KR102518391B1 - 슬라이딩 부재 및 내연 엔진의 슬라이딩 부재 - Google Patents

Abstract

슬라이딩 부재(sliding member)는 기재(substrate)와, 상기 기재상에 형성된 코팅층(coating layer)을 포함한다. 상기 코팅층은, 철계 합금 입자들, 코발트계 합금 입자들, 크롬계 합금 입자들, 니켈계 합금 입자들, 몰리브덴계 합금 입자들 및 세라믹 입자들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 유형의 다수의 무기질 입자들로부터 유래된 무기질 부분; 및 다른 철계 합금 입자들, 구리 입자들 및 구리 합금 입자들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 유형의 다수의 금속 입자들로부터 유래된 금속 부분;을 포함한다. 상기 부분들은 인터페이스를 통해 결합된다. 상기 슬라이딩 부재에 있어서, 상기 기재와 코팅층 사이의 인터페이스와 상기 부분들 사이의 인터페이스 각각은 적어도 부분적으로 확산층과 금속간 화합물층 중 적어도 하나를 가지는 인터페이스 층을 포함한다. 상기 인터페이스 층은 최대 2㎛의 두께를 가진다.

Description

슬라이딩 부재 및 내연 엔진의 슬라이딩 부재

본 발명은 슬라이딩 부재(sliding member) 및 내연 엔진의 슬라이딩 부재에 관한 것이다.

종래 기술에서, 내마모성이 우수하고 상대 부재에 대한 공격성은 낮은 밸브 시트(seat)용 소결합금이 제안되었다(특허 문헌 1 참조). 이 밸브 시트용 소결합금에서, 1.0 내지 1.3 무게 퍼센트의 탄소와 1.5 내지 3.4 무게 퍼센트의 크롬 및 나머지 철과 불가피한 불순물들로 이루어진 소결합금 골격 매트릭스 내부에, 500HV 내지 900HV의 경도를 가진 경질 합금 입자들(A), 1000HV 이상의 경도를 가진 경질 합금 입자들(B), 1500HV 이상의 경도를 가진 세라믹 입자들(C), 및 CaF₂ 입자들(D)이 20 내지 30 중량%(A), 1 내지 10 중량%(B), 1 내지 10 중량%(C), 및 0.5 내지 7 중량%(D)의 비율로 (여기서, A+B+C는 40 중량%보다 적다) 분산되며, 더욱이 이 소결합금은 특히 골격 내의 비어 있는 캐비티들(vacant cavities) 내부에 구리 또는 구리 합금이 10 내지 20 중량%로 침투하는 것에 특징이 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 평6-179937호

특허문헌 1에 기재된 밸브 시트용 소결합금은 내마모성에 관해 개선의 여지가 있다.

본 발명은 종래 기술이 가진 이러한 유형의 문제점을 고려하여 발명되었다. 본 발명의 목적은, 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 실현할 수 있는 슬라이딩 부재 및 내연 엔진의 슬라이딩 부재를 제공하는 것이다.

본 발명자는 상술한 목적을 달성하기 위해 많은 연구를 수행하였다. 그 결과, 본 발명자는, 베이스 기재상에, 미리 결정된 무기질 부분(inorganic portion)과 미리 결정된 금속 부분을 포함하는 코팅층, 또는 미리 결정된 경질 재료 부분과 미리 결정된 연질 재료 부분을 포함하는 코팅층을 형성함으로써 상술한 목적을 달성할 수 있는 본 발명을 완성하는 데 성공하였다.

본 발명에 따르면, 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 실현할 수 있는 슬라이딩 부재 및 내연 엔진의 슬라이딩 부재를 제공하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 슬라이딩 부재의 단면을 보여주는 개략도이며;
도 2는 도 1에 도시된 슬라이딩 부재의, 선 Ⅱ에 의해 둘러싸인 부분의 확대도이며;
도 3은 도 1에 도시된 슬라이딩 부재의, 선 Ⅲ에 의해 둘러싸인 부분의 확대도이며;
도 4는 도 1에 도시된 슬라이딩 부재의, 선 Ⅳ에 의해 둘러싸인 부분의 확대도이며;
도 5는 도 1에 도시된 슬라이딩 부재의, 선 V에 의해 둘러싸인 부분의 확대도이며;
도 6은 도 1에 도시된 슬라이딩 부재의, 선 Ⅵ에 의해 둘러싸인 부분의 확대도이며;
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 슬라이딩 부재의 단면을 보여주는 개략도이며;
도 8은 슬라이딩 부재를 내연 엔진의 슬라이딩 영역에 통합한 내연 엔진의 슬라이딩 부재의 단면을 보여주는 개략도이며;
도 9는 슬라이딩 부재를 내연 엔진의 베어링 기구의 베어링 메탈에 통합한 내연 엔진의 베어링 기구의 단면을 보여주는 개략도이며;
도 10은 예 1의 슬라이딩 부재의 에너지 분산형 엑스선(EDX) 분석(선형 분석)의 결과를 보여주는 그래프이며;
도 11은 예 3의 슬라이딩 부재의 에너지 분산형 엑스선(EDX) 분석(선형 분석)의 결과를 보여주는 그래프이다.

이하에서, 본 발명의 실시예에 따른 슬라이딩 부재 및 내연 엔진의 슬라이딩 부재가 상세하게 설명될 것이다.

제1 실시예

먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 슬라이딩 부재가 도면들을 참조하면서 상세하게 설명될 것이다. 몇몇의 경우에, 아래의 실시예들에서 인용되는 도면들 내의 치수들의 비율은 설명의 편의를 위해 과장될 수 있으며, 이에 따라 실제 비율과는 다를 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 슬라이딩 부재의 단면을 보여주는 개략도이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 슬라이딩 부재의, 선 Ⅱ에 의해 둘러싸인 부분의 확대도이다. 또한, 도 3은 도 1에 도시된 슬라이딩 부재의, 선 Ⅲ에 의해 둘러싸인 부분의 확대도이다. 또한, 도 4는 도 1에 도시된 슬라이딩 부재의, 선 Ⅳ에 의해 둘러싸인 부분의 확대도이다. 또한, 도 5는 도 1에 도시된 슬라이딩 부재의, 선 V에 의해 둘러싸인 부분의 확대도이다. 또한, 도 6은 도 1에 도시된 슬라이딩 부재의, 선 Ⅵ에 의해 둘러싸인 부분의 확대도이다.

도 1 내지 6에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 슬라이딩 부재(1)는 베이스 기재(base substrate)(10)와, 베이스 기재(10) 상에 형성된 코팅층(coating layer)(20)을 포함한다. 그리고, 상기 코팅층(20)은 적어도 하나의 미리 결정된 무기질 부분(inorganic portion)(21)과 적어도 하나의 미리 결정된 금속 부분(23)을 포함한다. 더욱이, 상기 코팅층(20)에서, 이러한 부분들(예를 들어, 두 개의 무기질 부분들(21, 21), 또는 무기질 부분(21)과 금속 부분(23), 또는 두 개의 금속 부분들(23, 23))은 인터페이스를 통해 함께 결합된다. 또한, 특히 한정하는 것으로서 생각하여서는 안되지만, 상기 코팅층(20)은 기공들(pores)(20c)도 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

도 2 내지 6에 도시된 바와 같이, 상기 베이스 기재(10)와 코팅층(20) 사이의 인터페이스에, 그리고 부분들 사이(예를 들어, 두 개의 무기질 부분들(21, 21)의 사이, 또는 무기질 부분(21)과 금속 부분(23)의 사이, 또는 두 개의 금속 부분들(23, 23) 사이)의 인터페이스에, 이 슬라이딩 부재(1)는 인터페이스 층들(11, 22 및 24)을 포함하며, 상기 인터페이스 층들(11, 22 및 24)은 인터페이스들 중 하나의 적어도 일부에 확산층과 금속간 화합물층 중 적어도 하나를 포함한다. 다시 말하면, 이러한 인터페이스 층은 무기질 부분 또는 금속 부분과 베이스 기재 사이의 인터페이스, 또는 두 개의 무기질 부분들 사이의 인터페이스, 또는 무기질 부분과 금속 부분 사이의 인터페이스, 또는 두 개의 금속 부분들 사이의 인터페이스 등이 될 수 있다. 이러한 인터페이스 층의 두께는 2㎛ 이하이다.

여기서, 상기 미리 결정된 무기질 부분은, 철계 합금 입자(iron based alloy particles), 코발트계 합금 입자, 크롬계 합금 입자, 니켈계 합금 입자, 몰리브덴계 합금 입자, 및 세라믹 입자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 유형의 무기질 입자들로부터 얻은 재료이다.

상기 미리 결정된 금속 부분은, 상기 그룹의 목록 이외의 철계 합금 입자, 구리 입자, 및 구리 합금 입자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 유형의 급속 입자들로부터 얻은 재료이다.

특히 한정하는 것으로 생각하여서는 안 되지만, 도 5와 6에 도시된 바와 같이, 상기 베이스 기재(10)는 평탄한 오목부(flattened concave portion)로 이루어진 소성 변형부(10b)를 포함한다. 또한, 도면들에 도시되어 있지 않지만, 베이스 기재가 평탄한 오목부로 이루어진 이러한 소성 변형부를 포함하지 않는 경우도 당연히 본 발명의 범위 내에 포함된다는 것을 이해하여야 한다.

또한, 특히 한정하는 것으로 생각하여서는 안 되지만, 도 2 내지 6에 도시된 바와 같이, 상기 코팅층(20)은 평탄한 형상을 가진 금속 부분(23)과 무기질 부분(21)이 축적된 구조를 가진 소성 변형부(20a)를 포함한다. 또한, 도면들에 도시되어 있지 않지만, 코팅층이 평탄한 형상을 가진 금속 부분과 무기질 부분 중 하나 또는 둘 다가 축적된 구조를 가진 소성 변형부를 포함하지 않는 경우도 당연히 본 발명의 범위 내에 포함된다는 것을 이해하여야 한다.

또한, 특히 한정하는 것으로 생각하여서는 안 되지만, 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 상기 코팅층(20)은 평탄한 오목부로서 형성된 금속 부분(23)과 무기질 부분(21)으로 이루어진 소성 변형부(20b)와, 평탄한 형상을 가진 금속 부분(23)과 무기질 부분(21)이 축적된 구조를 가진 소성 변형부(20a)를 포함한다. 도면들에 도시되어 있지 않지만, 코팅층이 평탄한 오목부로서 형성된 금속 부분과 무기질 부분으로 이루어진 소성 변형부를 포함하지 않고 및/또는 평탄한 형상을 가진 금속 부분과 무기질 부분이 축적된 구조를 가진 소성 변형부를 포함하지 않는 경우도 당연히 본 발명의 범위 내에 포함된다는 것을 이해하여야 한다.

상기한 바와 같이, 이 실시예의 슬라이딩 부재는 베이스 기재와 베이스 기재 상에 형성된 코팅층을 포함하는 슬라이딩 부재이며, 상기 코팅층은 미리 결정된 무기질 부분과 미리 결정된 금속 부분을 포함하고, 이러한 두 개의 부분들은 인터페이스를 통해 함께 결합된다. 또한, 상기 슬라이딩 부재는 베이스 기재와 코팅층 사이의 인터페이스 및 상기한 부분들 사이의 인터페이스 중 하나의 적어도 일부에 확산층과 금속간 화합물층 중 적어도 하나를 포함하는 인터페이스 층을 가지며, 상기 인터페이스 층의 두께는 2㎛ 이하이고, 이에 따라 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 가진다.

다시 말하면, 소결 공정을 수행함으로써 얻어진 코팅층을 가진 슬라이딩 부재와 비교하면, 이 실시예의 슬라이딩 부재는 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 가진다. 또한, 소결 공정을 수행함으로써 얻어진 코팅층을 가진 슬라이딩 부재와 비교하면, 이 실시예의 슬라이딩 부재는 무기질 부분의 비례 함량이 비교적 낮은 경우에도 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 가진다. 더욱이, 열전도율이 높지 않은 무기질 부분 및/또는 금속 부분을 가진 코팅층을 가진 경우에도, 인터페이스 층 각각의 두께가 2㎛ 이하이기 때문에, 열전도율의 저하를 억제하거나 방지할 수 있으므로, 이 슬라이딩 부재는 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 가진다.

다른 한편, 인터페이스 층들 중 적어도 하나의 두께가 2㎛보다 클 때에는, 무기질 부분 내에 포함된 성분이 베이스 기재, 또는 바람직하게는 베이스 재료 등으로서 역할을 하는 금속 부분 내부로 확산되기 때문에 원하는 유익한 효과를 달성할 수 없다. 현시점에서 투과 전자 현미경(TEM) 단면 영상 또는 에너지 분산형 엑스선(EDX) 분석에 의한 인터페이스 층의 검출에 대한 한계를 고려해 볼 때, 인터페이스 층의 두께의 하한(lower limit)은 대략 30nm라는 것을 이해하여야 한다. 또한, 인터페이스 층의 두께는 바람직하게는 1㎛ 이하이며, 더욱 바람직하게는 0.5㎛ 이하이지만, 이는 특히 한정하는 것으로 생각하여서는 안 된다. 더욱이, 특히 한정하는 것으로 생각하여서는 안 되지만, 상기 인터페이스 층의 두께는 바람직하게는 0.03㎛ 이상이며, 더욱 바람직하게는 0.05㎛ 이상이고, 더더욱 바람직하게는 0.1㎛ 이상이다.

또한, 이러한 슬라이딩 부재에서는, 베이스 기재와 코팅층 중 적어도 하나가 적어도 하나의 소성 변형부를 포함하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 더욱 우수한 내마모성과 열전도율을 실현하는 것이 가능하다.

현시점에서, 상술한 유익한 효과는 아래의 이유들 중 적어도 하나에 기인하여 얻어지는 것으로 생각된다.

예를 들어, 이 슬라이딩 부재를 제조하는 방법에 사용되는 원재료의 일부인 상술한 무기질 입자들 또는 금속 입자들을 베이스 기재상에 분무할 때, 그들의 운동 에너지 중 일부가 열 에너지로 변환되고, 무기질 입자들 또는 금속 입자들과 베이스 기재 사이에 소결 공정의 경우와 비교하여 매우 짧은 시간 내에 용착 또는 원자 확산이 일어난다. 또한, 몇몇의 경우에, 무기질 입자들 또는 금속 입자들과 베이스 기재에 부착된 무기질 부분 또는 금속 부분 사이에서도 소결 공정의 경우와 비교하여 매우 짧은 시간 내에 용착 또는 원자 확산이 일어난다. 또한, 무기질 입자들 또는 금속 입자들이 베이스 기재와 충돌하거나 또는 베이스 기재에 부착된 무기질 부분 또는 금속 부분과 충돌하여 소성 변형이 일어날 때 열이 발생하여, 때때로 용착 또는 원자 확산이 일어난다. 상술한 유익한 효과들은, 상술한 현상으로 인해, 무기질 부분 및/또는 금속 부분과 베이스 기재 사이의 부착, 및/또는 무기질 부분과 금속 부분 등과 같은 부분들 사이의 부착이 향상되는 사실의 결과라고 생각될 수 있다. 환언하면, 이는 또한 무기질 부분 또는 금속 부분과 베이스 기재 사이의 부착, 및/또는 무기질 부분과 금속 부분 등 사이의 부착이, 베이스 기재와 코팅층 사이의 인터페이스와 다양한 부분들 사이의 인터페이스 층들 중 적어도 하나의 적어도 부분에 확산층과 금속간 화합물층 중 적어도 하나를 가지는 두께 2㎛ 이하의 인터페이스 층의 형성에 의해 강화되기 때문인 것으로 생각된다.

또한, 상술한 유익한 효과들은, 상술한 바와 같은 무기질 입자들 또는 금속 입자들이 베이스 기재상에 분무될 때, 베이스 기재 내부 또는 베이스 기재에 부착된 무기질 부분 또는 금속 부분 내부로 침입하는 무기질 입자들 또는 금속 입자들에 기인한 앵커링 효과(anchoring effect)의 결과로서, 무기질 부분 또는 금속 부분과 베이스 기재 사이의 부착 및/또는 무기질 부분 또는 금속 부분 등과 같은 다양한 부분들 사이의 부착이 강화되는 사실의 결과라고 생각될 수 있다. 환언하면, 상술한 유익한 효과들은, 무기질 부분 또는 금속 부분과 베이스 기재 사이의 부착, 또는 무기질 부분 또는 금속 부분 등과 같은 다양한 부분들 사이의 부착이 적어도 하나의 소성 변형부의 형성에 기인하여 강화된다는 사실에 기인한 것을 생각될 수 있다.

더욱이, 상술한 유익한 효과들은, 예를 들어 상술한 무기질 입자들과 금속 입자들이 베이스 기재상에 분무될 때, 만약, 예를 들어 베이스 기재가 그 표면상에 베이스 기재와 코팅층 사이의 부착을 저해하는 산화층을 가진 경우에, 이 산화층은 무기질 입자들 또는 금속 입자들에 의해 제거됨으로써, 코팅층에 대한 부착성이 우수한 새롭게 생성된 인터페이스가 베이스 기재상에 형성되어 노출되는 사실의 결과라고 생각될 수 있다.

그러나 당연하게도, 상술한 바와 같은 유익한 효과들이 상기한 것과 다른 이유들에 기인하여 얻어진 것이라 할지라도, 이는 여전히 본 발명의 범위 내에 들어온다.

본 발명에서, "부분들은 인터페이스를 통해 함께 결합된다"라는 표현은 용착(deposition), 원자 확산, 침입 및 소성 변형부의 형성 중 적어도 하나를 의미하는 것으로 이해하여야 한다.

이제, 다양한 구성요소들이 더 상세하게 설명될 것이다.

특히 한정하는 것으로 생각하여서는 안 되지만, 상술한 베이스 기재로는, 이하에서 상세하게 설명될 슬라이딩 부재의 제조 방법, 다시 말해 코팅층의 형성 방법에 적용될 수 있는 금속 재료가 바람직하다. 더욱이, 슬라이딩 부재가 내연 엔진의 슬라이딩 부재로서 채용되는 경우에는, 당연히, 베이스 기재로서 슬라이딩 부재가 적용되는 고온 환경에 채용될 수 있는 재료가 바람직하다.

그리고, 금속 재료로는, 예를 들어, 종래 기술로 알려진 알루미늄 또는 철, 티타늄, 구리 등의 합금을 적용하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 이러한 알루미늄 합금으로서, 일본 산업 표준 재료에 규정된 AC2A, AC8A, ADC12 등을 적용하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 철 합금으로서, 예를 들어, 일본 산업 표준에 규정된 SUS304, 철계 소결합금 등을 적용하는 것이 바람직하고, 또한, 이러한 구리 합금으로는, 예를 들어, 베릴륨-구리 또는 구리계 소결합금 등을 적용하는 것이 바람직하다.

또한, 상술한 코팅층의 기공률(porosity)에 관하여, 특히 한정하는 것으로 생각되어서는 안 된다. 예를 들어, 코팅층의 기공률이 높은 경우 그 강도가 불충분하며 내마모성과 열전도율이 저하될 수 있다는 점에서, 코팅층의 기공률은 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 또한, 높은 열전도율을 가진 슬라이딩 부재를 제조할 수 있는 가능성의 관점에서, 코팅층의 단면적 기공률은 3% 이하인 것이 바람직하고, 1% 이하인 것이 더 바람직하며, 0%인 것이 더욱 더 바람직하다. 현시점에서, 면적 기공률(area porosity)을 0.1%까지 감소시키는 것이 가능하기 때문에, 우수한 내마모성, 우수한 열전도율, 생산성 향상 등의 양호한 밸런스를 실현 가능한 관점에서, 면적 기공률을 0.1% 내지 3%로 낮추는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 유형의 범위에 어떠한 제한도 없으며, 당연히, 본 발명의 유익한 효과를 나타내는 것이 가능하다면, 면적 기공률은 이 범위를 벗어날 수 있다. 더욱이 코팅층의 단면 기공률은, 예를 들어, 주사형 전자 현미경(SEM) 등에 의해 얻어진 코팅층의 단면 이미지의 관찰에 의해 얻어지거나, 또는 주사형 전자 현미경(SEM) 등에 의해 얻어진 디지털화 된 단면 이미지의 이미지 처리에 의해 산출될 수 있다.

또한, 상술한 코팅층의 두께는 특히 한정하는 것으로 생각되어서는 안 된다. 다시 말하면, 코팅층의 두께는 적용될 부위의 온도와 슬라이딩 환경에 따라 적절하게 조절될 수 있으며, 예를 들어, 0.05mm 내지 5.0mm의 두께가 바람직하고, 0.1mm 내지 2.0mm의 두께가 더 바람직하다. 만약, 두께가 0.05mm보다 작으면, 코팅층의 강성이 충분하지 않아서, 일부의 경우에, 특히 베이스 기재의 강도가 낮은 경우에, 소성 변형이 일어날 수 있다. 또한, 두께가 10mm보다 큰 경우에는, 층 형성 중에 발생하는 잔류응력과 인터페이스 부착 강도 사이의 관계로 인해, 코팅층의 분리가 일어날 가능성이 있다.

또한, 상기한 무기질 입자들로는, 철계 합금 입자들, 코발트계 합금 입자들, 크롬계 합금 입자들, 니켈계 합금 입자들, 몰리브덴계 합금 입자들, 또는 세라믹 입자들이 인용될 수 있다. 또한, 상기한 세라믹 입자들로는, 슬라이딩 부재에 적용하기 위해 종래 기술에서 알려진 세라믹 입자들이 채용될 수 있다. 단일 유형의 무기질 입자들이 적용되거나, 또는 두 개 이상의 유형의 무기질 입자들이 조합으로 적용될 수 있다. 이러한 입자들이 적용되는 슬라이딩 부재는 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 가진다.

또한, 상기한 철계 합금의 구체적인 예로는, Fe-28Cr-16Ni-4.5Mo-1.5Si-1.75C 등과 같은 경질 철계 합금이 인용될 수 있다. 또한, 상기한 코발트계 합금의 구체적인 예로는, 예를 들어, TRIBALOY(등록 상표) T-400 등과 같은 경질 코발트계 합금, 또는 Stellite(등록상표) 6 등과 같은 경질 코발트계 합금이 인용될 수 있다. 추가적으로, 상기한 니켈계 합금의 구체적인 예로는, TRIBALOY(등록상표) T-700 또는 Ni700(등록상표)(Ni-32Mo-16Cr-3.1Si) 등과 같은 경질 니켈계 합금이 인용될 수 있다. 이로 인해, 더욱 우수한 내마모성과 열전도율을 실현할 수 있다.

무기질 부분의 비커스 경도는 500HV 이상이고 1500HV 이하인 것이 바람직하지만, 이는 특히 한정하는 것으로 생각하여서는 안 된다. 이로 인해, 더욱 우수한 내마모성과 열전도율을 실현하는 것이 가능하다.

또한, 금속 부분의 비커스 경도는 500HV보다 작은 것이 바람직하지만, 이는 특히 한정하는 것으로 생각하여서는 안 된다. 그리고, 상기한 그룹 내의 목록 이외의 철계 합금 입자들로부터 유래한 금속 부분의 비커스 경도의 하한은 150HV 이상인 것이 바람직하고, 200HV 이상인 것이 더 바람직하며, 심지어 300HV 이상인 것이 더욱 더 바람직하지만, 이는 특히 한정하는 것으로 생각하여서는 안 된다. 또한, 구리 입자들 또는 구리계 합금 입자들로부터 유래한 금속 부분의 비커스 경도의 하한은 80HV 이상인 것이 바람직하지만, 이는 특히 한정하는 것으로 생각하여서는 안 된다. 이로 인해, 더욱 우수한 내마모성과 열전도율을 실현하는 것이 가능하다.

오스테나이트 상(austenite phase)을 가진 스테인리스 강, 다시 말해 오스테나이트 스테인리스 강은 상기한 다른 철계 합금의 적절한 예로서 인용될 수 있다. 예를 들어, 오스테나이트 스테인리스 강으로는 일본 산업 표준에 규정된 SUS316L 또는 SUS304L 등을 적용하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 더욱 우수한 내마모성과 열전도율을 실현하는 것이 가능하다.

또한, 상기한 구리 또는 구리 합금으로는, 예를 들어, 순수 구리, 또는 합금 50 질량% 이상의 구리를 함유한 합금, 또는 Corson 합금과 같은 석출경화형 구리 합금 등이 인용될 수 있다. 보다 구체적으로, 순수 구리 또는 백동(cupronickel), 또는 석출경화형 구리 합금 등이 적절한 예로서 인용될 수 있다. 이로 인해, 더욱 우수한 내마모성과 열전도율을 실현하는 것이 가능하다.

여기서, 다양한 부분들(예컨대, 무기질 부분 또는 금속 부분 등) 또는 입자들(예컨대, 무기질 입자 또는 금속 입자 등)의 경도는, 예를 들어, 일본 산업 표준에 의해 규정된 비커스 경도 시험(JIS Z2244)에 따라서 측정되고 계산된 비커스(Vickers) 경도로 표현될 수 있다. 또한, 예를 들어 코팅층을 위한 비커스 경도에서, 무기질 부분 또는 금속 부분에 대해서는, 대략 3 ~ 30개의 위치에서 그리고 적어도 3 ~ 5개의 위치에서, 무기질 입자들 또는 금속 입자들에 대해서는, 대략 3 ~ 30개 그리고 적어도 3 ~ 5개에 대해 얻어진 측정값들에 의해 계산된 평균값이 적용될 수 있다. 추가적으로, 다양한 부분들을 위한 비커스 경도를 측정 및 산출할 때, 요구에 따라, 코팅층 등의 주사형 전자 현미경(SEM) 이미지 및/또는 투과형 전자 현미경(TEM) 이미지의 관찰, 또는 에너지 분산형 엑스선(EDX) 분석 등이 결합될 수 있다.

이하에서 설명되는 예들과 실질적으로 유사한 방법에 의해 베이스 기재상에 코팅층을 형성하는 경우, Fe-28Cr-16Ni-4.5Mo-1.5Si-1.75C의 비커스 경도는 대략 624HV이고, TRIBALOY(등록상표) T-400의 비커스 경도는 대략 792HV이며, Stellite(등록상표) 6의 비커스 경도는 대략 676HV이고, TRIBALOY(등록상표) T-700의 비커스 경도는 대략 779HV이며, NI700(등록상표)의 비커스 경도는 대략 779HV 내지 836HV이다.

무기질 부분의 영률(Young's modulus)은 100GPa 이상인 것이 바람직하고, 150GPa 이상인 것이 더 바람직하며, 200GPa 이상인 것이 더욱더 바람직하지만, 이는 특히 한정하는 것으로 생각되어서는 안 된다. 그리고, 무기질 부분의 영률의 상한은 1000GPa 이하인 것이 바람직하고, 500GPa 이하인 것이 더 바람직하며, 300GPa 이하인 것이 더욱더 바람직하지만, 이는 특히 한정하는 것으로 생각되어서는 안 된다. 이로 인해, 우수한 내마모성, 열전도율, 및 변형 저항성을 실현할 수 있다.

여기서, 다양한 부분들(예컨대, 무기질 부분, 금속 부분 등)과 입자들(예컨대, 무기질 입자, 금속 입자 등)의 영률은, 시편을 마이크로 압입시험기(micro indenter)(MTS System 사에 의해 제조된 Nano Indenter XP)의 스테이지 상에 고정시키고 삼각뿔 형상의 압입기(Berkovich)를 사용하여 연속 강성 측정(MTS System의 특허 기술)을 5회 반복 수행함으로써 데이터를 얻음으로써 측정된다. 영률을 대략 800nm의 접촉 깊이에서 수치 값으로 산출하는 분석 조건하에서, 상기한 바와 같이 얻어진 데이터를 분석함으로써 측정될 수 있다.

또한, 특히 한정하는 것으로 생각되어서는 안 되지만, 확산층과 금속간 화합물층 중 적어도 하나는 확산층 또는 금속간 화합물층 중 하나이거나, 확산층과 금속간 화합물층 둘 다를 포함할 수 있다. 확산층의 바람직한 예로서 조성이 점차 변하는 구조를 가진 확산층이 사용될 수 있다. 그러나, 확산층은 이러한 조성이 점차 변하는 구조를 가진 것으로 한정되지는 않는다. 또한, 특히 한정하는 것으로 생각되어서는 안 되지만, 금속간 화합물층을 포함하는 구조의 바람직한 예로서 금속간 화합물층이 조성이 점차 변하는 구조를 가진 확산층들 사이에 끼워진 구조가 사용될 수 있다. 이러한 확산층 또는 금속간 화합물층 등과 같은 층은, 예를 들어, 베이스 기재, 미리 결정된 무기질 부분, 미리 결정된 금속 부분 등에 포함되는 성분 원소들로 구성된다. 구체적으로, 베이스 기재로서 알루미늄 합금이 채용되고 금속 부분으로서 오스테나이트 스테인리스 강이 채용된 경우에, 몇몇의 경우에 성분 원소들로서 알루미늄과 오스테나이트 스테인리스 강을 가진 합금으로 만들어진 층이 형성된다. 또한, 베이스 기재로서 알루미늄 합금이 채용되고 무기질 부분으로서 코발트계 합금이 채용된 경우에, 몇몇의 경우에 성분 원소들로서 알루미늄과 코발트를 가진 합금으로 만들어진 층이 형성된다. 그러나, 본 발명은 이러한 경우들에 한정되는 것으로 생각되어서는 안 되며; 예를 들어 베이스 기재로서 알루미늄 합금이 채용되고 무기질 부분으로서 니켈계 합금이 채용된 경우에, 몇몇의 경우에 알루미늄과 니켈을 가진 합금으로 만들어진 층이 형성된다.

특히 한정하기 위한 것으로 의도된 것은 아니지만, 더욱 우수한 내마모성과 열전도율을 보장하기 위한 관점에서, 코팅층의 단면 내의 미리 결정된 무기질 부분의 비율은 1 내지 50 면적%가 되는 것이 바람직하고, 10 내지 50 면적%가 더 바람직하며, 10 내지 50 면적%가 더욱 더 바람직하고; 특히 이 비율은 10 내지 20 질량%가 되는 것이 더욱 더 바람직하다. 그러나, 상기 비율은 그 범위에 있어서 어떠한 제한이 있는 것은 아니며, 이 발명의 유익한 효과들을 나타낼 수 있다면, 당연히 그 비율은 이 범위를 벗어나더라도 용인될 수 있을 것이다. 또한, 코팅층의 단면에서, 무기질 부분의 비율은, 예를 들어, 코팅층의 단면의 주사형 전자 현미경(SEM) 이미지를 관찰하거나, 또는 주사형 전자 현미경(SEM) 등에 의해 얻어진 디지털화 된 단면 이미지의 이미지 처리를 수행함에 의해 산출될 수 있다. 또한, 당연히, 단면의 관찰에 의해 산출된 면적 %는 부피 %로 평가될 수 있으며, 부피 %는 각각의 입자들의 밀도를 사용하여 중량 %로 변환될 수 있다.

상기한 바와 같이, 더욱 우수한 내마모성과 열전도율을 보장하는 관점으로부터, 코팅층의 단면 내의 무기질 부분의 비율은 1 내지 50 면적%인 것이 바람직하며, 다른 한편으로, 높은 열전도율이 반드시 요구되지 않고, 우수한 내마모성이 요구되는 경우에는, 코팅층의 단면 내의 무기질 부분의 비율이 50 내지 99 면적% 인 경우도 문제되지 않는다는 것을 이해하여야 한다.

제2 실시예

다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 슬라이딩 부재가 도면들을 참조하면서 상세하게 설명될 것이다. 상기한 실시예와 관련하여 설명된 것과 동등한 요소들에는 동일한 참조 기호들이 붙을 것이며, 그 설명은 단축될 것이다.

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 슬라이딩 부재의 단면을 보여주는 개략도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 슬라이딩 부재(2)는 베이스 기재(10)와, 베이스 기재(10) 상에 형성된 코팅층(20)을 포함한다. 상기 코팅층(20)은 미리 결정된 경질 재료 부분(21A)과 미리 결정된 연질 재료 부분(23A)을 포함한다. 또한, 코팅층(20) 내에서, 이 부분들은 인터페이스를 통해 함께 결합된다. 상기 코팅층은 기공들(20c)을 포함할 수 있지만, 이는 특히 한정하는 것으로 생각되어서는 안 된다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 상기 베이스 기재(10)는 코팅층(20)과의 인터페이스 전체의 위에 평탄한 오목부로 이루어진 소성 변형부(10b)를 포함할 수 있으나, 이는 특히 한정하는 것으로 간주되어서는 안 된다.

베이스 기재(10)와 코팅층(20) 사이의 인터페이스와 다양한 부분들 사이(예컨대, 두 개의 경질 재료 부분들(21A, 21A) 사이, 또는 무기질 부분(21A)과 금속 부분(23A) 사이, 또는 두 개의 금속 부분들(23A, 23A) 사이)의 인터페이스들 중 적어도 하나의 적어도 부분에, 이 슬라이딩 부재(2)는 확산층과 금속간 화합물층 중 적어도 하나를 포함하는 인터페이스 층을 포함한다. 다시 말해서, 인터페이스 층은, 경질 재료 부분 또는 연질 재료 부분과 베이스 기재 사이의 인터페이스, 또는 두 개의 경질 재료 부분들 사이의 인터페이스, 또는 경질 재료 부분과 연질 재료 부분 사이의 인터페이스, 또는 두 개의 연질 재료 부분들 사이의 인터페이스 등으로서 형성될 수 있다. 이 인터페이스 층의 두께는 2㎛ 이하이다. 이 실시예의 슬라이딩 부재(2)에 관해서도 도 2 내지 6을 참조할 수 있다. 이 경우에, 도 2 내지 6의 무기질 부분들(21)은 경질 재료 부분들(21A)로서 해석되어야 하며, 금속 부분들(23)은 연질 재료 부분들(23A)로서 해석되어야 한다.

여기서, 미리 결정된 경질 재료 부분은 비커스 경도가 500HV 이상이고 1500HV 이하인 재료이며; 경질 재료 입자들로부터 유래된 경우에 그 성분은 특히 한정되지 않는다. 또한, 미리 결정된 연질 재료 부분은 비커스 경도가 500HV보다 작은 재료이며, 연질 재료 입자들로부터 유래된 경우에 그 성분은 특히 한정되지 않는다.

상술한 바와 같이, 본 실시예의 슬라이딩 부재는 베이스 기재와, 베이스 기재상에 형성된 코팅층을 포함하는 슬라이딩 부재이며, 상기 코팅층은 미리 결정된 경질 재료 부분과 미리 결정된 연질 재료 부분을 포함하고, 이 두 개의 부분들은 인터페이스에 의해 함께 결합되며, 상기 슬라이딩 부재는 인터페이스 층을 가지며, 상기 인터페이스 층은, 베이스 기재와 코팅층 사이의 인터페이스와 상기한 부분들 사이의 인터페이스들 중 하나의 적어도 일부에 확산층과 금속간 화합물층 중 적어도 하나를 포함하며, 인터페이스 층의 두께는 2㎛ 이하이고, 이에 따라 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 가진다.

다시 말해서, 소결 공정을 수행함으로써 얻어진 코팅층을 가진 슬라이딩 부재와 비교하면, 본 실시예의 슬라이딩 부재는 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 가진다. 또한, 소결 공정을 수행함으로써 얻어진 코팅층을 가진 슬라이딩 부재와 비교하면, 본 실시예의 슬라이딩 부재는 경질 재료 부분의 비례 함량이 비교적 낮은 경우에도 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 가진다. 더욱이, 열전도율이 높지 않은 경질 재료 부분 및/또는 연질 재료 부분을 가진 코팅층을 가진 경우에도, 인터페이스 층의 두께가 2㎛ 이하이기 때문에, 열전도율의 저하를 억제하거나 방지할 수 있으므로, 이 슬라이딩 부재는 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 가진다.

다른 한편, 인터페이스 층의 두께가 2㎛보다 클 때에는, 경질 재료 부분 내에 포함된 성분이, 예를 들어, 베이스 기재 내부로, 또는 바람직하게는 베이스 재료 등으로 이루어진 연질 재료 부분 내부로 확산되기 때문에 원하는 유익한 효과를 달성할 수 없다. 현시점에서 투과 전자 현미경(TEM) 단면 영상 또는 에너지 분산형 엑스선(EDX) 분석에 의한 인터페이스 층의 검출에 대한 한계를 고려해 볼 때, 인터페이스 층의 두께의 하한(lower limit)은 대략 30nm라는 것을 이해하여야 한다. 또한, 인터페이스 층의 두께는 바람직하게는 1㎛ 이하이며, 더욱 바람직하게는 0.5㎛ 이하이지만, 이는 특히 한정하는 것으로 생각하여서는 안 된다. 더욱이, 특히 한정하는 것으로 생각하여서는 안 되지만, 상기 인터페이스 층의 두께는 바람직하게는 0.03㎛ 이상이며, 더욱 바람직하게는 0.05㎛ 이상이고, 더더욱 바람직하게는 0.1㎛ 이상이다.

또한, 이러한 슬라이딩 부재에서는, 베이스 기재와 코팅층 중 적어도 하나가 적어도 하나의 소성 변형부를 포함하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 더욱 우수한 내마모성과 열전도율을 실현하는 것이 가능하다.

현시점에서, 상술한 유익한 효과는 아래의 이유들 중 적어도 하나에 기인하여 얻어지는 것으로 생각된다.

예를 들어, 이 슬라이딩 부재를 제조하는 방법에 사용되는 원재료의 일부인 상술한 경질 재료 입자들 또는 연질 재료 입자들 베이스 기재상에 분무할 때, 그들의 운동 에너지 중 일부가 열 에너지로 변환되고, 경질 재료 입자들 또는 연질 재료 입자들과 베이스 기재 사이에 소결 공정의 경우와 비교하여 매우 짧은 시간 내에 용착 또는 원자 확산이 일어난다. 또한, 몇몇의 경우에, 경질 재료 입자들 또는 연질 재료 입자들과 베이스 기재에 부착된 경질 재료 부분 또는 연질 재료 부분 사이에서도 소결 공정의 경우와 비교하여 매우 짧은 시간 내에 용착 또는 원자 확산이 일어난다. 또한, 경질 재료 입자들 또는 연질 재료 입자들이 베이스 기재와 충돌하거나 또는 베이스 기재에 부착된 경질 재료 부분 또는 연질 재료 부분과 충돌하여 소성 변형이 일어날 때 열이 발생하여, 때때로 용착 또는 원자 확산이 일어난다. 상술한 유익한 효과들은, 상술한 현상으로 인해, 경질 재료 부분 및/또는 연질 재료 부분과 베이스 기재 사이의 부착, 및/또는 경질 재료 부분과 연질 재료 부분 등과 같은 부분들 사이의 부착이 향상되는 사실의 결과라고 생각될 수 있다. 환언하면, 이는 또한 경질 재료 부분 또는 연질 재료 부분과 베이스 기재 사이의 부착, 및/또는 경질 재료 부분과 연질 재료 부분 등 사이의 부착이, 베이스 기재와 코팅층 사이의 인터페이스와 다양한 부분들 사이의 인터페이스 층들 중 적어도 하나의 적어도 부분에 확산층과 금속간 화합물층 중 적어도 하나를 가지는 두께 2㎛ 이하의 인터페이스 층의 형성에 의해 강화되기 때문인 것으로 생각된다.

또한, 상술한 유익한 효과들은, 상술한 바와 같은 경질 재료 입자들 또는 연질 재료 입자들이 베이스 기재상에 분무될 때, 베이스 기재 내부 또는 베이스 기재에 부착된 연질 재료 부분 또는 연질 재료 부분 내부로 침입하는 경질 재료 입자들 또는 연질 재료 입자들에 기인한 앵커링 효과(anchoring effect)의 결과로서, 경질 재료 부분 또는 연질 재료 부분과 베이스 기재 사이의 부착 및/또는 경질 재료 부분 또는 연질 재료 부분 등과 같은 다양한 부분들 사이의 부착이 강화되는 사실의 결과라고 생각될 수 있다. 환언하면, 상술한 유익한 효과들은, 경질 재료 부분 또는 연질 재료 부분과 베이스 기재 사이의 부착, 또는 경질 재료 부분 또는 연질 재료 부분 등과 같은 다양한 부분들 사이의 부착이 적어도 하나의 소성 변형부의 형성에 기인하여 강화된다는 사실에 기인한 것을 생각될 수 있다.

더욱이, 상술한 유익한 효과들은, 예를 들어 상술한 경질 재료 입자들과 연질 재료 입자들이 베이스 기재상에 분무될 때, 만약, 예를 들어 베이스 기재가 그 표면상에 베이스 기재와 코팅층 사이의 부착을 저해하는 산화층을 가진 경우에, 이 산화층은 경질 재료 입자들 또는 연질 재료 입자들에 의해 제거됨으로써, 코팅층에 대한 부착성이 우수한 새롭게 생성된 인터페이스가 베이스 기재상에 형성되어 노출되는 사실의 결과라고 생각될 수 있다.

그러나 당연하게도, 상술한 바와 같은 유익한 효과들이 상기한 것과 다른 이유들에 기인하여 얻어진 것이라 할지라도, 이는 여전히 본 발명의 범위 내에 들어온다.

이제, 다양한 구성요소들이 더 상세하게 설명될 것이다.

상술한 경질 재료 입자들의 비커스 경도는 500HV 이상이고 1500HV 이하인 것이 바람직하다. 철계 합금 입자들, 코발트계 합금 입자들, 크롬계 합금 입자들, 니켈계 합금 입자들, 몰리브덴계 합금 입자들, 세라믹 입자들 등이 상술한 경질 재료 입자들의 바람직한 예로서 인용될 수 있다. 또한, 상기한 세라믹 입자들로는, 슬라이딩 부재에 적용하기 위해 종래 기술에서 알려진 세라믹 입자들이 채용될 수 있다. 단일 유형의 경질 입자들이 적용되거나, 또는 두 개 이상의 유형의 경질 입자들이 조합으로 적용될 수 있다. 이로 인해, 더욱 우수한 내마모성과 열전도율을 실현하는 것이 가능하다.

또한, 상기한 철계 합금의 구체적인 예로는, Fe-28Cr-16Ni-4.5Mo-1.5Si-1.75C(대략 624HV의 비커스 경도) 등과 같은 경질 철계 합금이 인용될 수 있다. 또한, 상기한 코발트계 합금의 구체적인 예로는, 예를 들어, TRIBALOY(등록 상표) T-400(대략 792HV의 비커스 경도) 등과 같은 경질 코발트계 합금, 또는 Stellite(등록상표) 6(대략 676HV의 비커스 경도) 등과 같은 경질 코발트계 합금이 인용될 수 있다. 추가적으로, 상기한 니켈계 합금의 구체적인 예로는, TRIBALOY(등록상표) T-700(대략 779HV의 비커스 경도) 또는 Ni700(등록상표)(Ni-32Mo-16Cr-3.1Si)(대략 779HV 내지 836HV의 비커스 경도) 등과 같은 경질 니켈계 합금이 인용될 수 있다. 이로 인해, 더욱 우수한 내마모성과 열전도율을 실현하는 것이 가능하다.

또한, 경질 재료 부분의 영률(Young's modulus)은 100GPa 이상인 것이 바람직하고, 150GPa 이상인 것이 더 바람직하며, 200GPa 이상인 것이 더욱더 바람직하지만, 이는 특히 한정하는 것으로 생각되어서는 안 된다. 그리고, 경질 재료 부분의 영률의 상한은 1000GPa 이하인 것이 바람직하고, 500GPa 이하인 것이 더 바람직하며, 300GPa 이하인 것이 더욱더 바람직하지만, 이는 특히 한정하는 것으로 생각되어서는 안 된다. 이로 인해, 우수한 내마모성, 열전도율, 및 변형 저항성을 실현할 수 있다.

또한, 상기한 연질 재료 입자들의 비커스 경도는 500HV보다 작은 것이 바람직하다. 상기한 연질 재료 입자들의 바람직한 예로서, 상기한 그룹 내의 목록 이외의 철계 입자들, 코발트 입자들, 구리 합금 입자들 등이 인용될 수 있다. 이들 중 단일 유형이 단독으로 적용되거나, 또는 이들 중 두 개 이상의 유형이 조합으로 적용되는 것도 용인된다. 이로 인해, 더욱 우수한 내마모성과 열전도율이 실현될 수 있다.

오스테나이트 상(austenite phase)을 가진 스테인리스 강, 다시 말해 오스테나이트 스테인리스 강은 상기한 다른 철계 합금의 적절한 예로서 인용될 수 있다. 예를 들어, 오스테나이트 스테인리스 강으로는 일본 산업 표준에 규정된 SUS316L 또는 SUS304L 등을 적용하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 더욱 우수한 내마모성과 열전도율을 실현하는 것이 가능하다.

또한, 상기한 구리 또는 구리 합금으로는, 예를 들어, 순수 구리, 또는 합금 50 질량% 이상의 구리를 함유한 합금, 또는 Corson 합금과 같은 석출경화형 구리 합금 등이 인용될 수 있다. 예를 들어, 순수 구리 또는 백동(cupronickel), 또는 석출경화형 구리 합금 등이 적절한 예로서 인용될 수 있다. 이로 인해, 더욱 우수한 내마모성과 열전도율을 실현하는 것이 가능하다.

또한, 연질 재료 입자들이 몇몇의 다른 철계 합금으로 만들어진 경우에는, 연질 재료 부분의 비커스 경도의 하한은 150HV 이상인 것이 바람직하고, 200HV 이상인 것이 더 바람직하며, 심지어 300HV 이상인 것이 더욱 더 바람직하지만, 이는 특히 한정하는 것으로 생각하여서는 안 된다. 이로 인해, 더욱 우수한 내마모성과 열전도율을 실현하는 것이 가능하다.

또한, 연질 재료 입자들이 구리 또는 구리 합금으로 만들어진 경우에는, 연질 재료 부분의 비커스 경도의 하한은 80HV 이상인 것이 바람직하지만, 이는 특히 한정하는 것으로 생각하여서는 안 된다. 이로 인해, 더욱 우수한 내마모성과 열전도율을 실현하는 것이 가능하다.

제3 실시예

다음으로, 본 발명의 제3 실시예에 따른 슬라이딩 부재, 다시 말해 슬라이딩 영역에 상기한 슬라이딩 부재를 가진 슬라이딩 부재가 도면들을 참조하면서 상세하게 설명될 것이다. 슬라이딩 부재의 예로서 내연 엔진의 슬라이딩 부재가 여기서 인용되어 상세하게 설명되지만, 이는 특히 한정하고자 하는 것이 아니라는 것을 이해하여야 한다. 또한, 당연히, 코팅층의 표면이 슬라이딩 표면으로서 채용된다. 상기한 실시예들과 관련하여 설명된 것과 동등한 요소들에는 동일한 참조 기호들이 붙을 것이며, 그 설명은 단축될 것이다.

도 8은 슬라이딩 부재를 내연 엔진의 슬라이딩 영역에 통합한 내연 엔진의 슬라이딩 부재의 단면을 보여주는 개략도이다. 보다 구체적으로, 이 도면은 엔진 밸브를 포함하는 밸브 구동 기구의 단면을 보여주는 개략도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 캠 로브(cam lobe)(40)가 회전할 때, 밸브 리프터(valve lifter)(41)는 아래쪽으로 밀려 밸브 스프링(42)을 압축하고, 동시에 엔진 밸브(43)는 스템 시일(stem seal)(44)을 가진 밸브 가이드(45)에 의해 안내되면서 아래쪽으로 밀리며, 이에 의해 엔진 밸브(43)는 실린더 헤드(46)의 엔진 밸브(43)를 위한 시트 부분(46A)으로부터 제거됨으로써, 배기 포트(47)와 도면에 도시되지 않은 연소실이 함께 연통된다(즉, 엔진 밸브가 열린 상태로 된다). 이후에, 캠 로브(40)가 더 회전할 때, 밸브 스프링(42)의 탄성력에 기인하여, 엔진 밸브(43)는 밸브 리프터(41), 리테이너(48), 및 코터(cotter)(49)와 함께 위쪽으로 가압됨으로써, 엔진 밸브(43)는 시트 부분(46A)과 접촉하게 되고 배기 포트(47)와 도면에 도시되지 않은 연소실은 서로 단절된다(즉, 엔진 밸브는 닫힌 상태가 된다). 이러한 방식으로, 캠 로브(40)의 회전과 동기화되어 엔진 밸브(43)의 닫힘과 열림이 수행된다. 이러한 구조에 의해, 엔진 밸브(43)의 밸브 스템(43A)은 실린더 헤드(43)에 압입된 밸브 가이드(45)의 내부를 통과하며, 오일로 윤활된다. 또한, 이러한 작동 중에, 도면들에 도시되지 않은 연소실의 개폐 밸브 부분에 대하여 접촉하는 엔진 밸브(43)의 밸브 페이스(valve face)(43B)는 실린더 헤드(46)의 엔진 밸브(43)를 위한 시트 부분(46A)과의 접촉 상태 또는 비접촉 상태로 된다. 도 8에 배기 포트(47)가 도시되어 있지만, 본 발명의 슬라이딩 부재는 도면들에 도시되지 않은 흡기 포트측에 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

상기한 바와 같은 코팅층이 형성된 슬라이딩 부재, 예를 들어 상기한 제1 실시예 또는 제2 실시예의 슬라이딩 부재(1 또는 2)는, 실린더 헤드와 엔진 밸브 사이의 슬라이딩 영역인 실린더 헤드의 엔진 밸브를 위한 시트 부분(46A)의 슬라이딩 표면(46a)에 적용된다. 이로 인해, 상기 영역은 소결 공정을 수행함으로써 얻는 코팅층을 가진 슬라이딩 부재와 비교하여 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 부여받는다. 더욱이, 소결 공정을 수행함으로써 얻는 코팅층을 가진 슬라이딩 부재와 비교하여, 무기질 부분의 비례 함량이 작은 경우에도 이 영역은 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 가진다. 또한, 코팅층이 열전도율이 높지 않은 무기질 부분 또는 금속 부분을 가진 경우에도, 인터페이스 층의 두께가 2㎛ 이하이기 때문에, 이에 따라 열전도율의 감소를 억제하거나 방지할 수 있으며, 그럼으로써 우수한 내마모성과 우수한 열전도율이 얻어진다. 또한, 본 발명의 슬라이딩 부재를 실린더 헤드에 적용함으로써, 압입형 밸브 시트를 사용하지 않을 수 있다. 그 결과로서, 배기 포트와 흡기 포트의 설계 자유도의 향상과 엔진 밸브의 직경의 증가를 기대할 수 있게 됨으로써, 엔진의 연료 소모와 출력 및 토크 등의 개선이 가능하게 된다.

또한, 예를 들어, 이러한 개념이 도면들에 도시되어 있지 않지만, 상기한 바와 같은 코팅층이 형성된 슬라이딩 부재, 예를 들어 상기한 제1 실시예 또는 제2 실시예의 슬라이딩 부재를, 밸브 스템의 슬라이딩 표면과 이와 결합되는 부재인 밸브 가이드의 슬라이딩 표면, 및/또는 밸브 스템 샤프트의 단부의 슬라이딩 표면, 밸브 페이스의 슬라이딩 표면, 및 압입형 밸브 시트의 슬라이딩 표면으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 위치에 적용하는 것이 가능하다. 이로 인해, 소결 공정에 의해 얻어진 코팅층을 가진 슬라이딩 부재의 경우와 비교하여, 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 얻는 것이 가능하다. 더욱이, 소결 공정에 의해 얻어진 코팅층을 가진 슬라이딩 부재의 경우와 비교하여, 무기질 부분의 비례 함량이 작은 경우에도, 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 얻는 것이 가능하다. 또한, 코팅층이 열전도율이 높지 않은 무기질 부분 또는 금속 부분을 가진 경우에도, 인터페이스 층의 두께가 2㎛ 이하이기 때문에, 이에 따라 열전도율의 감소를 억제하거나 방지할 수 있으며, 그럼으로써 우수한 내마모성과 우수한 열전도율이 얻어진다.

다시 말하면, 이 실시예의 실린더 헤드는 바람직하게는 엔진 밸브를 위한 시트 부분 내에 상기한 실시예들 중 하나의 슬라이딩 부재를 가진다. 또한, 이 실시예의 또 다른 실린더 헤드는 상기한 실시예의 슬라이딩 부재를 가진 밸브 시트를 포함하는 실린더 헤드이며, 바람직하게는 밸브 시트의 엔진 밸브 시트 부분 내에 슬라이딩 부재를 가진다. 또한, 본 실시예의 밸브 시트는 바람직하게는 엔진 밸브 시트 부분에 상기한 실시예의 슬라이딩 부재를 가진다. 또한, 본 실시예의 엔진 밸브는 바람직하게는 밸브 페이스 내에 상기한 실시예의 슬라이딩 부재를 가진다. 또한, 본 실시예의 또 다른 엔진 밸브는 바람직하게는 밸브 가이드를 가진 슬라이딩 영역 내에 상기한 실시예의 슬라이딩 부재를 가진다.

제4 실시예

다음으로, 본 발명의 제4 실시예에 따른 슬라이딩 부재가 도면들을 참조하면서 상세하게 설명될 것이다. 당연히, 코팅층의 표면측이 슬라이딩 표면을 구성한다. 또한, 상기한 실시예들과 관련하여 설명된 것과 동등한 요소들에는 동일한 참조 기호들이 붙을 것이며, 그 설명은 단축될 것이다.

도 9는 슬라이딩 부재를 내연 엔진의 베어링 기구의 베어링 메탈(bearing metal)에 통합한 내연 엔진의 베어링 기구의 단면을 보여주는 개략도이다. 보다 구체적으로, 이 도면은 연결 로드(connection rod)의 슬라이딩 부재인 베어링 메탈을 개략적으로 보여주는 단면도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 연결 로드(60)의 도시되지 않은 크랭크 측의 대단부(big end portion)(60A)는 수직으로 상부와 하부로 분할된다. 크랭크 핀(61)을 수용하기 위해 두 개의 부분들로 분할된 베어링 메탈(62)은 대단부(60A) 내에 배치된다. 이 베어링 메탈(62)의 슬라이딩 표면(62a) 상에, 상기한 코팅층이 형성된 슬라이딩 부재, 즉, 예를 들어 상기한 제1 실시예 또는 제2 실시예의 슬라이딩 부재(1, 2)가 적용된다. 이로 인해, 소결 공정에 의해 얻어진 코팅층을 가진 슬라이딩 부재의 경우와 비교하여, 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 얻는 것이 가능하다. 더욱이, 소결 공정에 의해 얻어진 코팅층을 가진 슬라이딩 부재의 경우와 비교하여, 무기질 부분의 비례 함량이 작은 경우에도, 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 얻는 것이 가능하다. 또한, 코팅층이 열전도율이 높지 않은 무기질 부분 또는 금속 부분을 가진 경우에도, 인터페이스 층의 두께가 2㎛ 이하이기 때문에, 이에 따라 열전도율의 감소를 억제하거나 방지할 수 있으며, 그럼으로써 우수한 내마모성과 우수한 열전도율이 얻어진다.

또한, 예를 들어, 이 특징은 도면들에 도시되어 있지 않지만, 연결 로드의 도면들에 도시되지 않은 피스톤측의 소단부(small end portion)에 있는, 피스톤 핀을 수용하기 위해 두 개의 부분들로 분할된 베어링 메탈의 슬라이딩 표면에, 상기한 코팅층이 형성된 슬라이딩 부재, 예를 들어, 상기한 본 발명의 제1 실시예 또는 제2 실시예에 따른 슬라이딩 부재를 적용할 수 있다. 이로 인해, 소결 공정에 의해 얻어진 코팅층을 가진 슬라이딩 부재의 경우와 비교하여, 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 얻는 것이 가능하다. 더욱이, 소결 공정에 의해 얻어진 코팅층을 가진 슬라이딩 부재의 경우와 비교하여, 무기질 부분의 비례 함량이 작은 경우에도, 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 얻는 것이 가능하다. 또한, 코팅층이 열전도율이 높지 않은 무기질 부분 또는 금속 부분을 가진 경우에도, 인터페이스 층의 두께가 2㎛ 이하이기 때문에, 이에 따라 열전도율의 감소를 억제하거나 방지할 수 있으며, 그럼으로써 우수한 내마모성과 우수한 열전도율이 얻어진다.

다시 말하면, 이 실시예의 내연 엔진의 베어링 기구(bearing mechanism)는 내연 엔진의 베어링 기구의 베어링 메탈 내에 상기한 실시예의 슬라이딩 부재를 포함한다. 연결 로드의 대단부측의 슬라이딩 표면상에 직접(즉, 어떠한 금속도 사용하지 않고 직접적인 형성에 의해) 층을 형성하는 것도 가능하다. 또한, 연결 로드의 소단부측의 슬라이딩 표면상에 직접(즉, 어떠한 금속도 사용하지 않고 직접적인 형성에 의해) 층을 형성하는 것도 가능하다.

본 실시예에 따른 내연 엔진의 슬라이딩 부재를 피스톤 링 및/또는 피스톤에 적용하는 것도 가능하다는 것을 이해하여야 한다. 다시 말해서, 코팅층을 피스톤 링의 표면에 적용하는 것도 바람직할 것이다. 또한, 코팅층을 피스톤의 링 홈의 내면에 적용하는 것도 바람직할 것이다. 또한, 본 실시예에 따른 내연 엔진의 슬라이딩 부재에 관하여, 코팅층을 실린더 보어(bore)의 내면에 적용하는 것도 바람직할 것이다(이는 실린더 라이너를 대체하거나, 또는 보어 용사(thermal spraying)를 대체할 수도 있다). 또한, 본 실시예의 내연 엔진의 슬라이딩 부재에 관하여, 크랭크 샤프트의 저널(journal)의 금속에 코팅층을 적용하는 것도 바람직할 것이다. 또한, 본 실시예에 따른 내연 엔진의 슬라이딩 부재에 관하여, 직접 코팅층을 형성함으로써(즉, 어떠한 금속의 사용 없이 직접 코팅층을 형성함으로써) 크랭크 샤프트의 저널의 금속상의 장소에 코팅층을 적용하는 것도 바람직할 것이다. 또한, 본 실시예에 따른 내연 엔진의 슬라이딩 부재에 관하여, 캠 샤프트의 저널의 금속의 표면상에 코팅층을 적용하는 것도 바람직할 것이다. 또한, 본 실시예에 따른 내연 엔진의 슬라이딩 부재에 관하여, 코팅층을 직접 형성함으로써(즉, 어떠한 금속도 채용하지 않고 코팅층을 직접 형성함으로써) 캠 샤프트의 저널의 금속 상의 위치에 코팅층을 적용하는 것도 바람직할 것이다. 또한, 본 실시예에 따른 내연 엔진의 슬라이딩 부재에 관하여, 캠 샤프트의 캠 로브 표면상에 코팅층을 적용하는 것도 바람직할 것이다. 또한, 본 실시예에 따른 내연 엔진의 슬라이딩 부재에 관하여, 피스톤과 피스톤 핀의 금속의 위치에 코팅층을 적용하는 것도 바람직할 것이다. 또한, 본 실시예에 따른 내연 엔진의 슬라이딩 부재에 관하여, 층의 직접 형성에 의해 피스톤 또는 피스톤 핀의 금속의 위치에 코팅층을 적용하는 것도 바람직할 것이다. 또한, 본 실시예에 따른 내연 엔진의 슬라이딩 부재에 관하여, 피스톤 스커트(piston skirt)의 표면상에 코팅층을 적용하는 것도 바람직할 것이다. 또한, 본 실시예에 따른 내연 엔진의 슬라이딩 부재에 관하여, 밸브 리프터의 크라운 표면상에 코팅층을 적용하는 것도 바람직할 것이다. 또한, 본 실시예에 따른 내연 엔진의 슬라이딩 부재에 관하여, 밸브 리프터의 측면상에 코팅층을 적용하는 것도 바람직할 것이다. 또한, 본 실시예에 따른 내연 엔진의 슬라이딩 부재에 관하여, 실린더 헤드 내의 리프터 보어의 밸브 리프터의 슬라이딩 표면상에 코팅층을 적용하는 것도 바람직할 것이다. 또한, 본 실시예에 따른 내연 엔진의 슬라이딩 부재에 관하여, 스프로켓의 톱니들의 표면에 코팅층을 적용하는 것도 바람직할 것이다(이 경우, 예를 들어, 소결된 철 합금 스프로켓에 형성되는 대신에, 코팅층은 소결된 알루미늄 합금 스프로켓에 형성될 수 있다). 또한, 본 실시예에 따른 내연 엔진의 슬라이딩 부재에 관하여, 체인 핀(chain pin)에 코팅층을 적용하는 것도 바람직할 것이다. 또한, 본 실시예에 따른 내연 엔진의 슬라이딩 부재에 관하여, 체인 플레이트에 코팅층을 적용하는 것도 바람직할 것이다.

또한, 상기한 제1 실시예 또는 제2 실시예에 따른 슬라이딩 부재를 내연 엔진의 기어 휠들과는 다른 기어 휠들의 톱니의 표면에 적용하는 것도 바람직할 수 있다(이 경우, 예를 들어, 강철 기어 휠이 알루미늄 합금으로 만들어진 것으로 교체될 수 있으며, 코팅층은 알루미늄 합금상에 형성될 수 있다). 여기서, 내연 엔진 이외의 다른 기어 휠들로서, 예를 들어, 자동차의 차동 기어, 또는 자동차의 발전기의 기어 휠, 또는 자동차 이외의 다른 발전기의 기어 휠이 인용될 수 있다. 또한, 상기한 제1 실시예 또는 제2 실시예에 따른 슬라이딩 부재를 일반적인 미끄럼베어링(구름 베어링이 아닌 광의의 미끄럼 베어링을 의미한다)에 적용하는 것도 바람직할 수 있다.

다음으로, 슬라이딩 부재의 제조 방법에 대해 상세하게 설명될 것이다. 이 슬라이딩 부재의 제조 방법은, 예를 들어, 상기한 실시예에 따른 슬라이딩 부재의 제조 방법이며, 여기서 슬라이딩 부재는 베이스 기재와, 베이스 기재상에 형성된 코팅층을 구비하며, 상기 코팅층은 미리 결정된 무기질 부분 또는 경질 재료 부분과 미리 결정된 금속 부분 또는 연질 재료 부분을 포함하고, 상기 부분들은 인터페이스를 통해 함께 결합되며, 상기 슬라이딩 부재는, 상기 베이스 기재와 코팅층 사이의 인터페이스와 상기 부분들 사이의 인터페이스 중 적어도 하나의 적어도 부분에 확산층과 금속간 화합물층 중 적어도 하나를 포함하고 두께가 2㎛ 이하인 인터페이스 층을 가진다. 이 슬라이딩 부재의 제조 방법은, 상기한 무기질 입자들 또는 경질 재료 입자들과 상기한 금속 입자들 또는 연질 재료 입자들을 가진 혼합물을 용융되지 않은 상태로 베이스 기재상에 분무함으로써, 베이스 기재상에 미리 결정된 코팅층을 형성하는 공정을 포함한다.

상술한 바와 같이, 혼합물을 용융되지 않은 상태로 베이스 기재상에 분무하고 이에 따라 베이스 기재상에 미리 결정된 코팅층을 형성함으로써, 내마모성과 열전도율이 우수한 코팅층을 양호한 효율로 형성할 수 있다. 환언하면, 소위 운동학적 분무(kinetic spraying), 저온 분무, 고온 분무 등과 같은 방법에 의해 내마모성과 열전도율이 우수한 코팅층을 양호한 효율로 형성하는 것이 가능하다. 그러나, 본 발명의 슬라이딩 부재는 이러한 유형의 제조 방법에 의해 제조된 것으로 한정되지 않는다.

이제, 더욱 구체적인 제조 방법이 더 상세하게 설명될 것이다.

상기한 바와 같이, 혼합물을 베이스 기재상에 분무할 때, 베이스 기재와 코팅층 중 적어도 하나에 소성 변형부가 형성되는 속도로 혼합물을 베이스 기재상에 분무하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 더 양호한 내마모성과 열전도율을 가진 코팅층을 양호한 효율로 형성하는 것이 가능하다.

그러나, 혼합물을 분무하는 속도는 상기한 것에 한정되는 것으로 생각되어서는 안 된다. 예를 들어, 입자 속도를 300m/s 내지 1200m/s로 설정하는 것이 바람직하고, 속도를 500m/s 내지 1000m/s로 설정하는 것이 더 바람직하며, 속도를 600m/s 내지 800m/s로 설정하는 것이 더욱더 바람직하다. 또한, 입자들을 분무하기 위해 공급되는 작동 가스의 압력을 2MPa 내지 5MPa로 설정하는 것이 바람직하고, 압력을 3.5MPa 내지 5MPa로 설정하는 것이 더 바람직하다. 작동 가스의 압력이 2MPa보다 작으면, 때때로 충분한 입자 속도가 얻어질 수 없으며, 기공률(porosity)이 증가하게 된다. 그러나, 작동 파라미터들을 위한 이러한 범위들은 한정적인 것으로 간주되어서는 안 되며; 본 발명의 유익한 효과들을 구현할 수 있다면, 이러한 범위들을 벗어난 파라미터들도 당연히 용인될 수 있을 것이다.

또한, 작동 가스의 온도는 특히 제한되지 않지만, 예를 들어, 그 온도는 400℃ 내지 800℃로 설정되는 것이 바람직하며, 600℃ 내지 800℃로 설정되는 것이 더 바람직하다. 작동 가스의 온도가 400℃보다 낮게 설정되면, 때때로 기공률이 증가하게 됨으로써, 내마모성과 열전도율이 낮아지게 된다. 더욱이, 작동 가스의 온도가 800℃보다 높게 설정되면, 때때로 노즐 막힘이 발생한다. 그러나, 작동 가스 온도의 이러한 범위는 한정적인 것으로 생각되어서는 안 되며; 본 발명의 유익한 효과들을 구현할 수 있다면, 이러한 범위들을 벗어난 작동 가스 온도도 당연히 용인될 수 있을 것이다.

또한, 작동 가스의 유형은 특히 제한되지 않지만, 예를 들어, 질소, 헬륨 등이 사용될 수 있다. 단일 유형의 가스가 사용될 수 있으며, 또는 다수의 유형의 가스들이 조합되어 사용될 수 있다. 연료 가스와 질소의 혼합물을 채용하는 것도 용인될 수 있다.

또한, 상기한 원재료로서 채용된 무기질 입자들 또는 경질 재료 입자들은 특히 한정하는 것으로 간주 되어서는 안 되며, 상기한 무기질 부분 또는 경질 재료 부분을 제공할 수 있다면, 무기질 입자들의 영률에 대한 무기질 부분의 영률의 비율이 1.5 이상이 되도록 하는 입자들의 유형을 채용하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 우수한 내마모성과 열전도율을 가지며 또한 우수한 변형 저항성을 가진 코팅층을 양호한 효율로 형성할 수 있으며, 층 형성의 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기한 원재료로서 채용된 금속 입자들 또는 연질 재료 입자들은, 상기한 금속 부분 또는 연질 재료 부분을 제공할 수 있다면 특히 한정되지는 않는다.

예

이제, 본 발명의 예들이 더 상세하게 설명될 것이지만, 본 발명은 이러한 예들에 한정되는 것으로 간주 되어서는 안 된다.

예 1 내지 3

먼저, 원재료로서, 표 1에 나타낸 무기질 입자들과 금속 입자들이 준비되었다. 표 1과 표 2에 기재된 TRIBALOY T-400과 TRIBALOY T-700은 Kennametal Stellite 사에서 제조되었다.

다른 한편, 실린더 헤드의 엔진 밸브를 위한 시트 부분의 가공이 완료된 상태에서, 목표 코팅층의 두께는 0.2mm로 상정하고, 알루미늄 베이스 기재에 대해 사전-가공을 수행함으로써 사전-가공된 알루미늄 베이스 기재가 준비되었다(일본 산업 표준 H4040 A5056).

다음으로, 준비된 알루미늄 베이스 기재가 회전 테이블 위에 설치되었으며, 회전 테이블을 회전시키면서 준비된 무기질 입자들과 급속 입자들의 혼합물이 준비된 알루미늄 베이스 기재상에 고압형 저온 스프레이 장치, CGT 사에 의해 만들어진 Kinetics 4000(노즐 27TC, 가스 온도 750℃, 가스 압력 3.6MPa, 메인 가스 유량 73m³/h, 캐리어 가스 유량 4.5m³/h, 입자 공급량 43g/min)을 사용하여 분무되었으며, 이에 의해 0.4mm 내지 0.5mm의 두께의 코팅층이 베이스 기재상에 형성되었다.

그 다음에, 워크피스는 기계 가공에 의해 실제 실린더 헤드의 엔진 밸브를 위한 시트 부분의 형상으로 마무리되었으며, 이에 의해 이 예들 각각의 슬라이딩 부재가 얻어졌다. 코팅층의 두께는 0.2mm이다(이하에서 동일하다).

비교예 1

먼저, 원재료로서, 표 2에 기재된 무기질 입자들과 금속 입자들이 준비되었다.

다음으로, 준비된 무기질 입자들과 금속 입자들의 혼합물에 스테아린산 아연 1 질량%가 첨가되어 혼합되었으며, 이 재료는 7톤/㎠의 압축 성형 압력에서 압축 성형되었다. 미리 결정된 양의 침투(infiltration)용 구리가 성형체의 상부에 배치되었으며, 암모니아 분해 가스 분위기에서 1120℃의 온도로 30분 동안 소결이 수행되었으며, 이에 의해 소결체가 얻어졌다. 침투는 소결과 동시에 수행되었다.

다른 한편, 실린더 헤드의 엔진 밸브를 위한 시트 부분의 가공이 완료된 상태에서, 목표 코팅층의 두께는 0.2mm로 상정하고, 알루미늄 베이스 기재에 대해 사전-가공을 수행함으로써 사전-가공된 알루미늄 베이스 기재가 준비되었다(일본 산업 표준 H4040 A5056).

또한, 상기한 바와 같이 준비된 소결체가 베이스 기재 내에 압입됨으로써 배치되었다.

그 다음에, 워크피스는 기계 가공에 의해 실제 실린더 헤드의 엔진 밸브를 위한 시트 부분의 형상으로 마무리되었으며, 이에 의해 이 비교예의 슬라이딩 부재가 얻어졌다.

비교예 2 내지 비교예 4

먼저, 원재료로서, 표 2에 기재된 무기질 입자들과 금속 입자들이 준비되었다.

다음으로, 준비된 무기질 입자들과 금속 입자들의 혼합물에 스테아린산 아연 1 질량%가 첨가되어 혼합되었으며, 이 재료는 7톤/㎠의 압축 성형 압력에서 압축 성형되었다. 이 성형체에 대하여 암모니아 분해 가스 분위기에서 1120℃의 온도로 30분 동안 소결이 수행되었으며, 이에 의해 소결체가 얻어졌다.

다른 한편, 실린더 헤드의 엔진 밸브를 위한 시트 부분의 가공이 완료된 상태에서, 목표 코팅층의 두께는 0.2mm로 상정하고, 알루미늄 베이스 기재에 대해 사전-가공을 수행함으로써 사전-가공된 알루미늄 베이스 기재가 준비되었다(일본 산업 표준 H4040 A5056).

또한, 상기한 바와 같이 준비된 소결체가 베이스 기재 내에 압입됨으로써 배치되었다.

그 다음에, 워크피스는 기계 가공에 의해 실제 실린더 헤드의 엔진 밸브를 위한 시트 부분의 형상으로 마무리되었으며, 이에 의해 이러한 예들 각각의 슬라이딩 부재가 얻어졌다.

		예 1	예 2	예 3
무기질 부분	재료 유형	Tribaloy T-400 코발트계 합금	Tribaloy T-700 니켈계 합금	Tribaloy T-400 코발트계 합금
	코팅층 내의 비율 (면적%) (기공 제외)	10	10	15
	경도	11.5 GPa (876Hv0.1에 대응됨)	779HV0.025	904Hv0.025
	영률	-	-	204GPa
금속 부분	재료 유형	SUS316L	SUS316L	Corson 합금 (석출경화형 구리 합금)
	코팅층 내의 비율 (면적 %) (기공 제외)	60	60	85
	경도	413Hv0.1	354HV0.1	213Hv0.1
다른 부분 (금속 부분)	재료 유형	순수 구리	순수 구리	-
	코팅층 내의 비율 (면적 %) (기공 제외)	30	30	-
	경도	103HV0.01	94HV0.01	-
인터페이스 층	두께 (μm)	0.2 μm	0.2 μm	0.5 μm
무기질 입자	재료 유형	Tribaloy T-400 코발트계 합금	Tribaloy T-700 니켈계 합금	Tribaloy T-400 코발트계 합금
	영률	-	-	58.9GPa
금속 입자	재료 유형	SUS316L	SUS316L	Corson 합금 (석출경화형 구리 합금)
다른 입자 (금속 입자)	재료 유형	순수 구리	순수 구리	-
내마모성	마모량(μm)	21.0	16.0	18.0
열전도율	열전도율 (W/m*K)	-	-	61

		비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4
무기질 부분	재료 유형	Tribaloy T-400 코발트계 합금	Tribaloy T-400 코발트계 합금	Tribaloy T-400 코발트계 합금	코발트계 합금
	코팅층 내의 비율 (면적 %) (기공 제외)	30	30 내지 40	20 내지 30	35
	경도	10.6 GPa (808HV0.1에 대응됨)	750Hv0.1	776Hv0.1	705Hv0.1
	영률	265GPa	-	-	-
금속 부분	재료 유형	고속도강	철	철	철
	코팅층 내의 비율 (면적 %) (기공 제외)	-	-	-	-
	경도	-	-	-	-
다른 부분 (금속 부분)	재료 유형	구리, 기타	탄소 분말, MnS, 기타	탄소 분말, 고체 윤활제, 기타	탄소 분말, 고체 윤활제, 기타
	코팅층 내의 비율 (면적 %) (기공 제외)	-	-	-	-
	경도	-	-	-	-
인터페이스 층	두께 (μm)	5 μm 초과	5 μm 초과	5 μm 초과	5 μm 초과
무기질 입자	재료 유형	Tribaloy T-400 코발트계 합금	Tribaloy T-400 코발트계 합금	Tribaloy T-400 코발트계 합금	코발트계 합금
	영률	-	-	-	-
금속 입자	재료 유형	고속도강	철	철	철
다른 입자 (금속 입자)	재료 유형	구리, 기타	탄소 분말, MnS, 기타	탄소 분말, 고체 윤활제, 기타	탄소 분말, 고체 윤활제, 기타
내마모성	마모량 (μm)	36.4	20.3	39.0	21.0
열전도율	열전도율 (W/m*K)	25	12	14	15

여기서, 표 1과 표 2에서, 무기질 부분들, 금속 부분들, 무기질 입자들, 및 금속 입자들의 비커스 경도는 일본 산업 표준 JIS Z2244에 의해 규정된 비커스 경도 시험에 따라 측정 및 산출되었다. 상이한 위치들에서 10회의 측정이 수행되었으며, 그들의 평균값이 얻어졌다. 또한, 측정을 위한 위치들을 결정할 때, 코팅층의 주사형 전자 현미경(SEM) 이미지 또는 투과형 전자 현미경(TEM) 이미지 등이 관찰되었으며, 및/또는 에너지 분산형 엑스선(EDX) 분석 등의 결과가 사용되었다.

또한, 표 1과 표 2의 무기질 부분들, 금속 부분들, 무기질 입자들, 및 금속 입자들의 영률은, 시편을 마이크로 압입시험기(micro indenter)(MTS System 사에 의해 제조된 Nano Indenter XP)의 스테이지 상에 고정시키고 삼각뿔 형상의 압입기(Berkovich)를 사용하여 강성 측정을 5회 반복 수행함으로써 데이터를 얻고, 영률을 대략 800nm의 접촉 깊이에서 수치 값으로 산출하는 분석 조건하에서, 상기한 바와 같이 얻어진 데이터를 분석함으로써 측정될 수 있다.

또한, 표 1과 표 2의 슬라이딩 부재들의 베이스 기재와 코팅층의 인터페이스 층의 두께는 단면 투과형 전자 현미경(TEM) 이미지의 관찰과 에너지 분산형 엑스선(EDX) 분석에 의해 특정되었다. 또한, 슬라이딩 부재의 단면 내에 소성 변형부의 존재 또는 부존재는 단면 주사형 전자 현미경(SEM) 이미지 등의 관찰과 에너지 분산형 엑스선(EDX) 분석에 의해 특정되었다.

예 1 내지 예 3에서, 오직 2㎛ 이하의 두께의 인터페이스 층이 관찰되었다. 다른 한편, 비교예 1 내지 비교예 4에서는, 인터페이스 층들 중 적어도 하나의 두께가 2㎛보다 큰 것, 보다 정확하게는 5㎛보다 큰 것이 관찰되었다. 또한, 예 1 내지 예 3에서, 베이스 기재와 코팅층 내에 소성 변형부들이 관찰되었다.

도 10은 예 1의 슬라이딩 부재의 베이스 기재와 구리 부분 사이의 경계 인터페이스의 부근의 에너지 분산형 엑스선(EDX) 분석(선형 분석)의 결과를 보여주는 그래프이다.

도 10에 따르면, α 부분에서 구리와 알루미늄 사이의 비율은 대략 Cu:Al=9:4(원자비)이기 때문에, 이에 따라 Cu₉Al₄의 금속간 화합물층이 형성된 것으로 믿어진다. 또한, 도 10에 따르면, β 부분에서 구리와 알루미늄 사이의 비율은 대략 Cu:Al=1:2(원자비)이기 때문에, CuAl₂의 금속간 화합물층이 형성된 것으로 믿어진다. α 부분과 β 부분을 포함하는 영역들 각각에서, HAADF 이미지에서 콘트라스트(contrast)가 균일한 영역이 관찰되었다.

도 11은 예 3의 슬라이딩 부재의 베이스 기재와 구리 합금 부분 사이의 경계 인터페이스의 부근의 에너지 분산형 엑스선(EDX) 분석(선형 분석)의 결과를 보여주는 그래프이다.

도 11에 따르면, 베이스 기재와 코팅층 사이에 인터페이스 층이 형성된 것을 이해할 것이다. 또한, 이 인터페이스 층은 대략 0.75㎛ 내지 대략 1.31㎛의 위치에 형성된 것을 이해할 것이다. 또한, 대략 0.75㎛ 내지 대략 0.96㎛의 위치와 대략 1.23㎛ 내지 대략 1.31㎛의 위치에 확산층이 형성된 것을 이해할 것이다. 또한, 확산층의 조성이 점차 변하는 구조를 가진다는 것을 이해할 것이다. 또한, 대략 0.96㎛ 내지 대략 1.23㎛의 위치에서, 알루미늄, 마그네슘 및 구리 사이의 비율이 대략 Al:Mg:Cu=2:1:1(원자비)이므로, 금속간 화합물층이 형성된 것을 이해할 것이다.

성능 평가

상기한 예들 각각의 슬라이딩 부재를 사용하여, 아래의 다양한 유형의 성능이 평가되었다.

내마모성

마모량은 아래에서 설명되는 시험 조건하에서 Takachiho Instrument 사에 의해 제조된 밸브 시트 마모 시험기를 사용하여 측정되고 산출된다. 구체적으로, 실린더 헤드 내의 엔진 밸브 시트 부분의 형상은 시험 전과 시험 후에 형상 측정 장치를 사용하여 취득하며, 마모량은 네 개의 장소들에서 측정되고, 그들의 평균값이 산출되며, 이 평균값이 마모량이 된다. 얻어진 결과들은 표 1과 표 2에 나타나 있다.

시험 조건

- 결합 부재를 위한 밸브 재료: SUH35;

- 시험 온도: 300℃(엔진 밸브 시트 부분은 배기 포트측의 실린더 헤드에 있는 것으로 상정된다);

- 시험 회수: 3000회/분, 180분 동안.

열전도율

열전도율은 레이저 섬광법(laser flash method)에 의해 측정되고 산출되며, 열전도율은 평가된다. 얻어진 결과는 표 1과 표 2에 나타나 있다.

표 1과 표 2로부터, 본 발명의 범위에 속하는 예 1 내지 예 3은, 본 발명의 범위 외의 비교예 1 내지 비교예 4와 비교하여, 마모량이 감소하는 경향을 가진다.

다시 말해서, 소결 공정을 수행함으로써 얻어진 코팅층을 가진 비교예 1 내지 비교예 4의 슬라이딩 부재와 비교하여, 예 1 내지 예 3의 슬라이딩 부재들은, 미리 결정된 무기질 부분과 미리 결정된 금속 부분, 또는 미리 결정된 경질 재료 부분과 미리 결정된 연질 재료 부분을 가진 슬라이딩 부재들이고, 그 부분들은 인터페이스를 통해 함께 결합되며, 확산층과 금속간 화합물층 중 적어도 하나를 포함하는 인터페이스 층이 베이스 기재와 코팅층 사이의 인터페이스와 부분들 사이의 인터페이스 중 하나의 적어도 부분에 제공되고, 그 인터페이스 층의 두께가 2㎛ 이하이기 때문에, 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 가진다.

또한, 소결 공정에 의해 얻어진 코팅층을 가진 슬라이딩 부재와 비교하여, 무기질 입자들의 비례 함량이 적은 경우에도 우수한 내마모성과 우수한 열전도율을 실현할 수 있다는 것이 이해될 것이다.

또한, 예 1과 예 2의 경우와 같이 우수한 내마모성을 가진 슬라이딩 부재가 얻어진다는 사실은 금속 부분 내에 포함되는 다른 철계 합금으로서 오스테나이트 스테인리스 강이 포함되기 때문인 것으로 생각된다.

또한, 예 1의 경우에 우수한 내마모성을 슬라이딩 부재가 얻어진다는 사실은 미리 결정된 무기질 부분의 영률이 100GPa 이상이기 때문인 것으로 생각된다.

또한, 예 1 내지 예 3의 경우와 같이 우수한 내마모성을 가진 슬라이딩 부재가 얻어진다는 사실은 베이스 기재와 코팅층 중 적어도 하나가 소성 변형부를 포함하기 때문인 것으로 생각된다.

또한, 예 1 내지 예 3의 경우와 같이 우수한 내마모성을 가진 슬라이딩 부재가 얻어진다는 사실은, 상술한 슬라이딩 부재의 제조 방법에서, 혼합물을 용융되지 않은 상태로 베이스 기재상에 분무함으로써 베이스 기재상에 코팅층을 형성하는 공정이 포함되기 때문인 것으로 생각된다.

또한, 예 1 내지 예 3의 경우와 같이 우수한 내마모성을 가진 슬라이딩 부재가 얻어진다는 사실은, 상기 혼합물이 베이스 기재와 코팅층 중 적어도 하나에 소성 변형부가 형성될 정도의 속도로 베이스 기재상에 분무되기 때문인 것으로 생각된다.

또한, 예 1 내지 예 3의 경우와 같이 우수한 내마모성을 가진 슬라이딩 부재가 얻어진다는 사실은, 상술한 원재료로서 사용되는 무기질 입자들에서, 무기질 입자들의 영률에 대한 무기질 부분의 영률의 비율이 1.5 이상이 되도록 무기질 입자들이 사용되기 때문인 것으로 생각된다. 다시 말해서, 예 3의 경우에, 쉽게 변형되며 영률이 58.9GPa인 무기질 입자들을 사용함으로써 양호한 효율로 코팅층을 형성할 수 있으며, 무기질 부분이 형성된 상태에서는 영률이 204GPa라는 사실에 기인하여 우수한 내마모성을 가진 슬라이딩 부재가 얻어지는 것으로 생각된다. 영률의 변화는, 상술한 미리 결정된 혼합물이 베이스 기재와 코팅층 중 적어도 하나에 소성 변형부가 형성될 정도의 속도로 베이스 기재상에 분무된다는 사실에 기인한 것으로 생각된다.

예 3의 슬라이딩 부재는 우수한 열전도율을 가진다는 것을 이해하여야 한다. 여기서, 소결 공정에 의해 얻어진 비교예와 비교하여, 예 3을 포함하는 다양한 예들은 확산이 억제되고 있으므로, 이종 원소들의 고용으로 인한 열전도율의 저하가 회피되며, 이에 따라 당연히 높은 내마모성과 높은 열전도율을 얻는 것이 가능하게 된다.

본 발명은 위에서 다양한 실시예들과 예들의 면에서 설명되었지만, 본 발명은 이에 의해 한정되는 것으로 생각되어서는 안 되며; 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고서도 다양한 변형들도 가능하다.

예를 들어, 위에서 다양한 실시예들과 예들에서 설명된 구조와 요소들은 실시예들 각각과 예들의 각각에 한정되는 것으로 생각되어서는 안 되며; 예를 들어, 다양한 유형의 입자들의 사양의 상세와 층 형성을 위한 조건들의 상세는 변경될 수 있고, 상술한 다양한 실시예들과 예들의 구조와 요소들은 다양한 실시예들과 예들에서 도시된 것 이외의 방식으로 조합될 수도 있다.

1, 2: 슬라이딩 부재
10: 베이스 기재
10b: 소성 변형부
11: 인터페이스 층
20: 코팅층
20a, 20b: 소성 변형부
20c: 기공
21: 무기질 부분
21A: 경질 재료 부분
22: 인터페이스 층
23: 금속 부분
23A: 연질 재료 부분
24: 인터페이스 층
40: 캠 로브
41: 밸브 리프터
42: 밸브 스프링
43: 엔진 밸브
43A: 밸브 스템
43a: 슬라이딩 표면
43B: 밸브 페이스
43b: 슬라이딩 표면
44: 스템 시일
45: 밸브 가이드
45a: 슬라이딩 표면
46: 실린더 헤드
46A: 시트 부분
46a: 슬라이딩 표면
47: 배기 포트
48: 리테이너
49: 코터
60: 연결 로드
60A: 대단부
61: 크랭크 핀
62: 베어링 메탈
62a: 슬라이딩 표면

Claims (9)

1. 베이스 기재(base substrate)와, 상기 베이스 기재상에 형성된 코팅층(coating layer)을 포함하는 슬라이딩 부재(sliding member)로서,
   상기 코팅층은, 코발트계 합금 입자들, 크롬계 합금 입자들, 니켈계 합금 입자들 및 몰리브덴계 합금 입자들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 유형의 무기질 입자들로부터 유래된 무기질 부분(inorganic portion), 및 철계 합금 입자들 및 구리 입자들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 유형의 금속 입자들로부터 유래된 금속 부분을 포함하고, 상기 금속 부분과 상기 무기질 부분은 인터페이스를 통해 함께 결합되며;
   상기 슬라이딩 부재는, 상기 베이스 기재와 상기 코팅층 사이의 인터페이스와 상기 금속 부분과 상기 무기질 부분 사이의 인터페이스 둘 다의 적어도 한 부분 상에 확산층과 금속간 화합물층 중 적어도 하나를 포함하는 인터페이스 층을 포함하고;
   상기 인터페이스 층의 두께는 2㎛ 이하이고,
   상기 무기질 부분의 비커스 경도(Vickers hardness)는 500HV 이상 1500HV 이하이고, 상기 금속 부분의 비커스 경도는 500HV보다 작은, 슬라이딩 부재.
2. 제1항에 있어서,
   상기 철계 합금 입자들은 오스테나이트 스테인리스 강 입자들을 포함하는, 슬라이딩 부재.
3. 제1항에 있어서,
   상기 무기질 부분의 영률(Young's modulus)은 100GPa 이상인, 슬라이딩 부재.
4. 제1항에 있어서,
   상기 베이스 기재와 상기 코팅층 중 적어도 하나는 소성 변형부를 포함하는, 슬라이딩 부재.
5. 내연 엔진의 슬라이딩 영역에 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 슬라이딩 부재를 가진 내연 엔진의 슬라이딩 부재.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 코팅층은 코발트계 합금 입자들 및/또는 니켈계 합금 입자들을 포함하는 상기 무기질 입자들로부터 유래된 상기 무기질 부분, 및 오스테나이트 스테인리스 강 입자들과 구리 입자들 중 하나로부터 유래된 상기 금속 부분을 포함하는, 슬라이딩 부재.
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