KR20140020868A - 베어링 라이닝 - Google Patents

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KR20140020868A
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세드힉 마흐크 로제 포흐뛴
조세 발렌팀 리마 사라반다
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말레 인터내셔널 게엠베하
말레 꽁뽀장 모뙤르 프랑스 에스아에스
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Abstract

제1 오버레이 층(4) 및 제2 오버레이 층(5)을 포함하는 코팅을 구비하는 베어링 백킹 층(1)을 갖춘 베어링 라이닝으로서, 제1 오버레이 층은 베어링 백킹 층과 제2 오버레이 층 사이에 제공되고, 제1 및 제2 오버레이 층 각각은 매트릭스 재료와 매트릭스에서 실질적으로 용해되지 않는 그리고 매트릭스 내에 연질상 입자로서 분산되는 연질상 재료를 포함하며, 제1 오버레이 층은 제2 오버레이 층보다 높은 중량 비율의 입도 감소 첨가제를 포함하는 베어링 라이닝.

Description

베어링 라이닝{BEARING LININGS}
본 발명은 저널링된 샤프트(journaled shaft)를 위한 베어링에 관한 것으로, 특히 예를 들어 음극 스퍼터링의 기술에 의해 그러한 베어링 상에 침착되는 오버레이(overlay)로 알려진 코팅에 관한 것이다.
연질 오버레이 합금 조성물을 음극 스퍼터링에 의해 베어링 라이닝의 활주 표면상에 침착시키는 것이 알려져 있다. 이의 일례가 미국 특허 US5045405에 기재되어 있으며, 여기에서는 구리, 알루미늄 또는 은의 매트릭스에 기반하는 오버레이가 활주 방향에 수직한 장축을 갖는 주상 결정립과, 매트릭스보다 연질이고 또한 매트릭스 금속에서 용해되지 않는 입자의 매립상(embedded phase)을 갖는 것으로 기술된다. AlSn20(20 중량%의 주석을 갖는 80 중량%의 알루미늄 매트릭스) 및 AlPb30(30 중량%의 납을 갖는 70 중량%의 알루미늄 매트릭스)의 오버레이 조성물의 예가 제공된다.
그러한 2상 복합물(현탁액) 합금이 영국 특허 출원 GB2130250에 기재된 바와 같이 이전에 작업 또는 주조 재료로서 사용되는 것으로 알려졌으며, 플라즈마 아크 스프레잉 공정에 의한 침착을 위해 제시되었다.
그러한 2상 합금의 오버레이로서의 사용은 종래의 전착(electro-deposited) 납 및 주석에 비해 개선된 내마모성 및 개선된 피로 강도 둘 모두를 갖는 동시에 우수한 순응성(conformability)(오버레이 내로의 폐입자의 매립을 수용하는 능력) 및 내소착성(anti-seizure property)을 유지하는 재료의 추구에 기인한다.
그러나, 엔진에서의 새로운 샤프트의 운전의 초기 단계에서는 US5045405에 기재된 바와 같은 알려진 2상 합금으로부터 쉽게 제공되는 것보다 더욱 고도의 순응성을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 오버레이가 마모되고 샤프트 저널과 베어링 사이의 운전 간극이 증가함에 따라, US5045405의 실질적으로 균일한 특성과는 대조적으로, 오버레이 재료에 증가하는 내마모도를 제공하는 것이 바람직하다. 오버레이 마모가 증가함에 따라, 순응성의 중요성이 덜해지고, 내마모성이 더욱 중요해진다.
유럽 특허 EP0435980은 표면에서 우수한 순응성을 갖는 그리고 표면으로부터 멀어지면서 증가하는 내마모성을 갖는 오버레이에 관한 것이다. 유럽 특허 EP0435980은 베어링 재료를 그것 상에 갖춘 그리고 베어링 재료의 상기 층 상에 오버레이 코팅을 갖춘 강한 백킹 재료(backing material)를 포함하며, 이때 오버레이 코팅은 코팅 매트릭스를 구성하는 제1 재료를 포함하고 제1 재료에서 실질적으로 용해되지 않는 제2 재료의 분산상을 내부에 구비하며, 오버레이 코팅은 음극 스퍼터링에 의해 침착된다. 제2 재료의 분산상은 베어링 재료의 층과 코팅 사이의 계면에서 비교적 낮은 함량을 갖고, 상기 함량은 코팅 표면에서의 비교적 높은 함량으로 연속적으로 변화하며, 이때 상기 오버레이 코팅의 총 두께는 10 내지 50 ㎛ 범위 내에 있다.
EP0435980은 실질적으로 순수한 알루미늄의 대략 2 ㎛의 두께의 제1 층을 갖춘 알루미늄-주석 복합 재료를 포함하는 오버레이 코팅의 예시적인 실시 형태를 개시하며; 주석의 분산 입자를 내부에 갖는 알루미늄 매트릭스를 갖춘 중간 층이 제1 층에 인접하며, 여기에서 중간 층은 제1 층에 인접하여 대략 10 중량%의 주석을 갖는 알루미늄의 조성을 갖고, 주석 함량에 있어서 대략 22 ㎛의 두께에서의 대략 50 중량%로 지속적으로 증가하며, 코팅은 표면 층으로서 대략 2 ㎛ 두께의 실질적으로 순수한 주석의 층을 구비한다.
코팅의 표면을 향해 매트릭스 내에서의 연질상(soft-phase)의 비율(예컨대, 알루미늄에 대한 주석의 비율)을 증가시키는 것이 매트릭스 내에 분산되는 연질상의 입도를 증가시키며, 이는 표면을 향해(베어링 백킹으로부터 멀어지며) 코팅의 경도를 감소시키고 코팅의 순응성을 증가시키는 것이 알려져 있다. 그러나, 불리하게도, 그러한 베어링 라이닝의 제조는 비용, 제조 신뢰성 및 수율, 그리고 각각의 침착 장치의 제조 생산량에 대한 불리한 영향을 갖는, 침착되는 연질상의 비율이 침착 공정 중 실시간으로 정확하게 제어될 것을 필요로 하는, 복잡한 제조 과정을 수행하는 복잡한 침착 장치를 필요로 한다.
대안적으로, 미국 특허 US4916026에 개시된 바와 같이, 스퍼터 침착 중 베어링 백킹의 온도를 증가시킴으로써, 코팅 침착 동안, 알루미늄계 매트릭스 내에 현탁되는 주석 입자의 입도를 증가시키는 것이 또한 알려져 있다. 그러나, 불리하게도, 그러한 베어링 라이닝의 제조는 비용, 제조 신뢰성 및 수율, 그리고 각각의 침착 장치의 제조 생산량에 대한 불리한 영향을 갖는, 온도가 침착 공정 중 실시간으로 정확하게 제어될 것을 필요로 하는, 복잡한 제조 과정을 수행하는 복잡한 침착 장치를 필요로 한다. 또한, 불리하게도, 열 용량의 차이가 침착 공정 중 베어링 라이닝의 요구되는 온도 제어에 영향을 미칠 것이며, 따라서 상이한 침착 공정이 상이한 크기의 베어링 라이닝에 요구될 것이고, 동일한 침착 공정을 사용하는 명목상 동일한 베어링 라이닝에 대해서도, 베어링 라이닝의 제조 공차로 인해 침착된 코팅의 특성의 변화가 있을 것이다.
베어링 라이닝 성능에 대한 특별한 시도가 연료-절약형 정지-시동 운전으로의 차량 엔진의 구성에 의해 제공되며, 여기에서 엔진은 엔진이 차량의 이동 전반에 걸쳐 계속 작동되는 종래의 운전과는 대조적으로 차량이 정지할 때마다 정지된다. 정지-시동 운전을 위해 구성되는 엔진은 전형적으로 각각의 차량 이동 전반에 걸쳐 연속적으로 작동하는 종래에 구성된 엔진에 비해 약 백배 더 빈번히 엔진을 재시동시킬 수 있다. 정지-시동 운전을 위해 구성되는 엔진이 야기하는 특별한 문제가 발생하는데, 왜냐하면 엔진 베어링이 종래에 유체역학적으로 윤활되어, 그것이 시동될 때 초기에 베어링에 윤활제가 거의 또는 전혀 제공되지 않아, 시동 단계 중 특히 상당한 마모를 초래하기 때문이다.
따라서, 본 기술 분야에서 개선된 베어링 라이닝 코팅 및 대응하는 제조 공정의 필요성이 여전히 남아 있다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 제1 오버레이 층 및 제2 오버레이 층을 포함하는 코팅을 구비하는 베어링 백킹 층을 갖춘 베어링 라이닝으로서, 제1 오버레이 층은 베어링 백킹 층과 제2 오버레이 층 사이에 제공되고, 제1 및 제2 오버레이 층 각각은 매트릭스 재료와 매트릭스에서 실질적으로 용해되지 않는 그리고 매트릭스 내에 연질상 입자로서 분산되는 연질상 재료를 포함하며, 제1 오버레이 층은 제2 오버레이 층보다 높은 중량 비율의 입도 감소 첨가제를 포함하는 베어링 라이닝이 제공된다.
본 발명의 제2 태양에 따르면, 제1 오버레이 층을 베어링 백킹 층 상에 직접 또는 간접적으로 스터퍼 침착시키는 단계, 제2 오버레이 층을 제1 오버레이 층 상에 직접 스퍼터 침착시키는 단계를 포함하는 베어링 라이닝을 제조하는 방법에 의해 획득가능한 베어링 라이닝으로서, 제1 및 제2 오버레이 층 각각은 매트릭스 재료와 매트릭스에서 실질적으로 용해되지 않는 그리고 매트릭스 내에 연질상 입자로서 분산되는 연질상 재료를 포함하고, 제1 오버레이 층은 제2 오버레이 층보다 높은 중량 비율의 입도 감소 첨가제를 포함하는 베어링 라이닝이 제공된다.
본 발명의 제3 태양에 따르면, 제1 오버레이 층 및 제2 오버레이 층을 포함하는 코팅을 구비하는 베어링 백킹 층을 갖춘 베어링 라이닝을 포함하는 차량 엔진으로서, 제1 오버레이 층은 베어링 백킹 층과 제2 오버레이 층 사이에 제공되고, 제1 및 제2 오버레이 층 각각은 매트릭스 재료와 매트릭스에서 실질적으로 용해되지 않는 그리고 매트릭스 내에 연질상 입자로서 분산되는 연질상 재료를 포함하며, 제1 오버레이 층은 제2 오버레이 층보다 높은 중량 비율의 입도 감소 첨가제를 포함하는 차량 엔진이 제공된다.
본 발명의 제4 태양에 따르면, 베어링 라이닝을 제조하는 방법으로서, 제1 오버레이 층을 베어링 백킹 층 상에 직접 또는 간접적으로 스터퍼 침착시키는 단계, 제2 오버레이 층을 제1 오버레이 층 상에 직접 스퍼터 침착시키는 단계를 포함하고, 제1 및 제2 오버레이 층 각각은 매트릭스 재료와 매트릭스에서 실질적으로 용해되지 않는 그리고 매트릭스 내에 연질상 입자로서 분산되는 연질상 재료를 포함하며, 제1 오버레이 층은 제2 오버레이 층보다 높은 중량 비율의 입도 감소 첨가제를 포함하는 방법이 제공된다.
본 발명의 제5 태양에 따르면, 매트릭스 내에 분산되는 연질상을 포함하는 베어링 코팅의 연질상의 입도를 감소시키기 위한 입도 감소 첨가제의 이용이 제공된다.
유리하게는, 본 발명은 침착 공정 중 복잡한 실시간 제어를 할 수 있는 복잡한 침착 장치를 필요로 함이 없이 간단한 제조 공정에 의해 높은 신뢰도로 제조가능한 베어링 라이닝을 제공할 수 있다.
제1 및 제2 오버레이 층 각각에서 연질상 재료의 중량 비율은 매트릭스 재료의 중량 비율보다 작을 수 있다. 제1 및 제2 오버레이 층 각각에서 연질상 재료의 중량 비율은 35% 이하일 수 있다.
제2 오버레이 층은 실질적으로 입도 감소 첨가제를 포함하지 않을 수 있다.
입도 감소 첨가제는 Co, Cr, Fe, Mg, Mn, Ni, Si, V 및 Zn으로 이루어진 원소의 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소일 수 있다.
제1 오버레이 층 내의 연질상 재료의 중량 비율은 제2 오버레이 층 내의 연질상 재료의 중량 비율 이하일 수 있다.
중간층이 베어링 백킹 층과 제1 오버레이 층 사이에 제공될 수 있다.
중간층은 매트릭스와 매트릭스에서 실질적으로 용해되지 않는 그리고 매트릭스 내에 연질상 입자로서 분산되는 연질상 원소를 포함할 수 있다.
중간층은 제1 오버레이 층과 동일한 입도 감소 첨가제를 포함할 수 있다.
중간층은 Co, Cr, Fe, Mg, Mn, Ni, Si, V 및 Zn으로 이루어진 원소의 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소인 입자 입도 감소 첨가제를 포함할 수 있다.
중간층은 제1 오버레이 층보다 낮은 비율의 연질상 재료를 포함할 수 있다.
연질상 재료는 Bi, Cd, In, Pb 및 Sn으로 이루어진 원소의 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다.
매트릭스는 Al, Ag 또는 Cu 및 이들 금속의 합금으로 이루어진 원소의 군으로부터 선택되는 재료를 포함할 수 있다.
제2 오버레이 층에서의 평균 입도는 제1 오버레이 층에서의 평균 입도보다 클 수 있다.
제2 오버레이 층 내의 연질상 입자는 대체로(즉, 그러한 입자의 95%에 걸쳐), 침착 성장 방향에 수직하게, 예컨대 베어링 라이닝의 축에 대해 축방향으로 또는 원주 방향으로 측정되는, 0.5 내지 6.0 ㎛ 범위(바람직하게는 1.0 내지 4.0 ㎛ 범위)의 크기를 갖는다. 제2 오버레이 층에서의 평균 입도는 1.5 ㎛ 내지 4.0 ㎛(예컨대, 대략 2.2 ㎛)일 수 있다.
제1 오버레이 층 내의 연질상 입자는 대체로(즉, 그러한 입자의 95%에 걸쳐), 침착 성장 방향에 수직하게, 예컨대 베어링 라이닝의 축에 대해 축방향으로 또는 원주 방향으로 측정되는, 0.1 내지 1.5 ㎛ 범위(바람직하게는 0.3 내지 1.0 ㎛ 범위)의 크기를 갖는다. 제1 오버레이 층에서의 평균 입도는 0.5 ㎛ 내지 1.0 ㎛(예컨대, 대략 0.7 ㎛)이다.
베어링 기층이 베어링 백킹 층과 코팅 사이에서 베어링 백킹 층 상에 제공될 수 있다.
입도 감소 첨가제의 비율은 제1 오버레이 층 전반에 걸쳐 실질적으로 균일할 수 있다. 입도 감소 첨가제의 비율은 제2 오버레이 층 전반에 걸쳐 실질적으로 균일할 수 있다.
제1 및 제2 오버레이 층은 베어링 백킹 층으로부터의 거리가 증가함에 따라 입자 감소 첨가제의 비율이 감소하는 복합 오버레이 층의 영역을 포함할 수 있다.
제1 오버레이 층은 25 내지 35 중량%의 Sn, 0.5 내지 1.5 중량%의 Cu, 1.5 내지 2.5 중량%의 Fe, 최대 1%의 다른 원소(예컨대, 불순물)와 100 중량%에 대한 잔량의 Al을 포함할 수 있고, 제2 오버레이 층은 25 내지 35 중량%의 Sn, 0.5 내지 1.5 중량%의 Cu, 최대 1%의 다른 원소(예컨대, 불순물)와 100 중량%에 대한 잔량의 Al을 포함할 수 있으며, 선택적으로 중간층이 5.5 내지 7 중량%의 Sn, 0.7 내지 1.3 중량%의 Cu, 0.7 내지 1.3 중량%의 Ni, 1.5 내지 3.0 중량%의 Si, 최대 1%의 다른 원소(예컨대, 불순물)와 100 중량%에 대한 잔량의 Al을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 개선된 베어링 라이닝 코팅 및 대응하는 제조 공정이 제공된다.
이하에서는 본 발명의 실시 형태가 첨부 도면을 참조하여 추가로 기술된다.
도 1은 본 발명에 따른 반쪽-쉘(반-원통형) 베어링 라이닝을 예시한다.
도 2A 및 도 2B는 도 1에 따른 베어링 라이닝의 일부의 주사 전자 현미경 이미지를 도시한다.
전반에 걸쳐 동일 도면 부호는 동일 요소를 지칭한다. 화학 기호 AB(X)는 X 중량%의 B와 잔량(즉, 100-X 중량%)의 A를 포함하는 재료를 나타내기 위해 사용되었다.
도 1은 베어링 백킹 층(1)과 중간층(3)(선택적), 제1 오버레이 층(4) 및 제2 오버레이 층(5)을 포함하는 층들의 코팅으로 코팅되는 베어링 기층(bearing substrate layer)(2)을 포함하는 반쪽-쉘(중공 반-원통형) 저널 베어링 라이닝의 개략도(축척에 맞게 도시되지 않음)를 도시한다. 베어링 라이닝은 층들을 스터퍼 코팅 공정에 의해 배어링 기층(2) 상에 침착시킴으로써 제조되며, 이때 최종 코팅 층(5)의 상부 표면(즉, 자유 표면)은 베어링 라이닝의 초기 활주 표면(6)을 제공한다.
각각의 층의 재료의 조성 및 두께의 일례가 다음의 표에 상술된다:
층 두께 재료(총량에 대한 중량%)
제2 오버레이(5) 4 ㎛ AlSn(30)Cu(1)
제1 오버레이(4) 8 ㎛ AlSn(30)Cu(1)Fe(2)
중간층(3) 2 ㎛ AlSn(6)Cu(1)Ni(1)Si(2)
베어링 기층(2) 100-800 ㎛ Cu, Cu계 합금, Al, Al계 합금, 또는 AlCu계 합금
베어링 백킹 층(1) 1.0-3.0 × 103 ㎛ 강
제2(상부) 오버레이 층(5)은 30 중량% 비율의 주석을 갖는다. 주석은 알루미늄-구리 매트릭스에서 용해되지 않는 연질상 재료의 입자를 제공하며, 이때 연질상 입자는 매트릭스(합금이거나 2종 이상의 금속으로 이루어질 수 있음) 전반에 걸쳐 분포되고, 비교적 큰 연질상 입자를 생성한다. 제2 오버레이 층(5) 내의 연질상 입자는 전형적으로 코팅의 성장 방향(활주 표면에 수직한)에 대해, 두께에 비해 폭이 넓은 형상을 갖는다. 제2 오버레이 층(5) 내의 연질상 입자는 대체로(즉, 그러한 입자의 95%에 걸쳐) 0.5 내지 6.0 ㎛ 범위(바람직하게는 1.0 내지 4.0 ㎛ 범위)의 크기를 가지며, 이때 침착 성장 방향에 수직하게, 예컨대 베어링 라이닝의 축에 대해 축방향으로 또는 원주 방향으로 측정되는 평균 크기는 1.5 내지 4.0 ㎛ 범위(예컨대, 대략 2.2 ㎛)이다. 제2 오버레이 층(5)의 마찰 특성은 매트릭스 재료와 매트릭스 재료 전반에 걸쳐 분포되는 연질상 입자에 의해 결정된다. 연질상 재료는 고체 윤활제로서 기능한다. 또한, 그러한 층은 높은 순응성을 가져, 그것을 베어링 라이닝과 저널링된 샤프트 사이에 존재하는 폐입자의 매립을 수용하기에 특히 적합하게 한다.
제1(하부) 오버레이 층(4)은 제2 오버레이 층(5)과 동일한 30 중량%의 동일한 비율의 주석을 갖는다. 그러나, 제1 오버레이 층(4)은 또한 2 중량%의 철을 포함하며, 이는 입도 감소 첨가제로서 기능한다. 입도 감소 첨가제는 알루미늄-구리-매트릭스 및 연질상(주석) 둘 모두가 보다 작은 입도로, 즉 매트릭스 전반에 걸쳐 더욱 미세하게 분포되는 보다 작은 연질상 입자로 침착되도록 한다. 제1 오버레이 층(4) 내의 연질상 입자는 또한 전형적으로 코팅의 성장 방향(활주 표면에 수직한)에 대해, 두께에 비해 폭이 넓은 형상을 갖는다. 제1 오버레이 층(4) 내의 연질상 입자는 대체로(즉, 그러한 입자의 95%에 걸쳐) 0.1 내지 1.5 ㎛ 범위(바람직하게는 0.3 내지 1.0 ㎛ 범위)의 크기를 가지며, 이때 침착 성장 방향에 수직하게, 예컨대 베어링 라이닝의 축에 대해 축방향으로 또는 원주 방향으로 측정되는 평균 크기는 0.5 내지 1.0 ㎛ 범위(예컨대, 대략 0.7 ㎛)이다. 입도 감소 첨가제는 알루미늄 매트릭스 재료 내에 준안정 결정상으로서 분포될 수 있다.
유리하게는, 보다 작은 입도의 제공이 증가된 내마모성을 형성하여, 제1 오버레이 층(4)이 제2 오버레이 층(5)보다 높은 내마모성을 갖는다. 따라서, 제2 오버레이 층(5)이 사용 중(예컨대, 저널링된 샤프트와 함께 사용 중) 마멸된 경우에, 제1 오버레이 층(4)의 후속 마모율이 제2 오버레이 층(5)의 그것보다 낮다.
(선택적) 중간층(3)도 또한 이 경우 니켈에 의해 제공되는 입도 감소 첨가제를 포함하고, 중간층 내의 연질상 입자의 입도는 제1 오버레이 층(4) 내의 그것과 실질적으로 동일하다. 이번에도 마찬가지로, 입도 감소 첨가제는 매트릭스 재료 내에 준안정 결정상으로서 분포될 수 있다.
오버레이 층(4, 5)에서보다 낮은 비율의 연질상 입자(예컨대, 주석)가 중간층(3) 내에 제공되며, 이는 중간층의 증가된 경도를 제공한다. 따라서, 저널링된 샤프트(또는 다른 구성요소)의 작동이 오버레이 층(4, 5) 둘 모두를 마멸시킨 경우에, 중간층(3)이 추후 작동시 더욱 향상된 내마모성을 제공할 것이다.
추가의 층이 중간층(또는 중간층이 생략되는 경우 제1 오버레이 층)과 베어링 기층 사이에 제공될 수 있다. 특히, 니켈-크롬 합금의 층과 같은 확산 차단 층이 베어링 기층과 같은 다른 층 내로의 연질상(예컨대, 주석)의 확산을 방지하기 위해, 그리고 백킹 기층에 대한 다른 코팅 층의 향상된 부착을 제공하기 위해 제공될 수 있다. 그러나, 유리하게는, 낮은 비율의 연질상(예컨대, 주석)을 갖는 중간층의 사용에 의해, 오버레이로부터 멀어지는 연질상의 확산에 의해 초래되는 문제가 확산 차단 층이 생략될 수 있는 충분한 정도로 감소될 수 있다.
또한, 베어링 라이닝은 제2 오버레이 층 상에 엔진의 작동의 초기 "러닝 인(running in)" 단계 중 마멸될 수 있는 희생 표면 층(미도시)을 구비할 수 있다. 희생 표면 층은 원하는 베어링 특성을 갖는 것으로 알려진 그리고 예를 들어 납, 주석, 카드뮴, 안티몬, 비스무트, 인듐 및 이들 금속의 합금 또는 수지계 재료를 포함하는 재료로부터 선택될 수 있다. 그러나, 유리하게는, 제2 오버레이 층(4)의 성능은 표면 희생 층이 요구되지 않도록 하는 것일 수 있다.
코팅 층은 각각 최대 1 중량%의 다른 원소를 불순물로서 포함할 수 있다.
도 2A 및 도 2B는 도 1에 기술된 바와 같은 베어링 라이닝을 통한 단면의 주사 전자 현미경 이미지를 2가지 상이한 레벨의 배율로 도시하며, 이로부터 연질상 입자(어두운 색의 알루미늄계 매트릭스 내의 밝은 색의 주석 입자)의 크기가 제1 오버레이 층(4)에서보다 제2 오버레이 층(5)에서 더욱 큰 것을 볼 수 있다. 편리하게도, 중간층(3) 내의 입도 분포는 제1 오버레이 층(4) 내의 그것과 대략 동일하며, 이는 상부 층이 마멸되는 경우에 매끄러운 마모 성능 전이를 갖는 우수한 내마모성, 층(3, 4) 사이의 우수한 결합, 및 기층(2)에 대한 중간층(3)의 우수한 결합을 제공한다.
도 1, 도 2A 및 도 2B에 예시된 코팅을 후술되는 방법에 의해 제조하였다.
내부 표면(즉, 상부 침착 표면) 상에 AlCu계 합금 층 및 이어서 Ni-Cr 층 둘 모두를 갖춘 연강 베어링 백킹 층과 스퍼터 표적을 음극 스퍼터링 장치의 챔버 내에 배치하였다. 3.5 × 10-3 내지 4.5 × 10-3 mbar에 이르기까지 펌핑된 고순도 아르곤 가스를 챔버 내에 사용한다. 스퍼터링된 재료가 그것 상에 침착된 표면을 120 ℃ 아래로, 바람직하게는 90 내지 115 ℃의 온도 범위로 유지시키기 위해 베어링 백킹을 냉각시켰다.
첫째로, AlSn(6)Cu(1)Ni(1)Si(2) 표적을 스퍼터링함으로써 2 ㎛ 중간층을 침착시켰다. 둘째로, AlSn(30)Cu(1) 표적과 순수 Fe 인서트의 복합 표적을 주 침식 영역 내에 스퍼터링하여 AlSn(30)Cu(1)Fe(2)의 침착된 층을 생성함으로써 8 ㎛ 제1 오버레이 층을 침착시켰다. 대안적으로, 제1 오버레이 층을 균일한 AlSn(30)Cu(1)Fe(2) 표적을 사용하여 침착시킬 수 있다. 셋째로, AlSn(30)Cu(1) 표적을 스퍼터링함으로써 4 ㎛ 제2 오버레이 층을 침착시켰다.
대안적인 실시 형태에서, 제1 및 제2 오버레이 층은 입도 감소 첨가제의 비율이 침착 중 감소되는(단계적으로 또는 연속적으로 변화되는 방식으로 단조적으로 변화됨) 복합 오버레이 층의 영역일 수 있다. 그러한 복합 오버레이 층은 편리하게는 각각의 스퍼터 표적으로부터 베어링 라이닝 상에 침착되는 재료의 상대 비율을 변화시킴으로써 복수의 상이한 스퍼터 표적을 사용하여 침착될 수 있다.
산업 표준 시험 기계 상에서의 본 발명에 따라 제조된 베어링 코팅의 내마모성의 측정은 스퍼터링된 층이 입도 감소 첨가제가 없는 대응하는 베어링에 비해 현저히 향상된 내마모성을 가지며, 따라서 향상된 내마모성을 제공하는 동시에, 제2 오버레이 층에서의 높은 레벨의 순응성을 유지시키고, 정지-시동 작동을 위해 구성된 엔진과 같은, 베어링 마모가 특히 큰 엔진에 특히 유리한 것을 보여 준다.
용어 "하부" 및 "상부"는 베어링 백킹 층에 더욱 근접한 그리고 그것으로부터 더욱 멀리 떨어진 영역을 기술하기 위해 사용되었으며, 스퍼터 침착에 의해 침착되는 코팅의 경우에 상부 영역 전에 침착되는 하부 영역에 해당한다. 용어 "활주 표면(running surface)"은 코팅의 최상부 표면을 기술하기 위해 사용되었다.
본 명세서의 설명 및 특허청구범위 전반에 걸쳐, 단어 "포함하다" 및 "함유하다"와 그 변형어는 "포함하지만 그에 제한되지 않음"을 의미하며, 그것들은 다른 성분, 첨가제, 구성요소, 완전체 또는 단계를 배제하도록 의도되지 않는다(그리고 배제하지 않음). 본 명세서의 설명 및 특허청구범위 전반에 걸쳐, 단수형은 문맥이 달리 요구하지 않는 한 복수형을 포함한다. 특히, 부정 관사가 사용되는 경우, 본 명세서는 문맥이 달리 요구하지 않는 한, 복수뿐만 아니라 단수도 또한 고려하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 특정 태양, 실시 형태 또는 실시예와 함께 기술된 특징, 완전체, 특성, 화합물, 화학 성분 또는 군은 본 명세서에 기술된 임의의 다른 태양, 실시 형태 또는 실시예에 그것과 부적합하지 않은 한 적용가능한 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서(임의의 첨부 특허청구범위, 요약 및 도면 포함)에 개시된 모든 특징 및/또는 그와 같이 개시된 임의의 방법 또는 공정의 모든 단계가 그러한 특징 및/또는 단계의 적어도 일부가 상호 배타적인 조합을 제외하고는 임의의 조합으로 조합될 수 있다. 본 발명은 임의의 전술한 실시 형태의 세부 사항으로 제한되지 않는다. 본 발명은 본 명세서(임의의 첨부 특허청구범위, 요약 및 도면 포함)에 개시된 특징의 임의의 신규한 것 또는 임의의 신규한 조합, 또는 그와 같이 개시된 임의의 방법 또는 공정의 단계의 임의의 신규한 것 또는 임의의 신규한 조합으로 확장된다.
본 출원과 함께 본 명세서와 동시에 또는 그것 전에 출원된 그리고 본 명세서와 함께 일반에 공개된 모든 논문 및 문헌에 독자의 주의가 기울여지며, 모든 그러한 논문 및 문헌의 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
1: 베어링 백킹 층 2: 베어링 기층
3: 중간층 4: 제1 오버레이 층
5: 제2 오버레이 층 6: 활주 표면

Claims (26)

  1. 제1 오버레이 층 및 제2 오버레이 층을 포함하는 코팅을 구비하는 베어링 백킹 층을 갖춘 베어링 라이닝으로서,
    제1 오버레이 층은 베어링 백킹 층과 제2 오버레이 층 사이에 제공되고,
    제1 및 제2 오버레이 층 각각은 매트릭스 재료와 매트릭스에서 실질적으로 용해되지 않는 그리고 매트릭스 내에 연질상 입자로서 분산되는 연질상 재료를 포함하며,
    제1 오버레이 층은 제2 오버레이 층보다 높은 중량 비율의 입도 감소 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  2. 제1 및 제2 오버레이 층 각각에서 연질상 재료의 중량 비율은 매트릭스 재료의 중량 비율보다 작은 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제2 오버레이 층은 실질적으로 입도 감소 첨가제를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    입도 감소 첨가제는 Co, Cr, Fe, Mg, Mn, Ni, Si, V 및 Zn으로 이루어진 원소의 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소인 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  5. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 오버레이 층 내의 연질상 재료의 중량 비율은 제2 오버레이 층 내의 연질상 재료의 중량 비율 이하인 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  6. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    중간층이 베어링 백킹 층과 제1 오버레이 층 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  7. 제6항에 있어서,
    중간층은 매트릭스와 매트릭스에서 실질적으로 용해되지 않는 그리고 매트릭스 내에 연질상 입자로서 분산되는 연질상 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  8. 제7항에 있어서,
    중간층은 제1 오버레이 층과 동일한 입도 감소 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  9. 제7항에 있어서,
    중간층은 Co, Cr, Fe, Mg, Mn, Ni, Si, V 및 Zn으로 이루어진 원소의 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소인 입자 입도 감소 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    중간층은 제1 오버레이 층보다 낮은 비율의 연질상 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  11. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    연질상 재료는 Bi, Cd, In, Pb, Sb 및 Sn으로 이루어진 원소의 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  12. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    매트릭스는 Al, Ag 또는 Cu 및 이들 금속의 합금으로 이루어진 원소의 군으로부터 선택되는 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  13. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 오버레이 층에서의 평균 입도는 제1 오버레이 층에서의 평균 입도보다 큰 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  14. 제13항에 있어서,
    제2 오버레이 층에서의 평균 입도는 1.5 ㎛ 내지 4.0 ㎛이고, 제1 오버레이 층에서의 평균 입도는 0.5 ㎛ 내지 1.0 ㎛인 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  15. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    베어링 기층이 베어링 백킹 층과 코팅 사이에서 베어링 백킹 층 상에 제공되는 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  16. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    입도 감소 첨가제의 비율은 제1 오버레이 층 전반에 걸쳐 실질적으로 균일한 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  17. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    입도 감소 첨가제의 비율은 제2 오버레이 층 전반에 걸쳐 실질적으로 균일한 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  18. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 및 제2 오버레이 층은 베어링 백킹 층으로부터의 거리가 증가함에 따라 입자 감소 첨가제의 비율이 감소하는 복합 오버레이 층의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  19. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 오버레이 층은 25 내지 35 중량%의 Sn, 0.5 내지 1.5 중량%의 Cu, 1.5 내지 2.5 중량%의 Fe, 최대 1%의 다른 원소와 100 중량%에 대한 잔량의 Al을 포함하고,
    제2 오버레이 층은 25 내지 35 중량%의 Sn, 0.5 내지 1.5 중량%의 Cu, 최대 1%의 다른 원소와 100 중량%에 대한 잔량의 Al을 포함하며,
    선택적으로 중간층이 5.5 내지 7 중량%의 Sn, 0.7 내지 1.3 중량%의 Cu, 0.7 내지 1.3 중량%의 Ni, 1.5 내지 3.0 중량%의 Si, 최대 1%의 다른 원소와 100 중량%에 대한 잔량의 Al을 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  20. 제1 오버레이 층을 베어링 백킹 층 상에 직접 또는 간접적으로 스터퍼 침착시키는 단계;
    제2 오버레이 층을 제1 오버레이 층 상에 직접 스퍼터 침착시키는 단계
    를 포함하는 베어링 라이닝을 제조하는 방법에 의해 획득가능한 베어링 라이닝으로서,
    제1 및 제2 오버레이 층 각각은 매트릭스 재료와 매트릭스에서 실질적으로 용해되지 않는 그리고 매트릭스 내에 연질상 입자로서 분산되는 연질상 재료를 포함하고,
    제1 오버레이 층은 제2 오버레이 층보다 높은 중량 비율의 입도 감소 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 라이닝.
  21. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 따른 베어링 라이닝을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 엔진.
  22. 베어링 라이닝을 제조하는 방법으로서,
    제1 오버레이 층을 베어링 백킹 층 상에 직접 또는 간접적으로 스터퍼 침착시키는 단계;
    제2 오버레이 층을 제1 오버레이 층 상에 직접 스퍼터 침착시키는 단계
    를 포함하고,
    제1 및 제2 오버레이 층 각각은 매트릭스 재료와 매트릭스에서 실질적으로 용해되지 않는 그리고 매트릭스 내에 연질상 입자로서 분산되는 연질상 재료를 포함하며,
    제1 오버레이 층은 제2 오버레이 층보다 높은 중량 비율의 입도 감소 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 매트릭스 내에 분산되는 연질상을 포함하는 베어링 코팅의 연질상의 입도를 감소시키기 위한 입도 감소 첨가제의 이용.
  24. 제19항에 있어서,
    입도 감소 첨가제는 Co, Cr, Fe, Mg, Mn, Ni, Si, V 및 Zn으로 이루어진 원소의 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소인 것을 특징으로 하는 이용.
  25. 실질적으로 첨부 명세서와 도면들 중 어느 하나를 참조하여 전술된 바와 같은 베어링 라이닝.
  26. 실질적으로 첨부 명세서와 임의의 도면들 중 어느 하나를 참조하여 전술된 바와 같은 베어링 라이닝을 제조하는 방법.
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