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KR102715642B1 - 분말 야금용 복합 윤활제 및 이의 제조 방법 - Google Patents

분말 야금용 복합 윤활제 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR102715642B1
KR102715642B1 KR1020220102025A KR20220102025A KR102715642B1 KR 102715642 B1 KR102715642 B1 KR 102715642B1 KR 1020220102025 A KR1020220102025 A KR 1020220102025A KR 20220102025 A KR20220102025 A KR 20220102025A KR 102715642 B1 KR102715642 B1 KR 102715642B1
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Abstract

분말 야금용 복합 윤활제 및 이의 제조 방법에 대한 것으로, 폴리 에틸렌; 스테아릴 스테아레이트; 및 에틸렌 비스-스테아마이드를 포함하는 분말 야금용 복합 윤활제를 제공할 수 있다.

Description

분말 야금용 복합 윤활제 및 이의 제조 방법 {Composite lubricant for powder metallurgy and manufacturing method thereof}
분말 야금용 복합 윤활제 및 이의 제조 방법에 대한 것이다.
분말 야금 윤활제는 성형 공정에서 성형품 이형 시 금형과의 마찰 및 가압 시 금속 분말 간 마찰을 줄여주는 목적으로 혼합하여 사용된다.
분말 야금 윤활제의 성능에 따라 성형품의 표면 조도, 밀도 등의 차이가 발생한다.
주로 사용되는 윤활제는 단일 물질로 에틸렌 비스-스테아마이드, 금속계 스테아레이트 등이 있으나, 성형품의 특성을 향상시키기 위해 다양한 방법으로 제조되고 있다.
구체적으로, 에틸렌 비스-스테아마이드, 금속계 스테레이트를 단일 물질로 사용 시 윤활 특성이 떨어지며, 특히 금속계 스테레이트는 소결 중 금속성분의 잔류로 소결체 표면의 오염으로 외관 품질에 문제의 소지가 있다.
한국등록특허 제10-0808333호 (회가내스 사)의 특허를 보면, 에틸렌 비스 스테아마이드 및 폴리에틸렌 왁스를 윤활제 조성물로 사용하고 있으나, 이러한 기술은 금속분말 혼합 시 이루어지게 되며 적합한 혼합설비를 갖추고 있어야 가능하여 회가내스 사의 premix 분말을 사용하지 않는 이상 이 조성물의 윤활제 사용이 불가능하다.
본 발명자는 전술한 한국등록특허 제10-0808333호와 같은 특허 기술보다 개선된 복합 윤활제를 제공하고자 한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 종래의 단일 혹은 단순 혼합 윤활제보다 우수한 윤활 특성을 가지면서 가격경쟁력을 갖춘 복합 윤활제 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 구현예에서는, 폴리 에틸렌; 스테아릴 스테아레이트; 및 에틸렌 비스-스테아마이드를 포함하는 분말 야금용 복합 윤활제를 제공한다.
보다 구체적으로, 폴리 에틸렌 5 내지 30중량%; 스테아릴 스테아레이트 5 내지 30중량%; 및 잔부인 에틸렌 비스-스테아마이드를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 폴리 에틸렌 10 내지 20중량%; 스테아릴 스테아레이트 10 내지 20중량%; 및 잔부인 에틸렌 비스-스테아마이드를 포함할 수 있다.
상기 복합 윤활제는 취출력(kgf)이 760 kgf 미만일 수 있다. 보다 구체적으로, 750, 700, 또는 610 kgf 미만일 수 있다. (원형 금형 25.4mm/ 성형압력 500MPa 기준)
이러한 윤활제를 이용하여 제조된 성형체의 밀도는 6.93 g/cm3 이상일 수 있다. 보다 구체적으로, 6.96, 또는 7.00 g/cm3 이상 일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 폴리 에틸렌; 스테아릴 스테아레이트; 및 에틸렌 비스-스테아마이드를 용융하여 액상의 복합 윤활제를 제조하는 단계; 및 상기 액상의 복합 윤활제를 가스분무장치를 이용하여 분무하는 단계;를 포함하는 분말 야금용 복합 윤활제의 제조 방법을 제공한다.
상기 폴리 에틸렌; 스테아릴 스테아레이트; 및 에틸렌 비스-스테아마이드를 용융하여 액상의 복합 윤활제를 제조하는 단계;는, 160-180℃에서 수행될 수 있다.
상기 액상의 복합 윤활제를 가스분무장치를 이용하여 분무하는 단계;는, 250-450 kPa 조건에서 수행될 수 있다.
상기 액상의 복합 윤활제를 가스분무장치를 이용하여 분무하는 단계;에 의해 수득된 미분의 고상 윤활제를 분급하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 분급된 고상의 윤활제는 입도 (D50)은 150 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 폴리 에틸렌; 스테아릴 스테아레이트; 및 에틸렌 비스-스테아마이드를 용융하여 액상의 복합 윤활제를 제조하는 단계;에서, 폴리 에틸렌 5 내지 30중량%; 스테아릴 스테아레이트 5 내지 30중량%; 및 잔부인 에틸렌 비스-스테아마이드의 조성 범위를 만족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분말 야금 복합 윤활제 조성 및 그 제조 방법에 의하면 단일 혹은 단순 혼합 윤활제보다 낮은 취출에너지, 밀도 상승등의 윤활제 특성을 향상시키는 저가형 분말야금 복합 윤활제를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 가스분무장치(Gas Atomizer)의 개략도이다.
도 3은 가스 분무 후 윤활제의 개념도이다.
도 4는 가스분무 후 윤활제의 구형상을 확인한 SEM 사진이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예에서는, 폴리 에틸렌; 스테아릴 스테아레이트; 및 에틸렌 비스-스테아마이드를 포함하는 분말 야금용 복합 윤활제를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 복합 윤활제는, 에틸렌 비스-스테아마이드와 폴리에틸렌 베이스에 스테아릴 스테아레이트를 더 포함할 수 있다.
스테아릴 스테아레이트를 더 포함함으로 인해 성형 가압 후 취출 시 이형 및 윤활성의 효과가 증대되어 취출에너지가 감소하며 또한 금형과의 마찰이 적어져 외관 품질이 좋아지게 된다.
보다 구체적으로, 폴리 에틸렌 5 내지 30중량%; 스테아릴 스테아레이트 5 내지 30중량%; 및 잔부인 에틸렌 비스-스테아마이드를 포함할 수 있다.
상기 범위에서 제조된 액상의 윤활제로 분말 윤활제를 형성할 때, 금속 분말 성형 시 성형체의 밀도 향상 및 낮은 취출 에너지를 갖는 특성을 나타낼 수 있다.
폴리 에틸렌과 스테아릴 스테아레이드 함량이 5 중량% 미만이 되면 이형 윤활 특성이 상대적으로 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 30중량% 초과 시 폴리 에틸렌의 경우에는 성형체 밀도 향상에 저해 요소로 작용할 수 있다.
스테아릴 스테아레이트의 경우 성형 시 발생하는 열로 인해 액상이 되어 성형체 외부로 유출되어 외관 불량 요소로 나타날 수 있다.
구체적인 예를 들어, 스테아릴 스테아레이트는 스테라인 산을 포함할 수 있다.
상기 범위는 보다 구체적으로, 폴리 에틸렌 10 내지 20중량%; 스테아릴 스테아레이트 10 내지 20중량%; 및 잔부인 에틸렌 비스-스테아마이드를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 야금 복합 윤활제 조성 및 그 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 제조 방법은, 폴리 에틸렌; 스테아릴 스테아레이트; 및 에틸렌 비스-스테아마이드를 용융하여 액상의 복합 윤활제를 제조하는 단계; 및 상기 액상의 복합 윤활제를 가스분무장치를 이용하여 분무하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 폴리 에틸렌; 스테아릴 스테아레이트; 및 에틸렌 비스-스테아마이드를 용융하여 액상의 복합 윤활제를 제조하는 단계;는, 160-180℃에서 수행될 수 있다.
이는 액상의 윤활제를 제조할 수 있는 용융 온도 범위로 선택되는 윤활제의 종류에 따라 적절히 조절될 수 있다. 용융 온도 160℃ 이하이면 용융되는 속도가 매우 느려거나 용융이 되지 않아 미용융 분말이 가스분무장치 노즐을 막아 생산성을 저해 시키는 문제를 발생할 수 있다.
용융 온도 180℃이상이 되면 융점이 가장 낮은 스테아릴 스테아레이트부터 증기가 발생하게 되어 작업환경을 오염 시키며 또한 온도에 의해 탄화물이 발생하여 가스분무 노즐을 막거나 제품에 섞여 성능을 떨어뜨리는 결함이 발생할 수 있다.
상기 액상의 복합 윤활제를 가스분무장치를 이용하여 분무하는 단계;는, 250-450 kPa 조건에서 수행될 수 있다.
보다 구체적으로, 액상의 윤활제를 도 2와 같이 가스분무장치(gas atomizer)의 챔버에 투입한다. 액상의 윤활제가 아래로 흐르게 되고 이때 가스압력 250-450 kPa으로 분사하면 가스에 의해 액상의 윤활제는 미립화하면서 빠른 냉각속도로 고상화 한다.
이 고상화된 윤활제의 형태는 구형상으로 나타나며 빠른 냉각으로 인해 첨가물질들이 편석 되거나 용출되지 않는다.
보다 구체적으로, 도 3과 같이 첨가된 3가지 물질이 복합화 하게 된다. 이렇게 복합화된 구형상의 윤활제는 첨가 물질별 특징을 모두 갖게 된다.
가스압력은 노즐 크기에 따라 달라질 수 있으며, 같은 노즐 크기에서는 가스 압력에 따른 평균 입도가 달라지게 된다.
상기 액상의 복합 윤활제를 가스분무장치를 이용하여 분무하는 단계;에 의해 수득된 미분의 고상 윤활제를 분급하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 분급된 고상의 윤활제는 입도 (D50)은 150 ㎛ 이하일 수 있다.
가스분무법장치로 제조된 고상의 윤활제 입도 분포는 3-350㎛로 나타난다. 150㎛이하의 크기를 사용하기 때문에 분급이 필요하다.
분급은 체진동기나 기류식 분급기를 이용하여 제조된 분말 윤활제를 150㎛이하의 크기로 선별을 수행한다. 150㎛이상의 분말 윤활제가 포함된 성형체로 소결을 하게 되면 외관 품질 불량 요소가 될 수 있다. 또한 성형 시 밀도 저해 및 윤활성 저해 요소가 될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예
복합 윤활제 조성성분으로서 에틸렌 비스스테아라미드, 폴리 에틸렌과 스테아릴 스테아레이트의 조성비를 표 1과 같이 혼합하여, 용탕온도 170℃로 용해하여 액상의 윤활제를 제조하였다. 액상 윤활제를 가스분무장치에서 분무하여 분말 윤활제를 제조하였다. 분급기로 150㎛이하의 입자 크기로 선별하여 분말 윤활제를 제조하였다.
도 4는 제조된 분말 윤활제을 전자주사현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다. 제조된 분말 윤활제는 구형상을 띄고 있다.
금속 기재 분말로, HSPP-2(현대제철 순철분)과 ACU-200(창성 구리분)으로 흑연 UF4(크로프뮬)를 준비하였다. 3중량%구리, 0.8중량% 흑연과 나머지 중량% 순철과 상기에서 준비된 분말 윤활제 0.6 중량%를 혼합하여 혼합 철분을 제조하였다. 혼합철분을 25.4mm 원형 금형에 넣고 500MPa 성형압력을 가하여 성형체를 제조하였다.
복합 윤활제 조성성분으로서 에틸렌 비스스테아라미드, 폴리 에틸렌과 스테아릴 스테아레이트의 조성비에 따른 성형체 밀도 및 취출력 변화를 측정하였으며 그 결과는 표 1에 나타내었다.
표 1에 나타난 결과를 보면 스테아릴 스테아레이트는 첨가량이 많아 질수록 취출력이 낮아지고 성형체 밀도는 상승하였다.
하지만 30중량% 초과되면 성형체 외관에 액상의 윤활제가 관찰되었다. 이 유출된 액상의 윤활제는 외관 불량의 요소로 작용될 수 있다. 폴리 에틸렌은 10중량%까지는 취출력이 낮아지고 밀도가 상승하였으나 30중량%를 초과하게 되면 취출력이 높아지고 밀도 상승은 저해하는 것으로 나타났다.
에틸렌 비스스테아라미드 70중량%, 폴리 에틸렌 10중량%와 스테아릴 스테아레이트 20중량%의 조성비를 가진 윤활제를 사용하는 경우 취출력이 가장 낮게 나왔으며 성형체 밀도 상승도 가장 크게 일어났음을 알 수 있다.
구분 화학적 조성 (중량%) 취출력 (kgf) 성형체 밀도 (g/㎤) 제조방법 윤활제
외관 유출
에틸렌비스스테아라미드 폴리 에틸렌 스테아릴 스테아레이트
실시예 60 30 10 650 ~700 6.96 가스분무 X
60 10 30 550 ~ 580 7.02 가스분무 X
90 5 5 680 ~ 750 6.93 가스분무 X
70 10 20 580 ~ 610 7.00 가스분무 X
비교예1 100 0 0 760 ~ 830 6.91 기계분쇄 X
비교예2
(KR10-0808333 대향)		 75 25 0 700~750 6.93 가스분무 x
비교예3(KR10-0808333 대향) 40 60 0 730~810 6.88 가스분무 x
참고예 1 60 35 15 660~710 6.94 가스분무 x
참고예 2 60 15 35 550~600 7.02 가스분무 0
참고예3 70 10 20 720~810 6.93 기계분쇄 X
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (10)

  1. 폴리 에틸렌;
    스테아릴 스테아레이트; 및
    에틸렌 비스-스테아마이드를 포함하는 분말 야금용 복합 윤활제.
  2. 제1항에 있어서,
    폴리 에틸렌 5 내지 30중량%;
    스테아릴 스테아레이트 5 내지 30중량%; 및
    잔부인 에틸렌 비스-스테아마이드를 포함하는 것인 분말 야금용 복합 윤활제.
  3. 제1항에 있어서,
    폴리 에틸렌 10 내지 20중량%;
    스테아릴 스테아레이트 10 내지 20중량%; 및
    잔부인 에틸렌 비스-스테아마이드를 포함하는 것인 분말 야금용 복합 윤활제.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복합 윤활제는 취출력(kgf)이 760 kgf 미만 (원형 금형 25.4mm/ 성형압력 500MPa 기준) 인 것인 분말 야금용 복합 윤활제.
  5. 폴리 에틸렌; 스테아릴 스테아레이트; 및 에틸렌 비스-스테아마이드를 용융하여 액상의 복합 윤활제를 제조하는 단계; 및
    상기 액상의 복합 윤활제를 가스분무장치를 이용하여 분무하는 단계;
    를 포함하는 분말 야금용 복합 윤활제의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 폴리 에틸렌; 스테아릴 스테아레이트; 및 에틸렌 비스-스테아마이드를 용융하여 액상의 복합 윤활제를 제조하는 단계;는,
    160-180℃에서 수행되는 것인 분말 야금용 복합 윤활제의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 액상의 복합 윤활제를 가스분무장치를 이용하여 분무하는 단계;는,
    250-450 kPa 조건에서 수행되는 것인 분말 야금용 복합 윤활제의 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 액상의 복합 윤활제를 가스분무장치를 이용하여 분무하는 단계;에 의해 수득된 미분의 고상 윤활제를 분급하는 단계;를 더 포함하는 것인 분말 야금용 복합 윤활제의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 분급된 고상의 윤활제는 입도 (D50)은 150 ㎛ 이하인 것인 분말 야금용 복합 윤활제의 제조 방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 폴리 에틸렌; 스테아릴 스테아레이트; 및 에틸렌 비스-스테아마이드를 용융하여 액상의 복합 윤활제를 제조하는 단계;에서,
    폴리 에틸렌 5 내지 30중량%; 스테아릴 스테아레이트 5 내지 30중량%; 및 잔부인 에틸렌 비스-스테아마이드의 조성 범위를 만족하는 것인 분말 야금용 복합 윤활제의 제조 방법.
KR1020220102025A 2022-04-28 2022-08-16 분말 야금용 복합 윤활제 및 이의 제조 방법 Active KR102715642B1 (ko)

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