KR100547571B1 - 슬라이딩부품 제조방법 - Google Patents

슬라이딩부품 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 슬라이딩부품 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 제조방법은, 니켈(Ni)성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 26 ～ 28중량%, 실리콘(Si)성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 2.0 ～ 2.8중량%, 붕소(B)성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 1.0 ～ 1.8중량%, 탄소(C)성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.1 ～ 1.0중량%, 나머지가 탄화텅스텐(WC) 성분인 혼합분말로 성형체를 성형하는 단계와; 성형체를 소결하는 단계와; 접촉된 소결체와 철계 모재를 상호 접합시키되, 소결체에 미세 기공을 형성할 수 있도록 소결체와 철계 모재를 열처리하는 접합 열처리 단계를 포함한다. 이러한 본 발명에 의하면, 초경합금내에 미세 기공을 형성하고, 형성된 미세 기공에 윤활유를 함침시킴으로써 윤활특성을 향상시킨다. 특히, 윤활특성을 향상시킴으로써 내마모 성능을 향상시키며, 이에 따라 높은 면압이 요구되는 곳에도 사용이 가능하다.

Description

슬라이딩부품 제조방법{METHOD FOR PRODUCING SLIDING PARTS}
도 1은 본 발명의 방법에 의해 제조된 슬라이딩부품의 단면을 모식적으로 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 방법에 의해 제조된 슬라이딩부품을 구성하는 초경합금의 현미경조직을 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 슬라이딩부품 제조방법을 설명하는 순서도이다.
♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣
10: 모재 20: 초경합금
20': 소결체 22: 기공
본 발명은 슬라이딩부품 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 윤활특성과 내마모 성능을 갖는 슬라이딩부품 제조방법에 관한 것이다. .
초경합금은 텅스텐 탄화물, 크롬 탄화물 등의 탄화물, 질화물, 붕화물 등과 같은 경질의 입자와 니켈, 코발트 등의 단일금속 혹은 니켈합금, 코발트합금의 결합제로 구성된 것으로, 내마모성이 우수하여 공구류 및 내마모성이 크게 요구되는 기계부품에 널리 사용되고 있다.
이러한 초경합금을 기계적인 부품으로 이용하기 위해서는, 용가재 금속을 이용하여 철계합금 등과 같은 금속모재(이하 "모재"라 약칭함)에 접합한 뒤 사용하는 것이 일반적이다. 한편, 용가재 금속을 이용하여 초경합금과 모재를 접합할 경우, 상기 용가재 금속은 초경합금 및 모재와의 접합성이 모두 우수해야 한다는 조건을 만족시켜야 하고, 특히 용가재 금속의 자체강도, 내충격성 등의 기계적 성질에 의해 접합체의 기계적 특성이 제한된다는 문제점이 있기 때문에, 최근 들어 용가재 금속을 사용하지 않고 초경합금과 모재를 직접 접합하는 방법도 사용되고 있다.
초경합금과 모재를 직접 접합하는 방법으로서, 국내공개특허공보 제1999-75887호의 습동부품 및 그 제조방법이 제안되고 있다. 이 기술은 탄화물 등과 같은 경질입자와, 실리콘과 붕소가 포함되어 있는 니켈기지합금으로 이루어진 결합재 분말을 성형 및 소결하고, 이 소결체를 접합모재 상에서 접합하여 습동부품을 제조하고 있다.
이러한 습동부품 제조방법은, 용가재 금속을 사용하지 않고서도 높은 접합강도로 초경합금과 모재를 접합할 수 있다. 한편, 이러한 방법에 의해 제조된 습동부품은, 고면압이 요구되는 마찰접촉부에 사용되는 경우, 초경합금이 마모될 우려가 있는 바, 통상적으로 초경합금의 외면에 윤활유를 이용하여 유막을 형성함으로써 윤활특성을 높여준다.
그러나 이러한 종래의 습동부품은 초경합금에 고면압이 지속적으로 작용할 경우, 유막이 파괴되어 초경합금이 쉽게 마모된다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 자기윤활성을 갖게 함으로써 별도의 유막 형성 없이도 우수한 윤활특성과 내마모 성능을 갖는 슬라이딩부품 제조방법을 제공하는 데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 니켈(Ni)성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 26 ～ 28중량%, 실리콘(Si)성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 2.0 ～ 2.8중량%, 붕소(B)성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 1.0 ～ 1.8중량%, 탄소(C)성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.1 ～ 1.0중량%, 나머지가 탄화텅스텐(WC) 성분인 혼합분말로 성형체를 성형하는 단계와; 상기 성형체를 소결하는 단계와; 접촉된 상기 소결체와 철계 모재를 상호 접합시키되, 상기 소결체에 미세 기공을 형성할 수 있도록 상기 소결체와 철계 모재를 열처리하는 접합 열처리 단계를 포함한다.
삭제
이하, 본 발명에 따른 슬라이딩부품 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 방법에 의해 제조된 슬라이딩부품의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이며, 도 2는 본 발명의 방법에 의해 제조된 슬라이딩부품의 초경합금 현미경조직을 나타내는 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 슬라이딩부품 제조방법을 설명하는 순서도이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 방법에 의해 제조된 슬라이딩부품은 모재(10)와, 모재(10)에 접합되는 초경합금(20)으로 구성된다. 모재(10)는 주철, 탄소강 및 합금강 등의 철계합금으로 구성된다. 그리고 초경합금(20)은 탄화물, 질화물, 붕화물 등과 같은 경질 입자와 니켈기지의 결합제의 혼합분말을 가열하여 소결한 소결체이다.
한편, 본 발명의 방법에 의해 제조된 슬라이딩부품은 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 초경합금(20)에 다수의 미세 기공(22)이 형성되는 구성을 갖는다. 미세 기공(22)은 윤활유를 함유할 수 있게 구성되는 것으로, 초경합금(20)이 자기윤활성을 갖게 한다.
이렇게, 미세 기공(22)을 갖춘 초경합금(20)은, 자기윤활성을 갖기 때문에 빈번하게 윤활유를 공급하지 않아도 우수한 윤활특성을 갖게 된다. 특히, 윤활유를 이용하여 유막처리를 하지 않아도 우수한 윤활특성을 갖게 되며, 따라서 고면압이 요구되는 곳에 사용해도 유막이 파괴되지 않는다. 결국, 본 고안의 슬라이딩부품은 내마모 성능이 향상된다.
이하에서는, 이와 같은 구성을 갖는 슬라이딩부품 제조방법을 도 3을 참고로 하여 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 제조방법은 초경합금의 원료가 되는 경질의 입자 및 결합제인 결합제 분말을 구비하고, 구비된 분말을 혼합 처리하는 단계를 포함한다(S101). 여기서, 원료분말은 탄화텅스텐(WC)을 함유한다. 탄화텅스텐(WC)은 강화입자로 작용한다. 그리고 결합제 분말은 니켈(Ni)과 실리콘(Si)과 붕소(B) 및 탄소(C)를 함유한다. 이때, 붕소(B) 혹은 탄소(C)는 원자로서 첨가되거나 또는 탄화붕소(B4C)등의 화합물 형태로 첨가된다. 한편, 이러한 니켈과 실리콘과 붕소 및 탄소는, 후술 하는 철계 모재와의 접합 열처리 단계에서 초경합금내에 미세 기공(22)을 형성하는 역할을 한다.
표 1의 실험결과에 따르면, 결합제 분말로 니켈(Ni)과 실리콘(Si)과 붕소(B)와 탄소(C)가 사용될 경우, 니켈(Ni)은 결합제 조성물의 중량비를 기준으로 26중량% 내지 28중량%로, 실리콘(Si)은 결합제 조성물의 중량비를 기준으로 2.0중량% 내지 2.8중량%로, 붕소(B)는 결합제 조성물의 중량비를 기준으로 1.0중량% 내지 1.8중량%로, 탄소(C)는 결합제 조성물의 중량비를 기준으로 0.1중량% 내지 1중량%로 조성되는 것이 가장 바람직한 것으로 나타났다. 이는 니켈과 실리콘과 붕소와 탄소의 첨가량이 각각 26중량% 내지 28중량%, 2.0중량% 내지 2.8중량%, 1.0중량% 내지 1.8중량%, 0.1중량% 내지 1중량%로 되어야만이 후술하는 철계 모재(10)와의 접합 열처리시 초경합금(20)내에 미세 기공(22)이 형성될 수 있기 때문이다.
그리고 표 2의 실험결과에 따르면, 결합제 분말로 니켈(Ni)과 실리콘(Si)과 탄화붕소(B4C)와 탄소(C)가 사용될 경우, 니켈(Ni)은 결합제 조성물의 중량비를 기준으로 26중량% 내지 28중량%로, 실리콘(Si)은 결합제 조성물의 중량비를 기준으로 2.0중량% 내지 2.8중량%로, 탄화붕소(B4C)는 결합제 조성물의 중량비를 기준으로 1.0중량% 내지 1.8중량%로, 탄소(C)는 결합제 조성물의 중량비를 기준으로 0.1중량% 내지 0.5중량%로 조성되는 것이 가장 바람직한 것으로 나타났다. 이는 니켈과 실리콘과 탄화붕소와 탄소의 첨가량이 각각 26중량% 내지 28중량%, 2.0중량% 내지 2.8중량%, 1.0중량% 내지 1.8중량%, 0.1중량% 내지 0.5중량%로 되어야만이 후 술하는 철계 모재(10)와의 접합 열처리시 초경합금(20)내에 미세 기공(22)이 형성될 수 있기 때문이다. 한편, 표 2의 실시예 2에서와 같이 탄화붕소(B4C)의 첨가량이 1.0중량%일 경우에는, 탄소의 첨가 없이도 미세 기공(22)의 형성이 가능한 것으로 나타났다.
구 분 탄화텅스텐(WC) 니켈(Ni) 실리콘(Si) 붕소(B) 탄소(C) 기공형성 유무
실시예1 bal. 25중량% 1.5중량% 0.9중량% 0중량% 미형성
실시예2 bal. 26중량% 2.0중량% 1.0중량% 0.1중량% 형성
실시예3 bal. 27중량% 2.5중량% 1.5중량% 0.5중량% 형성
실시예4 bal. 28중량% 2.8중량% 1.8중량% 1중량% 형성
실시예5 bal. 29중량% 3중량% 2중량% 1중량% 미형성
표 1 기공 형성이 가능한 결합제의 조성[붕소(B) 함유]
구 분 탄화텅스텐(WC) 니켈(Ni) 실리콘(Si) 탄화붕소(B4C) 탄소(C) 기공형성유무
실시예1 bal. 25중량% 1.5중량% 0.9중량% 0중량% 미형성
실시예2 bal. 26중량% 2.0중량% 1.0중량% 0중량% 형성
실시예3 bal. 27중량% 2.5중량% 1.3중량% 0.1중량% 형성
실시예4 bal. 28중량% 2.0중량% 1.5중량% 0.3중량% 형성
실시예5 bal. 28중량% 2.8중량% 1.8중량% 0.5중량% 형성
실시예6 bal. 29중량% 3중량% 2중량% 1중량% 미형성
표 2 기공 형성이 가능한 결합제의 조성[탄화붕소(B4C) 함유]
다시, 도 3을 참조하면, 본 발명의 방법은 혼합 분말을 성형체로 성형하는 단계(S103)를 포함한다. 성형 단계(S103)는 혼합된 분말은 프레스에 의한 방법으로 압축 성형한다.
그리고 성형 단계(S103)가 완료되면, 성형된 성형체를 소결(S105)한다. 소결 단계(S105)는 성형체에 일정한 온도로 열을 가하여 소결하는 단계로서, 특히 성형체 내부에 유리탄소(Free Carbon)를 형성시키는 단계이다. 유리탄소는 성형체를 소결하는 과정에서 성형체 내의 어떤 화합물과도 결합하지 않고 단독으로 존재하는 탄소로서, 후술하는 철계 모재(10)와의 열 접합시 성형체와 모재(10)와의 계면에 존재하는 산소(O2)와 결합하여 미세 기공(22)을 형성하는 역할을 한다.
한편, 이러한 소결 단계(S105)는 불활성 가스 또는 환원성인 질소, 수소 가스가 혼합된 분위기, 혹은 진공에서 대략 1050℃에서 30분간 실시한다. 이는 소결된 성형체에 유리탄소를 형성할 수 있는 최적의 온도가 1050℃이고, 최적의 가열시간이 30분이기 때문이다.
다시, 도 3을 참조하면, 소결 단계(S105)를 통하여 소결체를 형성하는 동안에, 상기 소결체와 접합되는 모재를 구비한다. 이때, 모재는 주철 또는 탄소강 또는 합금강 등의 철계합금으로 이루어져야 한다.
그리고 철계합금 모재가 구비되면, 곧이어 접합하고자 하는 모재와 소결체를 서로 접촉시키고, 접촉된 모재와 소결체를 접합 열처리 한다(S107). 접합 열처리 단계(S107)는 접촉된 모재와 소결체에 고온의 열을 가함으로써 소결체를 2차로 소결시켜 소결체(20′)로 만들고, 동시에 모재(10)와 소결체(20′)를 서로 확산 접합시키는 단계이다.
특히, 접합 열처리 단계(S107)는 소결체(20′)내에 기공(22)을 형성시키는 단계로서, 접촉된 모재(10)와 소결체에 고온의 열을 가함에 따라 소결체내에 혼입된 유리탄소가 소결체와 모재(10)와의 계면에 존재하는 산소(O2)와 결합하여 이산화탄소(CO2) 또는 일산화탄소(CO)의 가스를 발생시키게 되는데, 이때 발생된 가스는 외부로 빠져 나오지 못하고 소결체(20′) 내에 기포 상태로 존재한다. 결국, 소결체(20′) 내의 기포는 미세 기공(22)을 형성하는 것이다.
이러한 접합 열처리 단계(S107)는 불활성 가스 또는 환원성 분위기 혹은 진공 분위기에서 실시하며, 대략 1100℃에서 60분 내지 100분 동안 실시함이 바람직하다.
한편, 접합 열처리 단계(S107)가 완료되면, 접합된 모재(10)와 소결체(20′)(이하, “슬라이딩부품”이라 함)를 상온에서 서서히 냉각시키고, 냉각된 슬라이딩부품의 소결체(20′)를 기계 가공 처리한다(S109). 기계 가공 처리 단계(S109)는 슬라이딩부품의 내·외면을 가공 및 연마 처리함으로써 높은 정밀도로 만들어준다.
그리고 기계 가공이 완료되면, 최종적으로 슬라이딩부품의 소결체(20′)에 윤활유를 함침시키키는 단계(S111)를 시행한다. 윤활유 함침 단계(S111)는 소결체(20′)에 형성된 기공(22)에 윤활유가 스며들게 하는 것으로서, 소결체(20′)에 윤활특성을 부여하는 단계이다.
이상에서와 같이 여러 단계를 통하여 제조된 슬라이딩부품은 도 1과 도 2에서와 같이 높은 강도를 가지면서 접합된다. 또한, 윤활유를 함유하고 있으므로 우수한 윤활특성과 내마모 성능을 갖게 된다.
한편, 본 발명에 의해 제조된 슬라이딩부품의 내마모 성능을 표 3에서와 같이 시험해 보았다.
(내마모성 시험)
기공이 형성되어 윤활유를 함유한 슬라이딩부품과, 기공이 없이 유막 처리된 일반적인 슬라이딩부품을, 각각 SM45C 강에 65kg/mm2 면압으로 4시간 동안 선 마찰접촉시켰다.
실험결과, 기공이 형성되어 윤활유를 함유한 슬라이딩부품은, SM45C 강에 65kg/mm2 면압으로 4시간 동안 선 마찰접촉하는 동안, 1mg의 마모량을 갖는 것으로 나타났다. 그리고 기공이 없이 유막 처리된 일반적인 슬라이딩부품은, SM45C 강에 65kg/mm2 면압으로 4시간 동안 선 마찰접촉하는 동안 5mg의 마모량을 갖는 것으로 나타났다.
기공이 형성되어 윤활유를 함유한 슬라이딩부품은, 유막 처리된 일반적인 슬라이딩부품보다 그 마모량이 월등히 낮은 것으로 나타났으며, 따라서 기공이 형성되는 슬라이딩부품은 내마모 성능이 향상된 것을 알 수 있다.
결과적으로, 기공이 형성되어 윤활유를 함유한 슬라이딩부품은, 유막 처리된 일반적인 슬라이딩부품보다 그 마모량이 월등히 낮은 것으로 나타났으며, 따라서 기공이 형성되는 슬라이딩부품은 내마모 성능이 향상된 것을 알 수 있다.
구분 접합체 상대재 접촉조건 면압 시험시간 마모량
실시예 1 기공이 없는 습동부품 SM45C 강 선접촉 65kg/mm2 4시간 1mg
실시예 2 기공이 있는 습동부품 SM45C 강 선접촉 65kg/mm2 4시간 5mg
표 3. 기공의 유무에 따른 슬라이딩부품의 내마모성 비교
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 습동부품 및 그 제조방법은, 초경합금내에 미세 기공을 형성하고, 형성된 미세 기공에 윤활유를 함침시킴으로써 윤활특성을 향상시킨다. 특히, 윤활특성을 향상시킴으로써 내마모 성능을 향상시키며, 이에 따라 높은 면압이 요구되는 곳에도 사용이 가능하다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 슬라이딩부품을 제조하는 방법에 있어서,
    니켈(Ni)성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 26 ～ 28중량%, 실리콘(Si)성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 2.0 ～ 2.8중량%, 붕소(B)성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 1.0 ～ 1.8중량%, 탄소(C)성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.1 ～ 1.0중량%, 나머지가 탄화텅스텐(WC) 성분인 혼합분말로 성형체를 성형하는 단계와;
    상기 성형체를 소결하는 단계와;
    접촉된 상기 소결체와 철계 모재를 상호 접합시키되, 상기 소결체에 미세 기공을 형성할 수 있도록 상기 소결체와 철계 모재를 열처리하는 접합 열처리 단계를 포함하는 슬라이딩부품 제조방법.
  3. 슬라이딩부품을 제조하는 방법에 있어서,
    니켈(Ni)성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 26 ～ 28중량%, 실리콘(Si)성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 2.0 ～ 2.8중량%, 탄화붕소(B4C)성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 1.0 ～ 1.8중량%, 탄소(C)성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.1 ～ 0.5중량%, 나머지가 탄화텅스텐(WC) 성분인 혼합분말로 성형체를 성형하는 단계와;
    상기 성형체를 소결하는 단계와;
    접촉된 상기 소결체와 철계 모재를 상호 접합시키되, 상기 소결체에 미세 기공을 형성할 수 있도록 상기 소결체와 철계 모재를 열처리하는 접합 열처리 단계를 포함하는 슬라이딩부품 제조방법.
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