KR100940117B1 - Fe based alloy for self-lubricating bearing, manufacturing method for the same and self-lubricating bearing manufactured therefrom - Google Patents

Fe based alloy for self-lubricating bearing, manufacturing method for the same and self-lubricating bearing manufactured therefrom Download PDF

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Abstract

PURPOSE: Fe alloy for self-lubricating bearing, a manufacturing method thereof, and self-lubricating bearing manufactured therefrom are provided to reduce the manufacturing cost, and to increase service life. CONSTITUTION: Fe alloy for self-lubricating bearing comprises Cu 12~16 weight%, C 0.35~0.6 weight%, Mn 0~8 weight%, Cr 0.5~2 weight%, Sn 0.5~2 weight%, rest Fe, and inevitable impurities. Mn+10C is 6~11 weight% or less, and Cu+0.6Cr is 23 weight% or less. Molten metal of Mn+10C 6~11 weight% or less, and Cu+0.6Cr 23 weight% or less is casted.

Description

자기윤활 베어링용 Fe 합금, 그 제조방법 및 이로부터 제조된 자기윤활 베어링{FE BASED ALLOY FOR SELF-LUBRICATING BEARING, MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME AND SELF-LUBRICATING BEARING MANUFACTURED THEREFROM}Fe alloy for self-lubricating bearing, manufacturing method and self-lubricating bearing manufactured therefrom {FE BASED ALLOY FOR SELF-LUBRICATING BEARING, MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME AND SELF-LUBRICATING BEARING MANUFACTURED THEREFROM}

본 발명은 자기윤활 베어링용 Fe 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 윤활유가 공급되지 않는 상태 또는 고체윤활 조건에서 높은 반복하중이 작용하더라도 장수명을 확보할 수 있는 자기윤활 베어링에 사용될 수 있는 Fe계 합금 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a Fe alloy for self-lubricating bearings and a method for manufacturing the same, and more particularly, to be used in self-lubricating bearings that can secure long life even when high cyclic loads are applied in a state in which lubricant is not supplied or in solid lubrication conditions. It relates to a Fe-based alloy that can be and a method of manufacturing the same.

저속이며 높은 하중(예를 들면, 80MPa 이상)에서 작동되는 부품으로는 베어링, 기어, 내마모판, 슬리퍼, 워엄휠 등을 들 수 있으며, 이들 부품에는 공통적으로 저속 고하중용의 자기윤활 베어링 합금이 많이 사용된다. 자기윤활 베어링이라 함은 윤활유가 공급될 수없는 저속 고하중의 환경하에서 작동하는 베어링을 의미하는 것으로서 윤활유가 공급되지 않으므로 보다 극심한 마모환경에 노출될 수 있으므로 높은 내마모성과 윤활성이 요구된다. Parts that operate at low speeds and high loads (eg 80 MPa or more) include bearings, gears, wear-resistant plates, slippers, worm wheels, etc. These components commonly include self-lubricating bearing alloys for low speed, high loads. It is used a lot. Self-lubricated bearings are bearings that operate in low-speed, high-load environments where lubricants cannot be supplied. Since lubricants are not supplied, they may be exposed to more severe abrasion environments, requiring high wear resistance and lubricity.

종래에는 상기와 같은 저속 고하중용의 베어링 합금으로서 주로 황동계 주(예를 들면, C86300)이 많이 사용되었으며, 상기 주물로 제조된 베어링의 표면에 흑연, PTFE, MoS2 등의 특수 고체윤활제를 적용하여 극심한 하중조건에 사용되기에 적합하도록 제조하였다. 그러나, 산업이 발전하면서 설비에 대한 효율성에 대한 제고는 지속적으로 요구되고 있으며, 그에 따라 베어링이 사용되는 환경 역시 보다 가혹해질 뿐만 아니라 마모에 대한 저항성도 보다 향상되어질 것이 요구되고 있다. Conventionally, brass alloys (for example, C86300) were mainly used as the bearing alloys for low speed and high loads, and special solid lubricants such as graphite, PTFE, and MoS2 were applied to the surface of the bearings made of the castings. It is manufactured to be suitable for use in extreme loading conditions. However, as the industry develops, there is a continuous demand for improving the efficiency of equipment, and therefore, the environment in which the bearings are used is not only harsher but also required to be more resistant to wear.

또한, 상기 황동계 주물로 제조된 자기윤활 베어링의 주재료인 황동 주물의 가격이 해를 거듭할수록 가파르게 상승하기 때문에, 산업계에서는 보다 가격경쟁력이 높으면서도 윤활성능이 향상된 대체 재료를 모색하기에 이르렀다. 이에 대한 하나의 대안으로서, Fe계 합금의 표면에 고체 윤활층을 코팅하여 윤활특성을 향상시키는 방법이 제안되었다. 그러나, 고체 윤활층에 의해서만 내마모성을 향상시킬 경우에는, 윤활코팅층의 수명에 따라 수명이 결정되어 버리기 때문에 보다 장수명의 베어링을 기대하기에 어려울 뿐만 아니라, 통상의 윤활코팅층은 합금과의 결합력이 약하기 때문에 저속 고하중의 조건에서는 윤활코팅층이 쉽게 벗겨지기 쉬워 베어링의 신뢰성에 문제가 있을 수 있었다. In addition, since the price of brass casting, which is the main material of the self-lubricating bearing made of the brass casting, rises steeply from year to year, the industry has come to search for alternative materials with higher price competitiveness and improved lubrication performance. As an alternative to this, a method of improving the lubrication property by coating a solid lubrication layer on the surface of the Fe-based alloy has been proposed. However, when the wear resistance is improved only by the solid lubrication layer, the service life is determined according to the life of the lubrication coating layer. Therefore, it is difficult to expect a longer life bearing, and the general lubrication coating layer has a weak bonding force with the alloy. At low speed and high load conditions, the lubricating coating layer could be easily peeled off, which may cause a problem in the reliability of the bearing.

또 한가지의 방안으로는, 오일을 머금을 수 있도록 다공질화한 베어링(oil-impregnated sintered bearing)을 들 수 있다. 상기 다공질 베어링은 소결 등의 방법으로 제조될 수 있는데, 이와 같은 소결 제품은 높은 반복하중운 동(reciprocating oscillation or intermittent motion)에 취약하다는 문제가 있었으므로 판 또는 링 형태의 기계부품에 적합하지 않다. 뿐만 아니라 소결제품은 자동차, 가전 및 통신기기부품, 소형 기어 등과 같은 특수 제품 이외에서는 가격경쟁력을 확보하기가 어렵다는 문제도 가지고 있었다. Another option is oil-impregnated sintered bearings to hold oil. The porous bearing may be manufactured by a method such as sintering, such a sintered product is not suitable for the mechanical parts of the plate or ring type because there is a problem that is susceptible to high reciprocating oscillation or intermittent motion. In addition, sintered products had a problem that it is difficult to secure price competitiveness other than special products such as automobiles, home appliances and communication device parts, and small gears.

본 발명의 일측면에 따르면, 높은 반복하중하에서도 충분한 수명을 가질 뿐만 아니라 그 제조비용도 저렴한 신규한 자기윤활 베어링용 Fe계 합금이 제공될 수 있다. According to one aspect of the present invention, a novel Fe-based alloy for self-lubricating bearings having a sufficient lifespan even under high cyclic loads and having low manufacturing costs may be provided.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 베어링용 합금은, Cu를 12~17중량% 포함하는 것을 특징으로 한다.The alloy for bearings of this invention for solving the said subject is characterized by containing 12 to 17 weight% of Cu.

이때 상기 Cu 첨가의 효과를 더욱 향상시키기 위해서는, C : 0.35~0.6중량%, Mn : 0초과~8중량%, Cr : 10~15중량%, Sn : 0.5~2중량%를 더 포함하는 것이 바람직하다.At this time, in order to further improve the effect of the Cu addition, C: 0.35 ~ 0.6% by weight, Mn: more than 0 to 8% by weight, Cr: 10 to 15% by weight, Sn: preferably further comprises 0.5 to 2% by weight Do.

또한 Cu 석출상으로 인한 윤활 성능을 더욱 개선하고 Cu 석출상의 표면으로 이동이 용이하도록 하기 위하여, Mn+10C : 6~11중량%, Cu+0.6Cr : 23중량% 이하의 관계를 충족하는 것이 보다 유리하다.In addition, in order to further improve the lubrication performance due to the Cu precipitated phase and to facilitate movement to the surface of the Cu precipitated phase, it is more preferable to satisfy the relationship of Mn + 10C: 6-11 wt% and Cu + 0.6Cr: 23 wt% or less. It is advantageous.

본 발명의 또다른 측면인 베어링용 합금의 제조방법은, 상술한 조성 조건을 충족하는 용탕을 주조하여 제조하는 것을 특징으로 한다.The manufacturing method of the bearing alloy which is another aspect of this invention is characterized by casting by manufacturing the molten metal which satisfy | fills the composition condition mentioned above.

또한, 본 발명의 또하나의 측면인 무윤활 환경 또는 이와 유사한 환경에서도 높은 윤활성능을 가지는 자기윤활 베어링은, 내부에 Cu 석출상이 존재하며, 마이크로 비커스 경도계로 측정한 Fe 기지 금속의 경도(a)와 Cu 석출상의 경도(b)의 비율(a/b)이 2~2.5인 것을 특징으로 한다.In addition, the self-lubricating bearing having high lubricating performance in a non-lubricating environment or similar environment, which is another aspect of the present invention, has a Cu precipitated phase therein and the hardness of Fe-based metal measured by a micro-Vickers hardness tester (a). And the ratio (a / b) of the hardness (b) of the Cu precipitated phase is 2 to 2.5.

상기 자기윤활 베어링은, 상기 Fe 기지 금속의 페리트스코프(Feritscope, MP-30E)로 측정한 오스테나이트 비율이 99체적% 이상인 것이 바람직하다.The self-lubricating bearing preferably has an austenite ratio of 99 vol% or more, as measured by a Fe scope metal (Feritscope, MP-30E).

본 발명에 따라 제공된 Fe계 합금으로부터 제조된 자기윤활 베어링은 통상의 윤활환경은 물론이고 무윤활 환경이나 고체윤활 환경하에서도 높은 수명을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 상기 Fe합금은 주조법에 의해 제조될 수 있기 때문에 저렴한 비용으로 제조될 수 있다는 장점을 가진다. The self-lubricating bearing made from the Fe-based alloy provided according to the present invention can not only have a high life under normal lubricating environment but also in a non-lubricating environment or a solid lubricating environment, and the Fe alloy can be produced by a casting method. It has the advantage that it can be manufactured at low cost.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 발명자들은 상술한 종래기술을 문제점을 해결함과 동시에 높은 반복하중하에서도 충분한 윤활성능을 가지는 베어링을 제조할 수 있는 합금에 대하여 연구한 결과, Fe계 합금으로서 높은 하중에 견딜 수 있도록 조성을 적절히 제어하고, 내부에 Cu 석출상이 생성되도록 조건을 제어할 경우 통상의 윤활환경은 물론이고 무윤활 환경 또는 고체윤활 환경하에서도 장시간 사용할 수 있는 베어링을 제조할 수 있다는 것을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다. The inventors of the present invention have solved the above-described prior art and studied alloys capable of producing bearings with sufficient lubrication performance even under high cyclic loads. When properly controlled and controlled under conditions such that Cu precipitated phases are formed therein, the present inventors have found that bearings that can be used for a long time under a lubricating environment or a solid lubricating environment as well as a normal lubricating environment have been found and led to the present invention. .

즉, 본 발명의 합금은 Fe계 합금으로서 Cu를 포함하는 조성을 가진다. 여기서 Fe계 합금이라 함은 Fe가 주성분이며 합금의 용도에 따라 필요한 부가적인 성분을 포함할 수 있다는 의미를 가진다. That is, the alloy of the present invention has a composition containing Cu as the Fe-based alloy. Here, the Fe-based alloy means that Fe is the main component and may include additional components required according to the use of the alloy.

상기와 같은 조성범위로 Cu가 Fe계 합금에 포함될 경우에는 도 1에 도시한 바와 같이 내부에 Cu 상이 석출하는데, 이와 같이 석출된 Cu 상은 우선 마모표면에서 철계 금속간의 응착력을 감소시켜서 베어링의 사용환경에서 소착이 일어나지 않도록 하는 소착저항성을 향상시킬 뿐만 아니라 마모성능도 향상시킬 수 있다. When Cu is included in the Fe-based alloy in the composition range as described above, as shown in Fig. 1, the Cu phase is precipitated inside. The precipitated Cu phase first reduces the adhesion between the iron-based metals on the wear surface to use the bearing. In addition to improving the adhesion resistance that does not occur in the environment, the wear performance can also be improved.

또한, Fe 합금 내부에 존재하는 Cu상은 Fe와 변형정도가 상이한데, 이로 인하여 베어링이 사용되는 응력 환경하에서 마모표면으로 밀려 올라와 마모전 표면에 비하여 많은 면적을 차지하게 된다. 이렇게 분포된 다량의 제2상은 상대재료와의 보호막 역할을 하게 된다. 이러한 현상을 소위 스미어링(smearing) 현상으로 표현할 수 있는데, 그 과정을 도 2에 나타내었다. In addition, the Cu phase present in the Fe alloy is different from the degree of deformation of Fe, which is pushed to the wear surface under the stress environment in which the bearing is used and occupies a larger area than the surface before wear. The large amount of the second phase thus distributed serves as a protective film with the counterpart material. This phenomenon can be expressed as a so-called smearing phenomenon, the process of which is shown in FIG. 2.

이러한 과정으로 마모표면에 다량 잔류하게 되는 Cu 석출상은 우선 Cu 석출상이 존재하지 않으므로 동종의 철합금끼리 응착이 쉽게 일어나 버리는 통상의 Fe 합금에 비하여 상대재료와 베어링 매트릭스의 직접적인 접촉을 방해한다. 또한, 마모가 더욱 진행될 수록, 스미어링된 Cu 석출상과 철계 매트릭스는 마모 부스러기(debris)를 생성하게 되는데, 이러한 마모 부스러기는 연속적인 마찰에 의해 파쇄되면서 산화되어 결국에는 미세한 산화물 부스러기를 형성할 수 있다. 이러한 미세한 산화물 부스러기는 서로 뭉쳐져 마모표면에 잔류하므로 금속과 금속간의 직접적인 접촉을 방해하여 응착이 방지되고 그에 따라 베어링의 윤활특성이 더욱 향상되는 것이다. In this process, the Cu precipitated phase, which remains largely on the wear surface, prevents the direct contact between the mating material and the bearing matrix, as compared with the conventional Fe alloy, in which copper alloys of the same type easily adhere due to the absence of the Cu precipitated phase. Further, as the wear progresses, the smeared Cu precipitates and the iron matrix produce wear debris, which are crushed by continuous friction and eventually oxidized to form fine oxide debris. have. These fine oxide debris agglomerates and remains on the wear surface, thereby preventing direct contact between the metal and the metal to prevent adhesion, thereby improving the lubrication characteristics of the bearing.

상기와 같이 유리한 역할을 수행하는 Cu는 Fe계 합금내에 12~17중량% 포함되는 것이 바람직하다. 즉, Cu는 석출상을 형성하여야 하기 때문에 Fe 합금에 고용되는 한도 이상으로 포함될 필요가 있다. 따라서 Cu는 Fe계 합금내에 12중량% 이상 포함되어야 하는 것이다. 그런데, 이러한 Cu 석출상은 제2상으로 석출되는 것도 중요하지만 그 크기가 고르게 분포되는 것도 역시 중요한데, Cu가 너무 과량으로 존재할 경우에는 과다하게 조대한 Cu 석출상이 형성될 수 있어 Cu에 의한 효과가 부위별로 불균일하게 되고 이러한 현상으로 인하여 베어링의 윤활 특성이 불균일하게 되므로 바람직하지 않다. 따라서 상기 Cu 함량은 17중량% 이하로 제한하는 것이 보다 바람직하다. Cu, which plays an advantageous role as described above, is preferably contained 12 to 17% by weight in the Fe-based alloy. That is, Cu needs to be formed beyond the solubility of Fe alloy because Cu must form a precipitated phase. Therefore, Cu should be included in the Fe-based alloy more than 12% by weight. However, the Cu precipitated phase is important to be precipitated as the second phase, but it is also important that the size is evenly distributed. If Cu is present in an excessive amount, an excessively coarse Cu precipitated phase may be formed. It is not preferable because it is very uneven and the lubrication characteristics of the bearing due to this phenomenon is uneven. Therefore, the Cu content is more preferably limited to 17% by weight or less.

따라서, 본 발명의 자기윤활 베어링용 Fe 합금의 유리한 조성은 Cu를 12~17중량% 포함하는 조성인 것이다. Therefore, the advantageous composition of the Fe alloy for self-lubricating bearing of the present invention is a composition containing 12 to 17% by weight of Cu.

상술한 조건을 충족시키는 한 나머지 첨가되는 성분들은 베어링 제조분야에서 통상 사용되는 범위내에서 조정되어 첨가될 수 있다. 다만, 본 발명자들의 연구결과에 따르면 Cu 석출상을 보다 균일하게 제어하거나 Cu 석출상의 스미어링 효과를 더욱 향상시킴으로써 베어링의 내마모특성을 보다 향상시키기 위해서는 상기 Cu 성분을 본 발명에서 정의하는 범위내로 제한함과 동시에 C, Mn, Sn, Cr 등의 원소를 하기하는 범위로 제한하는 것이 보다 바람직하므로 이에 대하여 보다 상세히 설명한다. The remaining components added as long as the above conditions are met may be adjusted and added within the ranges commonly used in the bearing manufacturing field. However, according to the results of the present inventors, the Cu component is limited within the range defined in the present invention in order to more uniformly control the Cu precipitated phase or further improve the smearing effect of the Cu precipitated phase to further improve the wear resistance characteristics of the bearing. At the same time, it is more preferable to limit the elements such as C, Mn, Sn, Cr, and the like to the following ranges.

C : 0.35~0.6중량%, Mn : 0초과~8중량%C: 0.35 to 0.6% by weight, Mn: over 0 to 8% by weight

C와 Mn은 오스테나이트 안정화 원소로서, C 또는 Mn이 첨가될 경우에는 베어링의 피로파괴 특성이 향상될 수 있다. 그 뿐만 아니라, 상술한 바와 같이 스미어링 현상에 의하여 Cu 석출상이 철계 합금 표면으로 밀려 나올수 있도록 하기 위해서는 철계 합금이 어느 정도의 변형능력을 가지고 있어야 하는데 C와 Mn을 함유함으로써 오스테나이트 상이 일부 포함될 경우에는 이러한 변형능력의 확보가 가능하다. 본 발명자들의 연구결과에 따르면 기지 금속인 Fe 합금의 경도(a)와 Cu 석출상의 경도(b)가 마이크로 비커스 경도 기준으로, 각각 250~300Hv0.025, 100~120Hv0.025 정도이며 두 값의 비율이(a/b)가 2~2.5배가 되어야 상술한 스미어링 효과가 충분히 일어날 수 있다. 만일, 이들 성분이 부족할 경우에는 오스테나이트가 충분히 안정화되지 못하여 베어링으로 제조하였을 때 1체적%(페리트스코프(Feritscope MP-30E)로 측정하였을 때의 분율)를 초과하는 마르텐사이트가 형성되게 되는데, 이러할 경우 기지금속의 경도가 급격히 상승하게 되고, 그에 따라 석출상과 기지금속의 변형정도의 차이로 인한 스미어링 효과를 얻기 어렵게 된다. C and Mn are austenite stabilizing elements, and when C or Mn is added, fatigue fracture characteristics of the bearing may be improved. In addition, as described above, in order for the Cu precipitated phase to be pushed out to the surface of the iron alloy by the smearing phenomenon, the iron alloy must have a certain deformation capacity. When the austenite phase is included by containing C and Mn, It is possible to secure such deformation capacity. In the present, according to a study by the inventors the base metal of Fe hardness (a) and Cu precipitated hardness (b) on the alloy has a micro Vickers hardness of the reference, each of 250 ~ 300Hv 0.025, and 0.025 about 100 ~ 120Hv the ratio of the two values ( When the a / b) is 2 to 2.5 times, the above-mentioned smearing effect can sufficiently occur. If these components are insufficient, austenite is not sufficiently stabilized, and martensite is formed in excess of 1% by volume (a fraction measured by Ferriscope MP-30E) when manufactured by bearing. In this case, the hardness of the base metal is rapidly increased, and thus, it is difficult to obtain a smearing effect due to the difference in the degree of deformation of the precipitated phase and the base metal.

그 중에서도 C는 상술한 효과 이외에도 Cu의 고용도를 낮추는 역할을 하기 때문에 Cu가 석출상으로 존재하기 용이하게 한다. 이러한 점을 감안하여 C는 0.35중량% 이상으로 포함되는 것이 바람직하다. 그러나, C의 함량이 과다할 경우에는 Cr7C3와 같은 고경도 탄화물 등이 형성되어 기지 금속의 경도가 증가하게되어 Cu 입자에 의한 보호막 형성에 악영향을 준다. 따라서, C는 0.6중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 또한, Mn은 오스테나이트 안정화를 위하여 첨가되는 원소이나 Mn이 존재하지 않다 하더라도 C에 의한 오스테나이트 안정화 효과를 얻을 수 있기 때문에 첨가되지 않아도 된다. 다만, 과다하게 첨가될 경우에는 마모 저항성에 악영향을 미치기 때문에 Mn의 첨가량은 0초과~8중량%로 제한한다. Especially, since C plays a role of lowering the solubility of Cu in addition to the above-mentioned effects, it is easy for Cu to exist as a precipitated phase. In view of this point, C is preferably included at 0.35% by weight or more. However, when the content of C is excessive, hard carbides such as Cr7C3 are formed to increase the hardness of the base metal, which adversely affects the formation of a protective film by Cu particles. Therefore, C is preferably added at 0.6% by weight or less. In addition, Mn does not need to be added because an austenite stabilization effect by C can be obtained even if an element or Mn added for austenite stabilization does not exist. However, when excessively added, since it adversely affects the wear resistance, the amount of Mn added is limited to more than 0 to 8% by weight.

Cr : 10~15중량%Cr: 10-15 wt%

Cr은 철계 기지 금속 내의 Cu의 고용도를 낮추는 역할을 하는 원소이다. 즉, Cr이 적정량 첨가되었을 경우 동일한 Cu 함량에서도 보다 많은 Cu 석출상을 형성할 수 있다. 따라서, Cr 첨가에 의한 상기 유리한 효과를 얻기 위해서는 Cr은 10 중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하며, 베어링이 사용되는 환경에서의 내식성까지 고려한다면 12 중량% 이상 첨가되는 것이 보다 바람직하다. 다만, Cr이 과다하게 첨가될 경우에는 석출되는 Cu 입자가 조대하게 될 뿐만 아니라 마모저항성에 불리한 페라이트 상이 기지 금속내에 생성될 우려가 있기 그 상한을 15중량%로 정하는 것이 보다 바람직하다. 고경도 탄화물인 Cr7C3 등을 생성시키지 않는 보다 바람직한 Cr의 범위는 13중량% 이하이다. Cr is an element that serves to lower the solubility of Cu in the iron base metal. That is, when Cr is added in an appropriate amount, more Cu precipitated phases can be formed even at the same Cu content. Therefore, in order to obtain the above advantageous effect by adding Cr, Cr is preferably added at least 10% by weight, and more preferably at least 12% by weight, considering the corrosion resistance in the environment in which the bearing is used. However, when Cr is excessively added, the precipitated Cu particles not only become coarse, but ferrite phases that are disadvantageous to abrasion resistance may be generated in the base metal. Therefore, the upper limit is preferably set to 15% by weight. The more preferable range of Cr which does not produce Cr7C3 etc. which are high hardness carbides is 13 weight% or less.

Sn : 0.5~2중량%Sn: 0.5-2 wt%

Sn는 철계 매트릭스 내에 Cu의 고용도를 낮추어서 고용되지 않고 석출된 많은 양의 Cu입자를 형성하는 데 많은 도움을 주는 원소이므로 0.5중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 그러나 2중량% 이상의 Sn을 첨가하게 되면 석출된 Cu입자의 크기 및 분포정도를 조절하기 어려우며, 또한 석출된 제2상인 Cu입자의 상(phase)의 변화를 주어 경도를 높이게 되므로 마모시 매트릭스와의 경도차를 이용하여 Cu입자가 표면에 미끄러져 나오는 것을 방해하게 된다. 따라서 바람직한 Sn의 함량은 0.5~2중량%의 범위이다. Sn is preferably added in an amount of 0.5% by weight or more, because it is an element that helps to form a large amount of precipitated Cu particles without lowering the solid solution of Cu in the iron matrix. However, when Sn is added in an amount of 2% by weight or more, it is difficult to control the size and distribution of the precipitated Cu particles and also increase the hardness by changing the phase of the precipitated Cu particles. The hardness difference prevents the Cu particles from slipping on the surface. Therefore, the content of Sn is preferably in the range of 0.5 to 2% by weight.

또한, 본 발명의 베어링 합금에 첨가되는 상기 성분들은 상술한 함량 범위를 충족하는 동시에 각 성분들의 관계를 하기하는 바와 같이 한정하는 것이 보다 바람직하다.In addition, the above components added to the bearing alloy of the present invention more preferably satisfy the above-described content ranges and at the same time limit the relationship of the respective components.

Mn+10C : 6~11(여기서 Mn과 C는 각각 해당 원소의 함량(중량%)을 의미한다)Mn + 10C: 6 ~ 11, where Mn and C each represent the content (% by weight) of the element

Mn과 C는 기지금속의 오스테나이트 안정화 원소로서 기지 금속과 Cu의 변형정도를 제어하는 역할을 하므로 상호 보완적이다. 따라서, Mn이 다량 첨가될 경우에는 C는 비교적 소량 첨가되어도 된다. 뿐만 아니라, Mn과 C가 동시에 과량 첨가될 경우에는 C로 인한 고강도 탄화물 등이 생성될 우려가 있기 때문에 Mn과 C의 투입량은 이를 고려하여 결정되는 것이 보다 바람직하다. 본 발명의 발명자들의 연구결과에 다르면 Mn과 C는 도 3에 도시한 범위를 충족시키는 것이 보다 바람직하다. 따라서, 이를 충족하는 범위를 수식으로 구한 결과 Mn+10C를 6~11중량%의 범위로 정하는 것이다. Mn and C are complementary because they act as austenite stabilizing elements of the base metal and control the deformation of the base metal and Cu. Therefore, when a large amount of Mn is added, C may be added in a relatively small amount. In addition, when Mn and C are added in excess at the same time, since high-strength carbides due to C may be generated, the amount of Mn and C is more preferably determined in consideration of this. According to the findings of the inventors of the present invention, Mn and C more preferably satisfy the range shown in FIG. 3. Therefore, as a result of obtaining the formula to meet the range of Mn + 10C is to set the range of 6 to 11% by weight.

Cu+0.6Cr : 23이하(여기서, Cu와 Cr은 각각 해당원소의 함량(중량%)을 의미한다)Cu + 0.6Cr: 23 or less (where Cu and Cr are the content of the corresponding elements (% by weight))

이미 설명한 바와 같이 Cr은 Cu의 석출상이 용이하게 형성하도록 하는 역할을 하는 원소이다. 따라서, Cr이 다량 첨가된 경우에는 Cu가 소량만 존재하여도 용이하게 석출상을 형성할 수 있다. 그러나, Cr과 Cu가 동시에 다량 첨가될 경우에는 Cu 석출상의 크기가 조대해질 우려가 있기 때문에 Cr이 다량 첨가될 경우에는 Cu 첨가량은 감소시킬 필요가 있다. 본 발명자들의 연구결과에 따르면 이러한 Cr과 Cu의 관계는 도 4에 나타낸 바와 같이 I, II, III, IV 점으로 둘러싸인 영역에 해당되도록 하는 것이 보다 바람직하다. 따라서, Cu+0.6Cr은 23중량%이하의 값을 가지는 것이 바람직하다. As described above, Cr is an element that serves to easily form the precipitated phase of Cu. Therefore, when a large amount of Cr is added, even if only a small amount of Cu is present, the precipitated phase can be easily formed. However, when a large amount of Cr and Cu are added at the same time, the size of the Cu precipitated phase may be coarse. Therefore, when a large amount of Cr is added, the amount of Cu added needs to be reduced. According to the results of the present inventors, it is more preferable that such a relationship between Cr and Cu corresponds to an area surrounded by I, II, III, and IV points as shown in FIG. 4. Therefore, it is preferable that Cu + 0.6Cr has a value of 23 weight% or less.

상기와 같은 베어링강 합금은 주조법에 의해 제조되는 것이 바람직하다. 즉, 종래의 소결법에 의해 본 발명의 조성을 가지는 베어링강 합금을 제조할 경우에는 상술한 스미어링 현상에 의한 자기윤활 성능의 향상을 기대하기 어려울 뿐만 아니라 제조비용 또한 상승되기 때문에 바람직하다. It is preferable that the bearing steel alloy as described above is manufactured by a casting method. That is, when manufacturing the bearing steel alloy which has the composition of this invention by the conventional sintering method, since it is hard to expect improvement of the self-lubrication performance by the smearing phenomenon mentioned above, it is preferable, and a manufacturing cost also increases.

상기와 같은 베어링강 합금은 통상의 방식으로 용탕으로 제조될 수 있으며 이후 잉곳 주조, 연속주조 등의 다양한 방법으로 주조될 수 있다. 이때, 용탕을 제조하기 위한 보다 바람직한 방법으로는 합금의 구성성분이 산화되지 않도록 불활성 분위기 또는 진공 분위기에서 용탕을 용해하는 것이 바람직하며, 이를 위해서는 진공유도용해로 등을 이용하는 것이 보다 바람직하다. The bearing steel alloy as described above may be manufactured by molten metal in a conventional manner, and then may be cast by various methods such as ingot casting and continuous casting. In this case, as a more preferable method for producing the molten metal, it is preferable to dissolve the molten metal in an inert atmosphere or a vacuum atmosphere so that the components of the alloy are not oxidized, and for this purpose, it is more preferable to use a vacuum induction furnace or the like.

상기의 조건을 충족시키는 본 발명의 베어링강 합금은 이후 베어링 형태로 가공된 후 필요에 따라 부가적인 처리를 거친 후 베어링으로 제조될 수 있는데, 그 제조과정은 통상의 베어링 제조과정에 의한다. 이때, 본 발명의 베어링은 상술한 바와 같이 스미어링 현상에 의하여 Cu가 베어링 마모표면으로 밀려나올 수 있어야 하는데, 이를 위해서는 기지금속과 Cu 석출상의 경도가 상이할 필요가 있다. 본 발명의 베어링은 기지금속의 경도(a)와 Cu 석출상의 경도(b)를 마이크로 비커스 경도계로 측정하였을 때의 비율(a/b)가 2~2.5인 것이 바람직하다. 경도 비율이 상기 범위보다 낮을 경우에는 연질상과 경질상의 변형정도의 차이가 별로 없어 스미어링 현상이 일어나기 어렵다. 또한 상기 비율이 과다할 경우에는 반대로 경질상이 과다하게 경하게 되어 변형이 일어나기 힘들기 때문에 이러한 경우에도 스미어링 현상이 일어나기 어렵다. Bearing steel alloy of the present invention that satisfies the above conditions can then be processed into a bearing form and then subjected to additional processing as necessary, and then produced as a bearing, the manufacturing process is by a conventional bearing manufacturing process. At this time, the bearing of the present invention should be able to be pushed out to the bearing wear surface by the smearing phenomenon as described above, for this purpose, it is necessary that the hardness of the base metal and the Cu precipitated phase. The bearing of the present invention preferably has a ratio (a / b) of 2 to 2.5 when the hardness (a) of the base metal and the hardness (b) of the Cu precipitated phase are measured with a micro-Vickers hardness tester. When the hardness ratio is lower than the above range, there is little difference between the degree of deformation of the soft phase and the hard phase, so that the smearing phenomenon hardly occurs. On the other hand, if the ratio is excessive, the hard phase is excessively hardened, so that deformation hardly occurs, and in this case, smearing is unlikely to occur.

따라서, 본 발명의 베어링은 상술한 Fe계 베어링 합금의 성분조성을 그대로 가지면서 내부조직 중 기지합금과 석출상의 경도 비율(마이크로 비커스 경도 기준)을 2~2.5로 제어한 것이다. Therefore, the bearing of the present invention controls the hardness ratio (based on the micro Vickers hardness) of the base alloy and the precipitated phase in the internal structure while maintaining the composition of the Fe-based bearing alloy described above as it is 2 to 2.5.

이러한, 경도기준을 충족하기 위해서는 본 발명의 베어링의 기지금속, 즉 Cu 석출상을 제외한 Fe 합금의 기지금속은 사용전 기준으로 99체적% 이상이 오스테나이트 상인 것이 바람직하다. 즉, 베어링을 이루는 Fe 합금은 베어링 상태에서 오스테나이트 또는 마르텐사이트 조직으로 이루어져 있는데, 마르텐사이트 조직의 비율이 증가하면 경도가 과다하게 증가하여 스미어링 현상이 일어나기 어렵다. 따라서, 오스테나이트 상의 비율을 99체적% 이상으로 정한다. 상기 오스테나이트 상의 비율을 정하는 방법은 여러가지가 있을 수 있으나, 본 발명에서는 페리트스코프(Feritscope MP-30E)로 측정하였을 때의 값을 그 기준으로 정한다. In order to satisfy the hardness standard, the base metal of the bearing of the present invention, that is, the base metal of the Fe alloy except for the Cu precipitated phase is preferably 99% by volume or more in the austenite phase before use. That is, the Fe alloy constituting the bearing is composed of austenite or martensite structure in the bearing state, when the ratio of martensite structure increases, the hardness is excessively increased, so that smearing phenomenon hardly occurs. Therefore, the ratio of austenite phase is set to 99 volume% or more. There may be various methods for determining the ratio of the austenite phase, but in the present invention, the value when measured with a Ferritscope MP-30E is determined based on the reference.

(실시예)(Example)

하기 표 1에 기재된 조성으로 Fe 합금을 제조하고 마모특성을 비교하였다. To prepare a Fe alloy with the composition shown in Table 1 and to compare the wear characteristics.

구분division 조성(중량%)Composition (% by weight) 실험조건(0. 05m/s, 10min, 무윤활)Experimental condition (0.05m / s, 10min, no lubrication) 철 (Fe)Iron (Fe) 구리 (Cu)Copper (Cu) 크롬 (Cr)Chromium (Cr) 망간 (Mn)Manganese (Mn) 탄소 (C)Carbon (C) 주석 (Sn)Tin (Sn) 1ksi1ksi 2ksi2ksi 마모량(mg)Abrasion amount (mg) 마모량(mg)Abrasion amount (mg) 비교예1Comparative Example 1 잔부Balance 1515 1212 1515 0.10.1 00 217.8217.8 467.2467.2 비교예2Comparative Example 2 잔부Balance 1515 1212 1010 0.20.2 00 12.112.1 100.4100.4 비교예3Comparative Example 3 잔부Balance 1515 1212 66 0.30.3 00 0.10.1 20.220.2 비교예4Comparative Example 4 잔부Balance 1313 1212 44 0.30.3 1One 0.10.1 40.540.5 비교예5Comparative Example 5 잔부Balance 1414 1212 00 0.350.35 1One 10.210.2 38.138.1 비교예6Comparative Example 6 잔부Balance 1414 1717 44 0.350.35 00 17.317.3 82.882.8 비교예7Comparative Example 7 잔부Balance 1717 88 44 0.350.35 00 5.75.7 48.748.7 발명예1Inventive Example 1 잔부Balance 1414 1212 33 0.350.35 1One 0.10.1 0.10.1 발명예2Inventive Example 2 잔부Balance 1313 1212 33 0.350.35 1One 0.10.1 5.15.1 발명예3 Inventive Example 3 잔부Balance 1313 1212 33 0.350.35 22 0.10.1 0.10.1 발명예4 Inventive Example 4 잔부Balance 1414 1212 33 0.40.4 1One 0.10.1 0.10.1 발명예5 Inventive Example 5 잔부Balance 1313 1212 33 0.40.4 22 0.10.1 0.10.1 발명예6Inventive Example 6 잔부Balance 1414 1212 22 0.450.45 1One 0.10.1 0.10.1 발명예7Inventive Example 7 잔부Balance 1313 1212 22 0.450.45 1One 0.10.1 0.10.1 발명예8Inventive Example 8 잔부Balance 1414 1212 22 0.50.5 1One 0.10.1 16.416.4 발명예9Inventive Example 9 잔부Balance 1313 1212 22 0.50.5 1One 5.15.1 7.27.2 발명예10Inventive Example 10 잔부Balance 1414 1212 22 0.60.6 1One 0.10.1 0.10.1 종래예 (C86300)Conventional example (C86300) Cu : 잔부, Al: 5, Fe: 3, Mn: 3, Zn: 25Cu: remainder, Al: 5, Fe: 3, Mn: 3, Zn: 25 5.25.2 20.420.4 Pin (SUJ2,베어링강, HRc 60)Pin (SUJ2, bearing steel, HRc 60) Fe 잔부, Cr: 1.5, Si: 0.3, Mn: 0.5, C: 1Fe balance, Cr: 1.5, Si: 0.3, Mn: 0.5, C: 1 실험조건에서 pin의 마모량 없음. No amount of pin wear under experimental conditions.

상기 시험조성 중 비교예1~비교예3은 탄소와 주석의 함량이 본 발명에서 규정하는 범위에 미달되는 경우를 나타낸다. 또한, 비교예4는 탄소가 본 발명에서 규정하는 범위에 미달되는 경우를 나타내며, 비교예5는 망간의 함량이 본 발명에서 규정하는 범위에 미달되는 경우를 나타낸다. 비교예6은 크롬의 함량이 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나서 과다할 뿐만 아니라 주석의 함량이 미달되는 경우를 그리고 비교예7은 크롬과 주석이 미달되는 경우를 나타낸다. 종래예는 종래 널리 사용되었던 황동계 베어링 합금인 C86300합금의 조성을 충족하는 경우이다. Comparative Examples 1 to 3 of the test composition show a case where the content of carbon and tin is less than the range defined by the present invention. In addition, the comparative example 4 shows the case where carbon falls below the range prescribed | regulated by this invention, and the comparative example 5 shows the case where manganese content falls under the range prescribed | regulated by this invention. Comparative Example 6 shows a case where the content of chromium is excessive beyond the range defined in the present invention and the content of tin is less than that, and Comparative Example 7 shows a case where the content of chromium and tin is less. The conventional example is a case where the composition of the C86300 alloy, which is a brass bearing alloy, which has been widely used in the past.

각각의 합금 시편은 불활성 분위기인 Ar 가스 분위기에서 고주파 유도가열법을 사용하여 제조하였다. 상기 주조 시편은 마모저항성을 측정하기 위해 각각 가로 30mm 세로 30mm 높이 5mm의 규격으로 가공하였다. 시험 전 표면은 #2000 SiC 연마지를 사용한 하여 표면 조도기로 측정 시 표면조도 Ra가 0.2 rm이하가 되도록 연마하였다. 디스크(Disk)의 상대재료인 핀(pin)은 일반적으로 쓰이는 고탄소크롬 특수강(JIS SUJ2, 경도 60HRc)를 사용하였다. Each alloy specimen was prepared using high frequency induction heating in an inert atmosphere of Ar gas. The cast specimens were each processed to a size of 30 mm wide by 30 mm high and 5 mm wide to measure wear resistance. Before the test, the surface was polished using # 2000 SiC abrasive paper so that the surface roughness Ra was 0.2 rm or less as measured by the surface roughness. Pin, which is a relative material of the disk, is made of commonly used high carbon chromium special steel (JIS SUJ2, hardness 60HRc).

상기 표 1의 조성으로 제조된 베어링 합금 시편들은 핀-온-디스크 장비(pin-on-disk apparatus)에 각각 설치하고, 접촉응력 1ksi(6.7MPa)∼3ksi, 회전속도 60rpm(0.05m/s)의 무 윤활 조건에서 5분간 접촉응력을 변화시켜가며 마모실험을 실시하였으며 실험 후 마모량을 측정하여 그 결과 역시 표 1에 나타내었다. 그 중 발명예4의 조건으로 제조된 베어링이 무 윤활조건에서 고하중에서도 가장 좋은 마모저항성을 보였다. 또한 대부분의 발명예들이 현재 상용되고 있는 재료인 고력황동주물(C86300, 종래예)보다 매우 높은 마모저항성을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다. 그러나, 비교예들은 종래예에 비하여 그 마모량이 매우 심하여 무윤활 조건 등에서 베어링으로 사용하기에 적합하다는 판정을 내릴 수 있었다. Bearing alloy specimens prepared in the composition of Table 1 are installed in pin-on-disk apparatus, respectively, contact stress 1ksi (6.7MPa) ~ 3ksi, rotational speed 60rpm (0.05m / s) The wear test was carried out while changing the contact stress for 5 minutes under no lubrication condition. After the test, the amount of wear was measured and the results are also shown in Table 1. Among them, the bearing manufactured under the condition of Inventive Example 4 showed the best wear resistance even under high load under the condition of no lubrication. In addition, it can be seen that most of the inventive examples exhibit much higher wear resistance than the high-strength brass casting (C86300, a conventional example) which is currently commercially available. However, the comparative examples were judged to be suitable for use as a bearing in a non-lubricating condition because the wear amount is very severe as compared with the conventional example.

Cu 석출상의 형성이 베어링의 내마모성에 미치는 역할을 확인하기 위하여 상기 비교예 및 발명예에 대하여 석출상 분포를 현미경으로 확인하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.In order to confirm the role of the formation of the Cu precipitated phase on the wear resistance of the bearing, the precipitated phase distribution was confirmed under a microscope with respect to the Comparative Examples and Inventive Examples and the results are shown in Table 2 below.

구분division 조성(중량%)Composition (% by weight) 입자 형태Particle shape 철 (Fe)Iron (Fe) 구리 (Cu)Copper (Cu) 크롬 (Cr)Chromium (Cr) 망간 (Mn)Manganese (Mn) 탄소 (C)Carbon (C) 주석 (Sn)Tin (Sn) 입경 분포(㎛)Particle Size Distribution (㎛) 입자의 모양Shape of particles 비교예1Comparative Example 1 잔부Balance 1515 1212 1515 0.10.1 00 10~3010-30 둥근형Round 비교예2Comparative Example 2 잔부Balance 1515 1212 1010 0.20.2 00 10~4010-40 둥근형Round 비교예3Comparative Example 3 잔부Balance 1515 1212 66 0.30.3 00 10~6010-60 둥근형Round 비교예4Comparative Example 4 잔부Balance 1313 1212 44 0.30.3 1One 10~6010-60 둥근형Round 비교예5Comparative Example 5 잔부Balance 1414 1212 00 0.350.35 1One 10~8010-80 둥근형Round 비교예6Comparative Example 6 잔부Balance 1414 1717 44 0.350.35 00 10~10010-100 둥근형Round 비교예7Comparative Example 7 잔부Balance 1717 88 44 0.350.35 00 10~15010-150 둥근형Round 발명예1Inventive Example 1 잔부Balance 1414 1212 33 0.350.35 1One 10~9010-90 둥근형Round 발명예2Inventive Example 2 잔부Balance 1313 1212 33 0.350.35 1One 10~8010-80 둥근형Round 발명예3Inventive Example 3 잔부Balance 1313 1212 33 0.350.35 22 10~9010-90 둥근형Round 발명예4Inventive Example 4 잔부Balance 1414 1212 33 0.40.4 1One 10~10010-100 둥근형Round 발명예5Inventive Example 5 잔부Balance 1313 1212 33 0.40.4 22 10~9010-90 둥근형Round 발명예6Inventive Example 6 잔부Balance 1414 1212 22 0.450.45 1One 10~10010-100 둥근형Round 발명예7Inventive Example 7 잔부Balance 1313 1212 22 0.450.45 1One 10~9010-90 둥근형Round 발명예8Inventive Example 8 잔부Balance 1414 1212 22 0.50.5 1One 10~10010-100 둥근형Round 발명예9Inventive Example 9 잔부Balance 1313 1212 22 0.50.5 1One 10~10010-100 둥근형Round 발명예10Inventive Example 10 잔부Balance 1414 1212 22 0.60.6 1One 10~10010-100 둥근형Round

이미 설명한 바와 같이, 상기 표 2는 조성에 따른 Cu를 주체로 하는 제2상의 입자직경, 모양과 분포 등을 조사한 결과를 나타낸다. 표에서 볼 수 있듯이, 상기 입자 직경은 C 함량에 따라 영향을 많이 받았다. 즉, C 함량이 증가할수록 입자직경은 증가하는 경향을 나타내고 있었다. 또한, 비교예의 경우에는 입자직경이 70㎛ 미만으로서 스미어링 현상에 의한 윤활성능 향상의 효과를 얻기에는 다소 부족하였다. 그러나, 발명예의 경우에는 모두 70㎛ 이상 100㎛ 이하의 최대 입자 직경을 가지고 있었으며, 이는 스미어링 현상에 따라 고하중하에서도 쉽게 깨지지 않는 보호막을 형성함으로써 저속 고하중하에서 무윤활 조건으로 베어링을 작동시키더라도 양호한 윤활성능을 가질수 있도록 하는 원인이 될 수 있다. 상기 표 2의 결과를 참고하면 최대 입자 직경은 약 50~90㎛인 것이 바람직한 것으로 판단되었다. 즉, 제2상의 직경이 너무 크면 마모시 메트릭스의 변형에 의한 스미어링 현상이 일어나기 어려워 통상의 마모현상이 일어나게 되며, 반대로 직경이 너무 작으면 마모표면으로 공급되는 양이 너무 작기 때문에 윤활효과를 기대하기 어렵다. 따라서, 표 1에서도 확인할 수 있듯이, 입자직경이 너무 작은 경우인 비교예1~4의 경우와 입자직경이 과다한 비교예7의 경우는 마모성능이 불량한 것이다.As described above, Table 2 shows the results of investigation of particle diameter, shape and distribution of the second phase mainly composed of Cu according to the composition. As can be seen from the table, the particle diameter was highly affected by the C content. That is, as the C content increased, the particle diameter tended to increase. In the case of the comparative example, the particle diameter was less than 70 µm, which was somewhat insufficient to obtain the effect of improving the lubricating performance by smearing. However, in the case of the invention examples, all had a maximum particle diameter of 70 μm or more and 100 μm or less, and this formed a protective film that was not easily broken even under high loads due to smearing, even though the bearings were operated under low lubrication conditions under low loads. It can be a cause of having good lubrication performance. Referring to the results of Table 2, it was determined that the maximum particle diameter is about 50 ~ 90㎛. In other words, if the diameter of the second phase is too large, smearing phenomenon due to deformation of the matrix is less likely to occur, and normal wear phenomenon occurs. On the contrary, if the diameter is too small, the amount supplied to the wear surface is so small that a lubricating effect is expected. Difficult to do Therefore, as can be seen also in Table 1, the wear performance is poor in the case of Comparative Examples 1 to 4, in which the particle diameter is too small, and in Comparative Example 7, in which the particle diameter is excessive.

또한, 일반적으로 주조를 통해서 철 매트릭스(Fe-matrix)내에 과석출된 Cu입자를 균일하게 분포하기 매우 어려운데, 이는 Fe와 Cu가 용탕상태에서 서로 분리가 되기 때문이다. 그러나 본 발명은 매트릭스내의 과대 석출된 조대한 Cu입자가 균일하게 분포하기 위해서 각 원소의 함량을 조절하여 이를 가능하게 하였다. Also, in general, it is very difficult to uniformly distribute Cu particles precipitated in the iron matrix (Fe-matrix) through casting because Fe and Cu are separated from each other in a molten state. However, the present invention has been made possible by controlling the content of each element in order to uniformly distribute the coarse precipitated Cu particles in the matrix.

도 5는 본 발명의 조성 조건을 충족하는 발명예4와 종래예로 제조한 베어링에 대한 마모실험을 한 후 마모 표면 사진이다. 실험조건으로는 1ksi(6. 7MPa) 접촉응력에서 60rpm(0. 05cm/s)의 회전 속도로 pin-on-disk 방식으로 무윤활 조건에서 5분 동안 마모 실험 후 표면을 관찰한 결과이다. 핀은 상기 표 1에 나타낸 조건의 것을 이용하였다. 도 5에 나타낸 바와 같이 발명예의 경우에는 표면에 산화막으로 이루어진 보호층이 생겨 마모저항성이 향상되고, 그 결과 마모표면이 매끄러운 반면, 고력황동인 C86300합금의 경우 깊게 파여 마모가 일어난 것을 볼 수 있다.Figure 5 is a photograph of the wear surface after the wear test for the bearing prepared in Example 4 and the prior art meeting the composition conditions of the present invention. The experimental condition is the result of the surface observation after abrasion test for 5 minutes in the non-lubricating condition by the pin-on-disk method at the rotational speed of 60rpm (0.05cm / s) at 1ksi (6.7MPa) contact stress. The pin used the thing of the conditions shown in the said Table 1. As shown in FIG. 5, in the case of the invention, a protective layer made of an oxide film is formed on the surface to improve wear resistance. As a result, the wear surface is smooth, whereas in the case of the high-strength brass C86300 alloy, deep wear is generated.

도 6은 상기 시험을 거친 발명예4의 베어링에 대하여 주사전자현미경(SEM)으로 마모표면을 관찰한 것이다. 마모표면의 상당부분이 매끄러운 산화막으로 덮여있어 마모성능에 영향을 주었음을 보여준다. FIG. 6 shows the wear surface of the bearing of Inventive Example 4, which was subjected to the test, using a scanning electron microscope (SEM). A large part of the wear surface is covered with a smooth oxide film, which shows that the wear performance is affected.

또한, 상분율이 베어링의 윤활특성에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 각 비교예 및 발명예로 제조한 베어링의 마르텐사이트 상분율을 10회 측정하였다. 비교예1~3은 경도수준은 적절한 범위를 나타내고 있었으나, 상술한 바와 같이 Cu 석출상의 크기가 너무 적어 충분한 윤활성능을 기대하기 어려웠다. 그러나, 비교예5의 경우는 상분율을 측정한 결과 하기 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 마르텐사이트 비율이 8체적% 수준이며, 또한 비교예6의 경우는 16체적% 수준으로 나타났다. 이러한 경우에는 기지 금속의 조직이 너무 경질이어서 변형이 쉽게 일어날 수 없으며 그에 따라 연질 조직인 Cu 석출상이 마모표면으로 밀려올라오기 힘들어지므로 표 1에 기재한 바와 같이 윤활 성능도 저하하게 되는 것이다.In addition, in order to observe the effect of the phase fraction on the lubrication characteristics of the bearing, the martensite phase fraction of the bearings prepared in each of Comparative Examples and Inventive Examples was measured ten times. In Comparative Examples 1 to 3, the hardness level showed an appropriate range. However, as described above, the size of the Cu precipitated phase was so small that it was difficult to expect sufficient lubricating performance. However, in the case of Comparative Example 5, as shown in Table 3, the ratio of martensite was 8 vol%, and in the case of Comparative Example 6, it was 16 vol%. In this case, the structure of the base metal is so hard that deformation cannot easily occur, and thus, the Cu precipitated phase, which is a soft structure, is hard to be pushed to the wear surface, thereby reducing the lubrication performance as shown in Table 1.

회수collection 1One 22 33 44 55 66 77 88 99 1010 평균Average 표준 편차Standard Deviation 마이크로 경도(Hv0.025)Micro Hardness (Hv0.025) 매트릭스matrix 석출된 상Precipitated statue 비교예1Comparative Example 1 0.60.6 1.21.2 0.80.8 0.90.9 0.60.6 1.11.1 0.30.3 0.70.7 0.60.6 0.80.8 0.760.76 0.260.26 263.4263.4 107.2107.2 비교예2Comparative Example 2 0.30.3 0.40.4 0.90.9 0.80.8 0.70.7 0.60.6 0.40.4 0.30.3 0.40.4 0.70.7 0.550.55 0.220.22 252.1252.1 106.3106.3 비교예3Comparative Example 3 0.20.2 0.10.1 0.40.4 0.70.7 0.60.6 0.30.3 0.50.5 0.80.8 0.40.4 0.30.3 0.430.43 0.22 0.22 252.9252.9 109.2109.2 비교예4Comparative Example 4 0.70.7 0.50.5 1.31.3 0.90.9 0.40.4 0.80.8 0.90.9 0.90.9 0.60.6 1.21.2 0.820.82 0.29 0.29 248.5248.5 102.9102.9 비교예5Comparative Example 5 6.86.8 7.27.2 8.28.2 7.37.3 7.87.8 7.97.9 7.27.2 10.210.2 8.78.7 9.69.6 8.098.09 1.11 1.11 384.2384.2 106.3106.3 비교예6Comparative Example 6 14.214.2 15.815.8 19.219.2 16.116.1 15.215.2 14.214.2 15.215.2 17.817.8 16.816.8 17.217.2 16.216.2 1.60 1.60 433.2433.2 112.8112.8 비교예7Comparative Example 7 0.20.2 0.30.3 0.40.4 0.50.5 0.80.8 0.40.4 0.90.9 0.20.2 0.40.4 0.50.5 0.460.46 0.23 0.23 262.4262.4 106.7106.7 발명예1Inventive Example 1 0.40.4 0.80.8 0.90.9 1One 0.40.4 0.90.9 0.90.9 0.70.7 0.80.8 1.31.3 0.810.81 0.27 0.27 250.2250.2 107.5107.5 발명예2Inventive Example 2 0.70.7 0.60.6 0.40.4 0.80.8 0.70.7 0.90.9 1One 0.90.9 0.40.4 0.60.6 0.70.7 0.21 0.21 254.2254.2 111.2111.2 발명예3Inventive Example 3 1.21.2 0.70.7 0.50.5 0.80.8 0.90.9 0.70.7 0.60.6 0.50.5 0.80.8 0.90.9 0.760.76 0.21 0.21 232.8232.8 98.798.7 발명예4Inventive Example 4 0.80.8 0.70.7 0.60.6 0.90.9 1One 0.40.4 0.20.2 0.60.6 0.30.3 0.70.7 0.620.62 0.26 0.26 248.5248.5 118.2118.2 발명예5Inventive Example 5 0.90.9 0.60.6 0.40.4 0.70.7 0.90.9 1.11.1 0.80.8 0.70.7 0.90.9 0.90.9 0.790.79 0.20 0.20 238.1238.1 99.899.8 발명예6Inventive Example 6 0.90.9 1.21.2 0.70.7 0.60.6 0.20.2 1.11.1 0.70.7 0.50.5 0.80.8 0.40.4 0.710.71 0.31 0.31 240.6240.6 112.2112.2 발명예7Inventive Example 7 0.70.7 0.50.5 0.30.3 0.40.4 0.50.5 0.40.4 0.50.5 0.40.4 0.20.2 0.80.8 0.470.47 0.18 0.18 251.2251.2 102.4102.4 발명예8Inventive Example 8 0.40.4 0.60.6 0.20.2 0.80.8 0.30.3 0.50.5 0.70.7 0.30.3 0.40.4 0.80.8 0.50.5 0.22 0.22 253.7253.7 112.2112.2 발명예9Inventive Example 9 0.30.3 0.20.2 0.40.4 0.30.3 0.40.4 0.50.5 0.60.6 0.70.7 0.50.5 0.70.7 0.460.46 0.17 0.17 243.4243.4 109.2109.2 발명예10Inventive Example 10 0.50.5 0.70.7 0.60.6 1One 0.80.8 0.90.9 0.40.4 0.80.8 0.40.4 0.60.6 0.670.67 0.21 0.21 258.4258.4 113.4113.4

상술한 표 1의 조건으로 마모시험을 행한 후의 발명예5를 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 도 7에 나타내었으며, 각 도면에서 표시한 부분을 주사전자현미경(EDS)으로 성분분석한 결과를 표 4에 나타내었다. 표에서 각 원소의 함량은 중량%로 나타내었다.The results of observing Inventive Example 5 after the abrasion test under the conditions of Table 1 above are shown in FIG. 7, and the results of component analysis of the parts indicated in the drawings by the scanning electron microscope (EDS) are shown in Table 7. 4 is shown. The content of each element in the table is expressed in weight percent.

구분division OO CrCr MnMn FeFe CuCu S1S1 1.821.82 15.7215.72 4.434.43 78.6778.67 15.1915.19 S2S2 00 15.2815.28 4.154.15 79.7879.78 8.098.09 S3S3 00 16.6116.61 4.094.09 84.1984.19 10.9410.94 S4S4 16.4616.46 14.8714.87 6.696.69 72.4572.45 15.1615.16 S5S5 3.623.62 5.905.90 5.465.46 31.5131.51 74.5674.56 S6S6 23.2623.26 6.386.38 10.2110.21 42.2342.23 34.8534.85 S7S7 20.5420.54 8.228.22 12.4312.43 41.9841.98 29.3929.39 S8S8 20.5520.55 4.644.64 7.147.14 45.3045.30 35.6735.67 S9S9 18.8018.80 5.585.58 10.1810.18 30.1430.14 47.7347.73 S10S10 3.833.83 13.1313.13 4.614.61 70.9370.93 24.4124.41

상기 표 1에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 조건에 따라 제공된 발명예4의 각 마모표면 중 매트릭스로부터 구분되는 부분들은 모두 Cu 성분과 Fe 성분을 다량 포함하고 있었다. 이는 본 발명의 베어링 합금 또는 베어링이 사용되는 환경에서 형성된 마모부스러기에서는 스미어링 현상에 의하여 밀려올라온 Cu와 매트릭스에 존재하던 Fe가 주성분으로 존재하게 되고, 이들이 산화됨으로서 윤활성능을 향상시키는 역할을 하는 것을 방증하는 것으로 볼 수 있다. 특히, 산화층 중 CuO와 같은 성분은 윤활재로 사용될 수도 있는데, 베어링의 표층에는 Cu 가 다량포함되어 있는 것으로 볼 때 무윤활 조건에서도 충분한 윤활성능을 나타낼 수 있는 것이다.As can be seen in Table 1, the parts of the wear surface of the invention example 4 provided according to the conditions of the present invention all contained a large amount of the Cu component and the Fe component. In the wear crumb formed in the environment in which the bearing alloy or the bearing of the present invention is used, Cu and Fe which existed in the matrix due to smearing are present as main constituents, and these are oxidized to improve lubrication performance. It can be seen as proof. In particular, a component such as CuO in the oxide layer may be used as a lubricant, and the surface layer of the bearing may exhibit sufficient lubrication performance even in the non-lubricating condition when it is shown that a large amount of Cu is contained.

또한, 본 발명의 조건에 해당되는 경우와 그렇지 않은 경우의 차이를 확인하기 위하여 비교예1과 발명예4에 대하여 마모시험을 행하고 그에 따라 발생된 마모부스러기를 채취한 후 X-선 회절분석(XRD) 시험을 행하였다. 그 결과를 도 8에 나타내었다. 도면에서 (a)는 비교예1을 (b)는 발명예4를 나타낸다. 도면에서 볼 수 있듯이, 비교예1에 의해 제조된 베어링으로부터 채취된 마모 부스러기는 Fe(Ferrite) 상을 가지고 있을 뿐이었으나, 본 발명의 조건으로 제공된 발명예4의 마모 부스러기에서는 Fe상이 아니라 Cu2O, CuO, Fe3O4, Fe2O3 등과 같은 다양한 산화물 상이 관찰됨을 확인할 수 있었다. 상술한 바와 같이 이들 상은 모두 마모시 윤활작용을 수행함으로써 베어링의 마모성능을 향상시킬 수 있다.In addition, in order to confirm the difference between the case of the present invention and the case of not, the wear test was carried out for Comparative Example 1 and Example 4, and the wear debris generated according to the X-ray diffraction analysis (XRD) ) Test. The results are shown in FIG. In the figure, (a) shows comparative example 1 and (b) shows invention example 4. As can be seen in the drawing, the wear debris collected from the bearing manufactured by Comparative Example 1 had only a Fe (Ferrite) phase, but in the wear debris of Inventive Example 4 provided under the conditions of the present invention, it was not Fe phase but Cu2O, CuO. It was confirmed that various oxide phases such as Fe 3 O 4 and Fe 2 O 3 were observed. As described above, these phases can all improve the wear performance of the bearing by performing lubrication upon wear.

또한, 각 마모과정별로 베어링의 표면이 변화하는 과정을 관찰하기 위하여 마모시간별로 발명예4의 표면을 관찰한 결과를 도 9에 나타내었다. 여기서 하중조건은 표 1의 1ksi시의 조건과 동일한 조건으로 하였다. 도면에서 볼 수 있듯이 전혀 마모가 되지 않았던 베어링의 표면(a)은 매트릭스 내에 Cu 석출상이 존재하는 형태를 가지고 있었다. 이후, 300초 정도 마모가 진행된 이후(b)에는 상기 Cu 석출상과 매트릭스가 마모되어 일부의 마모 부스러기가 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 이후, 마모가 진행(c : 600초, d : 1800초)되면서 이러한 현상은 점점 더 가속화되나 Cu 석출상이 표면에서 완전히 제거되지 않고 충분한 비율로 표면에 존재하고 있음을 확인할 수 있었다. 이는, 앞에서 말한 바와 같이 스미어링 현상에 의하여 내부의 Cu 석출상이 표면으로 밀려올라오는 현상에 의한 것으로 판단되었다.In addition, the results of observing the surface of the invention example 4 by wear time in order to observe the process of changing the surface of the bearing for each wear process is shown in FIG. Here, the load conditions were the same as the conditions of 1 ksi of Table 1. As shown in the figure, the surface (a) of the bearing, which was not worn at all, had a form in which the Cu precipitated phase existed in the matrix. Thereafter, after the wear progressed for about 300 seconds (b), the Cu precipitated phase and the matrix were worn to confirm that some wear debris was formed. Thereafter, as the wear progressed (c: 600 seconds, d: 1800 seconds), this phenomenon was accelerated more and more, but it was confirmed that the Cu precipitated phase was present on the surface in a sufficient ratio without being completely removed from the surface. As described above, it was determined that the Cu precipitated phase was pushed to the surface by the smearing phenomenon.

따라서, 본 발명의 유리한 효과를 확인할 수 있었다.Thus, the advantageous effects of the present invention could be confirmed.

도 1은 기지 금속에 Cu 석출상이 형성된 것을 관찰한 현미경 사진,1 is a micrograph observing that the Cu precipitated phase is formed on the base metal,

도 2는 소위 스미어링(smearing) 현상이 일어나는 과정을 설명하는 개략도,2 is a schematic diagram illustrating a process in which so-called smearing occurs;

도 3은 본 발명의 보다 유리한 효과를 얻기 위한 Mn과 C 성분 관계를 나타내Figure 3 shows the relationship between Mn and C component to obtain a more advantageous effect of the present invention

는 그래프,Graph,

도 4는 본 발명의 보다 유리한 효과를 얻기 위한 Cu와 Cr의 성분 관계를 나Figure 4 shows the component relationship between Cu and Cr to obtain a more advantageous effect of the present invention

타내는 그래프,Graph,

도 5는 본 발명의 조성 조건을 충족하는 발명예4와 종래예로 제조한 베어링Figure 5 is a bearing manufactured by the invention example 4 and the prior art meeting the composition conditions of the present invention

에 대한 마모실험을 한 후 마모 표면 사진, Wear surface photos, after abrasion testing on

도 6은 마모시험을 거친 발명예4의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 현미6 is a brown rice observed the surface of the Inventive Example 4 subjected to abrasion test with a scanning electron microscope

경 사진,Sloping,

도 7은 본 발명의 실시예에서 표 1의 조건으로 마모시험을 행한 후의 발명예7 is an invention example after the wear test under the conditions of Table 1 in the embodiment of the present invention

5를 주사전자현미경으로 관찰한 결과,5 was observed with a scanning electron microscope.

도 8은 비교예1과 발명예4의 마모시험 후 발생한 마모 부스러기에 대한 X-선 8 is an X-ray of the wear debris generated after the wear test of Comparative Example 1 and Example 4

회절분석시험 결과, 그리고Diffraction test results, and

도 9는 마모시간별로 발명예4의 표면을 관찰한 결과이다.9 is a result of observing the surface of the invention example 4 for each wear time.

Claims (6)

Cu를 12~17중량%, C : 0.35~0.6중량%, Mn : 0초과~8중량%, Cr : 10~15중량%, Sn : 0.5~2중량%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 자기윤활 베어링용 Fe 합금.Cu containing 12-17% by weight, C: 0.35-0.6% by weight, Mn: over 0-8% by weight, Cr: 10-15% by weight, Sn: 0.5-2% by weight, porcelain containing the remaining Fe and unavoidable impurities Fe alloy for lubricated bearings. 제 1 항에 있어서, Mn+10C : 6~11중량%, Cu+0.6Cr : 23중량% 이하의 관계를 충족하는 자기윤활 베어링용 Fe 합금.The Fe alloy for self-lubricating bearing according to claim 1, which satisfies the relationship of Mn + 10C: 6-11 wt% and Cu + 0.6Cr: 23 wt% or less. 베어링용 합금의 제조방법으로서, 제 2 항의 조성 조건을 충족하는 용탕을 주조하여 제조하는 것을 특징으로 하는 자기윤활 베어링용 Fe 합금의 제조방법.A method for producing a bearing alloy, the method for producing a self-lubricating bearing Fe alloy comprising casting a molten metal satisfying the compositional conditions of claim 2. 제 2 항의 조성 조건을 충족하는 베어링으로서, 내부에 Cu 석출상이 존재하며, 마이크로 비커스 경도계로 측정한 Fe 기지 금속의 경도(a)와 Cu 석출상의 경도(b)의 비율(a/b)이 2~2.5인 자기윤활 베어링.A bearing that satisfies the compositional conditions of claim 2, wherein a Cu precipitated phase exists inside, and a ratio (a / b) of the hardness (a) of the Fe-based metal measured by a micro-Vickers hardness tester to the hardness (b) of the Cu precipitated phase is 2 Self-lubricating bearing of ~ 2.5. 제 4 항에 있어서, 상기 Fe 기지 금속의 페리트스코프(Feritscope, MP-30E)로 측정한 오스테나이트 비율이 99체적% 이상인 자기윤활 베어링.The self-lubricating bearing according to claim 4, wherein the austenite ratio measured by the Fe-based metal Ferritscope (MP-30E) is 99 vol% or more. 삭제delete
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