KR20110137811A

KR20110137811A - 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료 및 슬라이딩 부품

Info

Publication number: KR20110137811A
Application number: KR1020117024963A
Authority: KR
Inventors: 료 무카이; 아츠시 고야마; 나호미 하마구치; 가오 모우리; 히로미 요코타
Original assignee: 다이호 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2011-12-23
Also published as: US8845776B2; EP2431488A4; US20120096988A1; WO2010126026A4; CN102439183A; EP2431488A2; WO2010126026A2; KR101516852B1; JPWO2010126026A1; JP5509199B2; WO2010126026A3

Abstract

본 발명은, 구리 또는 구리 합금을 소결한 슬라이딩 재료에 관한 것으로, 활석, 운모, 카올리나이트 광물 및 몬모닐로나이트 광물에서 선택된 적어도 1 종의 광물을 함유시킴으로써, 친밀성 및 내눌러붙음성을 부여하기 위해 함유되는 Pb 를 함유하지 않고서도 우수한 슬라이딩 특성을 갖는 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료 및 슬라이딩 부품에 관한 것이다.

Description

납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료 및 슬라이딩 부품{LEAD-FREE COPPER-BASED SINTERED SLIDING MATERIAL AND SLIDING PART}

본 발명은, 구리 또는 구리 합금을 소결한 슬라이딩 재료에 관한 것으로, 특히, 친밀성 및 내눌러붙음성을 부여하기 위해서 함유되는 Pb 를 함유하지 않고도 우수한 슬라이딩 특성을 갖는 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료 및 슬라이딩 부품에 관한 것이다.

일반적 구리 합금은, 주물용 청동 합금 지금 (地金) (JIS H 2203), 주물용 인청동 지금 (JIS H 2204), 주물용 황동 지금 (JIS H 2205) 으로 규정되어 있다. 또한 전신용 (展伸用) 인청동 (JIS C 5191), 전신용 황강 (JIS C 2801) 도 규정되어 있다. 이들과 동일한 성분을 소결한 소결 합금이 슬라이딩 재료로서 사용되고 있다.

일반적으로 슬라이딩 재료란, 상대되는 2 물체간의 마찰 계수를 제어하기 위한 재료로, 마찰 계수를 낮게 할 것을 목적으로 하는 재료 (예를 들어, 엔진 메탈용 재료) 와, 마찰 계수를 높게 할 것을 목적으로 하는 재료 (예를 들어, 브레이크용 재료) 의 두 개로 크게 나눌 수 있다.

본 발명에 있어서의 슬라이딩 재료는, 마찰 계수를 낮게 할 것을 목적으로 하는 재료로서, 구체적으로는 자동차, 이륜차, 건설 기계 등의 차량 및 일반 기계의 베어링류, 워셔류의 부품에 사용된다.

청동이나 인청동 (JIS H 2204, PbCIn2 및 3) 의 소결 재료는, 구리계 슬라이딩 재료의 상기 목적을 달성하기 위해서 기본적 성분을 갖고 있고, 오토매틱 트랜스미션의 베어링 등에 사용되고 있다. 구체적 용도인, 엔드 베어링은, 오토매틱 트랜스미션 내의 변속 기어의 원웨이클러치부에 사용되고, 외륜과 내륜 사이에 있는 슬라이딩 부재이다. 이 엔드 베어링의 외주가 외륜과, 내주가 내륜과 슬라이딩함으로써, 구동력을 매끄럽게 전달시킨다. 이 외륜 또는 내륜의 일방이 회전하고 있을 때에, 각각의 반경 방향에 발생하는 하중을 지지하기 위한 미끄럼 베어링을 엔드 베어링이라고 한다. 다른 용도인 플래너테리 피니언 워셔는, 오토매틱 트랜스미션의 주요 구성 요소인 플레네터리 기어부의 피니언 기어와 캐리어 사이에 사용되고 있다.

또, 상기한 청동 등의 내마모성을 높이기 위해서, 경질 입자를 첨가하는 것도 행해지고 있고, 경질 입자의 종류로서는, Fe₂P, Fe₃P, FeB, Fe₃B, Co, Co 계 자용 합금, Ni 계 자용 합금, Fe-Cr, Fe-Mn, Fe-Ni, Fe-Si, Fe-W, Fe-Mo, Fe-V, Fe-Ti, Fe-Nb, CuP (특허문헌 1 : 특허 제3298636호), 질화알루미늄 (특허문헌 2 : 특허 제3370785호) ; Fe-Mn-Si 계 경질물 (특허문헌 3 : 특허 제3929288호) ; Cu-Al 금속간 화합물 (특허문헌 4 : 일본 공개특허공보 2002-256731호) 등이 있다.

종래의 구리계 소결 슬라이딩 재료에 함유되어 있던 Pb 는 환경 부하 물질이기 때문에, Pb 를 Bi 로 치환한 재료가 예를 들어 특허문헌 5 : WO2005/068671 에 제안되어 있다. 이 재료는, Bi 1 ∼ 30 ％, Fe₂P, Fe₃P, FeB, Fe₂B, Fe₃B 등 경질물 입자 10 ∼ 50 ％ 를 함유하고, 경질물 입자보다 미세한 Bi 상이 구리 매트릭스 중에 분산되어 있거나, 혹은 경질물 입자와 접촉하고 있는 Bi 상에 관한 것으로, 그 Bi 상의 사방에 대한 경질물 입자의 접촉 길이 비율이 50 ％ 이하인 구리 합금 소결 재료이다.

Bi 함유 납프리 구리 합금 소결 재료는, Bi 가 구리 합금 중에 미세하고 균일하게 연질상으로서 분산될 수 있고, 또 Bi 는 철에 대한 비응착성을 갖고 또한 융점이 낮기 때문에, 우수한 내눌러붙음성을 갖고 있다. 이 때문에, 구리 합금 슬라이딩 재료를 납프리로 하고 또한 내눌러붙음성을 납함유 구리 합금 슬라이딩 재료와 동등하게 유지한다는 면에서는, 현재로서는 Bi 첨가는 가장 우수한 수단으로, 오토매틱트랜스미션의 슬라이딩 부품에 사용되고 있다 (비특허문헌 1 : 트라이볼로지스트 Vol.53/No.9/2008, 제599 ∼ 604페이지).

일반적인 고체 윤활제인 흑연이나 MoS₂ 를 구리 합금 소결재에 분산시키는 것도 공지되어 있는데, 흑연은 구리에 대한 소결성이 우수하지 않고, MoS₂ 는 소결 온도에서 분해되는 등의 문제가 있으므로, 산화 Mo 와 황화 Cu 를 첨가하는 특허문헌 6 : 일본 공개특허공보 2006-37178호, 황산염 화합물 및 흑연을 첨가하는 특허문헌 7 : 일본 공개특허공보 2005-179692호, MoS₂ 입자를 도금하는 특허문헌 8 : 일본 공개특허공보 2006-37179호 등의 제안이 이루어졌다. 또한 MoS₂ 나 흑연은 고가이다.

특허문헌 1 : 일본특허 제3298636호 특허문헌 2 : 일본특허 제3370785호 특허문헌 3 : 일본특허 제3929288호 특허문헌 4 : 일본 공개특허공보 2002-256731호 특허문헌 5 : WO2005/068671 특허문헌 6 : 일본 공개특허공보 2006-37178호 특허문헌 7 : 일본 공개특허공보 2005-179692호 특허문헌 8 : 일본 공개특허공보 2006-37179호 특허문헌 9 : 일본특허 제3274161호 특허문헌 10 : 일본특허 제3657742호

비특허문헌 1 : 트라이볼로지스트 Vol.53/No.9/2008, 제599 ∼ 604페이지

종래 구리계 합금 소결 슬라이딩 재료에 사용되고 있던 첨가제를 평가하면 다음과 같다. 먼저, Bi 및 Pb 는 연질이며, 친밀성이 우수하지만, 내마모성은 부족하다. 다음으로, 경질 입자는 내마모성이 우수하지만, 상대 재료를 흠집 내기 쉽다. 마지막으로, 흑연이나 2 황화몰리브덴 등의 고체 윤활제는 벽개성이 우수한 물질이며, 이들 레벨의 벽개성을 만족하는 물질은 한정되어 있다.

본 발명자들은, 상기한 종래 기술의 수준을 넘기 위해, 예의 연구를 실시하여, 활석 (talc), 운모 (mica), 카올리나이트 광물 (kaolinite mineral) 및 몬모릴로나이트 광물 (montmorillonite mineral) 로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종의 광물을 함유하는 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료, 및 필요에 따라 종래부터의 첨가제를 병용한 재료, 그리고 슬라이딩 부품의 발명을 완성하기에 이르렀다. 즉, 본 발명의 슬라이딩 재료는 주성분인 Pb 를 함유하지 않는 구리 (합금) 와, 활석, 운모, 카올리나이트 광물 및/또는 몬모릴로나이트 광물 (이하 총칭하는 경우에는 「광물 성분」이라고 함) 을 필수 성분으로 하는 것이다.

먼저, 본 발명에 관련된 소결 재료의 전체의 구성을 서술하면, 50 질량％ 이상의 구리 또는 구리 합금과, 광물 성분과, 임의 성분으로서의 20 체적％ 이하의 공지된 고체 윤활제, 경질 입자 등으로 이루어지고, 광물 성분으로서는 활석, 운모, 카올리나이트 광물 및/또는 몬로리로나이트 광물이 필수 성분이며, 그 바람직한 함유량은 0.05 ∼ 10 체적％ 이다. 광물 성분의 비율이 10 체적％ 를 초과하면 슬라이딩 특성이 손상된다. 또한, 구리 (합금) 및 광물 성분은 불가피적 불순물을 함유하고, 광물 성분의 경우에는, 본 발명의 소결 재료 제조 중에 불가피적으로 생성되는 분해 생성물이나, 산원 (山元) 에서 유래하는 맥석 등도 불순물로서 포함된다. 이하, 구리 (합금), 광석 성분 및 임의 성분, 제조 방법의 순서로 설명한다.

소결 슬라이딩 재료 전체에 대한 구리 (합금) 의 비율은 바람직하게는 80 ∼ 99 질량％, 보다 바람직하게는 90 ∼ 99 질량％, 가장 바람직하게는 95 ∼ 99 질량％ 이다. 구리 (합금) 의 비율이 지나치게 적으면, 소결 재료의 강도가 부족하고, 한편 구리 (합금) 의 비율이 지나치게 많으면, 내마모·눌러붙음성이 부족하다.

구리는 순구리여도 되고, 구리 합금의 경우에는 다음의 1 종 이상의 첨가 원소를 함유할 수 있다. 즉 각종 성분을 구리 합금에 대한 비율로 다음과 같이 함유할 수 있다.

(가) Sn : 청동의 일반적인 첨가 원소로, 소결성과 슬라이딩 특성을 높이는 Sn 을 바람직하게는 15 질량％ 이하, 보다 바람직하게는 3 ∼ 10 질량％ 를 함유할 수 있다. (나) P : 액상을 생성하고, 소결을 용이하게 하는 P 를 바람직하게는 1 질량％ 이하, 보다 바람직하게는 0.01 ∼ 0.2 질량％ 함유할 수 있다. (다) Bi : 액상을 생성하고, 친밀성과 내눌러붙음성을 높이는 Bi 를 0.1 ∼ 10 질량％ 함유할 수 있다. (라) Al, Ni : 매트릭스를 강화하고, 내눌러붙음성을 높인다. 바람직하게는 5 질량％ 이하의 Al, 바람직하게는 10 질량％ 이하의 Ni 를 함유할 수 있다. (마) Zn : 내황화성을 향상시키는 Zn 을 30 질량％ 이하 함유할 수 있다. (바) In : 내눌러붙음성이 우수한 농축상을 형성하는 In 을 5 질량％ 이하 함유할 수 있다. (사) Ag : 구리에 고용되어 내눌러붙음성을 높이고, 또 표면에 윤활성이 우수한 화합물을 생성한다 (특허문헌 10 - 특허 제3657742호). 이들 효과를 달성할 수 있도록 10 질량％ 이하의 Ag 를 함유할 수 있다.

상기한 성분 (단 Zn 을 제외함) 은 총량으로 30 질량％ 이하 함유할 수 있다. Zn 을 함유하는 경우에는 총량으로 40 질량％ 이하의 상기 성분을 함유할 수 있다.

계속해서, 본 발명이 가장 특징으로 하는 광물 성분에 대해 설명한다.

활석은, 파이로필라이트 (pyrophyllite) 계 광물이며 다음과 같은 성질 (가) ∼ (마) 를 갖고 있다.

(가) 조성식은 Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ 에 의해 나타낸다. (나) 모스 경도는 1 이다. 또한, 상기 (가) 로 나타내는 활석 조성의 주성분인 SiO₂ 의 광물 형태는 석영 (모스 경도 7), 인규석 (tridymite) (모스 경도 7), 크리스토발석 (cristoballite) (모스 경도 6.5), 스티쇼프석 (stishovite) (모스 경도 8.5 ∼ 9) 이므로, 활석보다 고경도 광물이며, 또 층 구조 (다) 를 갖고 있지 않다. (다) 활석의 결정 구조는, [Si₂O₅]_n2ⁿ ^- 층과 Mg(OH)₂ 층이 적층되고, 각 층간은 약한 반데르발스 힘으로 결합하고 있기 때문에, 층간에서 벗겨지기 쉽다. 광물학적으로는 벽개는 {001} 에 완전하지만, 슬라이딩 재료의 관점에서는, MoS₂ 와 같은 벽개에 의한 현저한 저마찰성은 갖고 있지 않다. 즉, 활석은 종래 구리 합금의 슬라이딩 특성 개량제로서 사용되었던 MoS₂ 와 같은 저마찰성을 갖고 있지 않지만, 도 1, 2 를 참조하여 설명하는 마찰 계수의 안정성을 갖고 있는 것을 본 발명자들은 발견하여, 슬라이딩 특성 개량 첨가제로서 유효한 것을 확인하였다. (라) 진비중 : 2.7 ∼ 2.8.

(마) 50 ㎛ 이하의 입자경을 갖는 박편상 형상인 것을 입수할 수 있다. 또한 활석은 가격이 100 엔/kg 정도로, 자원 공급 면에서의 제약이 적다. 계속해서, 활석을 첨가한 구리 합금 소결 슬라이딩 재료의 특성을 설명한다.

본 발명의 활석 첨가 구리 합금 소결 슬라이딩 재료 및 종래의 재료의 모든 특성을, 우수 ◎, 양호 (○), 보통 (△) 의 3 단계 평가에 의해 나타내어 다음의 표에 나타낸다.

본 발명의 활석 첨가 구리 합금 소결 슬라이딩 재료 (2) 는, 납프리 청동 (1) 의 성능을 개량하고 있고, 활석이 슬라이딩 성능 개량 성분인 것이 분명하다. 또한, 그 재료 (2) 는 Bi, Pb 를 함유하고 있지 않지만, Pb·경질 입자 첨가 청동 (5) 및 Bi·경질 입자 첨가 청동 (7) 에 성능이 필적하고 있다. 동일하게, 본 발명의 활석·Bi 첨가 구리 합금 소결 슬라이딩 재료 (3) 도 Pb·경질 입자 첨가 청동 (6) 및 Bi·경질 입자 첨가 청동 (7) 에 필적하고 있다. 활석 이외의 광물 성분에 대해서도 3 단계 평가는 동일하다.

도 1 은 하중을 스텝업 방식으로 증가시켜 마찰 계수를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2 는 부착 미끄럼 시험의 결과를 나타내는 그래프이다.

내마모성

도 1 은, 활석 첨가 구리 합금 소결 재료, 납함유 청동 소결 재료 및 납프리 청동 소결 재료의 마찰 계수를 트러스트 시험으로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 시험 조건은 다음과 같다.

주속 : 1 m/s

하중 : 1 MPa 스텝업 (15 min-step)

윤활유 유동 파라핀

급유 온도 50 ℃

급유량 (설정) : 0.13 ℓ/min

도 1 에 나타내는 바와 같이, 상기한 납함유 청동 및 납프리 청동은 하중이 단계적으로 증가되었을 때에 마찰 계수가 순간적으로 피크 형상으로 증감하는 (또한, 마찰 계수 증감 주기는 납프리 청동이 납함유 청동보다 짧은) 것에 비해, 활석 첨가 구리 합금 소결 재료는 마찰 계수가 약 0.05 미만으로 거의 일정한 것으로 추이되어, 미소 변동하는 것의 피크 형상 변화를 나타내지 않는다. 이와 같이 마찰 계수가 순간적으로 증가했을 때에 마모가 일어나므로, 청동은 마모가 많아진다. 게다가 활석의 경도는 낮으므로 (상기 (나)) 일반적으로는 내마모성이 불량해지는 것으로 생각되지만, 층 구조 (다) 를 갖고 있기 때문에, 마찰 계수가 안정되고, 그 결과 내마모성이 양호해지는 것으로 생각된다.

도 2 는, 활석 첨가 구리 합금 소결 재료 및 납프리 청동의 마찰 계수를 부착 미끄럼 시험으로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 시험 조건은 다음과 같다.

속도 : 0.06 m/s

하중 : 500 g

윤활 드라이

온도 : 1 50 ℃

슬라이딩 : 15 ㎜ 일 방향 1 회

도 2 에 나타내는 바와 같이, 활석 첨가 구리 합금 소결 재료는 마찰 계수가 안정적인 데에 비해, 활석이 첨가되어 있지 않은 납프리 청동은 마찰 계수가 점차 높아져, 매우 높은 극대에 이른다. 따라서, 활석 첨가 구리 합금 소결 재료는 낮은 마찰 계수에서 안정적이고, 그 결과 내마모성이 양호해진 것으로 생각된다.

내눌러붙음성

도 1 에 나타낸 시험에 있어서 하중이 증가하면, 어느 재료에서도 결국에는 눌러붙음이 일어난다. 그러나 활석은 마찰 계수의 안정성을 발휘하여, 내눌러붙음성을 높인다.

계속해서, 다른 첨가제인 운모에 대해 설명하는 그 특성은 다음과 같다.

(가) 화학 조성은 KAl₂·AlSi₃O₁₀(OH)₂, KMg₃·AlSi₃O₁₀(OH)₂ 등이다. (나) 모스 경도는 백운모가 2.5 ∼ 4, 흑운모가 2.5 ∼ 3 으로, 부드럽다. (다) 운모는 활석과 같은 육각망 구조를 갖는 규산염계 광물이며, 결정 구조는, 사면체층과 팔면체층으로 이루어지는 층 형상 광물이기 때문에, 층간에서 벗겨지기 쉽다. (라) 진비중 : 2.8 ∼ 3.0. (마) 박편 형상으로 입수할 수 있다.

카올리나이트 광물의 성질은 다음과 같다.

(가) 화학 조성은 Al₂Si₂O₆(OH)₄ 로 나타낸다. (나) 모스 경도는 1 ∼ 2 이다.

(다) 편 형상 층 형상 구조를 갖는다. (라) 진비중은 2.6 이다.

몬모릴로나이트 광물의 성질은 다음과 같다.

(가) 몬모릴로나이트의 화학 조성은 (Na, Ca)_0.33(Al, Mg)₂Si₄O₁₀(OH)₂·nH₂O 로 나타낸다.

(나) 모스 경도는 1 ∼ 2 이다. (다) 층 형상 구조를 갖고, 벽개성이 있다.

(라) 점토 형상의 몬모릴로나이트 (벤토나이트 (bentonite) 라고 함) 가 아니라, 10 ∼ 100 ㎛ 의 입자 형태의 것을 입수할 수 있다. 점토 형상 몬모릴로나이트는 슬라이딩 재료에서는 클레이 (clay, 점토) 로서, 구리 합금의 마찰 특성을 안정적인 작용을 갖고 있는데, 슬라이딩 구리 합금의 슬라이딩 특성을 활석과 같이 근본적으로는 개량하지 않는다. 어느 정도 크기의 광물 분말 형태의 몬모릴로나이트는 상대축과 접촉하는 면적이 커져, 활석과 마찬가지로 슬라이딩 특성을 근본적으로 개량한다.

(마) 진비중은 2.4 이다.

본 발명에 관련된 광물 첨가 구리 합금 소결 슬라이딩 재료는 총량으로 20 체적％ 이하의 임의 성분을 함유할 수 있다. 구체적으로는, 저마찰성을 부여하기 위해서 흑연, MoS₂, WS₂ 등을 0.1 ∼ 5 질량％, 특히 3 질량％ 이하를 첨가할 수 있다.

다음의 임의 성분인, 경질 입자로서는 단락 번호 0005, 0006 에서 열거한 것을 내마모성 및 내눌러붙음성을 향상시키기 위해 첨가할 수 있다. 바람직하게는, 입경이 50 ㎛ 이하인 Fe₂P, Fe₃P, FeB, AlN, Mo₂C, BN, SiO₂, Si₃N₄ 등을 5 질량％ 이하 첨가할 수 있다.

활석을 구리 합금과 소결하면, 소결 조건에 따라 다르지만, 활석의 일부는 450 ∼ 600 ℃ 에서 분해되어 엔스타타이트 (enstatite, 완화 휘석) 로 변화되는 것은 피할 수 없다. 엔스타타이트의 성질은 다음과 같다. (가) 화학 조성식은 Mg₂Si₂O₆ 으로 나타낸다. (나) 모스 경도가 4 ∼ 4.5 이다. (다) 투휘석 (透輝石) 의 단위포가 쌍정 (雙晶) 을 반복한 구조를 갖고 있다. 엔스타타이트는, 활석에 비하면 경도가 높고, 층 형상 구조를 갖고 있지 않다. 그러나, 미분해 활석이 소정량 존재하는 한, 상당한 양, 구체적으로는 약 10 체적％ 미만의 엔스타타이트가 존재하고 있어도, 본 발명의 구리계 소결 합금 슬라이딩 재료의 특성을 방해하지 않는다. 이렇다 해도 엔스타타이트의 양은 활석의 양을 넘지 않는 것이 바람직하다. 엔스타이트와 동일한 모스 경도를 갖는 산원에서 유래하는 동일한 특성을 갖는 불순물 광물도 동일하게 취급할 수 있다.

본 발명에 관련된 광물 첨가 구리 (합금) 소결 슬라이딩 재료의 제조 방법에 대해 설명한다.

먼저, 평균 입경이 150 ㎛ 이하인 구리 (합금) 분말, 평균 입경이 20 ㎛ 정도의 광물 성분 분말 및 필요에 따라 임의 성분을 각각 준비하고, 그 후 이들 분말을 충분히 혼합하여, 혼합물을 강판 상에 두께가 0.5 ∼ 1.5 ㎜ 가 되도록 산포하여, 700 ∼ 1000 ℃ 의 온도 범위에서, 1 초부터 30 분간 환원성 분위기 중에서 1 차 소결한다. 그 후 중간 압연을 실시하고, 다시 1 차 소결과 동일한 소결 조건 범위 내에서 2 차 소결을 실시한다. 그 후, 필요에 따라, 경도나 치수 조절을 위해서 10 ％ 이하의 가공률로 압연 가공을 실시할 수 있다. 마지막으로, 부시 등의 원하는 부품 형상으로 마무리하여 절삭 등의 기계 가공에 의해 축과 접촉하는 슬라이딩면의 표면 거침도를 원하는 값으로 조절한다. 소결층의 두께는 200 ∼ 700 ㎛ 가 바람직하다.

실시예 1

표 2 에 나타내는 배합 조성의 구리 합금 소결 재료를 다음의 원료를 이용하여 조제하였다.

구리 합금 : Cu-3 ∼ 10 ％ Sn 합금 분말, 경우에 따라 Al, Ni, In 등을 함유, 평균 입경 150 ㎛ 이하의 아토마이즈 분말.

광물 성분 : 광석을 체로 분리하여 평균 입경 23 ㎛ 로 한 분말, 단 엔스타타이트는 평균 입경 25 ㎛ .

흑연 : 평균 입경 25 ㎛

MoS₂ : 평균 입경 23 ㎛

표 2 에 있어서, 구리 합금 성분의 Sn, P, Bi, 그 밖에는 구리 합금에 대한 백분율로 함유량을 나타내고, 광물 성분 및 임의 성분은 재료 전체에 대한 함유량을 나타낸다.

상기한 원료 분말을 V 형 블라인더에 의해 혼합하고, 두께가 1.5 ㎜ 인 강판 상에 두께가 800 ∼ 1200 ㎛ 가 되도록 산포하고, 그 후 환원성 분위기의 전기로에서 850 ∼ 900 ℃, 20 분 소결하였다. 소결 후 소결층의 두께가 500 ㎛ 감소하도록 압연을 실시하고, 다시 동일한 조건으로 2 차 소결하였다. 얻어진 바이메탈 형상 소재를 부시로 가공하여, 내눌러붙음성 시험 및 내마모성 시험을 다음의 조건에서 실시하였다. 또한, 상기 소결 조건에서는 활석은 약 50 ％ 엔스타타이트로 분해한다. 따라서, 표 2 에 나타내는 활석의 양은 배합량이다.

내눌러붙음성 시험 방법

핀 온 디스크 시험

주속 : 1 m/s

하중 : 1 MPa/15 min. 스텝업

윤활 : 파라핀계 베이스 오일

내마모성 시험 방법

부시저널 마모 시험기

주속 : 1 m/s 기동-정지 사이클

하중 : 2 MPa

윤활 : 파라핀계 베이스 오일

시험 결과를 표 2 에 나타낸다.

표 2 에 있어서, 시험 번호 1 ∼ 20 은 본 발명 실시예이고, 시험 번호 21 ∼ 27 은 비교예이다. 비교예 19 ∼ 26 은 광물 성분을 함유하고 있지 않기 때문에, 내눌러붙음성이 뒤떨어져 있다. 또, 비교예 27 은 광물 성분이 엔스타타이트만으로 이루어지므로, 내눌러붙음성이 뒤떨어져 있다.

본 발명 실시예는 다음과 같이 분류된다.

(가) 고체 윤활제를 함유하지 않는 것 (1 ∼ 14)

(a) Bi 를 함유하지 않는 것 (1 ∼ 13)

(b) Bi 를 함유하는 것 (14)

(나) 고체 윤활제를 함유하는 것 (15, 16)

슬라이딩 특성이 우수한 순으로 나열하면 (가) (b) > (나) > (가) (a) > 비교예이다.

산업상 이용가능성

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 청동의 내마모성 및 내눌러붙음성을 개량 할 수 있고, 게다가 재료 가격을 낮출 수 있으므로, 한층 더 특성 향상과 비용 다운이 요구되고 있는 슬라이딩 부품의 업계에 공헌하는 바가 크다.

또, 구리 합금 소결 슬라이딩 재료의 가격의 기준이 되는 구리 및 인청동은 가격이 300 ∼ 1000 엔/kg 정도이다. 이 슬라이딩 특성을 개량하기 위해서 첨가되어 있는 종래의 첨가제는, 비스무트 2000 엔/kg 정도를 시작으로 대부분은 가격을 높게 하는 방향으로 작용한다. 예외는 납으로, 구리 합금 슬라이딩 재료의 가격을 낮추지만, 환경 부하 물질이기 때문에, 규제되어 있다. 한편, 비스무트는, 납의 대체재로서 슬라이딩 재료에 사용될 뿐만 아니라, 개삭 (改削) 성분으로서도 널리 사용되기 때문에, 비스무트의 공급도 향후 부족할 것이 우려된다. 활석에는 이와 같은 우려가 없다.

또한, 현재 최고의 슬라이딩 특성을 달성하고 있는 납프리 Bi 함유 구리 합금 소결 슬라이딩 재료의 성능을 해치지 않고 비용을 낮출 수 있다.

Claims

납프리 구리, 또는 하기 (가) 내지 (라) 중 적어도 1 종 :
(가) 15 질량％ 이하의 Sn ;
(나) 1 질량％ 이하의 P ;
(다) 0.1 ∼ 10 질량％ 의 Bi ; 및
(라) 5 질량％ 이하의 Al, 10 질량％ 이하의 Ni, 30 질량％ 이하의 Zn, 및 5 질량％ 이하의 In 의 적어도 1 종을 합계 30 질량％ 이하, 단 Zn 이 함유되는 경우에는 40 질량％ 이하를 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물인 납프리 구리 합금과,
활석, 카올리나이트 광물 및 몬모릴로나이트 광물로부터 선택된 적어도 1 종의 광물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료.
제 1 항에 있어서,
상기 구리 합금이 (마) 0.1 ∼ 10 질량％ 의 Bi 를 함유하는 것을 특징으로 하는 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 활석은, 소결에 의해 분해된 엔스타타이트를 포함하고, 엔스타타이트의 체적량은 미분해 활석의 체적량 이하인 것을 특징으로 하는 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료.
제 3 항에 있어서,
상기 분해 엔스타타이트의 양이 10 체적% 미만인 것을 특징으로 하는 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 적어도 1 종의 광물이 활석인 것을 특징으로 하는 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 1 종의 광물이 소결 재료 전체에 대해 0.5 ∼ 10 체적% 인 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료.
납 프리 구리, 또는 하기 (가) 내지 (라) 중 적어도 1 종 :
(가) 15 질량％ 이하의 Sn ;
(나) 1 질량％ 이하의 P ;
(다) 0.1 ∼ 10 질량％ 의 Bi ; 및
(라) 5 질량％ 이하의 Al, 10 질량％ 이하의 Ni, 30 질량％ 이하의 Zn, 및 5 질량％ 이하의 In 중 적어도 1 종을 합계 30 질량％ 이하, 단 Zn 이 함유되는 경우에는 40 질량％ 이하를 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물인 납프리 구리 합금과,
활석, 카올리나이트 광물 및 몬모릴로나이트 광물로부터 선택된 적어도 1 종의 광물과,
고체 윤활제, 및 Fe₂P, Fe₃P, FeB, AlN, Mo₂C, BN, SiO₂ 및 Si₃N₄ 로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종의 경질 입자의 어느 하나 또는 양방으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료.
제 7 항에 있어서,
상기 구리 합금이 (마) 0.1 ∼ 10 질량％ 의 Bi 를 함유하는 것을 특징으로 하는 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 활석은, 소결에 의해 분해된 엔스타타이트를 포함하고, 엔스타타이트의 체적량은 미분해 활석의 체적량 이하인 것을 특징으로 하는 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료.
제 9 항에 있어서,
상기 분해 엔스타타이트의 양이 10 체적% 미만인 것을 특징으로 하는 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 적어도 1 종의 광물이 활석인 것을 특징으로 하는 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료.
제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 1 종의 광물이 소결 재료 전체에 대해 0.5 ∼ 10 체적% 인 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료.
제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체 윤활제의 함유량이 소결 재료 전체에 대해 0.1 ∼ 5 질량％ 인 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료.
제 7 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 경질 입자의 함유량이 소결 재료 전체에 대해 5 질량％ 이하인 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 기재된 납프리 구리계 소결 슬라이딩 재료로 이루어지는 슬라이딩 부품.
제 15 항에 있어서,
상대축과 접하는 면을 기계 가공 마무리한 슬라이딩 부품.