KR20010021292A

KR20010021292A - 알루미늄 미끄럼 표면을 위한 코발트 및 비스무쓰와주석의 화성 코팅

Info

Publication number: KR20010021292A
Application number: KR1020000046862A
Authority: KR
Inventors: 코디칼에드워드
Original assignee: 티. 제이. 드쥐르; 포드 모터 캄파니
Priority date: 1999-08-16
Filing date: 2000-08-14
Publication date: 2001-03-15
Also published as: US6129996A; DE60000599D1; EP1083246B1; JP2001081574A; DE60000599T2; EP1083246A1

Abstract

사용 중에 미끄럼 마찰에 노출되는 알루미늄 표면 또는 알루미늄 합금 표면은 0.2 내지 10.0 중량 퍼센트의 코발트, 0.1 내지 12 중량 퍼센트의 비스무쓰 및 잔부가 주석으로 된 화학적 화성 코팅(conversion coating)을 갖는다. 예를 들어, 경사판형 압축기의 경사판은 그 적어도 일부분 상에, 즉 사용중에 슈(shoe)와 접촉하는 부분들 상에 화성 코팅을 할 수 있다. 양호하게는, 그 코팅은 0.8 내지 2.5 미크론의 두께를 갖는다. 경사판 상의 코팅은 금속 도금 또는 고정밀도의 마무리 연마 없이도 낮은 실리콘의 알루미늄 합금을 사용할 수 있게 한다.

Description

알루미늄 미끄럼 표면을 위한 코발트 및 비스무쓰와 주석의 화성 코팅 {CONVERSION COATINGS OF TIN WITH COBALT AND BISMUTH FOR ALUMINUM SLIDING SURFACES}

본 발명은 표면의 미끄럼 마찰을 줄이고 접촉 성분들의 마모를 줄이기 위해 화학적 변환에 의해 알루미늄 또는 알루미늄 합금 상에 제공된 코발트-비스무쓰-주석 코팅에 관한 것이다. 그러한 코팅은 경사판형 압축기의 경사판 표면 또는 피스톤과 같은 다른 알루미늄 표면에 코팅된다.

종래에, 차량의 공조 시스템과 같은 시스템들에서 경사판형 압축기가 사용되었다. 공지된 경사판형 압축기에 따르면, 경사판 및 피스톤의 왕복 운동에 따라 동력이 전달됨으로써 가스가 흡입, 압축 및 방출된다. 경사판은 대체로 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 조성되고, 철 또는 알루미나와 같은 경량 세라믹으로 조성된 슈(shoe)와 함께 회전될 때 미끄럼 접촉될 수 있다. 슈와 경사판의 경계면에서 금속간 접촉은 불리한 마모를 발생시킬 수 있고 경사판과 슈의 작동을 중지시킬 가능성도 있다.

슈/경사판 경계면에서의 윤활성을 개선시키고 경사판 표면의 마모를 줄이기 위해 여러 처리 방법들이 개발되었다. 종래에, 경사판들은 윤활성을 개선하기 위해 주석으로 코팅되었다. 그러나, 주석은 비교적 연성이고 또 윤활성을 향상시킬지라도 최적의 경도 및 내구성에 미치지 못한다. 경도를 향상시키기 위해, 예를 들어 미국 특허 제5,056,417호는 구리, 니켈, 아연, 납 및 인듐으로 이루어진 군(group)으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 및 주석으로 제조된 표면 코팅층으로 경사판 본체를 처리한다. 이러한 5가지 재료들은 내마모성 향상을 위해 주석과 함께 합금 처리되지만, 이들 재료 중 그 어느 것도 그 코팅을 경사판에 결합하는 작용을 한다고 개시되어 있지 않다. 미국 특허 제5,655,432호는 윤활 첨가제 및 하중 지지 첨가제로서 알루미늄에 직접 결합된 교차 결합 폴리플루오르 일래스토머로서 경사판을 처리하였다. 전술한 코팅 공정은 제조 단계를 복잡하게 하고 종래의 주석 화성(化成) 코팅보다 제조 공차를 유지하는 것을 더 어렵게 만든다. 미국 특허 제5,864,745호에서, 경사판을 코팅하는데 있어서 원자 구리 합금 분말의 비용융 구조를 포함하는 구리계 화염 분사 재료가 개시되어 있다. 그 코팅은 코팅의 50 퍼센트를 초과하지 않는 범위에서 납, 주석, 인, 알루미늄, 은, 실리콘, 망간, 크롬, 니켈 및 아연 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 화염 분사 코팅의 한 가지 단점은 표면 마무리 결과가 너무 거칠어서 코팅 후의 기계 가공이 요구된다는 것이다. 미국 특허 제4,252,618호는 주석에 대한 전기도금 공정을 개시하는 데, 여기서 그 욕은 주석 이온, 알칼리 금속 수산화물 및 구연산비스무쓰를 함유하고 있다. 그 욕은 구연산을 사용함으로써 주석의 "열화(desease)"를 억제하는 것으로 개시되어 있다. 전기 도금은 코팅 두께에 의해 전기 도금된 부분의 치수를 추가하는 것으로 알려져 있고, 전기 도금은 전류를 이용하여야 하므로 코팅 공정을 더 복잡하게 만든다.

본 발명은 종래 기술의 코팅들의 결함을 극복하는 화성 코팅 기술을 이용하여 형성된 주석-코발트-비스무쓰 코팅을 개시한다. 본 발명은 사용 중에 미끄럼 마찰을 겪게 되는 알루미늄 표면 또는 알루미늄 합금 표면, 예를 들어 경사판, 피스톤 등의 표면에 개선된 내마모성 및 우수한 접착성을 나타내는 화성 코팅을 제공한다. 또한, 본 발명의 코팅은 알루미늄 경사판 상에 고윤활성의 주석을 보유한다. 본 코팅의 금속들은 네트(net) 부분의 치수 성장이 관측되지 않으면서 알루미늄 내로 확산된다.

도1은 본 발명의 한 실시예에 따른 경사판 압축기의 분해도.

도2는 상부에 코팅층이 형성된 경사판의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 압축기

12, 14 : 실린더 블록

16 : 왕복 피스톤

18 : 실린더 보어

20 : 경사판

22 : 샤프트

24 : 슈

본 발명은 사용 중에 미끄럼 마찰에 노출되는 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 표면을 갖는 제품에 관한 것이다. 본 발명은 그 표면의 적어도 일부분 상에 화성 코팅이 코팅되어 있고, 그 코팅은 0.2 내지 10 중량 퍼센트의 코발트와 0.1 내지 12 중량 퍼센트의 비스무쓰 및 주석으로 조성되어 있다. 본 코팅은 그 표면이 알루미늄을 위한 수용성 알칼리 화학적 변환 욕에 접촉될 때 화학적 변환에 의해 형성되고, 그 욕은 상기 화성 코팅을 제공하기에 충분한 양의 수용성 주석, 코발트 및 비스무쓰 화합물을 함유한다. 그러한 제품의 실시예들은 경사판 및 피스톤을 포함한다.

경사판 압축기는 실린더 블록을 구비하고 그 실린더 블록은 실린더 블록의 축에 평행하게 배치된 실린더 보어를 갖는다. 상기 실린더 블록 및 피스톤 내에 회전 가능하게 장착된 회전식 샤프트는 실린더 보어 내에서 왕복식으로 끼워맞춤되어 있다. 슈는 피스톤 및 경사판 사이에 미끄럼 가능하게 개재되어 있다. 경사판은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 조성된 기지 및 경사판의 적어도 일부분 상의 전술한 주석 화성 코팅을 포함한다. 경사판의 표면의 코팅 부분은 압축기 조작 중에 슈와 미끄럼 가능하게 접촉하는 부분이다.

한 이점으로서, 첨가된 코발트는 종래의 주석 화성 코팅보다 개선된 접착성을 제공한다. 또, 예기치 못하게 비스무쓰가 주석 합금 코팅면을 평활하게 하는 것이 발견되었고, 이것은 주석 화성 코팅의 용착 반응을 조절함으로써 발생되는 것으로 생각된다. 그리고, 예상치 못하게 비스무쓰가 주석의 윤활성을 향상시키는 것이 발견되었다. 따라서, 코발트 및 비스무쓰의 양자는 알루미늄 표면의 내마모성을 개선하는데 기여한다.

본 발명은 알루미늄 표면이 상부에 제공된 강 또는 다른 금속 재료인 제품의 전체 또는 단지 그 한 표면을 포함할 수 있는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 상에 화성 코팅을 제공하는 것에 관한 것이다. 본 제품 또는 기판은 예를 들어 차량 압축기 또는 피스톤의 경사판일 수 있고, 임의의 제품의 알루미늄 표면은 접착 코팅에 의해 수반되는 증가된 윤활성 및 감소된 마모성의 이점을 갖는다. 이러한 것들은 또한 피스톤 엔진 또는 크랭크샤프트계 냉각/AC 압축기용의 커넥팅 로드를 포함할 수도 있다. 본 제품은 차량용 제품이 아닐 수도 있다. 본 기술 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 화성 코팅 공정에서, 기판은 다른 재료(예컨대, 고체, 액체 또는 기체일 수 있음)와 반응해서 그 표면이 상이한 특성을 갖는 상이한 화합물로 화학적으로 변환된다. 또한, 그 공정은 대개는 고온에서 실시되는 데, 그러한 고온에서 확산은 종종 그러한 변환의 근거가 된다. 따라서, 화성 코팅 공정과 그러한 코팅은 예컨대 캐소드(음극) 상에 용착된 양이온들과 같은 이온들의 용착과 관련된 전해 용착과 같은 코팅 공정들과는 크게 다르다. 본 기술 분야에서 알려진 바와 같이, 알루미늄의 화성 코팅 공정에서, 코팅 욕 내의 알칼리성에 의해 표면 알루미늄은 알루미네이트로서 욕 내로 용해된다. 이후에, 본 발명에서는, 그 표면 알루미늄을 코발트, 비스무쓰 및 주석을 포함하는 화성 코팅 재료와 결합시키고, 그 화성 코팅 재료는 주석, 코발트 및 비스무쓰를 포함하는 착물로서 알루미늄 표면 상에 재용착되고 그러한 착물은 알루미늄 표면 내로 확산된다. 이것은 예를 들어 금속의 표면 상에 열 스프레이 또는 도금에 의해 재료가 스프레이 코팅되는 경우와 대비된다. 종종, 종래의 도금 및 코팅 공정에 의하면, 알루미늄과 외부 윤활층 사이에 그 둘을 결합하기 위한 개재층이 부착된다. 따라서, 본 발명의 화성 코팅 공정은 그러한 개재층-외부층 시스템에 관련된 제조 복잡성을 피하게 된다. 열 스프레이 또는 전기 도금 코팅이 코팅의 두께에 의해 그 부분들의 치수를 증가시킬지라도, 본 발명의 화성 코팅이 부품 치수를 증가시키지 않음을 알게 되었다.

경사판은 본 발명에 따라 화성 코팅될 수 있는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 표면들의 한 예로서, 이후에는 단지 예시적인 목적으로서 상세히 설명된다. 그러나, 전술한 바와 같이, 특히 전술한 재료들과 같이 알루미늄 또는 알루미늄 합금 표면을 갖는 다른 제품들이 본 발명에 따라 최적으로 화성 코팅될 수도 있다.

도1에서 냉매 가스를 냉각 회로를 통해 분사하기 위한 자동차 경사판형 압축기(10)의 사시도 및 분해도가 도시되어 있다. 압축기(10)는 2편의 실린더 블록(12, 14)을 포함하고 그 실린더 블록에는 복수의 왕복 피스톤(16)들이 제공된다. 도1은 명료한 도시를 위해 그러한 왕복 피스톤(16) 중 단지 하나만 도시하고 있다. 실제로, 각각의 피스톤(16)은 실린더 보어(18) 내에서 왕복 운동한다.

각각의 피스톤(16)은 축방향으로 연장된 회전 가능 샤프트(22) 상에 고정식으로 장착된 경사판(20)과 통해 있다. 각각의 피스톤(16)의 그 연관된 실린더 보어 내에서의 왕복 이동은 냉매 가스를 연속적으로 흡수, 압축 및 방출한다. 한 쌍의 피벗 슈(24)들은 각각의 피스톤(16) 및 경사판(20) 사이에 위치한다. 슈(24)는 경사판(20)의 회전 이동을 피스톤(16)의 선형 이동으로 전달한다. 경사판(20)은 슈(24)에 접촉하는 2개의 표면(26)(명료한 도시를 위해 단지 하나만 도시함)을 구비한다.

샤프트(22)의 회전은 경사판(20)이 실린더 블록(12, 14) 사이에서 회전하게 한다. 표면(26)은 슈(24)와 접촉하고 슈(24)와의 전단형 마찰 접촉력을 받는다. 단부면(28)은 피스톤(16)이 약간 경사지거나 굴곡되면 피스톤(16)과 접촉할 수 있다. 단부면(28) 및 표면(26)은 피스톤(16) 및 슈(24)와의 접촉으로부터 마모를 방지하기 위해 코팅되어 있다. 또한, 표면 코팅(30)은 압축기의 효율을 증가시키기 위해 낮은 마찰 계수를 가져야 한다.

본 발명에 따른 경사판(20)의 형상은 종래의 경사판의 형상과 동일할 수 있다. 경사판 본체(20)의 기지(matrix)를 구성하는 재료는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이어야 한다. 알루미늄 합금은 예를 들어 알루미늄-고실리콘계 합금, 알루미늄-실리콘-마그네슘계 합금, 알루미늄-실리콘-구리-마그네슘계 합금 및 실리콘을 함유하지 않는 알루미늄 합금일 수 있다.

경사판(20)은 일반적으로 경량 및 강성을 갖도록 알루미늄 또는 알루미늄 합금 재료로 제조된다. 알루미늄 및 과공정[즉, 공정(eutectic) 결정 구조를 형성하는데 요구되는 실리콘보다 더 많은] 실리콘을 함유한 알루미늄 합금이 종종 사용된다. 본 발명의 (도2에 도시된) 표면 코팅(30)이 과공정 알루미늄으로 사용될 수 있더라도, 이것은 실리콘 중량면에서 12.5%보다 적은 비과공정 알루미늄 및 알루미늄 합금에 이용되는 것으로 주로 의도된다. 본 명세서에서 사용되는 경질 입자는 평균 입자 직경이 20 내지 100 마이크로미터이고 그 경도가 비커스(Vickers) 경도계에서 300 이상이며, 보다 양호하게는 초정 실리콘과 같이 비커스 경도계에서 600 이상이다. 예를 들어, 알루미늄-고실리콘계 합금은 경사판 본체(20)용으로 적합한 재료 중 한 재료로서 고려될 수 있다. 알루미늄 실리콘계 합금은 공정 구조를 형성하는데 요구되는 것보다 더 많은 실리콘을 함유하는 것을 의미하는 중량면에서 13 내지 30 퍼센트의 실리콘을 함유하므로, 알루미늄 실리콘계 합금은 기지 구조 내에서 분산된 초정 실리콘을 가질 수 있다. 또한, 알루미늄 실리콘계 합금은 경사판에서 더 우수한 특성을 갖고 더 혹독한 미끄럼 조작 상태에서 견딜 수 있다. 경질 입자를 갖고 경사판 본체(20)에 적용 가능한 다른 재료들은 알루미늄-망간, 알루미늄-실리콘-망간, 알루미늄-철-망간, 알루미늄-크롬 등의 금속간 화합물이다.

종래에, 경사판(20)은 알루미늄으로 제조되거나 알루미늄 합금이 슈(24)와 직접 접촉하였다. 그러나, 본 발명에 따르면, 표면 코팅 층(30)과의 작용 중에, 경사판 본체(20)는 슈와의 마찰 저항이 크게 줄도록 슈(24)와 접촉한다. 이것이 슈(24)와 접촉하는 표면(26)을 코팅하기 위해 단지 필요할지라도, 전체 경사판 본체(20)의 제조를 용이하게 하기 위해 코팅된다.

본 발명에 따르면, 경사판 본체(20)는 표면 코팅층(30)을 갖는다. 표면 코팅층(30)은 슈(24)와 잘라내듯이 접촉하는 표면의 적어도 그 부분 상에서 경사판 본체(20)의 표면 상에 형성된다. 그러나, 그 표면 코팅층(30)은 경사판 본체(20)의 전체 표면 위에 형성될 수 있다. 표면 코팅층(30)은 슈(24)와의 마찰 저항을 줄이는 작용을 하고 경사판(20)의 활주 표면(26)에서 작동 중지의 발생을 방지한다.

본 발명의 표면 화성 코팅층(30)은 주로 코발트로 개질된 주석으로 조성된다. 표면 코팅 층(30)이 주석으로만 조성되면, 마찰 계수는 낮아지지만 동시에 표면 코팅층이 주석의 특징으로 인해 다소 연성이 되고 결과적으로 표면 코팅층(30)은 마모에 민감해진다. 특히, 표면 코팅층(30)의 주석, 코발트 및 비스무쓰의 전체 중량에 기초하면, 표면 코팅층은 0.2 내지 10 중량 퍼센트(보다 양호하게는 0.2 내지 2.1 중량 퍼센트)의 코발트, 0.1 내지 12 중량 퍼센트(보다 양호하게는 0.2 내지 5 중량 퍼센트)의 비스무쓰 및 잔부(balance)가 주석으로 조성되고, 가장 양호하게는 92.9 내지 99.7 중량 퍼센트의 주석, 0.2 내지 2.1 중량 퍼센트의 코발트 및 0.2 내지 5 중량 퍼센트의 비스무쓰로 조성된다. 양호하게는, 코팅의 코발트 대 비스무쓰의 함량비는 중량면에서 기초하면 3:8 내지 5:2 사이이다. 가장 양호하게는, 코발트 대 비스무쓰의 함량비는 4:5 내지 3:2 사이이다.

본 발명의 발명자는 표면 코팅층(30)의 기지 구조 내에 주석, 코발트 및 비스무쓰가 공존하게 되면 개선된 경도 뿐만 아니라 저마찰 계수가 제공됨으로써 높은 내마모성이 얻어짐을 발견하였다. 또한, 경사판(20)에 대한 코팅의 마모는 코발트 및 비스무쓰의 첨가에 의해 개선된다.

표면 코팅층(30)은 종래의 화성 코팅 공정에 의해 경사판(20)에 코팅되었다. 본 기술 분야에서는 화성 코팅 형성 단계가 표면의 금속 및 화성 코팅 욕의 성분들의 화학적 반응을 포함한다는 것이 알려져 있다. 본 발명에서, 욕의 pH는 염기성 또는 알칼리성이고, 즉 pH가 7 이상이고 코팅 형성 과정에서 알루미늄이 산화되고 주석이 환원된다.

수용성 주석 욕은 종래 방법에 따라 알칼리 금속 주석산염으로부터 그 다음에 수용성 코발트 화합물, 예를 들어 염화물 및 수용성 비스무쓰 화합물, 예를 들어 구연산염, 아세트산염 또는 질산염이 욕 내에 용해되고 알칼리 수용액이 48.9 ℃(120℉) 이상의 온도로 가열된다. 또한, 이러한 욕 금속의 다른 수용성 염들이 이용 가능하다. 욕 내의 코발트 및 비스무쓰의 농도는 0.2 내지 10 중량 퍼센트의 코발트와 0.1 내지 12 중량 퍼센트의 비스무쓰 및 잔부가 주석인 경사판 상에 코팅을 제공하는데 필요한 농도이다. 양호하게는 욕은 48.9 ℃(120℉) 내지 65.6 ℃(150℉) 사이에 있다. 경사판(20) 상에 그러한 양의 코발트/주석을 제공하기 위해, 한 실시예에서 욕은 0.0063 내지 0.63 중량 퍼센트의 염화코발트, 0.0038 내지 0.077 중량 퍼센트의 구연산비스무쓰 및 6 내지 7.2 중량 퍼센트의 주석산칼륨을 포함한다. 보다 양호하게는, 주석산칼륨의 양을 동일하게 유지하면서, 0.0058 내지 0.058 중량 퍼센트의 구연산비스무쓰와 0.017 내지 0.32 중량 퍼센트 염화코발트이고, 가장 양호하게는 0.0096 내지 0.029 중량 퍼센트의 구연산비스무쓰와 0.021 내지 0.21 중량 퍼센트의 염화코발트이다. 추가적으로, 욕은 킬레이트 및 pH 완충제와 같이 그러한 욕들 내에 이용되는 종래의 재료들을 포함한다. 화성 코팅에서 코발트의 양을 증가시키는 것은 그 내구성 및 알루미늄 기판으로의 부착성을 증대시킨다. 양호하게는, 코발트 이온의 원천은 염화코발트로서, 질산코발트와 같은 화합물은 동일한 결과를 나타내지 않는다. 양호하게는, 비스무쓰 이온의 원천은 구연산염 또는 아세트산염이다.

표면 코팅층(30)을 코팅하기 전에, 경사판(20)은 표면 오일을 제거하고 코팅을 위한 부분들을 마련해 주는 세정액에 노출된다. 세척 방법은 전형적으로 용제, 산 또는 알칼리 세정제를 포함한다. 그 부분들은 그 다음에 최적 두께로의 화성 코팅을 위해 5 내지 6분 동안 그 수용액에 노출된다. 소정 두께의 코팅이 용착되는 시간은 본 기술 분야의 당업자에게 알려진 바와 같이 성분들의 농도, 욕 온도 및 촉매에 의해 영향을 받는다. 다른 조건들의 선택은 본 내용을 고려해 볼 때 본 기술 분야 내의 기술 내에 있다.

표면 코팅층(30)의 두께는 양호하게는 0.8 내지 2.5 미크론이다. 본 출원인은 표면 코팅층(30)이 0.8 미크론보다 얇은 두께를 갖게 되면 마찰 계수가 충분히 낮아지지 않다는 것을 발견하였다. 반면에, 표면 코팅층(30)이 2.5 마이크로미터보다 더 두꺼운 두께를 갖게 되면 표면 코팅층(30)이 장기간의 사용 중에 벗겨짐에 대한 저항과 같이 강도와 관련된 문제점에 민감해진다.

본 발명에 따르면, 경사판(20) 및 슈(24) 사이의 마찰 계수는 경사판(20) 상의 슈(24)의 원활한 미끄러짐이 보장되도록 작다. 그 표면 코팅층(30)은 강도가 우수하므로 마모 발생시에 마모량을 감소시킨다. 더욱이, 액체 냉매가 가압되거나 압축기가 압축기의 외부로 냉매 가스가 누출됨으로써 야기되는 미끄럼 부품들의 불충분한 윤활과 같은 바람직하지 못한 상황 하에서 조작되는 경우에도 경사판(20)의 표면에 대한 슈(24)의 작동 중지가 방지된다. 결과적으로, 전술한 결과들에 의해, 본 발명에 따른 경사판 압축기는 매우 혹독한 사용 조건을 충분히 견딜 수 있고 장시간의 수명을 유지할 수 있다.

실시예 1

본 실시예는 다음과 같이 코발트 또는 비스무쓰를 함유하지 않는 주석 코팅 조성물로 경사판 본체가 코팅된 본 발명에 따르지 않은 비교예이다.

도1에 도시된 경사판형 압축기에 따르면, 경사판은 중량면에서 10 내지 12.5 중량 퍼센트의 실리콘을 함유한 알루미늄 합금으로 제조된 경사판 본체(20)와 그 경사판 본체(20)의 전체면에 형성된 표면 코팅층(30)으로 구성된다. 표면 코팅층(30)은 다음의 공정으로 형성되었다.

경사판(20)은 알칼리 세정제로 60℃(140℉)에서 5분동안 세척되었다. 경사판 본체(20)는 6.6 중량 퍼센트의 주석산칼륨을 함유하고 54.5 내지 63.9℃(130 내지 147℉)로 유지된 수용성 욕 내에 5분동안 담구어졌다. 그 다음에, 경사판 본체는 주석 욕으로부터 취출되어 물로 세척되었다. 그 결과, 1.0 마이크로미터의 두께를 갖고 100 중량 퍼센트의 주석으로 조성된 표면 코팅층(30)이 경사판 본체(20)의 전체 면 상에 형성되었다. 그러한 표면 코팅 층(30)은 1.0 마이크로미터의 두께를 가졌다. 그 코팅 공정은 5개의 상이한 경사판 샘플들에 대해 반복 수행되었다.

실시예 2

본 실시예는 본 발명의 코팅에서 요구되는 비스무쓰없이 단지 코발트 및 주석만을 포함하는 화성 코팅에 대한 비교예이다.

실시예 1에서와 같이, 경사판 본체는 코팅 욕이 6.6 중량 퍼센트의 주석산칼륨과 0.020 중량 퍼센트의 염화코발트(0.005 중량 퍼센트의 코발트)를 함유하고 54.5 내지 63.9℃(130 내지 147℉)로 유지된 점을 제외하고는 전술한 단계들에 따라 화학적 변환 방법에 의해 코팅되었다. 그 결과, 주석 및 코발트로 조성된 표면 코팅층(30)이 경사판 본체(20)의 전체 표면 상에 형성되었다. 0.36 중량 퍼센트의 코발트와 잔부가 주석으로 조성된 그러한 표면 코팅 층(30)은 1.0 마이크로미터 두께를 가졌다. 이러한 코팅 공정은 추가의 5개의 경사판 샘플들에 대해 반복 수행되었다.

실시예 3

본 실시예는 본 발명에 따르지 않은 비교예이다. 여기서의 화성 코팅은 본 발명의 코팅에 요구되는 비스무쓰없이 단지 주석 및 코발트만을 포함한다.

종래 예들에서와 같은 경사판은 6.6 중량 퍼센트의 주석산칼륨과 0.028 중량 퍼센트의 염화코발트(0.007 중량 퍼센트의 코발트)를 함유하는 수용성 욕을 이용하여 전술한 바와 같이 세척한 후에 코팅되었다. 따라서, 본 실시예는 실시예 2보다 더 많은 코발트를 함유한다. 이 때, 경사판은 주석/코발트 욕으로부터 취출되고 물로 세척되었다. 그 결과, 주석 및 코발트로 조성된 표면 코팅층(30)은 경사판 본체(20)의 전체면 상에 형성되었다. 99.5 중량 퍼센트의 주석 및 0.5 중량 퍼센트의 코발트로 조성된 표면 코팅층(30)은 1.0 마이크로미터의 두께를 가졌다. 그 공정은 추가의 9개의 경사판 샘플들에 대해 반복 수행되었다.

실시예 4

본 실시예는 본 발명에 따르지 않는 비교예이다. 여기서 화성 코팅은 본 발명의 코팅에 요구되는 비스무쓰 없이 단지 주석 및 코발트만을 포함한다.

종래 예들에서와 같은 경사판은 6.6 중량 퍼센트의 주석산칼륨과 0.052 중량 퍼센트의 염화코발트(0.013 중량 퍼센트의 코발트)를 함유한 수용성 욕을 이용하여 알칼리 세정제에서 세정 후에 코팅되었다. 따라서, 본 실시예는 실시예 3보다 더 많은 코발트를 함유한다. 경사판은 주석/코발트 욕으로부터 취출되고 물로 세척되었다. 그 결과, 주석 및 코발트로 조성된 표면 코팅층(30)이 경사판 본체(20)의 전체 표면 상에 형성되어 있다. 99.1 중량 퍼센트의 주석 및 0.9 중량 퍼센트의 코발트로 조성된 표면 코팅층(30)은 1.5 마이크로미터의 두께를 가졌다. 그 공정은 추가의 5개의 경사판 샘플들에 대해 반복 수행되었다.

실시예 5

본 실시예는 본 발명에 따라 형성된 주석, 코발트 및 비스무쓰를 포함하는 화성 코팅이다. 그 화성 코팅은 전술한 실시예들에서의 라인들을 따라 형성되었다.

경사판(20)은 5분동안 알칼리 세정제를 이용하여 세척되었다. 경사판 본체(20)는 6.6 중량 퍼센트의 주석산칼륨, 0.020 중량 퍼센트의 염화코발트 및 0.01 중량 퍼센트의 구연산비스무쓰를 함유하고 54.5 내지 63.9℃(130 내지 147℉)로 유지된 수용성 욕 내에 5분동안 담구어졌다. 그 다음에, 경사판 본체는 주석/코발트/비스무쓰 욕으로부터 취출되어 물로 세척되었다. 그 결과, 주석, 코발트 및 비스무쓰로 조성된 표면 코팅층(30)이 경사판 본체(20)의 전체 면 상에 형성되었다. 0.3 중량 퍼센트의 코발트, 0.4 중량 퍼센트 비스무쓰 및 잔부가 주석으로 조성된 표면 코팅 층(30)은 1.3 마이크로미터의 두께를 가졌다. 본 실시예의 공정은 추가의 3개의 경사판 샘플들에 대해 반복 수행되었다.

실시예 6

본 실시예는 본 발명에 따라 형성된 주석, 코발트 및 비스무쓰를 포함하는 화성 코팅이다. 그 화성 코팅은 상기 실시예들에서의 라인들을 따라 형성되었다.

경사판(20)은 알칼리 세정제로 5분동안 세척되었다. 경사판 본체(20)는 6.6 중량 퍼센트의 주석산칼륨, 0.052 중량 퍼센트의 염화코발트 및 0.019 중량 퍼센트의 질산비스무쓰를 함유하고 54.5 내지 63.9℃(130 내지 147℉)로 유지된 수용성 욕 내에 5분동안 담구어졌다. 질산비스무쓰는 용제로 이용되는 탈이온수에 첨가될 때 백색 유액을 형성하였다. 주석 용액에 첨가될 때, 흐림이 서서히 사라졌다. 이러한 것은 백색 질산비스무쓰가 본 발명의 비스무쓰의 원료가 될 수 있고 주석 용액 내로의 흡입이 다소 느려진다는 것을 의미한다. 따라서, 보다 신속하게 용해되는 비스무쓰 화합물이 원재료로서 바람직하다. 그 다음에, 경사판은 주석/코발트/비스무쓰 욕으로부터 취출되어 물로 세척되었다. 결과적으로, 주석, 코발트 및 비스무쓰로 조성된 표면 코팅층(30)은 경사판 본체(20)의 전체면 상에 형성되었다. 0.9 중량 퍼센트의 코발트, 1.0 중량 퍼센트의 비스무쓰 및 잔부가 주석인 표면 코팅층(30)은 1.5 마이크로미터의 두께를 가졌다. 이러한 예의 공정은 3개의 추가적인 경사판 샘플들에 대해 반복 수행되었다.

전술한 실시예들의 코팅들의 마모성 및 접착성을 시험하기 위해, 6가지 실시예에서 전체적으로 36개의 샘플들이 열량계에 의해 시험되었다. 그 열량계 시험은 전형적인 주석계 코팅의 가속적인 마모 및 접착 손실을 측정하였다. 시험 샘플들은 동일한 조건에서 실시되고 그 후에 코팅의 마모가 비교된다. 조립된 압축기는 고속 및 저속으로 실시되었다. 시험 압축기 펌프는 저속으로 모의 실험되는 지점(19)에서 1시간동안 실시되었고 고속으로 모의 실험되는 지점(26)에서 1시간동안 실시되었다. 지점(19) 및 지점(26)에서, 압축기는 1000 및 3000 RPM으로 각각 수행된다. 전술한 실시예 1 내지 6에서 마련된 코팅의 접착성을 비교한 데이타는 아래의 표1에서 순서대로 편집된다. 경사판 본체(20)의 양 표면(26)의 마모가 비교되었다.

표1 ; 실시예 1-6

표에서, 코팅 내의 코발트(Co) 및 비스무쓰(Bi)의 중량 퍼센트는 그 성분들의 욕 농도 하에서 괄호 안에 기재되어 있다.

이러한 표는 개선된 마모 특성을 위한 알루미늄 상의 화성 코팅을 형성하는데 있어서 주석과 비스무쓰 및 코발트를 포함함으로써 갖게 되는 이점을 도시하고 있다. 그 시험은 전술한 바대로 마련된 6개의 상이한 코팅들에 대해 수행된 2시간의 열량계 시험을 포함하였다. 즉, 보다 구체적으로, 표1의 칼럼 3은 본 발명의 실시예의 샘플들의 코팅들(실시예 5-6)과 비교예의 코팅들(실시예 1-4) 간의 경사판의 전면 상에서 평방 밀리미터로 코팅 접착 영역의 손실을 도시한다. 표1의 칼럼 4는 전면과 동일한 방식으로 경사판 후면에 대한 코팅 접착 데이터의 손실을 도시한다. 표1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 5 및 6에 따른 표면 코팅층(30)을 갖는 경사판(20)에 대해 측정된 접착률은 비교 실시예 1-4에서 설명된 종래 유형의 코팅보다 훨씬 더 높았다.

그 표로부터, 코발트의 첨가는 순수한 주석에 비해서 코팅의 접착성 및 마모성을 개선시킴을 알 수 있다. 또, 그 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 주석 코팅에다 코발트 및 비스무쓰를 포함시키는 것은 훨씬 더 우수한 접착률과 내마모성을 제공한다. 따라서, 본 발명의 주석/코발트/비스무쓰 화성 코팅이 다른 코팅들에 비해 마모에 대한 우수한 저항성을 제공한다.

그 표에 도시된 시험 결과들로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 경사판형 압축기가 혹독한 조건하에서 조작되더라도 코팅의 접착 손실의 발생이 표면 코팅층(30)의 영향으로 크게 감소된다.

추가 실험 결과

표준 테이프 접착 시험은 실시예 1-6에서 마련된 샘플들에 대해 수행되었다. 그 시험은 응력하에 놓일 때 제거될 수 있는 코팅량을 측정한다. 3M 610 셀로판 테이프가 2-3 mm 스트립 내의 코팅된 경사판들에 부착되었다. 그 테이프는 테이프의 접착이 보장되도록 고무 제거제로 문지르고 그 다음에 테이프 및 경사판(20)의 표면 사이에 90도 각도로 유지된 신속한 단일 동작으로 제거되었다. 실시예 1의 모든 주석 코팅은 열악한 접착성을 나타낸다. 접착력은 비스무쓰가 포함되지 않을 때 코팅 내의 코발트 양이 증가됨에 따라 개선되었고, 즉 0.007 중량 퍼센트의 코발트를 갖는 코발트/주석 코팅은 0.005 중량 퍼센트의 코발트/주석 코팅 상의 접착성을 개선시켰다. 이러한 테이프 접착 결과는 코발트가 0.007 중량 퍼센트 이상에서 변동이 적어졌다. 즉, 단지 주석/코발트 샘플들에서, 0.013 중량 퍼센트의 코발트 샘플들은 0.007 중량 퍼센트의 코발트와 동일한 접착치를 나타내었다.

한 이점으로서, 예기치 못하게 주석 화성 코팅에서 코발트에 비스무쓰를 첨가하는 것은 우수한 접착성을 유지하면서 코발트의 농도를 감소시킬 수 있었다. 즉, 0.004 중량 퍼센트의 코발트 및 0.005 중량 퍼센트의 비스무쓰를 함유한 주석/코발트/비스무쓰 코팅에 대한 테이프 시험 결과들은 0.007 중량 퍼센트 또는 0.013 중량 퍼센트의 코발트를 함유한 주석/코발트 코팅과 대략적으로 동일하였다. 전술한 바와 같이, 화성 코팅 형성 중에 비스무쓰를 첨가하는 것은 주석 용착 반응을 조절하는데 상당한 효과를 갖는 것으로 생각된다. 이것은 실시예 6에서 도시된 바와 같이 접착력을 개선한 더 평활한 주석 합금 코팅을 제공한다. 비스무쓰 첨가시에 우수한 접착력을 유지하면서 코발트의 양을 감소시킬 수 있다는 것은 코발트가 전략적 금속으로서 중요하고 또 코발트가 비스무쓰에 비해서 고가이다는 점 때문에 유리하게 작용한다.

실시예 7

비스무쓰를 첨가함으로써 제공되는 향상된 접착 성능을 더 구체적으로 입증하기 위해, 강력한 킬레이트가 없는 주석 욕, 즉 접착능을 증진시키고 실시예 1-6에서의 욕 용액에 포함된 EDTA가 제조되었다. 이 시험 용액은 6.6 중량 퍼센트의 주석산칼륨 및 수산화칼륨 및 pH 완충제와 같은 다른 첨가제들로 조성되었다.

시험 용액의 한 부분 내로, (a) 0.004 중량 퍼센트의 코발트 용액이 첨가되었고, 다른 부분 내로 첨가제로서 0.004 중량 퍼센트의 코발트 및 0.01 중량 퍼센트의 비스무쓰가 포함되었다. 욕들은 62.8℃(145℉)로 유지되었다. 샘플 경사판은 각각의 욕 내에 코팅되었고, 표준 테이프 접착 시험이 수행되었다. (a) 0.004 중량 퍼센트의 코발트 용액에서의 경사판들은 각각 95, 80, 75 및 55 퍼센트의 코팅 벗겨짐 면적을 나타내었다. (b) 0.004 중량 퍼센트의 코발트 및 0.005 중량 퍼센트의 비스무쓰는 시행된 2개의 샘플들에 대해서 코팅 벗겨짐을 나타내지 않았다. 이러한 것은 비스무쓰가 알루미늄 기판에 대한 코팅 접착성을 현저히 개선시켰다는 것을 나타낸다.

실시예 8

주석 반응 속도를 조정하고 더 평활한 코팅을 제공하는 비스무쓰의 특성을 입증하기 위해, 실시예 1-6과 동일한 조성의 주석 원액이 조제되었다. 한 부분 내로 0.013 중량 퍼센트의 코발트가 첨가되었다. 다른 부분 내로 0.013 중량 퍼센트의 코발트 및 0.01 중량 퍼센트의 비스무쓰가 포함되었다. 다른 실시예들의 화성 코팅에서와 같이, 코팅반응은 수소 가스를 유리시킨다. 반응 시간 간격은 활발한 가스 배출의 초기 및 말기로 이루어진다. 그 반응은 본 실시예의 양 부분들에 대해 시간을 측정하였다. 코발트만의 용액에 대해서, 반응 시간은 43, 42 및 45초였다. 코발트-비스무쓰 용액에 대해서, 반응 시간은 55 및 56초였다. 검사시에, 코발트-비스무쓰 부분들은 코발트만 있을 때보다 더 평활하고 상당히 더 밝은 표면을 가졌다.

실시예 9

본 실시예는 본 발명의 코팅에서 요구되는 코발트없이 단지 비스무쓰 및 주석만으로 조성된 화성 코팅으로 경사판이 코팅된 본 발명에 따르지 않은 비교예이다.

경사판은 알칼리 세정에 내에서 5분동안 세척되었다. 경사판 본체(20)는 실시예 1-6 및 8에서 이용되는 바와 같이 EDTA를 함유한 상업적으로 이용되는 농축액과 동일한 것으로부터 제조된 6.6 중량 퍼센트의 주석산칼륨과, 0.01 중량 퍼센트의 구연산비스무쓰(용액 내에서 0.005 중량 퍼센트의 비스무쓰)로 조성되고 54.5 내지 63.9℃(130 내지 147℉)로 유지된 수용성 욕 내에 5분동안 담구어졌다. 그 코팅 조작 중에, 다른 어떤 실시예보다 활발하고 더 격렬한 가스 배출이 이루어졌음이 주목되었다. 가스 배출 반응은 30 내지 35초 사이에서 정지되었고, 이는 코발트 및 주석보다 약 10초 정도 더 짧고, 코발트, 비스무쓰 및 주석보다 약 20초 정도 더 짧다.

그 다음에, 경사판은 주석/비스무쓰 욕 및 세척수로부터 취출되었다. 샘플은 이전 실시예들과 동일한 방식으로 표준 테이프 접착 시험이 시행되었다. 테이프 접촉 영역의 약 1 퍼센트의 범위로 소량의 주석이 테이프에서 벗겨졌다.

제2 경사판은 본 실시예에서 제1 경사판과 동일한 방식으로 세척되었다. 그 다음에, 제2 경사판은 전술한 바와 같이 6.6 중량 퍼센트의 주석산칼륨과, 0.02 중량 퍼센트의 구연산비스무쓰(용액 내에서 0.01 중량 퍼센트의 비스무쓰)로 조성되고 54.5 내지 63.9℃(130 내지 147℉)로 유지된 수용성 욕 내에 담구어졌다. 또, 다른 실시예들보다 더 격렬하고 활발한 가스 배출이 주목되었다. 또, 이러한 가스 배출은 30 내지 35초 사이에서 정지되었고, 가스 활성에 의해 더 정확한 판독이 어려웠다.

이러한 제2 경사판은 주석/비스무쓰 욕 및 세척수로부터 취출되었다. 또, 표준 테이프 접착 시험이 실시되었고, 테이프 접촉 영역에서 약간의 주석 벗겨짐(약 1 퍼센트)이 주목되었다.

이러한 결과들을 도8에서의 결과들과 비교해 볼 때, 코발트 및 비스무쓰의 조합은 비스무쓰 또는 코발트 단독으로는 제조되지 않는 주석-알루미늄 반응에 상승 효과를 가짐을 나타낸다. 더욱이, 코발트, 비스무쓰 및 주석 코팅은 본 실시예의 테이프 시험 결과 및 실시예 2(용액 내에서 0.005 중량 퍼센트의 코발트), 실시예 3(용액 내에서 0.007 중량 퍼센트의 코발트) 및 실시예 5(용액 내에서 0.004 중량 퍼센트의 코발트 및 용액 내에서 0.005 중량 퍼센트의 비스무쓰)의 결과에서와 같이 코발트- 주석 코팅 또는 비스무쓰-주석 코팅보다 접착 특성을 더 개선시켰다.

실시예 10

비스무쓰의 원료로서 아세트산비스무쓰의 사용을 시험하기 위해, 6.6 중량 퍼센트의 주석산칼륨, 염화코발트로서 첨가된 0.013 중량 퍼센트의 코발트, 아세트산비스무쓰로서 첨가된 0.010 중량 퍼센트의 비스무쓰로써 욕이 제조되었다. 코팅용 공정은 실시예 6에서와 같았다. 2개의 경사판들은 벗겨짐 없이 테이프 접착 시험을 통과하였다. 또한, 외형 및 코팅 두께는 비스무쓰의 원료로서 구연산비스무쓰로 코팅된 것과 동일하였다.

또한, 본 발명에 따르면, 경사판(20)의 표면 코팅층(30)이 마모에 의해 점차 줄어드는 상태에서도, 경사판 본체(20)의 표면에 산재된 초정 실리콘이 경사판 본체(20)의 표면 상에 노출되고 고착되었다. 초정 실리콘이 큰 경도를 가지므로, 표면 코팅층(30)의 추가적인 마모가 방지된다.

본 기술 분야의 당업자는 다음의 청구범위의 정신 및 범주로부터 벗어남 없이도 전술한 발명에 대해 다양한 수정예 및 변형예들이 제공될 수 있음을 이해할 수 있다.

본 발명은 사용 중에 미끄럼 마찰을 겪게 되는 알루미늄 표면 또는 알루미늄 합금 표면, 예를 들어 경사판, 피스톤 등의 표면에 개선된 내마모성 및 우수한 접착성을 나타내는 화성 코팅을 제공한다.

Claims

사용 중에 미끄럼 마찰에 노출되며 적어도 일부분 상에서 0.2 내지 10.0 중량 퍼센트의 코발트와 0.1 내지 12.0 중량 퍼센트의 비스무쓰 및 주석으로 된 화학적 화성 코팅을 갖는 알루미늄 표면 또는 알루미늄 합금 표면을 포함하고, 상기 코팅은 수용성 알칼리 화성 코팅 욕과의 접촉에 의해 형성되고, 상기 욕은 상기 알루미늄 표면 상에 상기 화성 코팅을 제공하기에 충분한 양으로 수용성 주석, 비스무쓰 및 코발트의 화합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 제품.
제1항에 있어서, 알루미늄 합금은 13 내지 30 중량 퍼센트의 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
제1항에 있어서, 알루미늄 합금은 13 중량 퍼센트 이하의 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
제2항에 있어서, 알루미늄 합금은 약 10 내지 12.5 중량 퍼센트의 실리콘을 함유한 알루미늄-실리콘계 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
제1항에 있어서, 표면 코팅층의 두께는 0.8 내지 2.5 미크론인 것을 특징으로 하는 제품.
제1항에 있어서, 코팅은 0.2 내지 5 중량 퍼센트의 비스무쓰를 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
제1항에 있어서, 코팅은 0.2 내지 2.1 중량 퍼센트의 코발트를 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
제1항에 있어서, 코팅은 92.9 내지 99.7 중량 퍼센트의 주석, 0.2 내지 2.1 중량 퍼센트의 코발트 및 0.2 내지 5 중량 퍼센트의 비스무쓰를 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
제1항에 있어서, 상기 욕은 48.9 ℃(120℉) 내지 65.6 ℃(150℉)의 온도에서 유지되는 것을 특징으로 하는 제품.
제1항에 있어서, 상기 제품은 경사판형 압축기의 경사판 또는 피스톤인 것을 특징으로 하는 제품.