KR20050071573A - 미끄럼 베어링 재료 - Google Patents

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페터 뵐키
프리드리히 하리히
하인츠 하르트
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생―고뱅 퍼포먼스 플라스틱스 팜푸스 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 미끄럼 베어링에 사용되고 금속 지지체(1)와 개방 구조(2)를 갖는 적어도 하나의 보강 재료를 포함하는 복합 재료에 관한 것이다. 상기 지지체(1)와 보강 재료(2)는 금속 접합에 의하여 서로 연결된다. 보강 재료(2) 상에는 부가적인 층으로서 폴리에틸렌(PE) 기반의 층인 오버레이가 제공된다.

Description

미끄럼 베어링 재료{SLIDIING BEARING MATERIAL}
본 발명은 미끄럼 베어링에 사용되는 복합 재료로서, 금속 지지체와 개방 구조를 갖는 적어도 하나의 보강 재료를 포함하는 복합 재료에 관한 것이다. 상기 지지체와 보강 재료는 금속 접합에 의해 서로 연결된다. 복합 재료 상에는 부가적인 층으로서 오버레이(overlay) 층이 제공된다.
금속 지지체, 보강 재료 및 플라스틱 오버레이로 이루어진 미끄럼 베어링 복합 재료는 일반적으로 공지되어 있다. 금속 지지체와 보강 재료는 이 경우에 통상 퍼플루오로알콕시 폴리머(perfluoroalkoxy polymer, PFA)와 같은 적절한 접착제를 이용하는 적층 수단에 의해 연결된다.
공지의 미끄럼 베어링 복합 재료 내의 보강 재료는 통상 금속으로 이루어지고, 예를 들면 와이어 메시(wire mesh), 익스팬디드 메탈(expanded metal) 또는 천공 판일 수 있다.
공지의 미끄럼 베어링의 오버레이는, 미끄럼 특성이 양호하고 동시에 높은 기계적 응력에 저항성이 있고 특히 온도 저항성이 있는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 불화 에틸렌 프로필렌(FEP) 또는 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)과 같은 플라스틱으로 이루어진다.
적층 복합 재료와는 달리, 금속 지지체와 보강 재료가 금속 접합에 의해 서로 연결된 복합 재료도 공지되어 있다. 예를 들면 미국 특허 공보 제5,229,198호에는, 금속 지지체 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 코팅되고 용접에 의해 지지체에 연결된 와이어 메시로 이루어진 미끄럼 베어링 복합 재료가 개시되어 있다. 이러한 방식으로 제조된 복합 재료는 유극이 없는 베어링 및 베어링의 향상된 하중 지지 능력을 특징으로 한다. 또한, 그와 같은 복합 재료는 적층 재료에 비하여 용이하게 성형될 수 있다.
부하 능력이 높고 온도 저항성이 있는 PTFE와 같은 공지의 불화 플라스틱이 미끄럼 베어링의 오버레이에 사용될 경우에, 제조 비용이 높다는 단점이 있다. 따라서 예를 들면 PTFE는 비교적 고가의 소결에 의하여 주형 성형이 가능할 뿐이다. 또한, PTFE 대신에 환경 친화적인 재료를 사용할 필요가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 재료를 나타낸다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
1: 금속 지지체 2: 보강 재료
3: 금속 중간층 4: 오버레이
본 발명의 기본적인 목적은, 특히 한편으로는 경제적이고 환경 친화적으로 제조와 폐기가 가능하고 다른 한편으로는 기계적으로 강하고 온도 저항성이 있는 미끄럼 베어링용 복합 재료를 제조하는 것이다. 본 발명의 다른 목적들은 이하의 설명 및 실시예로부터 명확해질 것이다.
이러한 목적 및 또 다른 목적들은, 본 발명에 따라 오버레이가 폴리에틸렌 기반의 층으로 구성된 미끄럼 베어링용 복합 재료에 의하여 달성된다.
본 발명에 따른 복합 재료의 바람직한 실시예, 그에 상응하는 제조 방법 및 특정 용도가 특허청구범위의 종속항들에 기재되어 있다.
경이롭게도, 금속 지지체와 보강 재료가 금속 접합에 의해 서로 연결될 경우에, 폴리에틸렌(PE)-기반 오버레이를 구비한 복합 재료는 매우 강하고 온도 저항성이 있다는 사실을 알아내었다. 동시에, 폴리에틸렌은 간단하고 경제적으로 제조될 수 있고, 그 제조 및 폐기는 환경에 부담을 주지 않는다.
본 발명에 따라 복합 재료의 오버레이 내에 함유된 폴리에틸렌은, 마모 저항성이 높고 미끄럼 특성이 양호한 열가소성 재료이다.
미끄럼 베어링용 복합 재료의 제조에 있어서 오버레이로서 이제까지 사용되어 왔던 공지의 플라스틱(PTFE, PEF 또는 PEEK)과 비교하면, 폴리에틸렌은 실질적으로 보다 좁은 온도 범위, 즉 -150℃ 내지 최대 +90℃의 범위 내에서 열 저항의 내성이 있을 뿐이다. 이와는 대조적으로, PTFE는 -200℃까지 저온 저항성이 있고 +260℃까지 열 저항의 내성이 있다. 이러한 이유로, 상대적으로 온도 저항성이 비교적 작은 폴리에틸렌을 미끄럼 베어링 내의 오버레이용 재료로 사용하는 것에 대하여 이제까지 고려되지 않았었다.
그러나, 지지체가 금속적 방법으로 보강 재료에 접합된다면, 부정적으로 여겨졌던 전술한 특성은 단점이 아니라는 사실을 알아내었다. 금속 접합의 결과, 마찰로 인해 오버레이 내에 발생한 열은 최적으로 지지체로 방산될 수 있다. 또한, 보강 재료의 개방 구조에 의하여, 이러한 개방 구조가 폴리에틸렌과 서로 결합되면 오버레이의 강도 및 그에 따른 최대 부하 능력이 부가적으로 증가하고, 따라서 오버레이 재료로서 폴리에틸렌을 사용하는 것이 가능해진다. 기계적 강도와 온도 저항성과 관련하여, 지지체와 보강 재료 사이에 금속 접합이 이용되면, 폴리에틸렌은 이제까지 사용되었던 플라스틱에 대한 대안으로서 동등한 특성을 갖는다.
그러나, 폴리에틸렌이 사용될 경우에 중요한 장점은 경제적인 생산성 및 양호한 환경 친화성이다. 미끄럼 베어링은 높은 빈도로 널리 사용되는 제품과 관련이 있기 때문에, 특히 환경적인 측면이 매우 중요하다. 따라서 폐기 폴리에틸렌은 환경에 영향을 미치지 않으면서 소각될 수 있는데, 그 이유는 이산화탄소, 일산화탄소, 수분 및 질산화물만이 생성되기 때문이다. 따라서, 생산, 소각 및 폐기와 관련하여 유해 물질과 환경에 대한 영향을 고려한다면, 폴리에틸렌은 예를 들면 PTFE보다 실질적으로 문제를 거의 일으키지 않는 플라스틱이다.
본 발명에 있어서의 폴리에틸렌은, 다양한 밀도, 경도 및 조성의 모든 유형의 폴리에틸렌을 의미하는 것으로 이해하여야 한다. 오버레이가 고분자 폴리에틸렌(HMW PE), 초고분자 폴리에틸렌(UHMW PE) 또는 폴리에틸렌 화합물에 기초한 층일 경우에 특히 바람직하다.
HMW PE 및/또는 UHMW PE는 200,000g/mol ~ 5,000,000g/mol 및/또는 3,000,000g/mol ~ 6,000,000g/mol의 고분자량 및/또는 초고분자량에 의하여 구분된다. 이 경우에, 특히 강성이고 경질인 폴리에틸렌은 양호한 미끄럼 및 마모 특성을 갖는다는 점이 중요하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 오버레이를 이루는 플라스틱은 폴리에틸렌을 5% ~ 100%의 중량 비율로, 바람직하게는 50% ~ 100%의 중량 비율로, 보다 바람직하게는 80% ~ 100%의 중량 비율로, 가장 바람직하게는 90% ~ 100%의 중량 비율로 함유한다.
또한, 오버레이는 충전제(filler)(예를 들면, 글라스 섬유, 탄류, 흑연 및/또는 방향족 폴리에스테르)와 같은 통상의 첨가제를 또한 함유할 수 있다. 폴리에틸렌뿐만 아니라 글라스 섬유, 탄류, 흑연 및/또는 방향족 폴리에스테르를 또한 함유하는 폴리에틸렌 기반의 플라스틱 조성물은 폴리에틸렌 화합물(PE 화합물)이라고 불린다.
전술한 폴리에틸렌 혼합물 및/또는 폴리에틸렌과 다른 폴리머, 특히 PTFE, PFA, MFA 및/또는 FEP와 같은 불화 폴리머의 혼합물을 오버레이의 플라스틱 조성물로서 사용할 수도 있다. 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)과의 혼합물을 사용하는 것도 가능하다. 특히, 중량%으로 10% ~ 99.9%, 바람직하게는 40% ~ 99.9%, 보다 바람직하게는 80% ~ 99.9%의 폴리에틸렌 및 불화 폴리머 또는 폴리에테르 케톤으로 구성된 잔부로 이루어진 혼합물을, 가능하다면 통상의 첨가제, 혼합제 및 충진제(예를 들면 글라스 섬유, 탄류, 흑연 및/또는 방향족 폴리에스테르)와 함께 사용할 수도 있다.
또한, 오버레이에 대한 플라스틱 조성물로서 폴리에틸렌을 함유하는 폴리머 알로이(polymer alloy)를 사용하는 것도 가능하다.
또한, 오버레이의 재료가 보강 재료의 개구부를 적어도 부분적으로 충전하면 특히 바람직하다. 이러한 방식으로, 오버레이는 보다 강해지고 보다 파손 저항성이 있게 된다. 보강 재료 상방으로 측정된 오버레이는 두께가 1㎛ ~ 1.5mm, 특히 5㎛ ~ 250㎛이어야 한다. 금속 지지체와 보강 재료가 소결, 용접, 납땜 및/또는 갈바나이징(galvanizing)에 의해 서로 연결될 경우에, 양호한 강도 및 그와 동시에 최적의 열 전달 특성이 달성된다. 연결은 소결에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.
금속 지지체는 소정 금속 특히 강, 스테인레스 강, 알루미늄, 청동, 황동, 티타늄 및/또는 동 또는 그 합금으로 이루어질 수 있고, 소정 두께 특히 0.05mm ~ 10mm의 두께를 가질 수 있다. 두께는 0.2mm와 3mm 사이의 범위 내인 것이 바람직하다.
개방 구조를 갖는 보강 재료는 직조체(fabric) 특히 와이어 메시, 익스팬디드 메탈, 플리스(fleece) 특히 금속 플리스, 금속 발포체 및/또는 천공 판인 것이 바람직하다. 금속 직조체를 사용하는 것이 바람직하다. 보강 재료는 금속, 특히 청동, 동, 은, 크롬, 니켈, 아연, 아연-철 합금, 아연-니켈 합금 및/또는 알루미늄 또는 그 합금으로 이루어질 수 있다. 청동을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 여러 금속으로 이루어진 혼합 직조체 예를 들면 전술한 금속들로 혼합된 직조체를 사용할 수도 있다. 보강 재료의 두께는 0.1mm ~ 6mm의 범위, 특히 0.1 ~ 2mm의 범위 내인 것이 바람직하다.
하나 또는 다수의 중간층들 특히 금속 중간층들이 금속 지지체와 보강 재료 사이에 배치될 수 있다. 금속 중간층은 개방 구조를 갖는 금속 보강 재료와 동일한 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 중간층으로서 특히 적합한 재료는 동 및/또는 청동이다. 금속 중간층은 갈바나이징(galvanizing) 및/또는 도금(plating)에 의하여 지지체 또는 보강 재료에 부착될 수 있다. 중간층은 두께가 1㎛ ~ 100㎛이다.
본 발명에 따른 복합 재료는 미끄럼 베어링 특히 보수가 필요없는 미끄럼 베어링의 지지 재료로서의 용도에 적합하다. 따라서, 본 발명에 따른 복합 재료를 포함하는 미끄럼 베어링도 본 발명에 포함된다.
마지막으로, 본 발명은 전술한 하나 또는 여러 특징들을 갖는 복합 재료를 제조하기에 적합한 방법을 포함한다. 이러한 방법에 따라, 소결, 용접, 납땜 및/또는 갈바나이징에 의하여 지지체와 보강 재료 사이의 금속 접합이 형성된다. 중간층은 도금 및/또는 갈바나이징에 의해 부착될 수 있다. 오버레이는 캘린더 가공(calendering), 도장 및/또는 적층 성형(laminating)에 의하여 보강 재료 내에 도입될 수 있다.
도 1에 도시되어 있는 실시예에 기초하여, 이하에서 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은, 금속 지지체(1), 금속 중간층(3), 보강 재료(2)로서 와이어 메시 및 오버레이(4)를 포함하는 본 발명에 따른 복합 재료를 나타낸다. 금속 지지체(1)는 강으로 이루어지는 것이 바람직하다. 동 또는 청동으로 이루어지는 것이 바람직한 중간층(3)은 예를 들면 갈바나이징 또는 도금에 의하여 금속 지지체(1) 상에 부착된다. 보강 재료(2)로서의 역할을 하는 와이어 메시는 청동 또는 동으로 이루어지고 소결에 의하여 부착된다. 예를 들면 폴리에틸렌으로 이루어지고 보강 재료(2)의 개구부들을 또한 충전하는 오버레이는 캘린더 가공 또는 적층 성형에 의하여 보강 재료(2) 상에 부착된다. 그와 같은 복합 재료는 적절한 성형 후에 미끄럼 베어링 내의 지지 재료로서의 용도에 매우 적합하게 된다.
보강 재료(2)가 소결에 의하여 하부 금속층(1, 3)과 연결되면, 베어링의 양호한 하중 지지 능력이 달성된다. 아래의 표들은 배치 프레스(압력 4.1MPa, 380℃에서 유지 시간 2분, 40℃까지 냉각) 조건으로 소결 청동(CuSn6) 직조체를 이용한 몇몇 압축 시험을 나타낸다. 시험 3.3과 시험 3.4에 있어서는, 가는 와이어의 직조체(fine fabric)(폭 0.112mm, 와이어 직경 0.08mm)와 굵은 와이어의 직조체(coarse fabric)(폭 0.4mm, 와이어 직경 0.25mm)가 사용되었다.
시험 재료 구조 두께[mm] 크기[㎠] 압력[bar] 적층 두께[mm] 정압 시험[N/㎟]
2.1 굵은 와이어의 직조체 - 청동 도금 (캘린더 가공) 0.676 13.17×2.56 7 0.705 200 - 220
2.2 굵은 와이어의 직조체 -청동 도금 (캘린더 가공 미실시) 0.936 10.11×2.56 6 0.934 100 - 150
3.3 가는 와이어의 직조체, 굵은 와이어의 직조체, 청동 도금 0.995 11.67×2.53 7 1.008
3.4 가는 와이어의 직조체, 굵은 와이어의 직조체, 청동 도금 1.011 14.91×2.54 8 1.007
3.6 굵은 와이어의 직조체 미처리 판(bare plate) 0.891 9.38×2.51 6 0.887
시험 결과
2.1 홈(undercut)과 함께 공동 및 소결 선(sinter line) 형성
2.2 고착 가능성이 큰 중공형 조직 및 소결 점(sinter point) 형성
3.3 고착 가능성이 큰 중공형 조직 및 소결 점 형성
3.4 고착 가능성이 큰 중공형 조직 및 소결 점 형성
3.6 고착 가능성이 큰 중공형 조직 및 소결 점 형성
전술한 실시예에는 예시적인 작용이 기재되어 있을 뿐이며, 본 발명이 예로서 제시된 실시예에 제한되는 것은 아니다. 오히려, 본 발명의 보호 범위는 이하의 특허청구범위 및 법률적 균등물에 의하여 규정된다.

Claims (19)

  1. 미끄럼 베어링 내에 사용되고, 금속 지지체(1)와 개방 구조를 갖는 적어도 하나의 보강 재료(2)를 구비하는 복합 재료로서, 상기 지지체(1)와 상기 보강 재료(2)는 금속 접합에 의해 서로 연결되고, 상기 보강 재료(2) 상에는 부가적인 층으로서 오버레이(4)가 제공되어 있는 복합 재료에 있어서,
    상기 오버레이(4)는 폴리에틸렌(PE)을 함유하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오버레이(4)는 고분자 폴리에틸렌, 초고분자 폴리에틸렌 및/또는 폴리에틸렌 화합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 오버레이(4)의 재료가 보강 재료(2)의 개구부들을 적어도 부분적으로 충전하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  4. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 재료(2)의 상방으로 측정된 상기 오버레이(4)는 두께가 5㎛ 내지 1.5mm, 특히 100㎛ 내지 300㎛인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  5. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지체(1)와 상기 보강 재료는 소결, 용접, 납땜 및/또는 갈바나이징에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  6. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지체(1)는 강, 스테인레스 강, 알루미늄, 청동, 황동, 티타늄 및/또는 동 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  7. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지체(1)는 두께가 0.05mm 내지 10mm, 특히 0.2mm 내지 3mm 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  8. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    개방 구조를 갖는 상기 보강 재료(2)는 직조체(fabric) 특히 와이어 메시, 익스팬디드 메탈, 플리스(fleece) 특히 금속 플리스, 금속 발포체 및/또는 천공 판인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  9. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 재료(2)는 금속, 특히 청동, 동, 크롬, 니켈, 아연, 아연-철 합금, 아연-니켈 합금 및/또는 알루미늄 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  10. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 재료(2)는 두께가 0.1mm 내지 6mm, 특히 0.2mm 내지 2mm인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  11. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지체(1)와 상기 보강 재료(2) 사이에 부가적인 층으로서 금속 중간층(3)이 제공되는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 중간층(2)은 갈바나이징 및/또는 도금에 의하여 지지체(1) 또는 보강 재료(2) 상에 부착되는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 중간층(3)은 제9항에 규정된 재료들 중 적어도 하나의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층(3)은 두께가 1㎛ 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 복합 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 부시.
  16. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 복합 재료를 미끄럼 베어링 내에 사용하는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 용도.
  17. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 복합 재료를 제조하는 방법으로서, 지지체(1)와 보강 재료(2) 사이의 금속 접합을 소결, 용접, 납땜 및/또는 갈바나이징에 의하여 형성시키는 것을 특징으로 하는 복합 재료 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    중간층(3)을 도금 및/또는 갈바나이징에 의하여 부착시키는 것을 특징으로 하는 복합 재료 제조 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    오버레이(4)를 캘린더 가공(calendering), 도금 및/또는 적층 성형(laminating)에 의하여 보강 재료 내로 도입하는 것을 특징으로 하는 복합 재료 제조 방법.
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