KR950006648B1 - 대형 엔진용 베어링 금속 - Google Patents

대형 엔진용 베어링 금속 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

대형 엔진용 베어링 금속
제1도는 본 발명에 따른 3층으로 된 베어링 금속의 단면도.
제2도는 본 발명에 따른 4층으로 된 베어링 금속의 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 이면 강철층 2 : 중간 접착층
3 : 베어링 합금층 4 : 표면층
본 발명은 피로강도 및 내소부성(耐燒付性)이 우수한 특성을 갖는 대형엔진용 베어링 금속에 관한 것이다.
본 발명자들은 본 발명의 선행기술로서 일본국 특허출원 제91-17449호와 제91-17450호로 이미 출원한 바 있다.
상기 선행기술의 합금은 대형 엔진에 있어서 베어링 금속에 매우 중요한 성질인 내피로강도, 내소부성, 매립성 및 친화성과 같은 바람직한 특성을 갖고 있다. 상기 일본국 특허출원 제91-17449호에 있어서는 내소부특성이 약간 향상되고, 다른 일본국 특허출원 제91-17450호에 있어서는 피로강도가 더 향상되어 있다. 그러나, 동세대 내부연소엔진의 급속한 진보에 비례하여, 베어링 금속은 가혹한 조건하에 사용되기 쉽다. 따라서 현재 피로강도 및 내소부성 양자에 있어서 바람직한 특성을 갖는 베어링 금속이 요구되고 있다.
상기한 선행기술의 문제점을 감안하여, 본 발명은 피로강도와 내소부성면에서 유리한 특성을 갖는, 대형 엔진용의 Sn중량비율이 높은 Al-Sn계 베어링 금속을 제공하는데 그 목적이 있다.
합금에 있어서 Sn의 양이 증가함에 따라 내소부특성은 향상되나 피로강도특성은 저하되며, 이와 반대로 Sn의 양이 감소되는 경우에는, 피로강도 특성은 향상되지만 내소부성은 저하되는 경향이 있다. 일본국 특허출원 제91-17449호에서는 Sn량이 소량인 경우에도 Pb를 첨가함으로써 내소부성이 향상되고, 일본국 특허출원 제91-17450호에서는 Sn량이 다량인 경우에도 Bi를 첨가함으로써 피로 강도 특성이 그 수준을 유지할 수 있는 제1의 목적을 달성하고 있다. 본 발명은 상기한 선행기술의 특징과 상승효과의 이점을 개발하는데 목표를 두고 있다.
본 발명의 제1베어링 금속은 이면 강철층, 중간 접착층 및 베어링 합금층을 포함한 3층으로 이루어진다. 상기 중간접착층은 순수한 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된다. 베어링 합금층은 Sn 35-65중량%, Pb 및 Bi 총량으로 0.5-10중량%, Cu 0.1-1.5중량%와 잔량의 Al 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
본 발명의 제2베어링 금속은 이면 강철층, 중간 접착층, 베어링 합금층 그리고 표면층을 포함한 4층으로 이루어진다. 중간접착층은 순수한 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된다. 베어링 합금층은 Sn 35-65중량%, Pb 및 Bi총량으로 0.5-10중량%, Cu 0.1-1.5중량%와 잔량의 Al 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 상기한 표면층은 Pb, Sn 또는 이들의 합금으로 구성된다. 제1 및 제2베어링 합금층에 있어서, 베어링 합금층은 Mn, Ni, Si, Ag, Mg, Sb 및 Zn으로 구성된 그룹중에서 선택된 1종 이상의 원소를 추가로 함유할 수 있으나, 선택된 이들 성분의 총함량은 5중량% 이하로 한다.
후술하는 본 청구범위에서 정의한 바와 같은 본 발명의 대형 엔진용 베어링 금속의 각층의 조성을 결정하는 이유(상한선 및 하한선에 대한 이유)와 작용효과를 하기에 기술한다.
(1) 이면 강철층
통상의 강철, 예를 들면, 일본국 공업표준규격(JIS)에 명시된 구조를 갖는 탄소강을 사용한다. 이면강철의 바람직한 두께는 1 내지 20mm의 범위내이어야 한다.
(2) 중간 접착층
이 층은 이면 강철층과 베어링 합금층이 서로 접착하는데 있어서 더욱 좋은 접착성을 부여하며, 순수한 알루미늄으로 구성되거나 또는 Cu, Si, Mn 및 Zn과 같은 추가원소 1종 이상이 0.1 내지 2중량% 첨가된 알루미늄 합금으로 구성된다. 이 조성에서, 첨가 원소량이 0.1중량% 미만이면, 원소의 첨가효과는 얻어지지 않으며, 또한 무의미하다. 첨가원소량이 2중량%를 초과하면, 중간접착층이 부서지기 쉬운 성질을 갖게 되기 때문에, 실용적이지 못하다. 중간 접착층의 바람직한 두께는 0.01mm 내지 0.15mm의 범위내이어야 한다.
(3) 베어링 합금층
베어링 합금층의 바람직한 두께는 0.2mm 내지 3mm의 범위내이어야 한다.
(a) Sn : 35 내지 65중량%
성분 Sn의 주 첨가목적은 윤활성을 부여하는데 있다. Sn량이 35중량% 미만인 경우, 내소부특성 및 매립성이 불충분하게 되고, 65중량%를 초과하면 베어링 합금층의 피로강도가 불충분하게 되며 또한 성형특성에 손상을 준다.
(b) Pb 및 Bi : 총량으로 0.5 내지 10중량%
Pb 및 Bi는 둘다 Sn의 윤활특성과 친화성을 향상시키는 작용을 한다. 또한 Bi는 Sn과 합금을 형성하여 Sn상의 경도를 증가시키는데, 이것은 결국 피로강도의 향상에 기여하게 된다. 즉, 내소부성 및 피로강도특성은 Sn상내에서 Pb 및 Bi가 공존함으로써 동시에 향상될 수 있다.
이 조성에서, 각 첨가원소, Pb 및 Bi 각각의 중량이 0.1중량% 미만인 경우와 이들 총량이 0.5중량% 미만인 경우에는, 원소를 첨가하여 얻는 효과는 얻어지지 않으며, Pb와 Bi총량이 10중량%를 초과하는 경우는 융점이 지나치게 저하되어 고온에서의 강도가 불충분하게 되고 제조시 문제점을 야기하게 된다.
(c) Cu : 0.1 내지 1.5중량%
성분 Cu의 첨가목적은 베어링의 피로강도와 표면층의 접착력을 향상시키는데 있다. 이 조성에서, 첨가원소 Cu의 중량이 0.1중량% 미만이면 원소의 첨가 효과는 얻어지지 않으며, 1.5중량%를 초과하는 경우, 합금의 경도가 지나치게 높아서 초기의 친화성과 매립성등의 특성이 열화되고 내구성이 감소되어 재료를 가공하기가 어렵게 된다.
(d) Mn, Ni, Si, Ag, Mg, Sb 및 Zn
이들 성분 1종 이상의 총량은 5중량% 이하이다.
이들 성분의 첨가목적은 알루미늄-매트릭스의 기계적 강도 특성을 향상시키는데 있다. 첨가하는 이들 성분의 총량이 5중량%를 초과하는 경우, 친화성 및 매립성의 특성이 열화되므로, 상한선은 총량으로 5중량%로 한다.
(4) 표면층
이 층을 제공하는 목적은 베어링의 각종 특성중에서 내소부성, 매립성 및 친화성의 특성을 향상시키는데 있다. 표면층은 주로 Pb, Sn 및 이들의 합금으로 구성되며, Cu 및/또는 In을 표면층 특성의 성능을 향상시키기 위한 추가성분으로서 첨가할 수 있다.
니켈 도금과 같은 박층을 베어링 합금층과 표면층 사이에 마련함으로써 베어링 합금층과 표면층간의 더욱 우수한 접착성을 얻을 수 있다.
표면층을 코팅하는 코팅수단으로써, 전기도금 이외에, PVD등을 접착에 사용할 수 있다. 표면층의 바람직한 두께는 1 내지 30μm범위내이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 대한 상세한 설명을 이하에 기술한다. 첨부된 표 1 및 2는 본 발명의 제1 및 제2베어링 금속에서 사용되는 베어링 합금층과 종래의 Al-Sn베어링 합금층의 화학 조성을 나타낸 것이다.
본 발명의 제1베어링 금속은 3층 복합부재(베어링 합금, 중간접착층 및 이면 강철층으로 구성)로 이루어지는 두께 1.65mm의 것으로서, 다음 단계로써 형성된다 : 표 1 및 2에 나타낸 조성을 갖는, 합금시트와 알루미늄 호일을 적층하고 롤링 밀을 통하여 롤링시켜서 접착하여 전체두께가 1mm인 복합 시트를 제조한후, 이 복합시트와 두께가 2mm인 이면 강철을 가압하에 롤링하여 접착시킨다. 이와 같이 하여 상기한 3층으로 된 복합부재를 성공적으로 얻는다.
베어링 합금층의 두께는 0.42mm 내지 0.43mm이고, 중간접착층의 두께는 0.02mm 내지 0.03mm이며, 이면 강철층의 두께는 1.2mm이다. 3층으로 된 복합부재를 압착하여 직경이 53mm이고 길이가 17mm인 반원형 단부를 갖는 다층 베어링을 형성시킨 다음, 표 3에 기재한 조건하에 소부성 및 피로에 대한 시험을 행한다. 제1도는 본 발명에 따른 제1베어링 금속, 즉 3층으로 구성된 베어링 금속의 확대 단면도이다. 제1도에서, 부호 1, 2 및 3은 각기 이면 강철층, 중간 접착층 및 베어링 합금층을 표시한다. 제1베어링 금속의 피로 및 소부성에 대한 시험결과를 각기 표 5 및 6에 기재하였다.
본 발명의 제2베어링 금속은 다음 단계에 의해 형성되는 4층으로 된 복합부재로 이루어진다. 먼저 3층으로 된 베어링 금속을 제1베어링 금속에서와 동일한 조건하에 만들고, 표 7에 기재한 바와 같은 통상적으로 공지된 플루오르화 붕소 욕과 도금 조건하에서 전기도금수단에 의해 베어링 합금의 표면상에 표면층을 코팅한다. 이와 같이 하여 상기한 표면층의 두께가 20μm인 4층으로 된 복합부재를 성공적으로 얻는다. 이들 복합부재는 표 3 및 4에 기술된 조건하에 소부성 및 피로시험에 사용하였다. 제2도는 4층으로 구성된 베어링 금속의 확대 단면도이다. 제2도에서 부호 1, 2, 3 및 4는 각기 이면 강철층, 중간 접착층, 베어링 합금층 그리고 표면층을 나타낸다. 제2베어링 금속의 피로 및 소부성 시험결과를 각기 표 5 및 6에 기재하였다.
본 발명은 다음과 같은 이점을 갖는다 :
(1) 표 5 및 6의 각 시험결과로부터, 피로강도 특성은 Bi를 첨가함으로써 내소부특성을 손상시키지 않고 향상된다는 것을 알게 되었다.
예를 들면, 본 발명의 베어링 No.7은, 선행기술의 베어링 No.19의 베어링 합금층에 Bi 3.5중량%를 첨가하여 형성한 것이다. 베어링 No.7 및 19양자에 대한 소부성 시험 결과는 다같이 1,025kgf/cm2으로 동일하지만, 선행기술의 베어링 No.19의 피로 한계는 225kgf/cm2이고, 본 발명의 베어링 No.7의 피로한계는 250kgf/cm2로 피로시험 결과가 다르게 나타났다. 즉, 본 발명의 피로강도 특성은 향상되었다. 이러한 향상은 Sn과 합금을 형성시키기 위해 Bi를 첨가함으로써, 피로강도의 향상에 기여하는, Sn상의 높은 경도에 의해 얻게 된다. 통상적으로, Sn의 중량%가 높은 Al베어링 합금은 피로의 한계가 낮은 경향이 있다. 그러나, 피로강도의 열화는 본 발명에서와 같이 Bi를 첨가함으로써 방지된다.
(2) 표 5 및 6의 각 시험결과로부터, 내소부특성은 Pb를 첨가함으로써 피로강도특성에 손상을 주지 않고 향상된다는 것을 알게 되었다.
예를 들면, 본 발명의 베어링 No.1은 선행기술의 베어링 No.16의 베어링 합금층에 Pb를 5.0중량% 첨가하여 형성한 것이다. 베어링 No.1 및 16양자에 대한 피로시험 결과는 둘다 200kgf/cm2로 동일하였으나, 소부성 시험결과는 상이하게 나타났다. 즉, 선행기술의 베어링 No.16의 부하한계는 1,025kgf/cm2인 반면, 본 발명의 베어링 No.1의 부하한계는 1,050kgf/cm2인바, 이것은 본 발명의 내소부특성이 향상되었음을 입증하는 것이다. 따라서, Sn의 윤활특성은 Pb를 첨가함으로써 향상된다.
(3) 상기한 바람직한 시험결과는 Bi를 첨가함으로써 얻어지는 피로강도 특성의 향상과 Pb를 첨가함으써 얻어지는 내소부특성의 향상의 상승효과에 의해 얻어진다.
(4) 따라서, 본 발명의 소기의 목적이 달성되게 되었다. 즉, 본 발명의 베어링 금속은 우수한 내소부특성과 우수한 피로강도특성 양자를 필요로 하는 최근의 대형 엔진에 사용할 수 있다.
[표 1]
본 발명의 다층 베어링(중량%)
[표 2]
선행기술의 다층 베어링(중량%)
[표 3]
피로시험조건
[표 4]
소부성 시험조건
[표 5]
피로시험결과
■ : 시험결과는 이 범위에서 변동된다.
[표 6]
소부성시험결과
■ : 시험결과는 이 범위에서 변동된다.
[표 7]
표면층의 전기도금 조건

Claims (8)

  1. 이면 강철층, 중간 접착층 및 베어링 합금층을 포함한 3층으로 이루어지는 베어링 금속으로서, 상기 중간 접착층은 Al 또는 Al-합금으로 만들어지고 ; 상기 베어링 합금층은 Sn 35 내지 65중량%, Pb 및 Bi 총량으로 0.5 내지 10중량%, Cu 0.1 내지 1.5중량%, 그리고 잔량의 Al 및 불가피한 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 엔진용 베어링 금속.
  2. 이면 강철층, 중간 접착층, 베어링 합금층 및 표면층을 포함한 4층으로 이루어지는 베어링 금속으로서, 상기 중간 접착층은 Al 또는 Al-합금으로 만들어지고 ; 상기 베어링 합금층은 Sn 35 내지 65중량%, Pb 및 Bi총량으로 0.5 내지 10중량%, Cu 0.1 내지 1.5중량%, 그리고 잔량의 Al 및 불가피한 불순물로 구성되며 ; 상기 표면층은 Sn, Pb-Sn합금, Pb-Sn-Cu합금 및 Pb-Sn-In합금중에서 선택되는 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 엔진용 베어링 금속.
  3. 이면 강철층, 중간 접착층 및 베어링 합금층을 포함한 3층으로 이루어지는 베어링 금속으로서, 상기 중간 접착층은 Al 또는 Al-합금으로 만들어지고 ; 상기 베어링 합금층은 Sn 35 내지 65중량%, Pb 및 Bi 총량으로 0.5 내지 10중량%, Cu 0.1 내지 1.5중량%, Mn, Ni, Si, Ag, Mg, Sb 및 Zn으로 구성된 그룹에서 선택된 1종 이상 5중량%, 그리고 잔량의 Al 및 불가피한 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 엔진용 베어링 금속.
  4. 이면 강철층, 중간 접착층 및 베어링 합금층을 포함한 3층으로 이루어지는 베어링 금속으로서, 상기 중간 접착층은 Al 또는 Cu, Si, Mn 및 Zn으로 구성된 그룹에서 선택된 1종 이상을 0.1 내지 2중량% 함유하는 Al-합금으로 만들어지고 ; 상기 베어링 합금층은 Sn 35 내지 65중량%, Pb 및 Bi 총량으로 0.5 내지 10중량%, Cu 0.1 내지 1.5중량%, 그리고 잔량의 Al 및 불가피한 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 엔진용 베어링 금속.
  5. 이면 강철층, 중간 접착층, 베어링 합금층 및 표면층을 포함한 4층으로 이루어지는 베어링 금속으로서, 상기 중간 접착층은 Al 또는 Al-합금으로 만들어지고 ; 상기 베어링 합금층은 Sn 35 내지 65중량%, Pb 및 Bi총량으로 0.5 내지 10중량%, Cu 0.1 내지 1.5중량%, Mn, Ni, Si, Ag, Mg, Sb 및 Zn으로 구성된 그룹에서 선택된 1종 이상 5중량% 이하, 그리고 잔량의 Al 및 불가피한 불순물로 구성되며 ; 상기 표면층은 Sn, Pb-Sn합금, Pb-Sn-Cu합금 및 Pb-Sn-In합금중에서 선택되는 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 엔진용 베어링 금속.
  6. 이면 강철층, 중간 접착층, 베어링 합금층 및 표면층을 포함한 4층으로 이루어지는 베어링 금속으로서, 상기 중간 접착층은 Al 또는 Cu, Si, Mn 및 Zn으로 구성된 그룹에서 선택된 1종 이상을 0.1 내지 2중량% 함유하는 Al-합금으로 만들어지고 ; 상기 베어링 합금층은 Sn 35 내지 65중량%, Pb 및 Bi 총량으로 0.5 내지 10중량%, Cu 0.1 내지 1.5중량%, 그리고 잔량의 Al 및 불가피한 불순물로 구성되며 ; 상기 표면층은 Sn, Pb-Sn합금, Pb-Sn-Cu합금 및 Pb-Sn-In합금중에서 선택되는 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 엔진용 베어링 금속.
  7. 이면 강철층, 중간 접착층 및 베어링 합금층을 포함한 3층으로 이루어지는 베어링 금속으로서, 상기 중간 접착층은 Al 또는 Cu, Si, Mn 및 Zn으로 구성된 그룹에서 선택된 1종 이상을 0.1 내지 2중량% 함유하는 Al-합금으로 만들어지고 ; 상기 베어링 합금층은 Sn 35 내지 65중량%, Pb 및 Bi 총량으로 0.5 내지 10중량%, Cu 0.1 내지 1.5중량%, Mn, Ni, Si, Ag, Mg, Sb 및 Zn으로 구성된 그룹에서 선택된 1종 이상 5중량%, 그리고 잔량의 Al 및 불가피한 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 엔진용 베어링 금속.
  8. 이면 강철층, 중간 접착층, 베어링 합금층 및 표면층을 포함한 4층으로 이루어지는 베어링 금속으로서, 상기 중간 접착층은 Al 또는 Cu, Si, Mn 및 Zn으로 구성된 그룹에서 선택된 1종 이상을 0.1 내지 2중량% 함유하는 Al-합금으로 만들어지고 ; 상기 베어링 합금층은 Sn 35 내지 65중량%, Pb 및 Bi 총량으로 0.5 내지 10중량%, Cu 0.1 내지 1.5중량%, Mn, Ni, Si, Ag, Mg, Sb 및 Zn으로 구성된 그룹에서 선택된 1종 이상 5중량% 이하, 그리고 잔량의 Al 및 불가피한 불순물로 구성되며 ; 상기 표면층은 Sn, Pb-Sn합금, Pb-Sn-Cu합금 및 Pb-Sn-In합금층에서 선택되는 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 엔진용 베어링 금속.
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