KR101345919B1

KR101345919B1 - 평탄형 베어링

Info

Publication number: KR101345919B1
Application number: KR1020097003964A
Authority: KR
Inventors: 로베르트 메르겐
Original assignee: 미바 그레이트라게르 게엠베하
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2013-12-27
Also published as: JP5099528B2; US20100002968A1; AT504088B1; EP2057296B1; AT504088A1; CN101512025A; WO2008025046A1; EP2057296A1; CN101512025B; BRPI0717012A2; JP2010501816A; KR20090048476A

Abstract

본 발명은 스틸 지지체 셀(steel support shell)과 무연(lead-free) 베어링 금속층을 가지며, 상기 지지체 셀에 가해지는 주석과 아연을 메인 합금 원소로 갖는 구리기반의 평탄형 베어링으로서, 상기 베어링 금속층은 주석 2.5 내지 11 중량%와, 아연 0.5 내지 5 중량%와, 지르코늄과 티타늄을 합친 함량 0.01 중량% 이상과, 인 0.03 중량% 이상을 포함하고, 지르코늄, 티타늄과 인을 함께 합친 함량은 최대 0.25 중량% 이고, 주석, 아연을 함께 합친 함량은 3 내지 13 중량% 이다.

평탄형 베어링, 스틸 지지체 셀(steel support shell) 무연 베어링 금속층

Description

평탄형 베어링{PLAIN BEARING}

본 발명은 스틸 지지체 셀(steel support shell)과 무연(無沿: lead-free) 베어링 금속층을 갖는 평탄형 베어링에 관한 것으로서, 특히 구리를 기반으로 하고, 메인 합금 원소로서 주석과 아연을 지지체 셀에 가한 평탄형 베어링에 관한 것이다.

메인 합금 원소로서 주석과 아연을 가지고, 구리를 기반으로 하는 평탄형 베어링 물질은 오랫동안 공지된 기술에 속하지만, 내연기관 구동 열차용 유체역학적 베어링에 사용하기 위해서는 비교적 다량의 납(lead)을 이들 베어링 물질용 합금에 가해야만 마찰공학적 특성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 이들 공지의 평탄형 베어링 물질을 갖는 베어링은 스틸 지지체 셀에 가해진 베어링 금속층이 특수한 미끄럼 특성을 가진 주행층으로 덮일 때 단지 그 요건을 충촉시킬 수 있었는데, 그 이유는 납성분의 높은 함량이 부착성 지체 경향에 대해 충분한 방지를 확보할 수 있기 때문이다. 그러나, 이것만으로는 요구하는 미끄럼 능력을 충분히 제공하는 것은 아니다.

납청동(lead bronze)의 독성으로 인해 이러한 베어링 물질의 사용을 점차 감소하는 추세이다. 이러한 납청동 대신에 메인 합금 원소 또는 요소로서 주석과 아연을 갖는 구리 기반의 무연 평탄형 베어링 물질을 사용하려는 시도가 있어 왔지만, 그 대체물질로서의 베어링 물질은 마찰공학적 특성에서 그 질적 저하를 감수할 수 밖에 없었다. 예를들면, 독일 특허 DE 103 08 779 B3에서는 최소한 21.3 중량%의 아연과 최대 3.5 중량%의 주석에 마그네슘, 철, 코발트, 니켈, 망간 또는 실리콘에서 선택적으로 조합한 것을 첨가한 황동합금으로 미끄럼 특성을 향상시키려는 시도가 있었지만, 그 효과가 크지 않아서 평판이 좋지 못하였다. 그 밖에도 이와 유사하게, 공지된 무연 구리합금의 예로서 미끄럼 특성이 불충분한 종래의 기술로는 독일특허 DE 103 08 778 B3가 있으며, 이 경우에는 메인 합금 성분으로서 최소 8.5중량%의 아연, 1 내지 5 중량%의 실리콘, 그리고 최대 2 중량%의 주석과, 소량의 철 또는 코발트, 니켈 및 망간을 갖는다. 비스무트르 0.5 내지 2 중량% 만큼을 구리합금에 첨가하고 6 중량%의 주석함량을 부여하여 납성분의 첨가를 피하는 경우(EP 0457 478 B1), 마찰공학적 특성을 개선할 수는 있지만, 이와 동시에 기계적 강도가 저하하게 되므로, 고성능 내연기관 엔진 구동 열차용의 베어링으로 사용하기에는 부적합하다. 즉, 오늘날까지 고함량의 납성분을 갖는 청동기반 베어링 물질만이 이러한 베어링 요건을 충족시킬 수 있었다. 현대적 내연기관은 점화압력이 증가하는 추세에 있으며, 이러한 추세로 인해 납청동 물질 조차도 납성분이 갖는 그 한계 때문에 그 베어링 물질의 기계적 부하요건을 충족시키지 못하게 될 것이다. 또 다른 요인은 윤활유에 대한 내부식성을 확보하고, 바람직한 냉간성형능력(favorable cold-forming capability)을 확보해야 하는데, 이 부분에서도 납청동 물질은 부하-베어링 능력(용량)의 요건을 충족시키는 것이 더 이상 어려워지고 있 다.

따라서, 본 발명은 구리기반의 무연 베어링 금속층을 가지면서도 바람직한 내부식성과, 강도와 인장력이 크고, 오일의 오염과 부착성에 대해서 향상된 동작능력을 갖는 평탄형 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 평탄형 베어링은 베어링 금속층이 주석 2.5 내지 11 중량%와, 아연 0.5 내지 5 중량%와, 지르코늄과 티타늄을 합친 함량 0.01 중량% 이상과, 인 0.03 중량% 이상을 포함하고, 지르코늄, 티타늄과 인을 함께 합친 함량은 최대 0.25 중량% 이고, 주석, 아연을 함께 합친 함량은 3 내지 13 중량% 이다.

상기한 조성물을 통해 베어링 금속층의 부착지체성의 경향을 획기적으로 억제할 수 있다는 사실을 확인하였다. 낮은 부착지체성은 주로 알파 청동과 입자 경계에 매우미세하게 분포하는 알파/델타 아공융(eutectoid)으로 구성되고, 알파/델타 미세성에 관련 영향을 주는 티타늄과 지르코늄으로 구성되는 매트릭스에 의한 것으로 추정되며, 이 경우 티타늄과 지르코늄은 인의 첨가로 인해 사전 산화를 방지한 상태에서만 미세성에 관련 영향을 줄 수 있다. 베어링 금속층의 부착지체 동작을 획기적으로 개선한 부분은 0.01 중량%의 지르코늄과 티타늄에 의해 얻게된다. 이것의 예비조건은 각각의 산화방지이며, 이를 위해 인 0.03 중량%의 최소량을 요하게 된다.

지르코늄과 티타늄의 함량이 너무 많으면, 이들 요소(원소)가 매트릭스를 무르게 하는 효과를 주며, 이에 따라서 베어링 금속층의 허용할 수 없는 변형 임계점을 초래한다. 또한, 베어링 물질의 연성(延性)과 피로강도를 부적절하게 손상시키는 것을 피하기 위해서도 인을 과도하게 첨가하는 것은 피해야 한다. 지르코늄, 티타늄 및 인의 전체 합계가 0.25 중량% 이하가 되는 경우에는, 요구조건에 맞는 연성을 확보할 수 있지만, 인의 상한을 0.08 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기한 주석과 아연의 함량을 가질 경우, 베어링 금속층의 미끄럼 특성과 기계적 강도에 관한 요구조건을 바람직하게 충족시킬 수 있다. 주석의 함량을 최대 11 중량%로 제한할 경우, 바람직하지 않은 경화 효과가 발생하지 않으며, 무름성을 야기하는 조성물 상(相)이 발생하지 않는다. 아연은 인을 고함량으로 사용하는 것을 막아주는 대체물이다. 즉, 인을 많이 사용할 경우 금속간 철/인 화합물의 형성으로 인하여 베어림 금속층과 스틸 지지체 셀의 접착에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 베어링 금속층의 합금은 주조(casting)와 소결(sintering) 기법에서 요구조건을 충족할 만큼 적절히 작용하므로 스틸 상에 주조와 소결 코팅을 행하는 것이 바람직하다.

그 밖에도 아연을 첨가하는 것은 합금 제조 중에 액상(液相) 상태에서 산화를 방지하는데 뛰어나고, 마찰공학적으로 바람직한 알파/델타 아공융의 형성을 지지한다. 베어링금속층에서 아연의 장점을 이용하기 위해서는, 0.5 중량%의 최소함량이 요구된다. 그러나, 아연의 함량이 5 중량%를 초과하지 않아야 내부식성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

니켈, 망간, 알루미늄, 은, 철, 비소, 안티몬, 마그네슘, 코발트는 강도, 내열성, 내부식성에서 이미 공지된 효과가 있으며, 이러한 공지된 효과를 이용하기 위해 베어링 금속층은 이들 원소 중 최소한 하나를 포함한다. 이 경우 이들 원소의 개별 함량은 2.5 중량%를 초과하지 않고, 이들 사용되는 원소들의 총합계는 11 중량% 이하, 보다 바람직하게는 9.5 중량% 이하이며, 이와 같은 총합계 함량을 초과할 경우에는 베어링 금속층이 요구하는 특성을 얻을 수 없다는 사실을 발견했다. 이들 원소들의 작용력은 아연 함량이 과도할 때는 발휘될 수 없는데, 예를들면, 아연함량이 과도하면 알파 청동의 형태에서 매트릭스의 형성에 손상이 발생하는 것을 피할 수 없다. 특히 이들 원소 그룹의 각 개별원소가 0.5 중량% 이하, 바람직하게는 0.05 중량% 이하가 될 때, 일반적으로 바람직한 조건을 얻을 수 있다

부착지체경향을 더욱 줄이기 위해, 베어링 금속층이 2 중량% 이하의 비스무트를 포함할 수 있다. 2 중량% 이하의 비스무트를 포함할 경우, 요건에 맞는 강도값을 유지할 수 있다. 그러나, 비스무트 함량이 높아지면 매트릭스의 약화를 초래한다. 비스무트에 의해서 또한 내부식성 약화될 수 있으며, 이 경우 보다 깊은 층의 매트릭스 영역에서 부식이 발생할 수 있다.

내부착지체성(seizing resistance)을 결정하기 위해, 48.0 mm의 직경, 21.00 mm의 폭, 베어링 유극 1.4 ‰의 테스트 베어링에 대해 5000 rpm 속도로 정적 부하(static load)를 가하고, 0.7 바(bar)의 압력에서 1.1 L/min의 오일속도, 120℃ 의 오일 공급온도 상태에서, 부착지체와 마모부하가 측정될 때까지, 단계별로 1.75분 마다 부하(load)를 증대시켰다. 예를들면 마찰부하에 관하여 20MPa의 평균 내부착지체도와 예를들면 2.10⁶에서 150 MPa의 피로강도를 위한 요구최소값 중 최대 하나에 대하여만 메인 합금원소로서 주석을 갖는 구리기반의 공지의 무연 베어링 금속합금이 얻어지지만, 본 발명에 따른 평탄형 베어링에서는 이들 최소값들을 모두 용이하게 확보할 수 있다.

본 발명에 따르면, 3 중량%의 주석, 1중량%의 아연, 1 중량%의 니켈과 0.3 중량%의 알루미늄에 대해 지류코늄과 티타늄 및 인의 합계가 0.08 중량%을 갖는 구리기반 베어링 금속합금에서 24 MPa의 마찰부하와 152 MPa의 절곡피로강도를 측정할 수 있었다. 주석함량을 4 중량%로 증대시키고, 지르코늄, 티타늄 및 인의 합계함량을 0.09 중량% 만큼 증대시켰을 때, 니켈과 알루미늄을 합금에 첨가하지 않고도 마찰부하가 24 MPa이고, 절곡피로강도가 154 MPa로 증대하였다. 추가적으로 지르코늄, 티타늄 및 인의 합계함량을 0.12 중량% 첨가하고, 동시에 코발트 0.05 중량%와 마그네슘 0.05 중량%를 첨가한 경우에는 마찰부하가 28 MPa로 증대하고 절곡피로강도가 164 MPa로 증대하였다.

주석 4 중량%, 아연 1 중량%, 지르코늄, 티타늄 및 인의 합계함량이 0.11 중량%로 한 구리기반 베어링 금속층의 경우, 롤 본딩(roll-bonding)을 스틸 지지체 셀(steel support shell)에 가한 상태에서 26 MPa 마찰부하와, 163 MPa의 절곡피로강도가 측정되었다. 그러나, 동일한 베어링 금속층을 주조한 경우에는 24 MPa의 마 찰부하와 156 MPa의 절곡피로강도를 얻을 수 있었다. 주석의 함량을 추가로 증대한 경우, 마찰부하의 값과 절곡피로강도가 또한 증대한다. 주석 함량을 5중량%로 하고,불변 아연 함량 1중량%, 지르코늄, 티타늄, 인의 합계 함량 0.01 중량%, 철 0.2 중량%, 망간 0.1 중량%를 첨가하여 34 MPa의 마찰부하와 168 MPa의 절곡피로강도를 얻었다. 이들 철과 망간을 첨가하지 않을 경우에는 마찰부하가 35 MPa이고, 절곡피로강도는 163 MPa가 되었다. 추가로 주석 함량을 8 중량%로 하고, 지르코늄, 티타늄, 인의 합계함량을 0.17 중량%로 할 경우에는 마찰부하가 37 MPa 이고, 절곡피로강도가 173 MPa 가 되었으며, 이때, 불변 아연 함량과, 0.02 중량%의 망간, 0.1 중량%의 코발트, 1 중량%의 니켈이 첨가되었다.

Claims

스틸 지지체 셀(steel support shell)과 무연(lead-free) 베어링 금속층을 가지며, 상기 지지체 셀에 가해지는 주석과 아연을 메인 합금 원소로 갖고, 지르코늄과 티타늄과 인을 또한 포함하는 구리기반의 평탄형 베어링에 있어서,

상기 베어링 금속층은 주석 2.5 내지 11 중량%와, 아연 0.5 내지 5 중량%와, 지르코늄과 티타늄을 합친 함량 0.01 중량% 이상과, 인 0.03 중량% 이상을 포함하고, 지르코늄, 티타늄과 인을 함께 합친 함량은 최대 0.25 중량% 이고, 주석, 아연을 함께 합친 함량은 3 내지 13 중량% 인 것을 특징으로 하는 평탄형 베어링.
제1항에 있어서,

상기 인 함량은 0.08 중량%의 상한으로 제한되는 것을 특징으로 하는 평탄형 베어링
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 베어링 금속층은 니켈, 망간, 알루미늄, 은, 철, 비소, 안티몬, 마그네슘 및 코발트로 된 원소 그룹 중에서 최소한 한 가지 이상의 원소를 추가로 포함하며, 이들 원소 들의 개별함량은 최대 2.5 중량%이고, 상기 원소 그룹 중에서 사용되는 원소들의 합계 함량은 최대 11 중량%인 것을 특징으로 하는 평탄형 베어링.
제3항에 있어서,

상기 원소 그룹 중에서 사용되는 원소들의 개별함량은 0.5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 평탄형 베어링.
제1항에 있어서,

상기 베어링 금속층은 2 중량% 이하의 비스무트를 갖는 것을 특징으로 하는 평탄형 베어링.