KR20010080395A - 슬라이딩 요소용 복합 다층 재료 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

전체 서비스 수명 동안 최적의 특성을 나타내는 복합 다층 재료를 제조하기 위한 방법이 설명된다. 복합 다층 재료는 뒤붙임층, 베어링 금속층, 중간층 및 전착된 오버레이를 포함하고, 그 표면에서 베어링 금속층의 방향으로 연속적으로 증가하는 경도를 나타낸다. 상기 방법은 전착에 대해 적어도 하나의 단단한 성분과 하나의 부드러운 성분을 갖는 납이 없는 합금의 오버레이로 제공하고, 전류 밀도는 전착 과정 동안 0.3 ~ 20 A/dm2의 범위 내에서 수정되고 또는 전기도금 전해조의 15℃ ~ 80℃의 범위 내에서 수정된다.

Description

슬라이딩 요소용 복합 다층 재료 및 이의 제조 방법{STRATIFIED COMPOSITE MATERIAL FOR SLIDING ELEMENTS AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}
공지된 복합 다층 재료는 구리 또는 알루미늄이 기초가 되는 주조, 소결 또는 압연된 베어링 금속층을 갖는 일반적으로 강으로 된 안정한 뒤붙임층, 및 예를 들면 납-주석-구리 합금 상에 용착되는 오버레이로 구성된다. 일반적으로, 예를 들면 니켈로 된 확산 장벽 층은 오버레이 및 베어링 금속층 사이에 배열된다. 이러한 복합 다층 재료는 예를 들면 DE-PS 830 269에 공지되어 있다.
오버레이는 다수의 기능을 나타낸다. 이것은 단단한 연마 입자를 삽입함으로써 무해하게 하고 작동 상태 동안 샤프트에 일치하게 된다. 이것은 베어링 금속에 대해 어느 정도의 부식 보호를 제공하고 기름이 부족한 경우에 비상 운전 특성을 나타낸다.
상기 오버레이의 라이프 사이클은 다음의 상태를 포함한다.
- 상대적으로 높은 레벨의 마모를 갖는 작동 상태
- 상대적으로 일정하고 낮은 비율의 마모를 갖는 연속적 작동 상태
- 층이 전적으로 마모된 후에 증가된 스커핑(scuffing) 감도를 갖는 상태
종래 오버레이의 경도는 삽입가능성(embeddability) 및 비상 작동 가동 즉 낮은 층 경도, 및 마모 저항 즉 높은 층 경도 사이의 중간물(compromise)을 나타낸다.
오버레이 성능을 최적화하기 위해, 예를 들면 부드러운 재료 및 단단한 재료의 엇갈리는 층으로 된 특수 구조가 개발되었다. 이러한 오버레이는 예를 들면 DE 39 36 498 A1에 공지되어 있다. 전류는 0 ~ 80 A/dm2의 밀도 및 -1.5 내지 +0.5 볼트의 전위를 갖는 전기도금 전해조 내에서 확립된다. CuSnPb의 엇갈리는 층(부드러운 층) 및 Cu 또는 CuSn의 엇갈리는 층(단단한 층)은 납-주석-구리 전해조로부터 용착된다. 용착은 용착 파라미터를 변화시킴으로써 단일 플루오르화 붕산염을 포함하는 전해조로부터 달성된다.
수백개에 이르는 층을 포함하고 각각의 층이 단지 수 ㎛의 두께를 갖는 이러한 층 배열은 구리 및 주석 상호 확산이 바람직하지 못한 마찰 특성을 나타내고 추가적으로 브리틀 파단면(fracture) 경향을 갖는 브리틀(brittle) 상호금속성 상태를 만든다는 심각한 단점을 갖고 있다.
3원 또는 2원 백색 금속 합금의 오버레이를 갖는 슬라이딩 요소를 제조하는 균질화 기초 방법이 DE 41 03 117 C2에 공지되어 있다. 그러나, 확산 법칙은 농도분포가 e-function에 따라 항상 정해지므로, 이러한 방법은 부드러운 성분 또는 단단한 성분의 농도가 층 두께를 통해 원하는 대로 변화될 수 없다는 단점을 갖고 있다. 특히 가파르게 감소하는 e-function의 경우에, 더 이상의 경도 변화는 절대적으로 낮은 오버레이 영역에서 얻어질 수 없다. 다른 단점은 추가적인 방법 단계가 오버레이의 전착 후에 농도 기울기를 조절하기 위해 필요하다는 것이다.
본 발명은 슬라이딩 요소용 복합 다층 재료를 제조하는 방법에 관한 것으로, 여기에서 베어링 금속층 및 중간층은 뒤붙임층(backing layer)에 적용되고 오버레이는 중간층에 전착된다. 또한, 본 발명은 슬라이딩 요소용 복합 다층 재료에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 전체 서비스 수명 동안 최적의 특성을 나타내는 복합 다층 재료를 제조하는 것이 가능한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 오버레이가 복합 다층 재료로 제조되는 슬라이딩 요소의 서비스 수명을 통하여 최적 경도를 나타낼 때 최적의 특성이 달성된다는 점을 기초로 한다. 이것은 본 발명에 따른 복합 다층 재료의 경우에 오버레이는 그 표면에서부터 베어링 금속층의 방향으로 연속적으로 증가하는 경도를 보인다는 점에서 성취될 수 있다.
오버레이, 및 본 발명에 따른 상기 복합 다층 재료는 각각의 작동 상태에 따른 층 경도를 나타낸다: 작동 상태 동안에는 낮은 경도, 연속적 작동 상태에서는 경도의 증가, 따라서 서비스 수명이 전체적으로 상당히 증가한다. 기존의 오버레이와 비교하여 1.5 내지 2배 정도 서비스 수명이 개선되는 것이 입증되었다.
이러한 오버레이는 경도가 층 두께를 통해서 명확하게 조절되는 것에 의한 방법을 필요로 한다. 상기 목적은 적어도 하나의 단단한 성분과 하나의 부드러운 성분을 갖는 납이 없는 합금이 오버레이로서 용착되고, 용착 과정 동안 0.3 ~ 20A/dm2의 범위내에서 현재 농도가 수정되고 또는 상기 전기도금 전해조가 15℃ ~ 80℃의 범위내에서 수정되는 방법에 따라서 이루어진다.
본 발명에 따른 방법은 수 개의 대안을 허용한다.
제 1 실시예에 있어서, 방법은 일정한 온도에서 수행되고 전류 밀도는 용착 과정 동안 수정되고, 가급적 증가한다. 이것의 결과는 전류 밀도가 증가할 때 부드러운 성분은 우선적으로 용착되므로 오버레이에서 부드러운 성분이 더 넓은 부분이 되도록 하는 것이다.
제 2 실시예의 방법에 있어서, 전류 밀도는 특정한 값이 되게 하고 온도가 수정된다. 이것은 온도 및 단단하고 부드러운 성분의 용착 작용 사이에 온도가 증가함에 따라 단단한 성분의 용착이 유리하다는 취지의 상호 관계를 나타낸다. 원하는 경도 기울기를 확립하기 위해서, 제 2 실시예의 제 1 실시예에 따라 용착 동안에 온도를 높은 값에서부터 떨어뜨리는 것이 필요하다. 이것은 전기도금 전해조가 냉각되어야 한다는 것을 의미한다.
설비의 관점에서, 상기 전기도금 전해조를 가열하는 것이 간단하므로, 이러한 제 2 실시예의 방법은 분극제(polariser)를 상기 전기도금 전해조에 먼저 추가하는 것을 포함한다. 불포화 카르복실(carboxylic) 산 기반의 첨가물이 본 발명의 목적에 적합하다는 것이 판명되었다. 상기 분극제는 가급적 약 30%의 카르복실 산 및 1/3에 이르는 아릴기 폴리글리콜 에테르 및/또는 알킬기 폴리글리콜 에테르를 포함하고 나머지는 물로 구성된다. 이러한 첨가물은 전기도금 전해조의 총량에 비례하여 10%에 이르는 양으로 첨가되는 것이 바람직하다.
이러한 "분극제" 첨가물은 더 단단한 성분의 용착이 온도가 증가함에 따라 감소하는 결과로서 더 단단한 성분의 전위를 수정하는 효과를 갖는다.
상기 방법의 실시예는 또한 서로 결합될 수 있고, 용착 과정동안 전류 밀도 및 온도 모두가 수정될 수 있다.
본 방법은 하나의 전해조로부터 전착에 의해 각각의 동작 특성로 층을 제조하는 것이 가능하다는 장점이 있다. 예를 들면 다른 온도를 갖는 복수의 전기도금 전해조의 사용은 배제되지 않는다.
전류 밀도 및/또는 온도는 단계적으로 수정될 수 있으므로, 층(laminar) 구조는 오버레이 내에서 확립된다. 그러나, 경도의 갑작스러운 변화는 동작 특성의 관점에서 항상 유리한 것은 아니다. 경도의 연속적인 변화, 즉 경도 기울기가 바람직하다. 따라서, 전류 밀도 및/또는 온도는 연속적으로 수정되는 것이 바람직하다.
전류 밀도는 0.1 ~ 0.5 A/(dm2min)의 비율로 증가하는 것이 바람직하다.
온도는 1℃ ~ 5℃/min의 비율로 수정되는 것이 바람직하다.
용착 동안 커버되는 전류 밀도 범위는 사용되는 합금에 의존한다. 주석 및 구리의 2원 합금이 용착되면, 전류 밀도는 0.5 ~ 10 A/dm2의 범위내에서 변화되는 것이 바람직하다. 적합한 2원 합금은 특히 CuAg, AgCu, SnCu, CuSn, SnBi 또는 SnAg를 포함한다.
용착은 플루오르 붕산염이 없는 전기도금 전해조를 사용하여 수행되는 것이바람직하다.
본 발명에 따른 방법은 10 HV ~ 150 HV의 범위에서 오버레이의 경도를 상부에서 조절하는 것이 가능하다.
전해조 성분은 높고 낮은 경도의 합금이 용착될 수 있다.
단단한 성분의 비율은 오버레이 표면으로부터 베어링 금속층의 방향으로 1 중량 퍼센트에서 20 중량 퍼센트까지 증가한다. 오버레이 합금은 0.1 중량 퍼센트 내지 5 중량 퍼센트의 니켈 및/또는 코발트를 추가적으로 포함할 수 있다. 이러한 추가는 2원 시스템에서 확산을 안정시키는 효과를 갖는다.
중간층은 확산 장벽 및 결합제 역할을 하고 마모 및 피로 저항을 향상시킨다. 이것은 니켈, SnNi, Ni + SnNi(2개의 층), Co 또는 Fe로 구성되는 것이 바람직하다. SnNi 합금층의 주석 성분은 65 ~ 75%인 것이 바람직하다.
중간층의 용착은 전기도금 또는 전기없는(자가 촉매의) 도금을 사용하여 마찬가지로 수행될 수 있다. 상기 베어링 금속층은 소결 또는 주조될 수 있다.
제 1 실시예:SnCu 오버레이
전착된 층은 니켈 중간층을 갖는 납-청동 기판상에서 제조된다.
주석 영역에서, 혼합물은 1 내지 20%의 구리 성분으로 조절될 수 있다. 구리 성분은 층 표면으로부터 베어링 금속의 방향으로 연속적으로 증가한다. 경도 프로필(profile)은 10 HV(오버레이 표면에서)에서 80 HV(상기 베어링 금속의 부근에)까지 증가하는 Cu 농도 프로필과 일치한다.
상기 층은 주석과 구리 메탄술폰산염 및 유기 습윤제 및 유연제를 포함하는 메탄술폰 산 전해조에서 용착된다. 오버레이의 층 두께는 8 내지 50㎛ 사이의 범위에서 조절될 수 있다.
상기 구리 농도 프로필은 20℃ 내지 60℃ 사이의 범위를 갖는 전해조 온도의 추가적인 변경을 갖는 3 내지 5 A/dm2범위의 전류 밀도에서의 용착에 의해 제조된다.
제 2 실시예:SnAg 오버레이
Ni 중간층을 갖는 CuSn 베어링 금속상의 용착.
오버레이는 1 내지 20%의 은 성분을 갖는 메탄술폰 산 주석-은 전해조에서 용착된다.
오버레이 표면으로부터 베어링 금속으로의 은의 농도 기울기는 전류 밀도를 0.3 내지 10 A/dm2로 변경함으로써 제조될 수 있다. 오버레이의 경도는 10 HV(주석이 풍부한 표면) 및 150 HV(은이 풍부한 상태) 사이이다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 슬라이딩 요소용 복합 다층 재료 및 이의 제조 방법은 전체 서비스 수명 동안 최적의 특성을 나타내며, 기존의 오버레이와 비교하여 1.5 내지 2배 정도 서비스 수명이 개선되는 효과가 있다.

Claims (18)

  1. 베어링 금속층 및 중간층은 뒤붙임층에 적용되고 오버레이는 상기 중간층에 전착되는 슬라이딩 요소용 복합 다층 재료를 제조하는 방법에 있어서,
    적어도 하나의 단단한 요소 및 하나의 부드러운 요소를 갖는 납이 없는 합금은 오버레이로서 용착되고, 전류 밀도는 용착 과정 동안 0.3 ~ 20 A/dm2의 범위 내에서 수정되고 또는 전기도금 전해조의 온도는 15℃ ~ 80℃의 범위 내에서 수정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도는 수정되지 않고 전류 밀도는 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 밀도는 수정되지 않고 상기 온도는 감소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    분극제는 전기도금 전해조에 추가되고, 상기 전류 밀도는 수정되지 않고 상기 온도는 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    불포화 카르복실 산이 기초가 되는 분극제가 추가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 분극제는 10% 까지의 양이 추가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 밀도 및/또는 상기 온도는 연속적으로 수정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 밀도는 0.1 내지 0.5 A/(dm2min)의 비율로 증가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도는 1℃ 내지 5℃/min의 비율로 수정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    주석과 구리의 2원 합금이 용착되고, 상기 전류 밀도는 0.5 내지 10 A/dm2의 범위에서 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    CuAg, AgCu, SnCu, CuSn, SnBi 또는 SnAg의 2원 합금이 용착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    플루오르 붕산염이 없는 전기도금 전해조가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 뒤붙임층, 베어링 금속층, 중간층 및 전착에 적용되는 오버레이를 갖는 슬라이딩 요소용 복합 다층 재료에 있어서,
    상기 오버레이는 이것의 표면으로부터 베어링 금속층의 방향으로 연속적으로 증가하는 경도를 나타내는 것을 특징으로 하는 복합 다층 재료.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 중간층은 Ni, Ni + SnNi, Co 또는 Fe로 구성되고, 상기 SnNi 합금은65% 내지 75%의 Sn을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 다층 재료.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 경도는 10 HV 내지 150 HV에 이르는 범위에서 증가하는 것을 특징으로 하는 복합 다층 재료.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오버레이는 CuAg, AgCu, SnCu, CuSn, SnBi 또는 SnAg같은 부드러운 성분 및 단단한 성분을 갖는 납이 없는 2원 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합 다층 재료.
  17. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단단한 성분 함량은 오버레이 표면으로부터 베어링 금속층의 방향으로 1 중량 퍼센트에서부터 20 중량 퍼센트까지 증가하는 것을 특징으로 하는 복합 다층 재료.
  18. 제 13 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합금은 0.1 중량 퍼센트 내지 5 중량 퍼센트의 니켈 및/또는 코발트를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 다층 재료.
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