KR101607744B1 - 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

내소부성을 향상시킨 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
슬라이딩 부재용 철기 소결 합금을, 전체 조성이, 질량비로, Cu：10~30%, C：0.2~2.0%, Mn：0.03~0.9%, S：0.36~3.65%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물로 이루어지며, 마르텐사이트 조직을 주로 하는 기지 중에, 구리상과 기공이 분산됨과 함께, 황화물 입자가 상기 기지 중 및 상기 구리상 중에 석출 분산되는 금속 조직을 나타내고, 상기 황화물 입자가, 상기 기지에 대해 1~30체적%의 비율로 분산되는 것으로 한다.

Description

슬라이딩 부재용 철기 소결 합금 및 그 제조 방법{IRON BASE SINTERED ALLOY FOR SLIDING MEMBER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은, 내주면에 높은 면압이 작용하는 베어링에 이용하여 적합한 슬라이딩 부재용 철기(鐵基) 소결 합금 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 내소부성을 향상시킨 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금에 관한 것이다.
예를 들어, 차량, 공작 기계, 산업 기계 등의 구동 부위나 슬라이딩 부위와 같이 슬라이딩면에 높은 면압이 작용하는 슬라이딩 부재로서는, 탄소강을 절삭 가공하여 담금질, 뜨임한 것이나, 소결 합금제인 것이 사용되고 있다. 특히, 소결 합금은 함침된 윤활유에 의한 자기 윤활성을 부여할 수 있기 때문에, 내소부성과 내마모성이 양호하여 널리 이용되고 있다. 예를 들어 일본국 특허공개 평11-117940호 공보에는, Cu：10~30%, 잔부：Fe로 이루어지는 철계 소결 합금층을 슬라이딩면에 설치한 베어링이 개시되어 있다.
또, 일본국 특허공개 2009-155696호 공보에는, 전체 조성이, 질량비로, C：0.6~1.2%, Cu：3.5~9.0%, Mn：0.6~2.2%, S：0.4~1.3%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물로 이루어지며, 그 합금 조직이, 마르텐사이트 기지(基地) 중에, 유리한 Cu상 또는 유리한 Cu-Fe 합금상 중 적어도 하나가 분산되어 있음과 함께, MnS상이 1.0~3.5질량% 분산되는 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금이 개시되어 있다.
최근, 상기와 같은 슬라이딩면에 높은 면압이 작용하는 슬라이딩 부재에 있어서는, 보다 한층 내소부성의 향상이 요구되고 있다.
이 점, 일본국 특허공개 2009-155696호 공보는, MnS상을 1.0~3.5질량% 분산시킴으로써, Cu의 함유량의 저감에 의한 내마모성 저하 및 상대 공격성 증가를 회피하고 있다. 그러나, MnS상은, 원료 분말 중에 첨가한 MnS 분말이 그대로 MnS상으로서 잔류되기 때문에, MnS상의 분산 개소는 기공 중 및 분말 입계에 한정된다. 이 때문에, 내소부성의 향상의 효과가 부족하다. 또, MnS 분말은 안정되어 철 기지와 반응하지 않기 때문에 기지로의 고착성이 낮아, 슬라이딩 시에 탈락할 우려가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 기지로의 고착성이 높은 황화물을 기지 중에 분산시켜, 내소부성을 향상시킨 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금은, 전체 조성이, 질량비로, Cu：10~30%, C：0.2~2.0%, Mn：0.03~0.9%, S：0.36~3.65%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물로 이루어지며, 마르텐사이트 조직을 주로 하는 기지 중에, 구리상과 기공이 분산됨과 함께, 황화물 입자가 상기 기지 중 및 상기 구리상 중에 석출 분산되는 금속 조직을 나타내고, 상기 황화물 입자가, 상기 기지에 대해 1~30체적%의 비율로 분산되는 것을 특징으로 한다.
또, 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금의 제조 방법은, 질량비로, Mn을 0.03~1.0% 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 철 분말과, 구리 분말과, 흑연 분말과, 황화철 분말 및 황화구리 분말 중 적어도 1종의 황화물 분말을 준비하고, 질량비로, Cu：10~30%, C：0.2~2.0%, Mn：0.03~0.9%, S：0.36~3.65%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물이 되도록, 상기 철 분말에, 상기 구리 분말, 상기 흑연 분말 및 상기 황화물 분말을 첨가하고, 혼합하여 원료 분말을 제작하고, 상기 원료 분말을 소정의 형상으로 성형하여, 얻어진 성형체를 1000~1200℃의 범위에서 소결하고, 그 후, 담금질, 뜨임하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 기지로의 고착성이 높은 황화물을 기지 중에 분산되므로 내소부성이 향상된 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금을 얻을 수 있다.
도 1은, 본 발명의 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금의 금속 조직의 일례이며, 200배로 촬영한 금속 조직 사진이다.
도 2는, 도 1과 동일한 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금의 금속 조직이며, 500배로 촬영한 금속 조직 사진이다.
이하, 본 발명의 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금에 대해서, 수치 한정의 근거를 본 발명의 작용과 함께 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서 「%」는 「질량%」를 의미한다. 본 발명의 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금은, Cu보다 강도가 높은 Fe를 주성분으로 하고, 기지 조직을 철 기지(철합금 기지)로 한다. 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금의 금속 조직은, 이 철 기지 중에 구리상, 황화물 및 기공이 분산되는 조직으로 한다.
철 기지는, 철 분말에 의해 형성된다. 또, 기공은, 분말 야금법에 기인하여 발생하는 것이며, 원료 분말을 압분 성형했을 때의 분말 간의 공극이, 원료 분말의 결합에 의해 형성된 철 기지 중에 잔류한 것이다.
구리상은, 원료 분말에 구리 분말의 형태로 부여되어, 소결 시에 고온 하에서 오스테나이트 상태가 된 철 기지에 확산되어 고용된 Cu가, 상온에서 과포화가 되어 철 기지 중에 유리하고 석출되어 형성된다. 본 발명의 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금에 있어서는, 철 기지 중에 구리상이 분산됨으로써, 슬라이딩의 상대 부재(철계 부재)와의 친화성 및 내소부성이 향상된 것이 된다.
본 발명의 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금에 있어서는, 상기의 구리상에 더하여, 황화물이 기지 중에 분산됨으로써, 슬라이딩의 상대 부재(철계 부재)와의 내소부성을 더 개선한다. 일반적으로, 철 분말은, 제법에 기인하여 Mn을 0.03~1.0% 정도 함유하고, 이 때문에 철 기지는, 미량의 Mn을 함유한다. 그리고, S를 부여함으로써, 고체 윤활제로서 황화망간 등의 황화물 입자를 기지 중에 석출시킬 수 있다. 여기서, 황화망간은 기지 중에 미세하게 석출되기 때문에, 피삭성 개선에는 효과가 있지만, 너무 미세하기 때문에 내소부성의 개선 효과가 작다. 이 때문에, 본 발명에 있어서는, 기지에 미량으로 함유되는 Mn과 반응하는 만큼의 S에 더하여, S를 더 부여하고, 이 S를 주성분인 Fe 및 다음에 성분량이 많은 Cu와 결합시켜 황화철(FeS) 및 황화구리(CuS)를 형성한다. 이 때문에, 기지 중에 석출되는 황화물 입자는, 주성분인 Fe에 의해 생성되는 황화철이 주가 되고, 일부가 황화구리 혹은 철과 구리의 복합 황화물이 되며, 또한 불가피 불순물인 Mn에 의해 생성되는 황화망간이 된다.
황화철, 황화구리 및 철과 구리의 복합 황화물은, 고체 윤활제로서 슬라이딩 특성 향상에 적합한 크기의 황화물 입자이며, 기지의 주성분인 Fe와 결합시켜 형성되기 때문에, 기지 중에 균일하게 석출 분산시킬 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 있어서는, 기지에 함유되는 Mn과 결합시키는 S에 더하여, S를 더 부여하고, 기지의 주성분인 Fe와 결합시켜 황화물을 석출시킨다. 단, 기지 중에 석출 분산되는 황화물 입자의 양이 1체적%를 밑돌면, 충분한 윤활 작용을 얻지 못하여, 슬라이딩 특성이 저하된다. 한편, 황화물 입자의 양이 증가함에 따라 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금의 윤활 작용은 향상되지만, 기지에 대한 황화물 입자의 양이 과다해져 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금의 강도가 저하된다. 이 때문에 20MPa의 고압에 견디는 강도를 얻기 위해, 황화물 입자의 양을 30체적% 이하로 할 필요가 있다. 즉, 기지 중의 황화물 입자의 양은, 기지에 대해 1~30체적%로 한다.
이 양의 황화철을 주체로 하는 황화물을 얻기 위해, S량은 전체 조성에 있어서 0.36~3.65질량%로 한다. S량이 0.36질량%를 밑돌면, 원하는 양의 황화물 입자를 얻기 어려워지고, 3.65질량%를 넘으면, 황화물 입자가 과잉하게 석출된다.
S는, 분해되기 쉬운 황화철 분말의 형태로 부여하여, 철 분말을 주체로 하는 원료 분말에 황화철 분말 및/또는 구리황화물 분말을 첨가함으로써 부여한다. 황화철 분말 및 구리황화물 분말은, 소결 시에 Fe와 S 및 Cu와 S로 분해된다. 이 분해에 의해 발생한 S가 원래의 황화철 분말이나 원래의 황화구리 분말의 주위의 Fe와 결합하여 FeS를 생성함과 함께 Fe와의 사이에서 공정(共晶) 액상을 발생시켜, 액상 소결이 되어 분말 입자 간의 네크의 성장을 촉진한다. 또, 이 공정 액상으로부터 S가 철 기지 중에 균일하게 확산되고, S의 일부는 철 기지 중의 Mn과 결합하여 황화망간으로서 철 기지 중에 석출됨과 함께, 잔여 S는 황화철로서 철 기지 중에 석출된다. 황화구리 분말을 이용한 경우에, 소결 시에 분해되어 생성된 Cu는, 철 기지 중에 확산되어 철 기지의 강화에 기여한다.
이와 같이, 황화망간 및 황화철 등의 황화물은, 기지 중의 Mn이나 Fe와 S를 결합시켜 철 기지 중에 석출시키기 때문에, 황화물을 첨가하여 그대로 분산시키는 종래의 수법에 비해 균일하게 분산된다. 또, 황화물은 석출되어 분산되기 때문에 기지에 강고하게 고착되어 있어, 슬라이딩 시에 용이하게 탈락되지 않고, 장기에 걸쳐 우수한 슬라이딩 특성을 발휘함과 함께, 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금의 내소부성의 향상에 기여한다.
또한, 상기한 바와 같이, 액상 소결이 됨과 함께, 원료 분말들의 확산이 양호하게 행해지기 때문에, 철 기지의 강도가 향상되어, 철 기지의 내마모성이 향상된다. 따라서, 본 발명의 미끄럼 베어링 조립체의 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금은, 기공 중 및 분말 입계 만이 아니라, 기지에 강고하게 고착된 고체 윤활제가 기지 중에 균일하게 분산되어 있어, 슬라이딩 특성이나 기지 강도가 개선되어, 내마모성이 향상된 것이 된다.
본 발명의 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금에 있어서는, 20MPa의 높은 면압에 있어서도 사용 가능하게 하기 위해, 철 기지는 마르텐사이트를 주체로 하는 금속 조직으로 한다. 여기서 마르텐사이트를 주체로 하는 금속 조직이란, 단면 면적율로 기공을 제외한 금속 조직의 50% 이상이 마르텐사이트가 되어 있는 것을 의미하며, 철 기지 부분(기공을 제외한 금속 조직으로부터 황화물 및 구리상의 면적을 제외한 부분)의 80% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 마르텐사이트는, 단단하고, 또한 강도가 높은 조직이며, 기공을 제외한 금속 조직의 50% 이상을 이와 같은 마르텐사이트로 구성함으로써, 높은 면압이 작용하는 슬라이딩 조건에 있어서도, 기지의 소성 변형을 방지하여, 양호한 슬라이딩 특성을 얻을 수 있다. 기지 조직의 전부를 마르텐사이트로 하는 것이 가장 바람직하지만, 철 기지의 일부가, 솔바이트, 트루스타이트, 베이나이트 등의 금속 조직으로 되어 있어도 된다.
본 발명의 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금의 금속 조직의 일례를 도 1에 나타낸다. 도 1 및 도 2는, S：1.09질량%, Cu：10질량%, C：1.0질량% 및 잔부가 Fe인 조성의 철기 소결 합금의 단면을 경면 연마하여, 3%의 나이탈(질산 알코올 용액)로 부식시킨 금속 조직 사진이며, 도 1은 200배, 도 2는 500배로 촬영한 것이다. 이들의 금속 조직 사진으로부터 알 수 있는 바와 같이, 기지 조직의 대부분이 마르텐사이트상으로 되어 있으며, 구리상이 마르텐사이트상 중에 분산되어 있다. 황화물은 대부분이 기지 중에 분산되어 있으며, 일부에서 구리상 중에 분산되어 있다.
Cu는, 실온에서는 Fe와 비교하면 황화물을 형성하기 어렵지만, 고온 하에서는 Fe보다 표준 생성 자유 에너지가 작아, 황화물을 형성하기 쉽다. 또, Cu는 α-Fe 중으로의 고용한이 작아, 화합물을 만들지 않기 때문에, 고온 하에서 γ-Fe 중에 고용된 Cu는 냉각 과정에서 α-Fe 중에 Cu단체로 석출된다. 이 때문에, 소결 중의 냉각 과정에서 한번 철 기지 중에 고용된 Cu는 철 기지 중으로부터 유리 구리상으로서 석출되어 철 기지 중에 분산된다. 이 냉각 시의 Cu석출 과정에 있어서, Cu가 핵이 되어 주위의 S와 결합하여 금속 황화물(황화구리, 황화철 및 철과 구리의 복합 황화물)이 형성됨과 함께, 그 주위에 황화물 입자(황화철)의 석출이 촉진된다. 또, 황화물이 분산되는 구리상은 연질이기 때문에 상대재로의 공격성을 완화함과 함께 상대 부재와의 내소부성을 향상시킨다. 또한, 구리상으로서 석출되지 않아 철 기지에 고용된 Cu는, 철 기지의 강화에 기여함과 함께, 철 기지의 담금질성을 향상시켜 펄라이트 조직을 미세화함으로써 철 기지의 강화에 기여한다. 이러한 작용을 얻기 위해 Cu량은 10질량% 이상 필요하다. 단, Cu량이 과다해지면, 강도가 낮은 구리상이 다량으로 분산되기 때문에, 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금의 강도가 저하됨과 함께, 소결 시의 액상 발생량이 과다해져 형태 붕괴가 발생하기 쉬워진다. 이 때문에 Cu량의 상한을 30질량%로 한다.
상기의 Cu는, Fe에 고용된 철합금 분말의 형태로 부여하면 원료 분말이 단단해져, 압축성이 손상된다. 이 때문에, Cu는, 구리 분말의 형태로 부여한다. 구리 분말은, 소결 시에 Cu 액상을 발생시켜 철 분말을 젖은 상태로 덮고, 철 분말 중에 확산된다. 이 때문에, Cu를 구리 분말의 형태로 부여해도, 철 기지로의 확산 속도가 빠른 원소인 것과 더불어, Cu는 철 기지 중에 어느 정도 균일하게 확산된다.
또한, 기지 조직 중에 구리상이 분산되는 경우, 그 일부가 구리황화물이 되는 경우가 있다. 이러한 구리황화물이 기지 중에 분산되는 경우, 구리황화물이 분산되는 만큼, 철황화물의 양이 줄어 들게 되지만, 구리황화물도 윤활 작용을 가지기 때문에, 슬라이딩 특성에 영향을 주지 않아 지장이 없다.
C는, 철 기지에 고용되어 철 기지를 강화시킴과 함께, 기지 조직을 마르텐사이트 조직으로 하기 위해 사용된다. C량이 부족하면, 기지 조직 중에 강도가 낮은 페라이트가 분산되어, 강도 및 내마모성이 저하된다. 이 때문에 C량을 0.2질량% 이상으로 한다. 한편, 첨가량이 과다해지면, 무른 시멘타이트가 네트워크형상으로 석출되어, 20MPa의 고압에 견딜 수 없게 된다. 이 때문에 C량의 상한을 2질량%로 한다. 상기의 C는, Fe에 고용된 철합금 분말의 형태로 부여하면 원료 분말이 단단해져, 압축성이 손상된다. 이 때문에, C는 흑연 분말의 형태로 부여한다.
이상의 각 분말, 즉, (1) Mn을 0.03~1.0질량% 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 철 분말과, (2) 구리 분말과, (3) 흑연 분말과, (4) 황화철 분말을, 전체 조성이, 질량비로, Cu：10~30%, C：0.2~2.0%, Mn：0.03~0.9%, S：0.36~3.65%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물이 되도록, 첨가하여 혼합한 혼합 분말을 원료 분말로서 이용하고, 이 원료 분말을 성형, 소결하여 열처리함으로써 본 발명의 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금을 제조할 수 있다.
성형은, 종래부터 행해지고 있는 압형법, 즉, 제품의 외주 형상을 조형하는 형공(型孔)을 가지는 금형과, 금형의 형공과 슬라이딩 가능하게 끼워 맞춰져, 제품의 하단면을 조형하는 하측 펀치와, 필요에 따라 제품의 내주 형상 혹은 두께 줄임부를 조형하는 코어 로드로 형성되는 캐비티에 원료 분말을 충전하고, 제품의 상단면을 조형하는 상측 펀치와, 상기 하측 펀치에 의해 원료 분말을 압축 성형한 후, 금형의 형공으로부터 뽑아냄으로써 성형체로 성형한다.
얻어진 성형체를 소결노에 있어서 1000~1200℃의 온도 범위에서 소결한다. 이 때의 가열 온도, 즉 소결 온도는, 소결의 진행 및 원소의 확산에 중요한 영향을 준다. 여기서, 소결 온도가 1000℃를 밑돌면 Cu 액상의 발생량이 불충분해져, 원하는 금속 조직을 얻기 어려워진다. 한편, 소결 온도가 1200℃보다 높아지면, 액상 발생량이 과다해져, 소결체의 형태 붕괴가 발생하기 쉬워진다. 이 때문에, 소결 온도는 1000~1200℃로 한다.
얻어진 소결체의 기지 조직의 과반을 마르텐사이트 조직으로 하기 위해, 담금질한다. 담금질은, 종래부터 행해지고 있는 바와 같이, 소결체를 오스테나이트 변태 온도 이상으로 가열한 후, 유중 혹은 수중에서 급냉함으로써 행한다. 담금질 시의 가열 온도는, 820~1000℃가 적당하다. 또, 분위기는, 비산화성 분위기가 이용되며, 침탄성 분위기여도 된다.
담금질 처리된 소결체는, 담금질　처리에 의해 변형이 과도하게 축적되어 단단하고 또한 무른 금속 조직이 되어 있다. 이 때문에, 종래부터 행해지고 있는 바와 같이, 담금질　처리 후의 소결체에 대해, 재차, 150~280℃의 범위로 가열하여 상온까지 냉각하는 뜨임 처리를 행한다. 이러한 뜨임 처리를 행하면, 내부 응력이 완화되어, 소결체의 경도를 저하시키지 않고 담금질　처리에 의해 발생한 변형을 제거할 수 있다. 이 때, 뜨임의 가열 온도가 150℃에 못 미치면 변형의 제거가 불완전해지고, 280℃를 넘으면 저탄소 마르텐사이트가 페라이트와 시멘타이트로 분해되기 쉬워져, 경도가 저하된다.
상기에 의해 얻어지는 본 발명의 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금은, 과반이 마르텐사이트인 기지 중에, 황화물 입자가 석출되어 분산되는 것이 된다. 황화물은, 주로 황화철로서 분산되고, 일부 황화망간, 황화구리로서 분산된다. 이들 황화물 입자는, 슬라이딩 특성이 우수하여, 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금의 슬라이딩 특성의 향상에 기여한다. 또, 기지 중에 연질의 구리상이 분산되어 상대재로의 공격성이 더 저감된다. 또, 액상 소결이 됨과 함께, 원료 분말들의 확산이 양호하게 행해지기 때문에 철 기지의 강도가 향상되어, 철 기지의 내마모성이 향상되어 있다. 따라서, 기공 중 및 분말 입계 만이 아니라, 기지에 강고하게 고착된 고체 윤활제가, 기지 중에 균일하게 분산되어 있어, 슬라이딩 특성이나 기지 강도가 개선되어, 내마모성이 향상된 것이 된다.
<실시예>
［제1 실시예］
Mn을 0.3질량% 함유하는 철 분말에, 황화철 분말(S량：36.48질량%), 구리 분말, 및 흑연 분말을 표 1에 나타내는 비율로 황화철 분말의 첨가 비율을 바꾸어 첨가하고, 혼합하여 원료 분말을 얻었다. 그리고, 원료 분말을 성형 압력 600MPa로 성형하여, 외경 75mm, 내경 45mm, 높이 51mm의 링형상의 성형체, 및 10mm×10mm×100mm의 각기둥 형상의 성형체를 각각 제작했다. 다음에, 비산화성 가스 분위기 중에서, 1150℃로 소결한 후, 비산화성 가스 분위기 중, 850℃로 유지한 후에 유냉(油冷)을 행하고, 또한, 180℃로 뜨임 처리를 행하여 시료 번호 01~13의 소결 합금의 시료를 제작했다. 이들 시료의 전체 조성을 표 1에 아울러 나타낸다.
소결 합금에 있어서의 각 상의 체적%는, 소결 합금의 단면 금속 조직을 관찰했을 때의 각 상의 면적%에 동등하기 때문에, 얻어진 시료에 대해서, 단면 조직 관찰을 행하고, 화상 분석 소프트웨어(미타니 상사 주식 회사제 WinROOF)를 이용하여, 기공을 제외한 철 기지 부분에 차지하는 황화물의 면적, 구리상의 면적 및 마르텐사이트상의 면적의 비율, 즉, 기공을 제외한 철 기지 부분을 100으로 했을 때의 황화물, 구리상 및 마르텐사이트상의 면적비를 각 상의 체적% 대신에 측정했다. 이들 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 마르텐사이트상의 면적의 비율은, 표 2에 있어서 “Mt상”이라고 표기했다.
또, 링형상의 소결 합금은 ISOVG 460 상당(40℃에 있어서의 동점도 460cSt)의 윤활유를 진공 함침한 후, 선반을 이용하여 외경 70mm, 내경 50mm, 높이 50mm로 가공했다. 그리고, JIS 규격에 규정된 SCM435H의 조질재를 상대재로서 이용하여, 베어링 시험기에 의해 소부 시간을 측정했다. 구체적으로는, 베어링 시험은 링형상의 소결 합금을 하우징에 고정하고, 그 내주에 상대재인 축을 삽입했다. 축에는 래디얼 방향의 하중을 부여하고, 면압을 60MPa로 하여, 미끄럼 속도를 1분간당 2.0m의 속도로 하고, 각도 60도의 범위에서 요동시키면서 회전시켰다. 이 경우, 요동 운동의 말단 위치에서 각각 0.5초간 휴지시켰다. 그리고, 소결 합금의 마찰 계수가 0.3을 넘은 상태를 소부로 판단하고, 소부 상태가 될 때까지의 슬라이딩 시간을 소부 시간으로서 측정했다. 이 결과에 대해서도 표 2에 아울러 나타낸다.
또한, 각기둥 형상의 소결 합금에 대해서, JIS Z 2201에 규정된 10호 시험편의 형상으로 기계 가공하여 인장 시험편을 작성하고, JIS Z 2241에 규정된 방법으로, 시마즈 제작소제 오토 그래프를 이용하여 인장 강도를 측정했다. 이들 결과에 대해서도 표 2에 아울러 나타낸다.
또한, 이하의 평가에 있어서는, 소부 시간 45시간 이상 및 인장 강도 250MPa 이상이 되는 시료를 합격으로 하여 판정을 행했다.
Figure 112014029119089-pat00001
Figure 112014029119089-pat00002
표 1 및 표 2로부터, 시료 번호 01의 시료는 S를 함유하지 않기 때문에 황화물이 석출되지 않지만, 원료 분말에 황화철 분말을 첨가함으로써 S를 부여하면 철 기지 중에 황화물이 분산되게 되어, S량이 증가함에 따라 철 기지에 분산되는 황화물의 양이 증가하는 것을 알 수 있다. 　또, S의 일부가 Cu와 결합하여 황화구리를 형성하기 때문에, S량이 증가함에 따라 S와 결합하는 Cu가 증가하고, 그 만큼 구리상의 양이 감소하고 있다. 그리고, 철 기지에 차지하는 마르텐사이트상의 면적비는, 황화물 입자의 증가량이 구리상의 감소량보다 크기 때문에 감소하고 있다.
이와 같은 금속 조직의 영향에 의해, S를 함유하지 않는, 혹은 S량이 0.36질량%에 미치지 않는 시료에서는, 황화물의 양이 부족하여 소부 시간이 짧다. 한편, S량이 0.36질량%인 시료 번호 03의 시료는 충분한 양의 황화물을 얻을 수 있기 때문에 소부 시간이 45시간에 이르고 있다. 그리고, S량이 증가함에 따라 황화물의 양이 증가하기 때문에, S량이 2.19질량%까지는 소부 시간이 증가하고 있다. 한편, 철 기지 중에 분산되는 황화물의 양이 증가하면 철 기지의 강도가 저하되기 때문에, 인장 강도는 S량의 증가에 따라 저하되어 있으며, S량이 3.65질량%를 넘는 시료 번호 13의 시료에서는, 인장 강도가 250MPa를 밑돌고 있다. 이 철 기지의 강도 저하의 영향에 의해, S량이 2.19질량%를 넘으면, S량이 증가함에 따라 소부 시간이 반대로 짧아지고 있으며, S량이 3.65질량%를 넘는 시료 번호 13의 시료에서는 소부 시간이 45시간을 밑돌고 있다. 이상과 같이, 황화철 분말을 원료 분말에 첨가함으로써, 철 기지 중에 황화물을 형성할 수 있는 것, 및 그 때의 S량은 0.36~3.65질량%의 범위로 해야 하는 것이 확인되었다.
［제2 실시예］
Mn을 0.3질량% 함유하는 철 분말에, 황화구리 분말(S량：33.54질량%), 구리 분말, 및 흑연 분말을 표 3에 나타내는 비율로 황화구리 분말의 첨가 비율을 바꾸어 첨가하고, 혼합한 원료 분말을 이용하여, 제1 실시예와 동일하게 하여 시료 번호 14~25의 소결 합금의 시료를 제작했다. 이들 시료의 전체 조성을 표 3에 아울러 나타낸다.
이들 시료에 대해서, 제1 실시예와 동일하게 하여, 기공을 제외한 철 기지 부분에 차지하는 황화물의 면적, 구리상의 면적 및 마르텐사이트상의 면적의 비율을 측정했다. 또, 제1 실시예와 동일하게 하여, 소부 시험을 행하여 소부 시간을 측정함과 함께, 인장 시험을 행하여 인장 강도를 측정했다. 이들 결과를 표 4에 나타낸다. 또한, 표 3 및 표 4에는, 제1 실시예의 시료 번호 01의 시료(S를 함유하지 않는 예)의 결과를 아울러 나타냈다.
Figure 112014029119089-pat00003
Figure 112014029119089-pat00004
표 3 및 표 4로부터, 시료 번호 01의 시료는 S를 함유하지 않기 때문에 황화물이 석출되지 않지만, 원료 분말에 황화구리 분말을 첨가함으로써, 황화구리가 분해되어 발생한 S가 철 기지 중의 Fe와 결합하고, 철 기지 중에 황화물이 분산되는 것을 알 수 있다. 또, 황화구리 분말의 첨가량이 증가하여, 전체 조성에 있어서의 S량이 증가하면, S량의 증가에 따라 철 기지에 분산되는 황화물의 양이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 제1 실시예의 경우와 마찬가지로, 황화구리 분말의 첨가량이 증가하여 S량이 증가함에 따라 구리상이 감소하지만, 황화구리가 분해되어 발생하는 Cu가 증가하기 때문에, Cu량이 일정한 제1 실시예의 경우에 비해, 황화물 석출에 의한 구리상 감소의 비율이 작아져 있다. 이 때문에 마르텐사이트상의 양의 감소의 비율도 제1 실시예의 경우보다 작아져 있다.
소부 시간 및 인장 강도는, 상기의 금속 조직의 영향에 의해, 황화철 분말에 의해 S를 부여한 제1 실시예의 경우와 동일한 경향을 나타낸다. 즉, S를 함유하지 않는, 혹은 S량이 0.36질량%에 미치지 않는 시료에서는, 황화물의 양이 부족하여 소부 시간이 짧다. 한편, S량이 0.36질량%인 시료 번호 03의 시료에서는, 충분한 양의 황화물을 얻을 수 있었기 때문에 소부 시간이 45시간에 이르고 있다. 그리고, S량이 증가함에 따라 황화물의 양이 증가하기 때문에, S량이 1.68질량%까지는 소부 시간이 증가하고 있다. 여기서, 제2 실시예에서는, 황화구리가 분해되어 발생한 Cu에 의해 구리상의 양이 많기 때문에, 소부 시간은 제1 실시예의 경우보다 증가하고 있다. 단, 철 기지 중에 분산되는 황화물의 양이 증가하면, 제1 실시예의 경우와 마찬가지로, 철 기지의 강도가 저하되기 때문에, 그 영향에 의해, S량이 2.01질량%를 넘으면, S량이 증가함에 따라 소부 시간이 반대로 짧아지고 있으며, S량이 3.65질량%를 넘는 시료 번호 13의 시료에서는 소부 시간이 45시간을 밑돌고 있다.
또, 인장 강도에 대해서도, 제1 실시예의 경우와 마찬가지로, S량의 증가에 따라 인장 강도는 저하되어 있으며, S량이 3.65질량%를 넘는 시료 번호 13의 시료에서는, 인장 강도가 250MPa를 밑돌고 있다. 이상과 같이, 황화철 분말 대신에 황화구리 분말을 원료 분말에 첨가해도, 철 기지 중에 황화물을 형성할 수 있는 것, 및 그 때의 S량은 0.36~3.65질량%의 범위로 해야 하는 것이 확인되었다.
［제3 실시예］
Mn을 0.3질량% 함유하는 철 분말에, 황화철 분말(S량：36.48질량%), 구리 분말, 및 흑연 분말을 표 5에 나타내는 비율로 구리 분말의 첨가 비율을 바꾸어 첨가하고, 혼합한 원료 분말을 이용하여, 제1 실시예와 동일하게 하여, 시료 번호 26~31의 소결 합금의 시료를 제작했다. 이들 시료의 전체 조성을 표 5에 아울러 나타낸다.
이들 시료에 대해서, 제1 실시예와 동일하게 하여, 기공을 제외한 철 기지 부분에 차지하는 황화물의 면적, 구리상의 면적 및 마르텐사이트상의 면적의 비율을 측정했다. 또, 제1 실시예와 동일하게 하여, 소부 시험을 행하여 소부 시간을 측정함과 함께, 인장 시험을 행하여 인장 강도를 측정했다. 이들 결과를 표 6에 나타낸다. 또한, 표 5 및 표 6에는, 제1 실시예의 시료 번호 07의 시료의 결과를 아울러 나타냈다.
Figure 112014029119089-pat00005
Figure 112014029119089-pat00006
표 5 및 표 6으로부터, 구리 분말의 첨가량이 5질량%로 전체 조성 중의 Cu량이 5질량%인 시료 번호 26의 시료에서는, S량에 대한 Cu량이 적기 때문에 황화물의 석출에 Cu가 소비되어, 철 기지 중에 구리상이 분산되지 않는 금속 조직이 되어 있다. 이에 반해, 전체 조성 중의 Cu량이 10질량%인 시료 번호 27의 시료에서는, S량에 대해 Cu량이 충분해져, 철 기지 중에 2면적%를 넘는 구리상이 석출되어 있다. 또, Cu의 양이 증가함에 따라 철 기지 중에 석출 분산되는 구리상의 양이 증가하고 있다. S량에 대한 Cu량이 적은 시료 번호 26의 시료에서는, Cu에 의한 황화물 생성의 효과가 부족하지만, Cu량이 10질량%인 시료 번호 27의 시료에서는, Cu에 의한 황화물 생성 촉진 효과에 의해 황화물의 양이 증가하고 있다. 그러나, Cu량이 25질량%를 넘어도, S량이 일정하기 때문에 그 이상의 황화물의 석출은 발생하지 않았다.
Cu량이 5질량%에 미치지 않는 시료 번호 26의 시료에서는, 연질로 친화성 개선에 효과가 있는 구리상이 분산되지 않기 때문에, 소부 시간은 짧아져 있다. 이에 반해, Cu량이 10질량%인 시료 번호 27의 시료에서는, 구리상이 분산됨으로써 소부 시간이 45시간까지 증가하고, Cu량이 20질량%까지는, Cu량의 증가에 따라 소부 시간이 더 증가하고 있다. 그러나, 철 기지 중에 연질의 구리상이 증가하면 철 기지의 강도가 저하되기 때문에, Cu량이 20질량%를 넘으면 철 기지의 강도 저하에 의해 소부 시간이 짧아지고, Cu량이 30질량%를 넘으면, 소부 시간이 45시간을 밑돌고 있다. 인장 강도는, 철 기지 중에 연질의 구리상이 증가하면 철 기지의 강도가 저하되기 때문에, Cu량의 증가에 따라 저하되어 있으며, Cu량이 30질량%를 넘으면, 인장 강도가 250MPa를 밑돌고 있다. 이상과 같이, 전체 조성 중의 Cu량은 10~30질량%의 범위로 해야 하는 것이 확인되었다.
［제4 실시예］
Mn을 0.3질량% 함유하는 철 분말에, 황화철 분말(S량：36.48질량%), 구리 분말, 및 흑연 분말을 표 7에 나타내는 첨가 비율로 첨가하고, 혼합한 원료 분말을 이용하여, 제1 실시예와 동일하게 하여, 시료 번호 32~43의 소결 합금의 시료를 제작했다. 이들 시료의 전체 조성을 표 7에 아울러 나타낸다.
이들 시료에 대해서, 제1 실시예와 동일하게 하여, 기공을 제외한 철 기지 부분에 차지하는 황화물의 면적, 구리상의 면적 및 마르텐사이트상의 면적의 비율을 측정했다. 또, 제1 실시예와 동일하게 하여, 소부 시험을 행하여 소부 시간을 측정함과 함께, 인장 시험을 행하여 인장 강도를 측정했다. 이들 결과를 표 8에 나타낸다. 또한, 표 7 및 표 8에는, 제1 실시예의 시료 번호 07의 시료의 결과를 아울러 나타냈다.
Figure 112014029119089-pat00007
Figure 112014029119089-pat00008
표 7 및 표 8로부터, C를 함유하지 않는 시료 번호 32의 시료에서는, 철 기지가 연질이며 또한 강도가 낮은 페라이트상이 되기 때문에, 소부 시간이 극단적으로 짧고, 또한 인장 강도도 낮은 값으로 되어 있다. 또, C량이 0.1질량%인 시료 번호 33의 시료에서는, 철 기지에 마르텐사이트상이 형성되기 때문에 소부 시간은 증가하고는 있지만, 마르텐사이트상의 양이 적기 때문에, 소부 시간이 45시간에 이르지 못하고, 또한 인장 강도도 250MPa를 밑도는 값으로 되어 있다. 또한, 잔여 조직은 트루스타이트가 되어 있었다. 한편, C량이 0.2질량%인 시료 번호 34의 시료에서는, 철 기지에 고용하는 C량이 충분한 양이 됨과 함께 마르텐사이트상의 양이 증가하여 금속 조직의 과반을 차지하게 되기 때문에, 철 기지가 강화되어 소부 시간이 45시간에 이름과 함께, 인장 강도도 250MPa에 이르고 있다. 또, C량이 0.4질량%인 시료 번호 35의 시료에서는, 마르텐사이트상이 철 기지 부분(기공을 제외한 금속 조직으로부터 황화물 및 구리상의 면적을 제외한 부분=100%-12.4%-9%=78.6%)의 80%를 차지하게 되어, 소부 시간이 더 연장됨과 함께, 인장 강도도 더 증가하고 있다. 그리고, C량이 0.6질량%를 넘는 시료에서는, 마르텐사이트상이 철 기지 부분의 100%를 차지하게 되어, C량이 1질량%까지는 철 기지 강화의 작용에 의해 소부 시간이 더 증가함과 함께, 인장 강도가 증가하고 있다. 그러나, C량이 1.0질량%를 넘으면 철 기지가 단단하게는 되지만 동시에 물러지는 것에 영향을 주어, 소부 시간이 짧아짐과 함께 인장 강도가 저하되어 있다. 그리고, C량이 2질량%를 넘는 시료 번호 43의 시료에서는, 소부 시간이 45시간을 밑돎과 함께, 인장 강도가 250MPa를 밑돌고 있다. 이상과 같이, 전체 조성 중의 C량은 0.2~2.0질량%의 범위로 해야 하는 것이 확인되었다.
［제5 실시예］
제1 실시예의 시료 번호 07의 원료 분말을 이용하여, 소결 온도를 표 9에 나타내는 온도로 바꾼 것 이외는 제1 실시예와 동일한 조건으로 하여 시료 번호 44~49의 시료를 제작했다. 이들 시료에 대해서, 제1 실시예와 동일하게 하여, 기공을 제외한 철 기지 부분에 차지하는 황화물의 면적, 구리상의 면적 및 마르텐사이트상의 면적의 비율을 측정했다. 또, 제1 실시예와 동일하게 하여, 소부 시험을 행하여 소부 시간을 측정함과 함께, 인장 시험을 행하여 인장 강도를 측정했다. 이들 결과를 표 9에 아울러 나타낸다. 또한, 표 9에는, 제1 실시예의 시료 번호 07의 시료의 결과를 아울러 나타냈다.
Figure 112014029119089-pat00009
소결 온도가 1000℃에 미치지 않는 시료에서는 소결의 진행이 부족하여 철 기지의 강도가 낮기 때문에, 소부 시간이 짧고 또한 인장 강도가 낮은 값으로 되어 있다. 한편, 소결 온도가 1000℃의 시료 번호 45의 시료에서는, 소결이 충분히 진행되어 철 기지의 강도가 충분해지고, 소부 시간이 45시간에 이름과 함께 인장 강도가 250MPa에 이르고 있다. 또, 소결 온도가 높아짐에 따라 소결이 한층 진행되어, 철 기지의 강도가 향상되고 소부 시간이 증가함과 함께, 인장 강도가 향상되어 있다. 그러나, 소결 온도가 1200℃를 넘는 시료 번호 49의 시료에서는, 형태 붕괴가 발생했기 때문에 시험을 중지했다. 이상과 같이, 소결 온도는 1000~1200℃의 범위로 해야 하는 것이 확인되었다.
［제6 실시예］
제1 실시예의 시료 번호 07의 원료 분말에 있어서, 철 분말 대신에, Mo량이 1.5질량%로 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 철합금 분말(Mn량：0.3질량%) 및 Ni량이 2질량%, Mo량이 1질량%로 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 철합금 분말(Mn량：0.3질량%)을 이용한 것 이외는 제1 실시예와 동일한 조건으로 하여 시료 번호 50의 시료(Mo량：1.19질량%) 및 시료 번호 51의 시료(Ni량：1.58질량%, Mo량：0.79질량%)를 제작했다. 이들 시료에 대해서, 제1 실시예와 동일하게 하여, 기공을 제외한 철 기지 부분에 차지하는 황화물의 면적, 구리상의 면적 및 마르텐사이트상의 면적의 비율을 측정했다. 또, 제1 실시예와 동일하게 하여, 소부 시험을 행하여 소부 시간을 측정함과 함께, 인장 시험을 행하여 인장 강도를 측정했다. 이들 결과를 표 10에 나타낸다. 또한, 표 10에는, 제1 실시예의 시료 번호 07의 시료의 결과를 아울러 나타냈다.
Figure 112014029119089-pat00010
표 10으로부터, 철합금 분말에 Mo나 Ni를 부여하여 철 기지에 Mo나 Ni를 고용시킨 시료 번호 50 및 51에서는, 철 기지가 Ni나 Mo에 의해 강화되기 때문에, 철 기지에 Ni나 Mo를 고용시키지 않는 시료 번호 07의 시료에 비해, 소부 시간이 연장되고, 인장 강도가 증가하고 있다. 이러한 것으로부터, 기지에 Mo나 Ni를 고용시킴으로써 철 기지가 강화되어, 소부 시간을 연장할 수 있음과 함께, 인장 강도를 향상시킬 수 있는 것이 확인되었다.

Claims (5)

  1. 전체 조성이, 질량비로, Cu：10~30%, C：0.2~2.0%, Mn：0.03~0.9%, S：0.36~3.65%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물로 이루어지며,
    단면 면적율로 기공을 제외한 금속 조직의 50% 이상이 마르텐사이트로 되어 있는 기지(基地) 중에, 구리상과 기공이 분산됨과 함께, 황화철 및 황화구리를 포함하는 황화물 입자가 상기 기지 중 및 상기 구리상 중에 석출 분산되는 금속 조직을 나타내고, 상기 황화물 입자가, 상기 기지에 대해 1~30체적%의 비율로 분산되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재용 철기(鐵基) 소결 합금.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 구리상이 상기 기지에 대해 2~25체적%의 비율로 분산되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금.
  3. 청구항 1에 있어서,
    Ni 또는 Mo 중 적어도 1종을 각각 10질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금.
  4. 질량비로, Mn을 0.03~1.0% 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 철 분말과, 구리 분말과, 흑연 분말과, 황화철 분말 및 황화구리 분말 중 적어도 1종의 황화물 분말을 준비하고,
    질량비로, Cu：10~30%, C：0.2~2.0%, Mn：0.03~0.9%, S：0.36~3.65%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물이 되도록, 상기 철 분말에, 상기 구리 분말, 상기 흑연 분말 및 상기 황화물 분말을 첨가, 혼합하여 원료 분말을 제작하고,
    상기 원료 분말을 소정의 형상으로 성형하여, 얻어진 성형체를 1000~1200℃의 범위에서 소결함으로써 황화철 및 황화구리를 포함하는 황화물 입자를 석출시키고, 그 후, 담금질, 뜨임하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금의 제조 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 원료 분말 중의 Ni 또는 Mo량이 각각 10질량% 이하가 되도록, 상기 철 분말에 Ni, Mo을 첨가하거나, 상기 원료 분말에 니켈, 몰리브덴 분말을 더 첨가하거나, 또는 상기 철 분말에 Ni, Mo을 첨가하고 상기 원료 분말에 니켈, 몰리브덴 분말을 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금의 제조 방법.
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