KR100261059B1 - 동계 소결합금부재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동계 소결합금 부재의 제조방법에 관한 것으로, 저합금부(10)와 고합금부(12)로 이루어진 강화재와 흑연(16) 윤활제를 동계 소결합금 부재 원재료에 첨가 혼합한 후, 동합금계 기지금속의 액상 출현 온도로 소결시켜 저합금부(10)가 확산 또는 액상유동을 통해 흑연(16)주위로 이동하여, 흑연(16)을 저합금부(10)가 에워싸 안정적으로 흑연(16)을 고정시킬 수 있게 되고, 동계 소결합금의 강도를 그대로 유지할 수 있게 된 것이다.

Description

동계 소결합금부재의 제조방법

본 발명은 동(Cu)계 소결합금 부재의 제조방법에 관한 것으로, 특히 윤활재로 첨가되는 흑연이 안정되게 고착될 수 있도록 하는 동계 소결합금 부재의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 축수재료와 전지접점재, 브레이크 라이닝, 클러치 등에 사용되는 동 또는 동계 소결합금 부재는 기지금속과 기지금속 강화재 및 윤활재 등이 혼합되어 있는 복합재료라 할 수 있다. 상기 기지금속은 통상 동이나 여기에 주석(Sn), 아연(Zn), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 등이 첨가되어 있는 동합금이며, 상기 기지금속 강화재는 적용 개소에 따라 기지 강동 향상과 경도 향상, 내부식성 강화, 내마모성 향상 등의 목적으로 참가되는 다양한 원소들로써, 세라믹스에서부터 고융점 금속까지 다양하게 사용하고 있다. 미세한 Al₂O₃, SiO₂, ZrO, B₄C, 뮬라이트 등과 같은 세라믹스의 첨가는 내마모성을 향상시키며, Ni, Fe, Mo, W, Cr, Co 등의 고융점금속의 첨가는 강도와 경도를 향상시키며, 내부식성 등을 향상시킬 수 있다.

그리고 상기 윤활재는 접촉면의 금속/금속간의 직접 접촉을 방지함으로 비정상 마모(severe wear)를 방지하며, 일정한 마찰특성을 유지하도록 하는 것이다. 축수재료나 전지접점재, 브레이크 라이닝, 클러치 등의 동 또는 동계 소결합금 부재에 사용되는 윤활재로는 보통 흑연(graphite)과 이황화몰리브덴(MoS₂), 보론산화물(B₂O₃), 칼슘플로라이드(CaF₂) 등과 같은 고체윤활재와 저용융점을 가지고 있는 Pb등이 사용된다. 다시말해 이러한 윤활재는 마찰면에서의 상대 마찰금속과의 응착현상을 억제하여 안정된 마찰계수와 마모량을 확보하기 위해 첨가되는 것으로, 윤활재중 가장 일반적으로 사용되는 것은 흑연이며, 마찰면에서 고체윤활재의 안정적인 공급은 접촉면의 마찰특성을 위해서 매우 중요한 것이다.

그런데, 고체윤활재인 흑연은 자체의 강도가 약하고, 흑연을 둘러싼 기지금속의 강도도 높지 않으며, 기지금속인 동 또는 동합금과의 젖음성이 없어서 마찰시 마찰면에서 기지금속의 작은 변형으로도 쉽게 부서지고, 또한 기지금속에서 탈락하는 경우가 많아 그 역할을 다하지 못하는 경우가 대부분이다.

따라서 필요이상의 윤활재를 첨가하여 사용하게 되는데, 흑연이 과다하게 첨가될 경우 오히려 기지금속의 강도를 더 낮추게 되며 특히 고온에서 마모가 증가하여 마찰재의 특성이 떨어지게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위한 것으로 일본국 특개평 6-346169(94. 12.20)에서는 흑연 주위에 바인더를 사용하여 강화재(무기재료분)와 기지분말을 붙도록 하고, 이것을 소결하여 흑연 입자 주변의 기지강도를 향상시키고 마찰시 변형을 억제되게 하여 흑연의 부서짐과 탈락을 방지하도록 하였다.

그러나 이것은 바인더를 사용하여 기지분말과 강화재를 흑연 주위에 붙이는 작업이 별도로 이루어져야 하며, 소결시 적절히 바인더를 제거해야하는 공정이 추가로 이루어져야 하는 불편이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 기지금속의 강도에 영향을 주지않고 윤활재인 흑연의 부서짐과 탈락을 극소화할 수 있게 흑연을 안정적으로 고착시킬 수 있는 동계 소결합금 부재의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 동계 소결합금 부재의 제조방법은, 동합금계 기지금속 분말 70 - 80wt%; 미세한 Fe와 미량의 합금원소로 이루어진 저합금부와, 크롬이나 바나듐, 텅스텐 등의 고융점 금속성분들이 하나 이상 혼합된 고합금부로 이루어진 공구강 분말 10 - 13wt% 및; 흑연 10 -12 wt%으로 구성된 조성물을 1-2시간 혼합하고, 3-6Kgf/㎠압력으로 성형한 후, 환원성 분위기에서 900 - 960℃의 온도로 소결하게 된 것을 특징으로 한다.

이때 상기 공구강분말이 C : 0.9wt%, Cr : 4.2wt%, Mo : 5.0wt%, V : 2.0wt%, W : 6.0wt% 나머지는 Fe로 구성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 동합금계 기지금속 분말이 Sn, Ni, Fe, Si0₂중에서 선택된 원소를 하나 이상 포함하게 된 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 혼합시간은 1시간 이내로 하는 경우 충분히 잘 혼합되지 않고, 2시간이상 되는 경우 혼합시간에 비해 혼합정도가 크게 변화되지 않으므로 1 - 2시간으로 한정한다.

그리고 성형시의 압력은 3Kgf/㎠이하로 하는 경우 성형체의 강도가 지나치게 낮아 취급이 어려울 뿐아니라 소결시에 지나치게 수축되어 최종치수정도가 떨어지는 문제점이 있으며, 6Kgf/㎠이상으로 하는 경우 소결 밀도가 지나치게 높게 되어 성형체의 국부적인 밀도차이가 심하게 발생되어 소결시 뒤틀림이 발생할 가능성이 높아 성형압을 3 - 6Kgf/㎠로 한정하였다.

또한 소결온도는 850℃이하로 하는 경우 소결시에 충분한 액상이 충분히 존재하지 않게 되어 저합금부(10)가 용융 또는 확산이동이 원활히 진행되지 않게 되고, 소결온도가 960℃이상으로 되는 경우 액상이 지나치게 많이 존재하여 소결이 지나치게 진행되는 문제점이 있어 소결온도는 850-960℃로 한정하였다.

이와 같은 동계 소결합금 부재의 제조방법은 성형후 소결시에 저합금부의 성분이 소결과정에서 확산 또는 액상유동하면서 윤활재인 흑연위주로 이동하여 이를 포위한 구조의 소결합금 부재가 제조되므로, 흑연 주변 강도의 저하를 막고 마찰시 흑연 주변이 변형되는 것을 막아 흑연의 부서짐과 탈락을 방지하게 된 것이다.

제1도는 본 발명의 동계 소결합금 부재 제조방법에 따른 흐름도.

제2도는 본 발명에 따른 강화재 분말의 조직 상태도.

제3도는 본 발명에 따른 강화재의 저합금부가 소결과정의 변화상태를 보여주는 상태도.

제4도는 본 발명의 실시예에 따라 소결한 동계 소결합금 부재의 미세조직 사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 저합금부 12 : 고합금부

14 : 공구강 분말 16 : 흑연

18 : 기지부

이하, 본 발명의 동계 소결합금 부재의 제조방법을 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

제1도는 본 발명의 동계 소결합금 부재 제조방법에 따른 흐름도이고, 제2도는 공구강 분말의 분포도, 제3도는 본 발명의 소결과정에 따른 조직 상태의 변화과정을 도시한 것이다.

우선 본 발명의 동계 소결합금 부재의 제조방법은 , 동합금계 기지금속에 제2도에 도시한 바와 같이, 미세한 Fe와 미량의 합금원소롤 이루어진 저합금부(10)와, 크롬이나 바나듐, 텅스텐 등의 고융점 금속성분들이 하나 이상 혼합된 고합금부(12)로 이루어진 공구강 분말(14)을 강화재로 첨가하고, 흑연(16)을 윤활재로 첨가한 후 가압성형하여 성형체를 만드는 제 1 단계(S1), 성형체를 가열하여 저합금부(10)가 확산 또는 액상유동하여 흑연주위를 포위하도록 하여 소결하는 제 2 단계(S2)로 이루어진 것으로, 상기 제 1 단계(S1)의 공구강 분말(14)은 일반적인 공구강을 세립화한 것으로 철과 미량의 합금원소로 이루어진 저합금부(10)에 크롬이나 바나듐, 텅스텐 등의 고융점 금속성분이 하나 이상 혼합된 고합금부(12)가 일정간격으로 분포되어 있는 것이다.

상기 제 2 단계(S2)에서 소결하기 위해서 동계 소결합금 부재의 동합금계 기지금속이 용융되는 온도로 가열하면 제3도에 도시한 바와 같이, 동합금계 기지금속 내로 저합금부(10)가 확산 또는 액상유동하면서 흑연(16)주위로 이동하여 흑연으르 포위하게 된다. 이때 동합금계 기지 금속이 청동계인 경우 소결온도를 850∼960℃로 하고, 황동계인 경우 소결온도를 900∼1000℃가 되게 하면 목적하는 동계 소결합금 부재를 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 동계 소결합금 부재의 제조방법은 고합금부(12)와 저합금부(10)로 이루어진 공구강 분말을 흑연(16)과 함께 동합금계 기지금속에 첨가 혼합하고, 적정 소결온도로 소결하는 과정에서 저합금부(10)가 확산 또는 액상유동하면서 흑연(16) 주위로 이동한 다음 흑연(16) 주위를 에워싸게 함으로써, 흑연(16)을 기지금속보다 강도가 높은 저합금부(10)가 둘러싸므로 강도를 향상시키고, 마찰시 흑연(16) 부위의 변형을 최소화함으로 흑연(16)의 부서짐과 탈락이 현저하게 줄게 된다.

또한 공구강 분말의 잔류된 고합금부(12)는 첨가된 원래의 위치에 남게되어, 기지부(18)의 입자 분산 강화재의 역할을 수행할 수 있으므로 고온에서의 강도를 그대로 유지할 수 있게 된다.

공구강 분말(14)중 저합금부(10)의 이동은 동합금계 기지금속이 액상으로 존재하는 경우 그 속도가 현저하므로 소결과정중 이를 관찰할 수 있다.

즉, 본 발명은 공구강 분말(14)중 저합금부(10)의 액상 동합금계 기지금속으로의 확산 또는 액상유동현상을 이용하여 윤활재인 흑연(16)을 단단하게 고정할 수 있게 하는 것이다.

[실시예1∼3]

본 실시예에서는 강화재로 공구강 분말(14)인 M2 분말을 선택하여 흑연(16)이 윤활재로 첨가되는 복합 청동계 소결합금 부재에 첨가하였다. 사용한 M2 공구강의 조성은 다음 표 1과 같다.

상기 표1의 조성으로 된 M2 공구강 분말(14)은 제1도에 도시된 바와 같이 고합금부(12)와 저합금부(10)로 나누어져 있고, 저합금부(10)를 기지로 하여 고합금부(12)가 일정한 간격으로 분포하고 있으며, 특히 저합금부(10)의 결정립은 매우 미세하여 수㎛ 수준인 것이다.

이와 같은 강화재와 흑연(16)이 첨가된 소결합금 원재료를 V-콘 믹서에서 1∼2시간 혼합후 가압프레스로 3∼6Kgf/㎠의 압력으로 성형체를 만들었다. 얻어진 성형체를 흑연지그에 위치시킨후, 소결로에 복합 청동계 소결합금 부재의 액상이 출현하는 온도인 850∼960℃로 환원성 분위기에서 2시간 동안 소결하여 제조하였다. 하기 표 2에서 본 실시예 1내지 3의 복합 청동계 소결합금 부재의 조성 성분을 나타내었다.

소결이 진행되는 과정에서 결정립이 미세한 공구강 분말(14)의 저합금부(10)는 고합금부(12)를 그 자리에 남기고 이동하게 되고, 이들이 이동하다 멈추게 되는 곳은 고체윤활재로 사용되는 흑연(16) 주변이 되는 것을 관찰할 수 있었다. 즉, 첨가된 M2 공구강 분말의 저합금부(10)는 액상유동을 통하여 카본의 확산이 가능한 흑연(16) 주위로 이동하였다.

제조된 청동계 소결합금 부재를 건식과 습식 조건하에서 각각 정속 마찰시험을 실시하였다.

마찰시험은 약 16m/sec의 선속도로 상대 디스크를 회전시킨 후, 6Kgf/㎠의 힘으로 가압하여 38km거리를 마찰시켰다.

마찰계수는 전 시험구간의 평균을 구하였고, 마모량은 시험 전후 무게 감소량으로 표시하였다. 습식조건은 일정량의 엔진오일을 디스크면에 흘려 보내며 마찰 시험을 행하였다.

M2 공구강 분말(14)을 이용하여 흑연(16)을 고착시킨 경우, 마찰계수 안정도와 마모량이 현저히 개선되었음을 알 수 있었다. 습식 보다 건식의 경우 이러한 효과는 좀 더 확연하게 구분되었는데, 건식의 경우 기지 변형이 무엇보다 뚜렷이 나타남으로 흑연(16) 주변의 저합금부(10)의 이동으로의 영향이 명확하게 나타났으나, 습식의 경우 고체윤활재 이외의 오일이 윤활재의 역할을 수행할 수 있었기 때문이며, 또한 마찰에 따른 기지의 변형 역시 건식에 비하여 작기 때문에 고체 윤활의 특성이 현저히 나타나지 않았다.

이 시험결과를 하기 비교예와 대비하여 표 2에 나타내었다.

[실시예 4]

본 실시예는 황동계의 경우로 상기 실시예 1 내지 3의 경우와 소결온도만 900∼1000℃로 한 것 이외에는 동일 조건으로 실시하였다.

제조된 소결합금 부재로 상기 실시예 1 내지 3과 같이 마찰시험을 행하였으며 그 결과를 표 2에 나타내었다.

상기 표 2에서 I은 평균마찰계수를 나타내고, II는 마찰계수 안정도를 나타내며, III은 마모량(g)을 나타내는 것이다.

그리고 제4도는 본 실시예에 따라 소결한 동계 소결합금 부재의 미세조직 사진으로서, A는 흑연(16)을 나타내고, B는 첨가한 공구강 분말의 잔류 고합금부(12)를 나타내며, C는 첨가한 공구강 분말의 저합금부(10)가 흑연(16)주위로 액상 유동한 부위이고, D는 동계 소결합금 부재의 기지부(18)를 나타내는 것이다. 이 제4도에서 윤활재인 흑연(16)을 저합금부(10)가 둘러싸고 있음을 관찰할 수 있다.

본 발명의 동계 소결합금 부재의 제조방법은 저합금부(10)와 고합금부(12)로 이루어진 강화재를 첨가하고 동계합금 기지금속의 액상이 출현하는 온도로 소결시켜 저합금부(10)의 확산 또는 액상유동을 통하여 윤활재인 흑연(16)을 저합금부(10)가 포위하게 하므로써 이를 안정하게 고정시킬 수 있게 되고, 이로 인해 안정적인 마찰특성을 갖게 된 동계 소결합금 부재를 제조할 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 동합금계 기지금속 분말 70 - 80wt%; 미세한 Fe와 미량의 합금원소로 이루어진 저합금부(10)와, 크롬이나 바나듐, 텅스텐 등의 고융점 금속성분들의 하나 이상 혼합된 고합금부(12)로 이루어진 공구강 분말(14) 10 - 13wt% 및; 흑연(16) 10 - 12wt%으로 구성된 조성물을 1-2시간 혼합하고, 3 - 6Kgf/㎠압력으로 성형한 후, 환원성 분위기에서 900 - 960℃의 온도로 소결하게 된 것을 특징으로 하는 동계 소결합금 부재의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 공구강분말이 C : 0.9wt%, Cr : 4.2wt%, Mo : 5.0wt%, V : 2.0wt%, W : 6.0wt% 나머지는 Fe로 구성된 것을 특징으로 하는 동계 소결합금 부재의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 동합금계 기지금속 분말이 Sn, Ni, Fe, SiO₂중에서 선택된 원소를 하나 이상 포함하게 된 것을 특징으로 하는 동계 소결합금 부재의 제조방법.

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