KR20180026175A - 강도 및 내마모성이 우수한 이중구조의 마찰 기계 부재의 제조방법 - Google Patents

강도 및 내마모성이 우수한 이중구조의 마찰 기계 부재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

강도 및 내마모성이 우수한 이중구조의 마찰 기계 부재의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제조방법은, 금속 모재의 표면에 동 합금계 분말을 피복하여 피복층을 형성하는 공정; 상기 피복층이 형성된 금속 모재를, 동 합금계 분말에서의 구리 산화 및 합금성분의 변화를 방지할 수 있도록 환원성 분위기하에서 760~880℃로 10~40분 소결함으로써 상기 금속 모재와 피복층을 일체화하는 공정; 및 상기 피복층이 일체화된 금속 모재를 성형함으로써 소정 형상의 기계 부품을 제조하는 공정;을 포함하고, 상기 동 합금계 분말 조성은, 중량%로, 아연(Zn):15%초과 20%이하, 주석(Sn): 7~10%, 알루미늄(Al):0.2~3%와 실리콘(Si):0.1~0.3% 중 1 종 이상, 인(P): 0.1% 이하, 잔부 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어진다.

Description

강도 및 내마모성이 우수한 이중구조의 마찰 기계 부재의 제조방법{Method of manufacturing a bi-layered friction machine parts made of wear resistant copper alloy having high strength}
본 발명은 강도 및 내마모성이 우수한 이중구조의 마찰 기계 부재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 모재 금속 표면에 동합금계 분말이 피복된 이중구조를 갖는 기계 부재를 제조함에 있어서, 소결 과정에서 구리의 산화를 방지하고 비등점이 낮은 합금원소가 증발하는 것을 억제함으로써 우수한 마찰특성과 내마모성을 갖는 이중구조의 마찰 기계 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 고강도 동합금은 Cu-Zn 합금을 기본으로 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 실리콘(Si), 망간(Mn) 등과 같은 원소를 첨가하여 용해 주조하여 제조된 합금으로 단일구조를 나타내며, 내마모성, 항장력 및 인성 등이 크기 때문에 비철 합금 중에서는 구조용 재료로 많이 사용되고 있다. 특히, 자동차용 싱크로라이저 링이나 일반 기계용으로 워엄 휘일과 베어링, 압축기용 슬리퍼 및 기타 고속 운동용 부품을 만드는데 많이 사용되고 있으며, 연관 부품으로 사용량도 꾸준히 증가하고 있다. 이러한 기술의 일 예로 특허문헌 1에 기술된 발명을 들 수 있다. 상기 특허발명에는, 55 내지 75 중량%의 구리, 0.1 내지 8 중량%의 알루미늄, 0.3 내지 3.5 중량%의 철, 0.5 내지 8 중량%의 망간, 0 내지 5 중량% 미만의 니켈, 0 내지 0.1 중량% 미만의 납, 0 내지 3 중량%의 주석, 0.3 내지 5 중량%의 실리콘, 0 내지 0.1 중량% 미만의 코발트, 0 내지 0.05 중량% 미만의 티타늄, 0 내지 0.02 중량% 미만의 인, 불가피한 불순물 및 잔량의 아연을 포함하는 구리-아연 합금으로 순금속을 이용하여 용해 주조하는 방법으로 고강도 동합금을 제조되는 방식을 제시하고 있다.
그런데 단일구조로 구성되는 고강도 동합금으로 제조된 부품들은 내마모성이 다소 부족하여 장시간 사용할 때 회전운동에 의한 마모와 충격으로 인해 이들 부품이 구성하게 되는 기구의 작동이 원활하지 못하여 소음이 심하게 발생하기도 하며, 아울러, 이들 부품의 수명이 단축되거나 때로는 이들 부품이 파손되는 문제점이 나타난다. 최근의 자동차용 변속기의 동력전달 메커니즘이 순간적으로 강력한 힘과 큰 토크의 전달을 요구하는 경향으로 변함에 따라, 싱크로라이저 링 부품소재로 마찰계수가 크고 내마모성이 우수한 성질의 소재가 요구되고 있으나 단일구조의 고강도 동합금 소재로는 그 특성을 충족시키는데 어려움이 따른다. 또한 경량화와 고성능을 발휘하는 부품의 수요가 증가함에 따라 변속기 분야에서도 미션의 고급화 및 고성능화에 수반해 조작시 부드러운 감이 요구되면서 내주면의 마찰특성 및 내마모성이 우수한 부품이 요구되고 있다.
자동차용 변속기 분야에 사용되는 부품은 일반적으로 기계적 강도가 높고 상대 부재와 접촉하는 내주면의 마찰특성이 우수함과 동시에 충분한 내마모성이 요구되는바 다양한 제조방법들이 알려져 있다. 기존의 자동차용 변속기 분야에 사용되는 부품의 제조방법으로는 금속과 이종금속으로 높은 융점과 경도를 갖는 세라믹스 산화물(Mo계 산화물)을 균일하게 혼합하여 플라즈마를 이용하여 제조하는 방법과, 금속 분말과 비금속 분말을 혼합하고 성형하여 고온에서 소결하여 얻은 소결체로부터 화염 분사법으로 내주면을 부착시키는 제조 방법 등이 사용되어 왔으나, 이러한 제조 방법으로 제조된 자동차용 변속기 분야에 사용되는 부품의 경우 금속성분의 확산부족으로 인해 강도가 부족하거나 피막의 재질 불균일로 인해 품질 불균형이 나타나 마찰특성 및 내마모성이 떨어지는 문제점이 발생하였다. 특히, 플라즈마 용사 코팅법으로 자동차용 변속기 분야에 사용되는 부품을 제조하는 경우 기어변속시 발생하는 마찰열에 의해 모재와 표면층의 열팽창 계수의 차이에 따른 표면 박리 현상이 나타나며, 표면층이나 프레임에 불완전한 용해 입자들이 부착되어 표면 결함을 발생시킴으로써 마찰특성이 저하되거나 부착된 입자의 탈락에 의해 미션계 각부의 마모를 야기하는 원인이 되는 등의 문제점이 있었다. 이러한 기술의 일 예로 특허문헌 2에 기재되 발명을 들 수 있으며, 특허문헌 2에는 황동분말 80%, 실리콘산화물(SiO2) 4-6%, 알루미늄산화물(Al2O3) 0.5-1.5%, 탄소(C) 4-6%, 주석(Sn) 3.5-6.5%, 철(Fe) 18-22% 이하인 것을 특징으로 하는 마찰재료로 금속분말과 산화물 분말을 혼합하여 소결하는 방법으로 제조되는 것을 제시하고 있다.
이러한 문제점을 개선하고자 최근에는 열전도도가 우수한 동합금을 소재로 하는 부품이 사용되고 있으며, 금속과 이종금속 간의 결합력을 고려하여 모재에 충분한 연성을 갖도록 기지 조직에 베이나이트 및 펄라이트와 유리 Cu상을 포함한 Fe계 소결 합금으로부터 제조되는 부품이 일반적으로 사용되고 있다.
한편 높은 강도와 열전도도를 갖는 동합금계 소결 합금의 경우 싱크로나이저 링 이외에도 다양한 기계부품(터보차지의 베어링, 엔진의 벨브 가이드, 기어 펌프의 thrust 받이 부재 및 열쇠 부품) 등에 이용되고 있다. 하지만, 동합금계 소결 합금의 경우, 구리의 높은 산화성으로 인해 소결과정에 많은 어려움이 발생하며, 경우에 따라서는 합금 성분이 증발하는 문제점이 동반된다. 즉, 구리의 산화현상과 비등점이 낮은 합금원소가 소결 과정에서 증발하여 그 비율이 감소하게 되고, 이로 인해 동합금 소결체의 조성 유지가 어려우며 모재와 이종금속 간 결합력이 충분히 확보되지 못해 동합금 소결체로부터 제조되는 제품의 표면에 결함을 일으키거나 소결체의 표면과 중심부의 기계적 특성 및 조성이 불균일하여 품질이 저하되는 문제점이 동반된다. 이러한 기술의 일예로 특허문헌 3에 기재된 발명을 들 수 있으며, 상기 특허문헌 3에는 아연(Zn)의 비율이 10-15%이고 주석(Sn)의 비율이 4-7%이고 인(P)의 비율이 0.3% 이하인 것을 특징으로 하는 마찰링 제조방법을 제시하고 있다.
최근에는 접착제를 이용하여 스틸면에 탄소섬유를 부착시키는 부품이 개발되어 우수한 내마모성 및 마찰계수를 제공하나, 마찰 저항열에 의한 탄소섬유 탈착의 문제점이 또한 야기 되고 있다.
상술한 바와 같이, 자동차용 변속기 등의 기계 부품 제를 위해, 순 금속을 이용하여 용해 주조하는 합금방식(특허문헌 1), 분말과 산화물을 혼합하여 제조하는 방법(특허문헌2 ), 그리고 분말을 이용하는 소결방식(특허문헌 2)으로 분류할 수 있으며, 동합금계 싱크로라이저 링의 구성성분들은 제조 유형에 무관하게 아연(Zn) 10-40%, 주석(Sn) 10%이하의 성분을 기본으로 철계 또는 비철계 금속 또는 분말을 이용하여 제조하거나 또는 산화물을 복합첨가하는 방식으로 제조된다. 그리고 용해 주조(특허문헌 1)로 제조되는 싱크로라이저 링은 이종금속으로 이루어지는 이중구조가 아닌 단일구조를 나타내며 부품의 경량화에 한계를 나타내며, 분말 및 산화물을 복합첨가하는 방식으로 제조되는 경우(특허문헌 2), 고융점 금속(Fe) 또는 산화물(SiO2 , Al2O3)들은 소결시 소결성을 저하시켜 기공분포와 접합력을 감소시키고 기계적 특성을 저하시키는 원인으로 작용한다는 점에서 한계가 있다
한국공개특허 10-2008-0080156 미국공개특허 US 5324592 한국공개특허 10-2013-0002584
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 한계를 극복하기 위하여 안출된 것으로서, 동합금계 소결 합금을 제조함에 있어서 소결 과정에서 구리의 산화를 방지하고 비등점이 낮은 합금원소가 증발하는 것을 억제함으로써 모재와 이종금속 피복층 계면에 결함이 없으며, 나아가, 피복층이 균일하게 형성되어 성형 가공 능을 향상시킬 뿐만 아니라 공정 효율을 개선할 수 있는 고강도와 내마모성 우수한 이중구조의 마찰 기계 부재의 제조 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
본 발명에서는 높은 마찰특성과 내마모성을 갖는 자동차용 변속기 부품이나 일반 기계용으로 워엄 휘일과 베어링, 압축기용 슬리퍼 및 기타 고속 운동용 부품 제조에 적합한 이중구조의 부품을 효과적으로 제공할 수 있다.
또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
금속 모재의 표면에 동 합금계 분말을 피복하여 피복층을 형성하는 공정;
상기 피복층이 형성된 금속 모재를, 동 합금계 분말에서의 구리 산화 및 합금성분의 변화를 방지할 수 있도록 환원성 분위기하에서 760~880℃로 10~40분 소결함으로써 상기 금속 모재와 피복층을 일체화하는 공정; 및
상기 피복층이 일체화된 금속 모재를 성형함으로써 소정 형상의 기계 부품을 제조하는 공정;을 포함하고,
상기 동 합금계 분말 조성은, 중량%로, 아연(Zn):15%초과 20%이하, 주석(Sn): 7~10%, 알루미늄(Al):0.2~3%와 실리콘(Si):0.1~0.3% 중 1 종 이상, 인(P): 0.1% 이하, 잔부 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도와 내마모성 우수한 이중구조의 마찰 기계 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
상기 동 합금계 분말은 아연(Zn)을 15.5~17.5% 범위로 포함함이 바람직하다.
상기 동 합금계 분말은 알루미늄(Al)을 0.3~1% 범위로 포함함이 바람직하다.
상기 동 합금계 분말은 실리콘(Si)을 0.1~0.15%범위로 포함함이 바람직하다.
또한 상기 동 합금계 분말은 은(Ag)을 0.1~2% 범위로 추가로 포함함이 바람직하다.
본 발명에서 상기 성형공정으로 다단계 점진 성형공정을 이용함이 바람직하다.
상술한 구성의 본 발명은, 동합금 소결체의 제조를 위한 소결과정에서 알루미늄(Al)이 소결 중에 구리(Cu)와 반응하여 금속간화합물(CuxAly)을 형성하여 강도를 증가시키며, 소결과정 중에 인(P)이 산소와 반응하여 구리의 산화를 방지하는 최적의 소결 분위기를 조성하여 소결 공정을 촉진시킬 수 있다. 또한 비등점이 낮은 합금원소 증발을 억제함으로써 동 합금계 합금 구성 성분의 조성 비율을 유지할 수 있으며, 주석(Sn)의 고용도를 증가시키고 기계적 특성을 개선시켜 소결 피복층이 높은 마찰특성 및 내마모성을 가지는 고품질의 자동차용 변속기 부품이나 일반 기계용으로 워엄 휘일과 베어링, 압축기용 슬리퍼 및 기타 고속 운동용 부품을 제공할 수 있다.
구체적으로, 모재와 이종금속 피복층의 계면에 결함이 없는 동 합금계 합금 피복층을 균일하게 형성함으로써 자동차용 변속기 부품이나 일반 기계용으로 워엄 휘일과 베어링, 압축기용 슬리퍼 및 기타 고속 운동용 부품의 성형 가공을 용이하게 할 뿐만 아니라, 성형 공정 시 이종금속 피복층의 손상을 방지함으로써 종래의 자동차용 변속기 부품이나 일반 기계용으로 워엄 휘일과 베어링, 압축기용 슬리퍼 및 기타 고속 운동용 부품에 대비하여 우수한 강도 및 경도 그리고 높은 마찰특성과 내마모성을 보유하여 제품의 성능 및 품질을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1 본 발명에 따른 이중구조 고강도 내마모성 합금의 제조 과정을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 2 본 발명에 따른 이중구조 고강도 내마모성 합금의 미세조직 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 고강도와 내마모성 우수한 이중구조의 마찰 기계 부재의 제조 방법은, 금속 모재의 표면에 동 합금계 분말을 피복하여 피복층을 형성하는 공정; 상기 피복층이 형성된 금속 모재를, 동 합금계 분말에서의 구리 산화 및 합금성분의 변화를 방지할 수 있도록 환원성 분위기하에서 760~880℃로 10~40분 소결함으로써 상기 금속 모재와 피복층을 일체화하는 공정; 및 상기 피복층이 일체화된 금속 모재를 성형함으로써 소정 형상의 기계 부품을 제조하는 공정;을 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 이중구조 고강도 내마모성 합금의 제조 과정을 보이는 공정 순서도이다.
먼저, 본 발명에서는 금속 모재의 표면에 동 합금계 분말을 피복하여 피복층을 형성한다.
먼저, 판상의 스틸 디스크(disc) 형태의 모재를 구비하고 구비된 스틸 모재의 표면에 존재하는 오염물질을 세척한다. 모재의 세척은 모재 표면의 각종 유기물과 이물질, 먼지 등 소결 시 모재와 이종 금속 간 결합을 방해하는 물질을 제거하는 단계로서, 세척제에 담그거나 스팀 브러쉬 등으로 닦아내도록 한다. 한편, 모재의 재질로는 철계 합금을 사용함이 바람직하다.
이어, 이중구조 피복재로 사용할 동 합금계 분말을 균일한 조성이 되도록 정량하고 혼합한 후, 세척이 완료된 모재에 피복층을 형성할 동 합금계 합금 분말을 모재의 표면에 균일한 두께로 적층한다.
이중 구조을 갖는 자동차용 변속기 부품이나 일반 기계용으로 워엄 휘일과 베어링, 압축기용 슬리퍼 및 기타 고속 운동용 부품을 이룰 수 있는 모재와 피복층의 조성 성분, 조성비율은 아래와 같다.
본 발명에서 상기 동 합금계 분말 조성은, 중량%로, 아연(Zn):15% 초과 20% 이하, 주석(Sn): 7~10%, 알루미늄(Al):0.2~3%와 실리콘(Si):0.1~0.3% 중 1 종 이상, 인(P): 0.1% 이하, 잔 부 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명에서 이중구조 피복층을 형성하는 동합금은 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 및/또는 실리콘(Si), 및 인(P)을 포함한다.
이때, 상기 동 합금 분말을 조성성분 중 상기 아연(Zn)은 중량%로 15% 초과 20% 이하가 되도록 함이 바람직하며, 보다 바람직하게는 15.5~17.5%가 되도록 하는 것이다. 상기 아연(Zn)은 피복층의 기계적 특성을 향상시키는 역할을 하며, 함량이 너무 많으면 경도가 높아 접촉하는 상대부품의 마모를 촉진시켜 성능을 저하시키며 반면에 함량이 너무 적게 첨가되면 피복층의 경도가 낮아 동합금 피복층이 쉽게 마모되는 문제가 야기될 수 있다.
또한 상기 주석(Sn)은 피복층의 강도를 증가시키는 역할을 하며 그 비율은 5~10%가 되도록 함이 바람직하며, 보다 바람직하게는 5~8.5%가 되도록 하는 것이다.
상기 알루미늄(Al)은 금속간 화합물을 형성하여 피복층의 기계적 특성을 향상시키는 역할을 하며 그 비율은 0.2~3%가 되도록 함이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.3~1%가 되도록 하는 것이다.
상기 실리콘(Si)은 0.1~0.3%가 되도록 함이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.1~0.15%가 되도록 한다.
상기 인(P)의 비율은 0.1% 이하가 되도록 함이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.05%이하가 되도록 하는 것이다. 이러한 인(P)은 소결 시 소결로 내의 산소를 감소시킴으로써 소결 분위기를 개선하며, 소결 과정에서 비등점이 낮은 합금원소의 증발을 감소시킴으로써 아연 성분의 조절이 용이하게 하고, 아울러, 구리(Cu) 기지 내에 주석(Sn)의 고용도를 증가시켜 기계적 성질을 증가시키므로 소결 피복층이 높은 마찰특성 및 내마모성을 나타낼 수 있다. 그러나 인은 과량을 첨가할 경우 피복층의 물성을 약화시키고 피복층의 강도를 떨어뜨리므로 극소량을 첨가하도록 한다.
한편 본 발명의 동 합금계 분말은 은(Ag)을 추가로 포함함이 바람직하다.
본 발명에서 은(Ag)은 강도를 향상시키고 열전도도를 증가시켜 자동차용 변속기 부품이나 일반 기계용으로 워엄 휘일과 베어링, 압축기용 슬리퍼 및 기타 고속 운동용 부품의 냉각능을 높여 내마모성을 향상시키는 역할을 한다. 본 발명에서 이러한 은(Ag) 비율이 0.1~2%가 되도록 함이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.1~0.5%가 되도록 하는 것이다.
이어, 본 발명에서는 상기 피복층이 형성된 금속 모재를, 동 합금계 분말에서의 구리 산화 및 합금성분의 변화를 방지할 수 있도록 환원성 분위기하에서 760~880℃로 10~40분 소결함으로써 상기 금속 모재와 피복층을 일체화시킨다.
즉, 금속 모재의 표면에 동 합금계 분말을 균일하게 적층한 후, 연속식 소결로 또는 일반 로에 투입한 후 소결한다. 소결 단계에서는 동 합금계 분말이 산화되지 않도록 보호 분위기에서 동 합금계 분말이 적층된 모재에 고온의 열을 가함으로써 모재와 분말이 접합시킨다.
이러한 소결 고정을 진행함에 있어서 바람직한 조건은, 소결 온도: 760~880℃, 소결 시간: 10~40분, 분위기: 환원성 분위기로 제어하는 것이다.
이때, 본 발명의 동 합금계 분말이 균일하게 적층된 모재를 이용하여 상기 보호 가스분위기하에서 소결 시, 소결 과정에서 비등점이 낮은 합금원소(Zn)가 증발하여 그 함량이 감소하는 것을 방지할 수 있으며, 소결 후에도 동 합금계 분말 조성 성분의 조성 비율을 유지할 수 있다. 또한 분말 피복층을 균일하게 형성할 뿐만 아니라 우수한 계면 접합력을 만들어 소결 피복층의 기계적 특성을 높여 자동차용 변속기 부품이나 일반 기계용으로 워엄 휘일과 베어링, 압축기용 슬리퍼 및 기타 고속 운동용 부품의 마찰특성 및 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.
그리고 본 발명에서는 상기 피복층이 일체화된 금속 모재를 성형함으로써 소정 형상의 기계 부품을 제조한다.
상술한 소결 공정에서 소결이 완료되면, 소결로에서 소결체를 꺼낸 후 성형용 금형에 투입하고 ,이어, 다단계 점진성형 공정을 적용하여 자동차용 변속기 부품이나 일반 기계용으로 워엄 휘일과 베어링, 압축기용 슬리퍼 및 기타 고속 운동용 부품을 완성한다. 즉, 다단계 점진 성형공정을 이용하여 성형하면 부품 성형 시 동 합금계 분말의 소결 피복층의 손상을 방지할 수 있으므로 소결 피복층 손상으로 인한 특성저하를 방지할 수 있다.
상기 다단계 점진성형 공정 시 자동차용 변속기 부품이나 일반 기계용으로 워엄 휘일과 베어링, 압축기용 슬리퍼 및 기타 고속 운동용 부품의 소결 피복층의 손상을 방지하기 위하여 소결층 위에 윤활특성을 나타내는 비닐 또는 종이 등을 덮어 보호처리 후 성형공정을 진행하는 것이 소망스럽다.
종래의 방법으로 성형공정을 진행하면 금형과 직접적으로 접촉하는 동합금 소결층의 손상이 필연적으로 동반된다. 제조 공정 시 동반되는 동합금 소결층의 손상은 기계적 성질에 영향을 미치며, 마찰계수와 내마모성을 저하시켜 자동차용 변속기 부품의 품질을 저하시킨다. 본 발명에서는 이중 구조을 갖는 자동차용 변속기 부품이나 일반 기계용으로 워엄 휘일과 베어링, 압축기용 슬리퍼 및 기타 고속 운동용 부품의 제조 공정 시 동반되는 동합금 소결층의 손상을 방지하는 방법으로서 다단계 점진성형 공정을 사용하여 성형하는 방법을 제안한다. 이중 구조를 갖는 소결체에 각각의 성형 단계마다 소결층 보호처리 후, 성형하면 공정 완료 후에도 소결층을 원형 그대로 보존할 수 있게 된다. 즉, 공정완료 후 소결층이 손상을 입지 않고 원형 그대로 보존되는 경우, 높은 기계적 특성과 물성이 유지되어 고품질과 고성능의 이중구조 자동차용 변속기 부품이나, 워엄 휘일과 베어링, 압축기용 슬리퍼 및 기타 고속 운동용 부품과 같은 일반 기계용 부품의 제조가 가능하다.
본 발명에서는 상술한 성형 공정 이후, 제조된 부품의 기계적 특성을 부여하는 열처리하는 공정을 추가적으로 부가할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(실시예)
구분
 금속 모재 조성 비율(중량%)
C Si Mn P S Fe
금속 모재 0.32~0.38 0.15~0.35 0.60~0.90 0.03이하 0.035이하 잔부
구분
 동 합금계 분말 조성 비율(중량%)
Zn Sn Al Si P Ag Mn Fe C Pb Ni Co Ti Al2O3 SiO2 Cu
실시예1 15.5 5.0 2.0 0.1 0.1 잔부
실시예2 15.5 5.0 1.0 0.3 0.1 잔부
실시예3 15.5 5.0 2.0 0.1 0.5 잔부
실시예4 15.5 5.0 0.3 0.1 0.5 잔부
실시예5 15.5 5.0 1.0 0.1 0.1 0.5 잔부
비교예1 10~15 4.0~7.0 0~0.3 잔부
비교예2 잔부 0~3.0 0.1~8.0 0.3~5.0 0~0.02 0.5~8.0 0.5~3.5 0~0.1 0~5.0 0~0.1 0~0.05 55~75
비교예3 30 3.5~6.5 18~22 4.0~6.0 4.0~6.0 0.5~1.5 잔부
상기 표 1과 같은 조성성분을 갖는 철계 금속 모재의 표면에 존재하는 오염물질을 세척하였다. 이어, 상기 표 2와 같은 조성성분을 갖는 동 합금계 분말을 균일한 조성이 되도록 정량하고 혼합한 후, 이를 상기 금속 모재의 표면에 균일한 두께로 적층하였다. 이후, 상기 동 합금계 분말이 적층된 금속 모재를 소결로에 장입하여 소결을 진행하였으며, 이때 소결 조건은 소결 온도: 870℃, 소결 시간: 20분, 분위기: 75%N2+25%H2 환원성 분위기로 제어하였다. 상기 소결이 완료된 후, 소결로에서 소결체를 꺼내고, 이어, 성형용 금형에 투입한 후, 다단계 점진성형 공정을 적용하여 자동차용 변속기 부품을 제조하였다.
알루미늄(Al)과 실리콘(Si)이 복합첨가된 실시예 1-2는 그 경도가 76-80Hv로 측정되었고, 알루미늄(Al)과 실리콘(Si) 합금원소 중 1종과 은(Ag)이 복합첨가된 실시예 3-4는 85-89Hv로 측정되었으며, 그리고 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 및 은(Ag)이 복합첨가된 실시예 5의 경도는 105Hv로 가장 높은 경도값을 나타내었다. 그리고 실시예 1-5의 자동차용 변속기 부품의 경우, 마찰계수는 초기에 0.12수준에서 만 회전 후 대략 0.09 수준을 나타냈다.
즉, 동 합금계 분말 조성성분의 조성 비율이 소결 과정에서 유지되고 다단계 점진성형 공정 시 소결층 손상이 방지되어 높은 마찰특성 및 내마모성을 제공할 수 있음을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예 5에서의 이중 구조 고강도 내마모성 합금의 미세조직을 나타내는 사진으로서, 이중 구조가 잘 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 이러한 이중 구조 소결층은 금속 모재의 내주면을 따라 균일하게 형성되어 있음을 보이고 있다.
이에 반하여, 비교에 1은 아연(Zn) 함량이 낮아 내마모 특성이 낮은 문제점을 나타내었으며, 경도도 70Hv로 실시예 보다 낮게 측정되었다. 또한 비교예 2-3의 경우, 고융점 합금원소 또는 산화물들을 포함하여 소결시 합금원소들간 접합력 감소 및 소결특성 저하를 유발하여 내마모 특성을 저해하는 요인으로 작용하였다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다

Claims (6)

  1. 금속 모재의 표면에 동 합금계 분말을 피복하여 피복층을 형성하는 공정;
    상기 피복층이 형성된 금속 모재를, 동 합금계 분말에서의 구리 산화 및 합금성분의 변화를 방지할 수 있도록 환원성 분위기하에서 760~880℃로 10~40분 소결함으로써 상기 금속 모재와 피복층을 일체화하는 공정; 및
    상기 피복층이 일체화된 금속 모재를 성형함으로써 소정 형상의 기계 부품을 제조하는 공정;을 포함하고,
    상기 동 합금계 분말 조성은, 중량%로, 아연(Zn):15%초과 20%이하, 주석(Sn): 7~10%, 알루미늄(Al):0.2~3%와 실리콘(Si):0.1~0.3% 중 1 종 이상, 인(P): 0.1% 이하, 잔부 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도와 내마모성 우수한 이중구조의 마찰 기계 부재의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 동 합금계 분말은 아연(Zn)을 15.5~17.5% 범위로 포함함을 특징으로 하는 고강도와 내마모성 우수한 이중구조의 마찰 기계 부재의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 동 합금계 분말은 알루미늄(Al)을 0.3~1% 범위로 포함함을 특징으로 하는 고강도와 내마모성 우수한 이중구조의 마찰 기계 부재의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 동 합금계 분말은 실리콘(Si)을 0.1~0.15%범위로 포함함을 특징으로 하는 고강도와 내마모성 우수한 이중구조의 마찰 기계 부재의 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 동 합금계 분말은 은(Ag)을 0.1~2% 범위로 추가로 포함함을 특징으로 하는 고강도와 내마모성 우수한 이중구조의 마찰 기계 부재의 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 성형공정으로 다단계 점진 성형공정을 이용함을 특징으로 하는 고강도와 내마모성 우수한 이중구조의 마찰 기계 부재의 제조 방법.
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