KR20140034140A - 고체 윤활제 - Google Patents

Abstract

베어링을 위한 고체 윤활제는 적어도 30중량%의 흑연, 결합 물질, 및 무기 윤활 나노입자를 포함한다. 또한, 고체 윤활제로 충전된 베어링이 제공된다.

Description

고체 윤활제{A SOLID LUBRICANT}

본 발명은 베어링에 관한 것이며, 더 상세하게는 베어링을 위한 고체 윤활제에 관한 것이다.

롤링 베어링 및 플레인 베어링과 같은 여러 종류의 베어링은 적절하게 기능하기 위해 그리고 긴 사용수명을 보장하기 위해 거의 대부분 윤활될 필요가 있다. 베어링을 윤활하기 위해 오일 또는 그리스를 사용하는 것은 매우 흔하다. 그렇지만, 오일 또는 그리스가 여러 이유로 인해 사용하기에 적절하지 않은 상황이 존재한다. 예를 들면, 고온 환경과 같은 혹독한 환경에서는 오일 또는 그리스가 적절히 기능하지 못할 수 있다. 온도가 너무 높을 경우에는, 오일 또는 그리스가 심지어 증발할 위험이 존재한다. 게다가, 오일 또는 그리스가 환경 요건으로 인해 사용하기에 적절하지 않은 상황이 존재한다. 그러한 상황은 예를 들면 식품 및 음료 산업에서 존재할 수 있다.

흔히 사용되는 한 고체 윤활제는 베어링의 시트 금속 케이지에 대한 대체물로서의 전기흑연이다. 흑연의 케이지는 작동 도중에 궤도 및 롤링 요소에 흑연을 방출한다. 이러한 윤활제의 한 가지 단점은 낮은 속도 수용력 및 짧아진 베어링 사용 수명이다.

따라서, 본 발명의 목적은 적어도 하나의 선행 기술의 단점을 해결하는 고체 윤활제를 제공하는 것이다. 더 상세하게는, 본 발명의 목적은 열 저항성이고, 낮은 롤링 및 슬라이딩 마찰저항을 제공하고, 비교적 높은 베어링 속도를 허용하며 긴 베어링 사용수명을 제공하는 고체 윤활제를 제공하는 것이다.

본 발명의 첫 번째 양상에 따르면, 상기 목적은 적어도 30 wt %의 흑연, 결합 물질을 포함하는 베어링을 위한 고체 윤활제에 의해 달성되며, 여기서 상기 고체 윤활제는 무기 윤활 나노입자를 추가로 포함한다. 이러한 조성은 열 저항성이고 또한 베어링에서 롤링 및/또는 슬라이딩 접촉면의 낮은 마찰저항 및 낮은 마모저항을 제공하여, 이를 통해 베어링이 고속으로 진행하는 것 및/또는 베어링의 사용수명을 연장하는 것을 허용하는, 베어링을 위한 고체 윤활제를 제공한다. 작동 도중에, 고체 윤활제는 베어링의 금속 표면과 접촉하게 되고 마찰에 의해 고체 윤활제 필름이 형성될 것이다. 고체 윤활제 필름이 제거되는 경우, 새로운 필름이 나머지 화합물에 의해 형성될 것이다. 나노입자는 수백만의 미니어처 롤링 베어링의 롤링에 필적할 수 있는 메커니즘에 의해 윤활 작용을 하며, 따라서 마찰 및 마모를 크게 감소시킨다. 본 발명의 다른 이익은 다음과 같다: 1) 어떠한 온도에서도 낮은 시동 회전력(torque), 2) 베어링이 베어링의 수명 동안 윤활됨, 3) 윤활제 손실이 최소화됨, 4) 극도로 느린 속도의 회전 및 진동 적용을 위해 적절함 및 4) 많은 오일 또는 그리스에 비해 개선된 사용자 안전성 및 환경친화성.

한 구체예에서, 나노입자는 80-160 나노미터의 평균 크기를 갖는다.

한 구체예에서, 나노입자는 80-90 나노미터의 평균 크기를 갖는다.

한 구체예에서, 나노입자는 80-100 나노미터의 평균 크기를 갖는다.

한 구체예에서, 나노입자는 80-110 나노미터의 평균 크기를 갖는다.

한 구체예에서, 나노입자는 80-120 나노미터의 평균 크기를 갖는다.

한 구체예에서, 나노입자는 80-130 나노미터의 평균 크기를 갖는다.

한 구체예에서, 나노입자는 80-140 나노미터의 평균 크기를 갖는다.

한 구체예에서, 나노입자는 80-150 나노미터의 평균 크기를 갖는다.

한 구체예에서, 윤활 나노입자는 무기 풀러린(fullerene)-유사 나노입자이다.

한 구체예에서, 무기 윤활 나노입자는 금속 디칼코게나이드(dichalcogenide)이다. 추가적인 구체예에서, 금속 디칼코게나이드는 화학식 MX_Z를 가지며, 여기서 M은 몰리브덴, 텅스텐 또는 임의의 다른 적절한 금속이고, 여기서 X는 황, 셀레늄 또는 임의의 다른 적절한 칼코겐(chalcogen)이다.

한 구체예에서, 나노입자는 나노구체이다.

한 구체예에서, 나노입자는 나노튜브이다.

한 구체예에서, 나노입자는 나노구체 및 나노튜브의 조합이다.

한 구체예에서, 무기 윤활 나노입자는 무기 풀러린-유사 텅스텐 디설파이드 나노구체이다.

한 구체예에서, 고체 윤활제는 적어도 0.01 wt %의 무기 윤활 나노입자를 포함한다.

한 구체예에서, 고체 윤활제는 적어도 1 wt %의 몰리브덴 디설파이드를 추가로 포함한다.

한 구체예에서, 고체 윤활제는 1.8 g/cm³이상의 밀도를 가지는 고밀도 액체를 추가로 포함한다. 고밀도 액체는 화합물 또는 흑연 화합물로도 공지된 고체 윤활제를 제조할 때에 나노입자를 고체 흑연 윤활제 내에 넣는 것을 용이하게 한다. 나노입자는 고밀도 액체와 혼합될 수 있고 그 이후 고체 흑연 윤활제와 혼합될 수 있다.

한 구체예에서, 고밀도 액체는 오일이다. 한 구체예에서, 오일은 PFPE (퍼플루오로폴리에테르) 오일이다. 한 구체예에서 고밀도 액체에 혼합된 방청(anti-rust) 첨가제이다. 한 구체예에서, 오일은 고밀도 오일, 예컨대 미네랄 오일이 아니다.

한 구체예에서, 고체 윤활제는 다공성 구조를 가지며, 여기서 무기 윤활 나노입자는 다공성 구조 내에 함입된다.

고체 윤활제의 한 구체예에서, 결합 물질은 열경화성 중합체이다. 열경화성 중합체는 예를 들면 Bakelite (페놀-포름알데히드 수지)일 수 있지만, 또한 당업자가 알고 있는 임의의 다른 적절한 열경화성 물질일 수 있다.

고체 윤활제의 한 구체예에서, 고체 윤활제는 강화 섬유를 추가로 포함한다. 강화 섬유는 예를 들면 섬유 유리 또는 당업자가 알고 있는 임의의 다른 적절한 강화 섬유일 수 있다.

한 구체예에서, 고체 윤활제의 성분들의 혼합물은 베어링의 내부 링 및 외부 링 사이의 공간 중 적어도 일부에 주입되며, 그 후에 고체가 될 때까지 경화된다. 한 구체예에서, 고체 윤활제의 성분들의 혼합물은 베어링에 주입될 때 반-액체 상이다. 한 구체예에서, 베어링에서 윤활제가 경화된 후에, 나노입자가 고체 윤활제 내에 주입된다.

본 발명의 두 번째 양상에 따르면, 상기 목적은 외부 링 및 내부 링을 포함하는 베어링에 의해 달성되며, 여기서 내부 및 외부 링 사이의 적어도 하나의 공간은 본 발명의 첫 번째 양상에 따른 고체 윤활제로 채워진다. 본 발명의 첫 번째 양상의 모든 구체예는 본 발명의 두 번째 양상의 모든 구체예에 적용가능하며 그 반대도 성립함에 유의해야 한다. 고체 윤활제를 갖는 베어링은 열 저항성이며, 내부 및 외부 링 사이의 접촉면에서 낮은 마찰저항 및 낮은 마모저항을 제공하고, 또한 선행기술 베어링에 비해 베어링의 사용수명을 연장시키는 윤활된 베어링을 제공한다.

한 구체예에서, 고체 윤활제 내 나노입자는 수백만의 미니어처 롤링 베어링의 롤링으로 간주될 수 있는 메커니즘에 의해 윤활 작용을 하고, 따라서 마찰 및 마모를 크게 감소시키는 내포된 구체의 구조를 갖는다. 베어링의 작동 도중에, 고체 윤활제는 궤도 및 베어링의 롤링 요소 위에 매우 얇은 필름을 유지하여 이를 통해 금속과 금속의 접촉을 방지한다. 본 발명의 다른 이익은 다음과 같다: 1) 어떠한 온도에서도 낮은 시동 회전력, 2) 베어링이 베어링의 수명 동안 윤활됨, 3) 윤활제 손실이 최소화됨, 4) 극도로 느린 속도의 회전 및 진동 적용을 위해 적절함 및 4) 많은 오일 또는 그리스에 비해 개선된 사용자 안전성 및 환경친화성. 게다가, 베어링이 고체 윤활제로 완전히 채워지는 경우, 이는 이물질 및 다른 입자가 베어링에 들어오는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 고체 윤활제는 베어링의 축 끝면을 밀봉하는 베어링을 위한 씰(seal)로서 기능할 수 있다.

베어링의 한 구체예에서, 외부 링은 외부 링의 방사형 내부 인접 표면에서 내부 궤도를 나타내며, 내부 링은 내부 링의 방사형 외부 인접 표면에서 외부 궤도를 나타낸다. 게다가, 복수의 롤링 요소가 내부 및 외부 궤도 사이에 배치된다.

한 구체예에서, 롤링 베어링은 볼 베어링 또는 롤러 베어링이다. 볼 베어링은 깊은-홈 볼 베어링, 자동-중심조정 볼 베어링, 각 접촉 볼 베어링, 스러스트 볼 베어링 또는 임의의 다른 볼 베어링일 수 있다. 롤러 베어링은 구형 롤러 베어링, 원통형 롤러 베어링, 원추형 롤러 베어링, 도넛모양 롤러 베어링, 스러스트 롤러 베어링 (예를 들면 구형 스러스트 롤러 베어링) 또는 임의의 다른 롤러 베어링일 수 있다.

한 구체예에서, 복수의 롤링 요소를 가지는 베어링은 적어도 두 개의 인접한 롤링 요소를 분리하기 위한 적어도 하나의 분리 요소를 추가로 포함한다. 상기 분리 요소는 두 개의 인접한 롤링 요소, 즉 볼 또는 롤러 사이의 별개의 스페이서(spacer)일 수 있다. 스페이서는 베어링에서 롤링 요소를 분리하는 것으로 널리 공지되어 있다. 한 구체예에서, 스페이서는 베어링에서 모든 롤링 요소 사이에 존재한다. 또다른 구체예에서, 롤링 요소를 분리하기 위한 분리 요소는 케이지 또는 리테이너(retainer)이다.

적어도 하나의 분리 요소가 존재하는 롤링 베어링의 한 구체예에서, 고체 윤활제는 분리 요소에 적어도 부분적으로 부착된다. 분리 요소가 스페이서인 경우에, 고체 윤활제는 스페이서에 부착될 수 있다. 윤활제는 스페이서를 전체적으로 둘러쌀 수 있으나, 또한 스페이서의 특정한 표면만을 덮을 수도 있다. 한 구체예에서, 고체 윤활제는 베어링의 롤링 요소 및/또는 내부 및 외부 궤도와 접촉되도록 의도되는 스페이서의 표면에 적어도 부분적으로 부착된다. 스페이서는 예를 들면 철, 구리 또는 황동과 같은 금속으로 이루어질 수 있지만, 또한 중합체 스페이서 또는 임의의 다른 적절한 물질일 수 있다. 분리 요소가 케이지인 경우, 고체 윤활제는 케이지의 모든 표면을 둘러쌀 수 있으나, 또한 케이지의 인접 표면의 특정한 부분만을 덮을 수도 있다.

한 구체예에서, 고체 윤활제는 베어링의 롤링 요소 및/또는 내부 및 외부 궤도와 접촉되도록 의도되는 케이지의 표면에 적어도 부분적으로 부착된다. 케이지는 예를 들면 철, 구리 또는 황동과 같은 금속으로 이루어질 수 있지만, 또한 중합체 케이지 또는 임의의 다른 적절한 물질일 수 있다. 한 구체예에서, 내부 및 외부 링 사이의 스페이서는 완전히 채워져서 롤링 요소 및 분리 요소를 둘러싼다. 고체 윤활제가 분리 요소에 결합될 수 있는 동시에, 롤링 요소 및 궤도 주변에 좁은 틈이 형성되어 베어링 성분이 자유롭게 회전할 수 있게 될 것이다.

롤링 베어링의 한 구체예에서, 고체 윤활제는 분리 요소이다. 고체 윤활제는 상이한 디자인의 스페이서 또는 케이지의 형태로 성형될 수 있다. 그러한 경우에, 금속 또는 중합체 케이지 또는 스페이서를 사용할 필요가 없다. 고체 윤활제는 따라서 베어링을 윤활하면서 동시에 베어링에서 롤링 요소를 분리시킨다. 한 구체예에서, 내부 및 외부 링 사이의 공간은 완전히 채워지고 롤링 요소는 둘러싸인다. 롤링 요소 및 궤도 주변에 좁은 틈이 형성되어 베어링 성분이 자유롭게 회전할 수 있게 될 것이다. 고체 윤활제는 베어링으로 주조될 수 있다.

한 구체예에서, 베어링은 플레인 베어링이다. 고체 윤활제는 내부 및 외부 베어링 링 사이의 공간에 배치될 수 있다. 한 구체예에서, 적어도 하나의 내부 및 외부 링은 내부 및 외부 링 사이의 접촉 표면의 둘레에 홈을 제시하고, 여기서 상기 홈은 본 발명에 따른 고체 윤활제로 적어도 부분적으로 채워진다. 상기 홈은 두 개의 링의 둘레 전체로 확장될 수 있다.

한 구체예에서, 베어링은 밀봉된 베어링이고, 여기서 씰(seal)은 베어링의 적어도 하나의 축 끝면에 배치되고, 이를 통해 베어링의 내부 및 외부 링 사이를 밀봉한다. 씰은 고무와 같은 중합체, 또는 임의의 다른 적절한 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 씰은 하나 또는 수 개의 밀봉 립(sealing lip)을 갖는 단일 또는 이중-파트 씰과 같이 여러 방식으로 설계될 수 있다.

고체 윤활제를 갖는 베어링은 예를 들어 금속 공업(예를 들면 블룸(bloom) 또는 빌릿(billet) 주조기의 롤, 냉각 및 압연 테이블, 바(bar) 압연기의 가이드 롤, 재가열로 롤), 공업 오븐(예를 들면 경화 및 소둔 오븐을 위한 가마 궤도 바퀴 베어링 및 사슬 베어링), 식품 및 음료 산업(예를 들면 오븐, 훈연실 컨베이어 라인, 웨이퍼 제조기, 살균), 자동차 및 파우더 페인트를 위한 페인트 라인, 제지 산업(예를 들면 원지 가공 라인), 진공 및 우주 분야 및 오일 및 가스 산업(예를 들면 공격성 용매를 이용하는 분야)에서 사용하기에 우수하다. 그렇지만, 베어링이 잘 기능할 수 있는 많은 다른 적절한 사용 분야가 당연히 존재한다.

전술된 요약뿐 아니라 본 발명의 바람직한 구체예의 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 읽게 되면 더 잘 이해될 것이다. 본 발명을 예시할 목적을 위해, 도면에는, 현재 바람직한 구체예가 개략적으로 나타나 있다. 그렇지만, 본 발명은 제시된 정확한 배열 및 수단에 제한되지 않음이 이해되어야 한다. 도면에 있어서:
도 1은 본 발명에 따른 고체 윤활제를 갖는 롤링 베어링의 상평면도이고;
도 2는 도 1에서 롤링 베어링의 선 A-A를 따라 자른 횡단면도이다.

도 1에서 본 발명에 따른 베어링(1)이 개시된다. 베어링(1)은 공통된 축을 가지고 배치된 외부 링(2) 및 내부 링(3), 그리고 이들 사이에 롤링 요소(4)를 포함한다. 또한, 공간(5)에는 본 발명에 따른 고체 윤활제가 채워진다. 공간(5) 전체가 고체 윤활제로 채워질 수 있지만, 또한 공간(5)의 일부분이 고체 윤활제로 채워질 수 있다. 고체 윤활제는 또한 케이지 또는 스페이서에 결합될 수 있다(도면에 나타나지 않음). 베어링(1)은 임의 종류의 볼 베어링 또는 롤러 베어링, 가령 깊은-홈 볼 베어링, 각 접촉 볼 베어링, 자동-중심조정 볼 베어링 등일 수 있거나, 구형 롤러 베어링, 원추형 롤러 베어링, 원통형 롤러 베어링, 도넛모양 롤러 베어링 또는 임의의 다른 유형의 롤러 베어링일 수 있다. 베어링은 또한 롤링 요소가 없는 플레인 베어링일 수 있다. 그러한 경우에, 외부 링(2) 및 내부 링(3)은 서로 접촉하며, 슬라이딩에 의해 서로에 대해 회전할 수 있을 것이다.

도 2에서 도 1의 선 A-A를 따라 자른 베어링(1)의 횡단면이 나타난다. 베어링(1)은 외부 링(2), 내부 링(3), 롤링 요소(4) (이 예시에서 롤링 요소는 볼임), 및 케이지(6) (이것은 도 1에 도시되지 않음)를 포함한다. 또한, 외부 링(2)은 내부 궤도(21)를 제시하며 내부 링(3)은 외부 궤도(31)를 제시한다. 볼(4)은, 적어도 로딩된 영역에서, 내부 링(2) 및 외부 링(3)이 서로에 대해 회전할 수 있도록 내부 및 외부 궤도(21 및 31)와 접촉된다. 공간(5)이 또한 도면에 나타나며, 이러한 공간은 부분적으로 또는 전부 본 발명에 따른 고체 윤활제로 채워질 수 있다. 케이지(6)는 고체 윤활제에 의해 부분적으로 둘러싸일 수 있지만, 고체 윤활제는 또한 케이지(6)를 전부 감쌀 수 있다. 또한, 케이지(6)는 전부 고체 윤활제로 이루어질 수 있다. 케이지(6)는 철, 구리 또는 황동과 같은 금속으로 이루어질 수 있지만, 케이지는 또한 중합체로 이루어질 수 있다. 베어링의 유형, 롤러의 모양 등에 따라, 케이지(6)에 대해 가능한 매우 다양한 유형의 모양 및 디자인이 존재한다. 공간(5)이 고체 윤활제로 완전히 채워질 때의 경우에, 베어링(1)의 축 끝면은 윤활제에 의해 밀봉될 수 있고, 따라서 이물질 및 다른 입자가 베어링(1)에 들어갈 위험이 줄어든다. 분리 요소(6)는 또한 적어도 두 개의 인접한 롤링 요소를 분리하는 분리 요소인 스페이서일 수 있다. 스페이서는 철, 구리 또는 황동과 같은 금속으로 이루어질 수 있지만, 스페이서는 또한 중합체 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 스페이서는 전부 본 발명에 따른 고체 윤활제로 이루어질 수 있다.

당해 분야의 숙련가는 상기 기술된 구체예에 있어서 본 발명의 넓은 개념으로부터 벗어나지 않고 변형이 가해질 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로, 본 발명이 개시된 특정한 구체예에 제한되지 않지만, 첨부된 청구범위에 의해 일반적으로 정의된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위 내에서의 변형은 포괄하도록 의도됨이 이해된다.

Claims (13)

1. 베어링을 위한 고체 윤활제이되, 상기 윤활제는 다음을 포함함:
   적어도 30 wt %의 흑연;
   결합 물질; 및
   무기 윤활 나노입자.
2. 제1항에 있어서, 고체 윤활제는 추가로 적어도 1 wt %의 몰리브덴 디설파이드를 포함하는 고체 윤활제
3. 제1항에 있어서, 무기 윤활 나노입자는 80 내지 160 나노미터의 평균 크기를 가지는 고체 윤활제.
4. 제1항에 있어서, 무기 윤활 나노입자는 금속 디칼코게나이드인 고체 윤활제.
5. 제1항에 있어서, 고체 윤활제는 추가로 1.8 g/cm³이상의 밀도를 가지는 고밀도 액체를 포함하는 고체 윤활제.
6. 제5항에 있어서, 고밀도 액체는 오일인 고체 윤활제.
7. 제1항에 있어서, 고체 윤활제는 다공성 구조를 가지며, 여기서 무기 윤활 나노입자가 상기 다공성 구조 내에 함입된 고체 윤활제.
8. 제5항에 있어서, 방청(anti-rust) 첨가제가 고밀도 액체 내에 혼합된 고체 윤활제.
9. 다음을 포함하는 베어링:
   외부 링;
   공간을 만들기 위해 외부 링 내에 배치된 내부 링; 및
   상기 공간 내에 배치되고, 적어도 30 wt %의 흑연, 결합 물질, 및 무기 윤활 나노입자를 포함하는 고체 윤활제.
10. 제9항에 있어서:
    외부 링은 외부 링의 방사형 내부 인접 표면에서 내부 궤도를 나타내고;
    내부 링은 내부 링의 방사형 외부 인접 표면에서 외부 궤도를 나타내고;
    여기서 복수의 롤링 요소가 내부 및 외부 궤도 사이에 배치되는 베어링.
11. 제10항에 있어서, 적어도 두 개의 인접한 롤링 요소를 분리하기 위해 적어도 하나의 분리 요소를 추가로 포함하는 베어링.
12. 제11항에 있어서, 고체 윤활제는 분리 요소에 적어도 부분적으로 부착되는 베어링.
13. 제11항에 있어서, 고체 윤활제는 분리 요소인 베어링.

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