KR101596658B1 - 플레인 베어링 소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플레인 베어링에 CuFe₂P의 사용 또는 플레인 베어링 소재로서의 사용에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 지지층과 CuFe₂P를 기반으로 한 베어링 금속층을 포함하는 플레인 베어링 복합 소재에 관한 것이다.

Description

플레인 베어링 소재 {Plain Bearing Material}

본 발명은, CuFe₂P를 기반으로 한 매트릭스를 포함하는 무연 플레인 베어링 소재에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 철 지지층과 상기 CuFe₂P 플레인 베어링 소재와 CuFe₂P를 기반으로 한 슬라이딩 부재로 만들어진 베어링 층을 포함하는 플레인 베어링 복합 소재에 관한 것이다.

구리, 특히 청동 매트릭스를 기반으로 한 무연 소결 플레인 베어링 소재들은, 납을 함유하는 유사한 물질들과 비교할 경우 양호한 열전도성, 높은 내마모성 및 내부식성으로 잘 알려져 있다. 상기 소재들의 발달은, 납이 환경에 유해한 오염 물질로 분류됨으로써, 납을 포함하는 플레인 베어링 소재들을 대체하려는 요구에 기인하였다. 플레인 베어링 소재에서의 납은 고체 윤활제로서의 기능을 가진다. 따라서, 상기 고체 윤활제의 교체가 필요하다. 그렇지 않으면, 단상(one-phase) 청동 소재는 혼합 마찰 조건 하에서의 멈춤에 대한 민감성을 증가시킬지도 모른다. 이러한 상황에서, 많은 다른 구성들이 문헌적으로 및 실용적으로 검토되어 왔고, 사용되어 왔다.

예를 들어, EP 0962541A1은 AlN, Al₂O₃, NiB, Fe₂B, SiC, TiC, WC, Si₃N₄, Fe₃P, Fe₂P 및/또는 Fe₃B로 이루어진 입자가 소결 구리 또는 소결 구리 합금의 매트릭스에 분산되어 있는 구리계 슬라이딩 소재를 개시한다. 상기 슬라이딩 소재를 제조하기 위하여, 구리 또는 구리 합금 분말이, 예를 들어, AlN (Hv: 1,300, 입자 직경 e.g. 0.5 ㎛)와 Fe₃P 입자 (Hv: 800; 입자 직경 e.g. 5 ㎛)와 혼합되고, 상기 혼합물을 소결하였다. 상기 혼합물 및 슬라이딩 소재에서 평균 경도(Hv)가 500 내지 1,000 (즉, Fe₃P, Fe₂P 및/또는 Fe₃B)인 상기 입자들의 중량비와 평균 입자 직경은 1,100 또는 그 이상의 고-경도(Hv) 입자 (즉, AlN, Al₂O₃, NiB, Fe₂B, SiC, TiC, WC 및/또는 Si₃N₄)의 중량비와 평균 입자 직경보다 큰 범위에서 선택된다.

다른 구리계 슬라이딩 소재는 WO 2008/140100에서 개시된다. 이는 1.0 내지 15 중량%의 Sn, 0.5 내지 15 중량%의 Bi 및 0.05 내지 5 중량%의 Ag를 포함하고, Ag와 Bi는 공융 상태에서 존재한다. 필요한 경우, 상기 슬라이딩 소재는 평균 입자 직경이 1.5 내지 70 ㎛이고 1 내지 10 중량%의 Fe₃P, Fe₂P, FeB, NiB 및/또는 AlN 입자들을 포함할 수 있다.

이와 반대로, CuFe₂P는 (예를 들어, 접점재료로) 전자 산업과 열교환 소재로 주로 사용되어 왔다. 예를 들어, US 2009/0010797은 0.01 내지 3 중량%의 Fe, 0.01 sowl 0.3 중량%의 P를 포함하고, 특별한 방향을 가지는 Cu-Fe-P 합금으로 이루어진 전자 부품을 위한 플레이트를 개시한다. CuFe₂P는 적절한 구리 합금으로 언급된다. US 2006/0091792는 특정 Cu-Fe-P 합금으로 이루어진 평면 스크린을 위한 스퍼터 타겟을 개시한다.

본 발명은 구리계 소재의 장점을 가지면서 탑의 사용 없이 작동하는 플레인 베어링 소재를 제공하려는 목적에 기반한다. 상기 플레인 베어링 소재는 우수한 절삭성(machinability)을 가지고, 베어링의 멈춤을 방지해야 한다. 또한, 상기 플레인 베어링 소재는 손쉽게 제조되고 공통의 지지층에 적용 가능할 것이 요구된다.

놀랍게도, CuFe₂P의 사용은 높은 열 전도성과 양호한 기계적 특성을 가지는 플레인 베어링을 산출하는 것이 발견되었다.

따라서, 본 발명은 플레인 베어링을 위한, 또는 플레인 베어링 소재로서 CuFe₂P의 사용에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 플레인 베어링 복합 소재 및 상기 플레인 베어링 소재를 포함하는 플레인 베어링에 관한 것이다.

CuFe₂P (CW107C, C19400)은 2.1 내지 2.6 중량%의 Fe, 0.05 sowl 0.2 중량%의 Zn, 0.015 내지 0.15 중량%의 P, 0.03 중량% 이하의 Pb 및 0.2 중량% 이하의 DIN EN 사양에 따른 기타 성분을 포함하는 구리 합금이다. 본 발명의 목적에 적합한 합금은 Wieland-K65^ㄾ 하에서 이용 가능하고, 하기 조성(근사치)를 가진다.

CuFe₂P의 특정 열용량은 하기 표와 같다.

(독일 구리연구소의 CuFe₂P에 관한 정보를 보라.)

본 발명에 따르면, CuFe₂P는 플레인 베어링 소재로 사용된다.

본 발명의 플레인 베어링 소재를 제조하는 경우, CuFe₂P는 바람직하게는 소결되거나 주조된다. 소결은 바람직하게는 950 내지 980℃ 범위의 온도에서 수행된다.

소결 또는 주조에 의해 CuFe₂P로 부터 본 발명의 플레인 베어링 소재를 제조하는 동안, 경질 Fe₂P 입자가 형성되어 매트릭스 내에 존재한다. EP 0962541A1의 교시와 반대로, 특정 단계를 추가하는 것이 필요하지 않다. 상기 경질 입자들은 높은 내마모성을 야기한다. 또한, 그것들은, 예를 들어 베어링을 드릴링할 때, 소재의 절삭성을 향상시키는 칩 브레이커(chip breaker)로서 유용하다. 존재하는 Fe₂P 입자는 반대 방향으로 움직이는 성분에 대하여 양호한 연마 특성을 제공함으로써, 플레인 베어링의 멈춤, 베어링 소재의 반대 방향으로 움직이는 성분으로의 가능한 전이(transfer), 및 베어링의 상기 성분으로의 연관된 부착을 방지한다.

본 발명의 플레인 베어링 소재의 다른 장점으로 그것의 높은 열전도성을 들 수 있는데, 예를 들어, 흔히 플레인 베어링에 사용되는 주조 CuNi₂Si에서보다 두 배 높다. CuSn₈Ni, CuSn₁₀Bi_3.5 및 CuPb₂₃Sn₃과 같은 일반적인 소결 소재와 비교하면, 열전도성은 최대 5 배 까지 더 높다. 이는 베어링에서 발생되는 열의 양호한 방출을 야기하고, 이런 이유로 혼합 마찰 조건에서 베어링 소재에 결과적인 손상을 가지는 과열의 가능성을 감소시킨다. 또한, 베어링에서 발생되는 열의 양호한 방출은 베어링에 존재하는 오일에 가해지는, 점도와 윤활 성능의 변화를 야기할 수 있는 열적 영향을 방지할 수 있다.

상기 Fe₂P 경질 입자의 높은 열 전도성과 마모 행동의 상호작용 때문에, 베어링의 멈춤은 특히 효율적으로 방지될 수 있다. 왜냐하면, 두 효과가 플레인 베어링 소재의 반대방향으로 움직이는 성분에 대한 부착을 감소시키기 때문이다. 이러한 효과는, 추가 경질 입자를 포함함으로써, 본 발명의 바람직한 예에서 강화될 수 있다.

적절한 경질 입자의 예는 AlN, Al₂O₃, NiB, Fe₂B, SiC, TiC, WC, W₂C, Mo₂C, c-Bn, MoSi₂, Si₃N₄, Fe₃P, Fe₂P, Fe₃B, TiO₂ 및 ZrO₂로 이루어진 입자를 포함한다.

다른 바람직한 예에서, 본 발명의 플레인 베어링 소재는 h-BN 또는 흑연과 같은 고체 윤활제를 더욱 포함한다. 상기 고체 윤활제의 첨가는 마찰계수를 감소시키고, 이로 인하여 베어링에서 열의 발생을 감소시킨다. h-BN이 고체 윤활제로 사용되면, 그것의 공개가 참고문헌에 의해 포함되는 DE 10 2007 033 902 B3에서 개시된 입자가 예를 들어 사용될 수 있다.

본 발명은 또한, 플레인 베어링 복합 소재에 관한 것이다. 도 1 및 2는 바람직하게는 스틸(steel)로 만들어진 지지층(supporting layer)(2)과 베어링의 금속층으로서 내부에 형성된 Fe₂P 입자를 포함하는 상기 언급한 CuFe₂P 기반의 플레인 베어링 소재(3)를 포함하는 하프(half) 베어링(1)을 나타낸다. 상기 베어링의 금속층의 두께는 바람직하게는 0.1 내지 1.0 mm이고, 특히 바람직하게는 0.3 내지 0.5 mm이다.

두께가 7 내지 20 ㎛인 슬라이딩층은 상기 플레인 베어링 소재로 만들어진 베어링의 금속층 위에 배열되는 것이 바람직하다. 슬라이딩층 위에 두께 1 내지 10 ㎛의 길들임 운전(running-in)층을 배열하는 것이 특히 바람직하다. 상기 슬라이딩층과 길들임 운전층은 당업자에게 잘 알려져 있고, 플레인 베어링에 일반적으로 사용된다.

또 다른 면에서, 본 발명은 또한, 상기 플레인 베어링 복합 소재를 포함하는 플레인 베어링에 관한 것이다.

CuFe₂P의 사용은 높은 열 전도성과 양호한 기계적 특성을 가지는 플레인 베어링을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 플레인 베어링 소재를 포함하는 하프(half) 베어링의 모식도이다;
도 2는 도 1의 하프 베어링의 확대 단면도이다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

플레인 베어링 소재를 제조하기 위하여, 제 1 단계로 CuFe₂P 분말을 철제 지지층에 바르고 950 내지 980℃에서 소결한다. 그 뒤 상기 소재는 롤링 단계를 통해 결속되고, 이로 인하여 0.5% 미만의 공극률 값이 얻어진다. 상기 소결 층을 메우기 위하여, 950 내지 980℃에서 다시 소결하고, 두번째 롤링 단계에 의하여 상기 층의 경도는 90 내지 150 HBW 1/5/30으로 조정되고 공극률은 0.3% 미만이 된다.

<실시예 2>

플레인 베어링 소재를 제조하기 위하여, CuFe₂P를 그것의 녹는점인 1089℃ 보다 높게 가열하고 녹인다. 상기 용융체를 1150 내지 1250℃의 온도에서 철제 지지층에 주조한다.

상기 층의 표면은 어느 정도 당업자에게 알려진 기계적 가공에 의해 매끄럽게 될 수 있고, 선택적으로 소망하는 경도는 한 번 또는 그 이상의 롤링 단계에 의해 조정될 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (12)

1. 플레인 베어링(plain bearing)에 CuFe₂P를 사용하는 방법으로서, 상기 CuFe₂P는 2.1 내지 2.6 중량%의 Fe, 0.05 내지 0.2 중량%의 Zn, 0.015 내지 0.15 중량%의 P, 0.03 중량% 이하의 Pb 및 0.2 중량% 이하의 기타 성분을 포함하는 구리 합금인 것을 특징으로 하는 사용 방법.
2. 플레인 베어링 소재로 CuFe₂P를 사용하는 방법으로서, 상기 CuFe₂P는 2.1 내지 2.6 중량%의 Fe, 0.05 내지 0.2 중량%의 Zn, 0.015 내지 0.15 중량%의 P, 0.03 중량% 이하의 Pb 및 0.2 중량% 이하의 기타 성분을 포함하는 구리 합금인 것을 특징으로 하는 사용 방법.
3. 제 1 항 및 제 2 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 CuFe₂P는 주조 소재(casting material)로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 CuFe₂P는 소결 소재(sintering material)로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 CuFe₂P는 950 내지 980℃ 범위의 온도에서 소결되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 경질 입자가 CuFe₂P 기반의 소재 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서, AlN, Al₂O₃, NiB, Fe₂B, SiC, TiC, WC, W₂C, Mo₂C, c-Bn, MoSi₂, Si₃N₄, Fe₃P, Fe₂P, Fe₃B, TiO₂ 및 ZrO₂로 이루어진 입자가 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 고체 윤활제가 소재 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 고체 윤활제는 h-BN 또는 흑연인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 플레인 베어링 복합 소재로서, 스틸(steel)로 만들어진 지지층(supporting layer), 및 제 2 항에 따른 플레인 베어링 소재로 이루어진 베어링 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플레인 베어링 복합 소재.
11. 제 10 항에 따른 플레인 베어링 복합 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
12. 제 10 항에 따른 플레인 베어링 복합 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 플레인 베어링.

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