KR101659077B1

KR101659077B1 - 표면산화물 내마모성 윤활코팅 및 그 형성방법

Info

Publication number: KR101659077B1
Application number: KR1020090037674A
Authority: KR
Inventors: 요시오 미야사카
Original assignee: 가부시키가이샤 후지키한
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2009-04-29
Publication date: 2016-09-22
Also published as: US8410029B2; EP2135969B1; KR20090129322A; RU2430994C2; US20090312206A1; TWI396775B; TW200951248A; HK1134689A1; JP4719249B2; CN101603175B; RU2009122397A; CN101603175A; EP2135969A1; JP2009299114A

Abstract

본 발명은 보다 간단한 방법으로 그리고 보다 저렴한 재료를 사용하여 기재의 마모 및 피접촉체의 손상 없이 높은 윤활성을 장기간 유지할 수 있는 표면산화물 내마모성 윤활코팅을 제공한다. 슬라이딩 접촉부의 기재보다 낮은 경도 및 융점을 갖는 2종의 연질 금속 미세입자분말과 압축가스의 혼합유체를 슬라이딩 접촉부의 표면위에 분출한다. 연질 금속의 미세입자분말은 슬라이딩 접촉부의 표면에서 압축가스 중의 산소와 반응하게 되어 서로 다른 경도를 갖는 2종의 연질금속으로 이루어진 금속산화물로 된 고융점의 금속산화물 피막을 형성한다. 고융점의 금속산화물 피막은 피접촉체측의 계면에서 0.1㎛ 내지 2㎛의 두께를 갖는 코팅, 즉 금속산화물로 구성되어 낮은 마찰저항 및 전단저항을 가지고 전단파괴가 집중되는 코팅을 포함한다.

Description

표면산화물 내마모성 윤활코팅 및 그 형성방법{Surface-oxide abrasion-resistant lubricant coating and method for forming the same}

본 발명은 표면산화물 내마모성 윤활코팅 및 그 형성방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 슬라이딩 접촉하게 되는 대상물로서 작용하는 피접촉체와 슬라이드 접촉하여 사용되는 기계부품, 몰드 및 절삭공구 등의 금속부품(이하, "슬라이딩 접촉부"라고 함)의 내마모성 및 윤활성 등의 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 슬라이딩 접촉부의 접촉부(이하, "슬라이딩 접촉부"라고 함)를 보강하여 피접촉체의 마모, 손상 등의 발생을 줄이고 슬라이딩 접촉부의 윤활성을 향상시킬 수 있는 표면산화물 내마모성 윤활코팅 및 이런 표면산화물 내마모성 윤활코팅을 형성하는 방법에 관한 것이다.

오일 및 그리스 등의 유체 윤활제는 일반적으로 슬라이딩 접촉부의 윤활에 사용된다. 그러나, 이러한 유체 윤활제를 사용하는 것은 설계상의 이유 또는 유체나 흡수된 기체가 쉽게 증발하거나 탈착하는 진공조건 등의 동작환경에 의해 주어지는 제한 때문에 불가능할 수 있다. 또한, 최근에 환경문제에 대한 자각이 커져감에 따라서 유체 윤활제의 최소 사용이 바람직한데, 이런 유체 윤활제가 기계로부터 누출되면 환경파괴로 이어질 수 있을 수 있기 때문이다.

이런 요구에 따라서, 유체 윤활제 대신에 고체 윤활제가 윤활용으로 점점 더 사용되고 있다. 이런 고체 윤활제의 예로는 흑연(C), 이황화 몰리브덴(MoS₂), 이황화 텅스텐(WS₂) 및 질화붕소(BN) 등의 층상 구조가 포함된다.

실제로 슬라이딩 접촉부의 표면상에 이런 고체 윤활제로 만든 코팅을 형성함으로써 슬라이딩 접촉부의 윤활성을 향상시키기 위해서 본 발명자는 아연, 이황화 몰리브덴 또는 주석 등의 고체 윤활제의 분말을 피처리 대상물의 표면상에 소정의 분출압력 및 분출속도로 분출하여 고체 윤활제의 조성중의 원소들을 슬라이딩 접촉부의 표면상에 확산시켜서 침투시켜서 내마모성 코팅을 형성하는 방법을 제안하였다(일본 특허 제 3357586호).

이런 분말을 분출하여 고체 윤활코팅을 형성하기 위해서, 본 발명자는 또한 형성될 코팅의 기초상(base phase)을 구성하는 주석 등의 금속 입자와 이황화 몰리브덴 등의 고체 윤활제의 입자와의 혼합물을 분출하여 기초상 내에 고체윤활제가 분산된 코팅을 형성하는 기술도 제안하였다(일본 특허 제 3357661호).

공지의 층상구조 고체 윤활제의 문제점

효과의 한계

전술한 고체 윤활제 중에서 흑연, 이황화 몰리브덴, 이황화 텅스텐 및 질화붕소 등의 층상구조 고체 윤활제는 슬라이딩 접촉부와의 마찰 접촉으로 인하여 다수 층으로 분해되는 결과로서 윤활성을 나타낸다. 그러나 이런 고체 윤활제 자체는 오일이나 그리스 등의 유체 윤활제와는 달리 유동성을 갖지 않는다. 이 때문에, 고체 윤활제는 일단 분해되면 그 본래의 상태로 회복될 수 없다. 이는 고체 윤활제는 분해가 끝나면 그 윤활성을 잃게 됨을 의미한다.

이 문제를 해결하기 위해, 층상구조의 고체 윤활제를 오랜 기간동안 윤활성을 나타내도록 하기 위해서는 접촉할 대상물로서 작용하는 피접촉체와 접촉하는 계면에 필요시에 고체 윤활제를 추가로 공급하기 위한 시스템이 필요하다.

이 점에 관하여, 일본 특허 제 3357661호에 개시된 발명에서, 슬라이딩 접촉부의 표면 위에 형성되는 코팅은 이황화 몰리브덴 등의 고체 윤활제가 기초상으로서 작용하는 주석 등의 연질 금속에 분산되도록 구성된다. 이 구조에서, 파괴되지 않고 주석 등의 기초상에 분산된 이황화 몰리브덴은 기초상의 마모의 결과로서 피접촉체와 접촉하는 계면 위로 나타나서 이황화 몰리브덴의 윤활성을 회복시킨다.

그러나, 이런 구조의 채용과 관계없이, 이황화 몰리브덴 등의 층상구조의 고체 윤활제의 윤활성은 코팅 속에 분산된 층상구조의 고체 윤활제의 총량에 의해 제한된다.

고비용 또는 취급상의 어려움

전술한 층상구조의 고체 윤활제는 흑연을 제외하고는 일반적으로 비싸다. 특히 근년에는 개발도상국에서 제조되는 차량의 수가 급격히 증가하여 이황화 몰리브덴에 대한 수요를 촉진하였으며, 이황화 몰리브덴은 더 비싸질 뿐만 아니라 입수하기도 더 어려워지고 있다.

이 때문에, 이런 값비싼 이황화 몰리브덴, 이황화 텅스텐 또는 질화붕소를 고체 윤활제로서 사용하는 경우, 제품가격 자체가 급상승하여 결국 시장에서의 가격경쟁력의 면에서 불리하게 될 것이다.

한편, 전술한 층상구조의 고체 윤활제 중에서 흑연은 다른 층상구조의 고체 윤활제보다 가격 면에서 유리하다. 그러나, 미세한 흑연입자들은 분진화재 또는 분진폭발하기 쉽기 때문에 취급하기가 어렵다. 특히, 흑연분말이 일본 특허 제 3357661호에 설명된 것 같은 블라스팅 장치를 사용하여 압축가스와 함께 분출되는 경우, 분진폭발의 발생을 방지하도록 블라스팅을 제어상태에서 실시할 필요가 있으며, 이런 이유 때문에 흑연의 사용이 제한된다.

연질 금속코팅의 문제점

기재( base material )에 의해 주어지는 제약

전술한 바와 같이 층상구조의 고체 윤활제를 사용하지 않고 윤활성을 향상시키는 방법으로는 슬라이딩 접촉부의 표면 위에 주석 등의 연질 금속코팅을 형성하는 것을 포함할 수 있다.

연질 금속코팅을 형성하여 슬라이딩 접촉부의 윤활성을 향상시키는 원리를 설명하는 도 4A 내지 도 4C를 참조하면, 마찰력은 압축되어 고화한 부분의 면적(A)과 전단강도(s)와의 곱(A×s)에 의해 주어질 수 있다. 경질 금속을 연질 금속에 대하여 문지르는 도 4A의 예에서, 전단강도(s)는 주로 연질 금속이 쉽게 소성변형되기 때문에 감소한다. 그러나, A×s로 나타낸 총마찰력은 압축되어 고화한 부분의 면적(A)이 연질 금속의 변형 때문에 증가하기 때문에 감소하지 않는다.

마찬가지로, 경질 금속을 경질 금속에 대하여 문지르는 도 4B의 예에서는 경 질 금속이 약간의 소성변형만을 받기 때문에 압축되어 고화한 부분의 면적(A)이 작더라도, 전단강도(s)가 높기 때문에 A×s로 나타내어지는 마찰력은 감소하지 않는다.

이와 달리, 연질 금속코팅이 경질 금속 위에 형성되는 도 4C에 도시된 예에서는, 무게가 하층의 경질 금속에 의해 지지되기 때문에 압축 및 고화된 부분의 면적(A)이 작다. 또한, 표면상에 형성된 연질 금속에 따라서 전단강도(s)가 결정되기 때문에, A와 s의 곱, 즉 마찰저항이 감소한다.

이런 연질 금속코팅을 형성함에 의해 마찰저항이 감소하는 원리에 따라서, 피접촉체와의 접촉 시에 소성변형이 발생하지 않는 특성을 갖는 상대적으로 경질인 기재 위에 연질 금속코팅이 형성될 때 연질 금속피막을 형성함에 의해 얻어지는 윤활성이 나타난다. 다시 말해서, 기재 자체가 피접촉체와 접촉할 때 소성변형을 받을 정도로 기재의 경도가 낮다면, 표면 위해 형성된 연질 금속코팅은 윤활성의 향상이 제한될 것이다.

코팅의 마모에 의한 윤활성 손실

연질 금속코팅을 형성하여 얻어지는 윤활성의 향상은 기재의 표면 위에 코팅으로서 형성된 낮은 전단강도를 갖는 연질 금속이 소성변형 때문에 반복적으로 움직여서 이동하고 본래의 표면을 회복할 때 나타나는 연속적인 윤활성의 형태로 보여진다. 그러나, 전술한 움직임과 이동을 반복하는 동안에 연질 금속은 본래의 표면을 회복할 수가 없게 되며 마지막에는 마모분말 형태의 피접촉 계면 사이로부터 방출된다. 이렇게 연질 금속코팅은 서서히 마모되거나, 이런 마모분말의 양이 점차 증가하므로 결국 그 윤활성을 잃게 된다.

이런 마모분말은 아마도 이동입자들이 마찰면에서 공기중의 산소와 상호 작용함에 의해 경화되는 결과로서 발생된다.

보다 구체적으로, 마찰 시에 반복적으로 움직이고 이동입자의 형태로 이동되는 동안 코팅으로서 형성된 연질 금속은 공기중의 산소를 흡수하거나 화학적으로 결합하며, 이들 이동입자들이 경화하므로 이들은 소성변형성을 잃게 되고 본래의 표면을 회복할 수 없게 된다. 또한, 이런 방식으로 경화되는 이동입자들은 연질 금속코팅, 또는 경우에 따라서는 접촉될 대상물로서 작용하는 피접촉체의 표면을 긁어서 눈덩이를 굴리는 것처럼 성장하여 이들 입자들이 피접촉 계면 사이에 유지될 수 없을 정도가 되어 피접촉 계면 사이에서 방출된다.

전술한 기구에 의해 발생하는 이런 마모분말은 연질 금속코팅을 점차 닳게 하여 그 윤활성을 잃게 하며, 게다가 산화의 결과로서 경화하는 이동분말은 기재 또는 접촉할 대상물로서 작용하는 피접촉체를 손상시킨다.

연질 금속코팅의 형성에 내재하는 윤활의 결점을 고려하여 본 발명의 발명자는 기재에서 높은 경도를 나타내고 피접촉체와 접촉하는 계면에서 낮은 마찰저항 및 낮은 전단저항을 나타내는 코팅을 형성함과 동시에 슬라이딩 접촉 시에 발생된 이동입자들의 경화를 방지함으로써 코팅의 높은 윤활성을 장기간 유지하면서 기재와 접촉 대상물로서 작용하는 피접촉체가 손상되는 것을 방지할 수 있다고 가정하였다.

전술한 바와 같이, 기재에서 높은 경도를 나타내고 피접촉체와 접촉하는 계 면에서 낮은 경도를 나타낼 뿐만 아니라 이동입자들이 경화하는 것을 방지하는 코팅은 다음과 같은 과정으로 실현될 수 있다. 슬라이딩 접촉부의 표면은 탄화 또는 질화를 통해 슬라이딩 접촉부의 표면 위에 경질층을 형성하거나 CVD, PVD 등을 통해 세라믹코팅을 형성함으로써 미리 강화되며, 이 슬라이딩 접촉부의 강화면은 공기중에서 산화되지 않는 상대적으로 연질의 안정한 물질인 금(Au) 또는 은(Ag) 등의 귀금속으로 도금된다.

그러나, 이런 방법을 통해 코팅을 형성한다면 탄화, 질화, CVD 또는 PVD 처리를 위한 대형의 고가의 처리장치가 필요할 뿐만 아니라 표면보강 및 귀금속 도금을 포함한 많은 여러 가지 처리를 결합하여 코팅을 형성하여야 한다.

또한, 피접촉체와 접촉하는 계면 위에 형성되는 코팅의 재료인 금 또는 은 등의 귀금속은 비싸며, 따라서 그 위에 형성된 이런 코팅을 갖는 제품 자체의 가격이 상승하여 시장에서의 가격경쟁력을 위태롭게 한다.

이런 상황을 고려하여, 본 발명은 장기간에 걸쳐서 높은 윤활성을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 기재 및 코팅의 마모를 방지하고 접촉될 대상물로서 작용하는 피접촉체가 손상되는 것을 방지하는 표면산화물 내마모성 윤활코팅을 보다 단순한 방법을 통해 그리고 보다 저렴한 재료를 사용하여 제공하려고 한다. 또한 본 발명은 이런 표면산화물 내마모성 윤활코팅을 대형 장치를 사용할 필요 없이 그리고 보다 간단한 방법을 통해 형성하는 방법을 제공하려고 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 표면산화물 내마모성 윤활코팅은 슬라이딩 접촉부의 기재보다 낮은 경도 및 낮은 융점을 갖는 2종의 연질 금속의 미세입자분말이 슬라이딩 접촉부의 표면에서 압축가스 중의 산소와 반응하여 생성되는 서로 다른 경도를 갖는 고융점의 2종의 금속산화물을 포함하는데, 상기 코팅은 상기 슬라이딩 접촉부의 표면에서 피접촉체와 접촉하는 계면에서 형성되며, 상기 코팅은 낮은 마찰저항 및 낮은 전단저항을 가지며 상기 코팅에 전단파괴가 집중되며, 상기 코팅은 0.1㎛ 내지 2㎛의 두께를 갖는다.

상기 표면산화물 내마모성 윤활코팅은 슬라이딩 접촉부의 기재보다 낮은 경도 및 낮은 융점을 갖는 2종의 연질 금속의 미세입자분말이 압축가스와 혼합되어 슬라이딩 접촉부의 표면에서 압축가스 중의 산소와 반응하여 생성되는 서로 다른 경도를 갖는 고융점의 2종의 금속산화물 중의 하나를 포함할 수 있는데, 상기 코팅을 형성하는 상기 2 종의 금속산화물 중의 하나는 상기 슬라이딩 접촉부의 표면에서 피접촉체와 접촉하는 계면에서 다른 금속산화물보다 낮은 경도를 가지며, 상기 코팅은 낮은 마찰저항 및 낮은 전단저항을 가지며 상기 코팅에 전단파괴가 집중되며, 상기 코팅은 0.1㎛ 내지 2㎛의 두께를 갖는다.

본 발명에 따른 표면산화물 내마모성 윤활코팅 형성방법은, 슬라이딩 접촉부의 기재보다 낮은 경도 및 낮은 융점을 갖는 2종의 연질 금속의 미세입자분말 및 압축가스의 혼합유체를 0.58MPa 이상의 분출압력 및 200m/s 이상의 분출속도로 슬라이딩 접촉부의 표면과 충돌시키는 단계; 상기 2종의 연질 금속의 미세입자분말을 상기 슬라이딩 접촉부의 표면에서 압축가스 중의 산소와 반응시켜서 산화시키는 단계; 상기 2종의 연질 금속으로부터 생기는 서로 다른 경도를 갖는 2종의 금속산화물로 구성되어 고융점을 갖는 금속산화물 피막을 형성하는 단계; 및 고융점을 갖는 상기 금속산화물 피막의 피접촉체와 접촉하는 계면에 두께가 0.1㎛ 내지 2㎛이고 낮은 마찰계수 및 낮은 전단저항을 가지며 전단파괴가 집중되는 코팅을 형성하는 단계를 포함한다.

산화의 결과로서 상대적으로 낮은 경도와 높은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 연질 금속 중에서 상대적으로 낮은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 연질 금속의 미세입자분말의 분출속도가 상대적으로 높은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 연질 금속의 미세입자분말의 분출속도보다 상대적으로 낮을 때, 산화의 결과로서 상대적으로 높은 경도와 상대적으로 낮은 경도를 갖는 고융점의 금속산화물이 상기 슬라이딩 접촉부의 표면상의 피접촉체와 접촉하는 계면에서 혼합되어, 산화의 결과로서 상기 상대적으로 낮은 경도를 갖는 금속산화물의 범위가 적어도 80%인 코팅을 형성한다.

경도가 Hv450 이상인 기재를 갖는 슬라이딩 접촉부는 바람직하게는 다음과 같은 예비처리를 받는다. 즉, 입경이 20㎛ 내지 200㎛이고 경도가 상기 슬라이딩 접촉부의 기재의 경도 이상이며 대략 구형인 탄환이 100m/s 내지 250m/s의 분출속도 또는 0.3MPa 내지 0.6MPa의 분출압력으로 1회 이상의 공정으로 상기 슬라이딩 접촉부의 표면과 충돌되어 직경이 0.1㎛ 내지 5㎛이고 단면이 아치형인 다수의 미세오목부를 상기 슬라이딩 접촉부의 표면상에 형성한다.

본 발명에 따르면, 피접촉체와 접촉할 때 높은 윤활성과 마모저항을 갖는 이하의 강화코팅은 표면산화물 내마모성 윤활코팅(이하, 본 발명에 따른 "표면산화물 내마모성 윤활코팅"을 단순하게 "산화피막"이라고 한다)의 형태로 슬라이딩 접촉부의 표면을 통해 얻을 수 있다. 즉, 이 코팅은 피접촉체와 접촉하는 계면에서 두께가 0.1㎛ 내지 2㎛인 금속산화물로 형성되며, 낮은 마찰저항 및 전단저항을 가지며 전단파괴가 집중된다(이하, 전단파괴 집중이라고 한다).

또한, 전단파괴가 집중되는 코팅은 두께가 0.1㎛ 내지 2㎛이며, 전단파괴가 집중되는 코팅의 하층(기재 측)은 산화의 결과로서 상대적으로 높은 경도를 갖는 금속산화물을 얻을 수 있기 때문에 비교적 높은 경도를 갖는다. 따라서, 슬라이딩 접촉부의 기재가 연질이라고 하더라도 압축 및 고화된 부분의 단면적(A)(도 4 참조)이 작아질 수 있으므로 마찰력을 감소시키는데, 이 마찰력은 면적(A)과 압축 및 고화된 부분의 전단강도(s)의 곱(A×s)으로 나타내어진다.

또한, 이런 방식으로 형성된 "산화피막"은 오랜 사용에도 불구하고 소량의 마모분말만을 발생시키므로 "산화피막"의 마모와 접촉될 대상물로서 작용하는 피접촉체의 표면의 손상을 줄인다.

전술한 바와 같이 뛰어난 특성을 갖는 "산화피막"은 비교적 간단한 방법으로, 즉 압축공기와 연질 금속의 미세입자분말의 혼합유체를 슬라이딩 접촉부의 표면에 충돌시킴으로써 형성할 수 있다.

전단파괴는 산화의 결과로서 상대적으로 낮은 경도를 갖는 전술한 금속산화물이 산화의 결과로서 상대적으로 높은 경도를 갖는 전술한 금속산화물의 경도의 1/4 이하의 경도를 갖게 함으로써 피접촉체와 접촉하는 계면에 집중될 수 있다.

슬라이딩 접촉부의 기재가 Hv450 이상의 경도를 갖는다면, 직경이 0.1㎛ 내지 5㎛이고 단면이 아치형인 다수의 미세 오목부가 슬라이딩 접촉부의 표면에 형성되어 "산화피막"의 오목부에 대응하는 오목부를 형성할 수 있게 된다. 이들 오목부는 윤활작용 중에 오일이 소진되는 것을 방지하는 오일저장부로서 기능하여 높은 윤활성을 나타낼 수 있게 된다.

혼합유체와 전술한 슬라이딩 접촉부를 58MPa 이상의 분출압력 또는 200m/s 이상의 분출속도로 충돌시킴으로써 연질 금속을 만족스럽게 산화시킬 수 있을 뿐만 아니라 형성된 "산화피막"이 슬라이딩 접촉부에 대하여 큰 접착력을 가질 수 있다.

이 분출을 위해서는 평균입경이 10㎛ 내지 100㎛인 연질 금속의 입자분말을 사용하므로 연질 금속의 미세입자분말을 압축기류에 실어서 쉽게 불어낼 수 있어서 충돌 시에 필요한 에너지를 확보할 수 있게 한다.

2종 금속의 미세입자분말의 분출압력 또는 분출속도 등의 분출조건은 연질 금속의 미세입자분말을 구성하는 2종의 연질 금속으로서 경도, 밀도, 비중 및 융점 중의 하나 이상에서 서로 유사한 금속의 조합을 이용함으로써 동일하게 만들 수 있으며, 따라서 "산화피막"의 형성 공정을 간단하게 한다.

전단파괴가 집중되는 특징을 갖는 금속산화물로 형성된 코팅은, 산화의 결과로서 상대적으로 높은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 연질 금속의 미세입자분말을 전술한 슬라이딩 접촉부의 표면과 충돌시킨 후 산화의 결과로서 상대적으로 낮은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 연질 금속의 미세입자분말을 전술한 슬라이딩 접촉 부의 표면과 충돌시킴으로써, "산화피막"의 피접촉체와 접촉하는 계면에서 확실하게 형성될 수 있다.

산화의 결과로서 상대적으로 낮은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 연질 금속을 예를 들어 산화의 결과로서 상대적으로 높은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 연질 금속보다 낮은 밀도 및 비중을 갖는 연질 금속으로 실현함으로써, 2종의 연질 금속의 미세입자분말의 혼합물이 전술한 슬라이딩 접촉부의 표면에 충돌하는 경우라도, 산화의 결과로서 상대적으로 낮은 경도, 밀도 및 비중을 갖는 금속산화물이 피접촉체와 접촉하는 계면(표면측)에 50% 이상, 바람직하게는 약 80%의 범위로 침착될 수 있다. 따라서, 간단한 처리, 즉 단지 연질 금속의 미세입자분말을 1회의 공정으로 분출함으로써, 전단파괴가 집중되는 "산화피막"을 피접촉체와 접촉하는 계면(표면측)에 형성할 수 있다. 이는 아마도 높은 경도 및 비중을 갖는 금속이 코팅의 하층 속으로 확산 침투하여 표면에 부착되기 때문일 것이다.

슬라이딩 접촉부의 기재의 경도가 Hv450 이상이라면, 예비처리를 실시함으로써, 보다 구체적으로 입경이 20㎛ 내지 200㎛이고 경도가 전술한 슬라이딩 접촉부의 기재의 경도 이상이며 대략 구형인 탄환을 100m/s 내지 250m/s의 분출속도 또는 0.3MPa 내지 0.6MPa의 분출압력으로 1회 이상의 공정으로 상기 슬라이딩 접촉부의 표면과 충돌시킴으로써, 직경이 0.1㎛ 내지 5㎛이고 단면이 아치형인 다수의 미세오목부를 상기 슬라이딩 접촉부의 표면상에 형성할 수 있다. 그 결과, 이 슬라이딩 접촉부 위에 형성된 "산화피막"의 표면에도 오일저장부로서 기능하는 다수의 미세 오목부를 형성할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 설명한다.

본 발명의 상기 목적 및 이점들은 첨부도면을 참조하는 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로 명백히 이해될 것이다.

기재에서 높은 경도를 갖고 피접촉체와 접촉하는 계면에서 낮은 경도를 가질 뿐만 아니라 이동입자들이 경화하는 것을 방지하는 코팅과, 이런 코팅을 보다 간단한 공정을 통해 보다 저렴한 재료를 사용하여 형성하는 방법을 실현하기 위해, 본 발명의 발명자는 다음과 같은 연질 금속 및 그 산화물의 특성을 고려하여 실시한 실험의 결과로서 본 발명을 발견하였다.

보다 구체적으로, 연질 금속의 예로서 주석(Sn) 및 아연(Zn)을 설명한다면, 주석은 모스 경도가 3 내지 2인 반면 아연은 모스 경도가 약 4이다. 따라서, 주석과 아연은 모두 유사한 경도를 갖는 연질 금속이다.

그러나, 이 연질 금속이 산소와 반응한 결과로서 생기는 산화물에서는 산화주석의 경도가 약 Hv 1650까지 상승하는 반면 산화아연의 경도는 약 Hv 200 정도로 낮은데 이는 산화주석의 경도보다 훨씬 낮은 것이다. 그 결과, 산화물에 의거하여 비교하였을 때 산화주석과 산화아연은 경도에서 서로 큰 차이를 나타낸다.

산화에 의해 상대적으로 낮은 경도를 갖는 산화아연은 이미 산화되어있기 때문에, 공기중의 산소와의 화학반응으로 더 경화되지는 않을 것 같다.

또한, 주석과 아연은 어떤 특성에서는 서로 유사하다. 보다 구체적으로, 주석은 비중이 7.298이고 융점이 231.9℃인 반면, 아연은 비중이 7.133이고 융점이 419.46℃이다. 이는 주석과 아연을 유사한 조건에서 취급할 수 있다는 것을 의미한다.

전술한 고려사항에 기초하여 본 발명의 발명자는 압축되어 고화된 부분에서의 마찰력은 압축되어 고화된 부분의 면적(A)을 줄임으로써 감소시킬 수 있다는 것과(도 4A 내지 도 4C 참조) 전단파괴에 의해 생긴 이동입자들의 경화에 의해 접촉될 대상물로서 작용하는 피접촉체의 표면의 손상 및 코팅의 박리는 기재에서의 산화에 의해 생긴 상대적으로 높은 경도를 갖는 금속산화물(산화주석)과 접촉될 대상물로서 작용하는 피접촉체와 접촉하는 계면에서의 산화에 의해 생긴 상대적으로 낮은 경도를 갖는 다른 금속산화물(산화아연)을 포함하는 코팅을 슬라이딩 접촉부 위에 형성하여 피접촉체와 접촉하는 계면에 전단파괴가 집중되는 코팅을 형성함으로써 방지할 수 있다는 것을 더 발견하였다. 상기 발견에 따라서, 본 발명자는 이런 코팅과 상기 코팅을 형성하는 방법과 관련된 본 발명을 완성하였다.

"산화피막"의 구조

전체구조

상기 설명으로부터, 본 발명에 따른 "산화피막"은 상대적으로 높은 경도를 갖는 금속산화물과 상대적으로 낮은 경도를 갖는 금속산화물의 두 가지 금속산화물로 형성된 고융점의 금속산화물 피막인데, 이들 금속산화물은 슬라이딩 접촉부에서 기재보다 낮은 경도 및 낮은 융점을 갖는 두 가지 연질 금속의 미세입자분말을 슬라이딩 접촉부의 표면상에서 압축가스 중의 산소와 반응시킴으로써 각 연질 금속의 산화의 결과로서 생긴다.

고융점을 갖는 금속산화물 피막으로는 다음과 같은 특징을 갖는 코팅이 포함된다. 즉, 접촉될 대상물로서 작용하는 피접촉체와 접촉하는 계면에서 0.1㎛ 내지 2㎛의 두께를 갖는 코팅은 산화에 의해 생기는 상대적으로 낮은 경도를 갖는 금속산화물(대략 80%이상에 해당)로 형성되고, 낮은 마찰저항 및 낮은 전단저항을 갖고 그 코팅에 전단파괴가 집중된다.

미세입자분말의 구성금속

전술한 미세입자 금속분말을 구성하는 2종의 연질 금속에 있어서는, 다음과 같은 특징을 갖는 이종의 연질 금속의 어떤 조합도 이용할 수 있다. 즉, 2종의 연질 금속은 기재보다 낮은 경도 및 융점을 가져야 하며, 각기 산소와 반응하여 산화물을 생성하여야 하는데, 2종의 산화물 중의 하나는 상대적으로 높은 경도를 갖고 다른 하나는 상대적으로 낮은 경도를 갖는다. 바람직하게는 산화의 결과로 인해 상대적으로 낮은 경도를 갖는 금속산화물의 경도는 산화의 결과로 인해 상대적으로 높은 경도를 갖는 금속산화물의 1/4보다 작거나 같은 조합을 선택한다.

이런 연질 금속의 예로는 주석(Sn) 및 아연(Zn)의 조합이 포함된다.

전술한 바와 같이, 순수 금속 상태의 주석 및 아연은 경도, 융점, 밀도 및 비중을 포함하여 서로 비교적 유사한 특성을 갖는다. 한편, 산소와의 반응의 결과로서 형성된 주석 및 아연의 산화물은 경도에서 비교적 큰 차이를 나타내는데, 즉 산화물의 경도값은 4배 이상의 값만큼 서로 다르다. 따라서, 주석 및 아연의 조합은 원하는 "산화피막"의 재료로서 적합하다.

다른 방법으로서, 알루미늄(Al) 및 아연(Zn)의 조합 등의 다른 조합도 적용 할 수 있다.

피접촉체와 접촉하는 계면의 구조

본 실시예에서 형성될 "산화피막"에는 피접촉체와 접촉되는 계면(표면)에서 크기가 1㎛ 내지 0.1㎛이고 상대적으로 낮은 경도를 갖고 전단파괴가 집중되는 금속산화물(전술한 예에서는 산화아연)로 형성된 코팅이 포함된다.

전단파괴가 집중되는 코팅을 포함하는 피막은 슬라이딩 접촉부의 표면위에 형성된 상대적으로 높은 경도를 갖는 금속산화물(예를 들어, 산화주석)로 된 제 1 층과 제 1 층위에 형성된 상대적으로 낮은 경도를 갖는 금속산화물(예를 들어, 산화아연)로 된 제 2 층을 포함하는 2층 구조로 실현될 수 있다. 다른 방법으로서, 이런 피막은 기재에서 상대적으로 높은 경도를 갖는 고함량의 금속산화물과 피접촉체와 접촉하는 계면(표면)에서 상대적으로 낮은 경도를 갖는 고함량의 금속산화물을 포함하는 단층 구조로 실현될 수 있다.

코팅의 형성방법

전술한 2종 연질 금속의 미세입자분말은 압축가스 중의 산소와 반응하고 압축가스와 유체의 혼합물로서 슬라이딩 접촉부의 표면을 2종의 연질 금속의 미세입자분말을 충돌시킴으로써 슬라이딩 접촉부의 표면에 부착하도록 만들어질 수 있다.

연질금속의 미세입자분말이 이런 방식으로 전술한 슬라이딩 접촉부의 표면과 충돌할 때, 전술한 연질 금속은 충돌시의 충격에 의해 발생하는 열로 산화되어 슬라이딩 접촉부의 표면에 부착되어 금속산화물의 코팅을 형성할 수 있게 된다.

이때의 분출 조건은 다음과 같다. 전술한 연질 금속의 금속입자들은 산소를 포함하는 압축가스(예를 들어, 압축공기)에 의해 0.58MPa 이상의 분출압력 또는 200m/s 이상의 분출속도로 전술한 슬라이딩 접촉부의 표면과 충돌된다.

분출된 분말로서 사용된 연질 금속의 미세입자분말의 입경은 10㎛ 내지 100㎛, 바람직하게는 30㎛ 내지 60㎛이다. 이런 범위의 입경에서는, 분출 분말로서 사용된 연질 금속의 미세입자들은 압축가스에 의해 보다 쉽게 취출되어 산화 및 슬라이딩 접촉부의 표면에의 부착에 필요한 충돌에너지를 발생시킬 수 있게 한다.

특히, 전술한 바와 같이 연질 금속분말을 주석 및 아연의 조합으로 실현하는 경우, 입경 등의 다른 조건을 서로 동일하거나 유사하게 함으로써 분출압력 및 분출속도를 포함한 동일한 블라스팅 조건하에서의 처리를 실시하여 상기 과정을 단순하게 할 수 있는데, 왜냐하면 주석과 아연은 원래 비중, 경도 및 융점의 면에서 서로 유사하기 때문이다.

연질 금속의 미세입자분말을 슬라이딩 접촉부의 표면상에 분출하는 것은 다음의 순서로 실시할 수 있다. 먼저, 산소와의 반응의 결과로서 상대적으로 높은 경도를 갖는 연질 금속의 미세입자분말(전술한 예에서는 주석분말)을 슬라이딩 접촉부의 표면과 충돌시켜서 상대적으로 높은 경도를 갖는 제 1 금속산화물 피막을 형성한 다음에 산소와의 반응의 결과로서 상대적으로 낮은 경도를 갖는 연질 금속의 미세입자분말(전술한 예에서는 아연분말)을 제 1 금속산화물 피막과 충돌시켜서 상대적으로 높은 경도를 갖는 제 1 금속산화물 피막 위에 상대적으로 낮은 경도를 갖는 제 2 금속산화물 피막을 형성한다.

다른 방법으로서, 산소와의 반응의 결과로서 상대적으로 높은 경도를 갖는 연질 금속과 상대적으로 낮은 경도를 갖는 다른 연질 금속의 미세입자분말의 혼합물을 전술한 슬라이딩 접촉부의 표면과 충돌시켜서 양 금속 산화물의 혼합물을 포함하는 "산화피막"을 형성할 수 있게 된다.

전술한 바와 같이 2종의 연질 금속의 미세입자분말의 혼합물이 전술한 슬라이딩 접촉부의 표면과 충돌하는 경우, 산화의 결과로서 상대적으로 낮은 경도를 갖는 연질 금속과 산화의 결과로서 상대적으로 높은 경도를 갖는 연질 금속의 조합 대신에 비중이 서로 다른 2종의 연질 금속의 조합을 이용할 수 있다.

전술한 바와 같이 예를 들어 비중에서 서로 다른 2종의 연질 금속의 미세입자분말의 혼합물을 전술한 슬라이딩 접촉부의 표면과 충돌시키는 경우, 경도 및 비중의 차이 또는 경도의 차이 때문에 "산화피막"의 표면에서 다량 수집되어 "산화피막"의 표면(피접촉체와 접촉하는 계면)에 전단파괴가 집중되는 코팅을 형성할 수 있게 한다.

예비처리

피처리체로서 작용하는 기재의 경도가 Hv450 이상인 경우, 전술한 연질 금속의 미세입자분말에 의한 "산화피막"의 형성 전에 슬라이딩 접촉부의 표면상에서 다음과 같은 예비처리를 실시할 수 있다. 구체적으로, 입경이 20㎛ 내지 200㎛이고 경도가 기재의 경도 이상이며 실질적으로 구형의 형상을 갖는 탄환을 100 내지 250m/s의 분출속도 또는 0.3 내지 0.6MPa의 분출압력에서 슬라이딩 접촉부의 표면과 1회 이상 충돌시켜서 슬라이딩 접촉부의 표면에 단면이 아치형인 다수의 미세 오목부를 형성할 수 있게 된다.

여기서 형성된 미세오목부들은 단면에서 직경이 0.1㎛ 내지 5㎛의 아치형이다. 이런 방식으로 기재상에 형성된 오목부는 그 위에 형성되는 내마모성 코팅인 "산화피막"의 표면상에 출현하므로, 피접촉 계면이 윤활될 때 유막이 소진되는 것을 효과적으로 방지하는 오일저장부로서 기능하게 된다.

이런 오목부들은 기재 경도가 Hv450 미만인 슬라이딩 접촉부 상에 형성될 수 있다. 그러나, 기재의 경도가 Hv450 미만인 경우 전술한 예비처리를 실시하지 않고 연질 금속의 미세입자분말을 직접 분출하여 슬라이딩 접촉부의 표면상에 오목부를 형성할 수 있다. 이는 전술한 예비처리를 생략할 수 있음을 의미한다.

기재 경도가 Hv450 이상인 슬라이딩 접촉부 위에 분출되는 탄환의 예로는 스틸, 화이트 앨런덤(WA) 또는 고속도강 등의 금속; 금속 및 세라믹; 세라믹; 또는 유리가 포함된다. 유리나 유리 비이드보다 단단한 알루미나-실리카 비이드가 바람직하다.

또한, 탄환의 형상은 단면이 아치형인 뛰어난 오목부들을 형성하기 위해 가능한 완전 구형이므로 오목부들은 후술하는 바와 같이 우수한 오일저장부로서 효과적으로 작용한다. 탄환이 사각형이라면, 오목부의 형상은 아치형이 아니며 (예를 들어 오목부에 V형상의 노치가 형성될 것이다), 이에 따라서 윤활유의 표면장력을 약화시키고 따라서 오일저장부로서의 효과를 위협한다.

반응과정

전술한 바와 같은 예비처리를 실시한 후 또는 예비처리를 실시하지 않은 채로 연질 금속의 미세입자분말 및 압축가스의 혼합유체를 0.5MPa 이상의 분출압력 또는 200m/s 이상의 분출속도로 슬라이딩 접촉부의 표면과 충돌시키는 경우, 미세입자분말을 구성하는 연질 금속은 충돌시에 발생하는 열에 의해 용융되어 슬라이딩 접촉부의 표면에 부착하며, 게다가 미세입자분말을 구성하는 연질 금속은 이 가열 때문에 압축가스 중의 산소와 반응한다(산화된다).

산소와의 반응으로 형성된 이런 금속산화물은 원래의 연질 금속보다 상당히 높은 경도를 부여받게 되는데, 2종의 각각의 연질 금속에 기초한 2종 금속산화물 중의 하나는 상대적으로 높은 경도를 나타내고 다른 하나는 상대적으로 낮은 경도를 나타낸다.

따라서, 상대적으로 높은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 연질 금속의 미세입자분말을 전술한 슬라이딩 접촉부의 표면과 충돌시킨 후에 상대적으로 낮은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 다른 연질 금속의 미세입자분말을 전술한 슬라이딩 접촉부와 충돌시키거나, 또는 소정의 조건에 따라서 결합된 2종의 연질 금속의 미세입자분말의 혼합물을 전술한 슬라이딩 접촉부의 표면과 접촉시킴으로써, 기재에서 상대적으로 높은 경도를 갖고 접촉할 대상물로서 작용하는 피접촉체와 접촉하는 계면에서 상대적으로 낮은 경도를 갖는 내마모성 코팅이 형성될 수 있다. 따라서, 전단파괴가 집중되는 코팅이 피접촉체와 접촉하는 계면에 형성된다.

0.5MPa 이상의 분출압력 또는 200m/s 이상의 분출속도로 전술한 슬라이딩 접촉부의 표면과 접촉하여 형성된 "산화피막"은 높은 표면압력 하에서 접촉하도록 사용되는 슬라이딩 접촉부에 대한 높은 접착강도를 나타낸다. 또한, "산화피막"의 최외측면으로서 작용하며 낮은 마찰저항 및 낮은 전단저항 그리고 전단파괴가 집중되 는 0.1㎛ 내지 1㎛의 코팅이 형성되기 때문에, 압축 및 고화된 부분의 접촉면적(A)이 감소하여 마찰을 감소시키고, 따라서 높은 윤활성의 "산화피막"을 형성할 수 있게 한다.

이런 방식으로 형성된 "산화피막"은 접촉할 대상물로서 작용하는 피접촉체와의 슬라이딩 접촉에도 불구하고 마모되지 않으며, 장기간 동안 높은 윤활성을 유지할 뿐만 아니라 접촉할 대상물로서 작용하는 피접촉체가 손상되는 것을 방지한다.

본 발명에 따른 방법으로 형성된 "산화피막"의 마모를 방지하여 접촉할 대상물로서 작용하는 피접촉체의 손상을 억제하는 방법이라고 충분히 증명되었다고는 말할 수 없다. 그러나, 본 발명에 따른 코팅은 "산화피막"의 최외측면 위에 형성되는데, 상대적으로 낮은 경도를 갖는 금속산화물(예를 들어, 산화아연)은 이동입자로 발달하고, 이 이동입자들은 반복적으로 움직여서 이동되어 윤활성을 나타내며, 따라서 "산화피막"은 피접촉체와의 접촉하는 기구에 의해 마모가 방지되며, 산화아연의 이동입자들은 마찰표면에서 공기중의 산소의 영향으로 더 이상 경화하지 않으므로 움직임 및 이동을 통해 본래의 표면을 회복할 수 있으며, 그리고 이동입자들은 마모분말 형태의 계면 사이로부터 방출되지 않는다는 것, 다시 말해서 이동입자들은 접촉되는 계면 사이에 유지되어 "산화피막"의 마모를 방지한다는 것을 추측할 수 있다.

또한, 이동입자들은 전술한 바와 같이 경화하지 않기 때문에, 이동입자들이 경화하였을 경우에 발생할 수 있는 피접촉체의 손상을 성공적으로 피할 수 있다.

본 발명에 따른 "산화피막"의 최외측면은 산화아연 등의 상대적으로 낮은 경 도를 갖는 금속산화물로 형성되기 때문에, "산화피막"이 산소와 더 이상 결합하기는 어렵다. 그 결과, 접촉할 대상물로서 작용하는 피접촉체가 알루미나(Al₂O₃) 또는 실리카(SiO₂) 등의 산화물 세라믹으로 형성되던지 또는 이런 산화물 세라믹으로 피복되더라도, 마찰 감소의 효과를 부여할 정도로 접착력이 충분히 약하다.

또한, 산화아연은 산화되지 않은 아연과 비교하여 안정한(저활성) 물질이기 때문에, 탄화규소(SiC) 등의 탄화물계 세라믹의로 형성된 피접촉체 또는 탄화물계 세라믹으로 피복된 피접촉체에 대한 접착력이 감소한다. 그 결과, 이런 피접촉체와의 마찰력도 감소할 것이다.

실시예 1 (엔진 피스톤의 스커트부에 대한 코팅시험)

본 발명에 따른 방법으로 경주용 모터사이클의 알루미늄 엔진의 피스톤 스커트부(주조 Al-Si합금(AC8A)으로 제조) 위에 "산화피막"을 형성하였다. 처리조건은 표 1에 나타낸다.

[표 1] 엔진 스커트부 상에 "산화피막"의 형성

처리할 제품
명칭		피스톤 스커트부
	재료	알루미늄합금(AC8A)
	경도	Hv
예비처리		무
본 발명에 의한 처리		블라스팅장치: 중력형(하기 2종의 분말의 동시분출) 또는
		제 1 처리: 중력형	제 2 처리: 중력형
분출분말
	재료	Sn	Zn
	비중	7.298	7.133
	융점	231.9℃	419.46℃
	경도(모스)	3 - 2	4
	후산화 경도	Hv1650	Hv200
	평균입경	40㎛	55㎛
	형상	대략 구형
	분출압력	0.7MPa
분출조건
	분출속도	약 240m/s	약 220m/s
	노즐직경	9mm
	분출거리	150mm
	분출시간	직경 85mm ×길이 50mm의 스커트부에 대하여 90초

1kg의 주석분말과 1kg의 아연분말을 혼합하고 피스톤의 스커트부에 충돌시켜서 "산화피막"을 형성하였다.

기재에는 다량의 산화주석이 존재하고 표면에는 다량의 산화아연이 존재하도록 후처리된 피스톤 스커트부 위에 "산화피막"이 형성된 것을 확인하였다.

"산화피막"으로 피복된 피스톤 스커트부의 표면에 단면이 반아치형인 다수의 오목부가 형성된 것을 확인하였다.

본 실시예에서 피처리물로서 작용하는 피스톤을 구비한 알루미늄 엔진에 있어서, 피스톤 및 실린더 블록은 알루미늄합금으로 형성되고 실린더 내측벽면은 니켈로 도금되었다.

이 알루미늄 엔진내의 피스톤을 어떤 처리도 하지 않고 사용하는 경우, 전술한 실린더 라이너는 심하게 마모될 것이며 각 레이스마다 교체할 필요가 있다.

표 1에 열거한 바와 같이, 전술한 2종의 분출분말은 각기 제 1 공정 및 제 2 공정으로서 분출될 수 있다.

아연의 충돌속도 또는 분출속도는 주석보다 낮은데, 이는 아연의 평균입경이 주석보다 크기 때문이다. 그 결과, 피접촉체와 접촉하는 계면의 최외측표면 위에 다량의 아연이 분포될 수 있다.

레이스가 종료한 후, "산화피막"으로 피복된 피스톤의 스커트부를 관찰하고 실린더 라이너의 내측벽면을 점검하였다. 피스톤 스커트부에서는 어떠한 마모도 발결되지 않았다. 또한, 피스톤의 스커트부에 유막을 형성하는 오일저장부로서 기능하는 다수의 오목부가 단면 아치형으로 스커트부의 표면에 형성된 것을 확인하였다.

또한, 처리되지 않은 피스톤을 사용한 경우와 비교하여 실린더 라이너의 내측벽면의 마모가 분명하게 감소되었다. 실린더 라이너의 내측벽면에서 발견된 마모는 그 실린더 라이너를 재사용할 수 있을 정도로 작았다.

이와 달리, 전술한 방법과 동일한 조건하에서 주석분말만을 피스톤 스커트부에 충돌시킨 경주용 모터사이클의 피스톤에서는, 피스톤 자체의 마모는 감소하였지만 실린더 라이너에서 과도한 마모가 발견되었으므로 각 레이스 후에 실린더 라이너를 교체할 필요가 있었다.

실시예 2 (게이지 포켓펀치에 대한 코팅시험)

자동차부품 제조용 FHP 후판의 게이지 포켓펀치(분말형태의 고속도강 소결물: HAP40)를 아래의 표 2에 나타낸 예비처리한 후, 본μ 발명에 따른 방법으로 "산화피막"을 형성하였다.

[표 2] 게이지 포켓펀치 상에 "산화피막"의 형성

처리할 제품
	명칭	게이지 포켓펀치
	재료	분말상 고속도강(HAP40)
	경도	Hv800(예비처리 후의 경도 Hv1200)
예비처리
		미세분말용 블라스팅장치
분출분말
		재료	알루미나-실리카 비이드
		평균입경	40㎛
		형상	구형
분출조건
		분출압력	0.4MPa
		분출속도	약 240m/s
		노즐직경	9mm
		분출거리	100mm
		분출시간	30초, 2방향
본 발명에 의한 처리		블라스팅장치
			제 1 처리: 중력형	제 2 처리: 중력형
분출분말
		재료	Sn	Zn
		평균입경	40㎛
		형상	대략 구형
		분출압력	0.7MPa
분출조건
		분출속도	약 240m/s
		노즐직경	9mm
		분출거리	150mm
		분출시간	30초×2방향, 30초×2방향

표 2에 나타낸 바와 같이, 먼저 주석분말을 소정의 예비처리를 받은 펀치 위로 분출한 후, 아연분말을 펀치에 충돌시켜서 펀치의 슬라이딩 접촉부의 표면 위에 "산화피막"을 형성하였다.

피처리물로서 작용하는 펀치는 자동차부품 제조용 FHP 후판의 블랭킹작업을 실시하는데 사용된다. 이 펀치는 특히 펀치의 측면에 FHP 재료가 피착됨에 따라서 비교적 짧은 수명을 가지며 마찰에 대하여 손상되기 쉽다.

따라서, 이 펀치는 어떤 처리도 받지 않았다면 약 12,000 블랭킹 작업 후에 그 수명에 도달한다.

이와 달리, 본 발명에 따른 전술한 방법으로 "산화피막"이 피복된 펀치는 재료의 피착량의 감소의 결과로서 60,000 블랭킹 작업을 견딜 수 있었다. 또한, 이렇게 블랭킹 작업의 회수가 증가함에도 불구하고, 게이지 포켓의 블랭킹된 형상은 양호하게 형성되었으며 게이지 포켓은 깔쭉한 돌기가 적었다.

블랭킹 작업은 표 2에 열거한 처리작업 중에서 예비처리만을 받은 펀치를 사용하여 실시하였다. 그 결과 이 펀치의 수명이 24,000회 블랭킹 작업까지 연장되었다. 요약하자면, 예비처리만을 받은 펀치는 본 발명에 따른 "산화피막" 내마모성 윤활코팅으로 피복된 펀치만큼 많은 블랭킹 작업을 견딜 수 없었다.

실시예 3 (기어롤링다이에 대한 코팅시험)

모재 고속도강으로 제조된 기어롤링다이("YXR33", 히타치금속제)를 다음의 조건하에서 "산화피막"으로 피복하였다.

[표 3] 기어롤링다이 위해 "산화피막"의 형성

처리할 제품
	명칭	기어 롤링 다이
	재료	모재 고속도강("YXR33" 히타치금속제)
	경도	Hv600(예비처리 후의 경도 Hv800)
예비처리
블라스팅장치		제 1 처리: 중력형	제 2 처리: 중력형
분출분말
	재료	고속도강	알루미나-실리카 비이드
	평균입경	55㎛	40㎛
	형상	구형
분출조건
	분출압력	0.5MPa	0.4MPa
	분출속도	약 150m/s	약 240m/s
	노즐직경	9mm
	분출거리	100mm
	분출시간	5분×3방향	약 3분×3방향
본 발명에 의한 처리		블라스팅장치
		제 1 처리 :직접압력형	제 2 처리: 중력형
	재료	Sn	Zn
	평균입경	50㎛	40㎛
	형상	대략 구형
	분출압력	0.5MPa	0.7MPa
분출조건
	분출속도	약 250m/s	약 240m/s
	노즐직경	5mm	9mm
	분출거리	200mm	150mm
	분출시간	10분×3방향	5분×3방향

표 3에 나타낸 바와 같이, 서로 다른 타입의 탄환을 사용하여 2단계 예비처리를 실시한 후, 주석분말을 사용한 블라스팅 및 아연분말을 사용한 블라스팅을 서로 다른 공정으로 실행하여 "산화피막"으로 만들어진 내마모성 코팅을 형성하였다.

처리되지 않은 상태에서, 처리할 제품으로서 작용하는 기어롤링다이는 약 5,000회의 작업을 견딘다. 표 3에 나타낸 방법으로 "산화피막"으로 피복된 기어롤링다이는 100,000회 작업까지 견딜 수 있었다. 그 결과, 다이를 교체할 필요 없이 기어의 대량생산이 가능해졌다.

표 3에 나타낸 2단계 예비처리만이 기어롤링다이의 수명을 연장시킬 수 있었지만 에비처리에 의한 수명의 연장은 40,000회까지 되었다.

실시예 4 (공구자루의 죠인트 위에 코팅 형성)

표 4에 열거한 조건하에서 템퍼링처리 탄소강(S45C)로 만들어진 공구자루의 죠인트 위에 "산화피막"을 형성하였다.

[표 4] 공구자루 죠인트 위에 "산화피막"의 형성

처리할 제품
	명칭	공구자루의 죠인트
	재료	탄소강(S45C), 뜨임처리된 부분
	경도	Hv450 (예비처리후의 경도 Hv650)
예비처리
		블라스팅장치: 중력형
분출분말
		재료	고속도강
		평균입경	55㎛
		형상	구형
분출조건
		분출압력	0.5MPa
		분출속도	약 150m/s
		노즐직경	9mm
		분출거리	100mm
		분출시간	약 3분
본 발명에 의한 처리		블라스팅장치
			제 1 처리: 중력형	제 2 처리: 중력형
분출분말
		재료	Sn	Zn
		평균입경	40㎛
		형상	대략 구형
		분출압력	0.7MPa
분출조건
		분출속도	약 240m/s
		노즐직경	9mm
		분출거리	150mm
		분출시간	약 6분

처리되지 않은 공구자루는 죠인트에서 큰 소음이 발생하여 문제가 있다. 또한, 처리되지 않은 공구자루는 과도한 마모 때문에 비교적 짧은 수명을 갖는데, 보다 구체적으로는 약 10⁶회 작업을 견딜 수 있다. 표 4에 열거한 조건하에서 형성된 "산화피막"으로 피복된 죠인트를 갖는 공구자루는 10⁷회 작업의 연장된 수명을 가졌다. 또한, 소음도 과도한 마모도 발견되지 않았다.

표 4에 열거한 예비처리만을 받은 공구자루는 상당한 수명연장을 입증할 수 없었 다. 주석분말의 분출처리만을 받은 공구자루는 약간의 수명연장만을 입증할 수 있었으며, 유막이 소진되어 죠인트에 가해진 그리스가 전체면에 걸쳐서 분포되는 것을 방지하는 것을 발견하였다.

실시예 5 (마모량 측정시험)

피접촉체로서 작용하는 회전링을 본 발명에 따른 방법으로 형성된 "산화피막"으로 피복된 시편과 접촉시키고 링과 시편의 마모량을 측정하였다.

시편 위에 "산화피막"을 형성하는 조건을 표 5에 열거하였다.

[표 5] 시편의 처리조건

시편
	재료	알루미늄 다이캐스팅 제품(APC12)
	경도	Hv180(예비처리 후의 경도 Hv650)
예비처리		블라스팅장치: 중력형
분출분말
		재료	알루미나-실리카 비이드
		평균입경	40㎛
		형상	구형
분출조건
		분출압력	0.4MPa
		분출속도	약 240m/s
		노즐직경	9mm
		분출거리	100mm
		분출시간	약 20초
본 발명에 의한 처리		블라스팅장치
			제 1 처리: 중력형	제 2 처리: 중력형
분출분말
		재료	Sn	Zn
		평균입경	40㎛
		형상	대략 구형
분출조건
		분출압력	0.7MPa
		분출속도	약 240m/s
		노즐직경	9mm
		분출거리	150mm
		분출시간	약 40초

도 1에 도시한 바와 같이 윤활유(OW-20 엔진오일, 온도조정 없이 실온에서 사용)에 부분적으로 담가진 표 5 (실시예)에 열거한 처리조건에 따라서 형성된 "산 화피막"으로 피복된 시편을 고탄소 크롬베어링강(SUJ2)으로 제조된 링과 슬라이딩 접촉시키고 회/160분의 속도로 회전시켰다.

시편을 588N의 압력으로 30초 동안 링과 접촉상태로 유지하였다.

시편과 링의 마모량을 시험 전후의 각 중량을 비교함으로써 측정하였다.

비교예로서, 처리되지 않은 시편(비교예 1), 표 5에 열거한 예비처리만을 받은 시편(비교예 2), 및 표 5에 열거한 예비처리 및 주석분말의 분출을 받은 시편(비교예 3)을 동일한 방식으로 링 위에 가압하여 마모량을 측정하였다.

실시예 및 비교예 1 내지 3의 시편의 마모량은 도 2에 도시하고 시편이 가압된 링의 마모량은 도 3에 도시하였다.

도 2에 도시한 바와 같이, 시편의 마모량에 있어서, 실시예의 시편은 최소의 마모를 받았다. 시편의 마모량은 비교예 3의 시편(예비처리 + 주석분출), 비교예 1의 시편(무처리), 및 비교예 2의 시편(예비처리만)의 순서로 증가한다.

한편, 도 3에 도시한 바와 같이, 접촉될 대상물로서 작용하는 링의 마모량에 있어서, 실시예의 시편과 접촉시킨 링은 최소의 마모를 받았다. 링의 마모량은 비교예 2의 시편과 접촉된 링(예비처리만), 비교예 1의 시편과 접촉된 링(무처리) 및 비교예 3의 시편과 접촉된 링(예비처리 + 주석분출)의 순서로 증가한다.

전술한 비교시험 결과로부터, 예비처리만을 받은 시편(비교예 2)에 있어서, 시편 자체의 마모량은 처리되지 않은 시편(비교예 1)과 비교하여 증가하였으나, 접촉되는 대상물(회전링)은 성공적으로 마모가 방지되었다.

또한, 예비처리 후에 주석분말분출을 받은 시편(비교예 3)에 있어서, 상대 방(링)의 마모량은 처리되지 않은 시편을 사용한 경우(비교예 1)에서보다 증가하였지만, 시편 자체의 마모량은 감소하였다. 요약하자면, 비교예 3의 시편에서는 서로 슬라이딩 접촉하는 두 부재(시편 및 링)의 마모저항 및 윤활성을 증가시킬 수 없었다.

이와 대조적으로, "산화피막"으로 피복된 시편(실시예)에서는, 시편 자체 뿐만 아니라 접촉 대상물(회전링)이 마모되는 것을 방지할 수 있었다. 요약하자면, 서로 슬라이딩 접촉하는 두 부재(시편 및 링)가 마모되는 것을 방지할 수 있었다.

따라서, 이후의 가장 넓은 특허청구의 범위는 특정 방법으로 구성된 기계에 관한 것이 아니다. 대신에, 상기 가장 넓은 특허청구의 범위는 본 발명의 핵심 및 본질을 보호하려는 것이다. 본 발명은 분명히 새롭고 유용한 것이다. 또한 본 발명이 만들어졌을 당시의 당업자에게는 개략적으로 생각하여 종래기술의 관점에서는 자명하지 않았다.

또한, 본 발명의 혁명적 본질을 고려하면 본 발명은 분명히 신개척적인 발명이다. 이하의 특허청구의 범위는 법률적인 문제로서 본 발명의 핵심을 보호하는 것으로 매우 넓게 해석되어야 한다.

따라서, 전술한 목적들과 상기 설명으로 명백해지는 것들을 효과적으로 얻을 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 범위로부터 이탈함 없이 상기 구성의 일정한 변화를 만들 수 있기 때문에 상기 설명에 포함되거나 첨부도면에 도시한 모든 내용들은 예시적인 것으로 해석되어야 하며 제한적인 의미로 해석되어서는 안 된다.

또한, 이하의 특허청구 범위는 여기서 설명한 본 발명의 일반적 특징 및 특정 특징 모두와 언어상의 문제로서 특허청구의 범위에 속하는 것으로 말할 수 있는 본 발명의 범위의 모든 진술 모두를 포함하는 것이라는 것을 이해하여야 한다.

전술한 "산화피막"과 그 형성방법은 피접촉체와 슬라이딩 접촉하는데 사용되는 다양한 타입의 물품, 즉 엔진의 피스톤, 공구자루의 죠인트, 샤프트 및 베어링을 포함한 기계부품; 펀치, 벤더 및 다이를 포함한 벤딩 또는 절삭 공구; 인발 및 벤딩용 몰드 등에 적용할 수 있다.

전술한 "산화피막"과 그 형성방법은 또한 오일 및 그리스 등의 유체 윤활제 없이 사용할 때라도 뛰어난 윤활성을 나타낼 수 있고 진공상태에서 사용될 수 있을 것 같은 다양한 타입의 장치에도 적용할 수 있다.

도 1은 실시예 5에 따른 시험절차를 설명하는 도.

도 2는 시편의 마모량 측정치를 보여주는 도(실시예 5).

도 3은 링의 마모량 측정치를 보여주는 그래프(실시예 5).

도 4A 내지 도 4C는 연질 기재가 형성된 경우(도 4A), 경질 기재가 형성된 경우(도 4B) 및 연질 코팅이 경질 기재 위에 형성된 경우(도 4C)에 압축 및 고화된 부분의 면적(A), 전단강도(s) 및 마찰력의 관계를 나타내는 도.

Claims

표면산화물 내마모성 윤활피막에 있어서,

기재의 표면에서 압축가스 중의 산소와 미세입자분말의 반응의 결과로 생성되는 2종의 금속산화물을 포함하고;

상기 미세입자분말이 2종의 개개 연질 금속의 10㎛ 내지 100㎛의 입경 및 기재 보다 낮은 경도 및 낮은 융점을 갖고,

상기 금속산화물이 연질 금속의 융점 보다 더 높은 융점을 갖고, 2종의 금속산화물의 중의 하나가 다른 하나 보다 상대적으로 높은 경도를 갖고,

여기에서

표면산화물 내마모성 윤활피막이 피접촉체와 접촉하는 계면에 형성된 상기 금속산화물로 이루어지는 표면코팅을 갖고, 상기 표면코팅이 기재 측에 형성된 금속산화물의 경도 보다 낮은 경도를 갖고,

표면코팅이 마찰저항 및 전단저항 및 코팅에 집중되는 전단파괴를 감소시키는 효과를 갖고,

표면코팅이 0.1㎛ 내지 2㎛의 두께를 갖는, 슬라이딩 접촉부의 기재의 표면 상에 형성되는 표면산화물 내마모성 윤활피막.
표면산화물 내마모성 윤활피막에 있어서,

기재의 표면에서 압축가스 중의 산소와 미세입자분말의 반응의 결과로 생성되는 2종의 금속산화물을 포함하고;

상기 미세입자분말이 압축가스와 혼합된 2종의 개개 연질 금속의 10㎛ 내지 100㎛의 입경 및 기재 보다 낮은 경도 및 낮은 융점을 갖고,

상기 금속산화물이 연질 금속의 융점 보다 더 높은 융점을 갖고, 2종의 금속산화물의 중의 하나가 다른 하나 보다 상대적으로 높은 경도를 갖고,

표면산화물 내마모성 윤활피막이

기재의 표면 상에 형성된 더 높은 경도를 갖는 금속산화물의 제 1 금속산화물 코팅; 및

상기 제 1 금속산화물 표면코팅 보다 더 낮은 경도를 갖고 제 1 금속산화물 코팅 상에 형성된 금속산화물의 제 2 금속산화물 표면코팅

을 포함하는 2층 구조를 갖고,

제 2 금속산화물 표면코팅이 마찰저항 및 전단저항 및 코팅에 집중되는 전단파괴를 감소시키는 효과를 갖고,

제 2 금속산화물 표면코팅이 0.1㎛ 내지 2㎛의 두께를 갖는, 슬라이딩 접촉부의 기재의 표면 상에 형성되는 표면산화물 내마모성 윤활피막.
제 1 항에 있어서, 상기 낮은 경도를 갖는 금속산화물은 높은 경도를 갖는 금속산화물의 경도의 1/4 이하의 경도를 갖는, 표면산화물 내마모성 윤활피막.
제 2 항에 있어서, 상기 낮은 경도를 갖는 금속산화물은 높은 경도를 갖는 금속산화물의 경도의 1/4 이하의 경도를 갖는, 표면산화물 내마모성 윤활피막.
제 1 항에 있어서, 상기 기재의 경도는 Hv450 이상이며, 상기 슬라이딩 접촉부 상에는 직경이 0.1㎛ 내지 5㎛이며 단면이 아치형인 다수의 미세오목부가 형성되어있는, 표면산화물 내마모성 윤활피막.
제 2 항에 있어서, 상기 기재의 경도는 Hv450 이상이며, 상기 슬라이딩 접촉부 상에는 직경이 0.1㎛ 내지 5㎛이며 단면이 아치형인 다수의 미세오목부가 형성되어있는, 표면산화물 내마모성 윤활피막.
표면산화물 내마모성 윤활피막 형성방법으로서,

슬라이딩 접촉부의 기재보다 낮은 경도 및 낮은 융점을 갖는 2종의 연질 금속의 10㎛ 내지 100㎛의 입경을 갖는 미세입자분말 및 압축가스의 혼합유체를 0.58MPa 이상의 분출압력 및 200m/s 이상의 분출속도로 슬라이딩 접촉부의 표면과 충돌시키는 단계;

상기 2종의 연질 금속의 미세입자분말을 기재의 표면에서 압축가스 중의 산소와 반응시켜서 산화시키는 단계;

연질 금속보다 높은 융점을 갖는 표면산화물 내마모성 윤활피막을 기재의 표면 상에 형성시키는 단계;

를 포함하고,

표면산화물 내마모성 윤활피막이 2종의 금속산화물의 중의 하나가 다른 하나 보다 더 높은 경도를 갖도록 2종의 개개 연질 금속으로부터 생기는 2종의 금속산화물로 구성되고,

표면산화물 내마모성 윤활피막이 피접촉체와 접촉하는 계면에서 0.1㎛ 내지 2㎛의 두께를 갖는 상기 금속산화물로 이루어지는 표면코팅을 갖고,

상기 표면코팅이 기재측에 형성된 금속산화물의 경도 보다 낮은 경도를 갖고; 그리고

표면코팅이 마찰저항 및 전단저항 및 코팅에 집중되는 전단파괴를 감소시키는 효과를 갖는, 표면산화물 내마모성 윤활피막 형성방법.
제 7 항에 있어서, 상기 연질 금속의 미세입자분말의 평균입경은 10㎛ 내지 100㎛인, 표면산화물 내마모성 윤활피막 형성방법.
제 7 항에 있어서, 상기 2종의 연질 금속으로서 경도, 밀도, 비중 및 융점 중의 하나가 서로 유사한 금속의 조합이 선택되는, 표면산화물 내마모성 윤활피막 형성방법.
제 7 항에 있어서, 산화의 결과로서 높은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 연질 금속의 미세입자분말이 상기 슬라이딩 접촉부와 충돌한 후, 산화의 결과로서 낮은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 연질 금속의 미세입자분말이 상기 슬라이딩 접촉부의 표면과 충돌하는, 표면산화물 내마모성 윤활피막 형성방법.
제 7 항에 있어서, 산화의 결과로서 낮은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 상기 연질 금속은 산화의 결과로서 높은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 연질 금속보다 낮은 밀도 또는 낮은 비중을 갖는 연질 금속에 의해 실현되며,

상기 2종의 연질 금속의 미세입자분말은 상기 혼합유체로서 상기 슬라이딩 접촉부의 표면과 충돌하는, 표면산화물 내마모성 윤활피막 형성방법.
제 7 항에 있어서, 경도가 Hv450 이상인 기재를 갖는 상기 슬라이딩 접촉부는 입경이 20㎛ 내지 200㎛이고 경도가 상기 슬라이딩 접촉부의 기재의 경도 이상이며 구형인 탄환을 100m/s 내지 250m/s의 분출속도 또는 0.3MPa 내지 0.6MPa의 분출압력으로 1회 이상의 공정으로 상기 슬라이딩 접촉부의 표면과 충돌시켜서 직경이 0.1㎛ 내지 5㎛이고 단면이 아치형인 다수의 미세오목부를 상기 슬라이딩 접촉부의 표면상에 형성함에 의해 예비처리되는, 표면산화물 내마모성 윤활피막 형성방법.
제 1 항에 있어서, 산화의 결과로서 하나가 높은 경도를 갖고 다른 하나가 낮은 경도를 가지며 상기 연질 금속의 융점보다 높은 융점을 갖는 2종의 금속산화물은 표면코팅에서 혼합되며,

산화의 결과로서 상기 낮은 경도를 갖는 금속산화물의 범위는 50% 이상이며,

상기 표면코팅은 0.1㎛ 내지 1㎛의 두께를 갖는, 표면산화물 내마모성 윤활피막.
제 3 항에 있어서, 산화의 결과로서 하나가 높은 경도를 갖고 다른 하나가 낮은 경도를 가지며 상기 연질 금속의 융점보다 높은 융점을 갖는 2종의 금속산화물은 표면코팅에서 혼합되며,

산화의 결과로서 상기 낮은 경도를 갖는 금속산화물의 범위는 50% 이상이며,

상기 표면코팅은 0.1㎛ 내지 1㎛의 두께를 갖는, 표면산화물 내마모성 윤활피막.
제 5 항에 있어서, 산화의 결과로서 하나가 높은 경도를 갖고 다른 하나가 낮은 경도를 가지며 상기 연질 금속의 융점보다 높은 융점을 갖는 2종의 금속산화물은 표면코팅에서 혼합되며,

산화의 결과로서 상기 낮은 경도를 갖는 금속산화물의 범위는 50% 이상이며,

상기 표면코팅은 0.1㎛ 내지 1㎛의 두께를 갖는, 표면산화물 내마모성 윤활피막.
제 7 항에 있어서, 산화의 결과로서 하나가 높은 경도를 갖고 다른 하나가 낮은 경도를 가지며 상기 연질 금속의 융점보다 높은 융점을 갖는 2종의 금속산화물은 표면코팅에서 혼합되며,

산화의 결과로서 상기 낮은 경도를 갖는 금속산화물의 범위는 50% 이상이며,

상기 표면코팅은 0.1㎛ 내지 1㎛의 두께를 갖는, 표면산화물 내마모성 윤활피막 형성방법.
제 7 항에 있어서, 높은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 연질 금속의 미세입자분말의 입경은 낮은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 연질 금속의 미세입자분말의 입경보다 작으며,

산화의 결과로서 상대적으로 낮은 경도와 높은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 연질 금속 중에서 상대적으로 낮은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 연질 금속의 미세입자분말의 분출속도는 상대적으로 높은 경도를 갖는 금속산화물이 되는 연질 금속의 미세입자분말의 분출속도보다 상대적으로 낮으며,

산화의 결과로서 하나가 상대적으로 높은 경도를 갖고 다른 하나가 상대적으로 낮은 경도를 가지며 상기 연질 금속의 융점보다 높은 융점을 갖는 2종의 금속산화물은 표면코팅에서 혼합되며,

산화의 결과로서 상기 낮은 경도를 갖는 금속산화물의 범위는 80% 이상이며,

상기 표면코팅은 0.1㎛ 내지 1㎛의 두께를 갖는, 표면산화물 내마모성 윤활피막 형성방법.