KR20050106066A - 천공가능한 평면 베어링 재료 - Google Patents

Abstract

베어링, 플라스틱 베어링 재료, 및 그의 제조 방법이 개시된다. 베어링은 백킹 재료 상에 배치되는, 다공성층 내에 함침된 연속적인 강화 베어링 재료층을 포함한다.

Description

천공가능한 평면 베어링 재료 {BOREABLE PLAIN BEARING MATERIAL}

본 발명은 베어링, 플라스틱 베어링 재료 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

플라스틱 기재 오버레이 (overlay)를 갖는 베어링은 1층, 2층 또는 3층 복합재로서 공지되어 있다. 1층 베어링 재료는 고체 플라스틱 베어링을 포함한다. 2층 베어링 재료는 외부 금속 백킹 및 직접 도포되거나 부착된 플라스틱을 갖는 베어링을 포함한다. 3층 베어링 재료는 백킹 재료, 다공성층 및 세공 내에 형성된 플라스틱 기재 커버링층을 포함하는 베어링을 포함한다. 상기 각각의 베어링은 외부 공급 윤활제의 사용이 어렵거나 바람직하지 않을 수 있는 용도에서 유용할 수 있다.

3층 베어링 재료에서, 많은 상이한 종류의 플라스틱 베어링 재료가 다공성 금속층을 갖는 백킹 재료, 예를 들어 스틸에 도포되었다. 다공성 금속층은 스틸 백킹에 소결된 청동 또는 구리 입자를 포함할 수 있다. 플라스틱 베어링 재료는 베이스 중합체 및 충전제 입자를 포함할 수 있다. 유용한 플라스틱 베어링 재료는 베이스 중합체로서 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)을 포함할 수 있다.

PTFE 라이닝처리된 복합 건식 베어링 재료의 개발은 글라시어 메탈 컴퍼니 (Glacier Metal Co.)에서 1948년 시작되었고, 1950년대에 상기 재료에 대한 특허가 부여되었다. 개발된 재료 중의 하나는 DU (등록상표)이다. DU는 PTFE의 건식 마모 특성과 통상적인 베어링 재료의 기계적 특성을 조합한 상업적으로 성공한 베어링 재료이다.

플라스틱 베어링 재료를 금속 백킹 상의 다공성 금속층 내에 함침시키는 방법은 페이스트 또는 건조 분말을 다공성 금속층 상에 살포하는 것을 포함하고, 페이스트 또는 건조 분말은 롤링을 통해 세공 내를 채우게 된다. 페이스트 또는 건조 분말은 PTFE의 수분산액을 유기 윤활제 (예를 들어 휘발성 유기 화합물 "VOC")와 함께 충전제 물질과 혼합하고, 분산액을 응고시켜 소위 "머쉬 (mush)"를 형성함으로써 제조할 수 있다. 플라스틱 베어링 재료가 다공성층을 채운 후에, 백킹 재료는 플라스틱 베어링 재료 내의 임의의 잔류하는 물 및 윤활제를 제거하기 위해 유도 전기로 (induction furnace)를 사용하여 가열할 수 있다. 백킹 재료의 가열은 또한 다공성층 및(또는) 백킹 재료와 접촉하는 PTFE 입자를 용융 또는 소결할 수 있다. 잔류 물의 제거는 보다 두꺼운 층을 만들고자 할 때 발생할 수 있는 기포에 의해 다공성층 상에 형성될 수 있는 층 ("오버레이")의 두께를 제한할 수 있다. 또한, 치밀해진 플라스틱 베어링 재료로부터 VOC의 증발은 오버레이의 통합성 및 다공성을 저하시킬 수 있다. 오버레이가 너무 얇으면 내마모성을 제한할 수 있다.

다공성 금속층 상에 응고된 중합체 분산액을 살포하는 방법의 대안, 예를 들어 다공성 금속층 내에 함침시키기 위한 PTFE 테이프의 제조가 개발되었다. PTFE는 열가소성 물질로서 분류되기는 하지만, 다른 일반적인 열가소성 물질처럼 용융되지 않는다. 그의 전이 온도에서, PTFE는 용융 가공에 부적합할 수 있는 고무상 상태로 변한다.

일부 공정에서, PTFE 테이프는 다공성층 내에 함침되지만, 백킹 재료 및 다공성층은 가열될 수 있고, 오버레이의 일부는 비소결 형태로 남을 수 있다. 즉, PTFE는 연속적인 합체화 형태로 존재하지 않을 수 있고, 이에 의해 상기 방법을 사용하여 제조된 베어링에 불량한 마모 특성을 제공할 수 있다.

소결된 PTFE 테이프를 제조하는 한 방법은 충전제를 첨가하거나 첨가하지 않으면서 중합체의 실리더 블록을 압축 및 소결하고, 실린더의 표면으로부터 테이프를 분리하는 것이다. 별법으로, 실질적으로 유사한 부피부의 폴리페닐렌 설파이드 ("PPS") 및 PTF를 포함하는 용융 압출 테이프는 미국 특허 제5,665,825호에 기재된 바와 같이 가열된 백킹 재료 상에 배치된 가열된 다공성층 내에 함침될 수 있다. 용융 압출 공정은 PPS를 용융시키기에는 충분히 높지만 PTFE 소결 방지를 위해 충분히 낮은 온도에서 수행된다. 이 공정은 PPS 및 PTFE의 상호 관통 네트워크(Interpenetrating Network)를 형성할 수 있다. 별법으로, PTFE 기재 테이프 시트를 제조하기 위해 컨베이어 및 압축 롤러 시스템의 사용은 공지되어 있다. 일부 경우에 롤링 공정이 다공성 금속 소결에 손상을 줄 수 있도록 PTFE가 그의 전이 온도보다 높은 온도에서도 충분히 강할 수 있기 때문에 상기 PTFE 테이프의 형태는 다공성 금속 소결 내로 롤 함침시키기에 부적합할 수 있다.

그 결과, 낮은 마찰을 유지하면서 내마모성 및 내부식성을 개선시킴으로써 베어링 수명을 연장시킬 수 있는 보다 큰 오버레이 두께를 갖는 3층 베어링 재료가 요구된다. 보다 두꺼운 오버레이는 또한 후속 천공 (boring) 작업을 겹쳐진 부쉬 (wrapped bush)에서 수행하는 것을 가능하게 할 수 있다. 추가로, VOC의 사용을 피하는 것은 오버레이의 통합성 및 다공성을 개선시킬 수 있으므로 다공성층에 도포된 플라스틱 베어링 재료에서 VOC의 사용을 제거하는 것이 요구된다.

<발명의 개요>

본 발명은 백킹 재료, 상기 백킹층 상의 다공성층, 및 다공성층 내로 함침된 압출된 베어링 재료층 (여기서, 베어링 재료층은 연속적인 폴리테트라플루오로에틸렌 매트릭스 및 첨가제 물질의 이산 입자를 포함하는 연속적인 합체화 구조이며, 상기 베어링 재료층은 다공성층 상의 일부를 갖는다)을 포함하는 베어링을 제공한다.

한 측면에서, 본 발명은 백킹 재료 상에 배치된 다공성층 내로 함침되도록 기능할 수 있는 압출된 비소결 테이프 또는 스트립 (여기서 압출된 비소결 테이프는 폴리테트라플루오로에틸렌 매트릭스 및 첨가제 물질의 이산 입자를 포함한다)을 포함하는 플라스틱 베어링 재료를 제공한다.

한 측면에서, 본 발명은 폴리테트라플루오로에틸렌 매트릭스 및 첨가제 물질의 이산 입자를 포함하는 압출된 비소결 테이프 또는 스트립을 제공하고, 상기 압출된 비소결 테이프를 백킹 재료 상에 배치된 다공성층 내로 함침시키며, 함침된 비소결 테이프를 폴리테트라플루오로에틸렌의 용융점을 넘는 온도에서 소결시켜 연속적인 합체화 베어링 재료층을 형성하는 것을 포함하는 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 베어링 및 베어링 제조 방법의 이점은 압출된 비소결 테이프가 테이프를 소결시키기 위해 사용된 조건 하에 기포를 형성시킬 수 있는 양의 윤활액을 함유하지 않을 수 있기 때문에 베어링에 실질적으로 기포가 없다는 것이다. 통상의 응고된 분산계 물질은 35 미크론 이상의 표면층이 시도될 때 기포를 형성할 수 있다. 본 발명의 방법은 또한 개선된 마모 성능을 갖는 베어링을 생산할 수 있다. 상기 방법은 또한 후속 천공 작업이 겹쳐진 부쉬 상에서 수행되도록 하는 두께의 오버레이를 제공할 수 있다.

달리 지시하지 않으면, 본 명세서의 목적에서, 명세서에서 사용된 성분의 양을 표시하는 모든 수치, 반응 조건 등은 모든 경우에 용어 "약"으로 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 설명되지 않으면, 하기 명세서에 설명된 수치 파라미터는 본 발명에 의해 추구되는 바람직한 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다. 적어도 청구의 범위에 균등론의 적용을 제한하려는 시도가 아니라, 각각의 수치 파라미터는 적어도 보고된 유의한 숫자의 수치의 면에서 및 일상적인 근사 기술을 적용하여 해석되어야 한다.

본 발명의 넓은 범위를 설명하는 수치 범위 및 파라미터가 근사치임에도 불구하고, 구체적인 실시예에 설명된 수치는 가능한 한 정확하게 기록된다. 그러나, 임의의 수치는 본래 필연적으로 각각의 시험 측정에서 발견되는 표준 편차로 인한 몇몇 오류를 포함한다. 더욱이, 본원에 개시된 모든 범위는 포함된 임의의 및 모든 하위범위와 종점 사이의 모든 수를 포괄하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "1 내지 10"의 범위는 1의 최소값 및 10의 최대값 (둘 모두 포함) 사이의 임의의 및 모든 하위범위, 즉, 1의 최소값 이상, 예 1 내지 6.1로 시작하여 10의 최대값 이하, 예, 5.5 내지 10으로 끝나는 모든 하위범위 뿐만 아니라 종점 내에 시작하여 끝나는 모든 범위, 예 2 내지 9, 3 내지 8, 3 내지 9, 4 내지 7 및 마지막으로 범위 내에 포함된 각 숫자 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 및 10을 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 부가적으로, "본원에 포함된" 것으로 나타내는 임의의 참조문은 그의 전체 내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용될 때, 단수 형태의 용어는 하나의 대상으로 일부러 명료하게 제한하지 않는 한 복수 대상을 포함하는 것을 추가로 알아야 한다.

제1 측면에서, 본 발명은 백킹 재료, 상기 백킹층 상의 다공성층, 및 다공성층 내로 함침된 압출된 베어링 재료층을 포함하는 베어링을 제공하며, 상기 베어링 재료층은 연속적인 폴리테트라플루오로에틸렌 매트릭스 및 첨가제 물질의 이산 입자를 포함하는 연속적인 합체화 구조이고 오버레이로 언급되는 다공성층 상의 일부를 갖는다. 한 실시태양에서, 베어링 재료층의 표면에는 실질적으로 기포가 존재하지 않을 수 있다. 다른 실시태양에서, 첨가제 입자는 PTFE 중합체 매트릭스 내에 현미경상으로 및 육안상으로 균일하게 분포할 수 있다.

백킹 재료는 다공성층을 지지하도록 기능하는 임의의 물질을 포함할 수 있고, 베어링 재료층을 함침시키고 소결하는 공정을 견딜 수 있다. 한 실시태양에서, 베어링의 백킹 재료는 금속 스트립을 포함할 수 있다. 다른 실시태양에서, 백킹 재료는 탄소 저함유 스틸 스트립을 포함할 수 있다. 다른 실시태양에서, 백킹 재료는 다공성층의 부착을 증강시키기 위해 그 위에 도금된 니켈 또는 구리인 금속 스트립을 포함할 수 있다.

다공성 물질은 베어링 재료층을 백킹 재료에 고정시키도록 기능하는 임의의 물질을 포함할 수 있다. 한 실시태양에서, 베어링의 다공성층은 금속 백킹 재료에 소결된 청동 입자를 포함할 수 있다. 다른 실시태양에서, 다공성층은 금속 백킹 재료에 소결된 구리 입자를 포함할 수 있다.

첨가제 물질은 테이프가 백킹 재료 상에 배치된 다공성층 내에 함침되도록 기능하고 베어링 재료층 강화에 사용되는 가공 온도를 견디도록 기능하도록 압출된 비소결 테이프 내에 도입시키기에 적합한 임의의 물질을 포함할 수 있다. 백킹 재료 상에 배치된 다공성층 내에 함침되도록 기능하는 테이프는 다공성층의 세공을 치밀하게 만들거나 폐색시키지 않으면서 함침될 수 있는 것 또는 다공성층에 적합하게 부착될 수 있는 것을 포함할 수 있다. 연속적인 강화 PTFE 매트릭스를 형성하도록 충분한 PTFE가 존재하는 한, 임의의 양의 첨가제 물질이 베어링 재료층에 포함될 수 있다.

한 실시태양에서, 첨가제 물질은 무기 입자 충전제, 예를 들어 이온성 플루오라이드, 예를 들어 플루오르화칼슘, 플루오르화마그네슘, 플루오르화주석, 금속 산화물, 예를 들어 산화철, 산화알루미늄, 이산화티탄, 산화아연, 및 금속 수산화물, 예를 들어 수산화알루미늄을 포함할 수 있고, 상기 충전제는 이로 제한되지 않는다. 다른 실시태양에서, 첨가제 물질은 플루오르화칼슘을 포함하는 무기 입자 충전제를 포함한다. 무기 입자 충전제 물질의 입자 크기는 바람직한 낮은 마찰 특성을 유지하면서 캐비테이션 (cavitation) 내부식성 및 내마모성을 개선시키도록 기능할 수 있다. 첨가제 물질이 플루오르화칼슘을 포함하는 베어링의 실시태양에서, 플루오르화칼슘의 평균 직경 입자 크기는 10 미크론 이하이다. 다른 실시태양에서, 플루오르화칼슘의 평균 직경 입자 크기는 2 미크론 이하이다. 또다른 실시태양에서, 베어링 재료층 내의 무기 입자 충전제의 양은 10 내지 30 부피%이다.

다른 실시태양에서, 첨가제 물질은 폴리페닐렌 설파이드 입자를 포함할 수 있다. 한 실시태양에서, 베어링 재료층 내의 폴리페닐렌 설파이드의 양은 30 내지 70 부피%이다. 다른 실시태양에서, 폴리페닐렌 설파이드의 양은 50 부피%이다. 다른 실시태양에서, 폴리페닐렌 설파이드의 평균 직경 입자 크기는 60 미크론 이하이다. 다른 실시태양에서, 폴리페닐렌 설파이드의 평균 직경 입자 크기는 20 미크론 이하이다.

다른 실시태양에서, 베어링 재료층은 유기 충전제 물질, 예를 들어 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌 프로필렌 에테르 중합체, 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체, 헥사플루오로이소부틸렌 중합체, 헥사플루오로이소부틸렌-비닐리덴 플루오라이드 공중합체 또는 헥사플루오로 프로필렌 중합체를 추가로 포함할 수 있고, 이로 제한되지 않는다. 용융 가공성 유기 충전제 물질, 예를 들어 상기 열거한 물질은 압출된 비소결 테이프 및(또는) 베어링 재료층 내의 PTFE의 결정성을 개질시키기 위해 포함될 수 있다.

다공성층 상의 베어링 재료층의 부분 (즉, 오버레이)는 상이한 요인에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 오버레이의 두께의 하한은 베어링 재료의 의도하는 용도 또는 베어링의 성능 또는 내마모성의 유의한 저하없이 기계가공될 수 있는 최소 두께에 의해 결정될 수 있다. 한 실시태양에서, 오버레이의 두께는 적어도 25 미크론이다. 다른 실시태양에서, 오버레이의 두께는 적어도 50 미크론이다. 오버레이의 두께의 상한은 백킹 재료 상에 배치된 다공성층 내에 함침되도록 기능할 수 있는 테이프 두께의 상한에 의해 결정될 수 있다. 오버레이의 두께의 상한은 또한 임의의 윤활액을 제거하기 위해 건조될 수 있는 테이프 두께의 상한에 의해 결정될 수 있다. 한 실시태양에서, 오버레이의 두께는 300 미크론 미만이다. 다른 실시태양에서, 오버레이의 두께는 150 미크론 미만이다.

다른 측면에서, 본 발명은 백킹 재료 상에 배치된 다공성층 내에 함침되도록 기능할 수 있는 압출된 비소결 테이프 또는 스트립을 포함하는 플라스틱 베어링 재료를 제공하고, 여기서 압출된 비소결 테이프는 폴리테트라플루오로에틸렌 매트릭스 및 첨가제 물질의 이산 입자를 포함한다. 한 실시태양에서, 첨가제 입자는 폴리테트라플루오로에틸렌 매트릭스 내에 현미경상으로 및 육안상으로 균일하게 분포한다. 플라스틱 베어링 재료는 다공성층의 표면 상에 베어링 재료층의 일부를 갖는 베어링을 제조하도록 기능할 수 있는 두께를 갖는다. 한 실시태양에서, 플라스틱 베어링 재료의 두께는 약 600 미크론이다.

압출된 비소결 테이프는 PTFE 입자와 첨가제 입자가 공기 충격 분쇄기 (pulverizer)로 혼합된 후 압출되어 테이프를 형성하는 미국 특허 제5,697,390호 (본원에 참고로 포함됨)에 기재된 방법으로 제조될 수 있다.

첨가제 물질은 테이프가 백킹 재료 상에 배치된 다공성층 내에 함침되도록 기능할 수 있도록 압출된 비소결 테이프 내로의 도입에 적합한 임의의 물질을 포함할 수 있다. PTFE의 양이 연속적인 강화 PTFE 매트릭스를 형성하도록 기능하는 한, 임의의 양의 첨가제 물질이 플라스틱 베어링 재료에 포함될 수 있다.

한 실시태양에서, 첨가제 물질은 무기 입자 충전제, 예를 들어 이온성 플루오라이드, 예를 들어 플루오르화칼슘, 플루오르화마그네슘, 플루오르화주석, 금속 산화물, 예를 들어 산화철, 산화알루미늄, 이산화티탄, 산화아연, 및 금속 수산화물, 예를 들어 수산화알루미늄을 포함할 수 있고, 상기 충전제는 이로 제한되지 않는다. 다른 실시태양에서, 첨가제 물질은 플루오르화칼슘을 포함하는 무기 입자 충전제를 포함한다. 무기 입자 충전제의 입자 크기는 바람직한 낮은 마찰 특성을 유지하면서 캐비테이션 내부식성 및 내마모성을 개선시키도록 될 수 있는 크기로 결정될 수 있다. 압출된 비소결 테이프가 플루오르화칼슘을 포함하는 한 실시태양에서, 플루오르화칼슘의 평균 직경 입자 크기는 10 미크론 이하이다. 다른 실시태양에서, 플루오르화칼슘의 평균 직경 입자 크기는 2 미크론 이하이다. 다른 실시태양에서, 압출된 비소결 테이프 내의 무기 입자 충전제의 양은 10 내지 30 부피%이다.

다른 실시태양에서, 첨가제 물질은 폴리페닐렌 설파이드를 포함하는 중합체 물질을 포함할 수 있다. 한 실시태양에서, 압출된 비소결 테이프 내의 폴리페닐렌 설파이드의 양은 30 내지 70 부피%이다. 다른 실시태양에서, 폴리페닐렌 설파이드의 양은 50 부피%이다. 다른 실시태양에서, 폴리페닐렌 설파이드의 평균 직경 입자 크기는 60 미크론 이하이다. 다른 실시태양에서, 폴리페닐렌 설파이드의 평균 직경 입자 크기는 약 20 미크론이다.

다른 실시태양에서, 압출된 비소결 테이프는 유기 충전제 물질, 예를 들어 비제한적으로 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌 프로필렌 에테르 중합체, 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체, 헥사플루오로이소부틸렌 중합체, 헥사플루오로이소부틸렌-비닐리덴 플루오라이드 공중합체 및 헥사플루오로 프로필렌 중합체를 추가로 포함할 수 있다.

다른 측면에서, 본 발명은 폴리테트라플루오로에틸렌 매트릭스 및 첨가제 물질의 이산 입자를 포함하는 압출된 비소결 테이프 또는 스트립을 제공하는 단계, 상기 압출된 비소결 테이프를 백킹 재료 상에 배치된 다공성층에 함침시키는 단계 및 함침된 비소결 테이프를 폴리테트라플루오로에틸렌의 용융점을 넘는 온도에서 소결하여 연속적인 강화 베어링 재료층을 형성시키는 단계를 포함하는 제조 방법을 제공한다.

압출된 비소결 테이프는 PTFE 입자 및 첨가제 입자가 공기 충격 분쇄기를 사용하여 블렌딩된 다음 압출되어 테이프를 형성하는 미국 특허 제5,697,390호 (본원에 참고로 포함)에 기재된 방법에 의해 제조될 수 있다. 압출된 비소결 테이프를 형성하기 위해 혼합물을 압출시키기 전에 PTFE 입자 및 첨가제 입자를 블렌딩하기 위해 당업계의 숙련인에게 공지된 다른 방법을 사용할 수 있다. 압출된 비소결 테이프를 제공하기 위해 사용된 PTFE 입자의 입자 크기는 PTFE 입자가 베어링 재료층에 사용될 때 연속적인 강화 중합체 매트릭스를 형성하도록 기능할 수 있는 한 임의의 크기일 수 있다. 한 실시태양에서, PTFE 입자의 입자 크기는 500 내지 600 미크론이다. 다른 실시태양에서, 첨가제 물질은 폴리테트라플루오로에틸렌 매트릭스 내에 현미경상으로 및 육안상으로 균일하게 분포된다.

첨가제 물질은 테이프가 백킹 재료 상에 배치된 다공성층 내에 함침되게 기능하도록 압출된 비소결 테이프 내에 도입하기 적합한 임의의 물질을 포함할 수 있다. 연속적인 강화 PTFE 매트릭스를 형성하도록 충분한 PTFE가 존재하는 한, 임의의 양의 첨가제 물질이 압출된 비소결 테이프에 포함될 수 있다.

한 실시태양에서, 첨가제 물질은 무기 입자 충전제, 예를 들어 이온성 플루오라이드, 예를 들어 플루오르화칼슘, 플루오르화마그네슘, 플루오르화주석, 금속 산화물, 예를 들어 산화철, 산화알루미늄, 이산화티탄, 산화아연, 및 금속 수산화물, 예를 들어 수산화알루미늄을 포함할 수 있고, 상기 충전제는 이로 제한되지 않는다. 다른 실시태양에서, 첨가제 물질은 플루오르화칼슘을 포함하는 무기 입자 충전제를 포함한다. 무기 입자 충전제 물질의 입자 크기는 바람직한 낮은 마찰 특성을 유지하면서 캐비테이션 내부식성 및 내마모성을 개선시키도록 기능할 수 있는 크기로 결정될 수 있다. 압출된 비소결 테이프가 플루오르화칼슘을 포함하는 한 실시태양에서, 플루오르화칼슘의 평균 직경 입자 크기는 10 미크론 이하이다. 다른 실시태양에서, 플루오르화칼슘의 평균 직경 입자 크기는 2 미크론 이하이다. 다른 실시태양에서, 압출된 비소결 테이프 내의 무기 입자 충전제의 양은 10 내지 30 부피%이다.

다른 실시태양에서, 첨가제 물질은 폴리페닐렌 설파이드를 포함할 수 있다. 한 실시태양에서, 압출된 비소결 테이프 내의 폴리페닐렌 설파이드의 양은 30 내지 70 부피%이다. 다른 실시태양에서, 폴리페닐렌 설파이드의 양은 50 부피%이다. 다른 실시태양에서, 폴리페닐렌 설파이드의 평균 직경 입자 크기는 60 미크론 이하이다. 다른 실시태양에서, 폴리페닐렌 설파이드의 평균 직경 입자 크기는 약 20 미크론이다.

다른 실시태양에서, 압출된 비소결 테이프는 유기 충전제 물질, 예를 들어 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌 프로필렌 에테르 중합체, 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체, 헥사플루오로이소부틸렌 중합체, 헥사플루오로이소부틸렌-비닐리덴 플루오라이드 공중합체 및 헥사플루오로 프로필렌 중합체를 추가로 포함할 수 있고, 충전제 물질은 이로 제한되지 않는다.

미국 특허 제5,697,390호에 기재된 바와 같이, 윤활액은 압출된 비소결 테이프를 형성하기 위해 램 (ram) 압출을 위해 브렌딩된 입자 혼합물의 블렌딩 및(또는) 압출시에 사용될 수 있다. 윤활제는 비소결 테이프의 허용가능한 압출을 보장하는 기능을 수행할 수 있다. 테이프를 다공성층 내로 함침되도록 하는 기능을 저해하지 않으면서 윤활제가 압출된 비소결 테이프로부터 제거될 수 있는 한, 당업계의 숙련인에게 공지된 임의의 윤활액을 사용할 수 있다.

압출 공정은 블렌딩된 입자 혼합물 내의 임의의 중합체 물질을 용융시키지 않는 조건 및 온도 하에 수행된다. 한 실시태양에서, PTFE 입자 및 첨가제 입자의 블렌딩된 입자 혼합물은 블렌딩된 입자 혼합물 내의 임의의 중합체 물질을 용융시키지 않는 조건 하에 램 압출된다. 생성된 테이프는 연질이고, 휘기 쉽고, 열 및(또는) 과도한 압력없이 다공성층 내에 함침되도록 기능할 수 있다. 한 실시태양에서, 압출된 비소결 테이프 내의 첨가제 물질의 이산 입자는 테이프 전체에 걸쳐 균일하게 분포할 수 있고, 연속적인 PTFE 매트릭스가 유지된다.

압출된 비소결 테이프의 함침 전에, 테이프는 특히 PTFE 입자와 첨가제 물질의 블렌딩된 입자 혼합물이 윤활액을 포함할 경우에 건조될 수 있다. 압출된 비소결 테이프가 건조될 수 있는 조건 및 온도는 테이프, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 폴리페닐렌 설파이드 입자 내의 어떠한 중합체 물질도 소결 또는 용융하도록 기능하지 않는다. 건조 단계는 추가의 공정 동안 기포 발생을 방지하기 위해 충분한 윤활액을 제거하도록 기능할 수 있다. 한 실시태양에서, 압출된 비소결 테이프에는 실질적으로 윤활액이 존재하지 않는다. 압출된 비소결 테이프는 미국 특허 제5,697,390호에 기재된 방법을 이용하여 건조될 수 있다.

압출된 비소결 테이프는 예를 들어 롤링 밀에 의해 다공성층 내로 함침될 수 있다. 함침 단계는 테이프를 소결시키거나 테이프 내의 임의의 중합체 물질을 용융시키지 않는 조건 및 온도 하에 수행된다.

테이프가 함침되는 다공성층은 예를 들어 당업계에 공지된 바와 같이 금속 백킹, 예를 들어 스틸에 소결된 청동 입자일 수 있다. 상기 방식에서, 예를 들어 실린더 또는 반실린더형 베어링이 그로부터 공지된 방법에 의해 제조될 수 있는 스트립 베어링 재료를 형성할 수 있다.

베어링 재료층을 형성하기 위해 압출된 비소결 테이프를 다공성층에 함침시킨 후에, 베어링 재료층은 소결되어 연속적인 강화 베어링 재료층을 포함하는 3층 복합재 물질을 생성시킨다. 한 실시태양에서, 베어링 재료층 내의 모든 PTFE가 소결된다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 테이프 또는 베어링 재료층의 소결 또는 강화는 PTFE를 그의 용융점 이상으로 가열하는 것을 의미한다. PTFE을 350 내지 425℃일 수 있는 그의 용융점 이상으로 가열할 때, PTFE는 강화 또는 치밀화된다. 그의 용융점 이상으로 가열하기 전에, PTFE는 비교적 연질이고, 최소한의 힘을 인가하고 가열하지 않은 상태에서 다공성층과 같은 구조체로 처리될 수 있다.

한 실시태양에서, 제조 방법은 베어링 재료층에 실질적으로 기포가 존재하지 않는 3층 물질 또는 복합재를 제조할 수 있다. 다른 실시태양에서, 상기 제조 방법은 다공성층의 표면 상에 베어링 재료층의 일부를 갖는 3층 물질을 제조할 수 있다. 다공성층의 표면 위의 베어링 재료층의 부분 (즉, 오버레이)의 두께는 적어도 25 미크론일 수 있다. 다른 실시태양에서, 오버레이는 적어도 50 미크론일 수 있다. 다른 실시태양에서, 오버레이의 두께는 300 미크론 미만일 수 있다. 다른 실시태양에서, 오버레이의 두께는 150 미크론 미만일 수 있다. 일정한 오버레이 두께를 갖는 3층 물질을 정확하게 제조하기 위해, 형성된 3층 물질은 최종 크기 롤링 운전을 실시할 수 있다. 본 발명의 방법에서 각 단계는 연속 공정의 일부로서 수행될 수 있다.

본 발명의 베어링 및 베어링 제조 방법의 이점은 압출된 비소결 테이프가 테이프를 소결시키거나 강화하기 위해 사용된 조건 하에 기포를 야기할 수 있는 양의 윤활액을 포함하지 않기 때문에 베어링에 실질적으로 기포가 존재하지 않을 수 있다는 것이다. 각종 선행 기술의 방법에서, 윤활액, 예를 들어 물 및(또는) VOC는 증가된 다공성 및 기포 형성을 야기할 수 있는 함침 후에 제거된다. 더욱이, 통상의 응고된 분산액 기재 물질은 35 미크론 초과의 표면층을 시도할 때 기포를 발생시킬 수 있다. 본 발명의 방법은 또한 기계 가공에 의한 정확한 사이징이 가능하도록 천공가능한 베어링을 제조할 수 있다.

본원에 기재된 제조 방법에 의해 제조된 물질에 대한 시험 결과는 겹쳐진 부쉬에 대해 수행되는 후속 천공 운전을 가능하게 하는 보다 두꺼운 오버레이를 얻을 수 있음을 보여주었다. 더욱이, 물질 및 공정 기술은 허용가능한 수준의 마찰을 유지하면서 건조 마모 성능을 개선시키고 개선된 내부식성이 달성될 수 있도록 한다.

실시예

실시예 1

약 80 부피% PTFE 및 약 20 부피% CaF₂를 포함하는 과립형 분말 혼합물을 램 압출기에 투입하였다. PTFE의 입자 크기는 500 내지 600 미크론이었다. 플루오르화칼슘의 평균 직경 입자 크기는 약 2 미크론이었다. 과립형 분말 혼합물은 또한 윤활액을 포함하였다. 과립형 분말 혼합물은 통상의 블렌딩 기술을 이용하여 블렌딩하였다.

과립형 분말 혼합물을 램 압출기의 다이를 통해 통과시켜 압출된 비소결 테이프의 스트립 또는 테이프를 생산하였다. 테이프의 두께는 약 300 미크론이었다. 압출 후, 테이프는 압출 및 캘린더링 공정에서 건조되었다.

테이프는 베어링 재료층을 형성하기 위해 PTFE의 용융점 미만의 온도에서 스틸 백킹 재료 상에 배치된 다공성 청동 금속층 내에 함침하였다. 압출된 비소결 테이프는 베어링 재료층을 다공성층의 세공 내에 함침시키는 롤링 밀에 테이프 및 백킹 재료를 통과시켜 함침시켰다. 함침 단계는 또한 베어링 재료층의 일부를 청동 다공성층의 표면 상에 위치시켰다.

함침된 압출된 비소결 테이프를 이어서 약 400℃의 온도에서 연속 소결 오븐을 통과시켜 상기 온도에서 약 30초 동안 체류시켜다. 체류 시간은 연속적인 강화 베어링 재료층을 형성하기 위해 함침된 압출된 테이프를 소결하기 위해 기능할 수 있는 기간이었다. 이어서, 정확한 총 두께를 생성시키기 위해 스트립을 사이즈 롤링 운전에 적용하기 위해 복합재 스트립을 제2 롤링 밀을 통해 통과시켰다. 최종 복합재 물질의 오버레이 두께는 약 65 미크론이었다.

실시예 2

약 50 부피% PTFE 및 약 50 부피% PPS를 포함하는 압출된 비소결 테이프를 다음을 제외하고 상기한 바와 같이 제조하였다. PTFE 및 PPS는 공기 충격 분쇄기를 사용하여 블렌딩하였고, 오븐 온도는 약 365℃이었다. 최종 복합재 물질의 오버레이 두께는 약 65 미크론이었다.

실시예 2에 따라 생산된 복합재 물질의 스트립을 베어링 부쉬로 형성하고, 건조 마모 성능을 문헌["Materials for Plain Bearings: Review 174," Int. Mellalurgical Rev., vol. 18 (1973)]의 도 2 및 관련 내용에서 설명되고 있는 것과 유사한 장치를 사용하여 시험하였다. 시판 베어링 재료 DU (등록상표) (PTFE 및 Pb 머쉬) 및 DP4 (등록상표) (PTFE 및 PPS 용융 압출된 테이프 (미국 특허 제5,911,514호 참조)를 또한 시험하였다. 시험 결과의 요약을 표 1에 나타낸다.

건조 슬라이딩 시험 조건은 다음과 같다: 로드: 115 psi 및 샤프트 속도: 175 ft/min, 20,000 psi-fpm, 0.7 MPa-m/s.

건조 마모 시험의 요약

샘플	베어링층 재료의 조성	오버레이 두께	고속 건조 마모 수명
실시예 2	PTFE, PPS	65 미크론	>3200시간
DU (등록상표)	PTFE, Pb	25 미크론	670시간
DU4 (등록상표)	PTFE, CaF2, 아라미드 섬유	35 미크론	<300시간

따라서, 상기 결과로부터 본 발명의 재료 및 방법은 당업계에 공지된 물질에 비해 건조 마모 성능에서 유의한 개선을 제공하는 것을 알 수 있다.

요약하면, 본 발명의 기술적 특징을 사용함으로써 얻을 수 있는 많은 잇점을 설명하였다. 본 발명의 실시태양의 상기한 설명은 예시와 설명의 목적으로 제시된다. 본 발명을 상기 상세히 설명한 내용으로 한정하거나 제한하고자 한 것이 아니다. 상기 개시 내용에 비추어 명백한 변형 또는 변경이 가능하다. 당업계의 통상적인 지식을 가진 자가 상이한 실시태양으로 고려되는 특정 용도에 적합한 상이한 변형을 통해 본 발명을 가장 잘 이용하도록 본 발명의 원리 및 그의 실제적인 적용을 가장 잘 예시하기 위해 실시태양을 선택하여 설명하였다. 본 발명의 범위는 첨부되는 청구의 범위에 의해 규정된다.

관련 출원에 대한 설명

본 출원은 그 전체 개시 내용이 본원에 참고로 포함된, 2003년 3월 3일자로 출원된 미국 가출원 제60/451,500호 (발명의 명칭: Enhanced Metal/Polymer Bearing Construction)을 기초로 한 우선권을 주장한다.

Claims (40)

1. 백킹 재료;

   상기 백킹층 상의 다공성층; 및

   다공성층 내로 함침된 압출된 베어링 재료층

   을 포함하며, 상기 베어링 재료층은 연속적인 폴리테트라플루오로에틸렌 매트릭스 및 첨가제 물질의 이산 입자를 포함하는 연속적인 합체화 구조이며 다공성층 위의 일부를 갖는 것인 베어링.
2. 제1항에 있어서, 베어링 재료층이 실질적으로 기포가 존재하지 않는 것인 베어링.
3. 제1항에 있어서, 첨가제 입자가 폴리테트라플루오로에틸렌 매트릭스 내에 현미경상으로 및 육안상으로 균일하게 분포하는 것인 베어링.
4. 제1항에 있어서, 상기 백킹 재료가 금속 스트립인 베어링.
5. 제4항에 있어서, 다공성층이 금속 백킹에 소결된 청동 입자를 포함하는 것인 베어링.
6. 제1항에 있어서, 첨가제 재료가 무기 입자 충전제를 포함하는 것인 베어링.
7. 제6항에 있어서, 베어링 재료층이 10 내지 30 부피%의 무기 충전제 재료를 포함하는 것인 베어링.
8. 제6항에 있어서, 무기 충전제 재료가 플루오르화칼슘을 포함하는 것인 베어링.
9. 제1항에 있어서, 베어링 재료층이 유기 충전제 재료를 추가로 포함하는 것인 베어링.
10. 제1항에 있어서, 첨가제 재료가 폴리페닐렌 설파이드를 포함하는 것인 베어링.
11. 제10항에 있어서, 베어링 재료층이 30 내지 70 부피%의 폴리페닐렌 설파이드를 포함하는 것인 베어링.
12. 제1항에 있어서, 다공성층의 표면 위의 베어링 재료층의 부분이 25 미크론보다 큰 것인 베어링.
13. 제1항에 있어서, 다공성층의 표면 위의 베어링 재료층의 부분이 300 미크론보다 작은 것인 베어링.
14. 백킹 재료 상에 배치된 다공성층 내로 함침되도록 기능할 수 있는 압출된 비소결 테이프 또는 스트립을 포함하며, 상기 압출된 비소결 테이프가 폴리테트라플루오로에틸렌 매트릭스 및 첨가제 물질의 이산 입자를 포함하는 것인 플라스틱 베어링 재료.
15. 제14항에 있어서, 첨가제 입자가 폴리테트라플루오로에틸렌 매트릭스 내에 현미경상으로 및 육안상으로 균일하게 분포하는 것인 플라스틱 베어링 재료.
16. 제14항에 있어서, 첨가제 재료가 무기 입자 충전제를 포함하는 것인 플라스틱 베어링 재료.
17. 제15항에 있어서, 10 내지 30 부피%의 무기 입자 충전제를 포함하는 것인 플라스틱 베어링 재료.
18. 제17항에 있어서, 무기 입자 충전제가 플루오르화칼슘을 포함하는 것인 플라스틱 베어링 재료.
19. 제14항에 있어서, 유기 충전제 재료를 추가로 포함하는 것인 플라스틱 베어링 재료.
20. 제14항에 있어서, 첨가제 재료가 폴리페닐렌 설파이드를 포함하는 것인 플라스틱 베어링 재료.
21. 제20항에 있어서, 30 내지 70 부피%의 폴리페닐렌 설파이드를 포함하는 것인 플라스틱 베어링 재료.
22. 폴리테트라플루오로에틸렌 매트릭스 및 첨가제 물질의 이산 입자를 포함하는 압출된 비소결 테이프 또는 스트립을 제공하는 단계;

    상기 압출된 비소결 테이프를 백킹 재료 상에 배치된 다공성층에 함침시키는 단계; 및

    함침된 비소결 테이프를 폴리테트라플루오로에틸렌의 용융점을 넘는 온도에서 소결하여 연속적인 합체화 베어링 재료층을 형성시키는 단계

    를 포함하는 제조 방법.
23. 제22항에 있어서, 첨가제 입자가 폴리테트라플루오로에틸렌 매트릭스 내에 현미경상으로 및 육안상으로 균일하게 분포하는 것인 방법.
24. 제22항에 있어서, 상기 백킹 재료가 금속 스트립인 방법.
25. 제23항에 있어서, 다공성층이 금속 백킹에 소결된 청동 입자를 포함하는 것인 방법.
26. 제22항에 있어서, 첨가제 재료가 무기 입자 충전제를 포함하는 것인 방법.
27. 제26항에 있어서, 압출된 비소결 테이프가 10 내지 30 부피%의 무기 충전제 재료를 포함하는 것인 방법.
28. 제22항에 있어서, 압출된 비소결 테이프가 중합체 재료를 추가로 포함하는 것인 방법.
29. 제22항에 있어서, 압출된 비소결 테이프가 폴리페닐렌 설파이드를 포함하는 것인 방법.
30. 제29항에 있어서, 압출된 비소결 테이프가 30 내지 70 부피%의 폴리페닐렌 설파이드를 포함하는 것인 방법.
31. 제22항에 있어서, 압출된 비소결 테이프가 램 (ram) 압출되는 것인 방법.
32. 제22항에 있어서, 압출된 비소결 테이프층이 폴리테트라플루오로에틸렌의 용융점 미만의 온도에서 함침되는 것인 방법.
33. 제22항에 있어서, 비소결 테이프를 다공성층에 함침시키기 전에 비소결 테이프로부터 윤활액을 제거하기에 충분한 온도에서 비소결 테이프를 건조시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
34. 제22항에 있어서, 상기 단계들이 연속 공정인 방법.
35. 제22항에 있어서, 베어링 재료층의 일부가 다공성층의 표면 위에 존재하는 것인 방법.
36. 제22항에 있어서, 베어링 재료층의 표면에 기포가 실질적으로 존재하지 않는 것인 방법.
37. 제36항에 있어서, 다공성층의 표면 위의 베어링 재료층의 부분이 25 미크론보다 큰 것인 방법.
38. 제36항에 있어서, 다공성층의 표면 위의 베어링 재료층의 부분이 300 미크론보다 작은 것인 방법.
39. 제22항에 기재된 방법을 포함하는 베어링 제조 방법.
40. 제22항에 기재된 방법을 포함하는 방법으로 제조된 베어링.