KR20130024834A

KR20130024834A - 구리계 슬라이딩 재료

Info

Publication number: KR20130024834A
Application number: KR1020120094816A
Authority: KR
Inventors: 겐타로 츠지모토; 가즈아키 도다
Original assignee: 다이도 메탈 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2013-03-08
Also published as: EP2565285A1; JP2013049887A; US8623518B2; JP5340355B2; US20130052480A1; EP2565285B1

Abstract

본 발명은 내용착성이 우수한 무기화합물 입자를 첨가한 구리계 슬라이딩 재료를 제공하는 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는, 무기화합물 입자(5)의 평균 입경이 1～10㎛, 무기화합물 입자(5)에 대한 Cu 합금 매트릭스(4)의 진밀도의 비가 0.6～1.4, 무기화합물 입자(5)에 대한 Cu 합금 매트릭스(4)의 열팽창 계수의 비가 1.5～3.0을 만족시키고, Cu 합금 매트릭스(4)에 분산된 무기화합물 입자(5)의 평균 입자간 거리를 5～50㎛로 한 것에 의해, Cu 합금 매트릭스(4)의 전체가 무기화합물 입자(5)와의 열팽창량의 차에 의한 영향을 받게 된다. 이 때문에, 균질하게 활성 상태가 되고, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면 전체에 조기에 산화막 및 황화막이 형성됨으로써, 내용착성을 향상시킬 수 있다.

Description

구리계 슬라이딩 재료{COPPER-BASED SLIDING MATERIAL}

본 발명은, 내용착성(seizure resistance)이 우수한 구리계 슬라이딩 재료에 관한 것으로, 특히 자동차, 산업 기계 등에 있어서의 하프 베어링, 부시, 스러스트 와셔 등의 재료로서 적합한 구리계 슬라이딩 재료에 관한 것이다.

종래부터, 내연기관용의 슬라이딩 베어링에 사용되는 구리계 슬라이딩 재료는, 연속 소결법에 의해 제조되는 것이 일반적이다. 이 연속 소결법이란, 대강(帶鋼) 상에 Cu 합금 분말을 연속적으로 산포하고, 소결, 압연을 연속적으로 실시하는 제조 방법이다. 또, 슬라이딩 베어링에 사용되는 구리계 슬라이딩 재료에는, 내마모성, 내용착성, 내식성 등의 베어링 특성을 향상시키기 위하여, 무기화합물 입자를 첨가한 소결 Cu 합금을 사용하는 것이 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 내지 4 참조).

일본 특허 공개 평11-124646호 공보 일본 특허 공개 제2005-350722호 공보 일본 특허 제3839740호 공보 일본 특허 제3370785호 공보

그런데, 최근, 자동차 엔진의 고출력화에 수반하여, 슬라이딩 베어링에 걸리는 부하는 커지는 경향이 있다. 이 때문에, 슬라이딩 베어링의 슬라이딩면과 상대축의 표면은, 금속끼리 직접 접촉되게 되어, 용착이 발생하기 쉽다. 본 발명은, 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 것은, 내용착성이 우수한 무기화합물 입자를 첨가한 구리계 슬라이딩 재료를 제공하는 것에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 강철 백메탈층 및 Cu 합금층으로 이루어지는 구리계 슬라이딩 재료로서, 상기 Cu 합금층은 Sn을 0.5～15질량%, 무기화합물 입자를 0.2～5질량% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지는 구리계 슬라이딩 부재에 있어서, 상기 무기화합물 입자의 평균 입경이 1～10㎛, 상기 무기화합물 입자에 대한 Cu 합금 매트릭스의 진밀도의 비가 0.6～1.4, 상기 무기화합물 입자에 대한 상기 Cu 합금 매트릭스의 열팽창 계수의 비가 1.5～3.0을 만족시키고, 상기 Cu 합금 매트릭스에 분산된 상기 무기화합물 입자의 평균 입자간 거리를 5～50㎛로 한 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 무기화합물 입자는, 금속의 탄화물, 질화물, 규화물, 붕화물 중 적어도 1종 이상이다.

바람직하게는, 상기 Cu 합금층은, Bi, Pb로 이루어지는 군 중에서 적어도 1종 이상을 총량으로 0.1～30질량% 함유한다.

바람직하게는, 상기 Cu 합금층은, Ni, Zn, Fe, Ag, In으로 이루어지는 군 중에서 적어도 1종 이상을 총량으로 0.1～40질량% 함유한다.

상기 Cu 합금층은, P를 0.01～0.5질량% 함유한다.

Cu 합금 매트릭스 중에 무기화합물 입자를 분산시킨 구리계 슬라이딩 재료는, 예를 들면, 내연기관용의 슬라이딩 베어링으로서 사용되는 경우에 있어서, 구리계 슬라이딩 재료의 온도가 상승하면, Cu 합금 매트릭스와 무기화합물 입자의 열팽창량의 차에 의해, 무기화합물 입자 주위의 Cu 합금 매트릭스를 구성하는 금속 원자의 배열에 결함(변형)이 생긴다. 이때, 금속 원자의 배열에 결함이 생긴 Cu 합금 매트릭스는 활성 상태가 되고, 윤활유 중에 존재하는 산소 성분 및 유황 성분과 반응이 일어나기 쉬워진다. 본 발명에 있어서는, Cu 합금 매트릭스 중에 분산된 무기화합물 입자의 입자간 거리를 5～50㎛로 한 것에 의해, Cu 합금 매트릭스의 전체가 무기화합물 입자와의 열팽창량의 차에 의한 영향을 받게 되기 때문에, 균질하게 활성 상태가 되어, Cu 합금 매트릭스의 표면 전체에 조기에 산화막 및 황화막을 형성하는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, Cu 합금 매트릭스의 표면과 상대축의 표면이 직접 접촉하는 것을 방지하여, 내용착성을 향상시킬 수 있다.

상기한 Cu 합금 매트릭스 중에 분산된 무기화합물 입자의 입자간 거리는, 분말 산포 시의 분산 상태가 영향을 주고, Cu 합금 분말의 공극률((1-부피 밀도/진밀도)×100의 식으로부터 산출) 및 무기화합물 입자에 대한 Cu 합금 매트릭스의 진밀도의 비에 의해, 제어가 가능한 것이 발견되었다. 애토마이즈법에 의해 제조된 Cu 합금 분말을 대강 상에 산포를 행하면, Cu 합금 분말 사이에는 공극이 존재하고 있다. 그리고, 애토마이즈법에 의해 제조된 Cu 합금 분말과 무기화합물 입자의 혼합 분말을 대강 상에 산포를 행하면, 무기화합물 입자는 Cu 합금 분말 사이의 공극 부분에 존재한다. 통상에서는, 공극률이 20～80% 정도이지만, 공극률이 70%를 넘을 경우, 무기화합물 입자가 응집·편석을 일으키기 쉽고, 무기화합물 입자의 평균 입자간 거리가 너무 커진다. 한편, 공극률이 작을수록 무기화합물 입자의 분산성은 향상되지만, 공극률을 20% 미만으로 하기 위해서는, 특별한 방법으로 제조된 Cu 합금 분말이 필요하게 되어, 구리계 슬라이딩 재료가 고가가 된다.

본 발명자는, 평균 입경이 작고, 또한, 입도 분포의 범위가 좁은 Cu 합금 분말과 무기화합물 입자의 혼합 분말을 사용하면, 소결 후에 Cu 합금 매트릭스에 분산된 무기화합물 입자의 입자간 거리가 일정해진다고 생각하여 시험하였지만, 이에 반하여, 무기화합물 입자의 입자간 거리의 편차가 크고, 무기화합물 입자의 입자간 거리를 제어하는 것이 곤란하였다. 이것은, 분말 혼합 시에 Cu 합금 분말과 무기화합물 입자를 균일하게 분산시켜도, 평균 입경이 작고, 또한, 입도 분포의 범위가 좁은 Cu 합금 분말은 공극률이 크고, 또한, 이 Cu 합금 분말과 무기화합물 입자를 혼합한 분말은 유동성이 나쁘기 때문에, 대강 상에 산포하는 공정에서, 무기화합물 입자가 응집, 편석되는 것이 원인이라고 생각된다.

이하, 본 발명의 한정 이유에 대하여 설명한다.

(1) Sn의 함유량에 대하여

구리계 슬라이딩 재료에 있어서, Cu 합금 매트릭스에 Sn을 함유시키는 것은 일반적이다. 이것은, Cu 합금 매트릭스의 강도를 강화하기 위해서이다. Sn의 함유량이 0.5질량% 미만에서는, Cu 합금 매트릭스의 강도를 강화하는 효과가 얻어지지 않고, 15질량%를 넘으면, Cu 합금 매트릭스가 약해진다.

(2) 무기화합물 입자의 함유량에 대하여

무기화합물 입자의 함유량이 0.2질량% 미만에서는, Cu 합금 매트릭스 중에 분산된 무기화합물 입자의 평균 입자간 거리가 50㎛를 넘고, 무기화합물 입자 사이에 존재하는 Cu 합금 매트릭스가, 무기화합물 입자와의 열팽창량의 차에 의한 영향을 받기 어려워지기 때문에, Cu 합금 매트릭스의 표면 전체에 산화막 및 황화막이 형성되기 어려워진다. 한편, 무기화합물 입자의 함유량이 5질량%를 넘으면, Cu 합금 매트릭스 중에 국부적으로 무기화합물 입자가 응집되기 쉽고, 무기화합물 입자의 평균 입자간 거리가 50㎛를 넘어, Cu 합금 매트릭스의 표면 전체에 산화막 및 황화막이 형성되기 어려워진다.

(3) 무기화합물 입자의 평균 입경에 대하여

무기화합물 입자의 평균 입경이 1㎛ 미만에서는, 무기화합물 입자가 너무 작아, Cu 합금 매트릭스와 무기화합물 입자의 열팽창량의 차에 의해, 무기화합물 입자 주위의 Cu 합금 매트릭스를 구성하는 금속 원자의 배열에 결함(변형)이 생기기 어렵다. 이 때문에, 윤활유 중에 존재하는 산소 성분 및 유황 성분과 반응이 일어나기 어려워져서, 내용착성이 저하된다. 한편, 무기화합물 입자의 평균 입경이 10㎛를 넘으면, 무기화합물 입자와 상대축의 접촉에 의한 발열량이 많아지고, 무기화합물 입자 주위의 Cu 합금 매트릭스의 결함(변형)량이 커진다. 이 때문에, 국소적으로 산화막 및 황화막이 비후화(肥厚化)되고, 파괴가 생긴다. 그리고, 파괴가 생긴 부분에 있어서는, Cu 합금 매트릭스의 금속 표면이 노출되기 때문에, 내용착성이 저하된다.

(4) 진밀도의 비에 대하여

본 발명에 있어서의 무기화합물 입자에 대한 Cu 합금 매트릭스의 진밀도의 비는, (Cu 합금 매트릭스의 진밀도/무기화합물 입자의 진밀도)의 식에 의해 나타내지는 것이며, 이 진밀도의 비가 0.6～1.4가 되도록 구성함으로써, Cu 합금 매트릭스와 무기화합물 입자의 진밀도가 가깝고, Cu 합금 매트릭스 중에 있어서의 무기화합물 입자의 분산을 제어하는 것이 가능해진다. 이 진밀도의 비가 0.6～1.4의 범위로부터 벗어나는 경우, 진밀도의 차가 커지고, 무기화합물 입자가 응집·편석을 일으키기 쉬워진다.

(5) 열팽창 계수의 비에 대하여

본 발명에 있어서의 열팽창 계수는, 내연기관용의 슬라이딩 베어링의 사용 온도 영역에 상당하는 온도 영역으로서, 20～300℃의 온도 영역에서의 값을 사용하고 있다. 또, 무기화합물 입자에 대한 Cu 합금 매트릭스의 열팽창 계수의 비는, (Cu 합금 매트릭스의 열팽창 계수/무기화합물 입자의 열팽창 계수)의 식에 의해 나타내지는 것이며, 이 열팽창 계수의 비가 1.5～3.0이 되도록 구성함으로써, Cu 합금 매트릭스의 표면 전체에 균질한 산화막 및 황화막을 형성하는 것이 가능해진다. 더 바람직하게는, 열팽창 계수의 비가 1.9～2.6의 범위이다. 이 열팽창 계수의 비가 1.5 미만에서는, 무기화합물 입자의 주위 밖에 열팽창량의 차에 의한 영향을 받지 않기 때문에, Cu 합금 매트릭스의 표면 전체에 균질한 산화막 및 황화막이 형성되기 어려워진다. 한편, 열팽창 계수의 비가 3.0을 넘으면, Cu 합금 매트릭스의 표면 전체가 변형을 크게 받기 때문에, 산화막 및 황화막이 과잉으로 형성된다. 이 때문에, 산화막 및 황화막이 비후화되고, 막 내의 응력이 높아짐으로써 파괴가 생긴다. 그리고, 파괴가 생긴 부분에 있어서는, Cu 합금 매트릭스의 금속 표면이 노출되기 때문에, 내용착성이 저하된다.

(6) 무기화합물 입자의 평균 입자간 거리에 대하여

본 발명에 있어서의 무기화합물 입자의 평균 입자간 거리는, Cu 합금 매트릭스 중에 분산된 무기화합물 입자의 표면과, 그 입자가 가장 근접하는 다른 무기화합물 입자의 표면 사이의 거리의 평균값이며, 무기화합물 입자 사이에 존재하는 Cu 합금 매트릭스의 평균 길이를 나타내고 있다. 이 무기화합물 입자의 평균 입자간 거리가 50㎛를 넘으면, 무기화합물 입자 사이의 중앙부 부근의 Cu 합금 매트릭스가, 무기화합물 입자와의 열팽창량의 차에 의한 영향을 받기 어려워지기 때문에, Cu 합금 매트릭스의 표면 전체에 산화막 및 황화막이 형성되기 어려워진다. 한편, 무기화합물 입자의 평균 입자간 거리에 대해서는, 5㎛를 하한값으로 하였지만, 실험으로 확인한 한계값이다. 또한, 무기화합물 입자의 평균 입자간 거리가 5㎛ 미만에서는, 산화막 및 황화막의 형성의 관점에서는 바람직한 상태이지만, 원재료를 무기화합물 입자와 Cu 합금 분말을 기계적으로 복합화하는 등의 특수한 분말 제조 방법이나, 종래 기술에 나타낸 연속 소결법 이외의 제조 방법으로 제조할 필요가 있어, 구리계 슬라이딩 재료가 고가가 된다.

또, 무기화합물 입자는, 금속의 탄화물, 질화물, 규화물, 붕화물 중 적어도 1종 이상이며, 탄화물로서 NbC, TaC, Mo₂C, Cr₃C₂ 등, 질화물로서 ZrN, Cr₂N, NbN 등, 규화물로서 TaSi₂, MoSi₂, Mo₅Si₃, WSi₂ 등, 붕화물로서 Mo₂B₅, VB₂, CrB, TaB₂ 등을 사용할 수 있다.

또, Cu 합금층은, Cu 합금 매트릭스의 슬라이딩 특성을 높이기 위하여, Bi, Pb로 이루어지는 군 중에서 적어도 1종 이상을 총량으로 0.1～30질량% 함유해도 된다. 이것들의 함유량이 0.1질량% 미만에서는, Cu 합금 매트릭스의 슬라이딩 특성의 향상에 기여하지 않고, 30질량%를 넘으면, Cu 합금 매트릭스의 강도가 저하된다.

Cu 합금층은, Cu 합금 매트릭스를 강화하기 위하여, Ni, Zn, Fe, Ag, In으로 이루어지는 군 중에서 적어도 1종 이상을 총량으로 0.1～40질량% 함유해도 된다. 이것들의 함유량이 0.1질량% 미만에서는, Cu 합금 매트릭스의 강화가 불충분하게 되고, 40 질량%를 넘으면, Cu 합금 매트릭스가 약해진다.

Cu 합금층은, Cu 합금 매트릭스를 강화하기 위하여, P를 0.01～0.5질량% 함유해도 된다. 이것들의 함유량이 0.01질량% 미만에서는, Cu 합금 매트릭스의 강화가 불충분하게 되고, 0.5 질량%를 넘으면, Cu 합금 매트릭스가 약해진다.

도 1은 구리계 슬라이딩 재료를 제조하기 위한 소결 공정도이다.
도 2a는, Cu 합금 매트릭스 중에 무기화합물 입자를 분산시킨 Cu 합금층의 단면 조직을 나타내는 모식도이고, 도 2b는, Cu 합금 매트릭스 중에 무기화합물 입자를 분산시킨 Cu 합금층의 표면 조직을 나타내는 모식도이며, 도 2c는, 도 2b의 원으로 둘러싸인 영역의 확대도이다.
도 3a는, Cu 합금 분말과 무기화합물 입자의 혼합 시에 있어서의 무기화합물 입자의 거동을 설명하기 위한 도면이고, 도 3b는, 무기화합물 입자를 혼합한 Cu 합금 분말의 산포 시에 있어서의 무기화합물 입자의 거동을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다. 도 1은, 구리계 슬라이딩 재료(1)를 제조하기 위한 소결 공정도이고, 도 2a는, Cu 합금 매트릭스(4) 중에 무기화합물 입자(5)를 분산시킨 Cu 합금층(3)의 단면 조직을 나타내는 모식도이며, 도 2b 및 도 2c는, Cu 합금 매트릭스(4) 중에 무기화합물 입자(5)를 분산시킨 Cu 합금층(3)의 표면 조직을 나타내는 모식도이고, 도 3a는, Cu 합금 분말(6)과 무기화합물 입자(5)의 혼합 시에 있어서의 무기화합물 입자(5)의 거동을 설명하기 위한 도면이며, 도 3b는, 무기화합물 입자(5)를 혼합한 Cu 합금 분말(6)의 산포 시에 있어서의 무기화합물 입자(5)의 거동을 설명하기 위한 도면이다.

실시예 1～18 및 비교예 21～30의 제조 방법으로서, 먼저, 표 1에 나타내는 조성의 Cu 합금 분말(6)과, 표 1에 나타내는 조성 및 평균 입경의 무기화합물 입자(5)를, 무기화합물 입자(5)의 비율이 표 1의 「무기화합물량」에 나타내는 값의 질량%가 되도록 혼합하였다. 또, 표 1에는, 실시예 1～18 및 비교예 21～30에 대하여, 무기화합물 입자(5)에 대한 Cu 합금 매트릭스(4)의 진밀도의 비를 「진밀도비」로, 무기화합물 입자(5)에 대한 Cu 합금 매트릭스(4)의 열팽창 계수의 비를 「열팽창 계수비」로 나타낸다.

또, 실시예 1～18 및 비교예 21～30에 있어서는, 무가압 시에 표 1에 나타내는 공극률의 Cu 합금 분말(6)을 사용하였다. 구체적으로는, 공극률이 80%인 Cu 합금 분말(6)(비교예 23)은, 최대 입경이 75㎛ 이하로, 45㎛ 이하가 90% 이상의 입도 분포인 것을 사용하고, 공극률이 70%인 Cu 합금 분말(6)(실시예 4, 10, 비교예 30)은, 최대 입경이 106㎛ 이하로, 75㎛ 이하가 90% 이상, 또한 45㎛ 이하가 60% 이상의 입도 분포인 것을 사용하며, 공극률이 45%인 Cu 합금 분말(6)(실시예 1～3, 6～9, 12～18, 비교예 21, 22, 24～29)은, 최대 입경이 150㎛ 이하로, 75㎛ 이하가 50% 이상, 또한 45㎛ 이하가 30% 이상의 입도 분포인 것을 사용하고, 공극률이 20%인 Cu 합금 분말(6)(실시예 5, 11)은, 최대 입경이 150㎛ 이하로, 75㎛ 이하가 40% 이상, 또한 45㎛ 이하가 25% 이하의 입도 분포인 것을 사용하였다.

또한, Cu 합금 분말(6)의 공극률은, 공극률=(1-부피 밀도/진밀도)×100의 식으로부터 산출된다. 본 실시 형태에서 사용되는 부피 밀도는, 예를 들면, ISO3923-1(JIS 규격에서는 JIS Z2504)에 나타내지는 바와 같은 측정 방법을 이용함으로써, 값을 구할 수 있다.

이어서, 도 1에 나타내는 바와 같이, 무기화합물 입자(5)와 Cu 합금 분말(6)의 혼합체(11)를 대강(12) 상에 산포하고, 환원 분위기에서, 온도 750～970℃, 10～30분의 소결 조건으로 1차 소결(13)하고, 대강 상에 다공질의 Cu 합금층(3)을 형성하였다. 그리고, 다공질의 Cu 합금층(3)을 치밀화하기 위한 롤 압연(14)을 실시한 후, 1차 소결의 온도와 동일한 소결 조건으로 2차 소결(15)을 행하였다. 이것에 의해, 도 2a에 나타내는 바와 같이, 강철 백메탈층(2) 상에 있어서, Cu 합금 매트릭스(4) 중에 무기화합물 입자(5)를 분산시킨 Cu 합금층(3)이 형성된 구리계 슬라이딩 재료(1)를 제조하였다. 또한 , 실시예 1～18 및 비교예 21～29에 있어서의 1차 소결 및 2차 소결의 온도는, Cu 합금 조성에 대하여 고상선(固相線) 온도 초과, 액상선(液相線) 온도 미만의 온도로 하고, 소결 시에 Cu 합금 분말(6)의 표면에 일부 액상이 발생(고액 공존 상태)하도록 하였다. 한편, 비교예 30에 있어서의 1차 소결 및 2차 소결의 온도는, Cu 합금 조성에 대하여 고상선 온도 미만의 온도로 하고, 소결 시에 Cu 합금 분말(6)의 표면에 액상이 발생하지 않도록 하였다.

다음으로, Cu 합금층(3)에 있어서의 Cu 합금 매트릭스(4) 중에 분산된 무기화합물 입자(5)의 평균 입자간 거리(D)의 측정 결과를, 표 1에 나타낸다. 무기화합물 입자(5)의 평균 입자간 거리는, 도 2b의 확대도에 나타내는 바와 같이, Cu 합금 매트릭스(4) 중에 분산된 무기화합물 입자(5)의 표면과, 그 입자가 가장 근접하는 다른 무기화합물 입자(5)의 표면 사이의 거리의 평균값이고, 무기화합물 입자(5) 사이에 존재하는 Cu 합금 매트릭스(4)의 평균 길이를 나타내고 있다. 이 평균 입자간 거리는, 전자현미경을 사용하여 Cu 합금층(3)의 조성 상(像)을 배율 500배로 촬영하고, 얻어진 조성 상으로부터 일반적인 화상 해석 방법(해석 소프트:Image-ProPlus(Version 4.5);(주)플라네트론제 등)을 이용하여 측정하였다. 또, 도 2a에 나타내는 Cu 합금층(3)의 단면 및 도 2b에 나타내는 Cu 합금층(3)의 표면 중 어느 것을 측정하여도 무기화합물 입자(5)의 평균 입자간 거리의 값이 바뀌지 않는 것을 확인하고 있기 때문에, Cu 합금층(3)의 표면(슬라이딩면)에 대하여 수직 방향의 단면으로부터 측정한 데이터를 사용하고 있다. 또한, 본 실시 형태의 「평균 입자간 거리」는, Cu 합금 매트릭스(4) 중에 국부적으로 복수의 무기화합물 입자(5)가 편석(응집)된 경우에는, 각 편석(응집)부를 1개의 무기화합물 입자(5)로서 측정하였다. 즉, 무기화합물 입자(5)의 편석(응집)부는, 복수의 무기화합물 입자(5)의 표면이 접한 상태를 의미한다.

실시예 1～18 및 비교예 21～30의 구리계 슬라이딩 부재(1)는, 원통 형상의 슬라이딩 베어링으로 가공하고, 표 2에 나타내는 조건으로 보호 피막 형성 시험을 행하였다. 평가 방법은, 슬라이딩면 전체의 면적에 있어서의 황화나 산화에 의해 흑색이나 갈색이 된 부분의 면적의 비율에 의해 구하고, 그 결과를 표 1의 「형성막의 면적율」에 나타낸다. 또, 표 3에 나타내는 조건으로 용착 시험을 행하였다. 평가 방법은, 슬라이딩 베어링의 배면 온도가 230℃가 된 경우를 용착으로 판정하고, 용착이 일어나지 않은 한계의 부하(면압)를 표 1의 「용착 한계 면압」에 나타낸다.

시험 방법	부시 시험
베어링 내경	20㎜
주속(周速)	10m/s
하중	1MPa
윤활유	디젤 엔진 오일
윤활유 온도	140℃
시험 시간	1시간

시험 방법	부시 시험
베어링 내경	20㎜
주속	12m/s
하중	누적 하중(3MPa/10min)
윤활유	디젤 엔진 오일
윤활유 온도	110℃

실시예 1～18에는, 모두 구리계 슬라이딩 재료(1)의 슬라이딩면에 있어서의 Cu 합금 매트릭스(4)의 표면에 60% 이상의 산화막 및 황화막이 형성되어 있고, 용착 시험의 결과로서, 비교예 21～30에 대하여 양호한 결과가 얻어져 있다. 한편, 비교예 21～30에는, 구리계 슬라이딩 재료(1)의 슬라이딩면에 금속 광택을 띠는 부분이 절반 이상 남아 있고, 구리계 슬라이딩 재료(1)의 슬라이딩면에 있어서의 Cu 합금 매트릭스(4)의 표면에 충분한 산화막 및 황화막이 형성되어 있지 않으며, 용착 시험의 결과로서, 양호한 결과가 얻어지지 않았다.

실시예 2, 3 및 비교예 21, 22는, 실시예 1에 대하여 무기화합물 입자(5)의 함유량을 변화시킨 것이다. 실시예 1～3에서는, 무기화합물 입자(5)의 함유량이 0.2～5질량%의 범위 내가 되도록 구성함으로써, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면에 산화막 및 황화막이 형성되기 쉬워지기 때문에, 비교예 21, 22에 대하여 내용착성이 우수하다. 특히, 실시예 1～3 중 실시예 1에서는, 무기화합물 입자(5)의 응집·편석이 적고, 무기화합물 입자(5)의 평균 입자간 거리가 짧아지기 때문에, 내용착성이 양호하다. 한편, 비교예 21에서는, 무기화합물 입자(5)의 함유량이 0.2질량% 미만이고, 무기화합물 입자(5)의 평균 입자간 거리가 길어지기 때문에, Cu 합금 매트릭스(4)가 무기화합물 입자(5)와의 열팽창량의 차에 의한 변형을 받기 어려워져서, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면에 균일한 산화막 및 황화막이 형성되지 않고, 내용착성이 낮다. 또, 비교예 22에서는, 무기화합물 입자(5)의 함유량이 5질량%를 넘고, 무기화합물 입자(5)의 응집이 생겨서 무기화합물 입자(5)의 평균 입자간 거리가 길어지기 때문에, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면에 산화막 및 황화막이 형성되기 어려워지고, 내용착성이 낮다.

실시예 4, 5 및 비교예 23은, 실시예 1에 대하여 Cu 합금 분말(6)의 공극률을 변화시킨 것이다. 실시예 1, 4, 5에서는, Cu 합금 분말(6)의 공극률이 20～70%의 범위 내가 되도록 구성함으로써, 무기화합물 입자(5)의 평균 입자간 거리가 짧아지기 때문에, 비교예 23에 대하여 내용착성이 우수하다. 특히, 실시예 1, 4, 5 중 실시예 5에서는, Cu 합금 분말(6)의 공극률이 작을수록, 무기화합물 입자(5)의 분산성이 좋아지기 때문에, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면에 산화막 및 황화막이 형성되기 쉬워지고, 내용착성이 우수하다. 한편, 비교예 23에서는, Cu 합금 분말(6)의 공극률이 20～70%의 범위로부터 의도적으로 벗어난 것을 사용하고 있지만, Cu 합금 분말(6)의 공극률이 큰 경우에는, 도 3a에 나타내는 바와 같이, Cu 합금 분말(6)과의 혼합 시에 무기 화합물 입자(5)가 분산되어 있어도, 도 3b에 나타내는 바와 같이, Cu 합금 분말(6)의 산포 시에 무기화합물 입자(5)가 유동하여 편석·응집이 일어나기 쉽다. 이것에 의해, 무기화합물 입자(5)의 평균 입자간 거리가 길어지기 때문에, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면에 산화막 및 황화막이 형성되기 어려워져서, 내용착성이 낮다.

실시예 6, 7 및 비교예 24, 25는, 실시예 1에 대하여 무기화합물 입자(5)에 대한 Cu 합금 매트릭스(4)의 열팽창 계수의 비를 변화시킨 것이다. 실시예 1, 6, 7에서는, 열팽창 계수의 비가 1.5～3.0의 범위 내가 되도록 구성함으로써, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면에 산화막 및 황화막의 형성이 양호하기 때문에, 비교예 24, 25에 대하여 내용착성이 우수하다. 한편, 비교예 24에서는, 열팽창 계수의 비가 3.0을 넘고, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면 전체가 변형을 크게 받기 때문에, 산화막 및 황화막이 과잉으로 형성된다. 이것에 의해, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면에서 산화막 및 황화막의 형성과 탈락을 반복하고, Cu 합금층(3)의 표면이 거칠어짐으로써, 안정적인 오일막을 확보할 수 없어, 내용착성이 낮다. 또, 비교예 25에서는, 열팽창 계수의 비가 1.5 미만이며, Cu 합금 매트릭스(4)가 무기화합물 입자(5)와의 열팽창량의 차에 의한 변형을 받기 어렵기 때문에, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면에 균일한 산화막 및 황화막이 형성되지 않고, 내용착성이 낮다.

실시예 8, 9 및 비교예 26, 27은, 실시예 1에 대하여 무기화합물 입자(5)에 대한 Cu 합금 매트릭스(4)의 진밀도의 비를 변화시킨 것이다. 실시예 1, 8, 9에서는, 진밀도의 비가 0.6～1.4의 범위 내가 되도록 구성함으로써, 무기화합물 입자(5)의 평균 입자간 거리가 짧아지기 때문에, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면에 산화막 및 황화막이 형성되기 쉬워지고, 비교예 26, 27에 대하여 내용착성이 우수하다. 한편, 비교예 26, 27에서는, 진밀도의 비가 0.6～1.4의 범위로부터 벗어나 있고, 무기화합물 입자(5)가 편석, 응집되어, 무기화합물 입자(5)의 평균 입자간 거리가 길어지기 때문에, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면에 산화막 및 황화막이 형성되기 어려워지고, 내용착성이 낮다.

실시예 10, 11은, 실시예 1에 대하여 무기화합물 입자(5)의 입자간 거리를 변화시킨 것이다. 실시예 10에서는, Cu 합금 분말(6)의 공극률이 크고, 무기화합물 입자(5)에 대한 Cu 합금 매트릭스(4)의 진밀도의 비가 0.6～1.4의 범위의 하한값이 되도록 구성함으로써, 무기화합물 입자(5)의 입자간 거리가 5～50㎛의 범위의 상한값이 되지만, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면에 산화막 및 황화막이 형성되어 있고, 내용착성이 양호하다. 또, 실시예 11에서는, Cu 합금 분말(6)의 공극률이 작고, 무기화합물 입자(5)에 대한 Cu 합금 매트릭스(4)의 진밀도의 비가 0.6～1.4의 범위의 중앙값이 되도록 구성함으로써, 무기화합물 입자(5)의 입자간 거리가 5～50㎛의 범위의 하한값이 되지만, 실시예 10보다 산화막 및 황화막이 형성되기 쉬워지고, 내용착성이 더욱 우수하다.

실시예 12, 13 및 비교예 28은, 실시예 1에 대하여 무기화합물 입자(5)의 평균 입경을 변화시킨 것이다. 실시예 12, 13에서는, 무기화합물 입자(5)의 평균 입경이 1～10㎛의 범위 내가 되도록 구성함으로써, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면에 산화막 및 황화막이 형성되어 있고, 내용착성이 양호하다. 한편, 비교예 28에서는, 무기화합물 입자(5)의 평균 입경이 10㎛를 넘고, 무기화합물 입자(5)와 상대축의 접촉에 의한 발열량이 많아지고, 무기화합물 입자(5)의 주위의 Cu 합금 매트릭스(4)의 결함(변형)량이 커진다. 이 때문에, 국소적으로 산화막 및 황화막이 비후화되고, 파괴가 생기게 되어, 내용착성이 낮다.

실시예 14는, 실시예 1에 대하여 Ni, Zn, Fe, Ag, In을, 실시예 15는, 실시예 1에 대하여 P를 첨가하고, Cu 합금 매트릭스(4)의 강화를 행하였지만, 내용착성이 양호하다.

실시예 16은, 실시예 1에 대하여 Bi를, 실시예 17은, 실시예 1에 대하여 Pb를 첨가하여, Cu 합금 매트릭스(4)의 윤활성을 높였지만, 내용착성이 양호하다.

실시예 18은, 무기화합물 입자(5)에 대한 Cu 합금 매트릭스(4)의 열팽창 계수의 비가 1.5～3.0의 범위 내인 무기화합물 입자(5)로서, TaSi₂와 Mo₂C의 2종류를 1:1의 비율로 첨가하고 있지만, 내용착성이 양호하다.

비교예 29는, 무기화합물 입자(5)로서 AlN을 첨가하고 있지만, 무기화합물 입자(5)에 대한 Cu 합금 매트릭스(4)의 열팽창 계수의 비가 3.0을 넘고, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면 전체가 변형을 크게 받기 때문에, 산화막 및 황화막이 과잉으로 형성된다. 이것에 의해, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면에서 산화막 및 황화막의 형성과 탈락을 반복하고, Cu 합금층(3)의 표면이 거칠어짐으로써, 안정적인 오일막을 확보할 수 없고, 내용착성이 낮다.

비교예 30은, 1차 소결 및 2차 소결의 온도로서, Cu 합금 조성에 대하여 고상선 온도 미만의 온도로 소결하였기 때문에, 무기화합물 입자(5)가 Cu 합금 분말(6)의 표면에 결합하지 않고, 다공질의 Cu 합금층(3)의 공극부에서 편석, 응집을 일으키기 쉽다. 이 때문에, 무기화합물 입자(5)의 평균 입자간 거리가 큰 구리계 슬라이딩 재료(1) 밖에 얻어지지 않는다. 또, 1차 소결 및 2차 소결의 온도로서, Cu 합금 조성에 대하여 고상선 온도 미만의 온도로 소결하면, Cu 합금층(3)에 있어서의 Cu 합금 매트릭스(4)의 결정 입경이 너무 작아지고, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면에 보호 피막(산화막이나 황화막)이 형성되기 어려운 것도 판명되었다. 즉, 비교예 30에서는, Cu 합금층(3)에 있어서의 Cu 합금 매트릭스(4)의 결정 입경이 너무 작아지고, Cu 합금층(3)의 표면에서 결정 입계의 면적의 비율이 증가하여, 황화나 산화가 결정 입계에서 우선적으로 일어나기 때문에, Cu 합금 매트릭스(4)의 표면에 보호 피막(황화막이나 산화막)의 형성이 방해를 받았다고 생각된다.

본 실시 형태와 관련되는 구리계 슬라이딩 재료(1)는, 내연기관의 슬라이딩 베어링이나 각종 산업 기계의 슬라이딩 베어링 재료에 적용할 수 있다. 또, 본 실시 형태와 관련되는 구리계 슬라이딩 재료(1)는, Cu 합금층(3)의 표면에 오버레이층을 형성시킨 다층 베어링으로서 사용해도 된다.

1 : 구리계 슬라이딩 재료 2 : 강철 백메탈층
3 : Cu 합금층 4 : Cu 합금 매트릭스
5 : 무기화합물 입자 6 : Cu 합금 분말
11 : 혼합체 12 : 대강
13 : 1차 소결로 14 : 압연
15 : 2차 소결로

Claims

강철 백메탈층 및 Cu 합금층으로 이루어지는 구리계 슬라이딩 재료로서, 상기 Cu 합금층은 Sn을 0.5～15질량%, 무기화합물 입자를 0.2～5질량% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지는 구리계 슬라이딩 부재에 있어서,
상기 무기화합물 입자의 평균 입경이 1～10㎛, 상기 무기화합물 입자에 대한 Cu 합금 매트릭스의 진밀도의 비가 0.6～1.4, 상기 무기화합물 입자에 대한 상기 Cu 합금 매트릭스의 열팽창 계수의 비가 1.5～3.0을 만족시키고, 상기 Cu 합금 매트릭스에 분산된 상기 무기화합물 입자의 평균 입자간 거리를 5～50㎛로 한 것을 특징으로 하는 구리계 슬라이딩 재료.
제1항에 있어서,
상기 무기화합물 입자는, 금속의 탄화물, 질화물, 규화물, 붕화물 중 적어도 1종 이상인 것을 특징으로 하는 구리계 슬라이딩 재료.
제1항에 있어서,
상기 Cu 합금층은, Bi, Pb로 이루어지는 군 중에서 적어도 1종 이상을 총량으로 0.1～30질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 구리계 슬라이딩 재료.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 Cu 합금층은, Ni, Zn, Fe, Ag, In으로 이루어지는 군 중에서 적어도 1종 이상을 총량으로 0.1～40질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 구리계 슬라이딩 재료.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 Cu 합금층은, P를 0.01～0.5질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 구리계 슬라이딩 재료.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 Cu 합금층은, Ni, Zn, Fe, Ag, In으로 이루어지는 군 중에서 적어도 1종 이상을 총량으로 0.1～40질량%와 P를 0.01～0.5질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 구리계 슬라이딩 재료.