KR940002688B1 - 내마모성이 우수한 고강도 고인성 Cu기 소결합금 - Google Patents

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Description

내마모성이 우수한 고강도 고인성 Cu기 소결합금

본 발명은, 내마모성이 우수하며, 고강도 및 고인성이고, 마찰계수로 평가되는 상대부재에 대한 동기 특성도 우수하며, 따라서, 이러한 특성들이 요구되는 변속기의 싱크로나이저링이나 엔진의 밸브 가이드, 또는 터보차아져용 베어링 등으로 사용하기에 적합한 Cu기 소결합금에 관한 것이다.

종래에는, 상기한 각종 부재의 제조에는, 중량%(이하 %는 중량%를 표시함)로 대표적으로 Cu 28%, Zn 6% 및 Al으로 조성되는 Cu기 소결합금을 사용하는 것이 제안되고 있다.

그런데, 상기한 종래의 Cu기 소결합금은 소결체이므로, 상대부재에 대한 동기 특성은 우수하지만, 충분한 내마모성, 강도 및 인성을 구비한 것은 아니며, 따라서 최근의 각종 기기의 소형화, 경량화 및 고출력화에 대응할 수 없고, 내마모성, 강도 및 인성이 더욱 우수한 Cu기 소결합금의 개발이 강하게 요망되고 있다.

그래서, 본 발명자들은 상술한 바와 같은 관점에서, 특히 상기한 종래의 Cu기 소결합금에 착안하여, 내마모성, 강도 및 인성이 더욱 우수한 Cu기 소결합금을 개발하고자 연구를 거듭한 결과, Zn : 10∼40%, Al : 0.3∼6%, Mn : 0.1∼5%, Si : 0.1∼3%, Fe, Ni 및 Co 중의 1종 또는 2종 이상 : 0.1∼5%, 산소 : 0.03∼1%을 함유하며, 필요에 따라서, Cr : 0.1∼3%를 함유하며, 나머지가 Cu와 불가피한 불순물로 조성되며, 소지(素地) 중에 산화 알루미늄(Al₂O₃)을 주체(主體)로 한 미세한 산화물 및 금속간 화합물이 균일하게 분산된 조직의 Cu기 소결합금은 내마모성, 강도 및 인성이 우수하여, 각종 기기의 소형화, 경량화 및 고출력화에 충분히 대응할 수 있는 구조부재의 제조에 적용할 수 있다는 것을 알게 되었다.

본 발명은 상기한 지식을 근거로 하여 이루어진 것으로, 본 발명의 Cu기 소결합금은 상기한 조성에 있어서, 소지 중에 입도(粒度)가 1∼40㎛인 Al₂O₃를 주체로 한 산화물이 0.5∼15%의 면적율로 균일하게 분산되고, 또, 마찬가지로, 입도가 1∼25㎛인 금속간 화합물이 1∼10%의 면적율로 균일하게 분산된 조직을 갖게 되고, 이들 산화물과 금속간 화합물에 의하여 내마모성이 현저하게 향상되며, 특히 산화물의 균일한 분산에 의하여 내소결성이 향상됨은 물론, 마찰면의 내열성이 향상되어, 고부하의 조건하에서도 우수한 내마모성을 나타내게 된다.

다음에, 본 발명의 Cu기 소결합금에서, 성분의 조성을 상기한 바와 같이 한정하는 이유를 설명한다.

(a) Zn

Zn 성분은 Cu 및 Al와 함께 소지를 형성하며, 합금의 강도 및 인성을 향상시키는 작용이 있는데, 그 함유량이 10% 미만이면 상기한 작용에 있어서의 필요로 하는 효과를 얻을 수 없고, 한편 그 함유량이 40%를 초과하면 상기한 작용에서의 열화현상이 나타나게 되므로, 그 함유량을 10∼40%로 한전하였다.

(b) Al

Al성분은 상기한 바와같이, Cu 및 Zn과 함께 강도와 인성이 높은 소지를 형성하는 외에, 산소와 결합하여 산화물을 형성하므로, 상온은 물론 고온의 조건하에서도 내마모성을 향상시키는 작용이 있는데, 그 함유량이 0.3% 미만이면 상기한 작용에 있어서의 필요로 하는 효과를 얻을 수 없고, 한편, 그 함유량이 6%을 초과하면 소지의 인성이 저하하므로, 그 함유량을 0.3∼6%로 한정하였다.

(c) Mn

Mn성분은 Si와 결합하여 소지 중에 미세하게 분산하는 금속간 화합물을 형성하여 내마모성을 향상시키며, 또, 일부가 소지에 고용하여 강도를 향상시키는 작용이 있는데, 그 함유량이 0.1% 미만이면 상기한 작용에 있어서의 필요로 하는 효과를 얻을 수 없고, 한편, 그 함유량이 5%를 초과하면 인성이 저하하므로 그 함유량을 0.1∼5%로 한정하였다.

(d) Si

Si성분은 상기한 바와 같이, Mn과 결합하여 미세한 금속간 화합물을 형성하는 외에, Al과 함께 미세한 복산화물을 형성하여 내마모성 특히, 고부하의 조건에서의 내마모성을 향상시키며, 또, 내소결성 및 마찰면의 내열성을 향상시키는 작용이 있는데, 그 함유량이 0.1% 미만이면 상기한 작용에 있어서의 필요로 하는 효과를 얻을 수 없고, 한편, 그 함유량이 3%를 초과하면 인성이 저하되므로, 그 함유량을 0.1∼3%로 한정하였다.

(e) Fe, Ni 및 Co

이들 성분은 소지 중에 분산하여 합금의 강도 및 인성을 향상시킴과 동시에, Cu 및 Al과 결합하며, 또, Cr을 함유하는 경우에는 이것과도 결합하여, 소지 중에 분산하는 미세한 금속간 화합물을 형성하여 내마모성을 향상시키는 작용이 있느데, 그 함유량이 0.1%미만이면 상기한 작용에서의 필요로 하는 효과를 얻을 수 없고, 한편 그 함유량이 5%를 초과하면 인성이 저하하므로, 그 함유량을 0.1∼5%로 한정하였다.

(f) 산소

산소는 상기한 바와같이, Al이나, Si, 또, Cr과 결합하여 소지중에 균일하게 분산하는 미세한 산화물을 형성하므로, 내마모성을 향상시키며, 특히 내소결성 및 내열성의 개선에 의하여 고부하 조건하에서의 내마모성을 향상시키는 작용이 있는데, 그 함유량이 0.03% 미만이면 산화물의 형성이 너무 적어서 필요로 하는 내마모성을 얻을 수 없고, 한편, 그 함유량이 1%를 초과하면 산화물의 입자지름이 40㎛을 넘어 조대화 할 뿐 아니라 면적율로 15%을 넘어 지나치게 많게 되어, 합금의 강도 및 인성이 저하되는 외에, 상대부재에 대한 잠식성이 증가하게 되므로, 그 함유량을 0.03∼1%로 한정하였다.

(g) Cr

Cr성분은 상기한 바와같이, 철족 금속과 결합하여 금속간 화합물을 형성하는 외에, 산화물을 형성하여, 내마모성을 더욱 향상시키는 작용이 있으므로 필요에 따라서 함유되는데, 그 함유량이 0.1% 미만이면 내마모성에서의 필요로 하는 향상효과를 얻을 수 없고, 한편, 그 함유량이 3%을 초과하면 인성이 저하되게 되므로, 그 함유량을 0.1∼3%로 한정하였다.

또, 본 발명의 Cu기 소결합금은 불가피한 불순물로 P. Mg및 Pb를 함유하는 경우가 있는데, 그 함유량의 합계가 1.5% 이하이면 합금의 특성이 하등 손상되지 않으므로, 그 정도의 함유량은 허용할 수 있다.

[실시예 ]

다음에, 본 발명의 Cu기 소결합금을 실시예에 따라 구체적으로 설명한다.

원료분말로, 입도가 모두 200메시 이하이며 표면산화층의 층두께를 조정하는것에 의해 O₂함유량을 각각 4%와 2%로 한 2종의 Cu-Al합금(Al : 50% 함유)분말, Cu분말, Zn분말, Al분말, Mn분말, Si분말, Fe분말, Ni분말, Co분말 및 Cr분말을 준비하고, 이들 원료분말을 각각 표 1에 표시된 비율로 조성하여 배합하며, 보올밀로 72시간 습식분쇄혼합하고, 건조시킨후, 4000∼6000kg/cm²의 소정의 압력에서 압분체로 프레스성형하고, 잠시 후에, 노점이 0∼-30℃인 H₂가스 분위기에서 800∼900℃의 소정의 온도를 1시간동안 지속하여 소결하며, 압괴하중 측정용으로 외경×내경×두께가 71mm×63mm×8mm인 시험편을, 마모시험용으로 폭×두께×길이가 10mm×10mm×40mm인 시험편을, 또, 마찰계수 측정용으로 외경×높이가 10mm×20mm인 시험편을, 각 성분의 조성이 모든 시험편에서 본 발명에 의한 성분의 조성과 동일하도록 한 본 발명의 Cu기 소결합금 1∼17, 비교예의 Cu기 소결합금 1∼7 및 종래예의 Cu기 소결합금을 각각 제조하였다.

또, 본 발명의 Cu기 소결합금 1∼17은 어느 것이든 미세한 산화물 및 금속간 화합물이 소지 중에 균일하게 분산하는 조직으로 되어 있다.

또,비교예의 Cu의 소결합금 1∼7은 어느 것이든 구성성분 중의 어느 한 성분의 함유량(표 1에서 ※표시를 한 것)이 본 발명의 범위에서 벗어난 것이다.

다음에, 이 결과 얻어진 각종 Cu기 소결합금에 대하여 강도 및 인성을 평가하는 목적으로 압괴하중을 측정하고, 또, 내마모성을 평가할 목적으로,

시편 형상 : 8mm×8mm×30mm

상대부재 : 재질이 S35C이며, 외경이 30mm, 폭이 5mm인 링,

오일 : 10W 엔진오일,

유온 : 85℃,

마찰속도 : 10m/sec,

최종하중 : 4kg,

미끄럼거리 : 1.5km의

조건으로 블럭 온 링 마모시험을 실시하여 비마모량을 측정하고, 또,상대부재에 대한 동기특성을평가하는 목적으로,

시편 형상 : 직경이 2.5mm인 핀,

상대부재 : S35C의 디스크,

오일 : 10W의 엔진오일,

유온 : 85℃,

마찰속도: 10m/sec,

압력 : 2kg,

미끄럼거리 : 1.5km의

조건으로 핀 마모시험을 실시하여 토오크메터로부터 마찰계수를 산출하였으며, 그 결과를 표 1에 표시하였다.

표 1에 표시된 결과로부터, 본 발명의 Cu기 소결합금 1∼17의 마찰계수는 모두 종래예의 Cu기 소결합금의 마찰계수와 동일하며, 이것은 상대부재에 대한 동기 특성이 우수하다는 것을 표시하는 것이며, 또, 종래예의 Cu기 소결합금과 비교하여 한층 우수한 내마모성, 강도 및 인성을 갖는 것에 대하여, 비교예의 Cu기 소결합금 1∼7에서 볼 수 있는 바와 같이, 구성성분 중의 어느 한 성분의 함유량이 본 발명의 범위에서 벗어나면 내마모성, 강도 및 인성중 적어도 어느 한 특성이 떨어진다는 것이 명백하다.

상술한 바와같이, 본 발명의 Cu기 소결합금은 내마모성, 강도 및 인성이 우수하며, 또, 상대부재에 대한 동기특성도 우수하기 때문에, 소형화 및 경량화, 그리고, 고출력화가 요구되는 각종 기기의 구조부재로서의 적용에 충분히 대응할 수 있는 재료이며, 또, 실제로 사용하는 경우에는 우수한 성능을 장기간동안 나타내는 등의 공업상 유용한 특성을 갖는 것이다.

Claims (2)

1. Zn : 10∼40%, Al : 0.3∼6%, Mn : 0.1∼5%, Si : 0.1∼3%, Fe, Ni 및 Co 중의 1종 또는 2종 이상 : 0.1∼5%, 산소 : 0.03∼1%을 함유하고, 나머지가 Cu와 불가피한 불순물로 조성되며(이상중량%), 소지중에 산화알루미늄을 주체로 한 미세한 산화물 및 금속간 화합물이 균일하게 분산된 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 고강도 고인성 Cu기 소결합금.
2. Zn : 10∼40%, Al : 0.3∼6%, Mn : 0.1∼5%, Si : 0.1∼3%, Fe, Ni 및 Co 중의 1종 또는 2종 이상 : 0.1∼5%, 산소 : 0.03∼1%를 함유하고, 또, Cr : 0.1∼3%를 함유하며, 나머지가 Cu와 불가피한 불순물로 조성되며(이상 중량%), 소지중에 산화알루미늄을 주체로 한 미세한 산화물 및 금속간 화합물이 균일하게 분산된 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 고강도 고인성 Cu기 소결합금.