KR0118771B1 - Cu기 소결합금 마찰재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Cu기 소결합금 마찰재에 관한 것으로, Fe를 포함한 마찰조절제가 2-30중량%, 윤활제가 5-30중량% 및, P가 0.05~5중량%, 나머지가 Cu로 구성된 것으로, 소지(素地)중에 금속간 P의 화합물이 균일하게 분산된 조직으로 구성되어, 고온에서 내마모성이 우수하여 각종 기기의 소형화, 경량화 및 고출력화에 충분히 대응할 수 있는 마찰부품의 제조에 적용할 수 있다.

Description

Cu기 소결합금 마찰재

제1도는 본 발명에 따른 Cu기 소결합금 마찰재의 SEM조직사진.

제2도의 (a)는 본 발명에 따른 Cu기 소결합금 마찰재의 온도별 마모계수에 대한 그래프.

제2도의 (b)는 본 발명에 따른 Cu기 소결합금 마찰재의 온도별 마모량에 대한 그래프이다.

본 발명은 Cu기 소결합금 마찰재에 관한 것으로, 특히 고속력 및 고하중의 조건에서도 높은 마찰계수와 낮은 내마모성을 가지며 마찰상대재에 미치는 열 영향을 최소화시킬 수 있어, 이러한 특성들이 요구되는 차량의 브레이크 및 클러치의 제조에 사용하기 적합한 Cu기 소결합금 마찰재에 관한 것이다.

철도차량, 육상용 차량 및 산업기계 등의 클러치 또는 브레이크에 사용되기 위한 마찰재는 내마모성, 내구성이 뛰어나야 하고, 적당한 마찰계수(0.3-0.5)가 요구될 뿐아니라 온도가 증가하더라도 마찰계수의 변화가 적어야 하며, 또한 마찰시 발생되는 열을 빨리 방출하여 줄 수 있어야 한다.

석면 또는 비석면직물에 마찰조정제를 섞은 후, 수지나 고무 등의 결합재로 굳혀서 만든 유기질계 마찰재가 일반적으로 사용되고 있으나, 이러한 마찰재는 마찰시 발생되는 열의 방출이 어려워 차량이 고속으로 달리는 경우 마찰계수가 크게 감소하고, 또한 마모량도 급격히 증가하여 디스크 및 드럼의 열부담을 높이는 등 많은 문제점이 있었다.

또한, 일본국 특허공개 소 49-23710호에 제안된Cu기 소결합금 마찰재는 내열성이 높고, 높은 마찰계수와 낮은 마모량을 가지며, 빠른 열 방출로 디스크나 드럼의 열 부담을 경감시켜 주게된 것이나, 여전히 상온에 비해 고온에서 마찰계수가 감소하고, 마모량이 증가되는 문제점이 있었다.

한편, 본 발명의 출원인이 출원한 바 있는 특허출원번호 제94-17189호로 제안된 바와 같이 Cu기 소결합금 마찰재의 조성분원소를 일부 조정하므로써 내마모성을 향상시키기는 하였으나, 만족스러울 정도로 마모율을 낮추지는 못하였다.

이에 본 출원인은 내마모성이 더욱 우수한 Cu기 소결합금을 개발하고자 연구를 거듭한 결과, 소지(素地)중에 금속간 P 화합물이 균일하게 분산된 조직의 Cu기 소결합금이, 고온에서 내마모성이 우수하여 각종 기기의 소형화, 경령화 및 고출력화에 충분히 대응할 수 있는 마찰부품의 제조에 적용될 수 있다는 것을 알았다.

일반적으로 동계 소결합금 마찰재는 그 기능별로 기지부(Matrix),윤활제(Lubricant), 마찰조절제(Friction Modifier)로 구분되는데, 상기 기지부는 Cu단상이나 Cu-Sn, Cu-Zn 또는 Cu-Sn-Zn등의 합금으로, 마찰조정제나 윤활제등을 고착시켜 주므로써 마찰시 이들 마찰제나 윤활제가 탈락되는 것을 방지하여 줄 뿐아니라 재료자체의 강도를 유지시켜 주는 역할을 하는 것이다.

윤활제는 융점이 낮은 Pb와 같은 금속제와 MoS₂, MnS등과 같은 금속황화물이 사용되는 바, 마찰재와 디스크나 드럼상호간의 원활한 마찰이 이루어지도록 하며, 소음을 줄여주게 된다.

마찰조절제는 Fe와 같은 금속계와 같은 금속계산화물, 금속계탄화물, 금속계질화물등을 1종이상 사용하고, 마찰재료의 마찰계수를 높여주어 마찰특성을 향상시켜 주며, 고온에서 마찰상대재의 표면산화층을 제거하여 안정된 마찰특성을 얻도록 하여 준다.

본 발명에 따른 Cu기 소결합금은 Fe를 포함한 마찰조절제가 2-30중량%, 윤활제가 5-30중량%, P가 0.05-5중량%, 나머지가 Cu로 구성된 것으로, P를 일부 첨가하므로써 금속간 화합물 즉 Fe-Ni-P, Fe-P, Ni-P등이 기지내에 고르게 분산 형성시켜 내마모성을 향상시킨 것이다.

이들 형성된 상들은 마찰조절제인 세라믹입자를 첨가한 종래의 경우보다 기지부와의 접합이 뛰어나 탈락발생이 줄어들고, 고경도의 세라믹입자의 역할을 수행하므로써 내마모성을 충분히 확보할 수 있도록 하여 주는 것이다.

상기 본 발명의 Cu기 소결합금의 성분을 한정한 이유는 다음과 같다.

P는 Fe 또는 Ni과 결합하여 Fe-Ni-P, Fe-P, Ni-P 등의 금속간 화합물을 형성하므로써 기지부의 경도를 향상시켜 마찰특성을 좋게 해주는 원소로서, 그 함유량이 0.05중량% 미만의 경우 상술한 바와 같은 효과가 없고, 5% 이상인 경우 P가 결정입계에 취약한 상을 형성하여 재료의 강도를 낮추어 마모를 증가시키게 되기 때문에, 그 범위를 0.05-5중량%로 한정하였다.

Ni은 Cu와 전율고용체를 형성하므로써 고용강화 역할을 하는 원소로서, 그 함유량을 30중량% 이상이면, 마찰조절제 및 윤활제 양이 상대적으로 감소하게 되고 1중량% 미만의 고용강화 효과가 없기 때문에 그 범위를 1-30중량%로 한정하였다.

금속 Fe 또는 Fe와 같은 금속계 산화물, 금속계 탄화물 및 금속계 질화물중 1종 이상으로 이루어진 마찰조절제는, 마찰재의 마찰계수를 높여 마찰특성을 향상시키고 고온에서 마찰상대재의 표면 산화층을 제거하여 안정된 마찰특성을 얻도록 해주며, P와 화합하여 소지층에 분산되는 미세한 화합물을 형성하여 내마모성을 향상시키는 역할을 하고, 그 함유량이 2중량%미만의 경우 마찰조절제로서의 상술한 바와 같은 효과가 없고, 30중량%를 초과할 경우 기지부 강도를 상대적으로 낮추어 마모량이 급증하게 되기 때문에 그 범위를 2-30중량%로 하였다.

Zn 또는 Sn은 기지부의 융점(Melting point)을 낮추어 주므로써 소결능을 향상시키고 Cu내 고용되어 기지부 강도를 향상시키는 기지부 고용 강화 원소들로서, 적용되는 마찰재 조건에 따라 첨가되지 않은 경우도 있지만 통상적으로 3중량% 이하면 첨가 효과가 없고 20중량% 초과시 마찰재 융점 저하로 고온에서의 내마모 성질이 약해지기 때문에 그 범위를 3-20중량%로 한정하였다.

흑연, Pb 및 MoS₂는, 마찰제와 디스크, 드럼과 같은 마찰상대제와의 마찰이 원활하게 되도록 하는 윤활제역할을 하여 소음을 줄여주는 역할을 하는 것으로, 5중량% 미만이면 마찰재의 스틱-슬립(stick-slip)현상이 발생하고 30중량%를 초과하는 경우 기지부의 강도를 상대적으로 약화시키기 때문에 그 함량을 5-30중량%로 한정하였다.

Cu는 Zn 또는 Sn등과 함께 기지부를 이루고 있으며, 이러한 기지부에 마찰조절재나 윤활제 등이 고착되어 마찰시에 탈락되는 것을 방지하여주고 마찰재 자체의 강도를 유지시켜 주는 역할을 한다.

본 발명의 마찰재료는, 세라믹 입자를 첨가한 종래의 마찰재료에 비해 Fe-Ni-P, Fe-P, Ni-P로 이루어진 금속간화합물이 기지부내에 분산되어 있어서 기지부와 금속간화합물의 접합이 뛰어나 이들 금속간화합물이 기지부로부터 쉽게 탈락되지 않은 장점이 있고, 또한 금속간 화합물이 세라믹 입자와 같이 고경도의 역할을 수행하므로써 고온에서의 내마모성을 충분히 확보할 수 있도록 하여준다.

다음에, 본 발명의 Cu기 소결합금 마찰재를 실시예에 따라 구체적으로 설명한다.

[실시예]

표1은 종래의 Cu기 소결합금과 본 발명에 따른 Cu기 소결합금의 화학조성을 나타내었다.

표1과 같은 화학조성을 갖도록 원료분말들을 혼합하고, 이 혼합분말을 1.5-3t/㎠의 성형압으로 성형한 후 700-900℃ 사이에서 15-30kgf/㎠의 압력으로 무산화분위기 하에서 가압소결을 실시함으로써 Cu기 소결합금 마찰재를 제작하였다.

이렇게 제작된 마찰재의 소결조직, 온도에 따른 마모계수 및 마모량의 변화를 조사하여 그 결과를 각각 제1도, 제2도의 (a)와 (b)에 나타내었다.

종래의 Cu기 소결합금 비교예는 본 발명의 Cu기 소결합금 마찰재의 실시예 1,2 및 3과 비교하기 위한 것으로서, 실시예 1은 0.5중량% P만을, 실시예 2는 0.5중량% P와 4중량% Ni을 각각 첨가한 것이며, 그리고 실시예3은 실시예 2의 구성성분중에서 Sn을 뺀 경우이다.

제1도는 가압소결 시편의 조직사진으로서 (A)는 실시예 1의, (B)는 실시예2의 SEM 조직 사진을 나타냈다. 실시예 1의 경우 Fe-P로 구성되는 금속간 화합물이 일부에 편석되어 나타나고 있으며, 실시예 2의 경우 기지부 전반에 걸쳐 Fe-Ni-P로 구성되는 금속간 화합물이 고르게 분산되어 있는 양상을 EDAX 분석을 통하여 관찰 할 수 있다.

제2도의 (a)와 (b)는 표 1에 나타난 4가지 Cu기 소결합금 마찰재로 마찰속도 16m/sec, 압부력 4kgf/㎠, 마찰거리 총 6.3km, 마찰면적은 18㎠의 마찰시험조건하에서 정속식 마찰시험을 실시하여 온도에 따른 마찰계수와 마모두께를 각각 나타내었다.

본 발명에 따른 실시예1,2 및 3의 온도에 따른 마찰계수에 있어서, 실시예 3의 경우 약간 감소하지만 실시예 1과2의 마찰계수는 비교예의 마찰계수와 서로 유사하다.

하지만, 본 발명에 따른 실시예 1,2 및 3은 제3도에 나타난 바와 같이 비교예에 비해 낮은 마모량을 나타내었고 실시예 2의 경우 가장 낮은 마모량을 나타내었다.

상술한 바와 같이 본 발명은 P를 첨가하므로써 금속간 화합물 Fe-Ni-P, Fe-P 또는 Ni-P를 기지내에 고르게 분산형성시켜 고온에서의 마찰특성 및 내마모성을 향상시킨 것으로 차량의 브레이크 또는 클러치의 제조에 사용하기 적합한 것이다.

Claims (1)

1. Fe가 2-30중량% ; 흑연과 Pb 및 MoS₂로 이루어진 윤활제가 5-30중량% 및 ; P가 0.05-5중량%, 나머지가 Cu로 구성된 Cu기 소결합금 마찰재.