KR100709939B1 - 슬라이딩 피막, 슬라이딩 부재, 슬라이딩 피막용 조성물,슬라이딩 장치, 사판식 압축기, 슬라이딩 피막의 형성 방법및 슬라이딩 부재의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 슬라이딩 피막은 고체 윤활제, 바인더 수지 그리고 저융점 재료를 함유한다. 상기 바인더 수지는 고체 윤활제를 기재(基材)의 표면 위에 유지하기 위한 것으로 유리전이온도를 가진다. 상기 저융점 재료는 상기 바인더 수지의 유리전이온도보다 낮은 융점을 가진다. 상기 저융점 재료는 슬라이딩 부재들 사이에 발생되는 마찰열을 흡수할 수 있는 잠열을 가짐으로 바인더 수지의 열화(劣化)를 지연시킨다. 결과적으로, 상기 슬라이딩 피막은 높은 내눌러붙음성을 만들어낸다.

Description

슬라이딩 피막, 슬라이딩 부재, 슬라이딩 피막용 조성물, 슬라이딩 장치, 사판식 압축기, 슬라이딩 피막의 형성 방법 및 슬라이딩 부재의 제조 방법 {SLIDING FILM, SLIDING MEMBER, COMPOSITION FOR SLIDING FILM, SLIDING DEVICE, SWASH-PLATE TYPE COMPRESSOR, PROCESS FOR FORMING SLIDING FILM, AND PROCESS FOR PRODUCING SLIDING MEMBER}

도 1 은 본 발명의 한 실시예에 따른 슬라이딩 장치인 사판식 압축기의 단면도이다.

도 2 는 사판식 압축기용 사판과 슈가 어떻게 슬라이딩 접촉을 하는지를 도시하기 위한 확대 단면도이다.

도 3 은 슬라이딩 피막이 보여주는 내눌러붙음성을 측정하기 위해 사용되는 드라이-락-테스트 장치를 개략적으로 도해하는 다이어그램이다.

도 4 는 여러 가지 슬라이딩 피막을 구비한 슬라이딩 부재들이 보여주는 눌러붙음 시간이 플롯된 산포도이다.

도 5 는 슬라이딩 피막이 보여주는 마찰력을 측정하는데 사용되는 링-온-블럭 테스트 장치를 개략적으로 도해하는 다이어그램이다.

도 6 은 시간에 따라 변하는 마찰력, 즉, 링-온-블럭 테스트에서 저융점 재료를 함유하지 않은 슬라이딩 부재가 보여준 마찰력 변화를 보여주는 도표이다.

도 7 은 시간에 따라 변하는 마찰력, 즉, 링-온-블럭 테스트에서 저융점 재료인 Sn을 20 질량 %로 함유하고 있는 슬라이딩 부재가 보여주는 마찰력 변화를 보여주는 도표이다.

도 8 은 링-온-블럭 테스트 후에 블럭 형상의 시험편의 표면에 생성된 최대 마모 깊이를 비교하기 위한 막대 그래프이다.

도 9 는 드라이-락-테스트 후, 주사전자현미경(이후 "SEM"으로 약칭한다.)으로 찍은 Sn 함량이 28 질량 %인 슬라이딩 피막의 사진이다.

도 10 은 드라이-락-테스트 후, Sn 함량이 28 질량 % 인 슬라이딩 피막에 있어서 전자탐침 마이크로 분석기 (이후 "EPMA"라고 약칭한다.)로 촬영한 Sn의 특성 x-레이 영상이며 도 9와 같은 부분을 표시한다.

첨부 도면 및 명세서는 발명 개시의 일부분을 형성하는 바, 본 발명 및 본 발명이 갖는 많은 이점의 보다 완전한 이해는 하기의 상세한 설명을 참조함으로써 쉽게 얻을 수 있다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 실린더 블럭 12 : 실린더 보어

14 : 싱글 헤드형 피스톤 60 : 사판 (기재, 슬라이딩 부재)

70 : 결합부 72 : 헤드

76 : 상대 부재 166 : 고체 윤활제층 (슬라이딩 피막)

C : 사판식 압축기 (슬라이딩 장치)

본 발명은, 슬라이딩 피막의 형성 방법 및 슬라이딩 부재의 제조 방법뿐만 아니라, 슬라이딩 면 위에 형성된 슬라이딩 부재, 상기 슬라이딩 피막의 형성에 사용되는 조성물, 상기 슬라이딩 피막을 포함하는 슬라이딩 부재, 상기 슬라이딩 부재로 만든 슬라이딩 장치, 그리고 상기 슬라이딩 장치의 한 예인 사판식 압축기에 관한 것이다.

엔진과 공기조화기용 사판식 압축기와 같이 차량에 장착되는 장비들은 슬라이딩 작동을 위한 슬라이딩 부재들을 구비하고 있다. 사판식 압축기의 예를 들어보면, 이 사판식 압축기는 선형으로 슬라이딩하는 피스톤과 이 피스톤과 슬라이딩 접촉하는 실린더 보어, 슬라이딩 회전을 하는 사판, 이 사판과 슬라이딩 접촉하는 슈, 주축, 그리고 주축과 함께 슬라이딩 접촉하면서 그 주축을 지탱하는 베어링을 구비한다. 이러한 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면 위에는 보통 원활한 윤활이 이루어지도록 윤활제가 공급된다. 사판식 압축기의 경우에는 사판식 압축기의 내부에 존재하는 분무화된 윤활제가 슬라이딩 면들 사이의 윤활을 기본적으로 유지한다.

그러나, 사판식 압축기는 시동 또는 갑작스런 부하 변동 직후에 슬라이딩 면들 사이의 조건을 일시적이라도 불량한 윤활조건 또는 무윤활조건에 놓이게 할 가능성이 있다. 이러한 경우라도, 예를 들어, 슬라이딩 면들 사이의 눌러붙음을 방지하여 슬라이딩 면들 사이에 안정적인 슬라이딩 특성을 확보하는 것이 바람직하 다.

이러한 관점에서, 예를 들어서, 사판식 압축기의 경우에는 고체 윤활제를 함유하는 슬라이딩 피막이 사판의 표면 위에 형성된다. 예를 들어, 일본 미심사특허공보 (KOKAI) No. 8-199,327, 일본 미심사특허공보 (KOKAI) No. 11-193,780 그리고 일본 미심사특허공보 (KOKAI) No. 2003-183,685 는 이러한 슬라이딩 피막을 개시한다. 구체적으로는, 일본 미심사특허공보 (KOKAI) No. 8-199,327 는 합성수지가 MoS₂, 폴리테트라플루오로에틸렌(이후 "PTFE"로 약칭한다.), 그리고 흑연(이후 적절한 곳에서는 "Gr"로 약칭한다.)과 같은 고체 윤활제와 함께 뭉쳐져 있는 고체윤활제층(즉, 슬라이딩 피막)으로 그 양(兩) 표면을 덮은 사판을 개시한다. 일본 미심사특허공보 (KOKAI) No. 11-193,780 는 피스톤의 압축 행정에서 큰 하중을 받게되는 그 한 표면은 고체윤활제층을 구비하고 다른 한 표면은 용사층(thermally-sprayed layer)을 구비하는 사판을 개시한다. 일본 미심사특허공보 (KOKAI) No. 2003-183,685는 그 양(兩) 표면이 MoS₂, PTFE 그리고 흑연에 부가하여 Ni, Fe, Cr 그리고 Co 가 혼합된 고체윤활제층으로 덮인 사판을 개시한다.

그러나 소형화, 경량화, 그리고 다른 가혹한 요구조건들 때문에 종래보다 더 큰 하중이 슬라이딩 부재들 사이에 작용하여 왔다. 그러한 더 큰 하중을 받게되는 사판식 압축기에 있어서는 단순히 슬라이딩 면이 상기 종래의 고체윤활제층을 구비하여서는 만족스러운 내눌러붙음성을 확보하기가 쉽지가 않게 되었다.

본 발명은 전술한 상황을 감안하여 개발되어왔다. 그러므로, 본 발명의 목적은 상기 종래의 고체윤활제층의 슬라이딩 피막보다 더 양호한 내눌러붙음성을 갖는 슬라이딩 피막을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 슬라이딩 피막의 형성에 사용되는 조성물, 상기 슬라이딩 피막을 포함하는 슬라이딩 부재, 상기 슬라이딩 부재로 만든 슬라이딩 장치, 상기 슬라이딩 장치의 한 예인 사판식 압축기를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 슬라이딩 피막의 형성 방법 및 상기 슬라이딩 부재의 제조 방법을 제공하는 것이다.

일본 미심사특허공보 (KOKAI) No. 11-193,780 는 슬라이딩 피막이 함유하는 고체 윤활제로서 주석(Sn), 납(Pb) 그리고 인듐(In)과 같은 금속을 또한 예로 들고 있다. 그러나, 여기서는 주석, 납, 그리고 인듐이 실제적으로 혼합된 슬라이딩 피막은 전혀 개시하지 않았다. 여기서는 상기 금속을 단지 몇몇의 고체 윤활제로서 여길 뿐이다. 게다가, 여기서는 주석계 도금 또는 주석계 용사(Thermal Spray)의 실시를 개시하고 있다. 그러나, 여기서는 이러한 처리들을 그저 고체 윤활제만을 함유하는 슬라이딩 피막을 위한 몇몇 언더코팅 처리로 여기고 있을 뿐이다.

일본 미심사특허공보 (KOKAI) No. 2003-183,685 는 또한 고체윤활제층에 혼합된 니켈 미세 분말은 고체윤활제층에 존재하는 MoS₂와 흑연이 상대 슬라이딩 면위에 점착되는 것을 촉진하는 작용을 가지고 있음을 개시한다. 그러나, 이런 작 용은 후에 설명하는 본 발명에 따른 주석 등의 저융점 재료의 작용과는 완전히 다르다. 그러므로, 후에 상세히 설명하는 본 발명에 따른 저융점 재료는 일본 미심사특허공보 (KOKAI) No. 2003-183,685 에 개시된 니켈과는 기술적 개념의 관점에서 완전히 구별된다.

지금까지 사판식 압축기를 예로 들어왔다. 그러나, 상기의 설명은 다른 형식의 압축기는 물론, 베인 형식(vane type) 압축기와 스크롤 형식(scroll type) 압축기에도 유사하게 적용 가능하다. 또한, 상기의 설명은 압축기에만 한정되는 것이 아니고 일반적으로 가혹한 조건하에서 작동하는 슬라이딩 장치들에도 마찬가지로 적용 가능하다.

그러므로 본 발명자들은 상기 문제들을 해결하기 위해 성실하게 연구를 수행하여 왔으며 시행착오를 반복해 왔다. 결과로서, 종래의 고체 윤활제에 부가하여 슬라이딩 피막에 저융점 재료(예를 들어 주석)를 새로이 더 포함하는 것을 생각해냈으며 결과적으로 얻어진 슬라이딩 피막이 양호한 내눌러붙음성을 보이는 것을 또한 확인했다. 그러므로, 본 발명자들은 본 발명의 완성에 이르게 되었다.

(슬라이딩 피막)

예를 들어, 본 발명에 따른 슬라이딩 피막은 하기를 포함하는 슬라이딩 피막이다.

고체 윤활제;

기재의 표면위에 고체 윤활제를 유지하기 위한 것이며, 유리전이온도를 가 지는 바인더 수지, 그리고

상기 바인더 수지의 유리전이온도 보다 더 낮은 융점을 보이는 저융점 재료.

본 슬라이딩 피막이 기재의 표면 위에 형성되었을 경우에는 종래의 슬라이딩 피막을 구비한 기재와 비교 하였을 때 이 기재와 그의 상대 부재들 사이의 내눌러붙음성이 향상된다. 따라서, 이러한 기재를 구비한 슬라이딩 장치들은 신뢰성과 내구성면에서 향상된다. 또한, 본 슬라이딩 피막이 내눌러붙음성을 향상시킬 뿐만 아니라 또한 슬라이딩 부재의 내마모성을 향상시키고 슬라이딩 면들 사이의 마찰계수를 줄이는 것을 기대 할 수 있다. 향상된 내눌러붙음성과 더불어 향상된 내마모성과 감소된 마찰계수는 이후 적절한 곳에서는 총괄하여 "양호한 슬라이딩 특성"이라고 부르기로 한다.

왜 본 슬라이딩 피막이 양호한 슬라이딩 특성을 보여주는지는 아직까지 명확하지가 않다. 그러나, 본 슬라이딩 피막에 함유된 저융점 재료가 불량한 윤활조건이나 또는 무윤활조건과 같은 가혹한 윤활 조건하에서 적어도 효율적으로 슬라이딩 작동으로부터 발생하는 마찰열을 흡수한다고 생각된다. 그러므로, 본 슬라이딩 피막은 마찰열에 의한 열화가 방지되어서 본 슬라이딩 피막의 수명이 연장된다. 결과적으로, 본 슬라이딩 피막의 내눌러붙음성이 향상된다고 현재 생각된다. 그 이점을 이후 자세히 설명한다.

종래부터 불량한 윤활조건과 무윤활조건이 형성된 경우라도 기재와 그 상대 부재들(이후 적절한 곳에서는 이 둘을 "슬라이딩 부재"라고 부르겠다.)은 그 기재 와 상대 부재들 사이의 눌러붙음을 방지하기 위해서 고체 윤활제를 함유하는 슬라이딩 피막을 구비하여왔다. 그러나, 슬라이딩 부재의 작동환경과 윤활조건이 최근 훨씬 가혹하게 되었기 때문에, 상기한 바와 같이 종래의 고체윤활제층으로 만족스러운 내눌러붙음성을 확보하기가 쉽지 않게 되었다.

본 발명자들은 마찰열이 종래의 피막을 급격히 열화시키는 것을 상기 문제의 윈인으로 생각했다. 즉, 슬라이딩 부재들이 슬라이딩 운동을 할 때는 마찰열이 다소간 발생한다. 슬라이딩 면들 사이에 윤활제가 충분히 공급될때는, 슬라이딩 면들 사이에 존재하는 윤활막이 슬라이딩 면들 사이에서 마찰계수를 줄이고 그들 사이에 작용하는 압력을 분산시키며 또한 윤활제가 마찰열을 방사하여서 마찰열이 적게 발생하기 때문에 당연히 슬라이딩 피막의 열화가 발생할 것 같지 않다.

그러나, 슬라이딩 면들이 불량한 윤활 조건 또는 무윤활 조건하에 놓일 경우에는 윤활로부터 오는 이점을 거의 기대할 수 없게 된다. 고체 윤활제가 슬라이딩 면들 사이의 마찰계수를 다소간 감소시키더라도, 소정의 시간이 경과한 후에는 마찰열이 급격히 증가하여서 결과적으로 슬라이딩 피막의 온도가 급격히 상승하기 시작한다.

슬라이딩 피막에서, 고체 윤활제는 일반적으로 바인더 수지에 의해 슬라이딩 부재의 표면에 유지된다. 양호한 내열성을 가지는 바인더 수지의 대표적인 예인 폴리아미드-이미드(이후 "PAI"로 약칭한다.)는 대략 400℃~500℃의 내열온도를 가진다. 그러나, 마찰열이 슬라이딩 피막의 온도를 상승시킬 때는 이처럼 양호한 내열성을 가지는 수지라 할지라도 연화(軟化)(유리전이도 포함)가 되어 열화가 일어나고 심지어는 파괴되기도 한다. 결과적으로, 상기 수지는 고체 윤활제를 슬라이딩 부재의 표면에 유지하는 능력을 잃게 된다. 따라서 슬라이딩 부재는 슬라이딩 피막의 개재없이 상대 부재와 직접적으로 슬라이딩 접촉을 하게된다. 결과적으로 슬라이딩 부재에는 눌러붙음이 발생한다고 생각된다.

본 슬라이딩 피막에서도, 이 슬라이딩 피막의 온도는 가혹한 슬라이딩 환경하에서 유사하게 급격히 상승한다.

그러나, 본 슬라이딩 피막은 융점이 바인더 수지의 유리전이온도보다 더 낮고 바인더 수지와 혼합된 저융점 재료를 포함한다. 마찰열이 본 슬라이딩 피막의 온도를 급격하게 상승시키기 시작하면, 상기 저융점 재료는 바인더 수지가 연화되기 이전에 비열보다 훨씬 더 큰 잠열로 상기 마찰열을 다량 흡수한다. 결과적으로, 본 슬라이딩 피막의 온도상승이 억제된다. 따라서, 상기 바인더 수지의 연화를 억제 또는 지연시킬 수 있고 종국적으로는 본 슬라이딩 피막의 열화를 억제하거나 지연시킬 수 가 있다. 결과적으로 훨씬 더 장기간 고체 윤활제를 슬라이딩 부재의 표면위에 확실히 유지할 수가 있다.

본 슬라이딩 피막에 있어서, 바인더 수지의 유리전이온도 보다 더 낮은 융점을 갖는 저융점 재료는 마찰열에 의한 본 슬라이딩 피막의 온도 상승을 억제 하거나 또는 지연시킨다. 그러므로, 본 슬라이딩 피막은 안정된 슬라이딩 특성을 종래보다 훨씬 더 오랬동안 유지한다. 결과적으로, 본 슬라이딩 피막이 슬라이딩 부재들 사이의 내눌러붙음성을 현저히 향상시킨다고 생각된다. 그러나, 저융점재료에서 기인한 이러한 작용과 이점들은 본 슬라이딩 피막이 양호한 내눌러붙 음성을 보여주는 몇몇 요인에 지나지 않는다. 상기 메카니즘으로는 본 슬라이딩 피막의 양호한 슬라이딩 특성을 모두 설명할 수 가 없다. 후술하는 바와 같이, 특정의 성분(예를 들어 슬라이딩 생성물 형성 원소)이 상대 부재의 슬라이딩 면위에 존재하는 경우, 본 발명자들은 상기 특정의 성분과 본 슬라이딩 피막에 함유된 저융점 재료가 새로운 슬라이딩 생성물을 형성함을 확인하였다. 결과적으로 얻어지는 새로운 슬라이딩 생성물은, 상기 향상된 내눌러붙음성에 부가하여 슬라이딩 면들 사이의 마찰계수의 감소와 내마모성의 향상과 같은 슬라이딩 특성을 더욱 향상시키는 이점을 보여준다고 생각된다.

본 발명에 있어서, 저융점 재료의 융점에 대한 문턱값(threshold value)으로서 바인더 수지의 유리전이온도를 도입한다. 왜냐하면 유리전이온도는 수지(특히 중합체의)의 내열성을 표시하는 중요한 특성이기 때문이다. 또한, 본 발명은 실질적으로 단독으로 슬라이딩 피막을 포함하는 요소(예컨대, 베어링)도 개념적으로 포함한다.

(슬라이딩 부재)

본 발명을 상기 슬라이딩 피막을 포함하는 슬라이딩 부재로 이해할 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 기재와, 그 기재의 표면에 형성된 청구항 1에 따른 슬라이딩 피막을 포함하는 슬라이딩 부재로 해도 좋다.

그러한 슬라이딩 부재의 대표적인 예로는 사판식 압축기에 사용되는 사판이 있다.

(슬라이딩 장치 및 사판식 압축기)

본 발명을 상기 슬라이딩 피막을 포함하는 슬라이딩 장치로 이해할 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 청구항 1의 슬라이딩 피막이 형성된 기재, 그리고

상기 기재의 상기 슬라이딩 피막과 슬라이딩 접촉을 하는 상대 부재를 포함하는 슬라이딩 장치로 해도 좋다.

이러한 슬라이딩 장치에는, 예를 들어, 사판식 압축기 또는 사판식 이외의 압축기, 또는 압축기가 아닌 다른 것이 있다. 이후, 상기 슬라이딩 장치의 대표적인 예인 사판식 압축기를 참조하여 본 슬라이딩 장치를 설명 할 것이다. 사판식 압축기에는 여러가지가 있다. 예를 들어, 가변 용량의 사판식 압축기, 고정 용량의 사판식 압축기, 싱글 헤드형 사판식 압축기, 그리고 더블 헤드형 사판식 압축기가 있다.

구체적인 예로, 하기를 포함하는 사판식 압축기가 있다.

주축,

상기 주축과 함께 회전하는 사판,

축선 방향으로 신장 되어 있으며 사판 측에서 개구된 원통형상의 실린더 보어를 갖는 실린더 블럭,

상기 사판과 결합하고, 요동하는 그 사판에 의해 구동되는 결합부 및 상기 결합부로부터 연속적으로 신장 되어 상기 실린더 블럭의 실린더 보어에 끼워지고 상기 요동하는 사판에 따라 상기 실린더 보어안에서 왕복운동하는 헤드를 갖는 피스톤,

상기 피스톤의 결합부에 요동가능하게 고정되고 상기 사판의 표면과 슬라이 딩 접촉을 하는 한 쌍의 슈.

이 경우에 상기 슬라이딩 피막은 사판의 표면 과 슈의 표면의 양 방에 모두 형성되거나 사판의 표면이나 슈의 표면의 일방에 형성되는 것이 바람직하다. 피스톤의 갯수는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다. 한 개의 피스톤에는 한 쌍의 슈가 구비된다. 따라서, 복수개의 피스톤은 여러 쌍의 슈를 구비한다.

(슬라이딩 피막의 조성물)

본 발명을 본 슬라이딩 피막을 형성하기 위한 원재료인 슬라이딩 피막용의 조성물로 이해할 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 슬라이딩 피막용의 조성물로 될 수 있는데, 상기 조성물은 하기를 포함한다.

고체 윤활제,

유리전이온도를 갖는 바인더 수지, 그리고

상기 바인더 수지의 유리전이온도보다 더 낮은 융점을 갖는 저융점 재료.

이러한 슬라이딩 피막 조성물의 구체적인 예로는 슬라이딩 피막용 도료와 슬라이딩 피막용 전사 필름이 있다.

(슬라이딩 피막의 형성 방법)

본 발명을 슬라이딩 피막의 형성 방법으로 이해할 수 있다. 우선, 본 발명은 슬라이딩 피막의 제 1 형성 방법으로 할 수 있는데, 이 형성방법은 하기를 포함한다.

유리전이온도를 갖는 바인더 수지의 바니쉬,

상기 바인더 수지의 유리전이온도보다 더 낮은 융점을 갖는 저융점 재 료, 그리고

상기 바니쉬에 분산된 고체 윤활제를 포함하는 슬라이딩 피막용 도료를 기재의 표면 위에 도포하고, 그리고

상기 도포 공정 후에 형성된 도료 피막을 가열하여 소성해서 슬라이딩 피막을 얻는 것.

본 발명은 슬라이딩 피막의 제 2 형성 방법으로 할 수 있는데, 이 형성방법은 하기를 포함한다.

유리전이온도를 갖는 바인더 수지,

상기 바인더 수지의 유리전이온도보다 더 낮은 융점을 가지며 상기 바인더 수지와 혼합된 저융점 재료와,

상기 바인더 수지와 혼합된 고체 윤활제를 포함하는 페이스트를 인쇄하여 만든 전사 필름을 기재의 표면 위에 전사하고, 그리고

상기 전사 공정 후에 상기 기재의 표면 위에 형성된 전사 필름을 가열하여 소성해서 슬라이딩 피막을 얻는 것

(슬라이딩 부재의 제조 방법)

본 발명을 슬라이딩 부재를 제조하는 방법으로 이해할 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 슬라이딩 피막을 형성하기 위한 상기 제1의 또는 제2의 방법으로 슬라이딩 부재를 제조하는 방법으로 될 수 있다.

바람직한 실시 형태의 상세한 설명

본 발명을 개괄적으로 설명했기 때문에, 본 발명의 더 깊은 이해는, 첨부한 청구항들을 제한하려는 의도가 아닌, 오로지 설명의 목적으로 여기 제공된 특정의 바람직한 실시형태를 참조함으로써 쉽게 얻을 수 있다.

본 발명의 특정 실시형태를 참조하여 본 발명을 이후 상세히 설명할 것이다. 그러나, 특정 실시형태에 대한 하기의 설명은 말할 것도 없거니와, 본 명세서에 기재된 설명은, 본 발명에 따른 슬라이딩 피막에 적용할 수 있을뿐만 아니라, 또한 본 발명에 따른 슬라이딩 부재, 슬라이딩 피막의 조성물, 슬라이딩 장치, 사판식 압축기, 슬라이딩 피막의 형성 방법, 그리고 슬라이딩 부재의 제조 방법에 적절히 적용 할 수 있다. 또한, 하기 특정 실시형태가 최적인가는 목적 및 성능 요구조건에 달려있다.

(1) 저융점 재료

저융점 재료란 본 슬라이딩 피막의 다른 구성 성분인 바인더 수지의 유리전이온도보다 더 낮은 융점을 갖는 재료이다. 저융점 재료는 바인더 수지와 연관하여 선택, 결정된다. 저융점 재료의 대표적인 예로, 금속단체, 합금 그리고 금속간 화합물 같은 금속재료를 생각할 수 있다. 그러나, 이것들에만 한정되지 않고, 저융점 재료는 금속원소와 비금속원소의 화합물일 수 있다. 또한, 무기질 재료에만 한정되지 않고, 저융점 재료는 합성수지와 같은 유기질 성분일 수도 있다. 저융점 재료는 여러가지 재료들의 한 종으로 구성될 수 있고, 또는 그들을 적절하게 조합한 복수의 종으로 구성될 수도 있다.

바인더 수지로서, 양호한 내열성을 가지는 대표적인 수지인 폴리이미드(이후 "PI"라 함) 또는 폴리아미드-이미드(이후 "PAI"라 함)의 사용을 고려할 경우, 이들 은 대략 200℃~500℃의 유리전이온도 (Tg) 를 갖는다. 이 사실을 고려해서, 저융점 재료의 몇 가지 예들을 이후 언급할 것이다. 괄호안의 수치는 예를 든 저융점 재료의 융점을 나타낸다.

금속단체로는, 인듐(In:157℃), 주석(Sn:232℃), 비스무스(Bi:271℃), 그리고 납(Pb:327℃)과 같은 저융점 금속들의 단체가 있다. 상기 저융점 금속들의 합금도 당연히 저융점 재료가 될 수 있다. 공정조직을 가진 주석계 합금의 예로는 Sn-52In(118℃), Sn-58Bi(139℃), Sn-37Pb(183℃), Sn-3.5Ag(221℃), 그리고 Sn-0.7Cu(227℃)를 들 수 있다. 게다가, Sn-3Ag-0.5Cu(217-220℃)와 Sn-3Ag-2Bi-1In(209-217℃)도 있다. 3원합금과 4원합금 다음의 괄호안 수치는 "고상온도-액상온도"를 나타낸다. 또한, 모든 합금조성은 전체를 질량 100 % 로 보았을 경우의 질량 % 로 표현된다.

그러므로, 저융점 재료로서는 여러가지 종류들을 고려해 볼 수 있다. 그러나, 저융점 재료는, 주석, 주석 합금, 그리고 주석 화합물 중에서 적어도 한종류를 선택한 것으로 하는 것이 바람직하다. 이런 주석계의 재료들은 큰 잠열뿐만 아니라 저융점도 갖는다. 게다가, 주석은 비교적 적은 비용으로 얻을 수 있는 원소이며 환경에 주는 부담이 적다.

왜냐하면, 저융점 재료의 비율은 본 슬라이딩 피막의 사양, 그리고 사용되는 고체 윤활제와 바인더 수지의 종류와 비율에 의하여 적절히 정해지기 때문에 본 슬라이딩 피막에서의 저융점 재료의 비율을 구체적으로 규정하기는 어렵다. 그러나, 저융점 재료의 비율의 하한은 전체 슬라이딩 피막을 100 질량 % 라고 잡았을 때 0.1 질량 % 로 하는 것이 바람직하며 더 바람직하게는 0.5 질량 %, 더 더욱 바람직하게는 2 질량 % 이고, 상한은 60 질량 % 로 하는 것이 바람직하며 더 바람직하게는 50 질량 %, 더 더욱 바람직하게는 40 질량 % 로 하는 것이 좋다. 이러한 상한 및 하한은 적절하게 조합될 수 있다.

저융점 재료가 슬라이딩 피막내에 소량이라도 존재한다면 슬라이딩 피막의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 내눌러붙음성(seizure resistance)을 향상시킬 수 있다. 그러나, 저융점 재료의 함량이 너무 적다면, 저융점 재료가 주는 이점들이 적어진다. 한편, 저융점 재료의 함량이 너무 과다하면 바람직하지 못하다. 왜냐하면 고체 윤활제와 바인더 수지의 함량이 상대적으로 줄어들어서 슬라이딩 부재 자체의 특성을 떨어뜨리기 때문이다.

저융점 재료는 슬라이딩 피막 또는 슬라이딩 피막의 표층 근처에 균일하게 분산되는 것이 바람직하다. 따라서, 저융점 재료를 과립이나 미립자로 하는 것이 바람직하다. 입자 직경 및 가로세로비와 같은 저융점 재료의 구체적인 형상은 중요하지 않으나 당해 슬라이딩 피막의 사양과 저융점 재료의 입수성(入手性)과 비용을 고려하여 적절하게 선택할 수 있다. 그러나, 다음과 같은 예를 들 수 있다. 대략적으로 저융점 재료의 입자 직경은 0.1~100 ㎛ 인 것이 바람직하며, 0.1~50 ㎛ 이면 더 바람직하고, 0.5~20 ㎛ 이면 더 한층 바람직하고, 1~5 ㎛ 이면 가장 좋다. 지나치게 작은 입자 직경을 가진 저융점 재료는 만들기 어려울 뿐만 아니라 가격이 또한 매우 높다. 한편, 지나치게 큰 입자직경을 가진 저융점 재료는 당해 슬라이딩 피막으로부터 돌출될 수 있기 때문에 바람직스럽지 못하다. 즉, 저융점 재료의 최대입자직경은 당해 슬라이딩 피막의 두께와 같거나 작은 것이 바람직하다. 그러나 슬라이딩 부재와 슬라이딩 장치의 사양에 따라서, 이미 형성된 슬라이딩 피막은 연마 후에 사용될 수 있다. 결과적으로, "저융점 재료의 최대입자직경은 당해 슬라이딩 피막의 두께와 같거나 작아야 한다"는 것은 결코 본 발명의 필수조건은 아니다.

저융점 재료로서 사용되는 원료분말은 기계적으로 분쇄된 분말 또는 미립화된 분말이며 이러한 원료분말의 제조방법은 중요하지 않다. 분말 형태의 저융점 재료를 사용하였을 때라도 저융점 재료는 당해 슬라이딩 피막에서 저융점 재료가 원재료였을 때의 초기 형상을 유지할 필요는 없다. 또한, 저융점 재료의 입자형태는 당해 슬라이딩 피막을 형성한 후에 당해 슬라이딩 피막의 표면을 연삭하거나 연마함으로써 변형될 수 있다. 덧붙여서, 당해 슬라이딩 피막이 바인더 수지의 유리전이온도 보다 낮은 온도로 가열되었을 때, 저융점 재료는 전체적으로 또는 부분적으로 용융되어 당해 슬라이딩 피막에서 확산될 수 있다.

상기 형태에 한정되지 않고, 저융점 재료가 재료적으로 존재 형태를 바꾸는 것을 생각해볼 수 있다. 예를 들어, 저융점 재료의 원료 분말로서 Sn분말이 사용되고, Sn입자들이 분산된 슬라이딩 피막이 형성될 때, Sn이 다른 성분들과 반응하여 화합물로 변하거나 합금을 형성하는 것을 당연히 생각할 수 있다. 이러한, 새로운 생성물들은 이들이 바인더 수지의 유리전이온도 보다 더 낮은 융점을 갖는 한 저융점 재료에 포함된다. 새로운 생성물은 후술하는 슬라이딩 생성물을 포함한다. 즉, 본 발명에서 저융점 재료라고 일컫는 구성 성분은 당해 슬라 이딩 피막에서 시원료의 형태를 유지할 필요는 없으며 당해 슬라이딩 피막을 형성한 후에는 다른 형태로 바뀔 수 있다. 예를 들어, 새로운 생성물로서 전술한 Sn-0.7Cu 와 Sn-3.5Ag 같은 저융점 합금을 생각해 볼 수 있다. 당해 슬라이딩 피막의 형성 단계에서 적정량의 Cu 또는 Al분말을 Sn분말에 혼합할 수 있다. 그리고 나서, 당해 슬라이딩 피막의 바인더 수지를 소성(baking)하는 단계나 또는 당해 슬라이딩 피막을 사용하는 단계에서, Sn과 Cu 또는 Ag는 Sn-Cu합금 또는 Sn-Ag 합금을 형성하여 새로운 저융점 재료로 변하게 된다.

당해 슬라이딩 피막에서의 저융점 재료의 함량은 바인더 수지가 유리전이온도에서 유리전이가 되기 전에 저융점 재료가 받는 마찰열의 전체량에 커다란 영향을 끼친다고 생각된다. 그러나, 저융점 재료가 짧은 시간안에 마찰열을 받게 되면, 그 함량에 한정되지는 않고, 저융점 재료의 입자직경의 분포도 당해 슬라이딩 피막에서의 온도 상승에 영향을 준다고 믿어진다. 그러므로, 당해 슬라이딩 피막의 요구사양에 따라 저융점 재료의 비율과 형태를 조절하는 것이 타당하다.

(2) 바인더 수지

바인더 수지는 고체 윤활제와 저융점 재료를 기재(Substrate)의 표면상에 확실히 고정하고 유지한다. 바인더 수지의 종류는 특별히 문제가 되지는 않는다. 그러나, 바인더 수지 그 자체가 양호한 슬라이딩 특성을 갖는 것이 더 바람직하다.

바인더 수지에 관련하여, 예를 들어, 열경화성 수지, 열가소성 수지, 비열가소성수지, 결정질 수지 그리고 비결정질 수지 중에서 적어도 한 종류를 적절히 선택할 수 있다. 구체적으로는 예를 들면, PAI(280℃), 폴리이미드(이후 "PI" 라 고 한다. 410℃), 폴리에테르 에테르 케톤(이후 "PEEK" 라고 한다. 143℃), 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르, 액정-크리스탈 폴리산염계(이후 "LCP" 라고 한다. 360℃), 폴리에테르술폰(이후 줄여서 "PES"라고 한다. 230℃), 그리고 폴리에테르-이미드 (이후 "PEI"라고 한다. 217℃)가 있다. 괄호안의 수치는 예를 든 바인더 수지의 유리전이온도 (Tg) 를 나타낸다. 내마모성, 내열성 그리고 경제적 효율성과 같은 슬라이딩 특성의 견지에서 보았을 때, 양호한 바인더 수지로서 PAI를 선택하는 것이 좋다.

바인더 수지는 반드시 한 종의 수지로 구성될 필요는 없으며 서로 혼합된 복수 종의 수지로 구성될 수 있다. 게다가, 바인더 수지는 단순히 수지만으로 구성될 수는 없으며 수지에 부가하여 수지의 바인더로서의 기능을 강화하기 위해 수지에 분산되는 강화 입자들을 더 포함할 수 있다. 또한, 필요하다면 바인더 수지내의 고체 윤활제와 저융점 재료의 적합성(conformability) 뿐만 아니라 바인더 수지내의 강화입자의 적합성을 향상시키기 위하여 결합제(coupling agent)를 또한 사용할 수 있다. 또한, 바인더 수지에 고체 윤활제등을 확산시키는데 용제를 사용할 수도 있다.

본 슬라이딩 피막에서 고체 윤활제와 저융점 재료의 적정량을 제외한 나머지를 바인더 수지의 비율이라고 볼 수 있다. 그러나, 전체 슬라이딩 피막을 100 부피 % 라고 보았을 때 바인더 수지의 비율의 하한은 20 부피 % 로 하는 것이 바람직하며 더 바람직하게는 30 부피 % 이며, 상한은 80 부피 % 로 하는 것이 바람직하며 더 바람직하게는 70 부피 % 로 하는 것이 좋다. 이러한 상한과 하한은 적절 하게 조합될 수 있다.

너무 낮은 바인더 수지의 비율은 고체 윤활제와 저융점 재료가 분리되게 만들어서 결과적으로 얻어지는 슬라이딩 피막의 내마모성이 낮아지게 된다. 이와는 반대로, 너무 높은 바인더 수지의 비율은 고체 윤활제와 저융점 재료의 비율을 상대적으로 너무 많이 떨어뜨려서 결과적으로 얻어지는 슬라이딩 피막의 슬라이딩 특성이 떨어지게 된다. 사용하는 고체 윤활제 등과 당해 슬라이딩 피막의 사양에 따라 바인더 수지의 비율을 적절히 조절하는 것이 바람직하다.

(3) 고체 윤활제

고체 윤활제의 종류가 중요하지는 않다. 한 종류만으로 된 고체 윤활제를 사용할 수도 있을뿐 아니라, 또한 복수의 종류로 된 고체 윤활제를 혼합하여 사용할 수도 있다. 복수의 종류로 된 고체 윤활제를 사용할 때는, 각각의 고체 윤활제는 서로 슬라이딩 특성을 보완하여 전체로 보았을 때 양호한 슬라이딩 특성을 가진 슬라이딩 피막을 만들어 낼 수 있다.

이러한 고체 윤활제로는 하기와 같은 것들이 있다. PTFE, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌(이후 "ETFE"라고 한다), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(이후 "FEP"라고 한다.), 이황화몰리브덴(MoS₂), 이황화텅스텐(WS₂), 플루오로칼슘(CaF₂), 흑연(C), 그리고 질화붕소(BN)가 있다.

본 슬라이딩 피막에서 고체 윤활제의 비율은 슬라이딩 피막의 사양에 의해서 정해진다. 그러나, 전체 슬라이딩 피막을 100 부피 % 라고 보았을 때 고체 윤 활제의 비율의 하한은 20 부피 % 로 하는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 30 부피 % 로, 상한은 80 부피 % 로 하는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 70 부피 % 로 하는 것이 좋다. 이러한 상한과 하한은 적절하게 조합될 수 있다.

특히, 고체 윤활제는 PTFE, MoS₂, 그리고 흑연 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 성분을 포함하는 것이 바람직하다. 게다가, 상기 고체 윤활제는 상기 세가지 성분의 화합물을 포함하는 것이 더 바람직하다. 고체 윤활제 단독으로만의 비율은 전체 슬라이딩 피막을 100 부피 % 로 보았을 때, PTFE에 대해서 10~40 부피 %, MoS₂에 대해서 5~30 부피 %, 흑연에 대해서 10~30 부피 % 로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 100 부피 % 로 잡은 슬라이딩 피막에 대하여 50~80 부피 % 의 양으로 PAI를 사용하는 것이 바람직하다.

너무 낮은 고체 윤활제의 함량은 결과적으로 얻어지는 슬라이딩 피막의 슬라이딩 특성을 떨어뜨린다. 이와는 반대로, 너무 높은 고체 윤활제의 함량은 바인더 수지와 저융점 재료의 비율을 상대적으로 떨어뜨려서 고체 윤활제가 떨어져나가게 만들며 결과적으로 얻어지는 슬라이딩 피막의 내마모성을 떨어뜨린다. 고체 윤활제의 종류와 당해 슬라이딩 피막의 사양에 따라 고체 윤활제의 최적비율을 적절히 조절하는 것이 바람직하다.

(4) 기재(substrate), 상대 부재, 슬라이딩 부재

기재는 슬라이딩 부재의 기부(基部)이다. 본 발명에 따른 슬라이딩 부재는 적어도 그 한 표면이 슬라이딩 피막으로 덮여진 기재를 포함한다. 기재의 재료는 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 강, 주철, 세라믹 그리고 수지 중의 어느 하나일 수 있다. 기재는 판형, 원통형, 구형 중의 어느 하나로 형성될 수 있다.

슬라이딩 피막과 기재 표면 사이의 접착력을 개선하기 위해서 절삭, 숏 피닝(shot peening), 또는 양극산화처리에 의해서 적당한 거칠기를 기재의 표면에 줄 수 있다.(즉, 기재의 표면을 거칠게 할 수 있다.) 대안으로서, 기재의 표면은 용사층(thermally-sprayed layer)을 구비할 수 있다.

상대 부재는 슬라이딩 부재와 슬라이딩 접촉을 하면서 상대 운동을 하는 구성 요소이다. 상대 부재의 표면 특성과 재료는 문제가 되지 않는다. 그러나, 기재와 마찬가지로 상대 부재는 당해 슬라이딩 피막과 같은 슬라이딩 피막을 구비할 수 있다. 기재에 대한 설명은 상대 부재의 재료와 형상에 마찬가지로 적용될 수 있다. 설명의 편의를 위해 본 명세서에서는, 그 기재의 적어도 하나 이상의 표면 위에 본 발명의 슬라이딩 피막이 형성되는 부재는 "슬라이딩 부재"라고 칭하기로 한다. 그러나, 적절한 곳에서는 상대 부재를 포함해도 단순히 "슬라이딩 부재"라고 칭할것이다.

당해 슬라이딩 부재는 양호한 슬라이딩 특성을 보여주며 따라서 가혹한 슬라이딩 조건하에서 사용되는 구성 요소로서 적당하다. 예를 들어, 이러한 구성 요소들은 축, 베어링의 레이스 또는 링, 내연기관의 피스톤, 차량의 공기조화기용 사판식 압축기의 사판과 슈가 될 수 있다.

슬라이딩 부재에서 요구되는 슬라이딩 특성은 그 슬라이딩 부재를 어떻게 적 용하는가에 달려있다. 그러나, 슬라이딩 피막의 두께는 바람직하게는 0.1~120 ㎛, 더 바람직하게는 5~100 ㎛, 더욱 더 바람직하게는 5~60 ㎛ 인 것이 좋다. 너무 얇은 두께를 가진 슬라이딩 피막은 안정적인 슬라이딩 특성을 장기간 확보할 수 없다. 한편, 너무 두꺼운 두께의 슬라이딩 피막은 슬라이딩 피막을 형성하는데 오랜 시간이 걸려서 제조비가 높아지기 때문에 바람직하지 못하다.

(5) 슬라이딩 생성물

상기한 바와 같이, 종래의 슬라이딩 피막과 비교하여서 본 발명에 의한 슬라이딩 피막이 더 양호한 내눌러붙음성을 보이는 이유로는 저융점 재료가 마찰열을 흡수하는 작용을 하기 때문이라고 생각된다. 그러나, 본 발명자들은 당해 슬라이딩 피막을 연구하기 위해 다양한 테스트와 분석을 반복하여 실시한 후, 특정의 슬라이딩 조건하에서 새로운 슬라이딩 생성물이 슬라이딩 면위에 생성됨을 확인했다. 상기 슬라이딩 생성물은 슬라이딩 부재들 사이의 슬라이딩 특성을 더욱 향상시키는데 다소간 기여한다고 생각된다. 구체적으로는, 상기 슬라이딩 생성물은 상기 내눌러붙음성의 향상에 부가하여 슬라이딩 면들 사이의 마찰 계수의 감소를 더욱 촉진하고 슬라이딩 피막의 내마모성을 향상시켜서, 슬라이딩 특성, 당해 슬라이딩 피막의 신뢰성, 그리고 내구성을 더욱 향상시킨다고 생각된다.

슬라이딩 생성물은 저융점 재료 또는 구성 요소의 일부와 반응하여서 형성된새로운 합금 또는 화합물로 생각된다. 상기 화합물은 금속간 화합물을 포함한다. 저융점 재료와 반응하여 슬라이딩 생성물을 형성하는 슬라이딩 생성물 형성 성분은 저융점 재료와 함께 당해 슬라이딩 피막에 함유되거나 또는 슬라이딩 피 막과 슬라이딩 접촉하는 상대 부재의 슬라이딩 면 부근에 존재할 수 있다. 그러나, 슬라이딩 생성물은 상대 부재의 성분에 관계 없이 형성될 수 있으므로 당해 슬라이딩 피막이 저융점 재료와 슬라이딩 생성물 형성원소를 둘 다 포함하는 것이 바람직하다.

슬라이딩 생성물 형성원소가 상대 부재측에 존재할 때는, 슬라이딩 생성물의 이동이 슬라이딩 피막측과 상대 부재측의 사이에서 일어난다. 예를 들어, 슬라이딩 생성물이 상대 부재의 슬라이딩 면 위에 형성될 때, 슬라이딩 피막의 성분은 상대 부재로 이동한다. 심지어 슬라이딩 생성물이 다른 편에 형성되었을 때도, 이러한 이동이 유사하게 일어난다. 그러므로, 슬라이딩 생성물은 슬라이딩 부재측 또는 상대 부재측에 형성될 수 있거나 또는 양 측에 모두 형성될 수 있다. 게다가, 슬라이딩 생성물은 슬라이딩 면 전체를 덮는 피막으로 형성될 수 있거나 또는 슬라이딩 면의 일부를 덮는 피막으로 형성될 수 있다. 다르게는, 슬라이딩 생성물은 슬라이딩 면 위에 산재하여 존재할 수 있다. 슬라이딩 생성물이 존재하는 형태는 결코 문제가 되지 않는다.

이러한 슬라이딩 화합물들의 몇가지 예로서, 주석, 납, 인듐 또는 비스무스 를 포함하는 저융점 금속과 슬라이딩 생성물 형성원소인 니켈로 만들어진 니켈 합금과 니켈 화합물이 있다. 예를 들어서, 저융점 재료가 주석을 함유하고 슬라이딩 생성물 형성원소슬라이딩 생성물 형성원소물은 주석-니켈 화합물을 포함한다. 사판식 압축기를 예로 들면, 저융점 재료로 주석을 함유하는 슬라이딩 피막은 사판의 표면 위에 형성될 수 있고 상기 사판과 슬라이딩 접촉을 하는 슈의 표면 위에는 니켈 도금이 형성될 수 있다. 이런 경우에는 주석-니켈 화합물층이 새로운 슬라이딩 생성물로서 형성될 것이다. 본 발명자들이 수행한 실험 및 연구에 의하여, 결과적으로 얻어지는 주석-니켈 화합물층은 상기 주석-니켈 화합물층이 슈의 표면에 고착되어 주석이 미세화되어서 분산된 새로운 슬라이딩 면을 형성하는 방식으로 형성된다는 것을 알 수 있었다.

다른 예로서는, "2차" 슬라이딩 생성물층의 형성이 있다. 고체 윤활제가 주석과 함께 MoS₂ 미립자를 함유했을 경우에, 본 발명자들은 주석-황-몰리브덴 화합물을 함유하고 초기 단계에서 마찰에 의해 당해 슬라이딩 피막의 표면 위에 형성되는 슬라이딩 생성물층이 당해 슬라이딩 피막의 내마모성을 더욱 향상시키는 것으로 생각되는 경우가 있다는 것을 알아냈다. 다수의 슬라이딩 생성물들이 연속하여 형성되는 경우도 있다. 이러한 경우, 설명의 편의상 각각 "1차" 슬라이딩 생성물, "2차" 슬라이딩 생성물, "3차" 슬라이딩 생성물 등으로 나누어서 언급한다. 슬라이딩 피막의 슬라이딩 면으로부터 더 멀리 떨어져 형성되는 슬라이딩 생성물일수록 더 높은 차수로서 그 생성물을 나타낸다.

(6) 슬라이딩 피막의 조성물과 슬라이딩 피막의 형성 방법 또는 슬라이딩 부재의 제조 방법

본 발명에 따른 슬라이딩 피막의 조성물은 최소한 당해 슬라이딩 피막의 형성을 위한 필수 성분들 즉, 고체 윤활제, 바인더 수지 그리고 저융점 재료를 함유한다. 슬라이딩 피막의 사양에 따라서 본 조합물은 다른 성분들을 함유할 수 있다. 또한, 당해 조성물은 당해 슬라이딩 피막을 형성하는 방법에 따라 형태를 달리한다. 예를 들어, 당해 슬라이딩 피막이 기재의 표면에 도포되어서 형성될 경우에는 당해 조성물은 바인더 수지를 바니쉬상태로 한 슬라이딩 피막용 도료가 되는 것으로 한다. 또한, 당해 슬라이딩 피막이 기재의 표면에 전사법으로 형성될 경우에는 당해 조성물은, 예를 들어, 결과적으로 얻어지는 전사 필름이 스크린 인쇄가 되기 더 적합하게 만들기 위해서 슬라이딩 피막용 페이스트가 되는 것으로 한다.

예를 들어, 슬라이딩 피막용 도료로 당해 슬라이딩 피막을 기재의 표면에 형성할 경우에는, 상기 형성 방법은, 도포 방법에 따라서 용제로 적절히 점도를 조절한 슬라이딩 피막용의 도료를 기재의 표면에 도포하는 공정 및 상기 도포 공정 후에 형성된 도료 피막을 열을 가하여 건조하는 공정을 포함한다. 상기 도포 공정은 브러쉬 코팅, 스프레이식, 그리고 페인트 욕에 담그기에 의해서 이루어 질 수 있다. 더 구체적으로는, 롤러 도포, 롤러 코터 도포, 에어 스프레이 도포, 에어리스 스프레이 도포, 정전 코팅, 전착 코팅, 그리고 스크린 인쇄와 같은 공지된 도포 방법을 사용할 수 도 있다.

소성 공정에서는 기재의 표면에 도포된 도료 피막을 소정 조건하에서 가열하여 슬라이딩 피막을 확고히 형성함과 동시에 결과적으로 얻어지는 상기 슬라이딩 피막을 기재의 표면에 밀착시킨다. 소성 공정은 도포 공정 후에 형성된 도료 피막을 건조시키는 건조 공정과 결합될 수 있다. 또한, 바인더 수지가 열경화성수지를 함유하면, 상기 열경화성 수지는 소성 공정동안 가교결합되어 경화가 된 다.

당해 슬라이딩 피막을 전사(轉寫)법으로 기재의 표면에 형성할 경우에는, 상기 형성 방법은 하기의 공정을 포함한다. 예를 들어, 슬라이딩 피막용 페이스트를 기재의 표면 위에 스크린 인쇄하여 전사 필름을 형성하고, 상기 전사 필름을 기재의 표면 위에 전사하고 기재의 표면 위에 형성된 도료 피막을 소성한다. 본 발명을 형성하는 공정을 지금까지 설명했다. 그러나, 형성 방법에 대한 상기 설명은 본 발명에 따른 슬라이딩 부재의 제조 방법에도 유사하게 적용될 수 있다고 생각한다.

(7) 슬라이딩 장치

본 발명에 따른 슬라이딩 장치는 슬라이딩 피막이 형성된 슬라이딩 부재와 상기 슬라이딩 부재의 슬라이딩 피막에 슬라이딩 접촉하는 상대 부재를 포함한다. 이러한 슬라이딩 장치에는 서로 다른 여러가지 종류의 장치를 생각해 볼 수 있다. 예를 들어, 자동차 분야에만 한정하더라도, 엔진, 여러가지 펌프들, 그리고 공기조화기용 사판식 압축기가 있다. 이후 차량 공기조화기용의 냉동기용 압축기인 사판식 압축기의 예를 들 것이며, 당해 슬라이딩 피막이 그 위에 형성되는 사판을, 첨부한 도면을 참조하여 상술할 것이다.

도 1은 본 슬라이딩 장치의 한 실시형태인 사판식 압축기 (C) 의 단면도를 도시한다. 사판식 압축기 (C) 는 전방 하우징 (16), 실린더 블럭 (10), 그리고 후방 하우징 (18) 을 포함하며 이들은 도면에서 왼쪽에서 오른쪽으로 상기와 같은순으로 놓여져 있다. 전방 하우징 (16), 실린더 불럭 (10) 그리고 후방 하우징 (18) 은 회전축 (50), 사판 (60), 싱글 헤드형 피스톤 (14) (이후 "피스톤" (14) 으로 약칭)을 가지는 하우징 (21) 을 형성하고,전자 조절 밸브 (90) 가 배치된다.

실린더 블럭 (10) 에서는 복수의 실린더 형상의 실린더 보어 (12) 가 실린더 블럭(10)의 축중심을 환형으로 감싸도록 형성된다. 피스톤 (14) 은 각각의 실린더 보어 (12) 에 끼워진다. 전방 하우징 (16) 은 실린더 블럭 (10) 의 축방향의 한 말단면에 장착된다. 후방 하우징 (18) 은 실린더 블럭 (10) 의 축방향의 다른 한 말단면에 밸브 플레이트 (20) 를 통하여 장착된다.

흡입 챔버 (22) 와 토출 챔버 (24) 가 후방 하우징 (18) 과 밸브 플레이트 (20) 사이에 배치된다. 흡입 챔버 (22) 와 토출 챔버 (24) 는 흡입구 (26) 와 토출구 (28) 를 통하여 도시되지 않은 냉동기 회로에 각기 연결되어 있다. 또한, 밸브 플레이트 (20) 는 흡입홀 (32), 흡입 밸브 (34), 토출홀 (36), 그리고 토출 밸브 (38) 을 구비하고 있다.

회전축 (50) 은 실린더 블럭 (10) 의 축 중간 부분에서 회전가능하게 지지되어 있다. 회전축 (50)의 한 말단은 도시되지 않은 구동원(driving source)에 연결되어 있다. 사판 (60) 은 회전축 (50) 에 대하여 상대적으로 축방향으로 움직일 수 있고 또한 경사질 수 있게 장착된다. 사판 (60) 은 사판 (60) 의 축중심선을 포함하는 관통홀 (61) 을 구비하고 있고, 회전축 (50) 은 이 홀을 관통한다. 관통홀 (61) 은 반대편 끝의 개구에 이르기까지 상하 방향으로 큰 치수에서 작은 치수로 점진적으로 감소하는 내경을 가져서 양단부의 단면형상은 슬롯과 같이 된다. 회전 디스크 (62) 는 회전축 (50) 에 고정되며, 쓰러스트 베어링 (64) 에 의하여 전방 하우징 (16) 에 회전가능하게 지지된다.

힌지 기구 (66) 는 회전축 (50) 과 함께 사판 (60) 을 회전시킴과 동시에 사판 (60) 을 경사질 수 있게 한다. 경사진 사판 (60) 은 회전축 (50) 에 대해 축방향의 운동을 수반한다. 힌지 기구 (66) 는 지지 암 (67), 가이드 핀 (69), 사판 (60) 의 관통홀 (61) 그리고 회전축 (50) 의 외주면을 포함한다. 지지 암 (67) 은 회전 디스크 (62) 에 고정되어 있다. 가이드 핀 (69) 은 사판 (60) 에 고정되어 있으며, 슬라이딩 운동을 하게끔 지지 암 (67) 의 가이드 홀 (68) 에 끼워져있다.

피스톤 (14) 은 결합부 (70) 와 헤드 (72) 를 포함한다. 결합부 (70) 는 사판 위에 걸쳐 놓이는 방법으로 사판 (60)의 외주부와 연결된다. 헤드 (72) 는 결합부 (70) 와 일체로 되며 슬라이딩 운동을 할 수 있도록 실린더 보어 (12)에 끼워져 있다. 헤드 (72) 는 경량화를 위해 중공으로 되어 있다. 헤드 (72), 실린더 보어 (12) 그리고 밸브 플레이트 (20) 가 함께 모여 압축실을 형성한다. 결합부 (70) 는 한 쌍의 반구 왕관형의 슈 (76) 에 의하여 사판 (60) 의 외주면에 연결된다. 또한, 결합부 (70) 의 양단부 중 어느 한 단부만 헤드 (72) 를 구비하고 있기 때문에 피스톤 (14) 을 싱글 헤드형 피스톤이라고 부른다.

사판 (60) 은 회전하면서 피스톤 (14) 을 왕복운동 시킨다. 구체적으로, 사판 (60) 의 회전운동은 슈 (76) 를 통해서 피스톤 (14) 의 선형 왕복운동으로 전환된다. 피스톤 (14) 이 상사점으로부터 하사점까지 이동하는 흡입행정에서는, 흡입홀 (32) 과 흡입 밸브 (34) 를 통하여 흡입 챔버 (22) 의 냉매가스가 실린더 보어 (12) 의 압축실로 흡입된다. 피스톤 (14) 이 하사점으로부터 상사점까지 이동하는 압축행정에서는, 실린더 보어 (12) 의 압축실에 있는 냉매가스가 압축되어서 토출홀 (36) 과 토출 밸브 (38) 를 통하여 토출 챔버 (24) 로 방출된다. 냉매가스가 압축됨에 따라, 압축반력이 피스톤 (14) 에 축방향으로 작용한다. 전방 하우징 (16) 은 피스톤 (14), 사판 (60), 회전 디스크 (62), 그리고 쓰러스트 베어링 (64) 을 통해서 압축 반력을 받게 된다.

실린더 블럭 (10) 을 관통하게끔 급기(給氣)통로 (80) 가 배치된다.

이 급기통로 (80) 는 토출 챔버 (24) 와 전방 하우징 (16) 및 실린더 블럭 (10) 사이에 형성되는 사판 챔버(swash plate chamber) (86) 를 연결한다. 급기통로 (80) 의 중간 부분에는 전자 밸브(electromagnetic valve) (90) 가 배치된다. 컴퓨터를 포함하는 도시되지 않은 제어 장치는 냉각 부하에 관한 정보에 따라서 전자 밸브 (90) 의 솔레노이드 (92) 에 전류를 공급하는 것을 제어한다.

회전축 (50) 의 내부에는 배기통로 (100) 가 배치되어 있다. 배기통로 (100) 의 양 단부 중 한 단부는 실린더 블럭 (10) 의 중간 부근에 있는 지지 보어 (102) 로 개구되어 있고, 다른 한 단부는 사판챔버 (86) 로 개구되어 있다. 지지 보어 (102) 는 배기구 (104) 를 통하여 흡입 챔버 (22) 와 연통된다.

사판식 압축기 (C) 는 가변 용량 압축기이다. 즉, 사판 챔버 (86) 안의 압력을 조절하기 위해서 압력이 더 높은 쪽이 되는 토출 챔버 (24) 와 압력이 더 낮은 쪽이 되는 흡입 챔버 (22) 사이의 압력차를 이용한다. 그러므로, 피스톤 (14) 의 후단부에 작용하는 사판 챔버 (86) 안의 압력과 피스톤 (14) 의 전단부에 작용하는 실린더 보어 (12) 안의 압축 챔버 압력의 차가 제어된다. 결과적으로, 사판 (60) 의 경사각이 변경되면 피스톤 (14) 의 행정이 변경되고, 그럼으로써, 사판식 압축기 (C) 의 토출용량을 조절할 수 있다. 사판 챔버 (86) 안의 압력의 조절은 전자식 조절 밸브 (90) 에 전류를 흘리거나 끊음으로써 사판 챔버 (86) 를 토출 챔버 (24) 와 연통시키거나 또는 사판챔버 (86) 를 토출 챔버 (24) 와 단절시켜서 이루어진다.

본 실시형태에 따른 사판식 압축기 (C) 에 있어서, 사판 (60) 의 경사각을 변경하기 위한 장치는 상기 설명된 힌지 기구 (66) 외에 실린더 보어 (12), 피스톤 (14), 흡입 챔버 (22), 토출 챔버 (24), 지지 보어 (102), 급기 통로 (80), 사판 챔버 (86), 전자 조절 밸브 (90), 배기통로 (100), 배기구 (104), 그리고 도시가 되지 않은 제어 장치를 포함한다.

실린더 블럭 (10) 과 피스톤 (14) 은 알루미늄 합금으로 만들어진다. 상기 피스톤 외주표면에는 플루오로카본 수지(fluorocarbon-resin)가 코팅이 되어 있다. 이 플루오로카본 수지의 코팅은 동종 금속들이 직접적으로 접촉하는 것을 방지함으로써 내눌러붙음성을 향상시킴과 동시에 피스톤 (14) 과 실린더 보어 (12) 사이의 끼워맞춤 공간(fitting space)을 가능한 줄여준다.

피스톤 (14) 의 결합부 (70) 는 대략 U자형의 단면 형상을 하고 있으며, 한 쌍의 암 (120), (122) 그리고 커넥터 (124) 를 포함한다. 상기의 암 (120), (122) 은 헤드 (72) 의 중앙축선을 가로지르는 방향으로 서로 평행하게 신장한다.커넥터 (24) 는 암 (120) 의 기단부와 암 (122) 의 기단부를 서로 연결한다. 서로 마주보고 있는 암 (122) 과 암 (122) 의 내측면에는 슈-지지 표면을 형성하는 오목한 구형 표면 (128) 이 각기 형성된다. 이들 두 오목한 구형 표면 (128) 은 동일한 구형 표면에 배치된다.

도 2 에서 도시하는 바와 같이 슈 (76) 는 반구 왕관형으로 형성되고 구형 표면 (132) 과 평면 (138) 을 포함한다. 슈 (76) 의 한 외주표면인 구형 표면 (132) 은 대략 볼록한 구형의 표면으로 되어 있다. 슈 (76) 의 다른 한 외주표면인 평면 (138) 은 거의 평평하게 되어 있다. 구형 표면 (132) 에서, 슈 (76) 는 피스톤 (14) 의 오목한 구형 표면 (128) 에 의하여 슬라이딩 운동을 할 수 있게끔 지지된다. 평면 (138) 에서 슈 (76) 는 사판 (60) 의 양 외주표면인 슬라이딩 면 (140) 과 (142) 에 접촉한다. 그러므로, 슈 (76) 는 사판 (60) 의 외주부를 양쪽에서 지지한다. 슈 (76) 가 사판 (60) 을 지탱할 경우, 한 쌍의 슈 (76) 는 구형 표면 (132) 의 볼록한 구형 표면이 동일한 구형 표면에 있도록 만들어진다. 즉, 슈 (76) 는 사판 (60) 두께의 절반 정도로 실제의 반원보다 더 작은 반구 왕관형상으로 형성된다.

사판 (60) 의 기재 (160) 는 일본공업규격(Japanese Industrial Standard, 이하 "JIS"로 약칭한다.)에 따른 FCD700, FCD600 그리고 FCD500과 같은 연성 주철을 포함한다. 또는, 기재 (160) 는 JIS에 따른 S45C 와 S55C 같은 기계구조용 탄소강, JIS에 따른 SCM같은 크롬 몰리브덴 강 또는 구리 합금을 포함할 수도 있다.

기재 (160) 의 양 표면 (162) 와 (163) 위에는 본 발명에 따른 슬라이딩 피 막인 고체윤활제층 (166) 이 형성된다. 이 고체윤활제층 (166) 은 MoS₂, 흑연, 그리고 PTFE의 혼합물(즉, 고체 윤활제), 주석(즉, 저융점 재료)의 미세 분말, 그리고 PAI(즉, 바인더 수지)를 포함한다. 고체윤활제층 (166) 은 대략 10~20 ㎛ 의 두께를 갖는다. 고체윤활제층 (166) 은 본 발명에 따른 슬라이딩 피막의 단지 하나의 예에 지나지 않는다. 사판식 압축기 (C) 의 사양에 따라서 다른 고체윤활제층을 사용할 수도 있다.

고체윤활제층 (166) 은 하기와 같은 방법으로 형성될 수 있다. 상기 고체윤활제층 (166)의 구성 성분을 포함하는 액상의 도료(즉, 슬라이딩 피막용의 조성물)가 스프레이 또는 전사법으로 균일하게 기재 (160) 의 외부표면에 도포된다. 여기서 "전사"라는 용어는 롤-코터 도포용 도료를 사용한 스크린 인쇄를 의미한다. 스프레잉은 도료를 균일하게 기재 (160) 위에 부착시키기 위해 도료를 이미 고정된 기재 (160) 위에 분사하는 방법이다. 스프레이 또는 전사 후, 결과적으로 얻어지는 도료 피막을 소성하여서 경화시킨다. 마지막에는 도료 피막의 외표면을 연마하여 적절하게 조정된 소정의 치수와 조도를 가진 고체윤활제층 (166) 으로 만든다.

고체윤활제층 (166) 이 존재하므로써 충분한 내눌러붙음성과 낮은 마찰과 같은 양호한 슬라이딩 특성을 보여주는 사판 (60) 을 만들 수 가 있다. 따라서, 사판식 압축기 (C) 를 무윤활조건 또는 불량한 윤활조건과 같은 가혹한 환경하에서 작동할 경우라도 사판 (60) 과 슈 (76) 사이(즉, 슬라이딩 부재들 사이)의 눌러붙 음을 방지할 수 있다. 그러므로, 사판식 압축기 (C) 는 확실하게 높은 내구성과 신뢰성을 보여줄 수 있다.

고체윤활제층 (166) 과 유사한 슬라이딩 피막이 실린더 보어 (12) 의 내주면과 피스톤 (14) 의 헤드 (72) 의 표면에 형성될 수 있고, 슈 (76) 의 외주면과 결합부 (70) 의 오목한 구형 표면 (128) 에 형성될 수도 있다.

한 쌍의 슈 (76) 는 흔히 JIS에 따른 SUJ2,즉, 고탄소크롬 베어링강으로 만들어져왔으나, 알루미늄 합금으로 만들 수도 있으며 이들 표면들에 니켈도금을 할 수 도 있다. 구체적으로는 한 쌍의 슈 (76) 는 JIS에 따른 A4032에 상당하는 알루미늄-실리콘계 합금과 같이 실리콘을 함유한 알루미늄 합금과 Ni-P, Ni-B, Ni-P-B ,그리고 Ni-P-B-W 도금막 같이 그 기재에 형성된 니켈계의 도금막을 포함할 수 있다. 니켈계의 도금막은 단층막으로 형성되거나 복수의 이종 또는 동종의 피막으로 형성될 수도 있다.

고체윤활제층 (166) 과 같은 슬라이딩 피막과 상기 니켈계 도금 피막은 기재의 표면을 전체적으로 덮을 수 있거나 또는 가혹한 슬라이딩 조건하에 있게되는 기재 표면의 일부만을 덮을 수 도 있다.

본 슬라이딩 장치의 한 실시형태로서 가변용량의 사판식 압축기를 설명했다. 그러나, 본 슬라이딩 장치는 상기 사판식 압축기에만 한정되지 않음은 두말할 나위가 없다. 슬라이딩 장치의 하나인 압축기는 용량이 변하거나 또는 용량이 변하지 않는것이 있다. 또한, 그 압축시스템은 사판식 시스템과 요동(wobble)식 시스템과 같은 왕복운동형 시스템인 것과 베인(Vane) 시스템과 스크롤(scroll) 시스 템과 같은 로터리 시스템이 있다. 게다가, 공기조화기용 압축기의 경우에는 냉매의 종류는 중요하지 않다. 예를 들어서, 냉매를 플루오로카본의 대체물질로 할 수도 있고 심지어 이산화탄소로 할 수도 있다.

실시예

본 슬라이딩 피막의 몇 가지의 예를 구비한 슬라이딩 부재들이 이후 설명하는 바와 같이 실제로 제조되었으며, 이들 슬라이딩 피막의 슬라이딩 특성이 측정되었다.

(슬라이딩 피막용 도료의 조제)

바인더 수지로서 PAI의 수지제 바니쉬에 하기의 것들이 첨가되었다. 고체 윤활제로서 0.2~100 ㎛ 의 평균입자직경을 가지는 PTFE 분말, 0.3~10 ㎛ 의 평균입자직경을 가지는 흑연 분말, 3~40 ㎛ 의 평균입자직경을 가지는 MoS₂ 분말, 그리고 저융점 재료로서 5~20 ㎛ 의 평균입자직경을 가지는 여러가지 금속 분말. 첨가물들은 수지제 바니쉬중에서 교반되고 분산되었다. 이렇게 해서, 슬라이딩 피막용 도료가 만들어졌다.

형성된 전체 슬라이딩 피막을 100 질량 % (저융점재료는 제외)(이후, 간단히 "%"로 표현한다)라고 보고, 그 배합비율을 하기와 같이 조정하였다. PAI 34.49%, PTFE 20.73%, 흑연 10.85%, MoS₂ 33.93%. 하기의 표 1 은 저융점 재료의 종류와 그 배합비율을 보여준다.

(샘플의 제조 방법)

사판식 압축기의 사판에 대한 적용을 시뮬레이션 하기 위해서 환형의 디스크를 기재로서 준비했다. 환형의 디스크는 주철로 만들어졌으며(예를 들어, JIS에 따른 FCD700), 그 외경은 ø 95mm, 내경은 ø 16mm, 그리고 두께는 6mm이다. 기재의 표면에서 기름을 제거하고 기재의 표면을 세척 한 후, 상기 슬라이딩 피막용의 여러 도료를 도포량을 조절해가며 스프레이로 상기의 표면에 각각 도포했다(즉, 도포 공정). 도료 피막이 형성된 기재는 공기를 포함하는 가열로에 넣어졌고, 도료 피막의 건조와 소성을 위해 200℃에서 1시간 동안 가열되었다(즉, 소성 공정). 기재를 냉각한 후, 결과적으로 얻어진 슬라이딩 피막들은 그 슬라이딩 피막의 두께를 대략 10 ㎛ 으로 조절하기 위해 연마되었다. 이때 슬라이딩 피막은 JIS에 따른 1.0~3.2 ㎛ 의 표면 조도 (Rz) 를 보였다. 그러므로, 그 표면이 슬라이딩 피막으로 덮여 있는 슬라이딩 부재가(즉, 샘플) 만들어졌다.

사판식 압축기의 슈를 시뮬레이션하기 위해서 슬라이딩 피막과 슬라이딩 접촉을 하는 상대 부재로서 반구 왕관형상의 부재를 사용하였다. 상대 부재의 슬라이딩 면은 직경 13.5mm 의 원으로 형성되었다. 상대 부재는 알루미늄 합금(예를 들어, Al-12 질량 % , Si-4 질량 % Cu)으로 만들어졌다. 또한, 상대 부재의 슬라이딩 면은 무전해니켈도금처리 되었다. 또한, JIS에 따른 베어링강인SUJ2로 만든 다른 상대 부재를 준비하였고 그 슬라이딩 면에는 어떤 도금처리도 하지않았다.

(드라이-락 테스트)

도 3에 도시된 드라이-락(dry-lock) 테스트 장치를 사용하여 눌러붙음 시간 을 측정하였다. 여기에서 눌러붙음 시간이란 슬라이딩 피막을 구비한 기재(이후 간단히 "사판"이라고 함)와 니켈 도금된 상대 부재(이후 간단히 "슈"라고 함)가 서로 눌어붙는 시간을 의미한다. 드라이-락 테스트 장치는 소정의 부하를 사판과 슈에 가하고 그들을 소정의 환경하에서 무윤활 조건으로 슬라이딩 운동시켰다. 그러므로, 본 드라이-락 테스트 장치는 무윤활 조건하에 있는 실제 기계들(예를 들어, 사판식 압축기)에 가까운 상황을 재현할 수 있었다.

구체적으로, 본 드라이-락 테스트는 CO₂ 가스와 CFCs 대체 가스(예를 들면, R134a)의 두가지의 테스트 분위기에서 실시되었다. 또한, 도 3에 도시되는 바와 같이 도면에서 위로부터 두개의 슈에 가해지는 수직 하중은 200 kg·f (즉, 1,961 N) 으로 조절되었다. 사판과 슈는 평면 접촉을 하게 되고 그들 사이에 작용하는 압력은 2 MPa 정도였다. 슬라이딩 속도는 10.4 m/sec 로 조절되었다. 슬라이딩 속도는 사판과 슈가 접촉하는 가상원의 중심에 대한 평균 속도였다. 이것을 달리 말하면, 사판은 슈를 정지한 상태로 머물게 하면서 3000 rpm으로 회전되었고, 슈는 상대적으로 사판 위에서 슬라이딩 운동되었다. 또한, 슈를 고정하기 위한 구형의 시이트에는 슈의 온도를 측정하기 위한 열전대가 매설되었다.

눌러붙음의 발생유무를 판정하기 위해서 구동모터가 일정한 속도로 사판을 회전시키기 위해 요구되는 토크의 변화를 관찰하였다. 즉, 시간에 따른 토크의 변화는 계속해서 측정되었고, 토크가 갑작스럽게 15 kgf·cm 이상으로 증가하였을 때 눌러붙음이 일어났다고 판정하였다.

하기의 표 1과 표 2는 이렇게 측정한 각각의 슬라이딩 피막이 보여주는 눌러붙음 시간의 결과를 요약하여 보여준다. 표 1 은 슬라이딩 피막에 포함된 저융점 재료의 종류와 함량(전체 슬라이딩 피막을 100 질량 % 로 보았을 때 질량 %로 표시되는)이 변경되었을 때, 2 MPa-CO₂ 가스의 테스트 분위기에서 슬라이딩 피막이 보여주는 눌러붙음 시간을 나타낸다. 표 2는 주석계 저융점 재료를 사용하였고 표 1에 열거된 슬라이딩 피막들 보다 특별히 더 양호한 슬라이딩 특성을 보여주는 슬라이딩 피막들을 사용하였을 경우 슈의 종류와 테스트 분위기에 따라 눌러붙음 시간이 어떻게 달라지는가를 나타낸다.

표 1

표 2

표 2의 샘플 No.11, 샘플 No.14, 샘플 No.17, 샘플 No.20, 샘플 No.23 그리고 샘플 No.26은 표 1의 샘플 No.1, 샘플 No.2, 샘플 No.6, 샘플 No.7, 샘플 No.8, 그리고 샘플 No.9와 각각 동일하다. 또한, 도 4는 표 2에 나타낸 눌러붙음 시간으로부터 처리된 분포도를 도시한다. 동일한 테스트 조건하에서도 눌러붙음 시간이 변동하기 때문에 검정색 원"●"으로 표시된 여러개의 데이타들을 도 4에서 볼 수 있다. 도 4와 마찬가지로 표 2는 복수의 눌러붙음 시간을 나열하고 있다.

(링-온-블럭 테스트)

도 5의 링-온-블럭(ring-on-block) 테스트 장치를 사용하여서, 슬라이딩 피막을 가진 슬라이딩 부재의 시간에 따른 마찰력의 변화를 조사하였다. 링-온- 블럭 테스트 장치는 소정의 환경에서 실린더 형상의 상대 부재에 소정의 하중을 작용하면서 사각형 막대형상의 시험편을 무윤활조건(드라이 조건)으로 실린더 형상의 상대 부재 위에서 슬라이딩 운동시켰다. 그리고, 상기 링-온-블럭 테스트 장치는 링형상 시험편에 작용한 반력으로부터 링형상 시험편의 슬라이딩 면위에 작용하는 마찰력을 측정하였다. 도 5가 도시하는 바와 같이 링-온-블럭 테스트에 사용되는 시험편은 20 ㎛ 두께의 슬라이딩 피막으로 덮인 환형의 디스크로부터 잘라낸 사각형 막대형상의 블럭(상기 사판)이었다. 상기 사각형 막대형상의 블럭은 길이 6.5mm, 폭 7.0mm, 높이 6.0mm 의 사이즈를 갖는다. 상대 부재의 외주면은 시험편의 슬라이딩 피막과 슬라이딩 접촉을 하였다. 상대 부재는 외경이 ø 35mm이고 JIS에 따른 SCR420에 상당하는 크롬강으로 된 환형의 디스크로 형성된다. 또한, 상대 부재의 외주면은 침탄 처리되었고 대략 1.7 ㎛ 의 표면조도 (Rz) 를 갖도록 연마되었다. 하나는 저융점 재료로 주석을 20 질량 % 로 포함하고, 다른 하나는 저융점 재료를 갖지 않는 두 종류의 시험편이 준비되었다.

상기 링-온-블럭 테스트는 대기하에서 10분간 수행되었다. 도 5에서는 0.87 kg·f(8.5 N)의 하중이 위로부터 수직으로 시험편에 작용하였다. 상대 부재는 100 mm/sec의 일정한 속도로 회전되었다. 다르게 말하면, 상대 부재는 시험편을 정지한 상태로 유지하면서 54 rpm의 일정한 속도로 회전한 것이다. 그러나, 링-온-블럭 테스트 전에, 상대 부재가 시험편에 0.22 kg·f (2.2 N)의 하중을 수직으로 가하면서 1분동안 상기 슬라이딩 속도로 회전되는 소위 브레이킹 인 오퍼레이션이 수행되었다. 그리고, 이후 상기 상대 부재가 0.44 kg·f (4.3 N) 의 부하를 수직으로 시험편에 가하면서 1분동안 상기 슬라이딩 속도로 회전된다. 또한, 시험편과 상대 부재 사이의 슬라이딩 영역은 링-온-블럭 테스트가 진행되면서 확대되고 따라서 그 둘 사이의 압력은 감소되었다. 그러나, 링-온-테스트가 끝나고 시험편과 상대 부재의 슬라이딩 면에 대해 관찰해 본 바에 의하면 그 둘 사이에 작용한 압력은 대략 10 Kg·f/cm² (1 MPa) 이라고 추측되었다.

도 6과 도 7은 링-온-블럭 테스트로부터 얻은 결과로 시간의 경과에 따른 마찰력의 변화를 나타낸다. 도 6은 저융점 재료를 함유하지 않은 슬라이딩 피막이 보여주는 변화를 나타낸다. 도 7은 주석이 20 질량 %로 함유된 슬라이딩 피막이 보여주는 변화를 나타낸다.

또한, 링-온-블럭 테스트 후 각각의 시험편의 슬라이딩 면을 관찰했을 때 저융점 재료를 함유하지 않은 슬라이딩 피막은 1.69 mm 의 마모 폭을 보여줌을 알 수 있었다. 마모 폭을 마모 깊이로 환산한다면, 상기의 마모 폭은 대략 20.3 ㎛ 의 마모 깊이에 상당한다. 한편으로, 주석을 20 질량 %로 함유하는 슬라이딩 피막은 1.32 mm 의 마모 폭을 보여주었다. 이 마모 폭은 대략 12.4 ㎛ 의 마모 깊이에 상당한다. 도 8은 비교를 위하여 마모 깊이를 도시한다.

(SEM에 의한 관찰 및 EPMA에 의한 분석)

슬라이딩 피막이 주석을 28 질량 % 의 양으로 포함하는 샘플을 사용한 사판과 슈를 드라이-락-테스트를 받게한 후, 그들의 슬라이딩 면을 SEM(주사전자현미경)으로 관찰하였고 EPMA(전자 탐침 마이크로 분석기)로 더 분석하였다. 드라 이-락-테스트의 테스트 조건은 표 2의 샘플 No.14 에 대한 그것과 동일하다. 또한, 관찰되는 슬라이딩 면은 테스트의 시작으로부터 눌러붙음 이전까지 150초 동안 드라이-락-테스트를 받는다. 도 9는 슬라이딩 피막의 SEM사진이다. 도 10은 슬라이딩 피막의 EPMA사진이다.

상기 관찰 및 분석의 결과에 따라 도 10에서 도시하는 바와 같이 사판측에 형성된 슬라이딩 피막에 있어서의 주석은 입자화되지 않고 슬라이딩 피막에 광범위하게 분포되었음이 확인되었다. 또한, 니켈도금된 슈의 표면에서는 주석뿐만이아니라 또한 니켈-주석 화합물(즉, 슬라이딩 생성물)이 확인되었다. 또한, 니켈-주석 화합물의 표면 위에는 슬라이딩 피막 내부에서 이동한 Sn과 MoS₂로부터 생성된 Sn-S-Mo 화합물 (즉, 2차 슬라이딩 생성물층)이 형성됨을 확인하였다.

(평가)

표 1, 표 2 그리고 도 4 로 부터 저융점 재료를 함유하는 슬라이딩 피막은 종래의 슬라이딩 피막이 보여주는 눌러붙음 시간보다 4배에서 5배나 더 긴 눌러붙음 시간을 보여준다는 것을 알 수 있다. 상대 부재와 슬라이딩 환경이 바뀌었을 경우라도 당해 슬라이딩 피막은 눌러붙음 시간을 동일하게 향상시키는 경향을 보여주었다. 이러한 상기 이점을 가져다주는 한 요인으로 무엇보다도 도 10에서 나타내는 바와 같이 미립자의 저융점 재료가 용융되어 슬라이딩 피막내에 광범위하게 분산되고, 상기 저융점 재료가 마찰열을 흡수하고 슬라이딩 피막이 열적으로 열화되는 것을 방지하여 슬라이딩 피막의 수명을 연장하는 것으로 생각한다. 또한, 도 4에서 나타내는 바와 같이 슬라이딩 피막이 저융점 재료로 주석을 포함하고 그 상대 부재의 표면에는 니켈도금이 되어있는 경우에는 슬라이딩 피막의 내눌러붙음성을 향상시키는 이점이 현저하게 드러났다.

상기 EPMA에 의한 분석의 결과로부터 이해할 수 있듯이 슈, 상대 부재의 표면위에 새로 형성되는 니켈-주석 화합물(즉, 슬라이딩 생성물)의 영향과 니켈-주석 화합물의 표면에 형성되는 니켈-황-주석 화합물(즉, 2차 슬라이딩 생성물)의 영향이 내눌러붙음성을 향상시키는데 기여하는 요인이라고 생각된다. 그러므로, 슬라이딩 생성물과 2차 슬라이딩 생성물이 존재하여 슬라이딩 피막들 사이의 마찰계수를 감소시키고 결과적으로 또한 슬라이딩 피막의 내눌러붙음성을 향상시키는 것으로 생각된다. 그러한 사실은 도 6, 도 7 그리고 도 8에 도시된 결과로부터 전적으로 추론할 수 있다. 즉, 도 6이 도시하는 바와 같이 종래의 저융점 재료를 함유하지 않은 슬라이딩 피막은 무윤활조건(드라이 조건)에서 계속해서 5분정도 상대 부재 위에서 슬라이딩 운동을 한 후에는 그 작용하는 마찰력이 급격히 증가한 후 변동하였다. 상기 현상은 눌러붙음의 발생에서 기인하는 것으로 생각된다. 이와는 달리, 도 7에 도시되는 바와 같이, 저융점 재료를 함유하는 슬라이딩 피막은 안정적인 마찰력을 작용했다. 즉. 슬라이딩 피막과 상대 부재 사이의 마찰계수는 링-온-블럭 테스트 중에 일정했다. 상기 이점은 슬라이딩 작동이 무윤활(드라이)조건하에서 이루어짐에도 불구하고 안정적인 마찰 특성이 유지될 수 있어서 눌러붙음의 발생을 방지한다는 사실에 기인하는 것으로 생각된다.

또한, 표 2에 요약된 결과와 도 4에서의 결과로부터 알 수 있듯이, 주석을 함유하는 슬라이딩 피막을 구비한 사판은 CFCs 대체 분위기하에서 심지어 CO₂ 가스 분위기에서 2 MPa의 압력을 받는 가혹한 환경하에서도 종래의 슬라이딩 피막과 대등하거나 두드러지게 양호한 내눌러붙음성을 보여주었다. 28 질량 % 또는 그이상의 양으로 주석을 함유하는 슬라이딩 피막은 당연히 이러한 높은 내눌러붙음성을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라 또한, 대략 2 질량 % 의 양으로 주석을 함유하는 슬라이딩 피막도 만족스럽게 이러한 이점을 줄 수 있다는 것을 알아냈다.

주석계열 재료는 545℃의 액상온도를 가지는(즉, 그 융점이 바인더 수지,예를 들어 PAI의 유리전이온도보다 훨씬 더 높은) 주석-20 질량 % 구리를 함유한다. 그러나, 주석-20 질량 % 구리가 혼합된 슬라이딩 피막은 상기 이점을 가지지 못하고 어떤 저융점 재료도 함유하지 않은 종래의 슬라이딩 피막의 내눌러붙음성과 대등한 내눌러붙음성을 나타낸다.

또한, 드라이-락-테스트 동안에 슈의 표면 온도를 측정하였을 때, 저융점 재료를 함유한 슬라이딩 피막은 저융점 재료를 함유하지 않은 슬라이딩 피막이 보여주는 온도 상승과 비교하여 더 완만한 온도 상승을 나타냈다. 다음의 것들이 이러한 이점에 기여하는 원인으로 생각된다. 용융된 저융점 재료는 마찰열을 흡수하는 효과를 나타낸다. 그리고 상기와 같이 슬라이딩 생성물은 슬라이딩 피막과 상대 부재 사이의 마찰계수를 안정화 시킨다.

이제, 본 발명을 완전히 설명했기 때문에, 첨부된 청구항을 포함하여 여기에 기재된 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않으면서 거기에 많은 변형과 수정을 할 수 있다는 것은 이 기술분야의 당업자에게는 분명하다.

본 발명을 실시함으로써, 종래의 고체윤활제층의 슬라이딩 피막보다 더 양호한 내눌러붙음성을 갖는 슬라이딩 피막을 제공할 수 있어서 가혹한 요구조건들 때문에 종래보다 더 큰 하중이 작용하는 슬라이딩 부재들에 만족스러운 내눌러붙음성을 확보할 수가 있게 된다. 상기 슬라이딩 피막의 형성에 사용되는 조성물, 상기 슬라이딩 피막을 포함하는 슬라이딩 부재, 상기 슬라이딩 부재로 만든 슬라이딩 장치, 상기 슬라이딩 장치의 한 예인 사판식 압축기를 제공할 수 있다. 또한, 상기 슬라이딩 피막의 형성 방법 및 상기 슬라이딩 부재의 제조 방법을 제공할 수 도있다.

Claims (19)

1. 고체 윤활제,

   상기 고체 윤활제를 기재의 표면에 유지시키고 유리전이온도를 갖는 바인더 수지, 그리고

   상기 바인더 수지의 유리전이온도보다 더 낮은 융점을 가지는 저융점 재료를 포함하는 슬라이딩 피막.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 저융점 재료는 금속단체, 합금, 화합물 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 피막.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 저융점 재료는 주석(Sn), 납 (Pb), 인듐(In)과 비스무스(Bi)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 저융점의 금속단체와, 상기 원소중의 1종 이상의 원소를 포함하는 합금, 그리고 상기 원소중의 1종 이상의 원소를 포함하는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 피막.
4. 제 1 항에 있어서, 전체를 100 질량 % 로 할 때 0.1~60 질량 %의 양으로 저융점 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 피막.
5. 제 1 항에 있어서, 저융점 재료와 반응하여 양호한 슬라이딩 특성을 갖는 새로운 슬라이딩 생성물을 슬라이딩 면에 형성할 수 있는 슬라이딩 생성물 형성원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 피막.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 저융점 재료는 주석(Sn), 납(Pb), 인듐(In)과 비스무스(Bi) 중에서 선택된 1종 이상의 저융점 금속을 포함하고,

   상기 슬라이딩 생성물 형성원소는 니켈(Ni)을 포함하고, 그리고

   슬라이딩 생성물은 주석, 납, 인듐과 비스무스 중에서 선택된 1종 이상의 저융점 금속과 니켈로 구성되는 니켈 합금과 니켈 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 피막.
7. 기재와, 그 기재의 표면에 형성된 제 1 항에 따른 슬라이딩 피막을 포함하는 슬라이딩 부재.
8. 제 7 항에 있어서, 사판식 압축기의 사판을 구성하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
9. 제 1 항의 슬라이딩 피막이 형성된 기재, 그리고

   상기 기재의 상기 슬라이딩 피막과 슬라이딩 접촉을 하는 상대 부재를 포함 하는 슬라이딩 장치.
10. 주축,

    상기 주축과 함께 회전하는 사판,

    축선 방향으로 신장 되어 있으며 사판 측에서 개구된 원통형상의 실린더 보어를 갖는 실린더 블럭,

    상기 사판과 결합하고, 요동하는 그 사판에 의해 구동되는 결합부 및 상기 결합부로부터 연속적으로 신장 되어 상기 실린더 블럭의 실린더 보어에 끼워지고 상기 요동하는 사판에 따라 상기 실린더 보어안에서 왕복운동하는 헤드를 갖는 피스톤,

    상기 피스톤의 결합부에 요동가능하게 고정되고 상기 사판의 표면과 슬라이딩 접촉을 하는 한 쌍의 슈, 그리고

    상기 사판의 표면과 상기 슈의 표면의 적어도 일방에 형성된 제 1 항의 슬라이딩 피막을 포함하는 사판식 압축기.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 사판의 표면과 상기 슈의 표면의 일방에 형성된 슬라이딩 피막을 포함하며, 상기 슬라이딩 피막에 함유된 저융점 재료와 반응하여, 양호한 슬라이딩 특성을 가지는 새로운 슬라이딩 생성물을 형성할 수 있고 슬라이딩 피막과 슬라이딩 접촉을 하는 사판의 표면과 슈의 표면의 다른 일방에 존재하는 슬라이딩 생성물 형성원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사판식 압축기.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 저융점 재료는 주석을 포함하고,

    상기 슬라이딩 생성물 형성원소는 니켈을 포함하고, 그리고

    상기 슬라이딩 생성물은 주석-니켈 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 사판식 압축기.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 슬라이딩 피막에 함유된 고체 윤활제는 폴리테트라플루오로에틸렌, 이황화몰리브덴, 그리고 흑연 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 그리고 그 슬라이딩 피막에 함유된 바인더 수지는 폴리아미드-이미드를 포함하는 것을 특징으로 하는 사판식 압축기.
14. 고체 윤활제,

    유리전이온도를 갖는 바인더 수지, 그리고

    상기 바인더 수지의 유리전이온도보다 더 낮은 융점을 갖는 저융점 재료를 포함하며, 청구항 1의 슬라이딩 피막을 얻는 슬라이딩 피막용 조성물.
15. 제 14 항에 있어서, 슬라이딩 피막용 도료 또는 슬라이딩 피막용 전사 필름을 얻기 위한 것을 특징으로 하는 조성물.
16. 유리전이온도를 갖는 바인더 수지의 바니쉬,

    상기 바인더 수지의 유리전이온도보다 더 낮은 융점을 갖는 저융점 재료, 그리고

    상기 바니쉬에 분산된 고체 윤활제를 포함하는 슬라이딩 피막용 도료를 기재의 표면 위에 도포하고, 그리고

    상기 도포 공정 후에 형성된 도료 피막을 가열하여 소성해서 청구항 1의 슬라이딩 피막을 얻는 슬라이딩 피막의 형성 방법.
17. 기재와, 제 16 항의 방법으로 상기 기재의 표면 위에 형성된 슬라이딩 피막을 포함하는 슬라이딩 부재의 제조 방법.
18. 유리전이온도를 갖는 바인더 수지,

    상기 바인더 수지의 유리전이온도보다 더 낮은 융점을 가지며 상기 바인더 수지와 혼합된 저융점 재료와,

    상기 바인더 수지와 혼합된 고체 윤활제를 포함하는 페이스트를 인쇄하여 만든 전사 필름을 기재의 표면 위에 전사하고, 그리고

    상기 전사 공정 후에 상기 기재의 표면 위에 형성된 전사 필름을 가열하여 소성해서 청구항 1의 슬라이딩 피막을 얻는 슬라이딩 피막의 형성 방법.
19. 기재와, 제 18 항의 방법으로 상기 기재의 표면 위에 형성된 슬라이딩 피막을 포함하는 슬라이딩 부재의 제조 방법.

Images