KR20120055575A - 열 분무된 코팅을 지닌 슬라이딩 부재 및 이를 생산하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연 기관용 슬라이딩 부재로서, 기판, 및 하기 비율의 원소를 포함하는 분말을 열 분무시킴으로써 얻어질 수 있는 코팅을 포함하는 슬라이딩 부재에 관한 것이다: 55 내지 75 wt %의 크롬, Cr; 3 내지 10 wt %의 규소, Si; 18 내지 35 wt %의 니켈, Ni; 0.1 내지 2 wt %의 몰리브덴, Mo; 0.1 내지 3 wt %의 탄소, C; 0.5 내지 2 wt %의 붕소, B; 및 0 내지 3 wt %의 철, Fe.

Description

열 분무된 코팅을 지닌 슬라이딩 부재 및 이를 생산하는 방법 {Sliding member having a thermally sprayed coating and method for producing same}

본 발명은 내연 기관 용 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링, 및 이러한 슬라이딩 부재를 생산하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 갈바닉(galvanic) 방법 또는 열 분무를 통해 생성되는 피스톤 링 코팅과 비교하여 코팅재로서 이전에 사용되지 않은 재료 시스템을 지닌 열 분무된 피스톤 링의 트라이볼로지(tribology) 특성을 개선시키는 것이다.

열 분무에 의해 적용되는 크롬 기반 코팅은 피스톤 링 상에서는 아직 사용되고 있지 않다. 현재, 크롬 함유 코팅 시스템은 갈바닉 공정을 통해 피스톤 링에 적용된다. 또한, 금속 산화물 또는 다이아몬드 입자가 내마모성을 개선시키기 위해 공정 동안에 크롬 층에 임베딩(embedding)된다.

갈바닉 공정을 통해 생성되는 금속 산화물 또는 다이아몬드 입자로 보강되는 크롬 층에 대한 대안은 열 분무에 의해 크롬 기반 재료로 슬라이딩 부재를 코팅하는 것이다. 열분무되는 층에서의 마모를 감소시키기 위해 사용되는 경질 재료의 입자는 크롬 카바이드(Cr₃C₂)이다.

플라즈마 분무 또는 고속 옥시 연료(HVOF) 열 분무에 의해 생성되는, 피스톤 링 코팅재로서 크롬 카바이드를 지닌 크롬 기반 코팅 시스템의 사용으로 새로운 유형의 피스톤 링이 생산된다.

본 발명의 제 1 특징에 따르면, 기판, 및 하기 원소 비율로 제조되는 분말을 열 분무함으로써 얻어질 수 있는 코팅을 포함하는, 내연 기관용 슬라이딩 부재가 제공된다:

55-75 중량%의 크롬, Cr;

3-10 중량%의 규소, Si;

18-35 중량%의 니켈, Ni;

0.1-2 중량%의 몰리브덴, Mo;

0.1-3 중량%의 탄소, C;

0.5-2 중량%의 붕소, B; 및

0-3 중량%의 철, Fe.

슬라이딩 부재, 특히 피스톤 링 용으로 사용되는 재료는 예를 들어, 스틸 또는 주철(cast iron)일 수 있다.

일 구체예에 따르면, 분말은 Ni/Cr 매트릭스에 임베딩된(embeded) Cr₃C₂를 포함한다.

일 구체예에 따르면, Cr₃C₂의 비율은 30 내지 50 중량%의 Cr₃C₂로 조절된다.

일 구체예에 따르면, 분말의 입도는 5 내지 65 μm 범위이다.

일 구체예에 따르면, Ni/Cr 매트릭스에 임베딩된 카바이드의 입도는 1 내지 5 μm 범위이다.

일 구체예에 따르면, 코팅의 층 두께는 1000 μm 이하이다.

일 구체예에 따르면, 열 분무 방법은 고속 옥시 연료 분무 또는 플라즈마 분무를 포함한다.

일 구체예에 따르면, 슬라이딩 부재는 피스톤 링이다.

본 발명의 추가의 특징에 따르면, 내연 기관 용 슬라이딩 부재의 생산 방법으로서, 기판을 제공하고, 하기 원소 비율을 포함하는 분말을 열 분무함으로써 기판을 코팅하는 것을 포함하는 방법이 제공된다:

55-75 중량%의 크롬, Cr;

3-10 중량%의 규소, Si;

18-35 중량%의 니켈, Ni;

0.1-2 중량%의 몰리브덴, Mo;

0.1-3 중량%의 탄소, C;

0.5-2 중량%의 붕소, B; 및

0-3 중량%의 철, Fe.

일 구체예에 따르면, 분말은 Ni/Cr 매트릭스에 임베딩된 Cr₃C₂를 포함한다.

일 구체예에 따르면, Cr₃C₂의 비율은 30 내지 50 중량%의 Cr₃C₂로 조절된다.

일 구체예에 따르면, 분말의 입도는 5 내지 65 μm 범위이다.

일 구체예에 따르면, Ni/Cr 매트릭스에 임베딩된 카바이드의 입도는 1 내지 5 μm 범위이다.

일 구체예에 따르면, 코팅의 층 두께는 1000 μm 이하이다.

일 구체예에 따르면, 열 분무 방법은 고속 옥시 연료 분무 또는 플라즈마 분무를 포함한다.

일 구체예에 따르면, 슬라이딩 부재는 피스톤 링이다.

도 1은 HVOF에 의해 생성된, 피스톤 링 상의 본 발명에 따른 Cr-Ni-Si-C-Fe-B 코팅의 미세구조 이미지이다.

분말을 분무하고, 미세구조(도 1에 도시됨) 및 경도 및 내마모성 특성을 시험하였다. 미세구조 이미지는 균질하게 분포된 카바이드를 나타내며, 용융되지 않은 입자는 없고, 낮은 다공성을 갖는 매우 치밀한 층을 나타낸다. 이러한 경우에 사용된 재료 시스템은

65.5 내지 65.7 중량%의 크롬, Cr;

3.7 내지 3.9 중량%의 규소, Si;

21.2 내지 21.4 중량%의 니켈, Ni;

1.2 내지 1.3 중량%의 몰리브덴, Mo;

5.8 내지 5.9 중량%의 탄소, C;

0.7 중량%의 붕소, B; 및

1.2 중량%의 철, Fe의 화학조성을 나타내었으며,

Cr₃C₂의 비율은 40중량%이다.

초기 시험은 층의 다공성이 5% 미만이고, 경도가 약 948 HV0.1임을 나타내었다. 이는 Cr₃Si, Ni₂Si, Fe₃B 및 Cr₅B₃와 같은 경질 재료 상의 존재 및 HVOF 공정에 기인하는 것이다.

이 시스템의 트라이볼로지 특성을 시험하기 위해, 윤활된 조건에서 내부 표준 시험 시스템에 대해 마모성 시험을 수행하였다.

표 1은 갈바나이징(galvanising)에 의해 생성된 Cr 기반 층, 및 열 분무에 의해 생성된 Mo 기반 층을 비교하여 측정된 마모값을 평가한 것이다. 본 명세서에서 기재된 재료 시스템이 다른 코팅 기술에 대한 대안으로서 사용될 수 있음을 명백히 나타낸다. 또한, 열 분무 방법을 사용함으로써 현저히 보다 단축된 코팅 시간이 달성될 수 있다(갈바나이징의 경우 1 μm/h과 비교하여 100 μm/min).

최대 축방향 마모와 관련하여, 표준 마모 시험에 따른 마모에 대한 여러 코팅 시스템의 평가

	링	라이너
일련의 층 (크롬 기반, 갈바나이징됨)	(++)	(+)
일련의 층 (Mo 기반, 열 분무)	(0)	(+)
개발된 층 (열 분무)	(+)	(+)

Claims (15)

1. 내연 기관용 슬라이딩 부재로서,
   - 기판; 및
   - 하기 원소 비율을 포함하는 분말을 열 분무함으로써 얻어질 수 있는 코팅을 포함하는, 슬라이딩 부재:
   55-75 중량%의 크롬, Cr;
   3-10 중량%의 규소, Si;
   18-35 중량%의 니켈, Ni;
   0.1-2 중량%의 몰리브덴, Mo;
   0.1-3 중량%의 탄소, C;
   0.5-2 중량%의 붕소, B; 및
   0-3 중량%의 철, Fe.
2. 제 1항에 있어서, 분말이 Ni/Cr 매트릭스에 임베딩된(embedded) Cr₃C₂를 포함하는, 슬라이딩 부재.
3. 제 2항에 있어서, Cr₃C₂의 비율이 30 내지 50 중량%의 Cr₃C₂에 따라 조절되는, 슬라이딩 부재.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 분말의 입도가 5 내지 65 μm 범위인, 슬라이딩 부재.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, Ni/Cr 매트릭스에 임베딩된 카바이드의 입도가 1 내지 5 μm 범위인, 슬라이딩 부재.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 코팅의 층 두께가 1000 μm 이하인, 슬라이딩 부재.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 열 분무 방법이 고속 옥시 연료 분무 또는 플라즈마 분무를 포함하는, 슬라이딩 부재.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 슬라이딩 부재가 피스톤 링인, 슬라이딩 부재.
9. 내연 기관용 슬라이딩 부재의 생산 방법으로서,
   - 기판을 제공하는 단계; 및
   - 하기 원소 비율을 포함하는 분말을 열 분무함으로써 기판을 코팅하는 단계를 포함하는 방법:
   55-75 중량%의 크롬, Cr;
   3-10 중량%의 규소, Si;
   18-35 중량%의 니켈, Ni;
   0.1-2 중량%의 몰리브덴, Mo;
   0.1-3 중량%의 탄소, C;
   0.5-2 중량%의 붕소, B; 및
   0-3 중량%의 철, Fe.
10. 제 9항에 있어서, 분말이 Ni/Cr 매트릭스에 임베딩된 Cr₃C₂를 포함하는 방법.
11. 제 10항에 있어서, Cr₃C₂의 비율이 30 내지 50 중량%의 Cr₃C₂에 따라 조절되는 방법.
12. 제 9항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 분말의 입도가 5 내지 65 μm 범위인 방법.
13. 제 9항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, Ni/Cr 매트릭스에 임베딩된 카바이드의 입도가 1 내지 5 μm 범위인 방법.
14. 제 9항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 코팅의 층 두께가 1000 μm 이하인 방법.
15. 제 9항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 열 분무 방법이 고속 옥시 연료 분무 또는 플라즈마 분무를 포함하는 방법.
    

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