KR960003721B1 - 분말야금용 분말혼합물 및 그것의 소결품 - Google Patents

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Description

분말야금용 분말혼합물 및 그것의 소결품

제1도는 소결품(sintered product)의 치수변화와 인장강도간의 관계를 나타내는 그래프.

제2도는 선 A는 Ni-Mo만이 함유된 합금분말을 사용하는 경우를 나타내고, 선 B는 Cr, Mn 및 Si가 Ni과 Mo의 총량의 50% 이상 포함되어 있는 경우를 나타내는 소결중의 열팽창곡선에 관한 그래프.

제3도는 소결시 흑연의 침탄거동을 나타내는 그래프.

제4도는 50분동안 각 온도에서 소결된 소결품의 인장강도의 합금화된 분말의 고상선 온도 사이의 관계를 나타내는 그래프.

제5도는 소결품의 인장강도와 합금분말로부터 형성된 액상량간의 관계를 나타내는 그래프.

제6도는 결품의 인장강도와 합금분말로부터 형성된 액상량간의 관계를 나타내는 그래프.

제7도는 소결품의 인장강도에 대한 합금분말의 조성의 영향을 나타내는 그래프.

제8도는 소결품의 인장강도에 대한 합금분말의 조성의 영향을 나타내는 그래프.

제9도는 다성분 합금분말(multi-ingredient alloy power) (Ni-Mo-14% Cr-14% Mn-7% Si)에 대한 시차열분석 결과를 나타내는 그래프.

제10도는 각 합금분말 즉 Mi-Mo 2성분 및 다성분계를 사용하여 소결할 때의 열팽창곡선.

제11도는 다성분계 합금분말과 순수한 Ni,Cu 및 Mo를 Fo 분말에 첨가한 경우의 치수 변화에 대한 성형압의 영향을 나타내는 그래프.

제12도는 Ni-7%, Mo-14%, Mn-7%, Si-14%, Cr계 합금분말을 Fe분말에 첨가한 분말혼합물을 사용하여 소결을 수행한 경우에 소결품의 조직을 나타내는 현미경 사진.

제13도는 순수물질 Ni, Cr 및 Mo를 각각 40%, 1.5%, 0.5% 만큼 Fe 분말에 첨가한 분말 혼합물을 사용하여 소결을 수행한 경우에 소결품의 조직을 나타내는 현미경 사진.

제14도는 강도발달에 관한 Fe 분말의 종류의 영향을 나타내는 그래프.

제15도는 인장강도 및 밀도에 관한 합금분말의 평균입도의 영향을 나타내는 그래프.

제16도는 압분체와 소결품의 밀도 및 소결품의 기계적 특성에 관한 흑연분말의 평균 입도의 영향을 나타내는 그래프.

제17도는 밀도의 관한 합금분말의 첨가량의 영향을 나타내는 그래프.

제18도는 인장강도에 대한 합금분말의 첨가량과 결합된 탄소(combined carbon)의 첨가량 사이의 관계의 영향을 나타내는 그래프 ; 및

제19도는 충격치에 관한 결합된 탄소와 합금분말의 첨가량 사이의 관계의 영향을 나타내는 그래프이다.

본 발명은 Fe 분말과 합금분말을 주성분으로 하는 분말야금용 분말혼합물 및 분말혼합물로부터 얻어진 소결품에 관한 것으로, 상기 소결품은 고밀도, 고강도를 가지며, 소결시에 치수정밀도의 변화가 적다.

분말야금법은 원료재료인 금속분말을 압분성형(conpacting)하고 그다음에 소결하여 최종제품으로 제조하는 방법인데, 이 방법은 예컨대 압연, 단조 및 주조 등으로 이루어지는 현재의 제조공정을 크게 변화시킨다. 따라서 현재의 용융공정으로는 제조하기 어려운, 예컨대 W와 MO와 같은 고융점 금속재료, 기름함침 베어링 또는 필터용 다가공 재료, 초경합금 또는 테르밋(thermit)과 같은 부품을 제조하는 것은 분말야금법으로 가능하다. 더욱이 분말야금법은 용융에 의해 제조된 재료로써 얻을 수 없는 다양한 종류의 장점, 예컨대 비절단 및 고치수정밀도에 의한 획득되는 개선된 재료수득성과 같은 생산성의 견지에서의 장점과 용융법으로 제조된 재료에서 발생하기 쉬운 편석과 이방성과 같은 물리적 특성의 견지에서의 장점과 같은 여러 장점을 가지고 있다. 따라서 지금까지는 용융공정으로 제조된 여러종류의 부품들을 이제는 분말야금법으로도 제조한다.

현재 분말야금법으로 제조되는 대부분의 소결품들은 자동차 부품용으로 사용되며 무엇보다도 일반적으로 소결된 Fe 재료가 사용된다. 소결된 Fe 재료는 여러가지가 공지되어 있으며, 예컨대 흑연, 구리 등의 미세 분말을 주성분인 Fe 분말에 혼합하여 강도, 내후성, 내마모성 등의 개선을 목적으로 상기 분말혼합물을 소결하는 것이 공지되어 있다. 더욱이 소결부품의 적용범위를 확대시키려는 견지에서 고인성 및 고강도성이 소결부품에 대해 요구되며 Ni과 Mo와 같은 원소를 첨가하고 합금화하는 방법 또한 상기의 요구를 충족하기 위한 수단으로 알려져 있다.

그런데, 분말야금법으로 고강도 Fe계 소결품을 얻기 위한 대표적인 방법으로서 프리믹싱법(premix method)과 프리알로잉법(prealloying method)이 공지되어 있다.

프리밍싱법은 Fe 분말과 금속분말 또는 합금분말(이하, 때때로 첨가된 금속분말이라 함)을 균질하게 혼합하고 그것을 압분성형하고 이어서 첨가된 원소를 고용시키기 위하여 가열하면서 소결하는 방법이다. 이 방법은 주형을 제작하는 것이 비교적 간단한 장점이 있지만 Fe 분말내의 첨가된 금속분말이 압분성형까지의 압분성형중에 비중차이로 인한 분리 또는 편석을 야기시키거나 또는 첨가된 금속분말의 확산이 소결중에 충분하게 진행되지 않는 단점을 포함하는데, 이것은 소결품의 강도와 치수에 있어서의 변동을 야기시키는 품질상의 문제를 발생시킨다.

한편, 프리알로잉법은 프리믹싱법의 경우의 언급된 문제점이 없는 방법이며, Fe내에 Ni, Cu, Mo 및 ,Cr과 같은 합금원소가 미리 고용된 합금화된 강분말을 사용하는 방법이다. 그러나, 프리알로잉법으로 얻은 합금화된 강분말은 순수한 Fe 분말에 비해 매우 단단하기 때문에 압분성형중에 성형밀도를 충분히 증가시킬 수 없고 높은 밀도의 소결품을 얻기가 어렵고 따라서 합금화된 강의 물성이 충분히 향유될 수 없다는 문제점을 가지고 있다.

상기의 각각의 방법은 각각의 장ㆍ단점을 가지고 있지만 편석 또는 불충분한 확산과 같은 상기의 문제점이 극복될 수 있다면 프리믹싱법이 더욱 유리하다고 생각된다.

그런데 편석을 방지하는 방법으로서 유기결합제를 사용하여 철-강분말 위에 흑연분말을 부착하는 방법이 예컨대 일본국 특허공개소 56-136901호와 소 63-103001호에 기술된 바와 같이 개시되어 있다. 더욱이 Fe 분말에 다른 금속 또는 합금분말을 부착하기 위한 확산의 소위 확산부착법(diffusion deposition method)은 일본국 특허공보소 45-9649호와 일본국 특허공개소 63-297502호에 기술된 바와 같이 개발되었다. 특히 확산부착법은 편석에 의해 발생되는 강도의 감소와 치수정밀도에 있어서의 변동의 문제를 어느 정도까지는 방지할 수 있으며 압분성형성을 거의 저하시키지 않는다. 즉 확산부착형 합금화 강분말에 있어서, Ni, Cu, Mo 등인 구성금속분말 또는 그것의 합금분말을 첨가하여 Fe 분말과 균일하게 혼합하고 첨가된 금속분말은 확산처리에 의해 Fe 분말의 표면에 확산되어 부착되는데 상기 확산처리에 있어서 확산에 의해 일단 부착된 분말은 편석을 발생시키지 않는다.

한편, 확산성을 개선시키기 위한 다양한 기술들이 제안되었지만 현재의 대다수의 기술은 첨가되는 금속분말의 종류와 그 양을 고려하는데 기초하고 있으며 어떤 기술도 강도값에 상당한 영향을 미칠 것으로 예상되는 소결 거동에 대해서는 언급하지 않고 있다.

본 발명은 상기와 같은 상황에서 수행되었고, 프리믹싱법에 기초하며 소결 거동과 고밀도, 고강도 및 균질한 구조를 가지고 있는 소결품을 분석하는 견지에서 고밀도, 고강도 및 균일한 구조를 가지고 있는 소결품을 제공할 수 있는 분말야금용 분말혼합물을 제공하는 것을 그 목적으로 하고 있다.

상기의 목적은 Fe 분말과 고상선(solidus line) 온도가 950℃보다 높고 1300℃보다 낮으며 소결중에 형성된 액상량이 20% 이상인 합금분말을 혼합한 분말야금용 분말혼합물을 본 발명에 의해서 해결될 수 있다. 더욱이, 합금분말의 조성은 필수성분으로서 Ni, Mo와 Mn으로 구성되어 있으며, Cr, Si, Al, Ti, P, V, Nb, Sn, W, Co, Cu 및 B로 이루어진 군으로부터 선택된 1이상의 원소를 포함한다. 또한 상기의 분말혼합물이 소결될 때 고밀도, 고강도 및 균질한 조성을 가지고 있는 소결품이 얻어진다. 특히, 본 발명에 따른 소결품의 구조에 있어서, Fe 분말의 결정립계를 따라 망상구조로 마르텐사이트가 발전되어 있다.

고강도 Fe계 소결체를 제조할 때 소결온도는 약 1250 내지 1300℃이다. Fe 분말에 첨가된 합금분말이 Ni-Mo계 분말인 경우에 고상선 온도가 높고(1315℃ 이상) 상기의 소결온도에서는 액상이 나타나지 않기 때문에, 소망되는 고밀도와 고강도를 갖는 소결품을 얻을 수 없다. 한편, 고상선 온도가 낮은 합금을 형성할 목적으로 상기와 같은 Ni-Mo-Mn계 합금분말에 어떤 종류의 원소가 첨가되는 경우에, 합금분말의 액상이 나타나는 온도는 소결중에 형성된 액상이 Fe 입자를 둘러싸서 입체조직(sterical structure)인 합금상을 형성하는 소결온도보다 낮아질 수 있으며 합금상은 소결중에 냉각속도 조성의 견지에서 낮을 때 조차도 쉽게 마르텐사이트로 변환되는데 여기서 마르텐사이트 구조는 Fe 분말의 결정립계를 따라 망상구조로 발전하여 고밀도ㆍ고강도 소결체를 제공한다는 것을 발견하였다. 그리고 Cr, Si, Al, Ti, P, V, Nb, Sn, W, Co, Cu 도는 B가 성분 원소로써 바람직하며 상기의 군으로부터 선택된 1이상의 원소가 첨가될 수 있다는 것을 발견하였다.

합금분말의 확산성을 개선하다는 견지에서, 고상선 온도가 낮은 것이 바람직하다고 예상된다. 그러나, 온도가 너무 낮으면, 보조의 원료물질로서 첨가된 흑연의 침탄영역과 중첩하고 상당한 팽창을 야기시켜서 오히려 소결품의 강도을 낮춘다.

본원 발명자는 그러한 단점을 피하려는 견지에서 여러가지 조사를 행하였고 합금분말의 고상선 온도는 950℃보다 높고 1300℃ 보다 낮다는 것을 발견하였다. 소결중에 액상의 양 또한 중요하며, 소망되는 강도는 소결시에 액상의 양이 20% 이상이 아니면 획득될 수 없다는 것을 발견하였다. 따라서 본 발명은 이러한 연구에 기초해서 완성되었다.

그런데, 본 발명에 있어서, Ni, Mo 및 Mn 과 같은 합금성분은 각각의 금속분말 형태가 아닌 합금형태이어야만 한다. 다시말해서, Ni, Mo, 및 Mn과 같은 각각의 합금성분은 높은 융점과 Fe 분말내로의 확산속도가 느린 것을 나타내지만 이들 원소가 미리 합금화되는 경우에는 각각의 원소분말의 융점보다 낮아질 수 있어서 Fe 분말내로의 확산성이 개선되고 소결품의 강도의 개선에 기여한다.

미리 합금화된 형태인 합금원소를 사용하는 것은 균일한 특성을 갖는 소결품을 얻는 견지에서도 효과적이다. 다시말해서, 본 발명에 따라 분말혼합물을 사용하여 소결품을 얻는 공정에 있어서 (1) 분말을 다른 보조원료물질과 함께 혼합하고 소결하거나 (2) 결합제를 사용하여 Fe 분말과 합금분말을 미리 부착하거나 확산시키고 그 다음에 다른 보조원료물질과 함께 혼합하고 소결하는 것과 같은 방법중 어느 것이라도 채택될 수 있다.

방법중 어느 것을 이용하는데 있어서, 미시적인 관점에서 균일한 합금성분비를 갖는 소결분말은 합금화된 분말을 사용함으로써 획득될 수 있다. 따라서. 분말의 특성은 일정하게 되고 결과로 얻어진 소결품의 특성 역시 균일하게 된다. 또한 미리 합금화된 형태인 합금원소를 사용하는 것은 강도를 개선시키기 위하여 합금의 첨가량을 감소시킨다는 견지에서도 효과적이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 분말혼합물은 결합체 부착형 소결분말 또는 확산 부착형 소결분말형태일 수 있다. 확산부착형 분말이 특히 바람직하며 2단계 소둔처리로 얻어진 것과 동일한 효과를 연속된 소결처리로 얻을 수 있다.

본 발명에서 사용되는 합금분말의 성분에 대해 설명한다.

본 발명에 사용되는 합금분말은 기본성분으로서 Ni, Mo, 및 Mn으로 이루어지는 Ni는 인성개선효과를 가지며 Mo는 경화성을 개선하고 담금질과 뜨임시에 연화를 방지한다.

그런데 Ni-Mo계 합금은 50% 근방(중량%, 이하중량% 임)에 용융점을 가지며, Mo의 고융점 특성은 Ni-Mo계 합금형태에서 낮아질 수 있으며 이것에 의해 Fe 분말내로의 확산도 즉 균질합금화가 촉진된다. 그러나, Mo가 너무 많이 존재하면, 액상선 온도가 갑자기 상승하기 때문에 융점강화효과가 감소된다. 상기 사항의 견지에서 Mo에 대한 Ni의 비는 약 Ni : 45-95%이고 Mo : 약 55-5%이어야 한다.

Mn을 첨가하면 합금분말의 융점이 낮아지고 합금분말의 확산성이 개선되며 본 발명에 따른 소결품내의 망상구조로 발전된 균질 마르텐사이트 조직의 형성에 기여하게 된다. 이러한 효과는 Ni와 Mo의 총량을 기준해서 5% Mn 이상에서 획득될 수 있다. 그러나 너무 많이 첨가되면, 마르텐사이트의 형성을 오히려 어렵게 만들며 소결단계에서 산화를 유도하는 경향이 있으며, 소결품의 강도를 얻기 어렵게 한다. 따라서, Mn으 첨가량을 Ni와 Mo 총량을 기준으로 약 50% 정도 제한되어야 한다.

본 발명에 사용되는 합금분말은 Ni, Mo 및 Mn에 부가해서 Cr, Si, Al, Ti, P,V, Nb, Sn, W, Co, Cu, 및 B로 이루어진 군으로부터 선택된 1이상의 원소로 이루어진다. 이것들은 합금분말의 융점을 낮추어 Fe 분말내로의 확산성을 개선하고 강도 개선의 견지에서도 효과적이다. 그러나, 원소들이 너무 많이 첨가되면, 상기의 Ni, Mo 및 Mn과 같은 기본성분에 의해 얻어지는 효과가 감소되고 합금분말의 고상선 온도가 너무 낮아진다. 상기 사항의 견지에서, 원소의 첨가량은 Ni, Mo 및 Mn과 같은 기본조성의 총중량인 100중량부에 기초해서 약 5 내지 100중량부이다. 더욱이, Fe 분말에 대한 합금원소의 비는 1 내지 12%가 바람직하다. 비가 너무 크면, 소결품의 기계적 성질이 악화되는데 그 이유는 전류 오스테나이트의 형성에 기인한다.

본 발명에서 사용되는 합금분말의 특정크기에 대한 특별한 제한이 있는데 그 제한은 평균입도로 20μm이하여야 한다는 것이다. 평균입도가 너무 크면 소결중에 Fe 분말내로 합금분말을 합금화하는 것이 약화되며, 강도와 경도와 같은 특성의 변동을 야기하고 균질한 조직을 획득하기 어렵게 하기 때문이다. 상기한 바와 같이 합금분말의 조성물의 성분으로서 Cu가 포함될 수 있다. 그러나 Cu의 첨가량의 합금분말의 10% 이하로 제한되어야 하는데 그 이유는 첨가량이 지나치면 소결중에 치수사 팽창하기 쉽기 때문이다. 다시말해서, Cu의 첨가량이 많아짐에 따라 Cu-성장과 관련된 비정상 팽창이 발생하며 이것은 상당한 치수변화를 초래한다. 이러한 비정상적인 현상에 대해서 본원 출원인은 소결품의 치수변화는 비록 Cu가 동일한 중량비로 혼합되는 경우(일본국 특허공개평 2-217401호)에도, Fe 분말에 금속분말로서 Cu가 첨가되는 경우와 Fe 분말에 합금분말로서 Cu가 첨가되는 경우 사이에 크게 상이하다는 것을 발견하였다. Cu를 합금화된 형태로 첨가함으로써 치수변화는 감소될 수 있다는 것을 발견하였다. 따라서, 본 발명에서 Cu가 결합된다면, Cu에 의해서 초래되는 치수변화를 방지하는 견지에서 Cu를 합금화된 형태로 첨가하는 것이 효과적이다.

본 발명에 있어서, Fe 분말의 종류(타입)에 대한 특별한 제한은 없으며, 소결품의 강도를 더욱 증가시키려는 견지에서 더 높은 밀도를 획득하는 것이 바람직하다는 것은 쉽게 예상될 수 있다. 그러나, 후술하게 될 실시예에서 볼 수 있듯이, 고강도를 얻기 위해서는 고순도의 Fe 분말을 사용하는 것보다는 순도가 약간 낮은 Fe 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 고순도의 Fe 분말이 사용되는 경우에 합금화는 Fe 분말의 중심까지는 진행되지 않고 합금화하는 마르텐사이트와 연결되지 않는 부분에서 끝나서 베이나이트 형태로 머무르게 되는데 이것은 강도의 발전에 바람직하지 않은 영향을 주게된다고 생각된다. 한편, 본 발명에 따라 소결품이 제조되는 경우에, 흑연은 결합제로서 사용되며 흑연분말이 미세할수록 강도는 증가된다. 더욱이, 분말이 미세해질수록 합금분말에 있어서도 강도는 증가되는 경향이 있다.

상기의 사항으로부터, 본 발명에 따라 소결품을 제조하는데 있어서, Fe 분말의 종류, 합금분말과 흑연의 입도는 소결품의 적용용도에 따라 적절히 선택되어야 한다.

[실시예 1]

Fe 분말(워터 아토마이제이션된 순수 Fe 분말)-6% 합금분말(여러종류)-0.6%, 흑연분말-0.75%, 스테아린산 아연 분말로 이루어진 분말혼합물을 6ton/cm²의 압력으로 압분성형한 후에 1300℃에서 10% H₂-N₂분위기내에서 소결하였다. 그 다음에, 결과로서 얻어진 소결품의 (1) 치수변화와 인장강도 사이의 관계 및 (2) 소결중의 열팽창 곡선을 조사하였다. 사용된 합금분말을 워터 아토마이제이션에 의해 제조하였고, 평균입도는 약 17μm이고 각각 동일한 양 만큼씩 첨가하였으며 Ni, Mo 및 Mn의 함량을 변화시켰는데 여기서 Cr, Si, P 및 Sn과 같은 원소는 상기의 기본성분에 대한 소정량만큼씩 첨가하였다.

제1도는 치수변화와 인장강도 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 분말압분체 크기는 소결하면 변화하였고 제1도에 나타낸 것처럼 팽창함에 따라 강도가 감소된다는 것을 발견할 수 있었다.

제2도는 소결중의 열팽창곡선을 나타낸다. 선분 A는 합금분말로서 Mi-Mo 만을 함유하는 분말을 사용한 경우의 결과를 나타낸다. 합금분말의 고상선 온도과 1420℃이상이기 때문에, 소결중에 액상은 형성되지 않았으며 Fe 분말내로의 확산은 고상에서 진행되었다. 한편, 선분 B는 Cr, Mn, Si 및 P를 Ni-Mo 총량의 50% 이상 결합한 합금분말을 사용한 경우의 결과를 나타내며 고상선 온도가 930℃이상이고 이 온도영역(γ-Fe 영역)에서 확산은 신속하게 발생할 것으로 예상된다. 그러나, 제3도(소결시 흑연의 침탄거동)에 나타낸 바와 같이, 흑연소결은 약 900℃에서 시작하여 약1060℃에서 실질적으로 종료되는 거동을 보이며 선분 B의 고상선 온도역시 혹연 침탄영역이기 때문에 2가지 효과가 중첩하게 되어 상당한 팽창과 강도의 감소를 일으킨다.

제4도는 Ni, Mo 및 Mn과 같은 기본성분에 대한 Cr과 Si의 혼합량을 변화시키면서 그들 사이의 비율은 일정하게 유지시킴으로서 합금분말의 고상선 온도가 변하는 경우에 그런 합금분말을 사용하여 소결된 소결품의 고상선 온도가 인장강도 사이의 관계를 나타낸다. 제4도로부터 알 수 있듯이, 소결품의 강도는 그 성의 고상선 온도가 약 1040℃인 합금분말을 사용하는 경우에 가장 높은 값을 나타내며, 고상선 온도가 950℃이하인 합금분말을 사용하는 경우에 강도는 갑자기 감소된다.

제5도는 각각의 온도에서 50분간 소결한 경우의 소결품내에서의 강도발전의 상태를 나타내는데 여기서 선분 A는 고상선 온도가 1050℃인 Ni-Mo-Mn-Si-Cr계 합금분말을 사용하는 경우를 나타내며 선분 B는 고상선 온도가 1335℃인 Ni-Cu-Mo계 합금분말을 사용하는 경우를 나타낸다. 소결중에 액상이 형성되지 않는 선분 B에서 강도는 소결 온도가 높아짐에 따라 강도는 개선되지만 1200℃ 이상의 온도에서는 기울기가 작아진다. 한편 선분 A에서, 액상이 형성되지 않는 1000℃까지는 선분 B에서의 강도보다 강도가 낮지만 액상이 형성됨에 따라 강도는 현저하게 증가하며 1200℃를 넘어서도 액상이 계속 형성되기 때문에 강도는 계속해서 더욱 증가된다.

제6도는 합금분말로부터 형성되는 액상의 양과 소결품의 인장강도 사이의 관계를 나타내는 그래프인데 여기서 소결온도 이하의 액상선을 갖는 합금분말로 소결온도 이상의 액상선 온도를 갖는 합금분말 사이의 혼합비를 변화시킴으로써, 액상의 양을 조절할 수 있다. 제6도로부터 알 수 있듯이 소결품의 강도는 액상의 양이 증가함에 따라 증가하며 액상의 양이 20% 이상이면 현저하게 증가된다. 본 실시예에서 6% 합금분말이 사용되었기 때문에 20%인 액상의 양은 전체소결품에 대해 약 1.2%이며, 이것은 각각의 Fe 입자사이의 우세한 액상의 양에 관련된 관계라고 생각된다.

[실시예 2]

실시예 1에서와 동일한 방법으로 다양한 종류의 소결품을 제조하고, 이 소결품의 인장강도를 측정하여 인장강도에 관한 합금조성이 효과를 조사하였다. 사용한 합금분말은 워터 아토마이제이션에 의해 제조하였고, 이 합금분말의 평균입도는 약 17μm이었으며, 이 합금분말에 있어서 다양한 종류의 원소를 실시예 1과 동일한 방식으로 Ni-Mo-Mn의 기본 성분에 포함시켰다.

그 결과를 제8도에 도시하였다. 이 결과로부터 강도는 기본성분이 Ni-Mo-Mn인 경우에 비해 다른 일종의 성분을 포함시킴으로써 증대되고, 이종 이상의 성분을 첨가함으로써 더욱 증대된다는 것을 알 수 있다.

제8도는 소결체의 인장강도에 관한 합금분말조성의 효과를 나타내는 그래프이고, 여기에서 강도의 변화는 Ni-7%, Mo-14%, Mn-14%, Cr-7%, Si 성분에(A) 0.6% B를 첨가한 경우와 (B) 0.5% B, 1% A1 및 1% Ti를 첨가한 경우를 비교하여 표시되어 있다. 제조조건은 상술한것과 동일하다.

제8도로부터 분명한 것처럼, B, A1 및 Ti를 첨가하는 것도 강도의 개선에 지극히 효과적이다.

본원 발명자는 14% Cr, 14% Mn 및 7% Si가 (1) Ni-Mo 이성분계와 (2) Ni-Mo 이성분계에 배합되어 있는 다성분계를 비교하면서 상술한 현상을 초래하는 이유를 조사하였다.

제9도는 다성분계 합금분말에 대한 시차 열분석의 결과를 나타내는 그래프이다. 이 그래프로부터 액상온도영역은 1049 내지 1263℃인 것을 알 수 있는데, 이것은 기본 성분에 대한 약 1420∼1440℃에 비해 상당히 낮다. 즉 합금성분의 확산이 Ni-Mo 성분계를 사용하는 경우 소결온도(약 1300℃)에서 고상상태로 진행되는 한편, 다성분계를 사용하는 경우 합금성분의 확산이 액상에서 진행되어 격렬한 확산 및 소결이 초래된다.

제10도는 소결중 이들 모두에 대한 열팽창곡선을 표시한다. 흑연침탄은 약 900 내지 1070℃에서 완료되면서, 액상은 다성분계에서 침탄의 실질적인 종료로부터 발달된다. 전체 액상은 소결온도의 도달까지 실질적으로 완전하게 발달된다. 액상의 출현이 흑연이 침탄할 때와 분리된다는 것은 중요하다. 만약 다량의 액상의 발달이 격렬한 침탄시와 중첩된다면, 소결품은 비상하게 팽창되어 강도가 극히 저하된다. 반면에, Ni, Cu 및 Mo 등이 Fe 분말에 순수물질로서 첨가된 계에서, 예컨대, 4% Ni, 1.5% Cu 및 0.5% Mo를 함유하는 계에서, 소결품은 소결중에 비상하게 수축된다.

제11도는 순수물질의 계(선분 B)와 본 발명의 계(예컨대, Ni-7%, Mo-14%, Mn-7%, Si-14%, Cr 합금분말이 Fe 분말에 6% 첨가된 경우 : 선분 A)에서 치수변화의 결과를 나타낸다. 본 발명에 따른 분말을 사용한 소결품에서, 소결후의 치수변화는 비상하게 작으므로, 이것은 치수정밀도를 개선할 수 있고 후속공정의 생략에 의한 코스트를 절감할 수 있는 효과를 역시 제공할 수 있다.

제12도는 Ni-7%, Mo-14%, Mn-7%, Si-14%, Cr 합금분말로 이루어진 합금분말이 Fe 분말에 6% 첨가된 분할혼합물(본발명품)이 소결되었을 때 소결품의 조직이 나타내는 현미경 사진이다. 이 사진으로부터 Fe 분말의 결정입계를 따라 망상구조로 발달된 균질한 변태강화조직(마르텐사이트)이 결정입계의 강화에 기여한다는 것을 알 수 있다.

반면에 제13도는 순수한 물질 Ni, Cu 및 Mo인 각각의 순수물질이 각각 4.0%, 1.5%, 0.5%씩 현미경 사진이다. 조직은 Fe 분말의 입계가 현저하게 관찰되는 베이나이트로 주로 이루어져 있다는 것을 볼 수 있다.

[실시예 3]

본원 발명자는 Fe 분말의 종류(타입)와 합금분말이 입도가 소결품의 강도의 발전에 어떻게 기여하는가를 여러측면에서 조사하였다. 우선, Fe 분말의 종류가 강도의 발전에 미치는 영향은 표 1에 나타낸 화학성분의 Fe 분말을 사용하여 조사하였다. 제조조건은 하기한 것과 같다. 즉 철분말 -6%, 합금분말 -0.6%, 흑연 -0.75% 스테아린산 아연으로 이루어진 분말혼합물을 6ton/cm²하에서 압분성형하여 압분체를 1300℃, 진공분위기에서 소결하였다. 사용된 합금분말은 워터 아토마이제이션으로 제조하였고 조성이 Ni-7%, Mo-14%, Mn-14%, Cr-7%, Si이고 평균입도는 17μm였다.

[표 1]

* 0.75 스테아린산 아연을 혼합하여 6ton/cm²으로 압분성형한 압분체에 대한 측정값

그 결과는 제14도에 나타내었고 14도에 근거하여 다음과 같이 생각할 수 있다. 일반적으로 소결품의 인장강도는 Fe 분말의 밀도가 커질수록 증가되는 경향이 있는데 여기서 고순도 Fe 분말(300NH)의 강도가 낮은 순도의 것보다 낮다. 따라서 낮은 순도의 Fe 분말을 사용하는 것이 소결품의 강도를 증가시킨다는 견지에서 바람직하다는 것을 알 수 있다.

제15도는 인장강도(소결품) 또는 밀도(압분체와 소결품)에 대한 합금분말의 평균입도의 효과를 설명하는 그래프이다. 이 경우에 소결품과 압분체는 Fe 분말로서 300MH를 사용하고 상기와 같은 제조조건하에서 제조되었다. 제15도로 부터 알 수 있듯이, 합금분말의 평균입도는 20μm 이하인 것이 바람직하다.

그리고, 압분체 또는 소결품의 밀도에 대한 흑연분말의 평균입도의 효과와 소결품의 기계적 특성(인장강도, 충격치)을 평균입도가 각각 4μm(CPM-4), 5μm(SW1651) 및 12μm(ACP)인 흑연을 사용하여 조사하였다. 조건은 Fe 분말로서 300NH를 사용하여 예상했던 상기의 사항과 동일하였다.

그 결과는 제16도에 나타내었다.

제16도로부터 알 수 있듯이 고밀도는 흑연의 입도가 작아짐에 따라 획득될 수 있는데 고밀도는 소결품의 인장강도의 증가를 야기한다. 고충격치는 평균입도가 5μm 이하인 흑연분말을 사용해서 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

제17도는 밀도에 대한 합금분말의 첨가량의 영향을 나타내는 것이다.

제17도로부터 알 수 있듯이, 합금분말의 첨가량을 증가시킴에 따라 밀도가 낮아지며 이것으로부터 합금분말의 첨가량에 대한 적절한 범위가 있다는 것을 알 수 있다.

제18도와 제19도는 인장강도(18도)와 충격치(19도)에 대한 결합된 탄소와 합금분말의 첨가량 사이의 관계의 효과를 나타내는 그래프이다. 그 결과로부터 결합된 탄소(따라서 입도의 흑연의 제조조건)와 합금분말의 첨가량은 소결품에 요구되는 제품(적용 용도)에 따라 적절히 조절될 수 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 이렇게 구성되었으며 고밀도, 고강도 및 균일한 특성을 갖는 소결품은 액상이 나타나는 온도를 감소시키기 위한 다성분계 형태로 첨가될 수 있는 합금분말을 사용하고 액상이 나타나는 온도를 950℃보다 높은 1300℃보다 낮게 설정하고 소결중의 액상의 양을 20% 이상으로 설정함으로써 획득될 수 있다. 더욱이, 액상이 나타나는 온도와 침탄온도 사이의 차이는 소결중의 치수변화를 감소시키고 그것에 의해 소결품의 치수정밀도를 개선시킬 수 있고 후속하는 단계를 줄임으로써 코스트를 줄일 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있게된다.

Claims (3)

1. 합금분말은 기본성분으로서 Ni, Mo 및 Mn으로 포함하고 있고 Cr, Si, Al, Ti, P, V, Nb, Sn, W, Co, Cu 및 B로 이루어진 군으로부터 선택된 1이상의 원소를 포함하며, 합금분말의 고상선 온도가 950℃보다 높고 1300℃보다 낮으며, 소결중의 형성된 액상의 양이 20% 이상인, Fe 분말과 합금분말이 서로 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 분말야금용 분말혼합물.
2. 소결품의 조직은 Fe 분말의 결정립계를 따라 망상구조로 발전된 균질한 마르텐사이트 조직으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는, 제1항의 분말혼합물을 사용하여 소결된 소결품.
3. 제1항에 있어서, 합금분말은 평균입도가 20μm 이하인 것을 특징으로 하는 분말야금용 분말혼합물.