KR0172642B1 - 고-액 복합윤활 분말소결 베어링 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고-액 복합윤활 분말소결 베어링 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 상기 베어링의 제조방법은 금속분말을 가압 및 소결하여 다공성 분말 소결체를 제조하는 단계; 상기 소결체의 표면을 활성화시킨 다음, 친수성으로 전환시키는 단계; 및 상기 소결체의 표면에 고체 윤활제를 함침시켜 경화시킨 다음, 액체 윤활제를 함침시키는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 고-액 복합윤활 분말소결 베어링은 금속분말 입자로 이루어져 상기 입자들 사이에 함침된 고체 및 액체 윤활제를 가지는 금속분말 소결층; 및 상기 금속분말 소결층에 적층된 고체 윤활막을 포함하는 구조를 가지는 바, 치수가 정밀하고 윤활성이 우수하며 마찰계수가 더욱 작고 마모량이 적어 장시간 사용할 수 있어 경제적이다.

Description

고-액 복합윤활 분말소결 베어링 및 이의 제조방법

제1도는 종래의 분말소결 베어링의 단면도.

제2도는 종래의 고체윤활 베어링의 단면도.

제3도의 (a)는 본 발명의 방법에 따라 제조된 고-액 복합윤활 분말소결 베어링의 단면도, (b)는 (a)도의 A부분을 확대하여 도시한 단면도.

제4도는 제2도의 청동분말 소결층의 기공을 확대하여 촬영한 사진.

제5도는 제3도의 (a)의 분말소결층의 기공을 확대하여 촬영한 사진.

제6도는 소결체의 표면이 소수성일 경우, 고체윤활제가 함침된 사진.

제7도는 소결체의 표면을 활성화시켜 소수성에서 친수성으로 전환시킨 경우, 고체윤활제가 함침된 사진.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 21 : 샤프트 2 : 유막

3, 23 : 액체 윤활제 4, 24 : 금속분말

14 : 청동분말 12 : 고체 윤활제

15 : 기저철판 22 ; 고체 윤활막

본 발명은 고-액 복합윤활 분말소결 베어링 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 분말소결체의 기공 표면을 활성화시켜 분말소결체의 특성인 소수성을 친수성으로 전환시킴으로써 고체윤활제를 분말소결체의 기공속에 깊게 함침시키고 표면과의 부착력이 강해지도록 경화시킨 다음, 분말소결체와 고체윤활제 사이의 기공에 윤활성 오일을 함침시켜 우수한 윤활성 및 내마모성을 제공함으로써 완전 무급유로 중ㆍ고속용으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 치수가 정밀하고 수명이 긴 고-액 복합윤활 분말소결 베어링 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

소결함유 베어링은 제1도에 도시된 바와 같이 고하중, 저속운동이거나 왕복운동 및 빈번한 가동과 정지가 있을 경우, 유막(2)이 형성되지 않지 때문에 샤프트와 베어링 사이에서 경계마찰이 일어나며 윤활성 오일이 건조했을 경우에는 건조마찰이 발생하므로 오일을 계속적으로 급유하지 않으면 그 기능을 발휘하지 못한다.

반면에, 고체윤활 베어링은 고체윤활제가 항상 유막을 형성하고 있기 때문에 경계마찰이나 건조마찰이 발생하지 않으며, 진동, 충격특성이 우수하고 정지다발운동의 가혹한 사용조건에서 급유를 하여도 효과가 없는 부분에 유리하다.

고체윤활 베어링은 제2도에 도시된 바와 같이 통상적으로 기저철판(15), 상기 기저철판상에 적층된 청동분말(14)로 이루어진 소결층, 상기 청동분말 소결층에 함침된 고체 윤활제(12)로 이루어진 윤활막의 구조를 이루고 있다. 기저철판은 베어링의 골격과 형태를 이루면서 하중과 충격을 받는 기계적 강도와 안정성을 유지시키는 역할을 한다. 또한, 상기 기저철판에 견고하게 부착된 청동분말 소결층은 다공질이므로 이후 고체윤활제가 다공질 내부에 함침됨으로 인하여 기저철판에 윤활제층을 고착시켜 주는 역할을 하며, 고체윤활막은 표면조도를 향상시키고 마찰과 마모를 감소시키는 윤활역할을 담당한다. 한편, 고체 윤활제로는 윤활성, 내마모성, 내열성, 내수성, 내화학성 등이 우수한 불소수지를 사용하지만 윤활성을 더욱 증대시키기 위해서는 천연흑연, 납 또는 이황화몰리브덴(MoS₂)분말을 상기 불소수지에 혼합하여 사용하기도 한다.

한편, 전술한 고체윤활 베어링은 먼저 기저철판위에 청동분말 소결층을 형성시키고, 그 위에 고체윤활제를 도포시킨 후 적당한 크기로 절단하고, 동심도가 정밀한 원통형으로 굴곡시켜 제조하였다.

그러나, 이러한 방법으로 제조된 고체윤활 베어링을 기저철판에 윤활성 오일이 함유되어 있지 않기 때문에 단지 고체윤활성에만 의존할 뿐이다. 이에 따라, 고체윤활제인 불소수지 단독으로는 액체 윤활제보다 마찰계수가 높으므로 고속사용시 마찰열이 발생하여 소착현상이 일어나거나 불소수지의 마모로 인해 틈새가 커지고 정밀성이 저하되어 베어링의 수명을 단축시키게 됨으로써 저속용에 한정하여 사용하여야 하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결할 뿐만 아니라 윤활성이 우수하고 마모가 적으며 중ㆍ고속으로 사용이 가능한 완전 무급유 고-액 복합윤활 분말소결 베어링의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 치수가 정밀하고 수명이 거의 반영구적인 고-액 복합윤활 분말소결 베어링을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고-액 복합윤활 분말소결 베어링의 제조방법은 금속분말을 가압 및 소결하여 다공성 분말 소결체를 제조하는 단계; 상기 소결체의 표면을 활성화시킨 다음, 친수성으로 전환시키는 단계; 및 상기 소결체의 표면에 고체 윤활제를 함침시켜 경화시킨 다음, 액체 윤활제를 함침시키는 단계를 포함한다.

한편, 본 발명의 고-액 복합윤활 분말소결 베어링은 금속분말 입자로 이루어져 상기 입자들 사이에 함침된 고체 및 액체 윤활제를 가지는 금속분말 소결층; 및 상기 금속분말 소결층에 적층된 고체 윤활막을 포함한다.

이하, 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 소결함유 베어링 또는 고체윤활 베어링과 같은 종래의 베어링은 그 용도에 따라 사용이 제한되었으며 윤활성 및 내마모성 등의 특성에 문제점을 보였다.

본 발명자는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 고체 윤활제와 액체 윤활제를 동시에 이용함으로써 윤활성과 내마모성 뿐만 아니라 그 용도에 제한없이 자유자재로 사용가능한 본 발명의 고-액 복합윤활 분말소결 베어링과 그 제조방법을 개발한 것이다.

간략히 말해서, 본 발명의 고-액 복합윤활 분말소결 베어링의 제조 방법은, a) 금속분말을 가압 및 소결하여 다공성 분말 소결체를 제조하는 단계; b) 상기 소결체의 표면을 활성화시킨 다음, 친수성으로 전환시키는 단계; 및 c) 상기 소결체의 표면에 고체 윤활제를 함침시켜 경화시킨다음, 액체 윤활제를 함침시키는 단계를 포함한다.

이하, 본 발명의 고-액 복합윤활 분말소결 베어링의 제조공정을 상세히 설명하기로 한다.

약 80∼240mesh입도의 금속분말을 약 300∼500㎫의 압력으로 가압성형하고 환원분위기하 약 1100∼1200℃의 온도로 소결하여 다공성 분말소결체를 제조한다. 이때 사용되는 금속분말은 철계, 청동계 또는 스테인레스강계가 바람직하다. 또한, 원하는 특성을 가지는 소결체를 얻기 위해서는 여러 가지 다른 보조제가 첨가될 수 있는데, 바람직한 보조 첨가제로는 흑연, 스테아린산 리튬, 또는 탄산암모늄이며, 이러한 성분들은 단독 또는 혼합되어 사용될 수 있다. 한편, 흑연은 소결체의 강도를 높이기 위해서 사용되고, 스테아린산 리튬은 성형성을 개선시키기 위해서 사용되며, 탄산암모늄은 다공성을 증진시키기 위해서 사용되는데, 그 사용량은 용도에 따라 달라질 수 있다.

제4도는 제2도의 청동분말 소결층의 기공을 확대하여 촬영한 사진이고, 제5도는 제3도의 (a)의 분말 소결체의 기공을 확대하여 촬영한 사진이다.

제4도 및 제5도를 서로 비교해 보면, 상술한 본 발명의 방법에 따라 제조된 분발소결체는 종래의 방법에 따라 기저철판에 청동분발을 도포하여 소결시킨 소결체에 비해 기공이 훨씬 더 많음을 알 수 있다. 즉, 이러한 사실로 볼 때, 성형압력, 금속분말의 입도 및 탄산암모늄의 양은 최종적으로 제조될 소결체의 다공성에 중요한 조절인자로 작용할 것이다.

그 다음, 상기 다공성 분말소결체의 표면을 활성화시킨 후, 표면을 친수성으로 전환시킨다. 즉, 이러한 공정은 예를 들면, 염화주석, 인산망간 또는 염화팔라듐과 같은 표면활성화 수용액에 소결체를 침지시키는 방법으로 수행되는데, 이때 상기 수용액의 농도는 통상 약 0.001∼0.01몰/ℓ이 바람직하며, 공정소요시간은 약 3∼20분이 바람직하다. 이러한 공정을 거친 다음, 친수처리된 소결체를 세척 및 건조시킨다.

상기 소결체의 표면에 고체 윤활제를 함침시킨 후 경화시킨다. 이러한 공정은 고체 윤활제를 함유하는 수용액을 분말소결체의 기공과 표면에 함침시킨 후, 약 50∼60℃에서 건조시키고 환원분위기하에서 약 270∼300℃로 30분 동안 가열하여 경화시키는 것으로 수행된다. 한편, 고체 윤활제로는 불소수지가 통상 사용되지만, 다른 성분들이 혼합되어 사용 가능하다.

제6도는 소결체의 표면에 활성화 처리를 전혀 시행하지 않은 상태에서, 고체윤활제인 불소수지가 함침된 사진이고, 제7도는 소결체의 표면을 본 발명의 표면활성화 수용액으로 처리하여 표면을 활성화시켜 소수성에서 친수성으로 전환시킨 경우, 고체윤활제인 불소수지가 함침된 사진이다.

제6도 및 제7도를 서로 비교해 보면, 표면활성화 수용액으로 처리하여 친수처리된 소결체에서는 불소수지 수용액이 분말소결체의 기공속에 잘 흡착된 반면, 표면활성화 처리가 전혀 시행하지 않은 소결체에서는 불소수지 수용액이 분말소결체의 기공에 전혀 흡착되지 않았음을 알 수 있다.

전술한 사실로 볼 때, 금속표면을 염화주석, 인산망간 또는 염화팔라듐 수용액으로 처리하면 금속표면에 활성화가 일어나 표면이 소수성에서 친수성으로 전환되기 때문에 고체 윤활제인 불소수지 수용액을 훨씬 많이 흡착시켜 줌을 알 수 있다.

최종적으로, 상기 고체 윤활막이 형성되어 있는 소결체의 표면에 액체 윤활제를 함침시켜 본 발명의 고-액 복합윤활 분말소결 베어링의 제조공정을 종료한다. 이때 액체 윤활제 함침공정은 약 10^-3Torr이하의 감압상태에서 수행하는 것이 바람직하다.

제3도의 (a) 및 (b)는 본 발명의 방법에 따라 제조된 고-액 복합윤활 분말소결 베어링의 단면도로서, 도면중 부호 21은 샤프트, 22는 고체 윤활막, 23은 액체 윤활제, 24는 금속분말이다.

제3도의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고-액 복합윤활 분말소결 베어링은 금속분말 입자로 이루어져 상기 입자들 사이에 함침된 고체 및 액체 윤활제를 가지는 금속분말 소결층; 및 상기 금속분말 소결층에 적층된 고체 윤활막을 가지는 구조이다.

따라서, 이러한 구조의 고-액 복합윤활 분말소결 베어링은 작동시 샤프트(21)의 회전에 의해 고체 윤활막(22)에 열이 발생하게 된다. 이때 금속분말(24) 사이에 함침된 액체 윤활제(23)가 고체 윤활막(22)의 기공을 통해 흘러나와 표면을 적시게 되는데, 이에 의해 윤활성이 더욱 우수해지고 고체 윤활막의 마모가 줄어들게 되는 것이다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명하지만, 이것이 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.

[실시예1]

120∼240mesh입도의 철계 분말 1㎏에 천연흑연 12g, 스테아린산리튬 8g, 탄산암모늄 60g을 혼합하고 500㎫의 압력으로 가압성형하고 1160℃로 30분간 환원분위기 속에서 소결하여 다공성 분말소결체를 만들었다.

상기 다공성 분말소결체를 0.002몰/ℓ의 염화팔라듐 수용액에 침지시켜 30분 동안 표면활성화 처리를 시행하고 세척 및 건조한 다음, 0.01몰/ℓ의 염화제1주석[SnCl₂]수용액에 3분간 침지시켜 소결체 표면을 소수성에서 친수성으로 전환시키고 세척 건조시켰다. 그후, 증류수 100㎖에 PTFE(polytetrafluoroethylene)32g과 n-methyl piridon 15g, Amid-imid piridon 15g을 함유한 수용액을 분말소결체의 기공과 표면에 함침시킨 후 60℃에서 2시간 동안 건조시키고 환원분위기 속에서 300℃에서 30분 동안 가열하여 경화시켰다. 그리고 10^-3Torr의 감압상태에서 베어링의 모든 잔여기공을 윤활성 오일로 함침시켰다.

[실시예2]

80∼120mesh의 청동분말 1㎏에 스테아린산 리튬 8g, 탄산암모늄 70g을 혼합하고 300㎫의 압력으로 가압성형한 후 780℃로 30분간 환원분위기하에서 소결하여 다공성 분말소결체를 만들었다.

상기 다공성 분말소결체를 0.001몰/ℓ 염화제2철에서 1분간 표면활성화 처리를 시행한 후, 0.01몰/ℓ 염화제1주석 수용액에서 3분간 침적시켜 다공성 표면을 소수성에서 친수성으로 전환시킨 다음 제척 및 건조시켰다.

이후 공정은 상기 실시예1과 동일하게 수행하였다.

[실시예 3]

120∼240mesh의 스테인레스계 분말 1㎏에 스테아린산 리튬 8g, 탄산암모늄 40g을 혼합하고 500㎫의 압력으로 가압성형한 후 1250℃로 30분간 환원분위기하에서 소결시켜 다공성 분말소결체를 만들었다.

상기 다공성 분말소결체를 0.001몰/ℓ 염화팔라듐 수용액으로 1분간 표면활성화 처리를 시행한 후, 0.01몰/ℓ 염화제1주석 수용액에서 3분간 침적시켜 다공성 소결체 표면을 소수성에서 친수성으로 전환시킨 다음 세척 및 건조시켰다.

이후 공정은 상기 실시예1과 동일하게 수행하였다.

그러므로 상기 실시예1∼3으로 제조한 본 발명의 고-액 복합윤활 분말소결 베어링을 통상의 고체윤활 베어링에 비해 생산공정이 적기 때문에 생산비가 저렴할 뿐만 아니라 고체윤활제인 불소수지가 분말소결 베어링의 기공에 직접 함침되고 표면에는 베어링의 일반 공차인 0.05㎜ 이내로 코팅되므로 베어링의 치수가 더욱 정밀해졌다. 또한, 분말소결 베어링 및 불소수지의 모든 기공을 윤활성 오일을 함침시켜 줌으로써 마찰계수가 더욱 작고 마모량이 적어 장시간 사용할 수 있어 경제적인 잇점이 있다.

Claims (4)

1. a) 금속분말을 가압 및 소결하여 다공성 분말 소결체를 제조하는 단계; b) 상기 소결체를 염화주석, 인산망간 및 염화팔라듐으로 구성된 군으로부터 선택된 하나의 수용액에 3∼20분 동안 침지시켜 상기 소결체의 표면을 활성화시킨 다음, 친수성으로 전환시키는 단계; 및 c) 상기 소결체의 표면에 고체 윤활제를 함침시켜 경화시킨 다음, 액체 윤활제를 10^-3Torr이하의 감압상태에서 함침시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고-액 복합윤활 분말소결 베어링의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 표면활성화 수용액의 농도가 0.001∼0.01몰/ℓ인 것을 특징으로 하는 고-액 복합윤활 분말소결 베어링의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 금속분말이 철, 청동 및 스테인레스강으로 구성된 군으로부터 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 고-액 복합윤활 분말소결 베어링의 제조방법.
4. a) 금속분말 입자로 이루어져 상기 입자들 사이에 함침된 고체 및 액체 윤활제를 가지는 금속분말 소결층; 및 b) 상기 금속분말 소결층에 적층된 고체 윤활막을 포함하는 고-액 복합윤활 분말소결 베어링.