KR890001611B1 - 정밀 소결 금속제품 및 그 제조방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

정밀 소결 금속제품 및 그 제조방법

제 1 도와 제 2 도는 3%의 원소 탄소함유 철 첨가물과 함께 제조된 본 발명 제품을 연마하고 에칭하여 1500 배와 5000배로 확대한 주사전자 현미경 사진.

제 3 도와 제 4 도는 11%의 원소 탄소함유 철 첨가물과 함께 제조된 본 발명의 제품을 연마하고 에칭하여 1500 배와 5000배로 확대한 주사 전자 현미경 사진.

제 5 도와 제 6 도는 11%의 원소 니켈 첨가물과 함께 제조된 발명 제품을 연마하고 에칭하여 1500배와 5000배로 확대한 주사 전자 현미경 사진.

제 7 도는 제 1 도에서 제 6 도까지의 제품들과 동일한, 그러나 원소철 또는 니켈을 첨가하지 않고 제조한 제품을 연마하고, 에칭하여 1500배로 확대한 주사 전자 현미경사진.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 구상영역 3 : 코팅

5 : 네크 13 : 탄화크롬소구체

15 : 영역(1)의 고용체 19 : 침윤제

본 발명은 분말 야금에 관한 것이다. 부인한다면, 본 발명은 공구나 다이공동과 같은 정밀 소결 금속제품에 관한 것이다. 또한 본 발명은 취급이 가능하고, 구속되어 있지 않으며, 코발트를 함유한 주조된 예비형체(preform)으로부터 복제된 소결 금속제품을 제조함에 있어 제조 공정시의 치수변화를 감소시키거나 제거하는 방법에 관한 것이다.

복잡한 형상 및 엄격한 기계적 특성을 가진 금속제품에 대한 수요가 많아져서, 제작자들은 분말야금 방법을 이용한 부품 제작법을 강구해왔다. 그러나 분말야금에 의한 부품 제작법을 강구해왔다. 그러나 분말야금에 의한 부품 제작시, 특히 대형의 부품 제작시에는 그 치수 조절이 어렵다.

영국특허 제2,005,728A에는 구형의 비내화성 금속분말로부터 정밀부품을 제작하는 금속분말 방법이 기재되어 있다.

이 방법은 열가소성 물질을 포함한 열이산성(heat - fugitive)결합제와 상기 구형의 비내화성 금속분말의 소성 혼합물(plastic mixture)을 가요성 주형내에 주입하여 소정형상 및 소정치수의 생형제품(green article)을 형성하는 단계, 상기 생형제품을 가열하여 결합제를 제거하고 상기 구형 비내화성 분말이 네킹연결(necking)된 다공질의 일체형 다공체를 형성하는 단계, 상기 다공체를 상기 구형 비내화성 금속분말의 최저 융점 물질의 융점보다 적어도 25℃ 낮은 융점을 가지는 용융 금속으로 침윤(infiltrating)시키는 단계, 침윤된 상기 다공체를 냉각시켜 두 종류의 금속기질이 결합된 균질의 기공이 없는 비내화성 금속 제품을 형성하는 단계로 구성되어 있다. 실제로, 코발트 합금을 함유하는 구형의 비내화성 금속분말은 이러한 공정에 특히 적합하다는 것이 증명되어 있다. 즉, 상기한 분말로 부터 제조된 제품은 동일한 방법으로 제조하여 동일한 경도로 경화시킨 철기지 제품보다 내마모성 및 내부식성이 우수하다.

상기 특허 명세서에 기재되어 있는 방법에 따라 제품은 처리중에 치수변하가 매우 적다. 마스터(master)의 치수를 조절하면 상기 방법에 의해 ± 0.2% 이상의 정밀 공차를 얻을 수 있다.

상기 특허 명세서의 실시예에는 생형 성형제품과 침윤된 최종 제품의 치수를 비교했을때 0.40-1.98의 수축량을 가진 제품(마스터의 치수 조절없이 제조된 제품)이 포함되어 있다. 상기 특허명세서의 실시예에는 약하게 소결된 다공성 예비형체(preform)와 침윤된 최종 제품의 치수를 비교했을때 0.25-0.32%의 수축량을 가지는 제품이 포함되어 있다.

시판되는 공구 및 주형공동과 같은 경질 금속부품의 치수는 일반적으로 상대치 기준(예, 전체 선형치수에 대한 ±%로 표시하는 것)으로 규정되어 있다. 그러므로 상대치 기준으로는 매우 낮은 치수 변화가 발생하는 분말야금 공정은 대규모의 정밀부품의 제조에는 사용할 수 없다. 왜냐하면 분말야금 방법을 이용한 상기와같은 부품의 처리중에 발생하는 치수변화의 범위가 상기 부품에 요구되는 선형공차를 초과하기 때문이다. 또한, 길이와 폭이 일정하지 않은 제품의 제조시에는 처리중의 치수변화가 이방성(anisotropic)선형수축이됨에 의해 분말야금 공정을 이용한 제품의 정확한 복제가 곤란하다. 따라서, 분말야금 공정에 있어서의 치수변화를 감소시키는 것에 항상 요구되어 왔다. 치수변화를 감소시키면 특정 선형치수 공차를 유지함과 동시에 대형부품 또는 길이와 폭이 동일하지 않은 부품의 처리가 가능해지기 때문이다.

전술한 영국특허 멍세서에 기재되어 있는 방법을 사용하는 정밀 성형 제품의 처리중에 발생하는 치수변화의 가장 일반적인 형태는 수축이다. 종래의 압축 분말야금 압밀공정에 있어서, 압분체의 밀도를 더욱 향상시키기 위해 여러 종류의 금속분말 첨가제를 분말 압분체에 첨가했다. 분말야금 제품의 밀도의 증가가 수축의 형태로 나타나기 때문에, 전술한 특허 명세서의 공정에서 사용한 금속분말은 수축을 저지시키거나 팽창을 발생시키는 것으로 기대할 수 없다.

카보닐 니켈은 분말야금 압분체의 치밀화를 촉진하기 위하여 사용해오던 분말형태의 미세하게 분할된 금속이다("INCO 니켈 분말, 그 특성 및 용도" 인터내쇼날 니켈사의 1975년도 발행 제11면 참조). 카보닐 니켈 분말은 또한 종래의 압축 분말야금법을 이용한 철압분체의 처리시의 침윤 첨가제로서 보고되어 있다(이것에 대해서는 스냅(snape)씨의 "니켈함유 구리 침윤제에 의한 철압분체의 침윤", 국제 분말야금학회(Powdr Metallurgy International), 6,1, 20-22페이지(1974) 및 안드레오티 (Andreotti)씨등의 미합중국 특허 제3,459,547호와 제3,708,281호를 참조). 스냅씨는 구리를 철압분체에 침윤시켜서 침투하는 동안 발생하는 팽창을 관찰했다. 침투제에 카보닐 니켈분말을 첨가하면 팽창이 감소되며 따라서 보상(compensatory) 수축이 얻어졌다. 스냅씨가 설명한 니켈을 함유하는 침윤된 철압분체는 침윤제에 카보닐 니켈 분말을 첨가하지 않고 만든 철압분체에 비교하여 항복 강도는 증가되고 연신율은 감소되었다. 열처리후에, 침윤제에 카보닐 니켈분말을 첨가하거나 또는 첨가하지 않고 만든 철압분체는 항복 강도는 증가하고 연신율은 감소했다.

본 발명은 형상이 부여되고, 균질이고, 단일체인 제품으로서, 이 제품은(A) 200μm이하의 평균 직경을 가지는 다수의 구형상의 영역을 가지는 다공체로서, 상기 영역은 후방산란 전자투영(backscattered electton imaging)을 이용해서 관찰해 보았을때 코발트, 크롬, 철 또는 코발트 크롬, 니켈 또는 코발트, 크롬, 철, 니켈을 함유하는 제 1 고용체중에 균질하게 분산된 탄화크롬 소구체를 가지는 다공체와, (B) 상기 다공체에 의해 점유되지 않은 공간을 채우는 금속 또는 합금의 연속상으로 구성된 침윤제를 함유하고, 이리하여 상기 다공체 및 침윤체는 2개의 서로 얼킨 매트릭스를 형성하고 있고, 상기 제품에는 기공이 존재하지 않는 금속제품에 있어서, 상기 다공체는 코발트, 크롬, 철 또는 코발트, 크롬, 니켈 또는 코발트, 크롬, 철, 니켈을 함유하는 제 2 고용체를 함유하며, 이 제 2 고용체는 (i) 상기 제 1 고용체보다 더 많은 %의 코발트와 상기 제 1 고용체보다 적은 %의 크롬을 함유하며, (ii) 기본적으로 탄화물이 없으며, (iii) 상기 구형상 영역의 대부분을 둘러싸고 있으며, 그렇게 둘러싸여진 영역과 제 2 고용체는 연결되어 상기 다공체를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 금속제품을 제공한다.

본 발명은 또한 이런 성분을 포함하는 정밀주조 공구 및 주형 공동을 제공한다.

이외에, 본 발명은 침윤 성형 금속제품을 제작하기 위한 방법을 제공하고 있는데, 이 방법은 마스터의 가요성 주형내에 구상 코발트 함유분말과 열이 산성의 열가소성 물질로 구성되는 결합체와 이것에 상기 구상 코발트 함유분말의 중량을 기준으로 하여 11중량 %까지의 10μm 이하의 평균 입경을 가지는 원소철 또는 원소니켈 입자를 첨가하여 제조한 가소성 혼합물이 주입되고, 다음에 얻어진 소정 형상 및 치수의 생형제품이 (i)상기 주형으로 부터 제거되고, (ii)상기 결합체를 제거하기 위해 그리고 상기 구상 코발트 함유 분말을 코발트 함유 금속의 입자로 구성된 다공질이고, 단일체인 다공체의 형태로 응결시키기 위해 가열시키고, 다음에 (B) 상기 다공체가 상기 코발트 함유금속입자의 최저 융점 물질의 융점보다도 적어도 25℃ 낮은 융점을 가지는 용융금속에 의하여 침윤되고, 다음에 (C) 상기 침윤된 다공체를 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법에 의하면 마스터와 최종 집윤제품 사이에 치수변화는 극히 낮아지고, 0이 되기도 한다. 따라서, 본 발명의 방법에 의하면 엄격한 공차의 치수충실도를 가지는 정밀 소결 제품을 제조할 수 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 약 10μm 이하의 평균입경을 가진 미세하게 분할된 철 또는 니켈입자(바람직하게는 카보닐 철입자 또는 카보닐 니켈입자)를 코발트 함유 구상분말과 혼합하여 침윤된 제품을 형성하도록 처리한다. 상기와 같은 철 또는 니켈입자 첨가물을 사용하면 상기 코발트 함유 구상분말을 함유하는 다공성 예비형체(skeletal preform)의 소결 또는 침윤시 수축저지 또는 팽창효과를 얻을 수 있고, 또한 상기와 같은 철 또는 니켈 입자 첨가물이 존재하지 않으면 발생하게 되는 수축작용에 대항하는 효과를 얻을 수 있다. 미세하게 분합된 카보닐 니켈분말을 관용되는 분말야금 압밀품에 첨가하면 이 압밀품이 고밀도화(즉, 수축)하는 것에 비추어볼때, 본 발명에서 관찰되는 팽창 효과는 예기치 않은 것이다.

본 발명의 또 하나의 장점으로서 탄소함유 카보닐 철입자를 상기 코발트 함유수상 분말에 첨가하면 본 발명의 금속제품의 충격 강도를 증대시키는 한편 경도를 유지할 수 있는 점을 들수 있다.

통상 충격강도의 증대는 경도를 낮춤에 의해 얻어지는 것이므로(그 반대의 경우도 같음), 상기와 같은 탄소함유 카보닐 철입자의 첨가에 의해 경도를 상실하지 않고 충격강도를 증대할 수 있음은 더욱 예측할 수 없었던 결과이다.

본 발명의 제품을 만들기 위해서 채용된 방법은 다음과 같이 설명될 수 있다. 요구하는 형상과 치수의 복제 마스터를 사용하여 가요성이 풍부한 고무주형을 제작한다. 다음으로, 코발트 함유 금속의 구상 입자를 약 10μm 이하의 입경을 가진 원소철 또는 니켈로 구성되는 미세하게 분할된 입자와 혼합한다(이와같이 미세하게 분할된 철입자 또는 니켈입자를 이하 총괄하여 "원소입자"로 부른다). 얻어진 분말 혼합물을 열이산성 결합제와 혼합하고, 이어서 분말 - 결합제 혼합물을 상기 가요성 주형내에 넣어 원하는 최종제품과 동일한 형상으로 주조한다. 상기 분말 - 결합제 혼합물은 가요성 주형내에서 경화되거나 응고되고, 얻어진 경화된 주조 성형된 생형제품은 이형되고, 결합제의 거의 대부분을 열적으로 열화시켜 제거시키고, 생형제품의 금소입자를 가볍게 소결시키기 위해 가열된다. 그리하여 형상이 안정되고, 취급이 가능하고, 다공성인 주조 성형품 즉 "예비형체"가 제조된다. 다음에 상기 예비형체는 상기 구상입자의 융점 이하의 온도에서 침윤제에 의해 침윤 처리 된다. 경우에 따라서는 침윤처리된 제품의 물리적 특성을 개량하기 위하여 열처리를 한다. 침윤제품의 치수를 마스터의 치수와 비교하여, 양자 사이에 치수의 차이가 인정될때에는 원소입자 첨가물의 양을 변화시켜 상기 양자 사이의 치수를 일치시키는 것이 가능하다.

원소 입자의 첨가는 일반적인 것에 비하여(즉, 이와같은 원소입자 첨가없이 제조된 제품에 비하여) 최종 침윤제품의 치수에 있어서의 선형적인 수축 또는 팽창을 발생시키며, (원소입자 및 구상입자의 총중량에 대하여), 약 11중량 %이하의 원소입자를 첨가하면 상기와 같은 원소입자 첨가없이 제조된 침윤제품의 처리에 있어서 통상 인정되는 수축을 보상하는데 충분하다. 따라서 본 발명에 의하면 마스터의 치수를 보상적으로 조절할 필요없이 마스터와 최종 침윤제품간의 수축이 특히 낮거나 0이 되는 침윤제품을 얻을 수 있다.

본 발명에 사용되는 구상인 코발트 함유입자는 당업계에 있어서는 주지인 것이나, 그와같은 입자는 그로부터 만들어지는 압밀품의 생형 강도가 낮기 때문에 전술한 영국특허 명세서에 기재한것 이외의 분말야금 부품 제조방법 이외에는 통상 사용되지 않는다.

상기 구상 입자는 미국특허 제4,113,480호에 기재되어 있다.

상기 미국특허는 구상입자를 사용한 분말야금 부품 제조방법을 기술하고 있으나, 이 방법은 코발트 함유입자를 "조밀한 상태"로 소결시키고, 실질적으로, 수축이 수반되는 방법임에 주목해야 한다.

여기에서 말하는 "구상"이라고 하는 용어는 기본적으로는 구상인 것을 의미하지만, 장원체상, 편구상 또는 평장상도 포함되는 개념인 것이다. 본 발명의 제품의 가열 및 침윤시에 개개의 입자 형상은 다소 변화할수도 있으나, 그로인한 악영향은 없다. 전형적으로 상기 구상입자는 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 탄소, 규소, 붕소 및 그들의 조합을 포함하는 합금원소를 함유하고 있다. 본 발명에 사용할 수 있는 시판되는 코발트 함유 구상입자 또는 분말은 스텔라이트(stellite)라는 상품명으로 카보트사(cabot corp)에서 판매되고 있는 합금 제 1 번, 제21번 및 제157번과, "베르텍스(vertex)"라는 상품명으로 판매되고 있는 특수 금속사(Special Metals Corporation)의 CO - 6 합금을 포함한다. 이들 시판되는 분말은 일반적으로는 치수 분포곡선(중량으로 표시)이 단일 모드(mode)이고, 작은 입자와 큰 입자가 섞여있다. 본 발명을 실시하는데 있어서는 시판되는 이들 단일 모드 분말을 사용하는 것이 바람직하고, 본 발명의 주조 제품의 특성은 다중 모드(mode)분말을 사용하지 않고도 달성할 수가 있다. 시판 분말의 혼합물도 또 본 발명의 실시를 위하여 사용할 수가 있다. 상기분말의 구상인 코발트 함유금속 입자의 치수는 약 1-200μm (입경)의 광범위한 분포를 가지며, 특히 1-44μm (입경)을 구비한입자가 바람직하다. 입도가 큰 구상입자 대신 미세한 구상입자를 사용하면 우수한 표면 마무리를 가지는 침윤 부품을 형성할 수있다. 시판되는 구성 코발트 함유분말은 1μm 이하의 입경을 가지는 입자를, 적은 비율이기는 하지만, 포함하고 있다. 그와같은 작은 직경의 입자는 가공 수축량을 증대시킬 수도 있으나, 그와같은 수축이 원소입자의 첨가에 의하여 보상될 수 있는한에 있어서는 상기 1μm 이하 소경입자의 존재는 본 발명에 악영향을 주는 것은 아니다. 본 발명의 실시에 있어서, 구상 코발트 함유입자의 계산 표면적은 약 1.8×10^-2m²/g 내지 14.2×10^-2m^-2/g 이고, 가장 바람직한 것은 약 4×10^-2m²/g 내지 8×10^-2m³/g이다.

침윤 주조성형된 제품의 원하는 표면 형상은 그와같은 제품을 제조하는데에 사용되는 구상입자의 입자 치수 및 치수분포를 결정하는데에 사용되는 구상입자의 입자 치수 및 치수분포를 결정하는데 있어서 주요한 인자가 된다. 만일 정교한 디테일 내지 고도트 표면 마무리가 요구되는 경우에는 입자 치수분포는 소경인 구상입자의 비율이 크게되고, 반대로, 만일 디테일 내지 표면 마무리가 거칠어도 좋을 경우에는 대경인 구상입자의 비율이 큰 분포를 채용할 수가 있다.

구상 코발트 함유입자 및 원소입자로 부터 얻어지는 다공체가 접하는 침윤제품의 체적도 또한 구상 코발트 함유입자의 입자치수 및 치수분포를 결정하는 인자이다. 침윤화된 제품은 그 대부분이 가볍게 소결된 구상 코발트 함유입자 및 원소입자로 구성되며, 그중에서 바람직하게는 적어도 60체적%(보다 바람직하게는 적어도 65 체적%)가 구성코발트 함유입자이며, 이 구상코발트 함유입자는 약 80체적 %를넘지 않는다. 제품중에서 구상코발트 함유입자가 점유하는 체적 %는 유기결합제 및 원소입자 첨가의 정도에 따라서 제어된다. 입자치수 및 입자분포를 변화시켜서 유기결합제의 양을 조정하는 방법은 본 기술 분야에 있어서 공지된 기술이다(예를들면, R.K.McGeary 의 J.Am. Ceram. Soc (미합중국 세라믹스 학회지), 44, 513 - 22 페이지(1961)를 참조할것).

본 발명에서 사용되는 원소입자는 비교적 작은 평균입경(즉, 약 10μm 이하)을 가지고 있다. 상기 원소입자는 약 3-5μm의 평균입경을 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 입자치수 특성을 구비한 원소 금속입자는 원소철 또는 니켈의 연삭 및 선별(classifying)에 의하여 얻을 수 있으나 보다 편리하게는 카보닐 프로세스(carbonyl process)에 의하여 제조된 분말을 구입하여 사용할 수도 있다. 따라서 카보닐 철 및 카보닐 니켈입자는 본 발명에서 사용할 수 있는 바람직한 원소입자이다. 이하의 기재에서는 카보닐 철 및 카보닐 니켈입자를 사용하면 이 소경입자가 구상 코발트 함유입자간의 틈새에 채워질 수 있게되고 이와같이 원소입자 및 구상입자를 포함한 예비형체는 후속되는 소결시 형상 안정성 및 치수상의 충실성이 유지되기 쉽게 된다.

본 발명에서 사용되는 원소철 입자 및 원소 및 원소 니켈입자는 규칙적 또는 불규칙적 형상을 가질 수 있으며, 반드시 구상일 필요는 없고, 등축형상, 체인상, 섬유상 또는 플레이트상을 가질 수 있다.

본 발명에서 사용하는 시판되는 카보닐 입자는 주지인 것으로서, 제네릴 아닐리네 앤드 필림사(General Amiline and Film Co.,)에서 판매되고 있는 "TH" 및 "HP"형의 철분말 및 인터내쇼날 니켈사(International Nickel Company, Inc.)에서 판매되고 있는 "123"형의 니켈분말을 포함하며, 바람직하기로는 카보닐 철분말을 포함한다. 상기 카보닐 철입자를 사용하는 경우에는 잔류탄소를 포함하고 있는 카보닐 철입자(즉, 탄소함유 카보닐 철입자)가 바람직하다. 바람직한 시판의 탄소함유 카보닐 철분말은 "TH" 형의 분말로서, 이 분말의 입자는 약 0.8%의 탄소를 포함하고 있으며, "TH" 형 분말내의 카보닐 철입자는 약 3-5μm의 평균입경을 가진다.

통상적으로 코발트 함유 구상입자에 첨가되는 원소입자의 양은 처리중에 있어서의 성형된 제품의 치수변화를 최소로 한는데에 충분한 양으로 한다. 그러나, 첨가되는 원소입자의 양은 최종 침윤제품의 물리적 특성에 영향을 미치므로, 원소입자 첨가량은 처리중에 있어서의 치수변화량 보다도 원하는 최종 특성을 기준으로 하여 선택할 수가 있다. 일반적으로 원소입자의 첨가량은 약 3%-15%가 바람직하고, 약 3%-11%의 원소입자 첨가량이 보다 바람직하다. 약 3%-7%의 원소입자 첨가량은 시판되는 1-44μm직경의 구상 코발트 함유입자로 제조되는 제품의 치수제어 및 물리적 특성 개선에 있어 양호한 밸런스 효과를 발휘한다.

구상 코발트 함유입자에 원소입자를 첨가하는 것은 구상 코발트 함유입자만 사용하는데 비해 유기결합제 내의 분말혼합물의 체적 부하를 증가시킨다. 또 상기 구상 코발트 함유입자에 원소입자를 첨가하면 생성 주조 성형제품을 소결된 다공성 예비형체로의 가공 처리시에 그 평균 수축량을 감소시키게 되고, 원소입자 첨가량이 충분하게 많을 경우에는 생형 주조성형 제품으로부터 소결된 다공성 예비형체로의 가공처리시에 팽창이 관찰된다.

구상코발트 함유입자 및 원소 철입자 또는 니켈입자의 취급 및 혼합시 그리고 후속되는 혼합물의 처리시, 분말 혼합물내에 이물질(예를들면, 산화물)이 도입되지 않도록 주의해야 한다.

이와같은 이물질은 전술한 분말 혼합물을 포함한 다공성 예비형체의 소결 및 침윤시 환원되고, 예비형체 또는 최종 침윤제품의 바람직하지못한 치수변화를 야기시킬 가능성이 있다.

본 발명에서 사용하기에 적합한 유기 결합체는 예를들면 180℃ 이하, 바람직하게는 120℃ 이하와 같은 저온도에서 용융 또는 연화함으로써 금속분말과 유기결합제의 혼합물이 가열되었을 때에 이 혼합물에 양호한 유동성을 부여하고, 이 혼합물을 실온에서 응고시킬 수 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 주조성형된 생형제품은 통상 붕괴 또는 변형됨이 없이 용이하게 취급할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 결합제는 열이산성(heat - fugitive)인 것이다. 즉 생형제품의 가열시 연소 또는 기화되며, 이때 결합제의 기화에 기인되어 다공체 제품내의 내압이 증가하는 일이 없고, 또한 가열 단계에서 다공체 제품내에 결합제의 잔존물이 남지 않는 성질의 결합제이다.

유기열 가소제 또는 유기열 가소제와 유기열 경화제의 혼합물을 구상 코발트 함유 금속입자와 원소입자에 혼합하고, 얻어진 결합제 - 분말의 혼합물을 가열하면 주조성형 가능한 페이스트상 또는 가소물질(plasticmass)이 형성된다. 열가소성 결합제의 예는 예를들면 "걸프왁스(Gulf Wax) (가정용 파라핀)"와 같은 파라핀, 저분자량 플리에틸렌을 파라핀과 결합시킨것, 스테아린산과 올레인산의 혼합물, 올레인산, 스테아린산, 올레인산의 저알킬 에스테르, 스테아린산의 저알킬에스테르, 올레인산의 폴리에틸렌 글리콜 에스테르, 스테아린산의 폴리에틸렌 글리콜에스테르, 예를들면 "에머레스트(Emerest)" 2642(평균 분자랴이 400인 폴리에틸렌 글리콜 2 스테아린산염) 및 파라핀과 그 혼합물의 연화특성 및 유동 특성을 구비한 기타의 왁스상 및 파라핀상물질을 포함한다. 전술한 "에머레스트"는 많은 다른 열가소성 물질에 비하여 가요성 실리콘 고무주형에 흡수되는 정도가 적기 때문에 바람직한 열가소성 결합제이다.

결합제로서 열가소성 물질과 조합하여 사용할 수 있는 대표적인 열경화성 물질에는 에폭시드 수지, 예를들면 2,2 - 비스페닐 [P - (2,3 - 에폭시프로폭시)]프로판과 같은 비스페놀 A의 디글리시딜에테르가 포함되어 있고, 이 물질은 적당한 경화촉매와 함께 사용할 수가 있다. 열가소제 - 열경화제의 혼합물을 결합제로서 사용하는 경우의 혼합단계 및 주조성형 단계시 가교(corss - linking)가 열적으로 유발되지 않도록 주의해야한다. 일단 열가소제 - 열경화제에 의한 결한제 혼합물과 금속분말 혼합물이 가열된 주형내에 넣고 진동시킨 다음, 주형을 더욱 가열함에 의해 경화를 개시시킬 수가 있다. 열가소제 - 열경화제에 의한 혼합결합제는 높은 생형강도를 가지는 생형제품을 생성함으로, 결합제로서 단순히 열가소제만을 사용하여 제조한 생형제품보다 취급이 용이해진다. 또한, 열가소제 - 열경화제의 혼합물에 의한 결합제는 응고수축의 발생없이 처리 가능하지만, "에머레스트" 2642와 같은 열가소성 결합제만을 사용했을때에는 일반적으로 약간의 선형적 응고수축이 발생한다. 상기한 열가소성 - 열경화성 결합제 혼합물에 있어서의 열가소성의 결합제는, 결합제 성분을 단계적으로 열화시키기 위해, 그리고 생형 주조 성형제품이 소결시 이 생형 주조 성형제품으로부터 결합제를 순차적으로 제거시키기 위해 저분자의 열가소성 물질 또는 그 혼합물이 바람직하다. "카르보왁스(carbowax)" 200은 상기와 같은 열가소성 - 열경화성 결합제 혼합물로서 사용하는데에 적합한 열가소성 결합제이다. 또 상기 열가소성 - 열경화성 결합제 혼합물은 미경화된 결합제에 대하여는 양호한 용제가 되고, 경화가 끝난 결합제에 대하여는 불량한 용제가 되는 희석제를 함유하는 것이 바람직하다. 상기 희석제는 분말 - 결합제 혼합물이 배치되어 있는 가요성 주형재료에 의하여 최소한으로 흡수되도록 해야 한다. 또한, 상기 희석제는 결합제가 응고 또는 고화되기 전에 기화하지 않을 정도로 높은 비등점을 가지고, 또 결합제내의 임의의 성분이 열적으로 열화되기 전에 기화될 정도로 충분히 낮은 비등점을 가지고 있어야 한다. 바람직한 희석제는 약 150℃ - 210℃의 온도로 기화하는 것으로, 예를들면 저분자 폴리옥시 글리콜 및 경탄화수소오일등을 들수 있다. 1,3-브탄디올(비점은 204℃)은 희석제로서 바람직하다.

유용한 열가소성 - 열경화성 결합제 혼합물은 29.6부의 "에폰(Epon)" 825 비스페놀-A 에폭시수지, 9.1부의 "에피큐어(Epicure)" 872 폴리아민 경화제, 29.25부의 "카르포왁스(Carbowax)" 200 폴리에틸렌글리콜 및 35.75부의 1,3-브탄디올로부터 제조할 수 있다. 이 결합제는 결합제 - 금속분말 혼합물을 주형에 주입시킬때 충분한 유동성을 부여하기 위하여 약 40℃의 온도로 가열시켜야 한다. 열가소제와 희석제를 합한 양에 대한 수지의 비율이 감소함에 따라 결합제의 유동성이 증가하고, 금속분말의 부하가 증가하고, 결합제 - 금속분말 혼합물의 탈기(deairing)가 보다 용이해지고, 결합제의 열화시주조성형된 부품에 균열이 발생하는 경향이 감소한다. 그러나, 상기 배율이 감소하면 감소할수록 생형부품의 강성 및 생형상태의 치수 안정성은 일반적으로 감소한다. 따라서 전술한 성분의 양은 주어진 부품의 형상 또는 치수의 제작을 최적화하도록 경험에 의해 조절해 주어야 한다.

금속분말 혼합물 및 유기결합제는 가열된 블렌드 장치, 예를들면 시그마블레이드 믹서내에서 혼합하는 것이 바람직하며, 혼합 온도는 유기결합제의 유동성을 촉진하고, 그에따라 분말과 결합제가 균일하게 혼합되도록 하는 충분한 온도로 한다. 구상 코발트 함유입자, 원소입자 및 결합제 첨가물은 임의의 양으로 사용할 수가 있다. 결합제의 사용량은 채용된 입자의 치수 및 입자치수 분포에 따라 달라진다. 결합제는 충분한 양을 사용하여야 한다.

예를들면, 100부 금속분말에 대하여 2-10 중량부의 결합제를 사용하면 분말의 혼합물은 주형내에 유입하여 최적의 점유 상태를 나타낸다. 분말 - 결합제 혼합물은 가소성 물질을 형성하도록 가열되고, 가요성 주형내에 직접 이송된다.

뜨거운 가소성 물질을 소망의 형상으로 주조 성형하기위한 주형을 제공하기 위해 마스터로 부터 복제 패턴을 제조한다.

상기 마스터는 복제, 플라스틱, 금속 또는 그밖의 기계가공이 가능한 물질 또는 성형이 가능한 물질로부터 주지의 방법을 이용하여 제작할 수 있다. 주형재료를 적당한 용기내에 설치되어 있는 마스터의 주위에 주입하고, 주형제가 경화되면 마스터를 제거하여 마스터와 동일한 형상의 복제품을 주조할 수 있는 주형을 형성한다.

본 발명의 기술에 의하면 제작되는 금속제품은 가공하여야할 물질과 접촉하고, 이것에 변형을 주는 가공표면(즉, 가공부분)과 상기 가공표면을 소정의 변형을 부여햐여야할 적당한 위치에 유지하기 위한 지지부분을 구비할 수 있다. 예를들면, 본 발명에 이해 제조되는 코어핀은 사출성형 플라스틱 부품내에 구멍을 형성하는데에 사용할 수가 있다. 이와같은 코어핀의 가공표면은 주조성형되는 플라스틱제와 실제로 접촉하는 부분이고, 지지부분은 코어핀으로 하여금 소정의 구멍을 형성할 수 있도록 정위치에 유지시킨다.

바람직한 마스터에는 베이스상에 장치되거나 베이스에서 이격되어 연장되는 지지부분 및 가공표면이 구비되어 있다. 상기 베이스는 가공표면 - 지지부준이 제작되어지는 재료의 잔류부분으로 하던가, 상기 가공표면 - 지지부분을 제작후 당해부분을 별개의 베이스위에 장착해도 된다. 상기 마스터를 사용하는 경우, 후속되는 가벼운 소결 단계시에 베이스상에 장착되는 작업표면 - 지지부를 구비한 일체형 금속 다공체가 형성된다. 이렇게 형성된 금속 다공체는 침윤제를 금속 다공체의 잔여의 부분내에 진입시키기 전에 그 침윤제 금속을 베이스에 통과시킴에 의한 침윤시키는 것이 가능해지므로 바람직한 형상의 다공체라고 할수 있다. 금속 다공체를 베이스를 통해 침윤시킴에 의해 그 침윤제는 용해가 가능해진다.

가공표면 - 지지부분을 구성하는 금속에 의해 침윤제기 부화(enrichment)된후 다공체의 잔부가 침윤되게 된다. 침윤금속이 이와같이 부화되면 다공체를 부화되지 않은 침윤제 금속으로 침윤시킨 경우에 발생하는 치수변화가 감소된다. 부화되지 않은 침윤제로 다공체 금속을 침윤시키면 다공체 금속이 상당히 용해하기 때문이다. 침윤후, 베이스는 완전히 제거하거나, 또는 가공표면을 위한 지지부분으로서 사용되어질 소정의 형태로 기게 가공할 수 있다. 이 후자의 경우에 있어서 베이스는 지지부분의 기능 및 베이스이 기능을 동시에 가지므로 가공표면을 직접 그 베이스 위에 장착할 수 있다.

본 발명에서 사용할 수 있는 주형물질은 탄성 또는 가요성 고무형상으로 숙성되어 약 25-60의 쇼어 A경도치를 갖추고, 예를들면 마스터로 부터의 선형적 변화가 0.5% 이하, 바람직하게는 선형 변화가 0이 될수있는 것으로서, 마스터의 정교한 세부를 거의 치수변화없이 재생할수 있는 물질이다. 상기 주형물질은 예를들면 180℃의 주형 온도로 가열되었을때에 열화되지 않아야하며, 예를들면 실온과 같은 낮은 경화 온도를 구비해야 한다. 저온 경화 주형물질은 일반적으로 마스터로부터 주형으로의 정밀한 치수 제어를 유지하는 주형을 형성할 수 있다. 이에 비해 고온 경화 주형물질은 일반적으로 마스터의 치수와 다른 치수를 가지는 주형을 형성하게 된다. 치수 제어를 유지하기 위하여는, 상기 주형물질은 습도에 대한 민감성이 낮은 것이 바람직하다. 적절한 주형물질의 예로서는 다우 코닝사(Dow Corning Co.)의 1969년 1월의 책자 "RTV"08-347에 기재되어 있는 바와 같은 경화성 실리콘 고무 및 저발열성 우레탄수지를 들수 있다. 이들주형 물질은 숙성후의 수축이 적은 탄성 고무형상으로 숙성된다. 이 주형물질은 경우에 따라 약 30 체적%의 44μm 이하의 글라스비드를 첨가함에 의해 보강할 수 있다. 이와같이 보강함에 의해 주조 공정시, 특히 약 450cm³이상의 체적을 가지는 부품의 주조시에 치수조절이 향상된다.

마스터의 주형을 형성하는데 사용되는 주형물질의 양은 사용될 주형물지르이 종류 및 마스터의 형상에 따라 변화시킬 수 있다.

마스터 cm³당 약10-14cm³의 주형물질을 사용한 주형은 소정의 가요성 특성을 구비하고, 주형내의 가소성 분말 - 결합제 물질이 결합제의 고화의 이전에 발생되는 작은 정수압 수두(head)에 대항할 수 있는 충분한 강도를 구비한다는 것이 판명되고 있다.

본 발명의 제품의 주조 성형조건에 있어서는 값이싼 연질의 탄성 또는 고무주형을 사용하는 것이 가능하다. 이것은 가해지는 유일한 압력은 주형내의 가소성의 분말 - 결합제 혼합물의 정수압 수두뿐이며, 그 수두는 통상의 분말야금 압밑에 사용되는 압력 수두보다도 아주 작기 때문이다. 이와같이 주조 성형조건이 까다롭지 않으므로 매우 변형하기 쉬운 주형이 수용됨에도 불구하고 정밀하게 주조 성형된 생형제품을 얻는 것이 가능하다. 또한, 본 주조 성형 방법에 의하면 구형 분말의 유동 특성으로 인하여 균일하게 밀도를 가지는 주조 성형된 생형제품을 얻을 수 있다.

열가소성 결합제 성분의 연화점 보다도 10-20℃ 높은 또는 그 이상 높은 온도로 가열된 분말 - 결합제의 혼합물은 그와 거의 동일 온도로 예열된 진동 탄성 주형내에 송급하고, 이어서 몰드형 및 그 내용물을 진공에 유지시킬 수 있다. 금속입자의 치수 분포를 적절하게 선택하고, 적절한 유지결합제를 선택함에 의해 분말 - 결합제 혼합물의 결합도는 그 혼합물로부터 기공 또는 기포를 제거하기 위한 약간의 진동만으로 주조 성형될 수 있는 결합도가 되게 한다.

가열되고 진공화된 주형에 충전물이 투입된후, 주형이 진동을 중지시키고 주형을 등온상태에 유지한다. 예컨데 열가소성 결합제의 연화점 보다도 10℃-30℃높은 일정의 온도로 유지하거나, 또는 열경화 수지를 포함하는 결합제의 열경화 온도에서 약 1-24시간 유지한다. 이러한 등온 유지단계시 주형 및 그 내용물에 단시간 진동을 가하여 주형 및 생형주조 성형부품의 치수가 일치되게 한다.

결합제가 예컨데 35°-40℃와 같은 상당히 낮은 저온에서 용융하는 열가소제인 경우에는, 주형 및 그 내용물을(예컨데 0℃-5℃와 같이)결합제가 상당히 견고하게될 온도에까지 냉각하고 생형 주조성형 부품을 데시케이터내에서 노결을 방지하기 위함)이형시킬 필요가 있다. 결합제가 열경화성 수지를 포함하고 있는 경우에는, 그러한 냉각작용은 불필요하며, 생형 주조 성형 부품등은 등온상태에서 이형시킬 수 있다. 고체형의 생형제품은 가요성 주형의 외부에 진공을 가함에 의해 용이하게 이형시킬 수 있다. 진공 이형에 의하면 언더커트(undercut)를 구비한 형상품까지도 용이하게 이형시킬 수가 있다. 이형되어진 생형제품은 마스터와 동일한 형상을 구비한다. 이 주조 성형제품은 구형 코발트 함유 입자 및 원소입자를 지지하는 유기결합제의 매트릭스 가경화되어 있기때문에 양호한생형 강도를 구비한다. 금소입자는 유기결합제내에서 균일하게 분산되어 있으며, 이때문에(분말이 결합제내에서 균일하게 분포함으로)균일한 밀도의 생형제품이 형성됨과 아울러, 결합제가 제거된 때에는 균일한 다공도를 구비한 다공체가 형성되게 된다.

생형 주조 성형제품의 균일한 밀도는 후속되는 소결 및 침윤 단계에 있어 중요한 사항이 된다. 즉, 생형 밀도가 균일하면 생형 주조 성형제품이 가열되어 침윤될때에 형상 변형이 최소화하거나 또는 형상 변형이 발생하지 않는다. 또한 밀도가 균일하면 침윤 금속의 국부적인 기공의 형성이 최소화되거나 방지되지만 그렇지 않은 경우에는 최종 완성제품이 불안정하고, 불균일한 전기적 또는 물리적 특성을 나타내게 된다.

다공성 예비형체를 형성하기 위해서는 생형 주조 성형품은 예컨데 알루미나 베드와 같은 불활성 내화 분말 베드에 봉입하여 약하게 진동시켜줌으로써 프로그램이 가능한 노내에서 약 900℃-1150℃의 온도로 가열될 때의 치수의 이상을 방지한다. 주조 성형된 생형 제품을 가열하면 유기결합제가 제거되고, 금속 분말 혼합물은 가볍게 소결 또는 결합되어, 야금학적으로 일체이며, 취급가능한 다공질의 단일체 제품 즉 다공체가 형성된다. 여기서 말하는 "야금학적으로 일체"라는 용어는 고체상태의 원자간 확산이 발생하고 있음을 즉, 다공체의 여러가지의 금속입자간에 고체상태의 결합이 발생하고 있음을 의미하는 것이다.

결합제 열화 및 결합제 제거시에는 예비형체의 수축을 최소로 하기 위하여 프로그램화된 가열 공정을 채용하는 것이 바람직하다. 프로그램화 가열은 높은 온도 또는 긴 소결시간을 사용하는 경우에 발생하게 되는 지나친 수축을 방지하고, 따라서 다공체의 입자의 표면 및 체적 확산을 증대시켜, 그 다공체의 기공도의 감소 및 밀도의 증가를 감소시키게 된다. 프로그램화 가열은 또 내부 및 외부의 크랙이 발생하는 것을 방지하는 것으로서, 프로그램 가열이 행해지지 않는 경우, 만약 행형 주조 성형제품이 가벼운 소결 온도로 급격하게 가열되면 기체형의 결합제 열화 생형물이 급격하게 발생하기 때문에 이를 크랙이 발생하고 만다. 치수가 작은 생형 주조 성형품은 일반적으로 치수가 큰 생형제품보다 급속하게 가열해도 된다.

예컨데, 폴리에틸렌글리콜 2스테아린산염을 유기결합체로서 사용하는 경우 125cm³크기의 제품에 적당하다고 밝혀진 가열 스케줄은 다음과 같다. 단계 1 : 약 45℃/시의 속도로 실온에서 200℃의 온도까지 가열한다.

단계 2 : 약 7.5℃/시의 속도로 250℃로부터 400℃까지 가열한다.

단계 3 : 약 100℃/시의 속도로 400℃에서 가벼운 소결온도까지 가열한다.

이 프로그램화 가열은 금속입자의 산화를 방지하기 위해 분말야금 기술분야에서 잘 알려져 있는 예컨데 수소 - 아르곤 분위기, 수소 분위기, 아르곤 분위기, 또는 그밖의 중화 분위기 또는 환원성 분위기 하에서 실시된다.

알루미나를 불활성 내화성 지지물질로서 사용하는 경우 생형 주조 성형제품을 약 1050℃이상의 온도까지 가열하면 알루미나가 어느정도 생형 주조 성형제품에 부착한다. 이 이유 때문에 최종의 가벼운 소결온도가 약 1050℃이상이 될 것을 예정하고 있는 때에는 경소결 공정을 약 1050℃에서 정지시키고 얻어진 취급 가능한 주조 성형 제품을 냉각시켜, 알루미나 베드로부터 제거하는 것이 가능하다. 제품의 표면에 부착한 알루미나를 제거한후 제품은 불활성의 내화 분말내에 지지시킬 필요없이 소망의 최종 가벼운 소결온도로 가열한다. 약 1050℃이하의 경소결 온도를 사용하는 경우에는, 표면에 부착한 지지물질은 낙타털 브러시로 제거할 수 있다.

기공의 체적을 완전한 충만시키기 위해서는 기공의 체적보다 많은 양의 침윤 금속을 사용한다. 그러나, 그런 경우에는 다공체의 웨팅(wetting)이 심해지고 침윤제가 다공체의 외표면에 퇴적하는 현상, 즉 블루밍(blooming)이 자주 발생한다. 다공체의 지나친 웨팅을 방지하기 위해서는 필요량보다 약간 적은 침윤제를 사용하여 금속 다공체의 기공을 완전히 충만시키면 되지만 이렇게 하면 최종 복합 조직내에 침윤되지 않은 기공이 남게되므로, 기계적 강도 및 전기적 및 물리적 특성의 균일성이 감소된다.

표면 블루밍은 가볍게 소결된 금속 다공체의 외표면에, 예컨데 아세톤과 같은 쉽게 기화하는 담체내에 함유되는 산호 지르코늄의 현탁액을 금속 다공체 외면에 가볍게 분사하여 산화 지르코늄 박층을 코팅함으로써 감소내지 방지된다. 산화 지르코늄 분말의 코팅을 하면 침윤제의 표면 퇴적을 감소시키게 되므로, 블루밍(또는 침윤되지 않은 기공)이 발생됨이 없이 금속 다공체의 기공을 정확히 충만하는데 필요한 양이상의 침윤 금속을 사용할 수 있게 된다. 침윤이 발생하는 다공체의 외측 영역 예컨데 베이스와 산화 지르코늄 분말과의 사이의 접촉은 예컨데 그러한 영역을 마스킹 테이프로 피복함으로써 막아주어야 한다. 표면의 블루밍이 어느정도 필요한 경우, 예를 들면 은 또는 은합금으로서 침윤된 코발트 합금 금속 다공체를 가지는 장식용 제품과 같이 그것이 완전히 침윤 금속으로 형성되어 있는 것과 같은 외관을 요구받는 성형제품을 제작하는 경우에는 산화 지르코늄 코팅 단계를 선택적으로 사용하거나 전혀 사용하지 않을 수도 있다.

금속 다공체(바람직하게는 전술한 바와같이 산화 지르코늄으로 처리된)는 그 금속 다공체를 구성하고 있는 최저 융점의 코발트 함유 구형 분말의 융점 이하의 융점을 구비한 금속 내지 합금에 의하여 침윤 또는 융착된다. 상기 침윤제는 후술하는 특성을 구비하는 것이 바람직하다. 침윤제의 융점(M. P. i) 및 다공체의 최저 융점을 갖는 구형 코발트 함유입자의 융점(M. P. sp)을 절대온도로 표시했을때, M. P. i/M. P.sp의 비율은 0.98정도까지, 바람직하게는 0.95 또는 그 이하의 것을 사용할 수가 있다. 이 비율이 감소함에 따라서 치수변화도 또 감소한다. 이것은 침윤 금속의 융점과 다공체 금속 융점의 비율이 최종 침윤제품의 소망의 특성에 의하여 결정된다는 것을 의미한다.

후술하는 바람직한 특성을 가진 침윤제는 일반적으로 약 700℃이상의 융점을 구비함으로, 융점비의 하한은 약 0.5이며, 0.6이 바람직하다. 침윤제의 융점은 본 발명의 제품의 가열시 및 침윤시의 치수변화가 최소화하도록 약 1050℃이하인 것이 바람직하다.

금속 다공체의 침윤 작용은 침윤제에 압력을 가함이 없이 또한 다공체내에 침윤제의 국부적인 풀(pool)이 형성됨이 없이 모세관 작용에 의하여 균일하게 행하여진다. 침윤제는 다공체내에 균일하게 분포함으로써 최종 침윤제품의 형상 변화가 발생함이 없이 균일한 강도 및 전기적 특성이 얻어진다. 금속 다공체는 내화성의 불활성 분말로 구성된 배드위에 지지할 수가 있다. 상기 베드는 고체형 침윤물질(분말 또는 쇼트재 또는 바아재의 형태 금속 다공체와 직접 접촉하거나 또는 그러한 직접 접촉은 하지 않으나 중력에 의하여 침윤이 발생하는 금속 다공체 영역을 향해 유동가능하도록 배열된다. 액화될 동안에 상기 침윤제는 모세관 작용을 통해 다공체내에 침윤한다. 어떤 종류의 침윤물질(예컨데 15중량%의 니켈과 12중량%의 주석을 포함하는 동/니켈/주석합금)이 금속 다공체와 직접 접촉을 하면 이를 2개의 물질은 가열중에 결합한다.

또한, 침윤제와 다공체의 사이에 열팽창 계수 또는 소결 속도에 차이가 있는 경우에는 다공체의 베이스에 응력이 가해져서 크랙이 발생될 가능성이 있다. 따라서 침윤제의 종류에 따라서는 고체형 침윤제와 금속 다공체는 직접 접촉되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 사용되는 금속 침윤제는 완성된 최종 부품의 소정의 온도에 맞게 선택된다. 전기적 방전 가동 전극을 제작하고자 할때는 예컨데 등, 은 및 이들 금속의 합금과 같은 양호한 전기적 전도도를 구비한 침윤제를 사용할 수가 있다. 예컨데 구조부품과 같이 경도 및 강도가 큰 완성품이 소망될 때에는 침윤물질은 제품의 경도 및 강도를 증대시키는 후속처리 가능한 경화성 합금으로 구성할 수가 있다. 주형 또는 다이스와 같은 내충격성 부품에 대하여는 침윤제 또는 침윤화된 제품에 대하여 내충격성을 부여하는 연성 합금으로 구성할수가 있다. 다공체의 융점 이하의 융점을 구비한 또 다른 금속 및 합금을 침윤제로 사용할 수 있다. 상기 침윤제는 대량의 니켈을 포함해서는 안된다(즉, 침윤제는 약 10-15%중량 이상의 니켈을 포함해서는 안된다). 왜냐하면 그러한 대량의 니켈은 침윤시 예비형체에 열응력 크랙을 발생시킬 가능성이 있기 때문이다.

또, 그러한 대량의 니켈을 포함한 침윤제로 침윤된 다공성 예비형체는 최종 침윤제품의 베이스로부터 가공표면을 니켈 농도에 구비를 갖게하는 경향이 있다. 그러한 구배의 존재는 본 발명의 제품의 균일한 물리적 특성을 열화시키게 되므로 바람직하지 못하다.

침윤 금속은 구형 코발트 함유입자가 실질적으로 용해하지 않는 금속을 선택한다. 그러나, 원소입자는 그 첨가량이 비교적 작은 침윤된 제품의 물리적 특성 및 치수 형상에 악영향을 줌이 없이 침윤제에 대하여 어느정도의 용해도를 가질 수가 있다. 구형 코발트 입자의 침윤제에 대한 용해는 코발트 함유입자로 포화된 침윤 금속을 사용함에 의해 최소화할 수 있다. 전술한 바와같이, 용해는 또는 금속 다공체를 베이스를 통해 침화시키고, 따라서 금속 다공체를 침윤제내에 용해시킴에 의해 최소화할 수 있다.

또한, 용융 침윤 금속은 모세관 침윤을 달성하기 위하여 다공체 금속을 웨팅시켜야 한다. 기공의 총체적의 넘는 양의 과잉 침윤 금속은 금속 다공체의 외측에 침윤전에 산화 지르코늄을 코팅시킨 경우에는 사용할 수가 있다.

침윤온도에 시간 및 사용하는 침윤온도는 금속 다공체의 치수, 웨팅특성, 원소입자 첨가량 및 가공의 치수의 함수가 된다. 통상 침윤제의 융점보다 약간 높은 온도에서는 130cm³의 체적을 가진 입방체 형상의 다공체를 침윤시키는데 30분이면 충분하다.

침윤후 제품은 냉각되고, 외부의 산화 지르코늄의 코팅은 예컨데 글라스 비드피닝장치(엠파이어 어브레시브 장치사의 모델 No. S-20)의 8mm직경의 오리피스를 사용하여 1.4-2.3kg/cm²의 압력으로 피닝작용을 실시함으로써 제거된다. 만약 시효 경화성의 침윤제 또는 다공체가 채용될 경우에는 침윤된 제품은 경도 및/또는 내마모성을 증대시키기 때문에 저온의 시효 사이클에 노출시킬 수 있다. 마지막으로 여분의 침윤제 또는 베이스가 성형된 복합형성품 또는 가공표면으로부터 기계가공에 의해 절취되어 완성한 침윤 성형 금속 제품이 완성된다.

소결(및 이후의 침윤단계) 및 이로부터 발생하는 원자간 확산은 본 발명 제품의 미세조직을 변경하게 된다. 최초 상태에서 상기 구상입자는 탄화크롬입자(및 경우에 따라서는 텅스텐 카바이드 입자와 같은 다른 탄화물입자)를 포함하고 있으며, 이 입자는 코발트, 크롬 및 다른 탄화물입자)를 포함하고 있으며, 이 입자는 코발트, 크롬 및 다른 합금 원소를 포함하는 고용체중에 분산되어 있다. 전입자 중량의 3중량%를 넘지않는 양의 철은 시판되는 구상 코발트 함유입자에 존재하는 위에서 설명한 바와같은 합금원소이다.

본 발명의 제품의 결합체 열화 및 침윤공정에 있어서, 상기 원소입자는 그 원래의 형상을 상실하고, 대부분의 구상 코발트 함유입자의 둘레에 응집하여 박막 또는 코팅을 형성한다. 원소입자의 첨가량이 많을때에는(즉, 구상 코발트 함유입자의 중량을 기준으로 하여 약 7% 또는 그 이상의 원소입자가 포함되어 있을때에는)기본적으로 모든 구상입자가 그와 같이 코팅되며, 또한 코발트 및 크롬은 구상입자의 고용체에서 상기 코팅내로 확산하여, 코잘트 크롬 및 원소금속을 포함하는 제 2 의 고용체를 형성한다. 이 제 2 의 고용체는 기본적으로 탄화물이 존재하고 있지 않다.

상기 원소금속은 구상입자, 침윤제 또는 양자내에 확산하는 경향이 있다. 본 발명에서 채용하는 처리온도에 있어서는 철 보다도 니켈쪽이 용이하게 동/주석 침윤제내에 확산한다.

기본적으로 탄화물이 없는 제 2 의 고용체를 포함하는 코팅과 구상입자는 코팅 및 구상영역으로 이루어진 연결다공체를 형성하고 있다. 상기 다공체는 코팅 및 몇개의 인접하는 구상입자간의 한정된 입자간 네킹부에 의해 서로 유지되고 있다. 상기 코팅은 개개의 구상 코발트 함유입자가 서로 내부 확산하여 네크가 성장하는 것을 방지하는 경향을 가지며, 이에 따라 공정수축을 제한시킨다. 원소입자의 첨가량이 많은 경우에는 팽창이 관찰된다. 이는 첨가된 원소입자가 코발트 함유입자를 밀어내었기 때문이다.

본 발명에 의한 완성품의 가공표면을 500배의 배율로 광학적으로 조사해보면 기본적으로 구상이고 균일하지 않은 입자로 이루어진 불연속 매트릭스가 나타나 있으면, 양배추 모양의 어두운 상과 이것에 얽혀있는 밝은상이 포함되어 있는 것을 알 수 있다. 구상입자의 대부분은 이 구상입자를 둘러싸고 있는 연속 다공체의 형태를 이룬 균질물질로 이루어진 소구체에 의해 둘러싸여 있으며, 상기 다공체는 그 내부에서 서로 연결된 입자간을 관통하는 연속 침윤상을 구비하고 있다. 통상의 기계작업에 의해 발생하는 표면 냉간 가공변형 예를 들면, 불규칙한 표면금속이 존재하고 있는 증거는 볼수 없다.

본 발명에서 사용하는 물질 및 처리단계에 관한 더욱 상세한 내용은 상기 영국특허 제 2,005,728A호의 명세서 본문 및 플로챠트에 설명되어 있다.

이하, 도면을 참조하여 본원 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 제품이 제 1 도 내지 제 6 도에 도시되어 있다(상기 영국특허의 공정에 따라 만들어진)종래기술에 의한 제품은 제 7 도에 도시되어 있다. 다수의 첨부도면은 여러가지 침윤제품의 연마되고 에칭된 단면을 주사형 전자현미경(SEM)으로 조사하여 얻어진 것이다. 그와같은 시험품을 준비하는데 사용한 에칭기법은 "화학적 버프법(chemical buff)"이며, 이는 연마한 단면을 8.35g의 FeCl₂및 50ml의 농축 HCl을 100ml의 수중에 넣은 수용액으로 마찰시키는 방법이다. 연마되고 에칭된 단면은 다음에 진공증착에 의해 탄성 코팅되었다. 제 1 도에서 제 7 도에 도시한 상온 약 19KV의 가속전압의 "로빈슨"(Robinson)후방산란 전자 현미경을 사용하여 얻어진 것이며,촬영 방향은 준비한 표면에 수직 방향이다. 홀수번호의 도면은 1500x의 배율이며 짝수번호의 도면은 5000x의 배율이다. 정성 및 정량 원소분석은 트라코(Tracor)/노던(Northern) "TN/2000" ×선 원소분석 시스템을 사용하여 행해졌다.

다음에 제 1 도 및 제 2 도를 참조하면, 이들 도면에는 다음의 실시예 1의 제품이 도시되어 있다. 그와같은 제품은 3중량%의 탄소 담지카보닐 철입자를 100중량%의 구상 코발트 함유입자와 혼합함으로써 만들어졌다. 제 1 도 및 제 2 도에 나타낸 바와 같이 대략 구형의 영역(1) (구상 코발트 함유입자에서 파생한것)과 코팅(3) (카보닐 철입자에서 파생한것)이 그들의 접촉점에서 연결되어 있으며, 단일체 조직 즉 다공체 매트릭스를 형성하고 있다. 이 조직의 몇가지 부분의 연결은 네크(5)의 형태를 이루고 있으며, 이 네크는 몇개의 인접 구상 영역간에 볼수 있다. 조직의 다른 부분에 있어서는 상기 연결은 인접하는 개객의 구상 영역을 분리하고 있는 코팅(3)에 의해 행해지고 있다. 코팅(3)은 회색이며 균등한 외관을 가지며, 기본적으로 탄화물이 없는 것이 특징이다. 원소 X선 분석에 의하면 코팅(3)은 주로 코발트, 크롬, 철 및 텅스텐을 중량비로 66 : 20 : 9.6 : 4.4의 비율을 포함하는 고용체인 것이 표시되어 있다. 코팅(3)내에는 소량의 탄소 및 다른 원소도 또한 존재하고 있다. 코팅(3)의 몇개의 부분은 기공(7)을 포함하고 있으며, 이 보이드는 분명히 원래의 카보닐 철입자 제조공정 결과 생긴 것이다.

탄화 텅스텐 입자(11) (상중의 밝은색 점) 및 탄화크롬 입자(13) (상중의 검은 색의 점)는 제 1 도 및 제 2 도의 구상영역(1)중에 분산하고 있다. 구상영역(1)의 나머지는 고용체(15)이며, 주로 코발트, 크롬, 철 및 텅스텐을 중량비로 49 : 36 : 7.2 : 7.4의 비율로 포함하고 있다. 백분율을 나타내면, 구상영역(1)의 고용체(15)에 비해 코팅(3)내에는 약 33%만큼의 철이 더 포함되어 있다. 고용체(15)보다도 약 35%많은 코발트와 44%적은 크롬이 코팅(3)내에 포함되어 있다. 고용체(15)내에는 소량의 탄소 및 다른 원소도 포함되어 있다.

상기 코팅 및 구상영역은 상호 연결된 단일체 다공체 매트릭스를 형성하고 있다. 이 매트릭스는 원래의 구상 코발트 함유입자 및 카보닐 철입자에서 유도된 것이다. 침윤제(19)의 매트릭스는 단일체 다공체 매트릭스와 상호 연결되어 있다. 침윤제(19)는 동/주석 합금이며, 당해 합금내에는(카보닐 철입자로부터의 유도된)철이 본 제품의 침윤단계시에 확산해서 들어가 있다.

제 1 도 및 제 2 도를 보아 알수 있듯이, 구상영역(1)의 대부분은 코팅(3)에 의해 둘러싸여 있고, 탄화물을 함유된 고용체(15)의 대부분은 직접 침윤제(19)와 접촉하지 않고, 침윤제는 주로 코팅(3)과 접촉하고 있다. 코팅과 접촉하고 있는 개개의 구상영역(1)으로부터 외측으로 측정한 코팅(3)의 평균두께는 일반적으로 약 5μm보다 적어 통상 약 1-3μm이다.

다음에 제 3 도 및 제 4 도를 참조하면, (구상 코발트 함유입자의 중량을 기준으로 하여)11중량%의 탄소함유 카보닐 철입자 첨가에 의해 제조된 본 발명의 제품이 나타나있다. 이 제품은 다음에 나타낸 실시예 3의 제품이다. 제 3 도 및 제 4 도의 미세 조직은 대체로 제 1 도 및 제 2 도의 미세조직에 대응하고 있으며, 제 3 도 및 제 4 도의 미세조직은 구상영역과, 코팅과, 몇개의 영역간 네크와, 침윤부분을 구비하고 있다. 코팅(21)은 제 1 도 및 제 2 도의 경우와 비교하여 약간 두꺼우며, 구상영역(23)은 더욱 완전하게 둘러싸고 있다. 코팅(21)의 원소분석 결과에 의하면, 당해 코팅은 주로 코발트, 크롬, 텅스텐 및 철을 중량비 54 : 20 : 22 : 4의 비율로 포함하고 있다. 구상영역(23)내의 고용체(25)는 주로 동일원소를 45 : 32 : 16 : 6.7의 중량비로 포함하고 있다. 따라서 코팅(21)내에는 고용체(25)에 비해 약 38% 만큼 많은 철과, 20%만큼 많은 코발트와, 38% 만큼 적은 크롬이 존재하고 있다. 침윤제(29)는 제 1 도 및 제 2 도의 침윤제(19)에 비해 약간 얼룩진 외관을 나타내고 있다. 이 얼룩모양의 외관은 침윤제(19)에 비해 침윤제(26)의 연성이 약간 크기 때문에 얻어진 것이다.

다음에 제 5 도 및 제 6 도를 참조하면, 이들 도면에는(구상 코발트 함유입자의 중량을 기준으로 하여)11%의 카보닐니켈 입자를 첨가한 본 발명의 제품이 도시되어 있다. 이 제품은 다음에 나타낸 실시예 9의 제품이다. 제 5 도 및 제 6 도의 미세조직은 구상영역, 코팅, 몇개의 영역간 네크 및 침윤제를 구비하고 있다. 탄화물 입자(31) (33)과 구상영역(35)은 대체적으로 제 1 도에서 제 4 도의 그것과 서로 대응하고 있다. 상기 고용체(37)은 주로 코발트, 크롬, 니켈, 텅스텐 및 소량의 철을 포함하고 있다. 코팅(39)은 주로 코발트, 크롬, 니켈 및 텅스텐을 포함하고 있다.

제 5 도 및 제 6 도에 나타나 있는 바와같이 코팅(39)은 매우 넓고 두껍게 둘러싼 구상영역(35)을 구비하고 있다. 코팅(39)은 대체적으로 제 1 도에서 제 4 도의 코팅에 비해 두께가 두꺼운데 이는 제 5 도 및 제 6 도의 제품을 제조하는데 큰 원소입자를 사용했기 때문이다(즉, 카보닐니켈 입자는 피셔(FISHER)의 체질 치수 분류법에 의하면 3-7μm의 평균직경을 가지고 있으며, 한편 카보닐 철입자는 측정현미경에 의한 측정으로 3-5μm의 평균직경을 구비하고 있었다). 제 5 도 및 제 6 도의 침윤제(40)는 대체적으로 균질한 양상을 나타내고 있다.

제 7 도에는 제 1 도에서 제 6 도의 제품과 동일하게, 단 원소입자를 첨가하지 않고 제조된 종래기술의 제품이 도시되어 있다. 제 7 도의 제품은 다음에 나타낸 실시예 1의 비교제품이다.

제 7 도의 제품과 본 발명의 제품사이에는 시각적 및 화학적 차이를 볼수 있다. 제 7 도에 도시한 구상영역 중 몇개는 그들 주위에 탄화물을 갖지 않는 구상영역(즉 구상영역 41 및 42)이며, 제 7 도에 나타낸 구상영역의 대부분은 기본적으로 그와같은 탄화물이 존재하지 않는 주위영역은 볼수 없다(구상영역44에서 58참조).

구상영역(44) - (58)에 있어서, 명암색의 탄화물 구체(여기서는 번호를 붙이지 않았다)는 구상영역의 바로 주위에까지 연장해있다. 그와 같은 영역에 있어서는 탄화물을 함유한 고용체(60)는 침윤제(62)와 직접 접촉하고 있다. 탄화물 함유 고용체는(영역 41 및 42와 같이) 몇개의 구상영역에 있어서만 침윤제와 접촉하고 있지않다. 또 제 7 도에 있어서는 제 1 도에서 제 6 도의 경우에 비해 훨씬 많은 영역간 네크성장을 볼 수 있으며, 제 7 도의 인접 구상영역간에는 탄화물이 존재하지 않는 코발트 함유 고용체는 볼수 없다. 탄화물이 존재하지 않고, 코발트를 함유한 고용체가 있다고 하면, 그것은 상술한 소구체의 형태를 하고 있으며, 그와 같은 소구체 형상영역은 제 7 도에 나타낸 구상영역의 극히 약간의 수에서만 볼수 있다. 그와 같은 소구체를 볼수 있는 곳에서는 이 소구체는 이것과 이어져 있는 구상영역을 불완전하게 둘러싸고 있다.

구상영역(41)의 위의 영역(64)와 같은 소구체 영역의 하나를 원소분석 하였더니, 당해 소구체는 주로 코발트, 크롬, 동 및 텅스텐을 대략 66 : 21 : 7 : 5.5의 중량비로 포함하고 있음을 알았다. 이와같은 소구체내에 존재하는 철은 원래의 구상 코발트 함유입자(이것에는 약 2.69중량%의 철이 포함되어 있었다)에서 파생하고 있다. 이 철의 대부분은 탄화물 함유 고용체내에 존재하고 있으며, 당해 고용체는 전 입자중량의 약 절반을 차지하고 있다. 고용체(60)의 원소분석에 의하면 고용체는 동일 주요원소를 대략 61 : 26 : 6.1 : 6.5의 중량비로 포함하는 조성으로 이루어져 있다.

따라서 제 7 도의 구상영역의 탄화물 담지 고용체에 비해 상기 소구체 영역내에는 약 15%만큼 많은 철과, 8%만큼 많은 코발트와, 19%만큼 적은 크롬이 포함되어 있었다.

일반적으로 본 발명제품의 특징은 그것에 포함되는 구상영역의 대부분이 기본적으로 탄화물이 없는 코발트 함유 고용체에 의해 완전히 피복되어 있다고 하는 것이며, 그와같은 고용체는 중량%를 기준으로 하여, 그와같은 구상입자의 내부에 있는 탄화물을 함유한 고용체내의 철, 코발트, 크롬등의 원소량에 비해 더욱 많은 철과, 더욱 많은 코발트와 더욱 적은 크롬을 가지고 있다는 하는 것이다. 본 발명의 제품은 상대적으로 나타내어, 그와같은 탄화물이 없는 고용체에는 상기 탄화물을 함유한 고용체에 존재하는 철 또는 니켈의 %에 비해 최소한 1.3배의 %의 철 또는 니켈을 포함하고 있는 것이 바람직하다. 철원소 입자가 첨가되어 만들어진 본 발명의 제품에 있어서는 상기 탄화물이 없는 고용체는 바람직하게는 최소한 약 7%의 철을 포함하고 있고, 상기 탄화물을 함유한 고용체는 바람직하게는 최소한 약 6%의 철을 포함하고 있다. 가장 바람직하게는 이들 2개의 %는 각기 최소한 13%와 10%이다.

본 발명에 의한 침윤된 금속제품은 균일한 밀도이며, 인성이 많아 내충격성이 있고, 기본적으로는 내부 및 표면결합이 없는 것이다. 본 금속제품은 균일한 물리적, 기계적 및 전기적 특성을 나타내며, 그 최종치수는 원소입자의 첨가량을 조절함으로써 치수형상 변화를 보상하도록 조절가능하다. 그와같은 제품은 정밀한 치수형상 공차를 구비한 인성이 풍부한 제품이 요구되거나 정교한 세부를 구비한 복잡하고 복합된 형상 및 표면을 구비한 제품이 요구되는 용도, 예를 들면 금속 다이캐스트를 위한 형 및 플라스틱 사출성형을 위한 형 등에 특히 유용하다.

다음의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공하는 것으로서, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석해서는 안된다. 특별한 경우를 제외하고는 모든 부(part)비율은 중량비이다.

[실시예 1]

미합중국 시이브로-325메시 44미크론 이하의 구상 코발트함유 금속분말(카보트사에서 판매하는 "스텔라이트(stellite)" Co-1)의 100부가 시그마 블레이드믹서내에서 3부의 탄소함유 카보닐 철분(CAF 사에서 판매하는 "TH")와 혼합된다.

상기 코발트 함유 구상입자는 또한 중량 베이스로 표현하여 29.76%의 크롬과, 13.37%의 텅스텐과, 2.69%의 철과, 2.05%의 탄소와, 1.17%의 니켈과, 0.27%의 규소, 0.2%의 망간과 0.1%이상의 몰리브덴을 포함하고 있다. 그런 구상입자의 치수 데이타는 다음과 같았다.

74-53미크론 0.24%

53-44미크론 0.13%

44-20미크론 66.24%

20-10미크론 24.42%

10-5미크론 7.96%

< 5미그론 1.01%

상기 카보닐 철입자도 구상이고, 현미경 측정에 의하면 3-5미크론의 평균입경을 갖고 있다. 분말 혼합체는 4.18부의 폴리에틸렌글리콜 2스테아린산염("에머레스트"2642, 융점 36℃)와 혼합되고, 얻어진 금속 분말과 결합제의 혼합물은 66℃로 가열시켰다.

얻어진 가소물질은 3레벨블록의 형상의 가소성 몰드로 이동되었다. 3레벨블록의 최하측 레벨은 51mm×38.07mm×12.75mm의 장방형 베이스로 되어있다. 이 베이스의 상방의 중심에는 38.07mm×25.37mm×12.74mm의 장방형 블록이 있다. 이 블록의 상방에는 별도의 25.37mm길이×12.67mm폭×12.72mm폭의 장방형 블록이 쌓아올려져 있다. 이 블록의 치수중에 5개의 치수(즉 상부 2개의 블록의 길이 및 폭과 베이스 블록의 길이)는 이후의 치수변화 비교의 기준으로 이용되었다. 6번째의 치수 즉 베이스의 폭은 비교로서 이용되지 않았다.

이런것은 마스터가 이런 치수방향에 따라서 직각으로 기계가공되어있지 않기 때문이다. 몰드는 경화된 "RTV"실리콘고무로 만들어졌지만 이 실리콘 고무는 33중량%를 차지하고 44미크론 이하의 평균입경을 가진 글래스비드(glass bead)을 포함하고, 분말과 결합제의 혼합물을 첨가하기 이전에 66℃로 가열되었다.

상기 주형 및 분말 - 결합제 혼합물은 3torr의 진공화되어 66℃에서 10분간 유지되었으며, 이 사이에 공기압 진동기로 진동기를 부여하였다. 주형 및 그 내용물은 다음에 재가압되어 속이 빈 등온조로 이송되었다. 주형은 4분간 진동시켰다. 38℃의 물이 상기 등온조에서 주형의 주형하방 6mm의 수준까지 주입되었다. 주형은 조내에서 60분간 방치되었다. 조는 다음에 배수되고, 90분간 21℃의 온도로 가열되었다. 주형은 4℃의 물을 조에 가하여 냉각되고, 다음에 40분간 4℃의 상태로 방치되었다. 냉각된 주형 및 그 내용물은 데시 케이터로부터 꺼내지고, 생형제품은 곧 진공이형기를 사용하여 이형되고, 무수황산 칼슘을 함유하는 데시 케이터내에 저장되고,약 4℃로 냉각되었다. 생형제품은 데시 케이터 내에 있어서 24시간 방치되었다.

다음날, 생형제품은 알루미나 분말("알코"그레이드 100으로 4℃로 냉각)을 함유하는 흑연보트내에 놓여지고, 불활성의 내화 분말을 생형제품의 주위에 가볍게 채워넣기 때문에 약하게 진동을 부여하였다. 내용물은 콤퓨터로 제어된 린드버그(Lindbery)전기로의 레토르트내에 놓여지고, 그 레토르트는 알루미나 분말이 노내에서 산란하는 것을 방지하기 위하여 천천히 진공상태가 되었다. 약 0.5torr의 진공도를 부여하던 거의 대부분의 반응성 가스를 제거하는데 충분하고, 노는 이리하여 5%의 수소를 함유하는 아르곤 분위기 하에서 급속히 다시 충만되었다. 가열 사이클 중에는 170¹/시의 유량을 가지고 동적 가스분위기가 유지되었다. 노는 39.2℃/시의 속가열속도로 실온에서 170℃로, 7.5℃시의 속도로 170℃에서 298℃로, 9℃/시의 속도로 298℃에서 450℃로, 100℃/시의 속도로 450℃에서 1050℃로 각각 가열되고, 결합제를 열화 제거하고, 카보닐 입자가 구상 코발트 함유입자를 코팅하여 그 입자내에 확산하는 것을 허용하고, 금속입자가 취급 가능한 다공체로 응결하는 것을 허용하기 위한 1050℃의 온도가 1시간 유지되었다. 이 시점에서 가열이 차단되고, 상기 보트 및 그 내용물은 3시간에 걸쳐서 750℃로 냉각되고, 다음에 8시간에 걸쳐서 750℃에서 150℃로, 모두가 노중에 동적가스 분위기가 8시간 유지된채 냉각되었다. 다공체 제품은 알루미나 베드에서 꺼내지고, 이면에 부착한 알루미나를 제거하기 위하여 낙타털 브러시로 제거했다.

3레벨 생형 주조성형 형상의 상부의 2개의 블록의 길이와 폭과 이 3레벨 생형형상체의 베이스의 길이(합계 5치수)가 서로 대응하는 3레벨 예비해체의 치수와 비교되었다. 5개의 치수에 대하여는 평균하여 0.1%의 선형 수축량이 관찰되었다.

상기 예비형체는 그 베이스를 아래로하여 세트되었다. 베이스의 측면의 최하측노출 부분주연의 3mm폭의 영역은 테이프에 의하여 마스킹 되었다. 예비형체가 노출한 표면은 다음에 10g의 산화질코늄 분말(약 1-5μm직경)을 100ml의 아세톤에 넣은 것으로 구성되는 에어졸 현탁액에 의하여 분사되었다. 마스킹 테이프를 제거한후 다공성 예비형체는 흑연 보트내에 위치한 알루미나 베드내에 놓여졌다. 374g(다공체의 중량의 분말의 무게)의 동/주석 분말이 용융되면 액상의 동 - 주석합금이 모세관 작용에 의하여 예비형체의 저부내에 유입하도록 예비형체의 하방에 배치되었다. 보트 및 그 내용물은 전기로내에 놓여지고 노는 0.05torr까지 진공된후 수소로 재충전되었다. 28.31/시의 유량의 동적 수소 분위기가 유지되고, 한편 온도는 2시간에 걸쳐서 실온으로부터 1050℃로 승온되고, 이 온도에서 1시간 유지되었다. 침윤후, 노는 작동 중단되고 침윤제품은 냉각되었다. 외측의 산화 지르코늄 코팅은 1.4-2.8kg/cm³의 압력을 가해서 8mm의 오리피스를 통해 44μm이하의 글라스비드를 방출하는 피닝 처리에 의해 제거되었다.

침윤된 3레벨 블록의 상부의 2개의 길이 및 폭과, 침윤된 3레벨 블록의 베이스의 길이(합계 5치수)가 다공성 예비형체의 치수와 비교되었으나, 2.54×10^-3mm(0.0001인치)의 정밀도의 측정으로서는 아무런 치수 변화도 측정되지 않았다. 최종 침윤된 제품의 수축량은 원래의 생형 형상체에 비하여 0.1%에 유지되었다. 피닝처리한 제품은 절단하고 금속 조직학적으로 연마, 에칭을 행하였다. 1500x로 광학적으로 검사한바, 제품은 기본적으로 균질이고(즉, 다공체와 그 중에 포함되는 침윤제는 불규칙하게 분포되어 있음), 아무런 내부균열, 큰 기공, 또는 다른 불연속 부분도 인정되지 않았다.

3개의 충격바가 동일 공정으로 주조성형되고, 로크웰 C스케일로 테스트되었다. 이들 시편의 평균 로크웰 C경도는 41.3이었다. 이어서 충격바 시편은 샤르피 충격시헙기에 의하여 파괴되었다. 이 시편에 대하여는 12.2주울(9.0ft/Ibs)의 비노치(unnotch)충격강도를 얻을 수 있었다.

비교를 위하여 3레벨 블록과 3개의 충격바가 전술한 공정에 따라서, 다만 카보닐 분말을 첨가함이 없이 제작되었다. 구상 코발트 함유입자의 결합제내에서 분말부하는 전술한 75.1%보다 적은 74.3%였다. 생형주조 성형품과 비교한 경우의 소결 다공체 제품의 수축량은 평균 0.22%이고, 이것은 전술한 0.1%의 값보다는 큰 값이다. 비교용 3레벨 블록의 부가적 수축이 침윤 단계에서도 발생하고, 그결과, 생형주조 성형품으로부터 최종의 침윤제품까지의 합계처리 수축량은 0.23%이고, 이 값은 전술한 합계 처리 수축량 1%보다 크다. 카보닐 입자의 첨가를 행하지 않고 제작한 충격바에 대한 로크웰 경도는 40.5이고, 이 값도 전술한 41.3의 값보다 낮다. 카보닐 입자를 첨가하지 않고 제작한 충격바의 비노치 샤르피 충격시험치는 8.54주울(6.3ft/Ibs)이고, 이것은 전술한 12.2주울(9.0ft/Ibs)보다도 30%적은 값이다.

이 실시예에 의하면 탄소를 함유한 카보닐 철입자를 3중량% 만큰 구상 코발트 함유입자에 첨가함으로써, 금속 분말 혼합물의 결합제내에서의 보다 높은 입자부하를 얻을 수 있고, 소결시에 수축량이 감소하고, 동시에 로크웰 경도 및 비노치 충격강도도 증대하는 것이 입증되었다.

[실시예 2 - 실시예 9]

실시예의 방법을 사용하여 여러가지 레벨의 탄소함유 카보닐 철, 탄소를 포함하지 않는 카보닐 철 및 카보닐 니켈의 구상 코발트 함유입자에 첨가되었다. 이하의 표 1에는 전술한 바와같이 제작한 3레벨 블록에 있어서의 카보닐 첨가 레벨(구상 코발트 함유입자의 총중량에 대한 중량%로 표시,) 결합제내에 있어서의 합계 분말 부하(loading), 생형 주조성형품으로부터 다공성 예비형체로의 치수변화(수축량은 "-"로 표시하고, 팽창량은 "+"로 표시한다), 및 생형 주조성형품으로부터 최종 침윤제품으로의 치수 변화(수축량은 "-"로 나타내고, 팽창량은 "+"로 나타낸다)가 제시되어 있다. 표1에는 또 여기에 나타내는 카보닐 분말 첨가량을 가지고, 전술한 바와같이 제작되어 시험된 충격바의 로크웰 경도와 비노치 샤르피 충격강도도 표시되어 있다.

이들 실시예에 의하면 원소입자 첨가의 수준이 증대함에 따라 처리에 따르는 수축은 저지되어 있음을 알수 있다. 충분히 높은 원소입자 첨가의 수준에 있어서는 근소한 처리 팽창이 발생한다. 충격강도는 원소입자의 첨가가 없을 경우에 비하여 실질적으로 증대하고 있고, 한편 로크웰 경도는 그와같은 첨가에 의하여 그대로 유지되거나 개선되는 경향이 있다.

본 발명은 본 발명의 범위내에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변경 및 개조가 가능하다.

[표 1]

Claims (9)

1. (a) 200μm이하의 평균직경을 가지는 다수의 구형상의 영역(1,23,35)을 가지는 다공체로서, 상기 영역은 후방산란 전자 투영을 이용해서 관찰해 보았을때 코발트 .크롬을 함유되는 제 1 고용체(15,25,37)중에 균질하게 분산된 탄화크롬 소구체(13,35)와, (b) (i) 상기 제 1 고용체(15,25,37)보다 더 많은 %의 코발트와 상기 제 1 고용체보다 적은 %의 크롬을 함유하며, (ii) 기본적으로 탄화물이 없으며, (iii) 상기 구형상 영역(1,23,35)의 대부분을 둘러싸고 있으며, 그렇게 둘러싸여진 영역(1,23,35)과 제 2 고용체(2,21,39)는 연결되어 다공체를 형성하는 코발트와 크롬을 포함하는 제 2 고용체(3,21,39)와, (c) 상기 제1 및 제 2 고용체의 추가성분으로서의 철 또는 니켈을 포함하는 다공체 ; 및 상기 다공체에 의해 점유되지 않은 다공체의 공간을 채우는 금속 또는 합금의 연속상으로 구성되고, 이에 의해 상기 다공체와 연결되어 2개의 서로 연결된 매트릭스를 형성하는 침윤제를 포함하는 것을 특징으로 하는 형상이 부여되고, 균질이고, 단일체이고, 기공이 없는 정밀소결 금속제품.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 고용체(15,25,37)내에는 텅스텐 탄화물 소구체(11,31)과 균일하게 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 정밀 소결 금속제품.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 고용체(3,21,39)내의 철 및 니켈의 총함량은 상기 제 1 고용체(15,25,37)내의 철 및 니켈을 총함량보다 더 많은 것을 특징으로 하는 정밀 소결 금속제품.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 고용체(3,21,39)내의 철과 니켈을 합한 %함량은 상기 제 1 고용체(15,25,37)내의 철과 니켈을 합한 %함량의 1.3배 이상인 것을 특징으로 하는 정밀 소결 금속제품.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 고용체(15,25)는 6%이상의 철을 함유하며, 상기 제 2 고용체(3,21)는 7%이상의 철을 함유하는 것을 특징으로 하는 정밀 소결 금속제품.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 고용체(25)는 10%이상의 철을 함유하며, 상기 제 2 고용체(21)는 13%이상의 철을 함유하는 것을 특징으로 하는 정밀 소결 금속제품.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 구상영역(1,23,35)이 1-44um의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 정밀 소결 금속제품.
8. 제 1 항에 있어서, 개개의 구상영역(1,23,35)을 싸고있는 상기 제 2 고용체(3,21,39)부분은 상기 구상영역(1,23,35)의 중심으로부터 반경방향 외측으로 측정했을때 5um이하의 평균두께를 구비하는 것을 특징으로 하는 정밀 소결 금속제품.
9. 제 1 항에 따르는 정밀 소결 금속제품의 제조방법에 있어서, 마스터의 가요성 주형내에 구상 코발트 함유 분말과 열이 산성의 열가소성 물질로 구성되는 결합제와 이것에 상기 구상 코발트 함유 분말의 중량을 기준으로 하여 11중량%까지의 10um이하의 평균 입경을 가지는 원소철 또는 원소니켈 입자를 첨가하여 제조한 가소성 혼합물이 주입되고, 다음에 얻어진 소정 형상 및 치수의 생형제품이(i) 상기 주형으로부터 제거되고, (ii) 상기 결합제를 제거하기 위해 그리고 상기 구상 코발트 함유 분말을 코발트 함유금속의 입자로 구성된 다공질이고, 단일체인 다공체의 형태로 응결시키기 위해 가열시키고, 다음에(B) 상기 다공체가 상기 코발트 함유 금속입자의 최저 융점 물질을 융점보다도 적어도 25℃ 낮은 융점을 가지는 용융 금속에 의하여 침윤되고 다음에(c) 상기 침윤된 다공체를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 정밀 소결 금속제품의 제조방법.

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