KR900004164B1 - 알루미늄 주재 베어링 합금과 베어링용 복합스트립의 제조방법 - Google Patents

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Description

알루미늄 주재 베어링 합금과 베어링용 복합스트립의 제조방법

본 발명은 베어링 재료용, 예를들면 내연기관용 알루미늄 합금에 관한 것이다.

본 분야에 사용되는 공지의 베어링 재료는 Al-Sn 20%-Cu 1%이다. 이는 양호한 피로강도와 내결착성을 갖고, 또 단조감과 주철 저어널(journal)에 대하여 전착도금하지 않고 양호한 성능을 나타내는 베어링재료로 광범위하게 사용되고 있다. 엔진 모양의 변경에 따라 자동차용으로, 터어보 차지된 가솔린 엔진 및 고속 디질엔진에서 사용이 증가되고 있다. 이로써 Al-Sn 20%-Cu 1%보다 더 높은 피로 평균가를 갖는전착도금없이 단조감과 주철 크랑크샤프트에 사용할 수 있는 베어링 합금을 필요로 하고 있다.

양호한 내결착성과 높은 피로강도는 엔진 베어링 합금에서 서로 상반되는 것이 필요한데, 그 이유는 후자는 높은 경도와 연관되고, 전자는 낮은 경도와 연관되기 때문이다.

공지의 고강도 베어링 합금의 하나는 규소가 미세하고 균일하게 분포된 Al-Sn 11%이다. 이러한 합금의 내결착성은 미세한 규소입자의. 균일한 분포와 동의 존재로 생기고, 또한 이들 두 성분은 어느정도의 피로강도를 나타내는 것을 조장한다. 피로강도는 닉켈 또는 동/아연 중간상에 납/주석의 전착도금을 공급하므로서 더 높게 증가된다.

이 Al-Sn l1%-Cu 1% 합금은 내연기관, 특히 고속 디젤엔진에서 강철 받침 크랑크샤프트 베어링의 라이닝으로 시판되고 있다. 그러나 규소의 함량이 높으면, 통상의 보오링 기계를 사용하는 것보다 대량 생산하는데 매우 경제적인 내경 브로우칭법에는 부적합한 합금으로 되기 때문이다.

본 발명의 목적은 증가된 피로강도롤 가지고, 양호한 내결착성, 양호한 화합성, 양호한 일치성과 양호한 미려성을 나타내는 베어링 재료를 공급하는데 있다.

"일치성"이란 회전멤버와 베어링 라이닝사이에서 약간의 틀린 배열도 받아들일 수 있는 베어링 라이닝의 능력을 의미하고, "화합성"이란 연마하는 동안 거친 접촉 부분의 베어링 합금과 그 대항면 사이의 부분 용접을 저지하는 능력을 뜻한다.

본 발명의 다른 목적은 도금으로 매우 높은 정도의 피로강도를 공급하고, 저렴한 값으로 대량 생산할 수 있는 베어링 재료롤 제공하는데 있다.

본 발명에 의하여 공급되는 합금은 1-11중량%의 규소,8-35중량%의 주석과 0.2-3중량%의 동으로 이루어지고, 잔여 성분은 알루미늄(알루미늄의 불순물)으로 이루어진다.

규소 함량은 2-8중량%이고, 바람직하기는 3-5중량%, 예를들어 4중량%이다. 주석 함량은 8-20중량%, 예를들어 10 또는 11중량%가 바람직하고, 동함량은 0.5-2중량%, 예를들어 1중량%가 바람직하다.

본 발명의 합금은 상기 목적을 충족시키고, 피로강도, 내경착성, 화합성, 일치성과 미려성에 따른 필요한 성질을 가짐을 알 수 있다.

본 발명의 합금에서, 주석은 망상형이 바람직하며, 알루미늄/주석 합금에 사용된 "망상형"은 알루미늄과 주석상이 둘다 연속되어 있고, 주석상은 알루미늄 과립 또는 삼방정 경계에 따라 연속되어 있다. 규소는 합금에서 입자형태가 바람직하고 큰 비율, 예를들어 약 60%가 주석상에 실제적으로 혼합되어 있다.

본 발명에 따른 베어링의 양호한 성질은 주석이 망상형이고 규소가 혼합되어 있을때만 얻을 수 있다. 규소 입자크기는 적합한 내결착성을 갖는데 중요하다. 입자는 20미크론을 초과하지 않아야 하고 모두가 4미크론 이하일 때가 바람직하다. 실제, 예를들어 0.05정도의 소량의 스트론튬 또는 0.05%정도 소량의 나트륨을 함유시켜 규소의 공정(共晶)을 변경시키므로써 규소 입자크기를 감소시킬 수 있다.

8% 이상의 주석함량으로는 주석의 파괴위험이 없이 합금을 쉽게 열간압연을 할수 없다. 따라서 3-5중량%에 가까운 규소 함량은 이러한 합금을 냉간 압연할 수 있고 쉽게 기계가공할 수 있기 때문에 바람직하다. 특히 내경브로우칭도 가능하다. 더우기 표준 절단기구롤, 본 발명에 의한 재료에 대하여, 예를들어 베어링 이외에 사용해도 기구의 마손이 감소된다.

또한 본 발명에 전술한 새로운 베어링 합금을 베어링 재료의 스트립 형태 또는 성형 베어링으로 받침에 결합시키는 것도 포함된다. 받침은 강철 또는 알루미늄이나 알루미늄 합금이 바람직하며, 강철 받침을 사용할 경우, 알루미늄 또는 알루미늄합금 박층은 결합하는메 도움이 되도록 강철과 베어링 합금사이에 사용한다.

베어링은 직접 성형하거나 블랭크(blank)로 먼저 성형한 다음 원하는 형상으로 성형한다.

본 발명에 의한 라이닝을 갖는 베어링의 피로강도를 시험하기 위하여, 편심적으로 위치한 축을 동적 하중상태하에서 작동시켜 시험했다. 본 발명에 따른 재료는 Al-Si 4% Sn 11%-Cu 1%로된 합금이고 이는 두 합금, 즉 Al-Sn 20%-Cu 1%와 Al-Si l1%-Cu 1%와 비교했다.

2980 1bf/in²의 비부하에서 20시간후, 본 발명에 의한 베어링은 피로 파괴를 나타내지 않는 반면에 공지재료인 라이닝을 갖는 두 베어링은 둘다 피로 파괴를 가졌다.

화합성에 있어서, 본 발명에 따른 라이닝올 갖는 베어링 부시를, 공지의 Al-Sn 20%-Cu 1% 합금으로 라이닝된 것과 시험했다.

이 시험에서 직경 5/8인치(1.6cm), 길이 3/4인치(1.9cm)의 원통형 부시를 축상에 놓았다. 축을 윤활상태하에 1.5분동안 1500rpm으로 회전시킨 다음 4.5분동안 정지시켜서 베어링의 부하지역외로 윤활유가 흘러나오도록 한다. 시험주기는 연속 10회 반복하여서 한다. 시험주기는 부시에서 보다 크게 다른 부하로 반복한 다음, 최대 부하로 1300회의 시험주기로 더 시험했다. 이 결과를 요약하면 표 1과 같다.

[표1]

각 재료의 여섯가지 시료를 시험했고, 표 1에서 볼 수 있는 바와같이, 본 발명에 의한 재료의 화합성이 많이 개량되었음을 알 수 있다.

본 발명에 따른 재료를 두 공지 재료와 내결착성을 비교평가하기 위하여 시험했다.

따라서 "샤파이어(sapphire)" 결착시험율을 실시하여 구상주철 축상에 대한 Al-Sn l1%-Si 4%-Cu 1%, Al-Sn 20%-Cu 1%합금과 Cu-Pb 25%-Sn 1.5%합금의 성능을 비교한다. Cu/Pb베어링을 5μmNi과 5μm Pb Sn으로 도금하고, 시험전에 100시간동안 160℃에서 열처리한다.

이는 여러시간 엔진에서 실시한후 도금층을 갖는 베어링의 조건과 유사하게 행한다.

샤파이어 결착시험은 다음과 같은 조건하에서 샤파이어 시험장치로 실시한다:

1. 베어링을 길이를 인으로 기계가공하여, 전체 크기의 베어링으로 통상 얻을 수 있는 것보다 더 높은 비부하의 사용이 가능토록 한다.

2. 윤활유(SAE l0)는 120℃로 예열한다.

3. 장치는 100MPa에서 1시간동안 작동시킨다.

4. 부하는 20MPa까지 증가시키고 새로운 부하에서 10분동안 장치를 작동시킨다. 이 방법은 결착이 일어나거나 베어링 온도가 급히 160℃ 이상으로 상승할 때까지 반복한다.

결착이 일어났을 시의 부하는 사파이어 결착 평가로 나타나며, 그 결과를 표시하면 다음 표 2와 같다.

[표 2]

상기 각 결과는 몇 회 시험한 평균치이고, 이 결과로부터 구상주철 반대면에서 관찰했을 때 본 발명의 재료가 특히 Al-Sn 20%-Cu 1%보다도 내결착성이 더 크다는 것을 알 수 있다. Cu-Pb 25%-Sn l.5% 베어링은, 마멸로 도금층이 손실되었을때 결착되었다.

종래 몇몇 문헌에서, 크롬 또는 망간과 같은 다른 첨가제를 통상의 베어링 재료에 첨가하여 이의 강도를 증가시키도록 한 것에 제안되었었다. 그러나 본 발명의 경우에는 이들 첨가제는 주석상의 망상 조직으로 배제할 수 있으므로 더 낮은 피로강도로도 사용이 가능하다.

매우 높은 강도의 베어링 합금을 필요로 할때, 예를들면 터어보 차지된 엔진 및 대형 고속 디젤엔진에 사용할 때, 본 발명의 베어링층은 연질도금으로 층을 도금하여도 좋다. 도금은 납/주석 또는 납/주석/동과 같은 납-주재 합금, 또는 주석/안티모니나, 주석/안티모니/동, 또는 납, 주석, 안티모니아 동과 같은 금속의 조합물이 바람직하다. 도금층하부에 다음과 같은 금속중 하나의 중간층이 바람직하다: 닉켈, 철, 은, 코발트, 동-아연 또는 동-주석. 이들은 알루미늄 합금으로 도금층의 구조물이 확산되는 것을 방지해준다.

표 3은 본 발명에 따른 대표적인 합금 조성물의 예를 든 것이다.

수치는 모두 중량퍼센트이고 각 경우에 잔여성분은 알루미늄을 나타낸다. 모든 경우에, 약 60%의 규소가주석상에 실제적으로 함유된다.

[표 3]

예비시험으로 표 3의 예에 나타난 바와같이, 합금 조성물 D,C,E와 G는 양호한 성질을 나타내고, 이들중 조성물 D가 가장 바람직하고, 다음의 조성물 G이다.

본 발명에 의한 라이닝을 갖는 성형 베어링용 강철-받침베어링 스트립의 제조 방법을 Al-Sn 20%-Cu 1%의 라이닝을 갖는 유사한 스트립의 공지제조방법과 비교하여, 본 발명을 상세히 설명할 것이다.

공지 합금의 경우, 장방형 빌릿을 먼저 25mm두께로 주조하고, 이 빌릿을 600mm길이로 절단하고, 모서리를 제거하고, 3시간동안 350℃로 어니일링(annealing)한다. 빌릿의 표면을 기계로 가공하여 이의 두께를 19mm로 감소시킨다. 다음 빌릿을 1.5두께의 알루미늄 박판으로 전체 두께가 22mm까지 갖도록 각 표면을 피복한다.

다음 스트립을 여러 단계에서 냉각 압연하여(주석 침출을 최소한으로 한다) 0.89mm로 내린다. 대표적 단계는 11mm, 7.76mm, 5.09mm, 3.5mm, 2.49mm, l.49mm, 1.93mm, 1 14mm와 0.89mm이고, 이 단계에서 스트립을 다듬어 강철받침에 결합시킨다.

본 발명에 따른 합금의 경우에, 강철받침에 결합시키고 압연하는데, 재료를 더 연성을 갖게하기 위하여 규소를 분쇄할 필요가 있다. 25mm두께의 장방형 빌릿을 전기 공지 방법에서와 같이 주조하고, 다시 톱으로 모서리를 제거하고, 600mm길이로 절단한다. 빌릿표면을 기계로 가공하여, 이의 두께를 19mm로 하고, 빌릿을 16시간동안 490℃에서 어니일링한다. 빌릿을 5단계로 압연하여 7.7mm로 내리는데, 이 단계는 대표적으로 19mm, 15mm, 12mm, 9mm와 7.7mm으로 한다. 이 단계에서, 스트립을 270℃에서 2mm, 시간동안 2회 열처리한다. 표면을 벨트 연마기를 사용하여 연마한 다음, 증기로 탈지하고 솔질한 다음, 0.81mm두께의 알루미늄 박판을 한면에 피복하여 전체 두께가 8.51mm까지 갖도록 한다. 이것을 압면하여 0.89mm로 내리는데, 이 단계는 4.8mm, 3.4mm, 2mm, 1.5mm, 1.1mm와 0.89mm로 한다. 알루미늄 표면과 강철 증기로 탈지하고, 알루미늄을 솔질하고 강철표면을 벨트로 연마한후 스트립을 다듬은 다음 강철 받침에 결합시킨다.

마무리된 스트립을 필요에 따라 베어링으로 성형시킨 다음, 필요하면 임의로 베어링을 전기도금할 수 있다.

본 발명에 따른 합금의 특징중 하나는 천공하여 마무리할 수 있는 것이다. 이를 위한 최대 규소함량은 약8%이고, 그렇지 않으면 합금은 너무 강해진다. 내경브로우칭 도금하기 전에 회전시키지 않고 마무리된 베어링 표면으로 원형 절단공구를 밀어 넣어 구멍을 뚫는 기술이다.

이 공구는 3-8가지가 있으며, 통상 다섯가지는 모서리 절단용이고: 첫째는 거칠게 절단하는 것이고, 마지막 것은 마무리 절단기이다. 절단기는 고속, 공구 강철 또는 탄화 텅그스텐으로 만든다. 또한, 절단기의 포면은 질화 티타늄으로 피복하거나 이와 유사한 것으로 피복하여 조작 수명을 개량시킨다.

Claims (6)

1. 3-5중량%의 규소, 8-20중량%의 주석, 0.5-2중량%의 동을 함유하고 잔여성분이 알루미늄으로 이루어지고 주석상이 망상형임을 특징으로 하는 알루미늄 주재 베어링용 합금.
2. 제 1 항에 있어서 4중량%의 규소, 10중량%의 주석, 1중량%의 동을 함유하고 잔여성분이 알루미늄임을 특징으로 하는 알루미늄 주재 베어링용 합금.
3. 제 1에 있어서, 4중량%의 규소, 10중량%의 주석, 2중량%의 동을 함유하고, 잔여성분이 알루미늄임을 특징으로 하는 알루미늄 주재 배어링용 합금.
4. 제 1 항에 있어서, 2중량%의 규소, 20중량%의 주석, 1중량%의 동을 함유하고, 잔여성분이 알루미늄임을 특징으로 하는 알루미늄 주재 베어링용 합금.
5. 제 1 항에 있어서, 규소가 입상형이고, 입자크기가 0-20미크론임을 특징으로 하는 알루미늄 주재 베어링용 합금.
6. 제 5 항에 있어서, 규소 입자 크기가 0-4미크론임을 특징으로 하는 알루미늄 주재 베어링용 합금.