KR20060096355A

KR20060096355A - 마찰베어링

Info

Publication number: KR20060096355A
Application number: KR1020060020344A
Authority: KR
Inventors: 메르겐 닥터.로베르트
Original assignee: 미바 그레이트라게르 게엠베하
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2006-09-11
Also published as: AT501806A1; US7270892B2; US20060199034A1; CN1831352A; JP2006242386A; AT501806B1; BRPI0600701A; EP1698707A2; EP1698707A3; BRPI0600701B1; EP1698707B1; CN100557257C

Abstract

본 발명은 주석과 아연의 주 합금요소를 가지는 동을 기초로 한 무연 베어링 금속층과 강철제 지지외피를 가지는 마찰 베어링을 기술하는 것으로서, 상기 층은 상기 지지외피에 적용된다. 바람직한 기계적 탄성과 유리한 미끄럼 특성들을 결합하기 위하여, 베어링 금속층은 2.5 내지 11중량%의 주석 함유량과 0.5 내지 5중량%의 아연 함유량을 가지고, 주석과 아연의 전체 함유량은 3 및 13중량% 사이에 있다.

마찰 베어링, 무연, 베어링 금속층, 아연, 주석, 납, 망간, 마그네슘, 티타늄, 지르코늄

Description

마찰베어링{A FRICTION BEARING}

도 1은 정지의 발생에 대한 한계 부하를 블록도로 보여주는 도면.

도 2는 부하수의 변경에 대한 굽힘강도의 진행을 보여주는 도면.

본 발명은 강철제 지지외피(support shell)와 상기 지지외피에 부착되는, 주석(tin) 및 아연(zinc)의 주 합금원소로 된 동(copper)을 기초로 하는 무연(lead-free) 금속층을 가지는 마찰베어링에 관한 것이다.

주 합금원소로서 주석 및 아연을 가지는 동을 기초로 하는 마찰베어링 재료는 오랫동안 공지되어 왔다. 마찰공학적인 특성을 개선하기 위하여 이들 베어링재료들의 합금에 비교적 많은 양의 납을 사용하였다. 납 합금의 유독성은, 이와 같은 베어링재료의 사용에 대해 점점 더 호감 감소시킨다. 이러한 이유 때문에, 주 합금원소로서 주석 및 아연을 가지는 동을 기초로 하는 무연 마찰베어링재료를 개발하고자 하는 여러 시도들이 있었다. 그러나, 납을 첨가한 청동으로 만든 베어링재료와 비교하였을 때 마찰공학적 부적합성을 보였다. 21.3 중량% 이상의 아연과 3.5 중량% 이하의 주석의 구성된 무연 동합금에 마그네슘, 철 또는 코발트, 니켈 및 망 간 또는 실리콘을 첨가함으로써 무연 합금동의 미끄럼 특성을 개선하기 위한 제안이 있었다(예컨대 DE 103 08 779 B3). 이는 예외적으로 성공적이지 못했다. 미소 분량의 철 또는 코발트, 니켈 및 망간을 가지는 동에 첨가되는, 8.5 중량% 이상의 아연과, 1 내지 5 중량%의 실리콘과 2 중량% 이하의 주석을 가지는, 주 합금원소로서 아연과 실리콘을 가지는 다른 공지 무연 동합금으로 유사한, 불충한 미끄럼 특성을 얻었다(DE 103 08 778 B3). 마지막으로, 비스무스(bismuth)를 0.5 내지 2 중량%의 크기로 첨가함으로써 6중량%의 주석함유량을 가지는 동합금에서 납의 첨가를 피할 수 있다면(EP 0 457 478 B1), 마찰공학적인 특성을 개선할 수 있지만, 상기 베어링재료의 성공적인 사용을 방해하는 낮은 부식-저항(corrosion-resistance)을 피할 수 없다.

본 발명은 목적은, 강도요구(strength requirement) 뿐만 아니라 마찰공학적인 특성을 충족시키는, 동을 기반으로 하는 무연 베어링 금속층을 가지는, 상기에서 설명한 종류의 마찰베어링을 제공하여, 이러한 마찰베어링을 내연기관의 제조에 사용할 수 있도록 하는 것이다.

이러한 목적은 상기 베어링 금속층이, 2.5 내지 11중량%의 주석 함유량과 0.5 내지 5중량%의 아연 합유량을 가져, 주석과 납의 전체 함유량이 3과 13중량% 사이에 있도록 함으로써 이루어진다.

상기에서 설명한 주석과 아연의 함유량 범위에서, 베어링 금속층의 미끄럼 특성과 기계적인 탄성에 대한 요구사항이 확실히 충족될 수 있다는 것을 알았다. 11중량% 이하로 주석의 함유량을 제한하면, 표면경화효과(hardening effect)가 발생하지 않게 된다. 게다가, 쉽게 부서짐(embrittlement)을 일으키는 상 합성(phase composition)이 아직 예기되지 않는다. 아연은 인(phosphorus)에 대한 적절한 대체물을 대표한다. 금속간 철-인 화합물들의 형성에 따라, 강철제 지지외피와 베어링 금속층의 결합에 악영향을 일으킬 수 있다. 상기에서 설명한 주석과 아연의 함유량을 가지는 동을 기본으로 하는 무연 베어링 금속층들은, 주조(casting)와 소결(sintering)의 관점에서 보아 매우 잘 처리될 수 있는 합금들을 대표하는 것으로, 이들 합금들은 강철에 주조와 소결을 함으로써 이루어지는 도금에 특히 적합하다.

강철제 지지외피와 관련해 베어링 금속층의 특성을 개선하기 위하여, 베어링 금속층은 코발트, 망간 및 지르코늄을 포함하는 원소 그룹 중에서 하나 이상의 원소를, 사용한 상기 그룹의 원소들에 관하여 0.1 및 1.8 중량% 사이의 전체 농도로 포함할 수 있다. 이와 같은 양에 있어서, 매우 작은 분량의 주 해체상들(primary released phases)이 형성되거나 전혀 형성되지 않는데, 이는 그 영향을 무시할 수 있고 또한 소결분말의 유출성(pourability)과 생산에 유리한 효과를 가진다. 강도의 증가를 야기시키는 금속간 상들은 상기 합금 원소들의 함유량을 제한함으로써 이루어질 수 있고 또한 어떠한 쉽게 깨어짐에 대한 염려도 없다. 게다가, 지르코늄에 의한 재결정화의 억제는, 베어링 금속층의, 다수의 판매자-특정 열처리들에서 잇점이 있다.

코발트, 망간 및 지르코늄 이외에, 합금에 티타늄, 마그네슘 및 인을 첨가할 수 있다. 이들 원소들의 총 농도는 0.05 및 1.7중량% 사이에 있어야 하고, 인의 최 대 농도는 0.08중량% 이어야 한다. 고체상태로 각 배열상태의 형성에서 협력 이외에도, 이들 원소들은 환원효과를 가지고 또한 피할 수 없는 최소한의 인의 첨가를 가지는 야금적 프로세스가 이루어지게 한다. 부수적인 인자는, 티타늄과 지르코늄은, 내연기관에서 마찰 베어링의 사용으로 예기되는 150℃까지의 온도에서 에이징(ageing)으로 깨어지기 쉬움을 방지한다. 이는 마찰 베어링의 내용연수(service life)에 유리한 영향을 미친다.

도면들은 본 발명에 따른 무연 베어링 금속층을 가지는 마찰 베어링과 비교한 동과 납을 기초로 하는 베어링 금속층을 가지는 공지 마찰 베어링을 보여준다.

동일한 디자인의 일련의, 여러 마찰 베어링에 유사한 조건하에서 정적인 부하를 인가하였고, 상기 부하는 정지(seizure)가 발생할 때까지 단계적으로 증가시켰다. 정지의 발생으로부터 MPa로 측정한 한계 부하들로부터 모든 마찰베어링 각각에 대해 계산한 정지에 대한 평균 한계부하가 도 1에 따른 블록도에 입력되었다. 베어링은 48mm의 직경과 21mm의 폭을 가진다. 정지 성향은 12.6m/s의 축회전속도와 120℃의 작업온도에서 측정하였다. CuPb20Sn2로 만든 베어링 금속층에 대해 측정된 블록도 1은 43MPa의 정지에 대한 평균 한계부하를 보여준다. 37MPa의 정지에 대한 평균 한계부하를 블록도 2에 따라 CuPb15Sn7으로 만든 베어링 금속층에 대해 얻었다. 블록도 3에 표시된 바와 같이, 비교 베어링들에서와 같이 강철제 지지외피에 인가되는 48MPa의 정지에 대한 평균 한계부하는 본 발명에 따른 베어링 금속층에서 구해졌고, 상기 베어링 금속층은 4중량%의 주석, 1중량%의 아연, 0.04중량%의 망 간, 0.08중량%의 지르코늄, 0.05중량%의 인, 0.11중량%의 마그네슘, 0.05중량%의 티타늄 및 나머지 동을 가진다.

도 2에 따라, 세로좌표는 역 굽힘응력(reversed bending stress)하에서 피로강도(fatigue)를 MPa로 보여주고 또한 가로좌표는, 정지에 대한 경향에 관해 조사된 마찰베어링들에 대한 부하변경의 수를 대수로 보여준다. 곡선 4에 따라 본 발명의 마찰 베어링에 대한, 역 굽힘응력 하에서의 피로강도는 납을 함유하는 베어링 금속층에 비해 상당히 높다는 것을 알 수 있었다. 곡선 5는 CuPb20Sn2로 만든 베어링 금속층을 가지는 마찰 베어링에 적용되고 또한 곡선 6은 CuPb15Sn7로 만든 베어링 금속층을 가지는 마찰 베어링에 적용된다.

강도 요구뿐만 아니라 마찰공학적인 특성을 충족시키는, 동을 기반으로 하는 무연 베어링 금속층을 가지는 마찰베어링을 제공하여, 이러한 마찰베어링을 내연기관의 제조에 사용할 수 있게 된다.

Claims

주석과 아연의 주 합금원소들을 가지는 동을 기초로 하고, 강철제 지지외피에 적용되는 무연 베어링 금속층과 상기 강철제 지지외피를 가지는 마찰 베어링에 있어서, 상기 베어링 금속층은 2.5 내지 11중량%의 주석 함유량과 0.5 내지 5중량%의 아연 함유량을 가지고, 상기 주석과 아연의 전체 함유량은 3 및 13중량% 사이에 있는 것을 특징으로 하는 마찰 베어링.
제1항에 있어서, 상기 베어링 금속층은 코발트, 망간 및 지르코늄을 포함하는 원소 그룹 중에서, 사용한 이 그룹의 원소들에 관하여 0.1 및 1.8중량% 사이의 전체 농도로 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 베어링.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 베어링 금속층은 티타늄, 마그네슘 및 인을 포함하는 원소그룹 중에서, 0.08중량%의 최대 인 농도에서, 사용한 이 그룹의 원소들에 관하여 0.05 및 1.7중량% 사이의 전체 농도로 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 베어링.