KR20170070263A

KR20170070263A - 윤활제-상용성 구리 합금

Info

Publication number: KR20170070263A
Application number: KR1020177015886A
Authority: KR
Inventors: 헤르만 구메르트; 뵤른 리츠; 토마스 프레트
Original assignee: 오토 푹스 카게
Priority date: 2014-02-04
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2017-06-21
Also published as: CN105980586A; JP2017511841A; US20200024694A1; BR112016014727A2; EP3102713B1; WO2015117972A3; US20160348215A1; KR20160115928A; CN105980586B; EP3102713A2; RU2661960C1; US11427890B2; JP6255501B2; KR101820036B1; ES2688034T3; BR112016014727B1; WO2015117972A2

Abstract

본 발명은 윤활제-상용성 구리 합금으로서, 중량%로, 54-65%의 구리, 2.5-5.0%의 알루미늄, 1.0-3.0%의 규소, 2.0-4.0%의 니켈, 0.1-1.5%의 철, ≤1.5%의 망간, ≤1.5%의 주석, ≤1.5%의 크롬, ≤0.8%의 납, 나머지 불가피한 추가의 불순물과 함께 아연을 포함하고, 유리 규소가 합금 매트릭스 또는 규소-함유 비-실리사이드 상에서 0.4% 이상의 양으로 존재하는, 윤활제-상용성 구리 합금에 관한 것이다. 그러한 구리 합금을 생산하기 위한 방법은 매트릭스 또는 규소-함유 비-실리사이드 상 중의 유리 규소의 비율이 적어도 0.4%에 상응하도록 수행되는 열 처리 단계를 포함한다. 본 발명은 또한 그러한 구리 합금으로부터 생산된 하나 이상의 기어 부품을 포함하는 기어에 관한 것이다.

Description

윤활제-상용성 구리 합금{LUBRICANT-COMPATIBLE COPPER ALLOY}

본 발명은, 특히 윤활제와 접촉되고 동기화 링(synchronizer ring)과 같은 마찰 응력에 노출되는 기어 부품을 생산하는데 적합한 윤활제-상용성 구리 합금뿐만 아니라, 그러한 기어 부품을 제작하기 위한 방법 및 그러한 기어 부품을 지니는 기어에 관한 것이다.

예를 들어, 오일 및 마찰 응력에 노출되는 동기화 링과 같이 개선된 내부식성을 지녀야 하는 가공물 또는 부품을 제작하기 위한 구리 합금의 개발을 위하여, 전체 마찰학적 시스템(entire tribological system)이 고려되어야 한다. 이는 표면 부근의 합금 층에 더하여 반대 마찰 표면의 물질뿐만 아니라 윤활제, 특히 이에 함유되는 첨가제의 조성물을 포함한다. 게다가, 윤활제의 마찰 응력 및 에이징 거동의 경우에 확립되는 국부적 온도 분포는 부식으로 인한 마모에 영향을 미친다.

마찰 응력하에, 주로 윤활제 첨가제로 이루어진 흡착 층은 마찰 하중하에서 윤활제와의 단지 짧은 접촉 시간 후에 형성된다. 열기계적 하중의 경우에, 서로 반응하는 표면 부근에서 흡착 층의 성분과 합금 구성 요소로 구성되는 반응 층은 흡착 층 아래에서 발달한다. 이러한 공정에서, 흡착 층 및 반응 층은 구리 합금 가공물 상에 외부 경계 층을 형성시키고, 그 아래에서 몇 마이크로미터 두께의 내부 경계 층이 존재한다. 이러한 층은 외부 경계 층에 가깝기 때문에 표면 상에서 작용하는 기계적 하중뿐만 아니라 반응 층에서 이루어지는 화학적 변형 과정에 의해 영향을 받는다. 기재 합금을 포함하는 확산 공정 및 산화 공정은 또한 내부 경계 층의 영역에서 반응 층의 형성에 영향을 미칠 수 있다.

다수의 윤활제는, 황 및 인을 함유하는 첨가제와 같은 첨가제를 함유하며, 마찰 접촉으로 인해 상응하는 열기계적 하중하에서 부식 영향을 받을 수 있는데, 이는 이후 가공물의 수명의 상당한 감소를 초래한다. 이미 구리 합금은 윤활제 중의 황 구성 요소의 부식 영향을 감소시키기 위해 제안되었다. JP S 60162742 A호에는, 중량의 양 기준으로 57-61%의 Cu 및 2.5-3.5%의 Pb로 이루어지고 Fe 및 Zn이 불순물로서 존재할 수 있는 터보차저(turbocharger)의 베어링을 위한 구리 합금이 개시되어 있다. 안정한 CuS 층이 마찰 표면 상에서 발달하는 것으로 기재되어 있다.

EP 0 872 565 A1호에는 구리 합금의 황 부식이 Cu 및 Zn에 더하여 10-70 중량%의 양의 니켈 성분뿐만 아니라 합금으로 산화가능한 합금 구성 요소(An, Mn, Al 및 Si)을 도입함으로써 감소될 수 있는 방법이 개시되어 있다. 산화물 층은 황화구리 층의 발달을 억제하는 것으로 기재되어 있다. EP 1 281 838 A2호에는 선택된 Cu/Zn 비율로 대응할 수 있는 윤활유 중의 황 함량으로 인한 부식이 개시되어 있다. 또한, Mn, Al, Si는, 주로 결정화된 망간-실리사이드 경질 상이 형성되어 있는 합금의 경도를 개선시키기 위해 첨가된다. 따라서, 이러한 종래에 공지되어 있는 합금에서 7% 이하로 다량의 Mn 합금을 사용하는 것이 바람직하다. JP S 61117240 A호에는 54-64중량%의 Cu, 0.5-3중량%의 Si, 0.5-2중량%의 Al, 3-7중량%의 Mn 및 나머지 Zn를 지니는 구리 합금으로서, 경질 상 침전이 규화망간의 형태로 존재하는 구리 합금이 제안되어 있다. 합금은 이들이 높은 배기 온도에서 터보차저를 위한 베어링 물질로서 더 낮은 부식 경향을 지니도록 황화구리 층의 형성을 감소시킨다.

게다가, DE 41 01 620 C2호에는 황을 함유하는 윤활유에 대해 감소된 부식 경향을 지니는 구리 합금이 개시되어 있다. 합금 조성물은 11.5-25중량%의 Zn, 5-18중량%의 Pb, 1-3.5중량%의 Mn, 0.3-1.5중량%의 Si로 이루어진다. 순수한 α 상으로 이루어진 구조에서, 납 함량은 균일한게 분포된다. 또한, 규소와 망간 합금 구성 요소은 유리 규소가 결정화로 인해 취화(embrittlement)를 초래하는 것을 방지하기 위해 이들이 규화망간을 형성시키게 화학량론적 비율로 존재하도록 첨가된다.

예를 들어, 마찰 응력에 노출되는 동기화 링과 같은 가공물의 경우, 경질 상 침전은 표면 경도를 강화시키고, 그에 따라서 마모 정도를 감소시킨다. 윤활제를 지니는 마찰학적 시스템에서, 가장 큰 내마모성 및 평활 과정을 나타내는 표면 부근의 영역에서서의 경질 상 침전은 높은 기계적 응력을 지니는 공간적으로 제한된 영역을 형성시키는데, 여기서 고온이 국부적으로 발생할 수 있다. 반응 층의 형성 및 분해 과정은 특히 높은 열적 하중에 노출되는 부품의 이러한 영역에서 가속화되어, 경질 상 침전이 부식의 관점에서 문제가 된다. 여기서, 기계적 하중하에서 조립(coarse grain) 형태의 경질 상 침전의 경우에 내부 및 외부 경계 층의 큰 섹션이 기계적 응력하에 있는데, 이것이 이후에 공식(pitting corrosion)을 증가시킨다는 점을 주목해야 한다.

그러한 과정에 대응하기 위해서, 미국 특허 제6,793,468 B2호에는 54-64중량%의 Cu, 0.2-3중량%의 Si, 0.2-7중량%의 Mn, 0.5-3.5중량%의 Al 및 나머지 Zn를 함유하는 구리 합금으로서, 결정질 규화망간이 구리 합금 매트릭스에서 길게 정렬된 구조로 존재하는 구리 합금이 제안되어 있다. 이러한 목표를 달성하기 위하여, 경질 상의 정렬은 지지하고자 하는 회전 샤프트(shaft) 및/또는 반대 바디(body)에 대해 축 방향으로 제공되어야 한다. 이러한 개념의 추가의 개발을 위하여, DE 10 2011 004 856 A1호에는 가속화되는 하중-지지 황화물 필름의 형성이 제안되어 있는데, 그 이유는 이것이 고온의 윤활유와 접촉하는 때에 그 위에서 슬라이딩(sliding)하는 반대 표면의 시징(seizing)을 방지하기 때문이다. 이러한 목적으로 사용되는 구리 합금은 25-45중량%의 Zn, 0.3-2중량%의 Si, 1.5-6중량%의 Mn 및 나머지 구리를 함유하고, 여기서 결정질 규화망간 화합물은 배향된 배열로 존재한다. 이러한 침전물의 밀도는 5-30 μm의 평균 알갱이사이 간격(average inter-grain spacing)이 되도록 선택되고, 이는 고온의 윤활유와 접촉하는 때에 접합부 상에서 열적 응력을 초래함으로써 부품의 표면에서 요망되는 황화물 필름의 발달을 가속화시킨다.

마찰 응력에 주어지는 부품의 개선된 내부식성과 관하여, 반응 층에 인접한 내부 경계 층의 조성 및 현미경적 구조에 대한 기재의 개별 합금 구성 요소의 영향이 관련된다. 이와 관련하여, EP 0 709 476 B1호에는, 본 발명의 인 및 황 성분을 포함하는 윤활제 환경에서 마찰 물질로서 소결된 구리 합금이 제안되어 있는데, 여기서 FeMo, FeCr, FeTi, FeW, FeB 및 Al₂O₃로부터 선택된 금속간 경질 상이 형성된다. 또한, 적어도 20부피%의 양으로 존재하는, 적어도 30 μm의 평균 공경(pore diameter)을 지니는 다공질 구조가 존재한다. 이러한 합금은 5-40중량%의 Zn, 5-40중량%의 Ni, 1-5중량%의 Si, 0.1-5중량%의 Al, 0.5-3중량%의 Pb, 바람직하게는 3-20중량%의 양의 Sn과 나머지 구리로 이루어진다. 황화구리의 형성은 다량의 아연 및 니켈에 의해 억제된다. 게다가, 마찰 계수를 개선시키는 규화니켈이 또한 형성된다.

추가의 구리-아연 합금은 DE 10 2005 059 391 A1호, DE 42 40 157 A1호 또는 CH 223 580호에 개시되어 있다. 이러한 합금은, 예를 들어, 동기화 링과 같은 오일 환경에서 사용되는 황동 부품을 생산하는데 사용된다. 이러한 합금은 함유되는 규소가 충분히 규화물을 형성시키기 시작하도록 포뮬레이션(formulation)된다. 망간은 규화물을 형성시키기 위한 바람직한 물질이지만, 예시적인 합금에서 명시되는 망간의 양은 이에 따라서 높으며, 일반적으로 2중량%를 크게 초과한다. 규소 함량은 규화물-형성 부분을 따라 조절되며, 상기 언급된 문헌에서 명시되어 있는 예시적인 합금 중 최대 1중량%로 포함된다.

다수의 경우에, 첨가제는 마찰 표면 상의 부식을 감소시킴으로써 연마제로 인해 마모되는 것을 감소시키려는 목적으로 윤활제에 첨가된다. 그러한 부식 억제제(내마모성 활성 성분)의 한 가지 예는, 예를 들어, 아연 디알킬 디티오포스페이트이다. 반응 층의 표면을 보호하는 인산염 유리는 반응 층에서 이러한 첨가제로부터 형성된다. 이는 이상적으로 합금 원소와 첨가제의 리간드의 교환뿐만 아니라 기질 양이온의 도입에 의한 내구성 반응 층의 형성을 포함한다. 그러나, 표면을 보호하는 반응 공정은 기질 물질의 내부 경계 층의 조성에 좌우된다. 게다가, 추가의 첨가제는 공정에 영향을 미치고, 몇몇 경우에 접착 층에서 접착에 대해 경쟁적으로 표면을 보호하는 보호 첨가제로서 작용한다. 열 소산 및 국부적 온도 피크와 관련된 반응 층에서 이루어지는 열적 과정 및 합금 구조는 또한 층 형성 및 분해 과정에 있어서 중요하다. 이에 따라서, 각각의 마찰학적 시스템에 좌우하여, 부식 억제제의 개입은 심지어 몇몇 상황하에서 마찰 층을 포함하는 원치 않는 화학적 분해 과정을 초래할 수 있다. 이에 따라서, 지금까지 공지된 내부식성 구리 합금은 매우 특이적인 윤활제 시스템에 맞춰 개별적으로 조정된다.

윤활제 중의 첨가제 조성물이 변화되는 경우, 전체 마찰학적 시스템이 영향을 받는데, 이는 이후 마찰 파트너의 금속 표면에서 상호작용하는 화학적 반응에 영향을 미친다. 따라서, 반응 층의 형성은 또한 마찰 표면의 표면을 변경하려는 목적으로 윤활제에 첨가되는 그러한 첨가제뿐만 아니라 주로 기유(base oil)를 보호하거나 개선시키려는 목적으로 첨가되는 것들에 의해 영향을 받을 수 있다. 또한, 윤활제 에이징 과정에 대한 영향의 가능성이 있다. 이후, 산화 과정이 수행되거나, 첨가제가 수반되는 분해 과정이 이후 발생할 수 있는데, 이는 마모 입자의 흡수에 더하여 마찰 표면 상에서 흡착 층과의 교환에 영향을 미칠 수 있다.

첨가제 조성의 변화에 더하여, 윤활제의 기유를 대체하는 것은 또한 마찰학적 시스템을 근본적으로 변화시킨다. 현재, 주로 미네랄 오일, 수소첨가분해 오일(hydrocracking oil) 또는 합성 오일, 예컨대, 폴리-α-올레핀 또는 에스테르 형태의 기유가 기어 오일로서 사용되도록 개질되는 윤활제에 사용되고 있다. 생체적합성 윤활제를 위한 요건을 충족시키기 위하여, 기유를 식물성 오일 또는 동물성 지방으로 대체하는 것은 접착 특성을 근본적으로 변화시킬 수 있는데, 그 이유는 식물성 오일이 전형적으로 높은 극성을 지니고, 그에 따라서 금속 표면에 대한 친화성을 증진시키기 때문이다. 윤활제, 특히 이의 기유의 변화에 의해 초래된 마찰학적 시스템의 변화는 지금까지 대부분 부식-방지 효과를 유지하기 위해 불가피하게도 마찰 파트너의 합금 조성을 조절하게 하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 광범위한 상이한 윤활제, 특히 상이한 기유 및 다양한 윤활제 첨가제를 위한 높은 내부식성을 지니는 구리 합금을 제시하는 것이다. 상이한 마찰학적 시스템에 대한 낮은 부식 경향을 특성은 우수한 기계적 특성과 조합되어야 한다. 합금은 특히 높은 강도를 지녀야 한다. 게다가, 합금은 낮은 마모를 지녀야 하고, 특히 스틸과의 마찰 페어링에서 동기화 링으로서 사용하기에 가능한 적합한 마찰 계수를 지녀야 한다.

이러한 목적은 하기 물질을 함유하는 구리 합금에 의해 본 발명에 따라 달성된다(양은 중량으로 주어짐):

54-65% 구리

2.5-5.0% 알루미늄

1.0-3.0% 규소

2.0-4.0% 니켈

0.1-1.5% 철

≤1.5% 망간

≤1.5% 주석

≤1.5% 크롬

≤0.8% 납

나머지 아연과 기타 불가피한 오염물.

상기 유리 규소는, 적어도 0.4%, 바람직하게는 적어도 0.5%, 특히 바람직하게는 적어도 0.6%의 양의 규소를 함유하는 합금 매트릭스 또는 비-규화물 상(phase)에 존재한다.

불가피한 오염물이 본 발명에 설명의 문맥에서 언급되는 경우, 이들은 재활용 물질을 사용함으로써 용융물로 도입된 원소임을 주지해야 하고, 여기서 오염물로서 여겨질 각각의 원소들은 최대 0.5중량%의 양을 초과하지 않아야 하고, 오염물의 총계는 1.5중량%를 초과하지 않아야 한다. 바람직하게는, 상기 물질들을 기반으로 한 오염물 및 총계를 최소화하려는 시도가 이루어져야 한다.

본 발명에 따른 합금, 특수 황동 합금 및/또는 이로부터 제조된 가공물, 즉, 동기화 링은 광범위한 윤활제 시스템에 대한 높은 오일 상용성으로 특성화된다. 본 발명에 따른 합금은 마찰 및 열적 응력의 영향하에 상이한 마찰학적 시스템에서 내부 경계 층과 연루된 레벨링 및 마모 과정이 실질적으로 억제되면서 특히 안정한 반응 층을 형성시키는 것으로 인식되었다. 경계 층의 안정화는 합금 구성 요소 Si, Cu 및 Zn 간의 비율을 선택함으로써 야기된다. 합금 구성 요소 구리와 아연의 합과 비해 유리 규소의 양의 비율이 특히 중요하다.

아연 성분의 효과는 신속한 층 형성 및 진정에 충분히 이용가능하게 함으로써 반응 층을 안정화시키는 것으로 보여진다. 다소 대조적인 효과가 규소 성분에 의해 달성된다. 여기서, 규화물에서 경계되지 않은 유리 규소는 적어도 0.4%의 중량으로 매트릭스에 용해된 형태로 또는 규소-함유 비-규화물 상에 존재하는 것이 중요하다. 여기서, 유리 규소 함량이 0.15중량%의 개별 오염물의 역치를 초과는 경우에 유리한 효과가 이미 발생한다. 반응 층의 확실한 안정화를 위한 납의 최소 중량은 0.4%이다. 적어도 0.5%, 특히 바람직하게는 적어도 0.6%의 훨씬 더 많은 양의 유리 규소는 반응 층의 발달에 요망되는 발달에 대한 요망되는 효과를 증가시키는데, 합금의 가공성에 대한 요건에 의해 상한치가 주어진다. 기계적으로 유리하지 않은 합금 특성을 얻는 규소-풍부 γ 상은 막아야 한다. 따라서, 유리 규소의 양은 최대 2중량%, 특히 바람직하게는 최대 1.5중량%로 제한되는 것이 바람직하다. 절대 규소 함량에 대하여 선택된 제한으로, 몇몇 상황하에 균열을 초래할 수 있는 주조 합금에서의 응력은 억제되고, 합금의 유리한 파괴 강도가 유지된다.

또한, 합금 구성 요소 아연과 절대 규소 함량 사이의 중량비는 10 내지 40의 범위, 바람직하게는 20 내지 35의 범위인 것이 바람직하다. 합금 매트릭스 중의 유리 규소의 양에 대한 아연 함량이 고려되는 경우, 몫은 바람직하게는 15 내지 75, 바람직하게는 20 내지 55이다. 반응성을 증가시키는 성분 아연과 반응 속도에 영향을 미치는 유리 규소 함량 간의 하기에 언급되는 균형은 반응 층의 형성이 포함되는 윤활제 첨가제에 대하여 선택적으로 이루어지도록 조절된다.

유리 형태의 규소는 다른 합금 구성 요소의 산화의 억제제로서 작용하고, 특히 아연의 산화 경향은 산화아연 층이 소수 정도로만 형성되는 대신에 아연이 반응 층으로의 혼입을 위해 원소 형태로 존재하도록 감소된다. 추가로, 특수 황동 중의 유리 규소는 제 3 원소의 확산 속도를 감소시키고, 또한 합금 내의 열 전달을 감소시키는 것으로 추정된다. 이는 반응 층의 형성의 속도를, 합성 과정이 동시에 보다 선택적으로 이루어지면서 지연되는 정도로 영향을 미친다. 높은 아연 산화물 함량을 지니는 산화물 층의 형성 대신에, 서서히 성장하고 안정한 반응 층이 형성되는데, 여기서 반응물로서 이용가능한 원소 아연은 윤활유의 개별 첨가제와 선택적으로 반응하는 반면, 현재 공지된 오일 첨가제의 대부분은 더 적은 정도로만 반응 층에 혼입된다. 따라서, 반응 층의 발달이 완전히 억제되지는 않지만, 대신에 아연 함량으로 인한 반응성 증가 및 매트릭스 또는 규소-기반 층에 용해된 유리 규소의 억제제 효과때문에 선택적 층 성장이 발생된다.

이러한 상호작용은 단지 표면-변경 효과를 지니는 매우 특이적인 윤활제 첨가제가 반응 층의 형성에 영향을 미치는 결과를 야기한다. 이는 본 발명에 따른 합금으로부터 생산된 가공물, 예를 들어, 이로부터 제작된 동기화 링의 내부식성의 폭넓은 성질을 설명하는데, 그 이유는 대부분의 오일 첨가제가 층-형성 과정에 부정적인 영향을 지니지 않으면서 사용되고 대체될 수 있기 때문이다. 이러한 정도로, 마찰학적 시스템은 다양한 윤활제 차이에 대한 반응 층과 관련하여 본 발명에 따른 합금으로 제조된 가공물, 예를 들어, 동기화 링에 대해 더 많거나 적게 변화되지 않은 채로 유지된다. 상이한 윤활제 환경에서의 사용을 위하여, 한 가지 요구만이 마찰학적 시스템에 대한 부정적인 영향을 지닐 수 있는 특정 첨가제들 또는 첨가제 조성물이 사용되지 않아야 함을 보장한다. 단지 매우 특이적인 윤활제가 종래에 공지된 합금의 가공물에 사용될 수 있는 반면, 본원에 청구되는 합금으로 제조된 가공물의 경우에는 의도된 성공이 달성될 수 없는 단지 몇 개의 윤활제들 및/또는 윤활제 조성물만이 존재한다. 따라서, 청구된 합금으로부터 생산된 가공물은 오일과 폭넓은 상용성을 지닌다.

청구된 합금으로 제조된 가공물의 경우, 기계적 응력에 주어지는 최외각 층 상의 마모는 안정한 반응 층이 형성되게 반응 층을 형성시키도록 허용된다. 이는 마모, 심지어 초기 마모를 감소시키기 위한 일반적인 절차와는 대조적이다. 청구된 본 발명을 야기한 연구에서, 안정한 반응 층을 얻기 위해서 층 두께 및 층의 조성을 포함하여 층의 성장을 제어하는 것이 필요할 뿐만 아니라 반응 층에 인접한 내부 경계 상의 안정화가 또한 부품의 반응 층의 안정한 형성의 관점으로부터 중요하다. 규소를 첨가함으로써, 경계 층의 특히 피팅 마모에 대한 저항성을 증가시키는 개선된 기계적 안정성이 관찰된다. 이러한 효과는 추가로 금속간 경질 층의 침전에 의해 향상되고, 그에 따라서 본 발명에 따른 합금의 경우 규소 및/또는 알루미늄뿐만 아니라 합금 구성 요소 망간, 철 및 니켈, 또한 임의의 원소 크롬을 함유하는 실리사이드와 알루미나이드의 혼합물이 존재할 수 있다. 합금 중의 선택된 알루미늄 함량은 주로 알루미늄 금속간 상의 형성을 야기하고, 그에 따라서 실리사이드의 형성에 달리 필수적인 원소가 포집된다. 그 결과, 규소 함량은 과량으로 유지되며, 합금 매트릭스에 용해된 유리 규소로서 존재할 수 있다. 합금 함량의 중량비는 알루미늄 함량이 철, 망간, 니켈 및 크롬 함량의 합에 대한 화학량론적 비율을 초과하도록 본 발명의 바람직한 구체예에서 조절된다.

0.4%, 바람직하게는 적어도 0.5%, 특히 바람직하게는 적어도 0.6%의 필요한 최소량의 유리 규소가 본 발명의 다성분 시스템을 위해 알루미나이드가 실리사이드와 경쟁하여 형성되도록 충분한 다량의 알루미늄을 통해 얻어질 뿐만 아니라, 규소의 가용성에 대한 또 다른 영향 요소가 절대 아연 함량을 통해 제어될 수 있는 합금 구조의 조절을 야기한다. β-황동이 단독으로 또는 주로 존재하는 경우, 합금 매트릭스에서 규소의 가용성은 우수하다. 소정의 합금 제한치 내에서, 조합된 양이 가능하며, 여기서 α 상은 600℃ 미만에서 열역학적으로 안정하며, β 상에서 유리 규소는 더 적은 정도로만 가용성이다. 마찬가지로, 합금의 용융, 가능하게는 추가의 열-성형 및 어닐링 단계 후에 β 상 함유물이 선택된 냉각 조건으로 인해 합금으로 동결된다는 사실로 0.4%, 바람직하게는 적어도 0.5%, 특히 바람직하게는 적어도 0.6%의 필요한 최소량의 유리 규소가 확립된다.

합금 매트릭스에서 규소의 가용에 대한 또 다른 제어 가능성이 또한, 미세 상 침전 형태로 존재하는 Cu-Zn-Al-Si 혼합된 결정 형태의 κ 상에 대한 구조 조절의 경우에 얻어진다. 이러한 측정으로 인해, 규소는 (α + β) 혼합된 결정체로부터 탭핑(tapping)될 수 있다. κ 상의 형성에 영향을 미치기 위해, 제어된 냉각과 함께 반복적인 어닐링이 수행될 수 있다. 또한, 임의의 원소 크롬이 또한 합금의 바람직한 구체예에서 크롬이 불가피한 오염물로서만 존재한하도록 상 평형에 영향을 미친다.

코발트는 최대 1.5중량%의 양으로 합금에 존재할 수 있다. 그러나, 코발트 함량이 <0.7중량%이거나 합금이 코발트를 거의 함유하지 않는 구체예가 바람직하다.

최대 0.8중량%의 납 함량은 기본적으로 불순물로 간주된다. 본원에 기재된 합금의 특수 오일 상용성이 또한 Pb를 함유하지 않아도 달성된 것으로 밝혀져 놀라웠다. 이는 최신 기술의 합금이 오일 상용성을 달성하기 위해 특정량의 Pb를 함유해야 한다는 배경때문에 놀라웠다. Pb 함량이 <0.1중량%인 본 발명에 따른 합금은 이러한 구체예의 범위 내에서 Pb를 함유하지 않는 것으로 간주된다.

고려되는 유형의 종래에 공지된 합금에 비해 낮은 망간 함량에도 불구하고, 성분의 요망되는 내마모성을 부여하는데 있어서 본 발명에 따른 합금으로 생산된 부품에서 충분한 양의 실리사이드가 형성되는 것으로 밝혀져 놀라웠다. 이러한 결과는 망간이 바람직한 실리사이드-형성 원소이고, 이는 요망되는 실리사이드 함량을 얻기 위해서 망간 함량이 실리사이드의 형성에 대한 이의 친화성 때문에 높은 품질이어야 한다는 일반적인 의견과 일치했기 때문에 놀라웠다. 본 발명에 따른 합금에 의해서, 이들이 망간에 비해 실리사이드의 형성에 유의하게 더 낮은 친화성을 지닌다는 사실에도 불구하고, 실리사이드의 형성으로 예를 들어 니켈 및/또는 철과 같은 다른 원소를 도입하는 것이 가능하였다. 이러한 배경으로, 청구된 합금은 또한 합금 구성 요소로서 알루미늄을 함유하고, 알루미나이드는 원소 철 및/또는 니켈로 형성될 수 있지만, 실리사이드의 형성에 대한 친화성은 우세하다.

이러한 정도로, 놀랍게도 생산된 부품이 충분한 실리사이드 함량을 지닐 뿐만 아니라 요망되는 유리 규소가 또한 존재하는 것을 보장하여 규소에 대한 원소들의 상이한 친화성의 우수한 이용을 추정하는 것이 가능하다. 연구에 의해서, 요망되는 유리 규소는 전형적인 생산 공정에 의존할 필요가 있는 경우에만 청구된 범위로 확립되는 것으로 밝혀졌다.

윤활제와의 상호작용에서 본 발명의 조성물에 따른 합금으로부터 생산된 가공물은 내부 경계 층의 형성을 보장하는데, 이는 높은 열적 및 기계적 안정성을 보장하는 것에 더하여 반응 층의 우수한 접착력을 가능하게 한다. 이러한 예기치않은 특성은 반응 층의 층 성장에 대한 효과를 지니는 적합한 확산 능력뿐만 아니라 추가 부식 보호로서 자체-윤활 성분을 사용하는 가능성을 연 결과인 것으로 추정된다. 본 발명에 따른 합금 조성물에 대한 주석의 첨가는 이것이 확산을 통해 마찰 표면에 도달함에 따라 이러한 목적을 제공하고, 여기서 이는 자체-윤활제 효과를 지닌다.

본 발명에 따른 합금을 생산하기 위해, 개질 및 열처리는 β 상이 적어도 70%, 바람직하게는 80% 이상의 매트릭스 함량으로 형성되도록 합금 구성 요소를 결합한 후에 수행된다. 합금 매트릭스에서의 규소의 개선된 가용성에 더하여, 최종 침전 경화가 다수 적용에서 필요하지 않도록 높은 가공물 경도 및 연마제 마모에 대한 큰 저항성의 결과가 이루어졌다. 이러한 경우에, 합금에서 임의의 성분 코발트의 양이 감소될 수 있다. 불가피한 불순물을 제외하고 코발트를 완전히 생략하는 것이 바람직하다. 이와 관련하여, 놀랍게도 요망되는 합금 조성물의 폭넓은 오일 상용성이 0.7중량% 미만의 코발트의 양때문에 추가로 개선되는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 본 발명의 다성분 시스템에서 코발트 분획과 철 분획 간의 및 또한 크롬과의 상호작용이 존재하는데 이것이 유리 규소 함량에 대하여 간접적인 영향을 지니는 것으로 추정된다.

상기 언급된 합금의 긍정적인 특성의 증가는 하기 중량의 성분을 함유하는 바람직한 구리 합금으로 달성될 수 있다:

54-65% 구리

3.0-5.0% 알루미늄

1.0-3.0% 규소

2.0-4.0% 니켈

0.5-1.5% 철

≤1.5% 망간

≤0.7% 주석

≤1.5% 크롬

≤0.8% 납

나머지 아연과 그 밖의 불가피한 불순물.

상기에서, 유리 규소는 합금 매트릭스 또는 규소-함유 비-실리사이드 상에 적어도 0.4%, 바람직하게는 적어도 0.5%, 특히 바람직하게는 적어도 0.6%의 양으로 존재한다.

상기 언급된 합금의 긍정적인 특성의 추가 향상은 하기 중량의 성분을 함유하는 바람직한 구리 합금으로 달성될 수 있다:

56-60% 구리

3.0-4.0% 알루미늄

1.3-2.5% 규소

3.0-4.0% 니켈

0.5-1.5% 철

0.1-1.5% 망간

0.3-0.7% 주석

≤0.7% 크롬

≤0.8% 납

나머지 아연과 불가피한 불순물.

상술된 본 발명에 따른 구리 합금 및/또는 이로부터 생산된 가공물의 이점을 배경으로, 이러한 합금은 예를 들어 동기화 링, 또는 베어링 부품과 같은 오일 환경에 사용되는 부품을 생산하는데 적합하는 것을 알 수 있다. 이는 이러한 합금으로부터 생산된 제품의 긍정적인 특성이 제품이 동기화 링과 같은 마찰 쌍의 마찰 파트너인 경우 뿐만 아니라, 다른 부품들이, 예를 들어, 페어링, 예를 들어, 베어링(축 베어링 또는 방사 베어링)의 조합으로 제공되는 경우에 달성된다는 것을 의미한다. 이러한 추가 적용은 또한 베어링 부품으로서 사용되는 부싱(bushing)을 포함한다. 여기서, 그러한 합금으로부터 생산된 가공물의 특별한 특성이 특히 이들이 이들의 오일 환경에 적어도 일시적으로 망간 윤활에 노출되는 때에 확립된다는 것은 자명하다.

상술된 긍정적인 효과가 전체 청구된 띠폭에 걸쳐 확립되기는 하나, 하기 조성으로 제조된 합금이 특히 이러한 합금으로 제조된 부품이 더 높은 기계적 하중에 노출되어야 하는 경우에, 강도 기준 때문에 베어링 부품에 바람직하다(양은 중량%로 주어짐):

59-61% 구리

3.5-4.2% 알루미늄

1.1-1.7% 규소

2.6-3.8% 니켈

0.6-1.1% 철

0.5-1.0% 망간

0.1-0.3% 주석

최대 0.8% 납

나머지 아연과 불가피한 불순물.

하기 합금 성분을 함유하는 반완성 제품으로 하기 제시된 실험을 수행하였다(양은 중량%로 주어짐):

60% 구리

4.0% 알루미늄

1.6% 규소

3.2% 니켈

0.9% 철

0.9% 망간

0.2% 주석

0.8% 납

나머지 아연과 불가피한 불순물.

본원에서 연구된 상기 합금 조성을 지니는 압출된 반완성 제품은 큰 인성 및 충분한 합금과 높은 파단시 신장률을 지닌다. 250-270 범위에서 2.5/62.5의 경도 HB를 지니는 가공물 및/또는 반완성 제품이 얻어질 수 있다. 이러한 강도 수준은 다수 적용에 충분하기 때문에, 이러한 합금으로부터 생산된 가공물은 어떠한 후속 경화를 필요로 하지 않는다. 종래에 공지된 합금으로 제조된 가공물의 경우, 그러한 경도는 추가의 경화 단계로만 달성될 수 있다. 인장 시험은 650-750 MPa 범위에서 0.2% 변형율 제한치를 나타냈다. 또한, 본 발명에 따른 합금은 ≥0.1의 슬라이딩 마찰 값(sliding friction value)을 지닌다. 이는 도 1을 기초로 하여 예시되어 있으며, 도 1에서 모두 윤활제로 분류되도록 A 실험은 윤활제 티탄 EG 52512로 실시되고, B 실험은 BOT 350 M3 윤활제로 실시되고, C 측정은 BOT 402로 실시되었다.

실리사이드 형태로 결합되지 않은 유리 규소의 양은 본 발명에 따른 합금으로부터 생산된 반완성 제품에 대한 주사 전자 현미경(scanning electron micrographic: SEM) 연구에 의해 측정하였다. 도 2는 x-선 광전자 분광기(x-ray photoelectron spectroscopy: EDX)로의 분석을 위하여 표지된 특정 위치를 지니는 현미경 사진을 나타낸 것이다. 하기 표는, 측정 값이 합금 매트릭스로 정해질 수 있고, 그에 따라서 금속간 경질 상의 외부에 있도록 이러한 문맥에서 측정하는 경우에 선택된 측정 위치/측정 표면에 대한 유리 규소의 양을 나타낸 것이다:

또한, 본원에서 상세히 나타나 있지는 않지만 이에 따라서 선택된 합금 조성의 전범위에 걸쳐 SEM-EDX 측정을 확인시켜 주는 주사 전자 현미경 연구를 실시하였다. 적어도 0.6중량%의 유리 규소 함량을 측정하였다.

도 3은 상기 언급된 윤활제 중의 실험 합금, 즉, A(티탄 EG 52512), B (BOT 350 M3) 및 C (BOT 402)(광범위한 오일 상용성을 지님)로의 마모 실험의 결과를 나타낸 것이다. 모든 윤활제 시스템에서, 80℃의 오일 온도, 50 MPa의 표면 압력 및 1 m/s 슬라이딩 속도에서 수행된 실험으로 안정한 반응 층의 형성이 검출되었다. 100 km의 마찰 거리를 이동한 후, 내마모성 값은 140-170 km/g의 비교적 협소한 범위 내에 있었다. 이미 기술된 마모 실험에서 샘플 조각은 특히 광범위한 오일 상용성을 나타냈을 뿐만 아니라 각각의 내마모성이 높았고, 그에 따라서 측정된 내모마성 값에 결친 범위가 상이하게 다양한 오일의 사용에도 불구하고 꽤 좁은 것으로 밝혀져 놀라웠다.

비교 결과가 또한 Pb-비함유 변형예에서 달성될 수 있다. Pb-비함유 변형예의 합금은 궁극적으로 상술된 Pb-함유 합금 변형예와 동일한 의도된 용도로 반완성 제품 또는 부품의 생산에 적합하지만, 이들은 Pb를 함유하지 않는다는 이점을 지닌다. 한편, 이는 주로 환경적으로 안전한 이유때문에 요구된다.

중량%로 나타나 있는 하기 원소를 지니는 합금 조성이 이러한 목적으로 적합할 것이다:

59-62% 구리

3.5-4.5% 알루미늄

1.2-1.8% 규소

2.5-3.9% 니켈

0.7-1.1% 철

0.7-1.0% 망간

0.05-0.5% 주석

≤1.5% 크롬

<0.1% 납

나머지 아연과 그 밖의 불가피한 불순물.

니켈 및 알루미늄 함량과 관련하여 서로 상이한 두 개의 상이한 유형의 합금을 기초로 하여 이러한 합금 군을 사용하여 오일 상용성 시험을 수행하였다. 흥미롭게도, 이러한 합금으로 달성된 오일 상용성 결과는 합금 성분으로서 납의 부재에도 불구하고 오일 상용성이 상술된 바와 같이 Pb를 함유하는 합금에 대하여 밝혀진 것에 상응한다는 것을 보여주었다. 이들은 하기 유형의 합금(중량%의 양)이고, 여기서 유리 규소는 바람직하게는 합금 매트릭스 또는 규소-함유 비-실리사이드 상에 적어도 0.4%, 바람직하게는 적어도 0.5%, 특히 바람직하게는 적어도 0.6%의 양으로 존재한다:

합금 유형 1

59.5-61.5% 구리

3.6-4.2% 알루미늄

1.2-1.8% 규소

2.8-3.3% 니켈

0.7-1.1% 철

0.6-1.2% 망간

≤0.28% 주석

<0.1% 납

나머지 아연과 불가피한 불순물.

합금 유형 2

58.5-61.0% 구리

3.9-4.4% 알루미늄

1.2-1.8% 규소

3.3-4.0% 니켈

0.7-1.1% 철

0.6-1.2% 망간

≤0.28% 주석

<0.1% 납

나머지 아연과 불가피한 불순물.

합금 유형 1의 샘플을 특히 이의 오일 상용성과 관련하여 시험하였고, 하기 조성을 지니는 것으로 밝혀졌다(중량%의 양):

60% 구리

4.0% 알루미늄

1.6% 규소

3.2% 니켈

0.9% 철

0.9% 망간

0.2% 주석

0.02% 납

나머지 아연과 불가피한 불순물.

합금 유형 2로부터 시험된 샘플의 조성은 하기 조성을 지녔다(중량%의 양):

60% 구리

4.2% 알루미늄

1.6% 규소

3.7% 니켈

0.9% 철

0.9% 망간

0.2% 주석

0.02% 납

나머지 아연과 불가피한 불순물.

베어링 부품으로서 부싱은 당해 분야에 공지된 공정 단계로 그러한 합금으로부터 생산될 수 있다. 이는

예비 파이프 물질의 압착 단계;

압착된 예비 파이프 물질의 연화 어닐링 단계;

최대 5%, 바람직하게는 2 내지 3%까지 연화 어닐링된 예비 파이프 물질의 냉간 인발(Cold drawing) 단계; 및

냉간 인발된 반완성 제품의 열 분해 단계를 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 구리 합금의 슬라이딩 마찰 값(sliding friction value)을 나타낸 것이다.
도 2는 x-선 광전자 분광기(x-ray photoelectron spectroscopy: EDX)로의 분석을 위하여 표지된 특정 위치를 지니는 현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 A(티탄 EG 52512), B (BOT 350 M3) 및 C (BOT 402) 윤활제 중의 본 발명에 따른 구리 합금의 마모 실험(wear resistance) 결과를 나타낸 것이다.

Claims

윤활제-상용성 구리 합금으로서, 중량%로,
54-65% 구리
2.5-5.0% 알루미늄
1.0-3.0% 규소
2.0-4.0% 니켈
0.1-1.5% 철
≤1.5% 망간
≤1.5% 주석
≤1.5% 크롬
≤0.8% 납
나머지 아연과 기타 불가피한 오염물을 포함하고,
유리 규소가 합금 매트릭스 또는 규소-함유 비-실리사이드 상(phase)에 0.4% 이상의 양으로 존재하는, 윤활제-상용성 구리 합금.
제 1항에 있어서, 중량%로,
54-65% 구리
3.0-5.0% 알루미늄
1.0-3.0% 규소
2.0-4.0% 니켈
0.5-1.5% 철
≤1.5% 망간
≤0.7% 주석
≤1.5% 크롬
≤0.8% 납
나머지 아연과 기타 불가피한 오염물을 포함하고,
유리 규소가 합금 매트릭스 또는 규소-함유 비-실리사이드 상에 0.4% 이상의 양으로 존재하는, 구리 합금.
제 2항에 있어서, 중량%로,
56-60% 구리
3.0-4.0% 알루미늄
1.3-2.5% 규소
3.0-4.0% 니켈
0.5-1.5% 철
0.1-1.5% 망간
0.3-0.7% 주석
≤1.5% 크롬
≤0.8% 납
나머지 아연과 불가피한 불순물의 성분을 함유하고,
유리 규소가 합금 매트릭스 또는 규소-함유 비-실리사이드 상에 0.4% 이상의 양으로 존재함을 특징으로 하는, 구리 합금.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 중량%로,
59-62% 구리
3.5-4.5% 알루미늄
1.2-1.8% 규소
2.5-3.9% 니켈
0.7-1.1% 철
0.7-1.0% 망간
0.05-0.5% 주석
≤1.5% 크롬
≤1.0% 납
나머지 아연과 불가피한 불순물의 성분을 함유하고,
유리 규소가 합금 매트릭스 또는 규소-함유 비-실리사이드 상에 0.4% 이상의 양으로 존재함을 특징으로 하는, 구리 합금.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 유리 규소의 양이 0.65중량% 이상임을 특징으로 하는, 구리 합금.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 아연과 유리 규소의 중량 비율이 15 내지 75의 범위, 바람직하게는 20 내지 55의 범위로 선택됨을 특징으로 하는, 구리 합금.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄의 양이 철, 망간, 니켈 및 크롬의 양의 합의 화학량론적 비율을 초과함을 특징으로 하는, 구리 합금.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 원소 Si에 대한 Ni + Fe + Mn의 합의 비율이 ≤3.45, 바람직하게는 ≤3.25임을 특징으로 하는, 구리 합금.
제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 합금 매트릭스 중의 β 상 합량이 80% 초과임을 특징으로 하는, 구리 합금.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 불순물로서 납이 합금의 형성에서 최대 0.8중량%의 양으로 존재함을 특징으로 하는, 구리 합금.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 구리 합금으로부터 가공물을 생산하는 방법으로서, 매트릭스 또는 규소-함유 비-실리사이드 상에 유리 규소의 양이 0.4% 이상에 상응하도록 하나 이상의 열 처리 단계가 후속 냉각과 함께 수행됨을 특징으로 하는 방법.
제 11항에 있어서, 열 처리 단계 및 후속 제어 냉각의 공정 관리가 80% 이상의 상 함량을 지니는 β 상을 생성시킴을 특징으로 하는 방법.
제 11항 또는 제 12항에 있어서, 기어(gear)를 위한 동기화 링(synchronizer ring)이 합금으로부터 제작됨을 특징으로 하는 방법.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 구리 합금으로부터 제작되는, 동기화 링과 같이 마찰에 노출되는 하나 이상의 구리 합금 부품을 지니는 기어로서, 상기 기어가 기어 케이싱(gear casing)을 포함하고, 구리 합금으로부터 제작되는 기어 부품이 기어 오일 환경에서 배열되고, 상기 기어 부품이, 기어 오일에 함유되는 첨가제 및 매트릭스 또는 규소-함유 비-실리사이드 상에 반응성 구성요소로서 존재하는 유리 규소 또는 이의 반응 생성물 및/또는 분해 생성물과 함께, 그 표면 상에 마찰에 노출되는 반응 층을 지니는 방법.