KR102463833B1

KR102463833B1 - 내마모 코팅된 마찰부품 및 그 코팅방법

Info

Publication number: KR102463833B1
Application number: KR1020170171571A
Authority: KR
Inventors: 이일주; 김철호; 정민균; 주용상; 이재영
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2022-11-07
Also published as: CN109913791A; US20190177827A1; KR20190070743A; US11193194B2; DE102018208734A1

Abstract

본 발명에 의한 마찰부품 코팅방법은, 마찰부품의 내마모성을 향상시키는 코팅방법으로서, 중량%로, La₂O₃: 0.1~1.0%, 잔부 Mo으로 구성된 와이어를 제조하는 단계 및 제조된 상기 와이어를 이용하여 상기 마찰부품의 표면에 화염 용사코팅하는 단계를 포함한다.

Description

내마모 코팅된 마찰부품 및 그 코팅방법 {WEAR RESISTANCE COATED FRICTION PART AND COATING METHOD THEREOF}

본 발명은 내마모 코팅된 마찰부품 및 그 코팅방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진 및 파워트레인에서 마찰이 발생하는 부품의 내마모성을 향상시키기 위한 내마모 코팅된 마찰부품 및 그 코팅방법에 관한 것이다.

최근 엔진의 출력 향상과 기어 다단화에 의해 엔진과 파워트레인 부품은 극심한 마찰환경에서 작동하고 있다. 특히, 엔진에 적용되는 피스톤링, 크랭크샤프트와, 파워트레인 부품 중 DCT에 적용되는 시프트 포크는 상대 부품과의 접촉부에서 회전 및 결합/분리를 반복하면서 많은 마찰을 일으키게 된다.

종래에는 이러한 마찰부품의 표면에 순수 몰리브덴(Pure Mo)을 화염 용사코팅하여 내마모층을 형성시키고 있었다.

그러나 화염 용사코팅은 그 공정 특성상 표면이 고르지 못해 조도가 나빠지는 문제가 있었다. 이에 따라, 화염 용사코팅을 통해 Mo 코팅층을 형상시키더라도 전단 마모가 발생하는 문제가 여전히 발생하였다.

따라서, 화염 용사코팅을 통해 내마모성을 향상시키면서, 표면 조도를 고르게 할 수 있는 새로운 코팅 재질 및 코팅 방법이 요구되고 있는 실정이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2016-0027344 A (2016.03.10)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 표면 조도가 우수한 내마모 코팅된 마찰부품 및 그 코팅방법을 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰부품 코팅방법은, 마찰부품의 내마모성을 향상시키는 코팅방법으로서, 중량%로, La₂O₃: 0.1~1.0%, 잔부 Mo으로 구성된 와이어를 제조하는 단계 및 제조된 상기 와이어를 이용하여 상기 마찰부품의 표면에 화염 용사코팅하는 단계를 포함한다.

상기 와이어를 제조하는 단계는, 직경이 3~4mm인 와이어를 제조할 수 있다.

상기 와이어를 제조하는 단계는, La₂O₃ 및 Mo를 포함하는 잉곳을 용융시킨 후 인발하여 와이어를 제조할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰부품은, 마찰부품 본체 및 상기 마찰부품 본체의 표면에 형성되고, 중량%로, La₂O₃: 0.1~1.0%, 잔부 Mo으로 구성된 코팅층을 포함한다.

상기 코팅층은, 표면 조도가 40㎛ 이하일 수 있다.

상기 코팅층은, 직경이 50㎛를 초과하는 기공을 포함하지 않을 수 있다.

상기 마찰부품 본체는, 중량%로, C: 3.0~4.0%, Si: 2.0~3.0%, Mn: 0.2~0.6%, P: 0.1% 이하, S: 0.15% 이하, Ni 1.0% 이하, Cr 0.3% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

본 발명에 의한 내마모 코팅된 마찰부품 및 그 코팅방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 표면 조도가 우수하여 마찰에 의한 마모를 최소화시킬 수 있다.

둘째, 모재와 코팅층 사이의 접합력이 우수하여 박리를 방지할 수 있다.

셋째, 코팅층 내부의 기공이 저감되어 내마모성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰부품 코팅방법의 순서도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰부품 코팅방법에 따라 코팅층이 형성된 마찰부품의 단면 모습을 나타낸 현미경 사진,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰부품 코팅방법에 따라 코팅층이 형성된 마찰부품의 표면 모습을 나타낸 현미경 사진,
도 4는 종래의 Mo 화염 용사코팅된 마찰부품의 단면 모습을 나타낸 현미경 사진,
도 5는 종래의 Mo 화염 용사코팅된 마찰부품의 표면 모습을 나타낸 현미경 사진이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 내마모 코팅된 마찰부품 및 그 코팅방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰부품 코팅방법의 순서도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 와이어를 제조하는 단계(S100) 및 화염 용사코팅하는 단계(S200)를 포함하여 구성된다.

와이어를 제조하는 단계(S100)는, 중량%로, La₂O₃: 0.1~1.0%, 잔부 Mo으로 구성된 와이어를 제조하게 된다. 이때, 상기 조성으로 구성된 잉곳을 용융시킨 후 인발 공정을 통해 직경 3~4mm의 선재 형태로 제조하는 것이 바람직하다. 이하에서 설명하는 %는 달리 정의하지 않는 한 중량%를 의미한다.

Mo은 화염 용사코팅을 통해 내마모 코팅층을 형성시키기 위한 핵심적인 구성이다. 종래에는 순수 Mo(순도 99.99% 이상)을 이용하여 화염 용사코팅을 수행하였지만, 본 발명에서는 산화 란타넘(La₂O₃)을 더 포함하는 용사 와이어를 이용하여 화염 용사코팅을 수행하게 된다.

La₂O₃는 화염 용사코팅시 액적을 디스크(disc) 형태로 만들어 모재 표면에 얇고 넓은 코팅층을 형성시키기 위해 첨가하는 성분이다. La₂O₃을 0.1% 미만 첨가할 경우 화염 용사코팅을 수행할 때 액적을 디스크 형태로 만들 수 없고, 1.0%를 초과하여 첨가하면 Mo의 함량을 저하시켜 오히려 내마모성에 악영향을 미치므로 La₂O₃의 함량은 0.1~1.0%로 제한해야 한다.

와이어의 직경이 3mm 미만일 경우에는 화염 용사코팅 공정을 수행할 때 와이어가 용융된 액적의 공급이 원활하지 못해 코팅층이 불균일하게 형성되고, 직경이 4mm를 초과할 경우에는 화염 용사코팅용 장비에 적용이 어렵다. 따라서, 와이어의 직경은 3~4mm인 것이 바람직하다.

와이어를 제조할 때 용융 인발 공정을 거치지 않고 Mo 재질의 와이어에 La₂O₃을 도핑하여 제조할 경우에는 와이어의 표면에만 La₂O₃이 주입되므로, 액적의 형태가 디스크 타입으로 고르게 생성되지 않게 된다. 따라서, 와이어 제조시에는 Mo과 La₂O₃이 상기 조성으로 조절된 잉곳을 용융시킨 후 인발하여 제조하는 것이 바람직하다.

화염 용사코팅하는 단계(S200)는, 예를 들어 용사건속도 18~20mm/s, 압축공기 유량 22~24 SCFM(standard cubic feet per minute), 아세틸렌 유량 30~35 SCFH(standard cubic feet per hour)의 조건으로 화염 용사코팅 공정을 수행하여 마찰부품의 표면에 내마모층을 형성시킬 수 있다.

용사건속도는 단위시간당 코팅하는 면적을 결정하고, 압축공기 유량 및 아세틸렌 유량은 화염의 세기 및 토출압을 결정한다. 상술한 조건 하에서 화염 용사코팅을 진행할 경우, 약 40㎛ 이하의 조도(Rz)를 갖는 코팅층을 형성시킬 수 있다.

상술한 코팅 공정이 수행되는 대상물인 마찰부품은 예를 들어, 시프트 포크, 피스톤링, 크랭크 샤프트 등일 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰부품 코팅방법에 따라 코팅층이 형성된 마찰부품의 단면 모습을 나타낸 현미경 사진이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰부품 코팅방법에 따라 코팅층이 형성된 마찰부품의 표면 모습을 나타낸 현미경 사진이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상술한 제조방법에 따라 제조된 마찰부품은, 마찰부품 본체(100) 및 이에 코팅된 코팅층(200)으로 구성된다.

마찰부품 본체(100)는 예를 들어 시프트 포크일 수 있고, 중량%로, C: 3.0~4.0%, Si: 2.0~3.0%, Mn: 0.2~0.6%, P: 0.1% 이하, S: 0.15% 이하, Ni 1.0% 이하, Cr 0.3% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 재질로 제조될 수 있다. 코팅층(200)은 제조방법에서 상술한 바와 같이 La₂O₃: 0.1~1.0%, 잔부 Mo으로 구성된다.

이렇게 제조된 코팅층(200)은, 경도가 1000~1100Hv, 조도(Rz)가 30~40㎛, 밀착력이 6~7MPa의 특성을 가지게 된다.

특히, 화염 용사코팅시 액적이 넓게 퍼져 디스크 형태를 이루기 때문에, 표면의 조도가 우수하고, 밀착력이 높으며, 코팅층(200) 내부의 기공(P)의 크기가 작고 개수가 적어지게 된다. 이때, 코팅층(200)에 형성되는 기공(P)은 직경이 50㎛ 이하가 된다.

한편, 도 4는 종래의 Mo 화염 용사코팅된 마찰부품의 단면 모습을 나타낸 현미경 사진이고, 도 5는 종래의 Mo 화염 용사코팅된 마찰부품의 표면 모습을 나타낸 현미경 사진이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 순수 Mo을 화염 용사코팅을 이용해 코팅한 코팅층(M)은 화염 용사코팅시 액적이 방울 형태로 부착되기 때문에, 표면의 조도가 불량하고, 코팅층(M) 내부의 기공(P)의 크기가 크고 개수가 많아지게 된다. 특히, 직경이 50㎛를 초과하는 기공(P)이 형성되어 내마모성이 저하되게 된다.

마찰부품에 각각 본 발명에 따른 코팅층을 형성시킨 실시예 및 순수 Mo으로 구성된 코팅층을 형성시킨 비교예의 물성이 하기 표 1에 기재되어 있다.

구분	실시예 1	실시예 2	비교예
용사코팅 재료	0.25% La₂O₃ - Mo	0.35% La₂O₃ - Mo	Mo 100%
코팅층 두께(㎛)	100~150	100~150	100~150
경도(Hv)	1080	1012	1018
조도(Rz)	32.4㎛	32.6㎛	41.9㎛
밀착력	6.0	6.3	6.1
최대마모 깊이(㎛)	18.3	15.6	44.5

표 1에 나타난 바와 같이, 0.1~1.0%의 La₂O₃ 을 첨가한 실시예 1 및 실시예 2는 모두 32~33㎛ 수준의 우수한 조도를 나타낸 데 비해, 비교예는 40㎛를 초과하는 불량한 조도를 나타내었다. 또한, 경도 및 밀착력은 실시예들과 비교예가 동등한 수준을 나타내었다.

최대마모 깊이는 블록 온 링(block on ring, ASTM G77) 방법의 내마모성 시험을 통해 평가하였다. 블록 온 링 마모시험은 육면체 형태의 블록의 표면에 코팅층을 형성시킨 후, 이 블록을 원판 형상의 링 외주면에 접촉시킨 후, 링을 소정의 회전속도로 회전시켜 블록의 마모 깊이를 측정하는 시험이다.

시험 조건은 블록과 링 사이에 500N 하중을 인가한 상태로, 링을 다음과 같은 속도로 회전시키면서 수행하였다. 즉, 500rpm으로 1분, 1000rpm으로 1분, 1500rpm으로 1분, 2000rpm으로 1분간 총 5분간 시험하였다.

상대재인 링은 SCr420HB 강재를 침탄처리하여 제조하였다.

시험 결과, 본 발명에 따른 방법으로 형성된 코팅층은 마모깊이가 15~20㎛ 수준으로 매우 우수한 데 비해, 비교예는 40㎛를 초과하여 크게 마모된 것을 알 수 있다.

특히, 비교예의 경우 상대재가 코팅면으로 응착 전이되는 현상이 다량 발생하였는데, 이는 비교예의 조도가 불량하여 상대재를 마모시켰기 때문이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

S100: 와이어를 제조하는 단계
S200: 용사코팅하는 단계
100: 마찰부품 본체
200: 코팅층
M: 코팅층(종래)
P: 기공

Claims

마찰부품의 내마모성을 향상시키는 코팅방법으로서,
중량%로, La₂O₃: 0.1~1.0%, 잔부 Mo을 포함하는 잉곳을 용융시킨 후 인발하여 와이어를 제조하는 단계; 및
제조된 상기 와이어를 이용하여 상기 마찰부품의 표면에 화염 용사코팅하는 단계;를 포함하고,
상기 화염 용사코팅하는 단계에서 상기 와이어를 이용하여 액적을 디스크(disc) 형태로 만들어 상기 마찰부품의 표면에 코팅층을 형성하며,
상기 코팅층은 표면 조도가 40㎛ 이하이고, 직경이 50㎛를 초과하는 기공을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는, 마찰부품 코팅방법.
청구항 1에 있어서,
상기 와이어를 제조하는 단계는, 직경이 3~4mm인 와이어를 제조하는 것을 특징으로 하는, 마찰부품 코팅방법
삭제
마찰부품 본체; 및
상기 마찰부품 본체의 표면에 형성되고, 중량%로, La₂O₃: 0.1~1.0%, 잔부 Mo으로 구성된 코팅층;을 포함하고,
상기 코팅층은 액적을 디스크(disc) 형태로 만들어 상기 마찰부품 표면에 화염 용사코팅하여 형성되며,
상기 코팅층은, 표면 조도가 40㎛ 이하이며, 직경이 50㎛를 초과하는 기공을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는, 내마모 코팅된 마찰부품.
삭제
삭제
청구항 4에 있어서,
상기 마찰부품 본체는, 중량%로, C: 3.0~4.0%, Si: 2.0~3.0%, Mn: 0.2~0.6%, P: 0.1% 이하, S: 0.15% 이하, Ni 1.0% 이하, Cr 0.3% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 내마모 코팅된 마찰부품.