KR101843607B1 - 무연 판금화 알루미늄 슬라이딩 베어링의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

평면 베어링(plain bearing)을 제조하는 방법에서, 알루미늄-철-실리콘 합금이 스틸 백 상에 압연되어 있고 실리콘에 대한 철의 비율이 2:1 내지 4:1이다. 평면 베어링은 그러한 알루미늄-철-실리콘 합금의 슬라이딩 면을 가지고 있다.

Description

무연 판금화 알루미늄 슬라이딩 베어링의 제조 방법{Method for Producing a Lead-free, Plated Aluminium Plain Bearing}
본 발명은 알루미늄-철-실리콘 합금의 슬라이딩 베어링을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 알루미늄-철-실리콘 합금의 슬라이딩 면(sliding surface)을 가진 슬라이딩 베어링에 관한 것이다.
슬라이딩 베어링, 특히, 내연기관의 커넥팅-로드 베어링을 제조할 때, 높은 내마모성에 특징이 있는 소재를 사용하는 것이 필요하다. 또한, 그러한 분야에 소재로서 사용되는 합금은 매우 높은 유용성(availability)과 낮은 가격에 특징이 있는 것이 좋다. 더욱이, 엔진 내에서 경직한 입자들(오염들)의 우수한 매립성(embeddability)을 담보하기 위하여, 슬라이딩 베어링의 소재가 적당한 경도(moderate hardness)를 가지는 것이 바람직하다.
과거에, 슬라이딩 베어링은 합금으로 만들어졌고, 그것의 화학 조성은 하나 이상의 합금 원소의 부가로 인해 점점 복합해졌다. 엔진에 사용되는 한 쌍의 슬라이딩 베어링에 대해, DE 10 2005 047 037 A1는, 혼합/경계 마찰의 마찰 조건 및/또는 유체역학 하에서 작동하는 내연기관 또는 유압 시스템의 슬라이딩 요소용 알루미늄계 합금을 보여주고 있는 바, 이는 적어도 80 중량%의 알루미늄을 가진 알루미늄계 합금의 물질 크기 및/또는 마찰 표면으로 구성되어 있는 것에 특징이 있다.
US 2003/0185701 A1는 높은 강도 및 높은 내마모성에 특징이 있는 것으로 보이는 알루미늄-철-바나듐-실리콘 합금의 제조 방법을 기재하고 있다. 이 경우, 수지상정간 규화물 상들(interdendritic silicide phases)인 제 1 내부 금속 위상들(primary intermetallic phase)은 용융물이 마그네슘 원소 또는 마그네슘을 함유한 합금으로 처리된다는 점에서 개질된다. DE 10 2004 025 557 A1 및 US 2009-0245702 A1은 종래기술의 상황을 또한 구성한다.
본 발명의 기반을 형성하는 목적은, 지금까지의 판금화된 무연 알루미늄 소재들(plated, lead-free aluminium materials)과 대비되는, 보다 간단한 화학 조성을 가진 합금이 사용되고, 제조가 보다 간단하며, 동시에 슬라이딩 특성이 향상된 슬라이딩 베어링의 제조 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구범위 제1항에 기재되어 있는 방법에 의해 실현된다.
이에 따르면, 슬라이딩 베어링은 알루미늄-철-실리콘 합금을 스틸 백(steel back) 상에서 압연(rolling)함으로써 제조된다. 알루미늄-철-실리콘 합금은 낮은 밀도에 특징이 있는 바, 이는 중량이 낮다는 것을 의미하기 때문에 결과적인 부품에 이점이 있다. 또한, 적당한 경도(moderate hardness)를 가지고 있는 바, 이는 슬라이딩 베어링이 접촉하는 물질의 단지 작은 마모만이 있다는 것을 의미하기 때문에 슬라이딩 베어링에서의 사용에 이점이 있다. 더욱이, 소재가 값싸고, 합금의 조성으로 인해 그것을 제조하기가 용이하다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 청구범위 제2항 내지 제11항에 기재되어 있다.
하나의 바람직한 예에서, 합금은 철을 10%까지, 실리콘을 5%까지 포함할 수 있다. %는 여기와 이후에서 중량%와 관련이 있다. 이러한 수단에 의해, 결과적으로 얻어진 합금의 최종 경도는 조절될 수 있다.
본 발명에 따르면, 철/실리콘 비율은 2:1 내지 4:1이다. 결과적으로, 소망하는 최종 경도에 따라 철 규화물(iron silicides) 및 알루미늄-철 화합물들(aluminium-iron compounds)이 형성될 수도 있으며, 이는 소재의 소망하는 최종 경도에 대한 선택적인 조절을 가능하게 한다.
또 다른 바람직한 예에서, 알루미늄-철-실리콘 합금은 주석을 20%까지, 특히 바람직하게는 15%까지 포함할 수 있다. 따라서, 슬라이딩 특성 및 기계적 특성은 슬라이딩 베어링으로서의 사용과 관련하여 조절될 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 알루미늄-철-실리콘 합금은 스트론튬(strontium) 및/또는 나트륨(sodium)을 1%까지, 더욱 바람직하게는 0.2%까지, 특히 바람직하게는 0.02 내지 0.05%까지 포함할 수 있다. 철 규산물과 알루미늄-철 화합물들의 석출 거동(precipitation behavior)은 이것에 의해 향상될 수 있다. 특히, 석출물의 형상과 크기는 주조(casting) 동안에 조절될 수 있다. 더욱이, 철 규산물 입자들과 알루미늄-철 화합물 입자들의 가능한 한 미세한 분산이 달성되고, 이는 소재의 균일한 기계적 특성을 제공한다. 나트륨의 첨가는 더욱 미세한 석출을 초래하지만, 이는 더욱 많은 수에서 일어난다(예를 들어, FOSECO에서 발행한 “Schmelzbehandlung von Aluminium und Aluminiumlegierungen mit MTS” 등을 참조). 또한, 순수한 알루미늄과 대략 동등하고 혼합 마찰 조건(mixed friction conditions)에서 더욱 우수한 열 발산을 초래하는 높은 열 전도성이 달성된다.
하나의 바람직한 예에서, 스틸 백(steel back)은 C10 또는 C22 스틸을 포함하고 있다. 알루미늄-철-실리콘 합금이 그 위에 압연되는(판금화: plated) 이러한 소재는, 값싸고 얻기 용이하다는 점과, 우수한 기계적 특성들, 특히 높은 강도에 특징이 있다는 점에서, 이점이 있다.
또 다른 바람직한 예에서 상기 방법은 특정 순서로 하기 과정을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
(A) 알루미늄-철-실리콘 합금의 소재를 용융(melting)하는 과정,
(B) 과정(A)에서 얻어진 소재를 주조(casting)하는 과정,
(C) 과정(B)에서 얻어진 소재를 가열(heating)하는 과정,
(D) 과정(C)에서 얻어진 소재를 압연(rolling)하는 과정,
(E) 과정(D)에서 압연된 소재를 추후 스틸 백(steel back)의 적어도 일부 상에 형성하는 스틸 기재(steel support) 상에 압연하는 과정,
(F) 과정(E)에서 얻어진 소재를 가열하는 과정,
(G) 선택적으로, 과정(F)에서 얻어진 소재를 변형(deforming)하는 과정.
상기 방법의 잇점은, 결과적인 소재의 추후 경도(subsequent hardness)가 방법 과정들에 의해 쉽게 조절될 수 있다는 점이다. 상기에서 언급한 바와 같이, 적정한 경도가 바람직하기 때문에, 그렇게 제조된 소재는 소망하는 적용에 쉽게 맞춰질 수 있다. 더욱이, 과정들 모두는 산업적으로 쉽게 실행될 수 있는 바, 이는 방법을 수행하는 비용이 상대적으로 낮음을 의미한다.
과정(B)에서 주조 동안에 소재가 연속 주조 공정(continuous casting process) 수단에 의해 스트랜드(strand)로 주조되는 것이 또한 바람직하다. 이것의 이점은 스트랜드가 산업적으로 용이하게 처리될 수 있다는 점이다.
과정(C)에서 가열은 바람직하게는 섭씨 450 내지 550도의 온도에서 수행되고 10 내지 20 시간이 소요된다. 이것의 이점은 결과적으로 얻어진 소재의 경도가 현저히 감소하고, 이는 특히 후속 압연 과정(D)를 특히 용이하게 한다. 또한, 이는 소재의 균질화(homogenization)를 가져온다.
과정(D)에서 압연은 대략 0.8 내지 1.2 mm의 소재 두께를 초래한다. 이는 그러한 상대적으로 얇은 소재가 용도 및 다음 과정에서 수행되는 판금화(plating: E)에 잘 부합된다는 이점을 가진다.
또한, 과정(F)에서 가열은 바람직하게는 6 내지 10 시간이 소요되고 대략 섭씨 180 내지 240도에서 일어난다. 따라서, 경도가 줄어들고, 탈구(dislocations)가 줄어든다는 점에서 소망하는 매립성(embeddability)이 동시에 보장된다.
과정(G)에서 압연은 5 내지 15%까지 변형이 있도록 진행된다. 이것에 의해 달성될 수 있는 점은 최종 소재의 경도가 적용에 맞춰질 수 있다는 점이다.
목적에 대한 또 다른 해결책은 청구범위 제12항에 따른 슬라이딩 베어링이다.
본 발명에 따른 베어링은 알루미늄-철-실리콘 합금의 슬라이딩 면을 가지고 있다. 이는 제1항과 관련하여 설명한 이점들을 또한 갖는다.
또 다른 바람직한 실시예들은 제12항의 종속항들인 제13항 내지 제15항에 기재되어 있다.
본 발명에 따르면, 철/실리콘 비율은 2:1 내지 4:1이다. 결과적으로, 소망하는 최종 경도에 따라 철 규화물 및 알루미늄-철 화합물들이 형성될 수도 있으며, 이는 소재의 소망하는 최종 경도의 선택적인 조절을 가능하게 한다.
또 다른 바람직한 예에서, 알루미늄-철-실리콘 합금은 15%까지 주석을 포함할 수 있다. 따라서, 슬라이딩 특성 및 기계적 특성들이 슬라이딩 베어링으로서의 용도와 관련하여 조절될 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 알루미늄-철-실리콘 합금은 0.2%까지, 바람직하게는 0.02 내지 0.05%로 스트론튬 또는 나트륨을 포함할 수 있다. 철 규산화물들의 석출 거동(precipitation behavior) 및 석출 형태(precipitation form)는 이것에 의해 향상될 수 있다. 특히, 석출물들의 형상 및 크기는 조절될 수 있다. 더욱이, 철 규산화물 입자들과 알루미늄-철 화합물 입자들의 가능한 한 미세한 분포가 달성되고, 이는 소재의 균일한 기계적 특성들을 보장한다. 또한, 높은 열 전도성이 얻어지고, 이는 순수한 알루미늄과 거의 동등하고, 혼합 마찰 상태에서 더욱 우수한 열 발산을 가져온다.
또한, 베어링 소재는 40 내지 60 HBW 1/5/30의 경도를 가진다. 이는 이러한 경도가 슬라이딩 베어링으로의 사용에 특히 적합하다는 이점을 가진다.
본 발명은, 종래의 소재들과 대비되는 보다 간단한 화학 조성을 가진 합금이 사용되고, 제조가 보다 간단하며, 동시에 슬라이딩 특성이 향상된 슬라이딩 베어링의 제조 방법을 제공한다.
도 1은 청구범위 제7항의 과정(F)의 종료 후의 본 발명에 따라 제조된 소재의 현미경 사진을 보여주고 있다.
이하, 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 과정(F)의 종료 후의 본 발명에 따라 제조된 소재의 현미경 사진을 보여주고 있다. 이 경우에, 1.09%의 실리콘 및 3.45%의 철이 첨가된 알루미늄 합금이 사용되었다. 소재는 연속 주조 공정으로 주조되었다. 주조 및 고화 직후, 소재는 50 HBW 1/5/30의 경도를 가졌다.
뒤이어, 소재는 대략 섭씨 450 내지 550도의 온도에서 16 시간 동안 어닐링 하였다. 1 시간 후, 소재는 40 HBW 1/5/30의 경도를 가졌고, 2 시간 후, 38 HBW 1/5/30의 경도를 가졌으며, 3 시간, 4 시간 및 5 시간 후에도 38 HBW 1/5/30의 경도를 가졌다. 어닐링의 6 시간 후에 소재는 35 HBW 1/5/30의 경도를 가졌고, 어닐링의 7 시간 후에 37 HBW 1/5/30의 경도를 가졌으며, 어닐링의 8 시간 후에 36 HBW 1/5/30의 경도를 가졌고, 어닐링의 12 시간 후에 35 HBW 1/5/30의 경도를 가졌으며, 어닐링, 즉, 과정(B)의 가열의 16 시간 후, 36 HBW 1/5/30의 경도를 가졌다.
뒤이어, 이미 8 mm의 두께를 가진 소재는 1.1 mm의 두께로 압연되었다. 압연 중에, 1.5 mm의 두께를 가진 58 HBW 1/5/30의 경도가 달성되었고, 1.1 mm의 두께 이후에 소재는 62 HBW 1/5/30의 경도를 가졌다. 비교를 목적으로, 소재는 0.45 mm로 더 압연되었고, 63 HBW 1/5/30의 경도를 초래하였다.
비교를 위해, 소재의 샘플을 섭씨 450 내지 550도로 더 어닐링 하였다. 36 HBW 1/5/30의 경도가 어닐링의 20 시간 및 24 시간 이후에도 검출되었다.
1.1 mm로 압연된 소재는 그런 다음 스틸 기재(steel support) 상에 압연(판금화) 되었다. 판금화 이전에, 스틸의 초기 두께는 2.8 mm였고, 알루미늄 합금의 초기 두께는 위에서 언급한 바와 같이 1.1 mm였다. 판금화 후, 스틸의 두께의 1.1 내지 1.15 mm였고, 알루미늄의 두께는 0.38 내지 0.42 mm였다. 따라서, 스틸 소재의 50% 변형 및 알루미늄 소재의 64% 변형 동안에, 62%의 전체 변형이 있었다. 이러한 판금화 과정에 의해 63 HBW 1/5/30의 경도가 달성되었다.
소재를 섭씨 180 내지 240도로 어닐링한 후, 43 HBW 1/5/30의 경도가 측정되었다. 결과적으로 얻어진 소재가 도 1에서 박절편(microsection)으로 볼 수 있다. 석출물(“DST”로 표시)은 알루미늄 매트릭스에서 명료하게 볼 수 있으며, 석출물은 대략 4 마이크로미터의 통상적인 직경을 가지고 있고 알루미늄 매트릭스에서 아일랜드로서 형성되어 있음이 명백하다.
끝으로, 소재는 1.33 mm의 전체 두께로 압연되었고, 여기서, 스틸이 1 mm 두께이고 알루미늄이 0.3 mm 두께이다. 이 경우, 전체 소재는 13% 변형되었고, 여기서 스틸 성분 역시 13% 변형되었다. 알루미늄은 22% 변형되었다. 이 경우에, 결과적으로 얻어진 경도는 49 HBW 1/5/30이었다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 무연 알루미늄-철-실리콘 합금이 철을 10 중량%까지, 실리콘을 3 중량%까지, 주석을 20 중량%까지, 스트론튬 또는 나트륨을 0.2 중량%까지 포함하고 나머지 알루미늄 및 불가피한 불순물로 구성되고, 철/실리콘 중량비율이 2:1 내지 4:1인 슬라이딩 베어링을 하기 과정들에 의해 처리하여 제조하는 방법:
    (A) 알루미늄-철-실리콘 합금의 소재를 용융(melting)하는 과정,
    (B) 과정(A)에서 얻어진 소재를 주조(casting)하는 과정,
    (C) 과정(B)에서 얻어진 소재를 가열(heating)하는 과정,
    (D) 과정(C)에서 얻어진 소재를 압연(rolling)하는 과정,
    (E) 과정(D)에서 압연된 제 1 소재를 추후 스틸 백(steel back)의 적어도 일부를 형성하는 스틸 기재(steel support) 상에 압연하는 과정,
    (F) 과정(E)에서 얻어진 소재를 가열하는 과정,
    (G) 선택적으로, 과정(F)에서 얻어진 소재를 변형(deforming)하는 과정.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 알루미늄-철-실리콘 합금은 0.02 내지 0.05 중량%까지 스트론튬 또는 나트륨을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 스틸 백용 소재는 C10 또는 C22 스틸인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(B)에서 주조는 연속 주조 공정에 의해 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(C)에서 가열은 섭씨 450 내지 550도의 온도에서 수행되고 10 내지 20 시간이 소요되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(D)에서 압연은 0.8 내지 1.2 mm 두께의 소재를 초래하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(F)에서 가열은 섭씨 180 내지 240도에서 일어나고 6 내지 10 시간이 소요되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(G)에서 5 내지 15%의 변형이 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 알루미늄-철-실리콘 합금이 40 내지 60 HBW 1/5/30(볼의 직경(mm)/가해진 하중(kgf)/하중을 가하는 시간(초))의 브리넬 경도(Brinell hardness)를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
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