KR20160134734A

KR20160134734A - 슬라이딩 베어링 또는 롤링 베어링용 베어링 요소

Info

Publication number: KR20160134734A
Application number: KR1020167028310A
Authority: KR
Inventors: 크리스티앙 슐테-뇔레; 클라우스 뮐러; 루트닉 예고어
Original assignee: 섀플러 테크놀로지스 아게 운트 코. 카게
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2016-11-23
Also published as: WO2015139699A1; DE102014205164A1; JP2017514022A; EP3120036A1; CN106415036A; DE102014205164B4; US20170138401A1

Abstract

본 발명은, 슬라이딩 베어링 또는 롤링 베어링용 베어링 요소(1)에 관한 것이며, 이 베어링 요소(1)는 적어도 섹션 방식으로 분말 야금 복합 재료로부터 형성되었거나 이와 같은 복합 재료를 포함하고, 이 복합 재료는 금속 결합 상 및 경질 재료 상을 함유하며, 이 경우 금속 결합 상은 크롬, 코발트, 몰리브덴, 니켈, 티타늄의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 원소에 기초한다.

Description

슬라이딩 베어링 또는 롤링 베어링용 베어링 요소{BEARING ELEMENT FOR A SLIDING OR ROLLING BEARING}

본 발명은, 슬라이딩 베어링 또는 롤링 베어링용 베어링 요소에 관한 것으로서, 이 베어링 요소는 적어도 섹션 방식으로 분말 야금 복합 재료로부터 형성되었거나 이와 같은 복합 재료를 포함하고, 이 복합 재료는 금속 결합 상 및 경질 재료 상을 함유한다.

특히 베어링 링 형상의 슬라이딩 베어링 또는 롤링 베어링용 베어링 요소는 널리 공지되어 있고, 일반적으로는 특히 기계적인 부하를 견딜 수 있는 재료, 다시 말해 특히 전통적인 롤링 베어링 강으로부터 형성된다. 특히 침식 부하를 받는 적용예를 위해서는 또한 분말 야금 복합 재료 그리고 상응하는 베어링 요소를 형성하기 위한 플라스틱 재료 및 세라믹 재료가 공지되어 있다.

특히 상응하는 베어링 요소를 종래 방식으로 윤활되지 않은 작동 상황에서 사용하는 것, 다시 말해 주로 상응하는 베어링 요소들이 그 내부에 영구적으로 저장되어 있고 베어링 요소를 완전히 씻어내는 침식 작용하는 (얇은) 액상의 매질, 특히 수성 매질에서 사용하는 것과 관련해서는, 상응하는 베어링 요소를 형성하기 위하여 기계적인 부하뿐만 아니라 고도의 침식 부하까지도 견딜 수 있는 재료에 대한 개발 요구가 존재한다. 특히 비효율적으로 구현될 수 있는 베어링 요소의 윤활로 인해 기계적인 부하뿐만 아니라 고도의 침식 부하까지도 받는 상기와 같은 작동 상황은, 예컨대 해수력 발전소, 수문과 같은 수력 발전소에서, 또는 염수(saltwater) 터빈 또는 감수(freshwater) 터빈에서, 또는 드릴링 헤드 베어링, 컴프레서 베어링 또는 펌프 베어링에서 적용하는 경우에 발생한다. 이와 같은 적용예들에서는 또한 공동 현상(cavatation)의 위험도 존재한다.

본 발명의 과제는, 특히 기계적인 부하뿐만 아니라 고도의 침식 부하까지도 견딜 수 있는 베어링 요소를 제공하는 것이다.

상기 과제는 본 발명에 따라, 금속 결합 상이 크롬, 코발트, 몰리브덴, 니켈, 티타늄의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 원소에 기초하는 것을 특징으로 하는, 서두에 언급된 유형의 베어링 요소에 의해서 해결된다.

본 발명에 따라, 금속 결합 상 및 경질 재료 상을 함유하는 분말 야금 복합 재료로부터 적어도 섹션 방식으로 형성 또는 제조되었거나 이와 같은 분말 야금 복합 재료를 적어도 섹션 방식으로 포함하는, 슬라이딩 베어링 또는 롤링 베어링용 베어링 요소가 제안된다. 본 발명에 따른 베어링 요소의 특별한 점은 특히 금속 결합 상의 (화학적인) 조성에 있다.

금속 결합 상은 본 발명에 따라 크롬, 코발트, 몰리브덴, 니켈, 티타늄의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 원소에 기초한다. 이와 같은 내용은, 금속 결합 상이 크롬, 코발트, 몰리브덴, 니켈, 티타늄의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 원소로부터 형성되었거나 크롬, 코발트, 몰리브덴, 니켈, 티타늄의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 원소를 주성분으로서 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 하지만, 이와 같은 내용은 또한, 금속 결합 상이 금속 화합물을 함유하는 크롬 및/또는 코발트 및/또는 몰리브덴 및/또는 니켈 및/또는 티타늄으로부터 형성되었거나 이와 같은 하나 이상의 금속 화합물을 포함하는 것으로 이해될 수도 있다. 따라서, 언급된 원소들은 원소 상태로 또는 (화학적으로) 결합된 상태로 존재할 수 있다.

분말 야금 복합 재료는 일반적으로 비교적 연성인(ductile) 금속 결합 상 및 비교적 강성인 경질 재료 상을 함유하는 것을 특징으로 한다. 금속 결합 상의 연성은 경질 재료 상의 취성을 보상하고, 복합 재료의 충분한 (총-)충격 강도(impact strength)를 유도한다. 경질 재료 상의 경도는 복합 재료에 높은 경도를 제공해준다. 금속 결합 상뿐만 아니라 경질 재료 상도 침식에 매우 안정적이다. 따라서, 분말 야금 복합 재료는 특히 마멸, 점착 및 공동 현상에 대하여 높은 강도, 연성, 경도, 오버 롤링에 대한 강도, 내마모성, 그리고 높은 내식성을 갖는다. 이와 동일한 내용이 이와 같은 분말 야금 복합 재료로부터 제작되었거나 제조된 본 발명에 따른 베어링 요소에 적용된다.

복합 재료의 비교적 높은 연성은, 기계적인 부하뿐만 아니라 고도의 침식 부하까지도 견딜 수 있는 크기가 더 큰 베어링 요소, 다시 말해 약 1,000 mm까지의 직경을 갖는 베어링 링의 구현을 가능하게 한다. 슬라이딩 베어링 또는 롤링 베어링에 사용하거나 슬라이딩 베어링 또는 롤링 베어링으로서 사용하는 것과 관련해서, 복합 재료의 연성이 외래 입자의 오버 롤링에 의해서 야기되는 성장 가능한 균열의 형성 및 높은 동력학적 부하에 의한 고장 가능성을 균일하게 감소시킨다.

복합 재료의 구체적인 화학적 및 비율적 조성에 따라, 다음과 같은 물리적인 혹은 기계적인 특성값, 즉 5 내지 15 g/㎤의 밀도, 2,000 내지 8,000 MPa의 압축 강도, 400 내지 700 GPa의 탄성 계수, 1,000 내지 2,000 HV의 경도를 갖는 특별한 베어링 요소가 구현된다. 전술된 숫자 값들은 순전히 예에 불과하고, 언급된 바와 같이 복합 재료의 각각의 화학적인 조성 및 비율적인 조성에 따라 변동될 수 있는데, 다시 말하자면 특히 더 높아질 수 있거나 더 낮아질 수 있다.

이로써, 분말 야금 복합 재료의 특별한 화학적인 조성뿐만 아니라 비율적인 조성도, 특히 종래의 윤활이 없더라도, 기계적인 부하 및 고도의 침식 부하를 받는 적용 분야에 사용하도록 예정된 본 발명에 따른 베어링 요소의 특별한 특성 프로파일을 위한 토대가 된다. 상응하는 적용 분야는 예컨대 침식 작용하는 환경, 다시 말해 예컨대 비수성 또는 수성의 특히 염소 함유 환경, 그리고 예컨대 조력 발전소(tidal plant) 혹은 해수력 발전소 분야와 같은 산성 또는 염기성 환경, 다시 말해 특히 근해-풍력 터빈, 근해-이송 설비, 일반적인 수력공학 구조물, 또는 예컨대 선박과 같은 기타 해수 적용예, 다시 말해 특별한 선박 구동 장치, 또는 펌프 및 컴프레서 분야일 수도 있다. 또한, 예컨대 식품 공학 및 약학 공학 분야와 같이 건식으로 작동하는 적용예 또는 최소로 윤활된 적용 분야도 관련이 있다.

본 발명에 따른 베어링 요소 및 이와 같은 베어링 요소를 형성하는 복합 재료는 분말 야금 방법에 의해서, 다시 말해 분말 형태의 출발 재료 혹은 분말 형태의 출발 재료 혼합물을 토대로 하는 방법에 의해서 제조되었다. 분말 야금 방법의 사용은 특히, 이 방법의 사용이 (거의) 등방성 특성을 갖는 미세 구조물의 형성을 가능하게 한다는 이유 때문에 바람직하다. 그와 마찬가지로, 분말 야금 방법의 사용은 일반적으로 베어링 요소의 최종 윤곽에 가까운 제조 혹은 원형 몰딩(original molding)을 가능하게 하며, 이와 같은 상황은 기계적인, 다시 말해 특히 절단 방식의 후가공 단계의 필요성을 대폭 줄여주기 때문에 제조 기술적인 관점 및 이와 더불어 또한 경제적인 관점에서도 바람직하다.

베어링 요소를 제조하기 위한 상기와 같은 분말 야금 방법은 예를 들어 열간 등압 성형법(Hot Isostatic Pressing; HIP)일 수 있으며, 이 방법에 따르면, 분말 형태의 출발 재료 또는 분말 형태의 출발 재료 혼합물이 압력 및 온도 조건하에서 압착 혹은 압축 및 소결되는, 원형 몰딩 분야의 분말 야금 제조 기술적인 원리가 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 베어링 요소를 제조하기 위해서 생각할 수 있는 다른 분말 야금 방법은 분무 응축(spray compacting) 방법이며, 이 방법에서도 마찬가지로, 분말 형태의 출발 재료 또는 분말 형태의 출발 재료 혼합물이 캐리어 재료상에 분무되고, 캐리어 재료상에 층 방식으로 적층됨으로써 하나의 부품이 "구축"되는, 원형 몰딩 분야의 분말 야금 제조 기술적인 원리가 적용된다. 다른 분말 야금 방법에 대한 분무 응축 방법의 한 가지 장점은, 이 방법에서는 분말 형태의 출발 재료가 반드시 완전히 압착될 필요가 없다는 데 있다. 분무 응축 방법의 또 다른 한 가지 장점은, 추후에 국부적으로 또는 공간적으로 분포된 재료 구배 또는 농도 구배로써 형성될 수 있는 복합 재료의 "주문 제작된" 재료 조성의 구현이 가능하다는 데 있다.

복합 재료를 분말 야금술로 제조하는 범위 안에서는, 금속 결합 상을 형성하는, 분말 형태의 재료 또는 재료 혼합물을, 경질 재료 상을 형성하는 분말 형태의 재료 또는 재료 혼합물과 분말 야금 방법의 범위 안에서 결합하는 것을 생각할 수 있다. 그에 대해 대안적으로는, 먼저 금속 결합 상을 분말 야금 방법을 통해서 제조하고, 예컨대 복합 재료의 원형 몰딩 또는 열 처리 과정에서 후속적으로 이루어지는 의도적인 침전물 형성에 의해 금속 결합 상 내에서 경질 재료 상을 형성하는 것을 생각할 수 있다.

금속 결합 상은 철 및/또는 탄소 및/또는 질소 성분 그리고/또는 철 및/또는 탄소 및/또는 질소를 함유하는 하나 이상의 화합물 성분을 추가로 함유할 수 있다. 이와 같은 방식에 의해서는, 본 발명에 따른 베어링 요소의 구체적인 사용 분야와 관련해서 금속 결합 상의 특성 스펙트럼에 의도한 바대로 영향이 미친다. 그와 마찬가지로, 이와 같은 방식에 의해서는 경우에 따라 또한 통상적으로 개별 경질 재료 상 입자들로부터 형성된 경질 재료 상과 금속 결합 상 간의 결합도 개선된다.

앞에서 언급된 바와 같이, 금속 결합 상은 또한 크롬 및/또는 몰리브덴 및/또는 니켈 및/또는 코발트 및/또는 티타늄을 함유하는 금속 화합물로부터 형성될 수 있거나 이와 같은 하나 이상의 금속 화합물을 포함할 수 있다. 다시 말해, 그에 따르면, 예컨대 크롬, 몰리브덴, 티타늄 원소는 - 존재하는 한 - 결합된 형태로 존재하기 때문에 예컨대 철 및/또는 탄소 및/또는 질소와 같은 금속 결합 상의 또 다른 성분들과 화학적으로 결합될 수 있다. 더 상세하게 말해서, 예를 들면 금속 결합 상이 탄소를 함유하는 화합물로서 크롬 탄화물 및/또는 몰리브덴 탄화물 및/또는 티타늄 탄화물을 함유하는 것을 생각할 수 있다.

분말 야금 복합 재료에 속하는 경질 재료 상은 붕화물, 탄화물, 특히 티타늄 탄화물 및/또는 텅스텐 탄화물, 카본 질화물, 특히 티타늄 카본 질화물, 질화물, 특히 티타늄 질화물, 규화물인 경질 재료 화합물들 중 하나 이상의 화합물로부터 형성될 수 있거나 이와 같은 경질 재료 화합물들 중 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 그에 따라, 경질 재료 상은 특히 초경합금, 다시 말해 예컨대 텅스텐 탄화물과 같은 특히 소결된 탄화물 초경합금, 및/또는 서멧(cermet), 다시 말해 예컨대 니켈 및/또는 몰리브덴을 토대로 하는 금속 매트릭스 내에, 예컨대 티타늄 탄화물 입자, 티타늄 카본 질화물 입자 또는 티타늄 질화물 입자와 같은 세라믹 입자를 함유하는 서멧으로부터 형성될 수 있거나 이와 같은 서멧을 포함할 수 있다. (화학적으로) 상이한 경질 재료 화합물의 혼합물도 물론 생각할 수 있다.

경질 재료 상은 또한 복합 재료의 열 전도성에 긍정적인 영향을 미칠 수 있으며, 이와 같은 사실은 특히 본 발명에 따른 베어링 요소로부터의 열 소산 가능성 및 이와 더불어 본 발명에 따른 베어링 요소의 냉각 능력과 관련해서 바람직하다. 이와 같은 내용은 특별히 탄화물, 특히 텅스텐 탄화물을 토대로 하는 경질 재료 화합물의 사용에 적용되며, 그와 같은 경질 재료 화합물의 열 전도성은 통상적으로 종래의 베어링 요소를 형성하기 위해 사용되는 비합금 강 혹은 스테인리스 강의 열 전도성을 수배만큼 능가한다.

언급된 바와 같이, 경질 재료 상은 통상적으로 소수의 경질 재료 입자로부터 형성되어 있거나 이와 같은 경질 재료 입자를 포함한다. 분말 야금 복합 재료는 또한 중간 상도 함유할 수 있으며, 이 중간 상은 경질 재료 상 입자 둘레에 형성되어 있고, 이 중간 상을 통해서 금속 결합 상에 대한 경질 재료 상 입자의 결합이 구현되었다. 서멧, 다시 말해 특히 티타늄 카본 질화물 또는 티타늄 탄화물로부터 형성된 경질 재료 상 입자의 예를 위해서는, k-상, 다시 말해 경질 재료 상 입자 둘레에 놓여 있고 금속 결합 상에 대한 상기 경질 재료 상 입자의 단단한 결합을 보장해주는 복합 탄화물 구조가 검출되었다.

분말 야금 복합 재료 내에서 경질 재료 상의 용적 비율은 특히 50 내지 99 용적%의 범위 안에, 바람직하게는 85 내지 95 용적%의 범위 안에 놓여 있다. 그에 상응하게, 분말 야금 복합 재료 내에서 금속 결합 상의 용적 비율은 특히 1 내지 50 용적%의 범위 안에, 바람직하게는 15 내지 5 용적%의 범위 안에 놓여 있다. 유의해야 할 사실은, 복합 재료 및 그에 따라 베어링 요소의 높은 경도를 보장하기 위해서, 경질 재료 상의 용적 비율이 50 용적%에 미달되지 않는다는 것이다. 그와 마찬가지로, 경질 재료 상의 용적 비율은 예외의 경우에 50 용적% 아래에 놓일 수도 있고, 금속 결합 상의 비율은 예외적으로 50 용적% 위에 놓일 수도 있다.

베어링 요소의 경도는 적어도 자신의 표면 영역 혹은 에지 층 영역에서 또는 표면에 가까운 영역 혹은 에지 층에 가까운 영역에서는 특히 1,000 내지 2,000 HV(비커 경도 값)의 범위 안에, 전형적으로는 1,100 HV 위에 놓여 있다. 베어링 요소의 표면 혹은 에지 층은, 자체 특성 측면에서, 다시 말해 특히 경도 측면에서 더 내부에 놓여 있는 미세 구조 영역과 상이하고 그런 이유로 더 내부에 놓여 있는 미세 구조 영역으로부터 한정될 수 있는 특정한 미세 구조 영역을 구비할 수 있다. 통상적으로, 이와 같은 표면 영역 또는 에지 층 영역은 베어링 요소 측에 제공된 슬라이딩 면 또는 롤링 면인데, 다시 말하자면 특히 슬라이딩 바디 또는 롤링 바디를 위한 트랙 면 또는 상응하는 슬라이딩 바디 면 혹은 롤링 바디 면이다. 물론, 베어링 요소는 또한 전체적으로 일치하는 경도를 가질 수도 있다. 예외의 경우에, 베어링 요소의 경도는, 경우에 따라서는 단지 섹션 방식으로만, 1,000 HV 아래에 또는 2,000 HV 위에 놓일 수도 있다.

복합 재료의 특성 프로파일을 위해서는, 비율에 따른 화학적 조성, 다시 말해 금속 결합 상 및 경질 재료 상의 용적에 따른 비율 이외에, 특히 매트릭스로서 이용되는 금속 결합 상 내에서 경질 재료 상을 형성하는 경질 재료 상 입자의 형태, 크기 및 분포도 중요하다. 경질 재료 상 입자는 일반적으로 거친 입자 형태 내지 미세 입자 형태로 존재할 수 있다. 경질 재료 상 입자는 바람직하게 원형 또는 통통한 형상이다. 복합 재료의 제조 범위 안에서는, 매트릭스로서 이용되는 금속 결합 상 내에서 경질 재료 상을 형성하는 경질 재료 상 입자의 가급적 균일한 분포에 유의해야만 한다.

경질 재료 상을 형성하는 경질 재료 상 입자의 형태, 크기 및 분포에 대한 한 가지 특징은 표면 품질 및 이와 더불어 최종 가공된 상태에서의, 다시 말해 마무리 가공 후의 베어링 요소의 거칠기이다. 원칙적으로, 상응하는 베어링 요소의 거칠기와 관련해서, 기술적이고 경제적인 관점에서 베어링 요소의 더 큰 외부 직경은 베어링 요소의 더 높은 거칠기 값을 갖는다는 사실이 적용된다. 거칠기에 대한 조사들이 보여준 결과는, 약 200 mm를 초과하는 외부 직경을 갖는 베어링 요소에 대해서는 0.1 내지 1.0 ㎛의 범위 안에 있는 평균 거칠기 값(R_a)이 구현될 수 있고, 약 200 mm 미만의 외부 직경을 갖는 베어링 요소에 대해서는 0.02 내지 0.2 ㎛의 범위 안에 있는 평균 거칠기 값(R_a)이 구현될 수 있다는 것이며, 이와 같은 결과가 나타나게 된 원인은 일정하고 균일한 미세 구조인데, 다시 말하자면 특히 적합한 제조 기술과의 조합에 의해 나타난 금속 결합 상 내에서의 경질 재료 상 입자의 특히 일정하고 균일한 분포이다.

본 발명에 따른 베어링 요소는 예컨대 베어링 링, 다시 말해 슬라이딩 베어링 또는 롤링 베어링의 외부 링 또는 내부 링일 수 있다. 베어링 요소는 또한 슬라이딩 바디(body) 혹은 롤링 바디 또는 롤링 바디를 수용하기 위한 롤링 바디 케이지(cage)일 수도 있다.

본 발명은 또한 베어링, 다시 말해 전술된 바와 같은 본 발명에 따른 하나 이상의 베어링 요소를 포함하는 슬라이딩 베어링 또는 롤링 베어링과도 관련이 있다. 베어링 요소(들)는 언급된 바와 같이 특히 베어링 링 및/또는 슬라이딩 바디 혹은 롤링 바디 및/또는 롤링 바디를 수용하기 위한 롤링 바디 케이지일 수 있다. 본 발명에 따른 베어링과 관련해서는, 본 발명에 따른 베어링 요소와 관련된 모든 실시예들이 유사하게 적용된다.

본 발명의 일 실시예는 도면에 도시되어 있고, 이하에서 더 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 요소를 포함하는, 롤링 베어링의 개략도를 도시하고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 요소를 형성하기 위한 분말 야금 복합 재료의 미세 구조의 일 단면을 도시하며,
도 3은 종래의 내식성 롤링 베어링 강으로부터 형성된 베어링 요소와 비교한 본 발명에 따른 베어링 요소의 내식성을 보여주기 위한 그래프이다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 요소(1)의 개략도를 보여준다. 베어링 요소(1)는 롤링 베어링(2)의 부분이다. 베어링 요소(1)는 롤링 베어링(2)의 외부 링(3)이다. 롤링 베어링(2)의 내부 링(4)은 유사하게 본 발명의 일 실시예에 따른 상응하는 베어링 요소(1)로서 형성될 수 있다. 이와 동일한 내용이 외부 링(3)과 내부 링(4) 사이에서 롤링하는 롤링 바디(5)에 대해서 그리고 롤링 바디(5)를 수용하거나 안내하는 롤링 바디 케이지(6)에 대해서 적용된다.

베어링 요소(1)는 또한 슬라이딩 베어링의 상응하는 구성 요소일 수도 있다.

베어링 요소(1)는 분말 야금 복합 재료, 다시 말해 분말 야금술로 제조된 복합 재료로부터 형성되어 있다. 분말 야금 복합 재료는 금속 결합 상 및 하나 이상의 경질 재료로부터 형성된 경질 재료 상을 포함한다. 따라서, 분말 야금 복합 재료는 "금속 매트릭스 복합 재료"로서 지칭되거나 간주될 수 있다.

금속 결합 상은 일반적으로 크롬, 코발트, 몰리브덴, 니켈, 티타늄의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 원소에 기초한다. 이와 같은 내용은, 금속 결합 상이 크롬, 코발트, 몰리브덴, 니켈, 티타늄의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 원소로부터 형성되거나 크롬, 코발트, 몰리브덴, 니켈, 티타늄의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 원소를 주성분으로서 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 이와 같은 내용은 또한, 금속 결합 상이 금속 화합물을 함유하는 크롬 및/또는 코발트 및/또는 몰리브덴 및/또는 니켈 및/또는 티타늄으로부터 형성되거나 이와 같은 하나 이상의 금속 화합물을 포함하는 것으로 이해될 수도 있다. 따라서, 전술된 원소들은 원소 상태로 또는 (화학적으로) 결합된 상태로 존재할 수 있다.

금속 결합 상은 추가로 철 및/또는 탄소 및/또는 질소 성분 그리고/또는 철 및/또는 탄소 및/또는 질소를 함유하는 하나 이상의 화합물 성분을 함유할 수 있다. 탄소를 함유하는 화합물로서는 특히 크롬 탄화물 및/또는 몰리브덴 탄화물 및/또는 티타늄 탄화물이 고려된다.

경질 재료 상은 일반적으로 붕화물, 탄화물, 특히 티타늄 탄화물 및/또는 텅스텐 탄화물, 카본 질화물, 특히 티타늄 카본 질화물, 질화물, 특히 티타늄 질화물, 규화물인 경질 재료 화합물들 중 하나 이상의 화합물로부터 형성되거나 이와 같은 경질 재료 화합물들 중 하나 이상의 화합물을 포함한다. 경질 재료 상은 통상적으로 소수의 또는 다수의 결합된 경질 재료 상 입자의 형태로 존재한다. 경질 재료 상 입자는 통상적으로 약 0.5 내지 10 ㎛, 특히 0.9 내지 6 ㎛의 입자 크기를 갖는다.

이에 따라, 복합 재료의 미세 구조는 특히 개별적인 또는 다수의 서로 결합된 그리고 금속 결합 상에 의해서 둘러싸인 경질 재료 상 입자로 이루어진다. 따라서, 금속 결합 상은 경질 재료 상 입자들 사이에서 연장되고, 미세 구조 내에서 이와 같은 경질 재료 상 입자들을 결합한다. 복합 재료의 미세 구조는 모르타르에 의해서 결합된 복수의 벽돌을 포함하는 석조물(masonry)과 비교될 수 있으며, 이 경우 경질 재료 상 입자는 벽돌을 나타내고, 금속 결합 상은 모르타르를 나타낸다.

복합 재료 내에서 경질 재료 상은 특히 50 내지 99 용적%의 비율, 특히 85 내지 95 용적%의 비율을 갖는다. 금속 결합 상은 특히 1 내지 50 용적%의 비율, 특히 15 내지 5 용적%의 비율을 갖는다.

구체적인 일 실시예에서, 복합 재료는 금속 결합 상으로서 니켈 및 결합된 크롬을 함유할 수 있다. 이와 같은 구체적인 실시예에서, 경질 재료 상은 텅스텐 탄화물로 이루어진다. 경질 재료 상의 비율은 85 내지 95 용적%이다. 경질 재료 상의 높은 비율은 복합 재료 및 이로써 베어링 요소(1)의 매우 높은 경도, 통상적으로는 1,150 내지 1,750 HV의 경도를 보장해준다. 금속 결합 상의 연성은 경질 재료 상의 취성을 보상하고, 복합 재료 및 이로써 베어링 요소(1)의 우수한 충격 강도, 통상적으로는 K_1c 7 내지 19 MN/mm³ ^/2를 보장해준다. 복합 재료 및 이로써 베어링 요소(1)의 압축 강도는 3,500 내지 6,300 MPa이고, 탄성 계수는 500 내지 650 GPa의 범위 안에 놓여 있으며, 푸아송비(Poisson's ratio)는 0.21 내지 0.22이고, 밀도는 13.0 내지 15.0 g/㎤의 범위 안에 놓여 있다. 경질 재료 상 입자의 입자 크기는 0.5 내지 5 ㎛이다.

실질적으로 금속 결합 상이 주성분으로서 코발트로 이루어진다는 점에서 상기 구체적인 실시예와 상이한 또 다른 구체적인 일 실시예에서도 유사한 특성들이 달성된다.

복합 재료의 또 다른 구체적인 일 실시예에서는, 복합 재료가 금속 결합 상으로서 주로 니켈 및 코발트를 함유할 수 있다. 본 실시예에서, 금속 결합 상은 특히 니켈 탄화물 화합물 또는 코발트 탄화물 화합물과 같은 탄소 화합물 혹은 탄화물 화합물을 추가로 함유한다. 본 실시예에서, 경질 재료 상은 티타늄 탄화물 혹은 티타늄 카본 질화물로부터 형성되었다. 본 실시예에서는, 복합 재료 내에서 경질 재료 상 입자 둘레에 중간 상이 형성되어 있으며, 이 중간 상을 통해서 금속 결합 상에 대한 경질 재료 상 입자의 단단한 결합이 구현되었다. 중간 상은 소위 k-상, 다시 말해 복합 탄화물 구조이다. 복합 재료 및 이로써 베어링 요소(1)의 경도는 1,100 내지 1,650 HV이고, 충격 강도는 약 K_1c 8 내지 14 MN/mm³ ^/2이며, 탄성 계수는 370 내지 450 GPa이고, 밀도는 5.8 내지 6.9 g/㎤이다. 두드러지는 사실은, 복합 재료의 비교적 낮은 밀도가 비교적 낮은 부품 중량을 유도한다는 것이다.

도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 요소(1)를 형성하기 위한, 본원에서 기술된 실시예와 유사한 분말 야금 복합 재료의 미세 구조의 일 단면을 보여준다. 본 실시예에서 주로 니켈 및 몰리브덴을 함유하는 금속 결합 상은 도면 부호 7로, 본 실시예에서 티타늄 카본 질화물로 이루어지는 경질 재료 상 입자는 도면 부호 8로, 그리고 k-상은 도면 부호 9로 명시되어 있다. 금속 결합 상(7)에 대한 경질 재료 상 입자(8)의 결합은 경질 재료 상 입자(8)를 직접 둘러싸는 중간 상(9)을 통해서 이루어진다.

복합 재료의 전체 실시예들에서는, 외부 직경에 따라 0.02 내지 1.0 ㎛의 평균 거칠기 값(R_a)을 갖는 베어링 요소(1)가 구현될 수 있으며, 이와 같은 사실은 금속 결합 상 내에서의 경질 재료 상 입자의 일정하고 균일한 분포, 그리고 특히 적합한 제조 파라미터의 선택에 의해서 야기되는 베어링 요소(1)의 높은 표면 품질을 의미한다.

전체적으로 관찰했을 때, 베어링 요소(1)를 형성하는 복합 재료 및 이와 더불어 베어링 요소(1)도 높은 강성, 높은 연성, 높은 경도, 오버 롤링에 대한 높은 강도 및 높은 내마모성, 높은 열 전도성 그리고 높은 내식성을 특징으로 한다.

도 3은, 종래의 내식성 롤링 베어링 강으로부터 형성된 베어링 요소와 비교한 본 발명에 따른 베어링 요소(1)의 내식성을 도시하기 위한 그래프를 보여준다. 도 3을 참조할 때, 종래의 롤링 베어링 강으로부터 형성된 베어링 요소에 비해 개선된, 본 발명에 따른 베어링 요소(1)를 형성하는 복합 재료의 내식성이 도시된다.

도 3에 도시된 그래프에서는, 전류(y-축)가 전위(x-축)에 대하여 도시되어 있다. 공식 전위(pitting potential) 또는 재부동화 전위(repassivation potential)의 전기 화학 검사로부터 얻어진 시험 결과들이 도시되어 있다(Ag/AgCl, 3.5% NaCl, 20℃). 곡선 10은 본 발명에 따른 베어링 요소(1)에 대한 측정 결과를 나타내고, 곡선 11은 종래의 롤링 베어링 강으로부터 형성된 본 발명에 따르지 않는 베어링 요소에 대한 측정 결과를 나타낸다.

도면을 통해 알 수 있는 바와 같이, 곡선 10의 상승에 의해서 유추되는 재료의 용해는 본 발명에 따르지 않는 베어링 요소에서보다 본 발명에 따른 베어링 요소(1)에서 확연하게 더 늦게 시작한다. 재부동화 전위, 다시 말해 곡선들이 상승 후에 재차 x-축과 만나는 전위는 본 발명에 따르지 않는 베어링 요소에 비해 본 발명에 따른 베어링 요소(1)에서 확연하게 더 높다. 이들 조사는 본 발명에 따른 베어링 요소(1)의 매우 우수한 내식성을 증명해준다.

1: 베어링 요소
2: 롤링 베어링
3: 외부 링
4: 내부 링
5: 롤링 바디
6: 롤링 바디 케이지
7: 니켈 및 몰리브덴을 함유하는 금속 결합 상
8: 경질 재료 상 입자
9: k-상
10: 곡선
11: 곡선

Claims

적어도 섹션 방식으로 분말 야금 복합 재료로부터 형성되었거나 이와 같은 복합 재료를 포함하고, 복합 재료가 금속 결합 상 및 경질 재료 상을 함유하는, 슬라이딩 베어링 또는 롤링 베어링용 베어링 요소(1)에 있어서,
금속 결합 상은 크롬, 코발트, 몰리브덴, 니켈, 티타늄의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 원소에 기초하는 것을 특징으로 하는, 베어링 요소(1).
제1항에 있어서, 금속 결합 상은 철 및/또는 탄소 및/또는 질소 성분 그리고/또는 철 및/또는 탄소 및/또는 질소를 함유하는 하나 이상의 화합물 성분을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는, 베어링 요소.
제2항에 있어서, 금속 결합 상은 탄소를 함유하는 화합물로서 크롬 탄화물 및/또는 몰리브덴 탄화물 및/또는 티타늄 탄화물을 함유하는 것을 특징으로 하는, 베어링 요소.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 경질 재료 상이 소수의 경질 재료 상 입자로부터 형성되었거나 이와 같은 경질 재료 상 입자를 포함하고, 복합 재료는 중간 상을 함유하며, 중간 상은 경질 재료 상 입자 둘레에 형성되어 있고, 중간 상을 통해서 금속 결합 상에 대한 경질 재료 상 입자의 결합이 구현되는 것을 특징으로 하는, 베어링 요소.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 경질 재료 상은 붕화물, 탄화물, 특히 티타늄 탄화물 및/또는 텅스텐 탄화물, 카본 질화물, 특히 티타늄 카본 질화물, 질화물, 특히 티타늄 질화물, 규화물인 경질 재료 화합물들 중 하나 이상의 화합물로부터 형성되었거나 이와 같은 경질 재료 화합물들 중 하나 이상의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 베어링 요소.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 경질 재료 상은 복합 재료 내에서 50 내지 99 용적%의 비율, 특히 85 내지 95 용적%의 비율을 갖고, 금속 결합 상은 1 내지 50 용적%의 비율, 특히 15 내지 5 용적%의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는, 베어링 요소.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 베어링 요소는 적어도 표면 영역에서, 특히 슬라이딩 면 또는 롤링 면의 영역에서 1,000 내지 2,000 HV의 경도, 특히 1,100 HV를 초과하는 경도를 갖는 것을 특징으로 하는, 베어링 요소.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 베어링 요소는 0.02 내지 1.0 ㎛의 평균 거칠기 값(R_a)을 갖는 것을 특징으로 하는, 베어링 요소.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 베어링 요소는 베어링 링(3, 4) 또는 슬라이딩 바디 혹은 롤링 바디(5) 또는 롤링 바디(5)를 수용하기 위한 롤링 바디 케이지(6)인 것을 특징으로 하는, 베어링 요소.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 베어링 요소(1)를 포함하는 베어링, 특히 슬라이딩 베어링 또는 롤링 베어링.