KR20130142110A - 내마모 무연 합금 슬라이딩 요소 및 제조 방법 - Google Patents

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KR20130142110A
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홀거 슈미트
데이비드 삭스톤
제임스 알. 토스
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Abstract

슬라이딩 요소(20), 예컨대 부싱 또는 베어링은 강 백킹(22)에 부착되는 소결 분말 금속 베이스(24)를 포함한다. 베이스(24)는 주석, 비스무트, 제 1경질 입자(40), 예컨대 Fe3P 및 MoSi2, 및 나머지 구리를 포함한다. 한 구체예에서, 주석 오버플레이트(26)가 베이스(24)에 도포된다. 니켈 장벽층(42)은 베이스(24)와 주석 오버플레이트(26) 사이에, 그리고 주석-니켈 중간층(44)은 니켈 장벽층(42)과 주석 오버플레이트(26) 사이에 배치된다. 다른 구체예에서, 슬라이딩 요소(20)는 베이스(24)에 직접 배치되는, 알루미늄의 스퍼터 코팅(30), 또는 중합체 코팅(28)을 포함한다. 중합체 코팅(28)은 제 2경질 입자(48), 예컨대 Fe2O3를 포함한다. 베이스(24)와 함께 중합체 코팅(28)은 시간이 지남에 따라 예외적인 내마모성을 제공한다.

Description

내마모 무연 합금 슬라이딩 요소 및 제조 방법{WEAR RESISTANT LEAD FREE ALLOY SLIDING ELEMENT AND METHOD OF MAKING}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2010년 11월 17일에 출원된 미국 가 특허 출원 제61/414,471호, 및 2011년 5월 31일에 출원된 미국 가 특허 출원 제61/491,568호의 우선권을 주장하며, 이것들은 그 전체가 본원에 참고자료로 포함된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 슬라이딩 요소, 예컨대 내연기관 또는 차량용 변속기의 부싱(bushing) 및 베어링(bearing), 예컨대 소결 분말 금속을 포함하는 슬라이딩 요소, 그리고 그것의 형성 방법에 관한 것이다.
슬라이딩 요소, 예컨대 내연기관의 부싱 및 베어링은 강 백킹(backing)에 결합되는 분말 금속 구리(Cu) 합금을 종종 포함하여, 크랭크축(crankshaft) 등을 저널화(journal)한다. 구리 합금은 매트릭스를 제공하고, 사용하는 슬라이딩 요소에 받는 하중을 견딜 수 있는 단단한 표면을 제공해야한다. 이러한 슬라이딩 요소는 또한 적합한 내마모성 및 내시저성(seizure resistance)을 나타내야하고, 이 목적을 위해 특정 추가 합금 구성 성분, 예컨대 납(Pb)을 구리 매트릭스에 첨가하는 것이 보통이다. 납은 슬라이딩 요소 표면에 윤활제로서 작용함으로써 내마모성을 제공한다. 납(Pb) 또는 주석(Sn)의 얇은 코팅을 표면에 첨가하여, 내마모성 및 내시저성을 더 향상시키는 것이 또한 보통이다.
환경의 염려로 인해, 납에 대한 다양한 대체재, 예컨대 비스무트(Bi)가 조사 되었다. 비스무트는 인(P)의 제어된 양과 함께 제어된 양의 분말 금속 구리 합금과 예비-합금될 수 있다. Cu-Bi-P 분말 금속은 소결되고 강 백킹에 결합되어, 강-백킹 엔진 슬라이딩 요소를 제공할 수 있는데, 이것의 물리적 성질, 예컨대 내마모성 및 내시저성은 납 함유 강-백킹 엔진 슬라이딩 요소와 동일하거나 또는 더 좋다.
미국 특허 제6,746,154호에 따라 구축된 엔진 슬라이딩 요소는 강 백킹에 결합된 본질적으로 무연 분말 금속 베이스를 포함한다. 분말 금속 베이스는 8.0 내지 12.0 중량 퍼센트(중량%)의 주석, 1.0 내지 5.0 중량% 미만의 비스무트, 및 0.03 내지 0.8 중량%의 인을 포함하며, 나머지는 본질적으로 구리를 갖는다.
그러나, 제6,746,154호 특허에 따라 형성된 슬라이딩 요소의 단점은 주석-기재 오버플레이트(overplate)가 분말 금속 베이스에 효과적으로 도포될 수 없다는 것이다. 저온, 예컨대 전형적인 엔진 온도보다 낮은 온도에서, 분말 금속 베이스의 비스무트는 주석-기재 오버플레이트로 확산하고, 주석과 비스무트의 공융 합금을 형성하는데, 이것은 슬라이딩 요소를 약화시킨다.
본 발명의 한 양태는 백킹과 백킹에 배치되는 베이스를 포함하는 슬라이딩 요소를 제공한다. 베이스는 베이스의 중량 퍼센트(중량%)로, 20.0 내지 98.9 중량%의 양의 구리, 0.1 내지 15.0 중량%의 양의 주석, 0.1 내지 8.0 중량%의 양의 비스무트, 및 제 1경질 입자를 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 슬라이딩 요소의 형성 방법을 제공한다. 방법은 구리, 주석, 및 비스무트를 포함하는 Cu-Sn-Bi 합금을 제공하는 단계를 포함한다. 그 다음, 방법은 Cu-Sn-Bi 합금을 제 1경질 입자와 혼합하여 베이스를 형성하는 단계를 포함한다. 방법은 베이스를 백킹에 배치하는 단계; 및 베이스와 백킹을 소결하는 단계를 더 포함한다.
베이스의 조성은 비스무트가 주석 오버플레이트로 최소 확산하면서, 주석 오버플레이트가 베이스에 도포될 수 있도록 한다. 따라서, 무연 슬라이딩 요소는 엔진 및 차량용 변속기 용도로 사용하는 동안 우수한 강도, 내마모성, 및 내시저성을 제공한다.
본 발명의 다른 이점은, 첨부된 도면과 연결하여 고려될 때, 하기 상세한 설명을 참고하여 더 많이 이해되면서 쉽게 인식될 것이다.
도 1은 엔진 슬라이딩 요소, 구체적으로 본 발명의 한 구체예에 따르는 백킹 및 베이스를 포함하는 부싱의 개략도이다.
도 1a는 도 1의 슬라이딩 요소의 라인 A를 따라 확대된 부분적인 단면도이다.
도 2는 엔진 슬라이딩 요소, 구체적으로 본 발명의 다른 구체예를 따르는 백킹, 베이스, 및 주석 오버플레이트를 포함하는 베어링의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 구체예에 따르는 백킹, 베이스, 니켈 장벽층, 주석-니켈 중간층, 주석 오버플레이트, 및 속성 코팅을 포함하는 슬라이딩 요소의 투시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 구체예에 따르는 백킹, 베이스, 니켈 장벽층, 및 주석 오버플레이트를 포함하는 슬라이딩 요소의 확대된 부분적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 구체예에 따르는 백킹, 베이스, 니켈 장벽층, 주석-니켈 중간층, 및 주석 오버플레이트를 포함하는 슬라이딩 요소의 확대된 부분적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 구체예에 따르는 백킹, 베이스, 및 스퍼터(sputter) 코팅을 포함하는 슬라이딩 요소의 확대된 부분적인 단면도이다.
도 7-10은 본 발명의 다른 구체예에 따르는 백킹, 베이스, 및 중합체 코팅을 포함하는 슬라이딩 요소의 확대된 부분적인 단면도이다.
도 7a, 7b, 및 8a-10a는 각각 도 7-10의 부분의 확대된 도면이다.
도 11-26은 열처리 전과 후, 본 발명(LF-4)의 베이스와 비교 재료(LF-5)를 비교하는, 주사 전자 현미경(SEM) 이미지 및 에너지 분산형 X-선 스펙트럼(EDX)을 포함한다.
같은 숫자가 몇 개의 도면을 통해 해당하는 부분을 나타내는 도면을 참고하면, 슬라이딩 요소(20), 예컨대 내연기관의 부싱 또는 베어링은 일반적으로 도 1에 나타낸다. 도 1의 슬라이딩 요소(20)는 예컨대 피스톤의 리스트 핀(wrist pin)(나타내지 않음)을 저널화하기 위해, 연결봉의 작은 단부 개구부에 사용되는 핀 부싱이다. 슬라이딩 요소(20)는 백킹(22)과 백킹(22)에 배치되는 베이스(24)를 포함한다. 베이스(24)는 베이스(24)의 중량 퍼센트(중량%)로, 20.0 내지 98.9 중량%의 양의 구리, 0.1 내지 15.0 중량%의 양의 주석, 0.1 내지 8.0 중량%의 양의 비스무트, 및 0.2 내지 5.0 중량%의 양의 제 1경질 입자를 포함한다. 도 2-7에 나타낸 바와 같이, 주석 오버플레이트(26), 중합체 코팅(28), 또는 스퍼터 코팅(30)이 베이스(24)에 전형적으로 배치된다.
설명은 슬라이딩 요소(20), 구체적으로 도 1의 핀 부싱을 참고하여 만들지만, 슬라이딩 요소(20)는 어느 타입의 부싱일 수 있다는 것으로 이해되어야 한다. 대안으로, 슬라이딩 요소(20)는 어떤 타입, 예컨대 반대 절반 쉘(나타내지 않음)과 합하여 사용되는 절반 쉘을 포함하는 도 2의 타입의 베어링으로, 회전축, 예컨대 엔진의 크랭크축(나타내지 않음)을 저널화할 수 있다. 설명은 내연기관의 모든 타입의 부싱 및 베어링을 포함하는, 모든 타입의 슬라이딩 요소(20)에 적용가능하다.
슬라이딩 요소(20)는 오목 프로파일을 가지는 내표면과 볼록 프로파일을 가지는 반대로 대면하는 외표면을 제공하는, 백킹(22)을 포함한다. 한 구체예에서, 백킹(22)의 표면은 도 1에 나타낸 바와 같이, 중심 개구부(32) 주위로 360도 연장하는 원주를 각각 제공한다. 슬라이딩 요소(20)가 베어링을 포함할 때, 표면은 도 2에 나타낸 바와 같이, 반대 단부들 사이에서 연장한다. 슬라이딩 요소(20)의 백킹(22)은 내표면으로부터 외표면으로 연장하는 300 내지 5000미크론의 두께를 전형적으로 가진다. 백킹(22)은 강, 예컨대 보통 탄소 강 또는 합금된 강으로 전형적으로 형성된다. 따라서, 백킹(22)은 백킹(22)의 중량%로, 적어도 80.0 중량%, 바람직하게는 적어도 90.0 중량%, 또는 적어도 98.0 중량%의 양의 철을 포함한다.
속성 코팅(34)은 도 3에 나타낸 바와 같이, 백킹(22)의 외표면에 그리고 그것을 따라 연속적으로 배치될 수 있다. 속성 코팅(34)은 오목 프로파일을 가지는 내표면과 볼록 프로파일을 가지는 반대로 대면하는 외표면을 제공한다. 속성 코팅(34)은 외표면으로부터 내표면으로 연장하는 0.3 내지 3.0미크론의 두께를 전형적으로 가진다. 속성 코팅(34)의 표면은 중심 개구부(32) 주위로 360도 연장하는 원주를 각각 제공하고, 백킹(22)의 표면에 방사상으로 배열된다. 속성 코팅(34)은 속성 코팅(34)의 중량%로, 적어도 80.0 중량%, 바람직하게는 적어도 85.0 중량%, 또는 적어도 95.0 중량%의 양의 주석을 포함한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 베이스(24)는 백킹(22)의 내표면에 그리고 그것을 따라 연속적으로 부착된다. 베이스(24)는 오목 프로파일을 가지는 내표면과 볼록 프로파일을 가지는 반대로 대면하는 외표면을 제공한다. 베이스(24)는 슬라이딩 요소(20)를 사용하기 전에, 내표면으로부터 외표면으로 연장하는 300 내지 2000미크론의 두께를 전형적으로 가진다. 베이스(24)의 표면은 중심 개구부(32) 주위로 360도 연장하는 원주를 각각 제공하고, 백킹(22)의 표면에 방사상으로 배열된다.
상기 언급된 바와 같이, 한 구체예에서, 베이스(24)는 베이스(24)의 총중량을 기준으로 베이스(24)의 중량%로, 적어도 20.0 중량%, 또는 적어도 70.0 중량%, 또는 적어도 80.0 중량%의 양의 구리를 포함한다. 다른 구체예에서, 베이스(24)는 98.9 중량% 이하, 또는 97.0 중량% 이하, 또는 95.0 중량% 이하의 양의 구리를 포함한다. 다른 구체예에서, 베이스(24)는 20.0 내지 98.9 중량%, 또는 70.0 내지 97.0 중량%, 또는 80.0 내지 95.0 중량%의 양의 구리를 포함한다.
한 구체예에서, 베이스(24)는 베이스(24)의 총중량을 기준으로 베이스(24)의 중량%로, 적어도 0.1 중량%, 또는 적어도 2.0 중량%, 또는 적어도 3.5 중량%의 양의 주석을 포함한다. 다른 구체예에서, 베이스(24)는 15.0 중량% 이하, 또는 12.0 중량% 이하, 또는 8.0 중량% 이하의 양의 주석을 포함한다. 다른 구체예에서, 베이스(24)는 0.1 내지 15.0 중량%, 또는 2.0 내지 12.0 중량%, 또는 3.5 내지 8.0 중량%의 양의 주석을 포함한다. 슬라이딩 요소(20)가 주석 오버플레이트(26)를 포함할 때, 베이스(24)는 바람직하게는 2.0 내지 10.0 중량%의 주석, 및 더 바람직하게는 4.0 내지 8.0 중량%의 주석을 포함한다. 그러나, 슬라이딩 요소(20)가 주석 오버플레이트(26)를 포함하지 않을 때, 베이스(24)는 바람직하게는 8.0 내지 12.0 중량%의 주석을 포함한다.
상기 언급된 바와 같이, 한 구체예에서, 베이스(24)는 베이스(24)의 총중량을 기준으로 베이스(24)의 중량%로, 적어도 0.1 중량%, 또는 적어도 0.5 중량%, 또는 적어도 2.0 중량%의 양의 비스무트를 포함한다. 다른 구체예에서, 베이스(24)는 8.0 중량% 이하, 또는 7.0 중량% 이하, 또는 6.5 중량% 이하의 양의 비스무트를 포함한다. 다른 구체예에서, 베이스(24)는 0.1 내지 8.0 중량%, 또는 0.5 내지 7.0 중량%, 또는 2.0 내지 6.5 중량%의 양의 비스무트를 포함한다.
베이스(24)의 조성은, 베이스(24)의 화학적 분석, 예를 들어 에너지 분산형 X-선(EDX) 분광 사진법에 의해 검출될 수 있다. 베이스(24) 내의 조성 변동은 주사 전자 현미경(SEM) 후방-산란 전자 현미경 사진으로 관찰되고 기록될 수 있고, 다양한 조성과 관련되는 특징은 또한 광학 현미경 사진으로 관찰되고 기록될 수 있다. 베이스(24)의 조성은 하기 논의되는 바와 같이, 베이스(24)를 소결하고 롤링(rolling)한 후 측정된다. 완성된 베이스(24)는 구리 및 주석의 구리-기재 매트릭스(36)와 비스무트의 섬(38)을 전형적으로 포함한다. 비스무트의 섬(38)은 도 1a 및 7a에 나타낸 바와 같이, 바람직하게는 구리-기재 매트릭스(36)를 통해 고르게 분산되고, 구리-기재 매트릭스(36)에 의해 서로 간격져 있다. 제 1경질 입자(40)는 또한 바람직하게는 구리-기재 매트릭스(36)를 통해 고르게 분포된다. 제 1경질 입자(40)는 전형적으로 서로 간격져 있고, 구리-기재 매트릭스(36)에 의해 비스무트의 섬(36)으로부터 간격져 있다.
베이스의 형성 방법은 베이스(24)가 Cu, Sn, 및 Bi의 순수 원소보다는 예비-합금으로부터 형성되도록, Cu-Sn-Bi 합금으로서 구리, 주석, 및 비스무트를 제공하는 단계를 전형적으로 포함한다. 한 구체예에서, Cu-Sn-Bi 합금은 Cu-Sn-Bi 합금의 중량%로, 적어도 70.0 중량%의 양의 구리, 0.1 내지 15.0 중량%의 양의 주석, 및 1.0 내지 8.0 중량%의 양의 비스무트를 포함한다.
베이스(24)는 단지 불가피한 불순물로, 따라서 0.5 중량% 이하, 바람직하게는 0.1 중량% 이하, 및 가장 바람직하게는 0 중량%의 양의 납을 포함한다. 따라서, 베이스(24)는 0.5 중량% 또는 그 이상의 납을 포함하는 종래 기술의 슬라이딩 요소와 비교해, 감소된 건강, 안전, 및 환경 염려를 제공한다. 한 구체예에서, 예컨대 유럽에서 판매되는 슬라이딩 요소(20)에 대한, 베이스(24)는 최대 0.1 중량%의 양의 납을 포함한다.
상기 언급된 바와 같이, 베이스(24)는 도 1a에 나타낸 바와 같이, 구리-기재 매트릭스(36)를 통해 전형적으로 고르게 분산되는, 제 1경질 입자(40)를 또한 포함한다. 제 1경질 입자(40)는 베이스(24)의 연성, 내마모성, 및 강도 중 적어도 하나에 영향을 미치기에 충분한 경도를 가진다. 한 구체예에서, 제 1경질 입자(40)는 25℃의 온도에서 적어도 600 HV 0.05, 또는 적어도 800 HV 0.05, 또는 적어도 850 HV 0.05의 경도를 가지는 재료를 포함한다.
제 1경질 입자(40)를 형성하기 위해 사용되는 재료의 경도를, Materials. Co. Uk Website. Vickers Hardness. http://www.materials.co.uk/vickers.htm. 2010년 10월 25일에 기술된 바와 같이, HV 0.05의 미세경도 스케일을 사용한 비커스 경도 시험에 의해 측정할 수 있다. HV 0.05의 미세경도 스케일을 사용하는 경도 시험은 재료로 형성된 시험 시편에 0.4903 N의 힘(F)을 적용하는 단계를 포함한다. 힘은 정점에서 반대 면들 사이에 136°각도를 포함하는 정사각형-기반 피라미드 다이아몬드 인덴터(indenter)를 사용하여 시험 시편에 적용된다. 힘은 2초 내지 8초 동안 적용되고, 힘은 10초 내지 15초 동안 유지된다. 힘을 제거하면, 압흔의 대각선 길이를 측정하고, 산술 평균, d를 계산한다. 비커스 경도 값, HV는 하기 식에 의해 결정된다:
HV = 상수 × 시험 힘 / 압흔의 표면적
HV = 0.102 × 2F [sin(136°/ 2)]/ d2
제 1경질 입자(40)는 또한 베이스(24)의 연성, 내마모성, 및 강도 중 적어도 하나에 영향을 주기에 충분한 입자 크기를 가진다. 한 구체예에서, 제 1경질 입자(40)는 10.0미크론 이하, 또는 8.0미크론 이하, 또는 6.0미크론 이하의 부피에 의한 D50 입자 크기를 가진다. 부피에 의한 D50 입자 크기는, 제 1경질 입자(40)의 50.0 중량%는 더 큰 동등한 구형 직경을 가지고, 제 1경질 입자(40)의 50.0 중량%는 더 작은 동등한 구형 직경을 가지는, D50 직경으로도 언급된, 제 1경질 입자(40)의 동등한 구형 직경이다. D50 직경은 제 1경질 입자(40)의 어떤 가공처리 전에, 제 1경질 입자(40)의 입자 크기 분포 디스플레이로부터 결정된다. Beckman-Coulter LS-230 레이저 산란 기구가 입자 크기 분포, 따라서 제 1경질 입자(40)의 D50 직경을 얻기 위해 사용될 수 있다. 한 구체예에서, 제 1경질 입자(40)는 도 7a에 나타낸 바와 같이, 제 2군의 입자(52)보다 작은 입자 크기를 가진 제 1군의 입자(50)와 같은 입자 크기들의 혼합물을 포함한다. 제 1경질 입자(40)의 제 1 및 제 2군(50, 52)은 구리-기재 매트릭스(36)를 통해 전형적으로 고르게 분산된다.
한 구체예에서, 제 1경질 입자(40)는 적어도 하나의 Fe3P 및 MoSi2, 그리고 바람직하게는 Fe3P와 MoSi2의 혼합물을 포함한다. 그러나, 상기 논의된 경도 및 입자 크기를 가지는 다른 화합물 또는 혼합물이 Fe3P 및 MoSi2를 대체하거나 또는 Fe3P 및 MoSi2와 함께 사용될 수 있다. 다른 제 1경질 입자(40)의 예는 금속 붕화물, 금속 규화물, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 탄화물, 금속 인화물, 금속간 화합물, 금속 산화질화물, 금속 탄화질화물, 금속 산화탄화물, 및 그것들의 혼합물을 포함한다. 게다가, 상기 기술된 제 1경질 입자(40)는 공칭 양의 추가 원소 또는 불순물을 포함할 수 있다. 제 1경질 입자(40)의 존재 및 조성은 베이스(24)의 화학적 분석, 예를 들어 EDX 분광 사진, 또는 SEM 후방-산란 전자 현미경 사진, 또는 광학 현미경 사진에 의해 검출될 수 있다.
한 구체예에서, 베이스(24)는 베이스(24)의 총중량을 기준으로 베이스(24)의 중량%로, 적어도 0.2 중량%, 또는 적어도 0.5 중량%, 적어도 1.0 중량%의 양의 제 1경질 입자(40)를 포함한다. 다른 구체예에서, 베이스(24)는 5.0 중량% 이하, 또는 4.0 중량% 이하, 또는 3.5 중량% 이하의 양의 제 1경질 입자(40)를 포함한다. 다른 구체예에서, 베이스(24)는 0.2 내지 5.0 중량%, 또는 0.5 내지 4.0 중량%, 또는 1.0 내지 3.5 중량%의 양의 제 1경질 입자(40)를 포함한다. 슬라이딩 요소(20)가 주석 오버플레이트(26)를 포함할 때, 제 1경질 입자(40)는 베이스(24)의 비스무트가 주석 오버플레이트(26)의 주석으로 확산하는 것을 방지하기에 충분한 양으로 존재한다. 따라서, 제 1경질 입자(40)는 슬라이딩 요소(20)를 약화시키는, 주석과 비스무트의 공융 합금과 비스무트 풀(pool)의 형성을 방지한다.
한 구체예에서, 제 1경질 입자(40)는 제 1경질 입자(40)의 총중량을 기준으로 제 1경질 입자(40)의 중량%로, 적어도 90.0 중량%의 양의 Fe3P를 포함한다. 다른 구체예에서, 제 1경질 입자(40)는 적어도 90.0 중량%의 양의 MoSi2를 포함한다. 다른 구체예에서, 제 1경질 입자(40)는 총량의 적어도 90.0 중량%으로 Fe3P와 MoSi2의 혼합물을 포함한다.
한 구체예에서, 제 1경질 입자(40)는 제 1경질 입자(40)의 중량%로, 40.0 내지 60.0 중량%의 양의 Fe3P, 및 40.0 내지 60.0 중량%의 양의 MoSi2를 포함한다. 다른 구체예에서, 제 1경질 입자(40)는 70.0 중량% 이하의 양의 Fe3P, 및 70.0 중량% 이하의 양의 MoSi2를 포함한다.
베이스(24)는 적어도 하나의 추가 금속, 예컨대 Ni, Fe, Zn, Al, Mg, Cr, Mn, Ti, Mo, Nb, Zr, Ag, Si, Be, 및 그것들의 조합을 포함할 수 있다. 베이스(24)는 베이스(24)의 총중량을 기준으로, 총량의 50.0 중량% 이하, 바람직하게는 20.0 중량% 이하의 추가 금속을 포함한다.
베이스(24)는 하기 논의되는 방법에 따르는 슬라이딩 요소(20)의 백킹(22)에 결합된다. 베이스(24)는 1.5% 이하의 밀폐 기공률 및 적어도 8.668 g/㎤의 밀도를 가진다. 한 구체예에서, 베이스(24)의 전체 이론 밀도는 8.800 g/㎤이고, 밀도는 전체 이론 밀도의 98.5%이다. 따라서, 베이스(24)는 오일 또는 다른 물질에 실질적으로 불침투성인 이점을 제공한다.
상기 언급된 바와 같이, 한 구체예에서, 슬라이딩 요소(20)는 베이스(24)에 배치되는 주석 오버플레이트(26)를 포함한다. 주석 오버플레이트(26)가 베이스(24)에 직접 배치될 수 있거나, 또는 대안으로 니켈 장벽층(42)이 베이스(24)와 주석 오버플레이트(26) 사이에 배치된다.
몇 가지 구체예에서, 도 4 및 5에 나타낸 바와 같이, 니켈 장벽층(42)은 베이스(24)와 주석 오버플레이트(26) 사이에, 베이스(24)의 내표면에 그리고 그것을 따라 연속적으로 배치된다. 니켈 장벽층(42)은 오목 프로파일을 가지는 내표면과 볼록 프로파일을 가지는 반대로 대면하는 외표면을, 내표면으로부터 외표면으로 연장하는 1.0미크론 내지 12.0미크론의 두께로 제공한다. 니켈 장벽층(42)의 표면은 중심 개구부(32) 주위로 360도 연장하는 원주를 각각 제공하고, 베이스(24)의 표면에 방사상으로 배열한다. 니켈 장벽층(42)은 니켈 장벽층(42)의 중량%로, 적어도 50.0 중량%의 양의 니켈, 및 50.0 중량% 이하의 양의 추가 성분, 예컨대 적어도 하나의 아연, 크롬, 구리, 및 그것들의 합금을 포함한다. 니켈 장벽층(42)은 슬라이딩 요소(20)를 사용하는 동안, 주석 오버플레이트(26)의 베이스(24)에 대한 결합을 개선할 수 있고, 베이스(24)로부터 주석 오버플레이트(26)로, 그리고 그 반대의 구리의 확산을 방지할 수 있다.
주석 오버플레이트(26)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 니켈 장벽층(42)의 내표면에 그리고 그것을 따라 연속적으로 배치될 수 있다. 주석 오버플레이트(26)는 오목 프로파일을 가지는 내표면과 볼록 프로파일을 가지는 반대로 대면하는 외표면을 제공한다. 주석 오버플레이트(26)는 내표면으로부터 외표면으로 연장하는 1.0미크론 내지 20.0미크론의 두께를 가진다. 이 구체예에서, 주석 오버플레이트(26)는 회전축 또는 핀(나타내지 않음)을 연결하기 위한 가동 표면을 제공한다. 주석 오버플레이트(26)의 표면은 중심 개구부(32) 주위로 360도 연장하는 원주를 각각 제공하고, 니켈 장벽층(42)의 표면에 방사상으로 배열한다.
주석 오버플레이트(26)는 바람직하게는 주석 오버플레이트(26)의 중량%로, 적어도 50.0 중량%의 양의 주석을 포함한다. 한 구체예에서, 주석 오버플레이트(26)는 또한 1.0 내지 10.0 중량%의 양의 구리 및 10.0 중량% 이하의 양의 니켈을 포함한다. 한 바람직한 구체예에서, 주석 오버플레이트(26)는 SnCu6을 포함하고, 전기도금 공정에 의해 베이스(24)에 도포된다. 상기 언급된 바와 같이, 제 1경질 입자(40)는 베이스(24)의 비스무트가 주석 오버플레이트(26)의 주석으로 확산하는 것을 방지한다. 따라서, 제 1경질 입자(40)는 슬라이딩 요소(20)를 약화시키는, 주석과 비스무트의 공융 합금의 형성을 방지하고, 베이스(24)의 표면 또는 주석 오버플레이트(26)에서 비스무트 풀의 형성을 방지한다.
다른 구체예에서, 도 5에 나타낸 바와 같이, 슬라이딩 요소(20)는 니켈 장벽층(42)의 내표면에 그리고 그것을 따라 연속적으로 배치되는 주석-니켈 중간층(44)을, 니켈 장벽층(42)의 내표면과 주석 오버플레이트(26)의 외표면 사이에 포함한다. 주석-니켈 중간층(44)은 오목 프로파일을 가지는 내표면과 볼록 프로파일을 가지는 반대로 대면하는 외표면을, 내표면으로부터 외표면으로 연장하는 5 내지 15미크론의 두께로 제공한다. 주석-니켈 중간층(44)의 표면은 중심 개구부(32) 주위로 360도 연장하는 원주를 각각 제공하고, 베이스(24)의 표면에 방사상으로 배열한다. 한 구체예에서, 주석-니켈 중간층(44)은 주석-니켈 중간층(44)의 중량%로, 적어도 20.0 중량%의 양의 니켈, 및 적어도 50.0 중량%의 양의 주석을 포함한다. 주석-니켈 중간층(44)은 슬라이딩 요소(20)를 사용하는 동안, 주석 오버플레이트(26)의 베이스(24)에 대한 결합을 또한 개선할 수 있고, 베이스(24)로부터 주석 오버플레이트(26)로, 그리고 그 반대의 구리의 확산을 방지할 수 있다.
다른 구체예에서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 논의된 속성 코팅(34)은 또한 주석 오버플레이트(26)의 내표면에 그리고 그것을 따라 연속적으로 배치된다. 이 구체예에서, 속성 코팅(34)은 회전축 또는 핀을 연결하기 위한 가동 표면을 제공한다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 슬라이딩 요소(20)는 주석 오버플레이트(26) 및 다른 코팅 또는 층 대신에, 베이스(24)의 내표면에 그리고 그것을 따라 연속적으로 배치되는 스퍼터 코팅(30)을 대안으로 포함할 수 있다. 대안으로, 스퍼터 코팅(30)이 다른 코팅 또는 층과 함께 사용될 수 있다. 스퍼터 코팅(30)은 오목 프로파일을 가지는 내표면과 볼록 프로파일을 가지는 반대로 대면하는 외표면을, 내표면으로부터 외표면으로 연장하는 10 내지 30미크론의 두께로 제공한다. 스퍼터 코팅(30)의 표면은 중심 개구부(32) 주위로 360도 연장하는 원주를 각각 제공하고, 베이스(24)의 표면에 방사상으로 배열한다. 스퍼터 코팅(30)은 스퍼터 코팅(30)의 중량%로, 적어도 50.0 중량%의 양의 알루미늄, 및 적어도 1.0 중량% 양의 주석을 포함한다. 스퍼터 코팅(30)은 물리적 증착에 의해 베이스(24)에 바람직하게 도포된다. 이 구체예에서, 스퍼터 코팅(30)은 회전축 또는 핀을 연결하기 위한 가동 표면을 제공한다.
다른 언급된 구체예에서, 도 7에 나타낸 바와 같이, 슬라이딩 요소(20)는 주석 오버플레이트(26) 및 다른 코팅 또는 층 대신에, 베이스(24)의 내표면에 그리고 그것을 따라 연속적으로 배치되는 중합체 코팅(28)을 포함한다. 대안으로, 중합체 코팅(28)이 다른 코팅 또는 층과 함께 사용될 수 있다. 중합체 코팅(28)은 오목 프로파일을 가지는 내표면과 볼록 프로파일을 가지는 반대로 대면하는 외표면을, 내표면으로부터 외표면으로 연장하는 4 내지 20미크론의 초기 두께로 제공한다. 중합체 코팅(28)의 표면은 베이스(24)의 표면에 방사상으로 배열하고, 중심 개구부(32) 주위로 360도 연장하는 원주를 각각 제공한다. 중합체 코팅(28)의 예는 WO 2010/076306호에 개시되고, 본원에 참고자료로 포함된다.
중합체 코팅(28)은 하기 논의되는 바와 같이, 중합체 매트릭스(46)와 중합체 매트릭스(46)를 통해 분산되는 다수의 제 2경질 입자(48)를 전형적으로 포함한다. 한 구체예에서, 중합체 코팅(28)은 중합체 코팅(28)의 총부피를 기준으로 중합체 코팅(28)의 부피 퍼센트(부피%)로, 적어도 40.0 부피%, 또는 적어도 50 부피%, 또는 적어도 60 부피%, 또는 적어도 80 부피%, 또는 적어도 85 부피%의 양의 중합체 매트릭스(46)를 포함한다. 중합체 매트릭스(46)는 단일 중합체 혹은 중합체들, 수지, 또는 플라스틱의 혼합물, 그리고 열가소성 또는 열경화성 중합체로 형성될 수 있다. 중합체 매트릭스(46)는 또한 합성 및 가교된 중합체를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 중합체 매트릭스(46)는 내고온성 및 우수한 내화학성을 가진다. 중합체 매트릭스(46)는 적어도 210℃, 바람직하게는 적어도 220℃, 및 더 바람직하게는 적어도 230℃의 용융점을 전형적으로 가진다. 한 구체예에서, 중합체 매트릭스(46)는 적어도 하나의 폴리아릴레이트, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르술폰(PES), 폴리아미드 이미드(PAI), 폴리이미드(PI), 에폭시 수지, 폴리벤즈이미다졸(PBI), 및 실리콘 수지를 포함한다.
중합체 코팅(28)은 또한 제 2경질 입자(48)를 포함한다. 중합체 코팅(28)의 제 2경질 입자(48)의 조성은 상기 열거된 베이스(24)에서 사용된 제 1경질 입자(40)의 조성과 동일할 수 있다. 그러나, 중합체 코팅(28)을 위해 선택되는 제 2경질 입자(48)는 베이스(24)를 위해 선택되는 제 1경질 입자(40)와 전형적으로 다르다. 중합체 코팅(28)의 제 2경질 입자(48)는 25℃의 온도에서 적어도 600, 더 바람직하게는 적어도 620, 및 훨씬 더 바람직하게는 적어도 650 HV 0.05의 경도를 가지는 재료를 전형적으로 포함한다. 제 2경질 입자(48)를 형성하기 위해 사용되는 재료의 경도는 상기 논의된 바와 같이, HV 0.05의 미세경도 스케일을 사용하는 비커스 경도 시험에 의해 측정될 수 있다. 제 2경질 입자(48)는 10.0미크론 이하, 바람직하게는 0.1 내지 5.0미크론의 부피에 의한 D50 입자 크기를 가진다.
한 구체예에서, 중합체 코팅(28)의 제 2경질 입자(48)는 도 7b에 나타낸 바와 같이, 제 2군의 입자(56)보다 작은 입자 크기를 가진 제 1군의 입자(54)와 같은 입자 크기들의 혼합물을 포함한다. 제 2경질 입자(48)의 제 1및 제 2군(54, 56)은 중합체 매트릭스(46)를 통해 전형적으로 고르게 분산된다.
한 구체예에서, 중합체 코팅(28)의 제 2경질 입자(48)는 적어도 하나의 금속 질화물, 예컨대 입방체 BN, 및 Si3N4; 금속 탄화물, 예컨대 SiC 및 B4C; 금속 산화물, 예컨대 TiO2, Fe2O3, 및 SiO2; 금속 규화물, 예컨대 MoSi2; 금속 붕화물; 금속 인화물, 예컨대 Fe3P; 금속간 화합물; 금속 산화질화물; 금속 탄화질화물; 금속 산화탄화물; Ag, Pb, Au, SnBi 및/또는 Cu의 금속 분말; 및 그것들의 혼합물을 포함한다. 한 구체예에서, 중합체 코팅(28)은 중합체 코팅(28)의 총부피를 기준으로, 0.1 내지 15.0 부피%, 또는 0.5 내지 8.0 부피%의 양의, 제 2경질 입자(48) 중 한가지로서의 Fe2O3, 그리고 중합체 코팅(28)의 총부피를 기준으로, 5.0 부피% 이하, 또는 3.0 내지 5.0 부피%의 양의 다른 제 2경질 입자(48)를 포함한다.
중합체 코팅(28)은 또한 고체 윤활제, 예컨대 MoS2, 그라파이트, WS2, 6방정계 질화붕소(h-BN), 및 PTFE를 포함할 수 있다. 한 구체예에서, 중합체 코팅(28)은 중합체 코팅(28)의 총부피를 기준으로 중합체 코팅(28)의 부피%로, 5.0 내지 40.0 부피%의 양의 고체 윤활제를 포함한다.
중합체 코팅(28)은 베이스(24)와 백킹(22)을 서로 소결한 후, 베이스(24)의 내표면에 도포된다. 중합체 코팅(28)은 도 7에 나타낸 바와 같이, 베이스(24)와 중합체 코팅(28) 사이에, 바람직하게는 다른 요소 없이 베이스(24)에 직접 도포된다. 한 구체예에서, 다층의 중합체 코팅(28)은 WO 2010/076306호에 개시된 바와 같이, 베이스(24)에 도포된다. 조성은 동일하거나 서로 다를 수 있다. 중합체 코팅(28)은 WO 2010/076306호에 개시된 방법, 또는 다른 방법에 따라 도포된다.
슬라이딩 요소(20)가 베이스(24)에 도포되는 중합체 코팅(28)을 포함할 때, 중합체 코팅(28) 및 베이스(24)의 부분들이 점점 없어진 후에도, 슬라이딩 요소(20)는 계속해서 예외적인 강도, 내시저성, 및 내마모성을 제공한다. 시간이 지남에 따라 슬라이딩 요소(20)를 사용하는 동안, 슬라이딩 요소(20)에 적용된 하중은 도 7-10에 나타낸 바와 같이, 먼저 중합체 코팅(28)이 점점 없어지게 하고, 따라서 중합체 코팅(28)의 제 2경질 입자(48)가 제거되고, 베이스(24)는 노출된다. 그러나, 중합체 코팅(28)으로부터 제거된 제 2경질 입자(48)는 도 8-10에 나타낸 바와 같이, 사용하는 동안 계속해서 슬라이딩 요소(20)에 적용되는 하중으로 인해, 베이스(24)의 노출된 구리-기재 매트릭스(36)에 재-임베이드된다. 나머지 중합체 코팅(28)과 함께 그 제 2경질 입자(48)는 계속해서 강도, 내시저성, 및 내마모성을 제공한다. 게다가, 중합체 코팅(28)은 계속해서 베이스(24) 쪽으로 마모되기 때문에, 임베이드된 제 2경질 입자(48)는 도 9 및 9a에 나타낸 바와 같이, 슬라이딩 요소 용도에 전형적으로 사용되는 윤활유(58)를 저장하고 따라서 추가 보호를 제공하기 위해, 그 사이에 오일 리저버를 제공한다.
마침내, 베이스(24)의 노출된 구리-기재 매트릭스(36)의 부분들은 도 10에 나타낸 바와 같이, 또한 점점 없어져, 베이스(24)의 제 1경질 입자(40)의 일부를 노출한다. 베이스(24)의 제 1경질 입자(40)의 일부, 전형적으로 더 작은 입자의 제 1군(50)은 제거되고 재-임베이드될 수 있으나, 더 큰 입자의 2군(52)은 구리-기재 매트릭스(36)에 전형적으로 임베이드되어 남고, 계속해서 슬라이딩 요소(20)에 적용된 하중을 지지하여, 강도, 내시저성, 및 내마모성을 제공한다. 초기에는 중합체 코팅(28)에 존재하나, 시간이 지남에 따라 구리-기재 매트릭스(36)에 임베이드되는, 제 2경질 입자(48)는 도 10에 나타낸 바와 같이, 베이스(24)의 내표면에 또한 노출되고, 계속해서 하중을 지지한다.
베이스(24)로부터 임베이드된 제 1경질 입자(40) 및 중합체 코팅(28)으로부터 임베이드된 제 2경질 입자(48)는 도 10 및 10a에 나타낸 바와 같이, 윤활유(58)를 저장하고 훨씬 더 보호를 제공하기 위해, 그 사이에 오일 리저버를 또한 제공한다. 따라서, 본 발명의 베이스(24) 및 중합체 코팅(28)은 종래 기술의 슬라이딩 요소와 비교해, 시간이 지남에 따라 개선되는 강도, 내시저성, 및 내마모성을 갖는 슬라이딩 요소(20)를 함께 제공한다.
본 발명은 또한 상기 기술한 슬라이딩 요소(20)의 형성 방법을 제공한다. 방법은 본 분야에 알려진 어떤 방법에 따라 제조될 수 있는 강으로 전형적으로 형성되는, 백킹(22)을 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 순수 원소, 화합물, 또는 합금의 성긴 분말 금속 혼합물의 형태의 베이스(24)를 제공하는 단계를 포함한다. 한 바람직한 구체예에서, 베이스(24)의 구리, 주석, 및 비스무트는 함께 예비-합금되고, 구리, 주석, 및 비스무트의 합금으로서 제공된다. 한 구체예에서, 베이스(24)의 구리, 주석, 비스무트, 및 어떤 추가 분말 금속은 기체 미분화 분말, 액체 미분화 분말, 또는 그것들의 혼합물의 형태로 제공된다. 구리, 주석, 및 비스무트는 제 1경질 입자(40) 및 어떤 다른 원소 또는 성분과 상기 기술된 양으로 혼합된다.
그 다음, 방법은 백킹(22)에 분말 금속 혼합물을 배치하거나 또는 부착하는 단계를 포함한다. 분말 금속 혼합물은 본 분야에 알려진 어떤 방법에 따르는 백킹(22)에 도포될 수 있다. 바람직하게는, 방법은 백킹(22)의 표면을 세척한 후, 베이스(24)를 거기에 부착하는 단계를 포함한다. 그 다음, 방법은 백킹(22)에 부착된 분말 금속 혼합물을 가열하고 소결하여, 베이스(24)를 백킹(22)에 결합하는 단계를 포함한다. 한 구체예에서, 방법은 가열하고 소결하는 단계 후, 백킹(22)에 부착된 분말 금속 혼합물을 롤링하여, 슬라이딩 요소(20)의 강도 및 밀도, 그리고 베이스(24)의 백킹(22)에 대한 금속학적 결합을 증가시키는 단계를 또한 포함한다. 롤링 단계는 또한 베이스(24)의 기공률을 감소시킨다.
베이스(24)를 백킹(22)에 롤링한 후, 방법은, 롤링 단계 동안 감소되는 기공률과 관련되는 부위에서 베이스(24) 내의 내부 확산을 촉진시키기에 충분한 시간과 온도 동안 다시 베이스(24)와 백킹(22)을 가열하는 단계를 포함하는, 제 2가열 단계를 전형적으로 포함한다. 제 2가열 단계는 베이스(24)의 미세 구조의 균질성, 따라서 베이스(24)의 강도를 증가시킨다. 제 2가열 단계 동안 일어나는 내부 확산은 베이스(24)를 통해 존재할 수 있는 미세균열을 또한 감소시킨다.
몇 가지 바람직한 구체예에서, 방법은 상기 논의된 적어도 하나의 추가 층 또는 코팅 성분을 베이스(24)에 도포하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 방법은 백킹(22) 및 베이스(24)의 표면을 세척한 후, 추가 성분을 베이스(24)에 도포하는 단계를 포함한다. 한 구체예에서, 방법은 가열 및 롤링 단계 후, 주석 오버플레이트(26)를 베이스(24)에 도포하는 단계를 포함한다. 주석 오버플레이트(26)를 베이스(24)에 도포하는 단계는 도금으로도 언급된다. 오버플레이트(26)는 본 분야에 알려진 다양한 방법, 예컨대 전기도금; 열코팅, 예컨대 플라즈마 분무, 고속 화염 분무, 및 냉각 기체 분무; 그리고 PVD 방법, 예컨대 스퍼터링에 따라 베이스(24)에 도포될 수 있다.
한 바람직한 구체예에서, 방법은 니켈 장벽층(42)을 베이스(24)에 도포하는 단계, 그 다음 주석 오버플레이트(26)를 니켈 장벽층(42)에 도포하는 단계를 포함한다. 다른 구체예에서, 방법은 니켈 장벽층(42)을 베이스(24)에 도포하는 단계, 주석-니켈 중간층(44)을 니켈 장벽층(42)에 도포하는 단계, 이어서 주석 오버플레이트(26)를 주석-니켈 중간층(44)에 도포하는 단계를 포함한다. 다른 구체예에서, 방법은 속성 코팅(34)을 백킹(22)의 외표면 또는 주석 오버플레이트(26)의 내표면에 도포하는 단계를 포함한다. 니켈 장벽층(42), 주석-니켈 중간층(44), 및 속성 코팅(34)은 본 분야에 알려진 다양한 방법, 예컨대 전기도금 및 스퍼터링에 의해 베이스(24)에 도포될 수 있다.
다른 구체예에서, 방법은 스퍼터 코팅(30)을 베이스(24)에, 홀로 또는 다른 성분들과 조합하여 도포하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 스퍼터 코팅(30)은 베이스(24)에 직접 배치될 수 있고, 슬라이딩 요소(20)의 가동 표면을 제공할 수 있다. 스퍼터 코팅(30)은, 스퍼터 코팅(30)의 재료, 예컨대 알루미늄을 기화시키는 단계, 및 기화된 재료를 베이스(24)에 응축시키는 단계를 전형적으로 포함하는, 물리적 증착 공정에 의해 도포된다.
다른 구체예에서, 방법은 중합체 코팅(28)을 베이스(24)에 도포하는 단계를 포함한다. 방법은 중합체 코팅(28)을 도포하기 전에, 중합체 코팅(28)의 도포를 위해 베이스(24)를 제조하는 단계를 바람직하게는 먼저 포함한다. 베이스(24)는 중합체 코팅(28)을 위해 본 분야에 알려진 다양한 방법, 예컨대 탈지; 화학적 또는 물리적 활성화; 및 기계적 조면화(roughening), 예를 들어 샌드 블라스팅(sand blasting) 또는 분쇄에 의해 제조될 수 있다. 베이스(24)가 제조된 후, 중합체 코팅(28)은 본 분야에 알려진 방법, 예컨대 바니싱(varnishing) 공정; 침지; 분무; 또는 인쇄 공정, 예컨대 스크린 또는 패드(pad) 인쇄에 의해 도포된다. 중합체 코팅(26)을 도포하는 방법의 예는 WO 2010/076306호에 개시된다.
상기 언급된 바와 같이, 본 발명은 종래 기술의 슬라이딩 요소와 비교해, 무연이고 우수한 강도 및 내마모성을 제공하는 슬라이딩 요소(20)를 제공한다. 베이스(24)의 조성은, 비스무트가 주석 오버플레이트(26), 니켈 장벽층(42), 주석-니켈 중간층(44), 스퍼터 코팅(30), 또는 속성 코팅(34)으로 확산하는 것이 최소화되도록 한다. 베이스(24)와 중합체 코팅(28)의 조합은 시간이 지남에 따라 예외적인 내마모성 및 강도를 또한 제공한다.
실시예
하기는 실시예 슬라이딩 요소(20) 구성, 그뿐만 아니라 상기 기술된 베이스(24), 제 1경질 입자(40), 주석 오버플레이트(26), 및 니켈 장벽층(42)의 실시예 조성도 제공한다.
실시예 1의 슬라이딩 요소(20) 구성은 도 4에 나타낸 바와 같이, 베이스(24), 베이스(24)에 배치된 니켈 장벽층(42), 및 니켈 장벽층(42)에 배치된 주석 오버플레이트(26)를 포함한다. 실시예 2는 도 5에 나타낸 바와 같이, 베이스(24), 베이스(24)에 배치된 니켈 장벽층(42), 니켈 장벽층(42)에 배치된 주석-니켈 중간층(44), 및 주석-니켈 중간층(44)에 배치된 주석 오버플레이트(26)를 포함한다. 실시예 3은 도 6에 나타낸 바와 같이, 베이스(24)에 직접 배치된 스퍼터 코팅(30)을 포함한다. 실시예 4는 도 7에 나타낸 바와 같이, 베이스(24)에 직접 배치된 중합체 코팅(28)을 포함한다.
하기 표들은 상기 기술된 베이스(24), 베이스(24)의 제 1경질 입자(40), 및 주석 오버플레이트(26), 니켈 장벽층(42), 주석-니켈 중간층(44), 및 중합체 코팅(28)의 실시예 조성을 제공한다. 표 1은 베이스(24)의 몇 가지 실시예 조성을 제공한다.
Figure pct00001
표 2는 Fe3P를 포함하는, 베이스(24)의 제 1경질 입자(40)의 실시예 조성을 제공한다.
Figure pct00002
표 3은 MoSi2를 포함하는, 베이스(24)의 제 1경질 입자(40)의 실시예 조성을 제공한다.
Figure pct00003
표 4는 주석 오버플레이트(26)의 몇 가지 실시예 조성을 제공한다.
Figure pct00004
표 5는 니켈 장벽층(42)의 몇 가지 실시예 조성을 제공한다.
Figure pct00005
실험 - 본 발명 및 비교 슬라이딩 요소의 평가
본 발명의 슬라이딩 요소(20) 및 비교 슬라이딩 요소의 샘플을 제조하고 분석하였다. 본 발명의 슬라이딩 요소(20)는 본원에 LF-4로 언급된, 표 1, 실시예 1의 조성을 가진 베이스(24)를 포함했다. 비교 슬라이딩 요소는 미국 특허 제6,746,154호에 따라 제조된 Cu-Sn-Bi 분말로 형성된, 본원에 LF-5로 언급된 베이스를 포함했다. 슬라이딩 요소 둘 다는 표 4, 실시예 4의 조성을 가진 주석 오버플레이트(26)를 포함했다. 슬라이딩 요소들을 175℃ 주변 분위기에서 309시간 동안 열처리하고, 공기 냉각으로 냉각시킨 다음 시험했다.
도 11은 가열 및 소결 단계 전, 주석 오버플레이트(26)(나타내지 않음)로 도금된 LF-4(왼쪽) 및 LF-5(오른쪽) 표면의 SEM 이미지를 포함한다. 재료 둘 다는 주석 노듈(nodule)의 균질한 층을 가졌다. 도 12는 열처리 후, 도 11의 LF-4 표면(오른쪽) 및 LF-5 표면(왼쪽)의 SEM 이미지를 포함한다. LF-5는 LF-4에는 나타나지 않은, 비스무트의 널리 퍼짐을 나타내는, 흰색 상을 포함했다. 도 13은 열처리 후, 도 11의 LF-4(아래) 및 LF-5(위)의 고배율 SEM 이미지를 포함하는데, 이것은 LF-5가 LF-4보다 표면에 상당히 많은 비스무트를 가졌다는 것을 나타낸다.
도 14는 열처리 전과 열처리 후, LF-4의 에너지 분산형 X-선 스펙트럼(EDX)을 포함한다. EDX는 베이스(24)의 일부 구리가 주석 오버플레이트(26)(나타내지 않음)로 확산시키도록 가열하고 소결하는 단계를 나타내지만, 열처리 후 비스무트 피크는 없다. 도 15는 열처리 전과 열처리 후, LF-5의 EDX를 포함한다. EDX는 베이스(24)의 일부 구리가 주석 오버플레이트(26)(나타내지 않음)로 확산시키도록 가열하고 소결하는 단계를 나타낸다. 도 15는 열처리 후 LF-5의 분명한 비스무트 피크를 나타낸다. 도 16은 열처리 후 LF-4를 LF-5와 비교하는 EDX를 포함한다. 단지 LF-5는 이러한 비교적 넓은 영역 스펙트럼에서 검출되도록 존재하는 충분한 비스무트를 가졌다.
도 17은 열처리 후 LF-5(위) 및 LF-4(아래)의 표면과 비교하는, 2차 이미지(왼쪽) 및 후방산란 이미지(오른쪽)를 포함한다. 도 17은 LF-5와 비교해, LF-4의 표면에 위치된 낮은 양의 비스무트를 나타낸다. 도 18은 전형적으로 열처리된 LF-4 표면의 2차 이미지(위 왼쪽) 및 후방산란 이미지(위 오른쪽), 그뿐만 아니라 최소 비스무트를 나타내는, 전형적으로 열처리된 LF-4 표면의 EDX 스펙트럼(아래)도 포함한다. 도 19는 LF-5의 몇 개의 위치에서, 열처리된 LF-5 표면의 후방산란 이미지 및 EDX 스펙트럼을 포함한다. EDX 스펙트럼은 위치에 의존하는, 다양한 수준의 비스무트 및 구리를 나타낸다. 도 18 및 19는 대부분의 LF-4 표면에서 비스무트가 없었다는 것을 나타낸다. 콘트라스트에 의한 LF-5는 모든 확대에서 비스무트의 일부 수준을 가졌고, 이것은 표면에서 더 많은 양의 비스무트를 나타낸다.
도 20은 LF-4의 열처리 전(왼쪽) 및 열처리 후(오른쪽)의 단면 시험을 포함한다. 이미지는 열처리 후 LF-4에서 차이가 거의 없다. 이미지는 열처리된 LF-5에서 전형적으로 나타냈던 비스무트 정제를 나타내지 않는다. 도 21은 LF-4(아래) 및 LF-5(위)의 열처리 전(왼쪽) 및 열처리 후(오른쪽)의 표면의 단면 시험을 포함한다. LF-4 및 LF-5 둘 다는 열처리 동안 2개의 표면층을 발달시켰다. 도 22는 LF-5(왼쪽)가 LF-4(오른쪽)와 비교해, 바닥 표면층 재료의 베이스와 제 2표면층 사이의 Kirkendall 기공이 훨씬 더 널리 퍼진 영역을 발달시킨 것을 나타낸다. 비스무트는 열처리된 LF-4의 상부 표면층에서 거의 없거나 또는 없었다.
도 23은 열처리된 LF-4(오른쪽) 및 LF-5(왼쪽)의 고배율 후방산란 이미지를 포함한다. 도 23의 이미지는 비스무트 풀을 나타내는 흰색 상을 나타낸다. 열처리된 LF-5의 표면층 둘 다는 제 2표면층의 베이스에서 비스무트 풀뿐만 아니라 기공도 포함했다. 이미지는 또한 LF-4에서 더 낮은 양의 비스무트 풀 및 기공률을 나타낸다. 도 24는 기공의 양면에서 비교가능한 수준의 구리 및 주석을 나타내는, 비스무트 및 기공의 라인을 가로지르는, 열처리된 LF-5의 EDX 라인 스펙트럼을 포함한다.
도 25는 열처리된 LF-4의 다양한 위치에서 LF-4의 고배율 이미지 및 EDX 라인 스펙트럼을 포함한다. 스펙트럼은 작은 양의 비스무트를 갖는 주로 주석인 상부 층, 매우 높은 수준의 주석을 갖는 주로 구리인 제 2층, 및 훨씬 더 낮은 주석 함량을 갖는 구리인 가장 낮은 층을 나타낸다. 도 26은 낮은 양의 비스무트(흰색 상), 그뿐만 아니라 분명한 영역의 구리 및 주석(어두운 상)도 나타내는, 도 25의 부분의 매우 높은 확대 후방산란 이미지를 포함한다.
명백하게, 본 발명의 많은 변형 및 변동이 상기 교시에 비추어 가능하다. 그러므로, 첨부된 청구범위의 범위 내에서, 본 발명은 구체적으로 기술되지 않는 한, 달리 실시될 수 있다는 것으로 이해된다. 본 발명은 청구범위에 의해 정의된다.

Claims (27)

  1. 백킹(22)과,
    베이스(24)의 중량 퍼센트(중량%)로, 20.0 내지 98.9 중량%의 양의 구리, 0.1 내지 15.0 중량%의 양의 주석, 0.1 내지 8.0 중량%의 양의 비스무트, 및 제 1경질 입자를 포함하고, 상기 백킹(22)에 배치되는, 베이스(24)를 포함하는 슬라이딩 요소(20).
  2. 제 1항에 있어서, 상기 베이스(24)는 80.0 중량% 내지 95.0 중량%의 양의 상기 구리, 3.0 중량% 내지 10.0 중량%의 양의 상기 주석, 0.5 중량% 내지 7.0 중량%의 양의 상기 비스무트, 및 0.2 중량% 내지 5.0 중량%의 양의 상기 제 1경질 입자(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소(20).
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1경질 입자(40)는 25℃의 온도에서 적어도 600 HV 0.05의 경도를 가진 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소(20).
  4. 제 1항에 있어서, 상기 베이스(24)는 상기 구리와 상기 주석의 구리-기재 매트릭스(36), 및 상기 구리-기재 매트릭스(36)에 의해 상기 제 1경질 입자(40)로부터 간격진 그리고 서로 간격진 상기 비스무트의 섬(38)을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소(20).
  5. 제 1항에 있어서, 상기 베이스(24)의 상기 제 1경질 입자(40)는 10미크론 이하의 부피에 의한 D50 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소(20).
  6. 제 1항에 있어서, Cu-Sn-Bi 합금의 중량%로, 적어도 70.0 중량%의 양의 구리, 0.1 내지 15.0 중량%의 양의 주석, 및 1.0 내지 8.0 중량%의 양의 비스무트를 포함하는 Cu-Sn-Bi 합금으로서 상기 구리, 상기 주석, 및 상기 비스무트를 제공하는 단계, 및 상기 Cu-Sn-Bi 합금을 상기 제 1경질 입자(40)와 혼합하는 단계를 포함하는 공정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소(20).
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제 1경질 입자(40)는 적어도 하나의 Fe3P 및 MoSi2를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소(20).
  8. 제 1항에 있어서, 주석 오버플레이트(26)의 중량%로, 적어도 50.0 중량%의 양의 주석을 포함하고, 상기 베이스(24)에 배치되는, 주석 오버플레이트(26)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소(20).
  9. 제 8항에 있어서, 상기 주석 오버플레이트(26)는 내연기관에 상기 슬라이딩 요소(20)를 사용하는 동안, 상기 주석 오버플레이트(26)의 중량%로, 0.1 중량% 이하의 양의 상기 비스무트를 상기 베이스(24)로부터 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소(20).
  10. 제 8항에 있어서, 상기 주석 오버플레이트(26)는 1.0 내지 10.0 중량%의 양의 구리 및 10.0 중량% 이하의 양의 니켈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소(20).
  11. 제 8항에 있어서, 니켈 장벽층(42)의 중량%로, 적어도 50.0 중량%의 양의 니켈을 포함하는, 니켈 장벽층(42)을 상기 베이스(24)와 상기 주석 오버플레이트(26) 사이에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소(20).
  12. 제 11항에 있어서, 주석 및 니켈을 포함하는, 주석-니켈 중간층(44)을 상기 니켈 장벽층(42)과 상기 주석 오버플레이트(26) 사이에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소(20).
  13. 제 8항에 있어서, 속성 코팅(34)의 중량%로, 적어도 80.0 중량%의 양의 주석을 포함하고, 상기 주석 오버플레이트(26)에 배치되는, 속성 코팅(34)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소(20).
  14. 제 1항에 있어서, 중합체 코팅(28)의 부피%로, 적어도 40 부피%의 양의 중합체 매트릭스(46) 및 제 2경질 입자(48)를 포함하고, 상기 베이스(24)에 배치되는, 중합체 코팅(28)을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소(20).
  15. 제 14항에 있어서, 상기 중합체 코팅(28)의 상기 제 2경질 입자(48)는 Fe2O3를 포함하고, Fe2O3는 중합체 코팅(28)의 총부피를 기준으로, 0.1 내지 15.0 부피%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소(20).
  16. 제 1항에 있어서, 물리적 증착에 의해 상기 베이스(24)에 도포되고, 상기 베이스(24)에 배치되는, 스퍼터 코팅(30)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소(20).
  17. 제 16항에 있어서, 상기 스퍼터 코팅(30)은 상기 스퍼터 코팅(30)의 중량%로, 적어도 50.0 중량%의 양의 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소(20).
  18. 제 1항에 있어서, 상기 슬라이딩 요소(20)는 부싱 또는 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소(20).
  19. 구리, 주석, 및 비스무트를 포함하는 Cu-Sn-Bi 합금을 제공하는 단계, Cu-Sn-Bi 합금을 제 1경질 입자(40)와 혼합하여 베이스(24)를 형성하는 단계, 베이스(24)를 백킹(22)에 배치하는 단계, 및 베이스(24)와 백킹(22)을 소결하는 단계를 포함하는 슬라이딩 요소(20)의 형성 방법.
  20. 제 19항에 있어서, 주석 오버플레이트(26)의 중량%로, 적어도 50.0 중량%의 양의 주석을 포함하는, 주석 오버플레이트(26)를 베이스(24)에 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 20항에 있어서, 니켈 장벽층(42)의 중량%로, 적어도 50.0 중량%의 양의 니켈을 포함하는, 니켈 장벽층(42)을 베이스(24)와 주석 오버플레이트(26) 사이에 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 21항에 있어서, 주석 및 니켈을 포함하는, 주석-니켈 중간층(44)을 니켈 장벽층(42)과 주석 오버플레이트(26) 사이에 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 19항에 있어서, 속성 코팅(34)의 중량%로, 적어도 80.0 중량%의 양의 주석을 포함하는, 속성 코팅(34)을 주석 오버플레이트(26)에 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 19항에 있어서, 중합체 코팅(28)의 부피%로, 적어도 40 부피%의 양의 중합체 매트릭스(46) 및 제 2경질 입자(48)를 포함하는, 중합체 코팅(28)을 베이스(24)에 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 19항에 있어서, 물리적 증착을 포함하는, 베이스(24)에 스퍼터 코팅(30)을 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 19항에 있어서, Cu-Sn-Bi 합금을 제공하는 단계는 합금의 중량%로, 적어도 70.0 중량%의 양의 구리, 0.1 내지 15.0 중량%의 양의 주석, 및 1.0 내지 8.0 중량%의 양의 비스무트를 포함하는 Cu-Sn-Bi 합금을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 백킹(22),
    베이스(24)의 중량 퍼센트(중량%)로, 20.0 내지 98.9 중량%의 양의 구리, 0.1 내지 15.0 중량%의 양의 주석, 0.1 내지 8.0 중량%의 양의 비스무트, 및 제 1경질 입자베이스(24)를 포함하고, 상기 백킹(22)에 배치되는, 베이스(24), 그리고
    상기 주석 오버플레이트(26)의 중량%로, 적어도 50.0 중량%의 양의 주석을 포함하고, 상기 베이스(24)에 배치되는, 주석 오버플레이트(26)를 포함하는 슬라이딩 요소(20).
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