KR101431355B1

KR101431355B1 - 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금, 미끄럼 베어링 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101431355B1
Application number: KR1020127019431A
Authority: KR
Inventors: 다카시 도미카와; 신이치로 사카모토; 가츠미 야마모토
Original assignee: 다이호 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2009-12-26
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2014-08-19
Also published as: EP2518172B1; US9217193B2; EP2518172A1; KR20120099502A; JP5412530B2; US20130022301A1; CN102762754A; JPWO2011078255A1; EP2518172A4; CN102762754B; WO2011078255A1

Abstract

소둔 조질 상태의 Al-Zr-Cr 계 알루미늄 합금에 대해서 180 ∼ 200 ℃ 의 고온 강도를 확보하고, 내피로성이 우수한 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금을 제공하는 것을 과제로 한다. 상기 과제를 해결하는 내피로성이 우수한 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금은, Mg : 3 ∼ 7 질량％, Cr : 0.1 ∼ 0.3 질량％, 및 Zr : 0.1 ∼ 0.2 질량％ 를 함유하고, 잔부 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 Al 합금 압연판으로 이루어지고, Mg 가 고용된 Al 매트릭스와 Cr, Zr 미립자로 이루어지는 조직을 갖는다.

Description

미끄럼 베어링용 알루미늄 합금, 미끄럼 베어링 및 그 제조 방법{ALUMINUM ALLOY FOR SLIDE BEARING, SLIDE BEARING AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은, 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금, 미끄럼 베어링, 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 설명하면, 성형 및 열처리에 의해 조질 상태 및 치수를 미끄럼 베어링에 적합한 것으로 한 Al-Mg-Cr-Zr 계 알루미늄 합금 압연판에 관한 것이다.

미끄럼 베어링용 알루미늄 합금 압연재로서 규격화된 재질에는 다음의 것이 있다.

SAE 780 : 7.0 ％ Sn-1.0 ％ Cu-1.6 ％ Ni-0.6 ％ Si-1.0 ％ Mg

SAE 781 : 6.25 ％ Sn-1.0 ％ Cu-0.5 ％ Ni-1.5 ％ Si

최근, 자동차용 내연 기관은 소형화, 고효율화의 경향에 있어, 미끄럼 베어링의 폭이 좁고, 베어링이 받는 부하 응력은 높아지고 있다. 또한, 윤활유의 저점도화에 따라 윤활유막이 얇아져, 축과 베어링의 접촉 빈도가 높아짐으로써 베어링 표면의 온도가 상승하고 있다. 이와 같은 추세 안에서 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금의 개발이 이루어지고 있다.

본 출원인은, 특허문헌 1 : 일본 특허 제3868630호에 있어서, 「Sn ; 1 ∼ 15 중량％, Si : 1 ∼ 8 중량％, Cr : 0.05 ∼ 0.3 중량％, Zr : 0.05 ∼ 0.3 중량％ 를 함유하고, 잔부 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 압연 후에 300 ∼ 400 ℃ 의 저온 소둔과 400 ∼ 480 ℃ 의 고온 소둔, 단 저온 소둔과 고온 소둔의 온도차 10 ℃ 이상을 실시하여 소둔 조질 상태로 하여, Al-Cr 금속간 화합물이 주로 알루미늄의 결정립계로 석출되고, Al-Zr 금속간 화합물이 주로 알루미늄 결정립내의 아립계로 석출되고 있고, 고면압하에서 내피로성이 우수하다는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금」 (청구항 1) 을 제안하였다.

특허문헌 1 의 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금은, 베어링 표면 온도가 높은 조건하에서의 사용을 의도하고 있고, 이 때문에, 조직 제어를 실시하여 석출시킨 Al-Cr 및 Al-Zr 계 금속간 화합물이 고온에서의 내피로성 향상에 기여하고, 또 Si 는, 시이징 방지에 효과가 있는 경질 입자를 형성하고 있다. 또한 임의 성분으로서 첨가되는 Pb 나 Sn 도 내시이징성을 향상시킨다.

특허문헌 2 : 일본 공개특허공보 2007-107589호는, 내캐비테이션성을 개량하는 것, 상세하게는 코팅층의 박리를 해결하는 것으로, 고체 윤활제와 수지 바인더로 이루어지는 수지 코팅층과 알루미늄 합금의 접착 강도를 높이기 위해서, 알루미늄 합금의 Sn 함유량을 0 ∼ 2 질량％ 의 범위로 하고 있다. 또한, 알루미늄 합금으로는, Si, Cu, Ni, Cr, Zn, Mn, Ti, B, Zr, Mg, V, Pb, 및/또는 Bi 를 총량에서 0.1 ∼ 20 질량％ 함유한다. 이들 원소 중 Si, Pb, Bi 이외의 원소 (이하 「Si 등의 원소」라고 한다) 는, 알루미늄 매트릭스에 고용시키거나, 또는 Al 와의 금속간 화합물을 형성하여 석출된다고 설명되어 있다. 실시예에서는 Sn, Cu, Si, Zn, Pb, Mn 이 첨가 원소로서 사용되고 있는데, Mg 의 첨가예는 없다.

특허문헌 2 의 제조 방법은, 알루미늄 합금 주조재를 압연에 의해 성형한 알루미늄 합금판을 강판 (이금 (裏金)) 상에 롤 압접에 의해 접합하여 바이메탈을 제조한다는 것이기 때문에, Si 등의 원소는 이들 제조 단계에서 고용시키거나 혹은 석출시키게 된다. 단, 구체적 고용·석출 조건은 설명되어 있지 않다. 또한, 특허문헌 2 에 있어서는, 바이메탈을 반원통상으로 프레스 가공하여, 소정의 부품 치수로 기계 가공한 후, 수지 코팅층을 형성하여, 230 ∼ 250 ℃ 에서 1 시간 소성한다.

특허문헌 3 : 일본특허 제3958515호는 다층 베어링에 관한 것으로, 그 다층 구조의 각 층은, 강이금과, 알루미늄 합금 중간층과, 알루미늄기 베어링 합금층이다. 알루미늄기 베어링 합금층은, Cu, Zn, Mg 및 Si 중에서 선택된 1 종 이상의 금속 원소를 0.1 ∼ 7 질량％ 함유하고 있고, 알루미늄 합금 중간층을 개재하여 강이금에 접합된 상태로 400 ℃ 이상에서 용체화 처리한다. 따라서, 베어링 합금층을 중간층을 개재하여 이금에 접합한 후에 용체화 처리하는 것인데, 용체화 처리에 의해 다음과 같은 변화가 일어난다. 먼저, 알루미늄기 베어링 합금층의 Cu, Zn, Mg, Si 등의 원소가 Al 매트릭스 중에 고용되고, 그 후의 급랭에 의해 알루미늄기 베어링 합금층의 강도를 높여, 베어링의 내피로성을 향상시킨다고 설명되어 있다. 또한, 내피로성의 시험은 급유 온도 100 ℃ 에서 실시되고 있다. 알루미늄 합금 중간층 중, 이금측에서는 Al-Fe-Si 계 화합물이 무른 Al-Fe 계 화합물의 생성을 방지한다. 또, 실시예에 있어서의 Al 합금에 대한 Mg 의 최대 첨가량은 1.5 ％ 이다.

특허문헌 3 의 알루미늄기 베어링 합금은, 추가로 다음 성분을 함유할 수 있다고 설명하고 있으므로, 이들 성분도 400 ℃ 이상의 용체화 처리에 의해 Al 매트릭스에 고용된다고 이해된다. 또한, 알루미늄 합금은 용체화 처리를 실시하고, 인공 시효 처리를 실시해도 된다고 되어 있다.

(1) 3 ∼ 20 질량％ 의 Sn

(2) Cu, Zn, Mg, Si 중에서 선택된 1 종 이상의 원소를 총량에서 0.1 ∼ 7 질량％

(3) Mn, V, Mo, Cr, Co, Fe, Ni, W 중에서 선택된 1 종 이상의 원소를 총량에서 0.01 ∼ 3 질량％

(4) B, Ti, Zr 중에서 선택된 1 종 이상의 원소를 총량에서 0.01 ∼ 2 질량％

(5) Pb, Bi, In 중에서 선택된 1 종 이상의 원소를 총량에서 3 질량％ 이하

특허문헌 4 : 일본 공개특허공보 2010-77506호는, 본원의 우선일과의 관계에서는 미공개의 선원에 상당하고, 1.5 ∼ 7.0 질량％ 의 Mg 를 함유하는, 자동차 차체의 아우터 패널 등에 사용되는 성형용 알루미늄 합금에 관한 것이고, 임의 성분으로서 Fe, Si, Mn, Cr, Zr, V, 및 Ti 를 함유하는데, 이들 임의 성분에서 Cr, Zr 을 선택한 경우에는, 0.3 질량％ 이하의 Cr, 및 0.3 질량％ 이하의 Zr 을 함유한다. 특허문헌 4 에 기재된 알루미늄 합금 압연판의 제조법은, 주괴의 균질화 처리, 열간 압연 (두께 3.5 ㎜), 중간 소둔을 수반하는 냉간 압연 (두께 1 ㎜), 용체화 처리, 스킨 패스 압연이며, 경우에 따라 마지막에 조질 처리 (50 - 80 ℃) 를 실시한다는 것이다.

일본 특허 제3868630호 명세서 일본 공개특허공보 2007-107589호 일본 특허 제3958515호 명세서 일본 공개특허공보 2010-77506호

특허문헌 1 이 제안하는 알루미늄기 미끄럼 베어링 재료는, 베어링 표면의 온도가 180 ℃ 이하인 것을 상정하고 (단락번호 0004), 고온 강도를 확보하기 위해서 Cr 이나 Zr 등의 천이 금속을 첨가하여, 그들 금속이 Al 과의 금속간 화합물을 석출시키고 있는데, 베어링의 표면 온도가 180 - 200 ℃ 까지 도달하는 경우, 강도 부족에 의해 피로가 발생할 우려가 있다. 특허문헌 1 이 설명하고 있는 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금의 조질 상태를 다음의 단락에 인용한다.

본 발명과 동일 조성의 알루미늄 합금은 T₄ 혹은 T₆ 조질 상태에서 인장 강도가 약 300 ㎫ 인데, 본 발명의 알루미늄 합금의 강도는, 상기와 같은 열처리를 실시하지 않고 이것의 절반 이하가 되어 있다. 이와 같은 강도 특성에 상당하는 조질 상태는, 가공 변형이 제거되고 또한 과시 효역에 돌입된 상태이다. 이 상태를 본 발명에서는 소둔 조질이라고 칭한다. 구체적으로는 압연 후에 300 ∼ 400 ℃, 바람직하게는 320 ∼ 380 ℃ 의 저온 소둔과 400 ∼ 480 ℃, 바람직하게는 420 ∼ 480 ℃ 의 고온 소둔 (단, 저온과 고온 소둔의 온도차 10 ℃ 이상) 을 실시한 상태이다. 이 저온 소둔은 Al-Cr 금속간 화합물을 석출시키고, 한편 고온 소둔은 Al-Zr 금속간 화합물을 석출시킨다. 이 조건에서 일탈하면, Al-Cr 금속간 화합물은 고온 소둔에서는 조대화되고, 또한 일부는 고용되고, 한편 Al-Zr 금속간 화합물은 저온 소둔에서는 석출이 적다. 이 때문에, 고온과 저온의 각각의 소둔을 실시할 필요가 있다. 또, 상기 서술한 이유에서 저온 소둔을 먼저 실시하고, 고온 소둔을 후에 실시하는 것이 바람직하다. 이 순서를 반대로 해도, 고온 소둔에서 일부 고용된 Al-Cr 금속간 화합물이 석출되는데, 석출량은 적어진다. 저온 소둔은 30 분 ∼ 5 시간의 범위 내에서, 고온 소둔은 30 분 ∼ 5 시간의 범위 내에서 실시하는 것이 바람직하다.

특허문헌 1 은, 그 제안하는 알루미늄 합금은, 180 - 200 ℃ 에서는 강도가 부족해지는 것을 시사하고 있다. 또, Cu, Mg 등 고용 범위가 넓은 성분을 3 질량％ 이하 첨가하고, 또한 1 ∼ 8 질량％ 의 Si 를 필수 성분으로 하고 있는데, Mg 와 Si 를 동시 첨가하여 주조하면, Mg₂Si 가 공정 (共晶) 되기 때문에, 고강도이긴 하지만 무르기 때문에 제품의 가공이 곤란해진다.

다음으로, 특허문헌 2 는, 내캐비테이션성을 향상시킬 수 있는 코팅층을 제안하는 것이고, 그 하지 (下地) 의 알루미늄 합금은 광범위한 조성을 망라하고 있고, 그 중에는 미끄럼 베어링으로서 실용할 수 없는 것도 포함되어 있다. 특허문헌 2 의 알루미늄 합금의 최종적 열처리는, 수지 코팅의 소성이고, 230 ∼ 250 ℃ 에서 1 시간이다. 이 열처리는 T₆ 처리에 있어서의 인공 시효에 상당한다.

특허문헌 3 이 제안하는 특허문헌 3 의 실시예의 베어링 합금의 인장 강도는 180 - 190 ㎫ 정도로 되어 있는데, 베어링이 받는 하중이 높은 경우나, 사용 온도가 180 - 200 ℃ 까지 도달하는 환경하에 있어서는 합금의 강도가 부족한 경우가 있다. 이와 같은 고온 강도 부족은, 고용체형 혹은 인공 시효형 합금의 특질이라고 생각된다.

일반적으로 말해, 1 대의 자동차로 성형용 알루미늄 합금이 예를 들어 차체의 일부에 채용된 경우에는, 그 사용 중량은, 엔진 메탈 사용 중량보다 압도적으로 많아지는 것을 생각할 수 있다. 이와 같은 배경에서 특허문헌 4 를 검토하면, 고 Mg-Al 합금 압연판을 양산할 수 있는 기술을 제공하고 있는데, 광폭의 성형용 알루미늄 합금 압연판을 양산하는 것이고, 미끄럼 베어링과 같은 협폭 압연재의 소량 생산에는 적합하지 않다. 또한, 특허문헌 4 에 있어서는, Al-Mg 계 알루미늄 합금에 함유되는 Cr, Zr 등의 원소의 존재 형태를 미끄럼 베어링 성능을 높이도록 조질하지 않았다.

상기 서술한 바와 같이, 특허문헌 2, 3 은 미끄럼 베어링의 고온 강도 부족을 야기하고 있다. 한편, 특허문헌 1 에서 제안되고, 단락번호 0010 에서 인용한 Al-Zr-Cr 계 알루미늄 합금의 소둔 조질 기술에 의해 미끄럼 베어링의 고온 강도는 향상되었지만, 180 ∼ 200 ℃ 정도에서 필요시되는 고온 강도는 확보되어 있지 않다. 따라서, 본 발명은 고온 강도와 내피로성이 우수한 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금 및 미끄럼 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

일반적으로, Al-Mg 계 합금에서는, Mg 함유량이 높아지면 성형성이 저하되어, 열간 압연 등이 필요해진다. 그런데, 열간 압연기는 그 자체가 고가이고, 가열로나 압연판을 냉각시키는 쿨링 테이블 등이 부대되기 때문에, 설비 투자가 매우 커진다. 따라서, 본 발명은, 새로운 설비 투자가 필요하지 않고, 일반적 미끄럼 베어링 제조 설비에서 Mg 함유량이 높은 Al-Mg 계 합금계 미끄럼 베어링을 제조하는 방법을 제공하는 것도 목적으로 한다.

본 발명에 관한 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금은, Mg : 3 ∼ 7 질량％, Cr : 0.1 ∼ 0.3 질량％, 및 Zr : 0.1 ∼ 0.3 질량％ 를 함유하고, 잔부 Al, 및 Sn, Bi, Si, Pb, Fe, Ti, B 를 포함하는 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 알루미늄 합금 압연판으로 이루어지고, 상기 알루미늄 합금의 주요 조직은, Mg 가 고용된 Al 매트릭스와, Cr 미립자 및 Zr 미립자로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 미끄럼 베어링은, 상기 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금이 저탄소 강판으로 이루어지는 이금에 접착되어 있는 것이고, 더욱 바람직하게는, 상대축과 접촉하는 표면에, 고체 윤활제인 MoS₂ 와, 폴리아미드이미드 및 폴리이미드의 일방 또는 양방으로 이루어지고, 또한 두께가 2 ∼ 10 ㎛ 인 오버레이를 피복한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 미끄럼 베어링의 제조 방법은, Mg : 3 ∼ 7 질량％, Cr : 0.1 ∼ 0.3 질량％, 및 Zr : 0.1 ∼ 0.2 질량％ 를 함유하고, 잔부 Al, 및 Sn, Bi, Si, Pb, Fe, Ti, B 를 포함하는 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 알루미늄 합금을 두께 12 ∼ 18 ㎜ 로 연속 주조하고, 연속 주조판에 냉간 압연을 실시하여, 최종적 미끄럼 베어링의 두께까지 압연하는 과정에서, 300 ℃ 이상 420 ℃ 미만의 저온 소둔과 420 ℃ 이상 450 ℃ 이하의 고온 소둔 -단 저온 소둔과 고온 소둔의 온도차가 10 ℃ 이상이다- 을 순차 실시하고, 그 후 압연판을 저탄소 강판으로 이루어지는 이금에 압접하는 것을 특징으로 한다.

이하, 알루미늄 합금 조성, 알루미늄 합금 조직, 미끄럼 베어링, 및 제조 방법의 순서에 따라, 본 발명을 상세하게 설명한다.

알루미늄 합금 조성

본 발명에 관한 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금에 함유되는 Mg 는, 불순물과 화합하여 석출하는 소량은 제외하고, Al 매트릭스 중에 전체량이 고용되어, 매트릭스 강도를 향상시켜, 베어링의 고온 강도와 내피로성을 향상시킨다. 단, 한편, Mg 는 불가피적 불순물에 포함되는 Sn, Bi, Pb, Si 와의 화합물이 석출되는데, 이들 화합물은 특성 향상을 야기하지 않는다. 그런데, 고부하 응력이 가해지는 자동차용 내연 기관 내의 커넥팅 로드 대단부용 베어링, 주베어링 및 일반 산업용 기계에 사용되는 저널 베어링에 필요한 강도를 얻기 위해서 필요한 첨가량은 3 ∼ 7 질량％ 이다. 첨가량이 3 질량％ 이하인 경우, 종래 기술과 동일한 강도밖에 얻어지지 않고, 한편 7 질량％ 이상에서는, 베어링의 강도가 지나치게 높아져, 운전 초기에 필요해지는 친숙성이 저하됨과 함께 가공성이 저하된다. 또한, 후술하는 바와 같이, 본 발명의 알루미늄 합금에서는, 내시이징성을 높이는 Si 는 첨가되어 있지 않기 때문에, Mg 가 합금 표면에 있어서 내시이징성이 양호한 화합물을 생성한다.

Cr 은 합금 내의 전위를 피닝함과 함께 결정립의 조대화에 의한 피로 파괴를 억제한다. 이 효과를 얻기 위해서 필요한 첨가량은 0.1 ∼ 0.3 질량％ 이며, 보다 바람직한 Cr 량은 0.1 ∼ 0.2 질량％ 이다.

Zr 은 Cr 과 동일하게 석출하여 피닝 효과가 얻어진다. 이 효과를 얻기 위해서 필요한 첨가량은 0.1 ∼ 0.3 질량％ 이며, 보다 바람직한 Zr 량은 0.1 ∼ 0.2 질량％ 이다.

상기 이외의 성분은 Al 과 상기 서술한 불가피적 불순물이며, 특히 Mg₂Si 를 형성하는 Si 나, 연질 성분의 형성에 따라 강도 저하를 초래하는 Pb, Sn, Bi 등은 가능한 한 낮게 억제할 필요가 있다.

또, 주석 (Sn) 을 첨가하면, Mg 와 Sn 이 화합물을 생성함과 함께 강도의 향상을 볼 수 있다. 그러나, 본 발명은 기본적으로 고용 Mg 에 의한 특성의 향상을 목표로 하므로, Sn 은 불순물로 한다. 불순물로는, Pb 0.1 ％ 미만, Fe 0.3 ％ 미만, Sb 0.1 ％ 미만, Ti 0.3 ％ 미만이 대표적인 것이고, 이것보다 소량인 그 밖의 불순물이 극히 소량 존재한다.

한편, Cu, Ni, Zn, Mn, V 등은 Mg 의 고용을 방해하지 않기 때문에, 다소는 존재가 허용된다. 그 총량은 1.0 질량％ 이하가 바람직하다.

알루미늄 합금 조직

계속해서, 조직 면에서 본 본 발명의 알루미늄 합금을 설명한다.

본 발명의 알루미늄 합금에서는, 대부분의 Mg 는 알루미늄 매트릭스에 고용되어 있다. 후술하는 소둔 공정을 거친 알루미늄 합금 매트릭스의 EPMA 조직에는 무수한 Cr 및 Zr 미립자가 검출되고, 이들이 석출되어 있는 것을 나타내고 있다. 또한, Cr 은 저온 소둔으로 석출하고, Zr 은 고온 소둔으로 석출한다. 이들 Cr, Zr 미립자는 결정립계 혹은 아립계를 피닝하여, 그 조대화에 의한 피로 파괴를 방지한다. 본 발명에 있어서의 Cr, Zr 미립자란 후술하는 현미경 배율 이상에서 관찰할 수 있는 것이다. 또, 알루미늄 합금의 원소가 구성하는 주요 조직은 상기 서술한 바와 같고, 고온 강도나 내피로성 향상에 기여한다. 그 이외의 불순물 원소가 형성에 관여하는 화합물로서 Mg₂Si, Mg-Sn, Al-Fe 등이 X 선 회절에 의해 검출된다. 이들 화합물은 상기 서술한 특성 향상에 기여하지 않고, 또 Mg₂Si, Mg-Sn 은 알루미늄 매트릭스의 고용 Mg 량을 적게 하여 고온 강도의 저하를 초래하기 때문에, 주요 조직으로부터는 제외하고 있다.

미끄럼 베어링

상기 서술한 본 발명에 관한 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금 압연판 (이른바 라이닝) 은, 바람직하게는 탄소 함유량이 0.1 - 0.3 질량％ 의 저탄소로 이루어지는 강이금에 압접된 바이메탈을 제조하여, 반원통상 또는 원통상으로 가공된 미끄럼 베어링으로 하여 사용할 수 있다.

특히, 본 발명을 이용한 미끄럼 베어링은, 최고 사용 온도가 180 - 200 ℃ 에 도달하는 경우에도 사용할 수 있다. 여기서 최고 사용 온도란, 베어링이 적용되는 엔진이 최고 회전수에 이르렀을 때의 베어링 표면의 최고 온도이다. 일반적으로 알루미늄 합금은 온도가 높아지면 강도가 저하된다. 종래 기술로 제조되는 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금은 최고 사용 온도가 200 ℃ 정도까지 상승하는 것을 상정하고 있지 않고, 또, 베어링이 받는 면압도 40 - 60 ㎫ 정도를 상정한 후에 합금 강도를 설정하고 있었다. 본 발명의 미끄럼 베어링의 특징은, 「알루미늄 합금 조직」의 단락에서 설명한 조직이 상기한 최고 사용 온도에서도 유지되고, 또한 베어링 면압이 80 - 100 ㎫ 정도까지 상승하는 내연 기관에 있어서도 사용 가능한 강도를 갖는 것이다.

그러나, 미끄럼 베어링은 운전 초기에 상대축과의 접촉을 피하지 못하고, 국부적으로 높은 면압이 발생한다. 그래서 상대축과 접촉하는 알루미늄 합금의 표면에 고체 윤활제인 MoS₂ 와 수지의 혼합액을 코팅한 층을 부여함으로써, 미끄럼 베어링의 친숙성을 향상시킬 수 있고, 그 결과 국부 응력을 완화하여 피로 파괴를 완화할 수 있는, 동시에 운전 초기의 시이징을 방지하는 효과가 얻어진다. 수지로는 폴리아미드이미드 (PAI), 폴리이미드 (PI) 등이 바람직하다.

또 코팅 중의 MoS₂ 의 양은 60 - 90 질량％ 인 것이 바람직하다. 고체 윤활제는, MoS₂ 와 조합하거나 혹은 따로 그라파이트를 사용할 수 있다.

제조 방법

본 발명에 관한 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금의 제조 방법을 설명한다.

소정의 조성을 갖는 알루미늄 합금을 연속 주조함으로써, 두께가 12 ∼ 18 ㎜ 인 주조판을 제조한다. 이 상태에서는, 첨가 원소인 Mg 가 알루미늄 매트릭스에 고용된 상태가 되고, 또 주조시의 창출물의 생성을 억제한다. 그 후, 라이닝의 두께까지 다단계로 냉간 압연을 실시한다. 냉간 압연 단계의 중간에 있어서, 1 회 이상 응력 제거 소둔을 실시한다. 또한, 소둔 조질 상태로 하기 위해서, 400 ℃ 이상 420 ℃ 미만의 저온 열처리와, 420 ℃ 이상 450 ℃ 이하의 고온 열처리를 실시한다. 저온 소둔과 고온 소둔의 온도차는 적어도 10 ℃ 인 것이 필요하다. 저온·고온 소둔은 응력 제거 소둔 대신에 실시할 수 있다. 먼저 저온 소둔을 실시하고, 다음으로 고온 소둔을 실시한다. 이들 소둔은 동일 중간 단계에서 실시해도 되고, 혹은 먼저 저온 소둔을 실시하고, 다음으로 냉간 압연을 실시하고, 계속하여 고온 소둔을 실시해도 된다. 또, 고온 소둔은 냉간 압연 단계의 최종 열처리여도 된다.

상기한 소둔 온도로 가열·유지한 후의 냉각은, 소둔로 내에서의 노냉으로 실시한다. 노냉의 특장은 다음과 같다. (가) 본 발명에 있어서는 Mg 와 화합하는 원소의 양을 낮게 억제하고 있으므로, 냉각 과정에서는, Mg 고용 Al 매트릭스의 효과를 저해하는 석출은 일어나지 않는다. (나) 또, Mg 등을 과포화로 고용시키는 강제 냉각은 실시하지 않기 때문에, 최종 단계에서 코팅층의 시이징을 실시해도 Mg 의 고용 상태는 유지되고 있다.

상기 방법에 의해 제조한 라이닝과 저탄소강을 중첩하고 롤 압접하여 바이메탈을 제조한다.

(1) 본 발명의 조성 및 조직을 갖는 알루미늄 합금을 실온에서 200 ℃ 의 범위에서 인장 시험을 실시한 결과, 특허문헌 1 의 범주에 속하는 알루미늄 합금과 비교하여 인장 강도가 상승하는 것이 확인되었다. 여기서 Cr, Zr 등은, 180 ℃ 까지의 고온역에 있어서의 강도 저하를 적게 한다. 한편, 180 ℃ 이상의 고온역에 있어서는, 특허문헌 1 보다 다량으로 첨가된 Mg 의 고용량이 많아져 있기 때문에, 고온에서의 강도 및 반복 응력하에서의 내피로성이 향상된다. 또, 정하중 (靜荷重) 하에 있어서의 내시이징성을 평가한 결과, 종래재와 동등한 내시이징성을 나타냈다. 이것은 베어링 표면의 Mg 가 매트릭스의 Al 보다 산화되기 쉽고, 슬라이딩 표면에 MgO 층이 형성되어, 상대축과의 비응착성이 향상되었기 때문이다.

(2) 본 발명의 소둔 조질 상태에서는 Mg 는 불순물 원소인 Sn, Bi, Pb, Si 등과 화합하여 석출되는데, 불순물량을 낮게 억제하고 있기 때문에, Mg 의 고용 상태는 고온에 있어서도 실질적으로 유지되고 있다. 또한, Cr, Zr 가 소둔에 의해 석출되어 고온 강도를 높인다. 이들의 결과, 조직 변화에 의한 강도 저하가 일어나기 어렵다.

(3) 본 발명의 미끄럼 베어링을, 베어링 단체 (單體) 시험기를 사용하여 피로 시험을 실시한 결과, 동일 반복수로 베어링 내면에 크랙이 발생하는 면압이 특허문헌 1 의 알루미늄 합금에 대해 약 20 ㎫ 상승했다. 이 성과에 따라, 높은 최고 사용 온도에서의 미끄럼 베어링의 사용이 가능해졌다.

(4) 본 발명의 알루미늄 합금은 연질 성분을 함유하지 않기 때문에, 친숙성이 부족하다. 이 대책으로서 오버레이로서 코팅층을 실시함으로써 친숙성을 높일 수 있다. 본 발명의 알루미늄 합금 압연판은 소둔 조질 상태이기 때문에, 코팅층 시이징 단계에서의 인공 시효는 일어나지 않는다.

(5) 본 발명에 있어서는, 박육 연속 주조판을 냉간 압연하므로, 열간 압연기의 설비가 없는 미끄럼 베어링 메이커여도 용이하게 압연판을 제조할 수 있다. 이금과 접합 전에 알루미늄 합금의 특성을 조정하는 열처리를 실시함으로써 Cr 및 Zr 등의 천이 금속을 석출시킨다. 따라서, 이 방법은, 이금과의 접합 후에 알루미늄 합금의 특성을 조절하기 위해서 용체화 처리를 실시하여, 합금 강도를 향상시키는 방법으로부터, 제조 비용을 낮추는 것이 가능해진다. 공업적으로 제조된 압접판은 통상 코일상으로 권취되어 있기 때문에, 용체화 처리를 실시하기 위해서는 대대적인 설비가 필요하다. 또 용체화 처리에 있어서는 합금의 온도 관리가 중요한 품질 관리 항목이 되기 때문에, 거대한 코일을 용체화 처리를 실시하기 위해서는 제조 비용이 높아진다.

도 1 은 표 1 의 No. 3 의 알루미늄 합금의 현미경 사진 (배율×1500) 이다.
도 2 는 표 1 의 No. 3 의 알루미늄 합금의 현미경 사진 (배율×5000) 이다.
도 3 은 도 2 의 시야에 있어서의 EPMA 에 의한 원소 매핑이다.
도 4 는 표 1 의 No. 12 의 알루미늄 합금의 현미경 사진 (배율×1500) 이다.
도 5 는 표 1 의 No. 12 의 알루미늄 합금의 현미경 사진 (배율×5000) 이다.
도 6 은 도 5 의 시야에 있어서의 EPMA 에 의한 원소 매핑이다.
도 7 은 표 1 의 No. 17 의 알루미늄 합금의 현미경 사진 (배율×1500) 이다.
도 8 은 표 1 의 No. 17 의 알루미늄 합금의 현미경 사진 (배율×5000) 이다.
도 9 는 도 8 의 시야에 있어서의 EPMA 에 의한 원소 매핑이다.
도 10 은 실시예 2 에 있어서의 피로 시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11 은 실시예 3 에 있어서의 피로 시험의 결과를 나타내는 그래프이다.

실시예 1

표 1 에 나타내는 조성의 알루미늄 합금을 판두께 15 ㎜ 로 연속 주조하고, 두께 6 ㎜ 로 냉간 압연을 실시하여, 표 1 에 나타내는 저온 열처리를 실시한 후, 다시 두께 1 ㎜ 로 냉간 압연하여, 표 1 에 나타내는 고온 열처리를 실시하였다. 이와 같은 공정에서 알루미늄 합금판을 실온과 200 ℃ 의 분위기내에서 인장 시험을 실시하였다. 결과를 표 1 「각종 합금 성분에 있어서의 실온·고온하의 인장 강도」로 나타내었다.

표 1 의 본 발명 실시예에 있어서, Cu, Sn, Si 는 불순물이며, 각각 0.1 ％ 이하, 0.2 ％ 이하 및 0.5 ％ 이하이다.

이하, 표 1 로부터 알 수 있는 조성과 특성의 관계 및, 표 1 의 몇 개의 시료의 조직을 서술한다.

(가) Cr, Zr 첨가 효과

본 발명 실시예 No.1 과 비교예 No.11 의 차이는, Cr, Zr 의 첨가 유무이며, Cr, Zr 을 첨가함으로써 특히 고온하에서의 강도 저하가 적은 것이 확인되었다.

(나) 본 발명의 조직

본 발명 실시예 No. 3 의 현미경 사진을 도 1, 도 2 에 나타낸다. 이들 도면에 있어서 「Al-Mg 합금」이라는 인출선으로 나타낸 부분은, 표 1 의 조성을 갖는 합금이며, 석출물은 검출되지 않았다.

도 3 은 도 2 의 시야에 있어서의 Al, Mg, Cr, Zr, Fe 원소의 매핑을 나타내고 있고, 지정된 원소가 존재하면, 검출 지점이 흰 점으로 표시된다. 본 발명 실시예 No. 3 의 합금 중의 Mg 는 Al 중에 고용되어 있기 때문에 분포는 고르고, 또한 Al 농도> Mg 농도로 되어 있다. Fe 가 고농도로 존재하는 지점에서는 Al 농도가 낮아져 있고, Al-Fe 계 금속간 화합물의 석출이 인정된다. 이에 대하여 Cr, Zr 은, 상기한 고배율의 관찰에서는, 미소한 점상 입자로서 조직 중에 균일하게 분포되어 있는 것이 동정 (同定) 되고, 석출되어 있는 것이 인정되지만, 이들 원소의 상호의 위치 관계나 Al 농도와의 관계는 불분명하다. 합금 중의 Cr, Zr 은, 주조시에 합금 중에 고용되지만 저온 또는 고온의 소둔에 의해 석출된다고 생각된다. 본 발명 실시예 No.1 ∼ No.11 의 원소 분포는 도 1 에 나타내는 조직과 유사하다.

(다) Mg 를 함유하지 않는 비교예의 조직

또 비교예 No.12 의 현미경 사진을 도 4, 도 5 에 나타내고, 도 6 에 원소 매핑을 나타낸다. 합금 중의 Sn, Si 는 Al 중에 거의 고용되지 않고, 정출 (晶出) 또는 석출되므로 국부적으로 존재하고 있다. 또 합금 중의 Cu 는 합금 중에 고용되어 있는데, 일부가 Al-Cu 의 금속간 화합물로서 석출되어 있다. 이것은 압연 후의 열처리에 의해 합금 중에 과포화로 고용되어 있던 Cu 의 일부가 석출된 것이다. 비교예 No.17 의 현미경 사진을 도 7, 도 8 에 나타낸다.

(라) Sn 의 영향

비교예 No. 12 ∼ 16 이 나타내는 바와 같이, Sn 을 4 ∼ 12 질량％ 의 범위에서 첨가해도, 실온 및 고온 인장 강도에 대해서는 그다지 유효하지 않다. 한편, 비교예 No. 17 은 인장 강도가 높아져 있다. 이 비교예의 원소 매핑은 도 9 에 나타내는 바와 같이, Mg 와 Sn 은 금속간 화합물로서 생성되어 있다.

실시예 2

표 1 내의 No.5 의 조성을 갖는 알루미늄 합금을, 실시예 1 과 동일하게 연속 주조하고, 냉간 압연을 실시하여, 표 1 에 나타내는 저온 열처리를 실시한 후 추가로 압연하고, 표 1 에 나타내는 고온 열처리를 실시함으로써 제조한 알루미늄 합금판과, 비교예로서 No. 12 와 No. 13 의 조성의 합금을 이금 (두께 2.6 ㎜ 의 SPCC) 과 압착시켜 제조한 바이메탈 (베어링 재료) 을 사용하여 베어링으로 가공하고, 하기 조건으로 피로 시험을 실시하였다.

시험 조건

시험기 : 왕복동 하중 시험기

급유 온도 : 160 ℃

시험면압 : 78 - 100 ㎫

윤활유 : SAE 10W-30

축 재질 : S55C 고주파 담금질

시험 결과를 도 10 에 나타낸다. 도 10 의 그래프로부터, 본 발명 실시예 No. 5 는, 비교예 No. 12, 13 에 대해 피로가 발생하는 면압이 약 20 ㎫ 상승되어 있는 것을 알 수 있다.

실시예 3

실시예 2 의 발명품과 동일한 공시재의 표면을 산세 (예를 들어 인산 화합물 등) 또는 기계적 (예를 들어 숏 블라스트 등) 으로 조면화한 베어링 표면에, MoS₂ 와 PAI (폴리아미드이미드) 를 혼련하여 제조한 혼합물을 도포하고, 220 ℃ 에서 소성함으로써 제조한 오버레이가 부착된 베어링을 실시예 2 와 동일한 조건하에서 피로 시험을 실시한 결과, 도 11 에 나타내는 바와 같이 내피로성이 더욱 향상되는 것이 확인되었다. 비교예 No. 12 의 오버레이를 부여하는 것에 의한 내피로성 향상의 효과도 확인되지만 오버레이를 부여하고 있지 않은 No. 5 가 내피로성이 우수하다.

산업상 이용가능성

본 발명에 의하면, 자동차용 내연 기관 내의 커넥팅 로드 대단부용 베어링, 주베어링이나 및 일반 산업용 기계에 사용되는 저널 베어링 등의 미끄럼 베어링이 제공된다.

Claims

Mg : 3 ∼ 7 질량％, Cr : 0.1 ∼ 0.3 질량％, 및 Zr : 0.1 ∼ 0.3 질량％ 를 함유하고, 잔부 Al, 및 Sn, Bi, Si, Pb, Fe, Ti, Cu 및 B 를 포함하는 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 알루미늄 합금 압연판으로 이루어지고, 상기 알루미늄 합금의 조직이, Mg 가 고용된 Al 매트릭스와, Cr 미립자 및 Zr 미립자를 포함하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금.
제 1 항에 있어서,
상기 알루미늄 합금 압연판은, 300 ℃ 이상 420 ℃ 미만의 저온 소둔과 420 ℃ 이상 450 ℃ 이하의 고온 소둔이 실시된 소둔 조질 상태이고,
저온 소둔과 고온 소둔의 온도차가 10℃ 이상인 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금.
제 1 항에 있어서,
Cr 함유량이 0.1 ∼ 0.2 질량％, 및 Zr 함유량이 0.1 ∼ 0.2 질량％ 인 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금.
제 2 항에 있어서,
Cr 함유량이 0.1 ∼ 0.2 질량％, 및 Zr 함유량이 0.1 ∼ 0.2 질량％ 인 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 미끄럼 베어링용 알루미늄 합금이 강이금에 접착되어 있는 미끄럼 베어링.
제 5 항에 있어서,
상기 강이금이, 탄소 함유량이 0.1 ∼ 0.3 질량％ 인 저탄소강으로 이루어지는 미끄럼 베어링.
제 5 항에 있어서
상대축과 접촉하는 표면에, 고체 윤활제인 MoS₂ 와, 폴리아미드이미드 및 폴리이미드의 일방 또는 양방으로 이루어지는 오버레이로서의 코팅층을 부여한 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링.
제 7 항에 있어서,
상기 코팅층이 두께 2 ∼ 10 ㎛ 의 오버레이인 미끄럼 베어링.
제 7 항에 있어서,
MoS₂ 의 함유량이 60 ∼ 90 질량％ 인 미끄럼 베어링.
제 8 항에 있어서,
MoS₂ 의 함유량이 60 ∼ 90 질량％ 인 미끄럼 베어링.
Mg : 3 ∼ 7 질량％, Cr : 0.1 ∼ 0.3 질량％, 및 Zr : 0.1 ∼ 0.2 질량％ 를 함유하고, 잔부 Al 및, Sn, Bi, Si, Pb, Fe, Ti, Cu 및 B 를 포함하는 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 알루미늄 합금을, 판두께 12 ∼ 18 ㎜ 로 연속 주조하고, 연속 주조판에 냉간 압연을 실시하여, 최종적 미끄럼 베어링의 두께까지 압연하는 과정에서, 300 ℃ 이상 420 ℃ 미만의 저온 소둔과 420 ℃ 이상 450 ℃ 이하의 고온 소둔을 순차 실시하고, 그 후 알루미늄 합금 압연판을 강이금에 압접하고,
저온 소둔과 고온 소둔의 온도차가 10℃ 이상인 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링의 제조 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 강이금이, 탄소 함유량이 0.1 ∼ 0.3 질량％ 인 저탄소강으로 이루어지는 미끄럼 베어링의 제조 방법.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 강이금에 압접된 상기 알루미늄 합금 압연판의 표면에, 고체 윤활제인 MoS₂ 와, 폴리아미드이미드 및 폴리이미드의 일방 또는 양방으로 이루어지는 오버레이로서의 코팅층을 부여하고, 다음으로 시이징하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링의 제조 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 코팅층이, 두께 2 ∼ 10 ㎛ 의 오버레이인 미끄럼 베어링의 제조 방법.