KR20000005819A - 평베어링과그의제조방법 - Google Patents

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Abstract

그의 섭동층(3)이 도금한 섭동층 및 종래의 전자빔 증착방법에 의하여 피복된 섭동층에 비하여 내마모성이 현저히 개선된 특성을 가진 평베어링을 다루었다. 섭동층(3)의 표면은 둥근 요(6) 철(4)부를 가지고 있으며 철부(4)는 수평단면(7)에 대하여 평베어링의 전면적의 30% 내지 50%의 면적부분을 점하며 이때 단면(7)이 철부(4)의 수직 단면에서 포함하고 있는 면부분의 합이 요부(6)의 당해 면부부분의 합과 동일한 높이에 있다. 둥근 철부는 위에서 보아 직경이 3 내지 8㎛이며 이때 위에서 보아 원형의 둥근 요(4) 철(6)이 아닌 경우의 값은 최대직경과 관계가 있다. 표면은 그의 조도 Rz가 3내지 7㎛이다. 이러한 평베어링의 제조방법은 전자빔 증착에 의한 것으로 조도가 Rz ≤ 2㎛인 베이스메탈(Base Metal) 사용하며 압력이 ＜ 0.1 Pa인 경우에 섭동층의 증착이 이루어 진다.

Description

평베어링과 그의 제조방법{Plain bearing and method for the production thereof}
본 발명의 과제는 그의 섭동층이 내마모성에 대하여 도금섭동층 및 종래의 전자빔 증착방법에 의한 피복섭동층에 비하여 현저히 개선된 특성을 가진 평베어링을 제공하기 위한 것이다. 또한 본 발명의 과제는 간단하고 경제적이며 탈공해성의 그러한 평베어링의 제조방법을 제공하는 데 있다.
평베어링은 섭동층의 표면이 둥근 요철부를 가지고 있으며 철부는 수평단면 A에 대하여 평베어링 전면적의 30-50% 면부분을 점하고 있는 데 이때 단면은 수직단면에서 포함하는 철부의 면적의 합이 요부의 대응 면적의 합과 같은 높이에 있으며 둥근철부는 평면상에서 직경이 3-8㎛인데 이러한 값은 평면도에서 원형이 아닌 요철인 경우에는 최대직경과 관계가 있으며 표면적은 Rz = 3-7㎛의 조도를 가지고 있는 것을 특징으로 한다.
유리하게도 철부는 원형내지 타원에 이르기까지 다양하다. 원형이라는 개념은 위에서 본 요철부의 형상뿐아니라 요철부의 수직단면과도 관계가 있다. 당초부터 둥근형태의 철부는 공지된 피라미드형정부에 비하여 장점을 가지며 섭동대우의 길들이기 과정이 손상이 없이 진행이 되는 것으로 판명되었다. 이의 원인은 둥근 철부인 경우의 단위응력이 정부피라미드형인 경우보다 작은데 그 이유는 둥근것이 보다 하중을 넓은 표면적에서 받기 때문이다. 둥근 철부는 첨단요부인 경우보다 하중을 훨씬 덜 받는다. 이 경우의 결과를 보면 길들이기 단계에서 요부의 깊이는 약간만 감모되고 정상운전 조건하에서 보다 오래 유지 됨으로서 동시에 장시간에 걸쳐서 요부에 오일의 유착이 보장된다. 이러한 긍정적인 효과는 결정적으로 내마모성의 향상에 기여한다.
기타 본 표면형태의 장점을 들면 혼합 마찰영역에서 평베어링작동시(고체/고체접촉) 마찰마력 손실은 전체 베어링 표면적이 아니고 고체 접촉에 있어 융기되어 있는 부분만이 이루어 지도록 감소된다. 이러한 장점은 둥근융기의 면적이 차지한 부분이 30-50%에 불과함으로서 뒷바침이 된다.
섭동층이 피복되어 있는 홀다는 유리하게도 강철이면과 소결,주조 또는 도금된 베어링 합금을 가진 고용체로 되어 있다. 경우에 따라서는 확산경계층으로 할수도 있다.
섭동층은 동-또는 알미늄 합금으로도 구성가능하다.
발명에 따르는 방법은 베이스메탈의 조도가 Rz ≤ 2㎛ 이며 압력 ＜ 0.1 pa로 증착을 하며 증착원의 위를 향하여 수직으로 평베어링에 대한 증착속도는 최소한 10㎜/초이며 피복 할 베이스메탈의 온도는 평베어링합금의 최저융해 성분의 절대 융해온도에 대한 75% 와 95% 범위내에 들어 있는 것을 특징으로 한다. 설정된 매개변수에 의하여 발명에 따르는 분포상태가 발생하는 것이 의외로 판명되었다. 기체(基體)의 온도가 최저융해 합금상의 95%이상으로 올라갈 때 최저 융해상의 확산이 대단히 증가하여 표먼이 매끄러움으로 장애효과가 나타난다. 온도가 최저융해 합금상의 75%미만일때 에는 지지면부분이 현저히 보다 적음으로 불량한 선단이 첨예한 조직을 형성하며 보다 큰 마모율을 가져온다.
베이스재료의 조도는 코팅의 성장에 영향을 미치는 베이스메탈의 융기가 응축점을 형성할 수 있다는 점에서 아마도 분포상태에 영향을 준다. 베이스메탈의 조도에 대한 영향은 섭동층의 두께가 얇으면 얇을수록 보다 크며 이때 이는 또한 베이스메탈의 재료에도 좌우된다. 특히 이에따라서 베이스메탈의 표면은 코팅전에 조도가 Rz ≤ 2㎛가 되도록 가공한다.
그러나 평베어링의 제조방법은 강철/CuPbSn-고용체로 구성된 베이스메탈에 국한하지 않는다. 강철/알미늄- 또는 강철/화이트메탈-고용체도 동일한 방법으로 코팅이 가능하다. 합금계로서는 예컨대 AlSnPb 또는 AlSnSi 및 알미늄-기 합금이 전자빔 증착에 의하여 코팅이 가능하다. 같은 정도로 CuPb- 합금도 적당하다.
발명에 따르는 방법은 특히 경제적이며 예컨대 스퍼터링(sputtering)방법 보다도 더 간단하다.
본 발명의 목적은 그의 섭동층이 도금에의한 섭동층 및 종래의 전자빔 증착방법에 의한 코팅에 비하여 내마모성에 있어서 현저히 개선된 특성을 가지는 평베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명은 한가지 베이스메탈에 전자빔 증착에 의하여 부착된 최소한 한가지 금속으로된 평베어링에 관한것이다. 본 발명은 특허청구범위 4항의 상위개념에 따르는 그러한 섭동층을 가진 평베어링의 제조방법에 관한 것이다.
평베어링은 예컨대 레이디얼베어링,스러스트 베어링 및 스러스트-레이디얼 베어링이며 기능영역은 평면 또는 만곡형태로 존재하며 완제품 또는 예컨대 반제품(평면형태의 스트립 또는 스트립 부분)과 같은 중간단계에서 코팅이 된다. 일반적으로 이와같이 적용되는 평베어링은 다음 구조를 가진 복수층의 복합계로 구성되어 있다: 베이스소재로서의 강철지지체, Cu-, Al- 또는 화이트메탈 합금으로 된 베어링메탈층 및 도금방법(예. 뢰머 : GLYCO 40 : GLYCO- 기술보고서 8167) 또는 EP 0256 226 B1 에 명시되어 있는 바와같은 음극증착법(스퍼터링)에 의한 부착이 가능한 섭동-또는 제 3층 또는 섭동층으로 되어 있다. 대부분이 Pb-또는 Sn-기의 도금 부착층의 단점을 들면 자주 내식성 또는 내마모성이 좋지 않다는 것이다. 또한 도금법은 공해문제로 인하여 위험한것으로 간주된다.
섭동층을 스퍼터링-기법으로 부착하면 이에 따라 달설할 수 있는 부착율이작고 장치 기술비용이 과대함으로 완전한 평베어링을 위하여서는 상당한 비용요인이 된다.
또한 DE 43 90 686 T1 에도 공지되어 있는 데 그의 표면조직(도금부착 Pb-층의 표면상 피라미드형 결정입상)에 관해서 이러한 특수한 성질의 섭동층은 우수한 유착성과 피로강도를 가지고 있다. 이러한 현상은 표면의 피라밑형 결정입상으로 인한 우수한 유착성 또는 중앙집중하중의 분산 및 감소의 원인이 되고 있다. 이러한 방법에 있어서 재차 도금과정은 모든 그의 단점을 가지고 있거나 또는 이러한 특수 표면결정을 이루기 위한 과정은 추가열처리를 포함한 복수단계의 과정이 문제가 됨으로 대단히 비용이 든 다는점에 유의해야 한다. 이밖에도 표면경계층은 그의 유독성에 관하여 위험한 납합금으로 구성되어 있다.
DE 196 08 028 A1에는 동시에 한가지 특수한 섭동면 구조가 명시되어 있는데 섭동 특성에 긍정적인 작용을 한다. 이에 관하여 표면의 마모도는 하나는 표면상의 6각 피라미트형 금속 결정에 의하여 또는 산소, 인등의 형성에 의하여 피라미트의 측면으로 발생한다 (경화효과). 이러한 방법은 전적으로 철기합금의 경우에 생기며 특수한 조직의 섭동면은 Fe-결정으로 구성된다. 대표적인 적용의 경우는 피스톤핀의 코팅이다. 이러한 합금들은 평베어링에 대해서는 마찰공학적인 이유로 사용할 수 없다.
또한 DE 195 14 835 A1 또는 195 14 836 A1에도 공지되어 있는 것으로 전자빔 증착에 의하여 요면의 만곡 평베어링에 섭동층을 입히는 것이다. 이러한 방법으로 일정한 방법의 매개변수를 조정할 경우 평베어링의 주위에 걸쳐서 특수한 섭동층 프로필을 코팅할 수 있다. 본 문헌에는 이러한 방법으로 제조가능한 특수표면 분포상태에 대한 언급이 없다.
여러용도를 위하여 이에 따라 이룰 수 있는 마찰 공학적인 특성이 역시 미흡하다.
DE 36 06 529 A1에는 금속기체상에 적어도 한가지 금속소재의 증착에 의하여 층소재 또 층소재편을 제조하기 위한 방법이 공지되어 있는데 동시에 섭동층을 입히기 위하여 전자빔 증착방법을 사용한다.
본 방법은 잔유개스 분위기에서 압력범위가 10-2, 10-3mbar의 압력으로 행하여지며 당해 소재는 동시에 증착에 의하여 분산경화 또는 분산강화가 된다.
코팅속도는 약 0.3㎛/초로 설정한다. 증착중에 당해 기체는 온도범위를 200℃∼800℃을 유지한다. 알미늄합금을 증착할 경우에 기체의 온도는 200℃ 내지 300℃이며 동-납합금인 경우에 온도범위는 500℃ 내지 700℃이다. 본 방법으로 제조한 섭동층의 마찰공학적인 언급이 되어 있지 않다. 본 방법에 따라 제조한 층의 내하중성은 분말야금법에 의하여 제조한 층보다 훨씬 양호하다. 본 방법에 따라 제조한 평베어링은 허다한 적용예들에서 내마모성이 미흡하다.
본 출원에 있어서는 분산강화 즉 증착중에 산화물을 생성시켜서 섭동층 내에 일정한 경화상 부분을 만들어 주는 것이 대단히 중요하다. 표면형태의 최적화에 대해서는 언급되어 있지 않다.
본 발명의 과제는 그의 층을 도금에 의한 섭동층 및 종래의 전자빔 증착법에 의하여 이루어진 섭동층에 비하여 내마모성이 현저히 개선된 특징을 가진 평베어링을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예들을 이하 도면에의하여 보다 상세히 설명하고자 하며 도면의 내용은 다음과 같다:
도 1 발명에 따르는 방법으로 피복한 섭동층의 전자현미경 사진
도 2 도 1에 도시되어 있는 섭동층의 단면으로 베이스메탈이 도시되어 있으며
도 3 베어링소재에 대한 마모상태도
한가지 선택한 실시예에 다라서 CuPbSn-합금을 주조-또는 소결과정에 의하여 강철스트립(탄소함유량 0.03%∼0.3%)에 입힌다. 다양하게 공지되어 있는 아닐링-및 성형과정에 따라서 이러한 스트립으로 부터 프레스에 의하여 일정한 길이의 스트립편으로 평베어링 셀이 제조된다. 이 베어링의 표면 가공후 드릴링이나 리밍으로 베어링셀은 도금 또는 PVD-과정에 의하여 니켈 또는 니켈합금으로된 경계층을 입힌다. 그다음 베이스메탈을 탈지하여 진공증착 장치 내로 투입한다. 여기에서 분무방법으로 표면세척 또는 활성화가 이루어 진다.
연이어서 베이스메탈은 증착노로 부터의 AlSn20Cu의 전자빔 증착에 의하여 축방향의 전자층으로 코팅이 된다. 부착된 AlSn20Cu층의 층두께는 이때(16±4)㎛이다.
이에 따라서 AlSn20Cu-층의 상기 특히 유리한 표면분포가 설정되면 증착의 경우 다음의 증착 매개변수를 유지해야 한다. 공정실내 압력은 증착중에 0.1Pa를 상회하지 말아야 한다. 코팅시의 베이스메탈의 온도는 190℃∼200℃ 범위내에 들어야 한다. 전자층의 출력은 석출속도가 최소한 100㎚/초가 되도록 선정한다.
이러한 방법으로 매개변수가 유지되면 전자현미경으로 촬영한 도 1의 평면도에 도시되어 있는 섭동층이 발생한다.
도 2에는 도 1에 도시되어 있는 섭동층(3)을 지나는 한 단면이 나타나 있는데 강철이면(1)을 가진 베이스메탈과 베이스메탈(1)에 주조-또는 소결과정에 의하여 부착된 CuPbSn-합금(2)이 나타나 있다. 절단선(7)은 수평면의 위치를 나타내는데 이때 융기(4) 위의 수직면적의 합은 깊이 또는 골(6)의 수직면적의 합과 같다.
선(5)은 섭동과정에서 마모되는 융기(4)의 합을 나타내고 있다. 골(6)의 깊이(T1)는 이때 값 T1으로부터 값 T2로 줄어든다. 그러나 피라미트형 구조를 가진 섭동층에 비하여 언제나 분명히 크다.
도 3에는 언더우드 테스트스탠드(Underwood-Test Stand)에서 측정한 다양한 베어링 소재의 마모상태가 도시되어 있다. 도 3의 내용은 다음과 같다.
Ⅰ CuPbSn 도금석출
PbSn10Cu2
Ⅱ CuPbSn 도금석출
PbSn10Cu5
Ⅲ AlSn20Cu 0.25 스퍼터링(sputtering)
Ⅳ AlSn20Cu 0.25 발명에 따른 증착
도 3이 제시하는 바와같이 도금석출에 의한 섭동층(PbSn10Cu2 또는 PbSn10Cu5)에 있어서 단위응력이 50 또는 65MPa인 경우 마모가 심하다. 이에 반하여 스퍼터링층은 전하중 영역에 걸쳐서 마모가 선형으로 나타난다. 또한 도 3이 제시하는 바와같이 특히 하중<50MPa인 경우 그의 내마모성에 대하여서는 도금 코팅층 보다 현저히 크며 스퍼터링 층 보다는 근소하게 떨어질 뿐이다.
평베어링으로서 내마모성이 도금 섭동층 및 종래의 전자빔 증착법에 의한 코팅방법에 의한 섭동층에 비하여 현저히 개선되어 당해 제품에 대한 수명의 연장 및 경제성에서 유리하다.

Claims (4)

  1. 베이스메탈과 전자빔 증착으로 코팅되는 적어도 한가지 금속섭동층을 가진 평베어링에 있어서,
    섭동층(3)의 표면은 둥근요(6) 철(4) 부를 가지며 철부(4)는 수평단면(7) 대비 평베어링의 전체면적에 대하여 30∼50%의 면적을 점유하며 이때 단면(7)은 수직단면에서 점하는 철부(4)의 면적부분의 합이 요부(6)의 당해 면적 부분의 합과 같은 높이에 위치하며, 둥근 철부(4)는 위에서 보아 3-8㎛의 직경을 가지며 위에서 보아 원형의 둥근요철(6,4) 부가 아닌경우의 이 값은 최대 직경과 관계가 있으며 표면은 조도가 Rz=3-7㎛인 것을 특징으로 하는 평베어링.
  2. 제 1항에 있어서,
    강철이면(1)과 소결, 주조 또는 도금한 베어링금소합금(2)을 가지는 고용체로된 홀더로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 평베어링.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    섭동층은 동-또는 알미늄 합금으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 평베어링.
  4. 베이스메탈에 전자빔 증착으로 코팅하는 적어도 한가지 합금으로 된 한가지 섭동층을 가진 평베어링을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    베이스메탈의 조도는 Rz≤2㎛를 적용하고 압력 <0.1Pa인 경우에 섭동층의 증착이 이루어지며 평베어링 위의 증착속도는 증착원 위에서 수직으로 최소한 100㎚/초로서 코팅할 베이스메탈의 온도범위는 섭동층 합금의 최저 용해성분의 절대 융해온도의 75%와 95% 사이에 들어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
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