KR900007784B1

KR900007784B1 - 알루미늄계 베어링합금 및 이를 소재로 한 베어링

Info

Publication number: KR900007784B1
Application number: KR1019860007727A
Authority: KR
Inventors: 마사히도 후지다; 아키라 오가와라; 다케시 사카이; 도시니가 오사키; 츠요시 오사키
Original assignee: 엔디씨 가부시끼가이샤; 나까지마 다까오
Priority date: 1985-09-13
Filing date: 1986-09-13
Publication date: 1990-10-20
Also published as: DE3631029C2; AU605110B2; GB2182348B; KR870003223A; AU6260286A; GB8621417D0; US4789607A; GB2182348A; DE3631029A1

Abstract

내용 없음.

Description

알루미늄계 베어링합금 및 이를 소재로 한 베어링

제1도는 본 발명의 1실시예에 따른 베어링재료의 일부와 베어링장치의 회전축을 확대한 단면도.

제2도는 종래 3층구조의 베어링 재료의 윤활상태를 나타낸 확대단면도.

제3도는 종래 규소(Si)를 비교적 많이 함유한 2층구조의 베어링재료의 일부와 베어링장치의 회전축을 확대한 단면도.

제4도는 제3도에서 보여준 베어링 재료의 윤활상태를 나타낸 확대단면도.

제5도는 제1도에서 보여준 베어링재료의 윤활상태를 일부확대한 단면도.

제6도와 제7도는 제1도에서 보여준 베어링합금의 현미경 조직도.

제8도는 제3도에서 보여준 종래 베어링합금의 현미경 조직도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 베어링합금 1 : 베어링합금층의 표면

2 : 알루미늄매트릭스 3 : Sn-Pb합금석출물

3a : Sn-Pb합금의 액상물 4 : 규소석출물

4a : 선단부 5 : 회전축

6 : 이금(backing metal) 7 : 베어링합금층

8 : 베어링층 9 : 윤활유피막

10 : 알루미늄매트릭스 11 : 규소석출물

1la : 엣지부 12 : 간격

13 : 윤활유 피막

본 발명은 알루미늄(Al)베어링합금과 강판따위의 이금(裏金; backing metal)으로 구성된 2층구조의 알루미늄베어링재료에 관한 것으로, 특히 주석(Sn)과 납(Pb)뿐만 아니라 규소(Si)를 함유함과 더불어 알루미늄 매트릭스안에 규소가 석출되되, 규소석출물이 구상 혹은 이것에 가까운 형상으로 되며, 또한 규소석출물에 근접해 Sn-Pb입자들이 석출시켜져 자동차의 고속, 높은 부하운전상태하에서 내피로성이라던가 내소부성 및 내마모성을 향상시킬 수 있도록 된 알루미늄계 베어링함금과 이금으로 구성되는 베어링재료에 관한 것이다.

최근에는 자동차엔진이 소형화, 경량화. 연료질약화 및 고출력화 되어가는 추세이어서 베어링에 걸리는 하중이 증가할 뿐만 아니라 윤활유의 작동온도가 상승함에 따라 베어링의 사용조건이 짐점 더 까다로와져 왔다. 일반적으로, 베어링은 강판등으로 이루어진 이금의 표면에 베어링합금층이 피복되고, 이 베어링합금층위에 금속 피복 등에 의해 베어링층이 형성되는 3층구조를 가지고 있는 바, 이 3층구조의 베어링은 이금, 베어링합금층 및 금속피복 베어링층을 가지나 사용에 의해 베어링면이 고온으로됨에 따라 피로 또는 마모에 의해 타버리게 되는 소부(燒付)현상이 발생하는 등 사용상 문제가 많이 발생하고 있다.

따라서 최근에는 베어링표면에 금속피복등으로 베어링층을 형성하는 일이 거의 없고, 이금위에 형성된 베어링합금층에 의해 엔진회전축을 지지하는 2층구조의 베어링을 요구하고 있다. 그러나 이와 같이 2층구조의 베어링을 구성해도 상기 가혹한 사용조건에 적합한 알루미늄 베어링 합금 개발이 불충분하여 안전한 성능을 발휘하는 베어링을 얻을 수가 없다고 하는 문제점이 있다.

더욱이 표면에 금속피복에 의하여 형성된 베어링층을 가지는 3층 베어링에서는 일반적으로 중간의 베어링합금층이 JIS H 5402, AJ-1(10% Sn, 0.75% Cu, 0.5% Ni, Al잔이), 또는 JIS H 5402, AJ-2(6% Sn, 2.5% Cu, 1.0% Ni, Al잔여)등의 알루미늄 베어링합금과 SAE 780(6% Sn, 2% Si, 1% Cu, 0.5% Ni, 0.1% Ti, Al잔여)등의 알루미늄 베어링합금으로 만들어지는 바, 이는 주석(Sn) 함유량이 10-6%정도로 비교적 적고, 이로인해 베어링표면에 금속피복으로 Sn-Pb계 합금층을 형성하고 있다.

그러나, 최근의 높은 부하, 높은 온도의 사용조건하에서는 표면의 베어링층이 비교적 단시간에 마모해서 타버리는 소부현상이 발생하게 되어 사용에 견딜 수 없게 되고, 또 표면에 금슥피복의 베어링층이 갖춰지지 않은 2층 베어링에서는 그 베어링합금층이 예를 들면 SAE 783(20% Sn, 0.5% Si, 1.0% Ti, Al잔여)같이 주석함유량이 20%에 달하는 높은 알루미늄 합금으로서 이는 주석함량이 높기 때문에 경도가 낮아지고, 알루미늄매트릭스가 약화되어 높은 부하에 견디지 못하게 된다.

또한, 베어링합금층을 주석과 함께 납(Pb)을 첨가해서 윤활성을 증진시킴에 따라 내소부성을 지닌 베어링합금으로 구성하는 것이 고이찌 미즈노 저 1954년 일간 공업신문사발행 베어링합금 제139페이지에 기재되어 있는 바, 이 베어링합금은 10% Sn 1.5% Cu, 0.5% Si, 3% Pb를 함유하는데, 이는 어느정도 윤활성을 향상시킬 수 있지만 높은 부하에는 견딜 수 없었다.

이와 같이 알루미늄과는 거의 고용되지 않는 납을 첨가함과 동시에 납의 분산성 향상을 위해서 안티몬(Sb)을 첨가한 알루미늄합금이 일본 특허공고 제121,131/l977호에 기재되어 있고, 또한 알루미늄매트릭스강화와 주석(Sn)입자 조대화 방지를 위해 크롬(Cr)을 첨가한 알루미늄합금이 일본 특허공보 공고번호 제18,985/1983호에 기재되어 있는 바, 그러나 상기와 같은 알루미늄합금들은 통상의 운전 조건하에서 윤활성을 향상시킬 목적으로 개발되었기 때문에 통상의 운전조건과는 윤활메카니즘이 매우 다른 높은부하 운전조건하에서는 충분한 내피로성을 갖지 못하는 문제점이 있있다.

이에 높은 부하운전조건하의 윤활메카니즘에 적합한 것으로 주석을 함유한 알루미늄 합금층에 규소를, 예를 들어 11%이상에 달하는 많은 양을 첨가함과 더불어 조대하고 절삭력을 갖춘 규소를 분산 석출시킨 베어링함금이 제안되어 있기도 한 바, 이러한 베어링함금은 규소의 다량 첨가에 의해 주조성과 내크리프(creep)성을 지님과 동시에 단단한 규소 석출입자들에 의한 절삭력에 의해 대응회전축의 매끄럽지 못한 표면을 절삭하여 매끄러운 표면으로 만들어 줌과 더불어 베어링의 성능을 향상시키는 하나, 구상흑연주철 따위로 만들어진 회전축의 표면에는 연마가공때에 흑연입자가 탈락함에 따라 오목부주위에 형성된 버어 또는 엣지 같은 부위가 돌출하게 되고, 높은 부하조건에서 운전할시에는 베어링합금층의 표면이 회전축의 오목부와 돌출부에 의해 비정상적으로 마모되는 일이 발생된다.

그런데 규소를 분산 석출시킨 베어링합금은 단단한 규소의 석출입자에 의해 회전축 표면의 돌출부가 절삭되고, 그에따라 이상마찰과 소부현상이 일어나지 않기는 하나, 규소석출물로써 상대회전축 표면을 절삭하고 내소부성을 향상시키기 위해서는 규소를 11% 이상 다량 첨가할 필요가 있으나, 이는 조대한 규소입자가 석출되기 때문에 오히려 회전축 표면에 손상을 입히는 일이 많을 뿐만 아니라 소부 현상이 발생하고 합금의연성이 부족하기 때문에 절삭 또는 가공성이 나빠진다고 하는 문제가 있다.

이러한 문제점에서 규소의 함유량은 11%보다 작게, 특히 0.2-5%로 감소시킨 베어링합금이 일본특허공고 제6,955/1983호에 기재되어 있는 바, 이러한 베어링합금은 높은 부하운전하에서 상기 규소 석출물의 절삭력에 의한 비소부성의 향상이 달성될 수 없어, 그 개선책이 강구되고 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 고부하운전상태하에서도 효과적으로 강성이 유지되면서도 윤활효과가 우수한 알루미늄에 베어링합금을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알루미늄 베어링재료 합금은,3-35% Sn과 0.5-10% Si, 0.1-10% Pb를 함유함과 동시에 0.01-0.3% Sr 혹은 0.01-0.3 Sb중 적어도 하나를 포함하면서 잔여분은 Al으로 구성되어 알루미늄매트릭스중에 상기 규소의 적어도 일부가 구상 또는 타원형 또는 선단부가 둥근형상으로 이루어진 규소 석출물로서 분산되게 석출됨과 더불어 주석과 압이 Sn-Pb합금 석출물로 상기 규소석출물에 인접되게 석출되도록 하고, 또한 알루미늄 베어링재료 합금이 Cu, Mg, Zn, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Mo, Sb, Ti, V, Zr중 하나 혹은 2이상의 합금원소가 전체중량의 0.1-4%정도 함유하도록 되어 있다.

이하 본 발명의 구성 및 작용효과를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 베어링합금(1)은 3-35% Sn, 0.1-10% Pb와 0.5-10% Si를 함유하고, 잔여분은 Al으로 구성되는 바, 이러한 합금은 알루미늄이 주성분인 알루미늄매트릭스(2)(이하 알루미늄매트릭스라함)에 주석과 납을 합금화 하여 Sn-Pb합금 석출물(3)로서 석출되고, 이에 부가적으로 규소 일부 또는 전부를 규소 석출입자(4)로 구상 또는 거의 구상형상 또는 선단부가 둥근형상으로 석출되도록 되어 있다.

따라서 이러한 구조로 된 베어링 합금의 표면에 의하여 지지되는 회전축(5)은, 거의가 구상의 규소 석출물(4)의 선단부(4a)에 의하여 실질적으로 지지되고, 이러한 지지동작은 이상적인 점접촉으로 이루어지게 되어 윤활성을 향상시키는 동시에 내마모성을 향상시켜 표면온도의 상승을 방지하게 됨과 더블어 규소 석출물(4)이 구상화시켜짐에 따라 알루미늄매트릭스(2)의 인성(toughness)을 향상시키게 된다.

또한 고온상태하에서 내피로성을 향상시키기 위하여 고융점 합금 원소인 크롬, 코발트, 니켈등을 첨가함으로써, 고온강도를 높여 고온에서 재료의 강도가 떨어지는 것을 방지하는 것을 생각할 수 있으나, 상기와 같은 고융점 합금원소를 첨가하면 합금의 강도는 증가하지만, 취약하게 되므로 오히려 인성이 감소하게 되고, 이에 따라 충격치와 연신률이 저하하게 된다.

이런 문제를 해결하기 위해서 본 발명에서는 주석과 납 뿐만 아니라 규소를 첨가한 함금에 스트론튬(Sr)또는 안티몬(Sb)중 적어도 한 가지를 첨가하고, 첨가한 스트롬튬 또는 안티몬에 의해 응고시의 알루미늄합금의 액상이 조절되어 규소 석출물의 구상화를 꾀하고, 이를 통상의 열처리 조건하에서 규소 석출의 구상화를 높여줌으로써 Al-Sn매트릭스의 인장강도와 연신률 및 충격강도를 향상시킬 수 있다.

이를 좀 더 상세히 설명하면, 재료의 내피로강도라는 것은 인장강도, 연신률, 충격강도 및 재료의 구조에 기인하는 것으로, 종래 경우와 같이 단순히 고융점원소를 첨가하는 것만으로는 해결할 수 없는 바, 이점에 대해서 본 발명자들을 0.01-0.03% Sr 또는 0.01-0.3% Sb를 첨가하면 규소 석출물이 구상화되어 마치 구상흑연주철이 편상흑연주철에 비해서 기계적 특성이 대폭 향상되는 것과 같이 알루미늄매트릭스의 인장강도, 연신률 및 충격강도등의 기계적 특성이 대폭 향상됨을 알게 되었다.

일반적으로 마찰동작을 받게 되는 재료가 타는(소부)현상은 복잡한 과정과 많은 조건이 상대적으로 작용하여 발생하기 때문에 이를 간단하게 파악하기에는 많은 어려움이 있기는 하나, 그러나 표면에 Pb-Sn합금의 금속피복으로 배어링층을 형성한 3층구조의 베어링재료에서는 고온, 고하중상태에서 베어링층이 마모되고 타버리는 소부현상이 쉽게 발생하게 되는 반면에 알루미늄 합금에 규소를 비교적 많이 함유한 베어링합금일지라도 표면에 금속피복 베어링층이 형성되어 있지 않은 2층베어링 재료라도 소부현상이 쉽게 밭생되지않는 것이기 때문에 본 발명자들은 이러한 사실에 주목하여 베어링 재료를 구조적으로 비교 검토하였다.

제2도는 종래 3층구조의 베어링재료를 일부 확대단면도로서 보여주고 있는데, 이는 강판따위로 만들어진 이금(6)과 상기 이금(6)위에 형성된 베어링합금층(7) 및 그 베어링합금층(7)위에 금속피복에 의해 형성된 베어링층(8)으로 구성되어 있음을 보여주고 있다.

또 제3도는 규소를 비교적 많이 함유한 종래 2층 베어링재료를 일부 확대단면도로서 보여 주고 있는바, 이는 강판으로 만들어진 이금(6)과 알루미늄 베어링합금의 알루미늄매트릭스(10)로 구성되면서 금속피복에 의한 베어링층이 갖춰져 있지 않는다. 이로 인해 제2도에 도시된 3층 베어링재료에서는 회전축(5)의 부하가 금슥피복 베어링층(8)의 전 표면에 의하여 지지되어짐으로써 회전축(5)과 베어링층(8) 사이에는 윤활유피막(9)이 존재하고, 윤활유피막(9)을 매개로 회전축(5)이 면접촉에 의해 지지되어 진다.

이에 반하여 제3도에 도시된 2층베어링재료에서는 베어링합금층(10)안에 규소가 석출되, 이 규소 석출물(11)이 봉상 또는 편상으로 석출되어 이러한 규소 석출물(11)에 회전축(5)의 하중이 지탱되게 된다.

즉, 제2도의 3층 베어링재료는 축하중이 면접촉에 의하여 지지됨으로 해서 고속, 고부하조건하에서 마찰면의 온도가 급속하게 상승하여, 예를 들면 Sn-Pb합금의 베어링층(8)이 쉽게 마모되고, 이런 경우 만약 베어링합금층(7)의 윤활특성이 베어링층(8)보다 열화될 때에는 윤활특성이 급속하게 감소하여 소부현상이 발생한다. 이에 반해, 제3도의 2층 베어링재료에서는 축하중이 규소 석출물(11)의 엣지부(1la)에 의해 점접촉으로 지지되어 베어링합금층의 알루미늄매트릭스(10)의 표면과 회전축(5)표면과의 사이에 간격(12)이 형성됨과 동시에 이 간격(12)내에 윤활유피막이 존재하게 되고, 이 윤활유피막이 상기 간격(12)에 의해 보호 지지되면서 마칠면의 온도상승이 억제된다.

이상과 같이 제3도에서 보여준 2층베어링재료와 같이 베어링합금층의 알루미늄매트릭스(l0)에서 규소 석출물(11)을 석출시키면 점접촉에 의하여 축하중이 지지될 수 있는 바, 그러나 이러한 구조는 규소 석출물(11)이 편상 또는 봉상임과 동시에 엣지부(1la)를 가짐으로 해서 이 엣지부(1la)에 의하여 회전축(15)의 표면이 오히려 손상을 입게되어 소부현상을 일으키기 쉽게 되고 또한 만일 규소 석출물이 많다면 가공성이 저하되게 되어 바람직하지 못하다.

특히 규소(Si)는 융점이 높은 안정한 물질일 뿐만 아니라 비금속적 성질이 강하여, 지지된 회전축의 표면재료에 200℃-500℃ 정도의 고온상태로써 제3도에 도시된 바와 같은 베어링재료가 접촉하여도 철(Fe)과 반응하거나 확산 또는 용해되지도 않게 되고, 이 때문에 회전축의 하중이 상술한 바와 같이 규소 석출물에 의해서 지지될 수 있게 되며, 또한 규소석출물은 빅커스경도로 599가 될 만큼 견고 하고 그 이규소석출물은대개 규소만으로된 화합물이 아니어서 부서짐이 없을 뿐만 아니라 탄성이 풍부하여 윤활 유피막을 매개하여 회전축을 지지할 경우 회전축에 급격한 변동하중이 걸리더라도 견딜 수 있게 되어 제3도에 도시된 바와 같은 베어링재료는 다른 베어링재료, 예를 들면 제2도에 도시된 베어링재료에 비교하여 보면, 높은 온도, 높은 부하조건에서 성능이 뛰어남을 알 수 있다.

그런데 규소가 상기한 성질을 갖고 있음에도 불구하고 결정성이 강하여 알루미늄과의 공정석출형태에서도 판상 또는 봉상을 갖추고 있어, 베어링의 제조과정에서 압연과 열처리공정을 거쳐도 그 형상이 약간 변할정도이다.

그러므로, 만일 규소입자의 석출형태의 제어를 행하지 않을 경우 알루미늄매트릭스(10)중에 판상 혹은 봉상의 규소 석출물(l1)이 그대로 석출되고, 납과 주석을 함유할 때에는 Sn-Pb합금석출물(3)이 석출되는바, 여기서 규소 석출물(11)이 판상 또는 봉상등으로 형성되어 있다면 Sn-Pb합금석출물(3)이 규소석출물(11)로부터 소정거리로 떨어져 분포되게 되고, 이런 경우 회전축(5)의 표면이 단단한 규소 석출물(11)의 엣지부(1la)에 의하여 손상을 입게되어 절삭작업시 소부현상이 발생하게 된다.

이에 따라 본 발명은 규소를 석출시킴으로써 규소석출물의 윤활성을 이용하지만 규소 석출물이 회전축을 절삭하게 되는 현상을 제거하기 의해 규소석출물의 형상을 둥근형상, 예를 들면 구상등이 되도록 제어하고, 그와 동시에 Sn-Pb합금 석출물들을 알루미늄매트릭스(2)중에 분산석출시키는 바, 즉 규소석출믈(4)의 형상을 Sr 또는 Sb의 첨가에 의하여 구상화시키고 이에 따라 회전축(5)이 구상의 규소 석출물(4)에 의하여 점접 촉 지지되면서 고속 또는 급격한 과부하에 걸려도 회전축(5)의 표면이 손상되지 않도록 되어 있다.

또한 규소 석출물(4)이 알루미늄매트릭스(2)중에 구상으로 존재하고 있기때문에 절결효과가 발생하지 않고, 그에따라 기계적인 강도가 안정한 베어링매트릭스를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 내마모성이 뛰어나다.

즉 상기와 같은 규소 석출물(4)의 구상화작업은 규소가 석출하는 공정점에서 알루이늄합금의 액상의 성질을 개선함에 따라 이룰 수 있는 바, 특히 알루미늄액상의 성질개선효과는 0.01-0.3% Sr 또는 0.01-0.03% Sb중에 적어도 1가지를 첨가함으로써 얻을 수 있고 나아가 스트롬튬(Sr) 또는 안티몬(Sb)을 상기 범위내에서 첨가하면 규소 석출물(4)의 분산성이 개선됨과 동시에 규소 석출물(4)의 구상화를 얻을 수 있으며, 또한 Sn-Sb합금 석출물(3)의 석출형태가 변화하여 제1도 및 제5도에 도시된 바와 같이 Sn-Pb합금석출물(3)이 규소의 구상석출물(4)에 보다 인접해서 석출되게 된다.

제5도는 제1도에 도시된 바와 같은 구조를 가지는 베어링재료 표면의 베어링합금층의 확대단면도로서 회전축(5)의 축하중은 알루이늄매트릭스(2)의 표면으로부터 돌출된 규소 석출물(4)의 선단부(4a)에 의하여 지지되며, 또한 베어링합금층(1)의 표면(la)과 회전축(5)(제1도 참조) 사이 간격(12)에 윤활유의 피막(13)이 존재하게 되고, 그에따라 유체윤활이 유지되어 진다. 또, Sn-Pb합금석출물(3)이 규소 석출물(4)의 근방에 존재하게 되는 바, 이는 윤활유의 피막(13)이 윤활유와 친화성이 강하기 때문에, 석출입자(4)의 선단부(4a)에서 윤활유피막의 파손이 발생하기 어려울 뿐만 아니라, 회전축(5)과 규소 석출물(4)과의 마찰에서 규소 석출물(4)고온으로 상승되어도 Sn-Pb합금석출물(3)의 용해열로 열흡수되어 근방이 알루미늄매트릭스와 회전축과의 사이에서 소부현상이 발생하기 어렵게 된다.

또한 제5도에 도시된 바와 같이 규소석출물(4)에 인접하는 Sn-Pb합금석출물(3)이 적어도 일부가 액상으로 되어 이 액상 Sn-Pb 석출물(3a)이 규소석출물(4)의 선단부(4a)상에 공급되어 윤활상태를 보존하게되는 바, 이때 공급된 액상 Sn-Pb석출물(3a)의 양은 경계유활하에서 온도상승과 함께 증가하고, 규소석출물(4)의 선단부(4a)의 표면에는 항상 액상Sn-Pg석출물(3a)이 존재하여 윤활이 보조된 금속끼리의 융착을 미연에 방지할 수 있다.

요컨데, 규소석출물(4) 이 구상화하고, Sn-Pb합금 석출물(3) 이 규소석출물(4) 과 인접 하는 구조는 경계윤활상태(즉, 피막이 떨어진 상태)에서 매우 유효한 것으로 보통의 유체상태에서도 단단한 규소석출물(4)이 회전축(5)에 적절하게 지지되고, 규소석출물(4)이 쇼크충격제로써 작용하는 부드러운 Sn-Pb입자에 인접되어 있다.

이상과 같은 베어링합금층의 표면성능을 개선하는 외에 고온에서 매트릭스의 기계적강도를 재는 것이 바람직하며, 특히 알루미늄매트릭스의 주성분인 알루이늄은 고온에서 약하고, 150℃를 넘는 온도일 때에는 연화해버려, (HV 10 또는 그 이하로 떨어짐)기계적인 강도를 잃기 때문에 석출경화형의 매트릭스강화원소로서 Cu, Mg, Zn, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Ti, V, Zn등을 첨가한다.

만약 이들의 강화원소중 하나 또는 그 이상을 선택하여 적절한 열처리를 행한다면은 고온에서 기계적강도를 더욱 상승시킬 수 있는데, 이들 첨가요소의 전체중량은 0. 1-4%가 적절하고, 상기 원소가 상기 범위내로 가해질 때 상기 원소들은 베어링에 내피로성을 부가하게 되며, 그 이상의 범위로 첨가되어지면 오히려 석출물이 조대화해지고, 인성을 열화시켜 버린다.

이와 같은 구성의 베어링합금층에 대한 그 성분의 한정 이유를 설명하면 다음과 같다.

(1) Sn 3∼35%

주석(Sn)은 알루미늄매트릭스에 분산되어 존재하여 베어링재료의 기본적 특성인 내소부성을 부여하며, 납(Pb) 또한 베어링표면에 먼지, 오물등과 같은 장애물을 혼입시켜 제거하는 특성을 부여하여 베어링표면과 회전축 사이에서 윤활특성을 개선시킨다.

부가적으로 납과 합금화하여 Sn-Pb합금석출물로써 상기와 같은 효과를 이룰 수 있으나, 3%이하일 때에는 내소부성과, 본 발명의 스트론튬 또는 안티몬의 첨가작용인 규소석출물의 근방에 Sn-Pb석출물이 인접해서 상기와 같은 효과를 얻지 못하고, 35%이상일 때에는 알루미늄매트릭스를 강화시키는 원소를 첨가하여도 오히려 알루미늄매트릭스의 강도가 약화된다.

(2) Pb 0.1∼10%

납(Pb)는 내소부성, 흡착성, 근접성을 향상시켜 친유성 및 비융착성을 향상시키지만 주석(Sn)과 합금화해서 상기와 같은 효과를 이루기 위해 Sn-Pb합금석출물로써 석출하고, 이에 따라 윤활특성이 비약적으로 향상된다.

납의 양은 주석의 양과 관련하여 결정되어야 하지만, 주석이 3%일때, 적어도 납은 0.1%가 필요하나, 10%이상이 첨가되면 주석과 고용하지 않고 납이 단독으로 석출된다.

이런 경우에 있어서 납은 알루미늄과 고용되지 않아 납을 균일하게 분산시켜 얻기가 사실상 불가능하다.

(3) Si 0.5∼0%

규소(Si)는 상기한 바와 같이 규소석출물로서 석출되고, 내소부성, 내하중성, 내마모성을 부여하는 중요한 원소이나, 규소의 함량이 0.5%이하일때는 규소석출물의 구상화에 기인하여 합금의 기계적 성질의 향상 또는 윤활특성의 개선을 기대할 수 없으며, 규소의 함량이 10%이상일 때에는 스트론튬 또는 안티몬 등에 의하여 규소석출물을 구상화하기가 어렵고, 구상화하여도 오히려 조대한 판상 또는 봉상의 석출입자가 증가하게 된다.

이러한 경우에는 알루미늄경도가 증가하여 연성과 가공성을 잃게되며, 베어링합금의 극단적인 경화에 의해 베어링재료의 가공성이 저해될 뿐만 아니라 내피로성이 저해된다.

(4) Cu, Mg, Zn, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Ti, V, Zr중 하나 또는 그 이상의 원소가 전체중량의 0.1∼4%

구리(Cu), 마그네슘(Mg) 및 아연(Zn)은 알루미늄매트릭스를 강화하는 기본적인 원소로서, 열처리를 적절하게 행하면 그 효과를 얻을 수 있다. 만약 상기 원소들의 함량이 1. 0%이하이라면, 첨가효과를 얻을 수 없으며, 상기 원소들의 함량이 4% 이상이라면 알루미늄과 화합물을 형성하여 오히려 재료의 연성을 저해한다.

크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄(Ti) 바나듐(V) 및 지르코늄(Zr)등은 알루미늄과 화합물을 형성하고, 알루미늄매트릭스의 경도와 기계적 강도는 소량의 첨가에 의하여 증가사킬 수 있으며, 이러한 원소는 Cu, Mg 및 Zn의 일부로 치환할 수 있다.

또한, 적량을 첨가함에 따라 내피로성, 내마모성과 고온에서의 강도를 향상시킬 수 있으며, 이를 첨가원소의 적당한 양은 구리, 마그네슘 및 아연이 0.3∼3%일때 0 .01-1.0%이고, 만일 1%이상일 경우에는 화합물의 크기가 커지게 되어 합금의 기계적강도가 오히려 줄어든다.

(5) Sc 0.01∼0.3% 또는 Sb 0.01∼0.3%

스트론튬(Sr) 또는 안티몬(Sb)은 규소(Si)를 구상, 타원 또는 선단이 둥그스름한 형의 석출물로서 분산석출시키고, 이 효과는 이들 원소중 하나의 원소를 첨가할 때 효과를 얻을 수 있지만, 상기 2원소를 모두첨가할 때에는 더 많은 효과를 얻을 수 있다. 이 효과를 얻기 위해서는 스트론튬이 0.01∼0.3%이거나 안티몬이 0.01∼0.3%일때 가장 바람직하고, 스트론튬 또는 안티몬이 0.01%이하일때는 규소석출몰의 형상에 아무런 영향을 주지 않으며, 반대로 스트론튬 또는 안티몬이 3%이상으로 첨가되어 질 때는 규소석출물의 구상화를 더이상 얻을 수 없다. 게다가 아티몬은 주석내에 화합물로서 석출하여 규소석출물 형상의 안티몬은 주석내에 화합물로서 석출하여 규소석출물 형상의 개선에 유용하지 않고, 스트론튬의 함량이 3%이상일때에는 주조시에 가스흡수를 일으키는 자리가 발생하게 된다.

이하 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

실시예 1

표 1에 도시된 조성의 알루미늄베어링합금은 연속주조에 의해 20mm두께의 판재로 형성시켜 각각 주조된 빌렛의 상면과 하면을 0.1mm잘라내고 냉각압연으로 2mm두께로 만든 다음, 이를 300∼350℃로 가열한 후 냉각시켜 베어링합금층을 얻고, 이때 베어링합금층을 얇은 알루미늄판을 매개로 기본부재인 강판과 결합시켜 프레스하여 이금(backing metal)과 베어링합금층의 2층구조를 가지는 1.50mm두께의 베어링재료를 얻는다. 이때 상기 얇은 알루미늄판은 강판과 베어링합금을 결합시키기 위해 사용되는 것으로, 알루미늄판 대신에 이금의 표면에다 얇은 니켈코팅층을 형성시켜 사용할 수 있다.

표 1에 기재된 베어링 샘플중 No.1∼No.5는 스트론튬을 함유하지 않은 종래 비교샘플로서 샘플 No.4는 안티몬이 0.8%정도로 많이 함유되어 있는 것이고, 샘플 No.6∼No.49는 본 발명에 따른 것으로서, 샘플중 No.19, No.20, No.27, No.31 및 No.33은 규소석출물의 구상화를 위한 것으로 스트론튬(Sr)과 안티몬(Sb)모두가 함유되어 있는 것이며, 샘플 No.35∼No.49는 안티몬만이 함유되어 구상화된 것이다. 샘플 No.7∼No.21는 구리(Cu), 마그네슘(Mg) 및 아연(Zn)을 더 첨가한 것이고, 샘플 No. 13∼No.19는 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 고발트(Co), 니컬(Ni), 몰리브덴(Mo) 및 안티몬(Sb)을 각각 함유시킨 것인데, 이러한 원소들은 샘플 No.6의 조성에 첨가한 것이며, 결정입미세화를 위하여 티타늄(Ti)을 소량 함유시킨 것이다.

샘플 No.20∼No.34는 이러한 각각 합금요소들을 적절하게 맞춰서 함유시킨 것이고, 샘플 No.35∼No.41은 규소석출물을 구상화시키기 위하여 안티몬(Sb)을 함유시킨 것일 뿐만 아니라 알루이늄매트릭스의 기계적 강도를 높히기 위하여 구리(Cu)를 함유시킨 것이다. 이러한 샘플들은 또한 크롬, 망간, 철, 코발트 및 니켈들을 각각 함유시킴과 동시에, 결정입미세화를 위하여 소량의 티타늄을 함유시킨 샘플 No.43∼No.49는 이러한 첨가원소들을 적절하게 조화시켜 함유시킨 것이다.

이러한 샘플들은 작동온도조건으로써 상온 및 200℃에서의 기계적 성질을 시험하기 위하여 인장강도, 연신률 및 강도시험을 거친 것으로서, 그 결과는 표 2에 도시되어 있다. 상기 시험을 위하여 각 샘플은 이금을 기계가공으로 분리하여 알루미늄베어링합금층만으로 시험하였으며, 시험편의 형상은 JIS Z 2201의 5호에 의거하였다.

표 2의 결과로부터 샘플 No.6∼No.49는 비교샘플에 비교하여 보면 고온(200℃)에서 기계적 성질이 떨어지고 있는 바, 이는 스트론튬과 안티몬에 기인한 규소석출물의 구상화 때문에 기계적강도와 연신률이 개선되고 있음을 보여 주고 있다.

다음은 마찰 및 연마기를 이용하여 샘플의 내소부성과 내마모성을 시험한 것으로 시험조건은 다음과 같다.

마찰속도 : 4m/sec

상대재료 : S45C, 경도 H, C=55

표면조도 0.8-1.0 S

사용된 윤활유 : SAE, 20W-40

윤활유 온도 : 150±5℃

소부하중 : l00kg/cm²부터 l0kg/cm²단위로 매 15분마다 표면압력을 증가시킨 것인데, 소부하중은 소부현상일 발생되는 표면압력이다.

내마모성 : 100kg/cm²하중에서 6시간동안 실시하여 중량변화를 측정한 것이다.

[표1]

샘플성분

[표2]

샘플의 기계적성능 및 베어링성능

상기와 같은 샘플의 시험결과는 표 2에 도시되어져 있는 바, 샘플 No.6-No.49는 본 발명에 따른 샘플로서 비교샘플에 비교하여 내소부성과 내마모성이 향상된 것을 나타내고 있고, 또한 스트론튬 및 알루미늄매트릭스 강화원소에 의하여 표면특성도 향상되고 있음을 보여주고 있어 즉 본 발명에 따른 합금이 뛰어난 윤활기능을 가지고 있음을 보여주고 있다.

다음에는 각 샘플을 베어링형상으로 가공하여 최종적인 베어링의 피로테스트를 행하였으며, 그 결과가 표 2에 도시되어져 있다. 이 피로테스트에 있어서 실제 엔진과 같은 조건으로 베어링을 컨넥팅로드에 연결하고, 회전축에 편심하중을 적용하여 다음 조건하에서 테스트를 실시하여 오랜시간동안, 즉 소부현상과 파손없이 그 성능을 유지한 동안 테스트한 것이다.

표면 압력 : 600kgf/cm²

회전수 : 4,000r.p.m

상대재료 : FCE 70 조도 0.8-10.5S

사용된 윤활유 : SAE 20W-40

윤활유 온도 : 150℃±5℃

상기 테스트시간의 상한은 300시간으로 정하고, N=5의 평균치를 표 2에 나타내었는 바, 본 발명에 따른 샘플들은 비교샘플과 비교하여 긴 내구시간을 지님을 알 수 있어 본 발명에 따른 베어링합금이 뛰어난 내피로성을 갖고 있음을 나타내고 있다.

샘플 No.7은 비교샘플 No.2의 합금조성에 스트론튬을 0.03% 첨가하여 얻은 것이고, 이 경우에 있어서 규소석출물은 제6도에서 보여주고 있으며, 안티몬 0.03%를 함유하는 샘플 No.36의 규소소석출물은 제7도에서 보여주고 있고, 비교샘플 No.2의 규소석출물은 제8도에서 보여주고 있다. 제6도-제8도는 각 베어링합금의 현미경조직을 나타낸 사진이고, 각 샘플의 현미경사진은 규소석출물의 형상을 볼 수 있도록 깊게 엣칭하있으며, 제6도 및 제7도에 도시된 바와 같이 스트론튬과 안티몬의 함유하는 샘플들은 구상 또는 둥그런 형상을 가지고 있고, Sn-Pb합금석출물(3)들은 규소석출물의 주변에서 석출되어지고 있다. 제8도는 비교생플을 보여주고 있는데, 이는 규소석출물(11)이 봉상 또는 편상으로 되어 있음과 동시에 규소석출물과 떨어져 Sn-Pb합금석출물(3)이 석출하고 있다.

실시예 2

스트론튬을 함유하는 샘플 No.34와 안티몬을 함유하는 샘플 No.49은 표 1에 도시된 비교샘플 No.5(스트론튬과 안티몬을 함유하지 않음)에 대해 충격치를 테스트하였다.

이 테스트는 JIS Z 2242에 게재된 샤르피충격시험방법에 따라 No. 3시험편(n=5)을 작성해서 실행하였다.

그 결과 비교샘플 No.5는 평균치가 0.84kg m/cm2이었고, No.34는 평균치가 3.12kg m/cm²이었으며, No.49는 평균치가 3.20kg. m/cm²로서 본 발명에 따라 스트론튬(Sr)과 안티몬(Sb)이 합유된 베어링합금이 충격강도에 대해서도 개선된 효과가 있음을 알 수 있었다.

실시예 3

표 3은 본 발명에 따른 샘플을 보여주고 있는데, 이 샘플들의 성분들은 본 발명의 실시예에 따른 각 합금원소의 첨가량에 대해 상부와 하부의 한계량을 함유한 것을 사용한 것이다.

각 샘플로부터 주조된 빌렛은 실시예 1과 같은 방법에 의하여 주조하였으며, 상기와 같이 주조된 빌렛은 베어링재료를 얻기 위하여 이금과 결합시켜 압착하였다.

본 발명의 효과를 확인하기 위하여 스트론튬과 안티몬을 함유하지 않은 비교샘플들을 만들었으며, 본 발명에 따른 효과를 현미경을 사용하여 관찰하였다.

본 발명에 따라 스트론튬과 안티몬을 함유한 샘플들은 모두 규소석출물이 구형에 가깝게 둥근형상을 이루고 있고, Sn-Pb합금석출물들은 규소석출물과 인접하여 석출됨을 알수 있으며, 본 발명의 효과는 본 발명에 따른 함량범위내에서 얻을 수 있다. 이 실시예에 있어서는 구리(Cu)를 대표적인 원소로서 사용하였다.

[표3]

Claims

3-35중량% Sn과 ; 0.5-10중량% Si, 0.1-10중량% Pb ; Cu, Mg, Zn,Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Mo, Ti, V, Zr중 1가지이상으로 된 소량의 합금원소 및 ; 0.01-0.3중량% Sr 또는 0.01-0.3중량% Sb중 적어도 1가지를 함유하면서 나머지가 알루미늄으로 이루어진 조성으로 되어, 상기 알루미늄을 실질적으로 구성하는 알루미늄매트릭스(2)중에는 상기 규소의 적어도 일부가 규소석출물(4)로써 분산석출되되, 이 규소석출물(4)이 구상이나 타원형 또는 선단부(4a)가 둥근형상으로 분산석출되고, 주석과 납이 Sn-Pb합금석출물(3)로써 상기 규소석출물(4)에 인접하여 석출되도록 된 것을 특징으로 하는 알루미늄계베어링합금.
제1항에 있어서, 상기 소량의 합금원소가, 구리, 마그네슘, 아연, 크롬, 망간, 철, 니켈, 몰리브덴, 티타늄, 바나듐 및 지르코늄중 적어도 1가지를 0.1-4중량%로 함유하도록 된 것을 특징으로 하는 알루미늄계베어링합금.
제1항에 있어서, 상기 소량의 합금원소가 구리, 마그네슘 및 아연중 적어도 1가지를 0.3-3중량%로 함유하도록 된 것을 특징으로 하는 알루미늄계베어링합금.
제1항에 있어서, 상기 소량의 합금원소가 구리, 마그네슘 및 아연중 적어도 1가지를 0.3-3중량%로 함유함과 동시에 크롬, 망간, 아연, 니켈, 코발트, 몰리브덴, 티타늄, 바나듐 및 지르코늄중 적어도 1가지를 0.01-1.0중량%로 함유하도록 된 것을 특징으로 하는 알루미늄계베어링합금.
제1항 내지 제4항에 따른 베어링합금에 강판등으로 된 이금(6)이 압착시켜져 만들어진 알루미늄계베어링.