KR20220079654A

KR20220079654A - 미끄럼 이동 부품 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20220079654A
Application number: KR1020227015789A
Authority: KR
Inventors: 하츠히코 우사미; 히데키 아키타; 슈이치 고바야시; 시게유키 사쿠라이; 와타루 미나미
Original assignee: 히다찌 겐끼 가부시키가이샤
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2022-06-13
Also published as: CN114599890A; EP4043748A1; EP4043748A4; WO2021095705A1; JP2021076214A; JP7488527B2; US20220403878A1

Abstract

마찰 계수가 낮고, 안정된 미끄럼 이동 특성을 미끄럼 이동 초기부터 유지할 수 있는 미끄럼 이동 부품과, 이것을 간단하게 제조할 수 있는 제조 방법을 제공한다. 미끄럼 이동 부품(1)은, 철 기지(11)에 흑연 입자(13)가 분산된 철계 기재(10)와, 철계 기재(10)의 표면에 형성된 주석을 주재로 하는 주석 피막(20)을 구비한 미끄럼 이동 부품이며, 미끄럼 이동 부품(1)의 흑연 입자(13)는, 주석 피막(20)으로부터 노출되어 있다. 그 제조 방법에서는, 철 기지(11)에 흑연 입자(13)가 분산된 철계 기재(10)를 준비하는 준비 공정과, 철계 기재(10)의 표면에, 주석을 주재로 하는 주석 피막(20)을 성막하는 성막 공정을 포함하고, 성막 공정에 있어서, 주석 피막(20)으로부터 흑연 입자(13)가 노출되도록, 주석 피막(20)을 성막한다.

Description

미끄럼 이동 부품 및 그 제조 방법

본 발명은, 철계 기재의 표면에 금속 피막이 형성된 미끄럼 이동 부품과 그 제조 방법에 관한 것이다.

종래부터, 산업 기계, 항공기, 차량 등의 기계에는, 미끄럼 이동 부품이 사용되고 있다. 이와 같은 미끄럼 이동 부품에는, 내마모성, 저마찰 특성, 내시징성 등의 다양한 특성이 요구되고 있다.

이와 같은 미끄럼 이동 부품으로서, 예를 들어 특허문헌 1에는, 미끄럼 이동면을 구성하는 기재와, 기재의 표면에 형성된 중간층과, 중간층의 표층에, 고체 윤활재 입자가 매몰된 표면층을 가진 미끄럼 이동 부품이 제안되어 있다. 미끄럼 이동 부품의 기재는, 탄소강 등의 철계 재료이며, 고체 윤활재 입자가 흑연으로 이루어진다.

일본 특허 제6196800호 공보

그러나, 특허문헌 1에 관한 미끄럼 이동 부품은, 고체 윤활재 입자로 이루어지는 표면층이 형성되어 있지만, 미끄럼 이동 부품의 미끄럼 이동 조건에 따라서는, 표면층을 구성하는 고체 윤활재 입자가 중간층으로부터 탈락해 버리는 경우가 있다. 이것에 수반하여, 마찰 계수가 낮고, 안정된 미끄럼 이동 특성을 유지할 수 없는 경우가 있었다.

이 점을 감안하여, 예를 들어 특허문헌 1에 관한 제조 방법에서는, 표면층의 고체 윤활재 입자를 중간층에 압입하도록, 표층을 중간층에 압박하고 있지만, 고체 윤활재 입자를 균일하게 중간층에 분산시키고 있으므로, 고체 윤활재 입자가 존재하는 중간층이 마모되어 있지 않은 미끄럼 이동 초기에서는 마찰 계수가 변동되어 불안정해지기 쉽다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 마찰 계수가 낮고, 안정된 미끄럼 이동 특성을 미끄럼 이동 초기부터 유지할 수 있는 미끄럼 이동 부품과, 이것을 간단하게 제조할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 관한 미끄럼 이동 부품은, 철 기지에 흑연 입자가 분산된 철계 기재와, 상기 철계 기재에 형성된 주석을 주재로 하는 주석 피막을 구비한 미끄럼 이동 부품이며, 상기 흑연 입자는, 상기 주석 피막으로부터 노출되어 있다.

본 발명에 관한 미끄럼 이동 부품의 제조 방법은, 철 기지에 흑연 입자가 분산된 철계 기재를 준비하는 준비 공정과, 상기 철계 기재의 표면에, 주석을 주재로 하는 주석 피막을 성막하는 성막 공정을 포함하고, 상기 성막 공정에 있어서, 상기 주석 피막으로부터 상기 흑연 입자가 노출되도록, 상기 주석 피막을 성막한다.

본 발명에 관한 미끄럼 이동 부품에 의하면, 마찰 계수가 낮고, 안정된 미끄럼 이동 특성을 미끄럼 이동 초기부터 유지할 수 있다. 본 발명에 관한 미끄럼 이동 부품의 제조 방법에 의하면, 이와 같은 미끄럼 이동 특성을 가진 미끄럼 이동 부품을 간단하게 제조할 수 있다.

이상에 설명한 내용 이외의 본 발명의 과제, 구성, 및 효과는, 이하의 발명을 실시하기 위한 형태의 설명에 의해 밝혀진다.

도 1은 제1 실시 형태의 미끄럼 이동 부품의 일례를 도시하는 개략 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 미끄럼 이동 부품의 제조 방법의 일례를 도시한다.
도 3은 제2 실시 형태의 미끄럼 이동 부품의 일례를 도시하는 개략 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시한 미끄럼 이동 부품의 제조 방법의 일례를 도시한다.
도 5는 제3 실시 형태의 미끄럼 이동 부품의 일례를 도시하는 개략 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 미끄럼 이동 부품의 미끄럼 이동 상태를 설명한 모식적 단면도이다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1의 마찰 시험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8a는 실시예 1 및 비교예 2 및 3의 마찰 시험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8b는 도 8a에 도시한 초기의 마찰 시험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8c는 도 8a에 도시한 종기의 마찰 시험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9a는 실시예 2에 관한 마찰 시험 전후의 SEM 사진과, EDX에 의한 탄소 및 주석의 분포를 나타낸 사진이다.
도 9b는 실시예 2에 관한 마찰 시험 후의 SEM 사진과, EDX에 의한 탄소, 주석, 철, 및 산소의 분포를 나타낸 사진이다.
도 9c는 실시예 3에 관한 마찰 시험 전후의 SEM 사진과 EDX에 의한 탄소 및 주석의 분포를 나타낸 사진이다.
도 10은 실시예 4, 5 및 비교예 4에 관한 마찰 시험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 실시예 6-1 내지 실시예 6-4에 관한 마찰 시험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 실시예 7에 관한 마찰 시험의 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 제1 내지 제3 실시 형태에 관한 미끄럼 이동 부품을, 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한다.

〔제1 실시 형태〕

도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 미끄럼 이동 부품(1)은, 철 기지(11)에 흑연 입자(13)가 분산된 철계 기재(10)와, 철계 기재(10)에 형성된 주석을 주재로 하는 주석 피막(20)을 구비한 미끄럼 이동 부품이다. 이하의 철계 기재(10)와 주석 피막(20)에 대하여 상세하게 설명한다.

1. 미끄럼 이동 부품에 대하여

이하에 본 실시 형태에 관한 미끄럼 이동 부품(1)을 설명한 후, 이 미끄럼 이동 부품(1)의 제조 방법을 설명한다.

1-1. 철계 기재(10)에 대하여

본 실시 형태의 미끄럼 이동 부품(1)에 관한 철계 기재(10)는, 철 기지(11)에 분산시킨 흑연 입자(13)의 흑연을 고체 윤활재로서 작용시켜, 미끄럼 이동 부품(1)의 미끄럼 이동 특성을 높이기 위한 것이다. 따라서, 철계 기재(10)는, 흑연 입자(13)를 포함하고 있으면 되고, 탄소량을 1.5질량％ 이상 함유한 철 및 탄소를 주성분으로 한 합금이어도 되고, 철계 합금 분말과 흑연 분말을 압분 성형 후, 소결한 소결체여도 된다. 예를 들어, 철 및 탄소를 주성분으로 한 합금인 경우에는, 철 기지(11)에 대하여 함유하는 탄소량이 1.5질량％ 이상이면, 철 기지(11)에 함유하는 흑연이 석출된다. 따라서, 이 경우에는, 철계 기재(10)로서, 주철뿐만 아니라, 주강도 들 수 있다.

철 기지(11)에 흑연 입자(13)가 분산되고, 철계 기재(10)의 표면(후술하는 미끄럼 이동면에 대응하는 표면)에, 흑연 입자(13)가 노출되어 있으면, 특별히 한정되는 것은 아니다. 이와 같은 철계 기재(10)의 재료로서는, 탄소량을 2.1 내지 6.7질량％ 포함하는 주철을 들 수 있고, 예를 들어 구상 흑연 주철, 회주철, 또는 흑심 가단 주철 등을 들 수 있다.

여기서, 본 실시 형태에서는, 그 일례로서, 흑연 입자(13)가 구상의 흑연 입자이며, 구상의 흑연 입자(13)를 포함하는 철계 기재(10)로서는, 상술한 구상 흑연주철(다크타일 주철)을 들 수 있다. 구상 흑연 주철인 경우, 철계 기재(10)의 철 기지(11)는, 페라이트로 이루어지는 것이어도 되고, 철계 기재(10)로서는, FCD370, FCD400, FCD450, FCD500(JIS 규격) 등을 들 수 있고, 페라이트의 경우, 철 기지(11)에 보다 많은 흑연 입자를 포함할 수 있다. 한편, 철계 기재(10)의 철 기지(11)는, 펄라이트로 이루어지는 것이어도 되고, 철계 기재(10)로서는, FCD600, FCD700, FCD850(JIS 규격) 등을 들 수 있다. 또한, 철계 기재(10)는, ??칭 처리, 질화 처리, 또는 침질 처리가 되어 있어도 된다.

1-2. 주석 피막(20)에 대하여

주석 피막(20)은, 주석을 주재로 하는 피막이다. 본 실시 형태에서는, 주석 피막(20)은, 미끄럼 이동 시에, 철계 기재(10)의 흑연 입자(13)로부터 탈리된 흑연의 미립자를, 보유 지지하는 기능을 갖는 것이다. 이것에 더하여, 주석 피막(20)은, 미끄럼 이동 시에 상대 부재와 접촉함으로써 소성 유동하여, 철계 기재(10)의 표면에 있어서, 미끄럼 이동 부품(1)의 미끄럼 이동면의 순응성을 높이는 것이다. 이와 같은 주석 피막은, 주석을 주재로 한 피막이다.

여기서, 주석 피막(20)은, 연질 금속 재료로 구성되며, 가공 경화가 작은 재료로 이루어진다. 구체적으로는, 「주석을 주재로 하는 주석 피막(20)」이란, 주석 피막(20)에 주석을 50질량％ 이상 포함하고 있으면 되고, 예를 들어 주석 피막(20)이 주석 및 불가피 불순물로 이루어진다. 이 밖에도, 주석 피막(20)은, 50질량％ 이상의 주석에, 다른 금속 재료가 첨가된 피막이어도 되고, 비커스 경도가, Hv5 내지 100의 범위에 있는 주석 피막인 것이 바람직하다. 예를 들어, 다른 금속 재료로서는, 은, 금, 백금, 아연, 안티몬, 납, 인듐, 또는 비스무트를 들 수 있다.

특히, 일반적인 윤활유의 공급 하에서의 미끄럼 이동을 고려하면, 융점이 200℃ 이상이 되도록, 주석에 다른 금속 재료가 첨가된 주석 피막(20)이 바람직하고, 이와 같은 주석 피막(20)으로서는, 주석에 아연 또는 은이 첨가된 주석 피막인 것이 바람직하다. 특히, 주석에 아연 또는 은을 첨가함으로써, 주석 피막(20)의 방식성을 높일 수 있다.

주석 피막(20)의 막 두께는, 5㎛ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, 3㎛ 이하이다. 이 막 두께의 범위를 충족함으로써, 주석 피막(20)으로부터, 흑연 입자(13)를 노출시킬 수 있음과 함께, 미끄럼 이동 부품(1)을 미끄럼 이동시켰을 때, 흑연 입자(13)로부터 탈리된 흑연의 미립자를 주석 피막(20)에 보유 지지시킬 수 있어, 주석 피막(20)에 의한 미끄럼 이동 저항의 상승도 억제할 수 있다. 한편, 주석 피막(20)의 막 두께는, 0.5㎛ 이상인 것이 바람직하다. 이 막 두께의 범위를 충족함으로써, 미끄럼 이동 시에, 흑연으로부터 탈락된 흑연의 미립자를 주석 피막(20)에 보유 지지하기 쉽다.

2. 미끄럼 이동 부품의 제조 방법

이하에, 상술한 미끄럼 이동 부품(1)의 제조 방법을 설명한다.

2-1. 준비 공정에 대하여

먼저, 미끄럼 이동 부품(1)을 구성하는 철계 기재(10)를 준비한다. 철계 기재(10)는, 상술한 철 기지(11)에 흑연 입자(13)가 분산된 것이다. 본 실시 형태에서는, 철계 기재(10)의 일례로서, 구상 흑연 주철을 준비한다. 또한, 철 기지(11)의 표면(적어도 미끄럼 이동면에 대응하는 표면)에, ??칭 처리, 침질 처리, 또는 질화 처리가 실시되어 있어도 되고, 이 철 기지(11)의 표면을 연마해도 된다.

2-2. 성막 공정에 대하여

다음에, 철계 기재(10)의 표면에, 주석을 주재로 하는 주석 피막(20)을 성막한다. 성막 공정에서는, 상술한 주석을 주재로 한 주석 재료(금속 재료)를 용융한 용융물을, 철 기지(11)의 표면에 피복함(용융 도금을 행함)으로써 주석 피막(20)을 성막해도 된다. 이 밖에도, 주석 피막(20)을 전기 도금, CVD, 또는 PVD 등에 의해 성막해도 되고, 그 후의 2차 가공 등을 행함으로써, 주석 피막(20)으로부터 철계 기재(10)에서 유래되는 흑연 입자(13)를 노출시킬 수 있는 것이면, 특별히 한정되는 것은 아니다.

여기서, 발명자가 예의 검토를 거듭한 결과, 흑연 입자(13)가 노출된 철계 기재(10)의 표면에, 고상 상태로 주석 입자(20A)를 투사하였을 때, 노출된 흑연 입자(13)에 주석이 부착되기 어렵고, 철 기지(11)의 표면에 주석이 부착되는 것을 알 수 있었다. 따라서, 보다 바람직한 양태로서는, 본 실시 형태에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 성막 공정에 있어서, 주석을 주재로 하는 주석 입자(20A)를 투사함으로써, 주석 입자(20A)의 일부를 부착시킨다. 이에 의해, 주석 입자(20A)의 일부를 부착시켜, 주석 피막(20)을 형성하면서도, 철계 기재(10)의 표면으로부터 노출된 흑연 입자(13)를 노출시킬 수 있다.

여기서, 주석 입자(20A)는, 연질 금속 재료로 구성되며, 가공 경화가 작은 재료로 이루어진다. 주석을 주재로 하는 주석 입자(20A)란, 주석 입자(20A) 중에 주석을 50질량％ 이상 포함하고 있으면 되고, 주석 및 불가피 불순물로 이루어지는 입자, 또는, 50질량％ 이상의 주석에, 다른 금속 재료가 첨가된 입자여도 된다. 철계 기재(10)에 대한 투사 시에, 주석 입자(20A)의 변형 및 부착성을 고려하면, 다른 금속 재료가 첨가된 주석 입자(20A)의 비커스 경도가, Hv5 내지 100의 범위에 있는 입자인 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 다른 금속 재료로서는, 은, 금, 백금, 아연, 안티몬, 납, 인듐, 또는 비스무트를 들 수 있다.

2-3. 열처리 공정에 대하여

또한, 성막 공정 후, 주석 피막에 대하여 열처리 공정을 행해도 된다. 구체적으로는, 열처리 공정에서는, 주석 피막(20)을 120℃ 이상의 온도, 보다 바람직하게는 180℃ 이상의 온도에서 가열한다. 이에 의해, 철계 기재(10)의 철 기지(11)와 주석 피막(20)의 계면에 있어서, 주석 피막(20)의 주석 재료가 용융되어, 철 기지(11)에 대한 주석 피막(20)의 밀착성을 높일 수 있어, 주석 피막(20)의 표면의 평활화를 도모할 수 있다.

또한, 주석 피막(20)을 구성하는 주석 재료의 융점 이상(예를 들어 주석 재료가 주석만인 경우에는 주석의 융점 232℃ 이상)에서 가열하는 것이 바람직하고, 상기한 효과를 보다 확실하게 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 철 기지(11)의 표면에 주석 피막(20)을 보다 균일하게 피복할 수 있다. 또한, 열처리 공정에 있어서, 주석 피막(20)을 가열하는 온도는, 300℃ 이하인 것이 바람직하고, 철 기지의 철과의 화합물의 형성을 억제할 수 있다. 또한, 가열 시간은, 가열 온도에 따라 다르지만, 0.5 내지 5시간의 범위에 있는 것이 바람직하다.

3. 미끄럼 이동 부품(1)의 미끄럼 이동 환경 및 그 효과에 대하여

본 실시 형태에 관한 미끄럼 이동 부품(1)은, 그 미끄럼 이동면에 윤활유 또는 그리스가 존재하는 환경 하에서 미끄럼 이동하는(사용되는) 것이 바람직하고, 특히 미끄럼 이동면에 윤활유를 강제적으로 공급하는 환경 하에서 미끄럼 이동하는 것이 보다 바람직하다.

여기서, 종래, 주철만으로 구성되는 미끄럼 이동 부품에서는, 미끄럼 이동 부품의 표면에 노출된 흑연 입자가, 고체 윤활재로서 작용하지만, 흑연 입자로부터 탈리된 흑연은 윤활유 또는 그리스에 의해 씻어내어져, 미끄럼 이동면으로부터 탈락해 버린다. 이에 의해, 흑연 입자로부터 탈리된 흑연에 의한 미끄럼 이동 특성의 향상은, 그다지 기대할 수 없었다.

그러나, 본 실시 형태에서는, 미끄럼 이동 시에 흑연 입자(13)로부터 탈리된 흑연의 미립자는, 미끄럼 이동 부품(1)의 표면에 형성된 주석 피막(20)에 의해 보유 지지된다. 이에 의해, 철계 기재(10)에 분산된 흑연 입자(13)뿐만 아니라, 주석 피막(20)에 부착된 흑연의 미립자에 의해, 주석 피막(20)에 흑연이 혼합되어, 미끄럼 이동 부품(1)의 미끄럼 이동 특성을 높일 수 있다. 또한, 주석 피막(20)은, 연질의 금속이기 때문에, 미끄럼 이동 시에는, 주석 피막(20)이 소성 유동하여, 상대 부재의 표면을 따르기 쉬워, 상대 부재의 미끄럼 이동면에 대한 순응성을 높일 수 있다.

이들 기능이 합쳐져, 후술하는 발명자들의 실험으로부터도 명백한 바와 같이, 미끄럼 이동 부품(1)의 마찰 계수를 저감할 뿐만 아니라, 미끄럼 이동 부품(1)의 미끄럼 이동 시의 마찰 계수의 변동도 억제할 수 있다. 또한, 주석 피막(20)에 부착된 흑연의 미립자에 의해, 미끄럼 이동 부품(1)의 주석 피막(20)이, 이것에 미끄럼 이동하는 상대 부재의 표면으로 이착되는 것을 억제할 수 있다.

〔제2 실시 형태〕

이하에, 도 3 및 도 4를 참조하여, 제2 실시 형태에 관한 미끄럼 이동 부품(1)과 그 제조 방법에 대하여 설명한다. 제2 실시 형태에 관한 미끄럼 이동 부품(1)이, 제1 실시 형태에 관한 미끄럼 이동 부품(1)과 상이한 점은, 철계 기재(10)의 표면의 상태이다. 따라서, 제1 실시 형태의 미끄럼 이동 부품(1)과 동일한 구성 및 제조 방법에 있어서의 동일한 공정에 대해서는, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 흑연 입자(13)는, 철계 기재(10)(철 기지(11))의 표면으로부터 돌출되어 있고, 돌출된 흑연 입자(13)는, 주석 피막(20)으로부터 노출되어 있다. 흑연 입자(13)가, 철계 기재(10)의 철 기지(11)의 표면으로부터 돌출되는 돌출량은, 구상 흑연 주철의 재종에 따라 다르다.

이와 같은 흑연 입자(13)를 포함하는 미끄럼 이동 부품(1)은, 롤러 버니싱 등의 압박 가공을 실시하는 것(압박 공정)에 의해 얻을 수 있다. 구체적으로는, 압박 공정은, 제1 실시 형태에서 나타낸 성막 공정 전, 또는, 열처리 공정 후에 행해도 된다. 그러나, 보다 바람직한 양태로서는, 성막 공정 후, 열처리 공정 전에 행하는 것이 보다 바람직하다.

구체적으로는, 도 4에 도시한 바와 같이, 압박 공정에 있어서, 주석 피막(20)이 형성된 미끄럼 이동 부품(1)에 대하여, 롤러상의 압박 부재(6)로, 주석 피막(20)의 표면을 상기 철계 기재를 향하여 압박함으로써, 철계 기재(10)의 표면으로부터 흑연 입자(13)를 돌출시킨다.

본 실시 형태에 따르면, 성막 공정 후에 압박 공정을 행함으로써, 압박 공정 후에 성막 공정을 행하였을 때 발생하는, 주석 입자의 투사에 의해 철계 기재(10)로부터 흑연 입자(13)가 탈락하는 것을 억제할 수 있다. 또한 성막 공정 후에 성막된 주석 피막(20)을 압박함으로써, 철 기지(11)의 표면에 대한 주석 피막(20)의 밀착성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 주석 피막(20)의 표면으로부터 흑연 입자(13)를 보다 적합하게 노출시킬 수 있다.

또한, 필요에 따라, 열처리 공정을 행하는 경우에는, 열처리 공정을 행하기 전에, 압박 공정을 행함으로써 철 기지(11)의 표면에 대한 주석 피막(20)의 밀착성을 높인 상태에서, 그 후의 열처리 공정에서, 철 기지(11)의 표면에 대한 주석 피막(20)의 밀착성을 더욱 높일 수 있다.

여기서, 철계 기재(10)에 대한 압박은, 철계 기재(10)의 표층을 압축 탄성 변형시켜, 철 기지(11)의 표면으로부터 흑연 입자를 돌출시키는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 압박 가공 시에 철계 기재(10)에 작용시키는 면압은, 0.1 내지 1.0㎬의 범위에 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 압박에 의해, 철계 기재(10)의 표층으로부터 그 표면으로 흑연 입자(13)가 짜내어지도록, 철 기지(11)의 표면으로부터 흑연 입자(13)를 돌출시킬 수 있음과 함께, 철계 기재(10)의 철 기지(11)의 소성 변형을 억제함으로써, 철계 기재(10)의 가공 경화를 저감할 수 있다. 이 결과, 미끄럼 이동 시에, 상대 부재의 표면에 대하여, 미끄럼 이동 부품(1)의 주석 피막(20)이 따르기 쉬워지므로, 미끄럼 이동면에 국소적인 면압이 작용하는 것을 억제할 수 있다.

제2 실시 형태에 관한 미끄럼 이동 부품(1)에 의하면, 흑연 입자(13)는, 철계 기재(10)의 표면으로부터 돌출되어 있고, 돌출된 흑연 입자(13)는, 주석 피막(20)으로부터 노출될 수 있다. 이에 의해, 미끄럼 이동 부품(1)을 미끄럼 이동시켰을 때는, 철계 기재(10)의 표면으로부터 돌출된 흑연 입자(13)가 상대 부재에 접촉하여 깎이기 쉽고, 이 깎인 흑연의 미립자가 주석 피막(20)에 보유 지지된다. 이에 의해, 흑연 입자(13)에 의한 고체 윤활 기능을 더욱 발휘할 수 있어, 미끄럼 이동 부품(1)의 마찰 계수를 보다 저감할 수 있다.

〔제3 실시 형태〕

이하에, 도 5 및 도 6을 참조하여, 제3 실시 형태에 관한 미끄럼 이동 부품(1)과 그 제조 방법에 대하여 설명한다. 제3 실시 형태에 관한 미끄럼 이동 부품(1)이, 제2 실시 형태에 관한 미끄럼 이동 부품(1)과 상이한 점은, 철계 기재(10)에 인편상의 흑연 입자(13)가 분산된 철계 기재를 사용한 점이다. 따라서, 제2 실시 형태의 미끄럼 이동 부품(1)과 동일한 구성 및 제조 방법에 있어서의 동일한 공정에 대해서는, 그 상세한 발명을 생략한다.

본 실시 형태에서는, 그 일례로서, 도 5에 도시한 바와 같이, 흑연 입자(13)가, 인편상의 흑연 입자이며, 인편상의 흑연 입자(13)를 포함하는 철계 기재(10)로서는, 상술한 회주철을 들 수 있다. 회주철인 경우, 철계 기재(10)의 철 기지는, 페라이트로 이루어지거나 또는 페라이트를 많이 포함하는 것이어도 되고, 철계 기재로서는, FC100, FC150, FC200, FC250(JIS 규격) 등을 들 수 있고, 철 기지에 보다 많은 흑연 입자를 포함할 수 있다. 한편, 철계 기재의 철 기지는, 펄라이트로 이루어지는 것이어도 되고, 철계 기재로서는, FC300, FC350(JIS 규격) 등을 들 수 있다. 또한, 철계 기재는, 침탄 처리, 질화 처리 또는 침질 처리가 되어 있어도 된다.

본 실시 형태에 따르면, 도 6에 도시한 바와 같이, 제1 실시 형태에서 사용한 구상 흑연 주철에 비해, 보다 미세한 인편상의 흑연 입자(13)를 포함하므로, 동일한 탄소량을 갖는 철계 기재(10)여도, 보다 미세한 흑연 입자(13)가 분산되게 된다. 이 결과, 도 6에 도시한 바와 같이, 미끄럼 이동 시에는, 보다 미세한 흑연의 미립자(13a)를 주석 피막에 보다 균일하게 분산시킬 수 있기 때문에, 미끄럼 이동 부품(1)의 마찰 계수를 더욱 저감할 수 있음과 함께, 마찰 계수의 변동도 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 제2 실시 형태와 마찬가지로, 인편상의 흑연 입자(13)를 철 기지(11)의 표면으로부터 돌출시키고, 이것을 주석 피막(20)의 표면으로부터 노출시키고 있지만, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 압박 가공을 행하지 않아도, 제1 실시 형태에 나타내는 제조 방법과 마찬가지의 제조 방법으로, 주석 피막으로부터 흑연 입자를 노출시킬 수 있다. 이와 같은 미끄럼 이동 부품이라도, 미끄럼 이동 특성을 향상시킬 수 있는 점은, 후술하는 실시예 7에 의해 명백하다.

실시예

이하에 본 발명에 관한 실시예의 일례를 설명한다.

실시예 1 및 비교예 1 내지 3에 관한 디스크 시험편을 제작하여, 흑연 입자가 분산된 철계 기재와 주석 피막의 상승 효과를 확인하였다.

〔실시예 1〕

실시예 1에 관한 미끄럼 이동 부품을 제작하였다. 먼저, 철계 기재로서, 철 기지가 페라이트이며, 이 철 기지에 구상의 흑연 입자가 분산된 기재(구상 흑연 주철: FCD450)를 준비하였다. 구체적으로는, 구상 흑연 주철의 주괴로부터 외경 44㎜, 내경 20㎜, 두께 7㎜의 링상의 디스크 시험편을 선삭에 의해 잘라냈다. 다음에, 디스크 시험편인 도넛상의 표면을, 다이아몬드 슬러리의 연마제로, 산술 평균 조도 Ra 0.01㎛ 이하까지 연마하였다.

다음에, 직압식의 쇼트 피닝 장치를 사용하여, 입경이 70㎛인 주석 입자를 고상 상태로, 연마한 표면에 투사하여, 두께가 1 내지 5㎛ 범위에 들어가는 주석 피막을 성막하였다. 또한, 투사 조건은, 투사 압력이 0.7㎫, 투사 거리 30㎜, 투사 시간 10분이다. 또한, 얻어진 주석 피막의 표면으로부터, 철계 기재의 흑연 입자가 노출되어 있는 것이 확인되었다. 성막 후, 디스크 시험편(주석 피막)을 240℃에서 3시간 가열하였다.

〔비교예 1〕

실시예 1과 마찬가지로, 미끄럼 이동 부품을 제작하였다. 실시예 1과 상이한 점은, 철계 기재로서, 흑연 입자가 존재하지 않는 철 기지로 이루어지는 기재(기계 구조용 탄소강: S45C(JIS 규격))를 사용한 점이며, 실시예 1과 마찬가지의 조건에서, 철 기지의 표면에 주석 피막을 성막하였다.

〔비교예 2〕

실시예 1의 디스크 시험편에 대하여, 주석 피막을 성막하지 않은 것을 비교예 2의 디스크 시험편으로 하였다.

〔비교예 3〕

실시예 1의 디스크 시험편에 대하여, 주석 피막을 형성하지 않고, 롤러 버니싱에 의해 철 기지로부터 흑연 입자를 돌출시킨 것을 비교예 3의 디스크 시험편으로 하였다.

(마찰 계수의 측정)

실시예 1 및 비교예 1 내지 3에 관한 디스크 시험편에 대하여, 마찰 계수를 측정하였다. 구체적으로는, 외경 40㎜, 내경 30㎜, 두께 14㎜의 탄소강(S45C(JIS 규격))으로 이루어지는 링 시험편을 준비하였다. 디스크 시험편에 접촉하는 링 시험편의 도넛상의 단부면을, 다이아몬드 슬러리의 연마제로, 산술 평균 조도 Ra 0.01㎛ 이하까지 연마하였다.

디스크 시험편의 주석 피막이 형성된 표면에, 링 시험편의 도넛상의 단부면을 압박 접촉하여, 링 시험편을 미끄럼 이동시켰다. 미끄럼 이동 조건은, 하중은, 300N이며, 마찰 속도(주속)를 0.25m/s로, 마찰 거리 1000㎜까지 측정하였다. 또한, 디스크 시험편과 링 시험편에는 윤활유 PAO4(40℃에서 4sct가 되는 점도 특성의 윤활유)를 사용하여, 시험 전에 접촉 계면에 0.2ml 공급하였다. 시험 분위기는, 실온 대기 중이다. 이 결과를, 도 7, 도 8a 내지 도 8c에 도시한다. 도 7은, 실시예 1 및 비교예 1의 마찰 시험의 결과를 나타낸 그래프이다. 도 8a는, 실시예 1 및 비교예 2 및 3의 마찰 시험의 결과를 나타낸 그래프이며, 도 8b는, 도 8a에 도시한 초기의 마찰 시험의 결과를 나타낸 그래프이고, 도 8c는, 도 8a에 도시한 종기의 마찰 시험의 결과를 나타낸 그래프이다.

도 7에 도시한 결과로부터, 실시예 1에 관한 디스크 시험편의 마찰 계수의 변동은, 비교예 1의 것에 비해 작았다. 이 결과로부터, 실시예 1에 관한 디스크 시험편의 미끄럼 이동면에는, 흑연 입자가 노출되도록 주석 피막이 형성되어 있었기 때문에, 미끄럼 이동 시에, 흑연 입자의 일부가 탈리된 흑연의 미립자가 주석 피막에 안정적으로 보유 지지되고, 이 결과, 디스크 시험편의 마찰 계수의 변동이 작았다고 생각된다.

도 8a에 도시한 바와 같이, 실시예 1에 관한 디스크 시험편의 마찰 계수는, 비교예 2 및 3에 관한 디스크 시험편의 마찰 계수보다도 작았다. 도 8b 및 도 8c에 도시한 미끄럼 이동 초기 및 종기에 있어서의 마찰 시험의 결과로부터도 명백한 바와 같이, 실시예 1에 관한 디스크 시험편의 마찰 계수의 변동은, 비교예 2, 3의 것에 비해 작았다. 비교예 2 및 3의 시험편은, 흑연 입자가 철계 기재에 분산되어 있지만, 미끄럼 이동 시에 흑연 입자로부터 탈리된 흑연의 미립자의 일부가 미끄럼 이동면으로부터 압출되고, 나아가, 디스크 시험편의 철 기지가 직접 접촉함으로써, 도 8a 내지 도 8c와 같은 결과가 되었다고 생각된다.

이하에 나타내는 실시예 2 및 3에 관한 디스크 시험편을 제작하여, 미끄럼 이동 전후에 있어서의 주석 피막의 표면 상태를 확인하는 시험을 행하였다.

〔실시예 2〕

실시예 1과 동일하게 하여, 디스크 시험편을 제작하였다.

〔실시예 3〕

실시예 1과 동일하게 하여, 디스크 시험편을 제작하였다. 실시예 1과 상이한 점은, 주석 피막을 성막 후, 열처리 전에, 롤러 버니싱 처리를 행한 점이다.

실시예 2 및 실시예 3의 디스크 시험편에 대하여, 주석 피막의 표면을 SEM(주사 전자 현미경)으로 관찰함과 함께, EDX(에너지 분산형 X선)에 의해 소정의 원소의 분포를 측정하였다. 또한, 실시예 2 및 실시예 3의 디스크 시험편에 대하여, 실시예 1과 마찬가지의 마찰 시험을 행하여, 주석 피막의 표면을 SEM으로 관찰함과 함께, EDX에 의해 소정의 원소의 분포를 측정하였다. 이 결과를, 도 9a 내지 도 9c에 도시한다. 도 9a는, 실시예 2에 관한 마찰 시험 전후의 SEM 사진과, EDX에 의한 탄소 및 주석의 분포를 나타낸 사진이다. 도 9b는, 실시예 2에 관한 마찰 시험 후의 SEM 사진과, EDX에 의한 탄소, 주석, 철, 및 산소의 분포를 나타낸 사진이다. 도 9c는, 실시예 3에 관한 마찰 시험 전후의 SEM 사진과 EDX에 의한 탄소 및 주석의 분포를 나타낸 사진이다.

도 9a 및 도 9c에 도시한 바와 같이, 마찰 시험 전의 주석 피막의 표면에는, 실시예 2 및 실시예 3 중 어느 경우도, 흑연 입자가 노출되어 있음을 알 수 있고, 또한 마찰 시험 후의 주석 피막 표면에도, 흑연 입자 또는 흑연 입자로부터 탈리된 흑연의 미립자가, 주석에 혼재된 상태에서 개재되어 있음을 알 수 있었다. 주석과 흑연의 밀착성은 그다지 강하지 않기 때문에, 주석 피막의 성막 시에는, 주석 피막으로부터 흑연 입자가 노출되어 있다고 생각된다. 한편, 도 9b로부터, 미끄럼 이동 후, 탈리된 흑연의 미립자의 둘레를 둘러싸도록 주석이 덮여 있어, 흑연의 미립자는, 물리적으로 주석에 보유 지지되어 있다고 상정된다.

이하에 나타내는 실시예 4 및 5에 관한 디스크 시험편을 제작하여, 주석 피막으로서 주석에 아연을 첨가한 주석 피막과, 압박 처리에 의한 효과를 확인하는 시험을 행하였다.

〔실시예 4〕

실시예 1과 동일하게 하여, 디스크 시험편을 제작하였다. 실시예 1과 상이한 점은, 주석 피막에, 주석을 주재로 하여 아연이 첨가된 입자를 사용하여, 주석에 아연이 첨가된 주석 피막을 성막한 점이다. 또한, 주석 피막에 함유하고 있는 아연의 함유량은, 15질량％이다.

〔실시예 5〕

실시예 4와 동일하게 하여 디스크 시험편을 제작하였다. 실시예 4와 상이한 점은, 주석 피막을 성막 후, 열처리 전에, 롤러 버니싱 처리를 행한 점이다.

〔비교예 4〕

비교예 2와 동일하게 하여 디스크 시험편을 제작하였다. 따라서, 비교예 4는, 주석 피막을 형성하지 않고, 철계 기재의 표면을 연마한 시험편이다.

실시예 4, 5 및 비교예 4에 관한 디스크 시험편에 대하여, 마찰 시험을 행하였다. 이 결과를, 도 10에 도시한다.

도 10에 도시한 바와 같이, 비교예 4에 관한 디스크 시험편은, 미끄럼 이동 초기에 마찰 계수의 변동이 커서, 초기 순응성이 낮음을 알 수 있고, 시험 종료 시의 마찰 계수는, 0.15였다. 실시예 4에 관한 디스크 시험편은, 비교예 4의 것에 비해, 초기 순응성이 높아, 시험 종료 시의 마찰 계수는, 비교예 4의 것에 비해 낮고, 0.04였다. 또한, 실시예 5에 관한 디스크 시험편은, 비교예 4 및 실시예 4의 것에 비해, 더욱 초기 순응성이 높아, 시험 종료 시의 마찰 계수는, 비교예 4 및 실시예 4의 것에 비해 낮고, 0.02였다.

이것으로부터, 주석을 주재로 한 주석 피막을 철계 기재의 표면에 형성하면, 철계 기재에서 유래된 흑연 입자의 흑연(탈리된 흑연)의 미립자를 주석 피막에 보유 지지할 수 있음을 알 수 있다. 이 결과, 미끄럼 이동 부품의 마찰 계수를 저감할 수 있을 뿐만 아니라, 마찰 계수의 변동도 저감할 수 있다. 이것에 더하여, 실시예 5와 같이, 철계 기재의 표면으로부터 흑연 입자를 돌출시킴으로써, 이와 같은 효과가 보다 현저한 것으로 된다고 생각된다.

이하에 나타내는 실시예 6-1 내지 6-4에 관한 디스크 시험편을 제작하여, 주석 피막의 열처리에 의한 영향을 확인하는 시험을 행하였다.

〔실시예 6-1 내지 6-4〕

실시예 6-1 내지 6-4의 디스크 시험편을, 실시예 1과 동일하게 하여 제작하였다. 실시예 6-1이, 실시예 1과 상이한 점은, 주석 피막에 대하여 열처리를 행하지 않은 점이다. 실시예 6-2, 6-3이, 실시예 1과 상이한 점은, 주석 피막에 대한 열처리의 온도를, 각각 180℃, 210℃로 한 점이다. 실시예 6-4는, 실시예 1과 동일한 조건에서 제작하였다.

실시예 6-1 내지 6-4에 관한 디스크 시험편에 대하여, 실시예 1과 동일하게 하여, 마찰 시험을 행하였다. 이 결과를 도 11에 도시한다. 도 11에 도시한 바와 같이, 열처리를 행한 실시예 6-2 내지 6-4의 것, 열처리를 행하지 않은 실시예 6-1의 것도, 마찰 계수는 낮은 값이 되었다.

또한, 열처리를 행한 것은, 열처리를 행하지 않은 것에 비해, 주석 피막의 마모량이 적어, 주석 피막의 밀착성이 높아졌다고 생각된다. 특히, 주석 피막의 주석의 융점 이상으로 가열한 것은, 주석 피막이 완전히 용융되었기 때문에, 주석 피막의 밀착성이 가장 높아지고, 그 때문에 주석 피막의 내마모성이 높았다고 생각된다.

〔실시예 7〕

실시예 7에 관한 디스크 시험편을 제작하여, 철계 기재의 탄소 입자의 형상에 의한 영향을 확인하는 시험을 행하였다. 실시예 1과 상이한 점은, 철 기지에 인편상의 흑연 입자가 분산된 기재(회주철: FC250)를 준비하고, 이 철계 기재에 실시예 1과 동일하게 하여, 주석 피막을 성막한 점이다. 실시예 1과 동일하게 하여 마찰 시험을 행하였다. 이 결과를, 도 12에 도시한다.

도 12에 도시한 바와 같이, 실시예 7에 관한 디스크 시험편의 마찰 계수는, 지금까지 나타낸 실시예 및 비교예의 것 중에서, 가장 낮은 마찰 계수였다. 이것은, 인편상의 흑연 입자를 철계 기재에 분산시킴으로써, 미끄럼 이동 시에는, 구상의 흑연 입자에 비해, 보다 미세한 흑연의 미립자를 주석 피막에 보다 균일하게 분산시킬 수 있었기 때문이라고 생각된다. 또한, 실시예 7의 디스크 시험편에, 압박 가공(롤러 버니싱 가공)을 더 실시함으로써, 마찰 계수를 저감할 수 있다고 생각된다.

또한, 본 발명은, 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시 형태는, 예시이며, 본 발명의 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 마찬가지의 작용 효과를 발휘하는 것은, 어떠한 것이어도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

1: 미끄럼 이동 부품
10: 철계 기재
11: 철 기지
13: 흑연 입자
13a: 흑연의 미립자
20: 주석 피막

Claims

철 기지에 흑연 입자가 분산된 철계 기재와, 상기 철계 기재에 형성된 주석을 주재로 하는 주석 피막을 구비한 미끄럼 이동 부품이며,
상기 흑연 입자는, 상기 주석 피막으로부터 노출되어 있는 것을 특징으로 하는, 미끄럼 이동 부품.
제1항에 있어서,
상기 흑연 입자는, 인편상의 흑연 입자인 것을 특징으로 하는, 미끄럼 이동 부품.
제1항에 있어서,
상기 주석 피막은, 주석으로 이루어지는 피막, 혹은 주석에 아연, 은, 안티몬, 납, 인듐, 또는 비스무트가 첨가된 피막인 것을 특징으로 하는, 미끄럼 이동 부품.
제1항에 있어서,
상기 흑연 입자는, 상기 철 기지의 표면으로부터 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는, 미끄럼 이동 부품.
제1항에 있어서,
상기 미끄럼 이동 부품은, 윤활유 또는 그리스의 윤활 환경 하에서 미끄럼 이동하는 것을 특징으로 하는, 미끄럼 이동 부품.
철 기지에 흑연 입자가 분산된 철계 기재를 준비하는 준비 공정과,
상기 철계 기재의 표면에, 주석을 주재로 하는 주석 피막을 성막하는 성막 공정을 포함하고,
상기 성막 공정에 있어서, 상기 주석 피막으로부터 상기 흑연 입자가 노출되도록, 상기 주석 피막을 성막하는 것을 특징으로 하는, 미끄럼 이동 부품의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 성막 공정에 있어서, 주석을 주재로 하는 주석 입자를 상기 철계 기재에 투사함으로써, 상기 주석 입자의 일부를 부착시키는 것을 특징으로 하는, 미끄럼 이동 부품의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 준비 공정에 있어서, 상기 흑연 입자가, 인편상의 흑연 입자인 철계 기재를 준비하는 것을 특징으로 하는, 미끄럼 이동 부품의 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 성막 공정에 있어서, 상기 주석 입자로서, 주석으로 이루어지는 입자, 혹은 주석에 아연, 은, 안티몬, 납, 인듐, 또는 비스무트가 첨가된 입자를 상기 철계 기재에 투사하는 것을 특징으로 하는, 미끄럼 이동 부품의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 성막 공정 후, 상기 주석 피막의 표면을, 상기 철계 기재를 향하여 압박함으로써, 상기 철 기지의 표면으로부터 상기 흑연 입자를 돌출시키는 것을 특징으로 하는, 미끄럼 이동 부품의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 성막 공정 후, 상기 주석 피막을 120℃ 이상의 온도에서 가열하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 미끄럼 이동 부품의 제조 방법.