KR20140104977A - 플레인 베어링의 베어링 쉘을 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플레인 베어링(plain bearings)의 베어링 쉘(bearing shell)을 제조하는 방법으로서, 베어링 쉘(bearing shell)의 블라스트 면(blasted side)에서 압축 잔류 응력(compressive residual stresses)을 발생시키기 위하여, 베어링 금속 면에서 베어링 쉘을 강옥 입자(corundum particles)로 블라스팅 하는 방법에 관한 것이다.

Description

플레인 베어링의 베어링 쉘을 제조하는 방법 {Method for Producing Bearing Shells for Plain Bearings}
본 발명은 플레인 베어링의 베어링 쉘을 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 그러한 방법에 의해 제조 된 베어링 쉘에 관한 것이다.
자동차 엔진에 사용되는 이성분계 알루미늄 베어링은, 예를 들어, 피로를 받는 것으로 알려져 있다. 그러한 베어링 쉘은 강철 백(steel back)과 강철 백에 롤-본딩(roll bonding) 공정에 의해 부가된 베어링 금속 층으로 구성되어 있으며, 베어링 금속 층은, 예를 들어, 알루미늄 합금으로 구성될 수 있다. 강철 백과 베어링 금속 층 사이에 베어링 쉘의 역학적 성질을 증가시키기 위하여 중간 금속 층이 삽입될 수 있다.
하지만, 이러한 복합 물질의 제조 공정 때문에, 또한 베어링 금속의 역학적 성질 때문에, 이러한 방법으로 구성된 베어링 쉘은 엔진 내에서 응력 용량(stress capacity)이 최대 약 70 MPa 정도로 제한된다.
종래 기술에 따르면, 피로 강도(fatigue strength)가 증가된 샤프트(shafts), 기어 휠(gear wheels), 스프링(springs), 또는 연결 로드(connecting rod)를 제조하기 위해서, 그 표면을 강철, 세라믹 및/또는 유리 구슬로 충격을 가한다(이른바, “숏 블라스팅(shot blasting)”). 이것에 의해, 표면 주변 부위에 압축 잔류 응력(compressive residual stresses)이 발생되며, 이는 변형 경화(strain hardening)에 의해 증가된 피로 강도를 초래한다.
DD 259 021 A1은 왕복 압축기 구동 기어(reciprocating compressor driving gear)의 저널 베어링(journal bearing)을 개시하고 있다. 여기에는, 복합 베어링(composite bearing)으로 설계된 저널 베어링이 기재되어 있는 바, 그것은, 압축 프리-텐션(compressive pre-tension)이 하우징 내의 설치 및 결과적인 변형에 의해 슬라이딩 층(sliding layer)으로 발전하도록 기하학적으로 구성되어 있다. 이것에 의해, 베어링의 복원력이 증가될 수 있다.
또 다른 것으로, DE 10 2007 028 88 A1은, 크랭크샤프트(crankshaft), 즉, 베어링에 의해 지지되는 부품의 강도를 향상시키기 위하여, 상기 부품의 부위들의 목적하는 기계적 변형 경화를 개시하고 있다. 따라서, 이러한 효과는 실질적으로 DD 259 021 A와 유사하지만, 이 효과는 베어링(베어링 쉘에 반대로)에 의해 지지되는 부품의 변형 경화와 관련되어 있다.
DE 10 2005 055 708 A1은 연마재 입자의 블라스팅으로 공동(cavities)을 형성하는 방법과 관련되어 있다.
본 발명은 플레인 베어링 쉘의 베어링 금속의 피로 강도를 증가시키기 위한 방법을 개발하는 것에 대한 것이다.
이러한 목적은 청구항 1에 기재된 방법에 의해 해결된다.
따라서, 다른 측면들에서는 완성된 베어링 쉘은, 베어링 금속 면, 즉, 사용 중에 베어링에 의해 지지되는 부품에 대향하는 베어링 쉘의 면에 대해, 강옥(corundum) 입자들에 의해 블라스팅 된다. 바람직하게는, 80 내지 99%의 알루미늄 산화물로 구성된 블라스팅 강옥이 여기에 사용된다. 모스 스케일(Mohs’ scale)에 따른 그것의 경도는 10에 가깝다. 특히, 보통은 만곡되어 있는 베어링 쉘에서, “베어링 금속 면”은 오목한 면이다. 블라스팅에 의해, 압축 잔류 응력(compressive residual stresses)은 베어링 쉘의 블라스팅된 물질(blasted material)에서 발생된다.
이러한 방법에 의해, 상기 플레인 베어링 면에서의 베어링 쉘, 즉, 실질적으로 베어링 쉘의 베어링 금속은 입자들의 충격에 의해 압축된다. 상기 입자들은 표면을 가격하고 이것에 의해 다시 반사된다. 이것에 의해, 입자들은 베어링 쉘에 이들의 충격량과 운동 에너지의 적어도 일부를 방출하여, 표면에 가까운 그것의 물질을 압축한다. 더욱이, 베어링 금속의 표면 조도가 이와 동시에 약간 증가하면서, 응력이 국부적으로 베어링 금속에서 생성된다. 블라스팅로 인해 발생한 압축 잔류 응력에 의해, 베어링 쉘의 피로 강도가 증가된다.
강옥에 의한 블라스팅의 특별한 이점은 그것의 높은 경도(모스 경도 9)에 기인한다. 이것에 의해, 상기 입자들은 베어링에 대한 충돌 시 약간의 변형만 일어나며, 이는 특히 입자들이 더 낮은 경도의 입자들의 경우 보다 현저히 많은 양의 운동 에너지를 전달할 수 있는 이점으로 제공하며, 이로 인해 처리된(processed) 베어링 쉘의 향상된 경도가 초래된다. 블라스팅 강옥을 사용하는 이점 중 하나는 그것의 내마모성인 바, 즉, 그것은 쉽게 재사용 될 수 있다.
바람직한 실시예는 종속항인 청구항 2에 기재되어 있다.
상기 입자들을 베어링 금속에 대해 블라스팅 하는 데에는 2.5 내지 5 bar의 압력을 사용하는 것이 바람직하다. 전술한 압력은 강옥을 포함한 노즐 내로 공기(또는 다른 가스)가 공급되는 압력이다. 이것에 의해, 특히 우수한 표면 압축을 달성할 수 있고, 이로 인해 압축 잔류 응력이 매우 효율적으로 생성될 수 있으면서, 결과적으로 압력은 베어링 쉘에 대한 손상이나 또는 입자들의 지나치게 빠른 충돌 속도로 인한 너무 거친 표면 조도를 피하기에 충분할 정도로 낮다.
목적에 대한 또 다른 해결책은 청구항 3에 따른 베어링 쉘에 의해 제공된다. 상기 베어링 쉘은 청구항 1 내지 청구항 2의 방법에 기인한 이점들을 가진다.
바람직하게는, 표면 인근 부위(near-surface area)의 베어링 금속은 블라스팅 되지 않은 때에 대략 115 Hv 0.01 이하의 경도를 가지는 반면에, 블라스팅 부위의 베어링 금속은 대략 130 Hv 0.01 이상의 경도를 가진다. 이것은 블라스팅 되지 않은 부위의 경도와의 관계에서 10% 이상, 즉, 대략 13%의 경도 상승에 대응한다. 이것에 의해, 또 다른 소재, 예를 들어, 베어링 금속으로서 가격 대비 효율성이 떨어지는 다른 소재를 사용하지 않으면서, 베어링 금속의 현저히 증가된 강도가 블라스팅으로부터 초래된다.
더욱이, 베어링 쉘은 2개 이상의 층들로 구성되는 것이 유리하다는 점이 입증되었다. 이것은, 여러 가지 소재들의 유용한 특성들이 여기에서 조합될 수 있다는 이점을 가진다. 특히, 예를 들어, 높은 표면 강도와 피로 강도로 특징 지워지는 금속이 베어링 금속으로 사용될 수 있으며, 가능한 한 단단하고 가능한 한 긴 수명을 가지는 소재가 기재(base material)로서 사용될 수도 있다.
더 나아가, 알루미늄 합금, 바람직하게는 알루미늄-주석 합금이 베어링 금속으로 사용되는 것이 바람직하며, 상기 베어링 금속은 롤-클래딩(roll cladding)에 의해 강철 백(steel back) 상에 바람직하게 부가된다. 알루미늄 합금을 베어링 금속으로 사용하는 이점은, 이러한 소재, 특히 알루미늄-주석 합금이 베어링 금속으로 우수한 특성을 가지고 있으며 잘 정의되어 있다는 점이다. 더욱이, 베어링 쉘을 제조하고 그것의 표면 처리하는 공정 뿐만 아니라, 복합 소재, 즉, 밴드(band)를 제조하는 공정들은, 잘 알려져 있고 숙달되어 있다.
베어링 금속이 롤-클래딩에 의해 강철 백에 부가되는 것은 이점이 있는 바, 이는, 강철이 높은 강도, 간단한 가공성, 및 낮은 가격에 의해 특징 지워지면서도, 상기 방법이 강철 백과 도금 소재(plating material) 사이의 우수한 연결에 의해 특징 지워지는 가격 대비 효율성이 좋은 방법이기 때문이다. 더 나아가, 베어링 쉘이 3개의 층들로 구성되고 중간 층이 바람직하게는 고급(high-grade) 알루미늄 또는 Mn, Cu, Ni, 및/또는 Si의 합금 원소를 적게 포함한 알루미늄 합금으로 구성된다면, 이점들이 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 합금 중간 층들은 피로 강도에 있어서 특히 높은 필요성이 존재하는 경우에 사용된다. 특히, 중간 층은 기재 금속과 베어링 금속 사이에 향상된 연결에도 기여한다.
본 발명은 또한, 하나 또는 복수의 베어링 쉘들을 위한 하나 또는 복수의 홀더들을 포함하는 장치, 및 홀더(들)에 고정되어 있는 베어링 쉘(들)에 대해 강옥을 블라스팅 하기에 적합한 블라스팅 장치에 관한 것이다. 이는, 청구항 1 내지 청구항 2와 관련하여 언급된 이점들을 가지는 방법을 수행 가능하게 한다는 점에서 유리하다. 더욱이, 이 방법을 수행하기 위한 특정 장치를 구비함으로써, 이러한 장치를 사용할 수 없는 경우보다 더 높은 효율성이 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 베어링 쉘 제조 방법 및 이러한 방법을 따라 제조된 베어링 쉘의 경우, 블라스팅으로 인해 발생하는 압축 잔류 응력에 의해, 증가된 피로 강도를 가진다.
하기에서 더 자세히 설명할 AlSn의 베어링 금속 층을 가진 베어링 쉘은, 하기와 같이, 노즐로부터 나오는 강옥 입자들을 가지고, 베어링 쉘용 블라스팅 장치 내로 블라스팅 된다. 여기서, 노즐은, 예를 들어, 2.5 내지 5 bar, 바람직하게는 3.0 내지 4.0 bar의 공기압으로 공기를 방출하는 송풍기(blower) 같은 공기 공급 수단에 연결되어 있다. 강옥 입자들은 노즐 내로 공급되고, 공기의 유동에 의해 운반된 후, 공기 유동에 의해 베어링 쉘에 대해 블라스팅 된다. 상기 베어링 쉘에 대해 블라스팅 되는 입자들은 10 내지 60 ㎛의 평균 직경을 가진다.
강옥 입자들은 블라스팅 방향에 대해 실질적으로 수직으로 배열된 베어링 쉘의 베어링 금속을 가격하게 됨은 물론, 이와 함께, 블라스팅 방향과 블라스팅 쉘 사이의 모든 각도에 대해서도 가능하다. 베어링 쉘은 처리하는 동안 강옥 입자들의 빔(beam)에 대한 관계에서 실질적으로 고정되어 있다.
이미 설명한 바와 같이, AlSn 베어링 금속 층을 가진 베어링 쉘이 상기 베어링 쉘로 사용된다. 상기 베어링 금속 층은 Ni, Mn, Si, Cu, Cr, Zr, V, 또는 Mg과 같은 합금 원소들을 포함할 수 있다. 하지만, 이들이 실제 효과, 즉, 표면에서의 압축 잔류 응력의 발생을 위해 요구되는 것은 아니다. 이러한 베어링 쉘의 일반적인 크기는, 예를 들어, 직경 60 mm와 베어링 폭 20 mm이다. 하지만, 상기 방법은 이를 벗어난 베어링 크기에 대해서도 사용될 수도 있다. 특히, 상기 베어링 쉘은, 이른 바, 대략 1.2 mm 두께의 C-10 또는 C-22 타입의 강철로 구성된 강철 백, 및 그 위에 AlCuMgSi의 중간 층과 예를 들어 0.15 내지 0.3 mm 두께를 가진 AlSnNiMn의 층이 베어링 금속으로서 부가된, 3개의 층들로 구성되어 있다.
상기 베어링 쉘은 알루미늄-주석 합금이 내측, 즉, 베어링 쉘의 오목면에 놓이도록 만곡되어 있다.
상기 블라스팅 하지 않은 금속이 대략 115 Hv 0.01의 경도를 가지는 반면, 베어링 금속은 대략 130 Hv 0.01의 경도를 가질 때까지 블라스팅 된다. 따라서, 베어링 금속의 경도는 대략 13% 증가되었다. 전술한 경도는 DIN EN ISO 6507에 따라 측정된 비커 경도(Vicker’s Hardness)이다.
종래의 기술과 비교할 때, 상기 블라스트 플레인 베어링은 피로 강도와 내마모성이 증가 된 것을 특징으로 한다.
전술한 베어링 쉘용 블라스팅 장치는 하나 또는 복수의 베어링 쉘들을 수납하기 위한 하나 또는 복수의 홀더들을 포함하는 장치이다. 더욱이, 그것은 적어도 하나의 강옥용 블라스팅 장치를 포함하며, 이것으로 강옥이 홀더에 고정되어 있는 베어링 쉘에 대해 블라스팅 될 수 있다. 전술한 노즐은 상기 강옥용 블라스팅 장치의 일부를 형성한다. 이미 상기에서 설명한 바와 같이, 공기 공급 장치가 상기 블라스팅 장치에 연결되어 있지만, 공기 대신에 다른 가스를 사용하는 것도 가능하다.

Claims (7)

  1. 플레인 베어링(plain bearings)의 베어링 쉘(bearing shell)을 제조하는 방법으로서, 베어링 쉘(bearing shell)의 블라스트 면(blasted side)에서 압축 잔류 응력(compressive residual stresses)을 발생시키기 위하여, 베어링 금속 면에서 베어링 쉘을 강옥 입자(corundum particles)로 블라스팅 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 강옥 입자들은 2.5 bar 내지 5 bar, 바람직하게는 3 bar 내지 4 bar의 압력으로 금속 면에 대해 블라스팅 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법으로 제조된 베어링 쉘.
  4. 제 3 항에 있어서, 언블라스트(unblasted) 베어링 금속은 대략 115 Hv 0.01의 최대 경도를 가지는 반면에, 블라스트 부위는 대략 130 Hv 0.01의 최소 경도를 가지고 및/또는 상기 경도는 언블라스트 부위에 비해 10% 이상, 바람직하게는 13% 이상 국부적으로 증가되는 것을 특징으로 하는 베어링 쉘.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 2개 이상의 층들(layers)로 구성된 베어링 쉘이 블라스팅 되는 것을 특징으로 하는 베어링 쉘.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 베어링 쉘은 알루미늄 합금, 바람직하게는 알루미늄-주석 합금이 베어링 쉘의 베어링 금속으로 사용되고, 상기 베어링 금속은 바람직하게는, 강철 백(steel back)에 롤-클래딩(roll cladding) 방법에 의해 부가되는 것을 특징으로 하는 베어링 쉘.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 베어링 쉘은 3개의 층들로 구성되어 있고, 중간 층은 바람직하게는 고급(high-grade) 알루미늄 또는 합금 원소 Mn, Cu, Ni, Cr, Zr, V, Mg 및/또는 Si을 포함하는 알루미늄 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 베어링 쉘.
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