KR20240025552A - 알루미늄 합금재로 형성된 베어링 및 이 베어링을 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
베어링과 같은 슬라이딩 요소 및 상기 슬라이딩 요소를 제조하는 방법이 제공된다. 상기 슬라이딩 요소는 5wt.% 내지 83wt.%의 아연을 포함하는 알루미늄 합금재로 이루어진다. 상기 슬라이딩 요소는 또한 규소 및/또는 마그네슘을 포함할 수 있다. 상기 슬라이딩 요소는 통상적으로 주조, 400℃ 내지 577℃의 온도에서 열처리, 그리고 400℃ 내지 200℃ 범위의 온도까지 시간당 50℃ 미만의 냉각율로 냉각하여 형성된다. 그런 다음 상기 알루미늄 합금재를 100℃ 내지 275℃의 온도에서 적어도 5시간 동안 열처리하여 본질적으로 아연으로 이루어진 연질 상을 형성한다. 상기 알루미늄 합금재가 마그네슘을 포함하는 경우, 제2 열처리, 또는 어쩌면 두 열처리 모두가 필요하지 않을 수 있다.
Description
본 발명은 대체로 알루미늄 합금재로 형성된 베어링, 부싱, 와셔와 같은 슬라이딩 요소 및 이 슬라이딩 요소를 제조하는 방법에 관한 것이다.
내연기관은 통상적으로 회전 샤프트를 지지하여 보다 원활하고 보다 적은 마찰로 회전할 수 있도록 하는 베어링, 부싱 또는 와셔와 같은 슬라이딩 요소를 포함한다. 알루미늄 합금재로 형성된 기존의 베어링은 통상적으로 슬라이딩 특성(sliding properties), 순응성(conformability) 및 내장성(embeddability)을 향상시키는 연질 상(soft phase)을 제공하기 위해 주석을 포함하고 있다. 하지만, 주석은 가격이 비싸고 품질 및 가공과 관련된 많은 난제를 초래할 수 있다. 베어링용 알루미늄 합금재에 있어서 주석의 양은 통상적으로 롤 캐스트(roll cast) 및 열간 결합 알루미늄 합금재의 경우 10중량퍼센트(wt.%) 미만으로 제한된다.
아연은 알루미늄 합금재에 연질상을 제공할 수 있는 다른 원소이다. 그러나 현재 알루미늄 합금재에 아연을 사용하는 것은 제한적이다. 베어링용 알루미늄 합금재에 존재하는 아연의 양은 통상적으로 약 5중량퍼센트로 제한되는데, 이는 아연이 베어링 용도에 적합하지 않은 합금재의 경화 및 강화를 유발하기 때문이다. 또한, 아연은 주석에 비해 엔진 작동 온도에서 알루미늄에 더 잘 녹으므로 내장성을 향상시키는 능력이 제한된다.
규소도 내마모성을 제공하고 소착(seizure)을 방지하는 경질 상을 형성하기 위해 주석이나 아연을 함유한 재료와 같은 베어링용 알루미늄 합금재에 종종 첨가된다. 그러나, 알루미늄 합금재는 경질 규소 상(hard silicon phase)의 적절한 크기와 분포를 부여하기 위해 열처리되어야 한다.
본 발명의 한 실시형태는 위에서 설명한 많은 난제를 극복하는 내연기관용 베어링과 같은 슬라이딩 요소를 제공한다. 상기 슬라이딩 요소는 알루미늄 합금재를 포함한다. 상기 알루미늄 합금재는 상기 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 17중량퍼센트(wt.%) 내지 95wt.%의 알루미늄과 5wt.% 내지 83wt.%의 아연을 포함한다. 상기 알루미늄 합금재는 본질적으로 아연으로 이루어진 연질 상을 포함하고, 상기 연질 상은 60HV0.01kg 이하의 비커스 경도를 가지고 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 슬라이딩 요소를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 슬라이딩 요소는 알루미늄 합금재를 주조하는 것을 포함한다. 상기 알루미늄 합금재는 상기 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 적어도 5wt.%의 아연을 포함한다. 통상적으로, 아연은 상기 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 5wt.% 초과 또는 적어도 10wt.%의 양으로 존재한다. 상기 방법은 본질적으로 아연으로 이루어진 연질 상을 형성하기 위해 주조된 알루미늄 합금재를 100℃ 내지 275℃의 온도에서 적어도 5시간 동안 열처리하는 것을 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 0.5wt.% 내지 12wt.%의 마그네슘을 포함하는 알루미늄 합금재로 이루어진 슬라이딩 요소의 제조 방법을 제공한다. 상기 알루미늄 합금재는 또한 상기 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 적어도 5wt.%의 아연을 포함한다.
본 발명의 이러한 특징 및 이점은 아래의 상세한 설명 및 첨부된 도면과 관련하여 고려할 때 더욱 쉽게 이해될 것이다:
도 1은 하나의 예시적인 실시예에 따른 강철 받침재(steel backing)에 주조된 알루미늄 합금재를 포함하는 엔진 베어링의 측면 사시도이고;
도 2는 도 1의 엔진 베어링의 저면 사시도이다.
도 3은 도 1의 엔진 베어링의 측면 단면도이고; 그리고
도 4는 주조된 알루미늄 합금재를 포함할 수 있는 통상적인 스러스트 와셔의 측면도이다.
도 1은 하나의 예시적인 실시예에 따른 강철 받침재(steel backing)에 주조된 알루미늄 합금재를 포함하는 엔진 베어링의 측면 사시도이고;
도 2는 도 1의 엔진 베어링의 저면 사시도이다.
도 3은 도 1의 엔진 베어링의 측면 단면도이고; 그리고
도 4는 주조된 알루미늄 합금재를 포함할 수 있는 통상적인 스러스트 와셔의 측면도이다.
본 발명의 한 실시형태는 내연기관용 베어링, 부싱 또는 와셔와 같은 슬라이딩 요소(10)를 제공한다. 베어링 형태의 슬라이딩 요소(10)의 예가 도 1 내지 도 3에 도시되어 있다. 와셔, 특히 전형적인 스러스트 와셔 형태의 슬라이딩 요소(10)의 예가 도 4에 도시되어 있다. 설명은 주로 베어링에 관한 것이지만, 이 설명은 부싱, 와셔 또는 다른 유형의 슬라이딩 요소에도 동일하게 적용될 수 있다는 점을 이해해야 한다.
슬라이딩 요소(10)는 개선된 알루미늄 합금재(12)로 형성된 적어도 하나의 층을 포함한다. 알루미늄 합금재(12)는 통상적으로 강철로 형성된 받침재(backing)(14)에 결합된다. 슬라이딩 요소(10)는 알루미늄 합금재(12)의 층 및 받침재(14) 이외에 다양한 다른 층 및/또는 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 합금재(12)가 받침재(14)에 직접 배치될 수 있거나, 알루미늄 합금재(12)와 받침재(14) 사이에 다른 층이 배치될 수 있다. 슬라이딩 요소(10)는 또한 그것이 설계된 특정 용도에 따라 다양한 다른 설계형태 및/또는 치수를 가질 수 있다. 도 1의 예시적인 실시예에서, 슬라이딩 요소(10)는 베어링이고 제1 절반 쉘(16)과 제2 절반 쉘(18)을 포함한다. 상기 절반 쉘(16, 18)은 중심축(A)을 중심으로 원주 방향으로 뻗어서 대향하는 양 단부에서 서로 결합된다. 알루미늄 합금재(12)는 통상적으로 100 내지 1000 미크론 범위의 두께를 가지고 있고, 강철 받침재(14)는 통상적으로 1000 내지 5000 미크론 범위의 두께를 가지고 있다.
알루미늄 합금재(12)는 여러가지 마모 이점과 소착 이점, 조절된 경화, 순응성 및 내장성을 제공할 수 있는 조성 및 미세구조를 가지고 있다.
알루미늄 합금재(12)는 알루미늄 합금재(12)의 총 중량을 기준으로 17중량퍼센트(wt.%) 내지 95wt.%의 알루미늄과 5wt.% 내지 83wt.%의 아연을 포함한다. 더욱 바람직하게는, 알루미늄 합금재(12)는 알루미늄 합금재(12)의 총 중량을 기준으로 52.5wt.% 내지 88.5wt.%의 알루미늄과, 알루미늄 합금재(12)의 총 중량을 기준으로 10wt.% 내지 40wt.%의 아연을 포함한다. 더욱 더 바람직하게는, 알루미늄 합금재(12)는 알루미늄 합금재(12)의 총 중량을 기준으로 58.5wt.% 내지 78.5wt.%의 알루미늄과, 알루미늄 합금재(12)의 총 중량을 기준으로 20wt.% 내지 40wt.%의 아연을 포함한다.
통상적으로, 알루미늄 합금재(12)는 납을 포함하지 않는다. 알루미늄 합금재(12)에 납을 첨가하면 성능상의 이점을 제공할 수 있지만, 건강 및 환경 문제도 일으킬 수 있다. 존재하는 경우, 납의 양은 통상적으로 0.1wt.% 이하이다.
특정 실시예에 따르면, 알루미늄 합금재(12)는 규소를 더 포함한다. 규소는 알루미늄 합금재(12)의 총 중량을 기준으로 바람직하게는 0.5wt.% 내지 12wt.%, 더욱 바람직하게는 1wt.% 내지 6wt.%의 양으로 존재한다. 알루미늄 합금재(12)는 또한 마그네슘을 포함할 수 있다. 마그네슘은 알루미늄 합금재(12)의 총 중량을 기준으로 바람직하게는 0.5wt.% 내지 12wt.%, 더욱 바람직하게는 1wt.% 내지 6wt.%의 양으로 존재한다. 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 알루미늄 합금재(12)는 알루미늄 합금재(12)의 총 중량을 기준으로 0.5wt.% 내지 12wt.%의 규소와 0.5wt.% 내지 12wt.%의 마그네슘을 포함한다. 알루미늄 합금재(12)가 마그네슘 및/또는 규소를 포함하는 경우, 열처리 공정 후에, 알루미늄 합금재(12)는 본질적으로 마그네슘 및/또는 규소로 이루어진 경질 상을 포함한다.
알루미늄 합금재(12)에는 추가적인 원소들이 첨가될 수 있다. 예를 들어, 슬라이딩 특성을 향상시키기 위해서 알루미늄 합금재(12)의 총 중량을 기준으로 비스무트 및/또는 주석이 각각 5wt.% 미만으로 첨가될 수 있다.
슬라이딩 요소(10)의 알루미늄 합금재(12)는 통상적으로 150 내지 300MPa의 극한 인장 강도(ultimate tensile strength), 100 내지 300MPa의 항복 강도 및 50 내지 150HV0.01kg의 비커스 경도를 가진다. ASTM E-8 또는 E-8M(미터법에 따른 측정)은 극한 인장 강도와 항복 강도를 측정하는 데 사용할 수 있는 테스트 방법이다. ASTM E384는 비커스 경도를 측정하는 데 사용할 수 있는 테스트 방법이다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 슬라이딩 요소(10)를 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 알루미늄 합금재(12)를 주조하는 단계와, 본질적으로 아연으로 이루어진 연질 상을 형성하기 위해서 주조된 알루미늄 합금재(12)를 100℃ 내지 275℃의 온도에서 적어도 5시간 동안 열처리하는 단계를 포함한다. 상기 연질 상의 비커스 경도는 60HV0.01kg 이하이다. 상기 연질 상에는 소량의 다른 원소가 존재할 수 있지만, 이들의 총량은 1wt.% 미만이다. 하나의 실시예에 따르면, 상기 주조하는 단계는 연속적인 공정이고 트윈 롤 주조(twin roll casting), 벨트 주조(belt casting) 및/또는 추출 주조(extraction casting)를 포함한다. 알루미늄 합금재(12) 중의 아연은 알루미늄 합금재(12)를 100℃ 내지 275℃의 온도에서 적어도 5시간 동안 열처리하는 단계 동안 연질 상을 형성한다.
하나의 실시예에 따르면, 알루미늄 합금재(12)를 100℃ 내지 275℃의 온도에서 적어도 5시간 동안 열처리하는 단계 전에, 상기 방법은 주조된 알루미늄 합금재(12)를 압연하는 단계와 압연된 알루미늄 합금재(12)를 강철 받침재(14)에 결합시키는 단계를 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 알루미늄 합금재(12)를 100℃ 내지 275℃의 온도에서 적어도 5시간 동안 열처리하는 단계 전에, 상기 방법은 주조된 알루미늄 합금재(12)를 400℃ 내지 577℃의 온도에서 열처리하는 단계와 상기 주조된 알루미늄 합금재(12)를 시간당 50℃ 미만의 냉각률로 400℃ 내지 200℃의 온도까지 냉각시키는 단계를 포함한다.
알루미늄 합금재(12)가 규소 및/또는 마그네슘을 포함하는 실시예에서, 규소 및/또는 마그네슘은 통상적으로 주조된 알루미늄 합금재(12)를 400℃ 내지 577℃의 온도에서 열처리하는 단계 동안 경질 상을 형성한다. 예를 들어, 알루미늄 합금재(12)가 알루미늄 합금재(12)의 총 중량을 기준으로 0.5wt.% 내지 12wt.%의 규소 및/또는 0.5wt.% 내지 12wt.%의 마그네슘을 포함하는 경우 경질 상이 형성될 수 있다.
상기한 방법에 따라 처리된 알루미늄 합금재(12)는 규소의 마모 이점 및 소착 이점, 아연 첨가에 의해 부여되는 조절 및 경화, 그리고 순응성 및 내장성을 개선하는 연질 상을 포함하는 여러가지 이점을 제공할 수 있다. 또한, 아연은 주석이나 알루미늄에 비해 가격이 저렴하고, 알루미늄-아연의 액상선 온도(liquidus temperature)와 고상선 온도(solidus temperature)의 차이도 알루미늄-주석에 비해 훨씬 작다. 이는 보다 균질한 주조 구조를 가져오고, 이에 의해 주석과 관련된 많은 가공 문제점이 제거된다. 아연은 규소과 함께 경질 입자로서 사용될 수 있으며, 아연은 용액 경화 요소(solution hardening element)로서의 역할과 연질 상으로서의 역할을 모두 수행한다.
알루미늄 합금재(12)가 마그네슘을 포함하는 경우 여러가지 다른 이점이 달성된다. 첫째로, 소규모 아연 침전물에 비해 내장성을 증가시키는 대규모 아연 침전물의 형성을 가능하게 한다. 또한, 마그네슘은 열처리 시간과 비용을 크게 줄일 수 있거나, 심지어 저온 열처리의 필요성을 없앨 수 있고, Mg-Si 입자, Si 입자와 같은 경질 상 입자의 형성을 촉진할 수도 있다. 예를 들어, 마그네슘을 포함하는 알루미늄 합금재(12)는 주조되고, 400℃ 내지 577℃의 온도로 가열된 다음, 제2 열처리 단계 없이 시간당 50℃ 미만의 냉각률로 400℃ 내지 200℃의 온도로 냉각될 수 있다.
명백히, 위의 개시내용을 고려하여 본 발명의 많은 수정 및 변형이 가능하며 아래의 청구범위 내에서 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수도 있다. 특히, 모든 청구항과 모든 실시예의 모든 특징들은 서로 모순되지 않는 한 서로 결합될 수 있다.
Claims (20)
- 슬라이딩 요소로서,
알루미늄 합금재를 포함하고, 상기 알루미늄 합금재가 상기 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 17중량퍼센트(wt.%) 내지 95wt.%의 알루미늄과 5wt.% 내지 83wt.%의 아연을 포함하고,
상기 알루미늄 합금재가 본질적으로 아연으로 이루어진 연질 상을 포함하고, 상기 연질 상이 60HV0.01kg 이하의 비커스 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소. - 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금재가 상기 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 적어도 52.5wt.%의 알루미늄, 10wt.% 내지 40wt.%의 아연, 그리고 납이 존재하는 경우, 0.1wt.% 이하의 납을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
- 제2항에 있어서, 상기 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 적어도 58.5wt.%의 알루미늄과 20wt.% 내지 40wt.%의 아연을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
- 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 0.5wt.% 내지 12wt.%의 규소를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
- 제4항에 있어서, 상기 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 1wt.% 내지 6wt.%의 규소를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
- 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 0.5wt.% 내지 12wt.%의 마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
- 제6항에 있어서, 상기 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 1wt.% 내지 6wt.%의 마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
- 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 0.5wt.% 내지 12wt.%의 규소와 0.5wt.% 내지 12wt.%의 마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
- 제8항에 있어서, 본질적으로 마그네슘 및/또는 규소로 이루어진 경질 상을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
- 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금재가 150MPa 내지 300MPa의 극한 인장강도, 100MPa 내지 300MPa의 항복강도, 그리고 50HV0.01kg 내지 150HV0.01kg의 비커스 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
- 슬라이딩 요소를 제조하는 방법으로서
알루미늄 합금재로서, 상기 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 적어도 5wt.%의 아연을 포함하는 상기 알루미늄 합금재를 주조하는 단계; 및
본질적으로 아연으로 이루어진 연질 상을 형성하기 위해 주조된 알루미늄 합금재를 100℃ 내지 275℃의 온도에서 적어도 5시간 동안 열처리하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소를 제조하는 방법. - 제11항에 있어서, 주조된 알루미늄 합금재를 100℃ 내지 275℃의 온도에서 적어도 5시간 동안 열처리하는 단계 전에, 상기 주조된 알루미늄 합금재를 400℃ 내지 577℃의 온도에서 열처리하는 단계와 상기 주조된 알루미늄 합금재를 시간당 50℃ 미만의 냉각률로 400℃ 내지 200℃의 온도까지 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소를 제조하는 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 알루미늄 합금재가 규소 및/또는 마그네슘을 포함하고, 상기 규소 및/또는 마그네슘이 상기 주조된 알루미늄 합금재를 400℃ 내지 577℃의 온도로 열처리하는 단계 동안 경질 상을 형성하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소를 제조하는 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 0.5wt.% 내지 12wt.%의 규소를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소를 제조하는 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 알루미늄 합금재를 100℃ 내지 275℃의 온도에서 적어도 5시간 동안 열처리하는 단계 동안 상기 알루미늄 합금재의 아연이 연질 상을 형성하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소를 제조하는 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 주조하는 단계는 연속적인 공정이고 트윈 롤 주조, 벨트 주조 및/또는 추출 주조를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소를 제조하는 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 알루미늄 합금재를 100℃ 내지 275℃의 온도에서 적어도 5시간 동안 열처리하는 단계 전에, 상기 주조된 알루미늄 합금재를 압연하는 단계와 압연된 알루미늄 합금재를 강철 받침재에 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소를 제조하는 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 알루미늄 합금재가 상기 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 17중량퍼센트(wt.%) 내지 95wt.%의 알루미늄, 5wt.% 내지 83wt.%의 아연, 그리고 납이 존재하는 경우, 0.1wt.% 이하의 납을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소를 제조하는 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 적어도 52.5wt.%의 알루미늄과 20wt.% 내지 40wt.%의 아연을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소를 제조하는 방법.
- 슬라이딩 요소를 제조하는 방법으로서,
알루미늄 합금재로서, 상기 알루미늄 합금재의 총 중량을 기준으로 적어도 5wt.%의 아연과 0.5wt.% 내지 12wt.%의 마그네슘을 포함하는 상기 알루미늄 합금재를 주조하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소를 제조하는 방법.
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