KR101319814B1 - 미끄럼 베어링 복합 재료, 그 용도 및 그 제조 방법 - Google Patents

미끄럼 베어링 복합 재료, 그 용도 및 그 제조 방법 Download PDF

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페데랄-모굴 비스바덴 게엠베하
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Abstract

본 발명은 구리 합금으로 제조된 지지층과, 베어링 금속층에 도포된 라이닝을 구비하는 미끄럼 베어링 복합 재료에 관한 것이다. 상기 구리 합금은 0.5 내지 5 중량%의 니켈, 0.2 내지 2.5 중량%의 실리콘 및 0.1 중량% 이하의 납을 포함한다. 상기 라이닝은 중간층 없이 적용된 스퍼터링된 층일 수 있다. 또한, 본 발명은 이러한 복합 재료를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
미끄럼 베어링, 스퍼터링, 라이닝, 중간층, 스트립, 내마모성

Description

미끄럼 베어링 복합 재료, 그 용도 및 그 제조 방법{PLAIN BEARING COMPOSITE MATERIAL, USE THEREOF AND PRODUCTION METHODS THEREFOR}
본 발명은 특허청구범위 제1항에 따른 미끄럼 베어링 복합 재료(plain bearing composite material)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 미끄럼 베어링 복합 재료의 용도(use) 및 미끄럼 베어링 복합 재료 제조 방법(production method)에 관한 것이다.
독일 특허 공보 DE 44 15 629 C1호에 개시된 것은, 예를 들어 압축 주조기(pressure casting machine)를 위한 주조 피스톤(cast piston)과 같이 비상 가동 특성(emergency running property)을 갖는 내마모성 물품을 제조하기 위한 구리-니켈-실리콘 합금의 용도이다. 독일 특허 공보 DE 44 15 629 C1호에 기재된 합금은 1-4% 니켈, 0.1-1.5% 실리콘 및 잔부 구리를 포함하며, 고상 재료(solid material)로서 사용된다.
미국 특허 공보 US 2,137,282호는 0.1-30% 니켈, 0.05-3% 실리콘 및 잔부 구리를 포함한 합금을 개시한다. 적당한 열처리 이후에, 이 합금은 높은 경도(hardness) 및 우수한 전기 전도도(electrical conductivity)를 갖는다.
미국 특허 공보 US 1,658,186호는 구리-니켈-실리콘 합금을 개시하고 있으 며, 여기서 경질 입자(hard particle)로 작용하는 규소화물(silicide)이 자세히 기재되어 있다. 경도를 조절하기 위한 다양한 열처리법이 기술되어 있다.
다른 구리-니켈-실리콘 합금은 미국 특허 공보 US 2,241,815호에 개시되어 있으며, 여기서 니켈 비율이 0.5-5% 이고 실리콘 비율이 0.1-2% 이다.
미국 특허 공보 US 2,185,958호는 1% 니켈, 3.5% 실리콘 및 잔부 구리를 포함한 합금뿐만 아니라 1.5% 실리콘, 1% 니켈 및 잔부 구리를 포함한 합금을 개시하고 있다.
독일 특허 공보 DE 36 42 825 C1호는 4 내지 10% 니켈, 1-2% 알루미늄, 1-3% 주석 및 잔부 구리와 통상적인 불순물을 포함하며, 높은 강도와 긴 수명을 가져야 하는 미끄럼 베어링 재료를 개시하고 있다. 고상 재료 부싱(bushing)은 이러한 미끄럼 베어링 재료로 제조된다.
영국 특허 공보 GB 2384007호는 최대 경도가 130 HV 이며, 구리 합금의 소결층(sintered layer)이 적용되는 강철 후면(steel back)을 구비한 미끄럼 베어링 복합 재료를 개시한다. 구리 합금은 1-11 중량%의 주석(tin), 0.2 중량%까지의 인(phosphorus), 최대 10 중량%의 니켈(nickel) 또는 은(silver), 최대 25 중량%의 납(lead) 및 비스무트(bismuth)를 포함한다.
라이닝(lining)이 베어링 금속층 상으로 스퍼터링되는 미끄럼 베어링 복합 재료는, 독일 공개 특허 공보 DE 43 28 921 A1호에 개시된 바와 같이 니켈, 니켈 합금, 니켈-크롬, 아연 또는 아연 합금으로 된 중간층(intermediate layer)을 구비한다. 구리 합금이 베어링 합금으로서 사용되고 주석-함유 합금(Sn-containing alloy)이 최상층(uppermost layer)으로서 사용되는 경우에, 주석이 머지않아 구리 합금으로 확산되므로, 최상층의 주석 함량을 낮춘다. 이와 동시에, 깨지기 쉬운 CuSn 화합물(brittle CuSn compound)이 화합물 표면에서 형성되며, 그로 인해 결합력(binding strength)을 감소시킨다. 이러한 관점에서, 니켈 또는 니켈 합금의 중간층이 용사(spraying) 또는 스퍼터링(sputtering) 또는 전기도금(electro-plating)에 의해 베어링 합금 상에 형성된다. 이후, 최상층이 기상증착(vapour deposition)에 의해 형성되며, 그로 인해 보다 안정된 결합이 획득될 수 있다.
확산 방지층(diffusion barrier layer)이 독일 특허 공보 DE 28 53 774호에 또한 개시되어 있다.
독일 특허 공보 DE 195 25 330호는 베어링 재료가 지지 재료에 직접 스퍼터링되는 층 재료(layer material)를 개시하고 있다. 금속을 지지하는 강철(steel)은 중간층 없이 베어링 재료가 적용될 수 있는 지지 재료로서 사용될 수 있다. 하지만, 구리 함유 지지 재료(copper-containing supporting material), 특히 구리-납-주석 합금을 포함하는 지지 재료를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 지지 재료는 CuPb22Sn 을 포함하여 구성될 수 있다.
지지 재료에서의 납 비율은 베어링 재료에서의 납 비율의 정도(order)의 양을 갖는 경우에, 상기 2 재료 사이에 농도구배(concentration gradient)가 없거나 또는 작은 농도구배만 있으므로, 베어링 재료와 지지 재료 사이에 확산 과정이 발생할 수 없다. 지지 재료가 베어링 재료에 비해 높은 납 농도를 갖는 경우에, 베어링 재료의 표면으로의 납의 이동(migration)이 더욱 증진된다. 지지 재료를 형성하 는 구리-납-주석 합금은 주조에 의해 강철 지지 금속에 도금될 수 있다.
본 발명의 목적은 강도와 마찰 특성의 관점에서 기존의 복합 재료에 비교할 만하며 스퍼터링된 라이닝을 구비하는 미끄럼 베어링 복합 재료를 제공하는 것이며, 여기서 확산 방지층이 상기 라이닝의 조성에 상관없이 생략될 수 있다. 또한, 본 발명의 목적은 용도 및 제조 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 특허청구범위 제1항에 따른 미끄럼 베어링 복합 재료에 의해 달성된다.
니켈과 실리콘 비율을 갖는 청구된 구리 합금에 있어서, 이들 성분은 확산을 억제하며, 특히 거의 확산이 발생하지 않도록 알루미늄 및 주석에 작용한다. 약간의 확산이 배제될 수 없으나, 이 경우에는 매우 얇은 중간층만이 형성되므로 구리 합금에 적용된 라이닝의 박리(peeling) 까지는 야기하지 않는다.
이들 구리 합금의 또 다른 장점은 구리 합금의 구조와 기계적 특성이 넓은 범위에 걸쳐 조절될 수 있다는 점이다. 따라서, 구리 합금은 강철 후면의 기능을 대신하여 상기 강철 후면이 생략될 수 있도록 강도와 기계적 특성을 조절할 수 있다. 이와 동시에, 필요한 강도를 구비함에도 불구하고, 이들 구리 합금은 우수한 감쇠 특성을 구비한다.
강철 후면이 생략됨으로 인해, 이러한 미끄럼 베어링 복합 재료로부터 미끄럼 베어링 부재의 제조가 단순화되어 보다 비용 효율적으로 된다.
이들 합금에서의 탄성계수와 조절 가능한 강도의 바람직한 비율은 초고하중 차량(highly loaded motor)용 미끄럼 베어링으로서의 용도가 특히 바람직하다고 입증되었다.
구리 합금의 열팽창계수는, 본 발명에 따른 복합 재료로 제조된 미끄럼 베어링 쉘(plain bearing shell)이 알루미늄 하우징(housing)에 바람직하게 사용될 수 있도록 알루미늄의 열팽창계수의 정도(order)의 크기를 갖는다. 그 결과, 고온에서 우수한 압력 끼워맞춤(press fit)이 예전처럼 보장된다.
구리 합금의 강도는 가공열처리(thermo-mechanical treatment), 특히 압연(rolling) 및 어닐링(annealing)에 의해 바람직하게 조절된다.
미끄럼 베어링 복합 재료용 스트립 재료(strip material)를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법은 다음과 같은 가공 단계를 제공한다.
구리-니켈-실리콘 합금으로부터 이후 가공열처리를 통해 스트립 재료를 제조하는 것은 아래의 단계를 포함한다.
최소 3시간 동안 500℃ 이상의 온도에서 스트립 재료의 제 1 어닐링 단계, 20% 이상의 변형도가 구현되는 스트립 재료의 1회 이상의 제 1 압연 단계, 상기 스트립 재료의 500℃ 이상의 온도에서 1회 이상의 제2 어닐링 단계 및 30% 이상의 변형도가 구현되는 1회 이상의 제 2 압연 단계.
제 2 어닐링은 최소 3 m/min의 스트립 이송률, 특히 500℃ 초과하는 온도에서 3-5 m/min의 스트립 이송률로 스트립 어닐링 플랜트(strip annealing plant)에서 연속적으로 바람직하게 수행된다.
스트립 재료의 강도는 제 2 압연 단계에 의해 조정되며, 550 내지 750 MPa의 인장강도 수치가 바람직하게 달성된다.
가공열처리 이후의 구조는 리니어 매트릭스 구조(linear matrix structure)를 특징으로 하며, 조밀하고 균일하게 분배된 금속간 NiSi계 석출(intermetallic NiSi-based precipitation)이 이러한 리니어 구조 내에 존재한다.
상기 인장강도 수치는 보다 작은 하중 하에서 소성 변형되는 강 복합 재료의 강의 인장강도 수치에 비해 훨씬 높으며, 이는 복합 베어링 재료로 제조된 미끄럼 베어링의 증가된 유극(play)과 감쇠 특성의 손실(loss)로 이어진다. 본 발명에 따른 구리 합금의 장점은, 베어링의 고부하 조건 하에서 탄성 특성이 보유될 수 있을 정도로 항복점(yield point)이 증가될 수 있다는 점이다.
최초 스트립 재료의 두께와 스트립 재료의 최종 두께는 일반적으로 미리 정해진다. 다양한 강도 수치를 달성하기 위해, 제 1 압연은 소망한 강도 수치가 제 2 압연 중에 달성되는 변형의 정도로 바람직하게 수행된다. 이는, 예를 들어 높은 강도 수치를 달성하기 위해서는 두께의 소규모 감소만이 제 1 압연 중에 수행되는 반면에, 낮은 강도 수치를 위해서는 많은 정도의 변형이 상기 제 1 압연 중에 달성되는 것을 의미한다.
박판강(sheet bar)은 코일 슬리팅(coil slitting) 이후에 미끄럼 베어링 부재를 제조하기 위해 스트립 재료로부터 분리되며, 상기 박판강은 미끄럼 베어링 부재를 형성하기 위해 기존의 변형 단계에 의해 변형된다. 최종 공정은 라이닝의 기계 가공 및 상기 라이닝의 적용이 바람직하다.
라이닝은 PVD 공정, 특히 스퍼터링에 의해 도포된다. 선택적으로, 리드-인 층(lead-in layer)이 상기 라이닝에 또한 도포된다.
복합 재료의 마찰 특성은 라이닝에 의해 조절된다.
구리-니켈-실리콘 합금에 있어서, 니켈 비율은 0.5-5 중량%, 바람직하게는 1.0 내지 3.0 중량%, 특히 1.5 내지 2.2 중량%이며 실리콘 비율은 0.2-2.5 중량%, 바람직하게는 0.4 내지 1.2 중량% 도는 0.5 내지 1.5 중량%이다.
구리-니켈-실리콘 합금은 0.05-2.0 중량%, 바람직하게는 0.15-1.5 중량%의 망간을 포함한다.
실리콘에 대한 니켈의 중량 비율이 2.5 내지 5 사이인 경우에(니켈 : 실리콘 = 2.5 내지 5), 마찰 특성이 향상될 수 있으며, 특히 베어링 재료의 부식이 상당히 감소할 수 있다. 이러한 중량 비율에 있어서, 우수한 마찰 특성에 기여하는 니켈-실리콘 복합물이 제공되며 충분한 양으로 형성된다.
구리 합금은 미세 합금 원소(micro-alloying element)들을 추가로 포함할 수 있다. 지지층은 0.05-0.4 중량%, 바람직하게는 0.075 내지 0.25 중량%의 하나 이상의 미세 합금 원소를 바람직하게 포함한다. 가능한 미세 합금 원소로는, 예를 들어 크롬, 티타늄, 지르코늄, 아연 및 마그네슘 또는 이들의 조합이 있다.
스퍼터링된 층(sputtered layer)은 알루미늄-주석 합금, 알루미늄-주석-실리콘 합금, 알루미늄-주석-구리 합금, 알루미늄-주석-실리콘-구리 합금 또는 알루미늄-주석-니켈-망간 합금을 포함하여 구성된다.
이들 합금에 있어서, 주석 비율이 8-40 중량%, 구리 비율이 0.5-4.0 중량%, 실리콘 비율이 0.02-5.0 중량%, 니켈 비율이 0.02-2.0 중량% 및 망간 비율이 0.02-2.5 중량%인 것이 바람직하다.
라이닝의 박리로 이어지는 깨지기 쉬운 상(brittle phase)은 제시된 구리 합금과의 조합된 이들 스퍼터링된 층에 형성되지 않는다. 따라서, 중간층이 생략될 수 있으며, 이로 인해 상당한 비용 절감이 달성된다.
지지층의 두께는 바람직하게 1.2-4 mm, 바람직하게 1.3-3.5 mm, 특히 1.4-3.0 mm 이다.
라이닝의 두께는 바람직하게 4-30 ㎛, 바람직하게 8-20 ㎛, 특히 10-16 ㎛이다.
리드-인 층(lead-in layer)의 두께는 0.2-12 ㎛, 바람직하게는 0.2 내지 6 ㎛, 특히 0.2 내지 3 ㎛이다.
미끄럼 베어링 복합 재료의 바람직한 용도는 미끄럼 베어링 쉘을 위한 것이다.
예시적인 구리 합금들이다:
표 1 (수치 중량%로 표기)
Figure 112007089389817-pct00001
예시적인 공정은 아래의 공정 단계를 제공한다.
- 예를 들어, 이중 연속 주조와 같은 구리 합금의 연속 주조 단계, 상기 구리 합금은 스트립 재료를 제조하기 위해 300 mm의 너비와 10 mm의 두께를 구비하며,
- 스트립 재료의 양면 밀링(bilateral milling) 및 이어지는 와인딩(winding).
이후, 벨형 로(bell-type furnace) 내에서 4 시간 동안 650℃로 제 1 어닐링 단계가 이어진다. 이어서, 제 1 압연이 3개의 압연 단계들로 수행된다. 3개의 압연 단계 모두에 있어서, 30%의 변형이 이루어지며, 이에 의하여 두께는 제 1 압연 단계에서 5.5 mm로 감소되고, 제 2 압연 단계에서 3.8 mm로 감소되며 제 3 압연 단계에서 2.6 mm로 감소된다.
이어서, 스트립은 650℃에서 4 m/min의 이송률을 갖는 스트립 어닐링 플랜트 내에서 어닐링된다. 이어서, 40% 정도의 변형이 가해지는 압연 단계를 포함하는 제 2 압연 단계가 수행되며, 여기서 두께가 1.56 mm로 줄어든다. 이후, 95 mm 너비 × 1.56 mm 두께의 치수를 갖는 코일 슬리팅 단계가 이어진다.
스퍼터링된 층의 예는 표 2에 제시된다.
표 2 (수치 중량%로 표기)
Figure 112007089389817-pct00002
상기 라이닝 모두는 구리 합금의 지지층과 혼합될 수 있다.
이들 층 결합부 상의 리드-인 층은 순수 주석층 또는 인듐층 이외에 상기 전기도금된 층 및 플라스틱층일 수 있으며, 여기서 상기 리드-인 층은 사용된 라이닝에 비해 연성이 되도록 선택되는 것이 바람직하다. 리드-인 층은 주석, 납, 구리 또는 인듐으로 제조될 수 있거나, 또는 플라스틱 층으로서 제조될 수 있다.
본 발명은 미끄럼 베어링 복합 재료, 그 용도 및 그 제조 방법에 이용될 수 있다.

Claims (18)

  1. 0.5-5 중량%의 니켈, 0.2-2.5 중량%의 실리콘, 0.1 중량% 이하의 납 및 잔부 구리를 함유하는 구리 합금을 포함하는 지지층과,
    PVD 공정에 의해 상기 지지층에 직접 도포되는 라이닝을 구비하는, 미끄럼 베어링 복합 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구리 합금이 0.05-2 중량%의 망간을 함유하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 복합 재료.
  3. 제1항에 있어서,
    실리콘에 대한 니켈의 중량 비율이 2.5 내지 5인 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 복합 재료.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지지층이 0.05-0.4 중량%의 미세 합금 원소를 함유하고, 미세 합금 원소는 크롬, 티타늄, 지르코늄, 아연 및 마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 복합 재료.
  5. 삭제
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    라이닝은 스퍼터링에 의해 도포되는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 복합 재료.
  7. 제6항에 있어서,
    스퍼터링된 층은 알루미늄-주석 합금, 알루미늄-주석-실리콘 합금, 알루미늄-주석-구리 합금, 알루미늄-주석-실리콘-구리 합금 또는 알루미늄-주석-니켈-망간 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 복합 재료.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 합금에 있어서, 주석 비율이 8-40 중량%, 구리 비율이 0.5-4.0 중량%, 실리콘 비율이 0.02-5.0 중량%, 니켈 비율이 0.02-2.0 중량% 및 망간 비율이 0.02-2.5 중량%인 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 복합 재료.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    리드-인 층(lead-in layer)이 라이닝 상에 제공되는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 복합 재료.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 리드-인 층은 주석, 납, 구리 또는 인듐으로 제조되거나 또는 플라스틱 층으로서 제조되는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 복합 재료.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    지지층의 두께가 1.2-4 mm인 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 복합 재료.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 라이닝의 두께가 4-30 ㎛인 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 복합 재료.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 리드-인 층의 두께가 0.2 내지 12 ㎛인 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 복합 재료.
  14. 제1항에 따른 미끄럼 베어링 복합 재료로부터 제조되는 미끄럼 베어링 쉘.
  15. 미끄럼 베어링 부재용 스트립 재료를 제조하기 위한 방법으로서, 다음의 단계들:
    - 제1항에 따른 구리 합금으로부터 스트립 재료를 제조하는 단계,
    - 상기 스트립 재료를 열-기계가공 처리하는 단계를 포함하며,
    상기 열-기계가공 처리 단계는, 다음의 단계들:
    - 3시간 이상의 기간 동안 500℃ 이상의 온도에서 상기 스트립 재료의 1회 이상의 제1 어닐링 단계,
    - 20% 이상의 변형도가 이행되는 상기 스트립 재료의 1회 이상의 제1 압연 단계,
    - 500℃ 이상의 온도에서 1회 이상의 제2 어닐링 단계, 및
    - 30% 이상의 변형도가 이행되는 상기 스트립 재료의 1회 이상의 제2 압연 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트립 재료 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 어닐링 단계는 500℃를 초과하는 온도에서 3 m/min 이상의 이송률을 갖는 스트립 어닐링 플랜트에서 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 스트립 재료 제조 방법.
  17. 미끄럼 베어링 부재를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    스트립 재료가 제15항 또는 제16항에 따라 제조되며,
    박판강이 상기 스트립 재료로부터 분리되며,
    이러한 박판강은 미끄럼 베어링 부재를 제공하기 위해 변형되며,
    라이닝이 스퍼터링에 의해 도포되는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 부재 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    리드-인 층은 상기 라이닝을 스퍼터링 한 이후에 도포되는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 부재 제조 방법.
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