KR20140080753A - 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링, 이를 구비하는 슬라이딩 베어링 조립체 및 건설기계용 관절 조립체 - Google Patents

플랜지 타입의 슬라이딩 베어링, 이를 구비하는 슬라이딩 베어링 조립체 및 건설기계용 관절 조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건설기계 프론트 관절부에 사용될 수 있는 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링, 이를 구비하는 슬라이딩 베어링 조립체 및 건설기계용 관절 조립체에 대한 것이다.

Description

플랜지 타입의 슬라이딩 베어링, 이를 구비하는 슬라이딩 베어링 조립체 및 건설기계용 관절 조립체{FLANGE TYPE SLIDING BEARING, SLIDING BEARING ASSEMBLY AND ARTICULATION ASSEMBLY FOR CONSTRUCTION MACHINERY HAVING THE SAME}
본 발명은 건설기계 프론트 관절부에 사용될 수 있는 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링, 이를 구비하는 슬라이딩 베어링 조립체 및 건설기계용 관절 조립체에 관한 것이고, 상세하게는 이물질의 유입이 효과적으로 차단되면서 내마모성 및 내충격성이 향상되어 건설기계 프론트 관절부에 사용될 수 있는 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링, 이를 구비하는 슬라이딩 베어링 조립체 및 건설기계용 관절 조립체에 관한 것이다.
일반적으로 건설기계 프론트 관절부는 보스(boss)에 압입되어 있는 슬라이딩 베어링과 핀이 구동되어 작동하는 부위로서, 작업 환경에 따라 이물질이 유입되고, 이러한 이물질의 유입에 따라 많은 영향을 받는다. 따라서, 이물질의 유입을 차단하기 위해서 더스트 씰(dust seal)을 장착하여 사용한다. 또한, 더스트 씰의 적용 부위에 따라 브래킷(bracket)의 측면과, 보스 및 슬라이딩 베어링 간의 thrust 마모가 심할 경우, 브랫킷의 측면 테두리에 일종의 밀봉 장치인 O-링(O-ring)을 사용하여 이물질 유입을 방지하고 있다. 또, thrust 마모가 더욱 심한 경우, thrust 마모가 발생하는 보스의 마모를 줄이기 위해서, 내마모 디스크를 보스에 볼트로 체결하거나, 또는 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링을 보스에 압입하여 사용하는 경우가 일반적이다.
다만, 도 1에 도시된 바와 같이, 내마모 디스크(5)가 볼트(6)에 의해서 보스(2)에 체결되어 이물질의 유입을 방지하는 경우, 보스(2)의 측면에 맞닿는 브래킷(bracket)(7)의 thrust 요동에 따라 내마모 디스크의 요동 방향은 반전을 반복하고, 이로 인해 볼트(6)에 횡 하중이 반복적으로 가해지며, 또한 thrust 하중이 내마모 디스크(5)에 가해질 때마다 볼트(6)의 장력이 감소하기 때문에, 볼트가 느슨해져서 빠져 나오거나 파손되는 문제가 있다. 게다가, 볼트(6)에 의한 밀봉이 완벽하지 않은 경우, 볼트 자리에 이물질이 유입되어 축적되고, 유입된 이물질이 다시 내마모 디스크(5)와 보스(2)의 thrust 슬라이딩 면으로 토출되면서 보스(2)의 마모를 가속화시킬 위험성이 있다.
이러한 문제점 때문에, 볼트(6)를 통해 체결되는 내마모 디스크(볼트형 내마모 디스크)(5)를 사용하는 것보다 압입형인 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링을 사용하는 것이 더 유리하다. 다만, 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링의 경우, 플랜지부가 브래킷과 맞닿아 슬라이딩하고, 이때 thrust 마모가 발생한다. 따라서, 이물질이 마모된 플랜지부와 브래킷 사이로 유입되는 것을 방지하기 위해서, 종래에는 브래킷과 맞닿아 슬라이딩하는 플랜지부의 내마모성을 향상시키고자 하였다.
구체적으로, 종래에는 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링의 플랜지부에 과량의 초경 합금 재료(WC-Ni-B 합금) 또는 세라믹재료를 용사하여 코팅층을 형성함으로써, 플랜지부의 내마모성을 향상시키고자 하였으나, 상기 코팅층과 맞닿는 브래킷의 표면이 심하게 마모되는 문제가 있었다. 이에, 브래킷 대신 플랜지 타입 슬라이딩 베어링의 사용을 제안한 경우가 있었으나, 이는 장비를 사용하는 고객 입장에서 현실적이지 못할 뿐만 아니라, 장비 보수 및 유지 비용을 증가시킬 수 있다.
게다가, 상기와 같이, 과도하게 플랜지부의 슬라이딩면에 대한 내마모성을 향상시킴으로써, 상기 슬라이딩 베어링의 베어링부의 내주면이 플랜지부의 슬라이딩면보다 먼저 마모가 되고, 이로 인해 플랜지부의 수명이 남아 있음에도 불구하고 베어링을 교체해야 하는 일이 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서, 베어링부의 내주면에 초경 합금재료 또는 세라믹 재료로 코팅을 하거나, 또는 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링 안에 다시 슬라이딩 베어링을 이중으로 압입하여 별도로 교체할 수 있도록 만들어야 한다. 그러나, 이렇게 제조하기는 어렵고, 또한 부가적인 관리 및 비용이 소요될 수 있어 현실성이 떨어진다.
아울러, 초경 합금 재료 또는 세라믹 재료를 용사하여 형성된 코팅층은 내충격성이 낮기 때문에, 석산과 같은 작업 모드에서 코팅층이 베어링의 플랜지부 표면에서 박리되거나 균열이 발생하는 문제가 있었다.
본 발명은 이물질의 유입을 효과적으로 차단할 수 있으면서, 내마모성 및 내충격성이 향상되어 건설기계 프론트의 관절부에 사용될 수 있는 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링을 제공하고자 한다.
또, 본 발명은 전술한 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링을 구비하는 슬라이딩 베어링 조립체, 및 건설기계용 관절 조립체를 제공하고자 한다.
본 발명은 보스의 내주면에 접촉 수용되고, 핀을 회전 지지 가능하도록 내주면에 접촉 수용하는 베어링부; 및 상기 베어링부의 단부에서 반경 반향으로 연장되어 보스의 측면과 접촉하는 플랜지부를 포함하는 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링으로서, 상기 플랜지부는 브래킷과 접촉하여 슬라이딩하는 슬라이딩면을 포함하고, 상기 슬라이딩면에는 전체 중량에 대하여 크롬(Cr) 12~18 중량%, 니오븀(Nb) 7~15 중량%, 탄소(C) 5~10 중량%, 잔량의 철(Fe)을 포함하는 Fe-Cr-Nb-C계 합금으로 형성된 내마모 코팅층이 형성되어 있는 것이 특징인 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링을 제공한다.
또, 본 발명은 보스의 내주면에 접촉 수용되고, 핀을 회전 지지 가능하도록 내주면에 접촉 수용하는 베어링부; 및 상기 베어링부의 단부에서 반경 반향으로 연장되어 보스의 측면과 접촉하는 플랜지부를 포함하는 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링으로서, 상기 플랜지부는 브래킷과 접촉하여 슬라이딩하는 슬라이딩면을 포함하고, 상기 슬라이딩면에는 평균 표면 조도(Ra)가 1.9 내지 3 ㎛ 범위인 내마모 코팅층이 형성되어 있는 것이 특징인 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링을 제공한다.
또한, 본 발명은 전술한 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링; 상기 슬라이딩 베어링의 내주면에 회전 가능하도록 삽입된 핀; 및 상기 슬라이딩 베어링의 외부에서 상기 슬라이딩 베어링을 압입 수용하는 보스를 구비하는 슬라이딩 베어링 조립체를 제공한다.
그리고, 본 발명은 전술한 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링; 상기 슬라이딩 베어링의 내주면에 회전 가능하도록 삽입된 핀; 상기 슬라이딩 베어링의 외부에서 상기 슬라이딩 베어링을 압입 수용하는 보스; 및 상기 슬라이딩 베어링의 플랜지부와 접촉하여 슬라이딩 베어링과 핀을 고정 지지하는 브래킷을 구비하는 건설기계용 관절 조립체를 제공한다.
본 발명에 따른 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링은 철(Fe), 크롬(Cr), 니오븀(Nb) 및 탄소(C)의 함량을 각각 특정 범위로 조절한 Fe-Cr-Nb-C계 합금으로 된 내마모 코팅층이 플랜지부의 표면에 형성됨으로써, 브래킷과 맞닿는 플랜지부의 슬라이딩면이 우수한 내마모성 및 내충격성을 갖게 되어, 베어링의 수명 특성이 향상될 수 있고, 유지 보수 비용이 절감될 수 있다.
또한, 본 발명은 평균 표면 조도(Ra)가 특정 범위로 제어된 내마모 코팅층이 플랜지부의 표면에 형성됨으로써, 플랜지부의 슬라이딩면이 우수한 내마모성 및 내충격성을 갖게 될 뿐만 아니라, 플랜지부와 맞닿는 브래킷이 적게 마모될 수 있기 때문에, 베어링의 교체 수명뿐만 아니라 브래킷의 교체 수명도 증가시켜 유지 보수 비용이 절감될 수 있다.
도 1은 종래 볼트를 이용하여 보스에 내마모 디스크가 체결되어 있는 모습을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링을 보여주는 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링을 핀의 길이 방향을 따라 절단한 단면을 보여주는 단면도로서, 확대된 부분은 내마모 코팅층이 플랜지부의 슬라이딩면에 형성되어 있는 모습을 보여주는 것이다.
도 4는 플랜지부의 테두리에 형성된 테이퍼의 각도에 따른 O-링(O-ring)의 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 건설기계용 관절부에 적용된 본 발명에 따른 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링을 핀의 길이방향으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 제1 테이퍼가 형성된 베어링의 플랜지부가 제2 테이퍼가 형성된 브랫킷과 접촉하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 7은 실시예 1에 따라 제조된 플랜지 타입 슬라이딩 베어링의 플랜지부에 형성된 내마모 코팅층을 절단한 면을 나타낸 전자현미경 사진이다.
도 8은 플랜지부의 테이퍼 각도에 따른 이물질 유입량을 나타낸 그래프이다.
도 9는 플랜지부의 테이퍼 각도와 브래킷의 테어퍼 각도의 합에 따른 이물질 유입량을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링(10)은 건설기계 프론트 관절부에 적용되어 하중을 지지하고 회전 또는 요동 운동을 구현한다. 이러한 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링(10)은 윤활유의 유막을 통해 일반적으로 핀이나 보스 등과 상대적으로 회전 또는 요동 운동을 하는데, 도 2에 도시된 바와 같이, 보스의 내주면에 접촉 수용되고, 핀을 회전 지지 가능하도록 내주면에 접촉 수용하는 베어링부(100)와, 상기 베어링부(100)의 단부에서 반경 방향으로 연장되어, 보스의 측면과 접촉하는 플랜지부(200)을 포함한다.
상기 플랜지부(200)는 내부에 삽입되는 핀과의 슬라이딩이 발생하는 접촉면인 내주면(210)과, 핀이나 보스를 지지하여 고정시키는 브랫킷과의 슬라이딩이 발생하는 접촉면인 슬라이딩면(220)을 포함한다.
상기 플랜지부의 내주면(210)에는 더스트 씰(dust seal)이 위치할 수 있는 더스트 씰 삽입홈(211)이 형성되어 있을 수 있다.
상기 플랜지부의 슬라이딩면(220)에는 내마모 코팅층(230)이 형성되어 있다.
상기 내마모 코팅층(230)은 철(Fe), 크롬(Cr), 니오븀(Nb) 및 탄소(C)의 함량이 각각 특정 범위로 조절된 Fe-Cr-Nb-C계 합금으로 이루어져 있다. 이러한 Fe-Cr-Nb-C계 합금은 내마모성 및 내충격성이 우수할 뿐만 아니라, 플랜지부 모재와의 접착력도 우수하다. 따라서, 상기 Fe-Cr-Nb-C계 합금으로 된 내마모 코팅층(230)이 플랜지부의 슬라이딩면(220)에 형성됨으로써, 슬라이딩면의 내마모성 및 내충격성이 향상될 뿐만 아니라, 내마모 코팅층(230)이 슬라이딩면(220)으로부터 박리되지 않기 때문에, 슬라이딩 베어링(10)의 수명 특성이 향상될 수 있고, 나아가 보수 유지 비용이 절감될 수 있다.
상기 Fe-Cr-Nb-C계 합금에서, 각 성분의 함량은 다음과 같다.
크롬(Cr)은 크롬 탄화물(CrC)을 형성하는 성분으로, 텅스텐(W)에 비해 저렴하고, 탄화물의 형성시 텅스텐탄화물(WC)보다 상대 공격성이 낮다. 본 발명에 따른 Fe-Cr-Nb-C계 합금에서 크롬(Cr)의 함량은 하기 니오븀(Nb) 함량과의 연관성을 고려하여, 내마모 코팅층의 전체 중량에 대하여 약 12 내지 18 중량%로 조절하는 것이 바람직하다. 만약, Nb의 함량이 약 7 내지 15 중량%로 조절되더라도 Cr의 함량이 약 18 중량%를 초과하면, 상대 공격 특성이 커지면서 내마모 성능이 저하될 수 있으며, 한편 Nb의 함량이 약 7 내지 15 중량%이고, Cr의 함량이 약 12 중량% 미만이면, 내마모 성능이 저하될 수 있다.
또, 니오븀(Nb)은 철(Fe)에 융화되거나 확산되어 결정립의 조대화를 억제시킬 수 있는 성분으로, 이러한 니오븀으로 인해 미세조직 강화 효과가 발생하여 내마모 코팅층의 피로강도 및 내마모성이 향상될 수 있다. 다만, 본 발명에 따른 Fe-Cr-Nb-C계 합금에서 니오븀의 함량이 약 7 중량% 미만이면, 탄화물 형태의 Nb가 철(Fe)에 융화되거나 확산되는 양이 작아서 결정립의 조대화를 제대로 억제시키지 못하고, 이로 인해 내마모 코팅층의 내마모성 저하를 초래하며, 니오븀의 함량이 약 15 중량%를 초과하면, 사용된 Nb가 모두 철(Fe)에 융화되거나 확산되지 못하고 대부분이 탄화물 형태로 존재하여 상기 플랜지부와 슬라이딩하는 브래킷의 표면을 마모시켜 브래킷의 교체 수명을 저하시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 니오븀(Nb)의 함량을 전체 중량에 대하여 약 7 내지 15 중량%로 조절하고, 바람직하게는 약 8 내지 12 중량%로 조절할 수 있다.
또한, 탄소(C)는 통상 흑연으로 제공될 수 있으며 일부는 탄화물로 제공될 수도 있다. 상기 탄소는 철(Fe)에 고용되어 열처리 등을 거쳐 철을 경화시키는 목적으로 첨가되는 성분으로서, 그 함량이 약 5 중량% 미만인 경우에는 열처리 등에 의한 고용 경화의 효과가 미미하며, 10 중량%를 초과하는 경우에는 소결 과정에서 흑연 상태로 남아 소결에 악영향을 발생시킬 수 있다. 이에, 본 발명에 따른 Fe-Cr-Nb-C계 합금에서는 탄소(C)의 함량을 전체 중량에 대하여 약 5 내지 10 중량% 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
또, 철(Fe)는 Fe-Cr-Nb-C계 합금의 기재(matrix)로서, 이의 함량은 Fe-Cr-Nb-C계 합금의 총량이 100 중량%가 되도록 조절하는 잔량이다. 바람직하게는 철의 함량이 약 60 중량% 이상, 더 바람직하게는 약 60 내지 76 중량%일 경우, 철 성분과 플랜지부의 모재와의 접착력이 더 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 탄화물과의 결합력도 더 향상되어, 내마모 코팅층의 박리나 균열 현상이 잘 일어나지 않으며, 이로 인해 플랜지부의 슬라이딩면의 내마모 특성이 더 향상될 수 있다.
경우에 따라, 상기 Fe-Cr-Nb-C계 합금은 망간(Mn) 및/또는 텅스텐(W)을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 Fe-Cr-Nb-C계 합금이 Mn을 더 함유할 경우, Fe의 함량을 조절하고, W을 더 함유할 경우, Cr인 Nb의 함량을 조절하는 것이 바람직하다.
상기 망간(Mn)은 고용 강화에 의한 가공 경화성을 갖는 성분으로서, Fe-Cr-Nb-C계 합금에 첨가됨에 따라 Fe의 기재(matrix)를 유지하면서 강도를 향상시킬 수 있다. 이의 함량은 특별히 한정되지 않으나, 예컨대 약 0.1 내지 1 중량% 일 수 있다.
또, 상기 텅스텐(W)은 Cr이나 Nb와 마찬가지로 탄화물을 형성하는 성분으로서, Cr이나 Nb 대신 대체될 수 있다. 이의 함량은 특별히 한정되지 않는다. 다만, 텅스텐 전구체(예컨대, W 탄화물)는 Cr 전구체(예컨대, Cr 탄화물)나 Nb 전구체(예컨대, Nb 전구체)보다 경도가 높다. 이에, W의 함량이 약 6 중량%를 초과할 경우, 브래킷의 표면을 너무 많이 마모시켜 브랫킷의 교체 수명을 단축시킬 수 있다. 따라서, W의 함량은 약 6 중량% 이하, 바람직하게는 약 1 내지 6 중량%일 수 있다.
한편, 본 발명에서는 상기 내마모 코팅층과 맞닿아 슬라이딩하는 브래킷의 재질을 고려하면서 플랜지부의 내마모 성능을 극대하기 위해서, 내마모 코팅층(230)의 평균 표면 조도(Ra)를 약 1.9 내지 3 ㎛ 범위로 조절한다. 만약, 내마모 코팅층의 Ra가 약 1.9 ㎛ 미만으로 가공될 경우, 가공비와 가공시간 증가로 생산성이 떨어져 성능 대비 큰 의미가 없으며, 내마모 코팅층의 Ra가 약 3 ㎛ 초과로 가공될 경우, 내마모 코팅층이 브래킷의 표면을 덜 마모시키도록 내마모 코팅층 내 성분들간의 조성비를 조절하더라도, 내마모 코팅층의 표면이 너무 거칠어서 브래킷 표면의 마모량이 증가되고, 이로 인해 브래킷의 교체 수명이 단축될 수 있다.
또, 상기 내마모 코팅층(230)의 최대 표면 조도(Rmax)는 특별히 제한되지 않는다. 다만, 내마모 코팅층의 Ra가 약 3 ㎛일 때, 내마모 코팅층의 Rmax를 약 6 ㎛ 미만으로 조절하는 것은 표면 조도 가공 특성상 어려울 뿐만 아니라, 표면 조도 가공이 아닌 다른 공정이 필요하기 때문에, 마모 성능 향상 대비 추가 공정의 수행은 생산성을 저하시킬 수 있다. 한편, 내마모 코팅층의 Rmax가 10 ㎛를 초과하면, 내마모 코팅층이 브래킷의 표면을 더 많이 마모시킬 수 있다. 따라서, 내마모 코팅층의 Rmax는 약 6 내지 10 ㎛ 범위로 조절되는 것이 바람직하다.
이와 같은 내마모 코팅층(230)의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 베어링이 사용되는 장비의 종류에 따라 요구되는 수명을 고려하여 약 100 내지 200 ㎛ 범위 내로 조절할 수 있다. 예를 들어, 건설 기계의 단위 제품의 B10 수명이 10,000 hr인 경우, 실 차량 시험 결과 최소 약 100 ㎛ 두께의 내마모 코팅층이 필요하며, 아울러 작업 환경의 변화 및 원가를 고려하여 내마모 코팅층의 두께가 최대 약 200 ㎛ 정도인 것이 적절하기 때문에, 상기 내마모 코팅층의 두께를 약 100 내지 200 ㎛ 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
이와 같은 내마모 코팅층(230)은 도 3에 도시된 바와 같이, 플랜지부(200)의 테두리로부터 일정 간격으로 이격되어 있을 수 있다. 이와 같이 내마모 코팅층(230)이 플랜지부(200)의 테두리로부터 일정 간격으로 이격되어 있을 경우, 플랜지부의 테두리가 반복적인 충격 하중에 의해 타격을 받더라도 충격 하중을 받는 플랜지부의 테두리로부터 내마모 코팅층이 떨어져 형성되어 있기 때문에, 내마모 코팅층이 충격 하중에 의해서 균열되거나 박리되지 않으며, 따라서 균열 전파로 인한 코팅층의 손상을 방지할 수 있다.
상기 내마모 코팅층(230)과 플랜지부(200) 테두리와의 이격 거리는 특별히 제한되지 않는다. 다만, 실제 건설기계 장비에서 편하중에 의해 틸팅(tilting)이 되었을 때, 충격 하중을 받는 부위가 플랜지부(200)의 테두리 부분이다. 또한, 핀과 슬랑이딩 베어링의 유격(裕隔)이 최대 약 1 ㎜ 정도이며, 브래킷의 테두리가 틸딩되어 플랜지부의 내마모 코팅층에 접촉될 수 있다. 또한, 내마모 코팅층의 면적이 좁아지면, 설계 면압에서의 내마모 코팅층 면적이 너무 좁아져 내마모 성능이 저하될 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 내마모 코팅층(230)에 충격 하중이 직접적으로 가해지지 않으면서, 내마모 성능이 향상되도록, 내마모 코팅층(230)을 플랜지부(200)의 테두리로부터 약 2 ㎜ 이상, 바람직하게는 약 2 내지 5 ㎜로 이격시켜 형성할 수 있다.
또, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 플랜지부(200)의 슬라이딩면(220)에는 함몰 부위가 형성되어 있을 수 있고, 상기 함부 부위에는 상기 내마모 코팅층(230)이 형성되어 있을 수 있다. 이와 같이 슬라이딩면의 함몰 부위에 내마모 코팅층(230)이 형성됨으로써, 내마모 코팅층은 슬라이딩면에 더 강하게 접합될 수 있고, 또한 충격의 영향을 덜 받기 때문에 반복적인 충격 하중이 가해지더라도 슬라이딩면에서 박리되거나 균열되는 일이 덜 발생할 수 있다.
상기 함몰 깊이는 특별히 한정되지 않으나, 내마모 코팅층의 두께를 고려하여 조절하는 것이 적절하다. 다만, 상기 함몰 깊이가 내마모 코팅층의 두께 수치와 동일하거나, 또는 내마모 코팅층의 두께 수치보다 약 50 ㎛ 정도 더 깊을 경우, 슬라이딩면에 가해지는 반복적인 충격 하중으로부터 내마모 코팅층이 박리되거나 내마모 코팅층에 균열이 발생되는 것을 더 효과적으로 방지할 수 있어 바람직하다.
전술한 바와 같은 내마모 코팅층(230)은 다양한 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 전체 중량에 대하여 크롬(Cr) 약 12~18 중량%, 니오븀(Nb) 약 7~15 중량%, 탄소(C) 약 5~10 중량% 및 잔량의 철(Fe)을 혼합하고, 선택적으로 텅스텐(W) 및/또는 망간(Mn)을 더 첨가한 다음, 소결, 접합, 용사 등의 공정에 의해 형성될 수 있다. 이때, 각 성분들은 개개의 성분별로 된 분말일 수 있고, 또는 2종 이상의 성분으로 된 합금 형태의 분말일 수 있다. 만약, 합금 형태의 분말을 사용하는 경우, 합금에 포함된 각 성분의 함량을 고려하여 각 구성 분말의 함량을 당 업계에 알려진 방법을 통해 계산하여야 할 것이다.
상기 각 성분의 분말 크기는 특별히 한정되지 않으나, 약 30 내지 45 ㎛일 경우, 단가 상승 없이 각 성분들간의 결합력과 이들 성분과 플랜지부 모재와의 결합력이 향상될 뿐만 아니라, 내마모 특성도 향상될 수 있어 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 베어링의 사용시 외부로부터의 이물질 유입이 차단될 수 있도록, 플랜지부의 테두리와 브래킷과의 사이에 O-링(O-ring)과 같은 실링 부재가 장착될 수 있다. 이에, 본 발명에서는 실링 부재가 용이하게 장착될 수 있도록, 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 상기 플랜지부(200)의 테두리에는 플랜지부의 슬라이딩면을 기준으로 일정 각도로 경사진 테이퍼(taper)(240)가 형성되어 있을 수 있다.
상기 테이퍼 각도는 특별히 한정되지 않는다. 다만, 상기 실링 부재에 의한 실링 효과는 플랜지부 및 이와 맞닿는 브래킷의 가공과 조립시 간극에 영향을 받는다. 구체적으로, 도 4(a)~(c)에 도시된 바와 같이, 플랜지부(200)와 브래킷(4) 사이에 간극(d)이 없으면, O-링(7)의 반경이 커지면서 늘어나 있다가, 플랜지부(200)와 브래킷(4) 간의 간극(d)이 커지면, O-링(7)의 반경이 작아지면서 줄어든다. 이러한 O-링(7) 주변에 이물질이 많은 경우, O-링의 반경이 커지거나 작아질 때 플랜지부와 브래킷 사이의 틈으로 이물질이 쉽게 유입될 수 있다. 이렇게 O-링의 반경이 커지거나 작아질 때 플랜지부와 브래킷의 유격이 벌어지거나 좁아지는 속도에 맞추어 탄성 복원이 작용해야 한다. 그런데, 상기 플랜지부의 테이퍼 각도가 잘못 설계될 경우, O-링 주변의 많은 이물질이 O-링의 반경이 커지거나 작아질 때 차단되지 못하고 플랜지부와 브래킷 사이의 틈으로 용이하게 유입될 수 있다.
이에, 본 발명에서는 실험을 통해 O-링을 장착할 수 있는 테이퍼의 각도가 50 °를 초과할 경우, 플랜지부와 브래킷의 간극이 좁아졌다 벌어질 때 테이퍼의 기울기가 부족하여 탄성 복원 속도가 늦고, 이로 인해 플랜지부와 브래킷의 간극으로 이물질이 유입될 수 있는 위험성이 증가될 수 있으며, 한편 테이퍼 각도가 약 10 ° 미만일 경우, 플랜지부와 브래킷 간의 간극이 벌어졌다 좁아질 경우 O-링의 반경이 커지면서 탄성 변형 범위 이상까지 확대되어 복원이 안될 위험성이 커질 수 있다. 따라서, O-링의 탄성력을 고려하여, 상기 테이퍼 각도를 약 10 내지 50 °로 조절함으로써, 이물질의 유입을 최대한 방지할 수 있다(도 8 참조). 바람직하게는 상기 테이퍼 각도를 약 25 ° 이상, 50 ° 미만으로 조절할 경우, 이물질의 유입량을 3 부피% 이하로 감소시킬 수 있다.
또한, 상기와 같이 테이퍼가 형성되어 있는 플랜지부를 포함하는 본 발명의 슬라이딩 베어링이, 테두리에 일정 각도로 경사진 테이퍼가 형성되어 있는 브래킷에 의해서 지지되고 고정될 경우, 상기 플랜지부의 테두리에 형성된 테이퍼의 각도와 브래킷에 형성된 테이퍼의 각도에 따라 플랜지부와 브래킷의 사이에 위치하는 O-링의 반경이나 탄성 복원성이 변하여 이물질의 유입량이 달라질 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 플랜지부(200)의 테두리에 플랜지부의 슬라이딩면을 기준으로 제1 각도(A)로 경사진 제1 테이퍼(240)가 형성되어 있고, 이러한 플랜지부(200)가 테두리에 제2 각도로 경사진 제2 테이퍼(41)가 형성된 브래킷(4)과 접촉하는 경우, 상기 제1 각도(A)는 제2 각도(B)와의 합이 50 내지 100 ° 가 되도록 조절하는 것이 바람직하다. 이로써, 본 발명의 플랜지부와 브래킷 사이에 위치하는 실링 부재(예컨대, O-링)는 이물질을 더 효과적으로 차단시킬 수 있다(도 9 참조).
본 발명에 따른 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링(10)은 보스의 내주면에 접촉 수용되고, 핀을 회전 지지 가능하도록 내주면에 접촉 수용하는 베어링부(100)를 포함한다.
상기 베어링부(100)는 슬라이딩 베어링 내부에 삽입되는 핀과의 슬라이딩이 발생하는 접촉면인 내주면(110)과, 슬라이딩 베어링의 외부에 배치되어 압입되는 보스와의 접촉면인 외주면(120)을 포함한다.
이러한 베어링부(100)의 내주면(110)은 핀과의 슬라이딩이 발생하는 면이기 때문에 내구 수명이 플랜지부(200)의 내마모 코팅층(230)과 동일하여야 한다. 다만, 플랜지부(200)의 내마모 코팅층(230)은 플랜지부의 테두리와 브래킷 사이에 장착되는 O-링과 같은 실링 부재에 의해서 이물질의 유입이 차단될 수 있지만, 베어링부(100)의 내주면(110)은 플랜지부(200)의 더스트 씰 삽입홈(211)에 위치하는 더스트 씰에 의해서 이물질의 유입이 더 차단될 수 있기 때문에, 내마모 성능 측면에서 베어링부(100)의 내주면(110)을 플랜지부의 내마모 코팅층(230)과 동일하게 설계하는 것은 비용 낭비일 수 있다. 따라서, 상기 베어링부(100)의 내주면(110)은 플랜지부(200)의 내마모 코팅층(230)보다 이물질에 의한 위험성이 낮기 때문에, 플랜지부(200)의 내마모 코팅층(230)의 내마모 성능보다 낮게 설계하는 것이 바람직하다. 다만, 이물질의 유입이 이중적으로 차단되더라도 필연적으로 발생하기 때문에, 베어링과 핀의 슬라이딩시 이들 사이의 계면에 이물질이 존재하지 않도록 이물질이 쉽게 빠져나갈 수 있게 설계하는 것이 바람직하다.
이에, 본 발명에 따른 베어링부(100)의 내주면(110)은 물리적 표면 경화처리되어 있을 수 있다. 이러한 물리적 표면 경화를 통해 베어링부의 내주면(110)은 플랜지부의 내마모 코팅층(230) 대비 내마모 성능이 약 60 ~ 80 % 정도로 조절될 수 있다. 이와 같이 플랜지부의 내마모 코팅층(230) 대비 베어링부의 내주면(110)의 내구 수명이 최적화됨으로써, 베어링부의 사용 수명은 플랜지부의 사용 수명과 거의 동일해질 수 있다.
상기 물리적 표면 경화 처리를 하는 방법으로는, 고주파 열처리, 화염 열처리 등이 있는데, 이에 한정되지 않는다. 이 중에서 고주파 열처리의 경우, 부분 가열이 가능하여 경화 깊이를 자유롭게 선택할 수 있고, 주파수, 가열 시간 등의 조건을 제어하기 용이하여 원하는 내마모도를 얻을 수 있어 바람직하다.
또한, 상기 베어링부(100)의 내주면(110)에는 복수개의 홈(111)이 형성되어 있을 수 있다. 상기 홈(111)은 그리스와 같은 윤활유를 저장할 수 있어 내주면의 윤활 특성을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 홈(111)은 이물질을 트랩(trap)하여 베어링과 핀 사이에서 이물질을 제거하는 것과 유사한 효과를 발휘할 수 있고, 이로 인해 베어링부의 내주면 손상을 방지할 수 있다. 상기 홈의 형태는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 딤플(dimple) 형태(111a), 포켓(pocket)(111b) 형태 등일 수 있다.
전술한 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링을 제조함에 있어, 제조 공정에 따라 베어링부의 재료와 플랜지부의 재료는 동일하거나 상이할 수 있다. 이때, 전술한 바와 같이 베어링부의 내주면이 플랜지부의 내주면과 동일한 내마모 성능을 가질 필요가 없는 바, 베어링부가 플랜지부와 다른 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 이처럼 베어링부와 플랜지부의 재료가 상이한 경우, 마찰 용접을 통해 베어링부와 플랜지부를 용이하게 접합할 수 있다.
다만, 베어링부와 플랜지부의 재료에 따라 베어링의 제조 방법이나 성능에 제한이 있을 수 있다. 예를 들어, SM45C의 경우, 플랜지부의 슬라이딩면에 내마모 코팅층을 형성하거나, 베어링부의 내주면을 고주파 열처리함에 있어 제한이 없기 때문에, 환봉을 가공하여 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링을 제조할 수 있다. 한편, SCM415와 같은 경우, 플랜지부의 슬라이딩면에 내마모 코팅층을 형성할 수 있으나, 베어링부의 내주면에 고주파 열처리시 요망하는 소입 경도를 확보할 수 없어 내마모 성능 저하 등 문제가 발생할 수 있다. 또한, SM45C나 SCM440 등과 같은 저가의 재료는 환봉을 가공하는 것이 유리하나, 공구강 재질 등의 고가 재료는 마찰 용접을 하는 것에 유리할 수 있다. 따라서, 베어링의 제조방법, 성능 등을 고려하여, 베어링부와 플랜지부의 재료를 각각 적절하게 선택하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명은 전술한 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링을 구비하는 슬라이딩 베어링 조립체(미도시됨)를 제공한다. 상기 슬라이딩 베어링 조립체는 상기 플랜지 타입 슬라이딩 베어링의 내주면에 회전 가능하도록 삽입된 핀과, 상기 슬라이딩 베어링의 외부에서 상기 슬라이딩 베어링을 압입 수용하는 보스를 포함한다.
또, 본 발명은 전술한 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링을 구비하는 건설기계용 관절 조립체를 제공한다. 상기 관절 조립체(20)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링(10), 상기 슬라이딩 베어링의 내주면에 회전 가능하도록 삽입된 핀(3), 상기 슬라이딩 베어링의 외부에서 상기 슬라이딩 베어링을 압입 수용하는 보스(2), 상기 슬라이딩 베어링의 플랜지부와 접촉하여 슬라이딩 베어링과 핀을 고정 지지하는 브래킷(4)을 포함한다.
상기 브래킷(4)의 재료는 플랜지부의 내마모 코팅층(23)의 내마모 성능을 고려하여 경도가 HB130 ~ HB240 범위인 재료를 적절한 것을 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들어, SS400, SWS490과 유사한 철판; 열처리를 하지 않은 SM45C와 같은 탄소강; 구조용 합금강 등이 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상이 조합되어 사용될 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 이들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1 내지 9, 및 비교예 1 ~ 6>
하기 표 1의 조성과 표면 조도를 갖는 실시예 1~9 및 비교예 1~6의 내마모 코팅층을, 플랜지 타입 슬라이딩 베어링의 플랜지부 슬라이딩면에 형성하였다.
실시예 1에 따라 형성된 내마모 코팅층을 절단한 면의 전자현미경 사진을 도 7에 나타내었다.
내마모 코팅층의 성분 (중량%) 내마모 코팅층의 표면 조도(㎛)
Fe Cr Nb C Mn W Ra Rmax
실시예 1 66 16 10 8 - - 3.0 8.9
실시예 2 61 18 12 9 - - 2.7 8.5
실시예 3 60 18 15 7 - - 1.9 8.7
실시예 4 60 17 14 9 - - 2.3 6.0
실시예 5 72 12 8 8 - - 2.5 8.4
실시예 6 72 12 7 9 - - 2.5 8.4
실시예 7 68.3 15 9 8 0.7 - 2.8 8.4
실시예 8 63.4 15 9 8 0.6 4 2.9 10,0
실시예 9 69 14 9 7 - - 2.5 8.6
비교예 1 66 16 10 8 - - 3.0 13.1
비교예 2 65 16 11 8 - - 3.9 15.6
비교예 3 60 12 18 10 - - 2.9 9.3
비교예 4 63 22 5 10 - - 2.8 8.6
비교예 5 67 15 10 8 - - 2.8 8.5
비교예 6 66 16 10 8 - - 2.8 8.5
< 비교예 7>
Fe 분말 65 중량%, Cr 분말 16 중량%, Nb 분말 11 중량% 및 C 분말 8 중량%를 혼합한 후, 소결하여 볼트형 내마모 디스크를 제조하였다. 이때, 상기 내마모 디스크의 슬라이딩면은 평균 표면 조도(Ra)가 2.6 ㎛이고, 최대 표면 조도(Rmax)가 9.4 ㎛이었다.
<실험예 1>
본 발명에 따른 내마모 코팅층의 마모 성능을 확인하기 위해, 하기 조건에 따라 실시예 1~9 및 비교예 1~6의 내마모 코팅층과 비교예 7의 내마모 디스크에 대하여 Thrust 마모 시험을 수행하였다. 이때, 하기 표 2에 기재된 브래킷을 각각 사용하였다. Thrust 마모시험 후, 코팅층과 상대재질의 마모량과 전체 마모량을 표 2에 나타내었다.
** Thrust 마모 시험 조건 **
- 하중: 2t
- Thrust 선속도: 2.5 m/min
- 환경조건: Dust(60 부피%) + 그리스(40 부피%)
- 시험 횟수: 100,000 cycles
브래킷의 재료
(경도)		 Thrust 마모시험 후 마모량(㎛)
코팅층 상대재질 전체
실시예 1 SS400
(HB152)		 250 290 540
실시예 2 SS400
(HB148)		 240 340 560
실시예 3 SS400
(HB152)		 236 410 646
실시예 4 SS400
(HB148)		 241 395 636
실시예 5 SS400
(HB148)		 280 310 590
실시예 6 SS400
(HB149)		 290 311 601
실시예 7 SS400
(HB152)		 250 300 550
실시예 8 SS400
(HB148)		 190 410 600
실시예 9 SM45C
(HB219)		 290 310 600
비교예 1 SS400
(HB152)		 280 505 785
비교예 2 SS400
(HB152)		 295 625 920
비교예 3 SS400
(HB152)		 260 620 880
비교예 4 SS400
(HB152)		 330 605 935
비교예 5 SM45C*
(HB362)		 360 430 790
비교예 6 SM45C*
(HB301)		 325 440 770
비교예 7 SS400
(HB152)		 345 660 1005
* SM45C의 경도는 ?칭과 템퍼링으로 맞춤
실험 결과, 실시예 1 내지 9의 내마모 코팅층은 비교예 7의 볼트형 내마모 디스크에 비해 그 자체의 마모량이 작을 뿐만 아니라, 브래킷의 슬라이딩면도 적게 마모시켰다.
또, Fe, Cr, Nb, C를 각각 특정 범위로 포함하는 실시예 1 내지 9의 내마모 코팅층은 상기 범위 외(外)로 포함하는 비교예 3 및 4의 내마모 코팅층에 비해 그 자체의 마모량이 작을 뿐만 아니라, 브래킷의 슬라이딩면도 적게 마모시켰다.
또한, 특정 범위의 Rmax를 갖는 실시예 1 내지 9의 내마모 코팅층은 비교예 1 및 2의 내마모 코팅층에 비해 상대 브래킷의 마모량이 현저하게 낮았다.
또한, 내마모 코팅층 내 성분의 함량을 조절하면서, 이러한 내마모 코팅층의 내마모 특성을 고려하여 경도가 HB130 ~ HB240 범위인 브래킷을 사용한 경우(실시예 1~9), 브래킷의 경도가 상기 범위 외인 비교예 5 및 6에 비해, 그 자체의 마모량이 작을 뿐만 아니라, 브래킷의 슬라이딩면도 적게 마모시켰다.
이러한 결과를 통해, 플랜지 타입 슬라이딩 베어링의 플랜지부 표면에 본 발명에 따라 내마모 코팅층을 형성할 경우, 플랜지부의 내마모성을 향상시켜 베어링의 교체 수명을 증가시킬 뿐만 아니라, 플랜지부에 맞닿아 슬라이딩하는 브래킷의 표면도 적게 마모시켜 브래킷의 교체 수명을 증가시킬 수 있다는 것을 확인하였다.
1: 종래 슬라이딩 베어링, 2: 보스,
3: 핀, 4: 브래킷,
5: 볼드형 내마모 디스크, 6: 볼트,
7: O-링, 8: 더스트 씰,
10: 본 발명에 따른 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링,
100: 베어링부, 110: 베어링부의 내주면,
111: 홈, 120: 베어링부의 외주면,
200: 플랜지부, 210: 플랜지부의 내주면,
211: 더스트 씰 삽입홈, 220: 플랜지부의 슬라이딩면,
230: 내마모 코팅층, 240: 플랜지부의 테이퍼

Claims (16)

  1. 보스의 내주면에 접촉 수용되고, 핀을 회전 지지 가능하도록 내주면에 접촉 수용하는 베어링부; 및
    상기 베어링부의 단부에서 반경 반향으로 연장되어 보스의 측면과 접촉하는 플랜지부를 포함하는 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링으로서,
    상기 플랜지부는 브래킷과 접촉하여 슬라이딩하는 슬라이딩면을 포함하고,
    상기 슬라이딩면에는 전체 중량에 대하여 크롬(Cr) 12~18 중량%, 니오븀(Nb) 7~15 중량%, 탄소(C) 5~10 중량%, 잔량의 철(Fe)을 포함하는 Fe-Cr-Nb-C계 합금으로 형성된 내마모 코팅층이 형성되어 있는 것이 특징인 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내마모 코팅층은 평균 표면 조도(Ra)가 1.9 내지 3 ㎛ 범위인 것이 특징인 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링.
  3. 보스의 내주면에 접촉 수용되고, 핀을 회전 지지 가능하도록 내주면에 접촉 수용하는 베어링부; 및
    상기 베어링부의 단부에서 반경 반향으로 연장되어 보스의 측면과 접촉하는 플랜지부를 포함하는 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링으로서,
    상기 플랜지부는 브래킷과 접촉하여 슬라이딩하는 슬라이딩면을 포함하고,
    상기 슬라이딩면에는 평균 표면 조도(Ra)가 1.9 내지 3 ㎛ 범위인 내마모 코팅층이 형성되어 있는 것이 특징인 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 내마모 코팅층은 전체 중량에 대하여 크롬(Cr) 12~18 중량%, 니오븀(Nb) 7~15 중량%, 탄소(C) 5~10 중량%, 잔량의 철(Fe)을 포함하는 Fe-Cr-Nb-C계 합금으로 형성된 것이 특징인 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 철(Fe)의 함량은 60~76 중량%인 것이 특징인 것이 특징인 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링.
  6. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 Fe-Cr-Nb-C계 합금은 망간(Mn), 텅스텐(W) 또는 이들 모두를 더 포함하는 것이 특징인 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 내마모 코팅층은 최대 표면 조도(Rmax)가 6 내지 10 ㎛ 범위인 것이 특징인 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링.
  8. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 내마모 코팅층은 플랜지부의 테두리로부터 2 내지 5 ㎜ 범위로 이격되어 있는 것이 특징인 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링.
  9. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 플랜지부의 슬라이딩면에는 함몰 부위가 형성되어 있고,
    상기 함몰 부위에 상기 내마모 코팅층이 형성되어 있는 것이 특징인 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링.
  10. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 플랜지부의 테두리에는 플랜지부의 슬라이딩면을 기준으로 10 내지 50 °의 각도로 경사진 테이퍼(taper)가 형성되어 있는 것이 특징인 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링.
  11. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 플랜지부의 테두리에는 플랜지부의 슬라이딩면을 기준으로 제1 각도로 경사진 테이퍼가 형성되어 있고, 상기 플랜지부가 제2 각도로 경사진 테이퍼가 테두리에 형성되어 있는 브래킷과 접촉하는 경우, 상기 제1 각도는 제2 각도와의 합이 50 내지 100 °가 되도록 조절된 것이 특징인 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링.
  12. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 베어링부의 내주면은 물리적 표면 경화처리된 것이 특징인 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링.
  13. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 베어링부의 내주면에는 복수개의 홈이 형성되어 있는 것이 특징인 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링.
  14. 제 1항 또는 제3항에 기재된 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링;
    상기 슬라이딩 베어링의 내주면에 회전 가능하도록 삽입된 핀; 및
    상기 슬라이딩 베어링의 외부에서 상기 슬라이딩 베어링을 압입 수용하는 보스
    를 구비하는 슬라이딩 베어링 조립체.
  15. 제1항 또는 제3항에 기재된 플랜지 타입의 슬라이딩 베어링;
    상기 슬라이딩 베어링의 내주면에 회전 가능하도록 삽입된 핀;
    상기 슬라이딩 베어링의 외부에서 상기 슬라이딩 베어링을 압입 수용하는 보스; 및
    상기 슬라이딩 베어링의 플랜지부와 접촉하여 슬라이딩 베어링과 핀을 고정 지지하는 브래킷
    을 구비하는 건설기계용 관절 조립체.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 브래킷의 경도는 HB130 내지 HB240 범위인 것이 특징인 건설기예용 관절 조립체.
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