KR101716519B1 - 무연 알루미늄 베어링 금속층을 포함하는 미끄럼 베어링 부재 - Google Patents

무연 알루미늄 베어링 금속층을 포함하는 미끄럼 베어링 부재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지지층(10, 20, 30), 알루미늄 합금계 중간층(12, 22, 32)과 알루미늄 합금계 베어링 금속층(14, 24, 34)을 포함하는 미끄럼 베어링 부재에 관한 것이다. 중간층(12, 22, 32)의 알루미늄 합금 조성은 중량%로 적어도 다음과 같은 성분을 포함한다: 3.5 내지 4.5%의 구리; 0.1 내지 1.5%의 망간; 0.1 내지 1.5%의 마그네슘; 및 0.1 내지 1.0%의 규소.

Description

무연 알루미늄 베어링 금속층을 포함하는 미끄럼 베어링 부재{SLIDING BEARING ELEMENT COMPRISING A LEAD-FREE ALUMINUM BEARING METAL LAYER}
본 발명은 지지층과, 알루미늄 합금을 기재로 하는 중간층, 바람직하게는 무연 중간층과, 알루미늄 합금을 기재로 하는 베어링 금속층, 바람직하게는 무연 베어링 금속층을 갖는 평 베어링 부재에 관한 것이다.
이러한 베어링은 다수의 문헌에서 다뤄지고 있는 주제이다. 참고문헌으로 독일 미심사 출원 EP 0 672 840 A2, EP 1 522 750 A1 또는 미국특허 5,470,660가 예시된다. 베어링 쉘 형태의 평 베어링 부재는 압연 도금에 의해 호일형 베어링 금속층 또는 마찰방지층이 도포되어 있는 강철제의 지지 쉘을 갖는다. 일반적으로 주석 함량이 높은 알루미늄계 베어링 금속층을 강철 지지층에 충분한 접착력으로 도금할 수 없기 때문에, 초기에 베어링 금속층을 압연 도금에 의해 중간층에 도금하여 호일 적층체를 형성한다. 초기에는 순수한 알루미늄의 중간층을 사용하여 강철 지지층에 강력하게 접착할 수 있었다. 이후, 이 호일 적층체의 구성 층들의 두께를 감소시키면서 중간 열처리를 하거나 또는 열처리 없이 수회 압연 단계를 통해 강철 보호층에 도포한다. 다음, 얻어진 최종 적층체를 스탬핑에 의해 가공하거나 판으로 절단하고 최종 제품에 따라 굴곡 또는 압연 성형에 의해 래이디얼 베어링으로 가공한다.
위에서 언급한 문헌들은 강철 지지층에 대한 알루미늄계 베어링 금속층의 접착력을 개선할 수 있다는 알려진 바에 입각한 것으로, 순수한 알루미늄 중간층의 재료 특성만으로는 작동 중 적층체의 충분한 피로강도를 보장하지 않는다. 이에 따라, EP 0 672 840 A2는 순수한 알루미늄 호일 대신에 경우에 따라 안전 작동 특성을 가진 경화가능한 알루미늄 합금을 기재로 하는 중간층 형성을 제안하고 있다. 이 방식으로 형성된 중간층의 경도는 약 60 HV 0.5의 값으로 조정되어 경도가 약 35 내지 40 HV 0.5인 마찰방지층의 경도보다 높게 된다. 베어링 금속층 또는 마찰방지층 방향으로 경도를 감소시키면 평 베어링의 피로강도, 결국에는 평 베어링의 내구성과 수명에 대한 긍정적인 효과가 나타난다.
US 5,470,666에 유사한 결과가 나타나 있다. 이 경우에도 평 베어링층으로부터 중간층을 거쳐 금속 지지층으로 경도가 증가하고, 중간층의 경도는 25 HV 내지 60 HV 사이가 되도록 조정되어 있다. 중간층의 두께는 베어링 금속층과 중간층 전체 두께의 50 내지 90%이다. 이에 따라 중간층의 두께는 적어도 베어링 금속층의 두께와 동등하거나 그보다 현저하게 더 크다. 중간층은 Mn, Cu, Zn, Si, Mg 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택되는 합금 성분을 총 0.3 내지 5 중량% 가진 알루미늄 합금으로 형성된다. 중간층 경도의 상한 60 HV는 에지 베어링, 즉 샤프트와 베어링 축 사이의 불가피한 부정합을 보상하는데 필요한 성형성에 의해 결정된다.
그러나 본 발명자들은 공지된 베어링이 작동 중 그 중간층 재료를 축방향으로 위치이동시키기에 충분히 높은 비하중 하에 있게 되면 중간층 재료를 변형시킨다는 것을 발견하였다. 중간층은 중간 베어링 쉘의 말단면으로부터 축방향으로 다소 압착된다. 이 현상이 도 2에 대략적으로 도시되어 있다. 종래기술에 따른 평 베어링 쉘의 축방향의 일부 단면이 주 하중 영역(예를 들면 그 정점에 근접한)에 있다. 상기 평 베어링의 반경방향 외면에는 강철 지지층(20)이, 강철 지지층(20)의 상부에는 알루미늄계 중간층(22)이, 알루미늄계 중간층(22)의 상부에는 베어링 금속층(24)이 있다. 특히 주 하중 영역에서 나타나는 높은 비하중에 의해 중간층(22)이 축방향으로 유출되기 시작하여(압연 도금과 유사하게) 강철 지지층(20)의 축방향 말단면(26)을 지나 베어링 밖으로 압착 이동된다. 베어링 금속층(24)은 중간층(22)을 따라 부분적으로 압착되어 베어링 밖으로 밀려나게 된다. 상기 베어링 금속 및 베어링 금속과 지지층 사이의 연결은 손상되지 않고 어떠한 기능적 고장도 나타내지 않는다. 그러나 말단면(26) 가까이 강철 지지층(20)과 중간층(22) 사이에는 식별가능한 균열(28)이 나타난다. 압착되어 밀려난 상기 베어링 금속층과 중간층의 재료와 관련하여, 베어링이 계속 작동되면서 균열에 의해 베어링이 분리되어 결국에는 완전히 기능이 정지될 우려가 증가한다.
따라서 본 발명의 목적은 알루미늄 합금을 기재로 하는 베어링 금속층과, 알루미늄 합금을 기재로 하는 중간층과, 상술한 방식으로 재료가 소성 변형되는 것을 크게 회피하기 위한 강철 지지층으로 이루어진 적층체를 개선하는데 있다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 특허청구범위 제1항의 특징을 갖는 평 베어링 부재에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 평 베어링 부재는 특히 지지층, 알루미늄 합금을 기재로 하는 중간층과 알루미늄 합금을 기재로 하는 베어링 금속층을 구비한 베어링 쉘 형태로 구성되며, 상기 중간층의 알루미늄 합금은 적어도 3.5 중량% 내지 4.5 중량%의 구리, 0.1 중량% 내지 1.5 중량%의 망간과 0.1 중량% 내지 1.5 중량%의 마그네슘의 성분을 포함하는 조성을 갖는 것을 특징으로 한다.
특히 구리 함량이 높아 바람직하게는 강철로 형성된 지지층과의 결합강도를 희생하지 않고 상기 중간층의 경도를 조절할 수 있다. 상기 중간층의 경도는 압연 도금 공정 중에 또한 로울러 통과 전 및/또는 도중 및/또는 후에 적절한 열처리를 이용하여 조정된다.
최종 치수로 압연한 상기 평 베어링 부재의 중간층의 두께 d2는 바람직하게는 30 ㎛ 내지 250 ㎛이고, 베어링 쉘의 벽 두께에 따라 50 ㎛ 내지 250 ㎛, 특히 바람직하게는 80 ㎛ 내지 175 ㎛, 가장 바람직하게는 150 ㎛ 내지 175 ㎛이다.
본 발명자들은 이 두께와 함께 상대적으로 경도가 높은 위에 언급한 조성을 갖는 중간층이 한편으로는 충분한 소성 가요성과 그에 따라 충분한 성형성을 얻는데 적합하다는 것을 발견하였다. 다른 한편으로는, 상대적으로 두꺼운 중간층과 함께 조정가능한 고경도로 인해 소성 변형에도 불구하고 중간층 재료가 적층체 밖으로 조금만 압착 이동된다는 것을 발견하였다.
따라서 상기 중간층은 70 HV 0.01 내지 110 HV 0.01, 특히 바람직하게는 85 HV 0.01 내지 100 HV 0.01의 미소경도를 갖는다.
상기 최종(성형된) 평 베어링 부재의 중간층의 비커스 경도 시험은 유럽표준 EN 6507-1에 따른다. (투과체의) 시험 팁을 상기 평 베어링 부재의 준비된 절단 모서리 영역에서 면 방향으로 중간층에 압착 도입시킨다. 상기 절단 모서리는 바람직하게는 연마에 의해 준비한다.
상기 중간층의 알루미늄 합금은 바람직하게는 0.1 내지 1.0 중량%의 규소를 갖는다. 규소는 상기 알루미늄 합금의 강도를 증가시킨다.
상기 중간층의 알루미늄 합금은 또한 바람직하게는 (중량%로): 0.05% 내지 1.0%의 철, 0.05% 내지 0.5%의 크롬과 0.05% 내지 0.5%의 아연을 갖는다.
가장 바람직하게는 상기 중간층의 알루미늄 합금은 (중량%로): 0.4% 내지 1.0%의 망간, 0.4% 내지 1.0%의 마그네슘과 0.2% 내지 0.8%의 규소를 갖는다. 이들 모든 합금 원소들은 상기 중간층 재료의 강도와 경도를 증가시키기 위해 사용된다.
또한 상기 중간층의 알루미늄 합금은 (중량%로) 총 0.05 내지 0.25%의 지르코늄과 티타늄을 갖는 것이 유리하다.
특히 상기 중간층의 알루미늄 합금은 불가피한 불순물을 0.1 중량% 이하, 총 0.25 중량% 이하로 갖는 것이 유리하다.
상기 평 베어링 부재의 베어링 금속층의 두께 d3은 바람직하게는 150 ㎛ 내지 400 ㎛, 특히 바람직하게는 200 ㎛ 내지 400 ㎛이다.
상기 베어링 금속층은 바람직하게는 1.0-3 중량%의 니켈, 0.5-2.5 중량%의 망간, 0.02-1.5 중량%의 구리, 5-20 중량%의 연질상 성분, 통상적으로 허용되는 불순물과 잔량의 알루미늄을 가진 알루미늄 합금을 갖는다. 상기 연질상 성분은 전체 알루미늄 합금 대비 8-12 중량%인 것이 특히 바람직하다. 예를 들면, 상기 베어링 금속층에 대해 AlSn11.5Ni1.5Cu0.6Mn0.6 합금이 적합하다.
상기 베어링 금속층의 연질 금속 성분으로서 주석 및/또는 비스무트가 바람직하다.
특히 위에서 언급한 조성 중 하나에서 상기 베어링 금속층의 브리넬 경도는 바람직하게는 50-70 HBW 1/5/30, 특히 바람직하게는 50-60 HBW 1/5/30으로 조정된다.
상기 중간층과 베어링 금속층 사이 및/또는 중간층과 지지층 사이에는 바람직하게는 압연 도금 접합부가 있다.
이하, 도면을 이용하고 예시적 실시형태를 참조하여 추가의 목적, 특징과 이점을 더 설명한다. 이하에 나타낸 도면에서:
도 1은 베어링 쉘 형태의 본 발명에 따른 평 베어링 부재의 예시적 실시형태의 부분 사시도이고;
도 2는 하중을 받은 종래기술에 따른 베어링 쉘의 정점 영역의 부분 축방향 단면도이며;
도 3은 하중을 받은 본 발명에 따른 베어링 쉘의 정점 영역의 부분 축방향 단면도이고;
도 4는 최초 사용 중에 하중을 받은 베어링 쉘을 따라 주변방향의 압력변화형태를 나타내는 곡선이며;
도 5는 소성 변형 후 도 4에서와 동일한 하중을 받은 베어링 쉘을 따라 주변방향의 압력변화형태를 나타내는 곡선이고;
도 6은 최초 사용 중에 베어링 쉘에 대한 최대 하중 영역에서 축방향의 압력변화형태를 나타내는 곡선이며;
도 7은 소성 변형 후 베어링 쉘의 최대 하중 영역에서 축방향의 압력변화형태를 나타내는 곡선이고;
도 8은 최대 하중 영역에서 본 발명에 따른 베어링 쉘의 예시적 실시형태의 축방향 소성 가요성을 중간층의 재료 또는 경도 및 두께에 따라 나타낸 도면이다.
도 1은 바람직하게는 강철로 이루어진 지지층(10)을 가진 본 발명에 따른 베어링 쉘의 기본적인 구성을 도시하고 있다. 지지층(10) 위에 중간층(12)과 베어링 금속층(14)이 이 순서대로 도금되어 있다. 반대방향으로 회전하는 샤프트(미도시)와 같은 부재와 직접 미끄럼 접촉하는 베어링 금속층(14)의 내부에는 베어링 표면(16)이 형성되어 있다. 샤프트는 (직접) 베어링 표면(16) 위에 놓여 평 베어링 부재에 대해 반경 방향으로 압력을 가하게 된다. 상기 평 베어링 부재는 전형적으로 오일로 윤활되어 샤프트의 회전에 의한 수력학적 압력하에서 샤프트와 베어링 표면 사이에 유막을 형성함으로써 샤프트와 베어링 층이 직접 접촉하는 것을 방지한다.
제조상의 이유로, 중간층(12)과 베어링 금속층(14)을 미리 2-층 적층체로 도금하여 이 두 층을 강철 지지층(10) 위에 도금할 수 있다. 강철 지지층(10) 위에 도금한 후, 본 발명에 따른 평 베어링 부재의 중간층의 두께 d2는 50 ㎛ 내지 250 ㎛, 바람직하게는 150 ㎛ 내지 175 ㎛이다. 상기 베어링 금속층의 두께 d3은 200 ㎛ 내지 400 ㎛, 바람직하게는 250 ㎛ 내지 350 ㎛이다.
도 3은 전형적인 하중이 가해진 후 본 발명에 따른 평 베어링 부재 상에 가장 큰 하중이 가해진 주변영역의 축방향 부분 단면도이다. 도 2와 비교하면, 강철 지지층(30)에 직접 도금된 중간층(32)과 중간층(32)에 도금된 베어링 금속층(34)이 평 베어링 부재로부터 축방향으로 조금만 압착되어 밀려나와 있다. 강철 지지층(30)과 중간층(32) 사이의 압연 도금 접합부(36) 및 중간층(32)과 베어링 금속층(34) 사이의 압연 도금 접합부(38)는 모두 이상적으로 손상되지 않아, 도 2에 도시되어 있는 공지의 베어링과 비교하면 동일한 하중 하에서 베어링의 완전한 기능정지와 함께 층들이 분리될 우려가 실질적으로 감소할 것으로 예상된다.
도 4는 새로운, 즉 소성 변형되지 않은 래이디얼 베어링 부재의 전형적인 초기 하중 상황에서 화살표(40)로 표시된 주변방향의 압력 변화형태를 나타내고 있다. 동일한 상황에서 동일한 베어링의 축방향, 즉 가장 큰 하중이 가해진 주변영역에서 베어링의 폭(화살표(60))에 따른 부분 단면도가 도 6에 도시되어 있다. 도 4에서, 점선-파선(42)에 의해 구별되는 정점의 영역에서 현저히 큰 최대 압력을 볼 수 있다. 상기 압력은 주변방향으로 상대적으로 좁은 각도 범위에 걸쳐 분포되어 있다. 상기 압력은 베어링 폭 방향(60)으로 불균일하게 분포되어 축방향 말단 영역에서 2개의 현저히 큰 최대 압력(62, 64)이 나타나 있다(도 6 참조). 이들 최대 압력은 반대방향으로 회전하는 부재(샤프트 또는 샤프트 저널)에서 하중-관련 처짐 및/또는 베어링 하우징의 하중-관련 변형에 의해 초래되는 소위 가장자리 베어링을 나타낸다. 상기 압력 최대치에 의해 표시되는 높은 비하중은 재료의 조기 피로를 초래하여 최종적으로는 평 베어링의 완전한 기능정지를 조기에 초래하게 된다.
상기 평 베어링의 내구성을 향상시키기 위해, 본 발명에 따르면 중간층이 소정의 작동 단계 이후 압력 최대치를 감소시키는 충분한 소성 변형을 갖도록 구성한다. 이 상태가 도 5와 도 7에 도시되어 있다. 도 5에서는 도 4와 직접 비교하면, 작동 단계 이후 압력이 상대적으로 긴 주변부에 걸쳐 분포되고, 정점(42)에서 최대 압력은 더 작음을 알 수 있다. 작동 하중 하에서 상기 중간층의 변형성에 의해, 샤프트와 평 베어링 부재 사이의 간극에서 유막 압력이 그대로 재분포된다. 이 효과는 도 7에서 베어링의 폭을 따라 훨씬 더 확실하게 알아볼 수 있다. 상기 베어링은 축방향 말단면에서 소성 변형되어 압력의 일부가 축방향 중간 영역으로 재분포된다. 최대 압력(72 및 74)이 평탄화되어 최소값의 영역(76)에서 압력이 증가하는 이점이 있다. 전체적으로 베어링 비하중은 동일하지만, 위험할 정도로 과도한 비하중을 갖는 영역은 없으며, 하중에 훨씬 더 오래 노출된 후에 베어링 재료의 피로현상이 나타날 것으로 예상된다.
도 8은 공지의 평 베어링 부재와 비교하여 본 발명에 따른 평 베어링 부재의 (반) 베어링 폭 방향의 소성 가요성, 즉 변형성을 나타낸다. 도 8의 곡선은 평 베어링의 중앙부 0에서 시작하여 축방향으로 평 베어링의 축방향 말단 9까지 나타낸다. 굵게 연속되어 있는 선 "A"는 경도가 60 HV 0.01인 Al-Mn1-Cu 합금(EN AW-3003)으로 이루어진 75 ㎛ 두께의 중간층을 기재로 하는 종래기술에 따른 적층체의 소성 가요성을 나타낸다. 이러한 층은 서두에서 언급한 장기적 강도를 향상시키기 위해 필요한 가요성을 갖는다. 그러나 이 중간층 재료를 사용하면 도 2를 참조하여 설명한 압착 밀림 현상이 관찰된다. 동일한 재료로 중간층의 두께를 증가시키는 경우에는 굵은 점선 "B"로 나타낸 바와 같이 약 6.7의 현저한 최소값을 갖는 지나치게 높은 소성 가요성이 발생하게 된다. 단지 상기 중간층 두께만을 증가시키면 중간층 재료가 적층체로부터 압착되어 밀려나는 현상이 방지되지 않는다.
후자의 경우는 3.5 중량% 내지 4.5 중량%의 구리를 가진 중간층에 대해 알루미늄 합금을 사용하고 압연 도금, 경우에 따라 미소경도 70 내지 110 HV 0.01, 바람직하게는 85 내지 100 HV 0.01까지 가열한 후에만 달성된다. 이 중간층 재료 및 상이한 중간층 두께를 가진 평 베어링 부재들을 조사하였고, 중간층 두께가 50 ㎛ 내지 250 ㎛일 때 원하는 소성 가요성을 얻는데 매우 적합한 것으로 판명되었다. 특히 바람직한 중간층 두께는 150 ㎛("D"선 참조) 내지 200 ㎛("C"선 참조)이고, 가장 바람직하게는 150 ㎛ 내지 175 ㎛("E"선 참조)이다.
참조번호 리스트
10 지지층
12 중간층
14 베어링 금속층
16 베어링 표면
20 지지층
22 중간층
24 베어링 금속층
26 전면
28 균열
30 지지층
32 중간층
34 베어링 금속층
36 적층체 표면
38 적층체 표면
40 주변 방향
42 정점
60 폭 방향
62 최대 압력
64 최대 압력
72 최대 압력
74 최대 압력
76 최소 압력

Claims (17)

  1. 지지층(10, 20, 30), 알루미늄 합금을 기재로 하는 중간층(12, 22, 32)과 알루미늄 합금을 기재로 하는 베어링 금속층(14, 24, 34)을 갖는 평 베어링 부재로서,
    중간층(12, 22, 32)의 알루미늄 합금 조성이 적어도 다음과 같은 성분(중량%)
    구리 3.5% 내지 4.5%,
    망간 0.1% 내지 1.5%,
    마그네슘 0.1% 내지 1.5%,
    불가피한 불순물, 및
    잔량의 알루미늄
    을 가지며, 중간층(12, 22, 32)의 미소경도가 70 HV 0.01 내지 110 HV 0.01인 것을 특징으로 하는 평 베어링 부재.
  2. 제1항에 있어서, 중간층(12, 22, 32)의 두께 d2가 30 ㎛ 내지 250 ㎛인 것을 특징으로 하는 평 베어링 부재.
  3. 제1항에 있어서, 중간층(12, 22, 32)의 두께 d2가 80 ㎛ 내지 175 ㎛인 것을 특징으로 하는 평 베어링 부재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 중간층(12, 22, 32)의 알루미늄 합금이 중량%로 0.1% 내지 1.0%의 규소를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 평 베어링 부재.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 중간층(12, 22, 32)의 알루미늄 합금이 (중량%로) 다음:
    철 0.05% 내지 1.0%,
    크롬 0.05% 내지 0.5%,
    아연 0.05% 내지 0.5%
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 평 베어링 부재.
  6. 제4항에 있어서, 중간층(12, 22, 32)의 알루미늄 합금이 다음을 (중량%로) 갖는 것을 특징으로 하는 평 베어링 부재:
    상기 망간 0.4% 내지 1.0%,
    상기 마그네슘 0.4% 내지 1.0%,
    상기 규소 0.2% 내지 0.8%.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 중간층(12, 22, 32)의 알루미늄 합금이 총 0.05 내지 0.25% (중량%로)의 지르코늄과 티타늄을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 평 베어링 부재.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 중간층(12, 22, 32)의 알루미늄 합금이 불가피한 불순물을 개별적으로 0.1 중량% 이하 및 총 0.25 중량% 이하로 갖는 것을 특징으로 하는 평 베어링 부재.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 베어링 금속층(14, 24, 34)의 두께 d3이 150 ㎛ 내지 400 ㎛인 것을 특징으로 하는 평 베어링 부재.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 베어링 금속층(14, 24, 34)이 1.0-3 중량%의 니켈, 0.5-2.5 중량%의 망간, 0.02-1.5 중량%의 구리, 5-20 중량%의 연질상 성분, 통상적으로 허용되는 불순물과 잔량의 알루미늄을 갖는 알루미늄 합금을 가지며, 상기 연질상 성분은 주석 및 비스무트 중 하나 또는 둘 모두인 것을 특징으로 하는 평 베어링 부재.
  11. 제10항에 있어서, 베어링 금속층(14, 24, 34) 중 연질상 성분이 8-12 중량%인 것을 특징으로 하는 평 베어링 부재.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 베어링 금속층(14, 24, 34)이 50-70 HBW 1/5/30의 브리넬 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 평 베어링 부재.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 중간층(12, 22, 32)과 베어링 금속층(14, 24, 34) 사이에 압연 도금 접합부가 존재하는 것을 특징으로 하는 평 베어링 부재.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 중간층(12, 22, 32)과 베어링 지지층(10, 20, 30) 사이에 압연 도금 접합부가 존재하는 것을 특징으로 하는 평 베어링 부재.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평 베어링 부재가 베어링 쉘인 것을 특징으로 하는 평 베어링 부재.
  16. 삭제
  17. 삭제
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