KR960007502B1 - 분말 금속 알루미늄 기재 베어링재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

분말 금속 알루미늄 기재 베어링재의 제조방법

제1도는 베어링 피로 수명에 대한 피복 후 열처리 효과를 설명해준다.

제2도는 베어링 합금 경도에 대한 피복 후 열처리 효과를 설명해준다.

본 발명은 일반적으로 분말 야금 기술에 의하여 만들어진 알루미늄기재 베어링, 특히 예비 합금 알루미늄을 기재로 한 입자의 표면층을 갖는 베어링에 관한 것이다.

납, 주석, 구리, 카드뮴 등과 같은 재래적 물질의 베어링 상(phase)을 함유하는 알루미늄 기재 베어링을 분말 야금 기술에 의해 제조하는 것은 이미 알려져 있다. 그러나, 그러한 베어링의 제조와 사용에 있어서, 특히 베어링 구조에 우수한 베어링 부하 눙력과 눌러붙음방지 특성을 부여하는 데에 있어서 상당한 어려움을 겪어왔다.

개선된 베어링 특성을 달성하기 위하여 사용되던 한가지 방법은, 베어링층의 입자가 예비 합금 분말 형태로 존재하는 베어링층, 특히 베어링 상이 알루미늄에 대하여 내부 입자 위치로 존재하는 베어링층을 갖는 것이었다. 개별적인 알루미늄 입자속에 베어링 상이 미세분산된 이러한 베어링과 그 제조방법이 1972년 12월 18일에 출원된 미합중국 특허 제3,797,084호 및 1973년 5월 4일에 출원된 미합중국 특허 제4,069,369호에 각각 기재되어 있으며, 본 출원의 양수인이 이를 소유하고 있다.

과급기(터보차지)가 있는 엔진과 같이 고출력 엔진을 향한 현재의 경향은 보다 고성능의 베어링 재에 대한 요구를 야기시켜 왔다. 현재, 이들 고출력 엔진의 성능 요구를 견실하게 충족시키는 유일한 베어링재는 오버레이된 트리-메탈 베어링이다. 이러한 베어링은 우수한 성능 특성을 갖는 반면에, 생산 단가가 높고, 가속화되는 마모성을 보이며, 정확도의 문제가 있다.

따라서 베어링 부하 능력과 늘어붙음 방지 특성을 개선시키는 알루미늄 기재 베어링을 분말 야금 기술로 만드는 방법을 제공하는 것이 본 발명의 원칙적인 목적이다.

일 측면으로, 본 발명은 다음의 단계들, 즉

(a) 알루미늄 기재 분말 입자의 명확한 3개의 층을 동시에 롤 압축 단계(이 3개의 총 중에서 밑바닥 층은 분말 금속 결합 층을 이루는데, 이는 필수적으로 55중량% 보다 더 많은 알루미늄과 규소, 구리, 마그네슘, 망간, 니켈, 철, 아연, 크롬, 지르코늄, 티타늄 및 이들의 혼합물로 구성되는 첨가제의 일차 군에서 선택된 나머지를 포함하고 ; 상기 층의 중간 층은 분말 금속 베어링층을 이루는데, 이는 필수적으로 55 이상 대략 95중량%까지의 알루미늄과, 1 내지 대략 20중량%의 상기 일차 군 및 5 내지 25중량%의 베어링 상물질의 납, 주석, 카드뮴, 비스무트, 안티몬 및 이들의 혼합물로 구성되는 이차 군에서 선택된 나머지를 포함하며 ; 상기층의 표면 층은 상기 분말 금속 베어링층 위에 용착된 마모층을 이루는데, 이는 필수적으로 50중량% 보다 더 많은 알루미늄 입자와 상기 일차 및 이차 군에서 선택된 참가제의 나머지를 포함하고, 상기 알루미늄 및 상기 베어링층의 상기 베어링 상 물질은 서로에 대하여 내부-입자 위치를 정착시키기 위하여 예비 합금 입자 형태로 존재하며, 상기 마모층의 베어링 상입자는 알루미늄 입자에 대하여 직접 접촉치 않도록 형성된다) ;

(b) 이와 같이 만들어진 3개 층의 복합제를 소결하는 단계 ; 및

(c) 딱딱한 지지층 위에 직접으로 결합층을 롤 피복하는 단계를 포함하는 베어링재 제조방법에 있어서 ; 롤 피복된 복합제를 대략 700°F(371℃) 내지 900°F(482℃)의 온도까지 30초 이상 연속방식으로 열처리 하고 나서 100F°(38℃)/시간 보다 더 큰 속도로 상기 물질을 냉각하여 개선하므로써 우수한 피로 강도와 늘어붙음 방지 특성을 갖는 분말 금속 알루미늄 기재 베어링재를 생산하는 방법에 관한 것이다.

또다른 측면에서, 본 발명은 상기 방법에 의해 생산된 베어링 구조에 관한 것이다.

본 발명은 종래의 기술로서는 지금까지 얻을 수 없었던 특성을 나타내는 베어링재를 생산하는 방법에 관한 것이다.

아래에 기술된 바와 같이, 본 발명은 미합중국 특허 제3,797,084호 및 4,069,369호에 기재된 방법에 대하여 중대한 개선을 나타낸다. 특히, 이러한 개선은 다음의 예기치 않은 발견을 통하여 얻어졌는데, 이는 딱딱한 지지층에 피복층을 갖는 베어링재의 열처리 과정이, 합금 용액화를 실시하기 위해 대략 700°F(371℃) 내지 대략 900°F(482℃) 범위내의 온도에서 30초 이상동안 상기 물질을 가열한 후 급속히 냉각시키는 방식으로 조절될 때, 우수한 베어링 재가 생산된다는 것이다.

즉, 열처리는 온도 및 시간 모두에 의존하기 때문에, 본원 발명의 목적에 일치되는 베어링재용 합금의 용액화를 위한 열처리에 소요되는 시간으로서, 청구범위 제1항에서 롤 피복재가 한 온도에서 적어도 30초 동안 유지되도록 그 시간을 한정하였다. 또한, 열처리된 금속의 구조는 그 금속이 냉각되는 속도에 따라서도 달라지므로, 본원 발명의 목적에 일치되는 베어링의 금속 구조를 얻기 위해서, 냉각 속도는, 청구범위 제2항에서, 냉각이 시작되는 처음 3분 동안에 급속 냉각이 일어나도록 한정하였다. 또한 청구범위 제3항에서 최소 30초의 시간을 한정한 것은, 그 시간이, 복합재가 상승된 온도에서 취성 물질을 형성하기까지 최소한 유지되어야 하는 시간을 정의하기 때문에 청구범위 제3항에 포함되었다.

냉각속도는 용액 처리 온도에 의존하는데, 이 속도는 용액 열 처리 범위의 고부위가 저부위 보다 더 빠르지만, 어느 경우든지 표준 완전 풀림과 관련하여 50°F(10℃)/시간 보다 빠르며, 실제로는 100°F(38℃)/시간 보다 빠르다. 즉, 본 발명에 있어서 냉각속도는 700°F(371℃)로 가열된 물질에서 보다는 900°F(482℃)로 가열된 물질에서 더 빠르다.

본 발명의 실시에 이용되는 기술과 물질은 일반적으로 위에서 언급한 중요한 열 처리를 제외하고는 미합중국 특허 제3,797,084호에 기재되어 있다. 따라서, 간결하게 하기 위하여 3,797,084호의 특허의 기재 내용을 여기서 반복하지는 않겠지만 단지 참고로 한다.

본 발명에 따르는 열처리 과정은 종래의 기술에 대하여 전적으로 재정의 되었다. 이러한 재정의 특별한 요소는 다음과 같다.

(a) 후 열처리 과정은 선택적이 아니라 필수적이다.

(b) 열 처리 과정은 완전 풀림에서 용액 처리로 바뀌었다. 이 변화는, 일반적으로 베어링재의 용액 처리와 관련된 베어링 표면 성질의 열화가능성을 유발하지 않고 구리 및/또는 기타 합금 부가물의 강화 효과를 얻는, 예기치 않은 결과를 초래하였다.

(c) 열처리 온도는 효과적인 용액화를 얻기 위하여 600°F(316℃)-750°F(399℃)에서 700°F(371℃)-900°F(482℃)로 재정의 되었다.

(d) 냉각 속도는, 물질 경도가 최소이고 인성이 최대인 완전 풀림에 요구되는 50°F(10℃)/시간 이하에서 합금 성분의 영향을 강하게 하기 위하여 100°F(38℃)/시간 이상으로 바뀌었다.

본 발명의 실시에 사용되는 물질은 다음을 포함한다 :

a) 밑바닥 층, 즉 분말 금속 결합층을 필수적으로 55중량% 보다 더 많은 알루미늄과, 규소, 구리, 망간, 마그네슘, 니켈, 철, 아연, 크롬, 지르코늄, 티타늄 및 이들의 혼합물로 구성되는 첨가제의 일차 군에서 선택된 나머지로 구성된 수 있다.

b) 중간층, 즉 분말 금속 베어링층은 필수적으로 55 이상 대략 95중량%까지의 알루미늄과 1 내지 대략 20중량%의 첨가제 물질의 일차 군 및 5 내지 25중량%의 베어링 상 물질의 이차 군에서 선택된 나머지로 구성될 수 있다(이차 군은 납, 주석, 카드뮴, 비스무트, 안티몬 및 이들의 혼합물로 구성됨).

c) 표면층, 즉 분말 금속 베어링층에 용착된 마모층은 필수적으로 50중량% 보다 더 많은 알루미늄 입자와 상기 일차 및 이차 군에서 선택된 첨가제의 나머지로 구성된다. 그외에 상기 알루미늄 및 상기 베어링층의 베어링 상 물질은 서로에 대하여 내부-입자 위치를 정착시키기 위하여 예비합금 입자 형태로 존재하며, 상기 마모층의 베어링 상 입자는 알루미늄 입자의 틈새 위치에 있도록 만들어진다. 다음은 본 발명의 상세한 실시예이다.

실시예

(1) 공기 분무 베어링 분말 물질을 미합중국 특허 제3,797,084호에 기재된 기술에 의해 생산하였다. 합금의 중량%에 있어서 공칭조성은 남이 7.5%, 주석이 1.5%, 구리가 0.9%, 규소가 4.0%이며, 나머지가 알루미늄이었다.

(2) 공칭 조성에 있어서, 알루미늄이 80중량%, 85/15 납-주석 땜납 분말이 20%인 희생층을 생산하였다.

(3) 본질적으로는 순수한 알루미늄을 포함하는 결합층 물질을 생산하였다.

(4) 순수한 알루미늄 분말, 베어링 합금 분말 및 마모 분말을 동시에 롤 압축하여 알루미늄(결합)층과 마모층 사이에 분말 합금이 끼어 있는 3층으로된 녹색 스트립을 생산하였다.

(5) 코일 형태로 압축된 스트립을 975°F±25°F(524℃±4℃)의 온도에서 최소한 12시간 동안 일반로 속에서 소결시켰다.

(6) 강철 기재에 상기 소결 스트립을 롤 결합하기에 앞서, 수포 형성에 관계되는 수분을 제거하기 위하여 2시간 동안 400°F(204℃)로, 이후 2시간 동안 800°F(427℃)로, 이후 2시간 동안 800°F(427℃)로 강철 기재를 가열시켰다(이 기술은 바람직하기는 하나, 필수적인 것은 아니다).

(7) 소결되고, 열 처리된 스트립을 다음과 같은 바람직한 방식으로 극연강 지지대에 롤 결합시켰다 :

a) 알칼리로 강철을 세척하고 헹굼 ;

b) 산화물을 제거하고, 결합에 좋도록 신선하고 거친 표면을 제공하기 위하여 강철 표면을 연마함 ;

c) 산화물을 제거하고, 활성 결합면을 제공하기 위하여 소결 스트립의 순수 알루미늄 부분을 와이어 솔질함 ; 및

d) 세로 만든 알루미늄 층을 갖는 소결 스트립과 연마된 강철 지지대를 동시에 압연기를 통하여 직접적으로 통과시켜, 소결 스트립의 두께를 최소한 55% 감소시키고 알루미늄과 강철 사이에 야금적 결함이 일어나도록 함.

(8) 바람직한 방법으로 철/알루미늄 합금 조성물에 대한 5% 정도의 두께 감소 냉간가공을 결합 후에 수행되는 또다른 압연작업으로 달성한다.

(9) 최종적인 압연 재를 아래외 같이 연속적인 방식으로 열처리시킨다 :

a) 상기 구조를 대략 700°F(371℃) 내지 대략 900°F(482℃) 범위의 온도로 가열시킨다 ;

b) 최소 30초 이상 취성의 알루미늄/철 금속간 화합물(intermetallic)이 생기는데 필요한 최대 시간 이하의 시간 동안 상기 재료를 물에 담근다.

예로서, 900°F(482℃)에서 최대의 한계 시간은 전형적으로 5분 정도가 된다.

c) 그렇게 열처리된 재료를 시간당 100°F(38℃) 이상의 속도로 냉각시키는데,

d) 본 발명의 바람직한 실시로는, 상기 재료를 대략 750°F(399℃) 내지 대략 800°F(427℃)의 온도로 가열시키며, 2분 이상 담가둔다.

다음은 본 발명의 잇점을 나타내기 위하여 실시된 여러 가지 시험에 대한 상세한 설명이다.

특히, 도면 1은 언더우드 시험으로 측정된 대로의 베어링 피로 수명에 대한 피복 후 열처리 효과를 설명해 준다.

본 발명에 따라서 제조된 베어링은 표준 열처리 과정에 따라서 제조된 것들의 두배 이상의 수명을 보여준다. 각 자료의 점은 4개 시험 결과의 평균을 나타낸다. 모든 실험은 8000PSI의 단일 하중(이론적인 피이크필름 압력은 117,500PSI임)하에서 실시됐으며, 균열(파단)의 1차 표시에서 종결되었다.

모든 시험 베어링은 앞에서 설명한 방식으로 제조된 물질로 만들었다. 이 물질은 똑같은 원천, 즉 단일 코일에서 나왔다.

최종 열처리를 제외한 모든 과정을 생산시 수행하였다. 실험시로는 도면 1에서 보여준 처리를 위해 사용되었다. 공기 냉각 사이클은 상기 물질은 2분 동안 바라는 온도에서 담가둔 후에, 로에서 상기 물질을 꺼내어 공기 중에서 이를 냉각시키는 것을 포함하였다.

위와 같은 조건 하에, 다음의 냉각 사이클의 기록되었다 : 처리온도[°F(℃)] 600°F(454℃) 냉각속도[°F(℃)/분]

첫째 1분 165(74) 235(113) 274(134)

둘째 1분 85(29) 111(44) 136(58)

셋째 1분 63(17) 72(22) 90(32)

넷째 1분 44(7) 63(17) 59(15)

다섯째 1분 35(2) 49(9) 48(9)

5분 후의 온도[°F(℃)] 208(98) 220(104) 243(117)

5분간 평균냉각속도[°F(℃)/분] 78(26) 106(41) 121(49)

로 냉각 사이클은, 상기 물질을 바라는 온도에서 30분 동안 담가둔 후에 시간 당 50°F(10℃)의 속도로 로를 냉각시키도록 프로그램 되어진 제어기에 의해 달성되었다.

도면 2는 크누우프 미세경도 값에 의하여 측정된 대로의 베어링 합금 경도에 대한 피복 후 열처리 효과를 설명해 준다.

각 점은 5개 자료의 평균을 나타낸다. 경도는 상기 물질의 인장강도 및 피로 강도에 대한 아주 훌륭한 척도이다.

도면 1과 도면 2에서 본 발명에 따라서 만든 물질의 특성은 A곡선으로 표시된 반면에, 본 발명의 범위를 벗어나는 물질의 특성은 B곡선으로 나타난다.

지금까지, 본 발명의 실시를 통하여 우수한 베어링재를 제조할 수 있다는 사실이 기재되어 있다.

현재 본 발명의 바람직한 구체화로서 간주되고 있는 것들을 앞에서 설명하여 왔지만, 본 발명과 분리되지 않고서도 그 안에서 여러 가지 변화와 수정이 이루어질 수 있다는 사실은 당 업자에게는 명백할 것이며, 따라서 본 발명의 진정한 정신과 범위 내에 속하는 그러한 모든 변화와 수정을 포괄하는 것이 뒤에 부가된 청구 범위에서 나타날 것이다.

Claims (3)

1. a) 알루미늄 기재 분말 입자의 별개의 3개 층, 즉, 분말 금속 결합층을 이루며, 필수적으로 55중량% 이상의 알루미늄과, 규소, 구리, 마그네슘, 망간, 니켈, 철, 아연, 크롬, 지르코늄 티타늄 및 이들의 혼합물로 구성되는 첨가제의 일차 군에서 선택된 나머지를 포함하는 밑바닥층과 ; 분말 금속 베어링층을 이루며, 필수적으로 55 이상 95중량%까지의 알루미늄과 1 내지 20중량%의 상기 일차 군 및 5 내지 25중량%의 납, 주석, 카드뮴, 비스무트, 안티몬 및 이들의 혼합물로 구성되는 베어링 상물질의 이차 군에서 선택된 나머지를 포함하는 중간층과 ; 상기 분말 금속 베어링층 층위에 용착된 마모층을 이루며, 필수적으로 50중량% 이상의 알루미늄 입자와 상기 일차 및 이차 군에서 선택된 첨가제가 나머지를 포함하는 표면층을 동시에 롤압축시키고(이때, 상기 베어링층의 상기 알루미늄 및 상기 베어링상 물질은 서로에 대하여 입자내 위치를 정착시키기 위하여 예비합금 입자 형태로 존재하며, 상기 마모층의 베어링 상 입자는 알루미늄 입자의 틈새 위치에 있도록 형성된다) ; b) 이와 같은 만들어진 3개층의 복합재를 소결하고 c) 딱딱한 지지층 위에 직접적으로 결합층을 풀 피복하는 단계로 구성되는, 우수한 피로 강도와 늘어붙음 방지 특성을 갖는 분말 금속 알루미늄 기재 베어링제를 생산하는 방법에 있어서, 롤 피복 피복재를 700°F(371℃) 내지 900°F(482℃)의 온도까지 30초 이상 연속 방식으로 열처리하고 나서 100°F(38℃)/시간 이상의 속도로 상기 물질을 냉각함을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 냉각 속도가 냉각시 첫 3분 동안에 평균 50°F(10℃)/분 이상인 방법.
3. 제1항에 있어서, 룰 피복 복합재를 700°F(371℃) 내지 900°F(482℃)의 온도에서 최소 30초 내지 취성의 알루미늄/철 금속간 화합물의 형성에 요구되는 시간보다는 작은 최대시간 이하의 범위에서 일정시간 동안 유지시키는 방법.

Images