KR101328083B1

KR101328083B1 - 슬라이딩 부재

Info

Publication number: KR101328083B1
Application number: KR1020127020187A
Authority: KR
Inventors: 히로유키 아사쿠라; 사토시 다카야나기; 미키히토 야스이
Original assignee: 다이도 메탈 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2013-11-13
Also published as: JP5243468B2; WO2011096524A1; US20120277131A1; DE112011100456B4; JP2011163382A; KR20120112693A; GB201213852D0; GB2492673A; DE112011100456T5

Abstract

Bi 또는 Bi 합금을 포함하여 이루어지는 Bi계 입자(14)들을 함유하는 오버레이층(13)을 구비한 슬라이딩 부재가 개시되어 있다. 상기 Bi계 입자(14)들의 장축을 X라고 하고, 단축을 Y라고 하며, 종횡비 Z = X÷Y라고 한다. 상술된 Bi계 입자들은 Z<2을 충족시키는 제1의 Bi계 입자들, 2≤Z<3을 충족시키는 제2의 Bi계 입자들, 또는 3≤Z를 충족시키는 제3의 Bi계 입자들 중 어느 하나로서 분류된다. Bi계 입자들의 총입자수에 대하여, 제1의 Bi계 입자들의 비율을 a% 라고 하고, 제2의 Bi계 입자들의 비율을 b% 라고 하며, 제3의 Bi계 입자들의 비율을 c% 라고 하고, a÷b = d, 및 a÷c = e 라고 하면, 상기 슬라이딩 부재는 a≥30, 0.5≤d≤6.0, 및 0.5≤e≤6.0을 충족시킨다.

Description

슬라이딩 부재{SLIDING MEMBER}

본 발명은 Bi 또는 Bi 합금으로 이루어지는 Bi계 입자들을 포함하는 오버레이층(overlay layer)을 가지는 슬라이딩 부재에 관한 것이다.

슬라이딩 부재들 가운데, 자동차 등의 내연기관에 사용되는 슬라이딩 베어링은, 예를 들면 스틸(steel)로 제조된 백메탈층(back metal layer), 및 상기 백메탈층 상의 Cu 합금 또는 Al 합금으로 제조된 베어링합금층으로 구성되어 있는 베이스(base)를 구비한다. 일반적으로는, 내피로성(fatigue resistance) 또는 내용착성(seizure resistance) 등의 베어링 특성들을 향상시키기 위하여 상기 베이스 상에 오버레이층이 제공된다.

상기 오버레이층은 종래 연질의 Pb 합금으로 형성되어 있다. 최근에는, Pb가 환경 부담이 크므로, Pb의 대체재(alternate material)로서, Bi를 사용하는 것이 제안되어 왔다. Bi가 브리틀(brittle)하다는 성질이 있으므로, 일반적으로 Bi로 제조된 오버레이층을 가지는 슬라이딩 베어링은 Pb 합금으로 형성되는 것들에 비해 열등한 내피로성 및 내용착성을 가진다는 문제점이 있다.

이러한 이유로, 예를 들어 특허문헌 1에서는 오버레이층을 형성하는 Bi 또는 Bi 합금이 기둥모양의 입자(columnar grain)들을 가진다고 개시하고 있다. 특허문헌 1의 기둥모양의 입자들은, 상기 베이스의 표면으로부터 실질적으로 수직 방향으로 성장한 결정 조직들, 다시 말해, 오버레이층의 두께 방향으로 긴 결정 입자들을 말한다. 특허문헌 1에 의하면, 크랭크샤프트 등의 슬라이딩 상대(sliding mate)인 샤프트의 하중은, Bi 또는 Bi 합금의, 길이 방향으로 지향되는 입자들에 의해 지지되어, 상기 오버레이층의 내피로성의 향상을 도모하고 있다. 나아가, 특허문헌 1에 의하면, 상기 오버레이층의 슬라이딩면 상에 Bi 입자들의 슬라이딩면측에서의 돌기부들에 의해 조밀한 요철면(dense concave-convex surface)이 형성됨으로써, 상기 슬라이딩면의 오목부들에 윤활제가 유지되어, 상기 오버레이층의 내용착성의 개선을 도모하고 있다.

특허문헌 1 : JP-A-2006-266445

최근 내연기관들의 분야에서는, 연비 향상을 위하여 커넥팅 로드(connecting rod)의 벽 두께를 저감하여 경량화를 도모하고 있다. 커넥팅 로드의 벽 두께가 저감되므로, 상기 커넥팅 로드의 강성 저하로 인하여, 상기 커넥팅 로드가 변형되기 쉬워진다. 따라서, 상기 커넥팅 로드에서의 슬라이딩 베어링도 변형되기 쉬워져, 상기 변형의 반복들로 인하여, 상기 슬라이딩 베어링에 피로가 발생하게 된다.

나아가, 연비 향상을 위하여 점성이 낮은 윤활유가 사용되는 경우, 상대 샤프트로부터의 하중으로 인하여 상기 윤활유의 오일막이 파손되기 쉬워진다. 따라서, 윤활유가 그 사이에 없으면서 상기 슬라이딩 베어링의 슬라이딩면과 상대 샤프트가 접촉하게 되어, 용착이 발생할 수도 있다는 문제점이 발생하게 된다.

그러므로, 종래의 구성보다도 내피로성 및 내용착성이 우수한 슬라이딩 부재가 요구된다.

본 발명은 상기 사정들을 고려하여 이루어진 것이다. 본 발명의 목적은, Bi 또는 Bi 합금으로 이루어지는 Bi계 입자들을 포함하는 오버레이층을 가지고, 내피로성 및 내용착성이 우수한 슬라이딩 부재를 제공하는 것이다.

본 발명자들은, Bi 또는 Bi 합금으로 이루어지는 Bi계 입자들을 포함하는 오버레이층에 있어서 Bi계 입자들의 형상에 주목하여, 그들 자체의 실험들에 전념하였다. 그 결과, 본 발명자들은, 3가지 종류의 Bi계 입자들의 비율이 소정의 범위 내에 있는 경우에 내피로성 및 내용착성이 우수한 슬라이딩 부재가 얻어진다는 인식을 얻었는데, 여기서 상기 오버레이층 내의 Bi계 입자들은 3가지 종류의 형상으로 분류되어 있다.

상기 인식에 기초하여, 본 발명자들은 이하의 발명을 고안하였다.

본 발명의 슬라이딩 부재는 베이스, 및 상기 베이스 상에 있고 Bi 또는 Bi 합금으로 이루어지는 Bi계 입자들을 함유하고 있는 오버레이층을 구비한다. 상기 오버레이층을 두께 방향을 따라 절단한 단면에 있어서, 상기 Bi계 입자들의 장축은 X로 표현된 길이를 가지고, 상기 장축의 중점의 위치에서 상기 장축 X에 직교하는 단축은 Y로 표현된 길이를 가진다. 종횡비 Z는 X/Y로 정의된다. 상기 Bi계 입자들은, Z<2를 충족시키는 제1의 Bi계 입자들, 2≤Z<3을 충족시키는 제2의 Bi계 입자들, 및 3≤Z를 충족시키는 제3의 Bi계 입자들 중 어느 하나로 분류된다. 상기 Bi계 입자들의 총입자수에 대한 상기 제1의 Bi계 입자들의 입자수의 비율은 a%로 표현되고, 상기 제2의 Bi계 입자들의 입자수의 비율은 b%로 표현되며, 상기 제3의 Bi계 입자들의 입자수의 비율은 c%로 표현되고, a/b는 d로 표현되며, a/c는 e로 표현된다. 그리고, 본 발명의 슬라이딩 부재는 하기 공식: a≥30; 0.5≤d≤6.0; 및 0.5≤e≤6.0을 만족한다.

본 명세서에서 말하는 "베이스"는, 슬라이딩 부재의 일부로서, 오버레이층을 지지하는 부분을 나타낸다. 예를 들면, 백메탈층 상에 베어링합금층이 형성되고, 상기 베어링합금층과 상기 오버레이층 간에 접착층(bonding layer)으로서의 중간층이 개재되어 있는 경우, 상기 베이스는 백메탈층, 베어링합금층 및 중간층을 포함한다. 나아가, 백메탈층 상에 베어링합금층이 형성되고, 상기 베어링합금층 상에 오버레이층이 제공되어 있는 경우에는, 상기 베이스가 백메탈층 및 베어링합금층을 포함한다. 또한, 백메탈층 상에 직접적으로 오버레이층이 제공되어 있는 경우에는, 상기 베이스가 백메탈층을 포함한다.

상기 베어링합금층은, Al계 베어링합금층, Cu계 베어링합금층, 또는 기타의 금속들로 형성된다. 상기 오버레이층에는 Bi계 입자들이 포함되어 있다. 상기 Bi계 입자들은 Bi 또는 Bi 합금으로 이루어지는 입자들이다. 상기 Bi 합금은 예컨대 Bi-Cu 합금, Bi-Sn 합금, 또는 Bi-Sn-Cu 합금을 포함한다.

상기 백메탈층, 상기 베어링합금층, 상기 중간층, 및 상기 오버레이층은, 상기 요소 이외의 요소들을 함유할 수도 있다. 그들은 불가피한 불순물들을 함유할 수도 있다.

상기 오버레이층의 단면의 관찰은, 투과 전자 현미경, 주사 전자 현미경, FIB/SIM(focus ion beam/scanning ion microscope), EBSP(electron backscatter diffraction analysis image process) 또는 입자들을 관찰할 수 있게 하는 그 밖의 수단을 이용하여 행하여진다. 관찰 시야(observed field of view)는 5㎛×5㎛ 이고, 이 경우의 측정 배율은 25,000배인 것이 바람직하다.

이하, 오버레이층을 두께 방향으로 절단한 단면에 있어서의 Bi계 입자들의 형상 및 사이즈를 설명하기로 한다. 본 명세서에서 말하는 "두께 방향"은, 상기 오버레이층측에 있는 면이 수평면으로 간주되는 경우, 상기 베이스의 표면에 수직인 방향을 나타낸다. 본 발명에 따르면, 상기 오버레이층 내의 Bi계 입자들은 3가지 종류의 형상으로 분류되었다.

구체적으로는, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 오버레이층 내의 Bi계 입자들의 장축의 길이가 X로 표현되고, 단축의 길이는 Y로 표현되며, X/Y는 종횡비 Z로 결정되는 경우, 상기 Bi계 입자들은, Z<2를 충족시키는 제1의 Bi계 입자들, 2≤Z<3을 충족시키는 제2의 Bi계 입자들, 및 3≤Z를 충족시키는 제3의 Bi계 입자들 중 어느 하나로 분류된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 장축 X는 Bi계 입자에서의 최대 길이가 얻어지도록 그려진 직선을 나타낸다. 상기 단축 Y는, 장축의 중점에서 상기 장축 X에 대하여 직교하도록 그려진 직선이다. 상기 장축 X 및 상기 단축 Y는, 상기 오버레이층의 단면을 상기 전자 현미경 등에서 관찰하고, 상기 Bi계 입자의 크기를 실제로 측정함으로써 얻어진다.

본 명세서에서 말하는 "종횡비"는, 상술된 바와 같이 장축의 길이 X를 단축의 길이 Y로 나누어 얻어진 값을 나타낸다. 예를 들면, 입자가 구형이면, 장축 X 및 단축 Y는 동일한 길이를 가지고, 상기 종횡비 Z가 1이 된다. 본 발명에 따라 상술된 바와 같이 Bi계 입자들이 3가지 형상들로 분류되는 경우, 상기 제1의 Bi계 입자들은 구에 가장 가까운 형상을 가진다.

본 발명에 따르면, Bi계 입자들의 총입자수에 대한 제1의 Bi계 입자들의 입자수의 비율이 a%로 표현되고, 제2의 Bi계 입자들의 입자수의 비율은 b%로 표현되며, 제3의 Bi계 입자들의 입자수의 비율은 c%로 표현되고, 종횡비 a/b의 비율로서 비율 "d"가 결정되며, 종횡비 a/c의 비율로서 비율 "e"가 결정되는 경우, 상기 Bi계 입자들의 크기는 a≥30, 0.5≤d≤6.0, 및 0.5≤e≤6.0을 충족시키도록 조정된다.

상기 "Bi계 입자들의 총입자수" 용어는, 상기 제1의 Bi계 입자들, 상기 제2의 Bi계 입자들, 및 상기 제3의 Bi계 입자들의 총입자수를 나타낸다. 상기 Bi계 입자들(제1의 Bi계 입자들, 제2의 Bi계 입자들, 및 제3의 Bi계 입자들)의 입자수는, 상기 오버레이층의 단면을 상기 전자 현미경 등으로 관찰하고, 입자수를 실제로 계수함으로써 얻어진다.

상기 제1의 Bi계 입자들의 입자수의 비율이 "a≥30" 이라는 것은, 상기 Bi계 입자들의 총입자수에 대한 상기 제1의 Bi계 입자들의 입자수의 비율이 30% 이상이라는 것을 의미한다.

상기 오버레이층의 슬라이딩면에 상대 부재로부터의 하중이 인가되는 경우, 상기 하중은 상기 Bi계 입자들에 의해 지지된다. 상기 Bi계 입자들 가운데 상기 제1의 Bi계 입자들은, 상기 인가된 하중에 의해 하방향 및 좌우방향으로 변형되기 쉽다. 따라서, 상기 오버레이층의 슬라이딩면은 상기 하중이 인가되는 부분의 부근에서 변형되기 쉽게 된다. 이에 따라, 상기 슬라이딩 부재의 친화성(conformability)이 향상된다. 그 결과, 상기 슬라이딩 부재의 오버레이층은, 상대 부재로부터의 하중을 쉽게 분산시킬 수 있게 되고, 상대 부재가 상기 오버레이층에 대하여 국부적으로 맞닿은 경우 상기 상대 부재에 대한 영향들을 저감시킬 수 있게 된다.

상기 종횡비의 레이트(rate) "0.5≤d≤6.0"이란, 상기 제1의 Bi계 입자들의 입자수가 상기 제2의 Bi계 입자들의 입자수의 0.5배 내지 6.0배라는 것을 의미한다. 상기 제2의 Bi계 입자들의 종횡비 Z는 상기 제1의 Bi계 입자들의 종횡비보다 크기 때문에, 상기 제2의 Bi계 입자들은 상기 제1의 Bi계 입자들보다 더욱 세장형(elongated shape)이다. 상기 제2의 Bi계 입자들이 상기 오버레이층에 분포되는 경우에는, 상기 제2의 Bi계 입자들의 장축 X가 상기 오버레이층에서의 두께 방향을 따라 지향될 확률이 커진다. 이 경우, 상기 오버레이층의 슬라이딩면에 상대 부재로부터의 하중이 인가되면, 상기 하중은 제2의 Bi계 입자들의 슬라이딩면측에 있는 면(이하, 슬라이딩면측에 있는 면을 "상단면"이라고 함)들에 의해 쉽게 지지된다. 따라서, 상기 제2의 Bi계 입자들의 상단면으로부터 상기 베이스의 두께 방향으로 상기 베이스측을 향하여 하중이 인가되면, 상기 제2의 Bi계 입자에는 길이 방향으로 압축력이 인가된다. 하지만, 상기 제2의 Bi계 입자의 길이방향 강도가 크기 때문에, 상기 제2의 Bi계 입자는 상기 길이 방향으로 변형되기 어렵다.

상기 종횡비의 레이트 "0.5≤e≤6.0"은, 상기 제1의 Bi계 입자들의 입자수가 제3의 Bi계 입자들의 입자수의 0.5배 내지 6.0배인 것을 나타낸다. 상기 제3의 Bi계 입자들의 종횡비 Z는 상기 제2의 Bi계 입자들의 종횡비보다 더 크기 때문에, 상기 제3의 Bi계 입자들은 상기 제2의 Bi계 입자들보다 더욱 세장형이다. 또한, 상기 제3의 Bi계 입자들은 상기 제2의 Bi계 입자들과 유사하게 작용한다. 특히, 상기 제3의 Bi계 입자들은 상기 제2의 Bi계 입자들보다 더욱 세장형이기 때문에, 상기 제3의 Bi계 입자들은 상기 제2의 Bi계 입자들에 비해 한층 더 변형되기 쉽지 않다. 이와 같이, Z<2를 충족시키는 제1의 Bi계 입자, 2≤Z<3을 충족시키는 제2의 Bi계 입자들, 및 3≤Z를 충족시키는 제3의 Bi계 입자들을 가지고, 또한 a≥30%, 0.5≤d≤ 6.0, 및 0.5≤e≤6.0을 충족시키는 경우에는, 슬라이딩 부재가 우수한 내피로성 및 내용착성을 가진다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 슬라이딩 부재는 35≤a≤70, 0.8≤d≤4.0, 및 0.8≤e≤4.0을 충족시킨다.

35≤a≤70, 0.8≤d≤4.0, 및 0.8≤e≤4.0인 경우, 보다 개선된 내피로성 및 내용착성을 얻을 수 있게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 베이스는 백메탈층, 상기 백메탈층 상의 베어링합금층, 및 상기 베어링합금층 상의 중간층을 포함하고, 상기 중간층은 Ni, Ni 합금, Ag, Ag 합금, Co, Co 합금, Cu 및 Cu 합금 중 어느 하나를 함유한다. 예를 들면, 상기 Ni 합금은 Ni-Sn 합금을 포함한다.

본 실시예에 있어서, 백메탈층, 백메탈층 상의 베어링합금층, 및 상기 베어링합금층 상의 중간층을 포함하는 상기 베이스 상에는 오버레이층이 제공된다. 상기 베이스는 베어링합금층을 포함하기 때문에, 상기 슬라이딩 부재는 상기 베어링합금층의 베어링 성능을 가진다. 나아가, 상기 베어링합금층과 상기 오버레이층 간의 접착층으로서 상기 중간층이 제공되기 때문에, 상기 오버레이층이 상기 베이스로부터 벗겨져버리는(peeling off) 것을 최대한 방지할 수 있게 된다. Ni 등으로 제조된 중간층은, 상기 베어링합금층 및 상기 오버레이층에 강하게 접착될 수 있다. 이는 상기 오버레이층이 상기 베이스로부터 벗겨져버리는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

Bi 또는 Bi 합금으로 이루어지는 Bi계 입자들을 함유하고 있는 오버레이층이 베이스 상에 Bi 전기도금을 이용하여 형성되는 경우, 본 발명자들은 상기 Bi 전기도금 시 상기 베이스의 표면에 전류 밀도의 미소한 조밀(minute coarseness and fineness)을 생기게 하여 상기 오버레이층 내의 Bi계 입자들의 형상이 변경될 수 있다는 것을 밝혀냈다. 본 발명자들은, 상기 베이스 상에 오버레이층을 형성하기 위한 Bi 전기도금 시, 미소한 기포인 마이크로나노버블을 상기 베이스의 표면에 공급함으로써, 전류 밀도의 미소한 조밀이 이루어질 수 있다는 것을 확인하였다. 이에 따라, 제1의 Bi계 입자들, 제2의 Bi계 입자들, 및 제3의 Bi계 입자들을 상기 오버레이층에 분포시킬 수 있게 된다.

상기 마이크로나노버블의 발생 방법으로는, 예컨대 이젝터(ejector) 타입, 캐비테이션(cavitation) 타입, 선회(turning) 타입, 가압 용해(pressure dissolution) 타입, 초음파(ultrasonic) 타입, 또는 미세구멍(micropore) 타입 등을 들 수 있다. 상기 마이크로나노버블들은 직경이 500nm 내지 1000nm인 것이 바람직하다. 상기 마이크로나노버블들의 직경이 1000nm 이하인 경우에는, 상기 베이스의 표면에 전류 밀도의 미소한 조밀이 형성되는 경향이 있고, 형상들이 상이한 Bi계 입자들을 용이하게 형성시킬 수 있게 된다. 또한, Bi계 입자들의 형상을 제어하는 방법이 상술된 방법에 한정되지 않는다는 점에 유의한다.

또한 내피로성의 향상의 관점에서, 상기 오버레이층 내의 탄소량은 0.2 mass% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1 mass% 이하이다. 본 발명자들은, 실험들을 통하여, 상기 오버레이층 내의 Bi계 입자들의 경계부들에 탄소가 존재하는 경우에 탄소량이 증가함에 따라 상기 오버레이층(13)이 취약해지고, 상기 오버레이층의 내피로성이 저하하는 경향이 있는 것을 확인하였다. 본 발명자들은 또한 실험들을 통하여, 상기 오버레이층 내의 탄소량이 적을수록, 피로가 발생하지 않는 최대 비하중이 높아진다는 것도 확인하였다. 예를 들어, 본 발명자들은 상기 오버레이층 내의 탄소량이 0.2 mass%인 슬라이딩 부재에서 피로가 발생하지 않는 최대 비하중들은, 그 오버레이층 내의 탄소량이 0.2 mass%를 초과하는 슬라이딩 부재에서 보다 더 높은 5 내지 10 MPa인 것을 확인하였다.

일반적으로, 상기 오버레이층 내의 탄소량은 Bi 전기도금액 내의 첨가제의 양에 비례한다. 상기 첨가제는, 상기 오버레이층의 균일한 전착성(electrodepositability) 등의 막의 안정성을 향상시키기 위해서 필수적이다. 본 발명자들은 또한 상기 오버레이층 내의 탄소량을 저감하기 위한 마이크로나노버블 방법을, 예를 들면 Bi 전기도금에서 채택하여, 상기 첨가제의 양이 종래에 비해 저감되는 경우에도, 상기 베이스에 대한 막의 안정성이 우수한 오버레이층이 얻어지는 것도 확인하였다.

본 발명자들은, 실험들을 통하여, 상기 슬라이딩 부재의 내피로성의 향상의 관점에서는, 베이스 및 상기 베이스 상에 있고 Bi 또는 Bi 합금으로 이루어지는 Bi계 입자들을 함유하고 있는 오버레이층을 구비한 슬라이딩 부재에 있어서, Miller 지수의 관점에서 (012)면의 배향 지수(orientation index)는 상기 오버레이층에서 14% 이하인 것이 바람직하다는 것을 확인하였다. 상기 실험들에 따르면, 상기 오버레이층의 (012)면의 배향 지수가 더욱 작아지는 경우, 피로가 발생하지 않는 최대 압력이 증가하였다. 상기 배향 지수는, 상기 오버레이층 내의 Bi 또는 Bi 합금의 결정의 각 면의 X선 회절 강도가 R(hkl)로 표시되는 경우에, 배향 지수 = R(012)×100 / ΣR(hkl)로 정의된다. 이 식에 있어서, R(012)은 (012)면의 X선 회절 강도이고, ΣR(hkl)은 모든 면의 X선 강도의 합계이다.

상기 (012)면의 배향 지수가 14% 이하가 되는 오버레이층은, 예를 들면 Bi 전기도금을 수행하는 동안에 도금액에 미소기포인 마이크로나노버블들을 공급하고, 그 공급량을 일정 시간 간격으로 변화시킴으로써 얻어진다. 구체적으로는, Bi 전기도금액에 마이크로나노버블들을 5 내지 60초의 간격으로 50 mL/minute 내지 10 L/minute로 공급량을 변화시키면서 공급함으로써, 상기 오버레이층의 (012)면의 배향 지수가 14% 이하가 되었다.

또한, 상기 마이크로나노버블들을 수반하는 방법 이외의 방법들에 의해서도, 상기 (012)면의 배향 지수가 14% 이하가 되는 오버레이층이 얻어질 수도 있다.

본 발명에 따르면, Bi 또는 Bi 합금으로 이루어지는 Bi계 입자들을 포함하는 오버레이층을 가지고, 내피로성 및 내용착성이 우수한 슬라이딩 부재를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이딩 부재를 개략적으로 도시한 단면도; 및
도 2는 오버레이층 내의 Bi계 입자의 장축 X 및 단축 Y를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 슬라이딩 부재의 일 실시예를 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 슬라이딩 재료(11)는, 베이스(12) 및 상기 베이스(12) 상의 오버레이층(13)을 포함한다. 본 명세서에서 말하는 "베이스"란, 상기 오버레이층(13)을 지지하는 슬라이딩 부재의 부분을 나타낸다. 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이, 백메탈층(12a) 상에 베어링합금층(12b)이 제공되고, 상기 베어링합금층(12b)과 상기 오버레이층(13) 사이에는 접착층으로서 중간층(12c)이 제공되는 경우에는, 상기 베이스(12)가 상기 백메탈층(12a), 상기 베어링합금층(12b) 및 상기 중간층(12c)의 3개의 층들을 포함한다. 나아가, 상기 백메탈층(12a) 상에 베어링합금층(12b)이 제공되고, 상기 베어링합금층(12b) 상에 오버레이층(13)이 제공되는 경우에는, 상기 베이스(12)가 상기 백메탈층(12a) 및 상기 베어링합금층(12b)의 2개의 층들을 포함한다. 또한, 백메탈층(12a) 상에 직접 오버레이층(13)이 제공되는 경우에는, 상기 베이스(12)가 백메탈층(12a)이다.

상기 베어링합금층(12b)은, Al계 베어링합금, Cu계 베어링합금, 또는 기타 금속으로 형성된다. 상기 오버레이층(13)에는 Bi계 입자(14)들이 포함되어 있다. 상기 Bi계 입자(14)들은 Bi 또는 Bi 합금으로 이루어지는 결정 입자들이다. 상기 Bi 합금은 Bi-Cu 합금, Bi-Sn 합금, 또는 Bi-Sn-Cu 합금 등을 포함한다.

상기 백메탈층(12a), 상기 베어링합금층(12b), 및 상기 오버레이층(13)은, 상술된 요소들 이외의 요소들을 함유할 수도 있을 뿐만 아니라, 불가피한 불순물들을 함유할 수도 있다.

상기 오버레이층(13)의 단면은, 투과 전자 현미경, 주사 전자 현미경, FIB/SIM(a focus ion beam/scanning ion microscope), EBSP(the electron backscatter diffraction analysis image process) 또는 결정 입자들을 관찰할 수 있게 하는 그 밖의 수단을 이용하여 관찰될 수도 있다. 관찰 시야는 5㎛×5㎛ 이고, 이 경우의 측정 배율은 25,000배인 것이 바람직하다. 도 2는 오버레이층(13)을 두께 방향을 따라 절단하여 얻어진 단면에서의 Bi계 입자(14)를 개략적으로 도시하고 있다. 여기에서 말하는 "두께 방향"은, 상기 베이스(12)의 면들 가운데 상기 오버레이층(13)측에 있는 면을 이 수평면으로 간주하는 경우에, 상기 베이스(12)의 수평면에 대하여 수직 방향을 나타낸다.

본 발명에 따르면, 상기 오버레이층(13) 내의 Bi계 입자(14)들이 3가지 종류의 형상으로 분류되었다.

구체적으로는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 오버레이층(13) 내의 Bi계 입자(14)들의 장축의 길이가 X로 표시되고, 단축의 길이가 Y로 표시된다. 종횡비 Z는 X/Y로 정의된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 Bi계 입자들은, Z<2를 충족시키는 제1의 Bi계 입자(14a)들, 2≤Z<3을 충족시키는 제2의 Bi계 입자(14b)들, 및 3≤Z를 충족시키는 제3의 Bi계 입자(14c)들 중 어느 하나로 분류되었다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 장축 X는 Bi계 입자(14)의 최대 길이가 얻어지도록 그려진 직선을 말한다. 상기 단축 Y는 상기 장축 X의 중점에서 장축 X에 대하여 직교하도록 그려진 직선이다. 상기 장축 X 및 상기 단축 Y는 상기 오버레이층(13)의 단면을 전자 현미경 등으로 관찰하고, 상기 Bi계 입자(14)의 크기를 실제로 측정함으로써 얻어진다.

본 명세서에서 말하는 "종횡비"는 장축 X를 단축 Y로 나누어 얻어진 값을 나타낸다. 예를 들어, 입자가 구형이면, 장축 X 및 단축 Y는 동일한 길이를 가지고, 종횡비 Z는 1이 된다. 본 발명에 있어서, Bi계 입자(14)들이 3개의 형상들로 분류되는 경우, 제1의 Bi계 입자(14a)들은 구에 가장 가까운 형상을 가진다.

본 발명에서는, Bi계 입자들의 총입자수에 대한 제1의 Bi계 입자(14a)들의 입자수의 비율이 a%로 표현되고, 제2의 Bi계 입자(14b)들의 입자수의 비율은 b%로 표현되며, 제3의 Bi계 입자(14c)들의 비율은 c%로 표현되고, 종횡비 a/b의 비율로서 "d"로 표현되며, 종횡비 a/c의 비율로서 "e"로 표현된다. 상기 Bi계 입자들의 크기는 a≥30, 0.5≤d≤6.0, 및 0.5≤e≤6.0이 충족되는 것을 보장하도록 조정된다.

상기 "Bi계 입자(14)들의 총입자수"는, 상기 제1의 Bi계 입자(14a)들, 상기 제2의 Bi계 입자(14b)들, 및 상기 제3의 Bi계 입자(14c)들의 총입자수이다. 상기 Bi계 입자(14)들(제1의 Bi계 입자(14a)들, 제2의 Bi계 입자(14b)들, 및 제3의 Bi계 입자(14c)들)의 입자수는, 상기 오버레이층(13)의 단면을 상술된 전자 현미경 등으로 관찰하고, 그 입자수를 실제로 계수함으로써 얻어진다.

본 발명에 따르면, "a≥30"은 상기 Bi계 입자(14)들의 총입자수에 대한 상기 제1의 Bi계 입자(14a)들의 입자수의 비율이 30% 이상이라는 것을 보여준다.

상기 오버레이층(13)의 슬라이딩면에 상대 부재로부터의 하중이 인가되는 경우, 상기 하중은 상기 Bi계 입자(14)들에 의해 지지된다. 상기 Bi계 입자(14)들 가운데 상기 제1의 Bi계 입자(14a)들은, 상기 인가된 하중에 의해 하방향 및 좌우방향으로 변형되기 쉽다. 따라서, 상기 오버레이층(13)의 슬라이딩면은 하중-인가부(load-applied portion)의 부근에서 변형되기 쉬워, 상기 슬라이딩 부재(11)의 친화성이 향상된다. 그 결과, 상기 슬라이딩 부재(11)의 오버레이층(13)은, 상대 부재로부터 받는 하중을 쉽게 분산시킬 수 있게 되고, 상대 부재가 오버레이층(13)에 대하여 국부적으로 맞닿은 경우의 영향들을 저감시킬 수 있게 된다.

본 발명에 따르면, "0.5≤d≤6.0"은, 상기 제1의 Bi계 입자(14a)들의 입자수가 상기 제2의 Bi계 입자(14b)들의 입자수의 0.5배 내지 6.0배라는 것을 보여준다. 상기 제2의 Bi계 입자(14b)들의 종횡비 Z는 상기 제1의 Bi계 입자(14a)들의 종횡비보다 크기 때문에, 상기 제2의 Bi계 입자(14b)들은 상기 제1의 Bi계 입자(14a)들보다 더욱 세장형이다. 상기 제2의 Bi계 입자(14a)들이 상기 오버레이층(13)에 분포되는 경우에는, 상기 제2의 Bi계 입자(14b)들의 장축 X가 상기 오버레이층(13)의 두께 방향을 따라 연장될 확률도 높다. 이 경우, 상기 오버레이층(13)의 슬라이딩면에 상대 부재로부터의 하중이 인가되면, 상기 하중은 제2의 Bi계 입자(14b)들의 슬라이딩면측에 있는 면(이하, 슬라이딩면측에 있는 면을 "상단면"이라고 함)들에 의해 쉽게 지지되는 경향이 있다. 따라서, 상기 제2의 Bi계 입자(14b)들의 상단면으로부터 상기 베이스(12)의 두께 방향으로 상기 베이스(12)측을 향하여 하중이 인가되면, 상기 제2의 Bi계 입자(14b)에는 길이 방향으로 압축력이 인가된다. 하지만, 상기 제2의 Bi계 입자(14b)의 길이방향으로의 고강도로 인하여, 상기 제2의 Bi계 입자(14b)는 상기 길이 방향으로 변형되기 어렵다.

본 발명에 따르면, "0.5≤e≤6.0"은, 상기 제1의 Bi계 입자(14a)들의 입자수가 제3의 Bi계 입자(14c)들의 입자수의 0.5배 내지 6.0배인 것을 보여준다. 상기 제3의 Bi계 입자(14c)들의 종횡비 Z는 상기 제2의 Bi계 입자(14b)들의 종횡비보다 더 크기 때문에, 상기 제3의 Bi계 입자(14c)들은 상기 제2의 Bi계 입자(14b)들보다 더욱 세장형이다. 또한, 상기 제3의 Bi계 입자(14c)들은 상기 제2의 Bi계 입자(14b)들과 유사하게 작용한다. 특히, 상기 제3의 Bi계 입자(14c)들은 상기 제2의 Bi계 입자(14b)들보다 더욱 세장형이기 때문에, 상기 제3의 Bi계 입자(14c)들은 상기 제2의 Bi계 입자(14b)들에 비해 한층 더 변형되기 쉽지 않다. 따라서, Z<2를 충족시키는 제1의 Bi계 입자(14a), 2≤Z<3을 충족시키는 제2의 Bi계 입자(14b)들, 및 3≤Z를 충족시키는 제3의 Bi계 입자(14c)들 모두를 가지면서, a≥30%, 0.5≤d≤ 6.0, 및 0.5≤e≤6.0을 충족시킴으로써, 슬라이딩 부재가 우수한 내피로성 및 내용착성을 획득하게 된다.

도 1에 도시된 실시예에 있어서는, 상술된 바와 같이, 본 발명은 백메탈층(12a), 상기 백메탈층(12a) 상의 베어링합금층(12b), 및 상기 베어링합금층(12b) 상의 중간층(12a)을 구비한 베이스(12) 상에 오버레이층(13)이 제공된 슬라이딩 부재(11)에 적용가능하다. 상기 베이스(12) 내에 상기 베어링합금층(12b)이 포함되기 때문에, 상기 베어링합금층(12b)의 베어링 특성들을 얻을 수 있게 된다. 나아가, 베어링합금층(12b)과 오버레이층(13) 사이에 접착층으로서의 중간층(12c)이 제공되기 때문에, 상기 오버레이층(13)이 상기 베이스(12)로부터 벗겨져버리는 것을 최대한 방지할 수 있게 된다. Ni, Ni 합금, Ag, Ag 합금, Co, Co 합금, Cu 및 Cu 합금 중 어느 하나를 함유하는 상기 중간층(13c)은, 상기 베어링합금층(12b) 및 상기 오버레이층(13)에 강하게 접착될 수 있다. 이는 오버레이층(13)이 베이스(12)로부터 벗겨져버리는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

Bi 전기도금에 의해, Bi 또는 Bi 합금으로 이루어진 Bi계 입자(14)들을 함유하는 오버레이층(13)이 베이스(12) 상에 형성되는 경우에는, 본 발명자들은 상기 베이스(12)의 표면에 전류 밀도의 미소한 조밀을 생기게 하면서 Bi 전기도금을 행함으로써, 상기 오버레이층(13) 내의 Bi계 입자(14)들의 형상이 변경될 수 있다는 것을 밝혀냈다. 즉, 본 발명자들은 상기 베이스(12) 상에 오버레이층(13)을 형성하기 위한 Bi 전기도금을 행하는 동안, 미소한 기포인 마이크로나노버블들이 상기 베이스(12)의 표면에 공급되고, 상기 베이스(12)의 표면에 전류 밀도의 미소한 조밀이 생기게 되어, 제1의 Bi계 입자(14a)들, 제2의 Bi계 입자(14b)들, 및 제3의 Bi계 입자(14c)들을 상기 오버레이층(13) 내에 분포되도록 할 수 있다는 것을 확인하였다.

예시들

일반적으로, 슬라이딩 부재인 슬라이딩 베어링은 다음과 같이 얻어진다. 스틸로 제조되는 백메탈층 상에 Cu 합금 또는 Al 합금으로 제조되는 베어링합금층이 제공되고, 상기 베어링합금층 상에 필요에 따라 중간층이 제공되어 베이스를 구성하게 된다. 상기 베이스 상에는, 오버레이층이 형성된다.

본 발명의 슬라이딩 부재(슬라이딩 베어링)는 다음과 같이 얻어진다. 본 발명의 슬라이딩 부재(슬라이딩 베어링)의 효과들을 확인하기 위하여, 표 1에 도시된 샘플(본 발명의 예시들 1 내지 7, 비교예 1 내지 5)들이 얻어졌다.

샘플 No.		종횡비			종횡비의 레이트		베어링 특성들
샘플 No.		a	b	c	d(=a/b)	e(=a/c)	피로가 없는 최대 비하중	용착이 없는 최대 비하중
본 발명의 예시	1	39	37	24	1.1	1.6	100	100
	2	45	42	13	1.1	3.5	100	100
	3	55	10	35	5.5	1.6	95	100
	4	56	31	13	1.8	4.3	95	100
	5	32	33	35	1.0	0.9	100	95
	6	30	25	45	1.2	0.7	100	95
	7	70	17	13	4.1	5.4	90	100
비교예	1	0	30	70	0.0	0.0	85	55
	2	20	50	30	0.4	0.7	85	65
	3	80	9	11	8.9	7.3	50	80
	4	50	5	45	10.0	1.1	60	80
	5	55	38	7	1.4	7.9	60	80

우선, 스틸 백메탈 상에 Cu 합금의 베어링합금층을 라이닝(lining)하여 바이메탈(bimetal)이 제조된 다음, 상기 바이메탈이 반원통 또는 원통 형상으로 형성되어 피스(piece)를 얻었다. 다음으로, 상기 피스의 베어링합금층의 표면은 보링(boring)에 의해 마무리되었고, 상기 표면은 전계 탈지(electrolytic degreasing) 및 산 처리(acid treatment)에 의해 세정되었다. 다음으로, 상기 피스의 표면에 필요에 따라 중간층이 형성되었고, 상기 피스(또는 성형된 피스에 중간층이 형성되는 경우에는 중간층) 상에서의 Bi 전기도금에 의해 오버레이층이 형성되었다. 상기 Bi 전기도금은 표 2에 도시된 조건들 하에 행하여졌다.

본 발명의 예시들 1 내지 7에 대해서는, Bi 전기도금 시, 마이크로나노버블 생성장치(도시 생략)를 이용하여 도금액 내에 마이크로나노버블들이 발생되었고, 상기 마이크로나노버블들은 상기 피스(중간층)의 표면에 공급되었다.

도금액 조성	Bi 농도	20-70 g/litter
	Sn 농도	0-10 g/litter
	Cu 농도	0-10 g/litter
	유기술폰산	30-90 g/litter
	첨가제	5-70 g/litter
전류 밀도		3-8 A/dm²
도금조 온도		35-60℃
전류 밀도의 미소한 조밀 생성수단		마이크로나노버블 생성장치가 사용됨

상기 피스(중간층)의 표면에 마이크로나노버블들을 공급함으로써, 상기 피스(중간층)의 표면에 전류 밀도의 미소한 조밀이 발생되었고, 이에 따라 제1의 Bi계 입자들, 제2의 Bi계 입자들 및 제3의 Bi계 입자들이 석출되었다. 마이크로나노버블들을 발생시키는 장치로는, 도금액과 공기를 나선형상의 유로에 고압을 걸어 전단시키는 방식의 장치가 사용되었다. 상기 유로에서는, 상기 도금액이 도금조, 펌프, 필터 및 상기 도금조의 순서로 순환된다. 상기 마이크로나노버블들을 발생시키기 위한 장치는 상기 필터와 상기 도금조 사이의 유로에 위치하였다.

상기 도금액 내의 마이크로나노버블들의 직경은 Shimadzu 나노입자경 분포 장치 "SALD-7100"을 이용하여 측정되었다. 상기 측정의 결과로서, 본 발명의 예시 1 내지 7의 제조에 사용된 Bi 도금액 내의 모든 버블들의 개수의 80% 이상은 직경이 500 내지 1000nm 이었다.

상술된 제조 방법에 의해 본 발명의 예시들 1 내지 7이 얻어졌다.

비교예 1 내지 5는 전류 밀도의 미소한 조밀이 생기지 않았다는 점을 제외하고는, 본 발명의 예시 1 내지 7과 동일한 제조 방법에 의해 얻어졌다.

표 1의 "종횡비"의 "a", "b" 및 "c"의 값들 간의 차이는, 버블들을 공급하여 발생되는 전류 밀도의 미소한 조밀의 영향으로 인하여 발생되게 된다.

표 1의 "종횡비"의 열 "a"는, Bi계 입자들의 총입자수에 대한 제1의 Bi계 입자들의 입자수의 비율을 백분율로 표현한 것이다. 마찬가지로, 표 1의 "종횡비"의 열 "b"는, Bi계 입자들의 총입자수에 대한 제2의 Bi계 입자들의 입자수의 비율을 백분율로 표현한 것이고, 표 1의 "종횡비"의 열 "c"는, Bi계 입자들의 총입자수에 대한 제3의 Bi계 입자들의 입자수의 비율을 백분율로 표현한 것이다. 표 1의 열 "종횡비의 레이트"에 있어서, "d"는 "a/b"의 값을 나타내고, "e"는 "a/c"의 값을 나타낸다.

상기 오버레이층(13)의 단면은 주사 이온 현미경을 이용하여 관찰되었다. 관찰 시야는 5㎛×5㎛ 이며, 측정 배율은 25,000배이다. 상기 관찰 시야에 포함되는 모든 Bi계 입자들에 대하여 장축 X 및 단축 Y가 측정되었다. 장축 X를 단축 Y로 나누어 종횡비 Z가 얻어졌고, 상기 종횡비 Z에 의거하여, 상기 관찰된 Bi계 입자들이 제1의 Bi계 입자들, 제2의 Bi계 입자들, 및 제3의 Bi계 입자들 중 어느 하나로 분류되어, 표 1의 "a", "b", "c", "d" 및 "e"의 값들을 얻게 되었다.

상술된 각각의 샘플들에 대해서는, 이하 표 3에 도시된 조건들 하에 내피로성 시험이 행하여졌고, 표 4에 도시된 조건들 하에서 용착성 시험이 행하여졌다. 표 1에 결과들이 도시되어 있다.

베어링의 내경	60mm
베어링 폭	20mm
회전수	3000rpm
윤활제	VG22
샤프트 재료	JIS S55C
시험 시간	12시간
평가 방법	크랙들이 없는 최대 비하중

베어링의 내경	50mm
베어링 폭	18mm
속도	15m/second
윤활제	VG22
급유량	100ml/minute
시험 하중	10분 간격으로 5MPa 증분
평가 방법	베어링의 외면 온도가 200℃를 넘거나 또는 시험 샤프트 구동 벨트가 슬립하는 경우에 용착성이 판단됨

내피로성 시험 및 용착성 시험의 결과들이 분석된다.

본 발명의 예시 1 내지 7 및 비교예 1 내지 5 간의 대비로부터, 본 발명의 예시 1 내지 7은 a≥30(%), 0.5≤d≤ 6.0 및 0.5≤e≤ 6.0을 모두 충족시키기 때문에, 본 발명의 예시 1 내지 7이 비교예 1 내지 5보다 내피로성과 내용착성 양자 모두에 있어서 우수하다는 것을 이해할 수 있다.

본 발명의 예시 1과 2 및 본 발명의 예시 3 내지 7 간의 대비로부터, 본 발명의 예시 1 및 2는 35≤a≤70, 0.8≤d≤4.0 및 0.8≤e≤4.0을 모두 충족시키기 때문에, 본 발명의 예시 1 및 2가 본 발명의 예시 3 내지 7보다 내피로성 및 내용착성 양자 모두에 있어서 우수하다는 것을 이해할 수 있다.

베어링합금층과 오버레이층 사이에 중간층, 특히 Ag, Ag 합금, Co, Co 합금, Cu 및 Cu 합금 중 어느 하나로 제조된 중간층을 포함하는 본 발명의 예시들에 있어서, 엄격한 조건들 하에 시험이 행하여진 경우에도, 상기 시험 이후의 오버레이층이 상기 베이스로부터 벗겨지지 않았다.

산업상 이용가능성

슬라이딩 부재의 전형예는 자동차 등의 내연기관에 사용되는 슬라이딩 베어링이다.

도면에서, 11은 슬라이딩 부재를 나타내고, 12는 베이스를 나타내며, 12a는 백메탈층(베이스)을 나타내고, 12b는 베어링합금층(베이스)을 나타내며, 12c는 중간층(베이스)을 나타내고, 13은 오버레이층을 나타내며, 14는 Bi계 입자를 나타낸다.

Claims

슬라이딩 부재로서,
베이스; 및
상기 베이스 상의 오버레이층을 포함하여 이루어지되, 상기 오버레이층은 Bi 또는 Bi 합금으로 이루어지는 Bi계 입자들을 포함하고, 상기 Bi계 입자들은 장축 및 상기 장축의 중점에서 상기 장축에 직교하는 단축을 구비하며,
상기 장축의 길이가 X로 표현되고, 상기 단축의 길이가 Y로 표현되며, 종횡비 Z는 X/Y로 정의되는 경우, 상기 Bi계 입자들은, Z<2를 충족시키는 제1의 Bi계 입자들, 2≤Z<3을 충족시키는 제2의 Bi계 입자들, 및 3≤Z를 충족시키는 제3의 Bi계 입자들로 분류되고,
상기 Bi계 입자들의 총입자수에 대한 상기 제1의 Bi계 입자들의 입자수의 비율이 a%로 표현되고, 상기 제2의 Bi계 입자들의 입자수의 비율은 b%로 표현되며, 상기 제3의 Bi계 입자들의 입자수의 비율은 c%로 표현되고, a/b는 d로 정의되며, a/c는 e로 정의되는 경우,
a≥30,
0.5≤d≤6.0, 및
0.5≤e≤6.0
가 충족되는 슬라이딩 부재.
제1항에 있어서,
35≤a≤70, 0.8≤d≤4.0, 및 0.8≤e≤4.0이 충족되는 슬라이딩 부재.
제1항에 있어서,
상기 베이스는 백메탈층, 상기 백메탈층 상의 베어링합금층, 및 상기 베어링합금층 상의 중간층을 포함하여 이루어지고,
상기 중간층은 Ni, Ni 합금, Ag, Ag 합금, Co, Co 합금, Cu 및 Cu 합금으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 재료로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하여 이루어지는 슬라이딩 부재.
제2항에 있어서,
상기 베이스는 백메탈층, 상기 백메탈층 상의 베어링합금층, 및 상기 베어링합금층 상의 중간층을 포함하여 이루어지고,
상기 중간층은 Ni, Ni 합금, Ag, Ag 합금, Co, Co 합금, Cu 및 Cu 합금으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 재료로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하여 이루어지는 슬라이딩 부재.
제3항에 있어서,
상기 베어링합금층은 Al계 베어링 합금을 포함하여 이루어지는 슬라이딩 부재.
제3항에 있어서,
상기 베어링합금층은 Cu계 베어링 합금을 포함하여 이루어지는 슬라이딩 부재.