KR20080056912A - 메탈 베어링 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메탈 베어링 및 그 제조방법에 관한 것으로서, Al-Sn 합금 분말을 제조하는 제1 단계, Al-Sn 합금 분말을 기판에 저온 코팅 분사하는 제2 단계, 및 제2 단계에 의해 형성된 Al-Sn 합금 코팅층을 열처리하는 제3 단계를 따라 설정된 조건 하에서 메탈 베어링이 제조된다. 따라서, 본 발명의 메탈 베어링 및 그 제조방법은 저온 코팅 분사방식에 의해 기판에 Al-Sn 합금 코팅층을 형성하는 방식을 이용하여 종래기술에 비해 공정이 간소화되어, 메탈 베어링의 생산성 향상과 원가 절감되는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 Al 기지에 Sn이 미세하면서도 균일하게 분포함으로써, 메탈 베어링의 윤활성과 그 수명도 향상되는 장점이 있다.

메탈 베어링, 저온 분사, 코팅, 열처리, 윤활, 경도

Description

메탈 베어링 및 그 제조방법{METAL BEARING AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1 본 발명의 한 실시예에 따른 메탈 베어링 제조방법에 대한 흐름도이다.

도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 메탈 베어링 제조방법에 사용되는 Al-Sn 합금 분말의 전자현미경 확대 사진들로서, 도 2는 그 조성비가 Al-10%Sn인 합금 분말이고, 도 3은 그 조성비가 Al-20%Sn인 합금 분말이다.

도 4는 도 2 또는 도 3에 도시된 Al-Sn 합금 분말을 이용하여 기판에 Al-Sn 합금 코팅층을 형성하는 저온 스프레이 시스템의 개략도이다.

도 5 내지 도 7은 도 4에 도시된 저온 스프레이 시스템에 의해 형성되는 Al-Sn 합금 코팅층의 내부 조직 확대 사진들로서, 도 5는 Al-10%Sn 합금 코팅층이고, 도 6은 Al-20%Sn 합금 코팅층이고, 도 7은 Al-30%Sn 합금 코팅층이다.

도 8은 도 6에 도시된 Al-20%Sn 합금 코팅층에서 Sn 원소의 맵핑(mapping) 결과를 나타낸 전자 현미경 사진이다.

도 9는 도 5 내지 도 7에 도시된 Al-Sn 합금 코팅층의 경도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

도 10은 도 1에 도시된 메탈 베어링 제조방법에서 열처리조건을 거쳐 완성된 본 실시예에 따른 메탈 베어링의 단면 조직 사진이다.

도 11은 도 10에 도시된 비교예로서, 다른 열처리조건을 통해 완성된 메탈 베어링의 단면 조직 사진이다.

도 12는 종래기술에 따른 메탈 베어링의 제조방법에 관한 것으로서, 원심주조 방법에 의해 제작된 Al-10%Sn 합금의 내부 조직 확대 사진이다.

본 발명은 메탈 베어링 및 그 제조방법에 관한 것이며, 더 상세하게는 종래기술에 비해 윤활성이 보다 향상되면서 그 제작공정도 간소화되는 메탈 베어링 및 그 제조방법에 관한 것이다.

메탈 베어링은 연소압력과 크랭크기구의 복잡한 동력학적 하중을 받으면서 마찰열이나 윤활유에 혼입된 이물질이 존재하여도 적절한 유막을 형성하여 회전축과 베어링이 접촉하지 않고 축의 하중을 지지함으로써 저널(journal)과 베어링의 미끌림운동이 계속되도록 유지시키는 역할을 한다.

이와 같은 메탈 베어링의 제조방법에 대해 살펴보면, 산업 초창기에는 하우징에 메탈을 직접 주조해서 제조하였으나, 현재는 이런 제조방법이 거의 사용되지 않는다. 이를 대신하여 현재 산업현장에서는 납 또는 주석계 합금을 사용하여, 10~15㎜ 정도의 두께로 베어링 쉘에 부착하는 원심 주조 방법 또는 중력 주조 방법이 널리 이용되고 있다.

이 원심 주조 방법 또는 중력 주조 방법은 전기모터, 피스톤 콤퓨레셔, 터보 기계 등과 같이 여러 분야에서 메탈 베어링 제조방법의 표준으로 사용되고 있다. 더욱이 최근 메탈 베어링의 제조방법은 베어링 쉘에 부착되는 메탈이 얇을수록 피로하중이 높아지는 효과가 있어서, 박판 형태로 제작되고 있다. 따라서, 메탈 베어링의 제조방법은 스트립 케스팅 (strip casting) 공법을 이용하여 박판으로 제작하고, 이런 박판을 클래딩 (Cladding)시켜 Al 합금 메탈 베어링으로 제작한다. 이렇게 제작된 메탈 베어링은 기존의 베어링보다 부하용량이 커서, 디젤엔진의 메인, 커넥팅로드 베어링, 피스톤 핀 부싱, 캠샤프트 베어링 등을 비롯한 다양한 베어링의 표준이 되고 있다.

하지만, 종래기술에 따른 메탈 베어링의 제조방법은 스트립 케스팅시 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라, 스트립 케스팅으로 제조된 박판을 스틸 등에 접합시키는 경우에 Al-Sn계 합금을 고온 접합시킬 수 없어서 스틸 계면과의 결합력이 불량해지고 사용 중 박리 현상도 발생되는 문제점이 있다. 그래서, 종래기술에 따른 메탈 베어링의 제조방법은 스틸 계면에 Al 박판을 Al-Sn 합금판 사이에 두거나, Al-Sn 합금판 위에 Al 박판을 두고서 압연 뒤 Al 박판을 제거한 후 다시 원하는 형태로 밴딩 혹은 절단 후 표면을 연마하여 완성한다. 하지만, 이와 같은 종래기술에 따른 메탈 베어링의 제조방법도 상기 언급한 바와 같이 복잡한 여러 단계를 거쳐야 하고, 그로 인해 그 생산성이 낮아지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 그목적은 저온 코팅 분사방식에 의해 기판에 Al-Sn 합금 코팅층을 형성하는 방식을 이용하여 종래기술에 비해 간소화되는 공정으로 생산성 향상과 원가 절감이 있으며 그 윤활성도 향상될 수 있게 제조되는 메탈 베어링 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 메탈 베어링의 제조방법은 Al-Sn 합금 분말을 제조하는 제1 단계, 상기 Al-Sn 합금 분말을 기판에 저온 코팅 분사하는 제2 단계, 및 상기 제2 단계에 의해 형성된 Al-Sn 합금 코팅층을 열처리하는 제3 단계를 포함한다.

상기 제1 단계의 Al-Sn 합금 분말은 총 무게비 중에서 Sn의 무게비가 5%~35%를 차지하는 것이 바람직하다.

상기 제1 단계의 Al-Sn 합금 분말은 그 입도가 5㎛~100㎛인 것이 바람직하다.

상기 제2 단계에서 저온 코팅 분사 전에 상기 기판을 브레스팅 처리하여 표면 조도를 부여하는 것이 바람직하다.

상기 제2 단계에서 상기 Al-Sn 합금 분말을 분사시키는 메인 가스의 온도는 250℃~500℃로 유지시키는 것이 바람직하다.

상기 제3 단계의 열처리 온도는 50℃~230℃인 것이 바람직하다.

상기 제3 단계의 열처리 시간은 10분~60분인 것이 바람직하다.

상기 제3 단계의 다음으로 열처리된 표면을 연마 가공하는 제4 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 메탈 베어링은 기판과, 상기 기판의 표면에 코팅되는 Al-Sn 합금 코팅층을 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1 본 발명의 한 실시예에 따른 메탈 베어링 제조방법에 대한 흐름도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 메탈 베어링은 Al-Sn(알루미늄-주석) 합금 분말을 제조하는 제1 단계, 상기 Al-Sn 합금 분말을 기판에 저온 코팅 분사하는 제2 단계, 및 상기 제2 단계에 의해 형성된 Al-Sn 합금 코팅층을 열처리하는 제3 단계에 의해 제조된다.

상기 제1 단계에서 Al-Sn 합금 분말은 Al 기지에 Sn을 균일하게 분포시킨 것으로 가스 분무 방법에 의해 제조된다(도 2 및 도 3 참조). 특히, 본 실시예의 Al-Sn 합금 분말은 총 무게비 중에서 Sn의 무게비가 5%~35%를 차지한다. 즉, Sn의 무게비가 5% 미만인 경우에는 윤활작용을 하는 Sn의 함량이 낮아서 메탈 베어링의 윤활성이 저하되는 문제점이 있으며, Sn의 무게비가 35%를 초과하는 경우에는 메탈 베어링의 강성이 약하게 되면서 수명이 급격하게 저하되는 문제점이 있다.

또한, Al-Sn 합금 분말은 그 입도가 5㎛~100㎛을 갖도록 형성된다. 즉, Al-Sn 합금 분말의 입도가 5㎛ 미만인 경우에는 코팅의 어려움이 있으며, 그 입도가 100㎛ 초과하는 경우에도 조대한 입자로 인해서 저온 분사가 용이하지 않은 문제점이 있다.

본 실시예는 제2 단계에서 Al-Sn 합금 분말을 기판에 저온 코팅 분사하기 위해서 도 4에 도시된 저온 스프레이 시스템을 이용한다. 이 저온 스프레이 시스템에 관한 기술은 본 출원인에 의해 출원되어 대한민국 특허등록 제515608호에 공지되어 있다.

도 4에 도시된 저온 스프레이 시스템은 공급되는 가스의 공급량을 컨트롤하는 가스 컨트롤러, 가스 컨트롤러에 의해 공급되는 가스를 가열하는 가스 히터, 가스 콘트롤러로부터 가스의 일부를 공급받아 Al-Sn 합금 분말을 공급하는 분말 송급장치, 분말 송급장치에서 공급되는 Al-Sn 합금 분말을 예열하는 분말 예열장치, 분말 송급장치에서 공급되는 Al-Sn 합금 분말과 가스 히터에서 가열된 가스가 혼합되는 혼합챔버, 및 Al-Sn 합금 분말이 분사되는 분사노즐을 구비한다. 이와 같은 구성으로 인해, Al-Sn 합금 분말은 분사노즐을 통해 스틸 철판에 분사된 후에 설정된 두께로 코팅된다.

다만, 제2 단계에서는 Al-Sn 합금 분말을 저온 코팅 분사하기 이전에 기판을 브레스팅 처리하여 표면 조도를 부여함으로써, Al-Sn 합금 분말이 기판에 보다 양호하게 코팅된다. 여기서, 기판은 스틸 기판을 사용하는 것이 바람직하지만, Al, Mg 및 그 합금들과 같은 비철 금속 기판이 사용되어도 무방하다. 그리고, 제2 단계에서는 Al-Sn 합금 분말을 분사시키는 메인 가스의 온도를 250℃~500℃로 유지시키는 것이 바람직하다. 즉, 메인 가스의 온도가 250℃ 미만인 경우에는 Sn의 융점이 232^oC 이므로 코팅시 그 이상으로 설정되어야 하며, 메인 가스의 온도가 500^oC를 초과하는 경우에는 Sn이 너무 약하게 되면서 Al-Sn 합금 분말의 코팅이 불가능하게 되는 문제점이 있다.

본 실시예는 제3 단계에서 Al-Sn 합금 코팅층을 열처리하여, 메탈 베어링을 제조한다. 메탈 베어링은 제2 단계에서 Al-Sn 합금 분말이 기판에 분사된 후에 소성 변형에 의해 코팅되며, 이로 인해 변형 경화(strain hardening)되는 과정에서 경도가 높아진다. 즉, 본 실시예는 열처리를 통하여 메탈 베어링에 적합한 경도로 조질하며, 그 열처리 온도는 50℃~230℃ 범위에서 그 열처리 시간이 10분~60분 범위 내로 실시된다.

즉, 열처리 온도가 50^oC 미만인 경우에는 열처리 효과가 미미하여 열처리 시간이 너무 오래 소요되고, 열처리 온도가 230^oC를 초과하는 경우에는 Sn의 융점(232^oC) 이상에서 조금씩 뭉쳐지고 미세한 Sn 입자가 커져서 베어링 특성이 악화되는 문제점이 있다. 또한, 열처리 시간이 10분 미만인 경우에는 열처리 효과가 미미하고, 열처리 시간이 오래될수록 점점 경도가 약해져서 열처리 시간이 60분을 초과하는 경우에는 경도의 하강 정도가 미약하여 효율성이 낮다. 다만, 본 실시예는 메탈 베어링을 설정된 경도로 조절하기 위해서 필요에 의해 장시간 열처리하여도 무방하다.

마지막으로 본 실시예는 제3 단계 다음으로 메탈 베어링의 열처리된 표면을 연마 가공한다.

아래에서는 상기와 같은 메탈 베어링 및 그 제조방법에 관한 실험결과를 설 명하겠다.

본 실험예는 5mm 두께를 갖는 스틸 기판이 사용되고, Al 기지에 Sn 입자가 균일하게 분포되면서 5㎛~50μm의 입도를 갖는 Al-Sn 합금 분말이 사용된다. 그리고, Al-Sn 합금 분말에서 Sn의 함량(Al-10%Sn, Al-20%Sn, Al-30%Sn)에 따라 각각 실험한 결과를 도시하였다.

발명예1에 의한 Al-10%Sn 합금 코팅층의 내부 조직 확대 사진은 도 5에 도시되어 있으며, 발명예2에 의한 Al-20%Sn 합금 코팅층의 내부 조직 확대 사진은 도 6에 도시되어 있으며, 발명예3에 의한 Al-30%Sn 합금 코팅층의 내부 조직 확대 사진은 도 7에 도시되어 있다. 이런 발명예들을 도 12에 도시된 종래기술의 원심주조 방법에 의해 제작된 Al-10%Sn 합금 코팅층의 내부 조직 확대 사진과 비교하였다. 본 발명예들은 도 12의 종래기술에 비해 그 조직이 더 미세하게 분포되어 있음이 확인된다.

도 8에 Al-20%Sn 합금 코팅층을 갖는 발명예2의 Sn 원소 맵핑(mapping) 결과를 나타내었다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명예들은 Sn 입자가 균일하게 분포되어, 미세한 Sn 입자에 의해 메탈 베어링의 윤활성도 종래기술에 비해 향상될 수 있다.

도 9는 도 5 내지 도 7에 도시된 Al-Sn 합금 코팅층의 경도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 열처리 전 단계의 메탈 베어링은 Al-10%Sn 합금 코팅층과 Al-20%Sn 합금 코팅층에서의 경도가 60 HV에 가까울 정도로 높으며, Al-30%Sn 합금 코팅층에서의 경도도 상대적으로 낮지만 52 HV 정도로 높은 수준이었다. 일반적으로 메탈 베어링은 그 경도가 20~30 HV 정도를 유지하는 것이 상대 부품을 마모시키지 않고, 윤활 작용이 우수하다. 따라서, 본 실험에서도 Al-Sn 합금 코팅층을 열처리하여, 메탈 베어링을 제조한다.

본 실험에서는 표 2에 도시된 저온 코팅 분사 조건 하에서 Al-20%Sn 합금 코팅층을 형성하고, 표 3에 도시된 열처리 조건 하에서 메탈 베어링을 제조하였다.

발명예 4 및 발명예 5는 메탈 베어링의 열처리 조건을 만족하여서 그 경도가 적합하였다. 하지만, 비교예 1은 열처리 온도가 Sn의 융점보다 높아서, Sn의 용융에 의한 Sn 입자의 조대화로 인해 경도가 낮은 것으로 판단된다. 비교예 2는 열처리 시간이 너무 짧아서, 경도가 충분하게 하락하지 못한 것으로 판단된다.

도 10은 발명예4의 열처리 조건에서 제작된 메탈 베어링의 단면 조직 사진이고, 도 11은 비교예2의 열처리조건에서 제작된 메탈 베어링의 단면 조직 사진이다. 도 10과 도 11을 비교해 보면, 도 10은 Sn 입자가 미세하면서도 균일하게 분포하고 있지만, 도 11은 Sn 입자가 서로 뭉쳐져서 조대화되어 있음을 확인할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이 당연하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 메탈 베어링 및 그 제조방법은 저온 코팅 분사방식에 의해 기판에 Al-Sn 합금 코팅층을 형성하는 방식을 이용하여, 종래기술에 비해 공정이 간소화된다. 이로 인해, 본 발명은 메탈 베어링의 생산성 향상과 원가 절감이 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 Al 기지에 Sn이 미세하면서도 균일하게 분포함으로써, 메탈 베어링의 윤활성과 그 수명도 향상되는 장점이 있다.

Claims (9)

1. 메탈 베어링의 제조방법에 있어서,

   Al-Sn 합금 분말을 제조하는 제1 단계;

   상기 Al-Sn 합금 분말을 기판에 저온 코팅 분사하는 제2 단계; 및

   상기 제2 단계에 의해 형성된 Al-Sn 합금 코팅층을 열처리하는 제3 단계를 포함하는 메탈 베어링의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 단계의 Al-Sn 합금 분말은 총 무게비 중에서 Sn의 무게비가 5%~35%를 차지하는 것을 특징으로 하는 메탈 베어링의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 단계의 Al-Sn 합금 분말은 그 입도가 5㎛~100㎛인 것을 특징으로 하는 메탈 베어링의 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제2 단계에서 저온 코팅 분사 전에 상기 기판을 브레스팅 처리하여 표면 조도를 부여하는 것을 특징으로 하는 메탈 베어링의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제2 단계에서 상기 Al-Sn 합금 분말을 분사시키는 메인 가스의 온도는 250℃~500℃로 유지시키는 것을 특징으로 하는 메탈 베어링의 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 제3 단계의 열처리 온도는 50℃~230℃인 것을 특징으로 하는 메탈 베어링의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 제3 단계의 열처리 시간은 10분~60분인 것을 특징으로 하는 메탈 베어링의 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 제3 단계의 다음으로 열처리된 표면을 연마 가공하는 제4 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈 베어링의 제조방법.
9. 기판과;

   상기 기판의 표면에 코팅되는 Al-Sn 합금 코팅층을 포함하는 메탈 베어링.

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