KR101525182B1

KR101525182B1 - 미끄럼 베어링의 제조 방법 및 미끄럼 베어링의 Sn기 오버레이

Info

Publication number: KR101525182B1
Application number: KR1020130123269A
Authority: KR
Inventors: 사토시 타카야나기; 히로유키 아사쿠라; 미키히토 야스이
Original assignee: 다이도 메탈 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2015-06-02
Also published as: CN103774192A; KR20140049484A; JP5981297B2; CN103774192B; JP2014081040A

Abstract

복합 도금을 시행하지 않고 Sn기 오버레이에 경질 입자를 포함시키는 미끄럼 베어링 제조 방법, 그리고 내 마모성 및 내 소부성을 높이는 미끄럼 베어링 제조 방법 및 미끄럼 베어링의 Sn기 오버레이를 제공한다.
음극이 되는 미끄럼 베어링(10)에 서로 마주하는 양극은 전류 밀부 및 전류 조부를 갖는다. 그 때문에 미끄러짐 베어링(10)의 표면에는 불균일한 전류 분포가 생긴다. 이에 따라 미끄럼 베어링(10)의 표면의 Sn기 오버레이층(12)에서는 Ag와 Sn의 화합물이 석출하여 성장하기 쉬운 부분과, Ag와 Sn의 화합물이 석출되기 어려운 부분이 형성된다. 그 결과, 미끄럼 베어링(10)의 표면의 Sn기 오버레이 층(12)에는 입경이 작은 Ag와 Sn의 화합물이 분산해서 존재한다.

Description

미끄럼 베어링의 제조 방법 및 미끄럼 베어링의 Sn기 오버레이{METHOD OF MANUFACTURING SLIDE BEARING AND Sn-BASED OVERLAY FOR SLIDE BEARING}

본 발명은 미끄럼 베어링 제조 방법 및 미끄럼 베어링의 Sn기 오버레이에 관한 것이다.

미끄럼 베어링에 이용되는 Sn기 오버레이는 Pb기 오버레이와 비교해서 내식성이 높다. 또한, Sn기 오버레이는 환경 부담이 큰 Pb를 이용하지 않는다는 이점이 있다(특허문헌 1 참조). 한편, Sn기 오버레이는 일반적으로 Pb기 오버레이와 비교해서 내 소부성(燒付性,타서눌러붙는 현상) 및 내 피로성이 떨어지는 문제가 있다.

특허문헌 1은, 다른 금속 성분으로서 Ag를 첨가함으로써, Sn기 오버레이의 기계적 강도를 높이고 내 피로성 및 내 소부성을 높이는 것을 개시하고 있다. 또한, 특허문헌 1은, 내마모성을 높이기 위해서 질화물이나 탄화물 등의 경질 입자를 첨가하여서 복합 도금을 행한다는 것을 시사하고 있다. 그러나, 다음과 같은 이유에 따라 경질 입자를 포함한 Sn기 오버레이는 양산이 어렵다는 문제가 있다. Sn기 오버레이를 도금으로 형성할 경우, 도금액은 2가의 Sn이온 및 4가의 Sn이온을 포함하고 있다. 이 중 오버레이가 되는 피막을 형성하는 것은, 도금액에 용해되는 2가의 Sn이온 뿐이다. 한편 4가의 Sn이온은 도금액에 용해되지 않고, 도금액 중에 침전물을 형성한다. 만일 4가의 Sn이온의 생성을 억제하는 약품을 첨가했다고 해도 그 효과를 지속하는 데는 한계가 있으며, 침전물의 형성을 완전히 배제하는 것은 어렵다. 이러한 침전물은 교반되어 있는 도금액 중을 떠다닌다. 침전물의 입경은 오버레이의 두께에 대해서 무시할 수 없는 크기를 가지고 있기 때문에 침전물을 집어넣은 오버레이의 표면은 요철을 형성한다. 그 결과, 오버레이는 표면의 거칠기가 커지게 된다. 여기서, 4가의 Sn이온이 형성한 침전물을 여과에 의해 제거하면, 결과적으로 내마모성을 높이기 위한 경질 입자도 함께 제거된다. 따라서, 경질 입자를 함유하는 Sn기 오버레이는 양산이 어렵게 된다.

침전물의 형성을 줄이기 위해 시안을 포함한 알칼리성의 도금액을 이용하는 것도 고려될 수 있다. 그러나, 독성이 높은 시안을 이용하는 것은 Pb 사용을 배제한 Sn기 오버레이의 이점을 해치는 문제가 있다.

일본특허공개공보 제2000-345258호

따라서, 본 발명의 목적은, 복합 도금을 하지 않고 Sn기 오버레이에 경질 입자를 포함시키는 미끄럼 베어링 제조 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 내 마모성 및 내 소부성을 높이는 미끄럼 베어링의 제조 방법 및 미끄럼 베어링의 Sn기 오버레이를 제공하는 것이다.

본 실시형태의 미끄럼 베어링 제조 방법은, 25질량% 이하의 Sb, 2.5%이하의 Cu, 및 Ag을 포함한 Sn기 오버레이를 기재(基材)에 접촉시켜 구비한 미끄럼 베어링에 있어서, 상기 기재를 음극으로 하고 상기 기재의 표면에 상기 오버레이를 도금에 의해 형성하는 미끄럼 베어링 제조 방법으로서, 음극이 되는 상기 기재와 서로 마주보는 양극은, 표면에 전류의 방출 밀도가 큰 전류(電流) 밀부(密部), 및 상기 전류 밀부보다 전류의 방출 밀도가 작은 전류 조부(粗部)를 가지고, 상기 양극을 이용하여 상기 음극에 전류 밀도의 조밀(粗密)을 형성해서 도금한다.

음극이 되는 기재에 서로 마주하는 양극은, 전류 밀부 및 전류 조부를 가진다. 그래서 음극이 되는 기재에는 전류 밀도의 조밀이 형성된다. 이 전류 밀도의 조밀은 기재의 표면에 불균일한 전류 분포를 생성시킨다. 본 발명자는 이에 따라 기재의 표면에 형성되는 Sn기 오버레이에서는 Ag와 Sn을 포함하는 화합물이 석출되어 성장하기 쉬운 부분과, Ag과 Sn을 포함한 화합물이 석출되기 어려운 부분이 형성되는 것을 해명했다. 또한, Sb 및 Cu의 존재가, Sn기 오버레이의 Ag와 Sn을 포함한 화합물의 형상에 영향을 주는 것도 해명했다. 그 결과, Ag을 포함하고, Sb를 25질량% 이하 그리고 Cu를 2.5질량% 이하로 하는 미끄럼 베어링 표면의 Sn기 오버레이에는 소정 형태의 Ag와 Sn을 포함하는 화합물이 분산해서 존재한다. 즉, 본 실시형태에서는 경질 입자를 복합 도금에 의해 함유시키는 일 없이 기재의 표면에 전류 분포를 형성함으로써 Sn기 오버레이에 경질 입자가 될 Ag와 Sn을 포함한 화합물을 석출시킨다. 따라서, 복합 도금을 시행하지 않고, Sn기 오버레이에 경질 입자를 포함시킬 수 있다.

본 실시형태의 미끄럼 베어링 제조 방법에서는, 상기 양극은 투영 면적의 10~40%가 상기 전류 조부인 것이 바람직하다.

이와 같이 양극의 투영 면적 중 10~40%를 전류 조부로 함으로써, Ag와 Sn을 포함한 화합물의 입경을 제어할 수 있다. 즉, 양극의 전류 조부의 투영 면적이 너무 적으면, 음극인 기재의 표면에 있어서의 전류 분포는 균일해진다. 그래서, Ag와 Sn을 포함한 화합물의 성장은 방해받을 수 있다. 한편, 양극의 전류 조부가 너무 크면, 음극인 기재 사이에서의 전류의 흐름이 저해되어, 도금의 형성이 곤란해진다. 따라서, 양극의 투영 면적 중 10~40%를 전류 조부로 설정함으로써 Ag와 Sn을 포함한 화합물을 포함하는 Sn기 오버레이를 안정적으로 형성할 수 있다.

본 실시형태의 미끄럼 베어링 제조 방법에서는, 상기 전류 조부는 상기 양극을 판 두께방향으로 연장하는 구멍부, 또는 상기 양극의 표면을 덮는 마스킹 부위이다.

이에 따라, 양극의 구조의 복잡화를 초래하지 않고, 간단한 구성으로 음극인 기재의 표면에 전류 분포를 형성할 수 있다. 또한, 구멍부 또는 마스킹을 이용함으로써, 전류 밀부 및 전류 조부의 비율을 쉽게 제어할 수 있다.

본원의 구멍부로는, 바닥이 있는 형상뿐만 아니라 관통 홀 형상도 포함된다. 또한, 구멍부는 판 두께방향에 수직인 방향으로 연장되는 홈 같은 형상이라도 좋다. 구멍부 및 마스킹을 여러 개 이용하는 경우, 서로 같은 형상이라도 다른 형상이라도 좋다.

본 실시형태의 미끄럼 베어링의 Sn기 오버레이는 25질량% 이하의 Sb, 2.5질량% 이하의 Cu, 및 Ag를 함유하는 미끄럼 베어링의 Sn기 오버레이로서, Ag와 Sn을 포함한 화합물 입자를 포함하고, 상기 화합물 입자는 임의의 단면의 조직 관찰에 있어서 평균 입경이 0.2~2.0㎛이며, 평균 가로세로 비(aspect ratio)가 2.0 이하로 분산해서 석출되어 있다.

Sn기 오버레이는 Ag를 첨가함으로써 기계적 강도가 향상한다. 이와 함께 첨가된 Ag는 Sn기 오버레이의 매트릭스인 Sn과의 사이에 예를 들면 Ag₃Sn₁ 등의 화합물을 생성한다. 생성한 Ag와 Sn을 포함한 화합물은 매트릭스인 Sn보다도 단단한 화합물 입자를 형성한다. 여기에서 본 실시형태의 화합물 입자는 Sn기 오버레이에 분산해서 석출된다. 이 화합물 입자는 평균 입경이 0.2~2.0㎛ 이하이며, 평균 가로 세로 비가 2.0 이하이다. 이 화합물 입자는 경질 입자로서 상대부재를 실질적으로 손상시키지 않고 상대 부재가 되는 축에 응착한 Sn을 긁어 떨어뜨린다. 이에 따라 미끄럼 베어링의 상대 부재가 되는 축에서는 응착한 Sn의 성장이 억제되어, 내 소부성이 향상된다. 이처럼 본 실시형태의 Sb을 0 이상 25질량% 이하, Cu를 0 이상 2.5질량% 이하로 한 Sn기 오버레이는, Ag의 첨가에 따라 기계적 강도가 향상할 뿐만 아니라, 유효한 경질 입자도 함유하게 된다. 따라서, Sn기 오버레이의 기계적 강도뿐만 아니라, 내 마모성 및 내 소부성을 높일 수 있다.

또한, 본 실시형태의 미끄럼 베어링의 Sn기 오버레이는, 0.5~10질량%의 Ag를 포함한 것이 바람직하다. 이에 따라 Sn기 오버레이에 적당량의 Ag와 Sn을 포함한 화합물을 포함시킬 수 있다.

본 실시형태의 미끄럼 베어링의 Sn기 오버레이는, 20질량%이하의 Sb를 포함한 것이 바람직하다. Sb는, Sn기 오버레이의 매트릭스의 녹는점을 상승시킨다. 따라서, Sn기 오버레이 고온시의 기계적 강도 저하를 억제할 수 있으며, 내 피로성을 높일 수 있다. 또한, Sn기 오버레이의 매트릭스의 융점이 상승함으로써 상대부재 와의 사이의 마찰열에 의한 Sn기 오버레이의 용융, 상대부재에 대한 응착, 및 응착에 따른 소부가 줄어든다. 따라서, 내 소부성을 보다 높일 수 있다. 또한, Sn기 오버레이는 5~15질량%의 Sb를 포함하는 것이 더 바람직하다.

본 실시형태의 미끄럼 베어링의 Sn기 오버레이는, 0.1질량% 이하의 Cu를 포함한 것이 바람직하다. 이처럼 본 실시형태의 미끄럼 베어링의 Sn기 오버레이는 Cu의 함유량을 가능한 한 저하시킨다. 본 실시형태의 Sn기 오버레이에서의 Cu는 Ag₃Sn₁의 생성을 촉진한다. 한편, Cu는 화합물 입자의 가로 세로 비의 증대를 초래하는 작용이 있다. 그래서 Cu의 함유량이 커지면, 화합물 입자에 의한 상대부재에 대한 공격성이 커지고, 상대부재의 슬라이딩 면의 표면 거칠기를 거칠게 해버리는 경향이 있다. 그 결과, Cu의 과잉 함유는 내마모성의 향상이나 내 소부성의 향상을 가로막게 된다. 또, Cu는 자신이 확산 이동을 발생하기 쉬울 뿐만 아니라 Sn기 오버레이에 생성한 화합물 입자의 확산 이동도 촉진한다. 그래서, Cu의 함유량이 커지면, 화합물 입자의 경질 입자로서의 기능 저하를 초래하는 경향이 있다. 따라서, Cu의 함유량을 제한함으로써, 화합물 입자의 기능을 유지하고 높은 내 마모성 및 내 소부성의 유지를 도모할 수 있다.

본 발명에 따르면, 복합 도금을 시행하지 않고 Sn기 오버레이에 경질 입자를 포함시키는 미끄럼 베어링 제조 방법, 그리고 내 마모성 및 내 소부성을 높이는 미끄럼 베어링 제조 방법 및 미끄럼 베어링의 Sn기 오버레이를 제공한다.

도 1은, 실시형태에 의한 미끄럼 베어링의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이고,
도 2는 실시형태에 의한 미끄럼 베어링의 오버레이 층을 나타내는 모식도이고,
도 3은 실시형태에 의한 미끄럼 베어링의 화합물 입자의 입경을 나타내는 설명도이고,
도 4는 실시형태에 의한 양극을 나타내는 모식적인 사시도이고,
도 5는 실시형태에 의한 양극을 나타내는 모식적인 사시도이고,
도 6은 실시형태에 의한 도금 공정에서의 양극과 음극의 위치 관계를 나타내는 모식도이고,
도 7은 실시형태에 의한 실시 예 및 비교 예의 실험 결과를 나타내는 도면이고,
도 8은 내 소부성 시험의 조건을 나타내는 도면이고,
도 9는 내 피로성 시험의 조건을 나타내는 도면이고,
도 10은 마모 시험 조건을 나타내는 도면이다.

이하, Sn기 오버레이를 구비한 미끄럼 베어링 및 그 제조 방법의 실시형태를 도면에 근거하여 설명한다.

(미끄럼 베어링)

우선, 본 실시형태의 미끄럼 베어링에 대해 설명한다.

도 1에서 나타내는 바와 같이 미끄럼 베어링(10)은 기재(11) 및 오버레이 층 (12)을 구비하고 있다. 기재(11)는 백메탈층(13) 및 베어링 합금층(14)을 가진다. 백메탈층(13)은 강철로 형성되어 있다. 베어링 합금층(14)은, 예를 들면 Cu기 또는 Al기의 합금으로 형성되어 있다. 이에 따라, 기재(11)는 강철의 백메탈층(13) 및 베어링 합금층(14)로 이루어지는 이른바 바이메탈이다. 또한, 베어링 합금층(14)과 오버레이 층(12) 사이에는 필요에 따라서 Ni, Ag, Cu, Cr 등으로 구성된 제 1 중간층을 설치해도 좋다. 마찬가지로 백메탈층(13)과 베어링 합금층(14) 사이에, Al, Cu, Ni, Sn, Zn등으로 구성된 제 2 중간층을 설치해도 좋다. 또, 오버레이 층(12)의 슬라이딩 면 측에 수지층을 설치해도 좋다.

오버레이 층(12)은 특허청구의 범위의 오버레이에 상당한다. 오버레이 층(12)은 Sb를 0 이상 25질량% 이하, Cu를 0 이상 2.5질량% 이하로서 Ag를 함유하는 Sn기의 오버레이이다. 그래서, 오버레이 층(12)은 도 2에서와 같이 Ag와 Sn으로 이루어지는 화합물 입자(16)를 포함한다. 또한, 오버레이 층(12)에는 내 마모성 및 내 소부성에 영향을 주지 않을 정도의 불가피한 불순물이 포함되는 경우가 있다.

오버레이 층(12)에 포함되는 화합물 입자(16)는 임의의 단면에서의 조직 관찰에서 평균 입경이 0.2~2.0㎛이다. 또한, 이 화합물 입자(16)는 평균 가로세로 비가 2.0 이하이다. 화합물 입자(16)의 평균 입경은 다음과 같이 정의했다. 구체적으로는 화합물 입자(16)의 입경은, 배율을 2000배 이상으로 설정한 SEM(주사형 전자 현미경)의 단면의 관찰에 의해 2차상(2次像) 또는 반사 전자상(反射電子像)에서 화합물 입자(16)를 관찰해서 얻었다. 그리고, 도 3과 같이 관찰한 화합물 입자(16)의 가상적인 장축(L1)을 추출하고, 추출한 장축(L1)의 전체 길이를 화합물 입자(16)의 입경 즉 장축지름(D1)으로 정의했다.

화합물 입자(16)의 평균 입경은 다음과 같이 정의했다. 구체적으로는 가로 축을 장축지름(D1)으로 하고 세로축을 해당 입자의 투영 면적으로서 도수분포표를 작성하여 통계 처리를 했다. 그리고, 중간 정도가 되는 입경을 입경의 평균값 즉 화합물 입자(16)의 평균 입경으로 정의했다.

화합물 입자(16)의 평균 가로세로 비는 다음과 같이 정의했다. 구체적으로는 화합물 입자(16)의 평균 입경의 산출로 추출한 가상적인 장축(L1)을 수직으로 이등분한 가상적인 단축(L2)을 설정했다. 이 가상적인 단축(L2)의 전체 길이를 화합물 입자의 단축 지름(D2)으로 하였다. 가로세로 비는, 얻어진 화합물 입자(16)의 장축 지름(D1)과 단축 지름(D2)으로부터, 가로세로 비=D1/D2로서 산출했다.

(미끄럼 베어링 제조 방법)

본 실시형태의 미끄럼 베어링(10)은 오버레이 층(12)의 형성 전의 단계까지 기존의 제조 방법과 동일하다. 구체적으로는 백메탈층(13) 및 베어링 합금층(14)으로 형성된 기재(11)는 미끄럼 베어링(10)으로서 반원통 형상 또는 원통 형상으로 성형하였다. 성형한 기재(11)에는 베어링 합금층(14)의 표면에 예를 들면 볼링 가공 등의 표면 가공을 했다. 표면 가공된 기재(11)는 전해 탈지 및 산에 의해 표면을 세척했다. 이렇게 본 실시형태의 미끄럼 베어링(10)은 기재(11)의 표면을 세척 후, 오버레이 층(12)을 형성함으로써 제작되었다.

오버레이 층(12)은 다음과 같이 도금으로 형성하였다. 본원의 발명자는 음극인 미끄럼 베어링(10)이 되는 기재(11)와 양극 사이의 거리를 부분적으로 변화시킴으로써 오버레이 층(12)에 포함되는 Sn과 Ag의 화합물 입자(16)가 경질 입자로서 입자 형태로 성장하는 것을 알아냈다. 즉, Sn과 Ag의 화합물 입자(16)는, 음극인 기재(11)의 표면에 전류 밀도가 낮은 부분과 높은 부분이 형성되면, 오버레이 층(12)과 함께 입자 형태로 성장하는 것을 알았다.

종래의 도금은 음극인 기재(11)의 표면에 가능한 균일한 전류 분포의 형성을 목표로 하였다. 이는 기재(11)의 표면에 오버레이 층(12)의 첨가 원소가 치밀하고 균질하게 분포된 피막을 형성하기 위해서이다. 즉, 종래의 도금의 경우, 전류 분포를 균일화시킴으로써 오버레이 층(12)의 조직의 균질화가 도모되었다. 한편, 본 실시 형태의 경우, 음극인 기재(11)의 표면의 전류 분포는, 종래와는 반대로 의도적으로 이질화시키고 있다. 본 실시형태의 미끄럼 베어링(10)의 경우, 이렇게 전류 분포를 불균일화 함으로써 오버레이 층(12)에는 매트릭스 원소인 Sn과 첨가 원소인 Ag와의 화합물 입자(16)가 성장하기 쉬운 부분과 성장하기 어려운 부분이 형성된다.

여기에서, 본 실시형태에서는, 음극이 되는 기재(11)와 서로 마주하는 양극에 가공을 행함으로써 음극이 되는 기재(11)의 표면에 전류 밀도의 불균일한 분포를 형성한다. 즉, 종래와 같은 균질한 조직을 형성시키는 양극을 대신하여, 본 실시형태의 양극에는 음극이 되는 기재와 서로 마주하는 표면에 가공이 시행된다. 구체적으로는 도 4에서와 같이 본 실시형태의 양극(20)은, 예를 들면 Sn이나 C로 형성되고, 구멍(21)과 같이 예를 들면 판 두께방향으로 관통하는 홀을 갖는다. 이에 따라 양극(20)은 통전(通電)시 표면에 전류의 방출 밀도가 큰 전류 밀부와, 이 전류 밀부보다 전류의 방출 밀도가 작은 전류 조부를 가지게 된다. 상세하게는 양극(20) 중 구멍(21)에 상당하는 부위는 전류의 방출 밀도가 작은 전류 조부(31)에 상당한다. 한편, 양극(20)은 구멍(21) 이외의 부위가 전류 조부(31)보다 전류의 방출 밀도가 큰 전류 밀부(32)에 상당한다. 이처럼 양극(20)에 전류의 방출 밀도가 다른 전류 조부(31) 및 전류 밀부(32)를 형성함으로써 이 양극(20)과 서로 마주하는 음극이 되는 기재(11)의 표면에는 불균일한 전류 분포가 형성된다. 그 결과, 도 2와 같이 오버레이 층(12)은, 매트릭스가 되는 Sn에 경질 입자가 되는 Sn과 Ag의 화합물 입자(16)가 분포한 것이 된다.

양극(20)의 전류 조부(31)가 되는 구멍(21)은 양극(20)의 투영 면적 중 10~40%를 차지하게 설정되어 있다. 양극(20)의 투영 면적은 음극인 미끄럼 베어링 (10)과의 대향 면적에 상당하는 크기이다. 양극(20)을 차지하는 전류 조부(31)의 비율이 커질수록, 음극인 기재(11)의 표면에서의 전류 분포를 불균일하게 하기 쉽다. 즉, 기재(11)의 표면에 전류 밀도의 농담의 요동 분포를 형성하기 쉽다. 그러나, 양극(20)을 차지하는 전류 조부(31)의 비율이 과대해지면 음극인 기재(11)와의 사이에서의 전류의 흐름이 저해되고, 도금에 의한 오버레이 층(12)의 형성이 곤란하게 된다. 또한, 양극(20)을 차지하는 전류 조부(31)의 비율이 10% 미만과 같이 과소하게 되면, 음극인 기재(11) 표면에서의 전류 분포의 불균일화가 곤란해진다. 따라서, 오버레이 층(12)에서의 Ag와 Sn의 화합물 입자(16)의 성장을 촉진시키기 위해 본 실시형태에서는 양극(20)은 투영 면적의 10~40%를 차지하는 전류 조부(31)의 설정으로 하였다.

또한, 양극(20)의 구멍(21)의 내경은, 도금의 대상이 되는 기재(11)의 직영에 대해 2~20%로 설정되어 있다. 양극(20)의 구멍(21)의 내경이 기재(11)의 직경에 대해 20%보다 커지면, 음극인 기재(11)와의 사이에서의 전류의 흐름이 저해되고 있는 경향이 있으며, 도금에 의한 오버레이 층(12)의 형성이 곤란해진다. 또, 양극 (20)의 홀(21)의 내경이 기재(11)의 직경에 대해 2%보다 작아지면, 음극인 기재(11)의 표면에서의 전류 분포가 균일해지기 쉬웠다. 따라서, 오버레이 층(12)의 Ag와 Sn과의 화합물 입자(16)의 성장을 촉진시키기 위해 양극(20)의 구멍(21)의 내경은 기재(11)의 직경에 대해 2~20%로 설정했다.

양극(20)의 전류 조부(31)는, 도 4와 같은 구멍(21)을 대신하여 도 5와 같은 마스킹(40)으로 형성해도 좋다. 이 마스킹(40)은 양극(20)의 표면을 덮고 있다. 이에 따라 양극(20)의 표면 중 마스킹(40)이 시행되어 있는 부분은 전류의 방출 밀도가 작은 전류 조부(31)를 형성한다. 그리고, 양극(20)의 표면 중 마스킹(40)으로 덮여 있지 않은 부분은 전류 조부(31)보다 전류의 방출 밀도가 큰 전류 밀부(32)를 형성한다. 또, 양극(20)의 전류 조부(31)가 되는 구멍(21)은 도 6에서 나타내는 바와 같이 양극(20)의 판 두께방향으로 관통하는 것을 대신하여 판 두께방향의 중간까지 형성되어 있어도 좋다. 또, 양극(20)의 구멍(21)은 그 위치에 예를 들면 수지 등과 같이 전도성이 낮은 물질이 존재해도 좋다.

이처럼 표면에서의 전류의 방출 밀도에 차이가 형성된 양극(20)은, 도 6에서 나타내는 바와 같이 음극인 기재(11)와 대향해서 도금액에 담근다. 도금의 조건은 다음과 같다. 도금액은, 50mol/L의 술폰산의 수용액에 오버레이 층(12)의 매트릭스 원소가 되는 Sn을 70g/L, 오버레이 층(12)의 첨가 원소가 되는 Ag를 5g/L, Ag사슬화제(鎖化劑)를 50g/L, 및 비이온 계면활성제를 10g/L 더하였다. 비이온 계면활성제는 예를 들면 폴리옥시에틸렌이소디질에테르를 주성분으로 하는 것을 사용했다. 이 도금액에 담근 양극(20)과 음극이 되는 기재(11) 사이에는 평균 1.5A/d㎡의 밀도가 되는 전류를 흘렸다. 이때, 양극(20)과 음극인 기재(11) 사이의 거리(A)는 10~50mm로 비교적 작게 설정했다. 양극(20)과 음극인 기재(11) 사이의 거리(A)가 커지면, 양극 (20)의 표면에서 불균일한 전류 분포를 형성해도 기재(11) 표면에서의 전류 분포는 균일화하기 쉬워 진다. 그래서, 양극(20)과 음극인 기재(11) 사이의 거리는 통상의 도금보다 근접시킨다. 또한, 상술한 도금액을 비롯한 도금의 조건은 일례로서, 대상으로 하는 미끄럼 베어링과 양극에 따라 임의로 변경할 수 있다.

이어서, 상술한 오버레이 층(12)을 구비한 미끄럼 베어링(10)의 특성에 대해 도 7에 따라 검증한다. 도 7에 나타내는 시료 1~12는, 상술한 실시형태에 의한 오버레이 층(12)을 구비한 실시 예이다. 한편, 시료 13~17은 비교 예이다. 실시 예인 시료 1~12는 본 실시형태의 양극(20)을 사용하여 오버레이 층(12)를 형성했다. 또한, 비교 예 중 시료 15~17은 본 실시형태의 양극(20)을 사용하여 오버레이 층(12)을 형성했다. 한편, 비교 예 중 시료 13 및 14는, 종래의 표면의 전류 밀도의 분포가 균일한 양극을 이용하여 오버레이 층(12)을 형성했다.

(내 소부성 시험)

내 소부성 시험은, 도 8에 나타낸 조건으로 행하였다. 구체적으로는 오버레이 층(12)을 적용한 미끄럼 베어링(10)의 시료는 내경을 48mm, 베어링 폭을 18mm로 설정하였다. 그리고, 주속(周速)을 13m/초로 설정하고, 윤활유로서 VG22를 100ml/분으로 공급하였다. 이러한 조건에서, 시험 하중을 10분마다 5MPa씩 더해가고, 미끄럼 베어링(10)의 배면 온도가 180℃을 넘었을 때, 또는 토크 변동에 의한 상대 축 구동용 벨트에 미끄러짐이 발생했을 때에 소부(燒付)로 판정하였다.

(내 피로성 시험)

내 피로성 시험은 도 9에 나타낸 조건으로 수행하였다. 미끄럼 베어링(10)의 시료 및 윤활유는 내 소부성 시험과 같다. 내 피로성 시험에서는, 미끄럼 베어링(10)의 시료와 상대 축과의 회전 수를 3500rpm으로 설정하였다. 상대 축의 재질은 S55C를 이용하였다. 이러한 조건에서 시험을 20시간 실행하고, 균열이 발생하지 않는 최대 면압(面壓)을 측정했다.

(마모시험)

마모시험은 도 10에 표시한 조건에 의해 수행하였다. 미끄럼 베어링(10)의 시료 및 윤활유는 상기의 내 소부성 시험 및 내 피로성 시험과 마찬가지이다. 마모 시험에서는 주속을 2m/초로 설정하고, 4MPa로 설정한 하중을 가하였다. 윤활유는 1ml/분으로 공급했다. 운전 모드를 기동 정지 모드로 설정해서 시험을 4시간 실행하고, 이때의 마모량을 측정했다.

(검증 결과)

시료 1~12의 실시 예는 시료 13~17의 비교 예와 대비하면, 모두 내 소부성이 향상하면서 동시에 내 피로성이 동등 또는 향상하고 있으며, 마모량이 감소하였다. 이러한 점에서 시료 1~12의 실시 예는 미끄럼 베어링(10)으로서 요구되는 특성이 뚜렷하게 향상된 것을 알 수 있다. 이것은 오버레이 층(12)에 포함되는 화합물 입자(16)의 평균 입경 및 가로세로 비가 영향을 주고 있기 때문이라고 생각된다.

우선, 본 실시형태의 양극(20)이 화합물 입자(16)의 평균 입경에 미치는 영향, 및 미끄럼 베어링(10)에 요구되는 특성에 미치는 영향에 관해 검증한다. 실시 예인 시료 2와 비교 예인 시료 13을 비교하면, 오버레이 층(12)에 포함되는 Ag의 양은 동일하다. 또한, 실시 예인 시료 6과 비교 예인 시료 14를 비교해도, 오버레이 층(12)에 포함되는 Ag의 양은 동일하다. 그러나, 실시 예인 시료 2는 화합물 입자(16)의 평균 입경이 0.3㎛인 데 반해 비교 예인 시료 13은 화합물 입자(16)의 평균 입경이 0.1㎛이었다. 마찬가지로 실시 예인 시료 6은 화합물 입자(16)의 평균 입경이 1.3㎛인 데 반해 비교 예인 시료 14는 화합물 입자(16)의 평균 입경이 0.1㎛이었다. 이것은 종래의 양극을 이용한 비교 예인 시료 13 및 시료 14는, 양극에서의 전류 밀도가 균일해지고, 음극인 미끄럼 베어링(10)에서도 전류 밀도의 차이가 작아졌기 때문이라고 생각된다. 이에 대해, 실시 예인 시료 2 및 시료 6은, 표면의 전류 밀도의 차이가 큰 양극(20)을 이용함으로써, 음극인 미끄럼 베어링(10)의 표면에서도 전류 밀도의 차이가 커졌기 때문이라고 생각된다. 이로써 실시 예인 시료 2 및 시료 6은, 오버레이 층(12)의 매트릭스 원소인 Sn과 첨가 원소인 Ag를 포함한 화합물이 화합물 입자(16)로서 오버레이 층(12)에 성장하면서 분산했다고 생각된다. 그 결과, 실시 예인 시료 2 및 시료 6은, 내 소부성 및 내 마모성이 개선되었다고 생각된다.

이와 같이 실시 예인 시료 2 및 시료 6은, 전류 밀도의 차이가 큰 본 실시 형태의 양극(20)을 사용하여 오버레이 층(12)을 형성함으로써 Sn과 Ag를 포함한 화합물 입자가 경질 입자로서 오버레이 층(12)에 집어 넣어졌다. 오버레이 층(12)에 생성된 화합물 입자(16)는 경질 입자로서 상대 부재에 응착한 Sn을 긁어 떨어뜨려 상대 부재에서의 응착 성분의 성장을 방해한다. 따라서, 내 소부성을 향상시킬 수 있으며, 마모도 절감할 수 있다.

실시 예인 시료 8~11은, 오버레이 층(12)에 대한 Sb의 첨가의 영향을 나타낸다. 시료 8~11에 따르면, 오버레이 층(12)으로 Ag에 더하여 Sb를 첨가함으로써 내 소부성 및 내 피로성이 향상하면서 동시에 마모량이 감소하였다. 이것은 Sb는 오버레이 층(12)의 Sn기 매트릭스의 융점을 상승시키기 때문이라고 할 수 있다. 즉, Sb의 첨가에 의해 오버레이 층(12)의 융점이 상승하면, 오버레이 층(12)의 고온시의 기계적인 강도 저하가 억제된다. 그래서, Sb의 첨가는 내 피로성의 향상에 기여한다고 생각된다. 또 Sb의 첨가에 의해 오버레이 층(12)의 융점이 상승함으로써 상대 부재와의 슬라이딩 이동에 의한 마찰열이 발생해도 오버레이 층(12)의 용융에 따른 상대 부재에 대한 응착, 및 이에 따른 소부가 줄어든다. 따라서, Sb를 첨가함으로써 미끄럼 베어링(10)에 요구되는 성능을 모두 향상할 수 있다.

여기에서 오버레이 층(12)에 첨가하는 Sb는 25질량% 이하로 설정하고 있다. 실시 예인 시료 9와 비교 예인 시료 17을 비교하면, 비교 예인 시료 17은 소부되지 않는(타서 붙지 않는) 최대 면압 및 마모량이 실시 예인 시료 9에 비해 뒤떨어진다. 그런데, Sb는 오버레이 층(12)의 Sn에 9질량%까지 고용(固溶)한다. 이렇게 Sb의 첨가량이 9질량% 미만일 때, 오버레이 층(12)은 Sb를 첨가해도 Sn과 Ag를 포함한 화합물 입자(16)의 평균 입경 및 평균 가로세로 비는 변화하지 않는다. 이때, 오버레이 층(12)에 있어서 경질 입자가 되는, Ag와 Sn을 포함한 화합물 입자(16)는 Ag₃Sn₁이 주가 된다. 한편, Sb의 첨가량을 9질량% 이상으로 하면, 오버레이 층(12)에는 이 Ag₃Sn₁에 더하여 Sn-Ag-Sb화합물 및 Sn-Sb화합물도 생성한다. 생성하는 화합물 중 Ag와 Sn을 포함한 화합물 입자(16)인 Sn-Ag-Sb화합물은, Ag₃Sn₁과 유사한 형태를 갖는다. 이들 화합물 입자(16)로부터 평균 입경 및 평균 가로세로 비를 도출하다. 한편, 생성하는 화합물 중, Sn-Sb 화합물은, 화합물 입자(16)인 Ag₃Sn₁의 평균 입경 및 평균 가로세로 비에 영향을 준다. 즉, Sn-Sb 화합물은 원하는 평균 입경 및 평균 가로세로 비에 있는 Ag₃Sn₁의 생성을 억제하는 방향으로 작용한다. 이 Sn-Sb화합물은 오버레이 층(12)에 대한 Sb의 첨가량에 의존해서 증가한다. 그래서 Sn-Sb화합물의 생성을 억제하기 위해서는, Sb의 첨가량을 제어할 필요가 있다. 따라서, 오버레이 층(12)에 첨가하는 Sb는 25질량% 이하로 설정했다. 이는 상술한 바와 같이 실시 예인 시료 9과 비교 예인 시료 17의 비교에서도 분명히 드러난다.

또한, 실시 예인 시료 11 및 시료 12는, 오버레이 층(12)에 대한 Zn의 첨가의 영향을 나타내고 있다. 이에 따르면, 시료 11과 같이 오버레이 층(12)에 Sb에 더하여 Zn을 더 첨가한 경우, 및 시료 12와 같이 오버레이 층(12)에 Zn만 첨가한 경우 모두 내마모성 및 내 소부성에 대한 영향은 작다. 따라서, 오버레이 층(12)에 Zn을 첨가해도 좋다는 것이 분명해졌다. 이것은 실시 예인 시료 5와 시료 12의 비교에서도 분명히 드러난다.

실시 예인 시료 1과 비교 예인 시료 15와의 비교에서, 오버레이 층(12)에 대한 Cu의 첨가의 영향이 분명하다. 오버레이 층(12)으로 Cu를 2.5질량%를 초과하여 첨가하면, 소부하지 않은 최대 면압 및 피로하지 않는 최대 면압이 크게 저하하면서 동시에 마모량이 증가하였다. 이것은 Cu의 과잉 첨가에 의해 시료(15)의 화합물 입자(16)의 평균 입경 및 평균 가로세로 비가 커진 것이 원인이다. 이처럼 화합물 입자(16)의 평균 입경 및 평균 가로세로 비가 각각 2.0㎛, 2.0보다 크면 화합물 입자에 의한 상대부재에 대한 공격성이 증대하고, 상대부재의 슬라이딩 면의 표면 거칠기를 거칠게 한다. 그 결과, 화합물 입자(16)는 경질 입자로서의 내 마모성이나 내 소부성에 대한 기여도가 작아진다. 또한, Cu를 첨가하면, 오버레이 층(12)의 열 안정성도 떨어진다. Cu는 미끄러짐 베어링(10)의 베어링 합금층(14) 측으로 확산에 의한 이동을 발생시키기 쉽다. 그리고, 오버레이 층(12)에 포함되는 화합물 입자(16)는, Cu에 수반하여 확산에 의한 이동을 발생시키기 쉽다. 그 때문에 오버레이 층(12)에 포함되는 Cu가 베어링 합금층(14) 측으로 확산할 때, 화합물 입자(16)도 Cu와 함께 베어링 합금층(14) 측으로 이동한다. 그 결과, 오버레이 층(12)의 화합물 입자(16)는 경질 입자로서의 기능이 저하한다. 따라서, Cu의 함유량은 2.5%질량 이하로 할 필요가 있으며, 오버레이 층(12)에 대한 Cu의 첨가를 제로 또는 소량으로 하는 것이 바람직하고, Cu의 함유량을 화합물 입자(16)의 확산에 영향을 주지 않는 0.1질량% 이하로 설정하는 것이 바람직하다.

이상, 설명한 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니라 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 실시형태로 적용할 수 있다.

10; 미끄럼 베어링
12; 오버레이 층(오버레이)
16; 화합물 입자
20; 양극
21; 구멍
31; 전류 조부
32; 전류 밀부
40; 마스킹

Claims

25질량% 이하의 Sb, 2.5질량% 이하의 Cu, 및 15.0질량% 이하의 Ag를 포함한 Sn기 오버레이를 기재에 접해서 구비하는 미끄럼 베어링에 있어서, 상기 기재를 음극으로 하고 상기 기재의 표면에 상기 오버레이를 도금으로 형성하는 미끄럼 베어링의 제조 방법으로서,
음극이 되는 상기 기재와 서로 마주하는 양극은, 표면에 전류의 방출 밀도가 큰 전류 밀부(密部), 및 상기 전류 밀부보다 전류의 방출 밀도가 작은 전류 조부(粗部)를 가지며,
상기 양극을 이용하여 상기 음극에 전류 밀도의 조밀((粗密)를 형성해서 도금하고,
상기 양극은, 투영 면적의 10~40%가 상기 전류 조부인 미끄럼 베어링 제조 방법.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 전류 조부는, 상기 양극을 판 두께방향으로 연장하는 구멍부의 부위인 미끄럼 베어링 제조 방법.
제 1항에 있어서,
상기 전류 조부는, 상기 양극의 표면을 덮는 마스킹의 부위인 미끄럼 베어링 제조 방법.
25질량% 이하의 Sb, 2.5질량% 이하의 Cu, 및 15.0질량% 이하의 Ag를 함유하는 미끄럼 베어링의 Sn기 오버레이로서,
Ag와 Sn을 포함한 화합물 입자를 포함하며,
상기 화합물 입자는,
임의의 단면의 조직 관찰에 있어서,
평균 입경이 0.2~2.0㎛이며,
평균 가로세로 비가 1.1 이상 2.0 이하로 분산되어 석출되는 미끄럼 베어링의 Sn기 오버레이.
제 5항에 있어서,
0.5~10질량%의 Ag를 포함하는 Sn기 오버레이.
제 5항에 있어서,
20질량% 이하의 Sb를 포함하는 Sn기 오버레이.
제 5항에 있어서,
0.1질량% 이하의 Cu를 포함하는 Sn기 오버레이.