KR20110077361A

KR20110077361A - 혼합용사분말의 제조방법, 자동차에어컨용 사판 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20110077361A
Application number: KR1020090133915A
Authority: KR
Inventors: 안지훈
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2011-07-07
Also published as: KR101153650B1

Abstract

본 발명은 Si :2 ~ 2.5 중량%, P : 5 ~ 6 중량%, Cr : 2 ~ 3 중량%, Mo : 5 ~ 6 중량%, B : 1 ~ 2 중량%, 및 Fe(불순물 포함) : 80.5~ 85 중량%를 성분으로 포함하여 이루어진 비정질분말을 제조하는 단계; 및 상기 비정질분말 80~95 중량%와 몰리다이설파이드 5~20 중량%를 혼합하는 단계를 포함하여 이루어진 혼합용사분말의 제조방법을 제공한다. 본 발명은 자동차 에어컨용 냉매를 압축하는데 사용되는 사판에 본 발명의 혼합용사분말로 용사코팅하여 사용함으로써, 환경에 매우 유해한 납의 사용이 없어도 내마모특성이 향상된 사판을 제조할 수 있을 뿐 아니라 저마찰특성이 우수하여 사판의 사용수명이 연장되는 효과를 제공한다.

자동차 에어컨용 사판, 용사코팅

Description

혼합용사분말의 제조방법, 자동차에어컨용 사판 및 그 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING THERMAL SPRAY POWDERS, SWASH PLATE OF CAR AIR CONDITIONING SYSTEM AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 혼합용사분말의 제조방법 및 자동차에어컨용 사판의 제조방법에 관한 것이다.

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

최근에는 자동차의 경량화, 고기능화 추세에 맞추어 예전에 사용되던 고정식 사판보다 냉매 냉각효율이 월등히 뛰어난 가변식 사판으로 점차 바뀌어가고 있는 실정이다.

이러한 가변식 사판은 기존 고정식에 비하여 고하중 고속회전을 특징으로 하므로 기존의 Al-Si 주조조직으로 구성된 고정식 사판에 비하여 저마찰 및 월등히 우수한 내마모성을 요구한다.

이와 같은, 가변형 사판의 요구특성에 부흥하여 미국특허 5,875,702호에서는 저마찰 재료인 Pb를 중심으로 Sn, Al 등의 기지에 내마모성이 우수한 알루미나, 실리카 등을 혼합하여 사판의 코팅층을 구성하였으며, 미국특허 6,123,009호에서는 Cu+Sn 기지에 MoS₂ 등의 저마찰 재료를 에폭시 레진으로 코팅하기도 하였고, 미국특허 6,344,280호에서는 경량 및 고내마모 특성을 얻기 위하여 Al기지에 다량(60%)의 Si을 첨가한후 MoS₂, 카본 등의 저마찰재료를 첨가하여 사판의 저마찰 내마모 특성을 실현코저 하였다.

뿐만 아니라, 한국특허 출원 제2000-99642호에서는 Cu-Pb-Sn 분말과 Al-Si분말을 혼합하여 용사코팅층을 형성함으로써 사판을 제조하였으며, 이때 Cu-Pb-Sn 분말의 Pb를 저마찰재료로 이용하였고, Al-Si합금 분말에 다량의 Si을 합금화함으로써 Si의 고경도 특성을 이용하여 사판의 내마모특성을 향상시키고자 하였다.

그러나, 상술한 바와 같이 많은 노력들이 있었으나 가변식 사판에 용사코팅층을 형성함에 있어 내소착특성을 향상시키에는 역부족이었고, 이러한 특성을 향상시키기 위해서는 부득이하게 납(Pb)을 다량(10%~16%)으로 사용하여야만 하는데 잘 알려져 있는 바와 같이, 납은 환경에 매우 유해한 원소여서 세계적으로 그 사용이 엄격하게 규제되고 있으므로 이를 해결하기 위한 새로운 대안이 심각하게 요청되고 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 환경에 유해한 납을 제거하여도 코팅층의 저마찰특성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 지금까지 열용사코팅으로는 코팅이 어려웠던 비정질분말과 윤활특성이 우수한 몰리다이설파이드(MoS₂)를 혼합한 혼합분말을 초고속 용사기를 사용하여 용사코팅하여 비정질재료의 일반적 특성인 고경도와 저마찰특성과 여기에 더하여 몰리다이설파이드의 윤활성을 이용함으로써 내마모특성과 저마찰특성을 갖춘 자동차 에어컨용 사판을 제조할 수 있도록 한 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로서,

본 발명은 Si :2 ~ 2.5 중량%, P : 5 ~ 6 중량%, Cr : 2 ~ 3 중량%, Mo : 5 ~ 6 중량%, B : 1 ~ 2 중량%, 및 Fe(불순물 포함) : 80.5~ 85 중량%를 성분으로 포함하여 이루어진 비정질분말을 제조하는 단계; 및 상기 비정질분말 80~95 중량%와 몰리다이설파이드 5~20 중량%를 혼합하는 단계를 포함하여 이루어진 혼합용사분말의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 비정질분말을 제조하는 단계는 용선(Pig iron)을 주재료로 이용 하고, 상기 용선에서 각 성분의 함량 부족분을 평량하여 해당 성분을 더 첨가하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합용사분말의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 비정질분말을 제조하는 단계는 각 성분들을 용해한 후 출탕함과 동시에 질소가스를 분사 냉각시켜 미분화시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합용사분말의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 미분화 후에 체질을 통해 입도별 분급을 실시하는 것을 특징으로 하는 혼합용사분말의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 출탕은 합금원소의 용해온도보다 40 ~ 120℃ 더 높은 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 혼합용사분말의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 혼합용사분말을 자동차 에어컨용 사판에 용사코팅하여 코팅층을 형성하는 과정을 포함하여 이루어지는 자동차 에어컨용 사판의 제조방법으로서, 상기 혼합용사분말은 상기 제조방법으로부터 제조된 혼합용사분말인 것을 특징으로 하는 자동차 에어컨용 사판의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 용사코팅은 수소가스를 열원으로 하여 초음속 노즐을 통해 수소를 연소시켜 혼합용사분말과 함께 분사시킴으로써 코팅하는 초고속 용사 코팅 방식 인 것을 특징으로 하는 자동차 에어컨용 사판의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 혼합용사분말을 용사코팅하여 이루어진 코팅층을 구비한 자동차 에어컨용 사판으로서, 마찰계수가 1.6 내지 2.5 범위내이고, 경도가 600 내지 900 (HV 300) 범위내인 것을 특징으로 하는 자동차 에어컨용 사판을 제공한다.

상기의 구성적 특징을 갖는 본 발명은 자동차 에어컨용 냉매를 압축하는데 사용되는 사판에 본 발명의 혼합용사분말로 용사코팅하여 사용함으로써, 환경에 매우 유해한 납의 사용이 없어도 내마모특성이 향상된 사판을 제조할 수 있을 뿐 아니라 저마찰특성이 우수하여 사판의 사용수명이 연장되는 효과를 제공한다.

이하에서는 도면 및 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 하기의 설명은 본 발명의 구체적 일례에 대한 것이므로, 비록 단정적, 한정적 표현이 있더라도 특허청구범위로부터 정해지는 권리범위를 제한하는 것은 아니다.

본 발명의 일실시예에 따른 혼합용사분말의 제조방법은 Si :2 ~ 2.5 중량%, P : 5 ~ 6 중량%, Cr : 2 ~ 3 중량%, Mo : 5 ~ 6 중량%, B : 1 ~ 2 중량%, 및 Fe(불순물 포함) : 80.5~ 85 중량%를 성분으로 포함하여 이루어진 비정질분말을 제조하는 단계, 및 상기 비정질분말 80~95 중량%와 몰리다이설파이드 5~20 중량%를 혼합하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 제조방법을 설명하는 플로우 챠트이다.

본 발명 제조방법은 먼저, 비정질분말을 조성하는 성분별 평량과정을 거치게 된다(S10). 상기 비정질분말을 제조하는 단계는 각 성분 및 그 함량에 맞게 제조하는 것이 중요하다. 상기 기술된 성분 및 그 함량은 용사코팅 후의 마찰계수나 경도, 내마모성에 영향을 크게 미친다. 상기 기술된 성분 조성은 사판에 형성될 코팅층의 내소착성, 내마모성 및 미끄러짐성 향상을 달성해 낼 수 있도록 연구 결과 구성된 것이다. 또한, 환경에 유해한 납을 제거하여 환경규제에 대하여도 진일보하였다.

평량과정은 평량기를 통해 상술한 각 성분들이 일정량, 즉 정해진 기준량에 합당하도록 평량하게 된다. 비정질분말의 성분을 평량하여 원하는 조성비로 제조하는 방법은 다양할 수 있으며 제한되지 않는다. 바람직하기로는 용선(Pig iron)을 주재료로 이용하고, 상기 용선에서 각 성분의 함량 부족분을 평량하여 해당 성분을 더 첨가하는 과정을 포함하는 것이 좋다. 여기서, Cr, Mo, B 첨가 및 그 함량은 분말의 비정질 형성을 용이하도록 한다. 비정질분말은 결정질분말에 비하여 경도가 우수한 것으로 확인되었다. 따라서, 본 발명에서는 비정질분말을 채택하였다. 연구결과, 비정질분말 및 이를 사용한 혼합용사분말을 이용한 용사코팅층이 각각 비정 질 특성을 나타냄을 확인하였다.

각 성분별 평량이 완료되면 각 성분들을 용해한 후 출탕함과 동시에 질소가스를 분사 냉각시켜 미분화시키는 과정(S20)을 포함하는 것이 좋다. 즉, 해당 용해로(유도로가 바람직)에서 용해한 후 출탕하는 과정을 거친다. 상기 출탕과정에서는 출탕되는 용탕의 유동성을 확보하기 위해 원하는 온도보다 높은 온도로 유지한 채 출탕하도록 함이 바람직한데, 합금원소의 용해온도보다 40 ~ 120℃ 더 높은 온도에서 이루어지는 것이 좋다. 특히 용해온도보다 70 ~ 90℃ 정도 높은 온도로 출탕함이 바람직하다.

아울러, 상기 출탕과정에서 출탕과 동시에 고압의 질소가스를 고속분사하여 출탕되는 용탕을 냉각시킴과 동시에 미분화시키는 과정을 거치게 된다(S30).

미분화가 완료되면 조대입자를 분리해 내는 입도별 분급과정을 거치게 되는데, 이때에는 주로 체질을 통해 분급하게 된다(S40).

분급이 완료되면 얻어진 비정질분말 80~95 중량%와 몰리다이설파이드 5~20 중량%를 혼합하여 혼합용사분말을 제조하게 된다(S50).

본 발명은 또한, 상기 혼합용사분말을 자동차 에어컨용 사판에 용사코팅하여 코팅층을 형성하는 과정을 포함하여 이루어지는 자동차 에어컨용 사판의 제조방법 및 이로부터 제조된 자동차 에어컨용 사판을 제공하는 것을 특징으로 한다.

즉, 제조된 혼합용사분말을 이용하여 자동차 에어컨용 사판에 초고속 용사코팅을 실시하여 코팅층을 형성하게 된다(S60).

상기 용사코팅은 수소가스를 열원으로 하여 초음속 노즐을 통해 수소를 연소시켜 혼합용사분말과 함께 분사시킴으로써 코팅하는 초고속 용사 코팅 방식으로 수행되는 것이 좋다. 이렇게 상기 혼합용사분말로 용사코팅된 자동차 에어컨용 사판은 마찰계수가 1.6 내지 2.5 범위내이고, 경도가 600 내지 900 (HV 300) 범위내로서, 기존에 볼 수 없는 우수한 특성을 제공한다. 이러한 특성은 특정 성분의 혼합용사분말을 초고속 용사 코팅방식으로 수행하여 얻어진 코팅층의 미시적 구조에 기인한다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

[실시예]

자동차 에어컨용 냉매를 압축하는데 사용되는 사판에 용사코팅하기에 앞서 혼합용사분말을 제조하였다.

혼합용사분말의 제조를 위해 우선 Fe-Si-P-Cr-Mo-B계 비정질분말을 만들었으며, 비정질분말의 조성은 비정질 형성능이 우수하고 이를 이용하여 초고속 용사코팅을 하였을 경우 코팅층의 내소착성, 내마모성 및 미끄러짐성 향상을 목적으로 설계되었고, 분말의 제조는 원하는 합금설계를 통하여 구성성분을 결정하고 이를 평량한 후 유도로를 통하여 용해시킨 후, 출탕과 동시에 고압의 질소가스를 고속분사하여 냉각시킴과 동시에 미분화시키는 과정을 거치고, 체를 이용하여 입도별 분급과정을 거쳐 비정질분말을 얻었으며, 비정질분말과 코팅층에 윤활특성을 더욱 향상 시키기 위한 몰리다이설파이드를 표 1과 같이 혼합하여 혼합용사분말을 얻었다.

이후, 자동차 에어컨용 냉매를 압축하는데 사용되는 사판을 용사코팅하기 위하여 초고속용사코팅 방식을 사용하였다. 초고속용사코팅은 수소가스를 열원으로 하여 초음속 노즐을 통해 수소를 연소시켜 용사분말과 함께 분사시킴으로써 고속의 용융된 용사분말이 모재에 부착되어 코팅되도록 하였다.

용사코팅된 사판의 마찰특성을 측정하기 위하여, 상기 분말조성(중량%임)에 따른 용사코팅실험을 실시한 후 건식마모조건에서 마찰계수를 측정한 후 그 결과를 하기한 표 1 에 나타내었다.

[비교예]

상기 실시예에서, 표 1과 같이 조성을 달리한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.

<표 1>

구분	조성	마찰계수	비고
실시예 1	95%(Fe-Si-P-Cr-Mo-B계)+5%MoS₂	0.218	본발명
실시예 2	90%(Fe-Si-P-Cr-Mo-B계)+10%MoS₂	0.189	본발명
실시예 3	80%(Fe-Si-P-Cr-Mo-B계)+20%MoS₂	0.184	본발명
비교재1	Fe-Si-P-Cr-Mo-B계	0.296
비교재2	SKD 61	0.785
비교재3	Cu-Si-Pb	0.589
비교재4	Al-Si	0.458

상기 표 1에서와 같이, 비교재 1에서 보는 바와 같이 본 발명에 사용된 비정질분말은 비정질재료의 특징적인 요소로 자체적으로 매우 낮은 마찰계수를 갖고 있으나 본 발명에서와 같이 몰리다이설파이드 분말을 혼합하여 코팅함으로써 건식마모조건에서 마찰계수는 기존 비교재에 비하여 더 낮게 시현하는 것이 가능하였다

이어, 사판에 용사코팅된 코팅층의 마모특성을 측정하기 위하여 마모시험을 실시하였다.

마모시험 사판사용업체의 마모시험 기준인 하중 28kgf, RPM 1000의 경계윤활(marginal lubrication)영역에서 실시하였으며 마모특성을 정량적으로 나타내기 위하여 마모시험후 무게감량을 측정하여 하기한 표 2에 나타내었다.

<표 2>

구분	조성	경도(Hv 300)	마모도 (mg)	비고
실시예 1	95%(Fe-Si-P-Cr-Mo-B계)+5%MoS₂	820	1.3	본발명
실시예 2	90%(Fe-Si-P-Cr-Mo-B계)+10%MoS₂	750	1.6	본발명
실시예 3	80%(Fe-Si-P-Cr-Mo-B계)+20%MoS₂	652	1.8	본발명
비교재1	Fe-Si-P-Cr-Mo-B계	882	1.2
비교재2	SKD 61	201	2.0
비교재3	Cu-Si-Pb	120	22
비교재4	Al-Si	150	18

상기 표 2에서 나타난 바와 같이, 본 발명에 의한 코팅층의 내마모 마모량은 경도특성이 우수한 Fe-Si-P-Cr-Mo-B계 비정질 코팅층에서 보다 약간 높은 결과를 나타내었지만 표 1에 나타낸 바와 같이 윤활특성이 여타의 비교재에 비하여 월등히 우수하므로 상기의 마모량의 차이는 실제 사용에 큰 차이를 야기하지 않으리라고 예상된다.

이상, 상기의 설명은 본 발명의 이해를 돕기 위한 일례이므로, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 가할 수 있는 구성의 변형, 치환, 수정, 생략 등은 특허청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 1은 본 발명에 따른 제조방법을 설명하는 플로우챠트이다.

Claims

Si :2 ~ 2.5 중량%, P : 5 ~ 6 중량%, Cr : 2 ~ 3 중량%, Mo : 5 ~ 6 중량%, B : 1 ~ 2 중량%, 및 Fe(불순물 포함) : 80.5~ 85 중량%를 성분으로 포함하여 이루어진 비정질분말을 제조하는 단계; 및

상기 비정질분말 80~95 중량%와 몰리다이설파이드 5~20 중량%를 혼합하는 단계를 포함하여 이루어진 혼합용사분말의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 비정질분말을 제조하는 단계는 용선(Pig iron)을 주재료로 이용하고, 상기 용선에서 각 성분의 함량 부족분을 평량하여 해당 성분을 더 첨가하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합용사분말의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 비정질분말을 제조하는 단계는 각 성분들을 용해한 후 출탕함과 동시에 질소가스를 분사 냉각시켜 미분화시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합용사분말의 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 미분화 후에 체질을 통해 입도별 분급을 실시하는 것 을 특징으로 하는 혼합용사분말의 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 출탕은 합금원소의 용해온도보다 40 ~ 120℃ 더 높은 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 혼합용사분말의 제조방법.
혼합용사분말을 자동차 에어컨용 사판에 용사코팅하여 코팅층을 형성하는 과정을 포함하여 이루어지는 자동차 에어컨용 사판의 제조방법으로서,

상기 혼합용사분말은 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 제조방법으로부터 제조된 혼합용사분말인 것을 특징으로 하는 자동차 에어컨용 사판의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 용사코팅은 수소가스를 열원으로 하여 초음속 노즐을 통해 수소를 연소시켜 혼합용사분말과 함께 분사시킴으로써 코팅하는 초고속 용사 코팅 방식인 것을 특징으로 하는 자동차 에어컨용 사판의 제조방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 혼합용사분말을 용사코팅하여 이루어진 코팅층을 구비한 자동차 에어컨용 사판으로서, 마찰계수가 1.6 내지 2.5 범위내이 고, 경도가 600 내지 900 (HV 300) 범위내인 것을 특징으로 하는 자동차 에어컨용 사판.