KR20160064114A - 표면에 레데부라이트형 미세 조직을 갖는 슬라이드 링 - Google Patents

표면에 레데부라이트형 미세 조직을 갖는 슬라이드 링 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회주철(2)로 구성되는 메인 본체를 포함하는 슬라이드 링에 관한 것이며, 기능적 표면(4)의 적어도 부분 영역(6)은 표면에 레데부라이트형(ledeburitic) 미세 조직을 갖는다. 본 발명은 또한 슬라이드 링의 제조 방법에 관한 것이며, 이는 회주철(2)로 구성되는 슬라이드 링을 제조하는 단계, 높은 에너지 복사에 의해 슬라이드 링의 기능적 표면을 조사함으로써 슬라이드 링의 기능적 표면(4)을 가열하는 단계를 포함하고, 조사는 조사된 표면의 적어도 부분 영역이 재용융되는 방식으로 수행되고, 조사의 파라미터들은 기능적 표면의 적어도 부분 영역(6)이 이 기능적 표면이 냉각된 후에 레데부라이트형 미세 조직을 갖는 방식으로 선택된다.

Description

표면에 레데부라이트형 미세 조직을 갖는 슬라이드 링 {SLIDE RINGS HAVING A LEDEBURITIC MICROSTRUCTURE AT THE SURFACE}
본 발명은 레데부라이트형 미세 조직(ledeburitic microstructure)의 기능적 표면을 갖는 슬라이드 링(slide ring)들, 그리고 이러한 링들의 제조 방법에 관한 것이다.
요구되는 내마모성 때문에, 금속성 슬라이드 시일(seal) 링들은 종종 가능한 한 경질이고 내마모성인 재료로 제작된다. 이는, 예컨대 높은 크롬 함량을 갖는 레데부라이트형 냉간 주철(chilled cast iron) 또는 주강(cast steel)을 포함한다. 이러한 재료들은 보통 높은 등급의 경도(50 내지 64 HRC) 그리고 마멸에 대한 매우 양호한 내마모성을 갖는다. 하지만, 여기서 재료의 주조 및 또한 그 이후의 기계적 프로세싱(processing) 양자 모두는 단지 많은 노력과 높은 비용들에 의해서만 가능하다는 것이 단점이다. 또한, 이러한 재료들은 매우 취성이며(very brittle), 이는 충격 하중에서의 파열을 유도할 수 있다. 게다가, 열 전도성은 보통 낮다.
주철의 제조시, 응고된 회주철과 백주철 사이에 차이가 생긴다. 액체 주철이 열역학적 평형 상태(thermodynamic equilibrium)에서 응고될 때, 일부는 안정적인 응고에 대하여 언급한다. 미세 조직은 그 후 주로 철 및 유리(free) 흑연(graphite)으로 이루어지고 회주철로서 지칭된다. 하지만, 시스템이 준안정(metastable) 평형 상태에서 응고될 때, 철 및 철 탄화물(carbide)(백주철)의 소위 레데부라이트형 미세 조직이 발생된다.
따라서, 그럼에도 불구하고, 비용 효율적이고 제조를 간소화하게 하는, 가능한 한 내마모성 표면을 갖는 슬라이드 링들의 제조 방법이 추구된다.
본 발명에 따르면, 회주철의 슬라이드 링은 기능적 표면들에서 미세 조직이 나머지 미세 조직과는 상이하도록 프로세싱된다. 이를 위해, 링의 표면은 에너지-풍부 복사(energy-rich radiation)에 의해 처리되어서, 표면의 적어도 부분 영역이 재용융되고 컴포넌트(component)의 냉각 시에 레데부라이트형 미세 조직이 표면에 발생하며, 여기서 실질적으로 전체 탄소가 철 탄화물로 변환된다. 레데부라이트형 미세 조직은 원래의 회주철보다 실질적으로 더 큰 경도 및 내마모성을 보여준다. 바람직하게는 마르텐사이트형(martensitic) 미세 조직(경화된 미세 조직) 및 유리 흑연을 갖는 천이 영역은 기본 재료의 방향으로 레데부라이트형 미세 조직과 접한다. 에너지-풍부 복사는, 예컨대 레이저 빔 또는 전자 빔 또는 아크 용접(arc welding)의 아크, 플라즈마(plasma) 용접 또는 텅스텐 불활성 가스 용접일 수 있다.
예의 실시예들에서, 레데부라이트형 미세 조직을 갖는 부분 영역들 및 경화된 미세 조직을 갖는 부분 영역들의 패턴이 기능적 표면에 발생될 수 있다. 따라서, 유리 흑연을 갖는 영역들은 또한 유리 흑연이 없는 영역들로 대체되고, 흑연은 윤활 특성들을 개선할 수 있다. 경화된 미세 조직은 마르텐사이트형 및/또는 베이나이트형(bainitic) 미세 조직을 포함할 수 있다.
실시예에 따라서, 레데부라이트형 미세 조직은 최대 1.5 ㎜ 의 깊이까지 기능적 표면에 존재할 수 있다. 여기서 기능적 표면은, 예컨대 슬라이드 링의 슬라이딩 표면 및/또는 엘라스토머(elastomer) 접촉 표면, 또는 다른 컴포넌트에 대한 접촉 표면일 수 있다. 예의 실시예들에서, 기능적 표면의 표면에는, 부가적으로, 오목부들 및/또는 기공(pore)들의 구조가 제공될 수 있다.
또한, 슬라이드 링의 제조를 위한 방법이 존재하며, 이는 회주철로 슬라이드 링을 제조하는 단계; 높은 에너지 복사에 의한 조사(irradiating)에 의해 기능적 표면을 가열하는 단계를 포함하며; 조사된 표면의 적어도 부분 영역이 재용융되도록 조사가 실행되고; 조사의 파라미터(parameter)들은 기능적 표면의 적어도 부분 영역이 냉각 후에 레데부라이트형 미세 조직을 갖도록 선택된다.
바람직하게는, 재용융은 레데부라이트형 미세 조직과 회주철 사이에서 마르텐사이트형 미세 조직을 갖는 천이 영역이 발생되도록 실행될 수 있다. 재용융된 영역의 냉각은 예컨대 단지 자체 퀀칭(self-quenching)에 의해 달성될 수 있다.
예의 실시예들에서, 조사는 이하의 방법들 : 레이저 빔 또는 전자 빔, 아크 용접, 플라즈마 용접, 텅스텐 불활성 가스 용접에 의한 조사 중 하나를 포함할 수 있다.
실시예에 따라서, 회주철로부터의 슬라이드 링의 제조 시에, V, Cr, W 및 Si 로부터 선택되는, 하나 이상의 탄화물 형성 원소가 주철 재료에 부가될 수 있다.
선택적으로는, 표면의 재용융된 부분 영역들 및 재용융되지 않은 부분 영역들이 국부적으로 상이한 미세 조직들의 미리 정해진 패턴을 형성하도록 조사가 실행될 수 있다.
본 발명은 예의 실시예들 및 도면들의 도움에 의해 이하에 더 상세하게 설명된다.
도 1은 상이한 미세 조직 영역들을 갖는 본 발명에 따른 링을 통하는 단면도를 도시하고,
도 2는 본 발명에 따른 슬라이드 링의 재용융된 영역들에 존재할 수 있는 상이한 패턴들을 전체도(overview)로서 도시한다.
도 1에는, 본 발명에 따른 기능적 표면을 갖는 예시의 슬라이드 링이 단면도로 도시된다. 이러한 경우, 기능적 표면은 링의 슬라이딩 표면(4)이고, 이는 작동 동안 카운터 표면(counter-surface)에 맞닿아 놓이고 그 위에서 슬라이딩한다. 다른 예들에서, 부가적인 또는 대안적인 기능적 표면들이 본 발명에 따라, 예컨대 엘라스토머들과 슬라이드 링 사이의 접촉 표면이 존재할 수 있다. 예컨대 링의 기본 재료(2)는, 예컨대 회주철, 예컨대 층상(lamellar) 흑연(EN-GJL), 버미큘라(vermicular) 흑연(EN-GJV) 또는 구상(spheroidal) 흑연(EN-GJS)을 갖는 주철일 수 있다.
기능적 표면(4) 상에서, 재용융 영역(6)을 단면으로 볼 수 있고, 이는 예컨대 표면에 대해 수직으로 대략 1.5 ㎜ 의 깊이까지 연장할 수 있다. 이러한 영역에서, 기본 재료(2)는 예컨대 레이저 빔과 같은 에너지-풍부 복사에 의해 재용융되었다. 표면에 가까운 영역의 이러한 영역(6)의 재용융 그리고 가열된 에지 영역과 접하는 재료 체적 사이의 신속한 온도 균등화(equalization)에 의한 그 이후의 자체 퀀칭은 이러한 영역(6)에서의 레데부라이트형 미세 조직의 형성을 유도하고; 따라서 그 이후에 철 및 철 탄화물의 준안정 미세 조직이 존재하며, 이는 실질적으로 유리 탄소 또는 각각의 흑연을 갖지 않는다.
레이저 빔 대신, 표면은 다른 에너지-풍부 복사에 의해 또는 각각의 열의 작용에 의해 또한 처리될 수 있다. 예컨대, 유사한 방식으로, 전자 빔이 사용될 수 있다. 표면 상의 레데부라이트형 미세 조직을 발생시키는 고려할 수 있는 다른 방법들은 아크 용접 방법들, 이를테면 텅스텐 불활성 가스 용접(TIG; tungsten inert gas) 및 플라즈마 용접이다. 또한, 짧은 시간에 표면에 국부적으로 형성되는 재용융을 가능하게 하는 등가의 방법들이 또한 적용될 수 있다는 것이 전문가에게 이해 가능하다.
예의 실시예에서, 레이저 빔이 에너지 소스(source)로서 사용된다면, 예컨대 3 내지 8 ㎜ 의 빔 폭이 사용될 수 있다. 비펄스형(non-pulsed) 레이저 빔에 의해 1 내지 4.5 ㎾ 의 출력을 갖고, 그 후 예컨대 표면은 분당 0.5 내지 2 미터의 이송율(feed rate)로 프로세싱되어서, 대응하는 영역들이 용융되고, 상기 설명된 것과 같이, 자체 퀀칭에 의해 다시 냉각된다. 하지만, 마찬가지로, 물론, 표면에 설명된 재용융을 유도하고 레데부라이트형 미세 조직을 발생시키는, 다른 파라미터들, 다른 출력들, 펄스형 레이저 복사 및/또는 다른 방법들을 고려할 수 있다.
단면에서 중앙의 컴포넌트의 방향으로 재용융 영역(6)에 접하게 될 때, 파선에 의해서, 나머지 재료(2)에 대하여 마찬가지로 차별화된 방식으로 예시되는, 천이 영역(8)이 있다. 천이 영역(8)은 용융되지 않지만, 열의 영향에 의해, 예컨대 실질적으로 흑연을 갖는 마르텐사이트형 미세 조직으로 바뀌는 단지 경화된 미세 조직을 도시한다. 경화된 영역 또는 각각의 천이 영역(8)을 접하게 하는 것은 그 후 기본 미세 조직(2)이며, 즉 원래의 회주철이다. 재용융 프로세스 및 기본 재료에 따라서, 또한 도 1에 도시된 이러한 3 개의 영역들(6, 8, 2) 외에, 예컨대 마르텐사이트 및 베이나이트를 갖는 상이한 영역들이 발생할 수 있다.
특히, 레이저 빔 또는 다른 강하게 포커싱되는(focussed) 조사에 의한 프로세싱은 표면의 단지 명확하게 규정된 영역들을 재용융하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 전체의 기능적 표면(4)은, 레데부라이트형 미세 조직(6)으로, 예컨대 슬라이드 링의 전체 슬라이딩 표면으로 표면적으로(superficially) 재용융될 수 있다. 하지만, 마찬가지로, 또한 이러한 표면들의 단지 부분들이, 예컨대 규칙적인 패턴들 또는 더 큰 섹션들의 형태로 재용융될 수 있다. 재용융되지 않은 영역들은 처리되지 않은 채로 남아있거나, 또는 재용융 없이 단지 경화될 수 있다. 이러한 방식으로, 예컨대, 부분적으로 유리 탄소 없이 순수한 레데부라이트형 미세 조직이 존재하고, 인접하여, 단지 경화된 미세 조직을 갖지만, 여전히 흑연 형태의 유리 탄소를 갖는 영역들이 발생될 수 있다. 흑연을 갖는 영역들은 개선된 열 전도성을 야기할 수 있고; 게다가, 활주(running) 특징들이 이에 의해 개선될 수 있다. 재용융된 영역의 표면 품질은 예컨대 20 ㎛ 미만의 표면 거칠기(Rz)에 달려 있을 수 있다.
대안적인 실시예들에서, 유리 흑연의 잔여 양은 또한 레데부라이트형 미세 조직 영역에 존재할 수 있다.
게다가, 탄화물 형성 요소들은 또한 기본 재료의 회주철에 또한 이미 부가될 수 있다. 이러한 탄화물 형성 요소들은, 예컨대 Cr, V, Si, Mo 또는 W 이다. 그 후, 재용융 프로세스에서, 추가의 탄화물들이 철 탄화물, 이를테면 예컨대 Cr2C3, SiC, VC 또는 WC 로 부가적으로 발생할 수 있고, 이는 표면의 경도 특징들에 추가의 긍정적인 방식으로 영향을 준다. 예컨대, 최대 17 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 5 중량%의 Mo, 최대 4.5 중량%의 Si, 최대 5 중량%, 바람직하게는 0.3 내지 1.5 중량%의 W, 최대 2 중량%의 V 및/또는 최대 30 중량%의 Cr 이 기본 재료에 함유될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 상이한 탄화물 형성 요소들이 임의의 바람직한 적절한 조합으로 재료에 함유될 수 있다. 마찬가지로, 이를테면 예컨대 흑연, 육방정 질화불소(hexagonal boron nitride), Mo2s 또는 다른 적절한 물질들인, 자체 윤활 물질들이 기본 재료에 보충될 수 있으며; 여기서, 또한 개별 물질들 또는 그의 조합이 유입될 수 있다.
기본 재료에 함유된 탄화물 형성 요소들에 대안적으로 또는 부가적으로, 적절한 탄화물들 및/또는 다른 입자들, 이를테면 예컨대 언급된(또는 유사한) 자체 윤활 물질들이 재용융 프로세스 동안 직접적으로 확산에 의해 용융물 안으로 부가적으로 유입될 수 있다.
도 2는 예컨대 기능적 표면(4)(슬라이딩 표면)의 영역의 표면의 레이저 빔에 의해 발생될 수 있는 상이한 패턴들을 도시한다. 따라서, 점들, 삼각형들 또는 마름모들의 패턴이 존재할 수 있다. 마찬가지로, 더 넓은 또는 매우 얇은 선형 패턴들이 발생될 수 있고, 여기서 라인들은 원주 방향으로 또는 횡단 방향으로 그리고/또는 이에 비스듬하게 정렬될 수 있다. 구불구불한(sinuous) 라인들 또는 교차된(crossed) 라인들이 배열될 수 있다. 여기서, 도 2의 예들의 패턴의 검은색 영역들은, 예의 실시예에서, 레데부라이트형 미세 조직(6)을 갖는 재용융된 영역들을 나타낼 수 있는 반면, 나머지 흰색 영역들은, 재용융되지 않고, 단지 흑연을 갖는 경화된 영역들을 도시한다. 하지만, 마찬가지로, 또한 미세 조직 분포는 반대로 될 수 있고 흰색 영역들이 레데부라이트형 미세 조직으로 레이저에 의해 재용융될 수 있다. 포커싱된 레이저 빔 또는 유사한 방법들을 통하여, 매우 정확하게 국부화된 조사 및 가열이 가능하다. 물론, 상이한 패턴들이, 예컨대 각각의 기능적 표면의 실질적으로 예상되는 부하에 따라서, 원하는 대로 다른 패턴과 또한 조합될 수 있다. 게다가, 이러한 방식으로, 패턴은 또한 상이한 높이의 영역들을 가질 수 있어서, 예컨대 경화된 미세 조직은 레데부라이트형 미세 조직보다 아주 작게 더 또는 덜 돌출한다. 표면의 마찰 특징들은 존재하는 패턴들에 따르고 따라서 목표화된(targeted) 방식으로 적응될 수 있다.
기능적 표면들의 영역의 목표화된 재용융은, 또한 활주 표면 또는 슬라이딩 표면과 웨브(web) 사이의 에지를 날카롭게 남겨 놓는 것을 가능하게 하여서, 경화 또는 각각의 재용융 후에 이러한 에지의 추가의 프로세싱이 필요하지 않다. 이는 또한 다른 링들 또는 링 섹션들에 적용되고; 필요한 프로세싱 단계들이 더 연질의 회주철의 재용융 이전에 실행되는데, 이는 바람직하다면, 이미 프로세싱된 영역들이 재용융으로부터 면제될 수 있기 때문이다.
표면의 규정된 프로세싱을 통하여, 다시 예컨대 레이저 빔에 의해, 크랙(crack)들, 채널(channel)들 또는 기공들이 또한 목표화된 방식으로 기능적 표면의 영역에 유입될 수 있다. 이러한 구조들은 그 후 작동 시에 오일(oil) 리테이닝(retaining) 체적부의 역할을 하고 부가적으로 윤활 특징들을 개선할 수 있다. 기공 구조들은 마이크로 압력 챔버들을 형성할 수 있다. 마찬가지로, 다른 윤활유들이 이러한 표면 구조들에 유입될 수 있다.

Claims (15)

  1. 회주철(grey cast iron)(2)의 기본 본체를 포함하는 슬라이드 링으로서,
    기능적 표면(4)의 적어도 부분 영역(6)이 표면에 루데부라이트형 미세 조직(ledeburitic microstructure)을 갖는,
    슬라이드 링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    경화된 미세 조직을 갖는 천이 영역(8)이 컴포넌트의 중심의 방향으로 레데부라이트형 미세 조직(6)에 접하는,
    슬라이드 링.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기능적 표면(4)에서, 상이한 미세 조직들의 패턴이 형성되어서, 상기 표면의 부분 영역들은 레데부라이트형 미세 조직(6)을 갖고 상기 표면의 나머지 영역들은 경화된 미세 조직을 갖는,
    슬라이드 링.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경화된 미세 조직(8)은 마르텐사이트형(martensitic) 미세 조직 및/또는 베이나이트형(bainitic) 미세 조직을 포함하는,
    슬라이드 링.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레데부라이트형 미세 조직(6)은 대략 1.5 ㎜ 의 깊이까지 기능적 표면에 존재하는,
    슬라이드 링.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기능적 표면(4)은 슬라이딩 표면 또는 엘라스토머(elastomer) 접촉 표면인,
    슬라이드 링.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기능적 표면(4)의 표면에는 오목부들 및/또는 기공(pore)들의 구조가 제공되는,
    슬라이드 링.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레데부라이트형 미세 조직에 적어도 하나의 자체 윤활 물질의 입자들이 유입되는,
    슬라이드 링.
  9. 슬라이드 링의 제조 방법으로서,
    회주철(2)의 슬라이드 링을 제조하는 단계,
    높은 에너지 복사(high-energy radiation)에 의해 조사함으로써 상기 슬라이드 링의 기능적 표면(4)을 가열하는 단계를 포함하고,
    상기 조사의 파라미터(parameter)들은 상기 기능적 표면의 적어도 부분 영역(6)이 냉각 후에 레데부라이트형 미세 조직을 갖도록 선택되는,
    슬라이드 링의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 재용융은 마르텐사이트형 미세 조직(8)을 갖는 천이 영역이 레데부라이트형 미세 조직(6)과 회주철(2) 사이에서 발생하도록 실행되는,
    슬라이드 링의 제조 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 냉각은 단지 자체 퀀칭(self-quenching)에 의해서만 달성되는,
    슬라이드 링의 제조 방법.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조사는 레이저 빔(laser beam), 전자(electron) 빔, 아크 용접(arc welding), 플라즈마(plasma) 용접, 텅스텐 불활성 가스(tungsten inert gas) 용접 중 하나를 포함하는,
    슬라이드 링의 제조 방법.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회주철로부터의 상기 슬라이드 링의 제조시에, V, Cr, W, Mo 및 Si 로부터 선택되는, 하나 이상의 탄화물(carbide) 형성 요소가 주철 재료에 부가되는,
    슬라이드 링의 제조 방법.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조사는 상기 표면의 재용융된 부분 영역들과 재용융되지 않은 부분 영역들이 미리 정해진 패턴을 형성하도록 실행되는,
    슬라이드 링의 제조 방법.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 탄화물 및/또는 자체 윤활 물질의 입자들은 재용융 동안 용융물 안으로 확산되는,
    슬라이드 링의 제조 방법.
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