KR20070067801A

KR20070067801A - 자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물 및 이를 이용한자동차 에어컨용 사판의 제조방법

Info

Publication number: KR20070067801A
Application number: KR1020050129054A
Authority: KR
Inventors: 안지훈
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; 주식회사 우신이엠시
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2007-06-29

Abstract

본 발명은 자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물 및 이를 이용한 자동차 에어컨용 사판의 제조방법에 관한 것으로, 특히 Cu-Sn계 분말 65 내지 95 중량%, 텅스텐 설파이드(WS₂) 분말 3 내지 15 중량%, Cu-Si계 분말 5 내지 15 중량%, 및 잔량의 Cu, Fe, 및 불순물을 포함하는 용사분말 조성물을 자동차 에어컨 사판에 용사코팅하여 코팅층을 형성함으로써 환경에 매우 유해한 납을 사용하지 않고도 윤활성을 향상시킬 수 있는 코팅층을 형성하여 저마찰 특성 및 소착특성을 향상시켜 내마모성, 미끄러짐성, 및 사용수명이 현저히 향상되고, 환경친화적인 자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물 및 이를 이용한 자동차 에어컨용 사판의 제조방법에 관한 것이다.

자동차 에어컨 사판, 용사분말, Cu-Sn, 텅스텐 설파이드(WS2), Cu-Si, 저마찰, 소착, 마모

Description

자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물 및 이를 이용한 자동차 에어컨용 사판의 제조방법 {SPAYING POWDER COMPOSITION FOR SWASH PLATE OF CAR AIR CONDITIONING SYSTEM AND METHOD FOR PREPARING OF SWASH PLATE FOR CAR AIR CONDITIONING SYSTEM USING IT}

본 발명은 자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물 및 이를 이용한 자동차 에어컨용 사판의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환경에 매우 유해한 납을 사용하지 않고도 윤활성을 향상시킬 수 있는 코팅층을 형성하여 저마찰 특성 및 소착특성을 향상시켜 내마모성, 미끄러짐성, 및 사용수명이 현저히 향상되고, 환경친화적인 자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물 및 이를 이용한 자동차 에어컨용 사판의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 에어컨용 사판은 고하중, 고속회전하에서 사용되므로 재료의 저마찰 특성과 함께 고내마모 특성이 요구되며, 자동차의 내구성을 감안하면 통상 10 년 이상의 내구성이 확보되어야 한다.

최근에는 자동차의 경량화, 고기능화 추세에 맞추어 예전에 사용되던 고정식 사판보다 냉매 냉각 효율이 월등히 우수한 가변식 사판으로 점차 바뀌어 가고 있는 실정이다.

이러한 가변식 사판은 기존 고정식에 비하여 고하중, 고속회전을 특징으로 하므로 기종의 Al-Si 주조조직으로 구성된 고정식 사판에 비하여 현저히 향상된 저마찰 및 내마모성을 요구한다.

상기와 같은 가변형 사판의 요구특성에 부합하여 미국특허 제5,875,702호에는 저마찰 재료인 Pb를 중심으로 Sn, Al 등의 기지에 내마모성이 우수한 알루미나, 실리카 등을 혼합하여 사판의 코팅층을 구성함에 대하여 기재하고 있으며, 미국특허 제6,123,009호에는 Cu+Sn 기지에 MoS₂ 등의 저마찰 재료를 에폭시 레진으로 코팅함에 대하여 기재하고 있으며, 미국특허 제6,344,280호에는 경량 및 고내마모 특성을 향상시키기 위하여 Al 기지에 다량(60 %)의 Si를 첨가한 후, MoS₂, 카본 등의 저마찰 재료를 첨가하여 사판의 저마찰 내마모 특성을 향상시킴에 대하여 기재하고 있다.

또한, 대한민국 특허출원 제2000-99642호에는 Cu-Pb-Sn 분말과 Al-Si 분말을 혼합하여 용사코팅층을 형성함으로써 사판을 제조하였으며, 이때 Su-Pb-Sn 분말의 Pb를 저마찰 재죠로 이용하였고, Al-Si 합금 분말에 다량의 Si를 합금화함으로써 Si의 고경도도 특성을 이용하여 사판의 내마모 특성을 향상시키고자 하였다.

그러나, 상기와 같은 종래 기술들은 가변식 사판에 용사코팅층을 형성함에 있어 내소착 특성을 향상시키기에는 역부족이었으며, 이에 따라 부득이하게 납(Pb)을 다량(10∼16 %)으로 사용하여야만 했는데, 납의 경우 잘 알려진 바와 같이 환경 에 매우 유해한 원소여서 세계적으로 그 사용이 엄격히 규제되고 있어 이를 해결하기 위한 새로운 대안이 절실히 필요한 실정이다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 환경에 매우 유해한 납을 사용하지 않고도 윤활성을 향상시킬 수 있는 코팅층을 형성하여 저마찰 특성 및 소착특성을 향상시킬 수 있는 자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물 및 이를 이용한 자동차 에어컨용 사판의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 저마찰 특성을 향상시켜 내마모성, 미끄러짐성, 및 사용수명이 현저히 향상되고, 납을 사용하지 않아 환경친화적인 자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물 및 이를 이용한 자동차 에어컨용 사판의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물에 있어서,

a) Cu-Sn계 분말 65 내지 95 중량%;

b) 텅스텐 설파이드(WS₂) 분말 3 내지 15 중량%;

c) Cu-Si계 분말 5 내지 15 중량%; 및

d) 잔량의 Cu, Fe, 및 불순물

을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 용사분말 조성물을 자동차 에어컨 사판에 용사코팅하여 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 에어컨용 사판의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명자는 사판에 형성될 코팅층의 내소착성, 내마모성, 및 미끄러짐성 향상을 달성해낼 수 있는 성분조성에 대하여 연구한 결과, Cu-Sn계, Cu-Si계 용사분말이 이에 적합함을 확인하였고, 여기에 텅스텐 설파이드 분말을 일정량 첨가한 결과 상기 특성들이 우수해짐을 확인하고, 이를 토대로 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물은 Cu-Sn계 분말 65 내지 95 중량%, 텅스텐 설파이드(WS₂) 분말 3 내지 15 중량%, Cu-Si계 분말 5 내지 15 중량%, 및 잔량의 Cu, Fe, 및 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 사용되는 상기 Cu-Sn계 분말, 텅스텐 설파이드(WS₂) 분말, 및 Cu-Si계 분말은 각 성분들의 기준량에 해당되도록 평량하는 단계; 평량 완료 후 각 성분별로 용해시키는 단계; 상기 용해 후 각각 출탕함과 동시에 고압의 질소가스를 고속으로 분사하여 냉각 및 미분화시키는 단계; 및 미분화된 각 성분을 입도분급하는 단계를 거쳐 최종 Cu-Sn계 분말, 텅스텐 설파이드(WS₂) 분말, 및 Cu-Si계 분말을 수득할 수 있다.

먼저, 상기 Cu-Sn계 분말, 텅스텐 설파이드(WS₂) 분말, 및 Cu-Si계 분말은 각 성분들이 정해진 기준량에 합당하도록 평량하게 되는데, 이때 상기 평량은 통상의 평량기를 사용하여 실시할 수 있다.

이를테면, 성분조성울 위해 100 g을 기준으로 할 경우 Cu-Sn계를 100 g으로 평량하게 되고, Cu-Si계도 100 g으로 평량하게 되는데, 그들 중 성분비, 즉 Cu-Sn계에서 Cu:Sn의 비율은 원하는 특성에 따라 상호조절하되 어떠한 비율을 갖든지간에 Cu-Sn계 전체가 100이 되도록 하는 평량을 말하며(예를 들어, Cu=70, Cn=30과 같이 하여 Cu-Sn계가 100이 되도록 함), 나머지 Cu-Si계의 경우도 이와 마찬가지이다.

상기와 같이 각 성분의 평량이 완료되면 각 성분별로 용해시킨다. 이때, 상기 용해는 용해로, 바람직하게는 유도로에서 실시하는 것이 좋다.

상기 용해 후 출탕과정과 동시에 고압의 질소가스를 고속분사하여 각 성분을 냉각 및 미분화시키게 된다.

상기 출탕과정은 출탕되는 용탕의 유동성을 확보하기 위해 원하는 온도보다 높은 온도를 유지하여 실시하는 것이 바람직하며, 특히 합금원소(Cu-Sn계 분말, 텅스텐 설파이드(WS₂) 분말, 및 Cu-Si계 분말)의 용해온도보다 약 80 ℃ 정도 높은 온도에서 출탕하는 것이 바람직하다.

상기 출탕과정과 동시에 실시되는 고압의 질소가스 고속분사는 출탕되는 용탕을 냉각시킴과 동시에 미분화시키는 작용을 한다.

상기와 같이 미분화된 각 성분들은 여러 입도들이 혼합되어 있으며, 이로부 터 조대 입자를 분리해내기 위하여 입도분급과정을 실시한다. 이때, 상기 입도분급은 통상의 체질을 이용하여 실시할 수 있다.

상기와 같이 입도분급이 완료되면 75 ㎛ 이하의 Cu-Sn계 분말, 1∼5 ㎛의 텅스텐 설파이드(WS₂) 분말, 및 75 ㎛ 이하의 Cu-Si계 분말을 수득할 수 있다.

상기와 같은 과정을 거쳐 수득된 Cu-Sn계 분말, 텅스텐 설파이드(WS₂) 분말, 및 Cu-Si계 분말은 각각 65 내지 95 중량%, 3 내지 15 중량%, 및 5 내지 15 중량%로 본 발명의 용사분말 조성물에 포함되며, 이 외에 잔량의 Cu, Fe, 및 불순물을 더욱 포함한다.

상기 Cu-Sn계 분말이 용사분말 조성물에 65 중량% 미만으로 포함될 경우에는 다량의 그라프이트 및 고경도의 Cu-Si 분말로 인하여 코팅층에 취성이 증가하게 된다는 문제점이 있으며, 95 중량%를 초과할 경우에는 이와는 반대로 코팅층의 연성이 증가하여 코팅층의 내마모 특성이 저하된다는 문제점이 있다.

상기 텅스텐 설파이드(WS₂) 분말이 3 중량% 미만으로 포함될 경우에는 코팅층에 윤활 효과가 거의 없다는 문제점이 있으며, 15 중량%를 초과할 경우에는 텅스텐 설파이드에 응집된(segregation) 부분이 생기고, 이 부분에서 텅스텐 설파이드가 집중적으로 탈락하여 코팅층의 내구수명을 저하시키게 된다는 문제점이 있다.

또한, 상기 Cu-Si계 분말이 5 중량% 미만으로 포함될 경우에는 코팅층의 내마모성이 저하된다는 문제점이 있으며, 15 중량%를 초과할 경우에는 코팅층에 취성이 증가하여 코팅층의 박리현상이 발생하게 된다는 문제점이 있다.

상기와 같은 성분조성으로 이루어지는 본 발명의 자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물은 최종적으로 텅스텐 설파이드(WS₂) 1 내지 20 중량%, CuSi 5 내지 15 중량%, Sn 2 내지 3 중량%, 및 잔량의 Cu, Fe, 및 불순물을 함유한다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물을 자동차 에어컨 사판에 용사코팅하여 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 자동차 에어컨용 사판의 제조방법을 제공한다.

상기 사판은 자동차 에어컨용 냉매를 압축하는데 사용되며, 상기 사판의 제조를 위해 본 발명의 용사분말 조성물 코팅시 코팅방법은 저온용사코팅 방법으로 실시되는 것이 좋다. 이는, 종래 열용사코팅 방법을 이용하면 저마찰 특성이 우수한 텅스텐 설파이드가 열에 매우 불안정하여 열분해되어 용사 중 휘발되거나 코팅층에 잔존하더라도 W 또는 WO₃ 등의 산화물 형태로 남아 있게 되어 제특성을 유지할 수 없기 때문이다.

상기 저온용사코팅은 약 25 Kgf/㎠의 고압의 질소가스를 약 300 ℃로 가열한 후 초음속 노즐을 통해 고속의 질소가스를 용사분말과 함께 분사시킴으로써 고속의 용사분말 조성물이 모재에 부착되도록 코팅하는 것이 좋다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1

자동차 에어컨용냉매를 압축하는데 사용되는 사판에 용사코팅하기에 앞서 용사분말을 제조하였다

먼저, 용사분말은 Cu-Sn계 및 Cu-Si계 용사분말을 제조하였으며, 용사분말의 조성은 코팅층의 내소착성, 내마모성, 및 미끄러짐성 향상을 목적으로 설계되었고, 분말의 제조는 원하는 합금설계를 통하여 구성성분을 결정하고, 이를 평량한 후 유도로를 통하여 용해시켰다.

이어서, 상태도를 통하여 분석한 합금원소의 용해온도보다 약 80 ℃가량 높은 온도에서 출탕을 실시하며, 이때 질소가스를 고속으로 용탕에 분사하여 분말을 제조하였다.

상기 제조된 분말들을 적당한 크기로 분급하여 75 ㎛ 이하의 분말을 수득하였다.

이렇게 수득된 Cu-Sn계 분말 92 중량% 및 Cu-Si계 분말 5 중량%을 텅스텐 설파이드(WS₂) 분말 3 중량%와 균일하게 혼합하여 최종 용사분말 조성물을 제조하였다.

상기 제조한 용사분말을 이용하여 자동차 에어컨용 냉매를 압축하는데 사용되는 사판에 저온용사코팅 방법으로 코팅층을 형성하였다. 이때, 상기 저온용사코팅은 약 25 Kgf/㎠의 고압의 질소가스를 약 300 ℃로 가열한 후 초음속 노즐을 통해 고속의 질소가스를 용사분말과 함께 분사시켜 고속의 용사분말 조성물이 모재에 부착되도록 하였다.

실시예 2∼4 및 비교예 1∼2

상기 실시예 1에서 하기 표 1에 나타낸 조성으로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

비교예 3

일본 산덴사에서 제조한 사판을 사용하였다.

하기 표 1의 단위는 중량%이다.

구분	Cu-Sn계	Cu-Si계	WS₂
실시예 1	92	5	9
실시예 2	88	5	7
실시예 3	80	10	10
실시예 4	80	15	5
비교예 1	70	10	20
비교예 2	65	15	20

상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3의 사판을 이용하여 소착특성을 측정하기 위하여, 경계윤활조건에서 마찰계수를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

구분	실시예				비교예
구분	1	2	3	4	1	2	3
마찰계수	0.08	0.08	0.04	0.07	0.13	0.14	0.2

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 Cu-Sn계 분말을 65 내지 95 중량%, 텅스텐 설파이드(WS₂) 분말을 3 내지 15 중량%, 및 Cu-Si계 분말을 5 내지 15 중량%로 함유하는 용사분말 조성물을 이용하여 사판을 코팅한 실시예 1 내지 4의 경우에는 텅스텐 설파이드 함량을 초과하여 사용한 비교예 1 및 2와 기존의 용사분말을 사용한 비교예 3과 비교하여 마찰계수가 적게 나타났으며, 이로부터 저마찰 특성이 우수함을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4를 통하여 마찰계수는 주로 텅스텐 설파이드의 함량에 영향을 받았으며, 텅스텐 설파이드의 함량이 증가할수록 마찰계수의 함량도 증가함을 알 수 있었다.

또한, 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3의 사판을 이용하여 마모특성을 측정하기 위하여 마모시험을 실시하였다.

마모시험은 사판사용업체의 마모시험 기준인 하중 28 Kgf, RPM 1,000의 경계윤활(marginal lubricaton) 영역에서 실시하였으며, 마모특성을 정량적으로 나타내기 위하여 마모시험 후 무게감량을 측정하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

구분	실시예				비교예
구분	1	2	3	4	1	2	3
마모도 (㎎)	3.2	2.1	2.5	3.0	7.0	10.4	29

상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 Cu-Sn계 분말을 65 내지 95 중량%, 텅스텐 설파이드(WS₂) 분말을 3 내지 15 중량%, 및 Cu-Si계 분말을 5 내지 15 중량%로 함유하는 용사분말 조성물을 이용하여 사판을 코팅한 실시예 1 내지 4의 경우에는 텅스텐 설파이드 함량을 초과하여 사용한 비교예 1 및 2와 기존의 용사분말을 사용한 비교예 3과 비교하여 마모 및 마찰특성이 월등히 우수함을 확인할 수 있었다.

본 발명에 따르면 환경에 매우 유해한 납을 사용하지 않고도 윤활성을 향상시킬 수 있는 코팅층을 형성하여 저마찰 특성 및 소착특성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 내마모성, 미끄러짐성, 및 사용수명이 현저히 향상되고, 납을 사용하지 않아 환경친화적인 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims

자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물에 있어서,

a) Cu-Sn계 분말 65 내지 95 중량%;

b) 텅스텐 설파이드(WS₂) 분말 3 내지 15 중량%;

c) Cu-Si계 분말 5 내지 15 중량%; 및

d) 잔량의 Cu, Fe, 및 불순물

을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물.
제1항에 있어서,

상기 Cu-Sn계 분말, 텅스텐 설파이드(WS₂) 분말, 및 Cu-Si계 분말이

a) 각 성분들의 기준량에 해당되도록 평량하는 단계;

b) 평량 완료 후 각 성분별로 용해시키는 단계;

c) 상기 용해 후 각각 출탕함과 동시에 고압의 질소가스를 고속으로 분사하여 냉각 및 미분화시키는 단계; 및

d) 미분화된 각 성분을 입도분급하는 단계

를 통해 준비되는 것을 특징으로 하는 자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물.
제2항에 있어서,

상기 출탕이 합금원소(Cu-Sn계 분말, 텅스텐 설파이드(WS₂) 분말, 및 Cu-Si계 분말)의 용해온도보다 약 80 ℃ 정도 높은 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물.
제1항 기재의 자동차 에어컨 사판용 용사분말 조성물을 자동차 에어컨 사판에 용사코팅하여 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 하는 것을 특징으로 하는 자동차 에어컨용 사판의 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 용사코팅이 저온용사코팅인 것을 특징으로 하는 자동차 에어컨 사판의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 저온용사코팅이 약 25 Kgf/㎠의 고압의 질소가스를 약 300 ℃로 가열한 후 초음속 노즐을 통해 고속의 질소가스를 용사분말과 함께 분사시킴으로써 고속의 용사분말 조성물이 모재에 부착되어 코팅되도록 하는 것을 특징으로 하는 자동차 에어컨 사판의 제조방법.