KR20130035912A

KR20130035912A - 철기 소결 슬라이딩 부재 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20130035912A
Application number: KR1020120107106A
Authority: KR
Inventors: 다이스케 후카에; 히데아키 가와타; 히데카즈 도쿠시마
Original assignee: 히다치 훈마츠 야킨 가부시키가이샤
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2013-04-09
Also published as: CN103031499A; US9637811B2; GB2495209B; GB2495209A; DE102012018964A1; GB2509393A; KR101460858B1; DE102012018964B4; JP2013076152A; GB2509393B; US20130084203A1; JP5773267B2; CN103031499B; GB201217157D0; GB201321669D0

Abstract

Cu의 사용량을 저감시켜 제조 비용을 저감함과 더불어, 기지에 대한 고착성이 높은 황화물이 분산하는 철기 소결 슬라이딩 부재 및 그 제조 방법을 제공한다. 전체 조성이, 질량비로, Cu：0.1～10%, C：0.2～2.0%, Mn：0.03～0.9%, S：0.52～6.54%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 전체 조성에 있어서의 S의 질량%를 [S%］, Mn의 질량%를 ［Mn%］로 했을 때, 하기 수학식 1을 만족시킴과 더불어, 단면 면적율로 50% 이상이 마텐자이트 조직인 기지 중에, 기공과 황화물 입자가 분산되는 금속 조직을 나타내고, 황화물 입자가 기지에 대하여 3～30체적%의 비율로 분산된다.
수학식 1
［S%］＝ 0.6 ×［Mn%］＋ 0.5～6.0

Description

철기 소결 슬라이딩 부재 및 그 제조 방법{IRON BASE SINTERED SLIDING MEMBER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은, 분말 야금법을 이용한 철기 소결 슬라이딩 부재 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 고면압 하에서 뛰어난 내마모성과 슬라이딩 특성을 나타내는 철기 소결 슬라이딩 부재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

예를 들어, 차량, 공작 기계, 산업 기계 등의 구동 부위나 슬라이딩 부위와 같이 슬라이딩면에 높은 면압이 작용하는 슬라이딩 부재에는, 탄소강을 절삭 가공하여 담금질, 템퍼링한 것이나, 소결 합금제의 것이 사용되고 있다. 특히, 소결 합금은 윤활유를 함침시킴으로써 자기 윤활성을 부여할 수 있으므로, 양호한 내소부성(耐燒付性)과 내마모성을 얻을 수 있으므로 폭넓게 이용되고 있다. 이러한 소결 합금제의 슬라이딩 부재로서, 예를 들어, 일본국 특허공개 평 11－117940호 공보에는, Cu：10～30중량%, 잔부：Fe로 이루어지는 철계 소결 합금층을 슬라이딩면에 설치한 베어링이 개시되어 있다.

또한, 일본국 특허공개 2009－155696호 공보에는, 전체 조성이, 질량비로, C：0.6～1.2%, Cu：3.5～9.0%, Mn：0.6～2.2%, S：0.4～1.3%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 그 합금 조직이, 마텐자이트 기지 중에, 유리된 Cu상 또는 유리된 Cu－Fe 합금상의 적어도 한쪽이 분산되어 있음과 더불어, MnS상이 1.0～3.5질량% 분산하는 슬라이딩 부재용 철기 소결 합금이 개시되어 있다.

그러나, 최근, 구리 지금(地金)의 가격이 높게 오르고 있기 때문에, 일본국 특허공개 평 11－117940호 공보와 같이 Cu를 10～30중량% 사용하는 기술에서는 제조 비용이 고가로 되어 실용적이지 않다. 또한, 융점이 낮은 Cu는 소결시에 액상을 발생하기 때문에, Cu의 함유량이 많으면 소결 전후의 치수 변화량이 커진다는 결점도 있다. 이 때문에, 요구 정밀도를 만족하기 위해서 기계 가공이 필요하여, 제조 비용이 더욱 높아진다.

소결 합금 중에 Cu를 함유시키면, 기지 중에 연질인 Cu상 또는 Cu합금상이 분산되고, 이에 따라, 상대 부재에 대한 공격성이 완화됨과 더불어 적절히 변형 가능해지므로 상대 부재와의 융합성이 향상된다. 이 때문에, CU의 함유량이 적으면, 내마모성이 저하됨과 더불어 상대 부재에 대한 공격성이 높아지고, 또한, 윤활유가 불충분하면 울림 소리가 발생하는 등의 문제가 생긴다.

이 점, 일본국 특허공개 2009－155696호 공보는, MnS상을 1.0～3.5질량% 분산시킴으로써, Cu의 함유량의 저감에 의한 내마모성 저하 및 상대 공격성 증가를 회피하고 있다. 그러나, MnS상은, 원료 분말 중에 MnS 분말을 첨가함으로써 생성시키므로, 기지에 대한 고착성이 낮아, 슬라이드시에 탈락할 우려가 있다.

이로부터, 본 발명은, Cu의 사용량을 저감하여 제조 비용을 저감시킴과 더불어, 기지에 대한 고착성이 높은 황화물을 분산시킨 철기 소결 슬라이딩 부재 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 철기 소결 슬라이딩 부재는, 전체 조성이, 질량비로, Cu：0.1～10%, C：0.2～2.0%, Mn：0.03～0.9%, S：0.52～6.54%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 전체 조성에 있어서의 S의 질량%를 [S%］, Mn의 질량%를 ［Mn%］로 했을 때, 하기 수학식 1을 만족시킴과 더불어, 단면 면적율로 50% 이상이 마텐자이트 조직인 기지 중에, 기공과 황화물 입자가 분산되는 금속 조직을 나타내고, 황화물 입자가, 기지에 대하여 3～30체적%의 비율로 분산되는 것을 특징으로 한다.

수학식 1

［S%］＝ 0.6 ×［Mn%］＋ 0.5～6.0

또한, 본 발명의 철기 소결 슬라이딩 부재의 제조 방법은, 질량비로, Mn을 0.03～1.0% 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 철 분말과, 구리 분말과, 흑연 분말과, 황화철 분말 및 황화구리 분말 중의 적어도 1종의 황화물 분말을 준비하고, 질량비로, Cu：0.1～10%, C：0.2～2.0%, Mn：0.03～0.9%, S：0.52～6.54%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물이 되도록, 철 분말에, 구리 분말, 흑연 분말 및 황화물 분말을 첨가하고 혼합하여, 원료 분말을 제작하고, 원료 분말을 소정의 형상으로 성형하여, 얻어진 성형체를 1000～1200℃의 범위에서 소결하고, 그 후, 담금질, 템퍼링하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 철기 소결 슬라이딩 부재 및 그 제조 방법에 대하여, 수치 한정의 근거를 본 발명의 작용과 함께 설명한다. 본 발명의 철기 소결 슬라이딩 부재는, 주성분을 Fe로 한다. 금속 조직은, 황화물 입자가 분산되는 철 기지(철 합금 기지)와 기공으로 이루어진다. 철 기지는, 철 분말 및/또는 철합금 분말에 의해 형성된다. 그리고, 기공은, 분말 야금법에 기인하여 생기는 것이며, 원료 분말을 압분 성형했을 때의 분말간의 공극이, 원료 분말의 결합에 의해 형성된 철 기지 중에 잔류한 것이다.

일반적으로, 철 분말은, 제법에 기인하여 불가피 불순물로서 Mn을 0.03～1.0질량% 정도 함유하고, 이 때문에 철 기지는, 불가피 불순물로서 미량의 Mn을 함유한다. 그리고, S를 부여함으로써, 고체 윤활제로서 황화망간 등의 황화물 입자를 기지 중에 석출시킬 수 있다. 여기서, 황화망간은 기지 중에 미세하게 석출하기 때문에, 피삭성 개선에는 효과가 있지만, 슬라이딩 특성에 기여하기에는 너무 미세하기 때문에, 슬라이딩 특성 개선 효과가 작다. 이 때문에, 본 발명에 있어서는, 기지에 미량으로 함유되는 Mn과 반응하는 분의 S량뿐만 아니라, S를 더 부여하고, 이 S를 주성분인 Fe와 결합시켜 황화철을 형성한다.

통상, 황화물의 형성의 용이는, 전기 음성도의 차이가 S와 큰 것일수록 높다. 전기 음성도의 값(폴링에 의한 전기 음성도)은 S：2.58이고, Mn：1.55, Cr：1.66, Fe：1.83, Cu：1.90, Ni：1.91, Mo：2.16이기 때문에, 황화물은, Mn＞Cr＞Fe＞Cu＞Ni＞Mo의 순으로 형성되기 쉽다. 이 때문에, 철분말에 함유되는 모든 Mn과 결합하여 MnS를 생성하는 S량을 넘는 양의 S를 첨가하면, 미량의 Mn과의 반응 이외에, 주성분인 Fe와의 반응이 일어나, 황화망간뿐만 아니라, 황화철도 석출된다. 따라서, 기지 중에 석출되는 황화물은, 주성분인 Fe에 의해 생성되는 황화철이 주가 되고, 일부가 불가피 불순물인 Mn에 의해 생성되는 황화망간이 된다.

황화철은, 고체 윤활제로서 슬라이딩 특성 향상에 매우 적절한 크기의 황화물 입자이며, 기지의 주성분인 Fe와 결합시켜 형성하기 때문에, 기지 중에 균일하게 석출 분산시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서는, 황화철을 주체로 한 황화물을 형성시키기 위해서, 철 기지의 강화 원소로서 전기 음성도의 값이 Fe보다 큰 Cr은 이용하지 않는다.

상기와 같이, 본 발명에 있어서는, 기지에 함유되는 Mn과 결합시키는 S량과, S를 더 부여하고, 기지의 주성분인 Fe와 결합시켜 황화물을 석출시킨다. 다만, 기지 중에 석출 분산되는 황화물 입자의 양이 3체적%를 밑돌면, 충분한 윤활 작용을 얻을 수 없어, 슬라이딩 특성이 저하한다. 한편, 황화물 입자의 양이 30체적%를 초과하면, 기지에 대한 황화물의 양이 과다하게 되어 철기 소결 슬라이딩 부재의 강도가 저하한다. 이로부터, 기지 중의 황화물 입자의 양은, 기지에 대하여 3～30체적%로 한다.

이 양의 황화물을 얻기 위해, 전체 조성에 있어서의 Mn의 질량%를［Mn%］로 했을 때에, 전체 조성에 있어서의 S의 질량%［S%］를, 하기 수학식 2로 할 필요가 있다. 수학식 2에 있어서, 0.6×［Mn%］는, 불가피 불순물로서 함유되는 미량의 Mn과 반응시켜 황화망간을 형성하기 위해서 필요한 S량이다. 또한, 우변의 제2항의 0.5～0.6은 추가의 S량(질량%)을 나타내고, 추가의 S량이 0.5질량%를 밑돌면, 원하는 양의 황화물 입자를 얻을 수 없고, 6.0질량%를 넘으면, 황화물 입자가 과잉으로 석출된다.

수학식 2

［S%］＝ 0.6 ×［Mn%］＋ 0.5～6.0

황화망간은 철 기지 중에 미세하게 석출하고, 피삭성 개선에 효과가 있지만, 슬라이딩 특성에 대한 효과는 부족하다. 또한, 전체 조성에 있어서의 Mn량이 많으면, 상기 수학식 2와 같이 S량이 많이 필요해진다. S는, Fe와의 사이에서 공정액상을 발생하기 때문에, 첨가하는 S량이 과다하면, 소결 시에 형 붕괴가 생긴다. 따라서, 슬라이딩 특성이나 소결성의 관점에서 Mn량은 적은 것이 바람직하고, 구체적으로는, 0.9질량% 이하로 한다. 예를 들어, 철분의 압축성을 향상시키기 위해서 철분 중의 Mn량을 0.1질량% 이하로 저감시킨 고압축성 철분이 시판되고 있는데, 이러한 철분을 이용하면,［Mn%］를 0.1이하로 억제할 수 있으므로, 더욱 바람직하다.

S는, 금속 황화물인 황화철 분말, 황화구리 분말, 황화니켈 분말, 이황화몰리브덴 분말 등의 형태로 부여할 수 있고, 이들 황화물 분말 중의 적어도 1종을 이용한다. Fe 원료 분말에 금속 황화물 분말 등의 형태로 부여한 경우, 금속 황화물 분말이 소결 시에 분해함으로써 S가 공급되고, S가 금속 황화물 분말 주위의 Fe와 결합하여 FeS를 생성한다. 황화철 분말의 형태로 부여된 FeS나 금속 황화물의 분해에 의해 생성된 FeS는, 주성분인 Fe와의 사이에서 공정액상을 발생하고, 액상 소결로 되어 분말 입자간의 넥의 성장을 촉진시킨다. 또한, 이 공정액상으로부터 S가 철 기지 중에 균일하게 확산하므로, 황화물 입자를 기지 중에서 균일하게 석출 분산시킬 수 있다.

상기 금속 황화물 분말의 분해에 의해 Cu, Ni, Mo 등이 생기는데, 이들은 상기의 전기 음성도의 값으로부터 명백한 바와 같이 Fe에 비하여 금속 황화물을 형성하기 어렵기 때문에, 대부분이 철 기지에 확산하여 고용되어, 철 기지의 강화에 기여한다. 다만, 일부에 Cu나 Mo의 금속 황화물로서 석출되는 경우도 있지만, 그 양은 극미량이며, 문제를 일으키지 않는 정도이다.

이와 같이, 황화망간 및 황화철 등의 황화물은, 기지 중의 Mn이나 Fe와 S를 결합시켜 석출시키기 때문에, 기지 중에서 석출하여 균일하게 분산한다. 따라서, 황화물은 기지에 강고하게 고착되어 있어, 슬라이딩 시에 용이하게 탈락하지 않는다. 이 때문에, 장기간에 걸친 뛰어난 슬라이딩 특성을 발휘한다. 또한, 황화물은 철 기지로부터 석출하여 생성하기 때문에, 소결 시에 있어서의 원료 분말들의 확산을 저해하지 않는다.

또한, 상기한 것처럼, 액상 소결로 됨과 더불어, 원료 분말들의 확산이 양호하게 행해지므로, 철 기지의 강도가 향상하여, 철 기지의 내마모성이 향상된다.

따라서, 본 발명의 철기 소결 슬라이딩 부재는, 기공 중 및 분말 입계 뿐만 아니라, 기지에 강고하게 고착된 고체 윤활제가, 기지 중에 균일하게 분산되어 있어, 슬라이딩 특성이나 기지 강도가 개선되어, 내마모성이 향상되게 된다.

또한, 기지 중에 석출되는 황화물은, 상대 부재와의 슬라이딩에 있어서 고체 윤활 작용을 발휘시키기 때문에, 미세한 것보다, 소정 크기인 것이 바람직하다. 이 관점에서, 최대 입경이 10㎛ 이상인 황화물 입자가, 황화물 입자 전체의 60% 이상을 차지하는 것이 바람직하다. 황화물 입자의 최대 입경이 10㎛를 밑돌면, 고체 윤활 작용을 충분히 얻기 어려워진다. 또한, 최대 입경이 10㎛ 이상인 황화물 입자가 황화물 입자 전체의 60%를 밑돌아도, 충분한 고체 윤활 작용을 얻기 어려워진다.

상기의 황화물이 분산되는 기지는, 단면 면적율로 50% 이상을 마텐자이트 조직으로 형성한다. 마텐자이트는, 단단하고, 또한 강도가 높은 조직이며, 기지 조직의 과반을 이러한 마텐자이트로 구성함으로써, 높은 면압이 작용하는 슬라이딩 조건에 있어서도, 기지의 소성 변형을 방지하여, 양호한 슬라이딩 특성을 발휘한다. 기지 조직의 전부를 마텐자이트로 하는 것이 바람직한데, 단면 면적율로 50% 이상을 마텐자이트로 하면, 예를 들어 20MPa 이상의 높은 면압이 걸리는 슬라이딩 조건에 있어서도, 양호한 슬라이딩 특성을 얻을 수 있다. 잔여의 기지는, 솔바이트, 트루스타이트, 베이나이트 등의 금속 조직으로 된다.

본 발명의 철기 소결 슬라이딩 부재에 있어서는, 철 기지의 강화를 위해, Cu 및 C를 철 기지에 고용시켜 철 합금으로서 사용한다. 이하, 첨가 원소에 대하여 그 작용을 기술한다.

Cu는, 철 기지에 고용하여 철 기지의 강화에 기여한다. 이 기지 강화를 위하여 Cu량은 0.1질량% 이상 필요해진다. 또한, Cu량을 3.5질량% 이상으로 하면 과포화의 Cu가 연질인 Cu상으로서 기지 중에 석출 분산되기 때문에, 상대재에 대한 공격성을 완화시킬 수 있다. 또한, Fe 기지 중에 석출된 Cu에 의해, 주위의 Fe와 Cu의 사이에 황화물의 석출의 기점이 되는 계면이 생긴다. 이 때문에, Cu를 함유시킴으로써 황화물은 보다 기지 중에 석출 분산되기 쉬워지고, 황화물은 기공 중에 존재하는 형태가 아니라, 기지에 강고하게 밀착하여 분산하는 형태로 된다. 다만, Cu량이 과다하게 되면, 강도가 낮은 Cu상이 다량으로 분산하기 때문에 철기 소결 슬라이딩 부재의 강도가 저하하고, 또한, 소결 시에 발생하는 액상량이 과다하게 되어 철기 소결 슬라이딩 부재의 변형이 현저해진다. 이 때문에 Cu량의 상한을 10질량%로 한다.

상기의 Cu는, Fe에 고용한 철 합금 분말의 형태로 부여하면 원료 분말이 단단해져, 압축성이 손상된다. 이 때문에, Cu는, 구리 분말 혹은 황화구리 분말의 형태로 부여한다. 구리 분말 혹은 황화구리 분말은, 소결 시에 Cu 액상을 발생하여 철 분말을 적셔 덮어, 철 분말 중에 확산한다. 이 때문에, Cu를 구리 분말 혹은 황화구리 분말의 형태로 부여해도, 철 기지로의 확산 속도가 빠른 원소인 것도 맞물려, Cu는 철 기지 중에 어느 정도 균일하게 확산한다.

또한, 기지 조직 중에 구리상이 분산하는 경우, 그 일부가 구리 황화물로 되는 경우가 있다. 이러한 구리 황화물이 기지 중에 분산하는 경우, 구리 황화물이 분산되는 만큼, 철 황화물의 양이 감소되는데, 구리 황화물도 윤활작용을 가지므로 문제는 없다.

C는, 철 기지에 고용하여 철 기지를 강화함과 더불어, 기지 조직을 마텐자이트 조직으로 하기 위해서 사용된다. C량이 부족하면, 기지 조직 중에 강도가 낮은 페라이트가 분산하여, 강도 및 내마모성이 저하한다. 이 때문에 C량을 0.2질량% 이상으로 한다. 한편, 첨가량이 과다해지면, 무른 시멘타이트가 네트워크상태로 석출된다. 이 때문에 C량의 상한을 2.0질량%로 한다. 상기의 C는, Fe에 고용한 철 합금 분말의 형태로 부여하면 원료 분말이 단단해지고, 압축성이 손상된다. 이 때문에, C는 흑연 분말의 형태로 부여한다.

본 발명의 철기 소결 슬라이딩 부재에 있어서는, 기지를 강화하기 위해 Ni, Mo 등의 합금화 원소를 더 첨가해도 된다. 즉, 전술의 전기 음성도의 관계에서, Ni, Mo 등을 함유시켜도, Mn이나 Fe의 황화물이 우선적으로 석출되기 때문에, 기지 중에 석출하는 황화물은, 황화철이 주가 되고, 일부가 미량의 황화망간으로 되어, Ni나 Mo 등의 황화물은 거의 석출되지 않는다. 이 때문에, 이들 원소를 철 기지의 강화 원소로서 이용할 수 있다.

Ni나 Mo는, 철 기지에 고용하여 철 기지의 강화에 기여함과 더불어, 철 기지의 담금질성을 개선하여 마텐자이트 조직을 얻기 쉽게 하는 효과를 가진다. 그 한편으로, Ni량이 과다하게 되면 강도가 낮은 오스테나이트상이 기지 중에 잔류할 우려가 있다. 또한, Mo는 고가이고, 첨가량이 증가하면 그만큼 원료 비용이 증가한다. 이 때문에, Ni나 Mo의 첨가량 상한을 10질량%로 한다.

Ni나 Mo는, Fe에 고용한 철 합금 분말의 형태로 부여한 경우에도, 철 합금 분말의 경도를 현저하게 증가시키는 것은 아니므로, 철 합금 분말의 형태로 부여할 수 있다. 또한, 니켈 분말이나 몰리브덴 분말의 형태로 원료 분말에 첨가해도 된다. 또한, 황화니켈 분말이나 이황화몰리브덴 분말의 형태로 원료 분말에 첨가해도 되고, 상기 황화철 분말이나 황화구리 분말에 추가해, 혹은 전부 또는 일부를 대신하여 이들 분말을 원료 분말에 첨가해도 된다.

이상에서, 본 발명의 철기 소결 슬라이딩 부재의 원료 분말은, (1) 질량비로, Mn을 0.03～1.0% 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 철 분말과, (2) 구리 분말과, (3) 흑연 분말과, (4) 황화철 분말 및 황화구리 분말 중 적어도 1종의 황화물 분말로 이루어지고, (1)～(4)의 분말을, 조성이, 질량비로, Cu：0.1～10%, C：0.2～2.0%, Mn：0.03～0.9%, S：0.52～6.54%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물이 되도록, 첨가하여 혼합한 것이다.

상기의 원료 분말을, 종래부터 행해지는 바와 같이 성형한다. 즉, 제품의 외주 형상을 조형하는 형 구멍을 가지는 금형과, 금형의 형 구멍과 슬라이딩 가능하게 끼워 맞추고, 제품의 하단면을 조형하는 하부 펀치와, 필요에 따라서 제품의 내주 형상 혹은 두께 경감부를 조형하는 코어 로드로 형성되는 캐비티에 원료 분말을 충전하고, 제품의 상단면을 조형하는 상부 펀치와, 상기 하부 펀치에 의해 원료 분말을 압축 성형한 후, 금형의 형 구멍으로부터 빼내는 방법(이른바 압형법)에 의해 성형체로 성형한다.

얻어진 성형체를 소결로에 있어서 1000～1200℃의 범위에서 소결한다. 이 때의 가열 온도, 즉 소결 온도는, 소결의 진행 및 원소의 확산에 중요한 영향을 준다. 여기서, 소결 온도가 1000℃을 밑돌면 Cu 액상의 발생량이 불충분하게 되어, 원하는 금속 조직을 얻기 어려워진다. 한편, 소결 온도가 1200℃보다 높아지면, 액상 발생량이 과다하게 되어, 소결체의 형 붕괴가 생기기 쉬워진다. 이 때문에, 소결 온도는 1000～1200℃로 한다.

얻어진 소결체를 기지 조직의 과반을 마텐자이트 조직으로 하기 위해, 담금질한다. 담금질은, 종래부터 행해지는 바와 같이, 소결체를 오스테나이트 변태 온도 이상으로 가열한 후, 기름 중 혹은 물 중에서 급냉함으로써 행해진다. 담금질 시의 가열 온도는, 820～1000℃가 적당하다. 또한, 분위기는, 비산화성 분위기가 이용되고, 침탄성 분위기여도 된다.

담금질 처리된 소결체는, 담금질 처리에 의해 변형이 과도하게 축적되어 단단하고 또한 무른 금속 조직으로 되어 있다. 이 때문에, 종래부터 행해지는 바와 같이, 담금질 처리 후의 소결체에 대하여, 다시, 150～280℃의 범위로 가열하여 상온까지 냉각하는 템퍼링 처리를 행한다. 이러한 템퍼링 처리를 행하면, 내부 응력이 완화되어, 소결체의 단단함을 저하시키지 않고 담금질 처리에 의해 생긴 변형을 제거할 수 있다. 이 때, 템퍼링의 가열 온도는 150℃를 만족하지 않으면 변형의 제거가 불완전하게 되고, 280℃을 넘으면 저탄소 마텐자이트가 페라이트와 시멘타이트로 분해되기 쉬워져, 경도가 저하한다.

본 발명의 철기 소결 슬라이딩 부재에 의하면, Cu의 사용량이 적고, 고체 윤활제로서 작용하는 황화물이, 기지 중에 석출 분산하는 것이며, 황화물의 기지에 대한 고착성이 높고, 장기에 걸쳐 뛰어난 슬라이딩 특성을 나타낸다. 또한, 기지 조직의 50% 이상을 마텐자이트 조직으로 했기 때문에, 높은 면압이 작용하는 슬라이딩 조건 하에서도 뛰어난 슬라이딩 특성을 나타낸다.

본 발명에 의하면, Cu의 사용량을 저감하여 제조 비용을 저감함과 더불어, 기지에 대한 고착성이 높은 황화물을 분산시킨 철기 소결 슬라이딩 부재 및 그 제조 방법을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 철기 소결 슬라이딩 부재의 금속 조직 사진의 일예이다.

이하, 본 발명의 철기 소결 슬라이딩 부재 및 그 제조 방법을 더욱 상세하게 설명한다. 다만, 이하의 실시 형태는 일예이며, 본 발명은 이들에 한정되지 않는다.

(1) 제1 실시 형태

Mn을 0.03～1.0질량% 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 철 분말에, 구리 분말과, 흑연 분말과, 상기 수학식 1을 만족하는 양의 황화철 분말 및 황화구리 분말 중의 적어도 1종을 첨가하고, 혼합하여 원료 분말을 제작한다. 이 때, 원료 분말이 질량비로, Cu：0.1～10%, C：0.2～2.0%, Mn：0.03～0.9%, S：0.52～6.54%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물이 되도록, 각 분말의 양을 조정한다. 그리고, 원료 분말을 소정의 형상으로 성형하고, 얻어진 성형체를 1000～1200℃의 범위에서 소결하고, 그 후, 820～1000℃, 비산화성 분위기에 있어서 담금질하고 나서, 기름 중 혹은 물 중에서 급냉하고, 다시 150～280℃의 범위에서 가열하여 상온까지 냉각시켜 템퍼링을 행한다. 이에 따라, 상기 조성이며, 단면 면적율로 50% 이상이 마텐자이트 조직인 기지 중에, 기공과 황화물 입자가 분산되는 금속 조직을 나타내고, 황화물 입자가, 기지에 대하여 3～30체적%의 비율로 분산되는 철기 소결 슬라이딩 부재를 얻을 수 있다.

이 철기 소결 슬라이딩 부재는, 과반이 마텐자이트인 기지 중에, 주로 황화철이 분산하고, 일부에 황화망간, 황화구리가 분산되는 것이며, 슬라이딩 특성이 뛰어나다. 또한, 원료 분말의 Cu가 3.5질량% 이상인 경우는, 기지 중에 또한 구리상이 분산되게 되어, 상대재에 대한 공격성이 더욱 저하된다. 또한, 액상 소결이 됨과 더불어, 원료 분말들의 확산이 양호하게 행해지므로, 철 기지의 강도가 향상되어, 철 기지의 내마모성이 향상된다. 따라서, 기공 중 및 분말 입계뿐만 아니라, 기지에 강고하게 고착된 고체 윤활제가, 기지 중에 균일하게 분산되어 있어, 슬라이딩 특성이나 기지 강도가 개선되고, 내마모성이 향상되게 된다.

(2) 제2 실시 형태

제1 실시 형태에 있어서, 기지 강도 향상을 위해, 황화철 분말이나 황화구리 분말의 전부 또는 일부에 대신하여, 황화니켈 분말, 이황화몰리브덴 분말 중의 적어도 1종의 금속 황화물 분말을, 수학식 1을 만족하도록 원료 분말에 첨가한다. 황화니켈 분말 및/또는 이황화몰리브덴 분말은, 원료 분말의 전체 조성에 있어서 Ni 및/또는 Mo가 10질량% 이하로 되는 양으로 한다. 그리고, 제1 실시 형태와 마찬가지로 성형, 소결, 열처리(담금질, 템퍼링)를 행하여, 철기 소결 슬라이딩 부재를 제조한다.

이 경우, 제1 실시 형태의 전체 조성에, Ni, Mo 중 적어도 1종의 합금 성분이 10질량% 이하 더 추가된 철기 소결 슬라이딩 부재로 된다. 첨가한 황화니켈 분말이나 이황화몰리브덴 분말은 소결 시에 분해하여 Ni나 Mo를 발생시키고, 이들 합금 성분이 철 기지에 고용되기 때문에, 철 기지의 강도가 향상되게 된다. 또한, Ni나 Mo의 일부는 황화물을 형성한다. 이 때문에, 금속 조직은, 과반이 마텐자이트인 기지 중에, 주로 황화철이 분산하고, 일부에 황화망간, 황화구리, Ni 및/또는 Mo의 황화물이 분산되는 조직이 된다.

(3) 제3 실시 형태

제1 실시 형태에 있어서, 기지 강도 향상을 위해, Mo를 더 추가한다. 이 때, Mo는, 상기 철 분말에 함유시킨 철 합금 분말의 형태 및/또는 몰리브덴 분말의 형태로 사용한다. 그리고, 상기 원료 분말의 전체 조성에, 또한 Mo가 10질량% 이하가 되도록 분말의 양을 조정한다. 다음에, 제1 실시 형태와 동일한 방법으로 성형, 소결, 열처리(담금질, 템퍼링)를 행한다. 이에 따라, 제1 실시 형태의 전체 조성에, Mo가 10질량% 이하 더 첨가된 철기 소결 슬라이딩 부재를 얻을 수 있다. 금속 조직은, 제2 실시 형태와 동일하고, 주로, 황화철이 분산되고, 일부에 황화망간, 황화구리, 황화몰리브덴 등의 금속 황화물이 분산된다. Mo를 함유하고 있으므로, 제1 실시 형태의 경우보다도 철 기지의 강도가 향상되어, 마텐자이트 조직이 얻기 쉬워지므로 면적율이 향상되게 된다.

(4) 제4 실시 형태

제3 실시 형태에 있어서 기지 강도 향상을 위해 Mo를 이용했는데, Ni를 이용해도 된다. 이 때, Ni는, 상기 철 분말에 함유시킨 철 합금 분말의 형태 및/또는 니켈 분말의 형태로 사용한다. 그리고, 상기 원료 분말의 전체 조성에, 또한, Ni가 10질량% 이하가 되도록 분말의 양을 조정한다. 다음에, 제1 실시 형태와 동일한 방법으로 성형, 소결, 열처리(담금질, 템퍼링)를 행한다. 이에 따라, 제1 실시 형태의 전체 조성에, Ni가 10 질량% 이하 더 첨가된 철기 소결 슬라이딩 부재를 얻을 수 있다. 금속 조직은, 주로, 화화철이 분산되고, 일부에 황화망간, 황화구리, 황화니켈 등의 금속 황화물이 분산된다. Ni를 함유하고 있으므로, 제1 실시 형태의 경우보다도 철 기지의 강도가 향상되고, 마텐자이트 조직이 얻기 쉽기 때문에 면적율이 향상되게 된다.

실시예

이하, 본 발명의 철기 소결 슬라이딩 부재를 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명한다.

［제1 실시예］

Mn을 0.3질량% 함유하는 철 분말에, 황화철 분말(S량：36.48질량%)을 표 1에 나타내는 비율로 첨가함과 더불어, 구리 분말을 1.5질량% 및 흑연 분말을 1.0질량% 첨가하고, 혼합하여 원료 분말을 얻었다. 그리고, 원료 분말을 성형 압력 600MPa로 성형하고, 외경 25.6㎜, 내경 20㎜, 높이 15㎜의 링 형상의 압분체 및 외경 18㎜, 내경 10㎜, 높이 10㎜의 링 형상의 압분체를 각각 제작했다. 이어서, 비산화성 가스 분위기 중, 1150℃에서 소결한 후, 침탄 가스 분위기 중, 850℃로 유지 후 유냉을 행하고, 다시 180℃에서 템퍼링 처리를 행하여 시료 번호 01～14의 소결 부재의 시료를 제작했다. 이들 시료의 전체 조성을 표 1에 함께 표시한다. 또한, 전체 조성 중의 Mn량을［Mn%］, S량을［S%］로 하여, Mn과 결합하는 S량을 나타내는 “0.6×［Mn%］”의 값과, Mn 이외의 원소와 결합하는 S량을 나타낸다”［S%］－0.6×［Mn%］”의 값을 표 1에 병기한다.

얻어진 시료에 대하여, 단면 조직 관찰을 행하여, 화상 분석 소프트웨어(미타니쇼지 가부시키가이샤 제 WinROOF)를 이용하여 황화물의 면적을 측정함과 더불어, 최대 입경이 10㎛ 이상인 황화물의 면적을 측정하여 전체 황화물의 면적에 대한 비율을 구했다. 마찬가지로, 마텐자이트 면적의 비율을 구했다. 이들 결과를 표 2에 나타낸다.

또한, 외경 25.6㎜, 내경 20㎜, 높이 15㎜의 링 형상의 소결 부재에 대하여, JIS 규격에 규정된 SCM435H의 조질재를 상대재로서 이용하고, 링 온 디스크 마찰 마모 시험기에 의해, 주속 400rpm, 20MPa의 하중 하에서 슬라이딩 시험을 행하여, 마찰 계수를 측정했다. 또한, 윤활유로서 10W－30 상당의 엔진 오일을 이용했다. 이 결과에 대해서도 표 2에 함께 나타낸다.

또한, 외경 18㎜, 내경 10㎜, 높이 10㎜의 링 형상의 소결 부재에 대하여, 시마즈 제작소 제 오토 그래프를 이용하여 압환 강도를 측정했다. 이들 결과에 대해서도 표 2에 함께 나타낸다.

표 1, 2로부터 알 수 있듯이, 황화철 분말의 첨가량의 증가에 따라, 전체 조성중의 S량이 증가하고, 황화물의 석출량이 증가하고 있다. 최대 입경이 10㎛ 이상인 황화물은, 전체 조성 중의 S량이 적은 경우에는 거의 존재하지 않지만, S량의 증가에 따라 그 비율이 증가하고, 황화물의 대부분이 최대 입경이 10㎛ 이상이 되는 경향을 나타내고 있다. 또한, S량의 증가에 따라, 마텐자이트 조직의 면적 비율이 감소하는 경향을 나타내고 있다.

황화철 분말의 첨가량이 적고, S량이 적은 시료 번호 01～04의 시료에서는,［S%］－0.6×［Mn%］의 값이 0.5미만이 되고, 황화물량이 3면적% 미만으로 되어 있다. 이 때문에, 마찰 계수가 커진다. 한편, 시료 번호 05～12의 시료에서는,［S%］－0.6×［Mn%］의 값이 0.5 이상이며, 황화물량이 3면적% 이상으로 됨과 더불어, 최대 입경이 10㎛ 이상인 황화물의 비율이 60% 이상이다. 또한, 이들 시료에 있어서, 마텐자이트 조직의 비율은 50% 이상이다. 이들 시료에 있어서는, 고체 윤활제로서 작용하는 크기의 황화물이 충분히 석출 분산되기 때문에, 마찰 계수의 값이 시료 번호 01인 시료에 비하여 4할 이상 저감되어 있다. 또한, 마찰 계수는, 황화물의 석출량의 증가에 따라 저하하는 경향을 나타내고 있다.

다만, 시료 번호 13의 시료에서는, 황화물량이 30%를 초과하고 있고, 황화물이 조대(粗大)로 되어 있다. 이는, S량의 증가에 따라, 황화물의 석출량이 과다하게 되어, 황화물 입자가 한군데에 있어서 복수 성장하고, 복합 입자로 되었기 때문이라고 생각된다. 황화물이 조대로 되어 있으므로, 황화물 입자간의 간격이 넓어져 황화물이 존재하지 않는 기지의 면적이 증가하는 결과, 마찰 계수가 약간 증가한다. 또한, 황화철 분말의 첨가량의 증가에 따라, 액상 발생량도 증가한다. 이 결과,［S%］－0.6×［Mn%］의 값이 6.0을 넘는 시료 번호 13의 시료에서는, 액상 발생량이 과다로 되어 형 붕괴가 발생한다.

한편, 압환 강도는 황화철 분말의 첨가량이 증가함에 따라 감소하는 경향이 있다. 이는, S가 페라이트 안정화 원소이며, 동 온도에서 열처리를 실시해도 오스테나이트화하기 어려워져, 마텐자이트의 비율이 감소했기 때문이라고 생각된다. 또한, 동시에 금속 황화물의 증가에 의해, 마텐자이트의 비율이 감소하기 때문에, 압환 강도가 저하했다고 생각된다. 특히 시료 번호 13의 시료에서는 액상이 다량으로 발생했기 때문에, 압환 강도가 대폭 저하했다.

이로부터,［S%］－0.6×［Mn%］의 값을 0.5～6.0으로 할 필요가 있는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 황화물 입자의 양이 3～30면적%이고, 최대 입경이 10㎛ 이상인 황화물의 비율이 60% 이상이 되어, 기지에 분산하는 황화물의 크기와 그 양이 적절해진다. 또한, 마텐자이트의 면적율의 비율도 50% 이상이 된다. 이와 같이 황화물의 크기와 양을 제어함으로써, 슬라이딩 특성, 내마모성 및 압환 강도가 뛰어난 철기 소결 슬라이딩 부재를 얻을 수 있다.

일예로서, 시료 번호 09의 철기 소결 슬라이딩 부재의 금속 조직을 도 1에 나타낸다. 기지는 마텐자이트 조직이며, 일부, 펄라이트(도면 중 흑색 조직)가 관찰된다. 마텐자이트 기지는 재료의 경도를 높여, 압환 강도를 높이고 있다. 한편, 황화물 입자(도면 중 회색의 부분)는 기지 중에 분산하고 있고, 기지 중으로부터 석출하여 분산되어 있다. 이와 같이 황화물 입자가 소정의 크기이기 때문에, 고체 윤활제로서 작용하여, 마찰 계수의 저감에 기여한다고 생각된다. 또한, 기공(도면 중 흑색의 부분)은 비교적 동그란 형상으로 되어 있는데, 이는 FeS 액상의 발생에 의한 것으로 생각된다.

［제2 실시예］

표 3에 나타내는 비율의 M을 함유하는 철 분말에, 황화철 분말(S량：36.48질량%)을 ［S%］－0.6×［Mn%］의 값이 2.0이 되도록 조정하여 첨가함과 더불어, 구리 분말을 1.5질량% 및 흑연 분말을 1.0질량% 첨가하고, 혼합하여 원료 분말을 얻었다. 그리고, 원료 분말에 대하여 제1 실시예와 동일하게 하여 성형, 소결, 열 처리를 행하여 시료 번호 14～20의 시료를 제작했다. 또한, 제1 실시예와 동일하게 하여, 황화물의 면적, 전 황화물의 면적에 대한 최대 입경이 10㎛ 이상인 황화물의 비율, 마텐자이트 조직의 면적의 비율, 마찰 계수 및 압환 강도를 측정했다. 이들 결과를 표 4에 나타낸다. 또한, 0.6×［Mn%］의 값과,［S%］－0.6×［Mn%］의 값을 표 3에 병기한다. 또한, 제1 실시예의 시료 번호 08의 시료의 결과도 표 3 및 4에 나타낸다.

표 3, 4로부터 알 수 있듯이, 철분말 중의 Mn량이 증가하고, 전체 조성에 있어서의 Mn량이 증가하면, 황화물의 석출량도 증가한다. Mn량의 증가에 따라, 미세한 황화망간이 증가하기 때문에, 최대 입경이 10㎛ 이상인 황화물의 비율이 감소하고, 황화물이 미세화하는 경향을 나타내고 있다.

또한, 철 분말 중의 Mn량이 증가해도, 전체 조성에 있어서의 Mn량이 0.9% 이하까지는, S량을 조정함으로써 소정 크기의 황화물의 비율을 조정하여 마찰 계수가 낮은 소결 부재를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다.

한편, Mn량이 증가함으로써, 마텐자이트상의 면적율도 증가한다. 그러나, 강도의 값은 작아진다. 이는 Mn량의 증가에 따라 황화물의 면적율이 증가하고, 금속 입자간의 결합 강도가 저하했기 때문이다. 또한, 철 분말 중의 Mn량의 증가에 따라, 철 분말은 단단해지고, 압축성이 저하하기 때문에, 강도가 저하했다고 생각된다. 또한, 일반적으로, Mn은 담금질성을 향상시키는 원소의 하나인데, Mn량에 대하여 S량이 과포화인 상태로 되어 있으므로, 담금질성에 기여하는 분의 Mn은 거의 얻을 수 없고, 강도 향상 효과를 얻을 수 없다고 생각된다. 그리고, 시료 번호 20의 시료에서는, 강도 저하가 현저하게 크다. 이들로부터, 전체 조성 중의 Mn량은 0.03～0.9질량% 이하로 한다.

또한, 실시예 1에서는, 전체 조성 중의 S량은 0.67～6.15질량%에 있어서 마찰 계수 및 압환 강도의 값이 양호한데, 수 1 및 본 실시예의 결과를 고려하면 S량은 0.52～6.54질량%이면 되는 것을 알 수 있다.

［제3 실시예］

Mn을 0.3질량% 함유하는 철 분말에, 황화철 분말(S량：36.48질량%)을 ［S%］－0.6×［Mn%］의 값이 2.0이 되도록 조정하여 첨가하고, 구리 분말을 표 5에 나타내는 비율로 첨가함과 더불어, 흑연 분말을 1.0질량% 첨가하고, 혼합하여 원료 분말을 얻었다. 그리고, 원료 분말에 대하여 제1 실시예와 동일하게 하여 성형, 소결 및 열 처리를 행하여 시료 번호 21～30의 시료를 제작했다. 또한, 제1 실시예와 동일하게 하여, 황화물의 면적, 전 황화물의 면적에 대한 최대 입경이 10㎛ 이상인 황화물의 비율, 마텐자이트 조직의 면적의 비율, 마찰 계수 및 압환 강도를 측정했다. 이들 결과를 표 6에 나타낸다. 또한, 0.6×［Mn%］의 값과, ［S%］－0.6×［Mn%］의 값을 표 5에 병기한다. 또한, 제1 실시예의 시료 번호 08의 시료의 결과도 표 5 및 6에 나타낸다.

표 5, 6으로부터 알 수 있듯이, 구리 분말의 첨가량을 변화시켜 전체 조성 중의 Cu량을 변화시키면, Cu량의 증가에 따라 황화철 분말의 첨가량이 감소하기 때문에, 황화물량은 저하한다. 또한, Cu의 일부가 황화물을 형성하는데, 황화철에 대하여 황화구리의 비중이 크기 때문에, 황화물량의 면적율이 저하한다고 생각된다. 그러나, 본 실시예의 Cu의 첨가량의 범위에서는, 충분한 황화물량을 얻을 수 있어, 마찰 계수는 낮은 값을 나타낸다.

또한, 구리 분말의 첨가량이 증가함에 따라 강도는 크게 상승한다. 시료 번호 21의 시료의 마찰 계수는 0.16으로 낮은 값을 나타내지만, 압환 강도의 값은 400MPa를 밑돈다. 금속 조직을 확인한 바, 황화물은 분말의 계면에 많이 석출되어 있고, 강도 저하를 초래하는 것을 알았다. 한편, 시료 번호 22～29의 시료는 기지의 내부에 황화물이 분산되어 있다. 이는, 구리는 단독으로 기지 중에 석출하는 특징을 가지고 있고, 이를 핵으로 하여 황화철이 기지 내부에서 석출됨으로써 분말들의 결합이 강해졌다고 생각된다. 또한, 구리 분말의 첨가량이 증가함으로써 마텐자이트의 면적의 비율이 증가한다. 이는 구리가 강의 담금질성을 향상시켰기 때문이다.

다만, Cu량이 5질량%를 넘으면, 유리 구리상이 증가하여, 마텐자이트 조직을 가지는 철 기지 자체의 양이 저하하기 때문에 강도가 저하한다. 이 때문에, 강도가 중요해지는 슬라이딩 부재에 적용하는 경우, Cu량의 첨가를 10질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

［제4 실시예］

Mn을 0.3질량% 함유하는 철 분말에, 구리 분말을 1.5질량%와, 표 7에 나타내는 양의 흑연 분말을 첨가함과 더불어, 황화철 분말(S량：36.47질량%)을 ［S%］－［Mn%］×0.6의 값이 2.0이 되도록 조정하여 첨가하여, 원료 분말을 얻었다. 그리고, 원료 분말에 대하여 제1 실시예와 동일하게 하여 성형, 소결, 열 처리를 행하여 시료 번호 31～41의 시료를 제작했다. 또한, 제1 실시예와 동일하게 하여, 황화물의 면적, 전 황화물의 면적에 대한 최대 입경이 10㎛ 이상인 황화물의 비율, 마텐자이트 조직의 면적율, 마찰 계수 및 압환 강도를 측정했다. 이들 결과를 표 8에 나타낸다. 또한, 표 7, 8에는, 제1 실시예의 시료 번호 08의 시료의 결과를 함께 나타낸다.

표 7, 8로부터 알 수 있듯이, 흑연 분말의 첨가량을 변화시켜 전체 조성 중의 C량을 변화시키면, C량의 증가에 따라 황화철 분말의 첨가량이 감소하기 때문에 황화물량은 약간 저하하지만, 황화물의 크기에는 거의 영향을 주지 않는다. 다만, 마텐자이트의 면적율이 변화하고 있다. 시료 번호 31의 시료는 전체 조성에 C가 존재하지 않기 때문에, 마텐자이트 조직을 얻을 수 없어 경도가 낮아지고, 마모가 일어났기 때문에 마찰 계수의 값이 높다. 또한 압환 강도도 낮은 값을 나타낸다. 한편, 전체 조성 중의 C량이 0.2질량% 이상이 되면 마텐자이트 조직이 60% 이상이 되어, 마찰 계수가 저하하고, 강도도 상승한다. 이는, 기지의 과반을 마텐자이트 조직으로 함으로써 내마모성이 향상되었기 때문에, 고온면압 하에 있어서도 마모가 일어나기 어려워졌기 때문이라고 생각된다.

그러나, 전체 조성 중의 C가 1.0질량%를 넘으면, 반대로 마텐자이트의 면적율이 저하한다. 이에 따라 마찰 계수는 증가하고, 강도도 저하하는 경향이 있다. 이는, C량이 증가함으로써 시멘타이트가 석출되기 시작함과 더불어 잔류 오스테나이트가 발생하게 되기 때문이다. 단단한 시멘타이트가 상대재를 공격하기 때문에 마모가 발생하여, 마찰 계수가 증가한다. 또한, 흑연 첨가량이 2.0질량%를 넘으면 다량으로 시멘타이트가 발생하여 융점 강하가 일어나고, 액상 발생량이 증가했으므로, 형 붕괴가 생겼다. 이로부터, C량은 0.2질량% 이상 2질량% 이하로 한다.

［제5 실시예］

Mn을 0.3질량% 함유하는 철 분말에, 구리 분말을 1.5질량%와, 흑연 분말을 1.0질량% 첨가함과 더불어, 황화철 분말(S량：36.47질량%)을 ［S%］－［Mn%］×0.6의 값이 2.0이 되도록 조정하고 첨가하여, 원료 분말을 얻었다. 그리고, 원료 분말에 대하여 제1 실시예와 동일하게 하여 성형, 소결, 열 처리를 행하여 시료 번호 42～46의 시료를 제작했다. 다만, 소결은 표 9에 나타내는 소결 온도에서 행했다. 또한, 제1 실시예와 동일하게 하여, 황화물의 면적, 전 황화물의 면적에 대한 최대 입경이 10㎛ 이상인 황화물의 비율, 마텐자이트 조직의 면적율, 마찰 계수 및 압환 강도를 측정했다. 이들 결과를 표 9에 함께 표시한다. 또한, 표 9에는, 제1 실시예의 시료 번호 08의 시료의 결과를 함께 표시한다.

표 9에 나타내는 바와 같이, 소결 온도가 증가하면 10㎛ 이상의 황화물의 비율이 증가한다. 그에 따라 마찰 계수의 값도 작아진다. 다만, 소결 온도가 1000℃를 만족하지 않으면 충분한 크기의 황화물을 얻을 수 없기 때문에, 마찰 계수가 높고, 소결이 불충분하므로 충분한 강도도 얻을 수 없다. 또한, 소결 온도가 1250℃에서는 액상 발생량이 과다로 되어, 형을 유지하지 못하고 형 붕괴가 생겼다. 이로부터 소결 온도는 1000℃부터 1200℃로 한다.

［제6 실시예］

Mn을 0.3질량% 함유하는 철 분말에, 구리 분말을 1.5질량%와, 흑연 분말을 1.0질량% 첨가함과 더불어, 표 10에 표시하는 양의 Ni 분말을 첨가하고, 황화철 분말(S량：36.47질량%)을 ［S%］－［Mn%］×0.6의 값이 2.0이 되도록 조정하고 첨가하여, 원료 분말을 얻었다. 그리고, 원료 분말에 대하여 제1 실시예와 동일하게 하여 성형, 소결, 열 처리를 행하여 시료 번호 47～51의 시료를 제작했다. 또한, 제1 실시예와 동일하게 하여, 황화물의 면적, 전 황화물의 면적에 대한 최대 입경이 10㎛ 이상인 황화물의 비율, 마텐자이트 조직의 면적율, 마찰 계수 및 압환 강도를 측정했다. 이들 결과를 표 11에 나타낸다. 또한, 표 10, 11에, 제1 실시예의 시료 번호 08의 시료의 결과를 함께 표시한다.

표 10, 11에 나타내는 바와 같이 Ni 분말의 첨가량이 증가함으로써 마텐자이트의 면적율은 증가한다. 이는 Ni에 의해 담금질성이 향상했기 때문이다. 이 때문에, 강도는 상승한다. 다만, Ni 분말의 첨가량이 3.0질량%를 넘으면, 연질인 Ni 리치상이 증가하기 때문에 마텐자이트의 면적의 비율이 저하하여, 강도가 저하하는 경향이 있다. 또한, 10질량%를 넘으면, 연질인 Ni 리치상이 다량으로 되기 때문에, 그곳을 기점으로 하여 마모가 진행하여, 마찰 계수를 증가시켰다. 이로부터, 전체 조성에 있어서의 Ni의 비율은 10질량% 이하가 바람직하다.

［제7 실시예］

Mn을 0.3질량％ 함유하는 철 분말에, 이황화몰리브덴 분말(S량：40.06질량％) 또는 황화구리 분말(S량：33.54질량%)을［S%］－0.6×［Mn%］의 값이 2.0이 되도록 조정하여 첨가함과 더불어, 구리 분말을 1.5질량%와, 흑연 분말을 1.0질량% 첨가하여, 원료 분말을 얻었다. 그리고, 원료 분말에 대하여 제1 실시예와 동일하게 하여 성형, 소결, 열 처리를 행하여 시료 번호 52, 53의 시료를 제작했다. 또한, 제1 실시예와 동일하게 하여, 황화물의 면적, 전 황화물의 면적에 대한 최대 입경이 10㎛ 이상인 황화물의 비율, 마텐자이트 조직의 면적율, 마찰 계수 및 압환 강도를 측정했다. 이들 결과를 표 13에 함께 표시한다. 또한, 표 12, 13에는, 제1 실시예의 시료 번호 08의 시료의 결과를 함께 표시한다.

표 12, 13으로부터 알 수 있듯이, 금속 황화물의 종류를 변경해도 S량이 동일한 정도이면, 황화물의 크기나 그 양에 현저한 변화는 볼 수 없고, 동일한 마찰 계수로 할 수 있는 것이 확인되었다. 또한, 이황화몰리브덴 분말이나 황화구리 분말은 Mo나 Cu와 같이 담금질성이 높아지는 원소가 포함되어 있으므로, 기지 강도가 향상하고, 압환 강도의 값이 큰 값을 나타냈다.

［제8 실시예］

Mn을 0.3질량%와 표 14에 나타내는 양의 Mo를 함유하는 철 합금 분말에, 구리 분말을 1.5질량%와, 흑연 분말을 1.0질량% 첨가함과 더불어, 황화철 분말(S량：36.47질량%)을［S%］－［Mn%］×0.6의 값이 2.0이 되도록 조정하고 첨가하여, 원료 분말을 얻었다. 그리고, 원료 분말에 대하여 제1 실시예와 동일하게 하여 성형, 소결, 열 처리를 행하여 시료 번호 54～58의 시료를 제작했다. 또한, 제1 실시예와 동일하게 하여, 황화물의 면적, 전 황화물의 면적에 대한 최대 입경이 10㎛ 이상인 황화물의 비율, 마텐자이트 조직의 면적율, 마찰 계수 및 압환 강도를 측정했다. 이들 결과를 표 15에 함께 표시한다. 또한, 표 14, 15에는, 제1 실시예의 시료 번호 08의 시료의 결과를 함께 표시한다.

표 14, 15로부터 알 수 있듯이, 철 합금 분말 중의 Mo량의 증가에 따라, 마텐자이트의 면적율은 증가한다. 이는 Mo에 의해 담금질성이 향상했기 때문이다. 이에 따라, 압환 강도의 값도 상승한다. 다만, 시료 번호 58의 시료로부터 알 수 있듯이, Mo량이 10질량%를 넘어도 강도는 더 향상되지 않는다. 또한, Mo는 고가의 합금 성분이므로, 전체 조성 중의 Mo량은 10질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Claims

전체 조성이, 질량비로, Cu：0.1～10%, C：0.2～2.0%, Mn：0.03～0.9%, S：0.52～6.54%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 전체 조성에 있어서의 S의 질량%를 [S%］, Mn의 질량%를 ［Mn%］로 했을 때, 하기 수학식 1을 만족함과 더불어,
단면 면적율로 50% 이상이 마텐자이트 조직인 기지 중에, 기공과 황화물 입자가 분산되는 금속 조직을 나타내고, 상기 황화물 입자가, 상기 기지에 대하여 3～30체적%의 비율로 분산되는 것을 특징으로 하는 철기 소결 슬라이딩 부재.
수학식 1
［S%］＝ 0.6 ×［Mn%］＋ 0.5～6.0
청구항 1에 있어서,
상기 황화물 입자에 있어서, 최대 입경이 10㎛ 이상인 황화물 입자가, 황화물 입자 전체의 60% 이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 철기 소결 슬라이딩 부재.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
Ni 또는 Mo 중 적어도 1종을 각각 10질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 철기 소결 슬라이딩 부재.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
면압이 20MPa 이상이 되는 슬라이딩 환경 하에서 사용되는 것을 특징으로 하는 철기 소결 슬라이딩 부재.
질량비로, Mn을 0.03～1.0% 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 철 분말과, 구리 분말과, 흑연 분말과, 황화철 분말 및 황화구리 분말 중 적어도 1종의 황화물 분말을 준비하고,
질량비로, Cu：0.1～10%, C：0.2～2.0%, Mn：0.03～0.9%, S：0.52～6.54%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물이 되도록, 상기 철 분말에, 상기 구리 분말, 상기 흑연 분말 및 상기 황화물 분말을 첨가하고 혼합하여, 원료 분말을 제작하고,
상기 원료 분말을 소정의 형상으로 성형하여, 얻어진 성형체를 1000～1200℃의 범위에서 소결하고, 그 후, 담금질, 템퍼링하는 것을 특징으로 하는 철기 소결 슬라이딩 부재의 제조 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 황화물 분말에 추가해, 혹은 전부 또는 일부를 대신해, 황화니켈 분말 및 이황화몰리브덴 분말 중 적어도 1종을 상기 원료 분말에 첨가하고, 상기 원료 분말에 Ni 및/또는 Mo를 10질량% 이하 더 추가하는 것을 특징으로 하는 철기 소결 슬라이딩 부재의 제조 방법.
청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
상기 원료 분말 중의 Mo량이 10질량% 이하가 되도록, 상기 철 분말에 Mo를 첨가하거나, 및/또는 상기 원료 분말에 몰리브덴 분말을 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 철기 소결 슬라이딩 부재의 제조 방법.
청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
상기 원료 분말 중의 Ni량이 10질량% 이하가 되도록, 상기 철 분말에 Ni를 첨가하거나, 및/또는 상기 원료 분말에 니켈 분말을 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 철기 소결 슬라이딩 부재의 제조 방법.