KR20030047740A - 내마모성 슬라이드 베어링 생산을 위해 사용되는 베어링 재료로서 보호막이 있는 구리-알루미늄 합금 - Google Patents

내마모성 슬라이드 베어링 생산을 위해 사용되는 베어링 재료로서 보호막이 있는 구리-알루미늄 합금 Download PDF

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Abstract

내구성이 있는 슬라이드 베어링 생산을 위해 사용되는 베어링 재료로서, 확정된 보호막이 있는 구리-알루미늄 합금이 개시된다.
본 발명은 슬라이드 베어링 생산을 위해 사용되는 베어링 재료로서, 0.01 ~ 20%의 알루미늄과, 최대 총 20%까지 허용되는 철, 코발트, 망간, 니켈, 규소, 주석 가운데 원소 하나 또는 여러 개, 45%까지의 아연, 구리 및 기타 비정제 원소로 이루어진 구리-알루미늄 합금에 관한 것이다. 이 때 이 슬라이드 베어링에는 산화알루미늄으로만 구성된, 마모를 감소시켜 주는 두께 D = 10 nm ~ 10 ㎛ 의 외부 보호막이 있다.

Description

내구성이 있는 슬라이드 베어링 생산을 위해 사용되는 베어링 재료로서 보호막이 있는 구리-알루미늄 합금{A COPPER-ALUMINUM-ALLOY WITH A COVERING LAYER AS A MATERIAL THAT MAKES USE OF PRODUCING A DURABLE SLIDE BEARING}
본 발명은 청구항 1 에 따른 내구성이 있는 슬라이드 베어링 생산을 위해 사용되는 베어링 재료로서 보호 층이 있는 구리-알루미늄 합금에 관한 것이다.
자동차 생산에 사용되는 베어링 재료는 다양한 좋은 여러 특성을 지니고 있다.
여기에는
· 높은 탄성 모듈
· 낮은 마찰 계수
· 탁월한 비상 긴급 진행 특성
· 탁월한 부식 특성
· 높은 부착력
등이 포함된다.
그럼에도 불구하고 마모를 통해 해마다 수십 억에 이르는 손해가 발생한다. 이를 막는 것이 본 발명의 주요한 과제이다.
베어링 재료에서, 마찰 막과 같은 중간 막을 통해 진행 파트너를 분리함으로써 일반적으로 마모를 감소시키는 효과가 발생한다. 그러나 이 중간 막의 형성은 거의 불확정적으로(undefined) 진행되며, 압력과 온도, 윤활제의 합성 및 사용된 진행 파트너의 화학 반응을 통해 규정된다.
이른바 흡입(intake) 단계 동안에는 마모가 심하게 일어나는 것으로 입증되었다. 이 때문에, 처음 사용하기 이전에 확정된(defined) 마모 보호막을 설치하는 것이 중요하다.
따라서 본 발명은 마모를 감소시키는 막을 확정하여 슬라이드 베어링에 설치하는 것을 기본 과제로 하고 있다.
본 발명에 따라 이 과제는 0.01 ~ 20%의 알루미늄과, 최대 총 20%까지 허용되는 철, 코발트, 망간, 니켈, 규소, 주석 가운데 원소 하나 또는 여러 개, 45%까지의 아연, 구리 및 기타 비정제 원소로 이루어져 있으며 산화알루미늄으로만 구성된, 두께 D 의 얇은 보호막을 갖는 구리-알루미늄 합금을 이용함에 의해 해결된다(비율은 무게에 따라 달라진다).
산화알루미늄 막은, 특히 본 실시예에서 나타나는 것처럼, 마모를 크게 감소시키는 것으로 입증되었다(이른바 마찰막 형성). 이 막은 강도가 매우 높고, 외부영향에 대해 화학반응을 일으키지 않는 불활성 특징이 있다. 산화막 두께는 흔히 몇 나노미터 범위 내에 있으며, 미광의 다양한 "변색 막(tarnish film)"에서 이를 볼 수 있다. 이 때 광(light)은 막을 통과하여, 보는 각도에 따라 다양하면서도 특징적인 파장을 반사한다. 기준막 두께를 초과할 경우에는 이 효과가 다시 사라지고, 표면 색상은 산화물에 따라 정해진다.
산화물이 일반적으로 매우 부스러지기 쉽고 또 외부 힘의 영향을 통해 중간에 차단되거나 떨어져 없어지더라도, 변색막은 접착력이 매우 높다. 2개의 서로 다른 구조(금속/산화물)가 응집되어 있거나 아니면 적어도 반(semi) 응집되어 있는 기준 표면을 형성하려고 한다고 가정하면(프랑크 반 데르 메르 Frank van der Merwe 메커니즘), 비슷한 대칭구조와 격자 매트릭, 다시 말해 중가구조를 보이는 결정 평면이 각각 서로 대립할 것이다.
중가구조의 기준 표면은 최소화된 에너지로 가능한 에너지이며, 이 중가구조로 이루어진 응고 미립자의 맥시멈을 전제로 한다. 그러나 기질(금속)과 게스트(산화물)가 서로 완벽하게 만지 않기 때문에, 이 점은 탄성이 있는 왜곡을 통해, 그리고 이것으로도 충분하지 않을 경우에는 기준 표면 혼합을 통해 상쇄되며, 이 경우 기준 표면은 에너제틱한 미니멈이 되도록 노력한다. 측면 확장과 게스트 응고 미립자의 두께가 증가함으로써 혼합 두께도 함께 증가하면서 그 값이 불안정하게 된다. 접착 특성은 사라진다.
알루미늄 산화막은 이온 확산계수가 작은 경우에 열역학적 안정성이 높다. 따라서 산소 입자 압력이 매우 낮은 대기 중에서도 알루미늄 산화막이 형성되며,또 안정적으로 유지된다. 그러나 상기 언급한 측면 성장 전압 때문에, Al2O3막은 동열(이소 열) 조건 아래에서도 떨어져 없어지고, 또 균열 및 미세 구멍을 형성하는 경향을 보인다. 이것은 평행하면서도 반대 방향으로 진행되는, 산화물 내 산소 이온과 금속 이온의 질량 수송 때문이다. 그 결과 생성된 압력전압은 가령 한쪽 면이 충분히 산화된 얇은 금속판을 휘어지도록 한다. 알루미늄 이온이 산화물에서 과다하게 발생하면, 금속에서 홀 인젝션(hole injection)이 발생한다. 홀 인젝션은 금속/산화물 위상 경계에서 응결돼 미세 구멍을 형성한다.
얇은 산화 알루미늄 막(변색막)은 탁월한 접착력과 주어진 문제로 합의/조화를 이룬다.
실제로, 공기중이나 산소를 포함하고 있는 대기에 적당한 온도가 주어지면 산화막이 생성되는데, 이 막의 보호 효과는
· 다양한 팽창 계수를 가진, 열역학적으로 안정적인 여러 산화물의 형성 및
· 자주 격자(格子) 결함을 보이면서 높은 확산 계수를 가진 혼합 산화물(첨정석)
을 통해 감소된다.
합금의 경우의 산화 막 형성은 온도 및 각각의 형성 압력에 따라 달라진다. Al2O3는 형성 압력이 비교적 매우 낮기 때문에, 산화 알루미늄만 형성하는 것이 가능하다.
청구항 제 2항 내지 제 8항은 특히 본 발명의 실시예와 관련된 것이다.
알루미늄을 포함한 구리 합금을 의도적으로 산소 입자 압력이 낮은 가스 대기에서 연소시킨다. 이 때 산소 입자 압력은 Al2O3외에 다른 어떤 산화물도 형성되지 않도록 선택한다. "기술적 수소"는 이같은 전제 조건들을 충족시킨다. 이 기술적 수소라는 것은 일반적으로 낮은 ppm의 잔류 산소 및 잔류 습도로 오염된다. 연소 온도에서 수소와 (잔류)산소 사이에, 그리고 수소와 잔류 습도(= 물) 사이에는 열역학적인 균형이 달성되는데, 이는 극히 낮은 산소 입자 압력이라는 특징을 보인다. 이 산소 입자 압력은 순수한 알루미늄 산화물을 형성하는 데 충분하다. 다른 합금 구성요소는 산화되지 않는다. 첨정석(합성 산화물)도 마찬가지로 이 조건에서 열역학적으로 불안정하다.
반응 조건(온도 T 및 시간)을 적당하게 선택함으로써, 몇 나노미터의 두께를 지닌 알루미늄 산화막이 형성된다. 이 보호막은 가(pseudo)연성 특성을 보이며, 매우 높은 접착력을 지니고 있다. 확정된 조건에서의 연소는 언제나 재생이 가능한, 균일한 보호막 형성으로 이어진다.
이로써 마모를 감소시키는 재생 가능한 슬라이드 베어링 막 생산이라는 과제가 충족된다.
알루미늄을 포함함 구리 합금에서 얇은 산화막 형성은 이미 DE-OS 4.417.455 에서 알려져 있다. 여기에서 기술된 과정과는 반대로, 본 발명에서는 적당한 반응 파라미터 도입을 통한 폐쇄 보호막 형성에 대해 설명하고 있다.
도1 및 도2는 반응막 및 보호막의 마찰값 진행을 나타낸 도면이다.
이하 실시예를 참조하여 본 발명을 좀 더 상세하게 설명한다.
반응막의 실제 효과에 대한 연구를 통해, 진동하면서 확정 웨이브 쪽으로 움직이는 슬라이드 베어링에 대한 시험을 실시하였다. 지레 메커니즘을 통해, 이 웨이브와 관련해 시험하려는 슬라이드 베어링에 값의 조정이 가능한 부하를 적용한다(예: 빌란트 설명서: "슬라이드 구성요소", 6/97판, 페이지 5와 비교).
상기 언급한 경우에는 부하를 17 N/mm2으로 적용하였다. 첫 기름칠에서 회전각 ± 30°의 경우 1분에 100회 변화가 나타났다.
반응막의 효과에 대한 기준으로는 가령 마찰값 진행과 함께 나타나는 베어링의 진행 행태가 선택되었다(예: 두바이: "기계공학 문고본", 2001/20판, 페이지 E86/E87과 비교).
여기에서 다루어지지 않은 베어링에 대해서는 다음과 같은 개선점이 보인다:
- 마찰값이 좀 더 낮은 수준에서 시작한다.
- 진행 시간이 단축된다.
- 일반적으로 나타나던, 마찰값 상승이 발생하지 않고, 오히려 바로 낮아진다.
- 마찰값 진행이 안정적이다.
여기에서 다루어지지 않은 반응막 및 보호막의 마찰값 진행은 도 1 및 도 2 에 나타나 있다. 이 두 경우에서는 CuAl10 으로 합성한다.
마모를 감소시키는 막을 확정하여 슬라이드 베어링에 설치함으로써 슬라이드 베어링의 내구성을 향상시킨다.

Claims (8)

  1. 슬라이드 베어링 생산을 위해 사용되는 베어링 재료로서, 0.01 ~ 20%의 알루미늄과, 최대 총 20%까지 허용되는 철, 코발트, 망간, 니켈, 규소, 주석 가운데 원소 하나 또는 여러 개, 45%까지의 아연, 구리 및 기타 비정제 원소로 이루어져 있으며 산화알루미늄으로만 구성된, 두께 D의 얇은 보호막을 갖는 구리-알루미늄 합금.
  2. 제 1항에 있어서, 제 1항의 목적을 위한 5 ~ 16%까지의 알루미늄으로 된 구리-알루미늄 합금.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 제 1항의 목적을 위한 9 ~ 11%까지의 알루미늄으로 된 구리-알루미늄 합금.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 제 1항의 목적을 위한 14 ~ 16%까지의 알루미늄으로 된 구리-알루미늄 합금.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1항의 목적을 위한 두께 D = 10 nm ~ 10 ㎛ 의 보호막이 있는 구리-알루미늄 합금.
  6. 제 5항에 있어서, 제 1항의 목적을 위한 두께 D = 10 ~ 100 nm 의 보호막이 있는 구리-알루미늄 합금.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1항의 목적을 위한, 산소 입자 압력이 적은 가스 대기에서 0.5 ~ 10 시간 동안 열 온도 T = 400 ~ 800 ℃ 에서의 연소를 통해 보호막이 생성되는 구리-알루미늄 합금.
  8. 제 1항에 있어서, 제 1항의 목적을 위한, "기술적 수소"에서의 연소를 통해 보호막이 생성되는, 구리-알루미늄 합금.
KR10-2002-0075203A 2001-12-06 2002-11-29 얇은 외부 보호막을 갖는 구리-알루미늄 합금으로 제조되는 내마모성 구리-알루미늄 합금 슬라이드 베어링 KR100509987B1 (ko)

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