KR101138778B1

KR101138778B1 - 구리-아연 합금의 용도

Info

Publication number: KR101138778B1
Application number: KR1020077011621A
Authority: KR
Inventors: 노르베르트 가그; 알렉산더 데넬트
Original assignee: 디일 메탈 스티프퉁 운트 코. 카게
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2012-04-24
Anticipated expiration: 2025-12-01
Also published as: EP1815033B2; US20070227631A1; CN100510133C; WO2006058744A1; DE102004058318A1; DE102004058318B4; MX2007006352A; EP1815033B1; US8435361B2; BRPI0518695A2; EP1815033A1; JP5225683B2; CN101068941A; JP2008522034A; KR20070084467A; BRPI0518695B1

Abstract

59～73%의 구리, 2.7～8.3%의 망간, 1.5～6%의 알루미늄, 0.2～4%의 실리콘, 0.2～3%의 철, 0～2%의 납, 0～2%의 니켈, 0～0.2%의 주석, 잔여량의 아연 및 불가피한 불순물을 포함하는 구리-아연 합금의, 밸브 가이드용으로서의 용도.

구리-아연 합금, 밸브 가이드, 경도, 내마모성, 연화 온도, 고온 인장 강도

Description

구리-아연 합금의 용도{USE OF A COPPER-ZINC ALLOY}

본 발명은 청구의 범위 제1항에 기재된 바와 같은 구리-아연 합금의 용도에 관한 것이다.

구리-아연 합금 또는 소결 강 합금(sintered steel alloy)은 내연 기관에서의 밸브 가이드(valve guide)용으로 사용된다. 그러나, Cu-Zn 합금이 갖는 성질은 새로운 FSI 엔진에 사용되는 밸브 가이드에 부과되는 요구조건을 이제는 충족시키지 못한다. 이러한 엔진에서, 밸브 가이드의 작동 온도는 300℃ 이상에 달할 수 있다. 그러나, 현재 사용되는 구리-아연 합금은 이러한 온도에서 연화된다. 소결 강 합금에서도 이와 유사한 불리한 효과가 관찰된다. 소결 강 합금도 300℃를 넘는 온도에서 연화되고, 또한 경도가 상당히 변동된다. 그뿐 아니라, 분말 야금 제조 공정으로 인해 소결 강 합금의 제조에 수반되는 비용도 높다.

따라서, 이러한 요인들을 감안하여, 본 발명은, 제조하기에 간단하면서도 특히 높은 온도에서 밸브 가이드용 재료에 부과되는 요구조건을 충족시키는, 밸브 가이드로서 사용되는 구리-아연 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 목적은 59～73%의 구리, 2.7～8.3%의 망간, 1.5～6%의 알루미늄, 0.2～4%의 실리콘, 0.2～3%의 철, 0～2%의 납, 0～2%의 니켈, 0～0.2%의 주석, 잔여량의 아연 및 불가피한 불순물을 포함하는 구리-아연 합금의, 밸브 가이드용으로서의 용도에 의해 달성된다.

상기 % 및 이하의 설명에 기재된 %는 중량%이다.

따라서, 본 발명은 구리-아연 합금의 새로운 용도를 명시하는 것이다. DE 29 19 478 C2에 기재된 유사한 합금은 싱크로나이저 링(synchronizer ring) 합금으로 사용되며 높은 마찰 계수를 가진다. 이제까지 높은 마찰 계수는 밸브 가이드로서의 재료를 사용하는 데 있어서, 가능한 한 낮은 마찰 응력을 필요로 하기 때문에 장애가 되는 것으로 생각되었다.

양호한 열 안정성에 더하여, 문헌에 기재된 구리-아연 합금은 매우 높은 고온 강도를 가진 것으로 밝혀졌으며, 이것은 양호한 내마모성과 결부되어 실제로 밸브 가이드로서 사용되는 것을 가능하게 하는 성질이다. 이러한 재료 성질들의 놀라운 조합은 알려져 있는 합금을 새로운 방식으로 밸브 가이드로서 사용하는 옵션을 제공한다. 최신 엔진에서 밸브 가이드로 사용하는 데에는 300℃보다 높은 온도에서의 높은 열 안정성과, 밸브 태핏(tappet) 상에 작용하는 횡단력(transverse force) 때문에 요구되는 양호한 내마모성의 조합이 필요하다. 이러한 탁월한 성질로 인해, 높은 마찰 계수의 영향은 무시될 수 있다. 따라서, 본 발명은 이제까지 통상적으로 전문 분야에서 굳어져 있었던 편견을 극복한다.

성공적이고 용이한 제조에 대한 요구는, 밸브 가이드가 반연속적 또는 완전 연속적 주조(casting), 압출(extrusion) 및 인발(drawing)에 의해, 즉 고온 및 저온 성형에 의해 봉(rod) 형태로 제조될 수 있다는 사실에 의해 고려된다.

상기 합금은 α 고용체(solid solution) 성분 및 β 고용체 성분을 포함하는 마이크로구조(microstructure)를 가진다.

유리한 실시형태에서, 밸브 가이드로서 사용되는 구리-아연 합금은, 70～73%의 구리, 6～8%의 망간, 4～6%의 알루미늄, 1～4%의 실리콘, 1～3%의 철, 0.5～1.5%의 납, 0～2%의 니켈, 0～0.2%의 주석, 잔여량의 아연 및 불가피한 불순물을 포함한다.

DE 29 19 478 C2에 따라 제조된 정련 합금의 마이크로구조는 면적분율(percentage of area)이 60～85%에 달하는 α상(phase)을 포함하는 α 및 β 고용체 매트릭스로 이루어지고, 본체 중심의(body centered) 입방체 β상은 베이스 매트릭스를 나타내고, 면 중심의(face centered) α상은 대부분 미세하게 분산된 형태로 분포되어 있다. 상기 마이크로구조는 또한 철-망간 실리사이드(iron-manganese silicide)와 같은 경질의 금속간 화합물(intermetallic compound)을 포함한다. α상은 상기 합금의 안정성을 결정한다.

이 합금으로 만들어진 밸브 가이드는 매우 높은 내마모성을 가지며, 그 값은 소결 강의 내마모성보다도 높다. 특히 상기 합금으로 만들어진 밸브 가이드에서의 건조 마찰 마모는 "보다 순수한" 연료, 즉 무연 또는 탈황 연료를 필요로 하는 엔진에서 사용되는 것을 가능하게 하는데, 그것은 이들 첨가제의 부재로 인해 추가의 마모 감소 효과에 대한 필요가 없기 때문이다. 이것은 특히 FSI 엔진에서의 밸브 가이드의 작동 온도인 약 300℃의 온도에서 특별히 유리하다.

이 합금을 밸브 가이드로서 사용하는 것이 갖는 또 다른 이점은, 상기 합금의 연화가 430℃보다 높은 온도에서만 일어나는 반면, 이제까지 사용되어 온 구리-아연 합금은 150℃에서부터 시작되기 때문에, 300℃보다 높은 바람직한 작동 범위에서 안정적인 경도 수준이 얻어진다는 사실이다. 관련된 경도의 저하는 150℃로부터 일어나기 시작하고, 소결 강 합금의 경도 저하는 300℃로부터 시작된다.

바람직한 다른 실시예에서, 본 발명은 69.5～71.5%의 구리, 6.5～8%의 망간, 4.5～6%의 알루미늄, 1～2.5%의 실리콘, 1～2.5%의 철, 0.5～1%의 납, 0～0.2%의 니켈, 0～0.2%의 주석, 잔여량의 아연 및 불가피한 불순물을 포함하는 구리-아연 합금의 용도를 청구한다.

통상적인 방법으로 제조된 합금의 마이크로구조는 미세하게 분산된 형태로 분포된 α상을 80% 이하의 면적분율로 포함하는 α 및 β 고용체 매트릭스를 포함한다. 상기 마이크로구조는 또한 Fe-Mn 실리사이드와 같은 경질의 금속간 화합물을 포함할 수 있다.

상기 합금이 갖는 고온 인장 강도는 이제까지 밸브 가이드로서 사용되어 온 종래의 구리-아연 합금의 고온 인장 강도의 2배에 달하기 때문에, 상기 합금을 밸브 가이드로서 사용하는 것은 특히 유리하다. 또 다른 유리한 성질로는 높은 연화 온도, 높은 강도 및 높은 내마모성이 포함된다.

밸브 가이드용으로, 60～61.5%의 구리, 3～4%의 망간, 2～3%의 알루미늄, 0.3～1%의 실리콘, 0.2～1%의 철, 0～0.5%의 납, 0.3～1%의 니켈, 0～0.2%의 주석, 잔여량의 아연 및 불가피한 불순물을 포함하는 구리-아연 합금을 사용하는 것이 유리하다.

대응 방식으로 제조된 상기 합금의 마이크로구조는 β 고용체의 기본 질량을 포함하고, 여기에는 침상 및 리본 형태의 α 침전물이 혼입되어 있다. 상기 마이크로구조는 또한 무작위로 분산된 망간-철 실리사이드를 포함할 수도 있다.

이 합금으로 만들어진 밸브 가이드는 소결 강의 내마모성보다 훨씬 높은 내마모성을 가진다. 특히, 상기 합금으로 만들어진 밸브 가이드에서의 건조 마찰 마모는 "보다 순수한" 연료, 즉 무연 또는 탈황 연료를 필요로 하는 엔진에서 사용되는 것을 가능하게 하는데, 그것은 이들 첨가제의 부재가 추가적인 마모 감소 효과에 대한 필요가 없다는 것을 의미하기 때문이다. 이것은 특히 FSI 엔진에서의 밸브 가이드의 작동 온도인 약 300℃의 온도에서 특별히 유리하다.

밸브 가이드로서의 용도에 있어서 이점인 상기 합금의 또 다른 성질로는 높은 연화 온도 및 높은 고온 인장 강도가 포함된다.

유리한 실시형태에서, 크롬, 바나듐, 티타늄 또는 지르코늄 중 하나 이상을 0.1% 이하로 추가로 포함하는 구리-아연 합금이 밸브 가이드용으로 사용된다.

구리-아연 합금에 첨가되는 상기 원소는 그레인 정제(grain-refining) 작용을 가진다.

또한, 밸브 가이드용으로 사용되는 구리-아연 합금은 하기 농도의 원소들 중 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다: 붕소 ≤0.0005%, 안티몬 ≤0.03%, 인 ≤0.03%, 카드뮴 ≤0.03%, 크롬 ≤0.05%, 티타늄 ≤0.05%, 지르코늄 ≤0.05%, 및 코발트 ≤0.05%.

몇 가지 실시예를 이하의 설명에 따라, 표 1을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

현재, 대략적으로 하기 조성을 가진 소결 강 및 구리-아연 합금을, 비교적 낮은 열 응력을 받는 밸브 가이드용 재료로서 사용한다: 56～60%의 구리, 0.3～1%의 납, 0.2～1.2%의 철, 0～0.2%의 주석, 0.7～2%의 알루미늄, 1～2.5%의 망간, 0.4～1%의 실리콘, 잔여량의 아연 및 불가피한 불순물. 이하의 텍스트에서, 이 형태의 합금을 표준 합금이라 지칭한다. 합금 1은 청구의 범위 제4항에 따른 합금에 대응하고, 합금 2는 청구의 범위 제6항에 기재된 합금에 대응한다.

여러 가지 재료의 연화 성질을 500℃ 이하의 온도에서 시험했다. 상기 시험 결과, 밸브 가이드용 표준 합금의 경도는 100℃의 온도에서 시작하여 195 HV50으로부터 150 HV50까지 유의적이고 연속적인 감소를 나타냈다. 소결 강의 경우에, 300℃보다 높은 관련 온도 범위에서 195 HV50으로부터 저수준인 130 HV50까지 급격한 경도의 감소가 일어나고, 온도의 상승에 따라 경도는 불연속적으로 증감 변동한다. 대조적으로, 합금 2는 약 10% 더 높은 경도(224 HV50)를 가지며, 350℃보다 높은 온도에서 약 170 HV50까지 저하된다. 실온에서 소결 강의 상기 경도는 약 450℃에서 도달된다. 표준 합금과 비교할 때, 합금 2의 경도는 항상 표준 합금의 경도보다 훨씬 높다. 대조적으로, 합금 1은 온도가 350℃까지 상승함에 따라 224 HV50으로부터 280 HV50으로 현저히 증가되는 경도를 가진다. 소결 강에 비해, 합금 1은 140 HV50 만큼 더 높은 경도를 가진다. 따라서, 합금 1의 최대 경도는 FSI 엔진에 서의 밸브 가이드의 작동 온도에 대응하는 온도에서 얻어진다. 통상적으로 사용되고 있는 재료에 비해 합금 1 및 합금 2의 경도가 더 높은 것은, 한편으로는 초기 경도가 더 높은 점, 다른 한편으로는 추가적인 경화 효과(hardening effect)에 기인한다.

전기 전도도는 열 전도도의 척도로 사용될 수 있고, 전기 전도도의 높은 값은 양호한 열 전도도를 나타낸다. 표준 합금의 전기 전도도는 11 m/Ω㎟이다. 합금 2는 7.5 m/Ω㎟로 양호한 전기 전도도를 가지며, 이것은 표준 합금에 비해 단지 약 1/4 만큼 낮은 값이다. 합금 1의 전기 전도도는 4.6 m/Ω㎟이다. 이것은 소결 강의 전기 전도도(3.1 m/Ω㎟)보다 약 48% 더 높은 전기 전도도, 또는 열 방산(heat dissipation)을 나타낸다. 따라서, 합금 1 및 합금 2의 열 방산은 소결 강에 비해 훨씬 양호하다.

윤활제를 사용하거나 불사용하여 마모성을 시험했다. 윤활제 사용 시, 소결 강은 가장 높은 내마모성(2500 km/g)을 가진다. 합금 1은 마찬가지로 양호한 1470 km/g의 내마모성을 가지며, 이것은 126 km/g인 표준 합금의 내마모성보다 10배 더 높은 값이다. 윤활제 사용시 합금 2의 내마모성은 표준 합금과 비슷한 수준의 크기이다(94 km/g).

그러나, 윤활제 불사용 시 내마모성에 관하여, 합금 1 및 합금 2는 소결 강 및 표준 합금에 비해 유의적 이점을 가진 것으로 밝혀졌다. 소결 강은 312 km/g의 내마모성을 가지며, 이것은 357 km/g인 표준 합금의 내마모성에 거의 대응한다. 합금 2의 건식 내마모성은 417 km/g으로서, 표준 합금 및 소결 강에 비해 현저히 양호하다. 다시 말하면, 마모가 현저히 더 낮다. 합금 1은 625 km/g로서 소결 강의 내마모성의 2배인 내마모성을 가진다. 건식 마찰 마모가 낮다는 점은 합금 1 및 합금 2에 특별히 관심을 끌게 하는데, 그것은 엔진에 의해 부과되는 연료의 더욱 높은 순도, 즉 납 또는 황의 부재에 대한 요구로 인해, "블로우 바이(blow by)"로 알려져 있는 마모 감소 효과, 즉 향후 첨가제 함유 수준이 감소될 연료 자체에 의해 제공되는 윤활이 존재하지 않는다.

고온 인장 강도는 350℃에서 인장 시험을 이용하여 판정되었다. 표준 합금의 고온 인장 강도는 180 N/㎟이다. 이에 비하여, 합금 1의 고온 인장 강도는 2배로 높다(384 N/㎟). 합금 2의 고온 인장 강도는 243 N/㎟로서, 표준 합금의 고온 인장 강도보다 약 35% 더 높다.

합금 1 및 합금 2는 바람직하게는, 반연속적 또는 완전 연속적 주조, 압출, 인발 및 교정(straightening)에 의해 제조될 수 있다.

합금 2 및 특히 합금 1은 종래에 밸브 가이드 합금으로서 사용된 표준 합금 및 소결 강에 비해 명백한 이점을 가진다. 이러한 이점들은 고온 인장 강도, 연화 온도, 강도 및 내마모성과 관련된다. 또한, 전도도도 충분하며, 결과적으로 합금 1 및 합금 2는, 새로운 세대의 엔진에서 사용되는 높은 가동 온도에서 재료에 부과되는 요구조건을 충족시키기 때문에, 밸브 가이드로서 사용되는 데 있어서 상당한 향상을 나타낸다.

표 1은 비교를 위해 표준 Cu-Zn 합금, 소결 강 합금, 합금 1 및 합금 2의 물성을 나타낸다.

[표 1]

성질	표준 합금	합금 1	합금 2
전기 전도도 (m/Ω㎟)	11	4.6	7.5
저온 성형(10%) 경도(HV50)	197	224	224
건조 내마모성 (km/g)	357	625	417
윤활제 사용시 내마모성(km/g)	126	1470	94
10% 저온 성형 연화 온도(℃)	310	480	430
350℃에서의 고온 인장 강도(N/㎟)	173	350	232

Claims

59～73 중량%의 구리, 2.7～8.3 중량%의 망간, 1.5～6 중량%의 알루미늄, 0.2～4 중량%의 실리콘, 0.2～3 중량%의 철, 0～2 중량%의 납, 0～2 중량%의 니켈, 0～0.2 중량%의 주석, 0~0.03 중량%의 인, 잔여량의 아연 및 불가피한 불순물을 포함하고, 면적분율이 60～85%에 달하는 α상(phase)을 포함하는 α 및 β 고용체 매트릭스로 구성된 것을 특징으로 하는, 밸브 가이드(valve guide)용 구리-아연 합금 조성물.
제1항에 있어서,

상기 합금이, 70～73 중량%의 구리, 6～8 중량%의 망간, 4～6 중량%의 알루미늄, 1～4 중량%의 실리콘, 1～3 중량%의 철, 0.5～1.5 중량%의 납, 0～0.2 중량%의 니켈, 0～0.2 중량%의 주석, 0~0.03 중량%의 인, 잔여량의 아연 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 구리-아연 합금 조성물.
제2항에 있어서,

상기 합금이, 69.5～71.5 중량%의 구리, 6.5～8 중량%의 망간, 4.5～6 중량%의 알루미늄, 1～2.5 중량%의 실리콘, 1～2.5 중량%의 철, 0.5～1.5 중량%의 납, 0～0.2 중량%의 니켈, 0～0.2 중량%의 주석, 0~0.03 중량%의 인, 잔여량의 아연 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 구리-아연 합금 조성물.
제1항에 있어서,

상기 합금이, 60～61.5 중량%의 구리, 3～4 중량%의 망간, 2～3 중량%의 알루미늄, 0.3～1 중량%의 실리콘, 0.2～1 중량%의 철, 0～0.5 중량%의 납, 0.3～1 중량%의 니켈, 0～0.2 중량%의 주석, 0~0.03 중량%의 인, 잔여량의 아연 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 구리-아연 합금 조성물.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 합금이, 크롬, 바나듐, 티타늄 또는 지르코늄 중 하나 이상의 원소를 0.1 중량% 이하의 양으로 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 구리-아연 합금 조성물.