KR101053807B1

KR101053807B1 - 고강도를 나타내고 또한 고온 환경 하에서 우수한 내마모성을 나타내는 ｅｇｒ 식 내연 기관의 재순환 배기 가스 유량 제어 밸브 등의 소결 ｃｕ 합금제 베어링

Info

Publication number: KR101053807B1
Application number: KR1020087030873A
Authority: KR
Inventors: 데루오 시미즈; 두네오 마루야마
Original assignee: 가부시키가이샤 다이야멧트
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2011-08-03
Also published as: CN103952586B; KR20070044063A; CN101018878A; CN103952586A; DE602005014882D1; EP1808503B1; KR20090005248A; US8092091B2; JP4507766B2; WO2006022337A1; JP2006063398A; US20070258668A1; EP1808503A1; EP1808503A4

Abstract

과제

고강도를 가지고 또한 고온 환경 하에서 우수한 내마모성을 나타내는 EGR 식 내연 기관의 재순환 배기 가스 유량 제어 밸브의 소결 Cu 합금제 베어링을 제공한다.

해결 수단

EGR 식 내연 기관의 재순환 배기 가스 유량 제어 밸브를 작동시키는 오스테나이트계 스테인리스강제 왕복동 샤프트의 베어링을, 질량% 로, Ni : 10∼30%, Sn : 5∼12%, C : 3∼10%, P : 0.1∼0.9% 를 함유하고, 나머지가 Cu 와 불가피 불순물로 이루어지는 조성, 그리고 Cu-Ni-Sn-P 계 고용체의 소지에 유리 흑연이 분산 분포된 조직을 갖는 소결 Cu 합금으로 구성한다.

Description

고강도를 나타내고 또한 고온 환경 하에서 우수한 내마모성을 나타내는 ＥＧＲ 식 내연 기관의 재순환 배기 가스 유량 제어 밸브 등의 소결 ＣＵ 합금제 베어링{SINTERED CU ALLOY BEARING OF RECIRCULATION EXHAUST GAS FLOW RATE CONTROL VALVE, OR THE LIKE, OF EGR INTERNAL COMBUSTION ENGINE HAVING HIGH STRENGTH AND EXHIBITING EXCELLENT ABRASION RESISTANCE IN HIGH-TEMPERATURE ENVIRONMENT}

이 발명은, 고강도를 가지고, 또한 오스테나이트계 스테인리스강제 왕복동 샤프트와 실질적으로 동일한 열팽창 계수를 가지며, 따라서 고온 환경에 노출되어도 상기 왕복동 샤프트와의 사이에는 우수한 슬라이딩 특성이 유지되므로, 우수한 내마모성을 발휘하는 EGR 식 내연 기관의 재순환 배기 가스 유량 제어 밸브 등의 소결 Cu 합금제 베어링에 관한 것이다.

일반적으로, 가솔린 엔진이나 LPG 엔진 등 내연 기관의 배기 가스 대책의 일환으로, 이들 내연 기관에는 한 번 배출된 가스를 다시 흡입 공기와 혼합시켜 연소 온도를 저하시킴으로써, NO_X 의 저감을 도모한 EGR (배출 가스 재순환 시스템) 이 넓게 채용되고 있다.

또, EGR 의 배기 가스 취출 배관에 설치된 재순환 배기 가스 유량 제어 밸브를 작동시키는 오스테나이트계 스테인리스강제 왕복동 샤프트 (이하, 스테인리스 샤프트라고 한다) 의 베어링으로서, 예를 들어, Ni : 10∼30%, Sn : 5∼12%, C : 3∼10% 를 함유하고, 나머지가 Cu 와 불가피 불순물로 이루어지는 조성, 그리고 Cu-Ni-Sn 계 고용체의 소지에 유리 (遊離) 흑연이 분산 분포된 조직을 갖는 소결 Cu 합금제인 것 등이 알려져 있다 (예를 들어 특허 문헌 1 참조).

특허 문헌1 : 일본 공개특허공보 2004-68074호

한편, 최근 내연 기관의 고출력화 및 저연비화가 두드러지고, 또한 경량화 및 컴팩트화에 대한 요구도 강하여, 이에 수반하여 상기 재순환 배기 가스 유량 제어 밸브는 더 높은 강도를 필요로 하게 되었다.

또한 상기 재순환 배기 가스 유량 제어 밸브는, 엔진 연소실의 근방에 배치된 결과, 고출력화에 수반하는 엔진 발열량의 증대와 맞물려, 450℃ 에 달하는 고온 환경에 노출되는 현상이 발생하고 있다. 그런데 통상 재순환 배기 가스 유량 제어 밸브의 왕복동 샤프트와 베어링은 실온 환경에서의 슬라이딩 특성을 기준으로 하여 설계되어 있기 때문에, 이것이 고온 환경에 노출되면 양자 간에는 큰 열팽창차가 발생하게 되고, 이 결과 양자의 슬라이딩면의 클리어런스가 커지거나 슬라이딩면 저항이 증대되는 등의 슬라이딩 특성을 현저하게 손상시키는 현상이 발생하기도 한다.

그래서, 본 발명자 등은, 상기 기술한 바와 같은 관점에서, EGR 의 재순환 배기 가스 유량 제어 밸브에 이용되고 있는 스테인리스 샤프트의 열팽창에 대응한 열팽창을 나타내고, 또한 한층 고강도를 갖는 베어링을 개발하기 위하여 연구한 결과,

종래의 일본 공개특허공보 2004-68074호에 기재된 소결 Cu 합금에 추가로 질량% (이하, % 는 질량% 를 나타낸다) 로, P : 0.1∼0.9% 를 첨가한, Ni : 10∼30%, Sn : 5∼12%, C : 3∼10%, P : 0.1∼0.9% 를 함유하고, 나머지가 Cu 와 불가피 불순물로 이루어지는 조성, 그리고 Cu-Ni-Sn-P 계 고용체의 소지에 유리 흑연이 분산 분포된 조직을 갖는 소결 Cu 합금은, 합금 성분으로서 함유하는 Ni 의 작용으로, 15∼17 × 10^-6/K 의 열팽창 계수를 나타내고, 따라서 이 결과의 소결 Cu 합금으로 베어링을 구성하면, 상기 15∼17 × 10^-6/K 의 열팽창 계수는 상기 스테인리스 샤프트가 가지는 15∼17 × 10^-6/K 의 열팽창 계수와 실질적으로 동일한 것이 되므로, 상기 재순환 배기 가스 유량 제어 밸브가 450℃ 에 달하는 고온 환경에 있어도 상기 스테인리스 샤프트와 상기 소결 Cu 합금제 베어링의 사이에는, 실온 환경에서의 슬라이딩 특성과 동일한 슬라이딩 특성이 유지되게 되어, 환경 온도에 영향을 받지 않고 우수한 내마모성을 발휘하게 되고, 또한 종래의 일본 공개특허공보 2004-68074호에 기재된 소결 Cu 합금제 베어링에 비해 강도가 한층 향상된다는 연구 결과가 얻어졌다.

이 발명은, 상기 연구 결과에 기초하여 이루어진 것으로서, EGR 식 내연 기관의 재순환 배기 가스 유량 제어 밸브를 작동시키는 스테인리스 샤프트의 베어링을,

Ni : 10∼30%,

Sn : 5∼12%,

C : 3∼10%,

P : 0.1∼0.9%

를 함유하고, 나머지가 Cu 와 불가피 불순물로 이루어지는 조성, 그리고 Cu-Ni-Sn-P 계 고용체의 소지에 유리 흑연이 분산 분포된 조직을 갖는 소결 Cu 합금으로 구성함으로써, 강도를 한층 더 향상시키고, 또한 고온 환경 하에서도 우수한 내마모성을 발휘하도록 한 점에 특징을 갖는 것이다.

이 발명의 베어링은, 한층 더 높은 고강도를 가지고, 또한 고온 환경에 노출되어도 상대재인 스테인리스 샤프트와의 사이에서 우수한 윤활 특성이 유지되므로, 내연 기관의 고출력화 및 저연비화, 또한 경량화 및 컴팩트화에 충분히 만족스럽게 대응할 수 있는 것이다.

이어서, 이 발명의 베어링에 있어서, 이를 구성하는 소결 Cu 합금의 조성을 상기와 같이 수치 한정한 이유를 설명한다.

(a) Ni

Ni 함유량과 베어링의 열팽창 계수 사이에는, Ni : 10% 의 함유로, 실질적으로 베어링 : 17 × 10^-6/K 의 열팽창 계수를 나타내고, 또 동 30% 의 함유로, 동일하게 15 × 10^-6/K 의 열팽창 계수를 나타내는 관계가 있어, 이들 열팽창 계수는 상기와 같이 스테인리스 샤프트가 가지는 15∼17 × 10^-6/K 의 열팽창 계수에 상당하는 것이고, 이와 같이 스테인리스 샤프트가 가지는 열팽창 계수와의 정합성으로부터, 그 함유량을 10∼30% 로 정했다.

추가로 기술하면, 그 함유량이 10% 미만에서는 열팽창 억제 효과가 불충분하여, 베어링의 열팽창 계수가 17 × 10^-6/K 를 초과하여 커지고, 이 결과 고온 환경에서는 스테인리스 샤프트와의 슬라이딩면 사이의 클리어런스가 증대하여, 이것이 슬라이딩면에 있어서의 국부적 마모 발생의 원인이 되고, 한편 그 함유량이 30% 를 초과하면, 베어링의 열팽창 계수가 15 × 10^-6/K 미만이 되어 버려, 고온 환경에서는 스테인리스 샤프트와의 슬라이딩면 사이의 저항이 커져 마모가 급속히 증대되게 된다는 점에서, 그 함유량을 10∼30% 로 정했다.

또, 스테인리스 샤프트를 구성하는 오스테나이트계 스테인리스강은, JIS·G4303 (1979년판) 의 「스테인리스강봉」에, 「오스테나이트계」로서 규정되는 것을 나타낸다.

(b) Sn

Sn 성분에는, Cu 및 Ni 와 소지의 고용체를 형성하여, 베어링의 강도를 향상시키고, 이로써 베어링의 내마모성 향상에 기여하는 작용이 있지만, 그 함유량이 5% 미만에서는 원하는 강도 향상 효과가 얻어지지 않고, 한편 그 함유량이 12% 를 초과하면 상대재인 스테인리스 샤프트에 대한 공격성이 급격하게 증대되어, 스테인리스 샤프트의 마모가 촉진되게 된다는 점에서, 그 함유량을 5∼12% 로 정했다.

(c) C

C 성분은, 주체가 소지에 분산 분포하는 유리 흑연으로서 존재하며, 베어링의 윤활성을 향상시키고, 이로써 베어링 및 스테인리스 샤프트의 내마모성 향상에 기여하는 작용을 가지지만, 그 함유량이 3% 미만에서는 유리 흑연의 분산 분포 비율이 불충분하여, 원하는 우수한 윤활성을 확보하지 못하고, 한편 그 함유량이 10% 를 초과하면, 베어링의 강도가 급격하게 저하되어, 마모가 급격하게 진행되게 된다는 점에서, 그 함유량을 3∼10% 로 정했다.

(d) P

P 성분은, 소결시에 소결성을 향상시키고, 이로써 소지의 강도, 즉 베어링 의 강도를 향상시키는 작용이 있지만, P 의 함유량이 0.1% 미만에서는 충분한 소결성을 발휘시키지 못한다는 점에서 충분한 강도가 얻어지지 않기 때문에 바람직하지 않고, 한편, 0.9% 를 초과하여 함유시키면, 입계 (粒界) 부의 강도가 급격하게 저하되므로 소결 합금의 강도가 오히려 저하되어 바람직하지 않다. 따라서, P 성분의 함유량을 0.1∼0.9% 로 정했다.

이어서, 이 발명의 베어링을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.

원료 분말로서 어느 것도 50㎛ 의 평균 입경을 가지고 Ni 를 5.9∼41.2% 범위 내에서 함유하는 각종 아토마이즈 Cu-Ni 합금 분말, 평균 입경 : 20㎛ 의 아토마이즈 Sn 분말, 평균 입경 : 20㎛ 의 탄소 분말, 평균 입경 : 15㎛ 를 가지고 P 를 5∼10% 범위 내에서 함유하는 각종 아토마이즈 Cu-P 합금 분말, 그리고 평균 입경 : 15㎛ 를 가지고 P 를 2∼9% 범위 내에서 함유하는 각종 아토마이즈 Ni-P 합금 분말을 준비하고, 이들 원료 분말을 표 1 에 나타내는 성분 조성이 되도록 배합하고, 이것에 0.2% 의 스테아르산 아연을 윤활재로서 첨가하여 V 형 믹서로 20분간 혼합한 후, 200MPa 의 압력으로 프레스 성형하여 압분체로 하고, 이 압분체를 진공 중, 1020∼1270K 범위 내의 소정 온도에서 1시간 유지하는 조건으로 소결하고, 최종적으로 200MPa 의 압력으로 사이징 처리함으로써, 외경 : 20㎜ × 내경 : 5㎜ × 길이 : 20㎜ 의 치수를 가진 본 발명 소결 Cu 합금제 베어링 (이하, 본 발명 베어링이라고 한다) 1∼15, 비교 소결 Cu 합금제 베어링 (이하, 비교 베어링이라고 한다) 1∼8 및 종래 소결 Cu 합금제 베어링 (이하, 종래 베어링이라고 한다) 1 을 각각 제조하였다.

또한, 비교 베어링 1∼8 은, 어느 것도 합금 성분 중 어느 하나의 함유량이 이 발명의 범위로부터 벗어난 소결 Cu 합금으로 구성된 것으로, 19∼21 × 10^-6/K 의 열팽창 계수를 나타내었다.

이어서 , 이들 베어링의 강도를 평가할 목적으로 베어링의 압괴 강도를 구하여 그 결과를 표 1 에 나타내고, 추가로 이들 베어링을 배기량 : 3000cc 의 EGR 형 가솔린 엔진의 연소실로부터 300㎜ 떨어진 위치에 설치된 재순환 배기 가스 유량 제어 밸브에, 직경 : 5㎜ × 길이 : 60㎜ 의 치수를 가진 JIS·SUS303제 스테인리스 샤프트와 함께 넣고,

엔진 회전수 : 3000회전/분,

스테인리스 샤프트 왕복동 거리 : 10mm,

스테인리스 샤프트 왕복동 횟수 : 150회/분,

시험 시간 : 500시간

의 조건으로 마모 시험하여, 마모 시험 후의 베어링 및 스테인리스 샤프트 각각의 슬라이딩면에 있어서의 최대 마모 깊이를 측정했다. 이들 측정 결과를 표 1 에 나타내었다.

또한, 상기 마모 시험 중, 베어링의 온도를 측정한 결과, 항상 420∼435℃ 범위 내의 온도를 나타내었다.

표 1 에 나타내는 결과로부터, 본 발명 베어링 1∼15 는, 종래 베어링 1 에 비하여 한층 더 고강도를 가지고, 또한 어느 것도 스테인리스 샤프트와 실질적으로 동일한 열팽창 계수를 가지므로, 420∼435℃ 의 고온 환경에 노출되어도 상기 스테인리스 샤프트와의 사이에서 우수한 윤활 특성을 유지한다는 점에서, 작은 상대 공격성이고, 우수한 내마모성을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 그러나, 비교 베어링 1∼8 에서 보여지는 바와 같이, 함유량이 이 발명의 범위로부터 낮은 쪽으로 벗어난 소결 Cu 합금 구성된 베어링의 경우에는, 강도가 저하되거나 스테인리스 샤프트에 비하여 큰 열팽창을 나타내는 점에서, 슬라이딩면의 클리어런스가 증대되고, 이것이 슬라이딩면에 국부적 마모 발생을 촉진하며, 또한 상기 국부적 마모 부분은, 그 마모가 급속히 진행하게 되고, 또, Ni 함유량이 이 발명의 범위로부터 높은 쪽으로 벗어난 경우나, 흑연제인 것에서는, 스테인리스 샤프트에 비하여 상대적으로 열팽창이 작은 것이 된다는 점에서, 고온 환경 하에서는 슬라이딩면 저항이 현저하게 증대하여, 마모 진행이 촉진되고, 또한 Sn 및 C 성분의 함유량이 이 발명의 범위로부터 벗어났을 경우에도, 베어링의 마모가 상대적으로 커지거나 상대 공격성이 증대하는 것이 명백하다.

Claims

스테인리스강제 왕복동 샤프트와, 상기 왕복동 샤프트를 왕복동가능하게 지지하는 베어링을 구비하고,

상기 베어링은 질량% 로,

Ni : 10∼30%,

Sn : 5∼12%,

C : 3∼10%,

P : 0.1∼0.9%,

를 함유하고, 나머지가 Cu 와 불가피 불순물로 이루어지는 조성, 그리고 Cu-Ni-Sn-P 계 고용체의 소지에 유리 흑연이 분산 분포된 조직을 갖는 소결 Cu 합금으로 구성되고, 상기 베어링의 열팽창 계수가 15∼17 × 10^-6/K 이고,

420∼435℃ 고온 환경하에 있어서, 엔진 회전수 : 3000회전/분, 스테인리스강제 샤프트 왕복 운동 거리 : 10㎜, 스테인리스강제 샤프트 왕복 운동 횟수 : 150회/분, 시험 시간 : 500시간의 조건에서 마모 시험을 실시한 경우, 스테인리스강제 샤프트의 슬라이딩면에 있어서의 최대 마모 깊이가 0.001mm 이상 0.002㎜ 이하인, 작은 상대 공격성이고 우수한 내마모성을 나타내는 EGR 식 내연 기관의 재순환 배기 가스 유량 제어 밸브.