KR100686426B1 - 소결성을 개선한 금속 사출성형용 합금강 분말 및 소결체 - Google Patents

Abstract

종래의 소결용 합금의 문제점인 제품 강도의 저하, 온도 관리의 곤란성을 없애 소결로의 생산성 향상에 기여하는 금속사출성형용 합금강 분말 및 그 소결체를 제공한다.

질량%로, C : 0.1∼1.8%, Si : 0.3∼1.2%, Mn : 0.1∼0.5%, Cr : 11∼18%, Nb : 2∼5%, 나머지 : Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 분말, 혹은 더욱 Mo, V, W의 적어도 1종을 5.0% 이하 포함하는 것을 특징으로 하는 금속사출성형용 합금강 분말, 혹은 이러한 분말의 소결체(단, C : 0.1∼1.7%)이다.

도 6∼9에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 금속사출성형용 합금강 분말은, 소결 온도가 50℃ 폭에 걸쳐서 소결 밀도가 일정한 소결체를 얻을 수 있어, 소결 온도 관리가 용이해져서, 생산성이 향상한다.

Description

소결성을 개선한 금속 사출성형용 합금강 분말 및 소결체{ALLOY STEEL POWDER FOR METAL INJECTION MOLDING IMPROVED IN SINTERING CHARACTERISTICS AND SINTERED ARTICLE}

본 발명은, 고경도, 고내식성의 마르텐사이트(martensite)계 스테인레스강이나 합금 공구강의 복잡한 형상의 부품을 치수 정밀도가 좋게 얻기 위해 효과적인 금속사출성형(MIM)용 합금강 분말 및 소결체에 관한 것이다.

고경도, 고내식성의 소결체를 얻기 위한 금속사출성형용 분말로서, 종래부터 SKD11, SUS420, SUS440C 등이 이용되고 있다. 이러한 Cr탄화물을 주체로 하여 경도를 얻는 강의 종류는, 그 소결온도 영역에서는 오스테나이트(austenite)상을 나타내고, 소결을 진행시키기 위한 원소이동(확산) 속도가 페라이트(ferrite)상에 비해 늦기 때문에, 소결성이 나쁘다. 한편, 소결을 진행시키기 위해서 액상출현 온도영역까지 온도를 높이면, 단번에 대량의 액상이 생성되고, 탄화물이 결정입계에 네트워크 상태로 형성되어, 제품 강도를 현저하게 저하시키거나, 심하게는 제품 형상을 유지할 수 없게 될 만큼 변형되어 버린다. 그것을 피하기 위해서는, 소결온도를 ±5℃ 즉 10℃ 정도의 매우 좁은 온도범위로 관리하여 진행시키지 않으면 안된다. 그 때문에, 생산성을 희생하여 소결로의 사용 가능영역을 규제하지 않을 수 없었다.

본 발명은 상기 종래의 소결용 합금의 문제점인 제품 강도의 저하, 소결온도 관리의 곤란성을 없애고, 제품 특성의 개선 및 소결로의 생산성 향상에 기여하는 금속사출성형용 합금강 분말 및 소결체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서 본 발명은 아래와 같은 구성으로 이루어진다.

(1) 질량%로, C : 0.1∼1.8%, Si : O.3∼1.2%, Mn : 0.1∼0. 5%, Cr : 11.0∼18.0%, Nb : 2.0∼5.0%, 나머지 : Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결성을 개선한 금속사출성형용 합금강 분말.

(2) 질량%로, C : 0.1∼1.8%, S i : O.3∼1.2%, Mn : 0.1∼0.5%, Cr : 11.0∼18.0%, Mo, V, W 중의 적어도 1종 : 5.0% 이하, Nb : 2.0∼5.0%, 나머지 : Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결성을 개선한 금속사출성형용 합금강 분말.

(3) Mo, V, W 중의 적어도 1종이 O.3∼1.6%인 상기 (2)에 기재된 소결성을 개선한 금속사출성형용 합금강 분말.

(4) 질량%로, C : 0.1∼1.7%, Si : 0.3∼1.2%, Mn : 0.1∼0.5%, Cr : 11.0∼18.0%, Nb : 2.0∼5.0%, 나머지 : Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결성을 개선한 금속사출성형용 합금강 소결체.

(5) 질량%로, C : 0.1∼1.7%, Si : 0.3∼1.2%, Mn : 0.1∼0.5%, Cr : 11.0∼18.0%, Mo, V, W 중의 적어도 1종 : 5.0% 이하, Nb : 2.0∼5.0%, 나머지 : Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결성을 개선한 금속사출성형용 합금강 소결체.

(6) Mo, V, W 중의 적어도 1종이 0.3∼1.6%인 상기 (5)에 기재된 소결성을 개선한 금속사출성형용 합금강 소결체.

본 발명의 주목적은, Cr탄화물을 주체로 하는 강 종류에 Nb을 첨가하는 것에 의해서, 확산성이 낮은 Nb탄화물을 생성시키는 것이다. 이 Nb탄화물은 확산 속도가 느리기 때문에, 금속사출성형물을 소결할 때에 확산하여 조대화(粗大化)하기 어렵고, 또, Cr탄화물도 이 Nb탄화물을 핵으로 하여 석출한다.

이 Nb탄화물의 핀 고정효과를 이용하여, Cr탄화물만 존재하는 경우와 비교하여, 탄화물의 조대화, 네트워크화를 억제할 수 있다.

본 발명의 조성에 있어서, C는 탄화물을 형성하여 경도를 가지게 되어, 마르텐사이트 조직으로 한다. 분말의 C량의 범위는 0.1∼1.8%가 바람직하다. C의 양에 의해서 소결 온도나 소결 밀도가 변화한다. 따라서, 분말을 성형할 때에 적절히 흑연을 첨가하여, 소결품의 C량을 0.1∼1.7%로 조정한다. 그래서, 소결 밀도가 높은 소결체를 용이한 온도 관리 하에 제조하는 것이 가능해진다. 분말, 소결체 모두 하한량을 0.1%로 한 것은, 상술의 Nb탄화물을 만드는데 필요한 최저량임과 동시에, 매트릭스 중에 C가 고용(固溶)하여 마르텐사이트를 만드는데에 최저인 양이기 때문이다. 상한을 분말로 1.8%, 소결체로 1.7%로 한 것은, 소결할 때에 분말로부터 소실하는 C량과, 소결체에 있어서는 C는 Cr탄화물을 만들어 경도를 높이지만, 1.7%를 초과하여 함유해도 경도는 높아지지 않고, 오히려 질김성(항절력)이 저하하기 때문이다.

Si은 탈산, 탕의 흐름성을 좋게 한다. 그 양이 0.3%보다 적으면 산소량이 많아지고, 탕의 흐름성이 나빠진다. 1.2%보다 많으면 담금질(quenching)성이 나빠지게 된다.

Mn은 0.1%보다 적으면 탕의 흐름성이 나빠지고, 또, 0.5%보다 많으면 산소와 결합하여 분말의 산소량이 증가한다. 따라서, 0.1∼0.5%의 범위로 규제하였다.

Cr은 담금질성을 개선하고, 탄화물을 생성하여 경도를 높인다. 또한 탄화물을 내포하는 매트릭스부에 고용하여 내식성을 향상시킨다. 11.0∼18.0%의 범위가 바람직하다.

Mo, V, W은 탄화물을 생성하여, Nb과 함께 Cr탄화물에 대하여 핀 고정 효과를 발휘하고, 소결체의 강도, 경도를 높인다. 이들은 5.0%보다 많으면 질김성이 저하하므로 5.0% 이하가 바람직하지만, 특히 바람직하게는, 담금질성이나 경제성을 고려하여 0.3∼1.6%의 범위가 바람직하다. 0.3%보다 적어지게 되면 현저한 경도 향상의 효과를 보기 어려워지고, 1.6%보다 많으면 경제성이 떨어진다.

Nb은 확산성이 낮은 Nb탄화물에 의한 핀 고정효과를 이용하여 Cr탄화물의 확산을 억제하여 담금질성을 향상시킨다. Nb을 2.0∼5.0% 첨가함으로써, 종래, 소결 온도를 ±5℃로 관리해야 했던 것을, ±25℃로까지 넓힐 수 있어, 소결로의 생산성을 향상시킬 수 있다. Nb의 양이 2.0%보다 적으면 그 효과가 충분하지 않고, 5.0%보다 많아지면 산소량이 증가하여 성형성이 나빠진다.

도 1은, 본 발명의 실시예에서 행한 소결의 패턴을 나타내는 도면이다.

도 2는, SKD11의 소결 특성을 그래프화한 것이다.

도 3은, SUS420의 소결 특성을 그래프화한 것이다.

도 4는, SUS440C의 소결 특성을 그래프화한 것이다.

도 5는, 비교예 1의 소결 특성을 그래프화한 것이다.

도 6은, 본 발명 실시예 1의 소결 특성을 그래프화한 것이다.

도 7은, 본 발명 실시예 2의 소결 특성을 그래프화한 것이다.

도 8은, 본 발명 실시예 3의 소결 특성을 그래프화한 것이다.

도 9는, 본 발명 실시예 4의 소결 특성을 그래프화한 것이다.

하기 표 1에 나타내는 시료를 준비하여 소결 특성을 시험하였다.

각 시료는 C량을 조정하였다. 소결후 C량이, SKD11은 1.30%, 1.50%, 1.70%, SUS420은 0.30%, 0.50%, 0.70%, 0.90%, 실시예 1은 1.30%, SUS440C는 0.75%, 0.80%, 1.00%, 1.20%, 비교예 1과 실시예 2는 0.50%, 0.70%, 0.90%, 실시예 3은 1.30%, 실시예 4는 0.90%가 되는 것을 목표로 하여 흑연 분말을 첨가하였다. 비교예 2는 분말의 단계에서 산소량이 과대하게 되었기 때문에, 소결 시험은 실시하지 않았다.

소결 시험은 이하와 같이 하였다.

표 1에 나타내는 금속 분말에, 소결 후의 C량 목표값에 기초하여, 각각 적량의 흑연을 첨가하고, 여기에 스테아린산을 5.Owt%(外數: outer water) 첨가하여, 800℃에서 균일하게 가열혼련하였다.

혼련물을 실온까지 냉각한 후, 고형화한 펠릿을 분쇄하였다. 이 분쇄 펠릿을 성형압력 0.6Ton/㎠로 프레스 성형하였다(Ø11.3×10t, N=3).

소결은 도 1에 나타낸 패턴으로 행하였다. 도 1 중, 소결 온도는, 적절히 표 2∼표 5에 나타내는 온도, 예를 들면 1370℃, 1390℃, 1410℃ 등으로 행하였다.

각 시료에 대하여, 소결 온도, 소결 후의 C량 목표값과의 관계에 있어서의 소결 밀도에 대하여 표 2∼표 5에 나타낸다. 표 2∼표 5의 아래쪽에는 각 시료의 소결품의 C, 0, N의 양, 및 표 4 및 표 5에는 또한 소결 경도(Hv)를 나타내었다. 표 2∼표 5에 나타내는 소결 특성을 그래프화한 것이 도 2∼도 9이다.

조직을 관찰하고, 소결체의 경도를 측정하여, 적정 소결 온도 관리폭을 각각 결정하였다. 적정 소결 온도 관리폭은, 소결 온도-소결 밀도 그래프에서 소결 온도의 상승에 따라,소결 밀도가 +0.1g/㎤의 범위에서 거의 일정하게 되는 소결 온도 폭으로 하였다.

상술한 바와 같이, Nb이 들어간 본 발명의 금속사출성형용 합금강 분말에서는, SKD11, SUS420이나 SUS440C에 비하면 적정 소결 온도 관리폭이 확대한다. 즉, SKD11, SUS420이나 SUS440C에서 적정 소결 온도 관리폭이 10℃정도이었던 것이, 본 발명에서는 50℃ 정도까지 넓어지고, 소결 온도 관리가 용이해져, 생산성이 향상한다. 또, 소결 후의 C값에 대한 감수성이 약해져서, 0.5∼0. 9% C값으로 거의 같은 소결 특성(온도 대 밀도)을 나타내고 있다.

Claims (6)

1. 질량%로, C : 0.1∼1.8%, Si : 0.3∼1.2%, Mn : 0.1∼0.5%, Cr : 11.0∼18.0%, Nb : 2.0∼5.0%, 나머지 : Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결성을 개선한 금속사출성형용 합금강 분말.
2. 질량%로, C : 0.1∼1.8%, Si : 0.3∼1.2%, Mn : 0.1∼0.5%, Cr : 11.0∼18.0%, Mo, V, W 중의 적어도 1종 : 0.3∼1.6%, Nb : 2.0∼5.0%, 나머지 : Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결성을 개선한 금속사출성형용 합금강 분말.
3. 삭제
4. 질량%로, C : 0.1∼1.7%, Si : 0.3∼1.2%, Mn : 0.1∼0.5%, Cr : 11.0∼18.0%, Nb : 2.0∼5.0%, 나머지 : Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결성을 개선한 금속사출성형용 합금강 소결체.
5. 질량%로, C : 0.1∼1.7%, Si : 0.3∼1.2%, Mn : 0.1∼0.5%, Cr : 11.0∼18.0%, Mo, V, W 중의 적어도 1종 : 0.3∼1.6%, Nb : 2.0∼5.0%, 나머지 : Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결성을 개선한 금속사출성형용 합금강 소결체.
6. 삭제

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