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KR100405910B1 - 분말야금부품의예비성형을위한방법및금속분말의압축된부품 - Google Patents

분말야금부품의예비성형을위한방법및금속분말의압축된부품 Download PDF

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KR100405910B1
KR100405910B1 KR10-1998-0710243A KR19980710243A KR100405910B1 KR 100405910 B1 KR100405910 B1 KR 100405910B1 KR 19980710243 A KR19980710243 A KR 19980710243A KR 100405910 B1 KR100405910 B1 KR 100405910B1
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오베 마르스
닐스 카를바움
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회가내스 아베
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Abstract

본 발명은 압축되고 선택적으로는 예비소결된 바디들에 관한 것이고, 상기 바디들은 금속 분말로 예비성형되고, 쇼트 피닝 또는 롤링 작업에 의해 얻어진 조밀화 표면을 구비한다.

Description

분말 야금 부품의 예비성형을 위한 방법 및 금속분말의 압축된 부품{PROCESS FOR THE PREPARATION OF A POWDER METALLURGICAL COMPONENT AND COMPACTED COMPONENT OF METAL POWDER}
국부적인 응력 집중을 받는 기어 휘일들과 같은 굽힘 응력을 받는 구성요소에 사용되는 재료들은 국부적인 최대응력 부분에서 우수한 특성을 갖는 것이 바람직하다.
이러한 재료들은 조밀한 표면영역을 갖는 소결된 분말 금속 블랭크에 대해 기술된 유럽 특허 제 552,272호에 기술되어 있다. 상기 특허공보에 따르면, 조밀한 영역은 롤링(rolling) 작업에 의해서 얻어진다.
야금학적으로 소결된 분말영역의 표면이 쇼트 피닝(shot peening)을 사용하므로서 조밀해질 수 있다는 것은 공지되어 있다. 이러한 소결된 영역의 표면을 쇼트 피닝하는 목적은 표면에 압축응력을 생성하는데 있으며, 이러한 현상은 소결된 부분에 대해 피로강도, 표면경화 등을 향상시킨다.
만약 표면의 조밀화(densification)가 압축된 부품의 소결전에 수행된다면, 중요한 장점을 얻을 수 있다는 사실이 입증되었다. 상기 압축된 부품에 대해 예비소결 단계후에 조밀화 과정이 이루어질 때 가장 흥미있는 결과는 얻어진다. 따라서, 본 발명은 조밀화된 표면을 가지도록 압축되고 바람직하게는 예비소결된 부품들을 예비성형하는 공정, 및 이러한 공정에 의해서 얻어진 부품들에 관한 것이다.
그린(green) 및 선택적으로는 예비소결된 상태에서 금속 분말 부품의 조밀화를 수행함으로서, 변형(deformation)의 정도는 소결된 부품들이 조밀화되는 경우 보다 크게 된다. 그린 및 선택적으로는 예비소결된 부품이 그후에 소결될 때, 이전의 기공(pore)들이 함께 소결되고, 완전한 또는 거의 완전한 밀도(density)를 갖는 층이 형성된다. 본원 명세서에서 "완전한 또는 거의 완전한 밀도"란 용어는 전체 밀도의 90 ~100% 영역에서 조밀화가 이루어졌다는 것을 의미한다.
본 발명은 압축된 부품(compacted component)들에 관한 것으로, 상세히 설명하면, 금속 분말(metal powder)로 제조되고 조밀한 표면을 갖는 부품로서, 압축되어지고 선택적으로 예비소결된(presintered) 부품에 관한 것이다.
도 1은 700㎫ 압력으로 윤활식 다이로 압축되고, 0.13의 알멘 강도 및 1.5초의 쇼트 피닝 시간으로 쇼트 피닝되는 그린 상태를 나타낸다.
도 2는 700㎫ 압력으로 열간 압축되고, 0.14의 알멘 강도 및 1.5초의 쇼트 피닝 시간으로 쇼트 피닝되는 예비소결 상태를 나타낸다.
도 3은 700㎫ 압력으로 윤활식 다이로 압축되고, 0.21의 알멘 강도 및 3초의 쇼트 피닝 시간으로 쇼트 피닝되는 예비소결 상태를 나타낸다.
도 4는 700㎫ 압력으로 윤활식 다이로 압축되고, 0.3의 알멘 강도 및 3초의 쇼트 피닝 시간으로 쇼트 피닝되는 예비소결 상태를 나타낸다.
도 5는 700㎫ 압력으로 열간 압축되고, 0.08의 알멘 강도 및 1.5초의 쇼트 피닝 시간으로 쇼트 피닝되는 그린 상태를 나타낸다.
도 6은 700㎫ 압력으로 열간 압축되고, 0.3의 알멘 강도 및 3초의 쇼트 피닝 시간으로 쇼트 피닝되는, 1120℃ 온도에서의 소결 상태를 나타낸다.
본 발명에 따른 공정을 사용하므로서, 조밀화 뿐만 아니라 변형 깊이도 개선된다. 또한, 에너지의 요구량은 조밀화 공정(densification process)이 공지된 방법에 따라 소결공정 단계후에 수행될 때 보다 상당히 작다. 본 발명에 따라 예비성형된 부품들은 소결된 후 통상적으로 제 2 작업으로 수행될 수 있다.
압축 공정을 위해 초기 재료(starting materials)로서 적절히 사용될수 있는 금속 분말로는 철과 니켈과 같은 금속으로부터 예비성형되는 분말 등이 있다. 철-계 분말(iron-based powers)의 경우에는, 탄소, 크롬, 망간, 몰리브덴, 구리, 니켈, 인(phosphorus), 황(sulphur) 등과 같은 합금 요소가 최종 소결된 생산물의성질을 수정하기 위해 첨가될 수 있다. 상기 철-계 분말은 철 입자와 합금요소의 혼합물, 및 거의 순수한 철 입자(합금 원소가 없음), 예비-합금된 철-계 입자(pre-alloyed iron-based particles), 확산-합금된 철-계 입자(diffusion-alloyed iron- based particles)로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 여기에 사용된 용어 "예비 합금된 철계입자"는 합금원소와 예비합금된 철 입자로, 철과 합금원소를 용융상태로 혼합하여 그 후 용융물을 입자를 형성하도록 가스분무하여 만든, 균일한 합금 분말을 의미한다. "확산 합금된 철계 입자"는 철과 합금원소를 혼합해서 그리고 나서 열처리하여 합금 요소가 철 분말 입자의 표면에 집적(확산)되어 분리되지 않게 한 것이다. "철 입자와 합금요소의 혼합물"은 단순히 철 분말과 합금원소 분말의 혼합물을 의미한다.
후속의 조밀화 공정을 위해 충분한 굽힘 강도를 얻도록, 초기 금속 분말은 200~1200, 바람직하게는 400~900㎫의 압력으로 단축(uniaxially)으로 압축된다. 이러한 압축은 윤활식 다이(die)에서 바람직하게 수행된다. 다른 형태의 압축으로는 스테아르산염(stearates), 왁스, 금속 숲(metal soap), 폴리머 등과 같은 윤활제와 혼합된 금속 분말의 열간 압축 및 냉간 압축이 있다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 압축된 부품도 조밀화 작업전에 500 내지 1050℃, 바람직하게는 650~1000℃의 온도로 예비소결된다. 여기서 제시한 하한값 500℃는 통상의 예비소결에서 단지 성형조업을 용이하게 하고 동시에 윤활유를 제거하여 결합력을 증대시키는 효과를 위한 것이며, 상한값 1050℃ 이상의 온도에서는 탄소 함유 물질내의 탄소의 확산이 일어나므로, 본원의 예비소결 온도로서 적합하지 않다.
본 발명에 따른 조밀화 공정이 이루어지는 그린 및 선택적으로는 예비소결된 부품들은 15㎫ 이상, 바람직하게는 20㎫ 이상, 가장 바람직하게는 25㎫ 이상의 최소 굽힘 강도로 압축되고 선택적으로는 예비소결되어야 한다.
비록 다른 형태의 롤링작업과 같은 조밀화 공정이 배척되지 않을지라도, 본 발명에 따른 조밀화 공정은 쇼트 피닝으로 바람직하게 수행된다. 쇼트 피닝에서, 주조 또는 단련된 스틸(wrought steel) 및 스테인레스 스틸, 이외에 세라믹 또는 글래스 비드(glass bead)로 제조된 둥근형상 또는 반드시 구형의 입자("쇼트(shot)"란 용어로 칭함)들은 오버랩핑하는 냉간 가공된 딤플들(dimples)의 표면을 커버하기 위한 충분한 시간과, 충분한 에너지로 공작물에 대해 분사된다(예를 들어, 공정 제어 및 기구(Process Controls & Instrumentation)의 1995년 11월호에서 "쇼트 피닝의 신뢰성에 대한 키이(key)를 제어하는 공정"의 제이. 모글 등(J. Mogul et., al.)에 의한 논문).
본 발명에 따른 쇼트 피닝 시간은 보통 0.5초를 초과하고, 바람직하게는 1 내지 5초 사이이고, 알멘 강도(Almen intensity)는 보통 0.05 내지 0.5 정도이다. 변형 깊이는 생산물의 최종 용도에 좌우되며, 0.1㎜를 초과하고, 바람직하게는 0.2㎜를 초과하고, 가장 바람직하게는 0.3㎜를 초과하며 깊어야 5mm이다.
하기에 본 발명의 양호한 실시예를 기술한다.
초기 금속 분말로는 본원 출원인(스웨덴의 회가내스 아베)으로부터 이용가능한 1.5%의 몰리브덴 및 2%의 니켈을 함유한 철-계 분말로 구성된 디스탈로이(Distaloy) DC-1이 있다.
이러한 분말은 25㎫의 굽힘강도를 갖고, 7.4g/㎤의 밀도를 갖는 물질로서 700㎫로 열간 압축된다. 상기 압축된 부품들은 다음의 3 그룹으로 분류된다.
제 1 그룹 : 부품들이 그린 상태로, 예를 들어 어떠한 추가의 처리를 받지 않은 상태로 남아 있게 된다.
제 2 그룹 : 부품들이 보호 분위기에서 20분 동안에 750℃로 예비소결된다.
제 3 그룹 : 부품들이 엔도가스(endogas)에서 15분동안 1120℃로 소결된다.
그룹 1
그린 부품(green body)들은 쇼트 피닝을 받는다. 매우 높은 강도(intensity), 예를들어 3초 동안에 0.14 이상의 알멘(Almen)강도(상기 언급된 모글(mogul) 논문 참조)로 쇼트 피닝을 받으면, 입자는 찢어지고, 표면은 파괴된다. 따라서 알멘강도는 0.14 이하가 되어야 하고 노출시간은 2초 이하가 되어야 한다(이것은 실험에 의해 입증됨). 이것은 열간 압축되는 그린 부품들과, 윤활식 다이에서 생산되는 부품들에도 적용된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 조밀화는 압축이 윤활식 다이에서 수행될 때 얻어진 부품들에서 다소 양호하게 된다.
그룹 2
재료의 강도를 개선하고, 변형경화를 방지하고, 기공(porosity)을 발생시키는 윤활제를 제거하기 위해, 그린 부품들의 예비소결은 이루어진다. 흑연의 확산(graphite diffusion)은 철(iron) 분말 입자내에서 용체화 경화 효과(solution hardening effects)를 방지하기 위해 제한되어야 한다. 예비소결후에, 재료의 강도는 상당히 개선되고, 보다 높은 알멘 강도는 윤활식 다이에서 제조된 부품들에 특히 사용될 수 있다. 0.3 이상의 알멘 강도는 문제없이 사용된다. 즉, 표면으로부터 찢어지는 입자가 없고, 300㎛의 변형깊이는 달성된다. 열간 압축된 부품에 대해서는 부식은 0.14의 알멘 강도에서 시작된다. 변형경화 및 윤활제의 제거에 의해서, 변형 깊이는 그룹 1의 그린 부품와 비교하여 상당히 증가된다.
그룹 3
전체 소결 작업이 끝난후 다양한 압축 방법으로부터 중요한 기공구조물이 남아있지 않으므로, 열간 프레스된(pressed) 재료들만이 시험된다. 상기 소결된 부품들은 완전한 강도를 가지며, 그러므로서 0.3 이상의 매우 높은 알멘 강도를 갖게 된다. 그러나, 쇼트 피닝 작업후의 효과는 본 발명에 따라 예비소결된 상태 또는 그린 상태에서 쇼트 피닝되는 부품들과 비교하면 매우 작다. 변형 깊이의 1/3만이 예비소결된 부품의 높은 경도로 인하여 동일한 강도를 갖게 된다.
실험치는 다음 테이블에 도시된 바와 같다.
압축 소결 쇼트 피닝 시간/알멘 강도 변형 깊이 첨부된 도면 번호
윤활식 다이 그린 1.5 s / 0.08 50 ㎛
윤활식 다이 그린 1.5 s / 0.13 100 ㎛ 960686(도1)
열간 압축 그린 1.5 s / 0.08 30 ㎛ 960685(도5)
열간 압축 그린 1.5 s / 0.13 30~50 ㎛
윤활식 다이 예비소결 3 s / 0.17 200 ㎛
윤활식 다이 예비소결 3 s / 0.21 250 ㎛ 960644(도3)
윤활식 다이 예비소결 3 s / 0.30 300 ㎛ 960642(도4)
열간 압축 예비소결 1.5 s / 0.13 200 ㎛
열간 압축 예비소결 1.5 s / 0.14 200 ㎛ 960640(도2)
열간 압축 소결 3 s / 0.17 70 ㎛
열간 압축 소결 3 s / 0.21 100 ㎛
열간 압축 소결 3 s / 0.30 130 ㎛ 960645(도6)

Claims (13)

  1. 분말 야금 부품의 예비성형을 위한 방법에 있어서,
    금속 분말을 단축방향으로 압축하는 단계와,
    상기 단계에서 얻어진 부품들에, 0.1㎜ 내지 5mm의 변형 깊이내에 전체 밀도의 90~100% 영역의 조밀화 표면층을 형성하기 위한 강도와 시간 동안에 쇼트 피닝 또는 롤링작업을 제공하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 분말 야금 부품의 예비성형을 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 단계에서 얻어진 표면 조밀화 부품를 추가의 상기 압축 단계를 받게하는 추가의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 부품의 예비성형을 위한 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 압축 부품가 쇼트 피닝 또는 롤링 작업전에 500℃ 내지 1050℃의 온도로 예비소결되는 것을 특징으로 하는 분말 야금 부품의 예비성형을 위한 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 금속 분말은 철-계 분말로 구성되는 것을 특징으로 하는 분말 야금 부품의 예비성형을 위한 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 철-계 분말은 Fe 이외에, C, Cr, Mn, Mo, Cu, Ni, P, V, S, B, Nb, Ta, N으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 요소와 필수불가결한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 부품의 예비성형을 위한 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 철-계 분말은 거의 순수한 철 입자, 예비-합금된 철-계 입자, 확산-합금된 철-계 입자, 및 철 입자와 합금요소의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 분말 야금 부품의 예비성형을 위한 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 분말은 15㎫ 이상의 굽힘 강도로 단축방향으로 압축되는 것을 특징으로 하는 분말 야금 부품의 예비성형을 위한 방법.
  8. 제 2항에 있어서, 상기 분말은 25㎫ 이상의 굽힘 강도로 단축방향으로 압축되는 것을 특징으로 하는 분말 야금 부품의 예비성형을 위한 방법.
  9. 제 3항에 있어서, 상기 분말은 25㎫ 이상의 굽힘 강도로 단축방향으로 압축되고 예비소결되는 것을 특징으로 하는 분말 야금 부품의 예비성형을 위한 방법.
  10. 금속 분말의 단축방향으로 압축된 부품에 있어서,
    0.1㎜ 내지 5mm의 변형 깊이내에 전체 밀도의 90~100% 영역의 조밀화 표면층을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 분말의 압축된 부품.
  11. 금속 분말의 단축방향으로 압축되고 예비소결된 부품에 있어서,
    0.1㎜ 내지 5mm 이상의 변형 깊이내에 전체 밀도의 90~100% 영역의 조밀화 표면층을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 분말의 압축된 부품.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 0.2㎜ 이상의 변형 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 분말의 압축된 부품.
  13. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 금속 분말은 철-계 분말로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 분말의 압축된 부품.
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