소결 성형 부품 제조용 혼합물{MIXTURE FOR THE PRODUCTION OF SINTERED MOLDED PARTS}

본 발명은 소결 성형 부품 제조용 혼합물 및 소결 성형 부품의 제조 방법과 그 용도에 관한 것이다.

소결 성형 부품은 특히 자동차 구조물에 많이 사용되고 있고, 특히 엔진과 트랜스미션에 들어 있는 성형 부품으로서 많이 사용되고 있다. 그러한 소결 성형 부품을 제조할 경우의 한 가지 어려움은 소결 성형 부품을 가능한 한 높은 밀도로 제조하는데 있다. 통상의 분말 야금 방법에 의해 소결성 분말로부터 하나 또는 다수의 단계로 프레스 성형되는 소위 압분체라 불리는 성형 부품은 제2 단계로 보호 가스 분위기 하에서 소결되어 일정하고 모양까지 정확한 금속 성형 부품이 생기게 된다.

이 경우, 그와 같이 하여 얻어지는 소결 성형 부품의 밀도는 제1 프레스 성형 단계에서 구현되는 성형체의 밀도, 소위 압분체 밀도(압축 밀도)에 주로 의존한다. 따라서, 제1 단계에서 이미 가능한 한 높은 밀도를 갖는 압분체를 제조하는 것이 바람직하다. 그러나, 선행 기술에서 높은 밀도를 갖는 압분체를 제조하는데 통상적으로 적용되는 프레스 성형 압력은 한편으로 프레스 공구 그 자체에 높은 마모를 가져오는 결과를 초래하고, 다른 한편으로는 완성된 압분체를 프레스 다이에서 빼낼 때에 동적 마찰을 상승시킨다. 그로 인해, 이에 상응하게 높은 마모를 수반하는 높은 배출력이 프레스 공구에 인가되어야 한다. 또한, 그와 같이 높은 배출력은 압분체 그 자체의 바람직하지 않은 국부적인 재압축 및 균열 형성을 유발할 위험을 내포하고 있다. 따라서, 본 발명의 목적은 전술된 단점을 회피시키는 혼합물을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 본 발명의 조치에 따라 금속 및/또는 플라스틱 재료와 프레스 성형 보조 첨가제를 함유하며, 프레스 성형 보조 첨가제가 프레스 성형 보조 첨가제의 총량을 기준으로 하여 25 내지 60 중량%의 폴리글리콜과 프레스 성형 보조 첨가제의 총량을 기준으로 하여 40 내지 75 중량%의 몬탄 왁스(montan wax)를 함유하는 것을 특징으로 하는 소결 성형 부품 제조용 혼합물에 의해 달성되게 된다.

본 발명의 의미에서의 소결 성형 부품이란 전적으로 소결성 재료로 제조된 성형 부품을 의미하고, 다른 한편으로는 복합 부품을 의미하기도 하는데, 그러한 유형의 복합 부품의 압분체는 예컨대 알루미늄 함유 혼합물 또는 철 함유 혼합물로 제조될 수 있고, 그 압분체와 추가로 결합되는 재료는 예컨대 소결되거나 주괴상의 주철 또는 주괴상의 알루미늄 주물과 같은 또 다른 재료로 제조될 수 있다. 역으로, 복합 부품은 예를 들어 그 단부 면 또는 그 표면 상에만 예컨대 알루미늄 함유 혼합물 또는 세라믹 함유 혼합물로 이루어진 층을 구비하는 한편, 압분체가 예컨대 소결되거나 주괴상의 강 또는 주철로 될 수도 있다. 그 경우, 소결 성형 부품은 교정 및/또는 열기 중에서 시효 경화될 수 있다.

본 발명의 의미에서의 금속 및/또는 플라스틱 재료란 특히 예컨대 크롬/니켈 강 등의 강, 청동, 해스텔로이(hastalloy), 인코넬(Inconel) 등의 니켈계 합금, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 규화물 등과 같은 금속, 세라믹, 및/또는 플라스틱 성분으로 이루어진 분말 또는 혼합물, 아울러 알루미늄 함유 분말 또는 혼합물로 되는데, 그 경우에 혼합물은 예컨대 백금 등과 같은 고융점 성분을 함유할 수 있다. 사용되는 분말 및 그 입자 크기는 각각의 사용 목적에 의존하여 달라진다. 철 함유 분말은 합금 316 L, 합금 304 L, 인코넬 600, 인코넬 625, 모넬(Monel), 및 해스텔로이 B, 해스텔로이 X, 및 해스텔로이 C인 것이 바람직하다. 또한, 금속 및/또는 플라스틱 재료는 전체적으로 또는 부분적으로 단섬유 또는 섬유, 바람직하게는 직경이 약 0.1 내지 2 ㎛이고 길이가 수 ㎛ 내지 50 ㎜인 섬유로 될 수 있다.

본 발명의 의미에서의 몬탄 왁스란 제3기 식물의 수지, 밀랍, 지방으로 생성된 갈탄의 역청을 말한다. 그것은 장사슬 왁스 알코올을 갖는 소위 몬탄산(지방산)의 에스테르, 특히 C ₂₀ - C ₃₆ 지방산 에스테르, 바람직하게는 C ₂₄ - C ₃₄ 지방산 에스테르이다. 몬탄 왁스는 전술된 성분 이외에도 자유 지방산 및 자유 왁스와 몬탄 수지, 케톤 및 아스팔트상 재료를 추가로 함유한다. 몬탄 왁스는 일반적으로 각종의 지방산 에스테르의 혼합물이다. 5 내지 30 바람직하게는 10 내지 25의 범위에 있는 산가(acid number)[㎎ KOH/g] 및/또는 100 내지 200 바람직하게는 120 내지 160의 범위에 있는 비누화값(saponification number)[㎎ KOH/s]을 갖는 몬탄 왁스가 바람직하다. 100 ℃에서의 점도[mPas]는 10 내지 40의 범위에 있는 것이 바람직하고, 15 내지 35의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다.

야금 프레스 성형 공정에서 소결성 재료에 규정져진 바와 같은 프레스 성형 보조 첨가제를 첨가함으로써 한편으로는 특히 프레스 공구의 실온에서 상당히 높은 압분체 강도 및 압분체 밀도의 값을 가지면서도, 다른 한편으로는 프레스 공구로부터 압분체를 빼낼 때에 현저히 낮은 배출력을 필요로 하는 압분체를 제조할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 그럼으로써, 한편으로는 사용되는 프레스 공구의 마모가 현격히 낮아지고, 다른 한편으로는 제조된 압분체의 균열 형성 또는 국부적 재압축이 줄어들게 된다. 또한, 본 발명에 따른 혼합물에 의해 얻어질 수 있는 압분체 밀도는 특히 프레스 공구의 실온에서 높아지며 최종적으로 가공 및 소결된 성형 부품의 밀도에 가까워지게 된다.

본 발명에 따른 혼합물은 추가의 성분, 특히 혼합물의 총량을 기준으로 하여 0.2 내지 5 중량%의 윤활제를 함유할 수도 있다. 이 경우, 한편으로 예컨대 MoS ₂ , WS ₂ , BN, MnS와 같은 자기 윤활 제제와 다른 한편으로 흑연 및/또는 코크스, 극성 흑연 등과 같은 다른 탄소 개질물이 윤활제로서 제공된다. 소결성 혼합물에는 1 내지 3 중량%의 윤활제를 첨가하는 것이 바람직하다. 이러한 윤활제를 사용함으로써, 소결성 혼합물로 제조된 부품에 자기 윤활 특성이 전수될 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 혼합물은 그 외에 감마제 또는 에어로실(aerosile)을 함유할 수 있다. 본 발명에 따른 혼합물은 열기(열간 혼합) 중에서는 물론 실온(냉간 혼합)에서도 요동 믹서와 같은 통상의 장치에 의해 개별 성분을 혼합함으로써 제조될 수 있는데, 그 경우에 열간 혼합이 바람직하다.

각각 프레스 성형 보조 첨가제의 총량을 기준으로 하여 30 내지 55 중량% 바람직하게는 32 내지 53 중량%의 폴리글리콜과 45 내지 70 중량%의 몬탄 왁스를 함유하는 혼합물이 바람직하다.

본 발명에 따른 혼합물의 프레스 성형 보조 첨가제가 함유하는 폴리글리콜은 폴리에틸렌글리콜을 함유하는 것이 바람직하다. 본 발명의 의미에서의 폴리에틸렌글리콜은 상이한 분자량의 폴리에틸렌글리콜의 혼합물도 포함한다. 그 경우, 폴리에틸렌글리콜은 100 내지 20,000 g/mol, 바람직하게는 100 내지 7,000 g/mol, 더욱 바람직하게는 100 내지 6,500 g/mol, 보다 더 바람직하게는 3,000 내지 6,000 g/mol의 분자량을 갖는 것이 매우 바람직하다. 그러한 폴리에틸렌글리콜의 주된 장점은 이것이 통상적으로 40 내지 100℃의 범위에 있는 상대적으로 낮은 연화점을 가짐으로 인해, 야금 공정에 사용되는 프레스 성형 몰드를 차가운 재료로 충전시킴으로써 덩어리 형성 등을 피하는 것이 가능하다는 사실에 있다. 프레스 성형 과정 중에 공구를 가열하면, 선택된 폴리에틸렌글리콜이 투입된 몬탄 왁스와 함께 윤활을 구현하고, 그에 따라 제조된 압분체의 높은 압분체 밀도는 물론 높은 압분체 강도까지 얻어지게 되는 것이다. 본 발명에 따른 혼합물의 프레스 성형 보조 첨가제가 함유하는 몬탄 왁스는 C ₂₄ - C ₃₄ 지방산계의 지방산 에스테르를 함유하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 혼합물을 제조하는 방법에 관한 것으로, 그러한 방법에서는

- 제1 단계로 프레스 성형 보조 첨가제가 함유한 폴리글리콜과 몬탄 왁스를 함께 용해시키고,

- 제2 단계로 제1 단계에 따라 조성된 프레스 성형 보조 첨가제를 금속 및/또는 플라스틱 재료에 첨가한다.

아울러, 본 발명에 따른 방법의 제1 단계 후에 얻어져서 냉각된 용해물을 분쇄하거나 무화시키는 조치를 취하는 것이 바람직하다. 놀랍게도, 본 발명에 따른 방법에서는 제조된 압분체의 압분체 강도가 선행 기술로부터 공지된 통상의 프레스 성형 보조 첨가제에 의해 얻어질 수 있는 것보다 현저히 더 높은 것으로 밝혀졌다.

대안적으로,

- 제1 단계로 프레스 성형 보조 첨가제가 함유한 폴리글리콜과 몬탄 왁스를 서로 혼합하고;

- 제2 단계로 제1 단계에 따라 조성된 프레스 성형 보조 첨가제를 금속 및/또는 플라스틱 재료에 첨가하는 방법이 제공된다.

그러한 대안적 방법에 의해서도 역시 야금 프레스 성형 과정 후에 얻어진 압분체가 선행 기술로부터 공지된 통상의 프레스 성형 보조 첨가제에 의해 얻어지는 것보다 현저히 더 높은 압분체 강도를 갖는다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 소결 성형 부품 제조용 혼합물의 용도에 관한 것이다. 아울러, 본 발명은 청구항 1 내지 청구항 4에 따른 프레스 성형 보조 첨가제에 관한 것이기도 하다.

끝으로, 사용되는 프레스 공구의 실온 및 600 MPa의 압력에서 ISO 3995-1985에 따라 측정된 압분체 강도가 7.55 N/㎟보다 더 높은, 본 발명에 따른 혼합물로 제조된 압분체에 관한 것이다. 또한, 본 발명에 따른 압분체는 사용되는 프레스 공구의 실온 및 800 MPa에서 ISO 3927/1985에 따라 측정된 7.14 g/㎤ 이상의 압분체 밀도를 갖는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 전술된 장점 및 기타의 장점을 다음의 예에 의거하여 설명하기로 한다.

0.65 중량%의 탄소를 갖는 미국 소재 Hoeganaes 회사의 소결성 금속 분말인 Ancorsteel 85 HP와 각각 혼합물의 총량을 기준으로 하여 0.6 중량%의 다음의 프레스 성형 보조 첨가제로 혼합물을 제조하였다:

a) 비스스테아로일에틸렌디아민(아미드 왁스)인 독일 프랑크푸르트 소재 Clariant 회사의 Licowax C;

b) N,N'-에틸렌비스스테아르아미드(아미드 왁스)인 스위스 바젤 소재 Lonza 회사의 Acrawax C'

c) 22.5 중량%의 스테아르산아연과 77.5 중량%의 아미드 왁스로 이루어진 스웨덴 회가네스 소재 Hoeganaes 회사의 Kenolube P11;

d) 약 6,000 g/mol의 분자량을 갖는 폴리에틸렌글리콜인 독일 프랑크푸르트 소재 Clariant 회사의 폴리글리콜 6000 PF;

e) 산가[㎎ KOH/g]가 15 내지 20의 범위에 있고 비누화값이 130 내지 160의 범위에 있는 C ₂₄ - C ₃₄ 지방산의 에스테르로 이루어진 몬탄 왁스인 독일 프랑크푸르트 소재 Clariant 회사의 Licowax E;

f) 각각 프레스 성형 보조 첨가제의 총량을 기준으로 하여 67 중량%의 Licowax C와 33 중량%의 폴리글리콜 6000 PF로 이루어진 혼합물로서, 몬탄 왁스와 폴리글리콜을 함께 용해시키고 용해물을 응고시키며 경우에 따라 후속적으로 냉각시킨(예컨대, 액체 질소로) 후에 분쇄하여 분말로 만듦으로써 조성된 혼합물;

g) 각각 프레스 성형 보조 첨가제의 총량을 기준으로 하여 50 중량%의 Licowax C와 50 중량%의 폴리글리콜 6000 PF로 이루어진 혼합물로서, 몬탄 왁스와 폴리글리콜을 함께 용해시키고 용해물을 응고시키며 경우에 따라 후속적으로 냉각시킨(예컨대, 액체 질소로) 후에 분쇄하여 분말로 만듦으로써 조성된 혼합물;

h) 각각 프레스 성형 보조 첨가제의 총량을 기준으로 하여 67 중량%의 Licowax C와 33 중량%의 폴리글리콜 6000 PF로 이루어진 혼합물로서, 사전에 용해시킴이 없이 통상의 요동 믹서에서 혼합함으로써 조성된 혼합물;

i) 각각 프레스 성형 보조 첨가제의 총량을 기준으로 하여 50 중량%의 Licowax C와 50 중량%의 폴리글리콜 6000 PF로 이루어진 혼합물로서, 사전에 용해시킴이 없이 통상의 요동 믹서에서 혼합함으로써 조성된 혼합물. f) 및 g)에 따른 혼합물을 분쇄하는 것에 대한 대안으로서 용해물을 무화시킬 수도 있다.

첨가된 프레스 성형 보조 첨가제의 분율은 일반적으로 본 발명에 따른 혼합물의 총량을 기준으로 하여 0.1 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.3 내지 3 중량%, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 1.5 중량%의 범위에 있을 수 있다.

전술된 혼합물을 통상의 프레스 공구에 채우고 나서, 직경이 14.3 ㎜이고 길이가 12 ㎝인 실린더에 대한 압력(400, 600, 및 800 MPa)을 상이하게 하면서 프레스 성형하였다. 그와 같이 하여 얻어진 압분체의 물리 특성은 표 1 및 표 2에 나타나 있는데, 여기서 표 1에 있는 값은 20 ℃의 공구 온도(실온)에 대한 것이고, 표 2에 있는 값은 70 ℃의 공구 온도에 대한 것이다.

표 1 및 표 2에 나타난 값은 각각 3번의 측정으로부터 얻어진 것들의 평균치이다. 표 1 및 표 2에 기재된 물리 특성은 벌크 밀도에 대한 ISO 표준 3923-1979, 유동 시간에 대한 ISO 표준 4490-1978, 프레스 성형성에 대한 ISO 표준 3927-1985, 및 압분체 강도에 대한 ISO 표준 3995-1985에 따라 결정되었다. 표 1 및 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 혼합물 f) 내지 i)로 제조된 압분체는 압분체 강도에 있어서 뿐만 아니라 압분체 밀도에 있어서도 높은 값을 보였다. 그것은 선행 기술로부터 공지된 프레스 성형 보조 첨가제를 갖는 혼합물 a), b), 및 c)에 따른 혼합물보다 현저히 더 우위에 있으면서도, 프레스 성형 보조 첨가제로서 단지 폴리에틸렌글리콜만을 갖든지(혼합물 d) 아니면 단지 몬탄 왁스만을 갖는(혼합물 e) 혼합물보다도 더 우위에 있다.

또한, 혼합물 a) 내지 i)로부터 얻어진 압분체에 대해 프레스 공구로부터의 배출력을 산출하였다. 그것은 다음의 표 3 및 표 4에 나타나 있다. 여기서, 표 3은 프레스 공구의 실온(20 ℃)에서 산출된 배출력의 값을 나타내고 있고, 표 4는 프레스 공구의 70 ℃의 온도에서 산출된 배출력의 값을 나타내고 있다.

표 3 및 표 4로부터, 혼합물 f) 내지 i)로 제조된 압분체의 배출력이 혼합물 a) 내지 e)로 제조된 압분체의 그것에 비해 현격히 낮아지는 것을 알 수 있다. 여기에서, 배출력은 약 25 % 정도 더 낮다. 그럼으로써, 사용되는 프레스 공구가 현격히 덜 센 응력을 받게 되고, 그에 따라 그 마모가 줄어들어 내구 수명이 연장되게 된다. 또한, 이와 같이 얻어진 압분체는 사실상 국부적인 재압축 또는 균열을 보이지 않게 된다.

본 발명에 의해, 단일의 혼합물에서 공지의 혼합물의 계속적으로 내려온 두가지 단점을 단번에 없애주는 혼합물이 제공된다. 즉, 본 발명에 따른 혼합물에 의해, 한편으로는 그로부터 얻어진 압분체의 높은 압분체 강도는 물론 높은 압분체 밀도를 얻고, 다른 한편으로는 프레스 공구로부터의 배출력을 현저히 줄임으로써 그 내구 수명을 연장시키는 것이 가능하게 된다. 본 발명에 따른 혼합물로 제조된 압분체는 탁월한 품질을 갖는다. 균열 형성이 감소되고 국부적 재압축의 발생이 줄어듦으로써, 품질에 있어 등가이거나 부가가치가 높게 압분체를 제조하는 것이 보장되게 된다.