KR20160015243A

KR20160015243A - 알루미늄 베어링 금속층을 포함하는 미끄럼 베어링 복합 재료

Info

Publication number: KR20160015243A
Application number: KR1020157034645A
Authority: KR
Inventors: 칼-하인츠 린트너; 게르트 안들러; 마티아스 슈나츠
Original assignee: 페데랄-모굴 비스바덴 게엠베하
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2016-02-12
Also published as: CN105142898B; DE102013210662A1; US10167898B2; JP6426720B2; JP2016526104A; US20160131186A1; BR112015030167A2; KR101930991B1; DE102013210662B4; WO2014195458A2; WO2014195458A3; EP3003714A2; CN105142898A

Abstract

본 발명은 강철로 제조되는 캐리어 층, 캐리어 층 위에 배치되고 알루미늄으로 또는, 불순물을 제외하고는 무연인, 알루미늄 합금으로 제조되는 중간층 및, 중간층 위에 배치되고 불순물을 제외하고는 무연인 알루미늄 합금으로 제조되는 베어링 금속층을 포함하는 미끄럼 베어링 복합 재료에 관한 것이다. 상기 알루미늄 합금은 6.0 내지 10.0 중량％ 주석, 2.0 내지 4.0 중량％ 규소, 0.7 내지 1.2 중량％ 구리, 0.15 내지 0.25 중량％ 크롬, 0.02 내지 0.20 중량％ 티타늄, 0.1 내지 0.3 중량％ 바나듐 및 선택적으로 0.5 중량％ 미만의 다른 원소들을 포함하며, 잔여 부분은 알루미늄이다.

Description

알루미늄 베어링 금속층을 포함하는 미끄럼 베어링 복합 재료{SLIDING BEARING COMPOSITE COMPRISING AN ALUMINIUM BEARING METAL LAYER}

본 발명은 강철(steel)로 제조되는 캐리어 층(carrier layer), 캐리어 층 위에 배치되고 알루미늄으로, 바람직하게는 불순물을 제외하고는 무연(lead-free)인 알루미늄 합금으로, 제조되는 중간층(intermediate layer), 및 중간층 위에 배치되고 불순물을 제외하고는 무연인 알루미늄 합금으로 제조되는 베어링 금속층을 포함하는 미끄럼 베어링 복합 재료에 관한 것이다.

그러한 미끄럼 베어링 복합 재료는 특히 자동차의 내연 기관에서 사용하기 위한 베어링 셸(bearing shell) 또는 부시(bush) 또는 스러스트 와셔(thrust washer)를 위해 디자인된다. 그것들은 다양한 간행물의 주제이다. 베어링 금속 조성물에서 개선은, 예를 들어, 문헌 EP 1 334 285 A1, DE 10 2011 003 797 B3, DE 102 46 848 B4 또는 EP 2 105 518 A2 에서 다루어진다. 후자의 문헌으로부터 알려져 있는 알루미늄 베어링 합금은 1.5 내지 8 중량％ Si, 3 내지 40 중량％ Sn, 총 0.1 내지 6 중량％의 Cu, Zn 및 Mg로 구성되는 그룹으로부터 하나 이상의 원소, 선택적으로 총 0.01 내지 3 중량％의 Mn, V, Mo, Cr, Ni, Co 및 B로 구성되는 그룹으로부터 하나 이상의 원소, 및 잔부 알루미늄을 포함한다. 각각의 문서에서 연구의 초점은 완성된 알루미늄 베어링 합금 제품에 포함된 Si 입자들의 입자 크기 분포에 있으며, 그것은 4 ㎛ 미만의 결정 입도(grain size)를 갖는 보다 작은 Si 입자들과 특정한(specific), 그러나 매우 넓은, 분포로 4 내지 20 ㎛의 결정 입도를 갖는 보다 큰 Si 입자들의 비율, 둘 모두를 포함해야 한다. 특정 분포에서, 미끄럼 파트너(sliding partner)에 부착되는 재료의 경향(고착에 대한 민감성)은 감소되고, 재료 내에서 입자들의 결합은 향상된다. 필요한 입자 크기 분포를 달성하기 위하여, 그 문서의 가르침은 350 ℃ 내지 450 ℃의 온도에서 8 내지 24 시간에 걸쳐 어닐링(annealing) 단계와 후속 압연 단계의 시퀀스를 추가한다.

DE 10 2011 003 797 B3으로부터, 강철로 이루어진 캐리어 층, 캐리어 층 위에 배치되는 중간층 및 중간층 위에 배치되고 불순물을 제외하고는 무연인 알루미늄 합금으로 제조되는 베어링 금속층을 구비하는, 미끄럼 베어링 복합 재료가 알려져 있다. 그 베어링 금속층의 알루미늄 합금은 10.5 내지 14 중량％ 주석(tin), 2 내지 3.5 중량％ 규소(silicon), 0.4 내지 0.6 중량％ 구리(copper), 0.15 내지 0.25 중량％ 크롬(chromium), 0.01 내지 0.08 중량％ 스트론튬(strontium) 및 0.05 내지 0.25 중량％ 티타늄(titanium)을 포함한다. 규소는 베어링 금속층 내에서 입자들의 형태로 존재하며, 그러한 형태에 있어서, 베어링 금속층의 표면에 대해, 이 표면에서 보이는, 4 ㎛ 내지 8 ㎛의 직경을 갖는, 규소 입자들의 면적비(area ratio)는 적어도 2.5 ％이다. 여기에서, 화학 조성물과 경질 입자(hard particle)들은 높은 내마모성(wear resistance)의 관점에서 향상된다.

내마모성은 시작-정지 응용(start-stop application)에서 주된 혼합마찰 조건에서 계속해서 중요한 인자이며, 그래서 최적화에 대한 필요성이 항상 존재한다. 그러나, 본 발명자들은, 더욱이, 베어링 재료의 내피로성(fatigue resistance)에서 동시 증가를 목적으로 했다.

상기 목적은 청구항 제1항의 특징을 갖는 미끄럼 베어링 복합 재료에 의해 본 발명에 따라 달성된다.

전술한 유형의 미끄럼 베어링 복합 재료에 있어서, 본 발명은 베어링 금속층의 알루미늄 합금이 6.0 내지 10.0 중량％ 주석, 2.0 내지 4.0 중량％ 규소, 0.7 내지 1.2 중량％ 구리, 0.15 내지 0.25 중량％ 크롬, 0.02 내지 0.20 중량％ 티타늄, 0.1 내지 0.3 중량％ 바나듐 및 선택적으로 0.5 중량％ 미만의 다른 원소들, 잔부 알루미늄을 포함하는 것을 제공한다.

“불순물을 제외하고는 무연”이라는 것은, 이 문서의 맥락에서, 개개의 합금 요소들의 불순물로 인해 잠재적으로 존재할 수 있는 납 함량(lead content)이 어떠한 경우에도 0.1 중량％ 미만이라는 것으로 이해되어야 한다.

발명자들은, 베어링 금속층이, 특히 연성 중간층을 사용하는 경우에, 맞춰진 미량 합금 원소들과 결합으로 주석 함량의 특정 선택에 의해 종래 기술에서 전형적인 것으로부터 증가되는 내피로성의 방향으로 명확하게 구성될 수 있다는 것을 인지했다. 따라서, 그 베어링은, 시작-정지 작동에서, 베어링의 어떠한 (유체역학적) 오일 윤활도 제공되지 않는, 증가된 혼합마찰 조건이 발생하는, 메인 베어링 영역에서뿐만 아니라 커넥팅 로드 베어링 재료로서도 적합하다.

Ti의 첨가는, 미끄럼 베어링 복합 재료의 제조에서 적합한 온도 제어 및 적합한 변형의 정도와는 관계없이, 주조 공정 동안 매트릭스 재료(matrix material)의 결정립 미세화(grain refinement)를 향상시킨다. 0.02 내지 0.2 중량％의, 바람직하게는 0.04 내지 0.1 중량％의, Ti 함량에 대한 정확한 고수를 통해, 매트릭스 재료의 우수한 연신 특성(elongation property)과 함께 높은 강도를 보장하는 Al 매트릭스의 충분히 미세한 결정 입도가 Si 입자 크기 분포에 대해 주조 공정의 바람직한 낮은 냉각 속도에서 설정될 수 있다. 매트릭스 재료의 입자 크기 분포는 결국, Si가 Al 매트릭스에 용해되기 때문에, Si 입자들의 분포에, 그리고 결정립계를 따라 연질 상(soft phase)의, 즉 불용성 Sn의, 형성에, 둘 모두에 영향을 미친다. 이러한 이유 때문에, Ti 함량은 가능한 한 정확한 Si 및 Sn의 비율과 함께 조정을 필요로 한다.

본 발명에 따르면, 후자는 6.0 중량％ 내지 10.0 중량％의 범위에, 바람직하게는 8.0 내지 10.0 중량％로 존재한다. 정확하게 이 범위에서, 베어링 금속층의 합금 시스템은 탁월한 미끄럼 특성을 가지며, 연질 상으로서 주석의 비교적 낮은 함량으로 인해, 보다 높은 하중을 위해 필요한 강도를 달성하며, 그것은 혼합마찰 조건에서의 사용을 가능하게 한다.

4 중량％의, 바람직하게는 3 중량％의, 상한으로, Si 함량은 본 발명에 따라서 낮게 제한되어서, 압연 단계의 고도의 변형의 관점에서 베어링 금속층의 필요한 연성(ductility)이 제공된다. 다른 한편으로, 베어링 금속 재료의 충분한 내마모성을 달성할 수 있기 위해서, 2 중량％의 Si 입자들의 최소 함량이 필요하다. 열 처리에 의해 크기가 제어되는 Si 또는 Si-입자들을 제공함으로써, 소착(seizure)에 대한 민감성은 크게 감소될 수 있으며, 그것은 혼합마찰 조건에서 다시 유리하다. 순수 알루미늄 중간층과는 달리, 여기서 Si 함량은 확산 공정 및 취성상(brittle phase) 형성 면에서 중요하지 않다.

Cr 함량은 Cu 함량과 관련하여 고려되어야 한다. 두 원소들은 재료의 내열성의 관점에서 알루미늄 매트릭스 내에서 특히 중요한 것으로 밝혀졌다. 이것은 고하중 응용에서 항상 필요하다. 매트릭스 내에서 충분한 강도-증가 침전물을 형성하기 위해, 0.7 내지 1.2 중량％의 함량을 갖는 Cu와 동시에 합금을 형성하는 0.15 내지 0.25 중량％의 Cr 함량이 유리한 것으로 입증되었다. 다른 한편으로, 성형성(formability)에 결과적으로 부정적인 영향을 미치지 않기 위해서, 0.25 중량％ Cr 및 1.2 중량％ Cu의 함량을 초과해서는 안 된다. 최종적으로, Cr 및 Cu의 결합은, 1.2 중량％의 사용되는 Cu의 상한이 비용을 절감하고 재료의 재순환가능성을 증가시키는 한에 있어서는, 긍정적으로 작용한다.

최종적으로, 베어링 금속층의 알루미늄 합금은 0.1 내지 0.3 중량％ 바나듐을 포함한다. 바나듐은 매트릭스 재료의 재결정화(recrystallization)를 억제하는 효과를 갖는데, 왜냐하면 그 재결정 온도를 높이기 때문이다. 바나듐은 그에 따라 내열성을 증가시키는 역할을 하며, Ti와 함께, 연질 상 및 Si에 적합하게 되는 결정 입도를 문제없이 설정하는 것을 가능하게 한다.

바람직하게는, 베어링 금속층의 알루미늄 합금은 90 MPa 이상의 0.2 -％- 항복 강도(yield strength) R_p _.0.2와 145 MPa 이상의 인장 강도 R_m을 가지며, 상기 재료 파라미터들은 실온에서 DIN EN ISO 6892-1 에 따른 인장 시험에서 측정된다.

놀랍게도, 바나듐의 첨가는, 6 내지 10 중량％의 비교적 낮은 주석 함량과 함께하는 경우에만, 강도의 상당한 증가를, 특히 60 ％ 이상의 0.2 -％- R_p _.0.2의 증가와 15 ％ 이상의 인장 강도 R_m의 증가를, 야기한다. 놀랍게도, 이러한 상당한 변화는 DE 10 2011 003 797 B3 에서 알려져 있는 재료로부터 0.2 ％ 바나듐의 감소된 비율과 12 중량％에서 8 중량％로 주석 함량에서의 약간의 감소에서, 즉 근소한 차이 내에서, 이미 일어난다.

바람직하게는, 베어링 금속층의 알루미늄 합금은 0.01 내지 0.08 중량％ 스트론튬, 0.1 내지 0.2 중량％ 지르코늄 및 0.1 내지 0.2 중량％ 스칸듐으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함한다.

Si 함량 외에도, 결과적으로 화학적 조성에 의해 영향을 받는, 베어링 금속층에서 Si의 입자 크기 분포가 내마모성을 위해서 또한 중요하다. 발명자들은 전술된 Si 함량과 함께 0.03 내지 0.08 중량％의 범위에서 소량의 Sr의 표적화된 첨가가 입자 크기 분포의 조절 기능을 지원한다는 것을 인지했다. < 75 K/sec의, 바람직하게는 < 50 K/sec의, 주조 공정 이후 낮은 냉각 속도와 함께, Sr은 마모를 최소화하기 위하여 최적화된 입자 크기 분포를 가능하게 한다. 동시에, 그것은 Si-입자들의 형상에 영향을 미치며, Sr 성분의 결과로서, Sr의 첨가가 없는 경우에 관찰될 수 있는 것보다, 주조 이후에 보다 미세화되고 둥근 중심 형상을 갖는다. 이렇게 해서, 매트릭스 재료의 성형성은 Si의 첨가에 의해 열 처리 및 압연의 후속하는 공정 단계들 면에서 실질적으로 악화되지 않는다. Sr 함량은 이 범위에서 Si 함량에 정확하게 조절된다.

바람직하게는, 미끄럼 베어링 요소의 중간층은 최종 치수로 압연된 경우에 25 ㎛ 내지 70 ㎛의, 바람직하게는 25 ㎛ 내지 50 ㎛의, 두께 d₂로 이루어진다.

중간층은 바람직하게는 40 HV 0.01 내지 90 HV 0.01의 미소 경도(microhardness)를 갖는다.

비커스 경도 시험(Vickers hardness test)은 완성된 (형성된) 미끄럼 베어링 요소의 중간층 상에서 유럽 표준 EN 6507-1에 따라 수행된다. 탐침(압자(indenter))은 이 경우에 미끄럼 베어링 요소의 준비된 절단 에지(cut edge)의 영역에서 중간층의 평면 방향으로 가압된다. 절단 에지는 바람직하게는 연삭(grinding)에 의해 준비된다.

바람직하게는, 베어링 금속층에서 규소는, 0.04 ㎟의 표면상에서 > 5 ㎛ Si 입자들 30 내지 70개가 발견될 수 있는 분포의 베어링 금속층에서 입자들의 형태로 존재한다.

이러한 입자 크기 분포는 특히 유리한 것으로 밝혀졌는데, 왜냐하면 > 5 ㎛ Si 경질 입자들은 경질 지지 결정(hard carrying crystal)으로서 재료의 높은 내마모성을 보장하기에 충분히 크기 때문이다.

입자 크기 분포를 측정하기 위해서, 소정 크기의 베어링 금속층의 표면 섹션이 현미경으로, 바람직하게는 500배 배율에서, 조사되었다. 여기서 베어링 금속층은 임의의 원하는 평면에서 조사될 수 있는데, 왜냐하면 상기 층에서 Si 입자들의 실질적으로 균일한 분포가 가정되거나, 또는 의도적으로 또는 비의도적으로 불균일한 분포는, 즉, 예를 들어 한 방향으로 점차 증가하거나 감소하는 것은, 적어도 청구되는 범위로부터 벗어나지 않는다고 적어도 가정되기 때문이다. 바람직하게는, 베어링 금속층은 평평한 절단부(flat cut)가 처음에 만들어지는 형태로 준비된다. 표면 섹션에서 보이는 Si 입자들은 식별가능한 가장 긴 치수를 측정해서 직경과 동일시 하는 형태로 측정되었다. 최종적으로, 표면 섹션에서 > 5 ㎛의 직경을 갖는 모든 Si 입자들이 합산되고, 분석된 전체 측정 영역에서 그 수는 표준 표면에 대해 참조된다. 또한, 그러한 부류(> 5 ㎛)에 속하는 모든 Si 입자들이 측정되고 합산될 수 있으며, 그로부터 평균값이 계산될 수 있다.

특히 바람직하게는, 이렇게 측정된 > 5 ㎛의 모든 Si 입자들의 평균 Si 입자 크기는 6 내지 8 ㎛이다.

6 내지 8 ㎛의 평균 직경은 입자들이 결과적으로, 특히 동응력(dynamic stress) 하에서, 매트릭스의 강도의 감소를 초래할 정도로 크지 않다는 것을 보장한다.

앞서 언급된 바와 같이, 규소 입자들의 크기 분포는 75 K/s 미만의, 더욱 바람직하게는 50 K/s 미만의, 주조 공정 이후 냉각 속도를 통해 바람직하게는 설정된다.

또한, 주석이, 1.42 ㎟의 측정 표면상에서, 100 ㎛² 이상의 표면적을 갖는 Sn 입자들이 50개 이하 존재하는 분포의 매트릭스 내 입자들 또는 개재물(inclusion)들의 형태로, 베어링 금속층에 존재하는 경우가 유리하다는 것이 놀랍게도 밝혀졌다.

주석 분포를 측정하기 위한 베어링 금속층의 준비는 전술된 바와 같이 수행된다. 표면 섹션에서 주사 전자 현미경(scanning electron microscope)으로 볼 수 있는 Sn 입자들은 표면 섹션 내에서 주석과 관련된 그레이 값 범위(gray value range)를 탐색함으로써 EDX 분석에 의해 식별된다. 이어서, 개개의 주석 입자들의 표면 비율이 측정된다. 이를 위해, 주석과 관련된 그레이 값 범위에 속하는 주사 전자 현미경 이미지의 연속되는 픽셀(contiguous pixel)들이 카운트 된다. 표면 섹션의 알려진 크기와 주사 전자 현미경으로부터 알려진 이미지의 해상도에 의해, 개개의 픽셀들의 크기가 알려진다. 주석 입자의 표면적은 연속되는 픽셀들의 개수와 픽셀 크기로부터 측정될 수 있다. 최종적으로, 표면 섹션 상에서 발견되는 주석 입자들은 크기 부류로, 예를 들어 < 100 ㎛²과 > 100 ㎛², 또는 다른 등급의 크기 부류로, 나누어진다.

본 발명에 따른 경우에, 표면 섹션에서 > 100 ㎛²의 표면적을 갖는 모든 Sn 입자들이 합산되고, 그 수는, 조사된 표면 섹션이 측정 표면과 이미 일치하지 않는 한, 1.42 ㎟의 전술한 표준 측정 표면으로 정규화될 것이다.

특히 내연 기관에서의 고응력 베어링 응용에서는, 베어링 금속층 상에 바람직하게는 폴리머-계 커버 층이 배치된다.

특히, 높은 하중에서, 폴리머 층은 전체 베어링 폭에 걸쳐 더욱 고른 하중 분포로 이어진다. 폴리머 층의 탄성(elastic) 및 소성(plastic) 적응성을 통해, 전체 베어링의 동작 신뢰도가 이로써 추가로 증가될 수 있다.

본 발명에 의하면, 시작-정지 응용의 주된 혼합마찰 조건에서 계속해서 중요한 인자인 내마모성의 최적화와 베어링 재료의 내피로성의 증가가 동시에 달성된다.

도 1은 본 발명에 따른 미끄럼 베어링 복합 재료의 제1 예시적인 실시형태의 기본적인 층 구조를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 미끄럼 베어링 복합 재료의 제2 예시적인 실시형태의 기본적인 층 구조를 도시한다.
도 3은 Si 입자 크기 분포의 측정의 일례를 도시한다.
도 4는 바나듐 및 주석의 함량에 의존하여 베어링 금속 합금의 파단부에서 강도값 및 연신율을 비교하는 그래프를 도시한다.
도 5는 베어링 금속 합금 내의 주석 상들의 크기 분포를 비교하는 그래프를 도시한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 미끄럼 베어링 복합 재료를 통하여 개략적인 단면도를 도시한다. 그것은 총 3개의 층을 포함한다. 청구되는 Al-계 조성물을 포함하는 베어링 금속층(10)이 도 1에서 최상위 층으로서 도시된다. 베어링 금속층(10)은 강철로 이루어진 지지 또는 캐리어 층(14) 위에 있는 중간층(12) 위에 적용된다. 중간층은 베어링 금속층(10)과 강철 층 사이에서 접합제로서의 기능을 한다. 그것은 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진다.

또한, 도 1에서는, 도 3의 예에서 확대되는 내부 구조를 포함하는 표면 섹션(20)이 상징적으로 도시된다. 그러한 표면 섹션의 이미지를 생성하기 위해서, 바람직하게는 베어링 금속층의 적절한 위치에서 평평한 절단부가 준비된다. 도 1의 표시와는 달리, 예를 들어, 미끄럼 표면에 평행한 표면 섹션이 또한 고려될 수 있다.

본 발명에 따른 미끄럼 베어링 복합 재료에서 중간층의 두께는 바람직하게는 25 ㎛ 내지 70 ㎛이며, 특히 바람직하게는 50 ㎛ 이하이다.

도 2에 따른 제2 예시적인 실시형태는, 베어링 금속층(10')에 폴리머 코팅(16)이 적용되는, 다른 층 구조를 포함하는데, 그것은 특히 고응력 베어링 응용에서 특히 유리하다.

본 발명은 도시된 2개의 실시형태에 제한되지 않는다. 추가 기능층들을 갖는 다층 배치를 제공하는 것이 마찬가지로 가능하다. 구배 층(gradient layer)도 또한 배제되지 않는다. 따라서, 원칙적으로, 층의 개수와 형상은 제한되지 않는다. 그러나, 주로 앞서 언급된 비용-절감의 이유 때문에, 안전한 작동이 허용하는 한 적은 수의 층을 갖는 미끄럼 베어링 복합 재료가 바람직하다.

베어링 금속층 내의 Si 입자 크기 분포를 측정하는 방법은 이하에서 도 3을 참조하여 설명될 것이다. 예를 들어 미끄럼 표면에 연장되는, 베어링 금속층의 평평한 표면 연삭이 먼저 준비된 이후에, 특정 에지 길이와 폭을 갖는 베어링 금속층의 표면 섹션(20)이 현미경 하에서, 예를 들어 500배 배율에서, 선택되고 표시된다. 예를 들어, 이것이 500 ㎛와 800 ㎛의 에지 길이를 갖는 직사각형인 경우, 측정되는 표면은 그에 따라 400,000 ㎛²이다. 이 표면 섹션에서는 많은 수의 Si 입자(22)들을 볼 수 있으며, 그것들은 본 발명에 따르면 특정 그레이 또는 컬러 값 범위를 통해 다른 개재물들로부터, 특히 연질 상으로부터 뿐만 아니라 이물질 입자들로부터도 또한, 그것들 자체를 광학적으로 차별화하는데, 연질 상과 이물질 입자들은 여기에 도시되지 않는다. Si 입자들의 탐지는 바람직하게는 전자 영상 시스템에서 자동으로 수행된다. Si 입자(22)들은 형태에 관계없이, 식별가능한 가장 긴 치수를 측정하는 방식으로 측정된다. 이 치수는 직경으로 지정된다. 직경에 따라, Si 입자들은, 예를 들어 > 5 ㎛ 및/또는 < 2 ㎛, 2 내지 4 ㎛, 4 내지 6 ㎛, 6 내지 8 ㎛, 등과 같은 부류로 나누어진다.

이에 기초하여, 바람직하게는 2개의 크기가 측정될 수 있다: 이러한 부류와 관련되는 Si 입자들의 개수가 단순히 카운트 되고, 이어서 비교를 용이하게 하기 위해서, 예를 들어 0.04 ㎟의, 표준 면적으로 변환된다. 대안으로 또는 추가로, 그 부류와 관련되는 모든 입자들의 입자 표면이 또한 측정 및 합산될 수 있으며, 그로부터 평균값이 계산될 수 있다.

도 4는 2개의 상이한 시험 온도에서 베어링 금속층의 알루미늄 합금의 세 가지 상이한 조성에 대해 파단부“A”에서 강도 값 “항복 강도 R_p _.0.2”와 “인장 강도 R_m” 및 연신율을 비교하는 막대 그래프를 도시한다. 그 합금들은 표 1에서 볼 수 있는 중량％에 의한 구성 성분들을 함유한다.

	Sn	Cu	Fe	Ti	Si	Cr	V	Sr	Al
1. 종래기술	12.57	0.40	0.10	0.056	2.37	0.17		0.020	잔부
2. 바나듐을 함유하는 비교예	13.00	0.51	0.12	0.054	2.48	0.20	0.09	0.023	잔부
3. 본 발명 실시형태	10.00	0.84	0.15	0.085	2.07	0.22	0.22	0.010	잔부

DE 10 2011 003 797 B3 으로부터 알려져 있는 베어링 금속 합금이 종래기술(1. 비교예)로서 선택된다. 이에 기초하여, 그 합금에 바나듐이 첨가되었으며, 이 새로운 합금이 제2 비교예로서 시험되었다. 2개의 예는 증가된 Cu 함량과 감소된 Sn 함량을 갖는 본 발명에 따른 조성의 예시적인 실시형태와 비교되었다. 제1 비교예는 왼쪽 막대 그래프에 의해, 제2 비교예는 중앙 막대 그래프에 의해, 본 발명에 따른 예시적인 실시형태는 오른쪽 막대 그래프에 의해, 각각 도시된다. 비교는 한번, 도 4의 왼쪽 절반, 실온에서 그리고, 도 4의 오른쪽 절반, 175 ℃의 시험 온도에서 수행되었다.

본 발명의 범위 내에 있는 합금 원소들의 조성물은, 특히 175 ℃의 증가된 시험 온도에서, 종래기술에 비해 40 ％ 이상으로, 인장 강도 R_m의 상당한 증가를 가져오며, 약 30 ％의 연신율은 여전히 충분히 높다는 것이 밝혀졌다.

또한, 이러한 거동은 바나듐의 첨가와 동시의 적당한 Cu 함량의 증가 및 Sn 함량의 감소의 조합의 결과라는 것이 밝혀졌다.

놀랍게도, 본 발명에 따른 조성 범위 내에서 베어링 금속 합금에는 보다 미세한 주석 분포가 형성된다는 것이 또한 밝혀졌다. 이것은 앞서 논의된 3개의 예들에서 알루미늄 매트릭스에서 연질 상의 측정된 크기 분포를 도시하는, 도 5의 2개의 그래프에 의해 증명된다. 연질 상 분포는 주사 전자 현미경(SEM)을 이용하여 EDX 측정에 의해 측정되었다. 여기서, 지정된 표면상에서 특성, 규정된 그레이 값에 기초하여 연삭에서 Sn 상이 먼저 식별된다. 그 그레이 값에 의해 측정된 Sn 상의 화학 조성은 EDX 분석에 의해 확인된다. 그레이 스케일 및 EDX 분석과 일치하는 모든 입자들은 이어서 그 크기(면적)에 대해서 기록되고 자유롭게 선택할 수 있는 크기 부류들로 분류된다. 그 결과는 Sn 상 크기 및 부류 내에서 그것의 분포 면에서 미세구조 특성화이다.

도 5에서 각각의 왼쪽 막대는 표 1에 따른 비교예 1에 대해서, 중앙은 표 1에 따른 비교예 2에 대해서, 오른쪽은 표 1에 따른 본 발명의 예시적인 실시형태에 대해서, 그 아래에 각각 표시된 부류에 속하는 크기의 연질 상 입자들의 개수를 도시한다. 크기 부류에 대한 항목 아래에는, 그 개수가 표 형식으로 다시 각각 표시된다. 도 5의 위쪽 도표에서는 < 1 ㎛² 에서부터 20 ㎛² 까지, 그리고 아래쪽 도표에서는 20 ㎛² 에서부터 > 150 ㎛² 까지, 부류들이 도시되며, 아래쪽 도표는 다른 척도의 세로좌표를 포함한다는 것을 주의해야 한다. Sn 상들의 카운팅 및 측정은 1.42 ㎟의 크기를 갖는 표면에 각각 관계된다.

본 발명에 따른 합금에서, 상당히 더 많은 입자들이 < 10 ㎛² 부류에 존재하며, 반면 > 100 ㎛² 부류의 입자들은 상당히 감소된다는 것을 알 수 있다. 이것은, 특히, 향상된 강도의 원인이 된다. 그 이유는, Al 매트릭스 내에 있는 보다 큰, 연속되는 Sn 면적 또는 입자들은, 특히 고온에서, 기계적 응력 하에서 불리한 효과를 갖는 연질의, 별개의 상들(Sn- 또는 연질-상들)로 존재해서, 구조의 약화를 초래하기 때문이다. 따라서, 바람직하게는, 주석은, 1.42 ㎟의 표면상에서, 100 ㎛² 이상의 표면적을 갖는 Sn 입자들이 50개 이상 식별될 수 없도록, 베어링 금속층 내에서 분포된다.

놀랍게도, 베어링 금속 합금의 합금 원소의 특정 선택은 베어링 금속층에서 Si 침전물에 또한 영향을 미친다. 도 3을 참조하여 설명된 것처럼 측정된, Si 크기 분포는, 결과적으로 강도와 내마모성에 직접적인 영향을 미친다. 너무 굵은 Si 입자들은 내부 노치(notch)로서 작용하고 강도를 감소시킨다. 그러나, 동시에 AlSnSi 합금의 알려져 있는 우수한 내마모성을 보장하기 위해서 2 내지 8 ㎛ 크기 범위에 있는 충분한 Si 입자들이 요구되는데, > 5 ㎛인 Si 입자들은 충분히 크며, 경질 지지 결정으로서 재료의 내마모성에 기여하기 때문이다. 이러한 요구조건은 다음과 같이 적절하게 파라미터로 표현될 수 있다: 베어링 금속층의 규소 입자들은 그 직경에 관하여, 0.04 ㎟의 표면상에서 30 내지 70개의 > 5 ㎛인 Si 입자들이 발견될 수 있도록, 분포되며, > 5 ㎛의 직경을 갖는 모든 측정된 Si 입자들의 평균 Si 입자 크기는 6.0 내지 8.0 ㎛에 있다.

따라서, 이러한 합금들은, 합금 원소들의 특별한 선택의 결과로서, 미세한 Sn 분포 및, 우수한 내마모성을 추가로 보장하는 Si 분포와 결합하여, 증가된 강도를 갖는 베어링 금속 합금을 위한 우수한 절충안을 형성한다.

베어링 금속 표면은 대향하는 피스톤과 접촉하게 되기 때문에, 피딩 거동(feeding behavior) 및 내피로성은 베어링 금속에 의해 제1 근사치로 제어된다. 그러나, 발명자들은 중간층이 베어링의 용량에 또한 기여한다는 것을 발견했다. 고전적인 피로에서 베어링 파괴(bearing failure) 중에, 크랙은 표면으로부터 복합 재료의 가장 약한 지점까지 이어진다. 중간층은 우수한 적응성으로 인해, 중간층에 베어링 금속의 (클래딩(cladding)), 그리고 강철에 베어링 금속 및 중간층으로 이루어진 층 시스템의 (접합), 롤 접합(roll bonding) 중에도, 어떠한 접합 문제도 발생하지 않는 것을 보장한다. 또한, 중간층은, 특히 고하중 시작-정지 엔진에서, 미끄럼 베어링의 성능을 향상시키는데, 왜냐하면 그것이 노화 현상을, 특히 캐리어 층의 강철과 중간층 사이에서 상 경계에서 깨지기 쉬운 금속간 AlFe 상의 온도-유도된 형성을, 겪지 않기 때문이며, 이러한 이유 때문에, 강도 및 연성 면에서 베어링 금속층에 이상적으로 매치되는 그것의 기계적 특성들이 영구적으로 유지된다.

Claims

강철로 제조되는 캐리어 층, 캐리어 층 위에 배치되고 알루미늄으로 또는, 불순물을 제외하고는 무연인, 알루미늄 합금으로, 제조되는 중간층, 및 중간층 위에 배치되고 불순물을 제외하고는 무연인 알루미늄 합금으로 제조되는 베어링 금속층을 포함하는 미끄럼 베어링 복합 재료로서, 베어링 금속층의 알루미늄 합금은
6.0 내지 10.0 중량％ 주석,
2.0 내지 4.0 중량％ 규소,
0.7 내지 1.2 중량％ 구리,
0.15 내지 0.25 중량％ 크롬,
0.02 내지 0.20 중량％ 티타늄,
0.1 내지 0.3 중량％ 바나듐 및
선택적으로 0.5 중량％ 미만의 다른 원소들을 포함하며, 잔부는 알루미늄인, 미끄럼 베어링 복합 재료.
제1항에 있어서,
베어링 금속층의 알루미늄 합금은 90 MPa 이상의 0.2 -％- 항복 강도 R_p _,0.2와 145 MPa 이상의 인장 강도를 갖는 것을 특징으로 하는, 미끄럼 베어링 복합 재료.
제1항 또는 제2항에 있어서,
베어링 금속층의 알루미늄 합금은 0.01 내지 0.08 중량％ 스트론튬, 0.1 내지 0.2 중량％ 지르코늄 및 0.1 내지 0.2 중량％ 스칸듐으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는, 미끄럼 베어링 복합 재료.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
베어링 금속층의 알루미늄 합금에서 주석의 비율은 8.0 내지 10.0 중량％인 것을 특징으로 하는, 미끄럼 베어링 복합 재료.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
베어링 금속층의 알루미늄 합금에서 규소의 비율은 2.0 내지 3.0 중량％인 것을 특징으로 하는, 미끄럼 베어링 복합 재료.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
베어링 금속층의 알루미늄 합금에서 티타늄의 비율은 0.04 내지 0.10 중량％인 것을 특징으로 하는, 미끄럼 베어링 복합 재료.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
베어링 금속층에서 규소는, 0.04 ㎟의 표면상에서 > 5 ㎛인 Si 입자들 30 내지 70개가 발견되는 분포의 입자들의 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는, 미끄럼 베어링 복합 재료.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
> 5 ㎛인, 베어링 금속층 내의, 모든 측정된 Si 입자들의 평균 Si 입자 크기는 6.0 내지 8.0 ㎛인 것을 특징으로 하는, 미끄럼 베어링 복합 재료.
제7항 또는 제8항에 있어서,
베어링 금속층에서 규소 입자들의 크기 분포는 75 K/s 미만의, 바람직하게는 50 K/s 미만의, 주조 공정 이후 냉각 속도를 통해 설정되는 것을 특징으로 하는, 미끄럼 베어링 복합 재료.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
주석은, 1.42 ㎟의 표면상에서, 100 ㎛² 이상의 표면적을 갖는 Sn 입자들이 50개 이하로 존재하는 분포의 입자들의 형태로, 베어링 금속층에 존재하는 것을 특징으로 하는, 미끄럼 베어링 복합 재료.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
중간층은 25 내지 70 ㎛의 두께 d₂로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 미끄럼 베어링 복합 재료.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
중간층은 40 HV 0.01 내지 90 HV 0.01의 미소 경도를 갖는 것을 특징으로 하는, 미끄럼 베어링 복합 재료.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
베어링 금속층 상에는 폴리머-계 커버 층이 배치되는 것을 특징으로 하는, 미끄럼 베어링 복합 재료.