KR20130063487A - 슬라이딩재용 구리 합금 - Google Patents

Abstract

납이나 몰리브덴에 의지하지 않고, 슬라이딩성이 우수한 구리 합금을 얻는다. 가스 아토마이즈법에 의해 형성시킨 Cu와 Fe와 S를 함유하는 원료 분말을 소결하여 얻어지는 Cu₅FeS₄의 소결체를 함유하는 구리 합금으로 한다.

Description

슬라이딩재용 구리 합금{COPPER ALLOY FOR SLIDING MEMBER}

본 발명은 베어링 재료 등의 슬라이딩 부재에 사용하는 구리 합금으로서, 슬라이딩성에 기여하는 성분으로서 납 이외의 슬라이딩성에 기여하는 성분을 함유하는 것에 관한 것이다.

베어링 재료 등의 슬라이딩 부재에는 CAC603(Cu-Sn-Pb계 구리 합금)으로 대표되는 납을 함유하는 구리 합금이 사용되고 있으며, 모두 납이 슬라이딩성에 기여하고 있다. 그러나, 납의 사용을 억제하는 사회적 요청에 부응하기 위해서, 납의 사용량을 억제한 슬라이딩재용 구리 합금이 다양하게 검토되고 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는 일부를 Sn이나 Zn로 치환해도 되는 Cu를 매트릭스 재료로 하고, 저마찰 합금으로서 Fe, Ni, Co의 어느 하나와, Mo와 S로 이루어지는 합금을 사용하여 이들을 소결하여 얻어지는 슬라이딩 부재가 기재되어 있다. MoS₂상이 마찰 계수의 저감에 기여하고, 황화철에 의해 MoS₂의 생성이 방해되는 것을, Fe의 일부를 Mi, Co로 치환하는 것으로 억제한다.

일본 공개특허공보 2003-73758호

그러나, MoS₂를 주 슬라이딩재로 하는 구리 합금(특허문헌 1)에서는, MoS₂를 얻는 소결 공정 뿐만 아니라 사용중에도 MoS₂가 산화하여 열화하는 경우가 있기 때문에 소결 공정에서의 산화를 막기만 해서는 윤활 성능의 저하를 막을 수 없다는 문제가 있다.

그래서 본 발명은 산화의 우려가 있는 MoS₂에 의지하지 않고, 유효한 슬라이딩 특성을 발휘하는 구리 합금을 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 Cu₅FeS₄를 함유하는 슬라이딩재용 구리 합금에 의해 상기한 과제를 해결한 것이다. Cu₅FeS₄를 함유하는 구리 합금은 높은 슬라이딩 성능을 발휘한다.

Cu₅FeS₄를 함유하는 구리 합금을 얻는 방법으로서는, 예를 들면, 아토마이즈법에 의해 Cu와 S와 Fe를 함유하는 원료 분말을 형성시키면, Cu₅FeS₄를 함유하는 구리 합금이 생긴다. 이것은 아토마이즈법의 급냉에 의한 것으로 생각되며, 마찬가지의 조건을 달성할 수 있는 것이면 제조 방법은 특별히 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 구리 합금은 함유하는 Cu₅FeS₄가 슬라이딩성을 발휘하기 때문에 종래의 슬라이딩재용 구리 합금이 가지고 있었던 문제를 해결한 것이 된다.

이 구리 합금은 소결체로 한 후에도 Cu₅FeS₄가 존재할 수 있기 때문에, 베어링에 사용하는 금구의 백 메탈 상에 가스 아토마이즈법에 의해 생성한 입자분을 산포하고, 소결, 압연함으로써 표면에 슬라이딩 성능을 발휘하는 층을 형성한 적층 소결 부재로서 사용할 수 있다.

도 1은 실시예 1의 소결 전의 원료 분말의 X선 회절 그래프
도 2는 실시예 2의 소결 전의 원료 분말의 X선 회절 그래프
도 3은 실시예 1의 소결 후의 원료 분말의 X선 회절 그래프
도 4는 실시예 2의 소결 후의 원료 분말의 X선 회절 그래프
도 5는 마찰 마모 시험에 사용하는 칩의 형상을 나타내는 도면
도 6은 마찰 마모 시험에 사용하는 칩 홀더의 형상을 나타내는 도면
도 7은 마찰 마모 시험에 사용하는 핀의 형상을 나타내는 도면
도 8은 마찰 마모 시험에 사용하는 디스크의 형상을 나타내는 도면

이하, 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다. 본 발명은 Cu₅FeS₄를 함유하는 슬라이딩재용 구리 합금이다. Cu₅FeS₄는 Cu와 Fe와 S를 가지는 원료를 용융 혼합한 후 가스 아토마이즈법이나 물 아토마이즈법 등의 방법으로 급냉함으로써 구리 합금 중에 생성한다. 여기서 구리 합금은 50질량% 이상이 구리로 이루어지는 합금을 말한다.

이 구리 합금은 Cu와 Fe와 S 이외의 원소를 함유하고 있어도 된다. 예를 들면, Sn을 1질량% 이상 15질량% 이하 함유하는 청동계 구리 합금이어도 된다. 이러한 청동계 구리 합금이 되는 성분으로 소성하면 고강도가 되기 때문에 바람직하다.

또, 탈산 효과를 발휘시키기 위해서, 급냉을 실행하기 전의 용융한 단계에서 P를 함유해도 된다.

소결 후의 상기 구리 합금 중에 가지는 Pb의 양은 적을수록 바람직하다. Pb가 많으면 환경 부하의 점에서 바람직하지 않다.

이들 원소를 함유하는, 급냉을 행하는 용탕을 제작할 때에 사용하는 원료로서는 Cu의 단체, Sn의 단체, 황화철, Cu-Fe, CuP 등을 사용할 수 있다.

이들 재료를 혼합하여 용해한 후, 용탕을 급냉하여 Cu₅FeS₄를 함유하는 구리 합금 재료 또는 구리 합금을 생성시킨다. 급냉 방법으로서는 아토마이즈법을 사용하면, 신속하게 냉각할 수 있음과 아울러 균일한 입자가 얻어지기 쉬우므로 바람직하고, 가스 아토마이즈법에 의하면 균일하며 양호한 구리 합금 재료의 원료가 되는 입자가 얻어진다. 가스 아토마이즈법에 의해 구리 합금 입자를 얻기 위해서는 용탕을 넣은 용기의 바닥부에 설치한 노즐 구멍으로부터 그 용탕을 흘리고, 그 흐름을 향하여 불활성 가스를 제트로 내뿜는다. 불활성 가스를 사용하는 것은 원료가 산화해버리는 것을 막기 위해서이다. 구체적으로는 질소, 아르곤 등을 사용할 수 있다.

상기한 불활성 가스의 온도는 규정하지 않지만 용탕과의 충분한 온도차에 의한 급냉이 필요하게 된다. 구체적으로는 10³K/sec 정도나, 또는 그 이상의 냉각 속도이면 된다.

용탕의 흐름은 제트로 내뿜어지는 불활성 가스에 의해 미세화됨과 아울러 급냉하여 미세분말이 된다. 이 액적화와 냉각을 동시에 행하기 때문에 입자는 구형에 가깝게 균질한 것이 얻어진다. 이 급냉시에 Cu₅FeS₄의 화합물이 일단 합금 내에 형성된다.

이 가스 아토마이즈법으로 생성하는 원료 분말의 입자 직경은 150μm 이하이면 바람직하다. 입경이 지나치게 크면 슬라이딩재의 제조를 효율적으로 행할 수 없는 우려가 있다.

이렇게 하여 얻어진 원료 분말을 소결하여, 슬라이딩재로서 적합한 구리 합금이 얻어진다. 이 소결은 예를 들면 슬라이딩층을 형성시키고자 하는 재료 상에 분말을 산포하고 나서 소결해야 할 온도로 가열하는 방법으로 행하면 된다. 산포하고 나서 소성하는 경우, 일시 소결 후 압연한 후에 2차 소결을 행하여 다시 압연하면 일시 소결만 한 경우보다 강고하게 기재와 일체화한 슬라이딩층을 얻을 수 있다. 여기서 소결 전의 분말에 구리 합금 등 다른 합금 분말을 혼합한 후, 소결에 사용할 수도 있다.

원료 분말을 소결하는 온도는 800℃ 이상 900℃ 이하가 바람직하고, 특히 830℃ 이상 860℃ 이하의 조건으로 5분~60분 소결을 행하는 것이 바람직하다. 온도가 지나치게 낮거나 시간이 지나치게 짧아도, 온도가 지나치게 높거나 시간이 지나치게 길거나 해도 슬라이딩재로서 적합한 기계적 특성을 얻을 수 없게 될 우려가 있다. 또, 소결은 환원 분위기하에서 행하는 것이 바람직하다. 분말이 산화해버릴 우려가 있기 때문이다. 또한, 소결로는 배치로이어도 되고 연속로이어도 된다.

본 발명에 따른 슬라이딩재용 구리 합금은 Cu₅FeS₄를 1질량% 이상 함유하면 필요한 슬라이딩성을 발휘할 수 있고, 2질량% 이상이면 충분한 슬라이딩성을 확보할 수 있으므로 보다 바람직하다. 한편, 20질량%를 넘게 함유시키려고 해도 다른 상이 생겨버리기 때문에 곤란하며, 15질량% 이하이면 슬라이딩재용 구리 합금으로서 현실적이어서 바람직하다.

[실시예]

이하, 본 발명에 대해서, 청동계 구리 합금으로서의 구체적인 실시예를 들어 설명한다. 우선, 사용하는 원료에 대해서 설명한다.

(실시예 1, 2)

단체의 Cu, 단체의 Sn, 황화철, Cu-Fe, CuP를 혼합하여 도가니에 넣고, 질소 분위기 중에서 가열하고 융해시켜 용탕을 얻는다.

이 용탕을 흘려내고 그 유로 상의 노즐로부터 상온 질소 가스를 분사하고, 10³K/s 정도로 급냉함과 아울러 입자를 얻었다. 이 입자 중 입경이 150μm 이하의 분말을 후술하는 시험에 사용했다.

아토마이즈법으로 얻는 실시예의 목표로 하는 재료 중 원소비는 실시예 1에서는 Sn이 9.0~11.0질량%, Fe가 1.5~2.5질량%, S가 0.5~0.7질량%, P가 0.01~0.03질량%, 잔부가 Cu와 불가피 불순물이다. 또, 실시예 2에서는 Sn이 9.0~11.0질량%, Fe가 1.5~2.5질량%, S가 1.8~2.2질량%, P가 0.01~0.03질량%, 잔부가 Cu와 불가피 불순물이다.

<X선 회절 시험>

이렇게 하여 얻어진 입자의 분말에 대해서, 분말 X선 회절법에 의한 해석을 했다. 장치는 X선 회절 장치(XRD, (주)리가쿠 RINT-2500H/PC)를 사용했다. X선원은 CoKα(30kV-100mA)이며, 방식은 θ-2θ법이다. 주사 해상도는 0.02°이며, 주사 속도는 2°/min으로 행하도록 60rpm으로 시료를 회전시켰다. 실시예 1의 결과를 도 1에, 실시예 2의 결과를 도 2에 나타낸다. 각각 (a)는 전강도 그래프, (b)는 확대 그래프이다. 모두 Cu₅FeS₄의 1형태인 PDF(Powder Diffraction File(International Centre for Diffraction Date-ICDD 발행)) 42-1405의 회절 피크(각 도면 아래의 피크)에 상당하는 개소에 피크가 관측되고 있으며, 용탕으로부터의 급냉에 의해 Cu₅FeS₄가 생성하고 있는 것이 확인되었다. 또 그 밖의 황화물 및 황 단체는 검출되지 않았다. 이 때문에, 실시예 1 및 2에 있어서, 황은 거의 전량이 Cu₅FeS₄를 형성하고 있다고 생각된다.

이 입자 분말과 Cu(80)-Sn(20) 합금 분말을 혼합한 것을 두께 3.2mm의 백 메탈(SPC 강판 100mm×28mm) 상에 두께 2.5mm가 되도록 산포하고, 환원 분위기 하의 관상로에서 830~860℃의 범위에서 10분간에 걸쳐 가열하여 1차 소결을 행했다. 그 후 롤러로 1차 압연을 행하고, 다음에 1차 소결과 동등한 조건으로 2차 소결을 행하고, 총두께가 90% 정도(구리 합금층의 두께 2mm 정도)가 된 소결 시료를 얻었다. 이 소결 시료에 대해서, 상기와 마찬가지로 분말 X선 회절법에 의한 해석을 했다. 실시예 1의 결과를 도 3에, 실시예 2의 결과를 도 4에 나타낸다. 모두, Cu₅FeS₄의 1형태인 PDF25-1424의 회절 피크(각 도면 아래의 피크)에 대응하는 개소에 확실한 피크가 관측되었다. 또 그 밖의 황화물 및 황 단체는 검출되지 않았다. 이 때문에, 소결 후도 Cu₅FeS₄의 구조가 변화되고 있기는 하지만, 황은 거의 전량이 Cu₅FeS₄를 형성한 그대로라고 생각된다.

<성분 분석>

실시예 1 및 2의 소결한 시험편에 대해서 성분 분석을 했다. 각각의 성분의 함유율의 분석은 Sn, Fe에 대해서는 ICP 발광 분광 분석법에 의해 행하고, S의 함유율의 분석은 고주파 연소 적외선 흡수법에 의해 행하고, P의 함유율은 몰리브도바나도인산 흡광 광도법에 의해 행하고, Pb에 대해서는 ICP 발광 분광 분석법에 의해 행했다. 또한, ICP 발광 분광 분석법에 있어서는 ICP 분석 장치로서 서모일렉트론사제:IRIS Advantage RP CID 검출기를 사용했다. 또, 잔여분을 구리라고 계산했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다. 상기한 바와 같이, S는 전량이 Cu₅FeS₄를 형성하고 있다고 생각되므로, 성분비로부터 실시예 1에서는 2.03질량%, 실시예 2에서는 6.34질량%의 Cu₅FeS₄가 함유된다고 생각된다. 또, 비교예 1 및 2에 대해서는 합금의 목표값을 표 1에 기재했다.

<마찰 마모 시험>

다음에 상기한 실시예 1 및 2, 비교예 1로서 종래의 납 함유 슬라이딩재용 합금인 CAC603, 비교예 2로서 Cu:88wt%-Sn:12wt%로 이루어지는 Cu-Sn합금에 대해서 시험편을 제작하여 마찰 마모 시험을 행하고 PV값을 측정했다.

우선, 시험편의 제작에 대해서 설명한다. 실시예 1, 2에서는 가스 아토마이즈법으로 얻어진 입자와 Cu(80)-Sn(20) 합금 분말을 혼합한 것, 비교예 2에서는 하기 표 1에 기재한 성분비의 분말을 사용하여 X선 회절 시험과 동일한 방법으로 시험편을 제작했다.

실시예 1, 2 및 비교예 2의 소결품을 도 5에 나타내는 형상의 φ5×4t로 슬라이딩 표면은 Ra 3.2의 바이메탈 칩(11)으로 가공했다. 또한, 도면의 좌측(12)이 구리 합금층이며, 우측(13)이 백 메탈이다. 이것을 도 6에 나타내는 형상의 내주가 φ5.0인 칩 홀더(15)에 세트 볼트(16)로 고정하여 시험편으로 했다. 또, 비교예 1의 CAC603 슬라이딩재에 대해서는, 도 7에 나타내는 형상의 핀(17)(단차 비형성부(19)가 φ8×25t이며, 단차 형성부(18)가 φ5×6t가 되도록 슬라이딩측을 단차 형성 가공하고 있다. 슬라이딩 표면은 Ra 3.2.)으로 가공한 것을 시험편으로 했다. 이들 핀과 슬라이딩시키는 디스크는 도 8에 나타내는 형상과 같이, φ55×5t이며 시험면이 Ra 3.2의 S45C 철강제 시료 디스크(21)를 사용했다.

시험기는 다카치호세이키(주)제 마찰 마모 시험기 RI-S-500NP를 사용했다. 시험기의 디스크(21) 및 칩 시험편(22)은 유량 200ml/min으로 흐르는 오일(쇼와셸(주)제 리무라 D20W-20)에 침지시키고 있으며, 시험 환경의 온도는 80±5℃를 유지시켰다.

시험은 디스크의 주속(周速)을 6.2m/s로 하고, 3분간의 예비 운전 후, 25MPa씩 하중(평균 면압)을 상승시키는 스텝 운전으로 하고, 각 하중에서는 2분간 유지했다. 시험 중에 유연(油煙)이 발생한 시점을 눌어붙은 것으로 상정하여 시험을 종료시켰다. 표 1에 각 하중에서의 평균 마찰 계수와 눌어붙음시의 부가에 있어서의 평균 면압과 주속의 곱인 최대 PV값을 나타낸다.

실시예 1 및 2는 납을 가지는 종래의 슬라이딩재 CAC603과 동등 이상의 평균 마찰 계수와 PV값을 나타내고, 유효한 슬라이딩 특성이 발휘되는 것이 확인되었다. 또 실시예 1과 2를 비교하면 Cu₅FeS₄를 많이 함유하는 실시예 2 쪽이 양호한 평균 마찰 계수와 PV값을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 이것에 대하여, Cu₅FeS₄를 가지지 않는 비교예 2는 1단계째의 승압 후 곧 눌어붙음을 일으켜버려, 슬라이딩 특성을 발휘하지 않았다.

다른 실시예로서 물 아토마이즈법으로 제작한 입자 분말을 사용하여 상기와 마찬가지로 제작한 시험편과 소결 전의 분말의 X선 회절 시험을 행했더니, 도시는 생략하지만 양자 모두 Cu₅FeS₄(PDF25-1424)의 회절 피크에 상당하는 개소에 확실하게 피크가 관측되고, 그 밖의 황화물이나 황 단체의 피크는 관측되지 않았다.

11…바이메탈 칩
12…구리 합금층
13…백 메탈
15…칩 홀더
16…세트 볼트
17…핀
18…단차 형성부
19…단차 비형성부
21…시료 디스크

Claims (5)

1. Cu₅FeS₄를 함유하는 슬라이딩재용 구리 합금.
2. 제 1 항에 있어서, Sn을 1질량% 이상 15질량% 이하 함유하는 청동계인 것을 특징으로 하는 슬라이딩재용 구리 합금.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 아토마이즈법에 의해 형성시킨 Cu와 Fe와 S를 함유하는 원료 분말을 소결하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 슬라이딩재용 구리 합금.
4. 제 1 항 내지 제 3 항의 슬라이딩재용 구리 합금을 슬라이딩면에 사용한 슬라이딩재.
5. 기재 상에 상기 원료 분말을 산포한 것을 기재와 함께 소결하여 얻어지는, 제 3 항의 슬라이딩재용 구리 합금을 슬라이딩면에 형성시킨 슬라이딩재.

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