KR19980080139A - 금속 다공체 및 경합금 복합부재 및 이들의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내마모성을 향상시킨 금속 다공체, 및 이러한 금속 다공체를 이용하여 그 성능을 향상시킨 경합금 복합부재, 및 이들을 제조하기 위한 유용한 방법을 제공한다.

연통기공을 가지는 금속 다공체로서, 그 금속 다공체 골격 내부에는, 금속의 물성을 향상할 수 있는 물성향상입자가 분산 또는 합금화된 것이다. 또 이러한 금속 다공체의 연통기공에, 경합금 용탕(溶湯)을 함침시킴으로써 내마모성에 뛰어난 경합금 복합부재가 얻어진다.

Description

금속 다공체 및 경합금 복합부재 및 이들의 제조방법

본 발명은, 알루미늄합금이나 마그네슘합금 등의 경합금을 기재로 하는 경합금 복합부재를 제조할 때에 강화재로써 이용하는 금속 다공체, 및 상기와 같은 경합금 복합부재, 및 이들을 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 금속이 본래 가지는 인성(靭性)을 저하시키는 일없이 내마모성을 향상시킨 금속 다공체, 및 이러한 금속 다공체를 이용하여 그 성능을 향상시킨 경합금 복합부재, 및 이들을 제조하기 위한 유용한 방법에 관한 것이다.

디젤엔진의 피스톤 등은, 열팽창이 작고, 내마모성에 뛰어난 고 규소 알루미늄합금(JIS AC8A 등)에 의해 제조되고 있지만, 예를 들면 피스톤 링 홈부에는 가스압에 대응하는 피스톤 링의 반복 하중이 작용하므로, 이들의 부분에 있어서는 상기한 고 규소 알루미늄합금으로는 내마모성이나 내구성의 점에서 불충분하여, 소재의 특성을 더욱 개선하는 것이 기대되고 있다.

본 발명자들도, 상기 경합금 복합부재나 그 경합금 복합부재의 예비 성형체로 이루어지는 금속 다공체에 관해서 전부터 검토하고 있으며, 그 연구의 일환으로서 연통기공을 가지는 금속 다공체를 강화재(예비 성형체)로 하여, 이것에 경합금 용탕을 함침시켜 제조하는 경합금 복합부재에 있어서, 금속 다공체와 함침 경합금의 경계에 금속간 화합물을 형성하여 경합금 복합부재의 특성을 향상시킨 기술에 관하여 먼저 제안하고 있다(특공평2-30790호, 동 3-30708호 등). 또 금속 다공체의 기공내에, 금속, 세라믹스, 카본 등의 분말을 충전하고, 이것에 경합금 용탕을 함침시킨 경합금 복합부재에 관해서도 제안하고 있다(특공평1-15347).

또한 상기와 같은 금속 다공체는 공극률이 커서 촉매담체나 전지용의 기판으로써 이용한 경우에는, 촉매나 활(活)물질의 충전율이 커진다는 이점이 있으므로, 이들의 용도에도 사용되고 있다.

이러한 금속 다공체 중, 기공률이 90%를 넘는 것을 제조하는 방법으로서, 발포수지에 금속을 도금하는 방법(도금법: 예를 들면 특개소57-174484호)이나, 발포수지의 시트 등에 금속 분말을 함유하는 슬러리를 함유시킨 후 소성(燒成)하여 발포수지를 소실시키고, 계속하여 이것을 소결(燒結)시킴으로써 금속 다공체로 하는 방법(슬러리법: 예를 들면 특개평5-339605호) 등이 알려져 있다.

그러나, 지금까지 제안되어 있는 경합금 복합부재로는, 약간의 해결해야 하는 문제가 남겨져 있다. 예를 들면 본 발명자들이 전에 제안한 특공평2-30790호나 동 3-30708호 등에 의한 경합금 복합부재로는, 그 내마모성은 강화재인 금속 다공체나 그 금속 다공체와 경합금 기재와의 계면에 형성되는 금속간 화합물의 단단함에 의존하고 있지만, 지금까지 얻어진 이들의 단단함은 마이크로 비커스 경도로 150∼700 정도이므로, 용도에 의해 내마모성이 부족할 경우가 있다. 특히, 상기한바와 같은 피스토 링 홈부의 소재로서 사용할 경우에는, 여전히 개선될 여지가 남아있다. 또 경합금 복합부재중의 금속 다공체의 체적률을 높임으로써 내마모성을 향상시키는 것도 고려되지만, 이 경우에는 기공률이 저하하게 되므로, 경합금 용탕을 함침시키는 압력을 30∼300kg/cm²정도로까지 높여 줄 필요가 있다.

한편, 특공평1-15347호에 개시한 기술에서는, 금속 다공체의 기공내에 금속, 세라믹스, 카본 등의 분말을 충전하는 것이므로, 이 충전 효과에 의해 내마모성이 한층 향상한다. 그러나, 이 기술에서는 금속 다공체의 기공내에 분말을 충전할 때에, 그 분말이 응집하기 쉬워, 건전한 복합부재를 얻기 위해서는, 경합금 용탕을 함침시키는 압력을 높여 줄 필요가 있다는 문제는 여전히 해소되지 않는다.

즉, 지금까지 제안되어 있는 기술로는, 경합금 복합부재의 내마모성을 향상시키는 수단으로서 금속 다공체 내에 세라믹스 등을 분산할 때에, 그 분말이 균일하게 분산함과 동시에, 경합금 용탕을 함침시킬 때의 압력을 할 수 있는 한 낮게 하는 것이 기대되고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 사정에 착안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 종래 기술에 있어서 문제가 발생하는 일없이 내마모성을 향상시킨 금속 다공체, 및 이러한 금속 다공체를 이용하여 그 성능을 향상시킨 경합금 복합부재, 및 이들을 제조하기 위한 유용한 방법을 제공하는 것에 있다.

도1은 Cr함유량과 금속 다공체의 경도(硬度)와의 관계를 도시하는 그래프,

도2는 TiO₂분말을 20체적% 혼합한 금속 다공체를 이용하였을 때의 알루미늄합금 복합부재에 있어서의 금속조직을 도시하는 도면대용 현미경사진,

도3은 TiO₂분말을 혼합하지 않은 금속 다공체를 이용하였을 때의 알루미늄합금 복합부재에 있어서의 금속조직을 도시하는 도면대용 현미경사진,

도4는 실시예1에서 얻어진 금속 다공체의 경도측정결과(TiO₂함유률과 경도의 관계)를 도시하는 그래프,

도5는 실시예1에서 얻어진 각 알루미늄합금 복합부재의 링 디스크 마모 시험결과를 도시하는 그래프,

도6은 실시예2에서 얻어진 금속 다공체의 경도측정결과를 도시하는 그래프,

도7은 실시예2에서 얻어진 각 알루미늄합금 복합부재의 링 디스크 마모 시험결과를 도시하는 그래프,

도8은 실시예3에서 이용한 링 형상 소실(燒失)성 발포부재의 형상을 도시하는 모식도,

도9는 실시예3에서 형성한 피스톤 링 홈 강화용 금속 다공체의 형상을 도시하는 모식도,

도10은 TiO₂분말을 20체적% 함유시킨 금속 다공체를 이용하여 얻어진 피스톤 소재에 있어서의 복합부의 금속조직을 도시하는 도면대용 현미경사진,

도11은 TiO₂입자를 함유시킨 금속 다공체를 이용하여 얻어진 피스톤 소재의 링 디스크 마모 시험결과를 도시하는 그래프,

도12는 SiC입자나 Al₂O₃입자를 함유시킨 금속 다공체를 이용하여 얻어진 피스톤 소재의 링 디스크 마모 시험결과를 도시하는 그래프이다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명의 금속 다공체는, 연통기공을 가지는 금속 다공체로서, 그 금속 다공체에 있어서의 골격구성 금속에는, 물성향상 분말이 분산 또는 합금화된 것인 점에 요지를 가지는 것이다. 또 본 발명의 금속 다공체로는, 골격구성 금속에는, 물성향상입자가 거의 균일하게 분산 또는 합금화된 것으로 할 수 있다. 또 상기 골격구성 금속으로서는, Ni, Fe 및 Cu로 이루어지는 군에서 선택되는 금속, 또는 / 및 Ni기 합금, Fe기 합금 및 Cu기 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 합금인 것이 바람직하다.

본 발명에서 이용하는 상기 물성향상입자로서는, 물성향상이라는 기능을 발휘하는 것이면, 상술한 바와 같이(특공평1-15347호), 금속, 세라믹스, 카본 중 어떤 하나의 입자라도 좋지만, 내마모성을 향상시킨다는 관점에서, 세라믹스입자나 상기 골격구성 금속과 합금화하는 금속 등이 바람직하여, 각각 단독 또는 병합하여 사용하면 좋다.

골격구성 금속과 합금화하는 금속을 물성향상입자로서 사용할 경우의 구체적 사용례로서는, 상기 골격구성 금속이 Ni 또는 / 및 Ni기 합금이며, 상기 물성향상입자가 Cr인 경우를 들 수 있고, 이들은 소결할 때에 합금화하게 된다. 또 이 경우의 Cr의 함유량은 금속 다공체에 대하여 25∼35중량%인 것이 바람직하다.

본 발명에서 물성향상입자로서 이용하는 세라믹스입자로서는, 물성 개선이라는 관점에서 SiC, SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Si₃N₄, AlNl, TiN 등이 바람직한 것으로 들 수 있고, 이들의 1종류 이상을 이용하면 좋다. 또 상기 물성향상입자로서 세라믹스 입자를 이용할 때의 함유량은, 금속 다공체에 대하여 5∼30체적%인 것이 바람직하다.

상기와 같은 금속 다공체에 있어서의 금속 골격간에 경합금을 함침시키므로써 내마모성에 뛰어난 경합금 복합부재를 얻을 수 있고, 이렇게 하여 얻어진 경합금 복합부재는 내연기관용 피스톤에 적용하는 것으로서 유용하다.

또 본 발명에 관한 금속 다공체의 제조방법에서는, 연통기공을 가지는 소실성 발포부재에, 골격구성 금속분말과 물성향상입자를 함유한 슬러리를 도착(塗着)하고, 그 슬러리 도착소실성 발포부재를 가열하여 상기 발포부재를 소실시킨 후, 이것을 소결함으로써, 골격구성 금속에 물성향상입자가 분산 또는 합금화한 금속 다공체를 제조하는 것이다.

또한, 상기한 경합금 복합부재는, 상기한 각종의 금속 다공체를, 주형 내에 보존시킨 후, 상기 주형 내에 경합금 용탕을 충전함과 동시에, 상기 금속 다공체의 연통기공 내에 경합금 용탕을 함침시켜 복합화함으로써 얻어진다.

한편, 본 발명 방법은, 금속 또는 금속을 주체로 하는 재료로 형성되며, 연통기공을 가지는 금속 다공체를, 주형 내에 보존시킨 후, 상기 주형내에 경합금 용탕을 충전하여 상기 금속 다공체의 연통기공 내에 경합금 용탕을 함침시켜 경합금 복합부재를 제조하는데 알맞으며, 상기 금속 다공체의 체적률이 5∼20%임과 동시에, 상기 경합금 용탕의 상기 함침압력을 0.15kg/cm²이상으로 하여 조업하는 점에도 요지를 가지는 것으로, 이러한 구성을 채용함으로써, 금속 다공체를 예비 성형체로서 이용하여 경합금 복합부재를 제조할 때에 경합금 용탕의 함침압력을 할 수 있는 만큼 저감할 수 있고, 게다가 경합금 복합부재의 내마모성을 향상시킬 수 있다.

본 발명자들은 상기 목적을 달성해야 하여, 여러 가지 각도에서 검토하였다. 그 결과, 금속 다공체의 골격구성 금속에 금속이나 경질의 세라믹스 입자를 분산시키도록 하면, 그 금속 다공체의 내마모성을 한층 향상시킬 수 있고, 이러한 금속 다공체를 강화재로서 경합금 복합부재를 구성하면, 종래보다도 내마모성을 보다 한층 향상한 경합금 복합부재가 얻어지는 것을 찾아내어, 본 발명을 완성했다.

또 본 발명의 금속 다공체로는, 후술하는 제조방법을 채용하면, 상기 물성향상입자는 골격구성 금속에 거의 균일하게 분산된 것으로 할 수 있다.

본 발명의 금속 다공체에 있어서, 상기 골격구성 금속으로서는, Ni, Fe 및 Cu로 이루어지는 군에서 선택되는 금속, 또는/ 및 Ni기 합금, Fe기 합금 및 Cu기 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 합금인 것이 바람직하고, 이들의 금속은 주조되는 경합금인 알루미늄합금 등과 합금을 형성하여 금속 다공체의 물성향상에 기여하게 된다. 또한 골격구성 금속의 성형형태로서는, 후술하는 슬러리조제할 때에 미리 합금화한 합금분말로서도 좋은 것은 물론, 2종류 이상의 금속의 분말을 혼합한 분말로 하여, 그후의 소결할 때에 합금화하도록 해도 좋다. 또 후자의 성형 형태는, 물성향상입자로서 금속을 이용하는 경우와 마찬가지인 성형형태로 된다.

상기와 같은 금속 다공체의 상기 연통기공 내에 경합금 용탕을 함침하고, 금속 다공체에 있어서의 금속 골격간에 경합금을 함침한 구성으로 함으로써, 내마모성에 뛰어난 경합금 복합부재를 얻을 수 있지만, 경합금 용탕을 함침할 때에는 금속 다공체의 연통기공 내에는 상기 종래와 같이 분말이 충전되어 있지 않은 상태이므로, 경합금 용탕의 함침은 비교적 낮은 압력으로 용이하게 달성할 수 있다.

본 발명에서 이용하는 물성향상입자로서는, 물성향상이라는 기능을 발휘하는 것이면, 상술한 바와 같이(특공평1-15347호), 금속, 세라믹스, 카본 중 어떤 하나의 입자라도 좋고 또 병용해도 좋지만, 내마모성을 향상시킨다는 관점에서, 세라믹스입자나 소결할 때에 상기 골격구성 금속과 합금화하는 금속 등을 이용하는 것이 바람직하다.

상기 물성향상입자로서 이용하는 금속으로서는, 소결할 때에 상기 골격구성 금속과 합금화하여 금속 다공체의 물성(내마모성)을 향상시키는 것이며, 그 종류는 특히 한정되지 않지만, 구체적 사용례로서는, 상기 골격구성 금속이 Ni 또는/ 및 Ni기 합금이며, 상기 물성향상입자가 Cr인 경우를 들 수 있고, 이 경우의 Cr의 함유량은 금속 다공체에 대하여 25∼35중량%인 것이 바람직하다.

도1은, Cr함유량(금속 다공체에 대한 비율)과 금속 다공체의 경도와의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 도면에서 명확한 바와 같이, Cr함유량의 증가에 따라서, 금속 다공체의 경도(내마모성)가 상승하지만, Cr함유량이 지나치게 많아지면 금속 다공체가 물러져, 강화재로서 사용하기 위한 프리 폼의 성형성(일반적으로는 프레스성형)이 저하한다. 또 복합부재의 강화재로서 요구되는 경도는 Hv로 200정도이다. 이러한 관점에서, Cr함유량이 바람직한 범위를 25∼35중량%로 하였다.

한편, 상기 물성향상입자로서 이용하는 세라믹스입자로서는, 예를 들면 Si, Al, Ti, Cr 등의 탄화물, 질소화물, 탄·질소화물, 산화물 외 V, Nb, Ta의 탄화물, 질소화물, 탄·질소화물 등, 이제까지 알려져 있는 여러 가지 고강도 내열세라믹스를 들 수 있지만, 이 중 내마모성을 향상시킨다는 관점에서, SiC, SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Si₃N₄, AlN, TiN 등의 세라믹스입자가 바람직하고, 이들의 1종류 이상을 이용함으로써 상기의 효과가 유효하게 발휘된다. 또 상기 물성향상입자로서 세라믹스 입자를 이용할 때의 그 세라믹스의 함유량은, 금속 다공체에 대하여 5∼30체적%인 것이 바람직하다. 이것은, 5체적% 미만이면 세라믹스 입자를 첨가할 효과가 발휘되지 않고, 30체적%를 넘으면 금속 분말끼리의 결함부분이 적게 되어, 금속 다공체 자체의 강도가 저하하기 때문이다.

또한 상기 물성향상입자로서, 골격구성 금속에 대하여 합금화하지 않는 금속을 이용할 경우의 함유량은, 세라믹스입자를 이용할 경우와 마찬가지로 금속 다공체에 대해서 5∼30체적%인 것이 바람직하다.

상기와 같은 금속 다공체에 있어서의 금속 골격간에 경합금을 함침함으로써, 내마모성에 뛰어난 경합금 복합부재를 얻을 수 있고, 이렇게 하여 얻어진 경합금 복합부재는 내연기관용 피스톤에 적용하는 것으로서 유용하다.

다음에, 상기와 같은 금속 다공체를 제조하는 방법에 관하여 설명한다. 이 방법은 기본적으로 상기한 슬러리법을 응용한 것이지만, 본 발명 방법에 있어서는, Ni, Fe 및 Cu로 이루어지는 군에서 선택되는 금속, 또는/ 및 Ni기 합금, Fe기 합금 및 Cu기 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 합금 등의 골격구성 금속분말과, SiC, SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Si₃N₄, AlN, TiN 등의 세라믹스입자나 Cr 등의 합금화 금속분말 등의 물성향상입자를 미리 혼합하고, 이것을 용매 중에 첨가하여 슬러리를 조제한다. 이 때 이용하는 용매로서는, 예를 들면 수용성 페놀수지를 들 수 있지만, 슬러리를 조제하기 위한 용매로서 기능하는 것이면 다른 것을 이용해도 된다.

계속해서, 연통기공을 가지는 소실성 발포부재를, 상기 슬러리에 함침시켜 상기 소실성 발포부재의 전면에 걸쳐 슬러리를 함침시킨다. 이 공정에 의해, 상기 소실성 발포부재의 전 골격표면에는, 금속분말과 세라믹스 입자를 함유한 슬러리가 도착되게 된다. 또한 이 때 이용하는 소실성 발포부재의 소재로서는, 가열에 의해 소실하는 것이면 어떠한 것이라도 되지만, 가장 대표적인 것으로서 폴리우레탄수지를 들 수 있으며, 이 수지를 이용함으로써, 연통기공을 가지는 소실성 발포부재의 성형 및 그 후의 가열에 의한 소실을 용이하게 행할 수 있다.

마지막으로, 상기에서 얻어진 슬러리 도착소실성 발포부재를 가열하여 상기 발포부재를 소실시킨 후, 이것을 소결함으로써, 골격구성 금속에 세라믹스 입자 등의 물성향상입자가 분산한 금속 다공체를 제조할 수 있다. 또 소실성 발포부재를 소실시킨 후는, 소결전의 금속 다공체 중에는 소량의 불순물(예를 들면, 카본 등)이 잔존한 상태라도 된다.

또한 상기한 경합금 복합부재를 제조하기 위한 구체적인 순서로서는, 상기한 바와 같은 금속 다공체를, 주형 내에 보존시킨 후, 상기 주형 내에 경합금 용탕을 충전함과 동시에, 상기 금속 다공체의 연통기공 내에 경합금 용탕을 함침시켜 복합화하면 된다.

그런데 본 발명자들은, 금속 다공체를 예비 성형체로서 이용하여 경합금 복합부재를 제조할 때에, 경합금 용탕의 함침압력을 할 수 있는 한 저감함과 동시에, 얻어지는 경합금 복합부재의 내마모성을 향상시키기 위한 구체적인 수단에 관해서도 검토하였다. 그 결과, 금속 또는 금속을 주체로 하는 재료로 성형되어, 연통기공을 가지는 금속 다공체를, 주형 내에 보존시킨 후, 상기 주형 내에 경합금 용탕을 충전하여 상기 금속 다공체의 연통기공 내에 경합금 용탕을 함침시켜 경합금 복합부재를 제조할 즈음해서, 금속 다공체의 체적률(즉, 「기공률」)을 적절한 범위로 설정해 주면, 경합금 용탕 합침 압력을 할 수 있는 한 낮게 해도, 희망하는 특성을 발휘하는 경합금 복합부재가 얻어지는 것을 발견했다. 다음에, 이 방법에 관하여 설명한다.

이 방법에서는, 이용하는 금속 다공체의 체적률을 5∼20%로 설정할 필요가 있는데, 이 체적률이 5% 미만이면 금속 다공체를 복합화하는 것에 의한 물성향상 효과가 발휘되지 않는다. 또 체적률이 20%를 넘으면, 최저한 필요로 되는 용탕 함침압력이 높아져, 이 발명에서 규정하는 용탕 함침압력으로는 그 목적이 달성되지 않는다.

또 이 발명에서는, 함침압력을 0.15kg/cm²이상으로 설정할 필요가 있는데, 이 것은 함침압력을 0.15kg/cm²까지 저감할 수 있는 것을 의미한다. 또한 「0.15kg/cm²이상」이란, 대기압보다도 0.15kg/cm²이상 높은 압력(소위 「게이지압」)인 것을 의미하고 있다. 또한 상기 함침압력의 상한에 관해서는, 특히 한정되는 것은 없지만, 10kg/cm²정도가 적당하며, 이보다 높으면, 함침압력이 지나치게 높아진다는 종래의 문제가 혼재화하게 된다.

이 방법에서 이용하는 금속 다공체는, 기본적으로는 상기한 슬러리법을 적용하여 제조한 것을 사용하면 되지만, 상기한 본 발명에 관한 금속 다공체를 이용하면 금속 다공체의 내마모성이 뛰어나므로, 그 결과 얻어지는 경합금 복합부재의 내마모성을 향상시키는 점에서 매우 효과적이다.

이하 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 한정하는 성질의 것은 아니고, 전·후기의 취지에 따라 설계 변경하는 것은 어느 것도 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것이다.

실시예1

평균 입경(粒徑)이 4μm의 순 Ni분말에 평균 입경이 0.5μm의 TiO₂분말을 0∼40체적%로 되도록 혼합하고, 이 혼합분말에 수용성 페놀수지를 용매로서 이용하여, Ni분말과 TiO₂분말을 함유하는 슬러리를 조제했다.

다음에, 30ppi(1인치 당 개구수가 30)의 폴리우레탄 발포수지를 상기 슬러리에 함침하여 폴리우레탄 발포수지에 슬러리를 도착하고, 계속해서 건조한 후 소성함으로써 폴리우레탄 발포수지를 소실시켜, Ni분말을 소결하여 형성된 금속 골격에 TiO₂를 거의 균일하게 분산시킨 Ni기 금속 다공체를 제작했다. 이렇게 얻어진 금속 다공체의 기공률은 6%였다.

얻어진 금속 다공체에, 알루미늄합금 용탕(JIS AC8A 용탕)을 함침하고, 알루미늄합금 복합부재로 했다. 도2는 TiO₂분말을 20체적% 혼합한 금속 다공체를 이용한 때의 알루미늄합금 복합부재에 있어서의 금속조직을 도시하는 도면대용 현미경사진이며, 도3은 TiO₂분말을 혼합하지 않았던 금속 다공체를 이용한 때의 알루미늄합금 복합부재에 있어서의 금속조직을 도시하는 도면대용 현미경사진이다. 이 결과에서 명확한 바와 같이, 본 발명의 알루미늄합금 복합부재에서는, TiO₂분말이 거의 균일하게 분산하고 있는 것을 알 수 있다.

상기에서 얻어진 금속 다공체의 경도 측정결과(TiO₂함유률과 경도의 관계)를 도4에 도시하지만, 금속 다공체의 경도는 TiO₂함유률과 함께 상승하고 있으며, 세라믹스 입자의 첨가에 의한 경도 개선효과가 발휘되는 것을 알 수 있다. 또 TiO₂함유률이 30체적%인 때에 최대의 경도가 얻어지고, 그 이상 첨가해도 경도는 오히려 저하하는 것을 알 수 있다. 이것은, 세라믹스입자의 첨가률이 과잉으로 되면, 금속 다공체 중의 금속이 점하는 비율이 적어져, 금속 다공체가 물러지기 때문이다.

다음에, 상기에서 얻어진 각 알루미늄합금 복합부재에 관해서, 윤활하의 링 디스크 마모 시험에 의해 그 내마모성을 평가했다. 그 결과를 도5에 도시한다. 또한 이때의 시험조건은 하기대로이다.

(링 디스크 마모 시험조건)

링 재질 : SCr420(HRc45)

면압 : 10MPa

윤활유 온도 : 373K

접동 속도 : 0.5m/s

접동 거리 : 5000m

이 결과에서 명확한 바와 같이, TiO₂를 소정량 함유한 알루미늄합금 복합부재의 내마모성은, Ni 단독의 금속 다공체를 이용한 알루미늄합금 복합부재의 내마모성과 비교하여 현격하게 향상하고 있는 것을 알 수 있다. 또 세라믹스 입자의 함유량이 40체적%인 것에서는, Ni분말끼리의 소결부분이 적게 되어 있으며, 소결체(금속 다공체)가 물러지므로 내마모성에 있어서도 저하하고 있으며, 특히 세라믹스 입자의 탈락에 의해 마모가 조장되는 것이라고 생각된다.

실시예2

평균 입경이 4μm인 Fe기 분말(Fe-1.0%Cr-0.7%Mo-0.5%C)에, 평균 입경이 1μm인 SiC분말(15체적%) 또는 Al₂O₃분말(25체적%)을 혼합하고, 이들의 혼합분말에 수용성 페놀수지를 용매로서 이용하여, Fe기 분말과 SiC분말 또는 Al₂O₃분말을 함유하는 슬러리를 조제했다.

다음에, 30ppi(1인치 당의 개구수가 30)의 폴리우레탄 발포수지를 상기 슬러리에 함침하여 폴리우레탄 발포수지에 슬러리를 도착하고, 계속해서 건조한 후 소성함으로써 폴리우레탄 발포수지를 소실시키고, Fe기 분말을 소결하여 형성된 골격내에 SiC분말 또는 Al₂O₃분말을 균일하게 분산시킨 Fe기 금속 다공체를 제작했다. 이때 얻어진 금속 다공체의 기공률은 6%였다.

상기에서 얻어진 금속 다공체의 경도를 측정함과 동시에, 그 금속 다공체에 알루미늄합금(JIS AC8A)을 충전한 알루미늄합금 복합부재의 내마모성에 관하여 실시예1과 같은 조건으로 측정하였다.

금속 다공체의 경도측정결과를 도6에, 알루미늄합금 복합부재의 내마모성을 도7에, Fe기 합금만의 금속 다공체의 측정결과를 함께 각각 도시하지만, 세라믹스입자의 첨가 효과가 발휘되어 있는 것을 알 수 있다.

실시예3

평균 입경이 4μm인 순 Ni분말과 평균 입경이 15μm인 Cr분말의 혼합분말(Ni:Cr의 중량비=70:30)에, 평균 입경이 15μm의 TiO₂분말을 0∼40체적%로 되도록 혼합하고, 이 혼합분말에 수용성 페놀수지를 용매로서 이용하여, Ni분말, Cr분말 및 TiO₂분말을 함유하는 슬러리를 조제했다.

다음에, 도8(모식도)에 도시하는 바와 같은 링 형상의 소실성 발포부재(폴리우레탄 발포수지성)를 준비하여, 이것을 슬러리에 함침시키고, 그 소실성 발포부재의 전 골격표면에, 금속분말(Ni분말과 Cr분말)과 세라믹스 입자를 함유하는 슬러리를 도착시켰다.

이것을 건조한 후, 암모니아분해가스와 탄산가스의 혼합분위기 중에서 800℃로 가열하여, 상기 소실성 발포부재를 탄화 소실시켰다. 다음에, 환원성 분위기 중에서 1100℃로 가열하여 소결시켰다. 이것에 의해, Ni과 Cr이 합금화됨과 동시에, 그 합금에 의해 구성되는 금속 골격에 TiO₂입자가 분산한 금속 다공체를 제작했다.

다음에, 상기에서 얻어진 금속 다공체를, 최종형상으로 부착형성하기 위한 프레스형에 삽입하고, 상하방향으로 가압하여 도9(모식도)에 도시하는 소정 형상의 피스톤 링 홈 강화용 다공성 예비 성형체로 했다. 또한 상기 다공성 예비 성형체의 최종적인 체적률은 13%(즉, 기공률:87%)로 했다.

상기에서 얻어진 피스톤 링 홈 강화용 다공성 예비 성형체를, 피스톤 주형 금형 내의 링 홈의 소정 위치에 배치한 후, 금형 내에 알루미늄합금(JIS AC8A)을 주입 용탕하여, 용탕에 1.5kg/cm²의 압력을 가하고, 금속 다공체의 내부에 용탕을 함침하여 링 홈부를 금속 다공체로 복합 강화한 피스톤 소재를 얻었다.

TiO₂입자를 20체적% 함유한 금속 다공체를 이용하여 얻어진 피스톤 소재(경합금 복합재료)에 있어서의 복합부의 금속조직을 도10(도면대용 현미경사진)에 도시하지만, 매트릭스인 알루미늄합금에 금속 다공체가 복합화되어 있고, 또한 금속 다공체의 골격 금속 내에 TiO₂입자가 균일하게 분산하고 있는 것을 알 수 있다. 또한 금속 다공체의 단단함은, Ni과 Cr만의 혼합분말(Ni-30%Cr)을 사용한 경우에는, 마이크로 비커스 경도로 약 210이었지만, TiO₂입자를 20체적% 함유시킨 것에서는 약 270으로 되어 있었다.

다음에, 상기에서 얻어진 알루미늄합금 복합부재에 관하여, 피스톤 링과의 마모시험(링 디스크 마모시험)에 의해 그 내마모성을 평가하였다. 그 결과를, 종래의 고 규소 알루미늄합금(AC8A)을 이용한 경우와 함께 도11에 도시한다. 또한 이때의 시험조건은 실시예1의 경우와 같다.

이 결과에서 명확한 바와 같이, Cr을 합금화한 것이나, 이것에 또한 TiO₂을 소정량 함유한 알루미늄합금 복합부재의 내마모성은, Ni단독의 금속 다공체를 이용한 알루미늄합금 복합부재의 내마모성에 비하여 현격하게 향상하고 있는 것을 알 수 있다.

또 TiO₂입자를 이용하는 대신에, SiC입자나 Al₂O₃입자를 함유·분산(함유량:20체적%)시킨 금속 다공체를 제작하고, 이것을 이용하여 상기와 마찬가지로 하여 피스톤소재(알루미늄합금 복합부재)를 제작하여, 상기와 같은 조건에서 링 디스크 마모시험으로 행하였다. 그 결과를 도12에 도시하지만, SiC입자나 Al₂O₃입자를 함유·분산시켜도, 내마모성이 향상하여 있는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 이상과 같이 구성되어 있으며, 종래 기술에 있어서의 문제가 발생하는 일없이 내마모성을 향상시킨 금속 다공체, 및 이러한 금속 다공체를 이용하여 그 성능을 향상시킨 경합금 복합부재, 및 이들을 제조하기 위한 유용한 방법을 실현할 수 있었다. 특히, 본 발명의 경합금 복합부재는 종래의 것보다도 내마모성이 뛰어난 것으로 되어, 예를 들면 상술한 피스톤 링 홈부의 소재로서 유용하다.

Claims (20)

1. 연통기공을 가지는 금속 다공체로서, 그 금속 다공체에 있어서의 골격구성 금속에는, 물성향상입자가 분산 또는 합금화된 것을 특징으로 하는 금속 다공체.
2. 제1항에 있어서, 상기 골격구성 금속에는, 물성향상입자가 거의 균일하게 분산 또는 합금화된 것을 특징으로 하는 금속 다공체.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 골격구성 금속은, Ni, Fe 및 Cu로 이루어지는 군에서 선택되는 금속, 또는/및 Ni기 합금, Fe기 합금 및 Cu기 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 합금인 것을 특징으로 하는 금속 다공체.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 물성향상입자는, 상기 골격구성 금속과 합금화하는 금속, 및/또는 세라믹스입자인 것을 특징으로 하는 금속 다공체.
5. 제3항에 있어서, 상기 골격구성 금속이 Ni 또는 / 및 Ni기 합금이며, 상기 물성향상입자가 Cr인 것을 특징으로 하는 금속 다공체.
6. 제5항에 있어서, Cr의 함유량은 금속 다공체에 대하여 25∼35중량%인 것을 특징으로 하는 금속 다공체.
7. 제4항에 있어서, 상기 세라믹스입자는, SiC, SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Si₃N₄, AlN 및 TiN으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종류 이상인 것을 특징으로 하는 금속 다공체.
8. 제4항에 있어서, 상기 세라믹스입자의 함유량은 금속 다공체에 대하여 5∼30체적%인 것을 특징으로 하는 금속 다공체.
9. 제1항 내지 제8항의 어느 한 항에 기재한 금속 다공체에 있어서의 금속 골격간에 경합금이 함침된 것을 특징으로 하는 경합금 복합부재.
10. 제9항에 있어서, 내연기관용 피스톤에 적용되는 것임을 특징으로 하는 경합금 복합부재.
11. 제1항 내지 제8항의 어느 한 항에 기재된 금속 다공체를 제조함에 있어, 연통기공을 가지는 소실성 발포부재에, 골격구성 금속 분말과 물성향상입자를 함유한 슬러리를 도착하고, 그 슬러리도착 소실성 발포부재를 가열하여 상기 발포부재를 소실시킨 후, 이것을 소결함으로써, 골격구성 금속에 물성향상입자가 분산 또는 합금화한 금속 다공체를 제조하는 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 제조방법.
12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재한 금속 다공체를, 주형 내에 보존시킨 후, 상기 주형 내에 경합금 용탕을 충전함과 동시에, 상기 금속 다공체의 연통기공 내에 경합금 용탕을 함침시켜 복합화하는 것을 특징으로 하는 제9항 또는 제10항에 기재된 경합금 복합부재의 제조방법.
13. 금속 또는 금속을 주체로 하는 재료로 형성되며, 연통기공을 가지는 금속 다공체를, 주형 내에 보존시킨 후, 상기 주형 내에 경합금 용탕을 충전하여 상기 금속 다공체의 연통기공 내에 경합금 용탕을 함침시켜 경합금 복합부재를 제조함에 있어, 상기 금속 다공체의 체적률을 5∼20%로 함과 동시에, 상기 경합금 용탕의 상기 함침압력을 0.15kg/cm²이상으로 하여 조업하는 것을 특징으로 하는 경합금 복합부재의 제조방법.
14. 제3항에 있어서, 상기 물성향상입자는, 상기 골격구성 금속과 합금화하는 금속, 및/또는 세라믹스입자인 것을 특징으로 하는 금속 다공체.
15. 제4항에 있어서, 상기 골격구성 금속이 Ni 또는 / 및 Ni기 합금이며, 상기 물성향상입자가 Cr인 것을 특징으로 하는 금속 다공체.
16. 제5항에 있어서, 상기 세라믹스입자는, SiC, SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Si₃N₄, AlN 및 TiN으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종류 이상인 것을 특징으로 하는 금속 다공체.
17. 제6항에 있어서, 상기 세라믹스입자는, SiC, SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Si₃N₄, AlN 및 TiN으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종류 이상인 것을 특징으로 하는 금속 다공체.
18. 제5항에 있어서, 상기 세라믹스입자의 함유량은 금속 다공체에 대하여 5∼30체적%인 것을 특징으로 하는 금속 다공체.
19. 제6항에 있어서, 상기 세라믹스입자의 함유량은 금속 다공체에 대하여 5∼30체적%인 것을 특징으로 하는 금속 다공체.
20. 제7항에 있어서, 상기 세라믹스입자의 함유량은 금속 다공체에 대하여 5∼30체적%인 것을 특징으로 하는 금속 다공체.