KR20210029582A

KR20210029582A - 철계 예합금 분말, 철계 확산접합 분말 및 이를 이용하는 분말야금용 철계 합금 분말

Info

Publication number: KR20210029582A
Application number: KR1020190111001A
Authority: KR
Inventors: 김학수; 코스케 아시즈카; 아키오 고바야시; 나오미치 나카무라; 마사시 후지나가; 토시오 마에타니; 히로후미 에노키도; 히사시 수도
Original assignee: 현대자동차주식회사; 제이에프이 스틸 가부시키가이샤; 기아자동차주식회사
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2021-03-16
Also published as: WO2021044869A1; CN112458372A; EP4026629A1; JP7165696B2; CN112458372B; EP4026629A4; DE102020111120A1; JP2021042463A; US20210071286A1; US11542579B2

Abstract

본 발명은 강도 및 가공성이 우수한 철계 예합금 분말 및 이를 이용하는 분말야금용 철계 합금 분말과 소결단조부재에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 분말야금용 철계 예합금 분말은 Cu：0.5 ~ 5.0 wt％, Mo：0.1 ~ 0.5 wt％, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하고, Cu 함유량(Cu％) 및 Mo 함유량(Ｍo％)이 하기의 관계식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 한다.
0.3×Cu% ＋ 3×Mo% ≤ 2.7 …… (1)

Description

철계 예합금 분말, 철계 확산접합 분말 및 이를 이용하는 분말야금용 철계 합금 분말 {IRON-BASED PREALLOY POWDER, IRON-BASED DIFFUSION-BONDED POWDER, AND IRON-BASED ALLOY POWDER FOR POWDER METALLURGY USING THE SAME}

본 발명은 철계 예합금 분말, 철계 확산접합 분말 및 이를 이용하는 분말야금용 철계 합금 분말에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강도 및 가공성이 우수한 소결단조부재를 제조하는데 사용할 수 있는 철계 예합금 분말, 철계 확산접합 분말 및 이를 이용하는 분말야금용 철계 합금 분말에 관한 것이다.

자동차의 엔진 및 변속기에서 고출력이 요구되면서, 이에 대응하기 위하여 싱크로허브 및 커넥팅로드와 같은 구조부품의 고강도화가 요구되고 있다.

일반적으로 자동차에 사용되는 싱크로허브 및 커닉텡로드와 같은 구조부품은 고강도가 요구되기 때문에 소결재를 이용하여 소결한 다음 단조 성형한 제품을 사용하고 있다.

일반적으로 소결단조제품의 원료 분말로는 순철(純鐵) 분말에 구리 분말과 탄소 분말을 혼합한 Fe-Cu-C계의 철계 합금 분말이 많이 사용되고 있다. 또한, 원료 분말에 추가적인 물성의 개선을 위하여 다양한 첨가제를 첨가하여 사용되고 있다. 예를 들어 절삭성의 개선을 위하여 MnS 등의 절삭성 개선제가 첨가될 수도 있다.

최근에는 종래의 순철 분말, 구리 분말 및 탄소 분말을 단순히 혼합하여 소결단조제품에 원료 분말로 사용하는 대신, 소결온도가 높지 않거나 소결시간이 길지 않더라도 Fe 기지에 합금 원소가 충분히 확산될 수 있도록, Fe 및 Cu를 미리 합금화 시킨 예합금(Prealloy)의 분말을 소결단조제품의 원료 분말로 사용하는 것이 확대되고 있다.

하지만, 예합금(Prealloy) 형태의 분말은 합금 원소의 함량이 증가할수록 강도향상 기여도는 낮아지고 성형성이 저하되는 문제가 발생하였다.

상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

등록특허공보 제10-0970796호 (2010.07.09)

본 발명은 단조 후 열처리를 실시하지 않아도 강도 및 가공성의 향상을 기대할 수 있는 철계 예합금 분말 및 이를 이용하는 분말야금용 철계 합금 분말과 소결단조부재를 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 분말야금용 철계 예합금 분말은 Cu：0.5 ~ 5.0 wt％, Mo：0.1 ~ 0.5 wt％, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하고, Cu 함유량(Cu％) 및 Mo 함유량(Ｍo％)이 하기의 관계식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 한다.

0.3×Cu% ＋ 3×Mo% ≤ 2.7 …… (1)

상기 철계 예합금 분말은 Mn을 0.4 wt％ 이하로 더 함유하고, Cu 함유량(Cu％), Mo 함유량(Ｍo％), 및 Ｍn 함유량(Ｍｎ％)이 하기의 관계식 (2)를 만족하는 것을 특징으로 한다.

0.3×Cu% ＋ 3×Mo% ＋ 4×Mn% ≤ 2.7 …… (2)

상기 철계 예합금 분말은 Mn을 0.05 ~ 0.4 wt％로 함유하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 철계 확산접합 분말은 Cu：0.5 ~ 5.0 wt％, Mo：0.1 ~ 0.5 wt％, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하고, Cu 함유량(Cu％) 및 Mo 함유량(Ｍo％)이 하기의 관계식 (1)을 만족하는 철계 예합금 분말의 표면에 5wt% 미만의 Cu를 분말 형태로 접합시킨 것을 특징으로 한다.

0.3×Cu% ＋ 3×Mo% ≤ 2.7 …… (1)

0.3×Cu% ＋ 3×Mo% ＋ 4×Mn% ≤ 2.7 …… (2)

상기 철계 예합금 분말의표면에 접합되는 분말 형태의 Cu는 확산 접합되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 분말 야금용 철계 합금 분말은 Cu：0.5 ~ 5.0 wt％, Mo：0.1 ~ 0.5 wt％, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하고, Cu 함유량(Cu％) 및 Mo 함유량(Ｍo％)이 하기의 관계식 (1)을 만족하는 철계 예합금 분말의 표면에 5wt% 미만의 Cu를 분말 형태로 접합시킨 확산접합 분말과, 0.4 ~ 1.0 wt%의 C을 분말 형태로 혼합시킨 것을 특징으로 한다.

0.3×Cu% ＋ 3×Mo% ≤ 2.7 …… (1)

상기 철계 합금 분말은 S을 0.1 ~ 0.3 wt% 더 함유하는 것을 특징으로 한다.

상기 철계 합금 분말은 윤활제를 더 혼합시키는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 분말야금용 철계 예합금 분말을 원료로 하는 소결단조부재는 마르텐사이트의 면적율이 5% 미만이고, 항복강도가 500MPa 이상인 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 따른 철계 확산접합 분말을 포함하는 소결단조부재는 마르텐사이트의 면적율이 5% 미만이고, 항복강도가 800MPa 이상인 것을 특징으로 한다.

한편, 철계 예합금 분말, 철계 확산접합 분말 및 철계 합금 분말을 포함하는 소결단조부재는 자동차용 커넥팅 로드인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 소결 온도가 비교적 낮더라도 종래의 철계 분말과 비교하여 균일한 Cu 분포상태를 달성할 수 있고, 이에 따라 소결단조부재의 강도 향상을 기대할 수 있다.

또한, Cu와 Mo의 상호 작용에 의해 석출물 및 미세 조직이 미세화되고, 이에따라 소결단조부재의 강도 향상을 더욱 기대할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따르면, 열처리를 실시하지 않아도 마르텐사이트가 형성되는 것을 억제할 수 있기때문에, 공정수를 줄여서 저비용으로도 가공성이 높은 소결단조부재를 얻을 수 있는 효과가 있다.

따라서, 상기와 같은 효과를 기대할 수 있는 철계 예합금 분말, 철계 확산접합 분말 및 이를 이용하는 분말야금용 철계 합금 분말은 자동차 커넥팅로드의 제조에 적합하다.

도 1은 실시예에 따른 시편의 조직 사진이고,
도 2는 비교예에 따른 시편의 조직 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명은 분말야금용 철계 합금 분말에 대한 것으로서, 철계 합금 분말을 형성하기 위하여 주요 합금 성분의 함량 대부분을 합금으로 미리 형성한 예합금 분말을 준비하고, 주요 합금 성분의 함량 중 나머지 함량을 예합금 분말의 표면에 접합, 바람직하게는 확산접합시킨 철계 확산접합 분말을 형성한다. 그리고, 준비된 철계 확산접합 분말에 추가적인 물성의 개선을 위하여 다양한 첨가제를 혼합하여 철계 합금 분말을 형성한다.

따라서, 이하에서는 주요 합금 성분의 함량 대부분을 합금으로 미리 형성하여 분말화시킨 것을 '예합금 분말'이라 지칭하고, 예합금 분말에 주요 합금 성분의 함량 중 나머지 함량을 확산시켜 접합시킨 것을 '확산접합 분말'이라 지칭하고, 확산접합 분말에 다양한 첨가제를 혼합한 것을 '합금 분말'이라 지칭한다.

구체적으로 본 발명은 철계 합금 분말을 제조하기 위하여 준비되는 철계 예합금 분말 및 철계 확산접합 분말을 포함하고, 철계 예합금 분말, 철계 확산접합 분말 및 철계 합금 분말을 원료로 하는 소결단조부재를 포함한다. 이때 소결단조부재는 자동차용 커넥팅 로드를 제조하는 소재로 사용된다. 물론 본 발명에 따른 철계 예합금 분말 및 철계 합금은 커넥팅 로드를 제조하는데 사용되는 것만으로 한정되는 것을 의미하는 것은 아니다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 철계 합금 분말을 제조하기 위하여 마련되는 본 발명에 따른 철계 예합금 분말은 Cu：0.5 ~ 5.0 wt％, Mo：0.1 ~ 0.5 wt％, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유한다.

이때 Cu 함유량(Cu％) 및 Mo 함유량(Ｍo％)이 하기의 관계식 (1)을 만족하는 것이 바람직하다.

0.3×Cu% ＋ 3×Mo% ≤ 2.7 …… (1)

또한, 본 발명에 따른 분말야금용 철계 예합금 분말은 Mn을 0.4 wt％ 이하로 더 함유하는 것이 바람직하다.

그리고, Mn이 더 함유된 철계 예합금 분말은 Cu 함유량(Cu％), Mo 함유량(Ｍo％), 및 Ｍn 함유량(Ｍｎ％)이 하기의 관계식 (2)를 만족하는 것이 바람직하다.

0.3×Cu% ＋ 3×Mo% ＋ 4×Mn% ≤ 2.7 …… (2)

본 발명에서 주요 합금성분 및 그 조성범위를 한정하는 이유는 아래와 같다.

구리(Cu)의 함량은 0.5 ~ 5.0 wt％인 것이 바람직하다. 구리의 함량이 제안된 범위보다 적을 경우에는 강도가 저하되는 문제가 있다. 그리고, 구리의 함량이 제안된 범위보다 많을 경우에는 강도상승 효과가 미흡한 반면에, 성형성이 저하되고 치수변화율이 커져서 안정적인 성형체를 제조하는데 어려움이 있다.

몰리브덴(Mo)의 함량은 0.1 ~ 0.5 wt％인 것이 바람직하다. 몰리브덴의 함량이 제안된 범위보다 적을 경우에는 강도향상의 효과가 미미하여 원하는 수준의 강도를 보장할 수 없고, 몰리브덴의 함량이 제안된 범위보다 많을 경우에는 성형성이 저하되고, 이에 따라 금형이 손상되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 몰리브덴의 함량이 제안된 범위보다 많을 경우에는 강도향상 효과가 미미하고, 마르텐사이트 조직이 너무 많이 형성되어 가공성 및 인성이 저하되는 문제가 발생된다. 그래서 몰리브덴의 함량을 0.1 ~ 0.5 wt%로 한정하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 몰리브덴의 함량을 0.1 ~ 0.3 wt%로 한정하는 것이 더 좋다. 그 이유는 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트 조직의 미세화에 기여하고, 펄라이트가 베이나이트화 되기 용이해져서 강도 및 인성 향상의 효과를 향상시킬 수 있기 때문이다.

망간(Mn) 함량은 0.4 wt% 이하인 것이 바람직하다. 망간의 함량이 0.4 wt%를 초과하는 경우에는 성형성이 저하되고, 산화물 생성되면서 강도가 저하되는 문제가 발생된다. 더욱 바람직하게는 망간 함량의 최소값을 0.05 wt%로 한정하는 것이 더 좋다. 그 이유는 망간을 0.05 wt% 이상 함유하는 경우에 펄라이트 조직의 미세화되기 때문이다.

그리고, 분말야금용 철계 예합금 분말에서 상기에 기재된 성분 이외의 잔부는 Fe 및 불가피하게 함유되는 불순물이다.

한편, 본 발명에 따른 분말야금용 철계 확산접합 분말은 전술된 철계 예합금 분말의 표면에 5wt% 미만의 Cu를 분말 형태로 접합시킬 수 있다.

이때 철계 예합금 분말의 표면에 접합되는 구리(Cu)의 양이 5 wt% 이상이 되는 경우에는 강도향상 효과가 포화되고, 소결전후 치수변화율이 커지는 문제가 발생된다.

한편, 구리(Cu)를 단순히 철계 예합금 분말에 혼합하는 것보다 강도의 향상을 위하여 철계 예합금 분말의 표면에 구리(Cu)를 확산접합시키는 것이 바람직하다. 이때 확산접합용으로 사용되는 구리(Cu) 분말은 50㎛ 이하 크기의 분말을 사용하는 것이 바람직하다.

여기서, 확산접합이라 함은 준비된 예합금 분말과 구리 분말을 혼합한 다음 열처리를 통하여 구리 분말이 예합금 분말의 표면에 확산되면서 접합된 상태를 의미한다.

예를 들어 확산접합을 하기 위해서는 먼저, 예합금 분말과 구리 분말을 종래 공지된 임의의 방법(V형 혼합기, 더블 콘형 혼합기, 헨셀 믹서 또는 나우타 믹서 등)을 사용하여 혼합한다. 이때 분말 혼합시에는 구리 분말의 편석을 방지하기 위해, 머신 오일 등의 결합제를 첨가할 수 있다. 이렇게 예합금 분말과 구리 분말이 혼합되면, 그 혼합물을 환원 분위기에서 700 ~ 1000℃의 온도 범위로 0.5 ~ 2시간 정도 유지하는 열처리를 실시함으로써, 구리 분말을 예합금 분말의 표면에 확산접합시킬 수 있다.

물론 예합금 분말의 표면에 구리 분말을 확산접합시키는 방법은 상기에서 제시된 방법 및 조건에 한정되지 않고, 예합금 분말의 표면에 구리 분말을 확산접합시킬 수 있는 다양한 방법 및 조건으로 변경되어 실시될 수 있을 것이다.

한편, 본 발명에 따른 분말야금용 철계 합금 분말은 전술된 철계 확산접합 분말에 다양한 첨가제를 혼합하여 형성된다.

예를 들어 철계 합금 분말은 강도를 향상시키기 위하여 철계 확산접합 분말에 탄소(C) 분말을 혼합하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 탄소(C) 분말은 흑연 분말(graphite powder) 및 카본블랙 분말(carbon black powder) 중 어느 하나 또는 모두가 사용될 수 있다. 이때 천연 흑연(natural graphite) 및 합성 흑연(synthetic graphite)이 모두 흑연 분말(graphite powder)로는 사용될 수 있다.

한편, 탄소(C)의 함량은 0.4 ~ 1.0 wt% 인 것이 바람직하다. 탄소의 함량이 제안된 범위보다 적을 경우에는 페라이트 조직의 형성이 증가하여 강도를 저하시키고, 탄소의 함량이 제안된 범위보다 많을 경우에는 탄화물이 형성되어 가공성을 저하시키거나 오스테나이트 조직의 형성이 증가하여 강도를 저하시키는 문제가 있다.

또한, 철계 합금 분말은 가공성의 향상을 위하여 철계 확산 접합 분말에 황(S)을 더 혼합하여 형성할 수 있다.

이때 황(S)의 함량은 0.1 ~ 0.3 wt%인 것이 바람직하다. 황(S)의 함량이 0.1 wt% 미만인 경우에는 가공성의 향상 효과를 기대할 수 없고, 황(S)의 함량이 0.3 wt%를 초과하는 경우에는 인장강도가 저하되는 문제가 발생된다.

한편, 황(S)은 예합금 분말 및 확산접합 분말과는 별도로 MnS분말 형태로 예합금 분말과 혼합되는 것이 바람직하다. 이때, MnS는 1:1 결합비율이 아닌 복합결합 구성으로서, 대략 3:1 내지 5:1 수준의 비율이 바람직하다.

또한, 철계 합금 분말은 윤활성의 향상을 위하여 철계 확산 접합 분말에 윤활제를 더 혼합하여 형성할 수 있다.

철계 합금 분말은 필요에 따라 상기에서 제시한 탄소(C), 황(S) 및 윤활제 중 어느 하나 또는 그 이상을 함께 혼합하여 형성할 수 있다. 또한, 제시된 첨가제 이외의 다른 기능성 첨가제를 철계 합금 분말의 물성을 저하시키지 않는 범위에서 더 혼합하여 형성할 수 있다.

본 발명은 강도 및 가공성이 우수한 철계 예합금 분말, 철계 확산접합 분말 및 이를 이용하는 분말야금용 철계 합금 분말을 제조하기 위하여 상기와 같은 조성을 갖는 용강 또는 분말과 첨가제를 이용하여 제조된다.

특히, 예합금 분말, 확산접합 분말 및 합금 분말의 함량을 조절하는 경우에 예합금 분말, 확산접합 분말 및 합금 분말을 원료로 사용하여 제조되는 소결단조부재의 마르텐사이트 면적율을 5% 미만으로 유지하고, 항복강도를 500MPa 이상으로 유지하면서 가공성을 향상시키기 위하여 Cu, Mo 및 Mn의 양을 전술된 관계식 (1) 및 (2)를 만족하도록 제한하는 것이 바람직하다.

만약 관계식 (1) 및 (2)를 만족하지 못하는 경우에는 가공성이 저하되는 문제가 발생된다.

한편, 합금 분말을 원료로 사용하여 제조되는 소결단조부재의 마르텐사이트 면적율을 5% 미만으로 유지하고, 피삭성을 우수하게 유지하면서, 항복강도를 800MPa 이상으로 유지시키기 위하여 예합금 분말의 표면에 5wt% 미만의 구리(Cu)를 분말 형태로 확산접합시켜서 확산접합 분말을 형성시키는 것이 바람직하다.

이하, 비교예 및 실시예를 사용하여 본 발명을 설명한다.

상업 생산되는 분말야금용 철계 분말의 생산 조건에 따라 최종 제품을 생산하고, 최종 제품을 이용하여 시편을 제작한 다음, 마르텐사이트의 면적율, 항복강도 및 가공성을 측정하였다.

먼저, 철계 예합금 분말의 특성을 알아보기 위하여 하기의 표 1과 같이 각 성분의 함량이 조정된 용강을 준비한 다음, 물(water) 아토마이즈법을 사용하여 예합금 분말을 제조하였다. 이때 철계 예합금 분말에는 Cu의 확산접합 전에 철계 예합금 분말 100중량부에 대하여 흑연 분말(graphite powder): 0.7중량부, 윤활제(스테아린산 아연): 0.8중량부 및 MnS 분말: 0.5중량부를 첨가제로 첨가하고 더블 콘형 혼합기에서 혼합하였다.

표 1에서 실시예 1군은 예합금 성분으로 망간(Mn)이 함유되지 않은 실시예이고, 실시예 2군은 예합금 성분으로 망간(Mn)이 함유된 실시예이다.

한편, 각 비교예 및 실시예는 철계 예합금 분말을 구성하는 Cu, Mo, Mn 및 C를 제외한 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 형성하였다.

구분(No.)	Cu(wt%)	Mo(wt%)	Mn(wt%)	A값	비고
1	0.5	-	0.1	0.55	비교예
2	-	0.1	0.1	0.7	비교예
3	-	0.4	0.1	1.6	비교예
4	3	0.5	0.1	2.8	비교예
5	0.5	0.6	0.1	2.35	비교예
6	0.5	0.1	0.05	0.65	실시예2군
7	3	0.1	-	1.2	실시예1군
8	3.5	0.4	0.1	2.65	실시예2군
9	5	0.1	0.1	2.2	실시예2군
10	3	0.45	0.1	2.65	실시예2군
11	5	0.25	0.1	2.65	실시예2군
12	0.5	0.1	0.4	2.05	실시예2군
13	0.5	0.5	0.1	2.05	실시예2군
14	0.5	0.3	0.4	2.65	실시예2군
15	2.5	0.1	0.4	2.65	실시예2군

상기의 표 1에서 A값은 0.3×Cu% ＋ 3×Mo% ＋ 4×Mn%에 따라 연산된 값을 의미한다.

한편, 시험편의 제작은 7 ton/㎠의 성형압으로 10×15×55mm 사이즈의 시편을 성형한 다음 1120℃에 20분 동안 RX gas 분위기에서 열처리하였고, 이후에 밀도가 7.76 이상이 되도록 단조하였다. 그리고, L50×W13×t4mm로 최종 가공하였다.

이렇게 준비된 시편을 가지고, 조직의 면적율, 특히 마르텐사이트의 면적율을 측정하였고, 항복강도와 가공성을 측정하였다.

가공성의 평가는 하기의 표 2 및 표 3에 따라 측정하였다.

드릴링 조건	홀경	mm	1
	재질		High speed drill No coated (Fujikoshi, Type sd 1.0)
Speed	m/min		31.4
Feed rate	Mm/rev		0.05
RPM	Rev/min		10000
Feed	Mm/min		500
냉각수			사용

평가결과 (예시)	Thrust force (N)		Torque (N·m)		Width of flank wear (㎛)
타공수	10	50	10	50	10	50
결과	150	152	0.114	0.107	112	103

상기와 같은 측정 방법에 의해 측정된 마르텐사이트의 면적율, 항복강도 및 가공성에 대한 결과를 하기의 표 4에 나타내었다.

구분	마르텐사이트 면적율(%)	항복강도 (Mpa)	가공성	비고
1	0	484	○	비교예
2	0	451	○	비교예
3	0	490	○	비교예
4	5	770	×	비교예
5	5	532	×	비교예
6	0	531	○	실시예2군
7	0	785	○	실시예1군
8	2	855	○	실시예2군
9	0	813	○	실시예2군
10	3	827	○	실시예2군
11	2	862	○	실시예2군
12	0	534	○	실시예2군
13	0	547	○	실시예2군
14	4	684	○	실시예2군
15	3	760	○	실시예2군

표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1군 및 실시예 2군에 따른 시편인 No. 6 내지 No. 15 시편은 마르텐사이트의 면적율이 모두 5% 미만으로 형성되고, 항복강도는 500MPa 이상이며, 가공성이 우수한 것을 확인할 수 있었다.

특히, No. 8 내지 No. 11은 A값이 2.20 이상으로서, 마르텐사이트 면적율이 5% 미만으로 만족하면서 가공성도 우수하였으며, 항복강도도 800MPa 이상으로 매우 높은 강도 향상 효과를 나타내었다. 이러한 결과로 볼 때 A값을 2.20 이상으로 제한하는 것이 항복강도 향상 효과를 극대화할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

한편, No. 1 시편은 Mo이 함유되지 않은 비교예로서, 마르텐사이트는 형성되지 않았고, 가공성은 우수하였지만, 항복강도가 원하는 수준보다 낮았다.

No. 2 및 No. 3 시편은 Cu가 함유되지 않은 비교예로서, 마르텐사이트는 형성되지 않았고, 가공성은 우수하였지만, 항복강도가 원하는 수준보다 낮았다.

No. 4 시편은 Cu, Mo 및 Mn의 함량은 본 발명에서 제시된 함량을 만족하지만, A값에 대한 조건을 만족하지 못하는 비교예로서, 항복강도는 우수하게 나타났지만, 마르텐사이트가 과도하게 많이 형성되어 가공성이 나빠진 것을 확인할 수 있었다.

No. 5 시편은 Mo가 본 발명에서 제시된 함량 이상으로 함유된 비교예로서, 항복강도는 비교적 우수하게 나타났지만, 마르텐사이트가 과도하게 많이 형성되어 가공성이 나빠진 것을 확인할 수 있었다.

다음으로, Cu 및 Mo 성분을 예합금으로 형성하는 것에 대한 효과를 알아보는 실험을 실시하였다.

이를 위하여 하기의 표 5와 같이 각 성분의 함량을 조정하였다. 이때 No. 16 시편은 Cu, Mo 및 Mn을 모두 예합금으로 시편으로 준비하였다. 그리고, No. 17 및 No. 18 시편은 Mo 및 Mn을 예합금으로 준비하고, Cu 성분은 예합금에 접합시켰고, No. 19 및 No. 20 시편은 Cu 및 Mn을 예합금으로 준비하고, Mo 성분은 예합금에 접합시켰다. 이때, No. 17 및 No. 19 시편은 Cu 분말 또는 Mo 분말을 예합금에 확산접합시켰고, No. 18 및 No. 20 시편은 Cu 분말 또는 Mo 분말을 예합금에 단순히 혼합(단순접합)시켰다.

그리고, 각 시편에 대하여 마르텐사이트의 면적율, 항복강도 및 가공성을 측정하고 그에 대한 결과를 하기의 표 6에 나타내었다.

구분(No.)	Cu(wt%)	Mo(wt%)	Mn(wt%)	A값	비고
16	3	0.1	0.1	1.6	실시예
17	3	0.1	0.1	0.7	Cu 확산접합 비교예
18	3	0.1	0.1	0.7	Cu 혼합 비교예
19	3	0.1	0.1	1.3	Mo 확산접합 비교예
20	3	0.1	0.1	1.3	Mo 혼합 비교예

구분(No.)	마르텐사이트 면적율(%)	항복강도 (Mpa)	가공성	비고
16	0	792	○	실시예
17	0	660	○	Cu 확산접합비교예
18	0	642	○	Cu 혼합비교예
19	0	754	○	Mo 확산접합비교예
20	0	739	○	Mo 혼합비교예

표 6에 나타난 바와 같이, No. 16 내지 No. 20 시편 모두 마르텐사이트의 면적율이 5% 미만으로 형성되고, 항복강도도 500MPa 이상이며, 가공성이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 다만, 상대적으로 Cu, Mo 및 Mn을 모두 예합금으로 준비한 No. 16 시편의 항복강도가 Cu 분말 또는 Mo 분말을 예합금에 확산접합 또는 혼합시킨 No. 17 내지 No. 20 시편의 항복강도보다 높은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 같은 접합 분말이라도 Cu 분말 또는 Mo 분말을 확산접합시킨 No. 17 및 No. 19 시편의 항복강도가 Cu 분말 또는 Mo 분말을 단순히 혼합하여 접합시킨 No. 18 및 No. 20 시편의 항복강도보다 높은 것을 확인할 수 있었다.

다음으로, 예합금에 확산접합되는 Cu 양에 따른 확산접합 분말의 물성 변화에 대한 효과를 알아보는 실험을 실시하였다.

이를 위하여 전술된 No. 16에 따른 예합금에 하기의 표 7과 같이 확산접합되는 Cu 분말의 양을 조정하였고, 각 시편에 대하여 마르텐사이트의 면적율, 항복강도 및 가공성을 측정하고 그에 대한 결과를 하기의 표 7에 함께 나타내었다.

구분	추가확산접합 Cu(wt%)	마르텐사이트 면적율(%)	항복강도 (Mpa)	피삭성	비고
21	0.5	0	813	○	발명예
22	2.5	0	847	○	발명예
23	4	0	875	○	발명예
24	5	0	865	○	비교예

표 7에 나타난 바와 같이, 확산접합되는 Cu의 양이 5% 미만인 No. 21 내지 No. 23 시편 모두 마르텐사이트의 면적율이 5% 미만으로 형성되고, 항복강도도 800MPa 이상이며, 가공성이 우수한 것을 확인할 수 있었다.

다만, 확산접합되는 Cu의 양이 5%인 No. 24 시편은 오히려 No. 23 시편에 비하여 항복강도가 저하된 것을 확인할 수 있었다.

따라서, 확산접합되는 Cu의 양을 5% 미만으로 한정하여 강도향상 효과를 극대화하는 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다.

다음으로, 합금 분말을 구성하는 각 성분을 예합금화 시키는 것에 따라 조직의 미세화에 미치는 영향을 알아보는 실험을 실시하였다.

이를 위하여 전술된 No. 7에 따른 합금 성분을 예합금한 실시예와, Fe와 Cu 만을 예합금화한 비교예에 따른 시편을 제작하여 조직을 관찰하였고, 그 결과를 도 1 및 도 2에 나타내었다.

도 1은 실시예에 따른 시편의 조직 사진이고, 도 2는 비교예에 따른 시편의 조직 사진으로서, 실시예에 따른 시편의 조직이 상대적으로 비교예 따른 시편의 조직보다 미세하게 형성된 것을 확인할 수 있었다.

이러한 결과에 따라 본 발명과 같이 Cu 및 Mo와 같은 합금 성분을 미리 예합금화 하여 철계 분말을 제조하는 것이 강도향상 및 가공성 개선에 효과적일 것이라는 것을 유추할 수 있다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims

Cu：0.5 ~ 5.0 wt％, Mo：0.1 ~ 0.5 wt％, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하고,
Cu 함유량(Cu％) 및 Mo 함유량(Ｍo％)이 하기의 관계식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 분말야금용 철계 예합금 분말.
0.3×Cu% ＋ 3×Mo% ≤ 2.7 …… (1)
청구항 1에 있어서,
상기 철계 예합금 분말은 Mn을 0.4 wt％ 이하로 더 함유하고,
Cu 함유량(Cu％), Mo 함유량(Ｍo％), 및 Ｍn 함유량(Ｍｎ％)이 하기의 관계식 (2)를 만족하는 것을 특징으로 하는 분말야금용 철계 예합금 분말.
0.3×Cu% ＋ 3×Mo% ＋ 4×Mn% ≤ 2.7 …… (2)
청구항 2에 있어서,
상기 철계 예합금 분말은 Mn을 0.05 ~ 0.4 wt％로 함유하는 것을 특징으로 하는 분말야금용 철계 예합금 분말.
Cu：0.5 ~ 5.0 wt％, Mo：0.1 ~ 0.5 wt％, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하고, Cu 함유량(Cu％) 및 Mo 함유량(Ｍo％)이 하기의 관계식 (1)을 만족하는 철계 예합금 분말의 표면에 5wt% 미만의 Cu를 분말 형태로 접합시킨 것을 특징으로 하는 분말 야금용 확산접합 분말.
0.3×Cu% ＋ 3×Mo% ≤ 2.7 …… (1)
청구항 4에 있어서,
상기 철계 예합금 분말은 Mn을 0.4 wt％ 이하로 더 함유하고,
Cu 함유량(Cu％), Mo 함유량(Ｍo％), 및 Ｍn 함유량(Ｍｎ％)이 하기의 관계식 (2)를 만족하는 것을 특징으로 하는 분말 야금용 확산접합 분말.
0.3×Cu% ＋ 3×Mo% ＋ 4×Mn% ≤ 2.7 …… (2)
청구항 5에 있어서,
상기 철계 예합금 분말은 Mn을 0.05 ~ 0.4 wt％로 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금용 확산접합 분말
청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
상기 철계 예합금 분말의표면에 접합되는 분말 형태의 Cu는 확산 접합되는 것을 특징으로 하는 분말 야금용 확산접합 분말.
Cu：0.5 ~ 5.0 wt％, Mo：0.1 ~ 0.5 wt％, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하고, Cu 함유량(Cu％) 및 Mo 함유량(Ｍo％)이 하기의 관계식 (1)을 만족하는 철계 예합금 분말의 표면에 5wt% 미만의 Cu를 분말 형태로 접합시킨 확산접합 분말과, 0.4 ~ 1.0 wt%의 C을 분말 형태로 혼합시킨 것을 특징으로 하는 분말 야금용 철계 합금 분말.
0.3×Cu% ＋ 3×Mo% ≤ 2.7 …… (1)
청구항 8에 있어서,
상기 철계 합금 분말은 S을 0.1 ~ 0.3 wt% 더 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금용 철계 합금 분말.
청구항 8에 있어서,
상기 철계 합금 분말은 윤활제를 더 혼합시키는 것을 특징으로 하는 분말 야금용 철계 합금 분말.
청구항 1 또는 청구항 2에 따른 철계 예합금 분말을 원료로 하는 소결단조부재.
청구항 11에 있어서,
상기 소결단조부재는 마르텐사이트의 면적율이 5% 미만인 것을 특징으로 하는 소결단조부재.
청구항 11에 있어서,
상기 소결단조부재는 항복강도가 500MPa 이상인 것을 특징으로 하는 소결단조부재.
청구항 11에 있어서,
상기 소결단조부재는 자동차용 커넥팅 로드인 것을 특징으로 하는 소결단조부재.
청구항 4 또는 청구항 5에 따른 철계 확산접합 분말을 포함하는 소결단조부재.
청구항 15에 있어서,
상기 소결단조부재는 마르텐사이트의 면적율이 5% 미만인 것을 특징으로 하는 소결단조부재.
청구항 15에 있어서,
상기 소결단조부재는 항복강도가 800MPa 이상인 것을 특징으로 하는 소결단조부재.
청구항 17에 있어서,
상기 소결단조부재는 자동차용 커넥팅 로드인 것을 특징으로 하는 소결단조부재.
청구항 8에 따른 철계 합금 분말을 포함하는 소결단조부재.
청구항 19에 있어서,
상기 소결단조부재는 자동차용 커넥팅 로드인 것을 특징으로 하는 소결단조부재.