KR0148501B1 - 피로강도와 순응성이 좋은 알루미늄-주석 합금층을 갖는 다층 미끄럼 베어링 - Google Patents

Abstract

상대 미끄럼 접촉부재에 대한 양호한 순응성과 고피로강도를 갖는 알루미늄-주석 베어링 합금, 지지강철판 및 다른 알루미늄 합금으로 된 중간접착층을 구비하며, 상기 알루미늄-주석 베어링 합금은 7~20중량%의 주석과, 나머지 알루미늄 및 불가피한 불순물을 포함하고, 50~80Hv의 경도를 갖는 다층 미끄럼 베어링이 제공된다. 상기 알루미늄 합금으로 된 중간접착층은 1.7중량% 이하의 망간, 1.2중량% 이하의 구리 또는 1.8중량% 이하의 마그네슘 중 적어도 하나와, 나머지 알루미늄 및 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 알루미늄-주석 베어링 합금에 대한 상기 알루미늄 합금으로 된 중간접착층의 비커스 경도(Hv)비가 70% 이상 90%를 넘지 않는다.

Description

피로강도와 순응성이 좋은 알루미늄-주석 합금층을 갖는 다층 미끄럼 베어링

제1도는 베어링 피로시험 1의 결과를 보여주는 그래프.

제2도는 베어링 피로시험 2의 결과를 보여주는 그래프.

본 발명의 분야는 알루미늄 합금층을 갖는 다층 미끄럼 베어링에 관한 것으로서, 특히 자동차 및 일반 산업기계들의 고출력 엔진에 사용하기 위하여 상대 미끄럼 접촉부재에 대한 순응성 및 피로강도가 우수한 다층 미끄럼 베어링에 관한 것이다.

이러한 형태의 종래의 알루미늄 합금 베어링으로서는 JP-B2-62-14024와 JP-A-3-168411에 개시된 베어링을 예로 들 수 있다. 전자에 개시된 베어링은 알루미늄-주석(Al-Sn) 합금으로 주로 구성되는 베어링 합금과, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되는 저경도의 중간접착층을 통하여 상기 베어링 합금과 결합되는 지지금속판(층)을 구비한다. 후자에 개시된 베어링은 고경도의 지지금속판(층)과 알루미늄 합금을 구비하며, 이들 사이에는 약간 더 높은 경도를 갖는 중간접착층이 삽입되어 피로강도가 향상되도록 하였다.

그러나, 엔진의 중량감소 및 성능향상과 같은 수요자의 최근의 요구들을 생각하면, 상기에서 언급된 베어링 구조에 의해 제공된 피로강도는 충분치 못한 것이다. 중간접착층으로서 알루미늄 합금을 사용하는 방법이외에도, 지지 강철판(층)상의 중간접착층에 니켈을 도포하는(nickel plating) 방법이 잘 알려져 있다. 이러한 기존의 베어링은 미끄럼 베어링에서 중요한 특성인 순응성과 내소착특성(anti-seizure property)이 우수하다. 그러나 최근에 내연기관의 속도증가 및 출력증진과 더불어 베어링에 가해지는 부하도 증가하여, 특히 중간접착층이 피로하게 되어 균일되는 문제를 초래하게 되었다. 더구나 니켈 도포는 베어링의 완충성에 있어서 바람직하지 못할 뿐더러 순응성의 면에서도 거의 만족스럽지 못하다.

이러한 기술적인 배경을 고려하여, 본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 해소하며, 상대 미끄럼 접촉 부재에 대한 순응성 및 피로강도가 우수한 다층 미끄럼 베어링을 제공하기 위한 것이다.

상기 목적은 이하에서 언급되는 다층 미끄럼 베어링을 제공함으로써 달성된다.

이러한 다층 미끄럼 베어링은, 상대 미끄럼 접촉 부재에 대한 순응성이 양호하며 피로강도가 높은 알루미늄-주석(Al-Sn) 베어링 합금층과, 다른 알루미늄 합금으로 된 중간접착층 및 지지강철판을 구비하며, 상기 Al-Sn 합금은 중량 퍼센트로서 7~20%의 주석, 4% 이하의 실리콘과 나머지 알루미늄 및 불가피한 불순물을 포함하며, 50~80Hv 의 경도를 가진다.

상기 알루미늄 합금으로 된 중간접착층은 중량으로 따져 1.7% 이하의 망간, 1.2% 이하의 구리 또는 1.8% 이하의 마그네슘 중 적어도 하나의 성분과, 나머지 알루미늄 및 불가피한 불순물을 포함하며, 알루미늄-주석 베어링 합금의 경도에 대한 알루미늄 합금으로 된 상기 중간접착층의 경도비(hardness rate)가 70% 이상 90% 이하의 비커스 경도(Vickers hardness)를 갖는다.

상기 알루미늄-주석 합금은 두가지 종류로 분류할 수 있다. 즉, 하나는 실리콘을 함유하며(0Si≤4%), 다른 하나는 실리콘을 함유하지 않는다(Si=0%).

알루미늄, 주석 및 실리콘에 부가하여, 상기 알루미늄-주석 베어링 합금은 부가적인 성분으로서 망간(Mn), 마그네슘(Mg), 바나듐(V), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 질코늄(Zr), 붕소(B)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소와, 0.2~5%의 구리(Cu), 0.1~3% 납(Pb), 0.1~3% 안티몬(Sb) 및 0.01~1% 티타늄(Ti)을 더 포함할 수 있다.

망간, 구리, 마그네슘 중 적어도 하나 및 알루미늄에 부가하여, 중간접착층인 상기 알루미늄 합금은 부가적인 성분으로서 실리콘, 크롬, 티타늄 및 철 중 적어도 하나의 성분을 전체적으로 3중량% 까지 더 포함할 수도 있다. 필요하다면, 주석, 납 또는 주성분이 주석 또는 납으로 된 합금으로 만들어진 피복층을 알루미늄-주석 베어링 합금의 미끄럼층 상에 형성할 수도 있다. 또한 플래쉬법(Flash process)에 의해 주석 또는 납을 베어링의 미끄럼 접촉면 또는 전체표면에 도포해 주는 것도 바람직하다.

이와 같은 형태의 베어링에 있어서, 알루미늄-주석 베어링 합금의 경도는 50~80Hv로 제한되며, 상기 알루미늄-주석 합금에 대한 알루미늄 합금으로 된 중간접착층의 경도비는 70% 이상 90% 이하로 제한된다. 상기 인자들에 대한 이유와 상기 합금의 성분량을 결정하는 요인을 이하에서 설명한다. 알루미늄-주석 베어링 합금의 경도를 제한하는 이유는, 만약에 경도가 50Hv 보다 작고 합금의 강도가 낮으면 상기 알루미늄-주석 합금을 고출력 엔진에 적용할때 고부하 하에서 피로가 발생하기 때문이며, 만약에 경도가 80Hv를 초과하면 상기와 같은 합금으로 이루어진 베어링은 제작상에 문제가 있기 때문이다.

만약에 알루미늄-주석 합금에 대한 알루미늄 합금으로 된 중간접착층의 경도비가 70% 이하기 되면, 상기 베어링이 극도로 격심한 조건하에서 사용될때, 상기 Al-Sn 베어링 합금의 주성분이 합금내에 유지되지 않고 상기 중간접착층 속으로 들어가거나 기계적으로 확산되어질 수 있으며, 또한 상기 중간접착층 자체가 불충분한 경도와 관련한 피로에 기인하여 변형되거나 깨어질 수 있다. 또한 만약에 상기 경도비가 90%를 초과하면 Al-Sn 베어링 합금층에 의해 제공되어질 순응성을 잃게 된다.

Al-Sn 베어링 합금에서 각 성분량을 제한하는 이유를 이하에서 설명하겠다.

(1) Sn(7~20중량%)

Sn은 베어링으로서의 내소착특성, 순응성 및 삽입성 등과 같은 대표적인 성질을 향상시킨다. Sn 함유량이 7% 이하이면 상기의 효과는 작다. Sn 함유량이 20%를 초과하면 베어링 합금의 기계적 성질이 열화되므로, 고출력 엔진의 경우등과 같은 격심한 조건하에서는 그러한 베어링 합금이 사용될 수 없다.

(2) Si(4중량% 이하)

Si는 알루미늄 모재(母材) 내에서 용해되고 고경도의 실리콘 입자로서 결정화되어 베어링 합금의 강도를 증진시킨다. 실리콘 입자가 구조내에 분포되면 표면상에는 단지 연성의 알루미늄 모재가 덮여지고 그 표면은 미세하게 울퉁불퉁해 진다. 이 결과, 오목한 부분은 오일 수취기로 작용하는 한편, 볼록한 부분으로 남아있는 실리콘 입자들은 달라붙지 않은 상태를 유지하면서 고부하에 견디므로, 상기 베어링 합금은 얇은 유막 상태및 금속간 접촉 상태하에서도 고부하에 잘 견딘다. 더구나 미세하게 분포된 Si 입자들은 관련된 축위에 존재하는 미세한 돌출부 및 버르를 연삭하며 내소착특성을 증진시키는 기능을 가진다. 실리콘 함유량이 4%를 초과하면 베어링 합금은 취성을 갖게 되며, 베어링 합금의 소성 가공성(Plastic workability(예를 들면, 압연가공성)이 저하된다.

(3) Mn, Ng, V, Ni, Cr, Zr, B(각 원소마다 0.01~3중량%)

이것들은 알루미늄 모재 내에서 용해하거나 중간금속 화합물로서 침전되어 베어링 합금의 피로강도를 증진시키는 선택적(optional) 원소들이다. 상기 앙 원소들의 첨가량이 0.01% 보다 작으면 첨가의 효과는 기대할 수 없다. 첨가량이 3%를 초과하면 베어링으로서의 순응성이 열화되고, 또한 베어링 합금의 소성 가공성은 저하된다.

(4) Cu(0.2~5중량%)

Cu는 알루미늄 모재의 강도를 증가시키고, 특히 피로강도를 증가시키는데 매우 효과적이다. 첨가량이 0.2% 보다 작으면 기대되는 효과는 나타나지 않는다. 첨가량이 5%를 초과하면 합금은 너무 단단해진다. 결과적으로 베어링으로서의 순응성이 열화되고 베어링 합금의 소성가공성은 저하된다.

(5) Pb(0.1~3중량%)

Pb는 베어링 합금의 절삭성 및 내소착특성을 증진시킨다. 첨가량이 0.1% 보다 작으면 첨가의 효과는 기대되지 않는다. 첨가량이 3%를 초과하면 알루미늄 모재 내에 납을 균일하게 분포시키는 것은 매우 어렵다. 또한 납의 첨가는 강도에도 영향을 끼친다.

(6) Sb(0.1~3중량%)

Sb는 알루미늄 모재의 기계적인 성질을 증진시킨다. Sb가 납과 공존할 때 Sb는 납을 알루미늄 모재 속으로 미세하게 균일하게 분포시킨다. Sb의 첨가량이 0.1% 보다 작을때 상기의 효과는 작다. 첨가량이 3%를 초과하면 베어링 합금의 기계적 성질은 바람직하지 않게 악화된다. 특히 연신이 줄어든다.

(7) Ti(0.01~1중량%)

Ti는 알루미늄 모재 속에서 용해되거나 중간금속 화합물로서 침전되어 베어링 합금의 피로강도를 증진시킨다. 첨가량이 0.01% 보다 적을때 첨가에 따른 효과는 기대될 수 없다. 첨가량이 1%를 초과하면 베어링으로서의 순응성은 악화되고, 또한 베어링 합금의 소성가공성은 저하된다.

중간접착층으로서의 알루미늄 합금의 각 성분의 양을 제한하는 이유를 이하에서 설명한다.

(1) Mn, Cu, Mg(1.7% 이하의 Mn, 1.2%이하의 Cu 및 1.8% 이하의 Mg 가운데 적어도 한 원소)

Mn과 Mg는 알루미늄 모재 내에서 용해되거나 중간금속 화합물로서 침전되어 합금의 피로강도를 증진시킨다. Cu는 알루미늄 모재의 강도를 증진시키고 피로강도를 증진시키는데 상당히 효과적이다. 만약 상기 성분들의 양이 각각의 상한을 초과하면 상기 합금은 상대부재에 대한 순응성과 소성 가공성이 악화된다.

(2) Si, Cr, Ti, Fe(이 가운에 적어도 하나의 원소로서 전체적으로 0~3중량%)

상기 강화용 원소들은 알루미늄 모재 내에서 용해되거나 미세하게 결정화 또는 침전되지만 화합물을 만들지는 않는다. 상기 원소의 적어도 하나의 첨가량이 전체 3중량%를 초과하면 합금은 너무 단단해진다.

본 발명의 실시예들을 이하에서 설명한다.

표1은 Al-Sn 베어링 합금과 중간접착층인 알루미늄 합금과의 조합(각 조합은 샘플번호로 나타냄)인 비교예들을 보여주고 있으며, 합금조성들과 함께 각 조합의 경도 및 경도비(Al-Sn 베어링 합금의 경도 A에 대한 중간접착층인 알루미늄 합금의 경도 B의 비율 : (B/A)*100%)가 명기되어 있다.

표2는 본질적으로 상기와 같은 요인들이 명기된 발명예들을 보여 준다. 각각의 조합마다 Al-Sn 베어링 합금판과 중간접착층으로서의 알루미늄 합금판이 준비된다. 이러한 판들은 통상의 몰딩과 롤링공정에 의해 제조된다. 각 조합에 있어서 Al-Sn 베어링 합금판과 중간접착층으로서의 알루미늄 합금판을 서로 맞대어 놓고 롤링에 의하여 서로를 일체적으로 접착시켜 복합 알루미늄 합금판을 형성시킨다.

이렇게 얻어진 복한판의 중간접착층 쪽 위에 0.04~0.35중량%의 탄소를 함유하는 저탄소강의 지지판이 놓여지고, 상기 두판은 35~50%의 감소율로 롤링되어져 일체화된 다층 베어링 재료가 형성된다. 상기 다층 베어링 재료는 반원형의 단면형상을 갖는 베어링으로 절삭되어 진다. 상기 제작된 베어링에서 중간접착층은 0.02~0.06㎜의 두께를 가지며 지지판은 1.17~1.23㎜의 두께를 지녀 전체 베어링의 두께는 1.5㎜가 된다. 다른 비교예로서, Al-Sn 베어링 합금판이 니켈 도포된 강철지지판 상에 직접 놓여지고, 상기 두판이 롤링되어 베어링 재료가 형성되며, 이로부터 반원형의 단면형상을 갖는 베어링이 유사하게 얻어진다.

상기 베어링들의 피로시험은 표3과 표4에서 보여지는 조건하에서 두가지 종류의 검사기기에 의해 수행된다. 표3에 명기된 피로시험에서 검사축과 각 베어링은 상대적으로 균일하게 접촉된다. 그러나, 표4에 명기된 피로시험에서는 편심검사축이 이용되어, 각 베어링과 검사축이 부분적으로 접촉되어진다. 따라서 표4의 피로시험은 표3의 검사기기를 갖고 행하는 것보다 더 높은 순응성을 요구한다. 상기 검사의 결과들을 제1도 및 제2도에 나타내었다.

상기 실시예들에서는 피복층(overlay)이 적용되지 않았으므로 Al-Sn 베어링 합금과 중간접착층인 알루미늄 합금과의 조합에 의해 발생하는 효과가 현저하게 나타난다. 그러나 납 또는 이와 유사한 합금으로 된 피복층을 베어링 합금상에 형성할 수도 있다. 피복층을 형성할때 Cu 또는 Ni로 된 중간층을 Al-Sn 베어링 합금과 피복층 사이에 끼워 그 둘 사이의 결합효과를 증진시킬 수 있다.

표1에서 샘플번호 1 내지 15는 본 발명의 예들과 비교되는 예들이다. 비교예 중의 샘플번호 1, 3, 4, 6 내지 9에서는 본 발명에 따른 중간층의 경도의 범위보다 더 연한 중간접착층이 사용되어지고, 반면에 샘플번호 2, 5, 10 내지 13에서는 본 발명에서 보다 더 단단한 중가접착층이 사용된다. 샘플번호 14와 15에서는 비록 중간층의 경도가 본 발명의 범위내이지만 베어링 합금의 경도는 본 발명에 따른 범위보다 낮다. 샘플번호 16 내지 30은 발명예들이다. 비교예 중에서 발명예의 샘플번호 16 내지 28에 대응하는 샘플번호 1 내지 13에서는 각각 같은 Al-Sn 합금이 사용된다.

이하는 전술한 검사의 결과(제1도 및 제2도)에 대한 분석으로부터 명백할 것이다.

피로시험 1 및 2의 어디에서도 본 발명의 발명예들은 비교예 보다도 피로강도에 있어서 일반적으로 더 우수하다. 특히 다음의 결과가 특징적이다. 피로시험의 결과는, 피로가 본 발명의 발명예의 샘플번호 16, 18, 19, 21 내지 24에서 보다 비교예의 샘플번호 1, 3, 4, 6 내지 9에서는 더 낮은 부하에서 발생되며, 비교예 샘플번호 14와 15에서는 절대적으로 낮은 부하에서 피로가 발생함을 보여준다.

샘플번호 2, 5, 10~13의 결과는 대응하는 발명예의 결과와 본질적으로 거의 같거나 약간 나쁜것을 보여준다. 더구나, 피로시험 2의 결과로부터, 피로시험 1에서 별로 바람직하지 못한 결과를 나타낸 비교예 2, 5, 10~13에서는 이에 대응하는 발명예의 샘플번호 17, 20, 25~28에서 보다 훨씬 낮은 부하에서 피로가 발생함을 알 수 있다. 특히 Ni 도포된 샘플번호 10은 훨씬 바람직하지 않은 결과를 나타낸다. 이 결과는 베어링으로서의 순응성 및 완충성에 의해 영향을 받는 것으로 생각되어진다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 베어링은 종래 베어링에 비하여 피로저항과 순응성이 향상되었으므로 전술한 본 발명의 목적이 달성될 수 있다.

Claims (18)

1. 다층 미끄럼 베어링으로서, 상대 미끄럼 접촉부재에 대한 양호한 순응성과 고피로강도를 갖는 알루미늄-주석 베어링 합금, 지지강철판 및 다른 알루미늄 합금으로 된 중간접착층을 구비하며, 상기 알루미늄-주석 베어링 합금은 7~20중량%의 주석과, 나머지 아루미늄 및 불가피한 불순물을 포함하고, 50~80Hv의 경도를 가지며, 상기 알루미늄 합금으로 된 중간접착층은 1.7중량% 이하의 망간, 1.2중량% 이하의 구리 또는 1.8중량% 이하의 마그네슘 중 적어도 하나와, 나머지 알루미늄 및 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 알루미늄-주석 베어링 합금에 대한 상기 알루미늄 합금으로 된 중간접착층의 비커스 경도(Hv)비가 70% 이상 90% 이하인 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
2. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄-주석 합금은 0.01~3%의 Mn, Mg, V, Ni, Cr, Zr 및 B 중의 적어도 하나와, 0.2~5%의 Cu, 0.1~3% Pb, 0.1~3% Sb 및 0.01~1% Ti을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중간접착층의 알루미늄 합금은 Si, Cr, Ti 및 Fe 중 적어도 하나를 전체적으로 3중량% 까지 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Al-Sn 베어링 합금층 상에 Sn, Pb 또는 그 주성분이 Sn 또는 Pb으로 된 합금으로 만들어진 피복층이 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
5. 제3항에 있어서, 상기 Al-Sn 베어링 합금층 상에 Sn, Pb 또는 그 주성분이 Sn 또는 Pb으로 된 합금으로 만들어진 피복층이 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 미끄럼 베어링의 적어도 미끄럼 접촉면이 또는 전체 표면이 플래쉬법에 의해 Sn 또는 Pb으로 도포되는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
7. 제3항에 있어서, 상기 미끄럼 베어링의 적어도 미끄럼 접촉면이 또는 전체 표면이 플래쉬법에 의해 Sn 또는 Pb으로 도포되는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
8. 제4항에 있어서, 상기 미끄럼 베어링의 적어도 미끄럼 접촉면이 또는 전체 표면이 플래쉬법에 의해 Sn 또는 Pb으로 도포되는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
9. 제5항에 있어서, 상기 미끄럼 베어링의 적어도 미끄럼 접촉면이 또는 전체 표면이 플래쉬법에 의해 Sn 또는 Pb으로 도포되는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
10. 다층 미끄럼 베어링에 있어서, 상대 미끄럼 접촉부재에 대한 양호한 순응성과 고피로강도를 갖는 알루미늄-주석 베어링 합금, 지지강철판 및 다른 알루미늄 합금으로 된 중간접착층을 구비하며, 상기 알루미늄-주석 베어링 합금은 7~20중량%의 주석과, 4중량% 이하의 실리콘과, 나머지 알루미늄 및 불가피한 불순물을 포함하고, 50~80Hv의 경도를 가지며, 상기 알루미늄 합금으로 된 중간접착층은 1.7중량% 이하의 망간, 1.2중량% 이하의 구리 또는 1.8중량% 이하의 마그네슘 중 적어도 하나와, 나머지 알루미늄 및 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 알루미늄-주석 베어링 합금에 대한 상기 알루미늄 합금으로 된 중간접착층의 비커스 경도(Hv)비가 70% 이상 90% 이하인 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
11. 제10항에 있어서, 상기 알루미늄-주석 합금은 0.01~3%의 Mn, Mg, V, Ni, Cr, Zr 및 B중의 적어도 하나와, 0.2~5%의 Cu, 0.1~3% Pb, 0.1~3% Sb 및 0.01~1% Ti을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 중간접착층의 알루미늄 합금은 Si, Cr, Ti 및 Fe 중 적어도 하나를 전체적으로 3중량% 까지 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
13. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 Al-Sn 베어링 합금층 상에 Sn, Pb 또는 그 주성분이 Sn 또는 Pb으로 된 합금으로 만들어진 피복층이 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
14. 제12항에 있어서, 상기 Al-Sn 베어링 합금층 상에 Sn, Pb 또는 그 주성분이 Sn 또는 Pb으로 된 합금으로 만들어진 피복층이 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
15. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 미끄럼 베어링의 적어도 미끄럼 접촉면이 또는 전체 표면이 플래쉬법에 의해 Sn 또는 Pb으로 도포되는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
16. 제12항에 있어서, 상기 미끄럼 베어링의 적어도 미끄럼 접촉면이 또는 전체 표면이 플래쉬법에 의해 Sn 또는 Pb으로 도포되는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
17. 제13항에 있어서, 상기 미끄럼 베어링의 적어도 미끄럼 접촉면이 또는 전체 표면이 플래쉬법에 의해 Sn 또는 Pb으로 도포되는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
18. 제14항에 있어서, 상기 미끄럼 베어링의 적어도 미끄럼 접촉면이 또는 전체 표면이 플래쉬법에 의해 Sn 또는 Pb으로 도포되는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.