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KR100751103B1 - 슬라이드 베어링용 적층 복합재 - Google Patents

슬라이드 베어링용 적층 복합재 Download PDF

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Publication number
KR100751103B1
KR100751103B1 KR1020000083603A KR20000083603A KR100751103B1 KR 100751103 B1 KR100751103 B1 KR 100751103B1 KR 1020000083603 A KR1020000083603 A KR 1020000083603A KR 20000083603 A KR20000083603 A KR 20000083603A KR 100751103 B1 KR100751103 B1 KR 100751103B1
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KR
South Korea
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tin
layer
slide
copper
nickel
Prior art date
Application number
KR1020000083603A
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English (en)
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KR20010062800A (ko
Inventor
헤나-울리히 훈
디에트마 비바흐
프리츠 니겔
페터 슈판
아힘 아담
Original Assignee
페데랄-모굴 비스바덴 게엠베하
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 페데랄-모굴 비스바덴 게엠베하 filed Critical 페데랄-모굴 비스바덴 게엠베하
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Abstract

더 높은 특수한 부하 가능성과 근소한 마모를 가지는 층간 결합 재료가 기술 되어졌다. 슬라이드 베어링용의 이 층간 결합 재료는 반송층, 베어링메탈층(1), 니켈로 된 제1 중간층(2), 주석과 니켈로 된 제2 중간층(3) 그리고 또 동과 주석으로 되어 있는 슬라이드 층(4)을 가진다. 이 슬라이드 층(4)은 주석 마트릭스(5)를 가지며, 이 마트릭스 안에서 주석-동-입자(6)가 들어가 있으며, 이 입자들은 39 내지 55 중량%의 동과 나머지가 주석으로 되어 있다.
슬라이드 베어링의 경우에 내연 기관 내에 나타나는 바와 같은 고온의 경우에 그 아래에 놓여 있는 제2의 중간층(3)에로의 주석의 이동이 나타나며, 이것으로 인하여 주석-동-입자(6)의 농도 증가가 행하여진다.
베어링 메탈층, 제1 중간층, 제2 중간층, 슬라이드층, 주석 마트릭스, 주석-동-입자

Description

슬라이드 베어링용 적층 복합재{LAMINATED COMPOUND MATERIAL FOR SLIDE BEARING}
도 1은 적층 복합재의 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 250 시간, 750 시간 및 1000 시간 동안의 열처리 후의 적층 복합재의 단면도들이다.
본 발명은, 기층과, 베어링 메탈층과. 니켈로 된 제1 중간층과, 주석과 니켈로 된 제2 중간층을 구비하며, 동과 주석으로 된 슬라이드층을 구비하는 슬라이드 베어링용 적층 복합재에 관한 것이다.
강철 기층/연청동/납, 주석 및 동의 슬라이드층으로 된 구조를 갖는 적층 복합재는 높은 신뢰성과 높은 기계적 내하중 용량을 갖는 것으로 판명되었다. 이러한 적층 복합재는 예를 들면 Glyco-Ingenieurberichten 1/91에 개시되어 있다.
특히 전기 도금 슬라이드층은 다음의 역할들을 담당하는 다기능성 재료이다. 즉,
- 이물질 입자에 대한 매립성(embeddability)
- 슬라이드 상대물의 도입 또는 접촉 적합성
- 연청동에 대한 내식성
- 오일 부족의 경우에 비상 주행 특성
베어링 메탈은 슬라이드층이 완전히 마모되는 경우를 위한 일정한 비상 주행 예비품들을 포함한다. 하지만, 이러한 수 십년 이래로 증명된 베어링들은 오늘날도 주로 슬라이드층에 다량의 납(lead)을 포함하고 있다. 통용되고 있는 합금은 예를 들면 PbSn10Cu2로 되어 있으며, 이 경우에 베어링 메탈과 슬라이드층 사이에는 니켈 중간층이 확산 차단부로서 설치되어 있다. 이러한 공지된 층들은 대략 12-15HV의 낮은 경도를 가지며, 따라서 우수한 매립성을 나타내고 침식에 민감하지 않다. 하지만, 이와 동일한 이유로 이러한 층들은 단지 제한된 내하중 용량만을 갖게 되고, 특히 디젤 엔진 분야에서와 같은 새로운 엔진 개발품들의 부하에 대해서는 더 이상 적합하지 않다. 또한, 이러한 층들은 중금속 납의 환경에 대한 유해성으로 인해 불만족스럽다.
또한, 일례로 PVD 방식에 의해 증착되고 대략 80HV의 경도를 갖는 알루미늄-주석 층과 같은 경질 층이 높은 하중의 베어링 시스템에 사용되고 있다. 하지만, 이러한 방법에는 층들에 대한 고가의 비용이 소요된다. 이러한 베어링은 높은 내마모성을 가지지만 거의 매립성을 갖고 있지 않아, 일반적으로 상대 쉘로서 연납(soft lead)을 함유하는 층들과 결합된다.
순수한 주석은 슬라이드층으로서 적합하지 않은데, 왜냐하면 10HV의 경도를 가져 종래의 납합금보다 연질이여서 주 베어링 및 커넥팅 로드 베어링에 발생하는 부하를 흡수할 수 없기 때문이다. 따라서, 주석층의 경도를 증가시켜 내하중 용량을 더욱 증가시키기 위해서, 동과의 합금이 제안되었다.
독일 공개 특허 공보 제197 28 777 A1호는 SnCu로 된 슬라이드층을 구비하는 무연(lead-free) 베어링의 제조에 대해 개시하고 있으며, 여기서 동 함량은 3 내지 20% 사이에서 변동된다. 입자 성장 억제 첨가제를 함유한 메틸술폰산 전해액을 사용하여, 적어도 종래의 표준 납함유 3원층들의 특성을 갖는 층이 형성된다. 내마모성을 더욱 향상시키기 위해서, 배스(bath) 내에 분산된 고형 물질 입자가 층 내에 통합된다.
독일 공개 특허 공보 제197 54 221 A1호에서는, 코발트에 의해서 주석이 니켈로 확산되려는 경향이 감소되기 때문에, 기계적 내하중 용량을 더욱 증가시키기 위해서 그리고 슬라이드층과 니켈 확산 저지층 사이의 결합층의 취성화(embrittlement)를 방지하기 위해서, 주석 및 동과 함께 코발트를 증착시키는 것을 제안하고 있다. 하지만, 이러한 코발트의 합금화는 증착 공정을 복잡하게 하고, 이는 공정 안정성을 저하시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 주석-동 베이스로 된 슬라이드층을 구비하는 적층 복합재를 제공하는 것으로,
- 종래의 납 베이스로 된 층보다 더욱 높은 특정 내하중 용량과 더욱 낮은 마모도를 가지며,
- 오염 입자의 매립에 적합하여 오염 입자를 매립할 수 있으며,
- 또 다른 성분들이나 분산제의 공동 증착을 필요로 하지 않으며,
- PVD 방식에 의해 제조된 재료보다 더욱 저렴하게 제조할 수 있는 적층 복합재를 제공하는 것이다.
이러한 목적은, 슬라이드층이 주석 매트릭스(matrix)를 구비하며, 이러한 매트릭스 내에 주석-동 입자가 매립되며, 이러한 입자는 39중량% 내지 55중량%의 동과 그리고 나머지의 주석으로 형성되는 적층 복합재에 의해 달성된다.
연구 결과에 따르면, 이러한 층 구조의 베어링은 초기에 연질 층으로의 도입 후에 작업 중의 가열에 의해 자체적으로 안정화되며, 우수한 피로 강도를 갖는 표면을 형성한다.
이러한 입자들은, 이제까지는 슬라이드층에 불리한 것으로 간주되어 회피되었던 금속간 상의 입자들이다. 하지만, 이러한 주석-동 입자들은 이들의 경도로 인하여 마모를 상당히 줄여주며, 놀랍게도 약 120℃부터의 온도에서 주석이 그 아래에 놓여 있는 주석-니켈층으로 확산되는 현상이 증가하는 것으로 밝혀졌다. 슬라이드층의 주석의 이동에 의해서, 주석-동 입자의 농도가 증가하게 된다. 이렇게 변동된 슬라이드층은 높은 내하중 용량과 높은 내마모성을 갖는다.
높은 온도에서 그리고 일례로 1000 시간의 대단히 긴 시간 후에, 주석 비율은 상당히 감소하며, 슬라이드층에는 주석-동 입자들의 비율이 우세하게 된다.
바람직하게는 임의의 단면적에 대한 입자의 면적 비율은 5% 내지 48%이다. 이러한 비율은 주석의 이동에 의해 작업 시간이 연장됨에 따라 증가하며, 1000 시간 이상의 작업 시간의 경우에는 95%에 달한다. 이러한 입자의 비율이 5% 이하라면, 슬라이드층의 물성은 다만 주석에 의해서만 정해지며, 이는 홀로서는 충분한 성능을 갖지 못한다. 입자 비율이 48% 이상이면, 입자들의 비교적 큰 응집체가 형성되어 매트릭스 역할을 하게 되며, 이러한 매트릭스는 고도의 경도로 인해서 도입 단계 중에 충분한 매립성 및 적합성을 나타내지 못한다.
입자의 직경은 바람직하게는 0.5㎛ 내지 3㎛이다. 3㎛ 이상의 평균 직경을 갖는 너무 큰 입자들은, 특히 도입 단계에서 층의 특성을 불균일하게 하여, 적층 복합재로 제조된 슬라이드 베어링의 특성에 영향을 미치게 된다. 0.5㎛ 이하의 평균 직경을 갖는 너무 미세한 입자들은 초기 경도를 너무 강하게 상승시키고, 주석-니켈층으로의 주석 공급을 방해하여 베어링의 안정화를 방해하며, 고온 엔진 오일에 대한 내식성을 저하시키게 된다.
또한, 제2 중간층의 층두께 및 주석 함량은 그 제2 중간층이 슬라이드층으로부터 이탈하는 주석을 수취할 수 있도록 조절되어야 한다. 주석의 이동 속도와 시간에 따른 슬라이드층의 내마모성 및 내하중 용량은 제2 중간층의 두께와 주석 함량에 의해 조절될 수 있다.
제2 중간층은 바람직하게는 30체적% 내지 40체적%의 니켈과 나머지의 주석을 포함하며, 이는 대략 1:1의 원자비에 해당된다.
주석-니켈층의 두께가 두꺼울수록, 더욱 많은 주석이 슬라이드층으로부터 수취될 수 있다. 이 경우에 슬라이드층의 내마모성은 비교적 빨리 증가한다.
슬라이드층의 층두께는 5㎛ 내지 25㎛인 것이 바람직하다. 슬라이드층은 전기 증착에 의하여 증착될 수 있다.
제2 중간층의 층두께는 바람직하게는 2㎛와 7㎛ 사이이다.
순수한 니켈로 된 제1 중간층의 층두께는 바람직하게는 1㎛ 내지 4㎛이다. 또한, 니켈층은, 주석-니켈층이 그 위의 슬라이드층으로부터 주석과 제1 중간층으로부터 니켈을 공급받는다는 점에서 주석-니켈층의 평형 조건에 의한 성장에 기여한다. 이러한 방식으로, 주석-니켈층에서 1:1의 니켈에 대한 주석의 비율이 유지된다.
베어링 메탈은 임의로 선택될 수 있다. 베어링 금속층은 슬라이드층으로부터의 주석 이탈에 직접적인 영향을 미치지 않으며, 따라서 주석-동 입자의 농도에 영향을 미치지 않음이 밝혀졌다. 베어링 금속층은 예를 들면 50중량% 내지 95중량%의 동 함량을 갖는 동 합금으로 또는 50중량% 내지 95중량%의 알루미늄 함량을 갖는 알루미늄 합금으로 구성될 수 있다. 베어링 금속으로서 동-알루미늄 합금, 동-주석 합금, 동-주석-납 합금, 동-아연 합금, 동-아연-실리콘 합금, 동-아연-알루미늄 합금 또는 동-알루미늄-철 합금을 들 수 있다.
본 발명에 따른 적층 복합재의 제조는 다음과 같이 행해질 수 있다.
제1 단계에서, 니켈 및 주석-니켈로 된 2개의 중간층들이 예비 가공된 슬라이드 베어링, 특히 강과 베어링 금속 복합재를 포함하는 베어링 쉘에 화학적으로 또는 전기 화학적으로 부착된다. 이어서, 슬라이드층이 전기 도금에 의하여 증착된다. 이를 위해서, 비이온계 습윤제, 유리 알킬술폰산(free alkylsulfonic acid) 및 지방산 글리콜 에스테르를 추가하면서 광택 형성제와 입자 미세화제가 없는 2원계의 알킬술폰산 전기 도금 배스가 사용된다. 주석-동 입자의 조대한(coarse) 증착은, 종래 기술에서 소망하는 가급적이면 미립의 구조를 얻기 위하여 사용된 바와 같이 입자 미세화제가 사용되지 않는다는 것에 기인할 수 있다.
이하에서는 첨부 도면들을 참고로 하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
예시적인 적층 복합재가 다음과 같이 제조되었다.
초기에, 강재 기층에 CuPb22Sn으로 된 베어링 메탈층이 부착된다. 다음 단계에서, 종래의 예비 처리 공정 후에, 베어링 메탈층에 왓트(Watt)의 니켈 전해액으로부터 니켈로 된 제1 중간층이 부착된다.
이러한 제1 중간층에는 니켈과 주석으로 된 제2 중간층이 전기 도금된다. 이를 위해서, 염화물/불화물 전해액이 사용된다.
이어서, 이렇게 제조된 니켈-주석 중간층에 주석계 슬라이드층이 전기 도금 된다. 슬라이드층을 형성시키기 위해서는 다음의 전해액 시스템이 사용된다.
주석 메탄술포네이트로서의 Sn2+ 30-45g/ℓ
동 메탄술포네이트로서의 Cu2+ 2-8g/ℓ
메탄술폰산 80-140g/ℓ
전해액 첨가제 N-HMB 30-45m1/ℓ
레조르시놀 1.5-4g/ℓ
전해액 첨가제 N-HMB는 엔톤 OMI사의 알킬아릴 폴리글리콜 에테르를 기초로 한 습윤제이다.
동 함량의 안정화를 위해서, 추가로 긴 체인의 폴리글리콜 에테르가 첨가될 수 있다.
사용된 물의 품질은 탈이온화된 순수한 물의 품질에 상응하여야 한다. 안정된 증착 조건을 위해서는, 전해액을 시간당 적어도 한번씩 여과 설비를 통해 완전히 순환시키는 것이 필요하다. 이러한 방식으로, 발생된 Sn4+의 일부가 제거된다. 전해액에서 Sn4+의 증가가 너무 크면, 상변동과 불균일한 층의 성장을 유발하는 불완전한 층 구조가 초래되고, 심지어는 전해액의 결함이 초래된다.
양극 재료로서 전해질 순수 주석이 사용된다.
슬라이드층의 증착은 20℃ 내지 40℃, 바람직하게는 25℃ 내지 30℃의 온도 범위에서 행해진다.
이러한 슬라이드층의 구조는 사용된 전류 강도에 의하여 지속적으로 영향을 받게 된다. 더욱 높은 전류 밀도는 더욱 조대한 동-주석 입자의 형성을 초래한다. 너무 낮은 전류 밀도는 동상(copper phase) 부분의 제어되지 않은 이동을 초래한다. 따라서 1.5A/d㎡ 내지 3.0A/d㎡의 전류 밀도 범위가 바람직한 것으로 판명되었다.
양극과 음극 간의 간격은 350㎜를 초과해서는 안되는데, 왜냐하면 내부의 전해질 저항의 변동으로 인하여 베어링 칼럼을 따라서 불균일한 전류 분포가 형성되기 때문이다. 이러한 경우에 양극-음극의 표면적 비율은 대략 1:1(±10%)이어야 한다.
이하, 본 발명을 첨부 도면들을 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 1에는 2500배로 확대한 적층 복합재의 단면도를 도시하고 있으며, 이러한 적층 복합재는, 도시되지 않은 기층과, CuPb22Sn으로 된 베어링 메탈층(1)과, 니켈로 된 제1 중간층(2)과, 니켈-주석으로 된 제2 중간층(3)과, 슬라이드층(4)을 구비한다. 슬라이드층은 그 내부에 주석-동 입자(6)가 매립되어 있는 주석 매트릭스(5)로 구성된다. 이러한 매립된 입자는 전체의 슬라이드층(4)에 걸쳐서 분포되어 있으며, 부분적으로는 응집되어 응집체를 형성한다.
내연 기관에서 슬라이드 베어링의 작동 조건을 재현하기 위하여, 이러한 적층 복합재에 대해 150℃에서 오일 비등 시험을 행하였다. 250 시간, 750 시간 및 1000 시간 후에, 층구조에서의 변동을 분석하기 위하여, 시료가 취출되어 그 단면이 현미경으로 검사되었다.
이러한 검사 결과에 따르면, 처리 기간이 증가함에 따라 주석의 이동으로 인하여 슬라이드층(4)의 두께가 감소되며, 이는 주석-동 입자(6)의 농도 증가를 수반한다. 이와 동시에, 니켈-주석층(3)의 두께가 증가하면서 니켈층(2)의 두께가 감소하며, 이러한 니켈층은 도 4에 단지 폭이 좁은 가장자리로서 도시되어 있다. 주석-니켈층(3)의 성장은 주석이 슬라이드층(4)으로부터 확산하여 유입됨에 의해서 그리고 그 아래의 니켈층(2)으로부터 니켈의 유입에 의해서 이루어진다.
슬라이드층(4)에서 주석-동 입자의 농도 증가에 의해 연질 상(soft phase)의 비율이 더욱 적어지게 되고, 층의 경도는 작업 기간의 증가에 따라 함께 증가한다.
주석-동 베이스로 된 슬라이드층을 구비하는 적층 복합재는 더욱 작은 마모도를 가지며 저렴하게 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 기층과, 베어링 메탈층과, 니켈로 된 제1 중간층과, 주석과 니켈로 된 제2 중간층과, 동과 주석으로 된 슬라이드층을 구비하는 슬라이드 베어링용 적층 복합재에 있어서,
    상기 슬라이드층(4)은 주석 매트릭스(5)를 구비하며, 상기 매트릭스 내로는 주석-동 입자(6)가 매립되며, 상기 입자는 39중량% 내지 55중량%의 동과 나머지의 주석으로 형성되는 것을 특징으로 하는 적층 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    임의의 단면적에 대한 입자(6)의 면적 비율은 5% 내지 48%인 것을 특징으로 하는 적층 복합재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    입자(6)의 직경은 0.5㎛ 내지 3㎛인 것을 특징으로 하는 적층 복합재.
  4. 제1항에 있어서,
    제2 중간층(3)의 층두께 및 주석 함량은 상기 제2 중간층이 슬라이드층(4)으로부터 이탈하는 주석을 수취할 수 있도록 조절되는 것을 특징으로 하는 적층 복합재.
  5. 제1항에 있어서,
    제2 중간층(3)은 30체적% 내지 40체적%의 니켈을 함유하는 것을 특징으로 하는 적층 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    제2 중간층(3)의 층두께에 대한 슬라이드층의 층두께의 비율은 2 내지 4인 것을 특징으로 하는 적층 복합재.
  7. 제6항에 있어서,
    슬라이드층(4)의 층두께는 5㎛ 내지 25㎛인 것을 특징으로 하는 적층 복합재.
  8. 제7항에 있어서,
    제2 중간층(3)의 층두께는 2㎛ 내지 7㎛인 것을 특징으로 하는 적층 복합재.
  9. 제8항에 있어서,
    제1 중간층(2)의 층두께는 1㎛ 내지 4㎛인 것을 특징으로 하는 적층 복합재.
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