KR100655366B1 - 내열, 내마모, 저마찰 특성을 가지는 코팅제 및 이의코팅방법 - Google Patents

내열, 내마모, 저마찰 특성을 가지는 코팅제 및 이의코팅방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온(700~900℃) 환경에서 무급유 상태로 고속 동작하는 회전축 등의 작동체가 베어링과의 접촉으로 인한 마찰, 발열 및 마모에 대해 잘 견딜 수 있도록 작동체에 코팅되는 내열, 내마모, 저마찰 특성을 가지는 코팅제에 관한 것이다. 본 발명의 코팅제는 크로미늄 옥사이드(Cr2O3) 20~40중량%, 결합제 40~60중량%, 이황화텅스텐(WS2) 10~20중량%, 그리고 은(Ag) 10~20중량%를 포함한다. 결합제는 니켈(Ni) 60~80중량%와 크롬(Cr) 20~40중량%를 포함한다. 코팅방법은 코팅제를 파쇄하는 단계; 결합제를 파쇄하는 단계; 파쇄된 결합제를 구동체의 표면에 1차 코팅하는 단계; 파쇄된 코팅제를 결합제의 1차 코팅층에 2차 코팅하는 단계; 그리고 코팅제의 2차 코팅층의 표면을 그라인딩 및 폴리싱하는 단계를 포함한다.
회전축, 베어링, 코팅제, 결합제, 플라즈마 스프레이

Description

내열, 내마모, 저마찰 특성을 가지는 코팅제 및 이의 코팅방법{COATING MATERIAL HAVING HEAT AND ABRASION RESISTANCE AND LOW FRICTION CHARACTERISTICS AND COATING METHOD THEREOF}
도 1은 종래의 회전축과 에어 포일 저널 베어링의 설치구조를 보인 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 코팅제가 코팅된 회전축과 에어 포일 저널 베어링의 설치구조를 보인 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 코팅제에 함유되는 이황화텅스텐(WS2)의 마찰 성능을 나타내는 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 코팅제를 이용한 내마모층이 회전축에 단층으로 코팅된 상태를 보인 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 코팅제를 이용한 내마모층이 회전축에 복수의 층으로 코팅된 상태를 보인 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 코팅제를 전자현미경으로 확대하여 보인 그림,
도 7은 본 발명에 따른 코팅제의 성능을 측정하기 위한 성능시험장치를 개략적으로 보인 도면,
도 8은 도 7의 성능시험장치를 사용하여 한 사이클 작동시 시간에 따른 회전 축 모터속도변화를 보인 그래프,
도 9는 도 7의 성능시험장치의 한 사이클에서 발생하는 회전축의 토크변화를 측정하여 나타낸 그래프,
도 10은 도 7의 성능시험장치를 사용하여 25℃의 상온과 700℃의 고온환경하에서 각각 30,000번의 사이클동안 산출된 마찰계수값을 보인 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 에어 포일 저널 베어링
12: 하우징
14: 심포일
16: 범프포일
18: 탑포일
19: 회전축
19a: 언더컷 코팅부
22: 니켈크롬(NiCr) 바인더층
24: 내마모층
본 발명은 코팅제에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고온(700~900℃) 환경에서 작동하는 회전축 등의 작동체와 이를 지지하는 베어링 사이에서 발생하는 마찰 과 마찰에 의한 마모를 최소화할 수 있도록 작동체에 코팅되는 내열, 내마모, 저마찰 특성을 가지는 코팅제 및 코팅방법에 관한 것이다.
고속 회전장치, 예를 들어 항공기용 공조 시스템의 핵심부품인 에어 사이클 머신, 가스터빈, 터보차져 또는 보조동력장치 등의 회전축을 지지하기 위해 공기의 동적(hydrodynamic) 특성을 이용하는 에어 베어링이 많이 사용되며, 이의 일례로서 범프 모양의 포일(bump foil)을 포함하고 범프의 형상에 의해 고유의 강성 및 감쇠특성을 가지는 에어 포일 저널 베어링(air foil journal bearing)이 있다.
도 1은 종래의 회전축과 에어 포일 저널 베어링의 설치구조를 보인 단면도이다.
도시된 바와 같이, 에어 포일 저널 베어링(1)은 하우징(2)과, 하우징(2)의 내면을 따라 구비되는 심포일(4)과, 심포일(4) 상에 위치하는 범프포일(6)과, 범프포일(6) 상에 구비되며 회전축(9)의 축방향에 대해 수직으로 작용하는 하중을 받는 탑포일(8, top foil)을 포함한다. 고온에서의 내구성 및 작동신뢰성을 향상시키기 위해 포일(4, 6, 8)들은 인코넬 재질로 이루어진다. 특히, 회전축(9)과 직접 맞닿는 탑포일(8)의 표면에는 하이브리드 타입의 고체 윤활제를 코팅한다. 이외에도, 졸-겔 코팅 혹은 몰리브데늄 옥사이드(MoS2)를 포함한 코팅제를 탑포일(8)에 적용할 수도 있다. 또한, 회전축(9)의 표면에는 크로미늄 카바이드(Cr3C2)를 포함하는 코팅제(9')를 하드코팅 방식으로 코팅하여 내마모성을 향상시킨다.
그러나, 상술한 종래의 코팅물질들은 500℃ 이하의 온도에서는 제 기능을 수 행할 수 있으나, 고온(700~900℃)에서는 발화 혹은 열에 의한 변형으로 윤활능력을 상실하게 된다. 따라서, 700~900℃ 범위의 고온 환경에서 무급유 상태로 회전축의 고속 회전시, 특히 회전축의 초기 구동 혹은 정지시 베어링과의 접촉으로 인한 마찰, 발열 및 마모에 대해 잘 견딜 수 있는 코팅제 및 코팅제의 내구성이 오래 유지될 수 있도록 하는 코팅방법의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고온(700~900℃) 환경에서 무급유 상태로 고속 동작하는 회전축 등의 작동체가 베어링과의 접촉으로 인한 마찰, 발열 및 마모에 대해 잘 견딜 수 있도록 작동체에 코팅되는 내열, 내마모, 저마찰 특성을 가지는 코팅제를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 작동체에 코팅된 코팅제의 내구성이 오래 유지될 수 있도록 하는 코팅방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 코팅제는 크로미늄 옥사이드(Cr2O3) 20~40중량%, 결합제 40~60중량%, 이황화텅스텐(WS2) 10~20중량%, 그리고 은(Ag) 10~20중량%를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 코팅제는 크로미늄 옥사이드(Cr2O3) 20~40중량%, 결합제 30~50중량%, 이황화텅스텐(WS2) 10~20중량%, 은(Ag) 10~20중량%, 그리고 몰리브데늄 옥사이드(MoO3) 10~20중량%를 포함한다.
바람직하게는, 결합제는 니켈(Ni) 60~80중량%와 크롬(Cr) 20~40중량%를 포함한다. 또한, 결합제는 니켈과 크롬의 총중량을 기준으로 0초과 내지 10중량%의 알루미늄(Al)을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 코팅방법은 코팅제를 파쇄하는 단계; 결합제를 파쇄하는 단계; 파쇄된 결합제를 구동체의 표면에 1차 코팅하는 단계; 파쇄된 코팅제를 결합제의 1차 코팅층에 2차 코팅하는 단계; 그리고 코팅제의 2차 코팅층의 표면을 그라인딩 및 폴리싱하는 단계로 이루어진다.
바람직하게는, 결합제의 1차 코팅층의 두께가 30~50㎛이고, 코팅제의 2차 코팅층의 두께가 200~220㎛이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 코팅제가 코팅된 회전축과 에어 포일 저널 베어링의 설치구조를 보인 단면도이다.
도시된 바와 같이, 회전축(19)을 감싸며 지지하기 위한 에어 포일 저널 베어링(10)은 하우징(12)과, 하우징(12)의 내면을 따라 구비되는 심포일(14)과, 심포일(14) 상에 위치하는 범프포일(16)과, 범프포일(16) 상에 구비되며 회전축(19)의 축방향에 대해 수직으로 작용하는 하중을 받는 탑포일(18)을 포함한다. 탑포일(18)은 하우징(12)의 내면에 고정되는 고정단(18a)과, 범프포일(16) 위로 연장되는 자유단(18b)을 포함한다. 고온에서의 내구성 및 작동신뢰성을 향상시키기 위해 포일(14, 16, 18)들은 인코넬 재질, 특히 인코넬 X-750으로 이루어진다. 특히, 회전축(19)과 직접 맞닿는 탑포일(18)의 표면에는 내열, 내마모, 저마찰 특성의 하이브리드 타입 의 고체 윤활제를 코팅한다. 고체 윤활제는 접동하는 두 표면 위에 고체상태의 얇고 부착력있는 층을 형성하여 마찰과 마모를 감소시키는 기능을 갖는 물질이며, 내열 및 내구성 등의 능력 또한 요구된다. 통상 공업적으로 널리 사용되는 고체윤활제에는 층상구조나 라멜라(lamella)구조를 갖는 그라파이트(graphite), 몰리브덴 디설파이드(MoS2), 이황화텅스텐(WS2)과, 고분자 재료인 불소수지(PTFE) 등이 있다.
회전축(19)의 표면에는 회전축(19)의 회전시, 특히 초기 구동 및 정지시에 회전축(19)과 탑포일(18) 사이에 발생하는 마찰을 저감시켜 주기 위한 본 발명에 따른 코팅제가 코팅된다.
다음의 표 1은 본 발명에 따른 코팅제의 조성물 및 조성비를 보인 것이다.
Figure 112005036055873-pat00001
본 출원인에 의해 코로나 910(CORONA 910)으로 명명되어진 본 발명의 코팅제는 크로미늄 옥사이드(Cr2O3)가 20~40중량%, 니켈크롬(NiCr)이 40~60중량%, 이황화텅스텐(WS2)이 10~20중량%, 그리고 은(Ag)이 10~20중량%로 조성된다. 또한, 코로나 920(CORONA 920)으로 명명되어진 본 발명의 다른 코팅제는 크로미늄 옥사이드(Cr2O3)가 20~40중량%, 니켈크롬(NiCr)이 30~50중량%, 이황화텅스텐(WS2)이 10~20중량%, 은(Ag)이 10~20중량%, 그리고 몰리브데늄 옥사이드(MoO3)가 10~20중량%로 조성된다.
여기서, 크로미늄 옥사이드(Cr2O3)는 알루미나와 같은 구조를 갖는 세라믹 재료로 가장 높은 경도를 가지는 산화물 중 하나로서, 이의 응용으로는 전통적으로 녹색의 안료로 사용되고 있고 현대에 와서는 우수한 기계적 특성, 내열 및 내마모성, 저마찰 특성을 이용하여 미끄럼 접촉이 일어나는 작동체의 코팅제로서 주로 사용되기도 한다. 또한, 비슷한 용도로 사용되는 텅스텐 카바이드(Tungsten Carbide), 티타늄 카바이드(Titanium Carbide), 티타늄 니트라이드(Titanium Nitride), 크롬 카바이드(Chronium Carbide)와 같은 물질에 비해 고온의 조건에서 산화막 형성에 더욱 안정적으로 작용한다. 고체 윤활제가 고온의 환경에서 사용될 때, 윤활성능에 크게 영향을 미치는 성분 중의 하나가 산화피막 발생에 대한 영향인데, 크로미늄 옥사이드(Cr2O3)의 경우 이미 O3상태의 산화피막 형태를 유지함으로 인해, 추가적으로 생성되는 양이 다른 물질에 비해서 적게 되는데, 이로 인해 더욱 안정적으로 윤활제역할을 할 수 있다.
이황화텅스텐(WS2)은 극저온 영역에서 고온영역(-273℃~1200℃)까지 사용될 수 있는 고체 윤활제로서, 특히 고온의 환경에서 사용될 경우, 마찰이 일어나는 경계 표면 위에 얇은 코팅층을 형성하여 윤활성 및 내마모성을 향상시킬 수 있으며, 유사한 용도로 사용되는 그라파이트(Graphite), 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 등에 비하여 우수한 윤활특성, 내부식성, 내화학성 등의 특성을 가지며, 공기 중에서 사용될 때 마찰계수(Friction Coefficient)는 대략 0.1 이하의 값을 가짐을 알 수 있다(도 3참조). 또한, 이황화텅스텐(WS2)은 그리스(grease), 오일 등과 혼합사용이 가능한 것으로 알려져 있으며, 금속, 세라믹스, 플라스틱 등의 대부분의 재료에 적용이 가능하다. 사용 가능 온도 범위는 -273℃~1200℃로서, 기존에 고온용 고체 윤활제로 사용되는 BaF/CaF(Barium fluoride, Calcium fluoride)의 온도 범위(350℃~900℃)보다 광범위하다.
몰리브데늄 옥사이드(MoO3)는 세라믹 계열의 고체 윤활제 중에서 강한 결합구조를 가지는 물질 중 하나이고, 습윤제(wetting agent)로 사용되는 재료로서 표면장력을 현저히 감소시켜 주고, 특히 분말의 결정화에 도움을 주는 것으로 알려져 있다. 몰리브데늄 옥사이드(MoO3)의 사용가능 온도범위는 300℃~1000℃이며, 측정된 마찰계수는 0.16~0.25의 분포를 띠고 있다. 상온(25℃)에서는 특별히 좋은 윤활성능을 나타내지 못하지만, 300℃ 이상, 특히 700℃이상의 고온에서 좋은 윤활성능을 나타낸다.
본 발명에서는 대략 1000℃ 부근의 고온까지 견딜 수 있는 고체 윤활제 중 하나인 은(Ag)을 더 포함한다. 은(Ag)은 상온(25℃)에서 고온(963℃)까지 사용할 수 있는 고체 윤활제로서, 마찰계수는 약 0.09~0.3에 이르는 값을 가진다.
또한, 상기 조성물들간의 접합력을 증가시키기 위한 바인더(결합제)로서 니켈크롬(NiCr)이 본 발명에 따른 코팅제에 포함된다. 결합제는 니켈(Ni) 60~80중량%와 크롬(Cr) 20~40중량%를 포함한다. 또한, 결합제는 알루미늄을 0초과 내지 10중량% 더 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 본 실시예에서는 니켈(Ni) 76중량%, 크롬(Cr) 18중량%, 그리고 알루미늄(Al) 6중량%로 이루어진 결합제를 사용하였다. 니켈크롬(NiCr)은 플라즈마 스프레이용으로 사용되는 물질 중에 셀프 바인딩 성질이 우수할 뿐만 아니라, 고온환경에서 산화(Oxidation) 및 부식(Corrosion)에 대한 저항력이 상당히 강하다. 에어 포일 베어링에 사용되는 경우 코팅제는 베어링 내부에서 발생하는 압력값인 대략 30MN/m2의 압력을 견뎌낼 수 있는 정도의 결합력을 가져야 한다. 이러한 결합력을 유지하기 위해서는 결합력을 증가시켜 주는 물질을 사용하여야 하는데, 상기 니켈크롬(NiCr)이 35MN/m2 이상의 압력을 견딜 수 있으므로 적합하다. 또한, 저마찰 효과를 증진시키기 위해 고온에서 효과적인 고체 윤활제를 첨가하여야 하는데, 일반적으로 알려진 고체 윤활제는 금(Au), 플래티늄(Pt), 팔라듐(Pd), 은(Ag) 등이 있다.
다음의 표 2는 본 발명에 따른 코팅제(코로나 910, 코로나 920)을 만드는데 사용되는 각 조성물의 입자 크기를 나타낸 것이다.
Figure 112005036055873-pat00002
표 2에 나타낸 바와 같이, 모든 조성물, 즉 Cr2O3, NiCr, WS2, Ag, MoO3의 입자 크기는 대략 1.7~120㎛범위이다.
표 1과 표 2에 나타낸 조성비 및 입자 크기에 따른 상기 조성물들을 볼밀링(Ball Milling)공정을 통해 충분히 혼합하여 파쇄하고, 파쇄된 분말을 회전식 분무건조기(Rotary Spray Dryer)를 사용하여 건조한다. 볼밀링이나 회전식 분무건조기는 이미 널리 알려진 기술이므로, 이에 대한 설명은 생략한다. 물론, 이러한 파쇄 및 건조방식은 볼밀링 및 분무건조방식에 한정되지 아니한다.
도 4는 본 발명에 따른 코팅제를 회전축(19)에 단층으로 코팅한 상태를 보인 도면이다.
회전축(19)은 고온의 환경에 적합한 인코넬(INCONEL) 시리즈, 바람직하게는 인코넬 X-718로 이루어진다. 도 4에 도시된 바와 같이, 회전축(19)의 표면에 대략 250㎛ 깊이의 언더컷 코팅부(19a)를 형성하고, 이 언더컷 코팅부(19a) 상에 30~50㎛두께의 니켈크롬(NiCr) 바인더층(22)과 코팅제(코로나 910/920)을 이용한 200~220㎛두께의 내마모층(24)을 차례로 코팅한다. 니켈크롬(NiCr) 바인더는 상술한 바와 같이, 두 접합대상물 사이의 접합력을 증대시키기 위한 것으로, 고온환경에서 산화(Oxidation) 및 부식(Corrosion)에 대한 저항력이 상당히 강한 물질이다. 바람직하게는, 본 실시예에서는 니켈(Ni) 76중량%, 크롬(Cr) 18중량%, 그리고 알루미늄(Al) 6중량%로 이루어진 니켈크롬(NiCr) 바인더를 사용하였으며, 이 조성비로 한정되는 것은 아니다. 니켈크롬(NiCr) 바인더층(22) 형성을 위한 분말은 니켈(Ni), 크롬(Cr), 알루미늄(Al)에 대한 상술한 볼밀링공정과 분무건조공정을 통해 마련된다. 니켈크롬(NiCr) 바인더층(22)의 접착강도는 35MN/m2을 유지한다.
니켈크롬(NiCr) 바인더층(22) 형성을 위한 분말과 내마모층(24) 형성을 위한 분말(코로나 910/920)을 플라즈마 스프레이 코팅공정을 통해 회전축(19)의 언더컷 코팅부(19a) 상에 차례로 코팅한다. 플라즈마 스프레이 코팅기술은 잘 알려진 바대로, 아르곤(Ar), 수소(H2) 등의 불활성 가스를 아크로 플라즈마화하고, 이를 노즐로부터 배출시켜 초고온, 고속의 플라즈마 제트를 열원으로 하는 피막형성 기술이다. 즉, 회전축(19)에 피막을 형성할 분말이 플라즈마 불꽃에 주입되면, 플라즈마와 분말간의 상호작용에 의하여 많은 양의 열량 및 운동량이 플라즈마 제트로부터 분말로 전달된다. 플라즈마 제트에 의해 용융, 가속된 분말은 회전축(19)의 언더컷 코팅부(19a) 또는 니켈크롬(NiCr) 바인더층(22)에 부딪히고, 급랭 응고에 의한 기계적 결합력으로 피막을 200~220㎛의 두께로 형성한다. 피막형성은 플라즈마 스프레이 코팅 이외의 다른 코팅방법으로도 가능함은 물론이다.
다음의 표 3은 본 출원인이 후술할 수차례의 실험을 통해 본 발명에 따른 코팅제가 가장 우수한 성능을 가지게 될 수 있는 것으로 입증된 플라즈마 스프레이 코팅시의 조건들이다.
Figure 112005036055873-pat00003
여기서, 괄호안의 수치는 최적값을 의미하고, 스탠드오프는 플라즈마 스프레이 코팅장치의 노즐의 분출구로부터 회전축(19)의 언더컷 코팅부(19a)까지의 거리를 의미하며, 분말이송타입은 외부(External)로부터 노즐의 분출구를 향해 분말이 공급되는 방식이다.
플라즈마 스프레이 코팅방식에 의해 형성된 코팅층의 표면은 매우 거칠기 때문에, 이러한 표면 조도의 차이에서 오는 마찰계수의 차이를 줄여야 한다. 이를 위해, 플라즈마 스프레이 코팅공정 후, 다이아몬드 페이스트 및 연삭휠을 이용한 그라인딩 및 폴리싱 과정을 통하여 코팅층의 표면 조도(바람직하게는, 2㎛)를 조절한다.
도 5는 본 발명에 따른 코팅제를 회전축(19)에 복수의 층으로 코팅한 상태를 보인 도면이다.
도시된 바와 같이, 회전축(19)의 표면에 대략 250㎛ 깊이로 형성된 언더컷 코팅부(19a) 상에 니켈크롬(NiCr) 바인더층(22)을 플라즈마 스프레이 코팅방식으로 본드코팅한 후, 니켈크롬(NiCr) 바인더층(22) 상에 본 발명에 따른 코팅제(코로나 910/920)를 이용하여 플라즈마 스프레이 코팅공정을 통해 내마모층(24)을 형성한다. 이 때, 내마모층(24)의 적절한 두께 조절을 통해 니켈크롬(NiCr) 바인더층(22)과 내마모층(24)의 조합을 두 개 이상 복수의 층으로 형성시킨다. 본 실시예에서는 니켈크롬(NiCr) 바인더층(22)과 내마모층(24)의 조합을 3층으로 하였고, 니켈크롬(NiCr) 바인더층(22)과 내마모층(24)의 두께를 각각 30~50㎛으로 설정하였으나, 이는 경우에 따라 얼마든지 변형이 가능하다. 이러한 겹층 형태의 코팅 방식은 상술한 단층 형태의 코팅방식(도 4참조)보다 내구성 및 저마찰성 유지측면에서 더 뛰어난 효과를 가지며, 내마모층(24), 니켈크롬(NiCr) 바인더층(22) 및 회전축(19) 사이의 결합력이 더욱 우수해진다. 이는 단층의 니켈크롬(NiCr) 바인더층(22)이 통상 35MN/m2의 압력을 견딜 수 있으므로, 3층의 코팅 형태인 경우에는 그 세배인 105MN/m2의 압력을 견딜 수 있기 때문이다. 즉, 이러한 높은 결합력을 가지는 겹층 방식의 코팅형태는 고온, 고하중, 초고속의 회전 상황에서 회전축의 외부에서 발생하는 압력을 충분히 견딜 수 있게 되는 것이다.
또한, 니켈크롬(NiCr) 바인더층(22)과 내마모층(24)의 전체 두께인 250㎛의 10%에 해당하는 25㎛이 고속 회전장치의 기술 분야에서 대략 30,000 사이클의 회전축의 내마모층(24)의 마모제한치임을 고려하면, 최소 30㎛ 두께의 내마모층(24)의 코팅량은 적당하다고 할 수 있다.
도 6을 참조하면, 코로나 910에 사용되어진 최종 코팅 층의 분말의 사진을 나타내었고, 약 40~50㎛의 분말 입자 사이즈를 유지하는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 코팅제가 코팅된 회전축에 대한 마찰계수 성능평가를 위한 시험장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 성능시험장치(30)는 회전축(19)과 이를 지지하는 공기 포일 베어링(10)을 수용하는 본체(31)와, 공기 포일 베어링(10)의 하우징(12, 도 2참조)에 하중을 가하기 위한 하중인가수단과, 회전축(19)의 회전시 발생하는 토크를 측정하기 위한 토크센서(37)로 이루어진다.
본체(31)는 실제 고속 회전장치에서 회전축이 회전할 때의 온도환경을 재현할 수 있도록 대략 1,200℃까지 열을 발생할 수 있는 발열수단(31a)과, 66,000rpm까지 회전축(19)을 회전시킬 수 있는 구동수단(미도시), 예를 들어 BLDC모터가 장착된다.
하중인가수단은 일단이 공기 포일 베어링(10)의 하우징(12)의 반경방향 상단부 외벽에 결합되고 타단이 본체(31)의 외측으로 수직연장되는 로드바(32, load bar)와, 로드바(32)의 타단에 연결되고 하나 이상의 롤러(33)에 현가되는 로프(34)와, 로프(34)의 선단에 연결되어 로드바(32)를 도 7을 기준으로 상측으로 잡아당기는 하중(본 실시예에서는, 10㎪)을 인가하기 위한 추(35)를 포함한다. 로프(34)의 중간에는 베어링(10)의 하우징(12)에 가해지고 있는 하중을 측정하기 위한 로드센서(36)가 구비된다. 미설명 부호 38은 시험장치의 작동전 로드바(32)가 정확히 수직으로 배치될 수 있도록 로드바(32)에 수평방향으로 소정의 하중을 가하기 위한 균형추이다.
시험장치를 작동하기 전의 준비상태에서는, 로프(34)의 타단에 연결되는 추(35)의 무게에 의해 공기 포일 베어링(10)의 하우징이 상측으로 잡아당겨져 회전축(19)의 반경방향 하단부가 베어링(10)의 탑포일(18, 도 2참조)과 접촉한 상태를 유지한다. 회전축(19)을 회전시키면, 회전축(19)과 베어링(10)과의 사이로 외부공기가 유입되어 회전축(19)은 베어링(10)의 탑포일(18)로부터 부상하게 된다. 소정시간 후, 회전축(19)의 회전을 정지시키면, 회전축(19)의 반경방향 하단부는 다시 베어링(10)의 탑포일(18)과 접촉한 상태로 복귀된다. 시험은 본 발명에 따른 코로나 910코팅층이 코팅된 회전축(19)을 사용하고, 상온(25℃)와 고온(700℃)의 온도환경에서 각각 수행하였다. 도 8에서 나타낸 바와 같이, 가속(ACC), 유지(CONST), 감속(DEC) 및 대기(NEXT STEP)모드로 이루어진 한 사이클의 시간은 26초로 하였고, 유지모드시 모터속도는 12,000rpm으로 하였다.
도 9는 성능시험장치의 한 사이클에서 발생하는 회전축(19)의 토크변화를 측정하여 나타낸 그래프로서, 회전축(19)의 시동시 토크(Torque)와 정지시 토크는 각각 28N㎜와 32N㎜임을 알 수 있다. 이와 같이, 회전축(19)의 시동시 토크와 정지시 토크가 중요한 이유는 회전축(19)이 부상한 후에는 회전축(19)과 공기 포일 베어링 사이에 더 이상의 접촉이 일어나지 않기 때문에, 공기 포일 베어링의 내구성 및 성능이 회전축(19)의 시동시와 정지시 회전축(19)과 베어링의 포일의 접촉에 의해 발생하는 마찰에 의해 가장 큰 영향을 받기 때문이다.
로드센서(36)를 통해 측정한 하중 N과 토크센서(37)를 통해 측정한 토크 T로부터 회전축(19)의 시동시와 정지시의 마찰계수(Friction Coefficient) μ를 산출(μ=T/N)해낼 수 있으며, 이를 도 10에서 나타내었다. 도 10은 25℃의 상온(도 10에서 CORONA 911로 표시됨)과 700℃의 고온(도 10에서 CORONA 917로 표시됨)환경하에서 각각 30,000번의 시동/정지(Start/Stop) 사이클동안 산출된 마찰계수값을 보인 그래프로서, CORONA 911의 마찰계수값은 대략 0.407의 값을 가지는 반면, CORONA 917의 마찰계수값은 대략 0.192의 값을 가진다. 이로부터 본 발명에 따른 코팅제는 오히려 고온환경하에서 더 좋은 효과를 가짐을 알 수 있으며, 실제 고속 회전장치들도 고온가스에 의해 충분히 예열된 상태에서 시동되는 것이 일반적이므로 본 발명에 따른 코팅제는 실제 적용에서도 좋은 효과를 나타낼 수 있게 된다.
다음의 표 4는 상술한 바와 같은 시험조건하에서 성능시험장치(30)를 이용하여 30,000 사이클 작동 후의 CORONA 911과 CORONA 917을 적용한 회전축과 에어 포일 베어링의 마모정도 및 제한수명 예측을 나타낸 것이다.
Figure 112005036055873-pat00004
표 4로부터 알 수 있는 바와 같이, CORONA 911의 경우에는 30,000 사이클 작동 후 베어링(10)의 탑포일(18)과 회전축(19)의 마모가 10㎛±2로 나타나서 대략 75,000 사이클 정도의 제한수명을 예측할 수 있고, CORONA 917의 경우에는 베어링(10)의 탑포일(18)과 회전축(19)의 마모가 5㎛±2로 나타나서 대략 150,000 사이클 정도의 제한수명을 예측할 수 있다.
이상에서는, 발명에 따른 내열, 내마모, 저마찰 특성을 가지는 코팅제를 고속 회전장치의 회전축에 적용한 것을 예로 들어 설명하였으나, 회전운동 뿐만 아니라 슬라이딩 운동 등 서로 대향하며 접동하는 모든 기계장치의 요소에도 적용할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 내열, 내마모, 저마찰 특성을 가지는 코팅제 및 코팅방법에 따르면, 우수한 저마찰 특성과 높은 내마모 성능을 가지고, 고온뿐만 아니라 상온의 환경에서도 그 사용이 용이하므로 본 발명의 코팅제가 적용되는 시스템의 작동신뢰성 및 내구성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 가스 터빈, 스팀 터빈 또는 디젤 자동차에 사용되는 터보 과급기(turbo charger) 등과 같이 고온의 환경에서 고속의 운전 범위를 갖는 시스템에도 적용이 가능하다. 특히, 기존의 오일 베어링에 비해 마찰이 적기 때문에 과급기의 터보 래그(turbo lag)현상을 개선시킬 수 있으며, 에어 포일 베어링의 하중지지능력과 감쇠성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 기계장치의 작동체의 표면에 코팅되는 코팅제에 있어서,
    크로미늄 옥사이드(Cr2O3) 20~40중량%, 결합제 40~60중량%, 이황화텅스텐(WS2) 10~20중량%, 그리고 은(Ag) 10~20중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅제.
  2. 기계장치의 작동체의 표면에 코팅되는 코팅제에 있어서,
    크로미늄 옥사이드(Cr2O3) 20~40중량%, 결합제 30~50중량%, 이황화텅스텐(WS2) 10~20중량%, 은(Ag) 10~20중량%, 그리고 몰리브데늄 옥사이드(MoO3) 10~20중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅제.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 결합제가 니켈(Ni) 60~80중량%와 크롬(Cr) 20~40중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅제.
  4. 제3항에 있어서, 상기 결합제가 니켈과 크롬의 총중량을 기준으로 0초과 내지 10중량%의 알루미늄(Al)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅제.
  5. (a) 제1항 또는 제2항에 따른 코팅제를 파쇄하는 단계;
    (b) 결합제를 파쇄하는 단계;
    (c) 파쇄된 상기 결합제를 구동체의 표면에 1차 코팅하는 단계;
    (d) 파쇄된 상기 코팅제를 상기 결합제의 1차 코팅층에 2차 코팅하는 단계; 그리고
    (e) 상기 코팅제의 2차 코팅층의 표면을 그라인딩 및 폴리싱하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 결합제가 니켈(Ni) 60~80중량%와 크롬(Cr) 20~40중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 결합제가 니켈과 크롬의 총중량을 기준으로 0초과 내지 10중량%의 알루미늄(Al)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 결합제의 1차 코팅층의 두께가 30~50㎛이고, 상기 코팅제의 2차 코팅층의 두께가 200~220㎛인 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 단계(c)와 단계(d)를 2~3회 반복하는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 결합제의 1차 코팅층의 각각의 두께가 30~50㎛이고, 상기 코팅제의 2차 코팅층의 각각의 두께가 30~50㎛인 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  11. 제5항에 있어서, 상기 1차 코팅 및 2차 코팅은 플라즈마 스프레이 코팅방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 플라즈마 스프레이 코팅시 전류는 450~500A, 전압은 40~80V, 스탠드오프는 90~110㎜, 제 1반응가스는 아르곤(Ar), 제 1반응가스 유량은 75~85scfh, 제 2반응가스는 수소(H2), 제 2반응가스 유량은 7~13scfh, 파쇄된 상기 결합제 및 코팅제의 이송량은 2.5~3lbs/hr인 것을 특징으로 하는 코팅방법.
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