KR100640273B1 - 윤활성 동합금 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 윤활성 동합금에 관한 것으로서, 상세하게는 저렴한 비용으로 고강도, 고하중, 고장력을 가지는 윤활성 동합금을 구현하여 그것이 적용되는 다양한 산업용 기계부품의 생산 비용을 절감하고, 그에 따라 설비의 경쟁력을 강화할 수 있으며, 월등한 내구수명으로 오랜 시간동안 본래의 기능을 유지하면서 사용할 수 있어 유지 비용을 절감할 수 있는 윤활성 동합금에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 구성은 규소(Si), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 망간(Mn), 아연(Zn), 철(Fe), 주석(Sn), 인(P), 구리(Cu)를 포함하고, 이를 용융하여 형성되며 고강도, 고하중, 고장력을 가지며 우수한 윤활성을 확보할 수 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 윤활성 동합금은 규소(Si) 0.5 ~ 7wt%, 알루미늄(Al) 0.5 ~ 3wt%, 니켈(Ni) 0.1 ~ 3wt%, 망간(Mn) 0.5 ~ 5wt%, 아연(Zn) 3 ~ 16wt%, 철(Fe) 0.5 ~ 3wt%, 주석(Sn) 0.5 ~ 5wt%, 인(P) 0.1 ~ 0.15%, 나머지가 구리(Cu)인 것을 특징으로 한다.
윤활성, 동합금

Description

윤활성 동합금{Lubricative Copper Alloy}
본 발명은 윤활성 동합금에 관한 것으로서, 상세하게는 규소(Si), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 망간(Mn), 아연(Zn), 철(Fe), 주석(Sn), 인(P), 구리(Cu)를 포함하고, 이를 용융하여 형성되며 고강도, 고하중, 고장력을 가지며 우수한 윤활성을 확보할 수 있는 윤활성 동합금에 관한 것이다.
윤활성 동합금은 메탈베어링, 기어, 감속웜기어, 항공, 조선, 자동차 등과 같은 내마모성, 내부식성, 내열충격성 및 윤활성을 요구하는 각종 산업용 기계부품의 소재로 다양하게 사용되고 있다.
일반적으로 동합금의 경우에는 동과 주석의 합금인 청동을 주로 사용하여 왔으나, 이러한 Cu-Sn계 합금에 있어서는 고가의 주석을 높은 함량으로 사용하게 되어 생산비가 높아져서 설비의 경쟁력을 약화시키는 문제가 있다. 또한, 우리나라의 실정상 주석 자체를 수입하여 사용하기 때문에 생산비를 더욱 가중시키는 문제가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래의 동합금은 국내에서 공급 가능한 금속인 Pb, Sn, Zn을 사용하거나 여기에 Ni을 첨가하여 합금함으로써 청동계동합금을 제조하여 종래의 동합금보다 우수한 기계적성질을 가지는 내마모성 동합금을 제조하여 사용하였다.
이러한 청동계동합금으로 이루어진 내마모성 동합금은 제조원가가 비싸고, 경도와 강도가 약하여 부쉬나 메탈베어링과 같이 높은 경도와 강도가 요구되는 설비에 사용되는 경우 내구수명이 짧은 문제가 있다.
또한, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 강도와 경도를 향상시킨 Pb, Zn, Mn, Ni, Sn을 함유하는 동합금을 제조하여 사용하였으나, 이러한 동합금은 취성이 강하게 되어 충격에 손상될 우려가 많다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 강도와 경도를 향상시켜 고강도와 고경도를 유지하면서 충격에도 강한 고장력을 가지는 윤활성 동합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 생산비가 저렴하여 내마모성, 내부식성, 내열충격성과 윤활성이 요구되는 각종 산업용 기계부품의 생산 비용을 절감하여 경쟁력 있는 설비를 제공할 수 있는 윤활성 동합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 고강도, 고하중, 고장력을 모두 갖추어 본래의 기능을 발휘하며 오랜 시간동안 사용할 수 있는 윤활성 동합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 윤활성 동합금은 하기와 같은 구성 을 포함한다.
본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 윤활성 동합금은 규소(Si), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 망간(Mn), 아연(Zn), 철(Fe), 주석(Sn), 인(P), 구리(Cu)를 포함하고, 이를 용융하여 형성되며 고강도, 고하중, 고장력을 가지며 우수한 윤활성을 확보할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 윤활성 동합금은, 제 1 실시예에 있어서, 규소(Si) 0.5 ~ 7wt%, 알루미늄(Al) 0.5 ~ 3wt%, 니켈(Ni) 0.1 ~ 3wt%, 망간(Mn) 0.5 ~ 5wt%, 아연(Zn) 3 ~ 16wt%, 철(Fe) 0.5 ~ 3wt%, 주석(Sn) 0.5 ~ 5wt%, 인(P) 0.1 ~ 0.15%, 나머지가 구리(Cu)인 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 윤활성 동합금의 제조와 구성함량에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 윤활성 동합금은 Cu 93%-Si 7%의 Cu-Si모합금, Cu 97%-Ni 3%의 Cu-Ni모합금, Cu 97%-Al 3%의 Cu-Al모합금, Cu 95%-Mn 5%의 Cu-Mn모합금, Cu 97%-Fe 3%의 Cu-Fe모합금, Sn 85%-P 15%의 Sn-P모합금을 제조하고, 이러한 모합금을 용융구리 내에 투여하며, 여기에 아연을 첨가하여 제조한다. 이와 같이 제조된 본 발명에 따른 윤활성 동합금의 성분은 표 1과 같다.
성분 Si Ni Al Mn Fe Sn P Zn Cu
wt% 0.5 ~ 7 0.1 ~ 3 0.5 ~ 3 0.5 ~ 5 0.5 ~ 3 0.5 ~ 5 0.1 ~ 0.15 3 ~ 16 잔량
본 발명의 일실시예에 따른 윤활성 동합금은 Si 5wt%, Mn 2.5wt%, Zn 14.5wt%, Sn 2.5wt%, Fe 1.5wt%, Al 1.9wt%, Ni 1.4wt%, P 0.12wt%, 나머지가 Cu 로 구성된 경우 인장강도 81kg/mm2, 경도가 브리넬경도로 270이상으로 측정되고, 연신율은 12%이상으로 측정되었다.
상기와 같이 원소함량을 한정한 이유를 살펴보면, Si가 0.5wt% 이하일 경우에는 윤활작용이 저하되고, 7wt% 이상일 경우에는 균열이 발생되므로 Si의 함량을 0.5 ~ 7wt%로 한정한다.
Ni이 0.1wt% 이하일 경우에는 인성이 증가되어 경도 및 강도가 저하되고, 3wt% 이상일 경우에는 인성이 현저히 감소되므로 Ni의 함량을 0.1 ~ 3wt%로 한정한다.
Al이 0.5wt% 이하일 경우에는 강도 및 인장강도와 연신율이 저하되고, 3wt% 이상일 경우에는 취성이 강해져 충격에 약하게 되므로 Al의 함량을 0.5 ~ 3wt%로 한정한다.
Mn이 0.5wt% 이하일 경우에는 인장강도가 현저하게 약해지며, 5wt% 이상일 경우에는 깨지는 현상이 발생되어 Mn의 함량을 0.5 ~ 5wt%로 한정한다.
Fe이 0.5wt% 이하일 경우에는 경도 및 강도가 저하되고, 3wt% 이상일 경우에는 기공이 많이 발생되어 취성이 강해져 충격에 약하게 되므로 Fe의 함량을 0.5 ~ 3wt%로 한정한다.
Sn은 0.5wt% 이하일 경우에는 조직의 밀도가 치밀해지는 효과가 없게 되어 경도 및 강도의 증가 효과가 없어 강도 및 경도가 저하되고, 5wt% 이상일 경우에는 조직의 밀도가 기대치 이상으로 치밀해져 균열이나 깨지는 현상이 발생되어 Sn의 함량을 0.5 ~ 5wt%로 한정한다.
P은 주조할 때의 유동성 및 작업성을 향상시키고, 합금 제조시 불순물을 제거하여 인장강도를 높이는 원소로서, 이러한 기능을 적절히 발휘할 수 있도록 P의 함량을 0.1 ~ 0.15wt%로 한정한다.
Zn은 3wt% 이하일 경우에는 연신율이 저하되고, 16wt% 이상일 경우에는 강도 및 경도와 윤활작용이 저하되어 Zn의 함량을 3 ~ 16wt%로 한정한다.
이하에서는 본 출원인이 본 발명에 따른 윤활성 동합금을 오일레스 베어링에 적용하여 한국표준과학연구원에 저속 고하중용 실리콘 윤활제의 마찰계수 측정 시험을 의뢰하여 수행한 결과를 상세히 설명한다.
한국표준과학연구원의 시험성적서에 따르면 본 시험은,
시험목적
오일레스 베어링이란 고온, 저온, 부식성 분위기, 이물질 유입, 충격하중 및 진동, 구조상 급유 불능지점 등 급유가 어렵거나 바람직하지 못한 곳, 또는 급유를 하여도 효과가 없는 곳에 무급유화를 실현하여 기계의 성능향상과 급유인력 및 그에 따른 비용절감, 생산성 향상 등을 도모할 수 있는 베어링이다. 또한, 저속 고하중용 실리콘 윤활제인 오일레스 베어링은 교량의 상판의 변형 혹은 이동을, 교량을 지지하는 하부 구조물에 최소로 전달시키는 것으로, 교량의 운동 및 안정성에 관해 오일레스 베어링의 마찰계수에 따른 마찰능력의 우수함은 매우 중요한 의미를 가지고 있다. 본 시험에서는 베어링의 마찰계수를 측정하는 시험의 방법과 그 결과를 기술한다.
시험편
마찰 시험편은 직경 50mm의 원형 디스크형의 시험편에 실리콘 윤활제가 균일하게 합금되어 있고, 이는 본 출원인이 제공하였다. 이러한 시험편을 고정하는 축은 유압 그립으로 시험편을 체결하고 이는 30mm의 직경을 가지고, 체결부의 길이는 25mm로 되어 있으며, 실리콘 윤활제가 합금되는 표면과 시험편의 축은 직각성이 아주 우수하도록 제작된다.
상대 시험편은 표면에 Cr도금을 한 철합금으로 제작되고, 도금된 면은 실리콘 윤활제 시험편과 긴밀한 접촉의 유지와 표면 거칠기를 최소화하기 위하여 연삭을 하였으며, 상대 시험편의 형성과 제원은 마찰 시험편과 동일하게 한다.
시험방법
시험기는 인장(또는 압축)과 비틀림을 동시에 가할 수 있고, 축하중의 용량은 100kN, 비틀림 하중의 최대 용량은 1000Nm이며, 축하중과 비틀림 하중을 측정할 수 있는 이축 시험기(biaxial test machine)를 사용한다.
이러한 시험기에 체결하는 시험편의 부위는 원형의 단면을 가지는 봉형으로 되어 있어 시험시 시험편과 그립과의 상대운동이 발생하지 않을 수 있는 매우 안정되 체결 그립이 요구되고, 본 시험에서는 체결력이 매우 우수한 유압 그립을 사용하여 시험편을 체결한다.
시험편의 마찰면과 시험편의 체결축과의 직각성은 시험 결과에 크게 영향을 끼치므로, 시험 전에 이러한 직각성을 점검한다.
압축하중(normal pressure)은 면압이 350kgf/cm2(34.28MPa)이 되도록 하고, 본 시험에서는 직경 50mm의 시험편을 사용하고 있어 67.4kN의 공칭 압축 하중을 가하도록 한다.
마찰 계수를 측정하기 위한 상대 운동은 비틀림 운동으로 하여 +10도와 -10도의 회전 각 운동을 0.5Hz의 회전속도(test frequency)로 실시하여 상대 움직임에 따른 마찰력을 측정하고, 최대 회전각 간의 운동은 선형성이 유지된 형태로 평균 5.82mm/s의 선형속도(avg. linear velocity)를 유지하도록 한다.
시험 전에 시험편의 제원을 측정하여 기록하고 마찰 시험으로부터 비틀림 하중과 압축 하중을 측정하며, 매 주기마다 피크 검출기로 주기적인 최대와 최소 토오크를 측정하고, 시험 후에 이를 측정하여 비틀림 하중의 변화를 기록한다.
측정된 비틀림 하중과 압축 하중, 시험편의 제원을 이용하여 순간의 마찰계수를 다음과 같은 식을 이용하여 결정한다.
Figure 112006025171174-pat00001
μ는 마찰계수, T는 비틀림하중(Nm), r은 마찰 시험편의 마찰면 반경(m), P는 압축 하중(N)이다.
시험절차
마찰 시험편과 상대 시험편의 제원을 측정하고 기록하고;
마찰 시험편과 상대 시험편을 그립에 체결하고 시험편의 마찰면과 시험편의 축과 직각성을 이루고 있는가를 확인하며;
압축 하중을 공칭 압축 하중까지 서서히 가하고, 공칭 압축 하중을 가한 후에 마찰 시험편과 상대 시험편이 잘 일치하는가를 확인하고;
비틀림 변위를 +10도에서 -10도 범위의 왕복 주기 운동을 하도록 하고, 이 경우에 나타나는 비틀림 하중을 기록한다.
시험결과 및 해석
본 시험에 따라 반복 회수에 따른 비틀림 하중과 마찰계수의 변화는 표 2와 같다.
반복회수 비틀림 하중(Nm) 마찰계수(avg)
1 110.41 0.099
100 62.17 0.056
200 65.98 0.059
300 66.69 0.060
400 68.85 0.062
500 68.90 0.062
600 68.57 0.061
700 68.33 0.061
800 67.80 0.061
900 68.21 0.061
1,000 68.60 0.061
1,100 69.36 0.062
1,200 69.42 0.062
1,300 70.04 0.063
1,400 70.41 0.063
1,500 70.88 0.063
1,600 70.56 0.063
1,700 71.09 0.064
1,800 72.01 0.064
1,900 72.46 0.065
2,000 72.18 0.065
상기와 같은 조건 하에서 한국표준과학연구원의 저속 고하중용 실리콘 윤활제의 마찰계수 측정 시험을 수행한 결과로부터 본 발명에 따른 윤활성 동합금을 오일레스 베어링에 적용하였을 경우 반복 회수에 따른 비틀림 하중에 대한 마찰계수가 0.06 정도의 낮고도 안정된 수치를 유지하고 있다.
따라서, 본 실험의 결과와 같이 낮은 마찰계수는 오일레스 베어링과 다른 구조 간에 마찰이 적고, 마찰에 따른 과도한 마찰열의 발생을 방지할 수 있다는 것을 나타내기 때문에, 본 발명에 따른 윤활성 동합금을 오일레스 베어링에 적용할 경우 적은 양의 윤활유 또는 무급유를 실현할 수 있고, 적은 양의 윤활유를 공급하여도 마찰열에 따른 윤활유의 비등으로 인한 소모를 줄일 수 있어 오랜 시간동안 사용할 수 있으므로 비용 절감 효과를 이룰 수 있으며, 오일레스 베어링의 마모나 손상을 줄일 수 있어 교체나 보수 등의 비용을 절감할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 반복 회수의 증가에 따른 마찰계수의 변화가 거의 없어, 오랜 시간동안 효율적으로 사용할 수 있는 오일레스 베어링을 구현할 수 있고, 이는 교체, 보수, 그에 따른 인력 비용의 절감을 이룰 수 있는 효과도 기대할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 다양한 분야의 소재에 적용 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명은 앞서 본 구성과 성분함량에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 저렴한 비용으로 고강도와 고경도를 유지하면서 충격에도 강한 고장력을 가진 윤활성 동합금을 제조할 수 있어 내마모성, 내부식성, 내열충격성과 윤활성이 요구되는 다양한 산업용 기계부품의 생산 비용을 절감하여 설비의 경쟁력을 강화할 수 있는 효과를 이룰 수 있다.
본 발명은 고강도, 고하중, 고장력을 오랜 시간동안 유지하면서 월등한 내구수명으로 오랜 시간동안 사용할 수 있어 마모나 손상에 따른 교체 비용, 인력 등의 유지 비용을 절감할 수 있는 효과를 도모할 수 있다.

Claims (2)

  1. 삭제
  2. 규소(Si) 1 ~ 7wt%, 알루미늄(Al) 0.5 ~ 3wt%, 니켈(Ni) 0.1 ~ 3wt%, 망간(Mn) 0.5 ~ 5wt%, 아연(Zn) 3 ~ 16wt%, 철(Fe) 0.5 ~ 3wt%, 주석(Sn) 0.5 ~ 5wt%, 인(P) 0.1 ~ 0.15%, 나머지가 구리(Cu)인 것을 용융하여 형성되는 것을 특징으로 하는 고강도, 고하중, 고장력을 가지며 우수한 윤활성을 확보할 수 있는 윤활성 동합금.
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