KR20130029170A - 고강도 실리콘 윤활금속 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 고강도 실리콘 윤활금속은, 철(Fe) 0.5 ~ 6 wt%, 니켈(Ni) 0.5 ~ 6 wt%, 알루미늄(Al) 0.5 ~ 12 wt%, 실리콘(Si) 1 ~ 5 wt%, 아연(Zn) 0.5 ~ 10 wt%, 망간(Mn) 0.1 ~ 15 wt%, 주석(Sn) 0.5 ~ 3 wt% 와 구리(Cu) 잔량으로 구성되어, 구리를 주원료로 하여 철(Fe), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 아연(Zn), 망간(Mn), 주석(Sn)을 포함하여 내마모성이 향상되어 내구수명이 연장되어 장기간의 사용이 가능하게 되고, 윤활성의 향상을 위한 탄소가 사용되지 않게 되어 제조하는 작업자들의 건강을 보호할 수 있고, 메탈베어링, 기어, 조선, 항공, 자동차 등의 각종 산업용 기계나 산업계의 다양한 부품이나 교량등의 지지보로 사용되는 것이 가능하고 또한 종래의 동합금보다 2배이상의 수명이 연장된 월등한 내구 수명으로 오랜 기간 동안 사용이 가능하여 교체비용 및 교체에 따른 인건비절감 등의 유지비용이 절감이 가능하다.

Description

고강도 실리콘 윤활금속{ A high strength silicon lubricous metal }

본 발명은 고강도 실리콘 윤활금속에 관한 것으로, 더욱 상세하게 설명하면, 구리를 주원료로 하여 철(Fe), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 아연(Zn), 망간(Mn), 주석(Sn)을 포함하여 내마모성이 향상되어 내구수명이 연장되어 장기간의 사용이 가능하게 되고, 윤활성의 향상을 위한 탄소가 사용되지 않게 되어 제조하는 작업자들의 건강을 보호할 수 있고, 메탈베어링, 기어, 조선, 항공, 자동차 등의 각종 산업용 기계나 산업계의 다양한 부품이나 교량등의 지지보로 사용되는 고강도 실리콘 윤활금속에 관한 것이다.

일반적으로, 동합금의 경우에는 구리와 주석(Cu-Sn)의 합급인 청동, 구리와 아연(Cu-Zn)의 합금인 황동, 청동에 인(Cu-Sn-P)을 첨가한 인청동, 구리와 베릴륨(Cu-Be)의 합금인 베릴륨동등이 사용되고 있다.

이러한 구리와 주석(Cu-Sn)의 합급인 청동은 고가의 주석을 높은 함량으로 사용하게 되어 생산비가 높아져 비경제적인 문제점이 발생되며 우리나라의 실정에는 주석 자체를 수입하여 사용하기 때문에 생산비에 대한 부담을 더욱 가중시키는 문제가 나타난다.

합금의 강도나 인성, 내식성을 증가시키는 경우로 인이 첨가된 인청동(Cu-Sn-P)의 경우에도 고가인 주석의 사용으로 가격이 비싸고 응고중 주석의 편석을 최소화하여야되는 어려움이 있으며 압연시 균열방지를 위해 압연조건이 세밀하게 조절되어야 하는 등 제조공정상의 문제점을 나타내고 있다.

또한 구리와 아연(Cu-Zn)의 합금인 황동에 있어서도 기계적 강도가 낮고 내응력 부식 균열성이 매우 불량하여 신뢰성이 떨어지며, 구리와 베릴륨(Cu-Be)의 합금인 베릴륨동의 경우 동합금 중 가장 높은 기계적 강도와 경도를 얻을 수 있으나, 베릴륨의 가격이 비싸고 산화되기 쉬우며 경도가 매우 높아 가공하기 어려운 문제점이 있다.

따라서, 동합금을 제조하는데에 제조원가가 비싸고, 취성이 강해져 충격에 손상될 우려가 있으며 경도와 강도가 떨어져 높은 경도와 강도를 요구하는 기계 부품 및 설비에 사용될 때에 짧은 내구수명으로 인해 문제가 발생한다.

또한, 이러한 동합금에 윤활성을 부여하기 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 동합금에는 윤활성이 좋은 다수의 탄소윤활부가 삽입되게 가공된다. 그러나, 이러한 탄소윤활부는 탄소윤활부 내에 납성분이 최대한 30wt%가 삽입되게 되고 이러한 납성분으로 인하여 작업자들에게는 암발생과 같은 치명적인 건강상의 유해질병이 발생되어 작업을 기피하게 되는 문제점이 있었다.

또한, 본 발명자는 대한민국 특허공고번호 제1989-4859호 '유동 가공성이 양호한 내마모성 동합금'과 특허등록번호 제10-0640273호 '윤활성 동합급'이라는 명칭으로 윤활성이 양호한 동합금을 출원하여 특허를 얻은 바가 있으나, 상기의 특허들은 위의 특허들의 문제점을 해결하기는 하였으나, 그 내구수명이 작아 자주 교체를 하여야 하므로 기계의 유지보수에 대한 비용이 증가되게 되어 유지보수비용이 증대되게 되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 구리를 주원료로 하여 철(Fe), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 아연(Zn), 망간(Mn), 주석(Sn)을 포함하여 내마모성이 향상되어 내구수명이 연장되어 장기간의 사용이 가능하게 되고, 윤활성의 향상을 위한 탄소가 사용되지 않게 되어 제조하는 작업자들의 건강을 보호할 수 있고, 메탈베어링, 기어, 조선, 항공, 자동차 등의 각종 산업용 기계나 산업계의 다양한 부품이나 교량등의 지지보로 사용되는 것이 가능한 고강도 실리콘 윤활금속을 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 목적은, 철(Fe) 0.5 ~ 6 wt%, 니켈(Ni) 0.5 ~ 6 wt%, 알루미늄(Al) 0.5 ~ 12 wt%, 실리콘(Si) 1 ~ 5 wt%, 아연(Zn) 0.5 ~ 10 wt%, 망간(Mn) 0.1 ~ 15 wt%, 주석(Sn) 0.5 ~ 3 wt% 와 구리(Cu) 잔량으로 구성된 본 발명에 따른 고강도 실리콘 윤활금속에 의해서 달성된다.

본 발명에 따른 고강도 실리콘 윤활금속은, 철(Fe) 0.5 ~ 6 wt%, 니켈(Ni) 0.5 ~ 6 wt%, 알루미늄(Al) 0.5 ~ 12 wt%, 실리콘(Si) 1 ~ 5 wt%, 아연(Zn) 0.5 ~ 10 wt%, 망간(Mn) 0.1 ~ 15 wt%, 주석(Sn) 0.5 ~ 3 wt% 와 구리(Cu) 잔량으로 구성되어, 구리를 주원료로 하여 철(Fe), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 아연(Zn), 망간(Mn), 주석(Sn)을 포함하여 내마모성이 향상되어 내구수명이 연장되어 장기간의 사용이 가능하게 되고, 윤활성의 향상을 위한 탄소가 사용되지 않게 되어 제조하는 작업자들의 건강을 보호할 수 있고, 메탈베어링, 기어, 조선, 항공, 자동차 등의 각종 산업용 기계나 산업계의 다양한 부품이나 교량등의 지지보로 사용되는 것이 가능하고 또한 종래의 동합금보다 2배이상의 수명이 연장된 월등한 내구 수명으로 오랜 기간 동안 사용이 가능하여 교체비용 및 교체에 따른 인건비절감 등의 유지비용이 절감이 가능하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 탄소윤활부가 식재된 부시용 동합금의 사시도
도 2a,2b는 본 발명의 제1실시예에 따른 부시용 윤활금속의 사시도 및 본 발명의 제2실시예에 따른 윤활금속이 사용된 교랑지지받침판이 사용된 교량용 지지받침대의 사시도

본 발명에 따른 고강도 실리콘 윤활금속(A)은, 철(Fe) 0.5 ~ 6 wt%, 니켈(Ni) 0.5 ~ 6 wt%, 알루미늄(Al) 0.5 ~ 12 wt%, 실리콘(Si) 1 ~ 5 wt%, 아연(Zn) 0.5 ~ 10 wt%, 망간(Mn) 0.1 ~ 15 wt%, 주석(Sn) 0.5 ~ 3 wt% 와 나머지를 구리(Cu) 잔량으로 용융하여 형성된다.

상기 고강도 실리콘 윤활금속의 제조방법으로 구리(Cu) 75wt% - 철(Fe) 25wt%의 구리-철(Cu-Fe) 모합금, 구리(Cu) 75wt% - 니켈(Ni) 25wt%의 구리-니켈(Cu-Ni) 모합금, 구리(Cu) 75wt% - 알루미늄(Al) 25wt%의 구리-알루미늄(Cu-Al) 모합금, 구리(Cu) 75wt% - 실리콘(Si) 25wt%의 구리-실리콘(Cu-Si) 모합금, 구리(Cu) 75wt% - 망간(Mn) 25wt%의 구리-망간(Cu-Mn) 모합금을 제조하고, 상기 모합금들을 원하는 함량을 갖게 절단하여 용융 구리 내에 투여하여 교반 용융시킨 후 주석(Sn)과 아연(Zn)을 투입 첨가하여 교반하여 필요한 고강도 실리콘 윤활금속(A)을 제조하게 된다.

상기 모합금들을 제조하는 이유는 합금을 만들 때 합금원소를 정량으로 균일하게 첨가하기 위한 것으로 모든 원소를 한꺼번에 첨가하게 되면 잘 섞여지지 않으게 되므로 별도로 원소를 다량으로 함유한 합금을 만들어 놓은 후 이것의 작은 조각을 원하는 합금의 기초가 되는 금속의 융액에 첨가하여 교반하는 것이다.

이와 같이 제조된 본 발명에 따른 성분함량은 [ 표 1 ]과 같다.

성분	Fe	Ni	Al	Si	Zn	Mn	Sn	Cu
함량(wt%)	0.5 ~ 6	0.5 ~ 6	0.5 ~ 12	1 ~ 5	0.5 ~ 10	0.1 ~ 10	0.5 ~ 3	잔량

본 발명의 제1실시예에 따른 고강도 실리콘 윤활금속(A)은, 철(Fe) 5 wt%, 니켈(Ni) 5 wt%, 알루미늄(Al) 9 wt%, 실리콘(Si) 3 wt%, 아연(Zn) 5 wt%, 망간(Mn) 10 wt%, 주석(Sn) 1.5 wt% 와 나머지를 구리(Cu) 잔량으로 용융하여 제조되었다.

상기 제1실시예에 따른 본 발명에 따른 고강도 실리콘 윤활금속(A)의 인장강도는 약 650 kg/㎟ 나타나며 하중을 받았을 때 탄성변형이 일어나는 한계점을 나타내는 항복강도는 350 kg/㎟ 으로 측정되며, 경도는 브리넬경도로 195 kg/㎟ 으로 측정되고, 제품을 생산할 때 제품특성을 위해 기계 앞과 뒷부분의 힘의 비율인 연신율은 약 20 ~ 25% 으로 측정된다.

본 발명에 따른 고강도 실리콘 윤활금속(A)의 인장강도는 440 ~760 kg/㎟ 나타나며 하중을 받았을 때 탄성변형이 일어나는 한계점을 나타내는 항복강도는 190 ~ 410 kg/㎟ 이상으로 측정되며, 경도는 브리넬경도로 190 ~ 200 kg/㎟ 이상 으로 측정되고, 제품을 생산할 때 제품특성을 위해 기계 앞과 뒷부분의 힘의 비율인 연신율은 5 ~ 25% 이상으로 측정된다.

상기와 같은 원소 함량을 한정한 이유를 살펴보면, 상기 구리(Cu)는 다른 금속재료와 비교하여 화학적 저항성이 커서 부식되기 어려우며 아연, 주석, 니켈, 금, 은 등과 같은 다른 원소들과 용이하게 합금을 만들 수 있으며 공업적으로 유용한 성질이 있다.

상기 철(Fe)은 인장강도가 커서 마모가 작아지게 되어 내구수명을 연장시키는 요소로 첨가되는 것으로서 금속의 조직을 단단하게 하는 특성을 갖으며 함량이 0.5wt%이하일 경우에는 경도 및 강도가 저하되고, 6%wt이상일 경우에는 기공이 많이 발생되어 균열 및 결함이 발생하며 인성의 저하로 취성이 강해져 충격에 약하게 되므로 상기 철(Fe)의 함량을 0.5 ~ 6wt%로 한정한다.

상기 니켈(Ni)은 부식이나 침식을 잘 견디는 내식성의 우수하여 내구수명을 연장시키며 함량이 0.5wt%이하일 경우에는 인성이 증가되어 경도 및 강도가 저하되고 6wt%이상일 경우에는 인성이 현저히 감소하기 때문에 니켈(Ni)의 함량을 0.5 ~ 6wt%로 한정한다.

상기 알루미늄(Al)은 모재인 구리와 같이 연한 재질이나 여기에 알루미늄을 혼합시키면 우수한 장력을 갖게 되며 전성과 연성이 향상된다. 상기 알루미늄은 함량이 0.5wt%이하일 경우에는 강도 및 인장강도와 연신율이 저하되고 12wt%이상일 경우에는 취성이 강해져 충격에 약하게 되므로 알루미늄(Al)의 함량을 0.5 ~ 12wt%로 한정한다.

상기 실리콘(Si)은 강도, 내마모성을 개선하고 윤활성 및 절삭성이 좋은 특성을 갖으며 실리콘(Si)함유에 의한 결정립미세화와 강도향상 기능은 아연(Zn)보다 아주 소량에서 발휘되지만 아연(Zn)과의 상호작용에 의한 것으로 실리콘(Si)은 아연(Zn)과 함께 첨가함으로써 응력부식균열성을 개선하고 억제하는 작용이 있다. 특히 실리콘은 윤활성을 향상시키는 중요한 요소로서 탄소를 대체하는 요소이며, 실리콘의 함량이 1wt%이하일 경우 윤활작용이 저하되고, 실리콘의 함량이 5wt%이상일 경우 균열이 발생하기 때문에 실리콘(Si)의 함량을 1 ~ 5wt%로 한정한다.

상기 아연(Zn)은 신율을 제공하여 신율이 있으면서도 장력도 향상시키는 첨가요소이며 또한 용해시에 뭉쳐있는 용융금속물질들이 골고루 용해되도록 금속요소들을 풀어지게 하는 기능을 수행한다. 상기 아연은 철보다 이온화하기 쉬워 철에 녹스는 것을 막고, 연신율과 금속풀림으로 응력을 제거하고 결정조직을 고르게 하며 함량이 0.5wt%이하일 경우 연신율이 저하되며 10wt%이상일 경우 강도 및 경도와 윤활작용이 저하되며 내식성이 떨어지며 아연(Zn)의 함량은 0.5 ~ 10wt%로 한정한다. 또한 아연(Zn)은 구리와 함께 많이 함유되는 합금의 원소로 합금의 경도, 강도 등의 기계적 성질을 향상시키며 유동성도 향상시켜 복잡한 형상의 주물을 용이하게 해준다.

상기 망간(Mn)은 많이 첨가될수록 내마모성이 증대되여 기계적 강도가 향상되게 한다. 또한, 상기 망간은 유동성이 좋아 복잡한 형상의 물건을 쉽게 성형하며 취성을 막고 인성을 크게 하는 성질을 갖으며 함량이 0.1wt%이하일 경우에는 인장강도가 약해지며 15wt%이상일 경우에는 너무 경화되기 때문에 깨지는 현상이 발생되므로 망간(Mn)의 함량을 0.1 ~ 15wt%로 한정한다.

상기 주석(Sn)은 용융상태의 합금에서 서로 별도로 존재하고 있는 각 금속요소들을 용융시켜 잘 혼합되도록 하는 중요한 기능을 한다. 상기 주석은 또한 재료 표면의 국부하중에 대하여 변형이 쉽게 일어나지 않으며 절삭성의 개성의 효과가 있으며 함량이 0.5wt%이하일 경우 조직의 밀도가 치밀해지는 효과가 없게 되어 경도 및 강도의 증가효과가 없어 경도 및 강도가 저하되며 3wt%이상일 경우에는 조직의 밀도가 기대치 이상으로 치밀해지기 때문에 균열 또는 깨지는 현상이 발생하게 되므로 주석(Sn)의 함량은 0.5 ~ 3wt%로 한정한다.

상기 구성의 함량을 초과하면 본래의 열전도성, 내마모성, 내식성 등이 상실되어 기계적 내구성이 위에 제시한 수치로 나타나지 않기 때문에 반드시 이들의 구성 함량은 상기 범위를 초과하지 않도록 할 필요가 있다.

따라서, 본 발명에 따른 고강도 실리콘 윤활금속은 종래의 동합금보다 주석(Sn)의 함량을 줄여 생산비를 절감하게 되며 망간(Mn)의 함량을 높여 강도를 향상시키며 알루미늄(Al)의 첨가로 우수한 장력과 표면이 미끄러운 특성으로 인해 마찰이 적어 적은 양의 윤활유를 공급하여도 마찰열에 따른 윤활유의 비등으로 인한 소모를 줄일 수 있어 오랜 시간 동안 사용할 수 있으며 실리콘의 사용으로 윤활효과를 증대할 수 있으므로 비용 절감 효과를 이룰 수 있게 되며, 기계 부품의 마모나 손상을 줄일 수 있어 교체나 보수 및 인건비 등의 비용을 절감할 수 있는 효과를 낼 수 있다.

이상 설명한 본 발명은 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형하여 다양한 소재에 적용가능하게 된다.

본 발명에 따른 고강도 실리콘 윤활금속은 반복적으로 제조하는 것이 가능하다고 할 것이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이라고 할 것이다.

A. 고강도 실리콘 윤활금속

Claims (1)

1. 고강도 실리콘 윤활금속에 있어서,
   상기 고강도 실리콘 윤활금속은 철(Fe) 0.5 ~ 6%, 니켈(Ni) 0.5 ~ 6%, 알루미늄(Al) 0.5 ~ 12%, 실리콘(Si) 1 ~ 5%, 아연(Zn) 0.5 ~ 10%, 망간(Mn) 0.1 ~ 15%, 주석(Sn) 0.5 ~ 3% 와 나머지를 구리(Cu) 잔량으로 용융하여 형성된 것을 특징으로 하는 고강도 실리콘 윤활금속.

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