KR20020096921A - 미끄럼 부재용 내마모성 용사피막 - Google Patents

미끄럼 부재용 내마모성 용사피막 Download PDF

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Abstract

본 발명의 한 관점에 따라, 경질재료(경질재료 입자) (5) 분말, 매트릭스 (6) 를 형성하는 금속분말, 및 고체윤활제 분말로 구성된 혼합물을 미끄럼부재 (1) 의 미끄럼면상에 용사함으로써 형성되는 미끄럼부재용 내마모성 용사피막 (3) 을 제공한다. 상기 혼합물은, 상기 혼합물의 0.1 내지 10 질량% 미만의 금속피복 고체 윤활제 입자를 포함하며, 상기 금속피복 고체윤활제 입자는 구리피복 흑연입자 (4) 일 수 있다. 또다르게는, 금속피복 고체윤활제 입자의 피복금속은 구리, 니켈, 은, 코발트, 및 몰리브덴으로 구성된 그룹으로부터 선택된 일 재료인 것이 바람직하며, 그리고 고체윤활제 입자는 흑연, 황화 망간, 플루오르화 흑연, 플루오르화 칼슘, 질화 붕소, 이황화 몰리브덴, 및 이황화 텅스텐으로 구성된 그룹으로부터 선택된 일 재료인 것이 바람직하다. 본 발명의 다른 관점에 따라, 금속피복 고체윤활제 입자는 구리피복 고체윤활제 입자의 10 내지 50 질량% 의 고체윤활제를 함유하는 것이 바람직하다. 본 발명의 또 다른 관점에 따라, 용사피막은 상기 혼합물의 5 내지 15 체적% 의 다공율을 갖도록 플라즈마 용사에 의해 형성될 수 있다.
상술된 용사피막에 따르면, 경질재료로서의 세라믹분말, 매트릭스를 형성하는 금속분말, 및 고체윤활제 분말로서의 금속피복 고체윤활제 입자로 구성된 혼합물을, 내연기관의 피스톤링과 실린더라이너등의 미끄럼부재의 미끄럼면상에 용사하여 형성되며, 취성에 민감하지 않고 보유성도 불량하지 않은 내마모성 용사피막을얻는다는 잇점이 있다.

Description

미끄럼 부재용 내마모성 용사피막{AN ABRASION-RESISTANT THERMAL-SPRAYED COATING FOR A SLIDING MEMBER}
본 발명은 내연기관의 피스톤 링, 실린더 라이너등의, 미끄럼 부재용 내마모성 용사피막에 관한 것이다.
알려진 것처럼, 내연기관용 미끄럼부재의 미끄럼면을 피복하는 내마모성 용사피막은, 세라믹등의 경질재료 분말, 몰리브덴등의 매트릭스를 형성하는 금속분말, 그리고 플루오르화 칼슘등의 고체윤활제 분말을 함유하는 혼합물을 상기 미끄럼부재의 미끄럼면상에 용사함으로써 형성된다.
용사피막은 일본 특허공개공보 제 08-253877 호를 통해 공지되어 있으며, 상기 공보에서 피막은, 고체윤활제로서 금속피복흑연입자를 피막혼합물의 10 내지 20 질량%로 사용한다. 이렇게 공지된 용사피막은 입도분석 -88+44 ㎛ 값으로 특징되는 크기분포를 갖는 흑연입자를 가지며, 상기 피막혼합물에 피복금속으로서의 니켈을 약 75 질량%, 그리고 고체윤활제로서의 흑연을 약 25 질량% 함유하고 있다.
무피복 흑연입자 대신에 금속피복 흑연입자를 사용하면, 용사공정시 흑연의 산화 및 분해문제는 해소되지만, 금속피복 흑연을 다량으로 사용한 내마모성 용사피막은, 그 사용에 의해 얻어지는 마찰계수의 감소효과에 비해 용사피막 강도의 감소가 극히 크다는 점에서 사용상의 결점을 갖고 있다. 더욱이, 고속산소화염(HVOF)용사를 사용하는 경우, 피막의 다공율이 5체적% 미만이 되어 보유성(保油性)이 불량하다는 다른 결점이 있다.
본 발명은 이러한 문제들을 해결하고자 만들어 졌다. 그래서 본 발명의 목적은, 경질재료로서의 세라믹 분말, 매트릭스를 형성하는 금속분말, 및 고체윤활제 분말로서의 금속피복 고체윤활제 입자로 구성된 혼합물을, 내연기관의 피스톤링과 실린더 라이너등의 미끄럼부재의 미끄럼면상에 용사하여 형성되는 내마모성 용사피막으로서, 취성에 민감하지도 않고 보유성도 불량하지 않은 내마모성 용사피막을 제공하는 것이다.
도 1 은 본 발명의 실시형태에 따라 형성된 용사피막을 갖는 피스톤링의 부분확대 단면도이다.
도 2 는 평면미끄럼 마찰마모의 시험에 사용되는 회전식 시험기의 대략도이다.
도면 부호의 설명
1:피스톤링2:모재
3:용사피막4:구리피복 흑연입자
5:경질재료 입자6:매트릭스
11:시편12:상대물
P:면압
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 경질재료 분말, 매트릭스를 형성하는 금속분말, 및 금속피복 고체윤활제의 분말로 구성된 혼합물을 미끄럼부재의 미끄럼면상에 용사하여 형성되는 미끄럼부재용 내마모성 용사피막을 제공하되, 상기 피막혼합물이 0.1 내지 10 질량% 미만의 한정된 범위내에서 금속피복 고체윤활제 입자를 포함하도록 한다.
금속피복 고체윤활제 입자의 함량을 상기와 같이 한정한 이유는, 0.1 질량% 미만인 경우에는, 윤활효과가 충분하지 못하고, 10 질량% 이상인 경우에는, 피막이 취약하고 마찰계수의 개선효과가 적기 때문이다. 윤활효과를 향상시키기 위해서는, 1 질량% 이상으로 조절하는 것이 바람직하다. 또한, 피막강도의 관점에서는 8 질량% 이하로 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 금속피복 고체윤활제 입자들은 금속피복 흑연입자의 10 내지 50 질량% 의 한정된 범위내에서 고체 윤활제를 함유한다. 그 이유는, 10 질량% 미만인 경우에는, 윤활효과가 충분하지 않으며, 50 질량% 를 초과하는 경우에는, 용사할 때 고체윤활제 입자의 잔여량이 감소되어, 그 결과 상기 미끄럼부재의 상대물(counterpart)의 마모량이 증가하기 때문이다.
본 발명에 따른 피막혼합물에 사용된 고체윤활제 입자는 흑연(C), 황화망간(MnS), 플루오루화 흑연, 플루오르화 칼슘(CaF2), 질화 붕소(BN), 이황화 몰리브덴(MoS2), 및 이황화 텅스텐으로 구성된 군으로부터 선택된 일 재료일수 있으며, 이들 중 가공성의 견지에서 흑연이 사용되는 것이 바람직하다.
고체윤활제 입자를 금속으로 피복하는 방법은 화학적, 전기화학적, 및 기계적 도금법, 가스환원방법, 그리고 기계적융합법을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 고체윤활제 입자를 피복하는데 사용되는 금속은 구리, 니켈, 은, 코발트, 및 몰리브덴으로 구성된 군으로부터 선택된 하나의 재료일 수 있으며, 이들 중 금속도금능력의 입장에서 구리(Cu)가 사용되는 것이 바람직하다.
피막혼합물에 사용되는 경질재료는 크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 및 바나듐의 탄화물, 산화물, 질화물, 및 탄질화물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 이들중 본 발명에 따르면, 상대물 비공격성(즉, 용사피막을 갖는 미끄럼부재와 미끄럼결합을 하는 상대물에 대한 비공격성)의 견지에서, 산화크롬(Cr2O3)이나 탄화크롬(CrC)을 사용하는 것이 바람직하다.
매트릭스를 형성하는 피막혼합물에 사용되는 금속은 몰리브덴, 니켈-크롬합금, 코발트, 코발트-크롬합금, 니켈-몰리브덴 합금, 및 코발트-니켈합금으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있으며, 이들중 본 발명에 따르면, 내마모성 및 내스커핑(scuffing)성의 관점에서, 몰리브덴(Mo) 및 니켈-크롬(Ni-Cr)합금을 함께 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 용사피막의 다공율은, 플라즈마용사에 의해 5 내지 15 체적%의 범위내로 한정되는 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 다공율이 5 체적% 미만이면 보유성이 불량하며, 다공율이 15 체적% 를 초과하면 용사피막이 취약해져, 피막강도가 극히 저하되기 때문이다.
상술한 것처럼, 본 발명에 따른 용사피막에 의하면, 취성을 일으키는 피막강도의 저하는 발생하지 않으며 또한 피막내 보유성도 불량하지 않다. 또한, 본 발명에 따른 용사피막은, 향상된 저 마찰계수를 가질뿐만 아니라 내마모성, 내스커핑성, 및 상대물 비공격성도 우수하다.
도 1 을 참조하여, 본 발명에 따른 용사피막을 피스톤링과 관련하여, 이하에 서술하겠다.
도 1 에 도시된 피스톤링 (1) 에는 그 모재 (2) 의 외주 미끄럼면상에 형성된 용사피막 (3) 이 있다. 상기 용사피막 (3) 은, 40 내지 80 질량%의 몰리브덴 분말, 10 내지 50 질량%의 니켈-크롬합금 분말, 1 내지 20 질량%의 산화크롬이나 탄화크롬, 0.1 내지 10 질량%의 구리피복 흑연입자로 구성된 혼합물을 플라즈마-용사하여 형성된 것이다.
상기 구리피복 흑연입자는 10 내지 50 질량% 의 흑연을 갖는 구리피복을 구비하며, 10 내지 106 ㎛ 의 크기분포를 갖는다.
용사피막 (3) 의 횡단면을 통해 볼수 있는 것처럼, 상기 피막혼합물은 0.1 내지 10 질량% 의 구리피복 흑연입자 (4) 를 구비하며, 이 구리피복 흑연입자는 상기 피막혼합물에 걸쳐 거의 고르게 분산되어있기 때문에, 구리피복 흑연입자 (4) 에 의해 발생하는 용사피막 (3) 의 강도저하는 거의 없다. 더욱이, 용사피막(3) 의 산화크롬 또는 탄화크롬의 경질재료 입자 (5) 가, 몰리브덴과 니켈-크롬 합금으로 형성된 매트릭스 (6) 내에 고르게 분산되어 있어서, 상기 용사피막 (3) 의 상대물 공격성이 낮다. 더욱이, 플라즈마-용사로 형성된 상기 용사피막 (3) 의 다공율은 5 내지 15 질량% 이므로, 다공율과 흑연 상(相)의 상승효과로 인해, 상기 용사피막 (3) 은 마찰저항이 작고 내마모성 및 내스커핑성이 우수하다.
(용사피막의 실시예와 그 시험의 설명)
본 발명의 용사피막을, 실시예, 비교예 및 종래예에 대하여 행한 몇몇 시험과 연관하여 이하에서 더 자세히 서술하겠다.
아래 표 1 에 도시된 것처럼, 시편 No.1 및 Mo.2 는 금속피복 고체윤활제를 함유하지 않은, HVOF(No.1) 또는 플라즈마(No.2)용사가공에 의해 형성된 피막을 갖는 종래예이다. 시편 No.3 내지 No.15 는 본 발명의 실시예에 따른, 금속피복 고체윤활제 입자를 함유한 플라즈마-용사 피막의 실시예이다. 마지막으로, 시편 No.16 내지 No.19 는 금속피복 고체윤활제를 함유한 플라즈마용사 피막의 비교예로서, 상기 비교예와 실시예는 피막혼합물내의 금속피복 고체윤활제의 함량비 또는 금속피복 고체윤활제내의 고체윤활제의 함량비가 서로 다르다.
피막혼합물내의 경질재료의 종류 및 함량비(질량%), 피막혼합물의 매트릭스의 종류 및 함량비(질량%), 피막혼합물내의 금속피복 고체윤활제의 종류 및 함량비(질량%), 금속피복 고체윤활제내의 고체윤활제의 함량비(질량%), 피막의 다공율, 및 용사방법이 표 1 에 나타나 있다. 용사피막을 형성하는데 사용된 구리피복 흑연입자의 흑연은 입상이었다.
표 1 에서, 경질재료의 열(列)에서, % 는 피막혼합물에 함유된 경질재료의 질량%를 의미한다. 매트릭스 열에서, Mo 및 Ni-Cr합금 값은 매트릭스를 형성하는 금속 및 그 매트릭스내에서의 그 금속의 조성을 나타낸다. 금속피복 고체윤활제 열중 종류에서, 앞부분은 피복하는 금속을 나타내고 뒷부분은 피복된 고체윤활제를 나타내며(예를 들어, Cu-C 는 금속피복 고체윤활제로서 Cu 가 피복된 C(흑연)을 의미한다 ), % 는 피막혼합물에 함유된 금속피복 고체윤활제의 질량%를 의미하며, SL% 는 금속피복 고체윤활제에 함유된 고체윤활제의 질량%를 의미한다. 용사방법의 열에서, HV 는 HVOF법을 의미하며, Plas 는 플라즈마법을 의미한다. 비고(備考)열에서, Cnv, Emb, 및 Cmp 는 각각, 종래예, 실시예, 및 비교예를 의미한다.
플라즈마 용사를 위한 조건은 다음과 같다.
사용된 용사 건: Sulzer Metco 사에서 제조된 9MB 플라즈마 건,
전압: 60-70 V,
전류: 500 A.
HVOF 용사를 위한 조건은 다음과 같다.
사용된 용사 건: Sulzer Metco 사에서 제조된 다이아몬드 제트 건(상품명),
연료가스: 프로판-산소(1:7).
각 시편에 스커핑 시험, 마모시험, 및 상대물-공격성 시험을 실시했다.
(스커핑 시험)
도 2 에 도시된 바와 같이, 평면미끄럼 마찰마모용 회전식 시험기를 사용하여 각 시편의 스커핑 임계 면압(area pressure)을 측정했다. 일정한 속도로 회전하는 상대물 (12) 의 회전면에 각 시편 (11) 을 일정한 시간동안 소정의 면압(P)하에 접촉을 유지시켜, 스커핑이 발생한 때의 면압을 임계 면압으로 했다. 압력조작은, 초기 압력을 2.45 MPa 로 설정하여, 30분의 제 1 주기후에 4.9 MPa 로 압력을 증가시키고, 이후에 매 5분마다 0.98 MPa 씩 압력을 점차 증가시키는, 방법으로 하였다.
시험조건은 다음과 같았다.
미끄럼속도: 5 m/sec,
윤활유: SAE30 + 백등유(1:1),
공급된 윤활유의 양: 초기외에는 무급유
대상물: 타카로이(tarkalloy)(일본 Piston Ring Co., Ltd. 의 상품명으로 알려진 붕소 주철).
(마모시험 및 대상물-공격성 시험)
도 2 에 도시된 바와 같이, 평면미끄럼 마찰마모용 회전식 시험기를 사용하여 각 시편의 마모깊이 및 대상물의 마모깊이를 측정하였다. 일정한 속도로 회전하는 상대물 (12) 의 회전면에 각 시편 (11) 을 일정한 시간동안 소정의 면압(P)하에 접촉을 유지시켰다. 윤활유를 회전하는 상대물 (12) 상에 떨어뜨렸다.
시험조건은 다음과 같았다.
미끄럼속도: 6 m/sec,
면압: 6 MPa,
윤활유: Spinox-2 베어링유(일본 Mitsubishi Oil Corporation 의 상품명으로 알려진 베어링유),
유온: 60±10℃
공급된 윤활유의 양: 10-4m3/min,
시험시간: 80시간,
대상물: 타카로이(tarkalloy)(일본 Piston Ring Co., Ltd. 의 상품명으로 알려진 붕소 주철).
시편 No.1 의 스커핑 임계면압, 시편의 마모량 및 대상물의 마모량의 측정값을 각각 100으로 설정하였을때의 각 시편에 대한 측정결과가 표 1 에 도시되어 있다.
상기 결과로부터, 실시예가 내스커핑성, 내마모성, 및 상대물 비공격성에 있어서 종래예 및 비교예보다 우수하다는 것을 확인할 수 있다.
상술한 것처럼, 본 발명에 따른 내마모성 용사피막은, 경질재료분말, 매트릭스를 형성하는 금속분말, 및 금속피복 고체윤활제분말의 혼합물을 플라즈마-용사함으로써 형성되지만, 금속피복 고체윤활제로서 10 질량% 이상의 금속피복 흑연을 갖는 종래의 용사피막과는 달리, 용사피막에서의 상기 금속피복 고체윤활제의 함량비는 10질량% 미만이다.
따라서, 본 발명에 따른 용사피막은, 피막이 취약하지 않다는 점에서 명백하고 우수한 잇점을 갖는다. 더욱이, 본 발명에 따른 용사피막은, 다공율과 고체윤활제 상과의 상승효과로 인해, 마찰저항이 작으며, 내스커핑성, 내마모성, 및 상대물 비공격성에서 우수한 잇점을 갖는다.
이상, 본 발명의 기초적인 신규한 특징들을 바람직한 실시형태에 적용하여 설명하고 도시하였으나, 당업자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 그러한 실시형태에 다양한 수정이나 변화를 가할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 여기에 첨부된 청구범위에만 한정되는 것은 아니다.

Claims (8)

  1. 경질재료 분말, 매트릭스를 형성하는 금속분말, 및 고체윤활제 분말로 구성된 혼합물을 미끄럼부재의 미끄럼면에 용사함으로써 형성되는 미끄럼부재용 내마모성 용사피막으로서,
    상기 혼합물은, 상기 고체윤활제로서, 금속피복 고체윤활제 입자를 상기 혼합물의 0.1 내지 10 질량% 미만으로 포함하는 미끄럼부재용 내마모성 용사피막.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속피복 고체윤활제 입자는 도금법에 의한 금속피복 흑연입자이며, 상기 피복금속은 구리, 니켈, 은, 코발트, 및 몰리브덴으로 구성된 군으로부터 선택된 일 재료인 것을 특징으로 하는 미끄럼부재용 내마모성 용사피막.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 금속피복 흑연입자는 상기 금속피복 흑연입자의 10 내지 50 질량%의 흑연을 함유하는 것을 특징으로 하는 미끄럼부재용 내마모성 용사피막.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 금속피복 고체윤활제 입자는 구리피복 고체윤활제 입자이며, 상기 고체윤활제 입자는 흑연, 황화 망간, 플루오르화 흑연, 플루오르화 칼슘, 질화 붕소, 이황화 몰리브덴, 및 이황화 텅스텐으로 구성된 군으로부터 선택된 일 재료인 것을 특징으로 하는 미끄럼부재용 내마모성 요사피막.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 구리피복 고체윤활제 입자는 상기 구리피복 고체윤활제 입자의 10 내지 50 질량%의 고체윤활제를 함유하는 것을 특징으로 하는 미끄럼부재용 내마모성 용사피막.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용사피막은 상기 혼합물의 5 내지 15 체적%의 다공율을 갖도록 플라즈마 용사에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 미끄럼부재용 내마모성 용사피막.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경질재료는 산화크롬이거나 탄화크롬이며, 상기 매트릭스를 형성하는 금속은 몰리브덴과 니켈-크롬합금인 것을 특징으로 하는 미끄럼부재용 내마모성 용사피막.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 경질재료는 산화크롬이거나 탄화크롬이며, 상기 매트릭스를 형성하는 금속은 몰리브덴과 니켈-크롬합금인 것을 특징으로 하는 미끄럼부재용 내마모성 용사피막.
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