KR100368927B1 - 무보수 활주 베어링 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

무보수 활주 베어링(110)은 금속 기판(112)과, 여기로부터 직각 방향으로 연장하고 이와 일체적으로 형성되어 있는 일련의 융기 구조체(113)의 적층으로 제조된다. 플루오로폴리머 활주 또는 베어링층(114)은 기판과 중첩되어 있으며, 내부에 융기 구조체가 삽입되어 있다. 융기 구조체는 로드 베어링층을 제 위치에 유지하여 베어링 작용 중에 로드 베어링층이 기판의 표면을 따라서 활주하는 것을 방지한다. 기판에 대한 상기 고정에 의해서 상대적으로 두꺼운 베어링층을 사용하여도 크립될 가능성을 감소시킬 수 있게 된다. 대안으로, 구조체는 기판과 회전축과 같은 지지물 사이에서의 상대적으로 높은 열 및 전기적 전도도에 적합한 열 및 전기적 브릿지로 작용하는 구조체와 함께 그 수명에 걸쳐서 마찰 계수가 상대적으로 일정한 상대적으로 얇은 로드 베어링층을 가지는 베어링을 제공한다. 또한 상기 구조체는 지지물에 직접적으로 접촉하여 베드인(bed-in; 변위)을 방지하게 된다. 이 점에 있어서, 베어링은 상대적으로 낮은 마찰 계수, 긴 베어링 수명, 크립 및 기계적 응력에 대한 내성 및 전기적으로 및 열적인 전도성을 구비하게 된다.

Description

무보수 활주 베어링 및 제조 방법{Self-lubricated bearing}

금속 지지체와 플라스틱층을 구비한 무보수 활주 베어링은 공지되어 있다. 그와 같은 베어링은 다수의 부재를 무보수(maintenance free) 방식으로 서로에 대해서 회전, 선회(pivot) 또는 활주 가능하게 고정하는 간편한 수단을 제공한다. 그와 같은 베어링의 적용에는 구동되는 축(shaft)을 지지하기 위한 저널(journal)과 같은 반복되는 회전 운동을 사용하는 것이 포함된다. 이들 베어링은 또한 자동차 도어 힌지, 도어 체크, 브레이크 및 가속 페달과 같은 반복되는 선회 운동을 채용한 적용에 대해서도 적합하다. 추가적인 적용으로는, 자동차의 충격 흡수 장치 및 충격 완충 버팀대(strut)와 같은 반복되는 왕복 운동을 사용하는 것들이 포함된다. 이들 베어링은 또한 트렁크 데크 리드(trunk deck lid)와 후드 힌지(hod hinge) 등의 용도로 자동차 산업에서 통상적으로 사용되는 다수의 바 링키지(bar linkage)와 같은 수송부담이 낮은(lighter duty) 분야에서도 사용된다. 이와 같은 무보수 활주 베어링은 예를 들어서, 다양한 기계 장치용의 부시나 저널 베어링, 스러스트 베어링 또는 와셔, 설치 패드, 밸브 포트 플레이트 및 마모 요소 등과 같은 다양한 형태를 포함할 수 있다.

그와 같은 베어링 중에 특정한 것으로는, 본원에서 "디유(DU)" 베어링이라고 지칭되는, 영국 미들섹스 에이치에이6 1엘엔 노쓰우드 힐즈 조엘 스트리트 아굴 하우스(Argule House, Joel Street, Northwood Hills, Middlesex HA6 1LN, England) 소재의 더 글레이셔 메탈 캄파니 리미티드(The Glacier Metal Company Limited)의 제품이 있다. 상기 DU 베어링은 금속 기지부(基地部)에 다공성 청동층이 접합된 복합 재료로 구성되어 있다. 다공성 청동층은 PTFE(폴리테트라플루오르에틸렌: poly- tetrafluoroethylene)와 같은 폴리머가 함침되어 있으며, 그 위에는 폴리머 재질의 상층 또는 라이닝이 배치되어 있다.

상기 구조의 한가지 특징은, 청동의 농도가 금속 기지부에 가까울수록 상대적으로 높아진다는 것이다. 깊이에 따라서 폴리머대 청동의 비가 변화하는 경향이 있고, 이는 기지부 금속의 근처에서 저마찰 재료의 농도를 저감시킨다. 따라서, 마찰 계수가 베어링 수명에 걸쳐서 변화(증가함)하는 경향이 있다는 단점을 제공한다. 상기 농도 구배(gradient)의 추가적인 단점은 설치후 베어링에 대한 보링, 브로칭 절삭 또는 버니싱 다듬질과 같은, 베어링층으로부터 재료를 제거하는 모든 방법은 일반적으로 베어링의 성능 저하 없이 수행될 수 없다는 것이다.

상기 한계를 극복하기 위해서 개발된 베어링으로서, 시판되고 있는 것이 독일 빌리히(Willich) 소재의 노르톤 팜푸스 게엠베하(Norton Pampus, GmbH)가 시판중인 "노글라이드(Norglide)"이다. 노글라이드는, 고온 열가소성 필름(예로서, PFA 및 ETFE)과 열 및 압력을 사용하여 철제(stee) 기지부에 접합되는, 예를 들어서 PTFE 복합물과 같은 얇은 베어링 재료 시트를 포함한다. 베어링층이 상술한 DU 베어링의 경우 분산으로서 제한되지 않고 별도의 시트로 제조되기 때문에, 상기 노글라이드 베어링층은 균질적이다. 이러한 특징은 유리하게도 베어링 수명의 전체에 걸쳐서 마찰 계수를 실질적으로 일정하게 유지시킨다. 또한, 노글라이드 베어링의 마찰 계수는, 마찰 계수에 부정적인 영향을 덜 미치는, 보다 적은 양의 충전물(filler) 또는 혼합물의 이용 능력으로 인해 종래 베어링의 마찰 계수보다 낮다. 예를 들어서, 노글라이드 베어링은 상술한 청동 대신에 그래파이트 충전물을 사용할 수도 있다. 또한, 상술한 균질성은 실질적으로 노글라이드 베어링의 표면이 설치후에 그 성능 저하 없이 보링, 브로칭 절삭 또는 버니싱 가공될 수 있게 한다.

그러나, 상기 구조에 단점이 없는 것은 아니다. 특히, PTFE 복합물의 상대적으로 두꺼운 PTFE 복합물의 두께와 낮은 충전물 함량은, 높은 응력하에 베어링층이 크립(creep)되거나 성층될 수 있게 하는 경향이 있다. 또한, 베어링층은 적층체가 특히 작은 반경으로 구부러지는 경우에 금속 기지부로부터 박리(delaminate)되는 경향이 있다. 또한, PTFE 복합물이 불량한 열 전도체일수도 있다. 그러므로, 상술한 베어링들은, 청동으로 충전된 PTFE 시트를 이용하여 제조되는 경우에라도(후술하는 "노글라이드 엠(Norglide M)" 베어링에 대한 설명을 참조) 열전도도가 상대적으로 낮게 되는 경향이 있다. 마지막으로, 상기 PTFE가 전기적으로 전도성으로 제제될 수 있더라도, 금속 기지부에 베어링층을 접합시키는데 사용되는 고온 용융막(hot melt film)은 전기적으로 절연성이다. 이러한 특징에 의하면, 예를 들어서 자동차 및 기타 금속 제조 산업에서의 정전 도장(electrostatic painting) 등과 같은 전기적 연속성에 의존하는 적용 분야에서 노글라이드 베어링을 사용하기에는 바람직하지 않은 경향이 있게 된다.

크립과 박리 문제는 금속 기지부 표면을 베어링면에 적용하기 전에 샌드 블래스트 가공 등과 같은 방법으로 거칠게 처리(roughening)할 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 상대적으로 성가시며, 시간 소모적이고 처리 공정에 대해서 추가 비용을 발생시킨다.

상술한 바와 같이, 역시 노르톤 팜푸스 사가 시판중인 "노글라이드 엠(Norglide M)"이 공지되어 있다. 노글라이드 엠은 실질적으로 노글라이드와 동일하지만, 내부에 개방 메시형 금속제 직조 보강부(reinforcement)를 구비하는 베어링층을 사용한다. 이러한 보강부의 사용은 상술한 크립과 전도성의 단점을 개선하기는 했지만, 박리와 전기 전도성 문제는 해결하지 못했다.

따라서, 종래 기술의 문제점을 해결한 개선된 무보수 활주 베어링이 필요하다.DE 29 44 052 에는 금속 베어링층과 플라스틱 활주층을 구비한 활주 베어링 부재가 개시되어 있다. 금속층의 윗면을 기계적 또는 화학적 처리 방법으로 프로파일 처리하여, 그 윗면으로부터 연장되는 융기(raising) 피크를 형성하였다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 층의 윗면은 화학적 처리시에 형상이 임의적이며, 기계적 처리시에는 평행한 개방 그루브를 제공한다.

본 발명은 베어링에 관한 것이며, 보다 상세하게는 크립(creep)에 내성이 있는 윤활 마모층을 구비한 무보수 활주 베어링에 관한 것이다.

도 1은 저널 베어링으로서 제조되었으며, 내부에 축을 지지하고 있는, 종래 기술의 무보수 베어링의 개략 단부 도시도.

도 2는 본 발명의 베어링의 일부를 확대한 사시도.

도 3은 그 위에 활주 또는 베어링층이 제공되는, 도 2에 도시된 베어링의 일부분을 도시하는, 도 2의 3-3선상에서 취한 단면도.

본 발명의 제 1 특징에 따르면, 무보수 활주 베어링은 표면을 구비한 기판과, 상기 표면을 따라서 이격된 관계로 배치되고 상기 표면으로부터, 실질적으로 직각 방향으로 연장되는 다수의 구조체를 구비한다. 상기 표면에는 상기 다수의 구조체와 결합하여 로드 베어링층(load bearing layer)이 중첩되며, 따라서 상기 구조체는 상기 로드 베어링층 내에 삽입되어 있다.

본 발명의 제 2 특징에 따르면, 무보수 활주 베어링의 제조 방법은 (가) 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계와, (나) 상기 표면을 따라서 이격된 관계로 배치되고 상기 표면으로부터 실질적으로 직각 방향으로 연장되는 다수의 구조체를 일체적으로 배치하는 단계, 및 (다) 로드 베어링층을 상기 표면과 중첩 정렬하여 그 안에 상기 구조체가 삽입되도록 이들 구조체와 결합관계로 배치하는 단계를 포함한다.

본 발명의 상기 및 기타 특징과 장점에 대해서는 첨부 도면을 참조한 후술하는 상세한 설명에서 더욱 명확하게 될 것이다.

간략하게, 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 금속 기지부, 지지부 또는 기판(112)과, 기판으로부터 직각 방향으로 연장하는 일련의 융기 구조체(113)와, 그 위로 중첩되어 있는 폴리머 재질의 활주, 마모 또는 로드 베어링층(114)의 적층으로 제조된 무보수 활주 베어링(110)을 포함한다. 융기 구조체(113)는 통상 청동으로 제조되며, 기판(112)에 일체적으로 고정되고 로드 베어링층(114) 내에 삽입되어진다.

구조체(113)는 로드 베어링층(114)을 베어링 작용 중에 기판(112)의 표면을 따라서 활주하지 않도록 위치 유지시킨다. 이러한 기판에 대한 고정의 개선은 상대적으로 두꺼운 베어링층이 감소된 크립 가능성으로 사용할 수 있게 된다. 대안으로, 구조체(113)는 비교적 얇은 로드 베어링층(114)으로 제조되는 베어링(110)에 대해 그 전체 수명에 걸쳐서 일정하게 유지되는 마찰계수를 제공한다. 또한, 구조체(113)는 지지부로서의 기판(112)과 회전축과 같은 피지지체 사이에서의 비교적 높은 열적 전도성 및 전기적 전도성에 적합한 열 및 전기적 브릿지로 작용한다. 따라서 융기 구조체는 베어링 작용 중에 국부적으로 윤활 가능하지만 이탈은 불가능한 별도의 자가 윤활(self lubricating) 재질의 포켓을 둘러싸서 유지하는 경계의 역할을 한다. 구조체(113)는 또한 베드인(bed-in)을 방지하기 위해 피지지체와 직접적으로 접촉한다. 따라서, 유리하게, 베어링(110)은 상대적으로 낮은 마찰 계수, 긴 베어링 수명, 크립에 대한 내성과 기계적 응력에 대한 내성을 갖게 되고 전기적 및 열적인 전도성을 구비하게 된다.

본원의 전체에 걸쳐서, "자가 윤활"이라는 용어는 통상 베어링면에 별도의 윤활제를 도포할 필요가 없도록 충분한 윤활성을 갖는 재료를 사용한다는 것을 의미한다.

이제 도면을 상세하게 참조하면, 도 1은 전술한 바와 같이 플라스틱 로드 베어링층을 구비하는 무보수 활주 베어링(10)과 금속 하우징(11)으로 제조된 종래의 저널 베어링(9)에 대한 크립 효과를 도시하고 있다. 베어링(10)은 화살표 16 방향으로 로드(load)를 가하도록 조작되는 축(15)을 지지한다. 이러한 로딩에 반응하여, 상기 로드 베어링층은, 축이 베어링(10)에 "베드인"되는 축방향으로 크립될 뿐 아니라("축방향 크립", 비도시), 화살표 18 및 20 방향으로 크립되거나 변위되는("반경방향 크립") 경향이 있다. 상기 작용은 불리하게도, 도면 부호 22로 도시한 바와 같이 축(15)의 중심 정렬을 손실시킨다.

이제 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명은 베어링에 대해 그 의도된 적용에 필수적인 구조적 강성을 제공할 수 있는 금속 또는 기타 재료로 제조된 기지부 또는 기판(112)을 갖는 무보수 활주 베어링(110)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 융기 구조체(113)는 통상 기판(112)의 표면(118)에 걸쳐서 중첩되는 방식으로 연속적으로 연장되는 중간층(116)의 일체적 구성 요소로서 제조된다. 양호한 실시예에서, 구조체(113)는 대체로 도시한 바와 같이 대략 벌집 모양의 패턴으로 구성되어 있지만, 후술하는 바와 같이, 마모층에 대한 고정을 제공하기에 충분한 임의의 기하학적 패턴으로 제조될 수도 있다. 예를 들어, 상기 구조체(113)는 정사각형, 원형, 삼각형 등과 같은 일련의 연속되거나 불연속적인 다각형을 포함할 수 있고, 기판(112)의 표면(118)에 대해서 대략 직교하여 연장되는 일련의 분리된 포스트(도시하지 않음)를 포함할 수도 있다. 도시한 바와 같이, 양호한 실시예에서, 중간층(116)의 두께(t)는 대략 60 마이크론(μ)이며, 구조체(113)는 높이(h)가 대략 100 μ이고, 폭(w)이 대략 50 μ이며, 대략 300 μ의 내부 치수(d)를 형성하도록 이격된다. 또한, 당업자라면 엠보싱기(embosser) 또는 몰드(mold)를 사용하여 구조체의 제조를 용이하게 하기 위해서는 구조체(113)에 약간의 원추성을 부여하는 것이 유리하다는 사실을 알 것이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 로드 베어링층(114)은 구조체(113)와 중간층(116)에 적층되어, 접착층(120)에 의해서 접합된다. 따라서, 도시한 바와 같이, 구조체(113)는 로드 베어링층(114) 내에 삽입되며, 베어링층은 구조체(113)로부터 직교방향으로 소정의 거리(v)에 이격 배치된 평탄한 최외곽 표면(122)을 구비한다. 거리(v)는 베어링(110)의 의도된 용도에 따라서 변할 수 있다.

기판(112)은 스테인레스 스틸, 통상적인 드로잉 품질의 강철 박판, 황동이나 다른 합금과 같은 재료 뿐 아니라 강철 또는 알루미늄을 포함하는 다양한 금속으로 제조될 수 있고, 또한 플라스틱, 세라믹 또는 글래스나 카본 섬유를 사용한 합성물로도 제조될 수 있다. 그 표면(118)은 처리되지 않을 수 있고, 갈바나이징, 크롬산염 또는 인산 처리, (알루미늄 기판의 경우) 아노다이징, 기계적인 샌드 블래스팅 및/또는 화학적 산세척(pickling)과 같은 다양한 기법으로 처리할 수도 있다. 또한, 상술한 DU 베어링에서 사용된 것과 같은, 다공성 청동으로 코팅된 강철 기판을 본 발명의 제조에 사용하는 것도 고려된다. 또한, 기판(112)에는, 표면(118)을 선택적으로 가격하여 이를 비교적 작은 영역에 걸쳐서 용해시키므로써 그 표면(118)에 걸쳐서 규칙적으로 이격된 크레이터를 생성하는 불연속적인 레이저 빔에 의해 구조체(113)가 제공될 수 있다.

로드 베어링층(114)은, 그 내용이 본원에 참조로 합체되는 1996 년 11 월 12 일자로 특허되고 발명의 명칭이「폴리플루오로카본으로 코팅된 금속 베어링 (POLYFLUOROCARBON COATED METAL BEARING)」인 미국 특허 제 5,573,846 호에 개시된 복합물과 같은 플루오로폴리머(fluoropolymer)를 포함하는 폴리머 또는 플라스틱 재료와 같은 임의의 개수의 적절한 윤활 물질을 포함할 수도 있다. 통상의 플라스틱 재료에는 보통 고융점의 유기 폴리머를 포함하는 내온성 포리머 계열 및/또는 상대적으로 낮은 마찰 계수가 특징인 계열이 포함된다. 이들 재료는 기판을 제조하기 위한 재료에 도포되거나 적층되기에 적합해야 한다. 이와 관련하여, 양호한 접착제는 플루오로폴리머이다. 예를 들어서, 적절한 접착층(120)을 선택하므로써, 임의의 폴리머가 금속 기판에 로드 베어링층(114)으로서 적층될 수 있다.

로드 베어링층(114)에서 유용한 폴리머 재료의 예에는 플루오로폴리머(예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: polytetrafluoroethylene), 불화 에틸렌-프로필렌(FEP:fluorinated ethylene-propylene), 폴리비닐리덴 플루라이드(PVDF: polyvinylidene flouride), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE:poly- chlorotrifluoroethylene), 에틸렌클로로트리플루오르에틸렌(ECTFE: ethylene- chlorotrifluoroethylene) 및 과플루오르알콕시 폴리머(PFA: perfluoroalkoxy polymer)), 아세탈(acetal), 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르이미드(poly-etherimide), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK: polyether ether ketone), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리술폰(예를 들면, 폴리에테르술폰(polyethersulfone)), 폴리아미드(나일론), 폴리페닐렌 설파이드, 폴리우레탄, 폴리에스터, 폴리페닐렌 옥사이드, 및 이들의 블렌드(blend) 및 알로이(alloy)가 포함된다. 또한, PPS, PPSO₂및 방향족 또는 지방족 폴리케톤/에테르, PEI 및/또는 나일론 46이 연속적인 매트릭스로 사용될 수도 있다. 고체 형태(비반응성 필름) 또는 용액 상태의 폴리이미드와 같은 반응성 폴리머를 사용할 수도 있다. 따라서, 이들 반응성 폴리머는 연속적인 매트릭스를 구성할 수 있다. 또한, 예를 들어서 (에틸린 비닐아세테이트(EVA: ethylene vinylacetate)와 같은 저온 접착제에 의해 접합될 수 있는) 초고분자량 폴리에틸렌 또는 폴리이미드와 같은 다른 폴리머가 사용될 수도 있다. 또한, 베어링층은 내부에 배치된 그리스(grease) 포켓에 의해 추가적으로 윤활되도록 천공될 수도 있다.윤활제 또는 충전물도 유용하다. 이들에는 윤활성, 기계적 강도, 내마모성, 열 전도성, 및 전기 전도성과 같은 폴리머 특성에 영향을 미치는 다양한 첨가물이 포함된다. 유용한 첨가물에는, 적은 체적 백분율(예를 들어, 0.5 내지 49.5 퍼센트)의 글래스 및/또는 탄소 섬유, 실리콘, 그래파이트, 이황화 몰리브덴, 방향족 폴리에스터, 카본 입자, 청동, 플루오로폴리머, 및 그 조합이 포함되지만, 이것들에 국한되지는 않는다.

주어진 적용 분야에 대한 특정 재료의 선택은 재료의 마찰 계수(μ)에 기초하여 결정될 수 있다. 두 표면 사이의 마찰 계수는 씨알씨 물리 화학 핸드북(1981-1982, 62판, CRC Handbook of Chemistry and Physics)에서, 한 표면을 다른 표면 위에서 이동시키는데 필요한 힘과, 두 면을 함께 가압하는 전체 힘의 비율로 정의된다. 따라서, F를 한 표면을 다른 표면 위로 이동시키는데 필요한 힘이라고 하고, W를 상기 두 표면을 함께 가압하는 힘이라고 하면, 마찰 계수(μ)는 F/W로 표시된다.

부담이 비교적 통상적이거나 가벼운 적용에 대해서, 수용 가능한 재료에는 정지 마찰 계수(μ)가 최소한 강철 상의 강철(steel on steel)의 마찰 계수(0.58) 보다 작고, 양호하게는 폴리에틸렌의 마찰 계수(0.2)와 유사한 재료가 포함된다. 자동차 또는 일반적인 산업적 용도와 같은 보다 대형의(heavier duty) 적용에서는 상대적으로 마찰계수가 낮은 재료가 유리하다. 이들 적용에 유리한 재료에는, 예를 들어 정지 마찰 계수(μ)가 PTFE와 유사한(대략 0.04 내지 0.10) 재료가 있다.

일반적인 비교 목적으로는 상기 정지 마찰 계수가 충분하지만, 통상적으로 베어링과 함께 연관된 연속적 및/또는 반복적인 부담 적용을 감안할 때 본 발명에서는 동적 마찰 계수(μ)가 더 의미 있다. 다양한 재료에 대한 동적 마찰 계수(μ)값을 결정하고 비교하기 위해 하기의 시험(test) 결과를 사용하였다. 이 시험에서는, 시험될 특정 재료로 형성된 플라스틱 또는 로드 베어링층을 각각 구비하는 소정 치수의 일련의 디스크를 제조하였다. 평탄한 강철판의 대향 측면에는 두 개의 공칭 치수적으로 동일한 디스크로 형성된 로드 베어링층이 소정의 압력 또는 부하(W)로 가압된다. 이후에, 소정의 속도로 상기 디스크 사이에서 강철판을 당겨 내었다. 강철판을 제거하는데 필요한 힘(F)을 측정하고, 이를 W로 나누어서 동적 마찰 계수(μ)를 구한다. 후술되는 시험 결과는 565 N의 로딩(W)을 사용하여 얻어진 것이며, 강철판은 50 mm/min의 속도로 당겨 내어진다. 예를 들어서, 이 시험은 충전된 PTFE에 대해 대략 0.08 내지 0.1의 동적 마찰 계수(μ)를 생성한다.

상술한 바와 같이, 로드 베어링층(114)은 또한 일반적인 충전물을 포함한다. 이와 관련하여, 본 발명에서는 다공성 청동 내부로의 관통을 용이하게 하기 위해 종래 기술에서와 같이 PTFE의 분산을 이용하지 않기 때문에 충전물 입자의 크기는 일반적으로 중요하지 않다. 오히려, 본 발명의 양호한 실시예에서는 스카이빙 절삭 처리한 PTFE를 사용하므로써 PTFE가 입자를 결합시키는 연속적인 상(phase)에 있다면 어떠한 입자 크기 및 농도의 충전물도 사용할 수 있게 되었다.

접착층(120)으로는 다양한 다른 대안이 있다. 적절한 접착제에는 PFA, MFA, ETFE, FEP, PCTFE, PVDF와 같은 플루오로폴리머; 에폭시, 폴리이미드 접착제와 같은 경화성 접착제; 및 EVA와 폴리에테르/폴리아미드 공중합체(Pebax^TM)과 같은 저온 고온 용융체가 포함된다.

또 다른 대안의 실시예로서, 층(114 및 120)은 폴리머 블렌드를 포함하는 단일층으로 제조된다. 예를 들어서, (PFA가 다수일 때의) 용융 압출 성형법 또는 (PTFE가 다수일 때의) 박판 스카이빙 절삭법에 의해서 생성되는 PFA/PTFE의 블렌드를 사용하여 접착층(120)과 로드 베어링층(114)의 두가지로 작용하도록 사용될 수 있다. PFA의 존재는 순수 PTFE의 크립 내성을 증가시킨다. 이 효과는 전술한 충전물을 첨가하여 증가시킬 수 있다. 또한, 구조체(113)에 의해 형성된 공극(voids)은 선택된 폴리머의 분산체(PTFE, PPS, 이들의 조합 등, 가능하다면 충전물을 포함하여)로 충전될 수 있으며, 분산체는 건조된 후 가압되어 로드 베어링층(114)을 형성한다. 예를 들어, 충전물로서 PTFE를 포함하고 있는, 렌딩 컴퍼니(Lending Co.)가 시판중인 폴리이미드 P84가 구조체(113)상에 직접 코팅되고, 용제가 도포되며 폴리머가 완전히 이미드화된다.

본 발명의 무보수 활주 베어링(110)은, 통상 금속 박판으로 형성된 기판(112)에 일체 중간층(116)을 형성하도록 청동을 중첩 피복하므로써 제조된다. 상기 피복부 또는 중간층(116)은 열과 압력의 적용을 포함하는 통상적인 피복 기법을 사용하여 기판(112)에 접합되므로써 일체형 복합물을 형성한다. 이 복합물은 이후에 도 2에 도시한 벌집 모양 패턴과 같은 소정 패턴의 구조체(113)가 음화로 새겨진 통상적인 캘린더 롤(calender roll)을 통과한다. 이어서, 전술한 적절한 접착제를 사용하여, PTFE와 같은 통상적인 윤활성 재질의 박판을 적층하므로써 베어링층(114)이 형성될 수도 있다. 전체 적층체는 이후에 통상 열과 압력하에 통상적인 프레스에 삽입되며, 여기에서 로드 베어링층(114)에는 도 3에 도시된 바와 같이 최외곽 표면(122)이 제공된다. 이와 같이 하여 무보수 활주 베어링(110)이 실질적으로 완성된다. 일단 이렇게 제조된 후에, 베어링은 종래의 기술을 사용하여 다양한 적용의 특정 형상으로 형성될수도 있다. 또한, 양면 베어링을 형성하도록 로드 베어링층(114)이 기판(112)의 양면에 적층될 수도 있다.

상술한 방식대로 편평한 박판으로 제조된 베어링(110)은 부시 또는 저널 베어링, 스러스트 와셔, 및 스키드 플레이트 등과 같은 여러가지의 베어링 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어서, 베어링(110)을 스트립으로 절단하므로써 부시 또는 저널 베어링(110)이 형성될 수 있다. 이들 스트립은 이후 중공의 실린더로 형성될 수 있으며, 특정 적용에 따라서, 도 1의 종래 기술에서 도시한 것과 마찬가지로 실린더의 내측 원통형 표면에 또는 그 외측 표면에 로드 베어링층(114)이 배치된다. 이후에 실린더형 베어링은 예를 들어서, 그 전체가 본원에 참조로 합체되는 1993 년 11월에 발간된 카탈로그 제 PPL-E-067-1 호의 "노글라이드, 노르톤 퍼포먼스 플라스틱(Norglide, Norton Performance Plastics)"에 기재된 것과 같은 당업자에게 익숙한 기술을 사용하여 플랜지 처리될 수 있다.

양호한 제조 방법을 개시하였으나, 그 단계들은 변경되거나, 제거되거나 다른 순서대로 수행될 수도 있다. 예를 들어서, 베어링(110)은 표면에 로드 베어링층(114)을 적용하기 전에, 실린더와 같은 소정의 형상으로 형성하므로써 제조될 수 있다. 이와 관련하여, 기판은 상술한 바와 같은 구조체(113)를 구비할 수 있으며, 이후에 임의의 편리한 방법을 사용하여 튜브로 제조되며, 그 내외면 또는 양 원통형 표면에는 구조체가 배치된다. 이후, 튜브에는 예를 들어서, 스프레이 코팅 또는 딥핑(dipping)과 같은 임의의 적절한 방법으로 로드 베어링층(114)이 적용될 수 있다. 로드 베어링층의 적용은 한 쪽 단부 또는 양쪽 단부를 플랜지 처리하기 전 또는 후에 수행될 수 있다.

상기 제조법의 변형예로서, 기판은 심(seam)이 형성된 튜브 또는 심이 형성되지 않은 튜브를 제조하기 위한, 롤 형성(roll forming), 피어싱, 드로잉 또는 압출 공정 등을 포함하는 열간 또는 냉간 형성 공정과 같은 임의의 통상적인 방법에 의해서 튜브로 제조될 수 있다. 일단 그렇게 형성되고 난 뒤에는, 구조체(113)가 화학적 에칭 공정 또는 상술한 레이저 처리와 같은 표면 텍스쳐링(texturing: 질감조성) 기법을 사용하여 형성될 수 있다. 이후 상술한 바와 같이, 로드 베어링층(114)이 적용될 수 있다.

후술하는 실시예 및 테스트에 의해서 본 발명을 보다 자세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 양호한 실시예의 한 예에서는, 기판(112)이 독일 공업 규격(Deutsche Industrie Norm) "디아이엔 1624(DIN 1624)"에 따른 에스티4 1.0338 엘지(St4 1.0388 LG) 등급의 강철 박판으로 형성된다. 상기 박판은 대략 80 μ두께인 청동 피복부(청동 등급 CuSn 6)를 포함하여 0.8 mm 의 두께로 제공된다. 기판(112)을 도 2에 도시한 소정의 벌집 모양 패턴의 음화로 새겨진 통상적인 캘린더 롤로 통과시켜서 구조체(113)를 형성한다. 벌집 모양 패턴을 형성하는 구조체(113)의 치수는 상술한 바와 도 2 및 도 3에 도시된 것과 동일하다. 이후 통상적인 25 μ두께의 PFA(듀퐁(DuPont)의 테플론 피에프에이(Teflon^RPFA))로 형성된 접착층(120)을 사용하여 통상적인 스카이빙 절삭된 PTFE 복합물 시트(조성은 25 % 카본/그래파이트와 75 % PTFE임)를 적층하므로써 로드 베어링층(114)이 형성된다. 베어링층(114)의 파라미터는 구조체(113) 위로 대략 30 μ의 두께(v)(도 3)를 제공하도록 설정된다. 이후에 상기 복합물은 4 MPa의 로드와 대략 375 ℃의 온도하에 통상적인 프레스 내로 삽입된다. 온도와 압력은 대략 3 분간 일정하게 유지되고, 이후 동일 로드하에서 대략 100 ℃까지 냉각되며, 이후 프레스에서 방출된다. 그렇게 얻어진 적층물을 절단하고, 손질(trimming)하여 소정의 기하학적인 형상으로 형성한다.

다른 실시예에서, 지지부로서의 기판(112)은 크롬산염 전환 코팅으로 통상적으로 알려진, 당업계에서 공지된 방법에 따라 700 내지 800 mg/m²에서 크롬산으로 처리된 양면을 갖는 0.8 mm 두께의 알루미늄 시트(등급은 AlMg 04 Si 1.2)이다. 나머지 제조 단계들은 유사한 베어링(110)을 제조하기 위한 전술한 실시예의 것과 실질적으로 동일하다.

상술한 종래의 DU 베어링 및 노글라이드(NG) 베어링에 대한 본 발명(PI; Present Invention)의 개선점을 나타내기 위해 일련의 비교 실험을 수행하였다. 시험한 특정 DU 베어링은, "Nr PG252825F" 형태로 지칭되는 것이다. NG 베어링은 본 발명과 관련하여 상술한 조건하에 종래의 25 μ 두께의 PFA를 사용하고, 230 μ 두께의 스카이빙 절삭 처리한 PTFE 박판(조성은 25 % 카본/그래파이트, 75 % PTFE)으로 적층된 표준 강철 박판으로 제조되었다. 본 발명의 베어링(PI)은 상술한 바와 같이 제조하였다. 실시된 시험의 개요를 표 1에 나타내었다.

마찰 계수 시험을 DU, NG 및 PI 베어링 각각의 작은(직경 10 mm) 디스크에 대해 실시하였다. 그 베어링 표면의 소정량을 그 최외곽 표면(122)으로부터 교대로 제거하고나서 마찰 계수를 측정하였다. 이렇게 하여 베어링 수명에서의 다양한 마모 깊이 또는 마모 정도에서 베어링 각각의 마찰 계수의 프로파일을 얻었다. 시험은 상술한 시험 방법론을 사용하여 수행하였다. 그 결과를 하기의 표 2에 도시하였다.

상기 결과는 DU 베어링의 마찰 계수가 그 수명 중의 비교적 이른 시기에 증가함을 나타내고 있다. 또한, 마찰 계수는 일정하지 않고, 따라서 조립체(예를 들어, 회전축 및 하우징)는 그 수명에 걸쳐서 평탄도(smoothness) 및 열 방출과 같은 동작 조건이 동일하지 않게 된다.

깊이 60 μ에서의 값 0.19는 순수 청동과 강철 사이의 마찰 계수이며, 따라서 이는 초기의 최외곽 표면(122)으로부터의 마찰 재료의 유효 깊이가 대략 60 μ이라는 것을 나타낸다. 이 양은 DU 베어링의 PTFE/청동 혼합물의 전체 이론 깊이인 250 내지 350 μ보다 현저하게 적은 것이다.

그러나, 본 발명은 최대 대략 80 μ의 낮은 마찰 계수의 비교적 긴 평탄부(plateau)를 나타내고 있습니다. 이 결과는, 상기 평탄부가 시험한 바와 같이 상부의 무청동(bronze free)층의 깊이(도 3의 깊이 "v") 또는 30 μ깊이에 대해서만 지속된다고 알고 있었으므로 놀라운 것이다. 이와 같이 놀라울 정도로 저마찰 평탄부를 제공하는 특정한 메커니즘에 대해서는 알려져 있지 않다. 그러나, 상기 평탄부는, 청동이 폴리머와 혼합되지 않고, 흩어져 있는 위치에 배치되므로 인해 깊이(v)의 두배 이상으로 연장된다고 추정된다.

NG에 대한 결과는 참조로 제시하였다. NG는 베어링층에 청동을 사용하지 않고 균질적이기 때문에, 마찰 계수가 그 수명 동안 변화하지 않는다. 그러나, 본 발명(PI)의 베어링은 NG 베어링에 비해서 시간 대비 마모율이 훨씬 양호하다고 추정된다. 다시 말하자면, 실제 사용 중에, 본 발명(PI)의 베어링은 NG 베어링에 비해서 소정 깊이로 마모되는데 있어서 더 긴 시간이 걸린다는 것을 알 수 있다.

상술한 크립에 대한 내성(creep resistance) 시험에 대해서는 다음과 같이 수행하였다. 소정 두께의 평평한 베어링 시편을 30 mm ×30 mm의 치수로 절단하고, 두 개의 마주 보는 평행한 원형 플레이트 사이에서 가압하였다. 베어링 표면적이 1 cm²인 상기 플레이트는 840 HV(비커스 경도: Vicker's hardness)의 경도와 ISO 표준 4287/1 호에 따른 거칠기(R_t= 1.3 μ)를 갖는 강철로 제조하였다. 시편에 대해서는, 각각 10 및 30 kN/cm²의 압축성 로드가 23 ℃와 100 ℃에서 한 시간 동안 플레이트에 의해 가해졌다. 이후에 상기 로드가 해제되고, 시편은 15 분간 회복될 수 있다. 이후에 시편의 두께를 측정하고, 두께의 손실을 계산하였다. 본원 발명의 시편을, 유사한 PTFE 베어링층 두께를 갖는 NG와 비교하였다. NG는 상술한 바와 같이 표준 카본/그래파이트 충전물을 사용하여 제조된 것이다. 본 발명의 다른 실시예 또한 카보런덤 컴퍼니, 유. 에스. 에이.(Carborundum Co., U.S.A.)에서 "에코놀, 티101 타잎(Ekonol^TM, type T101)"이란 이름으로 시판중인 방향족 폴리에스터 충전물을 25 중량 백분율로 포함하여 제조하였다. 결과는 하기의 표 3에 표시하였다.

본 발명의 베어링은 독일 마이팅엔(Meitingen, Germany)에 소재하는 젬러 앤드 라인하트 컴퍼니(Semmler and Reinhart Company)가 시판중인 더블유엘엠 20/112 타입(type WLM 20/112) 장비를 사용하여 열 전도도를 측정하였다. 베어링으로 형성한 20 mm 직경의 디스크를 각각 30 ℃와 50 ℃로 세팅된 두 개의 측정 헤드 사이에 삽입하고, 열 전도도 값은 제조업자의 지시대로 측정하였다. 하기의 표 4에 나타낸 결과에 의하면, 본 발명(PI)의 베어링이 NG에 비해서 대략 세 배 정도 우수하며, 또한 전체 두께에서 DU 보다 우수하다는 점을 알 수 있다. 상기 월등한 열 전도도는 명백히, 금속 기판(112)에 대한 견고한 연결을 형성하여, 기판(112)으로부터 로드 베어링층(114)의 표면으로 연장되는 핀 구조(fin structure)를 형성하는 구조체(113)에 기인한 것이다. 이와 관련하여, 일단 베어링층(114)이 구조체(113)까지 마모된 경우에는 전도 값(conduction values)(도 3에서 도시된 깊이(v), 또는 시험한 실시예에서 대략 30 μ)이 더욱 크게 되었다. 샌드블래스트 처리된 기판(112)을 사용하였을 때는 현저하게 개선된 결과가 나오지 않았다.

베어링 시편에 대해 실질적으로 통상적인 디아이엔 53482 표준(DIN 53482 standard)에 따라서 전기 전도도 시험을 수행하였지만, 하기와 같은 차이점이 있다. 즉, 두께 = 베어링의 전체 두께, 로드 = 3000 N (10 N/mm²와 동일)의 조건에서, 실온에서 5 시간의 지속 시간 이후에 측정을 수행하였다. 이 결과는 표 5에 나타내었다.

본 발명의 베어링은 표준 NG 보다도 기계적인 응력에 더 내성이 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 베어링은, 도 3과 관련하여 개시된 치수의 청동 중간층(116)과 PTFE 베어링층(114)을 구비한 0.8 mm 두께의 강철 기판을 사용하여 제조하였다. 이들 베어링(110)은 이후 도 1의 종래 기술에 도시된 형태의 원통형 부시 내에 형베어링(110)을 형성하고, 플랜지 처리된다. 검사에 따르면, 본 발명의 부시에서는 어떠한 박리의 발생도 관찰할 수 없었으나, NG 시편은 박리하였다.

따라서, 기판(112)과 일체로 형성되고 로드 베어링층(114)에 삽입되는 본 발명의 융기 구조체(113)는 저마찰 자가 윤활 재질의 상대적으로 두꺼운 베어링층(114)의 사용을 가능하게 한다. 또한, 베어링의 마찰 계수는, 로드 베어링층(114)이 일단 구조체(113)까지 그리고 구조체 내부로까지 마모되어도 그 수명에 걸쳐서 낮고 통상 일정하게 유지된다. 베어링(110)은 또한 유리하게는 크립 및 기계적인 응력에 대해서 내성이 있으며, 전기적 및 열적으로 전도성이 있다.

상술한 설명은 원래 예시적인 목적으로 기재된 것이다. 예시적인 실시예를 참조하여 본 발명을 개시 및 설명하였지만, 당업자라면 그 형태와 세부 사항에 있어서 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고서 상술한 것 및 기타의 다양한 변형, 생략, 및 추가가 있을 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (24)

1. 표면을 구비한 기판(112)과,

   이격된 관계로 배치되는 다수의 구조체(113) 및,

   상기 다수의 구조체와 결합되어 상기 표면과 중첩되는 로드 베어링층(114)을 포함하는 무보수 활주 베어링(110)에 있어서,

   상기 다수의 구조체는 상기 기판(112)의 상기 표면으로부터 직각으로 연장되며,

   상기 다수의 구조체(113)는 상기 표면과 동일 공간으로 연장되는 다각형 패턴을 포함하고,

   상기 구조체(113)는 상기 로드 베어링층(114) 내에 삽입(embed)되는 것을 특징으로 하는 무보수 활주 베어링.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 구조체는 상기 기판 상에 일체적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 무보수 활주 베어링.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 다수의 구조체는 중간층(116) 내에 배치되어 있으며, 상기 중간층은 상기 기판 상에 일체적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 무보수 활주 베어링.
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22. 무보수 활주 베어링(110)의 제조 방법에 있어서,

    (가) 표면을 구비하는 기판(112)을 제공하는 단계와,

    (나) 상기 표면과 동일 공간으로 연장되는 다각형 패턴을 갖고 상기 표면으로부터 실질적으로 직각 방향으로 연장되는 다수의 구조체(113)를 상기 표면을 따라서 이격된 관계로 일체적으로 배치하는 단계,

    (다) 상기 로드 베어링(114)을 다수의 구조체와 결합되는 상기 표면과 중첩 정렬하여 배치하는 단계를 포함하며,

    상기 구조체는 상기 로드 베어링층 내에 삽입되는 것을 특징으로 하는 무보수 활주 베어링의 제조 방법.
23. 제 22 항에 있어서, 상기 일체적으로 배치하는 단계(나)는 상기 기판과 상기 로드 베어링층 사이에서 기판 상에 중간층(116)을 일체적으로 배치시키는 단계(ⅰ)와, 상기 중간층에 다수의 구조체를 형성하는 단계(ⅱ)를 부가로 포함하며,

    상기 로드 베어링을 배치 단계(다)는 열과 압력을 사용하여 상기 로드 베어링층을 상기 기판에 적용시키는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 무보수 활주 베어링의 제조 방법.
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