KR910008879B1 - 녹생성주철분말을 이용한 소결재료제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

녹생성주철분말을 이용한 소결재료제조방법

제1도는 본 발명에 따른 녹생성처리과정을 설명하는 그래프.

제2도는 본 발명에 따른 탈탄 및 소결과정을 설명하는 그래프.

제3도는 본 발명에 따른 녹생성처리시간과 시편의 인장강도의 관계를 설명하는 그래프.

제4a,b,c도는 각각 녹생성처리시간에 따른 시편의 조직을 100배로 확대한 현미경사진이다.

본 발명은 주철분말에 녹을 생성시켜 소결재료를 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 녹이 생성된 주철분말을 1개의 공정으로 탈탄 및 소결시켜 고강도의 소결재료를 제조할 수 있도록 한 녹생성주철분말을 이용한 소결재료제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 분말야금학에서 소결이라는 용어는, 기계부품 또는 제품등을 만들때, 주물 또는 다이캐스팅 등의 방법과 같이 원료를 완전히 용융시킨 상태에서 소정의 틀(mold)에 넣어 원하는 바의 형상으로 만들지 않고, 분상(分像) 또는 입상(立像)물질을 그대로 틀에 넣어 가압성형한 다음 용융점이하의 온도로 가열함으로써 상기 분상 또는 입상물질이 상호 융착되어 원하는 바의 형상으로 된 물품을 만들어내도록 한 분말야금법을 나타내는 것으로서, 이 소결법은 금속사이의 화학적구조 및 특히 합금인 경우 다른 금속과의 결합관계 등을 인위적으로 원하는 바대로 만들어 줄 수 있기 때문에, 예컨대 경도가 뛰어난 초경공구(超硬工具) 등과 같은 공구재료는 이 소결방법으로 만들고 있는 것이다.

그런데 이 소결방법에서는 필수적으로 금속원료가 분상 또는 입상으로 되어야 하는바, 따라서 금속원재를 일부러 잘게 빻거나 부수기에는 너무나 시간적 경제적으로 불합리하기 때문에, 선반이나 밀링등과 같은 공작기계에서 발생하는 금속칩(절삭분)을 이용하면 아주 간단하게 필요한 크기의 재료를 얻을 수 있으므로, 일반적으로 이 공작기계에서 나오는 금속칩을 이용하기도 한다.

이와 같이 금속칩을 이용하여 소결재료를 얻는 공정을 살펴보면, 우선 공장기계에서 나온 금속칩은 절삭공작시에 주입한 절삭유가 함유되어 있기 때문에 노속에 금속칩을 넣어 태우면 절삭유가 완전히 제거되어 칩만 남게 되고, 이 칩을 분쇄기에 넣고 필요한 바의 크기로 분쇄시키면 최소한 소결작업을 위한 기본적인 재료가 얻어지게 되는데, 이렇게 얻어진 재료는 통상탄소함유량이 3~4%에 달하기 때문에 요구하는 바의 물성(物性)을 얻을 수가 없을 뿐만 아니라 성형이 되지 않기 때문에, 사이클론(cyclon)에 집어넣어 유리흑연 등과 같은 가벼운 물질들을 날려 보내면 탄소함유량이 약 2.5~2.6% 정도가 되게 하고, 이 상태에서는 성형이 가능해 진다.

그러나 아직까지 탄소함유량이 소결성형특성상 지나치게 많은바, 즉 요구하는 강도가 나오지 않기 때문에, 최적 소결원료로 만들어주기 위해서는 탄소함유량을 그 이하로 낮추어 주어야 하는데, 이 단계에서 탄소함유량을 낮추는 과정이 일본국 특허공개 소56-156701호의 발명과 같은 방법으로 제안되어 있다.

상기 일본국 공개 발명은, 상기 사이클론처리하여 탄소함유량이 약 2.5~2.6% 정도가 된 주철분말(물론, 사이클론처리를 하기전의 상태, 즉 탄소함유량이 3~4% 정도인 주철분말 상태에서도 할 수 있을 것임)을 수분분위기에서 녹을 생성시킨 다음, 이 녹에 함유된 산소가 주철분말의 탄소와 반응하도록 하여 주철분말 자체의 탄소함유량을 낮추도록 한 것이다.

따라서 상기 인용발명은 그 결과로 얻어지는 산물(産物)이 결국 탄소함유량이 적은 주철분말이기 때문에, 이를 이용해 최종적인 소결제품을 얻기 위해서는 원하는 바의 형상으로 된 틀속에 넣어 가압성형시키는 공정과 다시 용융점이하의 온도를 가하여 각 주출분말이 서로 결합되게 하는 공정을 거쳐야만하는 작업공정상의 불편함이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 제반결점을 해소시키기 위해 발명된 것으로, 주철분말의 표면에 녹을 생성시켜 주고, 이를 성형해서 탈탄 및 소결처리함으로서 탄소의 함량을 감소시켜 고강도의 소결재료를 얻을 수 있도록 하는 녹생성주철분말을 이용한 소결재료제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 주철분말을 60~100℃의 물속에 1시간이상 담구어 주철분말의 표면에 녹을 생성시킨 다음 이를 100~200℃ 온도에서 건조시키는 녹생성처리단계와, 이와 같이 녹이 생성된 주철분말을 가압성형하여 이를 불활성분위기중에서 900~1200℃ 온도로 탈탄 및 소결하는 탈탄 및 소결단계로 구성되어, 주철분말중에 함유된 탄소를 탈탄시켜 그 함량을 낮춰줌으로써 고강도의 소결재료를 얻을 수 있도록 되어 있다.

이하 본 발명을 첨부된 참조도면과 함께 실시예를 들어 상세히 설명한다.

본 발명에서 사용되는 주철분말은 합금주철로 된 주물제품을 절삭할때의 부산물인 칩을 이용하는 것으로서, 그 화학조성은 중량%로 3.31% C와 2.06% Si, 0.76% Mn, 0.1% P, 0.29% Cr, 0.21% Cu 및 0.05% Sn으로 구성되어 있다.

먼저 상기와 같은 조성을 갖는 주철분말에다 녹을 생성시키는 단계를 설명하면, 주철분말을 제1도에 도시된 바와 같이 온도가 60~100℃ 범위에 있는 물속에 1시간이상 담구어 표면에 녹을 생성시킨 다음 꺼내 100~200℃ 온도의 건조로속에서 건조시킨다. 여기서 녹생성온도를 60~100℃ 범위로 하는 까닭은, 일반적으로 온도가 높을수록 물속에 용존하는 산소의 량이 감소되기는 하지만 그 활성도는 증가되므로 상기 온도 범위에서 부식속도가 가장 크기 때문인 바, 이때의 주철표면에 생성된 녹의 성분은 X 선회절시험결과 제3산화철(Fe₃O₄)로 판명되었다.

다음에는 상기와 같이 표면에 녹이 생성된 주철분말을 탈탄 및 소결시켜 주는 단계에 대해 설명한다.

표면에 제3산화철(Fe₃O₄)이 생성된 주철분말을 8Ton/㎠의 압력으로 소정의 형상으로 가압성형시킨 다음, 제2도에 도시된 바와 같이 진공이나 질소, 아르곤등과 같은 불활성개스분위기 중에서 700℃ 온도로부터 900~1200℃까지 약 1시간에 걸쳐 서서히 가열해 주고나서 이 온도에서 약 1시간 30분 내지 2시간 동안 유지시켜 탈탄 및 소결작업을 진행시킨 다음, 35℃/min의 냉각속도로 상온까지 냉각시킨다.

그런데, 상기와 같은 작업을 불활성분위기중에서 실시하는 이유는, C+O→CO 또는 CO₂반응에 의해 발생하게 되는 CO 또는 CO₂개스를 외부로 배출시켜 Fe₃O₄중의 산소(O)가 주철중의 탄소(C)와 결합하게 되는 탈탄반응을 촉진시켜 주기 위해서이다.

또 소결온도를 900~1200℃로 한 것은 반복실험결과 이 온도 범위에서 탈탄작업 및 소결작업이 다같이 잘 진행되는 것이 판명되었기 때문이다.

이하 상기와 같은 녹생성처리단계와, 탈탄 및 소결단계를 거쳐 제조된 소결재료의 시험결과는 다음과 같다.

제3도는 녹생성처리시간의 변화에 따른 소결재료의 인장강도의 변화를 나타낸 것으로, 여기서 녹생성처리시간이 2시간인 경우의 인장강도가 가장 크게 됨을 알 수 있는 바, 이때의 녹생성처리시간 변화에 따른 소결재료의 탄소량은 중량%로 녹생성처리시간이 1시간인 경우에는 1.7%이었고, 2시간인 경우에는 1.47%이었으며, 3시간인 경우에는 1.22%이었다.

즉, 녹생성처리시간이 2시간인 경우의 탈탄 및 소결작업후의 조직현미경사진이 제4b도에 도시되어져 있는바, 여기서 기지조직은 퍼얼라이트이고 검게 보이는 부분은 기공이다. 이때 소결재료의 탄소량은 1.47%로서, 1150℃ 온도에서의 오스테나이트의 최대탄소고용한도가 1.5%임을 감안할 때 모든 탄소가 오스테나이트 즉 γ-Fe의 격자내에 고용된 상태로 퍼얼라이트로 모두 변태되어지게 됨으로써 인장강도가 가장 커지게 되는 것이다.

그런데 녹생성처리시간을 1시간으로 했을 때에는 소결재료의 탄소량이 1.79%로서 1150℃에서의 오스테나이트의 최대탄소고용한도 1.5%를 넘기 때문에, 과잉의 탄소가 제4a도에 도시된 바와같이, 퍼얼라이트로 된 기지조직에 망상으로 분포되어져 인장강도가 감소되게 된다. 또한 녹생성처리시간을 3시간으로 했을 때의 조직사진이 제4c도에 도시되어 있는 바, 이때 소결재료의 탄소량은 1.22%로서 이는 오스테나이트의 최대탄소고용한도 1.5%보다 부족하고, 또 인장강도가 가장 작은 것으로 나타나 있다.

즉, 녹생성처리시간이 길어지게 되면 주철분말의 표면에 형성되는 제3산화철(Fe₃O₄)의 양이 많아지게 되고, 그에 따라 탈탄작용이 보다 많이 이루어지게 되어 탄소량은 더욱 감소하지만, 탈탄반응시 발생되는 CO 또는 CO₂개스가 기공으로 많이 남게 되고 잉여산화물이 잔존하기 때문에, 이들의 영향으로 녹생성처리시간이 길어질 경우에는 제3도에서 (a)로 도시된 바와 같이 오히려 인장강도가 감소되게 되는 것이다.

따라서, 녹생성처리시간을 길게하여 녹이 소정치보다 과다하게 발생된 경우에는 잉여녹과 녹 이외의 기타 산화물을 함께 완전히 제거해 주기 위해, 성형작업을 할 때 녹이 생성되지 않은 주철분말을 소량으로 첨가해서 상기 설명에서와 같은 조건으로 성형과 탈탄 및 소결작업을 차례로 실시하게 되면, 제3도 (b)로 도시된 바와 같이 제3도 (a) 경우보다 인장강도가 약 10% 정도 상승되게 되는바, 이는 상기 소결작업 도중 탈탄작업시 미량의 탄소가 더 감소되기 때문이다. 이 경우 첨가시켜주게 되는 녹이 생성되지 않은 주철분말의 양은 소결재료내에 잔존하는 기타 산화물의 양에 따라 변화되지만, 대체로 녹생성처리시간이 길어질수록 첨가되는 주철분말의 양은 많아지게 된다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 주철분말을 이용한 소결재료제조방법은, 합금주철로 된 주물의 절삭가공시 부산물인 주철분말에 녹을 생성시킨 다음, 이를 탈탄 및 소결시켜 탄소량을 감소시켜줌으로서 소결재료의 인장강도등의 기계적 성질을 향상시킬 수 있게 될 뿐만 아니라, 무용하게 폐기되고 있는 주철의 절삭분말을 재활용하여 소결재료를 만들어줌으로써 주철이 갖는 내마모성과 절삭성 및 감쇠능력등을 소결재료에 부여해서 신재료로 활용해 줄 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (2)

1. 주철분말에 녹을 생성시켜 이 녹을 이용해 주철분말에 함유된 탄소를 제거하도록 된 소결재료제조방법에 있어서, 주철분말을 60°~100℃ 온도범위의 물속에 1시간이상 담군다음 100~200℃ 온도범위에서 건조시켜 주철분말에 녹을 생성시키고, 이 녹이 생성된 주철분말을 소정의 형상으로 가압성형시킨후, 불활성분위기중에서 900℃~1200℃ 범위의 온도로 탈탄과 소결을 동시에 행하도록 된 것을 특징으로 하는 녹생성주철분말을 이용한 소결재료제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 가압성형과정에서 상기 녹생성과 정중에 소결원료내에 과다히 생성된 녹과 녹 이외의 기타 산화물을 제거해주기 위해 녹이 생성되지 않은 주철분말을 첨가해 주도록 된 것을 특징으로 하는 녹생성주철분말을 이용한 소결재료제조방법.

Images