KR20020073647A

KR20020073647A - 고하중용 내마모 미끄럼베어링

Info

Publication number: KR20020073647A
Application number: KR1020010013368A
Authority: KR
Inventors: 이우천
Original assignee: 이우천
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2001-03-15
Publication date: 2002-09-28

Abstract

본 발명은 700-1000kg/cm²이상의 고면압(고하중), 저속도 하에서 500 내지 1000 시간 이상의 무급지기간을 갖는 미끄럼베어링에 관한 것이다. 강철이면금속(steel-backed metal)에 저밀도 철계소결합금층이 접합된 구조로서 내하중성이 부여되고, 베어링재인 저밀도 철계소결합금층의 윤활성(저마찰계수), 내마모성, 내충격성, 표면피로(surface fatigue) 저항성이 향상된 미끄럼베어링이 제공된다.

본 발명에 따른 미끄럼베어링은, 강철이면금속과; 상기 강철이면금속에 소결과 동시에 접합되거나 소결후 별도로 접합되는, 구리 10 wt% - 30wt%, 니켈 0.1-5.0wt%, 크롬 0.1-8.0 wt% 그리고 나머지가 철로 이루어 철계소결합금층과; 그리고 철계소결합금층에 함유된, 흑연 0.1-6.5 wt% 및/또는 이황화몰리브덴 0.1-7.0 wt%로 이루어진 건식윤활제를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고하중용 내마모 미끄럼베어링{Wear-resistant sliding bearing for heavy load}

본 발명은 본 출원인의 한국 특허 제286246호(미국 대응측허 제6,086,257호)의 개량에 관한 것이다. 본 발명은 한국 특허 제286246호에 제시된 미끄럼베어링의 소결합금층 조성에 크롬(Cr)을 소정량 더 첨가하고 더욱, 몰리브덴(Mo) 및 인(P)을 선택적으로 또는 동시에 소정량 더 첨가한 조성의 미끄럼베어링을 제작하여, 700-1000 kg/cm²의 한층 가혹한 고면압(고하중) 하에서 500 내지 1000시간 이상의 무급지기간을 갖는 미끄럼베어링을 제공하는 것으로서, 주로 굴삭기 등 중장비의 핀부시, 사출기의 토글핀부시 및 조인트부시와 이에 준하는 고면압(고하중) 및 충격하중 하에서 장기간의 무급지에도 현저한 저마찰윤활, 내마모성 및 내충격성, 표면피로저항성을 갖는 미끄럼베어링을 제공한다.

본 출원인은 한국 특허 제286246호에서 강철이면금속(steel-backed metal)에철계 금속혼합분말 성형체를 소결과 동시에 접합하여 소결합금층을 형성함으로써 하중이송능력(load-carrying capacity), 피로강도 및 압입성 등을 향상시킬 수 있는 미끄럼베어링 및 그 제조방법을 제시한 바 있으며, 본 발명은 이러한 구조적 장점을 살리면서 더욱 추가의 첨가원소에 의한 소결합금층의 합금화 및 복합화를 도출하여 저밀도 철계소결합금층이 한층 가혹한 고면압하의 장기간의 무급지기간에도 현저한 저마찰윤활, 내마모성 및 내충격성 및 표면피로저항성을 갖도록 하는 미끄럼베어링을 제공하는 것이다.

한편, 본 출원인의 한국 특허 제286246호 이외에 종래 강철이면금속과 소결합금층으로 이루어진 복층 구조의 미끄럼베어링들로서는, 동, 동-주석(일본 특허공개 평 제4-202637호), 동-아연-납(일본 특허공고 평 제5-36486호), 알루미늄청동(일본 특허공개 평 제5-156388호), 알루미늄계(한국 특허공고 제96-3902호), 연계(일본 특허공개 평 제6-287796호), 합성수지계(한국 특허공고 제92-8640호, 일본 특허공고 평 제5-35184호) 등이 있다. 이들은 미끄럼 상대요소(샤프트 또는 핀)와 접촉하는 소결합금층이 비교적 강도 및 경도가 낮기 때문에 허용하중 300-500 kg/cm²이상의 고하중하에서 장시간의 무급지용으로 사용하기에는 부적당하고, 또한 철계소결합금과 같이 열처리 및 조직제어(structure-controll) 방법에 의하여 경도 및 강도를 높일 수 없으므로 내마모성 및 내하중성이 떨어져 저속 고하중용도로서 개발된 본 발명에 따른 베어링과는 그 산업상 이용분야가 다르다.

강철이면금속에 철계소결합금층을 접착시키는 종래의 기술로서는 일본 특허공개 소 제56-108804호(미국 대응특허 제4959274호)를 들 수 있는데, 이 특허에 의하면 강철이면금속에 철-연-동계(Fe-Pb-Cu) 소결합금층을 이중 압연접착법에 의해 접합시킨 베어링의 경우, 윤활오일이 연속적으로 공급되는 조건하에서 소착 발생없이 사용할 수 있는 최대허용하중은 250 kg/cm²이하라고 개시하고 있다.

또한, 현재 사용하고 있는 고하중용 스틸부시(steel bush), 즉 소위 침탄열처리된 스틸부시 및 고주파 열처리된 스틸부시는 내면에 이황화몰리브텐코팅층을 입히거나, 인산염 피막처리를 한다고 하더라도 무급지 기간이 10-50시간을 넘지 못하며, 이 이상 무급지로 운전할 때 마찰이음, 소착, 마모 등이 극히 현저해져 사용할 수 없는 상태로 될 뿐만 아니라 심지어는 미끄럼상대요소인 샤프드(shaft) 또는 핀( pin) 등의 주변부품에 심각한 손상을 일으킨다. 따라서 스틸부시의 경우에는 지속적인 급지상태에서만이 내하중성을 가질 수 있으며, 일반적으로 열처리에 의해 고경도화하므로 충격흡수능력이 부족하다.

또한, 황동부시의 경우 고하중에서의 내하중성이 떨어지고, 내마모성이 철계부시에 비해 현저히 약하며, 고하중에서 지속적인 급지를 해주거나 주변 부품들을 특수처리한다고 하더라도 습식 윤활제 내의 불순물, 이물질 및 마모데브리(debris)에 의해 발생하는 프렛팅(fretting)과 캐비테이션(cavitation)에 의한 표면피로(surface fatigue)를 막을 수 없는 단점을 갖고 있다. 여기서 표면피로라 함은 습식윤활제 내의 불순물, 이물질 및 자체재질의 마모데브리(debris)에 의해 프렛팅 부식(fretting corrosion)을 일으키고 이로 인해 마찰표면에 수직한 방향의 깊은 피트(deep pits)들을 만들어내며 이들 피트들이 캐비테이션(cavitation)에 의해 마찰표면의 하부층에 마찰표면과 평행한 방향으로 균열을 만드는 한편 더욱 베어링에 부가된 하중에 의해 이들 균열이 서로 연결되어 육안으로 보기에 표면이 뜯겨져 나가거나 판상 형태로 일어나는 마모를 말한다. 이러한 형태의 마모에 의한 표면파괴는 서서히 그리고 격심하게 일어나는 특징을 보인다.

한편, 또 다른 예로서, 고하중, 무급지용으로 강철이면금속 없이 철, 동, 탄소(화합탄소 즉, 고용탄소)로 구성된 철계소결합금으로만 이루어진 소결합금베어링의 예도 있다(미국특허 제5490730호). 그러나, 이 미끄럼베어링은 강철이면금속 없이 철계소결합금만으로 이루어짐으로써 하중이송능력(면압)이 비철계합금베어링보다 우수할 수는 있지만, 성형체 내에 건식(고체)윤활제(이황화몰리브덴 및/또는 유리탄소)를 다량 내포시킬 경우 성형 및 소결을 어렵게 하므로 그 제조상 한계점이 있다. 더욱, 이처럼 강철이면금속 없이 철계소결합금 만으로 베어링을 제조함에 있어서 고체윤활제를 내포시킬 경우 그 베어링의 직경 및 길이가 소형으로 한정된다. 즉, 직경 및 길이를 크게 하여 건식윤활제를 다량 내포시킬 경우 이들은 성형 및 소결 자체가 푸석푸석한 상태로 되어 사실상 원하는 용도로의 제조가 불가능해지기 때문이다. 따라서, 이 기술은 일반적으로 소결합금베어링의 강성을 유지하기 위해 건식윤활제를 포함시킬 수 없으며, 포함시킨다고 해도 극소량으로 제한되며 고체윤활제를 포함시켜 성형 및 소결을 한다고 하더라고 소결체의 강성이 부족하므로 사용상 상당한 제약(하우징에의 압입문제, 내충격성 문제, 가공문제, 취급문제 등)을 받는다. 따라서, 강철이면금속 없이 철, 동, 화합탄소 즉, 고용탄소 형태로 구성된 철계소결합금베어링만이 사용되는 경우에는 반드시 주로 습식윤활제(윤활오일)를 사용하는 것이 주 윤활메커니즘이 되며, 이 경우에도 고하중, 저속도에서는마찰계수의 불안정성, 마찰열 축적에 의한 과열, 마모, 충격에 대한 취약성, 이탈, 배면오일의 손실 등의 문제점을 갖는다.

한편, 상기한 바와 같은 문제점 들을 감안하여, 전술한 본 출원인의 한국 특허 제286246호에서는 강철이면금속에 철계소결합금층을 소결과 동시에 접합하여 허용면압을 300-500 kg/cm²이상(최고 700 kg/cm²)으로 현저히 향상시키고, 아울러 무급지기간을 300-1000시간 되도록 하는 미끄럼베어링을 제시한 바 있다. 이 특허에서 이러한 조건을 만족시키기 위한 것으로서 제시된 미끄럼베어링은 그 소결합금층은 반드시 열처리가 가능한 철을 주성분으로 하여야 하고(철계), 이 소결합금층과 강철이면금속이 일체로 접합된 구조로 이루어져야 하며(일체화된 복층 구조), 소결합금의 필수요소인 동을 소결합금층 내에 적정량(10wt%-30wt%) 반드시 포함하여야 한다. 이 특허에서는 또한 소결합금층이 그 강도를 유지하면서 동시에 적정량의 습식윤활제(윤활오일 또는 그리스)를 내부에 내포할 수 있도록 바람직하게는 30 volume % 이하의 기공도를 가져야 하며, 나아가 그 소결시 금속분말혼합체 입자간의 접합성을 해치지 않으면서 포함될 수 있는 건식윤활제로서 흑연 6.5 wt% 이하 및/또는 이황화몰리브덴 7.0 wt% 이하로 제시하고 있다.

그러나, 본 발명에서 달성하고자 하는 것은 허용하중(허용면압)이 700-1000 kg/cm²이상으로 한층 가혹하게 부가된 조건 하에서 사용할 수 있는 베어링을 제공하는 것이고, 더욱 이러한 고하중 하에서 무급지 기간을 소결합금 베어링 그 자체만으로 적어도 500 내지 1000시간까지 늘리는 것이다. 따라서 본 발명은 고하중 및장시간의 무급지 조건 하에서 소결합금베어링층의 저마찰윤활, 내마모성 및 내충격성, 표면피로저항성을 현저히 향상시키는 미끄럼베어링을 제공하기 위한 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 본 출원인의 한국 특허 제286246호에서 제시된, 강철이면금속에 철계소결합금층을 접합하여 이루어진 복층구조 베어링의 구조적 장점을 그대로 살리는 한편 이 철계소결합금층의 기공도 및 건식윤활제와 습식윤활제를 부여하는 특징에 더하여 근본적으로 철계소결합금 베어링층에 합금원소의 추가 첨가에 의한 기지조직의 합금화 및 복합화를 도모한 것이다. 본 발명에 있어서 이러한 기지조직의 합금화 및 복합화를 통해 저마찰계수 및 내마모성 등의 내구성을 도모함에 있어서는 그 합금화 및 복합화된 소결합금층과 강철이면금속과의 접합이 건전히 이룩되어야 한다는 필수불가결한 전제조건이 있다. 즉, 기지조직의 합금화 및 복합화를 위해 특정 금속분말들을 첨가할 때마다 이 철계혼합분말체가 소결시 치수변화를 일으켜, 많은 경우 치밀화 현상에 따라 유발되는 수축현상에 의해 강철이면금속에의 접합을 이룩하기 용이하지 않으며 또한 해당 소결온도에서 강철이면금속이 팽창하므로 철계합금소결체와 강철이면금속이 접합이 되지 않고 분리되거나 틈새가 다량 존재하는 상태로 되어 강철이면 금속과 소결합금층의 접합이 용이하지 않다는 문제점을 해결하여야 하는 것이다.

본 발명은 상기한 종래 문제점들을 감안하여 다양한 종류의 합금원소 추가시험 결과로서 안출된 것으로서, 700-1000kg/cm²이상의 고면압(고하중), 저속도 하에서 베어링 그 자체로 500 내지 1000시간 이상의 장기간의 무급지기간을 가지며, 기존의 강철이면금속의 존재(보강)로 인해 내하중성, 피로강도 및 압입성, 이탈방지 및 배면오일손실방지는 물론이고 특히, 베어링재인 저밀도 철계소결합금층의 안정적 저마찰윤활 및 내마모성, 내충격성, 표면피로저항성을 향상시킨 미끄럼베어링의 제공을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 부시형 미끄럼 베어링의 제조에 있어서 강철이면금속 내에 철계소결합금을 가압성형하는 과정을 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 부시형 미끄럼베어링의 실시예를 나타내는 사시도이다.

도 3은 내외경이 동일한 도 2의 부시형 미끄럼베어링을 여러 개 길이방향으로 접합함으로써 긴 길이를 가지도록 이루어진 미끄럼베어링을 나타내는 단면도이다.

도 4는 그리스 급지 및 저장홈으로 기능하게 할 목적으로 미끄럼베어링의 내주면에 소결합금층이 환형으로 제거되어 이루어진 환형홈(9)을 갖는 미끄럼베어링의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 5는 내외경의 크기가 동일한 도 2의 부시형 미끄럼베어링을 여러 개 길이방향으로 접합함으로써 더욱 긴 길이를 가지도록 이루어진 또 다른 실시예의 미끄럼베어링을 나타내는 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 플레이트형 미끄럼베어링의 실시예를 나타내는 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 2, 3 : 미끄럼베어링4 : 강철이면금속

5 : 소결합금층 6 : 수결합턱

7 : 암결합턱 9 : 환형의 홈

10 : 제 2 급유공11 : 제 1 급유공

12 : 미끄럼 상대요소 13 : 하우징

14 : 니쁠 15 : 더스트 씰

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 미끄럼베어링은 강철이면금속과; 상기 강철이면금속에 접합되는, 동 10-30 wt%, 니켈 0.1-5.0 wt%, 크롬 0.1-8.0 wt%, 나머지가 철로 이루어진 철계소결합금층을 포함하며, 바람직하게는 이 철계소결합금층에 건식윤활제로서 흑연 0.1-6.5 wt% 및/또는 이황화몰리브덴 0.1∼7.0 wt%를 포함한다. 또한 본 발명의 미끄럼베어링의 상기 철계소결합금층은 몰리브덴 0.1∼5.0 wt%, 인 0.01- 3.0 wt% 의 적어도 어느 하나를 더욱 포함하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명에 따라 강철이면금속에 소결과 동시에 접합된 동 10wt% 내지 30wt%, 니켈이 0.1 wt% 내지 5.0wt% 이하, 크롬 0.1wt% 내지 8.0wt% 이하, 나머지가 철로 이루어지며 건식윤활제로서 흑연 0.1wt% 내지 6.5wt% 및/또는 이황화몰리브덴 0.1wt% 내지 7.0wt%를 함유한 기공도 10% 내지 30%인 저밀도 철계소결합금층으로 이루어진 미끄럼베어링을 부시형으로 제조하는 방법은 기본적으로 한국 등록특허 286246에 나타낸 성형방법 및 소결방법과 동일하다.

즉, 상기한 바와 같은 조성비를 가지는 금속혼합분말을 고르게 혼합하고, 도 1에 도시한 바와 같이 중앙에 코어(20)가 설치됨과 아울러 하단에하부가압부재(30)가 설치된 성형장치(50)의 형틀(60)에 상기 강철이면금속(4)을 삽입한 다음, 상기 혼합금속혼합분말(5)을 강철이면금속(4)과 코어(20) 사이에 채워 형틀(60)의 상단부에 상부가압부재(70)를 삽입하여 가압한다. 이어서 금속혼합분말(5)이 가압성형되어 이루어진 성형체(5)를 강철이면금속(5)과 함께 빼낸다. 상기 가압성형시 상부가압부재(70) 또는 하부가압부재(30)를 선택적으로 가압하거나 모두 가압해도 좋다. 성형압력은 50∼300kg/㎠의 압력을 유지하는 것이 바람직하지만 그 압력의 크기는 소결접합후 원하는 기공도(전체 소결합금층의 부피에 대한 기공의 부피비)를 감안하여 그 성형압력의 크기가 가변설정되며 그 기공도 범위는 10∼30%로 이루어지는 것이 바람직하다.

다음으로는 이 성형체(5)를 강철이면금속(4)과 함께 소결온도 1035℃∼1095℃도로 3∼25분간 소결한 후 노내에서 750-950℃까지 냉각하고, 이 온도에서 30분 이하로 유지한 다음 곧바로 강철이면금속(4)에 소결접합된 소결합금층(5)을 급냉매(quenching medium) 속에 침적시킨다. 한편 1035℃∼1095℃도에서 3∼25분간 소결이 끝난 소결합금층(5)은 750-950℃까지 냉각한 후 이 온도에서 유지시간 없이 곧바로 급냉하여도 무방하다. 소결접합과정은 질소, 수소, 또는 질소와 수소의 혼합가스 분위기, 암모니아 분해가스 분위기, 알곤가스 분위기, 진공압력 또는 엔도 및 엑소써믹가스 분위기를 포함하는 군에서 선택된 어느 하나의 가스분위기에서 수행된다. 질소와 수소와의 혼합가스 분위기의 경우 수소가 혼합가스에 대하여 부피비로 30% 이상 포함되는 것이 바람직하며 진공압력의 경우에는 10^-2토르(torr) 이하가 바람직하다. 이러한 제조공정에 의해 도 2에 도시한 바와 같이 강철이면금속(4)과 소결합금층(5)이 일체적으로 접합된 복층구조의 부시형 베어링이 제조된다.

한편, 상기 조성의 성형체를 강철이면금속 없이 먼저 소정의 형상, 예컨대 중공파이프 형상으로 소결한 후(철계 성형체의 일반적인 소결온도범위인 900-1250℃로 소결), 이 소결체를 별도의 사후 접합과정을 통해 중공 파이프 형상의 강철이면금속 내주면에 접합함으로써 2층 구조를 갖는 미끄럼베어링을 제작할 수도 있으나 이러한 방법은 에너지효율 측면(제조비용)에서 바람직하지 않을 뿐만 아니라 다공정으로 인한 공정수가 복잡하여 생산(양산)성 측면에서 바람직하지는 않다. 또한 이 방법은 강철이면금속과 소결합금을 사후적으로 접합하여야 하는 것이므로 강철이면금속의 내경과 소결체의 외경의 크기를 정밀하게 맞추지 않으면 아니되는 바, 그 가공정도를 맞추기가 용이하지 않은 점도 있다. 따라서 소결합금층 조성의 내용이 동일하고 강철이면금속과 소결체가 접합되어 이루어지는 복층구조라는 기술사상을 공유하는 한 강철이면금속과 소결체의 동시접합 뿐만 아니라 이들의 사후적 접합도 본 발명의 기술사상의 범위이긴 하지만 그 제조공정에 있어서는 전술한 바와 같이 소결과 접합이 동시에 이루어지는 단일 단계 접합방법을 사용하는 것이 바람직하다.

상기한 방법들로 소결접합 또는 소결후 접합되어 얻어지는 미끄럼베어링(1)을 침탄, 질화, 침탄질화, 급냉 및 소려 등의 열처리를 수행함으로써 소결합금층(5)의 경도 및 강도를 더욱 향상시킨다. 이러한 열처리는 소결합금층(5)이 철을 주성분으로 하여 이루어짐으로써 가능하다. 연속로에서 소결 및 열처리작업을 연이어서 행할 경우에는 가열대에서 소결접합 또는 접합을 하고 냉각대로 미끄럼베어링(1)을 이송한 다음 냉각대에서 750∼950℃의 온도로 유지한 후 침탄, 질화, 침탄질화, 급냉 및 소려처리를 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 강철이면금속을 길이방향으로 여러 개 용접 및 접합함으로써 긴 길이를 가지는 미끄럼베어링을 만들 수 있다. 즉, 길이방향으로 긴 길이를 가지는 미끄럼베어링 제조방법으로는, 미끄럼베어링의 하나는 그 강철이면금속(4)의 일단부 내주면에 암결합턱(6, 6)을 가지도록 하고, 다른 하나는 강철이면금속(4) 일단부 외주면에 상기 암결합턱에 치합되는 수결합턱(7, 7)을 가지도록 한 다음, 이들을 서로 결합하여 그 결합면을 TIG용접 또는 브레이징함으로써 긴 길이의 미끄럼베어링(2)을 제조할 수 있다. 이렇게 하여 제작된 본 발명에 따른 미끄럼베어링(2)은 소결합금층(5)의 내주면에 환형의 홈(9)이 제공됨으로써 그리스 급지 및 저장홈으로 기능하게 된다.

또한 도 5에 나타낸 바와 같이 양단의 두 개의 미끄럼베어링의 강철이면금속(4) 외주면에 수결합턱(7, 7)을 가지도록 하고, 중간의 강철이면금속(4) 양단부 내주면에 암결합턱(6, 6)을 가지도록 한 다음, 이들 결합턱들을 서로 암수형태로 맞도록 결합하여 TIG용접 또는 브레이징함으로써 더욱 긴 길이의 미끄럼베어링도 제작할 수 있다. 이렇게 하여 제작된 본 발명의 미끄럼베어링(2)은 소결합금층(5)의 내주면에 환형의 홈(9)이 2개 이상 여러 개 제공되어 그리스 급지 및 저장홈으로 기능하게 된다. 그러나 이러한 환형의 홈은 복수개의 강철이면금속에 대하여 그 단부에서 결합턱을 형성 접합함으로써 형성되는 것 뿐만 아니라 단일의 강철이면금속 내주면 전 길이에 걸쳐 소결합금층을 접합형성한 후임의의 위치에 기계가공에 의해 그 소결층을 원하는 폭(W) 만큼 절삭 제거함으로 형성될 수도 있다.

따라서 이렇게 제작된 미끄럼베어링은 한국 특허 제261896호 및 도 4에 나타낸 바와 같이 그리스 급지 및 윤활 오일 저장홈으로 기능하게 할 목적으로 미끄럼베어링(3)의 내주면에 소결합금층이 제거된 환형의 홈(9)을 갖고, 이 홈과 연통되도록 미끄럼베어링의 외주면에 제 2 급유공(10)을 형성하고, 이 제 2급유공과 더욱 연통되도록 2 개 이상의 제 1 급유공(11)을 갖는 베어링으로 제작되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 베어링에 있어서 베어링의 내고하중, 저마찰 및 내마모특성은 기본적으로 그 소결체 내에 함유된 조성 및 복층구조라는 특성에 의해 이루어지는 것으로서 그리스 저장 및 급지기능을 담당하는 상기 환형홈(9)은 그 존재에 의해 본 발명에서 목적하는 바의 상승효과를 기대할 수는 있으나 그 폭(W)의 크기는 본 발명의 기술사상에 그다지 큰 영향을 미치지 않는 바, 본 발명에 있어서 환형홈(9)의 폭(W)의 크기에는 특별한 제한이 없이 임의적이어도 무방하다.

본 발명의 미끄럼베어링은 도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이 부시형 및 도 6에 도시한 바와 같은 플레이트형 등 사용목적에 따라 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.

소결합금층(5) 내의 기공도는 전술한 바와 같이 그 성형단계에서 성형압력의 조절에 의해 부피비로 30% 이하로 이루어지는 것이 바람직하다. 기공도는 성형압력을 조절에 의해 부피비로 5% 이하 정도의 고밀도로도 제작할 수도 있다.

또한, 본 발명에서 사용되는 강철이면금속(4)은 탄소강으로 이루어지며, 철계혼합분말과 함께 성형장치에 의해 일체 성형되기 전에, 무전해도금 또는 전기도금에 의해 2-10μm의 두께로 구리도금처리되는 것이 바람직하다. 여기에서 강철이면금속으로서 스테인레스강이 사용될 수도 있다.

본 발명에 따르면, 소결합금층(5)의 구성 성분은 동 10∼30 wt%, 니켈 0.1-5.0 wt%, 크롬 0.1-8.0 wt%, 그리고 잔부가 철로 이루어지는 것이 바람직하고, 이러한 소결합금층에는 건식윤활제로서 흑연이 0.1-6.5 wt% 및/또는 이황화몰리브덴이 0.1-7.0wt% 가 더욱 첨가될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 소결합금층(5)은 동, 니켈, 크롬, 흑연, 이황화몰리브덴, 철 이외에 몰리브덴 및 인이 선택적으로 또는 동시에 더욱 첨가될 수 있는데, 이 경우 성분비는 몰리브덴이 0.1∼5.0 wt%, 인이 0.05-3.0 wt%일 수 있다.

소결합금층(5)의 내부에 포함된 흑연이나 이황화몰리브덴은 장기간의 무급유 및 무급지조건을 만족하기 위한 건식윤활제로 작용하게 된다. 이들의 건식윤활 효과를 더욱 상승작용케 하기 위해서는 소결합금층의 기공 내에 한국등록특허 제261896호에 나타낸 윤활오일(또는 그리스 EP2)과 같은 습식윤활제를 채우는(함침하는) 것이 바람직하다. 더욱, 이 함침용도로 사용하는 윤활오일이나 그리스는 입자크기 200μm 이하로 이루어진 흑연과 이황화몰리브덴의 혼합분말이 중량비로 50% 이하로 혼합되어 현탁된 것을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 미끄럼베어링을 구성하는 합금원소의 구성 및 작용효과를 나타내면 다음과 같다.

흑연(graphite) 및/또는 이황화몰리브덴(molybdenum disulfide)의 함량범위를 제한하여 각각 6.5 wt% 이하, 7.0 wt% 이하로 첨가할 수 있다고 함은 이 함량범위 내에서만 소결체와 강철이면금속과의 접합성을 훼손하지 않으면서 저마찰의 건식윤활특성을 높일 수 있기 때문이다. 흑연의 일부는 철에 고용(화합탄소 또는 고용탄소)되며, 또 다른 일부는 철-탄소 화합물(Fe₃C) 및 유리흑연(free carbon)으로 소결층 내에 균일하게 존재하는데 이 유리흑연이 건식윤활특성(저마찰계수)에 기여한다. 이황화몰리브덴은 소결층 내에 균일하게 분산되어 존재하며 특히, 극압성 및 건식윤활특성(저마찰계수)을 보지하므로서 장기간의 무급지에서 안정적인 저마찰계수를 나타낸다.

동(Cu)은 강철이면금속과 철계소결합금층과의 접합 및 소결에 결정적인 역할을 하는 중요한 요소로서, 접합에 유익한 함량범위는 10 wt% 내지 30 wt%이다. 이 범위를 벗어날 경우 접합면에서 분리나 틈새가 생겨 접합이 제대로 이루어지지 않는다. 동(Cu)의 일부는 철(Fe)과 결합(고용)하여 기지조직에 미세한 입자형태로 석출하고, 또 다른 일부는 인(P)과 결합하여 경한 동-인 화합물(Cu₃P)를 형성하며, 나머지는 결합과 무관한 형태의 유리된 동(free copper)으로 존재한다. 이러한 유리된 동(free copper)은 소결을 용이하게 하면서, 소결층 내에 그물망 구조(형상)로 분포해서 경한 철기지조직(마르텐사이트 또는 미세 펄라이트)과 합금원소들에 의한 효과(기지조직내 고용 및 경한 석출화합물입자들의 균일분포)로 인한 경화 및 강화된 기지조직에 대한 외부의 충격을 흡수해 주는 역할을 한다.

니켈(Ni)은 열처리에 의한 경화능을 증가시키지만, 5wt% 이상 첨가시 소결층의 수축을 일으켜 소결합금층과 강철이면금속과의 사이에 미접합 틈새를 만들 수 있기 때문에 전체적인 접합성에 악영향을 준다.

크롬(Cr)은 철 및 탄소와 결합해서 경한 복합탄화물을 형성시켜 이들을 기지조직 내에 균일하고 미세하게 석출분포시키며, 철기지조직 내에 용이하게 확산하여 기지조직의 내마모성을 향상시키나, 8.0wt% 이상 첨가시 강철이면금속과 철계소결합금층의 틈새발생 형태로 접합에 유해하다. 크롬의 첨가는 기지조직의 내마모성, 내식성, 내산화성 도모에 바람직하나, 5.0wt% 이상 첨가시 결정립의 조대화를 일으킨다.

몰리브덴(Mo)은 철 및 탄소와 결합해 경하고 미세한 복합탄화물을 균일하게 석출분포시키므로서 기지조직의 내마모성을 향상시키나, 5.0wt% 이상 첨가시 강철이면금속과 철계소결합금층의 접합면에 틈새를 만들기 때문에 유해하다.

인(P)의 첨가는 기지조직에 경한 철-인 화합물(Fe₃P), 철-탄소-인 화합물(steadite) 및 동-인 화합물(Cu₃P)들을 균일하고 미세하게 석출분포시켜 기지조직의 경도를 높이므로서 기지조직의 내마모성을 향상시키나, 3.0wt% 이상 첨가시 소결층의 수축을 심하게 일으켜 강철이면금속과 철계소결합금층의 분리를 일으키는 형태로 접합에 악영향을 준다.

상기와 같은 조성의 미끄럼베어링(1,2,3)은 첫째, 베어링층(5)이 철이 주성분인 철계소결합금층이어서 흑연과 결합하여 탄소강의 기지조직으로 되며, 이 탄소강기지조직은 합금원소의 첨가(량) 및 급냉, 급냉과 소려, 침탄, 질화, 소둔 등 이와 등가의 열처리에 의해 경질조직인 마르텐사이트(martensite), 미세 퍼얼라이트(fine pealite) 즉, 소르바이트(sorbite)와 연질조직인 페라이트(ferrite) 및 펄라이트(pearlite) 등으로 유도하고, 이러한 각 기지조직의 비율에 의해서 인성 및 연성을 유지하면서 경도를 향상시켜 내마모성을 부가시킬 수 있으며 둘째, 합금원소의 첨가효과에 의해 미세하고 균일한 경질의 복합화합물들을 기지조직의 내부 및 주변부에 석출시키므로서 미시적 및 거시적인 경화가 더욱 도모되어 이로 인해 내마모성을 한층 부가할 수 있다. 이러한 상기의 내마모성은 소결합금베어링층(5)에 내포되어 있는 흑연 및 이황화몰리브덴의 건식윤활제와 기공에 함유된 윤활오일의 습식윤활제와 더불어 저마찰윤활을 장기간의 무급지로 유지하는데 중요한 기능을 한다.

<실시예 1-3>

본 발명의 미끄럼베어링을 제작하여 900 kg/cm²의 고하중하에서 분당 0.3 m의 미끄럼속도로 1000시간 이상 무급지로 마찰마모시험을 하였다. 시료는 내경은 70mm, 외경은 85mm, 길이는 60mm, 그 형상은 도 4와 같이 내면에 폭(W) 10mm의 환형그루브가 형성되게 제작되었다. 내구성 장비는 수직하중을 50톤 유압으로 부여하고 압축하중은 로드셀에 의해 측정하였다. 부시 내경에서 샤프트(S)(shaft)가 100도 각도로 요동운동을 하게 하였으며, 수직하중을 극복하면서 회전하는데 요하는 토르크는 토르크셀을 부착하여 측정하였으며, 이로부터 마찰계수를 환산하였다. 부시의 온도는 부시 외주면에 열전대를 접촉시켜 측정하였다. 부시는 세척건조 후 습식윤활제를 함유처리하였고, 베어링은 하우징(13)에 억지끼움으로 압입한 후 시험하기 전 니플(14)을 통해 1회의 그리스 주입을 하였다. 부시내면의 조도는 12.5S 이하로, 샤프트의 조도는 0.8S 이하로 연마하였다. 부시와 샤프트의 간극은 0.10 mm 이하로 유지시켰다. 성능시험은 100시간 전후해서 한 번씩 시험을 중지시키고 약 1일 후에 그 상태대로 재가동하는 방법으로 실시하였다. 총마모량은 시험시료를 세척건조후 요동면의 최종내경치수를 다섯 부위 측정후 평균값을 초기 부시내경의 다섯 부위 측정한 평균값과의 차이로 나타내었다.

다음 표 1의 결과로 부터 본 발명의 미끄럼베어링의 경우 900 kg/cm²의 고하중하에서 1000시간의 그리스 무급지로 마찰계수는 0.04-0.12의 범위를 나타내며, 총마모량도 30-60μm의 범위를 나타냄으로서, 본 발명의 미끄럼베어링은 목적하던 바 안정적 저마찰계수와 저마모율을 나타낸다.

시 료기 호	밀도(g/cm²)	겉보기경도(HRB)	마찰계수	총마모량 (μm)	상대축총마모량(μm)
실시예 1	6.3	20-40	0.05-0.11	30-50	10 이하
실시예 2	5.7	50-70	0.04-0.10	30-40	10 이하
실시예 3	5.9	60-80	0.04-0.12	30-60	10 이하

<비교예 1-5>

전술한 종래의 베아링들을 비교예를 통해 실시예 1 내지 3과 동일한 조건으로 마찰마모시험을 하였다. 시험시간은 마찰계수가 0.4 이상으로 증가하는 경우 시험을 중단하였다. 비교예 1 내지 5는 표 2에 요약한 바와 같이 1000 kg/cm²이상의 고하중에서는 무급지로 사용할 수 없음을 나타내며, 무급지로 시험했을 경우 마찰계수는 시험시간이 약 1-5시간 전후에서 0.4 이상으로 급격히 증가하고, 과열, 긁힘, 소착 및 이음에 의해서 마모시험 및 총마모량의 측정도 이루어질 수 없었다. 이들 비교예의 경우는 베어링 자체에 건식윤활제를 내포하고 있지 않음으로 인해 한 번의 그리스 첨가에 의한 고면압에서의 윤활효과는 전혀 없음을 나타낸다.

시료기호	시료	경 도	마찰계수	총마모량(μm)	총시험 시간(hr)
비교예 1	STEEL	HRC 50-60	0.4 이상	측정불가(긁힘,과열, 소착, 이음 )	1
비교예 2	황동 A	HRB 90-100	0.2-0.4	측정불가(긁힘, 과열, 소착,이음)	3
비교예 3	황동 B	HB 100	0.2-0.4	측정불가(긁힘, 과열, 소착, 이음)	1
비교예 4	철계소결 A	HRB 70-90	0.2-0.4	측정불가(긁힘, 과열, 소착, 이음)	5
비교예 5	철계소결 B	HB 30-50	0.2-0.4	측정불가(긁힘, 과열, 소착, 이음)	3

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 미끄럼베어링의 효과는 다음과 같다.

1) 강철이면금속(steel-backed metal)은 열처리에 의해서 경도조절이 가능한 탄소강이며, 부시 내면(철계소결합금베어링층)은 열처리에 의한 경도조절이 가능하며, 크롬, 몰리브덴 및 인의 합금화를 통해 기지조직의 경질화 및 미세하게 분산된 복합화합물을 석출형성시켜 내마모성이 한층 향상되며, 내포하고 있는 고체윤활제(흑연 및/또는 이황화몰리브덴)에 의해 저마찰윤활을 유지한다. 따라서, 강철이면금속이 저밀도베어링소재의 하중을 지탱하고, 내면의 소결베어링층의 저마찰윤활 및 내마모성이 한층 부여되므로서 허용하중이 700-1000 kg/cm²이상으로 향상된다.

2) 합금화 및 열처리에 의해 내마모성이 한층 부여된 소결합금층은 내포된 고체윤활제 및 습식윤활제의 복합자기윤활효과에 의해 내마모, 저마찰윤활(마찰계수 0.04-0.12)을 유지하므로, 무급지기간이 크게 증가하여 그리스 급지주기는 1000시간 이상으로 향상된다.

3) 소결합금베어링층은 경질기지조직, 복합화합물, 기공 및 고체윤활제 사이에 분포한 유리동으로 인해 충격흡수능력이 우수하여 내충격성을 보지해 준다.

Claims

강철이면금속과;

상기 강철이면금속에 접합되는 동 10wt% 내지 30 wt%, 니켈 0.1wt% 내지 5.0 wt%, 크롬 0.1 wt% 내지 8.0 wt%, 나머지가 철로 이루어진 철계소결합금층과; 그리고,

상기 철계소결합금층에 함유된 건식윤활제를 포함하여 이루어지며;

상기 건식윤활제는 흑연 0.1 wt% 내지 6.5 wt% 또는 이황화몰리브덴 0.1 wt% 내지 7.0 wt% 중의 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미끄럼베어링.
제 1 항에 있어서;

상기 철계소결합금층은 몰리브덴 0.1 wt% 내지 5.0 wt% 또는 인 0.01 wt% 내지 3.0 wt%를 적어도 어느 하나 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 미끄럼베어링
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서;

상기 미끄럼베어링은 침탄, 질화, 침탄질화, 급냉, 급냉 과 소려 및 이와 등가의 열처리를 한 것을 특징으로 하는 미끄럼베어링.
제 1 항 또는 제 2항에 있어서;

소결합금층은 그리스 급지 또는 그리스 저장홈의 역할을 하도록 그 소결합금층이 환형으로 제거된 모양의 환형홈을 적어도 하나 이상 갖는 것을 특징으로 하는 미끄럼베어링.
제 4 항에 있어서,

강철이면금속은 양단부에 환형의 결합턱이 형성된 것이 복수개 길이방향으로 연결접합된 것이며, 그 접합부 내주면에 소결합금층의 환형홈이 위치하는 것을 특징으로 하는 미끄럼베어링
제 1 항 또는 제 2항에 있어서;

상기 미끄럼베어링은 상기 철계소결합금층이 온도범위 1035℃-1095℃에서 그 소결과 동시에 강철이면금속에 접합됨으로써 이루어진 것을 특징으로 하는 미끄럼베어링.
제 1 항 또는 제 2항에 있어서;

상기 미끄럼베어링은 상기 철계소결합금이 일차적으로 그 소결이 먼저 이루어진 후 이차적으로 온도범위 1035℃-1095℃에서 강철이면금속에 접합됨으로써 이루어진 것을 특징으로 하는 미끄럼베어링.
제 1 항에 있어서,

철계소결합금층에 함유된 크롬의 함량이 0.1wt% 내지 5.0wt% 인 것을 특징을하는 미끄럼 베어링.