KR940007851B1 - 질화붕소를 함유한 절삭등급 철분혼합물 - Google Patents

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Description

질화붕소를 함유한 절삭등급 철분혼합물

본 발명은 철분혼합물에 관한 것으로, 한가지 점에서는 질화붕소를 함유한 절삭 등급 철분혼합물에 관한 것이고, 다른 한가지 점에서는 부정형의 미세한 분말로 된 덩어리를 함유하는 질화붕소의 사용에 관한 것이다.

철분혼합물을 제조 및 사용하는 방법은 이미 잘 알려져 있으며 커크-오쓰머 (kirk-Othmer)저의 화학기술백과사전 (Encyclopedia of Chemical Technology) 제 3 판, 제19권 28∼62페이지에 상세히 기술되어 있다. 철분혼합물은 용융된 철금 속을 용광로로 부터 탄디쉬 (tundish)로 토출시켜 분산노즐을 통한 수분의 수평분사에 의해 입상형태로 제조될 수 있다. 그다음 입상화된 철을 건조시켜 분말형태로 만든 후, 소둔시켜 산소와 탄소를 제거한다. 이와 같이 얻어진 순수한 철덩어리를 분쇄시켜 분말을 얻게 된다.

철분은 분말야금(P/M) 제조, 용접용 전극의 코팅, 가스절단 및 접합등과 같이 많은 분야에 응용된다. 분말야금에서의 응용에서는 철분이 흔히 감마제, 결합제 및 합금매개제 등과 같은 첨가물과 혼합된다. 철분 말야금은 철분을 특정한 모양을 갖는 금형에 주입한 후 압력을 가하여 얻어진 성형체를 소결하여 소망하는 형태로 마무리함으로써 이루어진다.

이와 같이 얻어진 분말야금(이하, P/M이라 한다.) 소결성형체는 소망하는 P/M제품을 생산하기 위해 마무리 단계중 하나로서 종종 절삭단계를 필요로 한다. P/M제품이 다량생산되는 경우(P/M처리가 잘 적용된 경우)에는 그 속도 및 효율은 절삭단계에서의 그것에 좌우될 것이다. 절삭단계에서의 속도 및 효율은 P/M 소결덩어리(이하, 소결체라 한다)가 절삭기에 의해 얼마만큼 쉽게 절삭되는가에 달려있다. 일반적으로 절삭이 어려울수록 절삭기에는 더많은 에너지가 필요하고, 절삭기의 수명을 단축시키며 절삭단계를 완료하는데 더많은 시간이 소요된다.

절삭단계에서의 속도 및 효율을 향상시키는 한가지 방법은 절삭기와의 접촉부에서의 P/M소결체의 마찰계수를 낮게 하고, 칩 (Chip) 형성성질을 개선시키는 것이다. 이러한 방법은 철분을 황산마그네슘, 질화붕소와 같은 감마매개체와 혼합하는 것이나 이러한 매개체는 개선할 점이 있다. 예를 들어 소결전에 모든 매개체가 철분과 흔합될 겅우, 소결중 치수변화를 일으키거나 소결체의 강성을 감소시키게 된다 이러한 치수 변화는 금형을 변경하거나, 이를 회피하기 위한 비용이 들어야 하는 중요한 영향을 주게 된다.

소결체의 가성이 감소하게 되면 일반적으로 궁극적인 효용성을 낮추게 되는 것이다. 이러한 영향은 철분에 실제로 첨가되는 매개체의 성질과 양에 좌우되며, 소망하는 효과를 제공하고 첨가량과 비용을 낮추는 매개체를 찾아내는 것이 P/M 연구의 계속적인 목적인 것이다.

본 발명에 따르는 절삭등급 철분혼합물은 (1) 300μm이하의 최대입자크기를 갖는 철분 85∼99.99중량%,(2) 부정형의 미세입자로 된 질화붕소분말 0.01∼0.5중량%로 이루어진다. 이러한 철분혼합물로 부터 만들어진 P/M소결체는 피절삭성이 개선되며. 감마매개체인 질화붕소는 P/M소결체의 강도와 소결중의 치수변화에 최소한의 영향만 주게 된다

300μm이하의 최대입자크기를 갖는 것이면 본질상 어떤 철분도 본 발명의 혼합물에 사용될 수 있다. 전형적인 철분은 캐나다 퀘벡주 트레이시에 소재하는 퀘벡메탄 파우다즈 리미티드사 제조한 아토멧(Atomet

)철분이다. 이러한 분말은 0.2%이하의 산소와 0.1중량%이하의 탄소를 포함하고 99중량%이상의 철성분을 갖는다. 아토멧철분은 전형적으로 2.50g/㎤의 겉보기 밀도, 50g당 30초이하의 유동도를 갖는다. 본 발명의 질화붕소는 아토멧철분에 대해 훨씬 더 효과적인 것으로 드러났으며 스테인레스 및 합금강철분을 비룻한 강철분도 본 발명의 혼합물에서의 철분으로 사용될 수 있는 바, 그 대표적인 것으로는 Atomet

1001,4201, 4601 철분이 있다. 이러한 아토멧철분들은 97중량% 이상의 철성분을 포함하며 2.86∼3.05g/㎤의 겉보기 밀도, 50g당 24∼28초의 유동도를 갖는다.

Atomet

1001은 99중량% 이상의 철분을 갖고, Atomet

4201 및 4601은 0.55중량%의 몰리브덴과 각 각 0.5 및 1.8중량%의 니켈을 포함한다.

실제로 어떤 등급의 강철분도 사용될 수 있으며. 철분의 최대입자 크기는 약 212μm가 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 질화붕소 분말은 부정형의 입자들로 구성되며 그것의 평균입자 크기는 적어도 0.05㎛, 바람직하게는 0.1㎛이다. 여기에서 사용되는 "부정형의 입자"는 커크-오쓰머 저의 화학기술백과 (Encyclopedia of Chemical Thecnology) 제 3 판 제19권 32궤이지의 제2f도에 나타낸 것과 같은 입자뿐 만아니라. 동저서의 제2c, d, e, g, h도에 나타낸 것과 같은 입자도 뜻한다. 입자들 자체는 미세한 입자이지만 서로 달라붙어서 약 5∼50㎛의 크기를 갖는 덩어리를 형성한다

확실히 알려지지 않았지만 이러한 덩어리는 철입자와 혼합될 때 분해되고, 분해된 미세한 입자들은 차례로 철입자의 구멍 또는 틈사이로 들어가는 것으로 여겨진다 이와 같이 철입자상에 질화분소입자가 위치하는 것은 소결처리시 철입자에 대한 질화붕소입자의 효과를 최소화시켜 소결처리 후에 P/M소결체의 기계적 강도에 영향을 주는 것을 방지해주는 것으로 여겨진다. 덩어리지지 않는 질화붕소 입자를 첨가할 경우에도 동일한 효과가 예상된다

본 발명에 사용되는 질화붕소의 바람직한 평균입자크기는 0.2∼1.0μm이다. 질화붕소 자체는 1400℃이하의 온도에서는 철 또는 강과 섞이지 않고, 1700℃이하의 온도에서는 탄소와 반응하지 않는다. 그러나 질화붕소와 관계되는 흡습성은 그것의 제조과정에서 발생된 찌꺼기인 산화붕소의 존재에 크게 의존한다. 철분혼합물의 저장수명은 혼합물의 형성시로 부터 그것이 P/M소결체를 만드는데 사용된 때까지의 사이에 흡수된 물의 양에 일부분 의존하기 때문에 본 발명의 혼합물을 만드는데 사용되는 질화붕소에 존재하는 산화붕소의량은 약 5중량%(질화붕소의 총무게를 기준), 바람직하기는 약 3중량%이다.

본 발명은 철분혼합물은 적어도 0.01중량%. 바람직하게는 0.02중랑%의 질화붕소분말을 적어도 85중량%. 바람직하게는 90중량%의 철분과 혼합하여 이루어진 것이다. 0.01∼0.10중량%의 질화붕소분말을 철분과 혼합하는 것이 바람직하며, 0.03∼0.07중량%의 것이면 더욱더 바람직하다. 혼합은 철분과 질화붕소의 혼합물이 균일하도록 실시한다. 혼합의 형태는 어떤 것이던지 종래의 기계적 혼합과 함께 채택될 수 있다.

본 발명의 철분혼합물은 철분 및 질화붕소외에 다른 물질도 포함시킬 수 있다. 폴리에칠렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 등유 등과 같은 결합매개체와 흑연, 구리 및/또는 니켈 등과 같은 합금분말도 혼합시킬 수 있다. 이러한 물질들의 사용과 그 혼합방법은 이 분야에 잘 알려져 있다.

이와 같이 피절삭성이 개선된 P/M소결체는 본발명의 가장 중요한 특징이다. 이러한 소결체는 본 발명의 질화붕소분말을 함유하지 않는 철분혼합물로 만들어진 것보다 휠씬 더 수비게 절삭되어 P/M처리의 절삭단계를 더 효율적으로 할 수 있게 해준다. 이러한 특징은 철분혼합물의 소결성질에 큰 영향을 미치지 않고 달성된다.

다음의 예는 본 발명의 구체적인 실시예이다.

P/M 덩어리의 소결성질과, P/M소결체의 강도 및 피절삭성에 대한 감마매개체의 첨가효과를 조사하기위해 아토멧(Atomet

)28 철분이 사용되었다. 아토멧28철분은 99+중량%의 철이며 0.18중량%의 산소와 0,07중량%의 탄소를 함유하고 있다. 또한 그것의 겉보기 밀도는 2.85g/㎤이고, 유동도는 50g당 약 26초이다. 체분석 (screen analysis)을 한 결과 다음과 같았다.

본 실시 예에서 사용된 감마매개제 황산 마그네슘은 평균입자크기가 약 5㎛인 덩어리지지 않는 입자들로 구성되어 있다.

또한, 세가지 등급의 감마매개제 질화붕소(BN)가 사용되었다.

제 1 등급(BN-Ⅰ)은 평군입자크기가 0.5∼1㎛인 평판형의 입자들로 합체되어 5∼10㎛의 크기를 갖는 덩어리로 이루어져, 0.2∼0.4중량%의 산화붕소를 포함한다.

제 2 등급(BN- Ⅱ)은 제5-15μm의 크기를 갖고 덩어리지지 않는 평판형의 입자들로 이루어져, 최대 0.5중량%의 산화붕소를 함유한다.

제 3등급(BN-Ⅲ)은 제 1 등급과 같이 평균입자크기가 0.05∼1μm인 입자들로 합체된 5∼30μm의 크기를 갖는 덩어리로 이루어져 있으나, 이러한 입자들은 제 1등급의 평판형과는 달리 부정형으로 되어 있다. 제 3등급의 산화붕소 함유량은 0.5∼3중량%이다.

먼저 아토멧28 철분을 약 0.5중량%의 스테아린산아연(감마제)와 0∼0.9중량%의 변화치를 갖는 흑연과 혼합시켰다 그다음 감마매개제를 혼합물의 엘리쿼트(aliquots)에 첨가시켜 기계적으로 혼합하여 (첨가치 5% 내에서)균일한 혼합이 되도록 하였다. 시료를 6.7g/㎤로 압축시켜 풍부한 흡연공기 내에서 1120℃에 서 30분간 소결시켰다. 소결성질을 미국 분말 야금 공업협회 (Metal Powder Industries Federation)의 측정방법에 따라 표준 횡파괴봉재 (transverse rupture bars)로 측정하였다. 표에 나타낸 값은 적어도 세번 이상의 측정에 의한 평균치이다.

피절삭성은 드릴링 침입력 (thrust force) 측정방법으로 평가하였다. 범용의 드릴을 선박의 회전선단에 끼어 로드 셀(load cell)에 놓인 시료를 뚫었다. 침입력은 전술한 바와같이 측정한 결과 31.8mm, 12.7mm,12.7mm이었다. 시료들에 대해 각각 지름 6.4㎜, 깊이 10mm의 구멍을 두개씩 뚫었다.

드릴작업 동안 냉각액은 전혀 사용되지 않았고, 전측정을 통해 침입속도는 40mm/min, 드릴속도는 800rpm으로 일정하게 하였다. 침입력은 로드셀에 의해 측정되어 고속플로터상에 기록되었다. 이러한 침입력은 소결부분의 피절삭성을 나타내는 지표가 되는 것이며 침입력이 작을수록 피절삭성이 양호한 것이다(절삭공구의 수명을 연장시키고, 절삭공구에 필요한 힘을 감소시켜 주며, 소결체의 절삭시간을 단축시켜 주는 것이다).

이러한 측정의 결과를 표로서 나타낸 바, 감마매개제의 첨가가 침입력을 확실히 감소시켜 주었음을 알 수 있다. 그러나, 어떤 기준치의 침입력을 얻기 위한 매개제의 양은 매개제의 종류에 따라 다르며, 강도, 치수 변화, 경도에 대한 악영향도 매개제의 종류 및 그 사용량에 따라 다르다. 예를들면, 0.5중량%의 MnS를 첨가하여 0.9중량%의 흑연을 함유한 혼합물에 대해 침입력을 10% 감소시켰으며, 또한, 횡파괴강도(TRS)를 15%, 경도를 77에서 74로 감소시켰고, 치수를 +0.1%로 증가시켰다. 질화붕소 제 1 등급(BN- I)과 제 2 등급(BN-Ⅱ)을 소량 사용하여 더좋은 결과를 얻었다. 이 두 매개제는 침입력을 최하 17% 감소시켰으며, 횡파괴 강도 및 경도는 MnS를 5중량% 사용했을 때보다 작거나 거의 같게 감소시켰다. 또한, 이와 같이 낮은 첨가치(0.1, 0.2, 0.3중량%)의 질화붕소 제 1 등급 및 제 2 등급을 사용하여 치수변화도 작았다.

본 발명의 실시예로서 질화붕소 제 3 등급의 사용은 같은 결과를 갖기 위한 계 1 등급과 제 2 등급의 경우보다 적은 첨가치(0.05중량%)로 매우 양호한 침입력감소(23%)를 얻게 해준다. 게다가, 횡파괴 강도(7.1%) 및 경도(77에서 74)의 감소와 치수변화(+0.01%)도 실질적으로 같다. 제 3 등급을 더많이 사용하면(0.3중량%), 양호한 침입력감소(61%)를 얻을 수 있으나 횡파괴강도(43%) 및 경도(77에서 54)는 더욱더 감소되고 치수를(-0.04%) 감소시킨다 그러나, 이러한 상호보완관계는 다른 매개제에서도 나타난다(BN-Ⅱ의 첨가치 0.1과 0.2를 비교하면 알 수 있다.).

따라서 본 발명의 감마매개제(BN-Ⅲ)를 사용하면 상당히 적은 양으로도 기계적 강도의 감소, 경도 또는 치수변화에서의 상호보완관계를 증가시키지 않고 소망하는 피절삭성의 특징을 얻을 수 있는 것이다. 비록 제 3 등급의 첨가치는 제1 및 제 2 등급의 그것보다는 작을지라도 제 3 등급에서의 단위 무게당 입자수의 증가는 칩툴 인터페이스(chip tool interface)에서의 연속적인 칩브레이킹 (chip breaking)과 윤활성의 정도를 향상시켜 줄 것이다.

[표]

본 발명은 특정한 실시예에 의해서 설명되었지만. 이러한 실시예는 설명을 위한 것 뿐이지 다음의 청구범 위를 제한할 의도에서 비롯된 것은 아니다.

Claims (10)

1. (가) 300㎛이하의 최대입자크기를 갖는 철분 85∼99.99중량%와, (나) 부정형의 미세입자로 된 질화붕소분말 0.01∼0.5중량%로 구성된 철분야금혼합물.
2. 제 1 항에 있어서, 철분의 최대입자크기가 212μm이하인 철분혼합물.
3. 제 1 항에 있어서, 철분이 혼합물의 최소한 90중량%를 차지하는 철분혼합물.
4. 제 1 항에 있어서, 질화붕소분말이 최소한 혼합물의 0.02중량%를 차지하는 철분혼합물.
5. 제 3 항에 있어서, 질화붕소분말이 혼합물의 0.02∼0.1중량%를 차지하는 철분혼합물.
6. 제 5 항에 있어서, 질화붕소분말이 5중량% 이하의 산화붕소를 포함하는 철분혼합물.
7. 제 5 항에 있어서, 질화붕소분말이 3중량% 이하의 산화붕소를 포함하는 철분혼합물.
8. 제 7 항에 있어서, 질화붕소의 미세입자가 0.05∼1.0μm의 평균입자크기를 갖는 철분혼합물.
9. 제 7 항에 있어서, 질화붕소의 미세입자가 0.1∼1.0μm의 평균입자크기를 갖는 철분혼합물.
10. 제 1 항부터 제 9 항 중 어느 한항에 있어서, 철분혼합물을 압축시켜 제조한 철성형체.