KR20050002597A

KR20050002597A - 슬라이딩 부재

Info

Publication number: KR20050002597A
Application number: KR1020040049244A
Authority: KR
Inventors: 츠지히데오; 후지타마사히토; 가와카미나오히사; 오카와고우에
Original assignee: 다이도 메탈 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2005-01-07
Also published as: GB2404228B; DE102004030017B4; JP3958719B2; JP2005023345A; GB0414561D0; GB2404228A; DE102004030017A1; DE102004030017C5; US7431507B2; US20040264820A1

Abstract

슬라이딩 부재는 슬라이딩 합금층, 슬라이딩 합금층 상에 형성되어 있는 Ni 또는 Ni 합금의 중간층, 및 중간층 상에 형성되어 있는 Sn 또는 Sn 합금의 연질층을 갖는다. 리세스는 슬라이딩 합금층의 슬라이딩 쪽 표면 상에 형성된다. 중간층은 리세스의 내면 상에 형성된다. 슬라이딩 부재는 열처리되어, 연질층에 중간층으로부터 돌출되어 연장되어 있는 금속간 화합물이 형성된다.

Description

슬라이딩 부재{SLIDING MEMBER}

본 발명은, 슬라이딩 합금층의 슬라이딩쪽 표면 상에 리세스(recess)가 형성되어 있고, 리세스의 내면 상에 중간층이 형성되어 있고, 중간층 상에 연질층이 형성되어 있는 슬라이딩 부재에 관한 것이다.

원주 방향(축의 회전방향)으로 연장되어 있는 다수의 그루브(groove) 리세스가 베어링 합금층(슬라이딩 합금층)의 슬라이딩쪽 표면 상에 형성되어 있고, 배리어 층으로서 Ni-계 물질로 만들어진 중간층이 리세스에 형성되어 있고, 연질층이 중간층 상에 형성되어 있는 구조를 갖는 플레인 베어링(plain bearing)이 슬라이딩 부재로서 공지되어 있다(일본 특허 출원 제 57-144313호 참조). 이러한 경우, 연질층은 백색의 금속 합금 또는 수지 물질로 만들어진다.

상기된 구조를 갖는 플레인 베어링에서, 베어링의 슬라이딩 표면 상에는, 리세스에 형성되어 있는 연질층과 베어링 합금층이 노출되어 있다. 이러한 구조에 따르면, 비교적 경질의 슬라이딩 합금층은 하중을 견딜 수 있고 비교적 연질인 층은 우수한 슬라이딩 특성을 유지할 수 있으므로, 하중 운반 능력(load carrying capacity) 및 내마모성이 우수한 구조를 얻을 수 있다.

그러나, 상기 통상적인 구조는, 캐비테이션 침식의 발생으로 인해 리세스 내의 연질층이 손실되기 쉽다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 배경 하에 만들어진 것으로, 본 발명의 목적은, 캐비테이션 내성 특성이 우수한, 이의 슬라이딩 표면 쪽의 슬라이딩 합금층 상에 리세스가 형성되어 있는 상기된 형태의 슬라이딩 부재를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시형태의 필수적인 부분을 도시한 단면도;

도 2는 상기 필수적인 부분을 개략적으로 도시한 확대 단면도;

도 3은 본 발명의 실시형태의 필수적인 부분을 도시한 평면도;

도 4(a) 및 4(b)는 돌출된 금속간 화합물이 형성되는 경우의 열처리 조건 및 돌출된 금속간 화합물의 중간층으로부터의 높이 간의 관계를 도시한 도면으로, 도 4(a)는 연질층의 Cu 함량이 적은 경우를 도시한 도면이고, 도 4(b)는 연질층의 Cu 함량이 많은 경우를 도시한 도면;

도 5는 캐비테이션(cavitation) 시험기의 구성을 도시한 개략도;

도 6은 도 1에 대응하는, 본 발명의 제 1 변형예를 도시한 도면;

도 7은 도 3에 대응하는, 본 발명의 제 2 변형예를 도시한 도면;

도 8은 도 3에 대응하는, 본 발명의 제 3 변형예를 도시한 도면이다.

따라서, 슬라이딩 합금층, 슬라이딩 합금층 상에 형성되어 있는 Ni 또는 Ni합금의 중간층, 및 중간층 상에 형성되어 있는 Sn 또는 Sn 합금의 연질층을 포함하여 이루어지고, 슬라이딩 합금층의 슬라이딩쪽 표면 상에 리세스가 형성되어 있고, 리세스의 내면 상에 중간층이 형성되어 있고, 연질층에 중간층으로부터 돌출되어 연장되어 있는 금속간 화합물이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재가 제공된다.

중간층의 Ni 또는 Ni 합금은 연질층의 Sn 또는 Sn 합금과 반응하여 금속간 화합물을 형성한다. 이 화합물은, 슬라이딩 합금층에 대한 우수한 부착 특성을 갖는 중간층으로부터 돌출되어 연장되어 있고, 중간층으로의 원소의 확산에 의해 중간층에 대한 우수한 부착 특성을 가지므로, 앵커링 효과(anchoring effect)를 나타내어 연질층이 벗겨지는 것을 저해한다. 결과적으로, 캐비테이션 침식이 발생하더라도, 연질층이 벗겨져 슬라이딩 부재로부터 손실되는 것을 막을 수 있고, 이에 따라 캐비테이션 내성 특성을 강화시킬 수 있다.

이러한 경우, 슬라이딩 표면을, 적어도 슬라이딩 합금층 및 연질층이 슬라이딩 부재의 슬라이딩 표면 상에 노출되는 상태가 되도록 만들 수 있다. 이러한 구조에 따르면, 비교적 경질의 슬라이딩 합금층은 하중을 견딜 수 있고, 비교적 연질인 층은 우수한 슬라이딩 특성을 유지할 수 있으므로, 하중 운반 능력 및 내마모성이 우수한 구조를 얻을 수 있다.

바람직하게는, 연질층은 20 질량% 이하의 Cu, 선택적으로 10 질량% 이하의 Ag, 및 선택적으로 15 질량% 이하의 Sb를 포함하는 Sn 합금으로 만들어진다.

연질층의 추가적인 Cu는, 연질층의 기계적 강도를 개선하고 중간층으로부터연질층으로 연장되는 돌출된 Sn-Cu 금속간 화합물이 쉽게 형성되도록 하여, 돌출된 금속간 화합물에 의한 앵커링 효과가 쉽게 얻어질 수 있다. 결과적으로, 캐비테이션 내성 특성이 더 개선될 수 있다.

과량의 추가적인 Cu는 연질층을 무르게 만들어 캐비테이션 내성 특성을 저하시키고, 돌출된 Sn-Cu 금속간 화합물이 슬라이딩 표면에 너무 많아지게 하여 항-시저(anti-seizure) 특성을 저하시킨다. 따라서, Cu의 양은 바람직하게는 20 질량% 이하, 및 더 바람직하게는 5 내지 15 질량%이다.

또한, Ag 및 Sb가 연질층에 첨가되면, 연질층은 기계적 강도가 개선되어, 캐비테이션 내성 특성이 더 개선될 수 있다.

그러나, 과량의 Ag는 연질층을 무르게 만들어 캐비테이션 내성 특성을 저하시키고, 다양한 Sn 계 화합물이 슬라이딩 표면 상에 너무 많아지게 하여 항-시저 특성 및 외래-물질의 매립성(embeddability)을 저하시킨다. 따라서, Ag의 양은 바람직하게는 10 질량% 이하이다.

한편, 과량의 Sb는 연질층을 무르게 만들어 캐비테이션 내성 특성을 저하시키고, 다양한 Sn계 화합물이 슬라이딩 표면 상에 너무 많아지게 하여 항-시저 특성 및 외래-물질의 매립성을 저하시킨다. 따라서, Sb의 양은 바람직하게는 15 질량% 이하이다.

슬라이딩 합금층 상에 형성된 리세스는 바람직하게는 5 내지 50㎛의 깊이를 갖는다. 리세스의 깊이가 너무 얕으면, 연질층이 두께가 얇고, 슬라이딩 표면 상에 많은 양의 돌출된 금속간 화합물이 나타나 항-시저 특성이 저하된다. 또한, 리세스의 깊이가 너무 깊으면, 돌출된 금속간 화합물에 의해 지지되는 연질층의 양이 증가되고 캐비테이션 내성의 개선 효과가 저하된다. 따라서, 리세스의 깊이는 바람직하게는 5 내지 50㎛이고, 더 바람직하게는 10 내지 30㎛이다. 리세스의 깊이가 모든 장소에서 일정할 필요는 없으며 장소에 따라 달라질 수 있다는 것을 주목해야 한다.

중간층은 Ni 단독, 또는 Ni-Sn, Ni-Mo 등과 같은 Ni-합금으로 만들어질 수 있다. 또한, 중간층은 Ni 및 Ni-Sn 합금, 또는 Ni 및 Ni-Mo 합금으로 구성된 이중-층 구조로 될 수 있다. 중간층의 두께는 리세스의 깊이에 따라 달라지지만 1 내지 5㎛가 바람직하다. 중간층의 두께가 너무 얇으면, 중간층으로부터 연장되어 있는 돌출된 금속간 화합물이 양이 감소되어 형성되어 앵커링 효과가 저하된다. 또한, 중간층의 두께가 너무 두꺼우면, 슬라이딩 표면 상의 중간층의 면적이 증가하고 돌출된 금속간 화합물의 양이 증가하여, 항-시저 특성이 저하된다.

이하에 본 발명의 실시형태를 기재하며, 본 발명의 장점은 본 발명 및 비교 표본 간의 비교를 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 플레인 베어링(슬라이딩 부재에 대응)을 다음의 방법으로 제작한다. 우선, 소결 또는 주조 및 롤링(rolling)을 통해 강철 배면 시트 상에 베어링 합금층(슬라이딩 합금층)을 제공한 후, 기계가공을 통해 플레인 베어링을 제작한다. 이러한 경우, 본 실시형태에서는 베어링 합금층으로 구리 합금(Cu-23Pb-3Sn)(질량%)을 사용하지만 알루미늄 합금도 가능할 것이다.

이어서, 도 1에 도시된 바와 같이 베어링 합금층(1)의 슬라이딩 표면쪽(도면의 상부 표면쪽) 상에 리세스(2)를 형성시킨다. 이러한 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 다수의 그루브 리세스(2)가 플레인 베어링의 축방향 A1을 가로지르는 방향(축 회전 방향 A2)으로 연장되도록 형성된다. 도 1에 도시된 바와 같이 리세스(2)는 사다리꼴로 형성시키지만, 반-원 또는 V-형이 될 수도 있다. 리세스(2)는, 베어링 합금층(1)의 표면을 기계가공할 때 미리 정해진 깊이(5 내지 50㎛)를 갖도록 보링(boring)하여 형성시킨다. 또한, 도 1 내지 3은 플레인 베어링이 마무리된 상태를 개략적으로 도시한다.

이어서, 전기도금을 통해 각각의 리세스(2) 내 및 베어링 합금층(1)의 표면 상에 중간층(3)을 제공한다. 중간층(3)은 Ni 또는 Ni 합금으로 두께 1 내지 5㎛를 갖도록 만든다. 그리고나서, 전기도금을 통해, 리세스(2)를 채우는 방법으로 중간층(3) 상에 연질층(4)을 제공한다. 연질층(4)은 순수한 Sn, 또는 Cu를 포함하는 Sn 합금으로 만든다.

이어서, 열처리를 실시한다. 이러한 경우의 열처리 조건은 150℃×5 Hr을 포함한다. 이를 통해, 중간층(3)으로부터 연질층(4)으로 기둥처럼 연장되도록 돌출된 금속간 화합물(5)(도 2 참조)이 중간층(3) 및 연질층(4) 사이에 형성된다. 중간층(3)이 Ni 단독으로 만들어지고 연질층(4)이 Cu를 포함하는 Sn-Cu 합금으로 만들어지면, 돌출된 금속간 화합물(5)은 Sn-Cu-Ni 및 Sn-Cu의 금속간 화합물로 구성된다. 도 2에서, 참조번호(5a)는 돌출된 금속간 화합물(5)로 성장하지 않은 Sn-Cu 금속간 화합물을 나타낸다. 또한, 중간층(3)이 Ni 단독으로 만들어지고 연질층(4)이 순수한 Sn으로 만들어지면, 돌출된 금속간 화합물(5)은 Sn-Ni의 금속간 화합물로 구성된다.

이와 관련하여, 본 발명자들은 돌출된 금속간 화합물의 형성 조건을 조사하여 다음의 사항을 알아내었다. 즉, 돌출된 금속간 화합물의 형성을 촉진시키기 위하여, 고온 열처리, 장시간에 걸친 열처리 등을 행하는 것이 바람직하고, 도 4(a) 및 4(b)에 도시된 바와 같은 관계가 있다는 것을 알아내었다. 도 4(a)는 연질층이 소량의 Cu를 포함하는 경우[연질층(Sn-3Cu)/중간층(Ni)/베어링 합금층(Cu 합금)]를 도시하고, 도 4(b)는 연질층이 다량의 Cu를 포함하는 경우[연질층(Sn-10Cu)/중간층(Ni)/베어링 합금층(Cu 합금)](질량%)를 도시한다.

도 4(a) 및 4(b) 중 어느 쪽에 있어서도, 열처리 온도가 더 높고 열처리 시간이 더 길수록 중간층으로부터 돌출된 금속간 화합물의 높이가 더 높다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 4(a) 및 4(b)의 비교를 통해, 동일한 열처리 조건 하에서도, 연질층에 Cu 양이 더 많을수록(도 4(b)) 돌출된 금속간 화합물의 높이가 더 높다는 것을 알 수 있다.

이러한 결과에 기초하여, 본 발명자들은, 연질층의 Cu 양을 증가시킴으로써 돌출된 금속간 화합물의 형성을 촉진할 수 있다는 것을 알아내었다. 또한, 중간층 근처의 영역에 Cu의 양이 증가되면, 결과적으로 금속간 화합물이 돌출되는 것이 촉진될 수 있다는 것을 알아내었다.

상기된 바와 같이, 본 발명자들은 본 발명의 특성을 구성하는 돌출된 금속간 화합물의 형성을 촉진하는 조건을 알아낼 수 있었다.

이어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 다시 기계가공을 통해 최상의 표면부를깍아, 슬라이딩 표면(도 1의 상부 표면) 상에 베어링 합금층(1), 리세스(2)를 갖는 연질층(4), 및 중간층(3)이 혼합되어 있는 상태로 만든다. 이에 따라, 플레인 베어링이 마무리된다.

본 발명의 장점을 확인하기 위해, 본 발명자들은 다음의 표 1에서와 같이, 상기된 방법으로 제작된 본 발명의 표본 1번 내지 9번과, 다음에 기재된 비교 표본의 방법으로 제작된 비교 표본 1번 내지 3번에 대하여 캐비테이션 시험을 실시하였다.

또한, 비교 표본 1번 내지 3번은 본 발명과 연질층의 형성 후의 열처리 조건이 다르며, 비교 표본에 대해서는 130℃×1 Hr의 조건 하에 열처리가 실시되었고,비교 표본에는 중간층으로부터 연질층으로 기둥처럼 연장되어 있는 돌출된 금속간 화합물이 형성되지 않았다. 또한, 슬라이딩 표면에 대한 리세스(2)의 면적비가 70%인 표본을 시험에 사용하였다.

표 1에서, 연질층의 "%"는 질량%를 나타낸다. 비교 표본 1번의 연질층은 Cu를 포함하는 Pb 합금으로 만들어졌으나, 나머지 비교 표본 2번 및 3번과 본 발명의 표본 1번 내지 9번의 연질층은 Cu를 포함하는 Sn 합금으로 만들어졌다. 또한, 본 발명의 표본 1번 내지 9번 중 2번 및 7번의 연질층은 Cu에 추가적으로 Ag를 포함하였고, 본 발명의 표본 6번의 연질층은 Sb를 포함하였다.

캐비테이션 시험을 도 5에 도시된 시험기를 사용하여 하기 표 2의 조건 하에 실시하였다.

캐비테이션 시험의 조건

항목	조건	단위
베어링 크기	53(Φ) ×25(L) × 1.5(t)	mm
진동수	19,000	Hz
출력	600	W
윤활제	물	-
윤활온도	10 내지 20	℃
틈	0.5	mm
호른 직경	20(Ф)	mm
시험시간	3	분

구체적으로, 시험편(8)을 내부에 물(6)이 저장되어 있는 물탱크(7) 안에 넣고, 도 5에 도시된 바와 같이, 미리 정해진 틈(0.5mm)을 사이에 두고 초음파 발생용 호른(9)으로 물 속의 시험편(8)의 슬라이딩 표면에 초음파(19000Hz)를 3분동안적용하고, 시험 전후의 부피 감소를 측정하여, 캐비테이션 시험을 실시하였다. 측정된 부피 감소는 표 1의 캐비테이션 시험의 열에 도시한다.

표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 캐비테이션 시험에서의 부피 감소는 비교 표본 1번 내지 3번에 대해 1.1㎣ 이상인 반면, 본 발명의 표본 1번 내지 9번에 대해서는 0.7㎣ 이하였고, 이에 따라 본 발명의 표본 1번 내지 9번이 캐비테이션 내성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 이것은, 중간층으로부터 기둥처럼 연장되어 있는 돌출된 금속간 화합물에 의한 앵커링 효과가 큰 요인인 것으로 생각된다.

또한, 본 발명의 표본 1번 내지 9번을 조사한다. 표본 1번, 3번 내지 5번, 8번 및 9번의 연질층은 모두 Sn-Cu 합금으로 만들어져 있고, Cu 함량이 15 질량% 이하인 표본 3번 내지 5번, 8번 및 9번은, Cu 함량이 25 질량%인 표본 1번과 비교하여 부피 감소가 적다. 캐비테이션 내성의 견지에서, Cu 함량은 25 질량% 미만인 것이 바람직하고, 20 질량% 이하가 더 바람직하며, 5 내지 15 질량%가 보다 더 바람직하다.

또한, 본 발명의 표본 2번 및 표본 7번을 비교하면, Ag 함량이 2 질량% 인 표본 7번은 Ag 함량이 15 질량%인 표본 2번에 비해 부피 감소가 적다. 캐비테이션 내성의 견지에서, Ag 함량은 15 질량% 미만인 것이 바람직하고, 10 질량% 이하가 더 바람직하며, 5 질량% 이하가 보다 더 바람직하다.

도 6은 다음의 점에서 본 실시형태와 다른 본 발명의 제 1 변형예를 도시한다. 즉, 상기된 실시형태에 따르면, 열처리 후에 최상의 표면부를 기계가공함으로써, 베어링 합금층(1), 리세스(2)를 갖는 연질층(4), 및 중간층(3)이 슬라이딩 표면(도 1의 상부 표면) 상에 혼합되어 있는 구조가 제공되는 반면, 제 1 변형예는 최상의 표면부의 기계가공이 생략되고 모든 표면이 연질층으로 도포되어 있는 구조를 제공한다. 이 구조는 초기 적합성(conformability)을 개선하는 것을 목적으로 하는 경우에 효과적이다.

도 7은 다음의 점에서 본 실시형태와 다른 본 발명의 제 2 변형예를 도시한다. 즉, 상기 실시형태에 따르면, 리세스(2)가 그루브로 형성되어 있는 반면, 제 2 변형예는 위에서 볼 때 독립적인 직사각형 형태를 갖는 다수의 리세스(10)가 형성되어 있고, 중간층(3)(도 1 참조)이 각 리세스(10)의 내면 상에 제공되어 있고, 연질층(4)이 중간층(3) 상에 제공되어 있는 구조를 제공한다.

도 8은 다음의 점에서 상기된 제 2 변형예와 다른 본 발명의 제 3 변형예를 제공한다. 즉, 제 3 변형예에 따르면, 베어링 합금층(1)의 노출부(11)가 직사각형의 형태로 남겨지고, 연속적인 리세스(12)가 노출부 주변에 형성되고, 중간층(3)(도 1 참조)이 리세스(12)의 내면 상에 형성되고, 연질층(4)이 중간층(3) 상에 제공된다.

본 발명은 이 실시형태 및 제 1 내지 제 3 변형예로만 한정되지 않으며, 다음과 같이 변형 및 확장될 수 있다.

초기 적합성을 개선하는 관점에서, 플레인 베어링의 슬라이딩 표면의 최상의 표면 상에 1 내지 10㎛의 최상의 표면층이 제공될 수 있다.

리세스(2, 10, 12)의 형성 방법은, 기계가공(보링)에 추가하여, 마스킹 및 에칭의 조합을 포함하는 화학적 처리, 마스킹 및 쇼트 블라스팅(shot blasting)의조합을 포함하는 물리적 처리, 또는 레이저 가공을 채택할 수 있다.

돌출된 금속간 화합물(5)의 형성이 쉽도록, 연질층(4)은, 연질층을 제공할 때 Cu 농도가 높은 Sn-Cu 합금(예를 들어 Sn-10% Cu)을 우선 코팅한 후, Cu 농도가 낮은 Sn-Cu 합금(예를 들어 Sn-4% Cu)을 그 위에 코팅하는 이중-층 도금 구조가 될 수 있거나, 또는 연질층(4)이 중간층(3) 쪽으로 Cu 농도가 증가되는 성분 경사를 갖도록 구성될 수 있다.

본 발명은 또한 플레인 베어링 이외의 다른 슬라이딩 부재에 적용될 수 있다.

본 발명에 의하면, 캐비테이션 내성 특성이 우수한 슬라이딩 부재를 얻을 수 있다.

Claims

슬라이딩 합금층, 슬라이딩 합금층 상에 형성되어 있는 Ni 또는 Ni 합금의 중간층, 및 중간층 상에 형성되어 있는 Sn 또는 Sn 합금의 연질층을 포함하여 이루어지고, 슬라이딩 합금층의 슬라이딩쪽 표면 상에 리세스가 형성되어 있고, 리세스의 내면 상에 중간층이 형성되어 있고, 연질층에 중간층으로부터 돌출되어 연장되어 있는 금속간 화합물이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
제 1항에 있어서,

상기 슬라이딩 부재의 슬라이딩 표면 상에 적어도 슬라이딩 합금층 및 연질층이 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
제 1항에 있어서,

상기 연질층은 20 질량% 이하의 Cu, 선택적으로 10 질량% 이하의 Ag, 및 선택적으로 15 질량% 이하의 Sb를 포함하는 Sn 합금으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
제 2항에 있어서,

상기 연질층은 20 질량% 이하의 Cu, 선택적으로 10 질량% 이하의 Ag, 및 선택적으로 15 질량% 이하의 Sb를 포함하는 Sn 합금으로 만들어지는 것을 특징으로하는 슬라이딩 부재.
제 1항에 있어서,

상기 슬라이딩 합금층의 슬라이딩쪽 표면 상에 형성된 리세스는 5 내지 50㎛의깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
제 2항에 있어서,

상기 슬라이딩 합금층의 슬라이딩쪽 표면 상에 형성된 리세스는 5 내지 50㎛의깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
제 3항에 있어서,

상기 슬라이딩 합금층의 슬라이딩쪽 표면 상에 형성된 리세스는 5 내지 50㎛의깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
제 4항에 있어서,

상기 슬라이딩 합금층의 슬라이딩쪽 표면 상에 형성된 리세스는 5 내지 50㎛의깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.