KR20110100229A - 베어링 재료 - Google Patents

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Abstract

베어링 재료 및 이 베어링 재료의 라이닝을 구비한 베어링의 제조를 위한 방법이 기재되며, 베어링 재료는 중량% 단위로, 부수적인 불순물 외에, 4 내지 12의 주석; 0.1 내지 2의 니켈; 1 내지 6의 비스무트; 0.01 내지 0.10 미만의 알루미나; 잔부 구리를 포함한다.

Description

베어링 재료{BEARING MATERIAL}
본 발명은 특히 예를 들어 내연 기관용 부시와 같은 플레인 베어링(plain bearing)에 적합한 구리계 베어링 재료에 관한 것이다.
기계 장치, 특히 내연 기관에서의 부시의 몇몇 적용에서, 환경은 고온, 고하중 및 마모율과 부식 면에서 아주 가혹할 수 있다. 한가지 이러한 적용은 예를 들어 강력(high duty) 디젤 엔진의 실린더 헤드 내의 로커 부시(rocker bush)일 수 있다. 임의의 특정 적용의 정확한 사용 조건에 따라, 부시는 특정 형태로 열화되기 쉽다. 엔진 실린더 헤드 내의 밸브 작동 로커를 지지하는 로커 부시에서, 일반적으로 형성되는 한가지 형태의 열화는 비교적 아주 높은 마모율이다. 디젤 엔진에서의 높은 마모율의 문제는 윤활 오일 내에 도달하는 기연소 연료(burnt fuel)로부터 유발되는 미립자 집중에 의해 심화된다. 로커 부시에서의 높은 마모율의 문제를 극복하기 위해, 몇몇 엔진 제조업체는 슬라이딩 표면상에 매우 경질의 코팅을 구비한 부시를 사용하였지만, 부시의 마모율을 감소시키는 것은 본질적으로 로커 샤프트 그 자체의 협동 표면에 원하지 않는 마모 영향을 미칠 수 있다. 또한, 이러한 코팅된 부시는 매우 고가이며, 전형적인 6-실린더, 12-밸브 엔진의 경우 12개의 부시를 필요로 한다.
GB 2 384 007 A는 분말을 강재와 같은 강한 배킹(backing) 층 스트립 상에 소결함으로써 형성된 구리계 베어링 재료 층을 구비한 다층 슬라이딩 베어링을 기재한다. 이 재료는, 중량%(wt%) 단위로, 1-11의 주석; 0.2 이하의 인; 총 10 이하의 니켈 및 은; 총 25 이하의 납 및 비스무트; 총 15 체적% 이하의 경질 입자 및 고융점 입자; 및/또는 최대 10 체적%의 고체 윤활제를 포함할 수 있는 조성을 갖는다. 경질 입자 및 고체 윤활제는 대안적인 첨가제일 수 있고 필수적이지 않지만, 최대 15 체적%의 경질 입자 함량을 갖게 되면, 사용되는 경우, 이렇게 형성된 베어링 재료의 아주 바람직하지 못한 특성을 초래할 수 있다. 첫째, 이러한 높은 경질 입자 함량은 특히 엔진 구성에 일반적으로 사용되는 금속 상대면(counterface)들의 유형에서의 높은 마모율을 초래할 가능성이 있고; 연성이 부족한 취성 재료를 형성할 가능성이 있으며; 또한 이러한 조성을 갖는 스트립으로부터 베어링을 가공하고 형성하는데 사용되는 공장 생산 공구류에서 높은 마모율을 초래할 가능성이 있다.
US 4 941 919는 구리계 슬라이딩 재료 및 그 제조 방법을 기재한다. 이 문헌에서, 1 내지 10 중량% 범위의 흑연과 함께 0.1 내지 7 중량%의 알루미나 함량이 구리계 합금 매트릭스 내에 채용된다. 그러나, 알루미나는 볼 밀링과 같은 기계적 혼합 수단에 의해 구리와 조합되고, 알루미나 입자 및 구리 입자는 알루미나 입자가 경계 윤활 상태 하에서 구리 매트릭스로부터 분리되어지지 못하게 막기 위해 소결 단계 전에 초기에 함께 결합된다. 또한, 조합된 구리 및 알루미나 분말은 조합된 구리-알루미나-흑연 분말을 예를 들어 강재와 같은 기재상에 분사하기 전에 흑연 분말과 혼합된다. 이 재료의 단점은, 구리 및 알루미나 조합 단계가 최대 24시간 이상을 소요할 수 있어 고가이고; 흑연이 구조체를 약화시키며; 너무 많은 알루미나가 구조체 내에 존재하여, 재료를 취화시키고, 특히 흑연의 존재 하에, 재료를 베어링으로 가공하는데 사용되는 공구류의 아주 높은 마모율을 초래한다.
본 발명의 목적은, 종래 재료의 단점 중 적어도 일부를 갖지 않고서 높은 내마모성 및 내소착성(seizure resistance)이 요구되는 적용에 대해 우수한 내마모성을 갖는 경제적인 재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 중량% 단위로, 부수적인 불순물 외에, 4 내지 12의 주석; 0.1 내지 2의 니켈; 1 내지 6의 비스무트; 0.01 내지 0.10 미만의 알루미나; 잔부 구리를 포함하는 베어링 재료가 제공된다.
바람직한 조성 범위는 중량% 단위로, 부수적인 불순물 외에, 7 내지 9의 주석; 0.5 내지 1.5의 니켈; 2 내지 5의 비스무트; 0.03 내지 0.07의 알루미나; 잔부 구리를 포함한다.
본 발명에 따른 베어링 재료는 무연(lead-free)인 것이 바람직하다.
본 명세서에서, 용어 "무연"은 구리계 합금 재료를 생성시킬 수 있는 기초 용용물 스톡 내에 의도하지 않게 존재할 수 있는 임의의 불순물 외에 의도적인 납의 첨가가 없음을 의미한다.
전형적인 조성은 부수적인 불순물 외에, 8의 주석; 1의 니켈; 3.3의 비스무트; 0.05의 알루미나; 잔부 구리를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 태양에 따르면, 베어링을 제조하는 방법으로서, 중량% 단위로, 부수적인 불순물 외에, 4 내지 12의 주석; 0.1 내지 2의 니켈; 잔부 구리 범위에 놓인 조성을 갖는 분말을 제조하는 단계; 중량% 단위로, 부수적인 불순물 외에, 4 내지 12의 주석; 0.1 내지 2의 니켈; 1 내지 6의 비스무트; 0.01 내지 0.1 미만의 알루미나; 잔부 구리 범위에 놓인 전체 조성을 제공하도록 상기 구리-주석-니켈 분말과 비스무트 분말 및 알루미나 분말을 포함하는 분말 혼합물을 제조하는 단계; 상기 분말 혼합물을 강성 배킹 재료상에 산포시키는 단계; 상기 베어링 재료 분말 혼합물을 강성 배킹 재료에 소결시키는 단계; 상기 소결된 베어링 재료를 압밀시키는 단계; 상기 압밀된 베어링 재료를 재소결시키는 단계; 및 상기 재소결된 재료로부터 베어링을 형성하는 단계를 포함하는 베어링 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 베어링 재료는 공지된 소결 공정에 의해 제조될 수 있다. 구리, 주석 및 니켈 성분을 포함하는 기초 구리계 합금이 종래의 용융 및 합금 공정에 의해 제조될 수 있고, 이렇게 제조된 용융 합금은 요구되는 합금 조성의 분말을 형성하도록 미립화(atomization)될 수 있다. 분말은 체(sieve)로 걸러져, 특정 분말 입자 크기 범위를 포함하는 소정의 분획(fraction)으로 분할될 수 있다. 이어서, 미립화된 분말을 비스무트 분말 및 알루미나 분말과 혼합함으로써 실제 베어링 합금 조성의 분말이 제조될 수 있다. 이어서, 이 혼합된 분말은 강성 배킹 재료의 스트립 상에 산포될 수 있고, 분말 입자들을 서로 그리고 강성 배킹 스트립에 결합시키기 위해 제1 소결 단계에서 보호/환원 분위기 하에서 소결로를 통해 통과될 수 있다. 이 단계의 재료는 고도의 유공도(porosity)를 포함하고, 예를 들어 제1 소결된 재료를 압연기(rolling mill)를 통해 통과시킴으로써 대부분의 세공을 제거하도록 구리계 베어링 합금 층을 압밀하는 것이 필요하다. 압밀 단계 후, 재료는 구리계 베어링 합금 층 그 자체를 더욱 압밀시키기 위해 그리고 배킹 스트립에 대한 베어링 합금 층의 결합을 개선시키기 위해 다시 제2 소결 단계 동안 소결로를 통해 통과될 수 있다.
베어링 합금 층의 성분의 조성 범위는 하기의 이유로 공식화된다.
주석
높은 강도, 내마모성 및 내부식성을 갖는 주석-청동 재료를 형성하기 위한 구리 매트릭스와의 주석 합금. 4 중량% 주석의 하한치 아래에서는, 강도는 필요로 하는 강도 및 내구성을 형성하는데 부적당한 반면, 12 중량% 위에서는, 베어링 합금 층의 매트릭스는 그 의도된 베어링 적용에 너무 경질이 되고, 또한 재료가 너무 높은 주석 함량에서 취화되는 경향이 있다.
니켈
니켈은 매트릭스의 강도를 증가시키는데 이로운 효과를 나타내는 동시에, 또한 베어링 합금의 내부식성을 개선하는 효과를 갖는다. 현대의 디젤 엔진 윤활 오일은 황을 함유하고, 사용 중 엔진 내에 형성되는 비교적 높은 온도에서, 엔진 주위로 그리고 예를 들어 베어링 슬라이딩 표면과 샤프트 상대면 사이의 베어링 공간 내로 펌핑되는 오일 내에 고도로 부식성인 성분을 형성할 수 있다. 본 합금에서의 니켈 범위는, 하한치에서는 내부식성의 개선을 제공하고 상한치에서는 예를 들어 너무 높은 경도 및/또는 취성에 관한 문제를 초래할 정도로 너무 높지 않도록 의도된다.
비스무트
비스무트 함유물은 실질적으로 제1 소결 단계에서 분말 입자들 사이의 틈새였던 것 내의 구리계 합금 매트릭스 내에 함유된 원소 비스무트로서 존속하는 연상(soft phase)이다. 비스무트의 목적은, 재료에 크게 개선된 내소착성을 부여하고 청동 매트릭스의 합치성(conformability)을 개선하는 것이다.
바람직하게는, 비스무트 입자의 크기는 초기 분말 혼합물에 첨가된 때 최대 60 ㎛이다.
알루미나
알루미나는 본 발명에 따른 베어링 재료의 내마모성을 크게 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 최대 3 중량%의 알루미나 함량이 시험되었고, 비금속(base metal) 합금 조성에 비해 크게 개선된 내마모성을 베어링 재료에 부여하는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 이러한 알루미나 레벨은 몇몇 상황에서는 베어링 재료 슬라이딩 표면이 맞대어져 주행되는 상대면을 마모시킬 수 있고, 스트립 재료를 베어링으로 가공하는데 사용되는 공구류의 높은 마모율을 초래하며, 이는 더욱 많은 비용 및 감소된 베어링 형성 정확성을 초래한다.
3 중량%의 알루미나 함량이 사용되었지만, 놀랍게도 0.05 중량% 이하 범위의 알루미나 함량이 3 중량% 범위의 알루미나 함량에 비해 마모율의 감소를 일으키는 것으로 밝혀졌다. 또한, 0.05 내지 0.1 중량% 미만 범위의 알루미나의 비교적 아주 적은 함량은 종래 기술 재료의 고가이고 지루한 조합 단계를 필요로 하지 않는데, 왜냐하면 비교적 낮은 알루미나 함량은 입자가 구리계 매트릭스로부터 분리되기 쉽게 하지 않기 때문이다.
분말 혼합물은 볼 밀링 등과 같은 기계적 합금 방법의 필요 없이 회전 혼합기 내에서 통상의 혼합에 의해 제조될 수 있다. 이렇게 형성된 분말 혼합물은 종래의 분말 산포 다이에 의해 기재 스트립 상에 완전하게 산포될 수 있고, 이어서 전술된 바와 같이 유리된 분말(loose powder)의 소결 및 추가 가공이 이어진다.
종래에는, 작업자가 본질적으로 베어링 재료의 마모율의 본질적인 개선을 유발하는 것으로서 알루미나의 사용을 고려하였다. 그러나, 임의의 특정 이론에 의해 속박되기를 원하지 않지만, 마모율 감소의 메커니즘은 얼마간 더욱 미묘한 것으로 믿어진다. 낮은 레벨의 알루미나는, 저널(journal) 상대면에 알맞은(gentle) 폴리싱 작용을 인가하여, 상대면 그 자체를 보다 매끄럽게 하고, 결과적으로 베어링 표면을 덜 마모시키게 하는 것으로 믿어진다.
따라서, 알루미나 함량은 위에서 논의된 이유로 0.01 내지 0.1 중량% 미만 범위, 바람직하게는 0.03 내지 0.07 중량% 범위일 수 있다.
알루미나 분말의 형태는 바람직하게는 높은 밀도, 낮은 유공도, 낮은 투과도 및 높은 내화도(refractoriness)의 입자를 갖는 용융 알루미나일 수 있다. 입자 크기는 8 내지 19 ㎛(50% 값)(3 내지 32 ㎛ 90% 값) 범위일 수 있지만, 더욱 바람직하게는 입자 크기 범위는 11 내지 14 ㎛(50% 값)(5 내지 25 ㎛ 90% 값)일 수 있고, 50% 및 90% 표시는 각각 입자의 50% 및 90%가 특정 범위 내에 있음을 의미한다. 본 발명의 제3 태양에 따르면, 본 발명의 제1 태양에 따른 베어링 재료로 제조되는 베어링 기능 라이닝이 강성 배킹 재료에 결합되는 베어링이 제공된다.
강성 배킹 재료는 당업계에 공지된 임의의 것일 수 있고, 예를 들어 강재 또는 청동을 포함할 수 있다.
주로 예를 들어 로커를 위한 래핑된 부시(wrapped bush) 또는 커넥팅 로드 소단부 부시와 같은 적용에 의도되지만, 본 발명의 베어링 재료는 예를 들어 슬라이딩 표면상에 연질 금속 코팅을 구비하고서, 크랭크샤프트 베어링을 위한 하프 베어링(half bearing) 적용에 활용될 수 있는 것이 구상된다. 예를 들어 주석 및 주석 합금에 기반한 이러한 연질 금속 코팅은 베어링 기술 분야에 잘 알려져 있고, 일반적으로 오버레이 코팅으로서 공지되어 있다. 이러한 코팅은 합치성 및 베어링 내에의 먼지 매몰성의 필요로 하는 기능을 충족시킨다.
본 발명에 의하면, 종래 재료의 단점 중 적어도 일부를 갖지 않고서 높은 내마모성 및 내소착성이 요구되는 적용에 대해 우수한 내마모성을 갖는 경제적인 재료가 제공된다.
본 발명을 더욱 완전하게 이해할 수 있게 하기 위해, 이제 첨부 도면을 참조하여 실시예를 단지 예시적으로 설명할 것이다.
도 1은 도 1의 시험 장치에서 산출된 다양한 재료에 대한 윤활 마모 시험 결과의 히스토그램을 도시한다.
도 2는 공지된 사파이어 타입 내피로성 및 내소착성 측정 시험 장치에서 수행된 내소착성 시험 결과의 히스토그램을 도시한다.
<도 1> 에서
Wear: 마모
<도 2> 에서
Seizure Load: 소착 하중
본 발명에 따른 구리계 합금의 라이닝을 구비한 강재 배킹된 베어링을 포함하는 시험 재료를 제조하였다. 내연 기관의 로커 부시 적용에 현재 사용되는 라이닝을 구비한 비교 시험 재료를 또한 일반적으로 채용되고 본질적으로 잘 알려진 제조 공정에 따라 제조하였다. 비교 시험 재료는 구리-10 주석-10 납; 및 구리-8 주석-1 니켈을 포함하였다.
본 발명에 따른 시험 재료를 하기의 공정에 의해 제조하였다. 실질적으로 구형의 입자 및 중량% 단위로, 부수적인 불순물 외에, Cu-8Sn-1Ni를 포함한 공칭 조성을 갖는 미립화된 구리-주석-니켈 분말을 3 중량%의 비스무트 분말 및 0.05 중량%의 용융 알루미나 분말과 회전 혼합기에서 혼합하였다.
생성된 혼합된 분말을 적합한 두께의 강재 스트립의 표면상에 산포하였고, 초기에 질소 내 22% 수소의 분위기 하에서 유도 소결에 의해 제1 소결 단계에서 소결하였다. 강재 상에 4 내지 12%(강재 유형 및 두께에 따라)에 상당하는 연신도가 있는 정도로 소결된 바이메탈 재료를 크기 연신하였다. 이는 구리계 베어링 합금 재료를 압밀하고 제1 소결 작업으로부터 남아 있는 세공을 제거하기 위해 수행되었다. 이어서, 재료에 질소 내 33% 수소의 분위기 하에서 850℃의 온도에서 종래의 가스 가열 소결로에서 제2 소결 단계를 수행하였다.
생성된 베어링 재료 층의 구조는 명백하게 비스무트 상이 아주 적은 유공도를 갖고서 합금 전반에 걸쳐 잘 분포되는 것을 보여주었다. 알루미나의 아주 낮은 함량 때문에, 이 상의 존재는 재료의 마이크로섹션으로부터 쉽게 명확히 보이지 않았다.
내연 기관에서 발견되는 로커 부시 및 소단부 부시와 같은 베어링 부시 적용에 적합한 내마모성의 가속 시험이도록 의도되는 마모 시험을 수행하였다. 윤활 상태 하에서 선 접촉을 형성하도록 상대적으로 더욱 큰 직경의 시험 베어링에 맞대어 상대적으로 더욱 작은 직경의 회전하는, 하중인가된 샤프트를 회전시킴으로써 공지된 "바이퍼(Viper)" 마모 시험기로 마모 시험을 수행하였다. 마모를 중량 손실에 의해 mg/시간 단위로 측정하였고, 시험 기간은 마모율에 따라 30 내지 480분이었으며, 그 결과는 도 1에 도시된 바와 같다.
도 1의 히스토그램으로부터 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 베어링 재료(도 1에 RB119V로 약호화됨)를 구비한 베어링으로부터 마모된 베어링 재료의 중량은 동일한 시험 조건 하에서 각각 27 및 37 - 66 mg/시간의 마모율을 보인 비교 재료 CuSn10Pb10 및 CuSn8Ni1보다 2 - 4 mg/시간으로 아주 훨씬 적었다. 비스무트 첨가가 내마모성의 개선에 제한된 정도로 기여할 수 있지만, 개선된 내마모성의 주요 원인은 0.05 중량%의 적은 알루미나 첨가인 것으로 믿어진다.
마멸(scuff) 소착 저항 시험을 수행하기 위한 하프 베어링을 공지된 "사파이어(Sapphire)" 시험기에 적합한 크기로 제조하였다. 비교 시험을 또한 전술된 바와 같은 구리-8 주석-1 니켈 재료에 수행하였다.
도 2의 히스토그램을 참조하면, 본 발명에 따른 베어링 재료의 전체 내소착성이 비교 재료의 그것에 비해 크게 개선되는 것을 보여준다. 본 발명에 따른 베어링 재료는 비교 베어링 재료에 비해 3 중량%의 비스무트 및 0.05 중량%의 알루미나가 첨가된다. 내소착성의 개선은 주로 종래의 재료에 대한 10 - 62 MPa의 범위에 비해 40 - 115 MPa의 소착 하중 범위를 유발한 비스무트 함량에 기인한다.
따라서, 알루미나 함량은 종래의 재료에 비해 마모율의 개선에 기여하였고, 비스무트 첨가는 종래의 재료에 비해 내소착성을 개선하였다. 중요하게는, 내마모성의 큰 개선을 제공하는 알루미나 첨가가 종래 기술에 사용되었던 비교적 높은 레벨의 알루미나에서 예측되었을 내소착성의 열화를 초래하지 않았다.
본 명세서의 상세한 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐, 표현 "포함하다" 및 "함유하다"와 그 변형, 예를 들어 "포함하는" 및 "포함하다"는 "그에 제한됨이 없이 포함하는"을 의미하고, 다른 부분(moiety), 첨가제, 성분, 정수 또는 단계를 배제하도록 의도되지 않는다(그리고 배제하지 않음).
본 명세서의 상세한 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐, 단수는 문맥이 달리 요구하지 않는 한 복수를 포괄한다. 특히, 부정 관사가 사용되는 경우, 명세서는 문맥이 달리 요구하지 않는 한, 단수뿐만 아니라 복수도 의도하는 것으로 이해하여야 한다.
본 발명의 특정 태양, 실시 형태 또는 실시예와 관련하여 기재된 특징, 정수, 특성, 화합물, 화학적 부분 또는 그룹은 본 명세서에 기재된 임의의 다른 태양, 실시 형태 또는 실시예에 이와 부적합하지 않은 한 적용가능한 것으로 이해하여야 한다.
RB119V: 본 발명에 따른 베어링 재료

Claims (11)

  1. 중량% 단위로, 부수적인 불순물 외에, 4 내지 12의 주석; 0.1 내지 2의 니켈; 1 내지 6의 비스무트; 0.01 내지 0.10 미만의 알루미나; 잔부 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    중량% 단위로, 부수적인 불순물 외에, 7 내지 9의 주석; 0.5 내지 1.5의 니켈; 2 내지 5의 비스무트; 0.03 내지 0.07의 알루미나; 잔부 구리를 포함하는 조성 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 베어링 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    조성은 중량% 단위로, 부수적인 불순물 외에, 8의 주석; 1의 니켈; 3.3의 비스무트; 0.05의 알루미나; 잔부 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 재료.
  4. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    베어링 재료는 부수적인 불순물 외에 무연인 것을 특징으로 하는 베어링 재료.
  5. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    알루미나 입자 크기는 8 내지 19 ㎛ 범위에 있는 것을 특징으로 하는 베어링 재료.
  6. 제5항에 있어서,
    알루미나 입자 크기는 11 내지 14 ㎛ 범위에 있는 것을 특징으로 하는 베어링 재료.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 베어링 재료의 층을 그 상에 구비하는 강성 배킹 재료 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링.
  8. 제7항에 따른 베어링을 제조하는 방법으로서,
    중량% 단위로, 부수적인 불순물 외에, 4 내지 12의 주석; 0.1 내지 2의 니켈; 잔부 구리 범위에 놓인 조성을 갖는 분말을 제조하는 단계;
    중량% 단위로, 부수적인 불순물 외에, 4 내지 12의 주석; 0.1 내지 2의 니켈; 1 내지 6의 비스무트; 0.01 내지 0.1 미만의 알루미나; 잔부 구리 범위에 놓인 전체 조성을 제공하도록 상기 구리-주석-니켈 분말과 비스무트 분말 및 알루미나 분말을 포함하는 분말 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 분말 혼합물을 강성 배킹 재료상에 산포시키는 단계;
    상기 베어링 재료 분말 혼합물을 강성 배킹 재료에 소결시키는 단계;
    상기 소결된 베어링 재료를 압밀시키는 단계;
    상기 압밀된 베어링 재료를 재소결시키는 단계; 및
    상기 재소결된 재료로부터 베어링을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 제조 방법.
  9. 실질적으로 첨부한 상세한 설명 및 도면을 참조하여 전술된 바와 같은 베어링 재료.
  10. 실질적으로 첨부한 상세한 설명 및 도면을 참조하여 전술된 바와 같은 베어링.
  11. 실질적으로 첨부한 상세한 설명 및 도면을 참조하여 전술된 바와 같은 베어링 제조 방법.
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