KR960000990B1 - 오버레이(Overlay)를 가지는 구리-납계 합금 복합 베어링 - Google Patents

오버레이(Overlay)를 가지는 구리-납계 합금 복합 베어링 Download PDF

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고이찌 야마모또
겐지 사까이
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이이지마 요시오
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Abstract

내용 없음.

Description

오버레이(Overlay)를 가지는 구리-납계 합금 복합 베어링
제1도는 이면금속(裏金 backing metal), 베어링합금층 및 오버레이의 3층으로 이루어지고, 그의 단면이 반원형 형상인, 본 발명의 실시형태에 따른 베어링 구조의 일예를 나타낸 도면이고,
제2도는 제1도에 도시한 베어링의 양 표면에 최외표면 도금이 된 본 발명의 베어링의 일예를 나타낸 도면이고,
제3도는 베어링 합금의 피로시험결과를 나타낸 도면이고,
제4도는 오버레이중의 Sn의 화산 상태를 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 이면금속 2 : 구리-납계 베어링 합금층
3 : 오버레이층 4 : 도금피막
본 발명은 최근의 내연기관의 고출력화에 따라 요구되는 고하중용 베어링재료에 관한 것이다.
일반적으로 내연기관에 사용되고 있는 종래의 구리-납 베어링합금재료는 Cu-Pb계, Cu-Sn-Pb계 합금으로 이루어지고, 그 합금의 표면에 Pb-Sn합금, Pb-Sn-Cu합금, Pb-Sn-In합금등의 오버레이(표면층)가 설치되어 있다. 특히, 합금과 오버레이의 사이에, 오버레이중의 Sn 혹은 In이 합금중에 확산되는 것을 방지하는 Ni등으로 이루어지는 중간층(배리어층)을 설치한 구리-납 베어링 합금재료가 있다. 또, 본원에 상응하는, 일본에서의 병행특허출원 당시 공고되지 않았던, 일본국 특허출원 평2-333283호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 오버레이 없이 원통형 부쉬(bush)의 내마모성을 향상시키는 것을 기도하여 1∼20중량%의 Ni-B화합물을 구리합금에 첨가한 소결구리합금층을 가지는 슬라이딩부재도 있다.
종래, 구리-납 베어링합금과, 그 표면에 설치되는 오버레이와의 사이에는 오버레이중의 Sn, 인듐등의 확산을 방지하기 위하여 배리어-Ni층(확산 방지층)이 설치되어 있다. 그러나, 배리어-Ni층이 존재하는 경우에는, 슬라이딩시에 상대부재인 축과 접촉되어 오버레이가 마멸되어 버리면, 비소착(非燒着)성이 나쁜 배리어-Ni층이 나타나 슬라이딩 상대부재힌 축과의 사이에서 소착(燒着)이 생기기 쉬운 결점이 있고, 또 배리어층을 설치한 분만큼 제조비용이 높아진다. 다른 한편, 배리어-Ni층이 존재하지 않는 경우에는 오버레이중의 Sn, 인듐등의 성분이 구리-납 합금중으로 확산되어 오버레이의 강도, 내부식성의 저하를 야기한다는 문제가 있다.
최근에 있어서의 엔진의 고출력화 ·고성능화에 수반하여 종래의 Cu-Sn-Pb계 합금재료 보다더 높은 강도를 가지며 내피로성, 내마모성이 우수한 베어링합금재료가 점점 더 증가하여 요구되고 있다.
그런데 엔진베어링재료로서 알려져 있는 납-청동 합금의 강도 및 내피로성을 향상시키기 위해서는, Sn량을 증가시키는 한편, Pb량을 감소시키면 되고, 오버레이에 함유된 Sn이 납-청동합금에 확산되는 것도 억제되나, 다른 한편으로는 Sn량의 중가에 기인하여 납-청동합금의 열전도율이 현저하게 저하되고, 또한 Pb량의 감소에 의해 베어링재료로서의 비소착성, 이물질의 매립성(이하, “매립성”이라 한다)이 저하되는 결점이 있다.
본 발명은 상기 종래의 베어링합금의 결점을 해소하고, 슬라이딩재료로서의 내피로싱, 비소착성이 우수함과 동시에, 우수한 매립성을 가지고, 구리-납 합금과 오버레이 사이에 비소착성을 악화시키는 Ni중간층이 없어도 오버레이중의 Sn, 인듐등의 성분피 확산 및 진입하는 것이 어려운 구리-납 합금 베어링재료를 제공 하는 것을 주목적으로 한다.
이 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시형태에 의하면 이하의 구리-납 합금 베어링이 제공된다.
이면금속, 그 이면금속상의 구리-납계 베어링합금층 및 그 베어링합금층상의 주석함유 납합금 오버레이3층으로 이루어진 복합 베어링으로서, 구리-납계 베어링합금이 2∼10중량%의 Ni, 0.05∼1,0중량%의 B(붕소)를 함유한다. 이 조성의 구리-납계 베어링합금을 사용하면 오버레이 납 합금에 함유되는 주석이 구리-납계 베어링합금중으로 화산되는 것이 효과적으로 억제된다. 이 경우, 상기 구리-납계 베어링합금의 경도는 HV80을 초과하는 것이 필요하다.
구리-납계 베어링합금으로서의 적합한 예는 Sn 0.5-8중량%, Pb 15-30중량%, p(인) 0.2중량% 이하, Ni 2~10중량%, B(붕소) 0.05-1,0중량%, 잔부로서의 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어진 합금이다.
오버레이를 형성하는 주석함유 납 합금으로서는 Sn 3∼18중량%와, 잔부로서의 Pb 및 불가피한 불순물로 이루어진 합금 및 Sn 3∼18중량%와, 그리고 15중량% 이하의 In 및 5중량% 이하의 Cu중 적어도 1종과, 잔부로서의 Pb 및 불가피한 불순물로 이루어진 합금이 적합하게 사용된다.
이면금속으로서는 강판, 또는 베어링합금충이 형성된 표면에 동도금이 실시된 강판이 사용된다.
베어링의 내부식성을 향상시키기 위하여, 구리-납 합금 베어링의 내외표면 즉, 오버레이 및 이면금속의 각 표면에 주석, 납 또는 이들의 합금도금을 실시하는 것이 효과적이다. 각 도금충의 막두께는 3㎛이하로 하는 것이 권장된다.
본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 주석함유 납 합금 오버레이층과 조합하여 적절하게 사용될 수 있는, Sn 0.5~8중량%, Pb 15~30중량%, P(인) 0.2중량% 이하, Ni 2~10중량%, B(붕소) 0.05∼1.0중량%, 잔부로서의 Cu.및 불가피한 불순물로 이루어진 구리-납계 베어링합금이 제공된다.
본 발명의 구리-납 합금베어링의 조성이 상기와 같이 규정되는 이유는 하기에 기술한 바와 같다.
구리-납 베어링합금에 대하여
(1) Ni . 2~10중량%
Ni함량이 2중량% 미만에서는 합금의 강도가 부족하고, 또, 오버레이에 함유되는 Sn의 Cu합금중에의 확산을 충분히 억제할 수 없다. Ni함량이 10중량%를 초과하면 합금이 과도하게 단단해져, 슬라이딩 상대부재인 축에 대한 베어링으로서의 친화성이 저하된다.
(2) B : 0.05~1.0중량%
B(붕소)는 Ni와의 화합물로서 존재하여 소결성을 촉진하고, 합금의 강도 및 내마모성의 향상에 기여한다. B함량이 0.05중량% 미만에서는 Ni-B화합물의 양이 적고, 다른 한편, B함량이 1.0중량%를 초과하면 Ni-B화합물의 양이 증가하여 상기 효과에 기여하지 않는다. 또한, 합금의 경도가 과도로 상숭하여 인성을 손상시키고 나아가서는 제조비용의 상승을 수반한다.
(3) Sn : 0.5~8중량%
Sn함량이 0.5중량% 미만에서는 합금의 강도가 부족하고, Sn함량이 8중량%를 초과하면 합금이 과도하게 강해지며, 또한 열전도율과 비소착성이 떨어진다.
(4) Pb . 15~30중량%
Pb함량이 15중량% 미만에서는 베어링 특성으로서, 비소착성 및 매립성이 떨어지고, 다른 한편, Pb함량이 30%를 초과하면 합금의 강도를 저하시킨다.
(5)P:0.2중량% 이하
인(P)함량이 0.2중량%를 초과하면, 합금이 과도하게 단단해져 베어링 특성으로서 필요한, 축에 대한 친화성이 저하된다.
(6) 구리-납계 베어링합금의 경도 비커스 경도(HV) 80이상
HV80미만에서는 합금의 강도 및 경도가 부족하여 내피로성 및 내마모성이 떨어진다.
오버레이에 대하여
(7) 최외표면도금충 : 3 이하
최외표면도금층은 주로 이면금속 표면의 부식방지 및 베어링합금표면의 내부식성 향상을 위하여 제공되는 것으로서, 층의 두깨가 3를 초과해도 그 결과는 변하지 않으나, 제조비용이 중가하게 된다.
(8) Sn : 3~18중량%
Sn함량이 3중량% 미만에서는 오버레이의 강도가 부족하다. 또한, 내부식성도 나빠진다. 다른 한편, Sn함량이 18중량%를 초과하면 오버레이의 융점이 낮아져 와이핑(wiping)현상(용융 유동현상)이 생기기 쉬워진다.
(9) In : 15중량% 이하
In함량이 15중량%를 초과하면 오버레이의 융점이 지나치게 낮아진다.
(10) Cu : 5중량% 이하
Cu함량이 5%를 초과하면 오버레이가 단단해져 부서지기 쉽다.
제1도 및 제2도는 본 발명에 따른 베어링의 두가지 구조예를 도시한 것이다. 제1도에 도시된 베어링은 강제이면금속(1), 이면금속(1)의 표면에 일체적으로 형성된 구리-납계 베어링합금층(2) 및 그 베어링합금층(2)상에 일체적으로 형성된 오버레이층(3)으로 이루어진다. 제2도에 도시된 베어링은 제1도의 베어링의 내외 양 표면에 주석, 납 또는 이들의 합금도금피막(4)이 되어 있는 것이다.
이하, 실시예를 들어 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
(1) 표면에 구리가 도금된 강판상에, 표 1에 나타낸 각 조성의 구리-납 베어링합금분말을 살포하여 환원 분위기 로내에 넣고, 온도 700∼900 에서 10∼30분간의 소결처리를 행하였다.
그후 소결후의 복합판을 롤압연하고, 다시 소결 및 압연을 반복하여 소결된 바이메탈(bimetal)을 얻었다. (치수 . 바이메탈 두께 1.58mm, 이면금속 두께 1.23mm, 폭 130mm) 또한, 필요에 따라 소결 및 압연을 여러번 반복해도 좋은 것은 물론이다
이와 같이 하여 얻은 바이메탈을 프레스 가공 및 기계가공에 의해 단면반원형상의 베어링으로 형성하여 본 발명품(No. 1~4) 및 비교품(No. 5∼8)을 얻었다. 이들 시료의 경도 및 인장강도 측정 결과를 표 1에 나타내었다.
본 발명의 베어링은 오버레이를 가지는 것이지만, 측정은 오버레이가 없는 상태에서 행해졌다.
실시예 2
상기 실시예 1에서와 동일한 프로세스에 의해 얻어진 베어링에 전기도금법에 의하여 Pb-9%Sn-9%In인 조성의 오버레이(두께20㎛)를 형성시켜 본 발명품(No. 1A 및 2A) 및 비교품(No. 5A 및 6A)을 얻었다. (이하, 시료번호는 각기 표 1의 시료번호에 대응한다) . 이들 시료의 피로시험결과를 제3도에, 그리고 그 시험조건을 표 2에 나타내었다.
실시예 3
상기 실시예 1에서와 동일한 프로세스에 의해 얻어진 베어링에 니켈층(두께 1.5㎛ 을 형성시키고, 전기도금법에 의하여 Pb-9%Sn-9%In인 조성의 오버레이(두께 20㎛)를 형성시켜 비교품(No. 5B)을 얻었다.
본 발명품 No. 1A와 비교품 No. 5A 및 No.5B를 온도 165℃에서, 전 시료에 대하여 3가지의 유지시간 150,300 및 1000시간을 설정하고 열처리확산 시험을 행하였다. 이것의 오버레이중의 Sn잔량을 분석하여 각시간별 Sn의 감소량을 비교하고 Cu-Pb 베어링 합금중에의 Sn의 확산에 의한 Sn량 감소결과를 제4도에 나타내었다. 표 3은 이 확산시험에서 사용한 시료의 형태를 알기 쉽게 나타내고 있다.
제4도의 확산시험결과로부터 명백한 바와 같이, Ni 및 B를 함유하는 구리-납 합금을 사용하여 형성된 본 발명품은 오버레이중의 Sn이 베어링합금중으로 확산하는 것을 방지하는 효과를 나타낸다. 상기 효과는 오버레이와 베어링합금경계에 Ni베어링층이 형성된 재료와 동등이상의 효과를 발휘함을 알 수 있다. 또한, 베어링합금의 피로시험결과로부터 본 발명품은 Ni 및 B의 첨가에 의하여 강도의 향상을 꾀할 수 있어 우수한 내피로성을 가짐을 알 수 있다.
이 시험결과에 의하면 Ni-B함유 Cu-Pb합금에 Sn을 함유하는 오버레이를 직접 형성시켜도 Sn의 확산이 극히 효과적으로 방지되어 단면반원형 형상의 엔진베어링으로서 본 발명품을 적합하게 사용할 수 있음이 명백해겼다 즉, 구리합금 매트릭스에 Ni-B를 첨가하면 오버레이중의 Sn에 대한 구리합금의 친화력이 저하되어 주석의 확산을 억제하는 것이다. 이 효과에 의해, 합금과 오버레이와의 경계에 Ni베어링층이 없어도 오버레이중의 Sn이 장기간 유지되게 된다. 또, Ni-B는 구리합금 매트릭스중에 균일하게 분산함으로써, 매트릭스를 강화하고, 베어링 특성으로서의 내피로성, 내마모성을 향상시킨다는 효과도 발휘한다.
이와 같이 본 발명에 의하면 오버레이에 함유되는 Sn이 구리합금에 확산하는 것을 억제함으로써 비소착성을 나쁘게 하는 Ni베어링층을 없애는 것이 가능하게 되었다. 또한, 본 발명에 의해 구리-납 베어링합금 재료에 Ni-B를 첨가함으로써 내피로성 및 비소착성의 향상이 실현되었다.
[표 1]
[표 2]
[표 3]

Claims (7)

  1. 이면금속, 그 이면금속상의 구리-납계 베어링합금층 및 그 베어링합금층 상의 주석함유 납 합금 오버레이 3층을 함유하는 복합베어링으로서, 상기 구리-납계 베어링합금이 2∼10중량%의 Ni, 0.05∼1.0중량%의 B(붕소)를 함유하고, 그것에 의하여 납 합금 오버레이에 함유되는 주석의 구리-납계 베어링합금중으로의 확산의 억제되고, 또 구리-납계 베어링합금의 강도가 HV80을 초과하는 것을 특징으로 하는 오버레이를 가지는 구리-납계 합급 복합베어링.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이면금속이 강재(鋼材) 또는 상기 구리-납계 베어링합금이 형성되는 표면에 동도금이 실시된 강재인 것을 특징으로 하는 오버레이를 가지는 구리-납계 합금 복합베어링.
  3. 제1항에 있어서, 상기 구리-납계 베어링합금이 Sn 0.5~8중량%, Pb 15~30중량%, P(인) 0.2중량% 이하, Ni 2∼10중량%, B(붕소) 0.05~1.0중량%를 함유하고, 그 베어링합금층이 합금분말을 소결함으로써 형성된 층인 것을 특징으로 하는 오버레이를 가지는 구리-납계 합금 복합베어링.
  4. 제2항에 있어서, 상기 구리-납계 베어링합금이 Sn 0.5∼8중량%, Pb 15∼30중량%, P(인) 0.2중량% 이하, Ni 2∼10중량%, B(붕소) 0.05~1.0중량%를 함유하고, 그 베어링합금층이 합금분말을 소결함으로써 형성된 층인 것을 특징으로 하는 오버레이를 가지는 구리-납계 합금 복합베어링.
  5. 제1항,제2항,제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 오버레이를 형성하는 주석함유 납 합금이 Sn 3~18중량%, 잔부로서의 Pb 및 불가피한 불순물로 이루어진 합금인 것을 특징으로 하는 오버레이를 가지는 구리-납계 합금 복합베어링.
  6. 제1항,제2항,제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 오버레이를 형성하는 주석함유 납 합금이 Sn 3~18중량%와, 15중량% 이하의 In 및 5중량% 이하의 Cu중 적어도 1종과, 잔부로서의 Pb 및 불가피한 불순물로 이루어진 합금인 것을 특징으로 하는 오버레이를 가지는 구리-납계 합금 복합베어링.
  7. 제1항,제2항,제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 베어링의 양 표면인, 오버레이의 표면 및 이면금속의 표면에 두께 3 ㎛이하의 주석, 납 또는 이들의 합금도금층이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 오버레이를 가지는 구리-납계 합금 복합베어링.
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