[0001]【技术领域】
[0002][0001]본 발명은 대개 고성능 기관(engine), 주로 커넥팅 로드 베어링, 크랭크축 메인 베어링 및 커넥팅 로드 부시(bush)에서의 이용, 및 변속기뿐만 아니라 캠축 및 보상축(counterbalance shaft) 장착시에 이용되는 알루미늄-기반 기판층 및 알루미늄-기반 슬라이딩층을 포함하는 2-층 복합재가 상부에 도포된 강철 지지층을 갖는 슬라이딩 베어링 요소, 특히 슬라이딩 베어링 쉘(shell), 및 2 개의 상기 슬라이딩 베어링 요소로 제조된 슬라이딩 베어링에 관한 것이다.
[0003]【背景技术】
[0004][0002]알루미늄-기반 베어링 금속 물질은 보통 고체 알루미늄 스트립으로서 주조되고, 성형 및 열 처리 단계 후에 접합, 보통 압연 접합(roll bonding)에 의해 강철 스트립에 결합된다. 구리-기반 베어링 금속과 비교하여, 알루미늄-기반 베어링 금속이 더 나은 내장(embedding) 특성을 제공하며, 이는 예를 들어, 마멸 또는 오염을 통한 베어링 갭 내의 외래 입자를 흡착 및 내장하는 물질의 능력을 의미한다. 알루미늄 베어링 금속의 슬라이딩 또는 적어도 비상 작동 특성은 또한 특히 이들이 높은 주석 함량을 갖는 경우 보통 더 우수하다. 따라서, 이들 물질은 슬라이딩층이 있거나 없이 사용될 수 있다. 첫번째 경우에, 이는 본원에서 2-물질 시스템 또는 베어링으로서, 두번째 경우에 3-물질 시스템 또는 베어링으로서 지칭된다.
[0005][0003]일반적으로 알려진 바와 같이, 2-층 및 3-층 시스템은 또한 주석 중간층을 가져, 강철 후면과 베어링 금속층 사이의 접착력을 개선할 수 있다. 그 후, 베어링 금속층은 중간층과 함께, 우선 압연-접합에 의해 보통 사전-접합되어 복합재를 형성하며, 그 다음에 복합재도 압연-접합에 의해 강철 스트립에 결합된다.
[0006][0004]대체로, 복합재 내의 중간층은 접착 프로모터의 기능 이외의 기능을 갖지 않으며, 보통 순수 알루미늄층이고 따라서 2-층 및 3-층 시스템으로의 범주화에 포함되지 않는다.
[0007][0005]2-층 및 3-층 시스템은 또한 러닝-인 층(running-in layer)으로서 중합체 코팅(마찰 방지 코팅)을 갖는 것으로 알려져 있다. 이에 따라, 이러한 비-금속성층도 2-층 및 3-층 시스템으로의 범주화에 포함되지 않는다.
[0008][0006]알루미늄 2-물질 시스템으로 이루어진 슬라이딩 베어링 요소는 예를 들어, DE 102 46 848 A1호, DE 103 43 618 B3호, DE 10 2005 023 541 A1호, DE 10 2009 002 700 B3호, DE 10 2011 003 797호, DE 10 2011 087 880 B3호 및 EP 1 522 750 B9호에 개시되어 있다. 상기 공보는 알루미늄-기반 베어링 금속과, 이의 내모마성, 열 및 피로 강도가 각각의 경우에 Sn, Pb, In, Bi, Si, Zn, Cu, Mg, Mn, Ni, Ti, Co, V 및/또는 Cr로부터 선택된 다수의 요소 중 복수를 첨가하는 것에 의해 향상될 것임을 논의한다.
[0009]【发明内容】
[0010][0007]용어 "강도"는 일반적으로 분리 또는 소성 변형에 대한 물질의 기계적 저항성을 설명하기 위해 사용된다. 물질의 강도는 변위(displacement)를 포함한, 결정 격자의 구조에 꽤 상당히 의존한다. 상이한 종류의 강도는 응력의 종류 및 방식에 따라 나타낸다. 소위 "내피로성" 또는 "피로 강도"는 시간에 따라 변하는 응력에 대한 물질의 기계적 저항성을 설명하는 동적 강도이다.
[0011][0008]"인장 강도"는 보통 비교적 간단한 인장 시험에서 결정되며, 그 다음에 이로부터 내피로성 또는 피로 강도에 대해 판단이 도출될 수 있다.
[0012][0009]용어 "내마모성"은 기계적 마멸에 대한 물질의 저항성을 지칭한다. 마모는 상이한 원인을 가질 수 있다. 한편으로는, 2 개의 물질이 마찰열 하에서 완전히 함께 접합되어, 물질 중 하나의 제거를 야기하는 시징(seizing) 마모가 있다. 한편으로는, 2 개의 물질이 마찰열 하에서 완전히 함께 용접되어, 물질 중 하나의 제거를 야기하는 시징 마모가 있다. 반면에, 마모 또는 마멸은 마찰 파트너의 상이한 경도로 인해 발생한다. 따라서, 내마모성에 대한 척도는 물질의 경도이며, 이는 물질이 다른 몸체의 기계적 침투에 대해 견디는 저항으로서 이해되고 또한 많은 알려진 경도 시험 중 하나로 비교적 용이하게 결정될 수 있다.
[0013][0010]상술한 합금 성분과 관련하여, 일반적 구분은 따라서 2 개의 효과 사이에서 이루어질 수 있다. 소위 연질 상, 예컨대 Pb, Sn 또는 Bi는 가능한 경우, 혼합된 마찰 조건 하에서도 고체 윤활제로서 시징 및 마모를 감소시킨다. 경질 또는 고체화 성분, 예컨대 Si, 또는 Mn, Cu, Mn, Zn과 Al의 금속간 상(intermetallic phase)은 이의 크기 및 분포에 따라 강도-증가 효과를 가지며, 또한 이의 경도로 인해 마모의 감소에 기여한다.
[0014][0011]DE 10 2009 002 700 B3호는 또한 중간층으로서의 알루미늄 구리 합금과 전체적으로 충분한 소성 유연성을 달성하고 슬라이딩 베어링 쉘의 적응력을 형성하기 위해 이의 두께 및 경도가 베어링 금속층의 특성에 맞추어지는 점을 다룬다.
[0015][0012]2-층 시스템의 일반적인 약점은 한쪽 편의 연질 상의 효과와 다른 한편의 강화 성분의 효과가 하나의 층에서 부분적으로 반대된다는 것이다. 따라서, 본원에 사용된 베어링 금속은 항상 내마모성 및/또는 열 및 피로 강도의 특성과 관련하여 절충을 나타낸다.
[0016][0013]예를 들어 WO 2016/023790호에 개시된 바와 같은 3-물질 알루미늄 시스템으로 제조된 공지된 슬라이딩 베어링 요소는, 지지층으로서의 강철 후면, 적어도 하나의 베어링 금속층 및 전기도금 또는 스퍼터링으로 상기 베어링 금속층에 도포된 슬라이딩층을 갖는다. 이는 예를 들어, 이의 강도 및 내장 능력과 내마모성의 희생과 관련된 연소 기관에서의 까다로운 사용에 대해 베어링 금속층의 알루미늄 합금을 최적화할 수 있게 한다. 후자의 특성은 그에 따라 최적화된 슬라이딩층에 의해 수행된다. 그 다음에, 베어링 금속층은 비상 작동 특성을 최대로 가질 것이다.
[0017][0014]슬라이딩층에 대해, 화학적으로 또는 전기화학적으로(갈바니 전기로) 또는 PVD 공정, 특히 스퍼터링에 의해 도포된 얇은 금속층이 고려될 수 있으며(DE 10 2005 063 324 B4호 또는 DE 10 2005 063 325 B4호와 비교), 이러한 경우에 주석-함유 알루미늄 합금이 구리 합금으로 만들어진 기판에 스퍼터층으로서 도포된다. 이러한 슬라이딩층은 제조 공정으로 인해 매우 얇고, 이들이 높은 강도를 갖지 않기 때문에 이는 기본적으로 유리하다. 전체 베어링의 피로 강도는 모두 슬라이딩층이 얇을수록 하부의 베어링 금속 또는 기판층의 강도에 의해 더 많이 결정된다.
[0018][0015]상술한 코팅은 슬라이딩 베어링의 제조 중 완성된 슬라이딩 베어링에 도포된다. 따라서, 슬라이딩층의 도포는 이들 슬라이딩 베어링의 제조를 상당히 더욱 비싸게 만든다.
[0019][0016]많은 경우에, 중간층 또는 장벽층은 또한 베어링 금속층과 슬라이딩층 사이에 확산 장벽(diffusion barrier)으로서 제공되며, 이는 또한 보통 갈바니 전기로 증착되고 제조 과정을 더욱 비싸게 만든다.
[0020][0017]따라서, 본 발명의 목적은 제조에 저렴한 2-물질 베어링, 및 가능한 경우, 내마모성 및 내장 능력과 동시에 열 및 피로 강도를 갖는 3-물질 베어링의 베어링 요소, 특히 슬라이딩 베어링 쉘을 제공하는 것이다.
[0021][0018]상기 목적은 0.2 내지 0.4 mm의 층 두께를 갖는 알루미늄-기반 기판층 및 0.005 내지 0.1 mm의 층 두께를 갖는 알루미늄-기반 슬라이딩층을 포함하되, 기판층 및 슬라이딩층이 압연 접합에 의해 결합되고 무연(lead-free)인, 2-층 복합재가 상부에 도포된 강철 지지층을 포함하는, 청구항 1에 따른 슬라이딩 베어링 요소에 의해 달성된다.
[0022][0019]본 발명에 따른 슬라이딩 베어링 요소는 상술한 2-층 베어링과 달리, 하나의 층 내에서 내마모성과 피로 강도 사이에 중재가 없고, 공지된 3-층 베어링과 같이, 이들 2 가지 물질 특성이 각각 분리된 층에 부여된다는 사실을 기본으로 한다. 따라서, 본 발명에 따른 슬라이딩 베어링 요소에서의 기판층은 높은 피로 강도를 보장하는 방식으로 조정되는 한편, 슬라이딩층은 최적화된 내장 능력과 매우 양호한 내마모성을 갖는다.
[0023][0020]공지된 3-물질 시스템과 반대로, 슬라이딩층 및 금속층은 압연-접합에 의해 결합된다.
[0024][0021]이는 제조 공정을 상당히 용이하게 한다. 특히, 슬라이딩층 및 베어링 금속층 물질로 제조된 2-성분 복합재는 강철 지지층에 도포되기 전에 스트립으로서 사전제작될 수 있다. 압연-접합에 의해 개별 층을 결합하는 것에 의해, 각각의 이미 형성된 슬라이딩 베어링의 고비용 코팅 없이 연속적인 스트립 생산이 가능하다. 이는 슬라이딩 베어링의 제조를 간소화하고 비용을 감소시킨다.
[0025][0022]공정-안전 압연-접합은 일반적으로 0.005 - 0.1 mm의 소망하는 슬라이딩층 두께에 비해 큰 물질 두께를 필요로 하기 때문에, 예를 들어 갈바니 전기 증착 또는 스퍼터링과 대조적으로 슬라이딩층의 도포 후에 기계가공이 필요할 수 있다. 평평한 슬라이딩 베어링 요소의 경우에, 이는 생산 비용을 상당히 증가시키지 않고 스트립 상에서 매우 효율적으로 수행될 수 있다. 방사상 베어링 요소, 예컨대 베어링 쉘 또는 부시의 경우에, 사후-가공이 드릴링(drilling)/프로파일 드릴링 또는 브로칭(broaching)에 의해 형성된 공작물 상에 수행된다. 이 공정은 항상 필요하고 또한 공지된 3-물질 베어링에서도 수행되며, 이 점은 이 측면에서 추가 비용이 없는 이유이다. 그러나, 상기 베어링 금속층은 슬라이딩층 물질로 코팅하기 전에 기계가공된다. 흥미롭게도, 프로파일 드릴링 편심 프로파일일 때, 기계가공은 슬라이딩층이 다양한 벽 두께를 갖는 한편, 기판층은 일정한 두께를 갖도록 보장한다. 공지된 방사상 베어링의 경우에는, 그 반대이다. 본원에 주어진 0.005 - 0.1 mm의 슬라이딩층 두께는 다양한 벽 두께를 갖는 이러한 베어링에 대해 슬라이딩층의 가장 얇은 지점을 지칭하며, 이에 의해 프로파일 두께에서의 차이는 최대 25 μm일 수 있다. 다른 한편으로, 두께는 따라서 또한 0.1 mm를 초과할 수 있다.
[0026][0023]유리한 실시양태에서, 슬라이딩 베어링 요소의 기판층은 불가피한 불순물과 함께 다음 성분 중 1 이상을 포함하는 제1 알루미늄 합금을 포함한다:
[0027][0024]- 0.1 - 8.0 중량% 구리,
[0028][0025]- 0.1 - 2.0 중량% 망간,
[0029][0026]- 0.2 - 5 중량% 니켈,
[0030][0027]- 1.0 - 8.0 중량% 아연,
[0031][0028]- 0.1 - 5.0 중량% 마그네슘,
[0032][0029]- 0.1 - 2.0 중량% 실리콘,
[0033][0030]- 0.05 - 1.0 중량% 크롬,
[0034][0031]- 0.05 - 1.0 중량% 바나듐, 및 나머지 알루미늄.
[0035][0032]본 발명에 따른 슬라이딩 베어링 요소에서, 기판층은 원소 Cu, Mn, Ni, Zn, Mg 및 Si 중 1 이상이 강도-증가 원소로서 선택적으로 합금된다는 사실에 의해 알려진 방식 자체로 높은 피로 강도를 보장한다.
[0036][0033]유리한 실시양태에서, 조합 중 제1 알루미늄 합금은,
[0037][0034]- 0.4 - 6.0 중량% 구리 및
[0038][0035]- 0.3 - 2.0 중량% 망간을 포함한다.
[0039][0036]구리는 알루미늄과 금속간 침전물 또는 상을 형성하며, 이는 결정 격자에서의 전위(dislocation)를 차단하므로, 강철 후면에 대한 기판층의 접합 강도 감소 없이 물질의 강도를 증가시킨다. 0.4 - 6.0 중량%의 구리 함량 및 상응하는 어닐링 처리에 의해, 강도를 위해 필수적인 합착(coherent) 침전물이 크기, 형태 및 분포의 관점에서 최적으로 형성되는 것으로 나타났다.
[0040][0037]망간은 또한 알루미늄과 금속간 침전물 또는 상을 형성하며, 이는 알루미늄 합금의 점도의 증가 및 입간 균열(intergranular cracking)에 대한 민감성의 감소를 야기한다. 이는 또한 분산 형성제로서 제공된다. 바람직하게는, 망간 함량은 0.3 - 2.0 중량%이고, 이때 망간은 재결정을 억제하며 따라서 상당히 개선된 열 안정성 또는 내열성의 주된 원인이다. 따라서, 구리의 존재 하에서도, 코팅은 특히 현대 연소 기관의 작동의 경우와 같이, 온도 영향에 대해 덜 민감하다. 또한, 제조 과정에서 재결정 온도 증가는 일반적으로 침전물의 크기 및 형태를 유리하게 한다. 반면에, 과도하게 높은 비율의 Mn은 깨지기 쉬운 Al6Mn 결정의 형태의 소위 비합착 침전물의 형성을 촉진하며, 이는 물질의 강도에 대해 부정적 효과를 갖는다.
[0041][0038]바람직하게는, 제1 알루미늄 합금은 또한 0.5 - 3 중량% 니켈 및 0.05 - 1.0 중량% 바나듐 또는 0.2 - 2.5 중량% 마그네슘 및 0.1 - 2.0 중량% 실리콘을 함유한다.
[0042][0039]일 경우에, 니켈은 결정에서 격자 위치를 채우는 것에 의해 특정 범위로 추가 혼합된 결정 고체화를 야기한다. 여기서, 구리 함량은 더 낮게 선택될 수 있다.
[0043][0040]다른 경우에, 마그네슘은 합착 침전물을 통해 더 우수한 냉간 경화를 야기하며, 특히 Cu/Mg 비가 중요한 역할을 한다.
[0044][0041]또한, 본 발명의 2 개의 실시양태 변형이 바람직한 것으로 입증되었으며, 이는 적합한 열 처리로 이들이 강철 지지층에 대해 매우 우수한 접합 강도를 가져, 슬라이딩층에 대한 우수한 접착 프로모터로서도 제공되기 때문이다.
[0045][0042]바람직하게는, 슬라이딩층은 불가피한 불순물과 함께 다음 성분 중 1 이상을 포함하는 제2 알루미늄 합금으로 이루어진다:
[0046][0043]- 1.0 - 10.0 중량% 실리콘,
[0047][0044]- 5.0 - 30.0 중량% 주석,
[0048][0045]- 0.1 - 5.0 중량% 구리,
[0049][0046]- 0.1 - 3.0 중량% 망간,
[0050][0047]- 0.05 - 1.0 중량% 바나듐,
[0051][0048]- 0.05 - 1.0 중량% 크롬, 및 나머지 알루미늄.
[0052][0049]바람직하게는, 조합 중 제2 알루미늄 합금은,
[0053][0050]- 1.0 - 6.0 중량% 실리콘,
[0054][0051]- 5.0 - 25.0 중량% 주석 및
[0055][0052]- 0.3 - 2.5 중량% 구리를 포함한다.
[0056][0053]이미 상술한 바와 같이, 슬라이딩층은 매우 우수한 내마모성 및 내장 능력의 상기 모든 기능을 수행한다. 우선, 5.0 - 30.0 중량%로서 명시된 알루미늄 합금에서의 주석 함량이 이를 담당하며, 이는 2-층 시스템의 알루미늄 합금과 비교하여 높으므로 슬라이딩층의 내장 능력 및 건식 작동 능력을 상당히 증가시킨다. 이를 위해 5 중량%가 적어도 필요하지만, 적어도 10 중량%가 바람직하다. 오직 30 중량%의 상한이 초과될 때, 슬라이딩층의 강도는, 독립적으로 고려시, 층이 더 이상 높은 응력을 견딜 수 없는 정도로 감소된다.
[0057][0054]25 중량%의 상한 값이 고수된다면 높은 수준의 안전성이 달성될 수 있으며; 21.5 중량%가 상한으로서 특히 바람직하다. 높은 주석 함량은 시작/정지 작동을 갖는 연소 기관에서의 베어링, 즉 특정 상에서 유체역학적 기름 윤활이 보장되지 않는 베어링과 같이 혼합된 마찰 조건 하에서 가끔 작동하는 슬라이딩 베어링 요소에 유리하다. 또한, 합금은 주석으로 인해 더욱 용이하게 기계가공될 수 있으며, 이는 슬라이딩 베어링 요소의 사후-가공에서, 예를 들어 드릴링하는 동안에 정확도를 증가시킬 수 있다. 또한, 재작업을 위해 사용되는 도구의 유효 수명(service life)이 증가된다. 동시에, 기판층의 조성에서 슬라이딩층을 조정하는 것에 의해 내마모성을 증가시키고 피로 강도를 감소시키는 상기 합금 원소가 생략될 수 있다.
[0058][0055]기판층에 대해 나타낸 바와 같이, 구리는 금속간 침전물의 형성으로 인해 합금의 강도를 증가시켜, 슬라이딩층은 또한 지지 용량(load-bearing capacity)의 제한적인 증가에 기여한다.
[0059][0056]Si-입자를 제공하고 이의 크기 및 분포를 열처리로 조절하는 것에 의해, 침전물의 경화로 시징에 대한 경향이 감소되거나 내마모성이 상당히 개선될 수 있으며, 이는 혼합된 마찰 조건 하에서뿐만 아니라, 또한 "정상" 유체역학적 작동에서 더욱 유리하다.
[0060][0057]실리콘은 바람직하게는 0.04 mm2의 면적에서 > 5 μm인 Si 입자가 35-70 개 발견될 수 있도록 분포된다.
[0061][0058]특히 바람직하게는, 최대 입자 크기는 35 μm이다.
[0062][0059]이 입자 크기 분포가 특히 유리한 것으로 드러났으며, 이는 > 5 μm인 Si 경질 입자가 경질 지지 결정으로서 물질의 높은 내마모성을 보장하기에 충분히 크기 때문이다.
[0063][0060]입자 크기 분포를 결정하기 위해, 특정 치수의 베어링 금속층의 표면 단면이 현미경 하에서, 바람직하게는 500 배 배율로 시험된다. 슬라이딩층은 임의의 평면에서 보일 수 있으며, 이는 층에서 Si 입자의 분포가 상당히 균질이거나, 적어도 의도적으로 또는 비의도적으로 비균질한, 즉 예를 들어 일 방향으로 점진적으로 증가 또는 감소하는 분포가 어떠한 경우에도 청구된 한도를 벗어나지 않는 것으로 가정하기 때문이다. 이 목적을 위해, 슬라이딩층은 바람직하게는 평면 절단이 우선 이루어지도록 제조된다. 표면 단면에서 보이는 Si-입자는 이의 인식 가능한 최장의 확대부를 결정하고 직경과 동일시하는 방식으로 측정된다. 마지막으로, > 5 μm 직경을 갖는 표면 단면에서의 모든 Si 입자가 합산되며 시험된 총 측정 표면에서 상기 입자의 수는 표준 표면과 관련된다. 또한, 이러한 클래스(> 5 μm)로 분류되는 모든 Si 입자의 직경이 결정 및 합산되며 평균 값은 이들로부터 계산될 수 있다.
[0064][0061]바람직하게는, 제2 알루미늄 합금은 또한 0.1 - 1.5 중량% 망간 또는 0.05 - 1.0 중량% 바나듐 및 0.05 - 1.0 중량% 크롬을 포함한다.
[0065][0062]일 경우에, 망간은 기판층에서와 같이 슬라이딩층에서 점도를 증가시키고, 입간 균열에 대한 민감성을 감소시키며, 재결정의 억제제뿐 아니라 분산제로서 작용하기 위해 제공되며, 그로 인해 개선된 열 안정성 또는 내열성 개선에 주된 원인이다.
[0066][0063]다른 경우에, 크롬은 이 기능을 부분적으로 수행한다. 크롬 함량은 알루미늄 매트릭스 내의 구리 함량에 맞추어지고 물질의 내열성을 담당하며, 이는 고도로 응력이 가해진 이용시 슬라이딩층에도 항상 필요하다. 0.3 내지 2.5 중량% 구리가 동시 첨가된 0.0 내지 1.0 중량%의 크롬 함량은 슬라이딩층 매트릭스에서 강도-증가 침전물을 충분히 형성하기 위해 유리한 것으로 입증되었다. 한편, 성형성에 부정적으로 영향을 주지 않기 위해 1.0 중량%의 함량은 초과되지 않아야 한다.
[0067][0064]마지막으로, 베어링 금속층의 후자의 알루미늄 합금은 매트릭스 물질의 재결정을 억제하는 0.05 내지 1.0% 중량% 바나듐을 포함하고, 이는 이의 재결정 온도를 증가시키기 때문이다. 결과적으로, 바나듐은 내열성을 증가시키기 위해서도 제공된다.
[0068][0065]유리한 실시양태에서, 슬라이딩 베어링 요소의 기판층은 완성된 상태에서 50 - 100 HBW 1/5/30의 브리넬(Brinell) 경도 및/또는 200 - 300 MPa의 인장 강도를 갖는다.
[0069][0066]슬라이딩 베어링 요소의 다른 유리한 실시양태에서, 슬라이딩층은 완성된 상태에서 25 - 60 HBW 1/5/30의 브리넬 경도 및/또는 100 - 200 MPa의 인장 강도를 갖는다.
[0070][0067]도입부에 기재된 바와 같이, 당업자는 인장 강도로부터 물질의 피로 또는 피로 강도를 판단할 수 있다. 경도는 또한 내마모성의 지표이다. 경도 및 인장 강도는 또한 물질의 기계가공성에 대한 판단을 도출하기 위해 사용될 수 있다.
[0071][0068]이제 최고 열부하, 최고 부하 피크 및 일시적 결핍성 윤활 하에서도 베어링 요소가 두드러진 고장을 나타내지 않거나 적어도 알려진 2-물질 베어링에 비해 더 적은 고장을 나타내도록 특정 경도 및 인장 강도로 슬라이딩층 및 기판층의 물질 특성이 조정된다는 것이 나타났다. 기판층의 경도가 하한 값 미만으로 떨어지
