KR20080080304A - 금속 야금학적 분말 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 약 80 중량%의 철 또는 철계 분말, 약 20 중량% 까지의 적어도 하나의 합금화 분말, C₁₄-C₃₀ 지방 알코올을 포함하는 약 0.05 내지 약 2 중량%의 결합제, 및 약 0.001 내지 약 0.2 중량%의 유동제를 포함하는 압분체 제조를 위한 야금학적 조성물에 관한 것이다.

Description

금속 야금학적 분말 조성물 {METALLURGICAL POWDER COMPOSITION}

본 발명은 분말 야금학 분야를 위한 신규의 금속 분말 조성물에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 합금 원소와 같은 첨가제를 철계 입자와 결합시키기 위한 결합제를 포함하는 철계 분말 조성물에 관한 것이다.

분말 야금학 분야에 있어서, 철계 분말 조성물을 압축 및 소결함으로써 제작된 금속 제품의 용도는 폭넓게 확대되고 있다. 이들 금속 제품의 질적 요건도 계속해서 상승되고 있으며 개선된 특성을 갖는 신규의 분말 조성물의 결과로서 발전되고 있다. 최종 소결 제품의 가장 중요한 특성들 중의 하나는 일정해야만 하는 밀도와 치수 허용도이다. 최종 제품에 있어서 크기 편차에 따른 문제점은 종종, 압축될 분말 혼합물의 비균질성에 기인한다. 이들 문제점은 크기, 밀도 및 형상이 상이한 미분 성분들을 포함하는 분말 혼합물에서 특히 입증되었는데, 그 이유는 분말 조성물의 이송, 저장 및 취급 중에 편석이 발생하기 때문이다. 이러한 편석은 조성물이 불균일하게 구성되었음을 의미하며, 이는 곧 분말 조성물으로 제조된 부품들이 상이하게 구성되어서 상이한 특성을 갖는다는 것을 의미한다. 다른 문제점은 미세한 입자, 특히 흑연과 같은 저밀도 입자들이 분말 혼합물의 취급 중에 분진을 형성한다는 점이다.

작은 입자 크기의 첨가제들도 분말의 유동 특성, 즉 자유 유동 분말로서 거동하려고 하는 분말의 능력과 관련된 문제점을 유발한다. 손상된 유동성은 다이 공동을 분말로 채우기 위한 시간을 분명히 증대시키는데, 이는 낮은 생산성과 압분체 내의 밀도차를 증가시켜 소결 후에 허용되지 않은 변형을 초래할 수 있다. 게다가, 다이로부터 압분체를 배출하고, 다이 표면의 마모를 최소화하며 흠집 없는 양호한 표면 거칠기를 갖는 부품을 얻기 위해서는 다이로부터 압분체를 배출하는데 필요한 힘이 낮아야 한다.

상이한 결합제와 윤활제를 분말 조성물에 첨가함으로써 전술한 문제점들을 해결하려는 시도가 있었다. 결합제의 목적은 합금 성분과 같은 미세한 입자 크기의 첨가제들을 기본 금속 입자의 표면에 단단하고 효과적으로 결합시켜서, 편석과 분진 형성의 문제점들을 감소시키고자 하는 것이다. 윤활제의 목적은 분말 조성물의 압축 중에 내외측 마찰을 감소시키며 무엇보다도 다이로부터 최종 압분체를 배출하는데 필요한 힘을 감소시키고자 하는 것이다.

다양한 유기 결합제가 발전되어 왔으며, 그 예들이 미국 특허 제 4,483,905(엥스트롬)호, 제 4,676,831(엥스트롬)호, 제 4,834,800(세멜)호, 제 5,290,336(룩)호, 제 5,368,630(룩)호에 설명되어 있다. 미국 특허 제 5,480,469(스토스트롬)호에는 분말 야금 산업에서의 결합제의 용도에 대해 간략히 설명되어 있다.

최근에 공개된 특허 공보 WO 2005/061157호에서, 폴리에틸렌 왁스와 에틸렌 비스스테아아미드(bisstearamide)의 결합제/윤활제 조합이 설명되어 있다. 압축에 사용되는 분말 조성물에서, 폴리에틸렌 왁스는 철 또는 철계 입자 상에 층 또는 코팅으로서 존재하며 합금 입자와 에틸렌 비스스테아아미드 입자를 철 또는 철계 입자에 결합시킨다. 이는 상기 조성물이 지방산과 유동제를 포함하는 경우에도 바람직하다. 폴리에틸렌 왁스와 에틸렌 비스스테아아미드를 포함하는 결합/윤활 기능의 조합을 포함한 금속 야금학적 조성물을 위한 AD, 유동성, 결합 및 윤활 특성의 양호한 조합은 폴리에틸렌 왁스의 평균 분자량이 500 내지 750일 때 달성된다.

현저히 개선된 겉보기 밀도와 유동성을 갖는 철계 조성물은 지방 알코올이 폴리에틸렌 왁스 대신에 사용될 때 얻어질 수 있다는 것이 발견되었다. 무엇보다도 유동제와 조합되는 지방 알코올이 겉보기 밀도와 유동성과 관련하여 흥미로운 결과를 제공한다는 것이 발견되었다. 겉보기 밀도는 공구 설계에 있어서 필수적이다. 낮은 겉보기 밀도를 갖는 분말은 보다 높은 충전 높이를 필요로 하여, 불필요하게 높은 압축 공구를 필요로 하며 이는 곧 보다 긴 압축 및 배출 스트로크(stroke)를 초래할 것이다. 전술한 바와 같이, 유동성은 생산성에 중요하다. 결합제와 유동제로서 지방 알코올을 포함하는 신규의 분말 금속 조성물이 압축될 때, 얻어진 초기 압분체가 우수한 중량 안정성, 즉 초기 압분체 내의 낮은 중량 산란도(scatter)를 갖는다는 것이 예기치 않게 발견되었다. 이러한 특성은 고성능 제품의 제조를 위해서는 아주 중요한 특성이다.

지방 알코올은 미국 특허 제 3,539,472호에 윤활제와 관련하여 설명되어 있다. 특히 상기 특허에는 소량의 지방 알코올이 아미드 또는 디아미드로 주로 이루어지는 윤활제 내에 포함될 수 있다고 개시되어 있다. 상기 특허는 결합 혼합물에 대해서는 언급되어 있지 않다.

또한, 일본 특허 출원 번호 04-294 782호, 공개 번호 06-145701호에는 지방 알코올이 윤활제로서 사용될 수 있다고 언급되어 있다. 특별히 언급된 지방 알코올은 C30 알코올, C50 알코올, 및 C60 알코올이다. 명세서에는 또한 결합제로서 높은 지방 알코올도 언급되어 있다.

이와 같이 본 발명은 철 또는 철계 분말, 적어도 하나의 합금제, 및 결합제로서 지방 알코올을 포함하는 신규한 금속 분말 조성물에 관한 것이다. 안전하게 수행하기 위해서 지방 알코올은 포화 또는 불포화, 직쇄 또는 측쇄, 바람직하게 포화 직쇄형 C₁₄-C₃₀ 지방 알코올이어야 한다. 이러한 신규한 분말 조성물은 유동제도 포함해야 한다. 본 발명은 또한 그러한 조성물의 제조 방법에 관한 것이다.

상기 분말 야금 조성물은 분말 야금 조성물의 중량비로 적어도 80%의 철 또는 철계 분말을 함유한다. 철계 분말은 물-분무 철 분말, 환원 철 분말, 예비 합금화된 철계 분말 또는 확산 합금화된 철계 분말과 같은 어떤 형태의 철계 분말일 수 있다. 그러한 분말은 예를 들어, 철계 분말 ASC100.29; 확산 합금화된 Cu, Ni 및 Mo를 함유하는 철계 분말 디스탈로이 AB; 철계 분말 아스탈로이 CrM; 및 Cr 및 Mo로 예비 합금화된 아스탈로이 CrL이며, 이들 모두는 스웨덴 회가내스 아베로부터 이용가능하다.

철 또는 철계 분말의 입자들은 정상적으로 약 500 μ까지의 중량 평균 입자 크기를 가지며, 더 바람직하게 상기 입자들은 약 25 내지 150 μ, 가장 바람직하게 40 내지 100 μ 범위의 중량 평균 입자 크기를 가질 것이다.

철 또는 철계 입자에 결합되는 합금화 원소들의 예는 흑연, Cu, Ni, Cr, Mn, Si, V, Mo, P, W, S 및 Nb로 이루어지는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 이들 첨가제는 일반적으로 기본 철계 분말보다 작은 입자 크기를 갖는 분말이며 대부분의 합금화 원소들은 약 20 ㎛ 보다 작은 입자 크기를 가진다. 분말 야금 조성물 내의 합금화 원소의 양은 특정 합금화 원소 및 소결 부품의 소정의 최종 특성에 의존한다. 일반적으로 합금화 원소의 양은 20 중량% 까지일 수 있다. 존재할 수 있는 다른 부서지기 쉬운 첨가제는 경질상 재료, 액상 형성 재료 및 기계가공성 개선제이다.

상기 합금화 원소 및/또는 선택적 첨가제를 결합하는데 사용되는 지방 알코올은 바람직하게 포화 직쇄형이며 14 내지 30 탄소 원자를 함유하는데, 이는 합금화 원소 및/또는 다른 선택적인 첨가제를 결합하는데 사용되는 용융 결합 기술에서 유리한 융점을 갖기 때문이다. 지방 알코올은 바람직하게 세틸 알코올, 스테아릴 알코올, 아라치딜 알코올, 베헤닐 알코올 및 리그노세릴(lignoceryl) 알코올로 이루어지는 그룹으로부터 선택되며, 가장 바람직하게는 스테아릴 알코올, 아라치딜 알코올 및 베헤닐 알코올로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다. 사용되는 지방 알코올의 양은 분말 야금 조성물의 중량%로 0.05 내지 2, 바람직하게 0.1 내지 1, 가장 바람직하게 0.1 내지 0.8 범위이다. 또한 지방 알코올의 조합물들도 결합제로서 사용될 수 있다.

안정적인 유동성을 제공하기 위해 본 발명의 분말 조성물에 유동제가 첨가될 수 있다. 그러한 유동제는 금속, 금속 산화물 또는 실리콘 산화물이 유동제로서 사용될 수 있다고 설명되어 있는 예를 들어, 미국 특허 제 3,357,818호 및 미국 특허 제 5,782,954호로부터 이미 공지되어 있다.

특히 양호한 결과는 카본 블랙이 유동제로서 사용될 때 얻어진다. 유동제로서 카본 블랙을 사용하는 것은 본 발명에 참조되고 공동 계류 중인 특허 출원 번호 0401778-6호에 설명되어 있다. 카본 블랙의 양은 0.001 내지 0.2 중량%, 바람직하게 0.01 내지 0.1 중량%이어야 한다고 알려져 있다. 또한 카본 블랙의 주요 입자 크기는 200 nm 이하, 바람직하게 100 nm 이하, 더욱 바람직하게 50 nm 이하이어야 한다고 알려져 있다.

양호한 실시예에 따라 비표면적(specific surface area)은 BET-방법에 의해 측정했을 때 150 내지 1000 ㎡/g 범위이어야 한다.

분말의 압축성을 개선하고 초기 부품의 배출 성능을 개선하기 위해, 유기 윤활제 또는 상이한 유기 윤활제의 조합물들이 분말 야금 조성물에 첨가될 수 있다. 윤활제는 자유 입자 분말로서 제공되거나 철계 분말의 표면에 결합될 수 있다.

결합제로서 사용되는 지방 알코올이 윤활제 특성을 갖더라도, 추가의 윤활제를 사용하는 것이 편리할 수 있다. 본 발명의 고체 유기 윤활제의 형태는 중요하지 않으나, (소결 중 금속 산화물의 잔류물을 생성하는)금속 유기 윤활제가 갖는 단점으로 인해 유기 윤활제가 금속을 함유하는 것은 바람직하지 않다. 아연 스테아레이트(stearate)는 양호한 유동 특성과 높은 AD를 제공하는 일반적으로 사용되는 윤활제이다. 그러나 소결 중에 아연 산화물의 잔류물을 생성하는 것 이외에도 다른 단점은 상기 재료가 소결된 부품의 표면에 응력을 생성한다는 점이다. 따라서 유기 윤활제는 윤활 특성을 갖는 다양한 유기 물질로부터 선택될 수 있다. 그러한 물질들의 예는 지방 산, 왁스, 폴리머, 또는 이들의 유도체 및 혼합물이다. 양호한 윤활제는 스테아 아미드, 아라치딜 아미드 및 베헤닐 아미드와 같은 1차 아미드; 스테아릴스테아 아미드와 같은 2차 아미드; 및 에틸렌 비스-스테아아미드와 같은 비스아미드이다.

함유 양과 관련하여, 지방 알코올은 조합된 결합제, 유동제 및 윤활제 중량의 중량%로 10 내지 90%이어야 한다. 결합제, 유동제 및 선택적인, 윤활제의 전체 양은 분말 야금 조성물의 중량비로 0.1 내지 2% 범위에서 변할 수 있다.

도 1은 종래의 분말 야금 조성물에 비해서 본 발명에 따른 분말 야금 조성물을 사용했을 때 상이한 제조 비율에서의 중량 산란도의 차이를 설명하는 다이어그램이다.

본 발명은 다음의 비한정적인 예들에 의해 더욱 상세히 설명될 것이다.

표 1에 따른 상이한 철계 분말 야금 혼합물들이 준비되었다. 철계 분말으로서, 스웨덴 회가내스 아베로부터 이용가능한 물-분무 철 분말 ASC100.29가 사용되었다. 표 1에 따른 결합제, 윤활제 및 유동제 이외에도, 마킨 메탈 파우더 리미티드로부터 이용가능한 100 메쉬의, 전체 철계 혼합물의 중량비로 2%의 구리 분말, 및 (독일 그래파이트 크롬프묄 아게로부터 이용가능한 UF 4인)전체 철계 혼합물의 중량비로 0.8%의 흑연이 첨가되었다.

에틸렌 스테아아민(EBS)으로서는 (독일)클라이언트로부터의 리코왁스(등록상표)가 사용되었으며 실리콘 이산화물로서는 (독일)데구싸 아게로부터의 에로실(Aerosil)이 이용되었다. 사솔 저메니 게엠베하로부터의 베헤닐 알코올, 스테아릴 알코올 및 세틸 알코올이 이용되었으며 데구싸 아게로부터의 카본 블랙이 이용되었다.

A-C 및 H-I 혼합물에서, 18, 20 및 22 탄소 원자의 체인 길이를 갖는 기술적 등급의 직쇄 포화된 1차 아미드, 또한 스테아 아미드(약 40%), 아라치딕 아미드(약 40%) 및 비헤닉 아미드(약 20%)로 필수적으로 이루어지는 전체 철계 분말 혼합물의 0.6%의 (이후의 "C18-C22 1차 아미드로 지칭되는)윤활제가 사용되었다. D-F 혼합물에서 0.6%의 에틸렌 비스-스테아아민(EBS)이 G 혼합물에서 0.8%의 에틸렌 비스-스테아아민(EBS)이 윤활제로서 사용되었다. A-E 및 H-J 혼합물에서, 전체 철계 분말 혼합물의 중량비로 0.2%의 지방 알코올이 사용되었으며(H에서 두 지방 알코올의 혼합물이 사용되었다), F 혼합물에서 전체 철계 분말 혼합물의 중량비로 0.2%의 폴리에틸렌 왁스가 사용되었으며 여기서 폴리에틸렌 왁스는 (WO 2005/061157호에 따른 결합제)655의 분자량을 가진다.

A-F 및 H-J 혼합물의 성분들이 철저히 혼합되었으며, 혼합 중의 온도는 예를 들어, A-F 및 H-J 혼합물에 대해서는 75 ℃로 F 혼합물에 대해서는 105 ℃로 결합제의 융점 이상으로 상승되었다. 그 이후의 냉각 중에, 혼합물의 미세한 입자들이 고화 결합제에 의해 철계 분말의 커다란 입자 표면에 결합된다. 유동제가 사용되는 경우에는 혼합물의 냉각 중에 결합제가 고화된 후에 첨가된다. G 혼합물의 성분들은 가열 없이 혼합되었으며 그 때문에 결합되지 않았다.

준비된 철계 분말 야금 혼합물

혼합물	결합제	윤활제	유동제
A	베헤닐 알코올	C18-C22 1차아미드	-	비교예
B	베헤닐 알코올	C18-C22 1차아미드	실리콘 이산화물	본발명에 따른 예
C	베헤닐 알코올	C18-C22 1차아미드	카본 블랙	본발명에 따른 예
D	베헤닐 알코올	EBS	-	비교예
E	베헤닐 알코올	EBS	카본 블랙	본발명에 따른 예
F	PE 655	EBS	실리콘 이산화물	비교예
G(예비 혼합물)	-	EBS	-	비교예
H	스테아릴과 베헤닐 알코올 혼합물 25%/75%	C18-C22 1차아미드	카본 블랙	본발명에 따른 예
I	세틸 알코올	C18-C22 1차아미드	카본 블랙	본발명에 따른 예
J	세틸 알코올	아연 스테아레이트	카본 블랙	본발명에 따른 예

유동률은 ISO 4490에 따라 측정되었으며 겉보기 밀도는 ISO 3923에 따라 측정되었다.

철계 분말 야금 혼합물의 유동률과 겉보기 밀도

혼합물	유동률(초/50 그램)	겉보기 밀도(AD)[g/㎤]
A	29.0	3.16
B	23.2	3.22
C	23.8	3.32
D	29.6	3.08
E	27.1	3.20
F	25.5	3.06
G(예비 혼합물)	33.0	3.03
H	24.1	3.27
I	24.2	3.25
J	23.7	3.26

표 2는 양호한 유동률 이외에, 본 발명에 따른 철계 분말 조성물을 사용할 때 AD의 실질적인 증가가 얻어졌음을 나타낸다.

혼합물 C, D, G, H, I, 및 J에 대해 다이로부터 압축된 샘플을 배출하고 최대 배출력 당 해당 면적을 알기 위해 필요한 전체 에너지 당 해당 면적을 기록함으로써 윤활 특성도 측정되었다. 압축된 부품들은 외경 55 mm, 내경 45 mm 및 높이 15 mm를 갖는 링 형상이었으며 가해진 압축 압력은 400, 500, 600 및 800 MPa이었다.

최대 배출력과 배출 에너지

혼합물	최대 배출력(N/㎟)				배출 에너지(J/㎠)
	400MPa	500MPa	600MPa	800MPa	400MPa	500MPa	600MPa	800MPa
C	24.3	29.3	31.7	35.2	26.4	32.9	37.0	41.5
D	25.0	29.5	32.3	38.0	30.3	37.9	43.5	49.4
G	22.7	28.3	32.3	36.7	32.3	40.3	46.6	52.2
H	22.4	28.9	31.8	35.0	26.0	33.2	36.5	41.1
I	17.7	21.5	24.5	28.0	28.2	34.1	37.8	38.9
J	20.6	25.7	30.1	36.0	34.8	43.4	48.0	51.6

표 3은 압축된 제품을 위해 세틸 알코올(16 C) 또는 베헤닐 알코올(22 C)을 함유하는 조성물, 또는 스테아릴 알코올(18 C)과 베헤닐 알코올의 혼합물, 및 윤활제/결합제 조합물로서 아미드 혼합물(1차 지방 아미드)를 사용할 때, 압축된 제품을 배출하는데 필요한 전체 에너지는 실질적으로 감소됨을 나타낸다.

예 2

중량 안정성, 즉 제조 공정 중 부품들 사이의 중량 산란도도 혼합물 C, F 및 G를 제조할 때 기록되었다. 외경 25 mm, 내경 19 mm 및 높이 15 mm를 갖는 링 형상의 부품이 600 MPa 및 3 개의 상이한 압축률(10, 15 및 20 스트로크 당 분)에서 연속 제조 공정으로 압축되었다. 각각의 혼합물로부터 각각의 제조 비율로 250 개의 부품이 제조되었다. (혼합물 G에 대해 공구의 불완전한 충전으로 인해 10 스트로크/분 보다 높은 제조 비율은 달성되지 않았다.)

도 1은 부품의 중량에 대한 표준 편차로서 표현된 혼합물 C, F 및 G에 대한 각각의 압축률에서 얻은 중량 안정성을 나타낸다. 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 중량 안정성의 실질적인 개선은 WO 2005/061157(혼합물 F)에 따른 혼합물로부터 부품을 제조할 때 및 일반적으로 사용되는 윤활제 에틸렌 비스스테아아미드(혼합물 G)을 함유하는 비결합된 예비 혼합물로부터 부품을 제조할 때에 비해서 본 발명(혼합물 C)에 따른 혼합물로부터 부품을 제조할 때 달성된다. 이는 특히 높은 압축률일 때 입증된다.

Claims (11)

1. 압분체 제조용 분말 야금 조성물로서,

   적어도 약 80 중량%의 철 또는 철계 분말,

   약 20 중량% 까지의 적어도 하나의 합금화 분말,

   포화 또는 불포화, 및 직쇄 또는 측쇄, C₁₄-C₃₀ 지방 알코올을 포함하는 약 0.05 내지 약 2 중량%의 결합제, 및

   약 0.001 내지 약 0.2 중량%의 유동제를 포함하는,

   압분체 제조용 분말 야금 조성물.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 지방 알코올은 포화 및 직쇄형인,

   압분체 제조용 분말 야금 조성물.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 지방 알코올은 세틸 알코올, 스테아릴 알코올, 아라치딜 알코올, 베헤닐 알코올 및 리그노세릴 알코올로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는,

   압분체 제조용 분말 야금 조성물.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 지방 알코올은 스테아릴 알코올, 아라치딜 알코올 및 베헤닐 알코올로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는,

   압분체 제조용 분말 야금 조성물.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 유동제는 카본 블랙과 실리콘 이산화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는,

   압분체 제조용 분말 야금 조성물.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 유동제는 카본 블랙인,

   압분체 제조용 분말 야금 조성물.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 카본 블랙의 입자 크기는 바람직하게 200 nm 이하, 더 바람직하게 100 nm 이하, 가장 바람직하게 50 nm 이하인,

   압분체 제조용 분말 야금 조성물.
8. 제 1 항에 있어서,

   유기질의 무금속 미분 윤활제를 더 포함하는,

   압분체 제조용 분말 야금 조성물.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 유기질의 무금속 미분 윤활제는 스테아 아미드, 아라치딜 아미드, 베헤닐 아미드, 스테아릴스테아 아미드 및 에틸렌 비스-스테아아미드로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는,

   압분체 제조용 분말 야금 조성물.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 유기질의 무금속 미분 윤활제는 베헨아미드인,

    압분체 제조용 분말 야금 조성물.
11. 압분체 제조용 분말 야금 조성물의 제조 방법으로서,

    적어도 약 80 중량%의 철 또는 철계 분말, 약 20 중량% 까지의 적어도 하나의 합금화 분말, C₁₄-C₃₀ 지방 알코올을 포함하는 약 0.05 내지 약 2 중량%의 결합제, 및 약 0.001 내지 약 0.2 중량%의 유동제를 포함하는 성분들을 제공하는 단계와,

    상기 성분들을 상기 결합제의 융점 이상의 온도에서 혼합하는 단계, 및

    상기 혼합물을 냉각시키는 단계를 포함하는,

    압분체 제조용 분말 야금 조성물의 제조 방법.

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