KR102006026B1 - 플레인 베어링을 형성하기 위한 캐리어 부품, 플레인 베어링, 캐리어 부품을 제조하는 방법 및 플레인 베어링을 갖는 왕복 피스톤 내연 기관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철을 포함하는 기본 재료로 만들어진 캐리어 부품, 특히 베어링 금속을 포함하는 캐리어 부품의 층 시스템이 주행면 측에 제공되는 플레인 베어링을 위한 지지 쉘에 관한 것이다. 이 점에서, 캐리어 부품에 바로 인접한 층 시스템의 캐리어 부품 층은 Sn, 바람직하게는 화이트 금속을 포함하는 재료로 만들어진다. 본 발명에 따르면, 캐리어 부품 층은 연결 영역에 FeSn₂ 가 실질적으로 생성되지 않고 연결 영역에 의해서 기본 재료에 야금학적으로 연결된다. 본 발명은 또한 캐리어 부품을 갖는 플레인 베어링, 캐리어 부품의 제조 방법 뿐만 아니라 왕복 피스톤 내연 기관, 특히 본 발명의 플레인 베어링을 갖는 대형 2-행정 디젤 엔진에 관한 것이다.

Description

플레인 베어링을 형성하기 위한 캐리어 부품, 플레인 베어링, 캐리어 부품을 제조하는 방법 및 플레인 베어링을 갖는 왕복 피스톤 내연 기관{CARRIER PART FOR FORMING A PLAIN BEARING, PLAIN BEARING, METHOD OF MANUFACTURING A CARRIER PART AND RECIPROCATING PISTON COMBUSTION ENGINE HAVING A PLAIN BEARING}

본 발명은 철을 포함하는 기본 재료로 만들어진 캐리어 부품 (carrier part), 특히 왕복 피스톤 내연 기관, 특히 대형 2-행정 디젤 엔진의 플레인 베어링 (plain bearing) 을 위한 지지 쉘 (support shell), 캐리어 부품을 갖는 플레인 베어링, 플레인 베어링을 제조하는 방법 및 독립 청구항의 전제부에 따른 플레인 베어링을 갖는 왕복 피스톤 내연 기관에 관한 것이다.

플레인 베어링은 기계 공학의 거의 셀 수 없는 수의 실시예에서 사용된다. 예를 들어, 플레인 베어링은 왕복 피스톤 내연 기관에서 크랭크샤프트 베어링, 커넥팅 로드 베어링, 스러스트 베어링, 크로스헤드 선회 (pivot) 베어링, 프로펠러 샤프트 베어링으로서 또는 다른 많은 응용에서 사용된다.

플레인 베어링과 플레인 베어링을 제조하는 방법은 예를 들어 WO 00/23718 에 개시되어 있고, 화이트 금속으로 이루어진 코팅은 철 재료로 이루어진 캐리어 부품에 합금된다. 그러나, 합금의 형성에는 액체 합금 성분의 존재가 필요하여, 따라서 대량의 열이 코팅 공정에서 방출되고, 화이트 금속이 용융될 뿐만 아니라 용융된 기본 재료로 이루어진 금속욕 또한 주행면 측에서 캐리어 부품의 상부측에 생성된다. 따라서 생성된 철 재료와 화이트 금속의 용융물은, 대량 발생하는 FeSn₂ 와 함께 서로 합금할 수 있다. 따라서 이런 점에서 대부분 FeSn₂ 로 이루어진 비교적 두꺼운 연결 영역이 발생한다. 이 연결 영역은 의심할 여지 없이 기본 재료와 코팅 사이의 양호한 야금학적 연결을 생성하지만, FeSn₂ 는 매우 취성의 재료를 의미해서 균열 (crack) 의 형성과 취성 파괴 (brittle fracture) 가 공지된 베어링 장치의 더 작은 부하에서 이미 발생할 수 있다. 게다가, 바람직하지 않은 냉각의 경우에, 코팅에 근접한 철 재료의 마텐사이트 (martensite) 로의 변형이 일어날 수 있고 이는 또한 매우 취성이어서, 전술된 단점이 또한 심화된다.

결론으로, 이전에 설명된 종류의 베어링으로는, 기본 재료의 강과 화이트 금속 지지층 사이의 비교적 두꺼운 중간 영역에 높은 취성 및 작은 신축성으로 인해 대응하는 짧은 사용 수명이 야기된다.

이를 회피하기 위해서, 화이트 금속과 같은 베어링 금속으로 이루어진 코팅을 원심 주조 공정에서 캐리어 부품에 도포하는 것이 또한 공지된다. 이 점에서, 용융된 기본 재료로 이루어진 금속욕의 형성이 의심할 여지 없이 억제된다. 그러나, 원심 주조 공정에서 도포된 화이트 금속의 응고시, Cu₆Sn₅ 로 이루어진 니들 형상 결정이 먼저 침전되고 그런 다음에 SbSn 으로 이루어진 입방 결정이 침전되고 마지막으로 남은 주석 농후 매트릭스 (tin-rich matrix) 가 응고된 데에서 합금 성분의 분리가 발생할 수 있다.

Cu₆Sn₅ 의 밀도는 더 크고, SbSn 의 밀도는 더 오래 액체인 매트릭스의 밀도보다 더 작다. Cu₆Sn₅ 결정은 따라서 방사상으로 외부를 향해 이동하고 그렇게 해서 화이트 금속 코팅이 기본 재료와 인접한 영역을 약화시키고, 이는 또한 사용 수명에 바람직하지 않은 영향을 줄 수 있다.

이것 및 관련된 문제를 회피하기 위해서, 플레인 베어링과 플레인 베어링을 제조하는 방법이 WO 2007/131 742 A1 에 제안되고, 여기에서 FeSn₂ 를 포함하는, 최대 10 ㎛ 두꺼운, 비교적 얇은 연결 영역은 순수 화이트 금속층과 철을 포함하는 기본 재료 사이에서 형성된다.

그러나, 이 해결책은 FeSn₂ 층이 의심할 여지 없이 비교적 얇지만 실제로는 여전히 존재해서 취성 파괴와 균열 형성의 문제가 여전히 확정적으로 해결된 것이 아니기 때문에 단지 절충안을 의미한다. WO 2007/131 742 A1 에 따른 플레인 베어링의 변형력이 여전히 충분하지 않기 때문에, 취성 파괴와 균열 형성의 문제는 특히 최대 10,000 kW 또는 심지어 그 이상의 구동력이 실린더당 쉽게 생성될 수 있는 대형 2-행정 디젤 엔진의 크랭크샤프트 베어링과 같이 극도의 고 변형에 노출된 플레인 베어링에 대해서 남아있다.

따라서 본 발명의 목적은 FeSn₂ 연결 영역과의 문제가 더 이상 발생하지 않아서 취성 파괴와 균열 형성이 실제로 불가능해질 수 있는 플레인 베어링을 위한 새로운 캐리어 부품을 제공하는 것이다. 동시에, 더 간단한 층 구조를 갖는 베어링이 제공되어야 하고, 동시에 공지된 제조 공정은 그 자체로 사용될 수 있어서 새로운 베어링의 제조를 위해 새로운 장비가 제공되지 않아도 된다.

이 목적을 만족시키는 본 발명의 주제는 각각의 범주의 독립 청구항의 특징부에 의해 특징지어진다.

종속 청구항은 본 발명의 특히 유리한 실시예에 관련된다.

따라서 본 발명은 철을 포함하는 기본 재료로 만들어진 캐리어 부품, 특히 플레인 베어링을 위한 지지 쉘에 관한 것으로, 캐리어 부품에서 베어링 금속으로 이루어지고 적어도 하나의 부품 층을 포함하는 층 시스템이 주행면 측에 제공된다. 이 점에서, 캐리어 부품에 바로 인접한 층 시스템의 적어도 하나의 캐리어 부품 층은 Sn 을 포함하는 재료, 바람직하게는 화이트 금속으로 만들어진다. 본 발명에 따르면, 캐리어 부품 층은 FeSn₂ 가 연결 영역에 실질적으로 형성되지 않고 연결 영역에 의해서 기본 재료에 야금학적으로 연결된다.

FeSn₂ 로 이루어진 연결 영역은 실제로 완전히 억제되고 따라서 또한 작은, 기술적인 관련도 (technically relevant degree) 가 허용되지 않기 때문에, 본 발명에 따른 플레인 베어링의 변형력이 더 이상 전체적으로 부정적으로 영향받지 않아서 이제 취성 파괴와 균열 형성에 대해 충분하게 높은 안전성이 보장된다는 점이 보장된다.

모든 확립된 원칙에 반해서, 철을 포함하는 캐리어 부품의 기본 재료로의 코팅의 양호한 야금학적 연결과 따라서 높은 접착력이 심지어 FeSn₂ 층의 존재 없이도 달성될 수 있다는 것이 완전히 놀랍게 보여진다. 종래 기술에 항상 존재하는 이 견해는 아마도 액체 화이트 금속으로 코팅하는 것에서 확산 처리에 의해서 FeSn₂ 층이 필연적으로 그리고 따라서 자동적으로 형성된다는 기술적 편견에 기초한다. 이 편견은 본 발명에 의해서 틀렸음이 입증되었다.

특히 바람직한 실시예에서, 적어도 캐리어 부품 층 및/또는 연결 영역은, Sn 이외에, As, P, Sb, Zn, Cd, Mn, Cu 및 Ni 로 이루어진 원소 군 (group) 의 적어도 하나의 원소를 포함한다. 이 점에서 캐리어 부품 층 및/또는 연결 영역에서 특히 P 및/또는 As 의 존재는, 이러한 효과를 위해 이미 충분한 적은 양의 P 와 As 로, 연결 영역에서 종래 기술로부터 공지된 FeSn₂ 의 형성을 상당히 억제하는 것이 알려졌다.

통상적으로, 적어도 캐리어 부품 층 및/또는 연결 영역은 이미 FeSn₂ 층의 형성을 억제할 수 있는, 최대 3%, 바람직하게는 0.1% ~ 2% 범위의 원소 As 및/또는 P 의 비율로, 80% ~ 95% 범위의 Sn 을 포함한다.

이 점에서, Sb 와 같은 추가 원소는 3% ~ 12% 범위, 원소 Ni 및/또는 Cu 는 1% ~ 5% 범위 그리고 Cd 는 0% ~ 1.5% 범위에서 또한 캐리어 부품 층에 존재할 수 있고 적절한 조합과 양에서 FeSn₂ 층의 형성을 또한 억제할 수 있다.

이 점에서 본 발명에 따른 캐리어 부품의 층 시스템은 적용에 따라서 내식성, 특히 내고온성 또는 특히 높은 기계적 내변형성 등과 같은 특정 과제를 만족시킬 수 있는 동일한 또는 상이한 조성의 추가 부품 층을 포함할 수 있다는 것이 이해된다.

이 점에서 연결 영역에서 FeSn₂ 의 결핍은 화이트 금속 코팅, 이는 즉 캐리어 부품 층의 양호한 야금학적 연결에 거의 영향을 주지 않는다는 것이 알려졌다. 이 편견은 또한 본 발명에 의해서 없어질 수 있었다. 더 양호하지 않더라도, 철을 포함한 캐리어 부품의 기본 재료에 대한 캐리어 부품 층의 예외적인 야금학적 연결이 즉 본 발명에서 발생하고 따라서 더 양호하지 않더라도, 적어도 양호한 높은 접착력이 발생한다.

예를 들어 연결 영역의 이상적인 두께는 정확한 화학적 조성에 어느정도 따르면서, 최대 15 ㎛, 구체적으로 최대 0.1 ㎛ ~ 10 ㎛, 바람직하게는 0.01 ㎛ ~ 5 ㎛ 사이의 연결 영역의 두께에 기인한 양호한 접착력은 양호한 접착력에 대해 책임이 있다는 것이 오히려 본 발명의 인식이다.

이 점에서, 캐리어 부품의 기본 재료는 적어도 캐리어 부품 층을 이루는 부위에서 마텐사이트가 없고, 이에 따라 종래 기술로부터의 대체로 이미 공지된 대로 캐리어 부품 층 부위의 취성 또는 접착력은 또한 각각 긍정적으로 영향을 받는다.

이 점에서, Sn 을 포함하는 층 시스템의 하나, 그 이상 또는 각각의 부품 층, 특히 캐리어 부품 층 및/또는 연결 영역은, 특히 바람직하게는 Cu₆Sn₅ 결정 및 SbSn 결정이 균일하게 분포된 실질적으로 균질한 구조를 갖는다.

본 발명은 또한 철을 포함하는 기본 재료의 캐리어 부품을 제조하는 방법, 특히 플레인 베어링을 위한 지지 쉘을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 점에서, 베어링 금속을 포함하는 층 시스템이 주행면 측의 캐리어 부품에 제공되고, 캐리어 부품에 바로 인접하고 Sn 을 포함하는 코팅 재료, 바람직하게는 화이트 금속으로 만들어진 층 시스템의 캐리어 부품 층이 도포된다. 본 발명에 따르면, 캐리어 부품 층은 FeSn₂ 가 연결 영역에 실질적으로 형성되지 않고 연결 영역에 의해서 기본 재료에 야금학적으로 연결된다.

실제로, 캐리어 부품 층은 바람직하게는 철을 포함하는 기본 재료에 용융됨으로써 도포되고, Sn 을 포함하는 코팅 재료의 용융에 요구되는 열 에너지는 바람직하게는 오직 코팅 재료만 완전히 용융되고 철을 포함하는 기본 재료는 코팅 공정 동안 고체 상태로 남아서 철, 바람직하게는 강을 포함하는 기본 재료에서 마텐사이트의 형성이 방지되도록 제어된다. 이 점에서 Sn 을 포함하는 본 발명의 층 시스템이 도포되는 마텐사이트가 없는 기본 재료가 본 발명에 따른 캐리터 부품의 제조에 자연스럽게 사용되는 점을 언급할 필요가 없다.

이 점에서, 코팅 공정은 구체적으로 원심 주조 공정, 중력 주조 공정, 텅스텐/불활성 가스 용접 공정, 레이저 용접 공정, 납땜 공정 또는 폭발 도금 (explosive plating) 이 될 수 있고, 층 시스템의 적어도 하나의 부품 층은 또한 가압 공정에서 철을 포함하는 기본 재료에 가압될 수 있거나 특정 경우에 압력 하에서 압연될 수 있다. 원칙적으로 특히 해로운 마텐사이트의 형성을 방지하고 연결 영역에서 FeSn₂ 의 형성을 방지하는 어떤 다른 공정도 또한 사용될 수 있다는 점이 자명하다.

Sn 을 포함하는 코팅 재료는 예를 들어 분말 및/또는 밴드 및/또는 와이어로서 공급될 수 있다.

본 발명에 따른 캐리어 부품의 층 시스템을 제조하기 위한 특정 공정은 이 점에서 몇몇의 경우에 종래 기술, 예를 들어 WO 2007/131742 로부터 대체로 그 자체로 적어도 부분적으로 공지되었다. 바람직한 변형에서, 예를 들어, 이미 언급된 대로, 바람직하게는 오직 사용된 코팅 재료만 완전히 용융되고 기본 재료는 바람직하게는 응고된 상태로 완전히 남는 제어된 방식으로, 코팅될 표면으로 에너지 전달이 용융 동안 일어나고 거기에 공급된 코팅 재료로 에너지 전달이 일어나면서, 철을 포함하는 기본 재료에 용융됨으로써 코팅의 적어도 제 1 층이 도포된다.

기본 재료로의 그러한 소량의 열 입력에 의해 용융 기본 재료로 이루어진 금속욕의 형성이 코팅될 표면에서 바람직하게 억제되는 것이 그렇게 함으로써 유리하게 달성된다. 코팅 재료는 즉 철을 포함하는 고체 금속 기재에 용융되고, 마텐사이트가 형성되지 않고 코팅의 기본 재료로의 바람직한 야금학적 연결을 보장하는 열이 존재함으로써 확산이 시작된다. 그 중에서도 기본 재료의 가열에 따르는 확산 깊이는 이 점에서 여기에서 확산의 결과로 얻어지는 연결 영역이 최대 15 ㎛, 바람직하게는 0.5 ㎛ ~ 5 ㎛ 의 바람직한 한계내에서 있는 간단한 방식으로 제어될 수 있다. 동시에, 언급된 대로, 코팅 영역에서의 비균일 결정 분포 뿐만 아니라 기본 재료 부위에서의 마텐사이트 형성 또한 회피될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 유리한 양태는 주석을 포함하는 코팅 재료가 추가적으로 예를 들어 아연을 포함할 수 있다는 사실을 포함할 수 있다. 따라서 결정 형성에 영향을 주는데 미리 요구되던 카드뮴이 생략될 수 있고, 이는 환경적 호환성을 증가시킨다.

본 발명은 또한 플레인 베어링, 특히 앞선 특징들 중 하나에 따른 캐리어 부품을 갖는 대형 2-행정 디젤 엔진을 위한 플레인 베어링 뿐만 아니라 왕복 피스톤 내연 기관, 특히 본 발명에 따른 플레인 베어링을 갖는 대형 2-행정 디젤 엔진에 관한 것이다. 이 점에서, 플레인 베어링은 예를 들어 크랭크샤프트 베어링 및/또는 커넥팅 로드 베어링 및/또는 스러스트 베어링 및/또는 크로스헤드 선회 베어링 및/또는 프로펠러 샤프트 베어링 또는 원칙적으로 어떤 다른 베어링일 수 있고, 또한 왕복 피스톤 내연 기관이 아닌 어떤 다른 엔진을 위한 베어링일 수 있다.

본 출원서에 설명된 본 발명에 따른 플레인 베어링과 캐리어 부품 및 이들의 전술한 제조 방법의 실시예의 예시는 오직 전형적인 방식으로만 이해되고 특히 기재된 실시예의 모든 적절한 조합은 본 발명에 의해서 포함된다는 것이 자명하다. 이 점에서 명쾌하게 설명되지 않았더라도 통상의 기술자는 본 발명의 간단한 추가의 개량을 쉽게 이해한다.

Claims (15)

1. 철을 포함하는 기본 재료로 만들어진 캐리어 부품으로서, 상기 캐리어 부품의 주행면 측에 베어링 금속을 포함하는 층 시스템이 제공되고, 상기 캐리어 부품에 바로 인접하고 Sn 을 포함하는 재료로 이루어지는 상기 층 시스템의 캐리어 부품 층이 만들어지는 캐리어 부품에 있어서,
   상기 캐리어 부품 층은 FeSn₂ 가 연결 영역에 실질적으로 생성되지 않고 연결 영역에 의해서 기본 재료에 야금학적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 캐리어 부품.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 캐리어 부품 층 및/또는 상기 연결 영역은 Sn 이외에 As, P, Sb, Zn, Cd, Mn, Cu 및 Ni 로 이루어진 원소 군 중 적어도 하나의 원소를 포함하는, 캐리어 부품.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 Sn 은 상기 캐리어 부품 층 및/또는 상기 연결 영역에서 80wt% ~ 95wt% 범위로 존재하고, As 및/또는 P 원소가 최대 3wt% 범위로 존재하는, 캐리어 부품.
4. 제 1 항에 있어서,
   Sb 는 3wt% ~ 12wt% 범위, 원소 Ni 및/또는 Cu 는 1wt% ~ 5wt% 범위 그리고 Cd 는 0wt% ~ 1.5wt% 범위로 상기 캐리어 부품 층 및/또는 상기 연결 영역에 존재하는, 캐리어 부품.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 연결 영역의 두께는 최대 15 ㎛, 구체적으로 최대 0.1 ㎛ ~ 10 ㎛ 사이에 이르는, 캐리어 부품.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 캐리어 부품의 상기 기본 재료는 상기 캐리어 부품 층을 이루는 부위에서 적어도 마텐사이트가 없는, 캐리어 부품.
7. 제 1 항에 있어서,
   Sn 을 포함하는 상기 층 시스템의 부품 층은 Cu₆Sn₅ 결정 및 SbSn 결정이 균일하게 분포된 실질적으로 균질한 구조를 갖는, 캐리어 부품.
8. 플레인 베어링으로서, 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 캐리어 부품을 갖는, 플레인 베어링.
9. 철을 포함하는 기본 재료로 만들어진 캐리어 부품을 제조하는 방법으로서, 상기 캐리어 부품의 주행면 측에 베어링 금속을 포함하는 층 시스템이 제공되고, 상기 캐리어 부품에 바로 인접하고 Sn 을 포함하는 코팅 재료로 이루어지는 상기 층 시스템의 캐리어 부품 층이 도포되는 캐리어 부품 제조 방법에 있어서,
   상기 캐리어 부품 층은 FeSn₂ 가 연결 영역에 실질적으로 생성되지 않고 연결 영역에 의해서 상기 기본 재료에 야금학적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 캐리어 부품 제조 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 캐리어 부품 층은 철을 포함하는 기본 재료에 용융됨으로써 도포되고 Sn 을 포함하는 상기 코팅 재료를 용융하는데 필요한 열 에너지는 오직 상기 코팅 재료만 완전히 용융되고 철을 포함하는 상기 기본 재료는 코팅 공정 동안에 고체 상태로 남도록 제어되는, 캐리어 부품 제조 방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 코팅 공정은 원심 주조법, 중력 주조법, 텅스텐/불활성 가스 용접법, 레이저 용접법, 납땜법 또는 폭발 도금 (explosive plating) 인, 캐리어 부품 제조 방법.
12. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    Sn 을 포함하는 상기 코팅 재료는 분말, 밴드 및 와이어 중 하나 이상으로서 제공되는, 캐리어 부품 제조 방법.
13. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 층 시스템의 적어도 부품 층은 가압 공정에서 철을 포함하는 상기 기본 재료에 가압되거나 압력 하에서 압연되는, 캐리어 부품 제조 방법.
14. 제 8 항에 따른 플레인 베어링을 갖는, 왕복 피스톤 내연 기관.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 플레인 베어링은 크랭크샤프트 베어링, 커넥팅 로드 베어링, 스러스트 베어링, 크로스헤드 선회 베어링 및 프로펠러 샤프트 베어링 중 하나 이상인, 왕복 피스톤 내연 기관.