KR0157726B1 - 내마모성 고력 동합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내마모성이 우수한 고력 동합금에 관한 것으로, 특히 충격저항과 마찰토오크를 크게 받는 동력전달기구를 제작하는데 쓰여질 수 있는 내구성이 큰 고력 동합금(High Strength Copper Alloy)에 관한 것이다. 본 발명의 합금은 중량 %로, Cu: 55~65%, Zn: 15~35%, Al: 1~6%, Ta: 0.1~5%(및/또는 Li: 0.01~2.0%), Si: 0.5~3.5%, Ni: 0.2~5%, Cr: 0.1~1.5% 및 Mn, Nb, Ti, Zr, Mo, Co 중의 1종 또는 2종 이상: 0.01~3.0%로 이루어져, α+β 또는 β단상의 황동 기지내에 NixSiy(Ti,Zn,Zr)z, NixTiy(Zn,Zr)의 Ni-계 금속간화합물 및 미세한 Ta(Ti,Zr), TaxZny, TaxNiy(Ti)z, Ta(Nb)xTiyMoz의 Ta-계 금속간화합물을 생성시키고, Li에 의해 결정립 및 석출된 금속간화합물을 미세화시켜 고속, 고하중의 가혹한 마모환경에서도 충분한 내마모성과 마찰계수를 나타낼 수 있다.

Description

내마모성 고력 동합금

제1도는 본 발명에 따른 고력 동합금의 마모시험결과를 보여주는 내구회수에 따른 마모변위량의 그래프.

제2도는 본 발명에 따른 고력 동합금의 마모시험결과를 보여주는 내구회수에 따른 마찰계수의 그래프.

제3도는 종래의 고력 동합금의 미세조직을 나타내는 현미경 사진.

제4도는 본 발명에 따른 고력 동합금의 미세조직을 나타내는 현미경 사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : Ni-계 금속간화합물 2 : Fe-계 금속간화물

3 : Ni-계 금속간화합물 2 : Ta-계 금속간화물

본 발명은 내마모성이 우수한 고력 동합금에 관한 것으로, 특히 충격저항과 마찰토오크를 크게 받는 동력전달기구를 제작하는데 쓰여질 수 있는 내구성이 큰 고력 동합금(High Strength Copper Alloy)에 관한 것이다.

일반적으로 고력 동합금은 Cu-Zn에 Al, Si, Mn, Ni 등과 같은 원소를 첨가해서 제조된 것으로, 내마모성이 크고 항장력(降張力)도 크며 인성(靭性)이 크기 때문에 비철합금중에서는 강력한 구조용재료로 많이 사용되고 있는 바, 특히 자동차용 싱크로나이저 링(Synchronizer Ring)뿐만 아니라 일반기계용으로서의 워엄휘일과 베어링, 압축기용 슬리퍼(Slipper) 및 기타 고속운동용 부품을 만드는데 주로 많이 사용되고 있다.

그러나 종래의 고력 동합금으로 만들어진 상기 부품들은 내마모성이 떨어져서 장시간 사용할 때 회전운동에 의한 마모와 충격으로 인해 이들 부품이 이루는 기구의 작동이 원활하지 못하여 소음이 심하게 발생하게 되고 또한 부품의 수명이 단축되거나 때로는 부품이 파손되는 문제점이 있다. 특히, 최근의 자동차용 트랜스미션(Transmission)의 동력전달 메카니즘(Mechanism)이 순간적으로 강력한 힘과 큰 토우크(Torque)의 전달을 요구하는 경향으로 변함에 따라 싱크로나이저 링(Synchronizer Ring) 소재는 마찰계수가 크면서도 내마모성이 우수한 성질의 소재를 요구되고 있어 종래의 고력 동합금 소재로는 만족을 충족시키지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소시켜 주기 위해 발명된 것으로, 종래의 고력 동합금에서 성분 및 각 성분의 화학적인 조성을 조절하여, 조직을 보다 미세화시켜 일반적인 기계적 성질과 더불어 내마모성, 마찰계수를 향상시킬 수 있는 고력 동합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 합금은 중량 %로, Cu: 55~65%, Zn: 15~35%, Al: 1~6%, Ta: 0.1~5%(또는 Li: 0.01~2.0%), Si: 0.5~3.5%, Ni: 0.2~5%, Cr: 0.1~1.5% 및 Mn, Nb, Ti, Zr, Mo, Co 중의 1종 또는 2종 이상: 0.01~3.0%로 이루어진다.

보다 바람직하게는 본 발명의 합금은 중량 %로, Cu: 55~65%, Zn: 15~35%, Al: 1~6%, Ta: 0.1~5%, Li: 0.01~2.0%, Si: 0.5~3.5%, Ni: 0.2~5%, Cr: 0.1~1.5% 및 Mn, Nb, Ti, Zr, Mo, Co 중의 1종 또는 2종 이상: 0.01~3.0%로 이루어진다.

본 발명의 내마모성 고력 동합금은 α+β 또는 β 단상의 황동기지(matrix) 내에 NixSiy(Ti,Zn,Zr)z, NixTiy(Zn,Zr)의 Ni-계 금속간화합물 및 Ta(Ti,Zr), TaxZny, TaxNiy(Ti)z, Ta(Nb)xTiyMoz의 Ta-계 금속간화합물을 생성시키고, Li에 의해 결정립 및 석출된 금속간화합물을 미세화시켜 고속, 고하중의 가혹한 마모환경에서도 충분한 내마모성과 높은 마찰계수를 나타내게 된다.

상기 각 구성원소를 선정하고, 또 상기 각 구성원소의 조성을 상기한 바와 같이 한정한 이유는 다음과 같다.

(a) Zn

Zn 원소는 Cu 및 Al과 함께 소지를 구성하며, 소지의 내마모성을 향상시키면서 강도와 인성을 부여하고, 합금의 소지조직을 결정하는 성분이다. Zn:15%미만이면 상기한 효과를 얻을 수 없고 Zn:35%를 초과하면 열화현상이 발생하여 Zn을 15~35%로 한정한 것이다.

(b) Al

Al 원소는 상기한 바와 같이 Cu 및 Al과 함께 강도와 인성이 높은 소지를 형성하는 이외에, β상 형성촉진 원소로서, 합금의 기계적 강도를 높이지만 첨가량이 6.0%이상에서는 주조조직의 조대화 경향이 있고 또 산화슬래그를 생성하기 쉬워 인성이 저하한다. 한편 첨가량이 1.0%이하에서는 강도 및 인성효과를 나타내지 못한다.

(c) Ta

Ta 원소는 Ta(Ti,Zr), TaxZny, TaxNiy(Ti)z, Ta(Nb)xTiyMoz의 Ta-계 금속간화합물을 생성시켜, 내마모성을 향상시키는 것으로, 5%를 초과하면 상기 금속간 화합물이 조대화하고, 0.1%미만에서는 상기 효과가 나타나지 않는다.

(d) Si

Si 원소는 고용강화 및 Ni₂Si 석출물 생성에 필요한 원소로서, 0.5~3.5%가 바람직한 범위이다. 3.5%이상에서는 석출물의 편석이 일어나고, 인성이 저하하며, 0.5%미만에서는 고용 강화 및 석출물 강화의 효과가 나타나지 않는다.

(e) Ni

Ni 원소는 소지중에 분산되어 합금의 강도 및 인성을 향상시킴과 동시에, Ni, Si, Ti, Zn, Zr 과도 결합하여 소지중에 분산하는 미세한 Ni-계 금속간화합물을 형성하여 내마모성을 향상시키는 작용을 하는 데, 0.2%미만에서는 상기한 작용에 있어서 필요로 하는 효과를 얻을 수 없으며, 5.0%를 초과하면 본 발명에서 필요로 하는 α+β 또는 β 단상의 기지조직을 얻기 어려우므로 0.2~0.5%로 한정한 것이다.

(f) Cr

Cr 원소는 내마모성을 향상시키는 작용을 하므로, 필요로 하는 내마모성의 정도에 따라서 그 함유량을 달리한다. 그러나, 그 함유량이 0.1% 미만이면 내마모성 면에서 필요로 하는 향상 효과를 얻을 수 없고, 한편 그 함유량 1.5%를 초과하면 인성이 저하하므로 그 함유량을 0.1~1.5%로 한정한 것이다.

(g) Li

Li 원소는 결정립 미세화 및 석출되는 금속간 화합물을 미세화시키는 원소로서 0.01~2.0%를 첨가하는 것이 바람직하다. 여기서 Li 원소는 Ta 원소와 동일하게 금속간 화합물을 생성시키고, 0.01~2.0%에서 금속간 화합물을 미세화시켜, 내마모성을 향상시킨다. Ta 원소와 Li 원소는 서로 대체사용할 수 있으며, 동시에 함께 사용할 수도 있다.

(h) Mn, Nb, Ti, Zr, Mo, Co

Mn, Nb, Ti, Zr, Mo, Co는 1 원소 또는 2 원소 이상의 군으로 첨가되어 기지내에 Ni-계 금속간 화합물 및 Ta-계 금속간 화합물을 생성시켜 내마모성을 향상시키나, 3% 이상 첨가의 경우, 조대한 금속간 화합물이 석출되어 취성파괴의 원인이 되기 때문에 0.01~3.0%를 첨가하는 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

[실시예 1]

표 1에 제시된 본 발명합금의 각종 조성의 것과 공지의 고력황동을 용해주조하여 열간단조한 것의 특성치를 비교한 바, 표 2와 같은 결과를 얻었다. 이 결과로부터 본 발명합금이 종래의 고력황동에 비하여 인장시험, 경도에서도 종래품보다 우수하다. 따라서, 인성(toughness)이 우수하다고 할 수 있다.

[실시예 2]

본 실시예의 마모실험은, 본 발명합금의 각종 조성의 것과 공지의 고력황동을 고주파유도로에서 용해하고, 금형주조하여 제작한 자동차용 트랜스미션의 싱크로나이저 링으로, 마모실험에서 널리 사용되고 있는 탁상내구시험기(Bench Test)를 이용하여 하중 100kgf, 회전수 1000rpm, 가압시간 0.2sec, 윤활유종류: SAE80W-90, 윤활유 온도: 80℃의 조건하에서 내구회수 10000회의 실험을 실시하였다. 이 실험결과, 제1도에 보여진 바와 같이, 내구회수가 증가함에 따라, 마모변위량이 서서히 증가하고 있으며, 특히 본 실시예의 No. 3, 6, 8 및 10의 시험편의 경우에 마모량의 증가율이 낮아 내마모성이 우수한 것으로 나타났고, 표 2에 보여진 바와 같이, 마모변위량도 내구회수 10000회에서 50㎛ 이하로 종래의 고력동 합금에 비하여 우수한 것으로 나타났다.

한편, 제2도에 보여진 바와 같이, 내구회수가 증가함에 따라, 마찰계수는 초기에 감소하다가 내구회수가 5000회 이상부터는 안정화 되어 거의 변화가 없었으며, 10000회 내구시험 후 모두 자동차용 싱크로나이저 링 소재의 설계기준인 0.08 이상으로 우수했으며, 특히 본 실시예의 No. 2, 4, 5, 7 및 10의 시험편의 경우에 마찰계수가 우수한 것으로 나타났다.

또한, 본 실시예 Nos. 2와 8의 동합금과 본 실시예 Nos. 4와 5의 동합금에서 알 수 있듯이, Ta 와 Li은 내마모성을 향상시키는데 동일한 기능을 하는 것으로 판단된다.

이상과 같이, 종래의 고력황동합금은 제3도에서 알 수 있듯이, α+β 또는 β단상의 황동 기지내에 조대한 Ni-계 금속간화합물(1)이 편석되어 분포하고, Fe=계 금속간화합물(2)이 분포되어 있음에 반하여, 본 발명의 고력 동합금은 제4도에 도시된 바와 같이, α+β 또는 β단상의 황동 기지내에 NixSiy(Ti,Zn,Zr)z, NixTiy(Zn,Zr)의 Ni-계 금속간화합물(3) 및 미세한 Ta(Ti,Zr), TaxZny, TaxNiy(Ti)z, Ta(Nb)xTiyMoz의 Ta-계 금속간화합물(4)을 생성시키고, Li에 의해 결정립 및 석출된 금속간화합물을 미세화시켜 고속, 고하중의 가혹한 마모환경에서도 충분한 내마모성과 마찰계수를 나타낼 수 있다.

Claims (3)

1. 중량 %로, Cu: 55~65%, Zn: 15~35%, Al: 1~6%, Ta: 0.1~5%, Si: 0.5~3.5%, Ni: 0.3~5.0%, Cr: 0.1~1.5% 및 Mn, Nb, Ti, Zr, Mo, Co 중의 1종 또는 2종 이상: 0.01~3.0%로 및 불가피한 불순물로 이루어진 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 내마모성 고력 동합금.
2. 중량 %로, Cu: 55~65%, Zn: 15~35%, Al: 1~6%, Ta: 0.1~5%, Li: 0.01~2.0%, Si: 0.5~3.5%, Ni: 3.0~5.0%, Cr: 0.1~1.5%, Mn, Nb, Ti, Zr, Mo, Co 중의 1종 또는 2종 이상: 0.01~3.0% 및 불가피한 불순물로 이루어진 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 내마모성 고력 동합금.
3. 중량 %로, Cu: 55~65%, Zn: 15~35%, Al: 1~6%, Li: 0.01~2.0%, Si: 0.5~3.5%, Ni: 3.0~5.0%, Cr: 0.1~1.5%, Mn, Nb, Ti, Zr, Mo, Co 중의 1종 또는 2종 이상: 0.01~3.0% 및 불가피한 불순물로 이루어진 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 내마모성 고력 동합금.