KR20030096031A

KR20030096031A - 내마모성 슬라이딩 부재

Info

Publication number: KR20030096031A
Application number: KR10-2003-0037625A
Authority: KR
Inventors: 아마노히데끼; 오미야다까오
Original assignee: 닛뽕 피스톤 링 가부시끼가이샤
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2003-12-24
Also published as: SE0301634D0; SE527983C2; SE0301634L; JP2004018880A; KR100536785B1

Abstract

본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 슬라이딩면 위에 용사피막 (4)을 구비하는 내마모성 슬라이딩 부재 (1)에 있어서, 상기 용사피막 (4)은 내마모층 (5)과 러닝인층 (6)을 포함한다. 러닝인층 (6)은, 순동, 황동, 청동으로 구성된 재료군 중에서 선택된 하나의 용사재를 용사해서 내마모층 (5)의 외주면 위에 형성된다. 외주면은, 그것 위에 러닝인층 (6)이 형성 되기 전에는 기계가공되지 않는다. 본 발명의 다른 태양은, 재료군 중에서 선택되는 황동, 청동은 모두 동함유률이 중량비로 91%를 초과하는 것이다. 본 발명의 또 다른 태양은, 러닝인층 (6)은 내마모층 (5)의 표면 거칠기의 최대 높이 보다 더 큰 층두께를 갖기 위해 형성되는 것이다.

상기 기재와 같이 구성된 내마모성 슬라이딩 부재는 마모성, 특히 대폭 감소되는 초기 마모를 가지는 상대재를 구비할 수 있는 효과가 있는 것이 장점이다. 이는 본 발명에 따른 내마모성 슬라이딩 부재가 적은 상대재 공격성 특성으로, 결정적으로 우수함을 보여 주는 것을 의미한다.

Description

내마모성 슬라이딩 부재{AN ABRASION-RESISTANT SLIDING MEMBER}

본 발명은, 고성능 선박의 디젤 엔진의 피스톤 링으로 사용하기에 적합한 내마모성 슬라이딩 부재에 관한 것이다.

고성능 선박의 디젤 엔진의 피스톤 링에 사용하기에 적합한, 내마모성 슬라이딩 부재는, 내마모성과, 내스커핑성 모두 우수한 용사피막을 형성함으로서 얻어진 슬라이딩 부재를 지금까지 채택해 왔다. 특히, 용사피막은 모재의 슬라이딩면 위에 플라즈마 분무에 의해, 몰리브덴(Mo),니켈 크롬(Ni-Cr) 합금, 크롬 산화물(Cr₂O₃) 등의 일부 용사재를 형성하고, 그 후 이렇게 형성된 용사피막을 표면 연마함으로서 형성된다. 그러나 용사피막을 표면 연마하는 것은 많은 비용을 초래하기 때문에, 최근 슬라이딩 부재에서는, 그렇게 형성된 용사피막을 연마하지 않고, 용사피막의 표면은 용사된 상태로 남겨진다.

그럼에도 불구하고, 이 경우는 사용하기에 추가적인 몇몇 문제점이 있다. 즉, 상기한 바와 같이 , 슬라이딩 부재가 용사피막의 형성으로 인해 획득될 경우를 고려해 보면, 용사피막은 모재의 슬라이딩면 위에 플라즈마 분무에 의해, 몰리브덴(Mo),니켈 크롬(Ni-Cr) 합금, 크롬 산화물(Cr₂O₃) 같은 용사재로 형성된다. 그 후, 용사층의 표면은 연마되지 않고 용사된 채로 남겨진다.

그러면, 이렇게 연마되지 않은 용사피막의 초기 표면 거칠기는 매우 높고, 게다가 피막은 내마모성이기 때문에, 길들이기를 통해 우수한 초기 슬라이딩면을얻기까지 많은 시간이 걸리는 문제가 발생한다. 또한 슬라이딩 부재와 결합된 상대재에 엄청난 양의 마모가 야기된다. 뿐만 아니라, 용사피막의 표면의 초기 거칠기가 높기 때문에, 상대재와 접촉 면적이 더 작아지고, 이로 인해 열전도성이 불량해지고, 그에 따라 상대재의 마모가 촉진된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것이다. 따라서 본 발명의 목적은, 적은 상대재 공격성 면에서 우수하고, 상대재의 마모, 특히 초기 마모를 줄일 수 있는 내마모성 슬라이딩 부재를 제공하는 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른, 용사피막 (4)을 포함하는 내마모성 슬라이딩 부재로서의 피스톤 링 (1)의 부분 확대 단면도이다.

도 2의 a 는 사용 전, 도 1 의 용사피막 (4)의 부분 확대 단면도이다.

도 2의 b 는 소정 시간 사용 후, 도 1 의 용사피막 (4)의 부분 확대 단면도이다.

도 3 은 회전식 직면 마모시험기 (10)의 개략도이다.

도 4 는 앰슬러식 마모시험기 (20)의 개략도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1. 피스톤 링 2. 모재

3. 외주 슬라이딩면 4. 용사피막

5. 내마모층 6. 러닝인층

10. 회전식 직면 마모 시험기 11. 시편

12. 회전 시편 22. 상대재

Ry. 최대표면 거칠기 T. 층두께

상기 기재된 목적을 성취하기 위해, 본 발명의, 내마모성 슬라이딩 부재는 그 슬라이딩면 위에 내마모층과 러닝인층을 포함하는 용사피막을 구비한다. 러닝인층은, 순동, 황동, 청동으로 구성된 재료군 중에서 선택된 한 용사재를 용사해서 내마모층의 외부 주위의 표면 위에 형성된다. 외주면은, 그것 위에 러닝인층이 형성 되기 전에는 기계가공되지 않는다. 순동, 황동, 청동 모두는 경도는 낮으며 매우 우수한 열전도성을 가지기 때문에, 본 발명에 따른 상기 구성으로, 연성이 있고 높은 열전도성을 지닌 러닝인층이 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 재료군들 중에서 선택되는 황동, 청동은 모두 동함유량 중량비로 91%를 초과하는 것이다. 러닝인층에 동이 높은 중량비로 함유되어 있기 때문에, 상기한 바와 같은 동의 특성이, 더욱 효과적으로 나타날 수 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 러닝인층은, 내마모층의 표면 거칠기의최대 높이, 즉 최대 표면 거칠기 보다 더 큰 층두께를 가질 수 있다. 이 구성으로 인해, 러닝인층이 적어도, 내마모층의 최대 표면 거칠기에 의해 마모되었을 때 러닝인층이 그의 전체 표면에 걸쳐서 상대재에 대해 미끄러질 수 있게 된다.

이상과 같은 구성의 본 발명의 내마모성 슬라이딩 부재는 낮은 상대재 공격성 면에서 우수하고, 마모 특히 초기 마모를 줄일 수 있다.

도 1 과 도 2 를 참조로, 본 발명에 따라 예시된 내마모성 슬라이딩 부재는 아래에 설명되어 있다.

도 1 은 본 발명에 따른, 내마모성 슬라이드 부재로서의 피스톤 링 (1)의 부분 확대 단면도이다. 피스톤 링 (1)은, 모재 (2)의 외주 슬라이딩면 (3) 위에 형성된 용사피막 (4)를 구비한다. 용사피막 (4)은 내마모층 (5)과 러닝인층 (6)으로 구성된다. 모재 (2)는 주철로 만들어 지고, 기계가공으로 형성된 외주 슬라이딩면 (3)을 포함한다. 외주 슬라이딩면 (3)은 용사 전에, 10 ~ 79㎛Rz의 거칠기로 마무리 되기 위해 연마, 탈지 그리고 숏블라스팅 처리를 받게된다. 이렇게 마무리된 외주 슬라이딩면 (3) 위에, 내마모 층 (5)은 Mo, Mo와 (Ni-Cr)의 혼합물, Mo와 (Ni-Cr) 그리고 크롬 탄화물 (Cr₃C₂)의 혼합물, Mo와 (Ni-Cr) 그리고 크롬 산화물(Cr₂O₃)과 같이 MO을 구성분으로 하는 내마모성 용사재를 용사하여 형성된다. 이로, 내마모성과 내스커핑성이 모두 우수한 용사피막이 형성된다.

이 내마모층 (5) 위에, 순동 (Cu)과 동 함유량이 중량비 91%를 초과하는 황동 (Cu-Zn)과 청동(Cu-Sn)의 군에서 선택된 용사재의 용사에 의해 러닝인층 (6)이형성된다. 러닝인층 (6)을 위한 재료를 용사하기 전에는 내마모층 (5)의 표면에 대하여 연삭과 블라스팅 같은 어떤 기계가공도 하지 않는다. 그 후에 러닝인층 (6)의 형성을 위한 용사는, 내마모층 (5)이 냉각되기 전에 내마모층 (5)이 형성되면 즉시 실행된다. 따라서, 러닝인층 (6) 형성을 위한 용사가 내마모층 (5)의 형성 후 즉시 실행되고, 내마모층 (5)이 기계가공을 받지 않아 내마모층 (5)의 표면 거칠기가 유지되기 때문에, 러닝인층 (6)은 우수한 밀착성을 갖게 된다. 그렇게 형성된 두 층의 용사피막 (4)의 두께는 100㎛ 이상이다. 도 2의 a 에서와 같이, 러닝인층 (6)은 내마모층 (5)의 최대 표면 거칠기 Ry 보다 더 큰, 피막 두께 T을 갖게 된다. 러닝인층 (6)의 표면에는 바이어스 그루브 컷팅 외의 마무리 가공은 실시 되지 않는다.

그 후, 위와 같이 형성된 피스톤 링 (1)은, 상대 부재인, 실린더 라이너 (도시되지 않음)에 결합하여 사용하게 된다. 그러면, 연하고 우수한 열전도성을 지닌 러닝인층 (6)은, 상기한 바와 같이 내마모층 (5)의 최대 표면 거칠기 Ry 보다 더 큰 피막 두께를 가지도록 형성된다. 그리고, 마모 단계는 러닝인층 (6)과 실린더 라이너의 결합 동안 진행된다. 첫 단계로, 결합의 초기 길들이기 기간 동안, 러닝인층 (6)은 대단히 짧은 시간에, 도 2의 b 에서와 같이 내마모층 (5)의 표면 거칠기의 최고점에 가까운 수준으로 급속히 마모된다. 다른 한편으로, 피스톤 링 (1)의 표면이 오직 러닝인층 (6)으로 덮여있는 한, 상대 실린더 라이너의 마모는 러닝인층 (6)이 상대 부재와 비교하여 연하기 대문에 극히 적고, 그 때문에 상대 부재보다 더 빠르게 마모된다. 이는, 러닝인층 (6)이 없이 내마모층 (5)의 단일층을 가지는 용사피막 (4)과 결합하는 경우 상당히 빠른 초기 마모가 발생하는 실린더 라이너와 현저한 대조를 보여준다.

두번째 단계로, 러닝인층 (6)이 내마모층 (5)의 표면 거칠기의 최고 점에 가까운 수준으로 마모된 후, 피스톤 링 (1)의 용사피막 (4)과 상대 실린더 라이너 모두는 점차적으로 마모된다. 특히 그들은 슬라이딩 부재 (1)가 단층의 용사피막, 즉 내마모층 (5)을 갖는 경우 초기 마모 단계가 끝난 후에 발생하는 마모와 유사한 양상으로 서서히 마모된다. 다시 말해, 피스톤 링 (1)의 용사피막 (4)이 러닝인층 (6)을 갖는 경우, 상대 실린더 라이너의 마모량은, 만일 슬라이딩 부재 (1)의 용사피막 (4)이 내마모층 (5)의 단층으로 구성될 때 상대 실린더 라이너에 발생할 수 있는 초기 마모량 만큼 줄어들 것이다.

(용사피막 예와 용사피막 실험 예의 설명)

본 발명의 내마모 슬라이딩 부재는, 실시예 시편과 비교를 위해, 본 발명을 구체화 하지 않은 통상적인 시편(비교 시편)과 본 발명의 실시예 (실시예 시편)에 따른 시편에 실시한 몇몇 실험과 관련 하여 아래에 더 논의될 것이다. 아래의 표 1에서와 같이, 시편 4호 부터 9호는 용사피막 (4)으로서, 내마모층 (5)과 러닝인층 (6) 모두를 가지는, 본 발명의 실시예 시편이다. 시편 1, 2와 3호는, 러닝인층 (6) 없이 단지 용사피막 (4)으로서 내마모층 (5)만 가지는 비교시편이다. 어느 경우든 용사피막 (4)의 층 (5,6)에는 기계가공을 하지 않았다. 예시의 구분, 용사피막 (4)의 성분과 러닝인층 (6)의 성분 모두를 동의 중량비와 함께 표 1 에 나타낸다.

표 1

시편	내마모층	러닝인층 (Cu wt%)
No.1	비교예	Mo	없음
No.2	비교예	(Mo)(Ni-Cr)	없음
No.3	비교예	(Al)(Fe)(Cu)	없음
No.4	실시예	Mo	Cu(100%)
No.5	실시예	(Mo)(Ni-Cr)	Cu(100%)
No.6	실시예	(Mo)(Ni-Cr)(Cr₃C₂)	Cu(100%)
No.7	실시예	(Mo)(Ni-Cr)(Cr₃O₃)	Cu(100%)
No.8	실시예	Mo	Cu-Zn(92%)
No.9	실시예	Mo	Cu-Sn(92%)

용사피막은 플라즈마 분사의 방법으로 형성된다. 플라즈마 분사를 위한 조건은 다음과 같다:

사용된 스프레이건: Sulzer Metco 사의 9MB 플라즈마건

전압: 60-70V,

전류: 500A

스커핑 테스트, 마모 데스트, 그리고 상대재 공격성 테스트를 이상과 같이 준비된 각각의 시편에 대해 실시했다.

(스커핑 테스트)

도 3 에 도시된 것처럼, 스커핑의 한계면압은 각각의 시편 (11)에 대해, 회전식 직면 마모 시험기 (10)에 의해 측정했다. 비교 시편과 실시예 시편의 각각 시편 (11)는 일정한 속도로 회전하는 상대 재료 (12)의 회전 시편의 회전 표면에 대하여, 특정 기간 동안 지정된 면압 P₁하에 접촉하며 유지되었다. 그 후, 스커핑이 발생될 때의 면압을 한계면압으로 측정했다. 면압은 초기 면압을 2.5MPa, 초기 시간 30분 후에 5MPa로 면압을 상승시키고 그 후 5분마다 1MPa 씩 점차적으로 상승시켰다.

실험 조건은 다음과 같다:

원주 속도:5m/sec

윤활유:SAE30+백등유(1:1)

윤활유량:초기 공급후 무급유

상대재:타칼로이(일본 피스톤 링 사의 제품인 보론 주철) (마모 시험과 상대재 공격성 시험)

도 4 에 도시된 바와 같이, 시편 (21)과 상대재 각각의 마모량은 앰슬러식 마모기 (20)에 의해 측정되었다. 특히, 초기 마모량은, 각각 시편 (21)이 일정한 속도로 회전하는 상대재 (22)의 회전 시편의 외주면에 대하여, 특정 기간 동안 지정된 면압 P₂하에 접촉하며 유지되는 동안 측정되었다.

실험 조건은 다음과 같다:

원주 속도:1m/sec

하중:441N

윤활유:베어링 오일(일본 미쯔비시 오일 사의 제품)

윤활유 온도:80±10℃

윤활유량:10^-4m³/min

실험기간:7시간

상대재:타카알로이 보론 주철(일본 피스톤 링 사의 제품)

표 2 에는 각 시편으로 부터 측정 결과를, (1)스커핑 한계면압, (2)시편 (21)의 마모량, (3)상대재 (22)의 마모량의 항목으로 표시했다. 비교를 위해, 결과치는 시편 1 에서 측정된 각각의 값을 100으로 한 경우의 상대치로 나타낸 것이다.

표2

시편	(1)스커핑 한계 면압	(2)시편 마모	(3)상대재 마모
No.1	비교예	100	100	100
No.2	비교예	130	83	120
No.3	비교예	104	198	66
No.4	실시예	110	730	33
No.5	실시예	135	680	35
No.6	실시예	120	650	48
No.7	실시예	120	660	45
No.8	실시예	110	700	40
No.9	실시예	112	690	42

상기 결과에서 보는 것처럼, 실시예 시편 4호에서 9호까지와 결합한 상대재의 마모량은 비교시편 1호에서 3호까지와 결합한 상대재 보다 훨씬 적다. 특히, 실시예 시편 4호와 비교 시편 1호에서의 결과를 비교하고, 또 실시예 시편 5호와 비교 시편 2호의 결과를 비교하면, 내마모층 (5)위에 Cu(100%)인 러닝인층 (6)의 존재가 이들 시편 간의 유일한 차이점이다. 이 유일한 차이점에 의해, 상대재에 발생하는 마모량의 현저한 차이가 발생한다. 따라서, Cu(100%)인 러닝인층 (6)의 존재로 인해 상대재의 마모량은 현저히 감소되고, 스커핑 한계면압도 증가된다. 게다가, 내마모층에 동을 함유한 비교시편 3호와 비교하면, 실시예 시편 4호에서 9호까지의 상대재의 마모량은 현저히 감소하고, 게다가 스커핑 한계면압도 증가되는 것을 관찰할 수 있다. 따라서, 실시예 시편 4호에서 9호까지는, 내스커핑성 및 적은 상대재 공격 특성 면에서 결정적으로 우수하다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 내마모성 슬라이딩 부재는, 내마모층과 러닝인층을 포함하는 용사피막이 슬라이딩면에 형성된 내마모성 슬라이딩 부재이다. 러닝인층은, 순동, 황동, 청동으로 선택된 용사재를 내마모 층의 외주면 위에 용사해서 형성된다. 외주면은, 그 위에 러닝인층이 형성 되기 전에는 기계가공되지 않는다.

그러므로, 본 발명에 따라 이렇게 구성된 내마모성 슬라이딩 부재는, 그와 결합되는 상대재가 대폭 줄어든 마모, 특히 초기 마모를 가질 수 있다는 점에서 명확하고 뛰어난 장점을 가진다. 이는 본 발명에 따른 내마모성 슬라이딩 부재는 적은 상대재 공격 특성면에서, 결정적으로 우수함을 보여 주는 것을 의미한다.

결론적으로, 본 발명에 따른 내마모성 슬라이딩 부재는 고성능 선박의 디젤 엔진의 피스톤 링과 같은, 극단적으로 가혹한 작동 조건을 받는 내마모성 슬라이딩 부재에 잘 적용될 수 있는 것이다.

한편, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 그 기본적인 특징을 설명했으나, 본 발명의 범위 내에서 이러한 실시예에 대해 다양한 변형이 가능함을 당업자라면 이해할 것이다. 그러므로 다음의 청구 범위에 의해서만 제한시키고자 하는 것이다.

Claims

슬라이딩면 위에 용사피막 (4)을 구비하는 내마모성 슬라이딩 부재 (1)에 있어서,

상기 용사피복 (4)은 내마모층 (5)과 러닝인층 (6)을 포함하고,

상기 러닝인층 (6)은 순동, 황동, 청동으로 구성된 재료군 중에서 선택된 한 용사재를 용사하여 상기 내마모층 (5)의 외주면 위에 형성되며, 외주면 위에 러닝인층 (6)이 형성 되기 전에는 상기 외주면이 기계 가공되지 않는 것을 특징으로 하는 내마모성 슬라이딩 부재 (1).
제 1항에 있어서, 상기 재료군 중에서 선택되는 황동, 청동 모두는 동함유량이 중량비로 91%를 초과하는 것을 특징으로 하는 내마모성 슬라이딩 부재 (1).
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 러닝인층 (6)은 상기 내마모층 (5)의 최대 표면 거칠기 (Ry) 보다 더 큰 층 두께 (T)를 갖는 것을 특징으로 하는 내마모성 슬라이딩 부재 (1).