이타를 조사하거나, 하나 이상의 시험용 복합체를 실험적으로 용침, 절단, 조사하고 용침시 발생하는 내화물 입자의 칫수변화에 주의를 집중시킴으로써 만족하게 고려될 수 있다. 탄화텅스텐은 한 복합체에 좋은 내화물이며, 이때에는 철이나 철합금이 제 1 금속이 된다.
제 1 금속은 고체이고 융점이하의 온도에서 균질물이어야 한다. "고체"란 최종제품의 제 1 금속이 실온에서 고체인 것을 의미한다. "균질물"이란 제 1 금속의 용융온도 아래의 어떤 온도에서 제 1 금속의 광학 현미경하에서 관찰할 때 균질한 결정을 가지는 결정 고용체를 형성하는 것을 의미한다. 제 1 금속은 실온에서 균일할 필요도 없고 융점 이하의 전 온도에서 균일할 필요도 없다. 이는 상분리 없이 융점이하의 어떤 온도에서만 균일하여야 한다. 또한 제 1 금속은 ASTM E-103-61을 사용하는 동일한 시험조건하에서 측정되는 내화물의 로크웰 경도보다 낮은 경도치를 가져야 한다. 또한, 제 1 금속은 내화물 입자와 용해된 용침제와 혼합할 때 융점 이하의 어떤 온도에서 체적확산을 행할 수 있어야 한다. "체적 확산"이란 접촉한 금속입자의 가열시 고체상태 소결반응이 일어나는 것을 의미한다. 체적확산(때때로 "격자확산"이라고도 함)은 원자나 분자가 접촉한 금속입자의 내부로 부터 금속입자들 사이의 빈 공간으로 자발적으로 이동하는 것으로 특정지워진다.
체적확산은 접촉한 금속 사이에 "네킹"의 발생(즉, 접촉면적이 확대됨)과 그에 수반하여 인접 금속입자의 잔부(네킹되지 않은 부분)의 외부표면의 형상 변화에 의해 인식될 수 있다. 체적 확산은 "표면 확산"이라고 하는 다른 고체 상태 소결반응과 대조를 이루는 것으로 표면확산은 원자나 분자가 접촉한 금속입자의 표면으로 부터 금속입자 사이의 빈 공간으로 자발적으로 이동하는 것으로 특정지워진다. 표면확산은 접촉한 금속입자의 잔부(네킹되지 않은 부분)가 형상변화 하지 않고 네킹이 일어나는 것으로서 식별할 수 있다.
전술된 네킹과 입자 형상 변화 현상은 소결되고 냉각된 분말상의 금속복합재를 절단 연마하고, 광학 현미경하에서 연마된 표면을 조사함에 의해 관찰된다.
본 발명의 성형체에 있어서 체적확산을 촉진시키는데 필요한 조건들은 성형체의 칫수 및 형상의 변화에 따라 달라질 수 있다. 체적확산은 시간과 온도 양자에 의존하고, 용침이 수행되는 시간 및 온도가 증가함에 따라 더욱 잘 일어난다. 용침된 제품이 표면확산만을 행한다면, 내화물 입자가 제 1 금속에 의해 충분히 둘러싸이지 않게되기 때문에 최적의 내충격치보다 적은 값을 갖게될 것이고, 최종 용침된 성형체내에서 내화물 입자는 용침제와 접촉하게 될 것이다. 본 발명의 실시에 있어서 적절한 물리적 성질을 얻기 위하여 상술한 바와같은 접촉은 최종 용침된 성형체에서 배제시키고 있다. 본 발명에 있어서, 전술된 체적확산은 용침된 성형체에서 칫수의 안정성을 유지시킬 수 있게 하는 비교적 저온에서 일어난다.
제 1 금속은 용침된 최종 성형체에서 35-70체적%, 좀더 바람직하게는 57-62체적%존재하는 것이 좋다. 최종 성형체를 만드는데 사용되는 제 1 금속의 입자는 1-100마이크로미터의 원래 평균직경, 바람직하게는 1-44마이크로미터의 원래 평균직경을 가지는 규칙적 혹은 불규칙적 형상의 입자일 수 있다. 적절한 제 1 금속은 1018저탄소강(AISI 유형), 몰리브덴, 니켈, 망간, 코발트 같은 상기의 균질성, 로크웰 강도와 체적확산 조건을 만족시키는 분말상 철, 철합금과 다른 금속을 포함한다. 저융점 금속이나 합금이 용침제로 사용된다면, 구리가 제 1 금속으로 사용될 수 있다. 94.7% Fe, 2.25% Mn, 1.35%Mo, 1.0% Cr, 0.7%C, 0.3%Si의 조성을 가지는 A6공구강(SISI유형)으로 알려진 분말상 철합금이 가장 유용하다.
본 발명에 사용하기에 적절한 유기결합제로는 180℃이하, 좀더 바람직하게는 120℃이하의 저온에서 용융되거나 연화되는 것으로서, 가열될 때 금속분말-유기결합제 혼합물에 양호한 유동성을 제공하며 그러한 유동성에도 불구하고 이들 혼합물이 실온에서 고체화될 수 있게 하여, 성형된 생성형체를 붕괴시키거나 변형시키지 않고 용이하게 다룰 수 있게 할 수 있는 것을 들 수 있다.
본 발명에 사용되는 결합제는 생예비성형체가 가열될 때 타거나 휘발하게 되는 열불안정성 결합제이다. 유용한 열불안정성 결합제는 얻어지는 골격 예비성형체에 내부압력(어느 내부파괴를 일으킨다)을 일으키지 않고 또, 골격 예비성형체에 결합제를 잔재시킴이 없이 제거되는 것이다. 선택된 결합제는 내화물 입자의 분말상 제 1 금속의 성형복합체의 가열시 낮은 온도에서 특성이 점차적으로 저하되거나 분해되어, 최소의 탄소잔재물을 남긴다.
결합제로서는 유기열가소성 물질이나 유기열가소성 물질과 유기열경화성 물질의 복합물이 사용된다. 열가소성 물질은 열이 떨어질 때 열경화성 물질보다 적은 탄소 잔재물을 남긴다. 그러나, 열경화성 물질을 함유하는 결합제를 사용하면 높은 생형 강도를 가지는 성형분말-결합제형을 얻을 수 있고, 제조상의 잇점이 제공된다. 결합제 분해부산물이 복합체의 내부에서 약 2센티미터 이상의 거리만큼 탈피해야만 하는 칫수가 큰 복합체를 제작하는 경우에는 열가소성 및 열경화성의 혼합결합제를 사용하는 것이 유리하다. 이러한 경우에는 성형체에서 다중의 내부파괴를 일으키게 하는 내부압력을 발생시킬 수 있는 결합제의 자발적인 발열을 피하기 위해 결합제를 단계식으로 연소시키는 것이 바람직하다. 이같은 단계적 연소는 2단계 이상의 순차적인 온도로 생성형체를 가열함으로써 이루어지며, 이들 순차적인 온도는 각각 열경화성 결합제 및 열가소성 결합제의 분해온도가 된다. 다른 방법으로서, 열경화성 부분은 열분해에 의해 제거되고, 이어서 열가소성의 부분은 용매침출에 의해 제거할 수도 있다.
또 다른 결합제 사용법으로서는 결합제를 가진 희석제를 사용하는 것을 들 수 있다. 희석제는 상당한 정도로 결합제가 분해하기 전에 휘발하여 연소시 발생하는 열분해산물이 통과할 수 있는 통로를 제공하여 성형체의 내부파괴를 감소시키거나 배제시켜 준다.
열가소성 결합제로는 "걸프왁스(Gulf Wax)"(가정용 파라핀)과 같은 파라핀, 또는 "에머레스트(Emerest)2642(평균분자량이 400인 폴리에틸렌글리콜디스테아레이트)오레인산, 스테아린산이나 저급알킬에스테르를 함유하는 저분자량의 폴리에틸렌 혼합물과 파라핀의 조합물, 또는 파라핀의 유연성과 유동성을 가지는 다른 납이나 파라핀성 물질등을 들 수 있다.
열가소성 물질과 조합되어 사용되는 대표적인 열경화성 결합제는 2,2-비스P-(2,3-에폭시프로폭시)페닐프로판과 같은 비스페놀 A의 디글리실에테르인 에폭사이드수지를 포함하는데, 이는 적절한 경화촉매로 사용될 수 있다. 열경화성 결합을 사용하는 경우에는 혼합과 성형공정시 열에 의해 교차결합이 발생되지 않게하도록 주의하여야 한다.
열가소성 열경화성 혼합결합제의 열가소성부를 침출시키는데 사용되는 대표적인 용매는 아세톤이나 메틸에틸 케톤 같은 케톤류와 수성용매이다. 희석결합제에 사용되는 희석제는 비경화된 결합제에는 좋은 용매이나, 경화된 결합제에는 나쁜 용매인 액체를 포함한다. 희석제는 가요성 성형재에 흡수되지 않아야 한다. 또한, 희석재는 성형재의 경화이전에 증발되지 않도록 충분히 높으면서도 결합제가 열분해하기 전에 휘발할 수 있도록 충분히 낮은 비점을 갖는 것이어야 한다. 선택된 희석제는 150℃-210℃의 온도에서 휘발하는 저분자량의 폴리옥시글리콜과 탄화수소 오일로서, 1,3-부탄디올(비점 204℃)을 들 수 있다.
최종성형체에서의 용침제(즉, 제 2 금속)는 제 1 금속의 융점미만의 융점을 갖는다. 또한 실온에서 용침제는 최종성형체에서 고체로 되어 있다. 용침제는 또한 골격을 습윤시켜야 한다. 이와 같은 습윤은 용침제가 제 1 금속을 습윤하거나 또는 용침제내의 주성분 금속이 제 1 금속과 반응하여 합금을 형성함으로써 발행하며, 후자의 경우 상기 합금은 제 1 금속을 코팅하고 용침제에 의하여 습윤된다. 용침제에 의한 골격의 습윤여부는 실험적(용침이 일어나는지의 여부를 보기위한 실험)으로 결정되거나 용침제가 쎄실드롭(sessile drop)시험에 따라 제 1 금속을 습윤시키는가의 여부를 알아내는 것에 의해 결정된다.
용침제와 제 1 금속같의 습윤가능성은 수소분위기 하에서의 쎄실드롭 시험시 90°이하의 습윤각을 가질때 제공된다. 쎄실드롭시험에 대해서는 "초진공하에서 용융금속에 의한 세라믹 산화물의 습윤"(에프.엘.하아딩과 디.알.로싱톤.미합중국 세라믹 쏘사이어티 저어널,1970년 53, 2, 87-90)과 "액체구리와 액체온에 의한 TaC의 습윤"(에스.케이.리, 미합중국 세라믹 쏘사이어티저어널, 1972년 55, 3, 157-159)에 기재되어 있다. 이러한 시험은 용침제가 골격을 습윤시키는지의 여부를 판정하는 가장 신뢰성 있는 지표인데, 그 이유는 발생하는 골격의 습윤이 전술한 제 1 금속과 용침제 또는 용침제내에 존재하는 합금성분의 중간합금형성에 기인하기 때문이다. 이같은 습윤성 합금의 형성은 미리 예측하기가 어렵다. 그러나 쎄실드롭 시험은 일반적으로 믿을 만하고 용침제가 골격을 습윤할 것인가 아닌가를 예측하는데 유용하게 쓰인다.
또한, 용침제는 상기의 ASTM시험과 유사한 시험조건하에서 측정된 제 1 금속의 로크웰 경도와 같거나 이 이하의 경도를 가진다. 상기의 경도조건과 제 1 금속의 경도조건을 만족시키기 위해서는 본 발명의 성형체에 있어서, 내화물은 복합성형체에서 최고 경도를 가져야하며, 제 1 금속은 중간경도를, 그리고 용침제는 제일 낮은 경도를 가져야 한다.
경도와 충격강도는 반비례 하기 때문에 용침제는 ASTM E-23-72에 따라 측정된 제 1 금속의 충격강도 보다 높은 충격 강도를 가진다.
제 1 금속과 용침제는 본 발명의 실시시에 요구되는 것은 아니지만 서로 용해되지 않는 것이다.
용침제는 용침된 최종성형체의 15-59체적%, 좀더 바람직하게는 25-35체적%를 차지한다. 용침제는 골격의 용침시 용융되기 때문에 임의의 편리한 형태(예, 알갱이, 시이트, 박판, 구슬)의 것을 사용할 수 있다. 적절한 용침제는 구리, 구리합금, 구리망간합금, 은, 은합금, 주석, 주석합금, 철및 철합금과 같은 다성분합금을 포함한다. 구리와 구리합금은 특히 철이나 철합금 분말이 제 1 금속으로 사용될 때 용침제로서 유용하다. 게다가, 이러한 철이나 철합금 분말이 제 1 금속으로 사용될 때는 34-35중향% 망간을 함유하는 구리-망간합금이 용침제로 유용하다. 용침제중의 망간의 존재는 제 1 금속의 용침제 사이의 계면에서 오스테나이트 철의 중간층의 형성과 최종 성형체에서의 경사 현미경 조직의 증가를 이루게 한다. 다른 합금성분은 최종 성형체의 성질을 높이기 위해 용침제에 첨가된다. 예를들면, 철, 철합금의 제 1 금속과 구리 합금의 용침제를 함유하는 본 발명의 성형체에서, 합금성분으로서의 붕소, 망간이나 은의 존재는 용융용침체의 유동성을 높일 것이다. 또한 이러한 성형체에서 합금성분으로서의 니켈과 주석의 존재는 용침제 냉각에 의한 스피노달 분해의 증진을 통해 성형체의 인성을 증가시킨다.
이러한 성형체에서 합금성분으로서의 철의 존재는 골격에 대한 용침제의 부식작용을 감소시킬 것이고, 이로써 성형체의 칫수 안정성을 개선시킨다. 실리콘이 합금 성분으로 존재할 때, 이는 용침제의 다른 합금성분을 위한 탈산제로 작용한다.
본 발명의 성형체는 최종 성형체의 물리적성질을 바꾸는데 유용한 다른 물질(예, 용해된 개스)를 함유할 수 있다. 그러나, 이러한 물질의 존재는 본 발명에 요구되는 것은 아닌 것으로, 본 발명의 성형체는 본질적으로 내화물, 제 1 금속, 그리고 용침제 구성된다.
전술한 내화물 입자의 분말상 제 1 금속을 함유하는 골격 예비성형체가 상기의 용침제에 인접하여 위치된 상태에서 용침제의 융점 이상으로 가열되게 되면, 용침제는 녹아서 예비성형체의 내부에 스며들게 된다. 부가적인 가열(제 1 금속이 체적확산을 행하는 온도까지)이 이루어지면, 내화물, 제 1 금속, 그리고 용융 용침제간의 고상반응에 의해 복합체중에서 성분의 재벼열이 이루어져, 제 1 금속의 입자는 체적확산을 행하여 서로 합체되고 각기의 내화물 입자를 에워싸게 된다. 제 1 금속은 내화물 입자를 둘러싸는 연속적인 골격을 형성시키게 되며, 용침제는 그 골격의 연속된 기공을 채우면서 제 1 금속과 접촉하게 되나, 내화물 입자(이는 제 1 금속에 의해 둘러싸여졌다)와는 접촉하지 않는다. 냉각시 제배치된 복합체의 조직은 보존되고, 따라서 둘러싸인 내화물 입자의 배치위치를 고정 유지시키게 된다. 경우에 따라서는 내화물 입자와 제 1 금속 사이의 계면에서 제 1 금속과 내화물의 결정질 조성물은 하나 이상의 동심상의 중간쉘이나 개개의 내화물 입자를 둘러싸는 영역을 할 수 있다.
그외에도 용침제가 제 1 금속과 작용하는 성분을 포함한다면(예, 망간이 용침제로 존재하고 제 1 금속이 철을 함유할 때), 제 1 금속와 용침제 사이의 계면에서 경우에 따라 제 1 금속과 반응성의 용침제 금속의 부가적인 결정질 조성물은 제 1 금속과 용침제 인접하는 하나 이상의 중간쉘이나 영역을 형성할 수 있다.
본 발명의 최종 복합체의 연마된 야금학적 단면을 광학 현미경으로 조사해보면, 내화물 입자는 원래 입자형상과 공간을 그대로 유지하고 있는 것을 알 수 있다. 반면, 제 1 금속 입자는 원래 입자형상을 잃고 연속적인 골격조직으로 된 것을 알 수 있다. 최종 복합체는 예비성형체를 성형시켰던 모형물에 비교할 때 대체로 작은 칫수 변화를 나타낸다. 본 발명에 따라 탄화텅스텐, A6공구강과 구리로 부터 준비된 성형체의 칫수 변화는 일반적으로, 어느 길이 방향으로 던지 1%이하이고 좀더 바람직하게는 0.5%이하이다. 이같은 적은 칫수변화는 구리로 용침된 입자형철의 복합체에서 발생하는 약7%에 이르는 수축으로 광범위한 칫수변화와 비교해 볼 때 놀랄만한 개선이다.
본 발명의 성형체에 있어서의 수축은 용침시 일어나는 체적확산이 큼에도 불구하고 최소화된다. 체적확산은 종래의 분말야금에서 소결을 수행케하는 한기구이다. 종래의 다른 소결기구로는 점성유동 및 소성유동, 증발, 응축과 표면확산등을 들 수 있는데, 이러한 모든 소결기구는 일반적으로 소결체의 수축을 증진시킨다. 본 발명 성형체에서의 소결은 압분체나, 생형부에서 일어나는 것으로 알려진 것과는 다른 독특한 기구에 의해 발생한다. 경사 현미경조직의 형상은 고체 상태조건하에서 즉, 제 1 금속의 융점보다 낮을 때 용침중에 발생하는 확산이송에 의해 입자가 둘러싸여짐으로써 일어난다. 1마이크로미터보다 큰 내화물 입자의 존재와 제 1 금속의 선택은 최종 성형체의 칫수 안정성을 유지시키는데 중요한 것이다. 제 1 금속에 의해 내화물 입자의 둘러싸여짐이 진행됨에 따라, 약간의 수축이 발생하게 되는데, 이것은 경사 현미경 조직의 형성에 기인하는 것이다. 그러나, 과도한 수축은 제 1 금속의 밴드 또는 링크가 내화물 입자사이에 연속적인 경로를 형성하기 때문에 과도하게 되지는 않는다. 제 1 금속에 의해 형성된 골격 조직은 용침제에 의한 침식 및 부식반응에 대해 민감하지 않고, 개개의 내화물 입자사이의 거리도 일정하게 되는데, 이것은 내화물 입자사이에 있는 제 1 금속의 좁은 밴드 즉 연결부가 용침제에 접촉되지 않으며, 또 더 이상 확산도 일어나지 않기 때문이다.
완성된 복합체는 예비성형체를 성형시켰던 모형물과 비교할 때 우수한 정밀도(복제 충실도)를 가진다. 본 발명에 따라 준비된 조성물은 성형된 다이공동의 제조에 특히 유용하다. 이러한 다이공동은 그에 상응하는 복합한 형상의 부품을 형성시키도록 연성금속을 스탬핑하거나 플라스틱 사출 성형시키는데 사용할 수 있다.
본 발명에 따르는 복합체를 형성하는 방법은 내화물 입자와 분말상의 제 1 금속을 열불안정성 유기결합제와 함께 혼합하는 공정과, 그 분말-결합제 혼합물을 성형시키는 공정과, 주형내용물을 경화시키는 공정과, 결합제의 대부분을 제거하여 골격 예비성형체를 형성시키는 공정과, 예비성형체에 용융용침제를 용침시키는 공정을 포함하고 있다.
제 2 도는 본 발명의 복합체를 형성하는 방법을 도시한 것으로서, 모형물(101)은 그 모형물(101)에 탄성이 있는 고무류의 주형재료를 둘러씌워 원하는 주형을 성형(블록 "102"로 표시됨)시키는데 사용되고, 이와 같이 하여 응고된 고체의 고무주형(104)로 부터 모형물(101)을 제거(블록 "103"으로 표시됨)하여 상기 주형을 제작하게 된다.
그 뒤에는 내화물 입자(105)와 분말상 제 1 금속(106)의 혼합물을 혼합(블록 "107"로 표시됨)시켜, 분말혼합물(108)을 형성시키며, 다음에는 이 분말 혼합물을 "시그마블래이드 믹서"와 같은 혼합장치를 사용하여 열불안정성의 열가소성 결합제나 열가소성 및 열경화성의 혼합결합제 그리고, 임의의 희석제(110)와 혼합(만약 열경화성 결합제를 사용할 경우는 조기 응고하지 않도록 하면서)(블록 "111"로 표시됨)하여 분말-점결제의 혼합물(112)을 형성시킨다. 그러면 내화물 입자와 분말상의 제 1 금속은 결합제의 매트릭스에 균일하게 분산되며, 이 결합제 매트는 릭스는 "예비성형체"를 균일한 밀도를 갖게 만들어주어 추후 이 결합제가 열에 의해 제거되었을 때 균일한 기공이 형성되게 된다.
그뒤에는, 가요성 주형(104)을 가열시키고(블록 "114"로 표시됨), 분말-결합제 혼합물(112)는 가열된 주형(115)는 가열된 주형(115)에 직접 공급시킨다.
경우에 따라서는 분말-결합제 혼합물을 즉시 성형시키는 대신에 열가소성 결합제로 만들어진 혼합물을 냉각시켜(블록 "116"으로 표시됨) 고체덩어리(117)로 한후, 바람직하게 진공상태에서 분쇄시켜(블록 "118"로 표시됨)용이한 처리와 저장을 할 수 있는 입자나 유동성이 자유로운 밀도를 갖는 상태(환분진 "119")가 되게하고, 이어서 성형단계에서 가열시켜(블록 "120"으로 표시됨) 덩어리(121)로 만든다. 가열된 주형과 이의 내용물[분말-결합제 혼합물(111)이나, 가열된 덩어리(121)]을 진공(블록 "125"로 표시됨)하에서 진동시켜 혼합물로 부터 개스를 제거시키며, 그러면 주행내용물은 경화(블록 "126"으로 표시됨)된다. 그뒤에는 가요성 주형에 진공을 가하여 성형된 입자-결합제의 형체를 주형으로 부터 분리(블록 "127"로 표시됨)시킨다. 주형에서 분리된 생형의 예비 성형체(128)은 모형물의 정확한 복제품이 된다. 이러한 성형체는 양호한 생형 강도와 균일한 밀도를 가지는 데 이것은 결합제의 매트릭스가 경화하여 내화물 입자와 분말상의 제 2 금속을 함께 지탱시키기 때문이다.
열가소성과 열경화성 결합제의 혼합물을 생성형된 예비 성형체를 만드는데 사용했을 경우, 열가소성 결합제는 메틸에틸 케톤이나 물같은 용매에서 4-12시간 정도로 예비성형체를 침출시킴(블록 "129"로 표시됨)에 의해 생성형된 예비성형체로 부터 부분적으로 제거될 수 있다.
그뒤에는 생성형된 예비성형체(128)을 칫수 손실을 막기 위해 알루미나 실리카와 같은 반응성이 없는 내화물 분말로 포장하고, 다음에 로에서 점결제를 열에 의해 분해시키도록 780℃정도의 온도로 가열(블록 "130"으로 표시됨)시킨다. 열가소성 및 열경화성 결합제의 혼합물이나 또는 희석된 결합제을 사용할 경우는 가열공정을 일련의 단계로 행하여 먼저 저온에서 끊는 또는 붕괴되는 물질을 제거시키고, 이어서 결합제의 잔부를 제거시킨다. 가열공정중에 결합제의 대부분은 개스상태로 증발하여 성형체로 부터 제거되며 소량의 무정형 탄소질 잔재물을 남기는데, 이 잔재물은 내화물 입자와 분말상의 제 1 금속을 함께 결합시키는데 도움이 된다.
내화물 입자, 분말상 제 1 금속과 탄소잔재물은 견고하고, 조작이 용이하며, 골격 예비성형체(131)를 형성한다. 내화물 입자와 분말상 제 1 금속의 입자는 인접하는 관계에 있다. 이들은 상호 연결되어 있거나 서로 부착되고, 광학 현미경 하에서 관찰할 때 원래 입자형상과 상대적인 위치를 그대로 유지하고 있다.
상기의 열불안정성 결합제를 사용하여 만들어진 골격 예비성형체는 최소의 밀폐된 기공을 갖는다. 이러한 예비성형체에서 공극공간의 주된 부분은 연결된 기공이며, 이 연결된 기공만이 용융된 용침제에 의해 채워질 수 있다.
다음에 이 예비성형체를 용침제로 용침시키게 되는데, 최종용침된 성형체의 작업면과 일치하는 골격 예비성형체의 표면은 과도한 습윤, 즉 골격예비성형체의 표면에의 용침제의 구슬짐을 배재시키기 위해, 지르콘/아세톤 분산액으로 피복(블록 "132"로 표시됨)시키는 것이 바람직하다. 용침공정(블록 "135"로 표시됨)은 흑연, 알루미나나 멀라이트로 제작된 도가니의 알루미나 베드상에 용침제(제 2 금속)와 골격예비성형체(131)을 지지시킴에 의해 수행케하는 것이 바람직하다.
용침제(고체형태)는 골격예비성형체의 기부에 접촉하여 위치하고, 용침제의 융점이상이나 제 1 금속이 체적확산을 행하는 온도이상으로 그러나 제 1 금속의 융점보다는 낮은 온도까지 가열한다. 융침제(제 1 금속의 부수적인 체적확산과 제 1 금속에 의한 내화물 입자의 둘러싸임)는 체적확산이 일어나는 최저온도에서 수행케하는 것이 바람직하다. 용침제의 양은 골격예비성형체의 연결된 기공을 채우는데 필요한 양(계산이나 실험에 의해 결정)보다 약간 많게 선택된다.
용침제가 융점에 도달했을 때, 용침제는 녹아서 모세관 작용에 의해 골격예비성형체의 내부(연결된 기공)로 스며든다. 가열은 제 1 금속이 체적확산을 행하는 온도(이 온도는 용침제의 융점과 같거나 이보다 높다)에 이를 때까지 계속된다. 다음에 용침된 예비성형체를 냉각(블록 "137"로 표시됨)시키고, 용침된 제품(138)을 추출시키며, 8mm직경의 오리피스를 사용하여 1.4-2.8kg/㎠의 압력을 가하도록 하는 유리구슬 피이닝 장치(Empire Abrasive Equipment Corp. Model No. S-20)에 의해 피이닝(블록 "139"로 표시됨)시킴에 의해 과도한 양의 지르코니아 피복물을 제거시킨다.
니켈(15%)과 주석(7%)이 합금된 구리와 같은 시효경화성 용침제가 사용되거나, 금속골격이 경화가능하다면, 용침제에 금속가공 기술상 주지의 방법으로 온도 시효처리를 할 때, 복합체의 내부나 외부의 입자 조직을 변화시키고, 용침제의 경도나 내마모성을 증가시키게 한다. 최종적으로, 과도한 플래싱(flashing)을 벗겨내고(블록 "140"으로 표시됨), 여분의 기재는 용침된 최종성형체를 산출하기 위해 기계가공 또는 절단에 의해 성형된 작업면으로 부터 제거되게 된다.
제 1 금속의 체적확산을 확실히 일어나게 하고 예비성형체를 용침시키는데 필요한 시간과 온도는 제 1 금속의 선택, 가열속도, 용침된 예비성형체의 총칫수, 용침제의 습윤특성과 골격안의 기공형통로의 직경에 따라 변화한다. 이 시간과 온도는 용침된 샘플의 현미경 분석을 이용하여 실험적으로 결정된다. 충분히 가열되지 않은 용침된 성형체는 체적환산을 행하지 않는다. 이러한 성형체를 현미경으로 분석해보면 분말상 제 1 금속의 입자가 그들의 원형상을 잃지않고, 내화물을 둘러싸지 않는 것을 알 수 있다. 과도하게 가열된 용침된 성형체는 제 1 금속의 용융에 기인하여 제 1 금속의 액상반응이 발생하게 된다.
이와 같이 과도하게 가열된 성형체를 현미경 분석하게 되면 내화물 입자가 제 1 금속과 반응하기 때문에 크기가 크게 감소되는 것을 알 수 있다. 게다가, 과도하게 가열된 성형체에 있어서는 바라는 형상으로 부터 상당한 뒤틀림이나 칫수변화가 발생하게 된다.
구리용침된 성형체와 같은 용침된 최종성형체는 대체적으로 공극이 없다(즉, 성형체는 예비성형체의 조성과 용침제상의 밀도를 기초로한 이론밀도의 99%이상이고 적어도 97%의 밀도를 갖는다)이러한 용침된 성형체에서 용침되지 않은 공간은 원래의 예비성형체의 밀폐된 기공이다. 원래의 예비성형체의 연결된 기공은 용침제에 의해 완전히 채워진다.
제 3 도에는 본 발명의 용침된 성형체의 금속조직이 나타나 있다. 제 3 도는 실시예 1에서 준비된 본 발명의 연마된 샘플의 광학현미경하(750×배율)의 도면이다. 텅스텐 탄화물 입자(31)은 철, 텅스텐, 탄소의 합금을 함유하는 얇은 쉘이나 피막(33)에 의해 둘러싸인다. 쉘(33)은 상호연결된 골격형 철 매트릭스(35)에 의해 둘러싸인다. 철매트릭스(35)는 차폐로 구리 매트릭스(37)와 상호 조화된다.
제 3 도에 도시된 성형체를 다른 표면에 연마시킬 때, 탄화텅스텐 입자(31)은 좋은 내마모성과 고경도를 제공한다. 탄화텅스텐 입자(31)은 표면이 마모됨에 따라 제 3 도에 나타난 제품의 작용표면위로 돌출하려는 경향을 가진다. 표면에서의 부가적인 마모는 새로운 탄화텅스텐 입자(31)을 노출시킨다. 제 3 도에 나타난 성형체가 충격을 받을 때, 이 충격은 제품의 내부까지 전달된다. 이 충격은 탄화텅스텐 입자(31)과 제품의 금속재료(33,35와 37)을 통해 충격파로 이동한다. 탄화텅스텐으로 부터 합금(33)까지 통과하는 충격파는 합금(33)의 낮은 탄성계수(경도에 관계된 인자)때문에 분산된다.
다음에 이러한 충격파가 철(35)를 통과하고 다음에 구리(37)를 통과하며, 이는 철과 구리의 낮은 탄성계수 때문에 분산된다. 이러한 복합체에서의 경화물질로는 탄화텅스텐을 들 수 있고, 연질(그리고 내충격성이 큰)물질로는 구리를 들 수 있다. 탄화텅스텐 입자로부터 구리 매트릭스까지 재료를 통해 경도, 내충격성, 에너지 흡수 성능에 있어서는 부드럽고 점진적인 변화가 나타난다. 현미경 조직과 복합체안의 점에서 점까지의 경도와 내충격성의 구배때문에, 최종성형체는 높은 경도(내화물과 용침제 사이의 경도)를 유지하면서도 충격(내화물과 용침제 사이의 충격)에 대해 높은 저항성을 나타낸다. 제 3 도에 나타난 복합재료는 주형다이 공동으로 특별한 용도를 갖는다.
본 발명에 따라 제작된 주형다이 공동은 제 4 도를 참조로 하면 더욱 이해가 잘될 것이다. 제 4 도는 베이스(43)과 작용표면(44)를 가지는 주형다이 공동(41)의 사시도이다. 오목홈(45)는 베이스의 반대편에 있는 공동(41)의 단부에 놓여있고, 압흔표면(47)과 부채꼴형(49)를 가진다. 홈(45)의 형상은 홈이 있는 휘일 형태에서의 볼록한 형상과 일치한다.
본 발명의 목적과 장점은 다음의 실시예에 나타나 있으나, 실시예에 서술된 양과 재료와 여러가지 첨가물에 대한 설명은 본 발명의 영역을 한정하지는 않는다.
[실시예 1]
노치가 없는 샤르피 충격봉 ASTM E-23-72에 명시된 칫수로 가공하였다. 이 형상과 일치하는 주형을 경화성의 실리콘 고무 "RTV-J"로 봉을 둘러쌈에 의해 만든다. 주형을 경화시킨 후, 봉은 주형으로 부터 제거한다. 1-15마이크로미터의 평균 직경을 가지는 탄화텅스텐 입자 90그램과 44마이크로미터 이하의 평균직경을 가지는 분말상의 A6공구강 210그램을 V-혼합기에서 건조혼합시키고, 66℃까지 가열한다. 폴리머 점결제("Emerest 2642") 13그램을 분리하여 66℃까지 예열한다. 분말과 폴리머 점결제를 66℃까지 가열된 씨그마블 래이드믹서에서 혼합시킨다. 혼합물을 15분간 갈면, 이는 점결제를 27.7체적% 함유하는 틱소트로픽(thixotropic)-분말-결합제 혼합물을 생성한다.
따뜻한 분말-결합제 혼합물과 가요성을 고무주형을 66℃온도의 오븐에서 15분간 저장시켜 66℃까지 가열한다. 따뜻한 분말-결합제 복합물을 진동장치에 의해 따뜻한 가요성을 주형으로 흘려넣는다. 혼합물을 1토르(torr)로 작동하는 실험실용 진공실에서 연속된 진동으로 15분간 공기를 뺀다. 다음에 주형과 내용물을 냉동기에서 0℃까지 냉각시키고, 경화된 생형의 예비성형체를 진공을 사용하여 고무주형으로 공동으로 부터 추출시킨다.
생의 예비성형체를 분말상 알루미나의 지지층에 위치시키고, 활성의 아르곤 분위기를 가지는 저항 가열식 상자형로에 가열시킨다. 400℃의 온도이면 결합제 대부분을 휘발시키고, 열분해 시키는데 충분하다. 결합제가 완전히 분해되고 매트릭스내의 골격입자가 서로 달라붙는 온도인 780℃에서 가열을 중지한다.
그뒤에, 성형된 골격 예비성형체를 실온까지 냉각한후 로로부터 제거한다. 용침제 금속이 작용표면을 과도하게 습윤시키는 것을 방지하기 위해 지르코니아/아세톤 분산액(50체적%)을 용침제 금속이 예비 성형체의 한 표면(베이스)을 제외한 전체에 도포시킨다. 다음에 예비성형체의 베이스를 몰리브덴이 감겨진 전기 저항로에서 개방 흑연도가니 알루미나 층위에 고체구리 50그램에 인접하여 위치시킨다.
로를 0.1토르까지 비우고 질소로 채워 깨끗이하고, 다음에 대기압까지 수소로 채우고, 0.5리터/초의 유속으로 유지시킨다. 로를 1083℃까지 가열시키고, 구리용침제로 골격예비성형체를 용침시키고 제 1 금속으로 체적확산을 행하도록 하기 위해 상기의 온도바로 위까지 45분간 유지시킨다. 다음에 로을 끈다은 정상적으로 냉각시킨다. 본 복합체 샘플을 금속학적으로 현미경 분석해보면 A6공구강이 WC를 둘러 싼다는 것을 알 수 있다. 또한 Fe를 가지는 WC의 분명한 중간합금은 내화물과 A6사이에서 볼 수 있다.
수축은 모형물과 최종성형체를 비교함에 의해 측정된다. 성형체를 연마재가 피복된 220그릇(grit) 탄화실리콘에 미끄러지게 함으로써 내마모성을 측정할 수 있다. 손에 의한 압력을 사용하여, 본 성형체를 로크웰 경도 50을 가지는 공구강 블록보다 좀 더 자유롭게 연마표면 위에서 미끄러졌을 때, 본 발명의 성형체는 긁힌 자국이 관찰되지 않으나, 공구강 블록에는 명백하게 긁힌 자국이 관찰된다.
성형체를 ASTM E-103-61과 ASTM E-23-72에 따른 로크웰 경도와 노치없는 샤르피 충격시험을 행하였을 때, 성형체는 다음의 특성을 나타낸다 :
칫수변화 : -0.4%
로크웰경도(RC) : 49
노치없는 샤르피충격치(CIU) : 15.1주울(11.1 ft.1bs).
[실시예 2-3]
실시예 1의 방법을 사용하여 성형된 복합체를 실시예 1에 사용된 분말대신 다른 여러 재료로 대치시켜 준비한다.
표 1에 나타난 것은 사용된 제 1 금속, 결과적인 복합체에 대한 수축, 로크웰경도, 노치없는 사르피 충격치이다.
[표 1]
Figure kpo00001
[실시예 4-6]
실시예 1의 방법을 사용하여, 성형된 복합체를 탄화텅스텐 내화물, 공구강 제 1 금속과 두개의 구리-망간합금 제 2 금속 용침제를 사용하여 준비한다. 표 2에 나타난 것은 결과적인 복합체에 대한 조성, 수축, 로크웰 경도, 노치없는 샤르피충격치이다.
이들 복합체 샘플의 금속학적인 현미경 분석결과, A6공구강이 탄화텅스텐을 둘러싸고 있는 것을 알 수 있다. 또한 망간-강 합금의 분명한 중간합금은 A6공구강과 구리-망간 용침제 사이에 나타난다.
이 중간합금은 극한 인성을 가지는 것으로 알려진 오스테나이트 철이다.
[표 2]
Figure kpo00002
a. 용침되지 않은 골격 예비성형체를 기준으로 한 중량%, 완성된 용침된 성형체는 32-34체적%의 용침제를 함유했다.
b. Cu35 Mn은 65중량% Cu와 35중량% Mn이다.
c. Cu10 Mn은 90중량% Cu와 10중량% Mn이다.
[실시예 7-15]
실시예 1의 방법을 사용하여, 성형된 복합체를 실시예 1에 사용된 내화물과 제 1 금속을 몇개로 재료로 대치시킴에 의해 준비한다. 복합체를 절단하고 내화물 입자가 제 1 금속에 의해 충분히 둘러싸이는가 아닌가를 결정하기 위해 분석한다. 표 3에 나타난 것은 내화물, 제 1 금속, 용침 시간과 온도, 그리고 내화물 입자가 제 1 금속에 의해 충분히 둘러싸이는가 아닌가의 결과이다. 실시예 10과 12에서는 충분한 둘러싸임이 일어나지 않으나, 용침온도나 용침시간을 증가시키면 충분한 내화물의 둘러싸임이 발생한다는 것을 주목해야 한다.
[표 3]
Figure kpo00003
a 9체적%(v/o)
b 62v/o
c 10v/o WC+2 v/o SiC
d 59v/o
e 29v/o Mo+33 v/o Fe
f 13v/o
g 58v/o AISI 유형 M2, 다음 0.82v/o c, 0.3v/oMn, 0.2v/o Si, 4.25v/o Cr, 5 v/o Mo, 6.25v/o W, 1.80v/o V, 잔부 Fe를 함유
h 58v/o
i 10v/o
j 61v/o
k 11v/o
l 60v/o
[실시예 16]
실시예 1의 방법을 사용하여 성형된 복합체를 13체적%의 탄화 텅스텐 입자, 58체적%의 A6공구강 제 1 금속, 29체적%의 구리합금 용침제로 준비한다. 용침제의 조성은 45체적%의 구리, 25체적%의 은, 10체적%의 니켈, 5체적%의 철, 12체적%의 주석, 1체적%의 붕소, 0.05체적%의 마그네슘과 0.1-0.2체적%의 실리콘으로 되어 있다. 결과적인 복합체는 -0.32%의 칫수변화, 로크웰경도 52, 노치없는 샤르피 충격강도 15주울(11ft. 1bs)을 나타낸다.
본 발명의 여러가지 수정과 변경은 본 발명의 영역과 정신안에서 숙련된 기술자에게 명백하게 될 것이고, 여기에 서술된 실시예는 비제한적인 것이다.

Claims (1)

  1. 내화물 입자를 가진 제 1 매트릭스와 연속금속상으로 구성되는 제 2 매트릭스로 구성되는, 공극이 없이 용침된 분말 금속 복합제 제품에 있어서, 상기 제 1 매트릭스의 내화물 입자가 1-100마이크로 미터의 평균직경을 가지며, 금속탄화물, 붕화물, 산화물, 규화물, 질화물 또는 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈, 니오븀, 바나듐, 티탄의 그룹으로부터 선택된 금속 혹은 이들의 조합물로 구성되고, 상기의 제 1 매트릭스는 또한 광학 현미경하에서 관찰할때 융점이하의 온도에서 균질한 결정체를 가짐과 동시에 상기의 내화물보다 낮은 로크웰 경도를 가진 고형의 제 1 금속 또는 합금으로 구성되는 단일의 골격구조를 가지고 있어, 상기 내화물 입자가 상기 골격구조에 균일하게 분산되어 상기 제 1 금속 또는 합금에 의하여 완전히 덮혀져 있고, 상기의 제 2 매트릭스의 연속금속상은 상기 골격구조의 연결된 기공에 채워지고 골격구조를 습윤시키며, 제 1 금속 또는 합금과 같거나 이보다 낮은 로크웰 경도를 가지며 상기의 제 1 금속이나 합금보다 낮은 융점을 갖는 고형의 제 2 금속 또는 합금으로 구성됨을 특징으로 하는 정밀성형용 금속복합체.
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