KR950007666B1 - 저-마찰 구조물 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

저-마찰 구조물 및 그 제조 방법

도면은 본 발명에 따른 실례적인 도면을 보여주는 도식적인 횡단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 강(鋼)층 2 : 운반층

3 : AlSn20Cu

본 발명은 저-마찰 금속 물질로 이루어지며, 음극 스퍼터링으로 금속 운반 부재에 적용되고, 금속 매트릭스속에 함입된 저-마찰 금속 물질의 입자와 함입된 산소를 함유하는 하나 이상의 층으로 구성되는 저-마찰 구조물에 관한 것이다.

낮은 연료 소비 및 낮은 제조 단가에 의해 대변되는 높은 경제성과 함께 높은 출력밀도를 추구하는 경향으로 인해, 내연 엔진에 있어서 동력부에 제공되는 저-마찰 구조에 의해 특히 유체 마찰을 수반하는 조건에서 교번 동력 응력에 대한 높은 저항성 및 혼합 마찰을 수반하는 조건하에서 미끄럼 성질 등의 관점에 있어서 보다 엄격한 조건이 부합되어야 한다. 이러한 이유로 인해 현대식 내연 엔진내에 적용된 하중, 특히 높은 점화 압력, 높은 압축 및 연료과부하로 인해 부과된 요구들에 본질적으로 응할 수 있는 저 마찰 구조물을 개발하는 것이 제조업자들의 책무였다.

독일 특허 명세서 제28 637 724호에서는 저-마찰층을 음극 스퍼터링에 의해 운반층에 적용시켰던 복합제를 설비함으로써 상술한 문제점의 해결을 제시했다. 저-마찰층은 본질적으로 1중량% 이하의 양으로 존재하며 분산체를 굳게 결합시키는 비교적 단단한 입자들을 함유한다. 보다 단단한 입자들은 금속 성분들의 산화물과 금속 그 자체보다 부피가 큰 산화물을 갖는 금속이 산화물로 이루어진다. 미세하게 분산된 산화물들이 전위 및 입계와 같은 격자 결합들을 억제할 것이며, 고온 강도 및 상승된 온도에서 마모에 대한 저항성이 증가할 것이므로 분산체는 굳게 결합된다. 산화물을 형성하기 위해 요구되는 산소는 통상적인 연속 성형공정으로 만들어진 목적물내에 함유되던지, 음극 스퍼터링 동안에 플라즈마 기체내로 도입된다. 독일 특허명세서 29 14 618호에 제안된 유사한 공정에서는, 0.1-0.5용적%이 농도로 산화물 입자들이 알루미늄으로 이루어진 저-마찰층의 매트릭스내를 함입된다.

높은 함량이 분산체-경화 산화물은 저-마찰층이 강인성을 감소시킬 것이며, 특히, 급한 주행 및 주행성에 불리한 영향을 끼칠 것이다. 결과적으로, 분산체 경화의 원하는 잠재적인 효과는 상승된 온도에서 높은 강도를 갖는 저-마찰 구조물의 제조에 완전하게 이용되지 못한다.

이러한 이유로 인해, 본 발명이 목적은 혼합 마찰을 수반하는 조건하에서 우수한 미끄럼 성질과 함께 유체 마찰을 수반하는 조건하에서 교번 동력학적 응력에 대한 높은 저항성을 갖도록 앞에 처음 기재된 유형의 저-마찰 구조물을 개선하는 것이다.

본 발명에 따라 그러한 목적이 성취되는데 여기서 입자들이

＜0.8㎛의 평균 지름을 갖고 불규칙한 분포로 함입디며 매트릭스 보다 우수한 미끄럼 성질을 갖는 저-마찰물질로 이루어지며, 산소함량이 0.5-2.0중량%이며 입자들의 함량이 상대적으로 높거나 그들이 지름이 상대적으로 낮으면 상대적으로 높다.

바람직한 본 발명의 특징에 따라, 니켈, 알루미늄이나 그들의 합금, 바람직하게는 NiCu로 이루어지고 음극 스퍼터링에 의해 적용된 사이층은 층의 결합강도를 개선하고/거나 분산장벽을 제공하기 위해 층과 운반 부재 사이에 제공된다.

사이층은 1-5㎛, 바람직하게는 1.5-2.5㎛의 두께를 갖는 것이 적절하다. 층과 사이층의 조성물은 점착적으로 서로서로 바람직하게 융합되는 것으로 밝혀졌다.

저 마찰 구조물의 바람직한 실시양태에서, 금속층은 강의 운반 부재 위로 제공된다.

대안적으로, 운반 부재는, 구리, 알루미늄이나 철 합금으로 만들어지며 강층 위에 제공된 운반층과 강층으로 이루어진 복합재로 구성될 수 있다.

본 발명에 따라 저-마찰 구조물을 제조하는 공정에서는, 운반 부재는 음극 스퍼터링하는 동안에 본질적으로 0.5Ts이하의 온도를 유지해야만 하는데, 여기에서 Ts는 매트릭스 기재 금속이 절대 융점이다. 놀라웁게도 그렇게 저온을 사용하면 뜻밖에도 0.05-0.8㎛ 사이의 값으로 매트릭스에 함입된 입자의 평균 지름을 낮출 것이며, 만약 운반 부재가 비교적 저온에서 유지된다면 매트릭스내 입자의 분포는 미세하고 보다 균일할 것이라는 것이 발견되었다. 실온은 사용될 수 있는 가장 낮은 온도일 것으로 믿어진다.

비교적 낮은 운반 부재의 온도외에, 본 발명이 특징에 따라 0.2㎛/분을 넘는 형성(build-up)속도에서 수행된 음극 스퍼터링으로 또한, 층내에 함입된 입자들의 입자 크기를 감소시키게 될 것이다.

그 층안에 함입되는 산소는 산소 원소 또는 공기로 이루어지거나 하나 또는 그 이상의 원소들, 수소, 탄소 및 질소의 산소 화합물로 이루어진 기체로서 음극의 스퍼터링(sputtering)동안 플라즈마 기체에 공급시킬 수 있다. 이런 산소 화합물들 중, 수증기 및 이산화 탄소가 특히 적합한 것으로 밝혀지고 있다.

플라즈마 기체는 보통 아르곤으로 이루어지는 것이 바람직하며, 총 압력의 1-50%에 이르는 산소-공급 기체이 부분압을 진공에서의 음극 스퍼터링에 의한 층의 적용동안 유지시킨다.

한편, 필요한 양의 산소는 음극 스퍼터링에 사용되는 목적물에 있어 산 화합물로서 함입될 수 있으며, 이안에 함입되는 매트릭스와 입자용 물질을 포함한다. 이러한 경우에, 이 층의 산소 함량은 음극 스퍼터링 동안 목적물의 산화물 함량 또는 목적물의 전력 밀도에 의해 조절될 수 있다.

이 공정이 임의적인 특징에 따라, 층을 형성하는 성분들을 운반 부재에 동시에 적용시켜 입자의 세밀한 분포가 부가적으로 향상된다. 이는 목적물의 50% 이상의 매트릭스 안에 함입될 입자를 형성하는 저 마찰물질 및 매트릭스-형성 물질로 이루어진다는 점에서 수행될 수 있다.

또한, 층을 형성하는 성분들은 연속적으로 운반 부재에 적용될 수 있다. 이런 목적을 위해, 층의 매트릭스를 형성하는 저마찰 물질로 이루어진 목적물이 사용되는 것이 바람직하며, 상기 물질들은 다른 영역에서 적용된다.

특정하게 바람직한 실시양태에서, 층을 적용하는데 사용되는 목적물은 또한 사익 층과 사이층 사이에 제공되는 사이층을 적용시키는데 사용될 수 있으며, 상기 층은 직접 연속적으로 적용된다.

또 다른 공정에서, 운반 부재의 온도는 매트릭스가 이 안에 함입되는 입자보다 더 높은 온도에서 적용된 다는 점에서 다르다. 또 다른 공정에서는, 매트릭스를 형성하는 저 마찰 물질은 입자를 형성하는 저 마찰물질이 함입되기 전에 적용되고, 그 동안 부재는 보다 높은 온도에 있으며, 코우팅 작업동안에 온도는 감소된다.

본 발명에 따른 저 마찰 구조물은 DIN ISO 4378에 따른 미끄럼 표면 베어링 및 미끄럼 표면 베어링의 성분뿐 아니라 롤링 요소 베어링 및 기어 톱니(teeth)로 형성된 요소에 사용될 수 있다.

본 발명에 의해 얻어지는 장점은 실시예와 관련되어 보다 자세히 설명될 것이다.

C80W2 유형의 통상적인 공구 강(steel)으로 이루어진 베어링 하프 쉘(half-shells) A, B, C, D, E 및 F는 각각 0.3㎛/분의 부착 속도에서 AlSn20Cu 유형으로 이루어진 층에 15㎛ 두께로 제공되며, 그 동안 베어링 하프 쉘은 60℃이 온도에서 유지된다. 베어링 하프 쉘 A, B 및 C 각각에 형성된 층은 거의 산소가 없다. 베어링 하프 쉘 D, E 및 F 각각에 형성된 층은 1.12중량%의 평균 산소 함량을 갖는다.

하기 표에서, 각 층의 초기 경도 및 최종 경도의 측정으로 얻어진 결과(각각의 경의 6개 개별측정치의 평균)가 정해질 것이다. 최종 경도는 고온 침전물이 빅커스(Vickers)경도 VHN 0.002로서 DIN 50 133에 따라 250시간동안 170℃에서 경화된 후에 각각의 경우에서 측정된다.

[표 1]

측정 결과이 비교에 따라, 초기 경도 H₀는 거의 같은 크기를 갖고, 이 층의 최종 경도 H/초기 경도 H₀의 몫으로 보여지는 경도의 감소는 베어링 하프 쉘 D, E 및 F에서 보다 베어링 하프 쉘 A, B 및 C에서 더작다. 이는 이들이 경도가템퍼링(tempering)에 대한 향상된 저항성을 가지도록 하기 위해 금속 지지체상에 음극 스퍼터링 층을 갖는 베어링이 과다의 0.5중량% 산소를 포함해야만 한다는 결론을 내리게 한다.

강 층(1)은 운반층(2)에 제공되며, 300㎛의 두께로 납-주석 청동으로 이루어져 있다. 50㎛ 두께의 AlSn20Cu층(3)은 음극 스퍼터링에 의해 운반층(2)에 50㎛이 두께로 적용된다.

Claims (27)

1. 입자들이

   

   ＜0.8㎛의을 갖고 불규칙한 분포로 함입되어 매트릭스 보다 더욱 좋은 미끄럼 성질을 갖는 저-마찰물질로 구성되고, 산소함량이 0.5-2.0중량%이고 입자들의 양이 상대적으로 많거나 입자들의 직경이 상대적으로 작다면 산소의 함량이 상대적으로 많은 것을 특징으로 하는, 저-마찰 금속 물질로 구성되고 금속 운반 부재에 음극 스퍼터링에 의해 적용되고 금속 매트릭스내에 저-마찰 금속 물질의 함입 입자들과 함입 산소를 함유하는 적어도 하나의 층을 포함하는 저-마찰 구조물.
2. 제1항에 있어서, 입자들이 보통의 불규칙 분포로 존재하고 평균 직경

   

   =0.005-0.4㎛을 갖는 것을 특징으로 하는 저-마찰 구조물.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 매트릭스가 알루미늄, 구리 또는 철을 기재로 한 저-마찰 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 저-마찰 구조물.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 입자들이 매트릭스내에 개별적으로 또는 조합물로 함입되는 주석, 납, 비스무트, 구리 또는 아연으로 구성되는 것을 특징으로 하는 저-마찰 구조물.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 저-마찰 금속 물질로 구성된 층이 AlSn5Cu, AlSn10Cu, AlSn20Cu, AlSn30Cu, AlSn40Cu, AlSn10Pb10Cu 또는 AlZn5Pb형의 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 저-마찰 구조물.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 총 두께가 5-500㎛인 것을 특징으로 하는 저-마찰 구조물.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 다수의 층들이 하나 위에 다른 하나로 배열되어 적층물을 형성하는 것을 특징으로 하는 저-마찰 구조물.
8. 제7항에 있어서, 적층물의 두께가 50-500㎛인 것을 특징으로 하는 저-마찰 구조물.
9. 제7항에 있어서, 적층물의 형성한 개개의 층들이 두께가 다른 것을 특징으로 하는 저-마찰 구조물.
10. 제7항에 있어서, 적층물을 형성하는 층들이 서로 다른 저-마찰 물질로 구성되고 산소 함량 또는 입자 직경이 다르거나 같은 것을 특징으로 하는 저-마찰 구조물.
11. 제10항에 있어서, 적층물 층들의 조성물이 각각의 근접한 층들이 조성물과 점차적으로 융합되는 것을 특징으로 하는 저-마찰 구조물.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 니켈, 알루미늄 또는 이들의 합금으로 구성된 사이층이 상기 정의된 층과 운반 부재 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 저-마찰 구조물
13. 제12항에 있어서, 사이층의 두께가 1-5㎛인 것을 특징으로 하는 저-마찰 구조물.
14. 제12항에 있어서, 상기 층과 사이층의 조성물들이 점차적으로 서로 융합되는 것을 특징으로 하는 저-마찰 구조물.
15. 제12항에 있어서, 상기 층을 지지하는 운반 부재가 강으로 구성된 것을 특징으로 하는 저-마찰 구조물.
16. 제12항에 있어서, 상기 층을 지지하는 운반 부재가, 구리, 알루미늄 또는 철 합금으로 만들어지고 강층상에 제공된 운반층과 강층으로 구성된 복합재로 구성된 것을 특징으로 하는 저-마찰 구조물.
17. 운반 부재를 음극 스퍼터링시 0.5Ts(Ts는 매트릭스 기재 금속의 절대 용융 온도임) 미만의 온도에서 유지시키는 것을 특징으로 하는, 금속성 미끄럼 물질의 입자 및 산소가 금속 매트릭스에 함입된 금속성 미끄럼 층을 음극 스퍼터링에 의해 운반 부재에 적용시킴으로써, 제1항 내지 제16항의 저-마찰 구조물을 제조하는 방법.
18. 제17항에 있어서, 층이 음극 스퍼터링시 0.2㎛/분을 초과하는 속도로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 층으로 함입되는 산소가 산소원소 또는 공기로 구성되거나 수소, 탄소 및 질소 원소들중 임의의 것의 산소 화합물로 구성된 기체로서 플라즈마 기체에 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제17항에 있어서, 아르콘이 플라즈마 기체로 사용되고 산소-공급의 부분압이 진공에서의 음극 스퍼터링시 층 압력의 1-50%로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제17항 또는 제18항에 있어서, 층으로 함입될 산소가, 매트릭스와 입자들로 구성되고 음극 스퍼터링에 사용되는 목적물에 산화물로서 함입되는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제17항에 있어서, 층을 형성하는 성분들이 운반 부재에 동시적으로 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제22항에 있어서, 사용된 목적물의 50% 이상이 층을 형성하는 성분들로 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제17항에 있어서, 층을 형성하는 성분들이 운반 부재에 연속적으로 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제17항에 있어서, 층을 적용하기 위해 사용된 목적물이 또한 상기 층과 운반 부재 사이에 제공된 사이층을 적용하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
26. 제17항에 있어서, 매트릭스에 함입될 입자들의 적용시 보다 더 높은 온도에서 매트릭스를 운반 부재에 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
27. DIN ISO 4376에 따른 미끄럼 표면 베어링의 부품들 및 미끄럼 표면 베어링의 유형들에 대해 제1항 내지 제16항에 따른 저-마찰 구조물이 사용되는 방법.

Images