KR100337610B1 - 미끄러짐표면베어링용다층재료및그를이용한미끄러짐표면베어링 - Google Patents

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Abstract

미끄러짐 표면 베어링용 다층 재료는 금속 지지층, 베어링 금속의 소성된 다공성 베어링층, 및 PTFE 및 금속 충진재 5 내지 30%의 혼합물로 구성되고 또한 베어링층의 기공을 충진하는 저 -마찰층으로 구성된다.
마모를 감소시키기 위해 PTFE 및 금속 충진재의 혼합물은 또한 PVDF 5 내지 40 부피%를 함유한다.

Description

미끄러짐 표면 베어링용 다층 재료 및 그를 이용한 미끄러짐 표면 베어링{Multilayer material for sliding surface bearings}
본 발명은 금속 지지층(metal backing layer), 미끄러짐 표면 베어링용 금속으로 이루어지고 지지층에 소성-결합된 다공 베어링 층(porous bearing layer), 및 베어링층의 기공을 완전히 채우고 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 금속 충진재 5-30부피%의 혼합물로 이루어진 저-마찰 층(low-friction layer)으로 구성되는, 미끄러짐 표면 베어링용 다층 재료에 관한 것이다.
괴상 플라스틱으로 제조된 미끄러짐 표면 베어링은 미끄러짐 접촉되는 표면에 매우 낮은 친화도를 갖고, 이런 이유로 파지(seize)작용이 없으며, 금속성의 미끄러짐 표면 베어링과 비교하여 윤활제 공급에 관한 절박한 필요를 훨씬 적게 갖는 것이다. 반면에, 상기 미끄러짐 표면 베어링은 하중 하에서 저온 소성흐름을 나타내고, 높은 열팽창도, 낮은 열 전도도, 및 비교적 낮은 내마모성을 가지기 때문에 제한된 분야에만 적용되는 것이다.
상기 단점은, 스틸, 고강도 알루미늄 합금 또는 청동으로 이루어진 지지층, 청동(주석 청동 또는 주석-납 청동) 또는 알루미늄 베어링 합금으로 구성되고 지지층에 소성-결합되는 다공성 베어링 층, 및 PTFE와 납 또는 아연 황화물 5 내지 30부피%의 혼합물로 이루어지고 이에 의해 베어링 층의 공체적(void volume)도 완전히 채울수 있는 저-마찰 층을 포함하는 미끄러짐 표면 베어링에 의해 피할 수 있다 (Technisches Handbuch der Kolbenschmidt AG, No. 16, 1989). 첫 번째 약간의 작업 시간 동안 저-마찰 층은 베어링이 미끄러짐 접촉되는 표면으로 부분적으로 이동하게 된다. 이러한 현상은 낮은 마찰 계수 및 낮은 마모성을 갖는 미끄러짐 표면을 초래하게 한다. 베어링 층은 높은 운반 성능을 갖고 효율적인 열 분산을 보장하는 안정적 구조로 이루어진다. 베어링 층에 포함되는 PTFE 및 납 또는 아연 황화물의 혼합물은 마찰에 의한 열을 받으면 드러나고, 드러난 후에는 윤활제로서 작용할 것이다. 지지층과 베어링 층으로 인해, 미끄러짐 표면 베어링은 약320N/㎟의 고압축 강도를 갖는다. 상기 미끄러짐 표면 베어링은 서비스 및 추가적인 윤활제가 필요하지 않도록 설계되고 외부물질의 침입에 거의 영향을 받지 않고 -200 내지 +280℃의 주변 온도에서 사용할 수 있는 것이다. 베어링 상의 최대 허용 가능한 하중(p) 250 내지 140N/㎟ 및 0.00lm/s 이하의 낮은 미끄러짐 속도(v)하에서, 0.03의 매우 바람직한 미끄러짐 마찰계수(μ)를 얻을 수 있다. 베어링 상의 하중(p)이 1N/㎟보다 작고 최대 허용 미끄러짐 속도(v)가 0.5 내지 2m/s이라면, 미끄러짐 마찰계수(μ)는 최대로 0.15 내지 0.25로 상승할 것이다. 마모 및 그와 함께 미끄러짐 표면 베어링의 수명은 250N/㎟의 베어링 상의 하중 상한 뿐만 아니라 베어링 상의 하중(p)과베어링이 미끄러짐 접촉하는 표면의 미끄러짐 속도(v)의 곱에 서도 결정될 것이다. 미끄러짐 표면 베어링의 연속 작업을 위해 1.8N/㎟ X m/s의 pv값이 미끄러짐 표면 베어링의 장기간 작업을 위해 허용가능하고, 이 값은 짧은 시간의 경우에 3.6N/㎟ X m/s에 달할 것이다. 미끄러짐 표면 베어링은 대부분의 산업분야에서 보편적 유용성을 갖는 것이다.
본 발명의 목적은 상술된 종류의 것으로서, 마찰계수가 불리하게 영향받지 않으면서도 pv값에 비례하는 마모깊이가 감소되도록 하는 미끄러짐 표면 베어링용 다층 재료를 제공하는 것이다.
상기 목적은 PTFE 및 금속 충진재의 혼합물이 폴리비닐리덴 불화물(PVDF) 5 내지 40부피%를 함유함으로써 성취된다.
상기 수단의 결과, 600시간동안 미끄러짐 표면 베어링을 작동시킨 후의 마모깊이가 40㎛에 달하던 것이 15㎛ 미만인 깊이로 감소될 수 있도록 허용 미끄러짐 속도(v)가 2.5 내지 3m/s로 증가되었다.
즉, 이건 발명인은 반복 시행한 무수한 실험의 결과로, 5부피%PVDF 이하에서는 내마모성에 긍정적인 영향이 없으며 그리고 40부피% 이상에서는 PTFE의 영향이 악화되는 것을 발견하였습니다. 그리고, PTFE는 우수한 윤활제 임은 공지된 사실임에 유념하여, 이러한 이유로서, 5 내지 40부피% PVDF 범위는, 80% PTFE와 20% 납으로 이루어진 종래기술의 베어링재와 대비되는 내마모성의 향상이 있으며, 마모가 저하된다는 사실을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 추가적 특징에 따라 베어링 층의 피이크 위의 저-마찰층은 30㎛를초과하고 80㎛ 이하의 두께로 증가되어 본 발명에 따른 미끄러짐 표면 베어링용 다층 재료로 제조된 압연-형성 부싱의 베어링 보어가 편리하게 기계 가공될 수 있다.
미끄러짐 표면 베어링용 다층 재료로 비교적 높은 미끄러짐 속도 및 비교적 낮은 베어링 하중 하에서 사용되는 미끄러짐 표면 베어링용으로 사용한다면, 초기 윤활제를 수용하기 위한 윤활제 포켓을 갖는 저-마찰 층의 미끄러짐 표면을 형성하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명에 따른 미끄러짐 표면 베어링용 다층 재료로 제조된 5개의 압연-형성 부싱을 선행 기술의 미끄러짐 표면 베어링용 다층 재료로 제조한 미세 다층 부싱과 비교 시험하였다. 각각의 부싱은 내경 및 외경이 각각 20㎜ 및 23㎜이였고 20㎜의 길이를 가졌다. 압연-형성 부싱은 두께 1.1㎜의 스틸 지지층 및 0.3㎜의 두께를 갖고 지지 층에 소성-결합된 다공성 납-주석 청동 층으로 구성되며, 다공층의 빈 공간은 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE) 70부피%, 폴리비닐리덴 불화물(PVDF) 10% 및 납 20%의 혼합물에 의해 완전히 충진된다. 동일한 혼합물로 저-마찰 층을 구성했고 이는 납-주석 청동 층의 피이크 위로 30㎛의 두께로 제공되었다. 공지된 미끄러짐 표면 베어링용 다층 재료로 제조된 압연-형성 부싱은 주석-청동층의 기공 및 저-마찰 층이 PTFE 80부피% 및 납 20부피%로 구성된다는 점에서만 상기 구성과 달랐다.
압연-형성 부싱을 pv값이 1.38N/㎟ X m/s 이도록 베어링 하중(p) 0.6N/㎟ 하에 그리고 2.3m/s의 미끄러짐 속도(v)(사프트의)에서 마모 시험을 위해 회전 시험대에 적용했다. 도면 상에 제시된 곡선은 주행 시간에 따른 압연-형성 부싱의 마모거동을 나타낸다. 각각의 곡선은 각각의 세트의 5개 부싱의 마모시험에서 얻어진 평균 값을 나타낸다. 상기 곡선으로부터 본 발명(실선)에 따른 미끄러짐 표면 베어링용 다층 재료로 제조된 압연-형성 부싱의 마모가 약600시간 까지의 주행시간 및 부싱의 전체 작동 수명 후에 선행기술(점선)의 미끄러짐 표면 베어링용 다층 미끄러짐 표면 재료로 제조된 압연-형성 부싱의 마모보다 약50% 낮음이 명백하다. 즉, 본원의 10% PVDF의 예는, PVDF를 가지지 않고 80% PTFE와 20% 납으로 구성된 종래기술의 베어링 보다 마모가 덜하게 나타나는 것이다.
여기서, 상술된 30㎛를 초과하며 80㎛보다 크지 않은 범위로 수치를 한정한 이유는: PTFE, PVDF-혼합물로 구성된 저-마찰 층이 있는 베어링 층의 피이크 위를 의미하는 베어링 층의 피이크 위에 저-마찰 층의 두께가 있기 때문이다. 예를 들면 자동차에 적용용으로 사용되는 베어링은, PTFE, 금속 필러, PVDF의 혼합물에 대한 미끄러짐 파트너 슬라이드를 의미하는 밑에 있는 다공성 베어링 층의 피이크와 접촉하는 슬라이드 파트너 없이 저-마찰 베어링을 제공한다. 그런데, 이건 발명인의 무수한 반복 실험의 결과로, 이건 발명인은 30㎛보다 작은 두께는 베어링의 수명을 고려한 충분한 재료를 제공하지 않으며, 80㎛상한치는 수명의 연장에 고려할만큼 기여하지 않기 때문에 초과하지 않아야 한다는 사실을 발견하였다. 이해할 수 있는 바와 같이, 다공성 베어링 층은 저-마찰 혼합물을 포획하고 유지하는 기능을 하는 것으로서, 만일 두께가 증가하게 되면, 예를 들어 다공성 베어링 층의 피이크로부터 이격지는 80 내지 120㎛에 있는 재료가 다공성 베어링 층의 피이크 위에 0 내지 50㎛에 있는 재료보다 더 빠르게 마모될 것이다. 따라서, 30 내지 80㎛의 두께가적절한 양호한 두께 범위가 된다.
도면은 주행시간에 따른 압연-형성 부싱의 마모 행동을 나타낸다.

Claims (4)

  1. 금속 지지층, 미끄러짐 표면 베어링용 금속으로 구성되고 지지층에 소성-결합된 다공 베어링 층, 및 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)과 5 내지 30 부피%의 금속 충진재의 혼합물로 이루어지는 층으로서 또한 베어링 층의 기공을 완전히 채우는 저-마찰 층으로 구성되는, 미끄러짐 표면 베어링용 다층 재료로서,
    상기 PTFE 및 금속충진재의 혼합물은 폴리비닐리덴 불화물(PVDE) 5 내지 40 부피%를 함유함을 특징으로하는 미끄러짐 표면 베어링용 다층 재료.
  2. 제1항에 있어서, 저-마찰 층은 30㎛를 초과하고 80㎛ 이하의 두께를 가짐을 특징으로하는 미끄러짐 표면 베어링용 다층 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저-마찰 층의 미끄러짐 표면이 윤활제 포켓을 갖도록 형성됨을 특징으로하는 미끄러짐 표면 베어링용 다층 재료.
  4. 제1항 또는 제2항에 따른 다층 재료로 제조된 미끄러짐 표면 베어링.
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