KR20180081031A

KR20180081031A - 금속 복합체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 금속 복합체

Info

Publication number: KR20180081031A
Application number: KR1020180078346A
Authority: KR
Inventors: 한관희; 박창근; 박광덕; 박성민; 허성호
Original assignee: 영남대학교 산학협력단
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2018-07-13
Also published as: KR101981893B1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 3 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하의 평균입경을 가지는 고합금강 분말, 및 고합금강 분말의 평균입경의 1/10 이상 1/2 이하의 평균입경을 가지는 구리 함유 분말을 포함하는 혼합 분말을 준비하는 혼합단계; 혼합 분말 및 열가소성 유기결합제를 혼련하여 공급원료를 준비하는 혼련단계; 공급원료를 성형하여 성형체를 제조하는 성형단계; 성형체로부터 유기결합제를 제거하는 탈지단계; 및 탈지단계 이후, 성형체를 소결하여 치밀화된 소결체를 제조하는 소결단계를 포함하고,
고합금강 분말의 탄소 함량은 0.4 wt% 이상 2 wt% 이하이며, 고합금강 분말과 상기 구리 함유 분말의 중량비는 8:2 내지 6:4 인 것인 금속 복합체의 제조방법이 제공된다.

Description

금속 복합체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 금속 복합체{MANUFACTURING METHOD FOR METAL COMPOSITE AND METAL COMPOSITE MANUFACRURED BY THE SAME}

본 발명은 금속 복합체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 금속 복합체에 관한 것으로, 경도 및 열전도성이 우수한 금속 복합체를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 금속 복합체에 관한 것이다.

최근 들어 산업이 발전하면서 우수한 경도 및 높은 열전도도를 보유하는 금속재료의 필요성이 부각되고 있다. 이러한 금속재료로 탄소 함량이 0.4 중량% 이상으로 높고, 합금 탄화물을 형성하는 경향이 높은 합금원소가 많이 첨가된 공구강과 고속도강 등이 사용되고 있다. 이하에서는 공구강, 고속도강 등을 고합금강이라고 칭한다. 고합금강은 열처리시 급냉 이후에 템퍼링하는 과정 중에서 합금탄화물의 생성으로 인해 2차 경화현상을 나타내는 소재이므로, 다른 합금강재에 비해 고온에서도 상당한 경도를 유지할 수 있다. 그러나, 고합금강은 낮은 열전도성을 갖는 단점을 가지고 있다. 고합금강의 대표적인 예로서 AISI D2 공구강과 M2 고속도강은 각각 20 W/m/K와 19.0 W/m/K 의 낮은 상온 열전도도를 보유하고 있다.

상기와 같이, 고합금강의 낮은 열전도도를 개선하는 방법으로는 강재의 성분 및 상조성을 조절하여 열전도성을 개선하는 방안이 제안되었다. 미국 특허공개 제2014-00023551호는 탄소함량을 중탄소 범위로 낮추고 합금원소 첨가량을 낮추어 열전도성이 개선된 가공합금 소재로서 열간 공구강 조성물을 개시하고 있다.

다른 방법으로 고합금강과 열간전도성이 높은 금속을 사용하여 금속 복합체를 제조하는 것으로, 이 방법은 분말성형공법을 적용하는 것이다. 일반적으로 분말재료를 원료로 사용하는 성형방법은 공정 중에 다양한 성분을 균일하게 합금화 하기가 용이하고 정밀한 성형이 가능하므로 원료의 낭비와 후가공 공정을 최소화 하면서 실형상에 가까운 소결체를 경제적으로 제조할 수 있다는 장점을 갖는다.

가압성형과 소결로 이어지는 전통적인 분말야금방법에 의해 제조하는 경우에는 높은 성형밀도 달성을 위하여, 원료 분말을 선택하여 사용한다. 이 같은 이유에서 이미 합금화되어 강도가 높아진 고합금강 분말을 사용하는 대신에 성형과정에서 소성변형이 용이한 연한 철 분말 혹은 저합금강 분말 등을 주요 성분으로 하고 기타 합금원소를 포함하는 합금 분말 혹은 경질상 분말 등을 혼합하여 사용하며, 대략 700 MPa 혹은 그 이상의 높은 압력 하에서 성형을 한다. 이를 통해, 성형 과정 중에 소성변형을 통해 분말간의 접촉이 증가되고 기계적인 결합이 발생되어 소결성이 향상될 수 있다.

그러나, 상기 전통적인 분말야금방법에 의하여 제조되는 성형체 내부에 존재하는 금속 분말 간 혹은 금속 분말과 금형 내벽, 펀치 등간의 마찰로 인해 높은 밀도 구배가 존재하게 되며, 이로 인해 소결과정에서 불균일한 수축이 발생하여 형상이 왜곡되고, 고밀도 소결체 제조가 용이하지 않은 문제가 있다.

따라서, 우수한 경도 및 열전도성이 향상된 금속 복합재 및 이를 이용하여 정밀형상의 제품을 제조하는 방법이 요구되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 고합금강 분말 및 구리 함유 분말을 사용하여 우수한 경도 및 높은 열전도성을 보유하는 금속 복합체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 3 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하의 평균입경을 가지는 고합금강 분말, 및 고합금강 분말 평균입경의 1/10 이상 1/2 이하의 평균입경을 가지는 구리 함유 분말을 포함하는 혼합 분말을 준비하는 혼합단계; 혼합 분말 및 열가소성 유기결합제를 혼련하여 공급원료를 준비하는 혼련단계; 공급원료를 성형하여 성형체를 제조하는 성형단계; 성형체로부터 유기결합제를 제거하는 탈지단계; 및 탈지단계 이후, 성형체를 소결하여 치밀화된 소결체를 제조하는 소결단계를 포함하고, 고합금강 분말의 탄소 함량은 0.4 wt% 이상 2 wt% 이하이며, 고합금강 분말과 상기 구리 함유 분말의 중량비는 8:2 내지 6:4 인 것인 금속 복합체의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 고합금강 분말은 실리콘, 망간, 크롬, 몰리브덴 및 바나듐을 더 포함하고, 실리콘 함량은 고합금강 분말에 대하여 0.1 wt% 이상 0.8 wt% 이하; 망간 함량은 고합금강 분말에 대하여 0.1 wt% 이상 1 중량% 이하; 크롬 함량은 고합금강 분말에 대하여 2 wt% 이상 15 wt% 이하; 몰리브덴 함량은 고합금강 분말에 대하여 0.2 wt% 이상 8 중량% 이하; 바나듐 함량은 상기 고합금강 분말에 대하여 0.001 wt% 이상 10 중량% 이하; 및 잔부는 철일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 고합금강 분말은 코발트, 니켈 및 텅스텐 중 적어도 1종의 금속을 더 포함하고, 코발트 함량은 고합금강 분말에 대하여 0.001 wt% 이상 5 wt% 이하; 니켈 함량은 고합금강 분말에 대하여 0.001 wt% 이상 3 wt% 이하; 텅스텐 함량은 고합금강 분말에 대하여 0.001 wt% 이상 10 wt% 이하일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 고합금강 분말은 실리콘, 망간, 크롬, 코발트, 몰리브덴, 바나듐, 니켈 및 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 구리 함유 분말은 주석 및 니켈을 포함하고, 주석 함량은 구리 함유 분말에 대하여 0.1 wt% 이상 15 wt% 이하; 니켈 함량은 구리 함유 분말에 대하여 0.001 wt% 이상 10 wt% 이하; 및 잔부는 구리일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 혼합 분말은 탄소, 보론 및 인 중에서 적어도 하나의 준금속을 더 포함하고, 준금속 함량은 혼합 분말에 대하여 0.005 wt% 이상 0.3 wt% 이하일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 혼련단계에서 혼합 분말과 열가소성 유기결합제의 부피비는 6:4 내지 9:1 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 성형단계는 20 MPa 이상 200 MPa 이하의 압력하에서 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 소결단계는 질소가스, 또는 질소가스와 수소가스의 부피비가 9:1 인 혼합가스 분위기에서 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 소결단계는 1140 ℃ 이상 1250 ℃ 이하에서 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 소결단계 이후, 소결체를 열처리하는 열처리단계를 더 포함하며, 열처리단계는 소결체를 900 ℃ 이상 1050 ℃ 이하에서 오스테나이트화하고, 공냉 또는 유냉 시킨 후 400 ℃ 이상 650 ℃ 이하에서 템퍼링할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 제조되는 금속 복합체가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속 복합체의 제조방법은 향상된 열전도성과 우수한 경도를 보유하는 금속 복합체를 간편하게 제작할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속 복합체의 제조방법은 템퍼링 과정에서 큰 폭의 경도 저하 없이 제조되는 금속 복합체의 열전도도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 복합체는 높은 경도와 향상된 열전도성을 보유하는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 복합체의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 철과 구리의 2원 합금계의 평형상태도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 소결체의 미세조직을 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예 4에서 제조된 소결체의 열처리에 따른 조직변화를 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예 6에서 제조된 소결체의 미세조직을 나타낸 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

명세서 전체에서 고합금강은 공구강, 고속도강 등의 탄소를 포함하는 강을 의미할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 복합체의 제조방법을 나타낸 순서도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속 복합체의 제조방법에 따르면, 종래의 분말야금방법 및 용침 공정을 이용하여 금속 복합체를 제조하는 경우에 발생될 수 있는 복합체의 밀도 저감, 불균일한 수축에 의한 형상 왜곡 등의 문제를 극복할 수 있다. 또한, 고합금강 분말 및 구리 함유 분말을 이용함으로써, 경도가 우수하며 열전도성이 향상된 금속 복합체를 제공할 수 있다.

고합금강 분말로 탄소 함량이 0.4 wt% 이상인 공구강 또는 고속도강 분말을 사용할 수 있다. 예를 들면, 고합금강 분말로 AISI 440C 마르텐사이트계 스테인레스강, D2 공구강, M2 또는 T15 고속도강 분말을 사용할 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 고합금강 분말의 탄소 함량은 0.4 wt% 이상으로, 2차 경화현상이 가능하여 우수한 경도를 보유하는 금속 복합체를 제조할 수 있다.

또한, 탄소, 실리콘, 망간, 크롬, 몰리브덴, 바나듐 및 철을 포함하는 고합금강 분말은 코발트, 니켈 및 텅스텐 중 적어도 1종의 금속을 더 포함할 수 있으며, 코발트 함량은 고합금강 분말에 대하여 0.001 wt% 이상 5 wt% 이하; 니켈 함량은 고합금강 분말에 대하여 0.001 wt% 이상 3 wt% 이하; 텅스텐 함량은 고합금강 분말에 대하여 0.001 wt% 이상 10 wt% 이하일 수 있다.

구리 함유 분말은 주석 및 니켈을 포함하고, 주석 함량은 구리 함유 분말에 대하여 0.1 wt% 이상 15 wt% 이하; 니켈 함량은 구리 함유 분말에 대하여 0.001 wt% 이상 10 wt% 이하; 및 잔부는 구리일 수 있다. 구리 함유 분말로 주석 및 니켈을 포함하는 구리 합금 분말을 사용하는 경우, 금속 복합체의 열전도성이 미소하게 감소될 수 있으나, 금속 복합체의 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 구리 함유 분말로 구리 분말 자체를 사용할 수 있다.

공급원료의 유동성을 확보하고, 소결단계에서 고상-액상 점성유동에 의한 입자 재배열을 통해 치밀화 효과를 극대화시키기 위해서, 혼합 분말에 포함되는 고합금강 분말, 구리 함유 분말 및 기타 첨가물은 구형에 유사한 것을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

고합금강 분말 및 구리 함유 분말로, 예를 들면, 3 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하의 평균입경을 가지는 고합금강 분말과 1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하의 평균입경을 가지는 구리 함유 분말을 사용하여 고밀도의 금속 복합체를 제조할 수 있다.

상기와 같이 고합금강 분말과 구리 함유 분말의 입자크기 비율을 조절하여 사용함으로써, 소결단계에서 구리의 용해에 따라 소결체에 커다란 기공이 형성되는 것을 방지할 수 있다.

즉, 고합금강 분말에 비해 상대적으로 크기가 작은 구리 함유 분말을 사용함으로써, 성형단계에서 느슨하게 충진된 고합금강 분말 간의 틈새에 구리 함유 분말을 위치시켜 혼합 분말의 충진율을 향상시킬 수 있다. 또한, 소결단계에서 융점이 낮은 구리 함유 분말의 용해로 인한 소결체의 팽창을 방지할 수 있으며, 소결단계에서 먼저 용해되는 구리 함유 분말이 액상을 형성하여 응집하는 과정 중에 고합금강 분말의 틈새를 채우고, 고합금강 분말과 함께 유동하는 입자 재배열을 통해 치밀화를 향상시켜, 내부에 커다란 기공을 형성시키지 않고 고밀도의 소결체를 제조할 수 있다.

상기와 달리, 고합금강 분말과 구리 함유 분말의 평균입경이 유사한 경우에는 혼합 분말의 균일도가 감소될 수 있으며, 구리 함유 분말이 위치하던 자리에 커다란 기공이 형성되는 문제가 발생될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 미립의 혼합 분말 및 열가소성 유기결합제를 사용하고, 탈지 및 소결 공정에 의해 금속 복합체를 간편하게 제작할 수 있다.

혼합 분말에 탄소, 보론 및 인 중에서 적어도 하나의 준금속을 첨가함으로써, 혼합 분말에 포함된 고합금강 분말과 구리 함유 분말간의 젖음성을 개선하여 성형체의 치밀화를 향상시킬 수 있다. 또한, 성형체의 소결을 촉진시키고, 구리 함유 분말에 포함되어 있는 탄소를 제거하는 탈산효과를 향상시키는 측면에서, 혼합 분말에 탄소, 보론 및 인 중에서 적어도 하나의 준금속을 첨가하는 것이 바람직할 수 있다. 혼합 분말에 첨가되는 준금속의 함량은 혼합 분말에 대하여 0.005 wt% 이상 0.3 wt% 이하인 것이 바람직할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 혼합 분말은 라베스상의 코발트 합금 분말, 라베스상의 철 합금 분말, TiB₂, WC 및 TiC 중에서 선택된 적어도 하나의 화합물 분말을 더 포함하고, 화합물 분말의 함량은 혼합 분말에 대하여 3 wt% 이상 20 wt% 이하이며, 라베스상의 코발트 합금 분말은 Co-Mo-Si 또는 Co-Cr-Mo이고, 라베스상의 철 합금 분말은 Fe-Mo-Si일 수 있다. 상기 화합물 분말을 더 포함하는 혼합 분말을 사용함으로써, 제조되는 금속 복합체의 고온 내마멸성을 개선시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열가소성 유기결합제는 공지된 것을 사용할 수 있으며, 사용되는 열가소성 유기결합제의 종류는 특별한 제한이 없다. 열가소성 유기결합제로, 예를 들면, 분말사출성형용 왁스기 열가소성 유기결합제로 사용되는 것이나, 상업용으로 판매되는 것을 사용할 수 있다.

혼합 분말 및 열가소성 유기결합제를 혼련하여 제조되는 공급원료는 온간, 예를 들면, 100 ℃ 이상 160 ℃ 이하에서 성형할 수 있다. 공급원료를 성형하는 방법으로 압축성형 방법, 압출성형 방법, 분말사출성형 방법을 이용할 수 있다. 성형단계에서 분말사출성형 방법을 이용하는 경우에는 혼합 분말과 열가소성 유기결합제의 부피비는 6:4 내지 7:3 일 수 있다. 또한, 온간 압축성형 방법을 이용하는 경우에는 혼합 분말과 열가소성 유기결합제의 부피비를 7.5:2.5 내지 9:1의 범위로 조정하여 사용할 수 있다.

분말사출성형 방법 또는 온간 압축성형 방법을 이용하는 경우의 성형온도는 열가소성 유기결합제의 종류, 혼합 분말과 열가소성 유기결합제의 부피비에 따라 상이할 수 있으나, 대략 100 ℃ 이상 160 ℃ 이하의 범위로 설정될 수 있다. 온간 압축성형 방법을 이용하여 공급원료를 성형하는 경우에는 20 MPa 이상 200 MPa 이하의 압력을 가해줄 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 윤활제 역할을 하는 열가소성 유기결합제를 포함하는 공급원료를 사용함으로써, 형상비가 크거나 복잡한 형상의 제품을 성형할 수 있다. 또한, 제조되는 성형체 내부에서의 밀도구배가 거의 형성되지 않아, 소결단계에서의 불균일한 수축을 억제하여 형상의 왜곡이 없는 고밀도의 금속 복합체를 제조할 수 있다.

고합금강 분말과 구리 함유 분말을 포함하는 혼합 분말과 열가소성 유기결합제를 혼련하여 제조한 공급원료를 성형하기 위해서, 20 MPa 이상 200 MPa 이하에서 성형단계를 수행할 수 있다. 혼합 분말과 열가소성 유기결합제의 부피비가 6:4 내지 9:1 인 유동성이 우수한 공급원료를 분말사출성형 또는 온간 압축성형함으로써, 성형체 내부에서의 밀도구배를 최소화하고 소결 이후에 발생될 수 있는 형상 변형을 최소화할 수 있다.

탈지단계는 성형체로부터 열가소성 유기결합제를 제거하는 공정으로, 용매추출, 가열탈지, 위킹, 초임계 유체 탈지 등의 방법을 사용할 수 있다. 탈지단계에서는 용매추출 또는 초임계 유체 탈지 방법을 사용하는 경우에는 파라핀 왁스와 같은 저융점의 왁스나 스테아린산과 같은 계면활성제 성분만을 제거할 수 있으므로, 백본 고분자 제거를 위해서 가열탈지 방법을 추가로 실시하여야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 소결단계에서, 고합금강 분말과 혼합된 저융점의 구리 함유 분말이 용해를 일으켜 액상 소결이 유발된다. 이 과정에서 용융된 구리 또는 구리합금과 고합금강 분말은 점성 유동에 의한 입자 재배열을 하여, 단시간 내에 고밀도를 달성할 수 있다.

소결단계는 질소가스, 또는 질소가스와 수소가스의 부피비가 9:1 인 혼합가스 분위기에서 수행될 수 있다.

질소가스에 수소가스를 첨가한 혼합가스를 사용함으로써, 구리 함유 분말에 존재하는 산소성분을 효율적으로 제거할 수 있다. 다만, 고합금강 분말에서의 탈탄 현상을 방지하기 위하여, 수소가스가 10 부피% 이하로 포함된 혼합가스를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 소결단계에서는 액상소결이 일어나므로 다공질 상태의 탈지체로부터 상대 소결밀도가 98% 이상인 고밀도 소결체를 제조할 수 있다. 소결단계는 1140 ℃ 이상 1250 ℃ 이하에서 수행될 수 있다. 다만, 소결온도가 1250 ℃ 이상인 경우에는 용융 구리에 용해되는 철 성분이 증가하여 액상의 양이 늘어나 슬럼핌이 발생되는 경향이 높아질 수 있으며, 소결온도가 1140 ℃ 이하인 경우에는 소결체의 치밀화가 감소될 수 있으므로, 1140 ℃ 이상 1250 ℃ 이하의 온도에서 소결하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 소결단계 이후, 소결체를 열처리하는 열처리단계를 더 포함하며, 열처리단계는 소결체를 900 ℃ 이상 1050 ℃ 이하에서 오스테나이트화하고, 공냉 또는 유냉 시킨 후 400 ℃ 이상 650 ℃ 이하에서 템퍼링할 수 있다. 400 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 온도조건에서 적어도 1 시간씩 템퍼링을 1회 이상 실시함으로써, 제조되는 금속 복합체의 열전도성을 향상시킬 수 있다.

도 2는 철과 구리의 2원 합금계의 평형상태도를 나타낸 도면이다.

도 2를 참고하면, 철과 구리는 다른 금속 복합체인 W-Cu 나 Mo-Cu 합금과는 다르게 고온에서 어느 정도의 고용한도를 나타낸다. 다만, 구리와 철의 큰 용융점 차이로 인해 용융 구리가 존재하는 조건에서 액상소결이 가능하다는 점에서 상기 다른 금속 복합체와 유사성이 있으며, 이 같은 특성은 고밀도 소결체를 제조하는 데 유리할 수 있다. 또한, 도 2에서 고체상태에서의 철에 대한 구리의 용해도나, 구리에 대한 철의 용해도 모두 온도가 낮아지면 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 상기와 같은 용질 고용량의 감소는 열전도도 향상에 도움이 되며, 미립의 석출물 형성이 수반되면 기지상내 용질 감소로 인한 강도 저하를 보완할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 철을 대체하여 약 550 ℃ 부근에서 2차 경화현상이 나타나는 고합금강 분말과 구리 함유 분말을 사용하여 금속 복합체를 제조하면, 400 ℃ 이상 650 ℃ 이하에서 템퍼링하는 과정에서 큰 폭의 경도 저하 없이 열전도도를 향상시킬 수 있다. 즉, 열처리 후의 템퍼링 과정에서 2차 경화현상이 나타나는 경도 특성을 보유하는 고합금강 분말과 고합금강에 비해 약 15 배 정도 이상의 열전도도를 보유하는 구리 함유 분말을 사용함으로써, 높은 경도와 열전도성이 향상된 금속 복합체를 제조할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 복합체는 높은 경도 및 향상된 열전도성을 보유할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 복합체는 자동차용 밸브시트 인서트, 특히 배기가스용 밸브시트 인서트, 밸브 가이드, 터보차저 부싱 등과 같은 자동차 파워트레인 부품, 플라스틱 사출 금형부품 등과 같이 열전도성, 경도 및 내마모성이 요구되는 부품에 사용될 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 이들 실시예는 단지 예시적인 것일 뿐, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예 1

고합금강 분말로 평균 입도(D₅₀)가 8 ㎛이고 조성이 Fe-12%Cr-0.4%Mn-0.4%Ni-0.9%Mo-0.4%V-0.5%Si-1.5%C(wt%)인 AISI D2 강 분말(일본 엡슨-아트믹스 사 제품), 입자크기가 1 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하인 구리 함유 분말(미국 아틀란틱 이큅먼츠 사 제품)을 준비하고, 고합금강 분말과 구리 함유 분말이 각각 70 wt%, 30 wt%가 되도록 볼밀로 균일하게 혼합하였다. 상기 혼합 분말과 왁스기 열가소성 유기결합제의 부피비가 8:2이 되도록 혼합하고, 140 ℃에서 가압 혼련하여 약 120g의 공급원료를 준비하였다. 공급원료를 120 ℃로 예열된 금형에 장입하고, 70 MPa 의 압력을 가하여 직경 20 mm, 높이 4 mm 인 디스크형 성형체 시편을 제작하였다. 제작된 성형체 시편을 알루미나 트레이에 담아 관상로에 장입한 후에 탈지와 소결을 하나의 가열프로그램으로 설정하여 질소가스 분위기에서 가열탈지와 소결을 연이어 실시하여 소결체를 제조하였다. 이때, 약 600 ℃까지 가열과정에서 탈지를 한 후에 승온 속도를 높여서 소결온도인 1210 ℃로 가열하여 60 분간 소결을 실시하였다.

실시예 2

실시예 1에서 사용한 AISI D2강 분말 및 구리 함유 분말을 동일하게 사용하였으며, AISI D2강 분말, 구리 함유 분말, 인이 각각 69.95 wt%, 30 wt%, 0.05 wt%가 되도록 볼밀로 균일하게 혼합하였다. 상기 혼합 분말과 왁스기 열가소성 유기결합제의 부피비가 80:20이 되도록 혼합하고, 140 ℃에서 가압 혼련하여 약 120g의 공급원료를 준비하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로 저압 온간 압축성형을 실시하여 직경 20 mm, 높이 4 mm 인 디스크형 성형체 시편을 제작하였다. 제작된 성형체 시편을 관상로에서 하나의 가열프로그램을 따라 질소가스 분위기하에서 탈지와 소결을 연이어 실시하여 소결체를 제조하였으며, 소결온도는 1210 ℃ 이었으며 소결시간은 60분이었다. 소결체를 980 ℃로 다시 가열하여 30분간 유지한 후 유냉하고, 550 ℃으로 2시간 동안 염욕에서 템퍼링하는 열처리를 실시하였다.

실시예 3

실시예 1에서 사용한 AISI D2강 분말 및 구리 함유 분말을 동일하게 사용하였으며, AISI D2강 분말, 구리 함유 분말, 라베스상을 포함하는 -325 메쉬 크기의 트립알로이 T-800(케나메탈-스텔라이트사의 등록상표) 분말이 각각 60 wt%, 30 wt%, 10 wt%가 되도록 볼밀로 균일하게 혼합하였다. 상기 혼합 분말과 왁스기 열가소성 유기결합제의 부피비가 8:2이 되도록 혼합하고, 140 ℃에서 가압 혼련하여 약 120g의 공급원료를 준비하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로 저압 온간 압축성형을 실시하여 직경 20 mm, 높이 4 mm 인 디스크형 성형체 시편을 제작하였다. 제작된 성형체 시편을 관상로에서 하나의 가열프로그램을 따라 질소가스 분위기하에서 탈지와 소결을 연이어 실시하여 소결체를 제조하였으며, 소결온도는 1210 ℃ 이었으며 소결시간은 60분이었다.

실시예 4

실시예 1에서 사용한 AISI D2강 분말 및 구리 함유 분말을 동일하게 사용하였으며, AISI D2강 분말, 구리 함유 분말, 인이 각각 69.99 wt%, 30 wt%, 0.01 wt%가 되도록 볼밀로 균일하게 혼합하였다. 상기 혼합 분말과 왁스기 열가소성 유기결합제의 부피비가 8:2이 되도록 혼합하고, 140 ℃에서 가압 혼련하여 약 120g의 공급원료를 준비하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로 저압 온간 압축성형을 실시하여 직경 20 mm, 높이 4 mm 인 디스크형 성형체 시편을 제작하였다. 제작된 성형체 시편을 관상로에서 하나의 가열프로그램을 따라 질소가스 분위기하에서 탈지와 소결을 연이어 실시하여 소결체를 제조하였으며, 소결온도는 1210 ℃ 이었으며 소결시간은 60분이었다. 소결체를 980 ℃로 다시 가열하여 30분간 유지한 후 유냉하고, 600 ℃ 조건으로 2시간 동안 염욕에서 템퍼링을 3회하는 열처리를 실시하였다.

실시예 5

고합금강 분말로 평균 입도(D₅₀)가 10 ㎛이고 조성이 Fe-6.25%W-4.97%Mo-4.15%Cr-1.96%V-0.32%Si-0.31%Mn-1.10%C(wt%)인 AISI M2 강 분말(일본 엡슨-아트믹스 사 제품), 입자크기가 1 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하인 구리 함유 분말(미국 아틀란틱 이큅먼츠 사 제품)을 준비하고, AISI M2강 분말, 구리 함유 분말, 인이 각각 69.95 wt%, 30 wt%, 0.05 wt%가 되도록 볼밀로 균일하게 혼합하였다. 상기 혼합 분말과 왁스기 열가소성 유기결합제의 부피비가 8:2이 되도록 혼합하고, 140 ℃에서 가압 혼련하여 약 120g의 공급원료를 준비하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로 저압 온간 압축성형을 실시하여 직경 20 mm, 높이 4 mm 인 디스크형 성형체 시편을 제작하였다. 제작된 성형체 시편을 관상로에서 하나의 가열프로그램을 따라 질소가스 분위기하에서 탈지와 소결을 연이어 실시하여 소결체를 제조하였으며, 소결온도는 1170 ℃ 이었으며 소결시간은 60분이었다.

실시예 6

실시예 5에서 사용한 AISI M2강 분말 및 구리 함유 분말을 동일하게 사용하였으며, WC 탄화물의 직경이 약 2 ㎛인 WC를 준비하고, AISI M2강 분말, 구리 함유 분말, 인, WC가 각각 64.95 wt%, 30 wt%, 0.05 wt%, 5 wt%가 되도록 볼밀로 균일하게 혼합하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로 저압 온간 압축성형을 실시하여 직경 20 mm, 높이 4 mm 인 디스크형 성형체 시편을 제작하였다. 제작된 성형체 시편을 관상로에서 하나의 가열프로그램을 따라 질소가스 분위기하에서 탈지와 소결을 연이어 실시하여 소결체를 제조하였으며, 소결온도는 1195 ℃ 이었으며 소결시간은 60분이었다.

비교예 1

아르곤가스 분위기에서 가열탈지 및 소결한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 소결체를 제조하였다.

비교예 2

AISI D2강 분말, 구리 함유 분말, 보론이 각각 84.99 wt%, 15 wt%, 0.01 wt%가 되도록 볼밀로 균일하게 혼합한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 소결체를 제조하였다.

밀도 및 경도 측정

실시예 1 내지 6, 비교예 1 내지 2에서 제조된 소결체의 밀도는 아르키메데스의 원리를 이용하는 물 변위방법에 의해 상온에서 측정하였다. 또한, 소결체의 경도는 로크웰 경도 C 스케일로 나타낼 수 있도록 측정하였다. 하기 표 1에 실시예 1 내지 6, 비교예 1 내지 2에서 제조된 소결체의 밀도 및 경도를 나타내었다.

	상대밀도(%)	경도(HRC)
실시예 1	99.1	44.3
실시예 2(열처리 전)	99.6	44.9
실시예 3	98.4	39.6
실시예 4(열처리 전)	99.3	40.0
실시예 5	99.9	44
실시예 6	99.9	45
비교예 1	94.9	28
비교예 2	88	-

열전도도 및 경도 측정

실시예 2 및 실시예 4에서 제조된 소결체를 열처리한 후에 소결체의 열전도도 및 경도를 측정하였다. 소결체의 열전도도는 레이저 플래쉬 방법(독일 네치사 모델 LFA457)으로 상온으로부터 300oC의 온도 범위에 걸쳐 측정하였다.

실시예 2에서 제조된 소결체를 열처리한 후의 열전도도 및 경도를 하기 표 2에 나타내었다.

실시예 4에서 제조된 소결체를 열처리한 후의 열전도도 및 경도를 하기 표 3에 나타내었다.

상기 표 3을 참고하면, 템퍼링 온도를 2차 경화온도보다 조금 높은 온도 조건에서 실시하였으므로, 경도값은 다소 낮게 나타났으나 열전도도는 증가하였다. 또한, 1회 템퍼링을 실시한 경우에 비해 2회 템퍼링을 실시하였을 때 열전도도가 약 10% 정도 향상되는 결과가 나타났으나 경도값은 낮아지는 것을 확인하였다. 상기 조건에서의 3회 템퍼링 실시는 경도값이나 열전도도 향상에 영향을 주지 않는 것을 확인하였다.

소결체의 미세조직 검사

도 3은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 소결체의 미세조직을 나타낸 도면이다.

도 3을 참고하면, (1)로 표지한 것은 알갱이 형태로 존재하는 구리가 고용된 D2 강이며, (2)로 표지한 것은 철 성분이 고용된 구리 기지상이다. 실시예 1에서 제조된 소결체 중에 기공량이 적고 구리 합금의 기지상에 고합금강 입자가 스켈레톤을 형성하며, 비교적 미세한 조직이 형성되어 있음을 확인하였다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예 4에서 제조된 소결체의 열처리에 따른 조직변화를 나타낸 도면이다.

도 4a는 실시예 4에서 제조된 소결체를 열처리한 후의 미세조직의 광학현미경 영상이며, 도 4b는 주사전자현미경 후방산란전자 영상이다. 도 4a 및 도4b를 참고하면, 합금상 입자내에 플레이트 마르텐사이트가 생성된 것을 볼 수 있으며 템퍼링에 의해 비교적 조대한 탄화물이 형성되는 것을 확인하였다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예 6에서 제조된 소결체의 미세조직을 나타낸 도면이다.

도 5a 및 도 5b는 실시에 6에서 제조된 소결체의 광학현미경 미세조직 사진으로, 도 5a 및 도 5b를 참고하면, 흰색으로 나타난 구리가 채널로 연결되어 기지상을 이루는 것을 확인할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

3 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하의 평균입경을 가지는 고합금강 분말, 및 상기 고합금강 분말 평균입경의 1/10 이상 1/2 이하의 평균입경을 가지는 구리 함유 분말을 포함하는 혼합 분말을 준비하는 혼합단계;
상기 혼합 분말 및 열가소성 유기결합제를 혼련하여 공급원료를 준비하는 혼련단계;
상기 공급원료를 성형하여 성형체를 제조하는 성형단계;
상기 성형체로부터 상기 유기결합제를 제거하는 탈지단계;
상기 탈지단계 이후, 상기 성형체를 소결하여 치밀화된 소결체를 제조하는 소결단계; 및
상기 소결체를 열처리하는 열처리단계;를 포함하고,
상기 고합금강 분말의 탄소 함량은 0.4 wt% 이상 2 wt% 이하이며,
상기 고합금강 분말과 상기 구리 함유 분말의 중량비는 8:2 내지 6:4 이고,
상기 열처리단계는 상기 소결체를 900 ℃ 이상 1050 ℃ 이하에서 오스테나이트화한 후, 400 ℃ 이상 650 ℃ 이하에서 템퍼링을 수행하며,
상기 고합금강 분말은 상기 열처리 단계에서 2차 경화되는 것인 금속 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 고합금강 분말은 실리콘, 망간, 크롬, 몰리브덴 및 바나듐을 더 포함하고,
상기 실리콘 함량은 상기 고합금강 분말에 대하여 0.1 wt% 이상 0.8 wt% 이하;
상기 망간 함량은 상기 고합금강 분말에 대하여 0.1 wt% 이상 1 중량% 이하;
상기 크롬 함량은 상기 고합금강 분말에 대하여 2 wt% 이상 15 wt% 이하;
상기 몰리브덴 함량은 상기 고합금강 분말에 대하여 0.2 wt% 이상 8 중량% 이하;
상기 바나듐 함량은 상기 고합금강 분말에 대하여 0.001 wt% 이상 10 중량% 이하; 및
잔부는 철인 것인 금속 복합체의 제조방법.
제 2 항에 있어서,
상기 고합금강 분말은 코발트, 니켈 및 텅스텐 중 적어도 1종의 금속을 더 포함하고,
상기 코발트 함량은 상기 고합금강 분말에 대하여 0.001 wt% 이상 5 wt% 이하;
상기 니켈 함량은 상기 고합금강 분말에 대하여 0.001 wt% 이상 3 wt% 이하;
상기 텅스텐 함량은 상기 고합금강 분말에 대하여 0.001 wt% 이상 10 wt% 이하인 것인 금속 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 구리 함유 분말은 주석 및 니켈을 포함하고,
상기 주석 함량은 상기 구리 함유 분말에 대하여 0.1 wt% 이상 15 wt% 이하;
상기 니켈 함량은 상기 구리 함유 분말에 대하여 0.001 wt% 이상 10 wt% 이하; 및
잔부는 구리인 것인 금속 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 혼합 분말은 탄소, 보론 및 인 중에서 적어도 하나의 준금속을 더 포함하고,
상기 준금속 함량은 상기 혼합 분말에 대하여 0.005 wt% 이상 0.3 wt% 이하인 것인 금속 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 혼합 분말은 라베스상의 코발트 합금 분말, 라베스상의 철 합금 분말, TiB₂, WC 및 TiC 중에서 선택된 적어도 하나의 화합물 분말을 더 포함하고,
상기 화합물 분말의 함량은 상기 혼합 분말에 대하여 3 wt% 이상 20 wt% 이하이며,
상기 라베스상의 코발트 합금 분말은 Co-Mo-Si 또는 Co-Cr-Mo이고, 상기 라베스상의 철 합금 분말은 Fe-Mo-Si인 것인 금속 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 혼련단계에서 상기 혼합 분말과 상기 열가소성 유기결합제의 부피비는 6:4 내지 9:1 인 것인 금속 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 성형단계는 20 MPa 이상 200 MPa 이하의 압력하에서 수행되는 것인 금속 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 소결단계는 질소가스, 또는 질소가스와 수소가스의 부피비가 9:1 인 혼합가스 분위기에서 수행되는 것인 금속 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 소결단계는 1140 ℃ 이상 1250 ℃ 이하에서 수행되는 것인 금속 복합체의 제조방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 따른 제조방법으로 제조되는 금속 복합체.