KR100630499B1 - 메탈베어링용 알루미늄-주석계 복합재료의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 소재를 우선 제작하고자 하는 목적물로 형상화시킨 다음 그 알루미늄 형상을 300 ~ 800℃의 주석 용탕으로 용해·주조하는 것을 특징으로 하는 메탈베어링용 알루미늄-주석계 복합재료의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄-주석계 복합재료를 알루미늄의 형상제어를 통해 제조함으로서 소재의 기지를 강화하는 한편, 다량의 주석이 함유된 알루미늄-주석계 합금소재의 일반적인 용해 및 주조를 할 때 알루미늄 주위에 연속적인 필름형태로 생성되는 주석의 형태거동을 억제하고 소재의 용도에 따른 특별한 기계적 성질을 부여하기 위해 다양한 계열의 알루미늄 사용 및 주석의 함량을 조절할 수 있는 것이 특징인 메탈베어링용 알루미늄-주석계 복합재료의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은 알루미늄의 형상을 목적한 형태로 제작한 후 주석과 접합 가능 한 범위 내에서 주석용탕으로 용해·주조하는 방법을 사용함으로서 소재의 기지를 강하게 하는 한편, 다량의 주석이 함유된 알루미늄-주석계 합금소재의 일반적인 용해 및 주조를 할 때 알루미늄 주위에 연속적인 필름형태로 생성되는 주석의 형태거동을 억제하며, 또한 소재의 용도에 따른 특별한 기계적 성질을 부여하기 위해 모든 알루미늄 계열의 소재의 사용과 함께 주석의 함량을 조절할 수 있는 것이 장점이다.

메탈베어링, 알루미늄, 주석, 복합재료, 주석용탕, 용해, 주조

Description

메탈베어링용 알루미늄-주석계 복합재료의 제조 방법{Manufacturing of Al-Sn Composites for Metal Bearings}

도1은 알루미늄와이어(wire)의 직조된 형태를 도식적으로 나타낸 것이다.

도2a는 알루미늄와이어를 주석용탕으로 용해한 후 응고시켰을 때 표면의 미세조직을 주사 전자현미경(SEM) 이미지로 나타낸 것이다.

도2b는 도2a를 확대한 사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 알루미늄와이어

2 : 알루미늄와이어로 직조한 알루미늄의 내부공간

3 : 용융된 주석이 알루미늄기지를 침투한 부분

본 발명은 알루미늄 소재를 우선 제작하고자 하는 목적물로 형상화시킨 다음 그 알루미늄 형상을 300 ~ 800℃의 주석용탕으로 용해·주조하는 것을 특징으로 하는 메탈베어링용 알루미늄-주석계 복합재료의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄-주석계 복합재료를 알루미늄의 형상제어를 통해 제조함으로서 소재의 기지를 강화하는 한편, 다량의 주석이 함유된 알루미늄-주석계 합금소재의 일반적인 용해 및 주조를 할 때 알루미늄 주위에 연속적인 필름형태로 생성되는 주석의 형태거동을 억제하고 소재의 용도에 따른 특별한 기계적 성질을 부여하기 위해 다양한 계열의 알루미늄 사용 및 주석의 함량을 조절할 수 있는 것이 특징인 메탈베어링용 알루미늄-주석계 복합재료의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 엔진의 주요 부품으로 주로 사용되고 있는 메탈베어링은 연소압력과 크랭크기구의 복잡한 동역학적 하중을 받으면서, 마찰열이나 윤활유에 혼입된 이물질이 존재하여도 적절한 유막을 형성하여 회전축과 베어링이 접촉하지 않고 축의 하중을 지지함으로서 저어널과 베어링의 미끌림 운동이 계속되도록 하는 제품으로, 베어링 메탈은 그 사용 소재에 따라 납(Pb)계, 주석(Sn)계 또는 알루미늄(Al)계로 분류되고 있고 있다.

최근에는 메탈베어링의 소재로서 알루미늄에 주석을 적당량 첨가한 알루미늄-주석 합금계가 주로 사용되고 있으며, 이러한 알루미늄-주석계 합금베어링은 내피로성, 내식성, 내마모성이 주석 및 납계 화이트 메탈이나 동-납계 베어링보다도 우수한 성능을 유지하게 때문에 중, 대형엔진 등에 많이 사용 되고 있다. 특히 알루 미늄합금 베어링은 표면에 매우 치밀하고 안정된 피막을 형성하고 있어 내식성이 우수하며 동연합금(KM4)에 도금한 것보다 10배 이상 내식성이 크다.

그리고, 알루미늄은 열전도율이 일반 화이트 메탈보다 월등하여 엔진의 동작 중에 발생되는 열을 외부로 신속하게 방출시키는 장점이 있으며, 실리콘, 니켈, 마그네슘 및 철 등을 소량 첨가할 경우 기계적 특성은 더욱 우수해 진다.

따라서 상기와 같은 방법들을 개발한 기술로서 대한민국 등록특허공보 특1992-10879호에 주석, 동 등이 합금된 알루미늄 소재의 플레인 베어링에 관한 기술과 대한민국 등록특허공보 특0148501호에 피로강도와 순응성이 좋은 알루미늄-주석 합금층을 갖는 다층 미끄럼 베어링에 관한 기술이 알려져 있지만 상기와 같은 기술들은 알루미늄-주석계 베어링을 제조하기 위해서는 우선 알루미늄-주석계 합금판을 제작한 후, 압연과정 및 배면금속(back steel)과의 접합을 위한 클래딩(cladding)과정을 거쳐야 한다. 상기 과정 중에서도 특히, 알루미늄-주석계 합금판의 제작과정에 있어서, 종래에는 알루미늄 및 주석을 함께 도가니에서 용해 및 주조하는 방법을 사용하여 알루미늄-주석계 합금판을 제작하였다.

하지만, 상기와 같이 알루미늄 및 주석을 함께 도가니에서 용해 및 주조하는 방법을 사용하게 되면 알루미늄과 주석은 비중 차이가 크기 때문에 응고과정 중에 주석이 침강하는 중력편석현상이 심하게 발생하게 되어 재료의 손실 및 베어링의 특성저하를 초래하게 되는 문제점이 발생하게 된다. 한편, 주석의 함량이 많은 알루미늄-주석계 합금판을 종래의 용해법으로 제작할 경우를 살펴보면 알루미늄과 주석은 거의 고용되지 않는 성질을 나타내기 때문에 상기 합금의 용해 후 응고 시 알루미늄 주위에 연속적인 필름형태로 주석이 생성되며, 이는 소재의 내피로성 등의 기계적 성질을 저하시켜 우수한 알루미늄-주석계 합금판의 제조를 극히 까다롭게 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 방안으로, 알루미늄 소재를 우선 제작하고자 하는 목적물로 형상화시킨 다음 주석용탕으로 용해·주조하는 방법을 사용하여 알루미늄 소재의 기지를 강하게 하는 한편, 베어링용 알루미늄-주석계 합금소재의 용해 및 주조 시 알루미늄과 주석의 심한 비중차이 때문에 발생되는 편석현상을 완화하며, 다량의 주석이 함유된 알루미늄-주석계 합금소재의 일반적인 용해 및 주조를 할 때 알루미늄 주위에 연속적인 필름형태로 생성되는 주석의 형태거동을 억제하고, 소재의 용도에 따른 특별한 기계적 성질을 부여하기 위해 다양한 계열의 알루미늄 사용 및 주석의 함량을 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 메탈베어링용 알루미늄-주석계 복합재료의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고 본 발명은 알루미늄의 형상을 목적한 형태로 제작한 후 주석과 접합 가능한 범위 내에서 주석용탕으로 용해·주조하는 방법을 진공주조법, 가압주조법 및 반용융 주조법에 적용시켜 알루미늄-주석합금을 제작함으로서 특별한 원소의 첨가 없이도 알루미늄 주위에 연속적인 필름형태로 생성되는 주석의 형태거동을 억제하고 소재의 기계적 물성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 메탈베어링용 알루미늄-주석계 복합재료의 제조 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 알루미늄-주석계 베어링합금을 제조 할 때 가장 많이 사용되고 있는 연속주조법에 비해 낮은 온도에서 상기 목적으로 하는 합금화가 가능하며, 알루미늄과 주석이 접합 가능한 범위 내에서 용해한 후 응고 할 때 특별한 원소의 첨가 없이도 알루미늄 주위에 연속적인 필름형태로 생성되는 주석의 형태거동을 억제하는 것이 가능하기 때문에 압연 등의 소성가공에 따른 재료손실의 극소화 및 알루미늄-주석층과 배면금속(back steel)사이의 내부결함을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 메탈베어링용 알루미늄-주석계 복합재료의 제조 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 알루미늄 소재를 우선 제작하고자 하는 목적물로 형상화시킨 다음 그 알루미늄 형상을 300 ~ 800℃의 주석 용탕으로 용해·주조하는 것을 특징으로 하는 메탈베어링용 알루미늄-주석계 복합재료의 제조 방법에 관한 것이다.

상기에서 알루미늄 소재가 주석용탕에 의해 알루미늄-주석계 복합재료로 제조되어지는 과정은 다음과 같다.

ⅰ) 알루미늄 소재를 우선 제작하고자 하는 알루미늄 형상으로 형상화 시키는 단계(알루미늄 형상화 단계);

ⅱ) 상기 ⅰ)단계에서 형상화시킨 알루미늄 소재는 통상의 주조기 내에서 알루미늄 형상의 외부에 표출된 기공통로를 통하여 정해진 온도와 시간 범위 내에서 주석용탕을 주입시키는 단계(주석용탕 주입단계);

ⅲ) 주석용탕이 상기 ⅰ)단계에서 형상화시킨 알루미늄 소재의 기공 내부까지 도달하게 되고 알루미늄 소재는 정해진 온도와 시간 범위 내에서 기공주위에 있는 주석용탕에 의해 용해가 진행되기 시작하는 단계(알루미늄 용해단계);

를 거쳐 메탈베어링용 알루미늄-주석계 복합재료가 제조되어진다.

상기 ⅰ)단계에서 사용 가능한 형태의 알루미늄 소재로는 알루미늄 와이어로 직조한 형태의 알루미늄, 발포형태의 알루미늄 및 분말야금법으로 소결시킨 다공질 알루미늄 소결체 중에서 선택된 어느 한 가지를 사용하면 된다.

상기 ⅱ)단계 및 ⅲ)단계에서 알루미늄과 주석을 접합시키는 방법으로는 진공주조법, 가압주조법 및 반용융 주조법 중에서 선택된 어느 한 가지 방법을 사용하면 된다.

특히 상기 ⅱ)단계 및 ⅲ)단계에서 형상화된 알루미늄을 주석용탕으로 용해할 때 온도의 범위는 300 ~ 800℃로 하는 것이 좋다. 목적하는 바의 형상으로 제작된 알루미늄을 주석 용탕으로 용해할 때 용해온도가 300℃ 미만이 되면 알루미늄과 주석의 접합성이 떨어지기 때문에 우수한 복합재료 특성을 기대할 수 없으며, 온도가 800℃를 초과하게 되면 알루미늄이 급속하게 용해되어 알루미늄 주위에 연속적인 필름형태의 주석이 형성되어 내피로성 등의 기계적 특성이 저하되게 된다.

이때 상기 ⅱ)단계에서는 300℃ 부근의 낮은 온도구간에서 주석 용탕의 유동성이 상대적으로 나빠지기 때문에 알루미늄 성형품 내로 용탕을 주입하기 위하여 1분~3시간의 소요 시간이 필요하다. 그러나 주석 용탕 내에 알루미늄을 3시간 이상 유지할 경우 알루미늄 결정입계로 주석 용탕이 침투하여 알루미늄 성형품이 녹게 된다. 그리고 ⅲ)단계에서는 알루미늄 소재의 기공 내에 유입된 주석용탕에 의해 주석용탕과 접합 부분의 알루미늄이 충분히 용해될 수 있도록 하기 위해서는 1~60분의 소요 시간이 필요하다. 주석용탕의 유동성이 우수한 800℃부근의 고온부에서도 주석이 1분 이내에 응고가 되면 주석의 충진율이 낮아지고 주석과 알루미늄 계면의 접합력이 약해진다.

기존의 알루미늄-주석 베어링 합금은 주석의 함량이 40중량%이상에서는 입계편석된 주석에 의한 알루미늄 기지의 격리에 의해 기계적 강도가 급격히 저하되어 상용으로는 40중량%이상 합금을 하지 못하고 있다.

본 발명은 복합재료 구조를 이용하여 알루미늄-주석 베어링 합금의 강도를 저하 시키지 않고 주석을 최대 70중량%까지 합금이 가능하다. 현재 상용되고 있는 40중량%의 주석을 함유한 베어링 소재를 복합재료 대체할 경우 주석 함량이 동일할 경우 인장강도가 240 kg·f/cm²에서 373 kg·f/cm²로 증가되어 요구되는 소재 양을 30%이상 감소 시켜 기관의 경량화에 기여 할 수 있다. 그러나 주석 함량의 증가는 알루미늄 기지에 작용하는 재료 하중을 증가시켜 내구성을 저하시키므로 주석의 함량은 3~70중량%가 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 알루미늄 소재는 주석과의 접합이 가능한 조건의 범위 내에서 주석용탕에 용해·주조하되, 알루미늄-주석계 복합재료의 기계적 성질 및 용도에 따라 사용되는 알루미늄의 계열과 주석용탕의 양을 유효적절하게 변화시킬 수 있는 특징을 가지고 있다.

본 발명에서 기계적 성질 및 용도에 따라 모든 알루미늄 계열의 소재 중에서 한 가지 또는 그 이상을 선택하여 사용하는 것이 가능하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명에 따른 알루미늄 와이어의 직조된 형태를 도시한 개요도이다. 알루미늄 와이어를 직조할 경우, 우선 알루미늄와이어(1)를 만든 후 각각의 와이어를 3차원형태로 만들어 내부에 소정의 크기로 공간(2)이 형성될 수 있도록 제작하며 상기 형태로 제작된 알루미늄을 주석용탕으로 용해하면 주석용탕이 알루미늄 와이어의 표면부를 잠식하기 시작하며 시간이 경과됨에 따라 알루미늄은 주석과 함께 용해되고 주석은 알루미늄 내부방향으로 서서히 침투해 들어간다. 상술된 과정에 의해 알루미늄과 주석의 접합특성은 강화되고, 이러한 복합재료가 베어링 소재로 사용되면 베어링의 내피로성 등의 기계적 특성이 향상된다. 하지만 이러한 과정이 고온에서 장시간 지속되면 알루미늄 와이어가 용해되어 단절되고 용해된 알루미늄은 주석과 함께 용융상태로 서로 섞이게 되어 응고 시 알루미늄 주위에 연속적인 필름형태의 주석이 재료 전체에 생성되는 결과를 초래하여 재료는 내피로성 등의 기계적 특성을 소실하게 된다.

그리고 상기 실험에서 주석의 침투효과를 확인하기 위해 와이어 형태의 알루미늄을 주석 용탕에 삽입하는 실험을 행한 후 미세조직사진을 도2a 및 2b에 나타내었으며 상기 도면을 통해 주석이 알루미늄의 표면부에서 내부로 침투한 흔적을 관찰할 수 있다.

발포형태의 알루미늄은 알루미늄와이어를 직조한 형태의 알루미늄의 격자 내 부 에 존재하는 공간(2)에 상응하는 기공이 소정의 크기와 양으로 알루미늄 내부에 형성된 개포형 발포금속의 형태로 제작된 것이다. 일반적으로 발포형태의 금속은 기공이 존재하지 않는 금속에 비해 같은 부피에서 금속함유량이 작기 때문에 무게가 가벼우며, 큰 투과성을 나타낸다. 따라서 본 발명에서 제작한 발포형태의 알루미늄은 큰 투과성을 나타내며 이러한 형태의 알루미늄을 주석과 접합 가능한 범위 내에서 주석용탕으로 용해하면 우선 외부에 표출된 기공통로를 통해서 주석용탕이 주입되기 시작하여 결국 내부까지 도달하게 되고 알루미늄은 기공주위에 있는 주석용탕에 의해 용해가 진행되기 시작한다. 상술한 현상에 의해 알루미늄과 주석의 접합특성은 강화되고 복합재료로서 내피로성 등의 기계적 특성이 향상되어 우수한 알루미늄-주석계 복합재료를 제작할 수 있다.

알루미늄-주석계 복합재료를 하기의 조건으로 실시예는 본 발명의 제조방법에 따라 제조하였으며, 비교예는 종래의 방법에 따라 제조하여 그 물성을 측정한 결과는 다음 [표 1]과 같다.

[표 1]

구 분	실시예1)	실시예2)	비교예3)
경도(Hv)	7~12	5~11	17~27
인장강도(kg·f/cm2)	322	373	240

주 1) 발포 형태의 알루미늄 60중량%에 300℃의 주석용탕 40중량%를 주입시켜 3시간 유지 후 응고시킨 알루미늄-주석계 복합재료

2) 발포 형태의 알루미늄 60중량%에 800℃의 주석용탕 40중량%를 주입시켜 30분 유지 후 응고시킨 알루미늄-주석계 복합재료

3) 알루미늄 60중량%에 700℃의 온도에서 주석 40중량%를 용해하여 주조한 알루미늄-주석계 복합재료

상기 [표 1]을 살펴보면, 실시예는 발포 형태의 알루미늄 기공 통로를 통하여 주석용탕이 주입되면서 알루미늄 기공주위에 있는 주석용탕에 의해 알루미늄이 용해되기 때문에 알루미늄과 주석의 접합특성이 강화되어 복합재료로서 경도가 낮아져 내마모성과 인장강도 등의 기계적 특성이 비교예의 물성에 비해 우수함을 알 수 있다. 비교예의 물성이 실시예의 물성에 비해 떨어지는 이유는 알루미늄-주석 주조 합금은 응고시 알루미늄 입계로의 주석편석에 의해 알루미늄 기지조직이 약화되나 복합재료의 경우 미리 성형된 연속의 알루미늄 성형체로 인해 이러한 현상이 발생하지 않기 때문이다. 그리고 주석 용탕의 온도가 높아짐에 따라 유지 시간이 짧아짐에도 불구하고 용탕 유동성의 증가로 인해 주석 충진율이 높아져 인장강도가 향상되었다.

이상에서와 같이, 본 발명은 알루미늄의 형상을 목적한 형태로 제작한 후 주석과 접합 가능 한 범위 내에서 주석용탕으로 용해·주조하는 방법을 사용함으로서 소재의 기지를 강하게 하는 한편, 다량의 주석이 함유된 알루미늄-주석계 합금소재 의 일반적인 용해 및 주조를 할 때 알루미늄 주위에 연속적인 필름형태로 생성되는 주석의 형태거동을 억제하며, 또한 소재의 용도에 따른 특별한 기계적 성질을 부여하기 위해 모든 알루미늄 계열의 소재의 사용과 함께 주석의 함량을 조절할 수 있는 것이 장점이다.

Claims (7)

1. 메탈베어링용 알루미늄-주석계 복합재료의 제조방법에 있어서,

   ⅰ) 알루미늄 소재를 우선 와이어 형태로 직조한 알루미늄, 발포형태의 알루미늄 또는 분말야금법으로 소결시킨 다공질 알루미늄 소결체의 형상으로 형상화 시키는 단계(알루미늄 형상화 단계);

   ⅱ) 상기 ⅰ)단계에서 형상화시킨 알루미늄 소재는 통상의 주조기 내에서 상기 알루미늄 형상의 외부에 표출된 기공통로를 통하여 300~800℃의 온도에서 1분~3시간 동안 주석용탕을 주입시키는 단계(주석용탕 주입단계);

   ⅲ) 주석용탕이 상기 ⅰ)단계에서 형상화시킨 알루미늄 소재의 기공 내부까지 도달하게 되고 알루미늄 소재는 300~800℃의 온도에서 1분~3시간 동안 기공주위에 있는 주석용탕에 의해 용해가 진행되기 시작하는 단계(알루미늄 용해단계);를 거쳐 제조되어지고,

   상기 메탈베어링용 알루미늄-주석계 복합재료는 주석의 함량이 3~70중량%인 것을 특징으로 하는 메탈베어링용 알루미늄-주석계 복합재료의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 메탈베어링용 알루미늄-주석계 복합재료는 진공주조법, 가압주조법 및 반용융 주조법 중에서 선택된 어느 한 가지 방법을 사용하여 접합시키는 것을 특징으로 하는 메탈베어링용 알루미늄-주석계 복합재료의 제조방법.
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