KR20010013082A - 사판식컴프레서의 사판 - Google Patents

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미즈타니히데키
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나카이마히로유키
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후쿠마 노부오
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이시카와 타다시
가부시키가이샤 도요다지도쇽기세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명은, 사판식컴프레서의 철 혹은 알루미늄기판에, Si를 12∼60% 및 필요에 의해 Sn을 0.1∼30% 함유하는 알루미늄합금을 용사함으로써, Si가 입자형상으로 분산한 눌어붙음내성 및 마모내성을 겸비한 표면층을 형성하는 것을 특징으로 한 것이다.

Description

사판식컴프레서의 사판{SWASH PLATE OF SWASH PLATE COMPRESSOR}
사판식컴프레서는, 도 1에 표시한 바와 같이 회전축(1)에 비스듬히 고착된 사판(2) 또는 회전축에 비스듬히 장착되고, 경사각변경가능한 사판이, 회전축의 회전에 따라서 컴프레서내에서 구획된 공간의 체적을 증감함으로써 압축·팽창을 행하는 것이다. 이러한 사판은 슈(Shoe)(3)라고 호칭되는 밀봉부재와 슬라이딩하고 또한 상호 기밀한 봉지(封止)를 도모함으로써 냉각매체가 소정의 공간에서 압축·팽창가능하게 된다. (4)는 볼이다.
사판의 슬라이딩조건이 특장적인 점은, 컴프레서운전초기에 윤활유가 도달하기전에 냉매가 사판과 슈사이의 슬라이딩부에 도달하고, 이것이 접동부에 잔존하는 윤활유를 세정하는 작용을 가지기 때문에, 윤활유가 없는 드라이조건에 의해 슬라이딩된다는 것이다. 이와 같이 사판의 슬라이딩조건은 매우 엄격하다.
이와 같은 조건으로 사용되는 사판은 눌어붙음내성, 마모내성 등의 슬라이딩특성이 필요하게 되므로, 알루미늄계재료에 경질물을 첨가해서 마모내성을 향상시키는 제안, 사판의 재질을 개량하는 제안, 철사사판에 열처리를 실시하여 경도를 상승시켜 마모내성을 향상시키는 제안이 이루어지고 있다. 또는 다음과 같은 표면처리법도 제안되고 있다.
본 출원인은, 철사사판과 철사슈의 슬라이딩에서는 눌어붙음이 발생하기 쉬우므로, 일본국 특개소 51-36611호 공보에 있어서 철사사판에서는 슈에 Cu소결재료를 접착하는 것을 제안했다. 즉, 옛날에는, 철사사판에 경화처리를 실시해왔으나, 상대재(相手材)인 슈도 철사재료이면, 동종재료의 슬라이딩에 의해 눌어붙음이 발생하기 쉽다는 문제가 있었다. 이것을 피하기 위해서 철사사판의 상대재(슈)에 소결구리합금을 사용한 것이다.
또, 동종재료의 슬라이딩을 피하기 의해 철사사판에 주석도금을 실시하고, 눌어붙음내성을 향상시키는 것도 제안되고 있으나, 주석도금은 연질이기때문에 내마모성부족의 문제가 발생했다.
또, 주조 혹은 주조에 의해 제조되는 공정(共晶) 혹은 과공정(過共晶)Al-Si알루미늄합금은 마모내성이 양호하나, Si함유량이 15%를 초가하면 제조가 곤란해지므로, 마모내성도 이 Si량에 의해 제약되게 된다. 최근, 급냉응고알루미늄합금분말을 사용한 분말야금제품이 제안되어 있고(예를 들면 일본국 특허게재공보 제 2535789호), Si함유량이 예를 들면 14∼30%로 매우 높기때문에 마모내성의 향상은 현저하다. 그러나, 이 합금은 호트프레스에 이어서 열간압출 등의 가공을 행할 필요가 있으므로, 사판소재등의 비교적 대형부품을 제조하기 위해서는 매우 대용양의 프레스나 압출기의 설비투자를 하지 않으면 않되므로, 코스트면의 경쟁력이 현저하게 낮다고 하지 않을 수 없다.
[발명의 개시]
따라서, 본 발명은, 철사 혹은 알루미늄계 사판의 표면에 뛰어난 눌어붙음내성 및 마노내성을 겸비한 표면층을 형성함으로써, 사판식 컴프레서의 성능을 향상하고 또 신뢰성의 향상을 도모하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명자들은 공정 및 과공정영역의 Al-Si계 알루미늄합금계 슬라이딩재료를 간단한 방법으로 사판의 표면에 슬라이딩층으로서 성막하고 또한 종래의 각종슬라이딩층보다도 뛰어난 특성을 발휘시키기 위한 연구를 행했다.
본 발명자는 예의 실험을 행하고, 공정 및 과공정영역의 Al-Si계 알루미늄합금의 용사피막은 기판과의 밀착성이 뛰어나있고, 또 Si입자가 미세화되어 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성했다.
즉 본 발명의 제 1은, Si를 20∼60중량%를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Al로 이루어지고, 입자형상Si입자를 매트릭스속에 분산시킨 용사량을 기판에 피착시킨 것을 특징으로 하는 사판식컴프레서의 사판이고,
본 발명의 제 2는, Si를 20∼60중량% 및 Sn을 0.1∼30중량%를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Al로 이루어지고, 입자형상Si입자 및 Sn상을 매트릭스속에 분산시킨 용사량을 기판에 피착시킨 것을 특징으로 하는 사판식컴프레서의 사판이다.
본 발명에 있어서의 「용사」(spraying)는, JIS공업용어사전, 제 4판, 제 1946페이지의 정의에 준거하여 「물질을 열원으로 용융 또는 반용융상태로해서, 기판에 내뿜어서 막을 형성한다」는 것을 의미한다. 보다 구체적으로는 「물질」이란 알루미늄합금 혹은 그원료, 예를 들면 Al와 Si분말이다. 반용융상태란, 예를 들면 고Si의 Al-Si합금과 같이 융점이 높은 재료의 온도가 고액(固液)공존상태로 되는것, 혹은 후술과 같이 일부의 분말이 용융하지 않는 상태이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 또한, 100분율은 특히 언급하지 않는한 중량%이다.
[발명의 실시형태]
본 제 1발명의 Al-Si계 합금에 있어서, Si는 입자형상형태로 알루미늄매트릭스속에 미세 또한 다량으로 분산해서 합금의 경도를 높여서 마모내성을 향상시킨다. 또, 미세 또한 다량으로 분산한 입자형상Si입자는 알루미늄매트릭스가 슈와 응착(凝着)하는 것에 의한 눌어붙음을 발생하기 어렵게 하고 있다.
용사구리합금에 대해서는, Cu-Pb합금을 예로서, 본 출원인이 EPO713972A1에서 상술한 바와 같으며, 액체방울이 급냉응고하는 점에서는 Al합금의 예와 공통하고 있으나, 용사Al-Si계 합금의 하나의 특징은 첨가원소(Si)가 매트릭스원소(Al)보다 융점이 높은데 있다. 이 결과로서, Si는 입자형상형태로 알루미늄매트릭스속에 미세 또한 다량으로 분산해서 합금의 경도를 높여서 마모내성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서, 입자형상Si입자란 종래의 용제합금의 초정(初晶)Si나 압연합금의 Si입자에서 볼 수 있는 것과 같은, 한방향이 분명히 긴 방향성이 있는 입자형상은 아니고, 어느 방향이라도 거의 동일한 치수의 구상(球狀), 괴상(塊狀), 다각형, 그밖에 이들로 분류되지 않는 부정형 형상이다. 또, 종래의 용제합금에서는 판연(判然)하게 되어 있는 초정Si와 공정Si의 구별은 소실되어 있다.
Si함유량이 12%미만에서는 마모내성과 눌어붙음내성향상의 효과가 적고, 60%를 초과하면 강도저하가 현저하고, 마모내성의 저하를 초래한다. 바람직한 Si함유량은 15∼50%이다. Si입자의 치수가 50㎛를 초과하면 Si입자의 탈락이 발생하기 쉬워진다. 바람직한 Si입자치수는 1∼40㎛이다.
다음에, 본 제 2발명의 Al-Si-Sn계 합금은 뛰어난 마모내성과 눌어붙음내성을 가진 재료이다. Si의 형상 및 함유량은 제 1발명에 대해서 설명한 바와 공통되고 있다. Sn은, 균일하게 알루미늄매트릭스속에 분산해서 윤활성이나 친숙성을 부여하는 성분이고, 또, 슈에 우선적으로 부착해서, 슈에 응착한 Al과 베어링의 Al이 동종재료끼리에 의해 슬라이딩하는 것을 방해해서, 눌어붙음내성을 높인다.
Sn함유량이 0.1%미만에서는 윤활성등의 향상의 효과가 적고, 30%를 초과하면 합금의 강도가 저하한다. 바람직한 Sn함유량은 5∼25%이다. Sn상은 층내에서 편상(片狀)으로 신장한 형상을 가지고, 이 형상은 윤활성의 면에서 바람직하다고 생각된다.
제 1발명 및 제 2발명의 알루미늄합금은, 예를 들면 다음의 임의원소를 함유할 수 있다.
Cu: Cu는 알루미늄매트릭스에 과포화로 고용(固溶)해서 그 강도를 높이므로써, 알루미늄의 응착마모나, Si입자가 탈락함에 따른 마모를 억제한다. 또 Cu는 Sn의 일부와 Sn-Cu금속간 화합물을 생성해서 마모내성을 높인다. 그러나, Cu의 함유량이 7.0%를 초과하면 합금이 지나치게 경화하기 때문에 슬라이딩부재로서 부적당하게 된다. 바람직한 Cu함유량은 0.5∼5%이다.
Mg: Mg는 Si의 일부와 화합해서 Mg-Si금속간화합물을 생성해서 마모내성을 높인다. 그러나 Mg의 함유량이 5.0%를 초과하면, 거칠고 엉성한 Mg상이 생성해서 슬라이딩특성이 열악화한다.
Mn: Mn은 알루미늄매트릭스에 과포화로 고용해서 그 강도를 높이므로써 Cu와 마찬가지의 효과를 가져온다. 그러나, Mn의 함유량이 1.5%를 초과하면 합금이 지나치게 경화하기 때문에 슬라이딩부재로서 부적당하게 된다. 바람직한 Mn함유량은 0.1∼1%이다.
Fe: Fe는 알루미늄매트릭스에 과포화로 고용해서 그 강도를 높이므로써 Cu와 마찬가지의 효과를 가져온다. 그러나, Fe의 함유량이 1.5%를 초과하면 합금이 지나치게 경화하기 때문에 슬라이딩부재로서 부적당하게 된다. 바람직한 Fe함유량은 0.1∼1%이다.
Ni: Ni는 알루미늄매트릭스에 과포화로 고용해서 그 강도를 높이므로써 Cu와 마찬가지의 효과를 가져온다. 그러나, Ni의 함유량이 8%를 초과하면 합금이지나치게 경화하기 때문에 슬라이딩부재로서 부적당하게 된다. 바람직한 Ni함유량은 0.1∼5%이다.
계속해서 제 1발명 및 제 2발명에 공통하는 용사에 의한 슬라이딩층의 형성을 설명한다.
본 발명에 있어서는, 트라이보로디스트 vol.41, No. 11의 제 20페이지, 도 2에 게재되어 있는 각종 용사법을 채용할 수 있으나, 중에서도 고속가스화염용사법(HVOF, high velocity oxyfuel)을 바람직하게 채용할 수 있다. 이 방법은 동 제 20페이지 우란제 4∼13행에 기재된 특장을 가지고 있으므로, 특장이 있는 Si 및 Sn상형태를 얻을 수 있다고 생각된다. 용사된 Al은 급냉응고에 의해 경화하고 있기 때문에, Si입자의 유지력이 높은 특장을 가지고, 이 때문에 Si입자 탈락에 의한 마모를 억제할 수 있다.
용사분말로서는 Al-Si합금, Al-Si-Sn합금 등의 애터마이즈분말은 완전히 기판상에서 용융하여 그후 응고해도 되고, 혹은 일부가 미용융상태로 기판상에서 피착되어 분말의 조직이 남도록 해도 된다.
용사조건으로서는, 산소압력 0.45∼0.76㎫, 연료압력 0.45∼0.76㎫, 용사거리 50∼250㎜가 바람직하다.
용사층의 두께는 10∼500㎛, 특히 10∼300㎛가 바람직하다.
용사후의 경도는 Hv 100∼600의 범위에 있다. 종래의 12%Si함유알루미늄합금에서는 경도가 Hv 70∼150이므로, 본 발명의 용사층은 매우 경질이라고 말할 수 있다.
용사층을 형성하는 기판으로서는, 철, 구리, 알루미늄 등의 각종 금속기판을 사용할 수 있다. 기판의 표면은 쇼트블라스트 등에 의해, 바람직하기는 Rz 10∼60㎛의 표면거칠기로 조면화해두면, 막의 밀착강도가 높아진다. 구체적으로는 전단(剪斷)파괴시험법에 의해 밀착강도를 측정한바, 강철기판(쇼트블라스트)에 대한 용사Ni피막의 밀착강도가 30∼50㎫이었는것에 대하여, 본 발명 피막의 밀착강도는 40∼60㎫이었다. 따라서 종래 밀착성이 좋다고 하는 Ni용사피막보다도 높은 밀착강도를 얻을 수 있다.
용사층에는 열처리를 실시해서 경도를 조정할 수 있다.
용사층과 기판의 밀착력은 알루미늄(즉 용사층의 매트릭스)과 기재의 금속이 융합·확산해서 합금을 만드므로써 가져오게 되고, 한편 분산상인 Si등은 이와 같은 작용이 결여되고, 밀착력에는 기여하고 있지 않다고 생각된다. 이와 같이 용사층속의 Sn 및 Si는 기판과 용사층의 밀착성을 저하하는 경향이 있으므로, 이들 원소의 용사층속의 농도가 기판쪽으로부터 표면을 향해서 연속적 혹은 불연속적으로 증가하는 농도구배를 형성하면 밀착력을 높일 수 있다. 이 결과, 기판과 접촉하는 용사층은 순Al, Si등의 2차상 형성원소농도가 낮은 합금이 되어 밀착력이 높여진다. 이와 같은 농도구배는 용사분말의 배합조성을 바꾸므로써 형성할 수 있다.
용사층을 오버레이 없이 사용하는 경우는, 용사표면을 Rz 3.2㎛이하로 마무리하는 것이 바람직하다. 오버레이를 사용하는 경우는 Sn계, Pb-Sn, MoS2, MoS2-흑연 등의 친숙성에 뛰어난 각종 연질피막을 사용할 수 있다.
슈자체는 공지의 것이며, 예를 들면 본 출원인의 일본국 특개소 51-36611호 등에 표시되어 있고, 철사재료로서는 철을 주성분으로하는 모든 재료에 의해 슬라이딩면을 구성한 것을 사용할 수 있으나, 베어링강철이 바람직하다. 또, 그 제조방법도 일체한정되지 않고, 압연, 단조, 분말야금, 표면경화 등의 기술을 적당히 채용할 수 있다.
본 발명은, 사판식컴프레서의 사판에 관한 것이며, 더욱 상세히 설명하면, 사판식컴프레서에 있어서 철사 혹은 알루미늄계재료로 이루어진 사판의 슬라이딩특성을 비약적으로 개량하는 표면처리기술에 관한 것이다.
도 1은 사판식컴프레서의 사판, 회전축 및 슈를 표시한 도면
도 2는 실시예 1의 용사알루미늄합금의 금속조직도
이하, 실시예에 의해 본 발명을 설명한다.
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]
[실시예 1]
Al-40% Si의 조성이되도록, 이들 금속분말의 혼합물을 준비했다. 한편 시판의 순알루미압연판에 스틸그릿(치수 0.7㎜)에 의한 쇼트블라스트를 실시하고, 표면을 거칠기 Rz 45㎛로 조면화했다.
HVOF형 용사기(스루저메테코 회사제 DJ)를 사용하여, 하기 조건으로 용사를 행했다.
산소압력: 150psi
연료압력: 100psi
용사거리: 180㎜
용사층두께: 200㎛
이 결과, 경도 Hv=180∼250, 평균입자형상 Si입자치수 3㎛의 용사층이 형성되었다. 이 표면을 Rz 1.2㎛로 마무리한 후 상대재를 강판(SUJ2담금질)으로서 마모시험을 하기조건으로 행했다. 마모시험의 결과는 비교예 1, 2와 함께 표 1에 표시한다.
[비교예 1]
실시예 1과 마찬가지의 조건으로 순알루미늄의 용사층을 형성하여, 마찬가지의 마모시험을 행했다.
[비교예 2]
Si를 17% 함유하는 사(砂)형 Al-Si주조재를 공시재로해서, 실시예 1과 마찬가지의 시험을 행했다.
마모시험은 다음조건으로 행했다.
시험기: 3핀/디스크마찰마모시험기
하중: 40㎏/㎠
회전수: 700rpm
윤활: 냉동기유+냉매가스(R134a)
시험시간: 120분
마모량(㎛)
실시예 1 3
비교예 1 50
비교예 2 4
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 공정 혹은 과공정 Al-Si합금을 사판의 슬라이딩층으로서 용이하게 성막할 수 있다. 또, 본 발명 합금의 성능은 종래의 용제 Al-Si합금과 비교해서 뛰어나있기 때문에, 사판식컴프레서의 성능향상에 기여하는 바가 크다.

Claims (7)

  1. Si를 12∼60중량%함유하고, 잔부가 실질적으로 Al로 이루어지고, 입자형상Si를 매트릭스속에 분산시킨 용사층을 기판에 피착한 것을 특징으로 하는 사판식컴프레서의 사판.
  2. Si를 12∼60중량% 및 Sn을 0.1∼30중량%함유하고, 잔부가 실질적으로 Al로 이루어지고, 입자형상 Si입자 및 Sn상(相)을 매트릭스속에 분산시킨 용사층을 기판에 피착한 것을 특징으로 하는 사판식 컴프레서의 사판.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 7.0중량%이하의 Cu, 5.0중량%이하의 Mg, 1.5중량%이하의 Mn, 1.5중량%이하의 Fe 및 8.0중량%이하의 Ni로 이루어진 군의 적어도 1종의 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 사판식 컴프레서의 사판.
  4. 제 1항 내지 제 3항의 어느 한 항에 있어서, 상기 기판이 표면을 조면화한 금속기판인 것을 특징으로 하는 사판식컴프레서의 사판.
  5. 제 1항 내지 제 4항의 어느 한항에 있어서, 상기 입자형상Si의 평균입자직경이 50㎛이하인 것을 특징으로 하는 사판식컴프레서의 사판.
  6. 제 1항 내지 제 5항의 어느 한 항에 있어서, 상기 Si 및 Sn의 용사층속의 농도가 기판으로부터 층표면으로 향하는 방향에서 증가하는 막두께 방향의 농도변화를 형성한 것을 특징으로 하는 사판식 컴프레서의 사판.
  7. 제 1항 내지 제 6항의 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미늄합금의 표면에 연질막을 피착한 것을 특징으로 하는 사판식 컴프레서의 사판.
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