KR20050002596A - 슬라이딩 부재 - Google Patents

Abstract

베어링 합금층, 베어링 합금층 상에 형성되어 있는 Ni 또는 Ni 합금의 중간층, 및 중간층 상에 형성되어 있는 Cu를 함유하는 Sn 합금의 오버레이층을 갖는 슬라이딩 부재가 개시된다. 오버레이층에는 중간층으로부터 돌출되어 연장되어 있는 Sn-Cu 화합물이 존재한다. 경질의 Sn-Cu 화합물은 오버레이층의 내피로성을 개선한다. 오버레이층의 외면 영역에 풍부한 연질의 Sn 매트릭스가 우수한 항-시저(anti-seizure) 특성을 갖기 위한 우수한 적합성이 유지된다.

Description

슬라이딩 부재{SLIDING MEMBER}

본 발명은 Ni 또는 Ni 합금의 중간층을 통하여 베어링 합금층 상에 Sn 합금의 오버레이 층을 제공함으로써 형성되는 슬라이딩 부재에 관한 것이다.

Cu 합금 또는 Al 합금의 베어링 합금층을 강철 배면 층 상에 라이닝함으로써 형성되는 플레인 베어링(plain bearing)은 자동차의 내부 연소 엔진에서의 베어링으로 많이 사용되어 왔다. 이러한 베어링에서는, 상대 샤프트(mating shaft)에 대한 적합성을 개선하기 위하여, 오버레이층이 중간층을 통해 또는 베어링 합금층의 표면에 직접 형성되는 것이 일반적이다.

통상적으로, 연질의 Pb 합금이 오버레이층으로 사용되어 왔다. 그러나, Pb 합금은 내부식성이 낮고, 부식으로 인한 마모가 현저하며, 캐비테이션 침식(cavitation erosion)이 일어나기 쉽다는 단점이 있다.

이에 대하여, 내부식성 및 캐비테이션 내성의 문제를 해결하기 위하여 최근에는 Pb 합금의 대신에 Sn 합금이 사용되어 왔다. Sn 합금이 사용되는 경우, 오버레이층은 Ni 또는 Ni 합금으로 만들어진 중간층을 통해 베어링 합금층 상에 형성되어진다. 이 중간층은 접착층으로서, 베어링 합금이 Cu 합금인 경우에 특히, 오버레이층의 Sn이 베어링 합금층의 Cu 매트릭스로 확산되는 것을 막는 확산 방지층의 역할을 한다.

그러나, Sn 합금은 연질이고 적합성은 우수하나 내피로성에 문제가 있으므로, Sn 합금으로 만들어진 이러한 오버레이층에 대해서는, 내피로성을 개선하기 위한 목적으로 다양한 대책이 강구되어 왔다. 일례로 고강도의 Sn-Cu 그레인이 매립되어 있는 Sn 매트릭스 중의 Sn 합금이 있다(예를 들어 일본특허출원 제 2001-247995호 참조).

상기 문헌에 개시된 Sn 합금에 따르면, Sn-Cu 계 화합물이 Sn 매트릭스에 분산되어 있다. 그러나, Sn 매트릭스는 연질이므로, 고강도의 Sn-Cu계 화합물이 연질의 Sn 매트릭스 내에 분산되어 있는 상태에서는 Sn-Cu 계 화합물이 하중을 견뎌낼 수 없고, 결과적으로 내피로성의 개선을 기대할 수 없다.

본 발명은 상기된 기술적 배경 하에서 제안되는 것으로, 본 발명의 목적은오버레이층의 적합성을 손상시키지 않고 내피로성을 개선시킬 수 있는 슬라이딩 부재를 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 슬라이딩 부재의 구조를 도시한 개략도;

도 2는 열처리 조건을 도시한 도면;

도 3은 열처리 조건을 도시한 도면;

도 4는 적당한 돌출된 Sn-Cu 화합물이 형성되는 열처리 조건을 도시한 도면이다.

따라서, 베어링 합금층, 상기 베어링 합금층 상에 형성된 Ni 또는 Ni 합금의 중간층, 및 상기 중간층 상에 형성된 Cu를 포함하는 Sn 합금의 오버레이층을 포함하여 이루어지고, 상기 오버레이층에는 중간층으로부터 연장되어 있는 돌출된 Sn-Cu 금속간 화합물이 존재하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재가 제공된다.

Cu를 포함하는 오버레이층이 Ni 또는 Ni 합금의 중간층을 통해 베어링 합금층 상에 형성되는 경우, Sn-Cu 금속간 화합물이 오버레이층 내에 형성된다. 이후에, 이 물질이 열처리되면, 오버레이층의 Sn-Cu 화합물이 중간층의 Ni로 끌어당겨져, 도 1에 도시된 바와 같이 중간층으로부터 기둥처럼 연장되어 있는 돌출된 Sn-Cu 화합물이 오버레이층에 형성된다. 돌출된 Sn-Cu 화합물을 형성하기 위한 열처리는 140 내지 200℃의 온도에서 실시된다.

Sn-Cu 화합물은 경질이며 강도가 높다. 따라서, 중간층으로부터 연장되어 있는 돌출된 Sn-Cu 화합물은 상대 부재로부터의 하중을 견딜 수 있으며 오버레이층의 내피로성을 증진시킨다. 즉, Sn-Cu 화합물이 오버레이층 내에 존재하는 경우에도, Sn-Cu 화합물이 Sn 매트릭스에 분산되어 있는 경우에는, 오버레이층의 Sn 매트릭스의 연성 때문에, 하중을 견디는 Sn-Cu 화합물의 기능을 크게 기대할 수 없다. 그러나, 돌출된 Sn-Cu 화합물이 경질 Ni 또는 Ni 합금의 중간층으로부터 오버레이층의 외면 쪽으로 연장되는 경우에는, 하중을 견디는 Sn-Cu 화합물의 기능이 충분히 나타나, 오버레이층의 내피로성이 증진된다.

또한, Sn-Cu 화합물이 중간층 쪽으로 끌어당겨지므로, 오버레이층의 외면 쪽에는 Sn-Cu 화합물이 줄어들어, 즉 오버레이층의 외면 쪽에는 연질의 Sn 매트릭스가 많아져, 오버레이층은 상대 부재에 대한 우수한 적합성 및 우수한 항-시저 특성을 갖게 된다.

오버레이층은 바람직하게는 Cu를 5 내지 20 질량% 포함한다. Cu 함량이 5 내지 20 질량%인 경우, 충분한 양의 Sn-Cu 화합물이 형성되어 오버레이층의 내피로성이 더 개선될 수 있다. 또한, 더 양호한 적합성 및 외래-물질의 매립성(embeddability)을 확보할 수 있다.

오버레이층의 두께 T는 30㎛을 넘지 않는 제한 하에서 하기 수학식 1을 만족시키는 것이 바람직하다.

T(㎛) ≤ (1.2×A) + 15

(단, 상기 식에서, A는 Cu의 질량% 함량이다)

돌출된 Sn-Cu 화합물이 중간층으로부터 연장되어 있는 양은 Cu 함량과 관련되어 있으며, Cu의 양이 더 많을수록 돌출된 Sn-Cu 화합물이 더 크게 성장한다. 그러나, Cu 함량이 특정량에 도달한 후에는, Sn-Cu 화합물이 성장 속도는 Cu 함량이 증가하더라도 지연된다.

오버레이층의 두께가 돌출된 Sn-Cu 화합물의 높이에 비해 두꺼우면, Sn-Cu계 화합물 상의 Sn 매트릭스는 두께가 증가하여, 오버레이층은 내피로성이 감소하는경향이 있다. 오버레이층의 Cu 함량 및 오버레이층의 두께를 다르게 변화시킨, 본 발명자가 실시한 피로 시험에 따르면, Cu 함량이 특정량에 이를 때까지는 오버레이층의 두께가 수학식 1을 만족시키면 특히 양호한 피로 강도가 얻어질 수 있었다. Cu 함량이 특정량을 초과하면, 수학식 1에 의해 확인된 두께가 30㎛를 초과하였다. 그러나, 두께가 30㎛ 이하인 오버레이층은 두께가 30㎛를 초과하는 오버레이층보다 내피로성이 더 우수하였다. 그 이유는, Cu 함량이 특정량을 초과하면, 돌출된 Sn-Cu 화합물은 성장이 제한되기 때문이다. Cu 함량이 특정량 이하이고 오버레이층의 두께가 30㎛ 이하이면 양호한 피로 강도를 쉽게 얻을 수 있음이 명백해졌다.

오버레이층의 두께는 5㎛ 이상인 것이 바람직하다.

오버레이층이 너무 얇으면 Sn-Cu 화합물이 오버레이층의 외면 근처까지 성장하고, 표면부의 Sn 매트릭스가 지나치게 감소한다. 5㎛ 이상이면 적당한 두께를 갖는 Sn 매트릭스가 확보될 수 있으며 양호한 적합성이 확보될 수 있다.

오버레이층은 Ag를 10 질량% 이하 및/또는 Sb를 15 질량% 이하로 포함할 수 있다.

Ag는 Sn과 함께 화합물의 상태로 존재하여, 오버레이층의 강도를 증진시킨다. Sb는 Sn 매트릭스에 용해되어 오버레이 층의 강도를 증진시킨다. Ag가 10 질량% 이하이면 오버레이층이 지나치게 경질화되지 않아, 적절한 외래-물질 매립성 및 적당한 적합성이 확보될 수 있다. Sb 함량이 8 질량%를 초과하는 경우, 경질의 Sn-Sb 화합물이 형성된다. 그러나, Sb 함량이 15 질량% 이하인 경우에는, Sn-Sb 화합물이 지나치게 많이 형성되지는 않을 것이므로, 적당한 적합성이 유지될 수 있다.

또한, 중간층은 1 내지 5㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다.

오버레이층의 베어링 합금층에 대한 결합 강도를 증가시키고, 오버레이층의 Sn이 베어링 합금층으로 확산되는 것을 막기 위하여, 중간층은 Ni 또는 Ni 합금으로 만든다. 또한, 결합 강도가 큰 Ni 또는 Ni 합금을 사용함으로써, 중간층으로부터 오버레이층으로 연장되는 돌출된 Sn-Cu 화합물을 성장시킬 수 있다. 중간층의 두께가 1 내지 5㎛이면, 결합 강도, 확산 방지 및 돌출된 Sn-Cu계 화합물의 성장 가속화를 포함하는 각 기능이 바람직하게 나타난다.

본 발명의 실시형태를 이하에 기재한다.

Cu 합금의 베어링 합금층(1)을 강철 배면 금속(도시하지 않음) 상에 소결 또는 주조로 형성시킨 후 가공하여 반원형 중간 생성물을 제조하였다. 이어서, 하기된 표 1의 조성 및 두께를 갖는 중간층(2) 및 오버레이층(4)을 반원형 중간 생성물의 내부 주변 표면 상에 순차적으로 도금하여 형성시킴으로써 베어링 반쪽을 얻었다. 표본 1번 내지 13번(본 발명의 표본)에 대하여, 베어링 반쪽을 150℃에서 5시간동안 열처리함으로써, 각 표본의 중간층(2)으로부터 오버레이층(4)으로 돌출되어 연장되어 있는 Sn-Cu 화합물(3)을 형성시켰다. 도 1은 현미경으로 관찰한 경우의 베어링 반쪽의 절단면을 도시한 개략도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 돌출된 Sn-Cu 화합물(3)은 오버레이층(4)에서 성장하여, 중간층(2)로부터 오버레이층(4)의 외면 쪽으로 연장되는 것을 알 수 있다.

또한, 표본 14번 내지 18번(비교 표본)에 대해서는, 베어링 반쪽을 130℃에서 1시간동안 열처리하였다. 각 표본의 오버레이층에는 돌출된 Sn-Cu 화합물이 형성되지 않았다.

돌출된 Sn-Cu 화합물을 형성시키기 위한 열처리는 140℃ 내지 200℃의 온도에서 1 내지 10시간동안 실시하는 것이 바람직하나, 최적의 열처리 조건은 오버레이층의 Cu 함량에 따라 다르다. 예를 들어, 도 2 및 도 3에는, 베어링 합금이 Cu 합금이고, 중간층이 순수한 Ni이고, 오버레이층이 Sn-3Cu(질량%)(도 2) 및 Sn-10Cu(질량%)(도 3)로 만들어져 있는 베어링 반쪽을 다양한 조건 하에서 열처리한 경우에, 돌출된 Sn-Cu 화합물의 형성 유무 및 화합물의 크기(중간층으로부터의 높이)를 측정한 결과를 도시한다.

보다 구체적으로, 도 2의 Cu 함량이 3 질량% 만큼 낮은 경우에는, 90℃에서 100 시간 이상 가열하고, 130℃에서 50시간 이상 가열하고, 및 170℃ 이상에서 3시간 이상 가열하면 돌출된 Sn-Cu 화합물이 형성되었다. 도 3의 Cu 함량이 10 질량% 만큼 높은 경우에는, 90℃에서 50 시간 이상 가열하고, 130℃에서 10시간 이상 가열하고, 및 170℃ 이상에서 1시간 이상 가열하면 돌출된 Sn-Cu 화합물이 형성되었다.

또한, 도 4에는, 베어링 합금이 Cu 합금이고, 중간층이 Ni-20 질량% Cu이고, 오버레이층이 Sn-12 질량 % Cu인 반쪽 베어링(표본 4번과 동일)을 다양한 조건 하에서 열처리한 경우에, 적절한(내피로성 및 적합성 모두의 견지에서 양호한 결과가 얻어짐) 돌출된 Sn-Cu 화합물이 형성되는 범위(두개의 진한 실선 사이)를 도시한다.

이와 같이, 최적의 열처리 조건은 Cu 함량에 따라 다르다. Cu 함량과 최적의 열처리 조건 간의 관계를 확인하는 다양한 실험을 반복한 결과, 열처리 온도 및중간층으로부터의 돌출된 Sn-Cu 화합물의 높이에 대한 관계식을 얻었다. 관계식은 다음 수학식 2로 나타내어진다.

각 표본에 대하여, 베어링 다이나믹-하중 시험기(bearing dynamic-load testing machine)를 사용하여 50 MPa의 표면압, 3250rpm의 회전수 및 100℃의 윤활(lubrication) 온도의 조건하에서 20시간동안 작동시킨 후, 표본의 피로의 유무를 확인하였다. 시험 결과를 표 1에 도시한다. 피로 시험의 결과에서, "X"는 피로가 없는 경우, "Y"는 피로의 면적비(면적비는 표본의 투영 면적에 대한 피로 발생 면적을 계산하여 결정하였다)가 5% 미만인 경우, 및 "Z"는 피로의 면적비가 5% 이상인 경우를 나타낸다.

피로 시험의 결과는 이하에서 고찰할 것이다.

중간층으로부터 돌출되어 연장되어 있는 Sn-Cu 화합물이 오버레이층 내에 형성되어 있지 않은 표본 14번 내지 18번(비교 표본) 중에서 표본 15번은 표면층이 얇고 시험 시에 시저(seizure)가 발생하였다. 표본 14번, 16번 및 17번에는 돌출된 Sn-Cu 화합물이 형성되어 있지 않으므로 피로가 발생하였다. Pb 합금으로 만들어진, 통상적으로 사용되는 표본 18번도 피로가 발생하였다.

대조적으로, 돌출된 Sn-Cu 화합물이 오버레이층 내에 형성되어 있는 표본 1번 내지 13번 중에서, 표본 1번 내지 10번은 피로부가 발생하지 않았고 내피로성이 우수하였다. 표본 11번 내지 13번에는 피로부가 나타났으나 5% 미만의 적은 면적비로 제한되었고, 실제 사용시 문제가 발생하지 않는 내피로성을 보였다.

본 발명에 의하면, 오버레이층의 적합성을 손상시키지 않고 내피로성을 개선시킬 수 있는 슬라이딩 부재가 얻어진다.

Claims (20)

1. 베어링 합금층, 상기 베어링 합금층 상에 형성된 Ni 또는 Ni 합금의 중간층, 상기 중간층 상에 형성된 Cu를 포함하는 Sn 합금의 오버레이층을 포함하여 이루어지며, 상기 오버레이층 내에는 중간층으로부터 돌출되어 연장되어 있는 Sn-Cu 화합물이 존재하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 오버레이층이 5 내지 20 질량%의 Cu를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 오버레이층의 두께 T는 30㎛을 넘지 않는 제한 하에서 하기 수학식:

   T(㎛) ≤ (1.2×A) + 15

   (단, 상기 식에서, A는 Cu의 질량% 함량이다)

   을 만족시키는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 오버레이층의 두께 T는 30㎛을 넘지 않는 제한 하에서 하기 수학식:

   T(㎛) ≤ (1.2×A) + 15

   (단, 상기 식에서, A는 Cu의 질량% 함량이다)

   을 만족시키는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 오버레이층의 두께가 5㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 오버레이층의 두께가 5㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 오버레이층이 10 질량% 이하의 Ag 및/또는 15 질량% 이하의 Sb를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
8. 제 2항에 있어서,

   상기 오버레이층이 10 질량% 이하의 Ag 및/또는 15 질량% 이하의 Sb를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
9. 제 3항에 있어서,

   상기 오버레이층이 10 질량% 이하의 Ag 및/또는 15 질량% 이하의 Sb를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
10. 제 6항에 있어서,

    상기 오버레이층이 10 질량% 이하의 Ag 및/또는 15 질량% 이하의 Sb를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
11. 제 1항에 있어서,

    상기 중간층의 두께가 1 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
12. 제 2항에 있어서,

    상기 중간층의 두께가 1 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
13. 제 3항에 있어서,

    상기 중간층의 두께가 1 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
14. 제 4항에 있어서,

    상기 중간층의 두께가 1 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
15. 제 5항에 있어서,

    상기 중간층의 두께가 1 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
16. 제 6항에 있어서,

    상기 중간층의 두께가 1 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
17. 제 7항에 있어서,

    상기 중간층의 두께가 1 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
18. 제 8항에 있어서,

    상기 중간층의 두께가 1 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
19. 제 9항에 있어서,

    상기 중간층의 두께가 1 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
20. 제 10항에 있어서,

    상기 중간층의 두께가 1 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.