KR20170061130A - 슬라이딩 부재 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20170061130A
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sliding
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base layer
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KR1020177007696A
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요우스케 스가이
요시노리 이토
토시히코 모우리
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엔티엔 가부시키가이샤
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Abstract

슬라이딩 부재(1)를 소결체로 형성한다. 이 소결체는 Fe계 조직을 주체로 하여 1.0~5.0wt%의 Cu, Cu보다 저융점의 금속, 및 C를 함유하는 베이스층(3)과, 베이스층(3)과 접한 상태에서 베이스층과 함께 소결되고, 슬라이딩면(A)을 갖는 슬라이딩층(2)으로 이루어진다. 슬라이딩층(2)은 Ni, Mo, Mn, 및 Cr 중에서 선택되는 적어도 1종의 합금 원소를 포함하는 Fe계 조직을 베이스로 하여 Cu 및 C를 더 함유하고, Cu의 함유량이 베이스층보다 많게 되어 있다.

Description

슬라이딩 부재 및 그 제조 방법{SLIDE MEMBER AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은 타부재와 슬라이딩하는 슬라이딩면을 갖는 슬라이딩 부재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
예를 들면 건설기계의 암의 관절부에 사용되는 베어링은 베어링면에 매우 큰 면압이 가해지기 때문에 우수한 내마모성이 요구된다. 이 종류의 베어링으로서 예를 들면 주강 합금을 절삭 가공한 것이나, 슬라이딩면에 흑연편을 반점 형상으로 채워 넣은 것이 있지만, 모두 제조 비용이 높은 것이 문제가 되고 있다. 그래서, 이들 대신에 성형성이 우수한 소결 금속으로 이루어지는 소결 베어링이 제안되고 있다. 예를 들면 특허문헌 1에는 건설기계용의 베어링으로서 마르텐사이트 조직을 포함한 철 탄소계 합금에 구리를 분산시킨 소결 베어링이 나타내어져 있다. 이 소결 베어링에서는 소결 후에 소결체 전체를 담금질하고, 그 후, 내외주면 및 끝면을 절삭 및 연삭해서 소정 치수로 마무리하는 것으로 하고 있다.
이 외, 소결체에 있어서의 각 부위마다 재질을 다르게 하여 이들 각 부위마다 그 기능을 다르게 하기 위해서 소결체의 내주면측과 외주면측에서 재질을 다르게 하는 2층 구조의 압분체를 성형하는 방법이 특허문헌 2에 기재되어 있다. 구체적으로는 압분체의 외주면측을 고강도의 제 1 분말로 형성함과 아울러 내주면측을 저마찰성이 우수한 제 2 분말로 형성하고, 그 후, 이 압분체를 소결하는 것으로 하고 있다.
일본특허공개 2003-222133호 공보 일본특허공개 2005-95979호 공보
특허문헌 2에 기재되는 2층 구조 소결체에 있어서, 내주면을 저마찰 계수로 하기 위해서는 소결체의 내주면에 구리 리치 층을 형성할 필요가 있다. 그 한편으로 2층 구조 소결체의 외주면측을 고강도, 특히 특허문헌 1에 기재되는 건설기계의 암의 관절부에 설치되는 베어링에 요구되는 바와 같은 높은 강도를 확보하기 위해서는 소결체의 외주면측을 철-탄소를 주체로 한 조직(펄라이트 조직)으로 형성할 필요가 있다. 이 경우, 압분체는 구리의 융점(1083℃)을 크게 초과하는 온도에서 소결하게 된다.
그러나, 이렇게 압분체를 고온에서 소결한 경우, 내주면의 구리 리치 층에 포함되는 구리가 완전히 용융된다. 용융된 구리는 외주면측의 구리 농도가 낮은 층으로 끌려들어가기 때문에 소결 후의 내주면에 충분한 구리 조직이 형성되지 않는다. 그 한편으로, 단지 소결 온도를 낮추는 것 만으로는 소결체의 외주면측에서 필요로 되는 강도를 확보할 수 없다. 따라서, 이대로는 고강도화와 슬라이딩성을 양립한다는 2층 구조 소결체의 본래의 목적을 달성할 수 없다.
그래서, 본 발명은 소결체의 강도를 확보하면서 슬라이딩면의 슬라이딩성이나 내구성을 향상시킬 수 있는 슬라이딩 부재 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 소결체로 형성되고, 타부재와 슬라이딩하는 슬라이딩면을 갖는 슬라이딩 부재로서, Fe계 조직을 주체로 하여 1.0~5.0wt%의 Cu, Cu보다 저융점의 금속, 및 C를 함유하는 베이스층과, 베이스층과 접한 상태에서 베이스층과 함께 소결되고, 상기 슬라이딩면을 갖고, 합금 원소를 포함하는 Fe계 조직, 및 Cu계 조직을 주체로 하여 C를 더 함유하고, Cu의 함유량이 베이스층보다 많은 슬라이딩층을 구비하고, 슬라이딩층에 포함되는 상기 합금 원소를 모두 Fe계 조직과 합금화시킨 것을 특징으로 하는 것이다.
Fe계 조직(Fe를 주성분으로 하는 조직)을 주체로 하는 베이스층에 Cu와 Cu보다 저융점의 금속을 함유시킴으로써 소결 시에는 우선 베이스층에 포함되는 저융점 금속이 용융되고, 저융점 금속의 용융액이 Cu 입자의 표면을 적신다. 그 때문에 Cu가 그 융점을 하회하는 온도에서 용융되고, 용융된 Cu와 저융점 금속이 Fe 입자에 침투해서 Fe 입자 내부까지 확산된다. 이것에 의해, Fe 입자끼리가 강고하게 결합되어 베이스층의 강도가 향상되기 때문에 철계 소결체의 경우보다 소결 온도를 낮춰도 베어링 강도를 확보하는 것이 가능해진다. 소결 온도를 낮춤으로써 슬라이딩층에 포함되는 Cu 입자의 대부분이 소결 중에도 용융되지 않고 고체의 상태를 유지한다. 그 때문에 슬라이딩층으로부터 베이스층으로 끌려들어가는 Cu 입자의 양이 적어지고, 슬라이딩면에 목적량의 Cu계 조직(Cu를 주성분으로 하는 조직)을 분포시키는 것이 가능해진다. 소결 시에 슬라이딩층의 Cu 입자가 일부 용융되어도 철계 소결체의 소결 온도(통상은 1130℃ 이상)보다 소결 온도를 낮게(예를 들면 1070℃~1120℃) 함으로써 Cu 입자의 용융량을 적게 할 수 있다. 이상으로부터 슬라이딩면에서의 슬라이딩성과 소결체의 강도를 양립하는 것이 가능해진다.
또한, 슬라이딩층에 포함되는 합금 원소를 모두 Fe계 조직과 합금화시킴으로써 소결 후의 잔류 오스테나이트가 감소한다. 그 때문에 슬라이딩면의 경도 및 강도를 향상시킬 수 있다.
이 슬라이딩 부재에 있어서, 슬라이딩층에 포함되는 합금 원소로서 담금질성을 향상시키는 원소(Ni, Mo, Mn, 및 Cr 중에서 선택되는 적어도 1종)를 함유시키면, 침탄 담금질 등의 열 처리를 행하는 일 없이 소결 후의 냉각 과정에서 슬라이딩층에 포함되는 Fe계 조직의 적어도 일부를 마르텐사이트 변태 및 베이나이트 변태시킬 수 있다(신터 하드닝). 이것에 의해 슬라이딩면을 포함하는 슬라이딩층이 고경도화되므로 슬라이딩면의 내마모성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이것과 더불어 베이스층 내에서의 Cu와 저융점 금속의 Fe 입자에의 확산에 의해 베이스층의 강도 향상이 달성되고 있으므로 소결체 전체의 강도가 향상된다. 따라서, 충격 하중이 빈번히 작용하고, 고면압 하에서 사용되는 슬라이딩 부재, 예를 들면 건설기계의 암의 관절부에 사용되는 베어링으로서 사용하는 것도 가능해진다.
그 한편으로, 소결체의 대부분을 차지하는 베이스층이 기본적으로 상기 합금 원소를 함유하고 있지 않으므로 베이스층의 Fe계 조직에서는 마르텐사이트 변태나 베이나이트 변태가 생기지 않는다. 이렇게 슬라이딩층에만 담금질성을 향상시키는 합금 원소를 배합함으로써 고가의 합금 원소의 사용량을 삭감해서 저비용화를 도포할 수 있다. 또한, 베이스층이 슬라이딩층과 비교해서 연질인 것이 되므로 소결체의 치수 교정을 사이징(금형 내에서 소결체를 압축 정형하는 공정)에 의해 행하는 것이 가능해진다. 특허문헌 1의 구성에서는 소결 후의 담금질로 소결체 전체를 경화시키고 있기 때문에 소결체의 치수 교정은 절삭·연삭 등의 기계 가공에서 행하지 않을 수 없지만, 본 발명의 슬라이딩 부재는 사이징에 의한 치수 교정이 가능하여 기계 가공이 불필요해진다. 또한, 소결 후의 담금질 공정도 불필요하다. 이렇게 소결 후의 담금질 공정 및 기계 가공 공정을 생략할 수 있으므로 특허문헌 1에 기재된 발명과 비교해서 슬라이딩 부재를 더 저비용화할 수 있다.
슬라이딩층의 Cu계 조직은 70~100%를 입경 45㎛ 미만으로 하는 구리 분말에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이렇게 구리 분말을 소입경화함으로써 소결 중에 슬라이딩층에 포함되는 구리 분말의 일부가 용융해서 베이스층으로 빠져 나왔을 때에 슬라이딩층에 형성되는 홀이 작아지기 때문에 슬라이딩면의 강도를 높여서 충격 하중 등에 의한 슬라이딩면의 변형을 방지할 수 있다. 또한, 구리 입자가 Fe 입자에 확산되기 쉬워지기 때문에 슬라이딩층의 Fe 입자 간의 결합 강도를 높여 슬라이딩면의 강도를 더 높일 수 있다.
또한, 슬라이딩층에는 Cu보다 저융점의 금속을 더 함유시키는 것이 바람직하다. 이것에 의해 소결 시에 슬라이딩층에 포함되는 Cu가 Fe 입자 중에 확산되기 쉬워져 Fe 입자끼리의 결합 강도가 높아지기 때문에 슬라이딩층, 나아가서는 슬라이딩 부재 전체의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
베이스층에 포함되는 저융점의 금속으로서는 인(P)을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 베이스층에 있어서의 Fe에 대한 저융점 금속의 함유량은 0.1~0.6wt% 로 하는 것이 바람직하다.
슬라이딩층의 Cu의 함유량을 10wt% 이상, 30wt% 이하로 함으로써 슬라이딩면의 슬라이딩성을 확보하면서 구리의 과잉 사용에 의한 고비용화를 방지할 수 있다. 베이스층의 Fe 입자를 결합시키기 위해서 베이스층에도 Cu를 함유시킬 필요가 있지만, 그 때에 베이스층의 Cu 함유량을 슬라이딩층의 Cu 함유량보다 작게 함으로써 고가인 구리의 사용량을 억제하여 저비용화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명은 소결체로 형성되고, 타부재와 슬라이딩하는 슬라이딩면을 갖는 슬라이딩 부재로서, Fe계 조직을 주체로 하여 1.0~5.0wt%의 Cu, Cu보다 저융점의 금속, 및 C를 함유하는 베이스층과, 베이스층과 접한 상태에서 베이스층과 함께 소결되고, 상기 슬라이딩면을 갖고, 합금 원소를 포함하는 Fe계 조직, 및 Cu계 조직을 주체로 하여 Cu보다 저융점의 금속 및 C를 더 함유하고, Cu의 함유량이 베이스층보다 많은 슬라이딩층을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이렇게 슬라이딩층에 Cu보다 저융점의 금속을 함유시킴으로써 소결 시에 슬라이딩층에 포함되는 Cu가 Fe 입자 중에 확산되기 쉬워진다. 그 때문에 Fe 입자끼리의 결합 강도를 높여 슬라이딩층, 나아가서는 슬라이딩 부재 전체의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
이상에 기술한 슬라이딩 부재는 Fe계 분말을 주체로 하여 1.0~5.0wt%의 Cu, Cu보다 저융점의 금속, 및 C를 더 포함하는 제 1 분말을 조제하고, 합금 원소를 포함하는 Fe계 분말을 주체로 하여 Cu 및 C를 더 포함하고, Cu의 함유량이 제 1 분말보다 많고, 또한 상기 합금 원소의 단체 분말을 포함하지 않는 제 2 분말을 조제하고, 금형 내에 칸막이 부재를 배치해서 제 1 분말 충전부와 제 2 분말 충전부를 형성하고, 제 1 분말 충전부에 제 1 분말을 충전함과 아울러 제 2 분말 충전부에 제 2 분말을 충전하고, 금형 내의 제 1 분말 및 제 2 분말을 칸막이 부재를 떼어낸 상태에서 동시에 압축해서 압분체를 형성하고, 압분체를 소결하여 제 1 분말에 대응한 조성의 베이스층과, 제 2 분말에 대응한 조성의 슬라이딩층을 일체로 형성하고, 그 후, 얻어진 소결체의 적어도 슬라이딩면에 사이징을 실시함으로써 얻을 수 있다.
이 경우, 합금 원소로서 Ni, Mo, Mn, 및 Cr 중에서 선택되는 적어도 1종을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 압분체를 소결시킬 때에 1070℃~1120℃에서 소결하는 것이 바람직하다. 또한, 제 2 분말의 Cu로서 70~100%가 입경 45㎛ 미만인 구리 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 추가하여, 제 2 분말에 Cu보다 저융점의 금속을 더 함유시킬 수도 있다.
제 1 분말 및 제 2 분말을 동시 압축해서 압분체를 성형할 때에는 양 분말의 겉보기 밀도의 차가 크면 압분체의 성형에 지장을 초래한다. 이것에 대하여 베이스층의 두께를 슬라이딩층의 두께보다 크게 하고, 또한 제 1 분말의 겉보기 밀도를 제 2 분말의 겉보기 밀도보다 작게 함으로써 압분체의 성형이 가능해진다. 즉, 제 1 분말과 제 2 분말의 겉보기 밀도에 다소의 차가 있어도 압분체를 용이하게 성형하는 것이 가능해진다.
또한, 이상에 기술한 슬라이딩 부재는 Fe계 분말을 주체로 하여 1.0~5.0wt%의 Cu, Cu보다 저융점의 금속, 및 C를 더 포함하는 제 1 분말을 조제하고, 합금 원소를 포함하는 Fe계 분말을 주체로 하여 Cu, Cu보다 저융점의 금속, 및 C를 더 포함하고, Cu의 함유량이 제 1 분말보다 많은 제 2 분말을 조제하고, 금형 내에 칸막이 부재를 배치해서 제 1 분말 충전부와 제 2 분말 충전부를 형성하고, 제 1 분말 충전부에 제 1 분말을 충전함과 아울러 제 2 분말 충전부에 제 2 분말을 충전하고, 금형 내의 제 1 분말 및 제 2 분말을 칸막이 부재를 떼어낸 상태에서 동시에 압축해서 압분체를 형성하고, 압분체를 소결하여 제 1 분말에 대응한 조성의 베이스층과, 제 2 분말에 대응한 조성의 슬라이딩층을 일체로 형성하고, 그 후, 얻어진 소결체의 적어도 슬라이딩면에 사이징을 실시함으로써도 얻을 수 있다.
(발명의 효과)
이상과 같이, 본 발명에 의하면 소결체의 강도를 확보하면서 슬라이딩면의 슬라이딩성과 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 소결 베어링을 장착한 관절부의 단면도이다.
도 2는 상기 소결 베어링의 정면도이다.
도 3은 상기 소결 베어링의 압축 성형 공정에 있어서, 제 1 분말을 충전한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 4는 상기 압축 성형 공정에 있어서, 제 2 분말을 충전한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 5는 상기 압축 성형 공정에 있어서, 칸막이 부재를 하강시킨 상태를 나타내는 단면도이다.
도 6은 상기 압축 성형 공정에 있어서, 여분의 분말을 제거한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 7은 상기 압축 성형 공정에 있어서, 상부 펀치로 혼합 분말을 압축한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 8은 상기 압축 성형 공정에 있어서, 압분체를 금형으로부터 꺼낸 상태를 나타내는 단면도이다.
도 9는 상기 소결 베어링의 사이징 공정에서 사용하는 금형을 나타내는 단면도이다.
도 10은 압축 성형 공정 이후의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 11은 담금질성을 향상시키는 합금 원소의 농도 구배를 나타내는 그래프이다.
도 12a는 슬라이딩층의 미크로 조직을 나타내는 도면이다.
도 12b는 베이스층의 미크로 조직을 나타내는 도면이다.
도 13은 각 시험편의 현미경 사진을 나타내는 도면이다.
도 14는 확인 시험의 결과를 나타내는 표이다.
도 15는 다른 실시형태에 의한 소결 베어링의 단면도이다.
본 발명의 슬라이딩 부재의 일례로서 소결 베어링을 들고, 이하에 그 실시형태를 설명한다.
이 소결 베어링은 유압 셔블 차량이나 불도저 등의 건설기계의 암(붐이나 버킷 등도 포함한다)끼리를 결합하는 관절부에서의 사용에 적합한 것이다. 도 1은 이러한 관절부의 개략 구조를 도시하고 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이 이 관절부에서는 두 갈래 형상으로 형성된 제 1 암(6)의 내측에 제 2 암(7)의 선단이 삽입되어 있다. 제 2 암(7)의 선단에는 부착 구멍(7a)이 형성되고, 이 부착 구멍(7a)에 소결체로 이루어지는 소결 베어링(1)의 외주면(3a)이 압입 등의 적당한 부착 수단 을 이용하여 고정되어 있다. 제 1 암(6)의 두 갈래 부분의 각각에 형성된 핀 구멍(6a) 및 소결 베어링(1)의 내주면(1a)에 핀(4)을 삽입함으로써 제 1 암(6)과 제 2 암(7)이 상대 회전가능하게 연결된다. 핀(4)은 제 1 암(6)에 고정되어 있고, 그 때문에 제 1 암(6)과 제 2 암(7)을 상대적인 요동시키면 핀(4)이 베어링(1)의 내주면(1a)에 대하여 상대 회전한다. 부호 8은 핀(4)의 빠짐을 규제하는 리테이너이다. 이 관절부에서는 핀(4)의 두부(4a) 또는 리테이너(8)를 핀(4)의 축부로부터 떼어내고, 핀(4)을 빼냄으로써 제 1 암(6)과 제 2 암(7)을 분리하고, 베어링(1)이나 핀(4)의 메인터넌스를 행할 수 있게 되어 있다.
[소결 베어링의 기본적 구성]
도 1, 나아가서는 도 2에 나타내는 바와 같이 소결 베어링(1)은 원통 형상의 소결체로 이루어지고, 내경측의 슬라이딩층(2)과 외경측의 베이스층(3)을 서로 접촉시킨 상태에서 일체로 갖는다. 도시예에서는 소결 베어링(1)이 슬라이딩층(2) 및 베이스층(3)으로만 이루어지고, 어느 층이나 통 형상, 특히 원통 형상을 이루고 있다. 소결 베어링(1)의 내주면(1a)을 구성하는 슬라이딩층(2)의 내주면은 축방향으로 스트레이트한 단면 진원 형상을 이루고, 내주에 삽입되는 핀(4)의 축부 (이하, 축(4)이라고 칭한다)를 상대 회전가능하게 지지하는 슬라이딩면(A)(베어링면)을 구성한다. 소결 베어링(1)의 외주면(1b)(본 실시형태에서는 베이스층(3)의 외주면)은 축방향으로 스트레이트한 단면 진원 형상을 이루어 제 2 암(7) 등의 타부재에 부착되는 부착면(B)을 구성한다. 소결 베어링(1)의 축방향 양 끝면은 축방향과 직교하는 방향으로 연장되는 평탄면이다. 소결 베어링(1)의 축방향 양 끝면과 내주면(2a) 및 외주면(3a) 사이에는 각각 모따기가 형성되어 있다.
상기 관절부에서 사용하는 경우, 소결 베어링(1)은 예를 들면 내경이 직경 30~100㎜, 반경 방향의 두께가 5~50㎜가 되도록 형성된다. 슬라이딩층(2)의 반경 방향의 두께는 소결 베어링(1)의 반경 방향의 두께의 1~20% 정도(바람직하게는 2~10% 정도)로 하고, 그 실제의 두께 치수는 예를 들면 0.3~2㎜ 정도로 한다. 슬라이딩층(2)이 지나치게 얇으면 성형 시에 있어서의 원료 분말의 충전성이 악화됨과 아울러 허용 마모 한계가 낮아지고, 슬라이딩층(2)이 지나치게 두꺼우면 후술하는 담금질성을 향상시키기 위한 원소나 구리의 사용량이 증가해서 고비용을 초래하기 때문이다. 다공질을 이루는 소결 베어링(1)의 미세 홀에는 윤활유가 함침되어 있다. 슬라이딩면(A)과 축(4)의 상대 회전 시에는 소결 베어링(1)의 내부의 미세 홀에 유지된 윤활유가 슬라이딩면(A)의 표면 개공으로부터 삼출하여 슬라이딩면(A)과 축(4) 사이의 윤활이 행해진다.
본 발명의 소결 베어링(1)은 슬라이딩층(2) 및 베이스층(3)에 의해 금속 조성이 다른 2층 구조를 이루고 있다. 이 2층 구조의 소결 베어링(1)은 이하에 기술하는 압축 성형 공정, 소결 공정, 사이징 공정, 및 함유(含油) 공정을 순차적으로 거침으로써 제조된다.
압축 성형 공정에서는 슬라이딩층(2)의 재료와 베이스층(3)의 재료를 동일 성형 금형에 공급해서 동시에 성형하는, 소위 2색 성형의 방법을 채용하고 있다. 이 2색 성형은 성형 금형 내의 외경측과 내경측에 2개의 공간 형상의 분말 충전부를 형성해서 각 분말 충전부에 각각 분말을 충전하는 것이며, 예를 들면 도 3에 나타내는 금형을 이용하여 행해진다. 이 금형은 다이(11)와, 다이(11)의 내주에 배치된 코어 핀(12)과, 다이(11)의 내주면(11a)과 코어 핀(12)의 외주면(12a) 사이에 배치된 외측 하부 펀치(13)와, 칸막이 부재(14)와, 내측 하부 펀치(15)와, 상부 펀치(16)(도 7 참조)를 갖는다. 외측 하부 펀치(13), 칸막이 부재(14), 및 내측 하부 펀치(15)는 동심의 원통 형상을 이루고, 각각 독립적으로 승강가능하게 된다.
우선, 도 3에 나타내는 바와 같이 칸막이 판(14) 및 내측 하부 펀치(15)를 상단 위치까지 상승시킴과 아울러 외측 하부 펀치(13)를 하단 위치까지 하강시키고, 다이(11)의 내주면(11a)과, 칸막이 판(14)의 외주면(14a)과, 외측 하부 펀치(13)의 끝면(13a)에 의해 외경측의 제 1 분말 충전부(17)를 형성한다. 이 제 1 분말 충전부(17)에 베이스층(3)에 대응하는 제 1 분말(M1)을 충전한다. 제 1 분말(M1)의 조성은 후술한다.
이어서, 도 4에 나타내는 바와 같이 내측 하부 펀치(15)를 하단 위치까지 하강시키고, 칸막이 판(14)의 내주면(14b)과, 코어 핀(12)의 외주면(12a)과, 내측하부 펀치(15)의 끝면(15a)에 의해 내경측의 제 2 분말 충전부(18)를 형성한다. 이 제 2 분말 충전부(18)는 제 1 분말 충전부(17)로부터 격절된 상태로 형성되고, 이 제 2 분말 충전부(18)에 슬라이딩층(2)에 대응하는 제 2 분말(M2)이 충전된다. 이 때, 제 2 분말(M2)을 내측 분말 충전부(18)로부터 넘쳐 흐르게 하여 칸막이 판(14)의 상방을 덮도록 한다. 제 2 분말(M2)의 조성은 후술한다.
이어서, 도 5에 나타내는 바와 같이 칸막이 판(14)을 하강시킨다. 이것에 의해 칸막이 부재(14)의 만큼의 스페이스에 제 2 분말(M2)이 들어가서 제 1 분말(M1)과 제 2 분말(M2)이 접촉한다. 이것에 의해 다이(11)의 내주면(11a), 외측 하부 펀치(13)의 끝면(13a), 칸막이 판(14)의 끝면(14c), 내측 하부 펀치(15)의 끝면(15a), 및 코어 핀(12)의 외주면(12a)에 의해 형성되는 분말 충전부(19)에 제 1 분말(M1) 및 제 2 분말(M2)이 2층 상태로 채워진 상태가 된다. 그리고, 분말 충전부(19)로부터 넘쳐 나온 여분의 제 2 분말(M2)이 제거된다(도 6 참조).
이렇게 금형으로부터 칸막이 부재(14)를 떼어낸 상태에서 도 7에 나타내는 바와 같이 상부 펀치(16)를 하강시키고, 상부 펀치(16)의 끝면(16a)을 분말(M1, M2)에 압박해서 상부 펀치(16), 하부 펀치(13, 15), 칸막이 부재(14), 및 다이(11)에 의해 분말 충전부(19)에 충전된 분말(M1, M2)을 압축하여 압분체(M)를 성형한다. 그리고, 도 8에 나타내는 바와 같이 외측 하부 펀치(13), 칸막이 판(14), 및 내측 하부 펀치(15)를 상승시켜 압분체(M)를 금형으로부터 꺼낸다.
여기서 베이스층(3)에 대응하는 제 1 분말(M1)은 Fe계 분말을 주체로 하여 구리(Cu), Cu보다 저융점의 금속, 및 탄소(C)를 더 포함하는 것으로 한다. 구체적으로는 철 분말, 구리 분말, 흑연 분말을 주성분으로 하여 그 외에 Cu보다 저융점의 금속을 함유시킨 것을 제 1 분말(M1)로서 사용한다.
철 분말로서는 환원 철 분말, 애터마이즈 철 분말 등이 사용가능하지만 함유성이 우수한 다공질 형상의 환원 철 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 구리 분말로서는 전해 구리 분말이나 애터마이즈 구리 분말을 사용할 수 있지만, 입자 전체로서 수지(樹枝) 형상을 이루는 전해 구리 분말을 사용하면 압분체 강도를 높일 수 있고, 또한 소결 시에 구리가 Fe 입자에 확산되기 쉬워지므로 보다 바람직하다. 또한, 저융점 금속으로서는 융점이 구리보다 낮은 금속, 구체적으로는 700℃ 이하의 융점을 갖는 금속, 예를 들면 주석(Sn), 아연(Zn), 인(P) 등이 사용가능하다. 저융점 금속 중에서도 인은 소결 시에 용융해서 철과 구리의 입자에 침투하여 Cu-Fe의 소결을 촉진한다. 즉, 철 및 구리의 쌍방에 대하여 상성이 좋다. 그 때문에 저융점 금속으로서 인을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면 철-인 합금 분말(Fe3P)을 구리 분말 및 흑연 분말과 혼합하면 제 1 분말(M1)의 혼합·성형이 용이해지고, 또한 안전성도 높다는 이점이 얻어진다. 이 경우, Fe계 분말로서 철-인 합금 분말과 순철 분말을 혼합한 것을 사용할 수도 있다. 인 이외의 다른 저융점 금속(예를 들면, Sn)을 사용하는 경우에는 철 분말 등과 합금화한 것이 아니라 저융점 금속의 단체 분말을 첨가할 수도 있다.
제 1 분말(M1)에 있어서의 각 분말의 배합량은 예를 들면 구리 분말: 1.0~5.0wt%(바람직하게는 2.0~3.0wt%), 흑연 분말: 0.5~0.8wt%로 하고, 나머지를 철 분말 및 철-인의 합금강 분말로 한다. 구리 분말은 그 배합량이 지나치게 적으면 베이스층(3)의 강도 저하를 초래하고, 지나치게 많으면 탄소의 확산을 저해해서 소결체의 강도·경도를 저하시켜 버리므로 상기의 범위로 한다. 철에 대한 인의 비율은 0.1~0.6wt%(바람직하게는 0.3~0.5wt%)로 하여 이 값이 얻어지도록 합금강 분말과 철 분말의 배합 비율을 임의로 조절한다. 철 분말에 대한 합금강 분말의 배합 비율은 중량비(합금강 분말/철 분말)로 예를 들면 1/30~1/20 정도로 할 수 있다. 저융점 금속인 인은 구리의 철 입자에의 확산의 촉진을 통해 소결체의 강도를 높이기 위해서 배합되고 있고, 이것이 지나치게 적으면 이러한 효과가 불충분해지고, 지나치게 많으면 저융점 금속이 편석되고, 소결체가 물러져 강도 저하를 초래하므로 상기의 범위로 한다. 또한, 흑연 분말은 소결 시에 철과 탄소를 반응시켜서 단단한 펄라이트상을 형성하기 위해서 배합되고 있고, 이것이 적으면 베이스층의 강도를 확보할 수 없고, 지나치게 많으면 철이 세멘타이트 조직이 되어 물러져서 강도 저하를 초래하므로 상기의 범위로 한다.
한편, 슬라이딩층(2)에 대응하는 제 2 분말(M2)은 담금질성을 향상시키는 합금 원소를 포함하는 Fe계 분말을 주체로 하여 Cu 및 C를 더 포함하는 것으로 한다. 구체적으로는 합금 원소를 포함하는 합금강 분말, 구리 분말, 및 흑연 분말을 혼합한 것을 제 2 분말(M2)로서 사용한다. 제 2 분말(M2)에 있어서의 Cu의 함유량은 제 1 분말(M1)의 Cu 함유량보다 많게 한다.
담금질성을 향상시키는 합금 원소로서 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 망간(Mn), 및 크롬(Cr) 중에서 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상이 사용된다. 본 실시형태에서는 Ni 및 Mo를 선택하여 Ni, Mo, 및 철의 합금강 분말(Fe-Ni-Mo계 합금강 분말)을 사용하고 있다. 담금질성을 향상시키는 합금 원소는 후술과 같이 마르텐사이트 변태 및 베이나이트 변태를 생기게 해서 신터 하드닝을 행하기 위해 첨가되지만, Ni 및 Mo는 담금질성의 향상 효과가 특히 우수하기 때문에 바람직하다. 제 2 분말(M2)의 합금강 분말로서 완전 합금 분말이 바람직하다. 구리 분말은 전해 구리 분말이 바람직하지만 애터마이즈 구리 분말을 사용해도 상관없다.
제 2 분말(M2)에 있어서의 각 분말의 배합량은 구리 분말 10~30wt%(바람직하게는 15~20wt%), 흑연 분말 0.5~2.0wt%로 하고, 나머지를 합금강 분말로 하는 것이 바람직하다. 또한, 제 2 분말(M2) 중의 Ni의 비율이 1.0~4.0wt%, Mo의 비율이 0.5~1.5wt%의 범위가 되도록 합금강 분말의 종류 및 양을 선정한다. Ni 및 Mo의 배합량은 성형성과 담금질성의 향상 효과로부터 정해진다. 구리의 배합량은 이것이 지나치게 적으면 슬라이딩면(2a)의 슬라이딩성이 저하하고, 지나치게 많으면 베어링면이 지나치게 유연해져서 내마모성에 문제가 생기므로 상기의 범위로 한다. 제 2 분말(M2)의 흑연 분말은 소결 시에 철과 탄소를 반응시켜서 주로 마르텐사이트상 및 베이나이트상을 형성하기 위해서, 나아가서는 고체 윤활제로서 기능시키기 위해서 배합되고, 그 배합 비율의 상한 및 하한은 제 1 분말(M1)로 흑연 분말의 배합 비율을 정한 이유와 같은 이유로 정해진다.
베이스층(3)에 대응하는 제 1 분말(M1)과, 슬라이딩층(2)에 대응하는 제 2 분말(M2)의 겉보기 밀도는 모두 1.0~4.0g/㎤가 된다. 양 분말의 조성의 상위로부터 양 분말의 겉보기 밀도에는 어떻게 해도 차가 생기고, 이 차로부터 압축 성형 공정에 있어서, 제 1 분체(M1)와 제 2 분체(M2)를 동시 성형할 때에 압분체(M)가 붕괴되거나 해서 성형이 곤란해질 것이 예상된다. 그러나, 본 실시형태와 같이 슬라이딩층(2)의 두께가 베이스층(3)의 두께보다 충분히 작고(상기한 바와 같이 슬라이딩층(2)의 두께는 소결 베어링의 두께의 1~20%, 바람직하게는 2~10%이다), 또한 제 1 분말(M1)의 겉보기 밀도가 제 2 분말(M2)의 겉보기 밀도보다 낮은 상태에서 그 밀도차가 0.5g/㎤ 이하이면 제 1 분체(M1)와 제 2 분체(M2)를 동시 성형해도 압분체(M)를 성형할 수 있다. 따라서, 제 1 분체(M1)의 겉보기 밀도는 제 2 분체(M1)의 겉보기 밀도보다 작게 하고, 또한 그 밀도차를 0.5g/㎤ 이하로 억제하는 것이 바람직하다.
도 10에 나타내는 바와 같이 압축 성형 공정을 거친 압분체(M)를 소결 공정에서 소결함으로써 소결체(M')가 얻어진다. 이 때, 베이스층(3)이 슬라이딩층(2)에 접한 상태에서 슬라이딩층(2)과 함께 소결되기 때문에 소결 후는 슬라이딩층(2)과 베이스층(3)을 일체화할 수 있다. 소결에서 사용하는 분위기 가스로서는 CO를 포함하는 것을 사용한다. 소결 온도는 철과 탄소가 반응을 개시하는 온도(900℃ 정도)보다 높아지도록 설정하지만, 구리의 융점(1083℃)은 대폭 초과하지 않도록 한다. 이상적으로는 소결체(M') 중의 전체 조직의 온도가 구리의 융점을 초과하지 않는 온도에서 소결하는 것이 바람직하지만, 실제로는 그러한 온도 제어는 곤란하므로 소결 온도는 구리의 융점 부근이 되는 예를 들면 1070℃~1120℃로 설정한다. 이 온도는 철계 소결체를 소결할 때의 일반적인 로 내부 온도도(1130℃ 이상)보다 낮다.
소결 공정을 거친 소결체(M')는 사이징 공정으로 이송되어 치수 교정(정형)이 행해진다. 본 실시형태에서는 도 9에 나타내는 바와 같이 다이(23), 코어 로드(24), 및 상하의 펀치(25, 26)를 갖는 사이징 금형을 이용하여 소결체(M')의 내주면, 외주면, 및 양 끝면을 압박함으로써 소결체(M')에 사이징을 행한다. 그 후, 함유 공정에서 소결체(M')의 내부 기공에 윤활제를 함침함으로써 소결 베어링(1)이 완성된다. 소결체(M')의 잔류 오스테나이트를 제거하기 위해서 소결 후에 소결체(M')의 템퍼링을 행해도 좋다. 특별히 필요가 없으면 소결체(M')에 윤활제를 함침시키지 않고 사용할 수도 있다.
소결 공정에 있어서의 소결 시에는 우선 제 1 분말(M1)에 포함되는 인이 용융된다. 인의 용융액이 Cu 입자의 표면을 적심으로써 Cu가 그 융점을 하회하는 온도에서 용융하게 되고, 용융된 Cu와 인이 Fe 입자에 침투해서 Fe 입자 내부까지 확산된다. 이것에 의해 Fe 입자끼리가 강고하게 결합되고, 베이스층(3)의 강도가 향상된다. 또한, 철과 탄소의 반응 개시 온도보다 높은 온도에서 소결하므로 Fe 조직에는 단단한 펄라이트상이 형성된다(일부는 페라이트상). 이상의 소결 과정을 거침으로써 베이스층(3)의 강도가 확보되기 때문에 소결 온도를 일반적인 철계 소결품의 소결 온도보다 낮춘 경우이어도 베이스층(3)에 필요로 되는 강도를 확보할 수 있다. 소결 온도를 철계 소결품의 소결 온도보다 낮춤으로써 슬라이딩층(2)을 구성하는 제 2 분말(M2)에 포함되는 많은 구리가 용융되지 않고 고체의 상태를 유지한다. 그 때문에 슬라이딩층(2), 특히 슬라이딩면(A)에 존재하는 구리가 베이스층(3)으로 끌려들어가지 않고 슬라이딩면(A)에 목적량의 구리를 분포시키는 것이 가능해진다(슬라이딩면(A)에 있어서의 구리의 분포량은 면적비로 10~30%로 한다). 따라서, 슬라이딩면(A)의 슬라이딩성과 소결체(M')의 강도를 양립할 수 있다.
또한, 슬라이딩층(2)에 Ni, Mo 등의 담금질성 향상 원소를 함유시키고 있으므로 침탄 담금질 등의 열 처리를 별도 행하는 일 없이 연속 소결로의 냉각 존을 통과시키는 동안에 슬라이딩층(2)의 Fe계 조직에 마르텐사이트 변태 및 베이나이트변태를 생기게 해서 고경도화시킬 수 있다(신터 하드닝). 이것에 의해 슬라이딩면(A)을 고경도화해서 그 내마모성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이것과 함께, 베이스층(3) 내의 인에 의해 베이스층(3)의 강도 향상이 달성되고 있으므로 소결체 전체의 강도(압환 강도 등)가 향상된다. 따라서, 충격 하중이 빈번히 작용하고, 고면 압 하에서 사용되는 건설기계의 암의 관절부에 있어서의 베어링으로서의 사용에도 견딜 수 있는 것이 된다.
그 한편으로, 소결체(M')의 대부분을 차지하는 베이스층(3)에는 담금질성을 향상시키는 합금 원소가 첨가되어 있지 않으므로, 고가의 상기 원소의 베어링 전체에서의 사용량을 삭감할 수 있어 베어링의 저비용화를 도모할 수 있다. 또한, 베이스층(3)에서는 신터 하드닝이 행해지지 않고 마르텐사이트 변태나 베이나이트 변태도 생기지 않으므로 베이스층(3)이 슬라이딩층(2)에 비해 연질이 된다. 그 때문에 소결체(M')의 치수 교정을 사이징 공정에서 행하는 것이 가능해진다. 상술한 특허문헌 1의 구성에서는 소결 후의 담금질로 소결체 전체를 경화시키고 있기 때문에 소결체의 치수 교정은 절삭·연삭 등의 기계 가공으로 행하지 않을 수 없지만, 본 발명의 소결체(M')는 사이징에 의한 치수 교정이 가능하여 기계 가공에 의한 후가공이 불필요하다. 또한, 소결 후의 담금질을 행하지 않아도 필요로 되는 충분한 강도(예를 들면 500㎫ 이상의 압환 강도)를 확보할 수 있다. 이렇게 소결 후의 담금질 공정 및 기계 가공 공정을 생략할 수 있으므로 특허문헌 1에 기재된 발명과 비교해서 소결 베어링(1)을 더 저비용화할 수 있다.
베이스층(3)에 있어서의 흑연은 모두 탄소가 되어서 Fe에 확산되어 있다. 이것에 대하여 슬라이딩층(2)에 있어서의 흑연은 소결 후도 일부가 입자로서 남아 있고, 슬라이딩면(A)에는 흑연 조직(33)(흑연상)이 형성되어 있다. 이것은 슬라이딩층(2)에서는 베이스층(3)보다 구리의 함유량이 많고, 철 입자의 일부 표면을 구리 입자가 덮기 때문에 철과 탄소가 반응하기 어려워지는 것에 의한다. 이렇게 슬라이딩층(2)에는 베이스층(3)과 비교해서 많은 흑연상이 존재하기 때문에 이 흑연상을 고체 윤활제로서 기능시킬 수 있고, 이것에 의해 슬라이딩면(A)의 슬라이딩성의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 베이스층(3)에 대응하는 제 1 분말(M1)에는 담금질성을 향상시키는 합금 원소(본 실시형태에서는 Ni 및 Mo)가 포함되어 있지 않으므로 이론상은 베이스층(3)에 상기 합금 원소가 포함되지 않게 되지만, 도 3~도 8에 나타내는 성형 공정의 순서와의 관계에서 실제로는 도 11에 나타내는 바와 같이 슬라이딩층(2)과 베이스층(3) 사이의 계면에 합금 원소의 농도 구배가 생긴다. 이것에 의해 계면 부근에 합금 원소를 포함하는 영역이 형성되기 때문에 계면의 강도, 나아가서는 슬라이딩층(2)과 베이스층(3)의 결합 강도가 높아진다. 이 경우, 베이스층(3) 중 슬라이딩층(2)으로부터 충분히 격리된 영역, 예를 들면 슬라이딩층(2)과 대향관계에 있는 표면(본 실시형태에서 말하면 베이스층(3)의 외주면)에는 담금질성을 향상시키는 원소가 포함되지 않게 된다. 농도 구배가 생겨 있는 영역의 반경 방향 치수(R)는 0.1~1.0㎜의 범위 내, 바람직하게는 0.2~0.5㎜의 범위 내인 것이 바람직하다. 농도 구배가 생겨 있는 영역의 반경 방향 치수(R)는 2색 성형 금형의 칸막이 부재(14)(도 3 참조)의 반경 방향 두께에 의해 조정할 수 있다.
이상의 순서로 제작된 소결 베어링(1) 중 슬라이딩층(2)의 미크로 조직을 도 12a에 개략 도시하고, 베이스층(3)의 미크로 조직을 도 12b에 개략 도시한다.
슬라이딩층(2)은 철을 가장 많이 포함하는 금속 조직이며, Fe계 조직과 Cu계 조직을 주체로 하고, 또한 일부를 흑연 조직으로 하여 형성된다. 구체적으로는 도 12a에 나타내는 바와 같이 Fe계 조직으로서 Ni 및 Mo를 포함하는 Fe-C계 합금상(31)을 구비하고, Cu계 조직으로서 Cu상(32)을 구비하고 있다. 동 도면에 있어서, 부호 33은 흑연상이며, 부호 34는 홀이다. Fe-C계 합금상(31)은 마르텐사이트상과 베이나이트상을 주체로 하고, 일부에 펄라이트상을 포함한다. 면적비로는 Fe계 조직이 Cu계 조직보다 크고, 흑연 조직이 가장 작다. 이 슬라이딩층(2)은 제 2 분말(M2)의 배합비를 따라 주성분으로서 Cu: 10~30wt%(바람직하게는 15~20wt%), C: 0.5~0.8wt%, Ni: 1.0~4.0wt%, Mo: 0.5~1.5wt%를 포함하고, 그 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 구성되어 있다.
또한, 베이스층(3)은 철을 가장 많이 포함하는 금속 조직이며, Fe계 조직을 주체로 하여 형성된다. 구체적으로는 도 12b에 나타내는 바와 같이 Fe계 조직으로서 Fe-C계 합금상(35)을 구비하고 있다. 이 Fe-C계 합금상(35)은 페라이트(36)와 세멘타이트(37)(Fe3C)가 교대로 늘어선 펄라이트이며, 그 내부에는 Cu 및 P가 확산되어 있다. 베이스층(3)의 금속 조직 중에 입자로서의 Cu나 P는 존재하지 않고, 또한 담금질 조직 및 유리 흑연도 존재하지 않는다. 이 베이스층(3)은 제 1 분말(M1)의 배합비를 따라 주성분으로서 Cu: 1.0~5.0wt%(바람직하게는 2.0~3.0wt%), C: 0.5~0.8wt%, 및 P를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 구성된다. P의 함유량은 Fe에 대하여 0.1~0.6wt%(바람직하게는 0.3~0.5wt%)이다. 베이스층(3)의 Cu의 함유량은 슬라이딩층(2)의 구리의 함유량보다 적으므로 베어링 전체에서의 구리의 사용량을 줄여 저비용화를 도모할 수 있다.
[기본적 구성의 개량]
이상에 기술한 기본적 구성을 갖는 소결 베어링(1)은 이하의 대책 (1)~(3)을 취함으로써 개량할 수 있다.
(1) 합금 원소 단체 분말의 첨가의 생략
일반적으로 합금강 분말로 철계 소결체를 형성하는 경우, 합금강 분말에 담금질성을 향상시키는 상기 합금 원소(Ni, Mo, Mn, 및 Cr 중에서 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상)만을 포함하는 단체 분말(합금 원소 단체 분말)을 첨가하는 경우가 많다. 합금강 분말은 통상은 경질이며 압축성이 열화되기 때문에 소결체를 고밀도화하는 것이 곤란해지지만, 합금강 분말에 합금 원소 단체 분말을 첨가함으로써 압축성을 개선하여 고밀도의 소결체를 얻는 것이 가능해진다.
그 한편으로, 이렇게 합금 원소 단체 분말을 첨가하면 이 단체 분말이 Fe 조직에 충분하게 확산될 수 없고, 소결 후의 금속 조직에 합금 원소의 입자가 남는 경우가 있다. 소결 베어링(1)에 이러한 입자가 잔존하면 슬라이딩층(2), 나아가서는 소결 베어링(1) 전체의 기계적 강도, 특히 압환 강도가 저하한다. 이것을 방지하기 위해서는 소결 시에 1200℃ 이상의 고온에서 8시간 이상 가열시켜서 모든 합금 원소를 Fe 조직 중에 확산시킬 필요가 있고, 양산에 지장을 초래해서 대폭적인 비용 상승을 초래한다.
이상의 관점으로부터 소결 베어링(1)과 같이 고밀도화가 그다지 필요로 되지 않는 용도에서는 슬라이딩층(2)을 형성하는 제 2 분말(M2)에의 합금 원소 단체 분말의 첨가는 행하지 않는 것이 바람직하다. 즉, 소결체 중의 모든 담금질성을 향상시키는 합금 원소를 합금강 분말에 포함시키고 있는 것으로 충당한다. 이것에 의해 소결 베어링(1)의 소결 후는 조직 중의 합금 원소가 모두 Fe계 조직과 합금화한 것이 된다. 이것에 의해 잔류 오스테나이트를 감소시켜서 소결 베어링(1)의 강도 저하를 회피할 수 있다.
(2) 구리 분말의 소입경화
슬라이딩층(2)을 구성하는 제 2 분말(M2)에 첨가하는 구리 분말로서는 소입경의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이것은 이하의 이유에 의한다.
본 발명에서는 소결 시의 로 내부 온도가 구리의 융점에 가깝기 때문에 소결 중에 슬라이딩층(2)에 포함되는 구리 분말의 일부가 용융되는 경우가 있다. 용융된 구리 분말은 베이스층(3)으로 빠져나오고, 이것에 따라 슬라이딩층(2)으로 빠져나온 구리 분말의 크기에 상당하는 홀이 생긴다. 구리 분말의 입경이 큰 경우, 슬라이딩층(2)에 조대 홀이 다수 형성되기 때문에 슬라이딩면(A)의 강도가 저하하고, 충격 하중 등이 작용했을 때에 슬라이딩면이 변형될 우려가 있다. 또한, 구리 분말의 입경이 크면 구리가 Fe 입자에 확산되기 어려워진다. 그 때문에 슬라이딩층(2)의 Fe 입자 간의 결합 강도가 저하하여 슬라이딩면(A)의 강도 저하를 초래한다. 이러한 관점으로부터 슬라이딩층(2)에 대응하는 제 2 분말(M2)에 사용하는 구리 분말로서는 그 전체의 70~100wt%가 입경 45㎛ 미만의 것을 사용한다.
이렇게 소입경의 구리 분말을 사용한 제 2 분말(M2)에 있어서, 합금강 분말의 평균 입경(d1)에 대한 구리 분말의 평균 입경(d2)의 비(d2/d1)는 1/5 이상이며 1/2 이하, 바람직하게는 1/4 이상이며 1/3 이하로 한다. 이 비가 상한값을 상회하면 홀의 조대화의 문제가 생기고, 하한값을 하회하면 분말의 유동도가 저하하여 성형성이 악화되는 문제가 생기기 때문이다. 또한, 합금강 분말의 배합량(p1)에 대한 구리 분말의 배합량(p2)의 비(p2/p1)는 1/6 이상이며 1/3 이하, 바람직하게는 1/5 이상이며 1/4 이하로 한다. 이 비가 상한값을 상회하면 강도 저하의 문제가 생기고, 하한값을 하회하면 슬라이딩성의 저하의 문제가 생기기 때문이다.
(3) 저융점 금속의 첨가
기본적 구성의 소결 베어링(1)에서는 슬라이딩층(2)에 저융점 금속을 포함시키고 있지 않지만, 슬라이딩층(2)을 구성하는 제 2 분말(M2)에는 상술한 어느 저융점 금속(예를 들면, Sn)을 추가할 수도 있다. 이것에 의해 소결 시에 제 2 분말(M2)에 포함되는 Cu가 Fe 조직 중에 확산되기 쉬워져 Fe 입자끼리의 결합 강도가 높아지기 때문에 슬라이딩층(2), 나아가서는 소결 베어링(1) 전체의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 이 저융점 금속은 혼합 분말 중에 그 단체 분말을 첨가하는 것 외 구리와 합금화한 분말을 사용함으로써 첨가할 수도 있다. 제 2 분말(M2)에 있어서의 구리 분말에 대한 저융점 금속의 비율은, 0.5wt% 이상이며 5.0wt% 이하, 바람직하게는 1.0wt% 이상이며 3.0wt% 이하로 한다. 이 비가 상한값을 상회하면 편석의 문제가 생기고, 하한값을 하회하면 강도 저하의 문제가 생기기 때문이다.
[확인 시험]
이상에 기술한 대책 (1)~(3)의 효과를 확인하기 위해서 이하의 시험편 No. 1~No. 5를 제작하고, 각각에 대해서 드라이 밀도, 함유율(含油率), 압환 강도, 비커스 경도, 로크웰 경도의 각각을 측정했다. 또한, 시험편 No. 1~No. 5는 제 2 분말(M2)(슬라이딩층(2)에 대응)의 조성만이 다르고, 제 1 분말(M1)(베이스층(3)에 대응)의 조성, 시험편의 성형 조건, 및 소결 조건은 모두 같다. 또한, 제 1 분말(M1)의 조성은 어느 시험편이어도 구리 분말: 3.0wt%, 흑연 분말: 0.8wt%로 하고, 나머지를 철-인의 합금강 분말 및 철 분말로 하고 있다.
각 시험편의 제 2 분말(M2)은 베이스 분말에 Ni 단체 분말이나 Sn 분말을 하기의 비율로 첨가한 것이다. 여기서, 베이스 분말은 구리 분말 20wt%, 흑연 분말 0.8wt%을 배합하고, Ni 단체 분말이나 Sn 분말을 제외한 나머지를 Fe-Ni-Mo계 합금강 분말로 한 것이다. 또한, 시험편 No. 4의 제 2 분말(M2)에서 사용한 구리 분말은 그 전체의 70~100wt%가 입경 45㎛ 미만이지만, 이것 외의 시험편(No. 1~No. 3, No. 5)의 제 2 분말(M2)에서 사용한 구리 분말은 입경 45㎛ 미만의 비율이 10~30wt%이다. 즉, 시험편 No. 4의 제 2 분말(M2)에서 사용하는 구리 분말은 다른 시험편의 제 2 분말(M2)에서 사용하는 구리 분말보다 소입경으로 하고 있다.
시험편 No. 1…베이스 분말＋Ni 단체 분말 1.0wt%＋Sn 분말 1.0wt%
시험편 No. 2…베이스 분말＋Ni 단체 분말 1.0wt%＋Sn 분말 0.8wt%
시험편 No. 3…베이스 분말＋Ni 단체 분말 1.0wt%＋Sn 분말 0.5wt%
시험편 No. 4…베이스 분말만(Ni 단체 분말 0%, Sn 분말 0%)
시험편 No. 5…베이스 분말＋Ni 단체 분말 1.0wt%(Sn 분말 0%)
[고찰 1]
각 시험편 No. 1~No. 5의 현미경 사진을 도 13에 나타내고, 시험 결과를 도 14에 나타낸다.
양 도면으로부터 이하의 경향을 읽어낼 수 있다.
·시험편 No. 4와 시험편 No. 5의 대비로부터 Ni 단체 분말의 첨가를 생략하면 압환 강도가 향상된다.
·Cu 조직과 홀의 분산 상태는 시험편 No. 4가 가장 양호하다.
·시험편 No. 1~No. 3과 시험편 No. 5의 대비로부터 Sn 분말을 첨가하면 압환 강도가 향상된다. 단, 그 효과는 시험편 No. 4보다 열화된다.
이상의 분석 결과로부터 압환 강도를 향상시키기 위해서는 시험편 No. 4, 즉 슬라이딩층(2)에 대응하는 제 2 분말(M2)에 Ni 단체 분말을 첨가하지 않고(대책 1), 또한 제 2 분말(M2)의 구리 분말을 소입경으로 한 것(대책 2)이 가장 효과적인 것을 이해할 수 있다. 이것에 의해 550㎫ 이상, 바람직하게는 600㎫ 이상의 압환 강도를 얻을 수 있다. 이들의 대책에 추가해서 제 2 분말(M2)에 Sn 분말을 첨가함으로써(대책 3), 압환 강도를 더 향상시킬 수 있는 것으로 생각된다. 또한, 대책 1과 대책 2에서는 대책 1의 쪽이 압환 강도의 향상에 보다 효과적인 것으로 생각된다. 이와 관련하여 시험편 No. 4에 있어서의 슬라이딩면 전체에 대한 홀의 비율은 면적비로 20~40% 정도이었다.
[고찰 2]
이어서, 시험편 No. 1~No. 3과 시험편 No. 5를 대비 검토한다. 시험편 No. 1~No. 3과 시험편 No. 5의 제 2 분말(M2)에는 각각 Ni 단체 분말이 첨가되어 있다. 제 2 분말(M2)에 Ni 단체 분말을 첨가한 이유는 합금강 분말은 경질이며 압축성이 열화되어 그것만으로는 소결체를 고밀도화하는 것이 곤란해지지만, Ni 단체 분말을 첨가함으로써 압축성을 개선해서 고밀도의 소결체를 얻는 것이 가능해지기 때문이다. 이 점이 문제가 되지 않는 것이면 Ni 단체 분말의 첨가를 생략할 수도 있다.
도 14의 시험편 No. 1~No. 3과 시험편 No. 5(비교예)의 대비로부터 슬라이딩층(2)에 대응하는 제 2 분말(M2)에 Sn 분말을 첨가하면 압환 강도가 향상되는 것을 이해할 수 있다. 또한, 이렇게 Sn 분말을 첨가함으로써 도 13보다 슬라이딩층(2)의 Fe-C계 합금상에 Cu가 보다 확산되고, 또한 베이스층(3)의 Fe-C계 합금상에도 Cu가 확산되어 내부 홀을 미세화할 수 있는 것도 이해할 수 있다. 따라서, 제 2 분말(M2)에 Sn 분말 등의 저융점 금속 분말을 첨가하면 제 2 분말(M2)에 Ni 등의 합금 원소 단체 분말을 첨가할 것인지 아닌지, 또는 제 2 분말(M2)의 구리 분말을 소입경화할 것인가 아닌지를 불문하고 압환 강도의 향상이나 슬라이딩면(A)의 강도의 향상을 도모할 수 있다.
[다른 실시형태]
이상의 실시형태에서는 소결 베어링(1)의 내주면(1a)에 슬라이딩면(A)이 형성되는 경우를 나타냈지만, 이에 한정되지 않고 예를 들면 도 15에 나타내는 바와 같이 소결 베어링(1)의 외주면(1b)에 슬라이딩면(A)을 형성하고, 내주면(1a)에 부착면(B)을 형성할 수도 있다. 이 경우, 슬라이딩층(2)이 소결 베어링(1)의 외경측에 형성되고, 베이스층(3)이 소결 베어링(1)의 내경측에 형성되게 된다. 슬라이딩층(2) 및 베이스층(3)의 구성 및 기능은 앞서 기술한 실시형태에서의 슬라이딩층(2) 및 베이스층(3)과 공통된다. 이 외, 도 1에 있어서 소결 베어링(1)의 끝면이 제 1 암(6)과 고면압으로 슬라이딩하는 경우에는 소결 베어링의 끝면에 슬라이딩면(A)을 형성할 수도 있다.
또한, 소결체(M')나 슬라이딩면(A)의 형태도 임의이며, 슬라이딩 부재로서 구면 부시나 평탄한 패드 형상 부재(예를 들면, 붐 패드)에 본 발명을 적용할 수 있다. 전자이면 슬라이딩면(A)이 구면 형상이 되고, 후자이면 슬라이딩면(A)이 평탄면 형상이 된다. 슬라이딩면(A)에 하나 또는 복수의 오목부(예를 들면, 홈 형상)를 형성할 수도 있고, 이것에 의해 오목부를 윤활제 리저버로서 활용하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 실시형태에서는 슬라이딩층(2)과 베이스층(3)의 계면이 원통면 형상인 경우를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않고 계면의 축 직교 단면 형상을 비원형(예를 들면, 다각 형상이나 스플라인 형상)으로 할 수 있다(도시 생략). 이것에 의해 슬라이딩층(2)과 베이스층(3)의 결합 강도가 더 높아진다. 계면의 형상은 압축 성형 공정에 있어서의 칸막이 부재(14)(도 3 등 참조)의 형상을 따르게 하기 위해 칸막이 부재(14)의 형상을 변경함으로써 계면의 형상을 변경할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는 소결 베어링(1)을 건설기계에 적용했을 경우를 예시했지만, 이에 한정되지 않고 본 발명의 슬라이딩 부재는 슬라이딩면에 고면압 조건 하에서 사용되는 각종 용도에 바람직하게 적용할 수 있다.
1 소결 베어링 1a 내주면
1b 외주면 2 슬라이딩층
3 베이스층 4 핀(축)
6 제 1 암 7 제 2 암
20 소결로 31 Fe계 조직(Fe-C 합금상)
32 Cu계 조직(Cu상) 33 흑연 조직(흑연상)
34 홀 35 Fe계 조직(Fe-C 합금상)
36 페라이트 37 세멘타이트
A 슬라이딩면(베어링면) B 부착면
M 압분체 M' 소결체
M1 제 1 분말 M2 제 2 분말

Claims (17)

  1. 소결체로 형성되고, 타부재와 슬라이딩하는 슬라이딩면을 갖는 슬라이딩 부재로서,
    Fe계 조직을 주체로 하여 1.0~5.0wt%의 Cu, Cu보다 저융점의 금속, 및 C를 함유하는 베이스층과,
    베이스층과 접한 상태에서 베이스층과 함께 소결되고, 상기 슬라이딩면을 갖고, 합금 원소를 포함하는 Fe계 조직, 및 Cu계 조직을 주체로 하여 C를 더 함유하고, Cu의 함유량이 베이스층보다 많은 슬라이딩층을 구비하고,
    슬라이딩층에 포함되는 상기 합금 원소를 모두 Fe계 조직과 합금화시킨 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
  2. 소결체로 형성되고, 타부재와 슬라이딩하는 슬라이딩면을 갖는 슬라이딩 부재로서,
    Fe계 조직을 주체로 하여 1.0~5.0wt%의 Cu, Cu보다 저융점의 금속, 및 C를 함유하는 베이스층과,
    베이스층과 접한 상태에서 베이스층과 함께 소결되고, 상기 슬라이딩면을 갖고, 합금 원소를 포함하는 Fe계 조직, 및 Cu계 조직을 주체로 하여 Cu보다 저융점의 금속 및 C를 더 함유하고, Cu의 함유량이 베이스층보다 많은 슬라이딩층을 구비하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 합금 원소로서 Ni, Mo, Mn, 및 Cr 중에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 슬라이딩 부재.
  4. 제 3 항에 있어서,
    슬라이딩층에 포함되는 Fe계 조직의 적어도 일부가 마르텐사이트 변태 및 베이나이트 변태하고 있는 슬라이딩 부재.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    슬라이딩층의 Cu계 조직이 70~100%를 입경 45㎛ 미만으로 하는 구리 분말에 의해 형성되어 있는 슬라이딩 부재.
  6. 제 1 항에 있어서,
    슬라이딩층이 Cu보다 저융점의 금속을 더 포함하는 슬라이딩 부재.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    베이스층에 포함되는 저융점의 금속이 P인 슬라이딩 부재.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    베이스층에 있어서의 Fe에 대한 저융점 금속의 함유량을 0.1~0.6wt%로 한 슬라이딩 부재.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    슬라이딩층의 Cu의 함유량을 10~30wt%로 한 슬라이딩 부재.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    건설기계의 암의 관절부의 베어링으로서 사용되는 슬라이딩 부재.
  11. 슬라이딩층 및 베이스층을 구비하고, 슬라이딩층에 타부재와 슬라이딩하는 슬라이딩면이 형성된 슬라이딩 부재를 제조하기 위한 방법으로서,
    Fe계 분말을 주체로 하여 1.0~5.0wt%의 Cu, Cu보다 저융점의 금속, 및 C를 더 포함하는 제 1 분말을 조제하고,
    합금 원소를 포함하는 Fe계 분말을 주체로 하여 Cu 및 C를 더 포함하고, Cu의 함유량이 제 1 분말보다 많고, 또한 상기 합금 원소의 단체 분말을 포함하지 않는 제 2 분말을 조제하고,
    금형 내에 칸막이 부재를 배치해서 제 1 분말 충전부와 제 2 분말 충전부를 형성하고,
    제 1 분말 충전부에 제 1 분말을 충전함과 아울러 제 2 분말 충전부에 제 2 분말을 충전하고,
    금형 내의 제 1 분말 및 제 2 분말을 칸막이 부재를 떼어낸 상태에서 동시에 압축해서 압분체를 형성하고,
    압분체를 소결하여 제 1 분말에 대응한 조성의 베이스층과, 제 2 분말에 대응한 조성의 슬라이딩층을 일체로 형성하고,
    그 후, 얻어진 소결체의 적어도 슬라이딩면에 사이징을 실시하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재의 제조 방법.
  12. 슬라이딩층 및 베이스층을 구비하고, 슬라이딩층에 타부재와 슬라이딩하는 슬라이딩면이 형성된 슬라이딩 부재를 제조하기 위한 방법으로서,
    Fe계 분말을 주체로 하여 1.0~5.0wt%의 Cu, Cu보다 저융점의 금속, 및 C를 더 포함하는 제 1 분말을 조제하고,
    합금 원소를 포함하는 Fe계 분말을 주체로 하여 Cu, Cu보다 저융점의 금속, 및 C를 더 포함하고, Cu의 함유량이 제 1 분말보다 많은 제 2 분말을 조제하고,
    금형 내에 칸막이 부재를 배치해서 제 1 분말 충전부와 제 2 분말 충전부를 형성하고,
    제 1 분말 충전부에 제 1 분말을 충전함과 아울러 제 2 분말 충전부에 제 2 분말을 충전하고,
    금형 내의 제 1 분말 및 제 2 분말을 칸막이 부재를 떼어낸 상태에서 동시에 압축해서 압분체를 형성하고,
    압분체를 소결하여 제 1 분말에 대응한 조성의 베이스층과, 제 2 분말에 대응한 조성의 슬라이딩층을 일체로 형성하고,
    그 후, 얻어진 소결체의 적어도 슬라이딩면에 사이징을 실시하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재의 제조 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 합금 원소로서 Ni, Mo, Mn, 및 Cr 중에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 슬라이딩 부재의 제조 방법.
  14. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    압분체를 소결할 때에 1070℃~1120℃에서 소결하는 슬라이딩 부재의 제조 방법.
  15. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    제 2 분말 중의 Cu로서 70~100%가 입경 45㎛ 미만의 구리 분말을 사용하는 슬라이딩 부재의 제조 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    제 2 분말에 Cu보다 저융점의 금속을 더 함유시키는 슬라이딩 부재.
  17. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    베이스층의 두께를 슬라이딩층의 두께보다 크게 하고, 또한 제 1 분말의 겉보기 밀도를 제 2 분말의 겉보기 밀도보다 작게 하는 슬라이딩 부재의 제조 방법.
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