KR19990062794A - 백킹층을 가진 플레인 베어링용 복합 다층 재료 - Google Patents

백킹층을 가진 플레인 베어링용 복합 다층 재료 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 플레인 베어링용 복합 다층 재료는 백킹층, 50∼95 wt.% 의 구리 함유량을 가진 구리 합금 또는 60∼95wt.% 의 알루미늄 함유량을 가진 알루미늄 합금으로 이루어진 베어링 금속층, 확산 베리어층 및, 전기도금에 의해 도금되며 납이 없이 주석과 구리를 포함한 합금으로 이루어진 도금층을 포함하며, 도금층은 8에서 30 wt.% 의 구리, 60에서 97 wt.% 의 주석 및 0.5에서 10 wt.% 의 코발트를 포함한다.
본 발명의 성분 함유량을 사용한 도금층은 종래의 도금층이 무르게 되기가 매우 쉽고 불균질의 주석 분포상태를 보이며 열적 안정성이 낮다는 단점을 극복하여, 도금층의 경도 감소없이 도금층 또는 층 구조가 모두 안정적으로 되며, 도금층의 기계적 부하 적재 수용능력이 증가되고, 부가적으로 열적 안정성도 증가된다.

Description

백킹층을 가진 플레인 베어링용 복합 다층 재료
본 발명은 백킹층(backing layer), 50에서 95wt.%의 구리 함유량을 가진 구리 합금 또는 60에서 95wt.%의 알루미늄 함유량을 가진 알루미늄 합금으로 이루어진 베어링 금속층, 확산 베리어층 및 전기도금으로 도금되며 납이 없이 주석과 구리를 포함한 합금으로 이루어진 도금층을 포함하는, 플레인 베어링용 복합 다층 재료에 관한 것이다.
강철 백킹/납-청동/납-주석-구리 도금층을 포함한 구조를 가진 복합 다층 재료는 매우 신뢰성이 있으며, 높은 기계적 부하 적재 수용능력을 가진 것으로 판명되어 있다. 이러한 복합 다층 재료는 예를 들면, Glyco Ingenieurberichte 1/91 에 설명되어 있다.
이러한 재료군의 일반적인 전형은 하기와 같은 구조를 가지고 있다.
강철
CuPb22Sn 베어링 금속
니켈 베리어
PbSn10Cu2 도금층
특히, 전기도금된 도금층은 하기의 조건에 의해 선택한 다기능 재료이다.
- 이질 입자와의 결합성
- 대응부를 미끄러져 움직이게 하는 가동성 및 정합성
- 납-청동에 대한 부식 방지
- 기름이 부족한 경우에 비상 운전 특성
베어링 금속은 도금층이 완전히 닳아 없어진 경우에 대비한 어떤 비상 운전 예비부분을 또한 가지고 있다.
그러나, 수십년동안 효과적인 것으로 알려져 온 이러한 베어링 구성은 오늘날 아직까지 베어링 금속과 도금층에 다량의 납을 가지고 있다. 이것은 무거운 금속들의 외부의 충격력면에서 불만족스럽다.
세겹의 도금층의 전기도금은 이제까지 주로 플루오르화붕산염을 포함한 용액을 사용하여 실행되었다. 구리 도금은 이 용액에서 2wt.% 까지만 실행될 수 있었으며, 청산염 용액에서는 구리의 도금 비율을 20 wt.%까지 달성할 수 있었다. 그러나, 이 코팅은 무르게 되기가 매우 쉬우므로, 이 점에서 내구성이 없다는 것이 명백하다.
DE-OS 27 22 144 호는 6에서 10 wt.% 의 구리와 10에서 20 wt.% 의 주석을 포함하며, 나머지는 납으로 되어 있는 합금을 다층 플레인 베어링용 연질 금속 베어링 합금으로 사용한 것을 설명한다. 이러한 합금은 특히 전기도금에 의해 도금될 수 있으며, 니켈 중간층을 확산 베리어로 사용한다. 그러나, 종래의 전해질 용액을 사용하여 제조되는 이러한 알려진 합금은 결이 거친 주석 분포상태를 갖는다.
DE 195 45 427.8 호는 납-구리-주석으로 된 도금층을 형성하기 위한 플루오르화붕산염이 없는 전기도금 용액을 설명하며, 이 용액은 카르복실산과 지방산 글리콜 에스테르로 이루어진 조직 정련제 (grain-refining agent) 를 포함하고 있다. 이를 통하여, 완전한 균질의 분포상태를 가진 주석의 미세 결정질 도금이 성취되고, 2에서 16wt.%의 구리 도금이 얻어진다.
이전의 독일 출원 DE 196 22 166 호는 단단한 입자를 가진 세겹의 층을 설명하고 있으며, 여기에서는, 매트릭스 재료에서 단단한 입자의 완전히 균일한 분포를 얻기 위하여, 알킬술폰산이 더해지고 플루오르화붕산염이 없는 전기도금 용액이 도금층에 사용된다. 납을 포함한 도금층외에도, 이러한 알킬술폰산 용액은 SnCuNi, Sn, SnCu 및 CuSn 으로 된 납이 없는 층들의 도금에도 사용될 수 있다. 그러나, 16% 까지의 구리 함유량이 이러한 납이 없는 층들에서 얻어질 수 있더라도, 기계적 부하 적재 수용능력과 피로 강도에 관한 한, 이러한 층들은 만족스런 특성을 보여주지 않는다는 것이 알려져 있다.
플루오르화붕산염이 없는 용액을 사용한 연구를 통해 도금층이 30 wt.%까지의 구리를 포함할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 도금은 안정적이고 신뢰성있게 진행된다. 다른 이점은 베어링의 강철 백킹부상에는 구리가 도금되지 않는다는 사실이다.
30 wt.%의 구리를 포함한 이원 합금 SnCu 의 경도는 100 HV 이하이다. 높은 온도 (170℃-2000h)에서 에이징이 확대되면 도금층 요소가 니켈 확산 베리어층으로 확산하는 성향을 나타낸다. 이것은 무르게 되기 쉬우므로 도금층/확산 베리어층 또는 베어링 금속/확산 베리어층 결합력의 약화를 초래할 수 있다.
그러므로, 구리 함유량을 통해 성취될 수 있는 비교적 높은 도금층 경도의 이점은 지금까지 충분히 이용될 수 없었다.
그러므로, 본 발명의 목적은 전기도금에 의해 도금층이 도금되고, 구리 함유량에 관계없이 비교적 높은 온도에서도 무르게 되지 않는 복합 다층 재료를 제공하는 것이다.
상기 목적은 도금층이 8-30 wt.%의 구리, 60- 97 wt.%의 주석 및 0.5-19 wt.%의 코발트를 포함할 때 달성된다.
합금에 코발트를 첨가시켜, 도금층의 경도 감소없이, 도금층 또는 층 구조가 모두 안정적으로 된다는 것은 놀라운 것이다. 동시에, 코발트는 주석과 코발트 또는 알루미늄과 구리와 함께 합금을 형성하여 도금층의 기계적 부하 적재 수용능력 (내구성 및 피로 강도)을 증가시킨다. 부가적으로, 열적 안정성이 증가된다. 10 wt.% 까지의 코발트 함유량으로 이러한 유익한 효과를 성취하는 데에 충분하다는 것이 판명되었다.
결정 형성이 가능하기 때문에 주석의 운동은 코발트 함유량에 따라 효과적으로 감소될 수 있다는 것이 밝혀졌으므로, 주석 함유량이 비교적 높을 때 코발트 함유량도 비교적 높게 함으로써, 무르게 되는 것을 방지한다. 이러한 관계는 하기의 표 1 에 나열된 전형적인 도포층 성분에 명백하게 나타나 있다.
표 1
구리 wt.% 주석 wt.% 코발트 wt.%
30 69.5 0.5
25 73 2
20 76 4
15 79 6
10 82 8
8 82 10
도포층은 최대 20 wt.% 까지의 비스무트 및/또는 은 및/또는 니켈을 부가적으로 포함할 수 있다. 도포층은 Al2O3, Si3N4, 다이아몬드, TiO2, 또는
SiC 로된 단단한 입자들을 또한 포함할 수 있다. 이러한 단단한 입자들은 단독으로 또는 함께 도금층내에 포함될 수 있다. 확산 베리어층은 니켈, 니켈-주석, 구리-니켈, 코발트 또는 코발트-니켈로 구성될 수 있다.
확산 베리어층은 바람직하게는 1에서 3μm 두께의 니켈층과 그위에 놓여지는 2에서 10μm 두께의 니켈-주석층을 포함한다. 다른 변형으로써, 확산 베리어층은 마찬가지로 1에서 3μm 두께의 코발트로 구성된다. 코발트-니켈층의 경우에, 1에서 3μm 의 두께가 바람직하다.
코발트를 포함한 도금층은 전기도금에 의해서, 구리-알루미늄, 구리-주석, 구리-납, 구리-아연, 구리-아연-실리콘, 구리-아연-알루미늄 또는 구리-알루미늄-철 또는 알루미늄-주석, 알루미늄-주석-실리콘 또는 알루미늄-아연으로된 베어링 금속층들에 도금된다. 베어링 금속층에 대한 바람직한 합금 성분은 하기와 같다.
CuPb22Sn, CuA18, CuSn6, AlSn6CuNi, AlSn20Cu, AlSn10Ni2MnCu, AlSn15Si3Cu
납이 전혀 없는 플레인 베어링용 복합 다층 재료를 제조하려면 베어링 금속층에도 납이 없는 것이 바람직하다. 도금층의 두께는 8에서 12 μm 인 것이 효과적이다. 하기의 표 2는 합금 성분이 다른 베어링 금속과
도금층을 가진 여러 복합 다층 재료의 경도값을 보여준다.
표 2
번호 베어링 금속 확산 베리어층 도금층 경도HV 1/5/30
1 CuPb22Sn Ni/SnNi SnCu12 80
2 CuPb22Sn Co SnCu26 150
3 CuPb22Sn Ni/SnNi SnCu12Co3 90
4 CuAl8 CuNi SnCu12Co8 100
5 CuAl8 Ni/SnNi SnCu12Co8 100
6 AlSn20Cu Ni/SnNi SnCu12Co3 90
7 CuPb22Sn Co SnCu26Co2 150
첫 번째 예에서, 도금층은 12 wt.% 의 구리 함유량을 가진 주석-구리로 구성되어 있다. 이 도금층은 전기도금에 의해 니켈 및 주석-니켈층으로 이루어진 확산 베리어층에 도금된다. 이 예에서, 베어링 금속은 CuPb22Sn 이다. 도금층의 경도는 80HV 이다.
예 2 는 구리 함유량이 26wt.% 인 점에서 예 1 과 다르다. 150 HV 의 경도가 얻어지고, 코발트 베리어층이 현저하게 개선되더라도, 이 도금층은 높은 온도에서 충분한 안정성을 갖지 않으므로 무르게 된다는 것을 알 수 있다. 예 3 에서는 코발트를 첨가시킴으로써, 경도가 90 HV 로 약간 증가되어 층이 예 1 의 층보다 더 안정적이 된다고 판명되었다.
예 3, 4, 5 및 6 은 다른 확산 베리어층과 다른 베어링 금속을 가진 실시예들에 관한 것이다. 예 7 은 코발트를 2 wt.% 만큼 소량 첨가시키는 것만으로도 다른 불안정한 SnCu26 합금을 안정하게 하며 경도가 150 HV 로 유지되는 것을 보여준다.
상기에 설명된 바와 같이, 본 발명에 따라서, 도금층의 경도 감소없이 도금층 또는 층 구조가 모두 안정적으로 되며, 도금층의 기계적 부하 적재 수용능력이 증가되고, 부가적으로 열적 안정성도 증가되는 복합 다층 재료가 제공된다.

Claims (11)

  1. 백킹층, 50∼95 wt.% 의 구리 함유량을 가진 구리 합금 또는 60∼95wt.% 의 알루미늄 함유량을 가진 알루미늄 합금으로 이루어진 베어링 금속층, 확산 베리어층 및, 전기도금에 의해 도금되며 납이 없이 주석과 구리를 포함한 합금으로 이루어진 도금층을 포함하는, 플레인 베어링용 복합 다층 재료에 있어서,
    상기 도금층은 8에서 30 wt.% 의 구리, 60에서 97 wt.% 의 주석 및 0.5에서 10 wt.% 의 코발트를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 다층 재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    비교적 높은 주석 함유량은 비교적 높은 코발트 함유량을 수반하는 것을 특징으로 하는 복합 다층 재료.
  3. 제 1 항 및 2 항중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 도금층은 비스무트 및/또는 은 및/또는 니켈을 최대 20 wt.% 비율까지 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 다층 재료.
  4. 제 1 항에서 3 항까지중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 도금층은 단단한 입자 형태의 Al2O3 및/또는 Si3N4 및/또는 다이아몬드 및/또는 TiO2 및/또는 SiC를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 다층 재료.
  5. 제 1 항에서 4 항까지중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산 베리어층은 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 다층 재료.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 확산 베리어층은 1에서 3μm 두께의 니켈층과 그위에 놓여지는 2에서 10 μm 두께의 니켈-주석층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합 다층 재료.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 확산 베리어층은 구리-니켈로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합 다층 재료.
  8. 제 1 항에서 4 항까지중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산 베리어층은 1에서 3 μm 두께의 코발트층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합 다층 재료.
  9. 제 1 항에서 4 항까지중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산 베리어층은 1에서 3 μm 두께의 코발트-니켈층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합 다층 재료.
  10. 제 1 항에서 9 항까지중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 베어링 금속층은 구리-알루미늄, 구리-주석, 구리-납, 구리-아연, 구리-아연-실리콘, 구리-아연-알루미늄 또는 구리-알루미늄-철, 알루미늄-주석, 알루미늄-주석-실리콘 또는 알루미늄-아연 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합 다층 재료.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 베어링 금속층은 납이 없는 것을 특징으로 하는 복합 다층 재료.
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