KR101240051B1 - 내마모성 베어링 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 축과 상호 접촉하여 구동하는 부시타입 베어링을 우수한 내마모성을 가지게 함으로써 베어링의 급지 주기를 연장할 수 있도록 한 내마모성 베어링 및 그 제조방법에 관한 것이다
본 발명에 따른 내마모성 베어링은 경부(1)가 형성된 몸체(12)가 구비되고, 상기 몸체(12)의 내경부(11)에는축(20)이 회전가능하게 삽입되는 부시(bush)타입 베어링에 있어서, 상기 베어링은, 니켈(Ni) 0.7 ~ 10wt%, 실리콘(Si) 0.01 ~ 0.5wt%, 붕소(B) 0.005 ~ 0.4wt%, 크롬(Cr) 0.03 ~ 1.5wt%, 탄소(C) 0.01 ~ 1.0wt%, 구리(Cu) 15 ~ 25wt% 및, 그 나머지가 철(Fe)로 이루어진다.
상기와 같은 성분비를 갖는 베어링은, 고온 고면압하에서도 최적의 마찰특성을 유지하여 급지 주기가 연장되는 효과를 갖는 기계용 부시형 베어링의 제조가 가능하고, 내부에 삽입되는 축에 대하여 우수한 내마모성을 가지며, 상대재에 대한 공격성이 낮은 특성을 가진 특정한 합금을 구성할 수 있다.
내마모성, 부시, 베어링, 소결체, 윤활유

Description

내마모성 베어링 및 그 제조방법{Bearing for improving a consume resisting and this manufacturing process}
도 1은 본 발명에 따른 내마모성 베어링을 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 내마모성 베어링의 소결체 조직을 나타낸 조직도,
도 3은 본 발명에 따른 내마모성 베어링의 제조방법을 나타낸 공정도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 베어링 11 : 내경부
12 : 몸체 20 : 축
30 : 소결체 31 : 니켈-철계합금
32 : 붕화물 33 : 기공
34 : 철-구리계 합금
본 발명은 내부에 삽입된 축의 회전이 원활하도록 하는 부시타입 베어링과 같은 내마모성 베어링에 관한 것으로, 특히 축과 상호 접촉하여 구동하는 부시타입 베어링이 우수한 내마모성을 가지게 함으로써 베어링의 급지 주기를 연장할 수 있 도록 한 내마모성 베어링 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 산업기계 및 건설기계는 다수의 축회전부를 가지고 있으며, 이러한 축회전부에는 통상적으로 축과 축구멍 사이에 배치되어 축과 축구멍과의 마찰저항을 저감시키는 부시타입 베어링이 설치된다.
상기 베어링은 황동 혹은 철계의 베어링이 주로 사용되어 지며, 최근 소결체로 제조된 후 윤활유를 함침하여, 윤활유의 잦은 공급 없이도 축과 축구멍과의 마찰저항을 저감시켜주는 역할을 하는, 오일리스(oiless) 타입의 베어링이 도입되어 사용되고 있다.
상기 베어링은 철(Fe) 및 구리(Cu)의 합금으로 구성되는 것으로, 고면압 고온도의 슬라이딩조건에서 윤활막이 깨어지는 경우 상대재로서 철(Fe)계 합금인 축과 베어링의 소착이 발생하게 된다.
이러한, 베어링은 다양한 종류의 윤활유가 함침되도록 구성되는 것으로 그 일례로서, 한국 등록특허공보 제10-0261369호에서는 260 ~ 950cSt 범위내의 점도를 갖는 윤활유를 함침시키는 것을 제안하고 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 베어링은, 고면압 저속의 조건이 요구되는 곳에 사용될 경우, 예를 들면 고면압(3 ~ 8㎏f/㎟) 저속(1 ~ 5㎝/sec)의 조건이 요구되는 곳에 사용될 경우, 베어링이 마찰열에 의해 고온으로 급상승됨에 따라 급속히 가열되어 윤활유의 점도가 떨어지며, 이에 따라 철계 재질인 축과 상기 축과 동일한 철계 재질인 베어링의 금속간 접촉이 발생함으로 인하여 베어링의 마찰특성을 저하시키는 문제점을 발생시킨다.
상기의 문제점은 윤활유의 급지 주기를 단축시켜야 하는 또 다른 문제점을 발생시키기도 한다.
이와 같이 상기 베어링에 함침된 윤활유는 일반적으로 고온 고면압 조건에서 쉽게 열화되어 윤활역할을 하지 못하게 되므로, 이러한 상태에서는 당연히 금속간 접촉이 발생하게 된다.
그런데, 상기와 같이 금속간 접촉이 발생하였을 경우 접촉 금속간의 마모거동은 마찰시 발생하는 고온으로 인한 금속간 소착현상과 고면압으로 인한 금속의 소성변형 현상이 발생하여 베어링의 이상 마모뿐만 아니라 상대재인 축의 이상 마모를 발생시켜 축과 베어링 시스템의 손상을 야기한다.
이에 본 발명은 종래의 베어링이 갖는 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로, 축과 베어링의 금속마찰시 저마찰의 특성을 가지면서 또한 고면압에서도 소성변형이 발생하지 않는 저마찰 고면압 특성을 갖는 내마모성 소재를 이용하여 부시타입 베어링의 내마모성을 향상시킴과 아울러 베어링의 급지 주기를 연장할 수 있도록 한 내마모성 베어링 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 내마모성 베어링은, 내경부가 형성된 몸체를 구비하고, 상기 몸체의 내경부에는축이 회전가능하게 삽입되는 부시(bush)타입 베어링에 있어서, 상기 베어링은, 니켈(Ni) 0.7 ~ 10wt%, 실리콘(Si) 0.01 ~ 0.5wt%, 붕소(B) 0.005 ~ 0.4wt%, 크롬(Cr) 0.03 ~ 1.5wt%, 탄소(C) 0.01 ~ 1.0wt%, 구리(Cu) 15 ~ 25wt% 및, 그 나머지가 철(Fe)로 이루어진다.
여기서, 상기 베어링은, 그 구성성분을 분말로 하여 내부에 기공이 형성되도록 소결가공된 소결체인 것을 특징으로 한다.
상기 베어링은, 40℃에서 80 ~ 240cSt 범위의 동점도와 150 ~ 280의 점도지수를 가지면서 15 ~ 20wt%로 윤활유가 함침되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 베어링은, 아연 티오 인산염, 아민 인산염, 티오카바메이트, 황 화합물, 인 화합물 및, 보론 화합물 중 선택된 어느 하나인 내마모성 극압성 첨가제가 0.1 ~ 1.0wt%로 첨가되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 베어링은, 흑연, 이황화몰리브덴(MoS2), 폴리테트라 플루오르 에틸렌, 테프론 중 선택된 어느 하나로 이루어진 고체윤할제가 2wt% 이하로 첨가될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 내마모성 베어링의 제조방법은, 니켈(Ni) 0.7 ~ 10wt%, 실리콘(Si) 0.01 ~ 0.5wt%, 붕소(B) 0.005 ~ 0.4wt%, 크롬(Cr) 0.03 ~ 1.5wt%, 탄소(C) 0.01 ~ 1.0wt%, 구리(Cu) 15 ~ 25wt% 및, 그 나머지가 철(Fe)을 분말로하여 준비하는 분말 준비단계와; 상기와 같이 준비된 분말을 습식 또는 건식 혼합법을 이용하여 혼합하는 분말 혼합단계와; 혼합된 분말을 프레스를 이용한 가압공정으로 환형의 부시 형태로 이루어진 성형체를 제조하는 성형체 제조단계; 및 상기 성형체를 진공 또는 분위기로를 이용하여 1000℃ ~ 1150℃의 온도로 가열하여 소결함으로써 소결체를 제조하는 소결단계;를 포함한다.
이하 본 발명에 따른 내마모성 베어링을 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 내마모성 베어링의 형태를 도 1을 참조로 설명하면, 상기 베어링(10)은 내경부(11)가 형성된 몸체(12)가 구비되고, 상기 몸체(12)의 내경부(11)에는 축(20)이 회전가능하게 삽입된다. 이러한 몸체(12)는 철(Fe)과 니켈(Ni), 붕소(B)가 포함된 분말 조성물을 성형한 후, 이를 소결한 소결체로서, 소결한 이후 축구멍에 압입된다.
여기서, 상기 베어링(10)은 그 표면과 내부에 철계 재질과의 저마찰특성을 가진 니켈과 실리콘 및 붕소를 포함하는 합금으로 이루어지고, 그 조성비가 합금 전체 조성물의 중량비를 기준으로 니켈(Ni) 0.7 ~ 10wt%, 실리콘(Si) 0.01 ~ 0.5wt%, 붕소(B) 0.005 ~ 0.4wt%, 크롬(Cr) 0.03 ~ 1.5wt%, 탄소(C) 0.01 ~ 1.0wt%, 구리(Cu) 15 ~ 25wt% 및, 그 나머지가 철(Fe)로 이루어진다. 이를 정리하면 다음의 [표 1]과 같다.
[표 1] 본 발명에 의한 소결체의 조성(중량비,wt%)
원 소 Ni Si B Cr C Cu Fe
최 소 치 0.7 0.01 0.005 0.03 0.1 15 잔 부
최 대 치 10 0.5 0.4 1.5 1.0 25 잔 부
상기와 같이 베어링(10)을 구성하는 원소를 각 중량비로 마련한 후, 이를 분말로 조성한 후 소결하여 베어링(10)을 얻게된다.
그리고, 상기 분말이 갖는 구성성분의 수치 한정의 이유를 설명하면, 상기 니켈(Ni)의 경우 0.7wt% 이하에서는 그 양이 충분치 않아 저마찰재료로서 기능하지 않으며, 10wt% 이상의 경우 철계 분말과 젖음성이 우수함으로 인한 기공의 형성을 방해한다.
상기 실리콘(Si)의 경우 용융온도가 1400℃이상인 니켈(Ni)에 첨가되어 용융온도를 낮추는 역할을 하는 원소로 0.01wt% 이하와 0.5wt% 이상에서 전체분말의 소결온도를 1150℃이하에서 가능하게 한다. 소결온도 1150℃는 상용의 진공로에서 가능한 소결온도를 의미한다.
상기 붕소(B)는 강화입자인 붕화물을 형성하는 원소로서 0.005wt%이하의 조성에서는 붕화물이 형성되지 않으며, 0.4wt% 이상 첨가되는 경우 재료 자체의 취성을 일으켜 면압특성을 약화시킨다. 붕소(B)의 경우 등가물로서 니켈(Ni)기 합금에 첨가되는 경우 소결과정에서 분해되어 붕소(B)의 역할을 할 수 있는 탄화붕소(B4C), 질화붕소(BN) 등을 첨가하여 구성하는 경우도 동일한 효과를 얻는다.
상기 크롬(Cr) 역시 미세 탄화물을 형성하는 원소로서 0.03wt% 이하에서는 탄화물을 형성하지 않으며, 1.5wt% 이상에서는 재료에 취성을 일으키게 된다.
상기 탄소(C)는 철(Fe)에 고용되어 열처리등의 방법으로 경화시키는 목적으로 첨가되는 원소로서 0.1wt%이하에서는 열처리 등에 의한 고용경화의 효과가 없으며, 1wt% 이상에서는 탄화물 등의 형성으로 재질에 취성을 발생시키게 된다.
상기 구리(Cu)의 경우 철(Fe)계 소결합금에 첨가되어 철(Fe)분말의 결합제로서 역할을 하게 되며, 또한 저마찰 특성을 유지시켜주는 역할을 하는 원소로서 15wt%이하의 경우 저마찰 특성이 악화되며, 25wt%이상에서는 소결체의 경도를 낮추어 주게 된다.
한편, 상기와 성분비를 갖는 베어링(10)은 소결체로 이루어지는 바, 소결체의 조직을 도 2를 참조로 설명하면, 상기 소결체(30)의 조직은 상대재인 철계합금과의 마찰특성이 우수한 니켈(Ni)계 재질이 포함된 니켈-철계합금(31)과 고경도를 형성시켜주는 붕화물(32)과 다수의 기공(33)과, 철-구리계 합금(34)으로 구성되어 있다.
상기 소결체(30)에 형성된 다수의 기공(33)은 윤활유를 함침시키기 위한 공간으로서, 성형된 분말 조성물을 소결하는 과정에서 형성된다. 이러한 기공(33)은 윤활유, 내마모 극압성 첨가제 또는 고체 윤활제를 함침함으로써 베어링으로 하여금 윤활특성을 갖게 하기 위함이다.
여기서, 상기 윤활유는 동점도가 40℃에서 80~240cSt 정도의 범위를 갖는 윤활유를 마련하여 상기 소결체(30)의 중량대비 15~20%를 첨가하도록 구성된다. 이는 윤활유의 동점도를 낮게 함으로써 베어링(10)의 기공에 함침시키기 용이하게 하기 위함이고, 온도가 높아짐에 따라 점도가 점차 높아지는 바, 베어링(10)의 기공(33)에 함침된 상태를 계속적으로 유지할 수 있다.
참고로, 점도는 윤활유가 일정한 온도에서 일정한 길이를 통과하는데 걸리는 시간을 측정하여 수치화 한 것으로, 저온하에서는 매우 높고, 고온하에서는 매우 낮아진다. 그리고 점도지수는, 온도의 변화에 따른 윤활유의 점도 변화값을 수치화 한 것으로, 점도지수가 클수록 온도변화에 대한 점도변화의 폭이 작다는 것을 의미한다.
이러한 본 발명의 윤활유에 의하면, 점도지수가 높게함으로써, 함침된 베어 링(10)이 극도의 가혹조건, 예를 들어 고면압(3~8㎏f/㎟) 저속(1~5㎝/sec)의 조건에 사용되어 온도가 급상승되더라도, 항상 일정한 점도를 유지하게 된다. 특히, 고온의 조건하에서도 항상 일정한 점도를 유지함으로써, 베어링(10)이 고온으로 급상승되더라도 베어링(10)의 마찰특성과 내마모특성을 저하시키지 않는다. 또한, 고온의 조건하에서도 항상 일정한 점도를 유지함으로써, 베어링(10)이 고온으로 급상승되더라도 베어링(10)의 기공(33)으로부터 누출되지 않게 됨은 물론, 설사 누출되더라도 다시 기공(33)으로 함침되게 된다. 뿐만 아니라, 베어링(10)의 기공(33)으로부터 누출되지 않게 하여 함침기간을 연장시킴으로써 윤활유의 급지주기를 연장시킬 수 있게 한다.
또한, 상기 내마모 극압성 첨가제는 금속표면과 반응하여 얇은 피막을 형성하는 것으로, 아연 티오 인산염(Zinc Dithiophosphate), 아민 인산염(Amine Phosphate), 티오카바메이트(Dithiocarbamates), 황 화합물(Sulfur Compounds), 인 화합물(Phosphorus Compounds), 보론 화합물(Boron Compounds) 중 어느 하나를 선택하여 베어링(10)의 중량대비 0.1 ~1wt%로 첨가된다.
이러한 내마모 극압성 첨가제는, 축(20)의 표면과 반응하여 얇은 피막을 형성함으로써, 축(20)과 베어링(10)이 직접적으로 접촉하는 것을 방지한다. 특히, 축(20)과 베어링(10)의 직접적인 접촉을 방지함으로써 축(20)과 베어링(10)과의 마찰저항을 현저히 줄여주고, 축(20)과 베어링(10)과의 마찰저항을 현저히 줄여줌으로써 베어링(10)의 내마모 성능을 향상시켜준다.
아울러, 고체윤활제는 입자결정 자체의 내부 미끄럼, 입자간의 미끄럼 및 입 자의 마찰면과의 미끄럼 등에 의해 윤활이 되는 고체 분말이나 인상(麟狀)고체 상태의 윤활제로서, 흑연이나, 이황화 몰리브덴(MoS2)와 같은 황화물계 또는 폴리테트라 플루오르 에틸렌, 테프론 등과 같은 수지계열이 소결체(30)의 중량대비 2wt%이하로 첨가된다.
그리고, 본 발명에 따른 베어링을 제조하기 위한 제조공정을 도 3을 참조로 설명하면, 우선 상기의 [표 1]과 같은 조성의 소결체를 제조하기 위한 니켈(Ni), 실리콘(Si), 붕소(B), 크롬(Cr), 탄소(C), 구리(Cu) 및, 철(Fe) 등의 분말을 준비한다(S10). 이때의 분말은 각각의 분말로 구성되어도 가능하며, 전부 또는 일부가 합금화된 분말이어도 가능하다.
상기와 같이 준비된 분말을 습식 혹은 건식 혼합법을 이용하여 혼합한 뒤(S20), 프레스를 이용한 가압공정으로 환형의 부시 형태로 성형체를 제조한다(S30). 이때의 성형체의 형태는 환형 뿐만 아니라 슬라이딩(Sliding)하는 상대재의 형상에 맞게끔 성형하면 되는 것이다. 성형체를 진공 혹은 분위기로를 이용하여 1000℃~1150℃의 온도로 가열하여 소결함으로써 소결체를 제조한다(S40).
이러한 발명의 실시로 인하여 니켈계 소결체로 이루어진 베어링이 고면압 고온도 조건하에서 소성변형의 방지와 저마찰 특성을 유지시켜 급지 주기를 향상시켜 주는 것이다.
한편, 상기 소결체의 조성을 구성하기 위한 원료분말은 각 구성요소를 분말 로서 혼합하는 경우외에 일부 혹은 전부의 합금분말로 혼합하는 경우 역시 동일한 효과를 얻는다.
위와 같이 실시된 본 발명의 효과를 검증하기 위하여 기존의 철(Fe)과 구리(Cu)합금에 의하여 제조된 종래의 베어링과 본 발명의 베어링을 이용하여 마찰 특성을 시험하였다. 시험은 본 발명의 베어링이 부시로 사용되고, 그 내부에 축을 장착하여 시험하는 전용시험기를 이용하였으며, 시험시 마찰 계수를 측정하였으며, 마찰계수가 0.3 이상이 되는 시간을 급지 주기로 설정하였다. 시험조건은 고면압조건으로서 일반적인 부시의 사용조건인 2~5 kg/㎟ 보다 높은 10 kg/㎟ 을 유지하였으며, 사용온도는 윤활유의 점도가 낮아지는 온도인 150℃이상을 유지하였다. 그 결과를 [표 2]의 실시예에 나타내었다.
[표 2] 실시예 : 축-베어링 마찰 시험결과(분율은 소결체 중량비 대비)
소결체 조성(중량비) 윤활유 함침 극압첨가제 첨가 고체 윤활제 첨가 마찰계수가 0.3 이상이 되는 시간(급지주기)
기존조성(Fe-20Cu-1C) 미실시 미첨가 미첨가 208
실시(20%) 미첨가 미첨가 253
실시(15%) 첨가(1%) 미첨가 274
실시(15%) 첨가(0.1%) 첨가(2%) 308
본 발명에 의하여 실시된 소결체 미실시 미첨가 미첨가 509
실시(20%) 미첨가 미첨가 521
실시(15%) 첨가(1%) 미첨가 537
실시(15%) 첨가(0.1%) 첨가(1%) 551
위의 실시예의 결과 본 발명에 의한 베어링의 경우 기존조성에 윤활유 및 내마모 극압성 첨가제 및 고체 윤활제가 첨가된 것에 비하여도 훨씬 우수한 내마모특성으로 인한 급지 주기의 향상을 나타내었다.
또한, 본 발명으로 인하여 실시된 조성에 내마모 극압성 첨가제와 윤활유 및 고체 윤활제 등을 첨가한 경우 급지 주기 향상이 달성되었음을 알 수 있다.
여기서, 사용된 윤활유는 동점도 221cSt의 광유를 사용하였으며, 내마모 극압성 첨가제로서 아연 티오 인산염(Zinc Dithiophosphate)를, 고체 윤활제로서는 이황화 몰리브덴(MoS2)을 사용하였다.
한편, 첨가되는 윤활유로서 합성유와 내마모 극압성 첨가제로서 아민 인산염(Amine Phosphate), 티오카바메이트(Dithiocarbamates), 황 화합물 및 고체 윤활제로서 흑연(C) 등 상기의 성분 이외의 다른 성분 역시 효과가 있을 것임은 자명하다.
따라서, 상기와 같이 제조되는 내마모성 베어링 및 그 제조방법에 따르면, 철계 재질인 축과의 마찰특성을 개선시킬 뿐만 아니라 철계 재질에 고강도의 붕화물을 형성하여 고면압에서도 소성변형을 방지할 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 내마모성 베어링 및 그 제조방법에 의하면, 고온 고면압하에서도 최적의 마찰특성을 유지함으로 인하여 급지 주기가 연장되는 효과를 갖는 기계용 부시형 베어링의 제조가 가능하다.
그리고, 상호 접촉하여 구동하는 축과 부시타입 베어링 시스템의 구성 부품들이 상호 우수한 내마모성을 가지게 하며, 상대재에 대한 공격성이 낮은 특성을 갖게 된다.

Claims (6)

  1. 내경부(1)가 형성된 몸체(12)를 구비하고, 상기 몸체(12)의 내경부(11)에는축(20)이 회전가능하게 삽입되는 부시(bush)타입 베어링에 있어서,
    상기 베어링은,
    니켈(Ni) 0.7 ~ 10wt%, 실리콘(Si) 0.01 ~ 0.5wt%, 붕소(B) 0.005 ~ 0.4wt%, 크롬(Cr) 0.03 ~ 1.5wt%, 탄소(C) 0.01 ~ 1.0wt%, 구리(Cu) 15 ~ 25wt% 및, 그 나머지가 철(Fe)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 베어링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베어링은, 그 구성성분을 분말로 하여 내부에 기공이 형성되도록 소결가공된 소결체인 것을 특징으로 하는 베어링.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 베어링은, 40℃에서 80 ~ 240cSt 범위의 동점도와 150 ~ 280의 점도지수를 가지면서 15 ~ 20wt%로 윤활유가 함침되는 것을 특징으로 하는 베어링.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 베어링은, 아연 티오 인산염, 아민 인산염, 티오카바메이트, 황 화합물, 인 화합물 및, 보론 화합물 중 선택된 어느 하나인 내마모성 극압성 첨가제가 0.1 ~ 1.0wt%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 베어링.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 베어링은, 흑연, 이황화몰리브덴(MoS2), 폴리테트라 플루오르 에틸렌, 테프론 중 선택된 어느 하나로 이루어진 고체윤할제가 2wt% 이하로 첨가되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 베어링.
  6. 니켈(Ni) 0.7 ~ 10wt%, 실리콘(Si) 0.01 ~ 0.5wt%, 붕소(B) 0.005 ~ 0.4wt%, 크롬(Cr) 0.03 ~ 1.5wt%, 탄소(C) 0.01 ~ 1.0wt%, 구리(Cu) 15 ~ 25wt% 및, 그 나머지가 철(Fe)을 분말로하여 준비하는 분말 준비단계(S10);와
    상기와 같이 준비된 분말을 습식 또는 건식 혼합법을 이용하여 혼합하는 분말 혼합단계(S20);와
    혼합된 분말을 프레스를 이용한 가압공정으로 환형의 부시 형태로 이루어진 성형체를 제조하는 성형체 제조단계(S30); 및
    상기 성형체를 진공 또는 분위기로를 이용하여 1000℃ ~ 1150℃의 온도로 가열하여 소결함으로써 소결체를 제조하는 소결단계(S40);를 포함하는 내마모성 베어링의 제조방법.
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