KR102410643B1 - 원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스턴 튜브 베어링 - Google Patents

원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스턴 튜브 베어링 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박에 적용되는 스턴 튜브 베어링 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스턴 튜브 베어링을 제공코자 하는 것이다.
즉, 본 발명은 탈지단계(S1), 마스킹단계(S2), 탈청단계(S3), 플럭싱단계(S4)를 포함하는 주조면 전처리단계와, 제 1티닝단계(S5), 수냉단계(S6), 제 2티닝단계(S7), 원심주조단계(S8), 후가공단계(S9)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스턴 튜브 베어링을 이용하면, 베이스 메탈을 인장강도가 우수한 탄소강으로 형성하여 기계적 강도 향상을 도모하면서, 베이스 메탈 주조면에 주석도금층이 이중으로 형성되어 원심주조에 따른 배빗 메탈층의 본딩 및 주조성이 향상되는 장점이 있다.

Description

원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스턴 튜브 베어링 {Method for manufacturing stern tube bearing using centrifugal casting and stern tube bearing manufactured using same}
본 발명은 원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스턴 튜브 베어링으로서, 이를 보다 상세히 설명하면 초대형 선박의 프로펠러축에 적용되는 스턴 튜브 베어링에 있어서 원심주조법으로 배빗 메탈층의 본딩성능을 고강도로 강화할 수 있는 원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법과 이를 이용하여 제조된 스턴 튜브 베어링에 관한 것이다.
통상 선박의 선미부에는 프로펠러 샤프트의 설치를 위한 스턴 튜브 베어링(stern tube Bearing)이 설치되고, 스턴 튜브 베어링은 프로펠러 샤프트가 배치되는 일종의 튜브형 공간을 형성하며 선미로부터 선수 측을 향해 연장 형성된다.
그리고, 스턴 튜브 베어링 사이의 윤활과 냉각을 위해 유체윤활 베어링이 적용되어, 프로펠러 축을 안정하게 구속 지지하고 운전 중 마찰을 최소화시켜 원활한 운전을 도모하면서 축-베어링 시스템의 동적 안정성을 확보하는 중요한 기계요소이지만, 최근 선박이 대형화됨에 따라 프로펠러 축의 길이 및 하중이 증가하고 있는 추세에 있는 바, 이에 프로펠러 축이 스턴 튜브 베얼이 내에 삽입 체결된 후, 프로펠러 축의 하중에 의해 스턴튜브 베어링 처짐 현상 등 내구 저하가 발생되고 있다.
이에 종래에 개시된 등록특허 10-0940906호에서, 프로펠러축을 지지하도록 선체에 삽입설치되는 스턴튜브 부시유니트에 있어서, 선체의 선미부(프로펠러측, 후방측) 내측에 설치되며, 상기 선체의 선미부 후방에서 반경방향으로 돌출형성된 플랜지부가 구비된 제1부시하우징; 선체의 선수부(엔진측, 전방측) 내측에 설치되는 제2부시하우징; 상기 제1 및 제2부시하우징 사이에 일체로 결합되는 연결튜브; 상기 제2부시하우징 및 선체의 선수부의 전방에 설치되는 전방플랜지를 포함하여 이루어지되, 상기 선체의 선미부 후면과 상기 제1부시하우징의 후면은 동일 평면상에 놓이도록 형성되고, 상기 제1부시하우징과 상기 선체의 선미부 사이 및 상기 제2부시하우징과 상기 선체의 선수부 사이에는 이들 사이에 충진되는 레진(resin)을 밀봉하기 위한 러버 스폰지(rubber sponge)가 설치되며, 상기 제1부시하우징의 하부에는 상기 선미부의 내측면을 따라 가이드되는 가이드볼트가 설치되는 기술이 선 제시된바 있다.
또한, 다른 종래기술인 등록특허 10-2289875호에서, 선박 제작시 선미 하단부에 용접되는 중공의 프로펠러 장착용 보스; 상기 프로펠러 장착용 보스의 내부에 삽입 체결되는 부시 하우징; 상기 부시 하우징의 내경부에 삽입 체결되는 베어링; 상기 부시 하우징의 내경부에 형성되는 윤활유 공급통로 및 윤활유 복귀통로; 및 상기 부시 하우징의 내부로 삽입되어 상기 베어링에 의하여 회전 및 윤활 가능하게 지지되는 프로펠러축; 를 포함하는 기술이 선 등록된 바 있다.
그러나, 상기 종래기술들은 스턴 튜브 베어링의 구조를 개선하여 선박용 프로펠러 축 지지 및 윤활효율을 높이려는 것이나, 최근 선박의 운항 경계성 측면에서 점점 대형 및 고출력을 지향하는 추세이고, 이로 인해 추진 축 및 프로펠러의 크기가 증가 및 하중 증가로, 이를 지지하는 스턴 튜브 베어링의 성능 향상에 관한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 스턴 튜브 베어링은 국외 극소수의 선진기업들이 독과점 형태로 점유하며 납기와 가격, 품질까지 결정하고 있어 국내 스턴 튜브 베어링의 기술개발을 저해하고, 나아가 국제 경쟁력 악화의 원인을 초래하므로 국산화가 시급한 실정이다.
KR 10-0940906 B1 (2010.01.29.) KR 10-2289875 B1 (2021.08.09.)
본 발명에서는 상기한 종래 기술의 제반 문제점들을 해결코자 새로운 기술을 창안한 것으로서, 베이스 메탈을 탄소강으로 형성하여 기계적 강도 향상을 도모하면서, 베이스 메탈 주조면에 주석도금층이 이중으로 형성되어 원심주조에 따른 배빗 메탈층의 본딩 및 주조성이 향상되는 원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스턴 튜브 베어링을 제공함을 발명에서 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 폭 길이 1,000 mm 이상의 대형 스턴 튜브 베어링을 제작함에 있어서 베이스 메탈과 배빗메탈 간에 본딩이 40 N/mm2 이상의 접합강도 값을 갖도록 하면서, 축방향 회전 뿐만 아니라 요잉 및 피칭 운동이 함께 일어나는 프로펠러축으로부터 받는 부하에 대한 기계적 내구성을 확보할 수 있는 원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기한 발명의 과제를 해결하기 위한 구체적인 수단으로 본 발명에서는 크롬동 스턴 튜브 베어링 제조 방법을 구성하되, 내부에 원형 주조면(12)이 가공되고, 탄소강 재질의 베이스 메탈소재(10)를 70~80℃ 알카리성 세척조에 30~40분 침지한 후, 2~4분 수세처리하는 탈지단계(S1)와, 상기 탈지단계(S1) 이후, 베이스 메탈소재(10)의 비 주조면에 이형제(14)를 도포하는 마스킹단계(S2)와, 상기 베이스 메탈소재(10)의 주조면(12)에 25~30℃ 예열된 산성 세척액을 3~4분 브러싱한 후, 25~30℃에서 3~5분 수세처리하는 탈청단계(S3)와, 상기 베이스 메탈소재(10)의 주조면(12)에 염화아연(ZnCl2) 20~30중량% 함유된 염화 수용액을 40~50℃로 예열한 상태로 3~5분 동안 블러싱하는 플럭싱단계(S4)로 구성되는 주조면 전처리단계;
상기 주조면 전처리단계 이후, 베이스 메탈소재(10)를 290~340℃ 온도 조건의 액체 상태의 주석이 담긴 틴베스(tin bath)안에 95~115분 동안 침지하여 1차 주석도금층(20)을 형성하는 제 1티닝단계(S5); 상기 제 1티닝단계(S5)를 거친 베이스 메탈소재(10)를 10~50℃ 냉각조에 160~180분 투입하여 냉각하는 수냉단계(S6); 상기 수냉단계(S6) 이후, 베이스 메탈소재(10)를 300~340℃ 조건의 액체 상태의 주석이 담긴 틴베스(tin bath)안에 160~180분 동안 침지하여 2차 주석도금층(20')을 형성하는 제 2티닝단계(S7); 상기 제 2티닝단계(S7)를 거친 베이스 메탈소재(10)를 원심주조기에 투입하고, 베이스 메탈소재(10) 280~300℃ 예열, 원심주조기 회전수 200~250rpm, 주탕온도는 440~460℃, 주탕시간 60~64초, 냉각수 온도 13~17℃, 냉각수는 20~25분 동안 2~4초 간격으로 5 bar 압력으로 분사되도록 설정되어, 원심주조법으로 베이스 메탈소재(10) 주조면(12)에 배빗 메탈층(30)이 본딩된 스턴 튜브 베어링본체(100)를 형성하며, 베이스 메탈소재(10)와 배빗 메탈층(30) 간에 본딩이 40N/mm2 이상의 접합강도를 갖도록 형성하는 원심주조단계(S8); 및 상기 스턴 튜브 베어링본체(100) 외주면에 슬롯홈(110)과 주유홀(120)을 가공하고, 주유홀(120)과 대응하는 내주면에 오일그루브(130) 및 내주면 양단부에 사이드 경사부(140)를 형성하는 후가공단계(S9);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 원심주조를 이용한 크롬동 스턴 튜브 베어링 제조 방법으로 제조되는 스턴 튜브 베어링은, 내부에 원형 주조면(12)이 형성되는 베이스 메탈소재(10)와, 베이스 메탈소재(10)의 주조면(12)에 형성되는 제 1, 2주석도금층(20)(20')과, 상기 제 1, 2주석도금층(20)(20')이 형성된 주조면(12)에 원심주조에 의해 형성되는 배빗 메탈층(30)을 포함하는 스턴 튜브 베어링본체(100); 상기 스턴 튜브 베어링본체(100) 외주면에 등각 배치되고, 스턴 튜브 베어링본체(100) 길이방향으로 형성되는 슬롯홈(110); 상기 슬롯홈(110)과 평행하도록 스턴 튜브 베어링본체(100) 내주면에 형성되는 오일그루브(130); 상기 슬롯홈(110)과 오일그루브(130)를 연결하도록 스턴 튜브 베어링본체(100) 두께 방향으로 관통되는 주유홀(120); 스턴 튜브 베어링본체(100) 내주면 양단부에 형성되고, 스턴 튜브 베어링본체(100) 양단부 측으로 갈수록 지름이 확장 형성되는 사이드 경사부(140);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 스턴 튜브 베어링본체(100) 외주면에 센서(S)를 설치하기 위한 센서수용부(150)가 형성되고, 상기 센서수용부(150)는 스턴 튜브 베어링본체(100) 외주면에 음각 형성되고, 일단이 스턴 튜브 베어링본체(100) 일측으로 개방되어 센서케이블(S1)이 수용되도록 구비되는 케이블라인(152)과, 케이블라인(152) 단부에서 스턴 튜브 베어링본체(100) 내측 방향으로 경사각으로 연장되어 센서(S)가 수용되고, 내측 단부가 베이스 메탈소재(10) 내주면과 3 ~ 3.4mm 이격 배치되는 센서홀(154)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 오일그루브(130)는 주유홀(120) 단부에 배빗 메탈층(30)을 절삭하여, 스턴 튜브 베어링본체(100) 내측으로 갈수록 간격이 확장되는 아치형 경사면(132)으로 형성되고, 상기 아치형 경사면(132)은 가상의 원(C)의 원주와 일치되도록 형성되고, 가상의 원(C)은 스턴 튜브 베어링본체(100) 내경 기준 20~50% 축소된 지름으로 형성되며, 가상의 원(C) 중심은 스턴 튜브 베어링본체(100)의 중심을 경유하는 가상의 수평선(L) 상에 일치되도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 원형 주조면(12)의 중심(12a)과 베이스 메탈소재(10) 외경 중심(10a)은 0.3~0.7mm 편심위치에 배치되고, 상기 메탈소재(10) 외경을 기준으로 회전되면서 배빗 메탈층(30)이 원심주조되어, 배빗 메탈층(30) 내경은 메탈소재(10) 외경 중심(10a)으로부터 0.3~0.7mm 상부에 편심위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제 해결을 위한 구체적인 수단에 의하면, 본 발명은 베이스 메탈을 인장강도가 우수한 탄소강으로 형성하여 기계적 강도 향상을 도모하면서, 베이스 메탈 주조면에 주석도금층이 이중으로 형성되어 원심주조에 따른 배빗 메탈층의 본딩강도와 주조성이 향상되는 장점이 있다.
베이스 메탈과 배빗메탈 간에 본딩이 40 N/mm2 이상의 접합강도로 이루어져 스턴 튜브 베어링의 작동 안전성은 물론 내구성이 향상된다.
특히, 베이스 메탈과 배빗 메탈층이 편심 주조로 결합되어 고속으로 회전하는 프로펠러 축의 요잉 및 피칭 거동에 대한 기계적 내구성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에서 제공하는 원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도.
도 2는 스턴 튜브 베어링 제조 방법을 개략적으로 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스턴 튜브 베어링을 전체적으로 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스턴 튜브 베어링의 내부 구조를 나타내는 종단면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스턴 튜브 베어링의 오일그루브를 나타내는 구성도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스턴 튜브 베어링의 배빗 메탈층 편심주조 구조를 나타내는 구성도.
도 7은 본 발명의 원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법의 다양한 실시예 별로 제조된 스턴 튜브 베어링 샘플을 무작위로 선택하여 본딩력을 테스트한 시험성적서.
이하 첨부된 도면의 구체적인 실시예에 따라 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 기술용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 발명의 구체적인 실시예에 따라 달라질 수 있다. 그리고 본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
도 1은 본 발명에서 제공하는 원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이고, 도 2는 스턴 튜브 베어링 제조 방법을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
본 발명은 원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스턴 튜브 베어링에 관련되며, 이는 베이스 메탈을 탄소강으로 형성하여 기계적 강도 향상을 도모하면서, 베이스 메탈 주조면에 주석도금층이 이중으로 형성되어 원심주조에 따른 배빗 메탈층의 본딩력 향상은 물론 주조성이 향상될 수 있도록 탈지단계(S1), 마스킹단계(S2), 탈청단계(S3), 플럭싱단계(S4)를 포함하는 주조면 전처리단계와, 제 1티닝단계(S5), 수냉단계(S6), 제 2티닝단계(S7), 원심주조단계(S8), 후가공단계(S9)를 포함하여 주요 단계로 이루어지며, 이하에서 각 단계에 대해 구체적으로 설명한다.
1. 탈지(DE-GREASING)단계(S1)
본 발명에 따른 탈지단계(S1)는, 내부에 원형 주조면(12)이 가공되고, 탄소강의 베이스 메탈소재(10)를 70~80℃ 알카리성 세척조에 30~40분 침지한 후, 2~4분 수세처리(WATER RINSE)하는 단계이다.
도 2의 S1에 보인 바와 같이 베이스 메탈소재(10)는 외주면이 크레인 클램프에 클램핑된 상태로 알카리성 세척조를 거친 후, 세척실로 이동되어 노즐을 통하여 분사되는 세척수에 의해 수세처리 및 건조과정을 거친 후에 후술하는 마스킹단계(S2)를 수행하게 된다.
여기서, 상기 탈지단계(S1)는 베이스 메탈소재(10)를 절삭 가공하는 중에 잔류하는 기름을 포함하는 이물질이 제거되어 후술하는 마스킹단계(S2)에서 이형제(14) 도포에 따른 부착성 향상 및 후술하는 제 1, 2티닝단계(S5)(S7)에서 주석도금층 도금품질이 향상된다.
이때, 상기 베이스 메탈소재(10)는 탄소가 최대 0.6% 포함되며, 인장강도가 최소 400MPa인 SF440A 재질의 강재로 형성되고, 절삭가공에 의해 원형관으로 형성된다. 본 발명에 의한 스턴 튜브 베어링은 선박의 프로펠러 축을 회전 가능하게 지탱하는 것으로 베이스 메탈소재(10)를 인장강도가 우수한 탄소강으로 형성하므로 높은 기계적 강도로 인해 고온 및 고속의 프로펠러 축 운전에 따른 안전성이 확보된다.
2. 마스킹(MASKING)단계
본 발명에 따른 마스킹단계(S2)는, 상기 탈지단계(S1) 이후 베이스 메탈소재(10)의 비 주조면에 이형제(14)를 도포하는 단계이다.
상기 마스킹단계(S2)는 후술하는 원심주조단계(S8)에서 배빗 메탈이 형성되는 주조면 즉, 도 2의 S2처럼 베이스 메탈소재(10)의 원형 주조면(12)을 제외한 영역(외주면 및 측단면)에 도포된다.
이에 후술하는 제 1, 2티닝단계(S5)(S7)를 수행하는 중에 베이스 메탈소재(10)의 원형 주조면(12)을 제외한 영역에 주석도금층이 비 도금되는 영역이 구분되도록 마스킹 처리되므로, 후술하는 제 1, 2티닝단계(S5)(S7)에서 비 도금영역에 도금된 주석도금층이 쉽게 박리 처리된다.
이로 인해 후술하는 원심주조단계(S8) 이후 베이스 메탈소재(10) 외주면 표면처리에 따른 후공정의 간소화를 도모한다.
3. 탈청(DE-RUSTING)단계(S3)
본 발명에 따른 탈청단계(S3)는, 상기 베이스 메탈소재(10)의 주조면(12)에 25~30℃ 예열된 산성 세척액을 3~4분 브러싱한 후, 25~30℃에서 3~5분 수세처리하는 단계이다. 여기서 상기 산성 세척액은 염산을 포함한다.
이처럼 탈청단계(S3)를 거쳐 베이스 메탈소재(10)의 주조면(12)에 녹을 포함하는 이물질이 제거되므로, 이후 원심주조단계(S8)에 의해 형성되는 배빗 메탈(babbitt metal)층(30)이 녹 발생 및 이물질로 인해 베이스 메탈소재(10) 주조면(12)과의 본딩력이 저하되는 현상이 방지된다.
4. 플럭싱(FLUXING)단계(S4)
본 발명에 따른 플럭싱단계(S4)는 상기 베이스 메탈소재(10)의 주조면(12)에 염화아연(ZnCl2) 20~30중량% 함유된 염화 수용액을 40~50℃로 예열한 상태로 3~5분 동안 브러싱 하는 단계이다.
도 2의 S4와 같이 플럭싱단계(S4)는, 베이스 메탈소재(10)를 크레인을 포함하는 인양장비를 이용하여 염화 수용액에 수용된 수조에 담그는 상태를 나타낸 것으로, 작업자가 브러쉬 등을 이용하여 수작업으로 이루어지거나 또는 상기 염화 수용액에 침지하는 방법으로 브러싱 할 수 있다.
플럭싱단계(S4)에서 상기 베이스 메탈소재(10)의 주조면(12)이 염화 수용액에 의해 표면 처리됨에 따라 후술하는 제 1, 2티닝단계(S5)(S7)에서 주석도금층의 도금품질이 향상된다.
이처럼 상기 베이스 메탈소재(10)가 후술하는 제 1, 2티닝(PRIMARY TINNING)단계(S5)(S7) 및 원심주조단계(S8)를 수행하기 전단계 즉, 주조면(12)에 배빗 메탈층(30)을 형성하기 전에 탈청(DE-RUSTING)단계(S3) 및 플럭싱(FLUXING)단계(S4)를 포함하는 주조면 전처리공정을 복합적으로 수행하므로 배빗 메탈층(30) 형성 시 본딩이 강화된다.
5. 제 1티닝(PRIMARY TINNING)단계(S5)
본 발명에 따른 제 1티닝단계(S5)는, 상기 주조면 전처리단계 이후, 베이스 메탈소재(10)를 290~340℃ 온도 조건의 액체 상태의 주석이 담긴 틴베스(tin bath)안에 95~115분 동안 침지하여 1차 주석도금층(20)을 형성하는 단계이다.
도 2의 S5에서는 상기 제 1티닝단계(S5)는 베이스 메탈소재(10)를 크레인을 포함하는 인양장비를 이용하여 주석이 담긴 틴베스(tin bath)안에 침지하는 상태를 나타낸다.
이때 상기 제 1티닝단계(S5)는 후술하는 제 2티닝단계(S7) 대비 틴베스안에 침지하는 시간이 짧게 유지되는 예비 티닝단계로서, 베이스 메탈소재(10)의 주조면(12)에 1차 주석도금층(20)이 균일 두께로 도금된다.
이때 상기 제 1티닝단계(S5)에서 티닝시간이 95분 미만으로 설정되면 비도금영역이 발생되고, 115분을 초과하면 베이스 메탈소재(10)의 주조면(12) 영역별 주석도금층(20) 두께 편차로 도금품질 저하를 초래할 수 있다.
6. 수냉(WATER COOLING)단계
본 발명에 따른 수냉단계(S6)는, 상기 제 1티닝단계(S5)를 거친 베이스 메탈소재(10)를 10~50℃ 냉각조에 160~180분 투입하여 냉각하는 단계이다.
상기 수냉단계(S6)는 도 2의 S6처럼 냉각수가 저장된 냉각조에 제 1티닝단계(S5)를 거친 베이스 메탈소재(10)를 담그는 방식으로 수행될 수 있다.
이러한 상기 수냉단계(S6)로 인해 1차 주석도금층(20)의 냉각 경화와 더불어 후술하는 제 2티닝단계(S7)에서 2차 주석도금층(20')의 도금처리 효율 향상을 도모한다.
한편, 수냉단계(S6)를 거친 후에는 베이스 메탈소재(10)의 주조면(12)을 검사하여 1차 주석도금층(20)의 도금불량을 선별하므로, 이후 원심주조단계(S8)를 거친 후 배빗 메탈층(30)과의 본딩불량으로 인한 완제품 불량률이 현저하게 감소된다.
7. 제 2티닝(SECONDARY TINNING)단계
본 발명에 따른 제 2티닝단계(S7)는, 상기 수냉단계(S6) 이후, 베이스 메탈소재(10)를 300~340℃ 조건의 액체 상태의 주석이 담긴 틴베스(tin bath)안에 160~180분 동안 침지하여 2차 주석도금층(20')을 형성하는 단계이다.
상기 제 2티닝단계(S7)는 제 1티닝단계(S5)를 통하여 형성되는 1차 주석도금층(20) 상에 덧씌움 형태로 2차 주석도금층(20')이 형성하는 단계로서, 도 2의 S7과 같이, 베이스 메탈소재(10)를 크레인을 포함하는 인양장비를 이용하여 주석이 담긴 틴베스(tin bath)안에 침지하는 방법으로 수행될 수 있다.
여기서, 상기 제 2티닝단계(S7)에 의해 형성되는 2차 주석도금층(20')은 선행된 1차 주석도금층(20)과 동일한 재질 간에 도금 처리되므로, 제 1티닝단계(S5) 대비 긴 시간 동안 수행되어, 2차 주석도금층(20') 형성에 따른 주석도금 품질이 향상되어 후술하는 원심주조단계(S8)에서 원심주조에 따른 주조성이 향상된다.
한편, 제 2티닝단계(S7)에서 티닝시간이 160분 미만으로 설정되면 도금 두께가 기준치 미달하고, 180분을 초과하면 베이스 메탈소재(10)의 주조면(12) 영역별 주석도금층(20) 두께 편차로 도금품질 저하를 초래할 수 있다.
8. 원심주조단계(S8)
본 발명에 따른 원심주조단계(S8)는, 상기 제 2티닝단계(S7)를 거친 베이스 메탈소재(10)를 원심주조기에 투입하고, 베이스 메탈소재(10) 280~300℃ 예열, 원심주조기 회전수 200~250rpm, 주탕온도는 440~460℃, 주탕시간 60~64초, 냉각수 온도 13~17℃, 냉각수는 20~25분 동안 2~4초 간격으로 5 bar 압력으로 분사되도록 설정된다.
그리고, 원심주조법으로 베이스 메탈소재(10) 주조면(12)에 배빗 메탈층(30)이 본딩된 스턴 튜브 베어링본체(100)를 형성하고, 이때 베이스 메탈소재(10)와 배빗 메탈층(30) 간에 본딩이 40N/mm2 이상의 접합강도를 갖도록 형성되므로 스턴 튜브 베어링의 성능 향상과 더불어 고속, 고하중 조건에서 수명이 장구히 연장되는 이점이 있다.
도 7은 본 발명의 원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법의 다양한 실시예 별로 제조된 스턴 튜브 베어링 샘플을 무작위로 선택하여 본딩력을 테스트한 시험성적서로서, ISO 4386-2:2012(By the Client) 시험방법으로 시험한 결과 77 N/mm2 로서, 베이스 메탈소재(10)와 배빗 메탈층(30) 간에 본딩이 70 N/mm2 이상으로 향상됨을 알 수 있다. (시험 기관: KTR 한국화학융합시험연구원장)
9. 후가공단계(S9)
본 발명에 따른 후가공단계(S9)는, 상기 스턴 튜브 베어링본체(100) 외주면에 슬롯홈(110)과 주유홀(120)을 가공하고, 주유홀(120)과 대응하는 내주면에 오일그루브(130) 및 내주면 양단부에 사이드 경사부(140)를 형성하는 단계이다.
상기 스턴 튜브 베어링본체(100)는 공작기계에 투입되어 슬롯홈(110), 주유홀(120), 오일그루브(130) 및 사이드 경사부(140)가 절삭 가공되는바, 이때 슬롯홈(110)은 스턴 튜브 베어링본체(100) 외주면에 등간격으로 형성되어 윤활을 위한 오일을 스턴 튜브 베어링본체(100) 길이방향으로 확산하는 기능을 수행한다.
상기 주유홀(120)은 소정의 간격으로 복수개소에 형성되어, 슬롯홈(110)을 통하여 스턴 튜브 베어링본체(100) 길이 방향으로 확산되는 오일을 스턴 튜브 베어링본체(100) 내측으로 공급하는 기능을 한다.
또한, 상기 오일그루브(130)는 슬롯홈(110)을 통하여 스턴 튜브 베어링본체(100) 내측으로 유입된 오일을 프로펠러 축 표면에 균일하게 확산 도포하도록 구비된다.
선박의 프로펠러 축은 축방향 회전(롤링) 운동 뿐만 아니라 요잉 및 피칭 운동이 복합적으로 이루어지는 바, 프로펠러 축으로부터 받는 부하에 대한 기계적 내구성을 확보하기 위해 스턴 튜브 베어링본체(100)의 내주면에는 사이드 경사부(140)를 형성하도록 한다.
상기 사이드 경사부(140)는 스턴 튜브 베어링본체(100)의 양 끝단 내주면에 구비되며, 내주면을 기준으로 2.5° 경사각을 갖도록 형성된다.
도 3은 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 스턴 튜브 베어링을 전체적으로 나타내는 구성도이며, 도 4는 스턴 튜브 베어링의 내부 구조를 나타내는 종단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 스턴 튜브 베어링은, 스턴 튜브 베어링본체(100), 슬롯홈(110), 주유홀(120), 오일그루브(130), 사이드 경사부(140)를 포함하느 주요구성으로 이루어진다.
먼저, 본 발명에 따른 스턴 튜브 베어링본체(100)는 내부에 원형 주조면(12)이 형성되는 베이스 메탈소재(10)와, 베이스 메탈소재(10)의 주조면(12)에 형성되는 제 1, 2주석도금층(20)(20')과, 상기 제 1, 2주석도금층(20)(20')이 형성된 주조면(12)에 원심주조에 의해 형성되는 배빗 메탈층(30)을 포함한다.
상기 스턴 튜브 베어링본체(100)에 대한 상세한 설명은 상기 원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법의 설명을 참조한다.
본 발명에 따른 슬롯홈(110)은 상기 스턴 튜브 베어링본체(100) 외주면에 등각 배치되고, 스턴 튜브 베어링본체(100) 길이방향으로 형성되며, 본 발명에 따른 주유홀(120)은 상기 슬롯홈(110)과 오일그루브(130)를 연결하도록 스턴 튜브 베어링본체(100) 두께 방향으로 관통된다.
그리고, 본 발명에 따른 오일그루브(130)는 상기 슬롯홈(110)과 대응되는 위치에서 스턴 튜브 베어링본체(100) 내주면에 길이방향으로 형성된다.
도 5는 본 발명의 제조 방법을 이용하여 제조된 스턴 튜브 베어링의 오일그루브를 나타내는 구성도로, 상기 오일그루브(130)에는 주유홀(120) 단부에 배빗 메탈층(30)을 절삭하여, 스턴 튜브 베어링본체(100) 내측으로 갈수록 간격이 확장되는 아치형 경사면(132)이 형성된다.
이때, 상기 아치형 경사면(132)은 가상의 원(C)의 원주와 일치되도록 형성되고, 가상의 원(C)은 스턴 튜브 베어링본체(100) 내경 기준 20~50% 축소된 지름으로 형성되며, 가상의 원(C) 중심은 스턴 튜브 베어링본체(100)의 중심을 경유하는 가상의 수평선(L) 상에 일치되도록 배치된다.
이처럼 이처럼 상기 아치형 경사면(132)이 가상의 원(C)의 원주와 일치하도록 아치형 경사면(132)으로 형성됨에 따라 오일그루브(130)와 프로펠러 축 사이 간격이 서서히 축소되면서 주유홀(120)을 통하여 주입되는 오일이 균일하게 확산 공급된다.
본 발명에 따른 사이드 경사부(140)는 스턴 튜브 베어링본체(100) 내주면 양단부에 형성되고, 스턴 튜브 베어링본체(100) 양단부 측으로 갈수록 지름이 확장 형성된다.
상기 사이드 경사부(140)는 스턴 튜브 베어링본체(100) 내주면을 기준으로 2.5° 경사각으로 형성되고, 프로펠러 축의 요잉 및 피칭 거동 시에 프로펠러 축에 의해 스턴 튜브 베어링본체(100)의 양단에 가해지는 기계적 부하를 경감시키기 위한 구성이다.
한편, 상기 스턴 튜브 베어링본체(100) 외주면에 센서(S)를 설치하기 위한 센서수용부(150)가 형성된다.
상기 센서수용부(150)는, 스턴 튜브 베어링본체(100) 외주면에 음각 형성되고, 일단이 스턴 튜브 베어링본체(100) 일측으로 개방되어 센서케이블(S1)이 수용되도록 구비되는 케이블라인(152)과, 케이블라인(152) 단부에서 스턴 튜브 베어링본체(100) 내측 방향으로 경사각으로 연장되어 센서(S)가 수용되고, 내측 단부가 베이스 메탈소재(10) 내주면과 3 ~ 3.4mm 이격 배치되는 센서홀(154)을 포함한다.
이에 따라 상기 케이블라인(152)과 센서홀(154)을 통하여 센서(S) 및 센서케이블(S1)이 매립 설치되어 외부 간섭으로 인한 손상이 방지된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 원심주조를 이용한 스턴 튜브 베어링 제조 방법에 의해 제조된 스턴 튜브 베어링의 배빗 메탈층 편심주조 구조를 나타내는 구성도로, 상기 원형 주조면(12)의 중심(12a)과 베이스 메탈소재(10) 외경 중심(10a)은 0.3~0.7mm 편심위치에 배치되고, 상기 메탈소재(10) 외경을 기준으로 회전되면서 배빗 메탈층(30)이 원심주조 된다.
이에 따라, 배빗 메탈층(30) 내경은 메탈소재(10) 외경 중심(10a)으로부터 0.3~0.7mm 상부 편심위치에 배치되어 고하중의 프로펠러 축을 안정적으로 지지하면서 축의 3차원 거동(롤링, 피칭, 요잉)에 대한 베어링의 내구성과 안전성을 확보하게 된다.
이상과 같이 본 발명의 상세한 설명에는 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 기술범위에 벗어나지 않는 범위 내에서는 다양한 변형실시도 가능하다 할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상기 실시 예에 한정하여 정하여 질 것이 아니라 후술하는 특허청구범위의 기술들과 이들 기술로부터 균등한 기술수단들에까지 보호범위가 인정되어야 할 것이다.
10: 베이스 메탈소재
10a: 메탈소재 외경 중심 12: 원형 주조면
12a: 원형 주조면의 중심 14: 이형제
20: 1차 주석도금층 20': 2차 주석도금층
30: 배빗 메탈층
100: 스턴 튜브 베어링본체
110: 스롯홈 120: 주유홀
130: 오일그루브 132: 아치형 경사면
140: 사이드 경사부 150: 센서수용부
152: 케이블라인 154: 센서홀
C: 가상의 원 L: 수평선 S: 센서 S1: 센서케이블

Claims (5)

  1. 내부에 원형 주조면(12)이 가공되고, 탄소강 재질의 베이스 메탈소재(10)를 70~80℃ 알카리성 세척조에 30~40분 침지한 후, 2~4분 수세처리하는 탈지단계(S1)와,
    상기 탈지단계(S1) 이후, 베이스 메탈소재(10)의 비 주조면에 이형제(14)를 도포하는 마스킹단계(S2)와,
    상기 베이스 메탈소재(10)의 주조면(12)에 25~30℃ 예열된 산성 세척액을 3~4분 브러싱한 후, 25~30℃에서 3~5분 수세처리하는 탈청단계(S3)와,
    상기 베이스 메탈소재(10)의 주조면(12)을 염화 수용액으로 표면 처리하기 위해 염화아연(ZnCl2) 20~30중량% 함유된 염화 수용액을 40~50℃로 예열한 수조에 베이스 메탈소재(10)를 3~5분 동안 침지시키는 플럭싱단계(S4)로 구성되는 주조면 전처리단계;
    상기 주조면 전처리단계 이후, 베이스 메탈소재(10)를 290~340℃ 온도 조건의 액체 상태의 주석이 담긴 틴베스(tin bath)안에 95~115분 동안 침지하여 1차 주석도금층(20)을 형성하는 제 1티닝단계(S5);
    상기 제 1티닝단계(S5)를 거친 베이스 메탈소재(10)를 10~50℃ 냉각조에 160~180분 투입하여 냉각하는 수냉단계(S6);
    상기 수냉단계(S6) 이후, 베이스 메탈소재(10)를 300~340℃ 조건의 액체 상태의 주석이 담긴 틴베스(tin bath)안에 160~180분 동안 침지하여 2차 주석도금층(20')을 형성하는 제 2티닝단계(S7);
    상기 제 2티닝단계(S7)를 거친 베이스 메탈소재(10)를 원심주조기에 투입하고, 베이스 메탈소재(10) 280~300℃ 예열, 원심주조기 회전수 200~250rpm, 주탕온도는 440~460℃, 주탕시간 60~64초, 냉각수 온도 13~17℃, 냉각수는 20~25분 동안 2~4초 간격으로 5 bar 압력으로 분사되도록 설정되어, 원심주조법으로 베이스 메탈소재(10) 주조면(12)에 배빗 메탈층(30)이 본딩된 스턴 튜브 베어링본체(100)를 형성하는 원심주조단계(S8); 및
    상기 스턴 튜브 베어링본체(100) 외주면에 슬롯홈(110)과 주유홀(120)을 가공하고, 주유홀(120)과 대응하여 동일한 위치에 형성되는 내주면에 오일그루브(130) 및 내주면 양단부에 사이드 경사부(140)를 형성하는 후가공단계(S9);를 포함하며,
    상기 원심주조단계(S8)에서, 상기 원형 주조면(12)의 중심(12a)과 베이스 메탈소재(10) 외경 중심(10a)은 0.3~0.7mm 편심위치에 배치되고, 상기 메탈소재(10) 외경을 기준으로 회전되면서 배빗 메탈층(30)이 원심주조되어, 배빗 메탈층(30) 내경은 메탈소재(10) 외경 중심(10a)으로부터 0.3~0.7mm 상부에 편심위치에 배치되도록 스턴 튜브 베어링이 제조되며,
    상기 스턴 튜브 베어링은,
    내부에 원형 주조면(12)이 형성되는 베이스 메탈소재(10)와, 베이스 메탈소재(10)의 주조면(12)에 형성되는 제 1, 2주석도금층(20)(20')과, 상기 제 1, 2주석도금층(20)(20')이 형성된 주조면(12)에 원심주조에 의해 형성되는 배빗 메탈층(30)을 포함하는 스턴 튜브 베어링본체(100);
    상기 스턴 튜브 베어링본체(100) 외주면에 등각 배치되고, 스턴 튜브 베어링본체(100) 길이방향으로 형성되는 슬롯홈(110);
    상기 슬롯홈(110)과 대응되는 위치에서 스턴 튜브 베어링본체(100) 내주면에 길이방향으로 형성되는 오일그루브(130);
    상기 슬롯홈(110)과 오일그루브(130)를 연결하도록 스턴 튜브 베어링본체(100) 두께 방향으로 관통되는 주유홀(120);
    스턴 튜브 베어링본체(100) 내주면 양단부에 형성되고, 스턴 튜브 베어링본체(100) 양단부 측으로 갈수록 지름이 확장 형성되는 사이드 경사부(140); 및
    상기 스턴 튜브 베어링본체(100) 외주면에 센서(S)를 설치하기 위해 형성되는 센서수용부(150);를 포함하며,
    상기 센서수용부(150)는,
    스턴 튜브 베어링본체(100) 외주면에 음각 형성되고, 일단이 스턴 튜브 베어링본체(100) 일측으로 개방되어 센서케이블(S1)이 수용되도록 구비되는 케이블라인(152)과,
    케이블라인(152) 단부에서 스턴 튜브 베어링본체(100) 내측 방향으로 경사각으로 연장되어 센서(S)가 수용되고, 내측 단부가 베이스 메탈소재(10) 내주면과 3 ~ 3.4mm 이격 배치되는 센서홀(154)을 포함하고,
    상기 베이스 메탈소재(10)와 배빗 메탈층(30) 간에 본딩이 40N/mm2 이상의 접합강도를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스턴 튜브 베어링.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 오일그루브(130)는 주유홀(120) 단부에 배빗 메탈층(30)을 절삭하여, 스턴 튜브 베어링본체(100) 내측으로 갈수록 간격이 확장되는 아치형 경사면(132)으로 형성되고,
    상기 아치형 경사면(132)은 가상의 원(C)의 원주와 일치되도록 형성되고, 가상의 원(C)은 스턴 튜브 베어링본체(100) 내경 기준 20~50% 축소된 지름으로 형성되며, 가상의 원(C) 중심은 스턴 튜브 베어링본체(100)의 중심을 경유하는 가상의 수평선(L) 상에 일치되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 스턴 튜브 베어링.
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