KR20110099708A - 금속 소결 부품을 제조하기 위한 전구체, 이 전구체의 제조 방법 및 금속 소결 부품의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 소결 부품의 제조를 위한 전구체, 이 전구체의 제조 방법 및 금속 소결 부품의 제조에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 완전히 소결된 부품에 대한 물리적 밀도가 증가되도록 하고 수축률이 줄어들도록 하는, 금속 소결 부품을 제조하는 가능한 방법을 제시하는 것이다. 금속 소결 부품의 제조를 위한 본 발명에 따른 전구체에서, 제1 금속 분말의 각각의 하나의 입자에 의해 형성되는 코어 상에 쉘층이 형성된다. 쉘층은 제2 분말과 바인더에 의해 형성된다. 제1 분말은 입자 크기(d₉₀)가 50 μm 이상이고, 제2 분말은 입자 크기(d₉₀)가 25 μm 미만이다. 전구체는 분말이다.

Description

금속 소결 부품을 제조하기 위한 전구체, 이 전구체의 제조 방법 및 금속 소결 부품의 제조 방법{PRE­PRODUCT FOR THE PRODUCTION OF SINTERED METALLIC COMPONENTS, A METHOD FOR PRODUCING THE PRE­PRODUCT AND THE PRODUCTION OF COMPONENTS}

본 발명은 금속 소결 부품을 제조하기 위한 전구체(중간 사전 제품), 이 전구체의 제조 방법 및 금속 소결 부품의 제조 방법에 관한 것이다.

금속 소결 부품을 제조하는 데에는 분말이 사용되며, 분말은 대개 각각의 금속에 의해, 그리고 통상적으로는 금속 소결 부품을 제조할 금속 합금에 의해 형성된다. 금속 소결 부품의 제조에 있어서, 금속 소결 부품의 특성을 결정하는 시작 분말의 선택 및 예처리가 상당한 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 사용되는 분말의 입자 크기는 소결하는 동안에 달성 가능한 부품 재료의 물리적 밀도와 수축률에 강력한 영향을 미친다.

과거에는, 특히 미리 실시되는 고에너지 밀링(milling)에 의해 소결 작업이 개선되었으며, 그 결과 부품 재료의 특성도 개선되었다.

사용되는 금속 분말은 또한 다른 요건을 충족시켜야만 한다. 생소지(green body)를 제조하기 위한 처리에 있어서, 분말의 양호한 유동성, 소결 이전의 생소지의 증가된 생밀도(green density) 및 생강도(green strength)가 요망된다. 생소지의 비교적 높은 생밀도가 압축 성형에 의한 성형에서 달성되면, 완전히 소결된 부품에서 일어나는 수축은 줄어든다. 그러나, 확실한 윤곽을 갖는 부품을 제조하고, 또한 사후 가공을 실시할 필요가 없도록 하기 위해서는, 수축률이 매우 적은 것이 바람직하다.

고합금 금속 분말은 그 경도로 인해, 소결 부품을 형성하는 압축 성형 또는 소결과 같은 간단한 금속 야금 기법에 의해 처리할 수 없다. 상기 합금 분말의 고에너지 밀링과 후속하는 응집이 상기 분말을 예컨대 압축 가능하게 한다. 그러나, 소결 중의 낮은 겉보기 밀도, 불량한 흐름 거동 및 높은 수축률과 같은 기술 파라메터는 증가된 소결 작업과 함께 받아들여져야만 한다, 이러한 불리한 특성으로 인해, 상당한 기계적 사후 가공 없이 고밀도 부품을 제조하는 것은 불가능하다.

종래의 방식으로 제조되는 소결 부품은, 이론적 밀도의 95% 이하의 물리적 밀도를 달성하고 10 % 이상의 수축률을 갖는다.

이에 따라, 본 발명의 목적은, 완전히 소결된 부품에 대한 물리적 밀도가 증가되도록 하고 수축률이 줄어들도록 하는, 금속 소결 부품을 제조하는 가능한 방법을 제시하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은, 청구항 1의 특징을 갖는 전구체에 의해 달성된다. 상기 전구체는 청구항 7의 방법에 의해 제조될 수 있다. 청구항 11은 금속 소결 부품의 제조에 관한 것이다. 본 발명의 유익한 실시예 및 다른 양태는 종속항에 규정된 특징에 의해 달성될 수 있다.

본 발명은 금속 소결 부품을 제조하는 유익한 방법에 관한 것이다. 이를 달성하기 위해, 기존에 사용되었던 금속 분말 대신에 성형 및 소결 처리되는 분말 전구체가 사용된다.

전구체는, 쉘층으로 둘러싸이는 코어를 포함한다. 전구체는, 적어도 그 입자 크기 면에서 상이한 제1 분말과 제2 분말을 사용하여 제조된다. 이에 따라, 코어를 형성하는 제1 분말의 입자는 보다 크며, 50 μm 이상, 바람직하게는 80 μm 이상의 입자 크기(d₉₀)를 갖는다. 이것은 금속 또는 금속 합금이다.

제2 분말의 입자는 보다 작으며, 25 μm 미만, 바람직하게는 20 μm 미만, 매우 바람직하게는 10 μm 미만의 입자 크기(d₉₀)를 갖는다. 쉘층은 바인더를 더 포함한다. 상기 바인더는 바람직하게는 유기 바인더일 수 있다. 예컨대, 폴리비닐 알코올(PVA)을 바인더로서 사용하는 것이 가능하다. 제2 분말은 금속, 금속 합금 또는 금속 산화물일 수 있다. 그러나, 제2 분말은 또한 이들 성분 중 2개 이상을 포함하는 혼합물일 수도 있다. 추가로, 탄소가 흑연 형태로 존재할 수 있다.

가장 간단한 경우에, 제1 분말의 입자와 제2 분말의 입자는 동일한 금속 또는 동일한 금속 합금으로 형성된다. 그러나, 2개의 분말에 대해서, 상이한 금속, 금속 합금 또는 제2 분말의 경우에는 금속 산화물을 사용하는 것이 유익하다. 이것은, 또한 완성된 부품을 제조하기 위해 실시되는 소결 단계에서 합금 성형을 동시에 달성하는 기회를 열어두고, 그 결과 완성된 부품에서 합금 조성물의 농도 평형, 변경된 합금 조성의 기회를 열어둔다.

생소지 및 완성된 부품의 제조에 있어서의 추가의 과정에서, 제2 분말은 제1 분말보다 연성인 것이 유익하다. 그 결과, 성형 처리에 의해 생소지를 제조하기 위한 압축 성형 중에, 증가된 생밀도를 얻을 수 있으며, 이는 또한 궁극적으로 소결 후의 부품의 보다 높은 물리적 밀도 및 줄어든 수축률을 초래한다. 쉘층은 압축 성형을 보조하는 기능과 유사한 기능을 수행한다.

전구체에서, 전구체의 개별 입자들은, 쉘층이 코어의 질량비 이하의 질량비를 갖도록 하는 방식으로 제조되었음이 틀림없다. 쉘층에서의 바인더의 비율은 고려 대상이 아니거나 또는 무시될 수 있다. 그러나, 코어의 질량비는 바람직하게는 쉘층의 질량비보다 커야만 한다. 쉘층은 또한 동일한 층 두께를 가져야만 하며 , 이것은 각각의 입자와, 또한 전구체의 모든 입자에 적용되어야만 한다.

본 발명의 전구체는 제1 분말의 입자에 현탁액을 분사(분무)함으로써 제조될 수 있다. 현탁액은 제2 분말의 입자와 바인더를 함유한다. 수성 현탁액을 사용하는 것도 가능하다. 분무 중에, 제1 분말의 입자는 움직이는 상태로 유지된다. 이것은 예컨대 유동화 베드 로터(fluidized-bed roter)를 사용하여 실시될 수 있다.

제1 분말의 입자로 이루어진 코어 상에 정해진 두께의 쉘층을 형성한 후, 전구체 입자는 건조될 수 있다. 이러한 방식으로, 이론적 밀도의 약 40 %의 높은 겉보기 밀도와, 홀 플로우 퍼넬(Hall flow funnel)에 의해 결정되는, 30 s 미만일 수 있는 양호한 유동성을 달성하는 것이 가능하다.

추가로, 전구체의 예소결이 실시될 수 있다. 이로 인해, 전구체의 겉보기 밀도(충전 밀도) 및 유동성이 관련된 전구체의 특성에 보다 큰 영향을 미치는 것이 가능하다. 겉보기 밀도는 이러한 방식으로 증가될 수 있으며, 유동성은 개선될 수 있다. 800 ℃ 이상의 온도에서 예소결이 실시될 때, 유동성은 이러한 방식으로 줄어들 수 있다. 유동성은 홀 플로우 퍼넬에 의해 결정될 수 있다. 완전히 소결된 부품의 물리적 밀도는 또한 이러한 방식으로 증대될 수 있으며, 수축률도 또한 5 % 미만으로 줄어들 수 있다.

이후, 전구체는 성형 처리될 수 있다. 이때, 치밀화(compaction)를 초래하는 압축력이 인가된다. 얻어진 생소지는 증가된 생밀도 및 생강도를 달성한다. 압축 성형 동안에, 주로 쉘층에 존재하는 성분이 변형된다. 코어는 통상적으로 변형되지 않은 상태로 유지된다. 쉘층의 변형은 증대된 치밀화가 달성되는 것을 가능하게 하고, 이는 소결 동안에 수축률의 감소를 초래한다. 수축률은 8 % 미만으로 유지될 수 있다. 5 % 이하로의 감소도 또한 가능하다. 완전히 소결된 제품의 물리적 밀도는 이론적 밀도의 92 % 이상, 그리고 최대 95 % 또는 95 %를 넘어 도달할 수 있다.

전술한 바와 같이, 합금 성형 또는 변경된 합금 조성은 소결 중에 일어날 수 있다. 이때, 코어와 쉘층을 위해 사용되는 2개의 분말이 상이한 농도 또는 조성을 갖는 경우, 코어와 쉘층을 위해 사용되는 2개의 분말들 사이의 농도 평형이 일어난다. 확산 과정이 이용될 수 있다. 이때, 최장 확산 경로는 전구체의 입자 직경의 0.5배이다. 확산을 위해 요구되는 시간은 종래의 제조 과정에 비해 현저히 줄어들 수 있다. 이것은 또한, 예컨대 니켈 또는 몰리브덴의 입자가 순철의 입자 상에 소결되는 기지의 확산 결합 분말의 사용에 비교하여 적용된다. 그러나, 이러한 방식으로는 0.1 내지 2 %의 매우 작은 합금 요소의 비율이 달성될 수 있다. 대조적으로, 본 발명에 의해서는 훨씬 높은 합금 성분 재료가 얻어질 수 있다. 기지의 기술적인 해법에 비해, 소결에 의해 본 발명에 따라 제조될 수 있는 합금의 농도는 매우 정확하고 재현 가능하게 설정될 수 있다.

다양한 철 기반 합금, 코발트 기반 합금 및 니켈 기반 합금이 이러한 방식으로 제조될 수 있다. 각각의 베이스 금속의 비율은 50 질량% 이상이다.

이어서, 예에 의해 본 발명이 설명된다.

본 발명에 따르면, 완전히 소결된 부품에 대한 물리적 밀도가 증가되도록 하고 수축률이 줄어들도록 하는, 금속 소결 부품을 제조하는 가능한 방법이 제시된다.

예 1

구성 재료가 5.8W, 5.0Mo, 4.2Cr, 4.1V, 0.3Mn, 0.3Si, 1.3C를 포함하고, 잔부가 철인 철 합금인 부품이 제조 대상이다.

전구체의 코어를 형성하는 제1 분말을 위해 8.1W, 6.7Mo, 5.9Cr, 0.4Mn, 0.4Si를 포함하는 철 기반 합금을 사용하였다. 입자 크기(d₉₀)는 95 μm였다.

각각의 입자 크기(d₉₀)가 10 μm 미만인 31.0 질량%의 카르보닐 철 분말과 1.3 질량%의 부분적으로 비정질인 흑연의 혼합물인 제2 분말을 쉘층을 위해 사용하였다. 이러한 방식으로 67.7 질량%의 코어와 바인더가 없는 32.3 질량%의 쉘층에 대한 질량비를 얻었다.

카르보닐 철을 환원 형태로 사용하였지만, 비환원 형태로도 또한 사용할 수 있다.

제1 분말을 유동화 베드 로터 내에 초기 충전물로서 도입하였고, 이 유동화 베드 로터 내에서 교반하였다. 물, PVA 및 쉘층을 위한 분말 혼합물에 의해 형성된 현탁액을, 유동화 베드 로터의 회전 방향에 대해 접선 방향으로 배치된 2개의 유체 노즐을 통해 분무하였다. 코어 주변의 쉘층의 형성은 매우 저속으로 일어나야만 한다. 현탁액의 조성은 38 질량%의 물, 58 질량%의 카르보닐 철 분말, 2.4 질량%의 부분적으로 비정질인 흑연 및 1.8 질량 %의 바인더(PVA)였다.

건조 후, 분말 전구체의 입자 크기(d₉₀)는 125 μm였다.

이어서, 치밀화를 달성하고 생소지를 형성하기 위해 압축 성형에 의한 성형을 실시하였다. 이것은 통상적인 성형 처리, 예컨대 툴에서의 다이 압축 성형, 사출 성형 또는 압출을 이용하여 실시할 수 있다. 6.9 g/cm³의 생밀도와 10.3 MPa의 생강도를 달성하였다.

이후, 성형 가스(10 체적%의 H₂ 및 90 체적%의 N₂) 하에서 생소지를 소결하였다. 250 ℃, 350 ℃ 및 600 ℃의 단계로 열처리를 실시하였으며, 각각의 온도에서의 각각의 유지 시간은 0.5 h였다. 1200 ℃의 최대 온도는 2 h 동안 유지되었다.

완전히 소결된 부품은 물리적 밀도가 7.95 g/cm³였으며, 소결 후의 수축률은 4.6 %였다. 이 재료의 이론적 밀도는 7.97 g/cm³였다.

예 2

51.5Cr, 3.6Mo, 2.7Si, 0.68Mn, 1.9C를 포함하고, 잔부가 철인 합금으로 이루어지고 입자 크기(d₉₀)가 82 μm인, 코어를 위한 제1 분말을 사용하여 34.0Cr, 2.1Mo, 2.0Si, 1.3C를 포함하고, 잔부가 철인 철 기반 합금으로 이루어진 부품을 제조하였다.

제2 분말의 경우, 변형예 1로서 비환원 카르보닐 철 분말[입자 크기(d₉₀) 9 μm]과, 변형예 2로서 환원된 철 산화물로부터 얻은 철 분말[입자 크기(d₉₀) 5 μm]을 채용하였다.

각 경우에, 제1 분말의 질량비는 66.7 질량%였고, 제2 분말에 대한 질량비는 33.3 질량%였다.

제1 분말을 유동화 베드 로터 내에 초기 충전물로서 도입하였고, 이 유동화 베드 로터 내에서 교반하였다. 물, PVA 및 쉘층을 위한 분말 혼합물에 의해 형성된 현탁액을, 유동화 베드 로터의 회전 방향에 대해 접선 방향으로 배치된 2개의 유체 노즐을 통해 분무하였다. 코어 주변의 쉘층의 형성은 매우 저속으로 일어나야만 한다. 현탁액의 조성은 49 질량%의 물, 49 중량%의 제2 분말 및 2 질량%의 바인더(PVA)였다.

변형예 1에 따른 전구체는 겉보기 밀도가 2.2 g/cm³이고, 홀 플로우 퍼넬에 의해 결정된 흐름 시간이 36 s였다. 변형예 2에 따른 전구체의 경우, 2.4 g/cm³의 겉보기 밀도를 달성하였고, 33 s의 흐름 시간을 결정할 수 있었다.

이어서, 치밀화를 달성하고 생소지를 형성하기 위해 압축 성형에 의한 성형을 실시하였다. 이것은 통상적인 성형 처리, 예컨대 툴에서의 다이 압축 성형, 사출 성형 또는 압출을 이용하여 실시할 수 있다.

변형예 1에 따른 생소지는 5.3 g/cm³의 생밀도 및 3.8 MPa의 생강도를 달성하였으며, 변형예 2의 경우에는 5.4 g/cm³의 생밀도 및 5.0 MPa의 생강도를 달성하였다.

이후, 양자의 변형예의 경우에 성형 가스(10 체적%의 H₂ 및 90 체적%의 N₂) 하에서 생소지를 소결하였다. 250 ℃, 350 ℃ 및 600 ℃의 각각의 온도에서 유지 시간이 0.5 h인 계단식 온도 범위를 채용하였다. 이어서, 1250 ℃에서 2 h의 기간에 걸쳐 최종 소결을 실시하였다.

완전히 소결된 부품은, 변형예 1의 경우에는 물리적 밀도가 7.1 g/cm³이고, 소결 후의 수축률이 7.6 %였으며, 변형예 2의 경우에는 물리적 밀도가 6.9 g/cm³이고, 수축률이 6.3 %였다. 이 재료의 이론적 밀도는 7.35 g/cm³였다.

예 3

27.6Mo, 8.9Cr, 2.2Si를 포함하고, 잔부가 코발트이며, 입자 크기(d₉₀)가 53.6 μm인 합금으로 이루어진 제1 물 분무형 분말과, 27.6Mo, 8.9Cr, 2.2Si를 포함하고, 잔부가 코발트이며, 입자 크기(d₉₀)가 21 μm인 합금으로 이루어진 합금으로 이루어진 제2 분말을 사용하여 27.6Mo, 8.9Cr, 2.2Si를 포함하고, 잔부가 코발트인 조성을 갖는 코발트 기반 합금으로서 타켓 합금을 갖는 부품을 제조하였다. 제1 물 분무형 분말과 제2 분말 모두는 전구체 제조를 위해 50 질량%의 양만큼 사용하였다. 현탁액의 조성은 29 질량%의 물, 69 질량%의 제2 분말, 1 질량%의 파라핀 및 1.4 질량%의 바인더(PVA)였다.

제1 분말을 유동화 베드 로터 내에 초기 충전물로서 도입하였고, 이 유동화 베드 로터 내에서 교반하였다. 물, PVA 및 쉘층을 위한 분말 혼합물에 의해 형성된 현탁액을, 유동화 베드 로터의 회전 방향에 대해 접선 방향으로 배치된 2개의 유체 노즐을 통해 분무하였다. 코어 주변의 쉘층의 형성은 매우 저속으로 일어나야만 한다.

건조 후, 분말 전구체는 입자 크기(d₉₀)가 130 μm였다. 겉보기 밀도는 3.0 g/cm³였고, 홀 플로우 퍼넬에 의해 29 s의 흐름 시간이 결정되었다.

이어서, 치밀화를 달성하고 생소지를 형성하기 위해 압축 성형에 의한 성형을 실시하였다. 이것은 통상적인 성형 처리, 예컨대 툴에서의 다이 압축 성형, 사출 성형 또는 압출을 이용하여 실시할 수 있다. 6.4 g/cm³의 생밀도를 달성하였다.

이후, 아래의 파라메터를 이용하여 수소 분위기에서 생소지를 소결하였다.

250 ℃, 350 ℃ 및 600 ℃의 단계로 열처리를 실시하였으며, 각각의 온도에서의 각각의 유지 시간은 0.5 h였고, 이어서 온도를 1285 ℃로 높였다. 최대 온도는 2 h 동안 유지되었다.

완전히 소결된 부품은 물리적 밀도가 8.7 g/cm³였으며, 소결 후의 수축률은 10.2%였다.

Claims (16)

1. 금속 소결 부품의 제조를 위한 전구체로서, 제1 금속 분말의 하나의 입자로 각각 형성된 코어 상에 쉘층이 형성되고, 이 쉘층은 제2 분말과 바인더에 의해 형성되는 것인 금속 소결 부품의 제조를 위한 전구체에 있어서,
   상기 제1 금속 분말은 입자 크기(d₉₀)가 50 μm 이상이고, 제2 분말은 입자 크기(d₉₀)가 25 μm 미만이며, 상기 전구체는 분말인 것인 금속 소결 부품의 제조를 위한 전구체.
2. 제1항에 있어서, 상기 코어는 금속 또는 금속 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 소결 부품의 제조를 위한 전구체.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 쉘층은 금속, 금속 합금 및/또는 금속 산화물에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 소결 부품의 제조를 위한 전구체.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 쉘층에 있어서의 금속, 금속 합금 및/또는 금속 산화물의 질량비는 각각의 코어를 형성하는 제1 금속 분말의 입자의 질량비 이하인 것을 특징으로 하는 금속 소결 부품의 제조를 위한 전구체.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 쉘층에는 탄소가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 금속 소결 부품의 제조를 위한 전구체.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 쉘층을 형성하는 제2 분말은 코어를 형성하는 제1 금속 분말보다 연성인 것을 특징으로 하는 금속 소결 부품의 제조를 위한 전구체.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 전구체의 제조 방법에 있어서,
   바인더와 제2 분말의 입자를 포함하는 쉘층이 코어를 형성하는 제1 금속 분말의 입자 상에 형성되도록 하는 방식으로, 입자 크기(d₉₀)가 50 μm 이상인 제1 금속 분말은, 입자 크기(d₉₀)가 25 μm 미만인 제2 분말과 바인더가 존재하는 현탁액으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 전구체의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 금속, 금속 합금 및/또는 금속 산화물이 제2 분말로서 사용되는 것을 특징으로 하는 전구체의 제조 방법.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 소결 중에 금속 합금을 형성하는 제1 금속 분말과 제2 분말이 사용되는 것을 특징으로 하는 전구체의 제조 방법.
10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 금속 분말의 입자는, 바인더와 제2 분말을 포함하는 현탁액이 분무됨과 동시에 교반되고, 예정된 두께의 쉘층이 얻어진 후, 전구체가 건조되는 것을 특징으로 하는 전구체의 제조 방법.
11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 분말 전구체를 사용하여 금속 소결 부품을 제조하는 방법에 있어서,
    건조된 분말 전구체를, 압밀이 일어나고 생소지(green body)가 얻어지는 성형법으로 처리하고, 이어서 부품을 제조하도록 소결이 실시되는 것인 금속 소결 부품의 제조 방법.
12. 제11항에 있어서, 쉘층이 금속 산화물을 포함하는 전구체의 경우, 소결 과정은 환원 분위기에서 실시되는 것을 특징으로 하는 금속 소결 부품의 제조 방법.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 소결 과정 동안에 제1 금속 분말과 제2 분말에 존재하는 성분으로부터 금속 합금이 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 소결 부품의 제조 방법.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 합금 형성은 소결 과정을 실시하는 동안에 확산 과정에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 소결 부품의 제조 방법.
15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 금속 분말의 입자에 의해 형성되는 코어 상에 쉘층을 형성하도록 제2 분말에 의해 형성된 현탁액으로 제1 금속 분말의 입자를 코팅하는 것, 성형 과정 및 소결 과정은, 소결 후의 수축률이 8 % 미만이고, 이론적 밀도의 92 %를 넘는 밀도가 얻어지도록 하는 방식으로 실시되는 것을 특징으로 하는 금속 소결 부품의 제조 방법.
16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 철 기반 합금, 코발트 기반 합금 또는 니켈 기반 합금에 의해 형성되는 부품이 제조되는 것을 특징으로 하는 금속 소결 부품의 제조 방법.