KR100316558B1

KR100316558B1 - 알루미늄합금계 미끄럼재료

Info

Publication number: KR100316558B1
Application number: KR1019997010678A
Authority: KR
Inventors: 무라마쯔쇼고; 홍수명
Original assignee: 후쿠마 노부오; 타이호 코교 가부시끼가이샤
Priority date: 1998-03-18
Filing date: 1999-03-17
Publication date: 2001-12-12
Also published as: KR20010012717A; JP3207863B2; US20020192487A1; EP1006210A1; WO1999047724A1; EP1006210A4

Abstract

미끄럼특성이 요구되는 Al합금에 있어서, Si를 12∼60함유하는 Al합금을 용사함으로써, Si입자의 편상(片狀)화를 피해서 입상화함으로써 뛰어난 미끄럼특성을 단성한다. Si외에 0.1∼30의 Sn을 함유할 수 있다.

Description

알루미늄합금계 미끄럼재료{ALUMINUM ALLOY-BASED SLIDING MATERIAL}

내마모성이나 내시저성 등의 성질이 요구되는 알루미늄합금계 미끄럼재료로서는 종래 이하의 것이 알려져 있다.

(a) 공정Si 또는 초정Si에 의한 내마모성을 이용한 Al-Si계 용제합금(Alusil alloy), 이 합금에서는 Si합금유량은 일반적으로 3∼18이며, 단조나 주조등에 의해 소재형상으로 가공된다.

(b) 알루미늄합금을 압연판으로 가공하고 또한 열처리하는 과정에 있어서 Si입자, Fe입자 등의 경질입자를 괴상화한 알루미늄합금(본출원인의 독일특허 제 3249133호). 이 합금의 괴상Si등이 상대축을 길들이게 함으로써 뛰어난 내시저성등을 달성하고 있다.

(c) Al-Sn계 합금에 소량의 Cr을 첨가함으로써, Sn상(phase)의 조대화(粗大化)를 방지하고 내피로성을 높인 알루미늄합금(본출원인의 미국특허 4153756호).

(d) 급냉응고분말을 사용한 분말야금합금(예를 들면 일본국 특허게재공보 제 2535789호). 이 공보에서는 15∼30wt의 Si을 함유하는 알루미늄합금용탕을 급냉응고시킨 분말을, 호트프레스하고 다음에 열간압출함으로써 내마모성, 기계적강도, 경량성, 저열팽창률 등의 특성이 뛰어난 미끄럼재료를 제조하고 있다.

알루미늄합금이외의 주요미끄럼재료인 켈밋 등의 구리합금은 환경오염물질인 Pb를 함유하고 있는 일이 많기 때문에, 장내는 사용이 규제될 사태가 예측된다. 또한, 구리합금의 미끄럼재료를 용사하는 기술은 본출원인등의 국재공개공보 WO95/25224에서 공지이다.

용사기술을 미끄럼재료의 제조에 적용하는 일은, 'Tribologist' Vol41. No.11(1996), 제 19∼24페이지(일본어)에 개략 설명되어 있으나, 알루미늄계 재료의 용사에 대해서는 순Al에만 언급되어 있는데 불과하다.

상기 (a)∼(c)의 합금은 Si함유량이 20를 넘으면 주조가 곤란하게 되고, 단조 등의 가공은 더욱 곤란하게 된다. 따라서, 이들 합금의 내마모성은 Si량에 의해 제약되고 있다.

상기 (d)의 합금은 다량의 Si를 함유할 수 있으나, 호트프레스나 열간압출등의 성형방법을 채용할 필요가 생기므로, 예를 들면 내연기관의 메인베이링용 절반분할베어링(통칭「메탈」)등에의 적용은 사실상 불가능하다.

따라서, 본 발명자들은 공정 및 과공정영역의 Al-Si계 알루미늄합금계 미끄럼재료를 간단한 방법으로 각종 미끄럼부재형상으로 가공하고, 또한 종래의 용제재료보다 현저하게 뛰어난 미끄럼특성을 발휘시키기 위한 연구를 행하였다.

[발명의 개시]

본 발명자는 예의 실험을 행하여, 공정 및 과공정영역의 Al-Si계 알루미늄합금의 용사피막은 기판과의 밀착성이 뛰어나있고, 또 Si입자가 미세화되는 것을 발견하여, 본 발명을 완성했다.

즉, 본 발명의 제 1은, Si를 20∼60중량함유하고, 나머지부가 실질적으로 Al로 이루어지고, 입상(粒狀)Si입자를 매트릭스속에 분산시킨 용사알루미늄합금이고, 본 발명의 제 2는, Si를 20∼60중량및 Sn을 0.1∼30중량함유하고, 나머지부가 실질적으로 Al로 이루어지고, 입자형상Si입자 및 Sn을 매트릭스속에 분산시킨 용사알루미늄합금이다.

본 발명에 있어서의 「용사」(spraying)는, JIS공업용어대사전, 제 4판, 제 1946페이지의 정의에 준거하여 「물질을 열원에 의해 용융 또는 반용융상태로해서, 기판에 스프레이해서 막을 형성한다」는 것을 가리킨다. 보다 구체적으로는 「물질」이란 알루미늄합금 또는 그 원료, 예를 들면 Al과 Si분말이다. 반용융상태란, 예를 들면 고 Si의 Al-Si합금과 같이 융점이 높은 재료의 온도가 고액(固液)공존상태, 또는 후술하는 바와 같이 일부의 분말이 용융하지 않는 상태이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 또한 백분율은 특별히 언급하지 않는한 중량이다.

용사구리합금에 대해서는, Cu-Pb합금을 예로서, 본출원인이 다른출원인과 함께, EP0713972A1에 대해서상세히 설명한 대로이며, 액적(液滴)이 급냉응고하는 점에서는 Al합금의 예와 공통되어 있으나, 용사Al-Si합금의 하나의 특징은 첨가원소(Si)가 매트릭스원소(Al)보다 융점이 높은점에 있다. 이 결과로서, Si는 입상형태로 알루미늄매트릭스속에 미세하게 또한 다량으로 분산해서 합금의 경도를높여서 내마모성을 향상시킨다고하는 본 제 1발명의 Al-Si계 합금의 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 있어서, 입자형상Si입자란 종래의 용제(溶製)합금의 초정Si나 압연합금의 Si입자에서 볼 수 있게 되는, 일방향의 명백하게 긴 방향성있는 것과 같은 입자형상이 아니고, 어느 방향으로도 거의 동일한 치수의 구상(球狀), 괴상, 다각형, 그외에 이들로 분류되지 않은 부정형형상이다. 또, 종래의 용제합금에서는 판연한 초정Si과 공정Si의 구별은 본 발명의 경우는 소실되어 있다. 이 입자형상Si입자는 상기 독일특허의 괴상입자의 동일형상일때도 있으나, 대체로 이것보다는 둥그스름한 모양을 띠고있다. 둥그스럼한 형상은 단경(短涇)/장경(長徑)에 의해 정량적으로 표현할 수 있으며, 본 발명의 입상Si는 이 값이 대체로 1/3이상이다.

미세하고 또한 다량으로 분산된 입상Si입자는 알루미늄매트릭스가 상대축과 응착하는 것에 기인한 시저를 일어나기 어렵게하고 있다.

용사합금의 경도는 Hv100∼600의 범위에 있다. 종래의 12i함유알루미늄합금에서는 경도가 Hv70∼150이므로, 본 발명의 용사층은 매우 경질이라고 말할 수 있다.

이하, 본 발명의 알루미늄합금의 조성을 설명한다.

본 발명의 알루미늄합금의 Si함유량이 12미만에서는 내마모성과 내시저성향상의 효과가 적고, 60를 초과하면 강도저하가 현저하고, 내마모성의 저하를 초래한다. 바람직한 Si험유량은 15∼50이다. Si입자의 치수가 50㎛를 넘으면 Si입자의 탈락이 일어나기 쉽게된다. 바람직한 치수는 1∼40㎛이다.

다음에, 본 제 2발명의 Al-Si-Sn계 합금은 종래 Al-Sn합금이 사용되고 있던 메탈, 부시 등의 내마모, 내시저부품으로서의 뛰어난 내마모성과 내시저성을 가진 재료이다. Si의 형상 및 함유량은 제 1발명에 대해서 설명한 부분과 공통되어 있다. Sn은 윤활성이나 길들림성을 부여하는 성분이며, 균일하게 알루미뉴매트릭스속에 분산되어 있다. 또, Sn은 상대축에 우선적으로 부착해서, 상대축에 응착한 Al과 베어링의 Al의 동일종류재료끼리의 미끄럼이 일어나는 것을 방해해서, 내시저성을 높인다.

Sn함유량이 0.1미만에서는 윤활성 등의 향상효과가 적고 30를 넘으면 합금의 강도가 저하한다. 바람직한 Sn함유량은 5∼25이다.

본 발명의 합금속에 다수존재하는 Si입자중 서브미크론의 미립자는 Sn의 지극히 근처에 존재해서, Sn의 조대화를 방해함으로써 내피로성을 향상시키고 있다고 생각된다.

제 1발명 및 제 2발명의 알루미늄합금은 다음의 임의원소를 함유할 수 있다.

Cu: Cu는 알루미늄매트릭스에 과포화로 고용해서 그 강도를 높임으로써, 알루미늄의 응착마모나, Si입자가 탈락하는 것에 기인한 마모를 억제한다. 또 Cu는 Sn의 일부와 Sn-Cu금속사이 화합물을 생성해서 내마모성을 높인다. 그러나, Cu의 함유량이 7.0를 넘으면 합금이 지나치게 경화되기 때문에 미끄럼부재로서 부적당하게 된다. 바람직한 Cu 함유량은 0.5∼5이다.

Mg: Mg는 Si의 일부와 화합해서 Mg-Si금속사이화합물을 생성해서 내마모성을높인다. 그러나 Mg의 함유량이 5.0를 넘으면, 조대한 Mg상이 생성되어 미끄럼특성이 열악화된다.

Mn: Mn은 알루미늄매트릭스에 과포화로 고용해서 그 강도를 높임으로써 Cu와 마찬가지의 효과를 가져온다. 그러나, Mn의 함유량이 1.5를 넘으면 합금이 지나치게 경화되기 때문에 미끄럼부재로서 부적당하게 된다. 바람직한 Mn함유량은 0.1∼1이다.

Fe: Fe는 알루미늄매트릭스에 과포롸로 고용해서 그 강도를 높임으로써 Cu와 마찬가지의 효과를 가져온다. 그러나, Fe의 함유량이 1.5를 넘으면 합금이 지나치게 경화되기 때문에 미끄럼부재로서 부적당하게 된다. 바람직한 Fe함유량은 0.1∼1이다.

Ni: Ni는 알루미늄매트릭스에 과포화로 고용해서 그 강도를 높임으로써 Cu와 마찬가지의 효과를 가져온다. 그러나, Ni의 함유량이 8를 넘으면 합금이 지나치게 경화되기 때문에 미끄럼부재로서 부적당하게 된다. 바람직한 Ni함유량은 0.1∼5이다.

계속해서, 용사합금의 특징을 설명한다.

본 발명에 있어서는, 상기 Tribologist의 제 20페이지, 도 2에 게재되어 있는 각종 용사법을 채용할 수 있으나, 그 중에서도 고속가스화염용사법(HVOF, High velocity oxyfuel)을 바람직하게 채용할 수 있다. 이 방법은 동 제 20페이지우란 제 4∼13째줄에 기재된 특장을 가지고 있으므로, 특장이 있는 Si입자형태를 얻을 수 있다고 생각된다. 용사된 Al은 급냉응고에 의해 다량의 Si을 고용해서 경화되어 있기 때문에, Si입자의 유지력이 높은 특장을 가지며, 이 때문에 Si입자탈락에 의한 마모를 억제할 수 있다. 용사분말로서는 Al-Si합금, Al-Si-Sn합금 등의 애터마이즈분말을 사용할 수 있다. 이들 애터마이즈분말은 완전히 기판위에서 용융하여 그후 응고해도 되고, 또는 일부가 미용해상태로 기판위에 피착되어 분말의 조직이 남도록 해도 된다.

용사조건으로서는, 산소압력이 0.45∼0.76㎫, 연료압력 0.45∼0.76㎫, 용사거리 50∼250㎜가 바람직하다. 용사층의 두께는 10∼500㎛, 특히 10∼300㎛가 바람직하다.

용사합금을 형성하는 기판으로서는, 철, 구리, 알루미늄 등의 각종금속기판을 사용할 수 있다. 기판의 형상은, 판형상, 원판형상, 관형상 등 임의이다. 기판의 표면은 쇼트블라스트등에 의해, 바람직하게는 Rz 10∼60㎛의 표면거칠음으로 조면화해두면, 막의 밀착강도가 높아진다. 구체적으로는 전단파괴시험법에 의해 밀착강도를 측정하였던바, 강(鋼)기판(쇼트블라스트)에 대한 용사Ni피막의 밀착강도가 30∼50㎫였는데 대해, 본 발명피막의 밀착강도는 40∼60㎫였다. 따라서 종래 밀착성이 좋다고 밀하고 있는 Ni용사피막보다 높은 밀착강도를 얻을 수 있다.

용사합금은 열처리를 실시해서 경도를 조정할 수 있다.

용사합금을 오버레이없이 사용할 경우는, 용사표면을 Rz 3.2㎛이하로 마무리하는 것이 바람직하다. 오버레이를 사용할 경우는 Sn계, Pb-Sn, MoS₂, MoS₂-그래파이트 등의 길들임성에 뛰어난 각종 연질피막을 사용해서 내시저성을 향상시킬 수있다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 설명한다.

본 발명은, 미끄럼특성에 뛰어난 알루미늄합금에 관한 것이며, 더욱 상세히 설명한다면 용사기술을 이용해서 미끄럼특성을 높인 알루미늄합금에 관한 것이다.

도 1은, 실시예 1의 용사알루미늄합금의 현미경조직을 표시한 사진이다.

[발명을 실시하는 최량의 형태]

실시예 1

표 1의 조성이 되도록, 이들 금속분말의 혼합물을 준비했다. 한편 시판의 순알루미늄압연판에 스틸그리드(치수 0.7㎜)에 의한 쇼트블라스트를 실시하고, 표면을 거칠음 Rz 45㎛로 조면화했다.

HVOF형용사기(Sulzer Meteco회사제 DJ)를 사용하여, 하기조건에서 용사를 행하였다.

산소압력: 150psi

연로압력: 100psi

용사거리: 180㎜

용사층두께: 200㎛

이 결과, 경도 Hv=180∼250, 평균입상 Si입자치수 3㎛의 용사층이 형성되었다. 이 표면을 Rz 1.2㎛로 마무리한 후 상대재를 강축(SUJ2 담금질, 직경 15㎜)으로해서 마모시험을 하기조건으로 행하였다. 마모시험은 다음조건으로 행하였다.

시험기: 3핀/디스크마찰마모시험기

하중: 40㎏/㎠

회전수: 700rpm

윤활: 나프텐계오일

시험시간: 120분

마모시험의 결과를 표 1에 표시한다.

실시예의 용사알루미늄합금조성(wt) 및 마모량(㎛)

번호	Al	Si	Sn	Cu	Mg	Mn	Fe	Ni	마모량
1	나머지	40	-	-	-	-	-	-	3
2	나머지	35	10	-	-	-	-	-	2
3	나머지	49	-	2.8	0.7	0.5	0.7	-	1
4	나머지	21.7	30	4.3	-	-	-	2.2	2

비교예 1

실시예 1과 마찬가지의 조건으로 순알루미늄의 용사층을 형성하여, 마찬가지 마모시험을 행하였다.

비교예 2

주조합금으로서 내마모성이 거의 최고가 되는 Si 17함유하는 Al-Si모래주형 주조재를 공시재(供試材)로 해서, 실시예 1과 마찬가지의 시험을 행하였다.

시험의 결과를 표 2에 표시한다.

비교예의 알루미늄합금조성(wt) 및 마모량(㎛)

번호	Al	Si	Sn	Cu	Mg	Mn	Fe	Ni	마모량
1*	100	-	-	-	-	-	-	-	50
2+	나머지	17	-	-	-	-	-	-	4

비고: 1*: 용사재 2+: 주조재

실시예 2

실시예 1의 번호 1의 용사알루미늄합금 및 이것에 두께가 10∼20㎛의 MoS₂+폴리아미드이미드수지피막, Sn도금피막을 형성해서 시저시험을 행하였다. 시저시험방법은 이하와 같았다.

시험기: 3핀/디스크마찰마모시험기

하중: 하중점증식

회전수: 700rpm

유활: 나프텐계오일

시험의 결과 다음의 시저하중을 얻을 수 있었다.

연질피막없음 : 80㎏/㎠에서 눌어붙음

MoS₂+폴리아미드이미드수지피막 : 150㎏/㎠이상

Sn도금피막 : 150㎏/㎠이상

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 과공정Al-Si합금을 슈, 메탈 등의 각종 미끄럼부품의 형상으로 용이하게 성막할 수 있다. 또, 본 발명 합금의 성능은 종래의 용제 Al-Si합금과 비교해서 뛰어나 있기 때문에, 미끄럼부품의 발전에 기여하는 바크다.

Claims

Si를 12∼60중량함유하고, 나머지부가 실질적으로 Al로 이루어지고, 입상Si를 매트릭스속에 분산시킨, 특히 미끄럼재료로서 적합한 용사알루미늄합금.
Si를 12∼60중량및 Sn을 0.1∼30중량함유하고, 나머지부가 실질적으로 Al로 이루어지고, 입상Si입자 및 Sn입자를 매트릭스속에 분산시킨 용사알루미늄합금.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 7.0중량이하의 Cu, 5.0중량이하의 Mg, 1.5중량이하의 Mn, 1.5중량이하의 Fe 및 8.0중량이하의 Ni로 이루어진 군의 적어도 1종의 원소를 함유하는 용사알루미늄합금.
제 1항∼제 3항의 어느 한 항에 있어서, 상기 입상Si의 평균입자직경이 50㎛이하인 용사알루미늄합금.
제 1항∼제 4항의 어느 한 항에 있어서, 표면을 조면화한 금속기판에 피착된 용사알루미늄합금.
제 5항에 있어서, 상기 용사알루미늄합금의 표면에 연질막을 피착한 것을 특징으로 하는 용사알루미늄합금.