KR20010022045A - 무보수 베어링 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

자가 윤활 베어링(110)은 금속 기판(112)과, 여기로부터 직각 방향으로 연장하고 이와 일체적으로 형성되어 있는 일련의 융기 구조체(113)의 적층으로 제조된다. 불화 폴리머 활주 또는 베어링층(114)은 기판과 중첩되어 있으며, 내부에 융기 구조체가 삽입되어 있다. 융기 구조체는 로드 베어링층을 제 위치에 유지하여 베어링 작용 중에 로드 베어링층이 기판의 표면을 따라서 활주하는 것을 방지한다. 기판에 대한 상기 고정에 의해서 상대적으로 두꺼운 베어링층을 사용하여도 크립될 가능성을 감소시킬 수 있게 된다. 대안으로, 구조체는 기판과 회전축과 같은 지지물 사이에서의 상대적으로 높은 열 및 전기적 전도도에 적합한 열 및 전기적 브리지로 작용하는 구조체와 함께 그 수명에 걸쳐서 마찰 계수가 상대적으로 일정한 상대적으로 얇은 로드 베어링층을 가지는 베어링을 제공한다. 또한 상기 구조체는 지지물에 직접적으로 접촉하여 베드인(bed-in; 변위)을 방지하게 된다. 이 점에 있어서, 베어링은 상대적으로 낮은 마찰 계수, 긴 베어링 수명, 크립 및 기계적 응력에 대한 내성 및 전기적으로 및 열적인 전도성을 구비하게 된다.

Description

무보수 베어링 및 제조 방법{Self-lubricated bearing}

금속 지지체와 플라스틱층을 구비한 무보수 활주 베어링은 공지되어 있다. 그와 같은 베어링은 무보수 방식으로 서로에 대해서 다수의 부재를 회전 가능하고, 선회 가능하게 또는 활주 가능하게 고정하는 간편한 수단을 제공한다. 그와 같은 베어링의 응용에는 구동축을 지지하는 저널(journal)과 같은 연속 회전 운동을 사용하는 것이 포함된다. 이들 베어링은 또한 자동차 도어 힌지, 도어 체크, 브레이크 및 가속 페달과 같은 연속 선회 운동을 채용한 응용에 대해서도 적합하다. 추가적인 응용으로는, 자동차의 충격 흡수 장치와 스트러트(strut)와 같은 연속 왕복 운동을 사용하는 것들이 포함된다. 이들 베어링은 또한 트럭 데크 리드(truck deck lid)와 후드 힌지(hod hinge) 등에 적합한 자동차 산업에서 광범위하게 사용되는 다수의 바 링키지(bar linkage)와 같은 경장비 분야에서도 사용된다. 이와 같은 무보수 베어링은 다양한 구조, 예를 들어서, 다양한 기계 장치의 부시나 저널 베어링, 스러스트 베어링 또는 와셔, 위치 설정 패드, 밸브 포트 플레이트 및 마모 요소 등과 같은 다양한 구성을 포함할 수도 있다.

그와 같은 베어링 중에 특정한 것으로는, 본원에서 "디유(DU)" 베어링이라고 지칭되는, 영국 미들섹스 에이치에이6 1엘엔 노쓰우드 힐즈 조엘 스트리트 아굴 하우스(Argule House, Joel Street, Northwood Hills, Middlesex HA6 1LN, England) 소재의 더 글레이셔 메탈 캄파니 리미티드(The Glacier Metal Company Limited)의 제품이 있다. 상기 DU 베어링은 금속 기지부(基地部)에 다공성 청동층이 접합된 복합 재료로 구성되어 있다. 다공성 청동층은 PTFE(폴리테트라플루오르에틸렌: poly- tetrafluoroethylene)와 같은 폴리머로 충전되어 있으며, 폴리머로 형성된 상층 또는 라이닝이 표면에는 배치되어 있다.

상기 구조의 한가지 특징은 금속 기지부에 가까운 쪽으로 청동의 농도가 상대적으로 높으면서, 깊이에 따라서 폴리머대 청동의 비가 변화할 가능성이 높다는데 있다. 이는 저저항 금속의 농도가 기지부 금속에 근접하여 감소한다는 점을 타낸다. 따라서, 마찰 계수는 베어링 수명에 걸쳐서 불리하게 변화(증가함)하는 경향이 있게 된다. 상기 농도 구배(gradient)의 추가적인 단점은 베어링층으로부터 재료를 제거하는, 보링, 브로칭 절삭 또는 버니싱 다듬질과 같은 일반적인 방법으로 베어링을 설치한 이후에 치수를 조절하는 어떠한 작업도 일반적으로 베어링의 성능이 나빠지지 않도록 수행될 수 없다는 것이다.

상기한 한계를 극복하기 위해서 개발된 베어링에는, 독일 빌리히(Willich) 소재의 노르톤 팜푸스 게엠베하(Norton Pampus, GmbH)로부터 입수 가능한 "노글라이드(Norglide)"라는 호칭으로 판매되는 것이 있다. 노글라이드는, 고온 열가소성 필름(즉, PFA 및 ETFE)과 열 및 압력을 사용하여 강철 기지부에 접합되는, 예를 들어서 PTFE 복합물과 같은 박막 베어링 재료를 포함한다. 상술한 DU 베어링의 경우에서처럼 분산된 것이 아니라, 베어링층이 별도의 박막으로 제조되기 때문에, 상기 노글라이드 베어링층은 균질적이다. 이러한 측면은 유리하게는 베어링 수명의 전체에 걸쳐서 마찰 계수가 실질적으로 일정하게 유지되게 한다. 또한, 노글라이드 베어링의 마찰 계수는, 마찰 계수에 부정적인 영향을 적게 미치는 충전물 또는 혼합물의 함량을 더 적게 사용할 수 있기 때문에 종래 기술의 베어링보다 낮다. 예를 들어서, 노글라이드 베어링은 상술한 청동 대신에 그래파이트 충전물을 사용할 수도 있다. 또한, 상술한 균질성은 실질적으로 설치 이후에 그 성능이 나빠지지 않도록 하면서 노글라이드 베어링 표면의 보링, 브로칭 절삭 또는 버니싱 다듬질을 가능하게 한다.

그러나, 상기 구조에 단점이 없는 것은 아니다. 특히, 상대적으로 두꺼운 PTFE 복합물의 두께와 낮은 충전물 함량은 높은 응력에서 베어링층의 크립(creep) 또는 베드(bed)가 가능해지는 경향이 있다. 또한, 베어링층은 적층이 특히 작은 반경으로 굽혀지게 될 때 금속 기지부로부터 박리하게 되는 경향이 있다. 또한, PTFE 복합물이 불량한 열 전도체일수도 있다. 이와 같기 때문에, 상술한 베어링은, 청동으로 충전한 PFTE 박막으로 제조되는 경우에라도(후술하는 "노글라이드 엠(Norglide M)" 베어링에 대한 설명을 참조) 열전도도가 상대적으로 낮게 되는 경향이 있다. 마지막으로, 전기적으로 전도성이 있도록 PTFE를 제조할 수는 있지만, 금속 기지부에 베어링층을 접합시키는데 사용되는 핫 멜트 필름(hot melt film)이 전기적으로 절연이다. 이 측면은, 예를 들어서 자동차의 정전 도장 및 다른 금속 제조 산업 등과 같은 전기적인 연속성이 필요한 응용 분야에서 노글라이드 베어링을 사용하기에는 바람직하지 않은 경향이 있게 된다.

크립과 박리 문제는 베어링면에 적용하기 전에 샌드 블래스트 공법 등의 방법으로 금속 기지부 표면을 거칠게 처리할 수 있다. 그러나, 상기 방법은 상대적으로 성가시며, 시간 소모적이고 처리 공정에 대해서 비용이 추가된다.

상술한 바와 같이, 역시 노르톤 팜푸스로부터 입수 가능한 "노글라이드 엠(Norglide M)"이라고 알려진 노글라이드의 변형예가 있다. 노글라이드 엠은 실질적으로 노글라이드와 동일하지만, 내부에 배치된 개방 메시형 금속제 직조 보강 부재를 구비하는 베어링층을 사용한다. 상기 강화 부재의 사용은 상술한 크립과 전도성의 단점을 개선하기는 했지만, 박리와 전기 전도성의 문제를 해결하지는 못했다.

따라서, 종래 기술의 문제점을 해결한 개선된 무보수 베어링이 필요하다.

본 발명은 베어링에 관한 것이며, 보다 상세하게는 크립(creep)에 내성이 있는 윤활 마모층을 구비한 무보수 베어링에 관한 것이다.

도 1은 저널 베어링으로서 제조되었으며, 내부에 축을 지지하고 있는, 종래 기술의 무보수 베어링의 개념적인 단부도.

도 2는 본 발명의 베어링의 일부를 확대한 투시도.

도 3은 표면에 활주 또는 베어링층을 구비한, 도 2에 도시된 베어링의 일부를 도시한 도 2의 3-3을 따라서 취한 단면도.

본 발명의 제 1 측면에 따르면, 무보수 베어링은 표면을 구비한 기판과, 상기 표면을 따라서 이격된 관계로 배치되고, 상기 표면으로부터, 실질적으로 직각 방향으로 연장되는 다수의 구조체 및, 상기 다수의 구조체와 결합되어 상기 표면과 함께 중첩되어 있는 로드 베어링층을 포함하며, 상기 구조체는 상기 로드 베어링층 내에 삽입되어 있다.

본 발명의 제 2 측면에 따르면, 무보수 활주 베어링의 제조 방법은 (가) 표면을 구비하는 기판(112)을 제공하는 단계와, (나) 상기 표면을 따라서 이격된 관계로 배치되고, 상기 표면으로부터, 실질적으로 직각 방향으로 연장되는 다수의 구조체(113)를 일체적으로 배치하는 단계와, (다) 상기 다수의 구조체와 결합되어 상기 표면과 함께 중첩 정렬되는 로드 베어링층(114)을 배치하는 단계를 포함하며, 상기 구조체는 상기 로드 베어링층 내에 삽입되어 있다.

본 발명의 상술한 특성 및 다른 특성과 장점에 대해서는 첨부한 도면과 관련하여 취한 본 발명의 다양한 측면의 후술하는 상세한 설명의 개시로부터 더욱 더 명확하게 될 것이다.

간략하게, 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 금속 기지부, 지지부 또는 기판(112)과, 여기로부터 직각 방향으로 연장하는 일련의 융기 구조체(113)와, 그 위로 중첩되어 있는 폴리머로 형성된 활주, 마모 또는 로드 베어링층(114)의 적층으로 제조된 자기 윤활 베어링(110)을 포함한다. 융기 구조체(113)는 유리하게는 청동으로 제조되며, 기판(112)에 일체적으로 고정되고 로드 베어링층(114) 내에 삽입되어져 있다.

구조체(113)는 로드 베어링층(114)을 제 위치에 유지하여 베어링 작용 중에 로드 베어링층이 기판(112)의 표면을 따라서 활주하는 것을 방지한다. 기판에 대한 상기 개선된 고정에 의해서 크립될 가능성이 감소된 상대적으로 두꺼운 베어링층을 사용할 수 있게 된다. 대안으로, 구조체(113)는 마찰 계수가 전체 수명에 걸쳐서 상대적으로 일정하게 유지되는 상대적으로 얇은 로드 베어링층(114)을 사용하여 제조되는 베어링(110)을 제공한다. 또한, 구조체(113)는 지지부(112)와 회전축과 같은 지지물 사이에서의 상대적으로 높은 열 및 전기적인 전도도에 적합한 열 및 전기적 브리지로 작용한다. 따라서 융기 구조체는 베어링 작용 중에 국부적으로 윤활 가능하지만 이탈할 수는 없는 별도의 자가 윤활 재료의 포켓을 둘러싸고 유지하는 경계선으로 기능하게 된다. 구조체(113)는 또한 지지물에 직접적으로 접촉하여 베드인(bed-in; 변위)을 방지하게 된다. 따라서, 유리하게는, 베어링(110)은 상대적으로 낮은 마찰 계수, 긴 베어링 수명, 크립에 대한 내성과 기계적 응력에 대한 내성 및 전기적으로 및 열적인 전도성을 구비하게 된다.

본원의 전체에 걸쳐서, "자가 윤활"이라는 용어는 충분한 윤활성을 나타내어, 베어링면에 윤활제를 별도로 적용할 필요성이 실질적으로 제거되는 재료를 사용한다는 것을 의미한다.

이제 도면을 상세하게 참조하면, 도 1에 대략 상술한 바와 같이 플라스틱 로드 베어링층을 구비하는 금속 하우징(11)과 무보수 베어링(10)을 사용하여 제조한 종래 기술의 저널 베어링(9)에 대한 크립 효과를 도시하였다. 베어링(10)은 화살표(16)로 표시되는 방향으로 압박하여 부하를 가하는 축(15)을 지지한다. 이 부하에 반응하여 로드 베어링층은 화살표(18, 20)에 의해서 지시된 방향으로 뿐만 아니라("반경 방향 크립"), 베어링(10)에 축이 사실상 "베드인"되는 축방향("축방향 크립", 도시하지 않음)으로도 크립되거나 변위되는 경향이 있다. 상기 작용은 불리하게도, 도면 부호 22에서 도시한 바와 같이 축(16)의 중심선 정렬에 대한 손해를 초래한다.

이제 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명은 금속 또는 다른 재료로 제조된 기지부 또는 기판(112)을 가지는 베어링(110)을 포함하여 소정 응용 분야에 필수적인 구조적 일체성을 구비한 베어링(110)을 제공할 수 있다. 도시된 바와 같이, 융기 구조체(113)는 지지부(112)의 표면(118)에 걸쳐서 중첩되는 방식으로 연속적으로 연장되는 중간층(116)의 일체적 구성 요소로서 제조된다. 유리한 실시예에서, 구조체(113)는 대체로 도시한 바와 같이 대략 벌집 모양의 패턴으로 구성되어 있지만, 후술하는 바와 같이, 마모층에 적합한 고정을 제공하기에 충분한 실질적으로 어떠한 기하학적인 패턴으로도 제조할 수 있다. 예를 들어, 구조체(113)는 정사각형, 원형, 삼각형 등과 같은 일련의 연속적인 다각형을 포함할 수도 있고, 지지부(112)의 표면(118)에 대해서 대략 직교하여 연장되는 일련의 분리된 포스트(도시하지 않음)를 포함할 수도 있다. 도시한 바와 같이, 유리한 실시예에서, 층(116)의 두께(t)는 대략 60 마이크론(μ)이며, 구조체(113)의 높이(h)는 약 100 μ, 폭(w)은 대략 50 μ이며, 이격되어 대략 300 μ의 내부 치수(d)를 한정하고 있다. 또한, 본 기술 분야에서 숙련된 자라면 엠보싱기(embosser) 또는 몰드(mold)를 사용하였을 때 구조체의 제조를 용이하게 하도록 하기 위해서 구조체(113)에 일정 정도의 원추형 처리를 하는 유리하다는 사실을 알 것이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 로드 베어링층(114)은 구조체(113)와 중간층(116)에 적층되어 있고, 접착층(120)에 의해서 접합되어 있다. 따라서, 도시한 바와 같이, 구조체(113)는 로드 베어링층(114) 내에 삽입되며, 베어링층은 구조체(113)로부터 소정의 직교하는 거리(v)에 배치된 실질적으로 평탄한 최외곽 표면(122)을 구비한다. 거리(v)는 베어링(110)의 특정 용도에 따라서 변할 수도 있다.

기판(112)은 강철 또는 알루미늄을 포함하는 다양한 금속으로 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 스테인레스 스틸, 통상적인 압연 품질의 강철 박판, 황동이나 다른 합금, 또는 플라스틱, 세라믹 또는 글래스와 카본 섬유를 사용한 합성물과 같은 추가적인 재료로도 제조할 수 있다. 그 표면(118)은 처리하지 않을 수도 있고, 갈바나이징, 크롬산염 또는 인산 처리, (알루미늄 기판의 경우에는) 아노다이징, 기계적인 샌드 블래스팅 및/또는 화학적인 피클링과 같은 다양한 기법으로 처리할 수도 있다. 또한, 상술한 DU 베어링에서 사용된 것과 같은, 다공성 청동으로 코팅된 강철 기판을 본 발명의 제조에 사용할 수도 있다. 또한, 기판(112)은, 표면(118)에 선택적으로 충격을 가하고 상대적으로 작은 영역에 걸쳐서 용해시켜, 그 표면(118)에 걸쳐서 일정하게 이격된 크레이터를 생성하는 불연속적인 레이저 빔에 의한 구조체(113)를 구비할 수도 있다.

로드 베어링층(114)은 참조에 의해서 본원에 합체되는 1996 년 11 월 12 일자로 특허된 발명의 명칭이 「폴리플루오르카본 코팅 금속 베어링(POLYFLUOROCAR- BON COATED METAL BEARING)」인 미국 특허 제 5,573,846 호에 개시된 복합물과 같은 불화 폴리머를 포함하는 폴리머 또는 플라스틱 재료와 같은 임의의 개수의 적절한 윤활 물질을 포함할 수도 있다. 유리한 플라스틱 재료에는 보통 고온 융해성 유기 폴리머를 포함하거나, 및/또는 상대적으로 낮은 마찰 계수가 특징인 내온성 폴리머 시스템이 포함된다. 상기 재료는 기판이 제조되는 재료에 대한 부착 또는 적층에 적합해야 한다. 이 점에 있어서, 불화 폴리머는 유리한 접착제이다. 예를 들어서, 적절한 접착층(120)을 선택하면, 금속 기판에 로드 베어링층(114)을 적층하는 것과 같이 실질적으로 어떠한 유기 폴리머라도 적층할 수 있다.

포드 베어링층(114)에서의 유리한 폴리머 재료의 예에는 불화 폴리머(예를 들어, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE: polytetrafluoro- ethylene), 불소화 에틸렌-프로필렌(FEP: fluorinated ethylene-propylene), 폴리비닐리덴 플루라이드(PVDF: polyvinylidene flouride), 폴리클로로트리플루오르에틸렌(PCTFE: poly- chlorotrifluoroethylene), 에틸렌클로로트리플루오르에틸렌(ECTFE: ethylene- chlorotrifluoroethylene) 및 과플루오르알콕시 폴리머(PFA: perfluoroalkoxy polymer)), 아세탈(acetal), 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르이미드(poly- etherimide), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK: polyether ether ketone), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리술폰(예를 들면, 폴리에테르술폰(polyethersulfone)), 폴리아미드(나일론), 폴리페닐렌 설파이드, 폴리우레탄, 폴리에스터, 폴리페닐렌 옥사이드, 및 이들의 블렌드(blend) 및 알로이(alloy)가 포함된다. 또한, PPS, PPSO₂및 방향족 또는 지방족 폴리케톤/에테르, PEI 및/또는 나일론 46을 연속적인 매트릭스로 사용할 수도 있다. 고체 형태(무반응성 필름) 또는 액체 상태의 폴리이미드와 같은 반응성 폴리머를 사용할 수도 있다. 따라서, 상기 반응성 폴리머는 연속적인 매트릭스를 구성할 수도 있다. 또한, 다른 폴리머, 예를 들어서 (에틸린 비닐아세테이트(EVA: ethylene vinylacetate)와 같은 저온 접착제를 사용하여 접합되는) 초거대분자량 폴리에틸렌 또는 폴리이미드를 사용할 수도 있다. 또한, 내부에 배치된 그리스(grease) 포켓에 의해 추가적인 윤활을 하도록 베어링층을 천공할 수도 있다.

윤활제 또는 충전물도 유용하다. 이들에는 윤활성, 기계적인 강도, 내마모성 및 열과 전기 전도도와 같은 폴리머의 특성에 영향을 미치는 다양한 첨가물이 포함된다. 유용한 첨가물에는, 적은 체적 백분율(예를 들어, 0.5 내지 49.5 퍼센트)의 글래스 및/또는 탄소 섬유, 실리콘, 그래파이트, 이황화 몰리브덴, 방향족 폴리에스터, 카본 입자, 청동, 불화 폴리머 및 이들의 조합이 포함되지만, 이들에 국한되지는 않는다.

주어진 응용 분야에 대한 특정 재료의 선택은 재료의 마찰 계수(μ)에 기초하여 결정된다. 두 표면 사이의 마찰 계수는 씨알씨 물리 화학 핸드북(1981-1982, 62판, CRC Handbook of Chemistry and Physics)에서 정의된 대로, 한 표면을 다른 표면 위에서 이동시키는데 필요한 힘과 두 면을 가압하는 전체 힘과의 비율로 표시된다. 따라서, F를 한 표면을 다른 표면 위로 이동시키는데 필요한 힘이라고 하고, W를 표면을 함께 가압하는 힘이라고 하면, 마찰 계수(μ)는로 표시된다.

상대적으로 통상적이거나 경량인 응용에 대해서, 수용 가능한 재료에는 정지 마찰 계수(μ)가 최소한 강철 상의 강철의 마찰 계수(0.58) 보다 작은, 유리하게는 폴리에틸렌의 마찰 계수(0.2)와 동일한 재료가 포함된다. 예를 들어 자동차 또는 일반적인 산업적 용도와 같은 보다 중량인 응용에서는 상대적으로 낮은 계수의 재료가 유리하다. 이들 응용에 유리한 재료에는, 예를 들어 정지 마찰 계수(μ)가 PTFE와 유사한(대략 0.04 내지 0.10) 재료가 있다.

일반적인 비교 목적으로 상술한 정지 계수가 충분하기는 하지만, 본 발명에서는, 통상적으로 베어링과 함께 연속적인 및/또는 반복적인 역할을 수행하는 응용이라는 관점의 맥락에서 동적 또는 동력학적 마찰 계수(μ)가 더 의미가 있다. 다양한 재료에 대한 동적 마찰 계수(μ)에 대한 값을 결정하고 비교하는데 하기의 시험 결과를 사용하였다. 시험에서는, 각각 시험할 특정 재료로 형성된 플라스틱 또는 로드 베어링층을 구비한 일련의 소정 치수의 디스크를 제조하였다. 소정의 압력 또는 부하(W)로 평탄한 강철판의 대향하는 측면에 두 개의 실질적으로 동일한 디스크로 형성된 로드 베어링층을 가압하였다. 이후에, 소정의 속도로 상기 디스크 사이에서 강철판을 당겨 내었다. 강철판을 제거하는데 필요한 힘(F)을 측정하고, 이후에 W로 나누어서 동력학적 마찰 계수(μ)를 구한다. 후술하여 설명하는 시험 결과는 565 N의 부하(W)를 사용하고, 50 mm/min의 속도로 강철판을 당겨 내어서 구했다. 예를 들어서, 상기 시험에 의해서 충전된 PTFE에 대한 동력학적 마찰 계수(μ)가 대략 0.08 내지 0.1을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 층(114) 또한 일반적인 충전물을 포함한다. 이 점에 있어서, 본 발명에서는 종래 기술에서 개시한 바와 같이 PTFE를 분산시켜서 다공성 청동 내부로의 관통이 용이하도록 하지 않았기 때문에, 충전물 입자의 크기는 일반적으로 중요하지 않다. 오히려, 본 발명의 유리한 실시예에서 PTFE가 입자를 함께 접합하는 연속적인 단계에 있을 때 스카이빙 절삭 처리한 PTFE를 사용하여 실질적으로 어떠한 입자 크기 및 농도의 충전물도 사용할 수 있게 되었다.

접착제(120)로는 다양한 다른 대안이 있다. 적절한 접착제에는 PFA, MFA, ETFA, FEP, PCTFE, PVDF와 같은 불화 폴리머, 에폭시, 폴리이미드 접착제와 같은 경화성 접착제 및 EVA 및 폴리에테르/폴리아미드 공중합체(Pebax^TM)과 같은 저온 핫 멜트(hot melt)가 포함된다.

또 다른 대안의 실시예로서, 층(114 및 120)은 폴리머 블렌드를 포함하는 단일층으로 제조된다. 예를 들어서, (PFA가 다수일 때의) 용융 압출 성형법 또는 (PTFE가 다수일 때의) 박판 스카이빙 절삭법에 의해서 생성되는 PFA/PTFE의 블렌드를 사용하여 접착제(120)와 로드 베어링층(114)의 양자로 기능하도록 할 수도 있다.PFA의 존재는 순수한 PTFE의 크립에 대한 내성을 증가시킨다. 이 효과는 상술한 바와 같이 충전물을 첨가하여 증가시킬 수 있다. 또한, 구조체(113)에 의해 한정되는 공극을 소정 폴리머의 분산체(PTFE, PPS, 이들의 조합 등, 유리하게는 충전물을 포함하여)로 충전할 수 있으며, 분산체를 건조시키고, 이후에 가압하여 로드 베어링층(114)를 형성한다. 예를 들어, 유리하게는 충전물로 PTFE를 포함하고 있는, 렌딩 컴퍼니(Lending Co.)로부터 입수 가능한 폴리이미드 P84를 구조체(113)에 직접적으로 코팅하고, 용제를 도포하고 폴리머를 완전하게 이미드화한다.

본 발명의 베어링(110)은, 유리하게는 이들과 중첩된 청동 피복부와 함께 금속 박판으로 형성된 기판(112)을 형성하여 제조된다. 상기 피복부 또는 중간층(116)은 열과 압력을 적용하여 일체형 복합물을 형성하는 통상적인 피복 기법을 사용하여 기판(112)에 접합된다. 이후에 도 2에 도시한 벌집 모양의 패턴과 같은 소정 패턴의 구조체(113)가 음화로 새겨진 통상적인 캘린더 롤(calender roll)로 상기 복합물을 통과시킨다. 따라서, 베어링층(114)은 상술한 적절한 접착제를 사용하여, PTFE와 같은 통상적인 윤활성 재료의 박판을 적층하여 형성될 수도 있다. 전체 적층부는 이후에 유리하게는 열과 압력하에 통상적인 프레스에 삽입하며, 여기에서 로드 베어링층(114)이 도 3에 도시된 바와 같이 최외곽 표면(122)을 구비하게 된다. 이와 같이 하여 베어링(110)이 실질적으로 완성된다. 일단 이렇게 제조된 후에, 베어링은 종래 기술을 사용하는 다양한 특정 용도의 응용 분야에 형성할 수도 있다. 또한, 로드 베어링층(114)을 기판(112)의 양면에 적층하여 양면 베어링을 형성할 수도 있다.

상술한 방식대로 평평한 박판으로 제조된 베어링(110)은 부시 또는 저널 베어링, 스러스트 와셔, 및 스키드 플레이트 등과 같은 다양한 수의 베어링 형태로 형성할 수 있다. 예를 들어서, 부시 또는 저널 베어링은 베어링(110)을 스트립으로 절단하여 형성할 수도 있다. 이후에 특정 응용 분야에 따라서, 도 1의 종래 기술에서 도시한 것과 유사하게 실린더형 표면의 내측 표면에 또는 대안적으로 그 외측 표면에 배치된 로드 베어링층(114)을 사용하여 내측 중공 실린더에 상기 스트립을 각각 형성시킬 수도 있다. 이후에 실린더형 베어링은 예를 들어서, 참조에 의해서 그 전체가 본원에 합체되는 1993 년 11 월자의 목록 번호 제 PPL-E-067-1 호의 "노글라이드, 노르톤 퍼포먼스 플라스틱(Norglide, Norton Performance Plastics)"에 기재된 것과 같은 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 기술을 사용하여 플랜지 처리한다.

제조에 유리한 방법을 개시하기는 하였지만, 그 절차는 변경되거나, 제거되거나 다른 순서대로 수행될 수도 있다. 예를 들어서, 대안적으로 표면에 로드 베어링층(114)을 적용하기 전에, 예를 들어서 기판(112)을 실린더와 같은 소정의 구조로 형성하여 베어링(110)을 제조할 수도 있다. 이 점에 있어서, 기판은 상술한 바와 같이 구조체(113)를 구비할 수도 있으며, 이후에 그 내부, 외부 또는 실린더형 표면의 양면 중의 하나에 구조체를 배치하여 임의의 편리한 방법을 사용하여 튜브로 제조한다. 그 후에, 예를 들어서, 스프레이 코팅 또는 딥핑(dipping)과 같은 임의의 적절한 방법으로 로드 베어링층(114)을 튜브에 적용한다. 로드 베어링층의 적용은 한 쪽 또는 양쪽의 플랜지 처리를 하기 전 또는 후에 수행할 수도 있다.

상기 제조법의 변형예로서, 심(seam)이 형성되거나 심(seam)이 형성되지 않은 튜브 중의 하나를 제조할 수 있는 롤 형성, 피어싱, 연신 또는 압출 공정 등을 포함하는 열간 또는 냉간 형성 공정과 같은 임의의 통상적인 방법에 의해서 기판(112)을 튜브로 제조할 수도 있다. 일단 형성되고 난 뒤에는, 화학적 부식 공정 또는 상술한 레이저 처리와 같은 표면 처리 기법을 사용하여 구조체(113)를 형성한다. 상술한 바와 같이, 그후에 로드 베어링층(114)을 적용할 수 있다.

후술하는 실시예 및 시험에 의해서 본 발명을 보다 자세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 유리한 실시예의 한 예에서, 지지부(112)는 독일 공업 규격(Deutsche Industrie Norm) "디아이엔 1624(DIN 1624)"에 따른 에스티4 1.0338 엘지(St4 1.0388 LG) 등급의 강철 박판으로 형성된다. 상기 박판은 대략 두께가 80 μ인 청동 피복부(청동 등급 CuSn 6)를 포함하여 두께가 0.8 mm이다. 도 2에 도시한 소정의 벌집 모양 패턴의 음화로 새겨진 통상적인 캘린더 롤로 지지부(112)를 통과시켜서 구조체(113)를 형성한다. 벌집 모양 패턴을 형성하는 구조체(113)의 치수는 상술한 바와 도 2 및 도 3에 도시된 것과 동일하다. 이후에 통상적인 25 μ두께의 PFA(듀퐁(DuPontR)의 테플론 피에프에이(Teflon^RPFA))로 형성된 접착제(120)를 사용하여 통상적인 스카이빙 절삭된 PTFE 복합물 박판(조성은 25 % 카본/그래파이트와 75 % PTFE임)을 적층하여 로드 베어링층(114)을 형성한다. 베어링층(114)의 범위는 두께(v)가 구조체(113) 위로 약 30 μ으로 되도록 설정된다. 이후에 4 MPa의 부하와 약 375 ℃의 온도 상태인 통상적인 프레스 내로 상기 복합물을 삽입한다. 온도와 압력은 약 3 분간 일정하게 유지하며, 이후에 동일한 부하 상태에서 약 100 ℃까지 냉각시키고, 이어서 프레스에서 방출한다. 최종 적층물을 절단하고, 손질(trimming)하고 소정의 기하학적인 형상으로 형성한다.

다른 실시예에서, 지지부(112)는 700 내지 800 mg/m²에서 크롬산염 전환 코팅으로 통상적으로 알려진, 본 기술 분야에서 공지된 방법에 따라서 양면을 크롬산으로 처리한 0.8 mm 두께의 알루미늄 박판(등급은 AlMg 04 Si 1.2)이다. 나머지 제조 단계는 유사한 베어링(110)을 생산하는 상술한 실시예의 것과 실질적으로 동일하다.

일련의 비교 실험을 수행하여 상술한 종래 기술의 DU 베어링 및 노글라이드(NG) 베어링에 대한 본 발명(PI; Present Invention)의 장점에 대해서 나타내었다. 시험한 특정 DU 베어링은 일반적으로 "Nr PG252825F"로 지칭되는 것이다. NG 베어링은 본 발명과 관련하여 상술한 조건하에서 통상적인 25 μ 두께의 PFA를 사용하고, 230 μ 두께의 스카이빙 절삭 처리한 PTFE 박판(조성은 25 % 카본/그래파이트, 75 % PTFE)으로 적층한 표준 강철 박판으로 제조된 것이다. 본 발명의 베어링(PI)은 상술한 바와 같이 제조하였다. 수행된 시험의 개요를 표 1에 나타내었다.

마찰 계수에 대한 시험은 각각 작은(직경 10 mm) 디스크의 DU, NG 및 PI 베어링 상에서 수행하였다. 베어링 표면의 소정량을 그 최외곽 표면(122)으로부터 교대로 제거하고, 이후에 마찰 계수를 측정하였다. 이렇게 하여 다양한 깊이에서의 베어링 각각의 마찰 계수 또는 베어링 수명 중의 마모도에 관한 프로파일을 얻었다. 시험은 상술한 시험 방법론을 사용하여 수행하였다. 그 결과를 하기의 표 2에 도시하였다.

상기 결과는 DU 베어링의 마찰 계수가 그 수명 중의 비교적 이른 시기에 증가한다는 점을 나타내고 있다. 또한, 마찰 계수는 일정하지 않고, 따라서 조립체(예를 들어, 회전축 및 하우징)는 그 수명에 걸쳐서 평탄도 및 열 방출과 같은 동작 조건이 동일하지 않게 된다.

깊이 60 μ에서의 값 0.19는 순수한 청동과 강철 사이의 마찰 계수이며, 따라서 이는 초기의 최외곽 표면(122)으로부터의 마찰 재료의 유효한 깊이가 약 60 μ이라는 것을 나타낸다. 이 양은 DU 베어링의 PTFE/청동 혼합물의 250 내지 350 μ의 전체 이론적인 깊이 보다 현저하게 적은 것이다.

그러나, 본 발명에서는 최대 대략 80 μ의 낮은 마찰 계수로 된 상대적으로 긴 평탄부(plateau)가 있음을 보여주고 있다. 이 결과는 상기 평탄부가 시험한 상부의, 무청동층(도 3의 깊이("v")) 또는 30 μ깊이에 대해서만 지속된다고 알고 있었으므로 의외다. 상기 의외로 긴 낮은 마찰 평탄부를 형성하는 특정한 메커니즘에 대해서는 알려져 있지 않다. 그러나, 상기 평탄부가 폴리머와 혼합되는 것이 아니라 분리된 위치에서의 청동의 배치에 기인하여 두 배의 깊이(v) 이상으로 연장된다고 추정된다.

NG에 대한 결과는 참조로 제시하였다. NG에서는 베어링층에 청동을 사용하지 않고 균질적이기 때문에, 마찰 계수는 수명에 있어서 변화하지 않는다. 그러나, PI 베어링은 NG 베어링에 비해서 시간 대비 마모율이 훨씬 양호하다고 추정된다. 다시 말하자면, 실제 사용 중에, PI 베어링은 NG 베어링에 비해서 주어진 깊이에 대해서 실질적으로 마모에 더 긴 시간이 걸린다는 것을 알 수 있다.

상술한 크립에 대한 내성 시험에 대해서는 다음과 같이 수행하였다. 소정 두께의 평평한 베어링 시편을 30 mm ×30 mm의 치수로 절단하고, 두 개의 마주 보는 평행한 원형 플레이트 사이에서 가압하였다. 베어링 표면 영역이 1 cm²인 상기 플레이트는 840 HV(비커스 경도: Vicker's hardness)와 ISO 표준 제 4287/1에 따른 거칠기(R_t= 1.3 μ)의 강철로 제조하였다. 각각 10 및 30 kN/cm²의 완전한 부하로 23 ℃와 100 ℃에서 플레이트를 사용하여 한 시간 동안 시편을 가압하였다. 이후에 부하는 해제하고, 시편을 15 분간 회복시켰다. 이후에 시편의 두께를 측정하고, 두께의 감소를 계산하였다. 본원 발명의 시편을 동일한 PTFE 베어링층 두께를 가진 NG와 비교하였다. NG는 상술한 바와 같이 표준 카본/그래파이트 충전물을 사용하여 제조된 것이다. 본 발명의 다른 실시예 또한 "에코놀, 티101식(Ekonol^TM, type T101)"이란 명칭으로 카보런덤 컴퍼니, 유. 에스. 에이.(Carborundum Co., U.S.A.)에서 판매하고 있는 방향족 폴리에스터 충전물을 25 중량 백분율로 포함하여 제조하였다. 결과는 하기의 표 3에 표시하였다.

본 발명의 베어링은 독일 마이팅엔(Meitingen, Germany)에 소재하는 젬러 앤드 라인하트 컴퍼니(Semmler and Reinhart Company)로부터 입수 가능한 더블유엘엠 20/112식(type WLM 20/112) 장비를 사용하여 열 전도율을 측정하였다. 베어링으로 형성한 20 mm 직경의 디스크를 두 개의 측정 헤드 사이에 삽입하고, 각각 30 ℃와 50 ℃로 설정하였다. 열 전도도 값은 제조업자의 지시대로 측정하였다. 하기의 표 4에 나타낸 결과는 본 발명(PI: Present Invention)의 베어링이 대략 NG에 비해서 세 배 정도 우수하며, 또한 DU에 대해서는 전체 두께에서 우수하다는 점을 볼 수 있다. 상기 월등한 열 전도도는 명백하게도 금속 지지부(112)에 대한 견고한 연결을 형성하여, 지지부(112)로부터 로드 베어링층(114)의 표면으로 향하여 연장되는 핀 구조(fin structure)를 형성하는 구조체(113)에 의한 것이다. 덧붙여 말하자면, 일단 베어링층(114)이 구조체(113)까지 마모된 경우(도 3에서 도시한 바와 같은 깊이(v), 또는 시험한 실시예에서 대략 30 μ)에는 전도값이 더욱 크게 되었다. 샌드블래스트 처리한 기판(112)을 사용하였을 때 현저하게 개선된 결과가 나오지는 않았다.

베어링 시편은 실질적으로 통상적인 디아이엔 53482 표준(DIN 53482 standard)에 따라서 전기 전도도 시험을 수행하였지만, 하기와 같은 차이점이 있다. 즉, 두께 = 베어링의 전체 두께, 부하 = 3000 N(10 N/mm²와 동일)의 조건과, 실온에서 5 시간의 휴지 시간 이후에 측정을 수행하였다. 이 결과는 표 5에 나타내었다.

명의 베어링은 표준 NG 보다도 기계적인 응력에 더 내성이 있다. 이 점에 있어서, 본 발명의 베어링은 도 3과 관련하여 상술한 치수의 청동 중간층(116)과 PTFE 베어링층(114)을 구비한 0.8 mm 두께의 강철 기판을 사용하여 제조하였다. 이후에 도 1의 종래 기술에 대략적으로 도시한 형태의 실린더형 부시 내에 베어링(110)을 형성하고, 플랜지 처리한다. 검사에 따르면, 본 발명의 부시에서는 어떠한 박리의 발생도 관찰할 수 없었으나, NG 시편은 박리하였다.

따라서, 기판(112)과 일체형으로 형성되고 로드 베어링층(114)에 삽입되는 본 발명의 융기부(113)는 상대적으로 두꺼운 저저항 자가 윤활 재료의 베어링층(114)의 사용을 가능하게 한다. 또한, 베어링의 마찰 계수는 그 수명에 걸쳐서, 의외로, 심지어 로드 베어링층(114)이 일단 구조체(113)까지 및 내부로까지 마모된 이후라도, 낮고 실질적으로 일정하게 유지된다. 베어링(110)은 또한 유리하게는 크립 및 기계적인 응력에 대해서 내성이 있으며, 전기적으로 및 열적으로 전도성이 있다.

상술한 설명은 원래 예시 목적으로 기재된 것이다. 예시적인 실시예를 참조하여 본 발명을 도시하고 설명하였지만, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 그 형태와 상세한 부분에 있어서 상술한 것 및 다양한 다른 변화, 생략, 및 부가와 같은 것을 본 발명의 정신과 범위로부터 이탈하지 않고도 수행할 수 있음은 명백하다.

Claims (24)

1. 무보수 베어링(110)에 있어서,

   표면을 구비한 기판(112)과,

   상기 표면을 따라서 이격된 관계로 배치되고, 상기 표면으로부터, 실질적으로 직각 방향으로 연장되는 다수의 구조체(113) 및,

   상기 다수의 구조체와 결합되어 상기 표면과 함께 중첩되어 있는 로드 베어링층(114)을 포함하며, 상기 구조체는 상기 로드 베어링층 내에 삽입되는 무보수 베어링.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 구조체는 상기 기판 상에 일체적으로 배치되는 무보수 베어링.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 다수의 구조체는 중간층(116) 내에 배치되어 있으며, 상기 중간층은 상기 기판 상에 일체적으로 배치되는 무보수 베어링.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 금속 재료로 제조되는 무보수 베어링.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 기판은 강철로 제조되는 무보수 베어링.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 기판은 알루미늄으로 제조되는 무보수 베어링.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 로드 베어링층은 윤활성 플라스틱 재료를 포함하는 무보수 베어링.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 로드 베어링층은 불화 폴리머, 폴리이미드와 방향족 케톤 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 무보수 베어링.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 로드 베어링층은 카본, 그래파이트, 산화 알루미늄, 실리콘 카바이드, 질화 붕소, 질화 실리콘, 글래스, 청동, 불화 폴리머, 실리콘, 이황화 몰리브덴 및 이들의 조합으로부터 구성되는 그룹으로부터 추가로 선택된 최소한 하나의 충전물을 추가로 포함하는 무보수 베어링.
10. 제 3 항에 있어서, 상기 중간층은 연성 금속 재료를 포함하는 무보수 베어링.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 중간층은 청동을 포함하는 무보수 베어링.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 구조체는 상기 표면과 동시에 함께 연장되는 다각형 패턴을 포함하는 무보수 베어링.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 실질적으로 평평한 무보수 베어링.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 실질적으로 실린더형인 무보수 베어링.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 기판은 최소한 한쪽 단부가 플랜지 처리되는 중공 튜브를 포함하는 무보수 베어링.
16. 제 3 항에 있어서, 상기 다수의 구조체는, 상기 중간층을 포함하여, 표면에 배치된 음화로 된 소정의 패턴을 구비하는 캘린더를 사용하여 상기 기판을 통과시켜서 제조되는 무보수 베어링.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 로드 베어링층은 열과 압력에 의해서 상기 기판에 적용되는 무보수 베어링.
18. 제 16 항에 있어서, 상기 로드 베어링층은 접착제를 사용하여 상기 기판에 적용되는 무보수 베어링.
19. 제 16 항에 있어서, 상기 로드 베어링층과 상기 접착제는 폴리머 블렌드를 포함하는 단일층으로 제조되는 무보수 베어링.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 단일층은 PFA 및 PTFE를 포함하는 무보수 베어링.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 단일층은 용융 압출 성형법에 의해서 PFA로부터 생성되는 무보수 베어링.
22. 제 20 항에 있어서, 상기 단일층은 박판 스카이빙 절삭법에 의해서 PTFE로부터 생성되는 무보수 베어링.
23. 무보수 활주 베어링(110)의 제조 방법에 있어서,

    (가) 표면을 구비하는 기판(112)을 제공하는 단계와,

    (나) 상기 표면을 따라서 이격된 관계로 배치되고, 상기 표면으로부터, 실질적으로 직각 방향으로 연장되는 다수의 구조체(113)를 일체적으로 배치하는 단계 및,

    (다) 상기 다수의 구조체와 결합되어 상기 표면과 함께 중첩 정렬되는 로드 베어링층(114)을 배치하는 단계를 포함하며, 상기 구조체는 상기 로드 베어링층 내에 삽입되어 있는 무보수 활주 베어링의 제조 방법.
24. 제 23 항에 있어서, 상기 일체적으로 배치하는 단계(나)는 상기 기판과 상기 로드 베어링층 사이에서 기판 상에 중간층(116)을 일체적으로 배치시키는 단계(ⅰ)와, 상기 중간층 내에 다수의 구조체를 형성하는 단계(ⅱ)를 추가로 포함하며,

    상기 로드 베어링층을 배치하는 단계(다)는 열과 압력을 사용하여 상기 로드 베어링층을 상기 기판에 적용시키는 단계를 추가로 포함하는 무보수 활주 베어링의 제조 방법.