KR101350944B1 - Ferrous-alloys for powder injection molding - Google Patents

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Abstract

분말사출성형용 철계 합금이 개시된다. 본 발명에 의한 분말사출성형용 철계 합금은 철(Fe) 52.59~78.15wt.%, 크롬(Cr) 16.45~37.34wt.%, 보론(B) 3.42~7.76 wt.%, 실리콘(Si) 1.64~1.92wt.%, 황(S) 0~0.21wt.%, 탄소(C) 0.16~0.18wt.% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.An iron-based alloy for powder injection molding is disclosed. Iron-based alloy for powder injection molding according to the present invention is iron (Fe) 52.59 ~ 78.15wt.%, Chromium (Cr) 16.45 ~ 37.34wt.%, Boron (B) 3.42 ~ 7.72 wt.%, Silicon (Si) 1.64 ~ 1.92wt.%, Sulfur (S) 0 ~ 0.21wt.%, Carbon (C) is characterized by consisting of 0.16 ~ 0.18wt.% And other unavoidable impurities.

Description

분말사출성형용 철계 합금{FERROUS-ALLOYS FOR POWDER INJECTION MOLDING}Ferrous alloy for powder injection molding {FERROUS-ALLOYS FOR POWDER INJECTION MOLDING}

본 발명은 철계 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분말사출성형용 철계 합금에 관한 것이다.The present invention relates to an iron-based alloy, and more particularly to an iron-based alloy for powder injection molding.

분말사출성형(powder injection molding, PIM)은 분말야금(powder metallurgy)기술과 정밀한 플라스틱 부품의 대량생산기술인 사출성형(injection molding)법이 접목된 신분말야금 성형기술이다. Powder injection molding (PIM) is a new powder metallurgy technology that combines powder metallurgy technology and injection molding, a technology for mass production of precise plastic parts.

분말사출성형(PIM) 공정은 미세한 분말과 유동의 주체가 되는 고분자 결합제를 혼합하여 이를 금형 내로 사출성형한 후 사출성형체에서 결합제(binder)를 제거하고 분말만을 최종 고온 소결하여 부품을 제조하는 공정으로 구성되어 있다. The powder injection molding (PIM) process is a process in which a fine powder and a polymer binder that is the main agent of the fluid are mixed and injection molded into the mold, and then the binder is removed from the injection molded product, and only the powder is hot sintered to manufacture a part. Consists of.

분말사출성형 공정이 지속적인 연구개발과 응용이 확대되고 있는 이유는 기존 부품설계자나 현장사용자가 분말사출성형 기술에 사용되는 재료와 형상의 조합에 의한 부품설계의 자유도가 크다는 장점을 인지하고 있고, 분말사출성형 기술과 관련된 연구기관과 업체를 중심으로 응용 재료의 다변화와 경제성이 있는 공정이 개발되고 있기 때문이다. The continuous R & D and application of the powder injection molding process is expanding, and the existing component designers and field users recognize the advantage that the degree of freedom in designing parts by the combination of materials and shapes used in the powder injection molding technology is great. This is because research centers and companies related to injection molding technology are developing processes with diversified application materials and economic feasibility.

즉, 금속, 세라믹, 초경, 금속간화합물 등 모든 분말재료에 의한 3차원 정밀부품의 제조가 가능하고, 난가공 재료나 주조 불가능 재료의 경우에도 후가공이 거의 필요 없이 대량생산이 가능하므로 고부가가치 부품을 경제적으로 생산하는 데 분말사출성형 기술이 적합하다. That is, it is possible to manufacture three-dimensional precision parts using all powder materials such as metals, ceramics, cemented carbide, and intermetallic compounds, and high value-added parts as it is possible to mass-produce them with almost no post-processing even in difficult or non-castable materials. Powder injection molding technology is suitable for economical production.

금속 분말사출성형 시장의 대부분을 차지하고 있는 스테인리스강의 경우 화학조성의 변화로 최종 분말사출성형 부품이 요구하는 강도, 경도, 내마모성, 내식성 등의 물성을 맞추고 있다. Stainless steel, which occupies most of the metal powder injection molding market, is changing its chemical composition to meet the properties such as strength, hardness, wear resistance, and corrosion resistance required by the final powder injection molded parts.

따라서 분말사출성형에 사용되는 스테인리스강 분말은 SUS304L, SUS316L, SUS430, SUS630 등 다양하며, 마르텐사이트계 스테인리스강 분말사출성형의 경우에는 추가적인 열처리 공정이 필요하다. Therefore, the stainless steel powder used in the powder injection molding is various, such as SUS304L, SUS316L, SUS430, SUS630, and in the case of martensitic stainless steel powder injection molding, an additional heat treatment process is required.

따라서 통상적인 분말사출성형 부품의 물성을 충분히 만족시키면서, 열처리가 필요 없고 경제적이고 다양한 미세조직과 물성으로 다양한 분말사출성형 부품에 적용될 수 있는 합금의 개발이 요구되고 있다. Therefore, while fully satisfying the physical properties of conventional powder injection molding parts, there is a need for the development of alloys that can be applied to various powder injection molding parts with economical and various microstructures and properties without the need for heat treatment.

본 발명은 기존의 분말사출성형에 사용되는 스테인리스강에 비해 우수한 경도, 내마모성, 내식성을 나타내며 저렴한 생산 원가의 철계 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an iron alloy of low cost production cost and excellent hardness, wear resistance, corrosion resistance compared to the stainless steel used in conventional powder injection molding.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 분말사출성형용 철계 합금은 철(Fe) 52.59~ 78.15 wt.%, 크롬(Cr) 16.45~ 37.34 wt.%, 보론(B) 3.42~7.76 wt.%, 실리콘(Si) 1.64~1.92wt.%, 황(S) 0~0.21 wt.%, 탄소(C) 0.16~0.18 wt.% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.Iron-based alloy for powder injection molding according to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object is iron (Fe) 52.59 ~ 78.15 wt.%, Chromium (Cr) 16.45 ~ 37.34 wt.%, Boron (B) 3.42 ~ 7.72 wt.%, silicon (Si) 1.64 ~ 1.92wt.%, sulfur (S) 0 ~ 0.21 wt.%, carbon (C) is characterized by consisting of 0.16 ~ 0.18 wt.% and other unavoidable impurities.

상기 크롬(Cr)과 보론(B)의 비율(XCr/XB)은 1.0 인 것을 특징으로 한다.The ratio of chromium (Cr) and boron (B) (X Cr / X B ) is characterized in that 1.0.

상기 크롬(Cr)과 보론(B)의 조성의 합(XCr+XB)은 0.30 내지 0.60 인 것을 특징으로 한다.The sum (X Cr + X B ) of the composition of chromium (Cr) and boron ( B ) is 0.30 to 0.60.

상기 철(Fe), 크롬(Cr) 및 보론(B)의 조성의 합(XFe+XCr+XB)은 0.9635 인 것을 특징으로 한다.The sum of the composition of the iron (Fe), chromium (Cr) and boron (B) (X Fe + X Cr + X B ) is characterized in that 0.9635.

상기 분말사출성형용 철계 합금의 미세조직은 크롬 보라이드(Cr2B)가 페라이트(ferrite) 기지 내에 네트워크 형태로 분포하는 것을 특징으로 한다.The microstructure of the iron-based alloy for powder injection molding is characterized in that chromium boride (Cr 2 B) is distributed in the form of a network in a ferrite matrix.

상기 크롬 보라이드(Cr2B)의 부피 분율(volume fraction)은 51%~91% 인 것을 특징으로 한다.The volume fraction of the chromium boride (Cr 2 B) is characterized in that 51% ~ 91%.

상기 분말사출성형용 철계 합금의 경도는 600 ~ 1600 VHN 인 것을 특징으로 한다.The hardness of the powder injection molding iron-based alloy is characterized in that 600 ~ 1600 VHN.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 철계 분말의 사출성형방법은 상기 분말사출성형용 철계 합금의 분말을제공하는 단계, 상기 분말사출성형용 철계 합금의 분말과 결합제를 혼합하여 분말혼합체를 형성하는 단계, 상기 분말 혼합체를 압축 성형하는 단계, 상기 분말 혼합체를 가열하여 결합제를 제거하는 단계, 및 상기 결합제가 제거된 분말 혼합체를 소결하는 단계를 포함한다.The injection molding method of the iron-based powder according to another preferred embodiment of the present invention provides a powder of the iron-based alloy for powder injection molding, mixing the powder and the binder of the iron-based alloy for powder injection molding to form a powder mixture Compressing the powder mixture, removing the binder by heating the powder mixture, and sintering the powder mixture from which the binder has been removed.

상기 분말 혼합체의 형성은 상기 분말사출성형용 철계 합금의 분말과 파라핀 왁스, 텅스텐 카바이드 볼 및 헵탄(heptanes)을 용기에 혼합 후 상기 용기를 회전시켜 이루어지는 것을 특징으로 한다. The powder mixture is formed by mixing the powder of the iron-based alloy for powder injection molding with paraffin wax, tungsten carbide balls and heptanes in a container, and then rotating the container.

본 발명에 따른 분말사출성형용 철계 합금들은 단단한 Cr2B boride를 각기 다른 부피 분율로 형성시킴으로써, 종래에 사용되는 스테인리스강에 비해 경도 및 내마모성을 크게 향상시킬 수 있다.Iron-based alloys for powder injection molding according to the present invention can greatly improve the hardness and wear resistance compared to conventional stainless steel by forming a hard Cr 2 B boride in different volume fractions.

또한, 본 발명에 따른 분말사출성형용 철계 합금들은 합금원소의 분율을 낮추어 상용 스테인리스강 보다 합금 가격이 저렴하며, 소결 온도와 시간의 감소에 의해 생산비를 절감하여 가격 경쟁력이 우수하다. In addition, the iron-based alloys for powder injection molding according to the present invention lower the fraction of the alloying elements, the alloy price is cheaper than commercial stainless steel, it is excellent in price competitiveness by reducing the production cost by reducing the sintering temperature and time.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 분말사출성형용 철계 합금의 미세조직을 나타낸 주사전사현미경(SEM) 사진이다.
도 2는 본 발명에 의해 설계한 철계 합금의 Fe-Cr-B 3원계 등온상태도이다.
도 3은 본 발명에 의한 철계 합금의 설계시 기본 합금의 구성원소(Fe, Cr, B, Si, S, C)별로 각 성분 조성에 따른 Cr2B의 석출 구동력 변화를 계산한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 의한 철계 합금에서, 크롬과 보론의 비율에 따른 1,000℃ 에서 존재하는 평형 상들의 분율을 도시한 그래프이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 의해 설계한 9개의 철계 합금의 합금 조성의 온도에 따른 평형 상 분율을 나타낸 그래프이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명에 의한 철계 합금들을 주조 및 열처리한 후의 미세조직에 대한 주사전자현미경 사진들이다.
도 11은 본 발명에 의한 철계 합금들의 X-선 회절분석 결과들이다.
도 12는 부품에 요구되는 물성(경도 기준)에 따라 합금원소의 가격을 그래프로 나타낸 것이다.Figure 1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the microstructure of the powder injection molding iron-based alloy according to an embodiment of the present invention.
2 is an Fe-Cr-B ternary isothermal state diagram of the iron-based alloy designed by the present invention.
Figure 3 is a graph showing the results of calculating the precipitation driving force change of Cr2B according to each component composition of the element (Fe, Cr, B, Si, S, C) of the base alloy when designing the iron-based alloy according to the present invention.
Figure 4 is a graph showing the fraction of the equilibrium phase present at 1,000 ℃ according to the ratio of chromium and boron in the iron-based alloy according to the present invention.
5 to 7 are graphs showing equilibrium phase fractions according to temperature of alloy compositions of nine iron-based alloys designed by the present invention.
8 to 10 are scanning electron micrographs of the microstructure after casting and heat treatment of the iron-based alloys according to the present invention.
11 are X-ray diffraction results of the iron-based alloys according to the present invention.
12 is a graph showing the price of the alloying element according to the physical properties (hardness basis) required for the part.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. However, it is to be understood that the present invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. It is intended that the disclosure of the present invention be limited only by the terms of the appended claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 분말사출성형용 철계 합금에 대하여 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, an iron-based alloy for powder injection molding according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail to avoid unnecessarily obscuring the subject matter of the present invention.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 분말사출성형용 철계 합금은 Iron-based alloy for powder injection molding according to an embodiment of the present invention

철(Fe) 52.59~ 78.15 wt.%, 크롬(Cr) 16.45~ 37.34 wt.%, 보론(B) 3.42~7.76 wt.%, 실리콘(Si) 1.64~1.92wt.%, 황(S) 0.21 wt.%, 탄소(C) 0.16~0.18 wt.% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.Iron (Fe) 52.59 to 78.15 wt.%, Chromium (Cr) 16.45 to 37.34 wt.%, Boron (B) 3.42 to 7.72 wt.%, Silicon (Si) 1.64 to 1.92 wt.%, Sulfur (S) 0.21 wt .%, Carbon (C) 0.16 ~ 0.18 wt.% And other unavoidable impurities.

상기 철계 합금의 미세조직은 크롬 보라이드(Cr2B)가 페라이트(ferrite) 기지 내에 네트워크 형태로 분포하는 것을 특징으로 한다.The microstructure of the iron-based alloy is characterized in that the chromium boride (Cr 2 B) is distributed in the form of a network in the ferrite (ferrite) base.

본 발명에 의한 크롬 보라이드(Cr2B) 상은 매우 단단하기 때문에 석출된 크롬 보라이드 상(phase)의 형상, 분율 분포 상태는 시편의 전체 경도와 내마모성에 직접적인 영향을 미칠 수 있다.Since the chromium boride (Cr 2 B) phase according to the present invention is very hard, the shape and fraction distribution state of the precipitated chromium boride phase can directly affect the overall hardness and wear resistance of the specimen.

상기 철계 합금의 크롬 보라이드 상은 네트워크 구조를 이루고 있어, 시편의 전체의 경도 분포는 위치에 따라서 균일하며, 마모 환경에서도 가해지는 하중이 분산되어 내마모 성질이 우수하다.The chromium boride phase of the iron-based alloy has a network structure, the entire hardness distribution of the specimen is uniform according to the position, and the load applied even in abrasion environment is excellent in wear resistance properties.

또한, 상기 크롬 보라이드(Cr2B)의 부피 분율(volume fraction)은 51%~91% 인 것을 특징으로 한다.In addition, the volume fraction of the chromium boride (Cr 2 B) is characterized in that 51% ~ 91%.

상기 합금의 경도는 600 ~ 1600 VHN 인 것을 특징으로 한다. The hardness of the alloy is characterized in that 600 ~ 1600 VHN.

분말사출성형 공정에서 요구하는 철계 합금의 고경도와 저비용 조건을 만족시키기 위하여 비교적 가격이 저렴한 Cr과 B의 화합물인 크롬보라이드 석출을 이용하여 고경도 물성을 얻을 수 있다.In order to satisfy the high hardness and low cost conditions of the iron-based alloy required in the powder injection molding process, high hardness properties can be obtained by using chromium boride precipitation, which is a relatively inexpensive compound of Cr and B.

크롬(Cr)과 보론(B)의 조성 비율을 1:1로 고정하고 크롬(Cr)과 보론(B)의 조성 비율의 합(몰비율의 합)을 0.30~0.60 까지 조절할 수 있다. 이때 주성분인 철(Fe)과 크롬(Cr) 및 보론(B)의 조성 비율의 합(몰분율의 합)은 0.9634 로 고정할 수 있다. The composition ratio of chromium (Cr) and boron (B) may be fixed at 1: 1, and the sum of the composition ratios of chromium (Cr) and boron (B) (sum of molar ratios) may be adjusted from 0.30 to 0.60. In this case, the sum (combination of mole fractions) of the composition ratios of iron (Fe), chromium (Cr), and boron (B) as the main components may be fixed at 0.9634.

상기 크롬(Cr)은 일반적으로 급냉시 합금의 경화능을 증가시키고 내식성을 향상시키기 위해 첨가하는 합금 원소로 본 발명에서는 보론(B)과 결합하여 크롬보라이드 석출 분율을 조절하는 원소이다. The chromium (Cr) is generally an alloy element added to increase the hardenability of the alloy during quenching and to improve corrosion resistance. In the present invention, the chromium (Cr) is an element that binds to boron (B) to control the chromium boride precipitation fraction.

크롬의 함량이 16.45 wt.% 이상이어야 크롬보라이드의 석출 분율이 50 vol. % 이상으로 형성되어 분말사출 성형 공정에서 요구하는 고경도 요구치 약 600VHN 이상의 경도를 얻을 수 있다. The precipitation fraction of chromium boride must be 50 vol. It is formed in more than% to obtain a hardness of about 600VHN or more of the high hardness requirements required in the powder injection molding process.

크롬의 함량이 37.34 wt.% 를 초과하는 경우에는 과도한 크롬보라이드가 석출되어 인성을 저해하기 때문에 그 함량을 16.45 ~ 37.34 wt.% 로 제한한다. If the content of chromium exceeds 37.34 wt.%, Excessive chromium boride precipitates and the toughness is inhibited, so the content is limited to 16.45 to 37.34 wt.%.

그리고 상기 크롬(Cr) 함량에 따라서 B의 함량이 보론(B) 3.42~7.76 wt.%으로 결정된다.And depending on the chromium (Cr) content, the content of B is determined to be 3.42 ~ 7.72 wt.% Boron (B).

보론은 경화능 향상을 위하여 첨가되는 원소로 본 발명에서는 크롬과 결합하여 크롬보라이드 석출 분율을 조절하는 원소이다. 보론의 함량이 3.42 wt.% 이상이어야 크롬보라이드의 석출 분율이 50 vol. % 이상으로 형성되어 분말사출 성형 공정에서 요구하는 고경도 요구치 약 600VHN 이상의 경도를 얻을 수 있다. Boron is an element added to improve the hardenability, in the present invention is an element that is combined with chromium to control the chromium boride precipitation fraction. The boron content should not be less than 3.42 wt.% So that the precipitation fraction of chromium boride is 50 vol. It is formed in more than% to obtain a hardness of about 600VHN or more of the high hardness requirements required in the powder injection molding process.

보론의 함량이 7.76 wt.% 를 초과하는 경우에는 과도한 크롬보라이드가 석출되어 인성을 저해하기 때문에 그 함량을 3.42 ~ 7.76 wt.% 로 제한한다. 그리고 이러한 보론의 함량에 따라서 크롬의 함량이 16.45 ~ 37.34 wt.%으로 결정된다.If the content of boron exceeds 7.76 wt.%, Excessive chromium boride precipitates and inhibits toughness, so the content is limited to 3.42 to 7.76 wt.%. And depending on the content of such boron, the content of chromium is determined to be 16.45 ~ 37.34 wt.%.

실리콘(Si)은 본 발명에서 분말사출성형 공정 중 소결 공정에서 기지를 페라이트로 안정화시키고 고용 강화를 통하여 경화능을 높이는 역할을 하는 원소이다. 실리콘의 함량이 1.64 wt.% 이하로 첨가될 경우 고용 강화 및 페라이트 안정화 효과가 미미하며, 1.92 wt.% 이상 첨가되는 경우 고용강화 효과가 비례하여 증가하지 않아 그 함량을 1.64~1.92wt.% 로 제한한다. In the present invention, silicon (Si) is an element that serves to stabilize the base with ferrite in the sintering process during the powder injection molding process and to increase the hardenability through solid solution strengthening. If the content of silicon is less than 1.64 wt.%, The solid solution strengthening and ferrite stabilization effect is insignificant. If it is added more than 1.92 wt.%, The solid solution strengthening effect does not increase proportionally and the content is increased to 1.64 ~ 1.92wt.%. Restrict.

황은 일반적으로 비금속개재물을 형성하여 합금의 물성을 저하시키므로 가능한 낮게 제어 하는게 바람직하지만, 본 발명에서 황화물 (FeS)이 형성되지 않는 한도까지 첨가하여 기지와 크롬보라이드 안정화 효과를 얻고자 하였다. 따라서 그 상한을 0.21wt.%로 두는 것이 바람직하다.Sulfur is generally controlled to be as low as possible to form a non-metallic inclusion to lower the properties of the alloy, but in the present invention was added to the extent that the sulfide (FeS) is not formed to achieve the matrix and chromium boride stabilizing effect. Therefore, it is preferable to set the upper limit to 0.21 wt.%.

탄소는 합금의 경화능을 효율적으로 향상시킬 수 있는 원소로 본 발명이 의도하고자 하는 경도를 만족시키기 위하여 0.16 wt.% 이상이 함유되어야 하며 0.18 wt.% 이상 첨가될 경우 인성이 저하되기 때문에 그 함량을 0.16~0.18 wt.%로 제한한다. Carbon is an element that can effectively improve the hardenability of the alloy, and the content of carbon should be 0.16 wt.% Or more in order to satisfy the intended hardness of the present invention. Is limited to 0.16 to 0.18 wt.%.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 철계 분말의 사출성형방법은 분말사출성형용 철계 합금의 분말을 제공하는 단계, 상기 분말사출성형용 철계 합금의 분말과 결합제를 혼합하여 분말혼합체를 형성하는 단계, 상기 분말 혼합체를 압축 성형하는 단계, 상기 분말 혼합체를 가열하여 결합제를 제거하는 단계, 및 상기 결합제가 제거된 분말 혼합체를 소결하는 단계를 포함한다.Injection molding method of the iron-based powder according to another preferred embodiment of the present invention provides a powder of the iron-based alloy for powder injection molding, mixing the powder and the binder of the iron-based alloy for powder injection molding to form a powder mixture, Compression molding the powder mixture, heating the powder mixture to remove the binder, and sintering the powder mixture from which the binder has been removed.

상기 분말 혼합체의 형성은 전술한 분말사출성형용 철계 합금의 분말과 파라핀 왁스, 텅스텐 카바이드 볼 및 헵탄(heptanes)을 용기에 혼합 후 상기 용기를 회전시켜 이루어지는 것을 특징으로 한다.The powder mixture may be formed by mixing the powder of the iron-based alloy for powder injection molding with paraffin wax, tungsten carbide balls and heptanes in a container, and then rotating the container.

상기 분말 혼합체의 압축 성형은 상기 분말 혼합체를 금형에 장입한 후 100kgf/cm2 이상의 압력으로 프레스를 이용하여 이루어질 수 있다.Compression molding of the powder mixture may be performed by using a press at a pressure of 100 kgf / cm 2 or more after charging the powder mixture into a mold.

상기 결합제의 제거는 상기 압축 성형된 분말 혼합체를 2℃/min 이상의 승온 속도로 500℃까지 올린 후 1시간 유지시킴으로써 이루어질 수 있다.The binder may be removed by raising the compression-molded powder mixture to 500 ° C. at an elevated temperature rate of 2 ° C./min or more and then maintaining the mixture for 1 hour.

상기 소결은 상기 결합제가 제거된 분말 혼합체를 열처리로에 장입하고 수소 분위기에서 3℃/min 이상의 승온 속도로 1,175℃까지 가열한 후 1시간 동안 유지시킴으로써 이루어질 수 있다.
The sintering may be performed by charging the powder mixture in which the binder is removed to a heat treatment furnace and heating it to 1,175 ° C. at a temperature increase rate of 3 ° C./min or more in a hydrogen atmosphere, and then maintaining the mixture for 1 hour.

본 발명은, Fe-43Cr-5.6B-1.8Si-0.2S-0.17C (wt.%) 합금을 기본으로 하여, 합금 원소의 비율을 줄이고 크롬(Cr)과 보론(B)의 비율을 변화시킴으로써 각기 다른 부피 분율의 크롬 보라이드(Cr2B)를 페라이트 기지에 형성시켜 다양한 물성을 나타낼 수 있는 분말사출성형용 고경도 저비용 철계 합금을 제공한다.The present invention is based on the Fe-43Cr-5.6B-1.8Si-0.2S-0.17C (wt.%) Alloy, by reducing the ratio of alloying elements and by changing the ratio of chromium (Cr) and boron (B) Different volume fractions of chromium boride (Cr 2 B) are formed on the ferrite matrix to provide a high hardness, low cost iron alloy for powder injection molding that can exhibit a variety of physical properties.

또한, 본 발명에 의한 합금들의 미세조직은 크롬 보라이드(Cr2B)와 페라이트 기지 외에 다른 결정질 입자가 분산되어 있는 조직을 가질 수 있다.In addition, the microstructure of the alloys according to the present invention may have a structure in which other crystalline particles are dispersed in addition to the chromium boride (Cr 2 B) and the ferrite matrix.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예와 비교예의 설명을 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.　 그러나 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소되거나 한정되어서는 안 된다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred examples and comparative examples. However, the following examples are merely examples to help the understanding of the present invention, whereby the scope of the present invention should not be reduced or limited.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

아래의 표 1은 본 발명에 따른 분말사출성형용 철계 합금의 설계시 기준으로 한 기본 합금의 조성을 나타낸 표이다. Table 1 below is a table showing the composition of the base alloy as a reference when designing the iron-based alloy for powder injection molding according to the present invention.

FeFe CrCr BB SiSi SS CC 원자%atom% Bal.(38.15)Bal. (38.15) 35.7935.79 22.4022.40 2.772.77 0.270.27 0.610.61 중량%weight% Bal.(49.23)Bal. (49.23) 4343 5.65.6 1.81.8 0.20.2 0.170.17

아래의 표 2은 본 발명에 따른 분말사출성형용 철계 합금을 열역학적 계산에 의해 설계한 합금의 조성을 나타낸 표이다. Table 2 below is a table showing the composition of the alloy designed by the thermodynamic calculation of the iron-based alloy for powder injection molding according to the present invention.

합금alloy 비율ratio FeFe CrCr BB SiSi SS CC 실시예1Example 1 원자%atom% 66.3466.34 15.0015.00 15.0015.00 2.772.77 0.270.27 0.610.61 중량%weight% 78.1578.15 16.4516.45 3.423.42 1.641.64 0.180.18 0.160.16 실시예2Example 2 원자%atom% 51.3451.34 22.5022.50 22.5022.50 2.772.77 0.270.27 0.610.61 중량%weight% 65.5465.54 26.7526.75 5.565.56 1.781.78 0.200.20 0.170.17 실시예3Example 3 원자%atom% 38.1538.15 29.1029.10 29.1029.10 2.772.77 0.270.27 0.610.61 중량%weight% 52.5952.59 37.3437.34 7.767.76 1.921.92 0.210.21 0.180.18 실시예4Example 4 원자%atom% 66.3466.34 18.4618.46 11.5411.54 2.772.77 0.270.27 0.610.61 중량%weight% 75.8675.86 19.6619.66 2.552.55 1.591.59 0.180.18 0.150.15 실시예5Example 5 원자%atom% 51.3451.34 27.7027.70 17.3117.31 2.772.77 0.270.27 0.610.61 중량%weight% 62.4962.49 31.3931.39 4.084.08 1.701.70 0.190.19 0.160.16 실시예6Example 6 원자%atom% 38.1538.15 35.8135.81 22.3822.38 2.772.77 0.270.27 0.610.61 중량%weight% 49.2249.22 43.0243.02 5.595.59 1.801.80 0.200.20 0.170.17 실시예7Example 7 원자%atom% 66.3466.34 20.6320.63 9.389.38 2.772.77 0.270.27 0.610.61 중량%weight% 74.5074.50 21.5721.57 2.042.04 1.571.57 0.170.17 0.150.15 실시예8Example 8 원자%atom% 51.3451.34 30.9430.94 14.0614.06 2.772.77 0.270.27 0.610.61 중량%weight% 60.7260.72 34.0734.07 3.223.22 1.651.65 0.180.18 0.160.16 실시예9Example 9 원자%atom% 38.1538.15 40.0140.01 18.1918.19 2.772.77 0.270.27 0.610.61 중량%weight% 47.3347.33 46.2246.22 4.374.37 1.731.73 0.190.19 0.160.16

분말사출성형용 철계 합금을 표 2의 조성에 맞춰 이들을 아르곤(Ar) 분위기 하에서 아크 용해하였다. 아크 용해에 사용된 합금은 고순도의 Fe(99.9wt%), Si(99.99wt%), C(99wt%)와 미리 합금화 한 FeB(99.2wt%), FeS(98.5wt%), FeCr(98.6wt%) 예비 합금(pre-alloy)이며, 모합금 성분의 균일화를 위해 4~5번 뒤집어 반복하여 용해하였다. The iron-based alloy for powder injection molding was arc-dissolved under argon (Ar) atmosphere in accordance with the composition of Table 2. The alloys used for arc melting were high purity Fe (99.9 wt%), Si (99.99 wt%), C (99 wt%) and prealloyed FeB (99.2 wt%), FeS (98.5 wt%) and FeCr (98.6 wt %) It is a pre-alloy, and dissolves repeatedly by inverting 4 to 5 times to homogenize the master alloy component.

아크 용해에 의해 제조된 모합금을 석션 캐스팅(suction casting)하여 5mm 두께의 봉상시편을 주조하였다. 주조 합금은 분말사출성형 공정 제품과 달리 충분히 확산이 일어나 균질화된 상태가 아니므로, 분말사출성형 공정의 소결 조건과 유사한 조건(1200oC에서 30 분 유지)으로 열처리한 후 노냉하였다.A 5 mm thick rod-shaped specimen was cast by suction casting of the master alloy prepared by arc melting. Unlike the powder injection molding process, the cast alloy is not homogenized due to sufficient diffusion, and thus, the alloy is annealed after heat treatment under conditions similar to the sintering conditions of the powder injection molding process (maintained for 30 minutes at 1200 ° C.).

주조 및 열처리된 합금들을 Viella 용액(45ml Glycerol, 15ml HNO3, 30ml HCl)으로 에칭한 후 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다.The cast and heat-treated alloys were etched with Viella solution (45 ml Glycerol, 15 ml HNO 3, 30 ml HCl) and observed by scanning electron microscopy (SEM).

합금내 존재하는 상들을 X-선 회절시험방법으로 분석하였으며, 크롬보라이드(Cr2B)의 부피분율을 영상분석기로 측정하였다.Phases present in the alloy were analyzed by X-ray diffraction test, and the volume fraction of chromium boride (Cr 2 B) was measured by an image analyzer.

합금의 전체적인 경도를 비커스(Vickers) 경도기로 300g의 하중 하에서 측정하였다.
The overall hardness of the alloy was measured under a load of 300 g with a Vickers hardness tester.

<실시예 2><Example 2>

분말사출성형용 철계 합금을 표 2의 합금 조성들에 맞춰 원소분말들을 30 kg 용량의 진공유도로로 용융하여 모합금 잉곳(ingot)을 제조하였다.The iron alloy for powder injection molding was melted according to the alloy compositions of Table 2 in a vacuum induction of 30 kg capacity to prepare a master alloy ingot.

사용된 합금은 고순도의 Fe(99.9wt%), Si(99.99wt%), C(99wt%)와 미리 합금화 한 FeB(99.2wt%), FeS(98.5wt%), FeCr(98.6wt%) 예비 합금(pre-alloy)이다. The alloys used were high purity Fe (99.9 wt%), Si (99.99 wt%), C (99 wt%) and prealloyed FeB (99.2 wt%), FeS (98.5 wt%) and FeCr (98.6 wt%) It is an alloy (pre-alloy).

상기 잉곳을 다시 아르곤(Ar) 분위기에서 1,550 oC 로 용융한 후 20 bar의 분사압력으로 질소가스분무법(N2 gas atomization)으로 구형의 분말을 제조하였다. The ingot was again 1,550 in argon (Ar) atmosphere. o Spherical powder was prepared by melting with C and N 2 gas atomization at a spray pressure of 20 bar.

이 분말을 분급하여 25μm 이하 크기의 분말을 분말사출성형에 사용하였다. This powder was classified and a powder having a size of 25 μm or less was used for powder injection molding.

본 발명에서는 혼합을 용이하게 하고 부피팽창을 줄이기 위하여 파라핀(paraffin) 왁스를 결합제로 사용하였다. 철계 분말 97g과 3g의 결합제를 혼합하여 20 ml의 텅스텐 카바이드 볼(tungsten carbide ball)과 함께 300 ml 용량의 고밀도폴리에틸렌(HDPE; high-density polyethylene) 용기에 장입한 후 250 ml까지 헵탄(heptanes)을 채워 넣었다. In the present invention, paraffin wax was used as a binder to facilitate mixing and reduce volume expansion. 97 g of iron-based powder and 3 g of binder were mixed together with 20 ml of tungsten carbide ball and charged into a 300 ml high-density polyethylene (HDPE) container, and then heptanes up to 250 ml. I filled it up.

용기의 회전속도를 45 rpm으로 하고 24 시간 회전함으로써 혼합하였다. 분말 혼합체를 55oC의 핫 플레이트(hot plate)에서 건조한 후 직경 13 mm의 원형 금형에 장입한 후 100kgf/cm2 의 압력으로 상온에서 프레스를 이용하여 압축, 성형하였다. Mixing was carried out by rotating the vessel at 45 rpm and rotating for 24 hours. The powder mixture was dried on a 55 ° C. hot plate and charged into a circular mold with a diameter of 13 mm and then compacted and molded using a press at room temperature at a pressure of 100 kgf / cm 2 .

성형체에서 결합제를 제거하기 위하여 2 oC/min.의 승온속도로 500 oC까지 올린 후 이 온도에서 1시간 유지하여 탈지하였다. 탈지된 성형체를 치밀화하기 위하여 열처리로에 장입하고 수소 분위기에서 3 oC/min.의 승온속도로 1175oC까지 올린 후 1시간 소결하였다.
In order to remove the binder from the molded product, the temperature was raised to 500 ° C. at a heating rate of 2 ° C./min. In order to densify the degreased molded body, it was charged to a heat treatment furnace, raised to 1175 ° C at a temperature increase rate of 3 ° C / min. In a hydrogen atmosphere, and sintered for 1 hour.

<실시예 3: 열역학 계산에 의한 고온 상평형 해석>Example 3 High Temperature Phase Equilibrium Analysis by Thermodynamic Calculation

합금의 기본 조성으로부터 변화된 합금 조성을 설계하기 위하여 합금의 물성 결정 요소를 파악하는 것이며 합금의 물성(특히 경도)은 크롬보라이드(Cr2B)의 석출과 밀접한 관련이 있다.In order to design the alloy composition changed from the basic composition of the alloy, the determination of physical properties of the alloy is identified, and the properties of the alloy (particularly hardness) are closely related to the precipitation of chromium boride (Cr 2 B).

이에 따라 크롬보라이드(Cr2B) 형성량을 예측하기 위하여 열역학 계산을 수행하였다. 계산에 사용된 소프트웨어는 상용 열역학 계산 프로그램인 ThermoCalc이며, 열역학 데이터베이스는 TCFE2000를 기반으로 업그레이드된 버전(upgraded version)을 사용하였다. Accordingly, thermodynamic calculation was performed to predict the amount of chromium boride (Cr 2 B) formation. The software used for the calculation was ThermoCalc, a commercial thermodynamic calculation program, and the thermodynamic database used an upgraded version based on TCFE2000.

도 2는 이 데이터베이스를 이용하여 작성한 Fe-Cr-B 3원계 등온 상태도이다.2 is a Fe-Cr-B ternary isothermal state diagram prepared using this database.

도 3은 1250oC(분홍색)와 1000oC(연두색)에서 기본 합금의 구성 원소(Fe, Cr, B, Si, S, C)별로 각 성분 조성에 따른 Cr2B의 석출 구동력 변화를 계산한 결과이다. Figure 3 calculates the change in the precipitation driving force of Cr 2 B according to the composition of each component constituent (Fe, Cr, B, Si, S, C) of the base alloy at 1250 o C (pink) and 1000 o C (lime green) One result.

석출 구동력은 다른 성분들간의 비율을 고정시킨 상태에서 조절하려는 성분의 양을 0부터 원래 양의 두 배까지의 범위에서 계산한 것이다. The precipitation driving force is calculated from the amount of the component to be adjusted in the range from 0 to twice the original amount with the ratio between the other components fixed.

도 3으로부터 기본 합금의 주된 구성 성분인 철(Fe), 크롬(Cr), 보론(B)의 양을 변화시킬 때 크롬보라이드(Cr2B)의 석출 구동력이 크게 변함을 알 수 있다. 따라서 합금 설계를 위한 기초 합금의 선정에서는 철, 크롬, 보론을 주요 변수로 하였다. It can be seen from FIG. 3 that the precipitation driving force of chromium boride (Cr 2 B) greatly changes when the amounts of iron (Fe), chromium (Cr), and boron (B), which are the main constituents of the base alloy, are changed. Therefore, iron, chromium and boron were the main variables in the selection of the base alloy for alloy design.

기본 합금은 PIM용으로 사용될 경우 분말사출공정 중 1,200oC에서 장시간 소결되므로 소결된 미세조직은 평형에 도달했다고 생각할 수 있다.When the base alloy is used for PIM, it can be considered that the sintered microstructure has reached equilibrium because it is sintered at 1,200 o C for a long time during the powder injection process.

평형 도달 후 냉각되고 있는 중이라 생각할 수 있는 온도인 1,000oC에서 철, 크롬, 보론의 조성을 조절하여 평형 상 분율을 계산하였다. The equilibrium phase fraction was calculated by adjusting the composition of iron, chromium and boron at 1,000 o C, which is considered to be cooling after reaching equilibrium.

조성은 기준이 되는 표 1의 기본 합금을 기초로 하여, 주 성분의 몰분율의 합(XFe+XCr+XB)이 0.9634 를 유지하되, Cr과 B의 비율(XCr/XB)을 1.0(B 비율 증가), 1.6(기본 비율), 2.2(Cr 비율 증가)의 세 가지 경우로 하여 XFe와 (XCr+XB)값을 조절하였다. The composition is based on the base alloy of Table 1 as a reference, and the sum of the molar fractions of the main components (X Fe + X Cr + X B ) is maintained at 0.9634, and the ratio of Cr and B (X Cr / X B ) is maintained. X Fe and (X Cr + X B ) were adjusted in three cases: 1.0 (increase B ratio), 1.6 (base ratio) and 2.2 (increase Cr ratio).

도 4는 세 가지 경우에 대한 1,000oC에서 존재하는 평형 상들의 분율을 보여준다. 보론 비율이 증가할수록, 그리고 XCr+XB 값이 증가할수록 크롬보라이드(Cr2B)의 평형 상 분율이 증가한다. 4 shows the fraction of equilibrium phases present at 1,000 ° C. for three cases. As the boron ratio increases, and as the value of X Cr + X B increases, the equilibrium fraction of chromium boride (Cr 2 B) increases.

세 경우의 조성 비율에서 각각 XCr+XB=0.30, 0.45, 0.5819의 세 가지 경우를 다시 선택하여 모두 아홉개의 합금 조성을 도출하였으며, 이를 표 2에 나타내었다. In the three composition ratios, three cases of X Cr + X B = 0.30, 0.45, and 0.5819 were selected again to derive all nine alloy compositions, which are shown in Table 2.

우선 XCr/XB 비율이 1.0, 1.6, 2.2인 조성을 중심으로, 각각에 대하여 XCr+XB 합이 0.30, 0.45, 0.5819인 경우를 실시예 1 내지 9로 구분하였다. First, the case where the sum of X Cr + X B is 0.30, 0.45, and 0.5819 was divided into Examples 1-9 based on the composition whose X Cr / X B ratio is 1.0, 1.6, and 2.2.

여기서 XCr/XB=1.6, XCr+XB=0.5819의 실시예 6은 기준 조성인 표 1의 합금과 동일하다. Here, Example 6 of X Cr / X B = 1.6, X Cr + X B = 0.55819 is the same as the alloy of Table 1 as the reference composition.

도 5 내지 도 7은 아홉 개 합금 조성의 온도에 따른 평형 상 분율을 나타낸 그래프이다. 이로부터 여러 온도에서 크롬보라이드(Cr2B)의 평형 상 분율의 열역학 계산값을 알 수 있다. 5 to 7 are graphs showing equilibrium phase fractions with temperatures of nine alloy compositions. This gives the thermodynamic calculation of the equilibrium fraction of chromium boride (Cr 2 B) at various temperatures.

예를 들어, 실시예 1(XCr/XB=1.0, XCr+XB=0.30) 합금 조성에서 1000oC에서의 Cr2B 분율은 43 vol. % 정도이고, 나머지는 BCC α-Fe(페라이트)와 FCC γ-Fe (오스테나이트)이다. 온도가 상온으로 내려오면, Cr2B의 분율은 그대로 유지되고 γ-Fe는 α-Fe로 변태되어 상온 미세조직은 43 vol. %의 Cr2B과 57 vol. %의 α-Fe로 이루어질 것으로 예상할 수 있다.
For example, the Cr 2 B fraction at 1000 ° C. in Example 1 (X Cr / X B = 1.0, X Cr + X B = 0.30) alloy composition was 43 vol. % And the rest are BCC α-Fe (ferrite) and FCC γ-Fe (austenite). When the temperature is lowered to room temperature, the fraction of Cr 2 B is maintained and γ-Fe is transformed into α-Fe so that the room temperature microstructure is 43 vol. % Cr 2 B and 57 vol. It can be expected to consist of% α-Fe.

<< 실시예Example 4 :  4 : FeFe 계 합금의 미세조직> Microstructure of Alloys>

PIM 부품은 고온에서 장시간 소결이 진행됨에 따라 충분한 평형 상태에 이르지만, 주조 합금은 용융 후 냉각에 의한 응고가 비교적 빨리 일어나 평형 상태에 도달하지 못할 수 있다. PIM parts reach a sufficient equilibrium with prolonged sintering at high temperatures, but cast alloys may not reach equilibrium due to relatively rapid solidification by cooling after melting.

따라서 충분한 평형 상태에 도달한 미세조직을 얻기 위하여 PIM의 소결공정에 해당하는 열처리를 주조 합금에 적용하였다. Therefore, the heat treatment corresponding to the sintering process of PIM was applied to the cast alloy in order to obtain a microstructure that reached a sufficient equilibrium state.

도 8 내지 10은 주조 후 열처리된 합금들의 주사전자현미경(SEM) 미세조직이다. 열처리 후에는 확산이 일어나므로, 그 미세조직은 주조 합금의 미세조직과 상당히 다르다. 8 to 10 are scanning electron microscope (SEM) microstructures of alloys heat-treated after casting. Since the diffusion occurs after the heat treatment, the microstructure is significantly different from that of the cast alloy.

고온에서 장시간 유지되면 마르텐사이트는 미세한 탄화물들이 석출한 템퍼드 마르텐사이트, 즉 페라이트로 변화하며, Cr2B도 형태가 침상 또는 봉상에서 구형 또는 타원형으로 변화한다. After prolonged storage at high temperature, martensite changes to tempered martensite, ie, ferrite, from which fine carbides are precipitated, and Cr 2 B also changes from acicular or rod to spherical or elliptical.

주조 합금에서와 마찬가지로, (XCr+XB)이 증가함에 따라 Cr2B 양이 증가하는 경향을 나타낸다. 기준 조성의 합금과 동일한 조성인 실시예 6의 합금의 미세조직(도 9 (f))은 도 1의 기본 합금 분말로 분말사출성형한 부품의 미세조직과 비슷하다. 이로부터 주조 후 열처리된 합금의 미세조직은 이를 분말로 만든 후 PIM 공정을 거친 부품의 미세조직과 비슷할 것이라고 예상할 수 있다. As in the cast alloy, the amount of Cr 2 B tends to increase as (X Cr + X B ) increases. The microstructure (Fig. 9 (f)) of the alloy of Example 6 having the same composition as the alloy of the reference composition is similar to the microstructure of the powder injection molded parts of the base alloy powder of FIG. From this, it can be expected that the microstructure of the alloy heat-treated after casting will be similar to the microstructure of the parts that have been powdered and then subjected to the PIM process.

도 11은 열처리된 합금들의 X-선 회절분석결과이다. 모든 합금에서 α-Fe (페라이트)와 Cr2B의 피크가 나타나므로, Cr2B가 페라이트 기지 내에 분포함을 알 수 있다. 석출된 Cr2B 분율을 측정하여 표 3에 나타내었으며, 평형 상 분율을 나타낸 도 5 내재 7로부터 구한 Cr2B 분율과 비교하였다.
11 is an X-ray diffraction analysis of the heat-treated alloys. Since all alloys show peaks of α-Fe (ferrite) and Cr 2 B, it can be seen that Cr 2 B is distributed in the ferrite matrix. The precipitated Cr 2 B fractions were measured and shown in Table 3, and compared with the Cr 2 B fractions obtained from Figs.

<< 실시예Example 5:  5: FeFe 계 합금의 경도> Hardness of Alloys>

주조된 합금과 열처리된 합금들의 경도를 측정하여 표 3에 나타내었다. 같은 화학조성에서 주조 합금과 열처리 합금의 경도가 다른 것은 Cr2B와 마르텐사이트로 이루어진 주조 합금의 미세조직이 열처리 후 달라지기 때문이다. The hardness of the cast alloy and the heat-treated alloys are measured and shown in Table 3. In the same chemical composition, the hardness of the cast alloy and the heat-treated alloy is different because the microstructure of the cast alloy composed of Cr 2 B and martensite is changed after heat treatment.

합금alloy 크롬보라이드의 부피분율(vol. %)Volume fraction of chromium boride (vol.%) 비커스 경도(VHN)Vickers Hardness (VHN) 계산값Calculated value 열처리후After heat treatment 주조후After casting 열처리후After heat treatment 실시예1Example 1 4848 5151 1107.5 (±60.8)1107.5 (± 60.8) 595.4 (±37.8)595.4 (± 37.8) 실시예2Example 2 7171 7676 1200.5 (±7.6)1200.5 (± 7.6) 1144.6 (±123.7)1144.6 (± 123.7) 실시예3Example 3 8989 9191 1649.6 (±105.1)1649.6 (± 105.1) 1624.7 (±125.2)1624.7 (± 125.2) 실시예4Example 4 4040 4646 837.4 (±52.8)837.4 (± 52.8) 404.4 (±14.6)404.4 (± 14.6) 실시예5Example 5 5757 5959 735.3 (±14.0)735.3 (± 14.0) 648.9 (±170.7)648.9 (± 170.7) 실시예6Example 6 7171 8080 759.5 (±33.4)759.5 (± 33.4) 1260.5 (±55.5)1260.5 (± 55.5) 실시예7Example 7 3434 4242 658.0 (±89.2)658.0 (± 89.2) 325.7 (±17.7)325.7 (± 17.7) 실시예8Example 8 4747 4747 482.8 (±18.3)482.8 (± 18.3) 537.0 (±58.2)537.0 (± 58.2) 실시예9Example 9 6060 6666 617.6 (±6.2)617.6 (± 6.2) 962.5 (±149.2)962.5 (± 149.2)

주조 합금에서 마르텐사이트는 열처리 후 페라이트로 변화하며, Cr2B는 고온 열처리에 의한 확산 효과에 의해 평형 상태에 도달함에 따라 Cr2B 자체의 경도와 분율이 증가한다. 열처리 후에는 마르텐사이트가 페라이트로 변화함에 따라 경도는 감소하고, Cr2B의 경도와 분율이 증가함에 따라 경도는 증가하며, 이 둘 사이의 경쟁 관계에 따라 주조 합금의 경도는 열처리 후 증가 또는 감소하게 된다. In cast alloys, martensite changes to ferrite after heat treatment, and Cr 2 B increases its hardness and fraction as Cr 2 B reaches equilibrium due to the diffusion effect of high temperature heat treatment. After the heat treatment, the hardness decreases as the martensite changes to ferrite, and the hardness increases as the hardness and fraction of Cr 2 B increases, and according to the competition between the two, the hardness of the cast alloy increases or decreases after heat treatment. Done.

즉, Cr2B 분율이 높은 합금 조성에서는 마르텐사이트-페라이트 변태에 의한 경도 감소보다 Cr2B 경도와 분율의 증가 효과가 커서 열처리 후 경도가 증가한다. 반면, 페라이트 분율이 높은 합금 조성에서는 마르텐사이트-페라이트 변태에 의한 경도 감소 효과가 Cr2B 경도와 분율의 증가 효과보다 커서 열처리 후 경도가 감소하는 경향을 보인다.
That is, Cr in the high alloy composition 2 B fraction of martensite-transformation to ferrite increases the cursor hardness after heat-treatment effect of the Cr 2 B hardness and fraction than the hardness decreases by. On the other hand, in the alloy composition with a high ferrite fraction, the hardness reduction effect due to the martensite-ferrite transformation is greater than the increase effect of Cr 2 B hardness and fraction, and thus tends to decrease the hardness after heat treatment.

실시예 6의 합금의 미세조직(도 9 (f))과 기본 합금 분말로 PIM한 부품의 미세조직(도 1)과 비슷한 것을 고려할 때, 본 연구에서 제조한 Fe계 합금들은 Cr2B 분율과 경도에 따라 다양하게 PIM 부품의 제조에 사용될 수 있다. Considering the microstructure of the alloy of Example 6 (FIG. 9 (f)) and similar to the microstructure of the component PIM with the base alloy powder (FIG. 1), the Fe-based alloys prepared in the present study were Cr 2 B fraction and Depending on the hardness, it can be used to manufacture PIM parts.

일반적으로 Cr2B분율이 증가하면 경도도 증가하지만, 취성 파괴 가능성은 증가한다. 따라서 PIM 부품에 적용될 때 높은 Cr2B분율과 경도가 반드시 필요한 것은 아니기 때문에, 부품에 요구되는 물성에 적합한 물성을 가진 합금을 효과적으로 선택하는 것이 바람직하다. In general, as the Cr 2 B fraction increases, the hardness increases, but the probability of brittle fracture increases. Therefore, since high Cr 2 B fraction and hardness are not necessarily required when applied to PIM components, it is desirable to effectively select an alloy having physical properties suitable for the physical properties required for the component.

예를 들어, PIM 부품에 요구되는 경도 조건이 500~600 VHN이라면, 여기에 맞는 합금, 예를 들어 실시예 1, 5, 8의 합금들이 적용될 수 있다. 이 경우 경도가 높은 합금보다 취성이 감소하고 인성은 증가되는 이점도 가질 수 있다. For example, if the hardness condition required for the PIM part is 500 to 600 VHN, suitable alloys, for example, the alloys of Examples 1, 5 and 8 may be applied. In this case, brittleness may be reduced and toughness may be increased, compared to an alloy having a high hardness.

또한 Cr2B 분율이 증가하려면 이에 따른 합금원소의 양도 증가하므로, PIM 부품에 요구되는 물성은 물론, 합금원소의 가격을 포함한 경제성을 함께 고려하는 것이 바람직하다. In addition, if the Cr 2 B fraction is increased, the amount of alloying elements increases accordingly, and therefore, it is desirable to consider both the physical properties required for the PIM part as well as the economics including the price of the alloying elements.

도 12는 부품에 요구되는 물성(경도 기준)에 따라 합금원소의 가격을 그래프로 나타낸 것이다. 합금원소의 가격 기준은 LME dailiy price (2010.07.27기준)에 의거하였다. 12 is a graph showing the price of the alloying element according to the physical properties (hardness basis) required for the part. The price criteria of alloying elements were based on LME dailiy price (as of July 27, 2010).

본 연구에서 제조한 합금에 함유된 합금원소의 가격은 기본합금 낮으며, 경도가 감소하면 합금원소 가격도 감소한다. The price of alloy element in the alloy produced in this study is low in base alloy, and the alloy element price decreases with decreasing hardness.

또한, PIM용으로 많이 사용되고 있는 페라이트계 또는 마르텐사이트계 SUS630 스테인리스강(조성: Fe-17Cr-4Ni-4Cu-0.35Nb-0.07C(wt.%), 경도: 360 VHN)보다 합금원소의 가격이 낮아 이의 대체가 충분히 가능하다. In addition, the price of alloying elements is higher than that of ferritic or martensitic SUS630 stainless steel (composition: Fe-17Cr-4Ni-4Cu-0.35Nb-0.07C (wt.%), Hardness: 360 VHN), which is widely used for PIM. Low replacement is possible enough.

따라서 PIM 부품에 요구되는 물성과 경제성을 동시에 고려할 때, 본 연구의 합금은 다양한 조건의 PIM 부품에 적용이 충분히 가능하며, 우수한 물성과 유리한 경제성까지 갖추고 있다. Therefore, considering the physical properties and economics required for PIM parts, the alloy of this study can be applied to PIM parts under various conditions, and has excellent physical properties and advantageous economics.

이상과 같이 단단한 Cr2B이 페라이트 기지에 분포된 PIM용 합금을 설계한 본원발명으로부터 Cr2B 분율을 조절함으로써 다양한 물성을 나타내는 합금을 성공적으로 제조할 수 있었다. As described above, by controlling the Cr 2 B fraction from the present invention, which designed an alloy for PIM in which hard Cr 2 B was distributed in a ferrite matrix, alloys having various physical properties could be successfully manufactured.

특히 열역학 계산에 의한 고온 평형 상 분율의 계산 결과로부터 Cr2B 분율 및 경도를 예측하였고, 이를 이용하여 다양한 Cr2B분율과 경도를 가지는 Fe계 합금을 제조하였다. In particular, Cr 2 B fraction and hardness were predicted from the calculation results of the high temperature equilibrium phase fraction by thermodynamic calculation, and Fe-based alloys having various Cr 2 B fractions and hardness were prepared.

이 합금들은 고온에서 안정하고 내식성이 우수한 Cr2B를 많이 함유하여 상온 경도는 물론, 고온 물성, 내마모성, 내식성도 기존 스테인리스강 PIM 부품보다 우수할 것으로 예상되므로 우수한 물성을 요구하는 구조용 부품에 적용할 수 있는 새로운 가능성을 보여준다. These alloys contain a lot of Cr 2 B, which is stable at high temperatures and has excellent corrosion resistance. Therefore, the alloys are expected to be superior in temperature hardness, high temperature properties, abrasion resistance, and corrosion resistance to conventional stainless steel PIM parts. To show new possibilities.

실시예 3 합금은 1600 VHN 이상의 경도를 나타내고 있으므로, 스테인리스강 뿐만 아니라 초경합금의 PIM 부품에도 충분히 적용 가능하다.
Example 3 Since the alloy has a hardness of 1600 VHN or more, it can be sufficiently applied not only to stainless steel but also to PIM parts of cemented carbide.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, You will understand.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be interpreted as being included in the scope of the present invention .

Claims (9)

분말사출성형용 철계 합금에 있어서,
철(Fe) 52.59~ 78.15 wt.%, 크롬(Cr) 16.45~ 37.34 wt.%, 보론(B) 3.42~7.76 wt.%, 실리콘(Si) 1.64~1.92wt.%, 황(S) 0~0.21 wt.%, 탄소(C) 0.16~0.18 wt.% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금. In the iron-based alloy for powder injection molding,
Iron (Fe) 52.59 ~ 78.15 wt.%, Chromium (Cr) 16.45 ~ 37.34 wt.%, Boron (B) 3.42 ~ 7.76 wt.%, Silicon (Si) 1.64 ~ 1.92wt.%, Sulfur (S) 0 ~ An iron-based alloy for powder injection molding, comprising 0.21 wt.%, Carbon (C) 0.16 to 0.18 wt.%, And other unavoidable impurities. 제 1 항에 있어서,
상기 크롬(Cr)과 보론(B)의 비율(XCr/XB)은 1.0 인 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.The method of claim 1,
The ratio (X Cr / X B ) of the chromium (Cr) and boron (B) is 1.0 for powder injection molding iron alloy. 제 2 항에 있어서,
상기 크롬(Cr)과 보론(B)의 몰분율의 합(XCr+XB)은 0.30 내지 0.60 인 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.3. The method of claim 2,
The sum (X Cr + X B ) of the mole fraction of chromium (Cr) and boron (B) is 0.30 to 0.60. 제 3 항에 있어서,
상기 철(Fe), 크롬(Cr) 및 보론(B)의 몰분율의 합(XFe+XCr+XB)은 0.9635 인 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.The method of claim 3, wherein
The sum of the mole fractions of iron (Fe), chromium (Cr) and boron (B) (X Fe + X Cr + X B ) is 0.9635, the iron-based alloy for powder injection molding. 제 4 항에 있어서,
상기 분말사출성형용 철계 합금의 미세조직은 크롬 보라이드(Cr2B)가 페라이트(ferrite) 기지 내에 네트워크 형태로 분포하는 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.5. The method of claim 4,
The microstructure of the iron-based alloy for powder injection molding is a powder injection molding iron-based alloy, characterized in that chromium boride (Cr 2 B) is distributed in the form of a network in the ferrite (ferrite) base. 제 5 항에 있어서,
상기 크롬 보라이드(Cr2B)의 부피 분율(volume fraction)은 51%~91% 인 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.The method of claim 5, wherein
The volume fraction of the chromium boride (Cr 2 B) is 51% to 91% powder injection molding iron alloy, characterized in that. 제 6 항에 있어서,
상기 분말사출성형용 철계 합금의 경도는 600 ~ 1600 VHN 인 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 철계 합금.The method according to claim 6,
The powder injection molding iron-based alloy hardness of the powder injection molding iron alloy, characterized in that 600 ~ 1600 VHN. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 의한 분말사출성형용 철계 합금의 분말을 제공하는 단계;
상기 분말사출성형용 철계 합금의 분말과 결합제를 혼합하여 분말혼합체를 형성하는 단계;
상기 분말 혼합체를 압축 성형하는 단계;
상기 분말 혼합체를 가열하여 결합제를 제거하는 단계; 및
상기 결합제가 제거된 분말 혼합체를 소결하는 단계를 포함하는 철계 분말의 사출성형방법.Providing a powder of the iron-based alloy for powder injection molding according to any one of claims 1 to 7;
Mixing a powder of the iron-based alloy for powder injection molding and a binder to form a powder mixture;
Compression molding the powder mixture;
Heating the powder mixture to remove the binder; And
Injection molding method of the iron-based powder comprising the step of sintering the powder mixture is the binder is removed. 제 8 항에 있어서,
상기 분말 혼합체의 형성은 제1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 의한 분말사출성형용 철계 합금의 분말과 파라핀 왁스, 텅스텐 카바이드 볼 및 헵탄(heptanes)을 용기에 혼합 후 상기 용기를 회전시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 철계 분말의 사출성형방법. The method of claim 8,
The powder mixture is formed by mixing the powder of the iron-based alloy for powder injection molding according to any one of claims 1 to 7 with paraffin wax, tungsten carbide balls and heptanes in a container, and then rotating the container. Injection molding method of iron-based powder, characterized in that.
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