KR100701812B1 - 자기 윤활성을 갖는 슬라이딩 부품용 재료 및 피스톤 링용선재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 C 0.4질량% 이상 1.5질량% 미만, Si 0.1 내지 3.0질량%, Mn 0.1 내지 3.0질량%, Cr 0 내지 0.5질량%, Ni 0.05 내지 3.0질량%, Al 0.3 내지 2.0질량%, Mo, W 및 V로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 합계량(Mo+W+V)으로 0.3 내지 20질량% 및 Cu 0.05 내지 3.0질량% 포함하는 강으로 이루어지며, 조직면에서 관찰되는 흑연의 평균 입자 직경이 3㎛ 이하인 슬라이딩 부품용 재료에 관한 것이다. 이러한 강은 피스톤 링용 선재로서 사용된다. 이러한 강에서는 바람직하게는 조직면에서 관찰되는 흑연이 차지하는 면적율이 1% 이상이고, 조직면에서 관찰되는 흑연의 평균 입자 직경이 3㎛ 이하이다. S를 0.3% 이하, Ca를 0.01% 이하로 포함할 수 있으며, 질화 처리를 실시하여 사용하는 것이 바람직하다.

슬라이딩 부품용 재료, 피스톤 링용 선재, 흑연 분포 상황, 질화 처리, 단조비, 병행도.

Description

자기 윤활성을 갖는 슬라이딩 부품용 재료 및 피스톤 링용 선재 {Material for sliding parts having self-lubricity and wire material for piston ring}

본 발명은 통상적인 슬라이딩 베어링(sliding bearing), 롤러 베어링(roller bearing), 볼 베어링(ball bearing), 기어, 금형, 자동차 엔진 등의 내연기관에 장착되는 피스톤 링, 실린더 라이너 및 베인(vain) 등과 같은 슬라이딩 부품에 사용되는 재료에 관한 것이다.

종래부터 실린더 라이너나 베인 등과 같은 슬라이딩 부품에는 이의 내마모성이 우수한 재료가 사용된다. 이 중에서도, 내연기관, 특히 자동차 엔진에 사용되는 피스톤 링은, 종래의 주철제로부터 강선을 링형으로 가공하여 사용되는 소위 스틸 피스톤 링으로 이행되고 있다. 즉, 소정의 조성을 갖는 잉곳에 단조(鍛造)·열간압연과 같은 열간가공을 실시하여 수득된 소선(素線)을, 추가로 드로잉 등에 의해 피스톤 링의 소구 단면 형상에 적합한 강선재로 하여, 경도 조정, 그리고 일정한 곡율의 링형으로 굴곡가공함으로써 일반적으로 제조되는 피스톤 링이다.

이에 관해서는, 현재, 연소실측에서 톱 링(top ring), 세컨드 링 및 오일 링의 3개가 하나의 피스톤에 장착되는 것이 일반적이지만, 국내에서는, 가혹 부위에 해당하는 톱 링과 오일 링은 스틸화에 의한 고기능화가 침투되고 있다. 이러한 배경에는, 최근에 전기 자동차 등의 포스트 내연기관의 연구 성과가 구체적으로 눈에 나타나게 됨으로써, 내연기관측에서도 보다 나은 개량에 대한 노력이 높아지고 있으며, 경유의 품질을 향상시켜 배기 가스 필터를 고성능화하면 가솔린 차량보다도 내통압이 높은 디젤 차량이 환경 부담이 적은 것을 알게 되었기 때문에, 보다 가혹한 디젤 엔진에 대응할 수 있는 슬라이딩 성능의 향상이 요구되고 있는 경우가 있다.

또한, 최근에는, 엔진 내부 현상에도 메스가 가해져, 현재는 3개의 링 중에서도 주철제인 세컨드 링의 마모가 가장 격심한 것이 지적되고 있다[참조: 비특허문헌 1; 사이토 히데키 외 2명, 「가혹운전조건하의 디젤 엔진의 마모에 관한 연구」, 일본기계학회 큐슈지부 평성 11년도 연구발표강연회(1999)(인터넷<URL:http://www.ns.kogakuin.ac.jp/~wwa1013/EGR/nagasaki/nagasaki.html>].

스틸화로의 이행의 또 다른 이유는, 엔진의 환경 성능 향상에 대응하기 위한 링 구조의 박후화(薄厚化)에 의해 마찰력 손실을 감소시키면, 이에 동반하여 기계적 강도를 향상시킬 필요성이 발생하는 점 또는 내마모성 향상이 배경에 있다. 또한, 링 제조공정의 기술이전, 확장의 용이성 및 표면 처리의 관점에서도 주철에서 주류인 Cr 도금의 환경 규제가 엄격해지고 있기 때문에, 유해성이 적은 질화 처리를 실시할 필요성에서 스틸화가 가속되고 있는 것도 이유로 들 수 있다.

스틸 피스톤 링에 있어서는, 실린더 라이너와의 접촉면에 질화 처리 등의 표면 처리를 실시함으로써 내마모성이나 내소착성을 부여하는 수법이 제안되어 있으며[참조: 특허문헌 1; 일본 공개특허공보 제(평)10-030726호], 표면 처리없이 내마모성을 향상시키는 수법도 제안되어 있다[참조: 특허문헌 2; 일본 특허공보 제(소)58-046542호].

스틸 피스톤 링은, 주철제 링보다도 압도적으로 기계적 성질이나 내마모성이 우수하기는 하지만 내소착성이 뒤떨어지는 것이, 특히 세컨드 링에서 스틸화가 진행되지 않는 이유의 하나가 되고 있다. 이러한 과제에 대하여 특허문헌 1에도 기재되어 있는 바와 같이, 실린더 라이너와의 접촉면에 질화 처리 등의 표면 처리를 구사하여 대응을 진행시키고 있는 상황이다. 그러나, 표면 처리 비용이나 피스톤과의 접촉면에서 발생하는 알루미늄 응착 방지의 관점에서 개선의 여지가 남아 있다.

또한, 표면 처리없이 해결하려고 하는 시도도 있으며, 특허문헌 2 등은, 성능/비용의 면에서 우수한 강(鋼) 중의 Cr계 탄화물을 증가시키는 성분 설계로 하여, 주로 1O% 이상의 Cr 첨가 영역을 제안한다. 그러나, 탄화물의 증량화에 의해 내마모성은 비약적으로 향상되지만 내소착성의 향상 효과는 근소하다는 것과 피삭성(被削性)이 열화되는 등의 제조성에서의 폐해가 우려된다. 이로 인해, PVD 등의 표면 처리를 실시하고 있지만, 비용면에서의 상승을 피할 수 없다.

또한, 연료로서 경유를 사용하는 경우나 가솔린을 사용하는 경우에도, 품질에 따라서는 함유되는 황(S)의 양이 많은 경우가 있다. S 함유량이 많은 연료를 사용한 경우에는, 함유 황(S)에 의해 SO₄ ^2-가 발생하고 피스톤 링은 황산 노점 환경에 노출된다. 따라서, 내황산부식성도 요구되며, 내식성의 관점에서도 종래에 없는 엄격한 특성이 요구된다.

본 발명은, 상기의 과제를 감안하여, 내소착성을 향상시키고 질화 처리를 병용함으로써 우수한 내마모성도 구비한 슬라이딩 부품용 재료, 및 피스톤 링에 적용하여 슬라이딩 특성 외에 내황산부식성 및 제조성이 우수하고 마찰계수가 낮은 피스톤 링용 선재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 각종 적용되는 슬라이딩 부품, 특히 피스톤 링으로 대표되는 유체 윤활하에서의 슬라이딩 환경에 노출되는 슬라이딩 부품에 관해서, 이의 슬라이딩 거동을 상세하게 조사, 검토하였다. 그 결과, 내소착성의 향상 및 마찰계수의 저하에 가장 적합한 조직형태를 밝혀내고, 또한 내황산부식성을 고려하면서, 이러한 조직의 달성에 효과적인 성분 조성도 밝혀냄으로써, 본 발명에 이르렀다.

따라서, 본 발명의 첫번째 관점에 따르면, C 0.4질량% 이상 1.5질량% 미만, Si 0.1 내지 3.0질량%, Mn 0.1 내지 3.0질량%, Cr 0 내지 0.5질량%, Ni 0.05 내지 3.0질량%, Al 0.3 내지 2.0질량%, Mo, W 및 V로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 합계량(Mo+W+V)으로 0.3 내지 20질량% 및 Cu 0.05 내지 3.0질량%를 포함하는 강으로 이루어지며, 조직 단면에 관찰되는 흑연의 평균 입자 직경이 3㎛ 이하 인, 자기 윤활성을 갖는 슬라이딩 부품용 재료가 제공된다.

이러한 슬라이딩 부품용 재료의 적합한 형태에 따르면, 조직 단면에 관찰되는 흑연이 차지하는 면적율이 1% 이상이고, 조직면에서 관찰되는 흑연의 평균 입자 직경이 3㎛ 이하이다. 또한, 조직 단면에 V 탄화물이 관찰되지 않는 것이 바람직하다.

또한, 바람직하게는, Mo 및 W로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상이 합계량으로 0.3 내지 5.0%이고 V가 0.1% 미만이다. Al의 적합량은 0.7 내지 2.0%이다. 상기 강은, Mo 1.5 내지 3.0%, Co 10% 이하를 포함하는 것이 바람직하다. 또, 상기 강의 황(S) 및 Ca 양은, S 0.3% 이하, Ca 0.01% 이하인 것이 바람직하고, 상기 강에 질화 처리를 실시하여 슬라이딩 부품용 재료로서 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 두번째 관점에 따르면, C 0.4질량% 이상 1.5질량% 미만, Si 0.1 내지 3.0질량%, Mn 0.1 내지 3.0질량%, Cr 0 내지 0.5질량%, Ni 0.05 내지 3.0질량%, Al 0.3 내지 2.0질량%, Mo, W 및 V로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 합계량(Mo+W+V)으로 0.3 내지 20질량% 및 Cu 0.05 내지 3.0질량%를 포함하며, 조직면에서 관찰되는 흑연의 평균 입자 직경이 3㎛ 이하인 강으로 이루어진 피스톤 링용 선재가 제공된다. 이러한 선재로 제조한 피스톤 링에서는, 외주면과 평행한 조직 단면에서 관찰되는 설파이드계 개재물(介在物)의 분포 상태가, 각각의 설파이드계 개재물의 최대 직경 위를 통과하는 직선끼리 이루는 병행도(竝行度)로서 30°이하이다. 바람직하게는, 피스톤 링용 선재의 조직 단면에 관찰되는 흑연이 차지하는 면적율이 1% 이상이고, 조직면에서 관찰되는 흑연의 평균 입자 직경이 3㎛ 이하이다.

피스톤 링용 선재는, 바람직하게는 Co를 10% 이하 포함하고, S 0.3% 이하, Ca 0.01% 이하를 포함하며, 질화 처리를 실시하여 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 중요한 특징은, 피스톤 링으로 대표되는 슬라이딩 부품에 관해서, 이의 내소착성의 향상 및 마찰계수의 저하에 가장 적합한 수단으로서, 미세하면서 적절한 비율로 흑연이 석출된 강 조직을 실현한 것이다. 즉, 피스톤 링/실린더간의 마찰 거동의 특이성도 충분히 고려하여, 이를 보충하는 형태로 내구성능을 향상시키는 것이 목적이며, 비표면처리재 또는, 표면 처리 비용의 면에서는 유리한 질화 처리재에 있어서도, 종래의 기술로서는 각각 불충분하던 이의 내소착성 및 마찰계수의 저하에 관해서, 충분한 효과가 달성되는 것이다.

그리고, 본 발명의 흑연 석출 조직에 관해서, 이의 공업상의 실시 수단으로서 성립시키기 위해서도, 충분히 신속한 흑연의 미세석출이 가능하고, 가공성이나 피삭성의 향상에도 효과가 있는 성분 조성을 밝혀낸 점 및 황(S)의 단독 첨가 또는 황(S)과 Ca의 복합 첨가도 병용함으로써 이러한 효과의 보다 나은 향상을 달성할 수 있는 점에도 큰 특징을 갖는 것이다.

우선, 본 발명의 흑연 석출 조직에 관해서 설명한다.

슬라이딩 부품에 있어서, 이의 통상적으로 가혹하게 마찰하는 기계 요소간에는 오일 또는 물 등의 유체막이 끊임없이 형성되는 유체 윤활 설계가 이루어지는 것이 주류이다. 이러한 유체막 형성은 비행기와 같이 상대 운동을 하는 유체에 부력이 발생하는 것을 이용하고 있으며, 유체의 점도, 상대 속도가 높아지면 슬라이딩 부품간에 개재하는 유체막이 두꺼워지기 때문에, 이것이 기계 요소를 마찰로부 터 보호한다.

그러나, 내연 기관에서 말하자면, 현재 대부분의 엔진이 왕복 운동 방식이기 때문에, 상하 사점 근방에서는 피스톤 링/실린더 사이에서는 상대 속도가 0이 되어 유체막도 찢어지고, 마모, 소착이 발생하며, 내연 기관의 정상적인 운전을 방해한다. 또한, 오일이 연소실에 들어가는 것을 방지하는 소위 오일 스크레이핑(oil scraping) 작용을 높이는 것을 피스톤 링의 성능 향상을 목표로서 들고 있는 점에서, 상기한 유체막의 유지는 점점 더 곤란한 상황으로 되고 있다.

그렇더라도, 이와 같은 슬라이딩 운동에는 여러 가지 유체 윤활 모드가 작동하고 있기 때문에, 본 발명자들은 이러한 모드를 재검토하여 활용함으로써, 과제의 해소를 시도하였다. 즉, 유체 윤활 모드에는 (1) 쐐기 작용, (2) 신축 작용, (3) 스퀴즈 작용의 3개가 존재하며, (3)의 스퀴즈 작용에는, 상대 속도가 0이 되더라도 작용하는 기능이 있다. 이에 관해 설명하면, 예를 들면, 판상의 고체가 유체를 개재시키면서 기판 위를 미끄러지도록 한다. 이 경우, 기판과 대항하는 판의 면에 발생하는 압력 분포는 판의 에지부에서 압력이 0이 되는 경계 조건이 있으며, 윤활을 유지하기 위해서, 즉 양의 압력 분포가 발생하기 위해서는, 압력 분포는 위에 볼록한 함수가 되어야 하며, 이하의 조건으로 기술할 수 있다.

위의 수학식 1에서,

P는 압력을 나타내고,

x는 슬라이딩 방향을 나타내며,

y는 슬라이딩 방향과 직각 방향의 거리를 나타낸다.

또한, 유체 윤활의 기초 방정식인 레이놀즈(Reinolds) 방정식은 이하와 같이 나타내어진다.

위의 수학식 2에서,

ρ는 유체의 밀도를 나타내고,

h는 유체막의 두께를 나타내며,

η은 점성계수를 나타내고,

t는 시간을 나타내며,

u는 상대 속도를 나타낸다.

따라서, 수학식 1 및 수학식 2에 의해 유체막에 양의 압력이 발생하는 필요조건은 이하와 같이 나타내어진다.

수학식 3에는 3개의 항이 발생하고 있는데, 제1항과 제2항은 상대 속도 u를 포함하며, 상기한 쐐기 작용, 신축 작용에 상당한다. 그리고, u를 포함하지 않는 제3항이야말로, 피스톤 링/실린더 사이에서 상대 속도가 0이 되더라도 기능할 가능성이 남아 있는 스퀴즈 작용을 나타내는 항이다.

이러한 제3항이 음이 되는 것이 어떠한 물리적 의미를 가지는가를 설명하면, 이것은 유체의 밀도가 일정하면, 유체막의 막 두께가 시간적으로 급격하게 감소되며, 그 결과, 유체막에 양압이 발생한다는 의미이다. 현실적으로 이러한 현상을 일으키고자 하면, 기판을 미끄럼판에 수직하중을 급격하게 가하여 유체막을 짜 낼 필요가 있다. 그 결과, 유체막은 짜내어지지만, 동시에 높은 양압이 발생하여 좀처럼 고체끼리의 접촉에는 이르지 않는, 즉 스퀴즈 작용을 기대할 수 있다.

여기서, 이러한 효과를 증폭시키기 위해서는, 이의 슬라이딩하는 표면에 다수의 구멍형 구조를 형성함으로써 한층 더 높아짐을 본 발명자들은 발견하였다. 즉, 슬라이딩면에 미세한 다수의 기공을 설치하면, 상대 속도가 0인, 유체막이 찢어진 상태라고 해도, 다음의 시간경과에는 기공중의 유체가 순식간에 유체의 고갈면으로 짜내어지고, 이러한 이동한 유체의 큰 막 두께 감소에 의한 스퀴즈 작용을 수득할 수 있는 것이다. 이에 의해, 상기 왕복 운동의 상하 사점 근방에서의 소착을 억제할 수 있고, 또한 마찰계수를 저하시킬 수 있는 것이다.

본 발명의 흑연 석출 조직은 이러한 작용·효과에도 주목하여 결정된 것이다. 즉, 본 발명의 흑연 조직은, 우선 그 자체가 고체 윤활 작용을 갖는 윤활상으로서 작용하는 것이지만, 또한 동시에 중요한 것이, 당해 흑연이 탈락하였을 때의 기공으로서 오일막 유지성을 향상시키는 상기의 스퀴즈 작용이다. 이러한 스퀴즈 작용은, 압력 변동에 대하여 오일막이 안정적으로 형성되고, 슬라이딩면의 형상으로서는 표면에 구멍을 배치함으로써 이의 효과가 높아지는 것은 상기한 바와 같다. 이러한 효과를 수득하기 위해 흑연 석출이야말로 효과적이며, 통상적인 슬라이딩 베어링, 롤러 베어링 및 볼 베어링 부재는 물론, 압력 변동이 큰 피스톤 링, 실린더 라이너, 밸브 리프터의 심(shim)면, 다양한 캠, 기어, 금형 부재, 또는 절단칼 등의 슬라이딩 베어링과 같은 연속적인 유체 윤활막 형성이 곤란한 슬라이딩부에도 효과를 발휘하는 것이다.

또한, 본 발명의 흑연 석출 조직은, 이러한 피스톤 링에 적용한 경우의, 최근 문제가 되어 온 알루미늄제 피스톤과의 응착 마모를 방지하는 데에도 효과를 발휘한다. 즉, 알루미늄은 탄소에 대해 거의 고용한(固溶限)을 가지지 않기 때문에, 응착 반응이 억제된다.

이상, 본 발명의 슬라이딩 부품용 재료는, 조직면에 흑연을 분산시키는 것이지만, 여기서 관찰되는 흑연의 평균 입자 직경은 3㎛ 이하로 하는 것이 중요하다. 이것은, 평균 입자 직경이 3㎛을 초과하면, 이의 슬라이딩 중에 흑연 주변부가 파손되고, 이의 파편이 슬라이딩면 내에 들어갈 우려가 있기 때문이다. 또한, 본 발명의 흑연 분산에 의한 효과를 수득하기 위해, 조직면에서 관찰되는 흑연이 차지하는 면적율을 1% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 1㎛ 이상의 비교적 큰 입자 직경의 흑연에 대해서, 이의 평균 입자 직경을 5㎛ 이하로 하거나 이의 면적율로 5% 미만으로 하는 것이 더욱 바람직하다.

기공의 형성에 의한 윤활 효과는, 상기의 작용에 의해 유체막의 감소를 초래하고, 어느 것은 효과를 상실하기 때문에, 주류의 유체 윤활 설계로서는 그다지 취급되지 않았다. 그러나, 특히 내연 기관과 같은 연속적인 유체 윤활막의 형성이 곤란한 왕복 운동에 있어서야말로 본 발명의 수단이 효과적이며, 예를 들면, 상대 속도가 0에 가까워져 유체막이 파단되는 상하 사점 근방이 일시적인 상태이고, 곧 윤활유가 윤택한 환경으로 이행해 가는 피스톤 링/실린더 사이와 같은 비정상적인 마찰 거동을 일으키는 환경의 경우, 흑연 석출은 위력을 발휘한다.

피스톤 링, 실린더 라이너로 대표되는, 구조상 일시적으로 유체막의 파단이 발생하는 조건하에서야말로, 유체막의 유지가 가능한 윤활 설계를 실시하는 것은 중요하다. 그렇더라도, 엔진의 회전수나 슬라이딩 부품의 구조가 바뀌면, 고체 접촉의 가능성이 높아지기 때문에, 이러한 비정상적인 슬라이딩 부품에는, 흑연강과 같이 고체 윤활 작용이 있는 흑연을 석출시킨 재료를 적용함으로써 보다 광범위한 슬라이딩 조건에 대응할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 슬라이딩 부품을 구성하는 강의 성분 조성에 관해서 설명한다.

흑연강 자체에 관해서는, 종래부터 보고되어 있으며, 이들은 주로 Si, Ni를 첨가한 합금이지만, 600℃ 이상의 온도를 유지하는 흑연 석출 처리에 수십 시간 이상을 요하는 것이었다. 따라서, 본 발명에서는, 수시간 수준에서의 흑연 석출을 완료시키기 위해, 세멘타이트(cementite)가 분해되기 쉽게 하고, Ni 이외에 적량의 Al을 첨가한 점에 특징이 있다.

일반적으로 철중의 탄소는, 흑연으로서 석출하기 전단계로서, 일단 준안정적인 세멘타이트로서 석출된다. 이로 인해, 흑연 석출 처리에서는, 세멘타이트를 분 해하여 안정적인 흑연으로 변화시킬 필요가 있다. 종래의 흑연강에서는, 세멘타이트의 분해가 진행되기 어렵고, 대단히 긴 시간을 요하였다. 따라서, 본 발명에서는, Cr 등의 세멘타이트 분해를 방해하는 원소를 억제함으로써, 준안정적인 세멘타이트가 석출되더라도 곧 분해되는 성분 설계를 목적으로 하여, 실질적으로는 세멘타이트가 생성되지 않고, 일거에 흑연으로서 석출시킬 수 있다.

또한, Al은 철 중에서의 확산 속도가 빠르고 Al을 첨가함으로써 기공의 확산 속도가 빨라지게 되어 흑연의 석출 장소가 되는 기공의 집합체를 형성하는 시간이 짧아진다. 이러한 두 가지 작용 효과를 병용함으로써, 본 발명에서는 흑연 석출을 단시간에 실시하는 것이 가능해졌다. 또한, 침탄 처리 등에 의해, 표면에만 흑연을 석출시키는 것도 용이하다.

또한, Al은 질화 경화능을 갖는 원소이기도 하며, 질화 경화강의 합금 설계상 적합하다. 또한, 마찬가지로 질화 경화 원소로서 사용되는 원소로 Cr이 있지만, Cr은 본 발명의 근간 기술이 되는 흑연 형성을 억제할 뿐만 아니라 내황산부식성도 현저하게 저하시키기 때문에 이의 사용을 극력 피하는 것이다. 따라서, 본 발명이 사용하는 Al은 중요한 함유 원소이다.

추가로, 종래에 흑연강에 질화 처리를 적용한 경우 등, 질화층 중에, 예를 들면, 입자 직경 1O㎛ 이상의 흑연과 같은 결함이 있으면, 질화층이 취약해지는 결점이 지적되고 있으며, 질화강에 흑연을 석출시키는 데에는 난점이 있었다. 따라서, 본 발명에 있어서는, 이의 질화강으로서도 성립시키기 위해, 석출되는 흑연의 미세화에도 노력하였다.

이러한 석출 흑연의 미세화와 관련해서는, (1) 가공 변형에 의해 미세화하거나, (2) Al₂O₃ 등의 개재물을 첨가하거나, (3) BN, TiC 등을 석출 핵으로 하는, 세 가지 방법을 들 수 있다. 그러나, (1)은 공정상의 제약이 있고, (2)는 분산화의 제법에 어려움이 있으며, (3)은 미량성분을 제어함으로써 달성되는 효과이기 때문에, 고C강에 있어서는 제법에 어려움이 있다. 이들에 관해, 예를 들면, 문헌[참조: 일본 공개특허공보 제(평)11-246940호]에는 TiC을 분산시키는 방법이 기재되어 있고, 문헌[참조: 이와모토 타카시 등「철과 강 Vol. 84(1998) p.57]에는 BN을 핵으로 하여 흑연 석출을 실시하는 방법이 기재되어 있지만, 이들은 1000℃ 이상의 고온에서 확산 속도가 빠른 제2상이 석출되기 때문에, 흑연의 미세 균일성을 유지하는 것이 어려우며, 성분 편석이 격심한 고합금으로의 적용이 곤란하다.

따라서, 본 발명자들은, 이러한 흑연의 미세화를 달성하기 위해 여러 가지를 검토한 결과, 조직중의 Cu-Al 금속 석출상이 효과적으로 작용하는 것을 밝혀냈다. 이것은 상기한 제2상을 석출 흑연의 핵으로서 작용시키는 현상이지만, 이러한 Cu-Al상은 800℃ 이하의 저온에서 석출되기 때문에, 미세한 흑연 조직을 안정적이면서 신속하게 형성할 수 있다. 본 발명에 있어서는, 구체적으로는 취화 현상이 일어나지 않는 수준에서 Cu와 Al을 첨가함으로써, 강도 열화가 적고 또한 윤활상으로서 작용하는 흑연 조직을 형성할 수 있다. 추가로, Cu는 내황산부식성의 향상에도 기여하고 있다.

흑연의 분산에 의한 윤활 기술에 관해서는, 종래에 주철 분야에서 많이 제안되고 있지만, 각 분야의 슬라이딩 부품에 관해서 이의 사용 환경이 매년 가혹화되고 있기 때문에, 주철로부터 강의 표면 처리재로 변경이 진행되고 있다. 그러나, 그렇다고 해도, 예를 들면, 내연기관의 실린더 블록의 경우, 이의 대부분은 알루미늄화되어 있지만 실린더 라이너부 내벽은 지금도 상기한 효과를 목적으로 하는 흑연을 정출(晶出)시킨 주철이 사용되고 있는 상황이다. 본 발명의 슬라이딩 부품은, 슬라이딩 특성은 물론, 기타, 환경의 가혹화에 의해 필요하게 되는 강도, 내마모성 및 내황산부식성도 겸비시키기 위해 주철의 특성도 포함한 스틸재로서의 성립을 목적으로 하고, 이를 위한 합금 설계에 특징을 갖는 것이다. 이하, 성분 조성에 관해서 설명한다.

C는 일부가 기지중에 고용되어 강도를 부여하며, 일부는 탄화물을 형성하고, 나중의 잔부는 흑연을 형성하여 내마모성과 내소착성을 높이는 중요한 원소이다. 이를 위해서는 적어도 0.4%가 필요하다. 그러나, 1.5% 이상이 되면 융점이 저하되고, 잉곳을 1200℃ 전후에서 수십시간 동안 가열하는, 응고 편석 해소를 위한 확산 소둔 처리에 의한 조직의 균일화가 곤란해진다. 따라서, C는 0.4% 이상 1.5% 미만으로 한다. 바람직하게는, 0.5% 이상 1.3% 미만이다.

Si는 통상적으로 탈산제로서 첨가되지만, 여기서는 흑연 석출의 촉진 원소로서 첨가하고 있으며, 내황산부식성을 향상시키는 효과도 있기 때문에, 0.1%를 하한으로 하였다. 한편으로는, 강의 템퍼링 연화 거동에도 영향을 주고, 특히 저합금강에 있어서는 Si의 영향이 중요하다. 템퍼링 연화를 방지하고 내열강도를 높이기 위해서 바람직한 Si의 양은 1.0% 이상이다. 그러나, 과도하게 첨가하면 A₁점이 상승하기 때문에, Si의 상한은 3.0%로 규정한다. 따라서, Si는 0.1 내지 3.0%로 한다. 바람직하게는, 0.5 내지 3.0%, 더욱 바람직하게는, 1.0 내지 3.0%이다.

Mn도 Si와 마찬가지로 탈산제로서 사용되며, 최저 0.1%는 필요하지만, 과도하게 첨가하면 흑연의 석출을 손상시킨다. 이로 인해 상한을 3.0%로 규정하였다. 따라서, Mn은 0.1 내지 3.0%로 한다.

Cr은 효과적인 질화 경화 원소이지만, 준안정적인 세멘타이트의 분해를 억제하고, 흑연의 석출을 강력하게 억제할 뿐만 아니라, 내황산부식성을 현저하게 저하시키는 원소이기 때문에, 0.5% 이하로 규제할 필요가 있다. 따라서, 본 발명에 있어서는, 0 내지 0.5%, 바람직하게는 0 내지 0.3%로 한다.

Ni는 흑연의 형성 촉진 원소이고, 또한 Cu 첨가 강에 생기는 적열취성을 억제하는 데 유익한 원소이기도 하지만, 한편으로는 Fe 중으로의 C의 고용한을 높이기 때문에, 소둔 상태에서의 가공성을 억제하는 원소이다. 따라서, 0.05 내지 3.0%로 하였다. 바람직하게는, 0.6 내지 1.5%이다.

Al은 Cr과 마찬가지로 질화 경도를 상승시키는 원소이지만, 본 발명에서는 Cr을 높이지 않는 만큼, Al을 첨가하여 질화 경도를 확보하고 있다. 그리고, 이의 특징으로 하는 점은, 흑연 형성 원소이고, 기공의 확산을 돕고, 또한 Cu와 함께 Cu-Al상으로서 흑연 석출의 핵이 되며, 신속하면서 미세한 석출을 일으키는 데 효과적인 원소라는 점에서, 0.3% 이상 첨가할 필요가 있다. 여기서, Al도 Si와 마찬가지로 A₁점을 상승시키기 때문에, 2.0% 이하로 규정한다. 따라서, 본 발명에서는 0.3 내지 2.0%의 첨가 범위로 한정한다. 바람직하게는 0.7 내지 2.O%이다.

Mo는 Cr과 비교하여 흑연화를 억제하지 않는 탄화물 형성 원소이고, 또는 내열성을 부여하는 원소이다. 탄화물은, 예를 들면, 피스톤 링 제조공정에서의 굴곡 가공후에 실시하는 열성형 처리에 있어서 매트릭스를 구속하기 때문에, 치수 안정성을 높이는 기능을 한다. 그러나, 과도한 Mo 첨가는 Cr과 마찬가지로 세멘타이트의 분해를 억제한다.

그렇다고 해도, Mo는 상기의 억제의 영향이 적고, 한편으로 내열성의 향상에 크게 기여하며, 열처리시의 치수안정성에 공헌한다. 특히 피스톤 링의 제조 공정에서는 세선(細線) 상태에서의 열처리 공정이 가해지기 때문에, 이러한 특성의 중요도가 높으며, 합구(合口) 형상의 불균일 억제에 효과적이기 때문에, 0.3% 이상 첨가한다. 한편, 이의 양이 증가할 수록 흑연의 석출을 억제하기 때문에, 이의 상한은 20%로 한다. 여기서, V 및 W도 Mo와 동일한 효과를 가지기 때문에, 본 발명에서는 Mo, W 및 V로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 합계량으로 0.3 내지 20%로 할 수 있다.

단, V를 첨가하는 경우에도, V 탄화물이 발생하면 흑연 석출을 현저하게 억제하기 때문에, 조직면에서 V 탄화물이 관찰되지 않는 것이 바람직하다. 또는, Mo, W의 복합 또는 단독 첨가에 의한 (Mo+W)을 0.3 내지 5.0%로 하고, V는 0.1% 미만인 것이 바람직하다. 또한, Mo는 흑연에 의한 스퀴즈 작용을 촉진시키고, 고압하에서의 유체막 형성을 도움으로써, 내소착성을 높이고, 또한 동마찰계수를 낮추는 효과가 있다. 또한, 내황산부식성을 향상시키는 효과도 있는 점에서, Mo 단독으로 첨가량이 1.5 내지 3.0%인 것이 바람직하다.

Cu는 Cu-Al의 금속상을 석출시켜 미세한 흑연 조직을 안정적으로 신속하게 형성하는 데 효과적이기 때문에, Al와 함께 본 발명에 있어서 중요한 원소이다. 또한, 내황산부식성을 향상시키는 효과도 있다. 따라서, Al의 양과 관련한 상호적인 함유량 조정을 필요로 하며, 이러한 효과를 수득하기 위해서는 0.05% 이상, 바람직하게는 0.2% 이상 첨가할 필요가 있다. 한편, Cu는 과잉으로 첨가하면 소둔시의 경도가 높아지게 되고, 가공성을 억제하기 때문에 3.0% 이하로 할 필요가 있다. 따라서, 본 발명에서는 0.05 내지 3.0%의 조성 범위로 하고, 바람직하게는 0.2 내지 3.0%로 한다.

또한, 윤활성을 향상시키는 기술로서, 내연 기관의 경우에는, 종래에 황(S)은 유기화하여 엔진 오일중에 극압 첨가제로서 첨가되어, 소착을 방지하는 기술로서 공지되어 있다. 한편, 본 발명자들은, 강 중에 MnS와 같은 황화물(설파이드)을 존재시킴으로써, 이의 황(S)이 마찰 발열에 의해 마찰면에 생성된 신생면에 동일 반응계 설파이드막을 형성하고, 이것이 윤활 성능을 향상시키는 데에 효과가 있는 것을 밝혀냈다. 이러한 수단에 의하면, 재료 내부에 윤활물질이 산재되어 있기 때문에, 필요한 국소에서 윤활 성능을 높이기 위해 윤활 물질을 다량으로 첨가할 필요도 없으며, 극압 첨가제와 같이 오일 교환시에 효능이 소실하지 않기 때문에, 반영구적으로 기능하는 것을 기대할 수 있다.

또한, 피스톤 링에 관해서 Cr계 탄화물을 강 중에 증가시키는 종래의 수단은, 바꿔 말하면, 실린더 라이너와의 접촉면적이 적고, 단위 면적당 슬라이딩 에너지가 높은 피스톤 링측의 내마모성을 크게 하여, 실린더 라이너와의 균형을 취하는 것이 목적이다. 이에 의해 내소착성도 높아지지만, 본질적으로는 접촉의 불균일에 의해서 생기는 상황에 의해 실린더 라이너측의 마모를 촉진시킴으로써, 접촉 면적을 증대화시켜 국부의 이상한 면압의 상승을 회피하는 것이 목적이다. 요컨대, 피스톤 링 장착 초기의 융합을 양호하게 하는 기술이고, 응착 마모와 같은 내구성을 필요로 하는 마모특성으로서의 기능은 적다.

더구나, 과도한 내마모성의 향상은 실린더 라이너측을 공격하는 상황이 발생하며, 극도로 진행되면 오히려 클리어런스(clearance)를 증가시켜 배기 가스량과 관계가 있는 블로우바이량(blowby rate)을 증가시켜 버리지만, 황(S)의 효과는 재료의 마모를 촉진시키지 않고서 마찰계수를 낮춤으로써 내소착성을 향상시키고 있기 때문에, 엔진의 운전이 진행되어도 클리어런스의 변화가 적은 상황을 지속시키는 효과가 높다.

따라서, 본 발명의 슬라이딩 부품용 재료에 있어서는, 황(S)을 적량 첨가함으로써 내소착성을 더욱 개선할 수 있다. 즉, 황(S)은 대부분 Mn과 결부되어 MnS를 형성하고, 이것이 엔진 오일과 같은 윤활제에 작용하여 윤활효과를 발휘하기 때문에 마찰계수가 낮아지고, 내소착성이 향상된다.

여기서 소착이란, 마찰 발열에 의해 마찰면들의 온도가 상승하고 마찰면 재료간 원자의 이동이 열 진동에 의해서 일어나기 때문에 마찰면들이 고착되는 현상이며, 마찰면 온도는 마찰 에너지(= 마찰계수 ×면압 ×미끄럼 속도)의 단조 증가 함수의 관계가 된다. 이로 인해, 마찰계수가 감소하면 승온하기 어려워지며, 내소착성이 향상된다. 이러한 효과를 수득하기 위해서 황(S)의 함유는 효과적이지만, 과도하게 첨가하면 기계적 성질이 열화되며, 예를 들면, 스틸제 피스톤 링용의 강선의 드로잉 가공 공정에서 파단이 우려되기 때문에, 상한을 0.3%로 하는 것이 바람직하다. 함유량은 바람직하게는 0.01 내지 0.3%, 더욱 바람직하게는 0.03 내지 0.3%이다.

또한, 본 발명자들은, 황(S)을 0.3%까지 첨가한 재료로 하기 위해서는, 기계적 성질면에서 이의 제조공정에 실시되는 단조비를 크게 하는 것이 바람직한 것도 밝혀냈다. 요컨대, 슬라이딩 부품으로서의 기계적 성질의 향상에 효과적이고, 특히 강선을 굴곡가공하여 수득되는 스틸제 피스톤 링에 있어서, 이의 굴곡 가공 공정에서의 파단·파손을 억제하는 데 효과적인 수단이기도 하다.

또한, 이 경우의 단조비란, 상기 피스톤 링 제조 공정에서의 잉곳을 출발로 하는 피스톤 링 제품까지의 감면율로 정의된다. 요컨대, 강의 단(鍛)·전신(殿伸)되어 가는 방향에 수직인 단면, 즉 최종적인 피스톤 링 제품에 있어서의 소구단면에 비해, (단조 전의 잉곳 단면적)/(굴곡가공 후의 제품 단면적)이다. 단, 굴곡 가공에 의한 강선으로부터 피스톤 링 제품으로의 감면율은 본 발명의 효과 달성상 무시할 수 있는 것이며, (단조전의 잉곳 단면적)/(굴곡 가공전(단·전신후)의 강선 단면적)으로 평가할 수 있다. 이러한 단조비의 숫자가 높을수록 단조가 진행하고 있는 것을 나타낸다.

MnS와 같은 설파이드를 함유하는 강은, 이의 출발 조직이 되는 주조 상태에 서는, 구형 또는 방추형의 설파이드가 응고 셀 조직의 입계 3중점에 많이 존재하며, 이의 배향은 랜덤 조직으로 되어 있지만, 실시하는 단조비가 높아짐에 따라 설파이드의 배향 상태가 변화되어 기계적 성질이 개선된다.

이러한 단조비를 크게 함으로써 강선 길이 방향으로의 설파이드의 배향성이 높아지며, 요컨대, 피스톤 링에 주로 작용하는 주방향 응력에 따른 형태로 설파이드가 신장하기 때문에, 기계적 성질의 열화가 거의 없어진다. 이러한 효과는, 특히 신장한 설파이드, 즉, 종횡비(최대 직경/최소 직경)가 3 이상인 설파이드에 관해서 현저하고, 말하자면, 특히 종횡비가 3 이상인 설파이드의 주방향에 대한 배향성이 나쁘면, 기계적 성질의 열화로 이어진다.

구체적으로는, 피스톤 링의 외주면과 병행(竝行)하는 조직면에서 관찰되는 설파이드계 개재물, 특히 종횡비 3 이상의 설파이드계 개재물의 분포 상태를, 각각의 설파이드계 개재물의 최대 직경 위를 통과하는 직선끼리 이루는 병행도(예각측의 각도)로써 30°이하의 상태로 함으로써, 특히 피스톤 링용 선재로서 효과적인 슬라이딩 부품용 재료로 할 수 있으며, 예를 들면, 이러한 단조비를 500 이상으로 하는 것이 달성상 바람직하다.

도 5에 단조비 1(주조 상태 그대로의) 및 500의 단조를 실시한 강을 부식되지 않은 (무부식) 상태에서 400배의 배율로 광학현미경 관찰한 마이크로 조직의 스케치도와 이 때의 설파이드계 개재물의 병행도 측정을 실시한 모식도를 도시한다. 종횡비 3 이상의 임의의 설파이드계 개재물을 2개 선정하고, 이들 각각의 최대 직경을 통과하는 직선(A, B선)끼리 이루는 예각의 각도를 측정하여, 이것을 관찰 시야내에서 전부 측정한다. 이러한 측정을 적어도 10시야에 걸쳐 측정하고, 이러한 각도의 최대치를 병행도라고 정의하고 있다. 시야내에 교점이 없는 경우(예를 들면, 도 5-단조비 500)는, A선에 평행한 A'선을 보조선으로서 측정해도 양호하다. 또한, 설파이드계 개재물을 1개라고 간주하는 정의는, 400배의 광학현미경 관찰에서 연결되어 있는 것으로 보이는 것을 1개로 하고, 이의 최대 직경을 통과하는 직선을 측정선으로서 사용한다.

도 5에 있어서, 단조비가 1인 것은 30°를 초과하는 관계의 설파이드계 개재물이 존재하고 있지만, 단조비 500인 것은 전부 30°이하로 되어 있는 것을 알 수 있다. 상세하게는 30°라는 숫자는, 파괴역학적으로 설계한 숫자이다. 도 6은 문헌[참조: G. R. Irwin, Analysis of Stresses and Strains Near the End of a Crack Transversing a Plate, Trans. ASME, Ser. E, J. Appl. Mech., Vol. 24, No.3 (1957), pp. 361-364]에 해석적으로 산출되어 있는, 응력 방향과 균열 진전 방향으로 각도가 발생하였을 때 응력 확대 계수의 변화가 어떻게 나타나는지를 도시한 도면이며, 수학식 4와 같이 나타내어진다.

위의 수학식 4에서,

K_I는 균열 진전의 구동력이 되는 응력 확대 계수이고,

β는 응력 방향과 균열 방향이 이루는 각도이며,

σ는 응력이고,

π은 원주율이며,

a는 균열 길이이다.

균열은 응력과 직각 방향으로 존재(β= 90°)하면 진전하기 쉽고, 응력 방향을 따라 균열이 존재(β= 0°)하면, 균열이 진행되지 않게 되며, 균열이 진행되기 쉬워지는(즉, 응력확대계수가 갑자기 상승하는)것이 30°초과에 상당한다. 개재물은 역학적 결합이 부족하기 때문에 균열이라고 간주할 수 있음을 생각하면, 개재물 분포의 배향성의 불균일은 30°이하로 제어하는 것이 중요한 것을 알 수 있다. 그리고, 신장한 개재물에 관해서 이의 배향성을 구비하는 것이 중요한 것을 알 수 있다.

황(S)은 강의 기계적 성질을 열화시키는 대표적 원소이기 때문에, 이의 강도적 대책을 수행하는 것이 스틸제 피스톤 링으로서 성립시키는 데 바람직하다. 예를 들면, 1%의 황(S) 첨가를 가능하다고 하는 문헌[참조: 일본 공개특허공보 제(평)07-258792호]에서는 단조비를 충분히 벌 수 없는 실린더 라이너도 대상으로 하며, 기본적으로는 주강(鑄鋼)을 대상으로 한 것이다. 현실적으로, 피스톤 링의 스틸화를 비용적으로 성립시키고 있는 것은 드로잉, 압연 및 굴곡 등의 소성 가공 기술이다. 즉, 이러한 공정을 사용하여 1%의 황(S)을 포함하는 강을 피스톤 링용 선재로 마무리하고자 하면, 이의 소성 가공에 필요로 하는 재료 강도가 부족하기 때문에, 드로잉 공정에서의 파단이 일어날지도 모르며, 확실히 스틸제 피스톤 링으로서의 완성에 도달하기 어렵다.

이상과 같이, 본 발명에 있어서는, 이의 내소착성의 보다 나은 향상을 위해, 0.3% 이하의 황(S)을 함유한 슬라이딩 부품용 재료로 하는 것이 바람직하고, 특히 이의 단조비가 매우 높은 슬라이딩 부품용 재료로서 성립하는 피스톤 링용 선재에야말로 효과적인 수단이 된다.

그리고, 상기 S의 효과를 더욱 높이기 위해서는, Ca를 황(S)과 함께 첨가하는 것이 효과적이다. Ca는 MnS 중에 내재하기 때문에, 소착표면으로 유출되기 쉽다. 더구나, 강력한 환원작용이 있기 때문에, 소착 표면의 옥사이드 형성을 방지하고 설파이드 형성을 용이하게 하는 점에서, 윤활성을 향상시킨다. 그러나, Ca는 과도하게 첨가하면 열간 가공성을 손상시키기 때문에 0.01% 이하가 바람직하다. 상기의 효과를 수득하는 데 바람직하게는 0.0001% 내지 0.01%, 더욱 바람직하게는 0.0005% 내지 0.01%이다.

또한, S 및 Ca의 첨가는 내소착성 이외에 절삭성이나 연삭성의 향상에도 효과가 있다. 특히 MnS의 분산이나 흑연의 석출은 강의 절삭성을 향상시키기 때문에, 연삭에서는 형성하기 곤란한, 곡율 반경이 작은 코너부의 형성을 절삭으로 용이하게 할 수 있는 점에서, 특히 오일 스크레이핑 기능이 향상된 피스톤 링의 제작이 용이해진다.

또한, 본 발명의 슬라이딩 부품용 재료 및 피스톤 링용 선재는, 내식성, 특히 내황산부식성을 높이는 효과를 위해 Co의 함유도 가능하다. 또는, Mo와 마찬가지로, 흑연에 의한 스퀴즈 작용을 촉진시키고, 고압하에서의 유체막 형성을 도와 내소착성을 높이고, 또한 동마찰계수를 낮추는 효과가 있다. 이 경우, 바람직하게는 0.5% 이상이지만, 한편 고가의 원소일 뿐만 아니라 과다하게 첨가하더라도 그 이상의 효과를 볼 수 없는 점에서, 10% 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 2 내지 5%이다.

이러한 본 발명의 슬라이딩 부품용 재료 및 피스톤 링용 선재를 구성하는 강은, 예를 들면, 이상에서 설명한 각 원소종의 함유량을 만족시킨 다음에 잔부를 실질적으로 Fe로 하는 강으로 할 수 있고, 상기 이외의 원소종에 관해서는 예를 들면 합계 10% 이하, 또는 5% 이하로 하면 양호하다. 이것에 관해서는, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물의 강으로 한 것을 적용할 수 있다.

이하의 원소는 하기의 범위내이면 본 발명의 강에 포함될 수도 있으며, 바람직한 범위이다.

P≤0.1%, Mg≤0.01%, B≤0.01%, Zr≤0.1%

또한, 본 발명의 바람직한 조건으로서, 조직면 중에 차지하는 비금속 개재물의 면적율을 2.0% 이하로 하면, 강선재로 가공하는 드로잉 공정에서의 파단 방지와 당해 선재를 코일형으로 성형할 때의 절손의 발생 방지에 효과적이다. 특히 세선재의 제작·가공을 동반하는 피스톤 링의 제조에 효과적이고, 가동율이 높은 제조가 가능한 범위로서 바람직하다.

질화 처리는, 본 발명에 가산하는 효과로서, 보다 나은 내소착성과 내마모성의 향상에 효과적이지만, 본 발명의 경우, 표면 처리의 유무에 관계없이 우수한 내소착성이 달성되며, PVD나 Cr 도금 등의 다른 표면 처리를 조합해도 양호하다. 또한, 피스톤 링을 예로 들면, 이러한 표면 처리는, 종래에 주된 슬라이딩면인 피스톤 링/실린더 라이너간의 접촉면에 대하여 실시되며, 피스톤과의 마찰면에 대하여 실시되지 않기 때문에 응착 마모를 방지할 수 없다. 그러나, 본 발명의 재료이면 표면 처리를 실시하지 않더라도 충분한 내소착성이 발휘되고, 응착 반응도 억제되기 때문에, 특히 피스톤 링에 효과적인 재료가 된다.

또한, 본 발명의 재료에서는 흑연상이 존재하기 때문에, 예를 들면, CuCl₂ 용액에 침지하여 흑연이 갖는 층형 분자구조의, 이의 분자층간에 별도의 분자나 이온을 삽입시키는, 소위 삽입(intercalation)처리를 실시할 수 있으며, 슬라이딩 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 삽입처리 후의 흑연은 중합체 중합촉매로도 되기 때문에, 중합체 피복(고분자 피복처리)에 의한 윤활성 처리를 실시하거나, 미리 삽입 처리만을 실시하여 윤활유를 중합시키기 쉬운 상태로 하여, 슬라이딩시에 중합 반응을 일으켜 자기 윤활 상태를 유지하는 슬라이딩 부품으로 할 수 있다.

도 1은 본 발명예의 재료(시료 No.3)의 조직 단면에 관찰되는 흑연의 분포 상황을 도시한 마이크로 조직 사진이다.

도 2는 도 1에 도시한 재료와 동일한 재료의 조직 단면(별도의 시야)에 관찰되는 흑연의 분포 상황을 도시한 마이크로 조직 사진이다.

도 3은 비교예의 재료(시료 No.14)의 조직 단면에 관찰되는 흑연의 분포 상황을 도시한 마이크로 조직 사진이다.

도 4는 도 3에 도시한 재료와 동일한 재료의 조직 단면(별도의 시야)에 관찰 되는 흑연의 분포 상황을 도시한 마이크로 조직 사진이다.

도 5는 설파이드계 개재물의 병행도를 설명하는 마이크로 조직 사진의 스케치도 및 이의 모식도이다.

도 6은 응력 확대 계수에 미치는 응력 방향과 균열 진전 방향이 이루는 각도의 영향을 설명하는 도면이다.

도 7은 초고압 마찰 마모 시험 방법을 설명하는 모식도이다.

도 8은 왕복 동마모 시험 방법을 설명하는 모식도이다.

도 9는 하중의 역수와 동마찰계수의 관계를 도시하는 스트라이벡(stribeck)선도(線圖)이고, 윤활 상태를 설명하는 도면이다.

이하, 구체적인 예에 의해 본 발명의 효과를 설명한다.

예 1

대기중의 고주파 유도 용해에 의해, 표 1에 기재한 잔부 Fe 및 불가피적 불순물의 조성으로 조정한 각 시료의 잉곳(단면 치수 220mm×220mm)을 수득하였다. 시료 No.1 내지 No.6은 본 발명을 만족시키는 예이고, 시료 No.11 내지 No. 16은 비교예이다. 또한, 시료 No.16은 JIS-SUS440B 상당재이고, 현재 사용하는 피스톤 링 재료이다.

우선, 이러한 잉곳에 열간가공을 실시하여, 단면 치수 9mm×9mm의 선형 소재를 수득하였다(단조비: 약 598). 또한, 시료 No.13은 주조는 가능하지만, 그후의 열간가공 공정에서 강재가 파괴되었기 때문에 테스트 피스를 제작할 수 없었다.

이어서, 소둔 처리후에 소정의 경막 처리, 템퍼링 처리를 실시하여, 경도를 45HRC 전후로 조정하였다. 그리고, 이러한 경막 처리, 템퍼링 후의 선형 소재의 조직면을 무부식 상태에서 관찰하고, 흑연의 분포 상황(평균 입자 직경, 조직에 차지하는 면적율)을 조사하였다. 분포 상황은 1000배의 광학현미경으로 관찰한 10시야의 화상으로부터 화상해석을 사용하여 조사하였다. 또한, 흑연의 직경은 측정한 흑연의 면적과 동일한 면적이 되는 진원의 직경을 사용하였다. 본 발명의 강 No.1 내지 No.6의 흑연의 분포 상황은 이의 평균 입자 직경은 약 0.3 내지 2㎛이고, 면적율은 약 0.5 내지 5%이었다.

도 1 내지 도 4는 시료 No.3 및 No.14의 흑연의 분포 상황을 도시하는 현미경 사진이다. 시료 No.3의 매트릭스 조직에는 미세한 흑연이 석출되고 있지만, 시료 No.14의 흑연은 입자가 크다. 이것은 적량의 Cu와 Al을 포함하는 경우, 흑연 석출에 선행하여 미세한 Cu-Al상이 석출되고, 이것을 핵으로 하여 흑연이 석출되기 때문에 미세한 흑연분포가 되지만, Cu 또는 Al이 부족하면 이의 메카니즘이 작용하지 않기 때문에 흑연이 큰 입자로 석출되는 것이다. 그밖의 시료도 포함시켜, 흑연의 분포 상황을 표 2에 기재한다. 시료 No.11, No.12, No.15 및 No.16의 조직에는 흑연이 관찰되지 않았다.

그리고, 이러한 시료에 H₂:N₂ = 1:1로 530℃ ×5시간의 조건에 의한 이온 질화 처리를 실시하여, 내소착성 및 내마모성의 평가 시료로 하였다. 내소착성의 평가에 따르는 시험 방법은, 도 7에 도시한 초고압 마찰 마모 시험기를 사용하여 이하의 조건으로 실시하여, 상대재의 회전 토르크가 급격하게 상승한 시점을 소착 개시로 하고, 이때의 하중을 스커핑 하중(scuffing load)으로서 평가하였다. 또한, 하중이 10MPa일 때의 상대재의 회전 토르크로부터 동마찰계수를 구하였다. 도 7에서, 부호 1은 시료를 나타내며, 2는 상대재를 나타내며, F는 하중을 나타낸다.

슬라이딩면 형상; 5mm×5mm의 정방형

마찰 속도; 2m/초

마찰면 압력; 초기압 1.5MPa,

1분마다 0.5MPa씩 상승

윤활유; 모터 오일# 30

초기압시에만 적가하고(10㎤/분), 그후에는 공급을 정지

상대재; JIS FC250(쥐 주철)(경도: 1O0HRB)

내마모성은 왕복 동마모 시험에 의해 평가하였다. 이것은 별도 작성한 직경 8mm, 길이 20mm의 시험편을 직경 20mm의 상대재(FC250)와 왕복 운동에 의해 마찰시켜 이때의 마모폭을 측정하는 것이며, 시험 방법의 모식도를 도 8에 나타내고, 기타 시험 조건을 이하에 나타낸다. 도 8에서, 부호 1은 시료를 나타내며, 2는 상대재를 나타내고, F는 하중을 나타내며, OIL은 윤활유를 각각 나타낸다.

압착 하중; 500N

1회당 슬라이딩 거리; 130mm

최대 슬라이딩 속도; 0.5m/초

윤활유(적가에 의해 공급); 모터 오일# 30

상대재; JIS FC250(쥐 주철)(경도: 10OHRB)

이상, 스커핑 하중, 동마찰계수 및 마모폭의 측정 결과를 질화 경도와 함께 표 2에 기재한다.

시료 번호	흑연 분포 상황		V 탄화물의 유무	질화 경도 (HV)	스커핑 하중 (MPa)	동마찰계수	마모폭 (mm)	비고
	평균 입자 직경(㎛)	면적율 (%)
1	0.4	0.8	없음	853	12.5	0.11	0.55	본 발명
2	0.5	0.9	있음	890	11.5	0.12	0.65	본 발명
3	0.8	3.5	없음	930	10.5	0.07	0.5	본 발명
4	0.7	2.6	없음	910	13.5	0.08	0.55	본 발명
5	1.9	4.1	없음	950	10.5	0.07	0.51	본 발명
6	0.7	1.9	없음	895	12.6	0.06	0.51	본 발명
11	관찰되지 않음	0	없음	445	6.5	측정할 수 없음	1.53	비교예
12	관찰되지 않음	0	없음	773	7.0	측정할 수 없음	0.71	비교예
14	6.2	5.8	없음	723	6.0	측정할 수 없음	0.64	비교예
15	관찰되지 않음	0	없음	563	7.0	측정할 수 없음	1.62	비교예
16	관찰되지 않음	0	없음	1032	7.5	측정할 수 없음	0.53	비교예

표 2로부터 본 발명을 만족시키는 시료 No.1 내지 No.6은 모두 스커핑 하중이 높고, 마모폭이 좁기 때문에, 내소착성과 내마모성이 우수하다. 또한, 시료 No.3 내지 No.6은 동마찰계수의 값도 낮고, 슬라이딩 부재로서 대단히 우수한 특성을 나타내고 있다. 한편, 본 발명의 흑연 분포를 만족시키지 않는 비교 시료는 모두 내소착성이 뒤떨어진다. 또한, 시료 No.11, No.15의 내마모성이 부족한 것은 질화 경화능을 갖는 원소인 Cr, Al중 어느쪽의 함유량이 낮으며, 질화 경도가 낮기 때문이다.

또한, 실시예 1에서 제작한 시료에 관하여, 질화 처리를 실시하지 않은 상태에서 동일한 조건으로 소착 시험을 실시하였다. 결과를 표 3에 기재한다. 본 발명의 흑연 분포를 만족시키는 시료 No.1 내지 No.6의 내소착성이 표면 처리의 유무에 의하지 않고 발휘되며, 흑연이 존재하더라도 이의 입자가 큰 비교 시료 No.14의 스커핑 하중은 낮다. 이러한 시료 No.14의 시험후의 동마찰면 관찰을 실시한 결과, 흑연 주변부가 파손되어 있으며, 이러한 파편이 마찰면내에 들어가 슬라이딩 특성이 악화된 것이라고 생각된다.

시료 번호	흑연 분포 상황		스커핑 하중 (MPa)	비고
	평균 입자 직경 (㎛)	면적율 (%)
1	0.4	0.8	11.5	본 발명
2	0.5	0.9	10.5	본 발명
3	0.8	3.5	11.0	본 발명
4	0.7	2.6	13.0	본 발명
5	1.9	4.1	12.0	본 발명
6	0.7	1.9	11.5	본 발명
11	관찰되지 않음	0	6.5	비교예
14	6.2	5.8	6.0	비교예

예 2

표 1의 조성에 따르는 시료 No.1과 시료 No.15를 열간압연에 의해 직경 5.5mm의 코일로 한 후, 드로잉-냉간압연에 의해 단면 치수 1.5mm ×3.1mm의 평선 형상으로 마무리하였다. 시료 No.1은 문제없이 가공할 수 있지만, 시료 No.15는 냉간가공성이 불량하여 드로잉 공정에서 파단되었다. 양자의 조직면중에 차지하는 비금속 개재물의 면적율을 드로잉 전의 빌렛(billet) 상태에서, 이후 실시할 드로잉 ·압연의 방향과 직각인 조직면에서 화상 해석한 결과, 시료 No.1은 1.86%, 시료 No.15는 2.23%이고, 파단의 원인은 이의 황(S) 함유량이 높은 것 이외에도 비금속 개재물이 2.0%를 초과하는 면적율인 데에 있다.

예 3

표 1의 조성에 따르는 시료 No.1 내지 No.6, No.11 및 No.12를 실시예 2에 나타내는 공정에서 단면 치수 1.5mm ×3.1mm의 평선 형상으로 마무리하여, 경막 처리를 1000℃에서 30분, 템퍼링을 각각 경도 510HV 전후가 되도록 실시하였다. 그후, 지석 절단기로 회전수 10,OOOrpm, 이송 속도 1mm/초에 의한 절단을 10회 실시하고, 버(burr) 발생 빈도를 조사하였다. 표 4에 발생 빈도를 기재한다.

시료 번호	버 발생 빈도	비고
1	0	본 발명
2	0	본 발명
3	0	본 발명
4	0	본 발명
5	0	본 발명
6	7	본 발명
11	8	비교예
12	10	비교예

시료 No.11 및 No.12에는 버의 발생이 확인되지만, 적량의 황(S)을 첨가한 시료 No.1 내지 No.5는 버의 발생이 보이지 않으며, 본 발명의 황(S)의 첨가가 버 감소에 효과가 큰 것을 알 수 있다. 이에 의해, 특히 피스톤 링의 제조에 있어서의 제조성도 향상된다.

예 4

미리 별도로 제작해 둔 표 1의 시료 No.1과 동일 조성의 잉곳을 사용하여, 단조비 1 내지 10,000까지 변화시킨 열간가공 공정에서, 단면 치수 3.0mm ×3.0mm의 선재를 제작하였다. 그리고, 이들을 경막 처리, 템퍼링에 의해 400HV의 경도로 고르게 하고, 이러한 피스톤 링으로 했을 때의 외주면이 되는 선재의 전신·길이 방향으로 병행하는 조직면에서의 설파이드계 개재물(종횡비≥3)의 병행도를 상기 요령에 따라 측정하였다.

그리고, 이러한 경도 조정후의 선재에 스팬 30mm의 3점 굴곡시험을 실시하고, 변위 10mm까지 구부려 파단되지 않은 것을 A, 파단된 것을 B로 평가하였다. 이것은 경막 처리 및 템퍼링을 실시한 선재를 롤러 벤딩(roller bending)법에 의해서 소정의 곡율의 피스톤 링으로 성형할 때의 이의 성형 가능의 가부를 판정하는 것이다. 이러한 결과를 표 5에 기재한다.

시료 번호	단조비	병행도(°)	파단의 유무
1-1	1	84.5	B
1-2	10	45.2	B
1-3	500	27.8	A
1-4	2000	11.5	A
1-5	10000	3.5	A

단조비가 높고, 설파이드계 개재물의 병행도가 30°이하인 것은 기계적 성질이 우수하며, 선재로부터 링 형상으로의 굴곡 가공시에 우려되는 파단의 억제에 효과적이다. 그리고, 이러한 굴곡 가공성이 우수한 선재를 굴곡 가공하여 피스톤 링 형상으로 하였을 때의 이의 외주면에 병행하는 조직면에서 관찰되는 상기 설파이드계 개재물의 병행도나 종횡비는 선재일 때와 실질적인 변화가 없었다.

이러한 선재 상태에서 관찰되는 설파이드계 개재물의 병행도는, 굴곡 가공후의 피스톤 링 상태에도 반영된다. 그리고, 이러한 단면적이 작은 피스톤 링이 엔진에 탑재된 경우에 우려되는 피로 파괴의 부족에 관해서도, 병행도가 30°이하인 설파이드계 개재물의 형태는 기계적 성질의 향상에 효과적이고, 특히 피스톤 링용 선재에 바람직한 수단이다.

예 5

대기중의 고주파 유도 용해에 의해, 표 6에 기재된 잔부 Fe 및 불가피적 불순물의 조성으로 조정한 본 발명을 만족시키는 No.21 내지 No.23의 잉곳(단면 치수 220mm ×220mm)을 수득하였다. 시료 No.21에 비하여, 시료 No.22는 Mo를 많이 함유하고, 시료 No.23은 Co를 많이 함유하고 있다.

시료 번호	화학 조성(질량%)
	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Co	Cu	Al	Fe
21	0.86	1.75	0.30	0.008	0.020	0.30	0.001	0.98	0.01	0.82	1.22	잔여량
22	0.86	1.69	0.30	0.010	0.022	0.30	0.001	1.97	0.01	0.76	1.20	잔여량
23	0.86	1.68	0.31	0.008	0.022	0.31	0.001	0.99	3.99	0.87	1.18	잔여량

우선, 이러한 잉곳에 열간가공을 실시하여, 단면 치수 9mm ×9mm의 선형 소재를 수득하였다(단조비: 약 598). 이어서, 소둔 처리후에 소정의 경막 처리, 템퍼링 처리를 실시하고, 경도를 40HRC 전후로 조정하였다. 그리고, 이러한 경막 처리, 템퍼링후의 선형 소재의 조직면을 무부식 상태에서 관찰하여, 흑연의 분포 상황(평균 입자 직경, 조직에서 차지하는 면적율)을 조사하였다. 분포 상황은, 1000배의 광학현미경으로 관찰한 10군데의 화상으로부터, 화상 해석을 사용하여 조사하였다.

시료 번호	흑연의 평균 입자 직경 (㎛)	조직면 전체에서 차지하는 흑연의 면적율(%)	조직면 전체에서 차지하는 1㎛ 이상의 흑연의 면적율(%)	1㎛ 이상의 흑연의 평균 입자 직경 (㎛)
21	0.55	1.69	0.41	1.15
22	0.50	2.05	0.14	1.20
23	0.75	3.50	0.70	1.33

시료 No.21 내지 No.23 모두의 흑연 석출은 미세하였다. 표 7에 흑연의 분포 상황을 기재하였으며, 흑연의 평균 입자 직경은 1㎛ 이하이고, 면적율은 1 내지 4%였다. 또한, 1㎛ 이상의 비교적 입자가 큰 흑연은, 모든 시료에 있어서 평균 입자 직경으로 1 내지 1.5㎛이고, 면적율로는 1% 미만이다. 그리고, 각 시료에 있어서, 흑연 전체의 면적에서, 1㎛ 이상의 비교적 입자가 큰 흑연이 차지하는 면적의 비율은 4분의 1 이하이고, 미세한 흑연이 석출 흑연의 대부분을 차지하고 있는 것을 알 수 있다.

그리고, 이러한 시료를 동마찰계수의 평가 시험편으로 하였다. 동마찰계수의 평가방법은, 마찬가지로 도 7에 도시한 초고압 마찰 마모 시험기를 사용하여(단, 마찰 속도는 도 7의 표시와 다르다), 이하의 조건으로 실시하여, 동마찰계수를, 하중을 단계적으로 증대시킬 때마다, 상대재에 발생하는 토르크와 하중으로부터 계산하였다. 도 9에 하중의 역수와 동마찰계수의 관계를 도시한다.

슬라이딩면 형상 ; 5mm×5mm의 정방형

마찰속도; 1m/초 마찰면 압력; 초기압 1.5MPa,

1분마다 0.5MPa씩 상승

윤활유; 모터 오일 #30

10㎤/분으로 상시 적가

상대재; FC25O(JIS 쥐 주철)

도 9는 스트라이벡 선도라고 불리는 곡선으로서, 마찰 슬라이딩 부분에 가해지는 하중의 조건을 나타낸 「하중특성」을 횡축에 나타내고, 마찰계수를 종축에 나타낸 곡선이다. 이에 의해서 윤활 상태를 알 수 있다. 당해 실시예의 경우, 마찰 속도가 1m/초로 일정한 점에서, 횡축은 하중의 역수로 나타낼 수 있다. 도 9의 각 곡선에 있어서, 마찰계수가 가장 낮은 플롯(극치)보다 우측(저하중측: 화살표로 나타내는 범위)은 윤활막이 파괴되지 않고 유체 윤활을 일으키고 있는 영역이며, 좌측(고하중측)은 유체막이 찢어져 고체끼리의 접촉에 의해 유체 윤활에 고체윤활이 혼합된 영역이다. 따라서, 마찰계수가 가장 낮은 플롯(극치)이 그래프 좌측으로 시프트할 수록 보다 고하중이라도 유체막이 찢어지지 않고 유체 윤활 가능함을 나타내고 있다.

도 9의 결과로부터, 시료 No.21에 비하여 Mo 함유량이 많은 시료 No.22에서는 보다 고하중 측에서도 유체막이 유지되고 있다. 그리고, Co 함유량이 많은 시료 No.23에서는 더욱더 높은 고하중 측에서도 유체막이 유지되고 있는 것을 알 수 있다. 이는 Mo와 Co에, 상술한 스퀴즈 작용 촉진 효과가 있음을을 나타내는 것이다.

또한, 각 곡선의 가장 좌측의 플롯은 소착을 일으켰기 때문에 시험을 중지한 하중에 대응하는 것이다. 시료 No.22와 No.23은 Mo와 Co의 첨가에 의해 상기의 플롯이 좌측(고하중측)으로 시프트되어 있으며, 내소착성에 있어서도 보다 향상되는 것으로 관찰된다. 그리고, 동마찰계수도 전체적으로 낮아져 있으며, Mo와 Co의 첨가에 의해서 흑연 석출에 의한 양호한 슬라이딩 특성이 보다 향상되고 있다.

본 발명에 의하면, 자기 윤활성의 부여에 의해 표면 처리가 없더라도 내소착성이 우수하고, 마찰계수도 낮아 마찰에 의한 에너지 손실이 적다는 점에서 각종 슬라이딩 부품에 적용이 가능하다. 그리고, 이러한 설파이드계 개재물의 형태 조정도 함께 실시함으로써, 특히 피스톤 링으로서 효과적이고, 실린더 라이너와 피스톤에 대한 공격성도 감소되며, 내연 기관의 환경 성능이나 내구성의 향상에도 크게 기여한다. 또한, 제조 공정에서의 피삭성 등의 가공성도 우수하며, 제조 비용과 리드 타임(lead time)을 삭감할 수 있기 때문에, 성능·제조의 양면에서 우수한 슬라이딩 부품용 재료로 할 수 있으며, 산업상 지극히 유익한 기술이 된다.

본 발명의 재료는 슬라이딩 베어링, 롤러 베어링, 볼 베어링, 기어, 금형, 자동차 엔진 등의 내연 기관에 장착되는 피스톤 링, 실린더 라이너 및 베인 등의 슬라이딩 부품에 사용된다.

Claims (16)

1. C 0.4질량% 이상 1.5질량% 미만, Si 0.1 내지 3.0질량%, Mn 0.1 내지 3.0질량%, Cr 0 내지 0.5질량%, Ni 0.05 내지 3.0질량%, Al 0.3 내지 2.0질량%, Mo, W 및 V로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 합계량(Mo+W+V)으로 0.3 내지 20질량% 및 Cu 0.05 내지 3.0질량%를 포함하는 강(鋼)으로 이루어지며, 조직면에서 관찰되는 흑연의 평균 입자 직경이 3㎛ 이하인, 자기 윤활성을 갖는 슬라이딩 부품용 재료.
2. 제1항에 있어서, 조직면에서 관찰되는 흑연이 차지하는 면적율이 1% 이상 5% 미만이고 조직면에서 관찰되는 흑연의 평균 입자 직경이 3㎛ 이하인, 자기 윤활성을 갖는 슬라이딩 부품용 재료.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 조직면에서 V 탄화물이 관찰되지 않는, 자기 윤활성을 갖는 슬라이딩 부품용 재료.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, Mo 및 W로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상이 합계량(Mo+W)으로 0.3 내지 5.0질량%이고, V가 0.1질량% 미만인, 자기 윤활성을 갖는 슬라이딩 부품용 재료.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, Al을 0.7 내지 2.0질량% 포함하는 강으로 이루어지는, 자기 윤활성을 갖는 슬라이딩 부품용 재료.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, Mo를 1.5 내지 3.0질량% 포함하는 강으로 이루어지는, 자기 윤활성을 갖는 슬라이딩 부품용 재료.
7. 제1항에 있어서, Co를 10질량% 이하 포함하는 강으로 이루어지는, 자기 윤활성을 갖는 슬라이딩 부품용 재료.
8. 제1항 또는 제7항에 있어서, S를 0.3질량% 이하 포함하는 강으로 이루어지는, 자기 윤활성을 갖는 슬라이딩 부품용 재료.
9. 제8항에 있어서, Ca를 0.01질량% 이하 포함하는 강으로 이루어지는, 자기 윤활성을 갖는 슬라이딩 부품용 재료.
10. 제1항, 제2항 및 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 질화 처리를 실시하여 사용되는, 자기 윤활성을 갖는 슬라이딩 부품용 재료.
11. C 0.4질량% 이상 1.5질량% 미만, Si 0.1 내지 3.0질량%, Mn 0.1 내지 3.0질량%, Cr 0 내지 0.5질량%, Ni 0.05 내지 3.0질량%, Al 0.3 내지 2.0질량%, Mo, W 및 V로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 합계량(Mo+W+V)으로 0.3 내지 20질량% 및 Cu 0.05 내지 3.0질량%를 포함하는 강으로 이루어지며, 조직면에서 관찰되는 흑연의 평균 입자 직경이 3㎛ 이하인 피스톤 링용 선재로서,

    피스톤 링으로 하였을 때의 외주면과 병행(竝行)한 조직면에서 관찰되는 설파이드계 개재물(介在物)의 분포 상태가, 각각의 설파이드계 개재물의 최대 직경 위를 통과하는 직선끼리 이루는 병행도(竝行度)로서 30°이하인, 피스톤 링용 선재.
12. 제11항에 있어서, 조직면에서 관찰되는 흑연이 차지하는 면적율이 1% 이상 5% 미만이고 조직면에서 관찰되는 흑연의 평균 입자 직경이 3㎛ 이하인, 피스톤 링용 선재.
13. 제11항에 있어서, Co를 10질량% 이하 포함하는 강으로 이루어지는, 피스톤 링용 선재.
14. 제11항 또는 제13항에 있어서, S를 0.3질량% 이하 포함하는 강으로 이루어지는, 피스톤 링용 선재.
15. 제14항에 있어서, Ca를 0.01질량% 이하 포함하는 강으로 이루어지는, 피스톤 링용 선재.
16. 제11항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서, 질화 처리를 실시하여 사용되는, 피스톤 링용 선재.

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