KR101918431B1 - 분말야금용 철계 합금 분말 및 소결단조부재 - Google Patents

Abstract

Cu를 2.0~5.0 질량% 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 이 Cu량의 1/10~8/10은 분말의 형태로 철계 합금 분말의 원료가 되는 철 분말의 표면에 확산부착하고, 또한 나머지 Cu는 예비 합금으로서 상기 철 분말에 포함함으로써, 종래의 Cu 예비 합금화 철계 합금 분말보다도 압축성이 우수함과 동시에, 종래의 Cu 분말을 혼합한 계통의 철계 합금 분말보다도 저온에서 소결하였다 해도 고강도의 소결단조부재를 제조하는 것이 가능한 분말야금용 철계 합금 분말을 얻는다.

Description

분말야금용 철계 합금 분말 및 소결단조부재 {IRON-BASED ALLOY POWDER FOR POWDER METALLURGY, AND SINTER-FORGED MEMBER}

본 발명은 분말야금제품의 원료 분말인 철계(iron-based) 합금 분말과, 이 철계 합금 분말을 원료로 하여 소결단조법으로 제조되는 소결단조부재에 관한 것이다.

분말야금제품 중에서도 소결단조제품은 자동차 엔진의 커넥팅 로드 등, 특히 고강도가 요구되는 부재에 사용되고 있다.

소결단조제품의 원료 분말로는 순철(純鐵) 분말에 Cu 분말과 흑연 분말을 혼합한 Fe-Cu-C계의 철계 합금 분말이 많이 사용되고 있다(특허문헌 1~4). 또한, 원료 분말에 추가로 절삭성 개선을 위한 MnS 등의 절삭성 개선제가 첨가될 수도 있다(특허문헌 1, 4 및 5).

여기서, 최근 커넥팅 로드용의 용도로는 엔진의 소형화나 고성능화 등이 진행되고 있어, 더욱 고강도의 재료가 요구되고 있다. 이에, Cu량이나 C량의 최적화에 관한 검토가 이루어지고 있는데(특허문헌 1, 2 및 5), 강도 향상 효과는 한정적이다.

또한, 특허문헌 3에는 철 분말에 Mo나 Ni, Cu 등의 합금 원소를 예비 합금화(pre-alloy)시킨 것 등이 제안되어 있다. 그러나, 합금 원소는 고가일 뿐만 아니라, 철계 합금 분말 중에 마르텐사이트 등의 단단한 조직을 형성하기 때문에, 이러한 합금 원소를 포함하는 철계 합금 분말을 사용한 소결체는 절삭성이 나빠진다는 문제점이 있다.

이에 반해, 특허문헌 4에서는 Cu만을 철 분말에 예비 합금화함으로써, 소결체의 절삭성을 유지하면서 소결체 강도를 향상시키는 기술이 제안되어 있다.

특허문헌 1 : 미국 특허 제6391083호 명세서 특허문헌 2 : 미국 특허출원공개 제2006/86204호 명세서 특허문헌 3 : 미국 특허 제3901661호 명세서 특허문헌 4 : 일본 특허공표 2011-509348호 공보 특허문헌 5 : 일본 특허 제4902280호 공보 특허문헌 6 : 일본 특허공개 평10-96001호 공보 특허문헌 7 : 일본 특허공개 평8-92604 호 공보 특허문헌 8 : 일본 특허공개 2004-232004호 공보

그러나, 상술한 특허문헌 4에 기재된 기술에서는 철계 합금 분말 입자의 경도(硬度)가 상승하여 압축성이 저하된다. 이 때문에, 이러한 철계 합금 분말을 이용한 성형체의 강도는 저감되기 쉽다. 또한, 이러한 철계 합금 분말의 성형은 높은 압축력을 필요로 하기 때문에, 성형 금형이 닳아 줄어들기 쉬우며, 성형 금형의 수명 저감을 초래한다는 문제점이 있었다. 또한, 이들 문제에 대해, 철 분말에 Cu 입자를 확산부착시켜 압축성을 확보하는 기술(특허문헌 6)이 제안되어 있는데, 소결 후의 Cu의 분포가 불균일하게 되기 쉬우며, 강도 향상 효과는 한정적이다.

또한, 소결체의 강도 향상 방안으로는 소결 온도를 고온으로 하는 것도 생각해 볼 수 있지만, 대량의 에너지를 소비하기 때문에, 소결 온도는 저온화하는 것이 요망되고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해소하여, 종래의 Cu 예비 합금화 철계 합금 분말보다도 압축성이 뛰어남과 동시에, 종래의 Cu 분말을 혼합한 철계 합금 분말보다도 저온에서 소결하였다 해도 고강도의 소결단조부재를 제조하는 것이 가능한 분말야금용 철계 합금 분말을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 그 철계 합금 분말을 사용한 소결단조부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에서 고강도란, Cu량이 동등한 경우에, 소결단조한 후의 부재 강도가 종래의 소결단조한 후의 부재 강도보다도 높아지는 것을 의미한다.

또한, 원료 철 분말에 Cu를 예비 합금화시킨 종래기술로는 상기 특허문헌 4가 있다. 그러나, 이 기술은 예비 합금화 후의 원료 철 분말을 흑연 분말과만 혼합하여 소결한 후의, 원료 철 분말 중의 Cu 분포 균일성을 높이기 위한 것이다. 따라서, 이 기술은 압분 성형시의 압축성과 소결단조 후의 Cu 분포 균일성을 양립시키기 위한 최적의 Cu 배분(예비합금 Cu와 확산부착 Cu의 비)을 시사하는 것이 아니다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. Cu를 예비 합금화한 원료 철 분말의 표면에 Cu를 분말의 형태로 확산부착시킨 철계 합금 분말로서, Cu를 2.0 ~ 5.0 질량% 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며,

상기 Cu의 1/10~8/10은 상기 원료 철 분말의 표면에 확산부착되어 있고, 또한 나머지 Cu는 예비 합금화되어 있는 분말야금용 철계 합금 분말.

2. 상기 1에 기재된 철계 합금 분말을 포함하는 소결단조부재.

본 발명에 따르면, 철 분말 표면의 Cu 분포가 보다 균일해지기 때문에, 종래의 Fe-Cu-C계의 철계 합금 분말에 비해, 낮은 소결 온도에서도 소결 후 부재 중의 Cu 분포가 균일해진다. 따라서, 기계 강도가 높은 소결단조부재를 저비용으로 제조할 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명에서, 철계 합금 분말에 포함되는 Cu량은 2.0~5.0 질량%의 범위로 한다.

철계 합금 분말에 포함되는 Cu량이 2.0 질량%를 만족하지 않으면, Cu 첨가에 의한 소결단조부재의 강도 향상 효과가 충분하지 않게 된다. 한편, 철계 합금 분말에 포함되는 Cu량이 5.0 질량%를 초과하여도, 5.0 질량%의 Cu 첨가인 경우에 비해, 소결단조부재의 강도는 그다지 향상되지 않는다. 이 때문에, 철계 합금 분말에 포함되는 Cu량의 상한은 5.0 질량%로 한다.

또한, 상기 Cu 이외의 철계 합금 분말의 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이다.

또한, 본 발명은 상기 철계 합금 분말에 포함되는 Cu량의 1/10~8/10을, 예비 합금화된 원료 철 분말의 표면에 분말 형태로 확산부착시키고, 나머지 Cu는 원료 철 분말 중에 예비 합금화시켜 두는 것이 가장 큰 특징이다.

상기 확산부착시키는 Cu량이 철계 합금 분말에 포함되는 Cu량의 1/10을 만족하지 못하면, 철계 합금 분말의 압축성 향상 효과가 낮아진다. 한편, 확산부착시키는 Cu량이 철계 합금 분말에 포함되는 Cu량의 8/10을 초과하면, 예비 합금화된 원료 철 분말의 표면상에서의 Cu 분포 균일성이 향상되지 않으며, 소결단조부재의 강도 향상 효과가 한정적이게 된다.

또한, 본 발명에 있어, 예비 합금화된 원료 철 분말의 표면에 분말 형태로 Cu를 확산부착시킨다란, 예비 합금화 후의 원료 철 분말의 표면에, 평균입경(d50)이 50μm 이하 정도, 바람직하게는 20μm 이하 정도인 Cu 분말을 확산부착시키는 것을 의미한다. 또한, 여기서 말하는 Cu 분말의 평균입경(d50)이란, 레이저 회절·산란법에 의해 부피 기준으로 적산입도분포를 계측하여, 그 값이 50%가 되는 입경을 말한다.

본 발명의 철계 합금 분말을 수지에 매립한 후 연마하여, 그 입자 단면의 원소 분포를 EPMA로 매핑하면, 예비 합금화된 Cu의 분포가 관찰된다. 한편, 철계 합금 분말의 입자 표면을 EPMA로 매핑하면, 철계 합금 분말의 입자 표면은 확산부착된 Cu 분말에 의해, 입자 내부보다도 Cu가 농후화되어 있는 모습이 관찰된다.

또한, Cu 분말 입자가 작을수록 소결단조 후의 Cu의 균일성은 좋아지지만, 평균입경이 20μm 이하인 금속 구리 분말은 가격이 비싸다. 그 때문에, 금속 구리 분말을 원료로 한 경우의 Cu 분말의 평균입경 하한값은 10μm 정도로 하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 구리원으로 적용할 수 있는 분말은 금속 구리나 산화구리 등, 철계 합금 분말에 사용되는 종래 공지의 것을 적용하는 것이 가능하다.

또한, 특허문헌 7에 예시되는 산화구리 분말은 20μm 이하의 입경일지라도 비교적 낮은 비용이기 때문에, 바람직하게 적용할 수 있다.

본 발명에 사용하는 철계 합금 분말의 원료가 되는 철 분말(본 발명에서는 원료 철 분말이라 한다)은 철계 합금 분말용으로 사용되는 공지의 것이면 어느 분말이라도 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에서의 원료 철 분말의 불순물량은 C가 0.01 질량% 이하, O가 0.15 질량% 이하, Si가 0.05 질량% 이하, Mn가 0.12 질량% 이하, P가 0.015 질량% 이하, S가 0.015 질량% 이하, Cr이 0.03 질량% 이하, N이 0.01 질량% 이하 및 기타 원소가 0.01 질량% 이하로 억제되는 것이 바람직하다.

또한, 원료 철 분말의 입경은 임의이지만, 공업적으로 저비용으로 제조할 수 있는 것은 물 아토마이즈법에서는 평균(D50)으로 30~150μm 범위의 것이다. 따라서, 원료 철 분말의 입경은 물 아토마이즈법을 사용할 경우, 평균(D50)으로 30~150μm 범위의 것이 바람직하다.

또한, 여기서 말하는 원료 철 분말의 평균입경(D50)이란, JIS Z 2510에 기재된 건식 체질법(dry sieving method)으로 측정한 것이다. 그리고, 평균입경은 이러한 체질법으로 측정한 입도 분포로부터 질량 기준의 적산입도분포를 산출하여, 그 값이 50%가 되는 입경을 내삽법으로 구한 것이다.

이하, 원료 철 분말의 표면에 분말 형태로 Cu를 확산부착시키는 방법에 대해 설명한다.

본 발명에 사용되는 확산부착방법은 철 분말 등의 표면에 Cu 분말을 확산부착시키기 위한 통상적인 방법에 따르면 되는데, 후술하는 확산부착 열처리를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, Cu 분말로 산화구리 분말을 사용할 경우에는 환원분위기에서 확산부착 열처리를 실시함으로써 산화구리 분말이 환원되며, 예비 합금화된 원료 철 분말의 표면에 금속 Cu 분말이 부착된 본 발명에 따른 철계 합금 분말이 된다.

이하, 본 발명에 따른 철계 합금 분말의 제조방법에 대해 설명한다.

상술한 원료 철 분말에 대해, 상기한 성분 범위의 Cu를 예비 합금화한 후, 종래 공지의 임의 방법(물 아토마이즈법, 가스 아토마이즈법 또는 전기분해법 등)으로, Cu가 예비 합금화된 원료 철 분말로 한다. 또한, 물 아토마이즈법을 적용함으로써, 저비용으로 제조하는 것이 가능하게 되기 때문에, Cu가 예비 합금화된 원료 철 분말의 제조에는 물 아토마이즈법을 적용하는 것이 바람직하다.

열처리 : 본 발명에서는 원료 철 분말에 포함되는 산소나 탄소를 제거할 목적으로, 환원 분위기 중, 800~1000℃의 온도 범위에서 0.5~2시간 정도 유지하는 열처리를 실시하는 것이 가능하다.

Cu 분말 혼합 : Cu 예비 합금화 후의 원료 철 분말과 Cu 분말을 종래 공지된 임의의 방법(V형 혼합기, 더블 콘형 혼합기, 헨셀 믹서 또는 나우타 믹서 등)을 사용하여 혼합한다. 또한, 분말 혼합시에는 혼합 Cu 구리 분말의 편석을 방지하기 위해, 머신 오일 등의 결합제를 첨가하여도 좋다.

확산부착 열처리 : 상기 Cu 분말의 혼합물을 환원 분위기(수소 가스나 수소 질소 혼합 가스 등) 중에서 700~1000℃의 온도 범위에서 0.5~2시간 정도 유지하는 열처리를 실시함으로써, Cu 분말이 예비 합금화 후의 원료 철 분말의 표면에 확산부착된다.

또한, 상술한 사전의 산소나 탄소를 제거하는 열처리를 생략한 경우에는 이 공정에서 원료 철 분말에 포함되는 탄소나 산소가 제거된다.

또한, 본 발명에서의 확산부착방법은 종래 공지된 임의의 방법을 사용하는 것이 가능한데, 예를 들어 특허문헌 6에 기재된 방법이나 특허문헌 8에 기재된 방법일지라도 바람직하게 사용할 수 있다.

분쇄 및 분급 : 본 발명에서는 해머밀 등 공지의 임의 방법으로 분쇄한 후, 체 등에 의해 소정의 입도로 분급할 수 있다.

본 발명에서, 철계 합금 분말의 평균입경(D50)은 취급용이성 등의 관점에서, 원료 철 분말과 마찬가지로 30~150μm 정도로 하는 것이 바람직하다. 또한, 여기서 말하는 철계 합금 분말의 평균입경(D50)은 원료 철 분말의 평균입경과 마찬가지 방법으로 측정하여 구할 수 있다.

이어, 본 발명의 철계 합금 분말을 사용한 소결단조부재의 제조방법(소결단조법)에 대해 설명한다.

상술한 철계 합금 분말에 소정량(예를 들면, 0.3~0.8 질량%)의 탄소를 흑연 분말의 형태로 혼합(혼합법은 공지의 임의 수단이 적용가능)한다.

또한, 흑연 분말은 천연 흑연이나 인조 흑연, 카본 블랙 등 종래 공지의 것이 모두 적용가능하다.

또한, 본 발명의 철계 합금 분말에 대해 추가로 Cu 분말을 혼합하여 소결단조부재의 최종적인 Cu량을 조정하는 것도 가능하다.

동시에(또는 다른 공정으로), 스테아르산 아연 등의 윤활제를 0.3~1.0 질량%의 범위로 혼합하여도 좋다. 또한, MnS 등, 절삭성을 개선하는 물질을 분말 형태로 0.1~0.7 질량%의 범위로 혼합하는 것도 가능하다.

이어, 금형을 사용하여 소정의 형상으로 압축성형한다. 이러한 압축성형은 소결단조시에 사용되는 공지의 기술을 사용하면 된다.

또한, 불활성 또는 환원성 분위기에서 소결한다. 소결온도는 1120~1250℃의 범위가 바람직하다. 또한, 소결온도는 고온일수록 Cu 분포가 균일하게 되어 바람직하지만, 비용이 비싸지기 때문에, 본 발명에서는 1120~1250℃의 범위가 바람직하다. 보다 바람직하게는 1120~1180℃의 범위이다.

여기서, 상기 소결 전에, 상기 윤활제를 제거하기 위해, 400~700℃의 온도 범위에서 일정 시간 유지하는 탈지공정을 추가하여도 좋다.

본 발명에서는 소결 후에 냉각하지 않고 연속하여, 또는 일단 냉각한 후 재가열하여, 열간으로 단조한다. 또한, 단조조건은 공지의 것으로 좋지만, 단조시의 온도는 1000~1200℃의 범위가 바람직하다.

상술한 것 이외의 소결단조부재의 제조조건이나 설비, 그 방법 등은 공지의 것을 적용할 수 있다.

[실시예]

·철계 합금 분말의 제조

표 1에 나타낸 바와 같이, Cu를 1.0~6.0 질량% 첨가한 용강으로부터 물 아토마이즈법을 사용하여, Cu가 예비 합금화된 원료 철 분말을 제조하였다. 또한, 일부의 원료 철 분말은 Cu의 예비 합금화를 실시하지 않았다. 또한, 원료 철 분말의 불순물 함량은 모두 Si≤0.05 질량%, Mn≤0.15 질량%, P≤0.025 질량% 및 S≤0.025 질량%이었다.

이어, Cu를 예비 합금화한 원료 철 분말 및 Cu를 예비 합금화하지 않은 원료 철 분말에, 평균입경 25μm의 전해 구리 분말을 확산부착용 Cu원으로서 첨가하고, V형 혼합기를 사용하여 15분간 혼합하였다. 또한, 일부 조건에서는 이와 같은 Cu 첨가를 하지 않았다. 확산부착용 Cu원으로는 평균입경 15μm의 아토마이즈 구리 분말(No.4A), 평균입경 5μm의 아토마이즈 구리 분말(No.15), 혹은 평균입경 2.5μm의 아산화구리 분말(No.14 및 No.17A)을 사용하였다. 또한, No.16는 본 발명의 철계 합금강 분말에 소정량의 Cu 분말을 추가로 혼합하였다.

또한, 이들 분말에 대해 다음과 같은 확산부착 열처리 및 분쇄를 실시하였다.

확산부착 열처리 : 수소 분위기 중, 920℃의 온도에서 30분간 열처리하여, 표 1에 나타낸 성분의 철계 합금 분말을 제조하였다.

분쇄 : 케이크 모양으로 고화된 열처리체를 해머밀(hammer mill)을 사용하여 분쇄하고, 체눈 크기가 180μm인 체로 분급하여, 체를 통과한 것을 제품으로 하였다. 분쇄 후 제품의 C량 및 O량은 어느 조건에서도 C≤0.01 질량%, O≤0.25 질량%이었다. 또한, 아산화구리를 Cu 분말 형태로 첨가한 No.14 및 No.17A는 이 처리에 의해 아산화구리가 금속 구리로 환원되어 있는 것을 확인하였다.

·소결단조부재의 제조 및 평가

철계 합금 분말 : 100 질량부에 대하여, 흑연 분말 : 0.6 질량부, 윤활제(스테아르산 아연) : 0.8 질량부, 및 MnS 분말 : 0.6 질량부를 첨가하여 더블 콘형 혼합기를 사용하여 혼합하여 혼합 분말을 얻었다.

이 혼합 분말을, 10mm×10mm×55mm의 직육면체 형상으로 소정의 압력으로 압축성형하였다. 압축성형 후의 압축밀도를 표 1에 병기한다.

이어, RX 분위기에서, 표 1에 기재한 소결온도로 20분간 소결하였다.

또한, 실온까지 일단 냉각한 후, 1120℃까지 가열하여 단조하고, 부재 밀도가 7.8Mg/m³ 이상이 되는 시험편을 제작하였다.

이 시편으로부터 길이 50mm × 직경 3mm의 인장시험편을 잘라내어, 항복응력 및 파단전 최대응력(인장강도)을 측정하였다.

측정결과를 또한 표 1에 병기한다.

(% 표시는 질량%을 의미한다)

Cu 첨가량이 본 발명의 범위보다 작은 No.1은 발명예와 비교하여 항복응력이 낮다. 또한, Cu 첨가량이 본 발명의 범위보다 높은 No.24는 압분 밀도가 낮았다.

원료 철 분말에 Cu를 혼합했을 뿐인 종래예(No.2, No,7 및 No.8)는 각각 Cu 첨가량을 비롯한 기타 조건이 동일한 발명예와(No.2는 No.3A 및 4~5와, No.7은 No.9~11과, No.8은 No.12와) 비교하여 소결단조 후의 항복응력이 낮다. 이는 철 분말 표면의 Cu 분포의 불균일성이 원인이라고 생각된다.

예비 합금화 후의 원료 철 분말에 Cu를 확산부착하지 않는 종래예(No.6, No.19 및 No.23)는 각각 기타 조건이 동일한 발명예와(No.6는 No.3A 및 4~5와, No.19은 No.9~11 및 16~17과, No.23은 No.20~22 및 No.21A와) 비교하여 압축 밀도가 낮고 압축성이 나쁘다. 원료 철 분말에 Cu가 과도하게 예비 합금화되어 있는 것이 원인이라고 생각된다.

Cu 확산부착량이 본 발명의 범위보다 낮은 조건(No.18)은 기타 조건이 동일한 발명예(No.10~11, 16~17)에 비해 압축밀도가 낮고 압축성이 나쁘다. 원료 철 분말의 소지에 Cu가 과도하게 예비 합금화되어 있는 것이 원인이라고 생각된다.

Cu 확산부착량이 본 발명의 범위보다 높은 조건(No.3, No.8A 및 No.19A)은 각각 기타 조건이 동일한 발명예와(No.3는 No.3A 및 4~5와, No.8A은 No.9~11 및 16~17과, No.19A는 No.20~22 및 No.21A와) 비교하여 항복응력이 낮다. 소결 부재 내의 Cu 분포의 불균일성이 원인이라고 생각된다.

확산부착된 Cu 분말의 입경이 작은 수준(No.4A 및 No.15)은 Cu 분말의 입경이 크고 기타 조건이 동일한 수준(각각 No.4 및 No.12)에 비해 항복응력 및 인장강도가 훨씬 높은 값으로 되어 있다. 이는 철 분말 표면의 Cu 분포가 보다 균일하기 때문이라고 생각된다.

또한, 평균입경이 2.5μm인 아산화구리 분말을 확산부착시키는 Cu 분말로서 사용한 No.14는 Cu 분말 입경이 크고 기타 조건이 동일한 No.12보다도 항복응력 및 인장강도가 한층 높게 되어 있다. 한편, Cu 분말 입경이 크고 소결 온도를 1250℃로 한 No.13과 거의 동등한 항복응력 및 인장강도를 나타내고 있다. 이는 확산부착시키는 Cu 분말의 입경이 작을수록 낮은 소결온도에서도 소결부재 중의 Cu 분포가 균일하게 되어, 본 발명의 효과가 보다 현저하게 발현하는 것을 보여주고 있다.

또한, 철 분말에 Cu를 혼합한 종래예에서 소결온도가 1170℃인 No.8보다도 소결온도가 1120℃인 발명예(No.10~11 및 16~17) 쪽이 항복응력이 높게 되어 있는 것은, 본 발명에 따름으로써 낮은 소결온도에서도 소결부재 중의 Cu 분포가 보다 균일하게 되어 있는 것이 원인이라고 생각된다.

Claims (2)

1. Cu를 예비 합금화한 원료 철 분말의 표면에 Cu를 분말의 형태로 확산부착시킨 철계 합금 분말로서, Cu를 2.0~5.0 질량% 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며,
   상기 Cu의 1/10~8/10은 상기 원료 철 분말의 표면에 확산부착되어 있고, 또한 나머지 Cu는 예비 합금화되어 있는 분말야금용 철계 합금 분말.
2. 제1항의 철계 합금 분말을 포함하는 소결단조부재.