KR101085595B1

KR101085595B1 - 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재 및 이것을 이용한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링

Info

Publication number: KR101085595B1
Application number: KR1020100051274A
Authority: KR
Inventors: 히로츠구 도미타; 나오후미 구마가이
Original assignee: 오일레스고교 가부시키가이샤
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2011-11-25
Also published as: KR20100083753A; US20040071374A1; JP4385618B2; CN1309516C; US6872002B2; JP2004143580A; KR20040019929A; KR100998343B1; CN1493420A

Abstract

본 발명에 따르면, 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재가, 스테인레스강으로 이루어지고 원통상의 내면을 가진 지지금속과, 축방향을 따라 나란하게 지지금속의 내면에 상기 내면측으로 개구되게 마련되어 있는 복수개의 환상홈과, 이 복수개의 환상홈을 상호 연통시키도록, 지지금속의 한쪽 환상 단면(端面)으로부터 다른 쪽 환상 단면을 향해 축방향으로 연장되어 지지금속의 내부에 마련된 상호 연통용 막힘구멍과, 지지금속의 내면측에 있어서의 각 환상홈의 개구를 복개함과 아울러 지지금속의 원통상의 내면에 접합층을 통해 일체로 된 원통상의 다공질 소결금속층을 구비한다.

Description

다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재 및 이것을 이용한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링{Bearing material for porous hydrostatic gas radial bearing and porous hydrostatic gas radial bearing using the same}

본 발명은, 다공질 소결금속층을 구비한 정압기체베어링용 베어링소재 및 이 베어링소재를 이용한 다공질 정압기체베어링에 관한 것이다.

다공질 정압기체베어링은, 뛰어난 고속안정성과 높은 부하용량을 갖는 것으로, 종래부터 주목받아오고 있으며, 여러가지 연구도 이루어지고 있지만, 실용화에 있어서는 몇가지 극복해야 할 문제가 있다.

다공질 정압기체베어링으로는, 압축기체의 공급수단을 구비한 지지금속에 다공질 소결금속체를 구비하여 이루어지는 베어링소재가 많이 이용되고, 이 베어링소재에 있어서의 다공질 소결금속체의 형성재료로서는, 청동, 알루미늄합금, 스테인레스강을 주체로 한 것, 특히 청동을 주체로 한 것이 많이 이용되고 있다.

그런데, 다공질 정압기체 베어링에 이용하는 베어링소재에는 충분한 통기성과 10^-3mm의 규격의 표면거칠기가 요구되지만, 상기한 베어링소재를 정압기체 베어링에 이용하기에는, 다공질 소결금속체 그 자체는 일단 바람직한 통기성을 가지지만, 다공질소결금속체의 치수정밀도나 표면거칠기가 충분하지 않으므로, 많은 경우에는, 그 표면에 기계가공이 실시된다.

이 기계가공은, 주로 선반 및 프라이스가공이나 연삭에 의해 이루어지지만, 이 선반 및 프라이스가공이나 연삭에 의해 다공질 소결금속체의 표면에 구멍막힘을 야기시켜, 그 통기성에 크게 영향을 주게 된다. 특히, 연삭시에는 다공질 소결금속체의 표면에 소성유동을 야기시키고, 연삭가공자국이나 버어(burr)를 발생시킨다.

또, 다공질 소결금속체는, 상기와 같이 압축기체의 공급수단을 구비한 지지금속에 결합되고, 예를 들면, 다공질 정압레이디얼 기체베어링의 경우에서는, 그 결합시에, 원통상의 지지금속에 원통상의 다공질 소결금속체를 압입고정하는 수단을 채용된다.

단순한 미끄럼 베어링의 경우는 이러한 압입고정수단만 채용하더라도 별로 문제를 발생시키지 않지만, 다공질 정압기체베어링에 있어서는, 일견 긴밀하게 압입고정되어 있는 양쪽 접촉부에 미세한 간극이 존재하기 때문에 다공질 소결금속체내의 압축기체의 본래 유통보다도, 이 간극으로부터의 기체 누설이 커지는 경우가 있다. 이 간극으로부터의 기체 누설은 당연히 다공질 정압기체 베어링로서의 부하용량 감소 등 성능의 저하를 초래하게 되므로 최대한 이것을 방지하는 것이 바람직하다.

이에 대처하기 위해, 결합면적 크게 하여 큰 압입력으로 끼워고정하면, 이 부분의 간극은 거의 완전히 없앨 수 있지만, 반대로 지지금속에 의해 극히 큰 조임을 받는 다공질 소결금속체의 외표면측에서 소결금속의 소성유동이 발생할 우려가 있고, 따라서, 지지금속에 끼워고정한 후, 압축기체의 유통이 다공질 소결금속체의 고정면측에서 크게 저해되는 문제가 발생한다.

상기 문제를 감안하여, 본 출원인은 일본 특허공개 평11-158511호 공보에 기재한 기술(이하, 「선행기술」이라 한다)을 제안하여, 상기 문제를 해결하였다. 즉, 선행기술은, 지지금속과, 이 지지금속의 적어도 한쪽 면에 접합된 다공질 소결금속층을 구비하고 있고, 다공질 소결금속층의 입계(粒界)에는 무기물질 입자가 함유되어 있는 다공질 정압기체 베어링용 베어링소재에 관한 것이다. 그리고, 선행기술에는, 무기물질 입자에 더해서, 구체예로서, 중량비로 주석 4 ~ 10%, 니켈 10 ~ 40%. 인 0.5 ~ 4%, 흑연 3 ~ 10% 및 나머지의 구리로 이루어지는 다공질 소결금속층이 개시되어 있다.

이 선행기술에 개시된 베어링소재는, (1) 다공질 소결금속층의 입계에는 흑연 등의 무기물질 입자가 함유되어 있으므로, 기계가공을 실시해도 그 표면의 구멍막힘이 억제되어 이상적인 구조가 되며, (2) 다공질 소결금속층이 지지금속에 접합일체화되어 있으므로, 이 접합부로부터의 압축기체의 누설도 없고, 공급기체압에 의한 소결층의 변형을 극히 작게 할 수 있는 효과를 발휘하는 것이다.

이 선행기술에 개시된 베어링소재의 다공질 소결금속층은, 성분 중의 니켈(Ni) 및 인(P)이 소결과정에서 액상의 Ni₃P를 발생시키고, 소결온도의 상승과 더불어 활발해지는 고체상 - 액상간에서의 상호확산으로 소결층의 합금화가 행해지고, 또 지지금속(강재)에의 액상 Ni₃P의 양호한 부착성으로 더욱 다공질 소결금속층과 지지금속의 접합일체화가 이루어져서 제작되는 것이다.

그러나, 지지금속으로 내부식성, 특히 녹에 대한 내부식성이 뛰어난 스테인레스강을 사용한 경우에는, 상기 지지금속과 다공질 소결금속층과의 접합일체화에 있어서, 몇가지 문제점이 제기되었다. 즉, (1) 스테인레스강으로 이루어지는 지지금속의 적어도 한쪽 면에 다공질 소결금속층을 소결시에 접합하는 경우에는, 지지금속의 표면, 바꿔 말하면, 지지금속과 다공질 소결금속층과의 접합 경계면에 산화크롬(Cr₂O₃) 등의 크롬산화물이 생성되고, 접합 경계면에 크롬산화물이 개재함으로써 다공질 소결금속층의 지지금속 표면에의 접합일체화가 저해되는 것, (2) 소결시에 있어서 액상의 Ni₃P의 발생량이 많으면 이러한 액상의 Ni₃P의 소결중에 유출되어, 다공질 소결금속층을 지지금속의 표면에 접합하는 데 필요한 Ni₃P의 액상량이 감소하여 상기 다공질 소결금속층과 지지금속의 접합력이 약해지고, 소결 후의 냉각(방냉)시의 온도 하강에 따르는 다공질 소결금속층과 지지금속 사이의 접합면에서의 상기 다공질 소결금속층의 수축에 의해 상기 접합면에서 박리가 발생되는 등의 문제가 있다. 특히 상기 (2)의 문제는, 다공질 정압기체베어링에서는, 상기 접합면으로부터의 압축기체의 누설 등의 결점을 야기하게 된다.

일본 공개특허 평11-158511호 공보

본 발명자는 상기 문제를 감안하여 연구를 계속한 결과, 상기 (1)의 문제점에 대해서는, 스테인레스강으로 이루어지는 지지금속의 표면에 도금층을 형성하고, 이러한 도금층으로 이루어지는 접합층을 지지금속과 다공질 소결금속층 사이에 개재시키므로써, 지지금속과 다공질 소결금속층과의 접합 경계면에 크롬산화물의 생성을 방지하고, 스테인레스강으로 이루어지는 지지금속의 표면에 접합층을 통해 다공질 소결금속층을 접합일체화시킬 수 있는 것을 알아내고, 또 상기 (2)의 문제점에 대해서는, 액상의 Ni₃P의 발생량을 적게 함으로써 소결 후의 냉각시의 다공질 소결금속층의 수축량을 적게 하여, 다공질 소결금속층과 지지금속 사이의 접합면에서의 박리를 일으키지 않고 접합일체화시킬 수 있으며, 다공질 소결금속층의 기공률을 높일 수 있고, 상기 다공질 소결금속층을 유통하는 압축기체에 의한 부상량(浮上量)을 높이는 것을 알아내었다.

본 발명은 상기 알려진 사실에 기초하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 다공질 소결금속층과 스테인레스강으로 이루어지는 지지금속과의 사이에 박리 등을 일으키지않고 견고하게 접합일체화시킬 수 있으며 다공질 소결금속층의 기공률을 높여서 상기 다공질 소결금속층을 유통하는 압축기체에 의한 부상량을 높일 수 있는 다공질 정압기체베어링용 베어링소재 및 이것을 이용한 다공질 정압기체베어링을 제공하는 데에 있다.

또, 이러한 다공질 정압기체 베어링용 베어링소재에 있어서, 그 지지금속에는 다공질 소결금속층에 압축기체를 공급하는 공급수단이 마련되는데, 이 공급수단은 압축기체를 다공질 소결금속층의 표면으로부터 한쪽으로 편중됨이 없이 균등하게 분출시키도록 구성되어 있는 것이 바람직하고, 또, 특히, 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재에 이용되는 지지금속으로 원통상의 내면에 이러한 압축기체의 공급수단을 마련하는 경우에는, 쉽게 그것을 형성할 수 있어서 뛰어난 제조성이 요구된다.

본 발명의 다른 목적은, 다공질 소결금속층의 표면으로부터의 압축기체의 분출이 한쪽으로 편중되는 것을 가능한 한 작게 할 수 있으며, 제조성도 뛰어난 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재 및 이를 이용한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 제1실시형태의 다공질 정압기체 베어링용 베어링소재는, 스테인레스강으로 이루어지는 지지금속과, 이 지지금속의 적어도 한쪽 면에 접합층을 통해 일체로 된 다공질 소결금속층을 구비하고 있고, 다공질 소결금속층의 입계(粒界)에 무기물질 입자가 분산함유되어 있으며, 여기에서 무기물질 입자를 함유하는 다공질 소결금속층은, 4중량% 이상 10 중량% 이하의 주석과, 10중량% 이상 40중량% 이하의 니켈과, 0.1중량% 이상 0.5중량% 미만의 인과, 나머지 중량%의 구리로 이루어져 있다.

제1실시형태의 다공질 정압기체 베어링용 베어링소재에 따르면, 소결과정에 있어서 액상의 Ni₃P를 발생하는 인성분이 0.1중량% 이상 0.5중량% 미만의 함유량인 것으로 부터, 액상의 Ni₃P의 발생량이 적어지고, 소결시에 액상의 Ni₃P가 유출되는 일 없이, 다공질 소결금속층을 접합층에 접합하는 데에 필요한 량의 액상 Ni₃P가 되고, 접합층을 통한 상기 다공질 소결금속층과 지지금속의 접합력이 높아지며, 또한, 액상의 Ni₃P의 발생량이 적음으로 인하여 소결 후의 냉각(방냉)시의 다공질 소결금속층의 수축량이 적으므로, 상기 다공질 소결금속층의 수축에 기인하는 지지금속과 다공질 소결금속층과의 접합층을 통한 각 접합면에서 상기 다공질 소결금속층의 박리를 일으키지 않는다.

또, 액상 Ni₃P의 생성량이 적고, 접합층이 개재되어 있으므로, 지지금속과 일체화된 다공질 소결금속층의 기공률이 높아지게 되어, 다공질 소결금속층을 유통하는 압축기체의 압력손실이 저하되고, 상기 다공질 소결금속층의 표면(베어링면)으로 분출하는 공급기체의 압력이 상대적으로 높아짐으로써 부상량을 높일 수 있다. 따라서, 다공질 소결금속층과 지지금속이 접합층을 통해 견고하게 일체화되고, 다공질 소결금속층의 기공률이 높아지는 것에 기인하는 부상량을 높일 수 있는 다공질 정압기체베어링용 베어링소재로 할 수 있다.

본 발명의 제2실시형태의 다공질 정압기체베어링용 베어링소재에서는, 제1실시형태의 베어링소재에 있어서, 무기물질 입자는 다공질 소결금속층에 2중량% 이상 10중량% 이하의 비율로 함유되어 있고, 무기물질 입자는, 본 발명의 제3실시형태의 베어링소재와 같이, 흑연, 질화붕소, 불화흑연, 불화칼슘, 산화알루미늄, 산화규소 및 탄화규소 중 적어도 하나로 이루어진다.

다공질 소결금속층의 입계에 분산함유된 무기물질 입자는, 그 자체가 기계가공에 의해 소성변형되지 않고, 또한 다공질 소결금속층의 소지(素地; 바탕)금속부분의 소성변형을 분단하여 경감하는 작용에 의해, 기계가공에서의 다공질 소결금속층의 구멍막힘을 억제할 수 있다.

지지금속은, 본 발명의 제4실시형태의 다공질 정압기체베어링용 베어링소재와 같이, 원통상으로 형성되어 있어도 좋고, 아니면, 본 발명의 제5실시형태의 다공질 정압기체베어링용 베어링소재와 같이, 평판상으로 형성되어 있어도 좋으며, 전자의 경우에는, 무기물질 입자를 함유하는 다공질 소결금속층은, 지지금속의 원통상 한쪽 면에 접합층을 통해 일체로 되어 있고, 후자인 경우에는, 무기물질 입자를 함유하는 다공질 소결금속층은, 지지금속의 평판상 한쪽면에 접합층을 통해 일체로 되어있다.

접합층은, 본 발명의 제6실시형태의 다공질 정압기체베어링용 베어링소재와 같이, 적어도 니켈 도금층을 포함하고 있어도 좋고, 또 본 발명의 제7실시형태의 다공질 정압기체베어링용 베어링소재와 같이, 니켈 도금층과 구리 도금층의 2층 도금층을 포함하고 있어도 좋고, 니켈 도금층은, 어떠한 경우에도 지지금속의 적어도 한쪽 면에 접합되어 있으면 되고, 접합층이 니켈 도금층과 구리 도금층의 2층 도금층을 포함하고 있는 경우에는, 다공질 소결금속층은, 구리 도금층에 접합되어 있으면 좋다. 이 니켈 도금층 및 구리 도금층은, 각각 전기도금에 의해 형성된다.

본 발명의 제6실시형태의 베어링소재와 같이 스테인레스강으로 이루어지는 지지금속의 표면에 니켈 도금층을 포함한 접합층이 형성되어 있어서, 상기 니켈 도금층이 지지금속의 적어도 한쪽 면에 접합되어 있으면, 양자간에 견고한 접합일체화가 이루어질 수 있다. 또, 본 발명의 제7실시형태의 베어링소재와 같이, 지지금속의 표면에 형성되는 접합층이 니켈 도금층과 구리 도금층의 2층 도금층을 포함하고, 니켈 도금층이 지지금속의 적어도 한쪽 면에 접합되며, 다공질 소결금속층이 구리 도금층에 접합되어 있어도, 마찬가지로 양자간에 견고한 접합일체화가 이루어진다. 따라서, 어떠한 경우라도 스테인레스강으로 이루어지는 지지금속, 다공질 소결금속층 및 접합층에 있어서의 접합부에 박리 등을 일으키지 않는다. 또한, 제7실시형태의 베어링소재에서의 구리 도금층이 본 발명의 제8실시형태의 베어링소재와 같이 니켈 도금층 표면에 형성되어 있으면, 2층의 도금층의 견고한 접합일체화를 얻을 수 있으며, 상술한 대로 지지금속과 다공질 소결금속층의 양자간의 견고한 일체화를 확보할 수 있다.

구리 도금층은, 바람직하게는 본 발명의 제9실시형태의 베어링소재와 같이 10㎛ 이상 25㎛ 이하의 두께를 갖고 있고, 보다 바람직하게는 본 발명의 제10실시형태의 베어링소재와 같이 10㎛ 이상 20㎛ 이하의 두께를 갖고 있고, 니켈 도금층은 바람직하게는 본 발명의 제11실시형태의 베어링소재와 같이 2㎛ 이상 20㎛ 이하의 두께를 갖고 있으며, 보다 바람직하게는 본 발명의 제12실시형태의 베어링소재와 같이 3㎛ 이상 15㎛ 이하의 두께를 갖고 있다.

본 발명의 다공질 정압기체베어링은, 제1 내지 제12 실시형태 중 어느 하나의 실시형태의 다공질 정압기체베어링용 베어링소재를 이용한 것으로, 지지금속에 마련되어 있으며, 무기물질 입자를 분산함유하는 다공질 소결금속층에 압축기체를 공급하는 수단을 구비하고 있다.

본 발명의 다공질 정압기체베어링에 따르면, 제4실시형태와 같은 베어링소재를 이용함으로써 다공질 정압기체 레이디얼 베어링으로 적용할 수 있고, 또는 제5실시형태와 같은 베어링소재를 이용함으로써, 다공질 정압기체 스러스트베어링으로 적용할 수 있다.

본 발명의 제1실시형태의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재는, 스테인레스강으로 이루어지고 원통상의 내면을 가진 지지금속과, 축방향을 따라 나란히 지지금속의 내면에 그 내면측에서 개구되게 마련되어 있는 복수개의 환상홈과, 이 복수개의 환상홈을 상호 연통시키도록, 지지금속의 한쪽의 환상 단면(端面)으로부터 다른 쪽 환상 단면을 향해 축방향으로 연장하여 지지금속의 내부에 마련된 상호연통용 막힘구멍과, 지지금속의 내면측에 있어서의 각 환상홈의 개구를 복개하면서 지지금속의 원통상 내면에 접합층을 통해 일체로 된 원통상의 다공질 소결금속층을 구비하고 있다.

제1실시형태의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재에 따르면, 복수개의 환상홈을 상호 연통시키는 상호연통용 막힘구멍이 지지금속의 내면측에서 개구되지 않도록 지지금속의 내부에 마련되어 있기 때문에, 막힘구멍으로부터 직접적으로 지지금속의 내면을 통하는 다공질 소결금속층으로의 압축기체 공급을 회피할 수 있어서, 이 상호연통용 막힘구멍으로 공급된 압축기체를 환상홈의 각각을 통해 다공질 소결금속층으로 공급할 수 있으므로, 다공질 소결금속층의 표면으로부터 압축기체를 대략 균등하게 분출할 수 있고, 또한, 상호 연통용 막힘구멍이 지지금속의 내부에 마련되어 있기 때문에, 이러한 막힘구멍을 지지금속의 한쪽 환상의 단면으로부터 드릴 등을 이용하여 쉽게 형성할 수 있기 때문에, 원통상의 내면으로의 상호연통용 홈의 형성과 비교하여 극히 제조성이 뛰어난 것이 된다.

상호 연통용 막힘구멍의 양단은, 대응하는 환상 단면에서 개구되어도 좋지만, 바람직하게는, 본 발명의 제2실시형태의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용의 베어링소재와 같이, 상호연통용 막힘구멍의 일단은 지지금속의 환상 단면에서 개구되어 있고, 상호 연통의 막힘구멍의 타단은, 지지금속의 다른 쪽 환상 단면의 바로 앞에서 지지금속 자체에 의해 폐쇄되어 있으며, 이 경우, 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재는, 본 발명의 제3실시형태의 그것과 같이, 상호 연통용 막힘구멍의 일단을 폐쇄하는 마개를 결합하기 위한 결합수단을 더 구비하고 있으면 좋고, 결합수단은 본 발명의 제4실시형태의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재와 같이, 나사홈을 구비하고 있어도 좋다. 상호연통용 막힘구멍의 양단이 개구되어 있는 경우에도, 본 발명의 베어링소재는, 이들 양단을 폐쇄하는 마개를 결합하기 위한 나사홈 등으로 이루어지는 결합수단을 구비하고 있으면 좋다.

본 발명에서는, 상호연통용 막힘구멍을 압축기체 공급용 막힘구멍으로 해도 좋지만, 본 발명의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재는, 바람직하게는, 그 제5실시형태의 그것과 같이, 지지금속의 외측면에서 개구되어 있으며 지지금속의 외면으로부터 상호연통용 막힘구멍을 향해 지름방향으로 연장되어 지지금속의 내부에 마련된 압축기체공급용 막힘구멍을 더 구비하고 있다.

다공질 정압기체베어링용 베어링소재와 같이, 본 발명의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재에서, 그 제6실시형태의 그것과 같이, 다공질 소결금속층은, 주석, 니켈, 인 및 구리를 포함한 소결금속의 입계와, 소결금속의 입계에 분산된 무기물질 입자를 함유하고 있고, 이 경우, 그 제7실시형태의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재와 같이 소결금속의 입계는, 4중량% 이상 10중량% 이하의 주석과, 10중량% 이상 40중량% 이하의 니켈과, 0.1중량% 이상 0.5중량% 미만의 인과, 나머지 중량%의 구리를 포함하고 있고, 그 제8실시형태의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재와 같이 무기물질 입자는, 2중량% 이상 10중량% 이하의 비율로 함유되어 있고, 그 제9실시형태의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용의 베어링소재와 같이 무기물질 입자는, 흑연, 질화붕소, 불화흑연, 불화칼슘, 산화알루미늄, 산화규소 및 탄화규소 중 적어도 하나로 이루어지면 좋다. 또, 다공질 정압기체베어링용 베어링소재와 마찬가지로, 접합층은, 본 발명의 제 10 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재와 같이, 적어도 니켈 도금층을 포함하고 있어도 좋고, 이 경우, 니켈 도금층은 지지금속의 원통상 내면에 접합되어 있다. 접합층은 또, 본 발명의 제11실시형태의 다공질정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재와 같이 니켈 도금층과 상기 니켈 도금층의 표면에 형성된 구리 도금층의 2층의 도금층으로 이루어져 있어도 좋고, 이 경우, 니켈 도금층은 지지금속의 원통상 내면에 접합되어 있고, 다공질 소결금속층은 구리 도금층에 접합되어 있으면 좋다.

본 발명의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링 베어링소재는, 구리 도금층은 바람직하게는 그 제12실시형태의 그것과 같이 10㎛ 이상 25㎛ 이하의 두께를 갖고 있고, 보다 바람직하게는 그 제 13 실시형태의 그것과 같이 10㎛ 이상 20㎛ 이하의 두께를 갖고 있으며, 니켈 도금층은 바람직하게는 제 13 실시형태의 그것과 같이 2㎛ 이상 20㎛ 이하의 두께를 갖고 있고, 보다 바람직하게는 그 제 14 실시형태의 그것과 같이 3㎛ 이상 15㎛ 이하의 두께를 갖고 있다.

제6 내지 제 14 실시형태의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재의 각각에 따르면, 상술한 다공질 정압기체베어링용 베어링소재의 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 다공질 소결금속층은 소결 후의 수축량이 적으므로, 스테인레스강으로 이루어지는 지지금속에 접합층을 통해 견고하게 일체로 할 수 있는 것이다. 또, 다공질 소결금속층의 기공률이 높아지므로 다공질 소결금속층을 유통하는 압축기체의 압력손실이 저하되고, 결과적으로 상기 다공질 소결금속층의 표면(베어링면)으로 분출하는 공급기체압력이 상대적으로 높아져서 부상량을 높일 수 있다.

또 본 발명에 따르면, 다공질 소결금속층의 표면으로부터의 압축기체의 분출이 한쪽으로 편중되는 것을 가능한 한 적게 할 수 있으며, 제조성도 뛰어난 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재 및 이것을 이용한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링을 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 II - II선 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다공질 정압기체 스러스트 베어링을 도시한 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시한 IV - IV선 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다공질 정압기체베어링의 접합층의 두께와 전단강도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 다공질 소결금속층의 기공률을 도시한 그래프이다.
도 7은 다공질 정압기체 레이디얼 베어링 및 베어링소재의 개방유량 및 그 유량비를 도시한 그래프이다.
도 8은 다공질 정압기체 레이디얼 베어링에 있어서의 부하하중(kgf)과 부상량(㎛)의 관계를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링의 다른 예를 나타낸 것으로, 도 10의 IX - IX선 단면도이다.
도 10은 도 9에 도시한 X - X선 단면도이다.
도 11은 도 9의 예의 레이디얼 베어링소재를 나타낸 것으로, 도 12의 XI - XI선 단면도이다.
도 12는 도 11에 도시한 XII - XII선 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링의 또 다른 예를 나타낸 것으로, 도 14의 XIII - XIII선 단면도이다.
도 14는 도 13에 도시한 예의 좌측면도이다.

이하, 본 발명 및 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 그 바람직한 예에 기초하여 설명한다. 또, 본 발명은 이들 예로 한정되는 것은 아니다.

다공질 정압기체베어링에 있어서 도 1 및 도 2에 도시한 본 예의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)은, 스테인레스강으로 이루어지고 원통상으로 형성된 지지금속(2)과, 지지금속(2)의 원통상의 한쪽 면인 내면(9)에 접합층(3)을 통해 일체로 된 다공질 소결금속층(4)과, 지지금속(2)에 마련된 압축기체공급용 구멍(5)과, 축방향을 따라 나란하게 지지금속(2)의 내면(9)에 상기 내면(9)측으로 개구되도록 형성되게 마련되어 있으며 상기 내면(9)측의 개구가 다공질 소결금속층(4)에 의해 덮여 있는, 즉 복개되어 있는 복수개의 환상홈(6)과, 지지금속(2)의 내면(9)에 상기 내면(9)측으로 개구되게 형성되어 환상홈(6)을 상호 연통시키도록 축방향으로 연장된 상호연통용 홈(7)을 구비하고 있고, 다공질 소결금속층(4)의 원통상 내면을 베어링면(8)으로 하고 있으며, 지지금속(2)에 마련된 구멍(5), 환상홈(6) 및 홈(7)에 의해 다공질 소결금속층(4)에 압축기체를 공급하는 공급수단이 구성되어 있다.

다공질 정압기체베어링에서, 도 3 및 도 4에 도시한 본 예의 다공질 정압기체 스러스트 베어링(11)은, 스테인레스강으로 이루어지고 평판상으로 형성된 지지금속(2)과, 지지금속(2)의 평판상의 한쪽면인 평탄표면에 접합층(3)을 통해 일체로 된 다공질 소결금속층(4)과, 지지금속(2)에 마련된 압축기체공급용 구멍(5)과, 지지금속(2)의 한쪽 평탄표면에 형성된 복수개의 환상홈(6)과, 지지금속(2)의 한쪽 평탄표면에 형성되어 환상홈(6)을 상호 연통시키는 상호연통용 홈(7)을 구비하고 있으며, 다공질 소결금속층(4)의 평탄외측면을 베어링면(8)으로 하고 있고, 지지금속(2)에 마련된 구멍(5), 환상홈(6) 및 홈(7)에 의해 다공질 소결금속층(4)에 압축기체를 공급하는 공급수단이 구성되어 있다.

다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1) 및 다공질 정압기체 스러스트 베어링(11)에서, 지지금속(2)을 형성하는 스테인레스강으로는 오스테나이트계 스테인레스강, 마르텐사이트계 스테인레스강 혹은 페라이트계 스테인레스강이 사용된다. 특히, 크롬(Cr) 함유량이 적은 마르텐사이트계 스테인레스강 혹은 페라이트계 스테인레스강이 바람직하다.

접합층(3)은, 지지금속(2)의 한쪽 면에 접합된 니켈 도금층과 상기 니켈 도금층의 표면에 접합되어 있으며 다공질 소결금속층(4)이 표면에 접합되어 있는 구리 도금층의 2층 도금층을 포함하고 있다. 접합층(3)을 사이에 둔 지지금속(2)과 다공질 소결금속층(4)의 각 접합부에 박리 등을 일으키지 않기 위해서는, 다공질 소결금속층(4)의 형성시의 가압의 정도에도 관계가 있지만, 니켈 도금층은, 2㎛ 이상 20㎛ 이하, 바람직하게는 3㎛ 이상 15㎛ 이하의 두께를 갖고 있고, 구리 도금층은 10㎛ 이상 25㎛ 이하, 바람직하게는 10㎛ 이상 20㎛ 이하의 두께를 갖고 있다.

다공질 소결금속층(4)은, 4중량% 이상 10중량% 이하의 주석과, 10중량% 이상 40중량% 이하의 니켈과, 0.1중량% 이상 0.5중량% 미만의 인과, 2중량% 이상 10중량% 이하의 무기물질과, 나머지 중량%의 구리로 이루어진다. 성분 중의 인성분은 소결과정에서 액상 Ni₃P을 생성하고, 소결을 진행시킴과 아울러 지지금속(2)의 한쪽면에 형성된 접합층(3)으로의 니켈성분의 확산을 조장하고, 다공질 소결금속층(4)을 견고하게 일체로 하는 역할을 한다.

또, 인성분의 배합량을 0.1중량% 이상 0.5중량% 미만으로 함으로써, 다공질 소결금속층(4)의 소결후 냉각시의 수축량을 낮게 억제할 수 있고, 다공질 소결금속층(4)의 수축에 기인하는 다공질 소결금속층(4)의 지지금속(2)의 한쪽면으로부터의 박리 등을 일으키지 않는다. 또한, 인성분의 배합량을 작게하여 액상의 Ni₃P의 생성량을 적게 함으로써, 다공질 소결금속층(4)의 기공률이 높아지고, 다공질 소결금속층(4)을 유통하는 압축기체의 압력손실이 저하됨으로써, 상기 다공질 소결금속층(4)의 베어링면(8)으로 분출되는 공급기체압력이 상대적으로 높아져서 부상량을 높일 수 있다.

다공질 소결금속층(4)에 분산함유된 무기물질 입자는, 흑연, 질화붕소, 불화흑연, 불화칼슘, 산화알루미늄, 산화규소 및 탄화규소 중 적어도 하나로 이루어진다. 이들은 많은 금속재료와 같이 소성변형하지 않고, 무기물질이다. 이러한 무기물질이 다공질 소결금속층(4)의 주석, 니켈, 인 및 구리로 이루어지는 소지(입계)중에 분산함유되어 있으면, 이 자체가 기계가공에 의해 소성변형하지 않고, 다공질 소결금속층(4)의 소지 금속부분의 소성변형을 분단하여 경감시키는 작용이 있으므로, 기계가공시의 다공질 소결금속층의 구멍막힘을 억제할 수 있다. 그리고, 이들 무기물질 입자의 배합량은 2중량% 이상 10중량% 이하의 비율이 적당하다. 배합량이 2중량% 미만에서는 다공질 소결금속층(4)의 소지금속부분의 소성변형을 분단하고 경감시키는 작용이 충분히 발휘되지 않고, 또 배합량이 10중량%을 넘게 배합하면, 다공질 소결금속층(4)의 소결성을 저해한다.

다음으로, 다공질 정압기체베어링용 베어링소재 및 이 베어링소재를 사용한 다공질 정압기체베어링의 제조방법에 관해 설명한다.

[다공질 정압기체 스러스트 베어링(11)의 제조방법]

오스테나이트계 스테인레스강, 마르텐사이트계 스테인레스강 혹은 페라이트계 스테인레스강으로 이루어지는 원판상 지지금속(2)을 준비하고, 이 지지금속(2)의 한쪽면에 동심원상의 복수개의 환상홈(6)과 상기 환상홈(6)을 상호 연통시키는 홈(7)을 각각 형성함과 아울러, 지지금속(2)의 다른 면으로부터 홈(7)으로 개구되는 압축기체공급용 구멍(5)을 형성한다.

환상홈(6), 홈(7) 및 구멍(5)이 형성된 지지금속(2)의 이들 홈(6, 7) 및 구멍(5)을 제외한 한쪽면인 평탄표면에 두께 2 ~ 20㎛, 바람직하게는 3 ~ 15㎛의 니켈 도금층을 형성하고, 상기 니켈 도금층의 표면에 두께 10 ~ 25㎛, 바람직하게는 10 ~ 20㎛의 구리 도금층을 형성하고, 지지금속(2)의 홈(6, 7) 및 구멍(5)을 제외한 한쪽 평탄표면에 니켈 도금층과 구리 도금층으로 이루어지는 2층의 도금층을 형성한다. 이 2층의 도금층이 지지금속(2)과 다공질 소결금속층(4)의 접합층(3)이 된다.

250메쉬의 체를 통과하는 가루화된 주석분말 4중량% 이상 10중량% 이하와, 250메쉬의 체를 통과하는 전해니켈분말 10중량% 이상 40중량% 이하와, 120메쉬의 체를 통과하는 구리인(인 14.5%) 분말 0.7중량% 이상 3.4중량% 미만의 인과, 150메쉬의 체를 통과하는 무기물질 입자 3중량% 이상 10중량% 이하와, 150메쉬의 체를 통과하는 나머지 중량%의 전해구리 분말을 믹서로 혼합하여 혼합분말을 제작한다.

히드록시프로필셀룰로즈(HPC), 폴리비닐알콜(PVA), 카르복시메틸셀룰로즈 (CMC), 히드록시에틸셀룰로즈(HEC), 메틸셀룰로즈(MC), 젤라틴, 아라비아고무 및 전분중에서 선택되는 분말결합제의 1 ~ 15중량% 수용액을 상기 혼합분말에 대해 0.1 ~ 5.0중량% 첨가하고, 균일하게 혼합하여 습윤성을 갖는 원료분말을 얻는다. 여기에서, 분말결합제 수용액의 첨가량은 금속혼합분말에 대해, 0.1 ~ 5.0중량%가 바람직하다. 특히, 5.0중량%을 넘게 첨가하면 소결체 조직중에 제어할 수 없는 기공(氣孔; 구멍)이 증가하고, 다공질 소결금속층(4)의 강도를 저하시키는 원인이 된다. 또, 분말결합제의 용매로는 물 이외에 에틸알콜 등의 친수성 화합물 5 ~ 20중량%의 수용액을 사용할 수 있다.

습윤성을 갖는 원료분말은 컨베이어 및 호퍼에 의해 압연롤로 공급된다. 원료분말의 압연은 롤쌍을 갖는 통상의 횡형압연기를 사용할 수 있다. 이 횡형압연기를 사용하여 대략 두께 2 ~ 2.5mm의 분말압축체 시트를 제작한다.

이 분말압축체 시트를 환상홈(6), 홈(7) 및 구멍(5)을 제외한 한쪽면에 도금층을 갖는 지지금속(2)상에 겹치게 하고, 이것을 환원성 분위기 혹은 진공중에서 800 ~ 1150℃, 바람직하게는 850 ~ 1000℃의 온도로 0.1 ~ 5.0kgf/cm², 바람직하게는 0.5 ~ 3.0kgf/cm²의 압력을 가해 20 ~ 120분간, 바람직하게는 30 ~ 90분간 소결한다.

이 소결과정에서, 성분중의 니켈(Ni) 및 인(P)이 액상의 Ni₃P를 발생시키는데, 액상의 Ni₃P를 발생시키는 인성분이 0.1중량% 이상 0.5중량% 미만의 함유량이므로, 액상의 Ni₃P의 발생량이 적어져서 소결시에 유출되지 않으며, 다공질 소결금속층(4)을 접합층(3)에 접합하는 데에 필요한 양의 액상 Ni₃P가 되고, 소결 후의 냉각(방냉)시의 온도 하강에 따라 지지금속(2), 다공질 소결금속층(4) 및 접합층(3)에 있어서의 각 접합면에서 상기 다공질 소결금속층(4)의 수축에 기인하는 상기 접합면에서 박리를 발생시키지 않는다.

또, 지지금속(2)의 한쪽면에는 니켈 도금층과 구리 도금층의 2층 도금층으로 이루어지는 접합층(3)이 형성되어 있으므로, 소결과정에서, 다공질 소결금속층(4)과 지지금속(2)의 양자간에 접합층(3)을 통한 견고한 일체화가 이루어진다. 또한, 액상의 Ni₃P의 생성량을 적게함으로써 다공질 소결금속층(4)의 기공률이 높아지고, 다공질 소결금속층(4)을 유통하는 압축기체의 압력손실이 저하함으로써 상기 다공질 소결금속층(4)의 베어링면(8)으로 분출하는 공급기체의 압력이 상대적으로 높아져서, 부상량을 높일 수 있다. 따라서, 다공질 소결금속층(4)과 지지금속(2)이 접합층(3)을 통해 견고하게 일체화된 다공질 정압기체 스러스트베어링(11)용 베어링소재로 할 수 있다.

도 5는, 상기 성분조성으로 이루어지는 분말압축체 시트를 표면에, (1) 두께 3㎛의 니켈 도금층과 두께 10㎛의 구리 도금층, (2) 두께 3㎛의 니켈 도금층과 두께 15㎛의 구리 도금층, (3) 두께 3㎛의 니켈 도금층과 두께 20㎛의 구리 도금층의 3종류의 접합층(3)을 형성한 지지금속(2) 상에 겹치고, 이것을 환원성 분위기 중에서 930℃의 온도에서, 1.0kgf/cm²의 압력을 가해 85분간 소결하여 얻은 베어링소재에 관해, 지지금속(2)과 다공질 소결금속층(4)의 접합강도(전단강도 : N/mm²)를 도시한 그래프이다.

도 5에서 알 수 있는 것과 같이, (1)의 도금층에 있어서는, 지지금속(2)과 다공질 소결금속층(4)의 접합강도(전단강도)가 6.5 ~ 7.2N/mm²를 나타내고, (2)의 도금층에서는, 지지금속(2)과 다공질 소결금속층(4)의 접합강도(전단강도)가 7.1 ~ 7.7N/mm²를 나타내고, (3)의 도금층에서는, 지지금속(2)과 다공질 소결금속층(4)의 접합강도(전단강도)가 6.8 ~ 7.4N/mm²를 나타내고 있다. 이렇게 (1) ~ (3)의 도금층에 있어서는, 전부 지지금속(2)과 다공질 소결금속층(4)의 접합강도는 6.5N/mm² 이상을 나타내고 있고, 최종 다공질 소결금속층(4)의 평탄면에 연삭이나 랩핑 등의 기계가공을 실시하더라도, 지지금속(2)과 다공질 소결금속층(4)간에 박리 등을 일으키는 일은 없다.

이렇게 해서 원판상의 지지금속(2)의 한쪽면에 접합층(3)을 사이에 두고 소결된 다공질 소결금속층(4)을 구비한 스러스트베어링소재를 얻는다. 얻어진 베어링소재의 다공질 소결금속층(4)의 평탄표면을 그 거칠기가 10^-3mm 이하가 되도록 연삭이나 랩핑에 의해 기계가공을 실시하여 베어링면(8)을 가진 원하는 다공질 정압기체 스러스트베어링(11)을 얻는다.

[다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)의 제조방법]

오스테나이트계 스테인레스강, 마르테사이트계 스테인레스강 혹은 페라이트계 스테인레스강으로 이루어지는 원통상 지지금속(2)을 준비하고, 이 지지금속(2)의 내면(9)에 그 축방향을 따라 동일간격으로 복수개의 환상홈(6)과, 상기 환상홈(6)을 상호 연통시키도록 축방향을 따라 홈(7)을 각각 형성함과 아울러, 지지금속(2)의 외면(25)으로부터 홈(7)으로 개구되는 압축기체 공급용 구멍(5)을 형성한다.

환상홈(6), 홈(7) 및 구멍(5)이 형성된 지지금속(2)의 이들 홈(6, 7) 및 구멍(5)을 제외한 내면(9)에 두께 2 ~ 20㎛, 바람직하게는 3 ~ 15㎛의 니켈 도금층을 형성하고, 상기 니켈 도금층의 표면에 두께 10 ~ 25㎛, 바람직하게는 10 ~ 20㎛의 구리 도금층을 형성하고, 지지금속(2)의 홈(6,7) 및 구멍(5)을 제외한 내면(9)에 니켈 도금층과 구리 도금층으로 이루어지는 2층의 도금층을 형성한다. 이 2충의 도금층이 지지금속(2)과 다공질 소결금속층(4)의 접합층(3)이 된다.

250메쉬의 체를 통과하는 가루화된 주석분말 4중량% 이상 10중량% 이하와, 250메쉬의 체를 통과하는 전해니켈분말 10중량% 이상 40중량% 이하와, 120메쉬의 체를 통과하는 구리인(인 14.5%)분말 0.7중량% 이상 3.4중량% 미만과, 150메쉬의 체를 통과하는 무기질 입자 2중량% 이상 10중량% 이하와, 150메쉬의 체를 통과하는 나머지 중량%의 전해구리분말을 믹서로 혼합하여 혼합분말을 제작한다.

이 혼합분말을 금형중에 장전하고, 성형압력 3톤/cm² ~ 7톤/cm²의 범위로 압축성형하여, 원통상의 분말압축체를 제작한다.

이 원통상의 분말압축체를 내면(9)에 환상홈(6), 홈(7) 및 구멍(5)이 형성되고, 이들 홈(6, 7) 및 구멍(5)을 제외한 내면(9)에 니켈 도금층과 구리 도금층으로 이루어지는 2층의 도금층이 형성된 원통상의 지지금속(2)의 내면(9)에 압입고정한다. 내면(9)에 원통상의 분말압축체를 압입고정한 원통상의 지지금속(2)의 상기 분말압축체 내면에 금속제 코어를 삽입함과 아울러 상기 분말압축체의 내면과 상기 금속제코어의 외면의 간극에 세라믹분말을 충전시킨다.

세라믹분말은, 소결온도 범위내에서 용융하지 않는 것으로, 분말압축체의 배합조성 각 성분에 대해서 중성 또는 환원성 분위기 중에서 반응되지 않는 것이면 임의의 것이라도 무당하다. 예를 들면, 흑연, 탄소, 알루미나(Al₂O₃), 탄화규소(SiO₂), 산화지르코늄(ZrO₂), 산화마그네슘(MgO) 및 이들의 복합산화물을 들 수 있다. 이들 세라믹분말은 그 입도가 너무 미세하면, 취급상 어려움이 발생하고, 충전성도 떨어지기 때문에, 35 ~ 200메쉬의 범위의 것이 바람직하다.

금속제코어로서는, 열팽창계수가 크고, 내용성(耐用性)인 것, 예를 들면, 오스테나이트계 스텐레스강(열팽창계수 약 1.5 ×10^-5/℃)이 바람직한 것으로 예시된다. 이 코어는 둥근 봉 또는 중공의 형태를 취할 수 있다. 또한, 금속제코어의 외경은 분말압축체의 내경보다도 10 ~ 30mm 정도 작은 것이 바람직하다.

이어서, 환원성 분위기 혹은 진공중에서 800 ~ 1150℃, 바람직하게는 850 ~ 1000℃의 온도에서 20 ~ 120분간, 바람직하게는 30 ~ 90분간 소결한다. 이 소결과정에 있어서, 상기 세라믹분말에 의해 상기 분말압축체의 소결시에 있어서의 내경측으로의 팽창량 및 소결 후의 냉각시에 있어서 내경측으로의 수축량을 구속하고, 또한 상기 코어의 소결시 팽창을 이용함으로써, 접합층(3)으로의 분말압축체의 높은 접촉압력을 일으키게 한다.

이 소결과정에 있어서, 성분중의 니켈(Ni) 및 인(P)이 액상 Ni₃P를 발생하지만, 액상의 Ni₃P를 발생하는 인성분이 0.1중량% 이상 0.5중량% 미만의 함유량이므로, 액상의 Ni₃P의 발생량이 적어지고, 소결시에 유출되지 않고, 다공질 소결금속층(4)을 접합층(3)에 접합하는 데에 필요한 양의 액상의 Ni₃P가 되고, 소결 후의 냉각(방냉)시의 온도 하강에 따라, 지지금속(2), 다공질 소결금속층(4) 및 접합층(3)에 있어서의 각 접합면에서 상기 다공질 소결금속층(4)의 수축에 기인하는 박리를 발생시키는 일이 없다.

또, 지지금속(2)의 원통상 내면(9)에는 니켈 도금층과 구리 도금층의 2층의 도금층으로 이루어진 접합층(3)이 형성되어 있으므로, 소결과정에 있어서, 지지금속(2)과 다공질 소결금속층(4)의 양자간에 접합층(3)을 통한 견고한 일체화가 이루어진다. 또한, 인성분의 배합량을 적게하여 액상의 Ni₃P의 생성량을 적게 함으로써, 다공질 소결금속층(4)의 기공률이 높아지고, 다공질 소결금속층(4)을 유통하는 압축기체의 압력손실이 저하함으로써, 상기 다공소결금속층(4)의 베어링면(8)으로 분출하여 공급기체압력이 상대적으로 높아져서 부상량을 높일 수 있다. 따라서, 다공질 소결금속층(4)과 지지금속(2)이 접합층(3)을 통해 견고하게 일체화된 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)용의 베어링소재로 할 수 있다.

이렇게 하여 원통상의 지지금속(2)의 내면(9)에 접합층(3)을 사이에 두고 소결된 다공질 소결금속층(4)을 구비한 레이디얼 베어링소재를 얻는다. 이 레이디얼 베어링소재에 있어서, 원통상의 지지금속(2)과 지지금속(2)의 내면(9)에 접합층(3)을 사이에 두고 소결된 다공질 소결금속층(4)의 접합강도(전단강도)는 6.5N/mm² 이상을 나타내고, 최종 다공질 소결금속층(4)의 원통상 내면에 연삭이나 랩핑 등의 기계가공을 실시해도, 지지금속(2)과 다공질 소결금속층(4) 사이에 박리 등을 발생하는 일이 없다. 얻어진 베어링소재의 다공질 소결금속층(4)의 원통상 내면을 그 거칠기가 10^-3mm 이하가 되도록 연삭이나 랩핑에 의해 기계가공을 실시하여 베어링면(8)을 가진 원하는 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)를 얻는다.

이하, 본 발명의 실시예에 관해 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시예 및 비교예에 있어서, 비교예의 다공질 소결금속층(4)은 스테인레스강으로 이루어지는 지지금속(2)에 접합할 수 없으므로, 비교예에 있어서는 지지금속(2)으로 기계구조용 탄소강(S45C)을 사용하였다.

실시예 1

내경 30mm, 외경 45mm, 길이 30mm의 마르텐사이트계 스테인레스강[SUS420J2(B)]으로 이루어지는 원통상의 지지금속(2)을 준비하고, 이 원통상의 지지금속(2)의 내면(9)에 상기 지지금속(2)의 축방향을 따라 동일간격으로 폭 2mm. 깊이 2mm의 3개의 환상홈(6)과, 상기 환상홈(6)을 상호 연통시키도록 상기 지지금속(2)의 축방향을 따라 1개의 홈(7)을 각각 형성하고, 상기 지지금속(2)의 외면(25)으로부터 상기 홈(7)으로 개구되는 1개의 구멍(5)을 형성하였다.

환상홈(6), 구멍(7)이 형성된 원통상의 지지금속(2)의 이들 홈(6, 7) 및 구멍(5)을 제외한 내면(9)에 두께 3㎛의 니켈 도금층과 상기 니켈 도금층의 표면에 두께 10㎛의 구리 도금층의 2층의 도금층을 형성하였다.

250메쉬의 체를 통과하는 가루화 된 주석분말 8중량%와, 250메쉬의 체를 통과한 전해니켈분말 28중량%와, 120메쉬의 체를 통과한 구리인(인 14.5%) 분말 1.0중량%와, 150메쉬의 체를 통과하는 흑연분말(무기물질 입자) 5중량%와, 150메쉬의 체를 통과하는 나머지 중량%의 전해구리분말을 V형 믹서로 5분간 혼합하여 혼합분말(구리 : 58.85중량%, 주석 : 8중량%, 니켈 : 28중량%, 인 : 0.15중량%, 흑연 : 5중량%)을 제작하였다.

이 혼합분말을 금형내에 장전하고, 성형압력 3톤/cm² ^으로 내경 26mm, 외경 30mm, 길이 30mm의 원통상의 분말압축체를 제작하였다.

원통상의 분말압축체를 상기 원통상의 지지금속(2)의 내면(9)에 압입고정하였다. 지지금속(2)의 내면(9)에 압입고정된 분말압축체의 내면에 외경 16mm, 길이 30mm의 오스테나이트계 스테인레스강으로 이루어지는 둥근 봉(코어)을 삽입함과 아울러 상기 원통상의 분말압축체의 내면과 둥근 봉의 외면 사이의 간극에 세라믹분말(Al₂O₃ 83중량%와 SiO₂ 17중량%의 혼합물, 35 ~ 150메쉬)을 충전한 후, 암모니아 분해가스분위기 중에서 930℃의 온도로 60분간 소결하여 원통상의 지지금속(2)의 내면(9)에 접합층(3)을 통해 다공질 소결금속층(4)을 일체로 접합한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)용 베어링소재를 얻었다. 이 베어링소재에 있어서의 지지금속(2)과, 지지금속(2)의 내면(9)에 일체로 접합된 다공질 소결금속층(4) 사이의 접합강도(전단강도)는, 6.7N/mm³였다. 이 베어링소재의 다공질 소결금속층(4)의 기공률을 도 6에 도시하였다.

이어서, 다공질 소결금속층(4)의 내면에 연삭가공을 실시하여 베어링면(8)을 가진 두께 1.7mm의 다공질 소결금속층(4)을 원통상의 지지금속(2)의 내면(9)에 구비한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)을 얻었다.

실시예 2

상기 실시예 1과 같이, 환상홈(6), 홈(7) 및 구멍(5)을 구비하며 이들 홈(6, 7) 및 구멍(5)을 제외한 내면(9)에 두께 3㎛의 니켈 도금층과 상기 니켈 도금층의 표면에 두께 15㎛의 구리 도금층의 2층의 도금층을 구비한 원통상의 지지금속(2)을 준비하였다.

250메쉬의 체를 통과하는 가루화된 주석분말 8중량%와, 250메쉬의 체를 통과하는 전해니켈분말 28중량%와, 120메쉬의 체를 통과하는 구리인(인 14.5%)분말 2.0중량%와, 150메쉬의 체를 통과하는 흑연분말(무기물질 입자) 5중량%와, 150메쉬의 체를 통과하는 나머지 중량%의 전해구리분말을 V형 믹서로 5분간 혼합하여 혼합분말(구리 : 58.71중량%, 주석 : 8중량%, 니켈 : 28중량%, 인 : 0.29중량%, 흑연 : 5중량%)을 제작하였다.

이하, 상기 실시예 1과 같은 방법으로, 원통상의 지지금속(2)의 내면(9)에 접합층(3)을 통해 다공질 소결금속층(4)을 일체로 접합한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)용의 베어링소재를 얻었다. 이 베어링소재에 있어서의 지지금속(2)과 지지금속(2)의 내면(9)에 일체로 접합된 다공질 소결금속층(4)의 접합강도(전단강도)는 7.2N/mm²였다. 이 베어링소재의 다공질 소결금속층(4)의 기공률을 도 6에 도시하였다. 이어서, 다공질 소결금속층(4)의 내면에 연삭가공을 실시하여 베어링면(8)을 가진 두께 1.7mm의 다공질 소결금속층(4)을 원통상의 지지금속(2)의 내면(9)에 구비한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)을 얻었다.

실시예 3

상기 실시예 1과 같이, 환상홈(6), 홈(7) 및 구멍(5)을 구비하고 이들 홈(6, 7) 및 구멍(5)을 제외한 내면(9)에 두께 10㎛의 니켈 도금층과 상기 니켈 도금층의 표면에 두께 20㎛의 구리 도금층의 2층의 도금층을 구비한 원통상의 지지금속(2)을 준비하였다.

250메쉬의 체를 통과하는 가루화 된 주석분말 8중량%와, 250메쉬의 체를 통과한 전해니켈분말 28중량%와, 120메쉬의 체를 통과한 구리인(인 14.5%) 분말 3.0중량%와, 150메쉬의 체를 통과한 흑연분말(무기물질 입자) 5중량%와, 150메쉬의 체를 통과한 나머지 중량%의 전해구리분말을 V형 믹서로 5분간 혼합하여 혼합분말(구리 : 58.58중량%, 주석 : 8중량%, 니켈 : 28중량%, 인 : 0.42중량%, 흑연 : 5중량%)을 제작하였다.

이하, 상기 실시예 1과 같은 방법으로, 원통상의 지지금속(2)의 내면(9)에 접합층(3)을 통해 다공질 소결금속층(4)을 일체로 접합한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)용의 베어링소재를 얻었다. 이 베어링소재에 있어서의 지지금속(2)과 지지금속(2)의 내면(9)에 일체로 접합된 다공질 소결금속층(4)과의 접합강도(전단강도)는, 7.0N/mm²였다. 이 베어링소재의 다공질 소결금속층(4)의 기공률을 도 6에 도시하였다. 이어서, 다공질 소결금속층(4)의 내면에 연삭가공을 실시하여 베어링면(8)을 가진 두께 1.7mm의 다공질 소결금속층(4)을 원통상의 지지금속(2)의 내면(9)에 구비한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)를 얻었다.

비교예 1

내경 30mm, 외경 45mm, 길이 30mm의 기계구조용 탄소강(S45C)로 이루어지는 원통상의 지지금속을 준비하고, 이 원통상의 지지금속 내면에, 상기 지지금속의 축방향을 따라 동일간격으로 폭 2mm, 깊이 2mm의 3개의 환상홈과, 상기 환상홈을 상호 연통시키도록 상기 지지금속의 축방향을 따라 1개의 연통홈을 각각 형성함과 아울러, 상기 지지금속의 외면으로부터 연통홈으로 개구되는 1개의 공급구멍을 형성하였다.

250메쉬의 체를 통과하는 가루화 된 주석분말 8중량%와, 250메쉬의 체를 통과하는 전해니켈분말 28중량%와, 120메쉬의 체를 통과한 구리인(인 14.5%) 분말 4.0중량%와, 150메쉬의 체를 통과하는 흑연분말(무기물질 입자) 5중량%와, 150메쉬의 체를 통과하는 나머지 중량%의 전해구리분말을 V형 믹서로 5분간 혼합하여 혼합분말(구리 : 58.42중량%, 주석 : 8중량%, 니켈 : 28중량%, 인 : 0.58중량%, 흑연 : 5중량%)을 제작하였다.

이하, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로, 원통상의 지지금속 내면에 다공질 소결금속층을 일체로 접합한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재를 얻었다. 이 베어링소재의 다공질 소결금속층의 기공률을 도 6에 도시하였다. 이어서, 다공질 소결금속층의 내면에 연삭가공을 실시하여 베어링면을 갖는 두께 1.7mm의 다공질 소결금속층을 원통상의 지지금속 내면에 구비한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링을 얻었다.

비교예 2

상기 비교예 1과 같은 원통상의 지지금속을 준비하였다.

250메쉬의 체를 통과하는 가루화 된 주석분말 8중량%와, 250메쉬의 체를 통과한 전해니켈분말 28중량%와, 120메쉬의 체를 통과한 구리인(인 14.5%)분말 7.0중량%와, 150메쉬의 체를 통과하는 나머지 중량%의 전해구리분말을 V형 믹서로 5분간 혼합하여 혼합분말(구리 : 57.98중량%, 주석 : 8중량%, 니켈 : 28중량%, 인 : 1.02중량%, 흑연 : 5중량%)을 제작하였다.

이하, 상기 실시예 1과 같은 방법으로, 원통상의 지지금속의 내면에 다공질 소결금속층을 일체로 접합한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재를 얻었다. 이 베어링소재의 다공질 소결금속층의 기공률을 도 6에 도시한다. 이어서, 다공질 소결금속층의 내면에 연삭가공을 실시하여 베어링면을 갖는 1.7mm의 다공질 소결금속층을 원통상의 지지금속 내면에 구비한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링을 얻었다.

상기 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 및 비교예 2에서 얻은 베어링소재의 개방유량(Nl/hr)과 다공질 정압기체 레이디얼 베어링의 개방유량을 각각 측정하여 유량비(다공질 정압기체 레이디얼베어링의 개방유량/베어링소재의 개방유량)에 관해 알아보았다. 개방유량의 측정방법은, 각 베어링소재 및 다공질 정압기체 레이디얼 베어링의 공급구멍을 통해 공급기체압력 5kg/cm²의 압축공기를 도입하고, 다공질 소결금속층을 유통하는 압축공기의 1시간당 유량(Nl/hr)을 측정하였다이었다 7은, 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 및 비교예 2에서 얻은 다공질 정압기체 레이디얼 베어링과 베어링소재의 개방유량 및 이들의 비(다공질 정압기체 레이디얼 베어링의 개방유량/베어링소재의 개방유량)을 도시한 그래프이다. 이 도면으로부터 다공질 소결금속층을 형성하는 성분중의 인성분의 배합량이 0.5중량%를 경계로 하여 유량비가 증가하고 있는 것을 알 수 있다.

다음으로, 상기 유량비를 나타낸 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 및 비교예 2의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링에 대하여. 공급구멍으로부터 공급기체압력 5kg/cm²의 압축공기를 도입하고, 다공질 소결금속층을 유통하는 압축공기에 의해 상기 레이디얼 베어링의 베어링면에 삽입된 축의 부상량(㎛)에 대하여 알아보았다.

도 8은, 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 및 비교예 2의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링에서의 부하하중(kgf)과 부상량의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에서 실시예 1 내지 실시예 3의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)은, 모든 부하하중에 있어서 비교예 1 및 비교예 2의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링보다도 부상량이 큰 것을 알 수 있다.

도 8의 결과로부터, 실시예 1 내지 실시예 3의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)과 비교예 1 및 비교예 2의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링의 개방유량은 거의 동일(도 7 참조)함에도 불구하고, 각 실시예의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)이 각 비교예의 다공질 정압기체 레이디얼 베어링보다도 부상량이 큰 것은, 각 실시예 및 비교예의 베어링소재의 기공률의 많고 적음(도 6 참조)에 기인하는 것으로 추정된다. 즉, 각 실시예의 베어링소재에서의 다공질 소결금속층(4)의 기공률은 30%를 넘으며, 구멍(5)으로부터 도입된 압축기체는 다공질 소결금속층(4)의 내부를 유통할 때의 압력손실이 작으므로, 베어링면(8)으로 분출된 공급기체의 압력이 상대적으로 높고, 베어링면(8)으로의 공급기체의 분출이 다공질 소결금속층(4)의 전면(全面)에 걸쳐져 있으며, 그에 의해 부상량을 크게 하는 것으로 추정된다. 이에 대해, 각 비교예의 베어링소재에 있어서의 다공질 소결금속층의 기공률은 21 내지 22%이고, 베어링면으로의 공급기체의 분출이 연통홈 부분에 많이 발생하고, 그 외의 다공질 소결금속층으로부터의 공급기체의 분출이 극히 적으므로, 베어링면으로의 공급기체가 불균일해지기 때문으로 추찰된다.

도 1 및 도 2에 도시한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)에서는, 상호 연통용 홈(7)을 내면(9)쪽으로 개구되게 지지금속(2)에 마련하였지만, 이에 대신하여 도 9 내지 도 12에 도시한 것과 같이, 막힘구멍(21)을 지지금속(2)의 축방향의 한쪽 환상 단면(22)으로부터 다른쪽 환상 단면(23)을 향해 축방향으로 연장되게 지지금속(2)의 내부에 마련하여 환상홈(6)을 상호 연통시켜도 좋고, 이러한 상호연통용 막힘구멍(21)을 구비한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)에서, 다공질 소결금속층(4)은, 지지금속(2)의 내면(9)쪽에 있어서 각 환상홈(6)의 개구를 복개함과 아울러 지지금속(2)의 원통상의 내면(9)에 접합층(3)을 통해 일체로 되어 있고, 다공질 소결금속층(4)의 원통상 내면이 베어링면(8)으로 되어있다.

도 9로 내지 도 12에 도시한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)은 또한, 막힘구멍(21) 및 환상홈(6)과 함께 압축기체의 공급수단을 구성하도록 지지금속(2)의 지름방향의 원통상의 외면(25)으로 개구되어 있고 지지금속(2)의 외면(25)로부터 상호 연통용 막힘구멍(21)을 향해 지름방향으로 연장되게 지지금속(2)의 내부에 마련된 압축기체공급용 막힘구멍(26)을 더 구비하고 있다.

지지금속(2)의 단면(22)으로 개구된 막힘구멍(21)의 축방향 일단(27)은, 마개(28)를 결합하기 위한 결합수단으로서의 나사홈(29)을 구비하고 있고, 막힘구멍(21)의 축방향의 타단(30)은, 지지금속(2)의 단면(23)의 바로 앞에서 지지금속(2) 자체에 의해 폐쇄되어 있는 한편, 막힘구멍(26)에 연통되어 있고, 나사홈(29)에 나사결합되어 일단(27)에 결합한 마개(28)는 일단(27)를 폐쇄하고 있고, 믹힘구멍(26)은 막힘구멍(21) 및 환상홈(6)에 연통되어 있다.

도 9 내지 도 12에 도시한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)용의 레이디얼 베어링소재에 따르면, 상기의 레이디얼 베어링소재와 동일한 효과를 얻을 수 있으며, 지지금속(2)의 내면(9)쪽으로 개구되지 않도록, 환상홈(6)을 상호 연통시키는 상호연통용 막힘구멍(21)이 지지금속(2)의 내부에 마련되어 있으므로, 막힘구멍(21)으로부터 직접적으로 지지금속(2)의 내면(9)을 통한 다공질 소결금속층(4)으로의 압축기체의 공급을 회피할 수 있어서, 막힘구멍(21)으로 공급된 압축기체를 환상홈(6)의 각각을 통해 다공질 소결금속층(4)으로 압축기체를 공급할 수 있으므로, 다공질 소결금속층(4)의 표면, 즉 베어링면(8)으로부터 압축기체를 거의 균등하게 분출할 수 있고, 또한, 상호연통용 막힘구멍(21)이 지지금속(2)의 내부에 마련되어 있으므로, 이러한 막힘구멍(21)을 지지금속(2)의 단면(22)으로부터 드릴 등을 이용하여 쉽게 형성할 수 있기 때문에, 내면(9)에의 상호연통용 홈(7)의 형성과 비교하여 극히 제조성이 뛰어나다.

또, 도 9 내지 도 12에 도시한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)용의 레이디얼 베어링소재에 있어서, 지지금속(2)을 도 13 및 도 14에 도시한 것과 같이 원통부(31)와 원통부(31)에 일체로 형성된 플랜지부(32)로 구성하고, 플랜지부(32)에 압축기체공급용 막힘구멍(26)을 마련하여 플랜지붙이 레이디얼 베어링소재를 구성해도 좋다. 도 13 및 도 14에 도시한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링(1)용 레이디얼 베어링 소재도 또, 도 9 내지 도 12에 도시한 그것과 마찬가지로 다공질 소결금속층(4)의 표면, 즉 베어링면(8)으로부터 압축기체를 대략 균등하게 분출할 수 있고, 막힘구멍(21)을 지지금속(2)의 원통부(31)의 단면(22)으로부터 드릴 등을 이용하여 쉽게 형성할 수 있어서 극히 제조성이 뛰어나고, 다공질 소결금속층(4)과 스테인레스강으로 이루어지는 지지금속(2) 사이에 박리 등을 일으키지 않고 견고한 접합일체화를 행할 수 있으며 다공질 소결금속층(4)의 기공률을 높여서 상기 다공질 소결금속층(4)을 유통하는 압축기체에 의한 부상량을 높일 수 있다.

1...다공질 정압기체베어링 2...지지금속
3...접합층 4...소결금속층

Claims

스테인레스강으로 이루어지고 원통상의 내면을 가진 지지금속과, 축방향을 따라 나란하게 상기 지지금속의 내면에 상기 내면으로 개구되게 마련되어 있는 복수개의 환상홈과, 이 복수개의 환상홈을 상호 연통시키도록, 지지금속의 한쪽 환상 단면(端面)으로부터 다른 쪽 환상 단면을 향해 축방향으로 연장되어 지지금속의 내부에 마련된 상호 연통용 막힘구멍과, 지지금속의 내면측에 있어서의 각 환상홈의 개구를 복개함과 아울러 지지금속의 원통상의 내면에 접합층을 통해 일체로 된 원통상의 다공질 소결금속층을 구비하고 있는 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재.
제1항에 있어서,
상호 연통용 막힘구멍의 일단은 지지금속의 환상 단면에서 개구되어 있고, 상호 연통용 막힘구멍의 타단은 지지금속의 다른 쪽 환상 단면의 바로 앞에서 지지금속 자체에 의해 폐쇄되어 있는 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재.
제2항에 있어서,
상호 연통용 막힘구멍의 일단을 폐쇄하는 마개를 결합하기 위한 결합수단을 더 구비하고 있는 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재.
제3항에 있어서,
결합수단은 나사홈을 구비하고 있는 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
지지금속의 외면에서 개구되어 있으며 지지금속의 외면으로부터 상호 연통용 막힘구멍을 향해 지름방향으로 연장되게 지지금속의 내부에 마련된 압축기체공급용 막힘구멍을 더 구비하고 있는 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
접합층은, 적어도 니켈 도금층을 포함하고 있고, 니켈 도금층은 지지금속의 원통상의 내면에 접합되어 있는 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
접합층은 니켈 도금층과 니켈 도금층의 표면에 형성된 구리 도금층의 2층의 도금층을 포함하고 있고, 니켈 도금층은 지지금속의 원통상의 내면에 접합되어 있으며, 다공질 소결금속층은 구리 도금층에 접합되어 있는 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재.
제7항에 있어서,
구리 도금층은, 10㎛ 이상 25㎛ 이하의 두께를 갖고 있는 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재.
제7항에 있어서,
구리 도금층은 10㎛ 이상 20㎛ 이하의 두께를 갖고 있는 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재.
제6항에 있어서,
니켈 도금층은 2㎛ 이상 20㎛ 이하의 두께를 갖고 있는 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재.
제6항에 있어서,
니켈 도금층은 3㎛ 이상 15㎛ 이하의 두께를 갖고 있는 다공질 정압기체 레이디얼 베어링용 베어링소재.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 베어링소재를 이용한 다공질 정압기체 레이디얼 베어링.
제12항에 있어서,
상호 연통용 막힘구멍의 일단에는 그 일단을 폐쇄하는 마개가 결합되어 있는 다공질 정압기체 레이디얼 베어링.