KR20200019678A - 편정 알루미늄 플레인 베어링 합금, 그 제조방법 및 이들로 생산된 플레인 베어링 - Google Patents

편정 알루미늄 플레인 베어링 합금, 그 제조방법 및 이들로 생산된 플레인 베어링 Download PDF

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촐레른 베하붸 글라이트라거 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 소성 변형에 적합하며, 다음으로 이루어진 비스무트 함유물을 갖는 편정 알루미늄 플레인 베어링 합금에 관한 것이다: 1 내지 20중량%의 비스무트; 주요 합금 원소로서 다음 중 선택된 적어도 하나의 원소: 0.05 내지 7중량%의 구리, 0.05 내지 15중량%의 실리콘, 0.05 내지 3중량%의 망간, 0.05 내지 5중량%의 아연; 조합으로, 0.005 내지 0.4중량%의 티타늄; 0.005 내지 0.7중량%의 지르코늄; 추가적인 합금 원소로서 0.001 내지 0.1중량%의 붕소; 및 선택적으로 하나 이상의 더욱 추가적인 원소, 나머지 알루미늄. 상기 플레인 베어링 합금은 초미세-입상화되며 초소성-형 성질을 갖는다.

Description

편정 알루미늄 플레인 베어링 합금, 그 제조방법 및 이들로 생산된 플레인 베어링
본 발명은 소성 변형에 적합한 비스무트 함유물을 갖는 편정 알루미늄 플레인 베어링 합금에 관한 것이다.
본 발명은 또한 비스무트 함유물을 갖는 편정 알루미늄 플레인 베어링 합금을 생산하는 공정에 관한 것이다.
본 발명은 또한 플레인 베어링 합금을 사용하여 생산된 플레인 베어링에 관한 것이다.
고 응력 플레인 베어링은 베어링이 충족시켜야 하며 종종 또 다른 것에 반하는 다양한 요구를 충족시키기 위하여 복수의 층으로 구성된다. 강철-알루미늄 복합 물질이 자주 사용된다.
상기 강철 지지체 쉘은 기계적 응력의 흡수를 보장하고 견고한 고정을 제공하는 한편, 상기 플레인 베어링 물질은 다양한 마찰 응력을 견뎌야하며 내-피로성을 가져야 한다. 이러한 요구를 충족시키기 위하여, 상기 플레인 베어링 물질은 실리콘과 같은 경질 상 및 금속간 침전물을 함유하고, 또한 알루미늄 매트릭스 내의 납 또는 주석과 같은 연질 상을 함유한다. 고 응력이 가능한 다층 플레인 베어링은 종종 추가적으로 기능성 층에 전해 도금에 의해 적용된 슬라이딩 층을 갖는다. 상기 연질의 슬라이딩 층은 베어링의 우수한 긴급 작업성(emergency operation properties)을 보장한다. 이는 연마된 입자를 매립할 수 있으며, 따라서 상기 슬라이딩 표면으로부터 이들을 제거할 수 있다.
납-함유 알루미늄 플레인 베어링 합금에 대한 친환경적인 대안물은 알루미늄-주석에 기반한 플레인 베어링에 의해 제공되며, 이는 추가적인 슬라이딩 층 없이 사용된다. 그러나, 이들 합금의 기계적인 성질, 예를 들어 내 피로성 및 고온 강도는 제한에 직면한다. 상대적으로 고 주석 함량은 주조 동안 결정립계에서 인접한 주석 네트워크의 형성을 초래하며, 이는 특히 상대적으로 고온에서 이들 합금의 강도를 손상시킨다.
주석에 비하여, 비스무트는 알루미늄 매트릭스 내에서 연질 상으로서 약간의 이점을 갖는다. 따라서, 비스무트는 더 높은 용융점을 가지며, 좀 더 고온에서 사용될 수 있다. 또한, 특정의 주조 및 열처리 수단에 의해 플레인 베어링 합금의 결정립계에서 비스무트의 강한 농축을 방지하는 것이 가능하고, 미세-구조에서 비스무트 액적의 충분히 균일하고 미세한 분포를 얻는 것이 가능하며, 이는 궁극적으로 상기 알루미늄-주석 합금에 비해서 합금 및 마찰 성질의 강도에서의 향상을 이끈다.
따라서, DE　4003018　A1에는 알루미늄 합금이 다음의 하나 이상의 성분들을 함유할 수 있음이 제안되었다: 1 내지 50중량%, 바람직하게는 5 내지 30중량%의 납, 3 내지 50중량%, 바람직하게는 5 내지 30중량%의 비스무트 및 15 내지 50중량%의 인듐 및 추가적으로 하나 이상의 다음의 성분들: 0.1 내지 20중량%의 실리콘, 0.1 내지 20중량%의 주석, 0.1 내지 10중량%의 아연, 0.1 내지 5중량%의 마그네슘, 0.1 내지 5중량%의 구리, 0.05 내지 3중량%의 철, 0.05 내지 3중량%의 망간, 0.05 내지 3중량%의 니켈 및 0.001 내지 0.30중량%의 티타늄. DE　4003018　A1에 알려진 상기 합금은 연속적인 주조에 의해 수직으로 주조되어 5 내지 20　mm의 두께 또는 직경을 가지며, 300 내지 1500　K/s의 냉각 속도로 주조되는 용융물을 갖는, 스트립 또는 와이어를 제공한다. 상기 빠른 냉각 속도는 상기 디믹싱 온도 아래의 온도 및 상기 매트릭스 금속의 완전한 고화 사이의 시간 동안 소수 상의 큰 부피 침전물의 형성을 방지하도록 의도된다. 그러나, 알루미늄 합금의 연속적인 주조의 실질적인 경험으로부터 매우 높은 냉각 속도는 균열 형성의 상당한 위험으로 귀결되며, 대량 생산에 요구되는 공정성의 확보가 어렵다는 점이 알려져 있다.
EP　0　940　474　A1에 개시된 공정은 0.5 내지 15중량%의 총 량으로, 실리콘, 주석, 납으로 이루어진 군으로부터의 적어도 하나의 원소와 함께 15중량% 까지의 비스무트를 포함하며, 또한 3% 까지의 총량으로 구리, 망간, 마그네슘, 니켈, 크롬, 아연 및 안티몬으로 이루어진 군으로부터 가능한 첨가를 포함하며, 연속적인 주조에 의해 재현가능한 품질로 주조되도록 주조공장 기술 항목에서의 유지가 어려운, 편정 알루미늄 플레인 베어링 함금이 가능하게 한다. 소수 상의 균질한 분포는 이 경우에서 전자기장에서의 용융물의 강한 교반에 의해 달성된다. 또한, 이러한 합금의 미세구조는 입상 청징제의 첨가에 의해 정제된다. 이는 또한 그 중에서도 주조 상태에서 40　㎛ 이하의 직경을 갖는 액적-형상의 비스무트 침전물의 크기에 유리한 효과를 갖는다. 입상 청징제의 양이 EP　0　940 474　A1에 따라 첨가되며, 이는 상기 용융물에서 비스무트의 함량을 고려한 제형의 수단에 의해 계산된다. 상기 발명은 상기 특허에 기술된 결과를 초래하도록 사용된 입상 청징 첨가제의 형태와 관련하여 어떠한 정보도 제공하지 않는다.
EP　0　190　691　A1에 4 내지 7중량%의 비스무트, 1 내지 4.5중량%의 실리콘, 0 내지 1.7중량%의 구리, 0 내지 2.5중량%의 납 및 1%까지의 총량으로 니켈, 망간, 크롬으로 이루어진 군으로부터의 적어도 하나의 원소 및 추가적으로 5중량% 까지의 총량으로 주석, 아연, 안티몬으로 이루어진 군으로부터의 적어도 하나의 원소를 포함하는 합금이 공지되어 있다. 실리콘의 높은 비율은 알루미늄 매트릭스를 강화시키나, 이들은 소수 상의 크기에 악영향을 미치며, 주조 합금의 액적 분포에서 상당한 악화를 초래한다. 이러한 주조 미세구조의 압연 동안, 원래 구형의 납 또는 비스무트 상은 변형되어 물질의 기계적 강도 및 마찰 성질을 상당히 감소시키는 매우 두꺼운 스레드를 제공한다.
바람직한 물질 성질을 설정하기 위한 하나의 가능한 해결방안은 소수 상의 세로로 연신한 침전물의 재성형으로 다음의 가열의 수단에 의해 컴팩트한(compact) 미세-구조 형상을 제공하는 것이다. 예를 들어, DE　4014430　A1에 따르면, 편정-알루미늄-실리콘-비스무트 합금은 압연 후 혈소판(platelet) 형상으로 연신된 비스무트 상의 미세 분포를 달성하기 위하여 575℃ 내지 585℃의 온도로 처리된다.
추가적인 이점으로서, 상기 열처리는 경화 효과의 수단에 의해 알루미늄 플레인 베어링 합금의 강도 값을 향상시키는 기회를 제공한다. 이러한 경화 효과를 달성하기에 적합한 원소는 예를 들어 실리콘, 마그네슘, 아연 및 지르코늄이다. 상기 구리의 첨가는 경화 속도를 증가시키고, 이들 원소의 조합으로 사용될 수 있다. US　5,286,445에 2 내지 15중량% 함량의 비스무트, 0.05 내지 1중량%의 지르코늄 및 1.5% 까지의 구리 함량 및/또는 마그네슘 함량을 갖는 알루미늄 플레인 베어링 합금이 공지되어 있다. 또한, 이러한 합금은 0.05 내지 2중량%의 총량으로 주석, 납 및 인듐으로 이루어진 군으로부터의 적어도 하나의 원소 또는 0.05 내지 5중량%의 총 량으로 실리콘, 망간, 바나듐, 안티몬, 니오븀, 몰리브덴, 코발트, 철, 티타늄, 크롬으로 이루어진 군으로부터 적어도 하나의 원소를 함유한다. 주석, 납 및 인듐의 첨가는 연신된 비스무트 액적의 재응집을 도와 200℃ 내지 350℃의 온도에서 좀 더 미세한 침전물을 제공한다. 상기 원소 지르코늄, 실리콘 및 마그네슘은 480℃ 내지 525℃ 범위 온도에서의 열처리 후 실제 경화 효과를 야기하며, 이는 US　5,286,445에 따라, 압연 클래딩 작업 직전에 수행된다. 상기 전이 원소는 상기 물질의 기계적 강도에서 추가적인 증가를 일으키도록 설정된다.
상기 소수 상의 크기 및 분포에 대한 실리콘의 악영향은 상술한 바와 같다. 마그네슘의 첨가는 마그네슘이 비스무트와 우선적으로 금속간 화합물 Mg3Bi2를 형성한다는 추가적인 단점을 갖는다. 이는 비스무트 액적 내로 포함되며 비스무트 액적에 매립된 연마된 입자의 능력을 크게 감소시킨다. 주석의 첨가는 상대적으로 고온에서 플레인 베어링 물질의 기계적 강도를 상당히 악화시킨다. 또한, DE　4014430　A1 및 US　5,286,445에서 제안된 바와 같이 480℃ 초과의 열처리 온도는 강철 지지 쉘 및 알루미늄 사이의 취성의(brittle) 금속간 상의 형성을 초래한다.
전술한 비스무트-함유 합금은 플레인 베어링 쉘을 부여하기 위한 다음의 추가적인 공정 및 연속적인 주조에 의해 함급의 생산을 일으키는 복잡한 이벤트가 현재까지 충분한 정도로 제어되지 못하므로 지금까지 실질적인 중요성을 얻지 못한다. 알루미늄 플레인 베어링 합금의 최적의 성질 프로파일에 대한 전제조건은 특히 요구되는 형성 및 압연 클래딩 작업 후에도 소수 상의 미세 분포를 얻을 수 있는 가능성에서, 주조 상태에서 소수 상의 미세 분포의 추가이다. 추가적인 요구는 그 중에서도 알루미늄 매트릭스의 고온에서 고 강도, 기계적 응력을 견디는 능력, 내 마모성 및 우수한 형성성이다.
따라서, 본 발명의 과제는 합금 성분의 적합한 조합의 수단에 의해 작은 비스무트 함유물을 갖는 특정의 초미세-입상 미세구조에 의해 특성화되며, 비스무트 상의 균일하고 미세한 분포를 달성할 수 있도록 하며, 상기 스트립의 다음의 추가 공정 동안, 예를 들어 플레인 베어링 쉘을 생산하기 위한 제조 상에서 이를 보유하는 합금을 형성하는 것이다.
상기 목적은 다음으로 이루어진 비스무트 함유물을 갖는, 편정 알루미늄 플레인 베어링 합금에 의해 달성된다: 1 내지 20중량%의 비스무트, 주 합금 원소로서, 0.05 내지 7중량%의 구리, 0.05 내지 15중량%의 실리콘, 0.05 내지 3중량%의 망간 및 0.05 내지 5중량%의 아연 중 선택된 적어도 하나의 원소 및 0.005 내지 0.4중량%의 티타늄, 0.005 내지 0.7중량%의 지르코늄 및 추가 원소로서 0.001 내지 0.1중량%의 붕소 및 선택적으로 하나 이상의 더욱 추가적인 원소, 밸런스 알루미늄.
도　1 및 2는 클래딩에 의해 강철 스트립에 적용 후 및 주조 후 미세 구조의 AlBi7Mn1.4Cu0.5Ti0.15Zr0.3B0.005 및 AlBi7Mn2.3Cu1.6Cr0.35Ti0.15Zr0.15B0.003 합금을 나타낸다. 상기 비스무트 상은 어둡게 나타난다.
도　3은 강철 스트립에 클래드(에칭)된 AlBi7Mn1.4Cu0.5Ti0.15Zr0.3B0.005 합금의 미세 구조를 나타낸다.
도　4는 (에칭된) AlSi11Bi7Cu0.5Ti0.17Zr0.22B0.009 합금의 미세 구조를 나타낸다.
본 발명의 알루미늄 플레인 베어링 합금은 초-미세-입상으로 되며, 상기 비스무트 상의 균일하고 미세한 분포를 갖는다. 이는 압연성, 강철로의 용접성 및 플레인 베어링 물질의 장기간 강도와 같은 향상된 기술적 성질을 갖는다. 이들 성질은 알루미늄과 망간, 실리콘, 아연 및/또는 구리의 상호작용의 특별한 성질에 의해 그리고 결정화 공정에서 그리고 액체 상태에서 티타늄, 지르코늄 및 붕소의 조합으로 달성된다. 추가적인 원소 티타늄, 지르코늄 및 붕소의 조합은 또한 다음의 후-공정 동안 보유되는 초-미세 입상화 구조를 놀랍게도 야기한다. 전술한 추가적인 합금 원소의 조합은 알루미늄-비스무트-망간 (구리, 실리콘 또는 아연) 합금에서 50 내지 1　㎛의 작은 비스무트 함유물을 갖는 약 100 내지 20　㎛의 특정의 초-미세 입상화 미세구조의 형성을 초래한다. 상기 초미세 구조는 높은 정도의 가소성 형성에 적합하다. 이러한 형성 이후, 본 발명의 합금은 초소성 거동을 닮은 거동을 나타내며, 향상된 기계적 및 마찰 성질을 보장하고, 즉, 우수한 피로 거동, 낮은 점유 한계(seizing limit), 낮은 상대적 마모 및 높은 특정 부하-베어링 용량(capability)을 나타낸다. 티타늄, 지르코늄 및 붕소의 조합은 구리, 아연, 실리콘 또는 망간을 함유하거나 주 합금 원소로서 이들 원소들의 조합을 함유하는 알루미늄 합금의 입상 정제를 야기한다. 본 발명의 플레인 베어링 합금은 초소성 성질을 갖는다. 알루미늄 합금의 초소성 성질은 원론적으로 알려져 있다.
초소성 형성성을 갖는 합금은 T.　Ruspaev, U.　Draugelates 및 B.　Bouaifi; Einflus der Al2Cu - Phase auf die Superplastizitδt der AlCuMn Legierung, Mat-wiss. u. Werkstofftech. 34, 219-224로부터 알려져 있다. 주어진 실시예는 다음과 같다: AlZn5.7Mg1.6Zr0.4; AlZn6.1Mg3.1Cu1.5MnCrTi; AlCu6Zr0.5; AlCu6Mn0.4Zr0.2.
US　3,841,919　A로부터 다음의 농도 범위를 갖는 합금 조성물은 초소성을 나타낸다는 점이 공지되어 있다: 포인트　A (89.8%의 Al, 9.7%의 Si 및 0.5%의 Mg), 포인트　B (78.6%의 Al, 14.1%의 Si 및 7.3%의 Mg), 포인트　C (78.5%의 Al, 16.6%의 Si 및 4.9%의 Mg) 및 포인트　D (86.3%의 Al, 13.2%의 Si 및 0.5%의 Mg).
EP　0　297　035　B1로부터 다음을 포함하는 합금이 초소성 형성성에 적합하다는 점이 알려져 있다: 0.8-2.5%의 Si, 3.5-6.0%의 Mg, 0.1-0.6%의 Mn, 0.05-0.5%의 Zr, 최대 6.0%의 Zn, 최대 3.0%의 Cu, 0.3%의 Si, 0.05%의 Ti, 0.05%의 Cr, 밸런스 알루미늄.
WO/1983/001629는 1.5 내지 9.0%의 마그네슘, 0.5 내지 5.0%의 실리콘, 0.05 내지 1.2%의 망간, 0.05 내지 0.3%의 크롬 및 밸런스의 알루미늄을 함유하는 초소성 알루미늄 합금 플레이트 및 균질화가 수행될 스트립을 갖는, 3 내지 20　mm의 두께를 갖는 스트립을 형성하기 위하여 1.5 내지 9.0%의 마그네슘, 0.5 내지 5.0%의 실리콘, 0.05 내지 1.2%의 망간 및 0.05 내지 0.3%의 크롬을 함유하는 용융된 알루미늄 합금의 연속적인 주조에 의해 초소성 알루미늄 합금 플레이트를 제조하는 공정을 개시하고 있다. 공정은 430 내지 550℃에서 수행되고 60% 이상의 압연 비율로 냉간 압연된다.
Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Ralph　Jorg　Hellmig, TU Clausthal, 2008 "Hoch-gradige plastische Umformung durch Equal Channel Angular Pressing (ECAP)"에 의해 물질 기술의 주제에서 교수 자격을 획득한 박사 학위 논문으로부터 초소성 형성성을 갖는 합금이 특정의, 초-미세-입상화 니트로구조(nitrostructures)에 의해 특성화되며 다음의 성질을 갖는다는 점이 공지되어 있다:
- 종래의 물질에 비해 강도에서의 상당한 증가
- 열처리와의 적합한 조합의 결과로서 고 강도 및 연성의 조절가능한 상태
- 극 초소성성(extreme superplasticity)
- 개선된 피로 거동.
초소성성의 야금 원인은 다음으로 알려져 있다:
- 결정립계 슬라이딩 (입상 형상이 보유된다) (모델: 기름진 모래), 개별 입상의 회전 및 위치변경)
- 전위 크리프(빈자리와 같은 장애물 또는 격자간 원자는 열적으로 활성화된 공정에 의해 극복된다)
- 확산 크리프 (빈자리는 결정 격자를 통해서 확산한다)
- 동적 회복 공정 (나사 전위의 가로 슬라이딩과 같은 회복 이벤트).
본 발명은 추가적인 원소 티타늄, 지르코늄 및 붕소의 조합이 높은 정도의 가소성 형성성에 적합한, 작은 비스무트 함유물을 갖는 초-미세-입상화, 초가소성형 편정 알루미늄 플레인 베어링 합금을 초래한다는 인식에 기반한다. 그러나, 7중량% 초과의 구리 또는 아연, 15중량% 초과의 실리콘 및 3중량% 초과의 망간의 경우의 원소 농도에서의 증가는 합금 성질에서의 약화 및 구조의 조악화를 야기한다. 아연의 함량은 바람직하게는 2.5중량% 까지, 바람직하게는 0.5 내지 2중량% 범위이다. 실리콘의 함량은 바람직하게는 1.2 내지 15중량%의 범위, 1.5 내지 5중량% 비율 및 특히 바람직하게는 10 내지 15중량%이다.
본 발명의 플레인 베어링 합금의 초-미세-입상화 구조의 설명은 높은 패킹 밀도를 갖는 특정 클러스터의 형성이다.
망간은 알루미늄(Al원자 반경 =　143　pm)보다 단지 근소하게 작은 원자 반경(Mn원자 반경　=　127　pm)을 갖는다. 상기 원자 반경의 비율은 Mn원자 반경/-Al원자 반경 =　0.8881이다[D.B.　Miracle, 금속 유리 구조에서 선호 원자 클러스터 구조. Materials Transactions, Vol.　47, No.　7 (2006) pp.　1737 내지 1742].
이는 배위수 12를 갖는 정20면체 클러스터의 형에 대한 0.9의 원자 반경의 최적 비에 매우 근접하다.
실리콘은 알루미늄(Al원자 반경 =　143　pm)보다 단지 근소하게 작은 원자 반경(Si원자 반경　=　110　pm)을 갖는다. 상기 원자 반경의 비율은 Si원자 반경/-Al원자 반경　=　0.769 이다[D.B.　Miracle, 금속 유리 구조에서 선호 원자 클러스터 구조. Materials Transactions, Vol.　47, No.　7 (2006) pp.　1737 내지 1742].
구리 및 아연은 유사하게 알루미늄(Al원자 반경 =　143　pm)보다 단지 근소하게 작은 원자 반경(Cu(Zn)원자 반경　=　135　pm)을 갖는다. 상기 원자 반경의 비율은 Cu(Zn)원자 반경/Al원자 반경　=　0.94이다 [D.B.　Miracle, 금속 유리 구조에서 선호 원자 클러스터 구조. Materials Transactions, Vol.　47, No.　7 (2006) pp.　1737 내지 1742].
이는 배위수 12를 갖는 정20면체 클러스터의 형성에 대한 0.9의 원자 반경의 최적 비에 매우 근접한다.
티타늄은 알루미늄(Al원자 반경 =　143　pm)보다 단지 근소하게 작은 원자 반경(Ti원자 반경　=　140　pm)을 갖는다. 상기 원자 반경의 비율은 Ti원자 반경/-Al원자 반경　=　0.979이다 [D.B.　Miracle, 금속 유리 구조에서 선호 원자 클러스터 구조. Materials Transactions, Vol.　47, No.　7 (2006) pp.　1737 내지 1742].
이는 12의 배위수를 갖는 8면체, FCC (면심 격자의) 또는 육팔면체 클러스터의 형성에 대한 1.0의 반경 비율의 최적 비에 매우 근접한다.
지르코늄은 알루미늄(Al원자 반경 =　143　pm)보다 단지 근소하게 큰 원자 반경(Zr원자 반경　=　155　pm)을 갖는다. 상기 원자 반경의 비율은 Ti원자 반경/-Al원자 반경　=　1.08이다 [D.B.　Miracle, 금속 유리 구조에서 선호 원자 클러스터 구조. Materials Transactions, Vol.　47, No.　7 (2006) pp.　1737 내지 1742].
붕소는 알루미늄(Al원자 반경 =　143　pm)보다 상당히 작은 원자 반경(B원자 반경　=　85　pm)을 갖는다. 상기 원자 반경의 비율은 Ti원자 반경/Al원자 반경 =　0.594이다 [D.B.　Miracle, 금속 유리 구조에서 선호 원자 클러스터 구조. Materials Transactions, Vol.　47, No.　7 (2006) pp.　1737 내지 1742].
이는 배위수 7을 갖는 정20면체 클러스터의 형성에 대한 0.591의 원자 반경의 최적 범위에 매우 근접한다.
티타늄 및/또는 알루미늄과 조합된 붕소는 결정화 동안 합금의 구조의 형성에 중요한 역할을 한다.
특히 배위수 7을 갖는 정20면체 또는 10면체 클러스터는 상기 용융물의 높은 수준의 차냉각을 갖는 경향이 있다. 상기 차냉각된 상태에서, 정20면체 또는 10면체 단-범위 오더(short-range order)가 일어나고 높은 패킹 밀도를 갖는 클러스터가 형성된다. 정20면체 단-범위 오더 및 고체 바디는 상당히 다른 패킹을 갖는다. 상기 강한 차냉각의 이벤트에서 패킹 밀도에서의 증가는 결정 및 다른 상 변화에 대해 원자의 확산을 방지한다. 높은 수준의 차냉각의 경우, 상기 용융물은 시스템이 다양한 준안정성 상에서 평형의 바깥으로 멀리 다양한 고화 경로에 사용될 수 있는 상당히 과량의 자유 에너지를 갖는다. 따라서, 과포화된 혼합 상, 입상-정제 합금, 불규칙(disordered) 초-격자 구조, 준안정성 결정학적 상으로 구성될 수 있는 준안정성 고체가 형성될 수 있다. 이는 상기 합금의 상당한 강화를 이끈다.
이러한 계산에 기반하여, 망간, 구리 및 아연, 지르코늄 및 티타늄은 배위수 12를 갖는 알루미늄을 갖는, 10면체, 정20면체 또는 8면체, FCC (면심 격자의) 또는 육팔면체일 수 있는 구조의, 특히 조밀하고 안정한 클러스터의 형성을 초래한다. 이는 액체 상태 및 고체 상태 모두의 조밀한 패킹을 위한 개시제인, 망간, 아연, 지르코늄 및 티타늄, 구리 및 아연을 갖는, 알루미늄 및 구리 및 아연, 지르코늄, 티타늄 및 망간 원자 사이에 특히 유효한 상호작용을 초래한다.
상기 10면체 또는 정20면체 패킹 및 고체 바디는 상당히 다른 패킹을 갖는다. 높은 수준의 차냉각의 경우 패킹 밀도에서의 증가는 결정화 및 다른 상 변화에 대한 원자의 확산을 방지한다. 큰 차냉각의 경우, 상기 용융물은 시스템이 다양한 준안정성 상에서 평형의 먼 바깥으로 다양한 고화 경로에 사용될 수 있는 상당한 과량의 자유 에너지를 갖는다. 따라서, 과포화된 혼합 상, 입상-정제 합금, 불규칙 초격자 구조, 준안정성 결정학적 상으로 이루어질 수 있는 준안정성 고체가 형성될 수 있다. 클러스터 형성에 의해 달성되는 상기 입상 정제는 조악한 (coarse)-입상화 수지상 미세구조로부터 100 미크론 미만의 통상적인 입상 크기를 갖는 등축-입상-정제된 미세구조로 모폴로지에서의 변화를 초래한다. 이는 또한 20 미크론의 평균 크기 아래로 비스무트 상의 상당한 정제를 초래한다.
극히 과량인 추가적인 합금 원소는 알루미늄 및 구리, 실리콘, 망간, 아연, 티타늄, 지르코늄, 붕소 사이의 장애 최적의 상호작용 및 결정화 간격을 증가시킬 수 있다. 이는 합금의 성질을 약화시키는 결과로서, 비스무트 함유물의 확대 및 분리의 전개에 기여한다. 구리 및 아연, 지르코늄, 티타늄 및 망간의 긍정적인 영향을 보장하기 위하여, 추가적인 원소의 양을 1.0 중량% 미만으로 하는 것이 유용하다.
본 발명의 플레인 베어링 합금에서, 비스무트는 단독 연질 상 형성자로서 기능하며, 즉 이러한 목적으로 존재하는 납 및/또는 주석을 갖는 어떠한 비스무트 조합도 없다. 납 및/또는 주석은 적어도 존재한다면 0.5중량% 미만의 총 비율의 많아봐야 소량으로 본 발명의 플레인 베어링 합금에 첨가되어야 한다.
추가적인 합금 원소는 특정 사용에 본 발명의 합금의 성질을 구체적으로 조절하는 것이 가능하도록 한다.
가능한 추가적인 합금 원소는 5개의 그룹으로 나누어질 수 있다:
그룹　1:
0.5 중량% 이하의 총 비율로, 탄탈룸, 니오븀, 하프늄, 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴, 안티몬, 스칸듐, 세륨, 칼슘.
그룹　2:
1 중량% 이하의 총 비율로, 니켈, 코발트, 철, 크롬.
그룹　3:
0.1 중량% 이하의 총 비율로, 탄소, 질소.
그룹　4:
1.0 중량% 이하의 총 비율로, 은, 게르마늄, 리튬.
그룹　5:
0.5 중량% 이하의 총 비율로, 주석, 납.
개별적인 그룹에서, 좀 더 낮은 한계는 각 경우에서 0.001중량%, 즉 필수적으로 검출 한계이다.
그룹 1의 추가적인 합금 원소는 두 가지의 작용 메커니즘을 나타낸다. 이들 메커니즘은 일반적으로 하나가 다른 것에 대해 지배적인 경우, 동시에 작용한다.
작용 메커니즘　1:
상기 원소 탄탈룸, 니오븀, 하프늄, 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴, 안티몬, 스칸듐, 세륨은 알루미늄에 비해 크거나 또는 적어도 상당히 작지 않은 원자 반경을 가지며, 배위수　12 - 10면체 또는 8면체 및 육팔면체 클러스터를 갖는 특히 조밀하고 안정한 클러스터의 형성을 이끈다. 상기 10면체 패킹 및 고체 바디는 상당히 다른 패킹을 갖는다. 높은 수준의 차냉각의 경우 패킹 밀도에서의 증가는 다른 상 변화에 대해 그리고 결정화에 대한 원자의 확산을 억제한다. 큰 차냉각의 경우, 상기 용융물은 시스템이 다양한 준안정성 상의 평형의 먼 바깥으로 다양한 고화 경로를 위해 사용할 수 있는 큰 과량의 자유 에너지를 갖는다. 따라서, 과포화된 혼합 상, 입상-정제 합금, 불규칙 초격자 구조, 준안정성 결정학적 상으로 이루어질 수 있는 준안정성 고체가 형성될 수 있다. 클러스터 형성에 의해 달성되는 상기 입상 정제는 조악한-입상 수지상 미세구조로부터 100 미크론 미만의 통상적인 입상 크기를 갖는 등축 입상-정제 미세구조로 모폴로지에서의 변화를 이끈다. 이는 또한 20 미크론의 평균 크기 아래로 비스무트 상의 상당한 정제를 이끈다. 8면체 및 육팔면체 클러스터의 형성 동안, 결정 성장이 지배적이다. 8면체 및 육팔면체 클러스터 및 고체 바디의 패킹은 유사성을 갖는다. 이러한 경우, 단지 매우 작은 수준의 차냉각이 고화 프론트의 전면에서 일어나며, 결정입자사이의(transcrystal-line) 입상 내에서 10 미크론의 평균 크기로 비스무트의 작은 함유물을 갖는 500 미크론 미만의 통상적인 입상 크기를 갖는 결정입자사이의 미세구조가 형성된다.
작용 메커니즘　2:
상기 원소 탄탈룸, 니오븀, 하프늄, 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴, 스칸듐은 알루미늄과 포정(peritectically) 반응하고 AlxM1 상으로 구성된 추가적인 결정 핵의 형성을 초래하며, 여기서 M1은 전술한 금속 중 하나이다. 상기 추가적인 금속화 핵은 매트릭스(αAl)의 정제를 초래한다. 이는 또한 40 미크론의 평균 크기 아래로 비스무트 상의 정제를 초래한다. 상기 추가적인 결정화 핵은 Al3V, Al3Nb, Al3Ta 상으로 구성될 수 있다. 핵 형성에 의한 입상 정제는 조악한-입상 수지상 미세구조로부터 100 미크론 초과의 통상의 입상 크기를 갖는 미세-입상 수지상 미세구조로 모폴로지를 변화시킨다. 상기 제2의 메커니즘이 강하게 지배적인 경우, 이는 종종 고 농도의 그룹 1의 추가적인 합금 원소가 조악한 금속간 상을 형성하는 경우로서, 상기 비스무트 상은 100 미크론의 입상 크기까지 조악해진다. AlxM1 상에서의 증가는 본 경우에서 비스무트 상의 조악화 및 가소성에서의 감소를 또한 초래할 수 있으므로, 0.5중량%의 상한이 상기 총 비율 상에 부과되어야 한다.
Sc, Hf, Nb, Zr, Ti, V, Mn은 특히 높은 고화 속도의 경우에 과포화된 혼합된 결정을 형성한다. 다음의 열처리는 타겟 방식으로 용해된 Sc, Zr, Ti, V, Mn를 Al3XYZ으로 전환시키며, 여기서 XYZ는 Sc, Hf, Nb, Zr, Ti, V이며, 예를 들어: Al3(Sc,　Zr) 또는 Al3(Ti,　Zr) Al12Mn2CU 나노상이다.
이러한 고밀도의 나노구조 상은 좀 더 큰 인성과 조합된 강도에서의 상당한 증가를 일으킨다. 이러한 나노구조 상들은 결정화 공정을 억제하고 초-미세-입상화 입상 구조의 형성 및 보유를 이끈다. 이들은 궁극적으로 높은 수준의 가소성 형성에 적합한, 작은 비스무트 함량을 갖는 초-미세-입상화된 초소성-형 편정 알루미늄 플레인 베어링 합금의 특정 성질을 이끈다.
알루미늄에 비해 상당히 작은 원자 반경을 갖는, 그룹 2, 즉 니켈, 코발트, 철, 크롬의 추가적인 합금 원소는 알루미늄을 갖는 공정 변태(eutectic transformation)를 나타내는 정20면체 클러스터의 배위수　12, 11, 10, 9를 갖는 특히 조밀하고 안정한 클러스터의 형성을 이끈다. 상기 그룹 2의 추가적인 합금 원소, 즉 실리콘, 아연, 구리, 니켈, 코발트, 철, 크롬은 알루미늄과 공융 혼합물 e(αAl　+　AlxM2y)를 형성하며, 여기서 M2는 상기 그룹으로부터의 원소 중 하나이다. 따라서, 상기 공융 혼합물은 두 개의 상, 즉 αAl 혼합된 결정 및 금속간 상 AlxM2y으로 구성된다. αAl 혼합된 결정에 용해된 합금 원자는 혼합된 결정 경화를 일으킨다. 상기 매트릭스 내에 미세하게 분산된 AlxM2y 입자는 이동 전위(migrating dislocation)에 대한 장애물을 나타내며, 입자 경화를 일으킨다. 공융 혼합물 합금은 특히 높은 수준의 차냉각을 갖는다. 상기 차냉각된 상태에서, 정20면체 근사-범위 오더가 일어나고 높은 패킹 밀도를 갖는 클러스터가 형성된다. 정20면체 근사-범위 오더 및 고체 바디는 상당히 다른 패킹을 갖는다. 높은 수준의 차냉각의 경우에 패킹 밀도에서의 증가는 결정화 및 다른 상 변화에 대한 원자의 확산을 억제한다. 큰 차냉각의 경우에, 상기 용융물은 시스템이 다양한 준안정성 상에서 평형에서 멀리 바깥으로 다양한 고화 경로에 사용될 수 있는 큰 과량의 자유 에너지를 갖는다. 따라서, 과포화된 혼합된 상, 입상-정제 합금, 불규칙(disordered) 초격자 구조, 준안정성 결정학적 상으로 구성될 수 있는 준안정성 고체가 형성될 수 있다. 이는 합금의 상당한 강화를 이끈다. 높은 비율의 공융 혼합물은 가소성을 낮추는데 기여할 수 있으므로, 1.0중량%의 상한이 상기 총 비율에 부과되어야 한다.
그룹 3의 원소 탄소 및 질소, 또는 티타늄, 지르코늄, 탄탈룸, 니오븀, 바나듐과 탄소, 질소의 조합은 주로 추가적인 결정 핵의 형성으로 귀결된다. 이들 추가적인 결정 핵은 AlTiC, AlTiB, TaC, TiC 상일 수 있다. 전술한 상에서의 증가는 가소성을 낮추는 기여를 할 수 있으므로, 0.1중량%의 상한이 이들 합금 원소의 총 비율에 부과된다.
그룹 4의 추가적인 합금 원소, 즉 은, 게르마늄, 리튬은 상기 알루미늄 매트릭스 내에 용해가능하며, αAl 혼합된 결정을 형성한다. 이는 혼합된 결정 경화를 일으킨다. 상기 총 비율은 1.0중량%으로 한정되어야 한다.
티타늄 및 붕소의 추가는 또한 약 0.3 내지 2중량%의 첨가량으로 시판되는 입상 청징제 AlTi5B1 또는 AlTi3C0.15의 사용에 의해 효과적일 수 있음이 발견되었다. 이는 본 발명의 합금 상에 강한 입상-정제 작용을 생산하며, 다양한 냉각 속도를 사용한 연속적인 주조에서 열간 균열이 신뢰성 있게 방지된다. 전술한 입상 청징제의 첨가는 또한 소수 상의 크기에서의 상당한 감소를 일으킨다. 상기 비스무트 액적의 최대 직경은 약 5K/s의 상대적으로 낮은 냉각 속도에서조차, 주조 상태에서 입상 청징제의 사용에 의해 30 미크론 미만으로 감소될 수 있었다.
본 발명은 전술한 본 발명에 따른 상기 조성물을 사용하여 알루미늄 플레인 베어링 합금을 제조하는 공정을 더욱 제공한다. 상기 합금 구성성분은 바람직하게는 냉각 속도가 5 내지 300　K/s인 주조 공정에서 합금을 형성하도록 조합된다. 상기 냉각 속도는 전술한 입상 청징제가 첨가되는 경우 1000　K/s 까지 증가될 수 있다. 상기 합금은 그렇지 않으면 특히 다른 주조 공정의 수단에 의해 다른 종래의 생산 공정을 사용하여 생산될 수 있다. 현재, 연속적인 주조에 의한 제조가 바람직하다. 조건은 바람직하게는 액적-형상의 비스무트 함유물이 형성되도록 조정될 수 있다. 연속적인 주조 동안, 오프테이크 속도(offtake velocity)는 바람직하게는 2 내지 15　mm/s이다. 주조에 의해 얻어진 합금은 특히 본 발명의 구현예에서 다음의 형성 공정 과정 동안 약 230 내지 400℃의 범위의 온도에서 적어도 하나의 열처리가 수행된다. 이러한 열처리는 합금 및 완제품의 주조 및 마지막 압연 작업 및/또는 압연 클래딩 작업 또는 다른 복수 또는 이들 모두에 이은 적어도 하나의 열처리 사이에 제조 공정 내에서 수행될 수 있는 복수의 압연 및/또는 클래딩 작업을 갖는 압연 작업 및/또는 압연 클래딩 작업의 뒤를 따른다.
반제품을 제공하기 위하여 또는 플레인 베어링과 같은 제품의 생산 과정 동안, 상기 주조 합금은 적어도 하나의 지지층이 제공될 수 있다. 상기 지지층은 특히 강철층이 될 수 있다. 추가적인 층, 예를 들어, 결합 촉진층 또는 코팅이 여기에 첨가될 수 있다.
본 발명은 본원에 사용된 물질 중 하나로서 본 발명에 따른 합금을 함유하거나, 또는 이러한 합금으로 이루어진 플레인 베어링 쉘을 더욱 제공한다. 마지막으로, 본 발명은 이러한 플레인 베어링 쉘을 포함하는 플레인 베어링을 제공하며, 또한 플레인 베어링에서 본 발명에 따른 합금의 사용방법을 제공한다.
본 발명은 실시예를 참조로 아래에서 기술될 것이다.
플레인 베어링 물질을 제조하기 위하여, 10　mm Х 130　mm의 단면을 갖는 주조 스트립은 본 실시예에서 연속적인 주조 상에서 생산된다. 이러한 스트립을 생산하기 위하여, 오프테이크 스피드는 8　mm/s이고, 냉각 속도는 100　K/s이다. 상기 스트립은 약 8 mm의 두께로 넓은 면에서 먼저 수평으로 밀링된다. 알루미늄 합금으로 구성된 브러쉬되고 그리스가 제거된 결합제가 브러쉬되고 그리스가 제거된 유사물에 제1의 압연 패스에서 클래딩에 의해 이어서 적용된다
롤 스탠드에서
AlBi7Mn1.4Cu0.5Ti0.15Zr0.3B0.005,
AlBi7Mn2.3Cu1.6Cr0.35Ti0.15Zr0.15B0.003,
AlBi5Cu1.5Mn0.45Ti0.25Zr0.23B0.004,
AlBi5Cu2.5Zn2Si1Mn0.45Ti0.25Zr0.25B0.002, 또는
AlSi11Bi7Cu0.5Ti0.17Zr0.22B0.009 합금. 알루미늄 베어링 물질 스트립의 클래드성(cladability)을 개선하기 위하여, 후자는 3시간 까지 370℃에서 회수 열처리가 수행된다. 상기 클래드 전구체 물질 스트립의 두께는 4　mm이다. 이는 이어서 단지 하나의 압연 패스에서 1.3　mm 아래로 압연되고 클래딩 압연 밀 상에서 강철 스트립에 연결된다.
이어서, 상기 생산된 물질 복합물은 20　㎛ 까지의 크기를 갖는 미세한 구형의 액적으로 지배적으로 변화된 클래딩 후 알루미늄-아연-구리 매트릭스에서 크게 연신된 비스무트 스레드 및 확산 공정에 의해 증가될 알루미늄 베어링 물질 및 강철 사이의 결합으로 3시간 동안 360℃의 온도에서 열처리가 수행된다. 열처리로부터 유사하게 귀결되는 적어도 다음의 고 경도:
AlBi7Mn1.4Cu0.5Ti0.15Zr0.3B0.005의 경우 55　HB (2.5/62.　5/30),
AlBi7Mn2.3Cu1.6Cr0.35Ti0.15Zr0.15B0.003의 경우 62　HB,
AlBi5Cu1.5Mn0.45Ti0.25Zr0.23B0.004의 경우 60　HB,
AlBi5Cu2.5Zn2Si1Mn0.45Ti0.25Zr0.025B0.002의 경우 63　HB, 및
AlSi11Bi7Cu0.5Ti0.17Zr0.22B0.009의 경우 82　HB (표 1)
가 유리하다. 상기 열처리 후, 상기 클래드 스트립은 컷업(cut up)되고 성형되어 베어링 쉘을 제공할 수 있다.
WO2006131129A1에 따른 AlZn5Cu3Bi7 합금 및 다음의 새롭게 개발된 합금들의 기술적 및 기계적 성질의 비교(표 1)는:
AlBi7Mn1.4Cu0.5Ti0.15Zr0.3B0.005 및
AlBi7Mn2.3Cu1.6Cr0.35Ti0.15Zr0.15B0.003;
AlBi5Cu1.5Mn0.45Ti0.25Zr0.23B0.004;
AlBi5Cu2.5Zn2Si1Mn0.45Ti0.25Zr0.23B0.002,
AlSi11Bi7Cu0.5Ti0.17Zr0.22B0.009
새롭게 개발된 합금들이 좀 더 나은 기술적 그리고 기계적 성질을 가짐을 나타낸다.
(표 1) WO2006131129A1에 따른 AlZn5Cu3Bi7 합금 및 새롭게 개발된 합금들의 기술적 그리고 기계적 성질의 비교를 나타냄
Figure pct00001
본 발명의 플레인 베어링 합금은 바람직하게는 연속적으로 주조되며 상기 주조 상태에서 빠른 만큼 상기 오프테이크 속도 및 냉각 속도에 크게 독립적인 비스무트 상의 미세 분포를 갖는다. 압연 및 압연 클래딩을 포함하는 추가적인 처리의 과정에서 형성된 긴 비스무트 플레이트는 이어서 270℃ 내지 400℃의 온도에서의 열처리에 의해 완전하게 재응집되어 적합한 공정 조건 하에 20　㎛보다 작은 미세하게 분포된 구형의 액적을 제공할 수 있다. 상기 합금은 바람직하게는 약 7 내지 12중량%의 비스무트를 함유한다. 망간의 비율은 1 내지 5중량%의 범위, 특히 약 1.3 내지 4.5중량%의 범위이다. 다양한 원소의 비율은 나타낸대로의 한계 내에서 또 다르게 독립적으로 변화될 수 있다.
첨부된 도면의 미세구조는 본 실시예의 구조를 명확하게 한다.
본 실시예는 단독으로 예시를 목적으로 기능하며 본 발명을 한정하는 것이 아님이 주지되어야 한다. 당해 기술 분야의 통상의 기술자는 또한 본 발명에 따른 플레인 베어링 및 베어링 쉘이 생산되는 방법 및 합금의 제조방법이 종래의 베어링 제조공정에 혼입될 수 있음을 인식할 것이다.

Claims (12)

  1. 소성 변형에 적합하며, 다음으로 이루어진 비스무트 함유물을 갖는, 편정 알루미늄 플레인 베어링 합금:
    1 내지 20중량%의 비스무트,
    주 합금 원소로서 다음 중 선택된 적어도 하나의 원소,
    0.05 내지 7중량%의 구리,
    0.05 내지 15중량%의 실리콘,
    0.05 내지 3중량%의 망간,
    0.05 내지 5중량%의 아연,
    0.005 내지 0.4중량%의 티타늄,
    0.005 내지 0.7중량%의 지르코늄,
    추가적인 합금 원소로서 0.001 내지 0.1중량%의 붕소,
    및 선택적으로 하나 이상의 더욱 추가적인 원소, 밸런스(balance) 알루미늄.
  2. 청구항 1에 있어서,
    다음의 그룹으로부터의 하나 이상의 추가적인 합금 원소를 더욱 포함하는, 편정 알루미늄 플레인 베어링 합금:
    그룹　1:
    0.5 중량% 이하의 총 비율로, 탄탈룸, 니오븀, 하프늄, 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴, 안티몬, 스칸듐, 세륨, 칼슘;
    그룹　2:
    1 중량% 이하의 총 비율로, 니켈, 코발트, 철, 크롬;
    그룹　3:
    0.1 중량% 이하의 총 비율로, 탄소, 질소;
    그룹　4:
    1.0 중량% 이하의 총 비율로, 은, 게르마늄, 리튬;
    그룹　5:
    0.5 중량% 이하의 총 비율로, 주석, 납.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 비스무트의 비율은 4.5 내지 15.5중량%, 바람직하게는 5 내지 8중량%인, 편정 알루미늄 플레인 베어링 합금.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 망간 및/또는 구리 및/또는 실리콘 및/또는 아연의 비율은 0.5 내지 2.8중량%, 바람직하게는 0.7 내지 1.5중량%인, 편정 알루미늄 플레인 베어링 합금.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합금은 3중량% 까지의 Al-Ti-B 또는 Al-Ti-C 입상(grain) 청징제를 함유하는, 편정 알루미늄 플레인 베어링 합금.
  6. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 따른 조성물을 갖는 알루미늄 플레인 베어링 합금의 제조공정으로서,
    상기 합금의 원소는 조합되어 냉각 속도가 5 내지 300　K/s인 주조(cast) 공정에서 합금을 제공하는, 알루미늄 플레인 베어링 합금의 제조공정.
  7. 청구항 6에 있어서,
    주조 공정으로서 연속적인 주조 공정이 사용되는, 알루미늄 플레인 베어링 합금의 제조공정.
  8. 청구항 6 또는 7에 있어서,
    상기 합금은 반제품(semifinished part)을 제공하기 위하여 적어도 하나의 지지층이 제공되는, 알루미늄 플레인 베어링 합금의 제조공정.
  9. 청구항 6 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합금에는 다음의(subsequent) 형성 공정 과정에서 200 ℃ 내지 400 ℃의 온도에서의 적어도 하나의 열처리가 수행되는, 알루미늄 플레인 베어링 합금의 제조공정.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 열처리는 압연 작업 및/또는 압연 클래딩 작업에서 수행되는, 알루미늄 플레인 베어링 합금의 제조공정.
  11. 지지층 및 여기에 적용된 청구항 1 내지 5 중 어느 하나에 따른 플레인 베어링 합금을 포함하는 플레인 베어링 부재.
  12. 청구항 11에 따른 적어도 하나의 플레인 베어링 부재로 형성된 플레인 베어링.
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