KR101363188B1 - 슬라이딩 부재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 슬라이딩 부재 및 그 제조방법에 있어서는, 서로 슬라이딩하는 슬라이딩 부재에 있어서, 적어도 한쪽의 슬라이딩 부재(101, 201, 301, 401)의 슬라이딩 면에, 알루미나, 실리카, 멀라이트, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화철로부터 선택되는 적어도 하나의 성분이 기재에 전사되어 전사층(104, 204, 304, 404)이 형성됨으로써, 이들 성분이 갖는 기계적 강도, 고체 윤활, 파괴 인성, 슬라이딩성 중, 적어도 하나 이상의 특성을 슬라이딩 면에 부여한다.
슬라이딩, 전사층

Description

슬라이딩 부재 및 그 제조방법{SLIDING MEMBER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은, 각종 산업기기, 예를 들면, 냉동 냉장고용 압축기, 공작 기계, 자동차용 내연 기관 등이 구동할 때에 서로 접촉해서 슬라이딩하는 슬라이딩 부분에 이용되는 슬라이딩 부재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 여러가지 산업기기에 있어서, 고출력화나 저회전수화 등 여러가지 구동 조건에 대하여 적합한 슬라이딩 부분의 표면 개질 기술이 강하게 요구되고 있다.
도 33은 슬라이딩 부분에 이용되는 종래의 슬라이딩 부재의 단면도이다. 도 33에 있어서, 제 1 슬라이딩 부재(1) 및 그 상대측이 되는 제 2 슬라이딩 부재(10)는, 예를 들면, 냉동 냉장고용 압축기의 크랭크 샤프트나, 피스톤 핀 등으로 대표되는 서로 슬라이딩하는 부재이다. 제 1 슬라이딩 부재(1)와 제 2 슬라이딩 부재(10)의 사이의 접촉 슬라이딩부(20)에는, 윤활과 냉각의 기능을 갖는 윤활유가 공급된다.
종래의 슬라이딩 부재에 있어서, 제 1 슬라이딩 부재(1) 및 제 2 슬라이딩 부재(10)는, 가공하기 쉽고, 또한, 비교적 저렴한 철이나 알루미늄을 주성분으로 하는 철계(鐵系)나 알루미늄계의 재료에 의해 형성된다.
제 1 슬라이딩 부재(1) 및 그 상대측인 제 2 슬라이딩 부재(10)의 양쪽 슬라이딩 면을 미시적으로 보면, 각각의 표면에는 거칠기나 기복(起伏)이 있다. 접촉 슬라이딩부(20)의 슬라이딩 실태는, 슬라이딩 면의 요철에 의한 금속 접촉 부분과, 슬라이딩 부재 사이의 윤활유 등의 기름막 부분으로 서로 떠받치고 있어, 소위 경계 윤활 영역과 유체 윤활 영역이 공존하는 혼합 윤활 영역인 것이 알려져 있다.
냉동 냉장고용 압축기에서 통상 자주 사용되는 회전수인 1500∼3000rpm의 조건하에서, 접촉 슬라이딩부(20)의 기름막의 두께는 1∼2㎛ 정도이거나, 그 이하로 계산된다. 종래의 슬라이딩 부재에 있어서는, 슬라이딩 면의 요철을 작게 해서 제 1 슬라이딩 부재(1) 및 제 2 슬라이딩 부재(10)의 슬라이딩 면을 평활화함으로써, 접촉 슬라이딩부(20)에서의 슬라이딩에 의한 마모를 억제하여, 마찰 손실을 저감하고 있었다. 이러한 종래기술로서는, 일본의 특개 2000-145637호 공보가 있다.
그러므로, 종래의 슬라이딩 부재에 있어서는, 제 1 슬라이딩 부재(1) 및 제 2 슬라이딩 부재(10)의 각 슬라이딩 면은, 양면 모두 Ra 0.3∼0.6㎛ 정도의 표면 거칠기로 연삭 가공된 후, 래핑(lapping)이나 호닝(honing) 등에 의해 Ra 0.2㎛ 이하로 마무리 가공되어 왔다. 그 결과, 제 1 슬라이딩 부재(1) 및 제 2 슬라이딩 부재(10)의 양쪽의 슬라이딩 면의 거칠기나 기복은 대부분 제거되어 왔다.
그러나, 상기 종래의 구성에서는, 예를 들면, 냉동 냉장고용 압축기에 있어서 한층 더 고출력화, 저회전화가 진행됨으로써, 슬라이딩 실태가 한층 심각해지고, 제 1 슬라이딩 부재(1)와 제 2 슬라이딩 부재(10)의 사이의 접촉 슬라이딩 부(20)의 기름막이 파단(破斷)되어, 슬라이딩 부재끼리의 금속 접촉부가 주(主)가 되는 경계 윤활 영역에서의 슬라이딩 상태를 야기시킨다. 이러한 슬라이딩 상태가 장기간 계속되면, 금속 접촉 과다에 의한 슬라이딩 발열이 현저해져, 접촉 슬라이딩부(20)에 있어서 응착 마모(adhesive wear)나 연삭 마모(abrasive wear)가 진행된다. 그 결과, 서로의 접촉 슬라이딩 면의 거칠기가 가속되고, 최종적으로, 시징(seizing)에 의한 록(lock)이나, 이상 마모가 발생할 가능성이 있다.
본 발명은, 상기 종래의 구성에 있어서의 과제를 해결하기 위한 것이며, 기름막의 두께가 비교적 얇은 상황 하, 즉 경계 윤활 영역에 있어서도, 마모를 저감하여, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 슬라이딩 부재는, 상기 목적을 달성하기 위해서, 서로 슬라이딩하는 슬라이딩 부재에 있어서의 적어도 한쪽의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에, 알루미나, 실리카, 멀라이트(mullite), 산화칼슘, 산화마그네슘 및 산화철로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분이 기재(基材)에 전사(轉寫)되어 전사층이 형성되어 있다. 이렇게 구성된 슬라이딩 부재는, 전사층의 성분이 가지는 기계적 강도, 고체 윤활, 파괴 인성(靭性), 슬라이딩성 중, 적어도 하나 이상의 특성을 슬라이딩 면에 부여할 수 있기 때문에, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 내마모 및 내시징성을 향상시켜, 경계 윤활 영역에 있어서의 마모를 대폭 저감시킨다.
본 발명의 슬라이딩 부재의 제조방법은, 서로 슬라이딩하는 슬라이딩 부재에 있어서의 적어도 한쪽의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 전사층이 형성된 슬라이딩 부재의 제조방법에 있어서, 알루미나, 실리카, 멀라이트, 산화칼슘, 산화마그네슘 및 산화철로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분을 함유하는 투사(投射) 입자를 상기 슬라이딩 부재의 기재에 투사하여 전사층을 형성하는 공정을 포함하고 있다. 이러한 공정을 포함하는 슬라이딩 부재의 제조방법에 의하면, 슬라이딩 면이 기계적 강도, 고체 윤활, 파괴 인성, 슬라이딩성 중, 적어도 하나 이상의 특성을 갖는다. 그러므로, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 내마모 및 내시징성을 향상시켜, 경계 윤활 영역에 있어서의 마모를 대폭 저감시킨다.
본 발명에 따른 제 1 관점의 슬라이딩 부재는, 서로 슬라이딩하는 슬라이딩 부재에 있어서, 적어도 한쪽의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에, 알루미나, 실리카, 멀라이트, 산화칼슘, 산화마그네슘 및 산화철로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분이 기재에 전사되어 전사층이 형성되어 있다. 이렇게 구성된 제 1 관점의 슬라이딩 부재는, 전사층의 성분이 가지는 기계적 강도, 고체 윤활, 파괴 인성, 슬라이딩성 중, 적어도 하나 이상의 특성을 슬라이딩 면에 부여한다. 따라서, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 내마모, 내시징성을 향상시켜, 경계 윤활 영역에 있어서도 마모를 저감하여, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 제 2 관점의 슬라이딩 부재에 있어서는, 상기의 제 1 관점에 있어서의 적어도 한쪽의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 오목면으로 구성된 미세 공동(空洞)이 다수 형성되어 있다. 이렇게 구성된 제 2 관점의 슬라이딩 부재는, 미세 공동을 오일 리시버(oil receiver)로서 기능하게 함으로써, 외부로부터의 윤활유 공급이 정체되는 조건하에서도, 접촉 슬라이딩부의 윤활유가 유지되어 마모를 저감시킬 수 있어서, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 제 3 관점의 슬라이딩 부재에 있어서는, 상기의 제 1 관점에 있어서의 적어도 한쪽의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 실질적인 구면의 일부로 구성된 미세 공동이 다수 형성되어 있다. 이렇게 구성된 제 3 관점의 슬라이딩 부재는, 미세 공동을 오일 리시버로서 기능하게 함으로써, 외부로부터의 윤활유 공급이 정체되는 조건하에서도, 접촉 슬라이딩부의 윤활유가 유지되어 마모를 저감시킬 수 있어서, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 제 4 관점의 슬라이딩 부재에 있어서는, 상기의 제 2 관점 및 제 3 관점에 있어서의 미세 공동의 슬라이딩 면 개구(開口)에 있어서의 최대 지름을 10∼200㎛의 범위 내로 하고 있다. 제 4 관점의 슬라이딩 부재는, 미세 공동의 최대 지름이 200㎛를 초과하면, 미세 공동끼리 연결되어, 유지된 윤활유가 유출되기 쉬워지고, 반대로, 미세 공동의 최대 지름이 10㎛ 미만이 되면, 윤활유의 유지에 관해서, 평활한 면과의 실질적인 차이가 작아지는, 문제를 회피하기 위해서 구성된 것이다. 미세 공동의 최대 지름을 상기의 수치 내의 범위로 적정화함으로써, 경계 윤활 영역에 있어서도 마모를 저감하여, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 제 5 관점의 슬라이딩 부재에 있어서는, 상기의 제 1 관점에 있어서의 슬라이딩 부재의 기재가 알루미늄계의 재질이다. 제 5 관점의 슬라이딩 부재는, 슬라이딩 부재로서 범용성이 높다. 예를 들면, 알루미늄 다이캐스트나 알루미늄 합금 주물 등의 재료를 사용해도, 경계 윤활 영역에 있어서 마모를 저감시킬 수 있어서, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 제 6 관점의 슬라이딩 부재에 있어서는, 상기의 제 1 관점에 있어서의 슬라이딩 부재의 기재가 철계의 재질이다. 제 6 관점의 슬라이딩 부재는, 슬라이딩 부재로서 범용성이 높다. 예를 들면, 주철, 소결, 연강(軟鋼) 등의 재료를 사용해도, 경계 윤활 영역에 있어서 마모를 저감시킬 수 있어서, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 제 7 관점의 슬라이딩 부재에 있어서는, 상기의 제 1 관점 내지 제 3 관점에 있어서의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 미세 홈부를 형성하고 있다. 제 7 관점의 슬라이딩 부재는, 미세 홈부를 오일 리시버로서 기능하게 함으로써, 외부로부터의 윤활유 공급이 정체되는 조건하에서도, 슬라이딩 부재 사이의 윤활유가 유지되어 마모를 저감하여, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 제 8 관점의 슬라이딩 부재에 있어서는, 상기의 제 1 관점 내지 제 3 관점에 있어서의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 미세 홈부를 형성하고, 상기 미세 홈부의 연장 방향이 슬라이딩 방향에 대하여 소정의 각도를 가지고 있다. 제 8 관점의 슬라이딩 부재는, 오일 리시버로서의 미세 홈부를 효율적으로 기능하게 하여, 외부로부터의 윤활유 공급이 정체되는 조건하에서도, 슬라이딩 부재 사이의 윤활유가 유지되어 마모를 저감하여, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 제 9 관점의 슬라이딩 부재에 있어서는, 상기의 제 1 관점 내지 제 3 관점에 있어서의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 미세 홈부를 형성하고, 상기 미세 홈부의 연장 방향은 슬라이딩 방향과 평행하다. 제 9 관점의 슬라이딩 부재는, 오일 리시버로서의 미세 홈부를 효율적으로 기능하게 하여, 외부로부터의 윤활유 공급이 정체되는 조건하에서도, 슬라이딩 부재 사이의 윤활유가 유지되어 마모를 저감하여, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 제 10 관점의 슬라이딩 부재에 있어서는, 상기의 제 1 관점 내지 제 3 관점에 있어서의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 미세 홈부를 형성하고, 상기 미세 홈부의 연장 방향이 서로 직교하도록 형성되어 있다. 제 10 관점의 슬라이딩 부재는, 오일 리시버로서의 미세 홈부를 효율적으로 기능하게 하여, 외부로부터의 윤활유 공급이 정체되는 조건하에서도, 슬라이딩 부재 사이의 윤활유가 유지되어 마모를 저감하여, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 제 11 관점의 슬라이딩 부재에 있어서는, 상기의 제 1 관점내지 제 3 관점에 있어서의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 미세 홈부를 형성하고, 상기 미세 홈부의 연장 방향과 직교하는 방향에 있어서의 슬라이딩 면의 길이에 대한 미세 홈부의 폭의 비율이 0.05∼0.6의 범위 내이다. 제 11 관점의 슬라이딩 부재는, 슬라이딩 면에 있어서 미세 홈부를 적정 비율로 함으로써, 오일 리시버로서의 미세 홈부를 효율적으로 기능하게 할 수 있다.
본 발명에 따른 제 12 관점의 슬라이딩 부재에 있어서는, 서로 슬라이딩하는 슬라이딩 부재에 있어서, 적어도 한쪽의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 산화칼슘 성분이 기재에 전사되어 전사층이 형성되어 있다. 이렇게 구성된 제 12 관점의 슬라이딩 부재는, 전사층의 성분이 갖는 고체 윤활 특성을 슬라이딩 면에 부여한다. 따라서, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 내마모, 내시징성을 향상시켜, 경계 윤활 영역에 있어서도 마모를 저감하여, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 제 13 관점의 슬라이딩 부재에 있어서는, 상기의 제 12 관점에 있어서의 적어도 한쪽의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 실질적인 구면의 일부로 형성된 미세 공동을 다수 형성하고 있다. 이렇게 구성된 제 13 관점의 슬라이딩 부재는, 미세 공동을 오일 리시버로서 기능하게 함으로써, 외부로부터의 윤활유 공급이 정체되는 조건하에서도, 접촉 슬라이딩부의 윤활유가 유지되어 마모를 저감시킬 수 있어, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 제 14 관점의 슬라이딩 부재에 있어서는, 상기의 제 13 관점에 있어서의 미세 공동의 슬라이딩 면 개구에 있어서의 최대 지름을 10∼200㎛의 범위 내로 하고 있다. 이렇게 구성된 제 14 관점의 슬라이딩 부재는, 미세 공동의 최대 지름이 200㎛를 초과하면, 미세 공동끼리 연결되어 유지된 윤활유가 유출되기 쉬워지고, 반대로, 미세 공동의 최대 지름이 10㎛ 미만이 되면, 윤활유의 유지에 관해서, 평활한 면과의 실질적인 차이가 작아지는, 문제를 회피하기 위해서 구성된 것이다. 즉, 미세 공동의 최대 지름을 상기의 수치 내의 범위로 적정화함으로써, 경계 윤활 영역에 있어서도 마모를 저감하여, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 제 15 관점의 슬라이딩 부재에 있어서는, 상기의 제 13 관점 및 제 14 관점에 있어서의 미세 공동의 내면에, 최대 지름 3㎛ 이하의 극미세 공동을 형성하고 있다. 이렇게 구성된 제 15 관점의 슬라이딩 부재는, 극미세 공동이 슬라이딩 면과 윤활유의 사이의 쐐기와 같은 역할을 발휘하여, 미세 공동 내의 윤활유의 유지성이나 흡착성을 향상시킴으로써, 경계 윤활 영역에 있어서도 마모를 저감하여, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 제 16 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법은, 서로 슬라이딩하는 슬라이딩 부재에 있어서의 적어도 한쪽의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 전사층을 형성하는 슬라이딩 부재의 제조방법에 있어서,
알루미나, 실리카, 멀라이트, 산화칼슘, 산화마그네슘 및 산화철로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분을 함유하는 투사 입자를 상기 슬라이딩 부재의 기재에 투사하여 전사층을 형성하는 공정을 포함하고 있다. 제 16 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법은, 투사 입자의 투사에 의한 충격 하중의 인가에 의해, 슬라이딩 부재와 투사 입자의 표면 온도가 상승하여, 서로의 표면을 활성화시킴으로써, 효율적으로 슬라이딩 면에 투사 입자의 성분을 전사시킬 수 있다. 또한, 제 16 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법은, 충격력에 의해, 슬라이딩 면에, 다수의 미세 공동을 형성하고, 또한 슬라이딩 면의 표면 조직은 미세화되어 내부 응력이 높아진다. 따라서, 고경도이고 파괴 인성이 우수한 특성을 가지기 때문에, 신뢰성이 높고, 또한 생산성이 우수한 슬라이딩 부재를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 제 17 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 있어서, 상기의 제 16 관점에 있어서의 투사 입자의 형상은 실질적인 구상(球狀)이며, 평균 입경이 3∼200㎛의 범위 내이다. 제 17 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 있어서, 평균 입경이 200㎛를 초과하면, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 형성된 미세 공동의 개구 지름이 지나치게 커져 미세 공동끼리 연결되어, 유지된 윤활유가 유출되기 쉬워지고, 반대로, 평균 입경이 3㎛ 미만이면, 미세 공동의 지름이 지나치게 작아져, 윤활유의 유지에 관해서 평활면과 실질적인 차이가 작아지는, 문제를 회피하기 위해서, 윤활유의 유지에 대하여 미세 공동의 형상 및 슬라이딩 면 개구 지름을 적정한 값으로 하고 있다. 이와 같이, 제 17 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 따르면, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 제 18 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 있어서는, 상기의 제 16 관점 및 제 17 관점에 있어서의 투사 입자로서 플라이 애쉬(fly ash)를 이용하고 있다. 제 18 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 따르면, 플라이 애쉬는, 성분으로서, 알루미나, 실리카, 멀라이트를 70∼80%, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화철을 20∼30% 함유하고 있기 때문에, 플라이 애쉬를 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 투사함으로써, 슬라이딩 면 위에 이들 화합물 중, 적어도 두 개 이상의 성분이 동시에 전사되어, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면은, 높은 기계적 강도, 단단한 고체 윤활층, 높은 파괴 인성, 높은 슬라이딩성 중, 적어도 두 개 이상의 우수한 특성을 동시에 가지게 된다. 이와 같이, 제 18 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 따르면, 효율적이고, 또한 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 제 19 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 있어서는, 상기의 제 16 관점 및 제 17 관점에 있어서의 전사층을 형성하는 공정에 앞서, 슬라이딩 면이 되는 기재의 면에 미세 홈부를 형성하는 연삭 공정을 더 포함한다. 제 19 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 따르면, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 미세 홈부를 형성하여, 이 미세 홈부가 오일 리시버로서 기능하는 슬라이딩 부재를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 제 20 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 있어서는, 상기의 제 16 관점 및 제 17 관점에 있어서의 전사층을 형성하는 공정에 앞서, 슬라이딩 면이 되는 기재의 면에 미세 홈부를 형성하는 연삭 공정을 더 포함하고, 상기 연삭 공정에 있어서 형성되는 미세 홈부의 연장 방향이 슬라이딩 방향에 대하여 소정의 각도로 형성된다. 제 20 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 따르면, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 소망의 미세 홈부를 형성할 수 있다. 그 결과, 미세 홈부를 오일 리시버로서 효율적으로 기능하게 하여, 외부로부터의 윤활유 공급이 정체되는 조건하에서도, 슬라이딩 부재 사이의 윤활유가 유지되어 마모를 저감하여, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 제 21 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법은, 서로 슬라이딩하는 슬라이딩 부재에 있어서의 적어도 한쪽의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 전사층을 형성하는 슬라이딩 부재의 제조방법에 있어서,
산화칼슘 성분을 함유하는 투사 입자를 상기 슬라이딩 부재의 기재에 투사하여 전사층을 형성하는 공정을 포함한다. 제 21 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법은, 투사 입자의 충돌시의 충격 에너지에 의해, 슬라이딩 부재와 투사 입자의 표면 온도가 상승하여, 서로의 표면을 활성화시킴으로써, 슬라이딩 면에, 고체 윤활재로서 기능하는 산화칼슘 성분이 전사되기 때문에, 신뢰성이 높고, 또한 생산성이 우수한 슬라이딩 부재를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 제 22 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 있어서는, 상기의 제 21 관점에 있어서의 전사층을 형성하는 공정에 있어서, 적어도 한쪽의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 실질적인 구면의 일부로 형성된 미세 공동을 다수 형성한다. 제 22 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법은, 투사 입자의 충돌시의 충격 에너지에 의해, 슬라이딩 부재와 투사 입자의 표면 온도가 상승하여, 서로의 표면을 활성화시킬 수 있다. 그 결과, 슬라이딩 면에, 고체 윤활재로서 기능하는 산화칼슘 성분이 전사됨과 더불어, 다수의 미세 공동도 형성되므로, 신뢰성이 높고, 또한 생산성이 우수한 슬라이딩 부재를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 제 23 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 있어서는, 상기의 제 21 관점에 있어서의 전사층을 형성하는 공정에 있어서, 슬라이딩 면 개구에 있어서의 최대 지름이 10∼200㎛의 범위 내인 미세 공동을 형성한다. 미세 공동의 최대 지름이 200㎛를 초과하면, 미세 공동끼리 연결되어, 유지된 윤활유가 유출되기 쉬워지고, 반대로, 미세 공동의 최대 지름이 10㎛ 미만이 되면, 윤활유의 유지에 관해서, 평활한 면과의 실질적인 차이가 작아진다. 그러나, 제 23 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 있어서는 이러한 문제를 회피할 수 있다. 즉, 미세 공동의 최대 지름을 상기의 수치 내의 범위로 적정화함으로써, 경계 윤활 영역에 있어서도 마모를 저감하여, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 제 24 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 있어서는, 상기의 제 21 관점에 있어서의 전사층을 형성하는 공정에 있어서, 미세 공동의 내면에, 최대 지름 3㎛ 이하의 극미세 공동을 형성한다. 제 24 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법은, 극미세 공동이 슬라이딩 면과 윤활유의 사이의 쐐기와 같은 역할을 발휘하여, 미세 공동 내의 윤활유의 유지성이나 흡착성을 향상시킴으로써, 경계 윤활 영역에 있어서도 마모를 저감하여, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 제 25 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 있어서는, 상기의 제 21 관점에 있어서의 투사 입자의 형상은 실질적인 구상이며, 평균 입경이 3∼200㎛의 범위 내이다. 제 25 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법은, 외부로부터의 윤활유 공급이 정체되는 조건하에서도, 상기 수치 범위 내의 적정한 미세 공동을 형성함으로써, 투사 입자의 성분 전사에 필요한 충격 에너지를 슬라이딩 면에 가할 수 있다. 그 결과, 제 25 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 따르면, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 제 26 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 있어서는, 상기의 제 21 관점에 있어서의 입경이 1㎛ 이하의 투사 입자와, 실질적인 구상을 가지고, 평균 입경이 3∼200㎛의 범위 내인 캐리어 비드(carrier bead)를 혼합한 혼합 투사 입자를 기재에 투사하여 전사층을 형성한다. 제 26 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법은, 비교적 입경이 큰 캐리어 비드의 충돌시의 충격 에너지에 의해, 슬라이딩 면에 있어서의 윤활유의 유지에 관하여, 상기 수치 범위 내의 적정한 미세 공동을 형성함으로써, 입경이 작은 투사 입자의 성분을 전사시킬 수 있다. 그 결과, 제 26 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 따르면, 신뢰성이 높고, 또한 생산성이 우수한 슬라이딩 부재를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 제 27 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 있어서는, 상기의 제 26 관점에 있어서의 혼합 투사 입자는, 캐리어 비드의 표면에 투사 입자가 다수 부착된 형태이다. 제 27 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법은, 캐리어 비드의 충돌시의 충격 에너지에 더해, 투사 입자가 캐리어 비드에 의해 슬라이딩 면에 밀어 넣어짐으로써, 기재에 대한 투사 입자의 성분 전사가 촉진된다. 또한, 제 27 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 따르면, 미세 공동과 극미세 공동을 효과적으로 형성할 수 있어서, 신뢰성이 높고, 또한 생산성이 우수한 슬라이딩 부재를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 제 28 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법에 있어서는, 상기의 제 21 관점 내지 제 27 관점에 있어서의 산화칼슘, 및 칼슘 라임 중, 적어도 하나를 투사 입자로서 이용하고 있다. 이러한 공정을 포함하는 제 28 관점의 슬라이딩 부재의 제조방법은, 슬라이딩 면 위에 산화칼슘을 주성분으로 하는 전사층이 수 ㎛의 두께로 형성되기 때문에, 경계 윤활 영역에 있어서 마모 저감이 현저하게 드러나, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제조할 수 있다.
본 발명의 슬라이딩 부재 및 그 제조방법에 따르면, 접촉 슬라이딩부에 있어서의 기름막의 두께가 비교적 얇은 상황하에서도, 즉 경계 윤활 영역에 있어서도 마모의 비약적인 저감을 달성하여, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공할 수 있는 우수한 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예 1에 있어서의 슬라이딩 부재의 확대 단면 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1의 슬라이딩 부재의 제조방법을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 EPMA 원소 분석 특성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 1의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 X선 회절 분석 특성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예 1의 조건 1과 비교예 1의 마찰계수의 경시 변화를 나타내는 특성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예 1의 조건 1∼조건 5와 비교예 1의 시징 발생까지의 슬라이딩 길이의 특성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시예 1의 조건 1∼조건 5와 비교예 1의 비(比)마모량을 비교한 특성도이다.
도 8은 본 발명에 따른 실시예 1의 조건 1∼조건 5와 비교예 1의 투사 입자의 형상을 대략 구상으로 했을 때의 미세 공동의 지름과 슬라이딩 길이, 및 비마모량의 상관 특성도이다.
도 9는 본 발명에 따른 실시예 1의 조건 1∼조건 5와 비교예 1의 투사 입자의 형상을 대략 구상으로 했을 때의 입경과 슬라이딩 길이, 및 비마모량의 상관 특성도이다.
도 10은 본 발명에 따른 실시예 2에 있어서의 슬라이딩 부재의 확대 단면 개략도이다.
도 11은 본 발명에 따른 실시예 2의 슬라이딩 부재의 제조방법을 나타내는 모식도이다.
도 12는 본 발명에 따른 실시예 2의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 EPMA 원소 분석 특성도이다.
도 13은 본 발명에 따른 실시예 2의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 X선 회절 분석 특성도이다.
도 14는 본 발명에 따른 실시예 2의 마찰계수의 경시 변화를 나타내는 특성도이다.
도 15는 본 발명에 따른 실시예 2의 시징 발생까지의 슬라이딩 길이의 특성도이다.
도 16은 본 발명에 따른 실시예 2의 비마모량의 특성도이다.
도 17은 본 발명에 따른 실시예 3에 있어서의 슬라이딩 부재의 확대 단면 개략도이다.
도 18은 본 발명에 따른 실시예 3의 슬라이딩 부재의 제조방법을 나타내는 모식도이다.
도 19는 본 발명에 따른 실시예 3의 미세 공동과 미세 홈부의 구성도이다.
도 20은 본 발명에 따른 실시예 3의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 EPMA 원소 분석 특성도이다.
도 21은 본 발명에 따른 실시예 3의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 X선 회절 분석 특성도이다.
도 22는 본 발명에 따른 실시예 3의 마찰계수의 경시 변화를 나타내는 특성도이다.
도 23은 본 발명에 따른 실시예 3의 시징 발생까지의 슬라이딩 길이의 특성도이다.
도 24는 본 발명에 따른 실시예 3의 비마모량의 특성도이다.
도 25는 본 발명에 따른 실시예 4에 있어서의 슬라이딩 부재의 확대 단면 개략도이다.
도 26은 본 발명에 따른 실시예 4에 있어서의 슬라이딩 부재의 제조방법을 나타내는 모식도이다.
도 27은 본 발명에 따른 실시예 4에 있어서의 혼합 투사 입자의 모식도이다.
도 28은 본 발명에 따른 실시예 4의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 EPMA 원소 분석 특성도이다.
도 29는 본 발명에 따른 실시예 4의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 X선 회절 분석 특성도이다.
도 30은 본 발명에 따른 실시예 4의 마찰계수의 경시 변화를 나타내는 특성도이다.
도 31은 본 발명에 따른 실시예 4의 시징 발생까지의 슬라이딩 길이의 특성도이다.
도 32는 본 발명에 따른 실시예 4의 디스크측의 비마모량의 특성도이다.
도 33은 종래의 슬라이딩 부재의 단면도이다.
(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)
(실시예 1)
이하, 본 발명의 적절한 실시 형태인 실시예 1의 슬라이딩 장치에 대해서 첨부 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 실시예는 본 발명의 슬라이딩 부재의 구체예이며, 이들 실시예의 구성에 의해 본 발명이 한정되는 것이 아니고, 본 발명은 이하의 각 실시예에 나타나는 기술적 사상에 의해 구축되는 모든 구성을 포함하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 슬라이딩 부재의 일부를 나타내는 확대 단면 개략도, 도 2는 실시예 1의 슬라이딩 부재의 제조방법을 나타내는 모식도, 도 3은 실시예 1의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 EPMA 원소 분석 특성도, 및 도 4는 실시예 1의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 X선 회절 분석 특성도이다.
본 발명에 따른 실시예 1의 슬라이딩 부재(101)에 대해서, 이하에 설명한다.
슬라이딩 부재(101)는, 알루미늄계의 재질인 알루미늄 합금(JIS:A6063)을 기재(102)로 하여 형성한 것이다.
슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면에는, 실리카(SiO2)가 수 ㎛의 두께로 전사된 전사층(104)이 형성되어 있다. 여기에서, 전사라 함은, 투사 입자(111)의 성 분을 기재(102)의 표면 및 표면 근방에 이착(移着), 혼입시키는 것을 말한다. 이 실시예에 있어서는, 전사시키고 싶은 성분을 가진 투사 입자(111)를 소정의 속도로 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면에 투사하는 것으로 실현하고 있다.
또한, 슬라이딩 면에는 형상이 거의 반구면, 즉 거의 구면의 일부로 구성된 다수의 미세한 미세 공동(105)이 더 형성되어 있다.
이어서, 실시예 1의 슬라이딩 부재(101)의 제조방법에 대해서 상세히 설명한다.
먼저, 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면이 되는 기재(102)의 표면을 연삭 가공함으로써 표면 거칠기를 Ra 0.3㎛ 정도로 마무리해 둔다. 이어서, 투사 입자 공급 장치(121)(도 2 참조)를 이용하여, 투사 입자(111)를 기재(102) 표면에 투사한다.
투사 입자 공급 장치(121)는, 저장 탱크(도시하지 않음) 내에 저장된 투사 입자(111)를 이송하기 위한 투사 입자 이송 배관(122)을, 캐리어 가스(123)가 지나가는 가스 배관(124)에 접합하고, 가스 배관(124)의 선단에 노즐(125)을 설치한 것이다.
실시예 1에 있어서, 투사 입자(111)로서, 성분이 99% 이상의 고순도인 실리카(SiO2)로 구성된 거의 구상의 것을 이용했다. 투사 입자(111)의 평균 입경은 20㎛이며, 입경이 10∼30㎛의 범위에서 투사 입자(111) 전체의 90% 이상을 차지하는 정규 분포를 나타낸다.
저장 탱크에 저류된 투사 입자(111)는, 전동 기어 펌프(도시하지 않음)에 의해 투사 입자 이송 배관(122)을 통과하여, 가스 배관(124)과의 접합 부위까지 이송된다. 가스 배관(124) 내의 캐리어 가스(123)는, 공기 펌프(도시하지 않음)를 사용한 건조 공기이며, 가스압이 0.3∼0.6MPa의 범위 내가 되도록 조정되어 있다.
이렇게, 가스 배관(124)과 투사 입자 이송 배관(122)과의 접합 부위까지 연속적으로 이송된 투사 입자(111)가, 캐리어 가스(123)에 의해 노즐(125)의 선단구(126)로부터 100m/s 전후의 속도로 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면에 대하여 거의 수직으로 투사된다. 또한, 노즐(125)의 선단구(126)로부터 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면까지의 거리는 30∼40mm의 범위 내로 했다.
이상의 제조 공정에 있어서, 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면에 형성된 미세한 미세 공동(105)의 지름(슬라이딩 면 개구 지름) R은, 형상 측정의 결과에서 최대 40㎛ 정도였다. 여기에서, 슬라이딩 면 개구 지름이란, 평탄한 슬라이딩 면에 있어서의 거의 원형의 개구 부분의 직경을 말한다.
또한, 상기한 바와 같이 제조된 실시예 1의 슬라이딩 부재(101)에 대해서, 도 3 및 도 4를 이용하여 설명한다.
도 3은, 투사 입자(111)의 투사 전후의 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면을 EPMA 분석 장치로 분석한 비교 결과를 나타내고 있다. 도 3에 있어서, 가로 축은 인가 전압 [keV], 세로 축은 1초당 카운트 수(강도) [cps]이다. 또한, 도 3에 나타내는 분석 결과에 있어서는, 분석 조건으로서 인가 전압을 최대 15keV로 하여, 표면으로부터 깊이 2㎛ 전후에 존재하는 원소의 정보를 나타냈다. 이 결과에서, 투사 후에 있어서, 투사 전에 비하여, 투사 입자(111)의 구성 원소인 규소(Si) 및 산소(O)의 피크가 현저히 높아져 있는 것을 알 수 있다.
도 4는, 투사 입자(111)의 투사 전후의 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면을 X선 회절 장치로 분석한 비교 결과이며, 가로 축은 X선의 입사 각도(회절각 2θ)[deg], 세로 축은 1초당 카운트 수(강도) [cps]이다. 또한, 도 4에 나타내는 분석 결과는, 박막 X선 회절법으로 실시한 것이며, 표면으로부터 깊이 5㎛ 전후의 조직 구조의 정보를 나타낸 것이다. 도 4에 있어서의 상하의 각 도면의 아래쪽에 기재한 가로 축을 기점으로 하는 복수의 세로 실선은 모두 실리카(SiO2)의 피크 위치를 가리킨다. 이 결과에서, 투사 후에 있어서, 26°부근의 회절각 2θ에서 피크, 즉, 실리카(SiO2)의 피크가 발현되고 있는 것을 알 수 있다.
도 3 및 도 4에 나타내는 결과에서, 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면에는, 투사 입자(111)의 성분인 실리카(SiO2)가 전사된 전사층(104)이 형성되어 있다고 판단할 수 있다. 또한, 도시하지 않았지만, 표면으로부터 깊이가 10㎛ 이상의 조직 구조를 분석한 X선 회절 결과에서는, 실리카(SiO2)의 피크가 극단적으로 낮아지는 것이 나타나고 있었다. 이 때문에, 실리카(SiO2)를 많이 함유하는 전사층(104)의 두께는, 수 ㎛ 정도로 추측된다.
이상의 제조 공정에 의해 형성된 슬라이딩 부재(101)의 마찰 마모 특성을 볼온디스크(ball-on-disk) 방식의 시험 장치로 평가했다. 슬라이딩 부재(101)의 상대 측이 되는 슬라이딩 부재(도시하지 않음)로서 구 지름이 9.5mm, 표면 거칠기가 Ra 0.2 이하, 철계의 재질인 스테인레스강(SUS304) 구를 이용하고, 윤활유로서 터빈 기름을 사용하여, 온도 22∼28℃, 상대습도 55∼65%의 분위기하에서 시험을 실행하였다. 시험 조건은, 수직 하중 19.6N, 슬라이딩 속도 0.1m/s이다. 또한, 0.05mL의 윤활유만 실험 전에 적하되며, 슬라이딩 길이(슬라이딩 거리)의 증가에 따라 윤활유는 소비된다. 시험 도중에, 접촉 슬라이딩부에서 마모가 진행되어, 마찰계수가 0.3 이상에 달한 지점에서 윤활유가 고갈되어 시징이 발생한 것이라고 판단하여, 시험을 종료시켰다. 상기의 조건을 실시예 1의 조건 1로 한다.
또한, 본 발명에 따른 실시예 1의 슬라이딩 부재에 관한 마찰 마모 특성을 평가하기 위해서, 투사 입자의 형상이나 크기를 변경한 다른 규격도 실시예 1의 조건 1의 규격과 함께 아래 표 1에 나타낸다. 다른 규격들도, 기재(102)로서 알루미늄계의 재질인 알루미늄 합금(A6063), 상대측 슬라이딩 부재로서 구 지름, 및 표면 거칠기를 같게 한 철계의 재질인 스테인레스강(SUS304) 구를 사용했다.
실시예 1의
조건 1		 실시예 1의
조건 2		 실시예 1의 조건 3 실시예 1의
조건 4		 실시예 1의 조건 5 비교예 1
기재 알루미늄 다이캐스트 알루미늄
다이캐스트		 알루미늄
다이캐스트		 알루미늄
다이캐스트		 알루미늄
다이캐스트		 알루미늄 다이캐스트
처리
 투사 입자
의 투사		 투사 입자의 투사 투사 입자의 투사 투사 입자의 투사 투사 입자의 투사 래핑
(Ra 0.2)



입자 실리카 실리카 실리카 실리카 실리카 -
성분 SiO2 SiO2 SiO2 SiO2 SiO2 -
입경[㎛] 20 7 60 200 100 -
형상 구상 구상 구상 구상 각상(角狀) -
처리 후의 표면
상태		 전사층
미세 공동		 전사층
미세 공동		 전사층
미세 공동		 전사층
미세 공동		 전사층
미세
조흔(條痕) 		-

전사층의 입자 성분 비율(실시예 1의 조건 1을 1로 한다) 1 1 1 1 1 이하 -
최대 공동 지름[㎛] ~40 ~20 ~80 ~200 - -
실시예 1의 조건 2에서, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면을 Ra 0.3㎛의 표면 거칠기로 연삭 가공한 후에, 투사 입자를 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 투사했다. 투사 입자로서, 성분이 99% 이상의 실리카(SiO2)에 의해 구성된 거의 구상의 투사 입자를 이용했다. 또한, 투사 입자의 평균 입경은 7㎛이며, 입경이 3∼16㎛의 범위에서 투사 입자 전체의 90% 이상을 차지하는 정규 분포를 나타낸다. 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에는, 투사 입자의 성분이 전사된 전사층과, 거의 반구면 형상의 미세 공동이 형성되어 있다. 전사층으로부터 검출되는 성분 비율은 앞서 설명한 실시예 1의 조건 1과 거의 마찬가지이지만, 미세 공동의 지름(슬라이딩 면 개구 지름) R은 최대 20㎛ 정도이며, 실시예 1의 조건 1의 미세 공동의 지름보다도 작은 규격이다.
실시예 1의 조건 3에서, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면을 Ra 0.3㎛의 표면 거칠기로 연삭 가공한 후에, 투사 입자를 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 투사했다. 투사 입자로서, 성분이 99% 이상의 실리카(SiO2)에 의해 구성된 거의 구상의 투사 입자를 이용했다. 또한, 투사 입자의 평균 입경은 60㎛이며, 입경이 40∼70㎛의 범위에서 투사 입자 전체의 90% 이상을 차지하는 정규 분포를 나타낸다. 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에는, 투사 입자의 성분이 전사된 전사층과, 거의 반구면 형상의 미세 공동이 형성되어 있다. 전사층으로부터 검출되는 성분 비율은, 실시예 1의 조건 1과 거의 마찬가지이지만, 미세 공동의 지름(슬라이딩 면 개구 지름) R은 최대 80㎛ 정도이며, 실시예 1의 조건 1의 미세 공동의 지름 R보다도 큰 규격이다.
실시예 1의 조건 4에서, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면을 Ra 0.3㎛의 표면 거칠기로 연삭 가공한 후에, 투사 입자를 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 투사했다. 투사 입자로서, 성분이 99% 이상의 실리카(SiO2)에 의해 구성된 거의 구상의 투사 입자를 이용했다. 또한, 투사 입자의 평균 입경은 200㎛이며, 입경이 180∼220㎛의 범위에서 투사 입자 전체의 90% 이상을 차지하는 정규 분포를 나타낸다. 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에는, 투사 입자의 성분이 전사된 전사층과, 거의 반구면 형상의 미세 공동이 형성되어 있다. 전사층으로부터 검출되는 성분 비율은 실시예 1의 조건 1과 거의 마찬가지이지만, 미세 공동의 지름(슬라이딩 면 개구 지름) R은 최대 200㎛ 정도이다. 실시예 1의 조건 4에 있어서는, 미세 공동끼리 연결된 개소가 다수 확인되었다.
실시예 1의 조건 5에서, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면을 Ra 0.3㎛의 표면 거칠기로 연삭 가공한 후에, 투사 입자를 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 투사했다. 투사 입자로서, 성분이 99% 이상의 실리카(SiO2)에 의해 구성된 거의 각상(角狀)의 투사 입자를 이용했다. 또한, 투사 입자의 평균 입경은 100㎛이며, 입경이 50∼150㎛의 범위에서 투사 입자 전체의 90% 이상을 차지하는 정규 분포를 나타낸다. 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에는, 투사 입자의 성분이 전사된 전사층은 확인할 수 있지만, 성분 비율에 약간의 변동이 나타났다. 또한, 실시예 1의 조건 5에 있어서는, 구상의 투사 입자의 경우에 보여진 미세 공동은 형성되지 않고, 슬라이딩 면이 긁힌 듯한 극미세한 조흔(條痕)이 다수 확인되었다.
비교예 1에 있어서, 종래의 슬라이딩 부재는, Ra 0.3∼0.6㎛ 정도의 표면 거칠기로 연삭 가공되고, 그 후, 래핑에 의해 Ra 0.2㎛ 이하의 표면 거칠기로 완성되었다.
표 1에 나타내는 규격에 의한 마찰 마모 특성에 관한 시험 결과를 이하에 설명한다.
도 5는, 본 발명의 실시예 1에 있어서의 실시예 1의 조건 1과 비교예 1의 마찰 계수의 경시 변화를 나타내는 특성도이며, 슬라이딩 길이마다 마찰 계수를 리얼 타임으로 측량한 그래프이다.
도 5에 나타낸 결과에서, 종래의 슬라이딩 부재가 사용된 비교예 1에 있어서, 약 1m 정도의 슬라이딩 길이에서 빠르게 시징이 발생되었다. 반면, 실시예 1의 조건 1의 슬라이딩 부재(101)는 마찰 계수가 0.1∼0.2 정도에서 추이(推移)되어 경계 윤활 영역에서의 슬라이딩을 유지하고, 시징 발생까지의 슬라이딩 길이는 비교예 1에 비해 약 240배이다. 따라서, 실시예 1의 조건 1의 슬라이딩 부재(101)는 현저한 내마모성 및 내시징성의 개선이 확인되었다.
상기한 바와 같이 실시예 1의 조건 1의 슬라이딩 부재(101)가 우수한 내마모성 및 내시징성을 갖는 것은, 투사 입자(111)의 투사에 의한 충격력에 의해, 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면과 투사 입자(111)의 표면의 온도가 순간적으로 상승했을 때에, 양자의 표면이 활성화되어, 투사 입자(111)의 성분인 실리카(SiO2)가 슬라이딩 면에 전사됨으로써, 실리카(SiO2)가 갖는 높은 경도에 의해 높은 기계적 강도의 특성이 발휘되기 때문이라고 추측된다.
또한, 투사 입자(111)의 투사에 의한 충격력에 의해, 슬라이딩 면이 순간적으로 소성 변형되어 다수의 미세 공동(105)이 형성되고, 이 미세 공동(105)이 기름막 두께가 얇은 상황에서 오일 리시버 역할을 하기 때문에, 접촉 슬라이딩부에서 윤활 작용을 발휘할 수 있는 구성이 된다. 또한, 실시예 1의 조건 1의 슬라이딩 부재(101)에 있어서는, 전사층(104)의 조직이 미세화되어 내부 응력이 높아져, 파괴 인성이 향상되어 있다.
도 6은 실시예 1에 있어서의 조건 1∼조건 5 및 비교예 1의 슬라이딩 부재의 시징 발생까지의 슬라이딩 길이에 관한 특성도이며, 조건마다 시징 발생까지의 슬라이딩 길이를 비교한 그래프이다. 도 7은 실시예 1에 있어서의 조건 1∼조건 5 및 비교예 1의 비마모량의 특성도이며, 조건마다 시험 후의 마모 체적을 각각의 슬라이딩 길이 및 수직 하중으로 나누어서 산출한 비마모량 [mm3/Ｎ·m]을 비교한 그래프이다.
도 6 및 도 7에 있어서, 구상의 투사 입자(111)를 투사한 실시예 1의 조건 1∼실시예 1의 조건 5와 종래의 비교예 1을 비교하면, 어느 쪽의 조건에 있어서도 내시징성 및 내마모성에 대해서 개선을 확인할 수 있다. 단, 각 조건마다 개선 폭에 차가 있는 것을 알 수 있다.
그러므로, 미세 공동(105)의 지름(슬라이딩 면 개구 지름) R의 최대값과 투사 입자(111)의 평균 입경이, 내시징성 및 내마모성에 끼치는 영향에 대해서, 도 8 및 도 9를 이용하여 이하에 고찰한다.
도 8은, 실시예 1의 조건 1∼실시예 1의 조건 5와 비교예 1에 있어서의 투사 입자의 형상을 거의 구상으로 했을 때의 미세 공동의 지름의 최대값과, 시징 발생까지의 슬라이딩 길이 및 비마모량의 상관 특성도이며, 이들의 상관성을 평가한 그래프이다. 도 8에 있어서, 가로 축은 미세 공동의 지름 R의 최대값 [㎛], 제 1 세로 축(도 8의 좌측의 세로 축)은 시징 발생까지의 슬라이딩 길이 [m], 제 2 세로 축(도 8의 우측의 세로 축)은 비마모량 [mm3/Ｎ·m]이다. 도 8에 있어서, 실시예 1의 조건 1∼실시예 1의 조건 5의 시징 발생까지의 슬라이딩 길이를 흑색의 사각형(◆)으로 나타내고 있다. 단, 실시예 1의 조건 5의 시징 발생까지의 슬라이딩 길이는 회색의 사각형(◇)으로 나타내고 있다. 또한, 비교예 1의 시징 발생까지의 슬라이딩 길이를 백색의 사각형(◇)으로 나타낸다. 또한, 실시예 1의 조건 1∼실시예 1의 조건 5의 비마모량을 흑색의 삼각형(▲)으로 나타내고 있다. 단, 실시예 1의 조건 5의 비마모량은 회색의 삼각형(△)으로 나타내고 있다. 또한, 비교예 1의 비마모량을 백색의 삼각형(△)으로 나타낸다.
도 9는 투사 입자의 형상을 거의 구상으로 했을 때의 평균 입경과 슬라이딩 길이, 및 비마모량의 상관 특성도이며, 이들의 상관성을 평가한 그래프이다. 도 9에 있어서, 가로 축은 투사 입자의 평균 입경 [㎛], 제 1 세로 축(도 9의 좌측의 세로 축)은 시징 발생까지의 슬라이딩 길이 [m], 제 2 세로 축(도 9의 우측의 세로 축)은 비마모량 [mm3/Ｎ·m]이다. 도 9에 있어서, 실시예 1의 조건 1∼실시예 1의 조건 5의 시징 발생까지의 슬라이딩 길이를 흑색의 사각형(◆)으로 나타내고 있다. 단, 실시예 1의 조건 5의 시징 발생까지의 슬라이딩 길이는 회색의 사각형(◇)으로 나타내고 있다. 또한, 비교예 1의 시징 발생까지의 슬라이딩 길이를 백색의 사각형(◇)으로 나타낸다. 또한, 실시예 1의 조건 1∼실시예 1의 조건 5의 비마모량을 흑색의 삼각형(▲)으로 나타내고 있다. 단, 실시예 1의 조건 5의 비마모량은 회색의 삼각형(△)으로 나타내고 있다. 또한, 비교예 1의 비마모량을 백색의 삼각형(△)으로 나타낸다.
도 8 및 도 9로부터, 미세 공동(105)의 지름 R의 최대값이 30∼90㎛의 범위에 있어서, 시징 발생까지의 슬라이딩 길이의 극대값 및 비마모량의 극소값을 갖는 것을 알 수 있다.
이것은, 미세 공동(105)의 지름 R이 지나치게 커지면, 인접하는 미세 공동(105)끼리 연결되어, 윤활유가 미세 공동(105)으로부터 유출되어, 윤활 작용이 발휘되기 어려워지기 때문에, 비교적 빠르게 시징이 발생된 것이라고 생각된다. 한편, 미세 공동(105)의 지름 R이 지나치게 작아지면, 종래의 평활면 형상과 실질적으로 유사해지기 때문이라고 생각된다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 종래의 슬라이딩 부재에 비해서 내시징성, 내마모성을 향상시키기 위해서는, 미세 공동(105)의 지름 R의 최대값을 10∼200㎛의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 내시징성 및 내마모성을 더 향상시키기 위해서는, 미세 공동(105)의 지름 R의 최대값을 30∼90㎛의 범위 내로 하는 것이 더욱 바람직하다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 미세 공동(105)의 지름 R의 최대값의 적정화에 대응하여, 투사하는 투사 입자(111)의 평균 입경을 3∼200㎛의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 극적으로 내시징성 및 내마모성을 더 향상시키기 위해서는, 투사하는 투사 입자(111)의 평균 입경을 15∼80㎛로 하는 것이 더욱 바람직하다.
이어서, 각상 투사 입자를 투사한 실시예 1의 조건 5의 내시징성 및 내마모성에 대해서, 도 6∼도 9를 이용하여 고찰한다.
실시예 1의 조건 5의 내시징성 및 내마모성은, 비교예 1과 비교하면 분명히 개선되어 있다. 그러나, 동등 레벨의 평균 입경을 갖는 구상 투사 입자(111)와 비교하여, 다소 내시징성 및 내마모성이 낮은 것을 알 수 있다.
각상 투사 입자를 투사했을 경우의 슬라이딩 면에는, 어느 정도의 변동은 있지만, 실리카(SiO2)의 특성을 갖는 전사층이 형성되어, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 기계적 강도는 증가한다. 그러나, 평균 입경이 100㎛의 각상 투사 입자를 투사하여도, 미세 공동의 지름 R의 최대값이 10㎛에 달하지 않아, 오일 리시버로서의 기능을 충분히 발휘할 수 없기 때문에, 구상의 투사 입자에 비해서 접촉 슬라이딩부의 마모가 빨리 진행되어, 시징이 발생됐다고 생각된다. 결과적으로, 투사 입자(111)의 형상은 구상이 더욱 바람직하다.
이와 같이, 실시예 1에서는, 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면에 투사 입자(111)를 투사함으로써, 투사 입자(111)의 성분이 전사되어 조직이 치밀한 전사층(104)과, 미세 공동(105)이 형성된다. 이 때문에, 슬라이딩 면의 기계적 강도나 파괴 인성의 증가와 더불어, 윤활제의 윤활 작용이 부여됨으로써, 접촉 슬라이딩부에서의 마모가 저감되어, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재, 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
게다가, 이러한 투사 입자(111)를 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면에 고속 투사하는 슬라이딩 부재의 제조방법은, 투사 입자(111)의 재질이나 형상, 및 투사 조건을 조정함으로써, 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면에 투사 입자(111)의 성분이 전사된 전사층(104)이나 다수의 미세 공동(105)을 동시에 형성하여, 내마모성 및 내시징성이 우수한 표면으로 개질할 수 있다. 따라서, 실시예 1에 따른 슬라이딩 부재의 제조방법에 의하면, PVD나 CVD 등에 비하여, 복잡한 장치는 불필요하여, 염가에 제조하는 것이 가능하다.
또한, 실시예 1의 슬라이딩 부재의 제조방법에서는, 투사 입자(111)로서 실리카(SiO2)를 사용했지만, 알루미나(Al2O3)나 멀라이트(3Al2O3·2SiO2)를 이용해도, 이것들이 실리카(SiO2)와 마찬가지로 경질이고 높은 기계적 강도의 특성을 가지고 있기 때문에, 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면의 기계적 강도는 이들 성분 특성으로 인해 향상된다. 따라서, 실리카(SiO2)를 사용했을 경우와 마찬가지의 마모 저감 효과를 얻을 수 있다.
또한, 투사 입자(111)로서, 산화칼슘(CaO)을 이용했을 경우, 산화칼슘(CaO)이 무기계의 고체 윤활 작용의 특성을 가지고 있기 때문에, 이 성분 특성으로 인해, 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면에서의 금속 접촉이 억제되므로, 마모를 저감하는 효과를 얻을 수 있다.
산화마그네슘(MgO)을 이용했을 경우, 산화마그네슘(MgO)이 연성(延性)이나 파괴 인성이 우수한 특성을 가지고 있기 때문에, 이 성분 특성으로 인해, 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면에서의 미시적인 흠집(chipping)이 억제되어, 마모를 저감하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 산화철로서 사산화삼철(Fe3O4)을 사용했을 경우, 사산화삼철(Fe3O4)이 슬라이딩성이 우수한 특성을 가지고 있기 때문에, 이 성분 특성으로 인해, 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면에서의 응착(凝着) 마모가 억제되어, 마모를 저감하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 실시예 1에서는, 투사 입자(111)가, 캐리어 가스(123)에 의해 노즐(125)의 선단구(126)로부터 약 100m/sec의 속도로 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면에 투사된다. 발명자는, 투사 입자(111)의 투사 속도가 너무 느리면, 충돌할 때에 충분한 운동 에너지를 기재(102) 쪽으로 전달할 수 없어서, 전사층(104)이나 미세 공동(105)의 형성이 불충분하게 되고, 반대로, 투사 속도가 너무 빠르면, 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면의 거칠기가 현저해지는 것을 확인했다. 따라서, 투사 입자(111)의 투사 속도는, 기재(102)의 재질(예를 들면, 경도)이나 투사되는 투사 입자(111)의 재질(예를 들면, 경도)이나 입경, 혹은 요구되는 투사 후의 슬라이딩 면의 표면 거칠기나, 형성되는 미세 공동의 지름 R 등에 따라, 적당히 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 실시예 1의 슬라이딩 부재에 있어서는, 알루미늄계의 재질(알루미늄 합금)과 철계의 재질(베어링강)이라는 이종 금속끼리의 슬라이딩부에 관한 것으로, 알루미늄계의 재질의 슬라이딩 부재(101)에 전사층(104)과 미세 공동(105)을 형성하고 있다. 마주 대하는 슬라이딩 부재에 있어서, 경도가 무른 쪽의 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면에 투사 입자(111)를 투사하는 것이 바람직하다. 이것은, 투사 입자(111)를 투사했을 경우, 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면에는 미세 공동(105)의 주위에 약간의 볼록 형상의 돌출부가 생기고, 이것이 표면 거칠기를 야기시켜 상대측의 슬라이딩 부재를 손상시킬 가능성도 있기 때문이다. 그러나, 실시예 1의 슬라이딩 부재와 같이, 투사 입자가 투사되는 슬라이딩 부재가 경도가 무른 쪽이면, 슬라이딩부에 슬라이딩 하중이 가해진 시점에서, 볼록 형상의 돌출부가 순간적으로 소성 변형됨으로써 평탄화되어, 슬라이딩 중에 상대측 부재를 손상시키는 것을 회피할 수 있다.
상기한 바와 같이, 마주 대하는 슬라이딩 부재에 있어서 경도가 무른 쪽의 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면에 투사 입자(111)를 투사하는 것은, 철계의 재질, 혹은 알루미늄계의 재질끼리와 같이 동종 금속끼리의 슬라이딩 부위도 마찬가지이다. 즉, 마주 대하는 동종 금속의 슬라이딩 부재에 있어서, 경도가 무른 쪽의 슬라이딩 부재(101)의 슬라이딩 면에 투사 입자(111)를 투사하여, 전사층과 미세 공동을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 실시예 1에 있어서는, 투사 입자 공급 장치에 기어 펌프(도시하지 않음)에 의해 투사 입자(111)를 이송하는 구성의 것을 예시했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 투사 입자(111)가 안정적으로 공급되는 구성의 것이라면 그것을 이용할 수 있고, 마찬가지의 효과를 나타낸다.
또한, 실시예 1에 있어서는, 캐리어 가스(123)로서 비압축성 유체인 공기를 사용했지만, 산소를 함유하지 않는 질소 가스를 사용해도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
(실시예 2)
도 10은 본 발명의 실시예 2에 있어서의 슬라이딩 부재의 일부를 나타내는 확대 단면 개략도, 도 11은 실시예 2의 슬라이딩 부재의 제조방법을 나타내는 모식도, 도 12는 실시예 2의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 EPMA 원소 분석 특성도, 및 도 13은 실시예 2의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 X선 회절 분석 특성도이다.
본 발명의 슬라이딩 부재(201)에 대해서, 이하에 상세히 설명한다.
슬라이딩 부재(201)는, 알루미늄계의 재질인 알루미늄 합금(JIS:A6063)을 기재(202)로 하여 형성한 것이다.
슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면에는, 멀라이트(3Al2O3·2SiO2), 실리카(SiO2) 및 산화칼슘(CaO)이 수 ㎛의 두께로 전사된 전사층(204)이 형성되어 있다. 여기에서, 전사라 함은, 투사 입자(211)의 성분을 기재(202)의 표면 및 표면 근방에 이착, 혼입시키는 것을 말한다. 이 실시예에 있어서는, 전사시키고 싶은 성분을 가진 투사 입자(211)를 소정의 속도로 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면에 투사함으로써 실현하고 있다.
또한, 슬라이딩 면에는 형상이 거의 반구면으로 구성된 다수의 미세한 미세 공동(205)이 더 형성되어 있다.
이어서, 실시예 2의 슬라이딩 부재(201)의 제조방법에 대해서 상세히 설명한다.
먼저, 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면이 되는 기재(202)의 표면을 연삭 가공함으로써 표면 거칠기를 Ra 0.3㎛ 정도로 마무리한다. 이어서, 투사 입자 공급 장치(221)(도 11 참조)를 이용하여, 투사 입자(211)를 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면에 투사한다.
투사 입자 공급 장치(221)는, 저장 탱크(도시하지 않음) 내에 저장된 투사 입자(211)를 이송하기 위한 투사 입자 이송 배관(222)을, 캐리어 가스(223)가 지나가는 가스 배관(224)에 접합하고, 가스 배관(224)의 선단에 노즐(225)을 설치한 것이다.
실시예 2에 있어서, 투사 입자(211)로서, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3) 및 멀라이트(3Al2O3·2SiO2)가 전체의 70∼80%을 차지하고, 나머지는 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO) 및 산화철 등으로 구성되는 거의 구상의 플라이 애쉬를 이용했다. 투사 입자(211)의 평균 입경은 7㎛이며, 입경이 3∼16㎛의 범위에서 투사 입자 전체의 90% 이상을 차지하는 정규 분포를 나타낸다. 이번에 사용한 플라이 애쉬는, JIS 규격으로 나타나는 5종, 10종에 해당하는 규격이다.
플라이 애쉬라 함은, 석탄 화력 발전소의 보일러 내에 있어서, 미분쇄(微紛碎)된 석탄의 연소에 의해 용융 상태가 된 재의 입자가, 고온의 연소 가스 중을 부유하다가 보일러 출구에서 온도가 저하됨에 따라 미세 입자가 되어 전기 집진기에 포집된 산업 폐기물이다. 플라이 애쉬는 건조 상태로 저장되어, 리사이클이나 재사용 등의 용도에 따라 추가로 조합하거나 분급기로 입도 조정을 실행하여 제품별 사일로에 저장된다.
플라이 애쉬는 미세 입자이며, 통상으로는 거의 구상의 형태이기 때문에, 플라이 애쉬를 이용하면, 콘크리트나 모르타르의 시공시의 유동성이 증대하므로, 이 성질을 활용하여, 일반적으로는 토목, 건축 분야에서 이용되고 있다. 따라서, 실시예 1과 같이, 투사 입자(211)의 투사 용도로 반복하여 사용한 후의 플라이 애쉬는, 그대로 폐기하는 것이 아니라, 콘크리트나 모르타르의 혼화재로서 재사용하는 것도 가능해서, 지구 친환경 투사 입자(211)라는 장점을 갖는다.
저장 탱크에 저류된 투사 입자(211)는, 전동 기어 펌프(도시하지 않음)에 의해 투사 입자 이송 배관(222)을 통과하여, 가스 배관(224)과의 접합 부위까지 이송된다. 가스 배관(224) 내의 캐리어 가스(223)는, 공기 펌프(도시하지 않음)를 사용한 건조 공기이며, 가스압이 0.3∼0.6MPa의 범위 내가 되도록 조정했다.
이와 같이, 가스 배관(224)과 투사 입자 이송 배관(222)의 접합 부위까지 연속적으로 이송된 투사 입자(211)가, 캐리어 가스(223)에 의해 노즐(225)의 선단구(226)로부터 100m/s 전후의 속도로 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면에 대하여 거의 수직으로 투사된다. 또한, 노즐(225)의 선단구(226)로부터 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면까지의 거리는 30∼40mm의 범위 내로 했다.
이상의 제조 공정에 있어서, 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면에 형성된 미세한 미세 공동(205)의 지름(슬라이딩 면 개구 지름) R은, 형상 측정의 결과로부터 최대 20㎛ 정도였다. 여기에서, 슬라이딩 면 개구 지름이란, 평탄한 슬라이딩 면에 있어서의 거의 원형의 개구 부분의 직경을 말한다.
또한, 상기한 바와 같이 제조된 실시예 2의 슬라이딩 부재(201)에 대해서, 도 12 및 도 13을 이용해서 설명한다.
도 12는, 투사 입자(211)의 투사 전후의 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면을 EPMA 분석 장치로 분석한 비교 결과를 나타내고 있다. 도 12에 있어서, 가로 축은 인가 전압 [keV], 세로 축은 1초당 카운트 수(강도) [cps]이다. 또한, 도 12에 나타내는 분석 결과에 있어서는, 분석 조건으로서 인가 전압을 최대 15keV로 하여, 표면으로부터 깊이 2㎛ 전후에 존재하는 원소의 정보를 나타냈다. 이 결과에서, 투사 후에 있어서, 투사 전에 비하여, 투사 입자(211)의 구성 원소인 규소(Si), 산소(O) 및 칼슘(Ca)의 피크가 현저히 높아져 있는 것을 알 수 있다. 또한, 근소하지만, 철(Fe) 및 마그네슘(Mg)도 검출되었다.
도 13은, 투사 입자(211)의 투사 전후의 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면을 X선 회절 장치로 분석한 비교 결과이며, 가로 축은 X선의 입사 각도(회절각 2θ)[deg], 세로 축은 1초당 카운트 수(강도) [cps]이다. 또한, 도 13에 나타내는 분석 결과는, 박막 X선 회절법으로 실시한 것이며, 표면으로부터 깊이 5㎛ 전후의 조직 구조의 정보를 나타낸 것이다. 도 13에 있어서의 상하의 각 도면의 아래쪽에 기재한 가로 축을 기점으로 하는 복수의 세로 실선은 모두 실리카(SiO2)의 피크 위치를 가리키고, 복수의 세로 점선은 모두 멀라이트(3Al2O3·2SiO2)의 피크 위치를 가리킨다. 이 결과에서, 투사 후에 있어서, 16°및 26° 부근의 회절각 2θ에서 피크가 발현되고 있는 것을 알 수 있고, 이것으로 보아 멀라이트와 실리카임을 확인할 수 있다. 또한, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화 제2철은 X선 회절에 의해서는 검출되지 않지만, 모두 열적 안정성이 우수한 물질이므로, 비정질로서 슬라이딩 면에 존재하고 있다고 판단할 수 있다.
도 12 및 도 13의 결과에서, 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면에, 투사 입자(211)의 성분인 멀라이트(3Al2O3·2SiO2), 실리카(SiO2) 및 산화칼슘(CaO)이 전사된 전사층(204)이 형성되어 있다고 판단할 수 있다. 또한, 도시하지 않고 있지만, 표면으로부터 깊이 10㎛ 이상의 조직 구조를 분석한 X선 회절 결과에서는 멀라이트(3Al2O3·2SiO2), 실리카(SiO2)의 피크가 극단적으로 낮아진다. 그러므로, 플라이 애쉬 성분을 많이 함유하는 전사층(204)의 두께는, 수 ㎛ 정도라고 추측된다.
이상의 제조 공정에 의해 형성된 슬라이딩 부재(201)의 마찰 마모 특성을 볼온디스크 방식의 시험 장치로 평가했다. 슬라이딩 부재(201)의 상대측이 되는 슬라이딩 부재(도시하지 않음)로서 구 지름이 9.5mm, 표면 거칠기가 Ra 0.2 이하, 철계의 재질인 스테인레스강(SUS304) 구를 이용하고, 윤활유로서 터빈 기름을 사용하여, 온도 22∼28℃, 상대습도 55∼65%의 분위기하에서 시험을 실행했다. 시험 조건은, 수직 하중 19.6N, 슬라이딩 속도 0.1m/s이다. 또한, 0.05mL의 윤활유만 실험 전에 적하되며, 슬라이딩 길이(슬라이딩 거리)의 증가에 따라 윤활유는 소비된다. 시험 도중에, 접촉 슬라이딩부에서 마모가 진행되어, 마찰 계수가 0.3 이상에 달한 지점에서 윤활유가 고갈되어 시징이 발생한 것이라 판단하여, 시험을 종료시켰다. 상기의 조건을 실시예 2의 조건 1로 한다.
또한, 본 발명에 따른 실시예 2의 슬라이딩 부재에 관한 마찰 마모 특성을 평가하기 위해서, 투사 입자의 형상이나 크기를 변경한 다른 규격도 실시예 2의 조건 1의 규격과 함께 아래 표 2에 나타낸다. 다른 규격들도, 기재(202)는 알루미늄계의 재질인 알루미늄 합금(A6063), 상대측 슬라이딩 부재는 구 지름, 및 표면 거칠기를 같게 한 철계의 재질인 스테인레스강(SUS304) 구를 사용했다.
실시예 2의
조건 1		 실시예 2의
조건 2		 실시예 2의
조건 3		 비교예 1
기재 알루미늄
다이캐스트		 알루미늄
다이캐스트		 알루미늄
다이캐스트		 알루미늄
다이캐스트
처리
 투사 입자의
투사		 투사 입자의
투사		 투사 입자의
투사		 래핑
(Ra 0.2)



입자 플라이 애쉬 실리카 플라이 애쉬 -
성분 Al2O3, SiO2…70%
CaO, MgO, Fe2O3…30%		 SiO2 Al2O3, SiO2…70%
CaO, MgO, Fe2O3…30%		 -
입경[㎛] 7 7 9.4 -
형상 구상 구상 각상 -
처리 후의 표면 상태 전사층 미세 공동 전사층 미세 공동 전사층 미세 조흔 -

전사층의 입자 성분 비율(실시예 2의 조건 1을 1로 한다) 1 - 1 이하 -
공동 지름
[㎛]		 ~ 20 ~ 20 - -
실시예 2의 조건 2에서, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면을 Ra 0.3㎛의 표면 거칠기로 연삭 가공한 후에, 투사 입자를 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 투사했다. 투사 입자로서, 성분이 99% 이상의 실리카(SiO2)에 의해 구성된 거의 구상의 투사 입자를 이용했다. 또한, 투사 입자의 평균 입경은 7㎛이며, 입경이 3∼16㎛의 범위에서 투사 입자 전체의 90% 이상을 차지하는 정규 분포를 나타낸다. 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에는, 실리카(SiO2) 성분이 전사된 전사층과, 거의 반구면 형상의 미세 공동이 형성되어 있다. 또한, 미세 공동의 지름(슬라이딩 면 개구 지름) R은 최대 20㎛ 정도이며, 실시예 2의 조건 1과 거의 동등하다.
실시예 2의 조건 3에서, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면을 Ra 0.3㎛의 표면 거칠기로 연삭 가공한 후에, 투사 입자를 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 투사했다. 투사 입자로서, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3) 및 멀라이트(3Al2O3·2SiO2)가 전체의 70∼80%을 차지하고, 나머지는 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO) 및 산화철 등으로 구성되고, 거의 각상으로 이루어진 플라이 애쉬를 이용했다. 또한, 투사 입자의 평균 입경은 9.4㎛이며, 입경이 3∼24㎛의 범위에서 투사 입자 전체의 90% 이상을 차지하는 정규 분포를 나타낸다. 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에는, 투사 입자의 성분이 전사된 전사층은 분석에 의해 확인할 수 있었지만, 성분 비율은 약간의 변동이 나타났다. 또한, 구상의 투사 입자의 경우에 보여진 미세 공동은 형성되지 않고, 슬라이딩 면이 긁힌 듯한 극미세한 조흔이 다수 확인되었다.
비교예 1에서, 종래의 슬라이딩 부재는 Ra 0.3∼0.6㎛ 정도의 표면 거칠기로 연삭 가공되고, 그 후, 래핑에 의해 Ra 0.2㎛ 이하의 표면 거칠기로 마무리 가공된다.
표 2에 나타내는 규격에 의한 마찰 마모 특성에 관한 시험 결과를 이하에 설명한다.
도 14는, 본 발명의 실시예 2에 있어서의 실시예 2의 조건 1과 비교예 1의 마찰 계수의 경시 변화를 나타내는 특성도이며, 슬라이딩 길이마다 마찰 계수를 리얼 타임으로 측량한 그래프이다.
도 14에 나타낸 결과에서, 종래의 슬라이딩 부재가 사용된 비교예 1에 있어서, 약 1m 정도의 슬라이딩 길이에서 빠르게 시징이 발생되었다. 반면, 실시예 2의 조건 1의 슬라이딩 부재(201)는 마찰 계수가 0.15∼0.25 정도에서 추이되어, 경계 윤활 영역에서의 슬라이딩을 유지하고, 시징 발생까지의 슬라이딩 길이는 비교예 1에 비해 약 240배이다. 따라서, 실시예 2의 조건 1의 슬라이딩 부재(201)는 현저한 내마모성 및 내시징성의 개선이 확인되었다.
도 15는 실시예 2에 있어서의 조건 1∼조건 3 및 비교예 1의 슬라이딩 부재의 시징 발생까지의 슬라이딩 길이에 관한 특성도이며, 조건마다 시징 발생까지의 슬라이딩 길이를 비교한 그래프이다. 도 16은 실시예 2에 있어서의 조건 1∼조건 3 및 비교예 1의 비마모량의 특성도이며, 조건마다 시험 후의 마모 체적을 각각의 슬라이딩 길이 및 수직 하중으로 나누어서 산출한 비마모량 [mm3/Ｎ·m]을 비교한 그래프이다.
도 15 및 도 16에 있어서, 실시예 2의 조건 1은, 같은 평균 입경과 구상 형태로 이루어진 실리카(SiO2)를 투사한 실시예 2의 조건 2에 비하여, 시징 발생까지의 슬라이딩 길이는 1.4배이며, 비마모량(단위 슬라이딩 길이당 마모 체적)은 약 1/10 정도가 된다. 이와 같이, 실시예 2의 조건 1에서의 내시징성 및 내마모성의 향상이 더욱 현저한 것을 알 수 있다.
이것은, 투사 입자(211)의 투사에 의한 충격력에 의해, 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면과 투사 입자(211)의 표면의 온도가 순간적으로 상승했을 때에, 양자의 표면이 활성화되어, 투사 입자(211)의 성분인 멀라이트(3Al2O3·2SiO2), 실리카(SiO2) 및 산화칼슘(CaO)이 슬라이딩 면에 전사되어 멀라이트(3Al2O3·2SiO2)나 실리카(SiO2)의 높은 경도에 의한 고기계적 강도 특성을 부여하기 때문이다. 게다가, 산화칼슘(CaO)이 갖는 무기계의 고체 윤활 작용 특성도 발휘되기 때문에, 접촉 슬라이딩부에서의 금속 접촉이 억제되어, 실시예 2의 조건 2에 비하여 접촉 슬라이딩부의 내마모성이 더욱 향상한 것이라고 추측된다.
또한, 투사 입자(211)의 투사에 의한 충격력에 의해, 슬라이딩 면이 소성 변형되어 다수의 미세 공동(205)이 형성된다. 이 결과, 기름막 두께가 얇은 상황에서도, 미세 공동(205)이 오일 리시버가 되기 때문에, 접촉 슬라이딩부에서 윤활 작용을 발휘할 수 있다. 또한, 이 전사층(204)의 조직은 미세화되어 내부 응력을 향상시키고, 그로 인해, 파괴 인성이 향상된다고 생각된다.
이어서, 각상 투사 입자를 투사한 실시예 2의 조건 3의 내시징성 및 내마모성에 대해서, 도 15 및 도 16을 이용하여 고찰한다.
실시예 2의 조건 3의 내시징성 및 내마모성은, 비교예 1과 비교하면 분명히 개선되어 있다. 그러나, 동등 레벨의 평균 입경을 갖는 구상의 투사 입자(211)와 비교하여, 다소 내시징성 및 내마모성이 낮은 것을 알 수 있다.
각상 투사 입자를 투사했을 경우의 슬라이딩 면에는, 어느 정도의 변동은 있지만, 투사 입자인 플라이 애쉬의 성분을 함유하는 전사층이 형성되어, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 기계적 강도는 증가하고, 고체 윤활 작용 효과가 부여된다. 그러나, 오일 리시버로서의 기능을 갖는 미세 공동이 충분히 형성되어 있지 않기 때문에, 구상의 투사 입자(211)에 비하여 접촉 슬라이딩부의 마모가 빠르게 진행되어, 시징이 발생됐다고 생각된다. 이 고찰 결과에서, 투사 입자(211)의 형상은 구상이 바람직하다.
이와 같이, 실시예 2에서는, 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면에 플라이 애쉬로 구성된 투사 입자(211)를 투사함으로써, 투사 입자(211)의 성분이 전사되어, 조직이 치밀한 전사층(204)과, 거의 반구면 형상의 미세 공동(205)이 형성된다. 그 결과, 슬라이딩 면의 기계적 강도나 파괴 인성이 증가하고, 무기계의 고체 윤활 작용 특성이 접촉 슬라이딩부에 부여된다. 또한, 윤활제의 윤활 작용이 부여됨으로써, 접촉 슬라이딩부에 있어서의 마모가 상승적으로 저감되기 때문에, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제조할 수 있다.
게다가, 이러한 투사 입자(211)를 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면에 고속 투사하는 슬라이딩 부재의 제조방법은, 투사 입자(211)의 재질이나 형상, 및 투사 조건을 조정함으로써, 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면에 투사 입자(211)의 성분이 전사된 전사층(204)이나 다수의 미세 공동(205)을 동시에 형성하여, 내마모성 및 내시징성이 우수한 표면으로 개질할 수 있다. 이 때문에, 실시예 2에 따른 슬라이딩 부재의 제조방법에 의하면, PVD나 CVD 등에 비하여, 복잡한 장치가 불필요하여, 염가에 제조하는 것이 가능하다.
또한, 실시예 2에 따른 슬라이딩 부재(201)의 제조방법에서는, 투사 입자(211)로서 플라이 애쉬를 단독으로 이용했지만, 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면에 알루미나, 실리카, 멀라이트, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화철 중, 적어도 두 개 이상의 성분을 동시에 전사하여, 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면에, 기계적 강도의 향상, 고체 윤활층의 형성, 파괴 인성의 향상, 슬라이딩성의 향상 중, 적어도 두 개 이상의 특성을 동시에 부여할 수 있다. 따라서, 실시예 2에 따른 슬라이딩 부재(201)의 제조방법은, 우수한 특성을 갖는 슬라이딩 부재(201)를 대단히 효율적으로 제조할 수 있다.
또한, 플라이 애쉬는 산업 폐기물이며, 재사용의 용도로서는 지금까지 건축, 토목 분야에 한정되어 있었지만, 실시예 2에 나타낸 제조방법에 의해, 플라이 애쉬는, 내마모성 및 내시징성이 우수한 슬라이딩 부재(201)를 제조하기 위한 용도로서 새롭게 창출되게 된다.
실시예 2에서 사용한 JIS 규격의 플라이 애쉬의 화학 조성은, 실리카(SiO2)가 44.6∼74.0%, 알루미나(Al2O3)가 16.4∼38.3%, 산화칼슘(CaO)이 0.1∼14.3%, 산화마그네슘(MgO)이 0.2∼2.8%, 산화 제2철(Fe2O3)이 0.6∼22.7%로, 다소 변동을 가지고 있다.
실시예 2에서는, 투사 입자(211)로서, 멀라이트(3Al2O3·2SiO2), 실리카(SiO2) 및 산화칼슘(CaO)을 많이 함유하는 플라이 애쉬를 사용했지만, 알루미나(Al2O3)나 산화마그네슘(MgO)을 비교적 많이 함유하는 플라이 애쉬를 사용했을 경우에도, 접촉 슬라이딩부에서의 작용은 다르지만, 마찬가지로 마모를 저감하는 효과를 얻을 수 있다.
알루미나(Al2O3)를 많이 함유하는 플라이 애쉬의 경우, 알루미나(Al2O3)가 멀라이트(3Al2O3·2SiO2)나 실리카(SiO2)와 마찬가지로 경질이고 높은 기계적 강도를 가지고 있기 때문에, 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면의 기계적 강도는 향상된다. 따라서, 플라이 애쉬를 이용함으로써, 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면의 마모를 대폭 저감하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 산화마그네슘(MgO)을 많이 함유하는 플라이 애쉬의 경우, 산화마그네슘(MgO)이 연성이나 파괴 인성에 있어서 우수한 특성을 가지고 있기 때문에, 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면에서의 미시적인 흠집이 억제되어, 마모를 저감하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 산화철에 관해서는, 일반적으로 접촉 슬라이딩부에서 슬라이딩성을 향상시켜, 응착 마모의 억제에 효과가 있다고 하는 것은, 사산화삼철(Fe3O4)이라고 말해지고 있다. 실시예 2에서 사용한 JIS 규격의 플라이 애쉬에 함유되는 산화철은, 주로 산화 제2철(Fe2O3)이기 때문에, 슬라이딩성 향상의 효과는 적다. 그러나, 플라이 애쉬의 생성 과정이나 슬라이딩 면에의 투사의 단계에서, 의도적으로 사산화삼철(Fe3O4)을 혼합시킴으로써, 사산화삼철(Fe3O4)이 슬라이딩성이 우수한 특성을 가지고 있기 때문에, 슬라이딩 부재(201)의 슬라이딩 면에서의 응착 마모가 억제되어, 마모를 저감하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 실시예 2에서는, 알루미나, 실리카, 멀라이트, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화철 중, 적어도 두 개의 성분을 함유하는 투사 입자(211)로서 플라이 애쉬를 사용하여, 효율적으로 두 개 이상의 성분의 전사를 도모했지만, 마찬가지로 두 개 이상의 성분을 함유하는 다른 투사 입자를 사용해도, 마찬가지의 효과가 얻어진다.
(실시예 3)
도 17은 본 발명의 실시예 3에 있어서의 슬라이딩 부재의 일부를 나타내는 확대 단면 개략도, 도 18은 실시예 3의 슬라이딩 부재의 제조방법을 나타내는 모식도, 도 19는 실시예 3의 미세 공동과 미세 홈부의 구성을 나타내는 확대 단면 개략도, 도 20은 실시예 3의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 EPMA 원소 분석 특성도, 및 도 21은 실시예 3의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 X선 회절 분석 특성도이다.
본 발명에 따른 실시예 3의 슬라이딩 부재(301)에 대해서, 이하에 상세히 설명한다.
슬라이딩 부재(301)는, 알루미늄계의 재질인 알루미늄 합금(JIS:A6063)을 기재(302)로 해서 형성된 것이다.
슬라이딩 부재(301)의 슬라이딩 면에는, 멀라이트(3Al2O3·2SiO2), 실리카(SiO2) 및 산화칼슘(CaO)이 수 ㎛의 두께로 전사된 전사층(304)이 형성되어 있다. 여기에서, 전사라 함은, 투사 입자(311)의 성분을 기재(302)의 표면 및 표면 근방에 이착, 혼입시키는 것을 말한다. 이 실시예에 있어서는, 전사시키고 싶은 성분을 가진 투사 입자(311)를 소정의 속도로 슬라이딩 부재(301)의 슬라이딩 면에 투사하는 것으로 실현하고 있다.
또한, 슬라이딩 부재(301)의 슬라이딩 면의 전면에 걸쳐, 쐐기 모양의 오목부(331)로 구성되는 미세 홈부(306)와, 형상이 거의 반구면 형상인 다수의 미세한 미세 공동(305)을 갖는 대체로 평탄한 평탄부(312)가 번갈아 형성되어 있다.
이어서, 실시예 3의 슬라이딩 부재(301)의 제조방법에 대해서 상세히 설명한다.
먼저, 슬라이딩 부재(301)의 표면을 #180의 샌드 페이퍼로, 슬라이딩 방향에 대하여 평행하게 연삭 가공한다. 이어서, 투사 입자 공급 장치(321)(도 18 참조)를 이용하여, 투사 입자(311)를 슬라이딩 부재(301)의 슬라이딩 면에 투사한다.
투사 입자 공급 장치(321)는, 저장 탱크(도시하지 않음) 내에 저장된 투사 입자(311)를 이송하기 위한 투사 입자 이송 배관(322)을, 캐리어 가스(323)가 지나가는 가스 배관(324)에 접합하고, 그 가스 배관(324)의 선단에 노즐(325)을 설치한 것이다.
실시예 3에 있어서, 투사 입자(311)로서, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 멀라이트(3Al2O3·2SiO2)가 전체의 70∼80%를 차지하고, 나머지는 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO) 및 산화철 등으로 구성되는 거의 구상의 플라이 애쉬를 이용했다. 투사 입자의 평균 입경은 7㎛이며, 입경이 3∼16㎛의 범위에서 투사 입자 전체의 90% 이상을 차지하는 정규 분포를 나타낸다. 이번에 사용한 플라이 애쉬는, JIS 규격에서 표시되는 5종, 10종에 해당하는 규격이다. 또한, 실시예 3에서 이용한 플라이 애쉬는, 앞서 설명한 실시예 2에서 이용한 플라이 애쉬와 마찬가지의 것이다.
저장 탱크에 저류된 투사 입자(311)는, 전동 기어 펌프(도시하지 않음)에 의해 투사 입자 이송 배관(322)을 통과하여, 가스 배관(324)과의 접합 부위까지 이송된다. 가스 배관(324) 내의 캐리어 가스(323)는, 공기 펌프(도시하지 않음)를 사용한 건조 공기이며, 가스압이 0.3∼0.6MPa의 범위 내가 되도록 조정되어 있다.
이렇게, 가스 배관(324)과 투사 입자 이송 배관(322)의 접합 부위까지 연속적으로 이송된 투사 입자(311)가, 캐리어 가스(323)에 의해 노즐(325)의 선단구(326)로부터 100m/s 전후의 속도로 슬라이딩 부재(301)의 슬라이딩 면에 대하여 거의 수직으로 투사된다. 또한, 노즐(325)의 선단구(326)에서 슬라이딩 부재(301)의 슬라이딩 면까지의 거리는 30∼40mm의 범위 내로 하였다.
이상의 제조 공정에 있어서, 슬라이딩 부재(301)의 슬라이딩 면에 형성된 미세한 미세 공동(305)의 지름(슬라이딩 면 개구 지름) R은, 형상 측정의 결과에서 최대 20㎛ 정도였다. 여기에서, 슬라이딩 면 개구 지름이란, 평탄한 슬라이딩 면에 있어서의 거의 원형의 개구 부분의 직경을 말한다.
투사 전의 단계에서는, 슬라이딩 부재(301)의 슬라이딩 면이 요철이며, 선단이 쐐기 모양의 볼록부(330)(도 19에 있어서, 파선으로 나타내는 가상 선 330L의 내측)와 오목부(331)가 존재하고 있다. 이 슬라이딩 면에 대하여 투사 입자(311)가 투사되어, 투사 입자(311)가 충돌함으로써, 슬라이딩 면 위의 볼록부(330)가 소성 변형되거나, 혹은 제거되어, 외관상 소실됨으로써 오목부(331)만이 잔존한 듯한 형태를 나타낸다. 그 결과, 슬라이딩 부재(301)의 슬라이딩 면의 전면에 걸쳐, 잔존한 쐐기 모양의 오목부(331)로 구성되는 미세 홈부(306)와, 미세 공동(305)을 갖는 대체로 평탄한 평탄부(312)가 번갈아 형성된다.
또한, 미세 홈부(306)의 오목부(331)의 깊이 H2 쪽이, 대개 미세 공동(305)의 깊이 H1보다도 깊은 경향을 나타내고 있다(도 19 참조). 또한, 미세 홈부(306)의 폭 W2와 대체로 평탄한 평탄부(312)의 폭 W1의 비율 W2/(W1+W2)는, 개소에 따라 변동은 있지만, 약 0.05∼0.6의 범위 내였다.
또한, 상기한 바와 같이 제조된 실시예 3의 슬라이딩 부재(301)에 대해서, 도 20 및 도 21을 이용하여 설명한다.
도 20은, 투사 입자(311)의 투사 전후의 슬라이딩 부재(301)의 슬라이딩 면을 EPMA 분석 장치로 분석한 비교 결과를 나타내고 있다. 도 20에 있어서, 가로 축은 인가 전압 [keV], 세로 축은 1초당 카운트 수(강도) [cps]이다. 또한, 도 20에 나타내는 분석에 있어서는, 분석 조건으로서, 인가 전압을 최대 15keV로 하여, 표면으로부터 깊이 2㎛ 전후에 존재하는 원소의 정보를 나타낸 것이다. 이 분석 결과에서, 투사 후에 있어서, 투사 전에 비하여, 투사 입자(311)의 구성 원소인 규소(Si), 산소(O), 및 칼슘(Ca)의 피크가 현저히 높아져 있는 것을 알 수 있다. 또한, 근소하지만, 철(Fe) 및 마그네슘(Mg)도 검출되었다.
도 21은, 투사 입자(311)의 투사 전후의 슬라이딩 부재(301)의 슬라이딩 면을 X선 회절 장치로 분석한 비교 결과로, 가로 축은 X선의 입사 각도(회절각 2θ) [deg], 세로 축은 1초당의 카운트 수(강도) [cps]이다. 또한, 도 21에 나타내는 분석 결과는, 박막 X선 회절법으로 실시한 것이며, 표면으로부터 깊이 5㎛ 전후의 조직 구조의 정보를 나타낸 것이다. 도 21에 있어서의 상하의 각 도면의 아래쪽에 기재한 가로 축을 기점으로 하는 복수의 세로 실선은 모두 실리카(SiO2)의 피크 위치를 가리키고, 복수의 세로 점선은 모두 멀라이트(3Al2O3·2SiO2)의 피크 위치를 가리킨다. 이 결과에서, 투사 후에 있어서, 16° 및 26° 부근의 회절각 2θ에서 피크가 발현되고 있는 것을 알 수 있다. 이것으로부터 멀라이트와 실리카임을 확인할 수 있다. 또한, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화 제2철은 X선 회절로는 검출되지 않지만, 모두 열적 안정성이 우수한 물질이므로, 비정질로서 슬라이딩 면에 존재하고 있다고 판단할 수 있다.
도 20 및 도 21의 결과에서, 슬라이딩 부재(301)의 슬라이딩 면에, 투사 입자(311)의 성분인 멀라이트(3Al2O3·2SiO2), 실리카(SiO2) 및 산화칼슘(CaO)이 전사된 전사층(304)이 형성되어 있다고 판단할 수 있다. 또한, 도시하지 않고 있지만, 표면으로부터 깊이 10㎛ 이상의 조직 구조를 분석한 X선 회절 결과에서는 멀라이트(3Al2O3·2SiO2) 및 실리카(SiO2)의 피크가 극단적으로 낮아진다. 그러므로, 플라이 애쉬 성분을 많이 함유하는 전사층(304)의 두께는, 수 ㎛ 정도라고 추측된다.
이상의 제조 공정에 의해 형성된 슬라이딩 부재(301)의 마찰 마모 특성을 볼온디스크 방식의 시험 장치로 평가했다. 슬라이딩 부재(301)의 상대측이 되는 슬라이딩 부재(도시하지 않음)로서 구 지름이 9.5mm, 표면 거칠기가 Ra 0.2 이하, 철계의 재질인 스테인레스강(SUS304) 구를 이용하고, 윤활유로서 터빈 기름을 사용하여, 온도 22∼28℃, 상대습도 55∼65%의 분위기하에서 시험을 실행했다. 시험 조건은, 수직 하중 19.6N, 슬라이딩 속도 0.1m/s이다. 또한, 0.05mL의 윤활유만 실험 전에 적하되며, 슬라이딩 길이(슬라이딩 거리)의 증가에 따라 윤활유는 소비된다. 시험 도중에, 접촉 슬라이딩부에서 마모가 진행되어, 마찰 계수가 0.3 이상에 달한 지점에서 윤활유가 고갈되어 시징이 발생한 것이라고 판단하여, 시험을 종료시켰다. 이 조건을 실시예 3의 조건 1로 한다.
또한, 본 발명에 따른 실시예 3의 슬라이딩 부재에 관한 마찰 마모 특성을 평가하기 위해서, 투사 입자의 형상이나 크기를 변경한 비교 조건의 다른 규격을 실시예 3의 조건 1의 규격과 함께 아래 표 3에 나타낸다. 다른 규격들도, 기재(302)는 알루미늄계의 재질인 알루미늄 합금(A6063), 상대측 슬라이딩 부재는 구 지름, 및 표면 거칠기를 같게 한 철계의 재질인 스테인레스강(SUS304) 구를 사용했다.
실시예 3의
조건 1		 실시예 3의
조건 2		 실시예 3의
조건 3		 비교예 1
기재 알루미늄
다이캐스트		 알루미늄
다이캐스트		 알루미늄
다이캐스트		 알루미늄
다이캐스트
처리 가공 조흔(#180)
+투사 입자의 투사		 투사 입자의
투사		 가공 조흔(#180) 래핑
(Ra 0.2)




입자		 플라이 애쉬 플라이 애쉬 - -

성분		 Al2O3, SiO2…70%
CaO, MgO, Fe2O3…30%		 Al2O3, SiO2…70%
CaO, MgO, Fe2O3…30%		 - -
입경[㎛] 7 7 - -
형상 구상 구상 - -
처리 후의 표면
상태		 슬라이딩 방향에 대하여 평행한 미세 홈+전사층 미세 공동 전사층 미세 공동 슬라이딩 방향에 대하여 평행한 쐐기 모양의 볼록부, 오목부 -

전사층의 입자 성분 비율(실시예 3의 조건 1을 1로 한다) 1 1 - -
공동 지름
[㎛]		 ~ 20 ~ 20 - -
실시예 3의 조건 2에서, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면을 Ra 0.3㎛의 표면 거칠기로 연삭 가공한 후에, 투사 입자를 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 투사했다. 투사 입자로서, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3) 및 멀라이트(3Al2O3·2SiO2)가 전체의 70∼80%를 차지하고, 나머지는 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO) 및 산화철 등으로 구성되어 있으며, 거의 구상으로 이루어진 플라이 애쉬를 이용했다. 또한, 투사 입자의 평균 입경은 7㎛이며, 입경이 최대 16㎛의 범위에서 투사 입자 전체의 90% 이상을 차지하는 정규 분포를 나타낸다. 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에는, 플라이 애쉬의 성분이 전사된 전사층과, 거의 반구면 형상의 미세 공동이 형성되어 있다. 또한, 전사층으로부터 검출되는 성분 비율, 및 미세 공동의 지름 R은 최대 20㎛ 정도이며, 실시예 3의 조건 1과 거의 동등하다.
실시예 3의 조건 3은, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면을 #180의 샌드 페이퍼로 연삭 가공하여, 슬라이딩 방향에 대하여 평행하게, 선단이 쐐기 모양의 볼록부와 오목부로 이루어진 가공 조흔만을 형성한 것이다.
비교예 1에서, 종래의 슬라이딩 부재는 Ra 0.3∼0.6㎛ 정도의 표면 거칠기로 연삭 가공되고, 그 후, 래핑에 의해 Ra 0.2㎛ 이하의 표면 거칠기로 마무리 가공된다.
표 3에 나타내는 규격에 의한 마찰 마모 특성에 관한 시험 결과를 이하에 설명한다.
도 22는 실시예 3의 조건 1 및 비교예 1의 마찰 계수의 경시 변화를 나타내는 특성도이며, 슬라이딩 길이마다 마찰 계수를 리얼 타임으로 측량한 그래프이다.
도 22에 나타낸 결과에서, 종래의 슬라이딩 부재가 사용된 비교예 1에 의하면, 약 1m 정도의 슬라이딩 길이에서 빠르게 시징이 발생되었다. 반면, 실시예 3의 조건 1의 슬라이딩 부재(301)는 마찰 계수가 0.05∼0.2 정도에서 추이되어, 경계 윤활 영역에서의 슬라이딩을 유지하여, 본 시험 조건 범위(도면 중에서는 300m까지밖에 표시하지 않고 있지만, 최대 슬라이딩 길이 700m까지 시험을 실시)에서는 시징이 발생하지 않는다. 따라서, 실시예 3의 조건 1의 슬라이딩 부재(301)에 있어서는, 현저한 내마모성 및 내시징성의 개선이 확인되었다.
실시예 3의 조건 1에 있어서는, 투사 입자(311)의 투사에 의한 충격력에 의해, 슬라이딩 부재(301)의 슬라이딩 면과 투사 입자(311)의 표면 온도가 순간적으로 상승했을 때에, 양자의 표면이 활성화되어, 투사 입자(311)의 성분인 멀라이트(3Al2O3·2SiO2), 실리카(SiO2) 및 산화칼슘(CaO)이 슬라이딩 면에 전사된다. 이 때문에, 멀라이트(3Al2O3·2SiO2)와 실리카(SiO2)가 갖는 높은 경도에 의한 높은 기계적 강도 특성과 아울러, 산화칼슘(CaO)이 갖는 무기계의 고체 윤활 작용 특성이 발휘되어, 접촉 슬라이딩부에서의 금속 접촉이 억제되어, 비교예 1에 비하여 접촉 슬라이딩부의 내마모성이 향상된 것이라고 추측된다.
또한, 실시예 3의 조건 1의 슬라이딩 부재에 있어서는, 투사 입자(311)의 투사에 의한 충격력에 의해, 기재(302) 표면의 조직은 미세화되어 내부 응력이 높아져, 기계적 강도 및 파괴 인성이 향상된다.
도 23은 실시예 3에 있어서의 조건 1∼조건 3 및 비교예 1의 슬라이딩 부재의 시징 발생까지의 슬라이딩 길이의 특성도이며, 조건마다 시징 발생까지의 슬라이딩 길이를 비교한 그래프이다. 도 24는 실시예 3에 있어서의 조건 1∼조건 3 및 비교예 1의 비마모량의 특성도이며, 조건마다 시험 후의 마모 체적을 각각의 슬라이딩 길이 및 수직 하중으로 나누어 산출한 비마모량 [mm3/N·m]을 비교한 그래프이다.
도 23 및 도 24에 있어서, 플라이 애쉬의 투사만을 실시한 실시예 3의 조건 2는, 실시예 3의 조건 1과 마찬가지로 비교예 1에 비하면, 현저히 내시징성 및 내마모성이 향상되어 있다. 그러나, 실시예 3의 조건 1은, 실시예 3의 조건 2와 비교하면 시징 발생까지의 슬라이딩 길이는 2.5배 이상 긴데도 불구하고, 비마모량(단위 슬라이딩 길이당 마모 체적)은 거의 동등하다.
이것은, 실시예 3의 조건 1의 슬라이딩 면에는, 투사 입자(311)의 투사에 의한 충격력에 의해, 슬라이딩 면이 소성 변형되어 다수의 미세 공동(305)이 형성되어 있을 뿐만 아니라, 쐐기 모양의 오목부(331)로 구성되어, 슬라이딩 방향에 대하여 평행한 미세 홈부(306)가 형성됨으로써, 기름막 두께가 얇은 상황에서도, 미세 공동(305)과 미세 홈부(306)가 오일 리시버로서 기능하여, 상승적으로 윤활 작용이 발휘된 것이라고 추측된다.
또한, 슬라이딩 방향에 대하여 평행하게 미세 홈이 형성되도록, 슬라이딩 면을 연삭 가공하여, 그 미세 홈의 양측에 있는 볼록부의 선단이 쐐기 모양의 볼록부(330)(도 19에 있어서의 가상 선 330L의 내측)와 오목부(331)로 이루어진 가공 조흔만을 형성한 실시예 3의 조건 3은, 도 23 및 도 24에 나타낸 바와 같이, 비교예 1에 비해서 시징 발생까지의 슬라이딩 길이나 비마모량의 개선 효과는 보여진다. 그러나, 그 효과는 비교적 적다. 이것은, 전사층(304)이나 미세 공동(305)이 형성되어 있지 않기 때문이라고 생각된다.
이와 같이, 실시예 3에서는, 슬라이딩 부재(301)의 슬라이딩 면에 구상의 플라이 애쉬로 이루어진 투사 입자(311)를 투사함으로써, 투사 입자(311)의 성분이 전사되어, 조직이 치밀한 전사층(304)과, 거의 반구면 형상의 미세 공동(305)이 형성된다. 게다가, 슬라이딩 방향에 평행하게 연장된 미세 홈부(306)와 대체로 평탄한 평탄부(312)가 번갈아 형성됨으로써, 슬라이딩 면의 기계적 강도나 파괴 인성이 향상되고, 무기계의 고체 윤활 작용의 특성이 부여된다. 또한, 실시예 3에 있어서는, 윤활제의 윤활 작용이 부여됨으로써, 접촉 슬라이딩부에서의 마모가 상승적으로 저감되어, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
게다가, 실시예 3에 있어서 나타낸, 투사 입자(311)를 슬라이딩 부재(301)의 슬라이딩 면에 고속 투사하는 슬라이딩 부재의 제조방법은, 투사 입자의 재질이나 형상, 및 투사 조건을 조정함으로써, 슬라이딩 부재(301)의 슬라이딩 면에 투사 입자(311)의 성분이 전사된 전사층(304)이나 다수의 미세 공동(305)을 동시에 형성하여, 내마모성 및 내시징성이 우수한 표면으로 개질할 수 있다. 이 때문에, 실시예 3에 따른 슬라이딩 부재의 제조방법에 의하면, PVD나 CVD 등에 비하여, 복잡한 장치가 불필요하여, 염가에 제조하는 것이 가능하다.
또한, 실시예 3의 슬라이딩 부재(301)의 제조방법에서는, 슬라이딩 부재(301)의 슬라이딩 면을 #180의 샌드 페이퍼로, 슬라이딩 방향에 대하여 평행하도록 미세 홈을 연삭 가공한 후에, 투사 입자(311)를 슬라이딩 면에 투사하고 있지만, 연삭 혹은 조연마(粗硏磨) 가공 등에 의한 가공 조흔, 소위 "잔여 홈"을 그대로 미세 홈부(306)로서 전용하는 것도 가능하다. 이러한 제조방법에 따르면, 거울 면 상태에의 연마 마무리 가공이 불필요하게 되어, 생산성의 새로운 향상을 도모할 수 있다.
또한, 실시예 3에서는, 미세 홈부(306)의 연장 방향이 슬라이딩 방향에 대하여 평행한 예에 대해서 설명했지만, 슬라이딩 형태나 조건에 대응하여, 슬라이딩 방향에 대하여 적정한 각도를 가지게 해서 미세 홈부(306)를 형성해도 좋다. 또한, 슬라이딩 형태나 각종의 조건에 대응하여, 미세 홈부(306)의 연장 방향이 슬라이딩 방향과 직교하도록 형성해도 좋다.
또한, 실시예 3에서는, 슬라이딩 방향과 직교하는 방향에 있어서, 미세 홈부(306)의 폭 W2와, 대체로 평탄한 평탄부(312)의 폭 W1의 비율 W2/(W1+W2)는, 개소에 따라 변동은 있지만, 약 0.05∼0.6의 범위 내로 했다. 비율 W2/(W1+W2)가 0.05 미만의 범위 내이면, 실질적으로 미세 공동(305)만이 형성되었을 경우와의 우위 차가 작아진다. 한편, 비율 W2/(W1+W2)가 0.6 이상의 범위이면, 필연적으로 미세 홈부(306)의 폭 W2, 깊이 H2가 지나치게 커져서, 접촉 슬라이딩부로부터 윤활유가 유출되어, 마모를 저감하는 효과의 저하가 추측된다. 따라서, 미세 홈부(306)의 폭 W2와, 대체로 평탄한 평탄부(312)의 폭 W1의 비율 W2/(W1+W2)는 0.05∼0.6의 범위 내가 바람직하다.
(실시예 4)
도 25는 본 발명의 실시예 4에 있어서의 슬라이딩 부재의 일부를 나타내는 확대 단면 개략도, 도 26은 실시예 4의 슬라이딩 부재의 제조방법을 나타내는 모식도, 도 27은 실시예 4의 혼합 투사 입자의 모식도, 도 28은 실시예 4의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 EPMA 원소 분석 특성도, 도 29는 실시예 4의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 X선 회절 분석 특성도, 도 30은 실시예 4의 마찰 계수의 경시 변화를 나타내는 특성도, 도 31은 실시예 4의 시징 발생까지의 슬라이딩 길이의 특성도, 및 도 32는 실시예 4의 디스크측의 비마모량의 특성도이다.
먼저, 본 발명에 따른 실시예 4의 슬라이딩 부재(401)의 제조방법에 대해서 상세히 설명한다.
슬라이딩 부재(401)는, 알루미늄계의 재질인 알루미늄 합금(JIS:A6063)을 기재(402)로 하여 형성한 것이다. 슬라이딩 부재(401)는, 미리 연삭 가공에 의해 슬라이딩 면의 표면 거칠기를 Ra 0.3㎛ 정도로 하여 마무리되어 있다. 그 기재(402)의 표면에 대하여, 투사 입자 공급 장치(421)(도 26 참조)를 이용하여, 투사 입자(411)와 캐리어 비드(440)의 혼합 투사 입자(441)(도 27 참조)를 투사한다.
투사 입자 공급 장치(421)는, 저장 탱크(도시하지 않음) 내에 저장된 혼합 투사 입자(441)를 이송하기 위한 투사 입자 이송 배관(422)을, 캐리어 가스(423)가 지나가는 가스 배관(424)에 접합하고, 그 가스 배관(424)의 선단에 노즐(425)을 설치한 것이다.
여기에서, 투사 입자(411)로서, 산화칼슘(CaO) 성분이 99% 이상인 고순도 산화칼슘을 이용했다. 투사 입자(411)는 그 외주면에 둥근 볼록부를 복수 개 갖는 형상을 가지고 있고, 평균 입경은 1㎛ 이하이다.
캐리어 비드(440)로는, 성분이 99% 이상의 고순도인 실리카(SiO2)로 구성된 거의 구상의 것을 이용했다. 캐리어 비드(440)의 평균 입경은 20㎛이며, 입경이 10∼30㎛의 범위에서 캐리어 비드(440) 전체의 90% 이상을 차지하는 정규 분포를 나타낸다.
투사 입자(411)와 캐리어 비드(440)의 혼합비는 1:3의 체적 비율로 하고, 이것을 소정의 용기에 넣어, 유성형 볼 밀(planetary ball mill)로 약 1시간 정도 혼합시켜, 혼합 투사 입자(441)를 작성했다.
또한, 혼합 투사 입자(441)는 도 27에 나타낸 바와 같이, 정전기 등의 작용에 의해, 캐리어 비드(440)의 구상 표면에는 다수의 투사 입자(411)가 부착되어 있는 것을 발명자는 확인하였다.
저장 탱크에 저류된 혼합 투사 입자(441)는, 전동 기어 펌프(도시하지 않음)에 의해 투사 입자 이송 배관(422)을 통과하여, 가스 배관(424)과의 접합 부위까지 이송된다. 가스 배관(424) 내의 캐리어 가스(423)는, 공기 펌프(도시하지 않음)를 사용한 건조 공기이며, 가스압이 0.3∼0.6MPa의 범위 내가 되도록 조정되어 있다.
이렇게, 가스 배관(424)과 투사 입자 이송 배관(422)의 접합 부위까지 연속적으로 이송된 혼합 투사 입자(441)는, 캐리어 가스(423)에 의해 노즐(425)의 선단구(426)로부터 100m/s 전후의 속도로 슬라이딩 부재(401)의 슬라이딩 면에 대하여 거의 수직으로 투사된다. 또한, 노즐(425)의 선단구(426)로부터 슬라이딩 부재(401)의 슬라이딩 면까지의 거리는 30∼40mm의 범위 내로 하였다.
상기의 슬라이딩 부재의 제조방법에 의해 제조된 실시예 4의 슬라이딩 부재(401)에 대해서, 이하에 상세히 설명한다.
슬라이딩 부재(401)의 슬라이딩 면에는, 알루미늄 합금(JIS:A6063)의 기재(402) 위에 주성분으로서 산화칼슘(CaO)이 수 ㎛ 정도의 두께로 전사된 전사층(404)이 형성되어 있다. 여기에서, 전사라 함은, 투사 입자(411)와 캐리어 비드(440)의 성분을 기재(402)의 표면 및 표면 근방에 이착, 혼입시키는 것을 말한다. 이 실시예에 있어서는, 전사시키고 싶은 성분을 가진 투사 입자(411)를 소정의 속도로 슬라이딩 부재(401)의 슬라이딩 면에 투사하는 것으로 실현하고 있다.
슬라이딩 부재(401)의 슬라이딩 면에는, 주로 캐리어 비드(440)에 의해 형성되었다고 생각되는, 표면 형상이 거의 반구면 모양을 갖는 다수의 미세 공동(405)이 분포되어 있다. 그리고, 미세 공동(405)의 내면과 슬라이딩 면의 표면에는, 주로 투사 입자(411)에 의해 형성되었다고 생각되는, 작은 지름의 다수의 극미세 공동(407)이 더 형성되어 있다.
미세 공동(405)의 지름(슬라이딩 면 개구 지름) D1은, 형상 측정 결과에서 최대 30㎛ 정도였다. 반면, 극미세 공동(407)의 공동 지름 D2는 기껏해야 1㎛ 정도였다. 여기에서, 슬라이딩 면 개구 지름이란, 평탄한 슬라이딩 면에 있어서의 거의 원형의 개구 부분의 직경을 말한다.
상기한 바와 같이 제조된 실시예 4의 슬라이딩 부재(401)에 대해서, 그 표면의 분석 결과를 도 28 및 도 29를 이용하여 설명한다.
도 28은, 혼합 투사 입자(441)의 투사 전후의 슬라이딩 부재(401)의 슬라이딩 면을 EPMA 분석 장치로 분석한 비교 결과를 나타내고 있다. 도 28에 있어서, 가로 축은 인가 전압 [keV], 세로 축은 1초당 카운트 수(강도) [cps]이다. 또한, 도 28에 나타내는 분석에 있어서는, 분석 조건으로서 인가 전압을 최대 15keV로 하여, 표면으로부터 깊이 2∼4㎛에 존재하는 원소의 정보를 나타낸 것이다.
이 분석 결과에서, 투사 후에 있어서, 투사 전에 비하여, 투사 입자(411)의 구성 원소인 산소(O) 및 칼슘(Ca)의 피크가 현저하게 높은 반면, 기재(402)의 구성 원소인 알루미늄(Al)의 피크는 현저하게 낮은 것을 알 수 있다. 또한, 근소하지만, 투사 후에 나트륨(Na)도 검출되었다. 상기 사실을 근거로 하면, 슬라이딩 부재(401)의 표면으로부터 깊이 2∼4㎛의 부분은 투사 후에 주로 칼슘과 산소로 구성되어 있는 것을 알 수 있다.
도 29는, 혼합 투사 입자(441)의 투사 전후의 슬라이딩 부재(401)의 슬라이딩 면을 X선 회절 장치로 분석한 비교 결과이며, 가로 축은 X선 입사 각도(회절각 2θ) [deg], 세로 축은 1초당 카운트 수(강도) [cps]이다. 또한, 도 29에 나타내는 분석 결과는, 박막 X선 회절법으로 실시한 것이며, 표면으로부터 깊이 5㎛ 전후의 조직 구조의 정보를 나타낸 것이다. 도 29에 있어서의 상하의 각 도면의 아래쪽에 기재한 가로 축을 기점으로 하는 복수의 세로 실선은 모두 CaO-산화칼슘의 피크 위치를 가리킨다. 이 분석 결과에서, 투사 후에 있어서, 24°, 30° 및 48° 부근의 회절각 2θ에서 피크가 현저하게 발현되고 있다는 것을 알 수 있다. 이 결과에 기초하면, 표면에 CaO-산화칼슘이 존재하고 있다는 것을 추측할 수 있다.
도 28 및 도 29의 결과에서, 슬라이딩 부재(401)의 슬라이딩 면에는, 투사 입자(411)의 주성분인 산화칼슘(CaO)이 전사된 전사층(404)이 형성되어 있다고 판단할 수 있다. 또한, 전사층(404)의 두께는 3∼4㎛ 정도인 것을 추측할 수 있다.
캐리어 비드(440)의 성분인 실리카(SiO2)에 대해서는, 도 28 및 도 29의 결과에서는 검출되지 않았지만, 실리카(SiO2) 성분도 약간 전사되어 있다고 생각하는 것이 자연스럽다.
이어서, 이상과 같이 형성된 슬라이딩 부재(401)의 마찰 마모 특성에 대해서, 링온디스크(ring-on-disk) 방식의 시험 장치로 평가했으므로 이하에 설명한다.
슬라이딩 부재(401)를 디스크로서 배치하고, 상대측 슬라이딩 부재(도시하지 않음)로서, 슬라이딩 면의 내경이 38mm, 외경이 40mm, 표면 거칠기가 Ra 0.2㎛ 이하, 알루미늄계의 재질인 알루미늄 합금(A6063)으로 형성된 링을 이용했다.
시험 조건은, 온도 22∼28℃, 상대습도 55∼65%의 분위기 하에서, 수직 하중 49N, 슬라이딩 속도 0.47m/s로 하였다.
윤활유로서 터빈 기름을 사용하고, 0.007mL의 윤활유만 실험 전에 적하되며, 슬라이딩 길이(슬라이딩 거리)의 증가에 따라 윤활유는 소비된다. 시험 도중에, 접촉 슬라이딩부에서 마모가 진행되어, 마찰 계수가 0.3 이상에 달한 지점에서 윤활유가 고갈되어 시징이 발생한 것이라고 판단하여, 시험을 종료시켰다. 이상의 내용을 실시예 4의 조건 1로서 표 4에 나타낸다.
실시예 4의
조건 1		 비교예 1
디스크 기재 알루미늄 합금
(A6063)		 알루미늄
다이캐스트

처리		 혼합 투사 입자의 투사 래핑만
(Ra 0.2)
투사 입자 산화칼슘 -


성분 CaO…99% 이상 -
입경[㎛] 1 이하 -
형상 복수의 둥근 볼록부 -
캐리어 비드 실리카 -


성분 SiO2 -
입경[㎛] 20 -
형상 구상 -

처리 후의 표면 상태		 전사층
미세 공동
극미세 공동
평활면
공동 지름[㎛] ~ 30 -
※ 상대측 슬라이딩 부재 : 알루미늄 합금(A6063)으로 형성된 링
비교예 1에서, 종래의 슬라이딩 부재는, Ra 0.3∼0.6㎛ 정도의 표면 거칠기로 연삭 가공되고, 그 후, 래핑에 의해 Ra 0.2㎛ 이하가 되도록 표면 마무리 가공된다.
표 4에 나타내는 규격에 따른 마찰 마모 특성에 관한 시험 결과를 이하에 설명한다.
도 30은 본 발명의 실시예 4에 있어서의 실시예 4의 조건 1과 비교예 1의 마찰 계수의 경시 변화를 나타내는 특성도이며, 슬라이딩 길이마다 마찰 계수를 리얼 타임으로 측정한 그래프이다. 도 31은 실시예 4에 있어서의 실시예 4의 조건 1 및 비교예 1의 슬라이딩 부재의 시징 발생까지의 슬라이딩 길이에 관한 특성도이며, 조건마다 시징 발생까지의 슬라이딩 길이를 비교한 그래프이다. 도 32는 실시예 4에 있어서의 실시예 4의 조건 1 및 비교예 1의 디스크측의 비마모량의 특성도이며, 조건마다 시험 후의 마모 체적을 각각의 슬라이딩 길이 및 수직 하중으로 나누어서 도출한 비마모량 [mm3/N·m]을 비교한 그래프이다.
도 30 및 도 31에 나타낸 결과로부터, 비교예 1에서 약 200m 정도의 슬라이딩 길이에서 빠르게 시징이 일어난 것에 반해, 실시예 4의 조건 1에서, 슬라이딩 부재(401)는 마찰 계수가 0.05∼0.2 정도에서 추이되어, 경계 윤활 영역에서의 슬라이딩을 유지하고, 시징 발생까지의 슬라이딩 거리가 비교예 1에 비하여 약 6배 더 길었다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 32에 나타낸 결과에서 실시예 4의 조건 1의 슬라이딩 부재(401)의 비마모량은, 비교예 1에 비하여 시징 발생까지의 슬라이딩 길이가 6배 더 김에도 불구하고 비교예 1의 종래의 슬라이딩 부재의 비마모량의 약 1/100 정도이다.
이들의 결과로부터, 실시예 4의 조건 1의 슬라이딩 부재(401)에 있어서는, 현저한 내마모성, 내시징성의 개선을 확인할 수 있다. 이것은, 슬라이딩 부재(401)의 표면에 형성된 산화칼슘(CaO)을 주성분으로 하는 전사층(404)이 자기 윤활재로서 기능함과 더불어, 함께 형성되어 있는 미세 공동(405) 및 극미세 공동(407)이 접촉 슬라이딩부에 윤활유를 보급, 유지하는 오일 리시버로서 기능하기 때문이라고 추측된다. 따라서, 실시예 4의 조건 1의 슬라이딩 부재(401)는, 외부로부터의 윤활유 공급이 정체되는 조건하에서도, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면의 내마모, 내시징성을 유지할 수 있다. 또한, 실시예 4의 조건 1의 슬라이딩 부재(401)는, 혼합 투사 입자(441)의 투사에 의해, 전사층(404) 바로 아래의 기재(402)의 조직은 치밀해져, 기계적 강도도 향상된다.
실시예 4에 있어서 사용된 산화칼슘은, 평균 입경이 1㎛ 정도로 자중(自重)이 가볍기 때문에, 그것 단독으로 슬라이딩 면에 대하여 성분의 전사나 미세 공동(405)의 형성에 필요한 충돌 에너지를 발휘시키기 위해서는, 충격량의 관점에서, 투사 입자(411)를 대단히 고압(고속)으로 투사할 필요가 있다.
실시예 4에 있어서는, 이러한 작은 지름의 투사 입자(411)에, 평균 입경이 20㎛의 비교적 큰 지름의 캐리어 비드(440)를 혼합하여 이용하고 있다. 실시예 4에 있어서의 캐리어 비드(440)는, 투사 입자(411)를 슬라이딩 면까지 반송시키는 기능과 함께, 비교적 저압(저속)에서도, 슬라이딩 면에의 투사 입자(411)의 성분 전사, 미세 공동(405)의 형성, 그리고 극미세 공동(407)의 형성에 필요한 충돌 에너지를 슬라이딩 면에 부여할 수 있는 기능을 가지고 있다.
실시예 4에 있어서는, 혼합 투사 입자(441)를 슬라이딩 부재(401)의 슬라이딩 면에 충돌시킴으로써, 큰 지름으로 이루어진 캐리어 비드(440)의 충돌 에너지에 의해, 슬라이딩 면과 혼합 투사 입자(441)의 표면의 온도가 순간적으로 상승하여, 전사에 필요한 표면의 활성화를 꾀할 수 있다. 이 때, 캐리어 비드(440)의 표면에 부착되어 있는 투사 입자(411)의 성분이 슬라이딩 부재(401)의 슬라이딩 면에 전사된다. 그리고, 혼합 투사 입자(441)의 충돌시에, 비교적 작은 지름의 투사 입자(411)가 큰 지름의 캐리어 비드(440)에 의해 슬라이딩 면에 밀어 넣어지는 것으로, 투사 입자(411)의 성분 전사가 촉진된다.
또한, 도 27에 나타낸 바와 같이, 캐리어 비드(440)의 표면에 투사 입자(411)가 다수 부착된 혼합 투사 입자(441)를 투사함으로써, 슬라이딩 부재(401)의 슬라이딩 면에 미세 공동(405)과 극미세 공동(407)을 효율적으로 형성할 수도 있다.
극미세 공동(407)은, 윤활유와 슬라이딩 면과의 연결, 소위 쐐기와 같은 역할을 발휘하는 것으로, 미세 공동(405) 내에 저류된 윤활유의 유지성이나 흡착성을 향상시켜, 슬라이딩 중에 접촉 슬라이딩부 사이의 윤활유가 고갈되는 것을 억제한다.
이와 같이, 실시예 4에서는, 슬라이딩 부재(401)의 슬라이딩 면에 혼합 투사 입자(441)를 투사함으로써, 투사 입자(411) 및 캐리어 비드(440)의 성분이 전사된 전사층(404)과, 전사층(404) 바로 아래의 기재(402) 조직의 치밀화가 가능해진다. 또한, 실시예 4에 있어서는, 거의 반구면 형상의 미세 공동(405) 및 극미세 공동(407)을 형성하고 있으므로, 슬라이딩 면의 기계적 강도나 파괴 인성이 증가하고, 무기계의 고체 윤활 작용과 아울러, 접촉 슬라이딩부 사이에서의 윤활유의 유지 작용이 부여된다. 그 결과, 실시예 4의 슬라이딩 부재의 제조방법에 따르면, 접촉 슬라이딩부의 마모와 시징을 억제하여, 신뢰성이 높은 슬라이딩 부재를 제공할 수 있다.
게다가, 이러한 혼합 투사 입자(441)를 슬라이딩 부재(401)의 슬라이딩 면에 고속 투사하는 슬라이딩 부재의 제조방법은, 투사 입자의 재질이나 형상, 및 투사 조건을 조정함으로써, 슬라이딩 부재(401)의 슬라이딩 면에 투사 입자의 성분이 전사된 전사층(404)이나 다수의 미세 공동(405)을 동시에 형성하여, 내마모성 및 내시징성이 우수한 표면으로 개질할 수 있다. 이 때문에, 실시예 4의 슬라이딩 부재의 제조방법에 따르면, PVD나 CVD 등에 비해서, 복잡한 장치는 불필요하여, 염가에 제조하는 것이 가능하다.
또한, 실시예 4의 슬라이딩 부재의 제조방법에서는, 투사 입자(411)로서 산화칼슘을 사용했지만, 칼슘 라임을 이용해도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 실시예 4의 슬라이딩 부재의 제조방법에서는, 투사 입자(411)로서 평균 입경이 1㎛ 이하의 산화칼슘을 이용했으므로, 비교적 저압(저속)의 투사 조건에서도, 슬라이딩 면에의 투사 입자(411)의 성분 전사나 미세 공동(405) 및 극미세 공동(407)의 형성에 필요한 충돌 에너지를 슬라이딩 면에 부여하기 위해서, 평균 입경이 20㎛의 캐리어 비드(440)와 투사 입자(411)를 혼합하여 슬라이딩 면에 투사하고 있다. 그러나, 산화칼슘(CaO)을 주성분으로 하는 투사 입자(411)의 평균 입경이 3∼200㎛이면, 다른 재질의 캐리어 비드(440)와 혼합시키지 않고, 투사 입자(411)를 단독으로 슬라이딩 면에 투사해도 같은 효과를 얻을 수 있다.
실시예 4에서는, 주로 캐리어 비드(440)에 의해 형성되었다고 생각되는, 미세 공동(405)의 지름 D1은, 형상 측정의 결과에서 최대 30㎛ 정도였다. 발명자가 실행한 마모 시험의 결과에 의하면, 미세 공동(405)의 지름 D1의 최대값이 30∼90㎛의 범위이면, 시징 발생까지의 슬라이딩 길이가 극대값이며, 비마모량이 극소값을 갖는 것이 확인된다. 이는, 미세 공동(405)의 지름 D1이 90㎛보다 지나치게 커지면, 인접하는 미세 공동(405)끼리 연결되어, 윤활유가 미세 공동(405)으로부터 유출되어, 윤활 작용이 발휘되기 어려워져, 비교적 빠르게 시징이 발생하는 것으로 생각된다. 한편, 미세 공동(405)의 지름 D1이 30㎛보다 지나치게 작아지면, 종래의 평활면 형상과 실질적으로 유사하게 되어, 윤활유를 유지할 수 없는 구성이 된다.
따라서, 종래의 슬라이딩 부재에 비해서 내시징성, 내마모성을 향상시키기 위해서는, 미세 공동(405)의 지름 D1의 최대값은 10∼200㎛의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 내시징성, 내마모성을 더욱 향상시키기 위해서는, 미세 공동(405)의 지름 D1의 최대값을 30∼90㎛의 범위 내로 하는 것이 더욱 바람직하다.
앞서 설명한 바와 같이 미세 공동(405)의 지름 D1의 최대값의 적정화에 대응하여, 실시예 4의 혼합 투사의 경우이면 캐리어 비드(440)의 평균 입경을 3∼200㎛의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 투사 입자를 단독으로 투사할 경우도 투사 입자(411)의 평균 입경을 3∼200㎛의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 또한 극적으로 내시징성 및, 내마모성을 향상시키기 위해서는, 그것들의 평균 입경을 15∼80㎛의 범위 내로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 실시예 4에서는, 캐리어 비드(440)로서, 성분이 99% 이상의 고순도인 실리카(SiO2)로 구성된 거의 구상의 것을 이용했지만, 실리카(SiO2)와 동등 이상의 경도(모스 경도 등)로 높은 기계적 강도의 특성을 가지고 있는 다른 비드를 이용해도, 같은 효과를 얻을 수 있다.
또한, 캐리어 비드(440)의 형상에 관해서는, 거의 각상의 것을 투사했을 경우에도, 슬라이딩 면에 투사 입자(411)의 성분을 함유하는 전사층(404)의 형성은 확인된다. 그러나, 만일, 평균 입경이 100㎛인 각상 입자를 슬라이딩 면에 투사했을 경우에는, 미세 공동(405)의 지름 D1의 최대값이 10㎛에도 달하지 않아서, 미세 공동(405)이 접촉 슬라이딩부에 윤활유를 보급, 유지하기 위한 오일 리시버로서의 기능을 충분히 발휘할 수 없다. 그 결과, 각상 입자의 캐리어 비드(440)는, 구상 입자에 비해서 접촉 슬라이딩부의 마모가 빠르게 진행되어, 접촉 슬라이딩부에 시징이 발생할 가능성이 있다. 따라서, 실시예 4와 같은 혼합 투사의 경우에 있어서는, 캐리어 비드(440)를 이용할 경우, 혹은 투사 입자를 단독으로 투사할 경우에는, 캐리어 비드(440) 또는 투사 입자(411)의 형상은 구상이 더욱 바람직하다.
실시예 4의 슬라이딩 부재의 제조방법에서는, 혼합 투사 입자(441)가, 캐리어 가스(423)에 의해 노즐(425)의 선단구(426)로부터 약 100m/sec의 속도로 슬라이딩 부재(401)의 슬라이딩 면에 투사되는 구성이다. 그러나, 투사 속도가 너무 느리면, 충돌할 때에 충분한 충격 에너지를 기재(402)측에 전달할 수 없어서, 전사층(404), 미세 공동(405), 및 극미세 공동(407)의 형성이 불충분하게 된다. 반대로, 투사 속도가 지나치게 빠르면, 슬라이딩 부재(401)의 슬라이딩 면의 거칠기가 현저하게 나타나는 것을 발명자는 확인하였다. 따라서, 투사 속도는, 기재(402)의 재질(예를 들면, 경도), 투사 입자(411)의 재질(예를 들면, 경도)과 입경, 캐리어 비드(440)의 재질(예를 들면, 경도)이나 입경, 요구되는 투사 후의 슬라이딩 면의 표면 거칠기, 형성되는 미세 공동(405)의 형상, 극미세 공동(407)의 형상 등에 따라, 적당히 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 실시예 4에서는, 혼합 투사 입자(441)를 이송하기 위해서 기어 펌프(도시하지 않음)를 이용하여, 혼합 투사 입자(441)와 캐리어 가스(423)를 혼합하여 슬라이딩 부재(401)를 향해서 투사하는 투사 입자 공급 장치(421)를 사용한 예로 설명했지만, 혼합 투사 입자(441)가 안정적으로 공급되어, 슬라이딩 부재(401)를 향하여 필요한 에너지로 투사되는 구성이면, 다른 구조체를 사용해도 좋다.
또한, 실시예 4에 있어서는, 캐리어 가스(423)로서 비압축성 유체인 공기를 사용했지만, 산소를 함유하지 않는 질소 가스를 사용해도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 슬라이딩 부재는 저렴하고 또한, 신뢰성이 높기 때문에, 윤활유를 이용한 많은 각종 산업 기기의 슬라이딩 부분에 적용할 수 있다.

Claims (28)

  1. 서로 슬라이딩하는 슬라이딩 부재에 있어서의 적어도 한쪽의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에, 알루미나, 실리카, 멀라이트(mullite), 산화칼슘, 산화마그네슘 및 산화철로부터 선택되는 적어도 하나의 성분이 기재(基材)에 전사(轉寫)되어 전사층이 형성되고, 적어도 한쪽의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 미세 홈부를 형성한 슬라이딩 부재.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 한쪽의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 오목면으로 구성된 미세 공동(空洞)을 다수 형성한 슬라이딩 부재.
  3. 제1항에 있어서, 적어도 한쪽의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 실질적인 구면(球面)의 일부로 구성된 미세 공동을 다수 형성한 슬라이딩 부재.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 미세 공동의 슬라이딩 면 개구(開口)에 있어서의 최대 지름을 10∼200㎛의 범위 내로 한 슬라이딩 부재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 슬라이딩 부재의 기재가 알루미늄계의 재질인 슬라이딩 부재.
  6. 제1항에 있어서, 상기 슬라이딩 부재의 기재가 철계(鐵系)의 재질인 슬라이 딩 부재.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 미세 홈부의 연장 방향이 슬라이딩 방향에 대하여 소정의 각도를 갖는 슬라이딩 부재.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 미세 홈부의 연장 방향이 슬라이딩 방향에 평행한 슬라이딩 부재.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 미세 홈부의 연장 방향이 서로 직교하도록 형성된 슬라이딩 부재.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 미세 홈부의 연장 방향과 직교하는 방향에 있어서의 슬라이딩 면의 길이에 대한 미세 홈부의 폭의 비율이 0.05∼0.6의 범위 내인 슬라이딩 부재.
  11. 제2항 또는 제3항에 있어서, 미세 공동의 내면에, 최대 지름 3㎛ 이하의 극미세 공동을 형성한 슬라이딩 부재.
  12. 서로 슬라이딩하는 슬라이딩 부재에 있어서의 적어도 한쪽의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 전사층을 형성하는 슬라이딩 부재의 제조방법에 있어서,
    알루미나, 실리카, 멀라이트, 산화칼슘, 산화마그네슘 및 산화철로부터 선택되는 적어도 하나의 성분을 함유하는 투사(投射) 입자를 상기 슬라이딩 부재의 기재에 투사하여 전사층을 형성하는 공정과,
    상기 전사층을 형성하는 공정 전에 상기 기재의 슬라이딩 면이 되는 면에 미세 홈부를 형성하는 연삭 공정을 더 포함하는 슬라이딩 부재의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 투사 입자의 형상은 실질적인 구상(球狀)이며, 평균 입경이 3∼200㎛의 범위 내인 슬라이딩 부재의 제조방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 투사 입자로서 플라이 애쉬(fly ash)를 이용한 슬라이딩 부재의 제조방법.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 연삭 공정에 있어서 형성되는 상기 미세 홈부의 연장 방향이 슬라이딩 방향에 대하여 소정의 각도로 형성되는 슬라이딩 부재의 제조방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 전사층을 형성하는 공정에 있어서, 적어도 한쪽의 슬라이딩 부재의 슬라이딩 면에 실질적인 구면의 일부로 형성된 미세 공동을 다수 형성하는 슬라이딩 부재의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 전사층을 형성하는 공정에 있어서, 슬라이딩 면 개구에 있어서의 최대 지름이 10∼200㎛의 범위 내인 미세 공동을 형성하는 슬라이딩 부재의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 전사층을 형성하는 공정에 있어서, 미세 공동의 내면에, 최대 지름 3㎛ 이하의 극미세 공동을 형성하는 슬라이딩 부재의 제조방법.
  19. 제12항에 있어서, 입경이 1㎛ 이하의 투사 입자와, 실질적인 구상을 가지고, 평균 입경이 3∼200㎛의 범위 내인 캐리어 비드(carrier bead)를 혼합한 혼합 투사 입자를 상기 기재에 투사하여 상기 전사층을 형성하는 슬라이딩 부재의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 혼합 투사 입자는, 상기 캐리어 비드의 표면에 상기 투사 입자가 다수 부착된 형태인 슬라이딩 부재의 제조방법.
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