KR20010109478A - 다층 미끄럼 베어링 재료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 베어링 합금의 표면에 보호층을 코팅한 미끄럼 베어링에 있어서, 안정성이 우수하고 보호층의 마모 부스러기에 의한 조기 마모나 상대 부재의 국부 접촉에 의한 눌러붙음을 방지할 수 있는 다층 미끄럼 베어링 재료를 제공한다. 보호층(10)을 고체 윤활제 그리고 극성용매에 녹는 열가소성수지 및 열경화성수지로 된 바인더로 구성한다. 열가소성수지 및 열경화성수지는 용매에 녹으면 분자에 가까운 미세한 단위로 서로 혼합되어 바인더는 열가소성수지의 성질과 열경화성수지의 성질의 중간 성질을 가지게 된다. 따라서 바인더가 상대 축과의 미끄럼에 의해 마모되는 경우 마모 부스러기에 의한 보호층(10)의 표면이 깊게 손상되고 조기에 마모되는 것을 방지할 수 있다. 또한 바인더는 적당한 경도를 가지고 있기 때문에 양호한 안정성을 유지할 수 있고, 상대축이 국부적으로 접촉하더라도 보호층(10)은 늘어나기 어렵기 때문에 보호층(10)이 조치에 마모되어 합금층(9)과 상대축이 금속접촉을 할 위험성도 방지할 수 있다.

Description

다층 미끄럼 베어링 재료 {Multi-Layer Sliding-Bearing Material}
본 발명은 미끄럼 면에 고체윤활제를 함유하는 보호층을 코팅한 다층 미끄럼 베어링 재료에 관한 것이다.
예를 들면 선박용 엔진이나 자동차용 엔진의 크랭크샤프트에 사용되는 베어링에는 Cu계 베어링 합금 또는 Al계 베어링 합금이 결합한 백 스틸(back steel)을 포함한 미끄럼 베어링이 사용되고 있다. 엔진용 미끄럼 베어링에는 안정성 또는 내마모성 등의 향상을 위해서 미끄럼 베어링 표면에 보호층을 코팅하고 있다.
예를 들면 일본에서 출원 공개된 공보(JP-A-2000-27868)에는 선박용 엔진의 미끄럼 베어링에 있어서 베어링 표면에 자기 윤활성을 가지는 테트라플루오로에틸렌을 코팅하는 것이 나타나 있다. 또한 일본에서 출원 공개된 공보(JP-A-58-108299)에는 자동차용 엔진의 미끄럼 베어링에 있어서 베어링 표면에 그래파이트 또는 몰리브덴등의 고체윤활제와 페놀 수지 또는 에폭시 수지등의 바인더로 만들어진 보호층을 코팅하는 것이 설명되어 있다.
상기 페놀 수지 혹은 에폭시 수지는 모두 열경화성수지이지만 열경화성수지는 단단하기 때문에 안정성이 떨어진다. 특히 엔진의 시동시의 윤활이 없는 조건에서는 크랭크샤프트와의 미끄럼 마찰에 의해 발생한 마모 부스러기가 보호층을 손상시키고 조기에 마모되게 한다.
미끄럼 마찰을 방지하기 위해서는 보호층을 연질의 열가소성수지 예를 들면 테트라플루오로에틸렌으로 구성하는 것을 생각할 수 있다. 그러나 연질의 열가소성수지는 내마모성이 떨어진다. 또한 크랭크샤프트가 구부러져 미끄럼 베어링의 단부에 국부 접촉으로 10㎛ 정도의 극히 얇게 코팅된 열가소성 수지가 국부 접촉 부분에서 더욱 얇게 연장된 상태로 되어 조기에 마모되고, 그 결과 베어링 합금과 크랭크 샤프트가 금속 접촉을 하여 눌러 붙음을 발생키는 위험이 있다.
본 발명의 목적은 보호층의 마모 부스러기에 의한 조기 마모 또는 상대부재와의 국부 접촉에 의한 눌러 붙음을 방지할 수 있는 다층 미끄럼 베어링 재료를 제공하는 것이다.
본 발명은 보호층이 고체 윤활제 그리고 극성 용매에 녹는 열가소성수지 및 열경화성수지로 만들어진 바인더로 구성된 것을 특징으로 하는 베어링 합금층 표면을 커버하는 보호층을 포함하는 다층 미끄럼 베어링 재료를 제공한다. 이러한 구성에 의하면 열가소성수지 및 열경화성수지가 용매에 용해되면 분자근처의 극히 미세한 단위에서 서로 혼합되고, 결과물인 바인더는 열가소성 수지의 성질과 열경화성수지의 성질의 중간 성질을 가지게 된다.
이 때문에 재료들이 서로서로 국부 접촉이 있어도 보호층이 얇게 퍼지기는 어렵고 또한 강도도 비교적 강하기 때문에 조기에 마모되어 베어링 합금과 상대부재가 금속접촉을 할 위험을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한 바인더는 적절한 경도를 가지고 있기 때문에 양호한 안정성도 유지할 수 있고, 바인더가 상대부재와의 미끄럼에 의해 마모된 경우 그 마모 부스러기에 의해 보호층의 표면이 깊게 손상되고 조기에 마모되는 것도 방지할 수 있다.
상기의 형태로 열가소성수지의 비율을 열경화성수지 100%용량에 대해서 1~100%용량의 범위를 갖는다. 그 이유는 열가소성수지가 1%용량 미만인 경우에는 바인더가 열경화성수지의 성질에 극히 가깝게 되어 안정성이 떨어지고 마모 부스러기에 의한 조기 마모가 일어나기 쉽다. 또한 100%용량을 넘으면 바인더가 열가소성수지의 성질에 가깝게 되어 보호층의 경도가 낮아지고 그 결과 내마모성이 저하함과 동시에 상대 부재의 국부 접촉에 의한 금속 접촉이 일어나기 쉽다.
또 다른 바람직한 형태에 있어서는, 보호층은 고체 윤활제의 함유율을 80%용량 이하로 한다. 고체 윤활제는 보호층의 마찰계수를 낮추는 효과를 가진다. 고체 윤활제가 80%용량을 초과하면 바인더로써 작용하는 열경화성수지 및 열가소성수지의 비율이 적어지고 고체 윤활제를 유지할 수 없으며 보호층의 강도저하를 일으켜 보호층의 내마모성이 낮아지기 때문이다.
또 다른 바람직한 형태에 있어서는, 보호층은 5%용량 이하의 경질입자를 함유한다. 경질입자는 보호층의 내마모성을 향상시킨다. 5%용량을 초과하면 상대 부재로의 공격(attacking) 성질이 강해지고 상대 부재를 손상시키며 상대 부재의 손상에 의한 보호층 마모가 발생한다.
도 1은 본 발명에 따르는 실시예인 미끄럼 베어링의 단면도이다.
도 2는 미끄럼 베어링의 사시도이다.
도 3은 선박용 엔진의 크랭크의 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 보호층(10)을 부착한 미끄럼 베어링과 종래의 보호층을 부착한 미끄럼 베어링에 대해서, 마찰계수를 측정함과 동시에 마찰 마모 그리고 시저시험을 실시한 결과를 나타낸다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
1 : 크랭크핀용 베어링 장치 3 : 미끄럼 베어링
7 : 반원통형 미끄럼 베어링 8 : 백 메탈(back metal)
9 : 합금층 10: 보호층
이하, 본 발명을 선박용 엔진의 크랭크핀용 미끄럼 베어링에 적용한 하나의 실시예로 도면을 참조하여 설명한다.
도 3에는 선박용 엔진의 크랭크샤프트의 크랭크핀용 베어링(1)이 나타나 있다. 이 크랭크핀용 베어링(1)은 베어링 하우징(2)과 베어링 하우징(2)에 설치된 미끄럼 베어링(3)으로 구성되어 있다. 베어링 하우징(2)은 크랭크로드(4), 크랭크로드(4)에 설치된 상부 하우징(5)과 상부 하우징(5)의 하부에 부착된 하부 하우징(6)으로 구성된다. 또한 미끄럼 베어링(3)은 반원통 형상으로 형성된 2개의 미끄럼 베어링(7)을 상하로 서로 마주보게 구성하고 있다.
도 2는 반원통 형사의 미끄럼 베어링 중 하나를 도시한 것이며, 이하 각각의베어링을 반원통형 베이링이라 한다. 상기 반원통 형상의 미끄럼 베어링(7)은 도 1에서와 같이 강판으로 만들어진 백 메탈(8) 상에 Al계 베어링 합금으로 된 합금층(9)이 부착되고, 더욱이 합금층(9)의 표면(베어링 표면)에 보호층(10)이 코팅된다. 보호층(10)은 스프레이, 롤러 페인팅 또는 브러싱(brushing)과 같은 적절한 코팅 수단에 의해 코팅된다.
보호층(10)은 고체윤활제와 열가소성수지 및 열경화성수지로 된 바인더로 구성되고, 두께는 5~40㎛이며, 바람직하게는 10~30㎛이다. 보호층(10)을 구성하는 고체윤활제로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 이황화몰리브덴(MoS2), 이황화 텅스텐(WS2) 또는 그래파이트(Gr)등이 사용된다. 또한 열가소성수지로는 디메틸아세트아미드(DMAC), N-메틸-2-피롤리돈(NMP)등의 극성 용매에 녹는 폴리에테르설폰(PES)등이 사용되고, 열경화성수지로는 상기의 극성 용매에 녹는 폴리아미드 이미드(PAI) 또는 에폭시(EP)등이 사용된다.
다음으로 반원통형 베어링(7)의 제조방법을 설명한다. 우선 백 메탈(8)에 만든 강판상에 접합용 Al합금과 Al계 베어링 합금을 함께 롤링 압연법에 의해 압접하여 합금층(9)을 형성하고, 강판상에 합금층을 부착한 바이메탈을 제조한다. 이 바이메탈로부터 소정 치수를 갖는 작은 조각을 형성하고, 작은 조각을 반원통형상으로 굽혀서 코팅전의 중간제품을 형성한다. 이후 중간제품에 미리 정해진 기계가공을 한 후 탈지와 탈산등의 전처리를 실시한다.
한편, DMAC, NMP등의 극성 용매에 PTFE, MoS2, WS2, Gr등의 고체 윤활제, 경우에 따라서는 TiO2등의 경질 입자, PES등의 열가소성수지, PAI, EP등의 열경화성수지를 가하고 혼합하여 교반시켜 분산액을 제조한다. 열가소성수지 및 열경화성수지는 용매중에 녹아 분자에 가까운 극히 미세한 단위로 혼합된 상태가 된다. 이 경우 고체 윤활제는 80%용량 이하, 열가소성수지의 비율은 열경화성수지의 100%용량에 대해서 1~100%용량인 것이 바람직하다. 또한 경질입자를 가한 경우에는 경질 입자는 5%용량 이하인 것이 바람직하다.
따라서, 상기 전처리후의 중간제품을 120℃로 가열하고 분산액을 스프레이법에 의해 중간제품의 합금층(9)상에 바른다. 그후 중간제품을 180℃로 가열하여 분산액을 건조, 경화시킨다. 경화에 의해 용매는 증발하고 열가소성수지 및 열경화성수지로 된 바인더와 고체윤활제 또는 경질 입자를 포함한 보호층(10)이 합금층(9) 표면에 단단하게 부착된 반원통형 베어링(7)을 얻을 수 있다. 이 경우 보호층(10)의 두께는 20㎛이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 보호층(10)을 부착한 미끄럼 베어링과 종래의 보호층을 부착한 미끄럼 베어링에 대해서 마찰 계수를 측정함과 동시에 마찰 마모시험, 시저시험을 수행한 결과를 나타낸다. 도 4에 있어서 바인더란의 괄호내의 수치는 열경화성수지 100%용량에 대한 열가소성수지의 용량비이다.
또한 마찰 마모시험은 트러스트형 시험기를 사용하여 표1에 나타낸 조건에서 행하고, 운전개시부터 2시간후의 마모량을 측정했다. 도 4의 마찰계수는 시험종료시의 마찰계수를 나타낸다. 시저시험은 같은 트러스트형 시험기를 사용해서 표2에나타낸 조건에서 행하고 베어링 면압을 3MPa 씩 높여 가면서 각 베어링 면압마다 0.5시간 운전하고 베어링의 배압 온도가 200℃을 초과하든지 또는 축을 구동하는 모터의 전류가 이상한 수치를 나타내는 경우의 베어링 면압을 시저하중으로 했다.
상기 도 4로부터 알 수 있듯이 실시예품이 비교예에 비교하여 마찰계수, 내마모성, 비시저성 모두 우수한 것을 알 수 있다. 비교예품 2, 4, 5, 7과 실시예품 9, 10은 바인더인 수지량은 같은 40%용량을 함유하고 있지만 비교예품2, 4, 7은 열경화성수지만을 40%용량, 비교예품5는 열가소성수지만을 40%용량 함유하고 있는데 반해 실시예품 9, 10은 열경화성수지와 열가소성수지를 각각 20%용량씩 합계 40%용량 함유하고 있다.
비교예품 2, 4, 5, 7에서는 마모량이 16~18㎛이지만 실시예품 9, 10에서는 10~14㎛로 적고 또한 시저하중도 비교예품 2, 4, 5, 7에서는 9~15 MPa 이지만 실시예품 9, 10에서는 18~21 MPa로 크게 되어 실시예품이 비교예품에 비해 우수하다.
또한 비교예품 1과 실시예품 8을 비교하면 양자의 수지량은 모두 80%용량이지만 비교예품 1
마찰 마모 시험 조건
시험편의 치수 φ22×φ27.2 mm
면압 5 MPa
회전수 4 rpm
원주속도 0.005 m/sec
윤활 무윤활
시간 2 Hours
온도 상온
축재질 S55C
조도 1.0
180~220 Hv10Kg
표
시저 시험 조건
시험편의 치수 φ22×φ27.2 mm
면압 매 3 MPa씩 누적
회전수 1500 rpm
원주속도 2 m/sec
윤활 SAE #30
시간 각 면압당 0.5 Hours
온도 60℃
축재질 S55C
조도 1.0
500~700 Hv10Kg
표 은 열경화성수지만을 80%용량 함유하고 있는 것에 대해 실시예품 8은 열경화성수지과 열가소성수지를 각각 60%용량, 20%용량씩 함유하고 있다. 따라서 비교예품 1과 실시예품 8과는 내마모성에 있어서 동등하지만 비시저성에 대해서는 실시예품 8이 우수하다.
바인더로써 수지의 함유량에 대해서, 비교예품 3에서는 고체윤활제의 함유량이 90%용량으로 많기 때문에 바인더는 10%용량 밖에 함유하고 있지 않다. 이 때문에 바인더에 의한 고체윤활제의 결합성이 나쁘고 강도가 부족하게 되어 마모량은 20㎛을 초과한다. 이에 반해 실시예품 8~11에서는 고체윤활제는 모두 80%용량 이하이기 때문에 바인더에 의한 고체윤활제의 결합이 양호하게 수행되어 마모량이 적다.
또한 실시예품 8~11에 있어서, 열가소성수지(PES)의 비율이 열경화성수지(PAI, EPS) 100%용량에 대해서 2.6~100%용량으로 내마모성, 비시저성 모두에 대해서 양호한 결과를 얻고 있다. 열가소성수지의 비율은 열경화성수지100%용량에 대해서 1~100%용량이 양호한 내마모성, 비시저성을 얻을 수 있는 바람직한 범위임을 알 수 있다.
또한 비교예품 2와 6을 비교하면 경질입자의 첨가는 내마모성, 비시저성을 향상시키는 효과가 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 비교예품 6과 실시예품 11과의 비교에 의해 경질입자를 첨가하는 것에 더해서 바인더를 열가소성수지와 열경화성수지로 구성하면 보다 내마모성, 비시저성의 향상을 도모할 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 상기 또한 도면에 나타난 실시예에 한정되는 것은 아니고 아래와 같이 확장 혹은 변경이 가능하다. 고체윤활제는 PTFE, MoS2, WS2, Gr에 한정되지 않으며, 열가소성수지는 PES에 한정되지 않고 열경화성수지는 PAI, EP에 한정되지 않는다. 바인더는 폴리에스테르계수지, 비닐계수지로 구성될 수 있다. 경질입자는 TiO2에 한정되지 않고 AlO3, BN, SiO4도 가능하다. 비록 본 발명은 상기 실시예에서 선박용 엔진에 적용되었지만, 자동차나 그 밖의 엔진에 적용될 수도 있다.
상기의 상세한 설명과 도면은 다지 본 발명의 원칙의 설명에 지나지 않으며 한계의 의미로 해석되어서는 안되며 많은 변화와 수정이 발명이 속하는 분야의 통상의 지식인에는 가능할 것이다. 이런 모든 변화와 수정은 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위 안에 존재한다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 보호층(10)을 고체 윤활제 그리고 극성용매에 녹는 열가소성수지 및 열경화성수지로 된 바인더로 구성한다. 열가소성수지 및 열경화성수지는 용매에 녹으면 분자에 가까운 미세한 단위로 서로 혼합되어 바인더는 열가소성수지의 성질과 열경화성수지의 성질의 중간 성질을 가지게 되고, 따라서 바인더가 상대 축과의 미끄럼에 의해 마모되는 경우 마모 부스러기에 의한 보호층(10)의 표면이 깊게 손상되고 조기에 마모되는 것을 방지할 수 있다. 또한 바인더는 적당한 경도를 가지고 있기 때문에 양호한 안정성을 유지할 수 있고, 상대축이 국부적으로 접촉하더라도 보호층(10)은 늘어나기 어렵기 때문에 보호층(10)이 조치에 마모되어 합금층(9)과 상대축이 금속접촉을 할 위험성도 방지할 수 있다. 따라서 본 발명은 베어링 합금의 표면에 보호층을 코팅한 미끄럼 베어링에 있어서, 안정성이 우수하고 보호층의 마모 부스러기에 의한 조기 마모나 상대 부재의 국부 접촉에 의한 눌러붙음을 방지할 수 있는 다층 미끄럼 베어링 재료를 제공한다.

Claims (8)

  1. 베어링 합금층 표면을 커버하는 보호층(10)을 포함하는 다층 미끄럼 베어링 재료에 있어서,
    상기 보호층은 고체윤활제 그리고 극성용매에 녹는 열가소성수지 및 열경화성수지로 된 바인더에 의해 구성된 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성수지의 비율은 상기 열경화성수지 100%용량에 대해서 1~100%용량 범위인 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링 재료.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 고체윤활제를 80%용량 이하로 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링 재료.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 고체윤활제를 80%용량 이하로 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링 재료.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보호층은 경질입자를 5%용량 이하로 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링 재료.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 보호층은 경질입자를 5%용량 이하로 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링 재료.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 보호층은 경질입자를 5%용량 이하로 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링 재료.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 보호층은 경질입자를 5%용량 이하로 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링 재료.
KR1020010026109A 2000-06-01 2001-05-14 다층 미끄럼 베어링 재료 KR100685546B1 (ko)

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