KR101507480B1

KR101507480B1 - 슬라이딩 베어링

Info

Publication number: KR101507480B1
Application number: KR1020147008085A
Authority: KR
Inventors: 히로키 고바야카와; 나오히사 가와카미; 시게루 이나미; 콜린 매컬리스
Original assignee: 다이도 메탈 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2015-03-31
Also published as: KR20140059259A; EP2762736A4; JP2013072535A; US20140233875A1; JP5132806B1; EP2762736B1; EP2762736A1; WO2013047120A1

Abstract

강철 백메탈층에 적층한 베어링 합금층(1)의 표면에 수지 코팅층(2)을 설치한 슬라이딩 베어링에 있어서, 수지 코팅층(2)의 수지 바인더로서 고온 하에서 열화되기 어려운 PAI가 주성분으로서 이용되고, 그 수지 바인더 중에 조정 입자(3)가 함유되며, 그것에 의해 수지 코팅층의 압축 강도를 향상시켜, 축에 의한 수지 코팅층(2)의 패임을 방지한다. 한편, 수지 바인더 중에 판 형상 고체 윤활제(4)가 포함되고, 그것에 의해 슬라이딩 특성의 향상을 도모한다. 또 크랙에 의한 박리가 조정 입자(3)의 막음 효과와 고체 윤활제 배향 조정 효과에 의해 방지되고, 그것에 의해, 기동 정지를 빈번하게 반복하는 엔진에서도 우수한 내용착성이 제공된다.

Description

슬라이딩 베어링{SLIDING BEARING}

본 발명은, 수송 기기, 특히 자동차 엔진용으로서 적합한, 베어링 합금층에 수지 코팅층을 추가로 설치한 슬라이딩 베어링에 관한 것이다.

고(高)원주 속도·고면압(高面壓)의 자동차용 엔진에는, 내마모성이나 내용착성(seize resistance) 등의 슬라이딩 특성이 우수한 슬라이딩 베어링이 필요해진다. 이와 같은 슬라이딩 특성이 우수한 베어링 기술의 하나로서 수지 코팅층을 베어링 합금층의 표면에 얇게 설치한 슬라이딩 베어링을 들 수 있다. 이 수지 코팅층은, 금속 재료와 같이 응착 현상을 생기게 하지 않기 때문에, 금속계의 베어링 합금층 또는 오버레이층에 비해 각별히 좋은 내용착성을 나타낸다. 덧붙여 내마모성, 내피로성에 관해서도 금속 재료계의 그들과 동등하거나 그 이상의 성능을 나타낸다.

수지 코팅층의 내용착성을 향상시키는 방법으로서 몇 가지 들 수 있지만, 특히 영향을 미치는 것이, 고체 윤활제의 존재이다. 예를 들면, 특허문헌 1에 있어서는, 고체 윤활제가 많고, 결정 배향이 정렬되어 있을수록 내용착성에는 효과가 있다고 지적하고 있다. 즉, 특허문헌 1에는, 「상기의 메커니즘으로서는 축-베어링 사이에서의 슬라이딩 중에 부하가 걸렸을 때 고체 윤활제는 어느 일정한 결정면에서 슬라이딩을 생기게 하여, 수지 코팅층 전체를 변형시킴으로써 내용착성을 향상시키고 있다. 따라서, 그 효과를 발휘하는 고체 윤활제가 많을수록, 또 그 슬라이딩 면이 슬라이딩 방향과 평행하게 정렬되어 있을수록 내용착성 향상 효과가 크다」는 취지의 기재가 있다.

일본 공개특허 특개2008-95725호 공보

그런데, 최근의 자동차 엔진은 고원주 속도·고면압에 더하여 연비 향상을 목적으로서 기동 정지를 빈번하게 반복하는 바와 같은 것(예를 들면, 아이들링 스톱(idling stop) 기능)이 많은 경향에 있다. 고원주 속도·고면압 자동차용 엔진에서 상술과 같이 고성능을 발휘하고 있었던 고체 윤활제를 포함하고 있는 수지 코팅층을 가지는 슬라이딩 베어링이기는 하지만, 이와 같은 엔진 환경에서는, 수지 코팅층의 내용착성이 급격하게 저하되어 버려 조기에 용착에 이르게 되어 버리는 경향에 있다. 이것은 이하와 같이 생각된다. 수지 코팅층은, 슬라이딩 방향으로의 고체 윤활제의 결정면에서의 슬라이딩에 의한 변형에 의해 내용착성을 유지하고 있었지만, 기동 정지를 반복하는 바와 같은 엔진의 정지 상태에서는, 축의 자중(自重)이나 벨트 텐션에 의해 베어링에 항상 하중이 걸려 있고, 오일의 공급도 정지되기 때문에 축과 베어링의 슬라이딩 면 사이에 오일막이 발생되어 있지 않은 상태가 된다. 그 때문에 엔진 기동 시에는 경계 윤활 상태가 되어, 마찰 계수가 높아지기 때문에, 수지 코팅층에 과도한 변형(전단력)이 생기고, 이것을 발단으로, 수지 코팅층의 박리·하지(下地)와의 직접적인 금속 접촉·응착이 차례로 일어나, 최종적으로는 용착 현상을 일으키기 때문이라고 생각된다. 즉, 고체 윤활제의 변형으로는 전부 흡수할 수 없을 정도의 부하가 걸린다고 생각되기 때문에, 조기 용착이라는 심각한 문제가 발생하여, 기동 정지를 빈번하게 반복하는 엔진에는 적극적으로 채용되기 어려운 상황에 있다.

본 발명은, 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것이고, 그 목적으로 하는 바는, 고원주 속도·고면압 엔진뿐만 아니라, 기동 정지를 빈번하게 반복하는 엔진에서도 우수한 내용착성을 나타내는, 수지 코팅층을 설치한 슬라이딩 베어링을 제공하는 데에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 청구항 1에 관련된 발명에 있어서는, 강철 백메탈층(steel back metal layer)에 적층한 베어링 합금층의 표면에, 슬라이딩 면을 가지는 수지 코팅층을 설치한 슬라이딩 베어링에 있어서, 상기 수지 코팅층은, 주성분 PAI(폴리아미드 수지)의 수지 바인더 중에, 20∼50vol%의 판 형상 고체 윤활제와, 5∼30vol%의 평균 입자 직경 0.7∼1.6㎛ 또한 비커스 경도 100∼300의 조정 입자를 함유한 두께 2∼10㎛의 층으로서 형성되고, 상기 슬라이딩 면에 대해 상기 판 형상 고체 윤활제의 (0,0,L)면의 배향 강도비가 75% 이상, 85% 이하의 상태로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 판 형상 고체 윤활제의 양은, 수지 코팅층을 100vol%로 했을 때의 양이다. 상기 조정 입자의 양에 대해서도 동일하다.

청구항 2에 관련된 발명에 있어서는, 청구항 1에 기재된 슬라이딩 베어링에 있어서, 상기 수지 바인더는, PA(폴리아미드 수지)와 EP(에폭시 수지)를 합계로 30mass% 이하 포함하고, 상기 조정 입자는, CaCO₃(탄산칼슘)로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상술하면, PA 및 EP의 양방을 포함시키는 경우는, PA와 EP와 PAI의 합계를 100mass%로 하여, PA와 EP의 합계를 30mass% 이하 포함한다. PA 또는 EP의 일방을 포함시키는 경우는, 당해 일방과 PAI의 합계를 100mass%로 하여, 당해 일방을 30mass% 이하 포함한다.

청구항 3에 관련된 발명에 있어서는, 청구항 1에 기재된 또는 청구항 2에 기재된 슬라이딩 베어링에 있어서, 상기 수지 코팅층의 막 두께 단면에 있어서의 상기 조정 입자의 중심간 거리가, α, σ를 각각 입자 중심간 거리의 평균값, 표준 편차라고 한 경우에, 3㎛≤α-1σ, 또한 α+1σ≤15㎛가 되도록 상기 조정 입자를 분포시킨 것을 특징으로 한다. 본 발명에 있어서, 상기 막 두께 단면은 슬라이딩 방향에 평행하고, 상기 중심간 거리는 입자와 입자의 슬라이딩 방향에서의 거리이다.

상술한 바와 같이, 기동 정지를 반복하는 바와 같은 엔진의 정지 상태에서는, 축의 자중이나 벨트 텐션에 의해 베어링에 항상 하중이 걸려 있기 때문에, 축에 의한 수지 코팅층에 패임이 형성되는 경향이 많고, 그 패임이 클수록 축과 수지 코팅층의 접촉 면적이 커지며, 결과적으로 정지 후에 기동할 때의 마찰 계수가 커져서 수지 코팅층에 걸리는 전단력도 커지고, 이 전단력에 의해 수지 코팅층이 파괴되어 박리가 생기고 용착이 발생하는 것으로 생각된다. 한편, 청구항 1에 관련된 발명에 있어서는, 수지 코팅층의 수지 바인더로서, PAI를 사용하고 있기 때문에, 엔진 환경과 같은 고온 하에서 열화되기 어렵고, 또 형상의 변화도 일으키기 어렵기 때문에 축과 베어링 사이의 클리어런스 변화가 적다. 덧붙여, 수지 바인더 중에, 판 형상 고체 윤활제를 첨가함으로써, 수지 코팅층의 슬라이딩 특성을 향상시킬 수 있다. 판 형상 고체 윤활제로서는, 이황화 몰리브덴, 이황화 텅스텐, 질화 붕소, 그라파이트 중 1종류 이상으로부터 선택하는 것이 좋다. 판 형상 고체 윤활제가 20vol% 미만이면 수지층의 슬라이딩 특성이 나빠지고, 50vol%보다 많으면 피막 강도가 저하되어, 박리하기 쉬워진다. 25∼45vol%가 바람직하다.

또, 수지 코팅층에 포함되는 판 형상 고체 윤활제의 (0,0,L)면의 배향 강도비가 75% 이상, 85% 이하의 상태로 배치되어 있음으로써, 수지 코팅층의 슬라이딩 특성을 향상시킬 수 있다. 여기서, 고체 윤활제의 슬라이딩 면을 나타내는 (0,0,L)면의 배향 강도비(%)는, 이하의 계산식에 의해 산출된다.

(계산식) ‥ΣI(0,0,L)/ΣI(H,K,L)×100

(H,K,L:정수값)

그리고, 배향 강도비가 75% 미만이면 수지 코팅층의 마찰 계수가 높아지는 결과, 내용착성이 나빠지고, 85%보다 크면 미소 크랙이 생겼을 때에 크랙 전파가 멈추지 않아 큰 박리가 발생되어 내용착성이 저하된다.

여기서, 배향 강도비의 차이에 의해 박리가 생기는 메커니즘에 대해, 더 상세하게 설명하면, 배향 강도비가 85%를 넘을 정도로 높은 경우에는, 슬라이딩 방향과 평행한 고체 윤활제의 슬라이딩 면((0,0,L)면)의 비율이 많기 때문에, 도 1의 (a)에 나타내는 바와 같이, 축과의 마찰에 의해 슬라이딩 면 가까이의 판 형상 고체 윤활제(4)의 길이 방향의 슬라이딩 면인 (0,0,L)면을 따라 파선(破線)으로 나타내는 바와 같이 슬라이딩 방향 s와 평행한 크랙이 발생하고, 이 크랙이 전파되어 슬라이딩 면으로부터 베어링 합금층(1)에 이르는 수지 코팅층(2)에 광역에서 크랙이 생겨, 결국에는, 도 1의 (b)에 나타내는 바와 같이, 적절한 오일막 두께를 확보할 수 없는 것 같은 상대적으로 큰 박리가 발생하고, 광범위에서의 베어링 합금층과의 금속 접촉, 응착이 차례로 일어나, 용착에 이른다. 이에 대해, 배향 강도비가 85% 이하인 경우에는, 슬라이딩 면이 슬라이딩 방향과 평행하게 되지 않는 판 형상 고체 윤활제(4)의 비율도 적당히 존재하기 때문에, 도 1의 (c)에 나타내는 바와 같이, 축과의 마찰에 의해 슬라이딩 면 가까이의 판 형상 고체 윤활제(4)의 길이 방향의 슬라이딩 면인 (0,0,L)면을 따라 파선으로 나타내는 바와 같이 크랙이 발생하여 전파되어도, 그 크랙이 베어링 합금층(1)에 도달하지 않고 그 방향이 재차 슬라이딩 면을 향하는 상태가 되어, 결과적으로 도 1의 (d)에 나타내는 바와 같이, 상대적으로 작은 박리로 끝나서, 기재(基材)인 베어링 합금층(1)이 노출될 가능성을 낮게 할 수 있다. 다만, 배향 강도비가 75% 미만이 되면, 슬라이딩 면이 슬라이딩 방향과 평행하게 되지 않는 판 형상 고체 윤활제의 비율이 많아지기 때문에, 상술한 바와 같이, 수지 코팅층(2)의 마찰 계수가 높아지는 결과, 내용착성이 나빠진다.

또, 본 발명의 조정 입자 첨가에 의해, 수지 코팅층의 압축 강도를 향상시켜, 축에 의한 수지 코팅층의 패임을 방지한다. 그리고, 전파되는 크랙을 조정 입자로 막는 효과가 있음과 함께, 판 형상 고체 윤활제와 조정 입자를 혼재시킴으로써 슬라이딩 면이 슬라이딩 방향과 평행하게 되는 판 형상 고체 윤활제의 비율을 조정할 수 있기 때문에, 박리를 방지하는 고체 윤활제 배향 조정 효과가 있다.

조정 입자는 100∼300HV이고, 예를 들면 CaCO₃, CaF₂, Cu₃AsS₄, Sn-Sb-As계 화합물, Zn-Al계 화합물 등의 입자이다.

또, 조정 입자가 5vol% 미만이면, 수지 코팅층 중에 존재하는 조정 입자의 입자량이 적고 판 형상 고체 윤활제를 따라 전파되는 크랙을 막는 효과 및 고체 윤활제 배향 조정 효과가 희박해짐과 함께, 축에 의한 수지 코팅층의 패임 방지 효과를 얻을 수 없다. 한편, 30vol%보다 많으면 조정 입자의 응집에 의해 슬라이딩 면이 거칠어져, 내용착성이 저하된다. 바람직하게는 10∼25vol%이다. 또한, 조정 입자의 평균 입자 직경이 0.7㎛ 미만이면 전파되는 크랙을 막는 효과 및 고체 윤활제 배향 조정 효과가 희박해짐과 함께, 축에 의한 수지층의 패임 방지 효과를 얻을 수 없다. 한편, 1.6㎛보다 크면 슬라이딩 면이 거칠어져, 내용착성이 저하된다. 또한, 조정 입자의 평균 입자 직경의 측정 방법은, 전자 현미경을 이용하여 수지 코팅층의 조성상(像)을 배율 5000배로 촬영하고, 얻어진 조성상으로부터 일반적인 화상 해석 방법(해석 소프트:Image-Pro Plus(Version4.5);(주)플라네트론 제 등)을 이용하여 측정했다.

또, 수지 코팅층의 막 두께가 2㎛ 미만이면 작은 박리·탈락으로도 금속 접촉에 이르기 때문에 내용착성이 저하되고, 10㎛보다 두꺼우면 열전도성이 나빠지고 수지 코팅층(2)의 온도가 높아져서, 기계적 물성이 저하된다. 더 바람직하게는 3∼8㎛가 바람직하다.

또, 청구항 2에 관련된 발명과 같이, PAI를 주성분으로 하는 수지 바인더는, PA와 EP를 합계로 30mass% 이하 포함함으로써, 수지 바인더의 신장성이 향상되어 박리를 억제할 수 있다.

그리고, 조정 입자는 탄산칼슘으로 이루어지는 것이 바람직하다. 탄산칼슘은,

(1) 수지 바인더보다 단단하고, 압축 강도의 향상에 기여하는 것

(2) 축을 손상시키지 않는 것(축이 약 500HV에 비해, CaCO₃는 약 135HV이다.)

임과 함께,

(3) 오일과의 젖음성이 높아 오일막의 확보에 유리한 것

(4) 슬라이딩 특성이 우수한 것(탄산칼슘은 엔진 오일의 황산분(分)과 반응하여 입자의 극히 표면 영역에만 CaSO₄를 형성하여 슬라이딩 특성을 향상시키는 효과가 있다.)

(5) 비교적 저렴하고, 인체에의 영향이 적은 것

등의 효과가 있다.

또, 조정 입자인 탄산칼슘 입자는, 특히 이 수지 바인더와의 접합성 및 분산성의 면에 있어서 바람직하다.

또, 청구항 3에 관련된 발명과 같이, 수지 코팅층의 막 두께 단면에 있어서의 조정 입자의 중심간 거리가, α, σ를 각각 입자 중심간 거리의 평균값, 표준 편차라고 한 경우에, 3㎛≤α-1σ, 또한 α+1σ≤15㎛가 되도록 조정 입자를 분포시킴으로써, 수지 코팅층에 포함되는 판 형상 고체 윤활제의 (0,0,L)면의 배향 강도비를 75% 이상, 85% 이하의 상태로 배치시키기 쉽게 할 수 있다. 즉, 상술한 바와 같이, 판 형상 고체 윤활제와 조정 입자를 혼재시킴으로써 슬라이딩 면이 슬라이딩 방향과 평행해지는 판 형상 고체 윤활제의 비율을 조정할 수 있지만, 구체적으로는, 도 2의 모식도에 나타내는 바와 같이, 기재 베어링 합금층(1)의 표면에 설치한 수지 코팅층(2) 중에 혼재되는 평균 입자 직경 0.7∼1.6㎛의 탄산칼슘 입자 등의 조정 입자(3)를, 3㎛≤α-1σ, 또한 α+1σ≤15㎛가 되도록 분포시킴으로써, 수지 코팅층(2)에 포함되는 판 형상 고체 윤활제(4)가 슬라이딩 면에 대해 평행 상태가 되는 비율을 소정값으로 조정할 수 있다. 즉, 제조 시에 있어서 소정의 누름(押付) 압력을 실시했을 때에, 수지 코팅층(2) 중의 탄산칼슘 입자(이하, 발명 이미지의 용이화를 위해, 조정 입자로서 탄산칼슘 입자를 이용한 예로 설명한다.)(3)의 근방에 존재하는 판 형상 고체 윤활제(4)는, 탄산칼슘 입자(3)에 방해되어 슬라이딩 면과 평행 상태가 되지 않고, 탄산칼슘 입자(3)로부터 약간 떨어진 위치에 존재하는 판 형상 고체 윤활제(4)는, 슬라이딩 면과 평행 상태가 되기 쉽다. 이렇게 하여, 탄산칼슘 입자(3)의 슬라이딩 방향 s에서의 중심간 거리의 평균값 α가, 3+1σ㎛ 이상 15-1σ㎛ 이하가 되도록 분포시킴으로써, 슬라이딩 면에 대해, 수지 코팅층(2)에 포함되는 판 형상 고체 윤활제(4)의 (0,0,L)면의 배향 강도비를 75% 이상, 85% 이하의 상태로 배치시키기 쉽게 할 수 있는 것이다. 또한, 탄산칼슘 입자의 중심간 거리는, 전자 현미경을 이용하여 수지 코팅층의 조성상을 배율 5000배로 촬영하고, 얻어진 조성상으로부터 일반적인 화상 해석 방법(해석 소프트:Image-Pro Plus(Version4.5);(주)플라네트론 제 등)을 이용하여 각 입자의 중심점을 표시시키고, 막 두께 방향과 수직의 방향의 선을 긋고, 거리 측정하여 입자간 거리의 분포를 재어, α(입자간 거리의 평균값)와 σ(표준 편차)를 산출했다.

또, 본 발명에 있어서, 수지 코팅층의 성막 방법은, 롤 코팅법으로 행하고, 당해 수지 코팅층을 설치하는 베어링 합금층은, 알루미늄 합금, 구리 합금, 주석 합금 중 어느 것을 사용해도 된다. 또한, 베어링 합금층의 표면에 금속 도금이 처리되어 있는 경우에는, 그 표면에 본 발명에 관련된 수지 코팅층을 성막해도 된다. 또한, 강철 백메탈층에 적층한 베어링 합금층은, 강철 백메탈층에 중간층을 개재하여 설치되어 있어도, 직접 설치되어 있어도 된다. 또, 접착력 향상을 위한 베어링 합금층에의 전(前)처리는 블라스트에 의한 조면화 처리, 에칭 처리, 화성 처리, 프라이머 처리, 코로나 방전 처리 등을 행하는 것이 바람직하다. 또, 수지 코팅층의 스크래치 강도는, 1,000㎫ 이상이 바람직하다. 여기서 말하는 스크래치 강도는, 원뿔 형상 다이아몬드 압자(壓子)로 층 내(內)를 긁었을 때의 저항값이고, 마찰력을 수지 코팅층에 잠입된 다이아몬드 압자의 투영 면적으로 나눈 값이다. 스크래치 강도가 높을수록, 박리하기 어려운 것을 나타내고 있어, 수지 코팅층의 박리 방지 특성의 향상의 효과를 볼 수 있다. 본 발명의 구조를 간이적으로 확인하는 방법으로서 유효하다.

또한, 본 발명에 있어서, 수지 코팅층의 성막 방법으로서 롤 코팅법을 채용하는 이유는, 이하와 같다. 예를 들면, 일본 공개특허 특개2010-249313호 공보(단락 0078)에 나타내어지는 스프레이 코팅에 의한 제법에서는, 본 발명이 적용되는 반할(半割) 형상의 슬라이딩 베어링의 경우, 코팅 장치가 복잡해짐과 함께, 스프레이 코팅으로, 박막을 제작하는 경우, 판 형상 고체 윤활제의 (0,0,L)면 배향 강도비를 75% 이상 85% 이하로 컨트롤하는 것이 매우 곤란함과 동시에, 막 두께의 균일성을 유지하는 것이 매우 곤란하다. 또, 예를 들면, 일본 공개특허 특개2010-216639호 공보(단락 0017 및 0023)에 나타내어지는 다공질 금속층에의 함침에 의한 제법은, 박막 제작에는 부적합하다. 가령, 함침에 의한 제법으로 막을 형성할 수 있었다고 해도, 그때의 압연에 의한 고압에 의해 판 형상 고체 윤활제의 (0,0,L)면 배향 강도비가 지나치게 상승되어 버려, 고체 윤활제의 (0,0,L)면 배향 강도비를 75% 이상 85% 이하로 컨트롤하는 것이 매우 곤란하다. 또한, 예를 들면, 일본 공표특허 특표2000-505527호 공보(제7쪽 15행∼)에 나타내어지는 기재에 탄산칼슘 등의 분말 산포 후에 코팅하는 제법에서는, 평판 상에서라면 제작 가능하지만, 반할 형상의 슬라이딩 베어링에서 분말 산포를 하는 것은 품이 많이 들어감과 함께, 탄산칼슘 분말을 수지 바인더 중에 균일하게 분산시킬 수 없기 때문에, 축의 잠입이나 수지 코팅층의 박리에의 방지 성능의 향상이 얻어지지 않는다. 따라서, 본 발명에 있어서, 수지 코팅층의 성막 방법으로서 롤 코팅법이 최적이다.

또, 제법을 단지 롤 코팅을 채용한 것 만으로는 발명의 구성은 얻어지지 않고, 피(被)코팅면에의 인쇄 롤의 누름 면압에 대한 연구가 필요하다. 덧붙여, 인쇄 롤 조도가 거칠면 누를 때에 인쇄 롤 오목부에 탄산칼슘 입자가 편석되기 쉽기 때문에, 인쇄 롤 조도에 대해서도 신중하게 선택할 필요가 있다. 즉, 코팅 시의 누름 면압은, 3500∼6000㎩이 바람직하다. 3500㎩ 미만이면 (0,0,L)면 배향 강도비가 75% 미만이 되기 쉽고, 6000㎩ 초과이면 (0,0,L)면 배향 강도비가 85%를 넘기 쉽기 때문이다. 또, 인쇄 롤 조도는, 롤의 굴곡을 제거한 조도(2차 조도)에 있어서, 기준 길이에 있어서의 최대 마루 높이와 최대 골 깊이의 합(Rp+Rv)이 3.0∼7.0㎛가 바람직하다. 3.0㎛ 미만이면 롤에 충분한 도료량을 유지할 수 없어, 도포 불균일이 생기고, 7.0㎛보다 크면 롤 오목부에 탄산칼슘 입자의 응집이 생기기기 때문이다.

도 1은 배향 강도비의 차이에 의해 박리가 생기는 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 배향 강도비를 조정하는 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 수지 코팅층의 성막 방법으로서 롤 코팅법을 설명하기 위한 모식도이다.

이하에, 본 발명을 적용한 실시예에 대해 도 3을 참조하여 설명한다. 백 메탈에 압접된 알루미늄 베어링 합금을 반할 형상으로 가공한 반원통 부재(14)의 내면 마무리를 실시한 후, 블라스트에 의한 조면화 처리를 실시하고, 그 후, 반원통 부재(14)를 조립하여 하우징(15)에 장착한 상태에서 롤 코팅법으로 수지층을 코팅했다. 롤 코팅법에 의한 코팅은, 미리 정한 재료(예를 들면, 표 1에 나타내는 수지 바인더 PAI와 고체 윤활제와 탄산칼슘 등의 조정 입자, 그 밖의 첨가물, 혹은 PA, EP)를 혼합한 도료를 미리 제작하고, 그 제작한 도료가 들어간 도료 공급부(10)와 전사(轉寫) 롤(11)을 접촉시켜, 회전하고 있는 전사 롤(11)에 도료를 부착시킨다. 또, 전사 롤(11)과 인쇄 롤(12)을 회전 접촉시킴으로써, 전사 롤(11)의 도료가 인쇄 롤(12)에 전사된다. 이어서, 도료가 전사된 인쇄 롤(12)을 하중 조정 아암(13)의 지지부(16)를 중심으로 회전시키고 반원통 부재(14)의 내면에 도료를 전사시켜 수지층의 코팅을 실시한다. 그때, 인쇄 롤(12)의 조도 5.8㎛(Rp+Rv)를 사용하고, 하중 조정 아암(13)에 의해 누름 압력을 조정하여, 배향 강도비를 조정한다. 코팅 후에 반원통 부재(14)를 100℃×1분간 정도 건조시키고, 이 코팅과 건조를 반복함으로써, 표 1의 「막 두께」란에 나타내는 두께로 한다. 그 후, 180∼220℃×1시간 정도 소성하여, 표 1에 나타내는 실시예 1∼17 및 비교예 1∼15의 슬라이딩 베어링을 완성시켰다.

본 실시형태에 있어서, 배향 강도비(%)는, 이하의 계산식에 의해 산출했다.

(계산식) ‥ΣI(0,0,L)/ΣI(H,K,L)×100

ΣI(0,0,L):(0,0,2),(0,0,4),(0,0,6),(0,0,8)면 피크 강도의 적산(積算)값.

ΣI(H,K,L):(0,0,2),(0,0,4),(0,0,6),(0,0,8),(1,0,0),(1,0,1),(1,0,2),(1,0,3),(1,0,4),(1,0,5),(1,1,0),(1,1,6)면 피크 강도의 적산값.

상기와 같이 제작한 실시예 1∼17 및 비교예 1∼15의 슬라이딩 베어링을, 종래의 고원주 속도·고면압 엔진에서의 사용을 상정한 시험과는 다른 기동·정지 모드의 엔진 환경에서의 운전을 상정한 시험(용착 시험)을 실시했다. 또한, 이 용착 시험의 시험 조건은, 표 2에 나타내는 바와 같다.

이하에, 표 1을 참조하면서 시험 결과에 대해 설명한다. 표 1의 실시예 1∼17은, 본 발명에 포함되는 것이고, 비교예 1∼15는, 본 발명에 포함되지 않는 것이다. 즉, 실시예 1∼17은, 판 형상 고체 윤활제가 20∼50vol%、비커스 경도 100∼300인 조정 입자가 5∼30vol%、조정 입자의 평균 입자 직경이 0.7∼1.6㎛, 고체 윤활제의 (0,0,L)면의 배향 강도비가 75∼85%, 막 두께 2∼10㎛의 범위에 들어가도록 각각 제작한 것이다. 다만, 실시예 1, 3, 4, 6, 7, 9, 10, 12, 14, 15, 17은, 판 형상 고체 윤활제로서 이황화 몰리브덴(MoS₂)을 사용하고, 그 밖의 실시예 2, 5, 8, 11, 13, 16은, 판 형상 고체 윤활제로서 질화 보론(h-BN)을 사용하고 있다. 실시예 6은, 조정 입자로서 불화칼슘을 첨가하고, 실시예 12는, 조정 입자로서 탄산칼슘과 유비동광(硫砒銅鑛)을 첨가하며, 그 밖의 실시예는, 조정 입자로서 탄산칼슘을 첨가하고 있다. 또, 실시예 12 이외의 실시예 1∼17에는, PAI를 주성분으로 하는 수지 바인더 중에, PA와 EP 중 어느 일방 또는 양방을 PAI에 대해 합계로 0∼30mass%의 범위로 포함하도록 제작되어 있다. 또, 실시예 2 이외의 실시예 1∼17에서는, 조정 입자의 입자간 거리의 평균값 α가 3㎛≤α-1σ, 또한 α+1σ≤15㎛의 범위에 들어가도록 제작되어 있다.

판 형상 고정 윤활제(MoS₂ 또는 h-BN)를 상한까지 포함하는 실시예 1, 9, 16에 있어서는, 최대 면압이 모두 45㎫이고, 기동 정지를 빈번하게 반복하는 엔진 실기(實機) 테스트에 있어서 용착 현상이 생기지 않는다고 하여 계측된 최대 면압 40㎫(이하, 이것을 「허용 면압」이라고 한다.)보다 큰 값이 되었다. 한편, 판 형상 고정 윤활제를 하한까지 포함하는 실시예 2, 10에 있어서도, 최대 면압이 각각 45, 40㎫이 되어 허용 면압 이상의 값이 되었다. 이들의 것으로부터 판 형상 고체 윤활제를 20∼50vol%의 범위 내로 첨가함으로써, 수지층의 슬라이딩 특성을 향상시킬 수 있고, 결과적으로 용착이 발생하지 않는다는 것을 이해할 수 있다. 상기 이외의 실시예에 있어서도 최대 면압이 40㎫ 이상이지만, 배향 강도비가 상한인 실시예 5, 막 두께가 상한인 실시예 8, 막 두께가 하한인 실시예 14에 있어서는, 허용 면압에 가까운 값이 되어 있다. 또한, 판 형상 고체 윤활제가 25∼45vol%、조정 입자인 탄산칼슘 입자가 10∼25vol%、막 두께 3∼8㎛의 바람직한 범위의 실시예 3, 4, 6, 7, 11, 12, 13, 15, 17은, 최대 면압이 50㎫ 이상의 높은 값이 되어 있다.

한편, 비교예 1∼15는, 본 발명에 포함되지 않는 것이다. 비교예 1은, 조성적으로는 실시예 3과 대략 동일하지만, 배향 강도비가 71.3%로 낮기 때문에, 수지 코팅층의 슬라이딩 특성이 나빠지고, 수지 코팅층에 걸리는 전단력이 높아져 박리가 생기기 때문에, 최대 면압이 허용 면압보다 낮은 25㎫이 된 것으로 생각된다. 비교예 2, 14(선행기술문헌 1의 슬라이딩 부재에 상당)는, 조정 입자를 포함하고 있지 않기 때문에, 축에 의한 수지 코팅층에의 패임이 커지고, 수지 코팅층에 걸리는 전단력이 높아져 박리가 생기며, 최대 면압이 허용 면압보다 낮은 20㎫이 된 것으로 생각된다. 또, 비교예 3은, 비교예 1과는 반대로 배향 강도비가 90.7%로 높기 때문에, 수지 코팅층의 크랙 전파가 멈추지 않아 큰 박리가 생기기 때문에, 최대 면압이 허용 면압보다 낮은 25㎫이 된 것으로 생각된다. 비교예 4는, 실시예 4와 비교하여 판 형상 고체 윤활제의 종류가 다르나 그 조성은 대략 동일한데, 배향 강도비가 상한값을 조금 넘는 85.9%이기 때문에, 비교예 3과 동일한 이유에 의해 최대 면압이 허용 면압보다 낮은 30㎫이 된 것으로 생각된다.

비교예 5, 6은, 실시예 7에 가까운 조성을 가지는 것이지만, 조정 입자인 탄산칼슘이나 불화칼슘의 입자 대신에 비교예 5가 황산칼슘(CaSO₄), 비교예 6이 알루미나(Al₂O₃)의 입자를 각각 20vol% 함유하는 것으로 했다. 이들의 경우도 최대 면압이 허용 면압보다 낮은 각각 30㎫ 및 15㎫이 되었다. 이 이유는, 이하와 같이 생각된다. 황산칼슘 및 알루미나는, 조정 입자와 동일한 입자 직경의 것을 사용했지만, 황산칼슘은, 조정 입자에 비해 경도가 낮기 때문에 코팅 시에 누름 면압에 의해 파괴되기 쉽고, 결과적으로 판 형상 고체 윤활제를 기울게 하는 효과(고체 윤활제 배향 조정 효과)가 적기 때문에 낮은 면압에서 박리되어 용착에 이르렀다고 생각된다. 한편, 알루미나는, 고체 윤활제 배향 조정 효과는 보였지만, 슬라이딩 특성의 저하나, 경도가 높기 때문에 축으로의 공격성이 높아진 이유에서 낮은 면압에서 용착에 이르렀다고 생각된다. 즉, 고체 윤활제 배향 조정제 효과를 나타내고, 또한 기동·정지 모드의 엔진 환경에서의 베어링으로서 높은 용착 성능을 발휘하는 것은 조정 입자, 특히 탄산칼슘의 입자를 첨가한 슬라이딩 베어링이라고 할 수 있다.

비교예 7(실시예 7의 조성과 대략 동일)이나 비교예 10(실시예 8의 조성과 대략 동일)과 같이, 판 형상 고체 윤활제의 함유량이 상한값·하한값을 각각 넘은 것에 있어서는, 수지층의 슬라이딩 특성의 악화나 피막 강도의 저하에 의거하는 박리에 의해 최대 면압이 허용 면압보다 낮은 25㎫, 15㎫로 각각 된 것으로 생각된다. 비교예 8, 11(실시예 3의 조성과 대략 동일)과 같이, 탄산칼슘 입자의 평균 입자 직경이 상한값·하한값을 각각 넘은 것에 있어서는, 슬라이딩 면의 조도나, 크랙 전파의 막음 효과 및 고체 윤활제 배향 조정 효과가 뒤떨어지기 때문에, 최대 면압이 허용 면압보다 낮은 25㎫로 각각 된 것으로 생각된다. 비교예 9, 12(실시예 10의 조성과 대략 동일)와 같이, 탄산칼슘 입자의 함유량이 상한값·하한값을 각각 넘은 것에 있어서는, 슬라이딩 면의 조도나, 크랙 전파의 막음 효과 및 고체 윤활제 배향 조정 효과가 뒤떨어지기 때문에, 최대 면압이 허용 면압보다 낮은 15㎫, 20㎫로 각각 된 것으로 생각된다. 또한, 비교예 13(실시예 3의 조성과 대략 동일)과 비교예 15(실시예 4의 조성과 대략 동일)와 같이, 막 두께가 하한값·상한값을 각각 넘은 것에 있어서는, 작은 박리이기는 해도 조기의 금속 접촉이나, 열전도성의 악화에 의한 수지 코팅층의 기계적 물성의 저하에 의해, 최대 면압이 허용 면압보다 낮은 20㎫, 15㎫로 각각 된 것으로 생각된다.

이상에서, 설명한 바로부터 명박한 바와 같이, 강철 백메탈층에 적층한 베어링 합금층의 표면에 수지 코팅층을 설치한 슬라이딩 베어링에 있어서, 수지 코팅층의 수지 바인더로서 고온 하에서 열화되기 어려운 PAI를 주성분으로 하고, 그 수지 바인더 중에 탄산칼슘 등의 조정 입자를 적정량 함유시킴으로써 수지 코팅층의 압축 강도를 향상시켜 축에 의한 수지 코팅층의 패임을 방지하는 한편, 수지 바인더 중에 판 형상 고체 윤활제를 포함시킴으로써 슬라이딩 특성의 향상을 도모함과 함께, 수지 코팅층의 크랙에 의한 박리를 조정 입자의 막음 효과와 고체 윤활제 배향 조정 효과에 의해 방지함으로써, 기동 정지를 빈번하게 반복하는 엔진에서도 우수한 내용착성을 가지는 슬라이딩 베어링을 제공할 수 있다.

1: 베어링 합금층 2: 수지 코팅층
3: 조정 입자(탄산칼슘 입자) 4: 판 형상 고체 윤활제
10: 도료 공급부 11: 전사 롤
12: 인쇄 롤 13: 하중 조정 아암
14: 반원통 부재 15: 하우징

Claims

강철 백메탈층에 적층한 베어링 합금층의 표면에, 슬라이딩 면을 가지는 수지 코팅층을 설치한 슬라이딩 베어링에 있어서,
상기 수지 코팅층은, 주성분 PAI의 수지 바인더 중에, 20∼50vol%의 판 형상 고체 윤활제와, 5∼30vol%의 평균 입자 직경 0.7∼1.6㎛ 또한 비커스 경도 100∼300의 조정 입자를 함유한 두께 2∼10㎛의 층으로서 형성되고,
상기 슬라이딩 면에 대해 상기 판 형상 고체 윤활제의 (0,0,L)면의 배향 강도비가 75% 이상, 85% 이하의 상태로 배치되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 베어링.
제 1 항에 있어서,
상기 수지 바인더는, PA와 EP를 합계로 30mass% 이하 포함하고,
상기 조정 입자는, 탄산칼슘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 베어링.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 수지 코팅층의 막 두께 단면에 있어서의 상기 조정 입자의 중심간 거리가, α, σ를 각각 입자 중심간 거리의 평균값, 표준 편차라고 한 경우에,
3㎛≤α-1σ, 또한 α+1σ≤15㎛
가 되도록 상기 조정 입자를 분포시킨 것을 특징으로 하는 슬라이딩 베어링.