KR20150085047A

KR20150085047A - 피스톤 링용 용사 피막, 피스톤 링 및 피스톤 링용 용사 피막의 제조 방법

Info

Publication number: KR20150085047A
Application number: KR1020157015821A
Authority: KR
Inventors: 슈이치 가무라; 가즈히코 히로타
Original assignee: 가부시끼가이샤 리켄
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2015-07-22
Also published as: EP2933535B1; JPWO2014091831A1; CN104838183A; WO2014091831A1; JP5793205B2; CN104838183B; US9664281B2; KR101731746B1; DK2933535T3; EP2933535A4; US20150330507A1; EP2933535A1

Abstract

우수한 내마모성을 가지며, 또한 상대재의 마모를 억제하는 것이 가능한 피스톤 링용 용사 피막이 제공된다. 본 발명에 따른 피스톤 링용 용사 피막은, 분말 조성물을 피스톤 링 기재의 외주 접동면 상에 용사하여 얻어지는 피스톤 링용 용사 피막으로서, 상기 분말 조성물은, 몰리브덴 입자, 니켈크롬 합금 입자 및 탄화크롬 입자를 포함하고, 상기 탄화크롬 입자의 메디안 직경이 5∼25 ㎛이다.

Description

피스톤 링용 용사 피막, 피스톤 링 및 피스톤 링용 용사 피막의 제조 방법{PISTON RING SPRAYED COATING, PISTON RING, AND METHOD FOR PRODUCING PISTON RING SPRAYED COATING}

본 발명은, 피스톤 링용 용사 피막, 피스톤 링 및 피스톤 링용 용사 피막의 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 엔진의 고출력화 등의 고성능화에 따라, 엔진용 피스톤 링의 사용 환경은 점점 더 혹독해져, 보다 우수한 내마모성이나 내소부성을 갖는 피스톤 링이 요구되고 있다(하기 특허문헌 1∼4 참조). 특히 실린더 라이너와 접동(摺動)하는 피스톤 링의 외주면에는, 높은 내마모성, 내소부성 등이 요구된다. 이러한 요구에 부응하기 위해, 피스톤 링의 외주 접동면 상에 용사법에 의해 피막을 형성하여, 피스톤 링에 높은 내마모성, 내소부성을 부여해 왔다. 또, 「소부(눌어붙음)」란, 피스톤 링의 외주면(접동면)이, 실린더 라이너와의 접동에 따른 발열에 의해 실린더 라이너와 접합하는 현상이다. 「내소부성」이란, 눌어붙는 것을 일으키기 어려운 성질을 말한다.

예컨대, 용사 피막의 내마모성을 높이는 방법으로서, 용사 피막에 포함되는 경질 입자로서의 세라믹 성분을 증가시키는 방법이 채택되고 있다.

일본 특허 공개 제2007-314839호 공보 일본 특허 공개 제2005-155711호 공보 일본 특허 공개 제2012-046821호 공보 일본 특허 공개 평3-172681호 공보

그러나, 용사 피막 중의 세라믹스 성분이 증가하면, 피스톤 링 외주면과 접동하는 엔진의 라이너 내면의 마모량이 증대된다고 하는 문제가 있었다. 이하에서는, 엔진의 라이너 내면과 같이, 피스톤 링의 외주면과 접동하는 부재를 「상대재」로 기재한다.

본 발명은, 우수한 내마모성을 가지며 상대재의 마모를 억제하는 것이 가능한 용사 피막, 피스톤 링 및 상기 피스톤 링용 용사 피막의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 피스톤 링용 용사 피막의 일 양태는, 분말 조성물을 피스톤 링 기재의 외주 접동면 상에 용사하여 얻어지는 피스톤 링용 용사 피막으로서, 분말 조성물은, 몰리브덴 입자, 니켈크롬 합금 입자 및 탄화크롬 입자를 포함하고, 탄화크롬 입자의 메디안 직경이 5∼25 ㎛이다.

상기 본 발명에서는, 분말 조성물을 플라즈마 용사법에 의해 피스톤 링 기재의 외주 접동면 상에 용사하는 것이 좋다.

몰리브덴 입자의 메디안 직경은 15∼40 ㎛인 것이 좋고, 니켈크롬 합금 입자의 메디안 직경은 10∼35 ㎛인 것이 좋다.

분말 조성물은, 그 분말 조성물 전량을 기준으로 하여, 몰리브덴 입자를 40∼60 질량% 포함하는 것이 좋고, 탄화크롬 입자를 20∼40 질량% 포함하는 것이 좋다.

용사 피막의 기공률은 1∼10 면적%인 것이 좋다.

본 발명에 따른 피스톤 링의 일 양태는, 피스톤 링 기재와, 그 피스톤 링 기재의 외주 접동면 상에 형성된 상기 본 발명에 따른 피스톤 링용 용사 피막을 구비한다.

본 발명에 따른 피스톤 링용 용사 피막의 제조 방법의 일 양태는, 몰리브덴 입자, 니켈크롬 합금 입자 및 탄화크롬 입자를 포함하는 분말 조성물을 피스톤 링 기재의 외주 접동면 상에 용사하는 공정을 구비하고, 탄화크롬 입자의 메디안 직경이 5∼25 ㎛이다.

상기 피스톤 링용 용사 피막의 제조 방법에서는, 분말 조성물을 플라즈마 용사법에 의해 피스톤 링 기재의 외주 접동면 상에 용사하는 것이 좋다.

상기 분말 조성물은, 그 분말 조성물 전량을 기준으로 하여, 몰리브덴 입자를 40∼60 질량% 포함하는 것이 좋고, 탄화크롬 입자를 20∼40 질량% 포함하는 것이 좋다.

본 발명에 의하면, 우수한 내마모성을 가지며 상대재의 마모를 억제하는 것이 가능한 피스톤 링용 용사 피막, 피스톤 링 및 상기 피스톤 링용 용사 피막의 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1의 (a)는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 피스톤 링의 사시도이며, 도 1의 (b)는, 도 1의 (a)의 피스톤 링의 I-I 방향의 단면도이다.
도 2는, 마모량 측정 장치의 측면도이다.
도 3은, 실시예 1에서 얻어진 용사 피막의 접동면에 수직인 단면을 주사형 전자 현미경으로 촬영한 화상이다.

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시형태에 관해 상세히 설명한다. 단, 본 발명은 하기 실시형태에 한정되는 것이 아니다.

도 1의 (a)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 피스톤 링의 사시도이며, 도 1의 (b)는 도 1의 (a)의 피스톤 링의 I-I 방향의 단면도이다. 본 실시형태의 피스톤 링(1)은, 피스톤 링 기재(2)와, 그 피스톤 링 기재(2)의 외주 접동면 상에 형성된 피스톤 링용 용사 피막(3)을 구비한다. 피스톤 링용 용사 피막(3)은, 하기 분말 조성물을 피스톤 링 기재(2)의 외주 접동면 상에 용사함으로써 형성된다. 이하에서는, 피스톤 링용 용사 피막을 「용사 피막」으로 기재한다.

(분말 조성물)

상기 분말 조성물은, 몰리브덴 입자, 니켈크롬 합금 입자 및 탄화크롬 입자를 포함한다. 분말 조성물은, 몰리브덴 입자, 니켈크롬 합금 입자 및 탄화크롬 입자만으로 이루어진 것이 바람직하다.

탄화크롬 입자의 메디안 직경은 5∼25 ㎛이다. 탄화크롬 입자의 메디안 직경은 9∼24 ㎛여도 좋고, 10∼20 ㎛여도 좋다. 탄화크롬 입자의 메디안 직경이 5 ㎛ 이상인 것에 의해, 탄화크롬 입자가 지나치게 작은 경우에 비해서, 탄화크롬이 용사 피막 중에서 다른 금속 성분과 얽히기 쉬워지고, 용사 피막의 접동면으로부터 탈락하기 어려워진다. 또한, 탄화크롬 입자의 메디안 직경이 25 ㎛ 이하인 것에 의해, 탄화크롬이 접동면으로부터 돌출되기 어렵고, 용사 피막의 접동면이 매끄러워지기 때문에, 탄화크롬 자체가 접동면으로부터 탈락하기 어려워진다. 또한 용사 피막의 접동면에 돌출된 탄화크롬에 의해 상대재의 접동면이 마모되는 현상도 일어나기 어려워진다. 또한, 탄화크롬 입자의 메디안 직경이 25 ㎛ 이하인 것에 의해, 탄화크롬 입자가 지나치게 큰 경우에 비해서, 용사 피막의 조직 내의 경도차가 감소한다. 그 결과, 용사 피막의 접동면에 있어서 국소적으로 딱딱한 부분(탄화크롬이 편재하는 부분)이 작아지고, 탄화크롬에 의해 상대재의 접동면에 미세한 요철이 형성되는 현상이 일어나기 어려워진다. 이러한 이유에서, 본 실시형태의 피스톤 링용 용사 피막은, 내마모성이 우수함과 함께, 상대재의 접동면의 마모를 억제할 수 있다. 또, 입자의 메디안 직경이란, 입경에 분포를 갖는 입자군을 어떤 입경을 경계로 2개의 군으로 나누었을 때, 입경이 큰 군과 입경이 작은 군의 입자의 수가 같아지는 직경을 나타낸다.

분말 조성물은, 그 분말 조성물 전량을 기준으로 하여, 몰리브덴 입자를 40∼60 질량% 포함하는 것이 좋고, 45∼55 질량% 포함해도 좋다. 분말 조성물이 몰리브덴 입자를 포함하는 것에 의해, 내마모성 및 내소부성이 우수하고, 피스톤 링 기재와의 밀착성이 우수한 용사 피막을 얻을 수 있다. 분말 조성물 중의 몰리브덴 입자의 함유율이 40 질량% 이상이면, 상기 내소부성 및 밀착성의 효과를 충분히 얻을 수 있는 경향이 있다. 또한, 분말 조성물 중의 몰리브덴 입자의 함유율이 60 질량% 이하이면, 탄화크롬 입자 및 니켈크롬 합금 입자의 함유율을 조정하여, 탄화크롬 입자 및 니켈크롬 합금 입자의 혼합 비율을 확보할 수 있는 경향이 있다.

몰리브덴 입자의 메디안 직경은 15∼40 ㎛여도 좋고, 25∼35 ㎛여도 좋다. 몰리브덴 입자의 메디안 직경이 15 ㎛ 이상이면, 몰리브덴이 용사 피막 중에서 다른 금속 성분과 얽히기 쉬워지는 경향이 있다. 또한, 용사시에 과도한 흄의 발생을 억제할 수 있고, 용사 피막과 피스톤 링 기재의 접착력이 향상되는 경향이 있다. 또한, 분말 조성물의 유동성이 향상되고, 용사 피막의 형성이 용이해지는 경향이 있다. 한편, 몰리브덴 입자의 메디안 직경이 40 ㎛ 이하이면, 용사 피막 중에 보다 미세한 조직이 형성되고, 상대재의 마모를 저감할 수 있는 경향이 있다. 또한, 용사시의 용융이 용이해지고, 용사 피막 중의 기공률이 감소하는 경향이 있다.

몰리브덴 입자는 조립 소결 입자여도 좋다. 몰리브덴 조립 소결 입자는, 직경이 작은 몰리브덴 분말을 조립한 후, 가열하여 소결시킴으로써 얻어진다. 조립에 이용되는 몰리브덴 분말의 입경은, 예컨대 1∼3 ㎛이다.

분말 조성물은, 그 분말 조성물 전량을 기준으로 하여, 니켈크롬 합금 입자를 10∼25 질량% 포함해도 좋고, 10∼20 질량% 포함해도 좋다. 분말 조성물이 니켈크롬 합금 입자를 포함하는 것에 의해, 접동 등에 의해 탄화크롬이 용사 피막으로부터 탈락하는 것을 억제할 수 있다. 분말 조성물 중의 니켈크롬 합금 입자의 함유율이 10 질량% 이상이면, 용사 피막을 구성하는 성분, 특히 탄화크롬의 탈락을 억제하기 쉬운 경향이 있다. 또한, 분말 조성물 중의 니켈크롬 합금 입자의 함유율이 25 질량% 이하이면, 내소부성이 향상되는 경향이 있다.

니켈크롬 합금 입자의 메디안 직경은 10∼35 ㎛여도 좋고, 15∼30 ㎛여도 좋다. 니켈크롬 합금 입자의 메디안 직경이 15 ㎛ 이상이면, 용사 피막을 구성하는 성분, 특히 탄화크롬의 탈락을 억제하기 쉬운 경향이 있다. 또한, 니켈크롬 합금 입자의 메디안 직경이 35 ㎛ 이하이면, 용사 피막 중의 조직이 치밀해지고, 용사 피막을 구성하는 성분의 탈락을 억제하기 쉽고, 상대재의 마모를 억제할 수 있는 경향이 있다. 또한, 용사 피막 중의 니켈크롬 합금이 접동면 상에 미세하게 분산되고, 상대재의 마모가 저감되는 경향이 있다.

분말 조성물은, 그 분말 조성물 전량을 기준으로 하여, 탄화크롬 입자를 20∼40 질량% 포함해도 좋고, 30∼40 질량% 포함해도 좋다. 분말 조성물이 탄화크롬 입자를 포함하는 것에 의해, 엔진 내 등에서의 용사 피막의 내마모성을 향상시킬 수 있다. 분말 조성물이 탄화크롬 입자를 20 질량% 이상 포함하는 것에 의해, 상기 내마모성의 효과를 충분히 얻을 수 있는 경향이 있다. 또한, 분말 조성물이 탄화크롬 입자를 40 질량% 이하 포함하는 것에 의해, 용사 피막 내의 입자 사이의 결합이 강고해지고, 용사 피막 표면의 탄화크롬이 탈락하는 것을 억제할 수 있는 경향이 있다. 탄화크롬이 탈락하면, 탈락한 탄화크롬이 용사 피막과 상대재의 계면에 존재한 채로 피스톤 링과 상대재가 접동하기 때문에, 피막의 마모량 및 상대재의 마모량이 함께 증대되는 경향이 있다.

분말 조성물은, 상기 이외의 다른 성분을 포함하고 있어도 좋다. 상기 다른 성분으로는, 니켈크롬 합금 이외의 니켈 합금, 코발트 합금, 그리고 구리 및 구리 합금 등을 들 수 있다. 상기 니켈 합금으로는 니켈기 자용성 합금을 들 수 있다. 분말 조성물 중의 상기 다른 성분의 함유율은, 분말 조성물 전량을 기준으로 하여, 1∼10 질량% 정도이면 된다. 다른 성분의 메디안 직경은 특별히 한정되지 않는다. 또, 상기 분말 조성물은, 상기 이외의 성분을 불순물로서 불가피하게 포함하는 경우가 있다. 상기 불순물의 함유율은, 본 발명의 효과를 저해하지 않을 정도로 낮으면 된다.

(용사)

분말 조성물은, 용사 장치 내에서 가열되어, 피스톤 링 기재의 외주면을 향해 고속으로 분사된다. 분말 조성물을 피스톤 링 기재의 외주면 상에 용사하는 방법으로는, 가스 프레임 용사법, 플라즈마 용사법 및 고속 프레임 용사법(HVOF) 등을 들 수 있고, 플라즈마 용사법이 바람직하다.

플라즈마 용사법에서는, 용사 장치의 양극과 음극 사이에 고전압을 인가함으로써, 양극과 음극 사이의 기체가 플라즈마화한다. 플라즈마화된 기체는 가열되어, 더욱 팽창하기 때문에, 고온 및 고속으로 용사 장치로부터 분출되어, 플라즈마 제트류가 된다. 용사 장치에 공급된 분말 조성물이 상기 플라즈마 제트류 중에서 가열되고 또한 가속되어, 피스톤 링 기재를 향해서 분사된다. 가열되고 가속된 입자는, 입자의 일부가 용융되어 있기 때문에, 피스톤 링 기재에 충돌할 때에 편평화하여, 피스톤 링 기재의 외주 접동면 상에 층상으로 퇴적된다. 그리고, 층상으로 퇴적된 입자는 피스톤 링 기재 상에서 급랭되어, 용사 피막을 형성한다.

플라즈마 용사법은, 공급되는 분말 조성물 중의 입자를, 다른 용사 방법보다 고온으로 가열할 수 있고, 분말 조성물 중의 각 입자의 용융이 촉진되는 경향이 있다. 이 때문에, 플라즈마 용사에 의해 얻어진 용사 피막의 접동면에 수직인 단면(피막의 두께 방향에 평행한 단면)에서는, 퇴적된 몰리브덴층과 니켈크롬 합금층과 탄화크롬층이 물결처럼 주름이 잡히면서 서로 겹치고(습곡) 서로 얽히는 조직이 형성되는 경향이 있다. 그리고, 용사 피막의 단면에 있어서 상기 조직이 형성되는 것에 의해, 접동 후에도 탄화크롬이 용사 피막 중에 유지되고, 또한 접동 후의 용사 피막 표면이 평활해지는 경향이 있다. 따라서, 상기 플라즈마 용사에 의해 얻어진 용사 피막은 내마모성이 우수하고 상대재의 마모를 억제한다.

내마모성이 우수하고 상대재의 마모가 억제되는 용사 피막을 얻기 위해서는, 플라즈마 용사의 전류치(플라즈마 가스 전류)는, 기체를 충분히 플라즈마화시키는 관점에서 450∼550 A이면 되고, 전력치는 45∼75 kW이면 된다.

플라즈마 용사 장치 중의 양극과 음극 사이에 공급되는 기체로는, 질소, 아르곤, 수소 및 헬륨 등을 들 수 있다. 상기 기체(플라즈마 작동 가스)는 1종 단독으로 이용되어도 좋고, 2종을 조합하여 이용되어도 좋다. 플라즈마 작동 가스는 질소와 아르곤의 혼합 가스인 것이 바람직하다.

상기 플라즈마 작동 가스의 공급량은, 80∼160 NL/분이면 되며, 100∼130 NL/분이어도 좋다. 또한, 플라즈마 작동 가스가, 질소와 아르곤의 혼합 가스인 경우, 혼합 가스 중의 질소의 공급량은 1∼20 NL/분이면 된다. 혼합 가스 중의 아르곤의 공급량은 79∼140 NL/분이면 된다. 플라즈마 작동 가스의 공급량이 상기 하한치 이상이면, 용사시의 입자에 충분한 속도를 부여할 수 있기 때문에, 용사 피막이 치밀해지고, 용사 피막으로부터의 입자의 탈락이 억제되는 경향이 있다. 플라즈마 작동 가스의 공급량이 상기 상한치 이하이면, 용사시의 입자의 속도가 지나치게 커지지 않고, 용사 피막이 과도하게 치밀해지는 것이 억제되는 경향이 있다. 이 때문에, 용사 피막 중의 내부 응력이 작아지고, 크랙이 발생하기 어려워지는 경향이 있다. 또한, 분말 조성물 중의 입자를 충분히 용융시키는 것이 가능해지고, 용융이 충분하지 않은 입자의 덩어리(스피팅)가 용사 피막 중에 포함되는 것이 억제되고, 용사 피막의 표면이 거칠어지는 것이 억제되는 경향이 있다.

상기 용사 피막의 두께는 50∼600 ㎛이면 되며, 200∼450 ㎛여도 좋다. 용사 피막의 두께가 50 ㎛ 이상이면, 용사 피막의 거칠기를 제어하기 위해 표면을 가공한 후에도, 충분한 두께의 용사 피막을 남길 수 있고, 용사 피막의 내구성을 유지할 수 있는 경향이 있다. 용사 피막의 두께가 600 ㎛ 이하이면, 피스톤 링 기재(2)로부터의 용사 피막의 박리를 억제하기 쉬운 경향이 있다.

용사 피막의 기공률은 1∼10 면적%이면 된다. 용사 피막의 기공률은 1∼5 면적%이면 된다. 또, 용사 피막의 기공률은, 기재 표면(또는 용사 피막의 접동면)에 수직인 방향에서의 용사 피막의 단면의 전체 면적에 대하여, 그 단면에 있어서 기공의 개구 부분의 면적의 총합이 차지하는 비율이다. 용사 피막의 기공률이 10 면적% 이하이면, 용사 피막이 치밀해지고, 용사 피막의 마모량 및 상대재의 마모량의 증대를 억제할 수 있는 경향이 있다. 용사 피막의 기공률이 1 면적% 이상이면, 기공부의 보유성(保油性)에 의해 눌어붙음이 억제되는 경향이 있다.

(피스톤 링 기재)

피스톤 링 기재는, 예컨대 주철재 및 강재 등으로 이루어진다. 피스톤 링 기재의 외경은 예컨대 200 mm∼980 mm이며, 내경은 예컨대 190 mm∼920 mm, 두께는 예컨대 5 mm∼25 mm 정도이다. 피스톤 링 기재의 외주면은, 피스톤 링이 엔진 등에 이용되었을 때에 라이너 등의 상대재에 대하여 접동하는 면이다.

피스톤 링 기재의 외주면에는, 용사 피막(3)을 형성하기 전에 미리 샌드 블라스트 등으로 1∼20 ㎛ 정도의 거칠기의 요철이 형성되어 있는 것이 좋다. 이에 따라, 용사에 있어서 용융된 입자가 피스톤 링 기재의 볼록부 또는 오목부에 충돌했을 때에, 용융된 입자의 응고ㆍ수축에 따라 입자에 작용하는 응력에 의한 앵커 효과가 발생하여, 용사 피막과 피스톤 링 기재의 접착이 강고해지는 경향이 있다.

실시예

이하에, 실시예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범위는 이들에 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예에서 얻어진 시험용 피스톤 링의 내마모 시험을, 하기 방법에 따라서 행했다.

[내마모성 시험]

도 2는, 내마모성 시험에 이용되는 마모량 측정 장치의 측면도이다. 마모량 측정 장치(5)에서는, 홀더(6)와 디스크(7)가 대향하여 배치되어 있다. 그리고, 후술하는 실시예 또는 비교예에서 얻어진 2개의 시험용 피스톤 링(1)을, 용사 피막(3)이 디스크(7)측을 향하도록 홀더(6) 상에 삽입하고 고정했다. 시험용 피스톤 링(1)의 용사 피막(3)과 디스크(7)를, 홀더(6)측으로부터 디스크(7)측으로 향하는 하중 W를 가하여 접촉시켰다. 용사 피막(3)과 디스크(7)가 접촉한 상태로 접촉면에 윤활유를 공급하면서, 디스크(7)를 하기 조건으로 도 2의 화살표 R 방향으로 회전시켰다. 여기서, 하기 시험 조건 중의 Rz는 십점 평균 거칠기(JIS B0601-1982)를 가리킨다.

<시험 조건>

디스크 회전 속도: 1.65 m/초(790 rpm)

디스크 표면 거칠기: Rz=1.5∼3.5 ㎛

디스크 형상: 외경 60 mm, 두께 15 mm

디스크 재질: 붕소 주철(「타칼로이」( 등록상표))

디스크 온도: 약 180℃

피스톤 링 1개와 디스크의 접촉 면적: 3.5 mm×5 mm

접촉면압: 94 MPa

윤활유: 대형 디젤엔진유 SAE20

윤활유 온도: 약 65℃(접동면에 공급시)

급유 속도: 150 cc/분

하중 W: 3300 N

시험 시간: 130분(연습 5분, 본 시험 60분을 2회 반복)

마이크로미터를 이용하여, 내마모 시험 전후에 있어서의 시험용 피스톤 링(1)의 두께(피스톤 링 기재와 용사 피막의 두께의 합계치)를 측정했다. 내마모 시험 전의 시험용 피스톤 링(1)의 두께로부터, 내마모 시험 후의 시험용 피스톤 링(1)의 두께를 빼는 것에 의해, 용사 피막의 마모량을 산출했다.

또한, 촉침식 단차계를 이용하여, 내마모 시험 후의 디스크 표면의 접동부(접동흔) 저면과 비접동부 표면의 거리(단차)를 측정하여, 측정치를 상대재의 마모량으로 했다. 또한, 총 마모량 및 마모 비율을 산출했다. 여기서, 총 마모량이란, 용사 피막의 마모량과 상대재의 마모량의 합계(㎛)이다. 또한, 마모 비율이란, 후술하는 비교예 1의 총 마모량을 기준으로 한 각 실시예 또는 비교예의 총 마모량의 비율(%)이며, 하기 식으로부터 구할 수 있다.

마모 비율(%)=(각 실시예 또는 비교예의 총 마모량)/(비교예 1의 총 마모량)×100

(실시예 1)

일반 구조용 압연 강재(SS400)의 판재를 세로 5 mm, 가로 3.5 mm, 두께 8 mm의 각기둥형으로 절취함으로써, 시험용 피스톤 링 기재를 얻었다. 용사 피막의 형성 및 내마모 시험 등은, 상기 피스톤 링 기재의 세로 5 mm 및 가로 3.5 mm의 면에 대하여 행했다. 이하, 그 면을 외주 접동면이라고 하는 경우가 있다.

몰리브덴 입자 50 질량부(50 질량%)와, 니켈크롬 합금 입자 15 질량부(15 질량%) 및 탄화크롬 입자 35 질량부(35 질량%)를 혼합하여 분말 조성물을 조제했다. 몰리브덴 입자로는, 몰리브덴 분말을 조립 소결하여 얻어진, 파우렉스 주식회사 제조의 입자(상품명: SG-12S)를 이용했다. 조립 전의 몰리브덴 분말(1차 입자)의 입자경은 1∼3 ㎛이며, 조립 후의 몰리브덴 입자(2차 입자)의 메디안 직경은 31 ㎛였다. 니켈크롬 합금 입자로는, Sulzer Metco사 제조의 입자(상품명: Metco 43VF-NS)를 이용했다. 니켈크롬 합금 입자의 메디안 직경은 22 ㎛였다. 탄화크롬 입자로는, Sulzer Metco사 제조의 입자(상품명: Metco 70F)를 이용했다. 탄화크롬 입자의 메디안 직경은 13 ㎛였다.

플라즈마 용사 장치(Sulzer Metco사 제조, 상품명: TriplexPro)에 얻어진 분말 조성물을 공급하고, 분말 조성물을 상기 시험용 피스톤 링 기재의 외주 접동면 상에 용사함으로써, 실시예 1의 시험용 피스톤 링을 제작했다. 플라즈마 용사는 이하의 조건으로 행했다.

전류: 450 A

전력: 54 kW

캐리어 가스: Ar과 N₂의 혼합 가스

Ar 가스의 유량: 100 NL/분

N₂ 가스의 유량: 2.2 NL/분

용사 후의 시험용 피스톤 링 기재의 외주 접동면 상에는 두께 380 ㎛의 용사 피막이 형성되어 있었다.

도 3은, 얻어진 용사 피막의 접동면에 수직인 단면을 주사형 전자 현미경(SEM)으로 촬영한 화상이다. 도 3 중의 흰 부분이 몰리브덴이고, 짙은 회색 부분이 탄화크롬이고, 옅은 회색 부분이 니켈크롬 합금이고, 검은 부분이 기공이다. 도 3으로부터, 몰리브덴층과 니켈크롬 합금층과 탄화크롬층이 물결처럼 주름이 잡히면서(습곡) 서로 겹치는 조직이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.

또한, 용사 피막에서의 기공률은 작고, 2.8 면적%였다. 이 기공률은, 기재 표면에 수직인 방향에서의 용사 피막의 단면의 연마면의 화상에 있어서, 검게 표시되는 기공 부분과 그 이외의 부분을 2치화하고, 기공 부분의 면적 백분율을 계산함으로써 구했다. 또, 용사 피막의 단면의 상기 연마면은 1 ㎛의 다이아몬드 지립을 사용한 버프 연마에 의해 얻었다. 또한, 비커스 경도계(주식회사 아카시 제조, 상품명: MVK-G2)에 의해, 피막 단면의 두께 방향의 중앙부를 20개소 측정했다. 이 측정 결과에 기초하는 피막 경도의 평균치는 625 Hv였다.

(실시예 2∼7 및 비교예 1∼3)

분말 조성물의 조성 및 분말 조성물을 구성하는 입자의 메디안 직경을 하기 표 1에 기재한 바와 같이 변경한 것 외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 각 실시예 및 비교예의 용사 피막 및 피스톤 링을 얻었다. 또, 실시예 6의 니켈기 자용성 합금에는, Sulzer Metco사 제조의 입자(조성: Ni/17Cr/4Fe/4Si/3.5B/1C, 상품명: Diamalloy2001)를 이용했다. 표 1 중의 「질량부」란, 분말 조성물 전량을 기준으로 하는 「질량%」와 동의이다.

실시예 1∼7 및 비교예 1∼3에서 얻어진 용사 피막의 기공률, 피막 경도(비커스 경도) 및 내마모성 시험에서의 용사 피막의 마모량, 상대재의 마모량, 총 마모량 및 마모 비율을 정리하여 표 2에 나타낸다.

표 2에서 분명한 바와 같이, 탄화크롬 입자의 메디안 직경이 소정의 범위 내에 있는 분말 조성물로부터 얻어진 실시예 1∼7의 용사 피막의 마모량이 적고, 각 실시예에서의 상대재의 마모량도 적었다.

본 발명에 따른 피스톤 링용 용사 피막 및 피스톤 링은, 예컨대 자동차 또는 선박 등의 엔진용 피스톤 링에 적용된다.

1: 피스톤 링, 2: 피스톤 링 기재, 3: 용사 피막(피스톤 링용 용사 피막).

Claims

분말 조성물을 피스톤 링 기재의 외주 접동(摺動)면 상에 용사하여 얻어지는 피스톤 링용 용사 피막으로서,
상기 분말 조성물은 몰리브덴 입자, 니켈크롬 합금 입자 및 탄화크롬 입자를 포함하고,
상기 탄화크롬 입자의 메디안 직경이 5∼25 ㎛인
피스톤 링용 용사 피막.
제1항에 있어서, 상기 분말 조성물을 플라즈마 용사법에 의해 상기 피스톤 링 기재의 외주 접동면 상에 용사하는 피스톤 링용 용사 피막.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 몰리브덴 입자의 메디안 직경이 15∼40 ㎛이고, 상기 니켈크롬 합금 입자의 메디안 직경이 10∼35 ㎛인 피스톤 링용 용사 피막.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분말 조성물이, 그 분말 조성물 전량을 기준으로 하여, 상기 몰리브덴 입자를 40∼60 질량% 포함하고, 상기 탄화크롬 입자를 20∼40 질량% 포함하는 피스톤 링용 용사 피막.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 기공률이 1∼10 면적%인 피스톤 링용 용사 피막.
피스톤 링 기재와,
상기 피스톤 링 기재의 외주 접동면 상에 형성된 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 피스톤 링용 용사 피막
을 구비하는 피스톤 링.
몰리브덴 입자, 니켈크롬 합금 입자 및 탄화크롬 입자를 포함하는 분말 조성물을 피스톤 링 기재의 외주 접동면 상에 용사하는 공정을 구비하고,
상기 탄화크롬 입자의 메디안 직경이 5∼25 ㎛인
피스톤 링용 용사 피막의 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 분말 조성물을 플라즈마 용사법에 의해 상기 피스톤 링 기재의 외주 접동면 상에 용사하는 피스톤 링용 용사 피막의 제조 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 분말 조성물이, 그 분말 조성물 전량을 기준으로 하여, 상기 몰리브덴 입자를 40∼60 질량% 포함하고, 상기 탄화크롬 입자를 20∼40 질량% 포함하는 피스톤 링용 용사 피막의 제조 방법.