KR101558826B1 - 미끄럼 부재 및 미끄럼 재료 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상대 부재를 신속하게 래핑하고, 래핑 후의 상대 부재의 표면 조도를 감소시킬 수 있는 미끄럼 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 경화처리가 시행된 상대 부재와 미끄럼 운동하는 미끄럼 부재로서, 상기 미끄럼 부재는 바인더 수지, 이황화 몰리브덴, 및 괴형상(塊形狀) 경질물(硬質物) 입자를 포함한 코팅층을 포함한다.

Description

미끄럼 부재 및 미끄럼 재료 조성물{SLIDING MEMBER AND SLIDING MATERIAL COMPOSITION}
본 발명은 경화처리가 시행된 상대 부재에 적합한 미끄럼 부재 및 미끄럼 재료 조성물에 관한 것이다.
종래, 기계류의 미끄럼부에 윤활성을 부여하기 위해, 각 미끄럼 부재의 표면에 미끄럼 재료 조성물을 코팅하여, 각 미끄럼부에서 윤활막으로서 기능하는 방식이 사용되고 있다. 따라서, 이러한 종류의 미끄럼 재료 조성물은 저마찰 특성과, 장기간 사용한 후에도 마모가 발생하지 않는 우수한 내마모성을 가지고, 상대 부재와의 적응성이 양호한 윤활막이 될 것을 요구받고 있다.
종래의 미끄럼 재료 조성물로서, 경질 분말, 고체 윤활제, 및 수지 바인더를 함유하는 미끄럼 재료 조성물이 공지되어 있다(특허문헌 1 내지 3).
일본 특허 제4004631호 JP-A-H10-37962 JP-A-2002-53883
미끄럼 재료 조성물에 배합되는 경질 분말에는, 상대 부재의 조면부(粗面部)를 래핑(wrapping)하여, 상대 부재 표면을 원활하게 할 수 있는 소위 래핑 효과(wrapping effect)를 구비할 것으로 기대된다. 그러나, 상기 종래 기술에 제공하는 래핑 효과는 충분하지 않다. 예를 들면, 특허문헌1에 기재된 예각형상 입자에서는 신속한 래핑 효과를 기대할 수 있지만, 평활면으로 전이(이행)한 후에도 래핑 효과가 발생하기 때문에, 상대 부재의 마모가 지속적으로 진행되며, 그 결과 래핑 후의 상대 부재의 표면 조도(粗度)가 증가하는 문제가 발생한다. 또한, 특허문헌2에 기재된 구형상 입자를 이용하는 경우, 래핑 이후 상대 부재의 표면 조도는 충분하지만, 래핑 속도가 지연되는 문제가 있다.
본 발명은 상대 부재를 신속하게 래핑할 수 있고, 또한 래핑 후의 상대 부재의 표면 조도를 감소시킬 수 있는 미끄럼 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 하기 설명하는 구성의 미끄럼 부재 및 미끄럼 재료 조성물에 관한 것이다.
(1)경화처리가 시행된 상대 부재와 미끄럼 운동하는 미끄럼 부재로서, 상기 미끄럼 부재는: 바인더 수지, 이황화 몰리브덴, 및 괴형상(塊形狀) 경질물(硬質物) 입자를 포함한 코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
(2)상기 구성(1)에 있어서, 상기 경질물 입자는 상기 상대 부재의 미끄럼 표면의 표면 산술 평균 조도(粗度)(Ra)의 2배 내지 10배인 평균 입경(粒徑)을 구비하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
(3)상기 구성(1) 또는 구성(2)에 있어서, 상기 경질물 입자는 상대 부재의 경도의 1배 이상인 경도를 구비하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
(4)경화 처리가 시행된 상대 부재와 미끄럼 운동하는 미끄럼 부재에 이용되는 미끄럼 재료 조성물로서, 바인더 수지; 이황화 몰리브덴; 및 괴형상(塊形狀) 경질물(硬質物) 입자;를 포함한 것을 특징으로 하는 미끄럼 재료 조성물.
본 발명에 따라서 제공되는 미끄럼 재료 조성물 및 미끄럼 부재는, 경화처리가 시행된 상대 부재의 조면부(粗面部)를 미끄럼 운동에 의해 신속하고 안전하게 래핑(wrapping)하여 우수한 내마모성 및 내소착성(seizure resistance)을 나타낸다.
도 1은 경질물 입자의 형상과 마모 시험후의 상대 샤프트의 표면 조도 간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 2는 경질물 입자의 형상과 마모 시험후의 상대 샤프트의 마모 깊이 간의 관계를 도시한 그래프이다.
본 발명에 따른 미끄럼 재료 조성물(이하, "본 발명에 따른 조성물"로도 칭함)은 바인더 수지, 이황화 몰리브덴, 및 괴형상(塊形狀) 경질물(硬質物) 입자를 포함한다.
바인더 수지는 본 발명에 따른 조성물을 결합(bind)하는 재료를 규정하며, 폴리아미드-이미드(PAI) 수지, 폴리이미드 수지, 페놀 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리에테르 에테르 케톤 수지, 및 폴리페닐렌 설파이드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 한 종류의 수지인 것이 바람직하다. 이들 수지 중에서도, 내마모성의 관점에서 폴리아미드-이미드(PAI) 수지를 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 조성물은 괴형상 경질물 입자를 함유한다. 본 발명에서, 미끄럼 재료 조성물에 함유되는 경질물 입자에 의해, 상대 부재의 미끄럼 표면이 원활하게 되는 효과, 소위 래핑 효과가 부여되고, 그 결과 내마모성 및 내소착성(seizure resistance)이 향상된다. 본 발명에서는 이 경질물이 괴형상(塊形狀)인 것을 특징으로 한다. 여기서 "괴형상(塊形狀)"은 90°이하의 돌기를 실질적으로 포함하지 않는 불규칙 형상을 의미하고, 구형상 및 예각형상 등 가공에 의해 형성되는 형상은 배제된다. 래핑 후에도 상대 부재의 마모가 계속 진행하여 획득되는 예각형상의 경질물 입자나, 래핑 속도가 너무 느려서 평활면으로의 신속한 전이가 어려운 구형상의 경질물 입자와는 달리, 괴형상의 경질물 입자는 평활면으로의 전이 한 이후에도 신속한 래핑 효과와 안정된 래핑 효과를 발휘한다.
래핑 효과를 더욱 발휘하기 위해서는, 상대 부재의 표면(미끄럼 표면) 조도에 따라서 경질물 입자의 입자 지름[또는 "입경(粒徑)"]을 조정할 필요가 있다. 여기서, 표면 조도 보다 큰 조도의 경질물을 첨가하면, 역으로 경질물이 상대 부재를 공격하게 된다. 한편, 너무 작은 경질물 입자가 첨가되면, 래핑 효과를 획득할 수 없다. 따라서, 경질물 입자의 평균 입경(모드 지름)은 상대 부재의 미끄럼 표면의 산술 평균 조도(Ra)의 2배 내지 10배가 바람직하고, 특히 2배 내지 5배가 바람직하다.
표면 조도를 10점 평균 조도(Rz)로 규정하는 경우는 하기 관계식에 따른다.
산술 평균 조도 (Ra) = 1/2 내지 1/3 × 10점 평균 조도(Rz)
경질물 입자의 경도는 경화처리가 시행된 상대 부재에 대하여 경질물이 충분한 경도를 가지면 되고, 한정을 두지 않는다. 바람직하게는, 경화 처리(hardening treatment)로서, 담금질 처리(quenching treatment) 또는 질화 처리된 단조(鍛造) 샤프트나 주조(鑄造) 샤프트 등의 상대 부재에 대하여 충분한 경도를 가질 필요가 있다. 상대 부재 경도가 담금질 처리가 시행될 때에는 HV 500 내지 HV 800이고, 질화처리가 시행될 때에는 화합물층이 HV 1000 내지 HV 1100, 확산층이 HV 약 800이기 때문에, 경질물 입자가 상대 부재 입자의 1배 이상의 경도를 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 여기서 경도는 비커스 경도(Vickers hardness)를 의미한다(이하 같음).
경질물 입자의 타입은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 상기 경도를 만족시키는 관점에서 볼 때, Fe3P(약 HV 800), Al2O3(HV 1500 이상), SiC(HV 2000 이상), AlN(HV 1000 이상) 등을 사용하는 것이 바람직하고, Al2O3 및 SiC가 특히 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 조성물에서 경질물 입자의 함량은 0.1 부피% 내지 5 부피%가 바람직하고, 1 부피% 내지 4 부피%가 특히 바람직하다. 함량이 상기 범위 내에 있으면, 조성물은 상대 부재의 열화를 낮추면서 래핑 효과(wrapping effect)를 가진다.
본 발명에 따른 조성물에 있어서 이황화 몰리브덴(MoS2)은 내마모성을 부여하는 고체 윤활제로서 기능한다. 고체 윤활제로서는 이황화 몰리브덴 외에도 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 및 그래파이트 등의 다양한 재료가 알려져 있지만, 이황화 몰리브덴이 그 중에서도 우수한 윤활 효과를 나타낸다. 예를 들면, PTFE는소유성(疎油性:oleophobic)이기 때문에, 오일 윤활하에서 미끄럼 운동에서는 유막이 형성되기 어렵고 그 결과 내소착성(seizure restance)이 저하될 수 있다. 이에 대하여 이황화 몰리브덴은 윤활조건에 상관없이 우수한 윤활 효과를 발휘한다. 또한, 그래파이트는 결정화율에 의존하지만 고체 윤활제로서의 기능과 경질물 입자로서의 기능을 겸용하는 반면, 윤활제로서의 효과는 이황화 몰리브덴의 윤활제 효과 보다는 낮고, 경질물 입자로서의 래핑 효과는 상술한 괴형상의 경질물 입자 보다도 낮다. 단지, 이황화 몰리브덴과 괴형상의 경질물 입자와 함께 그래파이트를 겸용하는 것은 윤활 효과와 래핑 효과를 더욱 향상시킬 수 있기 때문에 바람직하다.
본 발명에 따른 조성물에 있어서 이황화 몰리브덴의 함유량은 25 부피% 내지 70 부피%이고, 바람직하게는 35 부피% 내지 60 부피%이다. 이황화 몰리브덴의 함유량이 상기 범위 내이면, 충분한 윤활 효과를 획득할 수 있다.
또한, 이황화 몰리브덴은 평균 입경이 5㎛ 이하인 것이 바람직하고, 3㎛ 이하가 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 조성물은 이황화 몰리브덴 이외에 다른 고체 윤활제를 함유할 수도 있다.
그 밖의 다른 고체 윤활제로는 그래파이트, 이황화 텅스텐, 운모, 질화 붕소, 불화 흑연, 및 플러렌(fullerene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1 종의 고체 윤활제인 것이 바람직하다. 이들 고체 윤활제는 이황화 몰리브덴의 보조적이며, 오일이 고갈될 때 윤활 효과를 획득하기 때문에 이들 고체 윤활제의 함유량은 5 부피% 내지 35 부피%가 바람직하다.
본 발명에 따른 조성물은 추가로 무기첨가제를 함유할 수 있으며, 무기 첨가제는 탄산칼슘, 황산바륨, 인산칼슘으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 한 종류의 무기 첨가제인 것이 바람직하다. 또한, 내마모성의 관점에서, 조성물에서의 무기첨가제의 함유량은 5 부피% 내지 10 부피%가 바람직하다.
본 발명에 따른 미끄럼 재료 조성물은 미끄럼 부재의 기재 표면의 코팅층으로서 이용될 수 있다. 특히 상대 미끄럼 부재가 담금질 처리 또는 질화 처리 등의 경화 처리를 시행한 경우, 본 발명에 따른 미끄럼 재료 조성물은 미끄럼 표면에 대한 코팅에 적합하다. 이와 같은 상대 부재로서는 구체적으로 담금질 처리된 샤프트 또는 질화 처리된 샤프트를 예로 들 수 있다.
본 발명에 따른 미끄럼 부재는 기재와, 기재 상에 설치된 코팅층을 포함하고, 코팅층은 상기 본 발명에 따른 미끄럼 재료 조성물로부터 형성된다. 본 발명에 따른 미끄럼 부재의 기재용 재료는 특별히 제한이 있는 것은 아니지만, 철강, 스텐레스 강, 주철(鑄鐵), 동, 동합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 고무, 플라스틱, 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택되는 재료인 것이 바람직하다. 또한, 기재의 형상은 특별히 제한이 있는 것은 아니지만, 판형상이나 관형상이 될 수 있다. 또한, 기재는 철강 또는 스텐레스 강 등의 백 스틸(back steel)과, 백 스틸 위에 배치되고 알루미늄 합금 또는 동합금 등이 함유된 합금층을 포함하는 것이 바람직하다.
코팅층을 형성하는 방법은 예를 들면 본 발명에 따른 조성물을 바인더 수지의 용제와 함께 혼합하고, 에어 스프레이 도장(coating) 등과 같은 공지의 방법을 이용하여 기재 표면에 혼합물의 막을 형성하고, 이후, 바인더 수지의 소성 온도로 막을 소성하는 방법을 적용할 수 있다. 또한, 코팅을 강화하기 위해, 기재 표면을 코팅하기 전에 조면화(粗面化) 처리를 시행하거나, 기재와 코팅층 사이에 접착층을 형성할 수도 있다. 코팅층의 두께는 5㎛ 내지 30㎛인 것이 바람직하다. 코팅층의 표면 조도(粗度)는 특별히 제한이 있는 것은 아니지만, 0.3㎛Ra 내지 3㎛Ra가 바람직하다.
본 발명에 따른 미끄럼 부재의 윤활조건은 특별한 한정이 없지만, 오일 윤활, 그리스 윤활, 무윤활 중 어느 것도 사용할 수 있다.
실시예
알루미늄 이종금속 기재[두께 약 1.5mm(알루미늄 합금층 두께 0.2mm)]에 쇼트 블라스트 처리(short blasting treatment)를 시행하고, 이후 표 1에 나타낸 조성물을 분무 코팅하여 두께 10㎛를 가지도록 코팅층을 형성하였다. 분무 코팅에 의해 막을 형성한 이후, 부재들을 200℃에서 소결하여 샘플을 제조하였다. 사용된 재료는 다음과 같다.
● 바인더 수지
폴리아미드-이미드(PAI 수지): 히다치 케미칼 컴패니 리미티드 제조
● 고체 윤활제
이황화 몰리브덴: 수미코 루브리컨트 컴패니 리미티드 제조, 2㎛의 평균 입경
그래파이트: 수미코 루브리컨트 컴패니 리미티드 제조, 2㎛의 평균 입경
이황화 텅스텐: 수미코 루브리컨트 컴패니 리미티드 제조, 2㎛의 평균 입경
● 경질물 입자
Al2O3:
괴형상(塊形狀), 예각형상‥‥‥ 후지미 인코포레이티드 컴패니 리미티드 제조
구형상‥‥‥아드마텍스 컴패니 리미티드 제조
SiC:
모든 타입‥‥‥ 후지미 인코포레이티드 컴패니 리미티드 제조
Fe3P:
모든 타입‥‥‥후쿠다 메탈 포일 & 파우더 컴패니 리미티드 제조
실시예 및 비교예의 샘플(베어링)에 대하여 상대 부재로서 담금질 처리가 시행된 단조 샤프트(HV 600 내지 HV 800의 경도)를 이용하여 마모 시험을 시행하고, 시험 전후의 상대 샤프트 미끄럼 표면의 표면 조도 및 샘플 미끄럼 표면의 마모 깊이를 측정하였다. 결과를 표 1에 나타냈다.
또한, 실시예 4 내지 6, 비교예 1 내지 3, 비교예 6 내지 8에 대하여, 경질물 입자의 형상과 시험 후의 상대 샤프트의 표면 조도 간의 관계를 도 1에 나타내고, 경질물 입자의 형상과 시험후 상대 샤프트의 마모 깊이 간의 관계를 도 2에 나타냈다.
(마모 시험)
마모 시험은 부분 접촉 마모 테스터를 이용하여 다음의 조건으로 수행하였다.
회전수: 0 rpm (1분 유지) → 1200 rpm (1분 유지) → 0 rpm(1분 유지)의 싸이클 시험
윤활유: 0 W - 20
급유 온도: 100℃
하중: 4.41 kN
시험 시간: 100 시간
(표면 조도 측정)
JIS B 061(2001)에 따라서, 산술 평균 조도 Ra를 측정하였다.
(마모 깊이 측정)
샘플(베어링)의 코팅층의 두께를 시험 전후에 측정하고, 그 값으로부터 마모 깊이를 산출하였다.
MoS2
첨가량
부피%
고체윤활제
경질물입자
시험
시간
(h)
시험전
샤프트
조도
(㎛Ra)
경질물
입경/
시험전 샤프트 조도
(배)
시험후
샤프트
조도
(㎛Ra)
시험후 샤프트
마모
(㎛)

타입
첨가량
부피%
형상
타입
첨가량
부피%
평균
입경
(㎛)





실
시
예




 1 30 - - 괴형상 SiC 1 0.5 25 0.1 5 0.08 0
2 30 - - 괴형상 SiC 1 0.5 50 0.1 5 0.07 0
3 30 - - 괴형상 SiC 1 0.5 100 0.1 5 0.07 0
4 50 - - 괴형상 Al2O3 3 1 25 0.4 2.5 0.36 0
5 50 - - 괴형상 Al2O3 3 1 50 0.4 2.5 0.34 0
6 50 - - 괴형상 Al2O3 3 1 100 0.4 2.5 0.33 0.1
7 70 - - 괴형상 Fe3P 5 4 25 1 4 0.9 0
8 70 - - 괴형상 Fe3P 5 4 50 1 4 0.86 0.1
9 70 - - 괴형상 Fe3P 5 4 100 1 4 0.82 0.2
10 30 PTFE 20 괴형상 Al2O3 3 0.05 100 0.1 0.5 0.07 0
11 30 PTFE 20 괴형상 Al2O3 3 1 100 0.1 10 0.07 0.1
12 30 Gr 30 괴형상 Fe3P 4 0.2 100 0.4 0.5 0.34 0.1
13 30 Gr 30 괴형상 Fe3P 4 4 100 0.4 10 0.33 0.1
14 25 WS2 15 괴형상 SiC 2 0.5 100 1 0.5 0.81 0.2
15 25 WS2 15 괴형상 SiC 2 10 100 1 10 0.83 0.2

비
교
예

 1 50 - - 예각형상 Al2O3 3 1 25 0.4 2.5 0.35 0.2
2 50 - - 예각형상 Al2O3 3 1 50 0.4 2.5 0.35 0.3
3 50 - - 예각형상 Al2O3 3 1 100 0.4 2.5 0.35 0.5
4 - PTFE 40 괴형상 SiC 2 4 100 0.4 10 0.5 0.8
5 5 PTFE 50 괴형상 Al2O3 2 2 100 0.4 5 0.4 0.2
6 50 - - 구형상 Al2O3 3 1 25 0.4 2.5 0.38 0
7 50 - - 구형상 Al2O3 3 1 50 0.4 2.5 0.36 0
8 50 - - 구형상 Al2O3 3 1 100 0.4 2.5 0.34 0.1
표 1로부터, 구형상의 경질물 입자에서는 샤프트 조도를 저하시키는데 시간이 걸리고, 예각형상에서는, 샤프트 조도의 저하율이 낮은 것을 확인할 수 있다.
도 2로부터, 예각형상의 경질물 입자에서는 샤프트를 연속하여 치핑(chipping)하는 영향이 큰 것을 확인할 수 있다.
본 발명을 특정 실시예를 참조하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 사상과 범위를 일탈하지 않고, 여러 가지 변경 또는 수정이 가능함은 당업자에게는 자명한 것이다. 본 출원은 2011. 09. 28. 자 출원된 일본 특허 출원(P2011-213060)에 기초한 것으로서, 그 내용은 여기 참조로 포함된다.

Claims (4)

  1. 경화처리가 시행된 상대 부재와 미끄럼 운동하는 미끄럼 부재로서, 상기 미끄럼 부재는:
    바인더 수지, 이황화 몰리브덴, 및 괴형상(塊形狀) 경질물(硬質物) 입자를 포함한 코팅층;
    을 포함하며,
    상기 괴형상(塊形狀)은 90°이하의 돌기를 포함하지 않는 불규칙 형상을 의미하고, 가공에 의해 형성되는 구형상 및 예각형상은 배제하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경질물 입자는 상기 상대 부재의 미끄럼 표면의 표면 산술 평균 조도(粗度)(Ra)의 2배 내지 10배인 평균 입경(粒徑)을 구비하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 경질물 입자는 상대 부재의 경도의 1배 이상인 경도를 구비하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
  4. 경화 처리가 시행된 상대 부재와 미끄럼 운동하는 미끄럼 부재에 이용되는 미끄럼 재료 조성물로서,
    바인더 수지;
    이황화 몰리브덴; 및
    괴형상(塊形狀) 경질물(硬質物) 입자;
    를 포함하고,
    상기 괴형상(塊形狀)은 90°이하의 돌기를 포함하지 않는 불규칙 형상을 의미하고, 가공에 의해 형성되는 구형상 및 예각형상은 배제하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 재료 조성물.
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