KR20030063224A

KR20030063224A - 건설 기계용 소결 슬라이딩 베어링

Info

Publication number: KR20030063224A
Application number: KR10-2003-0003940A
Authority: KR
Inventors: 미야사카모토히로; 마루야마가즈오
Original assignee: 히다치 훈마츠 야킨 가부시키가이샤
Priority date: 2002-01-22
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2003-07-28
Also published as: KR100518248B1; JP2003214430A; JP3978042B2; CN1245582C; CN1434225A

Abstract

본 발명은 장치에 장착하여 사용하였을 때의 베어링의 내구성이 안정되고, 긴 수명의 소결 슬라이딩 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 소결 슬라이딩 베어링은 축을 지지하기 위한 내부직경을 갖고, 담금질 조직을 갖는 소결 다공질 철계 합금으로 조성되는 베어링 본체, 및 베어링면을 갖는 치밀화 부분으로서, 베어링 본체의 내부직경을 그라인드함으로써 내부직경에 20미크론 이하의 두께로 형성되고 소결 다공질 철계 합금에 포함되는 폭이 50미크론 이상인 기공을 적어도 1개 봉지(封止)하고, 베어링면에 개구하는 기공의 개구 면적의 합계의 베어링면 면적에 대한 백분율 비율로 규정되는 개구율이 10% 이하인 치밀화 부분을 구비한다.

Description

건설 기계용 소결 슬라이딩 베어링 {Sintered sliding bearing for construction equipments}

본 발명은 건설 기계용의 베어링 요소와 같은, 베어링 슬라이딩면에 작용하는 높은 면압에 대한 내구성을 필요로 하는 분야에서의 사용에 적절한 소결 슬라이딩 베어링에 관한 것이다.

건설 기계의 유압 쇼벨(shovel)은 굴삭 동작을 할 때에, 암 선단에 부착된 버킷(bucket)을 유압 실린더를 이용하여 요동시키도록 구성되어 있다. 버킷과 암의 이음부는 축과 베어링으로 이루어지는 슬라이딩 베어링 요소를 가지며, 이러한 베어링 요소에는 큰 면압이 작용한다. 이 때문에, 내마모성이 높은 베어링을 적용하고, 슬라이딩면에 점도가 높은 윤활유나 그리스(grease) 등을 개재시켜 이용된다.

종래에는 이러한 베어링으로서, 주조 합금의 절삭 가공에 의한 것이나 슬라이딩면에 흑연 조각을 반점 형상으로 매립한 것이 이용되고 있었으나, 이것들을 대신하여 최근에는 동점도(kinematic viscosity)가 높은 윤활제를 함침시킨 철-탄소 소결 합금제의 소결 함유(含油) 베어링이 사용되고 있다.

상기 소결 함유 베어링은, 고하중에 견딜 수 있고, 건설 기계 등의 대형 장치에 있어서의 슬라이딩 베어링으로서 양호하게 사용할 수 있지만, 내구성에 편차가 있고, 베어링을 장착한 장치의 수명이 안정되지 못하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 장치에 장착하여 사용하였을 때의 베어링의 내구성이 안정되고, 긴 수명의 소결 슬라이딩 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 소결 슬라이딩 베어링은 축을 지지하기 위한 내부직경을 갖고, 담금질 조직을 갖는 소결 다공질 철계 합금으로 조성되는 베어링 본체, 및 베어링면을 갖는 치밀화 부분으로서, 베어링 본체의 내부직경을 그라인드함으로써 내부직경에 20미크론 이하의 두께로 형성되고 소결 다공질 철계 합금에 포함되는 폭이 50미크론 이상인 기공을 적어도 1개 봉지하고, 베어링면에 개구하는 기공의 개구 면적의 합계의 베어링면 면적에 대한 백분율 비율로 규정되는 개구율이 10% 이하인 치밀화 부분을 구비한다.

또한, 소결 슬라이딩 베어링의 제조방법은, 담금질 조직을 갖는 소결 다공질 철계 합금의 조제, 축을 지지하기 위한 내부직경을 갖는 베어링 본체를 성형하는 소결 다공질 철계 합금의 가공, 및 베어링 본체의 내부직경의 그라인드로서 베어링면을 갖는 치밀화 부분을 형성하고, 베어링면에 개구하는 기공의 개구 면적의 합계의 베어링면 면적에 대한 백분율 비율로 규정되는 개구율이 감소하고, 소결 다공질 철계 합금의 용적에서의 유효 다공율보다 적어지는 것을 특징으로 한다.

또한 소결 슬라이딩 베어링은, 축을 지지하기 위한 내부직경을 갖고, 담금질 조직을 갖는 소결 다공질 철계 합금으로 조성되는 베어링 본체, 및 베어링 본체의 내부직경을 그라인드함으로써 내부직경에 형성되는 베어링면을 갖는 치밀화 부분으로서, 베어링면에 개구하는 기공의 개구 면적의 합계의 베어링면 면적에 대한 백분율 비율로 규정되는 개구율이 감소하고, 소결 다공질 철계 합금의 용적에서의 유효 다공율보다 적어지는 것을 특징으로 한다.

상기 철계 소결 합금은, 마르텐사이트 조직을 갖는 철-탄소 합금 베이스 중에 구리가 분산된 것이여도 되고, 구리의 함유량을 15∼25질량%, 유효 다공율을 5∼28%로 할 수 있다.

본 발명의 소결 슬라이딩 베어링은, 분말 야금법에 따라 소결에 의해 조제되는 윤활제를 함침 가능한 소결 다공질 합금을 이용하여 제조되고, 소결 다공질 합금제의 베어링 본체에 형성된 축을 지지하기 위한 내부직경에 기계적 표면 처리를 실시함으로써 내부직경면 상의 개구 면적의 비율을 감소시키고 있는 것을 요지로 한다. 상세하게는, 소결 다공질 합금제의 베어링 본체에 절삭 가공에 의해 형성된 내부직경에, 전단력 및 압축력을 작용시킴으로써 내부직경 표면의 소결 다공질 합금을 압축 또는 연성(延性)·전성(展性) 변형하고, 그 결과, 내부직경면에 있어서 베어링 외부와 연통하는 내부 기공의 개구가 협소화 또는 폐쇄되어, 내부직경 전면적에 대한 개구 면적의 비율이 감소한다. 즉, 베어링 본체의 내부직경 표면 부분이 치밀화되어 피막화한다. 이 치밀화 부분은 베어링 본체를 구성하는 소결 다공질 합금보다 기공율이 낮게 치밀화되어 있는데, 그 경계는 합금 단면의 현미경 관찰에의해서도 명확하게 식별되지 않는다. 이러한 치밀화는 구체적으로는 그라인더(연삭반)에 의해 내부직경을 연삭함으로써 바람직하게 실시된다. 그라인더에 의해 제공되는 전단력에 의해, 합금 표면의 볼록부가 변형되고, 변형된 부분은 압축력(압압력, 면압력)에 의해 압축 성형·연신되어 개구를 협소화 또는 폐쇄하여, 베어링 본체보다 기공율이 낮게 치밀화된 피막과 같은 층을 생성한다. 그 표면 즉, 내부직경면은 전단력에 의해 더 연마된다.

따라서, 윤활제를 함침시킨 소결 슬라이딩 베어링에 축을 맞붙혀서 동작시키면, 동작 초기에는 내부직경면(즉, 베어링면)의 개구 면적이 작기 때문에 베어링 내부로부터 내부직경면에 공급되는 윤활제가 적고, 래디알(radial) 하중이 높은 면압으로 부하하는 슬라이딩 부분의 내부직경면에서 치밀화 부분이 마모되어, 마찰열에 의해 온도가 상승한다. 온도 상승은 윤활제의 열팽창에 의한 내부직경면으로의 공급을 진행한다. 치밀화 부분의 마모가 진행되면, 내부직경면의 개구 면적이 점차 증가하고, 공급되는 윤활제의 양이 증가하여 마찰이 경감되기 때문에, 슬라이딩 부분의 마모도 감소한다. 한편, 슬라이딩 부분 이외에 있어서는, 마모가 적고 내부직경면의 개구 면적이 작기 때문에, 윤활제가 새어 나오는 것이 적다. 이 결과, 슬라이딩 부분에 있어서의 윤활제의 공급량이 적정량에 도달한 상태에서 마모가 정지하기 때문에, 베어링 하중에 따라 슬라이딩면의 윤활성이 조정되어, 베어링은 항상 최적의 상태에서 사용된다. 따라서, 베어링의 수명은 연장되고, 편차는 적어진다.

이하 본 발명에 따른 소결 슬라이딩 베어링의 제조방법 및 특징에 대하여 상세하게 설명한다.

소결 슬라이딩 베어링의 제조에 있어서는, 하기의 소결 다공질 합금의 조제, 절삭 가공에 의한 베어링 본체의 성형, 베어링 본체의 내부직경의 기계적 표면 처리, 및 윤활제의 함침이 실시된다.

소결 다공질 합금은, 소정 조성의 금속 분말의 압분체(壓粉體)를 소결하고, 소결체를 열처리에 의해 담금질함으로써 얻어진다. 필요에 따라, 템퍼링을 더 실시하여도 된다. 일반적으로, 소결에 의해 얻어진 소결 다공질 합금의 기공의 대부분은 개방 기공(소결체 표면으로 연통하는 기공)이고 폐쇄 기공(표면으로 연통하지 않는 기공)은 매우 적다.

절삭 가공에 의한 성형은 담금질 전의 소결재로 실시해도 된다.

윤활제의 함침은 내부직경의 기계적 표면 처리 후에 실시해도 되나, 소결 다공질 합금에 윤활제를 함침한 후에 절삭 가공에 의한 내부직경의 기계적 표면 처리를 실시하면, 절삭성, 연삭성이 향상되고, 연삭액 등을 필요로 하지 않기 때문에, 베어링 기공의 오염을 방지할 수 있다. 또한, 실제의 함유(含油)율을 유효 다공율에 실질적으로 동등하게 할 수 있다.

(1) 베어링을 구성하는 소결 다공질 합금

본 발명의 소결 슬라이딩 베어링의 재질에는, 강도 및 내마모성을 고려하여 담금질한 소결 다공질 강철, 특히 마르텐사이트 조직을 갖는 철계 소결 다공질 합금이 이용된다. 철계 소결 다공질 합금으로서 철-탄소 합금을 채용하여, 단단한 합금을 베이스로서 이용하고, 또한 연질(軟質)이고 축과의 친밀성이 좋은 구리를 베이스 중에 분산시키면, 적은 합금 구성 원소로 내구성도 우수한 합금재가 얻어지며, 이 철-탄소-구리 소결 다공질 합금은, 소결 슬라이딩 베어링의 재질로서 더욱 바람직하다. 이 합금의 구리 함유량은 15∼25질량%가 바람직하다. 구리의 함유량이 적어지면, 단단한 철합금의 성질이 강해지기 때문에, 베어링 내부직경의 슬라이딩면에 있어서의 축의 연삭마모가 진행되기 쉽다. 구리의 함유량이 많아지면, 높은 면압에서의 슬라이딩에 의한 연질의 구리의 변형이 슬라이딩면의 개구를 막기 쉽다. 이 결과, 동작 중에 윤활제의 공급이 저하되어 마모가 진행되기 쉬워진다. 베이스 중에 분산되는 연질의 구리는 소결 중에 일부 철과 합금화하는데, 철-구리 합금에서도 연질상(軟質相)으로서의 효과는 동일하기 때문에, 여기에서는 이 합금도 구리상에 포함하는 것으로 생각한다. 탄소 함유량은 전체의 0.6∼1.0질량%가 바람직하고, 이 범위에서 담금질에 의해 마르텐사이트 조직이 생겨서 철합금 베이스가 딱딱해질 정도의 탄소가 철에 고용(固溶)하고, 또한 유리탄소에 의해 고체 윤활 작용을 기대할 수 있다.

(2) 소결 다공질 합금의 유효 다공율 및 밀도

소결 슬라이딩 베어링의 베어링 본체는, 내부직경의 슬라이딩면에 윤활제를 충분히 공급할 수 있도록 높은 함유(含油) 능력을 보유할 필요가 있다. 이 때문에, 상기 소결 다공질 합금은 유효 다공율(다공질체의 총 체적에 대한 개방 기공의 체적 비율을 나타내는 백분율)이 약 15% 이상인 것이 바람직하다. 유효 다공율이 낮으면, 초기 마모에 의해 내부직경의 치밀화 부분을 소실하여도, 슬라이딩 부분에 공급되는 윤활제가 충분히 증가하지 않기 때문에, 윤활유의 부족이 일어나기 쉽고, 베어링의 수명이 짧아진다.

한편, 베어링 본체가 만족할만한 강도 및 내마모성을 갖기 위해서는, 어느 정도 이상의 밀도를 갖는 소결 다공질 합금으로 제조할 필요가 있고, 철계 소결 다공질 합금의 경우, 필요한 밀도는 대개 5.8g/cm³이상이다. 단, 다공질 합금의 밀도가 높다는 것은 기공율이 낮다는 것을 의미하며, 소결에 의해 얻어진 소결 다공질 합금의 기공의 대부분은 개방 기공(소결체 표면으로 연통하는 기공)이고, 폐쇄 기공(표면으로 연통하지 않는 기공)은 매우 드물기 때문에, 밀도의 높음은 유효 다공율의 낮음과 결부된다. 따라서, 베어링 본체가 강도 및 내마모성을 유지하기 위해서는, 함유(含油) 능력의 증가에는 한계가 있다. 예를 들면, 구리의 함유량이 25질량%(상술한 바람직한 범위의 상한값)인 경우에는, 이론 밀도(8.08)로부터 계산된 기공율은 5.8g/cm³정도에 있어서 약 28.2%가 된다. 따라서, 이것을 아울러 생각하면, 베어링 본체를 구성하는 소결 다공질 합금의 바람직한 유효 다공율은 15∼28% 정도가 된다.

(3) 베어링 내부직경의 기계적 표면 처리 및 내부직경면의 상태

소결 슬라이딩 베어링의 내부직경면은, 베어링 본체의 내부직경에 전단력 및 압축력을 작용시키는 기계적 표면 처리에 의해 형성되고, 구체적으로는 그라인더를 이용한 연삭에 의해 형성되는 연삭면이다. 연삭에 의해, 파쇄 또는 변형된 합금이 내부직경 표면에 압축 성형되어 피막화하고, 표면(즉, 내부직경면)에 있어서의 기공의 개구 면적이 감소한다. 기공의 개구 면적의 감소는, 그라인더의 숫돌 입자크기, 연삭 마진 등에 의해 조절할 수 있고, 예를 들면, 그라인더의 숫돌 입자크기가미세한 것을 이용하고, 연삭 마진이 많으면, 변형하는 합금의 양이 증가하고, 개구의 협소화 및 폐쇄가 진행된다. 바람직하게는, 기공의 개구 면적의 합계가 내부직경면 전체의 면적에 대하여 10% 이하, 보다 바람직하게는 1∼3%가 되도록 연삭을 실시한다. 적절한 기공의 개구 면적으로 하기 위해서는, 그라인더는 연마 마진을 직경 0.3mm 정도로 하고, 숫돌 주속도를 2500m/분 정도, 연삭 가공의 회전수를 400rpm 정도로 설정하여 연삭한다. 연삭하지 않은 소결 다공질 합금에 있어서의 표면의 개구 면적의 비율은, 유효 다공율의 수치와 거의 동일한 정도이고, 상기 적절한 연삭에 의해 개구 면적의 비율은 약 2/3 이하로 감소한다. 소결 다공질 합금의 기공 대부분이 개방 기공이기 때문에, 내부직경면에서 완전히 폐쇄된 기공이여도 다른 기공을 통하여 합금 표면의 어디에서도 연통을 유지할 수 있다.

상기와 같은 표면의 치밀화는, 절삭 가공시에도 바이트로 압력을 가하면서 절삭하면 생길 수 있다. 또한, 열처리 전의 소결체 쪽이 깊숙히 치밀화할 수 있다. 단, 열처리에 의한 칫수 변화를 고려하면, 칫수 정밀도라는 점에서 치밀화는 열처리보다 뒤에 실시하는 것이 좋다.

내부직경의 기계적 표면 처리에 의해 형성되어 기공의 개구를 막는 치밀화 부분의 두께는 약 20㎛ 이하가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 8∼12㎛이고, 10㎛ 정도가 가장 바람직하다. 이것은 베어링 단면의 랩핑면의 현미경 관찰에 의해 얻어지는 조직 단면을 이용하여 평가 가능하며, 내부직경면으로부터 떨어져서 약 50㎛ 이상의 폭을 갖는 기공으로서, 내부직경면으로부터의 거리가 20㎛ 이내인 것이 존재하는지를 조직 단면에서 조사한다. 치밀화 부분이 과도하게 두꺼우면, 초기 마모에 의해 슬라이딩 부분의 개구 면적이 적정량이 될 때까지 필요한 시간이 길어지고, 온도도 상승한다. 치밀화 부분이 너무 두꺼운 경우에는, 필요에 따라 사용 전에 연삭에 의해 제거하면 된다. 이 경우, 그라인더의 연삭(슬라이딩) 속도를 빠르게 하고, 연삭 마진을 적게 하는 것이 바람직하다.

사용시에 불필요한 마찰을 생기지 않게 하기 위해서, 기계적 표면 처리 후의 내부직경면의 평균 표면 거칠기(기공을 제외한)은 Rmax가 0.5∼1㎛ 정도가 바람직하다. 이것은 그라인더의 연마 숫돌의 거칠기에 의해 조절 가능하다.

내부직경면의 치밀화는 연삭 이외의 방법, 예를 들면 분말 야금에 있어서의 표면 치밀화 기법에 의해서도 가능하다. 단, 이 방법에서는 제작 공정이 많고, 베어링을 하우징에 붙일 때에 위상 맞춤을 할 필요가 있다. 혹은, 국소 가열에 의한 내부직경의 연화 용융, 금속 분말 또는 금속박의 내부직경으로의 가열 압착, 용융 금속에 의한 피복 등도 들 수 있으나, 처리 정도의 제어나 피복 강도의 유지가 어렵다. 이에 비해, 연삭은 처리 정도의 제어가 용이하고 작업도 간편하기 때문에, 실용적이다. 베어링 본체와 치밀화 부분이 동일한 재료이기 때문에, 치밀화 부분의 강도도 갖는다.

연삭에 의한 치밀화는 내부직경 뿐만 아니라, 베어링의 외부표면 전체에 실시해도 된다. 혹은, 금속박이나 도장에 의해 피막을 형성해도 된다. 이 경우, 윤활제의 함침은 연삭에 의한 치밀화 전에 실시해 둘 필요가 있다.

(4) 함침되는 윤활제

윤활제는 고면압 슬라이딩 베어링에 일반적으로 사용되는 좋은 품질의 것을이용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 40℃에 있어서의 동점도가 2.2∼10m²/s (220∼1000cSt) 정도인 윤활유가 적당하다. 혹은, 상온에서 고체 상태 또는 반고체 상태로 적점(滴點)이 60℃ 이상인 왁스도 적당하다. 이러한 왁스는 파라핀 왁스 또는 마이크로크리스탈린 왁스 등에 유분을 배합함으로써 조제되고, 바람직하게는 흑연 또는 이황화몰리브덴의 입자가 첨가된다. 베어링과 축의 슬라이딩에 의해 베어링의 온도가 상승하면, 베어링에 함침된 윤활유가 팽창하여, 개구로부터 내부직경 면으로 공급된다. 베어링의 온도가 상승할 때까지의 윤활성을 유지하기 위하여, 베어링의 사용을 개시할 때에 그리스를 베어링 요소(베어링 및 축)에 주입하면 된다.

(5) 베어링의 최적화

소결 슬라이딩 베어링을 기계에 장착하기 전에, 미리 내부직경면의 초기 마모에 의한 윤활의 적정화를 실시하면, 베어링은 사용 초기부터 최적 상태에서의 동작이 가능하다. 구체적으로는 기계에 부착하여 사용하였을 때에 부하되는 하중을 먼저 조사하고, 소결 슬라이딩 베어링에 끼워 맞춘 축에 이 하중을 부하하면서 축을 동작시켜서 초기 마모를 생기게 하여 윤활을 적정화한다. 윤활의 적정화는 축의 동작 중에 있어서의 베어링의 온도 변화를 측정함으로써 판단할 수 있다(후술하는 실시예 참조). 과도한 마모는 피하는 것이 바람직하다.

최적화된 소결 슬라이딩 베어링은 내부직경면의 일부분, 즉 축과의 슬라이딩 부분만이 마모되어, 슬라이딩 부분 이외의 부분보다 개구 면적이 크다.

최적화된 소결 슬라이딩 베어링은 필요에 따라 윤활제를 다시 함침하여 보충해도 된다.

(6) 베어링의 용도

상기 소결 슬라이딩 베어링은 면압 58.8MPa 이상 및 슬라이딩 속도 2∼5cm/초의 하중으로 내성을 가지며, 이러한 하중이 부하되는 사용 조건에서 우수한 성능을 나타낸다. 따라서, 건설 기계의 분야에 있어서의 사용에 적합하며, 특히 유압 쇼벨의 이음부 또는 크레인 암의 지지 이음부용의 베어링으로서 사용하는데 가장 적절하다.

(발명의 실시형태)

이하, 실시예 및 비교예를 참고하여 본 발명의 실시형태를 설명한다.

a) 소결 베어링 소재의 제작

아토마이즈 철 분말(상품명: Atome 300M, Kobe Steel Ltd. 제품) 81.2kg, 전해 구리 분말(상품명: CE15, Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd. 제품) 18kg, 흑연 분말(상품명: CPB, Nippon Graphite Industories Ltd. 제품) 0.8kg, 및 성형 윤활제로서 스테아린산아연 분말 0.5kg을 혼합하여, 원통형상으로 압축 성형하였다. 이 성형체를 온도 1120℃의 환원성 가스 중에서 소결하였다. 소결체의 철계 소결 합금 베이스 중의 결합 탄소량은 0.6질량%였다. 또한, 소결체의 밀도는 6.2g/cm³이고, 유효 다공율은 21%였다. 이 소결체를 850℃로 가열한 후, 기름 담금질하고, 온도 180℃에서 템퍼링하여, 베어링 소재를 얻었다. 베어링 소재는 마르텐사이트상과 구리상이 혼합된 조직을 갖고 있었다.

b) 내부직경의 절삭 가공 및 연삭

선반을 이용하여, 상기 베어링 소재를 초경 바이트로 절삭 가공하여 베어링의 내부직경, 외주면 및 단면을 성형하고, 외부직경 칫수가 65mm, 내부직경 칫수가 (50 + 연마 마진)mm, 축방향 길이가 50mm인 조제(粗製) 베어링을 얻었다. 다음으로, 그라인더를 이용하여 조제 베어링 및 숫돌을 서로 회전시키면서 숫돌을 내부직경에 대하여 압접 슬라이딩시켜서 내부직경을 연삭하여, 베어링의 내부직경 칫수가 50mm인 실시예 및 비교예 1, 2의 베어링 샘플을 얻었다. 연삭에 있어서의 연마 마진 및 숫돌 입자크기를 변화시킴으로써, 내부직경 면적에 대한 개구 면적의 비율은, 실시예 ＝ 3면적%, 비교예 1 ＝ 1면적%, 비교예 2 ＝ 15면적%로 조절되었다. 또한, 실시예 및 비교예 1, 2의 각각에 있어서, 베어링 샘플은 단면 관찰용 및 시험용에 대하여 각각 준비하였다.

단면 관찰용 베어링 샘플을 축 중심을 따라 절단하고 단면을 현미경으로 관찰하여, 치밀화 부분의 두께를 측정하였더니, 베어링 본체의 내부직경에 형성된 치밀화 부분의 두께는 실시예 ＝ 10㎛, 비교예 1 ＝ 30㎛, 비교예 2 ≒ 0㎛ 였다.

c) 윤활제의 함침

실시예 및 비교예 1, 2의 각각에 대하여, 시험용 베어링 샘플에, ISOV G460에 해당하는(40℃에 있어서의 동점도 ＝ 4.6m²/s (460cSt)) 윤활유를 진공 함침하였다. 함침 후의 베어링 샘플의 함유(含油)율을 측정하였더니 모두 21%였다.

d) 베어링 시험

실시예 및 비교예 1, 2의 각각에 대하여, 함유(含油)한 베어링 샘플을 하우징에 고정하고, 베어링 샘플의 외주면에 열전대를 장착하였다. 한편, 담금질 및 연마된 축에 그리스를 도포하고, 고정한 베어링 샘플의 내부직경에 끼워 맞추었다. 베어링 샘플의 내부직경과 축의 슬라이딩면에 있어서의 면압이 58.8MPa(6kgf/mm²)가 되도록 래디얼 방향의 하중을 축에 가하여 축을 30시간 왕복 회전이동시키고, 이 사이의 베어링 샘플의 온도 변화를 열전대에 의해 측정하였다. 왕복 회전이동에 있어서의 슬라이딩면의 슬라이딩 속도는, 왕복 중심의 100도각의 범위에서 1.2m/분으로 하고, 왕복 회전이동의 양말단 위치에서의 정지 시간은 각각 0.5초간으로 하였다.

e) 베어링 시험의 결과

베어링 시험에 있어서의 베어링 샘플의 온도 변화를 표 1에 나타낸다.

회전 시간	0시간	1시간	3시간	5시간	10시간	20시간	30시간
실시예	24℃	91℃	80℃	74℃	70℃	70℃	70℃
비교예 1	24℃	105℃	97℃	95℃	90℃	84℃	84℃
비교예 2	24℃	60℃	75℃	81℃	81℃	81℃	81℃

표 1에서 알 수 있듯이, 실시예의 베어링 샘플에 있어서는 운전 초기 단계(1시간 정도)에서는 온도가 상승하지만, 그 후에는 온도가 내려가서 10시간의 시점부터 30시간의 시험 종료까지 거의 동일한 온도 레벨을 나타내었다.

한편, 내부직경면의 개구 면적이 작고 치밀화 부분이 두꺼운 비교예 1에서는, 초기 단계에서 급격하게 온도가 상승하여 실시예보다 높은 온도에 도달하고, 그 후 완만하게 내려갔지만, 그 온도는 항상 실시예보다 높고, 온도가 일정해질 때까지 20시간을 필요로 하였으며, 그 온도도 실시예보다 높았다. 또한, 내부직경면의 개구 면적이 큰 비교예 2에서는, 초기 단계에서의 온도 상승은 실시예보다 완만하였으나, 그 후에도 온도 상승이 계속되어 5시간의 시점에서 일정 온도에 도달하여 안정하였으나, 그 온도는 실시예보다 높았다.

경험적으로, 베어링의 온도가 150℃를 넘으면 베이킹 마모가 일어나고 있다는 것을 생각할 수 있으며, 표 1의 결과는 실시예 및 비교예 1, 2의 어디에서도 베이킹 마모는 일어나고 있지 않다고 생각된다.

f) 평가

상기 베어링 시험의 결과는 베어링 내부직경면의 초기 상태로부터, 이하와 같이 평가할 수 있다.

(실시예)

내부직경면의 개구 면적이 작기 때문에, 부하되는 래디알 하중에 대하여 윤활유가 부족하여, 슬라이딩 부분의 초기 마모에 의해 온도가 상승하지만, 초기 마모에 의해 슬라이딩 부분의 내부직경면의 개구 면적이 증가함에 따라서 윤활유의 공급이 증가하여 마찰 및 열발생이 저하되어 베어링의 온도가 저하되고, 윤활유의 압상력과 래디알 하중이 적절하게 조화되는 양으로 윤활유의 공급이 도달하면, 내부직경면의 마모가 억제되고, 슬라이딩 부분의 개구 면적의 적정화에 의해 이상적인 윤활 형태가 만들어진다. 이 상태에서 비교적 경질의 담금질 조직인 철-탄소계 합금 베이스와 비교적 연질의 구리상을 갖는 합금 소재는, 내부직경면의 개구 면적의 최적화에 의한 마모 억제 및 슬라이딩 특성의 안정화에 특히 적절한 내마모성을구비하고 있다.

(비교예 1)

내부직경면의 개구 면적이 작기 때문에, 초기 마모에 의해 온도가 상승하지만, 치밀화 부분이 두껍기 때문에 슬라이딩 부분의 내부직경면의 개구 면적이 적정량까지 증가하는데 필요한 시간이 길어, 윤활유의 공급이 부족한 상태가 길게 계속된다. 초기의 온도가 높기 때문에, 윤활유의 열팽창에 의한 공급은 실시예보다 촉진되고, 윤활유의 공급이 적정화된 상태에 있어서의 슬라이딩 부분의 개구 면적은 실시예보다 적고, 온도는 실시예보다 높아진다.

단, 이 베어링 샘플에 있어서도, 축에 부하되는 래디알 하중이 작으면, 실시예와 동일한 시험 결과를 얻을 수 있다. 또한, 이 베어링 샘플은 수시간 운전한 후에 일단 운전을 중단하고 냉각하면, 실시예의 베어링 샘플과 동일한 상태가 된다. 따라서, 그 후의 운전에 의한 온도 변화는 실시예와 동일한 효과가 된다. 바꿔 말하면, 내부직경 표면을 치밀화한 소결 슬라이딩 베어링은, 장착되는 장치에 있어서 베어링에 부하되는 하중에 따라 미리 초기 단계의 슬라이딩 부분의 마모 처리를 실시함으로써, 베어링의 실용 상태에서의 안정성이 향상된다.

(비교예 2)

내부직경면의 개구 면적이 크기 때문에, 초기 단계부터 윤활유의 공급량이 많고 슬라이딩 부분의 초기 마모가 적기 때문에, 온도 상승이 비교적 완만해진다. 그러나, 내부직경면 전체에 있어서 개구 면적이 크기 때문에, 슬라이딩 부분 이외의 내부직경면의 개구로부터 윤활유가 새어 나오기 쉽고, 슬라이딩 부분에 있어서의 윤활유가 감소하여 부족하다. 따라서, 마모에 의해 온도가 상승한다. 또한, 윤활유가 새어 나오는 것을 보충하여 래디알 하중과 조화되기 위해서는, 꽤 많은 윤활유가 슬라이딩 부분에 공급될 필요가 있으나, 슬라이딩 부분의 마모가 진행하여도 개구 면적은 거의 변하지 않기 때문에, 온도 상승에 의한 윤활유의 증량에 의해 래디알 하중과의 조화되기까지 슬라이딩 부분의 마모가 계속된다.

이상과 같이, 소결 다공질 합금제의 베어링의 내부직경면을 진원도(roundness)가 우수한 평활면으로 연삭할 때에 연삭 조건을 조정하여, 변형한 표면 합금에 의해 내부직경면의 개구가 협소화 또는 폐쇄되도록 하면, 내부직경면의 개구 면적이 작고, 초기 마모에 의해 베어링에 부하되는 래디알 하중과 윤활제의 액압을 조화시는 것이 가능하기 때문에 사용 상태에 따라 최적화 가능한 소결 슬라이딩 베어링이 제공되며, 이것은 내구성이 우수하고 사용 수명의 편차가 적어진다. 내부직경면의 개구 면적의 비율은 연삭 조건에 의해 용이하게 조정되고, 소결 다공질 합금의 조성 및 밀도에 따라 적절한 강도 및 함유(含油)율이 소결 슬라이딩 베어링에 부여되기 때문에, 베어링 성능 및 조립성이 우수한 베어링이 간편하게 제조된다.

본 발명의 소결 슬라이딩 베어링은 고면압에 적응할 수 있고, 저마찰 상태를 장기간 안정하고 유지할 수 있기 때문에, 베어링의 보수 간격을 연장할 수 있고, 유지보수 비용을 삼감할 수 있다.

Claims

축을 지지하기 위한 내부직경을 갖고, 담금질 조직을 갖는 소결 다공질 철계 합금으로 조성되는 베어링 본체; 및

베어링면을 갖는 치밀화 부분으로서, 베어링 본체의 내부직경을 그라인드(grind)함으로써 내부직경에 20미크론 이하의 두께로 형성되어 소결 다공질 철계 합금에 포함되는 폭이 50미크론 이상인 기공을 적어도 1개 봉지(封止)하고, 베어링면에 개구하는 기공의 개구 면적의 합계의 베어링면 면적에 대한 백분율 비율로 측정된 개구율이 10% 이하인 치밀화 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링.
제1항에 있어서, 소결 다공질 철계 합금의 유효 다공율은 15∼28용적%이며, 소결 다공질 철계 합금의 담금질 조직은 마르텐사이트 조직을 구비하고, 소결 다공질 철계 합금에 15∼25질량%로 구리상(copper phase)을 함유하는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링.
제1항에 있어서, 치밀화 부분은 베어링 부하를 동반하여 축이 슬라이딩하는 슬라이딩면을 가지며, 슬라이딩면에 개구하는 기공의 개구 면적의 합계의 슬라이딩면 면적에 대한 백분율 비율로 규정된 슬라이딩면의 개구율은, 베어링면의 개구율보다 큰 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링.
제1항에 있어서, 소결 다공질 철계 합금은 0.6∼1.0질량%의 탄소를 함유하는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링.
제1항에 있어서, 부가적으로, 베어링 본체에 함침되고, 40℃에서의 동점도(動粘度)가 220∼4000cSt인 윤활유를 포함하는 윤활제를 갖는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링.
제1항에 있어서, 베어링면의 기공을 제외한 평균 표면 거칠기가 0.5∼1미크론인 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링.
제1항에 있어서, 건설 기계에 사용되는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링.
담금질 조직을 갖는 소결 다공질 철계 합금의 조제 단계;

축을 지지하기 위한 내부직경을 갖는 베어링 본체를 성형하는 소결 다공질 철계 합금의 가공 단계; 및

베어링 본체의 내부직경의 그라인드 단계로서, 베어링면을 갖는 치밀화 부분을 형성하고, 베어링면에 개구하는 기공의 개구 면적의 합계의 베어링면 면적에 대한 백분율 비율로 규정된 개구율이 감소하고, 소결 다공질 철계 합금의 용적에서의유효 다공율보다 적어지는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링의 제조방법.
제8항에 있어서, 베어링 본체로의 윤활제의 함침 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링의 제조방법.
제9항에 있어서, 윤활제는 베어링 본체의 내부직경의 그라인드의 전에 함침되고, 윤활제는 40℃에서의 동점도가 220∼4000cSt인 윤활유인 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링의 제조방법.
제8항에 있어서, 내부직경의 그라인드는, 베어링면의 개구율을 맞추기 위한 그라인드 마진(margin)의 조절을 구비하는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링의 제조방법.
제9항에 있어서, 베어링 본체의 내부직경에 슬라이딩면을 형성하는 베어링 본체 및 축의 예비적 작동 단계를 더 구비하며, 슬라이딩면에 개구하는 기공의 개구 면적의 합계의 슬라이딩면 면적에 대한 백분율 비율로 규정되는 슬라이딩면의 개구율은, 베어링면의 개구율보다 큰 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링의 제조방법.
제12항에 있어서, 예비적 작동은, 베어링 본체의 내부직경과 축의 조합 단계;

베어링 부하하에서의 베어링면 상에서의 축의 구동에 의한 치밀화 부분의 마모 감소 단계; 및

슬라이딩면에 개구하는 기공을 통하여 베어링 본체로부터 공급되는 윤활제에 의한 슬라이딩면의 윤활을 검출하기 위한 베어링 본체의 온도 변화의 측정 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링의 제조방법.
제8항에 있어서, 소결 다공질 철계 금속의 조제는, 소결 다공질 철계 합금과 실질적으로 동일한 조성을 갖는 분말의 압분체의 소결 단계; 및 소결체의 담금질 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링의 제조방법.
축을 지지하기 위한 내부직경을 갖고, 담금질 조직을 갖는 소결 다공질 철계 합금으로 조성되는 베어링 본체; 및

베어링 본체의 내부직경을 그라인드함으로써 내부직경에 형성되는 베어링면을 갖는 치밀화 부분으로서, 베어링면에 개구하는 기공의 개구 면적의 합계의 베어링면 면적에 대한 백분율 비율로 규정되는 개구율이 감소하고, 소결 다공질 철계 합금의 용적에서의 유효 다공율보다 적어지는 치밀화 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링.
제15항에 있어서, 소결 다공질 철계 합금의 유효 다공율이 15용적% 이상이고, 베어링면의 개구율이 10% 이하인 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링.
제15항에 있어서, 치밀화 부분은 20미크론 이하의 두께이고, 베어링 본체의 소결 다공질 철계 합금에 포함되는 폭이 50미크론 이상인 기공을 적어도 1개 봉지하는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링.
제15항에 있어서, 슬라이딩면의 개구율은 소결 다공질 철계 합금의 유효 다공율의 2/3 이하인 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링.
제15항에 있어서, 소결 다공질 철계 합금의 담금질 조직은 마르텐사이트 조직을 구비하고, 소결 다공질 철계 합금에 15∼25질량%로 구리상을 함유하는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링.
제19항에 있어서, 소결 다공질 철계 합금의 구리 입자의 함유량은 15∼25질량%인 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링.
제15항에 있어서, 소결 다공질 철계 합금의 밀도는 5.8g/cm³이상인 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 베어링.