KR100619592B1

KR100619592B1 - 가변식 압축기 사판의 제조를 위한 용사코팅용 합금재 및 이를 이용한 가변식 압축기 사판의 제조방법

Info

Publication number: KR100619592B1
Application number: KR1020040083554A
Authority: KR
Inventors: 안지훈
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; 주식회사 우신이엠시
Priority date: 2004-10-19
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2006-09-13
Also published as: KR20060034803A

Abstract

본 발명은 자동차 에어컨용 압축기 사판의 용사코팅재 및 이를 이용한 압축기 사판의 제조방법에 관한 것으로서, 종래 용사코팅층을 형성하기 위한 납땜을 대신할 무연(無鉛) 솔더링 기술을 적용하여 납을 사용하는 기존의 모든 부품에 납 사용을 배제한 부품개발이 요구되고 있는바, 본 발명에서도 환경에 유해한 납을 제거하여도 용사코팅층의 내마모 및 저마찰 특성을 향상시킬 수 있도록 Cu-Si 금속간 화합물 및 Cu의 금속분말로 이루어진 용사코팅용 합금재에 Ag을 첨가하여 사용하는 가변식 압축기 사판의 제조를 위한 용사코팅용 합금재 및 이 합금재를 이용한 가변식 압축기 사판의 제조방법에 관한 것이다.

Cu-Si 금속간 화합물, 은(Ag), 압축기 사판, 용사코팅, 저마찰, 내마모

Description

가변식 압축기 사판의 제조를 위한 용사코팅용 합금재 및 이를 이용한 가변식 압축기 사판의 제조방법{ALLOYED MATERIAL FOR PLASMA SPRAYED COATING OF A SWASH PLATE AND MANUFACTURING METHOD USING THEM}

본 발명은 자동차 에어컨용 압축기 사판의 용사코팅재 및 이를 이용한 압축기 사판의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 압축기 사판 표면의 용사코팅층을 구성하는 합금재에 환경에 유해한 납(Pb)을 사용하지 않으면서도 코팅층의 윤활성을 향상시켜 소착특성 및 압축기 사판의 내마모성을 향상시키도록 한 가변식 압축기 사판의 제조를 위한 용사코팅용 합금재 및 이를 이용한 가변식 압축기 사판의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 에어컨용 압축기 사판은 고하중 및 고속회전 하에서 사용되므로 재료의 저마찰 특성과 함께 높은 내마모 특성이 요구되며 자동차의 내구성을 감안하면 통상 10년 이상의 내구성이 확보되어야 한다.

또한, 자동차의 경량화 및 고기능화 추세에 맞추어 예전에 사용되던 고정식 사판보다 냉매의 냉각효율이 월등히 뛰어난 가변식 사판으로 점차 바뀌어가고 있는 추세이다. 이러한 가변식 사판은 기존 고정식에 비하여 고하중 및 고속회전을 특징 으로 하여 기존의 Al-Si 주조조직으로 구성된 고정식 사판에 비하여 저마찰 및 월등히 우수한 내마모성을 요구하고 있다.

이와 같은 가변형 사판의 요구특성에 부흥하여 미국 등록특허인 US 5,875,702호에서는 저마찰 재료인 Pb를 중심으로 Sn＋Al 등의 기지에 내마모성이 우수한 알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂) 등을 혼합하여 사판의 코팅층을 구성하였고, 다른 미국 등록특허인 US 6,123,009호에서는 Cu＋Sn 기지에 MoS₂ 등의 저마찰 재료를 에폭시 레진으로 코팅하기도 하였으며, 또 다른 미국 등록특허인 US 6,344,280호에서는 경량 및 높은 내마모 특성을 얻기 위하여 Al 기지에 다량(60%)의 Si을 첨가한 후 MoS₂, 탄소 등의 저마찰 재료를 첨가하여 사판의 저마찰 및 내마모 특성을 실현하고자 하였다.

또한, 대한민국 특허출원 특2000-0099642호에서는 Cu-Pb-Sn 분말과 Al-Si분말을 혼합하여 표면에 용사코팅층을 형성한 사판을 제조하였는데, 이때 Cu-Pb-Sn 분말 중의 Pb를 저마찰 재료로 이용하였으며, Al-Si 합금분말에 다량의 Si을 합금화함으로써 Si의 고경도 특성을 이용하여 사판의 내마모 특성을 향상시키고자 하였다.

그러나, 종래에는 상기한 바와 같이 가변식 사판에 용사코팅층을 형성함에 있어 내소착 특성을 향상시키기 위하여 납을 다량(10%~16%) 사용하고 있으나, 이 납은 잘 알다시피 환경에 매우 유해한 원소로써 세계적으로 납의 사용규제가 갈수록 보다 엄격해지는 추세에 있어 자유롭게 사용할 수 없다는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 압축기 사판의 용사코팅층에 사용되는 합금재의 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 종래 용사코팅층을 형성하기 위한 납땜을 대신할 무연(無鉛) 솔더링 기술을 적용하여 납을 사용하는 기존의 모든 부품에 납 사용을 배제한 부품개발이 요구되고 있는바, 본 발명에서도 환경에 유해한 납을 제거하여도 용사코팅층의 내마모 및 저마찰 특성을 향상시킬 수 있도록 Cu-Si 금속간 화합물 및 Sn의 금속분말로 이루어진 용사코팅용 합금재에 Ag을 첨가하여 사용하는 가변식 압축기 사판의 제조를 위한 용사코팅용 합금재 및 이 합금재를 이용한 가변식 압축기 사판의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은,

자동차 에어컨용 냉매를 압축하는데 사용되는 가변식 압축기 사판의 용사코팅용 합금재에 있어서, 중량%로 15%∼30%의 Si와 2%∼3%의 Sn 및 잔부가 Cu인 조성으로 이루어져 적어도 Cu-Si 금속간 화합물을 형성시킬 수 있는 동합금재를 금속분말로 구성한 것을 특징으로 하고 있다.

또, 가변식 압축기 사판의 코팅층의 소착특성을 향상시키기 위해 상기 동합금재에 중량%로 1%∼5%의 Ag을 더 포함함을 다른 특징으로 하고 있다.

또, 용사코팅을 하여 가변식 압축기 사판을 제조하는 방법에 있어서, 상기 조성으로 이루어진 금속분말의 용사코팅용 합금재를 사용하여 가변식 압축기 사판의 표면에 용사코팅을 하는 것을 특징으로 하고 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

[실시예]

자동차 에어컨용 냉매를 압축하는데 사용되는 압축기 사판의 표면에 용사코팅을 하기에 앞서 용사코팅용 합금재인 금속분말을 제조한다. 용사코팅용 합금재 분말의 조성은 코팅층의 내소착성, 내마모성 및 미끄러짐성 향상을 목적으로 설계되며 분말의 제조단계는 다음과 같다.

우선, 원하는 합금설계, 즉 Cu-Si 금속간 화합물과 Sn의 조성 또는 이 조성에 Ag을 첨가한 합금설계를 통하여 구성성분을 결정하고 이를 평량한 후 유도로를 이용하여 용해시킨다. 이때, 합금을 이루는 각 구성요소의 조성범위는 중량%로 Si이 15%∼30%, Sn이 2%∼3%, Ag이 1%∼5%, 잔부(殘部)는 Cu로 하는 것이 가장 바람직하다.
이때, 상기 Si를 15% 이하로 첨가하게 되면 기재내 상들의 분율이 낮아 사판의 요구특성중 하나인 내마모특성이 급격히 저하되게 되고, 30% 이상 첨가하게 되면 기재내 고경도인 금속간 화합물들의 분율이 높아 기지전체가 브리틀(Brittle) 특성을 나타내어 코팅층이 박리되거나 쉽게 파손되므로 상기 범위로 한정함이 바람직하다.
또한, 상기 Sn을 2% 이하로 첨가하게 되면 고용효과가 저감되어 기지인 Cu의 경도가 저하되어 내마모특성이 저하되며, 3% 이상으로 첨가하게 되면 미고용된 자유(Free) Sn의 존재로 인하여 기지의 경도가 저하되므로 상기 범위가 바람직하다.
뿐만 아니라, Al의 경우에는 1% 이하가 되면 Ag에 의한 기지내 내소착특성이 거의 나타나지 않으며, 5% 이상이 되면 고가의 Ag 사용으로 인한 사판 제조비용이 급증하게 되는 한계 때문에 상기 범위가 바람직하다.

다음에, 상태도를 통하여 분석된 합금원소의 용해온도 보다 약 80도 가량 높은 온도에서 출탕을 실시하는데 이때 질소가스를 고속으로 용탕에 분사하여 분말을 제조한다.

다음에, 제조된 분말은 미분과 함께 조대 입자도 포함되어 있어 추후 압축기 사판의 표면에 용사할 때 악영향을 미칠 수 있으므로 적당한 크기로 분말을 분류하는 분급을 실시함으로써 용사분말화 할 수 있다.

이와 같이 용사분말화 된 용사코팅용 합금재로 자동차 에어컨용 냉매를 압축하는데 사용되는 압축기 사판의 표면을 용사코팅 하기 위하여 사용되는 용사공정은 수소를 연료가스로 사용하는 초고속 용사코팅 공정(HVOF Process)으로 코팅을 할 때 많은 변수가 있으나, 연료가스와 산소가스의 유량비, 이들의 총유량 및 용사거 리를 변수로 하여 용사코팅을 실시한다.

표 1에 연료가스/산소비(stoichiometry)를 1.55∼2.12, 공정가스 총량(전체유량)을 900~1300ℓ/min, 용사거리를 150∼250mm로 하여 용사코팅 실험을 실시한 후 결과를 나타내었다. 용사코팅층의 특성은 공정조건에 따라 변화가 심하였으며 주로 토탈 플로우(total flow)가 낮고 연소비가 낮은 영역에서 코팅층의 경도가 높았다.

용사코팅 공정변수에 따른 코팅층의 경도변화

	실험번호	stoichiometry	전체유량[m/min]	용사거리[mm]	경도[Hv300]	조성(중량%이며 성분비로 표현)
실시예	1-1	1.55	900	150	315	1Ag-2Sn-15Si-잔부Cu
	1-2	1.55	1100	200	241	1Ag-2Sn-15Si-잔부Cu
	1-3	1.55	1300	250	277	1Ag-2Sn-15Si-잔부Cu
	1-4	1.81	900	150	352	3Ag-3Sn-25Si-잔부Cu
	1-5	1.81	1100	200	239	3Ag-3Sn-25Si-잔부Cu
	1-6	1.81	1300	250	221	3Ag-3Sn-25Si-잔부Cu
	1-7	2.12	900	150	282	5Ag-3Sn-30Si-잔부Cu
	1-8	2.12	1100	200	272	5Ag-3Sn-30Si-잔부Cu
	1-9	2.12	1300	250	232	5Ag-3Sn-30Si-잔부Cu
비교예		-	-	-	159

압축기 사판의 표면에 형성된 용사코팅층의 마모 및 윤활특성을 측정하기 위하여 마모시험을 실시하였다. 마모시험은 사판 사용업체의 마모시험 기준인 하중 28kgf, RPM 1000의 경계 윤활(marginal lubrication)영역에서 실시하였으며 오일 공급 중단후 30분 동안 마찰계수가 1이 넘지 않으면 시험에 합격한 것으로 간주하였고 마모특성을 정량적으로 나타내기 위하여 마모시험 후 무게감량을 측정하여 표 2에 나타내었다. 표 2에서 알 수 있듯이 경도가 높은 1-1, 1-4, 1-7 및 1-8 등은 재질의 고경도로 인하여 취성이 증대되어 경계 윤활 조건에서 박리되거나 소착되어 기준조건을 만족할 수 없었다. 상기 시험기준에 합격한 실시예의 1-2, 1-3, 1-5, 1-6 및 1-9 등은 비교예에 비하여 모두 마모특성이 월등히 우수하였다.

본 발명과 같이 중량%로 1%∼5%의 Ag, 15%∼30%의 Si, 2%∼3%의 Sn, Cu(잔부)로 이루어진 동합금재 분말을 코팅재료로 사용하여 자동차 에어컨용 냉매를 압축하는데 사용되는 압축기 사판의 표면에 용사코팅으로 코팅층을 형성할 경우, 환경에 매우 유해한 납의 사용이 없어도 내소착 특성이 향상된 사판을 제조할 수 있을 뿐 아니라, 이 복합재료(합금재)는 Cu기지 내에 고경도의 Cu-Si 금속간 화합물을 형성하고 있어 이들 합금의 내마모 특성을 활용하여 사판의 사용수명이 연장되는 효과가 기대된다.

경계 윤활 실험결과 및 무게감량측정

	실험번호	경계윤활 조건하	무게감량(mg)	비고
실시예	1-1	22min.	-	불합격
	1-2	30min. 이상	19	합격
	1-3	30min. 이상	18	합격
	1-4	25min.	-	불합격
	1-5	30min. 이상	17	합격
	1-6	30min. 이상	14	합격
	1-7	18min.	-	불합격
	1-8	29min.	-	불합격
	1-9	30min. 이상	15	합격
비교예		30min. 이상	29	합격

이상과 같은 목적과 구성으로 이루어진 본 발명의 가변식 압축기 사판의 제조를 위한 용사코팅용 합금재 및 이를 이용한 가변식 압축기 사판의 제조방법에 의하면, 환경에 유해한 납을 사용하지 않고도 내마모 및 저마찰 특성 등의 기계적 성질이 저하되지 않는 압축기 사판의 표면을 코팅할 수 있으며, 코팅재로 사용되는 Cu-Si 금속간 화합물에 의해 특히 내마모 특성이 종래보다 월등한 코팅층을 형성할 수 있어 내구성이 길어지므로 사용수명을 더욱 연장할 수 있는 장점이 있다.

Claims

자동차 에어컨용 냉매를 압축하는데 사용되는 가변식 압축기 사판의 용사코팅용 합금재에 있어서,

중량%로, Si : 15%∼30%, Sn : 2%∼3% 및 잔부 Cu로 조성되어 적어도 Cu-Si 금속간 화합물을 형성시킬 수 있는 동합금재를 금속분말로 구성한 것을 특징으로 하는 가변식 압축기 사판의 제조를 위한 용사코팅용 합금재.
청구항 1에 있어서,

상기 동합금재에 중량 %로 1%∼5%의 Ag를 더 포함시켜 가변식 압축기 사판의 코팅층 소착특성을 향상시킨 것을 특징으로 하는 가변식 압축기 사판의 제조를 위한 용사코팅용 합금재.
청구항 1 또는 2의 조성으로 이루어진 동합금재 금속분말을 유도로에서 용해하는 단계와;

용해된 용융물을 용해온도보다 80℃ 높은 온도로 출탕하는 단계와;

출탕시 질소가스를 고속분사하여 분말화하는 단계와;

제조된 분말을 분급한 후 압축기 사판의 표면에, 연료가스/산소비를 1.55~2.12로 하고, 공정가스 총유량은 1100~1300ℓ/mim으로 하며, 용사거리는 200~250mm로 유지하면서 용사코팅하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 용사코팅용 합금재를 이용한 가변식 압축기 사판의 제조방법.