KR100883127B1 - 내마모성이 우수한 에어포일 베어링의 제조방법 - Google Patents

내마모성이 우수한 에어포일 베어링의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내마모성이 우수한 에어포일 베어링의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저온 분사법을 이용하여 비정질 코팅소재의 산화나 결정화를 초래하는 일 없이 건전하고 양호한 비정질 코팅 층을 에어포일 베어링의 저널부 표면에 형성시킴으로서 내마모성이 현저히 향상된 에어포일 베어링을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 에어포일 제조방법은 비정질 합금 및 고상윤활물질이 혼합된 코팅 분말을 준비하는 단계; 및 상기 코팅분말을 저온분사방식으로 에어포일베어링 저널 표면에 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의할 경우에는 특별한 강화재료를 사용하지 않으면서도 높은 내마모 특성과 양호한 윤활 특성을 가지는 에어포일 베어링을 제조할 수 있으며, 종래의 플라즈마 용사방법으로 내마모 코팅층을 코팅하는 경우와는 달리 코팅시 본딩소재의 비정질 특성이 감소하거나 소재가 산화되는 문제점도 거의 관찰되지 않는 양호한 에어포일의 제조방법을 얻을 수 있다.
에어포일 베어링, 내마모성, 윤활, 비정질합금, 저온분사

Description

내마모성이 우수한 에어포일 베어링의 제조방법{PRODUCTION METHOD OF AIR-FOIL BEARING HAVING EXCELLENT WEAR RESISTIVITY}
도 1은 에어포일 베어링의 형태를 설명하는 개념도,
도 2는 저온분사코팅 공정을 설명하기 위한 개략도,
도 3은 본 발명의 실시예에서 사용된 Ni계 비정질 합금의 형태를 촬영한 주사전자현미경(SEM) 사진,
도 4는 본 발명의 실시예에서 사용된 Ag 고상윤활물질의 형태를 촬영한 주사전자현미경 사진,
도 5는 본 발명의 실시예에서 사용된 BaF2/CaF2 공정상 분말을 촬영한 주사전자현미경 사진,
도 6은 본 발명의 발명예와 비교예의 베어링 저널을 촬영한 사진,
도 7은 발명예와 비교예의 마찰계수를 비교한 그래프,
도 8은 에어포일 베어링에서 발생되는 마찰전류를 측정하기 위한 장치,
도 9는 마찰전류 측정시 에어포일 베어링의 작동 싸이클을 설명하는 그래프, 그리고
도 10은 에어포일 베어링의 작동 싸이클이 진행됨에 따라 마찰전류가 변동하 는 것을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 내마모성이 우수한 에어포일 베어링의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저온 분사법을 이용하여 비정질 코팅소재의 산화나 결정화를 초래하는 일 없이 건전하고 양호한 비정질 코팅 층을 에어포일 베어링의 저널부 표면에 형성시킴으로서 내마모성이 현저히 향상된 에어포일 베어링을 제조하는 방법에 관한 것이다.
베어링이라 함은 회전하고 있는 기계의 축(軸)을 일정한 위치에 고정시키고 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축을 회전시키는 역할을 하는 기계요소를 일컫는 용어로서, 하중이 걸리는 부위의 마찰을 최소화 시키는 역할을 수행한다. 베어링 부의 마찰을 최소화 하기 위해서는 마찰을 발생시키지 않은 형상을 가질 것을 요구할 뿐만 아니라, 마찰을 감소시키는 윤활물질이 베어링 부에 도포되어 있을 필요가 있다.
종래에는 상기 베어링에 윤활유를 비롯한 액상 윤활제가 도포되는 것이 일반적이었다. 그러나, 액상 윤활제의 경우에는, 베어링이 고온에서 작동할 때 기화하 거나 또는 변질되는 등의 문제가 있어 가혹한 조건에서의 베어링 사용에 한계로 작용하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 NASA에서는 윤활유 등을 사용하지 않는 에어포일 베어링을 개발하게 되었는데, 그 개략적인 형상을 도 1에 나타내었다. 에어 포일 베어링은 도 1에서 볼 수 있듯이, 슬리브 내표면의 특이한 형상으로 인하여 베어링 저널부가 회전할 때 저널 주위에 공기층이 저널을 감싸게 되어 윤활제의 역할을 수행하도록 하여 종래의 액상 윤활제가 필요 없도록 고안된 형태의 베어링이다.
상기와 같은 베어링을 사용할 경우에는 액상 윤활제를 사용하는 경우에서와 같이 윤활제의 변질 등의 문제가 일어나지 않아 유리하다. 그러나, 상기와 같이 공기층 형성효과는 베어링의 회전속도가 정상상태(steady state)에 도달한 경우에만 얻을 수 있는 것으로서 정지상태에서 상기 정상상태에 도달할 때까지 또는 정상상태로부터 감속될 때(다른 말로 하면 비정상상태)에는 충분한 공기층 형성효과를 얻을 수 없기 때문에 슬리브(sleeve) 부와 심한 마찰이 발생할 수 있다.
이러한 비정상상태에서 발생하는 마찰에 의해 베어링의 온도가 상승될 뿐만 아니라 마찰이 발생하는 부위가 마모되어 베어링의 수명이 감소될 우려가 있으므로, 상기 비정상상태를 대비하여 표면에 코팅층을 형성할 필요가 있다.
상기 코팅층은 크게 보아 베어링 저널부의 마찰계수를 감소시켜 비정상상태의 마찰을 감소시키기 위한 윤활물질과 마찰이 발생하더라도 마모에 의해 저널부 형상이 급격하게 변동되지 않도록 내마모성을 부여하기 위한 소재로 구성되어 있다. 상기 윤활물질은 종래의 액상 윤활제와는 달리 코팅된 고상으로 베어링 저널에 코팅된 상태로 존재한다. 또한, 내마모성을 부여하기 위한 소재는 통상적으로는 코팅층이 베어링 저널에 용이하게 부착되도록 하는 역할을 하는 본딩 소재와 코팅층의 경도를 높여 내마모성을 향상시키기 위한 강화소재로 이루어져 있다.
상기 코팅층을 형성시키기 위한 방법으로서 미국특허 5,866,518호에 플라즈마 용사코팅(plasma thermal spray) 방법이 개시되어 있다. 상기 특허문헌에는 본딩 소재로서 NiCr 합금을, 강화상 소재로서 Cr2O3 분말, 그리고 고상 윤활물질로서 Ag 및 BaF2/CaF2(BaF2와 CaF2의 공정(eutectic)상)을 사용하고 있다.
그러나, 상기 방법과 같이 강화상 성분을 사용하여 분사할 경우에는 강화상 성분의 사용에 따른 제조비용이 증가할 뿐만 아니라 여러가지 성분들이 단순 혼합된 상태로 용사되기 때문에 분사시 각 성분들간의 열 물리적 특성에 따른 비행거동이 차이나 코팅층이 불균질해질 우려도 존재한다.
또한, 강화상 성분을 사용하지 않기 위해서는 본딩 소재를 경질의 소재로 할 필요가 있는데, 이때에는 부착되는 모재(즉, 베어링 저널부)와의 양호한 부착성을충족하여야 할 뿐만 아니라 충분한 경도를 가지도록 모재의 조성을 제어할 필요가 있다. 그러나, 이 방법 역시 플라즈마 용사코팅 방법을 이용할 경우에는 적합하지 않다. 즉, 용사코팅 방법에 의하면 금속질인 본딩 소재가 용융된 상태로 분사되게 되는데, 노즐에서부터 피사체까지 본딩소재가 비행할 때 주위 분위기에 의해 산화될 가능성이 높게 되며 그 뿐만 아니라 최초에 설정한 본딩 소재의 조성이 그대로 피사체 표면에서 유지되기도 어렵다는 단점이 있다.
그 뿐만 아니라, NiCr과 같은 결정성 합금을 본딩소재로 이용하여 베어링 저널의 표면을 코팅할 경우에는 사용시 코팅층의 박리가 일어나기 쉽다는 문제도 가지고 있다.
따라서 본 발명의 일측면에 의하면, 강화상 성분을 사용하지 않으면서도 충분한 내마모성을 가지는 에어포일 베어링의 제조방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 또다른 일측면에 의하면, 본딩소재가 초기조성으로부터 조성변화나 산화가 일어나지 않은 상태로 충분한 결합강도를 가지고 피사체 표면에 코팅될 수 있도록 하는 에어포일 베어링의 제조방법이 제공된다.
상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한가지 태양으로서, 본 발명의 에어포일 제조방법은 비정질 합금 및 고상윤활물질이 혼합된 코팅 분말을 준비하는 단계; 및 상기 코팅분말을 저온분사방식으로 에어포일베어링 저널 표면에 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 고상윤활물질은 Ag 및 BaF2/CaF2의 고용체를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 BaF2/CaF2의 고용체는 공정 조성(eutectic 조성)을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고상윤활물질은 Ag 입자와 BaF2/CaF2의 고용체를 기계적 합금화 방법으로 균질혼합시켜 제조되는 것이 효과적이다.
또한, 상기 코팅 분말은 비정질 합금 : 65~95중량%, Ag : 2.5~20 중량%, BaF2/CaF2의 고용체 : 2.5~20중량%로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 비정질 합금은 Ni를 45% 이상 함유한 것이 바람직하다.
그리고, 상기 비정질 합금은 평균입도가 5~90㎛인 것이 효과적이다.
또한, 상기 저온분사시 사용되는 가스는 질소, 헬륨 또는 이들의 혼합가스인 것이 좋다.
그리고, 상기 저온분사시 사용되는 가스의 노즐 직전에서의 압력은 상기 저온분사시 사용되는 가스가 헬륨일 경우에는 20~25 바(bar), 질소일 경우에는 20~29 바, 질소와 헬륨의 혼합가스일 경우에는 20~(25+질소유량분율/4) 바인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 저온분사시 사용되는 코팅 분말의 유량은 10~30g/min인 것이 효과적이다.
그리고, 상기 저온 분사시 노즐과 에어포일 베어링 저널 사이의 거리는 20~50mm인 것이 바람직하다.
또한, 상기 저온 분사시 사용되는 가스는 300~500℃에서 가열되는 것이 효과적이다.
또한, 상기 저온 분사시 코팅 분말은 546~597℃에서 미리 예열되어 분사되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 발명자들은 상술한 종래기술의 문제점에 착안하여 이를 해결하기 위해 연구하던 중 강화상 성분을 사용하지 않고서도 양호한 내마모성을 가지는 코팅층을 에어포일 베어링의 저널 표면에 형성시키기 위해서는 본딩 소재가 비정질로 구성될 필요가 있다는 결론에 도달할 수 있었다. 즉, 본 발명의 에어포일 스프링 제조에 사용되는 코팅재는 비정질 합금으로 이루어진 본딩모재와 고상 윤활물질로 구성된다.
비정질을 형성할 수 있는 합금 조성의 조건은 다음과 같다. 비정질을 형성하기 쉬운 조성은 높은 Tg/Tm 값(예를 들면 0.6 이상)과 넓은 과냉각액체영역(△T = Tg-Tx)을 가진다. 상기 과냉각 액체영역의 크기는 비정질의 형성능은 물론이고 열적 안정성과 가공성과도 연관되므로 비정질 합금을 광범위하게 응용할 수 있는 중요한 인자가 된다. 상기 조건, 즉 높은 비정질 형성능을 가지는 비정질 합금은 주로 ① 3성분 이상의 다원계 합금이며, ② 주요 구성원소간의 원자 반경비가 12% 이상 차이를 가지고, ③ 구성원소 사이에 적절한 음의 혼합엔탈피를 가지는 등의 경험적 조건을 만족한다.
상기 3성분 이상의 비정질 합금 중 Ni계 비정질 합금은 Ni를 45% 이상 함유하는 것을 들 수 있으며, 그 종류가 다양하므로 본 명세서에서 이들을 모두 열거하 기는 힘들지만, 본 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 상기 조건을 충족하는 비정질 합금을 용이하게 구하여 본 발명에 응용할 수 있을 것이다. 다만, 그 중에서 몇가지 예를 든다면 다음 관계식 1로 표현되는 4성분계 조성을 가지는 비정질 합금을 들 수 있다.
[관계식 1]
Nia(ZrxTi1-x)bSic
여기서, 각각 45≤a≤63, 36≤b≤48, 1≤c≤11, 0.4≤x≤0.6 at%의 조성을 가진다. 상기 성분계의 합금은 본 범위를 벗어나면 비정질 형성능이 충분하지 못하다.
또한, 상기 4원계 비정질 합금조성에 필요에 따라 여러가지 원소가 첨가될 수 있는데, 이들의 예로서는 Sn 이 첨가된 것을 들 수 있다. Sn이 첨가된 비정질 합금으로서 본 발명에서 시험에 사용하였던 비정질 합금은 Ni57Ti18Zr20Si3Sn2을 들 수 있다.
또한, 상기 Ni계 비정질 합금 이외에도 Fe, Zr 또는 Cu가 주성분으로 포함된 비정질 합금도 본 발명에서 사용될 수 있으며, 당업자라면 이러한 성분을 가지는 비정질 합금을 용이하게 구하여 본 발명에 적용할 수 있음은 물론이다.
상기 비정질 합금중 Ni계 비정질 합금은 베어링 저널에 Ni가 주로 포함된다는 것을 감안할 경우 넓은 온도 대역에서 본딩 소재로 사용가능한 적합한 합금이다. 즉, 베어링의 사용온도가 높아지면 열팽창이 일어날 수 있는데, 모재와의 열팽창계수가 크게 상이한 재료를 본딩 소재로 사용할 경우에는 열팽창으로 인하여 모재와 코팅층 간의 계면에서 응력이 발생하게 되고 그 결과 코팅층이 박리되어 버릴 우려가 있으므로 넓은 온도 대역에서 사용할 경우에는 Ni가 적합하다. 다만, 베어링 사용온도가 100℃이하의 낮은 온도일 경우에는 Fe, Zr, Cu계 비정질 합금도 사용가능하다. 그리고, Ni계 비정질 합금을 사용할 경우에도 통상의 Ni계 비정질 합금이 약 590℃ 정도의 온도에서 결정질화 되므로 상기 온도이하의 범위에서 사용하는 것이 바람직하다.
상술한 본딩 소재로 사용되는 비정질 합금은 저온 분사 방식으로 코팅되어야 하므로 저온 분사에 유리한 입도를 가질 것이 필요하다. 본 발명의 발명자들의 연구결과에 따르면 상기 비정질 합금은 5~90㎛의 평균입도를 가지는 것이 바람직하며, 개별입자들의 입도가 상기 범위(5~90㎛)를 충족시키는 것이 특히 바람직하다.
만일 비정질 합금의 입도가 5㎛ 미만일 경우에는 충분한 운동에너지를 가질 수 없어 피사체에 충돌시 코팅에 필요한 결합에너지를 제공할 수 없으며, 반대로 입도가 90㎛를 초과할 경우에는 입자 가속에 필요한 에너지가 과다하게 요구되어 입자의 속도가 충분하지 못하게 된다.
상술한 입도를 가지는 비정질 합금은 통상적인 분말 야금법에 의해 제조될 수 있으므로 본 발명에서 특별히 제한하지는 않는다. 또한, 상기 비정질 합금은 내부조직이 100% 비정질인 경우에만 한정하지는 않으며, 통상 비정질도가 80%이상인 비정질 합금은 모두 본 발명에서 사용가능한 비정질 합금이라는 점에 유의할 필요가 있다.
본 발명의 에어포일 베어링 제조에 사용되는 저온 분사 코팅재를 이루는 또다른 구성요소인 고상윤활물질은 Ag와 BaF2/CaF2로 이루어지는 것이 바람직하다. 이때, 상기 BaF2/CaF2 재료 상호간 고용체를 이루는 것이 바람직하며, 또한 두 성분이 공정조성을 이루도록 조성제어(예를 들면, BaF2:CaF2 = 6:4)되는 것이 융점강하를 위하여 가장 바람직하다. 상기 Ag는 베어링이 비교적 저온(예를 들면 약 500℃ 이하)에서 사용될 경우 윤활기능을 하기 위하여 첨가되는 것이며, BaF2/CaF2는 비교적 고온에서 사용될 경우 윤활기능을 하기 위하여 첨가되는 것이다.
이때, 상기 Ag와 BaF2/CaF2는 1~90㎛의 입도를 가지는 것이 바람직하다. 입도가 너무 작을 경우에는 코팅 내에서 작은 분포로 존재하기 때문에 나중에 마찰/마모 시 윤활제 역할이 미흡하며, 반대로 입도가 과다하게 클 경우에는 코팅 공정 중 막힘(clogging)이 일어날 수 있으므로 상기 윤활제의 입도는 1~90㎛인 것이 바람직하며, 상기의 문제점을 보다 확실하게 방지하기 위해서는 10~30㎛인 경우가 가장 바람직하다.
상술한 Ag와 BaF2/CaF2는 비정질 합금 분말과 단순히 혼합하여 사용될 수도 있으나, 두 고상윤활물질이 균일하게 혼합되어 존재할 수 있도록 하기 위해서는 기계적 합금화 방법에 의해 비교적 균일한 혼합물 상태로 준비된 후 상기 비정질 합금분말과 혼합하여 사용되는 것이 바람직하다.
기계적 합금화법이라 함은 여러가지 성분으로 이루어진 원료분말을 고에너지 볼밀에 넣고 강한 전단력을 가할 경우 상기 분말에 대한 반복적인 파괴와 분말끼리의 압접에 의해 합금분말이 제조되는 방법을 말한다.
상기 기계적 합금화법이라 함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구나 이해하고 사용할 수 있는 방법이므로 본 발명에서 특별히 제한하지는 않는다. 다만, 효과적인 한가지 일례를 들자면 지르코니아 등의 세라믹 볼을 사용하는 볼밀을 이용하여 2~4시간 동안 120~180rpm의 조건으로 합금화하는 방법이 있을 수 있다. 상기 2시간은 기계적 합금화에 필요한 최소시간을 의미하는 것으로서 상기 시간미만의 경우에는 합금화도가 부족하게 되며, 반대로 상기 4시간은 충분한 효과를 거둘수 있는 시간으로서 상기 4시간 이상으로 기계적 합금화를 실시하여도 더이상의 효과상승을 기대하기는 어려우며 에너지와 제조시간만 더 소요되기 때문에 상기 4시간을 상한으로 한정하였다. 또한, 상기 볼 밀의 회전속도는 충분한 전단력을 가해주기 위해 필요한 범위를 의미한다.
상기 방식으로 기계적 합금화된 Ag-BaF2/CaF2 복합 분말은 상술한 비정질 합금과 함께 혼합되어 코팅 분말로 제조된다. 상기 코팅 분말에 포함된 비정질 합금은 전체 코팅분말 중량대비 65~95중량%인 것이 바람직하며, Ag는 2.5~20중량%, BaF2/CaF2 공정 재료는 2.5~20중량% 포함되는 것이 바람직하다. 상기 비정질합금과 고상 윤활물질의 함량은 한쪽이 증가하면 다른 한쪽은 감소하는 관계로서 서로간에 적절한 함량을 유지하여야 하는데, 비정질 합금의 함량이 상기 범위를 초과하여 포함될 경우에는 고상 윤활물질의 함량이 감소하여 비정상상태 구동시 마찰이 과다하게 발생할 우려가 있으며, 반대로 비정질 합금의 함량이 상기 범위 미만으로 포함될 경우에는 본딩 소재 함량이 부족하여 코팅성이 부족하거나, 또는 내마모성이 부족할 염려가 있다.
이후 상기 비율로 혼합된 코팅 분말은 저온분사장치에 의해 저온분사된다.
본 발명에서 의미하는 저온분사(cold spray)법은 당업계에서 통상적으로 사 용되는 분사법 중 하나를 의미하는 것으로서 도 2에 도시한 형태의 분사장치를 통하여 분말형태의 코팅재를 용융시키지 않은 저온에서 분사하는 방법을 의미한다. 도 2를 통하여 저온분말과정을 살펴보면 다음과 같다. 도 2에서 볼 수 있듯이, 상기 저온 분사 코팅기는 가스공급장치, 조절패널, 가스가열장치, 분말송급장치 및 드 라발 노즐(de Laval Nozzle)을 포함하고 있다. 상기 가스공급장치에서 공급되는 가스는 조절패널에서 가스량 조절이 이루어져 가스가열장치과 분말송급장치로 나뉘어져 공급된다. 상기 가스가열장치는 가스를 고온으로 가열하여 가스의 팽창으로 인한 속도 상승을 유도하고, 상기 분말송급장치는 조절패널로부터 공급되는 가스에 분말을 공급함으로써 가스에 의해 분말이 노즐(드 라발 노즐)쪽으로 공급될 수 있도록 하는 역할을 한다. 분말송급장치 직후에는 분말을 가열할 수 있는 분말가열장치가 구비될 수 있다. 상기 분말가열장치는 분말이 통과하는 관 외부에 발열체 등을 장착하여 분말을 가열하기 위한 장치로서 분말의 온도를 높여서 분말이 피사체에 충돌하여 코팅될 때 분말의 변형능과 인성을 높이는 역할을 한다. 드 라발 노즐의 직전에서는 상기 분말송급장치에서 송급된 분말과 가스의 혼합물과 가스가열장치에서 공급된 가열된 고속의 가스가 만나 고속의 가스/분말 혼합물을 형성하여 상기 드 라발 노즐을 통하여 고속의 가스/분말 제트(jet)류로 분사된다. 드 라발 노즐은 노즐 길이 방향으로 볼 때 노즐의 내경이 감소(converge)하였다가 다시 증가(diverge)하는 형태를 갖춘 것으로서 가스의 속도를 음속이상의 초음속으로 증가시키는데 사용되는 노즐을 의미한다. 상기 드 라발 노즐을 통하여 초음속으로 분사된 가스에 의해 이송되는 분말은 가스의 속도에 근접한 높은 속도로 피사체와 충돌하게 되며, 분말이 가지고 있던 운동에너지가 피사체/분말 사이의 결합에 필요한 에너지로 변환되게 되어 따라서 분말이 코팅된 피사체를 얻을 수 있는 것이다.
또한, 상기 저온분사법을 사용하여 분말을 코팅하는 방법을 특별히 제한하지는 않으나, 다음과 같은 분사조건을 사용하여 분사하는 것이 보다 양호한 결과를 얻을 수 있다.
가스의 종류
이때, 사용되는 가스는 특별히 한정하지는 않으나, 헬륨, 질소 또는 이들의 혼합가스를 사용하는 것이 보다 바람직하다.
가스의 압력
상기 분사시 노즐 직전에서의 가스 압력은 가스의 종류에 따라 약간씩 달라지지만, 질소의 경우에는 20~29 바(bar), 헬륨의 경우에는 20~25 바인 것이 바람직하다. 또한, 질소와 헬륨의 혼합가스일 경우에는 하한은 동일하게 20 바로 설정하면 되며, 상한은 질소와 헬륨의 유량비율에 비례하여 상기 25~29 바 사이(다시 말하면, 25+질소유량비율/4)에서 결정하면된다. 가스의 압력이 낮을 경우에는 코팅되는 분말 입자의 속도가 충분하여 피사체에 코팅층이 양호하게 형성되기 어렵다. 가스압력이 높을수록 입자속도가 증가하나, 거기에는 한계가 있을 뿐만 아니라 더이상 압력을 높일 경우 장치에 부하가 발생할 우려가 있으므로 가스압력의 상한은 상기한 범위로 설정한다.
코팅 분말(본딩 소재 + 고상윤화물질)의 유량
코팅 분말의 유량은 질량유량 기준으로 10~30g/min의 범위인 것이 바람직하다. 만일, 상기 코팅 분말 질량유량이 10g/min 미만인 경우에는 분말 송급시 코팅 분말 유량을 제어하기가 곤란하며, 반대로 30g/min을 초과하는 경우에는 가스 대비 코팅 분말 유량이 과다하게 증가하여 각 입자의 속도가 감소하게 되며, 상기 입자 속도를 맞추기 위해서는 장치에 과부하가 따르기 때문에 적절하지 않다.
가스의 가열온도
상기 저온 분사시에 가스 가열장치에 의해 가열된 가스의 온도는 300~500℃인 것이 바람직하다. 가스는 드 라발 노즐로부터 분사될 때 노즐 직경이 증가하는 부분(diverge 부)의 형상에 의해 단열팽창하게 되어 높은 속도를 가지는 가스 제트로 변화하게 되는데, 가스의 온도가 일정수준 이상으로 확보되어야 단열팽창에 의해 충분한 가스 속도를 확보할 수 있다. 충분한 가스 속도를 확보하기 위해서는 가스의 온도는 높을수록 바람직하기 때문에 이러한 관점에서는 가스의 온도 상한을 특별히 설정할 필요가 없다. 다만, 가스의 온도가 높아지면 장치에 부하가 많이 따르기 때문에 현재 통상적으로 사용하고 있는 장치에서는 그 온도를 500℃정도를 상한으로 정하는 것이 바람직하다.
코팅 분말의 예열 온도
또한, 코팅 분말을 특별한 예열없이 코팅할 경우에는 분말 입자의 변형능과 인성이 양호하지 못하기 코팅시 입자가 깨어지는 등의 문제가 발생할 수 있다. 이러한 현상은 인성이 열악한 재료의 경우 더욱 심하게 나타난다. 코팅 입자의 인성과 변형능을 향상시키기 위해서는 상기 코팅 분말을 일정온도 범위 이상으로 예열할 필요가 있는데, 본 발명에서와 같이 비정질 합금과 고상윤활물질의 복합 입자를 동시에 코팅하여 베어링 저널 표면에 코팅층을 형성하는 경우에는 상기 입자의 예열장치내의 온도(이하, 간략히 예열온도)는 Tg(546℃) 이상으로 유지되는 것이 바람직하다. 다만, 온도를 너무 높일 경우에는 비정질 합금이 결정화 되는 등의 문제가 발생할 수 있을 뿐만 아니라 장치부하가 증가할 수 있으므로 예열 온도의 상한은 Tx(597℃)℃로 정한다.
노즐과 피사체 사이의 거리
노즐과 피사체 사이의 간격은 입자가 원활히 코팅되도록 하는 주요한 인자로서 본 발명에서 대상으로 하는 비정질 합금과 고상윤활분말의 복합 코팅 분말을 코팅할 때에는 상기 노즐 선단과 피사체 사이의 간격을 20~50mm로 하는 것이 바람직하다. 상기 거리가 50mm를 초과할 경우에는 노즐에서 분사된 분말이 피사체에 도달할 때까지의 거리가 너무 멀어서 코팅되는 입자의 속도 감소량이 현저해 지고 그 결과 충분한 속도로 피사체에 도달하지 못하여 적층률이 감소한다. 반대로, 20mm 미만일 경우에는 가스의 역류에 의한 노즐 막힘 현상이 발생할 수 있다.
이하, 하기하는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 기재한 본 발명의 예시일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하고자 하는 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 정해지는 것이기 때문이다.
(실시예)
코팅 분말의 준비
입자 크기가 5~90㎛인 Ni57Ti18Zr20Si3Sn2 비정질 합금 분말을 본딩 소재로 준비하였다. 도 3에 상기 본딩 소재(비정질 합금)의 형상을 사진으로 나타내었다. 사진으로부터 알 수 있듯이, 각 분말 입자는 대부분 양호한 구형을 나타내며 5~90㎛ 사이의 입도를 가지고 있었다.
입자 크기가 5-30㎛인 Ag 분말(도 4 참조)과 입자 크기가 10-40㎛인 BaF2/CaF2 공정상 분말(도 5 참조)을 200rpm으로 회전하는 볼 밀에서 4시간 동안 기계적 합금화를 실시하여 평균 약 15㎛ 크기를 가지는 복합 분말을 제조하였다.
이후, 저온분사를 위하여 비정질 합금과 복합분말을 혼합하여 코팅분말을 준 비하였다.
에어포일 베어링의 제조
에어 포일 베어링의 저널 표면에 앞에서 설명한 방식으로 준비된 코팅분말을 저온분사코팅하였다. 저온분사시 캐리어 가스로는 헬륨(He)을 사용하였으며, 가스의 압력은 29바로 설정하였다. 가스의 속도를 높이기 위하여 가스를 550℃의 온도로 가열하였으며, 베어링 저널 표면에 양호하게 코팅될 수 있도록 하기 위하여 분말 역시 570℃의 온도에서 예열하였다. 분사시 분말의 유량은 36g/min으로 설정하였으며, 이때 노즐과 베어링 저널 사이의 거리는 30mm로 유지하였고 분사 건의 이동속도는 0.01m/s로 설정하였다.
상기 저온분사에 의해 베어링 저널 표면에 약 100-400㎛ 정도의 두께를 가지는 코팅층을 형성할 수 있었다. 이하, 이와 같은 방식으로 제조된 본 발명의 에어포일 베어링 저널을 '발명예'로 정의한다.
상기 발명예와의 비교를 위하여 NiCr을 용사법으로 분사하여 코팅층을 형성하였다. 용사에 사용되는 본딩소재의 강도가 충분하지 않기 때문으로 강화상성분인 Cr2O3를 함께 혼합하여 사용한 것 이외에는 상기 실시예와 동일한 방식으로 복합분말을 제조하여 사용하였다. 이러한 방법은 종래의 PS304라고 불리우는 코팅층 형성법과 동일한 것이다.
이하에서는, 본 비교방법으로 제조되어 상기 NiCr을 포함하는 코팅층이 형성된 에어포일 베어링 저널을 '비교예'라고 칭한다. 비교예의 코팅층은 약 300㎛의 두께로 형성되어 있음을 확인할 수 있었다.
도 6에 상기 발명예(a)와 비교예(b)를 비교한 사진을 나타내었다.
마모특성 시험
상기 발명예와 비교예에 대하여 핀-온-디스크(pin-on-disc) 마모 시험 장치를 이용하여 마모 시험을 행하였다. 상기 핀-온-디스크 시험을 위하여 표 1에 기재된 마모 조건을 설정하였다.
하중 마모 속도 마모 거리 상대재 실험 온도 실험 시간
47N 0.12m/s 430m Inconel 718 상온 3.600초
상기 마모조건으로 마모시험한 결과 도 7의 그래프로 나타내었으며 하기 표 2에 기재하였다.
구분 마찰 계수 마모량(g/h)
발명예 0.27~0.34 0.21
비교예 0.4~0.63 0.48
도 7의 그래프와 그 결과를 구체적인 수치로 표현한 표 2에서 확인할 수 있듯이 발명예에 의할 경우에는 마찰계수가 0.27~0.34의 범위에서 변동함에 반하여 비교예에 의할 경우에는 0.4~0.63정도로 아주 높은 값을 나타내고 있었으며, 특히 실험 초반의 마찰계수가 아주 높게 나타나고 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 방법에 의해 제조된 발명예 1의 경우는 시간당 마모량의 경우도 비교예의 절반이하로 아주 낮은 수준을 나타내고 있었다. 따라서, 본 발명에 의해 제조된 발명예의 우수한 윤활특성과 내마모 특성을 확인할 수 있었다.
마찰전류 측정
장치를 이용하여 마찰전류 측정시험을 행하였다.
반복되는 싸이클 동안 마찰전류 (Friction current) 값이 15A이상 올라갈 경우와　 마모 두께 (wear depth)가 30㎛이상일 경우 베어링 마모시험(rig test)장비는 자동적으로 정지된다. 마찰전류 측정은 상온과 고온(350℃) 두가지 온도에서 실시된다.
도 10에 500싸이클 마다 마찰 전류를 측정한 결과를 나타내었다. 도 10에서 실패구간(fail section)은 마찰 전류가 15A 이상으로 상승될 경우를 의미한다.
또한, 하기 표 3에 상기 마찰 전류를 측정한 결과를 나타내었다. 표 3에서 파편양의 많고 적음은 육안으로 보아 상대적으로 비교평가한 결과이다.
사용 베어링 작동온도 한계 싸이클 마찰전류 마모손실두께 파편양 비고
비교예 상온 48 16A 5㎛ 많음 실패
비교예 350℃ 880 16A 30㎛ 이상 많음 실패
실시예 상온 5000 이상 4~5A 0.2㎛ 미만 적음 성공
실시예 350℃ 5000 이상 4~5A 0.2㎛ 미만 적음 성공
도 10 및 표 3의 결과로부터 알 수 있듯이 비교예의 경우에는 상온 및 고온(350℃)의 경우 각각 500 싸이클 및 1000 싸이클 미만에서 전류치가 실패구간에 해당되어 버리게 되는데, 발명예의 경우는 작동온도에 상관없이 전 실험구간에 걸쳐 안정된 마찰전류값을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의해 제조된 에어포일 베어링 저널의 향상된 내마모 특성을 확인할 수 있었다.
앞에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의할 경우에는 특별한 강화재료를 사용하지 않으면서도 높은 내마모 특성과 양호한 윤활 특성을 가지는 에어포일 베어링을 제조할 수 있으며, 종래의 플라즈마 용사방법으로 내마모 코팅층을 코팅하는 경우와는 달리 코팅시 본딩소재의 비정질 특성이 감소하거나 소재가 산화되는 문제점 도 거의 관찰되지 않는 양호한 에어포일의 제조방법을 얻을 수 있다.

Claims (13)

  1. 비정질 합금 및 고상윤활물질이 혼합된 코팅 분말을 준비하는 단계; 및
    상기 코팅분말을 저온분사방식으로 에어포일베어링 저널 표면에 코팅하는 단계;
    를 포함하는 에어포일 베어링의 제조방법으로서,
    상기 저온분사시 사용되는 가스는 질소, 헬륨 또는 이들의 혼합가스이며,
    상기 저온분사시 사용되는 가스의 노즐 직전에서의 압력은 상기 저온분사시 사용되는 가스가 헬륨일 경우에는 20~25 바(bar), 질소일 경우에는 20~29 바, 질소와 헬륨의 혼합가스일 경우에는 20~(25+질소유량분율/4) 바인 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고상윤활물질은 Ag 및 BaF2/CaF2의 고용체를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 BaF2/CaF2의 고용체는 공정 조성(eutectic 조성)을 가지는 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 고상윤활물질은 Ag 입자와 BaF2/CaF2의 고용체를 기계적 합금화 방법으로 균질혼합시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링의 제조방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 코팅 분말은 비정질 합금 : 65~95중량%, Ag : 2.5~20 중량%, BaF2/CaF2의 고용체 : 2.5~20중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 비정질 합금은 Ni를 45% 이상 함유한 것임을 특징으로 하는 에어포일 베어링의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 비정질 합금은 평균입도가 5~90㎛인 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 저온분사시 사용되는 코팅 분말의 유량은 10~30g/min인 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링의 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 저온 분사시 노즐과 에어포일 베어링 저널 사이의 거리는 20~50mm인 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링의 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 저온 분사시 사용되는 가스는 300~500℃에서 가열되는 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링의 제조방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 저온 분사시 코팅 분말은 546~597℃에서 미리 예열되어 분사되는 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링의 제조방법.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH06306380A (ja) * 1993-03-18 1994-11-01 Agency Of Ind Science & Technol 固体潤滑剤及び固体潤滑剤被膜の形成方法
KR100259103B1 (ko) * 1992-05-27 2000-06-15 클래스 린트크비스트, 에스-아 헤닝손, 스텐-아게 크피스트 소결제품의 절삭성 개선용 첨가제 및 이를 이용한 철-기지 분말 조성물
KR20050065939A (ko) * 2003-12-26 2005-06-30 재단법인 포항산업과학연구원 저온용사를 이용한 저마찰/저마모 고상윤활 코팅
KR20060021625A (ko) * 2004-09-03 2006-03-08 한국과학기술연구원 고온 내마모 저마찰 용사용 코팅분말 및 그 제조방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100259103B1 (ko) * 1992-05-27 2000-06-15 클래스 린트크비스트, 에스-아 헤닝손, 스텐-아게 크피스트 소결제품의 절삭성 개선용 첨가제 및 이를 이용한 철-기지 분말 조성물
JPH06306380A (ja) * 1993-03-18 1994-11-01 Agency Of Ind Science & Technol 固体潤滑剤及び固体潤滑剤被膜の形成方法
KR20050065939A (ko) * 2003-12-26 2005-06-30 재단법인 포항산업과학연구원 저온용사를 이용한 저마찰/저마모 고상윤활 코팅
KR20060021625A (ko) * 2004-09-03 2006-03-08 한국과학기술연구원 고온 내마모 저마찰 용사용 코팅분말 및 그 제조방법

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