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KR20090097715A - 고강도 및 고인성을 가지는 철계 소결체 및 그 제조 방법 - Google Patents

고강도 및 고인성을 가지는 철계 소결체 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20090097715A
KR20090097715A KR1020080023032A KR20080023032A KR20090097715A KR 20090097715 A KR20090097715 A KR 20090097715A KR 1020080023032 A KR1020080023032 A KR 1020080023032A KR 20080023032 A KR20080023032 A KR 20080023032A KR 20090097715 A KR20090097715 A KR 20090097715A
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KR
South Korea
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powder
iron
sintered body
based sintered
sintering
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KR1020080023032A
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Inventor
박동규
석세훈
김상석
Original Assignee
가야에이엠에이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은, 적어도 2종 이상의 분말 및 윤활제를 혼합하여 혼합물을 형성한 후, 상기 혼합물을 가압 성형하여 성형체를 형성한 후, 상기 성형체를 예비소결을 거쳐 본소결한 후 냉각하여 철계 소결체을 제조하는 방법에 있어서 : 상기 분말은 Cr 1.0~2.5wt%, Mo 0.1~0.8wt%, Mn 1.0~2.5wt%, C 0.1~1.1wt% 및 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지되, 상기 분말 중 Mn은 원소 형태의 분말로 존재하며 ; 상기 성형체는 7.0g/cm3 이상의 성형밀도를 가지며 ; 상기 본소결은 -30℃ 이하의 이슬점이 유지되는 환원성 또는 중성의 보호분위기에서 1150℃ 내지 1350℃의 온도에서 15분 내지 90분간 소결하는 것 ; 을 특징으로 하며, 이에 의하여 고강도 및 고인성을 가지는 철계 소결체를 얻을 수 있다.

Description

고강도 및 고인성을 가지는 철계 소결체 및 그 제조 방법{Fe-BASED SINTERED BODY WITH HIGH STRENGTH AND HIGH ELONGATION AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 자동차 부품 등으로 널리 이용되고 있는 철계 소결합금으로 된 소결체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
자동차 부품으로 분말 야금에 의하여 제조되는 소결합금이 널리 이용되고 있으며, 이러한 부품의 경량화 및 고강도화 요구에 따라 더욱더 고강도 및 고인성을 가지는 소결합금의 필요성이 증대하고 있다.
일반적으로 분말야금에 의하여 제조된 철계 소결 합금 제품은 단조 또는 압연 공정을 거쳐 제조되는 제품에 비하여 품질은 물론 비용면에서도 유리하다. 그러나 소결 합금 제품은 그 제조 과정의 특성상 필연적으로 제품 내에 기공이 형성되며, 이러한 잔류 기공은 소결된 분말야금 제품의 기계적 특성을 단조와 같은 완전 조밀 합금에 비하여 저하시키는 효과를 가진다. 이는 기공이 응력집중부로서 작용하기 때문이며, 또한 기공이 응력을 받는 유효부피를 감소시키기 때문이다.
따라서 이러한 기공에 의한 특성 저하를 방지하기 위하여 철계 소결 합금의 경우, 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu) 등이 첨가된 합금강 분말을 이 용하는 기술이 많이 개발되고 있다.
그 중 인장강도를 증가시키기 위하여 주로 사용되고 있는 분말이 1 내지 8중량%의 니켈을 함유한 금속합금분말이다.
니켈은 분말야금분야에서 인장강도를 증가시키기 위하여 철기지 합금분말의 조성물 내에 통상적으로 함유되는 합금원소이고, 니켈을 8%까지 함유한 철기지 합금분말에 의하여 제조되는 철계 소결합금 제품은 그 인장강도가 니켈에 의하여 향상된다는 것은 본 명세서에 일체화된 종래의 기술로서 미국특허 제6620218호 "IRON POWDER COMPOSITIONS"에 기술되어 있다.
또한 니켈은 소결을 촉진시키고 경화능을 증가시키는 동시에 인성(elongation)에 영향을 미치나, 니켈 단독으로 사용하기 보다는 몰리브덴, 구리 등과 같이 사용될 경우 그 효과가 더욱 커진다.
그러나 이와 같은 금속합금분말의 경우 고가의 합금원소인 니켈, 몰리브덴, 구리를 다량 함유하고 있으므로, 그 금속합금분말의 가격이 매우 고가이다.
최근 자동차 부품의 사용 추세를 살피면, 제품 가격 중 원재료가 차지하는 비중이 지속적으로 증가하고 있다. 특히 니켈은 매우 고가이며 그 단가가 상승하고 있으므로 이러한 니켈을 함유한 금속합금분말로 인하여 제품 가격 대비 원재료가 차지하는 비중은 계속 증가하고 있다.
따라서 고강도 및 고인성의 기계적 특성을 구비하면서도 저렴하게 자동차 부품 등으로 제조될 수 있는 소결합금이 절실히 요구되고 있다.
한편, 크롬계 합금분말을 사용하는 기술로서 미국특허 WO/2005/120749 "SINTERED METAL PARTS AND METHOD FOR THE MANUFACTURING THEREOF"에 개시된 바 있다. 상기 종래 기술은 본 명세서에 일체화된 것으로 본다.
그러나 도 1의 합금원소에 따른 산소친화도에서 확인되는 바와 같이 크롬의 경우 높은 산소와의 친화성 때문에 소결 분위기의 엄격한 제어가 필요하다.
또한 크롬계 합금분말의 경우 성형성이 매우 낮기 때문에 이로 인하여 성형체가 높은 밀도를 가지기 어렵고 또한 기공의 함량이 증가되어 전체적으로 고강도화를 실현시키기가 매우 어렵다.
또한 상당량의 몰리브덴과 구리를 함유한 분말을 사용하는 기술로서 미국특허 제7329380호 "METHOD OF CONTROLLING THE DIMENSIONAL CHANGE WHEN SINTERING AN IRON-BASED POWDER MIXTURE"가 개시된 바 있다. 상기 종래 기술은 본 명세서에 일체화된 것으로 본다. 몰리브덴의 경우는 성형성이 낮아지는 문제는 해결이 되지만, 몰리브덴만으로는 강도의 향상이 어려워 몰리브덴을 1.0% 이상 첨가하고도 강도가 낮아지는 문제가 있어서 1.0% 내외의 니켈을 추가로 첨가하여야 하는 문제가 있다.
이러한 단점을 극복하기 위하여 Fe-Mn-Si계 모합금(mother alloy or master alloy)을 만들어 사용하는 기술로서 EP 0,097,737B1 "Powder metallurgy process for producing parts having high strength and hardness from Si-Mn or Si-Mn-C alloyed steel"가 개시된 바 있다. 상기 종래 기술은 본 명세서에 일체화된 것으로 본다. 이와 같이 모합금을 사용하여 소결하는 경우 구성 성분의 산소친화력은 줄일 수 있지만 균일한 조직을 가진 합금의 제조가 어렵다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 망간을 이용하여 저렴하면서도 고강도 및 고인성을 가지는 철계 소결체를 제조하는 방법 및 1100MPa 이상의 인장강도 및 HRC 25 이상의 경도를 가지는 철계 소결체을 제공하고자 한다.
특히 본 발명은 가압성형되기 전의 혼합물에 망간이 원소 형태의 분말로서 첨가되도록 하여 망간이 합금내에 균일하게 분포될 수 있도록 하고, 원소 형태의 분말로서 첨가된 망간이 소결 중에 산화되는 것을 방지하기 위하여 적절하게 소결 분위기를 제어함으로써, 고강도 및 고인성을 가지는 철계 소결체를 얻을 수 있도록 한다.
이에 의하여 고가의 니켈을 함유한 철계 소결합금보다 우수한 강도 및 인성을 가지는 망간을 함유한 철계 소결합금을 제공하게 된다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 적어도 2종 이상의 분말 및 윤활제를 혼합하여 혼합물을 형성한 후, 상기 혼합물을 가압 성형하여 성형체를 형성한 후, 상기 성형체를 예비소결을 거쳐 본소결한 후 냉각하여 철계 소결체을 제조하는 방법에 있어서 : 상기 분말은 Cr 1.0~2.5wt%, Mo 0.1~0.8wt%, Mn 1.0~2.5wt%, C 0.1~1.1wt% 및 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지되, 상기 분말 중 Mn은 원소 형태의 분말로 존재하며 ; 상기 성형체는 7.0g/cm3 이상의 성형밀도를 가지며 ; 상기 본소결은 -30℃ 이하의 이슬점이 유지되는 환원성 또는 중성의 보호분위기에서 1150℃ 내지 1350℃의 온도에서 15분 내지 90분간 소결하는 것 ; 을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 상기 분말 중 Cr, Mo, 및 Fe는 Fe-Cr-Mo의 합금 분말로 존재하며, 상기 분말 중 C는 흑연 분말로 존재하는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 원소 형태의 Mn 분말은 평균 입자 크기가 10μm~20μm인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 사상으로, 철계 소결체 중에서 Cr 1.0~2.5wt%와, Mo 0.1~0.8wt%, Mn 1.0~2.5wt%, C 0.1~1.1wt% 및 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지되, 1100Mpa 이상의 인장강도 및 HRC 25 이상의 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 고강도 및 고인성을 가진 철계 소결체를 제공한다.
상기와 같은 본 발명에 의하여, 망간을 이용하여 저렴하면서도 고강도 및 고인성을 가지는 철계 소결체를 제조하는 방법 및 1100MPa 이상의 인장강도 및 HRC 25 이상의 경도를 가지는 망간을 함유한 철계 소결체를 제공할 수 있다.
특히 본 발명은 가압성형되기 전의 혼합물에 망간이 원소 형태의 분말로서 첨가되도록 하여 망간이 합금 내에 균일하게 분포될 수 있도록 하고, 원소 형태의 분말로서 첨가된 망간이 소결 중에 산화되는 것을 방지하기 위하여 적절하게 소결 분위기를 제어함으로써, 고강도 및 고인성을 가지는 철계 소결체를 얻을 수 있다.
이하 본 발명에 의한 일 실시례에 따라 그 구성과 작용을 상세히 설명한다.
일반적으로 금속 분말에 의하여 소결체를 제조하는 방법은 2종 이상의 분말과 윤활제를 골고루 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계와, 상기 혼합물을 가압 성형하여 성형체를 형성하는 단계와, 상기 성형체를 예비소결을 거쳐 본소결한 후 냉각하여 소결체를 얻게 된다. 또한 이와 같이 얻은 소결체의 기계적 특성을 높이기 위하여 열처리를 수반할 수 있다.
이하에서는 일반적인 소결체 제조 방법에 대한 설명은 가급적 생략하며, 본 발명의 실시례에서 특이하거나 유의하여야 할 점들을 주로 설명한다.
(1) 혼합물 형성 단계
분말야금에 있어서 혼합물의 형성은 2종 이상의 분말과 윤활제를 적절히 혼합하게 된다.
2종 이상의 분말의 조성은 Cr 1.0~2.5wt%, Mo 0.1~0.8wt%, Mn 1.0~2.5wt%, C 0.1~1.1wt% 및 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지도록 하며, 윤활제는 분말야금에서 일반적으로 사용되는 윤활제라면 적절히 적용될 수 있을 것이라 이해된 다.
혼합물 형성 방법은 소결을 위한 통상적인 혼합 방법이 사용될 수 있으며, 특이한 사항은 혼합물을 이루는 구성 성분들의 비율, 망간의 입자 크기, 망간의 형태 등이다.
Cr, Mo, 및 Fe는 각각 원소 형태의 분말로 혼합물에 첨가될 수도 있지만, Cr의 산화를 방지하기 위하여 Fe-Cr-Mo의 예비 합금 분말로서 첨가되는 것이 바람직하다. Fe-Cr-Mo의 합금 분말은 평균 입자 크기가 45μm~150μm를 가지는 것이 바람직하다.
크롬(Cr)은 최종 제조된 소결체에서 우수한 압환강도와 경도를 제공한다. 소결체에 적정한 강도를 제공하기 위하여 크롬은 적어도 1.0wt% 이상, 바람직하게는 1.5wt%이상이 함유되어야 한다. 크롬 함량이 2.5wt% 이상이 되면 분말의 압축성이 현저히 떨어져 성형에 문제가 될 뿐만 아니라 소결 후의 소결체가 취성을 가지게 되며 이로 인하여 강도가 감소된다. 따라서 크롬의 함량은 1.0~2.5wt% 사이에서 변화될 수 있다.
몰리브덴(Mo)은 최종 제조된 소결체에서 우수한 경화능을 제공한다.
몰리브덴의 함량은 중량비로 0.1 내지 0.8% 사이에서 존재하도록 한다. 몰리브덴의 함량이 0.1% 이하이면 첨가 효과가 미미하고, 첨가량이 많을수록 경화능이 향상되나 분말의 압축성을 낮추고 몰리브덴 또한 니켈 이상으로 고가의 금속인 관계로 사용량을 중량비로 0.8% 이내로 제한하여야 한다.
망간(Mn)은 원소 형태의 분말, 즉 망간 플레이크를 평균입자크기 10μm~20μm로 파쇄한 망간 분말로서 혼합물에 첨가되며, 중량비로 1.0% 이상 2.5%이하로 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 및 이하에서 원소 형태의 망간 분말이란, 망간이 화합물 또는 합금 형태로 존재하는 것이 아니라 순수하게 망간으로 이루어진 망간 분말을 의미한다. 물론 순수한 망간 분말이라 하여도 불가피한 불순물이 첨가될 수 있다.
망간은 니켈과 유사한 첨가 효과가 있으며 경화능이 니켈에 비하여 더 우수하다(도 2 합금원소에 따른 경화능지수 참조). 망간을 첨가한 혼합물의 성형체를 1150℃이상의 고온에서 소결할 경우 합금분말의 융점이 낮아지고 합금분말의 확산성이 개선되어 소결성 향상에 도움이 된다. 망간의 함량이 중량비로 1.0wt% 이하인 경우 첨가 효과가 급격히 감소하고, 중량비로 2.5%이상인 경우 치수안정성과 인성을 감소시키며, 또한 산화 발생가능성이 높아 소결체의 인장강도가 감소되는 문제점을 초래한다.
한편, 망간과 대비되는 니켈의 경우 철과의 확산 속도가 느리고 확산속도의 차이가 발생해서 니켈이 미처 확산되지 않은 니켈리치상(Ni-rich phase)이 존재하거나 커켄달 기공(Kirkendall pore)이 존재하게 된다. 니켈의 경우 이와 같은 문제점을 줄이기 위하여 10μm 이하의 미세한 니켈을 사용하거나 혹은 합금상태의 분말을 제조하여 사용한다.
망간의 경우도 이와 같은 조직상의 불균일을 줄이기 위하여 첨가되는 망간의 크기를 조절하여야 한다. 본 발명자의 연구에 의하면 첨가되는 망간은 입자 크기 150 메쉬 이하의 크기로 첨가되면 1150℃ 이상의 소결 온도에서 완전하게 합금화가 된다. 그러나 입자 크기가 150 메쉬 이상의 크기가 되면 망간리치상이 존재하게 된다. 따라서 첨가되는 망간의 평균입자크기는 20μm 이하로 제한된다. 또한 너무 미세한 크기를 갖게 되면 성형 중에 분말의 흐름을 나쁘게 하고 소결 중에도 쉽게 산화되기 때문에 10μm 이하의 크기를 갖는 분말의 양은 15%이하로 제한할 필요가 있다. 이와 같은 크기의 망간 분말을 사용하면 조직의 불균일을 줄일 수 있다.
한편, 망간을 페로망간(Fe-Mn)이나 Fe-Mn-Si의 예비합금의 분말 형태로서 첨가하는 경우에도 전체적인 불균일은 줄일 수 있으나 미세적인 불균일은 피하기 어렵다.
망간을 원소 형태의 분말로서 혼합물에 첨가할 경우 소결 중에 산소와의 친화력으로 망간이 산화되는 것을 막기 위하여 소결 분위기를 적절하게 제어할 필요가 있다.
망간은 중량비로 1.0% 이상 2.5%이하로 첨가하는 것이 바람직하다. 망간의 첨가량 변화에 따라 최종 제조된 소결체의 인성(elongation) 변화를 도 3에 도시하였다.
도 3에서 시험편 1은 니켈을 함유한 철계 소결합금(Fe-4wt%Ni-1.5wt%Cu-0.5wt%Mo-0.3wt%C)이며, 시험편 2(Fe-1.5wt%Cr-0.2wt%Mo-1.0wt%Mn-0.3wt%C), 3(Fe-1.5wt%Cr-0.2wt%Mo-1.5wt%Mn-0.3wt%C), 4(Fe-1.5wt%Cr-0.2wt%Mo-2.0wt%Mn-0.3wt%C), 5(Fe1.5wt%Cr-0.2wt%Mo-2.5wt%Mn-0.3wt%C)는 Mn 함량이 각각 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%인 철계 소결합금이다.
인성 시험은 압환 강도를 증가시키면서 시험편이 파괴될 때까지의 변위를 측정하였다.
도 3에서 확인되는 바와 같이 시험편 2, 3은 시험편 1보다 인성이 좋으며, 또한 시험편 4, 5는 시험편 1보다 압환 강도가 크다.
탄소(C)는 흑연 분말로 첨가되며, 첨가되는 탄소의 양은 중량비로 0.1~1.1%이다.
탄소가 첨가되는 양은, 탄소 첨가량이 인장강도에 영향을 미치므로 0.1wt이상인 것이 바람직하며, 인성을 필요로 하는 경우는 통상의 분말합금재료에서와 같이 0.3wt% 내외의 조성이 바람직하다. 물론 C가 0.3wt% 내외의 조성인 재료의 경우 인성과 내마모성을 같이 요구받는 경우는 침탄 등의 표면처리가 필요하다.
또한 단순하게 고강도의 재료가 필요한 경우 탄소량은 0.6~0.7wt%가 된다. 이 경우는 내마모성이 우수하고 어느 정도의 인성을 보유하게 된다.
탄소가 0.7wt%이상 1.1wt%의 경우는 재료의 인성과 상관없이 고도의 내마모성을 요구하는 경우에 주로 사용된다. 1.1wt% 이상의 탄소를 함유하는 경우에는 취성이 증가하므로 그 사용이 제한된다.
기타 불가피한 불순물로는 Cu, Sn, P, Si, S 등이 각 0.1중량%이하로 포함될 수 있다.
윤활제는 성형이 용이하게 이루어지도록 첨가되며, 통상의 분말야금용 윤활제가 사용되는 것으로 족하다. 윤활제는 추후 예비소결과정에서 제거된다. 윤활제의 대표적인 예는 스테아린산(stearic acid)이다. 스테아린산은 보통 분말 전체 중량에 대하여 약 0.5wt%~1.0wt% 첨가될 수 있다.
상기와 같이 크롬과 몰리브덴의 경우는 Fe-Cr-Mo의 합금 분말 상태로 하고, 망간과 탄소는 성형이 용이하게 이루어지도록 첨가되는 윤활제와 함께 혼합 공정 전에 상기 Fe-Cr-Mo의 합금 분말에 첨가된 후, 골고루 혼합하여 혼합물을 형성한다.
(2) 성형체 성형 단계
상기와 같은 혼합에 의하여 얻어진 금속합금 분말들의 혼합물을 400 내지 700MPa 이상의 압력으로 성형하여 7.1 ~ 7.15 g/cm3의 성형밀도를 가지는 성형체를 제조한다. 성형체의 성형밀도는 인장강도 등과 직접 연관되므로 요구되는 인장강도에 따라 다르나 1100MPa이상의 강도를 갖기 위해서는 적어도 7.1g/cm3이상의 성형밀도를 가지는 것이 바람직하다.
(3) 소결 단계
소결 단계는 본소결과 윤활제 제거를 위한 예비소결로 구분될 수 있지만, 예비소결은 본소결을 위하여 소결로 내의 온도를 높이는 과정에서 자연스럽게 해결되므로 본 발명의 핵심이라고 볼 수 없다.
상기와 같이 제조된 성형체를 본소결할 경우 크롬 및 망간이 첨가된 금속합금분말의 경우에는 산화 발생률이 높기 때문에 적절한 소결조건을 맞추어 주어야 한다.
이를 위하여 상기와 같이 제조된 성형체를 -30℃이하(바람직하게는 -40℃ 내지 -60℃)의 이슬점이 유지되는 환원성 또는 중성의 보호분위기에서 450℃ 내지 900℃의 온도에서 10분 내지 60분간 예비소결하고 1150℃ 내지 1350℃의 온도에서 15분 내지 90분간 본소결한 후 0.5~6.0℃/s의 냉각속도로 냉각하여 최종 소결체를 얻게 된다.. 예비소결 조건은 윤활제의 양과 종류에 따라 달라질 수 있으며, 예비소결은 본소결을 위하여 소결로의 온도를 높이는 과정에서 자연스럽게 이루어지므로, 예비소결의 공정조건은 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 기술자라면 적절히 변형하여 사용할 수 있을 것이라 이해된다.
상기에서 보호분위기는 질소와 수소를 적절히 혼합한 혼합 분위기를 이용하여 크롬과 망간 등의 산화를 방지한다. 통상 사용되는 분위기는 부피비율로 0~95%수소가 포함된 질소분위기이다.
이슬점 또한 산화를 방지하기 위하여 -30℃ 이하로 유지되어야 한다.
보호분위기는, 경제성을 고려하고 낮은 이슬점을 유지하기 위하여 보통 부피 비 90:10 내지 80:20의 질소 및 수소의 혼합 분위기를 유지한다. 질소가 많이 사용되는 또 다른 이유는 종래에는 액화질소를 사용하였으나 이는 가스공급업자로부터 수요자까지 고압으로 이송하는 과정에서 공기 중에 수차례 노출되어 이슬점이 점차로 올라가게 되는 단점이 있어 왔으나 최근 공기 중의 질소를 분자체로 직접 분리하고 정제하여 고순도의 질소를 얻는 정제 기술이 발달하게 됨에 따라 질소발생기로부터 라인으로 이슬점이 -75℃ 이하인 고순도 상태의 질소를 로에 공급하는 것이 가능하게 되어 분위기 제어가 용이하게 되었기 때문이다. 이와 같은 고순도 질소에 환원성을 갖는 소량의 수소를 혼합하여 이슬점을 -30℃이하로 유지함으로써 제어가 곤란한 망간 분말의 소결이 가능하게 되었다.
이와 같은 공정으로 소결된 철계 소결합금은 그 밀도가 성형밀도보다 0.10~0.20g/cm3정도 증가되며, 소결밀도가 7.1~7.15g/cm3이상에서 1100MPa 이상의 인장강도와 HRC 25 이상의 경도를 가진다.
본 실시례에 의하여 제조된 철계 소결체는 우수한 강도와 경도, 즉 1100MPa 이상의 인장강도와 HRC 25 이상의 경도를 가진 고강도 및 고인성의 특징을 가진다.
(실험례1)
실험례 1은 표 1에 나타난 바와 같이 여러 가지 재료들을 혼합하여 사용하였으며, 윤활제로서는 분말 전체 중량에 대하여 스테아린산 0.8wt% 첨가하여 사용하 였다. 표 1의 수치는 중량비 기준이다.
표 1.
구분 재료 조성비
Fe-1.5wt%Cr-0.2wt%Mo Fe-3wt%Cr-0.5wt%Mo Mn C
재료 1 99.5 - 0.2 0.3
재료 2 99.4 - 0.3 0.3
재료 3 99.2 - 0.5 0.3
재료 4 98.7 - 1.0 0.3
재료 5 98.2 - 1.5 0.3
재료 6 97.7 - 2.0 0.3
재료 7 97.2 - 2.5 0.3
재료 8 96.7 - 3.0 0.3
재료 9 - 99.5 0.2 0.3
재료 10 - 99.4 0.3 0.3
재료 11 - 99.2 0.5 0.3
재료 12 - 98.7 1.0 0.3
재료 13 - 98.2 1.5 0.3
재료 14 - 97.7 2.0 0.3
재료 15 - 97.2 2.5 0.3
재료 16 - 96.7 3.0 0.3
재료 17 49.75 49.75 0.2 0.3
재료 18 49.7 49.7 0.3 0.3
재료 19 49.6 49.6 0.5 0.3
재료 20 49.35 49.35 1.0 0.3
재료 21 49.1 49.1 1.5 0.3
재료 22 48.85 48.85 2.0 0.3
재료 23 48.6 48.6 2.5 0.3
재료 24 48.35 48.35 3.0 0.3
표 1에 확인된 바와 같이, 재료 1 내지 재료 8은 Fe-1.5wt%Cr-0.2wt%Mo 합금분말을 기지 분말로 하여, 이에 대하여 원소 형태의 망간 분말이 전체 중량에 대하여 각 0.2, 0.3, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0의 중량비로 첨가되고, 흑연 분말이 0.3% 첨가되도록 하였다.
재료 9 내지 재료 16은 Fe-3.0wt%Cr-0.5wt%Mo 합금 분말을 기지 분말로 하여, 이에 대하여 원소 형태의 망간 분말이 전체 중량에 대하여 각 0.2, 0.3, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0의 중량비로 첨가되고, 흑연 분말이 0.3% 첨가되도록 하였다.
재료 17 내지 재료 24는 Fe-1.5wt%Cr-0.2wt%Mo 합금분말과 Fe-3.0wt%Cr-0.5wt%Mo 합금 분말을 기지 분말로 하여, 이에 대하여 원소 형태의 망간 분말이 전체 중량에 대하여 각 0.2, 0.3, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0의 중량비로 첨가되고, 흑연 분말이 0.3% 첨가되도록 하였다.
이들 재료들을 더불콘 혼합기에서 40분간 혼합하고 기계식 프레스에서 700MPa의 압력으로 실린더 상의 형태로 가압성형한 후, 90:10 내지 80:20의 질소와 수소의 혼합 분위기에서 이슬점을 -40℃ 이하로 유지한 상태로 1250℃에서 40분간 소결을 실시한 후 냉각하여 소결체를 제작하였다. 이렇게 얻어진 철계 소결합금의 소결체에 대하여 압환강도, 경도, 인장강도, 밀도, 외관 등의 검사를 실시하여 표 2의 결과를 얻었다.
표 2.
구분 소결체의 물리적 특성 외관
압환강도(MPa) 경도(HRC) 인장강도(MPa) 밀도(g/㎤)
재료 1 1013 19.8 990 7.25 양호
재료 2 1096 20.9 1000 7.25 양호
재료 3 1184 21.4 1010 7.25 양호
재료 4 1692 25.9 1150 7.25 양호
재료 5 1713 29.8 1220 7.25 양호
재료 6 1870 31.5 1240 7.25 양호
재료 7 1647 31.9 1280 7.25 양호
재료 8 1395 31.1 1150 7.25 양호
재료 9 1098 20.9 1010 7.25 양호
재료 10 1147 22 1030 7.25 양호
재료 11 1259 22.8 1090 7.25 양호
재료 12 1683 27.5 1230 7.25 양호
재료 13 1777 30.3 1250 7.25 양호
재료 14 1846 32.8 1300 7.25 양호
재료 15 2007 34.2 1340 7.25 양호
재료 16 1475 26.4 1190 7.25 양호
재료 17 1072 20.2 1000 7.25 양호
재료 18 1123 21.5 1010 7.25 양호
재료 19 1192 22.3 1030 7.25 양호
재료 20 1662 26.8 1210 7.25 양호
재료 21 1722 30.1 1230 7.25 양호
재료 22 1826 31.7 1290 7.25 양호
재료 23 1899 32.5 1310 7.25 양호
재료 24 1454 35.7 1170 7.25 양호
표 2에서 알 수 있는 바와 같이 동일한 소결조건에서 망간의 함유율이 1.0% 내지 2.5%인 재료 4, 5, 6, 7, 12, 13, 14, 15, 20, 21, 22, 23는 모두 압환강도 1662 MPa이상, 인장강도 1150MPa이상, 경도 HRC 25.9이상의 성능을 가지고 있으므로, 최소 1100MPa 이상의 인장강도와 HRC 25 이상의 경도를 가진다는 것을 확인할 수 있다.
이에 반하여 망간의 함유율이 1.0% 미만인 재료 1, 2, 3, 9, 10, 11, 17, 18, 19의 경우 압환강도, 경도, 인장강도가 모두 급격히 감소하였으며, 망간의 함유율이 3.0%인 재료 8, 16, 24의 경우 망간 함량 2.5%의 재료에 비하여 경도는 비슷한 상태이거나 조금 감소하거나 상승하지만 압환강도 및 인장강도가 급격히 감소하였다.
이와 같이 Cr 1.0~2.5wt%, Mo 0.1~0.8wt%, Mn 1.0~2.5wt%, C 0.1~1.1wt% 및 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 철계 소결합금의 소결체는 매우 우수한 압환강도와 인장강도, 경도를 가지는 것이 확인되었다.
(실험례 2)
실험례 2는 Fe-1.5wt%Cr-0.2wt%Mo의 저크롬 합금분말을 기준중량 100으로 하여, 이에 대하여 2.0wt%의 원소 형태의 망간 분말 및 0.3wt%의 흑연분말을 혼합하여 사용하였으며, 윤활제로서는 분말 전체 중량에 대하여 스테아린산 0.8wt% 첨가하여 사용하였다. 이들 재료들을 더불콘 혼합기에서 40분간 혼합하고 기계식 프레스에서 700MPa의 압력으로 실린더 상의 형태로 가압성형한 후, 90:10 내지 80:20의 질소와 수소의 혼합 분위기에서 1250℃에서 40분간 소결을 실시한 후 냉각하여 소결체를 제작하였다. 이때 동일한 재료 각각에 대하여 소결로 내의 이슬점을 -10℃에서 -60℃로 변화시키면서 소결을 실시하여, 이슬점의 변화에 따른 소결체의 특성을 알 수 있도록 하였다.
이렇게 얻어진 철계 소결합금의 소결체에 대하여 압환강도, 인성, 경도, 인장강도, 외관 등의 검사를 실시하여 표 3과 같은 결과를 얻었다. 인성 시험은 압환 강도를 증가시키면서 시험편이 파괴될 때까지의 변위(mm)를 측정하였다.
표 3.
이슬점 압환강도 (MPa) 변형량 (mm) 경도 (HRC) 인장강도 (MPa) 외관
-10 ~ -20 778 0.6 33.2 520 불량
-20 ~ -30 211 0.7 34.6 640 불량
-30 ~ -40 1861 1.4 31.4 1298 양호
-40 ~ -50 1865 1.5 31.3 1299 양호
-50 ~ -60 1870 1.5 31.5 1300 양호
표 3에서 확인되는 바와 같이 이슬점을 -30℃ 이하로 유지하여 소결된 소결체는 우수한 기계적 특성, 즉 1861MPa이상의 압환강도, 31.3 HRC 이상의 경도, 1298MPa 이상의 인장강도, 및 우수한 인성를 가지는 것으로 확인되었으며, 이슬점을 -30℃ 이상으로 유지한 경우에는 압환강도, 인성, 인장강도, 외관이 불량하였다. 따라서 소결시 이슬점을 -30℃ 이하, 바람직하게는 -40℃ 이하로 유지하는 것이 매우 중요하다.
상기의 실시례는 본 발명의 바람직한 실시례일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상은 당업자에 의하여 다양하게 변형 내지 조정되어 실시될 수 있다. 이러한 변형 내지 조정이 본 발명의 기술적 사상을 이용한다면 이는 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
본 발명에 의하여 고강도 및 고경도를 요구하는 자동차 부품이 저렴하게 제조될 수 있다.
도 1은 합금원소에 따른 산소친화도.
도 2는 합금원소에 따른 경화능지수.
도 3은 합금원소 첨가량에 따른 소결체의 인성 변화도.

Claims (4)

  1. 적어도 2종 이상의 분말 및 윤활제를 혼합하여 혼합물을 형성한 후, 상기 혼합물을 가압성형하여 성형체를 형성한 후, 상기 성형체를 예비소결을 거쳐 본소결한 후 냉각하여 철계 소결체을 제조하는 방법에 있어서 :
    상기 분말은 Cr 1.0~2.5wt%, Mo 0.1~0.8wt%, Mn 1.0~2.5wt%, C 0.1~1.1wt% 및 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지되, 상기 분말 중 Mn은 원소 형태의 분말로 존재하며 ;
    상기 성형체는 7.1g/cm3 이상의 성형밀도를 가지며 ;
    상기 본소결은 -30℃ 이하의 이슬점이 유지되는 환원성 또는 중성의 보호분위기에서 1150℃ 내지 1350℃의 온도에서 15분 내지 90분간 소결하는 것 ;
    을 특징으로 하는 고강도 및 고인성을 가지는 철계 소결체의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분말 중 Cr, Mo, 및 Fe는 Fe-Cr-Mo의 합금 분말로 존재하며, 상기 분말 중 C는 흑연 분말로 존재하는 것을 특징으로 하는 고강도 및 고인성을 가지는 철계 소결체의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 원소 형태의 Mn 분말은 평균 입자 크기가 10μm~20μm인 것을 특징으로 하는 고강도 및 고인성을 가지는 철계 소결체의 제조 방법.
  4. Cr 1.0~2.5wt%와, Mo 0.1~0.8wt%, Mn 1.0~2.5wt%, C 0.1~1.1wt% 및 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지되, 1100Mpa 이상의 인장강도 및 HRC 25 이상의 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 고강도 및 고인성을 가진 철계 소결체.
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