KR101566044B1

KR101566044B1 - 주석기반 백색 합금으로 구성된 평 베어링 합금

Info

Publication number: KR101566044B1
Application number: KR1020107016818A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 에베르하르트; 팔코 랑바인
Original assignee: 미바 베어링스 홀딩 게엠베하
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2015-11-05
Also published as: JP5563489B2; WO2009108975A1; AT505664B1; CN101960029B; CN101960029A; JP2011513592A; DE112009000194A5; AT505664A4; KR20100125232A

Abstract

본 발명은 메인 합금 원소로서 안티몬을 함유하는 동시에 1 ∼ 10 중량%의 구리를 함유하는 주석 기반 백색 합금으로 제조된 평 베어링 합금에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 고도의 친환경적 특성을 가진 동시에 마찰공학적 특성을 손상시키지 않는 고강도 특성을 얻는 것에 있다. 이러한 목적을 위해, 본 발명에 따른 백색 합금은 불가피한 불순물을 제외하고는 카드뮴, 납, 비소, 크롬을 함유하지 않으며, 메인 합금 원소로서 4 ∼ 30 중량%의 안티몬을 함유하고, 코발트, 망간, 스칸듐, 게르마늄으로 된 제1그룹 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 전체 농도를 기준으로 0.2 ∼ 2.6 중량% 함유하고, 마그네슘, 니켈, 지르코늄, 티타늄으로 된 제2그룹 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 전체 농도를 기준으로 0.05 ∼ 1.7 중량% 함유하며, 안티몬과 구리의 합산 백분율은 최대 35%이고, 안티몬 함량은 구리 함량의 3배 이상이다.

Description

주석기반 백색 합금으로 구성된 평 베어링 합금{PLAIN BEARING ALLOY CONSISTING OF A TIN-BASED WHITE METAL}

본 발명은 메인 합금 원소로서의 안티몬과 1 - 10 중량%의 구리를 함유하는 주석기반 백색합금(white metal)으로 제조된 평 베어링 합금에 관한 것이다.

종래기술로서 주석 기반 평 베어링 합금은 GB 2 146 354 A에 공지된 것을 예로들 수 있으며, 이 합금은 2 ∼ 15 중량%의 안티몬, 1 ∼ 10 중량%의 구리, 15 중량%에 이르는 납과, 추가로 카드뮴, 니켈, 은, 텔루륨(tellurium: "텔루르"라고도 함), 코발트, 마그네슘, 망간, 비소와 같은 추가 합금원소를 포함하며, 그 밖에도 0.005 ∼ 0.5 중량%의 티타늄이 함유되어 베어링물질의 마이크로 구조를 정련하여 평 베어링의 베어링 용량을 개선하는 역할을 한다. 또한, 생태학적으로 이로운 백색합금의 하중용량을 증대시키기 위하여 6 ∼ 15 중량%의 안티몬, 3 ∼ 10 중량%의 구리와, 0.1 ∼ 18 중량%의 비스무트를 사용하는 방식이 제안되어 있다(DE 101 45 389 C2). 이러한 방식에도 불구하고, 환경에 해로움을 주는 합금 성분이 함유되지 않은 이들 공지의 종래 기술들은 강도에 있어 수요자의 요구를 충족시키는데 한계가 있기 때문에, 하중용량, 내마모, 내파열성의 높은 요구 조건을 만족시키기 위해서 종종 알루미늄 기반 베어링 금속이 사용되며, 이 경우에는 주석 기반 베어링 금속 합금의 뛰어난 비상 동작을 포기해야만 한다.

본 발명은 카드뮴, 납, 비소 및 크롬과 같은 오염성 베어링 원소를 사용하지 않고도 상기 설명한 종류의 주석 기반 백색 합금으로된 평 베어링 합금의 강도를 향상시킬 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 평 베어링 합금은

메인 합금 원소로서 안티몬을 함유하는 동시에 1 ∼ 10 중량%의 구리를 함유하는 주석 기반 백색 합금으로 제조된 평 베어링 합금에 있어서, 상기 백색 합금은 불가피한 불순물을 제외하고는 카드뮴, 납, 비소, 크롬을 함유하지 않으며, 상기 백색 합금은 메인 합금 원소로서 4 ∼ 30 중량%의 안티몬을 함유하고, 코발트, 망간, 스칸듐, 게르마늄으로 된 제1그룹 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 전체 농도를 기준으로 0.2 ∼ 2.6 중량% 함유하고, 마그네슘, 니켈, 지르코늄, 티타늄으로 된 제2그룹 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 전체 농도를 기준으로 0.05 ∼ 1.7 중량% 함유하며, 안티몬과 구리의 합산 백분율은 최대 35%이고, 안티몬 함량은 구리 함량의 3배 이상인 것을 특징으로 한다. 여기서 최소함량은 유효 임계값을 나타내고, 최대함량은 그 크기와 수치의 결과로서 이미 손상이 되는 확대 침전물을 나타낸다.

코발트, 망간, 스칸듐 및/또는 게르마늄을 첨가한 합금의 경우, 침전된 금속간 상(相)(precipitated intermetallic phase)의 정련 및 라운딩을 얻는 효과가 있다. 케르마늄은 추가로 구리가 없는 금속간상 화합물(intermetallic compound)을 형성하며, 이 경우 개별 침전물의 크기(높이)를 낮게 유지한 상태에서 합금의 강도에 긍정적인 영향을 준다. 이들 원소를 보다 많이 용해하여 그 제1결정화의 결과로서 다수의 결정화 원자가 백색합금의 고형체에 형성되며, 이것은 구리와 안티몬과 함께 금속간상의 침전을 상당히 정련한다. 그 결과, 백색합금의 변형에 대해 큰 손상을 주지않고도 주석 매트릭스의 강도를 향상시킬 수 있다. 마찰공학적으로 바람직하지 않은 니들(niddle) 형상으로 침전될 수도 있는 구리/주석 상(相)과 또한 바람직하지 않은 큐브형 주석/안티몬 상(相)도 본 발명에 따르면 라운트형으로 마무리될 수 있는 이점이 있다. 또한, 크랙이 형성되는 경향도 현저히 줄일 수 있다. 이와 관련하여, 상대적으로 긴 니들 형태로 금속간 구리/주석 상(相) 및 주석/안티몬 상(相)의 형성에 대한 억제를 위해 용융합금을 충분히 신속하게 고형화할 필요가 있음을 주목해야 한다.

마그네슘, 니켈, 지르코늄, 티타늄으로된 그룹의 원소들은 특히 안티몬이 고함량일 때, 금속간상에서의 안티몬 일부를 고정하게 되며, 이것은 그 고함량의 안티몬과 함께 무름성을 억제하게 된다. 지나치게 망간의 함량이 높을 경우 부패 성향이 커지며, 이것은 특히 피팅(pitting)이 발생할 경우 더욱 심하다. 구리/주석 결정에서 니켈이 발견될 수 있는데 이것은 경도(hardness)를 증대시키는 작용을 한다. 본 발명에 있어서는, 합금의 미끄럼 특성에서 부정적인 영향은 없다.니켈은 또한 내식성을 향상시키고 분열 현상(segregation phenomena)의 발생을 감소시킨다. 5중량% 이상의 함량은 큰 경성 상(相)의 침전에 의해 합금의 무름을 야기한다. 이러한 함량에서 지르코늄의 첨가는 매트릭스에 강화(보강) 효과를 주는 한편 입자 정련에 유용하다. 티타늄을 첨가할 경우에는 입자의 정련을 향상시키며, 그 결과 평 베어링 합금의 캐리 용량(carry capability)을 개선하지만 그 경도는 변하지 않는다. 구리함량을 증대시키면 합금의 강성을 증대시키는데, 그 이유는 금속간상이 안티몬과 구리 사이에 형성되기 때문이다. 구리함량은 상기한 제한 비율을 초과하지 말아야 하며, 그렇지 않을 경우 니들형 구리/주석 상(相)이 과도하게 형성되기 때문이다.

백색 합금의 안티몬 함량이 10 ∼ 22 중량% 이고, 구리 함량이 3 ∼ 7 중량% 일 때 특히 이와 같은 평 베어링 합금으로부터 베어링 금속층을 위한 바람직한 하중 조건이 얻어진다. 이러한 점에서 안티몬 함량이 13 ∼ 18 중량%, 구리 함량이 3.5 ∼5.5 중량%에서 최적의 상태를 얻을 수 있다. 구리 첨가량의 증대에 따라서 베어링 금속에 손상이 가해지는 정도로 니들형 구리/주석 상(相)이 형성되는 것을 방지하기 위해서는 아연 0.6 ∼1.8중량%, 더욱 바람직하게는 0.7∼0.9 중량%를 백색 합금에 첨가한다. 아연은 부가적인 결정 원자를 형성하여 구리/주석 상(相)과 주석/안티몬 상(相)을 정련하는데 사용된다. 이러한 방법으로 이들 상(相)들이 손상을 줄 정도가 되지 않도록 할 수 있다. 아연이 0.6 중량% 이하이면 긍정적인 효과가 얻어지지 않는다. 아연이 1 중량% 이상이면 아연 혼합 결정에서 더 이상 용해가 되지 않으며, 주석과 아연 사이에 저점공융상(low-melting eutectic phase)(Tm approx. 200℃)이 형성되며, 이것은 내열성 및 내식성을 감소시킨다.

은, 금, 바나듐, 철로된 그룹에서 선택되는 원소를 백색 합금에 첨가하고, 이들 합금 원소의 개별 백분율이 4 중량%를 초과하지 않도록 하고, 합계 백분율은 8 중량%를 초과하지 않도록 하여도 상기와 유사한 효과를 얻을 수 있다.

알루미늄은 안티몬 및 구리 기반 금속간상의 정련을 지원한다. 이러한 이유로, 백색합금은 0.05 ∼2.5 중량%의 알루미늄 백분율을 가질 수 있다. 알루미늄 백분율은 상한을 정해야 백색 합금의 다공성에 대한 부정적인 영향을 받지 않을 수 있다. 많은 실리콘은 지르코늄과 스칸듐을 금속간상으로 결합하여 주요 실리콘 결정의 형성을 방지한다. 이러한 이유로, 주요 실리콘 결정의 형성을 방지하기 위해 실리콘과 알루미늄을 아공석 조성물(hypoeutectic composition)에 첨가하는 것이 바람직하다. 알루미늄과 실리콘은 불균일 상(相) 혼합물(heterogeneous phase mixture)로서 존재하며 알루미늄의 백분율은 실리콘의 백분율의 7 ∼45 배에 해당한다.

금속간상 화합물에 의해 백색 합금의 강도 특성을 증대시키기 위해, 0.05 ∼ 1.6중량%의 리튬을 합금에 첨가할 수 있다. 최종적으로 희토류 그룹에서 선택되는 하나 이상의 금속을 첨가할 경우 파우어링(pouring) 특성을 개선할 수 있고, 분열성을 감소시킬 수 있다. 또한 이들 희토류는 입자 정련효과를 갖는다. 바람직하지 않은 효과를 억제하게 된다면 희토류의 전체 농도는 1.3 중량%를 초과하지 않아야 한다.

이하 본 발명에 따른 평 베어링 합금의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.

[실시예1]

10.1 중량%의 안티몬, 3.1 중량%의 구리, 0.5 중량%의 망간, 0.08 중량%의 스칸듐, 0.05 중량%의 지르코늄, 0.1 중량%의 마그네슘 및 나머지는 주석으로 된 평 베어링 합금을 제조하였다. 이렇게 제조된 본 발명의 실시예1에 따른 평 베어링 합금은 바람직한 변형성을 나타냈으며, 또한 30.0 HBW 2.5/15, 625/15의 캐스팅 경도(casting hardness)를 나타냈다.

[실시예2]

강도(strength)를 증대시키기 위하여, 15.4 중량%의 안티몬, 4.6 중량%의 구리, 0.3 중량%의 망간, 0.07 중량%의 코발트, 0.1 중량%의 마그네슘, 0.05 중량%의 니켈, 0.7 중량%의 아연 및 나머지는 주석으로 된 평 베어링 합금을 제조하였다. 이렇게 제조된 본 발명의 실시예2에 따른 평 베어링 합금은 36.1 HBW 2.5/15, 625/15의 캐스팅 경도(casting hardness)를 나타냈다. 냉간 롤링(cold rolling)에 의해 경도가 감소되었지만, 열처리를 한 결과 다시 37.6 HBW 2.5/15, 625/15 로 증대되었으며, 이것은 캐스팅 경도 보다 큰 수치가 된다.

Claims

메인 합금 원소로서 안티몬을 함유하는 동시에, 구리를 함유하는 주석 기반 백색 합금으로 제조된 평 베어링 합금에 있어서,
상기 백색 합금은 카드뮴, 납, 비소 및 크롬을 함유하지 않으며,
상기 백색 합금은 메인 합금 원소로서 10 ∼ 22 중량%의 안티몬과 3 ~ 7 중량%의 구리를 함유하고, 코발트, 망간, 스칸듐 또는 게르마늄 군중에서 선택된 하나 이상의 원소를 전체 농도를 기준으로 0.2 ∼ 2.6 중량% 함유하며, 마그네슘, 니켈, 지르코늄 또는 티타늄 군중에서 선택된 하나 이상의 원소를 전체 농도를 기준으로 0.05 ∼ 1.7 중량% 함유하고, 불가피한 불순물(unaboidable impurities)과 잔부로 주석을 포함함을 특징으로 하는 평 베어링 합금.
삭제
제1항에 있어서,
상기 백색 합금의 안티몬 함량은 13 ∼ 18 중량%이고, 구리 함량은 3.5 ∼ 5.5 중량%인 것을 특징으로 하는 평 베어링 합금.
제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 백색 합금은 0.6 ∼ 1.8 중량%의 아연을 함유하는 것을 특징으로 하는 평 베어링 합금.
제1항에 있어서,
상기 백색 합금은 금, 은, 바나듐, 철로 된 그룹 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 함유하며, 이들 원소들의 개별적 함유비율은 최대 4 중량%이고, 이들 원소들의 합산비율은 8 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 평 베어링 합금.
제1항에 있어서,
상기 백색 합금은 0.05 ∼ 2.5 중량%의 알루미늄을 함유하는 것을 특징으로 하는 평 베어링 합금.
제6항에 있어서,
상기 백색 합금은 실리콘을 함유하며, 상기 알루미늄과 상기 실리콘은 불균일 상(相) 혼합물(heterogeneous phase mixture)로서 존재하며 알루미늄의 함량비율은 실리콘 함량비율의 7 ∼ 45 배인 것을 특징으로 하는 평 베어링 합금.
제1항에 있어서,
상기 백색 합금은 0.05 ∼ 1.6 중량%의 리튬을 함유하는 것을 특징으로 하는 평 베어링 합금.
제1항에 있어서,
상기 백색 합금은 전체 농도로 1.3 중량% 이하의 희토류 금속을 한가지 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 평 베어링 합금.
제4항에 있어서,
상기 백색합금은 0.7 ~ 0.9 중량%의 아연을 함유하는 것을 특징으로 하는 평 베어링 합금.