KR20070106390A - 밴드 형상의 복합재 및 그의 용도, 복합 슬라이딩 부품 - Google Patents

밴드 형상의 복합재 및 그의 용도, 복합 슬라이딩 부품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중량 기준으로,
1.0 내지 15.0%의 Ni,
2.0 내지 12.0%의 Sn,
잔량의 Cu 및 불가피한 불순물,
경우에 따라 5% 이하의 망간,
경우에 따라 3% 이하의 규소,
경우에 따라 1.5% 이하의 Ti, Co, Cr, Al, Fe, Zn, Sb 단독 또는 이들의 조합물,
경우에 따라 0.5% 이하의 B, Zr, P, S 단독 또는 이들의 조합물,
경우에 따라 25% 이하의 Pb로 조성되는 구리-다중 소재 합금으로 이루어지는 층이 강철로 구성된 지지층과 견고하게 결합되어 있는 밴드 형상의 복합재에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 밴드 형상의 복합재의 제조 방법, 상기 복합재의 용도 및 복합 슬라이딩 부품에 관한 것이다.
복합재, 복합 슬라이딩 부품, CuNiSn-합금, 강철 밴드

Description

밴드 형상의 복합재 및 그의 용도, 복합 슬라이딩 부품{BAND-SHAPED COMPOSITE MATERIAL AND USE THEREOF, COMPOSITE SLIDING ELEMENT}
도 1은 CuNiSn-합금 및 강철 밴드로 구성된 복합재의 단면을 촬영한 광학 현미경 사진이다.
본 발명은 밴드 형상의 복합재 및 그의 용도, 및 밴드 형상의 복합재로 이루어진 복합 슬라이딩 부품에 관한 것이다.
수 십년 동안, 구리 합금이 베어링 용도로 적합하다는 것이 이미 입증되어 왔다. 구리 합금은 그 구조적 구성과 특성으로 인해 소정의 요건을 매우 만족시킨다. 그러나, 종래의 청동 및 고강도 황동은 강한 열적 부하 범위에서는 그 사용이 제한된다는 것이 밝혀졌다.
또한, 실질적인 베어링 재료로 구성된 일반적인 부쉬(bush)로서 강철 복합 부쉬(bush)가 알려져 있다. 예를 들면, 압연법에 의해 강철 상에 납-함유(유연) 주석 청동으로 구성된 밴드가 도금된다. 그러나, 주석 함량이 4-8 중량%인 주석 청동으로 구성된 상기 베어링 재료는 엔진실(engine room)의 높은 부하 환경에서 베어링 재료에 대해 요구되는 소정의 높은 요건에 대해 항상 적합한 것은 아니다.
문헌 DE 199 63 385 C1호에는 비응력(specific stress)이 높고 마모가 적은 슬라이딩 베어링용 층상 복합재가 공지되어 있다. 상기 층상 복합재는 기재층, 베어링 금속층, 니켈로 구성된 제1 중간층, 주석 및 니켈로 구성된 제2 중간층, 및 구리 및 주석으로 이루어진 슬라이딩 층을 포함한다. 상기 슬라이딩 층은 39 내지 55 중량%의 구리 및 잔량의 주석으로 이루어진 주석-구리-입자가 삽입되어 있는 주석 매트릭스를 갖는다.
연소 엔진과 같이 고온 상태에서 상기 슬라이딩 베어링은 그 아래에 위치한 제2 중간층에서 주석의 유출이 발생하여 주석-구리 입자의 농축이 일어난다.
또한, 문헌 DE 33 04 740 C2호에는 경질의 금속 지지체, 예를 들면 알루미늄-베어링 합금으로 구성된 연질의 금속 기재층, 및 납-기재 주석-함유 베어링 합금으로 구성된 아연 도금 도포된 슬라이딩 층으로 이루어진 다층-슬라이딩 베어링이 공지되어 있다. 상기 기재층과 슬라이딩 층 사이에는 구리 합금층을 포함하는 삽입-이중층이 배치되어 있다.
또한, 문헌 EP 0 921 211호에는 기재층, 60 내지 95 중량%의 구리 함량을 갖는 합금 또는 60 내지 96 중량%의 알루미늄 함량을 갖는 알루미늄 합금으로 구성된 베어링 금속층, 확산 장벽층(barrier layer) 및 무연(lead-free) 구리-주석-합금으로 구성된 아연 도금 도포된 슬라이딩 층을 포함하는 슬라이딩 베어링용 층상 복합 재가 공지되어 있다.
본 발명의 목적은 밴드 형상의 복합재 및 이로부터 형성되어 내마모성 또는 내열성이 높은 복합 슬라이딩 베어링을 제공하는데 있다.
본 발명은 청구범위 제 1항의 특징에 의해 제공되는 밴드 형상의 복합재에 관한 것이다. 상기 밴드 형상의 복합재의 용도 및 복합 슬라이딩 부품이 각각 청구범위 제 5항 및 제 6항에 제공되어 있다. 기타 관련 청구항들은 본 발명의 유리한 형태 및 추가 형태에 관한 것이다.
본 발명은 중량 기준으로,
1.0 내지 15.0%의 Ni,
2.0 내지 12.0%의 Sn,
잔량의 Cu 및 불가피한 불순물,
경우에 따라 5% 이하의 망간,
경우에 따라 3% 이하의 규소,
경우에 따라 1.5% 이하의 Ti, Co, Cr, Al, Fe, Zn, Sb 단독 또는 이들의 조합물,
경우에 따라 0.5% 이하의 B, Zr, P, S 단독 또는 이들의 조합물,
경우에 따라 25% 이하의 Pb로 조성되는 구리-다중 소재 합금으로 이루어지는 층이 강철로 구성된 지지층과 견고하게 결합되어 있는 밴드 형상의 복합재를 포함한다.
본 발명은 강철 및 상기 강철과 견고히 복합되는 Cu-Ni-Sn-합금으로 이루어진 고성능으로 이용 가능한 복합재에 관한 것이다. 상기 복합재는 내마모성이 매우 우수하며 동시에 열적 부하 환경하에서 슬라이딩 부품으로서 이용하기에 적합한 우수한 내열성을 나타낸다.
본 발명에 따른 Cu-Ni-Sn-단련(wrought) 합금은 스피노달(spinodal) 분해 시스템으로, 완제품인 엔진 구조에서 베어링 재료로서 이미 공지되어 있다. 상기 재료는 마찰- 및 마모-특성이 양호할 뿐 아니라 내식성이 양호하다. 열안정성 또한 우수하다.
1-15%의 Ni-함량 및 2-12%의 Sn-함량을 갖는 상기 재료를 이용하면 냉간 성형(cold forming)을 60%까지 달성할 수 있다. 연화 어닐링(soft annealing)과 조합 적용하면, 복합재에 적합한 박막형 밴드가 성공적으로 제조된다. 경우에 따라, 상기 밴드는 300 내지 500℃의 온도 범위에서 노화(age)시킬 수 있다. 이로 인해, 상기 재료가 스피노달 분해되어 고화된다. 나아가, 연속 또는 불연속상 침전을 형성할 수 있다.
상기 침전 경화의 형태로서 2원(binary) 구리-기재 합금이 명백히 고려된다. Cu-Ni-Sn-합금 및 강철 밴드 사이의 접착력을 최적화하기 위해, 상기 2개의 재료 표면을 전처리한다. 열안정성 및 강도와 동시에 필요한 연성이 까다로운 요건하에 서 본 발명에 따른 베어링 부품용 침전 고화되는 재료에 의해 구현된다.
실질적인 부쉬와 비교하여 본 발명의 장점은 특히 상기 복합재에서 기계적 특성 및 마찰학적 특성과 관련된 요건들이 강철 및 구리-다중 소재 합금층과 조합을 통해 서로 최적으로 분리된다는 점이다. 상기 2개의 복합재 재료에 대한 압연,노화 및 균질화 어닐링에 의해 상기 소재 합금 특성을 필요에 따라 적절히 조정할 수 있다. 예를 들면, 연성 또는 경성 구리-다중 소재 합금층이 기계적 및 열적 처리를 통해 강철 지지층과 조합될 수도 있다. 복합재에서 2개의 재료들을 조합하면, 슬라이딩 부품 용도에 적합한 재료 특성이 보다 유리한 방법으로 제공된다.
상기 강철-기재 재료의 부피 함량 뿐 아니라 중량 함량이 상기 구리-다중 소재 합금으로 구성된 기능성 재료의 함량에 비해 높은 구성이 비용적으로 유리하다.
특히 바람직한 본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 구리-다중 소재 합금은 중량 기준으로,
1.0 내지 15.0%의 Ni,
2.0 내지 12.0%의 Sn,
0.1 내지 2.5%의 Mn,
0.1 내지 1.5%의 Si,
잔량의 Cu 및 불가피한 불순물,
경우에 따라 1.5% 이하의 Ti, Co, Cr, Al, Fe, Zn, Sb 단독 또는 이들의 조합물,
경우에 따라 0.5% 이하의 B, Zr, P, S 단독 또는 이들의 조합물로 조성된다.
이를 통해, 경화된 금속간상(intemetallic phase)이 형성되어 Cu-Ni-Sn-합금의 내마모성이 더욱 개선된다. 이때, 경화제 상은 망간-니켈-실리사이드이다. Cu-Ni-Sn-합금은 슬라이딩 특성, 내식성 및 상온에서의 내완화성(relaxation resistance) 특성 측면에서 매우 양호한 특성을 나타낸다. 상기 형성된 경화상에 의해 마찰 경계 영역에서 접착 경향이 감소되고, 고온에서의 내열성 및 연성이 더 증가된다.
상기 Cu-Ni-Sn 계의 스피노달 분해 합금과 내마모성에 기여하는 구조 구성 성분의 조합을 통해, 상기 복합재는 한편으로는 마모에 의해 부하가 적용되는 초기에 가동비가 상당히 감소되고, 다른 한편으로는 Cu-Ni-Sn-Mn-Si로 구성된 이러한 재료는 내열과 충분한 연성을 나타내게 된다.
상기 지지층은 딥-드로잉(deep drawing)강, 열처리강 또는 경화강(hardened steel)으로 구성되는 것이 유리하다. 또한, 고강도 강을 예로 들 수 있다.
상기 구리-다중 소재 합금으로 구성되는 층은 0.1 내지 3 mm의 두께를 갖는 것이 유리하다. 상기 구리-다중 소재 합금의 밴드는 적절한 열역학적 처리를 통해 상기 두께까지 압연될 수 있다.
방법적인 측면에서, 상기 구리-다중 소재 합금으로 구성된 층은 강철로 구성된 상기 지지층에 압연되거나 주조 또는 소결될 수 있다. 이를 위해, 압연시 상기 지지층의 밴드 재료의 표면 및 상기 구리-다중 소재 합금을 전처리하고 정련한다. 단순하게는, 브러슁에 의한 기계적 전처리를 통해 수행된다.
유리한 것은, 상기 압연 도금된 밴드가 특히 예를 들면 압연된 부쉬 및 정지 디스크(stop disk) 형태의 복합 슬라이딩 부품의 제조를 위해 적합할 수 있다는 것이다. 상기 합금은 플러그 결합재용 전자 기술 분야에서 사용될 수도 있다.
본 발명의 보다 바람직한 실시형태에서, 본 발명에 따른 밴드 형상의 복합재는 주조 전 및/또는 후에 적어도 300 내지 500℃의 온도에서 열처리하여 복합 슬라이딩 부품을 구성할 수 있다. 이때, 상기 재료를 경시 스피노달 분해를 통해 경화시킨다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 밴드 형상의 복합재는 주조 전 및/또는 후에 적어도 600 내지 800℃의 온도에서 열처리하여 복합 슬라이딩 부품을 구성할 수 있다. 상기 범위 내에서 온도 처리를 통해 균질화를 달성하고, 이를 통해 상기 재료가 연화된다.
이와 달리, 적어도 600 내지 800℃에서의 용액 어닐링과 적어도 300 내지 500℃에서의 노화 과정을 조합하여 복합 슬라이딩 부품을 제조할 수 있다. 노화 또는 압연시 재료의 균질화 어닐링 및 경화를 통해 상기 구리-다중 소재 합금의 재료 특성을 상기 복합재 재료인 강철에 적절히 맞출 수 있다.
본 발명의 보다 바람직한 실시형태에서, 상기 강철로 구성된 지지층의 표면과 상기 구리-다중 소재 합금으로 구성된 층 사이에 중간층이 배치될 수 있다.
상기 중간층은 특히 상기 구리-다중 소재 합금의 전면으로 강철이 확산되는 과정을 방지하고, 경우에 따라 상기 2개의 복합재 재료 사이의 접착력을 증가시킨다.
보다 바람직한 또 다른 실시형태에서, 상기 구리-다중 소재 합금으로 구성된 층에는 윤활제 보어 릴리프(bore relief)가 배치될 수 있다.
본 발명의 실시형태들은 하기 실시예 및 CuNiSn-합금 및 강철 밴드로 구성된 복합재의 광학 현미경 사진인 도 1을 통해 보다 상세히 설명된다.
실시예 1:
분석을 위해, CuNi6Sn6을 피복 재료로서 압연 경화한 후 연화 어닐링하고, 다양한 상태의 강철을 기재 재료로서 사용하였다. 이러한 샘플을 브러쉬로 처리한 다음, 정련하였다.
이와 관련하여, 압연 직전에 무작위로 샘플링하였다. 상기 구리-다중 소재 합금으로 구성된 띠(stripe) 강판의 초기 두께는 약 3 mm이었다. 상기 기재 재료의 밴드 두께는 1.5, 3 및 5 mm로 다양하였다. 상기 구리-다중 소재 합금의 폭은 약 0.1 내지 0.3mm으로 상기 기재 재료의 폭보다 작았다. 압연력, 모멘트 및 초기 온도를 측정하였다. 상기 두께를 가진 기재 재료를 포함하는 각 재료 상태에 대해 가공을 실시하고, 각 조합에 대해 5번의 변형을 실시하였다. 상기 압연 시험 결과, 강철 상에 CuNi6Sn6의 도금을 상기 재료의 경화와 함께 간단히 수행할 수 있었다.
도 1은 CuNiSn-합금 1 및 강철 밴드 2로 구성된 복합재의 단면을 촬영한 광학 현미경 사진을 나타낸다.
이때, 상기 베어링 복합 재료는 압연 도금을 통해 압연 경화, 연화 어닐링 및 노화 상태로 사용할 수 있었다. 상기 균질화 온도는 500 내지 800℃이었고, 노 노화 과정은 300 내지 500℃의 온도에서 수행하였다.
실시예 2:
이하, 정지 디스크 및 베어링 부쉬와 같은 슬라이딩 부품용 구리-다중 소재 합금을 가진 복합재의 제조 방법을 기재한다. 본 방법에서는 Cu-Ni-Sn 계로 구성된 무연 베어링 재료를 딥 드로잉 강철 상에 융해 및 주조를 통해 도포하였다. 상기 무연 베어링 재료를 1000 내지 1200℃의 온도에서 주조하는데, 이때 상기 층 구조는 연속 및 불연속 침전을 가진 α-상으로부터 형성되었다. 강철 및 상기 Cu-Ni-Sn-합금으로 구성된 복합재를 600 내지 800℃의 온도에서 어닐링한 다음, 상기 층의 표면을 절삭하였다. 상기 층상 베어링 재료를 주조 상태 또는 노화 상태에서 슬라이딩 부품용으로 사용할 수도 있다. 상기 노화 과정은 300 내지 500℃의 온도에서 수행하였다.
압연 및 어닐링과 같은 열역학적 처리를 통해 상기 베어링 층의 주조 구조를 단련하였다. 이렇게 얻어진 밴드를 10 내지 60%의 성형도로 냉간 압연한 다음, 500 내지 800℃의 온도에서 어닐링하였다. 슬라이딩 부품용으로 주조 상태, 단련 상태 및 노화 상태의 상기 모든 상태의 복합 베어링 재료를 사용할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
실시예 3:
또 다른 시험으로서, 다양한 Mn-Si-비를 가진 블록을 주조한 다음, 추가로 냉각 처리하였다. 시험한 합금 변형예들을 표 1에 요약하였다. 상기 주조 블록을 700 내지 800℃의 온도에서 균질화한 다음, 절삭하였다. 이후, 여러 번의 냉간 성형 및 중간 어닐링 과정을 거쳐 2.5 내지 2.85 mm의 두께를 가진 밴드를 제조하였다. 상기 밴드의 만족할 만한 냉간 성형능을 얻기 위해, 냉간 압연한 다음, 700 내지 800℃의 온도에서 어닐링시켰다.
Cu-Ni-Sn + Mn + Si Cu [중량%] Ni [중량%] Sn [중량%] Mn [중량%] Si [중량%]
변형예 1 잔량 5.6-6.0 5.2-5.6 1.7-2.0 0.2-0.3
변형예 2 잔량 5.6-6.0 5.2-5.6 1.3-1.6 0.2-0.3
변형예 3 잔량 5.6-6.0 5.2-5.6 1.3-1.6 0.5-0.7
변형예 4 잔량 5.6-6.0 5.2-5.6 0.8-1.0 0.1-0.3
변형예 5 잔량 5.6-6.0 5.2-5.6 0.8-1.0 0.3-0.5
변형예 6 잔량 5.6-6.0 5.2-5.6 0.4-0.6 0.4-0.6
변형예 7 잔량 5.6-6.0 5.2-5.6 0.9-1.1 0.9-1.1
변형예 8 잔량 5.6-6.0 5.2-5.6 1.8-2.1 0.5-0.6
변형예 9 잔량 5.6-6.0 5.2-5.6 1.8-2.1 0.9-1.1
기대한 대로, 실리사이드로 개질된 Cu-Ni-Sn-합금의 냉간 성형능은 다른 실리사이드 상이 없는 Cu-Ni-Sn-합금에서의 냉간 성형능에 비해 약간 낮음이 확인되었다.
상기 밴드를 압연 도금법에 의한 추가적인 단계를 거쳐 경질 복합재로 제조하였다. 마찰학적 시험 방법을 이용한 테스트에서, 전혀 개질되지 않은 변형예와 비교하여 실리사이드로 개질된 Cu-Ni-Sn-합금에서 마찰계수가 명백히 작다는 것이 증명되었다. 따라서, 상기 개질된 신규 합금은 특히 엔진용, 변속기 및 유압 장치와 같은 자동차 분야에서 슬라이딩 부품(부쉬, 딥 드로잉 디스크 등)으로서 인서트용 출발 물질로 특히 적합하다.
상기 표에 나타낸 수치를 통해, 1.5 중량% 이하의 Si 함량 및 2.5중량% 이하의 Mn-함량으로 개질된 Cu-Ni-Sn-변형예의 재료 특성이 개선됨을 알 수 있다. 추가 실험을 수행하고, 함량 한계값을 확인하였다.
특히, 0.7중량% 이하의 Si-함량 및 1.6중량% 이하의 Mn-함량을 이용하면, 제조 기술 관점에서 실제로 전혀 문제없이 제조될 수 있음을 알 수 있다. 고함량의 실리콘 및 망간을 사용할 때, 주조 파라미터를 통상적인 범위에서 적절히 조정하여야 한다.
소정의 최대치 3중량% 또는 5중량%를 각각 초과하는 실리콘 또는 망간 함량을 사용할 때에는, 추가 공정시 특히 밴드 재료에서 모서리 마모가 발생하기 때문에 어려움이 예상된다.
상기 CuNiSn-합금은 합금 매트릭스에 매립되어 있는 망간-니켈-실리사이드의미세 분말을 포함한다. 상기 실리사이드는 약 1100℃의 온도 범위에서 용융물 중에 최초 침전물로서 형성되었다. 용융 조성을 적절히 선택하면, 과량으로 존재하는 니켈 성분과 함께 실리콘 및 망간이 실리사이드에 침전되었다. 이때, 상기 실리사이드에 사용된 니켈 함량은 매트릭스를 상대적으로 서서히 형성하기 위해 상기 용융물 중 니켈 함량을 높이는 것을 적절히 고려할 수 있다.
여기서, 상기 실리사이드의 조성은 소정의 화학양론비로 무조건 한정되는 것은 아니다. 공정에 따라, 특히 냉각 속도에 의해 유형 (Mn, Ni)xSi의 실리사이드 형태의 3원 금속간상이 2원 경계상 Mn5Si3 및 Ni2Si 사이의 영역에 분리 형성된다.
본 발명에 따른 밴드 형상의 복합재로 제조되는 복합 슬라이딩 베어링은 내마모성 또는 내열성이 우수하다.

Claims (10)

  1. 중량 기준으로,
    1.0 내지 15.0%의 Ni,
    2.0 내지 12.0%의 Sn,
    잔량의 Cu 및 불가피한 불순물,
    경우에 따라 5% 이하의 망간,
    경우에 따라 3% 이하의 규소,
    경우에 따라 1.5% 이하의 Ti, Co, Cr, Al, Fe, Zn, Sb 단독 또는 이들의 조합물,
    경우에 따라 0.5% 이하의 B, Zr, P, S 단독 또는 이들의 조합물,
    경우에 따라 25% 이하의 Pb로 조성되는 구리-다중 소재 합금으로 이루어지는 층이 강철로 구성된 지지층과 견고하게 결합되어 있는 밴드 형상의 복합재.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 구리-다중 소재 합금이 중량 기준으로,
    1.0 내지 15.0%의 Ni,
    2.0 내지 12.0%의 Sn,
    0.1 내지 2.5%의 Mn,
    0.1 내지 1.5%의 Si,
    잔량의 Cu 및 불가피한 불순물,
    경우에 따라 1.5% 이하의 Ti, Co, Cr, Al, Fe, Zn, Sb 단독 또는 이들의 조합물,
    경우에 따라 0.5% 이하의 B, Zr, P, S 단독 또는 이들의 조합물로 조성되는 것을 특징으로 하는 밴드 형상의 복합재.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 지지층이 딥-드로잉 강, 열처리강 또는 경화강으로 구성되는 것을 특징으로 하는 밴드 형상의 복합재.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구리-다중 소재 합금으로 구성되는 층이 0.1 내지 3 mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 밴드 형상의 복합재.
  5. 복합 슬라이딩 부품 또는 플러그 커넥터로서 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 밴드 형상의 복합재의 용도.
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 밴드 형상의 복합재로 구성되는 복합 슬라이딩 부품으로서, 주조 전 및/또는 후에 적어도 300 내지 500℃의 온도에서 열처리하여 제조되는 것을 특징으로 하는 복합 슬라이딩 부품.
  7. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 밴드 형상의 복합재로 구성되는 복합 슬라이딩 부품으로서, 주조 전 및/또는 후에 적어도 600 내지 800℃의 온도에서 열처리하여 제조되는 것을 특징으로 하는 복합 슬라이딩 부품.
  8. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 밴드 형상의 복합재로 구성되는 복합 슬라이딩 부품으로서, 적어도 600 내지 800℃에서의 용액 어닐링과 적어도 300 내지 500℃에서의 노화 과정을 조합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 복합 슬라이딩 부품.
  9. 상기 강철로 구성된 지지층의 표면과 상기 구리-다중 소재 합금으로 구성된 층 사이에 중간층이 배치되는 것을 특징으로 하는, 제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 복합 슬라이딩 부품.
  10. 상기 구리-다중 소재 합금으로 구성된 층에 윤활제 보어 릴리프가 배치되는 것을 특징으로 하는, 제 6항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 복합 슬라이딩 부품.
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