KR950004776B1

KR950004776B1 - 고온 베어링 합금 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR950004776B1
Application number: KR1019920008181A
Authority: KR
Inventors: 다다시 다나까; 마사아끼 사까모또; 고이찌 야마모또; 겐지 사까이
Original assignee: 다이도 메탈 고교 가부시기가이샤; 이이지마 요시오
Priority date: 1991-07-12
Filing date: 1992-05-15
Publication date: 1995-05-10
Also published as: JP2634103B2; KR930002530A; DE4215851C2; GB2257436A; GB2257436B; GB9212519D0; DE4215851A1; JPH0517839A; US5298052A

Abstract

내용 없음.

Description

고온 베어링 합금 및 이의 제조방법

본 발명은 고온 산화분위기 중에서 사용하기 위한 고온 베어링 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

현재까지, 고온 산화분위기 중에서 사용하는 베어링 재료로서 분산되거나 매립된 그래파이트와 같은 고체 윤활유를 함유하고, 구리 또는 철과 같은 기본 금속으로 이루어진 재료가 사용되어 왔다. 그러나, 이들 공지된 재료는 이들 기본금속 및 고체윤활제에 의해 오히려 열등한 내열성을 나타내기 때문에, 대략 500℃를 초과하는 온도에서는 만족스럽게 사용할 수 없었다.

더 높은 슬라이딩 특성에 대한 요구에 부응하기 위해서, 최근에 분말 야금술을 사용하여 내열성 강철에 Co-Mo-Cr-Si 합금의 경질입자를 분산하여 제조한 재료가 제안되어 있다. 이러한 재료는 일본 특허출원 공개 제 3-24249 호에 기술된 것과 같이, 대략 700℃이하의 고온에서 작동되는 베어링 재료로서 사용될 수 있다.

최근에 이르러, 가솔린 또는 디이젤 엔진에 사용되는 배기가스 조절밸브, 가스터어빈에 사용되는 가스조절 밸브등을 지지하기 위한 베어링과 같은, 여전히 700℃를 초과하는 고온에서 사용되는 베어링 재료가 요구되고 있으나, 불행하게도, 공지된 베어링은 이들이 700℃이하의 온도에서만 안전하게 사용될 수 있기 때문에, 이러한 요구를 완전히 충족할 수 없다.

베어링 재료로서 내열성 합금 또는 세라믹을 사용하려는 시도가 있었지만, 이러한 계열의 재료에서 나타나는 높은 마찰계수 때문에 이러한 시도는 성공하지 못했다.

따라서, 본 발명의 목적은 900℃이하의 고온 산화분위기 중에서 사용되고, 우수한 슬라이딩 특성을 나타낼 수 있는 고온 베어링 합금을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 이러한 베어링 합금의 제조방법을 제공하는데 있다.

이들 목적을 위해, 본 발명의 한 실시형태에 따라 중량으로 9-30% Cr, 5-19% Fe, 0.1-1.5%, Si, 2-22% Co, 1.4-11.0% Mo와 잔량의 Ni 및 부수적 불순물로 이루어지고, Co-Mo-Cr-Si 합금의 경질 입자가 균일하게 분산된 구조를 가지는, 고온 산화분위기 중에서 사용하기 위한 고온 베어링 합금을 제공한다. 고온에서의 슬라이딩 특성을 향상시키기 위해 5.0% 미만의 BN을 합금에 첨가할 수 있다.

Ni-Cr-Fe 합금분말을 사용하는 분말야금방법은 이 합금분말의 경도가 높기 때문에 어려움이 수반된다. 그러므로, 본 발명의 방법에 따라서 분말을 따로 따로, 즉, 순수한 Ni 및 Fe-Cr 합금분말을 준비한다. 이들 분말재료는 Co-Mo-Cr-Si 분말과, 필요시, BN 분말을 혼합하며, 얻어진 이 혼합분말을 압축 소결하여 제품을 얻는다. 소결된 재료의 밀도와 이 소결된 재료의 고온에서의 항산화성을 더욱 증가시키기 위해서는 소결된 재료에 열간압축을 실시할 수 있다. 열간압축은 4 내지 10톤/cm²의 응력하에 800 내지 1000℃의 온도에서 실시하는 것이 바람직하다. 열간압축은 800℃ 이하의 온도에서 실시하면 얻어지는 소결 제품이 충분히 치밀하게 되지 않으며, 1000℃이상의 온도에서 실시하면, 고온압축에 사용되는 성형틀이 손상되고 및/또는 성형틀의 사용수명이 단축된다는 문제가 발생한다. 또한 고온압축 응력이 4톤/cm²미만인 경우, 얻어진 제품의 치밀화가 불충분하게 되고, 고온 압축응력이 10톤/cm²이상인 경우 치밀성의 향상을 기대할 수 없게 된다.

본 발명에 따라, 각각의 성분 함량은 하기한 이유로 다음과 같이 한정한다.

(1)Cr : 9 내지 30중량%

Cr 함량이 9중량% 이하이면, 충분한 내열성을 가진 매트릭스 합금을 얻을 수 없다. 반면에, Cr함량이 30중량%를 초과하면 재료의 소결성이 손상된다. 따라서, Cr의 함량은 9 내지 30중량%로 한정한다.

(2)Fe : 5 내지 19중량%

철 함량이 5중량% 이하이면 고온에서의 가도가 손상되는 반면에, 철 함량이 19중량% 이상이면 분말재료의 경도는 증가하여 분말의 압축능이 감소되게 된다. 이러한 이유로 인해, 철 함량은 5 내지 19중량%로 한정한다.

(3)Co-Mo-Cr-Si 합금 경질입자

이들 경질입자의 함량은 전체 합금재료에 대해서 5 내지 35중량%가 바람직하다. 왜냐하면, 5중량% 이하의 함량은 슬라이딩 특성을 개선하는데 있어서, 거의 효과를 제공하지 못하는 반면에, 함량이 35중량%를 초과하면 합금이 지나치게 경화됨으로써 열등한 분말 압축 성능과 매팅된 슬라이딩 재료가 손상될 위험을 초래하기 때문이다. Co-Mo-Cr-Si 합금 경질입자는 26 내지 30중량%의 Mo, 7.5 내지 9.5중량%의 Cr, 2.4 내지 2.6중량%의 Si와 거의 Co 잔량으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이들 Co-Mo-Cr-Si 합금 입자들의 각 성분에 있어서 이들이 언급된 하한량 미만으로 함유되는 경우에는, 본 발명의 고온 베어링 합금의 슬라이딩 특성을 향상시키는데 효과가 있는 육방 밀집 격자형의 결정을 형성하는 것이 불가능한 반면에, 상기 각 성분들이 언급된 상한량 이상으로 함유되는 경우에는 상술된 바와 같은 육방 밀집 격자형의 결정 형성과 함께 슬라이딩 특성 향상시키는데 있어서 바람직하지 못한 결정이 얻어지게 된다. 동시에, 슬라이딩 특성의 개선에 기여하는 미세 육방 밀집 결정 입자를 형성하기 위해, Co, Mo 및 Si의 함량은 전체 합금재료중 각각 0.1 내지 1.5중량%, 2 내지 22중량% 및 1.4 내지 11.0중량%가 바람직하다.

(4)Mn : 2.0중량% 이하

이 원소는 매트릭스 합금의 강도를 강화시키고 구조를 안정화시킬 목적으로 첨가한다. 그러나, 이 원소의 첨가가 2.0중량%를 초과하면 합금이 부서지기 쉽게되기 때문에, 이 원소의 함량은 2.0중량% 이하로 한정한다.

(5)C : 0.15중량% 이하

이 원소는 또한 매트릭스 합금의 강도를 강화한다. 그러나, 이 원소의 함량은 0.15중량% 이하로 한정하는데, 이 한계치는 초과하면, Cr 카바이드가 형성되어 합금이 부서지기 쉽게 되기 때문이다.

(6)BN : 5.0중량% 이하

이 성분은 임의적인 성분이며, 고온에서의 슬라이딩 특성을 향상시킨다. 그러나, 이 성분의 함량은 5.0중량% 이하로 한정되어야 하는데, 그 이유는 이 함량이 상한치를 초과하면, 재료의 강도가 지극히 저하하기 때문이다.

하기에, 본 발명의 바람직한 실시형태를 기술한다.

먼저, 다음 분말(a) 내지 (d)를 제조하였다 :

(a)그레인 크기-250메쉬(60 이하)의 순수한 Ni분말 : (b) 그레인크기-250메쉬(60㎛ 이하)이고, 44.5중량%의 Cr, 17.5중량%의 Ni, 4.1중량%의 Mo, 1.5중량%의 Si, 0.5중량%의 Mn, 0.1중량%의 C 및 거의 Fe 잔량으로 이루어진 Fe-Cr 합금분말 ; (c)그레인 크기-100메쉬(50 이하)이고, 28중량%의 Mo, 8.5중량%의 Cr, 2.5중량%의 Si 및 거의 Co 잔량으로 이루어진 Co-Mo-Cr-Si합금분말 ; 그리고, (d) 평균입자크기가 10㎛인 BN분말.

이들 분말 (a) 내지 (d)를 표 1에 나타낸 바와 같이 비율을 달리하여 혼합하여, 표 2에 표시한 조성을 가지는 분말을 얻었다.

성형성을 향상시키기 위해서, 아연 스테아레이트 1중량%를 분말혼합물에 첨가하고, Co-Mo-Cr-Si 합금분말의 입자들을 매트릭스중에 이 분말이 미세하고, 균일하게 분산할 수 있도록 -100메쉬(150㎛ 이하)로 미분화하였다. 그다음, 이 분말 혼합물을 성형압력 6톤/cm²에서 직경 22mm 및 길이 50mm의 시편으로 형성시켰다. 그후, 이 시편들을 아연 스테아레이트가 제거되기에 충분한 온도인, 480℃에서 가열하고, 1시간동안 1150℃에서 (H₂+N₂)분위기 중에서 소결하였다. 이어서, 시편들을 고밀도를 얻기 위해 900℃, 6톤/cm²에서 열간압축하였다. 이와 같이 하여 얻은 직경 22mm이고 길이 50mm인 막대 모양의 시편을 가공하고 실온, 500℃ 및 900℃의 각 온도에서 인장시험을 실시하였다. 인장시험 결과를 표 3에 나타내었다. 고온에서 항산화 특성을 시험하기 위해 막대 모양의 시편을 외경 16mm, 내경 10mm 및 길이 20mm의 베어링을 형성하도록 가공하였다. 이와 같이 하여 얻은 베어링을 900℃의 산화분위기에서 노출시키고, 노출시작후 5시간, 20시간, 50시간 및 100시간에서 산화량의 증가를 측정하였다. 측정하여 얻어진 결과를 표 4에 나타내었다. 슬라이딩 특성을 시험하기 위해, 막대 모양의 시편으로부터 편평한 플레이트 형상의 시편을 제조하였다. 그다음, 플레이트 형상의 시편을 슬라이딩 매팅부재로서 Ni-Cr형 내열성 합금핀을 사용하여, 고온에서 마찰/마모 시험을 실시하였다. 구체적으로, 시험은 평균 슬라이딩 속도 1m/분에서 1시간동안 2kgf 하중하에 직경 4mm의 핀을 왕복 슬라이딩하여 실시하였다. 플레이트의 마찰계수 및 마모량을 표 5에 나타내었다.

상기한 설명으로 부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 베어링 합금은 내열성이 우수한 Ni계 합금으로 형성된 매트릭스를 사용함으로써 이 베어링 합금을 고온 산화분위기 중에서 사용할 때 산화량 증분이 감소된다. 또한, 슬라이딩 시험결과는 본 발명의 베어링 합금에 적합한 양의 Co-Mo-Cr-Si 합금 및/또는 BN이 첨가됨으로써, 900℃부근의 고온에서도 내마찰/마모성이 우수하다는 것을 보여주고 있다.

그러므로, 본 발명에 따른 베어링 합금은 고온 산화분위기 중에서 사용할 때 우수한 성능을 나타내게 된다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

[표 4]

[표 5]

Claims

전체 조성이 9~30중량%의 Cr, 5~19중량%의 Fe, 0.1~1.5중량%의 Si, 2~22중량%의 Co, 1.4~11.0중량%의 Mo와 잔량의 Ni 및 부수적 불순물로 이루어지는 합금으로서 ; 이 합금중에 26~30중량%의 Mo, 7.5~9.5중량%의 Cr, 2.4~2.6중량%의 Si와 잔량의 Co로 구성되는 Co-Mo-Cr-Si계 합금의 경질입자가 전체합금 재료에 대해 5~35중량%로 함유되어 전체합금중에 균일하게 분산된 구조를 가지는 고온 베어링 합금.
전체 조성이 9~30중량%의 Cr, 5~19중량%의 Fe, 0.1~1.5중량%의 Si, 2~22중량%의 Co, 1.4~11.0중량%의 Mo, 5.0중량% 이하의 BN과 잔량의 Ni 및 부수적 불순물로 이루어지는 합금으로서 ; 이 합금중에 26~30중량%의 Mo, 7.5~9.5중량%의 Cr, 2.4~2.6중량%의 Si와 잔량의 Co로 구성되는 Co-Mo-Cr-Si계 합금과 BN양자의 경질입자가 전체합금 재료에 대해 5~35중량%로 함유되어 전체합금중에 균일하게 분산된 구조를 가지는 고온 베어링 합금.
전체 조성이 9~30중량%의 Cr, 5~19중량%의 Fe, 0.1~1.5중량%의 Si, 2~22중량%의 Co, 1.4~11.0중량%의 Mo, 2.0중량% 이하의 Mn과 0.2중량% 이하의 C, 또는 2.0중량%이하의 Mn과 0.2중량% 이하의 C와 잔량의 Ni 및 부수적 불순물로 이루어지는 합금으로서 ; 이 합금중에 26~30중량%의 Mo, 7.5~9.5중량%의 Cr, 2.4~2.6중량%의 Si와 잔량의 Co로 구성되는 Co-Mo-Cr-Si계 합금의 경질입자가 전체합금 재료에 대해 5~35중량%로 함유되어 전체합금중에 균일하게 분산된 구조를 가지는 고온 베어링 합금.
제1항 기재의 합금을 제조하는 방법으로서, Ni분말과 ; 40-65중량%의 Cr, 20중량% 이하의 Ni, 5.0중량% 이하의 Mo, 2.0중량% 이하의 Si와 잔량의 Fe 및 부수적 불순물로 이루어진 Fe-Cr 합금분말과 ; Co-Mo-Cr-Si 합금분말을 혼합하여, 얻어진 분말혼합물을 소결한 후, 이를 4 내지 10톤/cm²의 응력 및 800 내지 1000℃의 온도에서 열간압축하는 것을 특징으로 하는 고온 베어링 합금의 제조방법.
제2항 기재의 고온베어링 합금을 제조하는 방법으로서, Ni분말 ; 40-65중량%의 Cr, 20중량% 이하의 Ni, 5.0중량% 이하의 Mo, 2.0중량% 이하의 Si와 잔량의 Fe 및 부수적 불순물로 이루어진 Fe-Cr 합금분말과 ; Co-Mo-Cr-Si 합금분말 및 BN 분말을 혼합하여, 얻어진 분말혼합물을 소결한 후, 4 내지 10톤/cm²의 응력 및 800 내지 1000℃의 온도에서 열간압축하는 것을 특징으로 하는 고온 베어링 합금의 제조방법.
전체 조성이 9~30중량%의 Cr, 5~19중량%의 Fe, 0.1~1.5중량%의 Si, 2~22중량%의 Co, 1.4~11.0중량%의 Mo, 5.0중량% 이하의 BN, 2.0중량% 이하의 Mn, 또는 0.2중량% 이하의 C 또는 2.0중량% 이하의 Mn과 0.2중량% 이하의 C와 잔량의 Ni 및 부수적 불순물로 이루어지는 합금으로서 ; 이 합금중에 26~30중량%의 Mo, 7.5~9.5중량%의 Cr, 2.4~2.6중량%의 Si와 잔량의 Co로 구성되는 Co-Mo-Cr-Si계 합금과 BN양자의 경질입자가 전체합금 재료에 대해 5~35중량%로 함유되어 전체합금중에 균일하게 분산된 구조를 가지는 고온 베어링 합금.