KR100798747B1

KR100798747B1 - 구리-아연-알루미늄-합금 재료 및 이 재료로 이루어진 베어링 부시

Info

Publication number: KR100798747B1
Application number: KR1020010031214A
Authority: KR
Inventors: 뵈겔안드레아스; 코흐롤란트; 페인트쥬르겐; 쿤한스-아킴
Original assignee: 빌란트-베르케악티엔게젤샤프트
Priority date: 2001-06-04
Filing date: 2001-06-04
Publication date: 2008-01-28
Also published as: KR20020092551A

Abstract

본 발명은 63.5 내지 66.5% 구리; 2.0 내지 5.4% 알루미늄; 4.1 내지 4.9% 망간; 2.6 내지 3.4% 철; 1.1 내지 1.9% 니켈; 나머지는 아연 및 통상의 불순물로 이루어진 구리-아연-알루미늄-합금 재료에 관한 것이다.

상기 재료는 인장 이완에 대한 높은 내성 및 낮은 고정 특성을 가지므로, 특히 내연 기관의 커넥팅 로드 및 피스톤용 베어링 부시의 제조에 적합하다.

Description

구리-아연-알루미늄-합금 재료 및 이 재료로 이루어진 베어링 부시{Copper-zink-alluminium alloy material and bearing bush made of the material}

도 1은 일정 시간후 나머지 과도 치수 대 초기 과도 치수의 비를 인장 손실 퍼센티지로 나타낸 그래프이다.

본 발명은 구리-아연-알루미늄-합금 재료 및 특히, 내연 기관의 커넥팅 로드 및 피스톤용 베어링 부시의 제조를 위한 베어링 재료에 관한 것이다.

엔진 분야에 사용되는 플레인 베어링 재료에는 양호한 슬라이딩 특성, 내마모성 및 양호한 내식성과 더불어, 높은 부하 능력, 높은 동적 및 정적 피로 강도 그리고 사용 온도 범위에서 충분한 내열성이 요구된다.

엔진의 출력을 향상시키기 위한 점화 압력의 증가는 베어링 부시의 높은 부하를 야기시킨다. 약 250℃의 사용 온도 범위에서 점화 압력은 200 바아 이상까지에 이르거나, 부시의 고유 표면 하중이 150 MPa 이상까지 이를 수 있다. 피스톤 부시의 통상 작동 온도는 180 내지 200℃이다.

강-복합-부시 또는 Pb-복합 부시와 같은 종래의 바이메탈로 이루어진 베어링 부시는 약 130 MPa 까지의 고유 표면 하중만을 견딘다. 이에 반해, 성형된 합금 CuZn31Si1(DIN 17,660) 및 CuAl10Ni5Fe4(DIN 17,665)로 이루어진 매시브(massive) 부시는 더 높은 압력을 견딘다. 성형 합금은 얇은 두께의 베어링 부시에 사용될 때 그 미세 입자 구조로 인해 동일한 화학적 조성의 주조 합금 보다 더 높은 동적 부하 능력을 갖는다.

또한, 합금으로 이루어진 부시는 그 사용 동안 그 시이트(seat)로부터 풀려지지 않아야 한다. 즉, 양호한 고정 특성을 가져야 한다. 따라서, 매시브 부시가 과도한 치수로 장착되므로, 상기 부시는 예컨대 엔진 피스톤의 아이에 압입 장착되고 장시간 동안의 온도 부하에서도 그 시이트가 헐거워지지 않을 수 있다. 즉, 그것의 과도한 크기가 현저하게 없어지지 않는다. 부시의 고정 특성은 소성 변형에 있어서 온도 및 시간에 따른 탄성 변형의 변화로 인해 재료의 인장-이완 특성과 상관된다. 이완에 의한 낮은 인장 손실을 가진 재료는 이완에 의한 높은 인장 손실을 가진 재료 보다 양호한 부시 고정 특성을 갖는다.("인장-이완(tension-relaxation)"의 용어는 예컨대 독일 특허 공개 제 196 00 864호 참고).

최근에는 성형된 CuAl10Ni5Fe4 및 CuZn31Si1로 이루어진 부시가 통상적이다. 성형 합금 CuAl10Ni5Fe4로 이루어진 부시는 높은 기계적 강도와 더불어 매우 양호한 고정 특성을 갖기 때문에, 장시간 동안 높은 부하에 적합하다. 그러나, 단점은 다합금-알루미늄-청동이 연속 주조 방법으로 주조되기 어렵고 후속 제조 단계에서 열간 성형되기 어렵다는 것이다. 둘 다 고강도 합금으로 이루어진 부시의 제조에 비해 높은 제조 비용을 야기시킨다. 다합금 알루미늄 청동으로 이루어진 부시는 고강도 합금으로 이루어진 부시 보다 더 높은 마찰 계수 및 더 낮은 오일 컨시스턴시, 특히 CuZn31Si1 보다 현저히 낮은 오일 컨시스턴시를 갖는다.

성형된 고강도 합금 CuZn31Si1으로 이루어진 부시는 낮은 기계적 강도와 동시에 그것의 비교적 심한 인장 이완 경향으로 인해 낮은 엔진 부하에만 적합하다.

본 발명의 목적은 상기 사용 목적에 특히 바람직한 특성 조합을 나타내는, 즉 지금까지 사용된 재료 CuAl10Ni5Fe4 및 CuZn31Si1의 장점을 통합하는 구리 재료를 제공하는 것이다. 특히 베어링 부시에 적합한 본 발명에 따른 재료는 CuZn31Si1 타입의 성형된 고강도 합금 보다 낮은 인장-이완 경향, 더 낮은 고정 특성 및 더 높은 강도 그리고 동시에 Cu-Al10Ni5Fe4 타입의 다합금 알루미늄 청동 보다 양호한 절단 가능성 그리고 반제품의 제조 동안 보다 더 양호한 주조 가능성 및 열간 성형 가능성을 갖는다. 상기 재료로 이루어진 베어링 부시는 성형된 다합금 알루미늄 청동으로 이루어진 베어링 보다 저렴하게 제조될 수 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라 63.5 내지 66.5% 구리; 2.0 내지 5.4% 알루미늄; 4.1 내지 4.9% 망간; 2.6 내지 3.4% 철; 1.1 내지 1.9% 니켈; 나머지는 아연 및 통상의 불순물로 이루어진(상기 퍼센트는 중량%임) 구리-아연-알루미늄-합금 재료에 의해 달성된다.

제 1 부분 목적, 즉 다합금 알루미늄 청동 CuAl10Ni5Fe4 보다 양호하게 주조 가능하며 쉽게 열간 및 냉간 성형될 수 있고 목적에 알맞는 특성, 즉 양호한 절단 가능성 및 오일 내식성을 갖는 베어링 부시용 재료를 찾으려는 목적은 본 발명에 따른 재료에 의해 달성된다; 왜냐하면, 본 발명에 따른 재료의 960℃의 융점은 다합금 알루미늄 청동의 융점 보다 낮으므로, 낮은 온도에서 에너지의 절감 하에 용융된 다음, 낮은 온도에서도 주조되기 때문이다. 연속 주조의 가능성은 많은 양의 아연에 의해 주어진다. 본 발명에 따른 재료는 그 주조 가능성 면에서 통상의 고강도 합금과 흡사하다.

본 발명에 따른 재료는 그 낮은 내열성으로 인해 다상(multi-phase) 알루미늄 청동에 비해 100 내지 150℃ 더 낮은 프레스 온도에서 성형될 수 있다. 따라서, 열간 프레스 앞에 연결된 블록 퍼니스의 가열을 위한 에너지가 절감된다.

제 2 부분 목적, 즉 성형된 고강도 합금 CuZn31Si1으로 이루어진 베어링 부시 보다 향상된 인장-이완 특성 및 그에 따라 보다 낮은 고정 특성을 가진 베어링 부시용 재료를 개발하려는 목적은 본 발명에 따른 합금 재료에 의해 동일한 방식으로 달성된다.

유사한 조성의 주조 합금이 공지되어 있기는(예전 DIN 1709에 따른 CuZn25Al5Mn4Fe3-C/EN 1982 = CuZn25Al5) 하지만, 의도하는 바의 선택이 그것 보다 우위이다. 놀랍게도, 주조 재료에 대해 제시된 조성에 의해 열간 및 냉간 상태에서 성형에 의한 처리가 가능해지고, 베어링 재료에 대한 매우 높은 요구가 충족되는 것으로 나타났다. 또한, 본 발명에 따른 합금 재료는 공지된 주조 재료 보다 양호한 고정 특성을 갖는다.

청구항 제 2항 내지 4항의 대상은 본 발명에 따른 구리 합금 재료의 바람직한 조성이다.

전술한 장점으로 인해, 본 발명에 따른 구리-합금 재료는 바람직하게 내연 기관의 커넥팅 로드 및 피스톤용 베어링 부시의 제조를 위한 베어링 재료로 사용된다.

하기 실시예를 참고로 본 발명을 구체적으로 설명한다.

표 1 은 2개의 본 발명에 따른 구리-합금 재료(No. 1, 2)의 조성을 나타낸다.

표 1

시편의 조성(중량 %로 표시)

시편 명칭	Cu	Zn	Al	Mn	Fe	Ni
1	66	20	5	4.5	3	1.5
2	65.7	22	3.3	4.5	3	1.5

표 1의 시편 1에 따른 구리 합금은 실시예에서 원통형 칠(chill)내에서 154 mm 직경 및 280 mm 길이의 둥근 핀의 형태로 주조된다. 제조는 연속 또는 반연속 주조 기술로 퍼니스와 독립적인 칠에 의해 이루어진다.

960 ℃의 액화 온도는 베어링 부시에 이미 공지된 다합금 알루미늄 청동 CuAl10Ni5Fe4 보다 97℃ 더 낮다. 따라서, 제조에 있어서 용융 퍼니스, 홀딩 퍼니스 또는 주조 퍼니스가 다합금 알루미늄 청동에 대한 것 보다 낮은 온도로 작동될 수 있으므로, 용융-주조-공정에 대한 에너지가 절감된다. 낮은 용융 온도 및 조성에 기인한 적은 량의 알루미늄 및 니켈, 그리고 많은 량의 아연으로 인해, 용융물 의 수소 흡수가 다합금 알루미늄 청동에서 보다 적다. 알루미늄을 많이 함유한 다합금 알루미늄 청동의 연속 또는 반연속 주조 동안 매우 금이 가고 거친, 알루미늄 및 산화 망간을 함유하는, 칠 커버 수단을 포함하는 오염된 주조 스킨이 상기 실시예의 조성에 의해 간단히 매끄럽고 에러 없이 나타날 수 있다.

본 발명에 따른 조성의 280 mm길이의 주조 핀은 상기 주조 스킨의 제거를 위해 회전되고 직접 작용하는 720 내지 770℃의 압출 프레스에 의해 프레스되어 내경 40 mm 및 외경 47 mm(= 40 x 47 mm) 그리고 22 mm 내경 및 33 mm 외경( = 22 x 33 mm)을 가진 프레스 파이프를 형성한다. 상기 프레스 온도는 다합금 알루미늄 청동의 프레스를 위한 것 보다 약 130 내지 150℃ 더 낮다.

본 발명에 따른 조성의 프레스 파이프 40 x 47의 특성은 437 내지 510 MPa의 겉보기 탄성 한계 R_p0.2, 773 내지 817 MPa의 최대 인장 강도 R_m, 15 내지 20.9%의 파괴 연신율 A5, 및 197 내지 201의 경도 HB 2.5/62.5(214 내지 221 HV10)에 의해 매우 높다. 연성은 냉간 성형에 충분하다. 작은 치수(22 x 33 mm)의 파이프에서는 369 내지 412 MPa 겉보기 탄성 한계, 746 내지 788 MPa 인장 강도, 22.5 내지 25.8 % 연신율 A5, 및 185 내지 194의 경도HB 2.5/62.5(201 내지 213 HV10)가 측정되었다. 실험실에서 제조된 이완 측정용 스트립에 의한 시험도 이것과 일치했다. 800℃에서 열간 압연된 스트립의 기계적 특성값은 408 MPa 겉보기 탄성 한계R_p0.2, 746 MPa 최대 인장 강도, 20.4 % 파괴 연신율 A5, 및 197 경도 HB 또는 218의 HV로 프레스된 파이프의 특성값과 동일하다. 따라서, 2가지 경우에 비교 목적을 위해 열간 압연된 시편의 기계적 특성, 즉 141 MPa 겉보기 탄성 한계R_p0.2, 419 MPa 최대 인장 강도 및 열간 성형 후 제조 단계에서 96의 경도 HV 10을 능가하였다.

실시예의 프레스 파이프의 조직은 40 내지 75% β상을 가진 니이들 구조를 특징으로 한다.

정확한 치수의 베어링 부시로 후속 제조 동단, 프레스 파이프는 45 mm 외경 및 3.5 mm 벽두께(45 x 3.5 mm) 또는 31 x 5.5 mm로 드로잉된 다음, 300℃에서 3시간 동안 열 팽창된다. 그리고 나서, 더 큰 치수의 파이프에서는 532 내지 619 MPa 겉보기 탄성 한계R_p0.2, 795 내지 892 MPa 최대 인장 강도 R_m, 12 내지 17.9 % 연신율 A5, 및 211 내지 233 경도 HB2.5/62.5 또는 241 내지 261의 HV10이 얻어진다. 더 작은 치수의 부시에서는 642 내지 672 MPa의 아버 인장을 가지고, 558 내지 621 MPa 겉보기 탄성 한계, 806 내지 824 MPa 최대 인장 강도(833 내지 848 MPa 아버 인장), 15 내지 17.7 % 연신율 A5(15.7 내지 16dml 아버 인장), 및 211 내지 225 경도 HB(214 내지 218 아버 인장) 또는 211 내지 249의 HV10이 얻어진다.

상기 조직은 팽창된 상태에서 20 내지 70% β상을 갖는다.
표 2

삭제

시료명칭	R_p0.2(MPa)	R_m(MPa)	A5(%)	경도 HB2.5/62.5	밀도 g/cm³	평균열팽창계수(20-300℃)	인장-이완200℃/100h (%)	정착특성500h/200℃(20℃에서초기 과도치수 )
1	550-770	790-880	10-18	211-233	7.78	20.3-20.6	36.4	12-26(72)
2	385-450	545-650	31-33	149-169	7.89	20.2	24.6	35
CuZn31Sil^*)(DIN17660;Nr.2.0490)	550	610	18	175	8.41	19.2	51	7-12(75)
CuA110Ni5Fe4^*)(DIN17665;Nr.2.0966)	530	770	19	209	7.58	16.6	22.7	45-55(80)
CuZn25Al5^*)(DIN1709)	480	750	5-8	190	8.2	21	표시할 수 없음	표시할 수 없음
CuZn25A15(주조시료)	-	-	-	-	-	-	-	-20

^*) 기계적 특성 : 간행물에 제시

표 2에는 본 발명에 따른 합금 재료(시편 1 및 2)의 기계적 특성이 베어링 합금으로 이미 공지된 합금 재료 CuAl10Ni5Fe4 및 CuZn31Si1 및 주조 재료 CuZn25Al5(종래의 DIN 1709)의 기계적 특성과 비교된다. (비교 재료에 관한 것은 간행물을 제시되어 있다. 고정 특성의 조사를 위해, 부가로 표준화된 조성 CuZn25Al5 = CuZn25Al5Mn4Fe3-C/EN 1982의 주조 시편이 제조되었다.) 제조 과정이 설명된 실시예, 즉 본 발명에 따른 재료의 시편 1이 베어링 부시에 적합한 CuZn31Si1 및 CuAl10Ni5Fe4로 이루어진 파이프의 강도 특성 보다 현저히 우월하고 놀랍게도 10 내지 18%의 파괴 연신율 A5을 가지고 동일한 연성을 갖는다. 종래의 DIN 1709에 따라 규격화된 주조 합금으로 이루어진 파이프는 상기 강도에 이르지 못하며 낮은 연성으로 본 발명에 따른 성형 합금 및 CuZn31Si1 보다 훨씬 더 뒤에 놓인다. 실시예 1의 본 발명에 따른 합금은 동일한 강도로 성형된 상태에서 주조 합금의 연성을 훨씬 능가한다.

사용 온도 하에서 그리고 미리 주어진 초기 테스트 인장력 하에서 장시간 후에 압연된 스트립의 인장 이완 특성은 과도한 치수로 수축된 부시의 온도 부하 하에서 고정 특성에 대한 정보를 제공한다. 표 2는 200℃에서 100시간 후에 본 발명에 따른 재료 시편 1 및 2로 이루어진 스트립의 인장 손실을 CuAl10Ni5Fe4 및 CuZn31Si1으로 이루어진 스트립 시편과 비교해서 나타낸다(측정 방법은 독일 특허 공개 제 196 00 864호에 개시됨). 그에 따라 다합금 알루미늄 청동은 23%로 초기 인장의 가장 적은 이완을 나타냈으나, 본 발명에 따른 재료는 놀랍게도 36.4(시편 1) 또는 24%(시편 2)로 유사한 값, 및 51%를 가진 CuZn31Si1 보다 현저히 낮은 이완을 나타냈다. 시편 1 보다 낮은 3.3 중량%의 Al-함량을 가진 시편 2는 본 발명에 따른 재료의 낮은 인장-이완을 갖는다.

고정 특성은 전술한 드로잉된 그리고 팽창된 파이프로 회전되어 연삭된, 25.2 x 29.5 x 23 mm 또는 39 x 43.8 x 30 mm의 치수를 가진 부시에서 측정된다. 이것을 위해 부시는 55 내지 125 ㎛의 과도 치수로 피스톤 아이에 상응하는 홀더내로 수축되어 200℃ 하에서 500 시간 템퍼링된다.

시험 후에 열적 및 기계적으로 부하를 받은 부시는 다시 홀더로부터 프레스되어 재차 측정된다. 과도 치수는 열-기계적 부하 하에서 이루어지는 소성 변형으로 인해 부시의 수축 전 보다 작다. 소위 고정 특성은 나머지 과도 치수로 표시된다. 다합금 알루미늄 청동으로 이루어진 부시에서는 이러한 나머지 과도 치수가 최대이다. 즉, 고정 특성이 가장 낮다. 예컨대, CuAl10Ni5Fe4용의 보다 큰 부시에서 초기 과도 치수가 125㎛일 때 55 내지 75 ㎛의 나머지 과도 치수가 측정되었고, 상기 실시예에서는 15 내지 30 ㎛였다. CuZn31Si1은 10 내지 16 ㎛로 합금 재료의 낮은 고정 특성을 갖는다.

조성 CuZn25Al5의 주조 합금으로 회전된 부시는 고정 시험에서 강 링으로부터 미끄러진다. 즉, 시험의 종료 후에 -20㎛의 네가티브 과도 치수를 갖는다.

도면에는 본 발명에 따른 재료 및 2개의 비교 재료의 나머지 과도 치수 비(200℃에서 500 시간 후 과도 치수 대 실온에서 초기 과도 치수)가 인장-이완에 따라 도시된다.

180℃에서 100 시간의 오일 내식성 테스트에서, 본 발명에 따른 재료는 2㎛ 미만의 침식 깊이로 다합금 알루미늄 청동 보다 현저히 낮은 깊이를 나타낸다. 여기서는 4㎛ 내지 6㎛ 보다 큰 부분 값이 발견되었다.

또한, 절삭 가능성은 절삭 재료로 공지된 CuZn39Pb3의 절삭 가능성의 약 30%로, 다합금 알루미늄 청동의 절삭 가능성 20% 보다 현저히 낮다.

본 발명에 따른 재료로 이루어진 부시의 고유 밀도는 단지 7.78 g/cm³으로, 고강도 합금 CuZn31Si1으로 이루어진 부시의 고유 밀도 8.4g/cm³보다 현저히 낮고, 종래의 다합금 알루미늄 청동의 7.56g/cm³에 필적할 만하다.

기계적 특성, 즉 강도, 이완 특성 및 고정 특성은 성형 합금 CuZn31Si1을 능가한다. 종래의 DIN 1709에 따른 CuZn25Al5 타입의 주조 합금은 본 발명에 따른 조성의 연성에 이르지 못하므로, 열간 및 냉간 성형에 의한 제조를 허용하지 않는다.

Claims

인장 이완에 대한 높은 내성 및 낮은 고정 특성을 가진 구리-아연-알루미늄-합금 재료에 있어서,

상기 재료가 63.5 내지 66.5% 구리; 2.0 내지 5.4% 알루미늄; 4.1 내지 4.9% 망간; 2.6 내지 3.4% 철; 1.1 내지 1.9% 니켈; 나머지는 아연 및 통상의 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구리-합금 재료.
제1항에 있어서,

상기 재료가 65.5 내지 66.5% 구리; 3.1 내지 5.4% 알루미늄; 4.1 내지 4.7% 망간; 2.6 내지 3.4% 철; 1.1 내지 1.9% 니켈; 나머지는 아연 및 통상의 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구리-합금 재료.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 재료가 65.5 내지 66.5% 구리; 3.1 내지 3.9% 알루미늄; 4.1 내지 4.7% 망간; 2.6 내지 3.4% 철; 1.1 내지 1.9% 니켈; 나머지는 아연 및 통상의 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구리-합금 재료.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 재료가 65.5 내지 66.0% 구리; 3.1 내지 3.9% 알루미늄; 4.1 내지 4.7% 망간; 2.6 내지 3.4% 철; 1.4 내지 1.6% 니켈; 나머지는 아연 및 통상의 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구리-합금 재료.
제1항에 따른 구리-합금 재료로 이루어진 베어링 부시.