KR101278412B1

KR101278412B1 - 베어링 장치

Info

Publication number: KR101278412B1
Application number: KR1020127026296A
Authority: KR
Inventors: 신이치로 사카모토; 아츠시 고야마
Original assignee: 다이호 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2013-06-24
Also published as: JP5683574B2; AU2011243505B2; EP2562282B1; EP2562282A4; CN102869800B; KR20120115601A; WO2011132788A1; JPWO2011132788A1; WO2011132788A9; AU2011243505A1; EP2562282A1; US20130108197A1; CN102869800A; US9518603B2; BR112012026018A2

Abstract

본 발명은, 경질의 강축을 상대축으로 하는 Al-Sn-Si 계 합금 미끄럼 베어링의 내마모성을 높인 베어링 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 베어링 장치는, 적어도 표면의 경도가 Hv 500 이상인 강축과, Si : 2 ∼ 10 질량％ 및 Sn : 10 ∼ 18 질량％ 를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 알루미늄계 합금을 사용한 미끄럼 베어링과의 조합으로 이루어지는 베어링 장치로서, 당해 알루미늄계 합금의 조직은, Sn 상의 체적％ 가 Si 입자 (단, 그 평균 입경은 4 ∼ 10 ㎛ 이다) 의 체적％ 에 대하여 50 ％ 이상인 것인 것을 특징으로 하고, 또한 당해 알루미늄계 합금의 경도는 Hv 45 이상인 것인 것을 특징으로 한다.

Description

베어링 장치 {BEARING DEVICE}

본 발명은, 자동차용 오토매틱 트랜스미션 (AT) 이나 각종 보기 (補機) 에 장착되어 있는 회전축과 이것을 지지하는 미끄럼 베어링으로 이루어지는 베어링 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게 서술하면, 회전 강축이 조질 (調質), 표면 경화 처리 등으로 경화되어 있어, 엄격한 슬라이딩 조건에서 슬라이딩되는 베어링 장치에 관한 것이다.

특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 평2-102912호에서는, S45C 조질축 (경도 HRc 55) 과 알루미늄계 합금 미끄럼 베어링을 조합한 베어링 장치가 개시되어 있다.

특허문헌 2 : 일본 공개특허공보 평2-57653호는 조질 강축 (S45C, HRc ＝ 55) 과 알루미늄 합금 미끄럼 베어링을 조합한 베어링 장치에 관한 것으로, 그 알루미늄 합금은 중량％ 로 7 ∼ 20 ％ Sn, 0.1 ∼ 5 ％ Pb, 1 ∼ 10 ％ Si 그리고 Cu, Mg, Zn 중 1 종 혹은 2 종 이상을 합계로 0.3 ∼ 3.0 ％ 를 함유함과 함께, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Ti, V, Zr 중 1 종 혹은 2 종 이상을 합계로 0.01 ∼ 1.0 ％ 함유하고, 잔여가 실질적으로 Al 로 이루어지는 Al-Sn 계 베어링 합금에 있어서, 0.01 ∼ 0.1 ％ 의 Sb 를 첨가하여 Al 매트릭스 중에 Si 입자를 구상, 타원상 혹은 선단이 원형을 띠는 형상으로서 분산, 석출시킨 것이다. 특허문헌 1 이 제안하는 원형을 띤 Si 입자는 이상적인 점 접촉 상태를 실현하며, 추가로 Sb 의 첨가에 의해 기지 (基地) 의 강화를 도모하고 있다. 이 알루미늄 합금의 경도는 Hv 40 대이다.

특허문헌 3 : 일본 공개특허공보 평6-235038호도, 조질 강축 (S45C, HRc ＝ 55) 과 알루미늄 합금 미끄럼 베어링을 조합한 베어링 장치에 관한 것으로, 그 알루미늄 합금은 중량％ 로 7 ∼ 20 ％ Sn, 0.1 ∼ 5 ％ Pb, 1 ∼ 10 ％ Si, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Ti, V, Zr 중 1 종 혹은 2 종 이상 0.01 ∼ 1.0 ％ 를 함유함과 함께, Zn 그리고 Mg 를 합량으로 0.3 ∼ 3.0 ％ 함유하고, 추가로 0.01 ∼ 0.1 ％ Sb 를 함유하고, 잔여가 실질적으로 Al 로 이루어지며, Al 매트릭스 중에 Si 입자를 구상, 타원상 혹은 선단이 원형을 띤 형상으로서 분산, 석출시키고, 이 Si 입자에 근접하여 Sn-Pb 합금 입자를 석출시켜 이루어지는 것이다. 이 합금의 경도는 Hv 40 미만이다.

특허문헌 4 : 일본 특허 제3472284호는, 「1.5 ∼ 8 질량％ 의 Si 를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Al 로 이루어지며, 슬라이딩 표면에 존재하는 Si 입자의 총면적에 대하여, 입자경 4 ㎛ 미만인 Si 입자의 면적이 20 ∼ 60 ％ 를 차지하고, 입자경 4 ∼ 20 ㎛ 인 Si 입자의 면적이 40 ％ 이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 알루미늄계 베어링 합금」 에 관한 것으로, 입자경이 4 ∼ 20 ㎛ 인 Si 입자 (면적비 40 ％ 이상) 가 내마모성에 기여하고, 입자경이 4 ㎛ 미만인 Si 입자 (면적비 20 ∼ 60 ％) 가 내피로성에 기여한다.

내마모성 시험은 기동-정지를 반복하는 조건에서 실시되고 있고, 입자경이 4 ∼ 20 ㎛ 인 Si 입자는 상대축의 하중을 받아, Al 매트릭스에 침전이나 탈락이 일어나지 않는다고 설명되어 있다. 실시예에서의 상대재인 S55C (조질 상태는 기재 없음) 에 대하여 우수한 내마모성을 나타내고 있다.

비특허문헌 1 : 「사단법인 자동차 기술회 학술 강연회 전쇄집 No.46 - 99, 211 내마모성 향상 알루미늄 합금 베어링의 개발」 은 퀀칭 강제 상대축 (Hv 720 ∼ 850) 에 대한 Al-Sn-Si 합금의 내마모성에 대해 연구하여, 다음과 같이 고찰하고 있다.

마모의 진행과 함께, 비교적 부드러운 알루미늄 합금 매트릭스만이 마모되어 슬라이딩면에 Si 의 농화가 일어난다. 슬라이딩 표면의 Si 량이 증가하면, Si 에서 받는 하중 분담도 많아져 베어링의 마모는 억제되지만, 입경이 작은 경우나 경도가 낮은 경우에는, 슬라이딩에 의한 Si 의 탈락과 마모의 진행에 의한 Si 의 농화를 반복하기 때문에, 표면의 Si 농도는 변화되지 않고 마모가 진행된다. 한편, 입경이 크고 경도가 높은 경우에는, 합금 중에 Si 가 강고하게 유지되어 탈락이 일어나지 않기 때문에 마모가 잘 진행되지 않는다.

이 고찰에 기초하여, Al-4.5Sn-2.7Si-1.5Cu-0.2Cr-0.15Zr 의 조성을 가지는 베어링 합금이 개발되었다. 이 합금의 특장은 다음과 같다.

(1) 알루미늄 베어링 합금 중에 경질물로서 함유되는 Si 의 크기를 평균 입경 5.5 ㎛, 합금 경도를 53 HV 로 설정한 개발재는, 종래재에 대하여 3 ∼ 4 배의 내마모성을 나타내었다.

(2) 내마모성 향상의 메커니즘은, 슬라이딩면이 농화된 Si 가 합금에 강고하게 유지됨으로써 하중을 지지할 수 있는 것에 의하는 것으로 생각된다.

(3) 평균 입경 5.5 ㎛ 에서도, 조직과 합금 강도를 재점검함으로써, 왕복동하중 하에서는 종래재와 동등하고, 회전 하중 하에서는 종래재보다 우수한 내피로성이 얻어져, 내소부 (燒付) 성에 대해서도 종래재보다 우수한 결과가 얻어졌다.

또한, 상기 개발 합금의 특성은 Al-12.5Sn-2.7Si-1.8Pb-1Cu-0.2Cr 을 비교 합금으로서 평가하여 이루어지고 있다.

본 출원인이 출원인의 한 명으로 되어 있는 특허문헌 5 : 일본 공개특허공보 2004-28278호가 제안하는 베어링 장치에서는, 축은 펄라이트와 초석 페라이트 (면적분율이 3 ％ 이하) 또는 펄라이트로 이루어지는 조직을 갖고, 고주파 퀀칭 또는 표면 경화 처리를 실시하지 않은 비조질형 강재제 크랭크 축이다. 크랭크 축의 표면 조도가 Rz 0.5 ㎛ 이하이다. 미끄럼 베어링은 Si 로 이루어지거나 혹은 Si 를 함유하고, Hv 900 이상의 경도를 갖는 경질물이 Al 매트릭스에 분산되어, 슬라이딩면에 존재하는 상기 경질물의 크기가 6 ㎛ 이하이다. 비조질 강의 조직은 경도가 Hv 700 정도인 시멘타이트와, 경도가 Hv 150 ∼ 300 인 페라이트로 구성된다.

본 출원인이 발명자의 한 명으로 되어 있는 특허문헌 6 : 일본 공개특허공보 2004-28276호가 제안하는 베어링 장치의 축은 특허문헌 2 와 동일한 것으로, Al 계 합금은 Si 로 이루어지거나 혹은 Si 를 함유하고, Hv 900 이상의 경도를 갖는 경질물이 Al 매트릭스에 분산됨과 함께, Si 함유량이 1 ∼ 4 질량％ 이다.

또, 특허문헌 4 및 5 에 있어서의 실시양태의 Al 계 합금은, 질량％ 로 2 ∼ 20 ％ 의 Sn 에 첨가하여, 1 ∼ 3 ％ 의 Pb, 0.5 ∼ 2 ％ 의 Cu, 0.1 ∼ 1 ％ 의 Cr, 0.5 ∼ 2 ％ 의 Mg 및 0.1 ∼ 1 ％ 의 Zr, Mn, V, Ti 및/또는 B 로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것이다. 상기 Al 합금에 함유되는 Si 는 경질이기 때문에, 그 Si 입자의 크기가 비조질 강제 축의 표면을 평활화하여, 내마모성이나 내소부성을 양호하게 하고 있다.

상기 Si 입자에 관한 종래 기술을 정리하면 다음과 같은 기술 수준이 밝혀진다.

상대재가 비조질 강인 특허문헌 5, 6 에 있어서는 상대축이 부드럽기 때문에, 알루미늄 합금의 Si 입자는 상대축의 랩핑 작용을 가진다고 설명되어 있다. 특허문헌 1, 2 및 3 에 있어서는, 알루미늄 합금 중의 Si 입자는 상대축의 퀀칭 강축과 점 접촉 상태를 유지한다고 설명되어 있다. 최근, ATF 의 저점도화나 각종 펌프의 소형화에 의해 슬라이딩 조건이 엄격해져, 내마모성, 내소부성 등 슬라이딩 특성에 대한 요구가 높아지고 있다. 특허문헌 4 에 있어서 채용되고 있는 시동-정지 패턴이 엄격한 마모 시험 조건은 이러한 경향에 준거하고 있지만, 강축의 조질 상태에는 언급이 없고, Si 입자는 슬라이딩 중에 Al 매트릭스에 유지되어 있다고 서술하고 있다. 특허문헌 4 와 거의 동일한 연대에 발표된 비특허문헌 1 은, 상대축은 퀀칭 S55C 이고, 슬라이딩면에 있어서 Al, Sn 등이 우선적으로 상대축에 깎여, 이 결과 Si 의 농화가 일어나는 것을 발표한 최초의 문헌이라고 생각된다.

일본 공개특허공보 평2-102912호 일본 공개특허공보 평2-57653호 일본 공개특허공보 평6-235038호 일본 특허 제3472284호 명세서 일본 공개특허공보 2004-28278호 일본 공개특허공보 2004-28276호 미국 특허 제4471029호

사단법인 자동차 기술회 학술 강연회 전쇄집 No.46 - 99, 211 내마모성 향상 알루미늄 합금 베어링의 개발

비특허문헌 1 에서는 알루미늄 합금의 매트릭스로부터의 Si 입자의 탈락을 방지함으로써 엄격한 슬라이딩 조건 하에서의 내마모성의 향상을 도모하고 있는데, Sn 함유량이 4.5 ％ 로 낮은 것은, 내마모성 향상에는 충분하지 않은 것을 알 수 있다. 또, 조질 강을 상대재로 하는 특허문헌 2 및 3 의 알루미늄 합금은 Pb 를 함유하며, 경도가 낮다. 따라서, 본 발명의 목적은 엄격한 슬라이딩 조건에 있어서 우수한 내마모성을 발휘하는 Al-Sn-Si 계 베어링 합금 미끄럼 베어링과 경질 강축의 조합으로 이루어지는 베어링 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 관련된 베어링 장치는, 적어도 표면의 경도가 Hv 500 이상인 강 축과, Si 를 2 ∼ 10 질량％ 및 Sn 을 8 ∼ 18 질량％ 함유하고, 또한 Sn 상의 체적％ 가 Si 입자 - 단 그 평균 입경은 4 ∼ 10 ㎛ 이다 - 의 체적％ 의 50 ％ 이상이고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어짐과 함께, 경도가 Hv 45 이상인 알루미늄계 합금을 사용한 미끄럼 베어링과의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 여기서, Sn 상의 체적％ 와 Si 입자의 체적％ 가 동일할 때에, Sn 상 체적이 Si 입자 체적에 대하여 100 ％ (즉, Sn 상의 체적/Si 입자의 체적 ＝ 1 × 100 ％) 가 된다. 이 값은, Sn 상의 체적％ 가 Si 입자의 체적％ 를 초과하는 경우에는, 100 ％ 를 초과한다.

이하, 본 발명의 구성을 상세하게 설명한다.

본 발명의 Al-Sn-Si 계 합금에서는, Sn 및 Si 함유량, Si 평균 입경, Sn/Si 입자 체적％ 및 경도를 종합적으로 조정함으로써 엄격한 슬라이딩 조건에 있어서, 경질 강축에 대한 내마모성을 높일 수 있었다.

도 1 은 마모 시험기의 도면이다.
도 2 는 스타트·스톱 시험의 사이클을 나타내는 그래프이다.
도 3 은 Al-Sn-Si 계 합금의 Sn 함유량과 마모 시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4 는 Al-Sn-Si 계 합금의 현미경 조직을 나타내는 도면이다.
도 5 는 도 1, 2 에 나타내는 시험의 사이클 수의 경위와 Si 입경, 표면의 Si 량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6 은 도 1, 2 에 나타내는 시험의 사이클 수의 경위와 Si 입경, 마모 깊이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7 은 Si 함유량에 대한 Sn 함유량의 비율과 마모 시험의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8 은 Sn 함유량이 낮은 Al-Sn-Si 계 합금의 표면에 있어서 Si 가 농축되는 것을 설명하는 모식도이다.
도 9 는 Sn 함유량이 높은 Al-Sn-Si 계 합금의 표면에 있어서 Si 가 농축되고, 또한 Sn 이 피복되는 것을 설명하는 모식도이다.
도 10 은 실시예에 있어서의 마모 시험 결과를 나타내는 그래프이다.

(1) 상대축

본 발명에서 사용되는 상대축은, 퀀칭 탄소강 혹은 합금강, 질화강, 침탄강 등으로, 적어도 표면의 경도가 Hv 500 이상인 것이다.

(2) 알루미늄 합금 미끄럼 베어링

(가) 조성

본 발명의 알루미늄 합금의 Al-Sn-Si 삼성분계는 그 자체가 공지되어 있지만, Pb, Sb 와 같은 고온 강도를 저하시키는 성분은 함유하고 있지 않다. 또 본 발명에 관련된 Al-Sn-Si 계 합금은, 질량％ 로 2 ∼ 10 ％ Si, 8 ∼ 18 ％ Sn 의 조성 범위 내이며, 바람직하게는 3 ∼ 10 ％ 이다.

(나) 조직

본 발명에 있어서는, Si 의 평균 입자경이 4 - 10 ㎛ 의 범위이고, 또한 Sn 의 체적％ 가 Si 의 체적％ 의 50 ％ 이상이면 Si 입자의 탈락 방지에 유효하며, 베어링의 내마모성이 우수한 것을 알아냈다.

베어링의 내마모성 평가는, 발명품인 알루미늄 합금 압연판을 저탄소 강판과 클래드한 후, 외경 25 ㎜, 내경 22 ㎜, 베어링 폭 10 ㎜ 의 원통상으로 성형한 부시를 사용하여, 도 1 은 정하중 마찰 시험기를 나타내고, 도 2 에 나타내는 시험 패턴인 하기 조건에서 실시하였다.

하중 : 490 N

시험 패턴 : 스타트·스톱 (0 - 1000 rpm)

슬라이딩 속도 : 0 - 1.2 m/s

윤활유 : ATF

윤활유 온도 : 120 ℃

축 재질 : SCM 415 (경도 Hv 800)

Al-Sn-5 Si 합금에 대한 시험 결과를 도 3 에 나타낸다. 이 도면으로부터, 8 ∼ 18 ％ Sn 의 범위에서 마모 깊이가 매우 작아지는 것을 알 수 있다. 상기 성분 이외에, 알루미늄 합금의 고용 성분인 Cu, Mg, Zn 중 적어도 1 종을 총량으로 3 질량％ 이하 함유할 수 있고, 추가로 석출 성분인 Cr, Zr, Mn, V, Sc 중 적어도 1 종을 총량으로 0.5 질량％ 이하 함유할 수 있다. 또한, 불가피적 불순물로서 Fe, Ti, B 등을 총량으로 0.5 질량％ 이하 함유한다.

본 발명의 Al-Sn-Si 계 합금을 제조하는 최초의 중간 소재인 연속 주조판에서는, Al 의 수지상 결정의 아암 사이에 Sn 상과 공정 Al-Si 가 존재하고 있다. 이러한 연속 주조판을 냉간 압연하면, Sn 상과 Si 입자가 각각 분단된다. 이 냉간 압연판을 이금 (裏金) 인 탄소 강판에 압접하여, 특허문헌 7 : 미국 특허 제4471029호의 표 1 에 기재된 이금과의 압접 후의 소둔을 실시함으로써 Si 입자의 크기를 조정함과 함께, Si 입자에 대한 Sn 상의 체적％ 를 조정한다. 소둔 온도는 350 ∼ 550 ℃, 소둔 시간은 3 ∼ 10 시간의 범위 내에서 소둔 조건을 조정한다. 소둔 후의 조직은 도 4 에 나타나고 있으며, 압연 방향 (도면의 상하 방향) 으로 신장된 Sn 상 (백색) 과, 압연에 의해 분산·분단된 Si 입자 (흑색) 가 Al 매트릭스 중에 검출된다.

Si 입경은, 광학 현미경으로 촬영한, 예를 들어 도 4 와 같은 단면 사진 중의 각 Si 입자의 원 상당 직경을 화상 해석 장치를 사용하여 산출하고, 원 상당 직경의 평균치를 Si 입경으로 하였다. 합금 중의 Sn 및 Si 의 체적％ 에 대해서는, 먼저 합금 중의 각 성분의 중량을 중량％ 로부터 산출하였다. 산출한 합금 중의 중량과 순물질의 밀도로부터 각 성분의 체적을 산출하여, 각 성분의 체적 및 체적％ 를 산출하였다. 그런데, Sn 은 알루미늄 매트릭스에 거의 고용 (固溶) 되지 않는다. 한편, 고용 Si 에 상당하는 중량도 상기 계산법에 의한 Si 체적％ 에 포함되므로, 계산치의 Si 입자 체적％ 는, 실제의 Si 입자의 체적보다 커진다. 그러나, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 상기 계산법에 의해 구해지는 「Sn 체적％/Si 체적％」 (× 100) 은 내마모성의 경향을 잘 나타내고 있다. 합금 중의 Sn 및 Si 의 체적％ 는, 합금 중의 Sn 및 Si 의 중량％ 와 Sn 및 Si 의 밀도로부터 산출하였다. 그런데, Sn 및 Si 는 각각 Sn 상 및 Si 입자로서만 존재하고 있는 것이 아니라, 예를 들어, Si 는 알루미늄 매트릭스에 고용되는 등으로 하여 존재한다. 단 그 양은 극히 적다. 본 발명에 있어서, 상기 Sn 상으로서 확인할 수 없는 Sn 및 Si 입자로서 확인할 수 없는 Si 를 Sn 상 및 Si 입자로서 존재하고 있다고 하여, 「Sn 체적％/Si 체적％」 (× 100) 으로 구하고 있다.

도 4 에 있어서 화살표 (P) 로 나타나는 Si 입자는 원 상당 직경으로 4.5 ㎛ 가 되는 Si 입자를 나타낸다. 최대의 Si 입경은 15 ㎛ 미만이고, 최소의 Si 입경은 현미경의 해상도에 의하는데, 0.1 ㎛ 정도이다. Si 의 평균 입경이 2.5 ㎛ 이면, Si 가 슬라이딩면에 농축되지만, 마모는 진행된다. 한편 Si 의 평균 입경이 4.0 ㎛ 이상이면, 마모의 진행이 억제된다. 본 발명자들은, 도 5, 6 과 같이 Si 입자가 슬라이딩면에 농축되기 위해서는 Si 량, Si 입자의 평균 입경 및 Sn 함유량이 영향이 있는 것을 알아냈다. Si 량이 적으면 슬라이딩면에 Si 가 농축될 때까지 마모가 진행되고, Si 의 평균 입경이 작으면 Si 입자가 운전 중에 탈락하며, 또한 Si 의 평균 입경이 커도 Sn 함유량이 적으면 Si 입자가 잘 탈락한다. Sn 의 함유량이 Si 함유량, 특히 합금 중에 차지하는 체적％ 가 도 7 에 나타내는 바와 같이, Si 의 체적％ 에 대하여 50 ％ 이상이면, 우수한 내마모성을 나타낸다. 한편, Sn 함유량이 18 질량％ 를 초과하면 기계적 성질이 저하된다.

(다) 경도

Al-Sn-Si 계 베어링 합금의 강도는, 강화 성분에 의한 영향 외에 강판과의 클래드 및 그 소둔 후에 실시하는 냉간 압연 또는 베어링 성형시의 소성 가공 등으로 조정하는 것이 가능하다. 강화 성분 이외에서는 Sn 함유량이 많아질수록, 경도가 저하된다. Al-Sn-Si 계 합금의 전술 (가) 에서 서술한 조성 범위 및 전술 (나) 에서 서술한 조직에 있어서는 Hv 45 이상, 바람직하게는 Hv 50 이상이면 우수한 성능을 나타낸다.

(라) 내마모성

본 발명자들은 비특허문헌 1 에 있어서, 회전수가 일정한 마모 시험 조건이 아닌, 스타트·스톱을 반복하는 마모가 잘 일어나는 시험 조건을 실시하고, 추가로 알루미늄 합금의 표면에서 Sn 이 깎여 Si 입자의 농축이 일어나고, 다음으로 탈락이 일어나 마모가 진행되는 것을 발표하였다.

도 8 및 9 는, Si 입자가 슬라이딩면에 농축되고, 다음으로 탈락하는 것을 설명하는 개념도로, 이들 도면에 기초하여 설명한다. 도면 중 1 은 미끄럼 베어링의 알루미늄 합금상, 2 는 Si 입자, 3 은 Sn 상, 4 는 조도를 갖는 상대축, 5 는 미끄럼 베어링과 상대축 (4) 의 접촉 지점, 화살표는 슬라이딩 방향이다. 도 8 에 나타내는 알루미늄 합금상 (1) 은 Sn 함유량이 적기 때문에, Sn 이 슬라이딩면 전체를 덮지 않고, 상대축 (4) 과 알루미늄상 (1) 이나 Si 입자 (2) 와 잘 접촉한다. 그 후 Si 입자가 농화된 후에는 상대축 (4) 과 Si 입자 (2) 가 직접 접촉하기 때문에 마찰이 높고, Si 입자의 탈락이 잘 발생한다. 도 9 에 나타내는 알루미늄 합금은 Sn 함유량이 높고, Si 입자 (2) 의 농화와 함께 Sn 상 (3) 이 슬라이딩면에 확산되어 농화된 Si 입자 (2) 를 피복하기 때문에, 상대축 (4) 과 접촉해도 마찰이 낮다. 이와 같이, Si 입자 (2) 는 피복되기 때문에 (c), 상대축 (4) 과 접촉해도 마찰이 낮다. 그 결과, Si 입자 (2) 의 탈락이 방지되어, 농화를 촉진시키고 알루미늄 합금의 마모를 억제한다.

(마) 클래드재

상기 알루미늄계 합금 미끄럼 베어링이 탄소강, 바람직하게는 SPCC, SPHC 등의 저탄소강과 냉간 압연으로 압접 (壓接) 되어 있는 클래드재로서 사용할 수 있다.

실시예 1 - Si 입자의 농축 및 Sn 에 의한 피복의 측정

2 - 10 질량％ Si 및 8 - 18 질량％ Sn 을 함유하는 Al-Sn-Si 합금을 연속 주조하고, 주조된 합금을 두께 1.7 ㎜ 로 냉간 압연한 후, 이금 (SPCC) 과 압접하여, 소둔을 실시하였다. 대표적인 시료의 합금 성분, Si 입자의 평균 입경 (표에서는 「Si 입자 직경」 약기), 합금 경도를 표 1 에 나타낸다.

표 2 에 나타내는 3 종류의 Al-Sn-Si 합금에 대해 상기한 스타트-스톱 마모 시험을 실시하였다. 마모 시험 전후의 슬라이딩 표면을 분석하였다. Al, Sn, Si 의 분석치 (5 점 평균) 를 표 2 에 나타낸다.

표 2 에 나타내는 바와 같이, 어느 합금 1 ∼ 3 에 있어서도 시험 후의 슬라이딩면에 있어서의 Si 농도는 시험 전보다 높아져 있다. 합금 2, 3 과 같이 Sn 상 체적％ 가 Si 입자 체적％ 의 50 ％ 이상이 되면 표면의 Si 가 보다 농축되어 있는 것이 확인되었다. 또, Sn 량과 내마모성의 향상의 관계를 검증하기 위하여, 시험 후의 베어링 표면을 전자 현미경으로 관찰하였다. 합금 1 인 Sn 량이 6 질량％ 인 표면에서는, Si 입자의 탈락 흠집이 많이 관찰된 것에 반해, 합금 2, 3 인 Sn 량이 12.5 질량％ 인 표면에는, Si 입자의 탈락 흠집은 거의 없었다. 또, 슬라이딩면의 원소 분포를 확인하기 위하여, EPMA 에 의한 각 원소의 매핑을 실시한 결과, Si 입자의 주위에 Sn 이 많이 분포되어 있는 것이 확인되었다.

실시예 2 - 알루미늄 합금 조성예

표 3 에 나타내는 조성인 Al-Sn-Si 계 합금에 대해 주성분 및 첨가 성분의 조성 그리고 조직을 바꾸어, 슬라이딩 특성을 조사하였다. 또한, 마모량의 측정은 단락 0032 에서 설명한 방법에 의한다.

표 3 의 No.1 ∼ 10 은 본 발명 실시예로, Sn 상 체적％ 가 Si 입자 체적％ 에 대하여 50 ％ (즉, Sn 상 체적이 Si 입자 체적의 1/2) 를 초과하고 있으며, 모두 시험 후 슬라이딩면으로부터의 Si 입자 탈락은 없고, 시험 후의 마모량은 20 ㎛ 이하였다. No. 11 ∼ 13 은 비교예로, Sn 상의 Si 입자에 대한 체적％ 가 50 ％ 미만이다. 이들 시료의 마모 시험 후의 슬라이딩면에는 Si 입자의 탈락 흠집이 관찰되며, 마모량이 많아졌다. 또, Sn 상의 체적％ 가 50 ％ 이상인 No. 14 ∼ 15 에서는, 마모 시험 후 Si 입자의 탈락은 없었지만, Si 평균 입경이 작고, 또 합금 경도가 낮기 때문에, 마모량이 크다는 결과가 되었다.

산업상 이용가능성

본 발명에 관련된 베어링 장치는 엄격한 슬라이딩 조건에 있어서 바람직하게 사용되며, 미끄럼 베어링의 내마모성이 양호하다.

1 : 미끄럼 베어링의 알루미늄 합금상
2 : Si 입자
3 : Sn 상
4 : 상대축
5 : 미끄럼 베어링의 알루미늄 합금상 (1) 과 상대축 (4) 의 접촉 지점

Claims

표면의 경도가 Hv 500 이상인 강축과, Si 를 2 ∼ 10 질량％ 및 Sn 을 8 ∼ 18 질량％ 함유하고, 또한 Sn 상 (相) 의 체적％ 가 Si 입자 - 단 그 평균 입경은 4 ∼ 10 ㎛ 이다 - 의 체적％ 에 대하여 50 ％ 이상이며, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어짐과 함께, 경도가 Hv 45 이상인 알루미늄계 합금을 사용한 미끄럼 베어링과의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 알루미늄계 합금이 Cu, Mg, Zn 중 적어도 1 종을 총량으로 3 질량％ 이하, Cr, Zr, Mn, V, Sc 중 적어도 1 종을 총량으로 0.5 질량％ 이하, 추가로 불가피적 불순물로서 Fe, Ti, B 를 총량으로 0.5 질량％ 이하를 함유하는 베어링 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 미끄럼 베어링이 상기 알루미늄계 합금과 탄소강과 냉간 압연으로 압접되어 있는 클래드재인 베어링 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 탄소강이 저탄소강인 베어링 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 조성을 가지는 알루미늄계 합금을 연속 주조하여 얻어진 주조판을 냉간 압연한 후, 열처리에 의해 Si 입자의 평균 입경을 조절하고, 추가로 계속해서 상기 압접을 실시한 베어링 장치.