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KR100785504B1 - 베어링 부재 - Google Patents

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KR100785504B1
KR100785504B1 KR1020060038963A KR20060038963A KR100785504B1 KR 100785504 B1 KR100785504 B1 KR 100785504B1 KR 1020060038963 A KR1020060038963 A KR 1020060038963A KR 20060038963 A KR20060038963 A KR 20060038963A KR 100785504 B1 KR100785504 B1 KR 100785504B1
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KR
South Korea
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lower limit
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bearing
alloy
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Application number
KR1020060038963A
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Inventor
후베르트 랑
Original Assignee
미바 그레이트라게르 게엠베하
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Publication date
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First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=36764047&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=KR100785504(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
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Application filed by 미바 그레이트라게르 게엠베하 filed Critical 미바 그레이트라게르 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 금속 지지체(2), 금속 지지체 상에 배치된 베어링 금속층(3), 및 베어링 금속층 상에 배치된 중합체층(4)을 구비하는 베어링 부재(1)에 관한 것으로, 상기 중합체층(4)은 폴리이미드 수지, 황화몰리브덴(MoS2) 및 흑연으로 이루어진다. 중합체층(4) 내의 폴리이미드 수지의 함량은 하한치 60%와 상한치 80% 사이의 범위에서 선정되고, MoS2의 함량은 하한치 15%와 상한치 25% 사이의 범위에서 선정되고, 흑연의 함량은 하한치 5%와 상한치 15% 사이의 범위에서 선정된다.
베어링 부재, 금속 지지체, 베어링 금속층, 중합체층

Description

베어링 부재{BEARING ELEMENT}
도 1은 본 발명에 따른 윤활 베어링 이분형 쉘(half shell) 형태의 베어링 부재를 나타내는 도면.
도 2는 MoS2와 탄소의 함량의 변화의 함수로서 각각의 임계치를 나타낸 도면.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
1: 베어링 부재 2: 지지체
3: 베어링 금속층 4: 중합체층
본 발명은, 금속 지지체(metallic support), 금속 지지체 상에 배치된 베어링 금속층 및 베어링 금속층 상에 배치된 중합체층을 구비하는 베어링 부재에 관한 것으로, 상기 중합체층은 폴리이미드 수지, 황화몰리브덴(MoS2) 및 흑연을 포함한다. 또한, 본 발명은 적어도 하나의 금속 지지체와 그 위에 배치된 베어링 금속층을 포함하는 베어링 부재에 의해 장착된 샤프트를 구비하는 모터뿐만 아니라, 중합체로 이루어진 윤활 바니시(varnish)의 용도에 관한 것이기도 하다.
마찰 응력을 받는 부품 또는 표면의 피막은 다양한 여러 요건을 충족할 필요가 있다. 피막은, 한편으로는, 가급적 마찰이 작고 비교적 연질이고 따라서 마모와 관련된 마멸과 윤활의 상대재(partner)에 대하여 적합성이 있어야 하는 것을 요건으로 한다. 피막은, 다른 한편으로는, 정적 및 동적 진동 하중을 흡수하여 피로 강도와 수명이 증가하도록, 기계적 안정성과 강도가 충분히 높을 필요가 있다. 예를 들면 모터 산업에 있어서는, 특히 배기 가스에 관한 보다 엄격한 표준에 대하여 효율성을 증가시켜 내연 기관의 환경 친화성과 이윤을 증가시키기 위하여, 특정 성능을 향상시키는 방향으로 개발이 진행되고 있다. 예를 들면 직접 분사 터보 디젤 엔진에 있어서의 연소 공정의 최적화를 위한 연속 증가 점화 압력과 매우 큰 토크에 의하여 큰 응력을 받는 레이디얼 윤활 베어링과 같은 내연 기관 내의 대다수의 부품들은 그러한 개발에 의하여 영향을 받는다. 이러한 엔진의 고성능 분사 시스템에 의해 분사 펌프와 그 계측기의 부품들도 큰 응력을 받게 되거나, 램, 핀 및 롤러와 같은 기타 부품들이 큰 부하에 의해 영향을 받는다. 알루미늄 합금은, 얻어지는 물성과 필요 비용 사이에 달성될 수 있는 비가 양호하기 때문에 그와 같은 부품의 용도로서 사용되는 경우가 많다.
이 분야에서의 최근의 개발 동향에 의하면, 소위 윤활 바니시의 용도가 원래 수년 전에 공지되기는 하였으나 그 용도가 점차 증가하고 있다.
예를 들면 독일 공개특허공보 제DE 22 06 400 A호에는, 금속 지지체와, 열경화성 폴리이미드 수지와 베어링의 작동 특성을 향상시키는 폴리테트라플루오로에틸 렌, 금속 베어링 합금 등과 같은 금속 첨가제를 함유하는 고내열성 플라스틱으로 이루어지고 접착제에 의하여 금속 지지체에 접합되는 마찰 또는 윤활 층을 구비하는 접합형 재료가 개시되어 있다. 마찰 및/또는 윤활 층은, 폴리이미드 수지와 작동 특성을 향상시키는 미립 또는 미분 재료의 혼합물로서의 첨가제와, 결합제로서의 폴리이미드 바니시를 함유하며, 폴리이미드 바니시는 마찰 및/또는 윤활 층 내의 미립 또는 미분 혼합물을 결합시킬 뿐만 아니라 마찰 및/또는 윤활 층 자체를 지지체에 결합시킨다. 이 경우의 윤활층은 20 중량% 내지 70 중량%의 열경화성 폴리이미드 수지와 약 30 중량% 내지 80 중량%의 자체-윤활(self lubricating) 첨가제를 함유할 수 있다. 흑연, 몰리브덴 및 산화물이 자체-윤활 첨가제로서 예시되어 있다.
유럽 공개특허공보 제EP 0 939 106 A호로부터, 기지 재료로서 PTFE를 함유하거나 PTFE와 기타 플루오르화 열가소성 물질(fluorothermoplast)을 함유하고 융점이 260℃를 상회하는 윤활 피막 재료가 공지되어 있으며, 이 윤활 피막 재료에는 적어도 하나의 분말형 폴리아라미드가 포함되고 그 함량은 PTFE와 폴리아라미드의 총량 또는 PTFE와 플루오르화 열가소성 물질의 혼합물과 폴리아라미드의 총량에 대하여 10 부피% 내지 50 부피%이다.
또한, 유럽 공개특허공보 제EP 1 236 914 A호에는, 베어링 금속층 상에 수지 피막을 구비하는 윤활 피막이 개시되어 있으며, 이 수지 피막은 30 부피% 내지 70 부피%의 특정 물성의 열경화성 수지와 30 부피% 내지 70 부피%의 자체 윤활 첨가제를 함유하고 비커스 경도 수준은 20 이하이다. 수지는 예를 들면 폴리아미드 이미 드 수지일 수 있다. 이황화몰리브덴, 흑연, 붕질화물, 이황화텅스텐, 폴리테트라플루오로에틸렌, 납 등이 자체 윤활 첨가제로서 예시되어 있다.
윤활 부재의 피막 재료로서 사용하는 중합체는, 미국 특허공보 제US 5,525,246호, 일본 공개특허공보 제JP 60-1424 A호, 유럽 공개특허공보 제EP 0 984 182 A호, 일본 공개특허공보 제JP 04-83914 A호, 일본 공개특허공보 제JP 07-247493 A호, 영국 공개특허공보 제GB 2 337 306 A호, 일본 공개특허공보 제JP 09-79262 A호, 일본 공개특허공보 제JP 2001/173644 A호, 독일 공개특허공보 제DE 20 00 632 A호, 독일 공개특허공보 제DE 33 43 309 A호, 독일 공개특허공보 제DE 32 21 785 A호, 국제 공개특허공보 제WO 97/38046 A호, 유럽 공개특허공보 제EP 0 340 839 A호, 유럽 공개특허공보 제EP 0 044 577 A호, 유럽 공개특허공보 제EP 0 340 838 A호, 독일 공개특허공보 제DE 24 15 327 A호, 유럽 공개특허공보 제EP 060 725 A호, 독일 공개특허공보 제DE 198 14 756 A호, 미국 특허공보 제US 4,618,270호, 독일 공개특허공보 제DE 25 04 833 A호, 프랑스 특허공개공보 FR 21 33 320 A호, 영국 특허공보 제GB 2 384 033 B호, 일본 공개특허공보 제JP- 53-007780 A호에 기재되어 있다.
본 발명의 기본적인 목적은 물성이 향상된 중합체 피막을 구비한 베어링 부재를 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적은 다음과 같은 구성에 의하여 독립적으로 달성된다. 베어링 부재의 폴리이미드 수지의 함량은 하한치 60%와 상한치 80% 사이의 범위에 서 선정되고, MoS2의 함량은 하한치 15%와 상한치 25% 사이의 범위에서 선정되고, 흑연의 함량은 하한치 5%와 상한치 15% 사이의 범위에서 선정되고, 상기 폴리이미드 수지의 함량은 바람직하기로는 제거될 용제 내에 용해된 폴리이미드 수지에 관한 함량 즉 도포될 바니시 내의 수지의 함량이며, 엔진에 있어서는, 샤프트로부터 고정 샤프트를 구비한 베어링 부재로의 물질 전달을 방지하기 위하여, 이를 위한 윤활 피막의 사용에 의하여 중합체층을 베어링 금속층 상에 배치한다.
윤활 베어링 분야에서 이미 사용되고 있는 윤활 바니시 피막과 비교하면, 본 발명에 따른 조성은 폴리이미드 수지 내에 MoS2와 흑연의 함량이 높음에도 불구하고, 베어링 부재의 마모 저항성에 있어서 경이로울 정도로 예상치 못한 향상을 나타낸다. 마찰 감소 첨가제를 위한 결합제로 볼 수 있는 폴리이미드 수지를 적게 사용하는 것에 대하여 아무도 예상하지 못하였는데, 그 이유는 폴리이미드 수지의 감소에 의하여 층의 응집력이 저하되어 파손이 발생할 것으로 예상되기 때문이다. 본 발명에 따라 MoS2와 흑연의 함량, 특히 MoS2와 흑연의 함량 비를 선정하면 그와 같은 현상이 발생하지 않으며, 본 출원인은 현재 이에 대하여 이론적으로 설명하기는 어려우나 MoS2와 흑연 입자 사이에 상호 작용이 있는 것으로 생각하고 있다.
본 발명에 따른 베어링 부재의 마모 저항성의 향상뿐만 아니라, 공동(cavitation) 저항성도 향상된다. 또한, 부식의 경향도 감소한다.
또 다른 장점은 본 발명에 따른 중합체층이 베어링 금속층 상에 직접 도포될 수 있다는 점인데, 다시 말하자면, 종래 기술에 의해 공지된 윤활 베어링에 사용되는 확산 배리어로서의 니켈 층이 더 이상 필요하지 않게 되어, 본 발명에 따른 베어링 부재는 종래의 다층 윤활 베어링과 대등한 정도로 기계적 물성이 양호할 뿐만 아니라, 본 발명의 베어링 부재를 제조하는 것이 보다 경제적이기도 하다.
본 발명에 따른 중합체층은 특별한 베어링 부재에만 한정되는 것이 아니라, 현재의 기술 상식에 의하면 모든 베어링 금속에 부착될 수 있다는 사실도 장점이다.
종래에는 베어링 재료로서 알루미늄을 사용하면 베어링에 파손이 발생하였는데, 그 이유는 미소 이동(micromovement)에 기인한 베어링 재료의 샤프트로의 물질 전달과 미소 접합(microwelding) 때문인 것으로 추정된다. 샤프트가 베어링 상에 놓이면 이러한 유형의 물질 전달이 일어날 수 있고, 예를 들면 조립된 엔진이 사용 장소로 운반될 때에 또는 모든 모터들이 동시에 작동되지 않더라도 서로 인접한 여러 모터들의 작동 중에 전체 시스템에서 미소 이동이 일어난다. 본 발명에 따른 모터를 사용하면, 중합체 층에 의하여 이러한 현상을 방지할 수 있으며, 그 이유는 중합체 층이 실질적으로 강과의 친화성이 없기 때문이다. 그러나, 매우 작은 물질 전달이 발생하여 예를 들면 윤활 바니시가 샤프트의 조도 프로파일 내로 매입되더라도, 윤활 바니시와 윤활 바니시의 조합은 윤활 바니시와 강의 조합보다도 마찰이 훨씬 작기 때문에 실제로는 문제가 되지 않는다.
본 발명의 실시예에서, 바람직하기로는 용제와 함께 폴리이미드 수지와 관련된 폴리이미드 수지의 함량은 하한치 65%와 상한치 75% 사이의 범위 또는 하한치 67.5%와 상한치 72.5% 사이의 범위에서 선정될 수 있거나, 폴리아미드 수지의 함량 이 70%일 수 있다.
MoS2의 함량은 하한치 17%와 상한치 22% 사이의 범위 또는 하한치 18.5%와 상한치 21.5% 사이의 범위에서 선정되거나, MoS2의 함량이 20%인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 흑연의 함량은 하한치 7%와 상한치 13% 사이의 범위 또는 하한치 8.5%와 상한치 11.5% 사이의 범위에서 선정되고, 흑연의 함량은 10%이다.
이러한 실시예 또는 하한치와 상한치 범위에 관한 데이터와 관련하여, 각각의 함량은 필요에 따라 하한치와 상한치 사이의 각각의 한정 범위로부터 선택될 수 있다.
중합체층에 대하여 폴리이미드 수지로서 폴리아미드 이미드 수지를 사용하면 특히 바람직하다는 것이 밝혀졌다.
전술한 바와 같은 구성에 의하여, 중합체층의 마모 저항성, 부식 저항성, 마찰 용접 저항성 등과 같은 모든 물성을 최적화할 수 있을 뿐만 아니라, 모든 물성을 동등한 정도까지 개선하지 않더라도 각각의 사용 분야에 따라 특정된 개별적인 물성을 적합화하는 것도 가능하다.
판상(platelet)의 MoS2는 평균 길이가 하한치 10㎛와 상한치 40㎛ 사이의 범위 또는 하한치 15㎛와 상한치 35㎛ 사이의 범위 또는 하한치 18㎛와 상한치 25㎛ 사이의 범위에서 선정되고, 그리고/또는 평균 폭이 하한치 10㎛와 상한치 40㎛ 사이의 범위 또는 하한치 15㎛와 상한치 35㎛ 사이의 범위 또는 하한치 18㎛와 상한 치 25㎛ 사이의 범위에서 선정되고, 그리고/또는 평균 높이가 하한치 2nm와 상한치 20nm 사이의 범위 또는 하한치 5nm와 상한치 15nm 사이의 범위 또는 하한치 5nm와 상한치 8nm 사이의 범위에서 선정될 수 있다.
사용되는 흑연은 입자 크기가 하한치 2㎛와 상한치 8㎛ 사이의 범위에서 선정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라 MoS2와 흑연의 비는 하한이 1.5:1이고 상한이 4.5:1인 범위에서 선정될 수 있다.
이와 같이 중합체층의 자체 윤활 거동은 넓은 한정 범위에 걸쳐서 변화 가능하고, 따라서 필요에 따라 MoS2 또는 흑연의 각각의 함량을 고려, 즉 폴리이미드 수지에 대한 두 첨가제의 함량 비를 변화시켜, 중합체층의 적어도 하나의 물성을 각각의 특별한 용도에 적합화시킬 수 있다.
베어링 금속층은 Al계 합금, Sn계 합금, Pb계 합금, Cu계 합금, CuPb계 합금, AlSn계 합금, AlZn계 합금, AlSi계 합금, AlSnSi계 합금, CuAl계 합금, CuSn계 합금, CuZn계 합금, CuSnZn계 합금, CuZnSn계 합금, CuBi계 합금 및 AlBi계 합금을 포함하는 그룹으로부터 선택된 합금에 의해 형성될 수 있으며, 이 합금들의 각각의 물성은 베어링 부재와 관련된 문헌에 공지되어 있기에 여기에서 상세히 설명할 필요는 없다. 이 경우에, 접착 중간층을 사용하지 않더라도 이러한 베어링 재료에 대한 중합체층의 접착성이 향상된다는 장점이 있다.
이미 전술한 바와 같이, 또 다른 장점으로서, 중합체층이 베어링 금속층 상 에 직접 배치될 수 있고, 따라서 종래에 사용되었던 니켈 배리어와 같은 배리어층이 사용될 필요가 없다.
베어링 금속층은, 특히 충분한 접착성에 의하여 중간층과 접착 수단이 없어도 지지체 상에 직접 배치되며, 그에 따라 베어링 부재의 조립체는 단순화될 수 있고 제조 비용이 절감될 가능성도 있다.
본 발명에 따른 베어링 부재의 시험 결과에 의하면, 중합체층의 표면은, DIN EN ISO 4287 또는 ASME B 46.1에 의거한 산술 평균 조도치(Ra)가 하한치 0.2㎛와 상한치 1.5㎛ 사이의 범위 또는 하한치 0.5㎛와 상한치 1.0㎛ 사이의 범위 또는 하한치 0.8㎛와 상한치 0.9㎛ 사이의 범위에서 선정되거나, 또 다른 실시예에 따라 DIN EN ISO 4287 또는 ASME B 46.1에 의거한 최대 조도 프로파일 높이(Rz)가 하한치 0.5㎛와 상한치 10㎛ 사이의 범위 또는 하한치 3㎛와 상한치 8㎛ 사이의 범위 또는 하한치 5㎛와 상한치 6㎛ 사이의 범위에서 선정되면 바람직한 것으로 밝혀졌다.
이러한 구성에 의하여, 한편으로는, 베어링 부재의 전체 내측 표면에 대하여 고려하였을 때에, 작동 준비 단계 중에는 프로파일 선단에 의하여 장착될 샤프트와의 접촉면이 더욱 작아지고, 그에 따라 재료 선정 즉 폴리이미드 수지와 강의 조합으로부터 예상되는 바와 같이 마찰이 감소하며, 다른 한편으로는, 작동 준비 단계 후에 선단이 마모되어 베어링은 필요한 유극 공차를 갖게 된다.
중합체층은, 두께가 하한치 1㎛와 상한치 40㎛ 사이의 범위 또는 하한치 3㎛와 상한치 30㎛ 사이의 범위 또는 하한치 4㎛와 상한치 25㎛ 사이의 범위에서 선정 될 수 있으며, 베어링 부재는 대형 베어링 또는 소형 베어링과 같은 각각의 적용 분야에 따라 구성될 수 있고, 따라서 장기적으로 신뢰성 있고 균일한 베어링 부재의 물성과 관련하여 그에 상응하는 비용의 최적화가 달성될 수 있다.
중합체층은 비커스 경도가 하한치 20HV와 상한치 45HV 사이의 범위 또는 하한치 22HV와 상한치 35HV 사이의 범위 또는 하한치 25HV와 상한치 30HV 사이의 범위에서 선정되는 것이 바람직하며, 베어링 부재의 충분한 피로 강도와 더불어 적절히 개선된 피막 물성을 얻을 수 있다.
특히, 베어링 부재는 윤활 베어링 쉘 또는 이분형 쉘 또는 베어링 부시(bearing bush)로서 설계된다.
베어링 부재에 대한 고정 샤프트를 구비한 모터에 사용되는 중합체층은, 특히 본 발명에 따른 조성을 갖는 중합체층으로 형성된다. 그러나, 중합체층은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 폴리옥시메틸렌, 실리콘 수지, 폴리아릴 에테르 케톤, 폴리아릴 에테르-에테르 케톤, 폴리비닐리덴 디플루오라이드, 폴리에틸렌 설파이드를 포함하는 그룹으로부터 선택된 중합체에 의해 형성될 수도 있으며, 이러한 중합체는 특히 미소 이동에 의해 발생하는 샤프트로부터 베어링 부재로의 물질 전달과 관련하여 전혀 다른 특성을 가지므로, 예상되는 이동에 대하여 그에 상응하는 조절이 이루어질 수 있다.
이 경우에, 중합체층은 MoS2, 흑연, 붕질화물(육방정), 이황화텅스텐, PTFE, Pb와 같은 마찰 감소 첨가제를 포함할 수도 있으며, 따라서 중합체층은 "운반 안전"(transport safety)을 보장하기 위하여 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 적어도 엔진의 예열 단계에서 베어링 부재와 샤프트 사이의 미끄럼 마찰의 적절한 감소를 제공하기 위하여 사용될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 베어링 부재 상에는, 고정 샤프트로부터 베어링 부재로의 물질 전달을 방지하는 보호층으로서, 특히 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 폴리옥시메틸렌, 실리콘 수지, 폴리아릴 에테르 케톤, 폴리아릴 에테르-에테르 케톤, 폴리비닐리덴 디플루오라이드, 폴리에틸렌 설파이드를 포함하는 그룹으로부터 선택된 중합체로 이루어진 윤활 바니시가 사용될 수 있다. 이와 같이, 제조 업체에서 직접 엔진을 완성할 수 있게 되어, 특별한 사전 조치를 취할 필요가 없어지거나 이미 완성된 엔진을 운반하는 중에 베어링의 재료가 샤프트와 접합되는 위험을 감수하지 않게 된다. 따라서, 그러한 부품을 미리 조립된 형태로 특히 차량 산업의 각 수요업체에 공급할 수 있으며, 부품들의 손상율을 낮추기 위하여 마무리된 부품을 구매하려는 경향이 증가하고 있는 추세에 따를 수 있다.
본 발명을 더욱 이해하기 용이하도록, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
우선, 여러 실시예에 있어서, 동일 부재는 동일 도면부호와 동일 부재명으로 표시되고, 본 명세서 전체에 걸쳐서 포함된 개시 내용은 도면부호와 부재명이 동일 한 동일 부재에 적용될 수 있다는 점을 언급해 둔다. 설명에 있어서 사용된 상부, 하부, 측부 등과 같은 위치 표현은 그 설명에 관한 해당 도면에만 관련된 것이고, 위치가 변경된 후에는 새로운 위치에 따라 상기 위치 표현은 변경된다. 또한, 도시되고 설명된 다양한 여러 실시예로부터의 각각의 특징 및 특징들의 조합은 본 발명만의 고유의 독립적인 해결책을 형성할 수 있다.
도 1에 따르면 베어링 부재(1)는 지지체(2), 베어링 금속층(3) 및 작동층(running layer)으로서의 중합체층(4)으로 이루어진다. 지지체(2)는 통상 금속으로 이루어지나, 동일 또는 유사한 기능을 수행할 수 있는 대등한 재료, 즉 베어링 부재(1)의 기계적 강도를 제공할 수 있는 재료로 이루어질 수도 있다. 따라서, 베어링 부재(1) 전체의 기계적 강도는 각 사용 분야에 따라 정해지므로, 예를 들면 청동, 황동과 같은 다양한 동 합금이 사용될 수 있다. 또한, 지지체(2)는 형상의 안정성을 어느 정도 보장한다.
베어링 금속층(3)은 베어링 금속 합금으로 형성된다. 본 실시예에서 베어링 금속 합금은 적어도 하나의 연질 상과 경질 입자가 매입된 알루미늄 모재를 포함한다. 적어도 하나의 연질 상은, Sn, Sb, In 및 Bi를 포함하는 제1 원소 그룹 중의 적어도 하나의 원소에 의해 형성될 수 있다. 경질 입자는, 예를 들면 Cu, Mg, Co, Cr 및 Fe를 포함하는 제2 원소 그룹 중의 적어도 하나의 원소에 의해 형성되거나 Sc 및/또는 Zr에 의해 형성될 수 있다. 이러한 경질 입자는, 특히 후자의 원소 또는 제2 원소 그룹의 원소와 알루미늄의 금속간화합물 상에 의해 형성되거나, 상기 원소들에 의해 형성된 금속간화합물 상에 의해 형성된다.
물론, 종래에 공지된 다른 연질 상 및/또는 경질 입자도 베어링 금속 합금 내에 포함될 수 있다.
베어링 부재(1)의 작동에 의하여 중합체층(4) 내에 결함이 발생하고, 그에 따라 베어링 금속층(3)이 샤프트와 같은 장착 부품과 적어도 거의 직접 접촉할 경우에, 연질 상에 의하여 베어링 부재(1)에 비상 작동 특성(emergency operating property)을 부여하는 것이 가능하다. 따라서, 베어링 부재(1)에는, 베어링 부재(1)의 사용 후의 마모에 기인하는 경질 입자를 매입하는 능력도 부여된다. 경질 입자는 알루미늄 합금에 필요한 기계적 강도를 부여한다.
Pb 함량이 높은 CuPb계 또는 AlSn계 또는 AlBi계 함금뿐만 아니라 Sn, Bi, In, Pb 또는 Al계 합금도 베어링 금속층(3)으로서 적합하다. 특히, Sn 함량이 높은 Sn계 합금이 바람직하다. 무연(lead-free) Cu계 합금일지라도 사용이 가능하다.
사용 가능한 Cu계 베어링 금속으로는, CuPb22Sn2, CuPb10Sn10, CuPb15Sn7, CuSn6, CuSn4Zn1를 예로 들 수 있다. 특히 Cual, CuSn, SuZn, CuSnZn 및 CuBi계의 무연 Cu 합금은 낮은 수준의 오염의 관점에서 바람직하다.
사용 가능한 Sn계 베어링 금속으로는, SnSb8Cu4, SnSb12Cu6Pb를 예로 들 수 있다.
사용 가능한 Pb계 베어링 금속으로는, PbSb10Sn6, PbSb15Sn10, PbSb15SnAs를 예로 들 수 있다.
Al계 베어링 금속은, 예를 들면 AlSn40, AlSn20, AlSn25, AlSn10, AlSn6 등으로 이루어질 수 있다.
예를 들면 AlZn4SiPb와 같은 AlZn계, 또는 AlSi11CuMgNi와 같은 AlSi계, 또는 AlSn20Si4와 같은 AlSnSi계 베어링 금속을 사용할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 중합체층(4)은 폴리이미드 수지, 황화몰리브덴 및 흑연으로 이루어지며, 중합체층(4) 내의 폴리이미드 수지의 함량은 하한치 60%와 상한치 80% 사이의 범위에서 선정되고, MoS2의 함량은 하한치 15%와 상한치 25% 사이의 범위에서 선정되고, 흑연의 함량은 하한치 5%와 상한치가 15% 사이의 범위에서 선정된다.
수지는 처리 능력을 향상시킬 수 있는 적어도 하나의 용제, 특히 크실롤(xylol)과 같은 유기 용제 내에 제공될 수 있다. 여기서 용제의 함량은, 수지 함량 즉 수지와 용제의 함량에 대하여, 하한치 40 중량%와 상한치 80 중량% 사이의 범위, 특히 하한치 50 중량%와 상한치가 70 중량% 사이의 범위, 바람직하게는 하한치 60 중량%와 상한치 65 중량% 사이의 범위에서 선정될 수 있다. 따라서, 건조 수지(dry resin)의 함량 특히 폴리아미드 이미드 수지(polyamide imide resin)의 함량은, 하한치 20 중량%와 상한치 50 중량% 사이의 범위, 특히 하한치 30 중량%와 상한치 40 중량% 사이의 범위, 바람직하게는 하한치 35 중량%와 상한치 37.5 중량% 사이의 범위 내에서 선정될 수 있다. 이러한 점에서 본 발명에서 따라 도포되는 중합체층(4)은 건조 조성이 예를 들면 35 중량%의 폴리아미드 이미드 수지, 45 중량%의 MoS2 및 20 중량%의 흑연일 수 있거나, 건조 조성이 중합체층(4)의 각각의 함량에 대한 소정치의 범위로부터 계산될 수 있다.
필요하다면, 상기 중합체층(4)은, 예를 들면 아라미드 섬유와 같은 섬유 기지의 기계적 강도를 증가시키는 첨가제와, 예를 들면 탄화물, 산화물, 질화물과 같은 경질 물질을 함유할 수 있다. 이러한 유형의 첨가제는, 예를 들면 유럽 공개특허공보 제EP 1 236 914 Al호에서의 이러한 유형의 베어링 부재(1)용의 중합체층(4)에 대한 종래 기술로부터 이미 공지되어 있다. 따라서, 예를 들면 CrO2, Fe3O4, PbO, ZnO, CdO, Al2O3, SiO2, SnO2, SiC, Si3N4로 이루어진 경질 물질을 사용하는 것이 가능하며, 그 함량은 유럽 특허공개공보 제EP 1 236 914 Al호에 기재되어 있는 바와 같은 통상의 한정 범위 내에서 변경될 수 있다.
베어링 금속층(3) 내에 이미 포함되어 있는 경질 물질을 사용하여 마찰값을 조정하면 특히 바람직하다.
중합체층(4) 내의 MoS2와 흑연의 양의 비를 1.5:1 내지 4.5:1, 예를 들면 1.5:1 내지 2.5:1의 범위에서 선정하면 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 중합체층(4)에 대한 조성을 사용하면, 필요에 따라 건식 작동(dry running)을 허용할지라도, 양호한 윤활 및 비상 작동 특성을 갖는 작동층을 제조하는 것이 가능하다. 건식 작동의 경우에는, 특히 보수가 거의 필요하지 않다는 특징이 있다. 윤활유를 거의 또는 전혀 사용하지 않으면서 작동하는 것도 가능하다. 필요에 따라 윤활을 위하여 물을 사용할 수도 있으며, 이 경우에 본 발명에 따라 베어링 부재(1)가 예를 들어 펌프용으로 사용된다면 특히 바람직하다. 그에 상응하는 무게 감소뿐만 아니라 베어링 단부 압력에 대한 낮은 민감도가 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 베어링 부재(1)는, 도 1에 도시된 바와 같은 윤활 베어링 이분형 쉘로서의 구성 대신에, 다른 분야 특히 자동차 산업에서 사용되는 스러스트 링(thrust ring), 윤활 부시 등의 용도로 사용될 수 있다.
표 1은 중합체층(4)에 대하여 제거될 용제를 포함한 폴리이미드 수지, MoS2 및 흑연의 함량에 대하여 본 발명에 따른 범위로부터 선택된 조성의 예를 나타내며, 이러한 예는 본 발명을 한정하기 위한 것은 물론 아니며 본 발명의 특징을 예시할 뿐이다.
No. PA I (%) MoS2 (%) 흑연 (%)
1 60 25 15
2 62 25 13
3 65 20 15
4 68 17 15
5 70 20 10
6 72 20 8
7 61 25 14
8 65 23 12
9 70 25 5
10 75 15 10
11 65 25 10
12 77 15 8
13 78 12 10
14 80 15 5
이러한 조성을 사용하여, 강제의 보호 쉘, 그 위에 부착된 CuPb22Sn2 베어링 금속 및 상부의 중합체층(4)으로 이루어진 베어링 부재(1)를 제조하였다. 이후의 검토 결과에 의하면, 이러한 조성들을 사용하였을 경우에 서로 매우 유사한 물성의 베어링 부재(1)들을 제조할 수 있었으며, 따라서 이하에서는 70% 폴리이미드 수지, 20% MoS2 및 10% 흑연을 함유하는 중합체층(4)을 구비한 베어링 부재(1)를 예로서 참조하여 물성에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 베어링에 대한 100%의 마찰 용접의 임계치와 관련하여, AlSn40 상에 PTFE 피복층을 구비하는 종래 기술의 표준 베어링은 동일한 실험 조건하에서 비교하면 임계치가 약 87% 저하한다.
동일 치수와 동일 윤활 조건으로 베어링 상의 마모 저항성을 측정하였다. 그 결과, 본 발명에 따른 중합체층(4)은 PTFE층보다도 마모 저항성이 8배 우수하였다.
또 다른 검토에 있어서는, CuPb22Sn2 또는 AlSn25로 이루어진 베어링 금속층 상에 본 발명에 따른 이러한 조성의 중합체층(4)을 부착하였고, 마모 저항성은 AlSn40에 대해 달성된 값의 ±5% 범위 내에서 변화하는 것으로 나타났으며, 이는 본 발명에 따른 중합체층(4)이 기존의 모든 베어링 금속의 우수한 물성을 상당히 변화시키지 않으면서 적어도 기존 베어링 금속상에 부착 가능하다는 것을 의미한다.
부식에 대해서도 그에 상당하는 개선이 이루어질 수 있다.
도 2에는 %로 표현된 흑연의 함량과 MoS2의 함량에 대하여 임계 부식 한계가 %로 도시되어 있으며, 70% 수지, 20% MoS2 및 10% 흑연의 조성을 기준치 100%의 값으로 하였을 때의 각 수치는 표 2로부터 알 수 있다. 이 도면으로부터, 본 발명에 따른 중합체층(4)이 제공된 베어링 부재(1)가 이에 상응하는 종래 기술에 의해 공지된 폴리이미드 수지층보다도 임계 부식 한계의 관점에서 훨씬 양호한 결과를 나타낸다는 점을 명확히 알 수 있다.
Graphite [%] MoS2 [%] 5 10 15
15 91.8
20 98 100
40 65.8 67.4
60 47.5
자체-윤활 거동과 관련하여, 이미 전술한 바와 같은 치수를 갖는 판상의 MoS2를 사용하면 물성을 개선할 수 있다는 점이 밝혀졌다.
또한, 상한치가 2㎛이고 하한치가 8㎛인 범위에서 선정된 입자 크기를 갖는 흑연를 사용하면 바람직하다.
DIN ISO 4287 또는 ASME B 46.1에 따른 조도 프로파일(Rz) 또는 DIN ISO 4287 또는 ASME B 46.1에 따른 산술 평균 조도치(Ra)가 전술한 값이나 특정 범위에서 선정된 값을 갖는 중합체층(4)을 본 발명에 따라 구성하여 베어링 부재(1)를 제조하면, 작동 준비 단계 및 연속 작동 모두에 있어서, 특히 공동 발생에 대한 마모 저항성과 부식 저항성과 같은 물성을 더욱 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 베어링 부재(1)를 제조함에 있어서, 예를 들면 압연, 주조, 소결, 전착과 같은 종래 기술에 의해 공지된 방법 또는 스퍼터링 방법에 의하여 금속 지지체(2) 상에 베어링 금속층(3)을 형성한다. 분무 방법 또는 도포 방법과 같은 공지된 종래 방법을 사용하여, 본 발명에 따른 중합체층(4)을 상기 베어링 금속층(3) 상에 부착할 수 있고, 그 후에 중합체층을 가열할 수 있다. 종래 기술에 의하여 적절한 전처리가 공지되어 있기에, 본 명세서에서 그러한 전처리에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 중합체층(4)은 엔진용 베어링 부재(1)의 설비에 특히 적합하며, 이 경우에 중합체층(4)은, 샤프트로부터 베어링 금속 또는 베어링 부재(1)로의 물질 전달을 방지하고 엔진의 파손에 이르게 할 수 있는 미소 접합을 방지하는 보호층 또는 "포장층"(packaging layer)으로서 사용된다. 이러한 효과를 향상시키기 위하여, 샤프트 자체를 중합체층(4)으로 피복하는 것도 가능하다. 일반적으로, 중합체층(4)은, 장착된 부품으로부터 그에 대응하는 베어링 부재로의 재료 전달에 의하여 발생하는 미소 접합을 방지하는 소위 보호층으로서 사용될 수도 있다.
샤프트가 장착되어 이미 조립된 엔진의 운반을 위한 보호층 또는 "포장층"으로서의 이러한 구성에 있어서, 본 발명에 따른 특히 적합한 중합층(4) 이외에도, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 폴리옥시메틸렌, 실리콘 수지, 폴리아릴 에테르 케톤, 폴리아릴 에테르-에테르 케톤, 폴리비닐리덴 디플루오라이드, 폴리에틸렌 설파이드, 및 그 혼합물에 기초한 중합체층을 사용할 수도 있으며, 전술한 경질 입자뿐만 아니라 예를 들면 MoS2, 흑연, 육방정 BN, 다양한 금속 황화물 등과 같은 자체-윤활 첨가제를 상기 중합체에 첨가할 수도 있다.
대표적 실시예는 베어링 부재(1)의 가능한 구성의 변형예를 나타내므로 본 발명은 예시된 실시예에 특별히 한정되는 것이 아니며, 각각의 실시 변형예의 다양한 여러 조합이 가능하고, 본 발명의 기술적인 개시 내용에 기초하여 당해 기술 분야의 당업자라면 실시예를 변형할 수 있다는 점을 이 시점에서 언급해 둔다. 따라서, 본 명세서에 도시되고 설명된 실시예들 각각의 세부 구성의 조합에 의하여 구성될 수 있는 모든 변형예들은 본 발명의 보호 범위에 속한다.
베어링 부재(1)의 구조를 보다 용이하게 이해할 수 있도록, 베어링 부재와 그 구성요소들을 완전한 비례 척도로 도시한 것은 아니고 그리고/또는 크기를 확대및/또는 축소하였다는 점을 형식적으로 언급해 둔다.
본 발명에 따른 독립적인 해결책의 근본적인 목적은 상세한 설명으로부터 알 수 있다.
본 발명에 따른 베어링 부재는 마모 저항성, 공동 저항성 및 내식성이 향상되고, 종래의 확산 배리어가 필요하지 않아 구조가 간단해지고 제조 비용도 절감할 수 있다. 또한, 베어링 부재에 장착되는 샤프트와 같은 부품으로부터 베어링 부재로의 물질 전달이 방지되어, 베어링 부재의 파손을 방지할 수 있다.

Claims (18)

  1. 금속 지지체(2), 금속 지지체 상에 배치된 베어링 금속층(3), 및 베어링 금속층 상에 배치된 중합체층(4)을 구비하며, 상기 중합체층(4)은 폴리이미드 수지, 황화몰리브덴(MoS2) 및 흑연으로 이루어진 베어링 부재(1)에 있어서,
    폴리이미드 수지의 함량은 하한치 60%와 상한치 80% 사이의 범위에서 선정되고, MoS2의 함량은 하한치 15%와 상한치 25% 사이의 범위에서 선정되고, 흑연의 함량은 하한치 5%와 상한치 15% 사이의 범위에서 선정되며, 상기 폴리이미드 수지의 함량은 제거될 용제를 포함한 폴리이미드 수지에 대한 값인 것을 특징으로 하는 베어링 부재.
  2. 제1항에 있어서,
    폴리이미드 수지는 폴리아미드 이미드 수지인 것을 특징으로 하는 베어링 부재.
  3. 제1항에 있어서,
    MoS2의 함량은 하한치 18.5%와 상한치 21.5% 사이의 범위에서 선정된 것을 특징으로 하는 베어링 부재.
  4. 제1항에 있어서,
    MoS2와 흑연의 비는 하한이 1.5:1이고 상한이 4.5:1인 범위에서 선정된 것을 특징으로 하는 베어링 부재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 MoS2로서, 하한치 10㎛와 상한치 40㎛ 사이의 범위에서 선정된 평균 길이 및 하한치 10㎛와 상한치 40㎛ 사이의 범위에서 선정된 평균 폭 및 하한치 2nm와 상한치 20nm 사이의 범위에서 선정된 평균 높이를 갖는 판상 MoS2가 사용된 것을 특징으로 하는 베어링 부재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 흑연은 하한치 2㎛와 상한치 8㎛ 사이의 범위에서 선정된 입자 크기를 갖는 특징으로 하는 베어링 부재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 베어링 금속층(3)은 Al계 합금, Sn계 합금, Pb계 합금, Cu계 합금, CuPb계 합금, AlSn계 합금, AlZn계 합금, AlSi계 합금, AlSnSi계 합금, CuAl계 합금, CuSn계 합금, CuZn계 합금, CuSnZn계 합금, CuZnSn계 합금, CuBi계 합금 및 AlBi계 합금을 포함하는 그룹으로부터 선택된 합금의 형태인 것을 특징으로 하는 베어링 부재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 중합체층(4)은 베어링 금속층(3) 상에 직접 배치된 것을 특징으로 하는 베어링 부재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 베어링 금속층(3)은 지지체(2) 상에 직접 배치된 것을 특징으로 하는 베어링 부재.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 중합체층(4)의 표면은, DIN EN ISO 4287에 따른 산술 평균 조도(Ra)가 하한치 0.2㎛와 상한치 1.5㎛ 사이의 범위에서 선정된 것을 특징으로 하는 베어링 부재.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 중합체층(4)의 표면은, DIN EN ISO 4287에 따른 최대 조도 프로파일(Rz)이 하한치 0.5㎛와 상한치 10㎛ 사이의 범위에서 선정된 것을 특징으로 하는 베어링 부재.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 중합체층(4)은 두께가 하한치 1㎛와 상한치 40㎛ 사이의 범위에서 선정된 것을 특징으로 하는 베어링 부재.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 중합체층(4)은 비커스 경도가 하한치 20HV와 상한치 45HV 사이의 범위에서 선정된 것을 특징으로 하는 베어링 부재.
  14. 제1항에 있어서,
    윤활 베어링 이분형 쉘(half-shell) 또는 스러스트 링(thrust ring) 또는 베어링 부시(bearing bush)로서 설계된 것을 특징으로 하는 베어링 부재.
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