KR20140045586A - 미끄럼 부재 및 미끄럼 재료 조성물 - Google Patents

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타카시 토미카와
토시유키 치토세
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다이호 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 목적은 경도가 낮은 상대 부재에 대하여 적합한 미끄럼 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 적어도 표면에 페라이트 상(相)을 가진 상대 부재와 미끄럼 운동하는 미끄럼 부재로서, 미끄럼 부재는 바인더 수지, 이황화 몰리브덴, 및 경질물(硬質物) 입자를 포함한 코팅층을 포함한다.

Description

미끄럼 부재 및 미끄럼 재료 조성물{SLIDING MEMBER AND SLIDING MATERIAL COMPOSITION}
본 발명은 연질의 상대 부재에 적합한 미끄럼 부재 및 미끄럼 재료 조성물에 관한 것이다.
종래, 기계류의 미끄럼부에 윤활성을 부여하기 위해, 각 미끄럼 부재의 표면에 미끄럼 재료 조성물을 코팅하여, 각 미끄럼부에서 윤활막으로서 기능하는 방식이 사용되고 있다. 따라서, 이러한 종류의 미끄럼 재료 조성물은 저마찰 특성과, 장기간 사용한 후에도 마모가 발생하지 않는 우수한 내마모성을 가지고, 상대 부재와의 적응성이 양호한 윤활막이 될 것을 요구받고 있다.
종래의 미끄럼 재료 조성물로서, 내마모제, 고체 윤활제, 및 수지 바인더를 함유하는 미끄럼 재료 조성물이 공지되어 있다(특허문헌 1 내지 3).
일본 특허 제4004631호 JP-A-H10-37962 JP-A-2002-53883
상기 종래 기술의 경우, 미끄럼 부재와 짝을 이루는 상대 부재는 냉각처리(chilling treatment)나 담금질 처리(quenching treatment) 등과 같은 열처리가 시행되어 획득되는 높은 경도 특성을 가진 상대 부재이고, 종래 미끄럼 재료 조성물은 상대 부재가 높은 경도 타입이라는 것을 상정한 상태로 구성된 미끄럼 재료 조성물로 한정되어 있다. 그러나, 근래에 들어, 제조비용의 경감을 위해, 경화처리를 시행하지 않은 샤프트의 개발이 진행되어 왔고, 그에 따라서 경도가 낮은 상대 부재에 적합한 미끄럼 부재에 대한 요구가 높아지고 있다. 본 발명의 일 목적은 이러한 요구를 충족하는 미끄럼 부재를 제공하는 것이다.
본 발명은 하기 설명하는 구성의 미끄럼 부재 및 미끄럼 재료 조성물에 관한 것이다.
[1] 적어도 표면에 페라이트 상(相)을 가진 상대 부재와 미끄럼 운동하는 미끄럼 부재로서, 상기 미끄럼 부재는: 바인더 수지, 이황화 몰리브덴, 및 경질물(硬質物) 입자를 포함한 코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
[2] 상기 구성 [1]에 있어서, 상기 경질물 입자는 상기 상대 부재의 미끄럼 표면의 표면 산술 평균 조도(粗度)(Ra)의 0.5배 내지 10배인 평균 입경(粒徑)을 구비하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
[3] 상기 구성 [1] 또는 [2]에 있어서, 상기 경질물 입자는 괴형상(塊形狀)인 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
[4] 상기 구성 [1] 내지 [3] 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 경질물 입자는 상대 부재의 경도의 2배 이상인 경도를 구비하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
[5] 적어도 표면에 페라이트 상(相)을 구비한 상대 부재와 미끄럼 운동하는 미끄럼 부재에 이용되는 미끄럼 재료 조성물로서, 바인더 수지; 이황화 몰리브덴; 및 경질물(硬質物) 입자;를 포함한 것을 특징으로 하는 미끄럼 재료 조성물.
본 발명에 따르면, 미끄럼 이동에 의해 페라이트 상(相)을 가진 상대 부재의 조면부(粗面部)를 미끄럼 운동에 의해 래핑(wrapping)하여 우수한 내마모성 및 내소착성(seizure resistance)를 나타내는 미끄럼 재료 조성물 및 미끄럼 부재를 제공할 수 있다.
도 1은 경질물 입자의 입경과 마모 시험후의 상대 샤프트의 표면 조도 간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 2는 경질물 입자의 입경과 마모 시험후의 샘플(베어링)의 마모 깊이 간의 관계를 도시한 그래프이다.
본 발명에 따른 미끄럼 재료 조성물(이하, "본 발명에 따른 조성물"로도 칭함)은 바인더 수지, 이황화 몰리브덴, 및 경질물 입자를 포함한다.
바인더 수지는 본 발명에 따른 조성물을 결합(bind)하는 재료를 규정하며, 폴리아미드-이미드(PAI) 수지, 폴리이미드 수지, 페놀 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리에테르 에테르 케톤 수지, 및 폴리페닐렌 설파이드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 한 종류의 수지인 것이 바람직하다. 이들 수지 중에서도, 내마모성의 관점에서 폴리아미드-이미드(PAI) 수지를 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 조성물은 경질물 입자를 함유한다. 담금질 처리(quenching treatment) 등의 경화 처리(hardening treatment)를 하지 않는 단조(鍛造) 샤프트나 주조(鑄造) 샤프트 등의 상대 부재에는 페라이트 상(相)(ferrite phase)이 존재한다. 이 페라이트 상을 가진 상대 부재의 경도는 비커스 경도(Vickers hardness)로 HV 200 내지 HV 300 정도로 낮아서, 연마 마무리를 시행한 후에 버르(burr)가 형성되기 쉽다. 미끄럼 베어링의 표면, 즉 미끄럼 부재의 미끄럼 표면은 페라이트 상 보다 연질이고, 버르와 함께 연마 마모가 발생하기 쉽다. 이러한 문제를 해소하기 위해 미끄럼 재료 조성물에 함유된 경질물 입자에 의해 소위 래핑 효과(wrapping effect)가 부여되며, 여기서 래핑 효과는 페라이트 상에 발생된 버르가 절삭되어 상대 부재 표면이 원활하게 되는 작용을 말하며, 그 결과, 본 발명에서는 내마모성 및 내소착성(seizure resistance)이 향상된다.
래핑(wrapping) 작용을 발휘하기 위해서는 상대 부재의 표면 조도(粗度)에 따라서 경질물 입자의 입자 지름[즉, "입경(粒徑)", 이하 "입경"이라함)을 조정할 필요가 있다. 여기서, 표면 조도에 대하여 더 큰 조도의 경질물을 첨가하면, 경질물은 역으로 상대 부재를 공격하게 된다. 한편, 너무 작은 경질물이 부가되면, 랩핑 효과를 획득할 수 없다. 따라서, 경질물 입자의 평균 입경(모드 지름)은 상대 부재의 미끄럼 표면의 산술 평균 조도(Ra)의 0.5배 내지 10배가 바람직하고, 특히, 2배 내지 5배가 바람직하다.
표면 조도를 10점 평균 조도(Rz)로 규정하는 경우는 하기 관계식에 따른다.
산술 평균 조도 (Ra) = 1/2 내지 1/3 × 10점 평균 조도(Rz)
또한, 경질물 입자의 형상은 괴형상(塊形狀) 또는 구형상이 바람직하고, 괴형상의 경질물 입자는 구형상의 경질물 입자 보다 더 래핑 효과가 크기 때문에, 괴형상이 특히 바람직하다. 여기서, 괴형상으로는 90°이하의 돌기를 실질적으로 포함하지 않는 불규칙 형상을 의미하고, 가공에 의해 형성될 수 있는 구형상 및 예각 등의 형상은 배제된다. 배제된다. 또한, 예각 형상의 경질물 입자는 상대 부재를 공격할 염려가 있으므로 바람직하지 않은 것을 알 수 있다.
경질물 입자가 페라이트 상을 가진 상대 부재에 대하여 충분한 경성을 가지면 경질물 입자의 경도에 한정이 없다. 그러나, 상대 부재의 경도가 HV 200 내지 HV 300 이기 때문에, 경질물 입자의 경도는 상대 부재의 경도와 동등하거나 2배 이상인 HV 600과 동등하거나 큰 것이 바람직하고, 특히 HV 800 이상이 바람직하다. 경도는 비커스 경도(Vickers hardness)이다(이하 같음).
경질물 입자의 타입은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 상기 경도를 만족시키는 관점에서 볼 때, Fe3P(약 HV 800), Al2O3(HV 1500 이상), SiC(HV 2000 이상), AlN(HV 1000 이상) 등이 사용하기에 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 조성물에서 경질물 입자의 함량은 0.1 부피% 내지 5 부피%가 바람직하고, 1 부피% 내지 4 부피%가 특히 바람직하다. 함량이 상기 범위 내에 있으면, 경질물 입자는 상대 부재의 열화를 낮추면서 래핑 효과(wrapping effect)를 가진다.
본 발명에 따른 조성물에 있어서 이황화 몰리브덴(MoS2)은 내마모성을 부여하는 고체 윤활제로서 기능한다. 고체 윤활제를 첨가하는 것으로 경질물 입자에 의한 래핑이 미세해진다. 특히, 이황화 몰리브덴은 오일 내에서 다른 고체 윤활제 보다 우수한 윤활 효과를 나타내기 때문에, 오일 속에서의 그 효과가 특히 발휘된다.
본 발명에 따른 조성물에 있어서 이황화 몰리브덴의 함유량은 30 부피% 내지 70 부피%이고, 바람직하게는 35 부피% 내지 60 부피%이다. 이황화 몰리브덴의 함유량이 상기 범위 내이면, 충분한 윤활 효과를 획득할 수 있다.
또한, 이황화 몰리브덴은 평균 입경이 5㎛ 이하인 것이 바람직하고, 3㎛ 이하가 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 조성물은 이황화 몰리브덴 이외에 다른 고체 윤활제를 함유할 수도 있다.
그 밖의 다른 고체 윤활제로는 그래파이트, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 이황화 텅스텐, 운모, 질화 붕소, 불화 흑연, 및 플러렌(fullerene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1 종의 고체 윤활제인 것이 바람직하다. 이들 고체 윤활제의 함유량은 이황화 몰리브덴의 보조적 동작으로서 특히 오일이 고갈될 때 이들 고체 윤활제가 윤활 효과를 획득한다는 관점에서 볼 때 5 부피% 내지 35 부피%가 바람직하다.
본 발명에 따른 조성물은 추가로 무기첨가제를 함유할 수 있으며, 무기 첨가제는 탄산칼슘, 황산바륨, 인산칼슘으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 한 종류의 무기 첨가제인 것이 바람직하다. 또한, 내마모성의 관점에서, 조성물에서의 무기첨가제의 함유량은 5 부피% 내지 10 부피%가 바람직하다.
본 발명에 따른 미끄럼 재료 조성물은 미끄럼 부재의 기재 표면의 코팅층으로서 이용될 수 있다. 특히 상대 미끄럼 부재가 페라이트 상(相)을 적어도 표면에 가지는 경우, 미끄럼 면에 대한 코팅에 바람직하게 적합하다. 상기 설명한 상대 부재의 구체적 실예로는 담금질되지 않은 단조 샤프트, 담금질되지 않은 구형 흑연 주철(鑄鐵) 샤프트, 또는 질화되지 않은 단조 샤프트 등을 예로 들 수 있다.
본 발명에 따른 미끄럼 부재는 기재와, 기재 상에 설치된 코팅층을 포함하고, 코팅층은 상기 본 발명에 따른 미끄럼 재료 조성물로부터 형성된다.
본 발명에 따른 미끄럼 부재의 기재용 재료는 특별히 제한이 있는 것은 아니지만, 철강, 스텐레스 강, 주철, 동, 동합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 고무, 플라스틱, 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택되는 재료인 것이 바람직하다. 또한, 기재의 형상은 특별히 제한이 있는 것은 아니지만, 판형상이나 관형상이 될 수 있다. 또한, 기재는 철강 또는 스텐레스 강 등의 백 스틸(back steel)과, 백 스틸 위에 배치되고 알루미늄 합금 또는 동합금 등이 함유된 합금층을 포함하는 것이 바람직하다.
코팅층을 형성하는 방법은 예를 들면 본 발명에 따른 조성물을 바인더 수지의 용제와 함께 혼합하고, 에어 스프레이 도장(coating) 등과 같은 공지의 방법을 이용하여 기재 표면에 혼합물의 막을 형성하고, 이후, 바인더 수지의 소성 온도로 막을 소성하는 방법을 적용할 수 있다. 또한, 코팅을 강화하기 위해, 기재 표면을 코팅하기 전에 조면화(粗面化) 처리를 시행하거나, 기재와 코팅층 사이에 접착층을 형성할 수도 있다. 코팅층의 두께는 5㎛ 내지 30㎛인 것이 바람직하다. 코팅층의 표면 조도(粗度)는 특별히 제한이 있는 것은 아니지만, 0.3㎛Ra 내지 3㎛Ra가 바람직하다.
본 발명에 따른 미끄럼 부재의 윤활조건은 특히 한정이 없지만, 오일 윤활, 그리스 윤활, 무윤활 중 어느 것도 사용할 수 있다.
실시예
알루미늄 이종금속 기재[두께 약 1.5mm(알루미늄 합금층 두께 0.2mm)]에 쇼트 블라스트 처리(short blasting treatment)를 시행하고, 이후 표 1에 나타낸 조성물을 분무 코팅하여 두께 10㎛를 가지도록 코팅층을 형성하였다. 분무 코팅에 의해 막을 형성한 이후, 부재들을 200℃에서 소결하여 샘플을 제조하였다. 사용된 재료는 다음과 같다. 고체 윤활제와 경질물 이외의 나머지 부분은 바인더 수지를 이용하여 조정하여서 각 조성물은 전체가 100 부피%가 되도록 하였다.
● 바인더 수지
폴리아미드-이미드(PAI 수지): 히다치 케미칼 컴패니 리미티드 제조
● 고체 윤활제
이황화 몰리브덴: 수미코 루브리컨트 컴패니 리미티드 제조, 2㎛의 평균 입경
그래파이트: 수미코 루브리컨트 컴패니 리미티드 제조, 2㎛의 평균 입경
이황화 텅스텐: 수미코 루브리컨트 컴패니 리미티드 제조, 2㎛의 평균 입경
● 경질물 입자
Al2O3: 후지미 인코포레이티드 컴패니 리미티드 제조, 모두 괴형상(塊形狀)
SiC: 후지미 인코포레이티드 컴패니 리미티드 제조, 모두 괴형상(塊形狀)
Fe3P: 후쿠다 메탈 포일 & 파우더 컴패니 리미티드 제조, 모두 괴형상(塊形狀)
AIN: 토요 알루미늄 컴패니 가부시기가이샤 제조, 모두 괴형상(塊形狀)
실시예 및 비교예의 샘플(베어링)에 대하여 상대 부재로서의 미끄럼 표면에 페라이트 상을 가진 주조 샤프트 또는 단조 샤프트를 이용하여 마모 시험을 시행하고, 시험 전후의 상대 샤프트 미끄럼 표면의 표면 조도 및 시험후의 샘플 미끄럼 표면의 마모 깊이를 측정하였다. 결과를 표 1에 나타냈다. 또한, 실시예에 대하여, 경질물 입자의 입경과 시험 후의 상대 샤프트의 표면 조도 간의 관계를 도 1에 나타내고, 경질물 입자의 입경과 시험 후의 샘플(베어링)의 마모 깊이 간의 관계를 도 2에 나타냈다. 또한, 각 상대 부재는 담금질 등의 경화 처리를 시행하지 않았고, 경도 HV 200 내지 HV 300을 가졌음을 알 수 있다.
(마모 시험)
마모 시험은 부분 접촉 마모 테스터를 이용하여 다음의 조건으로 수행하였다.
회전수: 0 rpm (1분 유지) → 1200 rpm (1분 유지) → 0 rpm(1분 유지)의 싸이클 시험
윤활유: 0 W - 20
급유 온도: 100℃
하중: 4.41 kN
시험 시간: 100 시간
(표면 조도 측정)
JIS B 061(2001)에 따라서, 산술 평균 조도 Ra를 측정하였다.
(마모 깊이 측정)
샘플(베어링)의 코팅층의 두께를 시험 전후에 측정하고, 그 값으로부터 마모 깊이를 산출하였다.
샤
프
트

타
입
MoS2
첨가량
(부피%)
MoS2 이외의
고체윤활제
경질물
시험전
샤프트
조도
(㎛Ra)
경질물
평균
입경/
시험전 샤프트 조도
(배)
시험후 샤프트 조도
(㎛Ra)
베어링
마모
깊이
(㎛)
타
입		 양
(부피%)		 타
입		 양
(부피%)		 평균
입경
(㎛)





실
시
예




 1 주조 30 - - Al2O3 1 0.05 0.1 0.5 0.09 2
2 주조 50 - - Al2O3 3 0.5 0.1 5 0.07 1.4
3 주조 35 PTFE 35 Al2O3 5 1 0.1 10 0.09 1
4 주조 30 PTFE 20 SiC 2 2 0.1 20 0.15 0.8
5 주조 60 - - SiC 4 0.1 0.4 0.25 0.39 6.3
6 주조 70 - - SiC 5 0.2 0.4 0.5 0.37 2.8
7 주조 30 Gr 20 Fe3P 3 1 0.4 2.5 0.32 2.2
8 단조 30 Gr 30 Fe3P 4 4 0.4 10 0.38 1.5
9 단조 40 Gr 5 Fe3P 5 10 0.4 25 0.55 1
10 단조 30 WS2 20 AlN 3 0.2 1 0.2 0.98 8.1
11 단조 40 - - AlN 2 0.5 1 0.5 0.91 3.7
12 주조 30 WS2 20 AlN 3 4 1 4 0.68 2.8
13 주조 35 PTFE 5 Al2O3 5 10 1 10 0.87 2.1
14 주조 40 WS2 10 SiC 2 20 1 20 1.21 1.6

비
교
예

 1 주조 - PTFE 50 Al2O3 1 0.5 0.1 5 0.08 10.3
2 주조 - Gr 50 SiC 2 1 0.4 2.5 0.36 6.8
3 주조 - WS2 50 Fe3P 3 4 1 4 0.82 7.6
4 단조 - PTFE 50 AlN 4 0.5 0.1 5 0.09 10.2
5 단조 20 PTFE 20 - - - 0.4 - 0.4 15.6
6 단조 50 - - - - - 0.4 - 0.38 11.3
표 1로부터, 모든 실시예가 양호한 윤활 상태에 있음을 증명한다. 한편, 비교예1 및 비교예4와 실시예2를 대비하여 경질물 입자를 함유하지만 이황화 몰리브덴을 함유하지 않은 구성을 통해 베어링 마모 깊이가 커지는 것을 판정할 수 있다. 비교예2와 실시예7의 대비, 비교예3과 실시예12와의 대비를 통해서도 유사한 경향이 확인된다.
또한, 비교예5와 실시예7의 대비, 비교예6과 실시예5와의 대비로부터, 이황화 몰리브덴을 함유하지만 경질물을 함유하지 않는 구성에 의해 베어링 마모 깊이가 커지는 것을 판정할 수 있다.
또한, 표 1 및 도 1 및 도 2을 통해서, 경질물 입자의 평균 입경이 상대 부재의 미끄럼 표면의 표면 산술 평균 조도(시험전 샤프트 조도) (Ra)의 0.5 - 10배이면, 시험후 샤프트 조도와 베어링 마모 깊이 모두가 감소될 수 있고, 래핑 작용이 발휘되어 바람직한 것임을 증명한다.
본 발명을 특정 실시예를 참조하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 사상과 범위를 일탈하지 않고, 여러 가지 변경 또는 수정이 가능함은 당업자에게는 자명한 것이다. 본 출원은 2011. 09. 13. 자 출원된 일본 특허 출원(P2011-199559)에 기초한 것으로서, 그 내용은 여기 참조로 포함된다.

Claims (5)

  1. 적어도 표면에 페라이트 상(相)을 가진 상대 부재와 미끄럼 운동하는 미끄럼 부재로서, 상기 미끄럼 부재는:
    바인더 수지, 이황화 몰리브덴, 및 경질물(硬質物) 입자를 포함한 코팅층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경질물 입자는 상기 상대 부재의 미끄럼 표면의 표면 산술 평균 조도(粗度)(Ra)의 0.5배 내지 10배인 평균 입경(粒徑)을 구비하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 경질물 입자는 괴형상(塊形狀)인 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경질물 입자는 상대 부재의 경도의 2배 이상인 경도를 구비하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
  5. 적어도 표면에 페라이트 상(相)을 구비한 상대 부재와 미끄럼 운동하는 미끄럼 부재에 이용되는 미끄럼 재료 조성물로서,
    바인더 수지;
    이황화 몰리브덴; 및
    경질물(硬質物) 입자;
    를 포함한 것을 특징으로 하는 미끄럼 재료 조성물.
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