KR100528499B1

KR100528499B1 - 석출상이 분산제어된 내마멸성 윤활합금

Info

Publication number: KR100528499B1
Application number: KR10-2003-0063159A
Authority: KR
Inventors: 하헌필; 심재동; 김경탁
Original assignee: 한국안티겔링메탈 주식회사
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-11-15
Also published as: AU2003265130A1; EP1678338A1; JP4468301B2; US7531130B2; EP1678338A4; CN100366774C; CN1839211A; KR20050026177A; WO2005024078A1; JP2007528441A; US20070113934A1

Abstract

본 발명은 석출상이 분산제어된 내마멸성 윤활합금(Anti-galling)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 Ni, Cr, Sn, Bi, Mo, Fe, Si 및 Te가 일정 조성비를 이루고 있는 합금으로, 기지조직이 치밀한 수지상 조직(dendrite)을 이루고 있고, Bi 석출상이 수지상에 미세하게 분산 제어되어 있음으로써 윤활 특성이 현저히 개선됨은 물론 내식성, 경도 등의 물리화학적 특성이 크게 개선되어 로타, 샤프트, 밸브, 기계식 밀폐부(mechanical sealing) 등 각종 기계장치의 습동부품용 소재로 활용되어 부품수명의 연장과 함께 기계정밀도의 향상에 크게 기여하게 되는 신규 조성의 윤활합금에 관한 것이다.

Description

석출상이 분산제어된 내마멸성 윤활합금{Anti-galling alloy with finely dispersed precipitates}

'윤활합금'이라 함은 타 금속과 서로 접촉하여 움직일 때 마찰계수가 매우 낮아 마손이 적고 또한 접촉응력에 의한 응력파괴가 일어나지 않아 표면상태가 매끈하게 유지되는 금속을 일컫는다. 따라서 윤활합금은 금속과 금속이 접촉하는 습동부를 갖는 각종 산업용 기계장치에 광범위하게 이용되고 있다.

종래 윤활합금으로서는 납(Pb) 함유 합금이 사용되어 왔다. 그러나, 납(Pb)의 유해성 때문에 근래에는 납(Pb)이 함유되지 않은 합금이 개발되어 사용되고 있는 바, 그 대표적인 것이 Bi가 첨가된 Ni기 또는 Cu기 합금[미국특허 제3,145,099호, 제4,702,887호, 제5,242,657호, 제6,059,901호 및 제5,846,483호] 등이다.

특히, Ni-Cr-Sn-Bi계 합금은 유해원소인 납(Pb)을 전혀 함유하고 있지 않으면서도 윤활 특성도 비교적 양호하므로, 구동기계장치의 로타, 샤프트, 밸브, 기타 기계식 밀폐부(mechanical sealing)용 부품소재 등으로 사용되는 대표적인 합금으로 알려져 있다. 그러나, 기존 Ni-Cr-Sn-Bi계 합금은 내마모성이 충분하지 못하고 특히 상대금속으로 주로 사용되는 스테인레스강과 접촉하여 사용하는 경우 표면이 거칠게 벗겨지는 마멸 현상이 나타나고 있고, 재료의 마모손실도 비교적 빠르게 진행되어 재료수명의 단축과 함께 기계정밀도를 저하시키므로 각종 기계장치의 습동부품이나 밸브용 소재로 사용하는데 문제가 있다.

윤활합금의 내마멸(Anti-galling) 특성을 결정짓는 가장 중요한 요인으로는 합금조성과 내부조직을 뽑을 수 있다. 종래에는 합금 조성의 개선을 통하여 내마멸내마멸(Anti-galling) 효과를 얻고자 하는 연구가 주로 이루어졌다.

그러나, 본 발명자들은 합금 조성의 개선에 의한 기질조직의 변화를 통하여 윤활특성, 내식성, 경도 등이 크게 개선된 합금을 제조하고자 연구 노력하였고, 합금의 기지조직으로는 결정립의 크기가 가능한 작고, 윤활작용에 기여하는 석출물을 미세화하여 기지조직(matrix)에 균일하게 분산시키는 것이 필요하다는 것을 알게 됨으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 윤활특성, 내식성, 경도 등이 크게 개선되어 로타, 샤프트, 기계식 밀폐부(mechanical sealing) 등 각종 기계장치의 습동부품용 소재로 유용한 윤활합금을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은Ni 70 ∼ 75 중량%, Cr 8 ∼ 14 중량%, Bi 3 ∼ 7 중량%, Sn 3 ∼ 6 중량%, Mo 1 ∼ 4 중량%, Fe와 Si의 합량이 0.2 ∼ 2 중량% 및 Te 1 ∼ 3 중량%의 범위로 이루어지며 열처리 없이 주조한 상태에서 사용되는 수지상 조직(dendritic structure)의 내마멸성 윤활합금을 그 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 윤활합금을 구성하는 성분으로서 Ni는 기계적 강도와 내마멸성(galling)성의 확보를 위하여 사용되는데, 사용량이 70 중량% 미만이면 상기한 효과가 충분히 발현되지 않으며, 75 중량%를 초과하면 강도가 너무 과다하게 된다. Cr은 주로 저 열팽창성과 내식성에 영향을 주는 성분으로서 황산, 염산 등의 산용액에서 우수한 내식성을 가지려면 상기 범위로 사용되어야 좋은데 상기 범위 미만이면 내식성이 우수하지 않고, 상기 범위를 초과하여 사용되면 가공성과 주조성이 저하되는 문제점이 있다. Bi는 결정립계에 석출하여 윤활작용을 하는 성분으로 Ni 및 Sn과 금속간 화합물을 형성하여 내마멸성을 향상시키기 위하여 사용되는데, 사용량이 3 중량% 미만이면 상기 효과를 기대하기 어렵고, 사용량이 7 중량%를 초과하면 열간가공성이 저하하고 용해시에 황색 흄(hume)이 과도하게 발생한다. Sn은 기지조직 내에서 Bi 석출상이 고르게 분산되도록 하는 분산제 역할을 하는 성분으로서, Bi와 저융점 금속간 화합물을 형성하여 비중이 큰 Bi의 편석을 방지하고 윤활성의 개선효과를 가져오는 성분이며, 사용량이 3 중량% 미만이면 상기 효과를기대할 수 없고, 사용량이 6 중량%를 초과하면 열간가공성이 저해되는 문제점이 있다. Mo는 강도와 내마모성 증대에 영향을 주는 성분으로서 사용량이 1 중량% 미만이면 상기 효과를 기대할 수 없고, 사용량이 4 중량%를 초과하면 내마멸성(galling)이 저하되는 문제가 있다, Si는 용탕의 유동성 개선으로 주조성을 향상시키고 용해시에 탈산작용을 하며 타성분과의 밸런스면에서 사용량이 2 중량% 이하인 것이 좋다. 그리고, 본 발명이 특징적으로 사용하는 성분으로서 Te는 합금의 기지조직을 수지상 조직(dendritic structure)으로 만들고, 윤활작용을 하는 Bi 석출상이 수지상 간격에 미세하게 분포시키는 작용을 함으로써 윤활 특성을 현저하게 개선시키는 역할을 하는데, 사용량이 1 중량% 미만이면 상기한 효과를 기대할 수 없고, 사용량이 3 중량%를 초과하면 열간가공성을 저해시키는 문제점이 있다.

상기한 합금 조성성분 및 함량비는 상기 범위로 유지되었을 때만이 진정으로 본 발명이 목적하는 윤활합금을 제조할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 Te가 첨가된 윤활합금과 Te가 첨가되지 않은 종래 Bi 윤활합금에 대한 내부조직과 Bi 석출물의 분포상태를 비교하기 위한 광학 현미경 사진(×50)이다. 본 발명의 합금조직은 치밀한 수지상(dendrite)으로 되어 있는데 반하여, 종래의 합금에서는 결정립이 조대한 등축정(equiaxed grain)으로 되어 있어 기지조직에서 큰 차이를 갖는다. 또한, Bi 석출물(검은 색 부분)의 분포상태를 보면 본 발명의 합금에서는 치밀하게 성장한 수지상 사이의 좁은 간격에 미세한 석출물이 총총하고 균일하게 분포하고 있는데 반하여, 종래의 합금에서는 육각형 형태의 조대한 결정립 사이에 크게 성장한 석출물이 산만하게 분산되어 있다. 동일한 양의 석출물이라도 본 발명에서와 같이 미세한 석출물이 고밀도로 분포되어 있는 경우에는 윤활작용을 하는 석출물의 비표면적이 커서 타 금속과 접촉하여 움직이는 경우 석출물이 합금표면에 균일하게 피복되므로 윤활성이 증진되어 마찰계수의 저하와 함께 표면이 벗겨지는 galling 현상이 해소되고 윤활합금이 상대금속에 늘어붙는 seizing 현상도 없게 된다.

도 2는 본 발명의 합금 기지조직에 대한 상 분석(EPMA phase analysis) 결과이고, 도 3은 흰색 석출물에 대한 상 분석(EPMA phase analysis) 결과이고, 도 4는 회색 석출물에 대한 상 분석(EPMA phase analysis) 결과이다. 도 2의 기지조직의 상 분석 결과에 의하면, 합금을 구성하는 Ni, Cr, Sn, Mo 등의 각 조성성분의 배합비율을 반영하여 각각의 피크(peak)를 나타내고 있다. 도 3과 도 4의 흰색 및 회색 석출물상에 대한 상 분석 결과에는, Bi와 Sn이 나타나고 있어 첨가된 Bi와 Sn은 모두 석출물상을 형성하며 이것이 윤활작용에 기여한다는 것을 알 수 있다.

도 5는 본 발명에 따라 Te가 첨가된 윤활합금과 종래 Bi 윤활합금 각각에 대하여 마찰시험(galling test)을 실시하고 마찰면을 비교 관찰한 현미경 사진이다. 본 발명의 합금은 표면이 갈려나간 마찰상태가 비교적 미려한 데 반하여, 종래의 Bi 윤활합금 표면은 거칠게 긁혀 나간 자국(scratch)이 선명하여 응력파괴(galling 현상)가 심하게 일어났음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 윤활합금에서 마찰표면이 매끄럽게 유지되는 것은 도 1에서와 같이 치밀한 수지상 간격에 미세한 Bi 석출물이 균일하게 분포되어 있어 마찰 시에 합금표면을 피복하여 이것이 윤활제의 역할을 하기 때문이다.

본 발명에 따른 윤활합금의 제조방법을 설명하면 다음과 같다. 융점이 높은 Ni, Cr, Mo 등을 먼저 용해하고, 휘발하기 쉬운 Sn, Bi, Te는 용탕이 생성된 후에 장입함으로써 휘발 손실을 줄일 수 있다. 특히 Bi의 경우에는 용해 시에 노란색의 매연이 발생하므로 Sn-Bi 모합금 또는 Te-Bi 모합금으로 첨가하는 것이 바람직하다. 용해로는 전기저항로, 고주파로 등 어느 것을 사용하여도 무방하나 합금조성의 균일화를 위해서는 교반기능을 갖는 고주파로가 유리하며, 또한 대기 용해 시에는 적정량의 탈산제와 탈가스제의 사용이 필요하다. 그리고 본 발명의 합금은 별도의 열처리를 하지 않아도 주조상태에서 사용할 수 있는 주조합금이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 대해서는 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이러한 실시예에 의해 한정되는 것은 결코 아니다.

[실시예]

다음 표 1과 같은 조성으로 금속성분 100 kg을 고주파 유도 용해로를 사용하여 1550 ℃에서 Ar가스 분위기에서 용해한 후, 주조하여 합금 시료를 제조하였다.

윤활합금 시료의 조성(중량%)
조성금속	Ni	Cr	Sn	Mo	Bi	Te	Fe	Si
본 발명의 합금	72.4	12.5	4.5	3.0	5.0	1.2	1.2	0.2
비교 합금	73.6	12.5	4.5	3.0	5.0	0	1.2	0.2

상기 실시예에서 제조한 본 발명의 합금과 비교합금 각각에 대한 내부조직과 석출물의 분산상태를 비교한 광학현미경 사진을 도 1에 첨부하여 나타내었고, 기지조직(matrix) 및 Bi 석출물에 대한 EPMA 분석 결과를 도 2 내지 도 4에 첨부하여 나타내었다.

[시험예]

상기 실시예에서 제조한 본 발명의 합금과 비교합금 각각에 대해서는 마찰시험(galling test)을 비롯하여 마모율, 내식성, 경도 등의 물리 화학적 특성을 다음과 같은 방법으로 측정하였다.

1. 마찰시험(Galling test) 후의 표면상태

접촉하여 움직이는 시료표면의 마모상태를 관찰하기 위하여 ASTM spec. G-99에 규정된 시험법에 준하여 마찰실험을 실시하였다. 즉, 직경 2 mm의 핀(pin)으로 가공한 합금 시료를 100 rpm으로 회전하는 금속원판(스테인레스 316)에 20 kg의 하중으로 60분 동안 마찰시켜 시료의 마찰면을 관찰하였다.

그 결과, 도 5에서와 같이 비교합금은 표면에 galling 현상이 나타나고 있는데 반하여, 본 발명의 합금은 표면상태가 매우 미려하여 윤활 특성이 우수함을 알 수 있다.

2. 마모율의 평가

본 발명의 합금과 비교합금 각각의 마찰실험 결과에서 합금의 무게 감량으로부터 파손되어 나간 마모율을 측정하여 다음 표 2에 나타내었다. 본 발명의 힙금은 비교합금에 비하여 내마모율이 4배 이상 우수한 결과를 보인다

마모율의 평가
구 분	본 발명의 합금	비교합금
실험 전	91.33 g	91.50 g
실험 후	91.27 g	91.25 g
마모속도	0.06 g/hr	0.25 g/hr

3. 부식시험 결과

본 발명의 합금이 산업기계 뿐만 아니라 산성용액에 노출되는 화학기계 나 식품기계 등에도 사용되는 경우에는 내산성을 가져야 한다. 이를 시험하기 위하여 50 ℃로 유지된 강한 황산용액, 염산용액 및 질산용액 각각에 360시간 침적하여 부식속도를 측정하였으며, 그 결과는 다음 표 3과 같다. 즉, 황산용액에서는 본 발명의 합금이 비교합금과 대체로 동등한 부식속도를 보이고 있으나, 염산 및 질산 용액에서는 본 발명의 합금에서 부식속도가 현저히 낮게 나타나고 있어 내산성도 우수함을 알 수 있다.

부식속도의 측정 결과
부식용액	본 발명의 합금	비교합금
98% H₂SO₄	1.6790 g/year	1.5038 g/year
36% HCl	7.1053 g/year	13.4076 g/year
60% HNO₃	4.5844 g/year	6.5408 g/year

4. 경도시험 결과

본 발명의 합금은 주로 로타, 샤프트 등과 같은 구조용 습동부품으로 사용되 는 소재이므로 어느 정도의 경도를 가져야 하며, 이를 시험하기 위하여 표준화된 경도시험법의 하나인 Vickers 경도를 측정하였다. 그 결과는 다음 표 4에서와 같이 본 발명의 합금이 비교합금에 비하여 대등 내지 우수한 경도를 나타내고 있다. 이는 미세한 석출상의 균일 분산에 따른 피닝효과(pinning effect)에 의한 것으로 해석된다.

경도 측정 결과
구 분	본 발명의 합금	비교합금
Vickers 경도	149	138

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 종래 Ni-Cr기 합금에 Te를 새롭게 첨가한 신규 조성의 윤활합금에 관한 발명이다. 즉, 소정량의 Te를 첨가함으로써 통상의 합금조직인 결정립 조직(grain structure) 대신에 주조조직인 치밀한 수지상 조직(dendritic structure)이 형성되며, 또한 종래의 합금에서는 윤활작용을 하는 Bi 석출상이 결정립계(grain boundary)에 불균일하게 석출하는데 반하여 본 발명에서는 Te를 함유한 미세한 Bi 석출상이 수지상 간격에 균일하게 분산되어 석출한다. 이와 같이 분산된 석출상은 마찰 시에 표면을 균일하게 피복하여 윤활작용을 하게 되므로 타 금속과 접촉하여 움직이는 경우 표면이 긁혀나 가는 galling 현상이 없고, 또한 마찰계수도 저하하므로 마모율도 저하하여 재료수명이 연장되는 효과가 있다. 이외에도 상기 시험예에서 확인된 바와 같이 내식성이나 경도와 같은 물리화학적 특성도 우수한 장점이 있다.

따라서 본 발명의 윤활합금은 종래 사용되어 오던 합금에 대체하여 각종기 계장치의 로타, 샤프트, 밸브 등과 같은 습동부품용 소재로 사용되어서는 부품 수명의 연장과 기계정밀도의 향상에 크게 기여하는 효과를 발휘할 것이다.

도 1은 본 발명의 Te이 함유된 윤활합금(A)과 종래의 윤활합금(B)에 대한 내부조직과 석출물의 분산상태를 비교한 광학현미경 사진(×50)이다.

도 2는 본 발명의 Te이 함유된 윤활합금의 기지조직(matrix)에 대한 상 분석(EPMA phase analysis) 결과이다.

도 3은 흰색 석출물에 대한 상 분석(EPMA phase analysis) 결과이다.

도 4는 회색 석출물에 대한 상 분석(EPMA phase analysis) 결과이다.

도 5는 본 발명의 Te이 함유된 윤활합금(A)과 종래의 윤활합금(B)을 스테인레스와 일정시간 접촉시켜 회전시킨 후 마모된 합금표면의 상태를 비교한 광학현미경 사진이다.

Claims

Ni 70 ∼ 75 중량%, Cr 8 ∼ 14 중량%, Bi 3 ∼ 7 중량%, Sn 3 ∼ 6 중량%, Mo 1 ∼ 4 중량%, Fe와 Si의 합량이 0.2 ∼ 2 중량% 및 Te 1 ∼ 3 중량%의 범위로 이루어지며 열처리 없이 주조한 상태에서 사용되는 것을 특징으로 하는 수지상 조직(dendritic structure)의 내마멸성 윤활합금.
제 1 항에 있어서, 상기 수지상 조직의 수지와 수지 사이 간격에 미세한 Bi 석출상이 균일하게 분산된 조직형태(morphology)를 갖는 것임을 특징으로 하는 수지상 조직(dendritic structure)의 내마멸성 윤활합금.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 합금은 기계장치의 습동부품용 소재로 사용되는 것임을 특징으로 하는 수지상 조직(dendritic structure)의 내마멸성 윤활합금.