KR100559130B1 - 납이없는 다층 오버플레이트를 갖춘 미끄럼 베어링 및제조 방법 - Google Patents

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Abstract

다층 엔진 미끄럼 베어링(10)은 상기 베어링(10)의 베이스 라이닝 부재(20)를 구획형성하도록 받침(12)에 형성된 구리-납 또는 알루미늄 합금 중의 베어링 금속의 라이너(18)를 갖추고 있는 강철 받침(12)을 포함한다. 다층 오버플레이트(22, 122)는 베이스 라이닝 부재(20, 120)에 형성되고 납이없는 경질층(26, 126)에 의하여 분리된 다수의 납이없는 연질층(24, 124)을 포함한다. 오버플레이트 층의 상대적인 두께는 예를 들면 하부 영역(132)과 비교되는 바와 같이 오버플레이트(122)가 상부 영역(130) 근처에서 보다 연질일 수 있도록 오버플레이트(122)의 두께를 교차하여 매크로 경도 그래디언트를 제공하도록 제어될 수 있다.
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다층 미끄럼 베어링, 오버플레이트, 라이너, 전기도금, 연질층, 경질층

Description

납이없는 다층 오버플레이트를 갖춘 미끄럼 베어링 및 제조 방법{SLIDING BEARING HAVING MULTILAYER LEAD-FREE OVERPLATE AND METHOD OF MANUFACTURE}
본 발명은 금속 받침(metal backing), 베어링 금속의 라이너 및 상대적으로 연질의 금속 표면층을 갖추고 있는 타입의 다층 미끄럼 베어링에 관한 것이다.
다층 미끄럼 베어링은 크랭크 샤프트, 커넥팅 로드, 및 그에 상당하는 것을 저어널하기 위하여 고하중 엔진의 경우에 전형적으로 사용되고 그리고 구리-납 또는 알루미늄 합금의 베어링 금속의 라이닝이 피복되는 철의 강성 받침을 포함하고, 상대적으로 보다 연질의 금속의 주행층이 대략 25㎛의 두께를 갖추고 있는 단일층의 납-주석-구리 합금의 형태로 통상 오버플레이트된다. 니켈 확산 배리어 또는 구리 결합층은 오버플레이트의 주석이 베어링 라이너로 확산하는 것을 방지하도록 라이닝과 오버플레이트 사이에 종종 개재된다. 최종단계로서, 베어링은 주석 또는 납-주석 플래시 도금의 초박(micro-thin) 층으로 전형적으로 코팅되고, 브라이트(bright)를 베어링에 부여하고, 미적으로 외관이 만족스럽고 그리고 부식 방지 레벨을 제공한다.
베어링의 오목 주행면에 존재하는 플래시 도금은 초기 엔진 공회전 동안에 빠르게 없어진다.
사용상, 이러한 다층 미끄럼 베어링은 피스톤 및 커넥팅 로드 기구에 의하여 그리고 실린더 가스에 의하여 가해지는 관성력에 기인하여 크기 및 방향이 변하는 높은 동적 부하를 받기 쉽다. 연질의 오버플레이트 층은 베어링 면을 저어널되는 부재의 부하 또는 형상의 변화 또는 오정렬을 일으키는 고 하중력하에서 계속하여 변경하고 따르게 하므로, 하중은 베어링의 더 큰 표면적을 교차하여 분포된다. 이러한 일치성에 더하여, 또한 오버플레이트는 삽입성을 갖고 있고, 오버플레이트를 과도한 마모 또는 손상으로부터 베어링 및 부재를 보호하도록 저어널되는 부재 및 베어링면 사이에 있는 금속 및/또는 임의의 외부 경질의 먼지입자를 삽입할 수 있다.
더 두꺼운 오버플레이트가 바람직하고(즉, 25㎛ 또는 그 이상의 정도), 일반적으로 일치성 및 삽입성은 오버플레이트 두께에 의존한다는 것이 인정된다. 또한 오버플레이트의 두께가 증가됨에 따라, 하중하에서 오버플레이트 면이 깨지는 오버플레이트의 피로 균열에 대한 민감성이 증가한다. 피로 균열에 대한 저항은 베어링 면이 균열없이 형태 변화를 견딜수 있는 충분한 인장 강도를 나타냄을 필요로 한다. 따라서, 엔진 베어링을 설계할때 특히 하나의 베어링이 높은 동적 하중을 받기 쉬울때, 일치성 및 삽입성과 피로 저항의 상반되는 특성이 균형을 이루도록 할 필요가 있다.
많은 고하중 엔진 경우에 대하여, 납-주석-구리의 25㎛ 오버플레이트는 양호한 피로 저항을 갖춘 한편 양호한 일치성 및 삽입성을 나타내는 것으로 알려졌다. 그러나, 엔진의 출력 및 효율이 계속하여 증가함에 따라, 크랭크 샤프트 및 커넥팅 로드 베어링 위에 놓여진 동적 하중이 증가하고, 베어링 피로에 대한 가능성이 증가한다. 더 큰 피로 저항은 25㎛ 두께의 부하를 견디는 종래의 단층 납-주석-구리 오버플레이트의 두께를 단순히 감소시킴으로서 달성될 수 있지만, 일치성 및 삽입성의 손실이 있다.
증가된 부하에 따른 베어링에 대한 요구 이외에, 가능한 경우 중금속 사용 특히 미끄럼 베어링에서 납을 감소 또는 제거하는 것이 환경적으로 유리하다. 미국특허 제 5,056,936 호는 종래의 납을 포함하는 합금, 즉 하나의 층 재료로서 납-주석-구리를 사용하는 다층 오버플레이트 구조를 갖추고 있는 미끄럼 베어링을 공개한다.
따라서, 오버플레이트에서 납을 포함한 합금의 사용없이 양호한 일치성 및 삽입성 뿐만 아니라 양호한 피로 저항을 나타내는 한편 최고 동적 하중 상태하에서 작동할 수 있는 개량된 다층 미끄럼 베어링에 대한 산업상 필요성이 존재한다.
본 발명에 따라, 다층 미끄럼 베어링은 강성 금속 받침을 갖추고 있는 베이스 라이닝 부재 및 받침에 형성된 베어링 금속의 라이닝을 포함하는 것이 제공되고, 그리고 베어링 라이닝 부재위에 납이 없는 금속 재료가 전기도금되는 복수의 교대의 연질 및 경질 초박형 오버프레이트 층을 포함하는 납이없는 다층 오버플레이트에 의하여 특징지워진다.
바람직하게 오버플레이트는 총 두께가 대략 10-20㎛의 범위이고, 각각의 층은 오버플레이트의 총두계의 절반 또는 그이하와 적어도 같은 두께이다.
본 발명의 다층 오버플레이트는 납이없는 금속층을 사용하는 양호한 일치성 및 삽입성 뿐만 아니라 양호한 피로 저항도를 갖추고 있는 미끄럼 베어링에 대한 복합 오버플레이트를 제공하는 장점을 갖추고 있다. 재료의 선택 및 납이없는 다층 오버플레이트의 상대적인 두께를 제어함으로써, 본 발명은 오버플레이트에서 제어된 경도 그래디언트를 나타내는데, 이것은 상기 특성을 더욱 강화한다. 본 발명의 특별한 실시예에 따라서, 교대의 연질 및 경질 층은 상대적으로 가변의 두께를 갖추어 오버플레이트의 전체적인 마이크로 경도는 오버플레이트의 상부 주행면에 인접한 곳에서 보다 연질이고 그리고 베어링 라이너에 인접한 오버플레이트의 바닥부 근처에서 보다 경질이다.
또한, 본 발명에 따른 다층 미끄럼 베어링을 제조하는 방법은 강성 금속 받침 및 상기 받침에 피복되는 베어링 금속의 라이너를 갖추고 있는 베이스 라이닝 부재를 준비하는 단계; 및 베이스 라이닝 부재에 납이없는 다층 오버플레이트를 전기도금하는 단계;를 포함하고, 상기 전기도금하는 단계는 제 1 배드로부터 연질층을 전기도금하는 단계 및 적어도 제 2 배드로부터 경질층을 전기도금하는 단계 그리고 상기 연질층 및 경질층을 교대로 갖는 다층 오버플레이트를 형성하도록 상기 제 1 배드와 제 2 배드에서 상기 연질층과 경질층을 교대로 도금하는 단계를 포함한다.
더욱이 납이없는 재료의 사용은 오버플레이트에서 중금속 특히 납을 제거하는 장점을 갖는데, 이것은 제조, 사용 및 교정 관점에서 유리하다.
도 1은 본 발명에 따라 만들어진 다층 베어링의 사시도,
도 2는 도 1의 선 2-2를 따라 전체적으로 취해진 부분 단면도, 및
도 3은 본 발명의 또다른 실시예이나 도 2의 형태와 같은 도면.
본 발명에 따라 만들어진 다층 미끄럼 베어링은 도 1에서 전체적으로 부재번호 10으로 도시되고, 오목 내부면(14) 및 볼록 외부면(16)을 갖추고 있는 반원형 스트립 형상으로 형성된 바람직하게 철로 제조된 강성 금속 받침(12)을 갖추고 있는 반쪽 베어링, 플레인 베어링, 미끄럼 베어링, 저어널 베어링, 엔진 베어링으로 이 기술분야에 통상적으로 알려진 전체적으로 반원 형상을 갖추고 있는 형식의 것이다. 볼록 외부면(16)은 내연기관의 크랭크 샤프트와 같이 회전하는 샤프트의 저어널된 지지부용으로 엔진 블럭 또는 커넥팅 로드와 같은 결합되는 오목 지지 구조부에 장착하기 적합하게 되어 있다. 다층 베어링의 용어는 다층 부싱의 범위내에 포함되는 것으로 이해된다.
베어링 금속의 금속 라이너(18)는 받침(12)의 오목 내부면(14)에 형성되고 공지된 실시방식에 따라 오목 내부면(14)에 형성되거나 또는 그렇지 않으면 주조될 수 있는 알루미늄 합금 또는 구리-납을 포함하는 종래의 재료로 제조될 수 있다. 받침(12) 및 라이너(18)는 공동적으로 다층 미끄럼 베어링(10)을 위한 토대를 형성하는 베이스 라이닝 부재(20)를 제공한다. 또한 베이스 라이닝 부재(20)는 아래에 설명되는 오버플레이트(overplate)용 결합층으로서 또는 이동 배리어의 역할을 하도록 종래의 실시방식에 따라 라이너(18)에 전기도금될 수 있는 니켈 또는 구리의 얇은 배리어 또는 결합층(21)(즉 대략 1-2㎛의 두께)를 포함한다.
베이스 라이닝 부재(20)에 관하여 지금까지 설명된 구성은 종래의 것이다. 종래의 실시예와 다른 본 발명은 아래에 설명되는 베이스 라이닝 부재(20)의 제조과정을 따르는데, 다층 오버플레이트(22)는 연질 및 경질의 납이 없는 금속의 복수의 교대 층으로부터 베이스 라이닝 부재(20)에 형성되고, 오버플레이트는 도 1에 22로 표시되어 있고, 오버플레이트(22)를 이루는 교대의 연질 및 경질의 층은 각각 도 2의 확대 단면도에서 부재번호 24 및 26으로 상세하게 도시된다. 적어도 3개의 이러한 층이 있고 그리고 각각의 두께는 오버플레이트의 총 두께의 대략 절반 또는 그이하이고, 바람직하게는 대략 10-20㎛의 범위에 있다.
연질 층(24)용 납이없는 재료는 바람직하게 주석 또는 연질의 납이 없는 합금을 포함한다. 납이없는 경질의 층(26)용 재료는 니켈, 구리, 주석-니켈 합금, 코발트 또는 납이없는 합금 뿐만아니라 철 재료의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함한다.
연질 및 경질 층(24, 26)은 전착에 의하여 라이너(18)에 피복된다. 도 2에서 설명된 바와 같이, 초기 연질 층(24)은 제 1 전착 배드(electrodeposition bath)에서 라이너(18)에 피복된다. 분리된 도금 배드에서, 다음의 경질층(26)은 처음의 연질층(24)에 피복되고 그리고 이 프로세스는 오버플레이트(22)의 원하는 두께로 교대의 연질 및 경질 층(24, 26)의 원하는 갯수 및 배열을 형성하도록 반복된다. 도 2의 실시예에 있어서, 납이없는 연질 및 경질의 층(24, 26) 각각은 대략 1㎛의 두께이고 오버플레이트(22)는 총두께가 대략 15㎛이다. 도 2의 실시예에서 오버플레이트(22)는 상부에서 하부까지 일정한 총 매크로 경도를 갖는다. 다르게 말하면, 다층은 상부영역 또는 베어링의 작동 주행면(28)에 인접한 오버플레이트의 절반과 하부영역 또는 다층 미끄럼 베어링(10)의 라이너(18)에 인접한 오버플레이트(22)의 절반에서 동일한 각각의 층의 경도와는 다른 전체적인 매크로 경도를 갖는 오버플레이트(22)를 제공한다.
따라서, 오버플레이트(22)를 이루는 각각의 층(24, 26)이 상대적으로 연질 및 경질일 수 있고 따라서 층에서 층으로 변하고, 층의 일정한 두께 및 인접한 층에 대한 일정한 관계의 효과는 상부에서 하부까지 대략 동일한 전체적으로 일정한 매크로 경도를 오버플레이트(22)에 제공한다.
본 발명의 선택적인 실시예를 도시하는 도 3에 있어서 같은 부재번호는 도 2의 실시예에 대하여 같은 특징을 나타내는데 사용되나 100만큼 오프셋된다. 연질 및 경질 층의 상대적인 두께가 도 2의 실시예와 다른 것이 도 3에 도시된다. 도 3의 실시예에 있어서, 오버플레이트(122)의 하부 영역(132)에서의 경질 층(126)은 상부 영역(130)에서의 경질 층(126)보다 상대적으로 더 두껍다. 경질 층(126) 사이에 놓여진 연질 층(124)은 두께가 일정하다. 최외측의 연질 층(124)(도 3의 최상부)은 바람직하게 경질 층(126)을 분리하는 연질 층(124)의 두께보다 더 두껍다. 매크로 경도 그래디언트(gradient)를 오버플레이트(122)에 제공하는 층(124, 126)의 가변 두께 및 배치의 효과에 있어서 오버플레이트(122)는 상부 영역(130)에서는 상대적으로 연질이고 하부 영역(132)에서는 상대적으로 경질로서, 오버플레이트의 매크로 경도가 상부에서 하부까지 일정한 도 2의 실시예와 반대이다. 도 3의 도시된 실시예에 있어서, 최외측(상부) 연질 층(124)은 바람직하게 1-5㎛의 범위의 두께, 보다 바람직하게 3-5㎛ 이다. 상부 영역(130)에서의 경질 층(126)은 바람직하게 대략 1㎛의 두께이고 그리고 하부 영역(132)에서의 경질 층(126)은 바람직하게 대략 2㎛의 두께이다. 경질 층(126)을 분리하는 연질 층(124)의 두께는 바람직하게 대략 1-2㎛이고 바람직하게 이러한 연질 층(124)의 두께는 일정하다.
도 3은 두께를 가로질러 오버플레이트(122)에서 원하는 매크로 경도 그래디언트를 나타내도록 연질 및 경질 층의 상대적인 두께 및 배열을 제어하는 여러 가능성중 하나를 예시하고 있다. 물론, 층의 다른 상대적인 두께 및 배열이 가능하고 특별한 경우에 대하여 적합한 원하는 경도 그래디언트를 나타내도록 본 발명에 의하여 이루어질 수 있다. 예를 들면, 가령 경질층의 두께를 변경함으로써 이루어지는 것과 같이 동일한 그래디언트를 나타내는 것의 대안으로서 또는 보다 가파른 그래디언트를 제공하도록 경질층(126)을 분리하는 연질층(124)의 두께를 변경시키는게 바람직하다. 더욱이, 오버플레이트는 주어진 경우에 대해서 요청되는 가령 중간의 어느 곳 또는 바닥 영역과 비교하여 상부 영역에서 보다 경질이도록 그래디언트를 반대로 하는게 어느 경우에서는 바람직하다. 이러한 경우에 있어서, 교대의 연질 및 경질 층의 상대적인 두께는 원하는 그래디언트를 이루도록 조정될 수 있다.
본 발명의 이러한 다층 미끄럼 베어링(10, 110)을 제조하는 방법에 따르면, 베이스 라이닝 부재(20, 120)는 받침(12)의 오목 내부면(14)에 금속 라이너(18)를 결합하고 그 다음에 다층 오버플레이트(22)를 수용하도록 준비하는 배리어 층(21, 121)으로 라이너(18)를 도금하므로써 종래 실시방식에 따라 준비된다. 오버플레이트(22, 122)는 매크로 경도 그래디언트 또는 오버플레이트의 두께에 걸쳐서 일정한 경도를 나타내도록 주어진 경우에 대해서 요구되는 적당한 두께를 이루도록 주어진 시간 동안에 그리고 주어진 전류 밀도에서 상이한 도금 배드에서 교대로 있는 연질 및 경질 층을 전착함으로써 피복된다. 어떠한 경우에 있어서도, 오버플레이트(22, 122)를 이루는 층은 납이 없다.
분명하게는, 본 발명과 관련된 많은 수정과 변경이 가능하다. 따라서, 첨부한 청구항의 범주내에서 본 발명은 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 다층 미끄럼 베어링은 강성 금속 받침을 갖추고 있는 베이스 라이닝 부재 및 받침에 형성된 베어링 금속의 라이닝을 포함하여 제공되고, 그리고 베어링 라이닝 부재위에 전기도금되는 복수의 교대의 연질 및 경질 초박형 오버프레이트 층을 포함하는 납이없는 다층 오버플레이트에 의하여 특징지워진다.

Claims (13)

  1. 강성 금속 받침 및 상기 받침 층에 제공되는 베어링 금속의 라이닝을 포함하고 있는 베이스 라이닝 부재; 및
    오버플레이트의 총 두께의 대략 절반 또는 그 이하의 두께를 각각 갖추고 있는 상기 베이스 라이닝 부재에 전기도금된 납이없는 금속 재료의 복수의 교대의 연질 및 경질 초박 오버플레이트 층을 포함하고 있는 납이없는 다층 오버플레이트;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 납이없는 연질의 재료는 주석을 포함하고 상기 납이없는 경질의 재료는 니켈, 구리, 주석-니켈, 코발트, 철, 및 납이없는 합금을 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 다층 오버플레이트는 상기 베어링의 주행면에 인접한 상부 영역 및 상기 라이너에 인접한 하부 영역을 갖추고 있고, 상기 다층은 상기 상부 영역의 매크로 경도가 상기 하부 영역의 매크로 경도보다 작도록 상기 상부 영역에서 상기 하부영역까지 경도가 증가하는 전체적인 매크로 경도 그래디언트를 상기 오버플레이트에 제공하는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 오버플레이트의 상기 상부 영역에서 상기 경질 재료의 상기 층은 상기 하부 영역에서 상기 경질 재료의 상기층보다 상대적으로 보다 얇은 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 오버플레이트는 총 두께가 대략 10㎛ 내지 20㎛의 범위이고 상기 상부 영역에서 상기 경질재료의 상기 층은 대략 1㎛의 두께이고 상기 하부 영역에서 상기 경질재료의 상기 층은 대략 2㎛의 두께인 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 상부 및 하부 영역에서 상기 경질재료의 상기 층사이에 개재된 상기 연질 재료의 층은 대략 1㎛ 내지 2㎛의 범위의 일정 두께인 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 연질층은 상기 오버플레이트의 상기 상부 영역에 대략 1㎛ 내지 5㎛의 범위의 두께를 갖추고 있는 최외측 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 라이너의 상기 베어링 금속은 구리-납 및 알루미늄 합금을 포함하는 그룹에서 선택된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
  9. 강성 금속 받침 및 상기 받침 층에 제공된 베어링 금속의 라이너를 포함하는 베이스 라이닝 부재; 및
    니켈, 구리, 주석-니켈, 코발트, 철, 및 납이없는 합금을 포함하는 재료의 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료로 하나 이상 개재하고 있는 납이없는 경질층에 의하여 분리되는 주석기재의 복수의 납이없는 연질층을 갖추고 있는 상기 베이스 라이닝 부재에 피복되는 납이없는 다층 오버플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 오버플레이트는 총두께가 대략 10㎛ 내지 20㎛이고 상기 교대 층은 대략 5㎛보다 작은 두께인 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 오버플레이트는 상기 베어링의 주행면에 인접한 상부 영역 및 상기 라이너에 인접한 하부 영역을 갖추고 있고, 그리고 상기 다층 오버플레이트 층은 그래디언트의 상부 부분이 상기 하부 부분보다 상대적으로 연질이 되도록 상기 오버플레이트에 매크로 경도 그래디언트를 제공하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 하부 영역의 경질층은 상기 상부 영역의 상기 경질층보다 상대적으로 큰 두께인 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링.
  13. 강성 금속 받침 및 상기 받침에 피복되는 베어링 금속의 라이너를 갖추고 있는 베이스 라이닝 부재를 준비하는 단계; 및
    베이스 라이닝 부재에 납이없는 다층 오버플레이트를 전기도금하는 단계;를 포함하고,
    상기 전기도금하는 단계는 제 1 배드로부터 연질층을 전기도금하는 단계 및 적어도 제 2 배드로부터 경질층을 전기도금하는 단계 그리고 상기 연질층 및 경질층을 교대로 갖는 다층 오버플레이트를 형성하도록 상기 제 1 배드와 제 2 배드에서 상기 연질층과 경질층을 교대로 도금하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 미끄럼 베어링을 제조하는 방법.
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