KR100388335B1 - 분말 야금 조성물 및 그에 사용되는 윤활제 - Google Patents

분말 야금 조성물 및 그에 사용되는 윤활제 Download PDF

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Abstract

본 발명은 10 내지 60 중량%의 지방산의 리튬염, 0 내지 40 중량%의 지방산의 아연염, 및 40 내지 90 중량%의 지방산 비스-아미드를 포함하는 분말 야금 조성물용 윤활제에 관한 것이다. 윤활제의 10 내지 60 중량%는 리듐염 및 아연염으로 구성된다.

Description

분말 야금 조성물 및 그에 사용되는 윤활제 {POWDER METALLUGICAL COMPOSITION AND LUBRICANT USED THEREIN}
분말 금속 산업에서는 자동차 및 전자 산업에 사용되는 다양한 형태와 크기를 갖는 일체형 금속 부품으로 처리될 수 있는 철계(iron-based) 분말 조성물을 개발해 왔다. 기지 분말(base powder)로부터 금속 부품을 제조하는 한 가지 기술은 분말을 다이의 내부 공간에 장입하고 고압 하에서 압축 성형시킨 후, 그 결과물을 다이의 내부 공간로부터 빼내어 소결시키는 것이다.
다이 내부 공간의 과도한 마모를 피하기 위해, 압축 성형 공정(compaction process) 동안 윤활제가 사용되는 것이 일반적이다. 윤활 작용은 일반적으로 고형 윤활 분말과 철계 분말을 혼합하거나(내부 윤활), 윤활 용액을 다이의 내부공간 표면 상에 분사시킴으로써(외부 윤활) 이루어진다. 경우에 따라서는, 이러한 두 기술이 모두 사용된다. 현재 사용되고 있는 거의 모든 윤활제는 자연적으로 생성되는 장쇄 지방산(long-chain fatty acids)에서 얻어진다.
가장 일반적인 지방산은 카르복시산 그룹 -COOH과 혼합되는 지방성 고리 CH3·(CH2)16로 구성되는 스테아르산(C17H35COOH)이다. 금속 분말과 혼합될 때, 이러한 지방산은 빠른 유동, 높은 겉보기 밀도 및 양호한 윤활성을 제공한다. 지방산은 용융점(64℃)이 낮기 때문에, 분말과 혼합되는 동안 연화(softening)되는 문제점을 발생시킬 수 있다. 따라서 스테아르산염 즉 지방산의 금속 비누(metallic soap)가 보다 널리 사용된다. 이러한 금속 비누의 주요 단점은 금속 성분이다. 연소 시 지방산 고리는 쉽게 휘발되지만, 금속은, 비록 추후의 환원 분위기에서 환원될 수도 있기는 하지만, 산화물 또는 탄산염으로 잔존하게 된다.
가장 폭넓게 사용되는 금속 비누는 유동성이 우수한 아연 스테아레이트(zinc stearate)이다. 환원 분위기에서는, 초기 분해 후에 잔존하던 아연 산화물이 아연으로 환원되고, 이 아연은 비등점이 낮기 때문에(907℃) 쉽게 휘발된다. 불행하게도, 노의 차가운 부분이나 외부 분위기와 접할 때, 이 아연은 응축되어서 아연 산화물을 형성하는 경향이 있다. 이러한 응축이 있으면 노를 정기적으로 세정해야만 하기 때문에 공정이 중단되는 결과를 가져온다.
본 발명은 분말 야금 조성물용 윤활제 및 이러한 윤활제를 포함하는 분말 야금 조성물에 관한 것이다. 또 본 발명은 이 윤활제를 사용함에 의해 소결 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
금속 비누와 관련된 이와 같은 문제점들은 왁스와 같은 완전한 유기 재료를 사용함으로써 피할 수 있다. 분말 야금 분야에서 가장 폭넓게 사용되는 것은 에틸렌-비스스테아르아미드(예를 들어 아크라왁스 씨(Acrawax C))이다. 이러한 재료는 용융점(140℃)이 높지만, 비교적 저온에서 연소되며 금속 잔류물을 남기지 않는다. 가장 심각한 단점은 금속 분말 내에서의 유동 거동이 나쁘다는 점이다.
더욱이, 지방산 아연염과 지방산 비스-아미드의 혼합물은 성능이 좋지 않기 때문에 분말 야금 산업에 적용되지 않고 있다.
본 발명자는 배출력(ejecting force)이 낮고 그린 강도(green strength) 및 그린 밀도(green density)가 높은 제품 압축 성형 제품을 제조하는데 사용되는 윤활제가, 하나 이상의 지방산의 리튬염, 선택적으로는 아연염, 및 지방산 비스아미드를 포함하는 윤활제에 의해 얻어질 수 있음을 알아 내었다. 보다 상세하게 설명하면, 지방산 금속염의 양은 본 발명에 따른 윤활제의 약 10 내지 60 중량%를 구성해야 한다. 리튬염의 양은 10 내지 60 중량%이며, 아연염의 양은 0 내지 40 중량%이다. 아연염의 양은 윤활제의 10 중량% 이상이 바람직하며, 윤활제의 15 중량% 이상이 가장 바람직하다. 비스아미드 제품의 양은 40 내지 60 중량%이다.
지방산의 리튬염의 전형적인 예로는 리튬 라우레이트, 리튬 미리스테이트, 리튬 팔미테이트, 리튬 스테아레이트, 리튬 베헤네이트, 리튬 몬타네이트, 및 리튬 올레이트가 있는데, 이들은 12 내지 28개의 탄소 원자를 갖는 지방산 리튬염이다.
지방산의 아연염의 전형적인 예는 아연 라우레이트, 아연 미리스테이트, 아연 팔미테이트, 아연 스테아레이트, 아연 베헤네이트, 아연 몬타네이트, 및 아연 올레이트 등이 있는데, 이들은 12 내지 28개의 탄소 원자를 갖는 지방산 아연염이다.
지방산 비스-아미드의 전형적인 예는 메틸렌 비스-라우르아미드, 메틸렌 비스-미리스트아미드, 메틸렌 비스-팔미트아미드, 메틸렌 비스-스테아르아미드, 에틸렌 비스-베헨아미드, 메틸렌 비스-올레아미드, 에틸렌 비스-라우르아미드, 에틸렌 비스-미리스트아미드, 에틸렌 비스-팔미트아미드, 에틸렌 비스-스테아르아미드, 에틸렌 비스-베헨아미드, 에틸렌 비스-몬탄아미드, 및 에틸렌 비스-올레아미드 등이 있다.
윤활제는 바람직하게는 상기 성분들을 혼합하고 용융시킴으로써 준비되며, 이렇게 하여 얻어진 혼합물은 이후 냉각되고 적절한 입자 크기로 미세화된다(micronized).
이하, 바람직한 실시예들을 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
실시예 1∼5
이하의 표 1에 도시된 조성을 갖는 5개의 상이한 윤활 샘플을 준비한다.
실시예 번호 1 2 3 4 5
리튬 스테아레이트 (중량%) 10 35 60 20 20
아연 스테아레이트 (중량%) 0 0 0 15 40
에틸렌비스-스테아르산 아미드(중량%) 90 65 40 65 40
미분화된(atomized) 강분말(10kg)을 샘플 윤활제 1∼5(80g)와 혼합시키며, 각각의 분말 혼합물을 겉보기 밀도, 그린 밀도(5 내지 7 톤/cm2), 배출력, 그린 강도, 및 소결 밀도의 관점에서 실험하였다. 소결은 염기성 분위기에서 1120℃로 30분 동안 수행하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.
실시예 번호 1 2 3 4 5
압축 성형 전의 원료의겉보기 밀도 (g/cm3) 3.16 3.20 3.25 3.25 3.25
압분체의 배출 압력(kgf/cm2) 압축 성형 압력5톤/cm2 102 105 106 104 106
압축 성형압력7톤/cm2 117 114 120 115 121
압분체의 밀도 (g/cm3) 압축 성형 압력5톤/cm2 6.95 6.96 6.95 6.95 6.94
압축 성형 압력7톤/cm2 7.14 7.10 7.11 7.14 7.10
압분체의 강도(kgf/cm2) 압축 성형 압력5톤/cm2 131 135 130 137 130
압축 성형 압력7톤/cm2 181 188 182 192 183
소결된압분체의 밀도 (g/cm3) 압축 성형 압력5톤/cm2 6.94 6.95 6.93 6.96 6.95
압축 성형 압력7톤/cm2 7.14 7.11 7.11 7.13 7.10
이후, 표 3에 나타낸 조성물을 갖는 5개의 상이한 윤활 샘플(비교예 1∼5)이 비교용으로 준비되었다.
비교예 번호 1 2 3 4 5
리튬 스테아레이트 (중량%) 100 0 0 65 0
아연 스테아레이트 (중량%) 0 100 0 35 35
에틸렌비스-스테아르산 아미드(중량%) 0 0 100 0 65
이들 샘플들은 상기와 동일한 방법으로 시험하며, 그 결과를 표 4에 나타내었다.
비교예 번호 1 2 3 4 5
압축 성형 전의 원료의 겉보기 밀도 (g/cm3) 3.44 3.22 3.02 3.09 3.35
압분체의 배출 압력 (kgf/cm2) 압축 성형 압력5톤/cm2 128 125 118 127 118
압축 성형 압력7톤/cm2 141 140 134 145 135
압분체의 밀도 (g/cm3) 압축 성형 압력5톤/cm2 6.88 6.85 6.77 6.81 6.87
압축 성형 압력7톤/cm2 7.01 6.99 6.88 6.95 6.98
압분체의 강도(kgf/cm2) 압축 성형 압력5톤/cm2 109 105 119 106 120
압축 성형 압력7톤/cm2 146 149 162 150 161
소결된 압분체의 밀도 (g/cm3) 압축 성형 압력5톤/cm2 6.87 6.86 6.79 6.83 6.86
압축 성형 압력7톤/cm2 6.99 6.98 6.88 6.96 6.98
실시예 6
대형 소결로(생산량 약 200톤/개월)와 중간급 소결로(생산량 약 100톤/개월)에서의 소결에 의해 그린 압축 성형체(green compact)를 제조하는데 사용되는 윤활제를, 수년 동안 사용되어 왔던 아연 스테아레이트(비교예 6)로부터 표 5(실시예 6)에 나타난 중량%로 제조된 분말 윤활제로 변경하였다. 그 결과, 아연 스테아레이트를 사용하는 경우에는 노 내부를 일년에 3차례 정도 주기적으로 세정하였으나, 윤활제를 교환한 후에는 1.5년이 지난 후에도 축적물을 세정하기 위해 노를 정지시키지 않아도 되었으며, 그후에도 눈에 띠는 축적물이 발견되지 않았다.
화학 성분 실시예 6 비교예 6
리튬 스테아레이트 (중량%) 20 0
아연 스테아레이트 (중량%) 15 100
에틸렌비스-스테아르산 아미드 (중량%) 65 0
발명의 효과
실시예 1∼6에서 명백한 바와 같이 본 발명에 의하면, 소결로를 오염시키지 않으면서, 금속 분말이 금속 몰드 내로 충전될 때의 벌크 밀도가 높고, 금속 몰드로부터 빼내기 위한 배출 압력이 낮으며, 형성된 압축 성형체의 밀도 및 강도가 개선되고, 소결된 압축 성형체의 밀도가 개선되는 분말 야금용 분말 윤활제를 제공할 수 있다.

Claims (7)

10 중량% 이상 60 중량% 미만의 지방산 리튬염과,
40 중량% 이하의 지방산 아연염과, 그리고
40 중량% 이상 90 중량% 미만의 지방산 비스-아미드를 포함하는 분말 야금 조성물용 윤활제에 있어서,
상기 윤활제의 10 내지 60 중량%가 상기 리튬염 및 아연염으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 분말 야금 조성물에 사용되는 윤활제.
제 1항에 있어서, 상기 지방산은 12 내지 28개의 탄소원자를 갖는 포화 지방산 또는 비포화 지방산으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 분말 야금 조성물에 사용되는 윤활제.
제 2항에 있어서, 상기 지방산 비스-아미드가 에틸렌 비스-스테아르아미드인 것을 특징으로 하는, 분말 야금 조성물에 사용되는 윤활제.
삭제
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 윤활제의 형태는 용융 후 미세화 처리된(micronized) 분말 형태인 것을 특징으로 하는, 분말 야금 조성물에 사용되는 윤활제.
철계(iron-based) 분말과 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 윤활제를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 조성물.
제 4항에 있어서, 상기 아연염의 양이 상기 윤활제의 15 내지 40 중량%인 것을 특징으로 하는, 분말 야금 조성물에 사용되는 윤활제.
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