KR20210128146A

KR20210128146A - 동 합금판 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20210128146A
Application number: KR1020200045971A
Authority: KR
Inventors: 김재곤
Original assignee: 김재곤
Priority date: 2020-04-16
Filing date: 2020-04-16
Publication date: 2021-10-26
Also published as: KR102352433B1

Abstract

본 발명은 동합금판의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 밸브플레이트 등에 활용될 수 있는 동합금판의 제조방법과 상기 제조방법에 의해 제조된 동합금판에 관한 것으로, 본 발명의 동합금 분말에 납 및 구리가 합금화된 형태의 분말을 포함하여 사용함으로써, 납이 균일하게 분포된 형태의 동합금판을 제조할 수 있다.

Description

동 합금판 및 그의 제조방법 {The Cu Alloy Plate and this Method}

본 발명은 분말야금 법으로 만들어진 동합금 판과 그 동합금판을 제조하기 위한 방법에 대한 것이다.

이종소재 접합 기술은 항공우주 산업의 우주 비행체 개발을 위하여 시작한 것으로 이후 2000년대 들어와서 일반 산업기계 등에 광범위하게 적용되기 시작하였다. 특히 동합금과 철합금의 접합 부품은 산업기계의 습동부(摺動部)에 주로 사용되고 있으며, 부품의 스틱슬립(Stick-slip) 현상을 막아주는 효과가 뛰어난 것으로 알려져 있다.

철합금 부품이 마찰운동을 하는 경우, 기름이 있는 곳이라 할지라도 순간적으로 윤활막이 깨지는 현상이 발생하는데, 이를 경계윤활조건이라고 한다. 경계윤활조건에서는 마찰운동을 하는 습동부에서 스틱슬립현상을 일으키게 되며, 이때 진동이 발생하며 공명할 경우 매우 큰 소음이 발생하기도 한다. 통상 이런 현상이 생길 경우, 응착 마모 [adhesive wear]가 발생하고 마모현상이 증폭되어 부품의 파괴에 이르기도 한다. 따라서 습동부에 대한 응착마모를 막기 위해서는 경계윤활조건이라 할지라도 스틱슬립이 생기지 않도록 해야 하며, 그러기 위해서는 철합금 소재에 가장 순응성이 우수한 동합금소재를 상대 마찰재료로 사용하는 것이 바람직하다.

동합금 소재는 가격이 비싸서 최근에는 동합금을 습동부에만 사용하고 나머지는 철합금을 사용하는 동/철 접합부품을 많이 상용하고 있어, 2~3mm 정도인 얇은 두께의 동합금판의 소요가 많아지고 있다. 동합금판은 동합금 성분에 따라 황동판, 청동판, 인청동판 등이 있으며, 특히 고속 미끄럼성이 요구하는 부분에서는 납 (Pb)가 함유되어 있는 납입청동판 등이 사용되고 있다. 통상의 동합금판은 롤 압연기를 사용하여 압연판재를 만들 수 있으나, 납입청동의 경우, 납이 동에 고용되지 않고 입계에 존재함으로써 압연시 판재를 찢어지게 하여 압연판재를 만들 수 없고, 연속주조 방식을 이용하여 연주봉을 만들고 이를 다시 선반이나 절단기로 얇게 잘라내어 판재를 만드는데, 판재 제조비용이 매우 비싸고, 납이 불순물로 작용하여 편석을 일으키므로 이종소재 접합시에 불량품을 만드는 경우가 자주 있어 사용에 많은 어려움을 안고 있다.

따라서, 본 개발품은 연속주조 방식이 아닌, 복합소재 제조방식인 분말야금법을 이용하여 동합금판을 제조함으로 앞서 언급한 납 분산 문제를 완벽히 해소하고, 제조비용도 낮추어 이종소재 접합에 우수한 동합금판을 공급할 수가 있다.

한국 공개특허공보 제1998-0069237호 '유압펌프실린더의 소결접합방법 및 장치' 와 한국 공개특허공보 2002-0055499호 '이종금속의 접합방법', 그리고 한국 공개특허공보 2007-0055298호 '철강재와 구리합금의 소결접합 방법 및 소결 접합체' 등에는, 동합금판을 별도로 만들지 않고, 직접 접합부재에 분말을 적층하거나 성형체를 올려두고 가압한 상태에서 소결함으로 접합을 하도록 개시하고 있어 본 발명과는 맞지 않는다.

한국 공개특허공보 2002-0035089호 '개선된 이종금속의 접합방법'에 동합금판을 연속주조방식으로 제조하여 접합하도록 개시하고 있어 본 발명과는 맞지 않는다.

한국 공개특허공보 2001-0061826호 '이종금속의 접합방법'에, 동합금 분말을 이용하여 중력소결 후 가압하여 별도의 동합금판을 만드는 방법이고 이를 가압 접합하는 것으로 개시하고 있으나, 이는 제조공정에 있어 유사성은 있으나 구체적인 제조공정이 상이하여, 본 발명과는 맞지 않는다.

일본 공개특허공보 JP 특허평11-217637(1999.08.10)에는 납을 포함한 구리계 슬라이드 재료를 철계 모재에 소결 접합하는데 있어서, 납이 금속 성분으로서 슬라이드 재료에 분산 석출하는 것을 방지하기 위하여, 티타늄과 마그네슘을 첨가함으로써 납계 금속간화합물의 형태로 분산 석출시키는 접합 방법을 개시하고 있다. 하지만, 이것도 본 발명과는 맞지 않는다.

상기 종래기술들은 모두 납을 포함하는 동합금판의 이종소재 접합 방법에 대하여 개시하고 있으나, 혼합된 납의 편석과 불균일한 분산을 통하여, 향후 동합금판이 이종소재 접합에 사용할 경우 접합강도가 크게 저하되는 부정적인 영향이나, 납 편석으로 인한 불량 발생에 대하여서는 해결방안을 제시하고 있지 않다.

본 발명은 동합금판을 제조하는 것으로써, 본 발명에 의하면 납이 동합금판에서 균일하게 분포되어 있어, 향후 철강재와의 접합 계면에 납 석출 부분이 확인되지 않으며, 접합후 동합금판에서 납 편석으로 인한 불량이 발생하지 않는 것을 특징으로 한다.

전술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 동합금판을 제조하는 방법으로써,

동합금 분말을 준비하는 단계(S1); 및

상기 동합금 분말을 지그에 채우고 소결하는 단계(S2)를 포함하는 것인, 동합금판의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일구현예로, 상기 동합금 분말은, 주석 5 내지 17 중량%, 납 1 내지 7 중량% 및 잔부의 구리를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구현예로, 상기 동합금 분말은, 니켈 1 내지 5 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 S2 단계의 소결은 비산화성 분위기나 진공 분위기에서 810℃ 내지 890℃ 의 온도로 10분 내지 100분 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 제조방법은 지그에 분말을 넣고 별도의 가압을 하지 않는 루즈-신터링 (Loose Sintering) 공법으로 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또다른 구현예로, 상기 제조방법은 상기 납 대신에, 비스무트 (Bi)를 대체하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또다른 구현예로, 상기 분말 입자는 납 및 구리가 합금화된 것으로, 납 1 내지 9 중량% 및 구리 91 내지 99 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 동합금판을 제공한다.

본 발명에 따른 동합금판은 별도의 가압이 없는 상태인 루즈-신터링 공법을 사용함으로써 내부에 존재하는 납이 분말 입계 3중점 혹은 4중점에 분포하면서 균일하게 있으며, 특히 납을 단체로 사용하는 것이 아니라 합금화한 상태의 분말을 사용함으로써 주물조직과 같이 납이 편석되는 현상을 막을 수가 있다. 또한 소결조직에서 납의 위치를 고정시켜 줌으로써 향후 동합금판을 이종접합 소결에 사용할 때 비록 가압소결로 인하여 동합금판이 압력을 받는다 하여도 내부에 이미 고정된 납이 빠져나오지 않는 장점을 가지게 된다. 따라서, 고질적으로 발생하는 접합부의 납의 석출을 근본적으로 막을수 있으며, 따라서 접합강도의 불균일 혹은 낮아지는 문제를 근본적으로 해결하게 된다.

도 1은 본 발명에서 소결하는 과정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 소결에 의해 생성된 소결체의 외관을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 방법에서 소결 온도에 따른 수축률을 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 방법에서 소결 온도에 따른 소결 조직을 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 방법에서 제조된 소결체를 모재와 접합하여 제조된 접합체의 조직을 광학현미경을 통해 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 가압 접합에 의해 제조된 접합체의 조직을 전자현미경을 통해 확인한 결과를 나타낸 것이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명하면서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 동합금판을 제조하는 방법으로써,

동합금 분말을 준비하는 단계(S1); 및

상기 동합금 분말을 지그에 채우고 소결하는 단계(S2)를 포함하는 것인, 동합금판의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법은 동합금 분말을 준비하고 이를 지그에 채우고 소결하여 동합금판을 제조하는 것이다. 본 발명의 동합금판은, 동접합 유압 실린더와 동접합 피스톤 슈, 동접합 벨브플레이트, 동접합 서포트 등과 같은 동접합 슬라이딩 소재에 유용하게 이용이 가능하다.

본 발명에서 동합금 분말은, 주석, 니켈, 납 및 구리를 포함하는 동합금 분말로, 보다 바람직하게는 주석 5 내지 17 중량%, 니켈 1 내지 5 중량%, 납 1 내지 7 중량% 및 잔부의 구리를 포함할 수 있다. 상기 금속 중 납은 비스무트 (Bi) 와 대체될 수 있는데, 통상 납이 인체에 유해하다하여 보다 안전한 비스무트로 바꾸어 사용해도 무방하다.

상술한 동합금 분말의 함량은, 분말의 전체 함량에 대한 금속들의 중량%를 나타내는 것으로 상기 분말에 포함된 분말입자들은 각 금속들이 단일 또는 결합된 형태로 포함될 수 있다.

본 발명에서 사용되는 분말 입자는, 납 및 구리가 합금된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 납과 구리가 서로 합금된 형태인 분말입자를 포함하는 동합금 분말을 사용하여 소결을 수행하면, 상기 분말입자의 납 부분이 구리 금속의 사이에 트랩(Trap)되는 것이며, 상기와 같이 납이 구리금속 사이에 트랩됨으로써 소결체에 균일하게 분포될 수 있는 효과를 가진다. 상기 분말 입자는 납 1 내지 9 중량% 및 구리 91 내지 99 중량%로 이루어지며, 상기와 같은 함량 범위에서 납이 구리 사이에 안정적으로 트랩되어 납이 균일하게 분포된 소결체로 제조될 수 있다.

본 발명의 동합금 분말은, 주석을 포함하여, 경도와 인장강도를 증가시켜 내하중성을 가질 수 있도록 할 수 있다. 상기 주석은 5 내지 17 중량%로 포함되는 것이 바람직하고, 상기 주석이 5 중량% 미만으로 포함될 경우 강도가 낮아지고 내마모성이 저하되고 변형 저항이 감소할 우려가 있고, 17 중량%를 초과할 경우 연성을 줄이고 취성을 증가시킬 수 있다.

상기 동합금 분말엔 니켈을 포함하여, 소결 합금이 형성될 때 결정립을 미세화시켜 밀도와 강도를 증가시키고, 마모율을 감소시킬 수 있도록 할 수 있으며, 부식 저항을 증가시킬 수 있다. 상기 니켈은 1 내지 5 중량%로 포함되는 것이 바람직하고, 상기 니켈이 1 중량% 미만으로 포함될 경우 결정립을 미세화하는 효과가 미미할 수 있고, 5 중량%를 초과할 경우 제조 비용 등이 상승할 수 있다.

상기 동합금 분말엔 납이 포함되어, 가공성을 향상시킬 수 있다. 상기 납은 1 내지 7 중량%로 포함되는 것이 바람직하고, 상기 납이 1 중량% 미만으로 포함될 경우 미끄럼성이 부족하여 마찰계수가 높아질 수 있고, 7 중량%를 초과할 경우 접합 계면에서 석출되어 접합 강도를 저하시킬 수 있다.

본 발명의 동합금 분말에 포함되는 주석, 니켈 및 납은 10~14 : 2~4 : 2~4의 중량비로 혼합될 수 있다. 상기와 같이 혼합될 때, 유압 기기에 사용되기에 바람직한 강도 및 내마모성을 갖고, 미끄럼성 역시 우수한 접합체를 제조할 수 있다.

본 발명에서 S2 단계의 소결은 비산화성 분위기나 진공 분위기에서 810℃ 내지 890℃ 의 온도로 10분 내지 100분 동안 수행되는 것일 수 있다. 상기 분말은 810℃ 미만에선 소결이 이루어지지 않고, 890℃를 초과한 온도로 소결하면 액상량이 많아지면서 소결체가 녹아 흘러내리는 현상이 발생할 수 있다.

본 발명의 S1 단계는 가압하는 단계를 포함하지 않는 루즈-신터링 공법으로 수행되는 것으로, 본 발명은 루즈-신터링 공법을 사용함으로써 내부에 존재하는 납이 분말 입계 3중점 혹은 4중점에 분포하면서 균일하게 동합금판에 포함될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 동합금판을 제공한다. 상기 동합금판은 철강재와 같은 모재와 접합되어 활용이 가능하다. 상기 접합체는 동접합 유압 실린더와 동접합 피스톤 슈나, 동접합 벨브플레이트, 동접합 서포트 등과 같은 동접합 슬라이딩 소재에 유용하게 이용이 가능한 것으로 상기 접합체가 사용되는 부품의 종류에 따라, 통상의 가공 방법을 통해 최종 가공하여 최종 부품으로 제조될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

[실시예]

실시예 1. 동합금 분말의 소결

하기의 표 1과 같은 비율로 원료를 준비하였다.

Remark	Cu	Sn	Pb	Ni	etc
12Sn-3Ni-3Pb	Res.	12	3	3	1~2

상기 표 1의 비율은 최종 분말에서의 각 금속 원소들의 함량을 의미하는 것으로, 상기 구리 및 납은 애토마이저를 이용하여 납이 1~9 wt%로 포함되는 합금화된 분말입자 형태로 존재하는 것을 사용하였다.

상기 표 1에 따라 준비된 원료를 도 1과 같이 진공로에 넣고 850℃에서 60분 동안 카본 지그를 이용하여 분성 소결하여 3개의 동합금판을 제조하였다. 소결이 완료된 동합금판의 형태를 도 2에 나타내었다. 하기 표 2에 소결이 완료된 후 동합금판의 치수 및 밀도를 나타내었다. 상기 소결에 의해 소결체가 생성된다는 것을 확인하였다.

구분	외경(mm)	두께(mm)	무게(g)	밀도(g/cm³)
#1	115.7	1.67	143.4	8.17
#2	115.6	1.67	139.9	7.99
#3	115.3	1.71	129.5	7.26

상기 소결체의 온도에 따른 수축 정도를 확인하기 위하여, 상기 소결 방법에서 온도를 810℃, 830℃, 및 850℃로 변경한 것 외에는 동일하게 수행하였고, 제조된 소결체를 지그의 크기와 비교하여 소결 수축률을 확인하였다.

도 3에 나타낸 것과 같이, 850℃와 830℃는 소결이 되었고, 810℃는 소결이 이루어지지 않았다(830℃부터 액상 출현). 액상이 출현하는 830℃ 이상이면 약10%내외 수축이 발생되어, 소결이 이루어지는 것으로 판단되었다. 추가적으로 900℃에서도 소결을 수행하였으나 소결 온도가 높아 액상량이 많아 소결체가 녹아 흘러내리는 현상이 발생하였다.

실시예 2. 동합금판의 가압 소결

모재 및 흑연 지그를 준비하여, 흑연지그, 모재, 및 실시예 1의 동합금판(850℃에서 소결한 동합금판)을 순서대로 적층하고 최상층에 흑연지그를 올려 놓고, 가압소결로에서 가압력 11kgf/cm², 접합온도 850℃ 조건으로 60분 동안 가압 소결 하여 모재와 동합금판이 접합된 접합체를 제조하였다.

그 결과 가장자리 일부가 녹아내리면서 양호하게 접합되는 것이 확인되었다.

실시예 3. 가압 소결에 의한 조직 분석 결과

상기 동합금판과 접합체의 조직을 광학현미경(Nikon社 Model Epiphot 200) 을 통해 확인하였다. 도 4에 온도별 동합금판의 소결 조직을 광학현미경을 이용하여 100배율로 확대하여 촬영한 결과를 나타내었다. 도 4에서 확인할 수 있는 것과 같이, 본 발명의 방법에 따라 소결을 진행한 동합금판에서 납이 균일하게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.

상기 접합을 수행한 후 제조된 접합체의 조직은 도 5에 나타내었다. 광학현미경을 통해 100배율로 확인한 결과(도 5(a))를 200배율로 확대하여 확인하였다. 그 결과, 본 발명과 같이 납 및 구리가 합금된 형태의 분말입자를 사용함으로써, 납이 균일하게 분포되어 안정적인 형태를 가지고 있는 것을 확인할 수 있다.

아울러, 납의 분포 및 접합 계면을 보다 상세하게 확인하기 위해 전자현미경(Nikon社 Model Epiphot 200)을 이용하여 조직을 확인해주었다. 그 결과 도 6에 나타낸 것과 같이 납이 균일하게 분포되어 있고 접합 계면에 납 석출물이 형성되어 있지 않은 것이 확인되었다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

동합금판을 제조하는 방법으로써,
동합금 분말을 준비하는 단계(S1); 및
상기 동합금 분말을 지그에 채우고 소결하는 단계(S2)를 포함하는 것인, 동합금판의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 동합금 분말은, 주석 5 내지 17 중량%, 납 1 내지 7 중량% 및 잔부의 구리를 포함하는 것인, 동합금판의 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 동합금 분말은, 니켈 1 내지 5 중량%를 더 포함하는 것인, 동합금판의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 S2 단계의 소결은 비산화성 분위기나 진공 분위기에서 810℃ 내지 890℃ 의 온도로 10분 내지 100분 동안 수행되는 것인, 동합금판의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제조방법은 가압하는 단계를 포함하지 않는 루즈-신터링 공법으로 수행되는 것인, 동합금판의 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 납 대신에, 비스무트 (Bi)를 대체하여 사용하는 것을 특징으로 하는 동합금판의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 분말 입자는 납 및 구리가 합금화된 것으로, 납 1 내지 9 중량% 및 구리 91 내지 99 중량%로 이루어지는 것인, 동합금판의 제조방법.
제1항의 제조방법으로 제조된 동합금판.