KR100509987B1 - 얇은 외부 보호막을 갖는 구리-알루미늄 합금으로 제조되는 내마모성 구리-알루미늄 합금 슬라이드 베어링 - Google Patents

얇은 외부 보호막을 갖는 구리-알루미늄 합금으로 제조되는 내마모성 구리-알루미늄 합금 슬라이드 베어링 Download PDF

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Abstract

내구성이 있는 구리-알루미늄 합금으로 제조되는 슬라이드 베어링으로서, 보호막이 있는 구리-알루미늄 합금으로 제조되는 슬라이드 베어링이 개시된다.
본 발명은 내마모성 구리-알루미늄 합금으로 제조되는 슬라이드 베어링으로서, 0.01 ~ 20%의 알루미늄, 선택적으로 다른 원소, 그리고 그 나머지는 구리 및 통상의 불순물로 이루어진 구리-알루미늄 합금으로 제조되는 슬라이드 베어링에 관한 것이다. 이 때 이 슬라이드 베어링에는 산화 알루미늄으로만 구성된, 마모를 감소시켜 주는 두께 D = 10 nm ~ 10 ㎛ 의 외부 보호막이 형성되어 있다.

Description

얇은 외부 보호막을 갖는 구리-알루미늄 합금으로 제조되는 내마모성 구리-알루미늄 합금 슬라이드 베어링{A WEAR-RESISTANT-COPPER-ALUMINUM-ALLOY SLIDE BEARING MADE OF A COPPER-ALUMINUM-ALLOY WITH AN OUTER, THIN COVERING LAYER}
발명은 청구항 1 에 따른 내마모성 슬라이드 베어링 생산을 위해 사용되는 베어링 재료로서 보호 막이 있는 구리-알루미늄 합금으로 제조된 슬라이드 베어링에 관한 것이다.
자동차 생산에 사용되는 베어링 재료는 다양한 좋은 특성을 지니고 있다.
이러한 특성에는
· 높은 탄성 계수
· 낮은 마찰 계수
· 탁월한 비상 작동 특성
· 탁월한 부식 특성
· 높은 강도
등이 포함된다.
그럼에도 불구하고 마모를 통해 해마다 수십 억에 이르는 손해가 발생한다. 이를 막는 것이 본 발명의 주요한 과제이다.
베어링 재료에서, 마찰 반응막과 같은 중간 막을 통해 작동 파트너를 분리함으로써 일반적으로 마모를 감소시킨다. 그러나 이 중간 막의 형성은 거의 단독으로 결정되지 않으며, 압력과 온도, 윤활제 및 사용되는 작동 파트너의 화학적 반응과의 상호작용에 의해 결정된다.
이른바 초기 길들이기 작동 단계 동안에 마모가 심하게 발생되는 것으로 입증되었다. 이 때문에, 처음 사용하기 이전에 일정한 마모 보호막을 제공하는 것이 중요하다.
따라서, 본 발명은 마모를 감소시키는 막을 포함하는 슬라이드 베어링을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명에 따라 이 과제는, 0.01 ~ 20wt.%의 알루미늄과, 선택적으로 최대 총 20wt.%까지의 철, 코발트, 망간, 니켈, 규소, 주석 중에서 선택되는 하나 이상의 원소, 선택적으로 45wt.%까지의 아연, 그리고 그 나머지는 구리 및 통상의 불순물로 이루어져 있으며, 산화 알루미늄으로만 구성된 두께 D = 10 nm ~ 10 ㎛의 얇은 보호막을 갖는 내마모성 구리-알루미늄 합금으로 제조되는 슬라이드 베어링에 의해 해결된다(상기 퍼센트는 중량 퍼센트이다).
산화 알루미늄 막은, 특히 본 실시예에서 나타나는 것처럼, 마모를 크게 감소시키는 것으로 입증되었다(이른바 마찰 산화막 형성). 이 막은 극도로 경질이며, 외부 영향에 대해 비활성이라는 특징이 있다. 산화막 두께는 흔히 몇 나노미터 범위(다수의 원자층) 내에 있으며, 이는 다색으로 빛나는 "변색 막(tarnish film)"에서 확인할 수 있다. 이 때 광(light)은 막을 통과하여, 보는 각도에 따라 다양하면서도 특징적인 파장을 반사한다. 경계막 두께를 초과할 경우에는 이 효과가 다시 사라지고, 표면 색상은 산화물에 따라 정해진다.
산화물이 일반적으로 매우 부스러지기 쉽고 또 외부 힘의 작용에 의해 부서지거나 떨어져 없어지더라도, 변색막은 접착력이 매우 높다. 2개의 서로 다른 구조(금속/산화물)가 응집되어 있거나 아니면 적어도 반(semi) 응집되어 있는 경계면을 형성하려고 한다고 가정하면(프랑크 반 데르 메르(Frank van der Merwe) 메커니즘), 유사한 대칭성 및 격자 구조를 갖는 결정면, 다시 말해 에피택시를 갖는 결정면들이 각각 서로 대향하게 된다.
에피택셜 경계면은 가능한 최소 에너지를 가지며, 상기 에피택시를 구비하는 최대의 핵을 발생시킨다. 그러나, 기질(금속)과 게스트(산화물)가 서로 완전하게 정합(fitting)되지 않기 때문에, 이러한 정합을 보정하기 위한 탄성 변형이 행해지며, 그리고 이것으로도 충분하지 않을 경우에는 경계면 전이부가 추가되며, 이 경우 경계면은 에너지 최소치를 필요로 한다. 상기 오정합이 커짐에 따라 그리고 게스트의 핵의 횡방향의 폭 및 두께가 커짐에 따라, 상기 전이부가 증가되어 불안정하게 된다. 접착 특성은 사라진다.
산화 알루미늄막은 열역학적 안정성이 높고 이온에 대한 확산계수가 작다. 따라서, 산화 알루미늄막은 산소 분압이 매우 낮은 대기 분위기에서 형성되며, 또한 안정성이 유지된다. 그러나, 상기 언급한 횡방향의 성장 응력 때문에, Al2O3 막은 등온 조건 아래에서도 떨어져나감, 균열 또는 다공 형성의 경향을 나타낸다. 이것은 평행하면서도 반대 방향으로 진행되는, 산화물 내 산소 이온과 금속 이온의 물질 이동 때문이다. 핵 경계부 상의 산화막 내부에 산화물이 형성된다. 그 결과 생성된 압축 응력은 가령 한쪽 면이 산화된 얇은 금속판을 휘어지도록 하기에 충분하다. 또한, 알루미늄 이온이 산화물내로 과다하게 이동하면, 금속 내부에 공(空) 격자점이 발생한다. 상기 공 격자점은 금속/산화물 상 경계에서 응축되어 다공을 형성한다.
얇은 산화 알루미늄 막(변색막)은 탁월한 접착성과 제시된 문제점의 절충안을 제공한다.
실제로, 공기중이나 그밖의 산소를 포함하고 있는 대기중에서 적당한 열처리에 의해 산화막이 의도된 바대로 형성되지만, 보호 작용은,
· 팽창 계수가 다른 합금의 경우, 열역학적으로 안정된 산화물들이 형성되고,
· 종종 높은 오배열율 및 그에 대응하여 큰 확산 계수를 가진 혼합 산화물(spinel)에 의해 감소된다.
삭제
합금에서 산화 막의 형성은 온도 및 각각의 형성 압력에 따라 달라진다. Al2O3의 형성 압력은 비교적 매우 낮기 때문에, 산화 알루미늄만 형성하는 것이 가능하다.
청구항 제 2항 내지 제 8항은 본 발명의 특별한 실시예와 관련된 것이다.
알루미늄을 포함한 구리 합금을 의도적으로 산소 분압이 낮은 가스 분위기에서 0.5 ~ 10 시간 동안 어닐링 온도 T = 400 ~ 800 ℃로 어닐링한다. 이 때 산소 분압은 Al2O3 외에 다른 어떤 산화물도 형성되지 않도록 선택한다. "공업용 수소"는 이같은 조건들을 충족시킨다. 이 공업용 수소는 일반적으로 수 ppm의 잔류 산소 및 잔류 습도로 오염된다. 상기 어닐링 온도에서 수소와 (잔류)산소 사이에, 그리고 수소와 잔류 습도(= 물) 사이에 열역학적인 평형이 형성되고, 이 열평형 상태는 산소 분압이 매우 낮게 되는 특징을 보인다. 이 산소 분압은 순수한 알루미늄 산화물을 형성하는 데 충분하다. 다른 합금 성분은 산화되지 않는다. 스피넬(합성 산화물)도 마찬가지로 이 조건에서는 열역학적으로 불안정하다.
반응 조건(온도 T 및 시간)을 적당하게 선택함으로써, D = 10 nm ~ 10 ㎛ 또는 10 nm ~ 100 nm의 두께를 지닌 알루미늄 산화막이 형성된다. 이 보호막은 가(pseudo)연성 특성을 보이며, 매우 높은 접착력을 지니고 있다. 일정한 조건에서의 어닐링에 의해 양호하게 재생이 가능한, 균일한 구성의 보호막 형성이 이루어진다.
이로써 슬라이드 베어링 상에서 마모를 감소시키는 막의 재현 가능한 형성이라는 과제가 충족된다.
알루미늄을 포함하는 구리 합금에서의 얇은 산화막 형성은 이미 DE-OS 4.417.455호에 공지되어 있다. 이 특허 문헌에 기술된 방법과는 달리, 본 발명에서는 적당한 반응 파라미터의 설정에 의한 폐쇄 보호막 형성에 대해 설명하고 있다.
이하 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
반응막의 실제 효과를 분석하기 위해, 슬라이드 베어링이 고정 샤프트에 대해 진동하며 움직이는 슬라이드 베어링 시험대에서 시험을 실시하였다. 레버 메커니즘을 통해, 조정가능한 부하력이 상기 샤프트를 통해 시험하려는 슬라이드 베어링내로 도입된다(예: 빌란트 브로셔(WIELAND-Brochure): "슬라이드 구성요소", 6/97판, 페이지 5 참조).
상기 언급한 경우에 부하는 17 N/mm2 이었다. 그리스로 초기 윤활이 이루어지고 가로 이동(traverse)각이 ±30°인 경우 1분 당 100회의 부하 사이클이 이루어졌다.
반응막의 작용에 대한 기준으로는, 예컨대 시간에 따른 마찰값으로 나타나는 베어링의 진행 상태가 사용되었다(예: Dubbel: "기계공학 문고본", 2001/20판, 페이지 E86/E87 참조).
비처리된 베어링에 비해 다음과 같은 개선점이 나타난다:
- 마찰값이 좀 더 낮은 수준에서 시작한다.
- 초기의 길들이는 작동 시간이 단축된다.
- 마찰값의 통상적인 상승이 발생하지 않고, 오히려 바로 낮아진다.
- 마찰값 진행이 안정적이다.
비처리된 부싱과 반응막 또는 보호막을 가진 부싱의 마찰값 진행은 도 1 및 도 2에 나타나 있다. 이 두 경우에 조성은 CuAl10 이었다.
마모를 감소시키는 막을 슬라이드 베어링에 제공함으로써 슬라이드 베어링의 내구성을 향상시킨다.
도1 및 도2는 반응막 또는 보호막의 마찰값 진행을 나타낸 도면이다.

Claims (8)

  1. 내마모성 구리-알루미늄 합금으로 제조되는 슬라이드 베어링으로서, 0.01 ~ 20wt.%의 알루미늄; 최대 총 20wt.%까지의 철, 코발트, 망간, 니켈, 규소 및 주석 중에서 선택된 하나 이상의 원소; 45wt.%까지의 아연; 및 그 나머지는 구리 및 통상의 불순물로 이루어져 있으며, 산화 알루미늄으로만 구성된 두께 D = 10 nm ~ 10 ㎛의 얇은 외부 보호막을 갖는 구리-알루미늄 합금으로 제조되는 내마모성 구리-알루미늄 합금 슬라이드 베어링.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 보호막의 두께 D = 10nm ~ 100 nm의 범위 내인, 얇은 외부 보호막을 갖는 구리-알루미늄 합금으로 제조되는 내마모성 구리-알루미늄 합금 슬라이드 베어링.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 보호막은 산소 분압이 낮은 가스 분위기에서 0.5 ~ 10 시간 동안 어닐링 온도 T = 400℃ ~ 800 ℃ 에서의 어닐링을 통해 생성되는, 얇은 외부 보호막을 갖는 구리-알루미늄 합금으로 제조되는 내마모성 구리-알루미늄 합금 슬라이드 베어링.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 보호막은 "공업용 수소" 분위기에서의 어닐링을 통해 생성되는, 얇은 외부 보호막을 갖는 구리-알루미늄 합금으로 제조되는 내마모성 구리-알루미늄 합금 슬라이드 베어링.
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