KR19990013564A - 슬라이딩 구성요소들용 복합 다층재료와 베어링쉘들의 제조공정 - Google Patents

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칼-헤인쯔 크룬탈러
베르너 루체티
한스-율리크 훈
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로버트게오르게알렉산더
글리코-메탈-벨케글리코베.파오.운트코.카게
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Abstract

무연의 복합다층재료가 언급되며, 이것은 종래의 납의 삼성분계 베어링 재료들에서 나타나는 안정성, 임시운행 성질들 그리고 기계적인 적재능력에 대하여 적어도 긍정적인 특성들을 나타낸다. 이 복합다층재료는 베어링 금속층이 50 내지 95 wt%의 구리 함량을 가지는 무연의 구리합금으로 이루어지고 피막는 주석과 구리를 포함하는 무연의 합금으로 이루어지며, 여기서 구리함량은 3 내지 20 wt%에 달하고 주석함량은 70 내지 97 wt%에 이른다. 상응하는 베어링 쉘들의 제조공정도 물론 언급된다.

Description

슬라이딩 구성요소들용 복합 다층재료와 베어링쉘들의 제조공정
본 발명은 삼성분층, 베어링금속층, 확산차단층 그리고 전기도금에 의하여 가하여진 피막을 포함하는 평베어링용 복합다층재료에 관한 것이다. 또한 발명은 베어링쉘의 제조를 위한 공정에 관한 것이다.
강철후면/납-청동/납-주석-구리 피막을 포함하는 구조의 복합다층재료들은 매우 안정적인 것으로 입증되어 왔고 높은 기계적인 부하적재능을 가진다. 이러한 복합다층재료들은 예를들어 Clyco Ingenieurber-ichte 1/91에 기술된다.
이러한 재료그룹의 전형적인 표시예는 아래의 구조를 갖는다 :
강철
CuPb22Sn 베어링 금속
니켈 차단벽
PbSn10Cu2 피막
전기도금된 피막는 특히 다기능성의 재료이며, 이것은 그중에서도 다음의 과제들을 수행한다 :
- 외부입자들에 대한 고용성
- 상대 미끄럼 부분들의 일치 또는 적합성
- 납-청동에 대한 부식차단
-오일부족으 경우 임시 운행성
이 베어링금속은 마찬가지로 피막가 완전히 마모되는 경우 어떠한 임시예비운행을 포함한다.
이러한 베어링구성은 수십년간은 유효한 것이 입증되어 왔으며 현재도 여전히 베어링금속과 피막에 다량의 납을 포함한다. 이것은 중금속으로 인한 환경침해의 관점에서 좋지 못하다.
현재생산되는 무연의 평베어링들은 알루미늄을 기초로 한다. 강철상에 알루미늄합금을 포함하는 2성분 베어링들이 주로 사용된다. 이 알루미늄에서 합금요소들은 바람직하게 주석, 실리콘, 니켈 그리고 구리이다. 이러한 재료 그룹들의 단점들은 이들의 낮은 피로강도, 낮은 노치(notch) 민감성, 낮은 열저항, 불충분한 고용성 그리고 상대적으로 낮은 열전도성이다.
전기 증착은 지금까지 주로 플르오르화 붕산염을 포함하는 베스(bath)를 사용하여 수행되어져 왔다. 구리증착은 이러한 베스들에서 최고 2vol%의 속도로 수행될 수 있으며, 반면 시안나이드 베스에서 20vel%까지의 구리에 대한 증착속도가 달성될 수 있다. 그러나 코팅이 매우 브리틀하고 이러한 관점에서 매우 내구성이 없는 것이 불명하다.
특허공보 제 DE-OS 27 22 144에는 다층평베어링용의 연금속베어링합금으로서 6 내지 10wt% 구리와 10 내지 20wt% 주석이상과 나머지는 납을 포함하는 합금의 사용을 공지한다. 이 합금은 그중에서도 특히 전기증착에 의하여 적용될 수 있으며, 여기서 니켈중간층은 확산차단벽으로서 제공된다. 그러나 이러한 공지된 합금은 종래의 전해질베스를 사용하여 제공되며 조대한 주석분포를 나타낸다.
전자부품들의 코팅은 H. van der Heijden의 금속표면에서 317-320쪽에 있는 플루오르 붕산염과 플루오르 붕산염이 없는 전해질로부터의 주석-납 전기도금(galvanisches Abscheiden von Zinn-Blei aus Fluoroborat und fluorboratfreien Elektrolyten)에 기술된다. 주석과 납은 다양한 유기술폰산들에서 일반적인 RSO3H의 여기서 R은 알킬족을 나타내는 화학식으로 쉽게 용해될 수 있다. 이 술폰산은 전해반응동안 완전히 안정된 것으로 나타난다. 미끄럼 요소들의 전기도금을 위한 이러한 플루오르 붕산염이 없는 베스들의 사용이 미끄럼요소들의 제조를 위하여 필수적인 적합한 첨가물로서 언급된다.
수용성 산성용액들이 주석 및/또는 납-주석 합금들의 전기분해도금을 위하여 특허공보 제 DE 39 02 042 A1에 공지되어 있다. 이러한 2성분 전기도금베스들은 부식방지로서 예를들어 인쇄회로판과 밧테리들을 위하여 사용되며, 여기서 내마모적이지 않고 따라서 미끄럼요소들을 위하여 사용될 수 없는 상대적으로 연한층이 도금된다. 금속염들, 억제제 그리고 무알칸 술폰산에 부가하여 이들 공지된 전기도금베스들은 광택제들을 포함하며, 이것은 예를들어 삼성분베스들로 이들 베스들을 사용케하는 것을 불가능하게 한다. 구리염이 예를들어 첨가되는 경우 베스조성이 본질적으로 주석에 적합하기 때문에 최대 1% 구리만이 도금될 수 있다는 것이 보여져 왔다.
특허공보 제 JP 02/93096A(일본 특허용약, C-732, Vol. 14/NO. 294)에는 미끄럼요소들을 제조하기 위한 공정을 나타내며, 여기서 Pb-Sn-Cu의 피막가 전기도금에 의하여 미리 제조된 반제품에 가하여 진다. 이러한 단부로 광택제들을 포함하지 않지만 알킨술폰산과 비이온침윤제 포함하는 무플루오르붕산염 전해질이 사용된다. 그러나 이러한 공지된 전기도금베스들로서는 또다시 거친 주석도금이 이루어지며, 여기서 층구조는 일반적으로 불규칙적이다. 평베어링들에 대한 높은요구는 전체적으로 만족스럽지 못하다.
특허공보 제 DE 195 45 427은 마찬가지로 납-주석-구리의 피막를 만들기 위한 무플루오르 붕산염 전기도금베스를 공지하며, 이 베스들은 카복실산과 지방산 글리콜 에스테르를 함유하는 입경정련제를 포함한다. 이와같은 방식으로 주석의 미세한 결정증착이 이것의 완전히 균일한 분포로써 달성되며, 2 내지 16wt%의 구리도금이 얻어진다.
보다 앞선 독일출원 제 DE 196 22 166에는 단단한 입자들을 가지는 삼성분층들을 나타내며, 여기서 무플루오르붕산염 전기도금베스들이 첨가된 알킬술폰산과 함께 기지물질에서 단단한 입자들의 완전히 균질한 분포를 얻기 위하여 이 피막에 대하여 사용된다. 납을 함유하는 피막들에 부가하여 이들 알킬술폰산베스들은 SnCuNi, Sn, SnCu 그리고 CuSn으로 이루어지는 무연층들의 적용을 위하여 역시 사용될 수도 있다. 그러나 비록 16%까지의 구리함량이 이들 무연층들로써 달성될 수 있지만 이들층들은 기계적부하 적재능과 피로강도에 관한한 만족스러운 성질들을 나타내지 못하는 것이 알려져 왔다.
본 발명의 목적은 따라서 종래의 납삼성분 베어링재료들에서 나타나는 안정성, 임시운행특성 그리고 기계적 부하적재능에 대하여 적어도 긍정적인 특성들을 보이는 무연의 복합다층재료를 제공하는 것이다. 또한 베어링쉘들의 제조공정을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 복합다층재료에 있어서 베어링금속층이 50 내지 95wt%의 구리함량을 가지는 무연의 구리합금으로 이루어지고 피막가 주석과 구리를 포함하는 여기서 구리성분은 3 내지 20wt%에 달하고 주석성분은 70 내지 97wt%에 달하는 무연의 합금으로 이루어지는 것으로 달성된다.
복합다층재료에 있어서 베어링금속층이 50 내지 95wt%의 구리함량을 가지는 무연의 구리합금으로 이루어지고 피막가 주석과 구리를 포함하는 여기서 구리성분은 3 내지 20wt%에 달하고 주석성분은 70 내지 97wt%에 달하는 무연의 합금으로 이루어지는 것.
이 베어링금속층은 바람직하게 구리-알루미늄, 구리-주석, 구리-아연, 구리-아연-규소, 구리-아연-알루미늄 또는 구리-알루미늄-철의 합금으로 이루어진다. 예를들면 CuAl8, CuSn8, CuZn33, CuZn31Si, CuZn40Al2 또는 CuAl10Fe이다. 이 피막는 각가이 20wt% 보다 많지 않은 비율로 비스무드(bismuth) 및/또는 은 및/또는 니켈을 포함할 수도 있다.
이 피막는 부가적으로 단단한 입자들을 포함할 수도 있으며, 여기서 Al2O3, Si3N4, 다이아몬드, TiO2또는 SiC가 가능한 물질이다. 이러한 단단한 입자들은 이들 자체로 피막에 또는 조합하여 포함될 수도 있다.
확산 차단층은 그 위에 증착된 1 내지 3㎛ 두께의 니켈층과 2 내지 10㎛ 두께의 니켈-주석층으로 이루어질 수도 있다. 다른 변형에서는 이 확산차단층은 마찬가지로 1 내지 3㎛의 두께를 가질 수 있는 코발트로 이루어진다.
베어링쉘들을 제조하기 위한 공정은 우선 무연의 구리재료로된 베어링금속이 강철띠상에 주조되게 제공되며, 여기서 이 강철띠에 대하여 베어링금속용융체의 젖음성에 의존하는 강철대상으 니켈, 주석 또는 구리로된 침윤제층들을 제공하는 것이 필요할 수도 있다. 이러한 층들은 전기도금에 의하거나 또는 용융상태법(molten state method)에 의한 무전해방식으로 제조되며 바람직하게 1 내지 20㎛의 두께가 된다. 베어링 금속의 미세입경 구조로의 조정은 금속작업과 열처리공정의 조합으로써 이루어 진다.
복합재료의 이러한 열기계학적 처리후, 베어링쉘들은 거기서부터 가압된다. 이 베어링쉘들은 무전해 화학 또는 전해화학 공정들에 의하여 니켈, 니켈/니켈-주석 또는 코발트의 확산차단층과 주석을 바탕으로한 무연의 피막로서 제공된다.
삼성분의 무플루오르 붕산염 전기도금 베스는 광택제들을 생략되지만 여기에 비이온성의 침윤제들과 무알킬술폰산, 지방산폴리글리콜에스테르가 첨가되어 사용되며, 그리고 카복실산을 포함하는 입경정련제가 역시 사용된다.
단단한 물질의 입자들은 특히 내마모성을 증가시키기 위하여 베스에 분산된다. 베스로의 적합한 침윤제들의 첨가는 이 이입자들을 피막와 함께 공동증착시키는 것을 가능하게 한다.
이 분산의 부피 퍼센트는 최고 20%에 달하며, 입자크기는 평균 1㎛ 이하에 이른다.
무연의 구리합금은 부시생산(bush production)(참조 구리를 바탕으로한 베어링 재료들 Deutsches Kupferinstitut e.v. 1961)으로부터 이미 공지되어 있고 유효한 것으로 입증되어 왔다. 그러나 부시들은 베어링쉘들 보다 더낮은 기계적부하와 더낮은 회전속도를 나타낸다. 이러한 이유 때문에 지금까지 베어링쉘들을 위한 이러한 재료들의 사용이 고려되지 않아왔다. 그러나 만약 피막가 부가적으로 적용되어지면 이러한 구리재료들은 베어링쉘들에 적합하게 된다.
피막로부터 납을 없애는 것이 역시 필요하였기 때문에 이 피막 재료를 무연의 베어링 재료와 접합하여 사용할 때키는 것에 대하여 선택의 완전한 자유가 없었다. 주석-구리합금들이 구리함량이 5 와 20% 사이일 때 부식저항, 부하적재능력 그리고 고용성에 관련하여 최상의 결과를 보이는 것이 알려져 왔다.

Claims (8)

  1. 후면층, 베어링 금속층, 확산차단층 그리고 전기도금에 의하여 가혀지는 피막를 포함하는 평베어링용 복합 다층 재료에 있어서,
    이 베어링 금속층은 50 내지 95 wt%의 구리함량을 가지는 무연의 구리 합금으로 이루어지고 오베레이는 3 내지 20 wt%에 달하는 구리함량과 70 내지 97wt%에 달하는 주석함량의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로하는 복합다층재료.
  2. 제 1항에 있어서,
    베어링 금속층은 구리-알루미늄, 구리-주석, 구리-아연, 구리-아연-규소, 구리-아연-알루미늄 또는 구리-알루미늄-철의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합다층재료.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    피막는 20 wt%를 넘지않는 비율로 비스무드 및/또는 은 및/또는 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합다층재료.
  4. 제 1항 내지 제 3항중 어는 한 항에 있어서,
    피막는 Al2o3및/또는 Si3N4및/또는 다이아몬드 및/또는 TiO2및/또는 SiC의 형태인 단단한 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합다층재료.
  5. 제 1항 내지 제 4항중 어는 한 항에 있어서,
    확산 차단층은 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합다층재료.
  6. 제 5항에 있어서,
    확산 차단층은 그위에 증착된 1내지 3㎛ 두께의 니켈층과 2 내지 10㎛ 두께의 니켈-주석층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합다층재료.
  7. 제 1항 내지 제 7항중 어는 한 항에 있어서,
    확산 차단층은 1내지 3㎛ 두께의 코발트층으로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 복합다층재료.
  8. 베어링 쉘들의 제조공정에 있어서,
    - 무연의 구리 합금으로된 베어링 금속이 강철띠상에 주고되고,
    - 베어링 금 속의 미세 입경 구조로의 조정이 금속작업과 열처리공정의 조합에 의하여 이루어 지며,
    - 베어링 쉘들은 복합재료로부터 형성되고,
    - 니켈, 니켈/니켈-주석 또는 코발트로된 확산차단층은 무전해 또는 전해화학 증착에 의하여 제조되며,
    - 5 내지 20㎛ 두께의 주석기본의 무연 피막가 전기도금에 의하여 확산 차단층상에 증착되며, 이를 위하여 삼성분의 무플루오르 붕산염 전기도금 베스가 광택제는 생략되지만 비이온성의 침윤제와 무 알컬 술폰산이 첨가되며, 지방산 폴리 글리콜 에스테르 그리고 카복실산을 포함하는 입경 정련제가 역시 사용되는 것을 특징으로 하는 공정.
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