KR100193606B1 - 소결접동부재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 클러치, 브레이크 등의 접동부재로서 사용하기 위한 구리계 소결부재에 관한 것으로서, 매트릭스의 주입자중에 경질입자가 미세하고 균일하게 혼합·분산되어 있는 소결부재를 제공하는 것을 목적으로 하며, 이 부재에 있어서는 접동중에 상기 분산된 경질입자가 Cu-Sn합금매트릭스로부터 빠져나가는 것이 방지되어 건식 및 습식조건하에서 양호한 마찰접동특성과 향상된 기계적특성을 지닌다. 또, 상기 소결접동부재는 최대입자직경이 15㎛이하이고, 평균입자직경이 5㎛이하인 경질입자재료15∼25wt%가 합금매트릭스중의 구리입자내에 균일하게 분산되어 있는 구조를 지닌 구리계소결합금으로 구성된다.
Description
제1도는 본 발명에 의한 소결접동부재의 제조공정을 표시한 순서도.
제2도는 본 발명의 소결접동부재에 대해서 수행하는 건식마찰테스트법을 도시한 설명도.
제3도는 본 발명의 소결접동부재에 대해서 수행하는 습식마찰테스트법을 도시한 설명도.
제4도는 건식마찰테스트에 있어서의 운동마찰계수의 변화를 도시한 그래프.
본 발명은 뛰어난 내마모성 및 내융해성을 지니고, 건식접동조건하에서 비교적 높은 마찰계수, 즉 0.4∼0.6정도를 안정적으로 유지할 수 있는 구리계 소결접동부재에 관한 것이다. 이 부재는 윤활유중에서는 0.1이상의 마찰계수를 안정적으로 보일 수 있다. 또 상기 부재는 상대방물질(또는 재료)을 거의 공격하지 않고, 또 고강도, 고인성 및 고경도를 지닌다. 따라서, 건식형, 습식형의 양유형의 클러치, 브레이크 등의 접동부재분야에서 이용될 수 있다.
최근, 건식조건하에서 이용되는 클러치 및 브레이크의 마찰재료로서는 석면계마찰재를 대체할 수 있는 청동계 소결합금이 개발되어 있다. 예를 들면, 일본국 특원소 58-126948호에는 청동계 소결합금에 경질의 미립자물질을 첨가해서 제조한 높은 마찰계수를 제공하는 건식소결마찰재가 개시되어 있다.
그러나, 이러한 소결체는 합금중에 분산되어 경질의 미립자물질과 매트릭스사이에 반응층이 아니라 간극(gap)을 포함하고 있으므로, 고속, 고부하접동조건하에서의 마찰접동시에, 경질의 미립자가 해당 매트릭스로부터 빠져나와 버릴 경우가 있어, 어떠한 높은 마찰계수도 안정적으로 기대할 수 없으므로 비실용적이라는 문제점이 있다. 다른 문제점으로서는 이와 같이 미립자가 빠져나온 지점으로부터 시작해서 상대방 재료에 대해서 융해를 일으킬 수 있다는 점을 들 수 있으며, 또 다른 문제점으로서는 이러한 빠져나온 미립자가 상대방재료에 대해서 박히거나 공격한다는 점을 들 수 있다.
또한, 기계적 특성면에 있어서, 연마제로서의 소결체는 상기 간극이 소결체의 기계적 특성, 즉 강도, 인성 및 경도 등을 열화시킨다고 하는 문제점이 있다. 또, 분산된 경질의 입자가 30∼80㎛정도의 큰직경을 지니므로 분쇄원으로서 강도 및 인성의 저하를 초래한다고 하는 문제점도 있다.
종래, 통상 사용되고 있던 습식마찰재료로서는 다공지제의 마찰재 및/또는 카본소결체가 있다. 상기 첫번째 언급한 다공지제의 마찰재의 예로서는 기본적으로 페놀수지 등의 열경화성수지와, 그라파이트분체 및 유기먼지등의 마찰조절제로 이루어지고, 여기에 보강제로서 유기파이버 및 카본파이버를 첨가한 페이퍼마찰재가 일본국 특개평 6-25653호 공보에 개시되어 있고, 나중에 언급한 카본소결체의 예로서는, 습식마찰재란 명칭의 일본국 특개평 4-76086호 공보에 비카본화 탄소질 파이버와 탄소질 분체로 이루어진 복합체를 소결해서 얻은 카본파이버강화 카본소결체가 제안되어 있다. 이들 두 종류의 재료는 탄성변형가능하므로, 어떠한 부세된 결합력도 이 마찰재쪽에서 흡수할 수 있다.
그러나, 일반적으로, 이러한 마찰재가 오일중에 있을 때는 단지 0.1∼0.15정도의 작은 마찰계수를 지닌다. 따라서, 예를 들면 클러치가 충분한 전달토크를 제공하기 위해서는 직경이 크고 표면적이 큰 마찰재를 사용할 필요가 있으므로, 크기/중량감소화를 필요로 하는 현추세를 충족시킬 수 없다. 또 페이퍼마찰재는 내열성이 부족하므로, 고온조건하에 마찰접동중에, 마모에 의해 손상되고 또 그의 특성이 열화되기 쉽고, 더욱잉 마찰계수가 더 낮아지게 된다고 하는 문제점이 있다.
이들 문제점을 극복하기 위한 시도로서, 마찰재란 명칭의 일본국 특개평 4-76086호 공보에는, 마찰재(유리섬유 및/또는 고무바인더)의 접동표면에 2종류의 금속으로 이루어진 의사합금분사피복을 형성함으로써, 해당 마찰재의 마찰계수를 0.25이상으로 높일 수 있는 기술이 개시되어 있다.
그러나, 이 기술에 의하면, 기판상에 마찰재의 배치외에 분사피복공정을 필요로 하므로, 비용의 증가와 공정의 복잡화를 초래하는 문제가 있다. 또, 열분사를 필요로 하므로, 이 방법으로는 양산성을 기대할 수 없어 비실용적이다.
종래, 청동계(구리-주석)소결합금은 오일리스 베어링(oilless bearing)재로서 이용되고 있다. 이러한 유형의 소결합금은 내마모성 및 내융해성이 높으므로, 경질입자를 내부에 첨가, 분산시킨 이러한 소결합금으로 이루어진 마찰재는 마찰에 의한 어떠한 손상도 받지 않고 높은 마찰계수를 보일것으로 기대된다.
그러나, 이미 언급한 바와 같이, 매트릭스청동분체의 입계에 상기 첨가된 경질입자가 존재하므로, 마찰접동시, 이러한 입자가 빠져나가, 심지어 상대방재료를 공격하여 이러한 소결체 그대로는 융해 및 마모되기 쉽다고 하는 문제점이 있다. 또, 베어링형 소결합금은 그들 내부에 많는 빈구멍(vacancy;空孔)이 부난되어있어, 예를 들면 20m/sec이상의 높은 접동속도범위에 있어서, 소결합금내에 존재하는 윤할유가 그 내부로부터 흘러나와, 이 접동면에 있어서의 빈구멍에 일종의 오일저장소를 형성할 경우도 있다고 하는 문제도 있다. 그 결과, 마찰재와 상대방재료의 접동면사이에 두꺼운 기름막을 형성하여, 마찰재의 마찰계수를 0.01∼0.02정도까지 저하시킬 수 있다.
본 발명은, 상기 각 문제점을 극복하기 위하여, 매트릭스의 주입자에 경질입자를 미세하고 균일하게 분산.혼합시켜 건식 및 습식접동조건하에서 향상된 마찰계수를 제공하는 소결부재에 있어서, 접동중에 상기 분산된 경질입자가 Cu-Sn합금매트릭스로부터 빠져나가는 것을 금지하여 양호한 마찰접동특성과 개선된 기계적 특성을 지니는 소결부재를 경제적으로 제조하는 것을 목적으로 한다.
따라서, 상기 각 문제점을 해소하기 위하여, 본 발명자들은, 각종 실험과 연구를 행한 결과, 건식 및 습식마찰접동조건하에서 높은 마찰계수를 안정적으로 유지할 수 있으므로, 상대방 재료를 공격할 가능성이 없으며, 마찰에 의해 마모되기 어렵고 또 상대방재료에 대한 융해도 거의 없는 고강도의 소결접동부재를 개발하였다.
특히, 본 발명에 의하면, 소결접동부재의 합금조성물 및 그의 제조방법은 다음과 같다. (1) 최대입자직경이 15㎛이하이고 평균입자직경이 5㎛이하인 경질 입자재료 15∼25wt%가 합금매트릭스내의 구리분체입자중에 균일하게 분산되어 있는 구조를 지닌 구리계 소결합금으로 구성되어, 건식환경조건하에서 강재와의 접동시의 마찰계수가 0.4이상이고, 습식환경조건하에서 강재와의 접동시의 마찰계수가 0.1이상인 것을 특징으로 소결접동부재.
(2) 상기 (1)에 있어서, 건식환경조건하에서 강재와의 접동시의 정적마찰계수와 동적마찰계수와의 차가 0.1이하인 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
(3) 상기 (1)에 있어서, 상기 구리계 소결합금은, 평균직경이 30㎛이하인 빈구멍을 지니고, 상기 빈구멍은 해당 합금중에 1vol%∼30vol%범위에서 균일하게 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
(4) 상기 (1)에 있어서, 상기 구리계 소결합금의 매트릭스는, 3∼20wt%의 Sn과, 나머지는 거의 Cu 및 불가피불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
(5) 상기 (1)에 있어서, 상기 경질입자재료는 FeMo, FeCr, FeTi, FeW 및 FeB를 포함하는 철계금속간 화합물의 적어도 1종류이상으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
(6) 상기 (1)에 있어서, 상기 구리계 소결합금의 매트릭스는, 필요시 고형윤활재료를 3wt%이하 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
(7) 상기 (6)에 있어서, 상기 고형윤활재료는 구형 그라파이트, MoS2, CaF2및 BN의 적어도 1종류이상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
(8) 상기 (1)에 있어서, 상기 구리계 소결합금은 천연의 비늘형상 그라파이브분체 또는 필요시 이 천연의 그라파이트분체를 그의 두께방향으로 팽창시켜 만든 팽창형 그라파이트분체를 15wt%이하 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
(9) 상기 (1)에 있어서, 상기 구리계 소결합금의 3∼20wt%의 Sn 및 그나머지는 거의 Cu와 불가피불순물로 이루어진 Cu-Sn합금분체와, 15∼25wt%의 경질입자재료로 이루어진 혼합분체는 기계적합금화, 기계적연마 및 분쇄기술중 하나에 의해 혼합 및 분쇄처리되어, 상기 경질입자재료가 최대입자크기 15㎛이하, 평균입자크기 5㎛로 분쇄되어 해당 Cu-Sn합금매트릭스중에 균일하게 분산되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
(10) 상기 (1) 또는 (9)에 있어서, 상기 구리계 소결합금은 경질입자가 분산된 복합구리합금분체와 3wt%이하의 고형윤활재료로 이루어진 혼합분체로부터 제조된 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
(11) 상기 (9)에 있어서, 상기 구리계소결합금은 경질입자가 분산된 복합 구리합금분체와 조립해서 15wt%이하의 천연의 비닐형상 그라파이트입자 또는 이 천연의 그라파이트분체를 그의 두께방향으로 팽창시킨 팽창형 그라파이트분체로부터 제조된 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
(12) 상기 (1)에 있어서, 상기 구리계 소결합금은 3∼20wt%의 Sn, 15∼25wt%의 경질입자재료, 나머지는 거의 Cu와 불가피불순물로 이루어진 혼합분체로 구성된 경질입자가 분산된 복합구리합금분체로부터 제조되고, 이 때, 상기 혼합분체는 기계적합금화, 기계적연마 및 분쇄기술중 하나에 의해 혼합 및 분쇄처리되어, 상기 경질입자재료가 최대입자크기 15㎛이하, 평균입자크기 5㎛로 분쇄되어 해당 Cu-Sn합금매트릭스중에 균일하게 분산되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
(13) 상기 (1) 또는 (12)에 있어서, 상기 구리계 소결합금은 경질입자가 분산된 복합구리합금분체와 3wt%이하의 고형 윤활재료로 이루어진 혼합분체로부터 제조된 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
(14) 상기 (12)에 있어서, 상기 구리계소결합금은 경질입자가 분산된 복합 구리합금분체와, 15wt%이하의 천연의 비닐형상 그라파이트분체 또는 이 천연의 비늘형상그라파이트입자를 그의 두께방향으로 팽창시킨 팽창형 그라파이트입자로 이루어진 혼합분체로부터 제조된 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
다음에, 상기 구리계 소결합금에 있어서의 합금조성물과 빈구멍의 비율을 상기와 같이 설정한 이유에 대해서 설명한다.
(1) Sn
Cu와 함께 Sn은 합금의 매트릭스를 형성하고, 해당 합금의 고온강도와 인성을 향상시킬 수 있다. 또, 승온시 상기 합금의 상대방재료에 대한 내융해성도 향상시킬 수 있다. Sn의 비율이 3wt%미만이면, 그러한 효과는 얻을 수 없으며, Sn이 20wt%를 초과하여 첨가되어 있으면 딱딱학 무른 상의 침전이 일어나, 강도와 인성의 저하를 초래하므로, Sn의 비율은 3∼20wt%범위로 설정되어 있다.
(2) 경질입자(철계 금속간 화합물)
경질입자는 소결합금의 매트릭스의 주입자에 미세하고 균일하게 분산되어 상온 또는 승온시의 건식 및 습식마찰조건하에서 해당 합금의 상대방재료에의 부착을 금지할 수 있으므로, 소결합금의 내융해성을 향상시킬 수 있다. 또, 상대방재료표면과 접촉해서 증가된 마찰계수를 제공함으로써 소결합금의 내마모성을 향상시킬 수 있다.
이러한 입자의 크기 및 비율은 다음과 같은 효과를 가져온다. 경질입자의 비율이 15wt%미만이면, 내마모성의 개선은 얻을 수 없고, 최대입자크기가 15㎛보다 크거나, 평균입자크기가 5㎛보다 큰 경우, 또는 경질입자의 비율이 25wt%보다 많으면, 경질입자는 균열을 일으키는 개시점으로 되기 쉬워, 소결체의 강도 및 인성의 열화를 초래한다. 또, 상대방 재료에 대한 공격가능성의 점으로부터도, 이러한 입자크기와 분량수준의 경질입자의 첨가는, 상대방재료에 상당한 마모를 일으키므로 바람직하지 않다.
소결체가 입자크기의 범위가 15㎛까지이고 그의 평균입자크기가 5㎛이하인 경질입자를 매트릭스의 주입자에 미세하고 균일하게 분산시켜 15∼20wt%함유할 경우, 상기 소결체는 마찰계수에 있어서 양호한 안정성을 지닐 수 있다. 따라서, 경질입자는, 입자크기가 최대 15㎛까지이고, 평균입자크기는 5㎛이며, 경질입자의 총함유량은 15∼25wt%인 것이 바람직하다.
철계 금속간화합물은 FeMo, FeCr, FeTi, FeW 및 FeB중 적어도 1종류이상으로 구성되는 것이 바람직하다. FeMo, FeCr, FeTi, FeW 및 FeB는 동일군의 금속간 화합물입자이며, 대체해도 상호 대등한 효과를 가진다. 철계금속간 화합물외에, Al2O3, SiO2, ZrO2등의 금속산화물 및 SiC, AlN 등의 세라믹스는 마찰계수개선에 유효하나, 이들 입자는 철계금속간화합물의 입자가 비해서 기계적 가공성이 떨어져 경제적인 면에서도 문제가 있다. 따라서, 본 발명의 접동부재를 위해서는 철계 금속간화합물을 사용하는 것이 바람직하다.
그러나, 이러한 철계금속간화합무리 접동중에 매트릭스로부터 빠져나가면, 이와 같이 입자가 빠져나간 장소로부터 시작해서 상대방재료에 대한 입자의 전이 및/또는 부착을 일으키는 문제가 발생한다. 또, 이와 같이 빠져나간 입자중 어떤 것은 상대방재료에 박혀서 상대방재료에 대한 마모 및/또는 손상을 일으키는 문제도 있다. 따라서, 지속적으로 안정하고 높은 마찰계수를 확보하도록 상기 문제점을 피하기 위하여, 상기 철계금속간화합물의 입자를 매트릭스의 주입자에 균일하게 분산시켜 그 입자가 매트릭스로부터 빠져나오는 것을 금지할 필요가 있다.
이를 위한 구체적인 방법은 다음과 같다. 즉, 금속간 화합물은 Cu-Sn계 합금분체 또는 Su와 Sn의 분체혼합물과의 기계적 합금이므로, 입자크기를 최대 15㎛까지, 또 평균입자크기를 5㎛로 연마한 금속간 화합물을 Cu-Sn계 합금입자에 미세하고 균일하게 분산시킬 수 있다. 분체의 압분, 성형 및 소결후, 매트릭스의 Cu-Sn계 합금과 금속간 화합물사이의 계면에 반응층이 형성됨으로써, 상기 금속간화합물은 매트릭스내에 단단히 고정될 수 있다. 특히, 기계적 합금화, 기계적 연마 및 펠릿화 등의 기계적인 분체 혼합/연마기술을 이용하는 것만으로, Cu-Sn계 합금분체의 입자덩어리에 금속간화합물입자가 미세하고 균일하게 분산되어 접동중에 소결매트릭스로부터 빠져나가지 않도록 된 Cu-Sn계 합금분체를 얻을 수 있다는 것을 발견하게 되었다.
단, 이러한 기계적인 분체혼합은 건식공정에서 수행하고, 종래의 볼밀 또는 믹싱과 같은 습식공정에는 수행하지 않는다. 몇몇 경우, 과도한 응집을 방지하기 위하여 PCA(process control agent)로서 스테아린산 또는 볼밀을 사용하는 것이 적합하다. 전자의 유닛은 높은 연마효율을 나타내므로 고속처리에 적합하고, 후자의 볼밀은 장기간의 연마동작을 포함하나 분위기제어가 용이하며, 입력에너지에 대한 구성이 적절하게 설계되어 있기만 하다면, 경제적인 면에서 비교적 유리하다.
(3) 고형윤활재
고형윤활재(또는 고형윤활재료)는 건식마찰조건하에서의 소결접동부재의 상대방공격거동을 억제하는 데 유효하며, 또한 승온시 건식접동조건하에서 0.4∼0.6정도의 비교적 높은 마찰계수를 적당하게 안정화하는 데 유효하므로, 접동면간의 표면윤활성를 향상시킬 수 있고, 또 접동시의 삐걱거리는 소리, 진동 및 잡음 등의 문제를 상당히 극복할 수 있다.
습식접동조건하에서 접동속도가 보다 높아지면 접동면상에 존재하는 빈구멍은 해당 빈구멍안으로 윤활유가 들어가 소결마찰재와 상대방 강재간의 접촉계면에 있어서 윤활막을 형성하도록 쐐기효과를 제공한다. 특히, 이 접동부재를 20m/sec이상의 고속에서 사용할 경우, 상기 부재의 마찰계수는 변동/하향변화될 수 있다. 이러한 문제의 해소책으로서, 소결마찰재는 고형윤활재료를 함유하고, 이것에 의해 마찰계수의 접동속도에 대한 안정성을 개선할 수 있도록 구성되어 있다.
Cu-Sn계 소결합금에 있어서, 이들 특성을 지닌 고형윤활재료로서는 경제적으로 거의 문제가 없는 그라파이트, MoS2, CaF2및 BN이 있다. 다른 윤활재료로서, 예를 들면, Pd를 Cu-Sn합금제 베어링에 사용하고 있으나, 이 윤활재료는 매트릭스와 연합하여 화합물을 생성하는 기능이 없어, α상의 댄드라이트아암공간에 미립자 형태로 존재하므로, 이런 윤활재료를 접동부재에 사용하면 접동중에 빠져나갈 가능성이 있다. 따라서, 이러한 윤활재료로서 유효하게 사용하기 위해서는 그라파이트, MoS2, CaF2및 BN을 적어도 1종류이상 3wt%이하 첨가하면 된다. 윤활재료를 3wt%를 초과해서 사용하면, 소결체의 강도 및 인성을 상당히 열화시키므로 바람직하지 않다.
그러나, 본 발명자들은 천연의 비늘형상의 그라파이트분체, 종래 분말야금술에서 사용되던 회전타원체형 그라파이트분체와는 특성적으로 다른 그라파이트분체 및/또느 상기 천연의 비늘형상 그라파이트분체를 두께방향으로 팽창시킨 팽창형 그라파이트분체를 사용하는 것을 시도하였다.
구체적으로, 비늘형상의 그라파이트분체는, 종래의 회전타원체형 그라파이트분체에 비해서, 성형성/압축성 및 윤활성능면에서 특성적으로 유리하다. 즉, 종래의 회전타원체형 그라파이트분체를 3wt%를 초과해서 사용하면 소결체의 기계적 특성을 다소 열화시키는 반면, 비늘형상그라파이트분체 또는 팽창형 그라파이트분체는 15wt%까지 첨가하면 소결체의 기계적특성의 그와 같은 저하는 일으키지 않는다. 게다가, 비늘형상 그라파이트분체는, 그의 윤활성능이 양호하므로, 초기에 언급한 바와 같이 접동중에 일어날 수 있는 잡음, 진동 및 삐걱거리는 소리 등의 문제를 더욱 유효하게 방지할 수 있다. 또, 비늘형상 그라파이트분체는 초기접동단계에서 접동부재와 상대방재료와의 정합성을 향상시키고, 또 접동부재의 마찰계수를 안정화시킨다.
또, 이러한 그라파이트분체가 소결체중에 분산되어 있을 경우, 그라파이트분체의 양호한 압축성은 가압시 소결체자체의 압축성향상을 위해 유리하게 활용될 수 있으므로, 상대방재료의 접동면과의 국부적인 접촉을 금지할 수 있어, 완전한 접촉을 허용할 수 있고, 이것에 의해 안정한 마찰접동성능을 확보할 수 있다.
따라서, 본 발명의주특징인 경질입자가 분산된 복합구리합금분체와, 상기 비늘형상 그라파이트분체 또는 팽창형 그라파이트분체 또는 이들 양자를 혼합.성형해서 제조한 소결체는 보다 개선된 기계적 특성을 마찰접동성을 보이며, 특히 접동의 초기단계에서부터 지속적으로 안정한 마찰계수를 보일 수 있다.
(4) 빈구멍(vancancy:空孔)
빈구멍은 30㎛이하의 크기로, 소결합금의 마찰접동표면에 걸쳐서 균일하게 분포되어 있으므로, 표면접촉시 변형되어, 접동중에 쐐기효과를 일으켜서 이들 빈구멍안으로의공기의 흐름을 허용하여 부력을 발생한다. 따라서, 건식접동조건하에서 이들 빈구멍은 상대방부재에 대한 양호한 내융해성 및 개선된 적응성을 제공한다. 또, 습식접동조건하에서는, 상기 자체윤활효과에 의해 빈구멍에 오일저장소(오일막)를 형성함으로써 개선된 내융해성을 얻을 수 있다.
빈구멍의 크기가 30㎛보다 크면, 균열을 일으켜 소결체의 강도 및 인성의 상당한 저하를 가져온다. 또, 빈구멍의 체적이 1vol%미만이면, 상기 이점은 얻어질수 없고, 빈구멍이 30vol%를 초과해서 분포되어 있으면 소결합금의 강도 및 인성은 저하된다. 또한 빈구멍이 불균일하게 분포되어 있으면, 소결합금의 상대방재료에 대한 정합성을 국굽적으로 감소되므로, 안정은 마찰계수를 얻을 수 없고, 또, 상대방재료와의 융해도 일어나기 쉽다. 따라서, 본 발명의 소결접동부재에 있어서는, 빈구멍은 30㎛이하의 크기를 지니고, 접동부재중에 1∼30vol%범위내에 균일하게 분포되어 있어야만 한다. 본 발명의 목적을 위해서, 상기 특정한 빈구멍의 크기 및 체적은 분체의 가압.성형공정중에 작용압력을 조절함으로써 얻어질 수 있다.
상기 합금조성을 지니고 또 상기 방법에 따라 제조된 소결접동부재는 강도, 인성 및 경도등의 기계적 특성과 더불어, 마찰저항 및 자체윤활성을 지니므로, 이러한 접동부재를 보강없이 구조적인 재료로서 단독으로 이용하기에 충분하다. 종래의 Cu-Sn계 합금은, 건식마찰접동조건하에서, 초기의 접촉기간중에 0.2∼0.3정도의 마찰계수범위를 지닌다. 마찰이 진행함에 따라, 이러한 합금의 마찰계수는 상향변화하는 경향이 있어, 최종적으로는 소결합금이 상대방재료와 융해하게 되거나, 합금자체가 마모되어 버린다.
이에 대해서, 본 발명의 소결접동부재는 건식접동조건하에서 0.4∼0.6정도, 습식접동조건하에서 약 0.1이상의 비교적 높은 마찰계수를 안정하게 유지할 수 있어, 상대방재료는 결코 공격하지 않고, 또한 상대방재료에 대한 융해 또는 마찰마모/손상도 일으키는 일은 없다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부도면을 참조해서 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 소결접동부재 및 비교예의 재료에 합금조성이 표1에 표시되어 있다. 또 소결접동부재의 기계적 특성 및 마모테스트결과(소결체와 상대방재료 SS41에 대한 마찰계수 및 마모량)가 표2에 표시되어 있다.
제1도에 도시한 각 프로세스(동도에 있어, 기계적연마/혼합이란 기계적 합금화, 기계적 혼합 및 펠릿화를 의미함)에 따른 제조조건하에서 샘플분체를 성형.소결하였다. 마모테스트(즉, 마찰테스트)는 제2도에 도시한 건식마모테스트를 이용해서 수행하였다. 마찰계수치에 대해서는 테스트개시로부터 시작하여 1분 간격으로 측정하였으며, 그의 안정한 측정치를 해당 표에 표시하였다.
하기 표에 있어서 샘플번호1∼17은 본 발명의 소결부재를 나타내고 번호 18∼28은 비교예의 재료를 나타낸다. 또, 빈구멍측정치만은 vol%로 표현하고, 기타 다른 측정치는 wt%로 표현하였다. 고형윤활재에 대한 부호 A, B, C, D는 각각 A:그라파이트, B:MoS2, C:CaF2, D:BN을 의미한다.
표1에 있어서, 비고란의*1,*2,*3은 다음을 의미한다.
*1) 혼합분체(또는 분체혼합물)에 제1도의 프로세스(a)에 따른 기계적 연마/혼합처리를 실시하고, 이때 연마조건을 변화시켜서 분산된 경질입자 또는 Fe계 금속간 화합물입자의 평균크기가 15㎛가 되도록 연마하고, 이와 같이 처리된 혼합물을 성형.소결함으로써 합금을 생성하였다.
*2) 혼합분체에 제1도의 프로세스(a)에 따른 기계적 연마/혼합처리를 실시하고, 분체의 성형단계중의 표면압력조건을 변화시켜서 분체성형체에 분포된 빈구멍의 평균크기를 45㎛로 하고, 이와 같이 처리된 혼합물을 소결함으로써 합금을 생성하였다.
*3) 전술한 조성의 각종 분체를, 예를 들면 기계적 합금화, 기계적혼합 또는 펠릿화 등의 기계적 연마/혼합처리를 실시함이 없이 단순히 혼합한 후, 이 혼합체를 소결함으로써 합금을 생성하였다.
샘플번호 1∼17은 본 발명에 의한 합금을 나타내며, 그들의 기계적 특성 및 마모테스트결과는 표2에 표시한 바와 같이 만족할 만한 것이었다.
비교예의 재료에 대한 테스트결과는 다음과 같다.
18 : Sn의 함량이 2%로 적기 때문에 매트릭스강도가 불충분하므로, 마찰재가 마모되어 μ값이 증가한다.
19 : Sn의 함량이 35%로 많기 때문에 매트릭스가 너무 강화되어 마찰재가 상대방재료를 공격하여, μ값이 증가한다.
20 : 경질입자의 함량이 10wt%로 적으므로, 충분한 수준의 μ값을 얻을 수 없다.
21 : 경질입자의 함량이 30wt%로 많으므로, 충분한 수준의 μ값을 얻을 수 없다.
22 : 고형윤활제의 부재로 인해 윤활성이 결여되어, 상대방재료와의 융해가 일어난다.
23 : 고형윤활제의 비율이 45%정도로 많으므로, 강도 및 인성이 저하된다.
24 : 빈구멍이 없으므로, 내융해성이 감소되어 상대방재료와의 융해가 일어난다.
25 : 빈구멍이 35%로 많은 체적을 차지하므로, 강도 및 인성의 부족으로 인해 마찰재가 마모된다.
26 : 경질입자의 평균크기가 15㎛로 크므로, 강도 및 인성이 감소되어, 상대방재료를 공격하는 문제가 있다.
27 : 빈구멍의 크기가 평균 45㎛로 크므로, 강도 및 인성이 불충분하여 마찰재가 마모된다.
28 : 특정성분을 지닌 각 분체를 기계적연마/혼합처리하지 않고 단순히 혼합한 후 소결하므로, 경질입자와 매트릭스사이에 반응층의 형성되지 않는다. 이것에 의해, 매우 굵은 경질입자가 존재하고 있는 사실과 관련해서, 접동중에 경질입자가 매트릭스로부터 빠져나와 버리는 일이 생겨 상대방재료와의 융해를 일으키고, 또한 소결합금에 대해서 강도 및 인성을 저감시킨다.
마모테스트는, 표1에 표시한 바와 같은 각종 합금조성 및 제조방법에 따라 제조한 본 발명의 소결접동부재(소결체)와 비교예의 재료에 대해서 수행하고, 이 테스트결과(접동속도에 대한 마찰계수 및 본 발명의 소결체와 상대방재료S35C의 마모량)를 표3에 표시하였다. 마모테스트는 표3에 표시한 습식마모테스터를 이용해서 수행하였다. 마찰계수치에 대해서는 테스트개시로부터 시작해서 1분간격으로 측정하여, 그의 안정한 측정치를 해당 표에 표시하였다.
상기 표에 있어서, 샘플번호 1∼10은 본 발명의 소결부재를 나타내고, 샘플번호 11∼18은 비교예의 부재를 나타낸다. 합금샘플번호 1∼10에 대한 마모테스트결과는 표3에 표시한 바와 같이 만족할 만한 것이었다.
비교예의 재료에 대한 테스트결과는 다음과 같다.
11 : Sn의 함량이 2%로 적기 때문에 매트릭스강도가 불충분하여, 마찰재가 마모되어 뚫어져서, μ값이 증가한다.
12 : Sn의 함유량이 35%로 많기 때문에 매트릭스가 너무 경화되어 상대방재료S35C가 공격받아 뚫어져서 μ값이 증가한다.
13 : 경질입자의 비율이 단지 10wt%로 적으므로, 충분한 μ값을 얻을 수 없다.
14 : 경질입자의 함량이 30wt%정도로 많으므로, 경질입자가 상대방재료를 공격하여 꿰뚫어 μ값이 증가한다.
15 : 소결부재에 고형윤활제가 함유되어 있지 않으므로, 고속조건하에서의 접동결과 마찰계수가 변동한다.
16 : 빈구멍이 0%이므로 오일막(오일저장소)이 형성되지 않아 상대방재료와의 융해를 피할 수 없다.
17 : 특정성분을 지닌 각 분체를 기계적연마/혼합처리하지 않고 단순히 혼합한 후, 소결하므로, 경질입자와 매트릭스사이에 반응층의 형성되지 않는다. 이것에 의해, 매우 굵은 경질입자가 존재하고 있는 사실과 관련해서, 접동중에 경질입자가 매트릭스로부터 빠져나와 버리는 일이 생겨 상대방재료와의 융해를 일으켜서, μ값이 증가한다.
18 : 특정성분을 지닌 각 분체를 기계적연마/혼합처리하지 않고 단순히 혼합한 후, 소결하므로, 경질입자와 매트릭스사이에 반응층의 형성되지 않는다. 이것에 의해, 매우 굵은 경질입자가 존재하고 있는 사실과 관련해서, 접동중에 경질입자가 매트릭스로부터 빠져나와 버리는 일이 생겨 상대방재료와의 융해를 일으켜서, μ값이 증가한다.
본 발명에 따른 소결접동부재와 비교예의 재료의 합금조성물을 표4에 표시하였다. 소결접동부재의 기계적 특성과 마모테스트결과(마찰계수 및 소결체와 상대방재료 SS41에 대한 마모량)를 표5에 표시하였다.
샘플분체를 제1도에 도시한 각 프로세스에 따른 제조조건하에성 성형.소결하였다. (동도에 있어서, 기계적연마/혼합이란 기계적 합금화, 기계적 혼합 및 펠릿화를 의미한다.) 마모테스트는, 제2도에 도신 건식마모테스터를 이용해서 수행하였다. 마찰계수치에 대해서는 테스트개시로부터 시작해서 1분간격으로 측정하여, 그의 안정한 측정치를 해당 표에 표시하였다.
표5에 있어서, 샘플번호 1∼8은 본 발명의 소결부재를 나타내고, 샘플번호 9∼11은 비교예의 재료를 나타낸다. 단, 빈구멍측정치는 vol%로 표현하고, 기타 다른 측정치는 wt%로 표현하였다. 그라파이트분체에 대한 부호A및 B는 각각, A는 천연의 비늘형상 그라파이트분체를, B는 팽창형 그라파이트분체를 의미한다.
본 발명의 소결접동부재를 나타내는 샘플번호 1∼8의 기계적특성 및 마모테스트결과는 표5로부터 알 수 있는 바와 같이 만족할 만하였다. 또, 비늘형상 그라파이트분체와 팽창형 그라파이트분체는 조합해서 사용할 수 있다는 것을 알게 되었다. 한편, 비교예의 재료인 샘플번호 9∼11은 그라파이트분체의 비율이 15wt%를 초과하므로, 소결체의 기계적 특성이 낮아 바람직하지 않았다. 따라서, 마모테스트중에 비교예의 샘플은 부분적인 파단을 일으켰다.
본 발명의 소결접동부재의 마찰접동특성은, 회전타원체형 그라파이트분체를 사용한 경우와 비늘형상 그라파이트분체 또는 팽창형 그라파이트분체를 사용한 경우에 대해, 제2도에 도시한 건식마모테스터를 이용해서 평가하였다. 회전타원체형 그라파이트분체를 함유한 소결부재를 나타내는 표1의 샘플번호 11은 A로 표기하고, 비늘형상 그라파이트분체 또는 팽창형 그라파이트분체를 사용한 소결부재를 나타내는 표4의 샘플번호 1 및 2는 각각 B 및 C로 표기하였다. 동적마찰계수의 변화를 테스트개시직후부터 시작해서 5초간격으로 측정하여, 그 시험결과를 표6 및 제4도에 표시하였다.
상기 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래의 회전타원체형 그라파이트분체를 사용하는 경우에 대해서 비늘형상 그라파이트분체 또는 팽창형 그라파이트분체를 사용하는 소결부재는 테스트개시후의 초기단계동안 첫번째 언급한 경우에서 볼 수 있는 것과 같은 마찰계수의 일시적인 상승(초기의 파단형상)은 없다. 이것에 의해 접동의 초기단계로부터 시작해서 마찰계수의 양호한 안정성을 확보할 수 있다.
본 발명의 청동계 소결접동부재는 자체윤활특성을 지니므로, 건식마찰접동조건하에서는 0.4∼0.6정도로, 습식마찰접동조건하에서는 0.1이상의 비교적 높은 마찰계수를 안정적으로 유지할 수 있다. 또, 본 발명의 소결접동부재는 상대방재료를 공격하기가 거의 어렵고, 또 상대방 재료와의 융해도 일어나기 어렵다. 또한, 본 발명의 소결접동부재는 강도, 인성 및 경도등의 기계적 특성이 양호하므로, 구조재료로서 단독으로 사용가능하다. 따라서, 본 발명의 소결부재는 컴프레서용의 클러치재료 및 자동차, 오토바이, 기타 탈것용의 브레이크마찰재료를 포함하는 각종 용도에 사용될 수 있다. 또한, 자동변속클러치 등의 습식접동부재에도 적용가능하다.
Claims (13)
- 최대입자직경이 15㎛이하이고, 평균입자직경이 5㎛이하인 경질입자재료 15∼25wt%가 합금매트릭스내의 구리분체입자중에 균일하게 분산되어 있는 구조를 지닌 Sn을 포함하는 구리계 소결합금으로 구성되어, 건식환경조건하에서 강재와의 접동시의 마찰계수가 0.4이상이고, 습식환경조건하에서 강재와의 접동시의 마찰계수가 0.1이상이며, 상기 구리계 소결합금의 매트릭스는, 3∼20wt%의 Sn과, 나머지는 거의 Cu 및 불가피불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 소결접동부재인 것을 특징으로 소결접동부재.
- 제1항에 있어서, 건식환경조건하에서 강재와의 접동시의 정적마찰계수와 동적마찰계수와의 차이가 0.1이하인 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
- 제1항에 있어서, 상기 구리계 소결합금은, 평균직경이 30㎛이하인 빈구멍을 지니고, 상기 빈구멍은 해당 합금중에 1vol%∼30vol%범위에서 균일하게 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
- 제1항에 있어서, FeMo, FeCr, FeTi, FeW 및 FeB를 포함하는 철계금속간 화합물의 적어도 1종류이상으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
- 제1항에 있어서, 상기 구리계 소결합금은 필요시 고형윤활재료를 3wt%이하 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
- 제5항에 있어서, 상기 고형윤활재료는 구형 그라파이트, MoS2, CaF2및 BN의 적어도 1종류이상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
- 제1항에 있어서, 상기 구리계 소결합금은 천연의 비늘형상 그라파이브분체 또는 필요시 이 천연의 그라파이트분체를 그의 두께방향으로 팽창시켜 만든 팽창형 그라파이트분체를 15wt%이하 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
- 제1항에 있어서, 상기 구리계 소결합금의 3∼20wt%의 Sn 및 그나머지는 거의 Cu와 불가피불순물로 이루어진 Cu-Sn합금분체와, 15∼25wt%의 경질입자재료로 이루어진 혼합분체로 구성된 경질입자가 분산된 복합구리합금분체로 제조되며, 이때 상기, 혼합분체는 기계적합금화, 기계적연마 및 분쇄기술중 하나에 의해 혼합 및 분쇄처리되어, 상기 경질입자재료가 최대입자크기 15㎛이하, 평균입자크기 5㎛로 분쇄되어 해당 Cu-Sn합금매트릭스중에 균일하게 분산되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
- 제1항 또는 제8항에 있어서, 상기 구리계 소결합금은 경질입자가 분산된 복합구리합금분체와 3wt%이하의 고형윤활재료로 이루어진 혼합분체로부터 제조된 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
- 제8항에 있어서, 상기 구리계소결합금은 경질입자가 분산된 복합 구리합금분체와 조립해서 15wt%이하의 천연의 비닐형상 그라파이트분체 또는 이 천연의 그라파이트분체를 그의 두께방향으로 팽창시킨 팽창형 그라파이트분체로부터 제조된 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
- 제1항에 있어서, 상기 구리계 소결합금은 3∼20wt%의 Sn, 15∼25wt%의 경질입자재료, 나머지는 거의 Cu와 불가피불순물로 이루어진 혼합분체로 구성된 경질입자가 분산된 복합구리합금분체로부터 제조되고, 이 때, 상기 혼합분체는 기계적합금화, 기계적연마 및 분쇄기술중 하나에 의해 혼합 및 분쇄처리되어, 상기 경질입자재료가 최대입자크기 15㎛이하, 평균입자크기 5㎛로 분쇄되어 해당 Cu-Sn합금매트릭스중에 균일하게 분산되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
- 제1항 또는 제11항에 있어서. 상기 구리계 소결합금은 경질입자가 분산된 복합구리합금분체와 3wt%이하의 고형 윤활재료로 이루어진 혼합분체로부터 제조된 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
- 제11항에 있어서, 상기 구리계소결합금은 경질입자가 분산된 복합 구리합금분체와, 15wt%이하의 천연의 비닐형상 그라파이트분체 또는 이 천연의 비늘형상그라파이트입자를 그의 두께방향으로 팽창시킨 팽창형 그라파이트입자로 이루어진 혼합분체로부터 제조된 것을 특징으로 하는 소결접동부재.
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