KR20170055298A - 철강재와 구리합금의 소결접합 방법 및 소결접합체 - Google Patents

철강재와 구리합금의 소결접합 방법 및 소결접합체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철강재 상에 납을 포함하는 구리합금 분말을 소결접합 하는 방법과 그 소결접합체에 관한 것이다.
납을 포함하는 구리합금을 철강재에 소결접합하는데 있어서, 철강재와 구리합금재의 접합 경계면을 따라서 납 석출물이 면적을 가지며 형성되어 접합강도가 저하되는 것을 방지하는 철강재와 구리합금재의 소결접합 방법 및 그 소결접합체를 제공한다.
철강재 상에 제 1 구리합금 분말층을 형성하는 단계;
상기 제 1 구리합금 분말층을 철강재에 소결접합하여 제 1 구리합금 접합층을 형성하는 단계;
상기 제 1 구리합금 접합층 상에 제 2 구리합금 분말층을 형성하는 단계;
상기 제 2 구리합금 분말층을 소결 및 확산접합하여 제 2 구리합금 접합층을 형성하는 단계를 거치는 2단계의 소결접합을 실시하고,
상기 제 1 구리합금 분말층은 구성 성분으로 납 분말을 포함하지 않으며,
상기 제 2 구리합금 분말층은 구성 성분으로 납 분말을 포함하고,
상기 제 2 구리합금 접합층을 형성하는 과정에서 상기 제 2 구리합금 분말층에 포함된 납 성분이 상기 제 1 구리합금 접합층 내부로 확산하여 분산 석출하여, 상기 제 1 구리합금 접합층과 상기 제 2 구리합금 접합층이 일체의 구리합금 접합층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 납을 포함하는 구리합금 분말과 납을 포함하지 않는 구리합금 분말을 2단계로 분리하여 소결 및 확산접합함으로써, 철강재와 구리합금의 소결접합 경계면을 따라 납 석출물이 면적을 가지며 형성되는 종래기술의 문제점이 방지되고, 그 결과 철강재와 구리합금재 사이의 접합 강도가 크게 개선된다.

Description

철강재와 구리합금의 소결접합 방법 및 소결접합체{Method of binding steel and Cu-alloy by sintering and the product of the same}
본 발명은 철강재 상에 구리합금 분말을 소결접합 하는 방법과 그 소결접합체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철강재 슬라이딩 부재 표면에 내마모성 및 고체 윤활성이 우수한 구리합금 분말을 소결접합하는 방법 및 그 소결접합체에 관한 것이다.
유압 실린더와 피스톤 사이의 접동이나, 건설기계의 베어링 부시 등 부재간 접동이 이루어지는 부위에, 내마모성과 고체 윤활성이 우수한 구리합금, 예를 들어 청동계나 납청동계 재료를 접동부재로 접합하는 것은 일반적으로 이용되는 기술이다.
한국 공개특허공보 KR 10-1998-0069237(1998.10.26)에는 유압펌프실린더의 철합금제 피스톤블록에, 구리 분말, 주석 분말, 납 분말, 니켈 분말의 혼합물로 이루어진 구리합금 분말을 1회의 소결에 의하여 접합하는 방법을 개시하고 있다.
한국 공개특허공보 KR 10-1996-0037185(1996.04.04)에는 철계재료에 Cu-Sn계 합금재료를 소결접합하는 단계, 그리고 연이어 승온 가열하는 단계에 의하여 구리계재료를 치밀화하는 열처리를 실시하여 접합하는 방법을 개시하고 있다.
일본 공개특허공보 JP 특허평11-217637(1999.08.10)에는 납을 포함한 구리계 슬라이드 재료를 철계 모재에 소결접합하는데 있어서, 납이 금속 성분으로서 슬라이드 재료에 분산 석출하는 것을 방지하기 위하여, 티타늄과 마그네슘을 첨가함으로써 납계 금속간화합물의 형태로 분산 석출시키는 접합 방법을 개시하고 있다.
위의 종래기술들은 모두 철강재와 납을 포함하는 구리계의 소결접합 방법에 대하여 개시하고 있으나, 석출물이 소결접합 경계면을 따라 면적을 가지고 분포함으로써, 접합강도가 크게 저하되는 부정적인 영향에 대한 해결방안을 제시하고 있지 않다.
본 발명은 구리계, 특히 납을 포함하는 구리합금을 철강재에 소결접합하는데 있어서, 철강재와 구리합금재의 접합 경계면을 따라 납 석출물이 면적을 가지는 형태로 분포되는 것을 방지하여, 접합강도가 우수한 소결접합 방법 및 그 방법에 의해 제조된 철강재와 구리합금재의 소결접합체를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따르는 소결접합 방법은,
철강재 상에 제 1 구리합금 분말층을 형성하는 단계;
상기 제 1 구리합금 분말층을 철강재에 소결접합하여 제 1 구리합금 접합층을 형성하는 단계;
상기 제 1 구리합금 접합층 상에 제 2 구리합금 분말층을 형성하는 단계;
상기 제 2 구리합금 분말층을 소결 및 확산접합하여 제 2 구리합금 접합층을 형성하는 단계를 거치는 2단계의 소결접합을 실시하고,
상기 제 1 구리합금 분말층은 구성 성분으로 납 분말을 포함하지 않으며,
상기 제 2 구리합금 분말층은 구성 성분으로 납 분말을 포함하고,
상기 제 2 구리합금 접합층을 형성하는 과정에서 상기 제 2 구리합금 분말층에 포함된 납 성분이 상기 제 1 구리합금 접합층 내부로 확산하여 분산 석출함으로써, 상기 제 1 구리합금 접합층과 상기 제 2 구리합금 접합층이 일체의 구리합금 접합층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 납을 포함하는 구리합금 분말과 납을 포함하지 않는 구리합금 분말을 2단계로 분리하여 소결 및 확산 접합함으로써, 철강재와 구리합금의 소결접합 경계면을 따라 납 석출물이 면적을 가지고 분포되는 종래기술의 문제점이 방지되고, 그 결과 철강재와 구리합금재 사이의 접합 강도가 크게 개선된다.
도 1은 종래기술에 의하여 철강재 위에 납을 포함하는 구리합금 분말을 소결접합하여 형성한 접합체를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 종래기술에 의하여 형성한 구리합금 접합층의 접합 경계면에서의 단면 조직을 개략적으로 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따라 2단계의 소결과정을 거쳐 철강재 위에 구리합금 접합층을 형성하는 공정의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 철강재와 구리합금재의 최종 소결접합체를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따라 형성한 구리합금 접합층의 접합 경계면에서의 단면 조직을 개략적으로 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따라 철강재와 구리합금재를 소결접합한 제품의 사진이다.
도 7은 도 6에 나타낸 소결접합 제품의 접합 단면을 보여주는 사진이다.
도 1은 종래의 소결접합 방법에 의하여 철강재(10) 위에 납을 포함하는 구리합금 접합층(100)을 소결접합한 접합체를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2는 종래기술에 의하여 소결접합된 구리합금 접합층(100)의 접합 경계면(101)에서의 단면 조직을 개략적으로 나타낸 것이다.
종래의 소결접합 방법에 의하여 납을 포함하는 구리합금 분말을 철강재(10) 상에 소결접합하는 경우, 구리합금 접합층(100)의 기지조직(102) 내부에 입자형 납 석출물(51)이 분산 석출할 뿐만 아니라, 철강재(10)와 구리합금 접합층(100)의 접합 경계면(101)을 따라 상대적으로 넓은 면적에 걸쳐 형성된 면적형 납 석출물(51')들이 형성된다.
접합 경계면(101)을 따라 면적을 가지고 분포하는 면적형 납 석출물(51')은 철강재(10)와 구리합금 접합층(100) 사이의 접합 강도를 현저하게 저하시키는 주요 원인이 된다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 철강재와 구리합금의 소결접합 방법의 실시 형태를 상세히 설명한다.
이하의 실시 형태는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것은 아니다.
도 3에 본 발명의 일실시예에 따르는 철강재와 구리합금의 소결접합 공정을 개략적으로 나타내었다.
구리합금 접합층을 형성하는 모재가 되는 철강재(10) 상에 납 성분을 포함하지 않는 Cu-Sn-Ni 성분으로 이루어진 제 1 구리합금 분말층(20)을 형성하고, 통상적인 소결접합 방법을 통하여 제 1 구리합금 접합층(21)을 형성한다.
소결접합을 위한 가열 시간, 가열 온도 및 분위기는 이 기술 분야에 잘 알려진 기술로서 자세한 설명은 생략한다.
상술한 단계에서 형성된 제 1 구리합금 접합층(21) 상에 납 성분을 포함하는 Cu-Sn-Ni-Pb 성분으로 이루어진 제 2 구리합금 분말층(30)을 형성하고, 마찬가지로 통상적인 소결접합 방법을 통하여 제 2 구리합금 접합층(31)을 형성한다.
이 때, 제 2 구리합금 분말층(30)에 포함된 납 성분은 제 2 구리합금 접합층(31)의 내부에 입자형 납 석출물(51) 형태로 분산 석출하고, 또한 소결과정에서 납 성분이 제 1 구리합금 접합층(21) 내부로 확산하여, 제 1 구리합금 접합층(21)의 내부에도 마찬가지로 분산 석출된 입자형 납 석출물(51)이 형성된다.
제 2 구리합금 분말층(30)의 납 성분이 제 1 구리합금 접합층(21)에 확산하여 소결접합된 결과, 제 1 구리합금 접합층(21)과 제 2 구리합금 접합층(31) 사이의 납 성분의 농도는 연속적으로 변화하는 분포를 가지게 되며, 도 4에 나타낸 것과 같이, 실질적으로 제 1 구리합금 접합층(21)과 제 2 구리합금 접합층(31)은 경계가 구분되지 않는 일체의 구리합금 접합층(200)을 형성하게 된다.
도 6에 본 발명의 일실시예에 의해 소결접합된 구리합금 접합층(200)의 접합 경계면(201)의 단면 조직을 개략적으로 나타내었다. 본 발명의 일실시예에 의해 형성된 일체의 구리합금 접합층(200)과 철강재(10)의 접합 경계면(201)에는 종래의 소결접합 방법에 의해 제조된 소결접합체의 접합 경계면(101)과 달리, 경계면을 따라 면적을 가지고 분포되는 면적형 납 석출물(51')이 형성되지 않는다.
즉, 구리합금 접합층(200)의 접합 경계면(201)의 단면 조직에 존재하는 모든 납 석출물(51,51')들 각각의 단면적의 총합은,
접합 경계면(201)의 단면 조직에 존재하는 납 석출물(51,51')을 포함하지 않고, 접합 경계면(201)에 평행한 임의의 단면인 Ⅰ-Ⅰ단면 조직에 존재하는 모든 납 석출물(51,51')들 각각의 단면적의 총합보다 작거나 같다.
상기의 제 1 구리합금 분말층(20)의 구성 성분은 주석 분말 7 내지 16 중량%, 니켈 분말 1 내지 5 중량%, 잔부 구리 분말로 이루어질 수 있고, 상기 제 2 구리합금 분말층(30)은 제 1 구리합금 분말층(20)에 비하여 납 분말을 2 내지 10중량% 더 포함할 수 있다.
실시예에 포함된 제 1 구리합금 분말층(20)과 제 2 구리합금 분말층(30)의 성분과 함량은 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명에 따라 납 성분을 포함하는 구리합금과 철강재를 소결접합 하는 방법에서, 제 1 구리합금 분말층(20)에 납 분말을 포함하지 않고, 제 2 구리합금 분말층(30)에만 납 분말을 포함하는 조건하에서 다양한 형태로 제 1 구리합금 분말층(20)과 제 2 구리합금 분말층(30)의 성분 및 함량을 구성할 수 있다.
예를 들어 납 분말과 구리 분말을 제외한 각각의 성분에 있어서, 제 1 구리합금 분말층(20)을 이루는 함량과 제 2 구리합금 분말층(30)을 이루는 함량은 동일할 수도 있고, 다를 수도 있다.
본 발명에 따르는 철강재와 구리합금의 소결접합체는 제 1 구리합금 접합층(21)과 제 2 구리합금 접합층(31)을 2단계의 소결접합에 의해서 형성하나, 최종적으로 두 접합층의 경계가 구분되지 않는 일체의 구리합금 접합층(200)을 형성하게 된다. 일체의 구리합금 접합층(200)에는 제 1 구리합금 접합층(21)과 제 2 구리합금 접합층(31) 모두에 걸쳐 입자형 납 석출물(51)이 분산 석출하면서도,
일체의 구리합금 접합층(200)과 철강재(10)의 접합 경계면(201)을 따라서 면적을 가지며 분포하는 면적형 납 석출물(51')이 전혀 또는 거의 형성되지 않아 접합 강도가 종래에 비하여 크게 개선된다.
10: 철강재
100, 200: 구리합금 접합층
101, 201: 접합 경계면
20: 제 1 구리합금 분말층
21: 제 1 구리합금 접합층
30: 제 2 구리합금 분말층
31: 제 2 구리합금 접합층
51: 입자형 납 석출물
51': 면적형 납 석출물

Claims (7)

  1. 철강재(10) 상에 제 1 구리합금 분말층(20)을 형성하는 단계;
    상기 제 1 구리합금 분말층(20)을 철강재(10)에 소결접합하여 제 1 구리합금 접합층(21)을 형성하는 단계;
    상기 제 1 구리합금 접합층(21) 상에 제 2 구리합금 분말층(30)을 형성하는 단계;
    상기 제 2 구리합금 분말층(30)을 소결 및 확산접합하여 제 2 구리합금 접합층(31)을 형성하는 단계로 이루어지고,
    상기 제 1 구리합금 분말층(20)은 구성 성분으로 납을 포함하지 않으며,
    상기 제 2 구리합금 분말층(30)은 구성 성분으로 납을 포함하고,
    상기 제 2 구리합금 접합층(31)을 형성하는 과정에서 상기 제 2 구리합금 분말층(30)에 포함된 납 성분이 상기 제 1 구리합금 접합층(21)의 내부로 확산하여 분산 석출하는 것을 특징으로 하는 철강재와 구리합금의 소결접합 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 구리합금 분말층(20)은,
    주석 분말 7 내지 16 중량%,
    니켈 분말 1 내지 5 중량%,
    잔부 구리 분말로 이루어지고,
    상기 제 2 구리합금 분말층(30)은,
    주석 분말 7 내지 16 중량%,
    니켈 분말 1 내지 5 중량%,
    납 분말 2 내지 10중량%,
    잔부 구리 분말로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철강재와 구리합금의 소결접합 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 구리합금 분말층(20)과 상기 제2 구리합금 분말층(30)을 이루는 성분들 중 구리와 납을 제외한 제3 성분에 대하여,
    상기 제1 구리합금 분말층(20)을 이루는 상기 제3 성분의 함량은,
    상기 제2 구리합금 분말층(30)을 이루는 상기 제3 성분의 함량과 동일한 것을 특징으로 하는 철강재와 구리합금의 소결접합 방법.
  4. 철강재(10) 상에 제 1 구리합금 분말층(20)을 형성하는 단계;
    상기 제 1 구리합금 분말층(20)을 철강재(10)에 소결접합하여 제 1 구리합금 접합층(21)을 형성하는 단계;
    상기 제 1 구리합금 접합층(21) 상에 제 2 구리합금 분말층(30)을 형성하는 단계;
    상기 제 2 구리합금 분말층(30)을 소결 및 확산접합하여 제 2 구리합금 접합층(31)을 형성하는 단계로 이루어지는 방법에 의하여 소결접합되고,
    상기 제 1 구리합금 분말층(20)은 구성 성분으로 납을 포함하지 않으며,
    상기 제 2 구리합금 분말층(30)은 구성 성분으로 납을 포함하며,
    상기 제 2 구리합금 접합층(31)의 내부에는 상기 제 2 구리합금 분말층(30)의 납 성분이 분산 석출하며,
    상기 제 1 구리합금 접합층(21)의 내부에는 상기 제 2 구리합금 분말층(30)의 납 성분이 확산 및 분산 석출하여 일체화된 구리합금 접합층(200)이 형성되는 것을 특징으로 하는 철강재와 구리합금의 소결접합체.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 일체화된 구리합금 접합층(200)과 상기 철강재(10)와의 접합 경계면(201)의 단면 조직 상에 존재하는 모든 납 석출물(51,51')들 각각의 단면적의 총합은,
    상기 접합 경계면(201)의 단면 조직 상에 존재하는 모든 납 석출물(51,51')을 포함하지 않도록,
    상기 일체화된 구리합금 접합층(200)의 두께 방향 임의 위치에서,
    상기 접합 경계면(201)에 평행하게 자른 단면 조직에 존재하는 모든 납 석출물(51,51')들 각각의 단면적의 총합보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 철강재와 구리합금의 소결접합체.
  6. 제 4항 또는, 제 5항에 있어서,
    상기 제1 구리합금 분말층(20)과 상기 제2 구리합금 분말층(30)을 이루는 성분들 중 구리와 납을 제외한 제3 성분에 대하여,
    상기 제1 구리합금 분말층(20)을 이루는 상기 제3 성분의 함량은,
    상기 제2 구리합금 분말층(30)을 이루는 상기 제3 성분의 함량과 동일한 것을 특징으로 하는 철강재와 구리합금의 소결접합체.
  7. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 제 1 구리합금 분말층(20)은,
    주석 분말 7 내지 16 중량%,
    니켈 분말 1 내지 5 중량%,
    잔부 구리 분말로 이루어지고,
    상기 제 2 구리합금 분말층(30)은,
    주석 분말 7 내지 16 중량%,
    니켈 분말 1 내지 5 중량%,
    납 분말 2 내지 10중량%,
    잔부 구리 분말로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철강재와 구리합금의 소결접합체.
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