KR100867770B1 - 장형 오일리스 베어링 및 이의 제조 방법 - Google Patents

장형 오일리스 베어링 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오일리스 베어링의 기능을 그대로 유지할 뿐만 아니라 그 제조 공정을 최소로 줄 일 수 있는 장형 오일리스 베어링의 제조 방법을 제공하는 것이다. 이를 위해, 본 발명의 장형 오일리스 베어링의 제조 방법은 금속 혼합분말로 복수개의 환형 성형체를 성형하는 단계와, 복수개의 환형 성형체를 소결시킴과 동시에 서로 접합시켜 장형 소결체를 형성하는 단계와, 그리고 장형 소결체에 오일을 함침시키는 단계를 포함하고, 장형 소결체를 형성하는 단계는 상기 복수개의 환형 성형체를 서로 포개어 일렬로 정렬시키는 단계와, 일렬로 정렬된 복수개의 환형 성형체를 설정 압력으로 가압하는 단계와, 그리고 가압된 복수개의 환형 성형체를 설정 온도로 가열하는 단계를 포함한다.
환형, 오일리스, 베어링, 소결, 접합

Description

장형 오일리스 베어링 및 이의 제조 방법{LONG LENGTH TYPE OILLESS BEARING AND METHOD FOR MANUFATURING THE SAME}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장형 오일리스 베어링의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 장형 오일리스 베어링의 제조 방법 중 성형체의 소결과 접합을 동시에 수행하는 과정에서, 복수개의 환형 성형체를 서로 포개어 일렬로 정렬시킨 상태를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 장형 오일리스 베어링의 제조 방법에서 가열시간을 50분으로 할 때 소결 및 접합이 동시에 수행될 수 있는 압력 및 온도 범위를 나타낸 압력-온도 그래프이다.
도 4는 도 2의 복수개의 환형 성형체 중 제1 환형 성형체 및 제2 환형 성형체의 형상을 나타낸 정면도이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100: 환형 성형체 101: 제1 환형 성형체
101a: 돌출부 102: 제2 환형 성형체
102a: 홈부
본 발명은 장형 오일리스 베어링의 제조 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 축과 축공과의 마찰 저항을 저감시키기 위한 장형 오일리스 베어링의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 산업 기계 및 건설 기계는 다수의 축회전부를 가지고 있으며, 이러한 축회전부에는 축과 축이 삽입되는 축공 사이에 배치되어 축과 축공과의 마찰저항을 저감시키는 부시 타입 소결 베어링이 설치된다. 이러한 소결 베어링은 윤활유를 함침하고 있는 이른바, 오일리스 베어링(oilless bearing)으로서, 윤활유의 잦은 공급 없이도 축과 축공과의 마찰저항을 저감시켜주는 역할을 한다. 이러한 오일리스 베어링은 분말 조성물을 프레스 등으로 성형한 후, 이를 소결하여 제조한다.
하지만, 이러한 오일리스 베어링는 그 크기를 크게 하거나 그 길이를 길게 제조하기가 매우 어려울 수 있다. 그 이유를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
종래의 오일리스 베어링은 성형 금형에 분말 조성물을 충진한 다음, 충진된 분말 조성물을 프레스로 가압하여 하나의 단위 성형체로 성형하기 때문에, 그 크기를 크게 하거나 그 길이를 길게 제조하기 위해서는 성형 금형의 크기와 길이도 크고 길게 제조해야 하고, 프레스도 이에 대응되게 대용량으로 설계 및 제조해야 한다.
그러나, 프레스는 대용량으로 제조하기 어려울 뿐만 아니라, 설사, 대용량으 로 제조한다 해도 많은 제조비용이 소요되는 등, 여러 가지 단점이 있을 수 있다. 이 같은 단점은 오일리스 베어링의 단가를 높이는 원인이 되어 제품의 가격 경쟁력을 약화시킬 수 있다.
또한, 많은 비용을 들여 대용량의 프레스를 제조한 후, 이를 이용하여 분말 조성물을 성형한다고 하더라도 성형된 성형체의 성형밀도가 전체적으로 고르지 못할 수 있다. 그 이유를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
펀치를 이용하여 분말 조성물을 성형할 경우에는, 통상적으로 상부 펀치와 하부 펀치를 이용하여 분말 조성물을 상부와 하부에서 동시에 가압하여 성형한다. 그러나, 길이가 긴 오일리스 베어링을 제조할 경우에는, 분말 조성물의 적층 높이가 상대적으로 높기 때문에, 분말 조성물을 상부와 하부에서 가압하는 과정에서 분말 조성물의 상단과 하단에만 압력이 집중되어 분말 조성물의 상단과 하단만 밀도가 높아질 수 있다. 결국, 성형된 성형체의 상단 부분과 하단 부분은 높은 성형 밀도를 유지함으로써 소결 후에 강도와 경도가 우수한 반면, 중간부분은 상대적으로 낮은 성형 밀도를 유지함으로써 소결 후에 강도와 경도가 매우 낮아 하중의 면압을 견디지 못하고 조기에 마모되거나 또는 스크래치 등이 발생되어 손상될 수 있다.
또한, 오일리스 베어링의 외주면 둘레에 스틸 재질의 보강 파이프를 접합함으로써 전체적인 오일리스 베어링의 길이를 늘여 장형 오일리스 베어링을 제조할 수 있지만, 이 같은 경우, 스틸 재질의 보강 파이프를 별도로 접합시켜야 하므로 많은 제조비용과 제조공정이 소요될 수 있다.
한편, 다른 방안으로서, 두 개 이상의 오일리스 베어링을 서로 맞대어 용접함으로써 길이가 긴 장형 오일리스 베어링을 제조할 수 도 있지만, 이러한 방법은 복수개의 오일리스 베어링을 서로 맞대어 용접하는 과정에서 용접열로 인하여 오일리스 베어링이 변형될 수 있다. 특히, 용접열의 영향으로 접합부 및 열영향부(HAZ)의 물성치가 변화되어 오일리스 베어링 본래의 기능을 수행할 수 없는 문제점이 있을 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 두 개 이상의 오일리스 베어링을 접합하여 장형 오일리스 베어링을 제조하기 위해서는 소결 등이 완료된 오일리스 베어링을 서로 접합하는 접합 공정이 추가되어야 하므로, 장형 오일리스 베어링의 제조 공정 시간(TACT, total average cycle time)이 길어지는 문제가 있을 수 있다. 특히, 소결이 완료된 후 열을 가하는 접합 공정(용접, 브레이징, 또는 납땜 등)을 수행할 경우, 모재(오일리스 베어링)의 재질이 변화되거나 모재가 변형되는 문제를 야기할 수도 있다.
본 발명은 종래기술에 대한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 기술적 과제는, 오일리스 베어링의 기능 및 형상을 그대로 유지할 뿐만 아니라 그 제조 공정을 최소로 줄일 수 있는 장형 오일리스 베어링의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 기술적 과제는, 별도의 접합재를 사용하지 않고도 오일리스 베어링을 접합할 수 있는 오일리스 베어링의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 장형 오일리스 베어링의 제조 방법은, 금속 혼합분말로 복수개의 환형 성형체를 성형하는 단계와, 상기 복수개의 환형 성형체를 소결시킴과 동시에 서로 접합시켜 장형 소결체를 형성하는 단계와, 그리고 상기 장형 소결체에 오일을 함침시키는 단계를 포함하고, 그리고 상기 장형 소결체를 형성하는 단계는, 상기 복수개의 환형 성형체를 서로 포개어 일렬로 정렬시키는 단계와, 상기 일렬로 정렬된 복수개의 환형 성형체를 설정 압력으로 가압하는 단계와, 그리고 상기 가압된 복수개의 환형 성형체를 설정 온도로 가열하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 금속 혼합분말은 철-구리-탄소 계의 금속 혼합분말 또는 철-구리합금-탄소 계의 금속 혼합분말 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 일예로, 상기 철-구리-탄소 계의 금속 혼합분말이 선택될 경우, 상기 철-구리-탄소 계의 금속 혼합분말에는 전체 조성물의 중량비를 기준으로, 구리 성분이 5 내지 30중량%, 탄소 성분이 0.3 내지 2.0중량%, 그리고 철 성분이 그 나머지를 차지할 수 있다.
또한, 상기 금속 혼합분말이 철-구리-탄소 계의 금속 혼합분말일 경우, 상기 설정 온도는 상기 구리의 녹는 점보다 크고 상기 철의 녹는 점보다 작은 값을 가지고, 그리고 상기 설정 압력은 0.02바(Bar) 내지 3.0바일 수 있다.
또한, 다른 예로서, 상기 철-구리합금-탄소 계의 금속 혼합분말이 선택될 경우, 상기 철-구리합금-탄소 계의 금속 혼합분말에는, 전체 조성물의 중량비를 기준 으로, 구리합금 성분이 5 내지 30중량%, 탄소 성분이 0.3 내지 2.0중량%, 그리고 철 성분이 그 나머지를 차지하고, 그리고 상기 구리합금은 구리에 주석, 아연 또는 알루미늄 중 하나 이상의 성분을 첨가한 것이고, 그리고 상기 구리합금의 조성물의 중량비를 기준으로, 상기 주석, 아연 또는 알루미늄 중에서 선택되는 하나 이상의 성분의 총 성분이 0.3 내지 12중량%, 그리고 구리 성분이 그 나머지를 차지할 수 있다.
또한, 상기 금속 혼합분말이 철-구리합금-탄소 계의 금속 혼합분말일 경우, 상기 설정 온도는 상기 구리합금의 녹는 점보다 크고 상기 철의 녹는 점보다 작은 값을 가지고, 그리고 상기 설정 압력은 0.2바 내지 3.0바일 수 있다.
또한, 상기 금속 혼합분말에는 상기 철(Fe)을 강화시키는 강화상 분말이 더 첨가되고, 상기 강화상 분말은 상기 금속 혼합물의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 1중량% 내지 20중량%를 차지할 수 있다.
또한, 상기 금속 혼합분말에는 고체 윤활재가 더 첨가되고, 그리고 상기 고체 윤활재는 상기 금속 혼합물의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.1 내지 3.0 중량%를 차지할 수 있다.
또한, 상기 복수개의 환형 성형체는 제1 환형 성형체와 제2 환형 성형체를 포함하고, 상기 복수개의 환형 성형체를 성형하는 단계에서, 상기 제1 환형 성형체가 성형될 때 상기 제1 환형 성형체의 평면에는 그 외주면을 따라 상향 돌출되는 돌출부가 성형되고, 상기 제2 환형 성형체가 성형될 때 상기 제2 환형 성형체의 저면에는 상기 돌출부에 상응하도록 그 외주면을 따라 상향 함몰되는 홈부가 성형되 고, 그리고 상기 돌출부와 상기 홈부는 서로 설정 간격 이격되게 형성되고, 그리고 상기 장형 소결체를 형성하는 단계에서, 상기 제2 환형 성형체의 상기 홈부에 상기 제1 환형 성형체의 돌출부가 안착되어 상기 제1 환형 성형체와 상기 제2 환형 성형체가 서로 얼라인될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 장형 오일 리스 베어링은 제1 환형 성형체와, 상기 제1 환형 성형체와 함께 소결됨과 동시에 서로 접합되는 제2 환형 성형체와, 그리고 상기 제1 환형 성형체를 상기 제2 환형 성형체에 얼라인하는 위치 보정부를 포함하고, 그리고 상기 위치 보정부는 상기 제1 환형 성형체의 평면에 형성되되 그 외주면을 따라 상향 돌출되게 형성되는 돌출부와, 그리고 상기 제2 환형 성형체의 저면에 형성되되 상기 돌출부에 상응하도록 그 외주면을 따라 형성되는 홈부를 포함하여, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 장형 오일리스 베어링의 제조 방법에 의해 제조된다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장형 오일리스 베어링의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 장형 소결 베어링의 제조 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, Fe-Cu-C계인 금속 혼합물을 준비하는 단계(S110)와, 복수개의 환형 성형체를 성형하는 단계(S130)와, 복수개의 환형 성형체를 소결과 동시에 접합하여 장형 소결체를 형성하는 단계(S150)와, 그리고 장형 소결체에 오일을 함침시키는 단계(S170)를 포함한다.
첫째, 상기 Fe-Cu-C계인 금속 혼합물을 준비하는 단계(S110)에서는 분말을 선정하고 선정된 분말을 혼합하여 금속 혼합물을 준비한다. 여기서, 분말로는 철(Fe)과, 구리(Cu)와, 그리고 카본(C)이 선정되고, 필요에 따라 이러한 분말에는 철을 강화시키는 강화상 분말 또는 윤활성을 향상시키기는 윤활재 분말이 더 선정될 수 있다.
철은 기지부로서, 성형체 및 저어널 베어링의 강도를 확보하는 역할을 하고, 구리는 저어널 베어링의 강도 및 접합특성을 강화시키는 역할을 하며, 그리고 카본은 철 성분을 경화시키거나 또는 고체 윤활제 역할을 한다. 특히, 상술한 공구강의 강화상 분말은 오일리스 베어링의 내마모 특성을 향상시키는 역할을 한다. 또한, 상술한 윤활재 분말은 윤활성 향상의 역할을 수행한다. 이하, 이들에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
구리는 전체 조성물의 중량비를 기준으로 5 내지 30중량%로 조성되는 것이 바람직한 것으로 실험에 의해 나타났다.
즉, 실험에 의하면, 구리는 철 분말 보다 녹는 점이 낮고, 윤활성이 우수하며, 확산계수가 커 확산이 용이하고, 열전달계수가 커 열이 빨리 전달되지만, 그 첨가량이 5중량% 미만이면, 성형체가 소결되는 동안 오일리스 베어링의 조직 내의 구리가 철에 미미하게 고용되므로 축 회전시 구리가 액상으로 단독 존재하지 않아 오일리스 베어링에서 발생되는 마찰열이 충분히 발산되지 못하는 것으로 나타났고, 소착(베어링과 축이 미끄럼 운동을 하는 동안 발생된 마찰열에 의해 베어링과 축이 미세 용융하여 서로 달라 붙는 현상이며, 윤활유가 부족하거나 마찰열이 충분히 제거되지 못한 경우에 나타나는 현상) 발생을 억제하는 효과가 부족한 것으로 나타났다. 이에 반해, 그 첨가량이 30중량% 이상이면, 상대적으로 기지부인 철의 양이 부족하게 되어 내하중 효과를 얻기가 어려운 것으로 나타났다.
이에 따라, 베어링의 마찰열 발산 효과와, 소착 발생 억제 효과와, 그리고 내하중 효과를 최적인 상태로 얻을 수 있도록, 상술한 최적정량의 구리를 첨가해야 된다. 또한, 실험에 의하면, 상술한 최적량의 구리를 첨가할 경우 조성물의 접합성이 좋아진 것으로 나타났다.
또한, 카본은 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.3 내지 2.0중량%로 조성되는 것이 바람직한 것으로 실험에 의해 나타났다.
즉, 실험에 의하면, 카본은 기지부인 철에 고용됨으로써 퍼얼라이트(pearlite)를 형성하며 열처리 후에 단단한 마르텐사이트(martensite)를 형성하도록 도와주지만, 그 첨가량이 0.3중량% 이하이면, 열처리 후 마르텐사이트 형성이 부족한 것으로 나타났고, 그 첨가량이 2.0중량% 이상이면, 조대한 망상 세멘타이트(comentite) 형성으로 인하여 조직을 취성으로 만들 수 있는 것으로 나타났다.
이에 따라, 풀(full) 퍼얼라이트(pearlite)를 형성하며 열처리 후에 단단한 마르텐사이트(martensite)를 형성시키기 위해서는 상술한 최적량의 카본을 첨가해 야 된다.
특히, 필요에 따라 선정될 수 있는 강화상 분말은 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo) 및 크롬(Cr)이 철(Fe)과 함께 고용된 합금 공구강 분말이다. 구체적으로, 강화상 분말은 전체 조성물의 중량비를 기준으로 1중량% 내지 20중량%로 조성되는 것이 바람직한 것으로 실험에 의해 나타났다. 즉, 실험에 의하면, 이러한 강화상 분말은 기지부인 철을 강화시키는 것으로 나타났고, 특히, 강화상 분말이 금속 혼합물의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 1중량% 내지 20중량%이면, 흑연과 구리를 효과적으로 고용시켜 고용강화 효과를 발휘하는 것으로 나타났고, 또한 열처리후에는 마르텐사이트를 형성시켜 내하중성이 확보되는 것으로 나타났다.
또한, 필요에 따라 선정될 수 있는 윤활재 분말은 고체의 윤활재를 분말로 만든 것으로서, 윤활재 분말로는 MoS2, BaF2, 입상 또는 평상 흑연 등이 사용될 수 있다. 구체적으로, 윤활재 분말은 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.1 내지 3.0 중량%로 조정되는 것이 바람직한 것으로 실험에 의해 나타났다. 즉, 실험에 의하면, 이러한 윤활재 분말은 오일리스 베어링의 윤활성을 향상시키지만, 그 첨가량이 0.1 중량% 이하이면 윤활성 효과가 미미한 것으로 나타났고, 그 첨가량이 3.0 중량% 이상이면 성형체의 소결을 저해하는 것으로 나타났다.
이에 따라, 오일리스 베어링의 윤활성을 향상시키기 위해서는 상술한 최적량의 윤활재 분말을 첨가해야 된다
둘째, 이렇게 준비된 분말들은 분말 혼합 공정을 거쳐 혼합된다. 특히, 분 말 편석이 발생하지 않도록 고르게 혼합하기 위해, 분말 혼합 공정에서는 분말 혼합기를 사용하여 분말들을 대략 20 내지 40분 동안 혼합한다.
셋째, 이렇게 혼합된 금속 혼합분말은 분말 성형 공정을 거쳐 복수개의 환형 성형체로 성형된다(S130).
구체적으로, 형상에 따라 금형을 제작하고 형상에 맞는 용량의 프레스로 가압한다. 이렇게 금형에 넣어 프레스에 의해 성형될 수 있는 제품의 길이로는 프레스의 램(RAM)의 행정거리(stroke)에 의하여 결정되는데, 행정거리가 길어질수록 프레스 비용이 높아질 수 있기 때문이다. 또한, 종래기술에 이미 언급된 바와 같이, 제품의 길이가 길수록 균일한 성형 밀도를 확보하기가 힘들 수 있으며, 또한 제품 취출시에 높은 마찰력을 극복하기 위해 취출 압력을 높여주어야 하는데 이것 또한 프레스 비용을 높이는 요인이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 성형체의 성형 밀도는 이론 밀도의 60% 내지 90%가 되도록 성형함이 바람직하다. 즉, 실험에 의하면, 성형체의 성형 밀도가 이론 밀도의 60%보다 낮으면, 성형체의 강도가 취약해지는 것으로 나타났고, 성형체의 성형 밀도가 이론 밀도의 90%보다 높으면, 기공량이 적거나 폐공(closed pore)을 형성하여 오일의 함유량이 적게 되는 것으로 나타났다. 따라서, 성형체의 성형 밀도를 이론 밀도의 약 60% 내지 90%가 되도록 조성함으로써, 성형체의 강도를 최적으로 유지시키고, 최적의 오일을 함유할 수 있도록 최적의 기공을 형성하는 것이 바람직하다.
일 예로, 실험에 의하면, 200톤 프레스를 사용하여 40mm의 환형 성형체 하나 를 제작할 경우, 성형 밀도를 이론 밀도의 80%로 하는 것이 가장 바람직한 것으로 나타났다.
넷째, 복수개의 환형 성형체가 성형되면, 곧이어 복수개의 환형 성형체를 소결과 동시에 복수개의 성형체를 접합하여 장형 소결체를 형성한다(S150).
구체적으로, 소결 및 이와 동시에 진행되는 접합 공정은 복수개의 환형 성형체에 고온의 열 및 압력을 가함으로써, 복수개의 환형 성형체를 소결시킴과 동시에 별도의 접합재를 사용하지 않고 접합시키는 공정이다. 이러한 공정은 비산화성 또는 환원성 분위기에서 실시한다. 이 때, 가열 온도는 금속 혼합분말 중 구리가 액상으로 출현하는 온도(1083℃ 내지 1530℃)로서, 구리의 녹는 점이상이고 철의 녹는 점 미만인 온도의 범위를 갖는 것이 바람직하고, 가압력은 0.02바(Bar)(참고로, 1Bar=1kgf/cm2) 내지 3.0바의 압력 범위를 갖는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 특히, 가열 온도가 1083℃미만이면 구리가 녹지 않아 소결 및 접합이 이루어지지 않는 것으로 나타났고, 가열 온도가 1530℃이상이면 철도 함께 녹아 소결 자체가 이루어지지 않는 것으로 나타났다. 또한, 가압력이 0.2바 미만이면, 압력이 약해 접합이 제대로 이루어지지 않는 것으로 나타났고, 가압력이 3.0바 초과이면, 압력이 강해 환형 성형체가 변형되는 것으로 나타났다.
특히, 가열 시간을 어느 하나로 설정한 상태에서, 상술한 온도 및 압력 범위 내에서, 온도와 압력을 가변시켜 여러 차례 실험을 한 결과에 의하면, 온도는 압력에 대해 상관 관계를 갖는 것으로 나타났다. 즉, 상술한 온도 및 압력 범위 내에 서, 가열 온도가 높으면 상대적으로 압력을 약하게 가해도 소결 및 접합이 완벽하게 이루어지는 것으로 나타났고, 그리고 압력이 높으면 상대적으로 온도를 낮게 해도 소결 및 접합이 완벽하게 이루어지는 것으로 나타났다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 소결과 동시에 진행되는 접합 공정을 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 장형 오일리스 베어링의 제조 방법 중 성형체의 소결과 접합을 동시에 수행하는 과정에서, 복수개의 환형 성형체를 서로 포개어 일렬로 정렬시킨 상태를 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 장형 오일리스 베어링의 제조 방법에서 가열시간을 50분으로 할 때 소결 및 접합이 동시에 수행될 수 있는 압력 및 온도 범위를 나타낸 압력-온도 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 복수개의 환형 성형체(100)를 서로 포개어 하나의 환형 성형체(101)의 평면이 다른 하나의 환형 성형체(102)의 저면에 면 접촉되도록 일렬로 정렬시키고, 정렬된 복수개의 환형 성형체(100)를 설정 압력으로 가압한다. 이 후, 가압된 복수개의 환형 성형체(100)를 가열하되, 금속 혼합분말 중 구리가 액상으로 출현하는 온도로 가열한다.
따라서, 서로 면 접촉된 복수개의 환형 성형체(100)가 가열되면 구리의 액상 출현으로 인해, 별도의 접합재를 사용하지 않고도 복수개의 환형 성형체(100)는 서로 접합이 이루어지게 된다.
특히, 통상 소결을 위해 요구되었던 가열 시간인 50분을 설정하여, 온도 및 압력을 가변시키면서 실험을 한 결과에 의하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 소결 및 접합이 동시에 수행될 수 있는 압력 및 온도 범위를 얻을 수 있었다. 즉, 이 그래프에 의하면, 가압력이 0.02바일 때 가열 온도는 1250℃이고, 가압력이 0.05바일 때 가열 온도는 1160℃이고, 가압력이 0.1바일 때 가열 온도는 1140℃이고, 가압력이 3.0바일 때 가열 온도는 1120℃이고, 가압력이 1.0바일 때 가열 온도는 1250℃인 것으로 나타났다. 특히, 이러한 데이터 들을 종합해본 결과, 가압력이 0.02바 내지3.0바 사이에 있을 때, 도 3에 나타난 바와 같은 가열 온도의 임계 값의 영역(실선 참조)를 얻을 수 있었고, 이 영역에서 가열 온도의 최저값은 1120℃이고 최고값은 1250℃으로 나타났으며, 소결 및 접합이 동시에 수행될 수 있는 압력 및 온도의 범위가 이 영역 안(도 3의 "GOOD"참조)에 존재하는 것으로 나타났다.
즉, 실험에 의하면, 1120℃ 보다 작으면, 환형 성형체의 소결 및 환형 성형체끼리의 접합이 충분히 일어나지 않아 기계적 물성치가 낮고 접합이 제대로 이루어지지 않는 것으로 확인되었다. 1250℃보다 높으면, 이 온도를 유지하기 위한 장치 및 운용 비용이 많이 소요되는 것으로 확인되었고, 액상출현이 너무 많아서 기공이 막힐 수도 있는 것으로 확인되었다. 또한, 가압력이 0.02바 미만이면, 압력이 약해 접합이 제대로 이루어지지 않는 것으로 확인되었고, 가압력이 3.0바 초과이면, 압력이 강해 환형 성형체가 소결과정에서 변형되는 것으로 확인되었다.
설명의 편의상, 소결 및 접합된 환형 성형체와 소결되지 않은 환형 성형체를 구별하기 위해 이하 소결 및 접합된 환형 성형체를 장형 소결체라 부르기로 한다.
다섯째, 이렇게 소결과 동시에 접합된 장형 소결체를 다음과 같이 열처리한다(S160).
장형 소결체에 켄칭(quenching)과 템퍼링(tempering)을 실시하여, 조직상 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite, 켄칭 후 나타나는 마르텐사이트를 600℃ 이하의 설정 온도로 가열하면 조직이 약간 풀어진 마르텐사이트가 형성된 것)가 되도록 한다.
여섯째, 이렇게 열처리된 장형 소결체는 다음과 같은 함유 공정을 거쳐 장형 소결체에 오일이 함유된다(S170).
함유 공정은 장형 소결체의 기공에 오일이 스며들게 하는 것으로서, 소결체에 윤활특성을 부여하는 공정이다. 오일의 함침은 소결체를 넣은 용기를 진공으로 유지한 상태에서 오일을 용기에 주입함으로써 소결체의 기공에 오일이 빨려 들어가게 한다. 장형 성형체의 밀도와 함유량은 상반된 관계를 나타낸다. 통상 10 내지 40중량%의 오일이 함유되도록 하며, 함유 오일은 극압첨가제가 첨가된 광유나 합성유를 사용하도록 한다.
일곱째, 오일 함침이 완료되면, 최종적으로 장형 소결체를 후가공하여 오일리스 베어링을 양산한다. 즉, 요구 형상에 따라 정밀도를 높이기 위해 선삭 공정 또는 연마 공정을 수행하거나 사이징 공정을 수행한다(S180).
여기서 사이징은 금형을 이용하여 요구 형상에 따라 외곽부의 치수를 확보하는 것으로써, 금형에 제품을 넣어 가압해 줌으로써 밀어내는 방법으로 수행된다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 상술한 공정이 진행되는 과정에서, 다음과 같은 특징이 추가될 수 있다.
상기 복수개의 환형 성형체(도 2의 "100" 참조)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 환형 성형체(101)와, 상기 제1 환형 성형체(101)와 함께 소결됨과 동시에 서로 접합되는 제2 환형 성형체(102)와, 그리고 제1 환형 성형체(101)를 상기 제2 환형 성형체(102)에 얼라인하는 위치 보정부(101a, 102a)를 포함하고, 상기 위치 보정부는 제1 환형 성형체(101)의 평면에 형성되되 그 외주면을 따라 상향 돌출되는 돌출부(101a)와, 제2 환형 성형체(102)의 저면에 형성되되 돌출부(101a)에 상응하도록 그 외주면을 따라 형성되는 홈부(102a)를 포함할 수 있다.
특히, 상술한 돌출부(101a)와 홈부(102a)는, 상기 복수개의 환형 성형체(도 2의 "100" 참조)를 성형하는 단계에서 성형되되, 상기 돌출부(101a)는 제1 환형 성형체(101)가 성형될 때 동시에 성형되고, 상기 홈부(102a)는 제2 환형 성형체(102)가 성형될 때 동시에 성형된다. 그리고 상술한 돌출부(101a), 상기 장형 소결체를 형성하는 단계에서, 상술한 홈부(102a)에 안착됨에 따라 제1 환형 성형체(101)와 제2 환형 성형체(102)를 서로 얼라인할 수 있다.
또한, 돌출부(101a)를 갖는 제1 환형 성형체(101)와 홈부(102a)를 갖는 제2 환형 성형체(102)는 서로 부피의 차가 있으므로 가열시 그 팽창량이 달라질 수 있을 것이다. 따라서, 그 서로 다른 팽창량으로 인해 제1 환형 성형체(101)의 평면과 제2 환형 성형체(102)의 저면이 서로 면 접촉되지 않는 것을 미연에 방지하기 위해, 돌출부(101a)와 홈부(102a)는 서로 설정 간격(G) 이격되게 형성될 수 있다. 여기서, 설정 간격(G)은 실험을 통해 쉽게 도출될 수 있다.
이하, 도 1을 다시 참조하여, 본 발명의 일 실시예의 변형례에 따른 오일리스 베어링의 제조 방법을 설명한다. 설명에 앞서, 금속 혼합물 및 가열 온도(소결 및 접합 단계의 가열 온도)을 제외하고는 상술한 일 실시예와 동일하므로 이하 금속 혼합물 및 가열 온도에 대해서만 설명하기로 한다
Fe-Cu합금-C계의 금속 혼합물을 준비하는 단계(S110)에서는 분말을 선정하고 선정된 분말을 혼합하여 금속 혼합물을 준비한다. 여기서, 분말로는 철(Fe)과, 구리(Cu)합금과, 그리고 카본(C)이 선정되고, 필요에 따라 이러한 분말에는 철을 강화시키는 강화상 분말 또는 윤활성을 향상시키는 윤활재 분말이 더 선정될 수 있다.
철은 성형체 및 저어널 베어링의 강도를 확보하는 역할을 하고, 구리합금은 저어널 베어링의 강도 및 접합특성을 강화시키는 역할과 소결(및 동시 접합) 온도를 낮추어주는 역할을 하며, 그리고 카본은 철성분을 경화시키거나 또는 고체 윤활제 역할을 한다. . 특히, 상술한 공구강의 강화상 분말은 오일리스 베어링의 내마모 특성을 향상시키는 역할을 한다. 또한, 상술한 윤활재 분말은 윤활성 향상의 역할을 수행한다. 이하, 이들에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
구리합금은 구리에 주석, 아연 또는 알루미늄 중 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다. 이러한 구리 합금은 구리합금의 조성물의 중량비를 기준으로, 주석, 아연 또는 알루미늄 중에서 선택되는 하나 하나의 성분의 총 성분이 0.3 내지 12중량%, 그리고 구리 성분이 그 나머지를 차지할 수 있다. 특히, 이러한 구리합금은 구리의 녹는 점(1083℃) 보다 낮은 녹는 점을 갖는 것으로 확인되었다. 구리합금의 녹는 점은 그 조성물에 따라 다를 수 있지만 대략 820℃ 내지 1050℃로 확인되었다. 따라서, 장형 소결체를 형성하는 단계(도 1의 "150"참조)에서 이렇게 녹 는 점이 낮아질 경우 상술한 일 실시예에서의 가열 온도보다 낮출 수 있으며, 이는 궁극적으로 가열 장치 및 그 온도 유지에 따른 비용을 현저히 줄일 수 있음을 알 수 있다.
구리합금은 전체 조성물의 중량비를 기준으로 5 내지 30중량%로 조성되는 것이 바람직한 것으로 실험에 의해 나타났다.
즉, 실험에 의하면, 구리합금은 철 분말 보다 녹는 점이 낮고, 윤활성이 우수하며, 확산계수가 커 확산이 용이하고, 열전달계수가 커 열이 빨리 전달되지만, 그 첨가량이 5중량% 미만이면, 성형체가 소결되는 동안 오일리스 베어링의 조직 내의 구리가 철에 미미하게 고용되므로 축 회전시 구리합금이 액상으로 단독 존재하지 않아 오일리스 베어링에서 발생되는 마찰열이 충분히 발산되지 못하는 것으로 나타났고, 소착(베어링과 축이 미끄럼 운동을 하는 동안 발생된 마찰열에 의해 베어링과 축이 미세 용융하여 서로 달라 붙는 현상이며, 윤활유가 부족하거나 마찰열이 충분히 제거되지 못한 경우에 나타나는 현상) 발생을 억제하는 효과가 부족한 것으로 나타났다. 이에 반해, 그 첨가량이 30중량% 이상이면, 상대적으로 기지부인 철의 양이 부족하게 되어 내하중 효과를 얻기가 어려운 것으로 나타났다.
이에 따라, 베어링의 마찰열 발산 효과와, 소착 발생 억제 효과와, 그리고 내하중 효과를 최적인 상태로 얻을 수 있도록, 상술한 최적정량의 구리합금을 첨가해야 된다. 또한, 실험에 의하면, 상술한 최적량의 구리합금을 첨가할 경우 조성물의 접합성이 좋아진 것으로 나타났다.
또한, 카본은 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.3 내지 2.0중량%로 조성되 는 것이 바람직한 것으로 실험에 의해 나타났다.
즉, 실험에 의하면, 카본은 기지부인 철에 고용됨으로써 퍼얼라이트(pearlite)를 형성하며 열처리 후에 단단한 마르텐사이트(martensite)를 형성하도록 도와주지만, 그 첨가량이 0.3중량% 이하이면, 열처리 후 마르텐사이트 형성이 부족한 것으로 나타났고, 그 첨가량이 2.0중량% 이상이면, 조대한 망상 세멘타이트(comentite) 형성으로 인하여 조직을 취성으로 만들 수 있는 것으로 나타났으며, 또한 유리 카본(철에 확산되지 못하고 카본의 형태로 조직 속에 남아 있는 카본)을 발생시킬 수 있는 것으로 나타났다.
이에 따라, 풀(full) 퍼얼라이트(pearlite)를 형성하며 열처리 후에 단단한 마르텐사이트(martensite)를 형성시키기 위해서는 상술한 최적량의 카본을 첨가해야 된다.
특히, 필요에 따라 선정될 수 있는 강화상 분말은 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo) 및 크롬(Cr)이 철(Fe)과 함께 고용된 합금 공구강 분말이다. 구체적으로, 강화상 분말은 전체 조성물의 중량비를 기준으로 1중량% 내지 20중량%로 조성되는 것이 바람직한 것으로 실험에 의해 나타났다. 즉, 실험에 의하면, 이러한 강화상 분말은 기지부인 철을 강화시키는 것으로 나타났고, 특히, 강화상 분말이 금속 혼합물의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 1중량% 내지 20중량%이면, 흑연과 구리합금을 효과적으로 고용시켜 고용강화 효과를 발휘하는 것으로 나타났고, 또한 열처리후에는 마르텐사이트를 형성시켜 내하중성이 확보되는 것으로 나타났다.
또한, 필요에 따라 선정될 수 있는 고체 윤활제 분말은 MoS2, BaF2, 입상 또는 편상 흑연 등이 사용될 수 있다. 구체적으로, 윤활재 분말은 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.1 내지 3.0 중량%로 조정되는 것이 바람직한 것으로 실험에 의해 나타났다. 즉, 실험에 의하면, 이러한 윤활재 분말은 오일리스 베어링의 윤활성을 향상시키지만, 그 첨가량이 0.1 중량% 이하이면 윤활성 효과가 미미한 것으로 나타났고, 그 첨가량이 3.0 중량% 이상이면 성형체의 소결을 저해하는 것으로 나타났다.
이에 따라, 오일리스 베어링의 윤활성을 향상시키기 위해서는 상술한 최적량의 윤활재 분말을 첨가해야 된다
이상에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 장형 오일리스 베어링 및 이의 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있을 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 별도의 접합 공정 없이, 소결과 동시에 접합이 수행되므로 제조 공정을 단축시킬 수 있으며, 궁극적으로 제조 공정 시간(TACT, total average cycle time) 및 제조 비용을 현저히 줄일 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 별도의 확산 접합재가 사용되지 않으므로, 확산 접합재를 안착시키는 시간 및 확산 접합재에 소요되는 비용을 줄일 수 있는 이점이 잇다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발 명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 금속 혼합분말로 복수개의 환형 성형체를 성형하는 단계와,
    상기 복수개의 환형 성형체를 소결시킴과 동시에 서로 접합시켜 장형 소결체를 형성하는 단계와, 그리고
    상기 장형 소결체에 오일을 함침시키는 단계를 포함하고,
    상기 장형 소결체를 형성하는 단계는,
    상기 복수개의 환형 성형체를 서로 포개어 일렬로 정렬시키는 단계와,
    상기 일렬로 정렬된 복수개의 환형 성형체를 설정 압력으로 가압하는 단계와, 그리고
    상기 가압된 복수개의 환형 성형체를 설정 온도로 가열하는 단계를 포함하고,
    상기 금속 혼합분말은 철-구리-탄소 계의 금속 혼합분말을 포함하고, 그리고
    상기 철-구리-탄소 계의 금속 혼합분말에는, 전체 조성물의 중량비를 기준으로, 구리 성분이 5 내지 30중량%, 탄소 성분이 0.3 내지 2.0중량%, 그리고 철 성분이 그 나머지를 차지하는 장형 오일리스 베어링의 제조 방법.
  4. 제3항에서,
    상기 금속 혼합분말이 철-구리-탄소 계의 금속 혼합분말일 경우,
    상기 설정 온도는 상기 구리의 녹는 점보다 크고 상기 철의 녹는 점보다 작은 값을 가지고, 그리고
    상기 설정 압력은 0.02바(Bar) 내지 3.0바인 장형 오일리스 베어링의 제조 방법.
  5. 금속 혼합분말로 복수개의 환형 성형체를 성형하는 단계와,
    상기 복수개의 환형 성형체를 소결시킴과 동시에 서로 접합시켜 장형 소결체를 형성하는 단계와, 그리고
    상기 장형 소결체에 오일을 함침시키는 단계를 포함하고,
    상기 장형 소결체를 형성하는 단계는,
    상기 복수개의 환형 성형체를 서로 포개어 일렬로 정렬시키는 단계와,
    상기 일렬로 정렬된 복수개의 환형 성형체를 설정 압력으로 가압하는 단계와, 그리고
    상기 가압된 복수개의 환형 성형체를 설정 온도로 가열하는 단계를 포함하고,
    상기 금속 혼합분말은 철-구리합금-탄소 계의 금속 혼합분말을 포함하고, 그리고
    상기 철-구리합금-탄소 계의 금속 혼합분말에는,
    전체 조성물의 중량비를 기준으로, 구리합금 성분이 5 내지 30중량%, 탄소 성분이 0.3 내지 2.0중량%, 그리고 잔부로 철 성분을 포함하고,
    상기 구리합금은 구리에 주석, 아연 또는 알루미늄 중 하나 이상의 성분을 첨가한 것이고, 그리고
    상기 구리합금의 조성물의 중량비를 기준으로, 상기 주석, 아연 또는 알루미늄 중에서 선택되는 하나 이상의 성분의 총 성분이 0.3 내지 12중량%, 그리고 구리 성분이 그 나머지를 차지하는 장형 오일리스 베어링의 제조 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 금속 혼합분말이 철-구리합금-탄소 계의 금속 혼합분말일 경우,
    상기 설정 온도는 상기 구리합금의 녹는 점보다 크고 상기 철의 녹는 점보다 작은 값을 가지고, 그리고
    상기 설정 압력은 0.02바 내지 3.0바인 장형 오일리스 베어링의 제조 방법.
  7. 제3항 또는 제5항에서,
    상기 금속 혼합분말에는 상기 철(Fe)을 강화시키는 강화상 분말이 더 첨가되고, 그리고
    상기 강화상 분말은 상기 금속 혼합물의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 1중량% 내지 20중량%를 차지하는 장형 오일리스 베어링의 제조 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 금속 혼합분말에는 고체 윤활재가 더 첨가되고, 그리고
    상기 고체 윤활재는 상기 금속 혼합물의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.1 내지 3.0 중량%를 차지하는 장형 오일리스 베어링의 제조 방법.
  9. 제3항 또는 제5항에서,
    상기 금속 혼합분말에는 고체 윤활재가 더 첨가되고, 그리고
    상기 고체 윤활재는 상기 금속 혼합물의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.1 내지 3.0 중량%를 차지하는 장형 오일리스 베어링의 제조 방법.
  10. 금속 혼합분말로 복수개의 환형 성형체를 성형하는 단계와,
    상기 복수개의 환형 성형체를 소결시킴과 동시에 서로 접합시켜 장형 소결체를 형성하는 단계와, 그리고
    상기 장형 소결체에 오일을 함침시키는 단계를 포함하고,
    상기 장형 소결체를 형성하는 단계는,
    상기 복수개의 환형 성형체를 서로 포개어 일렬로 정렬시키는 단계와,
    상기 일렬로 정렬된 복수개의 환형 성형체를 설정 압력으로 가압하는 단계와, 그리고
    상기 가압된 복수개의 환형 성형체를 설정 온도로 가열하는 단계를 포함하고,
    상기 복수개의 환형 성형체는 제1 환형 성형체와 제2 환형 성형체를 포함하고,
    상기 복수개의 환형 성형체를 성형하는 단계에서,
    상기 제1 환형 성형체가 성형될 때 상기 제1 환형 성형체의 평면에는 그 외주면을 따라 상향 돌출되는 돌출부가 성형되고,
    상기 제2 환형 성형체가 성형될 때 상기 제2 환형 성형체의 저면에는 상기 돌출부에 상응하도록 그 외주면을 따라 상향 함몰되는 홈부가 성형되고, 그리고
    상기 돌출부와 상기 홈부는 서로 설정 간격 이격되게 형성되고, 그리고
    상기 장형 소결체를 형성하는 단계에서,
    상기 제2 환형 성형체의 상기 홈부에 상기 제1 환형 성형체의 상기 돌출부가 안착되어 상기 제1 환형 성형체와 상기 제2 환형 성형체가 서로 얼라인되는 장형 오일리스 베어링의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제3항 또는 제5항에서,
    상기 복수개의 환형 성형체는 제1 환형 성형체와 제2 환형 성형체를 포함하고,
    상기 복수개의 환형 성형체를 성형하는 단계에서,
    상기 제1 환형 성형체가 성형될 때 상기 제1 환형 성형체의 평면에는 그 외주면을 따라 상향 돌출되는 돌출부가 성형되고,
    상기 제2 환형 성형체가 성형될 때 상기 제2 환형 성형체의 저면에는 상기 돌출부에 상응하도록 그 외주면을 따라 상향 함몰되는 홈부가 성형되고, 그리고
    상기 돌출부와 상기 홈부는 서로 설정 간격 이격되게 형성되고, 그리고
    상기 장형 소결체를 형성하는 단계에서,
    상기 제2 환형 성형체의 상기 홈부에 상기 제1 환형 성형체의 상기 돌출부가 안착되어 상기 제1 환형 성형체와 상기 제2 환형 성형체가 서로 얼라인되는 장형 오일리스 베어링의 제조 방법.
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