KR100422092B1 - 습동부품및그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 습동부품 및 그 제조방법에 관한 것으로, 초경합금의 내마모재와 철계모재의 접합체 형태를 가지는 습동부품에 있어서, 탄화물, 질화물, 붕화물 등의 경질입자와 니켈기지에 액상온도를 낮추는 금속이 포함된 결합제로 이루어진 초경합금의 소결체를 철계합금의 모재에 별도의 용가재를 사용함이 없이 직접 가열접합하므로써 우수한 접합강도를 가지게 된 것이다.

Description

습동부품 및 그 제조방법{Sliding parts and manufacturing method thereof}

본 발명은 습동부품 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 탄화물, 질화물, 붕화물 등의 경질입자와 금속계의 결합제로 이루어진 초경합금의 성형체를 1차가열하여 가소결체로 만들고, 그 가소결체를 철계합금으로 이루어진 모재위에 얹어 2차 가열하여 접합하므로써, 별도의 용가재를 사용하지 않고 제조한 초경합금의 내마모재와 철계 모재의 접합체 형태를 가지는 습동부품 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 초경합금은 텅스텐 탄화물, 크롬탄화물 등의 탄화물, 질화물, 붕화물 등과 같은 경질의 강화입자와 니켈, 코발트 등의 단일금속 혹은 니켈합금, 코발트합금의 결합제로 구성되어 있는 것으로, 내마성이 우수하여 공구류 및 내마모성이 크게 요구되는 내연기관의 습동부품에 널리 사용되고 있다.

이러한 초경합금을 내연기관의 습동부품과 같은 내마모성 부품으로 이용하기위해서는 용가재 금속을 이용하여 금속모재에 접합한 뒤 사용하는 것이 일반적이나, 이러한 용가재 금속을 이용하여 접합할 경우 초경합금 및 접합모재와의 접합성이 우수하여야 할 뿐아니라 용가재 금속자체의 강도, 내충격성 등의 기계적 특성에 의해 접합체의 기계적 특성이 제한되는 문제점이 있기 때문에, 용가재 금속을 사용하지 않고 내마모재와 철계 모재를 직접 접합하는 방법이 기계적 특성과 경제적인 측면에서 유리하다.

이러한 내마모부재와 모재를 직접 접합하는 방법이 일본국 특개소 62-182407 및 일본국 특개소 62-185806에 개시되어 있는 바, 이 방법에 따르면 탄화물 등의 경질입자와 니켈 및 니켈합금으로 이루어진 결합재 분말을 성형하고, 이 성형체를 접합모재 상에서 소결시키므로써 초경합금의 소결과 접합을 동시하므로써 접합체를 제조하고 있다.

그러나 성형체를 모재에 소결과 동시에 접합시키는 종래의 방법을 따르게 되면, 성형체는 형태만 유지하고 있을 뿐 자체 강도가 매우 낮으므로 취급상에 어려움이 많이 있고, 접합체에 직접적으로 하중을 가할 수 없게 되어 접합체의 상태를 개선시키기 어려운 문제점이 있다. 또한 성형체의 소결시 수축이 발생되기 때문에 최종 접합체의 치수를 정밀하게 제어하기 어려워서, 소결공정후 후가공처리가 요구되는 문제점도 있다. 따라서 성형체를 모재에 소결과 동시에 접합하는 종래의 방법 보다는 성형체를 미리 소결 또는 예비소결한 상태에서 모재와 접합시키는 것이 유리하다.

이에 본 발명은 용가재 금속을 사용하지 않고, 초경합금의 소결체를 철계합금으로 이루어진 모재와 직접 접합하거나 탄화물, 질화물, 붕화물 등 경질의 입자와 금속계 결합제의 혼합분말을 가소결체로 만들고, 그 가소결체를 접합하려는 철계합금 상에서 소결하여 소결과 동시에 접합이 이루어지는 습동부품 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 습동부품을 구성하는 내마모재와 모재를 도시한 도면,

도 2는 접합공정 후의 내마모재의 접합체를 도시한 도면,

도 3은 접합이 완료된 상태의 접합계면을 도시한 모식도이다.

이하, 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 습동부품의 단면을 모식적으로 도시한 도면으로, 내마모재(1)와 모재(2) , 예컨대 탄화물게 초경합금과 강의 접합제로 이루어져 있다. 내마모재(1)는 탄화물, 질화물, 붕화물 등의 경질입자와 액상온도 저하원소가 첨가된 니켈기지의 결합제의 혼합분말을 가열하여 소결한 소결체(1a), 성형체를 소결온도보다 낮은 온도에서 예비소결한 가소결체(1b) 등이며, 모재(2)는 주철, 탄소강 및 합금강 등의 철계합금이다.

내마모재(1)과 모재(2)를 원하는 접합면에 대하여 서로 접촉시킨 후 소정의 온도로 가열하여 도 2와 같은 접합체를 제조한다.

도 1의 내마모재(1)에 있어서 경질입자, 예를 들면 텅스텐 탄화물의 비율은 60-90% 정도가 적정하다. 탄화물의 양이 60%이하가 되면 습동부품으로서 요구되는 경도를 얻을 수 없으며, 90%이상이 되면 모재와의 접합에 기여하는 결합재의 양이 적어서 충분한 접합강도를 얻을 수 없다.

내마모재의 결합제로는 코발트보다는 액상온도를 낮추는 원소들인 실리콘,크롬, 철, 붕소 등의 원소와 합금화가 용이한 니켈이 바람직하다. 결합제의 액상형성온도를 낮추는 원소로 실리콘과 붕소를 선택하여 초경합금의 소결성 및 인성 등의 기계적 성질을 크게 해치지 않는 범위에서 표 1에서와 같이 두원소의 적정한 첨가량을 결정하였다

실리콘의 양이 적으면 액상형성 온도를 낮추는 효과가 적어서 접합상태가 불량하고, 실리콘이 증가할수록 고용강화에 의해 결합재의 경도를 높이는 효과가 있으나, 실리콘의 양이 너무 많아지면 니켈과 화합물을 형성하여 내마모재를 취약하게 만든다. 붕소의 양이 너무 적으면 실리콘의 경우와 마찬가지로 액상형성 온도를 낮추는 효과가 미미하여 접합상태가 불량하였으며 붕소가 너무 많을 경우는 결합제와 탄소강재인 모재사이에 합금화가 일어나 접합계면에 취약한 상을 형성하여 접합강도에 문제가 발생한다. 적정한 액상온도 저하 원소의 첨가량은 니켈기지에 대하여 실리콘 3-12wt%, 붕소 2-10wt%정도이다.

위의 조성으로 제조한 분말로 성형체를 제조하여 900-1400℃ 온도범위에서접합실험을 행하였다. 표 2에 나타난 바와 같이, 1000℃이하의 온도에서는 접합이 일어나지 않았다. 1300℃이상의 온도에서는 접합계면에 취약한 화합물이 생성되어 접합강도가 낮아지고, 내마모재 및 모재의 변형이 심하였다. 접합온도는 1000 - 1300℃의 범위에서 안정한 접합이 이루어졌다.

[표 2]

따라서 본 발명에서는 결합재인 니켈기지에 실리콘 3 - 12wt%, 붕소 2-10wt%을 액상온도 저하원소로 첨가한 소결체를 1000-1300℃의 온도로 가열하여 접합하므로써 양호한 접합상태를 가지는 내마모재와 모재의 접합체를 얻을 수 있었다.

상기 조성의 혼합분말의 성형체를 700-900℃의 온도에서 별도의 예비소결을 행하여 어느 정도의 강도를 가지는 가소결체를 제작하고, 이를 모재와의 접합면에 접촉시킨 후 가열하여 소결 및 접합을 동시에 행하였다. 소결접합 온도범위는 1000-1300℃였다. 이 경우에도 소결체를 접합한 경우와 마찬가지로 양호한 접합체를 얻을 수 있었다.

[실시예A]

니켈기지에 액상온도를 낮추는 금속인 실리콘과 붕소를 각각 9.0wt%, 8.0wt%첨가한 결합재와 텅스텐 탄화물로 구성된 경질입자를 25:75의 비율로 혼합하였다. 상기의 혼합분말에 1.0wt%의 윤활제(kenolube)를 첨가하였다. 이 혼합분말을 성형하고 1200℃에서 60분간 소결하여 소결체를 제조하였다. 소결체는 HRA 86이상의 경도를 나타내었다.

이렇게 제조한 소결체를 탄소강(SM45C)으로 제작한 접합모재와 접합온도 1150℃에서 60분간 유지하여 접합을 행하였다. 강과의 접합에 있어서 접합면의 강쪽부위에 용융으로 인한 기공 등이 형성되지 않고 연속적인 접합계면이 형성되어진 것을 알 수 있다. 접합한 시편의 전단강도를 측정한 결과 접합체의 전단강도는 400kg/㎠이상이었다.

[실시예B]

실시예A에 사용한 합금분말을 2Ton/㎠의 성형압으로 프레스성형하여 성형체를 제조하였다. 성헝체를 850℃에서 60분간 가열하여 경도 HRA 60이상의 가소결체를 제작하고, 이를 다시 탄소강(SM45C)으로 제작한 접합모재와 결합하여 1200℃에서 90분간 재소결을 행하였다. 소결체는 HRA 86이상의 경도를 나타내었으며, 접합 계면의 상태는 소결체를 접합한 경우와 동일한 양상을 나타내었다. 접합한 시편의 전단강도를 측정한 결과 접합체의 전단강도는 400kg/㎠이상이었다.

[실시예C]

실시예 A에 사용한 합금분말을 2ton/㎠의 성형압으로 프레스 성형하여 성형체를 제조하였다, 성형체를 탄소강(SM45C)으로 제작한 접합모재 위에 놓고 200g의 하중을 가하면서 1050℃에서 60분간 접합하였다. 소결체는 HRA86이상의 경도를 나타내었으며, 접합계면에서 미접합부는 전혀 관찰할 수 없었다, 접합한 시편의 전단 강도를 측정한 결과 접합체의 전단강도는 400kg/㎠이상 이었다.

습동면을 가지는 부품에 있어서 습동면의 내마모성을 향상시키기 위해 내마모재와 철계합금의 접합체를 형성하는 방법들이 많이 제안되어 왔다. 본 발명에서는 용가제 금속 없이 내마모재의 소결체 및 가소결체와 철계의 모재가 직접 접합하는 것이 가능하며, 우수한 접합강도를 가짐과 동시에 경제성있는 접합체를 제조하였다.

Claims (8)

1. 탄화물, 질화물, 붕화물등의 경질입자와, 니켈기지에 액상온도를 낮추는 원소가 포함된 결합재로 이루어진 합금분말을 성형한 초경합금의 소결체를 철계합금의 모재에 접합하여서 된 습동부품에 있어서,

   상기 액상온도를 낮추는 원소는 실리콘과 붕소인 것을 특징으로 하는 습동부품.
2. 제1항에 있어서, 상기 실리콘은 결합재중 3-12wt%, 붕소는 결합재중 2-10wt%인 것을 특징으로 하는 습동부품.
3. 경질입자 분말과, 니켈기지에 액상온도를 낮추는 원소가 포함된 금속계의 결합재 분말을 혼합한 초경합금 분말로 성형체를 만들고, 이 성형체를 철계 모재에 접합하여 습동부품을 제조하는 방법에 있어서,

   상기 성형체를, 결합재가 액상을 형성하는 온도보다 낮은 온도로 1차 가열하여 가소결체를 제작하고, 이 가소결체를 모재에 올려놓고 결합재가 액상을 형성하는 온도 이상으로 2차 가열하여 소결접합하는 것을 특징으로 하는 습동부품 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 액상온도를 낮추는 원소는 실리콘과 붕소인 것을 특징으로 하는 습동부품의 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 실리콘은 결합재중 3-12wt%이고, 붕소는 결합재중 2-10wt%인 것을 특징으로 하는 습동부품의 제조방법.
6. 제3항에 있어서, 상기 1차 가열온도는 700내지 900℃인 것을 특징으로하는 습동부품의 제조방법.
7. 제3항에 있어서, 상기 2차 가열온도는 1000내지 1300℃인 것을 특징으로 하는 습동부품의 제조방법.
8. 제3항에 있어서, 상기 성형체는 프레스로 가압성형하여 제작하는 것을 특징으로하는 습동부품의 제조방법.