KR20130121914A - 세리아 및/또는 이트리아로 함침된 분말 금속 부품 및 제조 방법 - Google Patents

세리아 및/또는 이트리아로 함침된 분말 금속 부품 및 제조 방법 Download PDF

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KR20130121914A
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대니스 주니어 크리스토퍼슨
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Abstract

분말 금속 부품은 크롬-함유 제1철-기반 금속과 같은 압축되고 소결된 분말 금속 입자로 만들어지고 다공성이다. 소결 후, 기공은 비교적 작은 입자의 세리아 및/또는 이트리아로 함침된다. 그 다음 부품은 열처리되고 함침된 세리아 및/또는 이트리아의 존재는 표면에 크롬 산화물과 같은 바람직한 산화물의 형성을 위한 핵형성 부위의 역할을 한다. 보호 산화물층 아래에 있는 함침된 입자는 원래의 산화물층이 마모되거나 또는 손상되는 상황에서 부품의 수명을 통해 이용가능하게 남아있고, 재생된 보호 산화물은 함침된 입자의 존재로 인하여 이러한 영역에서 형성된다.

Description

세리아 및/또는 이트리아로 함침된 분말 금속 부품 및 제조 방법{POWDER METAL COMPONENT IMPREGNATED WITH CERIA AND/OR YTTRIA AND METHOD OF MANUFACTURE}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2010년 12월 3일에 출원된 미국 출원 일련 번호 61/419522의 우선권을 주장하며, 참고자료로 본원에 포함된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 분말 금속(PM) 부품의 제조, 그리고 이러한 PM 부품의 기공들의 다른 재료로의 함침에 관한 것이다.
분말 금속(PM) 부품은 (예비합금된, 혼합된 또는 둘 다된) 원하는 분말 조성물을 혼합하고, 분말 혼합물을 압분체로 압축시킨 다음 압분체를 소결시켜 소결된 PM 부품을 수득함으로써 만들어진다.
소결 후 PM 부품의 기공들을 수지 또는 오일로 함침하는 것이 알려져 있다.
크롬-함유 제1철-기반 단련 재료의 표면을 얇은 층의 나노세리아로 코팅하는 것이 알려져 있는데, 이것은 고온 또는 수성 산화 환경에 노출될 때 표면에서 보호 크롬 산화물을 수득하도록 반응성 촉매의 역할을 한다. 보호 크롬 산화물층은 이로운 한편 마모되거나 또는 손상되면, 밑에 있는 기판 재료는 노출되고 Fe2O3 및 FeO와 같은 바람직하지 않은 산화물이 형성될 수 있고, 그래서 나노세리아의 사용은 제한된 보호를 제공한다.
분말 금속 부품은 정해진 양의 기공도를 갖는 압축되고 소결된 미립자 물질로 제작된다. PM 부품은 세륨 및/또는 이트리아의 입자로 함침된다.
PM 부품을 만드는 방법은 압축되고 소결된 PM 부품을 세리아 및/또는 이트리아로 함침하는 단계를 포함한다.
후속 열처리 공정 동안, 함침된 세리아 및/또는 이트리아는 보호 산화물이 형성되도록 핵형성 부위를 제공한다. 예를 들어, 크롬이 PM 재료에 존재할 때, 이것은 또한 철이 또한 존재할 때 산화철과 같은 바람직하지 않은 산화물의 형성을 억제하는 역할을 하면서, 세리아 및/또는 이트리아의 함침된 입자와 유리하게 반응하여 크롬 산화물을 형성할 수 있다. 다른 크롬 산화물 화합물도 또한 형성될 수 있는데, 몇 가지만 말하자면 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴, 및 알루미늄의 산화물과 같은 다른 합금 원소의 존재에서 보호 산화물을 포함하는 다른 보호 산화물이 형성될 수 있기 때문이다.
추가 이득은 초기 보호 산화물층이 부품의 외표면에 형성된 후에조차 PM 부품을 세리아 및/또는 이트리아의 입자로 함침함으로써 실현된다. 보호 산화물층 아래의 기공에 존재하는 함침된 입자는 원래의 보호 산화물층이 마모되거나 또는 손상되는 상황에서 보호 산화물의 연속된 형성을 위해 이용가능하고, 이런 이유로 기공 내에서 보유된 세리아 및/또는 이트리아는 비-PM 부품상의 이러한 코팅과 달리 재생 또는 자기-회복 보호 산화물을 갖는 PM 부품을 제공한다. 이런 이유로, 세리아 및/또는 이트리아로의 함침은 열처리 동안 즉각적인 이로운 효과와 그 다음 부품의 수명 동안 내내 내식성의 지속적인 효과를 제공한다.
세리아 및/또는 이트리아는 오일, 물 또는 다른 액체와 같은 담체에 혼합되거나, 또는 심지어 함침 공정의 일부로서 수지에 혼합될 수 있다. 예를 들어, 오일을 사용하는 것은 그것의 알려진 이득(예를 들어, 자가-윤활 성질)을 갖는 오일 함침을 제공하는 이득을 가지지만, 세리아 및/또는 이트리아가 가해질 때 조합은 PM 부품의 수명 동안 내내 지속적인 부식 보호의 부가된 이득을 가진다. 담체(오일 또는 물)는 또한 함침된 입자의 이동성을 증가시키고 이로써 그것의 효과를 개선시킬 수 있다. 게다가, 현재 오일 함침을 사용한 동일한 함침 기술 및 장치는 입자를 담체로서 오일에 혼합할 때 여전히 유리하게 사용될 수 있고, 따라서 유일한 비용 추가는 여분의 입자 함침 재료의 것이다.
함침된 세리아 및/또는 이트리아 입자는 크기가 PM 부품의 기공들보다 비교적 작다. 함침된 입자는 보호 산화물층의 형성을 위해 핵형성 부위의 역할을 하는 양호한 분포, 커버리지 및 효과를 위해 나노-입자로서 선택되는 것이 유리하다.
본 발명의 이들 및 다른 특징 및 이점은 바람직한 구체예의 상세한 설명으로부터 당업자에게 더 분명할 것이다. 상세한 설명을 동반하는 도면을 이하에 기술한다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 함침된 분말 금속 부품의 개략적인 예시이다.
도 2는 도 1의 개략적으로 예시된 확대된 영역(2)이다.
도 3은 PM 함침 공정의 개략도이다.
분말 금속(PM) 부품은 PM 부품의 기공도보다 작은 세리아(CeO2) 및/또는 이트리아(Y2O3)의 입자로 함침된다. 부품의 노출된 표면은 함침 공정 동안 세리아 및/또는 이트리아로 또한 코팅된다. 후속 열처리 동안, 적어도 PM 부품의 표면에서 또는 표면 근처에서 함침된 입자는 Fe2O3와 같은 어떤 바람직하지 않은 산화물의 형성을 제한하는 역할을 하면서 적어도 표면에서 형성하는 크롬 산화물과 같은 보호 산화물을 위한 핵형성 부위를 제공하도록 반응성이다. PM 부품을 이러한 산화물 촉매 입자로 함침함으로써(예를 들어, 부품을 단순히 코팅하는 것과는 반대임), 열처리 동안 반응되지 않은 함침된 입자의 부분은 보호 산화물층 아래의 부품의 기공들에 남아있고 원래의 보호 산화물층이 마모되거나 또는 손상되는 상황에서 보호 산화물(예를 들어, 크롬 산화물)의 연속된 형성을 위한 부품의 사용 기간에 걸쳐 나중에 활성화할 준비가 된다. 이러한 상황 동안, 노출된 마모 또는 손상된 코팅 영역의 부근에서 함침된 세리아 및/또는 이트리아는 이러한 영역으로 이동하여 보호 산화물 표피를 이러한 영역에서 빨리 개질할 수 있다. 이동성은 함침된 입자가 오일과 같은 유체 담체에 있을 때 특히 도움된다. 이런 이유로, 이들 입자로의 함침은 예를 들어 비-분말 금속 물품의 표면을 세리아로 단순히 코팅함으로써 달성될 수 없는 내식성의 지속적인 자기-회복 효과를 제공한다.
대표적인 PM 부품(10)은 도 1에 개략적으로 예시되고 이러한 PM 부품(10)은 어떤 크기, 형상 또는 형태일 수 있고 원하는 형상을 갖는 부품을 제공하도록 압축되고 그 다음 금속 입자들(13)이 서로 결합하도록 소결된 다수의 분말 금속 입자(13)로 만들어진다는 것이 이해될 것이다. 이러한 PM 부품(10)은 하나 이상의 노출된 표면(12)을 가지고, 분말 금속 기술에 의해 제조된 부품의 성질에 의해, 부품의 표면에서 및 몸체 둘 다를 통해 일정량의 기공도를 가질 것이다(즉, PM 부품을 만드는 압축되고 소결된 금속 입자들 사이에 존재하는 간극의 네트워크). 기공 크기는 압축, 재료, 밀도, 소결, 합금, 첨가제, 등에 의존한다. 함침된 입자(14)는 따라서 PM 부품의 구체적인 특성에 기초하여 입자의 효과적인 함침이 달성되도록 하는 크기가 되고 선택될 것이다. 함침 공정은 PM 부품을 소결시킨 후에 수행되어서 함침된 세리아 및/또는 이트륨 입자(14)는 소결되지 않고 따라서 서로에 또는 PM 부품(10)의 금속 입자(13)에 결합되지 않는다. 함침된 입자의 크기는 그것들이 비교적 작고 PM 부품의 기공(16)을 침투할 수 있는 한 다양할 수 있다. 함침된 입자(14)는 모두 한 크기일 수 있거나, 또는 다른 크기의 입자들이 원하는 크기의 범위에 달성하도록 혼합될 수 있다. 함침된 입자(14)는 전부 세륨, 전부 이트륨 또는 2가지의 배합물일 수 있고 다른 반응성 금속 산화물 입자 및 충전제를 포함하는 다른 입자를 첨가하거나 첨가하지 않을 수 있다. 핵형성 부위로서 세륨 및/또는 이트륨 입자의 존재에 기초하여 형성된 보호 산화물(18)은 도 1 및 2에서 18로 개략적으로 예시된다. 보호 산화물층(18)은 노출된 표면(12)에 있을 것이고 도 2에 예시된 바와 같이, 보호 산화물이 기공에 형성(예를 들어, 기공의 산화 환경으로의 노출)되기에 유리하도록 조건이 되는 정도로 내부 기공(16)의 적어도 일부에서 또한 존재할 수 있다.
PM 부품(10)의 입자로의 함침은 입자를 위한 담체로서 오일을 사용하는 것을 포함하여 여러 가지 방식으로 수행될 수 있다. 이러한 공정은 도 3에 예시되는데, PM 부품이 공기가 기공 밖으로 끌어 내어지는 진공 환경에 도입되는 한편 오일 및 오일에 담지된 세리아 및/또는 이트리아 입자는 기공으로 끌어 들여지고 또한 부품의 노출된 표면을 코팅한다. 물 또는 수지와 같은 다른 매질이 오일 대신에 또한 사용될 수 있다. 오일을 사용하는 것은 알려진 이득(예를 들어, 자가 윤활 베어링 표면)을 갖는 오일 함침을 제공하는 이로운 효과를 가지지만, 입자가 가해져 부품의 수명 동안 내내 지속적인 부식 보호를 제공한다. 게다가, PM 부품의 표면은 밑에 있는 재료를 마모시키고 노출시키기 때문에, 기공에 포획된 함침된 입자는 표면에 도달할 수 있고 마모 조건하에서조차 지속적인 보호를 위해 표면에 필요한 보호 산화물 코팅을 형성하고 보충하기에 유리하게 반응할 수 있다. 이 이득은 단지 PM 부품의 사용을 통해 그리고 나노-입자의 함침으로 달성될 수 있다. 함침 공정은 하나 또는 몇 단계로 수행될 수 있다는 것이 또한 주목되어야 한다. 예를 들어 부품을 입자 및 선택적인 담체(예를 들어, 물)로 함침하고 이어서 일부 또는 모든 담체가 증발되는 열처리의 제 1단계가 있을 수 있다. 이것은 적어도 제 2단계 함침 조작으로 이어질 수 있는데, 여기서 오일과 같은 담체가 기공에 함침될 수 있어서 연장된 기간에 걸쳐 부품과 함께 남아있게 되는 단지 담체의 역할을 하거나, 또는 이전 열처리 조작에서 증발된 담체를 보충할 수 있다.
PM 부품(10)을 입자로 함침하는 추가 이득은 입자의 존재의 결과로서 형성된 보호 산화물 코팅(18)이 부품의 외표면에 존재할 뿐만 아니라, 산화 환경에 노출되면 부품의 기공으로 더 연장할 수도 있다는 것이며 부근의 입자는 그것이 유리한 보호 산화물의 형성을 위한 촉매의 역할을 하고 바람직하지 않은 산화물의 형성에 대해 차단시킴으로써 표면에 있는 것처럼 동일한 방식으로 반응할 것이다. 이것은 단지 외표면이 표면을 침투하지 않는 이러한 입자 층으로 코팅될 수 있는 비-PM 부품과 다르다.
PM 부품을 위해 사용된 재료(13)는 다양할 수 있다. 한 예시적인 구체예는 적어도 크롬을 함유하는 제1철 기반 분말 금속 재료(13)(예를 들어, 스테인리스강 또는 공구강 분말)를 이용하는데, 이것은 보호 크롬 산화물 코팅의 형성을 통해 열처리시 세리아 및/또는 이트리아의 존재에서 유리하게 반응한다. 이러한 입자의 함침으로부터 이득을 얻는 다른 합금, 예비합금 및 혼합물은 본 발명에 의해 고려되고 명세서의 범위 내에서 구체화된다. 예를 들어, 크롬이 합금 원소로서 존재할 때, 크롬 산화물의 여러 가지 화합물이 형성될 수 있다. 세리아 및/또는 이트리아의 존재에서 형성될 수 있는 다른 보호 산화물의 예는 그 원소가 합금 원소로서 포함될 때, 몇 가지만 말하자면 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴, 및 알루미늄의 산화물을 포함한다. 이들 여러 가지 보호 산화물의 화합물도 또한 형성될 수 있다.
기공 크기(16)보다 크지 않고 세리아 및/또는 이트리아 재료로 처리되는 특정 PM 부품에서 함침될 수 있는 한, 입자(14)의 구체적인 크기에 제한은 없다. 예를 들어, 세리아 및/또는 이트리아 입자(14)의 공칭 크기는 1 nm 내지 250 미크론, 및 더 바람직하게는 1 nm 내지 100 nm의 범위일 수 있는 한편, 기공(16)은 공칭 크기가 1 미크론 내지 250 미크론의 범위일 수 있다. 입자의 크기는 균일하거나, 또는 크기 범위를 갖는 것이 이로울 수 있다. 세리아 및/또는 이트리아 입자는 단독으로 사용되거나 또는 충전제로서 또는 기능성 입자(예를 들어, 다른 산화물 촉매 또는 충전제)로서 다른 입자와 조합될 수 있다.
앞의 설명은 본질적으로 제한하기보다는 예시적이다. 개시된 구체예에 대한 변동 및 변형이 당업자에게 분명할 수 있고 본 발명의 범위 내에서 본원에 포함된다. 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 한정된다.

Claims (21)

  1. 금속 분말 입자로 제작된 분말 금속 부품으로서, 입자가 함께 결합되고 부품이 다공성이 되도록 압축되고 소결되어 있으며, 부품의 기공 내에 함침된 세리아 또는 이트리아 중 적어도 하나의 비소결된 입자를 포함하는, 분말 금속 부품.
  2. 제 1항에 있어서, 세리아 및 이트리아 중 적어도 하나의 비소결된 입자는 나노-입자인 것을 특징으로 하는 부품.
  3. 제 2항에 있어서, 비소결된 나노-입자는 기공 내에 함침된 오일의 담체에 있는 것을 특징으로 하는 부품.
  4. 제 2항에 있어서, 비소결된 나노-입자는 기공 내에 함침된 수지의 담체에 있는 것을 특징으로 하는 부품.
  5. 제 2항에 있어서, 나노-입자는 공칭 크기가 1 내지 100 nm 범위인 것을 특징으로 하는 부품.
  6. 제 5항에 있어서, 기공은 공칭 크기가 1 내지 250 미크론 범위인 것을 특징으로 하는 부품.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 함침된 입자는 실질적으로 균일한 크기인 것을 특징으로 하는 부품.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 함침된 입자는 다른 크기인 것을 특징으로 하는 부품.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 부품은 크롬-함유 제1철-기반 분말 금속 재료로 제작되는 것을 특징으로 하는 부품.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 부품은 크롬, 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴 및 알루미늄의 원소들 중 적어도 하나를 성분으로서 포함하는 분말 금속 조성물로 제작되는 것을 특징으로 하는 부품.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 부품 및 상기 함침된 입자는 열처리되고 상기 부품의 노출된 표면에 형성된 크롬 산화물의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 부품.
  12. 제 1항에 있어서, 보호 산화물층은 부품의 외표면에 형성되고 상기 함침된 입자의 적어도 일부는 상기 부품의 상기 기공 내의 상기 보호 산화물층 아래에 있는 것을 특징으로 하는 부품.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 보호 산화물은 상기 기공의 적어도 일부의 벽에 존재하는 것을 특징으로 하는 부품.
  14. 기공도 및 관련된 기공 및 노출된 표면을 갖는 압축되고 소결된 부품을 제조하는 단계; 및
    소결 후 세리아 및 이트리아 입자 중 적어도 하나로 기공을 함침하고 표면을 코팅하는 단계를 포함하는 분말 금속 부품의 제조 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 함침된 입자는 나노-입자인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 14항에 있어서, 소결되고 함침된 부품을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 부품은 세리아 및 이트리아 중 적어도 하나와 반응하여 적어도 노출된 표면에 크롬 산화물의 층을 형성하는 크롬-함유 분말 금속으로 제작되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 크롬 산화물은 기공의 적어도 일부 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 16항에 있어서, 부품은 크롬, 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴 및 알루미늄의 성분 중 적어도 하나를 함유하는 분말 금속 조성물로 제작되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 19항에 있어서, 성분 중 적어도 하나의 보호 산화물이 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 14항에 있어서, 세리아 및 이트리아 입자 중 적어도 하나는 기공에 함침될 때 오일, 물 또는 수지의 담체에 함유되는 것을 특징으로 하는 방법.
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