WO2013058453A1

WO2013058453A1 - 분말사출성형용 철계 합금

Info

Publication number: WO2013058453A1
Application number: PCT/KR2012/003071
Authority: WO
Inventors: 이성학; 이병주; 도정현; 신양수
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2013-04-25
Also published as: KR101350944B1; EP2770074A4; KR20130043871A; JP5819001B2; JP2014534344A; EP2770074A1; CN103890210A; US20140227124A1; CN103890210B

Abstract

분말사출성형용 철계 합금이 개시된다. 본 발명에 의한 분말사출성형용 철계 합금은 철(Fe) 52.59~78.15wt.%, 크롬(Cr) 16.45~37.34wt.%, 보론(B) 3.42~7.76 wt.%, 실리콘(Si) 1.64~1.92wt.%, 황(S) 0~0.21wt.%, 탄소(C) 0.16~0.18wt.% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

【명세서】

【발명의 명칭】

분말사출성형용 철계 합금

【기술분야】

<ι> 본 발명은 철계 합금에 관한 것으로， 보다 상세하게는 분말사출성형용 철계 합금에 관한 것이다.

【배경기술】

<ι> 분말사출성형 (powder injection molding, PIM)은 분말야금 (powder metallurgy)기술과 정밀한 플라스틱 부품의 대량생산기술인 사출성형 (inject ion molding)법이 접목된 신분말야금 성형기술이다.

<3> 분말사출성형 (PIM) 공정은 미세한 분말과 유동의 주체가 되는 고분자 결합제 를 흔합하여 이를 금형 내로 사출성형한 후사출성형체에서 결합제 (binder)를 제거 하고 분말만을 최종 고온 소결하여 부품올 제조하는 공정으로 구성되어 있다.

<4> 분말사출성형 공정이 지속적인 연구개발과 웅용이 확대되고 있는 이유는 기 존 부품설계자나 현장사용자가 분말사출성형 기술에 사용되는 재료와 형상의 조합 에 의한 부품설계의 자유도가 크다는 장점올 인지하고 있고， 분말사출성형 기술과 관련된 연구기관과 업체를 중심으로 웅용 재료의 다변화와 경제성이 있는 공정이 개발되고 있기 때문이다.

<5> 즉， 금속， 세라믹， 초경， 금속간화합물 등 모든 분말재료에 의한 3차원 정밀 부품의 제조가 가능하고， 난가공 재료나 주조 불가능 재료의 경우에도 후가공이 거 필요 없이 대량생산이 가능하므로 고부가가치 부품을 경제적으로 생산하는 데 분말사출성형 기술이 적합하다.

<6> 금속 분말사출성형 시장의 대부분을 차지하고 있는 스테인리스강의 경우 화 학조성의 변화로 최종 분말사출성형 부품이 요구하는 강도， 경도， 내마모성， 내식 성 등의 물성을 맞추고 있다.

<7> 따라서 분말사출성형에 사용되는 스테인리스강 분말은 SUS304L, SUS316L,

SUS430, SUS630 등 다양하며， 마르텐사이트계 스테인리스강 분말사출성형의 경우에 는추가적인 열처리 공정이 필요하다. ·

<8> 따라서 통상적인 분말사출성형 부품의 물성을 충분하 만족시키면서， 열처리 가 필요 없고 경제적이고 다양한 미세조직과 물성으로 다양한 분말사출성형 부품에 적용될 수 있는 합금의 개발이 요구되고 있다.

【발명의 상세한설명】【기술적 과제】

<9> 본 발명은 기존의 분말사출성형에 사용되는 스테인리스강에 비해 우수한 장 도， 내마모성, 내식성을 나타내며 저렴한 생산 원가의 철계 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

【기술적 해결방법】

<10> 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 분말사출성형 용 철계 합금은 철 (Fe) 52.59- 78.15 wt. , 크롬 (Cr) 16.45- 37.34 wt. , 보론 (B) 3.42-7.76 wt.%, 실리콘 (Si) ,1.64~1.92wt .%, 황 (S) 0-0.21 wt.%, 탄소 (C) 0.16-0.18 wt.% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

<ιι> 상기 크롬 (Cr)과 보론 (B)의 비율 (Xc_r/¾)은 1.0 인 것을 특징으로 한다.

<12> 상기 크름 (Cr)과 보론 (B)의 조성의 합 ( _r+¾)은 0.30 내지 0.60 인 것올 특 징으로 한다. - <13> 상기 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 보론 (B)의 조성의 합 (X_Fe+Xc_r+¾)은 0.9635 인 것을 특징으로 한다.

<14> 상기 분말사출성형용 철계 합금의 미세조직은 크롬 보라이드 (Cr₂B)가 페라이 트 (ferrite) 기지 내에 네트워크 형태로 분포하는 것을 특징으로 한다. ' <15> 상기 크롬 보라이드 (Cr₂B)의 부피 분율 (volume fraction)은 5W~91% 인 것올 특징으로 한다.

<16> 상기 분말사출성형용 철계 합금의 경도는 600 ~ 1600 VHN 인 것올특징으로 한다.

<17> 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 철계 분말의 사출성형방법은 상기 분말사출성형용 철계 합금의 분말올제공하는 단계， 상기 분말사출성형용 철계 함금 의 분말과 결합제를 혼합하여 분말혼합체를 형성하는 단계， 상기 분말 혼합체를 압 축 성형하는 단계 , 상기 분말 흔합체를 가열하여 결합제를 제거하는 단계， 및 상기 결합제가제거된 분말혼합체를 소결하는 단계를 포함한다.

<18> 상기 분말 혼합체의 형성은 상기 분말사출성형용 철계 합금의 분말과 파라핀 왁스， 텅스텐 카바이드 볼 및 헵탄 (heptanes)올 용기에 혼합 후 상기 용기를 회전 시켜 이루어지는 것을 특징으로 한다.

【유리한 효과】

<19> 본 발명에 따른 분말사출성형용 철계 합금들은 단단한 Cr₂B boride를 각기 다른 부피 분율로 형성시킴으로써， 종래에 사용되는 스테인리스강에 비해 경도 및 내마모성올 크게 향상시킬 수 있다.

<2 > 또한， 본 발명에 따른 분말사출성형용 철계 합금들은 합금원소의 분율을 낮 추어 상용 스테인리스강 보다 합금 가격 이 저 렴하며， 소결 온도와 시간의 감소에 의해 생산비를 절감하여 가격 경 쟁력 이 우수하다.

【도면의 간단한 설명】 .

<21> 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 분말사출성 형용 철계 합금의 미세조직을 나타낸 주사전사현미경 (SEM) 사진이다.

<22> 도 2는 본 발명에 의해 설계한 철계 합금의 Fe-Cr-B 3원계 등온상태도이다.

<23> 도 3은 본 발명에 의 한 철계 합금의 설계시 기본 합금의 구성원소 (Fe , Cr ,

B , Si , S, C)별로 각 성분 조성에 따른 Cr2B의 석출 구동력 변화를 계산한 결과를 나타낸 그래프이다.

<24> 도 4는 본 발명에 의 한 철계 합금에서， 크롬과 보론의 비율에 따른 i,oo(rc 에서 존재하는 평형 상들의 분율을 도시한 그래프이다.

<25> 도 5 내지 도 7은 본 발명에 의해 설계한 9개의 철계 합금의 합금 조성의 온 도에 따른 평형 상^' 분율올 나타낸 그래프이다.

<26> 도 8 내지 도 10은 본 발명에 의한 철계 합금들을 주조 및 열처리한 후의 미 세조직에 대한 주사전자현미경 사진들이다.

<27> 도 11은 본 발명에 의 한 철계 합금들의 X-선 회절분석 결과들이다.

<28> 도 12는 부품에 요구되 는 물성 (경도 기준)에 따라 합금원소의 가격을 그래프 로 나타낸 것 이다.

【발명의 실시를 위 한 최선의 형 태】

<29> 본 발명의 이점 및 특징， 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것 이다. 그러나， 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형 태로 구현될 수 있으며， 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고， 본 발명 이 속하는 기술분야에서 통상의 지식올 가진 자에 게 발명의 범주를 완전하 게 알려주기 위해 제공되는 것 이며， 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이 다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭 한다.

<30> 이하， 첨부된 도면올 참조하여 본 발명의 바람직 한 실시 예에 의한 분말사출 성 형용 철계 합금에 대하여 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 흑은 구성에 대한 구체적 인 설명 이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. <31> 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 분말사출성형용 철계 합금은

<32> 철 (Fe) 52.59- 78.15 wt.%, 크롬 (Cr) 16.45- 37.34 wt.%, 보론 (B) 3.42-7.76 wt.%, 실리콘 (Si) 1.64~1.92wt.%, 황 (S) 0.21 wt.%, 탄소 (C) 0.16-0.18 wt.% 및 기 타 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

<33> 상기 철계 합금의 미세조직은 크롬 보라이드 (Cr₂B)가 페라이트 (ferrite) 기 지 내에 네트워크 형태로 분포하는 것을 특징으로 한다.

<34> 본 발명에 의한 크롬 보라이드 (Cr₂B) 상은 매우 단단하기 때문에 석출된 크 롬 보라이드 상 (phase)의 형상， 분율 분포 상태는 시편의 전체 경도와 내마모성에 직접적인 영향을 미칠 수 있다.

<35> 상기 철계 합금의 크롬 보라이드 상은 네트워크 구조를 이루고 있어， 시편의 전체의 경도 분포는 위치에 따라서 균일하며， 마모 환경에서도 가해지는 하중이 분 산되어 내마모 성질이 우수하다.

<36> 또한， 상기 크롬 보라이드 (Cr₂B)의 부피 분율 (volume fraction)은 51%~91% 인 것을 특징으로 한다.

<37> 상기 합금의 경도는 600 ~ 1600 VHN 인 것올 특징으로 한다.

<38> 분말사출성형 공정에서 요구하는 철계 합금의 고경도와 저비용 조건을 만족 시키기 위하여 비교적 가격이 저렴한 Cr과 B의 화합물인 크롬보라이드 석출올 이용 하여 고경도 물성올 얻을 수 있다.

<39> 크룸 (Cr)과 보론 (B)의 조성 비율을 1:1로 고정하고 크롬 (Cr)과보론 (B)의 조 성 비율의 합 (몰비율의 합)을 0.30~0.60 까지 조절할 수 있다. 이때 주성분인 철 (Fe)과 크롬 (Cr) 및 보론 (B)의 조성 비율의 합 (몰분율의 합)은 0.9634 로 고정할 수 있다.

<40> ~ 상기 크롬 (Cr)은 일반적으로 급냉시 합금의 경화능을 증가시키고 내식성을 향상시키기 위해 첨가하는 합금 원소로 본 발명에서는 보론 (B)과 결합하여 크롬보 라이드 석출 분율올 조절하는 원소이다.

<4i> 크롬의 함량이 16.45 wt.% 이상이어야 크롬보라이드의 석출 분율이 50 vol.

% 이상으로 형성되어 분말사출 성형 공정에서 요구하는 고경도 요구치 약 600VHN 이상의 경도를 얻을 수 있다.

<42> 크롬의 함량이 37.34 wt .% 를 초과하는 경우에는 과도한 크롬보라이드가 석 출되어 인성을 저해하기 때문에 그 함량을 16.45 ~ 37.34 wt.%로 제한한다.

<43> 그리고 상기 크롬 (Cr) 함량에 따라서 B의 함량이 보론 (B) 3.42-7.76 \^.%으 로 결정된다.

<44> 보론은 경화능 향상을 위하여 첨가되는 원소로 본 발명에서는 크롬과 결합하 여 크롬보라이드 석출 분율올 조절하는 원소이다. 보론의 함량이 3.42 wt.% 이상이 어야 크롬보라이드의 석출 분율이 50 vol. % 이상으로 형성되어 분말사출 성형 공 정에서 요구하는 고경도 요구치 약 600VHN 이상의 경도를 얻을 수 있다.

<45> 보론의 함량이 7.76 wt.%를 초과하는 경우에는 과도한크롬보라이드가석출 되어 인성을 저해하기 때문에 그 함량을 3.42 ~ 7.76 wt > 로 제한한다. 그리고 이 러한 보론의 함량에 따라서 크롬의 함량이 16.45 ~ 37.34 wt.%으로 결정된다.

<46> 실리콘 (Si)은 본 발명에서 분말사출성형 공정 중 소결 공정에서 기지를 페라 이트로 안정화시키고 고용 강화를 통하여 경화능올 높이는 역할올 하는 원소이다. 실리콘의 함량이 1.64 wt.% 이하로 첨가될 경우 고용 강화 및 페라이트 안정화 효 과가 미미하며， 1.92 wt.% 이상 첨가되는 경우 고용강화 효과가 비례하여 증가하지 않아 그 함량을 1.64~1.92wt )로 제한한다.

<47> 황은 일반적으로 비금속개재물을 형성하여 합금의 물성을 저하시키므로 가능 한 낮게 제어 하는게 바람직하지만, 본 발명에서 황화물 (FeS)이 형성되지 않는 한 도까지 첨가하여 기지와 크롬보라이드 안정화 효과를 얻고자 하였다. 따라서 그 상 한을 0.21^.%로 두는 것이 바람직하다/

<48> 탄소는 합금의 경화능을 효율적으로 향상시킬 수 있는 원소로 본 발명이 의 도하고자 하는 경도를 만족시키기 위하여 0.16 wt.% 이상이 함유되어야 하며 0.18 wt.% 이상 첨가될 경우 인성이 저하되기 때문에 그 함량올 0.16-0.18 wt.%로 제한 한다.

<49> 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 철계 분말의 사출성형방법은 분말사 출성형용 철계 합금의 분말올 제공하는 단계， 상기 분말사출성형용 철계 합금의 분 말과 결합제를 흔합하여 분말흔합체를 형성하는 단계, 상기 분말 혼합체를 압축 성 형하는 단계， 상기 분말 혼합체를 가열하여 결합제를 제거하는 단계， 및 상기 결합 제가 제거된 분말흔합체를 소결하는 단계를 포함한다.

<50> 상기 분말 혼합체의 형성은 전술한 분말사출성형용 철계 합금의 분말과 파라 핀 왁스, 텅스텐 카바이드 볼 및 헵탄 (heptanes)을 용기에 혼합 후 상기 용기를 회 전시켜 이루어지는 것올 특징으로 한다.

<51> 상기 분말 흔합체의 압축 성형은 상기 분말 흔합체를 금형에 장입한 후 lOOkgf/cm² 이상의 압력으로 프레스를 이용하여 이루어질 수 있다.

<52> 상기 결합제의 제거는 상기 압축 성형된 분말 흔합체를 2°C/min 이상의 승은 속도로 500°C까지 올린 후 1시간유지시킴으로써 이루어질 수 있다.

<53> 상기 소결은 상기 결합제가 제거된 분말 혼합체를 열처리로에 장입하고수소 분위기에서 3°C/min 이상의 승온 속도로 1,175°C까지 가열한 후 1시간 동안 유지시 킴으로써 이루어질 수 있다.

<54>

<55> 본 발명은， Fe-43Cr-5.6B-1.8Si-0.2S-0.17C (wt.%) 합금을 기본으로 하여， 합금 원소의 비율을 줄이고 크롬 (Cr)과 보론 (B)의 비율을 변화시킴으로써 각기 다 른 부피 분율의 크롬 보라이드 (Cr₂B)를 페라이트 기지에 형성시켜 다양한 물성올 나 타낼 수 있는 분말사출성형용 고경도 저비용 철계 합금올 제공한다.

<56> 또한， 본 발명에 의한 합금들의 미세조직은 크롬 보라이드 (Cr₂B)와 페라이트 기지 외에 다른 결정질 입자가분산되어 있는 조직올 가질 수 있다.

<57> 이하， 본 발명의 바람직한 실시예와 비교예의 설명올 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소되거나 한정되어서는 안 된다.

<58>

<59> <실시예 1>

<60> 아래의 표 1은 본 발명에 따른 분말사출성형용 철계 합금의 설계시 기준으로 한 기본 합금의 조성을 나타낸 표이다.

<61> 【표 1】

<62> 아래의 표 2은 본 발명에 따른 분말사출성형용 철계 합금을 열역학적 계산에 의해 설계한 합금의 조성을 나타낸 표이다.

<63>

<64> 【표 2】

<65> 분말사출성형용 철계 합금을 표 2의 조성에 맞춰 들을 아르곤 (Ar) 분위기 하에서 아크 용해하였다. 아크 용해에 사용된 합금은 고순도의 Fe(99.9wt%), Si(99.99wt ), (:(99^%)와 미리 합금화 한 FeB(99.2wt%) , FeS(98.5wt%) , FeCr(98.6wt%) 예비 합금 (pre_al loy)이며， 모합금 성분의 균일화를 위해 4~5번 뒤 집어 반복하여 용해하였다.

<66> 아크 용해에 의해 제조된 모합금올 석션 캐스팅 (suction casting)하여 5誦 두께의 봉상시편을 주조하였다. 주조 합금은 분말사출성형 공정 제품과 달리 충분 히 확산이 일어나 균질화된 상태가 아니므로， 분말사출성형 공정의 소결 조건과 유 사한 조건 (1200°C에서 30 분 유지)으로 열처리한 후 노냉하였다.

<67> 주조 및 열처리된 합금들올 Viella 용액 (45ml Glycerol, 15ml HN03, 30ml

HC1)으로 에칭한 후 주사전자현미경 (SEM)으로 관찰하였다.

<68> 합금내 존재하는 상들을 X-선 회절시험방법으로 분석하였으며， 크롬보라이드

(Cr₂B)의 부피분율올 영상분석기로 측정하였다.

<69> 합금의 전체적인 경도를 비커스 (Vickers) 경도기로 300g의 하중 하에서 측정 하였다.

<70>

<71> <실시예 2>

<72> 분말사출성형용 철계 합금올 표 2의 합금 조성들에 맞춰 원소분말들올 30 kg 용량의 진공유도로로 용융하여 모합금 잉곳 (ingot)올 제조하였다. <73> 사용된 합금은 고순도의 Fe(99.9wt%) , Si (99.99wt%) , (：(99^%)와 미리 합금 화 한 FeB(99.2wt%) , FeS(98.5wt%) , FeCr(98.6wt%) 예비 합금 (pre-al loy)이다.

<74> 상기 잉곳을 다시 아르곤 (Ar) 분위기에서 1 , 550 °C 로 용융한 후 20 bar의 분사압력으로 질소가스분무법 (N₂ gas atomi zat ion)으로 구형의 분말을 제조하였다.

<75> 이 분말을 분급하여 25 μ ιη 이하 크기의 분말올 분말사출성 형에 사용하였다.

<76> 본 발명에서는 혼합을 용이하게 하고 부피팽창을 줄이기 위하여 파라핀

(paraff in) 왁스를 결합제로 사용하였다. 철계 분말 97g과 3g의 결합제를 흔합하여 20 ml의 텅스텐 카바이드 볼 (tungsten carbide bal l )과 함께 300 ml 용량의 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE; hi h-densi ty polyethylene) 용기에 장입 한 후 250 ml까지 헵탄 (heptanes)을 채워 넣었다 .

<77> . 용기의 회전속도를 45 rpm으로 하고 24 시간 회전함으로써 혼합하였다. 분말 흔합체를 55 의 핫 플레이트 (hot plate)에서 건조한 후 직경 13 mm의 원형 금형에 장입한 후 100kgf/cm² 의 압력으로 상온에서 프레스를 이용하여 압축 , 성형하였다.

<78> 성형 체에서 결합제를 제거하기 위하여 2 ⁰C/min.의 승온속도로 500 °C까지 올린 후 이 온도에서 1시간 유지하여 탈지하였다. 탈지된 성 형체를 치밀화하기 위 하여 열처 리로에 장입하고 수소 분위기에서 3 ⁰C/min. 의 승은속도로 1175°C까지 올 린 후 1시간 소결하였다.

<79>

<80> <실시 예 3: 열역학 계산에 의 한 고온 상평 형 해석 >

<81> 합금의 기본 조성으로부터 변화된 합금 조성을 설계하기 위하여 합금의 물성 결정 요소를 파악하는 것이며 합금의 물성 (특히 경도)은 크롬보라이드 (Cr₂B)의 석출 과 밀접한 관련이 있다.

<82> 이에 따라 크롬보라이드 (Cr₂B) 형성량을 예측하기 위하여 열역학 계산을 수 행하였다. 계산에 사용된 소프트웨어는 상용 열역학 계산 프로그램 인 ThermoCalc이 며， 열역학 데이터베 이스는 TCFE2000를 기반으로 업그레이드된 버전 (upgraded version)을 사용하였다.

<83> 도 2는 이 데이터베이스를 이용하여 작성 한 Fe-Cr-B 3원계 등온 상태도이다.

<84> 도 3은 1250 와 1000 에서 기본 합금의 구성 원소 (Fe , Cr , B, Si , S, C)별 로 각 성분 조성에 따른 Cr₂B의 석출 구동력 변화 # 계산한 결과이다. <85> 석출 구동력은 다른 성분들간의 비율을 고정시킨 상태에서 조절하려는 성분 의 양올 0부터 원래 양의 두 배까지의 범위에서 계산한 것이다.

<86> 도 3으로부터 기본 함금의 주된 구성 성분인 철 (Fe 크롬 (Cr), 보론 (B)의 양을 변화시킬 때 크롬보라이드 (Cr₂B)의 석출 구동력이 크게 변함을 알수 있다. 따 라서 합금 설계를 위한 기초 합금의 선정에서는 철, 크롬， ^'보론을 주요 변수로 하 였다.

<87> 기본 합금은 PIM용으로 사용될 경우 분말사출공정 중 1,200°C에서 장시간 소 결되므로 소결된 미세조직은 평형에 도달했다고 생각할수 있다.

<88> 평형 도달 후 냉각되고 있는 중이라 생각할 수 있는 온도인 1, 000 에서 철， 크롬， 보론의 조성을 조절하여 평형 상 분율올 계산하였다.

<89> 조성은 기준이 되는 표 1의 기본 합금을 기초로 하여, 주 성분의 몰분율의 합 (X_Fe+X_Cr+X_B)이 0.9634 를 유지하되， Cr과 B의 비율 ( /¾)올 1.0(B 비율 증가)，

1.6(기본 비율)， 2.2(0 비율 증가)의 세 가지 경우로 하여 X_Fe와 (X_Cr+X_B)값을조절 하였다.

<90> 도 4는 세 가지 경우에 대한 1，000¾에서 존재하는 평형 상들의 분율올 보여 준다. 보론 비율이 증가할수록， 그리고 X_Cr+X_B 값이 증가할수록 크롬보라이드 (Cr₂B) 의 평형 상 분율이 증가한다.

<9i> 세 경우의 조성 비율에서 각각 Xc_r+X_B=0.3으 0.45, 0.5819의 세 가지 경우를 다시 선택하여 모두 아흡개의 합금 조성올 도출하였으며， 이를 표 2에 나타내었다. < 2> 우선 Xc_r/¾ 비율이 1.0, 1.6， 2.2인 조성을 중심으로， 각각에 대하여 X_Cr+X_B 합이 0.30， 0.45, 0.5819인 경우를 실시예 1 내지 9로 구분하였다.

<93> 여기서 X_Cr/X_B=1.6, Xc_r+X_B=0.5819의 실시예 6은 기준 조성인 표 1의 합금과 동일하다.

<94> 도 5 내지 도 7은 아흡 개 합금 조성의 온도에 따른 평형 상 분율올 나타낸 그래프이다. 이로부터 여러 온도에서 크롬보라이드 (Cr₂B)의 평형 상 분율의 열역학 계산값올 알수 있다.

<95> 예를 들어， 실시예 l(X_Cr/X_B=1.0, X_Cr+X_B=0.30) 합금 조성에서 1000 에서의

Cr₂B 분율은 43 vol. % 정도이고， 나머지는 BCC a— Fe (페라이트)와 FCC γ -Fe (오스 테나이트)이다. 온 £가상은으로 내려오면, Cr₂B의 분율은 그대로 유지되고 γ-Fe는 α—Fe로 변태되어 상온 미세조직은 43 vol. %의 Cr₂B과 57 vol. ¾)의 a— Fe로 이루어 질 것으로 예상할수 있다.

<96>

<97> <실시예 4 ： Fe계 합금의 미세조직>

< 8> PIM부품은 고온에서 장시간소결이 진행됨에 따라 충분한 평형 상태에 이르 지만， 주조 합금은 용융 후 냉각에 의한 웅고가 비교적 빨리 일어나 평형 상태에 도달하지 못할수 있다.

<99> 따라서 충분한 평형 상태에 도달한 미세조직올 얻기 위하여 PIM의 소결공정 에 해당하는 열처리를 주조 합금에 적용하였다.

<ιοο> 도 8 내지 10은 주조 후 열처리된 합금들의 주사전자현미경 (SEM) 미세조직이 다. 열처리 후에는 확산이 일어나므로， 그 미세조직은 주조 합금의 미세조직과 상 당히 다르다.

<ιοι> 고온에서 장시간유지되면 마르텐사이트는 미세한 탄화물들이 석출한 템퍼드 마르텐사이트， 즉 페라이트로 변화하며， Cr₂B도 형태가 침상 또는 봉상에서 구형 또 는 타원형으로 변화한다.

<102> 주조 합금에서와 마찬가지로， (¾_r+X_B)이 증가함에 따라 Cr₂B 양이 증가하는 경향을 나타낸다. 기준 조성의 합금과 동일한 조성인 실시예 6의 합금의 미세조직( 도 9 (f))은 도 1의 기본 합금 분말로 분말사출성형한 부품의 미세조직과 비슷하 다. 이로부터 주조 후 열처리된 합금의 미세조직은 이를 분말로 만든 후 PIM 공정 을 거친 부품의 미세조직과 비슷할 것이라고 예상할수 있다.

<103> 도 11은 열처리된 합금들의 X—선 회절분석결과이다. 모든 합금에서 a-Fe ( 페라이트)와 Cr₂B의 피크가 나타나므로， Cr₂B가 페라이트 기지 내에 분포함을 알 수 있다. 석출된 Ciᅳ ₂B 분율을 측정하여 표 3에 나타내었으며, 평형 상 분율을 나타낸 도 5 내재 7로부터 구한 Cr₂B분율과 비교하였다.

<104>

<105> <실시예 5: Fe계 합금의 경도 >

<106> 주조된 합금과 열처리된 합금들의 경도를 측정하여 표 3에 나타내었다. 같은 화학조성에서 주조 합금과 열처리 합금의 경도가 다른 것은 Cr₂B와 마르텐사이트로 이루어진 주조 합금의 미세조직이 열처리 후 달라지기 때문이다. 3】

<109> 주조 합금에서 마르텐사이트는 열처리 후 페라이트로 변화하며 , 0^는 고온 열처리에 의한 확산 효과에 의해 평형 상태에 도달함에 따라 Cr₂B 자체의 경도와 분 율이 증가한다. 열처리 후에는 마르텐사이트가 페라이트로 변화함에 따라 경도는 감소하고， Cr₂B의 경도와 분율이 증가함에 따라 경도는 증가하며， 이 둘 사이의 경 쟁 관계에 따라 주조 합금의 경도는 열처리 후 증가 또는 감소하게 된다.

<ιιο> 즉， Cr₂B 분율이 높은 합금 조성에서는 마르텐사이트-페라이트 변태에 의한 경도 감소보다 Cr₂B 경도와 분율의 증가 효과가 커서 열처 리 후 경도가 증가한다. 반면， 페라이트 분율이 높은 합금 조성에서는 마르텐사이트-페라이트 변태에 의한 경도 감소 효과가 Cr₂B 경도와 분율의 증가 효과보다 커서 열처리 후 경도가 감소하 는 경향을 보인다.

<111>

<ι ΐ2> 실시 예 6의 합금의 미세조직 (도 9 ( f ) )과 기본 합금 분말로 PIM한 부품의 미 세조직 (도 1)과 비슷한 것을 고려할 때， 본 연구에서 제조한 Fe계 합금들은 Cr₂B 분 율과 경도에 따라 다양하게 PIM 부품의 제조에 사용될 수 있다.

<Π3> 일반적으로 Cr₂B분율이 증가하면 경도도 증가하지만， 취성 파괴 가능성은 증 가한다. 따라서 PIM 부품에 적용될 때 높은 Cr₂B분율과 경도가 반드시 필요한 것은 아니기 때문에， 부품에 요구되는 물성에 적합한 물성을 가진 합금을 효과적으로 선 택하는 것 이 바람직하다.

<ι ΐ4> 예를 들어， PIM 부품에 요구되는 경도 조건이 500-600 VHN이라면， 여기에 맞 는 합금， 예를 들어 실시예 1， 5, 8의 합금들이 적용될 수 있다. 이 경우 경도가 높은 합금보다 취성이 감소하고 인성은 증가되는 이점도 가질 수 있다.

<Π5> 또한 Cr₂B 분율이 증가하려면 이에 따른 합금원소의 양도 증가하므로, PIM 부품에 요구되는 물성은 물론， 합금원소의 가격올 포함한 경제성을 함께 고려하는 것이 바람직하다.

<ιΐ6> 도 12는 부품에 요구되는 물성 (경도 기준)에 따라 합금원소의 가격을 그래프 로 나타낸 것이다. 합금원소의 가격 기준은 LME dailiy price (2010.07.27기준)에 의거하였다.

<117> 본 연구에서 제조한 합금에 함유된 합금원소의 가격은 기본합금 낮으며， 경 도가 감소하면 합금원소 가격도 감소한다.

<ιΐ8> 또한， PIM용으로 많이 사용되고 있는 페라이트계 또는 마르텐사이트계

SUS630 스테인리스강 (조성: Fe-17Crᅳ 4Ni-4Cu 0.35Nb-0.07C(wt.¾)), 경도: 360 VHN) 보다합금원소의 가격이 낮아 이의 대체가층분히 가능하다.

<ιΐ9> 따라서 PIM 부품에 요구되는 물성과 경제성을 동시에 고려할 때， 본 연구의 합금은 다양한 조건의 PIM 부품에 적용이 층분히 가능하며， 우수한 물성과 유리한 경제성까지 갖추고 있다.

<120> 이상과 같이 단단한 Cr₂B이 페라이트 기지에 분포된 PIM용 합금을 설계한 본 원발명으로부터 Cr₂B분율올 조절함으로써 다양한 물성을 나타내는 합금을 성공적으 로 제조할수 있었다.

<i2i> 특히 열역학 계산에 의한 고온 평형 상 분율의 계산 결과로부터 Cr₂B 분율 및 경도를 예측하였고， 이를 이용하여 다양한 Cr₂B분율과 경도를 가지는 Fe계 합금 올 제조하였다.

<122> 이 합금들은 고온에서 안정하고 내식성이 우수한 Cr₂B를 많이 함유하여 상온 경도는 물론， 고은 물성， 내마모성， 내식성도 기존 스테인리스강 PIM 부품보다 우 수할 것으로 예상되므로 우수한 물성을 요구하는 구조용 부품에 적용할 수 있는 새 로운 가능성을 보여준다.

<123> 실시예 3 합금은 1600 VHN 이상의 경도를 나타내고 있으므로， 스테인리스강 뿐만 아니라초경합금의 PIM부품에도 충분히 적용 가능하다.

<124>

<125> 이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만， 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수 적인 특징올 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며^'한정적 이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술 하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며， 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

【청구의 범위】

【청구항 1】

분말사출성형용 철계 합금에 있어서，

철 (Fe) 52.59- 78.15 wt.%, 크롬 (Cr) 16.45- 37.34 wt. , 보론 (B) 3.42-7.76 wt. , 실리콘 (Si) 1.64~1.92wt.%, 황 (S) 0-0.21 wt.%, 탄소 (C) 0.16-0.18 wt.% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.

【청구항 2】

제 1 항에 있어서，

상기 크롬 (Cr)과 보론 (B)의 비율 ( _r/X_B)은 1.0 인 것올 특징으로 하는 분말 사출성형용 철계 합금.

【청구항 3】

제 2 항에 있어서，

상기 크롬 (Cr)과 보론 (B)의 몰분율의 합 ( +¾)은 0.30 내지 0.60 인 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.

【청구항 4】

제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서，

상기 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 보론 (B)의 몰분율의 합 (X_Fe+Xc_r+¾)은 0.9635 인 것 올 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.

【청구항 5】

제 4항에 있어서，

상기 분말사출성형용 철계 합금의 미세조직은 크롬 보라이드 (Cr₂B)가 페라이 트 (ferrite) 기지 내에 네트워크 형태로 분포하는 것을 특징으로 하는 분말사출성 형용 철계 합금.

【청구항 6】

제 5 항에 있어서，

상기 크롬 보라이드 (Cr₂B)의 부피 분율 (volume fraction)은 51%~91¾ 인 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.

【청구항 7】

제 6 항에 있어서，

상기 분말사출성형용 철계 합금의 경도는 600 - 1600 VHN 인 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.

【청구항 8】

제 1 항 내지 제 7항에 의한 분말사출성형용 철계 합금의 분말을제공하는 단계;

상기 분말사출성형용 철계 합금의 분말과 결합제를 흔합하여 분말흔합체를 형성하는 단계;

상기 분말흔합체를 압축 성형하는 단계;

상기 분말혼합체를 가열하여 결합제를 제거하는 단계; 및

상기 결합제가 제거된 분말 혼합체를 소결하는 단계를 포함하는 철계 분말의 사출성형방법.

【청구항 9】

제 8 항에 있어서，

상기 분말 혼합체의 형성은 제 1 항 내지 제 8항에 의한 분말사출성형용 철계 합금의 분말과 파라핀 왁스， 텅스텐 카바이드 볼 및 헵탄 (heptanes)올 용기에 혼합 후 상기 용기를 회전시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 철계 분말의 사출성형방