KR20080080156A - 구리-아연 합금 및 이로부터 제조된 싱크로나이저 링 - Google Patents

Abstract

55 내지 75 중량%의 구리, 0.1 내지 8 중량%의 알루미늄, 0.3 내지 3.5 중량%의 철, 0.5 내지 8 중량%의 망간, 0 내지 5 중량% 미만의 니켈, 0 내지 0.1 중량% 미만의 납, 0 내지 3 중량%의 주석, 0.3 내지 5 중량%의 실리콘, 0 내지 0.1 중량% 미만의 코발트, 0 내지 0.05 중량% 미만의 티타늄, 0 내지 0.02 중량% 미만의 인, 불가피한 불순물 및 잔량의 아연을 포함하는 구리-아연 합금.

구리-아연 합금, 싱크로나이저 링, 내마모성, 무연 합금, 금속간 화합물

Description

구리-아연 합금 및 이로부터 제조된 싱크로나이저 링{COPPER-ZINC ALLOY AND SYNCHRONIZING RING PRODUCED THEREFROM}

본 발명은 본질적으로 납을 함유하지 않은 구리-아연 합금에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 구리-아연 합금을 싱크로나이저 링(synchronizer ring)의 제조에 사용하는 용도 및 싱크로나이저 링에 관한 것이다.

구리-아연 합금 또는 황동은 전자 산업에서 뿐 아니라 위생 관련 산업에서 사용된다. 자동차 산업에서, 기계식 기어박스에서 기어 휠을 동기화하는 데 사용되는 싱크로나이저 링에는 높은 내마모성과 높은 마찰 계수를 가진 황동 링이 사용된다.

구리-아연 합금을, 특히 기계가공에 의해 용이하게 가공할 수 있으려면, 작업장 및 가공 공구로부터 떨어진 위치로 수송하기가 어려운 긴 스와프(swarf)를 가공중에 가능한 한 피하기 위해 어느 정도 재료의 취성(brittleness)이 얻어져야 한다. 알려져 있는 바와 같이, 황동의 기계적 가공을 위해 소망되는 이러한 취성은 소정 비율의 납을 첨가함으로써 달성된다. 그러나, 대응량으로 투입된 납은 사람의 건강에 유해성을 나타내는 문제가 있다.

따라서, 기계적으로 가공 가능하면서 가능한 한 낮은 함량의 납 또는 심지어 납을 전혀 함유하지 않은 구리-아연 합금을 제공하는 것이 바람직하다. 다양한 유럽연합의 가이드라인이 아직은 황동 합금에서 납의 사용을 허용하고 있지만, 자동차에서 사용되는 황동에 대해 허용되는 4% 이하의 납 함량은 더 낮은 수준으로 수정될 것으로 예상된다.

위생 산업에서의 응용을 위한 무연 구리-아연 합금은 특허문헌 EP 1 045 041 B1을 통해 알려져 있다. 개시된 합금은 69∼79 중량%의 구리, 2∼4 중량%의 실리콘, 0.1∼1.5 중량%의 알루미늄, 및 0.02∼0.25 중량%의 인을 포함한다. 상기 성분인 실리콘, 알루미늄 및 인의 이러한 상호작용은, 납을 사용하지 않고도 양호한 기계 가공성을 보장하는 합금의 감마 상(gamma phase)을 생성시키기 위해서이다.

싱크로나이저 링에 사용하기 위한 높은 마모 강도를 가진 납 함량이 낮은 구리-아연 합금은 특허문헌 DE 29 19 478 C2, DE 37 35 783 C1 및 EP 0 657 555 B1을 통해 알려져 있다.

DE 29 19 478 C2는 70∼73 중량%의 구리, 6∼8 중량%의 망간, 4∼6 중량%의 알루미늄, 1∼4 중량%의 실리콘, 1∼3 중량%의 철, 0.5∼1.5 중량%의 납, 0∼0.2 중량%의 니켈, 0∼0.2 중량%의 주석 및 잔량으로서 아연을 함유하는 구리-아연 합금을 개시한다. 높은 마모 강도를 얻기 위해서, 이 합금은 주로 β상에 미세하게 분산된 분포로서 60∼85%의 α 혼합 결정(α mixed crystal)의 격자를 포함한다. 납은 비교적 적은 중량비로 상기 격자에 합금화된다.

DE 37 35 783 C1은 특히 싱크로나이저 링용으로 사용되는 구리-아연 합금으로서, 50∼65 중량%의 구리, 1∼6 중량%의 알루미늄, 0.5∼5 중량%의 실리콘, 5~8 중량%의 니켈, 및 선택적으로 0∼1 중량%의 철, 0∼2 중량%의 납, 그리고 잔량으로서 아연으로 구성되는 구리-아연 합금을 제안한다. 2 중량% 미만인 납의 비율은 선택적이다. 니켈이 실리콘 및 알루미늄과의 금속간 화합물(intermetallic compound)로서 주로 존재하기 때문에 높은 내마모성이 얻어진다.

높은 내마모성을 가진 구리-아연 합금은 또한 EP 0 657 555 B1을 통해 알려져 있는데, 이 합금은 40∼65 중량%의 구리, 8∼25 중량%의 니켈, 2.5∼5 중량%의 실리콘, 0∼3 중량%의 알루미늄, 0∼3 중량%의 철, 0∼2 중량%의 망간, 0∼2 중량%의 납, 나머지 아연, 그리고 불가피한 불순물을 포함한다. 높은 내마모성은 매우 높은 니켈과 실리콘의 함량으로 인해 얻어지는데, 그 효과는 상기 매트릭스가 규화니켈(nickel silicide)의 높은 체적 함량(volume content)을 수용한다는 점이다. 상기 격자는 γ 상을 포함하지 않고, 주로 β 상으로 이루어진다. 소량의 납은 양호한 가공성의 관점에서 볼 때 유용하다고 생각된다.

또한, DE 28 30 459 C3는 내마모성이 높은 구리-니켈 합금으로서, 45∼75 중량%의 구리, 2∼7 중량%의 알루미늄, 0.1∼2 중량%의 철, 1∼5 중량%의 니켈, 0.5∼2 중량%의 실리콘, 0.1∼2 중량%의 코발트 및 나머지 아연으로 이루어지는 합금에 관한 것이다. 높은 내마모성을 위해서, 이 합금은 알루미늄과 코발트가 또한 결합되어 있는 니켈-실리콘 형태의 금속간 화합물을 추가로 포함한다. 이것은 납을 함유하지 않는다.

마지막으로, DE 38 09 994 C3에서는 싱크로나이저 링을 위한 구리-아연 합금이 20∼40 중량%의 아연, 2∼8 중량%의 알루미늄, 추가로 2종 이상의 금속간 화합 물을 형성하되 그중 적어도 하나는 티타늄인 것, 그리고 나머지 부분으로서 구리와 랜덤 불순물로부터 형성된다. 높은 내마모성은 금속간 화합물에 의해 얻어진다. 납은 필요하지 않다.

높은 내마모성을 가진 저농도 납 함유 및 무연 구리-아연 합금에 공통적인 특징은 금속간 상의 함량이 높다는 점이다. 이들 금속간 상은 합금에 어느 정도의 취성을 초래함으로써 기계가공 처리가 더 쉬워진다. 스와프는 쉽게 부러져서 이격된 위치로 수송될 수 있다. 이러한 이유에서, 납의 비율을 감소시킬 수 있고, 또는 납을 생략할 수 있다. EP 1 045 041 B1에서와 같이 높은 내마모성이 필요하지 않은 경우에는, 실리콘, 알루미늄 및 인의 상호작용을 통해 합금 내에 γ 상을 안정화함으로써 납 함량을 감소시킬 수 있다. 이 합금은 위생 산업에서의 바람직한 응용을 위한 합금의 탈아연(dezincing) 내성을 보장하기 위해 인을 함유한다.

본 발명의 목적은 내마모성을 극대화시킨 구리-아연 합금으로서, 특히 싱크로나이저 링 용도로 적합하고 본질적으로 납을 함유하지 않은 구리-아연 합금을 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 55 내지 75 중량%의 구리, 0.1 내지 8 중량%의 알루미늄, 0.3 내지 3.5 중량%의 철, 0.5 내지 8 중량%의 망간, 0 내지 5 중량% 미만의 니켈, 0 내지 0.1 중량% 미만의 납, 0 내지 3 중량%의 주석, 0.3 내지 5 중량%의 실리콘, 0 내지 0.1 중량% 미만의 코발트, 0 내지 0.05 중량% 미만의 티타늄, 0 내지 0.02 중량% 미만의 인, 불가피한 불순물 및 잔량의 아연을 포함하는 구리-아연 합금에 의해 달성된다.

본 발명은, 금속간 상 또는 γ 상의 안정화에 의해, 소망되는 기계적 가공성에 관해 보상을 제공하지 않으면서 납 함량을 0.1 중량% 미만으로 낮춘다는 개념을 기초로 한다. 필요한 합금 성분인 알루미늄, 망간, 철 및 실리콘에 의해 충분한 내마모성이 확보된다. 망간, 철 및 실리콘이 특정한 양적 범위에 있으면 구리-아연 합금에서 금속간 상의 충분한 기본 비율이 이루어진다. 특히, 알루미늄은 혼합 결정의 경도를 높여준다. 망간은 내마모성에 대해 긍정적으로 기여한다. 선택적으로 언급된 추가적 합금 성분인 니켈과 주석을 통해 개선이 이루어질 수 있다. 상기 합금은 특정 한계 미만까지 코발트 및 티타늄을 함유할 수 있다. 그러나, 이러한 범위를 초과하여 상기 성분과 합금화하는 것은 원하는 기계적 가공성 및 원하는 내마모성을 얻는 데에 필요하지 않다. 합금 성분으로서 인은 탈아연 내성을 향상시키는 데 필요하지 않다.

금속간 상의 비율을 증가시키지 않고 납의 함량을 0.1 중량% 미만으로 낮추는 것은 놀랍게도 이제까지의 해당 기술 분야의 견해와 상반되게 가능한데, 이는 집중적인 연구 결과, 특히 싱크로나이저 링을 제조하는 데 있어서 납을 첨가하지 않고서도 본 발명의 구리-아연 합금을 기계가공할 수 있다는 것이 밝혀졌기 때문이다.

구리-아연 합금의 내마모성 및 마멸 강도(abrasion strength)는, 상기 구리-아연 합금이 유리하게는 0.5 내지 2.5 중량% 비율의 알루미늄, 0.3 내지 1 중량% 비율의 철, 0.5 내지 5 중량% 비율의 망간, 0.5 내지 5 중량% 미만 비율의 니켈, 0 내지 1.5 중량% 비율의 주석 및 0.3 내지 2 중량% 비율의 실리콘을 포함할 때 향상될 수 있다.

본 발명의 또 다른 유리한 실시예에서, 구리-아연 합금은 더 큰 비율의 알루미늄을 포함하고, 3 내지 8 중량% 비율의 알루미늄, 1 내지 3 중량% 비율의 철, 5 내지 8 중량% 비율의 망간, 0 내지 0.5 중량% 미만 비율의 니켈, 0 내지 0.5 중량% 미만 비율의 주석, 및 1 내지 4 중량% 비율의 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 한다. 그러한 물질은 싱크로나이저 링에 필요한 기계적 성질을 가진다.

상기 구리-아연 합금은, 특히 기계가공에 의해 싱크로나이저 링을 제조하는 데 적합하다.

도면 및 이하의 실시예를 이용하여 본 발명의 예시적 구현예를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1은 싱크로나이저 링의 사시도를 나타낸다.

도 1은 구리-아연 합금으로부터 특히 기계가공에 의해 제조될 수 있는 전형적인 싱크로나이저 링을 나타낸다. 싱크로나이저 링(1)은 원뿔형 마찰 파트너와 함께 마찰 쌍을 이루도록 되어 있는 내표면(3)을 가진다. 짝을 이룬 슬롯 형성 슬리브 상에 대응하는 슬롯과 체결되는 치형(teeth)(2)이 싱크로나이저 링(1)의 외주 상에 배열되어 있다. 오일의 유출을 향상시키기 위해, 내표면(3)이 축 방향으로 맞추어져서 마찰 쌍의 케이스 내에 존재하는 오일을 외부로 신속히 수송하는 오일 채널(4)을 가진다.

실시예

총 네 가지 합금을 연구했으며, 각 쌍의 합금은 납 함량만을 달리했다. 합금 1A는 57.9 중량%의 구리, 1.65 중량%의 알루미늄, 0.4 중량%의 철, 1.95 중량%의 망간, 0.55 중량%의 납, 0.6 중량%의 실리콘, 및 잔량의 아연을 함유한다. 합금 1B는 납을 함유하지 않는다는 점, 즉 납을 0.02 중량%의 불가피한 불순물 수준으로만 함유한다는 점에서 합금 1A와 상이하다. 합금 2A는 69.7 중량%의 구리, 5.2 중량%의 알루미늄, 1.1 중량%의 철, 7.8 중량%의 망간, 0.8 중량%의 납, 1.8 중량%의 실리콘 및 잔량의 아연과 불가피한 불순물을 함유한다. 합금 2B는 납을 0.05 중량%의 불가피한 불순물 수준으로만 함유한다는 점에서 합금 1A와 상이하다. 합금 A는 납을 함유하는 비교 합금으로서, 내마모성 및 가공성에 관해 싱크로나이저 링용으로 적합한 합금이다. 합금 B는 본 발명의 실시예이다.

실시예 1:

상기 합금에 있어서, km/g을 단위로 하는 마모 강도 및 마찰 계수는 총 이동 거리 2500m에 걸쳐 슬라이딩 속도 1.65 m/초 및 부하 52 N/㎟에서의 라이헤르트 마찰-및-마모 밸런스(Reichert friction-and-wear balance)에서 결정된다. 이를 위해, 각각의 시험 합금으로 만들어진 2.7mm 직경의 황동 핀을 회전하는 강철 링에 특정한 부하로 가압시킨다. 특정한 가동 거리 이후 황동 핀의 중량 손실로부터 마모 강도 및 마찰 계수를 판정한다. 그 결과를 다음 표에 종합한다:

합금, 번호	마모 강도, km /g	마찰 계수
1A	201	0.12
1B	235	0.12
2A	1215	0.11
2B	1458	0.11

무연 합금 B의 마모 강도 및 마찰 계수는 납 함유 합금 A에 비해 뒤떨어지지 않고, 오히려 증가되었음을 알 수 있다.

실시예 2:

상기 합금으로 절삭 시험을 실행한다. 이를 위해, 나사산 깊이가 0.37mm이고 피치가 0.65mm이며 플랭크 각(flank angle)이 60°인 나사를 절삭하여, 시험 합금 재질의 도 1에 도시된 싱크로나이저 링으로 만든다. 나사홈은 전부 5바퀴로 형성된다; 즉, 5개의 스레드 체이스(thread chase)가 있다. 나사 절삭 재료로서는 DIN 4990에 따른 K20 품질의 경질 금속재가 사용된다. 절삭 공구로 한정된 수의 나사홈을 절삭한 후, 공구 마모를 측정한다. 이를 위해, 상기 시험을 행하기 전후의 나사 피치의 단면적 차이를 판정한다. 다음과 같은 결과가 얻어진다:

합금, 번호	나사홈 컷의 수	공구 마모, ㎟
1A	6846	0.0226
1B	14670	0.0085
2A	10273	0.0015
2B	10273	0.0005

합금 1A에 있어서는 6848개의 나사홈 이후에 시험을 중단했는데, 이때 이미 공구의 마모가 현저히 일어났기 때문이다. 무연 합금 B에 대한 공구 마모는 납 함유 합금 A에 대한 공구 마모보다 적다는 것을 확인할 수 있다.

실시예 3:

실시예 2에 따라 수행된 절삭 시험에서 제거된 스와프를 관찰했다. 무연 합금 B의 스와프는 납 함유 합금 A에 비해 더 길었지만, 연결되고 서로 얽혀지도록 형성되지 않음을 확인했다. 예상과는 상반되게, 스와프는 기계가공 시 문제점 없이 이격된 위치로 옮겨질 수 있다.

상기 무연 합금은 특히 싱크로나이저 링의 제조에 적합하다. 따라서, 기계적 가공성을 향상시키기 위한 납의 첨가를 피할 수 있다.

도면의 참조 번호 목록:

1 싱크로나이저 링

2 치형

3 내표면

4 오일 채널

Claims (6)

1. 55 내지 75 중량%의 구리, 0.1 내지 8 중량%의 알루미늄, 0.3 내지 3.5 중량%의 철, 0.5 내지 8 중량%의 망간, 0 내지 5 중량% 미만의 니켈, 0 내지 0.1 중량% 미만의 납, 0 내지 3 중량%의 주석, 0.3 내지 5 중량%의 실리콘, 0 내지 0.1 중량% 미만의 코발트, 0 내지 0.05 중량% 미만의 티타늄, 0 내지 0.02 중량% 미만의 인, 불가피한 불순물 및 잔량의 아연을 포함하는 구리-아연 합금.
2. 제1항에 있어서,

   0.5 내지 2.5 중량% 비율의 알루미늄, 0.3 내지 1 중량% 비율의 철, 0.5 내지 5 중량% 비율의 망간, 0.5 내지 5 중량% 미만 비율의 니켈, 0 내지 1.5 중량% 비율의 주석, 0.3 내지 2 중량% 비율의 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 구리-아연 합금.
3. 제1항에 있어서,

   3 내지 8 중량% 비율의 알루미늄, 1 내지 3 중량% 비율의 철, 5 내지 8 중량% 비율의 망간, 0 내지 0.5 중량% 미만 비율의 니켈, 0 내지 0.5 중량% 미만 비율의 주석, 1 내지 4 중량% 비율의 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 구리-아연 합금.
4. 싱크로나이저 링(synchronizer ring)(1)의 제조에 사용되는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 구리-아연 합금의 용도.
5. 제4항에 있어서,

   상기 싱크로나이저 링(1)이 상기 구리-아연 합금을 재료로 하여 기계가공에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는, 구리-아연 합금의 용도.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 구리-아연 합금으로 만들어지는 싱크로나이저 링(1).

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