KR101806728B1 - 자동차 터보차저 베어링용 동합금 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 자동차 터보차저 베어링용 동합금은, 중량%로, Bi: 0.4~0.9%, Mn: 2.6~3.2%, Al: 2.0~2.6%, Si: 0.6~1.2%, Zn: 30.0~33.2%, 잔부 Cu 및 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

자동차 터보차저 베어링용 동합금 {COPPER ALLOY FOR BEARING OF TURBOCHAGER}

본 발명은 자동차 터보차저 베어링용 동합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마찰계수와 인장강도가 우수한 자동차 터보차저 베어링용 동합금에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 터보차저 베어링은 터보차저의 터빈휠 샤프트 회전시 샤프트의 마찰을 저감시키기 위해 사용되는 부품으로서, 마찰의 저감을 통해 터보차저의 효율을 향상시킬 수 있는 중요한 부품 중 하나이다.

터보차저 베어링에 사용되는 재질은, 접촉 구동시 내마모성이 높은, 즉 인장강도가 높은 재질이 요구되고, 터빈휠 샤프트의 마찰을 저감시킬 수 있도록 마찰계수가 낮은 동합금을 주로 사용하고 있다.

동합금은 철계 합금강 대비 마찰계수가 낮고, 베어링으로 사용하기에 충분한 인장강도를 가지고 있으므로 이러한 터보차저 베어링에 적용하기에 적합하다.

기존의 터보차저 베어링의 재질에는 일반적으로 금속 윤활성 향상 원소인 Pb가 첨가되었으며, Pb 첨가 시에 인장강도가 감소하는 현상을 방지하기 위해 Zn 첨가량을 증가시켜 사용해 왔다.

즉, 60%Cu-35%Zn-Pb계 동합금을 사용하여 일반적인 70%Cu-30%Zn 동합금 대비 강도 및 윤활 특성이 우수한 합금을 사용하였다.

그러나, Pb는 중금속으로서 환경에 악영향을 미치기 때문에, 그 첨가에 대한 규제가 심해지고 있다. 따라서, Pb를 첨가해서 윤활 특성을 향상시키는 것은 갈수록 어려워지고 있으며, 일반적으로는 0.4% 정도의 함량으로 첨가하여 사용하고 있다.

또한, 내마모성 및 마찰성 향상을 위해 첨가하는 Zn의 경우, 그 가격이 매우 고가이기 때문에 원가에 미치는 영향이 지대하다.

따라서, 중금속인 Pb를 첨가하지 않고, Zn의 첨가량을 감소시키면서도 우수한 마찰계수 및 인장강도를 나타낼 수 있는 새로운 동합금이 요구되고 있는 실정이다.

일본 공개특허공보 1997-316570(1997.12.09)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 마찰계수와 인장강도 특성이 우수하고, 환경오염 물질을 최소화한 자동차 터보차저 베어링용 동합금을 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 터보차저 베어링용 동합금은, 중량%로, Bi: 0.4~0.9%, Mn: 2.6~3.2%, Al: 2.0~2.6%, Si: 0.6~1.2%, Zn: 30.0~33.2%, 잔부 Cu 및 불가피한 불순물을 포함한다.

마찰계수가 0.6 이하인 것을 특징으로 한다.

인장강도가 700MPa 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 자동차 터보차저 베어링용 동합금에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 고가의 아연 첨가량을 감소시켜 원가를 절감시킬 수 있다.

둘째, 마찰계수와 인장강도가 모두 우수한 베어링용 구리 합금을 제공하여 베어링 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 터보차저와 터보차저에 장착되는 베어링을 나타낸 도면이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 자동차 터보차저 베어링용 동합금에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명은, 중량%로, Bi: 0.4~0.9%, Mn: 2.6~3.2%, Al: 2.0~2.6%, Si: 0.6~1.2%, Zn: 30.0~33.2%, 잔부 Cu 및 불가피한 불순물을 포함하는 구리 합금으로써, 마찰계수가 0.6 이하이고, 인장강도가 700MPa 이상인 물성을 나타낸다.

각각의 성분들의 함량을 수치한정하는 이유는 다음과 같다. 또한, 이하에서 기재되는 %는 특별한 언급이 없는 한 중량%를 의미한다.

Bi: 0.4~0.9%

비스무트(Bi)는 윤활 특성 향상, 즉 마찰 계수 저감에 핵심이 되는 원소로서, Cu내에 고용되면서 윤활 특성을 향상 시키게 된다. 비스무트를 0.4% 미만으로 첨가하면 윤활 특성 향상 효과가 미미하며, 0.9%를 초과하여 첨가하여도 그 효과가 포화되어 더 이상의 향상 효과가 없으므로, 첨가량을 0.4~0.9%로 한정하였다.

Mn: 2.6~3.2%

망간(Mn)은 고용 강화 효과에 의해 강도를 향상시키는 원소로서, 2.6% 미만으로 첨가시에는 이러한 효과를 기대할 수 없어 인장강도가 저하되고, 3.2%를 초과하여 첨가하면 취성이 증가하여 내구도가 저하되므로 첨가량을2.6~3.2%로 한정하였다.

Al: 2.0~2.6%

알루미늄(Al)은 망간과 유사한 고용강화 원소로서, 2.0% 미만으로 첨가시에는 고용강화 효과가 미미하고, 2.6%를 초과하여 첨가하면 비금속 개재물의 생성량이 증가하여 국부적인 취약부가 발생할 우려가 있기 때문에, 첨가량을 2.0~2.6%로 한정하였다.

Si: 0.6~1.2%

실리콘(Si)은 내산화성 향상 원소로서, 합금의 표면 부식을 방지하기 위해 첨가하였다. 마찰 구동 중 표면 부식이 발생할 경우, 산화층에 의해 마찰 계수가 증가하므로, 본 발명의 목적인 마찰계수 저감 효과가 저하된다. 0.6% 미만으로 첨가시에는 내산화, 내부식 효과가 미미하고, 1.2%를 초과하여 첨가하더라도 그 효과가 포화되어 더 이상의 향상 효과가 없으므로, 첨가량을 0.6~1.2%로 한정하였다.

Zn: 30.0~33.2%

아연(Zn)은 마찰계수 저감 효과 및 고용강화 효과를 나타내는 핵심적인 원소로서, 30% 이상 첨가하면 이러한 효과를 극대화할 수 있다. 그러나 33.2%를 초과하여 첨가하더라도 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 고가의 Zn 함량이 증가하여 원가가 상승하는 문제가 있다. 따라서, 그 함량을 30.0~33.2%으로 한정하였다.

이하에서는 본 발명의 실시예와 비교예들의 물성을 비교하였다.

구분	Cu	Pb	Bi	Mn	Al	Si	Zn	인장강도	마찰계수
실시예	bal.	-	0.6	3	2.3	1	31.9	720	0.58
비교예 1	bal.	0.38	-	2.2	1.6	0.6	35.3	680	0.69
비교예 2	bal.	-	0.3	3.1	2.2	1.1	31.8	721	0.71
비교예 3	bal.	-	1	2.9	2.4	1	32.1	720	0.58
비교예 4	bal.	-	0.6	2.5	2.3	1	31.8	653	0.6
비교예 5	bal.	-	0.7	3.3	2.4	1.1	31.9	674	0.58
비교예 6	bal.	-	0.6	2.9	1.9	1.1	31.9	652	0.58
비교예 7	bal.	-	0.6	3.2	2.7	0.7	30.5	667	0.58
비교예 8	bal.	-	0.7	3.1	2.2	0.5	33.1	720	0.72
비교예 9	bal.	-	0.5	3	2.3	1.3	33	719	0.58
비교예 10	bal.	-	0.6	2.9	2.2	0.8	29.9	650	0.57
비교예 11	bal.	-	0.8	3.1	2.2	1	33.3	721	0.59

표 1에 기재된 인장강도는ASTM E8에 따라서 실험한 결과를 나타내었고, 마찰계수는 ASTM G133/G115에 따라서 실험한 결과를 나타내었다.

마찰계수 실험시 마찰되는 상대재는 터빈휠 샤프트 재질인 SCM440H를 사용하엿다.

표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 인장강도 720MPa, 마찰계수 0.58로서, 본 발명의 한정사항을 만족하는 것을 확인할 수 있다.

이에 비해, 납이 함유되는 종래의 동합금인 비교예 1은, 인장강도와 마찰계수가 모두 실시예에 비해 낮은 효과를 나타내고 있다.

비교예 2는 Bi의 함량이 한정 범위의 하한 미만으로써, 마찰계수가 높아지는 것을 알 수 있다.

비교예 4, 6, 10은 각각 강도 향상 원소인 Mn, Al, Zn의 첨가량 부족으로 인장강도가 저하되었다.

비교예 8은 Si 첨가량이 부족하여 구동 마찰시 산화가 발생하였고, 이로 인해 마찰계수가 상승하였다.

비교예 3은 Bi를 과도하게 첨가한 비교예로서, Bi의 첨가량을 늘리더라도 마찰계수 저감 효과가 미미하고, 이에 비해 원가 증가 효과가 크므로 Bi의 과량 첨가가 불필요한 것을 알 수 있다.

비교예 9, 11은 Si, Zn를 각각 과도하게 첨가한 비교예로서, 이들 원소의 첨가량을 증가시켜도 강도 향상 및 마찰 저감 효과의 차이가 미미하므로 더 이상의 첨가는 불필요함을 알 수 있다.

비교예 5, 7은 각각 Mn, Al을 과도하게 첨가한 비교예로서, 이들 원소를 너무 많이 첨가하더라도 마찰계수 저감 효과는 미미하면서도 취성 증가 및 개재물 형성에 의해 인장강도가 감소되는 경향을 보였다.

따라서, 본 발명의 실시예와 비교예들의 비교 평가 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명에서 한정하는 범위의 합금으로 제조할 경우 인장강도 및 마찰계수가 모두 우수한 베어링용 동합금을 얻을 수 있는 것이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (3)

1. 중량%로, Bi: 0.4~0.9%, Mn: 2.6~3.2%, Al: 2.0~2.6%, Si: 0.6~1.2%, Zn: 30.0~33.2%, 잔부 Cu 및 불가피한 불순물을 포함하고,
   마찰계수가 0.6 이하인 것을 특징으로 하는, 자동차 터보차저 베어링용 동합금.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   인장강도가 700MPa 이상인 것을 특징으로 하는, 자동차 터보차저 베어링용 동합금.
   

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