KR20050055625A

KR20050055625A - 고온부재의 슬라이딩면 코팅 방법 및 고온부재와 방전표면 처리용 전극

Info

Publication number: KR20050055625A
Application number: KR1020047017186A
Authority: KR
Inventors: 히로유키 오치아이; 미쯔토시 와타나베; 미키야 아라이; 시게루 사부리; 에이지 나카야마; 아키히로 고토; 마사오 아키요시
Original assignee: 이시카와지마-하리마 주고교 가부시키가이샤; 미츠비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2005-06-13
Also published as: CA2484285C; TWI240757B; US20060035068A1; EP1544321B1; JP4307444B2; RU2004131833A; CA2484285A1; EP1544321A4; WO2004029329A1; CN1650047A; JPWO2004029329A1; KR101063575B1; TW200406496A; EP1544321A1; CN100360712C; RU2320775C2; US9187831B2

Abstract

고온부의 슬라이딩면에 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 일방 또는 양방을 방전 표면 처리한다. 고온경질재(4)는 cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃C₂, SiC, ZrC, VC, B₄C, Si₃N ₄, ZrO₂, Al₂O₃ 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이다. 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)는 크롬 및/또는 Cr₂O₃(산화크롬) 및/또는 hBN(헥사보론나이트라이드)을 함유한다. 또한, 고온경질재와, Cr 또는 hBN 중 적어도 어느 일방을 포함하는 고온에서 윤활성을 가지는 고온윤활재를 압축 성형함으로써 형성되는 전극을 방전 표면 처리용 전극으로서 사용한다.

Description

고온부재의 슬라이딩면 코팅 방법 및 고온부재와 방전 표면 처리용 전극{Method for coating sliding surface of high temperature member, and high temperature member and electrode for electric discharge surface treatment}

본 발명은 고온부재의 슬라이딩면 코팅 방법 및 고온부재와 방전 표면 처리용 전극에 관한 것이다.

도 1은 고온부재의 예로서 슈라우드(shroud) 부착 터빈 블레이드를 슈라우드측으로부터 본 모식도이며, 도 2는 슈라우드부의 다른 사시도이다.

슈라우드 부착 터빈 블레이드는 블레이드부(1), 도브테일(dovetail)부(2) 및 슈라우드부(3)로 이루어진다. 블레이드부(1)는 날개형 단면을 가지며, 연소가스에 의해 회전동력을 발생하는 부분이다. 도브테일부(2)는 블레이드부(1)의 말단부에 위치하며, 미도시의 터빈디스크에 고정되고, 회전동력을 터빈디스크에 전달하는 부분이다. 슈라우드부(3)는 블레이드부의 선단에 부착되며, 진동을 억제하고 또한 선단에서의 가스 누출을 저감하는 기능을 가진다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 1개 또는 복수개의 블레이드부(1)와 일체로 형성되고, 상호간에 밀착해서 조립된다. 밀착면(접촉면)이 반경방향에서 보아 단순한 직선인 경우와, 이 예와 같이 중간에 단(段)을 구비하는 경우가 있다. 이하, 중간에 단을 구비하는 경우를 "Z 노치형"이라 한다.

Z 노치형 슈라우드부는 도 1에 2점쇄선으로 나타낸 것처럼, 인접하는 슈라우드부들이 Z 노치(3a)의 측면 A, B에서 상호간에 접촉하고, 전체 위치를 유지하도록 되어 있다. 따라서, Z 노치형 슈라우드부는 상호간에 연결됨 없이 높은 위치 유지 기능을 가지는 특징이 있다.

그러나, 터빈 블레이드는 운전중 고속회전하고, 주기적인 변형 및 진동을 받을 뿐만 아니라, 터빈 블레이드를 통과하는 고온의 연소가스에 노출된다. 따라서, 슈라이드부의 측면 A, B는 고온에서 높은 면압을 받으면서 마찰되어 마모가 심하다는 문제점이 있다. 여기서, 슬라이딩면 A, B는 정해진 면이 아니라, 일방을 A 이것에 접촉하는 면을 B로 한다.

종래, 상기 문제점을 해결하기 위해서, 터빈 블레이드의 Z 노치 측면과 마찰하는 면(측면 A, B 이하 "슬라이딩면 A, B"라 함)에는, 단단한 내열·내마모금속을 육성용접(build-up welded) 또는 용사(溶射)하고 있었다(예, 특허문헌 1참조)

[특허문헌 1]

일본 특개2001-152803호 공보

그러나, 육성용접 또는 용사는 성층 속도는 높지만, 층의 건전성·밀착성, 치수정밀도, 작업성이 나쁘고, 자동화가 곤란하다는 문제점이 있다. 또한, 전처리·후처리가 불가결하고 비용이 높은 문제점이 있었다.

한편, 터빈고온부에는 도 3, 도 4에 예시한 것처럼, 감합부(嵌合部)(5)가 다수 사용된다. 또한, 압축기의 스테이터 블레이드 세그먼트에 있어서도, 도 5에 예시한 것처럼 슬라이딩면이 다수 존재한다. 압축기의 후단(後段)에 있어서는, 운전중에는 고온이 된다.

이와 같은 터빈고온부의 감합부 및 압축기의 슬라이딩면은 운전시 마찰되기 때문에 마모되기 쉬우며, 고온 내마모 재료를 코팅할 필요가 있다. 따라서, 종래부터 그 면에 용접 또는 용사로 단단한 재료를 부착하고 있다. 즉, 용접 또는 용사 전에 연마 또는 블래스트로 부품의 표면층을 활성화하고, 이어서 스텔라이트계(stellite-based) 합금을 용접 또는 용사 등으로 육성하고, 용접 또는 용사 후에 잉여 부분의 제거와 치수 확보를 위해서 연삭 가공을 행하고 있다. 그러나, 감합부는 좁은 홈 형상이므로, 용접 혹은 용사가 어려우며, 종래의 재료로는 마모되기 쉬운 문제점이 있었다.

한편, 액중 방전에 의해 금속재료의 표면을 코팅해서 내식성, 내마모성을 부여하는 기술은 이미 특허 출원되어 공지되어 있다. 그 기술의 골자는 다음과 같다. 첫째로, WC(텅스텐카바이드)와 Co 분말을 혼합해서 압축 성형한 전극으로 액중 방전을 행함으로써 전극 재료를 워크(work)에 퇴적시킨다. 이 후, 다른 전극(예, 동전극이나 그래파이트 전극 등)에 의해, 워크에 퇴적된 전극재료에 대해 재용융 방전 가공을 행하여 보다 높은 경도와 높은 밀착력을 얻는 방법이 있다. 이하, 이 종래기술에 대해 설명한다.

먼저, 제 2 종래기술에 관해서 설명한다(예, 특허문헌 2 참조). WC-Co 혼합압분체 전극을 사용해서, 워크(모재 S50C)에 액중에서 방전 가공을 행하고 WC-Co를 퇴적시킨다(1차가공). 이어서, 동(銅) 전극과 같이 그다지 소모되지 않는 전극에 의해 재용융 가공(2차가공)을 행한다. 1차 가공의 퇴적만으로는 경도(비커스 경도)가 Hv = 1410 정도이고, 또한 공동(空洞)도 많은 조직을 가지는 피복층이지만, 2차 가공의 재용융 가공에 의해 공동이 없어지며, 경도도 Hv = 1750으로 향상된 조직을 구비하는 피복층이 얻어지고 있다. 이 제 2 종래 기술의 방법에 의하면, 강재에 대해서는 단단하고 나아가 밀착도가 좋은 피복층이 얻어진다. 그러나, 초경합금과 같은 소결 재료의 표면에 강고한 밀착력을 가지는 피복층을 형성하는 것은 곤란하다.

다음으로, 출원인에 의한 제 3 종래기술에 의하면, Ti 등의 경질탄화물을 형성하는 재료를 전극으로 하여, 워크인 금속재료와의 사이에 방전을 발생시키면, 재용융의 과정 없이 강고한 경질막을 워크인 금속표면에 형성할 수 있음을 밝혔다(예, 특허문헌 3참조). 이것은 방전에 의해 소모된 전극재료와 가공액 중의 성분인 C가 반응해서 TiC(탄화티탄)이 생성함에 따른 것이다. 또한, TiH₂(수산화티탄) 등, 금속 수산화물의 압분체 전극에 의해, 워크인 금속재료와의 사이에 방전을 발생시키면, Ti 등의 재료를 사용하는 경우보다도 빠르게 그리고 밀착성이 좋은 경질막을 형성할 수 있음을 알았다. 또한, TiH₂ 등의 수산화물에 다른 금속이나 세라믹스를 혼합한 압분체 전극에 의해, 워크인 금속재료와의 사이에 방전을 발생시키면 경도, 내마모성 등 다양한 성질을 가진 경질피막을 신속하게 형성할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 제 4 종래기술에 의하면, 예비 소결에 의해 강도가 높은 표면 처리 전극이 제조될 수 있음을 알 수 있다(예, 특허문헌 4참조). 이 제 4 종래기술의 일례로서, WC 분말과 Co 분말을 혼합한 분말로 이루어진 방전 표면 처리용 전극을 제조하는 경우에 대해 설명한다. WC 분말과 Co 분말을 혼합하고 압축 성형하여 이루어지는 압분체는 WC 분말과 Co 분말을 혼합해서 압축 성형만 해도 되지만, 왁스를 혼입한 후에 압축 성형하면 압분체의 성형성이 향상되므로 보다 바람직하다. 그러나, 왁스는 절연성 물질이기 때문에, 전극 중에 대량으로 잔류하면, 전극의 전기저항이 커지므로 방전성이 악화된다. 그래서, 왁스의 제거가 필요하게 된다. 왁스는 압분체 전극을 진공로에 넣어 가열함으로써 제거할 수 있다. 이때, 가열온도가 너무 낮으면 왁스를 제거할 수 없으며, 온도가 너무 높으면 왁스가 수트(soot)가 되어 버리고, 전극의 순도를 열화시키기 때문에 왁스가 용융하는 온도 이상으로 그리고 왁스가 분해되서 수트가 되는 온도 이하로 가열온도를 유지할 필요가 있다. 이어서, 진공로 중의 압분체를 고주파 코일 등에 의해 가열하고, 기계가공에 견딜 수 있는 강도를 부여하며, 또한 너무 경화되지 않을 정도로 예컨대, 백묵 정도의 경도가 될 때까지 소성하는데, 탄화물간의 접촉부에 있어서는 상호간에 결합을 진행시키는 것이 본소결에까지 도달하지 않는 약한 결합이 되도록 비교적 낮은 소결온도로 소성하고 있다. 이와 같은 전극으로 방전 표면 처리를 행하면, 치밀하며 균질한 피막을 형성할 수 있음이 알려져 있다.

다음으로, 제 5 종래기술에 의하면, 전극재료로서 배합하는 재료를 조정함으로써, 피막에 다양한 기능을 부여할 수 있음이 일부 알려져 왔다(예, 특허문헌 5 참조). 이 제 5 종래기술에는 전극에 윤활성을 나타내는 재료를 혼합함으로써 피막에 윤활성을 부여할 수 있음이 개시되어 있다.

또한, 제 6 종래기술에는 워크를 음극으로 하고, W 또는 WC, 스텔라이트계 합금, TiB₂(붕소화티탄), Cr₃C₂(탄화크롬) 등의 어느 하나를 봉상의 전극으로 해서 방전가공을 행하고, 워크의 표면에 W 또는 WC, 스텔라이트계 합금, TiB₂, Cr₃C ₂ 등의 고착층을 형성하고, 그 후, 이 고착층의 표면에 W 또는 WC, Cr₃C₂, Co, Cr, Al, Y 등을 용사하고, 그 후 다시, 이 표면에 플라즈마 가공을 실시해서 내마모성을 얻는 방법이 개시되어 있다(예, 특허문헌 6 참조).

다음으로, 제 7 종래기술에는 전극의 소모 등을 억제하기 위해 Cr₃C₂ 등으로 형성된 방전가공용 전극이 개시되어 있다(예, 특허문헌 7 참조). 또한, 제 8 종래기술에는 전극재료로서 WC, TaC, TiC, cBN(입방정질화붕소), 다이아몬드 등의 재료를 이용해서, 대기 중에서의 방전에 의해 용융된 전극재료를 워크에 부착해서 피막을 형성하는 방법을 개시하고 있다(예, 특허문헌 8참조). 또한, 제 9 종래기술은 방전 표면 처리기술에 관해, 방전 표면 처리용 전극에 BN 등의 윤활성 재료를 가함으로써 피막에 윤활 작용을 부여하도록 한 것이다(예, 특허문헌 9 참조)

[특허문헌 2]

일본 특개평5-148615호 공보(제 3 ~ 5 페이지)

[특허문헌 3]

일본 특개평9-192937호 공보(제 9 페이지)

[특허문헌 4]

국제공개 제99/58744호 팜플렛( 제 18 ~ 20 페이지)

[특허문헌 5]

국제공개 제00/29157호 팜플렛(제 6 ~ 7 페이지)

[특허문헌 6]

일본 특개평8-81756호 공보(제 2 ~ 3 페이지)

[특허문헌 7]

일본 특개평3-66520호 공보(제 2 페이지)

[특허문헌 8]

일본 특개평8-53777호 공보(제 3 페이지)

[특허문헌 9]

일본 특개2001-279465호 공보(제 4 ~ 5 페이지)

그러나, 상술한 제 2 ~ 제 9의 종래기술에 개시되어 있는 방전 표면 처리에서는, 윤활 재료 등을 첨가함으로써 기능성 피막을 형성한다는 것도 일부 존재하지만, 대부분은 상온에서의 내마모에 주안점을 두고 있기 때문에, TiC 등의 경질재료의 피막을 피가공물 표면에 형성하는 것이다.

한편, 최근의 고온환경 하에서의 내마모 성능, 또는 윤활 성능을 가진 피막에 대한 요구가 강해지고 있다. 도 6은 항공기용 가스터빈 엔진의 터빈 블레이드의 개략도를 도시하고 있다. 이 항공기용 가스터빈 엔진에서는 도면에 도시된 바와 같이, 복수의 터빈 블레이드(201)가 접촉해서 고정되어 있으며, 축의 주위를 회전하도록 구성되어 있다. 항공기용 가스터빈 엔진의 작동 중에 터빈 블레이드(201)가 회전했을 때에, 도면에 도시한 터빈 블레이드(201)들의 접촉부분(A)이 고온환경 하에서 격렬히 마찰되거나 부딪힌다. 이와 같은 터빈 블레이드가 사용되는 고온환경하(700℃ 이상)에서는, 상술한 종래기술에서 이용하고 있던 내마모 피막은 경도가 떨어지거나 또는 산화되어 버리기 때문에 내마모 효과가 거의 없다는 문제점이 있었다. 또한, 제 4 및 제 8 종래기술에 따른 윤활성을 부여한 피막도 상온에서의 사용을 전제로 하고 있으며, 상온에서의 윤활성과 항공기용 가스터빈 엔진에 사용되는 700℃를 초과하는 고온환경 하에서의 윤활성은, 현상이나 메카니즘이 전혀 다른 것일 뿐만 아니라, 이들 종래기술에서는 고온환경에 있어서의 윤활성에 대해서는 고려되어 있지 않다는 문제점이 있었다.

도 1은 슈라우드 부착 터빈 블레이드를 슈라우드 측으로부터 본 모식도이다.

도 2는 슈라이드부의 사시도이다.

도 3은 터빈고온부의 감합부의 모식도이다.

도 4는 터빈노즐의 감합부의 모식도이다.

도 5는 압축기 스테이터 블레이드의 감합부의 모식도이다.

도 6은 항공기의 가스터빈 엔진의 일부를 도시한 도면이다.

도 7은 Cr의 함유량에 따른 고온에서의 마찰계수의 변화를 나타내는 도면이다.

도 8은 Ni의 함유량에 따른 고온에서의 마찰 증가를 나타내는 도면이다.

도 9는 본 발명에 따른 방전 표면 처리의 모식도이다.

도 10은 Ni계와 Co계의 마모량을 비교한 도면이다.

도 11은 고온에 있어서의 비커스 경도를 비교한 것이다.

도 12는 고온산화량의 비교도이다.

도 13은 고온에 있어서의 산화크롬의 X선강도의 비교도이다.

도 14a 및 도 14b는 X선 회절 결과이다.

도 15는 Cr₂O₃의 고온에서의 저마찰계수를 나타낸 도면이다.

도 16은 다공성 조직에 고체윤활재를 충전하는 모식도이다.

도 17은 본 발명에 따른 방전 표면 처리용 전극의 제작 순서를 나타내는 플로우차트이다.

도 18은 방전 표면 처리용 전극을 제작하는 성형기의 단면을 나타내는 도면이다.

도 19는 방전 표면 처리를 행하는 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.

본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것이다. 즉, 본 발명의 제 1 목적은 고온에서 높은 면압을 받으면서 슬라이딩하더라도 마모가 적으며, 또한 층의 밀착성, 치수 정밀도, 작업성을 높이고, 자동화가 가능하게 되는 고온부재의 슬라이딩면 코팅 방법 및 고온부재를 제공하는 것에 있다.

또한, 본 발명의 제 2 목적은 고온환경 하에 있어서도 내마모성 및 윤활성을 가지는 피막을 방전 표면 처리방법에 의해 피가공물 상에 형성할 수 있는 방전 표면 처리용 전극을 제공하는 것에 있다.

상기 제 1 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 고온환경 하에서 다른 부재와 접촉하는 슬라이딩면에, 고온경질재(4), 또는 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6), 또는 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 혼합물의 압분체인 방전 처리용 전극을 사용해서, 상기 슬라이딩면과의 사이에 펄스상의 방전을 발생시키고, 그 방전에너지에 의해 상기 방전 표면 처리용 전극의 구성재료 또는 이 구성재료의 반응물질의 피막을 상기 슬라이딩면에 형성하는 것을 특징으로 하는 고온부재의 슬라이딩면 코팅 방법이 제공된다.

또한, 고온환경 하에서 다른 부재와 접촉하는 슬라이딩면 A에, 고온경질재(4), 또는 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6), 또는 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 혼합물을 방전 표면 처리(전기절연성의 가공액 중 또는 기체 중에서, 방전 표면 처리용 전극과 피가공물과의 사이에 펄스상의 방전을 발생시키고, 그 방전에너지에 의해 상기 방전 표면 처리용 전극의 구성재료 또는 이 구성재료의 반응물질이 상기 피가공물의 표면에 피막을 형성하는 방전 표면 처리방법)하고, 이것에 접촉하는 슬라이딩면 B에 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)를 용접, 용사 또는 방전 표면 처리하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩부의 코팅 방법이 제공된다.

또한, 고온환경 하에서 다른 부재와 접촉하는 슬라이딩면 A에, 고온경질재(4), 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6), 또는 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 혼합물을 슬라이딩면 A에 접촉하는 슬라이딩면 B에, 코팅 없이, 고온경질재(4), 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6), 또는 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 혼합물을 방전 표면 처리하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩부의 코팅 방법이 제공된다.

또한, 고온환경 하에서 다른 부재와 접촉하는 슬라이딩면에, 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)를 포러스(porous)하게 방전 표면 처리하고, 그 기공에 고체윤활재(7)를 충전하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩면의 코팅 방법이 제공된다.

동시에, 고체윤활재(7)의 재질과, 고체윤활재(7)를 충전하는 방법이 제공된다.

또한, 상기 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)를 방전 표면 처리한 후에 가열처리해서 다공성 조직을 치밀하게 그리고 강도를 높이는 것을 특징으로 하는 고온부재의 슬라이딩면 코팅 방법이 제공된다.

상기 고온경질재(4)는 cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃C₂, SiC, ZrC, VC, B₄C, Si₃N₄, ZrO₂, Al₂O₃ 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이다.

또한, 상기 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)는 크롬, 및/또는 산화크롬(Cr₂O₃), 및/또는 hBN을 함유한다.

또한, 상기 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)는 크롬을 10% 이상 함유하고, 니켈을 20% 이상 함유하지 않는다.

또한, 본 발명에 의하면, 고온환경 하에서 다른 부재와 접촉하는 슬라이딩면에, 고온경질재(4), 또는 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6), 또는 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 혼합물의 압분체인 방전 처리용 전극을 사용해서, 상기 슬라이딩면과의 사이에 펄스상의 방전을 발생시키고, 그 방전에너지에 의해 상기 방전 표면 처리용 전극의 구성재료 또는 이 구성재료의 반응물질의 피막을 형성한 것을 특징으로 하는 고온부재가 제공된다.

또한, 고온환경 하에서 다른 부재와 접촉하는 일방의 슬라이딩면에 고온경질재(4), 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6), 또는 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 혼합물을 방전 표면 처리하고, 일방의 슬라이딩면에 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)를 용접, 또는 용사 또는 방전 표면 처리한 것을 특징으로 하는 고온부재가 제공된다.

또한, 고온환경 하에서 다른 부재와 접촉하는 일방의 슬라이딩면에, 고온경질재(4), 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6), 또는 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 혼합물을, 일방의 슬라이딩면에 코팅 없이, 고온경질재(4), 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6), 또는 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 혼합물을 방전 표면 처리한 것을 특징으로 하는 고온부재가 제공된다.

또한, 고온부재의 슬라이딩면에, 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)가 포러스(porous)하게 방전 표면 처리하고, 그 기공에 고체윤활재(7)를 충전하는 것을 특징으로 하는 고온부재가 제공된다.

고체윤활재(7)는 산화크롬(Cr₂O₃), 또는 산화크롬(Cr₂O₃)과 규소(SiO₂)의 혼합물이다.

또한, 상기 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)를 방전 표면 처리한 후에, 가열처리해서 다공성 조직을 치밀하게 그리고 강도를 높이는 것을 특징으로 하는 고온부재가 제공된다.

고온의 환경 하에서 사용되는 가스터빈 부품에 있어서, 고온 내마모성이 우수한 슬라이딩면을 가지는 터빈 로우터 블레이드, 터빈 스테이터 블레이드 세그먼트, 압축기 스테이터 블레이드 세그먼트, 연소기, 에프터 버너의 정지부품이 제공된다.

상기 본 발명의 방법 및 고온부재에 의하면, 슬라이딩면 A, B에 고온경질재(4)를 방전 표면 처리함으로써, 슬라이딩면 A, B의 고온경도를 높일 수 있다. 또한, 슬라이딩면 A, B에 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)를 방전 표면 처리함으로써, 슬라이딩면 A, B의 고온에서의 윤활성을 높일 수 있다. 나아가, 이 두 가지를 방전 표면 처리함으로써, 고온경도와 고온윤활성을 동시에 높일 수 있다.

또한, 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)를 포러스(porous)하게 방전 표면 처리하고, 그 기공에 고체윤활재(7)를 충전함으로써, 700℃ 이하의 저온에서 700℃ 이상의 고온까지 안정된 윤활성을 얻을 수 있다. 고온이 되어 비로소 산화되고 윤활성을 나타내는 것이 아니라, 포함되는 재료 자체가 윤활성을 가지고 있기 때문에, 700℃ 이하에서도 윤활성이 있어, 마모가 잘 되지 않는다.

또한, 상기 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)를 방전 표면 처리한 후에, 가열처리해서 다공성 조직을 치밀하고 단단하게 할 수 있으며, 두꺼운 코팅에 있어서도 코팅내 강도를 높일 수 있다. 또한, 방전 표면 처리에서는 아몰퍼스 금속조직화의 경향이 보여지는데, 가열처리에 의해 결정화하고 조직이 안정화하며, 운전시 치수의 변화를 방지할 수 있다.

또한, 방전 표면 처리는 용접과 동등한 막의 치밀성을 가지며, 용접 또는 용사와 비교해서 치수 정밀도 및 품질이 안정되고, 또한 작업성이 높아서 비용이 대폭 절감되기 때문에, 제조비용을 큰 폭으로 줄일 수 있다.

또한, 방전 표면치리는 감합부와 같은 좁은 홈 형상의 부분에도 전극 형상을 바꾸는 것만으로 용이하게 적용할 수 있으며, 강고한 내열·내마모막을 용이하게 성막할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 고온경질재(4)는 cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃C₂, SiC, ZrC, VC, B₄C, Si ₃N₄, ZrO₂, Al₂O₃ 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이다.

이들 고온경질재는 후술하는 바와 같이 상온에서 매우 높은 비커스 경도를 가지고 있으며, 또한 고온에서도 높은 경도를 유지하기 때문에, 고온부재의 슬라이딩면 A, B의 고온경도를 큰 폭으로 높일 수 있다.

상기 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)는 크롬, 및/또는 산화크롬(Cr₂O₃), 및/또는 hBN을 포함한다. 상기 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)는 크롬을 10% 이상 함유하고, 니켈을 20% 이상 함유하지 않는 것이 좋다.

크롬은 고온에서 산화하고 산화물을 생성하며 윤활성을 발휘한다. 따라서, 고온부재의 슬라이딩면 A, B에 크롬을 함유하는 피막을 생성함으로써, 고온에서의 윤활성을 높이고, 내마모성을 종래와 동등, 혹은 그 이상으로 높일 수 있다. 니켈을 많이 포함하면, 크롬의 고온에서의 산화를 저해한다.

도 7, 도 8에 도시한 바와 같이, 크롬이 10% 이하에서는 산화크롬이 적고 마찰계수가 크다. 니켈이 20% 이상에서는 산화크롬이 잘 발생하지 않아서 마찰계수가 크다. 또한, 산화크롬과 hBN은 그 자체로 윤활성을 가지기 때문에, 저온에서도 윤활성을 나타낸다.

다공성 코팅층의 기공에 충전하는 고체윤활재(7)는 산화크롬, 또는 산화크롬과 규소의 분말을 혼합한 재료가 바람직하다. 고온에 되어 비로소 산화되고 윤활성을 나타내는 것이 아니라, 포함되는 재료 자체가 윤활성을 가지고 있기 때문에, 700℃ 이하에서도 윤활성이 있어서 마모가 잘 되지 않는다.

가열처리해서 다공성 조직을 치밀하게 경화하기 위해서는, 1000℃에서 10분 이상 가열하는 것이 좋다. 이로 인해 100MPa 정도의 인장강도를 얻을 수 있어, 다공성 층 내의 박리를 방지할 수 있다.

또한, 상기 제 2 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 방전 표면 처리용 전극은 가공유 중에서, 방전 표면 처리용 전극과 피가공물의 사이에 펄스상의 방전을 발생시키고, 그 방전에너지에 의해 상기 방전 처리용 전극의 구성재료 또는 이 구성재료의 반응물질이 상기 피가공물의 표면에 피막을 형성하는 방전 표면 처리방법에 사용되는 방전 표면 처리용 전극에 있어서,

고온에서 높은 경도를 가지는 고온경질재의 미세분말과, 고온에서 산화하여 윤활성을 가지게 되는 고온윤활재의 미세분말의 혼합물의 압분체에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 고온에서 높은 강도를 가지는 고온경질재와, 고온에서 윤활성을 가지는 고온윤활재의 혼합물에 의해 형성되는 방전 표면 처리용 전극을 이용해서 방전 표면 처리방법에 의해 형성된 피가공물의 표면에는, 700℃ 이상의 고온환경 하에서도 잘 마모되지 않는 피막이 형성된다.

또한, 전기절연성 가공액 중 또는 기체 중에서, 방전 표면 처리용 전극과 피가공물의 사이에 펄스상의 방전을 발생시키고, 그 방전에너지에 의해 상기 방전 표면 처리용 전극의 구성재료 또는 이 구성재료의 반응물질이 상기 피가공물의 표면에 피막을 형성하는 방전 표면 처리방법에 사용되는 방전 표면 처리용 전극에 있어서, 고온에서 산화하여 윤활성을 가지게 되는 고온윤활제에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방전 표면 처리용 전극이 제공된다.

본 발명에 의하면, 고온에서 윤활성을 가지는 고온윤활재에 의해 형성되는 방전 표면 처리용 전극을 이용해서 방전 표면 처리방법에 의해 형성된 피가공물의 표면에는 700℃ 이상의 고온환경 하에서 윤활성을 발휘하고 잘 마모되지 않는 피막이 형성된다. 또한, 고체윤활재 자체를 포함하는 방전 표면 처리용 전극을 이용해서 방전 표면 처리방법에 의해 형성된 피가공물의 표면에는 700℃ 이하의 저온 환경 하에서도 윤활성을 발휘하고 잘 마모되지 않는 피막이 형성된다.

또한, 고온에서 윤활성을 가지는 고온윤활제에 의해 형성된 방전 표면 처리용 전극을 사용해서 방전 표면 처리방법에 의해 형성된 피가공물의 다공성 피막에 고체윤활재를 충전시킴으로써, 700℃ 이하의 저온 환경하에서도 윤활성을 발휘하고 잘 마모되지 않는 피막이 형성된다.

본 발명의 또 다른 목적 및 유리한 특징은 첨부 도면을 참조한 이하의 설명으로 분명해질 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 여기서, 각 도면에 있어서 공통되는 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복된 설명을 생략한다.

본 발명에 따른 고온부재의 슬라이딩면 코팅 방법은 고온부재의 슬라이딩면 A, B의 일방 또는 양방에 고온경질재(4)와 고온에서의 윤활성을 가지는 재료(6)의 일방 또는 양방을 방전 표면 처리하는데, 고온부재의 슬라이딩면 A, B의 양방에 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 양방을 방전 표면 처리하는 것이 가장 바람직하다.

도 9는 본 발명에 따른 방전 표면 처리의 모식도이다. 방전 표면 처리기술에 관해서는 예를 들어, 일본 특개평7-197275호의 "액중 방전에 의한 금속재료의 표면 처리방법"에 개시되어 있다. 산화방지 대책과 통전·단전 서보의 감도를 향상한다면, 기체 중에서도 행할 수도 있다.

도 9에 있어서, 참조부호 8은 방전전극, 9는 가공액, 10은 가공조, 11은 취부구(取付具), 12는 전원이다. 도 9에 있어서, 취부구(11)에 고온부재를 고정하고, 고온부재의 슬라이딩면 A(또는 B)에 근접해서 방전전극(8)을 대치시킨다. 가공액(9)은 적어도 슬라이딩면 A(또는 B)과 방전전극(8)의 일부를 잠기게 하는 높이까지 채워져 있다. 이 상태에서 전원(12)에 의해 방전전극(8)과 슬라이딩면 A(또는 B)과의 사이에서 방전시키고, 고온부재의 슬라이딩면 A(또는 B)에만 코팅하도록 되어 있다.

한편, 도 3의 감합부와 같이 좁은 홈 형상 부분의 경우에도, 이 홈에 적합하도록 방전전극(8)의 형상을 설정하는 것만으로, 마찬가지로 슬라이딩면 A(또는 B)에만 코팅할 수 있다.

방전 표면 처리에서는 가공액 중, 또는 아르곤가스 또는 질소 등의 기체 중에 침지된 고온부재와 방전전극(8)에 전압을 인가함으로써 대치한 면에서 펄스상의 방전을 발생시키고, 이 방전에 의해 방전전극(8)의 표면을 박리해서 용융시키고, 용융된 재료를 슈라우드부(3)의 슬라이딩면 A(또는 B)에 용착시키는데, 유중(油中)에서 행하는 것이 가장 바람직하다.

방전 표면 처리는 방전펄스수, 혹은 방전 처리시간에 비례해서 피막 두께가 결정되므로, 이들 조건을 변경함으로써 코팅의 두께를 수 ㎛로 제어 가능하므로, 터빈의 로우터 블레이드와 같은 정밀부품에 최적인 코팅 방법이다. 또한, 방전이 발생하는 개소에만 성막되기 때문에, 코팅하려고 하는 개소에 국부적으로 성막할 수 있어서, 마스킹 등의 전처리가 불필요하다. 또한, 잉여 부분의 제거 및 치수확보 등의 후처리도 불필요하다. 방전 1 펄스당 입열(入熱)이 극히 작기 때문에, 터빈 로우터 블레이드의 열변형도 거의 발생하지 않는다.

본 발명의 방법에서는, 방전전극(8)으로서, 고온경질재(4) 및/또는 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 분말을 혼합하고 압축 성형한 것을 이용한다. 고온경질재(4)는 cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃C₂, SiC, ZrC, VC, B ₄C, Si₃N₄, ZrO₂, Al₂O₃ 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것이 좋다. 부품의 사용온도가 900℃ 이하에서는 TiC가, 그 이상 1000℃ 이하에서는 cBN이, 그 이상에서는 Al₂O₃, ZrO ₂가 바람직하다.

방전 표면 처리의 전극에 고온경질재(4)를 이용함으로써, 이들 재료가 피막으로 되어 매우 단단한 파인세라믹스(예, cBN의 경우, 비커스 경도는 4500)를 슬라이딩면에 저비용으로 코팅할 수 있다.

또한, 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)는 크롬, 또는 산화크롬, 또는 hBN, 혹은 이들을 함유하는 코발트를 주성분으로 하는 합금을 가리킨다. 이 크롬을 함유하는 재료는 크롬을 10% 이상 함유하고, 니켈을 20% 이상 함유하고 있지 않는 것이 좋다.

방전 표면 처리용 전극에 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)를 이용함으로써, 이들 재료가 피막이 되어 고온에서의 윤활성을 저비용으로 높일 수 있다.

따라서, 종래의 육성 용접 또는 용사 공정에 비교하면 큰 폭으로 가공비용이 떨어진다.

이하, 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)에 크롬을 함유하는 재료를 이용함으로써, 고온에서의 윤활성을 높일 수 있다는 점에 대해 자세히 설명한다.

도 10은 크롬을 포함하는 Ni계 합금과 Co계 합금의 마모량을 비교한 도면이다. 이 도면으로부터 코발트계 합금에서는 700 ~ 900℃의 고온영역에서 마모량이 저하한다. 다만, 니켈계 합금에서는 고온영역에서 급격히 마모량이 증대함을 알 수 있다.

도 11은 고온에서의 비커스 경도를 비교한 것이다. 이 도면으로부터 Ni계의 인코넬 713LC는 고온에서도 상대적으로 경도가 높음을 알 수 있다. 그러나, Ni계 인코넬 713LC는 단단함에도 불구하고 후술하는 바와 같이, 고온에서는 마모가 심하다는 것을 알 수 있다.

도 12는 고온산화량의 비교도이다. 인코넬재에는 Cr이 포함되어 있지만, 고온에서 그다지 산화하지 않아서 Cr₂O₃가 생성되지 않기 때문에 저마모가 되지 않는다. 이에 비해, Co계 합금에서는 Cr이 산화해서 Cr₂O₃가 생성되기 때문에, 저마모가 된다고 생각된다.

도 13은 고온에서의 산화크롬량을 나타내는 X선 강도의 비교도이다. 금속 표면에 생성된 산화크롬량에 있어서, Co계는 산화물이 700℃의 온도에서부터 급격히 증가한다. 코발트는 크롬의 산화를 방해하지 않는다. 이에 비해, Ni계는 온도가 올라가더라도 산화크롬량은 변화하지 않고 낮은 값이다. 이러한 점으로부터, 산화물의 유무에 따라, 도 8에 도시한 바와 같이, 마모량에 큰 차이가 발생함을 알 수 있다.

도 14a와 도 14b는 900℃로 가열한 후의 재료의 X선 회절 결과이다. 이 도면에 있어서, 도 14a는 Ni계 인코넬 713LC, 도 14b는 Co계 합금(X-40)이다. 이 비교로부터도 Ni계 합금에서는 분명히 Cr₂O₃가 생성되지 않음을 알 수 있다.

또한, 도 15는 Cr₂O₃의 고온에서의 마찰계수를 도시한 도면이다. 이 도면으로부터, Cr₂O₃는 고온에서 저마찰이며, 특히 300℃ 전후부터 마찰계수가 저하하고, 700℃ 전후에서 극히 작아지게 됨을 알 수 있다.

이상의 Cr₂O₃의 특성으로부터, 크롬을 함유하는 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)를 이용함으로써, 고온에서의 윤활성을 높일 수 있음을 알 수 있다. 또한, 마찬가지로 Cr₂O₃ 또는 hBN을 함유하는 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)를 이용하더라도, 고온에서의 윤활성을 높일 수 있다.

고온부재의 슬라이딩면 A 및/또는 B에 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)가 포러스(porous)하게 방전 표면 처리하고, 그 기공에 고체윤활재(7)를 휘발액 등에 혼합해서 브러싱 등으로 충전함으로써, 600℃ 이하에서도 윤활성을 높일 수 있다.

또한, 가열처리함으로써 코팅내 조직의 확산결합이 진행되고, 조직의 치밀화와 강도 향상이 실현된다.

고온부재의 슬라이딩면 A 및/또는 B에 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)가 포러스(porous)하게 방전 표면 처리하고, 그 기공에 고체윤활재(7)를 휘발액 등에 혼합해서 브러싱하거나, 또는 연질의 러버에 혼합하여 문질러서(rubbing) 충전함으로써, 700℃ 이하에서도 윤활성을 높일 수 있다. 다공성 조직의 공극율은 10% 이상이 바람직하다. 상기 고체윤활재(7)의 예로서는, 산화크롬(Cr₂O₃) 또는 산화크롬(Cr₂O₃)과 규소의 혼합물이 사용된다.

일례로서, 그 기공에 고체윤활재 Cr₂O₃를 충전하면, 온도에 관계없이, 윤활성이 있어 마모되지 않게 된다. Si를 섞은 Cr₂O₃의 고체윤활재를 충전하면, 480℃에서는 마모가 극히 적어지게 된다. Si가 산화하여 SiO₂가 생성되고, 액상의 글래스와 고체윤활재 Cr₂O₃가 상승효과를 나타내게 된다.

표 1은 고체윤활재의 효과를 나타내는 시험결과이며, 도 16은 다공성 조직에 고체윤활재를 충전하는 모식도이다.

[표 1]

중온(中溫)에서의 마모차의 시험결과 예

시험조건:

대기중 480℃(일단 760℃로 가열후)

면압 : 7MPa

진폭 :1.0(±0.5)

사이클 수 : 10⁶

	마모량(미크론)
Stellite31의 다공성층 육성	190
Cr₂O₃ 충전의 Stellite31	50
Cr₂O₃ 와 Si를 충전한 Stellite31	5

다공성 조직은 인장강도가 작고, 벗겨질 우려가 있다. 이것을 해결하는데는 고온으로 가열하고 입자간 확산을 촉진해서 결합강도를 증가시킨다.

표 2는 인장강도의 시험결과이다.

[표 2]

인장강도

	MPa
방전 코팅한 것	32
고온열처리후	99

일례로서, 방전 표면 처리 층을 1000℃ 이상으로 10분 이상 가열처리함으로써 코팅 내의 조직 확산 결합이 진행되고, 조직의 치밀화와 강도향상이 실현된다.

[실시예]

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.

본 발명에 있어서의 고온부재로서 터빈 블레이드를 예로 들어 설명한다.

표 3은 터빈 블레이드의 모재(인코넬 713LC), 용접에 의한 슬라이딩면으로의 육성재(T), 방전 표면 처리에 의한 슬라이딩면으로의 코팅재인 스텔라이트계 윤활재의 주성분표이다. 모재는 Cr과 Co의 함유량이 적지만, 육성재(T)와 스텔라이트계 윤활재에는 이들의 함유량이 높은 것을 사용하고 있다. 육성재(T)와 스텔라이트계윤활재는 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)에 상당한다.

[표 3]

재료명	Cr	Co	Mo	Ni	W
인코넬 713LC	12	0	4.5	나머지	-
육성재(T)	18	49	29	-	-
스텔라이트계 윤활재	25	56	-	10	7

표 4는 고온경질재인 cBN 및 각종 탄화물의 상온에서의 비커스 경도를 나타내고 있다.

이에 대해, 표 3의 모재, 육성재(T) 및 스텔라이트계 윤활재는 300 ~ 400 정도의 낮은 비커스 경도이며, 또한 600℃ 이상에서 급격히 경도가 떨어지고, 700 ~ 800℃의 고온에서는 경도가 상온의 1/2 정도까지 떨어짐을 알 수 있다.

[표 4]

비커스경도(상온)

cBN	TiC	SiC	Cr₃C₂	WC	ZrO₂
4500	3200	2400	2280	2200	1300

표 5는 본 발명의 효과를 확인하기 위해 슬라이딩면의 마모를 시험하기 위한 시험조건이며, 실제 제트엔진의 운전조건에 근접한 조건으로 설정되어 있다.

[표 5]

시험조건

온도	면압	사이클 수	진동수	진폭
815℃	7MPa	1×10⁷	95Hz	0.35mm

표 6은 시험결과의 비교이며, 시험재료와 마모의 정도를 나타내고 있다.

[표 6]

번호	조건	상부시험편	하부시험편
1	모재	Inconel 713LC	Inconel 713LC
2	윤활육성용접	육성재(T);육성용접	육성재(T);육성용접
3	경질EDC(세라믹스계)	Cr3C2 + 5%Ni;EDC	Cr3C2 + 5%Ni;EDC
4	윤활EDC(스텔라이트계)	스텔라이트계 윤활재;EDC	스텔라이트계 윤활재;EDC
5	경질EDC 와 윤활육성용접	Cr3C2 + 5%Ni;EDC	육성재(T);육성용접
6-1	경질EDC(cBN)	cBN(Ni 도금피복);EDC	cBN(Ni 도금피복);EDC
6-2	경질EDC(TiC)	TiC:EDC	TiC;EDC
7	(경질+윤활)EDC	50%Cr3C2+20%Cr+30%Co;EDC	50%Cr3C2+20%Cr+30%Co;EDC
8	(경질+윤활)EDC	50%cBN+20%Cr+30%Co;EDC	50%cBN+20%Cr+30%Co;EDC

번호	상부시험편 마모량	하부시험편 마모량	판정
1	대	대	×
2	극소	극소	◎다만 코스트 대
3	대	대	×
4	소	소	○코스트는 중이지만 후막육성이 가능하고 실용성이 있다.
5	극소	극소	◎다만 코스트 중
6-1	극소	극소	◎ 코스트 소
6-2	소	소	◎ 코스트 극소
7	중	중	△
8	극소	극소	◎ 코스트 소

상기 표에 있어서, 처리번호 1은 모재의 경우이며, 마모가 과대하여 적용할 수 없다. 처리번호 2는 종래예(육성용접)이며, 마모는 적지만 비용이 높다. 이 처리번호 1과 2는 주지예이다. 다만, 480℃에서는 크게 마모된다.

처리번호 3은 비용을 줄이기 위해서, 경질의 세라믹스계 재료를 전극으로 이용해서 방전 표면 처리(표 6 상에서는 EDC(Electrical Discharge Coating)로 기재함.)를 적용하고, 고온에서의 내산화성이 좋은 단단한 Cr₃C₂(크롬 카바이드)를 양면에 성막한 예이다. 종래의 상식으로는 양면을 단단하게 할 수록 마모가 적어진다고 생각되었지만, 상기 결과로부터 단순히 단단하게만 해서는 마모가 과대하게 되어 적용할 수 없음을 알 수 있었다.

처리번호 4는 본 발명의 일례로서, Cr 함유량이 많은 고온에서 윤활성을 가지는 스텔라이트계 재료를 3과 마찬가지로 방전 표면 처리로 양면에 적용한 예이다. 이 경우, 마모량이 큰 폭으로 저하하여 적용가능함을 알 수 있다.

또한, 상부시험편 및 하부시험편에 스텔라이트계 윤활재를 포러스하게 방전 표면 처리하고, 그 기공에 산화크롬(Cr₂O₃) 또는 산화크롬(Cr₂O₃)과 규소의 혼합물인 고체윤활재를 연질의 러버에 섞어 문질러서 충전함으로써, 700℃ 이하에서도 윤활성을 높일 수 있다. 여기서, 다공성 조직의 공극율은 10% 이상이 바람직하다.

일례로서, 그 기공에 고체윤활재 Cr₂O₃를 충전하면, 온도에 관계없이 윤활성이 있어 마모되지 않게 된다. Si를 섞은 Cr₂O₃의 고체윤활재를 충전하면, 480℃에서는 마모가 매우 적어진다. Si가 산화하여 SiO₂가 생성되고, 액상의 글래스와 고체윤활재 Cr₂O₃가 상승효과를 나타낸다.

한편, 다공성 조직은 인장강도가 작고, 벗겨질 우려가 있다. 이것을 해결하는데는 고온에서 가열하고 입자간 확산을 촉진해서 결합강도를 증가시킨다.

일례로서, 방전 표면 처리 층을 1000℃ 이상으로 10분 이상 가열 열처리함으로써 코팅 내의 조직 확산 결합이 진행되고, 조직의 치밀화와 강도 향상이 실현된다.

처리번호 5는 본 발명의 다른 예로서, 일방에 매우 단단한 Cr₃C₂(크롬 카바이드)를 방전 표면 처리하고, 타방은 고온에서 윤활성을 가지는 육성재(T)를 육성 용접한 것이다. 그 결과, 마모량이 처리번호 2와 동등 또는 이하로 되고 있으며, 일방의 용접을 생략함으로써, 비용 저하가 가능함을 알 수 있었다.

처리번호 6-1은 본 발명의 다른 예로서, cBN 경질재만을 3과 마찬가지로 방전 표면 처리로 양면에 적용한 예이다. 윤활성이 없더라도 매우 단단한 cBN의 경우, 마찰계수가 커서 슬라이딩시에 진동이 큰 것이 관찰되고 있지만, 마모량이 큰 폭으로 저하하여 적용가능함을 알 수 있다.

처리번호 6-2는 본 발명의 다른 예로서, TiC 경질재만을 3과 마찬가지로 방전 표면 처리로 양면에 적용한 예이다. 윤활재가 없음에도 불구하고, 마찰계수가 작고 게다가 매우 단단하기 때문에, 마모량이 큰 폭으로 저하하여 적용가능함을 알 수 있다. 종래에 TiC는 700℃ 이상에서는 산화하고 고온에서는 사용할 수 없다고 알려져 있었지만, Ni합금의 모재로의 TiC 코팅에서는, 고온마모시험의 결과, 1000℃에서도 마모가 작고, 고온내마모성이 우수해져 있음을 알 수 있었다. 다만, 480℃에서는 마모가 약간 크다.

표 7에 TiC의 고온마모량을 나타냈다.

[표 7]

마모시험결과

시험온도에 대한 마모

(면압=7MPa, 진폭=±0.5mm, 주파수=40Hz, 사이클수=10⁶)

기재 : Re77(니켈 합금) 단위:㎛

℃	Re77	육성재(T)의 육성용접(두께 1mm)	TiC의 EDC(두계 0.03mm)
480	40	181	55*1
700		13	17
815	750	13	14
1000	극히 대	3	25
마찰계수	07	04	0.1 ~ 0.2

* 1 : 코팅이 마모되어 없어져 있다.

처리번호 7, 8은 본 발명의 다른 예로서, 고온에서의 내산화성이 좋은 단단한 Cr₃C₂ 및 cBN 경질재와, Cr을 포함하는 고온에서 윤활성을 가지는 재료의 혼합물을 3과 마찬가지로 방전 표면 처리로 양면에 적용한 예이다. 처리번호 7의 Cr₃C₂는 단단하며 고온윤활성재도 포함되어 있음에도 불구하고, 마모되고 있다. 처리번호 8의 cBN은 매우 단단하며, 고온윤활성재도 포함하고 있기 때문에, 마모량이 큰 폭으로 저하하여 적용가능함을 알 수 있다.

이와 같이, 고온환경 하에서는 상온에서 적용되는 통상의 윤활재 사용이 불가능하기 때문에, 강도가 있는 재료만을 전극에 포함시키는 것만으로는 마모성에 대한 대책은 불충분하며, 방전 표면 처리 방전 표면 처리용 전극의 성분에 고온환경 하에서 강도가 있는 재료에, 윤활성을 발휘할 수 있는 재료를 포함함으로써 비로소 마모성에 대한 효과가 나타남을 알 수 있다.

상술한 시험예에서는 Cr₃C₂ + Cr + Co, 및 cBN + Cr + Co 분말을 배합한 방전 표면 처리 방전 표면 처리용 전극의 예를 나타냈지만, 그 외에도 고온강도를 가지는 재료와 고온에서 윤활성을 가지는 재료를 조합한 것이라면, 어떠한 것이라도 상관없다.

또한, 고온에서 윤활성을 나타내는 재료로서, 상술한 시험예에서는, Cr을 방전 표면 처리 방전 표면 처리용 전극에 넣고 있지만, 그 대신에 hBN 등의 고체윤활제를 혼입해도 됨은 물론이다. hBN 등을 직접 전극에 혼입한 경우에는, 통상의 윤활제가 사용가능한 온도 이상, Cr이 고온에서 산화하는 온도 이하의 온도 범위에 있어서 윤활에 효과적이다. 또한, Cr과 hBN을 동시에 방전 표면 처리 방전 표면 처리용 전극의 재료로서 혼입함으로써, 비교적 저온에서부터 700℃를 초과하는 고온까지의 넓은 범위에 걸쳐서, 윤활성을 가지는 피막을 형성할 수 있다.

또한, 고온경질재로서 몇 개의 예를 들었지만, 이 중에서도 Cr₃C₂는 다른 재료를 이용하는 경우와 비교해서, 형성된 피막 표면의 면조도를 현저히 개선하는 역할을 가지기 때문에, Cr₃C₂를 고온경질재로서 사용하는 것이 바람직하다. 방전 표면 처리로 형성되는 피막은 가공액 중에서 펄스 방전에 의해 형성되기 때문에 표면이 울퉁불퉁한 경향이 강한데, Cr₃C₂를 사용함으로써 그 표면 조도를 억제하고 표면을 매끄럽게 하는 것이 가능하게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 방법 및 고온부재에 의하면, 슬라이딩면에 고온경질재(4)를 방전 표면 처리함으로써, 슬라이딩면의 경도를 높일 수 있다. 또한, 슬라이딩면에 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)를 방전 표면 처리함으로써, 슬라이딩면의 고온에서의 윤활성을 높일 수 있다. 또한, 이 양방을 방전 표면 처리함으로써, 경도와 고온윤활성을 동시에 높일 수 있다.

또한, 방전 표면 처리는 용접과 동등한 막의 밀착성을 가지며, 용접 또는 융사에 비해 치수 정밀도 및 품질이 안정되고 작업성이 높기 때문에, 제조 비용을 큰 폭으로 저감할 수 있다.

또한, 방전에 의한 피막 생성을 위해 감합부와 같은 좁은 홈 형상 부분에도 전극 형상을 바꾸는 것만으로 용이하게 적용할 수 있다.

또한, 고온경질재(4)로 cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃C₂, SiC, ZrC, VC, B₄C, Si₃N₄, ZrO₂, Al₂O₃ 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 이용함으로써, 고온부재의 슬라이딩면의 고온경도를 큰 폭으로 높일 수 있다.

또한, 고온에서 윤활성을 가지는 크롬 및/또는 산화크롬 및/또는 hBN이 함유된 것을 이용함으로써, 고온에서 윤활성을 발휘하고, 내마모성을 종래와 동등 또는 그 이상으로 높일 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 고온부재의 슬라이딩면 코팅 방법 및 고온부재는, 고온에서 높은 면압을 받으면서 슬라이딩하더라도 마모가 적으며, 또한 막의 밀착성, 치수 정밀도, 작업성을 높이고, 방전에 의한 처리는 NC로 제어되기 때문에 자동화가 가능하게 되는 등의 우수한 효과를 가진다.

다음으로, 본 발명에 따른 방전 표면 처리용 전극의 바람직한 실시 형태를 상세히 설명한다.

본 발명에서는 방전 표면 처리방법에 의해 피가공물의 표면에 형성된 피막이, 고온환경 하에서도 높은 강도 및 윤활성을 가지는 전극 재료를 이용하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로는, cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃C₂, SiC(탄화규소), ZrC, VC, B₄C, Si₃N₄, ZrO₂(산화지르코늄), Al₂O₃(산화알루미늄) 등으로부터 선택되는 고온환경 하에서 고강도를 가지는 고온경질재와, 고온환경 하에서 산화하여 윤활 성능을 가지는 고온윤활재를 혼합함으로써 전극 재료를 형성한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는, 고온환경 하에서 윤활성을 가지는 재료로서, 특히 Cr을 이용하는 것이 바람직하다. 이것은, Cr이 산화된 Cr₂O₃는 고온환경 하에서 윤활성을 가진다는 성질에 따른 것이다. 단, Cr이 산화해서 윤활성을 가진 Cr₂O₃가 되기 위해서는 조건이 있으며, Ni이 Cr의 주위에 많이 존재하는 환경에서는 Cr은 Cr₂O₃가 되지 않으며, 따라서 고온환경 하에서 윤활성을 발현하지 않는다. 또한, Cr이 산화해서 Cr₂O₃가 되는데는 700℃ 정도 이상의 온도가 필요하며, 이보다 낮은 온도에서는 피막에 포함되는 Cr은 산화하지 않기 때문에, 윤활성을 나타내는 효과는 기대할 수 없다. 따라서, Cr을 전극에 혼입함으로써 윤활성을 기대할 수 있다는 것은 그와 같은 고온에서 사용되는 부분(경우)에 대해서다. 도 10, 11, 12, 13에 뒷받침되는 데이터를 나타냈다. 반대로, 700℃ 이상의 고온환경에 있어서는 통상적인 액체 윤활제는 증발해 버리며, 또한 통상 화학적으로 합성된 윤활제는 열에 의해 분해되어버려 사용할 수 없기 때문에, Cr₂O₃에 의한 윤활 효과는 극히 의미가 있는 것이 된다.

다음으로, 본 발명에 따른 방전 표면 처리용 전극에 대해 고온경질재로서 cBN을, 고온윤활재로서 Cr을 이용한 경우를 예로 들어 설명한다.

도 17은 본 발명에 따른 방전 표면 처리용 전극의 제조방법을 나타내는 플로우차트이다. 우선, cBN과 스텔라이트 분말을 중량비 1:4의 비율이 되도록 칭량한 것을 혼합하고(단계 S1), 소정 형상을 가지는 금형(다이)에 넣은 후에 압축 성형해서 압분체를 얻는다(단계 S2), 여기서, 스텔라이트는 Co도 Cr을 주성분으로 하고, 이들 외에 수종류의 성분을 포함하는 합금이다. cBN의 입경은 2 ~ 4㎛, 스텔라이트는 1 ~ 3㎛의 것을 사용했다.

도 18은 압축 성형할 때에 사용되는 성형기의 단면 형상을 도시한 도면이다. 하부펀치(104)를 금형(다이)(105)에 형성되어 있는 구멍의 하부로부터 삽입하고, 이들 하부펀지(104)와 금형(다이)(105)으로 형성되는 공간에 혼합된 cBN 분말(101과 스텔라이트 분말(102)의 혼합물을 충전한다. 그 후, 상부펀치(103)를 금형(다이)(105)에 형성되어 있는 구멍의 상부로부터 삽입한다. 이와 같이 cBN 분말과 스텔라이트 분말의 혼합물이 충전된 성형기의 상부펀치(103)와 하부펀치(104)의 양측으로부터 압력이 걸리도록 가압기 등으로 압축 성형함으로써, 방전 표면 처리용 전극이 제조된다. 필요에 따라 압축 성형된 압분체를 가열처리하는 것(단계 S3)도 가능하다. 가열처리함으로써, 압축 성형된 전극의 강도를 증가시킬 수 있다.

상술한 단계 S1에서, cBN 분말과 스텔라이트 분말을 혼합할 때에, 왁스를 혼입해도 된다. 이와 같이, 왁스를 분말에 혼합한 후에 압축 성형하면, 압분체의 성형성이 향상되기 때문이다. 단, 왁스는 절연성 물질이기 때문에, 전극 중에 대량으로 잔류해 버리면, 전극의 전기저항이 커져버려 방전성이 악화되기 때문에, 왁스를 제거할 필요가 있다. 왁스를 제거하는 방법으로서, 왁스를 포함하는 압축 성형된 압분체 전극을 진공로에 넣어서 가열하는 방법이 있다. 이로 인해, 압분체 중의 왁스가 제거된다. 이때, 이 진공로로 가열하는 방법은 상술한 단계 S3의 공정에 상당하며, 상술한 바와 같이 가열함으로써 전극의 강도가 증가한다.

도 19는 본 발명에 따른 방전 표면 처리방법을 실행하는 장치를 개략적으로 도시한 블럭도이다. 방전 표면 처리장치는 방전 표면 처리용 전극(21), 가공조(24), 가공액(25), 저항(26), 전원(27), 스위칭소자(28) 및 제어회로(29)를 구비한다. 가공조(24)에는 절연성의 오일 또는 물을 주체로 한 가공액(25)이 채워지고, 표면에 피막을 형성하고자 하는 피가공물(22)이 놓여진다. 방전 표면 처리용 전극(21)은 상술한 도 14의 공정으로 제조된 전극이며, 피가공물(22)의 상부에 대향해서 배치된다. 방전 표면 처리용 전극(21)과 피가공물(22)은 저항(26), 전원(27) 및 스위칭소자(28)를 통해 접속되어 있다. 스위칭소자(28)는 방전 표면 처리용 전극(21)과 피가공물(22)에 인가하는 전압 및 전류의 스위칭을 행하는 소자이며, 이 스위칭소자(28)에는 스위칭소자(28)의 온/오프를 제어하는 제어회로(29)가 접속되어 있다. 여기서, 도시하고 있지는 않지만, 피가공물(22)의 표면상에 형성되는 피막의 위치를 제어하기 위해서, 방전 표면 처리용 전극(21)과 가공조(24)에 구동기구가 마련되어 있다.

이와 같은 방전 표면 처리장치의 방전 표면 처리용 전극(21)과 피가공물(22)의 사이에 펄스상 방전을 발생시키면, 그 열에너지에 의해 방전 표면 처리용 전극(21)을 구성하는 재료가 가공부분의 가공액 중에 부유한다. 이 부유된 전극 구성재료, 또는 전극 구성재료가 열에너지에 의해 반응한 물질이 피가공물(22)의 표면에 부착하고 피막(23)이 형성된다. 이와 같이 해서, 피가공물(22)의 표면에 피막(23)이 형성된다.

여기서, 본 발명을 몇 개의 바람직한 실시예로서 설명했지만, 본 발명에 포함되는 권리범위는 이들 실시에에 한정되지 않음이 이해되어야 한다. 반대로, 본 발명의 권리범위는 첨부된 청구의 범위에 포함되는 모든 개량, 수정 및 균등물을 포함하는 것이다.

Claims

고온환경 하에서 다른 부재와 접촉하는 슬라이딩면에, 고온경질재(4), 또는 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6), 또는 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 혼합물의 압분체인 방전 처리용 전극을 사용해서, 상기 슬라이딩면과의 사이에 펄스상의 방전을 발생시키고, 그 방전에너지에 의해 상기 방전 표면 처리용 전극의 구성재료 또는 이 구성재료의 반응물질의 피막을 상기 슬라이딩면에 형성하는 것을 특징으로 하는 고온부재의 슬라이딩면 코팅 방법.
고온환경 하에서 다른 부재와 접촉하는 슬라이딩면 A에, 고온경질재(4), 또는 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6), 또는 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 혼합물을 방전 표면 처리(전기절연성의 가공액 중 또는 기체 중에서, 방전 표면 처리용 전극과 피가공물의 사이에 펄스상 방전을 발생시키고, 그 방전에너지에 의해 상기 방전 표면 처리용 전극의 구성재료 또는 이 구성재료의 반응물질이, 상기 피가공물의 표면에 피막을 형성하는 방전 표면 처리방법)하고, 이것에 접촉하는 슬라이딩면 B에 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)를 용접, 용사(溶射) 또는 방전 표면 처리하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩부의 코팅 방법.
고온환경 하에서 다른 부재와 접촉하는 슬라이딩면 A에, 고온경질재(4), 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6), 또는 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 혼합물을, 슬라이딩면 A에 접촉하는 슬라이딩면 B에, 코팅 없이 고온경질재(4), 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6), 또는 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 혼합물을 방전 표면 처리하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩부의 코팅 방법.
고온환경 하에서 다른 부재와 접촉하는 슬라이딩면에, 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)를 포러스(porous)하게 방전 표면 처리하고, 그 기공에 고체윤활재(7)를 충전하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩면의 코팅 방법.
제 4항에 있어서,

고체윤활재(7)의 충전방법은 고체윤활재를 휘발성 용액에 섞어 브러싱하거나, 또는 연질의 러버(rubber)에 섞어 문질러서 충전하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩면의 코팅 방법.
제 4항에 있어서,

상기 고체윤활재(7)는 산화크롬(Cr₂O₃) 또는 산화크롬(Cr₂O₃)과 규소의 혼합물인 것을 특징으로 하는 고온부재의 슬라이딩면 코팅 방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)를 방전 표면 처리한 후에, 가열처리하는 것을 특징으로 하는 고온부재의 슬라이딩면 코팅 방법.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고온경질재(4)는 cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃C₂, SiC, ZrC, VC, B₄C, Si₃N₄, ZrO₂, Al₂O₃ 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 고온부재의 슬라이딩면 코팅 방법.
제 1항, 제 2항, 제 3항, 제 4 항, 또는 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)는 크롬, 및/또는 산화크롬(Cr₂O₃), 및/또는 hBN을 함유하는 것을 특징으로 하는 고온부재의 슬라이딩면 코팅 방법.
제 1항 내지 제 4항, 또는 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)는 크롬을 10% 이상 함유하고, 니켈을 20% 이상 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 고온부재의 슬라이딩면 코팅 방법.
고온환경 하에서 다른 부재와 접촉하는 슬라이딩면에, 고온경질재(4), 또는 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6), 또는 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 혼합물의 압분체인 방전 처리용 전극을 사용해서, 상기 슬라이딩면과의 사이에 펄스상의 방전을 발생시키고, 그 방전에너지에 의해 상기 방전 표면 처리용 전극의 구성재료 또는 이 구성재료의 반응물질의 피막을 형성한 것을 특징으로 하는 고온부재.
고온환경 하에서 다른 부재와 접촉하는 일방의 슬라이딩면에 고온경질재(4), 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6), 또는 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 혼합물을 방전 표면 처리하고, 일방의 슬라이딩면에 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)를 용접, 또는 용사 또는 방전 표면 처리한 것을 특징으로 하는 고온부재.
고온환경 하에서 다른 부재와 접촉하는 일방의 슬라이딩면에, 고온경질재(4), 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6), 또는 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 혼합물을, 일방의 슬라이딩면에 코팅 없이 고온경질재(4), 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6), 또는 고온경질재(4)와 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)의 혼합물을 방전 표면 처리한 것을 특징으로 하는 고온부재.
고온환경 하에서 다른 부재와 접촉하는 슬라이딩면에, 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)가 포러스(porous)하게 방전 표면 처리되고, 그 기공에 고체윤활재(7)가 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 고온부재.
제 14항에 있어서,

고체윤활재(7)는 산화크롬(Cr₂O₃), 또는 산화크롬(Cr₂O₃)과 규소(SiO₂)의 혼합물인 것을 특징으로 하는 고온부재.
제 11항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)가 방전 표면 처리된 후에, 가열처리되어 인장강도가 40MPa 이상인 것을 특징으로 하는 고온부재.
제 11항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고온경질재(4)는 cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃C₂, SiC, ZrC, VC, B₄C, Si₃N₄, ZrO₂, Al₂O₃ 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 고온부재.
제 11항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)는 크롬, 및/또는 산화크롬(Cr₂O₃), 및/또는 hBN을 함유하는 것을 특징으로 하는 고온부재.
제 11항, 제 12항, 제 13항, 제 14항, 또는 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고온에서 윤활성을 가지는 재료(6)는 크롬을 10% 이상 함유하고, 니켈을 20% 이상 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 고온부재.
제 11항 내지 제 19항에 기재된 고온부재가 터빈 로우터 블레이드, 스테이터 블레이드 세그먼트, 압축기 스테이터 블레이드 세그먼트, 또는 가스터빈의 연소기, 터빈 또는 에프터 버너의 정지부품인 것을 특징으로 하는 가스터빈 부품 또는 축류 컴프레셔 부품.
가공유 중에서, 방전 표면 처리용 전극과 피가공물의 사이에 펄스상의 방전을 발생시키고, 그 방전에너지에 의해 상기 방전 처리용 전극의 구성재료 또는 이 구성재료의 반응물질이, 상기 피가공물의 표면에 피막을 형성하는 방전 표면 처리방법에 사용되는 방전 표면 처리용 전극에 있어서,

고온에서 높은 경도를 가지는 고온경질재의 미세분말과, 고온에서 산화하여 윤활성을 가지게 되는 고온윤활재의 미세분말의 혼합물의 압분체에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방전 표면 처리용 전극.
전기절연성 가공액 중 또는 기체 중에서, 방전 표면 처리용 전극과 피가공물의 사이에 펄스상의 방전을 발생시키고, 그 방전에너지에 의해 상기 방전 표면 처리용 전극의 구성재료 또는 이 구성재료의 반응물질이, 상기 피가공물의 표면에 피막을 형성하는 방전 표면 처리방법에 사용되는 방전 표면 처리용 전극에 있어서,

고온에서 산화하여 윤활성을 가지게 되는 고온윤활재에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방전 표면 처리용 전극.
제 21항에 있어서,

상기 고온경질재는 cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃C₂, SiC, ZrC, VC, B₄C, Si₃N₄, ZrO₂, Al₂O₃ 중 적어도 1개 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 표면 처리용 전극.
제 21항 또는 제 22항에 있어서,

고온에서 산화하여 윤활성을 가지게 되는 상기 고온윤활재는 크롬을 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 표면 처리용 전극.