KR960008727B1 - 고체 윤활 효과를 갖는 소결 금속 - Google Patents

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1996년06월29일
르오지 사토흐
코이치로 하야시
카쑤나오 치카하타
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히타찌 훈마쯔야킨 가부시끼가이샤
센보꾸야 아끼오
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Abstract

내용없음.

Description

고체 윤활 효과를 갖는 소결 금속
본 발명은 개선된 고체 윤활효과, 예컨대 탁월한 절삭성, 내마모성 및 플라스틱 가공성을 갖는 값싼 소결 금속 부품, 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
당해 기술에서 잘 알려진 바와 같이, 소결 금속 부품 또는 이들의 소결 예비물질에 고체 윤활제, 예컨대 흑연, 이황화 몰리브덴, 질화 붕소 및 활석 등을 부가함으로써 분말 치밀형성성, 절삭성, 내마모성, 슬라이딩성 및 다른 특성을 갖는 상기 소결 금속 부품 또는 이들의 예비물질을 얻을 수 있다.
상기에서 전술한 고체 윤활제중에서도, 특히 활석이 금속분말을 성형하기 위한 결합제 및 윤활제로서 매우 용이하게 사용되는 것으로 알려져 왔다 : [참고문헌, Glaus G. Goetzel, TREATISE ON POWDER METALLURGY, Vol. 1, pp. 254-256(1949)].
좀더 상세하게, 일본특허 공개공보 제63(1988)-93842호에 기재된 바와 같이, 0.1 내지 5체적%의 활석함량을 갖는 철 또는 철합금 분말을 성형 및 소결시킴으로써 습득한 재료는 절삭용구의 사용수명을 증가시키기 위해 개선된 쾌삭성을 갖는 것으로 알려졌다.
일본특허 공보 제63(1988)-118047호에 기재된 바와 같이, 0.1 내지 10중량%의 활석함량을 갖는 금속분말을 성형 및 소결시킴으로써 제조한 소결 금속은 개선된 압축 치밀성, 절삭성 및 다른 특성, 및 증가된 내마모성을 가지며, 따라서 내연기관 밸브 시이트 및 가이드에 대해 아주 꼭 맞는 것으로 알려졌다.
따라서, 활석을 함유하는 혼합 금속분말을 성형 및 소결시킴으로써 습득한 소결 금속 부품은 절삭성 및 내마모성이 개선될 뿐만 아니라 치밀화 되는 경우, 금형에 대한 마찰저항이 제한된다는 장점을 갖는다. 또한, 이들의 다른 장점은 활석 그 자체의 가격이 비교적 값싸다는 데에 있다.
그러나, 활석분말-Mg3Si4O10(OH)2-이 약간의 수분을 함유하기 때문에 상기 활석분말을 함유하는 혼합 금속분말의 압분체가 소결되는 경우에는 활석이 가열과정에서 탈수 및 분해될 수 있고, 따라서, 환원분위기하의 가스의 노점(dew point)이 증가하게 된다.
상기 이유로 인해, 만일 내연기관 밸브 시이트 및 가이드와 같은 복잡한 기하구조를 갖는 소결 금속 부품을 습득하는 데에 있어서 소결 조건이 엄격히 제어되지 않는다면, 상기 결과, 습득한 소결체에 원하는 특성을 제공하는 것이 불가능할 수 있다.
특히, 다량의 상기 압분체를 소결노내에 연속적으로 공급하는 경우에는, 부가된 활석의 양을 감소시키고 공급된 소결노내의 가스의 양을 증가시키거나 몇몇 특징-목적 소결노를 사용하는 것에 대한 주의가 기울어야 할 정도로 소결노내의 가스가 심각하게 오염되므로 추가적인 방법에 대한 필요성이 요구된다.
그 외에도, 가열함으로써 소결시키는 동안 활석은 마그네슘 메타실리케이트-MgSiO3및 경질 이산화 규소-SiO2로 분해된다. 이는 이산화 규소에 의해 유발된 것으로 보인다. 소결 금속 부품에 활석을 부가함으로써 습득한 상기 소결 금속 부품은 관련된 슬라이딩 부재를 마모시킬 수 있다.
본 발명의 목적은 특히, 플라스틱 가공법에 의해 내연기관 밸브 시이트 또는 가이드, 오일-침투 베어링, 기어 및 다른 부재를 제조하는 데에 사용되는 소결 금속 슬래그에 대해 매우 적합한 소결 금속 부품, 및 상기 금속 부품의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명은 개선된 쾌삭성 및 내마모성을 갖는 소결 합금을 제조하며, 각종 베어링에 특히 적합한 철-계 소결 슬라이딩 부재에 관한 것이다.
지금까지는 내마모성을 제공하기 위해 다량의 고체 윤활 흑연을 함유하는 철-계 소결재료를 첨가하고, 흑연중 일부분은 소결시 매트릭스중에 확산되고, 소결 후 유리 흑연으로서 잔류하는 것이 가능하게 되어 잔류 흑연의 윤활효과를 사용하는 것을 가능하게 만드는, 각종 목적을 위해 적당한 내마모성 슬라이딩 부재가 이용되었다.
그러나, 유리 흑연을 습득하기 위해, 통상적으로 입수가능한 철-계 재료에 적용된 온도보다 좀더 낮은 온도에서 상기 소결재료를 소결시키면 결정간 결합강도의 감소가 초래될 수 있고, 이와 같이 만들어진 슬라이딩 부재는 고압조건하에서 사용된 경우 마모되는 것이 가능하게 된다.
상기에서 언급한 철-계 소결 슬라이딩 부재의 결함을 제거하기 위한 일부 노력으로 규정된 양의 구리, 주석 및 인을 함유하는 소결 공급재료를 980 내지 1100℃에서 소결시키고, 퍼얼라이트 구조-함유 Fe-P-C 3원 공정(스테다이트상)중에 유리 흑연을 혼합형태로 분산시키는 것이 제안되었다. 이점에 관해서는 일본 특허 공개공보 제54(1979)-42335호 또는 일본 특허 공개공보 제55(1980)-34858호를 참조.
따라서, 개선된 철-계 소결 슬라이딩 부재는 비교적 낮은 온도에서 소결시에도 소결 공급물의 강도를 증가시키며, 이들은 베어링과 같은 고압조건하에서 사용된 슬라이딩 부품에 특히 적합하다. 그러나, 이들은 쾌삭성이 열악하고 상기에 관해 요구되는 조건이 훨씬 더 많다는 심각한 단점을 갖는다.
따라서, 본 발명의 다른 목적은 내마모성, 쾌삭성 및 다른 특성이 탁월한 소결 합금으로 제조한 철-계 소결 슬라이딩 부재에 관한 것으로, 상기 소결 슬라이딩 부재는 고압조건하에서도 사용될 수 있으며, 통상적인 소결 슬라이딩 부재에 비해 절삭성이 개선된 것이다.
본 발명의 한 양태에 따라, 본 발명의 첫번째 목적은 메타규산 마그네슘 광물질, 또는 메타규산 마그네슘 광물질 및 오르토규산 마그네슘 광물질, 또는 메타규산 마그네슘 광물질 및 오르토규산 마그네슘 광물질중 최소한 어느 하나와 질화 붕소 및 황화 망간중 최소한 어느 하나가 금속 매트릭스중에 바람직하게는 0.1 내지 4중량%의 총량으로 분산된 소결 금속 부품을 구비시킴에 의해 달성된다.
바람직한 구현예에서, 상기 소결 금속 부품은 내연기관 밸브 시이트 또는 가이드, 오일-침투 베어링, 기어 및 다른 부재를 생성하기 위해 사용된 소결 금속 슬래그 형태를 취한다.
상기 양태에 따라, 소결 금속 부품은 대부분이 금속분말로 이루어진 다이 공급재료를 압축성형 및 소결시키는 단계를 함유하는 방법에 의해 생성되고, 상기 방법은 메타규산 마그네슘 광물질 분말, 또는 메타규산 마그네슘 광물질 분말 및 오르토규산 마그네슘 광물질 분말, 또는 메타규산 마그네슘 광물질 분말 및 오르토규산 마그네슘 광물질 분말중 최소한 어느 하나와 질화 붕소 및 황화 망간중 최소한 어느 하나가 금속 매트릭스중에 0.1 내지 4중량%의 양으로 분산되고, 상기 메타규산 마그네슘 광물질 분말은 엔스터타이트, 클리노엔스터타이트(clinoenstatite), 엔스테나이트 및 하이퍼스틴(hypersthen) 분말중 최소한 어느 하나이고, 그리고 상기 오르토규산 마그네슘 광물질 분말은 포오스테라이트(forsterite) 및 크리솔라이트(chrystolite)분말중 최소한 어느 하나이다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 본 발명의 두번째 목적은 중량비로, 실질적으로 탄소 1.5 내지 4%, 구리 1 내지 5%, 주석 0.1 내지 2%, 인 0.1 내지 0.5%, 결정질 함유물 0.5 내지 2% 및, Fe를 잔량으로 함유하며, 퍼얼라이트 매트릭스와 스테다이트상의 혼합구조를 갖는 금속 매트릭스중에 유리 흑연 및 결정질 함유물이 분산된 구조를 가지며, 상기 결정간 함유물이 메타규산 마그네슘 광물질, 또는 메타규산 마그네슘 광물질 및 오르토규산 마그네슘 광물질, 또는 메타규산 마그네슘 광물질 및 오르토규산 마그네슘 광물질중 최소한 어느 하나와 질화 붕소 및 황화 망간중 최소한 어느 하나인 철-계 소결 슬라이딩 부재를 구비시킴에 의해 달성된다.
MgSiO3로 나타낸 메타규산 마그네슘은 사방정계 엔스터타이트 및 단사정계 클리노엔스터타이트를 함유하는, 상이한 결정구조를 갖는 몇몇 형태로 자연스럽게 발생하는 것이다.
통상적으로, 메타규산 마그네슘은 (Mg,Fe)SiO3의 식으로 나타낸 바와 같이, 천연에 존재하는 광석으로부터 Mg의 규산염과 Fe의 규산염의 고체용액의 형태 또는 상기 고체용액과 Mg 규산염의 고체용액의 형태로 정련될 수 있으며, 그의 예로는 엔스테나이트 및 하이퍼스틴이 있다.
본원에서 사용된 메타규산 마그네슘 광물질이란 용어는 상기에서 언급한 바와 같은 메타규산 마그네슘 및 이들을 함유하는 규산염을 의미한다.
다른 한편으로, 오르토규산 마그네슘은 Mg2SiO4로 표현되며, 산업상 포오스테라이트로 명명되는 광석의 형태로 입수할 수 있다. 메타규산 마그네슘의 경우에서와 같이, 이는 통상적으로 Mg 및 Fe의 규산염 고체 용액 형태를 취하며, 예로는 크리솔라이트가 있다.
크리솔라이트는 조성식 (Mg,Fe)2SiO4또는 (Mg,Fe,Mn)2SiO4로 나타낸 바와 같이, 포오스테라이트(Mg2SiO4) 및 퍼어라이트(Fe2SiO4)와 임의의 테프로이트(Mn2SiO4)를 함유하는 고체용액이다.
본원에서 오르토규산 마그네슘 광물질이란 용어는 상기에서 언급한 바와 같은 오르토규산 마그네슘 및 이들을 함유하는 규산염을 의미한다.
메타- 및 오르토규산 마그네슘 광물질은 3.2 내지 3.9의 비중을 가지며, 이들은 충분히 잘 쪼개어질 수 있기 때문에 고체 윤활제로 사용될 수 있다. 이들은 0.1중량% 이상의 양으로 윤활작용을 나타낼 수 있으며, 이들의 양이 증가되면 윤활작용은 좀더 효과적으로 된다. 그러나, 4중량% 이상의 양에서는 상기 효과가 바람직하지 않게 되는데, 그 이유는 이들이 너무 큰 부피를 가지고, 따라서 얻어진 소결체의 강도가 감소되기 때문이다. 따라서, 이들은 0.1 내지 4중량%의 양으로 사용되는 것이 바람직하다.
상기 광물질은 이들이 윤활유 등을 보유할 수 있는 정도로 친유성이고, 이들이 분말 야금술에 대해 통상적으로 사용된 소결온도에서도 분해되지 않을 정도로 열에 대해 상당히 안정하다. 이러한 특성을 갖는 전술한 규산 마그네슘 광물질이 부가되어진 금속분말은 성형 다이를 사용하여 매우 용이하게 성형할 수 있는데, 그 이유는 다이를 사용하면 이들의 마찰이 감소되기 때문이다.
상기와 관련하여, 오르토규산 마그네슘 광물질은 메타규산 마그네슘 광물질과 배합하여 사용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 오르토규산 마그네슘 광물질이 메타규산 마그네슘 광물질에 비해 좀더 경질이며, 분해가 좀더 어렵기 때문이다.
활석-함유 소결 금속 부품과 본 발명에 따른 규산 마그네슘 광물질-함유 소결 금속 부품의 비교 결과, 후자가 관련 부재를 덜 마모시키지만, 이들 자신에 대한 내마모성은 열악하다는 것을 알 수 있었다.
그러나, 상기 단점은 본 발명에 따라 질화 붕소 및 황화 망간중 최소한 어느 하나와 더불어 메타규산 마그네슘 광물질 및/또는 오르토규산 마그네슘 광물질을 금속 매트릭스중에 분산시킴으로써 제거할 수 있다. 따라서, 질화 붕소 또는 황화 망간 역시 고체 윤활제로서 작용하며, 소결 금속 부품의 내마모성을 개선시키는데 크게 기여한다.
질화 붕소와 황화 망간의 비교 결과, 절삭성이 좀더 우수한 것은 질화 붕소이고, 내마모성이 좀더 우수한 것은 황화 망간이란 것이 밝혀졌다.
규산 마그네슘 광물질의 윤활작용에 관해 전술한 바와 같은 이유로 인해, 질화 붕소 및/또는 황화 망간은 상기에서 언급한 규산 마그네슘 광물질과 더불어 0.1 내지 4중량%의 정량 범위로 사용되어야 한다.
규산 마그네슘 광물질과의 배합물로 사용된 질화 붕소 및 황화 망간중 최소한 어느 하나가 어떠한 비로 사용되었는지는 중요하지 않다 할지라도, 질화 붕소 및 황화 망간중 최소한 어느 하나의 양은 규산 마그네슘 광물질의 양보다 좀더 낫거나 1/2이어야 하는데, 그 이유는 질화 붕소 및 황화 망간의 가격이 규산 마그네슘 광물질의 가격보다 약 10 내지 30배 더 높기 때문이다.
[발명의 제1양태]
이제, 본 발명의 제1양태는 하기의 비제한 실시예에 의해 좀더 상세히 설명하고자 한다. 조성물 및 그 조성비는 중량에 의해 나타낸 것이다.
[실시예 1]
실질적으로 전해질 구리분말 1.5%, 흑연분말 0.8%, 스테아르산 아연 0.8% 및, 분쇄시킨 철분말 잔류량을 함유하는 혼합 금속분말 공급물을 준비하였다.
상기 공급물에 엔스터타이트, 클리노엔스터타이트, 하이퍼스틴 및 엔스테나이트-메타규산 마그네슘 광물질, 포오스테라이트 및 크리솔라이트-오르토규산 마그네슘 광물질, 및 지금까지 통상적으로 사용되던 활석을 각각 분말 형태로 그리고 1%의 양으로 부가함으로써 소결 공급물을 준비하였다.
이어서, 상기 소결 공급물을 각각 6.8g/cm3의 성형 밀도에서 20-mm 두께의 규정 형태로 성형하고, 차후에 부탄-변성 가스중에서 1150℃의 온도로 소결시켜 샘플을 습득하였다.
각 샘플은 대략 0.6%의 양으로 결합탄소를 함유하는 퍼얼라이트 구조를 갖는 것이 발견되었다.
이어서, 상기에서 언급한 각각의 샘플의 절삭성 및 내마모성을 측정하였다.
20-mm 두께의 각 샘플의 절삭성은 42kg의 하중 및 500rpm하에서 60-mm 직경 드릴을 사용하여 드릴이 샘플을 관통하는 데에 얼마나 많은 시간이 소요되는지를 판정하여 측정하였다.
상기 결과, 규산 마그네슘을 함유하지 않는 샘플 및 활석-함유 샘플에는 각각 65초 및 45-51초가 소요되지만, 각종 규산 마그네슘 광물질을 함유하는 인스탄트 샘플에는 43-49초가 소요된다는 것을 발견하였는데, 이는 인스탄트 샘플이 재빨리 가공될 수 있다는 것을 의미한다.
마모시험은 디스크상의 핀타입의 마찰마모 시험기를 사용하여 수행하였는데, 핀은 각 샘플로 성형하였고, 디스크는 기계구조용 탄소강 S45C으로 제조하였다. 이어서 마모손실을 측정하기 위해 10분 동안 3.1m/초의 슬라이딩 속도로 20kgf/cm2의 하중에서 디스크상에 핀을 슬라이딩하였다.
상기 결과로서, 규산 마그네슘 광물질을 함유하는 인스탄트 샘플에서의 45-52μm의 마모손실과는 대조적으로 규산 마그네슘을 함유하지 않는 샘플 및 활석-함유 샘플은 83μm 및 42-47μm의 마모손실을 나타낸다는 것을 발견하였는데, 이는 인스탄트 샘플이 훨씬 더 개선된 고체 윤활효과를 갖는다는 것을 의미한다.
상기에서 언급한 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 규산 마그네슘 광물질은 절삭성이 우수하지만 내마모성이 열등하다.
또한, 알 수 있는 바와 같이, 오르토규산 마그네슘 광물질은 메타규산 마그네슘 광물질에 비해 가공성 및 내마모성이 열등하다.
[실시예 2]
실시예 1에서와 같이, 실질적으로 전해질 구리분말 1.5%, 흑연분말 0.8%, 스테아르산 아연 0.8% 및 분쇄시킨 철분말 잔류량을 함유하는 혼합 금속분말 공급물을 준비하였다. 이어서, 상기 공급물을 비교샘플 1로 성형 및 소결하였다.
비교샘플 1에 대해 사용한 것과 같은 공급물을 사용하여 엔스터타이트 분말-메타규산 마그네슘 0.7% 및 질화 붕소분말 0.3%를 함유하는 샘플 2; 엔스터타이트 분말 0.7% 및 황화망간 0.3%를 함유하는 샘플 3; 포오스테라이트 분말 0.7% 및 질화 붕소분말 0.3%를 함유하는 샘플 4; 및 포오스테라이트 분말 0.7% 및 황화 망간분말 0.3%를 함유하는 샘플 5를 습득하였다. 실시예 1에서 언급한 바와 같은 유사한 방법에 따라 상기 샘플의 절삭성 및 내마모성을 측정하였다.
상기 결과는 표 1에 나타내었다 :
상기 데이타로부터 알 수 있는 바와 같이, 엔스터타이트 또는 포오스테라이트-규산 마그네슘 및 질화 붕소 또는 황화 망간을 상기에서 언급한 바와 같은 혼합 금속분말 공급물에 부가함으로써 소결 금속 부품의 절삭성 및 내마모성이 개선된다.
또한, 질화 붕소는 절삭성(특히, 샘플 2 및 4에 관한)을 개선시키는 작용을 하며 황화 망간은 내마모성을 개선시키는 데에 효과적이다.
[실시예 3]
실시예 1에서와 같이, 실질적으로 전해질 구리분말 1.5%, 흑연분말 0.8%, 스테아르산 아연 0.8% 및 분쇄시킨 철분말 잔류량을 함유하는 혼합 금속분말 공급물을 제조하였다.
상기 혼합 공급물을 사용하여 엔스터타이트-메타규산 마그네슘의 다양한 양을 함유하는 총 6개의 소결공급물을 제조하고, 이들은 각각 6.6g/cm 의 성형밀도에서 원통형으로 성형한 다음, 부탄-변성 가스중에서 1150℃의 온도로 소결시켜 샘플로 습득하였다.
측정한 각 샘플의 압환 강도(ring-crushing strength)를 표 2에 명기하였다.
상기 데이타는 엔스터타이트의 분말의 양이 증가함에 따라 압환 강도가 감소된다는 것을 입증한다. 엔스터타이트 분말의 양에 있어서 0% 부가에 비해 5% 부가는 압환 강도를 약 50%까지 감소시킨다.
[실시예 4]
Cr 3.0%, Mo 0.3%, V 0.3% 및 Fe 잔류량을 함유하는 철합금 분말, 및 Co 6.5%, Ni 1.5%, Mo 1.5% 및 Fe 잔류량을 함유하는 철합금 분말을 동일한 양으로 흑연분말 1.2% 및 성형 윤활제 스테아르산 아연 0.8%와 혼합하였다. 상기와 같이 습득한 소결 공급물을 규정된 밸브 시이트 형태로 성형한 다음, 암모니아-분해 가스중에서 30분 동안 1200℃의 온도로 소결시켜 비교샘플 1을 제조하였다.
상기 합금은 일본 특허 공개공보 제57(1982)-56547호에 기재된 바와 같은 조성물을 갖는다.
상기에서 언급한 바와 같은 소결 공급물을 사용하여 활석 0.8%를 함유하는 비교샘플 2, 엔스터타이트 분말-메타규산 마그네슘 0.8%를 함유하는 비교샘플 3, 엔스터타이트 분말 0.5% 및 질화붕소 0.3%를 함유하는 비교샘플 4, 및 엔스터타이트 분말 0.5% 및 황화 망간 0.3%를 함유하는 비교샘플 5를 제조하였다.
상기 샘플들의 각각을 규정된 크기로 절삭가공한 후, 실물 크기의 엔진마모 시험기상에 고정시켰다.
그 결과를 표 3에 기록하였다.
상기 결과는 비교샘플 1을 제외한 샘플들 모두가 아주 탁월한 절삭성을 갖는다는 것을 나타낸다.
알 수 있는 바와 같이, 활석을 함유하는 비교샘플 2는 비교샘플 1에 비해 마모손실이 감소된다.
엔스터타이트 분말을 함유하는 샘플 3은 샘플 2에 비해 시이트 표면의 마모손실을 좀더 증가시키지만 전체 마모손실은 샘플 2에 비해 감소된다. 이는 샘플 3이 관련된 부재를 좀더 덜 마모시킨다는 것을 의미한다.
특히, 엔스터타이트 분말중 일부분이 질화 붕소로 대체되어진 샘플 4는 관련된 밸브 표면을 마모시키는 것이 불가능하다.
샘플 4에서의 질화 붕소가 황화 망간으로 대체되어진 샘플 5는 샘플 4에 비해 시이트 표면의 마모손실이 훨씬 더 감소되지만, 관련된 밸브 표면을 마모시키는 것은 어느 정도 가능하게 된다. 따라서, 샘플 5는 샘플 4에 비해 약간 열등하다.
[실시예 5]
실질적으로 천연에 존재하는 흑연분말 2.5%, 10% Sn-Cu 합금분말 5%, 15% P-철합금 분말 1%, 스테아르산 아연 0.5% 및 분쇄시킨 철분말 잔류량을 함유하는 혼합 금속분말을 비교샘플 1에서와 같이 제조하였다.
상기의 혼합된 공급물을 사용하여 활석분말 0.8%를 함유하는 비교샘플 2, 엔스테나이트 분말-메타규산 마그네슘 광물질 0.8%를 함유하는 샘플 3, 엔스테나이트 분말 0.5% 및 질화 붕소 0.3%를 함유하는 샘플 4, 및 엔스테나이트 0.5% 및 황화 망간 0.3%를 함유하는 샘플 5를 제조하였다.
상기 샘플들은 각각 내연기관용 밸브 가이드에 대해 규정된 원통형으로 성형하였고, 이어서 암모니아-분해 가스 중에서 30분 동안 1000℃의 온도에서 소결하였다.
3원 Fe-C-P 합금상-경질 스테다이트상-및 공지된 소결 밸브 가이드 재료를 철의 퍼얼라이트 매트릭스중에서 결정화함으로써 전술한 비교샘플 1은 밸브 가이드에 요구되는 절삭성 및 내마모성이 탁월한 재료로 된다.
현미경으로 관찰한 바와 같이, 활석을 함유하는 비교샘플 2는 페라이트상이 농축되었지만 경질 스테다이트가 부족한 구조를 갖는 것으로 발견되었다.
다른 샘플은 비교샘플 1의 구조와 동등하다.
규정된 원통형의 밸브 가이드로 성형한 각 샘플의 절삭성은 특정 하중하에서 회전 리머를 샘플내에 공급하고, 리머가 샘플을 관통하는 데에 소요되는 시간을 탐지함으로써 측정하고, 이는 비교샘플 1(100)에 대한 지수로 나타내었다.
규정된 크기 및 형태의 밸브 가이드로 절삭가공한 각 샘플의 내마모성은 상기 샘플을 실물 크기의 엔진마모 시험기상에 고정시켜 측정하였다. 100시간 후, 샘플의 내부 직경 및 관련된 부재의 마모손실을 측정하였다.
상기 결과를 표 4에 명기하였다.
A : 샘플의 내부 직경
B : 밸브의 외부 직경
상기 데이타는, 비교샘플 2에서 페라이트상은 농축되어 있지만 스테다이트상은 부족하기 때문에, 활석을 함유하는 비교샘플 2는 절삭성이 탁월하지만 내마모성이 증가된다는 것을 나타낸다.
엔스테나이트 분말을 함유하는 샘플 3은 절삭성 및 내마모성 모두가 탁월하고, 엔스테나이트 분말 및 질화 붕소를 함유하는 샘플 4, 및 엔스테나이트 분말 및 황화 망간을 함유하는 샘플 5는 절삭성 및 내마모성이 훨씬 더 개선된다.
[실시예 6]
실질적으로 주석분말 10%, 이황화 몰리브덴 분말 2%, 스테아르산 아연 0.2% 및, 전해질 구리분말을 잔량으로 함유하는 것으로 알려진 2개의 혼합 금속 공급물을 제조하였는데, 한 혼합 금속 공급물에는 엔스터타이트 분말-메타규산 마그네슘 광물질이 함유되어 있지 않고, 다른 공급물에는 엔스터타이트 분말 3%가 함유되어 있다.
상기 공급물은 각각 베어링 형태로 압축된 압분체로 성형하였고, 암모니아-분해 가스중에서 780℃의 온도로 소결하고, 규정된 치수로 만들고, 최종적으로 특정량의 터빈 오일을 침투시켜 샘플로 제조하였다.
습득한 샘플 둘 모두는 6.4g/cm 의 밀도를 갖는다.
각 샘플은 여과 종이상에 놓아 150℃의 온도에서 10시간 동안 가열하였다. 이어서, 샘플의 오일 중량 감소율을 측정하였다. 상기 결과로서, 엔스터타이트-함유 샘플은 4%의 오일 중량 감소율에 의해 나타낸 바와 같이, 다른 샘플에 비해 좀더 우수하게 오일을 보유할 수 있다는 것을 발견하였다.
이어서, 50kgf/cm 의 압력하에서 30m/분의 슬라이딩 속도로 시험하기 위해 샘플들 모두를 베어링 시험기상에 장입하였다.
엔스터타이트를 함유하지 않는 샘플은 10시간 후 마찰계수의 증가를 나타내는데, 이는 비정상적인 마모의 신호를 나타낸다. 그러나, 엔스터타이트-함유 샘플은 정상작동하에 유지되는데, 이는 오일 보유성 및 윤활성에 있어서 탁월함을 나타낸다.
[실시예 7]
실질적으로 Ni 2%, Mo 0.5%, Mn 0.2% 및 Fe 잔류량을 함유하는 철합금 분말을 사용하여 천연에 존재하는 흑연 0.4% 및 스테아르산 아연 1%를 함유하는 혼합 금속분말을 제조하였다.
또한, 엔스터타이트 분말-메타규산 마그네슘 광물질 0.5% 및 포오스테라이트-오르토규산 마그네슘 광물질 0.5%를 전술한 혼합 공급물에 부가함으로써 혼합 금속분말 공급물을 제조하였다.
이어서, 상기 혼합 공급물은 각각 원통형 압분체로 압축성형하고, 이는 암모니아 분해 가스중에서 1150℃의 온도로 소결시키고 열-단조 및 어니일링하여 플라스틱 가공용 슬래그 샘플로 제조하는데, 상기 샘플은 96 내지 98%의 밀도비를 갖는다.
각 슬래그는 내부 톱니형태를 갖는 압출 다이, 상기 샘플에 적합한 구성 성형기 및 압출 펀치를 사용하여 19개의 톱니 및 1.58의 모듀울을 갖는 외부 기어내측으로 소성적으로 압출하였다.
압출하는데에 필요한 하중은 엔스터타이트 및 포오스테라이트를 함유하는 샘플에 대해서는 55톤이며, 상기 규산 마그네슘을 함유하지 않는 샘플에 대해서는 60톤이었다.
따라서, 엔스터타이트 및 포오스테라이트를 함유하는 샘플은 상기 규산 마그네슘을 함유하지 않는 샘플에 비해 플라스틱 가공성이 탁월하다.
[제1양태의 효과]
본 발명에 따라, 메타규산 마그네슘 광물질, 또는 메타- 및 오르토-규산 마그네슘 광물질, 및 임의로 질화 붕소 및 황화 망간중 최소한 어느 하나(이들 모두는 심지어는 가열시에도 안정하며 윤활효과가 탁월함)를 금속 매트릭스중에 분산시켰다. 따라서, 생산성을 떨어뜨리는 고체 윤활제, 즉, 활석을 사용하는 요구없이 탁월한 절삭성, 내마모성 및 플라스틱 가공성과 같은 개선된 고체 윤활효과를 생성할 수 있는 소결 금속 부품을 제공하는 것이 가능하게 된다.
이와 같이 습득한 소결 금속 부품은 탁월한 절삭성, 내마모성 및 플라스틱 가공성과 같은 개선된 고체 윤활효과를 가지며, 관련된 부재를 마모시키는 것이 덜 가능하게 된다. 이는 밸브 시이트 또는 가이드용 소결 공급물, 오일-침투 베어링 및 플라스틱 가공용 소결 금속 슬래그로서 사용되는 경우에는 결과적인 성형품의 품질을 개선시키는 것이 된다.
고체 윤활제로서 무수 규산 마그네슘 광물질이 출발 금속분말 공급물과 혼합된 본 발명의 생성방법에 따라, 소결시 탈수 및 분해에 처해지는 것이 가능하게 되는 통상적인 고체 윤활제, 예컨대 활석이 사용되지 않기 때문에, 즉, 소결 노정가스가 오염될 수 있거나, 또는 철합금내로 확산되는 것이 가능하게 되는 흑연이 사용되지 않기 때문에 소결 금속 매트릭스의 구조가 변화될 수 있다. 이는 통상적인 소결수단에 의해 쾌삭성, 내마모성 및 다른 특성을 갖는 소결 금속 부품을 값싸게 제공하는 것이 된다.
[발명의 제2양태]
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 제2양태는 실질적으로 탄소 1.5 내지 4%, 구리 1 내지 5%, 주석 0.1 내지 2%, 인 0.1 내지 0.5, 결정간 함유물 0.5 내지 2% 및 Fe 잔류량을 중장비로 함유하며, 퍼얼라이트 매트릭스와 스테다이트상의 혼합구조를 갖는 금속 매트릭스중에 유리 흑연 및 결정간 함유물을 분산시킨 구조를 가지며, 상기 결정간 함유물이 메타규산 마그네슘 광물질, 또는 메타규산 마그네슘 광물질 및 오르토규산 마그네슘 광물질, 또는 메타규산 마그네슘 광물질 및 오르토규산 마그네슘 광물질중 최소한 어느 하나와 질화 붕소 및 황화 망간중 최소한 어느 하나인 철-계 소결 슬라이딩 부재에 관한 것이다.
Fe 매트릭스중에 0.1 내지 2%의 양으로 함유된 Sn은 액체상의 형성을 야기시키며, 흑연이 유리 흑연으로써 잔류하는 것을 가능하게 하는데에 필요한 낮은 소결 온도에서 소결하는 것을 촉진하는 작용을 하고, 그럼으로써 결과하는 소결재료의 강도를 개선시킨다.
Sn은 0.1% 내지 2%의 정량 범위에서 사용되는 것이 효과적이고, Sn을 초과량으로 사용하면 소결재료가 무르게 되고 치수적으로 불안정한 소결 생성물을 형성하게 된다.
Sn과 마찬가지로 Cu는 소결을 촉진시키며, 1% 이상 내지 5% 이하에서 증량효과(gain effect) 및 강도를 개선시킨다.
비록 Cu 및 Sn이 분말형태로 독립적으로 사용될 수 있다 할지라도, 액체상이 형성되는 시기가 상이하므로, 이는 조성물중에 불균일한 공급제제를 만들 수 있으며, 이들은 Cu-Sn 합금분말의 형태로 사용되는 것이 바람직하다.
천연에 존재하는 흑연의 형태로 부가된 C는 일부분은 소결 후 유리 흑연의 형태로서 잔류하고, 그리고 일부분은 Fe 매트릭스와 더불어 고체용액을 형성하는데, 이는 철의 퍼어라이트 구조와 후술한 P를 갖는 경질 3원 Fe-P-C 공정(스테다이트상)으로 결정화 된다.
1.5%, 3% 및 4%의 양으로 부가시, 예를 들면 흑연분말은 유리 흑연을 각각 약 0.3%, 1.7% 및 2.7%의 양으로 방출시킨다. 그러나, 부가된 흑연의 양이 0.3% 보다 작은 경우에는 관련된 슬라이딩 부재가 마모되는 것이 가능하게 된다.
다른 한편으로, 부가된 흑연분말의 양이 4%를 초과하는 경우에는 매트릭스 강도가 감소하게 된다. 따라서, 탄소의 양은 1.5 내지 5%의 범위내에 놓여야 한다.
P는 Fe와 더불어 금속간 화합물을 형성하여 내마모성에 대해 일부 기여하는 전술한 3원 Fe-P-C공정(스테다이트상)을 형성한다. 바람직한 내마모성 구조를 습득하기 위해, P는 0.1% 이상의 양으로 사용되어야 하지만 1.5%를 초과하는 양으로 사용되어서는 안되는데, 그 이유는 P를 초과량으로 사용하면 매트릭스가 무르게 되고 소결 생성물의 절삭성이 감소되는 것으로 보이기 때문이다.
균일한 구조를 습득하기 위해, P는 Fe-P 합금분말의 형태로 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2양태에서, 규산 망간, 및 질화 붕소 및/또는 황화 망간을 다시 사용하였다. 이들에 관한 상세한 설명은 본 발명의 제1양태에 기재되어 있는 설명을 참조하라.
[제2양태의 실시예]
이제 본 발명의 제2양태는 하기의 비제한 실시예에 의해 좀더 상세히 설명하고자 한다. 조성물 및 비는 중량으로 주어진 것이다.
[실시예 8]
실질적으로 천연에 존재하는 흑연 2.5%, Cu-10% Sn 합금분말 5%, 85% Fe-15% P 합금분말 4%, 스테아르산 아연 0.5% 및 분쇄시킨 철분말 잔류량을 함유하는 통상적인 공급물을 내연기관 밸브 가이드에 대해 규정된 형태로 성형함에 이어, 비산화성 분위기하의 가스중에서 30분 동안 1000℃로 소결함으로써 비교샘플 1을 습득하였다.
비교샘플 1에 관해 기술한 바와 같은 유사한 방법에 따라, 메타규산 마그네슘 광물질의 에로서 엔스터타이트 분말, 오르토규산 마그네슘 광물질의 예로서 포오스테라이트 분말, 및 당해 기술에서 지금까지 사용되어 왔으며 메타규산 마그네슘 광물질에 속하는 비교 목적용 활석, 및 질화 붕소 분말 및 황화 망간 분말을 들 수 있다.
T : 활석, E : 엔스터타이트, F : 포오스테라이트, B : 질화 붕소, S : 황화 망간.
6.5mm의 내부 직경을 갖는 각 샘플의 절삭성은 3.2kg 하중 및 500rpm하에서 7mm 직경 리머를 샘플을 통해 공급하여 리머가 샘플을 관통하는 데에 대해 얼마나 많은 시간이 소요되는지를 판정하여 측정하였고, 100으로서 규정된 비교샘플 1에 대한 지수로 측정하였다.
마모시험은 규정된 밸브 가이드 크기 및 형태로 성형된 각 샘플을 엔진마모 시험기에 고정시켜 수행하였다. 100시간 후, 샘플의 내부 직경 및 관련된 밸브의 마모손실을 측정하였다.
상기 결과는 금형으로부터 소결된 샘플들, 즉, 샘플 1-8, 활석을 함유하는 비교샘플 2 및 비교샘플 3-4를 제거하는 데에 필요한 최대 하중이 모두 비교샘플 1보다 약 4% 정도 더 작다는 것을 나타내는데, 이는 고체 윤활제로서 그런대로 좋은 작용을 한다는 것을 나타낸다.
또한, 표 5로부터 알 수 있는 바와 같이 활석을 함유하는 비교샘플 2는 절삭성은 탁월하지만 마모손실은 좀더 덜 만족스럽다.
이는 소결식 활석(MgSiO·HO)의 결정수가 탈수되어 소결 노중의 가스를 오염시키고, 매트릭스중에 페라이트 구조의 비율을 증가시켜 결과적으로 샘플의 절삭성을 개선시키고 마모를 증가시키며, 활석 일부분이 이산화규소(SiO)로 전환되어 관련된 밸브를 마모시키는 것에 일부 기인할 것이다.
비교샘플 3-4 및 샘플 1-3은, 엔스터타이트 함유량의 효과를 나타내는데, 샘플의 절삭성 및 샘플 및 관련된 밸브의 내마모성이 0.5 내지 2%의 정량 범위중에서 아주 우수하다는 것을 나타낸다.
그러나, 엔스터타이트 3%를 함유하는 비교샘플 4는 절삭성이 개선되며, 관련된 밸브를 마모시키는 것이 불가능하게 되지만, 그 자체는 마모손실이 좀더 크게 된다.
대조적으로, 포오스테라이트를 함유하는 샘플 4는, 만일 엔스터타이트-함유 샘플과 동등하지 않는다면 가공성 및 내마모성이 충분히 우수하게 된다.
엔스터타이트 및 포오스테라이트를 함유하는 샘플 5는 샘플 2와 4 사이의 중간 정도에 놓인 특성을 갖는다.
엔스터타이트 또는 포오스테라이트 및 질화 붕소 또는 황화 망간을 동시에 함유하는 샘플 6-8은 모두 전술한 각각의 샘플에 비해 훨씬 더 개선된 절삭성 및 내마모성을 갖는다.
[제2양태의 효과]
통상적으로 경험되는 바와 같이, 소결 공급물의 강도를 저하시킴없이 그의 강도를 증가시키는 본 발명에 따른 철-계 소결 슬라이딩 부재는, 심지어는 비교적 낮은 온도에서 소결시키는 경우에서도 필요량의 유리 흑연, 및 고체 윤활성 규산 마그네슘 광물질, 질화 붕소 및 황화 망간이 합금 매트릭스의 결정입계상에서 또는 결정입계중에서 존재하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 상기 슬라이딩 소결 부재는 고압조건하에서 내마모성 및 절삭성이 탁월하고, 절삭작업을 필요로 하는 베어링으로서 사용될 수 있고, 따라서 절삭용구의 사용수명을 증가시키며, 생산성을 증가시킨다.
더욱이, 본 발명의 슬라이딩 부재 역시 내연기관의 밸브 가이드 등과 같은 고압조건하에서 사용된 베어링에 적용될 수 있으며, 따라서 그의 사용 수명이 추가로 증가하게 된다. 이는 상기 부재의 오일 보유성에 일부 기인한다.
특히, 본 발명의 슬라이딩 부재는 열에 대해 비교적 안정하며, 소결시 탈수 및 분해에 처해지지 않는다. 이는 통상적인 소결 기술에 의해 좀더 낮은 비용으로 제조할 수 있다.
따라서, 본 발명은 고압 조건하에서 사용된 각종 베어링 등에 특히 적합한 쾌삭성 및 내마모성을 갖는 소결 합금을 함유하는 철-계 소결 슬라이딩 부재를 좀더 낮은 경비로 제공할 수 있다.

Claims (3)

  1. 메타규산 마그네슘 광물질, 또는 메타규산 마그네슘 광물질 및 오르토규산 마그네슘 광물질, 또는 메타규산 마그네슘 광물질 및 오르토규산 마그네슘 광물질중 최소한 어느 하나와 질화 붕소 및 황화 망간중 최소한 어느 하나가 금속 매트릭스중에 0.1 내지 4중량%의 총량으로 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 소결 금속.
  2. 실질적으로 탄소 1.5 내지 4%, 구리 1 내지 5%, 주석 0.1 내지 2%, 인 0.1 내지 0.5%, 결정질간 함유물 0.5 내지 2% 및 Fe 잔류량을 중량비로 함유하며, 퍼얼라이트 매트릭스와 스테다이트상의 혼합 구조를 갖는 금속 매트릭스중에 유리 흑연 및 결정질간 함유물이 분산된 구조를 갖는 철-계 소결 금속으로서, 상기 결정질간 함유물은 메타규산 마그네슘 광물질, 또는 메타규산 마그네슘 광물질 및 오르토규산 마그네슘 광물질, 또는 메타규산 마그네슘 광물질 및 오르토규산 마그네슘 광물질중 최소한 어느 하나와 질화 붕소 및 황화 망간중 최소한 어느 하나인 것을 특징으로 하는 철-계 소결 금속.
  3. 제2항에 있어서, 상기 메타규산 마그네슘 광물질은 엔스터타이트, 클리노엔스터타이트, 엔스테나이트 및 하이퍼스틴중 최소한 어느 하나이고, 상기 오르토규산 마그네슘 광물질은 포오스테라이트 및 크리솔라이트중 최소한 어느 하나임을 특징으로 하는 철-계 소결 금속.
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