KR20070088442A - 습동 부재용 조성물, 습동 부재 및 유체 기계 - Google Patents

습동 부재용 조성물, 습동 부재 및 유체 기계 Download PDF

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Abstract

스크롤형 압축기(10)에 있어서 미끄럼 부시(25)의 원통부(26)와 가동 스크롤(50)의 돌출부(53)의 습동 부분에 윤활부(70)를 형성한다. 윤활부(70)는, 철제 베이스의 내주면에, 폴리테트라플루오로에틸렌 100 중량부에 대해, 폴리아미드이미드 수지 300 중량부와, 내마모제로서 불화칼슘 75 중량부와 산화알루미늄 25 중량부를 함유한 습동 부재용 조성물의 코팅층을 형성한다.
스크롤형 압축기, 미끄럼 부시, 원통부, 가동 스크롤, 윤활부, 습동 부재

Description

습동 부재용 조성물, 습동 부재 및 유체 기계{COMPOSITION FOR SLIDING MEMBER, SLIDING MEMBER, AND FLUID MACHINE}
본 발명은 습동 부재용 조성물, 습동 부재 및 유체 기계에 관한 것이다.
현재, 거의 모든 기계에서 베어링이나 피스톤 등의 습동 부재가 사용되고 있다. 이와 같은 습동 부재는, 요구되는 기계적 강도가 필요한 동시에, 표면에는 습동성 또는 내마모성이 필요하다.
그래서 지금까지, 습동 부재 표면에 불소 수지 등을 주성분으로 하는 코팅층을 형성하여, 습동성 외에, 내마모성을 향상시키는 방법이 검토되고 있다.
내마모성의 향상 수단으로서, 불소 수지와 바인더와 1종류의 내마모제로 구성되는 습동 부재용 조성물의 코팅층이 검토되었다(예를 들어, 특허문헌 1). 이 습동 부재용 조성물의 코팅층은, 불소 수지에 대해, 모스(Mohs) 경도가 2.0∼5.0 범위에 있는 내마모제를 0.5∼12 체적% 함유시킴으로써, 습동 부재의 내마모성을 향상시킨다. 특히 상기 모스 경도가 2.0∼5.0 범위에 있는 내마모제 중, 불화칼슘 등의 불화물은, 불화물의 고체 윤활성과 적절한 기계적 강도를 이용할 수 있으므로, 내마모성을 확실하게 향상시킬 수 있다.
[특허 문헌1] 일본공개특허공보 제2000-249063호
특허 문헌1에 기재된 종래의 코팅층은, 알루미늄 합금을 베이스 재료나 상대방 재료로 한 습동 부재에서, 불화물의 내마모성 효과가 충분히 발휘되어, 내마모성을 향상시킬 수 있었다. 그러나 종래의 상기 코팅층은, 베이스 재료나 대상으로 하는 재료가 철계 재료인 어려운 습동 조건 하에서는 내마모성이 충분하지 않다.
본 발명은 이러한 점에 감안하여 이루어진 것으로, 우수한 습동성 및 내마모성을 갖는 습동 부재용 조성물과, 이 습동 부재용 조성물을 베이스 표면의 코팅층으로 구비한 습동 부재 및 이 습동 부재를 구비한 유체 기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
제1 발명은, 불소 수지와 바인더와 2종류 이상의 내마모제를 함유하여 구성되는 습동 부재용 조성물이다.
이 제1 발명에서, 상기 습동 부재용 조성물은 고체 윤활성을 갖는 불소 수지를 사용하므로 습동성이 우수하다. 그리고 상기 조성물은 2종류 이상의 내마모제를 함유하므로, 각 내마모제가 갖는 고체 윤활성과 기계적 강도를 이용할 수 있다.
즉, 본원 발명자들은, 지금까지 습동 부재용 조성물의 내마모성에 대해 연구한 결과, 2종류 이상의 내마모제를 첨가하는 것을 발견했다.
구체적으로는, 습동 부재용 조성물의 내마모성을 향상시키는 방법으로서, 불화물 대신에, 불화물보다 기계적 강도가 우수한 경도(硬度)가 높은 내마모성 입자 등을 내마모제로서 이용함으로써, 이 조성물 전체의 기계적 강도를 향상시키는 방법을 생각할 수 있다.
그러나, 일반적으로, 기계적 강도가 우수한 고 경도의 내마모성 입자 등은 고체 윤활성을 갖지 않으므로, 습동 부재의 접촉면에서 마찰계수를 증가시킨다는 문제점이 있다. 또한, 고체 윤활성과 기계적 강도의 양 성질에서, 양쪽 모두 우수한 내마모제를 선택하기는 어렵다.
그래서, 고체 윤활성이 우수한 내마모제와 기계적 강도가 우수한 내마모제 각각 1종류 이상을, 양 성질을 발휘할 수 있는 적절한 조성비로, 상기 조성물 중에 함유시킴으로써, 상기 조성물의 내마모성을 향상시킨다.
제2 발명은, 상기 제1 발명에 있어서, 상기 불소 수지가 폴리테트라플루오로에틸렌이며, 상기 바인더가 폴리아미드이미드 수지이다.
이 제2 발명에서는, 상기 습동 부재용 조성물의 마찰계수가 낮아지며, 또 기계적 강도가 향상된다.
제3 발명은, 상기 제1 발명에 있어서, 상기 2종류 이상의 내마모제 중, 적어도 1종류의 내마모제는 불화물이며, 적어도 1종류의 내마모제는 모스(Mohs) 경도가 5보다 큰 내마모성 입자이다.
이 제3 발명에서는, 불화물이 갖는 고체 윤활성과, 모스 경도가 5보다 큰 내마모성 입자의 우수한 기계적 강도를 효과적으로 이용할 수 있다.
제4 발명은, 상기 제3 발명에 있어서, 상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 상기 바인더가 100 중량부 이상 500 중량부 이하이며, 상기 불화물이 50 중량부 이상 200 중량부 이하이고, 상기 내마모성 입자가 1 중량부 이상 100 중량부 이하이다.
이 제4 발명에서는, 습동 부재용 조성물에 불소 수지를 함유하므로, 고체 윤활성이 향상된다. 그리고 상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 50 중량부 이상의 불화물과 1 중량부 이상의 내마모성 입자를 내마모제로서 함유하므로, 불화물의 고체 윤활성과, 내마모성 입자의 우수한 기계적 강도를 더 확실하게 효과적으로 이용할 수 있다.
또한, 불소 수지 100 중량부에 대해, 100 중량부 이상의 바인더를 함유하므로, 상기 조성물의 바인더에 의한 결합 강도가 향상된다. 또한, 불소 수지 100 중량부에 대해, 바인더가 500 중량부 이하이며, 또한 불화물이 200 중량부 이하, 내마모성 입자가 100 중량부 이하이므로, 불소 수지가 갖는 고체 윤활성이 충분히 발휘된다.
제5 발명은, 상기 제4 발명에 있어서, 상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 상기 바인더가 300 중량부이며, 상기 불화물이 75 중량부이고, 상기 내마모성 입자가 25 중량부이다.
이 제5 발명에서는, 상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 상기 불화물이 75 중량부이며, 상기 내마모성 입자가 25 중량부이므로, 불화물의 고체 윤활성과, 내마모성 입자의 우수한 기계적 강도를 확실하게 발휘시킬 수 있다. 또한, 상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 바인더가 300 중량부이므로, 바인더에 의한 결함 강도도 확실하게 향상된다.
제6 발명은, 상기 제3 발명에 있어서, 상기 내마모성 입자가 산화알루미늄이다.
이 제6 발명에서는, 상기 내마모성 입자가 산화알루미늄이므로, 상기 조성물의 내마모성이 확실하게 향상된다.
제7 발명은, 금속 베이스의 표면에 코팅층이 형성된 습동 부재이며, 상기 코팅층이, 제1 발명 내지 제6 발명 중 어느 한 발명의 습동 부재용 조성물로 구성된다.
이 제7 발명에서는, 베이스 표면에 상기 습동 부재용 조성물의 코팅층이 형성되므로, 접촉면에서의 내마모성이 향상된다.
구체적으로 상기 제7 발명은, 금속 베이스의 표면에 코팅층이 형성된 습동 부재이며, 상기 코팅층이, 불소 수지와 바인더와 2종류 이상의 내마모제를 함유하는 습동 부재용 조성물로 구성된다.
제8 발명은, 상기 제7 발명에 있어서, 상기 불소 수지가 폴리테트라플루오로에틸렌이며, 상기 바인더가 폴리아미드이미드 수지이다.
제9 발명은, 상기 제7 발명에 있어서, 상기 2종류 이상의 내마모제 중, 적어도 1종류의 내마모제는 불화물이며, 적어도 1종류의 내마모제는 모스 경도가 5보다 큰 내마모성 입자이다.
제10 발명은, 상기 제9 발명에 있어서, 상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 상기 바인더가 100 중량부 이상 500 중량부 이하이며, 상기 불화물이 50 중량부 이상 200 중량부 이하이고, 상기 내마모성 입자가 1 중량부 이상 100 중량부 이하이다.
제11 발명은, 상기 제10 발명에 있어서, 상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 상기 바인더가 300 중량부이며, 상기 불화물이 75 중량부이고, 상기 내마모성 입자가 25 중량부이다.
제12 발명은 상기 제9 발명에 있어서, 상기 내마모성 입자가 산화알루미늄이다.
제13 발명은, 상기 제7 발명 내지 제12 발명 중 어느 한 발명의 습동 부재를 구비하는 유체 기계이다.
이 제13 발명에서는, 유체 기계에 있어서, 베이스 표면의 코팅층의 내마모성이 향상된다.
제14 발명은, 상기 제13 발명에 있어서, 상기 습동 부재가 베어링 부재이다.
이 제14 발명에서는, 유체 기계의 베어링 부재에 있어서, 베이스 표면의 코팅층의 내마모성이 향상된다.
구체적으로 상기 제13 및 제14 발명은, 상기 코팅층이, 불소 수지와 바인더와 2종류 이상의 내마모제를 함유하는 습동 부재용 조성물로 구성된다.
제15 발명은, 상기 제14 발명에 있어서, 상기 불소 수지가 폴리테트라플루오로에틸렌이며, 상기 바인더가 폴리아미드이미드 수지이다.
제16 발명은, 상기 제14 발명에 있어서, 상기 2종류 이상의 내마모제 중, 적어도 1종류의 내마모제는 불화물이며, 적어도 1종류의 내마모제는 모스 경도가 5보다 큰 내마모성 입자이다.
제17 발명은, 상기 제16 발명에 있어서, 상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 상기 바인더가 100 중량부 이상 500 중량부 이하이며, 상기 불화물이 50 중량부 이상 200 중량부 이하이고, 상기 내마모성 입자가 1 중량부 이상 100 중량부 이하이다.
제18 발명은, 상기 제17 발명에 있어서, 상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 상기 바인더가 300 중량부이며, 상기 불화물이 75 중량부이고, 상기 내마모성 입자가 25 중량부이다.
제19 발명은, 상기 제16 발명에 있어서, 상기 내마모성 입자가 산화알루미늄이다.
발명의 효과
본 발명에 의하면, 상기 습동 부재용 조성물은 고체 윤활성을 갖는 불소 수지를 사용하므로 습동성이 우수하다. 그리고, 상기 조성물은 2종류 이상의 내마모제를 함유하므로, 각 내마모제가 갖는 고체 윤활성과 기계적 강도를 이용할 수 있어, 베이스가 철계 재료일 경우에도, 내마모성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제2, 제8 및 제15 발명에 의하면, 상기 조성물의 마찰계수가 낮아지며, 또한 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제3, 제9 및 제16 발명에 의하면, 불화물이 갖는 고체 윤활성과, 모스 경도가 5보다 큰 내마모성 입자의 우수한 기계적 강도를 효과적으로 이용할 수 있으므로, 상기 조성물의 내마모성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제4, 제10 및 제17 발명에 의하면, 습동 부재용 조성물에 불소 수지를 함유하므로, 고체 윤활성이 향상된다. 그리고 상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 50 중량부 이상의 불화물과 1 중량부 이상의 내마모성 입자를 내마모제로서 함유하므로, 불화물의 고체 윤활성, 내마모성 입자의 우수한 기계적 강도를 더 확실하게 효과적으로 이용할 수 있다. 또한, 불소 수지 100 중량부에 대해, 100 중량부 이상의 바인더를 함유하므로, 상기 조성물의 바인더에 의한 결합 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 불소 수지 100 중량부에 대해, 바인더 500 중량부 이하이며, 또한 불화물이 200 중량부 이하, 내마모성 입자가 100 중량부 이하이므로, 불소 수지가 갖는 고체 윤활성이 충분히 발휘되고, 결과적으로 상기 조성물 전체의 내마모성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제5, 제11 및 제18 발명에 의하면, 상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 상기 불화물이 75 중량부이며, 상기 내마모성 입자가 25 중량부이므로, 불화물의 고체 윤활성과, 내마모성 입자의 견고한 기계적 강도를 확실하게 발휘시킬 수 있다. 또한, 상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 바인더가 300 중량부이므로, 바인더에 의한 결합 강도도 확실하게 향상된다. 상기의 구성에 의해, 고체 윤활성과 기계적 강도가 함께 향상되므로, 결과적으로 조성물 전체의 내마모성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제6, 제12 및 제19 발명에 의하면, 상기 내마모성 입자가 산화알루미늄이므로, 상기 조성물의 내마모성을 확실하게 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제7 발명에 의하면, 베이스 표면에 상기 습동 부재용 조성물의 코팅층이 형성되므로, 접촉면에서의 내마모성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 부재 자체의 내구성도 향상되므로, 장기간의 사용을 가능하게 할 수 있다.
또한, 상기 제13 발명에 의하면, 유체 기계에 있어서, 베이스 표면 코팅층의 내마모성이 향상되어, 기계 자체의 신뢰성 향상을 도모할 수 있다.
또한, 상기 제14 발명에 의하면, 베어링 부재의 내마모성이 향상되어, 베어링 기능의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도1은 제1 실시형태에 관한 스크롤 압축기의 단면도.
도2는 냉매 중 저널시험을 설명하는 개략도.
도3은 습동 부재용 조성물의 조성과 마찰계수(μ)와 마모량의 관계를 나타내는 표.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 스크롤 압축기
25: 미끄럼 부시
26: 미끄럼 부시의 원통부
50: 가동 스크롤
53: 가동 스크롤의 돌출부
70: 윤활부
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.
도1에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 유체 기계는 스크롤 압축기(10)이다. 이 스크롤 압축기(10)는 냉동 장치의 냉매 회로에 설치되어, 유체인 가스 냉매를 압축하기 위해 이용된다.
[스크롤형 압축기의 전체구성]
상기 스크롤형 압축기(10)는, 이른바 전 밀폐형으로 구성된다. 이 스크롤형 압축기(10)는, 세로로 긴 원통형의 밀폐 용기형으로 형성된 케이싱(11)을 구비한다. 상기 케이싱(11)의 내부에는, 밑에서 위를 향해 차례로, 하부 베어링 부재(30)와, 전동기(35)와, 압축 기구(40)가 배치된다. 또한, 상기 케이싱(11)의 내부에는 상하로 이어지는 구동축(20)이 설치된다.
상기 케이싱(11)의 내부는, 압축 기구(40)의 고정 스크롤(60)에 의해 상하로 구획된다. 이 케이싱(11)의 내부에서는, 고정 스크롤(60)의 위쪽 공간이 제1 실(12)이 되며, 그 하측 공간이 제2 실(13)로 된다.
상기 케이싱(11)의 몸체부에는 흡입관(14)이 설치된다. 이 흡입관(14)은 케이싱(11) 내의 제2 실(13)로 개구된다. 한편, 상기 케이싱(11)의 상단부에는 토출관(15)이 설치된다. 이 토출관(15)은 케이싱(11) 내의 제1 실(12)로 개구된다.
상기 구동축(20)은, 주축부(21)와 차양부(22)와 편심부(23)를 구비한다. 상기 차양부(22)는, 주축부(21)의 상단에 형성되며, 주축부(21)보다 큰 지름의 원판형으로 형성된다. 한편, 편심부(23)는 차양부(22)의 상면에 돌출 형성된다. 이 편심부(23)는 주축부(21)보다 작은 지름의 원주형으로 형성되며, 그 축심이 주축부(21)의 축심에 대해 편심된다.
상기 구동축(20)의 주축부(21)는, 압축 기구(40)의 프레임 부재(41)를 관통한다. 이 주축부(21)는 롤러 베어링(roller bearing)을 개재하고 프레임 부재(41)에 지지된다. 또 구동축(20)의 차양부(22) 및 편심부(23)는, 프레임 부재(41)보다 위쪽의 제1 실(12)에 위치한다.
상기 구동축(20)에는 미끄럼 부시(25)가 설치된다. 이 미끄럼 부시(25)는, 원통부(26)와 평형추부(27)를 구비하며, 차양부(22) 위에 설치된다. 상기 미끄럼 부시(25)의 원통부(26)에는, 구동축(20)의 편심부(28)가 회전 자유롭게 삽입된다.
상기 하부 베어링 부재(30)는, 케이싱(11) 내의 제2 실(13)에 위치한다. 이 하부 베어링 부재(30)는, 볼트(32)에 의해 프레임 부재(41)에 고정된다. 그리고 하부 베어링 부재(30)는 볼베어링(ball bearing)(31)을 개재하고 구동축(20)의 주축부(21)를 지지한다.
상기 하부 베어링 부재(31)에는 급유 펌프(33)가 설치된다. 이 급유 펌프(33)는, 구동축(20)의 하단에 맞물린다. 그리고 상기 급유 펌프(33)는 구동축(30)에 의해 구동되어, 케이싱(11)의 저부에 고인 냉동기 기름을 흡입한다. 급유 펌프(33)로 퍼 올려진 냉동기 기름은, 구동축(20) 내에 형성된 통로를 통해 압축 기구(40) 등에 공급된다.
상기 전동기(35)는 고정자(36)와 회전자(37)를 구비한다. 이 고정자(36)는, 하부 베어링 부재(30)와 함께 볼트(32)에 의해 프레임 부재(41)에 고정된다. 한편, 회전자(37)는 구동축(20)의 주축부(21)에 고정된다.
상기 케이싱(11)의 몸체부에는, 전력 공급용 터미널(16)이 설치된다. 이 터미널(16)은, 단자용 박스(17)에 의해 피복된다. 전동기(36)에 대해서는, 터미널(16)을 통해 전력이 공급된다.
[압축 기구의 구성]
상기 압축 기구(40)는, 고정 스크롤(60)이나 프레임 부재(41) 외에, 가동 스크롤(50)과 올덤링(43)을 구비한다. 그리고, 이 압축 기구(40)는 이른바 비대칭 스크롤 구조로 구성된다.
상기 가동 스크롤(50)은, 가동측 평판부(51), 가동측 랩(52) 및 돌출부(53)를 구비한다. 이 가동측 평판부(51)는 약간 두꺼운 원판형으로 형성된다. 돌출부(53)는, 가동측 평판부(51)의 하면에서 돌출되도록, 가동측 평판부(51)와 일체로 형성된다. 또한, 돌출부(53)는 가동측 평판부(51)의 거의 중앙에 위치한다. 이 돌출부(53)에는 미끄럼 부시(25)의 원통부(26)가 삽입된다. 즉, 상기 가동 스크롤(50)은 미끄럼 부시(26)를 개재하고 구동축(20)의 편심부(23)와 맞물린다.
상기 가동측 랩(52)은, 가동측 평판부(51)의 상면 쪽에 수직 형성되며, 가동측 평판부(51)와 일체로 형성된다. 가동측 랩(52)은, 높이가 일정한 소용돌이의 벽 형상으로 형성된다.
상기 가동 스크롤(50)은 올덤링(43)을 개재하고 프레임 부재(41) 위에 설치된다. 이 올덤링(43)에는 2쌍의 키가 형성된다. 이 올덤링(43)은, 1쌍의 키가 가동 스크롤(50)의 가동측 평판부(54)에 맞물리며, 나머지 1쌍의 키가 프레임 부재(41)에 맞물린다. 구동축(20)의 편심부(23)와 맞물리는 가동 스크롤(50)은 올덤링(43)에 의해 자전운동이 규제되어 공전운동을 한다. 즉, 상기 올덤링(43)은, 가동 스크롤(50)과 프레임 부재(41)에 미끄럼 이동한다.
상기 고정 스크롤(60)은, 고정측 평판부(61), 고정측 랩(63) 및 테두리부(62)를 구비한다. 상기 고정측 평판부(61)는 약간 두꺼운 원판형으로 형성된다. 이 고정측 평판부(61)의 지름은 케이싱(11)의 안지름과 대략 동등하다. 테두리부(62)는, 고정측 평판부(61)의 주연 부분부터 아래쪽으로 이어지는 벽 형상으로 형성된다. 상기 고정 스크롤(60)은, 테두리부(62)의 하단이 프레임 부재(41)에 닿은 상태에서, 볼트(44)에 의해 프레임 부재(41)에 고정된다. 그리고, 상기 고정 스크롤(60)은, 이 테두리부(62)가 케이싱(11)과 밀착함으로써, 케이싱(11) 내를 제1 실(12)과 제2 실(13)로 구획한다.
상기 고정측 랩(63)은, 고정측 평판부(61)의 하면 쪽에 수직 형성되며, 고정측 평판부(61)와 일체로 형성된다. 고정측 랩(63)은, 높이가 일정한 소용돌이의 벽 형상으로 형성되며, 약 3회 나선을 그리는 분량의 길이로 형성된다.
상기 고정측 랩(62)의 양 측면인 내측 랩면(64)과 외측 랩면(65)은, 가동측 랩(52)의 양 측면인 내측 랩면(54)과 외측 랩면(55)에 미끄럼 이동한다. 한편, 고정측 평판부(61)의 하면, 즉 고정측 랩(63) 이외의 저면(66)은, 가동측 랩(52)의 선단면이 미끄럼 이동하며, 가동측 평판부(51)의 상면, 즉 가동측 랩(52) 이외의 저면(56)은, 고정측 랩(63)의 선단면이 미끄럼 이동한다. 또한, 고정측 평판부(61)에서 고정측 랩(63)이 나선을 그리기 시작하는 부분 근방에는, 토출구(67)가 형성된다. 이 토출구(67)는 고정측 평판부(61)를 관통하며, 제1 실(12)로 개구된다.
본 실시형태의 스크롤형 압축기(10)는 냉동기의 냉매 회로에 설치된다. 이 냉매 회로에서는, 냉매가 순환하여 증기 압축식의 냉동 주기가 이루어진다. 이때, 스크롤형 압축기(10)는, 증발기로부터 저압의 가스 냉매를 흡입 압축하여, 압축 후 의 고압 가스 냉매를 응축기로 공급한다.
상기 스크롤형 압축기(10)를 운전하면, 미끄럼 부시(25)의 원통부(26)와 가동 스크롤(50)의 돌출부(53)가 미끄럼 이동한다. 본 실시형태에서는, 이 습동 부분에 베어링 메탈인 윤활부(70)를 형성한다. 이 윤활부(70)는, 원통형의 베어링 부재이며, 철을 베이스로 하여 그 내주면에 습동 부재용 조성물로 이루어지는 윤활제 층인 코팅층이 형성된 습동 부재이다. 윤활제 층이 형성된 윤활부(70)의 내면은 미끄럼 부시(25)의 원통부(26) 외주면과 미끄럼 이동한다.
이 윤활부(70)의 베이스 내주면은 화성 처리에 의해 그 표면 거칠기(Ra)가 3.7㎛로 되도록 처리된다. 그리고 그 위에 폴리테트라플루오로에틸렌(이하, PTFE라 칭함)과, 폴리아미드이미드 수지(이하, PAI라 칭함), 내마모제로서 불화칼슘(이하, CaF2라 칭함.)과, 산화알루미늄(이하, Al2O3이라 칭함)을 배합하여 이루어지며, 또한 약 100㎛ 두께의 윤활제 층이 형성된다. 여기서, 표면 거칠기(Ra)란 JIS B 0601-2001에 규정된 윤곽 곡선의 산술 평균 높이(Ra)를 말하며, 이 이후도 표면 거칠기(Ra)라 표시될 경우는, JIS에 의해 규정된 산술 평균 높이(Ra)를 나타내는 것으로 한다.
이와 같은 구성의 윤활부(70)를 배치함으로써, 미끄럼 부시(25)의 원통부(26)와 윤활부(70)가 냉매에 노출되면서 미끄럼 이동해도, 낮은 마찰계수로 매우 긴 시간 계속 습동할 수 있다.
[습동 부분의 검토]
이하에 윤활부(70)에 관해 실시한 검토에 대해 설명한다.
불화물을 내마모제로서 함유하는 습동 부재용 조성물은, 금속과의 마찰계수가 낮으며 습동성이 우수하지만, 베이스 또는 상대방 재료가 철계 재료일 경우, 내마모성이 충분하지 않다. 그래서, 본원 발명자들은, 습동 부재용 조성물에 내마모제로서, 불화물과 모스 경도가 5보다 큰 내마모성 입자를 함유시킴으로써, 습동 부재의 베이스 표면에 있어서 습동 부재용 조성물 코팅층의 내마모성 및 습동성이 향상되는가를 검토했다.
본 검토에서는, 불소 수지로서 PTFE, 바인더로서 PAI를 사용했다. 또한, 내마모제의 불화물로는 CaF2 또는 불화 스트론튬(이하, SrF2라 칭함)을 사용하며, 모스 경도가 5보다 큰 내마모성 입자로서, 모스 경도가 9인 Al2O3을 사용했다. 그리고, 습동 부재용 조성물에서의 PTFE를 20 질량%, PAI를 60 질량%, 내마모제의 총 함유량을 20 질량%로 하여, 이 내마모제의 구성을 바꿈으로써 검토를 했다.
구체적으로는 내마모제로서, CaF2만 배합하는 PTFE/PAI/CaF2=20/60/20 조성비의 샘플(A)과, CaF2와 Al2O3을 함께 함유시키는 PTFE/PAI/CaF2/Al2O3=20/60/15/5의 샘플(B), 그리고 SrF 2 와 Al2O3을 함께 함유시키는 PTFE/PAI/SrF 2 /Al2O3=20/60/15/5의 샘플(C)의, 3종류 조성비의 습동 부재용 조성물을 사용하여 검토했다. 여기서 상기 샘플(B 및 C)은, 불소 수지 100 중량부에 대해, 바인더가 300 중량부, 불화물이 75 중량부, 내마모성 입자가 25 중량부이다.
검토 방법은, 도2에 나타내는 바와 같은 냉매 중 저널 베어링의 시험에 의해 실시하며, 냉매는 R410A를 사용하고, 윤활유는 에텔유를 사용한다. 우선, 철 베이스로 이루어지는 베어링(100)을 적용하여, 이 베어링(100)의 베이스 내주면에, 인산망간을 이용한 화성 처리에 의해 표면 거칠기를 Ra 3.7㎛로 하며, 그 위에는 상기 3종류의 샘플로 이루어지는 습동 부재용 조성물의 코팅층(101)을 약 100㎛ 두께의 윤활제 층으로서 형성한다. 여기서 코팅층(101)은 상기 습동 부재용 조성물을 도포한 다음에 열처리(firing)를 실시하고, 그 후에 표면을 연마하여 형성한다
다음에 압력 용기(105) 내에서 SUJ2(JIS G4805-1990)로 된 축(102)을 상기 베어링(100)으로 관통 삽입하여, 이 축(102)을 일정 속도로 회전시킨다. 또한, 냉매와 윤활유가 65 : 35의 체적비율인 혼합액을, 용기(103)로부터 급유부(104)를 통해 상기 베어링(100)으로 강제적으로 급유하면서, 압력 용기(105) 내의 혼합액을 회수하여 순환시킨다. 시험은, 축(102)과 베어링(100)의 습동 속도를 3m/s로 하며, 베어링(100)에는 6㎫의 하중을 부여하여 고정시키고, 1시간 유지시킨다. 그 후, 상기 3종류 샘플의 코팅층(101) 마모량을 비교함으로써 내마모성을 평가한다. 또 상기 축(102)의 일정속도 회전 중에서의 상기 3종류의 습동 부재용 조성물 코팅층(101)과 이 축(102)과의 마찰계수(μ)를 측정한다.
도3은 냉매 중의 저널 베어링의 시험결과이다. 각 샘플의 마모량은 CaF2만을 내마모제로서 함유하는 샘플(A)이 22㎛, CaF2와 Al2O3을 함께 이용한 샘플(B)이 2㎛, SrF2와 Al2O3을 함께 이용한 샘플(C)이 2㎛이다. 그 결과, 불화물과 Al2O3을 함유하는 샘플(B 및 C)은 마모량이 적으며, 내마모성이 우수함을 알 수 있다.
또한, 각 샘플의 마찰계수(μ)는, CaF2만을 내마모제로서 함유하는 샘플(A)이 0.002, CaF2와 Al2O3을 함께 이용한 샘플(B)이 0.0007, SrF2와 Al2O3을 함께 이용한 샘플(C)이 0.0008이다. 그 결과, 내마모제 중의 불화물 함유량이 샘플(A)보다 낮은 샘플(B 및 C)에서도 불화물의 고체 윤활성이 발휘되어, 마찰계수의 상승을 억제할 수 있음을 알 수 있다.
상기 결과에서 명백한 바와 같이, 윤활유를 사용한 냉매 중의 습동 부재 베이스 표면에, 내마모제로서 불화물과 Al2O3을 함께 함유한 샘플(B 및 C)의 코팅층을 형성함으로써, 마모량이 적어지며, 내마모성을 향상시킬 수 있다. 또한, 내마모제로서 불화물과 Al2O3을 함께 이용한 샘플(B 및 C)은 마찰계수도 낮으므로, 우수한 습동 성능을 나타내며, 장시간의 습동을 유지할 수 있다.
이와 같이 습동 부재의 베이스 표면에, 내마모제로서 불화물과 Al2O3을 함께 함유하는 PTFE/PAI/불화물/Al2O3=20/60/15/5 조성비의 습동 부재용 조성물로 이루어지는 코팅층을 구비함으로써, 베이스나 대상으로 하는 재료가 철계 재료라도, 우수한 내마모성을 발휘한다. 그래서, 상기 윤활부(70)의 내주면에, PTFE/PAI/CaF 2 /Al2O3=20/60/15/5 조성비의 코팅층을 형성하도록 했다.
[그 밖의 실시형태]
상기 실시형태에서 샘플(B 및 C)의 습동 부재용 조성물은, PTFE/PAI/불화물 /Al2O3=20/60/15/5의 조성비이다. 즉, PTFE 100 중량부에 대해, PAI가 300 중량부, 불화물이 75 중량부, Al2O3이 25 중량부이다. 그러나 본 발명의 습동 부재용 조성물 조성비는 이 수치에 한정되지 않으며, PTFE의 고체 윤활성과, 내마모제인 불화물의 고체 윤활성과, 산화알루미늄의 우수한 기계적 강도가 발휘되고, 또한 바인더인 PAI의 결합력이 발휘되는 조성비라면 된다. 구체적으로는, 100 중량부의 PTFE에 대해, PAI가 100 중량부 이상 500 중량부 이하이며, 불화물이 50 중량부 이상 200 중량부 이하이고, Al2O3이 1 중량부 이상 100 중량부 이하인 습동 부재용 조성물이라면 된다.
또한, 상기 실시형태에서는 불화물로서 CaF2와 SrF2를 사용했다. 그러나, 불화물은, 불화마그네슘 등도 이용할 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 그리고 상기 실시형태에서는, 모스 경도가 5보다 큰 내마모성 입자로서 Al2O3을 사용했다. 그러나, 내마모성 입자는 산화지르코늄이나 산화규소 등의 산화물이나 질화규소 등의 여러 가지를 이용할 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 실시형태에서는 습동 부재용 조성물에 불화물과 상기 내마모성 입자를 각각 1종류씩 배합했지만, 적어도 각각 1종류 이상 함유하면 된다. 그리고, 불화물과 상기 내마모성 입자가 아니라도, 고체 윤활성이 있는 내마모제와 기계적 강도가 우수한 내마모제를, 각각의 성질이 효과적으로 발휘되는 조성비로, 각각 1 종류 이상 함유하면 된다.
그리고, 불소 수지는 PTFE 외에, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로플로피렌 공중합 수지 등을 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 또한, PAI를 바인더로서 사용함으로써, 내충격성이 우수하며 경도가 높다는 PAI의 특성을 이용할 수 있으므로, 상기 습동 부재용 조성물의 내충격성과 내마모성이 향상된다. 그러나, 상기 바인더는 PAI 이외에 마찬가지의 특성을 갖는 폴리아미드 수지 등도 사용할 수 있으며, 또한 이들에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 실시형태에서는 미끄럼 부시(25)의 원통부(26)와 가동 스크롤(50) 돌출부(53)와의 습동 부분에 베어링 메탈인 윤활부(70)를 형성했지만, 베어링 메탈(70)을 형성하지 않고, 가동 스크롤(50) 돌출부(53)의 원통부 안쪽 표면을 직접 화성 처리함으로써 표면을 거칠게 하여, 그 위에 상기 실시형태의 PTFE/PAI/불화물/Al2O3=20/60/15/5 조성비의 습동 부재용 조성물로 이루어지는 코팅층을 직접 형성해도 된다. 또한, 미끄럼 부시(25)의 원통부(26) 외주면에 상기 코팅층을 직접 형성해도 된다. 이로써, 별도로 윤활부(70)를 형성할 필요가 없어지므로, 가공의 간소화와 원가의 삭감을 도모할 수 있다.
또한, PTFE/PAI/불화물/Al2O3=20/60/15/5 조성비의 습동 부재용 조성물은, 미끄럼 부시(25)의 원통부(26)와 가동 스크롤(50) 돌출부(53)와의 습동 부분에 한정되지 않고, 다양한 종류·용도의 습동 부재에 코팅함으로써, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
구체적으로, 가동 스크롤(50)의 가동측 평판부(51) 하면은, 프레임 부재(41) 와 올덤링(43) 상면과 미끄럼 이동한다. 따라서, 가동 스크롤(50)의 가동측 평판부(51) 하면에, PTFE/PAI/불화물/Al2O3=20/60/15/5 조성비의 습동 부재용 조성물로 이루어지는 코팅층을 형성해도 된다. 또한, 가동 스크롤(50) 전체에 상기 코팅층을 형성해도 된다.
그리고, 가동 스크롤(50)과 고정 스크롤(60)의 대향면이 미끄럼 이동하므로, 가동 스크롤(50) 가동측 랩(52)의 내측 랩면(55), 외측 랩면(54), 및 선단면에, PTFE/PAI/불화물/Al2O3=20/60/15/5 조성비의 습동 부재용 조성물로 이루어지는 코팅층을 형성해도 된다. 또한, 고정 스크롤(60) 고정측 랩(63)에서의 가동측 스크롤(50)의 대향면, 즉 고정측 랩(63)의 내측 랩면(64), 외측 랩면(65) 및 선단면에 상기 코팅층을 형성해도 된다. 이로써 가동 스크롤(50)과 고정 스크롤(60)의 대향면에서의 밀봉성이 향상되므로, 압축기로서의 신뢰성도 향상된다.
또한, 올덤링(43)이 가동 스크롤(50)의 가동측 평판부(51) 하면과 미끄럼 이동하며, 올덤링(43)의 본체 및 다른 쪽 키는 프레임 부재(41)와 미끄럼 이동한다. 따라서 올덤링(43)의 표면에, PTFE/PAI/불화물/Al2O3=20/60/15/5 조성비의 습동 부재용 조성물로 이루어지는 코팅층을 형성해도 된다. 그리고, 상기 실시형태에서 가동 스크롤(50)은 올덤링(43)을 개재하고 프레임 부재(41) 위에 설치된다. 그러나, 가동 스크롤(50)이 올덤링(43)과 스러스트 베어링을 개재하고 프레임 부재 위에 설치될 경우는, 스러스트 베어링 상면과 가동 스크롤(50)의 가동측 평판부(51) 하면이 미끄럼 이동하므로, 스러스트 베어링 상면에 상기 코팅층을 형성해도 된다.
또한, 상기 실시형태에서, 주축부(21)는 롤러 베어링(42) 및 볼 베어링(31)이 습동부가 되어 지지되지만, 주축부(21)를 미끄럼 베어링인 저널 베어링으로 지지해도 된다. 이 경우는 주축부(21)와 베어링의 습동 부분에서, PTFE/PAI/불화물/Al2O3=20/60/15/5 조성비의 습동 부재용 조성물로 이루어지는 코팅층을 형성해도 된다. 즉, 주축부(21)의 외주면, 또는 베어링의 내주면에 상기 코팅층을 형성해도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는, 스크롤형 압축기(10)의 습동 부재에서, PTFE/PAI/불화물/Al2O3=20/60/15/5 조성비의 습동 부재용 조성물로 이루어지는 코팅층을 형성했지만, 압축기는 스크롤형에 한정되지 않으며, 유체를 압축하는 어떤 형식의 압축기라도 된다. 또한, 유체도 냉매에 한정되지 않는다. 그리고, 본 발명의 습동 부재는 압축기에 사용되는 습동 부재에 한정되지 않는다. 압축기 이외의 유체 기계의 습동 부재, 차량이나 제조 장치 등의 구동부, 회전부분 등, 미끄럼 이동하는 부분이라면 어떤 부분이라도 된다.
상기 습동 부분에서는, 서로 습동하는 2개 부재의 한쪽 부재에만 PTFE/PAI/불화물/Al2O3=20/60/15/5 조성비의 습동 부재용 조성물로 이루어지는 코팅층을 형성해도 되며, 양쪽 부재에 상기 코팅층을 형성해도 된다.
또한, 베이스의 표면을 거칠게 하는 방법은 화성처리에 한정되지 않으며, 샌드 브라스팅 처리 등 다양한 주지의 방법을 이용할 수 있다. 또한, 화성 처리에 이용하는 약제도 인산 망간에 한정되지 않고, 다른 인산염이나 주지의 약액을 이용 할 수 있다.
또한, 습동 부재용 조성물의 코팅층에는, 불소 수지, 바인더와 CaF2으로 구성된 주성분 외에, 착색료로서 카본 등의 안료, 그 밖의 첨가제가 배합되어도 된다. 이와 같은 첨가제의 첨가량은, 습동 부재용 조성물을 함유하는 층의 내마모성이나 베이스에 대한 밀착성 등의 성능에 악영향을 끼치지 않을 정도로 설정된다. 예를 들어, 첨가제로서의 카본은 불소 수지의 3 질량% 이하로 설정할 필요가 있으며, 바람직하게는 1 질량% 이하, 더 바람직하게는 0.5 질량% 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 습동 부재용 조성물의 코팅층 두께는, 35㎛ 이상 120㎛ 이하가 바람직하다. 35㎛보다 얇으면 습동 성능이 저하되어버릴 우려가 있으며, 120㎛보다 두꺼우면, 제조 원가가 증대해버린다. 이 층의 두께는, 50㎛ 이상 105㎛ 이하가 습동성능 면과 원가의 면에서보다 바람직하다. 여기서 말하는 층 두께는 평균 두께이며, 국부적으로 이 범위 외의 두께라도 상관없다.
그리고, 이상의 실시형태는 본질적으로 바람직한 예시이며, 본 발명, 그 적용물, 또는 그 용도 범위의 제한을 의도하는 것은 아니다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 습동 부재용 조성물은, 우수한 내마모 성능을 가지며, 공조기나 차량, 공작기계 등의 습동 부재 코팅층으로서 유용하다. 그리고 이 코팅층을 구비한 습동 부재 및 이 습동 부재를 구비한 유체 기계 는, 공조기나 차량, 공작 기계 등의 습동 부재 및 유체 기계로서 유용하다.

Claims (19)

  1. 불소 수지와 바인더와 2종류 이상의 내마모제를 함유하여 구성되는 것을 특징으로 하는 습동 부재용 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 불소 수지가 폴리테트라플루오로에틸렌이며,
    상기 바인더가 폴리아미드이미드 수지인 것을 특징으로 하는 습동 부재용 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2종류 이상의 내마모제 중, 적어도 1종류의 내마모제는 불화물이며,
    적어도 1종류의 내마모제는 모스(Mohs) 경도가 5보다 큰 내마모성 입자인 것을 특징으로 하는 습동 부재용 조성물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 상기 바인더가 100 중량부 이상이며 500 중량부 이하이고, 상기 불화물이 50 중량부 이상이며 200 중량부 이하이고, 상기 내마모성 입자가 1 중량부 이상이며 100 중량부 이하인 것을 특징으로 하는 습동 부재용 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 상기 바인더가 300 중량부이며, 상기 불화물이 75 중량부이고, 상기 내마모성 입자가 25 중량부인 것을 특징으로 하는 습동 부재용 조성물.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 내마모성 입자가 산화알루미늄인 것을 특징으로 하는 습동 부재용 조성물.
  7. 금속 베이스의 표면에 코팅층이 형성된 습동 부재이며,
    상기 코팅층이, 불소 수지와 바인더와 2종류 이상의 내마모제를 함유하는 습동 부재용 조성물로 구성되는 것을 특징으로 하는 습동 부재.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 불소 수지가 폴리테트라플루오로에틸렌이며,
    상기 바인더가 폴리아미드이미드 수지인 것을 특징으로 하는 습동 부재.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 2종류 이상의 내마모제 중, 적어도 1종류의 내마모제는 불화물이며,
    적어도 1종류의 내마모제는 모스 경도가 5보다 큰 내마모성 입자인 것을 특징으로 하는 습동 부재.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 상기 바인더가 100 중량부 이상이며 500 중량부 이하이고, 상기 불화물이 50 중량부 이상이며 200 중량부 이하이고, 상기 내마모성 입자가 1 중량부 이상이며 100 중량부 이하인 것을 특징으로 하는 습동 부재.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 상기 바인더가 300 중량부이며, 상기 불화물이 75 중량부이고, 상기 내마모성 입자가 25 중량부인 것을 특징으로 하는 습동 부재.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 내마모성 입자가 산화알루미늄인 것을 특징으로 하는 습동 부재.
  13. 금속 베이스의 표면에 코팅층이 형성된 습동 부재를 구비하는 유체 기계이며,
    상기 코팅층이, 불소 수지와 바인더와 2종류 이상의 내마모제를 함유하는 습 동 부재용 조성물로 구성되는 것을 특징으로 하는 유체 기계.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 습동 부재가 베어링 부재인 것을 특징으로 하는 유체 기계.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 불소 수지가 폴리테트라플루오로에틸렌이며,
    상기 바인더가 폴리아미드이미드 수지인 것을 특징으로 하는 유체 기계.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 2종류 이상의 내마모제 중, 적어도 1종류의 내마모제는 불화물이며,
    적어도 1종류의 내마모제는 모스 경도가 5보다 큰 내마모성 입자인 것을 특징으로 하는 유체 기계.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 상기 바인더가 100 중량부 이상이며 500 중량부 이하이고, 상기 불화물이 50 중량부 이상이며 200 중량부 이하이고, 상기 내마모성 입자가 1 중량부 이상이며 100 중량부 이하인 것을 특징으로 하는 유체 기계.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 불소 수지 100 중량부에 대해, 상기 바인더가 300 중량부이며, 상기 불화물이 75 중량부이고, 상기 내마모성 입자가 25 중량부인 것을 특징으로 하는 유체 기계.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 내마모성 입자가 산화알루미늄인 것을 특징으로 하는 유체 기계.
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