KR20020048283A

KR20020048283A - 슬라이딩재료, 복합 소결 슬라이딩부재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20020048283A
Application number: KR1020010076717A
Authority: KR
Inventors: 타카야마타케모리; 타나카요시키요; 오니시테쯔오
Original assignee: 안자키 사토루; 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2002-06-22
Also published as: US7078107B2; US7300623B2; US20040123698A1; JP4416313B2; KR100813484B1; JP2002180216A; US20020172836A1; US20050158571A1; US8404356B2

Abstract

저속 또한 고면압 하에서 슬라이딩하고, 윤활 끊김이 일어나기 쉬운 작업기 베어링의 베이킹 방지성 및/또는 내마모성의 향상과, 이음의 발생방지와, 급지간격의 연장을 목표로 하여, 규칙상의 금속간 화합물성에 의한 내마모성의 향상과 응착성의 저감을 도모한다.

슬라이딩재료를, 규칙변태성을 보유하는 조성범위의 금속합금상을 10체적% 이상 함유하여 이루어지는 구성으로 한다. 또한, 이 금속합금상을, Al, Si, Co, Ni 중 1종류 이상의 원소를 함유하는 Fe계 합금상으로 한다.

Description

슬라이딩재료, 복합 소결 슬라이딩부재 및 그 제조방법{HYBRID MATERIAL AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은, 고면압 하에서의 베어링의 베이킹 방지성 및/또는 내마모성의 향상, 이음의 발생방지, 급지 간격의 연장을 목표로 한 슬라이딩재료 및 복합 소결 슬라이딩부재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래, 건설기계의 작업기 부시와 같은 보다 고면압, 저속의 조건 하에서 사용되는 베어링재로서, 내마모성을 중시한 침탄 또는 고주파 담금질한 강제의 부시가 그리스 윤활 하에서 이용되고 있다. 특히, 이러한 종류의 작업기에서는 고면압 하에서 윤활조건이 엄격하게 이루어지므로, 작업시에 불쾌한 이음이 발생하는 것을 방지하기 위하여, 상기 강제 부시의 슬라이딩면에 윤활피막처리를 실시하거나, 그리스의 윤활성을 높이기 위하여 다수의 그리스 홈을 형성하는 것이 행해진다.

또한, Fe-C-Cu를 기본형으로 하고, 연질의 마르텐사이트 기지의 철계 소결 슬라이딩재료의 기공에 윤활유를 함침시킨 함유 소결 베어링이나, 이 철계 소결 슬라이딩재료에, 보다 연질의 공구분말이나 세라믹스 분말을 첨가한 오일함유 소결 베어링 등도, 가벼운 부하의 작업기 부위에 있어서 일부 사용되고 있다.

동계 소결 베어링으로서는, Cu-Sn-Pb 등의 청동계, 납청동계 재료가 건설기계분야에 있어서도 휠부착 주변의 전륜롤러부에 매우 일반적으로 채용되고 있지만, 작업기용으로서도, 보다 경질로 고강도의 고력황동제 부시가 베이킹 방지성과 융합성이 우수한 것이므로 일부 사용되고 있다.

또한, 작업기 등의 베어링부로의 급지시간 간격을 연장하기 위하여 고력 황동제 부시에, 슬라이딩부 면적의 30% 전후의 면적의 기계가공구멍을 설치하고, 이 구멍을 슬라이딩 방향에 있어서 오버랩하도록 배치하고, 이 구멍에 고체 윤활제의 흑연을 매립한 베어링 재료(예컨대 오이레스공업사 제품, 500SP)나, 고체 윤활제를 다량으로 첨가한 금속소결체(예컨대, 토시바탄가로이사 제품, SL합금)이 채용되고 있는 경우도 있다.

또한, 고면압하 조건에서 사용되는 복층 소결 슬라이딩부재로서는, 고체 윤활제 성분으로서의 흑연이 3 ~ 8중량%의 범위에서 함유된 5 ~ 13중량% Al, 3 ~ 6중량% Fe, 0.1 ~ 1.5TiH 조성범위의 알루미 청동계 소결 슬라이딩합금을 인 청동판의 접합층을 통해서 강판에 일체 접합하여 이루어지는 복층 소결 슬라이딩부재 및 그 제조방법이, 일본 특개평5-156388호 공보에 있어서 개시되어 있다.

상기 작업기 부시와 같이, 고면압 하에서, 또한 아주 느린 속도로 슬라이딩하는 것에 있어서는, 윤활막 형성조건이 아주 엄격하게 이루어진다. 상기 강제 부시에서는 경도의 점에서 고하중에 대해서 주저앉는 일은 없지만, 용이하게 늘러붙거나, 불쾌한 이음이 발생하기 쉬운 것이 중요한 문제로 되고 있고, 급지 간격을 짧게 하여 이들 문제가 발생하지 않도록 관리하는 것이 필요로 되고 있다.

상기 작업기 부시로서, 마르텐사이트 기지의 오일함유 철계 소결 슬라이딩재를 사용하는 것에 있어서는, 주저앉음이 없고, 강제 부시에 비해서 베이킹성의 점에서 상당히 개선되는 것이지만, 작업기와 같이 아주 저속, 또한 고하중 하에서 사용되는 경우에는, 윤활 끊김 상태가 용이하게 일어나기 때문에, 베이킹 방지성의 향상 및 이음발생의 방지를 충분히 도모할 수 없다라는 문제가 있다.

또한, 소결 슬라이딩재 중의 공극에 윤활유를 다량으로 함유시켜서 슬라이딩 시의 윤활조건을 개선하는 것에 있어서는, 소결체 중에 공극이 많이 있음으로써 역으로 윤활적인 조건이 나쁘게 되고, 베이킹 방지성의 향상 및 이음의 발생을 기대한만큼 개선가능하지 않다라는 문제점이 있다.

또한, 강제의 작업기 핀과 작업기 부시와의 사이의 베이킹 방지성을 높이기 위하여, 이종재의 Cu-Sn, Cu-Pb 등 청동계 재료를 이용하는 것에서는, 고면압 하에서 주저앉아 버린다라는 문제점과, 윤활조건이 엄격하기 때문에 아주 간단하게 마모한다라는 문제점이 있다.

이것에 대해서, 작업기 부시에, 보다 경질로, 고강도의 용제된 고력 황동재를 사용하는 것에서는, 주저앉음은 거의 없고, 강제 부시에 비해서 이음의 발생이 많은 점에서 방지가능하지만, 상기한 바와 같이 윤활 끊김이 용이하게 일어나기 때문에, 베이킹 방지성의 향상 및 이음발생의 방지를 충분히 도모할 수 없다라는 문제점이 있다.

또한, 급지성을 높임과 아울러, 급지 간격을 연장하기 위해서, 용제재의 고력 황동 부시에 자기 윤활성이 높은 흑연을 매립하고, 또한, 흑연에 윤활유를 함유시킨 부시에 있어서도, 흑연 충전용 구멍의 면적율을 통상 25 ~ 30%로 억제하여 사용되기 때문에, 슬라이딩 거리가 짧게 됨에 이어서 윤활이 미치지 않는 개소가 생기고, 국소적인 베이킹이 발생함과 아울러, 장시간에 걸쳐서 충분한 자기 윤활성이 얻어지지 않는다라는 문제점이 있고, 또한 흑연 매립용 구멍뚫기가공과 흑연의 충전 등의 공정이 비용을 현저하게 인상한다라는 문제점이 있다.

또한, 일본 특개평5-156388호 공보에 개시되어 있는 기술과 같이, 베이킹 방지성을 높이기 위하여, 3 ~ 8중량%(약 12 ~ 36체적%)에 미치는 다량의 고체 윤활제의 흑연을 고강도의 알루미 청동 소결재료 중에 함유시킨 것에 있어서도, 흑연을 다량으로 함유하는 단점때문에, 충분한 고면압 하에서의 슬라이딩 특성이 확보되지않고, 또한 내마모성에 있어서도 충분하지 않다라는 문제점이 있다.

또한, 고체 윤활제를 다량으로 함유하는 금속 소결체에서는, 소결성이 곤란하게 되고, 실용적인 강도를 얻기 위해서는 소결 시에 가압처리를 필요로 하고 있고, 예컨대 상기 3 ~ 8중량%의 흑연을 함유하는 Al청동계 소결 슬라이딩재료를 인 청동재를 통해서 라이닝 금속에 일체화한 복층 소결 슬라이딩 부재는, 소결시에 있어서 가압처리를 필요로 하고 있고, 적어도 일체화하는 공정에 있어서의 고비용화가 피해지지 않는다라는 문제점이 있다.

본 발명은, 이와 같은 문제점에 감안하여 이루어진 것으로, 저속 또한 고면압 하에서 슬라이딩하고, 윤활 끊김이 일어나기 쉬운 작업기 베어링의 베이킹 방지성 및/도는 내마모성의 향상과, 응착성의 저감을 도모할 수 있는 슬라이딩재료와, 이 슬라이딩재료를 라이닝 금속에 일체화시킨 복합 소결 슬라이딩부재 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

도 1(a)는, Fe-Al-Co 3원합금을 1200℃로 가열후 냉각한 것의 비커스경도분포를 나타내는 도, 도 1(b)는 이 냉각후에 600℃로 10시간 시효처리한 것의 비커스경도분포를 나타내는 도이다.

도 2는, 도 1(b)에 있어서의 0, 10, 15, 20, 30, 40원자%Co단면에 있어서의 Al농도(원자%)와 경도와의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 3은, Fe-Al-10Co합금의 퀴리온도와 Al원자%농도와의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4는, 마모시험의 시험장치의 개념도와 시험조건을 나타내는 도이다.

도 5는, Fe계 규칙상 재료의 경도와 마모비의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 6은, 슬라이딩 시험에 공급한 시험편 형상을 나타내는 단면도이다.

도 7은, 슬라이딩 시험장치의 개념도와 시험조건을 나타내는 도이다.

도 8은, Fe계 규칙상 재의 슬라이딩 마찰계수의 추이를 나타내는 그래프이다.

도 9는, Fe계 규칙상 재의 슬라이딩 마찰량의 추이를 나타내는 그래프이다.

도 10은, 인장시험편의 형상을 나타내는 도이다.

도 11은, FeAlCu계 소결특성(1140℃)을 나타내는 그래프이다.

도 12는, FeAlCu계 소결특성(1200℃)을 나타내는 그래프이다.

도 13은, FeAlCu계 소결특성(1250℃)을 나타내는 그래프이다.

도 14는, 각종 Fe계 규칙상 소결합금의 소결조직(금속조직)을 나타내는 사진이다.

도 15는, Fe-Al계 규칙상 소결합금의 소결 수축성에 대한 Si, Co, Ni의 영향을 나타내는 그래프이다.

도 16은, F계 규치상 소결합금의 베이킹 방지성(기공율 약10체적%)을 나타내는 그래프이다.

도 17은, F계 규칙상 소결합금의 베이킹 방지성(기공율 약20체적%)을 나타내는 그래프이다.

도 18은, 정속 마찰마모시험기와 시험조건을 나타내는 도이다.

도 19는, 정속 마찰마모시험용 슬라이딩 시험편 형상을 나타내는 도이다.

도 20은, Fe계 소결재료의 슬라이딩 특성을 나타내는 그래프이다.

저속으로, 또한 고면압 하의 윤활 끊김이 일어나기 쉬운 슬라이딩 조건 하에서 사용되는 작업기 베어링 재료는, 적당한 경도를 보유하면서, 베이킹 방지성 및/또는 내마모성에 우수한 특성을 가지는 것이 필요하다라는 관점으로부터, 본 발명은, 이와 같은 특성을 가지는 재료로서, 규칙변태성을 보유하는 조성범위의 금속합금상, 특히 Fe계 합금규칙상이 우수하다라는 것을 명확하게 한 점에 특징이 있다.

요컨대, 제 1발명에 의한 슬라이딩재료는, 규칙변태성을 보유하는 조성범위의 금속 합금상을 10체적% 이상 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.또한, 제 2발명은, 상기 제 1발명에 있어서, 상기 금속 합금상을, Al, Si, Co, Ni 중 1종 이상의 원소를 함유하는 Fe계 합금상으로 한 것이다.

HANSEN의 상태도집을 참조하면, 실용적인 베어링 Fe계 합금으로 규칙상을 표시하는 계로서는, Fe-Al, Fe-Si, Fe-Co, Fe-Ni를 들지만, 비용적인 관점에서는, Fe-Al계, Fe-Si계를 주체로 이용한 것이 아주 유효하다.

또한, Fe-Al계, Fe-Si계의 규칙상으로서는, Fe₃Al, FeAl, Fe₃Si, FeSi가 있다. 이들 결정은 모두 BCC구조이고, Fe원자와 Al원자 및/또는 Si원자가 아주 강력하게 서로 갈라놓으면서, 규칙적으로 이들 원자끼리가 최근접 거리로 배치되는 것때문에, 이 규칙상의 경도는, 규칙 정도를 높임과 아울러, 금속간 산화물에 가까운 경도를 나타내는 것이 잘 알려져 있다. 또한, Ni, Co를 첨가한 Fe-Al계 합금에서는 Fe-Al과 Ni-Al 또는 Co-Al의 2종의 규칙상으로의 2상분리반응도 느리게 함으로써, 현저하게 경화시킬 수 있고, 내마모성의 부여에 아주 유효하다. 또한, 이들 규칙상 경도가 비커스경도 Hv800를 초과하는 일이 없고, 슬라이딩재료로서 이용한 경우에 있어서는, 상기 상대 슬라이딩재로 이루어지는 작업기 핀표면이 열처리로 경화되고 있으므로, 부시에 의한 공격이 없고, 또한 슬라이딩재 자신이 내마모성에 우수한 것은 바람직한 것이다.

규칙상이 금속간 화합물에 가까운 경도를 가지는 것으로부터 유추되는 바와 같이, Fe원자와 Al원자 및/또는 Si원자가 규칙 배열되면 아주 안정하다. 그 반대로, 응착에 의해서 그 원자적 배열이 흐트러지면 아주 불안정한 상태로 된다. 따라서, 화학적인 이유에서, 강제 작업기핀의 응착성을 저감시키는 것은 슬라이딩재료로서의 특성에 바람직한 것은 명확하다.

또한, 이들 규칙ㆍ불규칙변태와 마찬가지의 흡열반응은, 강자성체로부터 상자성체에 2차적 변태하는 자기변태에 의해서도 현저하게 일으켜지는 것에서, 예컨대 규칙ㆍ불규칙 변태온도와 자기변태온도를 조정함으로써, 다른 2차변태적인 넓은 온도범위에서의 아주 현저한 흡열작용을 일으키도록 설계하는 것이 가능하고, 내응착성의 향상을 도모할 수 있는 것도 본 발명에 관한 슬라이딩재료의 특징이다.

상기 제 2발명에 있어서, 상기 Fe계 합금상은, Fe를 주체로 하여 적어도 5 ~ 30중량%의 Al을 함유하는 것이 바람직하다(제 3발명). 또한, 상기 Fe계 합금상은, Fe을 주체로 하여 적어도 5 ~ 15중량%의 Si를 함유하는 것으로 할 수도 있다(제 4발명). 또한, Fe를 주체로 하여 Al 및 Si를 5 ~ 20중량% 함유하는 것이어도 좋다(제 5발명).

상기 제 2발명 내지 제 5발명에 있어서, 상기 Fe계 합금상은, Co 및 Ni 중 1종 이상을 5 ~ 40중량% 함유하고, Fe계 합금상의 경도를 Hv 300 ~ 800으로 조정하여 이루어지는 것이 바람직하다(제 6발명). 상기 제 2발명 내지 제 6발명에 있어서, 상기 Fe계 합금상은, 규칙-불규칙 변태온도 및/또는 자기변태온도를 200 ~ 900℃로 조정된 것이 바람직하다(제 7발명).

또한, 상기 각 발명에 있어서, 적어도 Cu가 10 ~ 90중량% 함유되고, 상기 슬라이딩재료 조직 중에 10체적% 이상의 Fe계 합금상과 Cu합금상이 분산되어 있는 것이 바람직하다(제 8발명).

또한, 윤활유의 베어링 슬라이딩면으로의 균일 공급을 도모하는 목적에서, Fe계 규칙상 합금 및/또는 상기 Cu계 재료와 Fe계 규칙상으로 이루어지는 베어링 재료를 소결로 제조함으로써, 베어링 내부에 윤활유를 함유시키는 기공을 다량으로 분산시키는 것은, 베어링의 베이킹 방지성을 높일 뿐만 아니라, 베어링으로의 급지 간격을 현저하게 연장하는 효과가 있으므로, 본 발명에서는, 베어링이 기공을 함유하는 소결재료로 제조되는 것을 주체로 하였다.

즉, 상기 각 발명에 있어서, 기공율이 적어도 5 ~ 35체적%로 조정되어 있는 것이 바람직하다(제 10발명). 통상, 함유 베어링 소결 슬라이딩재료로서 이용되는 기공율은 통기공인 것이 바람직하고, 본 발명에 있어서도 충분한 통기공성이 얻어지는 기공율로서 5체적% 이상으로 하였다. 또한, 기공율의 상한은, 윤활유의 점성을 높임으로써 함유성이 개선가능하므로, 적용하는 베어링의 면압과의 관계에서 상당히 자유롭게 설정하는 것이 가능하지만, 재료강도가 지나치게 약하게 되는 것을 고려하여, 35체적%를 초과하지 않도록 하였다. 또한, 상기한 바와 같이 다량의 기공을 함유시키는 경우에는, 윤활성에 우수한 PA(폴리아미드) 등의 수지를 함침시키는 것도 효과적이다.

Fe계 규칙상을 주체로 하는 소결재료를 제조함에 있어서, Fe계 규칙상 조성에 가까운 Fe계 합금분말과 Cu분말을 혼합성형하여 소결하는 것이 바람직하지만, 이들 Fe계 합금분말의 입수성의 곤란과, 분말비용이 높은 것 및 경질분말로 되기 위한 성형성의 곤란이 있기 때문에, 이 곤란을 피하기 위해서는, Fe, Al, Si, Ni, Co, Cu 등의 소분말의 혼합분말을 혼합ㆍ성형ㆍ소결하는 것이 바람직하다. 또한,Fe와 Al의 혼합분말을 성형 후에 소결하면, 아주 현저한 팽창성을 일으키고, 곤란한 난소결성을 나타내게 된다. 그래서, 본 발명에서는, ①인(철), Si, Ti의 1종 이상을 0.25중량% 이상 첨가하고, 환원성을 높이면 동시에 부분적인 액상을 출현시킴으로써 소결성을 촉진한다. ②10중량% 이상의 Cu분말을 첨가하여, 소결 초기에 있어서 Cu계의 액상을 발생시킴으로써 소결을 촉진한다. ③Cu분말로 고용하여 융점을 내리는 Sn, Si, 인, Mn 등의 원소를 10중량%의 범위 내에서 조정하여 소결성을 촉진한다라는 수단을 조합시켜서 상기 현저한 팽창성을 제어하는 것으로 하고, Fe-Al계를 주체로 하는 규칙상 소결 슬라이딩재료 및 규칙상이 Cu계 성분에 의해서 용이하게 제조가능하도록 하였다.

이 방법에 의하면, 경질의 Fe-Al계 합금분말에 상기 범위 내의 연질의 Cu분말을 혼합함으로써 성형성을 해결함과 아울러, Fe계 규칙상 중에는 소결 시에 최대이어도 약 25중량%의 Cu를 고용하는 것이 가능하므로, 10중량% 이상의 Cu를 함유하는 슬라이딩재료 중의 Fe-Al 규칙상에는, 소결온도로부터의 냉각시나, 저온도에 있어서의 시효처리에 의해서, Fe-Al 규칙상 내부에 미세한 Cu계 상이 석출하는 것이 예측되지만, 규칙상 자체의 경도가 충분하게 발현되고, 슬라이딩 특성 상의 문제가 없는 것은, 상기 규칙화 등에 큰 영향을 주지 않는 것을 의미한다.

따라서, 상기 제 10발명에 있어서는, Sn, P, Ti, Mn 중 1종 이상이 0.1 ~ 10중량%의 범위에서 첨가되는 것이 바람직하다(제 11발명).

또한, Fe계 합금 규칙상을 Cu계 재료로 연결하는 조직으로 하는 경우에는, Cu계 상에도 Al, Si가 확산고용하여, Cu상은 Al, Si에 의해서 강화되지만, 본 출원인이 이미 일본 특원2000-86080호에서 개시하고 있는 바와 같이, Cu-Al계 상태도에 기재되어 있다. 보다 경질의 β상(BCC)이 함유되어 있는 것이 바람직하고, 적어도 Cu상에 있어서는 8중량% 이상의 Al이 함유되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 그 슬라이딩 특성을 높이는 Sn, Ti, Ni, Mn, Si, P의 1종 이상의 원소가 공존하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 Fe-Al계 합금 규칙상을 Cu게 재료로 연결하는 조직의 EPMA(X선 마이크로 애너라이저 분석)에 의한 조직분포를 조사한 결과, Al, Ti는 Cu계 상보다도 Fe 규칙상 중으로 농화하는 것에 대해서, Sn은 Cu계 상으로 농화하고, P는 거의 균등하게 고용하는 것이 명확하게 되어 있다. 또한, Fe-Al 규칙상 중으로 고용하는 Cu농도는 상기한 바와 같이 25중량%, Cu계 상으로 고용하는 Fe농도는 약 5중량%까지 미치는 것이 명확하게 되어 있다.

특히, Sn은, Fe-Al 규칙상으로 거의 고용하지 않고 Cu계 상에 농화하여, Cu계 상의 슬라이딩 특성을 높이는 것이 용이하게 이해가능하지만, 본 출원인이 일본 특원2000-86080호에 있어서 개시하고 있는 바와 같이, 이 Sn은, Cu-Al계 β상을 현저하게 안정화하여 β상을 출현하기 쉽게 함과 아울러 Cu계 상의 융점을 내려서 소결 용이성을 높이는 작용을 하지만, Al공존 하에서 Sn이 다량으로 첨가된 경우에는, 금속간 화합물을 다량으로 석출하여 현저하게 취약화되므로, 이 Sn의 첨가량의 최대값을 10중량%로 하였다.

또한, Si도 Sn과 마찬가지의 소결 용이성을 현저하게 나타내지만, Al 공존 하에서 Cu계 상에 3중량% 이상으로 농축되는 경우네는 Cu계 상이 현저하게 경화,취약화되기 때문에, 베어링 재료로서는 Si첨가량을 5중량% 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 성분 이외에도, 소결성, 슬라이딩 특성, 강도의 개선, 기공율 조정을 위한 Pb, Zn, Be, Mo, W, Mg, Ag 등의 원소 및 흑연, MnS, CaF₂등의 고체윤활제 및/또는 세라믹스 등의 경질분산재 중 1종 이상이 함유되는 것이 바람직하다(제 12발명).

또한, Fe-Al계 규칙상은, 자왜재료로서도 우수한 기능을 보유하고, 큰 기계적 압력(탄성변형)을 받은 때에는, 큰 자화변화에 의한 에너지흡수를 현저하게 일으키는 재료계인 것때문에, 슬라이딩 시의 국부적인 과대응력을 흡수하는 것에 적합한 것이고, 이들 자왜특성을 높이는 합금원소의 첨가도 적극적으로 채용가능하다.

다음에, 제 13발명은, 상기 제 1발명에 의한 소결 슬라이딩재료를, 철계 재료로 이루어지는 판형상, 원통형상 대략 원통형상의 라이닝 금속에 일체화되어서 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 제 14발명은, 상기 제 13발명에 있어서, 상기 소결 슬라이딩재료를, 상기 라이닝 금속의 면적에 대해서 30 ~ 70면적%로 되도록 아일랜드형의 슬라이딩재료 간에 형성되는 오목부에 그리스 또는 고체윤활제가 충전하도록 한 것이다. 이렇게 하는 것에서, 급지 간격을 획기적으로 연장할 수 있는 것이 명확하다. 이 경우, 보다 고면압 하에서의 슬라이딩 조건에 의해서도 일체화면으로부터의 박리를방지하기 때문에, 슬라이딩재의 아일랜드형의 형상에 있어서, 슬라이딩면 방향의 일체화면의 섬길이가, 일체화면과 슬라이딩면까지의 길이의 2배 이상이도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 제 15발명은, 상기 제 13발명에 있어서, 상기 소결 슬라이딩재료를, 상기 라이닝 금속의 면적에 대해서 30 ~ 70면적%로 되도록 구멍뚫린 상태로 소결 접합되고, 슬라이딩 시에 그 독립한 구멍뚫린 오목부에 그리스 또는 고체윤활제를 충전하도록 한 것이다.

제 13발명에 있어서, 상기 라이닝 금속의 접합면의 표면에 미리 윤활유의 체류홈부가 형성되는 것이 바람직하다(제 16발명). 이것에 의해서, 오일함유 베어링으로서의 함유량을 아주 현저하게 높이는 것이 가능하게 되고, 급지 간격의 연장에 유효하다. 또한, 상기 라이닝 금속으로 되는 철계 재료가, 기공율을 5 ~ 30체적%의 범위로 조정되어서 그 라이닝 금속 부분에서도 오일 함유가능하도록 되는 것이 바람직하다(제 17발명). 또한, 공기율 5 ~ 30체적%의 범위는, 5체적% 미만의 기공율에서는, 오일함유성을 높이기 위한 통기성이 부족하고, 30체적%를 초과하는 기공율에서는, 라이닝 금속으로서 소결체 강도가 지나치게 취약하게 되는 것을 고려하여 선정된 것이다.

또한, 상기 소결 슬라이딩재료는 제 3 삽입재를 통해서 상기 라이닝 금속에 소결 접합되는 것이 바람직하다(제 18발명). 이와 같이 소결 접합온도에 있어서 소결 슬라이딩재료에 액상을 발생시켜서, 소결 접합성이 우수한 제 3 삽입재를 통해서 소결 접합하는 것은, 본 발명의 소결 슬라이딩재료의 성분적 제약을 많이 완화할 수 있는 것에서 바람직하다. 여기서, 제 3 삽입재로서는, Sn을 함유하는 청동게 및/또는 Fe-Cu-Sn게 소결체 등이 바람직하다(일본 특원2000-86080호 참조).

또한, 상기 제 13발명 내지 제 18발명에 있어서, 스러스트 하중을 받아서 슬라이딩하도록 상기 라이닝 금속에 플랜지부가 설치되고, 이 플랜지부 슬라이딩면에 내마모재료 또는 슬라이딩재료가 일체화되는 것이 좋다(제 19발명). 이 경우, 상기 내마모재료 또는 슬라이딩재료가, 초경, 스텔라이트, 철계 내마모재료, 세라믹스, 내마모 Cu 용침재 중 1종이고, 이들이 용사, 납땜, 소결 접합, 용침 접합, 접착 중 어느 하나의 수단으로 일체화되는 것이 바람직하다(제 20발명). 또한, 상기 납땜, 접착에 의한 수단이 간편하고 바람직하지만, 이 경우에는 슬라이딩재료가 소결 슬라이딩재료인 경우, 미리 소결이 완료되어 있을 필요가 있다.

그런데, Al이 적어도 5중량% 이상 함유되는 Fe계 규칙상 합금에 있어서, Sn 및 Cu가 함유되어 있는 슬라이딩재료를 상기 라이닝 금속에 일체화시킨 복합 소결 슬라이딩부재에 있어서는, 본 출원인이 일본 특원2000-68080호에서 개시하고 있는 바와 같이, Al과 Sn과는 마이너스의 편석경향을 나타내고, 소결 시에는 슬라이딩재료 중의 Al에 의해서 라이닝 금속과의 접합계면에 Sn리치상이 풍부해지는 것때문에, 라이닝 금속과의 접합성이 용이하게 되는 것이다. 또한, Sn의 발한성을 억제하는 Ti, Ni, 인철, NiP, Mn, Si를 첨가함으로써, 접합면에서의 습윤성을 개선하여 접합성을 높일 수 있다.

다음에, 상기 복합 슬라이딩 부재를 제조하기 위해서, 제 21발명에 의한 복합 소결 슬라이딩 부재의 제조방법은,

규칙형태성을 보유하는 Fe계 합금상을 10체적% 이상 함유하여 이루어지는 소결 슬라이딩재료를, 철계 재료로 이루어지는 원통형상 또는 대략 원통형상의 라이닝 금속에 일체화하는 복합 소결 슬라이딩재료의 제조방법으로서,

상기 소결 슬라이딩재료가, 그 소결 슬라이딩재료를 팽창시키는 라이닝 금속Al과, 고온도측에서 액상을 발생시켜서 소결체 강도 및 소결 접합성을 확보하는 원소로서의 10 ~ 70중량%의 Cu를 함유하고, 또한, 그 소결 슬라이딩재료로 이루어지는 성형체가, 상기 라이닝 금속의 내경과 동일하거나 또는 약간 작은 외경을 보유하는 원통형상 부재로 되고, 이 원통형상 부재를 상기 라이닝 금속에 삽입한 상태로 900℃ 이상의 온도로 가열할 때에,

(a) 상기 소결 슬라이딩재료를 800℃ 이상의 온도로 소정 시간 가열하는 것에 의해 그 소결 슬라이딩재료를 팽창시켜서 그 온도로 발생하는 Cu계 합금 액상에 의해서 상기 라이닝 금속에 접합하고,

(b) 더욱 승온하여 900℃ 이상의 온도로 가열하는 것에 의해 Cu계 합금 액상을 보다 많이 발생시킴으로써 상기 소결 슬라이딩재료를 치밀화시키는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 첨가하는 Al금속소 분말은 Fe-Al 규칙상 합금 중의 Al첨가량의 전체량일 필요는 없고, 실질적으로는 1% 이상의 치수적인 팽창량이 확보되면 양호한 접합성이 확보되는 것이므로, 첨가는 이 조건을 만족하고 있으면 좋다.

제 21발명에 있어서, 상기 철계 재료로 이루어지는 원통형상 또는 대략 원통형상의 라이닝 금속과 이 라이닝 금속의 내경보다 약간 작은 외경을 보유하는 상기소결 슬라이딩재료로 이루어지는 원통형상 성형체와의 간극에 제 3 삽입재를 배치하고, 상기 800℃ 이상의 온도에서의 가열에 의해서 이 소결 슬라이딩재료를 팽창시켜서 상기 라이닝 금속에 접합시키기 위한 유효한 액상 성분을 발생시키도록 하는 형태를 채용할 수 있다(제 22발명). 여기서, 상기 제 3 삽입재는, 상기 접합 온도에 있어서 그 전체량이 액상으로 되지 않도록 조정되고, 상기 철계 재료에 대한 습윤성에 우수한 Sn, Cu를 함유하는 합금재료인 것이 바람직하다(제 23발명). 이렇게 하는 것에서, 제 3 삽입재로부터 발생하는 액상이 상기 소결 슬라이딩재료 및 상기 철계 재료로 이루어지는 라이닝 금속으로의 급속한 침투를 방지하여 접합성을 안정화시킬 수 있다.

제 21발명 또는 제 22발명에 있어서, 상기 라이닝 금속에 플랜지부가 설치되고, 이 플랜지부 슬라이딩면에 내마모재료 또는 상기 소결 슬라이딩재료가 납땜, 소결 접합, 용침 접합 중 어느 하나의 수단에 의해 동시에 일체화되는 형태로 하는 것이 가능하다(제 24발명). 이것에 의해서, 제조비용을 싼가격으로 할 수 있다.

여기서, 상기 플랜지부 슬라이딩면에, 적어도 탄소 1.5 ~ 3.5중량%, Cr 5 ~ 17중량%를 함유하는 고탄소고Cr계 합금 소결재료가 상기 내마모재료 또는 소결 슬라이딩재료와 동시에 소결 접합되는 것이 바람직하다(제 25발명). 이 경우, 적어도 탄소 1.5 ~ 3.5중량%, Cr 5 ~ 17중량%를 기초로 하여, 0.1 ~ 0.5중량%의 P, 0.5 ~ 5.0중량%의 Si, Mo에 의해서 적정 소결온도를 조정하고, 또한 그 담금질성 등의 조정을 위하여 0.5 ~ 5.0중량%의 Ni, V, W, Co를 첨가하는 것이 바람직한 것이 잘 알려져 있다.

다음에, 제 26발명에 의한 복합 소결 슬라이딩부재의 제조방법은,

규칙변태성을 보유하는 Fe계 합금상을 10체적% 이상 함유하여 이루어지는 소결 슬라이딩재료를, 철계 재료로 이루어지는 판형상의 라이닝 금속에 일체화하는 복합 소결 슬라이딩재료의 제조방법으로서,

상기 소결 슬라이딩재료가, 상기 규칙변태성을 보유하는 Fe계 합금상과, 고온도측에서 액상을 발생시켜서 소결체 강도 및 소결 접합성을 확보하는 원소로서의 10 ~ 70중량% Cu 및 3 ~ 10중량% Sn을 적어도 함유하고, 이 소결 슬라이딩재료의 혼합분말을 상기 라이닝 금속의 표면에 산포하고, 중성, 환원 또는 진공분위기 중에서 소결한 후, 압연기 또는 프레스기를 이용하여 소결층을 압축하고, 상기 중성, 환원 또는 진공분위기 중에서 재소결하는 공정을 1회 이상 실시하여 소결 접합하는 것을 특징으로 하는 것이다.

상기 소결 슬라이딩재료를 판형상의 라이닝 금속에 일체화하는 경우에는, 본 발명과 같은 방법에 의한 것이 바람직하다. 또한, 이 때에 있어서, 저온도에서의 접합성을 높이기 위해서 Pb를 5중량%의 범위 내에서 첨가하는 것이 효과적이다. 또한, 상기 Mn, Pb, Zn, Be, Mo, W, Mg, Ag 등의 원소 및 흑연, MnS, CaF₂등의 고체 윤활제 및/또는 세라믹스 등의 경질 분산재를 적극적으로 채용하는 것이 바람직하다.

상기 제 26발명에서 제조된 복합 소결 슬라이딩부재는, 상기 소결 접합 후에 둥글게 구부리는 가공에 의해 원통형상 또는 대략 원통형상으로 성형하여 사용할수 있다(제 27발명).

다음에, 본 발명에 의한 슬라이딩재료 및 복합 소결 슬라이딩부재 및 그 제조방법의 구체적인 실시예에 관해서, 도면을 참조하면서 설명한다.

(실시예1)

전해철(99.95중량%)과 Al, Co를 이용하여, 각종 조직의 합금을 진공분위기 하에서 용해, 제조, 단조 후, 소시험편으로 잘라내고, 이들 합금의 자기변태온도(퀴리점, ℃)와, 경도와 열처리와의 관계를 조사하였다.

도 1(a)(b)에는, 0 ~ 40원자%Co, 0 ~ 40원자%Al의 조성의 Fe-Al-Co 3원합금을 1200℃로 가열후 급냉한 것(a)과, 이 급냉 후에 600℃로 10시간 시효처리한 것(b)의 각각의 비커스경도분포가 나타내져 있다. 이들 도면으로부터, 급냉한 것(도 1(a))에 있어서도 25 ~ 40원자%Al, 15 ~ 30원자%Co의 범위에 있어서 약간 경화경향이 인정되지만, 600℃에서 시효처리한 것(도 1(b))에서는, 15 ~ 40원자%Al, 10 ~ 40원자%Co의 범위에 있어서 현저하게 경화하는 영역이 존재하는 것을 알았다.

다음에, 도 2에는, 도 1(b)에 있어서의 0, 10, 15, 20, 30, 40원자%Co단면에 있어서의 Al농도(원자%)와 경도와의 관계를 나타내고 있다. 이 도면으로부터, 다음의 것을 알았다. 즉, 0원자%Co(Co를 첨가하지 않은 경우)에 있어서는, Al농도의 증가에 수반하여 경화하고 있다. 이 경화비율은, 급냉합금에서 관찰된 증가의 정도와 거의 같기 때문에, 600℃에서의 시효경화현상이 거의 관찰되지 않는다. 이것에 대해서, 10원자%Al에서 시효경화성이 소실한다. 또한, 20원자%Co에서의 Al첨가의 영향은, 10원자%Al로부터 시효경화성이 확인되고, 30원자%Al에서 최대경도(Hv=770)에다달은 후, 40원자%Al에서 거의 시효경화성이 소실한다. 또한, 30원자%Co에 있어서는, 40원자%Al까지 시효경화성이 확인되지만, 40원자%Al에 이르르면 현저한 시효경화성은 없게 된다.

상기 결과로부터 하면, Co첨가에 의한 시효경화성을 효율적으로 발휘하기에는, 10 ~ 30원자%Co 및 10 ~ 50원자%Al의 범위에서 조정되는 것이 바람직하다. 또한, 상기한 바와 같은 Co의 첨가에 의한 현저한 시효경화현상은, Fe계 규칙상의 2상분리 반응에 유래하는 것이 명확하고, 마찬가지의 현상은 Fe-Al-Ni계 합금에 있어서도 확인되고 있다. 또한, 마찬가지의 현상이 Al을 대신해서 Si 및 Co, Ni를 대신하여 Mn의 합금원소를 이용함으로써 얻어지는 것은, 열역학적으로 예측된다.

도 3에는, 10원자%Co를 첨가한 Fe-Al-Co 3원합금을, 5℃/min의 승온, 강온속도로 측정한 자화곡선으로부터 구한 자기변태온도(퀴리온도)와 Al원자%농도와의 관계가 나타내져 있다. 이 도면으로부터, Fe-10원자%Co-15원자%Al에서는, 복수의 자기변태점이 출현하고, Fe-10원자%Co-20원자%Al합금에서는 3단의 자기변태온도가 확인된다. 이것으로부터, 불규칙상태, Fe₃Al형 및 FeAl형의 3종류의 원자배열이 존재하고 있는 것이 확인된다. 또한, Co의 첨가를 보다 많게 한 경우에 있어서는, 상기 3단의 자기변태점은 보다 고온측으로 추이하여 발현되는 것이므로, Fe-Al계의 규칙상이 Co의 첨가에 의해서 보다 안정화되는 것을 알았다.

(실시예 2)

본 실시예에서는, Fe규칙상의 내마모성을 평가하기 위하여, 표 1에 나타내는조성의 용제 재료로 이루어지는 직경 10mm, 길이 50mm의 원기둥형상 시험편을 이용하여, 50℃와 600℃에서의 상기 시효처리 시간을 조정함으로써 각종 경도를 조정한 후, 오일윤활 하에서, SiC를 20중량% 함유한 폴트랜드 시멘트 원반에 슬라이딩재료를 눌렀을 때의 토사마모성을 평가하였다.

Fe계 규칙상 합금 용제재(wt%)

No	Fe	Al	Co	Ni	Mn	Si	경도(Hv)
1	Bal.	12					300
2	Bal.	12	20				715
3	Bal.	12		20			670
4	Bal.	12			10		540
5	Bal.	10				3	325

도 4에는, 시험장치의 개념도와 시험조건이 나타내져 있다. 이 시험에 있어서는, 비커스경도가 Hv=500으로 되도록 담금뜨임된 S45기준재를 시험재와 동시에 장치에 설치하여, 시험재의 마모성을 기준재의 마모량에 대한 마모량의 비로 평가하였다. 도 5에, 본 발명에 의한 Fe계 규칙상 재료의 경도를, 비교재와 함께 나타내는 시험결과가 나타내져 있다. 이 도면으로부터 명확해지는 바와 같이, Fe계 규칙상의 내마모성이 경도의 비율에 아주 우수하다라는 것을 알았다. 또한, 비교재의 고탄소고Cr소결재는, Fe-3.0중량%C-0.3중량%P-15중량%Cr-2중량%Ni-1.5중량%V-3.0중량%Co 조성에서, 1180℃에서 1시간 진공소결 후 가스냉각에 의해서 담금경화시킨 것이고, Cr7C3형 탄화물을 다량으로 석출시켜고, 내마모성과 베이킹 방지성을 개선시킨 기계식 시일재료이다.

(실시예3)

본 실시형태에서는, 표 2에 나타내는 하금을 진공용해하여, 1000 ~ 1150℃엣의 열간단조, 열간압연으로 판형상으로 가공한 후, 절단ㆍ둥글게 구부리는 가공하고, 도 6에 나타내는 형상으로 기계가공한 부시를 슬라이딩 시험편으로 하고, 600℃에서의 상기 시효처리 시간을 조정함으로써 각종 경도로 되도록 조정하였다. 비교재로서는, SCM420 강화강에 표면 탄소농도를 약 0.8중량%로 조정한 침탄처리 부시(비교예1), S43C 담금뜨임 부시(비교예 2) 및 고력 황동4종재(Cu-25중량%Zn-5중량%Al-3중량%Mn-2.5중량%Fe)(비교예 3)를 이용하였다.

슬라이딩 시험용 Fe계 규칙상 합금조성(wt%)

No	Fe	Al	Cu	Co	Ni	Si	급냉후의경도(Hv)	시효후의경도(Hv)
6	Bal.	5					170	175
7	Bal.	12					295	300
8	Bal.	12	10				306	350
9	Bal.	8		10			260	450
10	Bal.	12		15			370	725
11	Bal.	12			20		320	670

비교재1 SCM420+침탄담금 770

비교재2 S43C담금뜨임 550

비교재3 고력 황동4종 230

도 7에는, 슬라이딩 시험장치의 개념도와 시험조건이 나타내져 있다. 이 슬라이딩 시험에 있어서는, 공시부시의 투영면적에 대해서 1000kg/㎠까지 100kg/㎠마다 10000회의 왕복슬라이딩을 행하면서 슬라이딩면압을 단계적으로 높여 가고, 베이킹하여 마찰계수가 급증하거나, 급진적인 마모나 이음이 발생한 시점에서 시험을 중단하여 평가를 행하였다.

도 8에는 슬라이딩 마찰계수의 추이, 도 9에는 슬라이딩 마모량의 추이가 각각 나타내져 있다. 이들 시험결과로부터, 본 발명재가 비교재에 비해서 아주 양호한 베이킹 방지성의 내성을 발휘함과 아울러, Fe 규칙상을 시효경화시킨 경우에 있어서 내마모성이 개선되는 것이 명확하다.

(실시예4)

300메시 이하의 Fe 아토마이즈분말, Fe10중량%Al 아토마이즈분말, Al아토마이즈분말, Sn아토마이즈분말, Ni10P아토마이즈분말, Cu8P아토마이즈분말, 300메시 이하의 TiH분말, 인철(25중량%P), Si분말, Mn분말, 5㎛의 카르보닐Ni분말, 평균입경 6㎛의 흑연 등을 이용하여, 표 3, 표 4에나타내는 배합성분의 혼합분말을 작성하고, 도 10에 나타내는 인장시험편(형상 부시 슬라이딩 시험편)을 성형압력 4ton/㎠으로 성형하였다. 또한, 이들 성형체는, 10^-1torr 이하의 진공상태로 950 ~ 1250℃의 범위에서 10분 ~ 1hr 소결하여, 600 torr의 N2가스냉각 후에 이들 치수, 조직을 조사하였다.

도 11 ~ 도 13은, 1140℃, 1200℃, 1250℃에서 각 1hr 진공소결하였을 때의 상기 인장시험편 길이를 나타낸 것이다. 이 결과로부터 명확해지는 바와 같이, 도 중에 파선으로 나타내지는 성형체 길이(약 96.55mm)에 대해서, Fe-Al 2원계 소결합금에 있어서, Fe과 Al의 소분말을 배합한 소결 합금에서는, 1250℃까지의 고온도에있어서도 소결 수축하는 일없고, 종래로부터의 보고(예컨대, D. J. LEE AND R. M. German, American Power Metallurgy Institute, 21(1985, 9))와 같이, 현저한 팽창성을 나타내는 것을 알았다. 또한, Al에 대해서 열역학적 반발성을 보유하는 Si, Sn을 단독으로 첨가한 소결 합금에 있어서도, 현저한 팽창성을 억제하는 일이 없고, 인철(Fe25중량%P)을 단독으로 첨가한 경우에 있어서만 1250℃에 있어서 소결 수축성이 확인되었다. 따라서, 치밀한 Fe-Al 2원계 소결 합금을 얻기 위해서는 Fe-Al 2원합금분말이나 2원합금분말에 소량의 Al소 분말을 첨가하는 것이 바람직한 것이 명확하다.

또한, 소분말을 이용한 Fe-Al 소결합금의 난소결성을 개선하기 위한 Cu첨가의 영향을 조사한 결과, Cu단독의 첨가에서는 10중량% 미만에서는 소결 수축성의 개선이 거의 없지만, 10중량% 이상의 첨가에 의해서 소결 수축성이 확인되도록 되고, 바람직하게는 약 20중량%Cu에 의해서 충분한 소결 수축성이 확보되는 것을 알았다. 이 원인은, 도 14에 나타내지는 Fe-12중량%Al-20중량%Cu소결합금의 조직관찰사진으로부터 알 수 있는 바와 같이, Fe-Al규치상 입자 간에 Cu-Al계 합금이 액상으로서 잔류하는 양이 적게 되기 때문이다. 따라서, Fe-Al계 소결합금의 소결성을 높이기 위해서는, 10중량% 이상의 Cu의 첨가가 필요하고, 보다 바람직하게는 20중량% 이상인 것을 알았다.

또한, Cu와 아울러 Si, Sn, P, Ti 등의 Cu함금의 융점을 내리는 함금원소를 복합 첨가함으로써, 그 소결 수축성은 더욱 개선되고, 보다 저온도측으로부터의 소결 수축성이 확보되는 것을 알았다.

표 5는, 표 3, 표 4 중의 No. 18, 14, 20, 21, 22의 소결합금을 1200℃에서 0.5hr 진공소결ㆍ가스냉각한 Fe-Al계 규칙상 및 Fe-Al 규칙상을 연결하는 Cu-Al계 상의 화학조성을 X선 마이크로 애너라이저(EPMA분석)에 의해서 조사한 결과를 나타낸 것이다.

이 표 5로부터 명확해지는 바와 같이, Al, Ti는 Cu-Al상보다도 Fe-Al상 규칙상 중에 현저하게 농축하여 존재하고 있고, Sn은 Cu-Al상 중에 농축함과 아울러, Fe가 3 ~ 5중량%정도 고용하는 것을 알았다. 또한, HANSEN의 상태도를 참조한 결과, Cu-Al상에는 약 9중량%의 Al이 함유되고, 또한 Sn, Fe 등의 β상을 안정화하는 원소가 함유되어 있는 것때문에, Cu-Al상이 거의 β상에 상당하는 것으로 생각되는 것을 알았다.

이것은, 본 출원인이 이미 일본 특원2000-86080호에 있어서 개시되어 있는 바와 같이, β상 Cu-Al합금이 고면압, 저 슬라이딩 속도의 아주 엄격한 오일 윤활조건 하에서 사용하는 합금으로서 우수한 슬라이딩 특성과 내마모성을 발휘하는 것이므로, 아주 바람직한 것임이 명확하다. 또한, 규칙변태성을 보유하는 조성범위의 금속합금상을 10체적% 이상 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다. 또한, 제 2발명은, 상기 제 1발명에 있어서, 상기 금속합금상을, Al, Si, Co, Ni 중 1종 이상의 원소를 함유하는 Fe계 합금상으로 한 것 Si, Sn, Ti의 첨가는 β상Cu-Al합금의 소결성도 현저하게 높아짐과 아울러, 현저하게 경화시키기 때문에, 그 첨가량은 5중량% 이하로 억제하여 사용하는 것이 바람직하다.

도 15는, Fe, Al소 분말을 이용한 Fe-Al계 규칙상 소결합금의 소결 수축성에 대한 Si, Co, Ni의 영향을 나타낸 것이다, 이 도면으로부터, 상기 시효경화성을 현저하게 하는 Ni, Co의 첨가에 의해서도 충분한 소결 수축성이 얻어지는 것, 및 Si의 첨가에 의해서 소결 수축성이 보다 개선되는 것을 알았다. Si는 A과 동일 결정구조의 Fe-Si계 규칙상을 형성하는 원소인 것이므로, Al과의 복합 첨가는 규칙상을 형성시키는 관점으로부터 아주 바람직한 원소이다.

또한, 도 15 중에는 Fe 10중량%Al합금분말을 채용하여, Al소분말첨가량을 억제한 규칙상 소결합금(표 3, 표 4 중의 No. 27)의 소결 수축성이 나타내져 있지만, 소분말만큼의 소결합금에 비해서, 양호한 수축성을 나타냄과 아울러, 예컨대 Fe-Al, Fe-Co-Al, Fe-Ni-Al, Fe-Al-Si 등의 합금분말의 입수성이 양호한 경우에는, 이들 합금분말에 Cu 또는 Cu합금분말을 첨가배합함으로써 소결 수축성이 양호한 각종 Fe-Al계 소결합금이 얻어지는 것이 명확하다.

(실시예5)

본 실시예는, 실시예4에 나타내는 표 3, 표 4 중의 대표적인 Fe-Al규칙상 소결합금과, 표 6에 나타내는 바와 같은 Cu합금 아토마이즈에 #100부시 이하의 Fe15Al, Fe10Al10Co계 규칙상 합금분말을 분산시키도록 소결한 재료의 슬라이딩 특성의 조사를 행한 것이다. 또한, 비교재로서, 고력 황동4종재(Cu-25중량%ZN-5중량% Al-3중량% Mn-2.5중량%Fe)를 이용하였다.

규칙상을 분산시킨 Cu합금 소결 슬라이딩재의 조성(wt%)

No.	Cu	Sn	Fe15Al	Fe10Al10Co
43	Bal.	8	5
44	Bal.	8	10
45	Bal.	8	20
46	Bal.	8	30
47	Bal.	8		10
48	Bal.	8		20

프레스성형체는, 외경 66mm, 내경 77mm, 높이 35mm의 원통체를 4ton/㎠의 가압력으로 성형한 후에, 기공율이 10체적%, 20체적% 정도로 되도록 진공소결, N2가스냉각한 것을 상기 도 6에 나타내는 형상으로 부시가공한 것, 및 600℃에서 1hr의 가열처리를 행한 것에 #30의 윤활오일을 함침시켜서 슬라이딩 시험에 제공하였다. 또한, 슬라이딩 시험장치 및 그 시험조건은 상기 도 7에 나타내는 바와 같다. 슬라이딩 면압은 공시부시의 투영면적에 대해서 1000kg/㎠까지 50kg/㎠마다 10000회의 왕복 슬라이딩을 행하면서 면압을 단계적으로 높이고, 늘러붙어서 마찰계수가 급증하거나, 급진적인 마모나 이음이 발생한 시점에서 시험을 중단하여 평가하였다.

도 16에는, 공기율을 약 10체적%로 조정한 경우의 시험결과가 나타내져 있다. 이 결과로부터 명확해지는 바와 같이, 본 발명재의 다수가 고력 황동재에 비해서 명확하게 높은 베이킹 방지성 면압을 나타내고 있는 거을 알았다. 특히, Co, Ni 등을 함유하지 않는 Fe-Al-Cu에 있어서, 상기 도 8에 나타내는 것에 비해서 우수한 베이킹 방지성을 가지고 있다. 이 원인은, 소결체 중에 함침시킨 윤활유에 기인하는 것이 명확하고, 적어도 기공 개방성이 유지되는 5체적% 이상의 기공율이 바람직한 것은 명확하다. 또한, No. 43 ~ 48의 결과에서는, Fe-Al 규칙상을 Cu 아토마이즈 중에 분산시킨 슬라이딩재료에 있어서도 그 베이킹 방지성은 현저하게 개선되고, Fe계 규칙상이 거의 10중량% 이상(근사적으로는 10체적% 이상) 함유되는 것이 바람직하다라는 것을 알았다.

또한, 도 17에는 기공율을 약 20체적%로 조정한 경우의 슬라이딩 시험결과가 나타내져 있지만, 베이킹 방지성이 보다 개선되고 있는 것을 알았다. 현실적으로는 25중량% 이상의 기공율을 유지한 경우에는, 베어링 재료로서의 강도부족이 문제로 되는 것으로 생각된다.

이상의 실시예의 결과로부터, Fe계 규칙상 자신에 아주 우수한 베이킹 방지성 및 내마모성 등의 슬라이딩, 내마모성이 구비되어 있는 것이 명확하게 되었지만, Fe계 규칙상 소결합금과 같이 Cu를 다량으로 첨가하여, Fe규칙상을 Cu상으로 연결하는 조직이나, Cu양을 보다 많게 하여 Cu상 중에 Fe계 규칙상이 분산하는 조직을 가지는 슬라이딩재료를 개발하는 것이 가능하다. 이 경우, 분산시키는 Fe계 규칙상의 양은, 통상 10체적% 이상인 것으로 생각되지만, 보다 바람직하게는 20체적% 이상인 것은 명확하다.

(실시예6)

표 7에는 본 실시예에서 사용한 Fe계 규칙상 소결합금 조성이 나타내져 있다. 혼합분말의 성형은 외경 53mm, 내경 47mm, 높이 35mm의 원통체를 2ton/㎠의 가압력으로 성형한 후에, 외경 66mm, 내경 53mm, 높이 40mm의 강관(S45C)의 내경부에 세트하여 1150℃, 1hr 진공소결한 후, N₂가스냉각하였다.

또한, 표 7 중에는, 초음파 검사장치로 평가한 강관과 소결층과의 접합율이 맞추어져서 나타내져 있다. 이 표로부터 명확해지는 바와 같이, 내경 소결접합에 있어서도 Sn의 첨가가 아주 효과적이고, 0.2중량%이상, 바람직하게는 0.5중량%이상의 첨가가 필요한 것을 알았다. 또한, 인철, Ti, Cr, Ni의 첨가에 의해서 접합율이 현저하게 개선되고 있는 것을 알았다. 이것은, 이들 원소가 소결 시에 발생하는 액상과 외접하는 강관표면의 습윤성을 개선하기 위한 것은 명확하다. 또한, 흑연의 단독 첨가에 의한 접합율의 저하가 크게 확인되지 않은 것은 흑연과 Sn을 다량으로 함유하는 액상이 젖기 어렵다는 것때문에, 소결체 내에 발생하는 액상이 강관과의 접합계면에 쉽게 배출되기 때문으로 생각되지만, 흑연과, Ti, Cr 등의 흑연과의 반응성에 풍부한 합금원소를 복합 첨가한 경우에는, 저융점의 Sn에 대한 흑연의 영향이 선행하여 작용하고, 추가로 Ti, Cr의 작용이 중복함으로써, 접합성이 보다 개선되는 것을 알았다.

또한, 접합하는 강관의 내경면에 미리 나선형상의 깊이 약 1mm, 폭 5mm의 오일홈을 기계가공으로 형성한 것에 대해서도, 상기한 것과 대략 동일하도록 내경면에 접합 소결할 수 있는 것을 알았다. 또한, 이 홈가공부를 적당 고안하고, 이 홈부에 윤활유를 함유시킴으로써, 보다 장시간의 무급지 베어링에 적합하다는 것을 알았다.

(실시예7)

본 실시예에서는, 250메시 이하의 Cu 아토마이즈 분말, Sn 아토마이즈 분말, 100메시 이하의 Fe15Al, Fe10Al10Ni 아토마이즈 분말을 이용하여, 상기 실시예5의 표 6에 나타내는 혼합분말을 조정하고, 400번의 연마숫돌로 표면을 파손하고, 아세톤으로 잘 세정한 연강판(SS400, 두께 3.5mm, 폭 90mm, 길이 300mm)으로의 접합 소결시험을 실시하였다.

이 시험에 있어서는, 표 6 중의 혼합분말을 상기 연강판 상에 3mm의 높이로 산포하여, 노점(露点)-38℃의 암모니아 분해 가스분위기로에서, 850℃로 20분간 가열되도록 접합 소결한 후에, 아연기로 소결층이 1.7mm로 되도록 압연하고, 또한 압연한 산포재를 다시 상기와 동일 조건으로 소결하고, 이 소결기에 그 소결층을 내측으로 하여 직계 45mm의 원통 상에 둥굴게 굽히는 가공을 실시하고, 이 때의 강판으로부터의 소결층의 박리상황을 관찰하였다. 이 결과, 굽힘가공 시에 있어서의 비율, 박리의 발생은 없었다.

(실시예8)

본 실시예에서는, 100메시 이하의 Fe 아토마이즈 분말, 250메시 이하의 Cu 아토마이즈 분말, Sn 아토마이즈 분말, 100메시 이하의 Fe15Al, Fe10Al10Ni 아토마이즈 분말을 이용하여 표 8에 나타내는 혼합분말을 조정하고, 실시예7과 동일 강판으로의 접합 소결실험을 실시하였다. 또한, 소결온도는 900℃로 하여 둥글게 굽힘가공 후의 소결층의 박리상황을 관찰하였다. 이 관찰에 있어서 박리의 발생은 없었다.

강판 접합 소결용 재료의 조성(wt%)

No.	Fe	Fe15Al	Fe10Al10Ni	Cu	Sn
C1	Bal.	5		30	5
C2	Bal.	10		30	5
C3	Bal.	20		30	5
C4	Bal.	30		30	5
C5	Bal.		20	30	5

다음에, 도 18에 나타내는 정속 마찰마모시험기와 시험조건, 도 19에 나타내는 슬라이딩 시험편을 이용하여, 슬라이딩 특성을 조사하였다. 또한, 비교재로서는, 강판에 접합 소결된 Cu-10중량%Sn-10중량%Pb의 아연 청동소결재료(LBC)를 이용하였다. 도 20에는, 이상마모 및 이상한 마찰계수의 증대가 발생하는 시점에서의 PV값(한계 PV값)을 조사한 결과가 나타내져 있다. 이 결과로부터, 5중량% 이상의 Fe15Al 규칙상 합금분말의 첨가에 의해서 슬라이딩 특성이 개선되지만, 10중량% 이상의 첨가가 보다 바람직한 것은 명확하다.

본 발명은 저속 또한 고면압 하에서 슬라이딩하고, 윤활 끊김이 일어나기 쉬운 작업기 베어링의 베이킹 방지성 및/도는 내마모성의 향상과, 응착성의 저감을 도모할 수 있는 슬라이딩재료와, 이 슬라이딩재료를 라이닝 금속에 일체화시킨 복합 소결 슬라이딩부재 및 그 제조방법을 제공한다.

Claims

규칙변태성을 보유하는 조성범위의 금속합금상을 10체적% 이상 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬라이딩재료.
제 1항에 있어서, 상기 금속합금상은 Al, Si, Co, Ni 중 1종 이상의 원소를 함유하는 Fe계 합금상인 것을 특징으로 하는 슬라이딩재료.
제 2항에 있어서, 상기 Fe계 합금상은 Fe를 주체로 하여 적어도 5 ~ 30중량%의 Al을 함유하는 것임을 특징으로 하는 슬라이딩재료.
제 2항에 있어서, 상기 Fe계 합금상은 Fe를 주체로 하여 적어도 5 ~ 15중량%의 Si을 함유하는 것임을 특징으로 하는 슬라이딩재료.
제 2항에 있어서, 상기 Fe계 합금상은 Fe를 주체로 하여 Al 및 Si를 5 ~ 20중량%를 함유하는 것임을 특징으로 하는 슬라이딩재료.
제 2항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Fe계 합금상은 Co 및 Ni 중 1종 이상을 5 ~ 40중량% 함유하고, Fe계 합금상의 경도를 Hv 300 ~ 800으로 조정하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬라이딩재료.
제 2항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Fe계 합금상은 규칙-불규칙 변태온도 및/또는 자기변태온도가 200 ~ 900℃로 조정된 것임을 특징으로 하는 슬라이딩재료.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 Cu가 10 ~ 90중량% 함유되고, 상기 슬라이딩재료조직 중에 10체적% 이상의 Fe계 합금상과 Cu합금상이 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 슬라이딩재료.
제 7항 또는 제 8항에 있어서, 규칙-불규칙 변태를 나타내는 Fe계 상과 Cu를 주체로 하는 Cu계 상의 2개 이상의 상으로 구성되고, Cu계 상이 Cu-Al상태도 중에 있어서의 (α+β)상 및/또는 β상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬라이딩재료.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 기공율이 적어도 5 ~ 35체적%로 조정되어 있는 것을 특징으로 하는 슬라이딩재료.
제 10항에 있어서, 추가로, Sn, P, Ti, Mn 중 1종 이상이 0.1 ~ 10중량%의 범위로 첨가되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩재료.
제 11항에 있어서, 추가로, Pb, Zn, Be, Mo, W, Mg, Ag 등의 원소 및 흑연, MnS, CaF₂등의 고체윤활제 및/또는 세라믹스 등의 경질분산재 중 1종 이상이 함유되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩재료.
규칙변태성을 보유하는 Fe계 합금상을 10체적% 이상 함유하여 이루어지는 소결 슬라이딩재료가, 철계 재료로 이루어지는 판형상, 원통형상 또는 대략 원통형상의 라이닝 금속에 일체화되어서 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 소결 슬라이딩부재.
제 13항에 있어서, 상기 소결 슬라이딩재료는 상기 라이닝 금속의 면적에 대해서 30 ~ 70면적%로 되도록 아일랜드형으로 독립ㆍ분산되어 소결 접합되고, 슬라이딩시에 이 독립된 아일랜드형의 슬라이딩재료 사이에 형성되는 오목부에 그리스 또는 고체윤활제가 충전되는 것을 특징으로 하는 복합 소결 슬라이딩부재.
제 13항에 있어서, 상기 소결 슬라이딩재료는 상기 라이닝 금속의 면적에 대해서 30 ~ 70면적%로 되도록 구멍뚫린 상태로 소결 접합되고, 슬라이딩 시에 그 독립된 구멍뚫린 오목부에 그리스 또는 고체윤활제가 충전되는 것을 특징으로 하는 복합 소결 슬라이딩부재.
제 13항에 있어서, 상기 라이닝 금속의 접합면의 표면에 미리 윤활유의 체류홈부가 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 소결 슬라이딩부재.
제 13항에 있어서, 상기 라이닝 금속으로 되는 철계 재료는 기공율이 5 ~ 30체적%의 범위로 조정되어서 그 라이닝 금속 부분에서도 오일 함유가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 소결 슬라이딩부재.
제 13항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소결 슬라이딩재료가 제 3 삽입재를 통해서 상기 라이닝 금속에 소결 접합되는 것을 특징으로 하는 복합 소결 슬라이딩부재.
제 13항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서, 스러스트 하중을 받아서 슬라이딩하도록 상기 라이닝 금속에 플랜지부가 설치되고, 이 플랜지부 슬라이딩면에 내마모재료 또는 슬라이딩재료가 일체화되는 것을 특징으로 하는 복합 소결 슬라이딩부재.
제 19항에 있어서, 상기 내마모재료 또는 슬라이딩재료는 초경, 스텔라이트, 철계 내마모재료, 세라믹스, 내마모 Cu 용침재 중 1종이고, 이들이 용사, 납땜, 소결 접합, 용침 접합, 접착 중 어느 하나의 수단으로 일체화되는 것을 특징으로 하는 복합 소결 슬라이딩부재.
규칙변태성을 보유하는 Fe계 합금상을 10체적% 이상 함유하여 이루어지는 소결 슬라이딩재료를, 철계 재료로 이루어지는 원통형상 또는 대략 원통형상의 라이닝 금속에 일체화하는 복합 소결 슬라이딩재료의 제조방법으로서,

상기 소결 슬라이딩재료가, 이 소결 슬라이딩재료를 팽창시키는 금속Al과, 고온도측에서 액상을 발생시켜서 소결체 강도 및 소결 접합성을 확보하는 원소로서의 10 ~ 70중량%의 Cu를 함유하고, 또한, 그 소결 슬라이딩재료로 이루어지는 성형체가, 상기 라이닝 금속의 내경과 동일하거나 또는 약간 작은 외경을 보유하는 원통형상 부재로 되고, 이 원통형상 부재를 상기 라이닝 금속에 삽입한 상태로 900℃ 이상의 온도로 가열할 때에,

(a) 상기 소결 슬라이딩재료를 800℃ 이상의 온도로 소정 시간 가열함으로써 이 소결 슬라이딩재료를 팽창시켜서 그 온도에서 발생하는 Cu계 합금 액상에 의해서 상기 라이닝 금속에 접합하고,

(b) 더욱 승온하여 900℃ 이상의 온도로 가열하는 것에 의해 Cu계 합금 액상을 보다 많이 발생시킴으로써 상기 소결 슬라이딩재료를 치밀화시키는 것을 특징으로 하는 복합 소결 슬라이딩부재의 제조방법.
제 21항에 있어서, 상기 철계 재료로 이루어지는 원통형상 또는 대략 원통형상의 라이닝 금속과 이 라이닝 금속의 내경보다 약간 작은 외경을 보유하는 상기 소결 슬라이딩재료로 이루어지는 원통형상 성형체와의 간극에 제 3 삽입재를 배치하고, 상기 800℃ 이상의 온도에서의 가열에 의해서 그 소결 슬라이딩재료를 팽창시켜서 상기 라이닝 금속에 접합시키기 위한 유효한 액상 성분을 발생시키도록 한 것을 특징으로 하는 복합 소결 슬라이딩부재의 제조방법.
제 22항에 있어서, 상기 제 3 삽입재는, 상기 접합 온도에서 그 전체량이 액상으로 되지 않도록 조정되고, 상기 철계 재료에 대한 습윤성이 우수한 Sn, Cu를 함유하는 합금 재료인 것을 특징으로 하는 복합 소결 슬라이딩부재의 제조방법.
제 21항 또는 제 22항에 있어서, 상기 라이닝 금속에 플랜지부가 설치되고, 이 플랜지부 슬라이딩면에 내마모재료 또는 상기 소결 슬라이딩재료가 납땜, 소결 접합, 용침 접합 중 어느 하나의 수단에 의해 동시에 일체화되는 것을 특징으로 하는 복합 소결 슬라이딩부재의 제조방법.
제 24항에 있어서, 상기 플랜지부 슬라이딩면에, 적어도 탄소 1.5 ~ 3.5중량%, Cr 5 ~ 17중량%를 함유하는 고탄소 고Cr계 합금 소결재료가 상기 내마모재료 또는 소결 슬라이딩재료와 동시에 소결 접합되는 것을 특징으로 하는 복합 소결 슬라이딩부재의 제조방법.
규칙변태성을 보유하는 Fe계 합금상을 10체적% 이상 함유하여 이루어지는 소결 슬라이딩재료를, 철계 재료로 이루어지는 판형상의 라이닝 금속에 일체화하는복합 소결 슬라이딩부재의 제조방법으로서,

상기 소결 슬라이딩재료가, 상기 규칙변태성을 보유하는 Fe계 합금상과, 고온도측에서 액상을 발생시켜서 소결체 강도 및 소결 접합성을 확보하는 원소로서의 10 ~ 70중량% Cu 및 3 ~ 10중량% Sn을 적어도 함유하고, 이 소결 슬라이딩재료의 혼합분말을 상기 라이닝 금속의 표면에 산포하고, 중성, 환원 또는 진공분위기 중에서 소결한 후, 압연기 또는 프레스기를 이용하여 소결층을 압축하고, 상기 중성, 환원 또는 진공분위기 중에서 재소결하는 공정을 1회 이상 실시하여 소결 접합하는 것을 특징으로 하는 복합 소결 슬라이딩부재의 제조방법.
제 26항에 있어서, 상기 소결 접합 후에 둥글게 구부리는 가공에 의해 원통형상 또는 대략 원통형상으로 성형되는 것을 특징으로 하는 복합 소결 슬라이딩부재의 제조방법.