KR19990028568A - 평베어링 재료 및 그의 이용 - Google Patents

Abstract

평베어링재료가 마트릭스재료와 그리고 적어도 하나의 플루오로프라스틱재료와 충진재로 구성된 내마찰재료를 포함한다. 이 내마찰재료는 충진재로서 5내지 48용적%의 보론 나이트라이드와 2내지 45용적 %의 층상구조를 가지는 적어도 하나의 화합물을 포함하며 플루오로서머프라스틱비율은 적어도 50내지 85용적%에 달한다. 이 플루오로서머프라스틱재료는 PTFE또는 첨가제들을 가지는 PTFE이며; 즉 MoS₂, 텅스텐썰파이드, 티타늄썰파이드또는 티타늄아이오다이드가 금속화합물로서 사용될 수 있다. 이 마트릭스재료는 소결된 브론스일스가 있으며 이 소결된 브론스속에로는 내마찰재료가 미세하게 분산되어있는 서머프라스틱재료또는 내마찰재료가 합체되어있다. 전체의 평베어링재료에서 프라스틱마트릭스의 비율은 60내지 95용적%에 놓여있다.

Description

평베어링 재료 및 그의 이용

프라스틱이 기초로되어진 피복층들을 가지는 베어링재료들은 단일층, 2개층 또 3개층의 복합재료들 : 고체 프라스틱베어링, 외측의 금속지지부(backing)를 가지며 직접도포된 또는 부착된 프라스틱을 가지는 베어링, 내부의 와이어세공물들을 가지는 다른 그러한 것들, 그리고 또 지지금속으로된 3개층의 베어링, 소결된 다공질 금속층 그리고 가공들 속에 형성된 피복층등으로서 알려져 있다. 모든 이러한 베어링들은 일반적으로 윤활유의 사용이 불가능하거나 또는 바람직하지 않은 구역들에서 일반적으로 사용된다. 이 이유 때문에 이들은 작동중에 있을 때 이들 윤활유 자세를 제공하지 않으면 안된다.

다수층재료들은 예를들면 부하시의 냉간유동(cold flow)에의 무시해도 좋은 경향에 의하여, 실질적으로 더 우수한 열전도도에 의하여 그리고 이것과 연결하여 현저하게 더 높은 가능한 PV치에 의하여, 고체 플라스틱재료들과는 다르다. 그러나 고체프라스틱재료들은 예를 들면 원가의 이유들 때문에 어떤 경우들에서는 역시 유리할 수 있다.

3개층 재료들 중에 또 예를 들면 PTFE, PFA, FEP등과 같은 플루오서머 프라스틱에 기초를 둔 피복층들을 가지는 재료들과 PEEK와 같은, 다른 프라스틱에 기초를 둔 피복층들을 가지는 재료들 사이를 구별하는 것은 가능하다. 후자의 2개 그룹들은 그들의 작용방법에서 상이하다 : 즉 PTFE에 기초를 둔 재료들의 경우에 브론스 중간층이 피복층의 "활성의(active)" 부하-베어링 부품이며 일종의 충진재와 같이 작용하는 반면에 다른 재료들은 그것을 다만 고착수단(anchoring means)으로서만 사용한다. 금속지지부(metal backing)에 대한 충분한 진화성이 있다면 이들은 실질적인 2개층 재료들의 생산을 허용하며, 그러나 역시 접착제의 도움으로 피복되어 질 수 있다. 활성의 피복자체 위에서 열경화성 재료는 그 다음에 브론스의 지지역할을 떠맡는다. 금속지지부에 마찬가지로 부착되어 질 수 있는, 프라스틱 중에 합체된 와이어망사들(wire meshes)를 가지는 다른 그러한 재료들 또는 금속에 부착된 충진된 플루오로서머프라스틱 필름들의 베어링 재료들이 역시 공지되어 있다.

이 발명은 하나의 기초재료(matrix material)와 그리고 적어도 하나의 플루오로서머프라스틱과 충진재들로된 슬라이딩 재료를 포함하는 평베어링 재료에 관한 것이다. 이 발명은 역시 그러한 평베어링 재료의 사용에 관한 것이다.

실시예들이 도면과 표들의 도움으로 더자세하게 아래에 기재된다; 즉

도1은 충진재의 보론나이트라이드함량에 좌우되는 마모율을 보이며, 그리고

도2-4는 표들에 집결된 실험결과들의 그래프 표현도이다.

일반적인 적용을 위하여 그리고 제조의 편이를 위하여 가장 유리한 재료들은 역시 최고의 성능과 온도 내성을 나타내는 PTFE와 같은 플루오로서머프라스틱에 기초를 둔 3개층 재료들이다. 제조공정에서 균일한 PTFE/충진재 페이스트들(pastes)은 프라스틱 분산체에 의해 생산되며 그리고 최종 복합재료는 지지재료상으로의 그의 압연다음의 PTFE의 소결을 포함하는 완성단계에 의하여 제조된다.

그러한 재료들을 위하여 가장 보통으로 사용된 충진재들은 연 및 몰리브데늄 디쎌파이드이며, 이들 재료들은 실질적으로 동일한 성능수준들을 제공한다. 이들 중전재들은 윤활제들의 존재중에서 역시 사용되어 질 수 있다.

많은 경우들에 있어서, PTFE 피복을 가지며 수선유지작업이 불필요하고, 장소를 절약하는 평베어링을 사용하는 것에 의하여 구조적인 문제들을 해결할 수 있는 것이 바람직할 수 있을 것이다. 그러나 2MPa m/s의 PV치에서 평균부하 및 속도범위(0.5-100MPa 및 0.02-2m/s)안에 놓여있는 상부 부하 한계는 이들 평베어링들의 사용을 제한한다.

더 우수한 성능수준들을 가지는 평베어링 재료들이 충진재로서의 PbO를 사용하는 것에 의하여 생산되어 질 수 있으나 그러나 건강을 해칠 가능성이 있는 연과 같은 재료들의 사용에 부수된 증대하는 결점이 있다는 것이 DE 41 06 001 A1으로부터 공지되어 있다. 더구나 윤활제가 없는 용도에 최적의 적합성이 있는 그러한 재료들은 예를들면 충격흡수 피스톤 로드에 대한 안내붓싱으로 사용하기에는 부적합한데 왜냐하면 이들 조건들하에서 이들은 필요한 내마모성 및 공극형성에 대한 내성을 나타내지 않거나 또는 그 외에 이들의 마찰계수가 충분하게 높기 때문이다.

다만 PTFE 및 몰리브데늄썰파이드로되어 있는 피복층들을 가지는 베어링재료들은 오랫동안 공지되어 왔으며 그리고 현재 몇가지의 가장자주 사용된, 윤활제가 없는 베어링재료들이다. 고형의 윤활제인 것으로 알려진 브론나이트라이드는 이 윤활제성질들이 다음에 다만 800℃ 이상의 온도에서만 유효하게 된다는 사실에도 불구하고 PTFE에 대한 가능한 충진재로서 역시 반복해서 거명되어진다.

그래서, 몰리브데늄썰파이드 및 보론나이트라이드 양자모두는 고형의 윤활제의 일람표에서의 예들로서 DE-PS 11 32 710호에 이미 언급되었다. 그러나 PTFE에서는 몰리브데늄디썰파이드 및 보론나이트라이드의 동시의 사용이 언급되지 안했다.

이 발명이 기초하여진 과제는 연이나 연화합물에 의하지 않고 열가소성 재료를 포함하는 프라스틱베어링 재료들의 상술한 이점들을 확대시키는 충진재조성물 제공하는 것이다.

이 과제는 상기의 슬라이딩재료가 충진재로서 5-48 용적% 보론나이트라이드와 층상조직을 가지는 적어도 하나의 금속화합물의 2-45 용적%로 포함하며 플루오서머프라스틱의 이 비율은 50-85 용적%에 달하는 것에서 해결되어 진다.

육각형의 변형으로된 보론 나이트라이드가 선호되는 곳에서 보론나이트라이드의 충진재 조성물과 그리고 층상구조를 가진 적어도 하나의 금속화합물의 사용에 의하여 프라스틱베어링 재료의 성질들의 이들 충진재들의 다만 하나를 포함하는 베어링 재료들에 비하여 현저하게 개량될 수 있음이 보여져 왔다. 이 성질들은 특히 부하능력, 내마모성 및 공동화 내성을 포함한다.

상기 금속화합물들의 층상 구조는 외력이 가해질 때 어떤 격자평면들의 서로에 관한 이동이 원자의 구성부분들의 약한 상호작용들에 의하여 더 용이하게 만들어지도록 결정격자의 이방성을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 가능한 금속화합물들은 예를들면 몰리브데늄디썰파이드 및 또는 텅스텐 썰파이드 및/또는 티타늄 썰파이드 및/또는 티타늄 아이오다이드이다.

이 플루오로서머프라스틱은 바람직하게는 PTFE이거나 혹은 ETFE, PCTFE, ECTFE, PVDF,또는 FEP로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 플루오서머프라스틱의 첨가를 가지는 PTFE이다.

마트릭스제료는 브론스 후레임위크속으로 슬라이딩재료가 삽입되는 그러한 브론스후레임위크일 때, 혹은 마트릭스재료는, 서머프라스틱안으로 슬라이딩재료가 미세한 분산물로 혼합되어지는 그러한 서머프라스틱이며 전체의 평베어링재료에 기초하여진 프라스틱마트릭스재료의 비율은 60-95용적%, 바람직하에게는 70-90용적%에 달할 때 유리한 성질들은 특히 명백하여진다.

프라스틱마트릭스재료는 바람직하게는 PPS, PA, PVDF, PSU, PES, PEI, PEEK, PAI 또는 PI를 포함한다.

PTFE/소결된 브론스-기초하여진 평베어링재료들에서 이 성능수준은 윤활제가 없는 조건하에서PV치들이 평균적인 부하에서 그리고 5MPa m/s까지의 속도범위에서 얻어지도록 그렇게 개량된다. 동시에 이 재료들은 선행기술에 비교할 수 있는 오일윤활을 가지는 마찰계수에 의하여 그리고 개선된 공동화 내성에 의하여 구별되어진다. PPS, PA, PVDF, PSU,PES,PEI, PEEK, PAI또는 PI와 같은 상이한 프라스틱마트릭스를 가지는 플루오로프라스틱을 함유하는 재료들을 가지는 경우조차도 이 발명에 따르는 충진재조성물은 단일성분들로 충진된 변형체들에 비하여 내마모성에서 현저한 개선을 제공할 수 있다.

보론나이트라이드의 비율은 바람직하게는 6.25와 32용적%사이에 있으며, 금속화합물의 비율은 바람직하게는 5와 30용적%사이에 있다. 이 충진재들의 입자크기는 바람직하게는 40μm이하, 특히 20μm이하이다.

이 발명에 따르는 비율이외의 비율들은 PTFE 및 보론나이트라이드 또는 PTFE와 MoS₂의 조성들에 비하여 어떤 실질적인 개량을 제공하지 않는다. 그러나 상기한 성분들로부터 출발하여 보론나이트라이드/금속썰하이트충진제조성물의 40용적%까지 그러나 바람직하게는 20용적%이상이 안되게, 예를 들면 서머셋트또는 고온서머프라스틱과 같은, 예를 들면 폴리이미드 또는 폴리아미드이미드와 같은 다른성분들, 예를들면 코오크와 같은 예를 들면 흑연, 안료와 같은 고형의 윤활제들 그리고 짧은 흑연섬유또 아라미드섬유와 같은 섬유상재료 또는 예를들면 보론카아바이드 또는 실리콘나이트라이드와 같은 단단한 물질로서 대체하는 것이 가능하다.

이 발명에 따르는 슬라이딩재료가 고형의 프라스틱슬라이딩요서로써 열가소성물질들의 마트릭스재료와 함께 사용되어질 수 있다. 그러나 평베어링재료는 역시 다수층재료를 위한 피복으로서의 사용을 발견할수있으며 이것은 금속지지부에 직접피복층을 적용하는 것이 가능하다. 소결된 브론스마티릭스를포함하는 피복층을 가지는 후자의 다수층재료들은 브론스층이 20-45%의 기공용적을 가지며 그리고 이 브론스자체의 성분이 5-15% 주석과 그리고 선택적으로 15%까지의 연을 포함하는 그러한 방법으로 브론스의 0.05-0.5mm 두께의 층이 지지부금속상에 소결되도록 그렇게 구성되어 있다. 이 슬라이딩재료의 혼합물은 그 다음에 기공들이 완전히 채워지고 그리고 이것이 사용하게 될 용도에 의존하여 0-50μm두께의 피복층이 나타나도록하는 그러한 방법으로 다공성의 기질상이 롤링하는것에 의하여 도포된다. 이 재료는 그다음에 오븐내에서 열처리를 받게되며 이 열처리동안에는 얻어진PTFE는 완성하는 롤링단계에서 최종조성과 필요한 최종크기를 만들기 위하여 380℃에서 3분동안 소결된다.

이 슬라이딩재료는 아래의 예1에서 기재되어진바와 같이 PTFE분산물에 의하여 생산될 수 있으며 이 PTFE분산물에는 충진재들은 이들이 다음에 응고가 행하여질 때 균일한 분산물상태로 있도록 하는 그러한 벙법으로 가해진다. 그 다음에는 다음의 코팅공정에 필요한 성질들을 가지는 풀과 같은 조성이 나타난다.

예1.

물12ℓ, 소윰로릴 쎌페이트 25g, 보론나이트라이드 3㎏, 몰리브데늄쎌파이드 15.9㎏그리고 35%PTFE분산물의 34㎏이 20분동안 격렬하게 교반되어지고 20%알루미늄나이트레이트용액 100g이 다음에 첨가된다. 응고완료후에 1ℓ톨루엔이 상기혼합물에 혼합되며 일출된 유체는 제거된다.

PTFE/브론스마트릭스피복을 가지는 3개층시스템들을 포함하는 그룹으로부터의 표1내지 4에서의 인용하여진 다른예들이 모두가 상기한 방법으로 생산되어질 수 있다. 그러므로 아래에서는 프라스틱혼합물들의 성분들만이 언급되어진다.

그술된방법으로 제조된 재료들은 마찰계수와 마모저항의 양자에 관련하여PTFE/MoS₂또는 PTFE/Pb에 기초하여진 표준재료보다도 이 발명에 따르는 조성들에서 현저하게 더 우수하다.

내식성 및 마찰계수와 같은 성질들을 시험하기 위하여 PTFE, 보론나이트라이드 및 몰리브데늄디썰파이드의 성분들이 넓은 범위에 걸쳐서 변동되어졌으며 그리고 1.25㎜의 강, 0.23㎜의 브론스 그리고 0.02㎜의 프라스틱피복층을 포함하는 상술한 3개층재료의 시료들이 만들여졌다. 0.52㎧의 원주속도에서 그리고 17.5M㎩의 부하에서 상기시료들의 마모율이 0.78㎠시험편들과 핀/롤러 트리보메터를 사용하여 측정하였고 표준재료와 비교하였다. 사용된 표준재료는 80용적%의 PTFE 및 20용적%의 MoS2로 되어있는 프라스틱층을 가지는 상기한 타입의복합재료이다.

도1은 충진재의 보론나이트라이드함량에 의존하는 마모율을 나타내며 여기서 전체의 충진재는 30용적%에서 일정하게 유지되어진다. 이발명에 따라서 사선이 그어진 범위에서는 예를 들면 다만 몰리브데늄썰파이드만을 포함하는 저성물이 우수한것보다 약4배가 되는 이들의 가장좋은 조성물들을 공개하는 최소의 마모점이 있다는 것을 명백히 볼수가 있다.

이발명에 따라서 얻을 수 있는 개량들을 명백히 하기위하여 핀/롤러시럼에 의하여 얻어진 마찰계수 및 마모율과 함께 표1에 열거된 재료조성들이 추가적으로 시험되었다. 도2는 도표로 그결과들을 비교하고있으며 이결과들은 충진재 조합물이 2개성분들중의 바로 하나보다도 각각의 예에서 더좋게 성능을 나타낸다는 것을 보여준다.

예의 조성7-11을 가지고 얻어지고 그리고 도2와 도3에서 열거된 결과들로 부터는 이 발명에 따르는 재료들이 손실되는 확실한 성질들이 없이 다른성분들과 역시 결합되어질 수 있다는 것이 보여질 수 있다. 또다른 개량들이 그러한 첨가물들에 의하여 얻어질 수 있다는 것이 보여질 수 있다.

또, 텅스텐썰파이드의 효력이 시험되었다. 핀/롤러시럼스탠드로 부터의 상응하는 결과가 표3에 보여졌다. 이 발명에 따르는 효과를 얻기위하여는 몰리브데늄디썰파이드에 구조적으로 유사한 다른 재료들이 역시 적합할 수 있다는 것이 명백하다.

직경에서 22㎜의 붓싱들이 예로든 조성번호1 및 3으로부터 제조되었으며 그리고 부하한계는 회전하는 시험가동(rotating test run)에서 시험되었다. 13.5㎞의 가동거리가 0.075㎧의 속도에서 성취된 그러한 가능한 최고의 부하가 한계부하로써 정의되었다. 파손의 판별기준은 다음의 시험시에 90㎛의 평균마모로와 같은 것이 되는 것으로 증명된 온도에서 급격한 상승이 있었다. 예3의 결과는 다르게 평가될 때 4.5㎫ ㎧의 PV치에 상당한다. 도4에서 이결과들은 선행기술과 비교된다.

표4는 충격흡수기들에서 사용될 때 이 발명에 따르는 재료들의 성능은 선행기술과 동일하다는 것이 분명하게 만든다. 공동화 내성과 마찰계수는 양자모두가 비교할 수 있는 수준이다. 이 표는 공동화 응력의 극단적인 수준들을 가지는 충격흡수기시험프로그램에 기초하여진다. 사용수명의 결정에서 파손판정기준은 여기서는 완전한 그리고 부분적인 슬라이딩하는 표면분리였다. 마찰계수는 1000N하중과 그리고 20.00㎧의 슬라이딩속도에서 충격흡수기피스톤롯드에 대항하여 작동하는 상술한 크기를 가지는 붓싱을 사용하여 측정하였다. 적하주유윤활법이 제공되었다.

이 발명을 유리하게 실현하는 또다른 가능한 방법은 이 발명에 따르는 PTFE를 가지는 슬라이딩 재료혼합물들을 예를 들면PPS,PA,PVDF, PES,PSU,PEEK, PI,PA또는 PFI와 같은 다른 폴리머의 열가소서마트릭스에로 합체시키는 것과 그리고 그 다음에 예를 들면 상기조합물을 브론스중간층을 가지거나 가지지 않는 금속지지부에 도포하거나 또는 고형의 프라스틱부품들을 생성시키는 것과 같은 어떤 원하여진 방법으로, 슬라이딩요소를 형성하기위하여 상기한 조합을 가공하는 것을 포함한다. 열가소성프라스틱 함량은 60 및 95용적%사이에서 바람직하게는 70 및 90용적%사이에서 변동할 수 있다.

건식혼합물의 형태로, 이 발명에 따르는 플루오로서머프라스틱/보론나이트라이드/몰리브데늄디썰파이드혼합물이 강/브론스기질위에 분산되며 그리고 용융되고 그리고 그위에 롤링된다. 그러나 용융복합에 의하여 이 혼합물을 제조하는 것이 역시 가능하다. PES화합물의 마찰공학적인 성질에의 영향이 여기서 예로서 사용되며, 그러나 다른 열가소성프라스틱은 역시 마트릭스로서 사용되어질 수 있다.

이 발명에 따르는 효과를 명백히 하기 위하여 도5는 PTFE, PTFE/MoS₂, PTFE/BN 및 PTFE/BN/MoS₂를 가지는 PES화합물의 마모치 및 마찰계수를 보인다. 정확한 성분들과 측정된치들은 표5에 주어져있다. 자장좋은 값이 표14에 의하여 얻어진다.

이 발명은 하나의 기초재료(matrix material)와 그리고 적어도 하나의 플루오로서머프라스틱과 충진재들로된 슬라이딩 재료를 포함하는 평베어링 재료에 사용가능하다.

Claims (14)

1. 마트릭스재료와 그리고 적어도 하나의 플루오로서머프라스틱재료와 충지재들의 슬라이딩재료를 포함하는 평베어링재료에 있어서,

   이슬라이딩재료는 충진재로서 5내지 48용적%으 보론나이트라이드 그리고층상조직을 가지고서 하는 적어도 하나의 금속화합물의 2내지 45용적%를 포함하며 플루오로서머프라스틱의 비율은 50내지 85용적%에 달하는 것을 특징으로 하는 평베어링재료.
2. 제1항에 있어서,

   플루오로서머프라스틱은 PTFE 또는 ETFE, PCTFE, ECTFE, PVDF또는 FEP로부터 선택되어진 하나또는 그 이상이 플루오로서머프라스틱의 첨가를 가지는 PTFE인 것을 특징으로 하는 평베어링재료
3. 제1항또는 제2항에 있어서,

   금속화합물은 MoS₂, 텅스텐 썰파이트, 티타늄썰파이드또 티타늄아이오다이드인 것을 특징으로 하는 평베어링재료
4. 제1항내지 제3항중의 어느하나의 항에 있어서,

   보론나이트라이드는 육각형의 변형체에서 나타내어지는 것을 특징으로 하는 평베어링재료
5. 제3항또는 제4항에 있어서,

   보론나이트라이드의 비율은 6.25내지 32용적%에 달하며 그리고금속화합물의 비율은 5내지 30용적%에 달하는 것을 특징으로 하는 평베어링재료
6. 제1항내지 제5항중의 어느하나의 항에 있어서,

   충진재들은 40㎛이하의 입자크기를 가지는 것을 특징으로 하는 평베어링재료
7. 충진재들은 20㎛이하의 입자크기를 가지는 것을 특징으로 하는 평베어링재료.
8. 제1항내지 제7항중의 어느하나의 항에있어서,

   보론나이트라이드/금속화합물의 40용적%까지 충진재조성물이 다른 첨가물에 의하여 대체되는 것을 특징으로 하는 평베어링재료.
9. 제8항에 있어서,

   첨가물들은 Si₂N₄또는 보론카아바이드와 같은 단단한 물질, 코오크와 같은 안료, 짧은 흑연섬유또는 아라미드섬유와 같은 섬유재료, 흑연과 같은 고형윤활재, 혹은 PAI또는 PI와 같은 고온서머프라스틱을 포함하는 그룹들로부터의 하나또는 그이상의 재료들임을 특징으로 하는 평베어링재료
10. 제1항내지제9항중의 어느하나의 항에 있어서,

    마트릭스재료는 다공성의 브론스후레임워크이며, 이 후레임워크내에로 슬라이딩재료가 도입되는 것을 특징으로 하는 평베어링재료
11. 제1항내지 제9항중의 어느하나의 항에 있어서,

    마트릭스재료는 서머프라스틱이며, 이 서머프라스틱속으로는 슬라이딩재료가 마트릭스재료의 비율은 60내지 95용적%에 달하는 것을 특징으로 하는 평베어링재료.
12. 마트릭스 재료는 PPS, PA, PVDF, PSU,PES, PEI, PEEX, PAI또는 PI로 되어있는 것을 특징으로 하는 평베어링재료
13. 고형의 프라스틱슬라이딩요소로서의 제1항내지 제12항중의 어느하나의 항에 따르는 평베어링재료의 사용
14. 금속지지부에 도포된 피복부로서의 제1항내지 제12항중의 어느하나의 항에 따르는 평베어링재료