KR100276096B1 - 수평식 쌍롤을 이용한 에이엘-에스엔 베어링소재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수평식 쌍롤을 이용한 Al-Sn 베어링 소재의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무편석의 고Sn계 알루미늄 합금소재를 쌍롤법으로 제조하므로서 판상형태의 박판제조를 용이하게 하는 한편, 베어링용 고Sn계 알루미늅 합금소재의 용해 및 주조시 발생되는 심한 편석현상을 없애고, 베어링 제조시 압연공정을 생략하므로서 설비비 및 제조원가를 절감할 수 있도록 한 수평식 쌍롤을 이용한 Al-Sn 베어링 소재의 제조방법에 관한 것이다.

즉, 용융로의 일측에 수평형 쌍롤을 설치하여 1∼5mm의 두께로 박판을 제조하되, 상기 쌍롤중 하부롤은 응고롤(solidification)의 역할을 하도록 하고 상부롤은 박판 상부의 자유표면(free suface) 형성을 방지하기 위한 성형롤(formation roll)역할을 할 수 있도록 하는 한편, 상기 쌍롤을 이용하여 선속도 20∼40m/min로 박판을 제조하는 것을 특징으로 한 것이다.

Description

수평식 쌍롤을 이용한 Al-Sn 베어링 소재의 제조방법

본 발명은 수평식 쌍롤을 이용한 Al-Sn 베어링 소재의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무편석의 고Sn계 알루미늄 합금소재를 쌍롤법으로 제조하므로서 판상형태의 박판제조를 용이하게 하는 한편, 베어링용 고Sn계 알루미늄 합금소재의 용해 및 주조시 발생되는 심한 편석현상을 없애고, 베어링 제조시 압연공정을 생략하므로서 설비비 및 제조원가를 절감할 수 있도록 한 수평식 쌍롤을 이용한 Al-Sn 베어링 소재의 제조방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 Al-Sn계 합금 베어링은 내피로성, 내식성, 내마모성이 Sn 및 Pb계 화이트 메탈(White Metal)이나 Cu-Pb 합금계 베어링보다도 우수한 성능을 유지하기 때문에 중, 대형엔진 등에 많이 사용되고 있는데, 특히 Al합금 베어링은 표면에 매우 치밀하고 안정된 피막을 형성하고 있어 내식성이 매우 우수하며 동연합금(KM4)에 도금(overlay)한 것보다 10배 이상 내식성이 크다.

또한, Al은 열전도율이 일반 White Metal보다 월등하여 엔진의 동작 중에 발생되는 열을 외부로 신속하게 방출시키는 잇점이 있으며, Si, Ni, Mg, Fe등을 소량 첨가할 경우 기계적 특성은 더욱 우수해 진다.

따라서, 기존 합금 베어링의 제조공정은 크게 나누어 Al-Sn계를 재료로 하는 금형주조법과 Al-Pb계를 재료로 하는 단롤법이 있다.

금형주조법은 도1의 (a)와 같이 금형주조법을 이용하여 Al-Sn 잉고트를 소정의 크기로 제조한 다음, 최종두께가 약 1.7mm가 되도록 냉간압연을 행하여 Al-Sn 합금의 박판을 제조하고, 냉간 압연공정에서 압연방향으로 길게 늘어진 Sn상은 베어링의 특성을 크게 저하시키는 원인이 되므로 약 290℃에서 30분간 열처리를 실시한 다음, 박판 제조시 배면금속(back metal)과의 기계적 접합성을 향상시키기 위하여 순 Al을 삽입하여 350℃에서 약 5분간 열처리 과정을 거쳐 Al-Sn계/순Al/steel의 3층 구조를 갖는 Al-Sn계 합금 베어링이 제조된다.

단롤법은 도2의 (b)와 같이 Al-Pb재료를 용융로(1)의 토출구(2)로 유출시켜 하방에 위치한 단롤(3)위로 연속 이송시키므로서 소정두께의 박판을 제조하는 공정이다.

그러나, 이와 같은 종래 합금 베어링의 제조공정, 특히 Al-Sn계를 재료로 하는 금형주조법에서 고Sn(65%이하)을 함유한 베어링은 Sn의 중력편석이 심하여 이의 제조가 극히 까다로우며, Al-Pb계를 재료로 하는 단롤법에서는 단롤(3)과 면접촉되는 박판(4)의 하면에 비하여 상방으로 노출된 박판(4)의 상면은 매우 거칠기 때문에 밀링공정과 같은 추가공정이 필수적으로 수반되어야 할 뿐만 아니라 밀링공정을 고려하여 박판의 두께를 다소 두껍게 형성하여야 하기 때문에 가공에 따른 재료의 손실 및 중력편석을 억제하기가 극히 어렵다는 등의 많은 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, Al-Sn 베어링 소재를 수평식 쌍롤로서 박판을 형성함으로서 박판의 제조를 용이하게 하는 한편, 박판의 제조공정을 단순화시켜 가공에 따른 재료의 손실을 극소화시키는 동시에 재료의 중력편석을 용이하게 억제할 수 있게 한 수평식 쌍롤을 이용한 Al-Sn 베어링 소재의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 또, 수평식 쌍롤법을 이용하여 선속도 20∼40m/min로 박판을 제조하여 급속응고효과로 인한 고Sn계 알루미늄 합금의 용해 및 금형주조시 발생되는 심한 편석현상을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 쌍롤 중 하부롤은 응고롤역할을 하도록 하고 상부롤은 표면이 거칠어지는 것을 방지하기 위한 성형롤 역할을 하도록 하므로서 박판표면에 발생되는 크랙을 방지할 수 있는 수평식 쌍롤를 이용한 Al-Sn 베어링 소재의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도1의 (a)는 종래 Al-Sn 베어링 소재를 제조하는데 사용된 금형주조법을 도시한 순서도.

도1의 (b)는 종래 Al-Sn 베어링 소재를 제조하는데 사용된 단롤법의 개요도.

도2는 본 발명에 따른 수평식 쌍롤주조장치를 도시한 개요도.

도3은 본 발명의 쌍롤법에 의한 Al-Sn합금 베어링의 제조공정.

도4는 본 발명에 따른 쌍롤법과 기존 단롤법을 통하여 제조된 박판의 두께 변화를 나타낸 그래프.

도5는 본 발명에 따른 쌍롤법과 기존 금형주조법을 통하여 제조된 베어링의 마모량을 나타낸 그래프.

도6은 본 발명에 따른 쌍롤법과 기존 금형주조법을 통하여 제조된 박판의 인장특성을 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 용융로 13 : 쌍롤

14 : 상부롤 15 : 하부롤

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 용융로의 일측에 수평식 쌍롤을 설치하여 1∼5mm의 두께로 박판을 제조하되, 상기 쌍롤 중 하부롤은 응고롤(solidification)의 역할을 하도록 하고 상부롤은 박판 상부의 자유표면(free suface)형성을 방지하기 위한 성형롤(formation roll)역할을 할 수 있도록 하는 한편, 상기 쌍롤을 이용하여 선속도 20∼40m/min로 박판을 제조하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명은 쌍롤 중 하부롤에 토출구가 10°∼45°각도로 선접촉되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 Al-Sn계의 재료를 이용하여 박판을 제조하되, Al에 Sn이 5∼40중량%, 기타 첨가원소가 2중량%이내 첨가되는 것을 특징으로 하며 기타 첨가원소로서는 Si, Ni, Mg, Fe등이 있는데 이러한 원소는 기지조직을 강화하여 박판의 피로특성이나 강도 및 경도등을 향상한다.

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

도2는 본 발명에 따른 수평식 쌍롤 주조장치를 도시한 개요도이다.

먼저, 쌍롤주조장치는 Al-Sn계의 용해된 재료가 토출구(12)를 통해 소정의 두께로 토출되는 용융로(11)가 설치되고, 상기 토출구(12)와 근접되게 상부롤(14)과 하부롤(15)로 구성된 쌍롤(13)이 설치되는데, 상기 쌍롤(13)은 C함유량이 0.20% 정도인 연강재질로 형성되며, 상기 하부롤(15)에 토출구(12)가 10°∼45°각도로 선접촉되도록 설치된다. 여기에서 토출구 각도가 10°보다 작을 경우에는 상 하부 롤의 교점을 통과한 용탕은 충분히 응고하지 않아 반응고상태 하에서 가이드에 적출되어 건전한 박판을 만들 수 없고 토출구의 각도가 45°보다 클 경우에는 토출구에서 하부롤로 공급된 용탕은 하부롤에서 유지하는 시간이 길어져서 상부롤과 하부 롤이 맞닿는 지점을 통과하기 전에 완전응고하여 박판의 연속 작업이 불가능하다.

그리고, 상기 쌍롤(13)중 하부롤(15)은 응고롤(solidification roll)의 역할을 하도록 하고, 상부롤(14)은 박판 상부의 자유표면(free suface)형성을 방지하기 위한성형롤(formation roll)역할을 하도록 한다.

한편, 수평식 쌍롤주조장치를 이용하여 건전한 박판을 제조할 수 있는 제조 조건은 Al-20Sn 합금일 경우에는 용융로(11)의 온도 635℃, 선속도 27m/min, 상부롤(14)과 하부롤(15)의 간격 3.5mm, 선접촉각 15도의 조건하에서 두께 3.5mm의 건전한 박판을 제조할 수 있으며, Al-4OSn 합금일 경우에는 용융로(11)의 온도 605℃, 선속도 27mm/min, 상부롤(14)와 하부롤(15)의 간격 3.5mm, 선접촉각 15도의 조건하에서 두께 3.5mm의 건전한 박판을 제조할 수 있다. 그리고, 상기의 조건하에서 제조된 박판의 크기는 폭 5∼8mm, 두께 3∼3.5mm, 길이는 2m정도이다.

상기 제조공정 중 Sn의 함량이 5중량% 이하일 때는 박판의 내열성이 크게 저하되어 제조공정 중에 롤에 박판이 소착될 수 있으며 Sn이 40중량% 이상일 때에는 경도 및 피로특성이 감소되므로 Sn은 5∼40중량% 범위내에서 조절한다.

한편 선속도는 20∼40m/min범위를 유지하고 있는데 선속도가 40m/min보다 빠를 경우는 토출구로 부터 롤로 공급되는 용당의 보급속도(80∼140㎤/sec)에 비해 회전하는 롤에 의해 유출되는 속도(최소 150㎤/sec)가 빠르기 때문에 평균두께가 2m이하의 얇은 박판이 형성되는 문제점이 있고 선속도가 20m/min보다 느릴 때에는 용탕의 보급속도(80∼140㎤/sec)에 비해 유출속도가 70㎤/seC이하로 작아지기 때문에 폭이 넓고 크랙이 많은 박판이 형성되는 문제점이 있다.

상술한 쌍롤주조장치를 이용한 제조공정은 도3과 같이 Al-Sn계의 용해된 재료를 쌍롤(13)에 통과시켜 소정두께, 즉 3.5mm의 두께로 제조한 다음, 상기 박판을 배면금속(back metal)과의 기계적 접합성을 향상시키기 위하여 350℃에서 약 5분간 열처리 과정을 거치므로서 소망하는 Al-Sn계 합금 베어링을 제조하게 된다.

상기 제조공정을 거친 박판은 도4에 도시된 그래프에서 보듯이 상부롤(14)에 의해서 자유표면을 없애는 효과를 나타내기 때문에 박판의 표면상태가 기존의 단롤법에 의해 제조된 박판의 표면보다 매우 우수할 뿐만 아니라 박판의 두께가 매우 균일하다는 것을 알 수 있다.

그리고, 상기 제조공정을 거친 박판의 인장 특성을 보면, 도6과 같이 박판을 290℃에서 30분간 동일하게 열처리 하였을 때 기존의 금형주조한 박판을 냉간 압연 후 열처리한 것보다 동일한 Sn함량에서 우수한 인장강도를 나타내었는데, 이는 쌍롤법이 금형주조법에 비해 빠른 냉각속도를 가지고 있기 때문이다.

또한, 상기 제조공정을 거친 박판의 내마모 특성을 보면, 도5에서 보듯이 금형주조법과 비교하여 쌍롤법에 의해 제조된 베어링이 저속, 고속의 모든 조건에서 우수한 내마모성을 가지고 있으며, Sn의 함량이 증가할수록 베어링의 상응성 및 윤활성이 개선되어 더욱 우수한 내마모성을 보였고, 특히 고속조건의 경우 상대재와 Al-Sn합금층과의 마찰열에 의해서 Sn이 마모면으로 용융되어 나와 윤활효과를 발휘하기 때문에 저속에 비하여 내마모성이 더욱 향상된 것으로 판단된다.

이상에서와 같이, 본 발명은 Al-Sn 베어링 소재를 수평식 쌍롤로서 박판을 형성하여 박판의 제조를 용이하게 하는 한편, 박판의 제조공정을 단순화시켜 가공에 따른 재료의 손실을 극소화시키는 동시에 재료의 중력편석을 용이하게 억제할 수 있게 한 매우 유용한 발명이다.

본 발명은 또, 수평식 쌍롤법을 이용하여 선속도 20∼40m/min로 박판을 제조하여 급속 응고효과로 인한 고Sn계 알루미늄 합금의 용해 및 금형주조시 발생되는 심한 편석현상을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 쌍롤 중 하부롤은 응고롤 역할을 하도록 하고 상부롤은 표면이 거칠어지는 것을 방지하기 위한 성형롤 역할을 하도록 하므로서 박판표면에 발생되는 크랙을 방지할 수 있는 매우 유용한 발명이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정도지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

Claims (3)

1. 용융로의 일측에 수평형 쌍롤을 설치하여 1∼5mm의 두께로 박판을 제조하되, 상기 쌍롤 중 하부롤은 응고롤(soidification)의 역할을 하도록 하고 상부롤은 박판 상부의 자유표면(free suface)형성을 방지하기 위한 성형롤(formation roll)역할을 할 수 있도록 하는 한편, 상기 쌍롤을 이용하여 선속도 20∼40min로 박판을 제조하는 것을 특징으로 하는 수평식 쌍롤을 이용한 Al-Sn 베어링 소재의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 쌍롤 중 하부롤에 토출구가 10°∼45°각도로 선접촉되는 것을 특징으로 하는 수평식 쌍롤을 이용한 Al-Sn 베어링 소재의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, Al-Sn계의 재료를 이용하여 박판을 제조하되, Al에 Sn이 5∼40중량%, 기타 첨가원소가 2중량%이내 첨가되는 것을 특징으로 하는 수평식 쌍롤을 이용한 Al-Sn 베어링 소재의 제조방법.