KR20080040079A

KR20080040079A - 고강도 내마모성 니켈계 윤활합금

Info

Publication number: KR20080040079A
Application number: KR1020060107575A
Authority: KR
Inventors: 하헌필; 김경탁
Original assignee: 한국과학기술연구원; 한국안티겔링메탈 주식회사
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2008-05-08
Also published as: KR100831094B1

Abstract

본 발명은 고강도 내마모성 니켈계 윤활합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 니켈(Ni), 크롬(Cr), 비스무트(Bi), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 망간(Mn), 규소(Si), 티타늄(Ti), 텔루륨(Te) 및 탄소(C)가 일정 조성비를 이루고 있는 합금으로서, Ni과 Cr의 합량이 일정 수준 이상으로 함유되어 내식성과 저열 팽창성이 향상되고, Sn을 소정량 함유하여 Ni-Bi계 금속간 화합물 석출상이 균일하게 분산되어 윤활 특성이 향상되며, C를 소정량 함유하여 Cr 탄화물 및 Ti 탄화물을 형성함으로써 고강도 및 내마모특성이 향상되어 각종 기계 장치의 내연기관 피스톤링 소재로 적용시 더욱 적합하도록 고강도 및 내마모성이 향상된 니켈계 윤활합금에 관한 것이다.

고강도, 내마모성, 니켈계 윤활합금, 내연기관, 피스톤링

Description

고강도 내마모성 니켈계 윤활합금{Ni base anti-galling alloy with high toughness and wear resistance}

도 1의 (a)는 본 발명에서 제안된 조성(실시예)으로 이루어진 니켈계 윤활합금을 소재로 제조된 피스톤링 마찰면 표면상태를 나타내는 실측 현미경 사진(X 5)이고, (b)는 상기 피스톤링과 접촉하는 실린더 라이너의 마찰면 표면상태를 나타내는 실측 현미경 사진이며, (c)는 기존의 상용 회주철계 합금(비교예)을 소재로 제조된 피스톤링을 마찰면 표면상태를 나타내는 실측 현미경 사진이며, (d)는 기존의 상용 회주철계 합금을 소재로 제조된 피스톤링과 접촉하는 실린더 라이너의 마찰면 표면상태를 나타내는 실측 현미경 사진이다.

도 2는 실시예의 조성으로 이루어진 니켈계 윤활합금(Ni alloy)과 비교예의 조성으로 이루어진 기존의 철계(Gray Iron)의 마찰계수를 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 3의 (a)는 실시예의 조성으로 이루어진 니켈계 윤활합금으로 제조된 피스톤 링의 마모량을 나타낸 것이고, 도 3의 (b)는 (a)의 피스톤 링에 대응하여 마찰되는 실린더 라이너의 마모량을 나타낸 그래프이다.

도 4의 (a)는 상기 실시예의 조성으로 제조한 니켈계 윤활합금의 EPMA 상분 석 사진이며, (b)는 상기 실시예의 조성으로 제조한 니켈계 윤활합금서 윤활특성을 나타내는 Bi의 분포상태를 나타내는 사진으로 백색 부분이 NiBi₃이다.

도 5는 상기 실시예의 조성으로 제조한 니켈계 윤활합금의 시편표면에 대한 XPS 분석사진으로서, C 및 Ti의 첨가에 따른 표면상태를 살펴보면 Ti는 표면에서 미량고루 검출되어 석출물의 형태로 나타나지 않았고, C는 기지조직에 고용되어 있거나 Cr₃C₂와 같은 탄화물을 형성함을 확인할 수 있다.

본 발명은 고강도 및 내마모성 니켈계 윤활합금에 관한 것으로서, Ni과 Cr의 합량이 일정 수준 이상으로 함유되어 내식성과 저열 팽창성이 향상되고, Sn을 소정량 함유하여 Ni-Bi계 금속간 화합물 석출상이 균일하게 분산되어 윤활 특성이 향상되며, Ti 및 C를 소정량 함유하여 고강도 및 내마모 특성이 향상되어 각종 기계 장치의 내연기관 피스톤링 등의 소재로서 가혹한 환경에서 사용할 경우에도 적합하도록 고강도 및 내마모성이 향상된 니켈계 윤활합금에 관한 것이다.

니켈기 윤활합금은 NiBi₃상이 기지조직 내에 골고루 분산되어 고체윤활재의 역할을 하기 때문에 윤활유를 사용할 수 없는 식품제조에 사용되는 펌프의 로타의 소재 등에 사용되고 있다. 그러나 이 소재는 강도가 높지 않아 상대금속의 강 도가 높았을 경우 마모율이 높은 단점을 지니고 있다. 일례로 라이너의 소재가 회 주철인 자동차에 니켈기 윤활합금을 피스톤 링으로 적용할 경우, 피스톤링의 윤활특성은 우수하나 마모가 잘 일어나는 문제가 발생하게 된다.

종래 자동차 내연기관의 피스톤링에는 표면에 크롬을 코팅한 주철재료 가 주로 사용되어 왔으나 최근 연비향상을 위하여 내마모성과 고온강도가 우수한 대체 재료로서 스테인리스계 피스톤링용 소재가 개발되고 있다.

그러나, 스테인리스계 소재는 고온강도와 내식성은 우수하나 마찰계수가 비교적 커서 피스톤링용 소재로 사용하는 경우 서로 접촉하여 반복마찰을 하는 실린더 라이너와의 윤활이 원활하지 못할 뿐만 아니라 피스톤링 자체는 물론이고 실린 라이너의 마찰면이 거칠게 마손되어 기밀성을 저하시키는 문제점을 갖고 있다.

이에 따라 스테인레스계 소재표면에 질화물 등 각종 코팅을 하여 윤활 및 마모특성을 향상시키려는 연구가 많이 진행되어져 왔다.

그러나, 니켈기 윤활합금과 같이 소재 자체가 윤활특성을 가지고 윤활특성 및 마모 특성이 만족된다면 공정이 줄어들고 내구성 신뢰성이 향상될 수 있게 된다. 그러나, 니켈기 윤활합금은 윤활특성은 우수하나 상대소재의 강도가 높을 경우 마모율이 높아서 적용에 어려움이 있다.

이에, 본 발명에서는 상기와 같이 상대금속의 강도가 클 경우에 니켈기 윤활합금의 마모율이 증가하는 문제점을 해결하기 위하여 연구노력한 결과, 니켈계 합 금 소재로서 Ni과 Cr의 합량을 일정 수준 이상으로 조절하고, 석출상의 분산을 위해 Sn를 첨가하고 Ti 및 C를 소정량 첨가시킬 경우 윤활성, 내마모성, 고온강도, 탄성, 내식성 등이 향상되어 내연기관의 피스톤링용 등 고강도 윤활소재로서 요구되는 특성을 충분히 만족시킴을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 고강도 내마모성 니켈계 윤활합금을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 니켈(Ni) 70 ∼ 75 중량%, 크롬(Cr) 10 ∼ 15 중량%, 비스무트(Bi) 1 ∼ 6 중량, 주석(Sn) 1 ∼ 5 중량%, 몰리브덴(Mo) 1 ∼ 3 중량%, 망간(Mn) 0.5 ∼ 1 중량%, 규소(Si) 0.1 ∼ 0.2 중량%, 티타늄(Ti) 0.5 ∼ 3 중량% 및 탄소(C) 0.1 ∼ 1 중량%를 포함하여 이루어지는 고강도 및 내마모성이 향상된 니켈계 윤활합금을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 Ni과 Cr의 합량이 일정 수준 이상으로 함유되어 내식성과 저열 팽창성이 향상되며, Sn을 소정량 함유하여 Ni-Bi계 금속간 화합물 석출상이 균일하게 분산시켜 윤활특성을 향상시키고 Ti 및 C의 첨가에 의하여 강도를 향상시킨 니켈계 윤활합금에 관한 것이다.

이하 본 발명의 니켈계 윤활합금을 구성하는 성분별로 구체적으로 설명한다.

본 발명의 니켈계 윤활합금을 구성하는 성분으로서 Ni와 Cr은 주로 저열팽창 성과 내식성에 영향을 주는 성분으로 작용하며, Bi는 결정립계에 석출하여 윤활작용을 한다. Sn은 기지조직(matrix) 내에서 Bi의 석출상이 고르게 분산되도록 하는 분산제 역할을 수행하여, Ni-Bi계 금속간 화합물 석출상(NiBi₃)이 생성되어 상기 기지조직 내에 분산되도록 하는데, 이는 EPMA분석으로써 확인할 수 있었다. Mo는 내식성 및 강도에 영향을 주는 성분으로 작용한다. 특히 Ni과 Cr은 합량이 80 중량% 이상 함유하도록 함으로써 내식성과 저열 팽창성을 보다 향상시킬 수 있다. 즉, Ni과 Cr의 합량이 상기 범위에 미치지 못할 경우에는 내식성 및 저열 팽창성이 저하되는 현상이 발생한다.

또한, 고온 강도 향상을 위하여 Mo, Ni, Mn을 상기 조성범위 내에서 첨가하며, 특히 C를 0.1 ∼ 1.0 중량%, Ti를 0.5 ∼ 3 중량% 함유함으로써, Ti의 경우 기지조직 내에 고용되어 고용강화를 일으키고, C의 경우 기지조직 내에 고용되거나 Cr탄화물 생성시키게 되어 석출경화를 일으켜 고강도 및 내마모 특성을 향상시킬 수 있게 되며, 이는 XPS분석으로 확인할 수 있었다.

상기한 합금 조성성분 및 함량비는 상기 범위로 유지되었을 때만이 본 발명이 목적하는 니켈계 윤활합금을 제조할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 니켈계 윤활합금은 정밀주조 및 원심주조 방법으로 주조하여 제조할 수 있다. 용해로는 전기저항로, 고주파로 등 어느 것을 사용하여도 무방하나 합금조성의 균일화를 위해서는 교반기능을 갖는 고주파로가 유리하며, 또한 대기 용해시에는 적정량의 탈산제와 탈가스제의 사용이 필요하다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예: 합금 제조

다음 표 1과 같은 조성으로 금속성분 40 kg을 진공유도 용해로를 사용하여 정밀주조 조건으로 용해한 후 주조하여 합금 시료를 제조하였다.

윤활합금 시료의 조성(중량%)
조성금속	Cr	Fe	Bi	Sn	Mo	Mn	Si	Ti	C	Ni
실시예	10∼15	1∼3	1∼6	1∼5	1∼3	0.5∼1	0.1∼0.2	0.5∼3	0.1∼1	70∼75
비교예	-	Bal	-	-	-	0.4∼1	1.2∼2.5	-	2.8∼3.8	-

실험예 : 물성 측정

상기 실시예 및 비교예의 합금 각각에 대하여 마찰시험(galling test)를 비롯하여 마모량 및 마모율을 측정하였으며, 인장강도, 항복강도, 연신율, 경도 및 내식성을 다음과 같은 방법으로 측정하였다.

1. 마찰시험 후의 표면 상태

접촉하여 움직이는 시료 표면의 마모상태를 관찰하기 위하여 ASTM G 133/95에 규정된 시험법에 준하여 마찰시험을 수행하였다. 즉, Speed(10Hz), Power(20N/min∼400N), Tem'p (180℃), Oil (5WC-2cc) 의 조건에서 마찰시켜 시료의 마찰면을 관찰하였다.

그 결과, 도 1의 (a)와 (b)에 각각 나타낸 바와 같이 내마모 특성이 우수한 결과를 얻었다.

즉, 도 1의 (a)는 실시예의 니켈계 윤활합금을 소재로 제조된 피스톤링 마찰면 표면상태를 나타내는 실측 현미경 사진(X 5)이며, (b)는 상기 피스톤링과 접촉하는 실린더 라이너의 마찰면 표면상태를 나타내는 실측 현미경 사진(X 5)이다.

상기 도 1의 (a)에 의하면 피스톤 링의 접촉 표면이 깨끗하여 우수한 내마모 특성을 확인할 수 있으며, (b)에 의하면 라이너의 접촉 표면이 깨끗하여 우수한 내마모 특성을 확인할 수 있다.

한편, 도 1의 (c)는 비교예(기존의 상용 회주철계 합금)로 제조된 피스톤링을 사용할 경우 마찰면 표면상태를 나타내는 실측 현미경 사진(X 5)이고, (d)는 상기 피스톤링과 접촉하는 실린더 라이너의 마찰면 표면상태를 나타내는 실측 현미경 사진(X 5)이다.

상기 도 1의 (c) 및 (d)에 의하여 확인한 바와 같이, 비교예(기존의 상용 회주철계 합금)로 제조된 피스톤링을 사용할 경우 마찰계수가 비교적 커서 피스톤링용 소재로 사용하는 경우 서로 접촉하여 반복마찰을 하는 실린더 라이너와의 윤활이 원활하지 못하였음을 알 수 있다.

상기한 결과로, 본 발명에서 제안된 조성으로 이루어진 니켈계 윤활합금을 소재로 제조된 피스톤링과 라이너의 접촉 표면의 내마모 특성이 개선됨을 확인할 수 있다.

2. 마모율의 평가

실시예 및 비교예의 합금 각각의 마모율을 ASTM G 133/95 방법으로 측정하였다. 상기한 결과로부터 시편의 무게를 측정하는 방법으로 마찰계수를 얻었으며, 이를 도 2에 나타내었다.

즉, 도 2는 실시예의 합금과 비교예의 합금의 마찰계수를 비교하여 나타낸 그래프이며, 이에 의하면 실시예의 합금으로 제조한 피스톤 링의 내마모 특성이 더 우수한 것으로 나타남을 확인할 수 있는데, 본 발명의 실시예의 합금은 비교예의 합금과 비교하여 마모율이 2배 이상 우수한 결과를 나타냄을 알 수 있다.

또한, 도 3의 (a)는 실시예의 니켈계 윤활합금으로 제조된 피스톤 링과, 비교예의 철계(Gray Iron) 합금으로 제조된 피스톤 링을 내마모 실험으로 측정하여 얻은 마모량을 나타낸 것이고, (b)는 피스톤 링과 마찰된 실린더 라이너의 마모량을 내마모 실험으로 측정하여 얻은 결과를 나타낸 그래프이다.

상기 도 3의 (a)에 의하면 실시예의 니켈계 윤활합금으로 제조한 피스톤 링과 비교예의 철계(Gray Iron) 합금으로 제조한 피스톤 링과의 내마모 특성을 확인할 수 있으며, 도 3의 (b)에 의하면 도 3의 (a)로 실험한 실시예의 니켈계 윤활합금 및 비교예의 철계 (Gray Iron)합금의 상대편 라이너로 마모실험에 따른 내마모 특성을 확인할 수 있다.

3. 기계적 특성 평가

1) 인장강도

인장강도는 KS B 0801(14A호)한 방법으로 측정하였으며, 그 결과는 다음 표 2에 나타내었다.

2) 항복강도

항복강도는 KS B 0801(14A호)한 방법으로 측정하였으며, 그 결과는 다음 표 2에 나타내었다.

3) 연신율

연신율은 KS B 0801(14A호)한 방법으로 측정하였으며, 그 결과는 다음 표 2에 나타내었다.

4) 강도

강도는 HBW 10/1000한 방법으로 측정하였으며, 그 결과는 다음 표 2에 나타내었다.

구분	기계적 특성
구분	인장강도 (N/㎟)	항복강도 (N/㎟)	연신율 (%)	강도 (HBW10/3000)
실시예	414	400	1	221
비교예	200		1<	220∼240

상기 표 2에 의하면, 본 발명의 실시예의 합금은 비교예의 합금과 그 기계적 특성을 비교한 결과 기계적 특성이 우수한 결과를 나타내었으며, 이는 본 발명의 합금이 우수한 기계적 특성을 나타냄을 의미한다.

4. 분산상 확인

도 4의 (a)는 상기 실시예의 조성으로 제조한 니켈계 윤활합금의 EPMA 상분석 사진이며, (b)는 상기 실시예의 조성으로 제조한 니켈계 윤활합금의 윤활특성을 나타내는 Bi의 분포상태를 나타내는 것으로 백색 부분이 NiBi₃임을 확인할 수 있다.

도 5는 상기 실시예의 조성으로 제조한 니켈계 윤활합금의 시편표면에 대한 XPS 분석사진으로, 그 결과, C 및 Ti의 첨가에 의하여 Ti는 표면에서 미량고루 검출되어 석출물의 형태로 나타나지 않았고, C는 기지조직에 고용되어 있거나 Cr₃C₂와 같은 탄화물을 형성함을 확인할 수 있다.

그러므로 본 발명에서 니켈계 윤활합금이 우수한 내마모 특성 및 고강도 특성을 나타내는 것은 니켈윤활합금의 기지조직에 형성된 NiBi

윤활석출물의 윤활성과 제 3의 원소로 첨가한 Ti, C이 고용강화 및 석출강화를 일으키는데 기인하는 것으로 확인할 수 있다.

5. 내식성 평가

본 발명의 합금은 고온에서 사용되는 경우 내식성을 가져야 한다. 이를 위하여 50℃로 유지된 강한 황산용액과 염산용액 및 질산용액에 360시간 침적하여 부식속도를 측정하였으며 방법으로 내식성을 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다.

내식성 평가
구분	실시예	비교예
실험전	91.33 gr	91.50 gr
실험후	91.27 gr	91.25 gr
평가	0.06 gr/hr	0.25 gr/h

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 기존의 스테인레스계 소재와는 달리 마찰계수가 작아서 피스톤링용 소재로 사용하는 경우 서로 접촉하여 반복마찰을 하는 실린더 라이너와의 윤활이 원활하여, 상기 피스톤링과 실린더 라이너 마찰면이 미려하므로 기밀성이 저하되는 문제점을 해결할 수 있다.

Claims

니켈(Ni) 70 ∼ 75 중량%, 크롬(Cr) 10 ∼ 15 중량%, 비스무트(Bi) 1 ∼ 6 중량, 주석(Sn) 1 ∼ 5 중량%, 몰리브덴(Mo) 1 ∼ 3 중량%, 망간(Mn) 0.5 ∼ 1 중량%, 규소(Si) 0.1 ∼ 0.2 중량%, 티타늄(Ti) 0.5 ∼ 3 중량% 및 탄소(C) 0.1 ∼ 1 중량%를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 및 내마모성이 향상된 니켈계 윤활합금.
제 1 항에 있어서, 상기 니켈(Ni)과 크롬(Cr)의 합량이 80 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 고강도 및 내마모성이 향상된 니켈계 윤활합금.
제 1 항에 있어서, 상기 합금의 기지조직(matrix)이 NiBi₃상인 것을 특징으로 하는 고강도 및 내마모성이 향상된 니켈계 윤활합금.
청구항 1 내지 3 중에서 선택된 어느 하나의 항의 니켈계 윤활합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 피스톤 링.