KR101509558B1

KR101509558B1 - 스러스트 베어링

Info

Publication number: KR101509558B1
Application number: KR20140028740A
Authority: KR
Inventors: 가즈아키 도다
Original assignee: 다이도 메탈 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2015-04-07
Also published as: EP2778248A1; EP2778248B1; KR20140112432A; US20140270611A1; JP5562463B1; JP2014177970A; US9222505B2

Abstract

슬라이딩시에 가해지는 크랭크축의 축선 방향력에 의해 계면에 발생하는 전단 응력을 저하시켜, 슬라이딩층의 피로 손상을 방지하는 것이 가능한 스러스트 베어링을 제공한다. 백 메탈층(2)과, 당해 백 메탈층(2)의 표면측에 접합된 슬라이딩층(1)으로 이루어지는 스러스트 베어링에 있어서, 상기 백 메탈층(2)은, 상기 슬라이딩층(1)이 접합되는 중간층(3)과, 백 메탈층(2)의 배면측에 배설된 완충층(4)으로 구성되어 있다. 이 완충층(4)에는, 공공이 형성되어 있고, 완충층(4)의 공공률을 10~50%로 하면, 크랭트축의 축선 방향력에 의한 완충층(4)의 탄성 변형량이 커진다. 이것에 의해, 크랭크축의 축선 방향력에 의한 슬라이딩층(1)과 백 메탈층(2)의 중간층(3)과의 계면에서의 탄성 변형량의 차가 상대적으로 작아지기 때문에, 계면에 발생하는 전단 응력이 작아져, 슬라이딩층(1)의 피로 손상을 방지할 수 있다.

Description

스러스트 베어링{THRUST BEARING}

본 발명은, 백 메탈층과, 당해 백 메탈층의 표면측에 접합된 슬라이딩층으로 이루어지는 스러스트 베어링에 관한 것으로, 내연 기관의 크랭크축용이나 과급기용 등에 적합한 스러스트 베어링에 관한 것이다.

종래, 내연 기관의 크랭크축용 스러스트 베어링에는, 화이트 메탈이나 구리 합금, 알루미늄 합금 등을 사용한 베어링 합금층과, 베어링의 강도를 높이기 위한 백 메탈층으로 구성되는 슬라이딩 베어링이 사용되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 이러한 크랭크축용 스러스트 베어링은, 2개의 하프 스러스트 베어링에 의해 구성되어 있고, 일방의 하프 스러스트 베어링이 실린더 블록에, 타방의 하프 스러스트 베어링이 베어링 캡에 장착되어 있다. 더 상세하게는, 예를 들면 특허문헌 2의 도 5에 나타낸 바와 같이, 실린더 블록의 하부에 베어링 캡을 장착하여 구성된 베어링 하우징에 있어서, 원형 오목부에 의해 구성되는 받침 자리를 형성하고, 이 받침 자리에는, 크랭크축의 스러스트 칼라를 받는 스러스트 베어링이 배설(配設)됨으로써, 스러스트 베어링이 크랭크축의 스러스트 하중을 받게 되어 있다.

일본 특허 공개 평6-192774호 공보 일본 특허 공개 평11-201145호 공보

그런데, 내연 기관의 크랭크축이 회전하면, 그 회전력은, 크랭크축의 출력측의 단부로부터 클러치를 개재하여 변속기에 전달된다. 이때, 스러스트 베어링은, 크랭크축의 축 방향에 발생하는 축선 방향력의 부하를 받는다. 그리고, 크랭크축과 변속기가 클러치에 의해 차단된 상태로부터 접속된 직후에는, 축 방향의 토크 반력이 발생하기 때문에, 크랭크축의 출력측의 단부로부터 크랭크축에 축선 방향력(F)(도 6 참조)가 충격적으로 입력되어, 크랭크축이 출력측의 반대 방향으로 변위된다.

상기한 크랭크축의 축선 방향력(F)는, 스러스트 베어링에 있어서의 슬라이딩층의 슬라이딩면이 받는 최대 부하가 된다. 그리고, 도 6에 나타낸 바와 같이, 스러스트 베어링(13)에 있어서의 슬라이딩층(11)의 슬라이딩면에 크랭크축의 축선 방향력(F)을 충격적으로 받은 순간, 슬라이딩층(11)과 백 메탈층(12)의 계면에 있어서, 슬라이딩층(11)과 백 메탈층(12)의 탄성 변형량의 차에 의해 전단 응력이 발생한다. 이 경우, 슬라이딩층(11)과 백 메탈층(12)의 탄성 변형량의 차가 크기 때문에, 계면에 발생하는 전단 응력이 커지고, 크랭크축의 축선 방향력(F)을 반복하여 받았을 때에, 슬라이딩층(11)에 피로가 일어나기 쉽다. 본 발명은, 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 바는, 슬라이딩시에 가해지는 크랭크축의 축선 방향력에 의해 계면에 발생하는 전단 응력을 저하시켜, 슬라이딩층의 피로 손상을 방지하는 것이 가능한 스러스트 베어링을 제공하는 것에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 청구항 1에 관련된 발명은, 백 메탈층과, 당해 백 메탈층의 표면측에 접합된 슬라이딩층으로 이루어지는 스러스트 베어링에 있어서, 상기 백 메탈층은, 상기 슬라이딩층이 접합되는 중간층과, 상기 백 메탈층의 배면측에 배설된 완충층으로 구성됨과 함께, 모든 층이 철 또는 철 합금으로 이루어지고, 상기 완충층은, 상기 스러스트 베어링의 두께(T)에 대하여 2∼20%의 두께를 가지며, 공공률이 10∼50%인 것을 특징으로 한다.

청구항 2에 관련된 발명은, 청구항 1에 기재된 스러스트 베어링이 있어서, 상기 슬라이딩층은, 구리 합금으로 이루어지고, 상기 백 메탈층은, 철 또는 철 합금의 매트릭스에 구리 또는 구리 합금상(相)이 분산된 조직이며, 상기 슬라이딩층과 상기 중간층의 계면에서, 상기 슬라이딩층의 구리 합금과 상기 중간층에 분산된 구리 또는 구리 합금상이 접하는 것을 특징으로 한다.

청구항 3에 관련된 발명은, 청구항 2에 기재된 스러스트 베어링에 있어서, 상기 중간층에 분산된 구리 합금상은, 상기 중간층으로부터 상기 슬라이딩층으로 확산되는 것이 가능한 확산 성분을 포함하는 것을 특징으로 한다.

청구항 4에 관련된 발명은, 청구항 3에 기재된 스러스트 베어링에 있어서, 상기 확산 성분은, Sn, Zn, Ni의 원소군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

청구항 1에 관련된 발명은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 백 메탈층(2)과, 당해 백 메탈층(2)의 표면측에 접합된 슬라이딩층(1)으로 이루어지는 스러스트 베어링(7)에 있어서, 백 메탈층(2)은, 슬라이딩층(1)이 접합되는 중간층(3)과, 백 메탈층(2)의 배면측에 배설된 완충층(4)으로 구성되어 있다. 또한, 스러스트 베어링(7)은, 도시 생략하였으나, 원형 형상 또는 반원형 형상으로 형성되어 있고, 베어링 하우징에 감합하여 배설됨으로써, 크랭크축의 스러스트 하중을 받을 수 있다. 또, 중간층(3)과, 완충층(4)으로 구성되는 백 메탈층(2)은, 철 또는 철 합금을 사용함으로써, 스러스트 베어링(7)에 가해지는 부하에 대하여, 충분한 강도를 확보할 수 있다. 한편, 슬라이딩층(1)은, Cu 합금, Al 합금, Sn 합금, Bi 합금 등의 베어링 합금을 사용할 수 있다.

또, 스러스트 베어링(7)에 있어서의 슬라이딩층(1)의 슬라이딩면에 크랭크축의 축선 방향력(F)을 충격적으로 받으면, 슬라이딩층(1)과, 백 메탈층(2)을 구성하는 중간층(3) 및 완충층(4)이 탄성 변형된다. 그리고, 도 2에 나타낸 바와 같이, 철 또는 철 합금상(5)이 포함되는 완충층(4)에는, 공공(6)이 형성되어 있고, 그 완충층(4)의 공공률을 10~50%로 하면, 완충층(4)의 층내에 공공(6)이 많이 형성되어 있기 때문에, 중간층(3)보다 완충층(4)의 탄성 변형량이 커진다. 이러한 완충층(4)을 설치한 경우에는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 완충층(4)을 설치하지 않는 경우에 비하여, 크랭크축의 축선 방향력(F)에 의한 슬라이딩층(1)과 백 메탈층(2)의 중간층(3)과의 각각의 탄성 변형량이 작아져, 계면에서의 탄성 변형량의 차이가 상대적으로 작아진다. 이 때문에, 계면에 발생하는 전단 응력이 작아져, 슬라이딩층(1)의 피로 손상을 방지할 수 있다.

한편, 청구항 1에 관련된 발명과 같은 완충층(4)을 설치하지 않은 경우에는, 슬라이딩층(1)의 슬라이딩면에 크랭크축의 축선 방향력(F)을 받았을 때, 슬라이딩층(1)과 백 메탈층(2)의 중간층(3)과의 각각의 탄성 변형량이 크기 때문에, 계면에서의 탄성 변형량의 차이가 커진다. 이 때문에, 계면에 발생하는 전단 응력이 커져, 슬라이딩층(1)에 피로가 일어나기 쉽다.

또, 완충층(4)의 공공률은, 10∼50%로 하고 있지만, 완충층(4)의 공공률이 10% 미만이면, 슬라이딩층(1)의 슬라이딩면에 크랭크축의 축선 방향력(F)을 받았을 때, 완충층(4)의 탄성 변형량이 작아져, 슬라이딩층(1)과 백 메탈층(2)의 계면에 발생하는 전단 응력을 억제하는 효과가 충분하지 않게 된다. 한편, 완충층(4)의 공공률이 50%를 넘으면, 완충층(4)의 강도가 너무 낮아지기 때문에, 슬라이딩층(1)의 슬라이딩면에 크랭크축의 축선 방향력(F)을 받았을 때, 완충층(4)이 소성 변형하거나, 또는, 완충층(4)이 피로를 일으키는 경우가 있다. 더 바람직하게는, 완충층(4)의 공공률이 20∼40%의 범위이다.

또, 완충층(4)은, 스러스트 베어링(7)의 두께(T)에 대하여 2∼20%의 두께를 가지지만, 완충층(4)의 두께가 2% 미만이면, 슬라이딩층(1)의 슬라이딩면에 크랭크축의 축선 방향력(F)을 받았을 때, 완충층(4)의 탄성 변형량이 작아져, 슬라이딩층(1)과 백 메탈층(2)의 계면에 발생하는 전단 응력을 억제하는 효과가 충분하지 않게 된다. 한편, 완충층(4)의 두께가 20%를 넘으면, 완충층(4)이 포함되는 백 메탈층(2)의 강도가 저하되어, 스러스트 베어링(7)의 강도가 저하된다. 더 바람직하게는, 완충층(4)의 두께가 5∼13%의 범위이다. 또, 완충층(4)의 두께는, 백 메탈층(2)의 두께에 대하여 10% 이하로 하는 것이 바람직하다. 이것은, 백 메탈층(2)의 두께에 대한 중간층(3)의 비율이 적어질수록, 백 메탈층(2)의 강도가 저하되어, 스러스트 베어링(7)의 강도가 저하되기 때문이다.

또한, 슬라이딩층(1)은, 치밀화되어 있는 것이 바람직하다. 단, 슬라이딩층(1)은, 평균 5% 미만의 공공률이 허용된다. 또, 백 메탈층(2)을 구성하는 중간층(3)도, 치밀화되어 있는 것이 바람직하다. 단, 중간층(3)은, 평균 5% 미만의 공공률이 허용된다. 예를 들면, 백 메탈층(2)을 구성하는 완충층(4) 뿐만 아니라, 중간층(3)도 공공을 많게 하면 스러스트 베어링(7)의 강도를 높이는 목적의 백 메탈층(2)으로서 기능하지 않는다. 또, 스러스트 베어링(7)에 충격적으로 부하가 가해진 경우, 슬라이딩층(1)과 중간층(3)의 계면에서는, 공공(6)을 많게 하면 2층의 접촉 면적이 감소되어 있고, 중간층(3)의 공공부를 제외한 2층의 접촉부에만 전단 응력이 작용하기 때문에, 전단이 발생하기 쉬워, 슬라이딩층(1)에 피로가 일어나기 쉽다.

청구항 2에 관련된 발명과 같이, 슬라이딩층(1)은, 구리 합금으로 이루어지지만, 구리 합금의 구체적인 조성으로서는, Cu-Sn계, Cu-Ni계, Cu-Zn계 등의 조성인 구리 합금을 들 수 있다. 이러한 조성의 구리 합금은, 베어링 합금 중에서도 강도가 높고, 충격적으로 부하를 받는 내연 기관용 스러스트 베어링(7)으로서 바람직하다. 또, 구리 합금의 구체적인 첨가량(함유량)으로서는, Sn의 경우에 2∼12%, Ni의 경우에 1∼10%, Zn의 경우에 10∼40%의 범위인 것이 바람직하다.

또, 백 메탈층(2)은, 철 또는 철 합금의 매트릭스에 구리 또는 구리 합금상(8)이 분산된 조직이지만, 구리 또는 구리 합금상(8)의 구체적인 조성으로서는, 불가피 불순물을 포함한 구리, Cu-Be계, Cu-Mg계, Cu-Al계, Cu-Si계, Cu-P계, Cu-Ti계, Cu-V계, Cu-Cr계, Cu-Co계, Cu-Zr계, Cu-Mo계, Cu-Te계 등의 조성인 구리 합금을 들 수 있다. 그리고, 도 4에 나타낸 바와 같이, 슬라이딩층(1)과 중간층(3)의 계면에 있어서, 슬라이딩층(1)의 구리 합금과 중간층(3)에 분산된 구리 또는 구리 합금상(8)이 접함으로써, 소결시에 Cu 원자가 상호 확산됨으로써 접합 강도가 높아져, 슬라이딩층(1)과 중간층(3)의 계면에서의 피로가 일어나기 어려워진다.

또한, 백 메탈층(2)의 중간층(3)에 있어서의 슬라이딩층(1) 측의 계면에 있어서, 중간층(3)에 분산된 구리 또는 구리 합금상(8)의 면적률은, 30∼70%의 범위인 것이 바람직하다. 그 구리 또는 구리 합금상(8)의 면적률이 30% 미만이면, 소결시에 Cu 원자의 확산이 적어지고, 슬라이딩층(1)과 중간층(3)의 접합 강도를 높게 하는 효과가 충분하지 않게 된다. 한편, 구리 또는 구리 합금상(8)의 면적률이 70%을 넘으면, 중간층(3)이 포함되는 백 메탈층(2)의 강도가 저하되기 때문에, 스러스트 베어링(7)의 강도가 저하되어, 내(耐)피로성이 저하된다.

청구항 3에 관련된 발명과 같이, 중간층(3)에 분산된 구리 합금상(8)은, 중간층(3)으로부터 슬라이딩층(1)으로 확산되는 것이 가능한 확산 성분을 포함하도록 하고 있다. 이 확산 성분이란, 중간층(3)에 분산된 구리 합금상(8)에 고용(固溶)되는 성분이며, 소결시에 슬라이딩층(1)과 중간층(3)의 계면에 있어서, 중간층(3) 측으로부터 슬라이딩층(1) 측으로 확산 성분이 확산되어, 슬라이딩층(1)과 백 메탈층(2)을 구성하는 중간층(3)의 접합 강도를 높일 수 있다. 특히, 슬라이딩층(1)의 구리 합금에도 확산 성분을 포함하도록 한 경우에는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 중간층(3) 측으로부터 슬라이딩층(1) 측으로뿐만 아니라, 슬라이딩층(1) 측으로부터 중간층(3) 측으로도 확산 성분이 확산하게 되어, 슬라이딩층(1)과 백 메탈층(2)을 구성하는 중간층(3)의 접합 강도를 더욱 높일 수 있다.

청구항 4에 관련된 발명과 같이, 확산 성분은, Sn, Zn, Ni의 원소군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상을 포함하도록 하고 있다. 또한, 확산 성분이 포함되는 구리 합금상(8)의 구체적인 첨가량(함유량)으로서는, Sn의 경우에 2∼12%, Ni의 경우에 1∼10%, Zn의 경우에 10∼40%의 범위인 것이 바람직하다. 특히, 중간층(3)에 분산된 구리 합금상(8) 뿐만 아니라, 슬라이딩층(1)의 구리 합금에도 확산 성분을 포함하도록 한 경우에는, 공통의 확산 성분이 포함되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 확산 성분의 첨가량(함유량)은, 백 메탈층(2)의 전체에 대한 첨가량(함유량)이 아니라, 백 메탈층(2) 중에 분산된 구리 합금상(8)에 대한 첨가량(함유량)이다.

또한, 본 발명에 있어서, 철, 철 합금, 구리, 구리 합금은, 불가피 불순물을 포함하는 것이다. 또, 본 발명에 있어서, 백 메탈층(2) 중에 있어서의 중간층(3)과 완충층(4)은, 동일한 조성으로, 일체화하여 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 백 메탈층(2) 중에 있어서의 중간층(3)과 완충층(4)이 다른 조성으로 형성되면, 중간층(3)과 완충층(4)의 계면이 피로의 기점이 되기 쉽다.

또, 본 발명의 슬라이딩층(1)에는, 내용착성(seizure resistance)을 향상시키기 위하여, Bi, Pb 등의 연질 금속이나, 흑연, Mo₂S, BN 등의 고체 윤활제를 첨가해도 된다. 또, 본 발명의 슬라이딩층(1)의 표면에는, 상대축과의 초기 친화성을 부여하기 위하여, 오버레이층이 피복되어도 된다. 또, 본 발명의 스러스트 베어링(7)은, 내연 기관의 크랭크축용이나 과급기용의 스러스트 베어링(7)으로서 바람직하지만, 이들의 용도에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 완충층 및 중간층으로 이루어지는 백 메탈층과, 슬라이딩층으로 구성되는 스러스트 베어링을 나타낸 모식도이다.
도 2는 백 메탈층을 구성하는 완충층의 확대도이다.
도 3은 슬라이딩층과 백 메탈층의 계면 피로에 있어서의 완충층의 효과를 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 백 메탈층에 구리 또는 구리 합금상을 분산시킨 스러스트 베어링을 나타낸 모식도이다.
도 5는 확산 성분의 확산을 설명하기 위한 슬라이딩층과 백 메탈층의 계면에 인접하는 영역의 확대도이다.
도 6은 종래품에 있어서의 슬라이딩층과 백 메탈층의 계면 피로 메커니즘을 설명하기 위한 개략도이다.

본 실시 형태에 관련된 완충층(4) 및 중간층(3)으로 이루어지는 백 메탈층(2)과, 슬라이딩층(1)으로부터 구성되는 스러스트 베어링(7)을 이하에 설명하는 순서로 제조하였다. 우선, 실시예 1~12는, 백 베탈층(2)으로 이루어지는 금속 분말로서, 표 1에 나타낸 조성의 금속 분말을 압분 성형하여 예비 소결한 후, 슬라이딩층(1)과 접합되는 표면과는 반대측의 면(스러스트 베어링(7)의 배면층이 되는 면)을 고정하고, 슬라이딩층(1)과 접합되는 표면을 배면측을 향하여 일방향으로 압축하는 가공을 실시하였다. 이것에 의해, 백 메탈층(2)을 구성하는 중간층(3)의 내부 및 슬라이딩층(1)과 접합되는 표면은 치밀해지고, 압축측과는 반대측의 스러스트 베어링(7)의 배면측에는, 내부에 공공(6)을 가지는 층으로서 완충층(4)이 형성된다. 또한, 완충층(4)의 두께나 공공률은, 백 메탈층(2)의 압분 성형시의 밀도나 그 후의 압축 가공에서의 압축 하중을 바꾸는 것으로 제어하였다. 그 후, 치밀한 측의 백 메탈층(2) 표면에 슬라이딩층(1)이 되는 금속 분말로서, 표 1에 나타낸 조성의 금속 분말을 산포하고, 압분 성형하여 소결함으로써, 백 메탈층(2)과 슬라이딩층(1)을 접합시켰다. 또한, 슬라이딩층(1)의 두께는, 0.5mm로 하고, 백 메탈층(2)의 두께는, 2.5mm로 하였다. 이러한 제조 방법에 의해, 도 1에 나타낸 바와 같은, 완충층(4) 및 중간층(3)으로 이루어지는 백 메탈층(2)과, 슬라이딩층(1)으로 구성되는 원환 형상의 스러스트 베어링(7)을 제조하여, 스러스트 피로 시험에 사용되는 시험편으로 하였다.

또, 실시예 1의 백 메탈층(2)은, Fe분(粉)을 압분 성형하여 소결함으로써 제조하였다. 또, 실시예 2~4의 백 메탈층(2)은, 강분(鋼粉)으로서 S10C(Fe-0.1질량% C 합금)를 압분 성형하여 소결함으로써 제조하였다. 또, 실시예 5~12의 백 메탈층(2)은, 실시예 2~4에서 사용된 강분과, 당해 강분과 질량 비율 50%로 혼합했을 때에 표 1에 나타낸 「백 메탈층의 화학 성분」이 되는 구리 또는 구리 합금분을 혼합한 후, 압분 성형하여 소결함으로써 제조하였다. 또한, 표 1에 나타낸「백 메탈층의 화학 성분」 중의 Cu, Sn, Zn, Ni의 성분은, 구리 또는 구리 합금상(8)의 형성에 관계되는 성분이며, 이들 성분으로 이루어지는 구리 또는 구리 합금상(8)이 백 메탈층(2) 중에 분산된 조직이 된다.

또, 실시예 1~12는, 스러스트 베어링(7)의 두께에 대한 완충층(4)의 두께(표 1에 나타낸 완충층(4) 두께/총 두께)를 2~20%의 범위로 하고, 완충층(4)의 공공률을 10~50%의 범위로 하였다. 또한, 실시예 1, 2는, 완충층(4) 두께/총 두께와 완충층(4)의 공공률이 상기 범위의 하한값 부근이 되도록 제조하고, 실시예 3은, 완충층(4) 두께/총 두께와 완충층(4)의 공공률이 상기 범위의 중앙값 부근이 되도록 제조하고, 실시예 4는, 완충층(4) 두께/총 두께와 완충층(4)의 공공률이 상기 범위의 상한값 부근이 되도록 제조하였다. 또, 공공률은, 100배~200배의 단면 조직 사진으로부터 일반적인 화상 해석 방법(해석 소프트: Image-ProPlus(Version 4.5);(주)플라네트론제)를 사용하여 측정하였다.

한편, 비교예 1은, 슬라이딩층과 조직 전체에 공공을 가지는 백 메탈층(전체가 실시예의 완충층(4)에 상당하는 층만으로 구성되고, 중간층(3)에 상당하는 구성을 갖지 않는 백 메탈층)으로 이루어지는 원환 형상의 스러스트 베어링이다. 비교예 1은, 실시예 2∼4에서 사용된 강분과 Cu-10질량% Sn분을 질량 비율 50%로 혼합하여, 조직 전체에 공공이 남도록 압분 성형하고 소결하여 백 메탈층을 제조한 후, 실시예와 동일한 방법으로 슬라이딩층을 형성하여, 원환 형상의 스러스트 베어링을 제조하였다. 또, 비교예 2는, 강 백 메탈판 상에 슬라이딩층이 되는 Cu-10질량% Sn분을 산포하여, 소결, 압연, 소결을 실시한 종래의 바이메탈재로부터, 원환 형상의 스러스트 베어링을 제조하였다. 또, 비교예 3∼8은, 실시예 1과 동일한 조성으로 원환 형상의 스러스트 베어링을 제조하지만, 완충층 두께/총 두께로서 2∼20%의 범위, 또는, 슬라이딩층의 공공률로서 10∼50%의 범위 중 어느 일방 또는 양방이 범위 외가 되도록 제조하였다. 또한, 비교예 1∼8의 슬라이딩층의 두께는, 0.5mm로 하고, 백 메탈층의 두께는, 2.5mm로 하였다.

또한, 실시예 1∼12의 슬라이딩층(1)의 공공률은, 모두 1% 미만이 되도록 제조하고, 비교예 2∼8의 슬라이딩층의 공공률도, 1% 미만이 되도록 제조하였다. 또, 실시예 1∼12의 백 메탈층(2)을 구성하는 중간층(3)의 공공률은, 모두 평균 5% 미만이 되도록 제조하고, 비교예 2∼8의 백 메탈층을 구성하는 중간층의 공공률도, 평균 5% 미만이 되도록 제조하였다. 또한, 실시예 1∼12는, 완충층(4)의 조직 중의 공공(6)이 모두 직경 200㎛ 이하이고, 비교예 1, 3∼8의 완충층의 조직 중의 공공도, 모두 직경 200㎛ 이하였다.

다음으로, 본 실시 형태에 관련된 스러스트 베어링(7)을 사용한 실시예 1∼12 및 비교예 1∼8에 대하여, 스러스트 시험기를 사용하여 스러스트 피로 시험을 행하였다. 표 2에는, 스러스트 피로 시험의 시험 조건을 나타낸다. 이 스러스트 피로 시험은, 크랭크축에 의해 스러스트 베어링(7)에 충격 하중이 가해지는 것을 상정한 시험이며, 스러스트 베어링(7)의 슬라이딩면에, 회전 상태에 있는 상대축으로부터의 축선 방향력이 주기적으로 가하여지는 시험을 행하였다. 또, 실시예 1∼12 및 비교예 1∼8에 대하여, 스러스트 베어링(7)의 슬라이딩면에, 크랙의 발생에 의한 피로가 일어나지 않은 한계의 응력을 확인하고, 그 결과를 표 1의 「피로 한계 응력」에 나타낸다. 또한, 크랙의 발생의 유무는, 육안으로 확인하였다.

실시예 1∼4는, 비교예 1∼8과 비교하여 피로 한계 응력이 높다. 이는, 스러스트 베어링(7)의 슬라이딩면에, 회전 상태에 있는 상대축으로부터의 축선 방향력이 가해졌을 때, 백 메탈층(2)의 완충층(4)이 탄성 변형됨으로써, 슬라이딩층(1)과 백 메탈층(2)의 중간층(3)의 계면에 발생하는 전단 응력이 작아지기 때문으로 추측된다.

또, 실시예 5는, 실시예 1∼4보다, 더욱 피로 한계 응력이 높아진다. 이는, 백 메탈층(2) 중에 구리상(8)이 분산된 조직이기 때문에, 소결시에 슬라이딩층(1)과 백 메탈층(2)의 중간층(3)의 계면에 있어서, 슬라이딩층(1)의 구리 합금과 백 메탈층(2)의 중간층(3) 중의 구리상(8)이 접하는 부분에서, Cu 원자가 상호 확산되어, 슬라이딩층(1)과 백 메탈층(2)의 중간층(3)과의 접합 강도를 높일 수 있었기 때문으로 추측된다.

또, 실시예 6∼9는, 실시예 5보다, 더욱 피로 한계 응력이 높아진다. 이는, 슬라이딩층(1)의 구리 합금 및 백 메탈층(2)의 중간층(3)의 구리 합금상(8)이 확산 성분인 Sn, Zn, Ni를 포함하고 있기 때문이며, 소결시에 슬라이딩층(1)과 백 메탈층(2)의 중간층(3)의 계면에 있어서, 슬라이딩층(1)의 구리 합금과 백 메탈층(2)의 중간층(3) 중의 구리 합금상(8)과의 사이에서, Cu 원자뿐만 아니라, 이들 확산 성분인 Sn, Zn, Ni의 원자도 상호 확산되어, 슬라이딩층(1)과 백 메탈층(2)의 중간층(3)과의 접합 강도를 높일 수 있었기 때문으로 추측된다.

또, 실시예 10∼12는, 슬라이딩층(1)의 구리 합금과 백 메탈층(2)의 중간층(3) 중의 구리 합금상(8)이 동일한 확산 성분(Sn, Zn, Ni 중 어느 하나)을 포함하도록 하고 있지만, 이와 같이 하면, 슬라이딩층(1)의 구리 합금과 백 메탈층(2)의 중간층(3) 중의 구리 합금상(8)과의 사이에서의 확산 성분의 상호 확산이 더 일어나기 쉬워지기 때문에, 더욱 피로 한계 응력이 높아진다.

한편, 비교예 1은, 실시예 1∼12과 비교하여 낮은 응력에서, 백 메탈층의 내부에서 피로가 일어났다. 이는, 백 메탈층이 전체적으로 공공을 많이 포함하고 있기 때문에, 백 메탈층의 강도가 너무 낮아, 낮은 응력에서도 백 메탈층에 피로가 일어나기 쉽기 때문으로 추측된다. 또, 비교예 2는, 실시예 1∼12와 비교하여 낮은 응력에서, 슬라이딩층의 피로가 일어났다. 이는, 백 메탈층에 완충층이 형성되어 있지 않고, 응력이 가해졌을 때의 슬라이딩층과 백 메탈층의 계면에서의 각각의 층의 탄성 변형량이 크고, 그들의 탄성 변형량의 차가 커져, 그 계면에 발생하는 전단 응력이 커졌기 때문으로 추측된다.

또, 비교예 3∼5는, 실시예 1∼12와 비교하여 낮은 응력에서, 슬라이딩층에 피로가 일어났다. 이는, 완충층 두께/총 두께로서 2∼20%의 범위, 또는, 슬라이딩층의 공공률로서 10∼50%의 범위의 어느 일방 또는 양방이 범위의 하한보다 낮아져 있고, 슬라이딩층과 백 메탈층의 계면에 발생하는 전단 응력을 억제하는 효과가 충분해지지 않았기 때문으로 추측된다. 또, 비교예 6∼8은, 실시예 1∼12와 비교하여 낮은 응력에서, 완충층에 피로가 일어났다. 이는, 완충층 두께/총 두께로서 2∼20%의 범위, 또는, 슬라이딩층의 공공률로서 1~50%의 범위의 어느 일방 또는 양방이 범위의 상한을 넘고 있고, 완충층 자체의 강도가 낮아짐으로써 피로가 일어났다고 추측된다.

또한, 본 실시 형태에서는, 백 메탈층(2)의 표면의 전체면에 슬라이딩층(1)을 형성한 스러스트 베어링(7)을 나타내었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 백 메탈층(2)의 표면의 일부에 슬라이딩층(1)을 형성하도록 해도 된다. 또, 슬라이딩층(1)의 두께는, 스러스트 베어링(7)의 슬라이딩면의 전체면에 걸쳐 일정하게 설정되는 경우가 일반적이지만, 이에 한정되지 않고, 부분적으로 슬라이딩층(1)의 두께를 바꾸도록 해도 된다. 마찬가지로, 완충층(4)의 두께도, 스러스트 베어링(7)의 배면의 전체면에 걸쳐 일정하게 설정되는 경우가 바람직하지만, 이에 한정되지 않고, 부분적으로 완충층(4)의 두께를 바꾸도록 해도 된다.

1: 슬라이딩층 2: 백 메탈층
3: 중간층 4: 완충층
5: 철 또는 철 합금상 6: 공공
7: 스러스트 베어링 8: 구리 또는 구리 합금상

Claims

백 메탈층(2)과, 당해 백 메탈층(2)의 표면측에 접합된 슬라이딩층(1)으로 이루어지는 스러스트 베어링(7)에 있어서,
상기 백 메탈층(2)은, 상기 슬라이딩층(1)이 접합되는 중간층(3)과, 상기 백 메탈층(2)의 배면측에 배설된 완충층(4)으로 구성됨과 함께, 모든 층이 철 또는 철 합금으로 이루어지고,
상기 완충층(4)은, 상기 스러스트 베어링(7)의 두께(T)에 대하여 2~20%의 두께를 가지고, 공공률이 10~50%인 것을 특징으로 하는 스러스트 베어링.
제1항에 있어서,
상기 슬라이딩층(1)은, 구리 합금으로 이루어지고,
상기 백 메탈층(2)은, 철 또는 철 합금의 매트릭스에 구리 또는 구리 합금상(8)이 분산된 조직이며,
상기 슬라이딩층(1)과 상기 중간층(3)의 계면에서, 상기 슬라이딩층(1)의 구리 합금과 상기 중간층(3)에 분산된 구리 또는 구리 합금상(8)이 접하는 것을 특징으로 하는 스러스트 베어링.
제2항에 있어서,
상기 중간층(3)에 분산된 구리 합금상은, 상기 중간층(3)으로부터 상기 슬라이딩층(1)으로 확산되는 것이 가능한 확산 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 스러스트 베어링.
제3항에 있어서,
상기 확산 성분은, Sn, Zn, Ni의 원소군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 스러스트 베어링.