KR101370508B1 - 복합소결구조의 원통형 오일리스 슬라이딩 베어링의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

발명은 습동층에 중금속인 납을 포함하고 있지 않으므로 환경 친화적이고, 외부 이물질의 유입으로 쉽게 손상되지 않도록 내마모성 및 내하중성을 향상시킬 수 있고, 그리고 내부 기공 형성 및 이에 오일이 함침됨으로써 잦은 오일 주입을 요하지 않음에 따라 기계의 가동율을 향상시킬 수 있으며 400kgf/㎠ 이상의 고면압이 작용하는 건설기계 및 산업기계의 축회전부에 크기에 문제 없이 사용될 수 있는 윤활 특성 및 내하중성이 우수한 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링으로서, 특히 원통형의 복합소결구조의 슬라이딩 베어링의 내측 원통부를 형성하는 소결체를 형성하는 성형체의 성형 밀도에 있어서 간단한 방법으로 상당한 수준의 일정성을 제공할 수 있으며, 이중구조의 외측 원통부를 형성하는 강철이면금속과 내측 원통부를 형성하는 소결체의 접합 계면의 접합 강도에서 불균일을 초래하지 않아서 실질적인 접합 면적에 증대를 가져옴으로써 높은 강도를 달성하면서도, 고하중과 고면압이 작용하는 곳에서 그 크기에 제한 없이 부시 타입의 원통형의 부시형 슬라이딩 베어링을 제공할 수 있도록 하면서도, 요구되는 높은 성형 정밀도의 달성에 있어서 제조 비용의 과도한 부담 증가 가능성을 제거함으로써 보다 높은 성능과 경제성이 가진 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 소결베어링을 제공하는 것이다.

Description

복합소결구조의 원통형 오일리스 슬라이딩 베어링의 제조 방법 {Method for manufacturing a combined type sintered oilless bearing for a sliding bearing}

본 발명은 여러 분야의 건설기계 및 산업기계의 고하중 저속 슬라이딩 부에 사용되는 베어링에 관한 것으로서, 더 상세하게는 친환경적이고, 내마모성, 윤활 특성이 우수하며, 특히 고하중·고면압이 작용하는 곳에 저속으로 이동되는 이동체를 지지하기에 적합한 오일리스 슬라이딩 베어링에 관한 것이다.

일반적으로, 슬라이딩 베어링은, 이동체와 고정체 사이에 구비되어 이동체 또는 고정체에 면 접촉된 상태에서 이동체가 고정체로부터 원활하게 이동 가능하도록 지지하는 장치이다. 특히, 이러한 슬라이딩 베어링은 구름 베어링에 비해 충격에 견디는 힘이 강하므로 비교적 고하중을 지지하는 굴삭기나 로더와 같은 건설기계와 사출성형기와 같은 산업기계, 하천의 댐에 사용되는 수문, 풍력을 이용하여 발전하는 신재생 산업기계 등 다양한 곳에 사용되고 있다.

한편, 산업기계 및 건설기계는 다수의 축회전부를 가지고 있으며, 이러한 축회전부에는 통상적으로 축과 축공 사이에 배치되어 축과 축공 사이의 마찰저항을 저감시키는 슬라이딩 베어링이 설치되는데, 통상적으로 일정한 기간마다 따로 윤활유를 공급하는 경우와, 그리고 자체에 윤활유를 담고 있는 기능이 있어 별도의 윤활유 공급없이 반영구적으로 사용하는 경우로 구분한다. 특히, 후자를 오일리스 슬라이딩 베어링이라 하는데, 보다 구체적으로 살펴보면, 흑연에 윤활유를 함유시켜 일정한 형태로 슬라이딩 베어링에 끼워 넣어 사용하는 하나의 방식과, 그리고 슬라이딩이 일어나는 부위를 소결체로 제작하여 소결체에 존재하는 기공 내에 윤활유를 함유시켜 사용하는 또 하나의 방식으로 나뉘어져 있다. 또한, 소결체를 사용한 베어링의 경우도, 소결체 만의 소재를 사용하여 제작한 소결 베어링과, 그리고 소결체의 낮은 강도를 보완하기 위하여 소결체의 외부에 철 소재를 사용하여 강도를 확보하는 형태인 이중 구조를 가진 복합 소결구조의 베어링으로 나누어진다.

이러한 복합 소결구조를 가진 환형 베어링은 외부 철 소재를 통하여 강도가 확보되며, 고가인 소결체 대신 저렴한 철 소재를 사용함으로 제조 경비를 낮출 수 있는 장점을 가지고 있는 반면에, 외부 철 소재 내부에 배치되는 일정 형상을 가진 소결체를 형성하기 위하여 금형에 분말을 넣고 분말 프레스를 사용하여 성형하여야 함으로써 금형 크기에 따라 베어링의 크기를 일정한 크기 이상으로 제작하기 곤란하며, 성형 과정에서 상부와, 하부, 그리고 중간 부분 사이의 밀도 불균일이 발생하여 윤활유를 담는 소결체 내부의 기공을 균일하게 형성하기 어렵다는 단점을 가지고 있다.

종래의 일반적인 기술에 따른 환형의 슬라이딩 베어링은, 한국등록특허공보 제 10-0286246호에 개시된 바와 같이, 성형장치의 형틀에 구리도금 처리된 강철이면금속과 코어를 삽입하고, 내부의 코어와 강철이면금속의 사이에 금속 혼합 분말을 채운 다음 형틀의 상단에 상부가압부재를 삽입한 다음, 상부가압부재 또는 하부가압부재를 가압하여 금속 혼합 분말을 성형하고, 성형단계에서 생성된 성형체를 강철이면금속과 함께 소결함과 동시에 강철이면금속에 접합시키는 프로세스를 그 주요 구성으로 하여 제작되는데, 이런 방법으로 제작되는 환형의 슬라이딩 베어링은 성형 단계에서 성형체의 상부, 하부 그리고 중간 부분의 밀도차가 발생하여 기공의 분포가 불균일함으로써, 50mm 이상의 긴 성형체를 만들기가 어렵고, 그 이상 규격을 가진 환형의 슬라이딩 베어링을 제작하기 위해서는 50mm 이하의 짧은 길이를 가진 성형체를 구비한 슬라이딩 베어링을 성형하고 이를 소결하여 다수개의 복합구조 슬라이딩 베어링을 제작하고, 이와 같이 제작된 2개 이상의 짧은 길이 복합구조 슬라이딩 베어링을 용접 접합하여 길이가 긴 제품을 만들어야 하는 문제점을 가지고 있다.

또 다른 종래 기술로서, 한국공개특허공보 제 10-2006-0056701호에 개시된 바와 같이, 금속 혼합 분말로 먼저 환형의 성형체를 성형하고서는, 그 성형체를 소결하여 소결체로 만든 이후에, 소결체들을 레이저로 가열하거나 서로에 대해 마찰접촉운동시켜서 접촉부에서 마찰열이 발생되어 서로 접합되도록 하고, 이와 같이 접합된 소결접합체의 내면 및 외면을 가공 및 연마 처리한 이후에 경화 열처리를 한 다음에 오일을 함침시켜서 소결 베어링을 제조하는 방법이 제시되고 있는데, 기본적인 성형체를 만들기 위한 금형틀의 크기가 한계가 있어 대구경의 제품을 만들기 어려운 문제점이 여전히 존재하며, 길이가 긴 성형체로 접합하는 과정 자체도 용이하지 않을 뿐 더러 큰 직경의 소결체들을 마찰 접촉 운동시키기 위해서는 대형 장비가 소요된다는 문제점이 있다.

또한, 이와 같이 소결접합체는 금속제 환봉(또는 축공) 내에 압입되어서 최종적으로 부시형의 슬라이딩 소결베어링 제품으로 완성되게 되는데, 압입에 의해 접합되는 금속제 환봉과 소결접합체 사이의 접합면의 접합 강도가 불균일하여 실질적인 접합 면적이 작으며, 압입 이전에 소결접합체에 대한 높은 수준의 성형 및 가공 정밀도가 요구되며, 나아가 고하중/고면압이 작용하는 대형 산업기계용으로 제작되기 위해서는 소결체가 외부의 금속제 환봉(강철이면금속)으로 지지되는 복합 구조의 슬라이딩 베어링으로 제작될 필요가 있는데, 이를 위하여 소결 접합체를 금속제 환봉에 압입하는 과정에서 일반적으로 사용되고 있는 범위를 초과하는 크기의 대형 프레스 장치가 소요된다는 문제점을 나타내고 있다.

따라서, 소결체를 형성하는 성형체의 성형 밀도에 있어서 간단한 방법으로 성형 밀도의 일정성을 제공할 수 있으며, 부시 구조(이중 구조)의 외측 원통부(하우징)를 형성하는 강철이면금속과 내측 원통부를 형성하는 소결체의 접합 계면의 접합 강도에서 불균일을 초래하지 않아서 실질적인 접합 면적에 증대를 가져옴으로써 높은 강도를 달성하면서도, 대구경의 복합소결구조의 소결 베어링을 형성함에 있어서 대형 프레스의 필요성을 제거하며 또한 요구되는 높은 성형 정밀도의 유지에 있어서 과도한 부담을 제거하여서 보다 경제성이 있는 새로운 형태의 슬라이딩 베어링용 소결 부시 베어링 및 그 제조 방법이 필요하게 된 상황에 있다.

본 발명은 종래기술에 대한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 기술적 과제는,

습동층에 중금속인 납을 포함하고 있지 않으므로 환경 친화적이고, 외부 이물질의 유입으로 쉽게 손상되지 않도록 내마모성을 향상시킬 수 있고, 그리고 내부 기공 형성 및 이에 오일이 함침됨으로써 잦은 오일 주입을 요하지 않음에 따라 기계의 가동율을 향상시킬 수 있으며, 400kgf/㎠ 이상의 고면압이 작용하는 건설기계 및 산업기계의 축 연결부에 문제없이 사용될 수 있는 윤활 특성 및 내하중성이 우수한 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링으로서,

특히, 원통형의 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링의 내측 원통부를 형성하는 소결체를 형성하는 성형체의 성형 밀도에 있어서 상부, 하부 그리고 중간간 부분의 밀도변화가 상당한 수준의 일정성(성형 정밀도)을 제공할 수 있으며, 이중 구조(부시 구조)의 외측 원통부(원통형 하우징)을 형성하는 강철이면금속과 내측 원통부를 형성하는 소결체의 접합 계면의 접합 강도에서 불균일을 초래하지 않아서 실질적인 접합 면적에 증대를 가져옴으로써 높은 접합 강도를 달성하면서도, 대구경 또는 장형의 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링을 형성함에 있어서 대형 분말야금용 프레스의 필요성을 제거하고, 요구되는 높은 성형 정밀도의 달성에 있어서 제조 비용의 과도한 부담 증가 가능성을 제거함으로써, 보다 높은 성능과 경제성이 가진 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 철판재 상에 철, 구리, 및 흑연을 포함하는 분말을 소결 접합하여 소결체를 하나의 습동층으로 가지는 이중 구조의 철판재를 제작하고, 이를 둥근 형태의 베어링으로 형상 가공하여 만든 후 맞닿는 부위의 철판재를 용접으로 연결함으로써 제조되는 환형의 베어링을 제공하고자 한다.

이를 위하여 본 발명은, 건설기계 및 산업기계의 축회전부에 사용되는 이중 구조로 이루어진 원통형의 소결 베어링에 있어서, 이중 구조의 원통형 접합체를 형성하는 내측 원통부에는 철, 구리, 및 흑연을 포함하여 이루어진 철-구리계 합금 합금 분말(철-구리계 합금을 형성하는 재료 분말의 혼합체)의 소결층으로 형성되는 습동층이 제공되며, 상기 습동층이 소결되면서 접합되는 외측 원통부는 용접이 가능한 저탄소강의 강철 소재로 이루어지는 강철 지지 베이스에 의해 제공되며, 그리고 상기 외측 원통부에는 길이 방향으로 용접부가 제공되는 특징을 가진 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링을 제공한다.

여기에서, 강철 소재로 이루어진 상기 외측 원통부는 1차적으로 판상의 강철 지지 베이스로 형성되고, 상기 내측 원통부는 1차적으로 판상의 상기 강철 지지 베이스 상에 상기 합금 분말이 소결 접합된 판상의 철-구리계 합금의 습동층으로 형성되며, 그리고

상기 판상의 강철 지지 베이스와 상기 철-구리계 합금의 습동층을 포함하여 이루어지는 이종 금속 판형 접합체를 후속되는 프레스 포밍 또는 롤링 단계를 거쳐서 원통형 접합체로 형상 가공한 후에, 양단의 접합 단부 중에서 상기 외측 원통부를 형성하는 상기 강철 지지 베이스의 양단 접합 단부를 연결하는 용접부를 상기 원통형 접합체의 길이 방향을 따라서 형성하여,

상기 원통형 접합체의 외측 원통부를 형성하는 강철 지지 베이스와, 그리고 상기 강철 지지 베이스에 소결 접합된 내측 원통부를 형성하는 철-구리계 합금의 습동층이 환형의 부시 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 원통형 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링을 제공하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 철-구리계 합금의 습동층은 상기 판상의 강철 지지 베이스 상에 철-구리계 합금 분말로서 구리(Cu) 또는 구리합금 중 선택되는 어느 하나가 전체 조성물의 중량비를 기준으로 18중량% 내지 30중량%로 포함되고, 흑연이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.3중량% 내지 1.0중량%로 포함되며, 나머지는 기지부로 철이 포함되는 있는 철-구리계 합금 분말이 적층되고 소결 접합되어 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 용접부는 원통형으로 가공된 상기 원통형 접합체의 접합 단부를 형성하는 상기 강철 지지 베이스의 양단의 접합 단부를 용접재로써 용접하여 형성하되, 상기 용접부는 원통형으로 가공된 상기 원통형 접합체의 접합 단부를 형성하는 상기 강철 지지 베이스의 양단의 경사단부 사이의 쐐기형 공간부에 용접재가 침투되어 형성되도록 하는 것이 바람직하고, 상기 철-구리계 합금의 습동층의 소결 금속조직은 열처리를 통하여 마르텐사이트 조직이 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 원통형 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링을 제조하기 위한 방법으로서,

① 구리(Cu) 또는 구리합금 중 선택되는 어느 하나가 전체 조성물의 중량비를 기준으로 18중량% 내지 30중량%로 포함되고, 흑연이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.3중량% 내지 1.0중량%로 포함되며, 그리고 기지부로 철이 포함되는 철-구리계 합금 분말을 혼합하고,

② 상기 철-구리계 합금 분말이 적층될 판상의 강철판을 준비하여, 그 표면에서 이물질을 제거하고, 철-구리계 합금 분말과의 접합성을 향상시키기 위해 동도금, 아연도금, 주석도금, 니켈도금 중 어느 하나의 방법으로 도금을 수행하여 판상의 강철 지지 베이스를 형성하고,

③ 복합소결구조의 소결층을 형성하기 위하여 상기 혼합된 철-구리계 합금 분말을 판상의 상기 강철 지지 베이스의 상면에 일정하게 설정한 두께로 분성하고,

④ 상기 철-구리계 합금 분말을 이론밀도의 50% 이하가 되는 분성 상태로 소결시키며,

⑤ 소결된 상기 소결층을 이론 밀도의 65% 내지 85%로 밀도화하기 위하여 상기 판형 접합체를 압연 공정, 프레싱 공정, 인발 공정 중 하나 또는 그 이상의 공정으로 소성 가공하며, 소성 가공된 상기 판형 접합체를 레벨링한 후에,

⑥ 진공로 또는 연속로에서 소둔 열처리하여 복합소결구조의 판형 접합체를 얻을 수 있다.

여기에서, 상기 복합소결구조의 판형 접합체의 접합강도 향상 혹은 고밀도화를 위하여 ⑥의 소둔 열처리 공정 이후에 ⑤의 소성 가공 및 레벨링 공정과 ⑥의 소둔 열처리 공정을 추가로 한번 더 진행할 수도 있다.

⑦ 상기 판형 접합체는 상부 펀치 금형과 및 하부 다이스를 사용하여 프레스로 가압하여 폭 방향을 변형시키는 공정으로서, 1차 곡률 형성 벤딩 가공과, 2차 U형 벤딩 가공, 및 3차 원형 벤딩 가공을 거쳐서 상기 판형 접합체를 원통형 접합체로 형상 가공하는 프레스 포밍을 실시하거나 또는 롤링 포밍 가공을 거쳐서 상기 판형 접합체를 원통형 접합체로 형상 가공하며,

⑧ 원통형으로 가공된 상기 원통형 접합체의 접합 단부를 형성하는 상기 강철 지지 베이스의 양단부 사이 간극에 용접재를 채워서 용접부를 형성하고, 이후에는 일반적인 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링의 제조방법과 동일한 형태로 제작되는데, 즉

⑨ 1차 절삭 가공(황삭 가공)하고, 침탄 열처리를 실시하며, 상기 열처리된 원통형 접합체에 오일을 함침시키며, 함침된 원통형 접합체를 2차 절삭 가공(정삭 가공)하여 최종적으로 원통형의 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링을 제조하게 된다.

그리고, 앞서 설명된 ⑦의 프레스 포밍에 의하여 판형 접합체를 원통형 접합체로 형상 가공하는 단계를 부연 설명하면,

상기 판형 접합체를 상부 펀치 금형과 및 하부 다이스를 사용하여 프레스로 가압하여 폭 방향을 변형시키는 공정으로서,

하단에 볼록한 원주부를 구비한 상부 펀치 금형과 상면에 오목한 원주부를 구비한 하부 다이스를 사용하여 상기 판형 접합체의 양측부에 폭 방향의 곡률을 형성하는 1차 곡률 형성 벤딩 가공 단계와,

상기 1차 곡률 형성 벤딩 가공 단계를 거친 상기 판형 접합체를 하단에 볼록한 원주부를 구비한 상부 펀치 금형과 및 양측에 브릿지를 구비한 하부 다이스를 사용하여 중간부에 곡률 변형을 부가하여 U형으로 벤딩하는 2차 U형 벤딩 가공 단계와, 그리고

상기 2차 U형 벤딩 가공 단계를 거친 상기 판형 접합체의 중심부에 요구되는 부시 베어링의 내경에 대응하는 직경을 가진 환봉을 삽입하고, 요구되는 부시 베어링의 외경에 대응하는 곡률을 가진 상부 펀치 금형과 및 하부 다이스를 사용하여 회전 가압함으로써 상기 판형 접합체를 원통형 접합체로 형상 가공하는 3차 원형 벤딩 가공 단계를 포함하여 이루어지는 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링의 제조 방법을 제공하는 것이 바람직하다.

이상에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 슬라이딩 타입의 오일리스 소결 베어링의 제조 방법은 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 습동층에 중금속인 납을 포함하고 있지 않으므로 환경 친화적이고, 습동층에 포함된 기지부인 철이 열처리시 흑연과 함께 경화되므로 내마모성 및 내하중성을 향상시킬 수 있고, 그리고 내부 기공 형성 및 이에 오일이 함침됨으로써 잦은 오일 주입을 요하지 않음에 따라 기계의 가동율을 향상시킬 수 있다.

또한, 내마모성 및 내하중성이 향상되므로, 외부 이물질의 유입으로 쉽게 손상되지 않으며, 400kgf/㎠ 이상의 고면압이 작용하는 건설기계 및 산업기계의 축회전부에 그 크기(직경과 길이)에 제한 없이 요구되는 규격에 맞추어 제작하여 사용될 수 있다.

특히, 원통형의 부시형 슬라이딩 베어링의 내측 원통부를 형성하는 소결체를 형성하는 성형체의 성형 밀도에 있어서 간단한 방법으로 상당한 수준의 일정성을 제공할 수 있으며, 외측 원통부를 형성하는 강철이면금속과 내측 원통부를 형성하는 소결체의 접합 계면의 접합 강도에서 불균일을 초래하지 않아서 실질적인 접합 면적에 증대를 가져옴으로써 높은 강도를 달성하면서도, 대구경 혹은 장형의 오일리스 슬라이딩 베어링을 형성함에 있어서 대형 프레스의 필요성을 제거하고, 또한 요구되는 높은 성형 정밀도의 달성에 있어서 제조 비용의 과도한 부담 증가 가능성을 제거함으로써 보다 높은 성능과 경제성이 가진 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링을 제공할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 따라서 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링의 제조하기 위하여, 먼저 만들어진 판형 접합체를 도시한 도면.
도 3 내지 도 5는 이러한 판형 접합체를 원통형 접합체로 형상 가공하는 프레스 포밍 단계의 구체적인 진행 상태를 도시한 도면.
도 6은 원통형 접합체로 형상 가공된 상태와 그 요부를 확대 도시한 도면.
도 7은 원통형 접합체의 양단부 사이의 간극에 용접재를 채워서 용접 결합시킨 상태와 용접부위를 확대 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링을 상세히 나타낸 것으로서 도 7의 "A"부의 현미경 조직 관찰 사진.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링의 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 따라서 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링을 제조하기 위하여 먼저 만들어진 판형 접합체를 도시한 도면이고, 도 3 내지 도 5는 이러한 판형 접합체를 원통형 접합체로 형상 가공하는 프레스 포밍 단계의 구체적인 진행 상태를 도시한 도면이고, 도 6은 원통형 접합체로 형상 가공된 상태와 그 요부를 확대 도시한 도면이고, 도 7은 원통형 접합체의 양단부 사이의 간극에 용접재를 채워서 용접부를 형성함으로써 결합시켜서 부시 타입의 슬라이딩 소결 베어링의 형태를 완성한 상태를 도시한 도면이고, 그리고 도 8은 도 7의 "A"부의 현미경 조직 관찰 사진이다.

본 발명에 따른 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링은, 도 2 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 건설기계 및 산업기계의 축회전부에 사용되는 이중 구조로 이루어진 원통형의 소결 베어링에 있어서, 이중 구조의 원통형 접합체(500R)를 형성하는 내측 원통부에는 철, 구리, 및 흑연을 포함하여 이루어진 합금 분말의 소결층으로 형성되는 습동층(200)이 제공되며, 상기 습동층(200)이 소결되면서 접합되는 외측 원통부는 용접이 가능한 저탄소강의 강철 소재로 이루어지는 강철 지지 베이스(100)에 의해 제공되며, 그리고 상기 외측 원통부에는 길이(L) 방향으로 용접부(300)가 제공되는 특징을 가진 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링이 제공된다.

여기에서, 강철 소재로 이루어진 상기 외측 원통부는 1차적으로 판상의 강철 지지 베이스(100)로 형성되고, 상기 내측 원통부는 1차적으로 판상의 상기 강철 지지 베이스(100) 상에 상기 합금 분말이 소결 접합된 판상의 철-구리계 합금의 습동층(200)으로 형성되며, 그리고

판상의 상기 강철 지지 베이스(100)와 철-구리계 합금의 상기 습동층(200)을 포함하여 이루어지는 이종 금속 판형 접합체(500)를 후속되는 프레스 포밍 또는 롤링 단계를 거쳐서 원통형 접합체(500R)로 형상 가공한 후에, 양단의 접합 단부 중에서 상기 외측 원통부를 형성하는 상기 강철 지지 베이스(100)의 양단 접합 단부를 연결하는 용접부(300)를 상기 원통형 접합체(500R)의 길이(L) 방향을 따라서 형성하여,

상기 원통형 접합체(500R)의 외측 원통부를 형성하는 강철 지지 베이스(100)와, 그리고 상기 강철 지지 베이스(100)에 소결 접합된 내측 원통부를 형성하는 철-구리계 합금의 습동층(200)이 환형의 부시 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링을 제공하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 용접부(300)는 원통형으로 가공된 상기 원통형 접합체(500R)의 접합 단부를 형성하는 상기 강철 지지 베이스(100)의 양단의 접합 단부를 용접재로써 용접하여 형성하되, 상기 용접부(300)는 원통형으로 가공된 상기 원통형 접합체(500R)의 접합 단부를 형성하는 상기 강철 지지 베이스(100)의 양단의 경사단부 사이의 쐐기형 공간부에 용접재가 침투되어 형성되도록 하는 것이 바람직하고, 그리고 상기 철-구리계 합금의 습동층(200)의 소결 금속조직은 열처리를 통하여 마르텐사이트 조직이 형성되는 것이 바람직하다.

여기에서, 강철 지지 베이스(100)는 탄소강(바람직하기로는, 저탄소강)으로 이루어지며 습동층(200)에 가해지는 하중을 지지하도록 하는 것이 바람직한데, 습동층(200)에 가해지는 하중으로는 본 발명의 복합소결구조의 오일레스 슬라이딩 베어링이 장착되는 건설기계 혹은 산업기계 자체의 하중이거나, 건설기계 혹은 산업기계가 동작될 때 발생되는 충격 하중일 수 있다. 궁극적으로, 강철 지지 베이스(100)는 습동층(200)의 강도 및 충격 특성을 향상시킨다.

철-구리계 합금의 습동층(200)은 상기 강철 지지 베이스(100)에 소결 접합되고, 소결에 의해 형성된 내부 기공(201)에 오일이 함침되며, 그리고 슬라이딩을 요하는 상대 습동 부재(미도시)와 면 접촉된다. 특히, 도 8에 나타난 바와 같이 소결에 의해 습동층(200)에 형성되는 내부 기공(201)에 오일을 함침할 경우 오일리스(oilless) 소결 베어링을 구현할 수 있게 되므로, 잦은 오일 주입에 따른 산업기계의 가동율 저하를 미연에 막을 수 있다. 또한, 기지부인 철(Fe)은 열처리시에 흑연(Gr)과 함께 경화되어 마르텐사이트(martensite) 조직으로 변화되므로, 습동층(200)의 내마모성이 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 별도의 납(Pb)이 사용되지 않아도 소결 및 오일 함침을 통해 윤활 특성을 향상시킬 수 있으므로 친환경적일 수 있다. 이하, 철-구리계 합금의 습동층(200)의 성분을 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 철-구리계 합금의 상기 습동층(200)은 판상의 상기 강철 지지 베이스 상에 적층되는 철-구리계 합금 분말로서, 전체 조성물의 중량비를 기준으로, 18중량% 내지 30중량%의 구리(Cu) 또는 구리합금과, 0.3중량% 내지 1.0중량%의 흑연(Gr)과, 그리고 기지부로 철(Fe)을 포함하는 철-구리계 합금 분말이 적층되고 소결 접합되어 형성되는 것이 바람직하다. 이와 더불어, 철-구리계 합금의 습동층(200)은 0.1중량% 내지 3.0중량%의 기타 성분을 더 포함할 수 있고, 그리고 이러한 기타 성분은 니켈(Ni) 또는 은(Ag) 중 선택되는 어느 한 가지 또는 두 가지 모두일 수 있다.

보다 구체적으로, 철-구리계 합금의 습동층(200)은 철 메트릭스(기지부로서 습동층의 강도를 확보하는 역할을 수행)에 인성과 소결능이 좋은 구리 또는 구리합금을 첨가하여 제조되는데, 주로 구리인 순수 동(Cu) 만을 첨가하거나, 구리합금인 청동 합금(Cu-Sn) 또는 황동 합금(Cu-Zn)을 첨가하여, 상대 습동 부재(미도시)와의 마찰 특성을 향상시키거나, 다기공 습동층(200)의 소결능을 좋게 하여 강도를 향상시키게 된다. 일예로, 구리와 주석이 결합된 청동합금(Cu-Sn)은 소결 온도가 낮기 때문에 온도가 낮은 조건에서 소결(즉, 철-구리계 합금 분말 소결) 및 접합(즉, 강철 지지 베이스와 철-구리계 합금 접합)을 요할 경우 첨가되는 것이 바람직하고, 다른 예로, 습동층(200)이 고강도를 필요로 할 경우에는 황동합금(Cu-Zn)을 첨가하는 것이 바람직하다. 또 다른 예로, 고온의 열처리를 수행하는 경우에는 철 메트릭스에 순수 동(Cu)을 첨가하여 열처리 온도(대략 910℃ 내지 940℃)에서 용융이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 습동층(200)을 이루는 주요 성분의 조성비를 조절하면서 실험한 결과에 따르면, 구리(Cu) 또는 구리합금(Cu-Sn 또는 Cu-Zn) 중 선택되는 어느 하나는 전체 조성물을 기준으로 18중량% 내지 30중량%로 조성되는 것이 가장 바람직한 것으로 나타났다. 즉, 구리(Cu) 또는 구리합금은 철(Fe) 보다 녹는점이 낮고, 윤활성이 우수하며, 확산계수가 커 확산이 용이한 바, 그 첨가량이 18중량% 보다 적으면, 습동층(200)의 접합성이나, 윤활성, 내충격성을 저하시키고, 그 첨가량이 30중량% 보다 많으면, 습동층(200)의 접합성이나 윤활성에는 효과적이나 습동층(200)의 강도나 내구성을 저하시킨다. 따라서 실험 결과에 의하면, 습동층(200)의 강도 및 내구성을 최적의 상태로 유지시킬 수 있으면서 습동층(200)과 지지 베이스(100)와의 접합성이 좋아질 수 있게 하는 구리(Cu)(또는 구리합금)의 첨가량은 18중량% 내지 30중량%로 나타났다.

또한, 습동층(200)의 철 메트릭스에 흑연(Gr)이 첨가될 경우, 소결시 철 메트릭스에 확산되면서 철 메트릭스의 경화에 기여하고, 확산되지 않고 남은 흑연은 습동층(200)에 함침된 오일과 별도로 습동층(200)에 추가적인 윤활 작용을 제공하는 고체 윤활재로서의 역할을 수행하는데, 흑연(Gr)은 전체 조성물을 기준으로 0.3중량% 내지 1.0중량%로 조성되는 것이 가장 바람직한 것으로 나타났다. 즉, 흑연(Gr)은 고온 접합시 일부는 철(Fe) 분말로 확산되어 분말을 경화시키고, 일부는 잔존하여 고체 윤활제 역할을 하는 바, 그 첨가량이 0.3중량% 보다 적으면, 철(Fe) 분말의 경화에 기여하지 못하고, 그 첨가량이 1.0중량% 보다 많으면, 습동층(200)의 강도를 저하시킨다. 이에 따라, 철(Fe) 분말을 경화시킬 수 있으면서 습동층(200)의 강도를 좋게 하는 최적정량의 흑연(Gr)을 첨가해야 된다. 따라서 실험 결과에 의하면, 철(Fe) 분말을 경화시킬 수 있으면서 습동층(200)의 강도를 좋게 하는 흑연(Gr)의 첨가량은 0.3중량% 내지 1.0중량%로 나타났다.

아울러, 판상의 강철 지지 베이스(100)와 접합 강도를 향상시키기 위하여, 상술한 기타 성분으로 접합 특성이 우수한 니켈(Ni) 또는 은(Ag)을 선택하여 습동층(200)의 철 메트릭스에 첨가할 수 있는데, 니켈(Ni) 또는 은(Ag) 등의 기타 성분은 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.1중량% 내지 3중량%로 습동층(200)에 더 첨가되면 습동층(200)과 지지 베이스(100)와의 접합 강도가 향상되는 것으로 나타났다. 구체적으로, 기타 성분의 첨가량이 3중량% 보다 많으면, 습동층(철-구리계 합금 분말이 소결되어 형성된 층) 내의 액상의 출현량이 높아서 변형량이 커서 가공량이 증가하게 되는 문제를 갖는 것으로 나타났고, 기타 성분의 첨가량이 0.1중량% 보다 작으면 습동층 내에 액상 출현량이 너무 적어서 습동층과 지지 베이스(탄소강을 이루어짐)의 접합 강도의 향상이 미비하며 또한 습동층의 강도 향상에 기여하지 못하는 것으로 나타났다.

이하, 도 1a 내지 도 7을 참조하여, 이렇게 이루어진 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트로서, 도 1a 및 도 1b에 도시된 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링의 제조 방법에 대한 바람직한 일 실시예에 따르면, 먼저 앞서 언급한 바와 같은 조성을 가진 철-구리계 합금 분말을 혼합하는 단계(S110)와;

판상의 강철판을 준비하는 단계(S120)와;

준비된 판상의 강철판의 표면에서 이물질을 제거하는 단계(S130)와;

판상의 강철판 표면을 동도금, 아연도금, 주석도금, 및 니켈도금 중 어느 하나의 방법으로 도금하여 판상의 강철 지지 베이스(100)를 형성하는 단계(S140)와;

혼합된 상기 철-구리계 합금 분말을 판상의 상기 강철 지지 베이스(100)의 상면에 설정 두께로 적층하는 단계(S200)와; 그리고

상기 철-구리계 합금 분말이 판상의 상기 강철 지지 베이스(100) 상에 습동층(200)이 되도록 상기 철-구리계 합금 분말을 이론밀도의 50% 이하가 되는 분성 상태로 소결시키며 동시에 판상의 상기 강철 지지 베이스(100)와 이에 적층된 상기 철-구리계 합금 분말의 계면이 서로 접합되어서 하나의 판형 접합체(500)가 되도록, 950℃내지 1200℃의 접합 소결 온도에서 10분 내지 50분의 접합 소결 시간 동안 환원성 분위기 또는 진공 분위기에서 접합 소결시키는 접합 소결 동시 수행 단계(S300)가 진행된다.

여기에서, 강철 지지 베이스(100)에 분성된 상기의 철-구리계 합금 분말은 상기 접합 소결 동시 수행 단계(S300)에서 하나의 접합체가 되도록 환원성 분위기 또는 진공 분위기에서 접합된다. 특히, 접합시 환원성 분위기 또는 진공 분위기를 유지하는 것은 강철 지지 베이스(100)의 표면이나 합금 분말의 표면에 형성될 수 있는 산화층을 환원시켜 접합 및 소결이 잘 되도록 활성화시키기 위함이다. 또한, 접합과 동시에 철-구리계 합금 분말은 강철 지지 베이스(100) 상에 소결되어 습동층(200)이 된다. 진공 분위기 또는 환원성 분위기에서의 상술한 접합 및 소결이 이루어지기 위한 접합 소결 온도는 접합재 역할을 하는 구리(또는 구리합금) 분말의 액상 출현 온도인 950℃ 내지 1200℃이고, 상술한 접합 및 소결이 이루어지는데 걸리는 접합 소결 시간은 강철 지지 베이스(100)의 두께에 따라 다르지만 대략 10분 내지 50분 정도 소요된다.

그리고는, 상기 접합 소결 동시 수행 단계(S300)에서 밀도가 이론 밀도의 50% 이하가 되는 분성 상태로 소결된 상기 습동층(200)을 소결 이후에 가압하여 습동층(200)의 밀도를 이론 밀도의 65% 내지 85%로 밀도화하기 위하여 상기 판형 접합체(500)를 압연 공정, 프레싱 공정, 인발 공정 중 하나 또는 그 이상의 공정으로 소성 가공하며, 소성 가공된 상기 판형 접합체(500)를 레벨링한 후에, 진공로 또는 연속로에서 소둔 열처리하는 2차 소성 소결 수행 단계(S400)을 수행한다. 이러한, 2차 소성 소결 수행 단계(S400)를 통하여 습동층(200)은 이론 밀도의 65% 내지 85%까지 밀도화되어서 강도의 향상을 달성할 뿐만 아니라 오일을 함유할 수 있는 공간 즉 내부 기공(201)의 확보도 동시에 이룰 수 있게 된다.

이러한 2차 소성 소결 수행 단계(S400)는 도 1a에 구체적으로 도시된 바와 같이 보다 구체적인 다음과 같은 단계들을 포함하여 수행되는 것이 바람직하다.

- ① 상기 접합 소결 동시 수행 단계(S300)를 거친 상기 판형 접합체(500)의 습동층(200)의 밀도 향상을 위하여 1차적으로 압연하기 위하여 냉간 가공 방식으로 제공되는 제1 소성 가공 단계(S410)를 실시한다. 여기에서는, 최종 제품이 되는 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링의 습동층(200)의 최종 목표 소결 밀도가 되는 6.2~6.5g/㎤의 약 80%인 4.96~5.2g/㎤로 밀도화시키는 압연이 진행되는데, 예컨대 여러 단계로 나누어서 다수회 반복적으로 진행되는 압연 공정에서의 1회 압하율은 단면 감소율 기준으로 약 5%(최초 분말 적층 높이 10mm 기준으로 0.5mm의 압하)가 적당한데, 만일 1회 압하율이 단면 감소율 기준으로 5% 이상일 경우에는 소결체에 크랙이 발생할 가능성 높기 때문이다. 이렇게 상기 판형 접합체에 대하여 압연 공정(제1 소성 가공)을 진행할 경우에는 1차 소결 완료시에 예컨대 실험예의 경우에 약 10mm 정도의 높이를 가진 습동층(200)의 높이(c)가, 전체 소송 공정을 모두 마친 최종 상태의 습동층(200)의 높이(c)가 4.0mm라고 가정할 때, 제1 소성 가공 단계(S410)를 거치면서 5.2mm로 감소하게 된다. 즉, 10mm와 4mm의 차이가 되는 6mm의 80%가 되는 4.8mm 만큼 그 높이가 감소하게 된 경우로서, 실제의 제1 소성 가공 단계에서 높이 차이가 4.8mm를 초과하는 정도, 즉 전체 소성 공정의 총 압하율의 80%를 초과하는 정도로 압하가 진행되면 소성 공정 중에 소결체에 크랙이 발생하거나 판재에 과도한 벤딩을 유발하여 다음 공정인 레벨링 공정에서 소결체에 크랙이 발생할 가능성을 가중시킨다. - ② 다음으로는, 제1 소성가공 단계(S410)를 거친 상기 판형 접합체(500)는 평탄도를 향상시키기 위해 제1 레벨링(leveling) 단계(S415)를 거치게 되는데, 이러한 레벨링의 주된 목적은 향후 진행될 소둔 열처리(2차 소결로 칭할 수도 있음)에 장입을 원활하게 하여 생산성 향상을 도모할 뿐만 아니라, 그 다음으로 진행될 제2 소성 가공(압연) 단계(S420)에 제공되는 판형 접합체(500)의 평탄도를 높임으로써 크랙의 발생을 방지하여 원활한 압하율을 주기 위함이다. 이와 같은 레벨링 단계를 거친 판형 접합체의 평면 공차는 5㎜이하로 하는 것이 바람직하다.

- ③ 나아가, 상기 제1 소성 가공 단계(S410) 및 상기 제1 레벨링 단계(S415)를 거친 판형 접합체는 전위 밀도가 증가하여 추가적인 소성 가공을 진행하는 경우에 결합된 분말의 분해 및 크랙의 발생이 빈번하기 때문에 그 전위 밀도를 낮추고 분말 간의 결합력을 증가시키기 위하여 진공로 또는 연속로에서 가열하고 서냉시키는 2차 소결 공정으로서 제1 소둔 열처리 단계(S420)가 진행되는데, 이 단계는 진공로와 연속로 어느 것도 가능하며, 보통 약 1,100℃ 이상의 온도 및 약 50분 내지 100분의 시간 조건으로 소둔 열처리(2차 소결)를 진행한다.

- ④ 다음으로, 1차 소성 가공(압연)된 소결체의 밀도 향상을 위하여 2차 소성 가공(압연)을 위하여 냉간 가공 방식으로 제공되는 제2 소성 가공 단계(S430)를 실시하게 되는데, 상기 제1 소성 가공 단계(S410)에서의 1차 압연시의 밀도는 최종 소결 밀도의 약 80%인 4.96~5.2g/㎤이었으나, 이번의 제2 소성 가공 단계(S430)에서의 2차 압연은 그 나머지 20%를 실시하여 상기 판형 접합체(500)의 습동층(200)이 6.2~6.5g/㎤의 소결밀도를 가지도록 하며, 예컨대 여러 단계로 나누어서 다수회 반복적으로 진행되는 압연 공정에서의 1회 압하율은 단면 감소율 기준으로 약 3%(최초 소결층 높이 10mm 기준으로 0.3mm의 압하)가 적당한데, 만일 1회 압하율이 단면 감소율 기준으로 3% 이상일 경우에는 소결체에 크랙이 발생할 가능성 높고 표면의 평탄도가 나빠지기 때문이다. 이렇게 상기 판형 접합체(500)에 대하여 2차 압연 공정(제2 소성가공)을 진행할 경우에는 상술한 제1 소성 공정(S410)을 거치면서 5.2mm로 감소되었던 습동층(소결층)의 높이가 다시 4.0mm로 감소하게 된다. 즉, 전체 소성 공정의 총 압하율의 나머지 20%의 압하가 진행되게 되는 것이다.

- ⑤ 다음으로는, 제2 소성가공 단계(S430)를 거친 상기 판형 접합체(500)도 역시 평탄도를 향상시키기 위해 제2 레벨링(leveling) 단계(S435)를 거치게 되는데, 이러한 제2 레벨링의 주된 목적 역시 향후 진행될 소둔 열처리(3차 소결로 칭할 수도 있음)에 장입을 원활하게 하여 생산성 향상을 도모할 뿐만 아니라, 그 다음으로 진행될 프레스 포밍 단계(S500)에 제공되는 판형 접합체(500)의 평탄도를 높임으로써 그 정밀도를 높임으로써 추후의 선삭(절삭) 가공을 최소화하기 위함이다. 이와 같은 레벨링 단계를 거친 판형 접합체(500)의 평면 공차는 1㎜이하로 하는 것이 바람직하다.

- ⑥ 나아가, 상기 제2 레벨링 단계(S435)를 거친 판형 접합체(500)의 전위 밀도를 낮추고 분말 간의 결합력을 증가시키기 위하여 진공로 또는 연속로에서 가열하고 서냉시키는 3차 소결 공정으로서 제2 소둔 열처리 단계(S440)를 진행하게 되는데, 이러한 제2 소둔 열처리(3차 소결) 단계는 진공로와 연속로 어느 것을 이용하여서도 가능하며, 진공로 및 연속로 모두 약 950℃의 온도 및 약 50분의 시간 조건으로 소둔 열처리(3차 소결)하고 오스테나이트(Austenite) 영역에서 서냉시키는 과정을 거치게 된다.

이상에서 설명한 상기 2차 소성 소결 수행 단계(S400)의 구체적인 각각의 단계들(S410, S415, S4120, S430, S435, S440)을 거친 판형 접합체(500)는 도 2에 도시된 바와 같이 판 형상의 강철 지지 베이스(100)와, 그리고 이와 접합된 철-구리계 합금의 소결체로 이루어진 습동층(200)로 이루어지는 판형 접합체(500)의 형상을 가지게 되는데, 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링을 형성하기 위해서는 도 1a에 도시된 바와 같이 다음의 후속 단계들을 거쳐야 한다.

즉, 상기 판형 접합체(500)를 상부 펀치 금형과 및 하부 다이스를 사용하여 프레스로 가압하여 폭(W) 방향을 변형시키는 공정으로서, 1차 곡률 형성 벤딩 가공과, 2차 U형 벤딩 가공, 및 3차 원형 벤딩 가공을 거쳐서 상기 판형 접합체(500)를 원통형 접합체(500R)로 형상 가공하는 프레스 포밍 단계(S500)와;

원통형으로 가공된 상기 원통형 접합체(500R)의 접합 단부를 형성하는 상기 강철 지지 베이스(100)의 양단부 사이 간극에 용접재를 채워서 용접부를 형성하는 단계(S600)와;

용접된 상기 원통형 접합체(500R)를 1차 절삭(황삭) 가공하는 단계(S700)와;

상기 원통형 접합체(500R)를 침탄 열처리하는 단계(S800)와;

상기 열처리된 원통형 접합체(500R)에 오일을 함침시키는 단계(S900)와; 그리고

상기 오일이 함침된 원통형 접합체(500R)를 2차 절삭(정삭) 가공하는 단계(S1000)를 거치게 된다.

한편, 판상의 상기 강철 지지 베이스(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 철-구리계 합금 분말이 적층될 표면의 폭(W)이 반대면의 이면의 폭 보다 크게 형성된 도 6의 변형 단면을 가지도록 측면(도 2의 두께 'a'로 표시)에 평단부(110; 도 2의 두께 'b'로 표시)와 경사단부(111)를 가진 것을 이용하는 것이, 원통형으로 가공된 상기 원통형 접합체(500R)의 접합 단부를 형성하는 상기 강철 지지 베이스(100)의 양단의 경사단부(111) 사이에 쐐기형 공간부가 형성되도록 하고, 그리하여 용접부를 형성하는 단계(S600)에서 이와 같은 쐐기형 공간부에 용접재를 침투시키기가 용이하여 양단 사이의 더욱 단단한 결합을 유도하는데 보다 유리하게 작용할 수 있다.

이상의 과정에 대하여 첨부 도면을 참조하여 보다 상세히 살펴보기로 한다.

먼저, 도 1b, 및 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 판형 접합체(500)를 상부 펀치 금형(410u, 420u, 430u)과 및 하부 다이스(410b, 420b, 430b)를 사용하여 프레스로 가압하여 폭(W) 방향을 변형시키는 공정으로서 상기 판형 접합체(500)를 원통형 접합체(500R)로 형상 가공하는 프레스 포밍 단계(S500)가 진행된다. 이를 보다 구체적으로 살펴보면, 도 3에 도시된 바와 같이, 하단에 볼록한 원주부를 구비한 상부 펀치 금형(410u)과 상면에 오목한 원주부를 구비한 하부 다이스(410b)를 사용하여 상기 판형 접합체(500)의 양측부(도 3의 도면부호 '①' 및 '②')에 폭(W) 방향의 곡률을 형성하는 1차 곡률 형성 벤딩 가공 단계(S510)와, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 1차 곡률 형성 벤딩 가공 단계를 거친 상기 판형 접합체(500)를 하단에 볼록한 원주부를 구비한 상부 펀치 금형(420u)과 및 양측에 브릿지를 구비한 하부 다이스(420b)를 사용하여 중간부에 곡률 변형을 부가하여 U형으로 벤딩하는 2차 U형 벤딩 가공 단계(S520)와, 그리고 도 5에 도시된 바와 같이 상기 2차 U형 벤딩 가공 단계를 거친 상기 판형 접합체의 중심부에 요구되는 원통형 베어링의 내경에 대응하는 직경(최종 제품 단계 이전의 절삭 가공 여유를 고려하여 약 2mm 정도 작은 직경)을 가진 환봉(430r)을 삽입하고, 요구되는 원통형 베어링의 외경에 대응하는 곡률을 가진 상부 펀치 금형(430u)과 및 하부 다이스(430b)를 사용하여 회전 가압함으로써 상기 판형 접합체(500)를 도 6에 도시된 바와 같은 원통형 접합체(500R)로 형상 가공하는 3차 원형 벤딩 가공 단계(S530)를 거치게 된다.

그리고는 도 7에 도시된 바와 같이 원통형으로 가공된 상기 원통형 접합체(500R)의 접합 단부를 형성하는 상기 강철 지지 베이스(100)의 양단부 사이 간극에 용접재를 채워서 용접부(300)를 형성하는 단계(S600)를 진행하되, 상기 용접부를 형성하는 단계는 원통형으로 가공된 상기 원통형 접합체(500R)의 접합 단부를 형성하는 상기 강철 지지 베이스(100)의 양단의 경사단부(111) 사이의 쐐기형 공간부를 용접하되, 상기 강철 지지 베이스(100) 양단의 평단부(110)에는 용접재가 침투되지 않게 되도록 외측으로부터 상기 강철 지지 베이스(100)와 상기 습동층(200)의 경계면으로부터 1mm 이상 이격된 범위 깊이까지만 용접되도록 함으로써, 첨부 도면 도 7의 확대부에 도면 부호 '111a'로 나타낸 용접열 영향부(111a)가 습동층(200)에 미치지 않도록 하여 습동층(200)이 용접 과정에서 손상되는 것을 방지하고 보호하도록 하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 용접부(300)를 형성하는 단계(S600)까지 완료되면, 용접된 상기 원통형 접합체를 1차 절삭 가공하는 단계(S700)를 진행하고, 그리고는 강철 지지 베이스(100)와 습동층(200)을 동시에 경화하여 강도 및 내마모성을 향상시키기 위하여 열처리를 한다(S800). 열처리 방법에는 고주파, 침탄, 담금질, 질화 열처리 등이 있으며, 용도 및 기능에 따라 최적의 열처리 방법을 선택하여 열처리를 실시한다. 특히, 열처리 후 습동층(200) 내의 철 입자가 경화되어 마르텐사이트(Martensite) 조직(도 8 참조)이 나타나며, 이는 강도 및 내마모성을 향상시키는 역할을 수행한다.

상술한 열처리 작업이 완료되면, 습동층(200)의 내부 기공(201)에 오일을 함침(S900)시키고, 그리고 최종적으로 제품의 형상에 맞도록 2차 절삭가공을 실시한다(S1000).

이상에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링은 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 습동층에 중금속인 납을 포함하고 있지 않으므로 환경 친화적이고, 습동층에 포함된 기지부인 철이 열처리시 흑연과 함께 경화되므로 내마모성 및 내하중성을 향상시킬 수 있고, 그리고 내부 기공 형성 및 이에 오일이 함침됨으로써 잦은 오일 주입을 요하지 않음에 따라 기계의 가동율을 향상시킬 수 있다.

또한, 내마모성 및 내하중성이 향상되므로 외부 이물질의 유입으로 쉽게 손상되지 않으며, 400kgf/㎠ 이상의 고면압이 작용하는 건설기계 및 산업기계의 축회전부에 그 크기(직경과 길이)에 제한 없이 요구되는 규격에 맞추어 제작하여 사용될 수 있다.

특히, 원통형의 부시형 슬라이딩 베어링의 내측 원통부의 습동층을 형성하는 소결체를 형성하는 성형체의 성형 밀도에 있어서 간단한 방법으로 상당한 수준의 정밀도을 제공할 수 있으며, 원통형 하우징을 형성하는 강철이면금속과 내측 원통부를 형성하는 소결체의 접합 계면의 접합 강도에서 불균일을 초래하지 않아 실질적인 접합 면적에 증대를 가져옴으로써 높은 강도를 달성하면서도, 대구경 혹은 장형의 오일레스 슬라이딩 베어링을 형성함에 있어서 대형 프레스의 필요성을 제거하고, 또한 요구되는 높은 성형 정밀도의 달성에 있어서 제조 비용의 과도한 부담 증가 가능성을 제거함으로써 보다 높은 성능과 경제성이 가진 복합소결구조의 오일리스 슬라이딩 베어링을 제공할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 강철 지지 베이스
200: 습동층
201: 내부 기공 300: 용접부
500: 판형 접합체 500R: 원통형 접합체

Claims (6)

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6. 건설기계 및 산업기계의 축회전부에 사용되는 이중 구조로 이루어진 원통형의 소결 베어링으로서, 이중 구조의 원통형 접합체(500R)를 형성하는 내측 원통부에는 구리(Cu) 또는 구리합금 중 선택되는 어느 하나가 전체 조성물의 중량비를 기준으로 18중량% 내지 30중량%로 포함되고, 흑연이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.3중량% 내지 1.0중량%로 포함되며, 나머지는 기지부로 철이 포함되어 이루어지는 철-구리계 합금 분말의 소결층으로 형성되는 습동층(200)이 제공되며, 상기 습동층(200)이 소결되면서 접합되는 외측 원통부는 용접이 가능한 저탄소강의 강철 소재로 이루어지고 동도금, 아연도금, 주석도금, 및 니켈도금 중 어느 하나의 방법으로 도금이 된 강철 지지 베이스(100)에 의해 제공되며, 그리고 상기 외측 원통부에는 길이(L) 방향으로 상기 강철 지지 베이스(100)의 양단의 경사단부(111) 사이의 쐐기형 공간부에 용접재가 침투되어 형성되는 용접부(300)가 제공되는 특징을 가진 복합소결구조의 원통형 오일리스 슬라이딩 베어링을 제조하기 위한 방법으로서,
   철-구리계 합금 분말을 혼합하는 단계(S110)와;
   판상의 강철판을 준비하는 단계(S120)와;
   준비된 판상의 강철판의 표면에서 이물질을 제거하는 단계(S130)와;
   판상의 강철판 표면을 동도금, 아연도금, 주석도금, 및 니켈도금 중 어느 하나의 방법으로 도금하여 판상의 강철 지지 베이스(100)를 형성하는 단계(S140)와;
   혼합된 상기 철-구리계 합금 분말을 판상의 상기 강철 지지 베이스(100)의 상면에 설정 두께로 적층하는 단계(S200)와; 그리고
   상기 철-구리계 합금 분말이 판상의 상기 강철 지지 베이스(100) 상에 습동층(200)이 되도록 상기 철-구리계 합금 분말을 이론밀도의 50% 이하가 되는 분성 상태로 소결시키며 동시에 판상의 상기 강철 지지 베이스(100)와 이에 적층된 상기 철-구리계 합금 분말의 계면이 서로 접합되어서 하나의 판형 접합체(500)가 되도록, 950℃내지 1200℃의 접합 소결 온도에서 10분 내지 50분의 접합 소결 시간 동안 환원성 분위기 또는 진공 분위기에서 접합 소결시키는 접합 소결 동시 수행 단계(S300)와;
   상기 접합 소결 동시 수행 단계(S300)에서 밀도가 이론 밀도의 50% 이하가 되는 분성 상태로 소결된 상기 습동층(200)을 소결 이후에 가압하여 습동층(200)의 밀도를 이론 밀도의 65% 내지 85%로 밀도화하기 위하여 상기 판형 접합체(500)를 압연 공정, 프레싱 공정, 인발 공정 중 하나 또는 그 이상의 공정으로 소성 가공하며, 소성 가공된 상기 판형 접합체(500)를 레벨링한 후에, 진공로 또는 연속로에서 소둔 열처리하는 2차 소성 소결 수행 단계(S400)와;
   상기 2차 소성 소결 수행 단계(S400)를 거친 판형 접합체(500)를 상부 펀치 금형과 및 하부 다이스를 사용하여 프레스로 가압하여 폭(W) 방향을 변형시키는 공정으로서, 1차 곡률 형성 벤딩 가공과, 2차 U형 벤딩 가공, 및 3차 원형 벤딩 가공을 거쳐서 상기 판형 접합체(500)를 원통형 접합체(500R)로 형상 가공하는 프레스 포밍 단계(S500)와;
   원통형으로 가공된 상기 원통형 접합체(500R)의 접합 단부를 형성하는 상기 강철 지지 베이스(100)의 양단부 사이 간극에 용접재를 채워서 용접부를 형성하는 단계(S600)와;
   용접된 상기 원통형 접합체(500R)를 1차 절삭 가공하는 단계(S700)와;
   상기 원통형 접합체(500R)를 침탄 열처리하는 단계(S800)와;
   상기 열처리된 원통형 접합체(500R)에 오일을 함침시키는 단계(S900)와; 그리고
   상기 오일이 함침된 원통형 접합체(500R)를 2차 절삭(정삭) 가공하는 단계(S1000)를 포함하여 이루어지고, 그리고
   상기 2차 소성 소결 수행 단계(S400)는,
   - ① 상기 접합 소결 동시 수행 단계(S300)를 거친 상기 판형 접합체(500)의 습동층(200)의 소결밀도를 4.96~5.2g/㎤의 소결밀도로 밀도화하도록 1차적으로 압연하기 위하여 냉간 가공 방식으로 수행되는 제1 소성 가공 단계(S410);
   - ② 상기 제1 소성가공 단계(S410)를 거친 상기 판형 접합체(500)의 평탄도를 향상시키기 위해 수행되는 제1 레벨링(leveling) 단계(S415);
   - ③ 상기 제1 소성 가공 단계(S410) 및 상기 제1 레벨링 단계(S415)를 거친 판형 접합체의 전위 밀도를 낮추고 분말 간의 결합력을 증가시키기 위하여 진공로 또는 연속로에서 가열하고 서냉시키는 2차 소결 공정으로서 제1 소둔 열처리 단계(S420);
   - ④ 1차 소성 가공된 상기 판형 접합체(500)의 습동층(200)이 6.2~6.5g/㎤의 소결밀도를 가지도록 2차 소성 가공을 위하여 냉간 가공 방식으로 제공되는 제2 소성 가공 단계(S430);
   - ⑤ 상기 제2 소성가공 단계(S430)를 거친 상기 판형 접합체(500)의 평탄도를 향상시키기 위해 수행되는 제2 레벨링(leveling) 단계(S435); 및
   - ⑥ 상기 제2 레벨링 단계(S435)를 거친 판형 접합체(500)의 전위 밀도를 낮추고 분말 간의 결합력을 증가시키기 위하여 진공로 또는 연속로에서 가열하고 서냉시키는 3차 소결 공정으로서 제2 소둔 열처리 단계(S440)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합소결구조의 원통형 오일리스 슬라이딩 베어링의 제조 방법.

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