KR101983273B1 - 슬리브 - Google Patents

Abstract

차량용 휠 베어링의 탄소강재로 형성되는 외륜과 외륜에 결합되고 알루미늄 합금으로 형성되는 너클 사이에 삽입되는 슬리브가 개시된다. 이러한 슬리브는 금속 기저층과, 가스 연질화에 의해 금속 기저층의 전면에 형성되는 확산층과, 확산층의 전면에 형성되는 비기공층과 기공층을 포함하는 화합물층을 포함하고, 기공층의 두께는 비기공층의 두께의

배 내지

배이다.

Description

슬리브{SLEEVE}

본 개시는 차량용 기계 부품에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량용 휠 베어링의 외륜과 너클 사이에 삽입되는 슬리브에 관한 것이다.

베어링은 회전 요소와 비회전 요소 사이에 장착되어 비회전 요소에 대한 회전 요소의 회전을 원활하게 하는 장치이다. 이러한 베어링의 일 예로서, 차량에 사용되는 휠 베어링이 있으며, 이러한 휠 베어링은 회전하지 않는 차체 또는 너클에 차륜을 회전가능하게 연결하는 기능을 수행한다.

도 1은 종래의 너클이 결합된 차량용 휠 베어링의 일 예를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 일 예에 따른 차량용 휠 베어링은 차륜과 결합되는 휠 허브(10), 휠 허브(10)의 외주면에 장착되는 내륜(20), 회전축(RA)을 따르는 방향(이하, 간단히 '축방향'이라고도 함)으로 끼워진 휠 허브(10)와 내륜(20)을 회전가능하게 지지하는 외륜(30)을 포함한다. 외륜(30)에 축방향으로 끼워진 휠 허브(10)와 내륜(20)이 외륜(30)에 대해 원활하게 회전할 수 있도록 외륜(30)과 휠 허브(10) 사이 및 외륜(30)과 내륜(20) 사이에는 환상의 베어링 공간(40)이 형성되고, 이 베어링 공간(40)에 전동체(50)가 개재된다. 휠 허브(10)와 내륜(20)은 전동체(50)를 매개로 외륜(30)에 대해 회전가능하게 끼워져 지지된다. 외륜(30)은 너클(60)과 결합되고, 너클(60)에 의해 회전되지 않도록 고정된다.

그런데, 상기와 같은 종래의 차량용 휠 베어링에 있어서, 외륜(30)은 내구성을 도모하기 위해 탄소강재로 형성되고, 외륜(30)과 결합되는 너클(60)은 경량화를 도모하기 위해 알루미늄 합금으로 형성되어, 도 2 및 도 3에 나타낸 사진의 예에서와 같이 외륜(30)과 너클(60)에는 이종금속접촉부식(bimetallic corrosion)(또는, 갈바닉 부식(galvanic corrosion))이 발생되는 문제점이 있다.

상술한 바와 같이, 차량용 휠 베어링의 외륜과 외륜에 결합되는 너클 사이에 이종금속접촉부식(이하, '갈바닉 부식'이라고 함)이 발생됨에 따라, 외륜과 너클 사이가 허용 공차보다 큰 갭으로 벌어지게 되어 차량용 휠 베어링의 내구성이 저하될 수 있는 우려가 있다. 또한, 차량용 휠 베어링이나 너클을 수리하거나 교체하기 위해서는 결합되어 있는 외륜과 너클을 분리해야 하는데, 외륜과 너클에 발생된 갈바닉 부식은 외륜과 너클을 고착시켜 외륜과 너클의 분리를 어렵게 할 수 있다. 나아가, 갈바닉 부식으로 인해 고착된 외륜과 너클을 강제로 분리시키는 경우에는 외륜과 너클의 표면 손상이 야기될 수 있는 우려가 있다.

본 개시는 전술한 종래 기술에 따른 문제점을 해소하기 위한 것으로, 이종금속으로 형성되는 차량용 휠 베어링의 외륜과 너클 사이에 삽입되어 외륜과 너클에 갈바닉 부식이 발생되는 것을 방지할 수 있는 슬리브를 제공한다.

상세하게는, 본 개시는 가스 연질화에 의해 기공층과 비기공층을 포함하는 화합물층이 표면에 형성된 슬리브를 제공한다. 또한, 본 개시는 알루미늄 합금보다 산화 반응성이 높은 금속 도금층의 표면에 전착도장에 의한 도장층이 형성된 슬리브를 제공한다.

본 개시의 일 측면은 가스 연질화에 의해 금속 표면 처리된 슬리브를 제공한다. 예시적 실시예에 따른 슬리브는 차량용 휠 베어링의 탄소강재로 형성되는 외륜과 상기 외륜에 결합되고 알루미늄 합금으로 형성되는 너클 사이에 삽입되는 슬리브로서, 금속 기저층; 및 가스 연질화에 의해 상기 금속 기저층의 전면에 형성되는 확산층과, 상기 확산층의 전면에 형성되는 비기공층과 기공층을 포함하는 화합물층을 포함하고, 상기 기공층의 두께는 상기 비기공층의 두께의

배 내지

배이다.

일 실시예에 있어서, 상기 화합물층은 상기 확산층으로부터 16㎛ 내지 24㎛의 두께를 갖는 질화층이다.

일 실시예에 있어서, 상기 확산층은 300㎛ 내지 400㎛의 두께를 가진다.

일 실시예에 있어서, 상기 슬리브는 1㎜ 내지 2㎜의 두께를 가진다.

일 실시예에 있어서, 상기 금속 기저층은 0.12wt% 이하의 탄소를 포함하는 탄소강재로 형성된다.

일 실시예에 있어서, 상기 금속 기저층은 크롬 및 몰리브덴을 포함하는 합금강재로 형성되고, 상기 합금강재는 0.13wt% 내지 0.18wt%의 탄소를 포함한다.

본 개시의 다른 측면은 전착도장에 의해 금속 표면 처리되는 슬리브를 제공한다. 예시적 실시예에 따른 슬리브는 차량용 휠 베어링의 탄소강재로 형성되는 외륜과 상기 외륜에 결합되고 알루미늄 합금으로 형성되는 너클 사이에 삽입되는 슬리브로서, 금속 기저층; 상기 금속 기저층의 전면에 형성되고 상기 너클보다 산화 반응성이 높은 금속 도금층; 및 전착도장에 의해 상기 금속 도금층의 전면에 형성되는 도장층을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 금속 기저층은 0.05wt% 내지 2.1wt%의 탄소를 포함하는 탄소강재로 형성된다.

일 실시예에 있어서, 상기 금속 도금층은 14㎛ 내지 18㎛의 두께를 갖는 아연 도금층이다.

일 실시예에 있어서, 상기 도장층은 18㎛ 내지 22㎛의 두께를 갖는 수용성 수지층이다.

일 실시예에 있어서, 상기 슬리브는 1㎜ 내지 2㎜의 두께를 가진다.

실시예들에 따른 슬리브는 이종금속으로 형성된 외륜과 너클 사이에 삽입되어 외륜과 너클이 서로 접촉되거나 인접되는 것을 차단함으로써, 외륜과 너클에 갈바닉 부식이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 슬리브는 탄소강재로 형성되는 금속 기저층을 포함하며, 내식성을 갖도록 금속 기저층에 가스 연질화에 의한 확산층과 화합물층이 형성되는 구조를 가질 수 있으며, 또는 금속 기저층에 금속 도금층이 도금되고 그 위에 전착도장에 의한 도장층이 형성되는 구조를 가질 수 있다.

일 실시예에 따르면, 가스 연질화에 의한 화합물층이 표면에 형성된 슬리브는, 예컨대 외륜과 너클 사이에 삽입될 때 표면 경화된 화합물층으로 인해 그 표면이 쉽게 손상되지 않으므로 금속 기저층이 외부에 쉽게 노출되지 않는다. 더욱이, 가스 연질화에 의해 형성되는 화합물층은 내식성을 갖는 질화층으로 이루어지고, 특히 질화층은 높은 내식성을 갖는 두께 비율로 형성된 비기공층과 기공층을 포함한다. 따라서, 이러한 슬리브를 차량용 휠 베어링의 외륜과 너클 사이에 삽입하여 외륜과 너클에 갈바닉 부식이 발생되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 다른 실시예에 따르면, 전착도장에 의한 도장층이 표면에 형성된 슬리브는, 예컨대 외륜과 너클 사이에 삽입될 때 도장층이 손상되거나 벗겨지더라도, 도장층이 손상되거나 벗겨진 부분에서 외부에 노출되는 금속 도금층이 희생 금속으로 작용하게 된다. 따라서, 이러한 슬리브가 차량용 휠 베어링과 너클 사이에 삽입되어 외륜과 너클에 갈바닉 부식이 발생되는 것이 효과적으로 방지될 수 있다. 또한, 금속 도금층이 희생 금속으로 작용하게 되는 경우에는, 너클에 갈바닉 부식이 확산되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

이와 같이, 차량용 휠 베어링의 외륜과 너클 사이에 삽입되는 슬리브를 통해 이종금속으로 이루어지는 외륜과 너클에 갈바닉 부식이 발생되는 것을 방지함으로써, 외륜과 너클의 내구성 향상 및 수명 연장을 도모할 수 있다. 또한, 차량용 휠 베어링이나 너클을 수리하거나 교체해야 하는 경우, 외륜과 너클을 표면 손상없이 용이하게 분리할 수 있어서, 휠 베어링이나 너클의 수리나 교체를 간편하게 수행할 수 있으며, 외륜과 너클의 재사용율을 높일 수 있다.

도 1은 종래의 너클이 결합된 차량용 휠 베어링의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 갈바닉 부식이 발생된 외륜의 일 예를 나타낸 사진이다.
도 3은 종래의 갈바닉 부식이 발생된 너클의 일 예를 나타낸 사진이다.
도 4는 일 실시예에 따른 슬리브가 결합된 차량용 휠 베어링의 일부를 도시한 도면이며, 차량용 휠 베어링에는 너클이 결합되어 있다.
도 5는 도 4에 도시된 A부분을 도시한 도면이다.
도 6은 도 4에 도시된 A부분 중 슬리브와 그 주변을 도시한 단면도이다.
도 7은 변형예에 따른 슬리브가 결합된 차량용 휠 베어링의 일부분을 도시한 단면도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 슬리브의 일부분을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 슬리브의 표면직하 조직 일부를 나타낸 금속조직 현미경 사진이다.
도 10은 일 실시예 및 비교예들에 따른 슬리브에 있어서의 화합물층, 화합물층에 포함되는 기공층과 비기공층의 두께 측정 실험 결과를 나타낸 표이다.
도 11은 일 실시예 및 비교예들에 따른 슬리브의 내식 성능 실험 결과를 나타낸 표이다.
도 12는 일 실시예 및 비교예들에 따른 슬리브의 내식 성능 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 다른 재료의 금속 기저층이 채용된 슬리브에 있어서, 화합물층의 기공층 및 비기공층의 두께 측정 실험 결과를 나타낸 표이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 슬리브의 일부분을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 15는 금속 재료별 산화 반응성을 비교하여 나타낸 도면이다.

본 개시의 실시예들은 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것이다. 본 개시에 따른 권리범위가 이하에 제시되는 실시예들이나 이들 실시예들에 대한 구체적 설명으로 한정되는 것은 아니다.

본 개시에 사용되는 모든 기술적 용어들 및 과학적 용어들은, 달리 정의되지 않는 한, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 의미를 갖는다. 본 개시에 사용되는 모든 용어들은 본 개시를 더욱 명확히 설명하기 위한 목적으로 선택된 것이며 본 개시에 따른 권리범위를 제한하기 위해 선택된 것이 아니다.

본 개시에서 사용되는 "포함하는", "구비하는", "갖는", "가지는" 등과 같은 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 달리 언급되지 않는 한, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.

본 개시에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 경우, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수 있거나 접속될 수 있는 것으로, 또는 새로운 다른 구성요소를 매개로 하여 연결될 수 있거나 접속될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 개시의 실시예들을 설명한다. 첨부된 도면에서, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조번호가 부여되어 있다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응하는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나, 구성요소에 관한 기술이 생략되어도, 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다.

도 4는 일 실시예에 따른 슬리브(200)가 결합된 차량용 휠 베어링(100)의 일부를 도시한 도면이며, 차량용 휠 베어링(100)에는 너클(170)이 결합되어 있다. 또한, 도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 A부분 및 그 일부분을 각기 다른 방향에서 본 도면이다. 또한, 도 7은 다른 폭을 갖는 슬리브(200)가 결합된 차량용 휠 베어링(100)의 일부분을 도시한 단면도이다.

도 4 내지 도 7을 참조하면, 일 실시예에 따른 차량용 휠 베어링(100)(이하, 간단히 '휠 베어링'이라 함)은 차륜과의 결합을 위한 플랜지(112)와 플랜지(112)에 결합되는 복수의 허브 볼트(114)를 갖는 휠 허브(110), 휠 허브(110)와 일체로 회전되게 결합되는 내륜(120), 휠 베어링(100)의 내부에 환상으로 형성되는 베어링 공간(140)에 배열되는 복수의 전동체(150)를 매개로 휠 허브(110)와 내륜(120)을 회전가능하게 지지하는 외륜(130)을 포함한다. 또한, 휠 베어링(100)은 회전축(RA)을 따르는 방향에서 베어링 공간(140)과 연통되는 양측 틈새(142, 144)에 각각 장착되어 베어링 공간(140)으로 외부 이물질이 침투하는 것을 차단하는 밀봉 장치(162, 164)를 더 포함한다. 이러한 휠 베어링(100)에 있어서, 외륜(130)에는 차륜의 조향을 위한 너클(170)이 결합되고, 외륜(130)은 너클(170)에 의해 회전되지 않게 고정될 수 있다. 또한, 회전축(RA)을 따르는 방향으로 형성되는 외륜(130)과 너클(170) 사이의 간극(182)에는 먼지 등의 외부 이물질이 유입되지 않도록 더스트 쉴드(180)가 끼워져 결합된다.

도 4에서, 화살표 'D1'은 휠 베어링(100)의 회전축(RA)을 따르는 방향으로서 휠 허브(110)에 대해 차륜이 배치되는 축 방향 외측을 가리키고, 화살표 'D2'는 D1의 반대 방향으로서 휠 허브(110)에 대해 너클(170)이 배치되는 축 방향 내측을 가리킨다. 또한, 화살표 'D3'은 휠 베어링(100)의 회전축(RA)에 대한 방사상 방향(radial direction) 중 회전축(RA)으로부터 멀어지는 반경 외측 방향을 가리키고, 화살표 'D4'는 D3의 반대 방향인 반경 내측 방향을 가리킨다. 또한, 화살표 'D5'는 회전축(RA)의 둘레 방향을 가리킨다.

일 실시예에 따르면, 외륜(130)은 휠 허브(110)와 내륜(120)을 안정적으로 회전가능하게 지지할 수 있도록, 요구되는 내구성을 갖는 탄소강재(예컨대, S55C급의 중탄소강재)으로 형성될 수 있다. 또한, 너클(170)은 경량화를 위해 알루미늄 합금으로 형성될 수 있다. 이에 더하여, 휠 베어링(100)은 이종금속으로 형성되는 외륜(130)과 너클(170)에 갈바닉 부식이 발생되는 것을 방지할 수 있도록 외륜(130)과 너클(170) 사이에 삽입되는 원통형의 슬리브(200)를 더 포함할 수 있다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 외륜(130)과 너클(170)이 접촉되거나 인접되지 않도록 외륜(130)과 너클(170) 사이에 슬리브(200)가 삽입될 때, 반경 내측 방향(D4)을 향하는 슬리브(200)의 내주면(202)은 반경 외측 방향(D3)을 향하는 외륜(130)의 외주면(131)에 접촉된다. 일 실시예에 따르면, 슬리브(200)의 내주면(202)이 외륜(130)의 외주면(131)에 압입에 의한 끼워맞춤(예컨대, 억지끼워맞춤)으로 끼워져, 슬리브(200)는 외륜(130)의 외주면(131)에 장착된다. 이 경우, 반경 외측 방향(D3)을 향하는 슬리브(200)의 외주면(201)은 반경 내측 방향(D4)을 향하는 너클(170)의 내주면(172)과 대향하고, 너클(170)의 내주면(172)과의 사이에 소정의 간격(G)(도 6 참조)을 갖도록 이격된다. 외륜(130)에 너클(170)이 결합될 때, 너클(170)이 외륜(130)에 장착된 슬리브(200)에 접촉되는 상태로 결합되지 않고 소정의 간격(G)을 유지한 채 결합되므로, 너클(170)이 슬리브(200)가 장착된 외륜(130)에 대해 축방향으로 용이하게 끼워 결합될 수 있다. 일 실시예에서, 슬리브(200)의 외주면(201)은 너클(170)의 내주면(172)에 대해 110㎛ 내지 130㎛의 간격(G)을 갖도록 이격된다.

외륜(130), 너클(170) 및 더스트 쉴드(180)에는 체결 구멍(133, 173, 183)이 각각 형성되고, 일렬로 정렬되는 체결 구멍(133, 173, 183)에 볼트 등의 체결 부재를 삽입하여 외륜(130), 너클(170) 및 더스트 쉴드(180)를 일체로 결합시킬 수 있다.

슬리브(200)는 기존의 차량용 휠 베어링을 구조적으로 크게 변경하지 않으면서도 외륜(130)과 너클(170) 사이에 삽입될 수 있는 얇은 두께(T)를 가질 수 있다. 일 실시예의 슬리브(200)는 1㎜ 내지 2㎜의 두께(T)(도 6 참조)를 가진다.

일 실시예에 따르면, 슬리브(200)는 외륜(130)과 너클(170) 사이에 삽입될 때 외륜(130)의 외주면(131) 또는 너클(170)의 내주면(172)에 들어맞는 폭(W1)(도 6 참조)을 가질 수 있다. 즉, 외륜(130)과 너클(170) 사이에 삽입되는 슬리브(200)는 축 방향 외측(D1)을 향하는 일 측면(203)이 더스트 쉴드(180)가 끼워지는 간극(182) 내로 돌출되지 않고 외륜(130)의 플랜지면(134)에 대해 이격되는 폭(W1)을 가질 수 있다. 또한, 슬리브(200)는 축 방향 내측(D2)을 향하는 타 측면(204)이 외륜(130)의 축 방향 내측(D2)을 향하는 측면(135)에 대해 돌출되어 나오지 않도록 하는 폭(W1)을 가질 수 있다. 그러나, 슬리브(200)의 폭은 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 도 7에 도시한 바와 같이, 슬리브(200)는 축 방향 외측(D1)을 향하는 일 측면(203)이 간극(182) 내에서의 갈바닉 부식의 발생을 방지할 수 있도록 외륜(130)의 플랜지면(134)에 인접하게 되거나 또는 접촉하게 되는 폭(W2)을 가질 수 있다. 또 다른 예로서, 슬리브(200)는 축 방향 내측(D2)을 향하는 타 측면(204)이 외륜(130)의 측면(135)에 대해 돌출되어 나오는 폭을 가질 수도 있다.

도 8은 일 실시예에 따른 슬리브(200)의 일부분을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 9는 일 실시예에 따른 슬리브(200)의 표면 직하 조직 일부를 나타낸 금속조직 현미경 사진이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 슬리브(200)는 탄소강재로 이루어지는 금속 기저층(210)과, 가스 연질화에 의해 금속 기저층(210)의 전면(全面)에 형성되는 확산층(220)과, 확산층(220)의 전면(全面)에 형성되는 화합물층(230)을 포함한다.

가스 연질화 공정에서, 예를 들어 암모니아 가스를 함유한 환원성 가스 분위기 중에서 A1점(A1변태점) 이하인 500 내지 600℃ 정도의 저온으로 1 내지 5시간 가열하여 금속 기저층(210)의 표면에 형성되는 탄질화물 또는 질화층물 그 내부에 확산층(220)(또는, 질소확산층)을 생성시키고, 암모니아 가스가 철강 표면에서 가열됨에 따라 철의 촉매 작용에 의해 해리되어 발생기질소(nascent nitrogen)가 철강 중에 침투확산하여 질화층 또는 탄질화물층으로 이루어지는 화합물층(230)을 형성한다. 가스 연질화한 강재는 표면의 탄질화물층 또는 질화층, 즉 화합물층(230)에 의하여 내식성, 내마모성, 내열성, 내소착성 등이 향상되고, 확산층(220)에 의해 피로강도가 향상될 수 있다.

화합물층(230)은 확산층(220)으로부터 순차적으로 형성되는 비기공층(231)과 기공층(232)을 포함할 수 있다. 즉, 화합물층(230)은 확산층(220)의 전면(全面)에 형성되는 비기공층(231)과 비기공층(231)의 전면(全面)에 형성되는 기공층(232)을 포함할 수 있다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 비기공층(231)은 치밀한 조직으로 이루어지며, 기공층(232)은 비기공층(231)에 비해 상대적으로 치밀하지 못한 불규칙한 조직으로 이루어지며, 복수의 기공을 가진다.

일 실시예의 슬리브(200)는 내식성이 우수한 질화층으로 표면이 이루어지는 것과 더불어 표면에 형성되는 화합물층(230) 중 비기공층(231)이 포함됨으로 인해 높은 내식성을 장시간 유지시킬 수 있다. 즉, 슬리브(200)를 차량용 휠 베어링의 외륜(130)과 너클(170) 사이에 삽입되도록 할 때, 슬리브(200)의 표면에는 부식 방지를 위한 방청유(rust prevention oil)가 도포될 수 있는데, 슬리브(200)의 표면에 형성되는 기공층(232)은 기공 내 방청유를 머금을 수 있다. 이러한 슬리브(200)는, 기공층(232)이 형성되지 않거나 또는 기공층(232)이 제대로 형성되지 않은 슬리브에 비해 방청유를 장시간 지속적으로 보유할 수 있어서, 내식성을 오랫동안 유지할 수 있다.

이하, 도 10 내지 도 13을 참조하여, 화합물층(230)에 있어서의 기공층(232)의 포함 여부 및 화합물층(230)에 있어서의 비기공층(231)과 기공층(232)의 두께 비율에 따른 슬리브(200)의 내식성과의 상관 관계에 대해 서술한다.

슬리브(200)에 있어서, 금속 기저층(210)은 가스 연질화가 가능하며, 기계적 성질이 우수하고 가공성이 좋은 탄소강재 또는 합금강재로 형성된다. 일 실시예에서, 금속 기저층(210)은 0.12wt% 이하의 탄소를 포함하는 저탄소강재로 형성된다. 0.12wt% 이하의 탄소를 포함하는 저탄소강재로는, 예를 들어 SPCC(steel plate cold commercial) 재료가 사용될 수 있다. 다른 예에서, 금속 기저층(210)은 기계적 성질을 개선시킨 크롬 및 몰리브덴을 함유한 합금강재로 형성될 수 있다. 금속 기저층(210)을 형성하기 위한 크롬 및 몰리브덴을 함유한 합금강재는 0.13wt% 내지 0.18wt%의 탄소를 포함하며, 이러한 합금강재로는 예를 들어 SCM415 재료가 사용될 수 있다.

도 10은 일 실시예 및 비교예들에 따른 슬리브에 있어서의 화합물층, 화합물층에 포함되는 비기공층과 기공층의 두께 측정 실험 결과를 나타낸 표이다. 또한, 도 11은 일 실시예 및 비교예들에 따른 슬리브의 내식 성능 실험 결과를 나타낸 표이고, 도 12는 일 실시예 및 비교예들에 따른 슬리브의 내식 성능 실험 결과를 나타낸 그래프이다.

도 10에 나타낸 화합물층, 화합물층에 포함되는 비기공층 및 기공층의 두께 측정 실험 결과를 얻기 위해서, SPCC 재료로 금속 기저층을 형성한 시편이 사용되었다. 실시예 1과 비교예 1에서는 금속 기저층의 표면에 가스 연질화에 의한 화합물층이 형성되고, 비교예 2에서는 금속 기저층의 표면에 염욕 연질화에 의한 화합물층이 형성된다. 비교예 1에서는, 실시예 1의 경우보다 가스 연질화의 공정 시간을 길게 한 조건으로 화합물층이 형성된다.

도 10에 나타낸 표에서와 같이, 실시예 1과 비교예 1에서는 3회의 가스 연질화 공정이 각각 수행되고, 비교예 2에서는 3회의 염욕 연질화 공정이 수행된다. 또한, 매회의 공정에서 형성된 화합물층에 대해 서로 이격된 6군데의 부위(P1 내지 P6)에서 화합물층(230)의 두께(T3), 기공층(232)의 두께(T4) 및 비기공층(231)의 두께(T5)가 측정된다. 또한, 측정된 두께값들(T3, T4, T5)에 대한 산술평균을 하여 화합물층(230)의 두께(T3), 기공층(232)의 두께(T4) 및 비기공층(231)의 두께(T5) 각각에 대한 평균값이 산출된다. 도 10에 있어서, 측정된 두께값들(T3, T4, T5)은 '㎛'를 단위로 하며, 도 9에서와 같은 금속조직 현미경(광학현미경) 사진의 판독을 통해 측정될 수 있다.

실시예 1에서의 산출된 평균값을 살펴보면, 비기공층(231)의 두께(T5)의 평균값은 15.13㎛, 기공층(232)의 두께(T4)의 평균값은 4.65㎛로 산출되고, 가스 연질화의 공정 시간에 차이가 있는 비교예 1에서의 산출된 평균값을 살펴보면 비기공층(231)의 두께(T5)의 평균값은 14.59㎛, 기공층(232)의 두께(T4)의 평균값은 11.77㎛로 산출된다. 또한, 실시예 1에서는 화합물층(230)의 두께(T3)의 평균값은 19.78㎛로 산출되고, 비교예 1에서는 화합물층의 두께(T3)의 평균값은 26.36㎛로 산출된다.

이와 같은 실험 결과를 살펴보면, 가스 연질화의 공정 시간이 길어짐에 따라 화합물층(230)의 두께(T3)가 대략 10㎛ 내외에서 증가됨을 확인할 수 있다. 또한, 가스 연질화의 공정 시간이 길어짐에 따라 화합물층(230)에서 비기공층(231)의 두께(T5)는 크게 변화되지 않지만, 기공층(232)의 두께(T4)는 비기공층(231)에 비해 상대적으로 크게 증가됨을 확인할 수 있다. 즉, 가스 연질화의 공정 시간이 길어짐에 따라, 화합물층(230) 내에서 기공층(232)이 차지하는 두께 비율이 증가된다. 실시예 1에서는, 기공층(232)이 비기공층(231)의 두께(T5)의 대략

배인 두께(T4)를 갖도록 형성되며, 비교예 1에서는, 기공층이 비기공층의 두께(T5)의 대략

배인 두께(T4)를 갖도록 형성된다.

염욕 연질화에 의해서는, 금속 기저층의 표면에 기공층이 표면 상태가 좋지 않게 형성(슬리브의 전면에 걸쳐 비기공층 대비 균일한 두께로 형성되지 않음)되어 기공층이 폴리싱 공정을 통해 제거된 화합물층이 형성된다. 즉, 염욕 연질화에 의해서는, 금속 기저층의 표면에 비기공층으로만 이루어지는 화합물층이 형성된다. 비교예 2에서, 화합물층의 두께(T3)의 평균값, 즉 비기공층의 두께(T5)의 평균값이 19.44㎛로 산출된다.

도 10에 나타낸 표를 살펴보면, 실시예 1에 따른 화합물층(230)은 측정 부위에 따라 금속 기저층(210)의 표면으로부터 최소 14.05㎛ 내지 최대 26.04㎛의 두께(T3)로 측정된다. 불규칙하게 형성되는 기공층(232)의 조직 구조의 특성으로 인해 화합물층(230)의 두께(T3)가 14.05㎛로 측정된 부위에서는 기공층(232)이 형성되지 않을 수 있으며, 화합물층(230)의 두께(T3)가 26.04㎛로 측정된 부위에서는 다른 측정 부위에 비해 비기공층(231)의 두께(T5) 대비 기공층(232)의 두께(T4)가 크게 형성된다. 일 실시예에서는, 기공층(232)의 불규칙한 조직 구조를 고려하여 화합물층(230)은 금속 기저층(210)의 표면으로부터 16㎛ 내지 24㎛의 두께(T3)를 갖도록 형성된다. 화합물층(230)의 두께(T3)가 16㎛ 미만인 부위에서는, 얇은 화합물층(230)의 두께로 인해 기공층(232)이 제대로 형성되기 어렵다. 또한, 화합물층(230)에 기공층(232)이 포함되도록 형성되더라도, 이 경우에는 가스 연질화 대비 표면 상태가 좋지 않은 기공층(232)이 형성된다. 이와 같이 화합물층(230)의 두께(T3)가 16㎛ 미만인 경우에는, 화합물층(230) 내에서 기공층(232)에 대한 비기공층(231)의 두께 비율은 높아짐(즉, 비기공층(232)에 대한 기공층(232)의 두께 비율이 낮아짐)에 따라 기공층(232)이 원하는 두께 비율로 형성되지 않은 연질화층이 형성되어 내식성이 저하될 수 있다. 또한, 화합물층(230)의 두께(T3)가 24㎛를 초과하는 부위에서는, 화합물층(230)이 큰 두께(T3)로 형성되지만 화합물층(230)에서 기공층(232)이 차지하는 두께 비율이 커진다. 즉, 화합물층(230)의 두께(T3)가 24㎛를 초과하는 부위에서는, 비기공층(231)이 기공층(232)의 두께(T4)의 대략 3.5배인 두께(T5)를 갖도록 형성되기 어렵다(가스 연질화의 공정 시간을 길게 한 비교예 1의 조건에서와 같이 비기공층(231)과 기공층(232)이 비슷한 두께로 형성됨). 슬리브(200)의 내식 성능은, 화합물층(230)의 두께(T3)가 동일한 조건에서, 비기공층(231)의 두께(T5)와 비례할 수 있다. 즉, 화합물층(230)의 두께(T3)가 동일한 조건에 있어서, 비기공층(231)의 두께(T5)가 작아지면, 그 만큼 내식 성능이 저하될 수 있다.

도 11 및 도 12는 일 실시예 및 비교예들에 따른 슬리브의 내식 성능 실험을 위한 염수분무시험(salt spray test)의 결과를 나타낸다. 도 11 및 도 12를 참조하면, 앞서 실시예 1과 비교예 1의 실험 결과 비교에서와 같이, 가스 연질화에 의해 화합물층(230)을 형성하더라도, 화합물층(230)을 형성하는 비기공층(231)과 기공층(232)의 두께 비율에 따라 슬리브(200)의 내식성이 크게 달라지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 실시예 1에서와 같이 기공층(232)의 두께(T4)가 비기공층(231)의 두께(T5)의 대략

배로 형성되는 경우에는, 비교예 1에서와 같이 기공층의 두께(T4)가 비기공층의 두께(T5)의 대략

배로 형성되는 경우와 비교하여 녹 발생 개시 시점이 늦다(실시예 1의 경우에는 대략 810hr 평가시간이 경과한 시점부터 녹이 발생되는 면적이 크게 증가하기 시작하고, 비교예 1의 경우에는 대략 330hr 평가시간이 경과한 시점부터 녹이 발생되는 면적이 크게 증가하기 시작한다). 한편, 비교예 2에서와 같이 화합물층에 기공층이 포함되지 않는 경우에는, 실시예 1 및 비교예 1과 비교하여, 녹 발생 개시 시점이 상당히 빠르다.

또한, 동일한 평가시간이 경과한 상태에서 녹 발생 면적을 살펴보더라도, 실시예 1에서와 같이 화합물층(230)에 기공층(232)과 비기공층(231)의 두께 비율이 대략 1:3.5일 때 녹이 발생되는 면적이 가장 작다.

이와 같은 실험 결과를 기초로, 일 실시예의 슬리브(200)에서는, 기공층(232)의 불규칙한 조직 구조를 고려하여 16㎛ 내지 24㎛의 두께(T3)를 갖는 화합물층(230)에서 기공층(232)의 두께(T4)가 비기공층(231)의 두께(T5)의

배 내지

배의 크기를 갖도록 형성된다. 기공층(232)의 두께(T4)가 비기공층(231)의 두께(T5)의

배 미만인 경우, 방청유의 도포 시 방청유를 머금을 수 있는 공간이 작아지므로 내식 성능을 장시간 유지할 수 없으며 녹이 빠르게 발생된다. 또한, 기공층(232)의 두께(T4)가 비기공층(231)의 두께(T5)의

배를 초과하는 경우에는, 화합물층(230) 내에서 치밀한 조직으로 이루어지는 비기공층(231)의 두께(T5)가 상대적으로 작아지게 되어 화합물층(230)의 내식성이 저하된다.

도 13은 일 실시예에 따른 슬리브(200)에 있어서, 금속 기저층(210)을 변경한 조건에서 실시한 화합물층(230)의 기공층(232) 및 비기공층(231)의 두께 측정 실험 결과를 나타낸 표이다. 도 13에 나타낸 화합물층(230)의 기공층(232) 및 비기공층(231)의 두께 측정 실험에서는 SCM415 재료로 금속 기저층(210)을 형성한 시편이 사용되었다. 도 13에서, 측정된 두께값들(T3, T4, T5)은 '㎛'를 단위로 한다.

도 13에 나타낸 표와 같이, 실시예 2에 있어서의 화합물층(230)의 두께(T3)의 평균값은 19.51㎛, 비기공층(231)의 두께(T5)의 평균값은 14.70㎛, 기공층(232)의 두께(T4)의 평균값은 4.81㎛로 산출된다. 즉, 금속 기저층(210)을 합금강재로 형성하더라도, 기공층(232)의 두께(T4)의 3배 내지 4배의 범위 내에 포함되는 두께(T5)를 갖는 비기공층(231)이 형성되는 것을 확인할 수 있다.

실시예 1 및 실시예 2에서와 같이, 가스 연질화에 의해 형성되는 화합물층(230)을 표면에 갖는 슬리브(200)는 1㎜ 내지 2㎜의 두께(T)를 가진다. 가스 연질화 시, 화합물층(230)의 아래에 형성되는 확산층(220)은 300㎛ 내지 400㎛의 두께(T2)로 형성되고, 화합물층(230)은 16㎛ 내지 24㎛의 두께(T3)로 형성된다. 따라서, 금속 기저층(210)은 아래와 같은 수학식 1로 산출될 수 있는 두께(T1)를 가진다.

가스 연질화 측면에서는 표면직하 화합물층(230)과 하부 확산층(220)의 경도가 증가하여 탄성 저하(brittle)되므로, 슬리브(200)의 두께(T)가 1㎜ 미만인 경우, 외륜(130)에 압입될 때 표면 균열이 발생될 우려가 있다. 또한, 슬리브(200)의 두께(T)가 2㎜를 초과하는 경우에는, 슬리브(200)를 기존의 차량용 휠 베어링을 구조적으로 크게 변경하지 않으면서 외륜과 너클 사이에 삽입시키기 어렵다. 즉, 슬리브(200)의 두께(T)가 커지면, 차량용 휠 베어링의 설계 변경이 요구된다.

이하에서는, 금속 도금층 및 전착도장에 의해 형성되는 도장막을 포함하는 슬리브에 대해 설명한다.

도 14는 다른 실시예에 따른 슬리브의 일부분을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 15는 금속 재료별 산화 반응성을 비교하여 나타낸 도면이다. 도 14 및 도 15를 참조하면, 다른 실시예에 따른 슬리브(300)는, 앞서 설명한 슬리브(200)와 같이 외형적으로 동일한 형상, 즉 원통 형상을 가진다. 이러한 슬리브(300)는 금속 기저층(310), 금속 기저층(310)의 전면에 형성되는 금속 도금층(320) 및 전착도장에 의해 금속 도금층(320)의 전면에 형성되는 도장층(330)을 포함한다.

금속 기저층(310)은 탄소강재로 형성되며, 금속 기저층(310)으로 형성되는 탄소강재는 0.05wt% 내지 2.1wt%의 탄소, 바람직하게는 0.1wt% 이하의 탄소를 함유할 수 있다. 금속 도금층(320)은 너클(170)보다 산화 반응성이 높은 금속 재료, 즉, 이온화경향이 큰 금속 재료로 형성된다. 일 실시예에서, 금속 도금층(320)은, 도 14에 도시한 바와 같이, 너클(170)을 형성하는 알루미늄 합금보다 산화 반응성이 높은 아연 도금층(galvanizing zincing layer)으로 이루어진다. 일 실시예에서, 금속 도금층(320)은 14㎛ 내지 18㎛의 두께(T7)를 갖도록 형성된다. 금속 도금층(320)의 두께(T7)가 14㎛ 미만인 경우에는, 금속 도금층(320)의 두께(T7)가 얇아 슬리브(300)를 외륜(130)과 너클(170) 사이에 삽입할 때 슬리브(300)에 가해지는 힘에 의해 크랙 등이 쉽게 발생될 수 있으며, 이 경우 슬리브(300)의 내구성은 물론 내식성을 저하시킨다. 금속 도금층(320)의 두께(T7)가 18㎛를 초과하는 경우에는, 고가의 아연 재료가 두껍게 코팅되므로 슬리브(300)의 제조 단가가 증가되는 부담이 있다.

도장층(330)은 수용성 수지층으로서, 외륜(130)과 너클(170)에 갈바닉 부식이 발생하는 것을 1차적으로 방지한다. 일 실시예에서, 도장층(330)은 18㎛ 내지 22㎛의 두께(T8)를 가진다. 도장층(330)의 두께(T8)가 18㎛ 미만인 경우에는, 도장층(330)의 두께가 얇아 쉽게 찢어지거나 벗겨지기 쉽다. 또한, 도장층(330)의 두께(T8)가 22㎛를 초과하는 경우에는, 외륜(130)에 억지끼워맞춤되는 슬리브(300)가 내압을 크게 받게 되어 도장층(330)이 구조적으로 취약해진다.

이 실시예에서, 슬리브(300)는, 1㎜ 내지 2㎜의 두께(T9)를 가진다. 슬리브(300)는 가스 연질화를 통해 제조되는 슬리브(200)와 달리 표면 경화층이 없어 표면 균열 등에 대한 우려가 없어서, 상대적으로 작은 두께로 형성될 수 있다. 그러나, 슬리브(300)의 두께(T9)가 1㎜ 미만이면, 슬리브(300)의 처리 및 운송 시 변형이 일어날 수 있다. 이 경우, 슬리브(300)의 변형으로 의해 외륜(130)에 압입되는 것이 곤란해 질 수 있으며, 압력 증가로 인한 영향을 휠 베어링(100)에 줄 수 있다. 또한, 슬리브(300)의 두께(T9)가 2㎜를 초과하게 되면, 금속 도금층(320)의 면적이 증가하게 되어, 금속 도금층(320)의 두께(T7)가 증가하는 것과 같이 슬리브(300)의 제조 단가가 증가되는 부담이 있다.

이와 같이, 금속 도금층(320)과 도장층(330)을 포함하는 슬리브(300)는, 도장층(330)이 국부적으로 손상되더라도, 도장층(330)의 손상된 부분에서 금속 도금층(320)이 희생 금속으로 작용하여 이종금속간 또는 동종금속간이라도 전위차가 있음으로 해서 발생되는 갈바닉 부식이 알루미늄 합금으로 형성된 너클(170)로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 차량용 휠 베어링의 외륜(130)과 너클(170)이 갈바닉 부식으로 인해 고착되는 것을 방지할 수 있어서, 결합되어 있는 외륜(130)과 너클(170)을 표면 손상없이 용이하게 분리할 수 있다.

이상에서 설명한 본 개시는 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100: 차량용 휠 베어링 110: 휠 허브
120: 내륜 130: 외륜
150: 전동체 160: 너클
200: 슬리브 210: 금속 기저층
220: 확산층 230: 화합물층
231: 비기공층 232: 기공층
300: 슬리브 310: 금속 기저층
320: 금속 도금층 330: 도장층

Claims (11)

1. 차량용 휠 베어링의 탄소강재로 형성되는 외륜과 상기 외륜에 결합되고 알루미늄 합금으로 형성되는 너클 사이에 삽입되는 슬리브로서,
   금속 기저층; 및
   가스 연질화에 의해 상기 금속 기저층의 전면에 형성되는 확산층과, 상기 확산층의 전면에 형성되는 비기공층과 기공층을 포함하는 화합물층을 포함하고,
   상기 기공층의 두께는 상기 비기공층의 두께의

   

   배 내지

   

   배이고,
   표면에 방청유가 도포되는,
   슬리브.
2. 제1항에 있어서,
   상기 화합물층은 상기 확산층으로부터 16㎛ 내지 24㎛의 두께를 갖는 질화층인, 슬리브.
3. 제1항에 있어서,
   상기 확산층은 300㎛ 내지 400㎛의 두께를 갖는, 슬리브.
4. 제1항에 있어서,
   상기 슬리브는 1㎜ 내지 2㎜의 두께를 갖는, 슬리브.
5. 제1항에 있어서,
   상기 금속 기저층은 0.12wt% 이하의 탄소를 포함하는 탄소강재로 형성되는, 슬리브.
6. 제1항에 있어서,
   상기 금속 기저층은 크롬 및 몰리브덴을 포함하는 합금강재로 형성되고,
   상기 합금강재는 0.13wt% 내지 0.18wt%의 탄소를 포함하는, 슬리브.
7. 차륜과 결합되는 휠 허브와 상기 휠 허브의 외주면에 장작되는 내륜을 포함하는 차량용 휠 베어링의 복수의 전동체를 매개로 상기 휠 허브와 상기 내륜을 지지하고 탄소강재로 형성되는 외륜과, 상기 외륜에 결합되고 알루미늄 합금으로 형성되는 너클 사이에 삽입되는 슬리브로서,
   금속 기저층;
   상기 금속 기저층의 전면에 형성되고 상기 너클보다 산화 반응성이 높고, 14㎛ 내지 18㎛의 두께를 갖는 아연 도금층; 및
   전착도장에 의해 상기 아연 도금층의 전면에 형성되고, 18㎛ 내지 22㎛의 두께를 갖는 도장층을 포함하고,
   상기 외륜의 외주면과 상기 너클의 내주면 사이에만 삽입되는 슬리브.
8. 제7항에 있어서,
   상기 금속 기저층은 0.05wt% 내지 2.1wt%의 탄소를 포함하는 탄소강재로 형성되는, 슬리브.
9. 제7항에 있어서,
   상기 슬리브는 1㎜ 내지 2㎜의 두께를 갖는, 슬리브.
10. 차륜과 결합되는 휠 허브;
    상기 휠 허브의 외주면에 장작되는 내륜;
    복수의 전동체를 매개로 내륜을 지지하고 탄소강재로 형성되는 외륜;
    상기 외륜이 상기 휠 허브와 상기 내륜을 회전 가능하게 지지하도록 매개가 되는 복수의 전동체;
    상기 외륜에 결합되고 알루미늄 합금으로 형성되는 너클; 및
    상기 외륜의 외주면과 상기 너클의 내주면 사이에만 삽입되는 슬리브를 포함하고,
    상기 슬리브는,
    금속 기저층;
    상기 금속 기저층의 전면에 형성되고 상기 너클보다 산화 반응성이 높고, 14㎛ 내지 18㎛의 두께를 갖는 아연 도금층; 및
    전착도장에 의해 상기 아연 도금층의 전면에 형성되고, 18㎛ 내지 22㎛의 두께를 갖는 수용성 수지층인 도장층을 포함하는,
    차량용 휠 베어링.
11. 제10항에 있어서,
    상기 슬리브는 상기 외륜의 외주면 또는 상기 너클의 내주면에 들어맞는 폭을 가지는,
    차량용 휠 베어링.

Images