KR102246758B1 - Al기 베어링 합금 및 이를 이용한 미끄럼 베어링 - Google Patents

Abstract

기술 분야는 Al기(基) 베어링 합금 및 이를 이용한 미끄럼 베어링이며, 기술적 과제는, 내식성이 높고 고온의 환경하에서도 높은 강도가 장기간 유지되는 Al기 베어링 합금 및 이를 이용한 미끄럼 베어링을 제공하는 것이다. 과제를 해결하는 수단으로서, Al기 베어링 합금(10)은, Al 매트릭스(11)와, 상기 Al 매트릭스의 조직 중에 복수 석출되어 있으며, 단경 및 장경을 갖는 바늘형상의 침상 화합물(12)을 구비한다.

Description

Al기 베어링 합금 및 이를 이용한 미끄럼 베어링

본 발명은, Al기(基) 베어링 합금 및 이를 이용한 미끄럼 베어링에 관한 것이다.

차량의 엔진 등에 사용되는 미끄럼 베어링(slide bearing)은, 고온 아래, 및 반복적인 온도 변화가 발생해도 높은 강도를 유지할 것이 요구되고 있다. 종래, 이에 대한 대응으로서, 첨가 원소를 고용(固溶)함으로써 고온에서의 피로 강도를 높이는 Al기 베어링 합금이 제안되었다(특허문헌 1 참조). 또, 고온에서의 물성의 안정성이 높은 경질 입자를 첨가함으로써 고온에서의 피로 강도를 높이는 Al기 베어링 합금이 제안되었다(특허문헌 2 참조).

그런데, 특허문헌 1의 경우, 첨가 원소로서 Ag를 이용하고 있다. 그래서 Al기 베어링 합금이 비싸지는 문제가 있다. 또, 특허문헌 2와 같이 경질 입자를 첨가해도 Al를 주성분으로 하는 Al기 베어링 합금은 한층 더한 고온에 노출되는 최근의 디젤 엔진에서는 충분한 강도를 확보할 수 없다는 문제가 있다. 그래서, 종래, 온도 환경이 어려운 디젤 엔진에서는, Cu를 주성분으로 하는 Cu기의 베어링 합금이 이용되고 있다. 그러나, Cu기의 베어링 합금은 고가이며, 연료에 포함되는 유황분에 대한 내식성이 뛰어나지 않다는 문제가 있다.

일본 특허공개공보 제2015-172215호 일본 특허공개공보 제2007-016275호

따라서, 본 발명의 목적은 내식성이 높고 고온의 환경에서도 높은 강도가 장기간 유지되는 Al기 베어링 합금 및 이를 이용한 미끄럼 베어링을 제공하는 데 있다.

상기의 과제를 해결하기 위해서, 본 실시형태의 Al기 베어링 합금은, Al 매트릭스와, 상기 Al 매트릭스의 조직 중에 복수 석출되고 있으며, 단경(短徑) 및 장경(長徑)을 갖는 바늘형상의 침상(針狀) 화합물을 구비한다.

이처럼 본 실시형태는 Al를 주성분으로 하는 Al기 베어링 합금이다. 그래서, 본 실시형태의 Al기 베어링 합금은, 종래의 Cu기의 베어링 합금과 비교해서 저렴할 뿐만 아니라 연료에 유래하는 황화물에 대한 내식성도 향상한다. 그리고, 본 실시 형태의 경우, Al기 베어링 합금은 Al 매트릭스의 조직 중에 침상 화합물이 석출한다. 이 Al 매트릭스에 석출하는 침상 화합물은, Al 매트릭스에 있어서 입자 내에서의 미끄러짐을 억제한다. 그 결과, 고온의 환경 하에서도 강도가 저하되기 어려워진다. 따라서, 내식성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, Al기라도 고온의 환경하에서 높은 강도를 오랫동안 유지할 수 있다.

또, 본 실시형태의 Al기 베어링 합금에서는, 상기 침상 화합물은 임의로 선택한 선택 침상 화합물과, 상기 선택 침상 화합물의 장경(長徑)을 연장한 가상 직선상에 위치하는 인근 침상 화합물을 포함하고 있다. 그리고, 상기 인근 침상 화합물은, 상기 가상 직선과 상기 인근 침상 화합물의 장경과의 각도 차이인 각도차가 35°~55°인 것을 포함한다.

이처럼 본 실시 형태의 Al기 베어링 합금에서는, 선택 침상 화합물의 장경의 연장선에 일치하는 가상 직선과 인근 침상 화합물의 장경과의 각도 차이가 설정되어 있다. 이로써, 가령 미세한 클랙이 생겨도, 신장한 미소(微小)한 크랙은 침상 화합물에 의해 방향이 변환된다. 그 결과, 그 미소한 크랙이 신장해서, 그대로 Al기 베어링 합금을 관통할 수 있는 커다란 크랙으로의 진전이 방해된다. 따라서, 고온의 환경아래에서도 높은 강도를 오랫동안 유지할 수 있다.

그리고 또한, 본 실시형태의 Al기 베어링 합금에서는, 상기 침상 화합물은 미리 설정된 설정 영역에 있어서, 상기 각도 차이가 35°~55°인 것을 30%이상, 즉 인근 침상 화합물로서는 선택 침상 화합물에 대한 각도 차이가 35°~55°가 되는 인근 침상 화합물을 30%이상 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 실시형태의 Al기 베어링 합금에서는, 상기 침상 화합물은 미리 설정된 설정 영역에 있어서, 상기 각도 차이가 35°~55°인 것을 30%~70%, 상기 각도 차이가 0°~10°인 것을 10% 이하, 상기 각도 차이가 80°~90°인 것을 10% 이상, 포함하는 것이 더 바람직하다.

이처럼 본 실시형태의 Al기 베어링 합금에서는 각도 차이가 35°이상 55°이하가 되는 침상 화합물을 많이 포함함으로써 신장한 미소 크랙의 방향의 변환이 촉진되어 커다란 크랙으로의 진전이 방해된다. 따라서, 고온의 환경 하에서도 높은 강도를 오랫동안 유지할 수 있다. 선택 침상 화합물에 대한 각도 차이가 35°이상 55°이하가 되는 인근 침상 화합물이 가장 많이 포함한 형태가 바람직하다. 또, 각도 차이가 10°보다 크고 35°미만이 되는 인근 침상 화합물과, 각도 차이가 55°보다 크고 80°미만이 되는 인근 침상 화합물이 같은 정도로 포함되어 있는 형태가 바람직하다. 이에 의해 큰 크랙으로의 진전을 효율적으로 억제할 수 있다.

본 실시형태의 Al기 베어링 합금에서는, 상기 침상 화합물은 단경이 50nm 이하이다.

Al기 베어링 합금에 석출하는 침상 화합물은, 미세할수록 크랙의 기점이 될 우려가 적다. 따라서 침상 화합물은, 단경을 50nm 이하로 충분히 미세한 것이 바람직하다. 이에 의해, 침상 화합물은 크랙의 기점이 되지 않는다. 따라서, 높은 강도를 오랫동안 유지할 수 있다.

본 실시형태의 Al기 베어링 합금은, Al를 주성분으로 하고, Zn, Cu, Si에서 선택되는 2종 이상의 원소를 포함한다.

이처럼 본 실시형태의 Al기 베어링 합금은 Al를 주성분으로 하고, 고가의 Ag 등을 포함시키지 않아도 좋다.

따라서, 저가의 첨가 원소에서 높은 강도를 오랫동안 유지할 수 있다.

또, 본 발명의 다른 관점에 따르면, Al기 베어링 합금은 Al를 주성분으로 하고, 미끄럼 베어링에 이용되는 Al기 베어링 합금으로서 다음의 시험 조건(1)~(3) 모두를 충족시키는 시험후에 있어서, 피로 파괴가 생기지 않는 Al기 베어링 합금이기만 하면 된다.

(1)상대 부재와의 슬라이딩 이동시의 접촉면압은 75MPa

(2)상기 상대 부재와의 슬라이딩 이동시의 온도는 170℃

(3)상기 상대 부재와의 슬라이딩 이동시의 회전 횟수는 6500rpm으로 10⁷회

본 실시형태의 미끄럼 베어링은, 상기의 Al기 베어링 합금으로 형성되어 있는 베어링 합금층과, 상기 베어링 합금층과 겹쳐 설치되어 있는 기재를 구비한다.

따라서, 내식성을 높일 수 있을 뿐 아니라 Al기라도 고온의 환경하에서 높은 강도를 오랫동안 유지할 수 있다.

본 실시형태의 미끄럼 베어링은, 예를 들면 반할 베어링과 같은 미끄럼 베어링일 수 있지만, 그 밖에 부시, 스러스트 와셔 등의 미끄럼 베어링이라도 좋다.

본 발명의 더욱 다른 관점에 의하면, 상기 미끄럼 베어링과 축을 가지는 베어링 장치가 제공된다.

이 베어링 장치는, 축과 베어링의 유닛을 구성하고 있으면 좋고, 더 구체적으로는 각종 엔진으로서의 적용이 매우 적합하다.

도 1은, 일 실시형태에 의한 Al기 베어링 합금의 조직을 나타내는 모식도이고,
도 2는, 일 실시형태에 의한 Al기 베어링 합금을 적용한 미끄럼 베어링을 나타내는 모식적인 단면도이고,
도 3은, 일 실시형태에 의한 미끄럼 베어링의 제조 방법을 나타내는 모식도이고,
도 4는, 일 실시형태에 의한 Al기 베어링 합금에서의 침상 화합물의 관계를 설명하기 위한 설명도이고,
도 5는, 일 실시형태에 의한 Al기 베어링 합금에서의 미소한 크랙의 신장을 설명하기 위한 설명도이고,
도 6은, 일 실시형태에 의한 Al기 베어링 합금의 실시 예 및 비교 예를 나타내는 개략도이고,
도 7은, 일 실시형태에 의한 Al기 베어링 합금의 시험 조건을 나타내는 개략도이다.

이하, Al기(基) 베어링 합금의 일 실시형태를 도면을 근거로 해서 설명한다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 일 실시형태의 Al기 베어링 합금(이하, 「베어링 합금」으로 생략한다)(10)은, Al를 주성분으로 하는 Al기의 합금이다. 베어링 합금(10)은, 첨가물로서 Zn, Cu 및 Si에서 선택되는 2종 이상을 포함하면서 동시에 불가피한 불순물을 포함하고 있다. 또, 베어링 합금(10)은, 그 조직을 구성하는 Al 매트릭스(11)에 침상 화합물(12)을 포함하고 있다. 이 침상 화합물(12)은, 베어링 합금을 구성하는 Al, Zn, Cu 및 Si 중 어느 2개 이상을 구성 원소로 한다. 침상 화합물(12)은 그 이름이 나타내는 바와 같이 단경(短徑)에 비해서 장경(長徑)이 큰 바늘 형상을 띠고 있다. 본 실시 형태의 경우, 침상 화합물(12)의 단경은, 50nm이하로 설정하는 것이 바람직하다. 또, 침상 화합물(12)의 장경은, 그 단경과의 비율에 따른 것이나, 100nm이상으로 설정하는 것이 바람직하다.

이처럼 본 실시형태의 베어링 합금(10)은, Al 매트릭스(11) 중에 침상 화합물(12)이 석출한다. 이 베어링 합금(10)의 Al 매트릭스(11) 중에 석출하는 침상 화합물(12)은 Al 매트릭스(11)에 분산한다. 그래서, 베어링 합금(10)의 피로에 의해 Al 매트릭스(11)에 미소한 크랙이 생겼을 때, 그 미소한 크랙은 Al 매트릭스(11)에 분산하는 침상 화합물(12)에 맞부딪힌다. 이처럼 미소한 크랙이 침상 화합물(2)에 부딪히면, 그 미소한 크랙은 침상 화합물(12)에 의해서 방향이 바뀌고 큰 크랙으로의 진전이 방해된다. 이처럼 침상 화합물(12)은 베어링 합금(10)의 피로에 의해서 Al 매트릭스(11)에 생기는 미소한 크랙이 큰 크랙으로 진전하는 것을 방해한다. 그 결과, 베어링 합금(10)은 그 강도에 영향을 미치는 큰 크랙이 발생되는 일이 없이 Al기라도 고온의 환경 아래에서 장기간 높은 피로 강도를 유지할 수 있다.

또, 본 실시형태의 베어링 합금(10)은, Al 매트릭스(11) 중에 미세한 침상 화합물(12)이 석출한다. 이 베어링 합금(10)의 Al 매트릭스(11) 중에 석출하는 침상 화합물(12)은, Al 매트릭스(11)의 입자 내에서의 미끄러짐, 이른바 입자 내 미끄러짐을 억제한다. 그 결과, 베어링 합금(10)은, Al기라도 고온의 환경에서 높은 강도를 오랫동안 유지할 수 있다.

그리고 또한, 베어링 합금(10)은, 도 2에 나타내는 바와 같이 미끄럼 베어링(20)에 적용할 수 있다. 미끄럼 베어링(20)은 상술한 베어링 합금(10)으로 이루어지는 베어링 합금층(21)에 더하여, 중간층(22), 및 기재층(23)을 구비한다. 베어링 합금층(21)은, 기재층(23)의 슬라이딩 이동면(24)측, 즉 슬라이딩 이동하는 상대 부재 측에 마련되어 있다. 본 실시형태와 같이 미끄럼 베어링(20)은, 기재층(23)과 베어링 합금층(21) 사이에 중간층(22)을 구비해도 좋다. 중간층(22)은, 이들 베어링 합금층(21)과 기재층(23)의 접합력을 높인다. 기재층(23)은, 예를 들면 Fe, 또는 Fe를 주성분으로 하는 합금으로 형성되어 있다. 중간층(22)은, Al, 또는 Al를 주성분으로 하는 합금으로 형성되어 있다.

이어서, 상기의 구성에 의한 베어링 합금(10)의 제조 방법의 복수의 실시 형태를 설명한다.

(제조방법의 제1 실시형태)

베어링 합금(10)은, 열 처리에 의해서 Al 매트릭스(11) 중에 침상 화합물(12)이 석출한다. 베어링 합금(10)의 전구체는 미리 설정한 처리 온도까지 가열된 뒤, 그 처리 온도에서 일정 시간 유지된다. 그 후, 열 처리시의 처리 온도 및 처리 시간을 제어함으로써, 베어링 합금(10)의 Al 매트릭스(11)에는 침상 화합물(12)이 석출한 상태가 되어 있다. 이처럼 실시 예의 베어링 합금(10)은 열 처리 시의 과시효가 되는 처리 온도 및 처리 시간을 제어함으로써, 상술한 바와 같은 미소한 침상 화합물(12)이 석출한 조직이 되어 있다. 처리 온도를 높일수록, 또 처리 시간을 오래 할수록, 침상 화합물(12)의 크기는 커지는 경향이 있고, 각도차가 35°~55°가 되는 침상 화합물(12)이 증가하는 경향이 있었다.

(제조방법의 제2 실시형태)

제조방법의 제2 실시형태는, 도 2에 나타내는 바와 같이 베어링 합금층(21)과 기재층(23)을 접합하는 경우에 사용할 수 있다.

제조방법의 제2 실시형태에서는, 베어링 합금층(21)과 기재층(23)은, 도 3에 나타내는 바와 같이 압연에 의해 접합된다. 이 경우, 기재층(23)과 베어링 합금층 (21) 사이에는 그들의 접착력을 높이기 위해서 중간층(22)을 구비하고 있어도 좋다. 이때, 압연기(25)에 공급되는 베어링 합금층(21)과 기재층(23)은, 그 공급 속에 차이가 설정되어 있다. 즉, 실시 예의 베어링 합금층(21)과 기재층(23)은, 14~32%의 큰 공급 속도 차이로 압연기(25)에 공급된다. 그리고, 베어링 합금층(21)과 기재층(23)의 압연은, 1회 또는 여러 차례 시행된다. 또, 도 3은 압연 방법을 나타내는 예이며, 베어링 합금층(21) 및 기재층(23)의 도면상의 상하 관계 등은 임의로 변경할 수 있다. 공급 속도 차이를 크게 할수록, 또 압연 횟수를 많이 할수록, 침상 화합물(12)의 크기는 작아지는 경향이 있고, 각도차가 35°~55°가 되는 침상 화합물(12)이 늘어나는 경향이 있었다.

베어링 합금층(21)은, 압연 전의 단계에 있어서, Al, Zn, Cu, Si를 구성 원소로 하는 화합물을 포함하고 있다. 이때, 압연 전의 베어링 합금층(21)에 포함되는 화합물의 형상은 반드시 바늘 형상이 아니라 Al 매트릭스(11)에 분산하는 알갱이형상(粒狀)이다. 알갱이형상의 화합물을 포함하는 베어링 합금층(21)과 기재층(23)을 다른 속도로 공급하면서 압연함에 따라 베어링 합금층(21)에 포함되는 알갱이형상의 화합물은 벽개(劈開)된다. 이로써, 벽개된 화합물은 도 1에 나타내는 바와 같이 미세한 침상 화합물(12)이 되어 베어링 합금층(21)의 Al 매트릭스(11)에 분산하다. 베어링 합금층(21)에 포함되는 침상 화합물(12)의 치수 및 수는, 압연시의 베어링 합금층(21) 및 기재층(23)의 공급 속도 차이 및 압연의 횟수에 의해서 제어할 수 있다.

또한, 제조방법의 제1 실시형태에서 설명한 열 처리에 의한 침상 화합물(12)의 생성 방법, 및 제2 실시형태에서 설명한 압연시의 속도 차이에 의한 침상 화합물(12)의 생성 방법은 일례에 불과하다. Al 매트릭스(11) 중에 침상 화합물(12)이 포함되는 것이라면 상기의 방법과 관계없이 임의의 방법을 이용할 수 있다. 또, 제조 공정으로서는, 제1 실시형태의 열 처리에 의한 침상 화합물(12)의 생성 방법과 제2 실시형태의 압연시의 속도 차이에 의한 침상 화합물(12)의 생성 방법을 조합시켜도 좋다.

베어링 합금(10)에 포함되는 침상 화합물(12)의 각도차에 관해서, 도 4를 이용해서 설명한다. 침상 화합물(12)의 각도차(θ)는, 도 1에 나타내는 바와 같은 미리 설정한 관찰 시야(30)에서 계측한다. 이 관찰 시야(30)는, 본 실시 형태에서는, 예를 들면 200,000배로 설정하고 약 626nm×430nm의 범위에 상당한다.

상술한 관찰 시야(30)에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이 Al 매트릭스(11)에 분산하는 복수의 침상 화합물(12)이 관찰된다. 모식적으로 나타낸 선택 침상 화합물(31)은 도 4에 나타내는 바와 같이 이 관찰 시야(30)에 포함되는 복수의 침상 화합물(12) 중에서 임의로 선택된다. 침상 화합물(12)은, 그 형상에서 단경 및 장경을 가진다. 더 상세하게는, 관찰 시야에서의 개개의 침상 화합물 외형의 면적 무게중심점(重心點)을 구한다. 그리고, 면적 무게중심점을 중심으로 한 침상 화합물 외형의 최대 외접원 및 그 외접점, 그리고 최소 내접원 및 그 내접점을 구한다. 구한 외접점과 면적 무게중심점을 잇는 방향은 장경(長徑)방향, 외접점과 면적 무게중심점을 잇는 거리의 2배의 길이는 장경 길이, 내접점과 면적 무게중심점을 잇는 방향은 단경(短徑) 방향, 내접점과 면적 무게중심점을 잇는 거리의 2배의 길이는 단경 길이로 설정한다. 선택 침상 화합물(31)의 장경을 연장함으로써 가상적인 직선인 가상 직선(32)이 설정된다. 선택 침상 화합물(31)의 장경을 연장한 가상 직선(32)은, 그 연장선상에서 선택 침상 화합물(31)과는 다른 침상 화합물(12)인 인근 침상 화합물(33)과 교차한다. 이 인근 침상 화합물(33)과 가상 직선(32)과의 각도의 차이는, 각도차(θ)이다. 가령, 인근 침상 화합물(33)이 도 4의 파선으로 나타내는 위치 관계에 있는 경우라도 인근 침상 화합물(33)과 가상 직선(32)과의 각도의 차이는 각도차(θ)이다. 이와 같이, 각도차(θ)는, 가상 직선(32)을 대칭축으로서 대칭에 위치하는 실선으로 나타내는 인근 침상 화합물(33)과 파선으로 나타내는 인근 침상 화합물(33)로 등가(等價)이다. 그러므로, 각도차(θ)는 0°≤ θ ≤ 90°의 범위가 된다.

도 4에 나타내는 바와 같이 각도차(θ)를 정의했을 때, 관찰 시야(30)에 포함되는 복수의 침상 화합물(12)은, 각도차(θ)가 35°~55°인 것이 포함된다. 구체적으로는, 관찰 시야(30)에 포함되는 모든 침상 화합물(12)에 관해서, 각각을 선택 침상 화합물(31)로서 장경을 양단 방향으로 연장해서 가상 직선(32)을 그어 양단 방향에서 각각 최초로 교차하는 인근 침상 화합물(33)의 장경과의 각도차(θ)를 측정했을 때, 관찰 시야(30)에는 각도차(θ)가 35°~55°가 되는 것이 30%이상 포함되어 있다. 관찰 시야(30)는 설정 영역에 상당한다. 그리고, 관찰 시야(30)에 포함되는 모든 침상 화합물(12)에 관해서 각도차(θ)를 측정했을 때, 관찰 시야(30)에는,

35°≤ θ ≤ 55°인 것이 30% 이상, 70% 이하,

0°≤ θ ≤10°의 것이 10% 이하,

80°≤ θ≤ 90°의 것이 10% 이상, 포함되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 두 개의 침상 화합물(12)에 있어서, 각도차(θ)가 35°≤ θ≤ 55°가 됨으로써, 도 5에 모식적으로 나타내는 바와 같이 임의의 침상 화합물(12) 즉 선택 침상 화합물(31)에서 화살표 A방향으로 신장한 미소한 크랙(34)은, 그 연장선 상에 존재하는 침상 화합물(12) 즉 인근 침상 화합물(33)에 의해서 방향이 변환된다. 이처럼 침상 화합물(12)의 배치를 특정함으로써 큰 크랙으로의 진전이 방해받는다. 그 결과, 베어링 합금(10)은 그 강도에 영향을 미치는 큰 크랙이 생기는 일이 없이 Al기라도 고온의 환경 아래에서 장기간, 높은 피로 강도를 유지할 수 있다.

이어서, 상기의 구성에 의한 베어링 합금(10)의 실시 예 및 비교 예를 도 6을 근거로 하여 설명한다.

실시 예 및 비교 예에 이용되는 베어링 합금(10)은, Zn을 0.0~8.0질량%, Cu를 0.0~4.0질량%, 및 Si를 0.0~10.0질량% 포함하고, 나머지가 Al, 첨가 원소 및 불가피 불순물로 구성되어 있다. 첨가 원소는 Mg, Mn, Ti, V 등이다. 그리고, 실시 예 및 비교 예의 베어링 합금(10)에 포함되는 침상 화합물(12)은, 그 각도차 및 단경이 제어된다. 상술한 바와 같이 침상 화합물(12)의 각도차 및 단경은, 열 처리시의 온도 및 처리 시간, 그리고 베어링 합금층(21)과 기재층(23)의 압연시의 속도 차에 의해서 제어된다. 또, 비교 예 1에는, 과시효가 되지 않는 시효 처리의 열 처리가 시행된다. 비교 예 2에는, 열 처리는 이루어지지 않지만, 압연시에 10%미만의 공급 속도차가 이루어진다. 얻어진 실시 예 및 비교 예의 베어링 합금은, 기재층(23)과 접합되어서 반할 베어링 형상의 시험편이 된다. 이 중, 실시 예 1~실시 예 9 및 실시 예 15~실시 예 18의 시험편은, 제조 방법의 제1 실시형태로 제조된 베어링 합금(10)을 베어링 합금층(21)으로서 기재층(23)에 접합된다. 또, 실시 예 10~실시 예 14의 시험편은, 베어링 합금(10)의 전구체를 이용하여 제조 방법의 제2 실시형태로 제조된다. 기재층(23)은, 예를 들면 Fe를 주성분으로 하는 Fe계의 합금으로 형성한다. 얻어진 실시 예 및 비교 예의 시험편은, 도 7에 나타내는 조건을 근거로 하여 시험을 실시한다.

얻어진 시험편은, 예를 들면 디젤 엔진 등의 차량용 엔진 또는 이를 본뜬 시험기에 설치되어 슬라이딩 이동하는 대상이 되는 상대 부재와 슬라이딩 이동한다. 차량용 엔진을 본뜬 시험기의 경우, 상대 부재는 크랭크 샤프트와 같은 축 부재에 상당한다. 이 상대 부재와의 슬라이딩 이동시에 있어서, 시험 조건(제1시험)은 아래와 같다.

(1)상대 부재와 시험편의 슬라이딩 이동시의 접촉면압은, 75MPa, 80MPa, 85MPa, 90MPa로 설정한다.

(2)상대 부재와 시험편의 슬라이딩 이동시의 온도는, 170℃로 설정한다.

(3)상대 부재와 시험편의 슬라이딩 이동시의 회전 횟수는 6500rpm으로 10⁷회로 설정한다.

여기서 접촉면압(P)은, 상대 부재에서 시험편으로 가해지는 하중(L)을, 시험편의 슬라이딩 이동 부분의 투영 면적(S)으로 나눔으로써 P=L/S로 산출된다. 따라서, 시험 조건은 P=L/S=75MPa이다. 상대 부재와 시험편의 슬라이딩 이동시의 온도는, 슬라이딩 이동부분에 공급하는 윤활유에 의해 조정한다. 즉, 상대방 부재와 시험편의 슬라이딩 이동시의 온도는 슬라이딩 부분에 공급되는 윤활유에 의해 조정되고, 그 온도는 170℃로 조정한다. 또, 윤활유의 온도는 엄밀하게 일정하게 하는 것이 곤란하므로 170℃±2℃로 조정한다. 시험편이 설치된 시험기는, 상기의 접촉면압 및 온도의 조건을 충족시키면서 상대 부재를 10⁷회, 회전시킨다. 이처럼, 본 실시형태의 시험 조건은 차량용 엔진에서의 가혹한 환경을 본뜬 조건으로 설정한다.

상기 조건 외에 실시 예 및 비교 예의 검증에 이용한 시험 조건은 다음과 같다.

슬라이딩 이동 부분으로 공급하는 윤할유의 공급 압력은, 0.4MPa±0.03MPa로 설정했다. 윤활유는, VG68을 이용하였다. 시험편 크기는, 내경φ48mm×축선방향 길이14mm×두께1.5mm로 설정했다. 상대 부재와 시험편 사이의 오일 클리어런스는 50μm로 설정했다. 상대 부재의 재질은 S55C 담금질된 재료로 하였다. 상대 부재의 축 조도는 JIS에 의한 Rz=0.5s 이하로 하였다.

상기의 제1 시험에서의 시험 후에 있어서, 면압 90MPa로 시험편에 큰 크랙에 의한 피로 파괴가 발견되지 않으면 합격 「A」판정으로 하였다. 마찬가지로 면압 85MPa로 시험편에 피로 파괴가 발견되지 않으면 합격 「B」판정으로 하였다. 면압 80MPa에서 시험편에 피로 파괴가 발견되지 않으면 합격 「C」판정으로 하였다. 면압 75MPa에서 시험편에 피로 파괴가 발견되지 않으면 합격 」「D」판정으로 하였다. 면압 75MPa에서 피로 파괴가 발견되면 불합격 「X」판정으로 하였다. 상기의 시험 조건은 차량의 엔진 등에 요구되는 요구 품질을 근거로 한 것이다.

또, 실시 예 및 비교 예의 시험편(14)에서의 침상 화합물(12)의 개수는, 미리 설정한 상술의 관찰 시야(30)에서 계측한다.

상기의 시험 조건에 더하여, 실제의 엔진의 운전 조건 온도를 상정한 「운전 환경하」에서도 시험(제2시험)을 수행하였다. 이 「운전 환경하」의 제2시험에서는, 시험편은 3000시간, 150℃의 조건으로 유지한다. 이러한 온도 조건으로 유지함으로써 시험편은 경도에 변화가 생긴다. 이때, 시험편의 경도의 저하율이 3%이하이면, 최우수품「A」판정으로 하고, 경도의 저하율이 3%보다 크고 5%이하이면, 우수품「B」판정으로 하고, 경도 저하율이 5%보다 크고 8%이하이면 합격품 「C」판정으로 하고, 경도의 저하율이 8%보다 크면 불합격품 「X」판정으로 하였다. 3000시간, 150℃라는 조건은, 차량의 엔진 등에 요구되는 요구 품질에 따른 것이다.

도 6에서 분명한 바와 같이, 베어링 합금층(21)에 포함되는 침상 화합물(12)은, 침상 화합물의 크기, 즉 그 지표가 되는 침상 화합물의 최대 단경과 개수 사이에 상관성이 있다. 이것은, 침상 화합물(12)은, 제조방법의 제1 실시형태와 같이 열 처리, 또는 제2 실시형태와 같이 입상 화합물의 벽개에 의해 일어난다. 그래서, 침상 화합물(12)은, 최대 단경이 작아질수록 미세화하여 개수가 증가하기 때문이다. 또한, 최대 단경이란, 관찰 시야에서의 침상 화합물 각각의 단경 중에서 최대 길이의 단경을 말한다.

베어링 합금(10)에 침상 화합물(12)을 포함하는 실시 예 1~실시 예 18은, 비교 예 1 및 비교 예2와 달리, 시험 후의 피로 파괴가 확인되지 않은 것을 알 수 있다. 또, 실시 예 1~실시 예 18은, 운전 환경 하에서의 시험에서도 경도의 저하율이 8%이하로 작은 것을 알 수 있다. 비교 예 1 및 비교 예 2는, 베어링 합금(10)에 침상 화합물(12)을 포함하고 있지 않다. 이런 점에서 베어링 합금(10)에 포함되는 침상 화합물(12)은, 베어링 합금(10)에서의 큰 크랙의 전전의 저해에 기여하면서 동시에 경도의 저하를 억제하는 것을 알 수 있다.

한편, 실시 예 4와 같이 침상 화합물(12)의 최대 단경이 50nm보다 커지거나, 실시 예 3과 같이 침상 화합물(12)의 최대 단경이 1nm이하로 작아지면 더 조건이 어려운 90MPa의 환경하에서 피로 파괴가 확인된다. 또, 실시 예 3 및 실시 예 4에서는 실시 예 1 및 실시 예 2와 비교해서 경도의 저하율이 커진다. 이것은 실시 예 4와 같이 침상 화합물(12)의 단경이 커지면, 베어링 합금(10)에서의 Al 매트릭스(11)와 침상 화합물(12) 사이의 불연속면의 영향이 나오기 쉬워진다. 그래서, 이 Al 매트릭스(11)와 침상 화합물(12) 사이의 불연속면을 기점으로서 미소한 크랙이 발생할 가능성이 증가할 수 있는 것으로 생각된다. 그 결과, 침상 화합물(12)의 단경이 50nm보다도 크면, 더 엄격한 조건하의 시험 후에 있어서 피로 파괴나 경도 저하를 초래하는 것으로 생각된다. 한편, 실시 예 3과 같이 침상 화합물(12)의 단경이 최대 1nm로 작아지면, 베어링 합금(10)에서의 Al 매트릭스(11)에 포함되는 침상 화합물(12)은 매우 미세해진다. 그래서, Al 매트릭스(11)에 있어서 미소한 크랙이 신장하면, 신장한 크랙은 매우 미세한 침상 화합물(12)을 회피 즉 우회해서 신장하기 쉬워진다. 그 결과, 단경이 1nm 이하로 미세한 침상 화합물(12)은, 더 엄격한 조건하에서는 큰 크랙으로의 진전이나 경도의 저하를 저해하는 능력이 떨어지는 경향이 있는 것으로 생각된다.

이상과 같은 실시 예에서 침상 화합물(12)은 단경을 2nm~50nm 정도로 설정하는 것이 바람직한 것으로 생각된다.

또, 침상 화합물(12)의 단경을 설정해도, 실시 예 16 및 실시 예 17과 같이 각도차(θ)의 조건에 따라서는, 더 시험 조건이 까다로운 80MPa의 환경하에서 피로 파괴가 확인되면서, 경도의 저하를 초래한다. 이것은, 큰 크랙으로의 진전은, 침상 화합물(12)의 각도차(θ)의 영향을 받는 것을 나타내고 있다. 즉, 베어링 합금(10)은, 각도차(θ)가 35°~55°가 되는 침상 화합물(12)을 30%이상 포함함으로써 미소한 크랙의 방향의 전환이 도모되고, 큰 크랙으로의 진전이 효과적으로 방해받으면서 동시에 경도의 저하를 억제하는 것을 나타내고 있다. 특히, 실시 예1과 같이 침상 화합물(12)의 각도차(θ)에서의 조건을 충족할 경우, 더 엄격한 조건하에서도 높은 강도를 유지할 수 있다.

이상과 같은 실시 예에서, 침상 화합물(12)은, 각도차(θ)가 35°~55°가 되는 것이 30%이상 포함되는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 또, 제조 비용을 감안하면, 70%이하 포함되는 것이 바람직한 것도 알아내었다.

실시 예 2~실시 예 7과 같이 침상 화합물(12)의 각도차(θ)에서의 조건을 충족하는 경우, 엄격한 조건하에서도 높은 강도를 유지할 수 있다. 예를 들면, 실시 예 2의 경우, 각도차(θ)를 하한 부근에서 만족시키면, 어려운 조건에서도 높은 강도를 유지할 수 있다. 실시 예 4의 경우, 각도차(θ)가 35°~55°으로 하한 부근이라도, 80°~90°및 0°~10°를 적절히 제어함으로써 어려운 조건하에서도 높은 강도를 유지할 수 있다. 실시 예 7과 같이 각도차(θ)가 35°~55°가 되는 것을 제어함으로써 어려운 조건하에서도 높은 강도를 유지할 수 있다.

한편, 실시 예 8 및 실시 예 9와 같이 침상 화합물(12)의 단경이 크거나 또는 작은 경우에도 각도차(θ)를 적절히 제어함으로써 충분한 강도를 유지할 수 있다. 또한, 실시 예 1~실시 예 18에서 알 수 있듯이 어느 제조 방법을 이용해도 베어링 합금(10)의 강도는 유지할 수 있다.

이상 설명한 것처럼, 본 실시형태의 베어링 합금(10)은, 최근의 디젤 엔진에 요구되는 고온의 환경하에서도 그 운전 기간에 상당하는 동안, 충분한 강도를 유지한다. 그래서, 본 실시형태의 베어링 합금(10)은, 상기와 같은 시험 조건에서의 시험 후에도, 피로에 따른 피로 파괴가 생기지 않는다. 그리고, 본 실시형태의 베어링 합금(10)은 Al을 주성분으로 하고 있다. 그래서, Cu기의 베어링 합금과 비교해서 저렴하며, 유황분에 대한 내식성도 높다. 따라서, 내식성을 높일 수 있으면서 Al기라도 고온 환경하에서 높은 강도를 오랫동안 유지할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 베어링 합금(10)은 첨가 원소로서 Zn, Cu, Si 중 2종 이상을 포함하고 있다. 따라서, Al기라도 저가의 첨가 원소로 고온의 환경하에서 높은 강도를 오랫동안 유지할 수 있다.

그리고 또한, 본 실시형태에서는 베어링 합금(10)은, Al 매트릭스(11)의 조직 중에 침상 화합물(12)이 석출한다. 이 침상 화합물(12)은, Al 매트릭스(11)의 조직 중에 언뜻 보면 무배향으로 분산되어 있다. 그래서 Al 매트릭스(11)에 생긴 미소 크랙은 특정 방향으로 규정되지 않고 불규칙하게 분산하는 침상 화합물(12)에 의해서 신장이 방해받는 동시에 그 신장 방향이 변경된다. 그 결과, 베어링 합금(10)의 강도에 영향을 주는 큰 크랙으로의 진전이 저해된다. 특히, 침상 화합물 (12)의 각도차(θ) 및 이 비율을 규정함으로써 큰 크랙으로의 진전이 효과적으로 저해된다. 따라서 Al기라도 고온의 환경하에 있어서 높은 강도를 오랫동안 유지할 수 있다.

본 실시형태에서는, 베어링 합금(10)에 석출하는 침상 화합물(12)은, 미세할 수록 크랙의 기점이 되기 어렵다. 따라서, 침상 화합물(12)은, 단경을 50nm이하로 충분히 미세하게 한다. 이에 의해 침상 화합물(12)은, 크랙의 기점이 되지 않았다. 따라서, Al기라도 고온의 환경에서 높은 강도를 오랫동안 유지할 수 있다. 한편, 침상 화합물(12)이 작아지면, 신장하는 크랙은 침상 화합물(12)을 우회해서 신장하기 쉬워지고 큰 크랙으로의 진전을 저해하는 효과가 떨어진다. 따라서, 침상 화합물(12)의 단경은 2nm이상으로 설정하는 것이 좋다.

이상 설명한 본 발명은, 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니라 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 실시 형태로 적용 가능하다.

Claims (7)

1. Zn, Cu, Si에서 선택되는 2종 이상의 원소를 포함하되,
   Zn을 0.0~8.0질량%,
   Cu를 0.0~4.0질량%,
   Si를 0.0~10.0질량% 포함하고,
   나머지가 Al, 첨가 원소 및 불가피 불순물로 구성되어 있는 Al기(基) 베어링 합금이며,
   Al 매트릭스와,
   상기 Al 매트릭스의 조직 중에 복수 석출되어 있으며, 단경(短徑) 및 장경(長徑)을 가지는 바늘형상의 침상(針狀) 화합물을 구비하며,
   상기 첨가 원소로서,
   Mg을, 0.1~0.5질량%,
   Mn을, 0.1~0.5질량%,
   Ti를, 0.1~0.5질량%,
   V를, 0.1~0.5질량%,
   중 어느 1종 이상을 포함하고,
   상기 침상 화합물은,
   임의로 선택한 선택 침상 화합물과, 상기 선택 침상 화합물의 장경(長徑)을 연장한 가상 직선 상에 위치하는 인근 침상 화합물을 포함하고,
   상기 인근 침상 화합물은, 상기 가상 직선과 상기 인근 침상 화합물의 장경과의 각도 차이인 각도차가 35°~55°이면서 동시에,
   상기 침상 화합물은, 미리 설정된 설정 영역에 있어서,
   상기 각도차가 35°~55°인 것을 개수(個數)로 30% 이상, 포함하는 Al기(基) 베어링 합금.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 침상 화합물은, 미리 설정된 설정 영역에 있어서,
   상기 각도차가 35°~55°인 것을 개수(個數)로 30%~70%,
   상기 각도차가 0°~10°인 것을 개수(個數)로 10% 이하,
   상기 각도차가 80°~90°인 것을 개수(個數)로 10% 이상, 포함하는 Al기 베어링 합금.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 침상 화합물은, 단경이 50nm 이하인 Al기 베어링 합금.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 Al기 베어링 합금으로 형성되어 있는 베어링 합금층과,
   상기 베어링 합금층과 겹쳐 설치되어 있는 기재(基材)를 구비하는 미끄럼 베어링.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제

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