KR20110044760A - 복층 슬라이딩 부재 및 그것을 사용한 자동차의 랙 피니언식 조타 장치에서의 랙 가이드 - Google Patents

복층 슬라이딩 부재 및 그것을 사용한 자동차의 랙 피니언식 조타 장치에서의 랙 가이드 Download PDF

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KR20110044760A
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rack guide
layer
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스미히데 야나세
다카시 나카마루
다다시 와타이
사토시 다카무라
에이이치 야마시타
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오일레스고교 가부시키가이샤
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Abstract

복층 슬라이딩 부재(51)는 강판으로 이루어진 백플레이트(52)와, 백플레이트(52)의 표면에 일체로 형성된 다공질 금속 소결층(53)과, 다공질 금속 소결층(53)의 빈틈에 충전되고 또한 그 표면에 피복된 합성수지 조성물로 이루어진 슬라이딩층(54)을 가지고 있으며, 합성수지 조성물이 황산바륨5∼30중량%와, 규산마그네슘1∼15중량%와, 인산염1∼25중량%와, 산화티타늄0.5∼3중량%와, 나머지 사불화에틸렌 수지로 이루어진다.

Description

복층 슬라이딩 부재 및 그것을 사용한 자동차의 랙 피니언식 조타 장치에서의 랙 가이드{Multi-layer sliding member and rack guide in rack-and-pinion steering device for automobiles using same}
본 발명은 복층 슬라이딩 부재 및 그것을 사용한 자동차의 랙 피니언식 조타 장치에서의 랙 가이드에 관한 것이다.
강판으로 이루어진 백플레이트와 해당 백플레이트의 표면에 일체로 형성된 다공질 금속 소결층과 해당 다공질 금속 소결층의 빈틈 및 표면에 충전 피복된 합성수지층으로 이루어진 복층 슬라이딩 부재(특허문헌 1, 특허문헌 2 및 특허문헌 3 참조)는 해당 합성수지층을 안쪽으로 하여 원통형으로 감아 형성된 원통 베어링 부쉬, 이른바 권취 부쉬의 형태로, 또는 슬라이딩판의 형태로 각종 기계 장치에서의 축을 원활하게 지지하는 지지 수단으로서, 또 자동차의 랙 피니언식 조타 장치에서의 랙 바아를 원활하게 지지하는 지지 수단으로서의 랙 가이드(특허문헌 4 참조)로서 널리 사용되고 있다.
특허문헌 1 내지 특허문헌 3에 기재된 복층 슬라이딩 부재에서 사용되고 있는 사불화에틸렌 수지(이하 「PTFE」라고 약칭한다.)는 자기 윤활성이 우수하여 마찰계수가 낮고, 나아가 내약품성 및 내열성을 갖기 때문에 베어링 등의 슬라이딩 부재에 널리 사용되고 있다. 그러나 PTFE 단독으로 이루어진 슬라이딩 부재는 내마모성 및 내하중성이 떨어지기 때문에 슬라이딩 부재의 사용 용도에 따라 각종 충전재를 첨가하여 그 결점을 보충하였다.
특허문헌 1에서는 PTFE에 대한 충전재로서 납이 사용되고 있으며, 또 특허문헌 2에서는 인산염 및 황산바륨으로 이루어진 군에서 선택되는 성분과, 규산마그네슘 및 마이카로 이루어진 군에서 선택되는 성분과 납, 주석, 연석 합금 및 이들 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 성분이 사용되고 있다.
특허문헌 1: 일본특공소31-2452호 공보 특허문헌 2: 일본특개평08-41484호 공보 특허문헌 3: 일본특공소61-52322호 공보 특허문헌 4: 일본실공평01-27495호 공보
각종 용도에 사용되는 복층 슬라이딩 부재에서, 충전재로서의 납 또는 납합금은 합성수지층의 내마모성을 향상시키는 충전제로서 널리 사용되고 있는데, 최근 재료 개발의 동향은 환경 문제를 배려하여 납 또는 납합금을 충전재로서 사용하지 않는 방향으로 나아가고 있다. 납 또는 납합금은 환경 부하 물질이므로 환경 오염, 공해 등의 관점에서 그 사용을 포기할 수 밖에 없는 상황에 있다.
특허문헌 3에서는 PTFE에 대한 충전재로서 납 또는 납합금 대신에 사불화에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합 수지를 사용하고 있는데, 특수한 용도에 적용할 때만 가능한 것으로서, 예를 들면 상기 자동차의 랙 피니언식 조타 장치에서의 랙 가이드로의 적용시에는 내하중성 및 내마모성면에서 적용하기 어렵다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 부분은 충전재로서 납 또는 납합금 등의 환경 부하 물질을 사용하지 않고 납 또는 납합금을 함유한 복층 슬라이딩 부재보다도 우수한 내마모성 및 내하중성을 발휘할 수 있는 복층 슬라이딩 부재 및 그것을 사용한 자동차의 랙 피니언식 조타 장치에서의 랙 가이드를 제공하는 데 있다.
본 발명자는 예의 검토를 거듭한 결과 PTFE에 특정량의 황산바륨과 규산마그네슘과 인산염과 산화티타늄을 배합함으로써 납 또는 납합금을 함유한 복층 슬라이딩 부재보다 우수한 내마모성 및 내하중성을 발휘하는 복층 슬라이딩 부재를 얻을 수 있다는 것을 파악하고, 이 복층 슬라이딩 부재를 사용한 자동차의 랙 피니언식 조타 장치에서의 랙 가이드에서는 우수한 내마모성 및 내하중성을 발휘하여 랙 바아의 원활한 슬라이딩을 실행시킬 수 있다는 것을 파악하였다.
본 발명은 상기 식견에 기초하여 완성된 것으로서, 본 발명의 복층 슬라이딩 부재는 강판으로 이루어진 백플레이트와, 해당 백플레이트의 표면에 일체로 형성된 다공질 금속 소결층과, 해당 다공질 금속 소결층의 빈틈에 충전되고 또한 그 표면에 피복된 합성수지 조성물로 이루어진 슬라이딩층을 가진 복층 슬라이딩 부재로서, 해당 합성수지 조성물이 황산바륨5∼30중량%와, 규산마그네슘1∼15중량%와, 인산염1∼25중량%와, 산화티타늄0.5∼3중량%와, 나머지 사불화에틸렌 수지로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
성분중의 황산바륨(BaSO4)은 주성분을 이루는 PTFE단체의 결점인 내마모성 및 내하중성을 개선하여 내마모성 및 내하중성을 대폭적으로 향상시키는 작용을 갖는다. 황산바륨으로서는 침강성 또는 날림성(seived type) 황산바륨 어떤 것이어도 좋다. 이들 황산바륨은, 예를 들면 사카이 화학공업(주)에서 시판되고 있으며 용이하게 입수할 수 있다. 사용되는 황산바륨의 평균 입경은 10㎛ 이하, 바람직하게는 1∼5㎛이다. 황산바륨의 배합량은 5∼30중량%, 바람직하게는 5∼20중량%, 더욱 바람직하게는 1O∼15중량%이다. 배합량이 5중량% 미만이면 PTFE의 내마모성 및 내하중성을 향상시키는 효과를 얻을 수 없고 또 배합량이 30중량%를 초과하면 내마모성을 악화시키는 경우가 있다.
규산마그네슘은 그 결정 구조가 층형 구조를 나타내어 전단되기 쉬우므로 PTFE 고유의 성질인 저마찰성을 충분하게 발휘시킴과 동시에 내마모성을 향상시키는 효과를 가진다. 규산마그네슘으로서는 이산화규소(SiO2)를 통상 40.0중량% 이상 및 산화마그네슘(MgO)을 통상 1O.O중량% 이상 함유하고, 또한 산화마그네슘에 대한 이산화규소의 중량비가 통상 2.1∼5.0에서 부피가 작고 비표면적이 작은 것이 바람직하게 사용된다. 구체적으로는 2MgO·3SiO2·nH2O, 2MgO·6SiO2·nH2O 등이 예시된다. 산화마그네슘에 대한 이산화규소의 중량비가 2.1 미만 또는 5.O를 초과하면 PTFE의 저마찰성 및 내마모성을 악화시킨다.
규산마그네슘의 배합량은 1∼15중량%, 바람직하게는 3∼13중량%, 더욱 바람직하게는 3∼1O중량%이다. 배합량이 1중량% 미만이면 상기 효과가 충분히 발휘되지 않고 또 15중량%를 초과하면 상기한 황산바륨 배합에 의한 PTFE의 내마모성 및 내하중성을 향상시키는 효과를 손상시키게 된다.
인산염은 그 자체가 흑연이나 이황화몰리브덴과 같은 윤활성을 나타내는 물질은 아니지만, PTFE에 배합됨으로써 상대재와의 슬라이딩에서 상대재 표면(슬라이딩 마찰면)으로의 PTFE의 윤활 피막의 조막성을 조장하는 효과를 발휘한다.
인산염으로서는 오르토인산, 피로인산, 아인산, 메타인산 등의 금속염 및 이들 혼합물을 들 수 있다. 그 중에서도 피로인산 및 메타인산의 금속염이 바람직하다. 금속으로서는 알카리 금속 및 알카리 토류금속이 바람직하고, 특히 리튬(Li), 칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg)이 더욱 바람직하다. 구체적으로는 인산삼리튬(Li3PO4), 피로인산리튬(Li4P2O7), 피로인산칼슘(Ca2P2O7), 피로인산마그네슘(Mg2P2O7), 메타인산리튬(LiPO3), 메타인산칼슘〔Ca(PO3)2〕, 메타인산마그네슘〔Mg((PO3)2〕n 등이 예시된다. 그 중에서도 메타인산마그네슘이 바람직하다.
인산염은 PTFE에 대해 소량, 예를 들면 1중량% 배합함으로써 PTFE의 상대재 표면으로의 윤활 피막의 조막성을 조장하는 효과가 나타나기 시작하여 25중량%까지 해당 효과는 유지된다. 그러나 25중량%를 초과하여 배합하면 상대재 표면으로의 윤활 피막의 조막량이 지나치게 많아져 도리어 내마모성을 저하시키게 된다. 따라서 인산염의 배합량은 1∼25중량%, 바람직하게는 5∼20중량%, 더욱 바람직하게는 10∼15중량%이다.
산화티타늄(TiO2)은 PTFE의 내마모성을 더욱 향상시키는 효과를 발휘한다. 산화티타늄에는 결정 형태에 따라 정방정계의 루틸형, 아나타제형 그리고 사방정형 블루카이트형의 3종류가 있는데, 본 발명에서는 정방정계 아나타제형이 사용되기에 적합하다. 이 아나타제형 산화티타늄은 모스 경도5.5∼6.0을 나타내고 평균 입경이 10㎛이하, 그 중에서도 5㎛이하인 것이 적합하게 사용된다. 산화티타늄의 배합량은 0.5∼3중량%, 바람직하게는 0.5∼2중량%, 더욱 바람직하게는 1∼1.5중량%이다. 산화티타늄의 배합량이 O.5중량% 미만이면 PTFE의 내마모성을 향상시키는 효과가 나타나지 않고 또 배합량이 3중량%를 초과하면 상대재와의 슬라이딩에서 상대재 표면을 손상시킬 우려가 있다.
복층 슬라이딩 부재의 수지층의 주성분을 이루는 PTFE로서는, 몰딩 파우더 또는 파인 파우더로서 주로 성형용으로 사용되는 PTFE가 사용된다. 몰딩 파우더로서는 Du Pont-Mitsui Fluorochemicals사제의 「테프론(등록상표)7-J(상품명)」, 「테프론(등록상표)70-J(상품명)」, 다이킨 공업사제의 「폴리프론(등록상표)M-12(상품명)」, 아사히유리사제의 「플루온(등록상표)G163(상품명)」, 「플루온(등록상표)G190(상품명)」등을 들 수 있다. 파인 파우더용 PTFE로서는 Du Pont-Mitsui Fluorochemicals사제의 「테프론(등록상표)6CJ(상품명)」, 다이킨 공업사제의 「폴리프론(등록상표)F201(상품명)」, 아사히유리사제의 「플루온(등록상표)CDO76(상품명)」, 「플루온(등록상표)CDO90(상품명)」등을 들 수 있다.
슬라이딩층을 형성하는 합성수지 조성물중의 PTFE의 배합량은 수지조성물량에서 충전제의 배합량을 뺀 나머지 양으로서, 바람직하게는 50중량% 이상, 보다 바람직하게는 50∼75중량%이다.
본 발명의 복층 슬라이딩 부재의 슬라이딩층을 형성하는 합성수지 조성물에는 내마모성을 한층 향상시키기 위해 추가 성분으로서 고체 윤활제 및/또는 저분자량PTFE를 추가할 수 있다.
고체 윤활제로서는 흑연, 이황화몰리브덴 등을 들 수 있다. 고체 윤활제의 배합량은 0.1∼2중량%, 바람직하게는 0.5∼1중량%이다. 이들 고체 윤활제는 단독 또는 2종류 이상 혼합하여 사용해도 좋다.
저분자량PTFE는 방사선 조사 등에 의해 고분자량의 PTFE(상기 몰딩 파우더 또는 파인 파우더)를 분해 또는 PTFE의 중합시에 분자량을 조절하여 분자량을 저하시킨 PTFE이다. 구체적으로는 Du Pont-Mitsui Fluorochemicals사제의 「TLP-1OF(상품명)」, 다이킨 공업사제의 「루브론L-5(상품명)」, 아사히유리사제의 「플루온(등록상표)L169J(상품명)」, 기타무라사제의 「KTL-8N(상품명)」등을 들 수 있다. 저분자량PTFE의 배합량은 1∼1O중량%, 바람직하게는 2∼7중량%이다.
다음으로 강(鋼) 백플레이트와, 이 강 백플레이트의 표면에 일체로 형성된 다공질 금속 소결층과, 해당 다공질 금속 소결층의 빈틈에 충전되고 또한 표면에 피복된 합성수지 조성물로 이루어진 슬라이딩층을 가진 복층 슬라이딩 부재의 제조 방법에 대해서 설명하기로 한다.
강 백플레이트로서는 일반 구조용 압연 강판이 사용된다. 강판은 코일 형태로 감아 후프재로서 제공되는 연속 가닥을 사용하는 것이 바람직하지만, 반드시 연속 가닥에 한정되지는 않으며, 적당한 길이로 절단한 가닥을 사용할 수도 있다. 이들 가닥은 필요에 따라 구리 도금 또는 주석 도금 등을 하여 내식성을 향상시킨 것이어도 좋다. 강 백플레이트로서의 강판의 두께는 대략 0.5∼1.5㎜인 것이 바람직하다.
다공질 금속 소결층을 형성하는 금속 분말은 그 금속 자체, 마찰 마모 특성이 우수한 청동, 연청동 혹은 인청동 등의 대략 100메쉬를 통과하는 구리 합금 분말이 사용되는데, 목적에 따라서는 구리 합금 이외의, 예를 들면 알루미늄 합금, 철 등의 분말도 사용할 수 있다. 이 금속 분말의 입자 형태는 덩어리형, 구형 또는 불규칙 형상의 것을 사용할 수 있다. 이 다공질 금속 소결층은 합금 분말끼리 및 상기 강판 등의 가닥과 강고하게 결합되어 있어 일정한 두께와 필요한 다공도를 구비하고 있어야 한다. 이 다공질 금속 소결층의 두께는 대략 0.15∼0.40㎜, 그 중에서도 0.2∼0.3㎜인 것이 바람직하고, 다공도는 대략 10부피% 이상, 그 중에서도 15∼40부피%인 것이 권장된다.
복층 슬라이딩 부재의 슬라이딩층을 형성하는 합성수지 조성물은 PTFE와 전술한 각 충전재를 혼합한 후 얻어진 혼합물을 석유계 용제를 더하여 교반 혼합하는 방법에 의해 다습성이 부여된 수지 조성물을 얻을 수 있다. PTFE와 충전재의 혼합은 PTFE의 실온 전이점(19℃) 이하, 바람직하게는 10∼18℃의 온도에서 수행되고, 또 얻어진 혼합물과 석유계 용제의 교반 혼합도 상기와 같은 온도에서 수행된다. 이러한 온도 조건의 채용에 의해 PTFE의 섬유상화가 방해되어 균일한 혼합물을 얻을 수 있다.
석유계 용제로서는 나프타, 톨루엔, 크실렌 외에 지방족계 용제 또는 나프텐계 용제와의 혼합 용제가 사용된다. 석유계 용제의 사용 비율은 PTFE분말과 충전재의 혼합물 100중량부에 대해 15∼30중량부가 된다. 석유계 용제의 사용 비율이 15중량부 미만인 경우에는 후술하는 다공질 금속 소결층으로의 충전 피복 공정에서 다습성이 부여된 합성수지 조성물의 전연성(展延性)이 나빠 그 결과 소결층으로의 충전 피복에 쉽게 얼룩이 생긴다. 한편 석유계 용제의 사용 비율이 30중량부를 초과할 경우에는 충전 피복 작업이 어려워질 뿐 아니라 합성수지 조성물의 피복 두께의 균일성이 손상되거나 합성수지 조성물과 소결층의 밀착 강도가 악화된다.
본 발명의 복층 슬라이딩 부재는 이하의 (a)∼(d)의 공정을 거쳐 제조된다.
(a)강박판으로 이루어진 백플레이트의 표면에 형성된 다공질 금속 소결층의 표면에 다습성이 부여된 합성수지 조성물을 산포 공급하고 롤러로 압연하여 다공질 금속 소결층에 합성수지 조성물을 충전함과 동시에 다공질 금속 소결층의 표면에 균일한 두께의 합성수지 조성물로 이루어진 슬라이딩층으로서의 피복층을 형성한다. 이 공정에서 슬라이딩층으로서의 피복층의 두께는 합성수지 조성물이 최종 제품에 필요한 슬라이딩층 두께의 2∼2.2배의 두께로 한다. 다공질 금속 소결층의 공극 안에 수지 조성물을 충전하는 것은 해당 공정에서 그 대부분이 진행된다.
(b)상기 (a)공정에서 처리된 백플레이트를 200∼250℃의 온도로 가열된 건조로 안에서 수분간 유지함으로써 석유계 용제를 제거하고, 그 후 건조된 합성수지 조성물을 롤러에 의해 소정의 두께가 되도록 29.4∼58.8MPa(300∼600kgf/㎠)의 가압하에서 가압 롤러 처리한다.
(c)상기 (b)공정에서 처리된 백플레이트를 가열로에 도입하여 360∼380℃의 온도로 수분 내지 십수분간 가열하여 소성한 후 로에서 꺼내어 재차 롤러 처리에 의해 치수의 불균일을 조정한다.
(d)상기 (c)공정에서 치수 조정된 백플레이트를 냉각(공냉 내지 자연 냉각)한 후 필요에 따라 백플레이트의 구불거림을 교정하기 위해 교정 롤러 처리를 하여 원하는 슬라이딩 부재로 한다.
상기 (a)∼(d)의 공정을 거쳐 얻어진 복층 슬라이딩 부재에서 다공질 금속 소결층의 두께는 0.10∼0.40㎜, 합성수지 조성물로 형성된 슬라이딩층으로서의 피복층의 두께는 0.02∼0.15㎜로 한다. 이와 같이 하여 얻어진 슬라이딩 부재는 적당한 치수로 절단되어 평판 상태에서 미끄럼판으로서 사용되고, 또 둥글게 말려 원통형의 권취 부쉬로서 사용된다.
기어 케이스와, 이 기어 케이스에 회전 가능하게 지지된 피니언과, 이 피니언에 맞물리는 랙 톱니가 형성된 랙 바아와, 이 랙 바아를 슬라이딩 가능하게 지지하는 랙 가이드와, 이 랙 가이드를 랙 바아를 향해 압압하는 스프링을 구비한 랙 피니언식 조타 장치에서, 본 발명의 랙 가이드는 기어 케이스의 통형 내주면에 슬라이딩 가능하게 접하는 통형의 외주면을 구비하고 있고, 복층 슬라이딩 부재는 랙 바아의 외주면에 슬라이딩 가능하게 당접하여 랙 바아를 슬라이딩 가능하게 지지하는 오목면을 슬라이딩층에 가지고 있다.
본 발명에서 랙 가이드 기체(基體)는 원호형 오목면을 구비함과 동시에 해당 원호형 오목면의 바닥부 중앙에 원형의 구멍을 구비해도 좋고, 복층 슬라이딩 부재는 그 슬라이딩층에 원호형 오목면을 구비함과 동시에 해당 원호형 오목면의 바닥부 중앙에 해당 바닥부에서 백플레이트쪽으로 연장되는 중공 원통형의 돌출부를 구비해도 좋다.
랙 가이드 기체의 원호형 오목면에, 해당 원호형 오목면에 상보적인 원호형 오목면을 구비한 복층 슬라이딩 부재가 해당 원호형 오목면의 이면으로 돌출된 중공 원통형의 돌출부를 랙 가이드 기체의 원호형 오목면의 바닥부 중앙에 형성된 원형의 구멍에 끼워맞추고 착좌시켜 해당 복층 슬라이딩 부재가 랙 가이드 기체에 고착되어 이루어진 랙 가이드가 형성된다.
본 발명에서 랙 가이드 기체는 서로 대향하는 한쌍의 평탄면과 한쌍의 평탄면 각각으로부터 서로 대향하여 일체적으로 연장되는 한쌍의 경사면과 한쌍의 평탄면에서 일체적으로 연장되는 저평탄면을 가진 오목면을 구비함과 동시에 해당 오목면의 바닥부 중앙에 원형의 구멍을 구비해도 좋고, 복층 슬라이딩 부재는 서로 대향하는 한쌍의 경사면부와 해당 경사면부의 각각에 연속하는 한쌍의 평탄면부와 해당 평탄면부의 각각에 연속되는 바닥면부와 해당 바닥면부의 중앙에 백플레이트쪽으로 연장되는 중공 원통형의 돌출부를 구비해도 좋다.
랙 가이드 기체의 오목면에는 서로 대향하는 한쌍의 경사면부와 해당 경사면부의 각각에 연속되는 한쌍의 평탄면부와 해당 평탄면부의 각각에 연속되는 저면부와 해당 저면부의 중앙에 백플레이트쪽으로 연장되는 중공 원통형의 돌출부를 구비한 복층 슬라이딩 부재가 해당 바닥면부의 중앙의 돌출부를 랙 가이드 기체의 오목면의 바닥부 중앙의 구멍에 끼워맞추고 착좌시켜 해당 복층 슬라이딩 부재가 랙 가이드 기체에 고착되어 이루어진 랙 가이드가 형성된다.
본 발명에 의하면, 납 등의 환경 부하 물질을 함유하지 않는 복층 슬라이딩 부재로서, 납 등을 함유한 복층 슬라이딩 부재보다 우수한 내마모성 및 내하중성을 발휘하는 복층 슬라이딩 부재 및 해당 복층 슬라이딩 부재를 사용한 자동차의 랙 피니언식 조타 장치에서의 랙 가이드를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일례의 복층 슬라이딩 부재의 단면도이다.
도 2는 랙 피니언식 조타 장치를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 복층 슬라이딩 부재를 사용한 랙 가이드의 도 4에 도시한 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시한 랙 가이드의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 복층 슬라이딩 부재를 사용한 다른 랙 가이드의 도 6에 도시한 V-V선 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 랙 가이드의 평면도이다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하는데, 본 발명은 그 요지를 벗어나지 않는 한 이하의 실시예로 한정되지 않는다.
<실시예>
실시예 1∼5
황산바륨으로서 날림성 황산바륨(사카이 화학공업사제)과, 규산마그네슘으로서 SiO2/MgO가 2.2인 중질규산마그네슘(교와 화학공업사제)과, 인산염으로서 메타인산마그네슘과, 산화티타늄으로서 정방정계의 아나타제형 산화티타늄과, PTFE로서 파인 파우더용 PTFE(다이킨 공업사제의 「폴리프론(등록상표)F201(상품명)」를 준비하고, 표 2에 나타내는 합성수지 조성물을 헨셀 믹서안에 공급하여 교반 혼합하고, 얻어진 혼합물 100중량부에 대해 석유계 용제로서 지방족 용제와 나프텐계 용제와의 혼합 용제(엑손 화학사제의 「엑솔(상품명)」) 20중량부를 배합하고 PTFE의 실온 전이점 이하의 온도(15℃)로 혼합하여 습윤성을 가진 합성수지 조성물을 얻었다.
얻어진 합성수지 조성물을 강 백플레이트로서의 강판(두께0.7㎜)의 표면에 형성된 다공질 금속(청동) 소결층(두께0.25㎜)의 표면에 산포 공급하고 합성수지 조성물의 두께가 0.25㎜가 되도록 롤러로 압연하여 다공질 금속 소결층의 빈틈 및 표면에 합성수지 조성물을 충전 피복한 복층판을 얻었다. 얻어진 복층판을 200℃의 열풍 건조로 안에 5분간 유지하여 용제를 제거한 후 건조된 합성수지 조성물을 롤러에 의해 가압력39.2MPa(4OOkgf/㎠)로 압연하고, 다공질 금속 소결층의 표면에 피복된 합성수지 조성물의 두께를 O.1O㎜로 하였다.
다음으로, 가압 처리한 복층판을 가열로에서 370℃의 온도로 10분간 가열 소성한 후 치수 조정 및 구불거림 등을 교정하여 복층 슬라이딩 부재를 제작하였다. 도 1은 이와 같이 하여 얻어진 복층 슬라이딩 부재(51)를 도시한 단면도로서, 도면 중 부호52는 강판으로 이루어진 백플레이트, 53은 백플레이트(52)의 표면에 일체로 형성된 다공질 금속 소결층, 54는 다공질 금속 소결층(53)의 빈틈 및 표면에 충전 피복된 합성수지 조성물로 이루어진 슬라이딩층이다. 교정 종료된 복층 슬라이딩 부재를 절단하고 구부림 가공을 하여 반경10.0㎜, 길이20.0㎜, 두께1.05㎜의 반원통형 복층 슬라이딩 부재 시험편을 얻었다.
실시예 6∼10
상기 실시예 1∼3의 합성수지 조성물(표 2)에 대해 추가 성분으로서 고체 윤활제로서의 흑연, 이황화몰리브덴 및/또는 저분자량PTFE로서 다이킨 공업사제의 「루브론L-5(상품명)」를 배합하여 표 3에 나타내는 합성수지 조성물을 제작하고, 상기 실시예와 같은 방법에 의해 반경1O.O㎜, 길이20.0㎜, 두께1.05㎜의 반원통형 복층 슬라이딩 부재 시험편을 얻었다.
비교예 1
표 4에 나타낸 것처럼, PTFE(상기 실시예와 동일) 8O중량%와 납분말 2O중량%를 헨셀 믹서내에 공급하여 교반 혼합하고, 얻어진 혼합물100중량부에 대해 석유계 용제로서 지방족 용제와 나프텐계 용제의 혼합 용제(상기 실시예와 동일) 20중량부를 배합하고 PTFE의 실온 전이점 이하의 온도(15℃)에서 혼합하여 합성수지 조성물을 얻었다. 이어서 상기 실시예와 같은 방법으로 반경10.0㎜, 길이20.0㎜, 두께1.05㎜의 반원통형 복층 슬라이딩 부재 시험편을 얻었다.
비교예 2
표 4에 나타낸 것처럼, 황산바륨으로서 날림성 황산바륨(상기 실시예와 동일) 15중량%와, 규산마그네슘으로서 SiO2/MgO가 2.2인 중질규산마그네슘(상기 실시예와 동일) 15중량%와, 납분말 20중량%와, 나머지 PTFE로서 파인 파우더용 PTFE(상기 실시예 1과 동일)를 헨셀 믹서내에 공급하여 교반 혼합하고 얻어진 혼합물 100중량부에 대해 석유계 용제로서 지방족 용제와 나프텐계 용제의 혼합 용제(상기 실시예와 동일) 20중량부를 배합하고 PTFE의 실온 전이점 이하의 온도(15℃)에서 혼합하여 합성수지 조성물을 얻었다. 이어서 상기 실시예와 같은 방법으로 반경10.0㎜, 길이20.0㎜, 두께1.05㎜의 반원통형 복층 슬라이딩 부재 시험편을 얻었다.
비교예 3
표 4에 나타낸 것처럼, 황산바륨으로서 날림성 황산바륨(상기 실시예와 동일) 10중량%와, 규산마그네슘으로서 SiO2/MgO가 2.2인 중질규산마그네슘 7중량%와, 인산염으로서 메타인산마그네슘 1O중량%와, 나머지 PTFE로서 파인 파우더용 PTFE(상기 실시예 1과 동일)를 헨셀 믹서내에 공급하여 교반 혼합하고 얻어진 혼합물 100중량부에 대해 석유계 용제로서 지방족 용제와 나프텐계 용제의 혼합 용제(상기 실시예와 동일) 20중량부를 배합하고 PTFE의 실온 전이점 이하의 온도(15℃)에서 혼합하여 합성수지 조성물을 얻었다. 이어서 상기 실시예와 같은 방법으로 반경10.0㎜, 길이20.0㎜, 두께1.05㎜의 반원통형 복층 슬라이딩 부재 시험편을 얻었다.
상기 실시예 1∼실시예 10 및 비교예 1∼비교예 3에서 얻은 반원통형 복층 슬라이딩 부재 시험편에 대해서 다음의 시험 방법에 의해 슬라이딩 특성을 평가하였다.
왕복동 슬라이딩 시험
표 1에 기재된 조건으로 마찰계수 및 마모량을 측정하였다. 마찰계수에 대해서는 시험을 개시하고 1시간 경과 후부터 시험 종료까지의 마찰계수의 변동값을 나타내고, 마모량에 대해서는 시험 시간(8시간) 종료 후 슬라이딩면의 치수 변화량으로 나타냈다. 시험 결과를 표 2∼표 4에 나타낸다.
슬라이딩 속도 3m/min
하중 200kgf
시간 8시간
윤활 시험전에 슬라이딩면에 광유계 그리스〔협동유지사제의 「원루버M0(상품명)」〕 도포
상대재 고탄소 크롬 베어링강(SUJ2:JIS G 4805)
실시예
1 2 3 4 5


성
분
조
성		 PTFE 73 67.5 63 73 67.5
황산바륨
·종류		 10
날림성		 15
날림성		 10
날림성		 10
침강성		 15
침강성
중질규산마그네슘
·SiO2/MgO		 4
2.2		 4
2.2		 4
2.2		 4
2.2		 4
2.2
인산염
·메타인산마그네슘
·피로인산칼슘
·피로인산마그네슘
12
12

12


12
12
산화티타늄
·아나타제형
1.0
1.5
1.0
1.0
1.5
여러
특성		 마찰계수(×1O-2) 8∼11 8∼12 8∼11 9∼12 9∼11
마모량(㎛) 30 32 30 30 32
실시예
6 7 8 9 10



성
분
조
성		 PTFE 72.5 67.0 72.0 67.5 63.0
황산바륨
·종류		 10
날림성		 15
날림성		 10
침강성		 10
날림성		 15
침강성
중질규산마그네슘
·SiO2/MgO		 4
2.2		 4
2.2		 4
2.2		 4
2.2		 4
2.2
인산염
·메타인산마그네슘
·피로인산칼슘
·피로인산마그네슘
12

12


12
12

12
산화티타늄
·아나타제형
1.0
1.5
1.0
1.0
1.0
고체 윤활제
·흑연
·이황화몰리브덴
0.5
0.5

1.0
0.5
저분자량 PTFE 5.0 5.0
여러
특성		 마찰계수(×1O-2) 6∼11 8∼11 8∼12 6∼8 6∼8
마모량(㎛) 20 21 23 18 22
비교예
1 2 3

성
분
조
성		 PTFE 80 50 73
황산바륨
·종류		 15
날림성		 10
날림성
중질규산마그네슘
·SiO2/MgO		 15
2.2		 7
2.2
납 20 20
인산염
·메타인산마그네슘
10
제
특성		 마찰계수(×1O-2) 12∼16 8∼10 8∼10
마모량(㎛) 72 31 36
이상의 시험 결과로부터, 실시예 1∼실시예 10의 복층 슬라이딩 부재와 비교예 1∼비교예 3의 복층 슬라이딩 부재를 비교하면, 마찰계수에 대해서는 양자가 거의 동등한 성능을 나타낸 데 반해 마모량에 대해서는 실시예의 복층 슬라이딩 부재가 적어 내마모성이 우수하다는 것을 알 수 있다.
다음으로 상기 복층 슬라이딩 부재를 사용한 랙 피니언식 조타 장치에서의 랙 가이드에 대해서 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 4에서 랙 피니언식 조타 장치(1)는 중공부(2)를 가진 알루미늄 또는 알루미늄 합금제 기어 케이스(3)와, 기어 케이스(3)에 구름 베어링(4) 및 (5)를 끼워 회전 가능하게 지지된 스티어링축(6)과, 중공부(2)에 배치되어 스티어링축(6)의 축단부(피니언축)에 일체적으로 마련된 피니언(7)과, 피니언(7)에 맞물리는 랙 기어(8)가 형성된 랙 바아(9)와, 기어 케이스(3)의 중공부(2)안에 배치되어 랙 바아(9)를 슬라이딩 가능하게 지지하는 랙 가이드(10)와, 랙 가이드(10)를 랙 바아(9)를 향해 압압하는 코일 스프링(11)을 구비하고 있다.
기어 케이스(3)는 원통부(12)를 가지고 있으며 스티어링축(6)의 축심에 대해 직각인 방향에서 기어 케이스(3)를 관통하여 해당 직각인 방향으로 이동 가능하게 배치된 랙 바아(9)는 랙 기어(8)가 형성된 면에 대향하는 이면쪽에 원호형 외주면(13)을 가지고 있다.
랙 가이드(10)는 원호형 오목면(14)을 가짐과 동시에 오목부(15) 및 오목부(15)에 연통하여 원호형 오목면(14)의 바닥부 중앙에 형성된 원형 구멍(16)을 가진 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 아연 또는 아연 합금, 철계 소결금속 중 어느 하나로 형성되는 랙 가이드 기체(17)와, 해당 원호형 오목면(14)과 상보적인 형상의 원호형 오목면(18) 및 해당 오목면(18)의 바닥부 중앙에 해당 저부에서 백플레이트쪽으로 연장됨과 동시에 보강부로서의 끝단 폐색부(19)가 일체적으로 형성된 중공 원통형의 돌출부(20)를 가짐과 동시에 해당 돌출부(20)가 관통공으로 이루어진 구멍(16)에 끼워맞춰져 원호형 오목면(14)에 조밀하게 착좌되도록 랙 가이드 기체(17)에 고착된 만곡형 슬라이딩 판조각(21)으로 구성되어 있으며, 슬라이딩 판조각(21)으로서, 도 1에 도시한 강판으로 이루어진 백플레이트(52)와, 백플레이트(52)의 표면에 일체로 형성된 다공질 금속 소결층(53)과, 다공질 금속 소결층(53)의 빈틈에 충전되고 또한 그 표면에 피복된 합성수지 조성물로 이루어진 슬라이딩층(54)을 가지고 있으며, 해당 합성수지 조성물이 황산바륨5∼30중량%와, 규산마그네슘1∼15중량%와, 인산염1∼25중량%와, 산화티타늄0.5∼3중량%와, 나머지 사불화에틸렌 수지로 이루어진 복층 슬라이딩 부재(51)가 사용되고 있으며, 복층 슬라이딩 부재(51)로서의 슬라이딩 판조각(21)은 랙 바아(9)의 외주면, 본 예에서는 도시된 원호형 외주면(13)에 슬라이딩 가능하게 당접하여 랙 바아(9)를 슬라이딩 가능하게 지지하는 오목면(18)을 그 슬라이딩층(54)에 가지고 있다. 랙 가이드 기체(17)는 원통형 외주면(22)에서 기어 케이스(3)의 원통부(12)의 내주면(23)에 슬라이딩 간격을 두고 슬라이딩 가능하게 접해 있으며 이로써 랙 가이드(10)는 스티어링축(6)의 축심에 대해 직각인 방향으로 이동 가능하도록 되어 있다.
랙 피니언식 조타 장치(1)에 사용할 수 있는 랙 가이드의 다른 예를 도시한 도 5 및 도 6의 랙 가이드(10)는 축방향의 한쪽 단부쪽에 서로 대향하는 한쌍의 평탄면(24)과 한쌍의 평탄면(24)의 각각으로부터 서로 대향하여 일체적으로 연장되는 한쌍의 경사면(25)과 한쌍의 평탄면(24)으로부터 일체적으로 연장되는 저평탄면(26)을 가진 오목면(27)을 구비함과 동시에 축방향의 다른쪽 단부쪽에 오목부(28)을 구비함과 동시에 해당 오목면(27)의 저부 중앙에 원형의 구멍(29)을 가진 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 아연 또는 아연 합금, 철계 소결금속 중 어느 하나로 형성되는 랙 가이드 기체(30)와, 서로 대향하는 한쌍의 경사면부(31), 경사면부(31)의 각각에 연속되는 한쌍의 평탄면부(32), 평탄면부(32)의 각각에 연속되는 바닥면부(33) 및 바닥면부(33)의 중앙에 백플레이트쪽으로 연장됨과 동시에 보강부로서의 끝단 폐색부(34)가 일체적으로 형성된 중공 원통형의 돌출부(35)를 가짐과 동시에 돌출부(35)가 구멍(29)에 끼워맞춰져 오목면(27)에 착좌되도록 랙 가이드 기체(30)에 고착된 슬라이딩 판조각(36)으로 구성되어 있으며, 한쌍의 경사면부(31), 한쌍의 평탄면부(32) 및 바닥면부(33)의 외부 노출면에 의해 오목면(38)이 형성되어 있고, 슬라이딩 판조각(36)으로서 상기 복층 슬라이딩 부재(51)가 사용되고 있고, 복층 슬라이딩 부재(51)로서의 슬라이딩 판조각(36)은 랙 바아(9)의 외주면, 본 예에서는 오목면(38)에 상보적인 형상의 외주면(미도시)에 슬라이딩 가능하게 당접하여 랙 바아(9)를 슬라이딩 가능하게 지지하는 오목면(38)을 그 슬라이딩층(54)에 가지고 있다. 랙 가이드 기체(30)는 원통형 외주면(37)에서 기어 케이스(3)의 원통부(12) 내주면(23)에 슬라이딩 간격을 두고 슬라이딩 가능하게 접해 있으며, 이로써 랙 가이드(10)는 스티어링축(6)의 축심에 대해 직각인 방향으로 이동 가능하도록 되어 있다.
이상의 랙 피니언식 조타 장치(1)에서 랙 가이드(10)는 스티어링축(6)의 회전에서 랙 기어(8)가 피니언(7)에 맞물리도록 하고 또한 서로 맞물림으로써 스티어링축(6)의 축심에 대해 직각인 방향으로 랙 바아(9)의 이동을 안내한다.
본 발명의 복층 슬라이딩 부재는 PTFE로의 충전재로서, 환경 부하 물질인 납을 함유한 종래의 복층 슬라이딩 부재보다 우수한 마찰 마모 특성, 특히 내마모성이 우수하다는 것을 나타내었다. 그리고 마찰 마모 특성이 우수한 복층 슬라이딩 부재를 랙 가이드의 슬라이딩 판조각에 적용한 경우, 마찬가지로 우수한 마찰 마모 특성을 나타내어 장기간에 걸쳐 랙 바아의 원활한 슬라이딩을 확보할 수 있다.

Claims (9)

  1. 강판으로 이루어진 백플레이트와, 해당 백플레이트의 표면에 일체로 형성된 다공질 금속 소결층과, 해당 다공질 금속 소결층의 빈틈에 충전되고 또한 그 표면에 피복된 합성수지 조성물로 이루어진 슬라이딩층을 가진 복층 슬라이딩 부재로서, 해당 합성수지 조성물이 황산바륨 5∼30중량%와, 규산마그네슘 1∼15중량%와, 인산염 1∼25중량%와, 산화티타늄 0.5∼3중량%와, 나머지 사불화에틸렌 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 복층 슬라이딩 부재.
  2. 청구항 1에 있어서, 산화티타늄은 모스 경도 5.5∼6.0을 나타내는 아나타제형 산화티타늄인 복층 슬라이딩 부재.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 합성수지 조성물은 추가 성분으로서 흑연, 이황화몰리브덴, 이황화텅스텐 및 질화붕소의 군에서 선택되는 고체 윤활제를 0.1∼2중량% 함유하는 복층 슬라이딩 부재.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 합성수지 조성물은 추가 성분으로서 저분자량의 사불화에틸렌 수지를 1∼10중량% 함유하는 복층 슬라이딩 부재.
  5. 기어 케이스와, 이 기어 케이스에 회전 가능하게 지지된 피니언과, 이 피니언에 맞물리는 랙 기어가 형성된 랙 바아와, 이 랙 바아를 슬라이딩 가능하게 지지하는 랙 가이드와, 이 랙 가이드를 랙 바아를 향해 압압하는 스프링을 구비한 랙 피니언식 조타 장치에서, 랙 가이드는 기어 케이스의 통형 내주면에 슬라이딩 가능하게 접하는 통형 외주면을 가진 랙 가이드 기체와, 랙 가이드 기체에 백플레이트쪽에서 고착된 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 복층 슬라이딩 부재를 구비하고 있으며, 복층 슬라이딩 부재는 랙 바아의 외주면에 슬라이딩 가능하게 슬라이딩하여 랙 바아를 슬라이딩 가능하게 지지하는 오목면을 그 슬라이딩층에 가지고 있는 랙 피니언식 조타 장치에서의 랙 가이드.
  6. 청구항 5에 있어서, 랙 가이드 기체는 원호형 오목면을 구비함과 동시에 해당 원호형 오목면의 바닥부 중앙에 관통공을 구비한 랙 피니언식 조타 장치에서의 랙 가이드.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서, 복층 슬라이딩 부재는 그 슬라이딩층에 원호형 오목면을 구비함과 동시에 해당 원호형 오목면의 바닥부 중앙에 해당 저부에서 그 백플레이트쪽으로 연장되는 중공 원통형 돌출부를 구비한 랙 피니언식 조타 장치에서의 랙 가이드.
  8. 청구항 5에 있어서, 랙 가이드 기체는 서로 대향하는 한쌍의 평탄면과 한쌍의 평탄면의 각각으로부터 서로 대향하여 연장되는 한쌍의 경사면과 한쌍의 평탄면에서 일체적으로 연장되는 바닥평탄면을 가진 오목면을 구비함과 동시에 해당 오목면의 바닥부 중앙에 관통공을 구비한 랙 피니언식 조타 장치에서의 랙 가이드.
  9. 청구항 5 또는 청구항 8에 있어서, 복층 슬라이딩 부재는 서로 대향하는 한쌍의 경사면부와 해당 경사면부의 각각에 연속되는 한쌍의 평탄면부와 해당 평탄면부의 각각에 연속되는 바닥면부를 구비함과 동시에 해당 바닥면부의 중앙에 백플레이트쪽으로 연장되는 중공 원통형의 돌출부를 구비한 랙 피니언식 조타 장치에서의 랙 가이드.
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