KR19980702430A

KR19980702430A - 자동윤활 베아링소재 및 해 베아링소재로 제조된 섭동베아링

Info

Publication number: KR19980702430A
Application number: KR1019970705829A
Authority: KR
Inventors: 아담 아힘; 그레운탈레 칼-하인즈; 호데스 에리히
Original assignee: 로베르트 게오르그 아렉산드르; 글리코-메탈-벨케 글리코 베.파오.운트 코. 카게; 에르헤르트 그라빈스키
Priority date: 1995-02-25
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 1998-07-15
Also published as: KR100472876B1; JP3597866B2; WO1996026975A1; EP0811034A1; JPH11500771A; US6068931A; EP0811034B1; ES2215188T3; DE19506684A1; DE59610902D1

Abstract

자동윤활 베어링 소재와 섭동베어링에 관한 것으로 그 역할은 윤활제가 없는 조건에서 상당히 향상되어서 6MPa m/초의 pv-값이 평균하중과 속도범위에서 얻어진다. 자동윤활 베얼이 소재는 PbO와 적어도 하나의 금속 플루오라이드로 구성된 필터와 폴리머 메트릭스를 가진 PTFE로 이루어져 있다. PbO함량은 15-55 용적%이고 금속 플루오라이드는 0.1-14 용적%이다. 선호되는 금속 플루오라이드는 CaF₂, PbF₂그리고 MgF₂이다. 딱딱한 금속이나 색소 혹은 섬유질 물질과 같은 또 다른 필터의 첨가가 가능하다. 이런 첨가물질의 분율은 PbO/금속 플루오라이드 필터의 40 용적 %까지 가능하다.

Description

자동윤활(自動潤滑)베아링소재(素材) 및 해(該) 베아링소재(素材) 제조(製造)된 섭동(攝動)베아링

본 발명은 산화납과 금속불화물의 충전재(充塡材)로 된 합성수지조직을 가지는 테플론(PTFE-4불화에티렌수지의 상품명)소재로된 자동윤활(自動潤滑)베아링소재와 해 베아링소재로 된 섭동(攝動)베아링에 관한 것이다.

합성수지베이스위에 섭동층(攝動層)을 가진 베아링재들은 한 개 두 개 또는 세 개층의 결합재(結合材)로 공지되어 있다: 순수합성수지의 베아링, 외부금속지지체와 직접 용착 또는 부착된 합성수지를 가진 베아링, 내부금속조직을 가진 베아링 및 지지금속, 소결다공금속층과 한개의 기공위와 안에 형성된 보호층으로 이루어진 3층베아링이 이에 속한다. 모든 이러한 베아링들은 대부분이 윤활유의 사용이 불가하거나 또는 바람직하지 않는 부위들에 적용된다. 따라서 베아링 들은 자체가 작동중에 이러한 윤활을 제공하여야 한다.

다층 소재들은 순수 합성수지재료와는 예컨대 부하를 받는 상태하에서 냉유체에 대하여 무시할 정도의 경향과 본질적인 보다 양호한 열전도도 및 이에 따른 명백히 보다 높아질 수 있는 pv-값에서 차이가 난다. 순수 합성재료들은 그러나 이러한 경우들에 있어서 예컨대 비용면에서 본다면 유리하다고 볼 수 있다. 그런데 3층소재내에 다시 PTFE, PTA, FEP등과 같은 불화열가소성수지 또는 PEEK와 같은 기타 합성수지를 베이스로하는 섭동층을 가진 베아링들로 분류할 수 있다. 두가지의 마직막으로 지적한 그룹들은 그의 기능면에 있어서 구분되어야 한다. PTEE-베이스 소재의 경우에 청동(청동靑銅)중간층이 섭동층의 활성 구성부이며 충전재와 유사한 기능을 하는 한편 기타의 합성수지재료들은 이를 다만 앵커로서만 이용한다. 이들은 금속배면되 충분히 높은 친화력(親和力)을 가지는 경우에 있어서 적합한 2개층재의 제조를 허용하며 그러나 또한 접착층에 의하여 부착이 가능하다. 활성화된 섭동면들위의 여기에 열가소성 수지 또는 열프라스틱이 청동이 하는 일을 대신한다. 또한 금속위에 접착 충진된 불화물열프리스틱필름들이나 또는 동시에 금속배면에 접착가능한 합성수지와 결부된 금속조직으로 된 베아링재도 공지되어 있다.

각 변종은 고유의 장단점을 가지고 있다. 그러나 보편적으로 적용이 가능하고 용이하게 제작이 가능한 것으로서는 PTEE와 같은 불화열프라스틱을 베이스로 하는 3층-소재가 적합한데 이들은 또한 고도의 성능과 내열성을 가지고 있다. 이들의 경우에 있어서 합성수지분산에 의하여 균질인 합성재가 이루어지며 PTEE/충전재-합성재를 압연방식에 의한 제조와 PTEE의 최종 소결후에 최종 합성소재가 제조된다.

이러한 소재에 대하여 가장 보편적으로 사용되는 충전재로서는 납과 이황화몰리브덴으로서 거의 동일한 성능을 내며 또한 윤활제로 사용될 수 있다. 여러 경우에 있어서 본 해결은 정비가 필요없는 공간 절약형 PTEE-섭동베아링을 사용함으로서 설계상의 문제점을 해결하는것이 바람직하지만 이들은 pv값이 약 2MPa인 경우에 평균 하중 및 속도범위(0,5-100MPa 및 0,02 - 2m/s)에 들어있는 그의 상한 하중한계로 인하여 단념되어야 한다.

DE 41 05 657에는 다공성 금속층으로 된 지지금속을 가진 섭동재료가 공지되어 있는데 여기에서 정의된 기공이 존재하는 바 기공들과 그의 표면들은 함침(含浸)코팅재로 함침되어서 도포된다. 이 함침코팅재는 평균 입도크기가 0,5 - 30체적-%의 금속산화물, 금속불화물 흑연 또는 이와 동등한 SiC, 탄소-섬유나 또는 유리섬유와 같은 섬유상 소재의 세라믹과 잔여-%가 PTEE로 된 비표면적이 1000-8500㎠인 납금속으로 되어 있다. PTEE이외이 모든 성분의 전량은 6-50 체적-%이다.

DE 41 05 657에서는 단지 금속불화물을 함유하는 함침재인 금속산화물을 가지지 않은 2%PbF₂가 언급되어 있는 바 이것은 다른 하등의 금속불화물을 가지지 않은 실행예들에 비하여 개선된 공동내성과 내마모성이 우수하지 못하다.

EP 0 183 375 A2에서는 특히 쇼크 업소버(완충기)용의 베아링에 대하여 기술되어 있는 바 PTFE로 된 공동내성(空洞耐性)을 향상시켜주기위한 섭동베아링으로 수용성이 보다 작은 불소화합물로 되어 있다. CaF₂또는 MgF₂으로도 될 수 있는 불화물의 함유량의 범위는 1-50 체적% 특히 10-30 용적-%내에 들어 있어야 한다. 선정된 예로서는 20용적-% CaF₂가 언급되어 있다.

GB 912,793에서는 납 및/또는 산화납을 포함한 PTFE로 된 표준형 베아링소재에 대하여 기술하고 있는 바 동 충전재는 16 - 44% 특히 16 - 30% 범위내에 들어 있다.

DE 35 16 649 A1에 공지된 자동윤활베아링은 PTFE 매트릭스내에 박압연판이나 또는 비늘모양의 미립자를 가지고 있는 바 대체로 소결금속층의 표면에 대하여 평행하게 뻗어 있는 일정한 거리를 두고 서로 배열된 다수의 층으로 구성되어 있는 섭동 유선형을 형성하고 있다. 고체윤활제로서 금속산화물과 금속불화물등이 언급되어 있는데 예로서 납 또는 산화납만이 다루어 지고 있다.

본 발명의 과제는 자동윤활베아링소재와 이를 제조하는 데 있는 바 그의 성능이 윤활이 없는 조건하에서 현저히 개선되어서 pv-값이 평균 부하 및 6MPa m/s에 이르는 속도범위에 도달이 될 수 있는 그러한 자동윤활베아링소재로 된 섭동베아링을 제공하는데 있다.

본 과제는 청구범위 제1항에 따르는 자동윤활베아링소재로서 해결이 된다. 섭동베아링 대상은 청구범위 제13항에 들어 있다. 유리한 형태들은 종속청구범위의 대상이 된다.

본 발명은 PbO와 금속불화물을 가지는 PTFE와 결합된 일정한 충전합성재가 삽입될 때 무윤활조건하에 성능이 현저히 올라갈 수 있다는 인식으로부터 유래한다. 이때 PbO와 금속불화물로 된 이러한 충전합성재는 근소하게 제한된 범위가 유지되는 것이 중요하다.

PTFE를 위하여 제공되는 재료에 있어서 금속불화물의 경우 여직껏 선행 기술에서 공지되어 있지 않은 0,1-14 체적-%범위가 특히 우수하다는 것이 의외로 판명되었다. EP 0 18 33 75에서 1 - 50%의 금속불화물이 언급되고 비교적 높은 20%함유향이 특히 유리한 것으로 기재되어 있다면 이는 명백히 공지된 섭동소재에 있어서 전혀 PbO가 존재하지 않음으로 이러한 충전재부재는 많은 금속불화물에 의하여 보충되어야 한다는 결과로 된다. 0,1 - 14 용적 - %의 금속불화물이 특히 유리한 특성을 가지게 된다는 사실은 추측컨대 아마도 섭동 베아링소재내에 15 - 55 용적 - %범위내에서 유지해야하는산화납과의교호작용(交互作用)에 기인한다고 본다. 14용적 - %범위를 넘으면 금속불화물에 PbO를 가한다 해도 더 이상의 개선이 이루어지지 않는다. DE-OS 41 05 657에 따라서 PbO와 금속불화물에 공존할 수 있다하여도 섭동베아링재의 개선된 특성들은 본질적으로 거기에서 기술한 추가존재하는 납금속과 8500㎠에 이르는 그의 특히 큰 비표면적으로 환원되기 때문에 발명에 따르는 PbO와 금속불화물의 함유량은 특히 유리하다고 볼 수 없다. 발명에 따르는 PbO와 금속불화물의 함량 유지에 있어서 추가 납의 함량은 전혀 필요하지 않다는 것이 입증되었다.

PTFE-매트릭스(모체조직)-소재에 있어서 0,1 - 14 용적%가 특히 칼슘불화물의 경우 유리함이 판명되었다. 그러나 PbF₂, MgF₂또는 주기율표상의 제2메인 그룹의 원소의 다른 불화합물과의 경우에도 이러한 범위내에서 섭동베아링재의 상당한 개선이 이루어질 수 있다.

발명에 따른 PTFE의 충전재결합재에서 기술되어 있는 유리한 혼합물의 예컨대 PEEK(Polyetheretherkdtone), PPS(Polyphenylenesulphone), PA(Polyamide), PVDF(Polyvinylidenefluoride), PSU(Polysulphone), PES(Polyethersulphone), 또는 PEI(Polyetherimied)와 같은 합성수지매트릭스으로의 결합에 의하여서도 PTFE 또는 PTFE와 PbO만으로 충전된 유형에 비하여 개선된 결과가 얻어진다. 가장 좋은 결과들은 그러나 발명에 따르는 충전재 결합과 관련 PTFE로서 이루어질 것이다. 합성수지매트릭스가 PTFE로 구성되어 있으면 0,1 - 14 용적%의 CaF₂와 15 - 55 용적 - %의 PbO의 발명에 따르는 범위내에서도 PbO가 24 - 40용적 - %이고 CaF₂가 0,3 - 8 용적-% 범위가 특히 유리하다.

섭동베아링소재의 발명에 따르는 충전재결헙에 의하여 이루어진 개선된 특성들은 더 추가에 의하여서도 일정한 적용을 위하여 그대로 유지되거나 가능할 것이며 이때 이러한 추가함량은 최대 40 용적-% 특히 PbO-금속불화물-충전재결합의 20용적 -%까지 함유한다. 기타 첨가물로서는 경재(硬材), 색소(色素), 섬유(纖維)재, 고체윤활제 또는 열경화성수지(熱)경화(硬化性樹脂)나 또는 고온내열프라스틱으로 된 것들을 적용할 수 있다. 경재로서는 특히 Si₃N₄가 색소로서는 Fe₂O₃또는 그을음(탄소분말)이 적당하다. 섬유재로서는 특히 흑연단섬유(黑鉛短纖維素)나 또는 포리아미드(내열성 섬유)가 적합하다. 우수한 고체연료재로는 MoS2와 붕소질화물이다. 열경화성수지 또는 고온내열성 열프라스틱은 포리아미드마이드나 또는 포리마이드가 사용된다.

이러한 섭동코팅을 한 섭동베아링은 순수합성수지베아링으로서 또는 백메탈과 더불어 제조가능하다. 섭동코팅은 직접 금속배면에 하거나 또는 금속배면에 다공 소결청동으로 된 층을 입히고 이 위에다 섭동층을 입히기도 한다.

3개층으로 된 소재들은 예컨대 강철이나 또는 동 또는 알루미늄합금과 같은 백메탈위에다가 0,15 - 0,5㎜ 두께층의 청동을 소결하여 다공체적이 20 - 45% 범위내에 들게하고 청동의 성분은 5 - 15%주석과 또는 추가로 5 - 15%납을 포함하도록 할 수 있을 것이다. 합성수지혼합은 이리하여 다공질의 배면에 코팅이 됨으로 다공은 완전히 충전(充塡)되며 용도에 따라서는 0 - 50μm의 보호막이 형성된다. 그 다음에 그 소재는 로내에서 열처리를 하게 되는데 포함하고 있는 PTFE3가 최저 380℃에서 소결이 되고 마지막 압연단계에서 최종 합성과 소요 최종치수로 제조된다.

합성수지합성재의 제조는 PTFE-분산방법으로 행하여 지는데 이것은 충전재를 혼합하여 연속적으로 행하여 지는 응결에 의하여 균일한 분포를 이루게 된다. 이때 반죽같이 된 재료가 다음의 코팅과정에 소요되는 특성을 가지게 된다.

실행예들은 다음과 같이 도면과 표들에 의하여 설명되며 그 내용은 다음과 같다:

제1도 CaF₂- 함량에 따른 수명이 그라프로 표시되어 있는 도표이며

제2도 내지 제5도

상이한 성분들에 대한 마모율이 그라프로 표시되어 있는 도표들

예1:

91의 물, 20g의 나트륨라우린황산염(Natriumlaurysulpfate), 13,4㎏dml PbO, 0,85㎏의 CaF₂및 40-% PTFE 21,6㎏-분산을 20분간 격렬하게 교반한다. 그다음에 20-%알루미늄질산염 500g가 첨가된다. 적당한 응고가 이루어진 다음 가공에 소요되는 농도는 11토루엔(Toluene)을 10분간 혼합물에 주입함으로서 생성된다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

발명에 따른 성분들은 마찰계수는 물론이고 내마모성에 있어서도 PTFE/MoS2또는 PTFE/Pb를 베이스로 하는 표준소재보다 우수하며 또한 이러한 섭동베아링소재에 대하여 개선된 PTFE 및 PbO로 된 성분을 능가한다는 것을 입증하였다.

PTFE, PbO 및 CaF₂로 된 성분은 넓은 범위에 걸쳐서 변화되었으며 기술된 삼층소재의 샘플은 그 층 두께가 1,25㎜인 강철, 0,23㎜인 청동 및 0,02㎜인 합성수지보호층으로 만들어 졌다. 이러한 샘플에 핀/롤러-트라이보메터(마찰 및 윤활 측정기)에 의하여 0,78㎠인 시편을 가지고 원주속도가 0,52m/초이고 하중이 17,5MPa인 경우에 있어서 마모율을 측정하여 표준소재와 비교하여 보았다. 표준소재로서는 80 용적-% PTFE와 20 용적-% 납으로된 합성수지층을 가진 합성재로서 표1의 예번호 0으로 제시되고 제1, 2 및 4도에서는 표준 및 선행기술에 의한 소재가 표시되어 있다.

제1도에서 발명에 따르는 섭동베아링의 수명은 충전재의 CaF₂에 좌우되는 것으로 나타나 있으며 이때 충전재총량은 40 용적-%인 경우 일정하게 유지되었다. 명백히 볼 수 있는 것은 사선범위에서 명백하게 돋보이는 수명의 최대치와 최소치를 나타내고 있다. 최대치에 있어서 이루어진 수명치는 합성수지매트릭스에서 산화납만을 가진 베아링소재를 가지고 이루어진 수명에 비하여 3배정도나 더 크다. 발명에 따라 이룰 수 있는 개선들을 설명하기 위하여 표1에서 핀/롤러-시험에 의한 마찰계수와 마모율이 함께 제시된 소재성분이 시험되었다. 제2도에는 그의 결과가 그라프로 대비되어 있다. 명백하게 볼 수 있는 것은 충전합성재로서 PbO/CaF₂를 가진 섭동베아링재가 모든 경우에 있어서 PbO만을 가지는 섭동베아링소재보다 성능이 보다 우수하다는 것이다.

표2와 제3도에 예7내지 11의 비교된 결과로 보아서 발명에 따르는 섭동베아링소재는 또한 유리한 특성들을 잃지 않으면서도 기타 혼합물과도 결합이 될 수 있다는 것이다. 부분적으로 이러한 혼합물에 의하여 더욱 더 현저한 개선이 이루어진다.

예들 12와 13에서 보면 칼슘불화물대신에 마그네슘불화물과 납불화물이 사용되었다. 칼슘불화물을 가지는 성분에 비하여 그의 해당 결과가 표3에 요약이 되어 있다. 명백한 것을 발명에 따른 효과를 달성하기 위하여서는 주기율표의 제2그룹의 금속과 또 다른 불화결합물이나 또는 납불화물도 적합하다는 것이다.

예5와 6에 의한 성분들로부터 직경이 22㎜인 부시(bush)가 제작되어서 그의 한계하중에서 회전시험이 행하여졌다. 한계하중으로서는 가능한 최대하중으로 지정이 되었는 바 이 경우 0,125m/초의 속도에서 주행거리는 22,5㎞에 달하였다. 그의 결과로 보아서 특징은 마찰계수와 온도의 급상승으로 연속시험의 경우에 평균마모깊이가 90μm와 동등한 것으로 나타났다. 예5의 결과는 다른 평가로서 6MPa m/초의 pv-값에 해당된다. 이의 결과가 제4도에 그라프로 나타내었다.

발명을 유리하게 유도하기 위한 또 다른 가능성은 PTFE를 포함하는 발명에 따르는 혼합물을 열가소성매트릭스로 한 다음에 임의의 방법으로 섭동베아링요소로 가공하는데 있는 바 예컨대 백메탈위에 청동중간층을 입히거나 또는 순수합성수지로 제조하는 것이다. 이때 열가소성함량은 60-95 용적-%범위내에서 변화시킬 수 있다. 예 2 내지 13은 이와 같은 방법으로 제조된 것이다. 예들 14 내지 16에서 매트릭스재 PTFE대신에 이제 PEEK를 PTFE와 함께 사용되었으며 샘플들은 분말혼합에 의하여 제작되었다. 동 혼합물들은 압출가공-배합에 의해서도 제조가능하다. 표4와 제 5도에서는 발명에 따른 효과를 설명하기 위하여 PEEK합성재의 마찰계수와 마모율이 PTFE, PTFE/PbO 및 PTFE/PbO/CaF₂와 더불어서 제시되어 있다. CaF₂또한 여기에서 납산화물의 마모저감효과를 뒷받침 해주고 있다는 것을 여기에서 알 수 있다.

Claims

PbO와 적어도 한가지 금속불화물을 가지는 충전재를 포함하는 합성수지매트릭스를 가진 PTFE로 된 자동윤활 베아링소재에 있어서,

PbO함량은 15 - 55 용적-%이고 금속불화물함량은 0,1 - 14 용적-%를 가지는 것을 특징으로 하는 자동윤활베아링 소재.
제1항에 따른 베아링소재에 있어서,

합성수지매트릭스는 PTFE외에도 PEEK, PPS, PA PVDF, PSU, PES 또는 PEI가 개별적으로나 또는 이들의 합성으로도 제시되어 있는 것을 특징으로 하는 베아링 소재.
제1 항 또는 2항에 따르는 베아링소재에 있어서,

금속불화물은 CaF₂, PbF₂, MgF₂또는 주기율표상의 제2그룹의 원소에 대한 불소화합물인 것을 특징으로 하는 베아링소재.
제1항에 따르는 베아링소재에 있어서,

합성수지매트릭스는 PTFE로 구성되어 있으며 충전재는 15 - 55 용적%의 PbO 및 0,1 - 14용적 - %의 CaF₂로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 베아링소재.
제4항에 따르는 베아링소재에 있어서,

합성수지매트릭스는 PTFE로 구성되어 있으며 동 충전재는 20 - 40 체적 0 % PbO 와 0,3 - 8용적 - %의 CaF₂로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 베아링소재.
제1항 내지 3항에 따르는 베아링소재에 있어서,

한가지 또는 그 이상의 경재, 색소, 섬유재, 고체윤활제 또는 열가소성이나 고온열프라스틱에 의하여 PbO/금속불화물-충전재의 40 용적 - %까지 대체되어 지는 것을 특징으로 하는 베아링소재.
제6항에 따르는 베아링소재에 있어서,

한 개 또는 그 이상의 경재, 색소, 섬유재, 고체윤활제나 또는 열가소성-또는 고온열프라스틱에 의하여 PbO/금속불화물-충전제의 20 용적-%에 이르기까지 대체되어 지는 것을 특징으로 하는 베아링소재.
제6항 또는 7항에 따르는 베아링소재에 있어서,

경재는 Si₃N₄인 것을 특징으로 하는 베아링 소재.
제6항 내지 8항에 따르는 베아링소재에 있어서,

색소는 Fe₂O₃또는 그을음(탄소)인 것을 특징으로 하는 베아링소재.
제6항내지 9항에 따르는 베아링소재에 있어서,

섬유재는 흑연단섬유나 또는 폴리아미드섬유상(내열성 섬유)인 것을 특징으로 하는 베아링소재.
제6항내지 10항에 따르는 베아링소재에 있어서,

고체윤활재는 MoS2나 또는 붕소질화물인 것을 특징으로 하는 베아링소재.
제6항내지 11항에 따르는 베아링소재에 있어서,

열가소성- 또는 고온열프라스틱은 포리아미드마이드(Polyamideimide)나 또는 포리머(Polymer)인 것을 특징으로 하는 베아링소재.
자동윤활 합성수지섭동층을 가진 섭동베아링에 있어서,

합성수지층은 충전재로서 5 - 55 용적-%의 PbO와 0,1 - 14 용적-%의 금속불화물을 가지는 것을 특징으로 하는 섭동베아링.
제13항에 따르는 섭동베아링에 있어서,

섭동층은 직접 하나의 백메탈에 코팅되는 것을 특징으로 하는 섭동베아링.
제13항에 따르는 섭동베아링에 있어서,

섭동층은 다공 소결청동층으로 된 하나의 백메탈위에 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 섭동베아링.
제15항에 따르는 섭동베아링에 있어서,

소결청동은 20 - 45%인 기공용적을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 섭동베아링.
제15항 또는 16항중의 어느 한 항에 따르는 섭동베아링에 있어서,

소결청동은 5 - 15%의 주석을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 섭동베아링.
제15항내지 17항의 어느 한 항에 따르는 섭동베아링에 있어서,

소결청동은 5 - 15%의 주석과 5 - 15% 납을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 섭동베아링.
제13항에 따르는 섭동베아링에 있어서,

이것이 순수한 합성수지섭동요소들로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 섭동베아링.