KR100246703B1 - 세라믹 미끄름 부품 - Google Patents

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KR100246703B1
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sliding surface
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crowning
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타카오 니시오카
마사미치 야마기와
타케시 사토
히사오 나케우치
아키라 야마카와
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구라우치 노리타카
스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

목적 : 크라우닝형상미끄름면을 가진 미끄름면부재를 모재에 접합한 미끄름부재 특히 자동차엔진의 밸브구동계부품, 캠폴로워나 로커암 등의 미끄름부품을 제공한다.
구성 : 미끄름면을 형성하는 세라믹수(1)와 금속모재(2)를 접합한 구조이며, 미끄름면의 크라우닝량이 세라믹스(1)의 접합면이 최대길이의 0.1∼0.4%이상의 것, 세라믹스(1)는 JIS R1601 준거의 4점굽힘강도로 50kg/㎟이상의 것이며, 또, 금속모재는 주로 강재이며, 바람직하게는 적어도 그 표면은 마르텐사이트조직을 가지고, 경도가 HRC> 45의 것, 금속 또는 서어멋중간층을 가지는 것, 또, 크라우닝형상의 세라믹스(1)등의 미끄름면부재의 접합과 금속모재부분의 형성을 동시에 행하거나, 또는 금속모재미끄름면에 대해서는 접합후의 가열에 의해서 경화처리를 행하는 방법이다.
효과 : 균열등의 결함을 발생하는 일없고, 크라우닝량이 큰 미끄름부품을 싼 값으로 제공할 수 있다.

Description

[발명의 명칭]
세라믹미끄름부품
[기술분야]
본 발명은 특히 자동차엔진의 밸브구동계부품, 캠폴로워나 로커암, 베어링등의 내마모성이 요구되는 미끄름부재, 특히 금속모재와 세라믹미끄럼부재를 접합한 구조로 이루어진 것에 관한 것이다.
[배경기술]
최근 지구환경문제로부터 자동차의 배기가스에 관한 규제강화가 급선무로 되어 있고, 특히 디젤엔진에 있어서는 Nox(질소산화물) 및 P/M(파티큘레이트마터)의 배출저감이 검토되고 있다. 그 대응책으로서 EGR(배기가스순환)기구를 엔진배기계에 부속시켜서 Nox를 저감시키는 일이 검토되고 있으나, 배기가스성분의 순환으로부터 엔진오일의 화학적열악화나 P/M혼입에 의해 오일이 오염되고 이것이 엔진미끄름부품의 이상마모를 생기게하는 문제가 발생하고 있다.
종래부터 미끄름부품재료는, 미끄름면의 내마모성이 양호한 것이나 미끄름저항이 작다는 관점에서 선택되고, 미끄럼부품으로서는 특성이 뛰어난 단일재를 이용하거나, 또는 그것을 사용한 접합체를 제작하므로서 실용화되어 왔다.
최근, 뛰어난 미끄름특성을 가진 세라믹스가 주목되고, 특히 조건이 엄한 미끄름부에 세라믹스가 위치하도록 금속재료와 접합된 실용예를 볼 수 있다.
예를 들면, 엔진의 고출력화나 배기가스규제대응에 의한 윤활조건의 열악화에의 대응책으로서 일본국 특개평 2-55809에 있는 바와 같이 엔진용 태핏에 있어서 캠미끄름부에 미끄름특성이 뛰어난 세라믹스를 접합한 것이 있다.
일반적으로 기계미끄름부품에서는 한쪽 부딪침방지를 위해, 짝을 이루는 미끄름면의 한쪽은 평면이 아니고 중앙부가 바깥가장자리부에 대해서 약간(수㎛∼수10㎛정도)높게된 볼록형상의 크라우닝형상을 취하고 있다.
이 크라우닝형상은 기계(연마)가공이나 일본국 특개소 63-289306에 기재된 세라믹스를 금속으로 바깥끼움하고, 그 죄는힘에 의해서 세라믹스를 탄성변형시키기는 방법, 또 임시소결체를 미리 크라우닝형상으로 가공한 다음에 소결하고, 소결된채의 면을 미끄름면으로서 사용하는 방법[일본국 자동차기술 Vol. 39, No. 10, (1985)P1184]등에 의해서 형성되어 있다.
그러나 크라우닝형상이 3차원형상이기 때문에, 기계가공에서는 다대한 코스트를 필요로 한다.
또, 바깥끼움에 의한 방법에서는, 구조, 가열온도 등이 결정되면 크라우닝량에 제약이 발생해버린다.
임시소결체를 미리 크라우닝형상으로 가공한 다음에 소결하고, 소결한채의 면을 미끄름면으로서 사용하는 방법에서는, 소결시의 수축에 의해 크라우닝형상으로 가공한 면이 변형하여 치수정밀도가 저하해버린다고 하는 문제가 있었다.
기계(연마)가공코스트를 저감하는 방법으로서는, 예를 들면 일본국 특개소 63-225728호 공보에는 미끄름면에 접합모재보다도 열팽창계수가 작은 내마모성부재를 가열접합하고, 열팽창계수의 차에 의해 미끄름면에 크라우닝형상을 형성하므로서, 연마등의 기계가공에 의하는 일없이 크라우닝을 형성하고, 미끄름시의 한쪽부딪침을 방지할 수 있는 미끄름부품을 저코스트로 제공할 수 있는 제조방법이 개시되어 있다. 또, 동공보에는 내마모성부재로서 질화규소, 탄화규소, 사이아론 등의 세라믹재료를 사용하는 것을 개시하고 있다.
이들 관련기술로서 일본국 특개평 2-199073호 공보나, 동 특개평 4-2672호 공보에는, 경질땜납재나 금속의 선택이나 열처리(접합)방법의 검토등에 의해서 열응력에 의한 균열의 발생을 방지하는 동시에 금속부분의 특성을 유지할 수 있는 것이 개시되어 있다.
한편, 배기가스규제에 더하여, 효율의 향상도 급선무로 되어 있다. 엔진의 고효율화에는 미끄름부의 면압의 상승을 피할 수 없고, 이에 수반하여, 미끄름부에 큰 크라우닝량을 요구할 수 있도록 되었다.
상기한 기술에 의하면 주된 미끄름면이 크라우닝을 가진 세라믹스로 형성되는 동시에 역시 보조적인 미끄름부가 되는 금속부의 경도를 유지한 미끄름부품이 제작가능하나, 미끄름면의 크라우닝량의 제어가 곤란한 외에, 마르텐사이트변태나, 저온에서 고형화하는 땜납재를 사용하므로서 세라믹스-금속모재의 열수축차를 작게해서 열응력을 경감하고 있기 때문에, 크라우닝량을 크게할 수 없다는 문제가 있었다.
이들 문제를 해결하는 방법으로서, 일본국 특개평 4-203206호 공보에는, 경질납땜후의 태핏의 미끄름면에 하중을 가해서 금속부를 소성(塑性)변형시키는 것이나, 일본국 특개평 6-92749호 공보에는, 세라믹스와 금속의 사이에 중간층을 개재시켜서 크라우닝량을 조정하는 것이 개시되어 있다. 그러나, 이들에 의해서도 크라우닝량에도 한도가 있었다.
한편, 이와같은 미끄름부품에 있어서는, 세라믹스를 사용한 부분이외의 미끄름부, 혹은 부품전체에도 미끄름특성이 요구되는 경우도 있고, 금속재료의 미끄름특성을 향상시키기 위하여 경화처리가 행하여진다.
그를 위해 상기 특개평 2-55809나 동 특개평 2-199073. 동특개평 4-2672, 동 특개평 5-18213. 동특공평 5-72354에서는, 세라믹스와 금속의 가열접합시의 가열과 냉각을 이용해서 금속부분의 경화처리를 행하고 있다.
그러나, 상기 가열접합을 이용한 경화처리에서는, 통상 경화처리에 사용되는 담금질처리와는 본체미끄름부에 부하되는 가열온도가 상이하고, 미끄름특성에 필요한 경도를 얻을 수 없는 경우도 있고, 또는 냉각방법이 특수하며, 또, 그것에 적합한 금속재료는 그 종류가 한정되고, 또한 그 재료(예를 들면, JIS SNCM 630등)가 난 가공재이며, 코스트가 높아진다는 문제가 있었다.
또, 이 코스트증가의 회피 때문에, 부분적으로 본재료를 사용하고, 그외의 부분을 가공하기 쉬운 값싼재료로 제작하는 경우에도, 2종류의 재료의 접합이나 접합부의 가공등의 공정증가에 의한 코스트증가의 문제도 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해, 미끄름부재본체의 금속부에도 미끄름시의 내마모성을 부여하는 동시에, 미끄름면의 적어도 1개소의 주미끄름면에 고성능이고 또한 큰 크라운형상의 미끄름부, 특히 세라믹으로 이루어진 미끄름부를 형성한 값싼 미끄름부재 및 그 제조방법 및 동부재를 사용한 장치의 제공을 목적으로 한다.
[발명의 개시]
본 발명은 ①미끄름면부재보다 열팽창율이 큰 금속모재에 미끄름면부재를 접합하고, 미끄름면부재의 미끄름면에, 미끄름면 최대길이에 대해서 0.1∼0.4%(크라우닝비율이라 칭함)의 최대높이의 크라우닝형상을 가진 미끄름부재이다.
본 발명의 미끄름면부재는 미끄름부품의 실용도에 따라서 여러 가지의 것을 생각할 수 있다. 본 발명에서는 미끄름면부재상의 이 크라우닝형상을 동부재의 금속모재에의 접합공정 및/또는 동공정과는 다른 공정에서, 쌍방을 조합해서 가열하고, 양자의 열팽창차에 의해서 형성한다.
미끄름면부재는 금속모재보다 열팽창율이 작은 것이면 되나, 금속모재와 접합되고 그 미끄름면에 상기의 최대높이의 크라우닝형상을 형성할 수 있는 것으로 할 필요가 있다.
따라서, 금속모재가 결정되어 있으면, 상기 범위의 크라우닝형상을 얻을 수 있는 열팽창율의 미끄름면재부재를 선택할 필요가 있다. 또, 이 가열에 의해서 미끄름면부재자체 및 금속모재와의 접합부의 열악화·손상을 발생시키지 않는 미끄름면부재인 것도 필요하다. 또 미끄름시의 환경 및 부하에 견디는 것이 아니면 안된다. 실용조건이 비교적 저온이고 미끄름시의 면압이 비교적 낮은 경우에는, 가능한 한 경량의 것이 좋고, 예를들면 금속모재에 알루미늄베이스금속의 소재를 사용하고, 미끄름면부재에 경량의 시판하는 세라믹스의 소재를 사용할 수 있다. 또 이 경우, 경량화의 필요가 없으면, 금속모재에 강재를 사용하고, 미끄름면부재로서 금속모재보다 저열팽창율의 철베이스금속, 서어멋, 시판하는 세라믹등을 사용할 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 미끄름부품의 미끄름면부재와 금속모재의 소재의 조합은 용도에 따라서 여러가지 고려할 수 있다. 크라우닝형상으로서는 미끄름면부재의 미끄름면에, 미끄름면최대길이에 대해서 0.1∼0.4%의 최대높이의 것으로 한다.
이것을 예를 들면 본 발명의 대상으로 하는 크라우닝형상미끄름부재의 하나인 제1도에 표시한 디젤상용차의 밸브구동계 OHV방식의 태핏을 사용해서 설명한다. 제1도의 미끄름면재(1)과 금속모재(2)는 통상의 접합땜납재(Ag 땜납재등)를 개재해서 가열접합되고, 냉각후의 미끄름면재(1)과 금속모재(2)의 열팽창차에 의해 미끄름면에 크라우닝형상이 형성된다. 한편, 제1도에 표시한 태핏부품에서는 캠부품(3)과 미끄름하는 미끄름면과 마찬가지로 푸시로드부품(4)와의 미끄름면(5)의 치우침마모를 방지하는 것이, 특히 EGR기구의 적용에 대해서 중요하게 된다. 그를 위해서는 캠부품(3)과 미끄름면재(1)의 한쪽부딪침을 방지하는 동시에, 접합면 최대길이에 대해서 0.1∼0.4%의 최대높이의 크라우닝형상을 형성하고, 캠부품(3)에 의해 미끄름면재(1)을 강제적으로 회전시켜 치우침마모를 방지할 수 있다. 이것이 0.1%미만이면, 캠부품(3)에 의한 미끄름면(1)에 가해지는 회전력이 불충분하며, 미끄름면(5)의 치우침마모의 원인이 되고, 0.4%를 초과하면 크라우닝이 크게됨에 따른 미끄름면재의 변형에 의해 미끄름면재원주부에 높은 인장응력이 발생해서, 미끄름면재의 파괴등에 연결되기 때문에 바람직하지 않다. 본 발명의 대상으로 하는 미끄름면부재는, 상기 태핏과 같이 상대부재와의 롤링미끄름을 주체로하는 것이며, 이 타이프의 미끄름부재에 대해서는, 태핏과 같이 미끄름면에 높은 면압이 걸리며 중부하의 것도, 또 경부하의 것도 미끄름면의 형상은, 이 범위로하는 것이 회전력의 전달에 의한 치우침마모의 방지를 생략하면 바람직한 형상이다.
②다음에 본 발명의 미끄름면부재이나, 이것을 세라믹스로 하는 것이 바람직하다. 통상 상기한 바와 같이 이 롤링타이프의 미끄름부재로서는, 미끄름면에의 부하의 크기에 따라 여러 가지의 소재를 고려할 수 있다.
그러나, 특히 자동차의 엔진의 밸브구동계의 미끄름부, 예를 들면 캠폴로워나 로커암, 베어링등의 가혹한 부하조건하에서 내마모성이 요구되는 부분의 미끄름부재, 특히 금속모재의 주미끄름부에 본 발명의 크라우닝형상미끄름부재를 접합한 태핏등의 미끄름부재로서 사용하는 경유에는, 높은 내마모성과 낮은 미끄름저항의 세라믹스를 미끄름면부재로서 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우 본 발명에 의하면, 금속모재에 접합되는 미끄름면부재는 전체가 세라믹스이고, 상기한 범위의 크라우닝비율의 크라우닝면이 형성된 것으로 한다. 바람직한 형태로서는 크라우닝형상을 형성한 미끄름면부재의 일부를 세라믹스로 한다.
세라믹스소재로서는, 예를 들면 알루미나질, 지르코니아질, 질화규소질, 탄화규소질의 것이나, 이들에 섬유성분을 분산시키거나, 입계((粒界)및/또는 입내(粒內)에 분산질(分散質)성분을 균일하게 분산시키거나 한 복합세라믹스재료를 사용할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 이 세라믹스미끄름면부재에의 크라우닝형상부여는, 상기한 바와 같이 미끄름면부재와 금속모재의 열팽창차를 이용하고(세라믹스미끄름면부재의 쪽이 금속모재보다도 열팽창율이 작은 것을 이용하고), 접합공정 및/또는 등 공정과는 다른 공정에서, 양자를 조합해서 가열하므로서 형성된다.
따라서 이 가열온도에 견디고, 크라우닝변형에 의한 손상이 일어나지 않고, 이 변형에 의한 스트레스로 금속모재와의 접합부에 손상이 생기지 않는 구조상의 조합으로 하는 것이 필요하다.
이런 종류의 세라믹스로서는 예를 들면 JIS 준거의 실내온도 4점 굽힘강도가 50kg/㎟이상, 또한 내열충격성을 표시한 온도차가 400℃이상의 것이 바람직하고, 또 이들 세라믹스미끄름면부재중에서도, 이상의 크라우닝형상가공시의 열응력에 견디고, 또한 미끄름시의 내마모성에 뛰어난 질화규소계세라믹스를 사용하는 것이 바람직하다.
미끄름면재로서 질화규소계 재료를 선택한 것은, ①열팽창계수가 작아 접합시에 크라우닝형상이 안정적으로 형성되는 것, ②강도가 비교적 높고, 크라우닝형상을 형성했을때에 발생하는 인장응력에 대해 견딜 수 있는 것, ③경도가 비교적 높고, 고마모성에 뛰어나는 것, 의 3점을 고려하였기 때문이다. 더욱 바람직하게는 그 실내온도에서의 JIS준거의 4점굽힘강도가 100kg/㎟이상, 내열충격성을 표시한 온도차가 800℃이상, 실내온도에서의 샤르피충격치가 15KG/㎡이상, 또한 미끄름면에 개구하고 있는 기공의 면적율이 미끄름면면적에 대해, 0.5%이하인 질화규소계 세라믹스를 사용한다. 또 JIS준거의 4점굽힘강도가 130kg/㎟이상의 것을 사용하면 더욱 바람직하다.
또한 이 경우 미끄름표면에 개구하고 있는 기공의 면적율이 미끄름면면적에 대해 0.5%이하로 하는 것은, EGR기구를 설치할 때에 엔진오일에 P/M성분(그을음이나 SO3등)이 혼입하여 미끄름면 및 상대미끄름면에 마모의 발생이 쉽게 되기 때문이다.
이와같이 강도가 높고, 내충격성도 높고 세라믹스를 미끄름면부재로 선택하는 것은 이들을 금속모재에 예를 들면 비교적 높은 고상점(固相点)의 경질땜납재로 접합하는 경우의 승강온도시 및 본 발명의 범위의 크라우닝형상을 부여하기 위하여 행하는 가열시의 승강온도시에서의 열충격, 신축의 스트레스에 견디고, 그 자체에 손상을 발생시키지 않는 것이 중요하게 되기 때문이다. 또, 미끄름시에 만일 충격하중이 가해져도 그것에 견딜 수 있는 필요가 있기 때문이다.
다음에 이들 세라믹중에서도 질화규소계세라믹스를 미끄름면부재로서 사용하는 경우, 상기의 미끄름면최대높이의 크라우닝형상으로 하는 동시에, 또 크라우닝 형상부의 미끄름면 최대길이(l)에 대한 크라우닝형상부 즉 고정된 미끄름부의 두께(t)의 비를 0.01∼0.05(즉 1∼5%)로 하는 것이 바람직하다.
이것을 본 발명의 일실시예인 제 2도에 표시한 태핏부품에서 설명한다. 제 2도에 표시한 접합면의 최대길이 ℓ에 대한 미끄름면재(1)의 두께 t의 비율이 0.01미만이면, 캠부품에 의해 가해지는 충격력에 대해, 미끄름면재(1)에 파괴등의 문제점이 생기기 쉽게된다. 한편, 0.05를 초과하면 크라우닝형상을 형성할때의 미끄름면재(1)의 변형저항이 크고, 예를들면 세라믹에 큰 인장응력이 가해지고, 안정된 크라우닝형상을 얻기 어렵게 된다.
또 본 발명의 미끄름면 부재로서, 특히 상기의 4점굽힘강도가 100kg/㎟이상의 특수한 고강도·고충격강도를 가진 질화규소세라믹스를 사용하는 경우에서, 예를 들면 제 2도와 같은 미끄름부지지구조를 취할 경우에는, 상기의 최대높이의 크라우닝형상과 미끄름면최대길이(ℓ)에 대한 크라우닝형상부의 미끄름면부재의 두께(t)의 비에 부가해서, 또 모재의 접합면에 수직인 중심선(C-C)으로 자른 최소두께f(즉 제1도의 푸시로드부품(4)와 모재의 미끄름면이 되는 모재의 최소두께부분의 두께)의 미끄름부재의 두께t와의 비율이 0.5이상으로 되게하는 설계로 하는 것이 보다 바람직하다.
이와 같은 비율로 하므로서, 크라우닝형상을 형성하는 과정에서 모재(2)의 변형이 발생하기 어렵게되어, 보다 재현성좋게, 안정된 미끄름부의 크라우닝형상의 것을 얻을 수 있다.
③ 다음에 본 발명의 대상으로 하는 미끄름면부재전체에 대해서 그 미끄름면의 표면거칠기가 JIS준거의 10점평균높이거칠기로 0.4㎛이하로 하는 것이 바람직하다.
10점평균높이거칠기가 0.4㎛를 초과하면, 미끄름부재의 상대부재의 표면의 마모를 야기하기 쉽기 때문이다. 특히 태핏과 같은 중부하(면압)에서의 롤링미끄름의 경우에는, 상대부재인 캠부품을 손상시키기 쉽다. 예를 들면 태핏의 크라우닝형성미끄름면이 상기한 바와 같이 세라믹스이고, 캠부품이 담금질된 강재인 경우, 캠부품은 세라믹스와의 미끄름에 의해서 선택적으로 마모를 일으키므로 바람직하지 않다.
④ 또 본 발명의 대상으로 하는 미끄름면부재의 미끄름면형상은 상기한 크라우닝의 비율범위 0.1∼0.4%를 만족하는 동시에, 미끄름면의 크라우닝형상의 주변부의 곡률이 중앙부근의 곡률(곡률비라 칭함)의 0.8배(즉 80%)이하에서 제어하는 것이 바람직하다.
이와 같이 제어하므로서 열응력에 의한 인장파손의 위험성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 이 곡률비를 작게하므로서, 예를 들면 세라믹스미끄름면부재로서 상기한 100kg/㎟이상의 4점굽힘강도의 특수한 질화규소계세라믹스이외의 시판하는 질화규소계 세라믹스나 알루미나질, 지르코니아질, 탄화규소와 같은 동강도가 뒤떨어지는 세라믹스도 손상없이 사용할 수 있다.
⑤ 본 발명의 금속모재로서는, 미끄름면부재보다도 열팽창율이 큰 조합으로 되는 것으로, 가열에 의해서 미끄름면부재에 형성되는 크라우닝비율이 상기한 바와 같이 0.1∼0.4%이면, 어떠한 것이라도 되나, 동모재의 일부에 중부하가 걸리는 상기한 태핏을 구성하는 부재로서 이용하는 경우에는, 강재가 바람직하다. 또 강재중에서도 미끄름면이 되는 부분의 표면이 마르텐사이트조직을 가지고, 강도가 HRC로 45이상인 것이 바람직하다.
강제의 모재의 미끄름면을 이와같이 부분경화 또는 전체의 경화를 행하기 위해서는, 침탄(浸炭)처리나 표면담금질을 적당히 조합해서 행한다. 모재의 경도를 상기 레벨로 하는 것은, HRC45 미만에서는 예를들면 태핏과 캠과 같은 제 2도에 표시한 바와 같은 미끄름부재로서 사용하는 경우, 제 2도의 푸시로드부는 늘 높은 면압하에서 미끄름을 하고 있기 때문에, 그 마모가 크게되어, 롤링미끄름시의 회전구동의 회전정밀도에 지장을 초래하고, 태핏모재자체가 변형하기 쉽게되거나, 나아가서는 롤링미끄름하고 있는 태핏의 치우침마모가 발생하기 쉽게되기 때문이다.
다만, 통상은 모재의 경화처리는 미끄름부하가 가해지는 부분에만 국부적으로 행하면 된다.
예를 들면 제 2도의 태핏에서 미끄름면부재를 경질(硬質)납땜(brazing)으로 접합한 후에 표면담금질하는 경우에는, 오일냉각·공냉에 의한 급속냉각이 필요하며, 경질납땜부의 느슨함이 없도록 미리 보다 고온으로 경질땜납접합을 해두고, 이 급속냉각에 견딜 수 있는 내열충격성이고, 또한 변형에 견디고, 접합부주변에 손상을 생기게하지 않는 미끄름면부재를 선택할 필요가 있다. 세라믹스의 경우 이 경질납땜시 및 모재의 표면담금질온도차에 따라서 그것에 적합한 상기한 내열충격온도차와 굽힘강도를 가진 것을 적당히 선택할 필요가 있다.
즉 내열충격성을 표시한 온도차가 400℃이상이고 굽힘강도가 50kg/㎟이상의 세라믹스로 충분한지, 또는 더욱 각각의 값이 800℃이상이고 또한 100kg/㎟이상의 특수한 질화규소계세라믹이 필요한지, 조합함과 실용조건을 고려해서 케이스바이케스로 선택할 필요가 있다.
또, 본 발명에서는 미리 전체가 침탄(浸炭)처리된 강제모재를 준비하고, 이것에 미끄름면부재를 가열접합한 후에, 재차 본체의 미끄름특성이 요구되는 부분에만 표면담금질을 행하여도 된다. 즉 이 경우, 금속모재는 공지의 침탄처리를 행하고, 가열접합후의 담금질처리를 거치면 본체자체의 표면이 경화되므로, 미처리재보다도 미끄름특성이 향상하고, 또 내부조직은 질긴 성질을 가진 그대로이므로 미끄름부품으로서 충격하중에 대해서도 충분한 강도를 가진다.
이상의 경화처리를 행하므로서, 경화처리한 강제의 모재가 되고, 1개소 또는 그 이상의 미끄름면이 있고, 해당미끄름면의 적어도 1개소는 가열접합에 의해 본체에 장착되어 있는 복수의 미끄름면을 가진 본 발명 미끄름부품을 얻을 수 있다. 즉 예를 들면 주미끄름면을 세라믹으로써 미끄름면부재로서 고정하고, 따로 HRC45이상으로 경화처리된 금속으로 이루어진 미끄름부를 동시에 구성할 수 있다.
또, 경화처리대상재와 동처리조건을 선택하므로서, 미끄름면의 실제의 미끄름조건에 맞춘 복합구조의 미끄름면부재를 만들 수도 있다.
즉, 본 발명에서는, 표면담금질할때의 발열에 의한 강부분의 연화와 마르텐사이트변태에 의한 체적팽창을 이용함으로서, 부분적 미끄름부품중의 임의의 미끄름면을 형성할 수 있다. 그리고 표면담금질을 행하는 개소는 크라우닝을 부여하는 미끄름면의 장소에 따라 적시 선택되고, 부여하는 크라우닝량은 표면담금질의 수법이나 방법(가역이나 냉각시간등), 또 사용하는 강재의 종류에 따라 광범위한 제어가 가능하다.
본체의 강재로서는, 침탄처리와 담금질처리에 의해 HRC45이상을 표시하면, 종류는 특별하게는 불문하지만, 강도, 재료나 가공하는 코스트면에서 기계구조용 강재로서 널리 사용되고 있는 탄소강이나 Ni, Cr, No를 합금원소로서 첨가되어 있는 합금강 등이 바람직하다. 즉 본 발명의 미끄름부재로는, 예를 들면 이하의 것을 사용한다.
① C0.1중량%이상, Si0.1∼0.5중량%, Mn0.2∼1.2중량%, Cr0.1∼2중량%, P, S를 다같이 0.03중량%이하, 불순물로서 0.3중량%이하의 Cu, 0.25중량%이하의 Ni나 불가피적원소를 함유하는 강재.
② C0.1중량%이상, Si0.1∼0.5중량%, Mn0.2∼1.2중량%, Cr0.1∼2중량%, Ni1∼5중량%, P, S를 다같이 0.03중량%이하, 불순물로서 0.3%이하의 Cu나 불가피적원소를 함유하는 강재.
③ C0.1중량%이상, Si0.1∼0.5중량%, Mn0.2∼1.2중량%, CrO.1∼2중량%, Mo0.1∼1중량%, P, S를 다같이 0.03중량%이하, 불순물로서 0.3중량%이하의 CU, 0.25중량5이하의 Ni나 불가피적원소를 함유하는 강재.
본 발명의 미끄름부품은, 본체의 강재에 있어서 담금질성과 내마모성을 증대시키나 고가인 첨가원소의 Cr의 함유량이 0.1∼2중량%로 낮고, 또 마찬가지로 고가인 Ni 또는 Mo가 비첨가 혹은 어느 쪽이든 1종류밖에 첨가되지 않기 때문에 코스트를 낮게할 수 있다. Cr의 함유량은 0.2∼1.5중량%가 보다 바람직하다.
Ni의 첨가는 강재의 강도를 저하시키지 않고 끈질김을 향상시킬 수 있으나, 그 작용을 효과적으로 하기에는 1중량%이상의 첨가가 바람직하다. 그러나, Ni는 고가이기 때문에 다량의 첨가는 코스트의 면에서는 바람직하지 않고, 5중량%이하가 바람직하고, 1∼3중량%가 보다 바람직하다. 또, Ni의 첨가는 Cr와의 합성효과에 의해 담금질성을 현저하게 향상시킨다.
Mo의 첨가는 담금질성이 향상되고, 고온에서의 가공성도 양호하게 할 수 있다. 첨가량은 코스트를 고려하면, 0.1∼1중량%가 바람직하고, 0.1∼0.3중량%가 보다 바람직하다. 각원소의 첨가량은 용도에 따라 조정하는 것이 바람직하다.
⑥ 본 발명에 있어서 세라믹미끄름면부재를 경질땜납층만으로 가열접합에 의해서 고정한 것에서는, 그 경질땜납층은 15∼25㎛의 두께로 하는 것이 바람직하다. 15㎛보다 얇게되면 경질땜납층에 의한 접합시의 열응력완충효과가 경우에 따라서는 저하한다. 또 25㎛를 초과하면 땜납층의 강도저하를 초래할 경우도 있다. 또, 이 경우, 접합시에 세라믹이 그 열응력에 견디도록하기 위해서는, 모재와 미끄름면부재의 사이에, 모재와 미끄름부재와는 다른 중간층을 형성하는 것도 유효하다.
이 중간층은 경우에 따라서는, 경질땜납층에 대신해서 사용하는 것도 가능하다. 또한 중간층을 사용한 경질납땜의 경우는 상기 경질땜납층의 두께범위는 상관이 없다. 그러나, 이 경우는, 접합후의 경화처리에 충분히 견딜 수 있는 것으로 할 필요가 있다.
예를 들면 Al합금이라도 되나, 그 경우에는 강재의 표면담금질이 그 융점을 초과하기 때문에 바람직하지 않고, 차라리 고융점의 Cu등의 쪽이 좋다. 또 세라믹과의 접합시의 친화성도 고려해서 중간층을 선택하는 것이 필요하다. 통상은 표면에 Ti, Zr 등의 활성금속을 증착하는 등의 전후처리를 강구한다. 또, 필요에 따라 얇은 다층구조의 접합증간층을 만들어서 응력완화를 도모하는 일도 행한다.
그러나 통상은 경질땜납층과 경질땜납층은 상이한 성분의 중간층을 복합시켜서 접합개재층을 형성하는 쪽이 바람직하다.
중간층을 굳이 형성하는 것은 동층의 개재에 의해서 세라믹에 걸리는 열응력을 완화하면서, 경질땜납층만에 의한 접합개재층으로는 달성할 수 없는 큰 크라우닝량이 가열접합시에 중간층의 구조에 따라 얻을 수 있다는 메릿이 있기 때문이다.
또, 상기와 같이 가열접합후 미끄름부를 표면 담금질할 경우의 완충기능도 달성시키는 동시에 실용시의 응력의 완충에도 도움이 된다.
크라우닝량을 증가시키기 위해서는 중간층은 영률이 세라믹스보다도 큰 금속 또는 서어멋이 좋고, 그 영률은 4.5×105MPa이상의 것이 더욱 좋다. 또 크라우닝증대와 열응력완화를 양립시키기 위해서는, 중간층의 주변부분의 열팽창계수가 중심부보다 세라믹스의 열팽창계수에 가까운 것이 좋다. 또, 중간층의 주변부의 영률 및 항복응력이 중심부의 영률, 항복응력보다 낮은 것이 좋다.
열응력의 완화를 위해서는, 중간층은 금속모재와 세라믹스의 중간의 열팽창계수 또는 소성변형능을 가지고, 금속모재보다 영률이 낮은 것이 좋다.
세라믹스와 금속모재는 경질납땜에 의해서 접합되나, 고상점은 700℃이상, 보다 바람직하게는 850℃의 것이 좋다. 또, 850℃이상에서 경질납땜할 경우에는, 경질땜납은 구리를 함유하지 않는 예를들면 Ag-Ti계가 바람직하다.
접합후의 기계가공에 의하지 않고, 접합시의 조작이나 냉각시의 열응력에 의해서, 미끄름면을 형성하는 세라믹스의 크라우닝량을 크게하기 위해서는 다음의 2조건을 만족시킬 필요가 있다.
제1의 조건은 크라우닝을 형성가능한 응력이 존재하는 것이다. 응력을 발생시키는 방법으로서는 접합시에 인가하는 방법과 접합후의 열응력에 의한 방법을 생각할 수 있다. 열응력에 의한 경우에는 금속모재와 접합되는 세라믹스나 열응력완화층 등의 부분의 열팽창계수가 작고, 금속모재와 일정이상의 차가 있는 것이나, 이들 부분의 강성이 높은 것, 즉 일정이상의 두께가 있는 것이나, 영률이 높은 것이 필요하다.
제2의 조건은 크라우닝을 형성하므로서 발생하는 응력에 견딜 수 있는 구조를 가지는 것이다. 세라믹스와 금속모재를 접합하는 경우에는, 주로 냉각시의 열수축 때문에 세라믹스부에 생기는 인장응력에 의해서 세라믹스부분에 균일이 발생하는 일이 있다. 이 인장응력은 세라믹스부분의 변형에 기인하기 때문에, 크라우닝을 크게 할 필요가 있는 경우에는 보다 심각한 문제가 된다. 본 발명은 세라믹스부분에 균열등의 결함이 생기는 일없이 큰 크라우닝을 형성한 미끄름부품을 제공한다. 세라믹스와 금속모재를 접합하는 경우에는 통상 세라믹스의 열팽창계수의 쪽이 작기 때문에, 접합면부근에는 기본적으로는 세라믹스쪽이 압축, 금속모재쪽이 인장의 열응력이 생긴다. 세라믹스재료는 압축응력에는 강하기 때문에, 이 압축응력에 의해서 깨어지는 일은 거의 없다. 한편, 이 열팽창계수차 때문에 접합체는 제 3도에 표시한 바와 같이 세라믹스(1)과 금속모재(2)가 변형해서, 크라우닝이 형성된다. 그러나, 이 변형에 수반하여 복합체의 주변부에는 접합면에 수직인 방향으로 인장응력이 생긴다(도 4). 접합체에 도 4의 (17)에 표시한 바와 같은 균열이 생기는 일이 있는 것은, 이 인장응력이 재료강도보다 높기때문인 것으로 생각할 수 있다. 이 인장응력의 크기는 많은 요인에 의해서 결정되나, 기본적으로는 상기한 변형량에 의존된다. 이 때문에 크라우닝량이 큰 접합체의 제작은 곤란하였다.
큰 크라우닝량을 확보하면서 세라믹스의 파괴를 방지하는 가장 단순하고 유효한 방법은 세라믹스로서, 금속모재와의 열팽창계수차가 크고 강도가 높은 재료를 선택하는 일이다. 이 조건에 적합한 세라믹스로서는 상기한 바와 같이 질화규소가 있다. 질화규소의 열팽창계수는 3×10-6K-1로서, 모든 금속모재와 상당한 차가 있고, 강도도 높기 때문에 가장 적합한 재료이다. 상기한 바와 같이 질화규소의 중에서도 그 강도가 100kg/㎟이상, 나아가서는 130kg/㎟이상의 것은 더욱 바람직하다. 세라믹스의 강도의 값은 측정방법에 따라서 상이한 것이 알려지고 있으나, 여기서는 JIS R1601에 준거한 4점 굽힘강도를 표시한다. 질화규소는 일반적으로 고강도이나, 그중에서도 강도가 130kg/㎟이상의 재료를 사용했을 경우에는 가혹한 접합조건 또는 담금질가열시에도 균열의 발생이 급격하게 없어진다. 이 경향은 금속모재가 강재의 경우에 현저하다. 고강도세라믹스와의 접합에서는 금속모재쪽의 소성변형에 의한 응력완화가 지배적으로 되기 때문인 것으로 추정된다.
금속모재로서 강재를 사용하는 경우에는 상기한 강재의 경도확보, 또는 상기한 바와 같은 강재를 사용하여 마르텐사이트변태를 이용한 실질적인 열팽창계수차의 저감에 의한 세라믹스의 깨어짐방지를 위해, 강재의 종류 및 접합조건(특히 냉각조건)을 선정하는 일이나 저융점경질땜납재를 사용하는 것이 상기 특개평 2-55809호 공보 및 동 특개평2-199073호 공보에 기재되어 있다. 이들 방법에 의하면 고경도를 유지하면서 깨어짐이 없는 미끄름부품을 제작할 수 있으나, 열수축량의 차가 작기 때문에, 크라우닝량을 크게하는 것은 불가능하였다. 강재의 경도를 유지하면서 크라우닝이 큰 접합체를 얻기 위해서는, 고융점의 경질 땜납재를 사용하는 등에 의해, 고온에서 접합을 형성하는 것이 유효하다. 접합형성온도와 크라우닝량·열응력의 관계는 세라믹스·금속모재 및 후술하는 중간층에도 의존하기 때문에, 일률적으로는 말할 수 없으나, 700℃이상인 것이 바람직하고, 850℃이상인 것이 보다 바람직하다. 700℃미만에서는 용이하게는 충분한 크라우닝량을 얻을 수 없는 데에 대해, 특히 850℃이상에서는 마르텐사이트변태에 수반하는 팽창을 고려하더라도 용이하게 충분히 큰 크라우닝을 얻을 수 있다. 850℃이상의 융점의 경질땜납재로서는, Ag-Ti땜납재가 적합하다. 세라믹스로서 Si3N4를 선택할 경우에는 Cu를 함유하는 경질땜납재(예를 들면 Au-Cu-Ti 땜납재: 융점 910℃)를 사용해서 고온에서 경질납땜하는 것은 계면강도의 저하에 연결되어 바람직하지 않다.
통상의 강도의 질화규소소결체 또는 다른 세라믹스재료를 사용했을 경우에는, 발생하는 열응력에 견딜 수 없어 깨어짐이 생기는 것을 피할 수 없으나, 상기한 강도가 130kg/㎟이상의 질화규소소결체를 사용했을 경우에는 강재와 직접접합하더라도 대부분의 경우 깨어짐이 없는 접합체를 얻을 수 있다. 고강도의 질화규소를 사용하면 상기와 바와 같이 열응력에 의한 깨어짐을 피할 수 있을 뿐 아니라, 부품으로서 사용할 때, 높은 하중이나 충격에 의해서도 파손할 확률의 저하에 연결되는 것은 말할 것도 없다.
질화규소이외의 세라믹스재료쪽이 높은 성능을 표시하기 때문에 강도가 비교적 낮은 재료를 사용하지 않으면 안되는 경우, 또, 형상적인 요인(예를 들면 접합면이 대단히 큰 경우)에 의해서 고강도질화규소를 사용해도 세라믹스에 깨어짐이 생기는 경우에는 제 5도와 같이 세라믹스(1)과 금속모재(2)의 사이에 중간층(4)를 사용하는 것이 유효하게 된다.
열응력을 완화하기 위한 중간층으로서는 피접합재의 중간적 또는 세라믹스에 가까운 열팽창계수를 가진 재료나 소성변형능을 가진 재료가 유효한 것이 알려져 있으나, 본 미끄름부품과 같이 큰 크라우닝의 형성을 목적으로 할 경우에는 전자에 속하는 재료가 바람직하다. 후자에 속하는 재료는 크라우닝을 작게하기 때문에 바람직하지 않다. 전자가 바람직한 이유는 열팽창계수가 작은 충간층의 경우에는 중간층도 크라우닝형성에 기여하기 때문에, 세라믹스를 직접 접합하는 경우보다 크라우닝을 크게할 수 있기 때문에다. 중간층이 가져야 할 다른 특성으로서는, 영률이 높은 것을 들 수 있다. 영률이 높은 경우의 이점의 하나는 적은 변형량으로 큰 응력을 발생하기 때문에, 크라우닝을 증가시키는 효과가 높은 것이다. 또, 다른 이점으로서는 중간층은 세라믹스를 백업하는 구조로 되어 있고, 그 영률이 높은 것은 세라믹스에 높은 응력이나 충격력이 가해졌을때에 세라믹스의 변형을 억제하는 효과가 높은 것을 들 수 있다. 이 관점에서 중간층의 영률은 대응하는 세라믹스의 영률보다 높은 것이 요망된다. 이와 같은 영률이 높고 열팽창계수가 낮은 재료로서는, 금속으로서는 Mo나 W 또는 그들 합금이 있고 서어멋으로서는, WC, TiC, TiN기의 재료를 들 수 있다. 특히 WC를 주성분으로 하고, Co를 주요한 결합상으로 하는 이른바 초경합금은, 열팽창계수가 4.5∼5.5×10-6K-1, 영률이 4.5×105MPa이상이고, 본목적에 가장 적합한 재료이다. 영률이 4.5×105MPa이상의 경우에는 크라우닝형성 및 백업기능에의 효과가 특히 현저하게 된다.
통상 중간층으로서는 피접합재료의 중간의 열팽창계수의 것이 사용되나, 세라믹스에 따라서는 보다 열팽창계수나 낮은 재료를 사용하는 것도 있을 수 있다.
예를 들면 세라믹스로서 Al2O3을 사용하는 경우에 Mo나 W-Cu합금등 Al2O3보다 약간 열팽창계수가 낮은 중간층을 사용하는 것이 가능하다. 이 경우에도 열응력 완화나 크라우닝량을 증대시키는 효과가 있다.
크라우닝량의 확보와 열응력완화를 양립시키는 더욱 유효한 방법으로서, 크라우닝형상을 제어하는 것이 있다. 즉, 도 6에 표시한 바와같이 접합체의 주변부(A부)의 곡률을 중앙부(B부)보다 작게하므로서, 실질적인 크라우닝량을 확보하면서 세라믹스(1)부분의 깨어짐을 방지할 수 있다. 세라믹스가 깨어지는 원인으로되어 있는 주변부의 인장응력은 거의 주변부분근처의 변형에 의해서 발생하고 있어, 이 부분에만 곡률을 낮게하므로서 세라믹스부분에는 큰 인장응력이 발생하지 않게되기 때문에, 깨어짐이 없는 접합체의 제작이 가능하게 된다. 중앙부의 변형(만곡)은 세라믹스부분에 주로 압축응력을 발생시키기 때문에, 깨어짐에는 연결되기 어렵다. 예를들면 이미 설명한 바와 같이 주변부의 곡률이 중앙부의 0.8배를 초과하는 경우에는 응력을 저감시키는 효과가 작다. 또한, 주변부와 중앙부의 경계는 구성부품의 재질이나 형상에 따라서 상이하기 때문에 명확하지는 않으나, 주변부는 외부쪽으로부터 세라믹스부품의 두께의 1∼2배정도의 영역, 중앙부는 세라믹스부품의 중심에서부터 그 크기의 30∼50% 정도길이의 영역을 의미한다.
이와 같이 크라우닝형상을 제어하는 방법으로서는, 하기와 같은 주변부와 중앙부에서 특성이 상이한 중간층을 사용하는 방법이나 접합시에 응력을 인가하는(강제적으로 변형시키는)방법이 있다.
중간층에 의한 방법은 제7도에 모식적으로 표시한 바와 같이 중간층의 주변부(6)과 중앙부(7)에 특성이 상이한 재료를 사용하는 방법이다. 중앙부와 주변부는 일체화되어 있어도 있지않아도 되고, 각각 2종류이상의 재료로 되어 있어도 된다. 또, 특성이 연속적으로 변화하고 있어도 된다. 이 중간층의 주변부의 열팽창계수를 중심부보다 세라믹스에 가깝게 하므로서 상기한 크라우닝형상의 제어가 가능하게 된다. 열팽창계수외에, 주변부의 영률이나 항복응력을 낮게하므로서도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또, 이들 특성을 동시에 변화시켜도 된다.
이와 같은 구조의 중간층의 경우에는 크라우닝량은 내부쪽중간층에 의해서 지배되기 때문에, 외부쪽에는 영률이나 항복응력이 낮은 재료를 사용해도 된다.
또, 제 8도와 같이 주변부에만 중간층(21)을 사용하고, 중앙부는 세라믹스(1)과 금속모재(2)와 직접 접합하므로서도 마찬가지의 효과가 있다. 이 경우에는 중간층(21)은 링형상의 단일재료라도 되기 때문에 코스트의 저감이 가능하게 된다. 물론 이 구조의 경우에도 중간층은 몇 개인가의 재료로 구성되어 있어도 된다. 중간층의 특성으로서는 금속보다 열팽창계수가 낮은 것, 소성변형능을 가진 것, 영률이 낮은것 등의 어느것이든 하나이상이 필요하게 된다.
이외의 크라우닝형상의 제어방법으로서 접합을 응력을 인가하면서 행하는 방법이 있다. 예를 들면 제 9도에 표시한 바와같이 세라믹스(1)과 금속모재(2)를 주변부쪽이 곡율이 작은 몰드(8)에 절굿공이 (9)로 압압하면서 가열·접합하므로서, 상기한 주변부쪽이 중앙부보다 곡율이 작은 접합체를 얻을 수 있다. 몰드형상으로서는 제 10도에 표시한 바와같이 볼록형의 것도 유효하다. 또, 접합과 동시에 금속부의 형성(소결이나 단조)을 동시에 행하는 것도 가능하다.
다음에 본 발명 미끄름부재의 제조방법에 대해서 설명한다.
본 발명의 방법은, ①금속모재 및 미끄름면을 형성하는 미끄름면부재를 준비하는 공정(I)과, 금속모재의 적어도 1개소에 미끄름부재를 고정하기 위해, 상기 모재와 상기 미끄름면부재의 쌍방에 접합면이 되는 맞춤면을 가공하는 공정(II)과, 쌍방의 맞춤면을 대향시켜서 금속모재에 미끄름면부재를 가열고정하는 공정(III)을 포함하는 것이다. 고정(접합)방법으로서는 경질납땜, 확산접합등 공지의 방법을 이용할 수 있다.
또, 본 발명의 공정(III)에서의 미끄름면부재의 가열고정은, 쌍방의 맞춤면을 직접 접촉시켜서 행하여지는 방법, 맞춤면사이에 경질땜납재 및/또는 경질땜납재이외의 중간층재를 삽입개재 하는 방법이 취해진다.
쌍방의 맞춤면을 직접 접촉시키는 가열고정법에는 용도에 따라서는 쌍방의 열팽창차를 이용한 가열끼워맞춤에 의해서 행하여지는 방법이 포함된다.
또, 쌍방의 맞춤면을 직접 접촉시켜서 행하는 방법에 있어서도 맞춤면사이에 경질땜납재 및/또는 경질땜납재이외의 중간층재를 삽입개재해서 행하는 방법의 어느것에 있어서도, 보조적으로 가압하여 성형하는 수단으로서, 3차원의 크라우닝곡면을 이루는 오목한 몰드에 의해서 가열해서 금형내가압으로 행하여지는 방법이 포함된다.
후자의 금형내가압은 미끄름면부재를 본체에 가열고정한 후에 별도 크라우닝량조정수단으로서 행하여도 되다.
예를 들면 미끄름면부재를 모재에 고정하는 구조를 취할 경우, 미끄름면부재의 일부인 주미끄름부에 세라믹을 배치한다. 즉 금속으로 세라믹으로 유지하게 되는 미끄름부의 구조를 취할 경우, 사전에 미끄름부를 공정(III)과 동일스텝을 거쳐서 만들고, 또 본체에 가열고정하는 방법을 취해도 된다. 이 경우의 본체에의 고정에 대해서는 용도에 따라서는 기계적인 나사고정 등의 다른 방법으로도 된다. 또, 예를들면 이상의 방법의 조합에 의해서 세라믹을 직접 본체에 매립하여 세라믹의 주위의 본체면에도 미끄름면을 형성할 수도 있다.
또, 크라우닝형상은 세라믹부만으로 주미끄름면으로부터의 본체를 떼어낼 경우도 있다.
가열고정공정(III)의 분위기 및 온도와 그 가열방법에 대해서는 미끄름부본체재질, 미끄름부재질 및 임시로 경질땜납재, 중간층재를 개재층으로서 사용할 경우에는 그들재질도 포함한 소재종류와 조합 크라우닝형상의 소망의 크라우닝량에 의해서 적당한 조건을 선택한다.
가열시의 분위기에 대해서는 통상 진공 또는 불활성가스(Ar, H2, N2등)분위기에 의한 소정압력하에서 행한다. 압력은 감압하, 가압하도 포함한다. 가열방법에 대해서는, 이하의 여러 가지의 방법이 있다.
또한 접합되는 부재가 세라믹스의 경우에는, 경질납땜에 의한 접합을 행하나, 경질땜납재는, 세라믹스를 금속에 직접 접합하는 경우, Ti를 함유하는 은땜납, 예를 들면 Ag-Cu-Ti계, Ag-Ti계 등이 선택되고, 세라믹스의 접합면쪽에 메탈라이즈 처리되어 있는 경우는, Ag-Cu계 등이 좋다.
또, 경질납땜분위기는 비산화분위기(진공 및 Ar, N2, H2및 그들의 혼합가스 등)가 바람직하다. 끼워맞춤은 압입이나 열수축끼워맞춤 등의 공지의 방법으로 행하면 된다.
본 발명에서는(III)의 공정에서 미끄름면부재를 모재에 고정접합하는 동시에 상기한 크라우닝비율의 크라우닝형상의 미끄름면을 형성할 수 있다. 이 경우 접합층에는 중간층이 있어도 된다.
② 또, 본 발명의 방법에 의하면 공정(III)의 뒤에 모재의 미끄름부를 담금질 처리하는 공정(IV)을 추가해도 된다. 이 공정의 수단에는 동형상부만을 표면 담금질하는 방법과 이 담금질과 동시에 크라우닝오목금형에 의한 금형내가압으로 성형하는 방법이 포함된다. 또 이들을 전후해서 조합하는 방법도 포함된다.
또, 표면담금질을 행하는 모재로서는 상기한 바와 같이 담금질후 HRC45정도이상이 되는 강재를 사용한다. 사용하는 표면담금질처리법은 고주파, 화염, 레이저빔, 전자빔 담금질등 공지의 방법을 사용한다.
또, 담금질처리를 행하는 개소의 인성을 확보할 필요가 있는 경우는, 상기한 바와 같이 미리 침탄처리를 행한 강재본체를 사용하면 된다. 또한 침탄처리의 방법으로서는 고체, 액체, 가스침탄등의 공지의 수법의 어느 것이라도 된다. 또, 담금질후의 미끄름부품본체의 경도가 HRC로 45이상이면, 담금질온도, 냉각방법은 특히 규정되는 것은 아니고, 사용한 강재의 JIS에 정해지고 있는 방법(예를 들면 기계구조용 합금강인 니켈크롬몰리브덴강이면 JIS G 4103)에 준해서 행하면 된다.
또, 담금질처리후 미끄름부품본체의 인성을 향상시키기 위하여 템퍼링처리를 행하여도 된다. 방법은 미끄름부품본체의 경도가 HRC로 45이상을 유지할 수 있는 것이라면, JIS에 준거한 것을 선택하면 된다.
또한 이 경우 가열접합은 접합부의 열악화를 막기위하여, 바람직하게는 표면 담금질온도이상에서 행하는 것이 바람직하다.
미끄름면을 형성하는 부재를 미끄름부품본체에 장착하는 경우는, 접합이나 끼워맞춤에 의해 행한다. 접합으로서는 경질땜납이나 확산접합등 가열접합, 용접이나 압접등의 공지의 방법을 이용하면 된다.
이 점에서 상기 (III)의 공정에서의 가열접합시의 온도는 표면담금질처리시의 온도상승에서의 영향이 없도록 800℃이상인 것이 가장 바람직하다. 예를 들면 아공석강(亞共析鋼)이면 가열시 오스테나이트상만으로 되는 AC3또는 AC1변태점이상 30∼50℃가 담금질때의 적당한 가열온도로 되어 있으므로, 접합온도는 800℃를 초과하는 것이 바람직하다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명을 적용한 디젤상용차의 밸브구동계 OHV 방식의 태핏의 설명도.
제2도는 본 발명을 적용한 태핏부품의 설명도.
제3도는 세라믹스와 금속모체의 열팽창계수차에 의거한 크라우닝형성의 설명도.
제4도는 마찬가지로 발생응력 및 균열발생의 설명도.
제5도는 본 발명에 있어서 중간층을 사용한 예의 설명도.
제6도는 본 발명에 있어서 크라우닝형상을 제어하는 설명도.
제7도는 중간층의 중앙부와 주변부에서 특성이 다른 재료를 사용하는 예의 설명도.
제8도는 중간층을 주변부에만 사용한 예의 설명도.
제9도는 크라우닝형상제어방법의 설명도.
제10도는 몰드형상의 일예를 표시한 설명도.
제11도는 실시예 1에 있어서의 태핏의 예의 설명도.
제12도는 낙하형 샤르피 충격시험의 설명도.
제13도는 캠의 마모상태의 설명도.
제14도는 실시예 6에서 사용한 금속모재의 형상을 표시한 설명도.
제15도는 시판하는 경유연료펌프의 캠/피스톤기구의 설명도.
제16도는 본 발명을 태핏에 응용한 예의 설명도.
제17도는 본 발명을 태핏에 응용한 예에서 중간층과 경질땜납재를 사용한 예의 설명도.
제18도는 마찬가지로 중간층의 재질을 중앙부와 주변부에서 바꾼 예의 설명도.
제19도는 마찬가지로 중간층을 주변부만으로한 예의 설명도.
제20도는 카본제의 금형과 절굿공이 금형을 사용한 예의 설명도.
제21도는 그형의 치수의 일예의 설명도.
제22도는 본 발명을 적용한 태핏의 설명도.
제23도는 태핏의 사용상태의 설명도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 미끄름면부재(세라믹스는 제1구체에)
2 : 금속모재 3 : 캠
4 : 푸시로드 5 : 금속모재미끄름면
6 : 주변부증간층 7 : 중앙부중간층
8 : 금형 9 : 절굿공이형 금형
10 : 태팻본체(금속모재) 11 : 경질땜납재(은땜납은 1구체예)
12 : 중간층 13 : 주변부중간층
14 : 중앙부중간층 15 : 중간층
16 : 금형 17 : 절굿공이형 금형
18 : 중간층 19 : 푸시로드와의 미끄름면
20 : 충돌재 21 : 주변부중간층
22 : 담금질개소 23 : 푸시로드
[발명을 실시하기 위한 촤량의 형태]
[실시예 1]
시판하는 Si3N4, Al2O3, Y2O3분말을 각각 93중량%, 5중량%배합하고, 에타놀속에서 72시간 습식혼합한 후, 건조분말을 제작하였다. 이 분말을 압력 1.5톤/㎠에서 CIP 성형한 후, 1700℃, 4시간, 질소가스 2기압에서 소결한 후, 다시 1650℃, 1시간, 질소가스 1000기압속에서 HIP처리를 실시하였다. 얻게된 소결체로부터 직경 25mm, 두께 0.5∼3mm의 소재를 잘라내고, 1면에 대해서는 연마입자평균입자직경 7∼11㎛의 다이아몬드숫돌에 의해, 면조도(面租度)를 10점평균높이거칠기로 0.3㎛이하가 되도록 마무리연삭가공을 실시하였다. 얻게된 미끄름면재(1)을 제11도에 표시한 형상의 SCr420에 의해 제작한 금속모재(2)에 Ag를 주성분으로하는 경질땜납재를 사용해서 진공속에서, 1시간, 780∼900℃의 여러 가지의 온도에서 접합한 후에, JIS준거의 SCr420의 담금질처리를 행하여 태핏부품을 제작했다. 경질납땜층의 두께는 17㎛였다. 얻게된 태핏부품의 푸시로드와의 미끄름면(5)의 경도를 측정했던 바, HRC=50 이였다. 이 부품을 시판하는 상용차용 OHV방식의 디젤엔진에 결합하고, 시내주행을 4만km실시후의 회수엔진오일을 사용해서, 기관회전수 1000rpm에서 200시간 내구시험을 행하여, 푸시로드의 선단부 및 금속모재쪽의 수용면의 마모량을 측정했다. 이상의 결과를 표 1에 표시했다. 표 1중에서 크라우닝최대높이의 비율(크라우닝비율)을 결정하는 접합최대길이는 접합면직경의 25mm로 했다. 또, 마모의 판정에 대해서는, 푸시로드선단부 및 모재쪽수용면의 마모율의 합이 10㎛이상의 경우에 [마모있음], 10㎛미만의 경우에 [마모없음]이라 기술했다. 한편, 표 2에는 여기서 사용한 Si3N4소결체의 특성을 표시했다. 여기서 굽힘강도에 대해서는, JIS R1601에 준거해서 측정했다. 또 샤르피충격치에 대해서는 JIS R1601에 준거한 시료를 사용해서 스팬 30mm의 홈없는 측정을 실시했다. 또 열충격온도차에 대해서도 JIS R1601에 준거한 시료를 사용해서, 수중투하법에 의해 평가하였다.
이상에 의해 크라우닝비율이 0.01∼0.4 사이에서 마모가 발생하지 않고, 양호한 미끄름성능을 얻을 수 있는 것이 명백하게 되었다.
[실시예 2]
실시예 1과 마찬가지로 원료분말을 배합하고 CIP성형한 후에, 1600∼1800℃, 1∼6시간, 질소가스 2기압의 여러가지의 분위기하에서 제작한 소결체를 1부, 실시예 1과 마찬가지의 HIP처리를 실시하고 소재를 제작했다. 제작한 소재를 실시예 1과 마찬가지의 형상을 한 SNCM 616의 금속소재에 실시예 1과 마찬가지의 조건범위에서 접합하고, 다시 JIS준거의 SNCM 616의 담금질처리를 행하고, 태핏부품을 제작했다. 납땜층의 두께는 17㎛였다. 얻게된 Si3N4소결체의 특성 및 동세라믹을 미끄름면부재로된 태핏부품의 미끄름성능을 실시예 1과 마찬가지의 수법, 마찬가지의 기준에 의해 평가하고 표 3중에 표시하였다.
한편, 얻게된 부품을 실시예 1과 등가인 제 12도에 표시한 낙하형샤르피충격시험에 의해 파괴평가시험을 실시하고, Si3N4부의 파괴의 유무를 평가했다. 또한, 샤르피충격시험의 조건은 충돌속도가 3.5m/초, 충격에너지가 30J로 했다. 또 충돌재(6)의 선단부형상은 캠의 선단부형상을 상정하고, R=3∼4mm, 폭 20mm의 캠선단부형상에 상당하는 것으로 했다. 여기서 Si3N4부의 파괴의 유무는 충격하중 80KN을 부가하고, 파괴된 것을 「파괴있음」, 파괴안된 것을 「파괴없음」이라하고 합쳐서 표 3중에 표시하였다.
이상의 결과에서 미끄름면에 JIS준거의 4점굽힘강도가 100kg/㎟이상, 샤르피충격치가 15KJ/㎡이상이고, 열충격온도차가 800℃이상의 Si3N4소결체로 구성된 크라우닝비율이 0.01∼0.4%인 세라믹스를 태핏부품에 사용하므로서 특히 미끄름시의 높은 충격파괴에 대한 신뢰성이 높은 부품이 얻어지는 것을 알 수 있다. 한편, JIS 준거의 4점굽힘강도가 100kg/㎟미만의 Si3N4를 사용하면 이 실시예 1과 동일한 내구시험에 의한 푸시로드선단부 및 금속모재쪽의 수용면의 마모는 발생하지 않고, 미끄름에 지장은 없으나 크라우닝비율이 바람직한 범위내에서도, 크라우닝비율을 크게 취치하는 세라믹의 외주부에 미소한 깨어짐이 생기고 있는 것이 관측되고, 본내구시험을 초과하는 가혹한 환경하에서 이런 종류의 세라믹스를 완전한 상태에서 이용하기 위해서는, 후술하는 실시예와 같이 미리 접합부에 중간층을 넣거나, 중앙과 외주의 크라우닝비율을 바꾸는 등의 연구가 필요하다는 것을 알 수 있다.
[실시예 3]
실시예 1과 마찬가지의 Si3N4소재를 사용해서, 미끄름면의 면조도와 두께를 여러가지 변화시킨 접합재를 제작했다. 이 경우의 경질땜납층의 두께는 17㎛였다. 그 접합재를 실시예 2에서 표시한 금속모재에, 제 11도중에서 3mm두께로 표시되어 있는 모재중심선에 대한 최소두께를 Si3N4미끄름재의 두께에 대한 비율을 여러가지 변화시켜 접합하고, 다시 JIS준거의 담금질처리를 하고 태핏부품을 제작했다. 여기서 접합개수는 동일조건에서는 20개로 하고, 그 크라우닝비율에 대해서 최소치와 최대치의 범위에서 표 4중에 표시했다. 또 여러가지의 태핏부품을 실시예 1과 마찬가지의 엔진을 사용해서 푸시로드 및 푸시로드수용면의 마모를 실시예 1과 마찬가지의 평가를 행하고 그때의 캠의 마모상황을 제 13도에 표시한 캠노즈높이의 마모량에서 평가하고, 이 마모량이 5㎛이상의 경우를 「마모있음」, 5㎛미만의 경우를 「마모없음」이라 평가하고, 각각 표 4중에 표시하였다.
이상의 결과에서 예를 들면 No.4에 볼 수 있는 바와 같이 크라우닝비율은 0.1∼0.4%의 범위내에 있으나, 모재최소두께비율이 0.5미만의 경우에는, 크라우닝 비율의 로트내에서의 불균일이 크게되어 성능의 불균일이 발생하기 쉽게 된다. 또 No.1, No. 7에 볼 수 있는 바와 같이 미끄름면의 표면조도가 10점 평균높이거칠기로 0.4㎛로 초과하면 캠노즈의 마모가 발생하기 쉽게되는 것을 알 수 있다. 또 크라우닝비율이 0.10미만의 경우는 푸시로드 및 수용면의 마모뿐만 아니라, 태핏의 회전불량에 의해 캠노즈의 마모도 발생하여 바람직하지 않은 것을 알 수 있다.
[실시예 4]
실시예 1과 마찬가지의 Si3N4소재를 사용하고, 실시예 2에 표시한 모재를 사용하고, 미끄름재의 두께를 여러 가지 변화시킨 접합재를 사용하여 태핏부품을 제작했다. 부품의 납땜층의 두께는 16㎛였다. 이 태핏을 사용해서 실시예 1과 마찬가지의 엔진을 사용해서 푸시로드 및 푸시로드 수용면의 마모 및, 캠의 마모를 실시예 3과 마찬가지의 평가를 하고, 각각 표 5중에 표시하였다.
또 실시예 2와 마찬가지의 충격시험에 의해 세라믹부의 파괴의 유무를 평가한 결과도 표 5중에 표시하였다.
이상으로부터 미끄름면의 두께비율이 0.01∼0.05의 범위이면, 푸시로드 및 수용면, 캠노즈의 마모가 없고, 또한 충격특성에 뛰어난 태핏부품을 얻을 수 있는 것이 명백하다. 또, 미끄름면의 두께비율이 0.01을 초과하여 크게되면, 세라믹부의 변형량을 충분히 취할 수 없고, 크라우닝비율이 작아지는 것이 명백하다.
[실시예 5]
실시예 2에서 얻어진 여러 가지의 Si3N4접합재의 표면거칠기를 10점평균높이 거칠기로 0.1㎛이하로 경면마무리가공한 후에, 그 표면의 10mm×10mm의 시야에 관찰되는 가공율을 면적율에 의해서 평가한 결과를 표 6에 표시한다. 한편, 이 접합소재를 실시예 2와 마찬가지의 접합에 의해 태핏부품을 제작했다. 땜납층은 17㎛의 두께였다. 이를 실시예 3과 마찬가지의 평가를 실시하고, 푸시로드 및 푸시로드수용면의 마모 및, 캠노즈의 마모를 평가한 결과를 표 6에 표시한다.
이상으로부터 미끄름면의 기공의 면적율이 0.5%를 초과하면 캠노즈에 약간의 마모가 발생하나 0.5%이하의 경우는 캠노즈의 마모가 없는 것이 명백하게 되었다.
[실시예 6]
시판하는 질화규소세라믹스로부터 직경 10mm, 두께 1.5mm의 소재를 잘라내고, 1면에 대해서는 다이아몬드유리(遊籬)숫돌에 의한 래핑에 의해, 표면거칠기를 10점평균높이거칠기로 0.3㎛로 마무리가공을 실시했다. 얻게된 질화규소미끄름면재(1)을 도 14에 표시한 형상의 JIS준거의 SCM420강재로 제작된 금속모재(2)에 Ag를 주성분으로하는 경질땜납재를 사용해서 진공속에, 1시간, 780℃의 온도에서 접합가공한 후, 접합계면으로부터 금속모재에 대해, 1∼3mm길이의 범위 및 미끄름부재를 접합한 대항면을 고주파에 의해 표면 담금질하고, 질화규소미끄름부재에 10∼15㎛의 크라우닝형상을 형성하는 동시에, 표면경도를 HRC42로 조정한 푸시로드부품(23)을 제작했다. 한편, 이와는 따로 상기의 1∼3mm의 범위만을 담금질을 실시하지 않고, 질화규소미끄름부재의 크라우닝형상이 5㎛이하의 비교예 1 및 표 7에 표시한 여러 가지의 표면처리를 행한 금속단체의 푸시로드 비교예 2∼4 및 G2급초경합금을 사용한 비교예 5를, 제 15도에 표시한 시판하는 경유연료펌프의 캠(3)/피스톤(4)기구에 결합하여 1,000시간의 내구평가를 행하고, 각 부품의 길이방향의 총마모량, 즉, 푸시로드(23)선단부 및 본체모재수용면의 마모량의 총합을 측정했다. 이 결과를 동표중에 표시한다.
[실시예 7]
세라믹스로서 Y2O3-Al2O3을 주성분으로 하는 소결조제를 사용한 JIS4점굽힘 강도가 1350MPa의 표면전부를 *800의 다이아몬드숫돌로 연마하여 10점평균표면거칠기를 0.3㎛로한 Si3N4(외경 28mm, 두께 2mm) 소결체를 제작했다. 또한, 이 Si3N4소결체의 내열충격성을 표시한 온도차는 800℃였다. 제 16도에 표시한 바와 같이, 이 Si3N41의 표면을 Ti-Cu-Ag의 순으로 이온플레이팅에 의해서 메탈라이즈했다. 각 층의 두께는 0.5㎛로 했다. 이 Si3N4를 고상점 780℃의 은땜납(11)(Ag-Cu)을 사용해서, 고진공속, 810℃에서 10분 가열해서 SCr420강제의 태핏본체(10)과 납땜접합체를 얻었다. 납땜후의 냉각에 요한시간은 2시간이었다. 메탈라이즈층 및 은땜납으로 이루어진 접합층의 두께는 17㎛였다. 또 태핏본체(10)의 접합층의 주변에는 750℃에서 고주파가열에 의해서 표면담금질을 실시했다. 동부재의 경도는 HRC로 50이었다. 또, 표면담금질후의 접합체에 균열을 볼 수 없고, 미끄름면의 크라우닝량 즉 크라우닝형상부의 최대볼록부 높이 h는 75㎛(미끄름면최대길이 l의 0.26%)였다. 이 태핏을 실시예 1과 마찬가지의 내구시험을 행하여 실시예 1과 마찬가지로 캠노즈의 마모량을 확인했던 바 총마모량은 2㎛였다.
[실시예 8]
세라믹스로서 실시예 7과 동일형상이기는 하나, 4점굽힘강도가 1500MPa의 Si3N4를 제작하고, 메탈라이즈하지 않고, 표 8에 표시한 경질땜납재를 사용하여, 고진공속에, 동표의 온도에서 10분가열해서 SNCM630강재와 접합했다. 냉각은 Ar가스에 의한 강제공냉에 의해 300℃까지는 50℃/분, 그 이후는 20℃/분으로한 경질납땜층의 두께는 17㎛였다. 얻게된 시료는 형광탐상(探傷)시험에 의한 균열의 유무의 확인과 크라우닝량의 확인을 하고, 금속부분의 경도측정을 행하였다.
Ag-Cu-Ti 땜납재를 사용해서 980℃에서 경질납땜한 시료No.3에는 세라믹스부의 균열은 볼 수 없었으나, 접합면에서 박리하고 있었다. No.3을 제외하고 실시예 1과 동알조건의 내구시험 및 그 경우의 캠노즈의 마모량을 확인한 결과도 합쳐서 표 8에 표시한다.
[실시예 9]
세라믹스로서 Y2O3-Al2O3을 주성분으로 하는 소결조제를 사용한, 직경 25mm의 표 9의 강도·두께의 Si3N4소결체를 제작했다. 접합면을 #800의 다이아몬드숫돌로 연삭하고, 미끄름면은 경면가공하여 10점평균최대높이거칠기로 0.2㎛이하로 했다. 제 17도에 표시한 바와 같이 이 세라믹스(1)과 SKC 31강재(鋼材)로 제작했다. 동일직경의 태핏본체(10)을, 표 9에 표시한 중간층(12)를 개재시켜서, Ag-Cu-Ti 땜납재(11)을 사용해서 고진공속에, 820℃에서 접합하여 접합체를 얻었다. 냉각속도는 200℃까지는 50℃/분, 그 이후는 10℃/분으로 했다. 실시예 8에 표시한 형광탐상, 크라우닝량 확인시험외에, 접합체의 미끄름부에 강제해머(선단부형상:R=2.5mm, 길이 17mm)를 낙하시키고, 그 때에 발생하는 충격하중을 해머에 장착한 로드셀에 의해서 측정하는, 상기 실시예 2(도 12)와 마찬가지의 소위 계장화샤르피시험장치에 의한 충격시험을 행하였다. 강재부분의 평균경도는 HRC=48 이었다. 동표의 최종열에 표시한 본 발명의 태핏은 실시예 1과 마찬가지의 엔진시험의 결과, 크라우닝부에 대한 상대캠노즈부의 마모량은 5㎛이하로 작고 높은 내구성을 표시하였다.
[실시예 10]
경질땜납재로서 Ag-Ti를 사용하여, 980℃에서 경질납땜한 이외는 실시예 9와 마찬가지의 시험을 행하였던바 표 10의 결과를 얻을 수 있었다. 강재부분의 평균경도는 HRC=50 이었다. 또한 미끄름면부재의 표면거칠기는 10점평균높이거칠기로 0.2㎛였다. 동표의 최종열에 표시한 본 발명의 태핏은 실시예 1과 마찬가지의 엔진시험의 결과, 크라우닝에 대한 상대캠노즈부의 마모량은 5㎛이하로 작고 높은 내구성을 표시하였다.
[실시예 11]
세라믹스미끄름면부재 및 중간층으로서, 표 11에 표시한 직경 12mm 1면의 표면거칠기를 10점 평균높이거칠기로 0.2㎛로 된 재료를 사용하고, 동직경의 두께 5mm의 SCr420강재와, Ag-Cu-Ti땜납재를 사용해서 Ar분위기속에서, 820℃에서 15분 유지해서 접합체를 얻었다. 냉각속도는 10℃/분으로 했다. 동표에 결과를 표시한다. 표중의 우측끝의 0표가 본 발명예이다.
이와 같이 영률 및 항복응력이 높고, 열팽창계수가 접하는 미끄름면부재에 근접한 중간층을 개재시키므로서, 크라우닝량이 큰 접합체를 얻을 수 있었다. 다만, 본표의 Al2O3, SiC는 강도가 Si3N4, WC-Co에 비해서 낮기 때문에 중간층의 선택범위는 좁고, 형성할 수 있는 크라우닝량의 상한도 낮다. 실시예 1와 마찬가지의 내구시험의 결과, 상대캠노즈의 마모량은 6∼8㎛이고 태핏자체 및 그 접합부 다같이 이상한 마모손상은 없었다.
[실시예 12]
제 18도에 표시한 바와 같이 세라믹스로서 직경 30mm이고 두께가 2.5mm의 4점굽힘강도가 1350MPa에서부터 800MPa의 Si3N4(1)을 금속으로서 동일직경의 SKD11제 태핏본체(10)을 또 중간층을 개재해서 접합했다. 중간층은 주변부중간층으로서 외경 30mm, 내경 22mm의 두께 1.2mm의 링형상재료를 중앙부중간층(14)로서 외경 22mm, 두께 1.2mm의 재료를 제작하고, 이들 재료를 동도면과 같이 조합하고, 실시예 11과 동일조건, 땜납재(11)로 접합해서 접합체를 얻었다. 또한, 외부쪽 중간층으로서 사용한 Ni, Cu의 실내온도에 있어서의 항복응력은 각각 180MPa, 90MPa이며, 표중의 다른 재료의 항복응력은 300MPa이상 이었다.
접합한 시료에 대해서는 균열의 유무이외에, 크라우닝량과 곡율비(중앙부직경 15mm의 범위의 곡율에 대한 주변부 4mm범위의 곡율의 비율)를 측정했다. 이들 결과를 표 12에 표시한다. 이 결과에서 중간층의 주변부의 영률 및 항복응력이 중심부의 그것보다 낮으므로 용이하게 큰 크라우닝이 얻어지고 있다. 또, 이중에서 No.9와 같이 본 발명예와 같이 곡율비가 0.8을 초과하는 경우에는 세라믹부의 접합계면부근에 균열이 발생하였다. 이상 본 발명예 시료태핏에 대해 실시예 1과 마찬가지의 내구시험을 행하였던 바, 상대캠노즈의 마모는 4∼6㎛이고 태핏자체 및 그 접합부 다같이 이상한 마모손상은 없었다. 이와 같이 크라우닝형상을 외주부일수록 곡율이 낮게되도록 제어하므로서, 비교적 저강도의 세라믹스를 사용한 경우에도 균열이 발생하는 일없이 큰 크라우닝을 얻을 수 있었다.
[실시예 13]
실시예 12에 있어서 내부쪽중간층을 사용하지 않고 제 19도에 표시한 바와 같이, 중앙부를 세라믹스(1)과 금속제태핏본체(2)의 사이에 실시예 12와 동일한 땜납재(11)만이 개재해서 접합된 구조로하고, 표 13에 표시한 외주부중간층(15)만을 사용한 외는, 동일한 접합 및 시험을 행하였다. 그 결과도 합쳐서 동표에 표시한다. 또한 금속부의 열팽창계수는 13×10-6K-1, 영률은 2.0×105MPa, 항복응력은 300MPa였다. 이와 같이 외부쪽에만 중간층을 사용한 경우에도 응력완화효과가 크고 크라우닝량이 큰 접합체를 얻을 수 있었다.
[실시예 14]
도20에 표시한 바와 같이 카본제몰드(18), 카본제절굿공이(17), 굽힘강도 1350MPa의 Si3N4(1)(직경 16mm, 두께 2mm)소결체와 철기(鐵基)소결합금의 원료분말(18)(치밀화후의 두께가 16mm가 되도록 칭량(秤量))을 세트하고, 진공속 30MPa의 가압하에서, 1000℃에서 5분 유지하였다. 금속부의 소결이 충분히 진행된 외에, 세라믹스부에 균열이 없는 양호한 접합체를 얻을 수 있었다. 크라우닝량은 30㎛이며, 직경이 0.19%에 상당했다.
[실시예 15]
실시예 7과 마찬가지의 메탈라이즈를 행한 직경 20mm, 두께 1.0mm의 강도 1350MPa의 Si3N4소결체와 동일직경이고 두께가 1mm의 중간층으로 되는 초경합금판 및 동일직경이고 두께 10mm의 크롬·몰리브덴강의 사이에 고상점이 780℃의 은땜납을 개재시켜 카본몰드속에 세트했다.
Si3N4판은 도 21에 표시한 중앙부가 10㎛ 낮고, 주변 3mm 부분이 평탄한 카본 몰드와 접촉하도록 세트했다. 이들 시료를 하중을 걸지않은 상태에서 진공속에서 810℃로 가열해서 3분간 유지한 후에, 400MPa의 압력을 인가해서 1분간 유지하고, 원기둥형상접합체를 얻었다. 접합체에는 균열 등의 결함은 볼 수 없고, 크라우닝량은 55㎛, 주변부(동도면 A부=주변으로부터 3mm의 범위)의 중앙부(동도면 B부=중앙부직경 8mm의 부분)에 대한 곡율비는 0.75였다. 마찬가지의 접합을 전체면이 평탄한 카본 몰드를 사용해서 행하였던 바, 크라우닝량은 48㎛, 곡율비는 0.9이며, 몰드형상을 변화시킨 효과를 볼 수 있었다.
[실시예 16]
도 22에 본 발명에 의거한 미끄름부품의 예로서 제작된 태핏을 표시한다. 본 패핏은 제 23도 표시한 실제의 사용상태에서도 알 수 있는 바와 같이 미끄름면(1)의 미끄름조건이 특히 엄하고, 본 발명에 의거하여 Si3N4제미끄름부재(A)를 미끄름면(1)을 형성하기 위하여 경질납땜, 또는 초경합금을 확산접합(1050℃)에 의해 접합하고 있다. 또한, 도 23중(3)은 캠, (4)는 푸시로드부품을 표시한다. Si3N4제미끄름면부재(A)는 이하에 표시한 바와 같이 제작했다.
시판하는 Si3N4분말에 소결조제로서 5중량%의 Y2O3, 2중량%의 Al2O3을 가하고, 에탄올속에서 볼밀에 의한 혼합을 48시간 행하였다. 건조 후, 얻게된 혼합분말을 프레스, CIP를 행한 후, 2기압의 질소가스분위기속에 있어서 1700℃, 4시간의 조건에서 소결하고, 그후 1000기압의 질소가스분위기속에서 1650℃, 1시간의 HIP처리를 행하였다.
얻게된 소결체로부터 직경 30mm, 두께 1mm의 소재를 잘라내고, 미끄름면이 되는 평면부를 평면정도 10㎛, 표면거칠기 0.3㎛이하(10점평균높이거칠기)로 가공했다. 얻어진 소결체의 기계적특성을 표 14에 표시한다.
태핏본체(10)은 니켈크롬몰리브덴강 SNCM616(JISG4103)을 사용하고, 가스침탄처리를 920℃, 120분의 조건에서 행하고, 그후 경질납땜면 및 외주부에 연마가공을 실시했다.
미끄름부재(A)와 태핏본체(10)을 두께 50㎛의 Ag-Cu-Ti계 경질땜납재를 개재해서 진공속에서 900℃, 30분 유지하는 조건에서 경질납땜을 행하였다.
경질납땜된 태핏을 여러가지의 온도로 가열하고, 공냉에 의해 담금질처리를 실시했다. 모든 가열온도에 있어서 담금질처리후, 질화규소제미끄름부재(A)에는 깨어짐은 발생하고 있지 않았다. 태핏의 크라우닝비율은 대략 0.2%였다.
비교예로서 침탄처리를 행하지 않은 것, 또 태핏전체를 냉각주철로한 것을 제작했다. 이상 제작된 여러가지의 태핏을 시판중인 상용차용 OHVQ방식의 디젤엔진에 결합하고, 열악화오일을 사용해서 기관회전수 1000rpm에서 200시간내구시험을 행하고, 금속모재의 미끄름면(19)의 마모량을 측정하였다.
결과를 표 15에 표시한다. 다만 마모의 판정은 마모량이 10㎛미만의 경우는 「마모없음」, 10㎛이상의 경우는 「마모있음」으로 했다. 또, 록웰경도의 C스케일에서 평가한 태핏본체(금소모재)(10)의 경도도 동시에 표시한다.
"주기" 표중의 *표를 부여한 시료는 비교예이다. No. 3∼5에 대해서는, 경도가 낮기 때문에 냉각주철정도는 아니나 약간의 마모가 발생했다. 강재본체의 경도는 적어도 HRC로 45이상은 필요하다.
[실시예 17]
실시예 16에서 얻게된 질화규소와 시판중인 여러 가지의 세라믹스를 실시예 16과 마찬가지의 형상으로 가공한 후에, 크롬강SCr420(JIS G4104)제 태핏본체(10)에 경질납땜하고, 접합체에 담금질처리를 실시했다. 태핏본체(10)의 경도는 HRC로 49였다.
태핏본체에 실시한 침탄처리 및 연마가공, 또 경질납땜처리는 실시예 16과 마찬가지이며, 담금질처리는 850℃에서 오일냉각에 의해 행하였다. 크라우닝비율은 0.20%였다. 제작된 태핏에 있어서의 실시예 16과 마찬가지의 내구시험을 실시한 후의 여러가지의 세라믹스제미끄름부재(A)의 상태를 담금질후의 상태와 함께 표 16에 표시한다.
또한, No. 9∼11의 시판하는 세라믹중에서는 Si3N4가 가장 바람직한 상황을 표시하나, 본 실시예의 경우 중간층에 의한 열응력의 완충효과가 없고, 또, 접합, 담금질때의 온도가 높기 때문에 접합부의 계면세라믹부에 미소한 깨어짐이 발생하였다.
또한 이와 같은 세라믹에서도 중간층을 형성해서 시행했던 바 동일크라우닝량에서도 세라믹스에 깨어짐은 발생하지 않고, 내구시험에서도 이상은 발생하지 않았다.
[실시예 18]
JIS굽힘시험편형상에서 측정한 항절강도가 90kg/㎟인 Si3N4소재와 동일조건에서 제작한 직경 25mm, 두께 1.1mm의 Si3N4원판과 실시예 1에 있어서 접합한 SCr420강제의 태핏모재보다 접합면과 푸시로드수용부사이의 간격이 1mm 작은 모래를 Ti-Cu-Ag 땜납재를 사용해서 고진공속 840℃에서 20분 유지하고, 경질납땜접합했다. 경질납땜시에, 개재시키는 경질땜납재의 두께를 50∼100㎛의 범위에서 Si3N4에 얹는 추를 50∼500g의 범위를 변화시키므로서, 접합후의 경질땜납재의 두께가 7∼55㎛의 시료를 얻었다. 제 16도에 표시한 바와 같이, 경질땜납재 두께가 극단적으로 얇은 7㎛의 시료에 열응력에 기인하는 깨어짐이 관찰된 것을 제외하면, 전체시료 다같이 열응력에 의한 깨어짐은 없었다. 초음파탈상법에 의한 접합면의 결함조사에 있어서 결합율은 모두 3%이하이며 양호한 접합이 형성되어 있었다. 또, 스무스하게 크라운형상이 형성되어 있다.
모재부의 경도를 향상시키기 위하여 실시예 1과 마찬가지의 JIS에 준거한 담금질처리를 실시했다. 푸시로드부와 접합면(15)의 경도는 HRC=51이었다. 파손의 유무를 조사한 바, 표 17에 표시한 바와 같이 경질땜납재 두께가 15㎛에 미달할 경우에는 Si3N4에 깨어짐이 발생하는 일이 있었다.(본모재에서는 접합면과 푸시로드의 거리가 작은데에 더하여, 경질땜납재가 얇은 경우에는, 그 소성변형에 의한 완충효과가 낮아 강재부분의 변형이 직접 Si3N4에 전달되었기 때문인 것으로 생각되었다.)
깨어짐이 없는 시료에 대해서, Si3N4의 면에 1m의 높이로부터 직경 15mm의 강구(鋼球)를 낙하시키고, Si3N4의 손상의 유무를 조사하는 시험을 행하였다. 표 17에 표시한 바와 같이, 경질땜납두께가 25㎛를 초과하는 영역에서는 파손하는 일이 있고, 그 비율은 경질땜납재가 두껍게됨에 따라서 증가했다. 파손된 시료를 절단해서 단면을 관찰하였던 바, 경질 땜납재부의 소성변형이 관측되었다.
[산업상이용가능성]
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 자동차엔진의 밸브구동계부품, 캠폴로워나 로커암, 베어링 등의 내마모성이 요구되는 미끄름부재, 특히 금속모재와 세라믹스미끄름부재를 접합한 내구성이 높은 미끄름부재를 제공할 수 있다.

Claims (24)

  1. 미끄름면부재보다 열팽창율이 큰 금속모재에 미끄름면부재를 접합하고, 미끄름면부재의 미끄름면에 미끄름면최대길이에 대해서 0.1∼0.4%의 최대높이의 크라우닝형상을 가진 미끄름부품으로서, 상기 미끄름면부재는 질화규소계세라믹스이며, 상기 질화규소계재료는 JIS R1601-1981준거의 4점굽힘강도가 100kg/㎟이상, 샤르피 충격치가 15KJ/㎡이상, 열충격온도차가 800℃이상, 또한 미끄럼면에 개구하고 있는 기공의 면적율이 미끄름면 면적에 대해서 0.5%이하이며, 상기 미끄름면부재는 미끄름면에 대응하는 접합면의 최대길이에 대한 두께의 비율이 0.01∼0.05의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  2. 제1항에 있어서, 금속모재의 접합면에 수직인 중심선에 대한 최소두께의 미끄름면부재의 두께에 대한 비율이 0.5 이상인 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  3. 제1항에 있어서, 미끄름면의 표면거칠기가 10점평균높이거칠기에서 0.4㎛이하인 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  4. 제1항에 있어서, 미끄름면의 크라우닝형상의 주변부의 곡율이 중앙부근의 곡율의 0.8배이하인 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  5. 제1항에 있어서, 금속모재가 강재이며, 적어도 그 표면이 마르텐사이트조직을 가지고, 경도가 HRC45이상인 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  6. 제1항에 있어서, 세라믹스와 금속모재의 사이에 중간층을 사용하는 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  7. 제6항에 있어서, 중간층에 영률이 세라믹스보다 큰 금속 또는 서어멋을 사용하는 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  8. 제6항에 있어서, 중간층이 4.5×105mMPa이상의 영률의 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  9. 특허청구의 범위 제10항 기재의 중간층에 있어서 주변부분의 열팽창계수가, 중심부보다도 세라믹스의 열팽창에 가까운 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  10. 특허청구의 범위 제6항 또는 제8항의 어느 한 항의 기재의 중간층에 있어서, 주변부분의 영률이 중심부의 영률보다 낮은 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  11. 특허청구의 범위 제6항 또는 제8항의 어느 한 항 기재의 중간층에 있어서, 주변부분의 항복응력이 중심부의 항복응력보다 낮은 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  12. 제4항에 있어서, 세라믹스와 금속모재의 접합면의 주변부분에만 중간층을 사용하고, 다른부분은 중간층을 사용하는 일없이 접합된 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  13. 특허청구의 범위 제12항 기재의 중간층이 금속모재와 세라믹스의 중간의 열팽창계수 또는 소성변형능을 가진 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  14. 특허청구의 범위 제12항 또는 제13항 기재의 중간층이 금속모재보다 영률이 낮은 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  15. 제1항 또는 제14항에 있어서, 세라믹스와 금속모재의 사이가 경질납땜에 의해서 접합된 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  16. 특허청구의 범위 제15항 기재의 경질땜납재의 고상점(固相点)이 700℃이상인 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  17. 특허청구의 범위 제15항 기재의 경질땜납재의 고상점이 850℃이상인 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  18. 특허청구의 범위 제17항 기재의 경질땜납재가 구리를 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  19. 특허청구의 범위 제18항 기재의 경질땜납재가 Ag-Ti계인 것을 특징으로 하는 미끄름부품.
  20. 미끄름면부재보다 열팽창율이 큰 금속모재에 미끄름면부재를 접합하고, 미끄름면부재의 미끄름면에 미끄름면 최대길이에 대해서 0.1∼0.4%의 최대높이의 크라우닝형상을 가진 미끄름부품의 제조방법으로서, 상기 미끄름면부재는 질화규소계세라믹스이며, 상기 질화규소재료는JIS R1601-1981 준거의 4점굽힘강도가 100kg/㎟이상, 샤르피 충격치가 15KJ/㎡이상, 열충격온도차가 800℃이상, 또한 미끄름면에 개구하고 있는 기공의 면적율이 미끄름면 면적에 대해서 0.5%이하이며, 상기 미끄름면부재는 미끄름면에 대응하는 접합면의 최대길이에 대한 두께의 비율이 0.01∼0.05의 범위에 있는 미끄름부품의 제조방법에 있어서, 금속모재 및 미끄름면을 형성하는 미끄름면부재를 준비하는 공정(I)과, 금속모재의 적어도 1개소에 미끄름면 부재를 고정하기 위하여, 상기 모재와 상기 미끄름면부재의 쌍방에 접합면이 되는 맞춤면을 가공하는 공정(II)과, 쌍방의 맞춤면을 대향시켜서 금속모재에 미끄름면부재를 가열고정하는 공정(III)을 포함하는 것을 특징으로 하는 미끄름부품의 제조방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 (III)의 공정에서, 금속모재부분의 형성과 미끄름면부재의 크라우닝형상형성을 동시에 행하는 것을 특징으로 하는 미끄름부품의 제조방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기 (III)의 공정에서, 상기 크라우닝형상의 미끄름면을 특정형상의 금형에 압압하고, 동형상을 조정하는 것을 특징으로 하는 미끄름부품의 제조방법.
  23. 제20항에 있어서, 상기 금속 모재가 강재이며, 상기 (II)의 공정과 (III)의 공정의 사이에 상기 모재를 침탄처리하는 공정과 상기 (III)의 공정에 부가하여, 또 상기 모재의 미끄름면에 담금질처리하는 공정(IV)을 포함하는 것을 특징으로 하는 미끄름부품의 제조방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 (IV)의 담금질처리온도가 상기 (III)의 가열고정온도 이하인 것을 특징으로 하는 미끄름부품의 제조방법.
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