KR101046830B1

KR101046830B1 - 소결 복합 슬라이딩 부품 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101046830B1
Application number: KR1020080097086A
Authority: KR
Inventors: 다츠아키 요시히로; 히데아키 가와타; 미치하루 모가미; 유타카 기무라
Original assignee: 히다치 훈마츠 야킨 가부시키가이샤
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2011-07-06
Also published as: US20090092848A1; EP2045346B1; JP2009091609A; US20130093131A1; KR20090035447A; EP2045346A1; JP5122904B2

Abstract

Cr:11~35질량％를 함유하는 Fe기 합금으로 이루어지는 기지 중에, Fe, Ni, Cr 및 Co 중 적어도 1종으로 이루어지는 합금 기지 중에, 금속간 화합물, 금속 규화물, 금속 탄화물, 금속 붕화물 및 금속 질화물 중 적어도 1종이 석출 분산하는 경질상이 15~70체적％ 분산하는 Fe기 내마모성 소결 부재로 이루어지는 외측 부재와, 용제의 스텐레스강으로 이루어지는 내측 부재로 이루어지며, 상기 외측 부재에 형성된 구멍부에 상기 내측 부재가 끼워 맞춰짐과 더불어 확산 접합하여 일체화된 소결 복합 슬라이딩 부품.

Description

소결 복합 슬라이딩 부품 및 그 제조 방법{SINTERED COMPOSITE SLIDING PART AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은, 소결 부재로 이루어지는 외측 부재와, 용제강으로 이루어지는 내측 부재를 소결 확산 접합에 의해 일체화한 소결 복합 부품에 관한 것이며, 특히, 외측 부재로서, 고온 내마모성이 뛰어난 소결 부재를 적용한 소결 복합 슬라이딩 부품, 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

분말 야금법은, 니어 넷 셰이프(near net shape)로 조형할 수 있는 것이나, 용제 재료로는 얻을 수 없는 복합 재료를 제조할 수 있는 것 등의 이점을 가지므로 각종 산업용의 부품에 적용되어 오고 있고, 특히 자동차 및 자동이륜차 부품에 있어서는, 그 적용 범위가 확대되어 오고 있다. 이러한 적용 범위의 확대에 있어서, 근래에는, 예를 들면, 배기 장치 부품(일본 특허공고평05-041693호 공보)이나 터보 챠저용 부품(일본 특허공개2002-226955호 공보)과 같은, 고온에 있어서의 내마모성이나 내식성이 요구되는 부품에도 적용이 진행되고 있다.

상기의 부품에서 이용되는 소결 재료는, 내마모성이 부여되어 있기 때문에 인성이 낮고, 구성 부품에 따라서는 강도가 부족하다. 이 때문에, 강재와 조합하 여, 내마모성이 필요한 외측 부재를 소결 재료로 구성하고, 강도가 필요로 되는 내측 부재를 강재로 구성하는 시도가 이루어져 있다. 그러나, 양 부재를 납땜으로 접합하면, 고온에서의 사용시에, 납재가 용해하여 부재가 탈락할 우려가 있다. 또, 소결 재료는 다공질이기 때문에, 열이나 전기의 전도도가 떨어지는 것, 기공 내에 가스가 잔류하여 용접부에 블로우 홀을 일으키기 쉬운 것, 변태 왜곡에 의한 켄칭 크랙(quenching crack)을 일으키기 쉬운 것 등에 의해 용접에는 적합하지 않다. 또한, 외측 부재에 내측 부재를 압입 혹은 외측 부재를 내측 부재에 코킹에 의해 고정하면, 인성이 부족한 소결 재료에 균열이 생기기 쉽다. 이것을 피하기 위해 압입 여유를 작게 하면, 양 부재의 접합 강도가 낮아지고, 사용시에 탈락할 우려가 있다.

그래서, 본 발명은, 고온하에서의 내마모성 및 내식성이 뛰어난 소결 부재 로 이루어지는 외측 부재를, 용제강으로 이루어지는 내측 부재에 양호하게 접합한 소결 복합 슬라이딩 부품 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 소결 복합 슬라이딩 부품은, Cr:11~35질량％를 함유하는 Fe기 합금으로 이루어지는 기지 중에, 금속간 화합물, 금속 규화물, 금속 탄화물, 금속 붕화물 및 금속 질화물 중 적어도 일종을, Fe, Ni, Cr 및 Co 중 적어도 1종으로 이루어지는 합금 기지 중에 석출 분산시킨 경질상이 15~70체적％ 분산하는 Fe기 내마모성 소결 부재로 이루어지는 외측 부재와, 용제의 스테인리스강으로 이루어지는 내측 부재로 이루어지고, 외측 부재에 형성된 구멍부에 내측 부재가 끼워 맞춰짐과 더불어 확산 접합하여 일체화되어 있는 것을 특징으로 한다. 이 경우에 있어서, Fe기 합금이, Ni:3.5~22질량％를 함유하고, 경질상이, Mo:20~60질량％, Cr:3~12질량％, Si:1~12질량％, 잔부가 Co 및 불가피 불순물로 이루어지고, Co합금 기지 중에, 몰리브덴 규화물이 석출 분산되어 있는 것이 바람직하다.

또, 본 발명의 소결 복합 슬라이딩 부품의 제조 방법에 있어서, Cr:11~35질량％를 함유하는 Fe기 합금 분말과, 소결에 의해 금속간 화합물, 금속 규화물, 금속 탄화물, 금속 붕화물 및 금속 질화물 중 적어도 1종이 Fe, Ni, Cr 및 Co 중 적어도 1종으로 이루어지는 합금 기지 중에 석출 분산하는 경질상을 형성하는 경질상 형성 합금 분말을 준비하고, Fe기 합금 분말에, 경질상 형성 합금 분말을 15~70체적％ 첨가하고, 혼합한 혼합 분말을 원료 분말로서 이용한다. 이 원료 분말을, 용제강으로 이루어지는 내측 부재와 끼워 맞추는 구멍부을 갖는 외측 부재 형상으로 압분(壓粉) 성형하고, 외측 부재인 압분체의 끼워 맞춤용 구멍부에 용제의 스테인리스강으로 이루어지는 내측 부재를 끼워 맞춰 소결하고, 외측 부재의 소결과, 외측 부재와 내측 부재의 확산 접합을 동시에 행하여 일체화시키는 것을 특징으로 한다. 이 경우에 있어서, Fe기 합금 분말이, Ni:3.5~22질량％를 함유하고, 경질상 형성 합금 분말이, Mo:20~60％, Cr:3~12％, Si:1~12％, 잔부가 Co 및 불가피 불순물로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 소결 복합 슬라이딩 부품의 제조 방법에 있어서, 내측 부재와 끼워 맞추는 외측 부재로서, 상기의 압분체 대신에, 압분체를 예비 소결한 후 재압축한 예비 소결 재압체(再壓體)를 이용하면, 외측 부재의 밀도를 보다 높일 수 있고, 그 결과, 내마모성 및 내식성을 향상시킬 수 있다.

또, Fe기 합금 분말로서, 최대 입경 46㎛ 이하의 분말의 양이 90질량％ 이상인 미세 분말을 이용하면, 원료 분말의 압축성은 저하하지만, 원료 분말의 비표면적이 증가하기 때문에 소결성이 향상하고, 외측 부재를 고밀도로 할 수 있다. 이 경우, 상기 미세 분말을 조립(造粒)하여 평균 입경 80~150㎛의 크기로 한 조립 분말을 이용하면, 미세 분말의 소결성을 유지한 채로 압축성의 저하를 억제할 수 있다.

본 발명의 소결 복합 슬라이딩 부품은, 고온하에 있어서의 내마모성 및 내식 성을 갖는 소결 부재를 외측 부재로 하고, 고온하에 있어서의 내식성을 갖는 스테인리스강을 내측 부재로 하여, 양자를 확산 접합에 의해 일체로 한 것이기 때문에, 고온 환경하에 있어서도 양호한 내마모성, 내식성 및 강도를 가짐과 더불어, 양호한 접합 강도를 갖는다. 또, 본 발명의 소결 복합 슬라이딩 부품의 제조 방법에서는, 외측 부재의 소결과, 외측 부재와 내측 부재의 확산 접합을 동시에 행하기 때문에, 상기의 소결 복합 슬라이딩 부품을 고 효율로 제조할 수 있다.

본 발명의 소결 복합 슬라이딩 부품의 외측 부재로서, 내식성을 갖는 Fe기 합금으로 이루어지는 기지 중에, 내마모성과 내식성이 뛰어난 경질상이 분산한 소결 재료가 이용된다. 구체적으로는, 외측 부재의 기지는 Cr:11~35질량％를 함유 하고 있고, 페라이트계 스테인리스강의 조성을 갖는다. 기지의 Cr량을 11질량％ 이상으로 함으로써, 양호한 산화성의 산에 대한 내식성을 얻을 수 있다. 한편, 기지의 Cr량이 35질량％를 초과하면 약한 σ상이 형성되게 되고, 소결 부재가 취화한다. 이 때문에, 기지 중에 포함되는 Cr은 11~35질량％로 하는 것이 바람직하다.

또, 상기 외측 부재의 기지에, Ni:3.5~22질량％를 더 함유시켜도 된다. 이 경우는, 기지의 Ni량을 3.5질량％ 이상으로 함으로써 비산화성의 산에 대한 내식성을 개선할 수 있고, 10질량％ 이상에서는 Cr량에 의존하지 않는 비산화성의 산에 대한 양호한 내식성을 얻을 수 있다. Ni량이 10질량％ 이상인 경우, 기지는 오스테나이트계 스테인리스강의 조성을 갖는다. 한편, 기지에 Ni를 22질량％를 초과하여 함유시켜도 내식성 향상의 효과는 변함없는 것, 및 Ni는 고가의 원소인 것으로 부터 Ni량의 상한은 22질량％로 한다.

상기의 Fe기 합금으로 이루어지는 기지에는, 종래부터 행해지고 있는 바와 같이, Mo, Nb, Al, Si, Se, P, S, N 등의 원소를 추가하여 함유시켜도 된다. 즉, Mo를 0.3~7질량％ 함유함으로써, 내크리프성(creep resistance), 내산성, 내식성, 내점식성을 향상시킴과 더불어, 쾌삭(快削)성을 향상시킬 수 있다. Nb를 0.45질량％ 이하 함유함으로써, 내입계 부식성을 향상시킬 수 있고, Al를 0.1~5질량％ 함유시킴으로써 내열성을 향상할 수 있다. 또, N을 0.3질량％ 이하 함유시킴으로써 결정립을 조정할 수 있다. 또한, Si를 0.15~5질량％ 함유시킴으로써 내산화성, 내열성, 내황산성을 향상시킬 수 있고, Se:0.15질량％ 이하, P:0.2질량％ 이하, S:0.15질량％ 이하 중 적어도 1종을 함유시킴으로써 내입계 부식성, 쾌삭성을 향상시킬 수 있다.

Cr이나 Ni의 효과를 기지 전체에 균일하게 미치게 하기 위해서는, 기지 전체를 균일한 조성으로 할 필요가 있다. 이 때문에, 본 발명에 있어서는, 미리 Cr이나 Ni를 Fe에 합금화한 Fe기 합금 분말의 형태로 부여한다. 즉, 본 발명의 제조 방법에 있어서, Fe기 합금 분말로서 Cr:11~35질량％, 및 잔부가 Fe와 불가피 불순물로 이루어지는 조성의 것, 혹은 Cr:11~35질량％, Ni:3.5~22질량％, 및 잔부가 Fe와 불가피 불순물로 이루어지는 조성의 것 중 어느 하나를 이용한다. 또, Fe기 합금 분말에는 소망에 따라 상기 성분량의 Mo, Nb, Al, Si, Se, P, S, N 등의 원소를 추가하여 함유시켜도 된다.

경질상으로서, 내식성을 갖는 Fe, Ni, Cr 및 Co 중 적어도 1종으로 이루어지 는 합금 기지 중에, 경질인 금속간 화합물, 금속 규화물, 금속 탄화물, 금속 붕화물 및 금속 질화물 중 적어도 1종을 석출 분산시킨 것이 적합하다. 금속간 화합물, 금속 규화물, 금속 탄화물, 금속 붕화물 및 금속 질화물은, 경질 입자로서 작용함과 더불어, 기지의 소성 유동을 방지하는 작용을 갖고 있고, 소결 부재의 내마모성의 향상에 기여한다. 이들 경질 입자는 석출 분산형이기 때문에, 경질상의 합금 기지로의 고착성이 뛰어나고, 탈락하기 어렵다. 또, Fe, Ni, Cr 및 Co 중 적어도 1종으로 이루어지는 합금 기지는, 내식성을 가짐과 더불어, 주로 소결시에 합금 기지의 합금 원소가 상기의 스테인리스강 조성의 기지로 확산하고, 기지의 강화나 고착성의 향상에 기여한다.

상기의 경질상은, 경질상의 전성분을 함유한 합금 분말의 형태로 부여하고, 소결에 의해 상기의 금속 조직을 형성하도록 구성한다. 즉, 본 발명에 있어서는, 기지를 형성하는 Fe기 합금 분말에, 경질상 형성 합금 분말을 첨가, 혼합한 혼합 분말을 원료 분말로서 이용한다. 이와 같이 원료 분말을 구성하면, 경질상 형성 합금 분말의 첨가량을 조정함으로써, 소결에 의해 금속 조직 중에 원하는 양의 경질상을 균일하게 분산시킬 수 있다.

또, 상기의 경질상은, 상기의 스테인리스강 조성의 기지 중에 15~70체적％ 분산시킨다. 경질상의 양이 15체적％를 밑돌면, 내마모성 향상의 효과가 부족해진다. 한편, 70체적％를 초과하여 분산시키면, 원료 분말 중에 있어서의 경질상 형성 합금 분말의 비율이 너무 많아져서, 원료 분말의 성형성이 현저하게 저하한다. 이 때문에, 본 발명의 제조 방법의 원료 분말로서는, 상기 조성의 Fe기 합금 분말 에, 경질상 형성 합금 분말을 15~70체적％ 첨가하여 혼합한 것을 이용한다.

상기의 경질상에 있어서는, 경질 입자로서 내마모성과 함께 윤활성을 갖는 몰리브덴 규화물이 가장 바람직하고, 합금 기지로서는, 고온에 있어서의 강도 및 내식성이 뛰어난 Co합금 기지가 가장 바람직하다. 이 조합에 있어서, 경질상의 조성은, Mo:20~60질량％, Cr:3~12질량％, Si:1~12질량％, 및 잔부가 Co와 불가피 불순물로 하는 것이 바람직하다. 여기서, Mo량이 20질량％를 밑돌면, 석출되는 몰리브덴 규화물의 양이 부족해져 내마모성이 불충분해지고, 60질량％를 초과하면, 석출되는 경질 입자가 약해져, 충격에 의해서 이지러지기 쉬워진다. 또, Cr량이 3 질량％를 밑돌면, 스테인리스강 기지로의 고착성이 부족해지고, 12질량％를 초과하면, 분말 표면에 산화 피막이 형성되기 쉬워져 소결의 진행을 저해할 우려가 있다. 또, Si량이 1질량％를 밑돌면, 석출하는 몰리브덴 규화물의 양이 부족해져 내마모성이 불충분해지고, 12질량％를 초과하면, 스테인리스강 기지에 확산된 Si가 기지를 경화시켜 상대 부재에 대한 공격성이 증대함과 더불어, 스테인리스강 기지를 취화시켜 내마모성이 저하한다. 따라서, 경질상 형성 합금 분말의 각 성분은, 상기 범위 내에 있는 것이 바람직하다.

상기의 원료 분말은, 내측 부재와 끼워 맞추는 구멍부을 갖는 원하는 외측 부재 형상으로 압분 성형되어 외측 부재 압분체가 되었다. 다음에, 외측 부재 압분체의 끼워 맞춤용 구멍부에, 용제강으로 이루어지는 내측 부재를 끼워 맞춰 일체로 조립한다. 또한, 내측 부재의 용제강으로서는, 고온하에 있어서의 내식성이 요구되기 때문에, 스텐인리스 용제강을 이용한다.

또한, 외측 부재 압분체의 끼워 맞춤용 구멍부와 내측 부재의 치수 차이는, 간극이 끼워 맞춤용 구멍부의 직경의 0.7％ 이하인 간극 끼움, 혹은 체결 여유가 끼워 맞춤용 구멍부의 직경의 2％ 이내인 체결 끼움으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 내측 부재를 굵게(체결 끼움) 설정하여 외측 부재 압분체의 끼워 맞춤용 구멍부에 압입하면, 양자가 밀착하여 끼워 맞춰지고, 체결 여유가 클수록 양자의 밀착도가 커진다. 단, 강도가 낮은 외측 부재 압분체의 인장 응력에 의한 파손을 피하기 위해, 체결 여유를 바람직하게는 끼워 맞춤용 구멍부의 직경의 1％ 이내, 많아도 2％ 이내로 억제할 필요가 있다. 한편, 간극 끼움의 경우에서는, 간극은 작을 수록 좋고, 끼워 맞춤용 구멍부의 직경의 0.7％ 이하로 억제해야 한다.

일체로 조립된 외측 부재 압분체와 내측 부재는, 소결로에 투입되어 소결된다. 이 소결시에 있어서, 외측 부재 압분체는, 분말 입자간에 성분 원소가 서로 확산되어 넥이 성장하고, 소결이 진행하여 소결 부재가 된다. 동시에, 외측 부재 압분체는 흑연 분말이나 동 분말 등의 소결 팽창을 일으키는 분말을 함유하고 있지 않기 때문에, 소결의 진행에 따라 수축한다. 한편, 용제강으로 이루어지는 내측 부재는, 가열에 의해 열팽창한다. 이 때문에, 소결 진행시(800℃ 이상의 온도)에 있어서는, 외측 부재와 내측 부재의 계면에서 압력이 발생하고, 양자가 강하게 밀착한 상태가 된다. 이 때, 외측 부재와 내측 부재의 계면에서 양 부재의 성분 원소가 서로 고체상 확산하여, 양 부재의 확산 접합이 행해진다. 이 결과, 외측 부재는, 고온 하에 있어서 뛰어난 내마모성과 내식성을 갖는 소결 부재가 됨과 더불어, 외측 부재와 내측 부재가 강고하게 일체화한 소결 복합 슬라이딩 부품을 얻을 수 있다.

상기의 소결 복합 슬라이딩 부품에 있어서는, 외측 부재에 과대한 응력이 작용하는 일 없이, 압입이나 코킹에 의한 끼워 맞춤 시에 발생하는 균열의 문제를 회피할 수 있다. 또, 외측 부재와 내측 부재는, 양자가 야금적으로 결합하고 있으므로, 높은 접합 강도를 갖는다.

상기의 방법으로 얻어진 외측 부재인 소결 부재는 특유의 기공을 가지며, 기공의 존재에 의해 외측 부재는 비표면적이 크다. 부식(산화)은 표면으로부터 생기기 때문에, 이 기공의 양을 저감함으로써, 한층 더한 내식성의 향상을 도모할 수도 있다.

그 방법의 하나로서, 내측 부재와 끼워 맞추기 전에, 상기 외측 부재 압분체에 예비 소결을 실시하여 재압축을 행하고, 예비 소결 재압체를 제작하고, 이 예비 소결 재압체의 끼워 맞춤용 구멍부에 내측 부재를 끼워 맞춰, 상기와 같이 소결하는 방법을 들 수 있다. 이 때, 예비 소결에 있어서, 압분체의 원료 분말에 축적된 압축 왜곡이 개방되고, 이것을 재압축함으로써, 밀도가 압분체에 비해서 높은 예비 소결 재압체를 얻을 수 있다. 이러한 밀도가 높은(기공량이 적은) 재료를 내측 부재와 끼워 맞춰 소결함으로써, 외측 부재는 고밀도인 것, 즉 기공량이 적고, 비표면적이 작은 것이 된다. 예비 소결 온도로서는, 원료 분말에 축적된 압축 왜곡을 개방하기 위해, 600℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 온도가 너무 높으면, 원료 분말끼리의 넥의 성장이 시작되고, 재압축에 있어서 치밀화되기 어려워지므로, 상한을 1000℃로 하는 것이 바람직하다.

또 하나의 방법은, Fe기 합금 분말로서, 주로 최대 입경 46㎛ 이하의 미세 분말로 이루어지는 분말을 이용하는 것이다. 원료 분말로서 미세 분말을 이용하면, 브리징(bridging)이 발생하기 쉽고, 성형성이 저하된다고 하는 문제가 있지만, 미세 분말을 이용하면 비표면적이 증대하고, 넥 성장의 기점이 되는 분말끼리의 접촉부가 증대하기 때문에, 소결이 진행하기 쉽고, 얻어지는 소결체는 고밀도가 된다. 이 효과를 양호하게 발휘시키기 위해, Fe기 합금 분말에 있어서의 최대 입경 46㎛ 이하의 미세 분말의 양은 90％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기의 미세 분말을 이용하여 소결성을 향상시켜 치밀화를 달성하는 방법에 있어서, 미세 분말을 미리 평균 입경 80~150㎛의 크기로 조립한 조립 분말의 형태로 이용하면, 미세 분말을 이용함으로써 성형성의 저하의 문제를 회피할 수 있고, 소결시에 한층 더 치밀화가 달성된다.

(실시예)

［제1 실시예］

표 1에 나타내는 조성의 Fe기 합금 분말 및 경질상 형성 합금 분말을 준비하고, 표 1에 나타내는 배합 비율로 첨가, 혼합하여 원료 분말을 준비했다. 또한, Fe기 합금 분말의 평균 입경은 100㎛, 경질상 형성 합금 분말의 평균 입경은 100㎛이다. 이들 원료 분말을 이용하여, 성형 압력:800㎫로, 외경:30㎜, 내경:20㎜, 높이:5㎜의 둥근 고리 형상으로 성형을 행하고 둥근 고리 형상 압분체를 각 15개씩 준비했다. 얻어진 둥근 고리 형상 압분체 각 10개를 외측 부재 압분체로 하고, 그 구멍부에, 별도 준비한 JIS 규격의 SUS304재 상당의 용제강으로 이루어지는 외 경:20㎜, 높이:10㎜의 내측 부재를 끼워 맞춰 일체로 조립했다. 이 때의 끼워 맞춤 간극은, 10㎛이다. 얻어진 각 10개의 조립체와, 각 5개의 둥근 고리 형상 압분체를 소결로에 투입하고, 분해 암모니아 가스 분위기 중 1200℃로 가열하여, 조립체에 대해서는 외측 부재의 소결과 외측 부재와 내측 부재의 확산 접합을 동시에 행하고, 둥근 고리 형상 압분체에 대해서는 소결을 행하고, 시료 번호 01~07의 시료를 얻었다.

이들 시료에 대해서, 외측 부재와 내측 부재를 일체화시킨 소결 복합 시료를 각 5개씩 이용하여 산화 시험 및 펀칭 시험을 행하고, 산화 시험 후의 산화 증량 및 접합 강도를 측정했다. 또, 둥근 고리 형상 시료를 5개 이용하여 왕복 슬라이딩 마찰 시험을 행하고, 마찰 시험 후의 마모량을 측정했다. 이상에 의해 얻어진 산화 증량, 마모량 및 접합 강도 각 5개의 결과에 대해서, 평균한 값을 표 1에 나타낸다.

산화 시험은, 각 시료마다 알루미나제 도가니에 배치하여, 전체 도가니를 머플(muffle)로에 넣어 대기 분위기 중 800℃의 온도로 100시간 가열하여 행했다. 평가는, 시험 전후의 중량 증분을 측정하고, 표면적으로 제거한 값을 산화 증량(g/㎡)으로서 평가했다.

왕복 슬라이딩 마찰 시험은, 상기의 둥근 고리 형상 시료에, 직경:15㎜, 두께 22㎜의 롤(상대재)의 측면을 소정의 하중으로 가압하면서 왕복 슬라이딩시키는 마찰 시험이다. 본 시험에 있어서는, 롤재로서 JIS 규격 SUS316 상당의 용제강의 표면에 크로마이즈 처리(표면에 크롬을 피복함과 더불어 경질인 철크롬 금속간 화 합물층을 형성하여 내마모성, 내소부성(anti-seizure property) 및 내식성 등을 향상시키는 처리)를 실시한 것을 이용하여, 대기중에서, 하중:50N, 왕복 슬라이딩의 주파수:20㎐, 왕복 슬라이딩의 진폭:1.5㎜, 시험 시간:20min, 시험 온도:700℃의 시험 조건 하에서 왕복 슬라이딩 마찰 시험을 행했다.

펀칭 시험은, 외측 부재의 하단면을 지그에 의해 지지한 상태로 내측 부재를 가압하고, 양 부재의 접합이 파괴될 때의 압력 즉 접합 강도에 의해 평가했다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 산화 증량은, Cr량이 11질량％에 미치지 않는 시료 번호 01의 시료에서는, 220g/㎡로 큰 값을 나타내지만, Cr량이 11질량％인 시료 번호 02의 시료에서는 101g/㎡로 반감되어 있다. 또, Cr량이 20~35질량％인 시료(시료 번호 03~06)에서는 산화 증량이 더 감소되어 있고, 양호한 내식성을 나타내고 있다. 그러나, Cr량이 35질량％를 초과하는 시료 번호 07의 시료에서는, 산화 증량이 현저하게 증가되어 있다. 이것은, 원료 분말이 너무 딱딱해져서 압축성이 저하하고, 성형 밀도가 저하한 결과, 소결 밀도가 저하해 비표면적이 증가했기 때문이라고 생각된다.

Cr량이 11질량％에 미치지 않는 시료 번호 01의 시료에서는, 마모량은 86㎛로 큰 값을 나타내지만, Cr량이 11질량％인 시료 번호 02의 시료에서는 고온 강도가 개선되고, 23㎛로 마모량이 현저하게 저감되어 있다. 또, Cr량이 20~35질량％인 시료(시료 번호 03~06)에서는 더 마모량이 저감되어 있고, 양호한 내마모성을 나타내는 것을 알 수 있다. 그러나, Cr량이 35질량％를 초과하는 시료 번호 07의 시료에서는, 마모량이 현저하게 증가되어 있다. 이것은, 원료 분말이 너무 딱딱해져서 압축성이 저하하고, 성형 밀도가 저하한 결과, 소결 밀도가 저하해 기지의 강도가 저하함과 더불어, 기지가 취화되었기 때문이라고 생각된다.

접합 강도는, Cr량이 35질량％까지의 시료(시료 번호 01~06)에 있어서, 양호한 값을 나타내고 있다. 한편, Cr량이 35질량％를 초과하는 시료 번호 07의 시료에서는, 접합 강도는 저하하고 있다. 이것은, 원료 분말이 너무 딱딱해져서 압축성이 저하하고, 성형 밀도가 저하한 결과, 소결 밀도가 저하해 기지의 강도가 저하함과 더불어, 기지가 취화되었기 때문이라고 생각된다.

이들 결과로부터, 외측 부재의 Cr량이 11~35질량％의 범위에 있어서, 양호한 내식성, 내마모성 및 접합 강도를 겸비한 소결 복합 슬라이딩 부품을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.

［제2 실시예］

표 2에 나타내는 조성의 Fe기 합금 분말 및 제1 실시예에서 이용한 경질상 형성 합금 분말을 준비하고, 표 2에 나타내는 배합 비율로 첨가, 혼합하여 원료 분말을 준비했다. 이들 원료 분말을 이용하여, 제1 실시예와 마찬가지로 하여 성형, 끼워 맞춤, 소결을 행하고, 시료 번호 08~14의 시료를 얻었다. 또한, Fe기 합금 분말은, 제1 실시예와 마찬가지로 평균 입경이 100㎛인 것을 이용했다.

이들 시료에 대해서, 제1 실시예와 같은 조건으로 산화 시험, 왕복 슬라이딩 마찰 시험 및 펀칭 시험을 행하고, 산화 시험 후의 산화 증량, 마찰 시험 후의 마모량 및 접합 강도를 측정했다. 이들 결과를, 제1 실시예의 시료 번호 04의 시료의 결과와 더불어 표 2에 나타낸다.

표 2에 나타내는 바와 같이, 산화 증량은, Ni량이 0질량％인 시료 번호 08의 시료에서는 68g/㎡를 나타내지만, Ni량이 3.5질량％인 시료 번호 09의 시료에서는 48g/㎡로 저하되어 있고, Ni첨가에 의한 내식성 향상의 효과가 있는 것을 알 수 있다. 또, Ni량이 5~20질량％의 시료(시료 번호 10~12, 04)는, Ni량의 증가에 따라 산화 증량이 더 저감되어 있고, Ni량이 20질량％를 초과하는 시료(시료 번호 13, 14)에서는, 산화 증량은 매우 작고, 거의 일정한 값을 나타내고 있다.

마모량은, Ni량이 0질량％인 시료 번호 08의 시료에서는, 48㎛를 나타내지만, Ni량이 3.5질량％인 시료 번호 09의 시료에서는 30㎛로 저하되어 있고, Ni첨가에 의해서 고온 강도가 개선되는 것을 알 수 있다. 또, Ni량이 5~20질량％인 시료(시료 번호 10~12, 04)에서는, Ni량의 증가에 따라 마모량이 더 저감되어 있고, Ni량이 20질량％를 초과하는 시료(시료 번호 13, 14)에서는, 거의 일정한 낮은 마모량을 나타내고 있다. 또, 접합 강도는, Ni량에 의하지 않고, 양호한 접합 강도를 나타내고 있다. 이들 결과로부터, 외측 부재에 3.5질량％ 이상의 Ni를 첨가함으로써, 내식성 및 내마모성을 개선할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

［제3 실시예］

제1 실시예의 시료 번호 04에서 이용한 Fe기 합금 분말 및 경질상 형성 합금 분말을 준비하고, 표 3에 나타내는 배합 비율로 첨가, 혼합하여 원료 분말을 준비했다. 이들 원료 분말을 이용하여, 제1 실시예와 마찬가지로 하여 성형, 끼워 맞춤, 소결을 행하고, 시료 번호 15~21의 시료를 얻었다.

이들 시료에 대해서, 제1 실시예와 같은 조건으로 산화 시험, 왕복 슬라이딩 마찰 시험 및 펀칭 시험을 행하고, 산화 시험 후의 산화 증량, 마찰 시험 후의 마모량 및 접합 강도를 측정했다. 이들 결과를 제1 실시예의 시료 번호 04의 시료의 결과와 더불어 표 3에 아울러 나타낸다.

표 3에 나타내는 바와 같이, 경질상 형성 합금 분말의 첨가량(즉 경질상의 양)이 증가함에 따라, 원료 분말의 압축성이 저하해 소결체 밀도가 저하하기 때문에, 산화 증량은 증가하는 경향을 나타내고 있다. 또, 경질상 형성 합금 분말의 첨가량(경질상의 양)이 70질량％를 초과하는 시료 번호 21의 시료에서는, 원료 분말의 압축성 저하의 영향이 커지고, 산화 증량이 현저하게 증가되어 있다.

표 3에 나타내는 바와 같이, 마모량은, 경질상 형성 합금 분말의 첨가량(경질상의 양)이 15질량％에 미치지 않는 시료 번호 15의 시료에서는, 86㎛로 큰 값이지만, 경질상 형성 합금 분말의 첨가량(경질상의 양)이 15질량％인 시료 번호 16의 시료에서는 내마모성이 개선되고, 30㎛에까지 마모량이 저감되어 있다. 또, 경질상 형성 합금 분말의 첨가량(경질상의 양)이 25~60질량％인 시료(시료 번호 04, 17~19)에서는 더 마모량이 저감하고, 양호한 내마모성을 나타내고 있다. 그러나, 경질상 형성 합금 분말의 첨가량(경질상의 양)이 70질량％인 시료(시료 번호 20)에서는, 원료 분말이 딱딱해져 압축성이 저하하는 영향이 커지고, 마모량이 증가되어 있다. 또한, 경질상 형성 합금 분말의 첨가량(경질상의 양)이 70질량％를 초과하는 시료 번호 21의 시료에서는, 압축성 저하의 영향이 매우 크고, 마모량이 현저하게 증가되어 있다.

표 3에 나타내는 바와 같이, 접합 강도는, 경질상 형성 합금 분말의 첨가량(경질상의 양)이 증가함에 따라, 약간의 저하 경향을 나타내고 있다. 단, 시료 번호 20의 시료의 접합 강도는 800㎫이며, 경질상 형성 분말의 첨가량(경질상의 양)이 70질량％에 있어서도 양호한 접합 강도를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러나, 경질상 형성 합금 분말의 첨가량(경질상의 양)이 70질량％를 초과하는 시료 번호 21의 시료에서는, 압축성 저하의 영향이 커지고, 접합 강도가 현저하게 저하되어 있다.

이상으로 부터, 경질상 형성 합금 분말의 첨가량(경질상의 양)이 15~70질량％인 범위에 있어서, 양호한 내식성, 내마모성 및 접합 강도를 겸비한 소결 복합 슬라이딩 부품을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.

［제4 실시예］

제1 실시예의 시료 번호 04에서 이용한 Fe기 합금 분말 및 표 4에 나타내는 경질상 형성 합금 분말을 준비하고, 표 4에 나타내는 배합 비율로 첨가, 혼합해 원료 분말을 준비했다. 이들 원료 분말을 이용하여, 제1 실시예와 마찬가지로 하여 성형, 끼워 맞춤, 소결을 행하고, 시료 번호 22~25의 시료를 얻었다. 또한, 경질상 형성 합금 분말은, 제1 실시예와 마찬가지로 평균 입경이 100㎛인 것을 이용했다.

이들 시료에 대해서, 제1 실시예와 같은 조건으로 산화 시험, 왕복 슬라이딩 마찰 시험 및 펀칭 시험을 행하고, 산화 시험 후의 산화 증량, 마찰 시험 후의 마모량 및 접합 강도를 측정했다. 이들 결과를 제1 실시예의 시료 번호 04의 시료의 결과와 더불어 표 4에 아울러 나타낸다.

표 4의 각 시료는, 시료 번호 04:Co기 합금 기지 중에 주로 몰리브덴 규화물이 입자 형상으로 석출 분산하는 경질상, 시료 번호 22:Co기 합금 기지 중에 주로 몰리브덴 규화물이 덩어리 형상으로 석출 분산하는 경질상, 시료 번호 23:Fe기 합금 기지에 주로 몰리브덴 규화물이 입자 형상으로 석출 분산하는 경질상, 시료 번호 24:Fe기 합금 기지에 주로 크롬 탄화물이 입자 형상으로 석출 분산하는 경질상, 시료 번호 25:Ni기 합금 기지에 주로 Cr, Mo의 탄화물이 입자 형상으로 석출 분산하는 경질상을 나타내는 것이다.

표 4에 나타내는 바와 같이, 경질상 형성 합금 분말의 종류를 교체하여, 소결에 의해 형성되는 경질상의 형태를 바꾸어도, 충분한 내식성, 내마모성 및 접합 강도를 겸비한 소결 복합 슬라이딩 부품을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 또, 각 시료는, 충분한 내식성과 내마모성을 나타내지만, Co기 합금 기지 중에 몰리브덴 규화물이 석출한 시료 번호 04와 시료 번호 22는, 마모량이 특히 작아지고 있고, 내마모성을 주안으로 하는 경우에, 특히 적합하다는 것이 확인되었다.

［제5 실시예］

제1 실시예의 시료 번호 04의 외측 부재 압분체를, 850℃로 예비 소결한 후, 800㎫로 재압축하고, 끼워 맞춤용 구멍부에 제1 실시예의 내측 부재를 끼워 맞춰 조립하고, 제1 실시예와 같은 조건으로 소결하여, 시료 번호 26의 시료를 제작했다. 이 시료 번호 26의 시료에 대해서, 제1 실시예와 같은 조건으로 산화 시험을 행한 바, 산화 증량은 14g/㎡였다. 이로부터, 압분체를 예비 소결 및 재압축함으로써, 내식성을 한층 더 개선할 수 있는 것이 확인되었다.

［제6 실시예］

제1 실시예의 시료 번호 04의 조성의 Fe기 합금 분말을 300메쉬의 체로 쳐서, 체를 통과한 미세 분말(최대 입경이 46㎛인 분말)만으로 이루어지는 Fe기 합금 분말을 준비했다. 이 Fe기 합금 분말과 제1 실시예에서 이용한 경질상 형성 합금 분말 (평균 입경 100㎛)을 제1 실시예의 시료 번호 04와 같은 배합 비율로 첨가, 혼합하여 얻어진 혼합 분말을 이용하고, 제1 실시예와 마찬가지로 하여 성형, 끼워 맞움, 소결을 행하고 시료 번호 27의 시료를 제작했다. 이 시료 번호 27의 시료에 대해서, 제1 실시예와 같은 조건으로 산화 시험을 행한 바, 산화 증량은 18g/㎡였다. 이로부터, Fe기 합금 분말로서 46㎛ 이하의 미세 분말을 이용함으로써, 내식성을 한층 더 개선할 수 있는 것이 확인되었다.

Claims

Cr:11~35질량％, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어진 Fe기 합금으로 이루어지는 기지 중에,

Mo:20~60질량%, Cr: 3~12질량%, Si:1~12질량%, 잔부가 Co 및 불가피 불순물로 이루어지고, Co 합금 기지 중에 몰리브덴 규화물이 석출 분산되는 경질상이 15~70체적％ 분산되는 Fe기 내마모성 소결 부재로 이루어지는 외측 부재와,

용제(溶製)인 스테인리스강으로 이루어지는 내측 부재로 이루어지고,

상기 외측 부재에 형성된 구멍부에 상기 내측 부재가 끼워 맞춰짐과 더불어 확산 접합하여 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 소결 복합 슬라이딩 부품.
청구항 1에 있어서,

상기 Fe기 합금이, Ni:3.5~22질량％를 함유하는 것을 특징으로 하는 소결 복합 슬라이딩 부품.
청구항 1에 있어서,

상기 Fe기 합금이, Mo:0.3~7질량%, Nb:0.45질량%이하, Al:0.1~5질량%, N:0.3질량%이하, Si:0.15~5질량%, Se:0.15질량%이하, P:0.2질량%이하, S:0.15질량%이하중 적어도 1종을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 소결 복합 슬라이딩 부품.
Cr:11~35질량％, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어진 Fe기 합금 분말과,

Mo:20~60%, Cr:3~12%, Si:1~12%, 잔부가 Co 및 불가피 불순물로 이루어진 경질상 형성 합금 분말을 준비하고,

상기 Fe기 합금 분말에, 상기 경질상 형성 합금 분말을 15~70체적％ 첨가하고, 혼합한 혼합 분말을 원료 분말로서 이용하고,

상기 원료 분말을, 용제강으로 이루어지는 내측 부재와 끼워 맞추는 구멍부를 갖는 외측 부재 형상으로 압분(壓粉) 성형하고,

얻어진 외측 부재 압분체의 상기 끼워 맞춤용 구멍부에 용제인 스테인리스강으로 이루어지는 내측 부재를 끼워 맞춘 후, 소결에 의해 외측 부재의 소결과 외측 부재와 내측 부재의 확산 접합을 동시에 행하여 일체화시키는 것을 특징으로 하는 소결 복합 슬라이딩 부품의 제조 방법.
청구항 4에 있어서,

상기 외측 부재 압분체를 예비 소결한 후, 재압축하여 예비 소결 재압체(再壓體)로 하고, 상기 예비 소결 재압체의 구멍부에 용제강으로 이루어지는 내측 부재를 끼워 맞춘 후, 소결에 의해 외측 부재의 소결과 외측 부재와 내측 부재의 확산 접합을 동시에 행하여 일체화시키는 것을 특징으로 하는 소결 복합 슬라이딩 부품의 제조 방법.
청구항 4에 있어서,

상기 Fe기 합금 분말로서, 최대 입경 46㎛ 이하의 분말의 양이 90질량％ 이상 포함되어 있는 분말을 이용하는 것을 특징으로 하는 소결 복합 슬라이딩 부품의 제조 방법.
청구항 6에 있어서,

상기 Fe기 합금 분말로서, 청구항 6에 기재된 분말을 이용하여, 평균 입경 80~150㎛의 크기로 조립(造粒)한 조립 분말을 이용하는 것을 특징으로 하는 소결 복합 슬라이딩 부품의 제조 방법.
청구항 4 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,

상기 Fe기 합금 분말이, Ni:3.5~22질량％를 함유하는 것을 특징으로 하는 소결 복합 슬라이딩 부품의 제조 방법.
청구항 4에 있어서,

상기 Fe기 합금 분말이, Mo:0.3~7질량%, Nb:0.45질량%이하, Al:0.1~5질량%, N:0.3질량%이하, Si:0.15~5질량%, Se:0.15질량%이하, P:0.2질량%이하, S:0.15질량% 이하 중 적어도 1종을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 소결 복합 슬라이딩 부품의 제조 방법.