KR20170120142A - 미끄럼 베어링 요소 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1 주석 기반 합금으로 만들어진 주행 층(4)은 추가적인 주석 기반 합금으로 만들어진 추가 층(5)을 구비한 미끄럼 베어링 요소(1)에 관한 것이며, 상기 합금들은 Cu, Ni, Ag, Sb, As, Pb, Bi, Te, Tl 및/또는 비금속 입자를 포함하는 그룹으로부터 적어도 하나의 원소를 포함한다. 제1 주석 기반 합금은 최소 5 이상 최대 25 이하의 강도 지수(FI)를 가지며, 추가적인 주석 기반 합금은 최소 0.3 이상 최대 3 이하의 강도 지수(FI)를 갖는다. 주행 층(4)의 강도 지수는 추가 층(5)의 강도 지수의 적어도 5 배이고, 강도 지수(FI)는 아래의 식에 의해 정의되며,
Figure pct00066

여기에서, C는 원소 Cu, Ni, Ag 중의 적어도 하나를 나타내고, S는 Sb 및/또는 비금속 입자를 나타내고, B는 원소 Pb, Bi, Te, T1 중의 적어도 하나를 나타내고, ω는 문자 C, S 및 B에 할당된 각각의 주석 기반 합금 성분들의 합계 함량을 나타낸다.

Description

미끄럼 베어링 요소
본 발명은 서로의 위에 순서대로, 특히 지지층을 형성하는 지지 요소, 적어도 하나의 주행 층, 적어도 하나의 추가 층, 및 가능하게는/바람직하게는 상기 지지 요소와 상기 적어도 하나의 주행 층 사이에 적어도 하나의 베어링 금속층을 포함하는 미끄럼 베어링 요소, 특히 방사상 미끄럼 베어링 요소에 관한 것이며, 적어도 하나의 주행 층은 적어도 하나의 제1 주석 기반 합금(tin based alloy)에 의해 형성되고 적어도 하나의 추가 층은 적어도 하나의 추가적인 주석 기반 합금에 의해 형성되며, 적어도 하나의 제1 주석 기반 합금 및 적어도 하나의 추가적인 주석 기반 합금은 Cu, Ni, Ag, Sb, As, Pb, Bi, Te, Tl 및/또는 비금속 입자를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 함유하며, 적어도 하나의 제1 주석 및 적어도 하나의 추가적인 주석 기반 합금은 베타 주석 입자를 함유한다.
모터 산업을 위한 미끄럼 베어링에서 소위 주행 또는 미끄럼 층으로서 주석 기반 합금을 사용하는 것은 오래전부터 알려져 있으며, 예를 들어 GB 566 360 A (75% 내지 99.75% Sn을 포함하는 Sn-Cu 합금), DE 82 06 353 U1(최대 2 중량% Cu와 가급적 소량의 As, Ni 및 Cd를 포함하는 백색 금속), DE 197 28 777 C2 (3 중량% 내지 20 중량% Cu 및 잔부 주석), DE 199 63 385 C1 (39 중량% 내지 55 중량% Cu와 잔부 Sn의 Sn-Cu 입자가 매립된 주석 매트릭스), AT 509 112 A1 및 AT 509 111 A1 (최대 20 중량%의 Sb, 최대 10 중량%의 Cu, 및 합계로 최대 1.5 중량%의 Pb와 Bi를 포함하는 주석 기반 합금, 여기에서 Sb 및 Cu의 총량은 2 중량% 내지 22 중량% 이며, 베타 주석 입자는 특정 배향 또는 특정 입자 크기를 갖는다)을 참조한다.
종래 기술에, 주석 또는 주석 합금은 소위 주석 플래시(tin flash)를 형성하기 위한 것이 개시되어 있다. 예를 들어 US 6,000,853 A에 기재된 바와 같이, 이것은 산화 방지 표면으로 사용되고 미끄럼 표면의 시각적 외관을 개선하는 1 ㎛ 미만의 두께인 미끄럼 베어링의 보호층에 관한 것이다. 미끄럼 베어링을 처음 기동할 때 주석이 너무 부드럽기 때문에 축에서 주석 플래시가 제거된다. 러닝-인(running-in) 거동의 향상은 주석 플래시에 의해 달성될 수 있지만, 실제 러닝-인 층은 마찰 파트너의 기하학적 조정을 가능하게 하는 주석 플래시 아래에 있는 미끄럼 층이다. 이와 대조적으로, US 6,000,853 A는 약 5㎛ 두께의 순수한 주석을 갖는 기능 층을 설명하고 있다. 상기 기능 층은 납 기반 합금 상에 배치된다. 이러한 방식으로 접촉 표면상에, 적합하게 훨씬 감소한 내열성을 구비한 공정 합금이 형성된다. 또한, 납의 상호 확산은 납 재료와의 직접적인 접촉으로부터 발생할 수 있다.
DE 100 54 461 C2는 강화 금속 및/또는 무기물 입자를 포함하는 주석 기반 합금으로 제조된 커버 층을 갖는 다층 미끄럼 베어링을 기술하고 있으며, 두께와 관련한 중간 영역의 함량은 비교적 높고 표면 구역에서 제로 또는 중심에서 적다.
일반적으로 주석 기반 합금에 의해 형성된 다층 미끄럼 베어링은 실행하기 위해 할당된 작업에 만족스럽다. 고속 주행 엔진 (약 1000 U/분 내지 3000 U/분), 예를 들어, 트럭 엔진, 가스 엔진, 광업 및 선박용 엔진 및 중속 주행 엔진 (약 300 U/분 내지 1000 U/분), 예를 들어 선박 및 발전소 응용 분야, 즉 일반적으로 고하 중 방사상 미끄럼 베어링의 경우와 같은 일부 특별한 응용을 위해, 방사상 내면에 높은 하중으로 인해 강화된 표면 코팅이 사용된다. 이 경우, 코팅 전의 표면 상태는 일반적으로 코팅된 표면에 반영된다. 미세 보어 또는 클리어링 홈은 방사상 방향 또는 축 방향으로 표면에 물결 모양(파형)을 생성한다. 상기 물결 모양은, 특히 강화된 표면 코팅에서, 작동 개시시에 극도로 높은 국부적인 하중을 야기한다. 표면의 고르지 못함으로 인한 물결 모양은 극히 얇은 기름 막이나 박리 기름 막에 의해 조정되는 주로 홈 피크이다. 동시에 강화 코팅의 높은 내마모성은 샤프트에 대한 베어링 표면의 바람직한 적응(마모 조정)이 너무 느리게 또는 불충분하게 발생한다는 것을 의미합니다. 표면 코팅에 과부하로 인한 마모 조정의 연장된 단계에서, 아직 완전하지 않은 지지부로 인해 비가역적인 손상은 피로, 파단 및/또는 파열의 형태로 일어날 수 있다.
본 발명의 기본적인 목적은 고부하의 방사상 미끄럼 베어링의 러닝-인 단계 동안, 주행 층의 국부적인 과부하를 감소시키거나 회피하는 것이다.
고부하의 방사상 미끄럼 베어링은, (전술한 설명에 따른) 고속 주행 및 적당히 빠른 주행 엔진에 사용되는, 특히 방사상 미끄럼 베어링이다.
본 발명의 목적은 전술한 미끄럼 베어링 요소로 달성되는데, 적어도 하나의 제1 주석 기반 합금은 최소 5이고 최대 25의 강도 지수 (FI)를 갖고, 적어도 하나의 추가의 주석 기반 합금은 최소 0.3 이고 최대 3 의 강도 지수를 가지며, 주행 층의 강도 지수는 주행 층에 직접 배치된 적어도 하나의 추가 층의 강도 지수의 적어도 5 배이며, 강도 지수 FI는 아래 식으로 정의되며,
Figure pct00001
여기에서, C는 Cu, Ni, Ag 중 적어도 하나를 나타내고, S는 Sb 및/또는 As 및/또는 비금속 입자를 나타내고, B는 원소 Pb, Bi, Te, T1 중 적어도 하나를 나타내고, ω는 문자 C, S 및 B와 각각 관련된 주석 기반 합금 성분들의 전체 함량을 나타낸다.
적어도 하나의 추가의 주석 기반 합금으로 만들어진 덜 강한 커버 층이 러닝-인 중에 빠르게 마모되는 것이 하나의 이점이다. 그러나, 마모된 입자들이 제거되지 않거나 또는 윤활유에 의해 완전히 제거되지 않지만, 상기 연질 층의 더욱 높은 연성으로 인해 주행 층 표면의 울퉁불퉁함의 평탄화가 일어난다. 보다 높은 강도 지수를 갖는 하부의 주행 층은 적어도 하나의 추가 층을 지지한다. 또한, 상기 층 구조는 미끄럼 베어링 요소의 러닝-인 후에, 기계적 처리 과정에 의해 생성된 적어도 하나의 주행 층 표면의 골에 있어서, 강도 지수가 낮은 하나 이상의 추가 층이 적어도 부분적으로 유지된다는 이점을 갖는다. 이것은 미끄럼 베어링 요소의 정상적인 작동 중에, 특히 외래 입자의 매립 가능성 또는 미끄럼 베어링 요소의 윤활 거동과 관련하여 마찰 거동에 영향을 미친다. 여기에서, 적어도 하나의 주행 층의 물결 모양의 상승부에 의해, 홈 내의 적어도 하나의 추가의 주석 기반 합금에 대한 지지 효과가 달성된다. 또한, 커버 층은 베어링 플러그에 대한 베어링 표면의 적응을 넓은 영역에 걸쳐서 개선된다. 이러한 조정의 필요성은 플러그의 표면 형상, 기본적인 보어 및 베어링 형상의 표면 기하학(예를 들어, 원형, 원추형, 서로의 본체의 정렬)의 차이로 인해 야기된다. 상기 차이는 구성 요소의 크기에 따라 당연히 증가한다. 종래 기술로부터 공지된 "주석 플래시"는 러닝-인 단계 중에 신속하게 마모되므로 이러한 요건을 충분히 만족시킬 수 없다.
미끄럼 베어링 요소의 일 실시예에 따라, 적어도 하나의 추가 층이 적어도 미끄럼 베어링 요소 후방에 배치될 수도 있다. 특히 바람직하게는, 하나 이상의 추가 층이 미끄럼 베어링 요소의 나머지 층을 둘러싸고 있다. 따라서, 하나의 방법 단계에서 미끄럼 베어링 요소 후방 및 적어도 하나의 추가의 주석 기반 합금으로 적어도 하나의 주행 층의 방사상 내부 표면을 제공하는 것이 가능하며, 적어도 하나의 추가의 주석 기반 합금이 방사상 내부 표면에 전술한 효과를 발생시키지만, 동시에 미끄럼 베어링 요소 후방에서는 부식 방지로서 사용될 수 있다. 미끄럼 베어링 요소의 전방 및 후방 측면 상에 동시 증착에 의해, 미끄럼 베어링 요소의 제조 중에 적절한 시간이 절약될 수 있다. 적어도 하나의 추가의 층이 축 방향에서 단부 면에 또한 증착되도록 적어도 하나의 추가의 층이 추가적인 층을 완전히 둘러싸는 실시 형태에 동일하게 적용된다. 그러나, 이 경우 적어도 하나의 추가 층은 또한 축 방향 활주 표면으로 작용할 수 있다.
미끄럼 베어링 요소의 또 다른 바람직한 실시예에 따라, 적어도 하나의 추가 층은 적어도 방사상 내부 표면의 영역에서 적어도 베어링 내경 5 * 10-6 내지 베어링 내경 50 * 10-6의 범위에서 선택되는 층 두께를 갖는 것이 가능하며, 적어도 하나의 추가 층의 층 두께는 최소 1.5 ㎛ 이상이고 최대 15 ㎛ 이하이다. 따라서,이 실시예에서, 베어링 내경의 규정된 절대 한계 값 내에서 적어도 하나의 추가 층의 층 두께를 결정할 때, 베어링 여유가 또한 고려된다. 이러한 방식으로 적어도 2 개의 다른 주석 기반 합금의 층 구조와 관련하여, 윤활유 막의 제거를 방지하는 것이 용이하고, 이에 의해 러닝-인 단계 동안 미끄럼 베어링 요소에 대한 손상을 더욱 효과적으로 방지한다.
다른 실시예에 따라, 적어도 하나의 추가 층의 층 두께가 방사상 내부 표면의 영역에서 상기 표면의 DIN EN ISO 4287 : 2010에 따른 산술 평균 거칠기 Ra의 2 배보다 크게 하는 것 및/또는 적어도 하나의 추가 층의 층 두께가 방사상 내부 표면의 영역에서 이 표면의 DIN EN ISO 4287 : 2010에 따른 평균 거칠기 깊이 Rz의 두 배보다 작게 하는 것이 가능하다. 바람직하게는, 적어도 하나의 추가 층의 층 두께는 두 조건이 적용되도록 선택된다. 한편, Ra를 고려함으로써, 러닝-인 단계 동안 적어도 하나의 추가 층 아래의 보다 견고한 주행 층의 부정적인 영향이 더욱 감소 될 수 있고, 다른 한편으로 Rz를 고려함으로써 적어도 하나의 추가 층은 적어도 하나의 주행 층으로부터 여전히 충분한 지지 효과를 갖는다.
미끄럼 베어링 요소 후방의 적어도 하나의 추가 층의 층 두께는 방사상 내부 표면의 영역에서 적어도 하나의 추가 층의 층 두께의 0.1 배 내지 0.5 배일 수 있다. 미끄럼 베어링 요소가 베어링 시트 내에서 회전하지 않아야 하고 적어도 하나의 추가 층이 2 개의 경질 재료들 사이의 미끄럼 베어링 요소 상에, 즉 미끄럼 베어링 요소의 지지층과 베어링 마운트의 재료 사이에 배치되기 때문에, 상기 베어링 마운트와 미끄럼 베어링 요소 사이에 단지 미세운동이 예상되고, 미끄럼 베어링 요소 후방의 추가 층은 마모되지 않으므로 바람직하게는 미끄럼 베어링 요소 후방의 적어도 하나의 추가 층의 층의 두께가 감소한다. 층 두께를 감소시킴으로써, 적어도 하나의 추가 층에 대한 지지층의 지지 효과가 보다 효과적으로 얻어질 수 있다. 미끄럼 베어링 요소 후방의 적어도 하나의 추가 층에 의해, 미끄럼 베어링 요소에 대한 부식 방지를 제공하는 것도 가능하다.
또 다른 실시예에 따라 층 두께는 VDA 2007 "기하학적 제품 사양, 표면 품질, 지배적인 파형의 정의 및 파라미터"의 측정 과정에 따른 지배적인 파형 프로파일 WDc의 평균 높이의 0.3배 내지 5배, 특히 평균 높이의 1배 내지 2 배일 수 있다.
적어도 하나의 주행 층 및 적어도 하나의 추가 층의 주석 기반 합금들은 이미 공지된 바와 같이 베타 주석 입자를 함유한다. 베타 주석 입자의 바람직한 방위가 적어도 하나의 주행 층 및/또는 적어도 하나의 추가 층의 적어도 두 개의 인접한 층에서 거의 동일하면 유리하고, 바람직하게는 두 개의 인접한 층은 주행 층 및 다른 추가 층이다. 특히 바람직하게는 가장 높은 방위를 갖는 추가 층의 X-선 회절 강도가 주행 층의 가장 높은 방위 지수를 갖는 X-선 회절 강도 또는 주행 층의 3 개의 X-선 회절 강도 중 하나인 경우, 또는 추가 층의 제2 및/또는 제3의 최고 방위 지수를 갖는 X-선 회절 강도가 주행 층의 제2 및/또는 제3 최고 방위 지수를 갖는 X-선 회절 강도인 경우이다. 1.5 미만, 특히 2 미만의 지수를 갖는 X-선 회절 강도는 불충분하게 정렬된 것이므로 여기에서 무시된다. 두 개의 인접한 층들의 경계에서, 한 층의 입자가 다른 층의 간극 내에 더욱 양호하게 들어맞는 일종의 톱니 효과가 관찰 되었기 때문에, 이러한 방식으로 두 개의 연결된 층의 결합 강도가 향상될 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 주행 층의 주석 기반 합금은 0 중량% 내지 40 중량%의 안티몬 및/또는 0 중량% 내지 25 중량%의 구리를 함유하며, 이에 의해 적어도 하나의 주행 층은 한편으로는 외래 입자에 대한 양호한 매립성(embeddability)과 다른 한편으로는 적절한 강도를 제공한다.
적어도 하나의 추가 층의 주석 기반 합금은 0 중량% 내지 3 중량%의 구리 및/또는 안티몬, 0.01 내지 10 중량%의 비스무트 및/또는 납을 함유할 수 있으며, 이에 의해 적어도 하나의 추가 층이 더욱 쉽게 변형되도록 설계될 수 있다. 이것은 차례로, 미끄럼 베어링 요소의 러닝-인 단계 동안 적어도 하나의 추가 층을 갖는 적어도 하나의 주행 층의 파형의 전술한 평탄화 효과에 긍정적인 영향을 미친다.
적어도 하나의 추가 층이 베타 주석 입자 상에 단지 하나의 입자 층만을 가질 수 있으며, 이에 의해 적어도 하나의 추가 층의 결합 강도는 적어도 하나의 주행 층의 표면의 파형의 골에서 개선될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 하나 이상의 추가 층에서 베타 주석 입자는 적어도 하나의 추가 층의 층 두께의 10% 내지 90% 사이의 평균 입자 크기를 갖는다. 상기 범위 내의 평균 입도를 갖도록 베타 주석 입자를 형성함으로써, 매트릭스는 베타 주석 입자로부터 더욱 쉽게 변형되도록 설계될 수 있고, 매트릭스 자체는 낮은 강도 지수를 갖는다. 이러한 방식으로, 적어도 하나의 추가 층의 강도 지수의 범위를 벗어나지 않으면서 매트릭스의 강도를 증가시키는 더 많은 양의 추가 원소를 합금하는 것이 가능하며, 이러한 방식으로 추가 합금 원소에 의해 적어도 추가 층의 마찰 공학 특성을 개선한다.
바람직하게는, 이러한 방식으로 특정 입자 성장의 형성이 더욱 효과적으로 제어 될 수 있기 때문에 적어도 하나의 추가 층은 갈바니 방식(galvanically)으로 증착된다. 또한, 이러한 방식으로 적어도 하나의 추가 층의 전술한 적어도 2 면, 바람직하게는 완전히 둘러싸는 증착이 보다 쉽게 달성될 수 있다.
적어도 하나의 추가 층이 적어도 하나의 주행 층에 직접 배열되는 것이 또한 가능하고, 이에 의해 미끄럼 베어링 요소의 지지부와 관련한 전술한 효과와 러닝-인 시간의 단축 및 러닝-인 시간 동안 미끄럼 베어링 요소의 개선된 지지 능력(bearing capacity)이 달성될 수 있다.
본 발명의 더욱 잘 이해할 수 있게 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 하프 쉘 형태인, 방사상 미끄럼 베어링 요소의 측면도이다.
도 2는 거칠기 곡선(좌측)과 베어링 면적 곡선(우측)을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 따른 미끄럼 베어링 요소의 단면도이다.
도 4는 변경 실시예의 미끄럼 베어링 요소의 단면도이다.
도 5는 미끄럼 베어링 요소의 지지 능력의 함수로서 Rz에 대한 추가 층의 층 두께의 지수의 곡선을 도시한 도면이다.
도 6은 미끄럼 베어링 요소의 지지 능력의 함수로서 Ra에 대한 추가 층의 층 두께의 지수의 곡선을 도시한 도면이다.
도 7은 미끄럼 베어링 요소의 지지 능력의 함수로서 WDc에 대한 추가 층의 층 두께의 지수의 곡선을 도시한 도면이다.
우선, 다양하게 기술된 예시적인 실시예들에서, 동일한 부분에는 동일한 참조 번호 및 동일한 구성 요소 명칭이 부여되었으며, 전체 설명에 걸쳐 포함된 개시 내용은 동일한 참조 번호 및 동일한 구성 요소 명칭을 갖는 동일한 부분에 적용될 수 있다. 또한, 설명에서 사용된 위치와 관련된 세부 사항, 예를 들어 상부, 하부, 측면 등은 현재 설명되고 도시된 도면과 관련한 것이며 위치가 변경된 경우에는 새로운 위치로 조정되어야 한다.
도 1은 금속 미끄럼 베어링 요소(1), 특히 방사상 미끄럼 베어링 요소의 측면도이다. 방사상 미끄럼 베어링 요소는 미끄럼 베어링 요소 본체(2)를 포함한다. 미끄럼 베어링 요소 본체(2)는 이 순서대로, 지지층(3), 그 위에 배치된 적어도 하나의 베어링 금속층(3a), 적어도 하나의 주행 층(4) 및 적어도 하나의 주행 층(4)에 배치된 적어도 하나의 추가 층(5)을 포함하거나, 또는 지지층(3), 적어도 하나의 주행 층(4) 및 결합된 적어도 하나의 추가 층(5)으로 구성된다. 바람직하게는 적어도 하나의 추가 층(5)은 적어도 하나의 주행 층(4)에 직접 배치되어 주행 층과 결합된다.
주행 층(4) 및 추가 층(5)과 관련하여 "적어도 하나"라는 용어는 주행 층(4)이 상이한 조성을 갖는 복수의 개별 주행 층으로 형성될 수 있고/있거나, 추가 층(5)이 상이한 조성을 갖는 복수의 개별 주행 층으로 구성되거나 상기 복수의 개별 층으로 구성될 수 있다는 것을 의미한다. 그러나, 주행 층(4) 및/또는 추가 층(5)의 적어도 개별 합금 원소들의 농도가 미끄럼 베어링 요소(1)의 방사상 내부 표면의 방향으로 연속적으로 감소 또는 증가하는 것이 가능하다. 이러한 경우, 표 1에 따른 2 개의 층의 일반적인 조성에 대한 하기 상세한 설명에 따른 주행 층(4) 및 추가 층(5)의 조성은 전체 주행 층(4) 및 전체 추가 층(5)에서 개별 합금 원소의 평균 비율을 나타낸다.
또한, 주행 층(4)은 베어링 층(3a)이 필요하지 않도록 특히 지지층(3)을 형성하는 지지 요소에 직접 배치될 수있다. 이러한 직접 코팅은 예를 들어 커넥팅 로드에 사용된다. 이 변형 실시예에서 적어도 하나의 추가 층(5)은 또한 주행 층(4) 상에 배열된다. 필요한 경우, 결합층 및/또는 확산 장벽 층이 지지 요소와 적어도 하나의 주행 층(4) 사이에 배치될 수 있다.
도 1에 점선으로 나타낸 바와 같이, 미끄럼 베어링 요소 본체(2)는 추가 층, 예를 들면 적어도 하나의 추가 층(4)과 적어도 하나의 주행 층(3) 사이에 배치된 적어도 하나의 중간층(6)을 구비할 수 있다. 적어도 하나의 중간층(6)은 예를 들어 확산 장벽 층 및/또는 적어도 하나의 결합층 일 수 있다.
도 1에 점선으로 표시된 바와 같이, 적어도 하나의 추가 층(5)이 적어도 하나의 주행 층(4)의 방사상 내부 표면(7)에 배치될 뿐만 아니라, 적어도 하나의 추가 층(5)이 또한 미끄럼 베어링 요소 후방(8)에 배열될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 추가 층(5)이 미끄럼 베어링 요소 본체(2)의 표면의 적어도 대략 전부 또는 전부, 즉 축 방향 단부면(9) 및/또는 방사상 단부면(10)에 배치될 수 있다.
이미 알려져 있는 바와 같이, 미끄럼 베어링 요소(1)는 적어도 하나의 또 다른 미끄럼 베어링 요소와 함께 미끄럼 베어링을 형성하는데, 구조에 따라 하나 이상의 추가적인 미끄럼 베어링 요소가 제공될 수 있다. 여기서 바람직하게는, 작동 중에 더욱 강하게 부하를 받는 미끄럼 베어링 요소가 본 발명에 따른 미끄럼 베어링 요소(1)에 의해 형성된다. 그러나, 적어도 하나의 추가적인 미끄럼 베어링 요소들 중의 적어도 하나가 본 발명에 따른 미끄럼 베어링 요소(1)에 의해 형성 될 수도 있다.
도 1에 따른 미끄럼 베어링 요소(1)는 하프 쉘 형태로 설계된다. 미끄럼 베어링 부시로서 미끄럼 베어링 요소(1)를 설계하는 것도 가능하다. 이 경우, 미끄럼 베어링 요소(1)는 동시에 미끄럼 베어링이다. 또한, 미끄럼 베어링 요소(1)가 2 개의 추가 미끄럼 베어링 요소와 결합하여 미끄럼 베어링을 형성하도록, 예를 들어 3 개의 부분으로 분할하는 것과 같은 다른 분할이 가능하며, 2 개의 추가 미끄럼 베어링 요소 중 적어도 하나는 미끄럼 베어링 요소(1)로 또한 형성될 수 있다. 이 경우, 미끄럼 베어링 요소는 180°의 각도 범위를 커버하지 않고 120°의 각도 범위를 커버한다.
특히, 미끄럼 베어링 요소(1)는 상기 설명에 따른 모터 산업 또는 엔진에 사용하기 위해 제공된다.
지지층(3)은 강재로 만들어지는 것이 바람직하지만, 예를 들어 청동과 같은 다른 적합한 재료로 제조될 수도 있다.
베어링 금속층(3a)은 이러한 목적을 위해 종래 기술로부터 공지된 바와 같이 구리 계열 합금 또는 알루미늄 계열 합금으로 제조되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 베어링 금속층(3a)은 예를 들어 CuSn10, CuAl10Fe5Ni5, CuZn31Si, CuPb24Sn2, CuSn8Bi10, CuSn4Zn과 같은 DIN ISO 4383에 따른 구리를 기반으로 하는 합금으로 제조될 수 있다.
적어도 하나의 중간층(6)은 이러한 목적을 위해 종래 기술로부터 알려져 있는 재료로 구성된다.
적어도 하나의 주행 층(4)은 적어도 하나의 제1 주석 기반 합금으로 구성된다. 적어도 하나의 추가 층(5)은 적어도 하나의 추가의 주석 기반 합금으로 구성된다. 적어도 하나의 제1 주석 기반 합금 및 적어도 하나의 추가의 주석 기반 합금 모두는 베타 주석 입자로 제조된 매트릭스와 Cu, Ni, Ag, Sb, Pb, Bi, Te, Tl을 포함하거나 구성하는 그룹으로부터의 하나 이상의 원소로 이루어진다. 또한, 대안적으로 적어도 하나의 원소 또는 추가로 비금속 입자가 상기 적어도 하나의 제1 주석 기반 합금 및/또는 적어도 하나의 추가의 주석 기반 합금에 함유될 수 있다. 비금속 입자는 특히 무기물 입자, 예를 들어 Al2O3, Si3N4, TiO2, SiC 등이다. 무기물 입자는 최대 입자 크기가 0.05㎛ 내지 5㎛, 특히 0.1㎛ 내지 2㎛인 것이 바람직하다.
최대 입자 크기는 표준 ISO 13320 : 2009에 따라 레이저 회절법에 의해 결정된다.
도 2는 거칠기 프로파일(도면의 좌측 부분) 및 베어링 면적 곡선(도면의 우측 부분)을 도시한다. 이러한 방식으로, 본 발명에 의해 다루어지는 근본적인 문제가 더욱 상세히 설명된다.
전술한 바와 같이, 강화 표면 코팅들이 고부하의 방사상 미끄럼 베어링에 사용된다. 스코어링 효과에 의해 기판을 코팅 한 후 정밀 보링 또는 브로칭과 같은 통상적인 마무리 공정은 표면이 방사상 또는 축방향으로 물결 모양이 되게 한다. 작동 시작시 상기 마이크로 파형들은 강화 표면 코팅으로 매우 높은 부하를 초래한다. 표면의 불규칙성으로 인해 샤프트는 뾰족한 피크에 의해 주로 지지를 받으며, 이에 의해 극히 얇은 유막이 일부 상황에서 벗겨질 수도 있다.
도 2의 좌측 부분은 프로파일이 축 방향으로 취해진 정밀 보링에 의해 생성된 거칠기 프로파일을 도시한다.
샤프트는 미세 보어 스핀들의 회전에 의해 형성되고, 거리(11)는 회전 당 정방향 이송에 의해 예컨대 0.1-0.2 mm 샤프트 팁 사이에 형성된다.
파형의 울퉁불퉁한 프로파일에 의해 도 2에 도시된 바와 같이, 실제 무작위 거칠기는 파형으로 나타내며, 대역폭은 종종 프로파일 높이의 일부, 이 경우에는 약 1/4 이다.
도 2의 우측에, 베어링 면적 곡선[애보트 곡선(Abbott curve)]이 좌측의 거칠기 프로파일과 관련하여 도시되어 있다.
이 예에서의 낮은 소성 변형 및 상부 거칠기 피크의 마모 때문에, 미끄럼 베어링 요소의 러닝-인 시작시 단지 약 20 %의 부하 지지 영역이 있다.
또한 윤활유는 힘의 일부를 더욱 깊이 놓인 프로파일 영역으로 전달하는데,이 부분은 얇은 윤활유를 사용할 때 특히 낮다.
따라서 표면에 약 2 ~ 5 배 이상의 더욱 국부적인 부하가 가해질 것으로 예상된다. 강화 코팅의 우수한 내마모성에 의해, 축을 지지하기 위한 프로파일의 최대 약 80 %까지 (그리고 윤활유를 고려하여 표면의 약 100 %까지) 러닝-인 단계는 상당히 지연될 것이다.
약 2 ~ 5 배 증가한 국부적인 부하는 강화 층의 피로 강도를 초과할 수 있고 따라서 조기 손상을 초래할 수 있다.
약 0.1mm의 거리에서 표면의 작은 차이는 국부적인 베어링 면적을 줄일 수 있을뿐만 아니라 밀리미터 (가장자리에서) 또는 센티미터 (주행 표면의 봉 두께 변동)의 거리에서 유사한 높이의 형태의 차이는 베어링 면적에 불리한 영향을 줄 수 있다.
고부하 미끄럼 베어링 요소의 이러한 문제를 보다 효과적으로 극복하기 위해, 본 발명에 따른 미끄럼 베어링 요소(1)는 적어도 하나의 주행 층(4)과 적어도 하나의 추가 층(5)의 조합을 포함하며, 바람직하게는 적어도 하나의 추가 층(5)이 적어도 하나의 주행 층(4)에 직접 배치된다. 이를 위해 도 3은 도 1에 따른 미끄럼 베어링 요소(1)의 단면을 보여준다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 추가 층(5)은 적어도 하나의 추가 주행 층(4)의 표면(7)의 파형을 따른다.
여기서, 적어도 하나의 주행 층(4)은 적어도 하나의 제1 주석 기반 합금으로 이루어지며, 적어도 하나의 제1 주석 기반 합금은 5 이상 25 이하, 특히 10 이상 25 이하의 강도 지수 FI를 갖는다. 적어도 하나의 추가 층(5)은 하나 이상의 추가적인 주석 기반 합금으로 이루어지며, 상기 주석 기반 합금은 0.3 이상 3 이하, 특히 0.3 이상 1.5 이하의 강도 지수 FI를 갖는다.
이러한 2 개의 층의 조합으로, 수 마이크로미터의 적어도 하나의 추가 층(5)의 마모가 베어링 면적의 분명한 개선을 가져오고, 따라서 국부적인 하중의 현저한 감소로 이어질 수 있다.
강도 지수 FI는 아래의 식으로 정의되고
Figure pct00002
여기에서, C는 Cu, Ni, Ag 중 적어도 하나를 나타내고, S는 Sb 및/또는 비금속 입자를 나타내고, B는 원소 Pb, Bi, Te, T1 중 적어도 하나를 나타내고, ω는 문자 C, S 및 B에 할당된 각각의 주석 기반 합금 성분들의 전체 함량을 나타낸다.
추가 층(5)의 강도 지수 0.3 미만에서는, 순수한 주석 층을 갖는 미끄럼 베어링 요소와 비교하여 미끄럼 베어링 요소(1)의 마찰 공학적 거동의 개선을 관찰할 수 없었다. 그 이유는 아마도 순수한 주석이 자연적으로 불순물을 포함하고 있기 때문일 것이다. 오늘날 주석은 보통 99.95% 이상의 순도를 얻을 수 있다. 납, 안티몬 및 비스무트 (세 가지 주요 불순물)의 개별 불순물이 각각 약 0.005 - 0.01% 범위의 것이 표준이다. 갈바니 제조 방식을 사용할 때, 안티몬 및 비스무트 원소는 일반적으로 양극으로부터 전해액에 단지 약간 용해되기 때문에 일반적으로 더욱 감소된다. 따라서, 소위 주석 플래시를 위해 사용되는 증착된 주석은 훨씬 더 적은 불순물 함량을 갖는다. 따라서 통상적인 불순물을 갖는 순수한 주석으로는 적어도 0.3의 강도 지수를 달성할 수 없다.
납, 안티몬 또는 비스무트로 도핑되지 않은 주석 합금은 냉각 보관에서 동소 변태로부터 충분히 보호되지 않는다. 변태 시작까지의 기간 및 변태 속도는 0.04 %의 납, 비스무트 및 안티몬의 총량에 의해 충분히 지연될 수 있다.
추가 층(5)의 강도 지수가 3보다 크면, 이미 증가된 강도에 의해 추가 층(5)의 조절성은 감소한다.
또한, 적어도 하나의 주행 층(4)과 적어도 하나의 추가 층(5) 사이에 전이 영역을 형성하는 것도 가능하다. 이러한 이유로, 주행 층(4) 및/또는 추가 층(5)이 다층으로 보여 질 수 있으므로, 명세서에서 "적어도 하나의 주행 층(4)" 및 "적어도 하나의 추가 층(5)"이라는 용어가 사용되었다.
주행 층(4)과 추가 층(5) 사이의 전이 영역은 3 이상 5 이하의 강도 지수 FI를 가질 수 있다.
따라서, 주행 층(4) 및 추가 층(5)의 층 시스템을 방사상 방향에서 강도 지수의 경로에 대한 구배 층으로 설계하는 것이 가능하다.
전이 영역은 추가 층(5)의 층 두께(15)보다 크지 않은 층 두께를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 추가 층(5)의 층 두께(15)에 대한 전술한 값이 전이 영역에도 적용된다.
바람직하게는, 주행 층(4)은 적어도 0.04 %의 납, 비스무트 및 안티몬의 합계 비율을 함유한다.
주행 층(4)의 강도 지수 FI가 5 미만인 경우, 미끄럼 베어링 요소(1)의 목표하는 특성 프로파일과 일치하지 않는 내마모성을 갖는다. 또한, 먼지를 적응 및 내장하는 능력(러닝-인 상태에서도)은 25 이상의 강도 지수에서 현저하게 감소한다.
적어도 하나의 추가 층(5)은 갈바니 방식으로 증착되는 것이 바람직하다. 또한, 적어도 하나의 주행 층(4)이 바람직하게는 갈바니 방식으로 증착된다. 갈바니 증착은 공지되어 있기 때문에, 관련된 종래 기술 예를 들어, 동일한 본원 출원인에 의한 AT 509 111 B1 또는 AT 509 867 B1을 참조하며, 이들은 본 명세서에서 주석 기반 합금의 갈바니 증착의 조건과 관련하여 본 명세서에 통합되어 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 추가 층(5)의 증착 후에, 예를 들어 정밀 보링에 의해 미끄럼 베어링 요소(1)를 마무리할 필요가 없다.
적어도 하나의 추가 층(5)이 미끄럼 베어링 요소(1)의 다른 표면에서 미끄럼 베어링 요소 후방(8)에, 특히 얇은, 녹의 형성으로부터 보호하는 시각적으로 매력적인 주석 플래시의 형태로 증착되면, 후자는 미끄럼 베어링 요소(1)의 방사상 내측에 적어도 하나의 추가 층(5)의 증착과 조합될 수 있다. 이에 의해 층 두께는 미끄럼 베어링 요소 후방(8)에서 감소 될 수 있으며, 방사상 내측 및 외측으로 전류 밀도 및/또는 코팅 시간이 상이하게 선택된다.
비금속 입자는 개별적인 갈바니 욕(galvanic bath)에 그대로 첨가되어 주석과 함께 증착될 수 있다.
적어도 하나의 주행 층(4) 및 적어도 하나의 추가 층(5)의 각각의 강도 지수는 각 층의 조성에 의해 조절된다. 일반적으로, 상기 층들은 주석이 100 중량%까지의 잔부로 구성되어 있는 아래의 표 1에 주어진 개별 성분의 비율을 가질 수 있다. 표 1의 비율에 대한 모든 세부 사항은 일반적으로 전체 설명에서 중량%(특별히 다른 설명이 없다면)로 표시된다.
표 1 : 주석 기반 합금들의 비율
주행 층(4) 바람직한 범위 주행 층(4) 층(5) 바람직한 범위 층(5)
Cu 0-25 7-13 또는 2-5(특히, Sb가 주어진 비율로 포함된 경우) 0-3 < 1
Ni 0-25 0(1까지 확산에 의한 불순물) 0-3 0(1까지 확산에 의한 불순물)
Ag 0-25 0-10 0-3 0
Sb 0-40 1.5-5 또는 6-13(특히, Cu가 주어진 비율로 포함된 경우) 0-6 < 1
As 0-10 0-0.8 0-6 0-0.8
Pb
합계로

0-10		 0.0.05(최대 0.2)
합계로

0-10		 0.0.05(최대 0.2)
Bi 0-0.5 0-0.5
Te 0 0
Tl 0 0
비금속 입자 0-10 0 0-6 0
조성에 관한 이들 세부 사항은 어느 경우에서나 주행 층(4) 및 추가 층(5)의 주석 기반 합금이 표 1에서 상기 합금 원소 중 적어도 하나를 함유하는 것이며, 그렇지 않으면 상기 층의 원하는 강도 지수가 달성되지 않는다. 따라서 순수한 주석은 주행 층(4) 및 추가 층(5)에 대해서는 제외된다.
미끄럼 베어링 요소(1)의 바람직한 실시예에 따라, 적어도 하나의 주행 층(4)의 주석 기반 합금은 2 중량% 내지 12 중량%의 안티몬 및/또는 2 중량% 내지 12 중량%의 구리를 함유하고/하거나, 적어도 하나의 추가 층(5)의 주석 기반 합금이 0 중량% 내지 0.5 중량%의 구리 또는 0 중량% 내지 0.5 중량%의 안티몬 또는 0 중량% 0.5 중량%의 구리 및 안티몬, 0.01 내지 10 중량%의 비스무트 또는 0.01 내지 2 중량%의 납 또는 0.01 내지 10 중량%의 비스무트 및 납을 포함할 수 있다.
미끄럼 베어링 요소(1)의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 주행 층(4) 및/또는 적어도 하나의 추가 층(5)의 주석 기반 합금은 표 1에 나타낸 합금 원소들의 합계 비율을 포함하고, 특히, 주석 또는 안티몬 및 비스무트 원소가 적어도 0.04 중량%, 특히 적어도 0.3 중량%이고, 상기 층 또는 층들에서 상기 원소의 비율의 상한은 상기 데이터에 의해 규정된다.
다음 표들은 본 발명에 따른 미끄럼 베어링 요소(1)의 실시예들과 비교예들을 보여준다.
미끄럼 베어링 하프 쉘(폭 25 mm, 직경 80 mm) 상의 추가 층(5)의 상이한 변형들이 특정되고 동적 미끄럼 베어링 시험을 받는다. 사용된 미끄럼 베어링 쉘은 불리한 표면 품질이었다(Ra = 0.7 ㎛, Rq = 0.8 ㎛, Rz = 2.8 ㎛, Rt = 3 ㎛).
두 가지 테스트가 수행되었다. 첫 번째 테스트는 주행 표면을 기울이지 않고 수행되었고(변형 1), 두 번째 테스트는 주행 표면을 0.5 ㎛ / mm만큼 기울이고 수행되었다(변형 2). 두 번째 테스트는 비-이상적으로 정렬된 보어 또는 예를 들어 버클 커넥팅 로드로 발생하기 때문에 가장자리에 극심한 하중을 가한다. 첫 번째 테스트는 마모 및 현미경 관찰로 평가되었으며, 두 번째 테스트는 시각적 및 현미경으로 평가되었습니다. 개별적인 평가는 전체 평가 번호 0 - 5 (0 = 매우 좋지 않음, 5 = 매우 좋음)로 요약되었다.
보다 양호한 비교를 위해, 주행 층(4)을 포함하는 미끄럼 베어링 요소(1)의 층의 구조는 일정하게 유지되고 추가 층(5)만이 변하였다.
달리 명시하지 않는 한, 코팅의 두께는 또한 20 ㎛로 일정하게 유지되고, 주행 층(4)의 두께 및 추가 층(5)의 본 발명에 따른 실시예에서의 두께를 포함한다.
성분조성의 열에서 원소 다음의 숫자는 질량의 백분율을 나타낸다(예를 들어, SnTe1은 주석과 1 중량% 텔루르를 의미한다). 약어 FI는 강도 지수를 나타낸다. 구조에 대한 표의 왼쪽 열에서 숫자 5는 추가 층(5)를 나타내고 숫자 4는 주행 층(4)을 나타낸다. 결과에 대한 표에서 왼쪽 열의 숫자 1은 변형 1을 나타내고 숫자 2는 변형 2를 나타낸다. 이러한 명명법은 설명 전반에 걸쳐서 예들과 관련된 표에 사용된다.
비교예 1
구조
Figure pct00003
결과
Figure pct00004
추가 층(5)은 너무 얇고 주행 층(4) 지나치게 연질이었다.
비교예 2
구조
Figure pct00005
결과
Figure pct00006
추가 층(5)은 지나치게 연질이었다.
비교예 3
구조
Figure pct00007
결과
Figure pct00008
비교예 4
구조
Figure pct00009
결과
Figure pct00010
이러한 층 구조에서 주행 층(4)은 지나치게 연질이다.
비교예 5
구조
Figure pct00011
결과
Figure pct00012
추가 층(5)은 너무 얇다.
비교예 6
구조
Figure pct00013
결과
Figure pct00014
추가 층(5)은 너무 얇고 지나치게 연질이다.
비교예 7
구조
Figure pct00015
결과
Figure pct00016
추가 층(5)은 너무 얇다.
비교예 8
구조
Figure pct00017
결과
Figure pct00018
추가 층(5)은 너무 얇다.
비교예 9 (GB 2 375 801 A, 9 페이지, 예 3 및 예 4와 유사)
구조
Figure pct00019
결과
Figure pct00020
추가 층(5)은 너무 두껍다.
발명예 1
구조
Figure pct00021
결과
Figure pct00022
비교예 2와 비교하여 미끄럼 베어링 요소(1)의 지지 능력이 개선되었다.
발명예 2
구조
Figure pct00023
결과
Figure pct00024
비교예 3과 비교한 경우 이 예에서도 미끄럼 베어링 요소(1)의 지지 능력이 개선된다.
발명예 3
구조
Figure pct00025
결과
Figure pct00026
비교예 4와 비교하여 테스트의 변형들과 관련한 개선이 있었다.
발명예 4
구조
Figure pct00027
결과
Figure pct00028
비교예 6과 비교하여 미끄럼 베어링 요소(1)의 하중 지지 능력에 대한 개선이 있었다.
발명예 5
구조
Figure pct00029
결과
Figure pct00030
비교예 7과 비교하여 피로 파괴에 관한 개선이 있었다.
발명예 6
구조
Figure pct00031
결과
Figure pct00032
비교예 8과 비교하여 미끄럼 표면과 수직인 방향에서 마모가 크지만, 테스트 변형 2와 관련하여 개선이 달성되었다.
발명예 7
구조
Figure pct00033
결과
Figure pct00034
비교예 9와 비교하여 기울이지 않는 베어링 및 기울어진 베어링과 관련한 개선이 있었다.
발명예 8
구조
Figure pct00035
결과
Figure pct00036
결과로 나타난 바와 같이, 이 실시예는 기울어진 베어링에 대해 매우 적합하지 않다.
발명예 9
구조
Figure pct00037
결과
Figure pct00038
높은 안티몬
결과는 선행 예 9와 비슷하고, 여기에서 기울어진 베어링과 관련한 개선이 있다.
발명예 10
구조
Figure pct00039
결과
Figure pct00040
상기 미끄럼 베어링 요소(1)는 예 10과 비슷한 베어링 능력을 보인다.
발명예 11
구조
Figure pct00041
결과
Figure pct00042
주행 층(4)에 비해 매우 두꺼운 두께의 추가 층(5)에 의해서, 미끄럼 표면에 수직인 하중에 대한 마모가 증가하였다.
발명예 12
구조
Figure pct00043
결과
Figure pct00044
예 12에 따른 이러한 구조는 기울어지지 않은 베어링 및 기울어진 베어링 모두에 적용될 수 있도록 테스트 변형 모두에 대한 양호한 결과를 보여준다.
발명예 13
구조
Figure pct00045
결과
Figure pct00046
또한, 두 개의 테스트가 커넥팅로드의 직접 코팅된 보링에 의해 실행되었는데, 두 경우 모두 테스트에서 최종 보어 내경으로 베어링은 현저하게 큰 40 ㎛ 층 두께를 가진다.
이들 테스트에서 코팅은 얇은 접착성 중간층이 제공된 강재에 직접적으로 적용되었다.
비교예 10
구조
Figure pct00047
결과
Figure pct00048
발명예 14
구조
Figure pct00049
결과
Figure pct00050
비교예 11
구조
Figure pct00051
결과
Figure pct00052
발명예 15
구조
Figure pct00053
결과
Figure pct00054
전술한 바와 같이, 주행 층(4)은 상이한 조성을 갖는 몇 개의 부분 층으로 구성될 수 있다. 이러한 방식으로 상기 부분 층의 강도 지수는 미끄럼 베어링 요소 후방(8)의 방향으로 더 클 수 있다. 적어도 하나의 추가 층(5)에 대해서도 동일하게 적용된다. 개별 부분 층의 조성은 표 2에 주어진 실시예 또는 주석 기반 합금의 개별 성분의 비율에 대해 일반적으로 표 1에 주어진 값으로부터 선택될 수 있다.
예를 들어, 이하에서 복수의 부분 층들 중의 주행 층(4) 및 추가 층(5)의 제조가 설명된다. 제조된 전해액에 대한 가능한 첨가제와 관련하여, 특히 여기에서 언급되는 AT 509 112 B1을 참조한다.
발명예 16
주행 층(4)을 증착하기 위한 전해액
Sn .... 50 g/L [주석 (II) 테트라플루오로보레이트으로서]
Sb .... 7 g/L (삼불화 안티몬으로서)
Cu .... 7 g/L (구리 테트라플루오로보레이트으로서)
욕 온도 40℃
Figure pct00055
추가 층(5)을 증착하기 위한 전해액
Sn .... 40 g/L [주석 (II) 테트라플루오로보레이트 으로서]
Sb .... 0.5 g/L (삼불화 안티몬 으로서)
Cu .... 0.2 g/L (구리 테트라플루오로보레이트 으로서)
욕 온도 25℃
Figure pct00056
발명예 17
주행 층(4)을 증착하기 위한 전해액
Sn .... 50 g/L [주석 (II) 메탄설포네이트으로서]
Cu .... 7 g/L (구리 테트라플루오로보레이트으로서)
Bi .... 5 g/L (비스무트 메탄설포네이트으로서)
욕 온도 40℃
Figure pct00057
추가 층(5)을 증착하기 위한 전해액
Sn .... 20 g/L [주석 (II) 메탄설포네이트으로서]
Bi .... 1 g/L (비스무트 메탄설포네이트으로서)
Cu .... 0.5 g/L (구리 테트라플루오로보레이트으로서)
욕 온도 40℃
Figure pct00058
다음에, 미끄럼 베어링 요소(1)의 변형 실시예들이 설명된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 추가 층(5)은 베타 주석 입자(13) 상에 단지 하나의 입자층(12)으로 이루어질 수 있다. 여기에서 추가 층(5)의 주석 기반 합금의 다른 성분의 금속간 화합물 상(14), 또는 추가 층(5)의 주석 기반 합금의 다른 성분 또는 비금속 입자를 포함하는 금속간 화합물 상이 결정 입계에서 상기 베타 주석 입자(13) 사이에 매립될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 추가 층(5)과의 계면에서 주행 층(4)의 베타 주석 입자(13)의 상이한 입자 크기로 인해, 불균일한 주행 층 표면이 형성되고, 추가 층(5)의 베타 주석 입자(13)들이 주행 층(4)의 베타 주석 입자(13) 위에 직접적으로 증착된다. 이러한 방식으로 주행 층(4)에 대해 추가 층(5)의 보다 큰 결합 강도를 제공하는 일종의 톱니 효과가 달성될 수 있다.
바람직하게는, 전술한 이유로 적어도 하나의 추가 층(5)의 베타 주석 입자(13)들은 적어도 하나의 추가 층(5)의 층 두께(15)의 10% 내지 90% 사이의 평균 입자 크기를 가질 수 있다.
평균 입자 크기는 전술 한 바와 같이 레이저 회절법에 의해 결정된다.
적어도 하나의 주행 층(4) 및/또는 적어도 하나의 추가 층(5)의 적어도 두 개의 인접 층에서 베타 주석 입자(13)의 바람직한 배향이 동일하다면 바람직하다. 특히, 주행 층(4) 및 그 위에 배치되고 연결된 추가 층(5)의 베타 주석 입자(13)들이 동일한 바람직한 배향을 갖는다. 가장 높은 배향 지수를 갖는 추가 층(5)의 X- 선 회절 강도가 주행 층(4)의 가장 높은 배향 지수를 갖는 X-선 회절 강도 또는 가장 높은 배향 지수를 갖는 주행 층(4)의 3 개의 X-선 회절 강도 중 하나이거나. 특히 추가 층(5)의 두 번째 및/또는 세 번째의 높은 배향 지수를 갖는 X-선 회절 강도가 주행 층(4)의 두 번째 및/또는 세 번째 높은 배향 지수를 갖는 X-선 회절 강도이면 바람직하다. 1.5 미만, 특히 2 미만의 지수를 갖는 X-선 회절 강도는 충분히 배향되지 않는 것으로서 여기에서 무시된다.
베타 주석 입자(13)는 {220} 및/또는 {321} (밀러 지수)에 따라 배향되는 것이 바람직하다.
선호 방향의 정량적인 설명을 위해, 다음의 공식을 갖는 방향 지수 M {hkl}이 사용되는데,
Figure pct00059
여기에서, I{hkl}은 미끄럼 층의 {hkl} 레벨에 대한 XRD 강도 (X-선 회절 강도)를 나타내고, I0{hkl}은 완전히 무방향의 주석 분말 샘플 (ICDD PDF 00-004-0673)의 XRD 강도를 나타낸다.
회절 강도의 합계 ΣI{hkl} 또는 ΣI0{hkl}은 동일한 범위에 걸쳐 있어야 하며, CuKα 방사선을 사용할 때 30°와 90°사이의 회절 각도 2θ를 갖는 반사에 상응하는 예를 들어 {200}에서 {431}까지의 반사의 모든 강도를 포함할 수 있다.
다음 표에는 0.005 중량% 미만의 추가 합금 원소의 비율을 갖는 SnCu10Sb5 주행 층(4)의 X-선 회절 강도 (3 내지 5 행) 및 관련 배향 지수 (6 내지 8 행), 0.005 중량% 미만의 추가 합금 원소의 비율을 갖는 SnCu10Sb5 주행 층(4)의 12.5의 강도 지수 FI (약어, QZ2), 0.005 중량% 미만의 추가 합금 원소의 비율을 갖고 그 위에 배열된 추가 층(5)으로서 SnCu1Bi0.02 합금의 12.5의 강도 지수 FI, 종래 기술에 따른 SnCu6Pb1 주행 층 (약어, Ref 1) 및 1.3의 강도 지수 FI (약어, QZ4)가 기재되어 있다. 약어 Sn-Ref는 완전히 무방향성의 주석 분말 (ICDD PDF 00-004-0673)을 의미합니다.
표 : X-선 회절 강도 및 배향 지수
Figure pct00060
아래의 나타낸 테스트 결과에서 QZ02의 방위는 정렬 a를 표시되고, QZ04의 방위는 정렬 b로 표시되며 Ref 1의 방위는 정렬 c로 표시된다.
발명예 18
구조
Figure pct00061
결과
Figure pct00062
비교예
구조
Figure pct00063
결과
Figure pct00064
여기에서, 도 4에 도시 된 바와 같이, 베타 주석 입자(13)는 연신된 형태이며, 베타 주석 입자(13)는 미끄럼 베어링 요소(1)의 방사상 내부 표면(17)과 수직인 방향으로 그 종축이 배향된다(도 1). 특히, 이러한 방식으로 결정 입계의 표면적이 감소될 수 있으므로 상기 연신된 베타 주석 입자(13)가 (추가 층(5)의 주행 면에 평행한 방향에서 보았을 때) 적어도 대략 정사각형 단면을 갖는다면 유리하다. 이러한 방식으로, 미끄럼 베어링 요소(1)의 지지 능력이 개선될 수 있다.
동일한 이유로, 베타 주석 입자(13)가 적어도 대략 주사위 형태의 형상을 갖는 것이 또한 유리할 수 있다.
0.2 ㎛ 미만의 베타 주석 입자(13)의 입자 크기로 추가 층(5)에서 매우 높은 내부 장력이 발생한다는 것이 상이한 추가 층(5)들에 대한 시험에서 확인되었다. 10 ㎛를 초과하는 입자 크기로 윤활유의 균등한 보유와 윤활 갭의 바람직한 형성을 억제하는 표면이 형성된다.
미끄럼 베어링 요소(1)의 또 다른 실시예에 따라, 적어도 하나의 추가 층(4) 내의 평균 입자 크기, 특히 베타 주석 입자(13)의 입자 크기는 주행 층(4)에서의 평균 입자 크기, 특히 주석 입자(13)의 입자 크기보다 클 수 있다. 이것은 예를 들어 갈바니 증착 동안 예를 들면, 욕 온도가 증가 및/또는 갈바니 조에서 석출 속도 및/또는 주석 농도가 감소되는 증착 파라미터를 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 이러한 목적을 위해 미끄럼 베어링 요소(1)에 후속 온도 처리를 수행하는 것도 가능하다.
바람직하게는, 하나 이상의 추가 층(5)의 베타 주석 입자(13)가 주행 층(5)의 베타 주석 입자(13) 상에서 직접 성장된다.
주행 층(4)의 방사상 내부 표면(7)의 영역(도 3)에서 적어도 하나의 추가 층(5)이 적어도 베어링 내경(16)(도 1)의 5 * 10-6 내지 베어링 내경(16)(도 1)의 50 * 10-6의 범위에서 선택되는 층 두께(15)를 갖는 것(도 3)이 또한 바람직하고, 적어도 하나의 추가 층(5)의 층 두께(15)는 최소 1.5 ㎛ 이상이고 최대 15 ㎛ 이하, 바람직하게는 최소 2 ㎛ 이상이고 최대 10 ㎛ 이하, 특히 최소 2.5 ㎛ 이상이고 최대 7.5 ㎛ 이하, 또는 최소 2 ㎛ 이상이고 최대 6 ㎛ 이하이다.
방사상 내부 추가 층(5)은 주행 층(4) 및 추가 층(5)의 층 두께에 의해 형성된 전체 층 두께의 10% 내지 50%, 특히 15% 내지 30% 사이의 층 두께(15)를 가질 수 있다.
또한, 주행 층(4)의 층 두께가 추가 층(5)의 층 두께보다 크고, 특히 추가 층(5)의 층 두께의 3 배보다 큰 것이 바람직하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 베어링 내경(16)은 방사상 최내측 표면상의 미끄럼 베어링 요소(1)의 직경이다. 표면의 울퉁불퉁함은 파형의 높이의 절반으로 측정함으로써 고려된다.
본 발명의 상기 실시예들의 시험 결과에 나타난 바와 같이, 층 두께가 1.5 ㎛ 미만인 경우, 적어도 하나의 추가 층(5)의 전술한 효과가 상대적으로 약하므로 미끄럼 베어링 요소(1)의 지지 요소는 원하는 정도까지 증가될 수 없다. 이러한 방식에서, 미끄럼 표면의 국부적인 과하중은 충분하게 회피될 수 없다. 또한, 추가 층(5)의 층 두께(15)가 15 ㎛보다 크면, 상기 추가 층(5)이 너무 두꺼워서 추가 층(5)의 부분 마모에 더 많은 시간이 요구되므로, 러닝-인 단계가 또한 연장된다. 또한, 층 두께(15)가 15 ㎛보다 크면, 적어도 하나의 추가 층(5)의 하부에 놓인 높은 강도의 주행 층(4)이 불충분한 지지만을 제공할 수 있다.
적어도 하나의 주행 층(4)의 표면 토포그래피(topography)를 더욱 잘 고려하기 위해, 방사상 내부 표면(17)의 영역(도 1)에서 적어도 하나의 추가 층(5)의 층 두께(15)는 상기 표면(17)의 DIN EN ISO 4287 : 2010에 따른 산술 평균 거칠기 값 Ra의 2 배보다 크고/크거나 방사상 내부 표면(17)의 영역에서 적어도 하나의 추가 층(5)의 층 두께(15)는 상기 표면(17)의 DIN EN ISO 4287 : 2010에 따른 평균 거칠기 깊이 Rz의 2 배보다 작다.
또 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 추가 층(5)의 층 두께(15) (도 3)는 전술한 VDA 2007에 따라 가공 방향에 수직으로 측정된 상기 층(5)의 표면(17) (도 1)의 주요 파형 프로파일 (WDc)의 평균 높이(18)의 0.3 배 내지 5 배, 특히 1 배 내지 2 배일 수 있다.
적어도 하나의 추가 층(5)의 두께와 표면 거칠기의 상호 작용을 조사하기 위해, 전술한 바와 같은 시험들이 실행되었다(기울어지지 않은 변형예 1). 베어링 쉘은 Ra 0.3 - 0.7 ㎛와 Rz 2 - 5 범위의 거칠기였다. 또한 베어링 쉘의 2/3에서 WDc 0.5 - 2.5 ㎛의 주요 파형이 발견되었다.
베어링 쉘은 발명예 11에 따라 코팅되었고, 하나 이상의 추가 층(5)의 층 두께(15)는 0.1 내지 12 ㎛로 변화되었다.
도 5 내지 도 7은 각각의 거칠기 파라미터에 대한 SnCu1Sb0.5의 적어도 하나의 추가 층(5)의 층 두께(15)의 비율에 따른 시험 결과를 나타낸다. 상기 변형예 1의 테스트 결과는 y 축에 도시되어 있다. Rz (도 5) 또는 Ra (도 6) 또는 Wdc (도 7)에 대한 추가 층(5)의 층 두께(15)의 비는 x 축에 도시되어 있다. 이들 시험을 위한 주행 층(4)은 SnCu7Sb7BiPb로 구성된다.
도 5 내지도 7로부터, 층 두께(15)가 Rz의 2 배보다 작고, 및/또는 Ra의 2 배보다 크고, 및/또는 WDc = 0.5 내지 5 사이의 영역에 있는 것이 유리하다는 것은 분명하다.
또한, 미끄럼 베어링 요소 후방(8)에 적어도 하나의 추가 층(5)의 층 두께(19) (도 1)는 방사상 내부 표면(17)의 영역에서 적어도 하나의 추가 층(5)의 층 두께(15)의 0.1배 내지 0.5배 사이일 수 있다.
후면 층의 두께가 5 ㎛ 이상이면, 작동 중에 재료 변위의 위험이 높아지고, 이것이 보어의 변형 및 리어 베어링의 악화로 이어질 수 있다.
방사상 내부 추가 층(5)의 층 두께(15)의 0.1 배 내지 0.5 배의 범위는 갈바니 공정에서 후면에 대한 코팅 기간의 적절한 단축(예를 들어, 2 배 내지 3 배 단축) 및/또는 전류 밀도의 감소에 의해 층 두께 (19)가 부식으로부터 충분한 보호를 제공하게 만들어질 수 있으며, 재료 변위의 위험을 증가시키지 않는다.
전류 밀도를 지나치게 많이 낮추면 증착의 조성에 대한 매우 큰 변화를 초래할 수 있고 부식 방지의 저하로 이어질 수 있다.
예시적인 실시예들은 미끄럼 베어링 요소(1)의 가능한 실시예를 나타내며, 이 시점에서 개별적인 실시예의 다양하며 상이한 조합이 또한 가능하다는 것을 유의해야 한다.
절차적인 관점에서 마지막으로, 미끄럼 베어링 요소(1)의 구조를 더욱 잘 이해하기 위해, 미끄럼 베어링 요소 및 그 구성 요소들은 부분적으로 실제 크기로 도시되지 않고/않거나 크기가 확대 및/또는 축소되었다.
1 미끄럼 베어링 요소
2 미끄럼 베어링 요소 본체
3 지지층
3a 베어링 금속 층
4 주행 층
5 층
6 중간층
7 표면
8 미끄럼 베어링 요소 후방
9 단부면
10 단부면
11 거리
12 입자 층
13 베타 주석 입자
14 화합물(phase)
15 층 두께
16 베어링 내경
17 표면
18 높이
19 층 두께

Claims (14)

  1. 특히 지지층(3)을 형성하는 지지 요소, 적어도 하나의 주행 층(4), 적어도 하나의 추가 층(5), 및 상기 지지 요소와 상기 적어도 하나의 주행 층(4) 사이의 적어도 하나의 베어링 금속층(3a)을 열거한 순서대로 포함하는 미끄럼 베어링 요소(1), 특히 방사상 미끄럼 베어링 요소로서,
    상기 적어도 하나의 주행 층(4)은 적어도 하나의 제1 주석 기반 합금으로 형성되고 상기 적어도 하나의 추가 층(5)은 적어도 하나의 추가적인 주석 기반 합금으로 형성되며, 상기 제1 주석 기반 합금 및 상기 추가적인 주석 기반 합금은 Cu, Ni, Ag, Sb, As, Pb, Bi, Te, Tl 및/또는 비금속 입자를 포함하는 그룹의 적어도 하나의 원소를 포함하고, 적어도 하나의 제1 주석 기반 합금 및 적어도 하나의 추가적인 주석 기반 합금은 베타 주석 입자(13)를 함유하며,
    적어도 하나의 제1 주석 기반 합금은 최소 5 이상 최대 25 이하의 강도 지수(FI)를 가지며, 적어도 하나의 추가적인 주석 기반 합금은 최소 0.3 이상 최대 3 이하의 강도 지수(FI)를 가지며, 주행 층(4)의 강도 지수는 주행 층(4)에 직접 배치된 적어도 하나의 추가 층(5)의 강도 지수의 적어도 5 배이고, 강도 지수(FI)는 아래의 식에 의해 정의되며,
    Figure pct00065

    여기에서, C는 원소 Cu, Ni, Ag 중의 적어도 하나를 나타내고, S는 Sb 및/또는 비금속 입자를 나타내고, B는 원소 Pb, Bi, Te, T1 중의 적어도 하나를 나타내고, ω는 문자 C, S 및 B에 할당된 각각의 주석 기반 합금 성분들의 합계 함량을 나타내는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 요소(1).
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 추가 층(5)이 적어도 미끄럼 베어링 요소 후방(8)에 또한 배치되는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 요소(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 추가 층(5)은 적어도 방사상 내부 표면(17)의 영역에서 적어도 베어링 내경(16)의 5 * 10-6 내지 베어링 내경(16)의 50 * 10-6의 범위에서 선택되는 층 두께를 가지며, 적어도 하나의 추가 층(5)의 층 두께(15)는 최소 1.5 ㎛ 이상 최대 15 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 요소(1).
  4. 제3항에 있어서, 방사상 내부 표면(17)의 영역에서의 적어도 하나의 추가 층(5)의 층 두께(17)는 상기 표면(17)의 DIN EN ISO 4287 : 2010에 따른 산술적인 평균 거칠기 값 Ra의 2 배보다 큰 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 요소(1).
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 방사상 내부 표면(17)의 영역에서 상기 적어도 하나의 추가 층(5)의 층 두께(15)는 상기 표면(17)의 DIN EN ISO 4287 : 2010에 따른 평균 거칠기 깊이 Rz의 2 배보다 작은 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 요소(1).
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 항에 있어서, 미끄럼 베어링 요소 후방(8)의 적어도 하나의 추가 층(5)의 층 두께(19)는 방사상 내부 표면(17)의 영역에서 적어도 하나의 추가 층(5)의 층 두께(15)의 0.1 배 내지 0.5 배 사이인 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 요소(1).
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 항에 있어서, 적어도 하나의 추가 층(5)의 층 두께(15)는 VDA 2007의 측정 과정에 따라 주요 파형 프로파일(WDc)의 평균 높이(18)의 0.3 배 내지 5 배, 특히 1 배 내지 2 배인 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 요소(1).
  8. 제3항 내지 제7항 중 어느 항에 있어서, 적어도 하나의 주행 층(4) 및/또는 적어도 하나의 추가 층(5)의 적어도 두 개의 인접한 층, 및/또는 적어도 하나의 주행 층(4) 및 인접한 적어도 하나의 추가 층(5)에서의 베타 주석 입자(13)의 바람직한 배향은 대부분 동일한 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 요소(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 항에 있어서, 적어도 하나의 주행 층(4)의 주석 기반 합금은 0 중량% 내지 40 중량%의 안티몬 및/또는 0 중량% 내지 25 중량%의 구리를 함유하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 요소(1).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 항에 있어서, 적어도 하나의 추가 층(5)의 주석 기반 합금은 0 중량% 내지 3 중량%의 구리 및/또는 안티몬 그리고 0.01 중량% 내지 10 중량%의 비스무트 및/또는 납을 함유하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 요소(1).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 항에 있어서, 하나 이상의 추가 층(5)은 베타 주석 입자(13)의 단지 하나의 입자 층을 갖는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 요소(1).
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 항에 있어서, 적어도 하나의 추가 층(5) 내의 베타 주석 입자(13)는 상기 적어도 하나의 추가 층(5)의 층 두께 (15)의 10% 내지 90%의 평균 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 요소(1).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 항에 있어서, 적어도 하나의 추가 층(5)은 갈바니 방식으로 증착되는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 요소(1).
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 항에 있어서, 적어도 하나의 추가 층(5)은 적어도 하나의 주행 층(4)에 직접 배열되는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 요소(1).
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