KR20170108941A - 실링 장치 - Google Patents

Abstract

[과제] 전기 저항 용접 탄소강과 섬유 강화 수지 부재로 이루어지는 슬라이딩부에서의 금속 부재의 마모를 저감시킨 실링 장치를 제공한다.
[해결 수단] 금속 부재와 수지 부재가 상대적으로 슬라이딩하는 기구를 가지는 실링 장치에 있어서, 금속 부재가 전기 저항 용접 탄소강으로 이루어지고, 수지 부재가 탄소 섬유 강화 합성 수지로 이루어지는 실링 장치를 제공한다.

Description

실링 장치{SEALING DEVICE}

본 발명은, 작동 유체(流體)가 관여하여, 슬라이딩하는 한 쌍의 대향면 사이의 간극을 봉지(封止)하기 위한 실링 장치에 관한 것이다.

일반적으로 유압(油壓) 장치류는, 외부의 구동원(전동기나 발동기)을 기초로 유압 펌프를 움직여, 그에 따라 얻어지는 압력을 가진 작동 유체(작동유)에 의해 유압 실린더를 동작시켜 일을 하는 것이다. 예를 들면, 유압 셔블 등의 건설 기계나 포크 리프트 등의 산업 차량 등의 구동원으로서 채용되고 있다. 또한, 그 밖에, 건축물의 면진(免震) 장치나 자동차나 이륜차의 쇼크 업소버(shock absorber) 등에 도 사용된다. 통상, 이들 유압 장치에 있어서는, 유압 실린더 내에 수납된 작동유 류는 밀폐 상태에 있는 것이 필요하며, 그 누출이나 실린더의 마모 등을 방지함으로써 장치류의 적정한 가동(稼動)을 유지하는 것은 종래부터 중요한 과제로 되어 있다.

유압 장치류를 순조롭게 작동시키 위해서는, 예를 들면, 유압 실린더와 피스톤의 슬라이딩부에 피스톤 링이나 백업 링을 설치한 실링 장치 등에 의해 오일 누출을 방지하는 등 많은 연구가 행해지고 있다. 예를 들면, 실링 기구(機構)의 재질을 특정한 것으로 함으로써 실링 기구의 내구성을 향상시키는 예로서는, 피스톤 링 홈에, 바닥 측으로부터 탄성체제의 O링, 불소 수지보다 경질(硬質)인 백업 링, 불소 수지제의 피스톤 링을 장착하고, 피스톤 링의 외주면(外周面)이 실린더의 내면에 밀착되도록 하는 기구(특허문헌 1)나, 유체의 실링에 사용되는 실링 링과, 이 실링 링의 내경(內徑) 측면에 설치되는 백업 링으로 이루어지는 실링 부재에 있어서, 상기 실링 링은 사불화에틸렌 수지로 이루어지고, 상기 백업 링은 사불화에틸렌 수지 이외의 불소 수지로 함으로써, 실링 링과 백업 링의 고착(固着)이 생기지 않는 실링 부재로 하는 제안(특허문헌 2)이 이루어져 있다.

또한, 실링 링과 백업 링이 모두 실린더 내면에 접촉하여 슬라이딩하는 형식의 예로서는, 백업 링에 의한 실링 부재의 밀려나옴을 억제하는 것, 조립성을 향상시키는 것, 백업 링의 가공성을 향상시키는 것 중 적어도 어느 하나를 가능하게 하는 실링 장치로서, 고무상 탄성재에 의한 실링 부재를 지지하는 백업 링의 Hs 경도(硬度)를 90∼100으로 한 고무상 탄성재에 의한 것으로 하는 실링 장치(특허문헌 3)나, 피스톤 본체의 구조를 복잡화하지 않고, 실링 링의 조립이 용이하게 행해지는 유체압 실린더로서, 피스톤이, 피스톤 본체의 실링 링 수용 홈에 개재(interposition)되는 실링 링과, 피스톤 본체의 피스톤 링 수용 홈에 개재되는 이음부를 가지는 피스톤 링과, 피스톤 본체의 외주면에 장착하여 실링 링과 피스톤 링 사이에 개재되는 백업 링을 포함하고, 백업 링이 실링 링으로부터 받는 하중이 피스톤 링에 의해 지지되는 구조로 한 유체압 실린더(특허문헌 4)가 제안되어 있다.

또한, 피스톤 등 왕복 이동 부분을 실링하는 밀봉 장치에 있어서, 고압 시의 실링 링의 밀려나옴에 의한 파손을 방지하고, 또한 실링 링의 슬라이딩 저항을 억제하는 것으로서, 외주 부재의 내주면(內周面)과 그 내주에 축 방향 이동 가능하게 배치된 내주 부재의 외주면 중 한쪽에 형성되고 원주 방향으로 연속된 장착 홈 내에, 고무형 탄성 재료로 이루어지는 실링 링과, 이 실링 링보다 경질의 재료로 이루어지고 높이 h가 장착 홈의 깊이 d보다 높은 백업 링을 가지고, 백업 링의 내주면 또는 외주면에, 상기 백업 링의 양측 사이를 연통하는 필요수의 절결(切缺)이 형성된다. 상기 백업 링은, 장착 홈으로부터의 실링 링의 밀려나옴을 방지하는 것이며, 절결이, 상기 백업 링의 축 방향 양측 사이에서 유체의 유통을 허용하므로, 이 유체에 의한 실링 링의 윤활성이 확보되는 밀봉 장치(특허문헌 5)가 제안되어 있다.

일본공개특허 평11-62829호 공보 일본공개특허 제2006-342972호 공보 일본공개특허 제2001-146969호 공보 일본공개특허 제2011-163523호 공보 일본공개특허 제2010-133511호 공보

외부의 구동원을 기초로 유압 펌프를 움직여, 그에 따라 얻어지는 압력을 가진 작동 유체(작동유)에 의해 유압 실린더를 동작시키는 유압 장치류는, 가압된 작동유가 실린더 내로부터 누출되지 않도록 밀봉하는 실링 기구가 설치되어 있다. 그 기구에는, 예를 들면, 실링 부재와 실링 부재의 밀려나옴을 확실하게 방지하여 양호한 밀봉 성능을 유지할 수 있는 백업 링이 설치되어 있는 것이 많고, 예를 들면, 실링 부재와 백업 링은 피스톤에 설치되어 실린더 내면과 밀착하여 슬라이딩함으로써 가압 작동 유체의 누출을 방지하고 있다.

종래, 실린더는 용접, 단접 등에 의해 제작되고, 실링 부재 또는 백업 링은 유리 섬유로 강화된 합성 수지류로 이루어지는 것으로부터 제작됨으로써, 유압 장치로서 어떠한 손색이 없는 것으로 하여 넓게 사용되어 왔다.

그런데, 전기 저항 용접 탄소강으로부터 제작된 실린더와 유리 섬유 강화 합성 수지로 이루어지는 백업 링을 조합하여 양자를 장기간 슬라이딩시키면, 작동유가 흑색화되고, 실린더 내면의 마모량이 종래보다 커지게 된다는 문제점이 발생하는 것이 판명되었다. 이에, 본 발명은, 전기 저항 용접 탄소강으로 이루어지는 실린더와 피스톤에 설치된 백업 링의 슬라이딩에 의해 생기는 작동유의 흑색화와 실린더의 마모에 관한 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 작동유의 흑색화, 및 실린더 내면의 마모량이 종래보다 커지게 된다는 문제점의 해결을 위해 예의(銳意) 노력한 결과, 본 발명에 도달하였다. 즉, 본 발명은, 전기 저항 용접 탄소강으로 이루어지는 부재와 탄소 섬유 강화 합성 수지로 이루어지는 부재를 조합함으로써, 전기 저항 용접 탄소강으로 이루어지는 부재와 유리 섬유 강화 합성 수지로 이루어지는 부재의 종래의 조합으로부터 발생되는 문제점을 해결하는 것을 가능하게 하였다.

본 발명은, 전기 저항 용접 탄소강으로 이루어지는 부재와 유리 섬유 강화 합성 수지로 이루어지는 부재의 슬라이딩에 의해 발생되는 작동유의 흑색화 및 전기 저항 용접 탄소강의 마모량의 증가 현상을 간편한 방법에 의해 해결하는 것이다.

본 발명은 금속 부재와 수지 부재가 상대적으로 슬라이딩하는 기구를 가지는 실링 장치에 있어서, 상기 금속 부재가 전기 저항 용접 탄소강으로 이루어지고, 상기 수지 부재가 탄소 섬유 강화 합성 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실링 장치를 요지로 한다.

[도 1] EG관, 조관재(造管材)의 금속 조직(組織)을 나타내는 사진이다.
[도 2] EG관, 조관재의 단면(斷面)의 경도를 나타낸 도면이다.
[도 3] EG관, 조관재의 표면 상태를 나타낸 사진이다.
[도 4] 백업 링의 표면 상태를 나타낸 도면이다.
[도 5] 작동유의 종류, 조성(組成)의 상이에 의한 금속의 마모량의 변화를 나타낸 그래프이다.
[도 6] 블록 온 링(block on ring) 시험 장치의 외관을 나타내는 사진이다.
[도 7] 블록 온 링 시험에 의해 얻은 시험 결과를 나타낸 사진이다.
[도 8] 시험에 사용한 백업 링의 외관을 나타내는 사진이다.
[도 9] 유리 섬유 강화 수지와 탄소 섬유 강화 수지의 단면 사진이며, 섬유류의 분산 상태를 나타낸다.
[도 10] 유리 섬유 강화 수지와 탄소 섬유 강화 수지에 의한 EG관의 마모 상태를 나타낸 3D 사진이다.

본 발명은, 금속 부재와 수지 부재가 상대적으로 슬라이딩하는 기구를 가지는 실링 장치에 있어서, 금속 부재가 전기 저항 용접 탄소강으로 이루어지고, 수지 부재가 탄소 섬유 강화 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실링 장치에 관한 것이며, 본 발명에 의해 양 부재가 장시간 슬라이딩함으로써 발생되는 작동유의 흑색화 및 슬라이딩면에 있어서의 금속 부재의 마모량의 저감이 달성되었다.

본 발명은, 종래의 유리 섬유 강화 합성 수지제의 부재와 전기 저항 용접 탄소강으로 이루어지는 부재의 슬라이딩에 의해 발생하는 문제점을 해결하기 위한 것이다.

[금속 부재]

본 발명의 금속 부재로서는, 저탄소라도 비교적 강도가 높고 또한 용접성이 양호하며, 펄라이트 조직을 거의 갖지 않는 강재(鋼材)가 사용된다. 구체적으로는, 전기 저항 용접 탄소강으로서 열간(熱間) 마무리 또는 냉간(冷間) 마무리가 행해져 있지 않은 강재인 것이 바람직하다. 그 조성 및 특성에 대하여, 성분 규격값을 표 1에, 표면 경도를 표 2에, 단면 경도를 표 3에, 조직 및 마이크로 경도에 대해서는 도 1에, 조관재와 대비하면서 나타낸다. 「조관재」는, 펄라이트 조직을 가지는 용접성을 고려하고 있지 않은 강재로서, 조직 중의 경질의 석출상(析出相)의 효과에 의해 내마모성을 발휘하는 재료이다.

[표 1]

성분 규격값(%)

[표 2]

표면 경도 시험 결과(HRC 스케일)

[표 3]

단면 경도 시험 결과(HV)

전기 저항 용접 탄소강으로 이루어지는 금속 부재는, 도 1에 나타낸 바와 같이 미세한 페라이트가 분포하고, 실질적으로 펄라이트가 없는 금속 조직이다. 이에 대하여 조관재는 큰 결정(結晶)의 펄라이트가 많이 분포되어 있다. 이들 결정 구조의 상이가 작동유의 흑색화나 슬라이딩면의 금속 마모와 관련된 것으로 생각되는 것이 이하에 기재된 실기(實機)에서의 시험 결과에 따라 판명되었다. 금속의 슬라이딩면에서의 단면 경도는, 표 3에 나타낸 바와 같이 전기 저항 용접 탄소강에서는 단면의 경도는 대략 일정하지만, 조관재에서는 페라이트 부분은 낮은 경도를 나타내고 펄라이트 부분에서는 높은 경도를 나타낸 바와 같이 경도에 불균일을 생기게 하고 있다. 또한, 표면으로부터의 거리(깊이)와 경도의 관계에서는 도 2에 나타낸 바와 같이 양자 사이에 큰 차이를 생기게 하고 있다. 본 발명에서 사용하는 전기 저항 용접 탄소강은, 표면으로부터 50㎛까지는 일정한 값을 나타내는 것이 바람직하다. 슬라이딩에 의해 슬라이딩면은 적지 않게 마모되지만, 마모된 새로운 면도 마모전과 같은 경도를 유지하고 있는 것에 의해 불연속인 마모나 과도한 마모를 피할 수 있다.

전기 저항 용접 탄소강은, 통상, 전기 저항 용접에 의해 주로 강관(鋼管)을 제조하기 위한 소재로서 이용되고 있다. 일반적으로, 전기 저항 용접 탄소강에 의해 제조되는 강관의 외경(外徑) 사이즈의 자유도는 낮지만, 이음매부[심부(seam part)]는 전기 저항 용접에 의해 소재를 조직까지 용융하여 용접하고 있으므로, 단접 강관에 비해 심부의 강도가 높은 파이프로 된다. 상기 전봉 강관의 심부에 전기 저항 용접에 의한 용접 비드(용접에 의해 표면이나 이면에 불룩하게 된 용접 금속)가 발생하는 것은 피할 수 없지만, 심부 이외에는 가열할 일이 없기 때문에 표면 성상(性狀)은 양호하다. 용접 비드는 용도에 따라서는 깎아내어 마무리된다. 또한, 냉간 마무리나 열간 마무리가 필요에 따라 행해진다. 전봉(電縫) 강관의 용도로서는, 석유, 가스 등을 수송하는 라인 파이프, 가스관, 자동차 외의 기계 구조용 강관, 보일러용 강관, 실린더 튜브 등에 널리 사용되고 있다. 전기 저항 용접 탄소강으로 이루어지는 관은, 용접성이 양호하고, 또한 저탄소라도 비교적 강도를 가지는 강종(鋼種)이므로, 실린더 튜브로서의 용도도 확대되고 있다.

[수지 부재]

본 발명의 수지 부재는 탄소 섬유 강화 합성 수지로 이루어지고, 탄소 섬유는 합성 수지 중에 균일하게 분포되어 있음으로써 금속 부재와의 슬라이딩면에 요철(凹凸) 또는 경도의 불균일이 없는 것이 바람직하다. 사용되는 합성 수지로서는, 일반적으로 엔지니어링 플라스틱이라고 칭해지는 것이 바람직하고, 예를 들면, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리아세탈, 변성 폴리페닐렌에테르, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌설파이드, 폴리아릴레이트, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 에폭시 수지, 불소 수지 등을 들 수 있다.

본 발명에서 사용되는 탄소 섬유로서는 특별히 한정되지 않고, 수지 재료의 보강재 또는 필러(filler)로서 사용되고 있는 범위의 것이면 사용할 수 있고, 수지 중에 5∼15%가 통상 함유된다.

[실기에서의 금속 부재의 마모의 검토]

본 발명자들은 작업 기계류의 실린더를 검사했을 때, 실린더 튜브의 내면이 종래 이상으로 마모가 심한 부분이 있는 것, 및 작동유의 흑색화가 진행되어 있는 것을 발견하고, 이들 현상의 해명 및 해결을 도모하여 안정된 가동이 가능한 작업 기계류를 제조하는 것을 목표로서 예의 연구를 행하였다.

실린더의 재질은, 전기 저항 용접 탄소강에 의한 전기 용접관(이하, EG관 또는 전봉 강관이라고도 함), 조관(단조 강관)의 2 종류였다. 실린더 내에는 피스톤이 설치되고, 피스톤에는 실링 링(탄소 섬유 강화 불소 수지), 백업 링(유리 섬유 강화 폴리아미드66 수지), 베어링 및 불소 수지층이 형성되어 있었다.

실린더 튜브 내면을 FE-SEM(전계 방사형 주사 전자 현미경)에 의해 표면 상태를 관찰하였다. 흑색부에 대해서는 이온 연마 후에 SEM(주사 전자 현미경) 관찰 및 EBSD(전자선 후방 산란 회절법) 분석 및 XRD(X선 회절) 분석을 행하여 다음과 같은 결과가 얻어졌다.

도 3에는, 실린더 튜브 내경의 SEM 관찰 결과를 나타낸다. EG관의 흑색부는 비교적 매끄럽다. 그에 대하여 비(非)흑색부는 요철이 크다. 한편, 조관의 흑색부는, 부식되어 펄라이트가 조직으로서 나타나 있는 것을 알 수 있다. 또한, 조관의 비흑색부에는 요철은 거의 보이지 않는다. 흑색부는 마모량이 적은 개소(個所)이며, 비흑색부는 마모량이 많은 개소였다.

흑색부를 XRD 분석한 바, 매우 미약하지만, EG관의 흑색부로부터는 Fe₃0₄로 보여지는 피크가 검출되고, 실린더 튜브의 흑색부에는 미량의 Fe₃0₄가 생성되어 있다 과 생각된다. 백업 링의 외관을 관찰하면 흑색의 마모 입자와 같은 것이 부착되어 있는 슬라이딩면이 있고, 백업 링의 일부 선단이 균열되어 있는 개소도 보여진다. 백업 링의 흑색부와 그렇지 않은 개소의 상세 관찰 결과를 도 4에 나타낸다. 흑색의 변색부는 크게 마모가 진행되고 있는 것을 알 수 있다. 그러나, 마모 입자로 보여지는 물질은 관찰되지 않았다. 백업 링은 일부 균열되어 있는 개소가 있으므로, 큰 압력이 작용하고 있었다고 생각된다. 또한, 실링 링에 대해서는 아무런 손상이 인지되지 않은 점에서 작업 기계의 실기로부터 얻은 데이터로부터는, 실린더의 마모는 백업 링에 기인하는 현상이라고 추측된다.

[작동유의 종류에 의한 금속 부재의 마모량에 대한 영향]

실린더 내면의 마모가, 유리 섬유가 포함된 폴리아미드 수지에 의한 것은 상기의 실기 시험에 의해 추측되었지만, 작동유의 조성 또는 첨가물에 의한 마모량이 영향을 주고 있는 경우를 상정하여 시험을 행하였다. 이로써, 실린더 내면이 마모되는 요인을 명확하게 하는 것으로 하였다.

시공품은 실기와 동일하게 유리 섬유 강화 폴리아미드66제 링, 및 강제(鋼製)의 표준 링을 제작하고, EG관재, 조관재와 조합하여 블록 온 링 시험을 행하였다. 블록 온 링 시험의 방법 조건 등에 대해서는 이하의 실시예에서 나타낸 바와 같다.

시험유로서는, HP46(JX) 및 46HN[이데미츠(Idemitsu)]를 사용하였다. 또한, 사용이 끝난 HP46 오일, HP46에 0.1%의 염소를 첨가한 오일, 및 SU8(베이스 오일)과의 조합에 대해서도 시험함으로써 작동유에 혼재하는 성분의 영향도 검토하였다.

시험 결과를 도 5에 나타낸다. 유리 섬유로 강화된 폴리아미드재에 대해서는, EG관보다도 조관이 양호한 마모 특성을 나타낸다. 또한, 작동유에 의한 마모 특성의 유의(有意)한 차이는 확인할 수 없었다. 따라서, 작동유의 흑색화 현상과 실린더 튜브의 마모의 주된 요인은 백업 링에 있는 것으로 생각된다.

[EG관재와 조관재의 조직의 상이]

도 1에 EG관재 및 조관재의 마이크로 조직을 나타낸다. EG관재는 예를 들면, C 0.08%로 탄소량이 적기 때문에, 펄라이트 비율은 비교적 낮게 보인다. EG관재의 조직은 약 20μ 이하의 미세 구조인 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 조관재는 소관(素管) 상태로부터 냉간 가공되어 있으므로, 최표면의 조직은 길이 방향으로 신장(伸張)되어 있는 것을 알 수 있다.

표면으로부터의 경도 분포 측정의 결과를 도 2에 나타낸다. EG관재는 대략 페라이트 조직이므로, 표면으로부터의 거리가 변경되어도 경도의 변화는 거의 보이지 않는다. 그에 대하여, 조관재는 페라이트+펄라이트 조직이므로, 경도의 측정 개소가 경질인 펄라이트에 해당한 경우에 경도가 상승하는 경향이 보여진다.

이상, 본 발명은 작업 기계의 실린더를 구체예로서, 금속 부재와 수지 부재의 슬라이딩에 의해 발생하는 문제점의 요인에 대하여 설명하였으나, 본 발명과 동일한 문제는 다른 기계, 부품에 사용되고 있는 금속 부재와 수지 부재에서도 파생되는 것으로 생각되고, 본 발명은 이러한 종류의 문제점의 해결에 유용한 것이다.

[전기 저항 용접 탄소강에 의한 강관]

다음에, 백업 링 및 전기 저항 용접 탄소강에 의한 강관에 대하여 설명한다.

본 발명의 구체적인 적용예는 작업 기계이며, 예를 들면, 파워 쇼벨의 암(arm) 실린더 튜브, 버켓(bucket) 실린더 튜브 등에서의, 백업 링, O링을 사용하는 운동부, 고정부의 실링이다. 상기와 같은 기기(機器)에서, 유체 압력이 지나치게 높거나, 축의 간극이 지나치게 크면, O링은 저압 측으로 밀려나와, 찢어짐(tearing)이 생기고, 파손되어 실링성(sealing characteristic)이 없어진다. 이와 같은 밀려나옴 현상을 방지하는 것이 백업 링이며, 실린더의 내면과 슬라이딩 상태에 있다. 또한, 백업 링은, 밀려나옴이 문제가 되지 않는 저압의 경우라도, O링의 파손의 대부분인 찢어짐이나 비틀림 손상 등의 사고를 방지하여, O링의 수명을 현저하게 길게 한다는 효과가 있다. 백업 링은 장착 후 압력의 증가와 함께 소성(塑性) 변형을 일으켜 간극을 메우고, 또한 사용 압력에 따라 밀려나옴 발생시키지 않는 것이 필요하며, 유체 압력, 간극의 크기, 슬라이딩용의 경우에는, 면의 거칠기, 슬라이딩 속도 등의 사용 조건에 따라, 가죽, 경질 고무, 불소 수지, 폴리아미드, 연금속 등의 재질이 각각의 용도에 따라 사용되고 있다. 최근에는 대부분이 불소 수지나 폴리아미드 등이다.

전기 저항 용접 탄소강에 의한 강관의 제조에는 소재로서 상온(常溫)의 강대(鋼帶)(코일재)를 사용하고, 언코일러(uncoiler)나 레벨러 등의 기계를 사용하여 강대를 연속하여 인출하고, 맞대어 용접하기 위한 강대의 양측 단면의 에지 처리를 행한다. 에지 처리 후, 강대의 폭 방향을 원형으로 변형시킴으로써 파이프 형상으로 성형하고, 접합 직전에 원형으로 변형시킨 그 양단에, 국부적으로 대전류를 흐르게 함으로써 순간적으로 접합부를 고온 상태로 하여, 그대로 가압하여 맞대고, 전기 저항 용접에 의해 용접 접합하여 파이프로 성형한다. 열간 성형된 파이프는, 소정 길이로 절단하고, 상온까지 냉각된 후, 교정기에 걸어 소정의 치수로 마무리된다. 그 후, 면취(chamfered)나 나사 절삭(screw cutting) 등의 관의 단 처리, 도장이나 도금·마킹 표시·완성 검사 등, 이들 일련의 공정에 연속적으로 걸쳐 최종적으로 제품으로서 마무리된다.

<실시예 1>

[작동유의 흑색화와 금속 부재의 블록 온 링 시험에 의한 마모 시험]

상기의 실기에서의 조사 결과로부터는, 작동유의 흑색화와 금속 부재의 마모는 백업 링이 관여하고 있는 것이 강하게 시사되었으므로, 실기와 동일한 시험 장치에 의해 작동유의 흑색화와 금속 부재의 마모에 대한 해결책을 검토하였다. 이하에 블록 온 링 시험이라 불리는 시험을 행하였다. 본 시험에 의해 실기에서 발생된 문제의 현상을 재현할 수 있는 것이 판명되었으므로, 본 시험 방법에 의해 문제점의 해석과 해결에 대하여 검토하였다. 그 결과, 이하에 나타낸 바와 같이 유리 섬유 강화 에폭시 수지로 이루어지는 수지 부재에 의해 일어나는 문제점이 본 발명에 의해 해결되는 것이 확증되었다.

블록 온 링 시험은 도 6에 나타낸 바와 같이, 섬유 강화 수지 링(1)으로 이루어지는 수지 부재의 일부를 작동유(3) 중에 침지(浸漬)하고, 또한 금속 블록(2)으로 이루어지는 금속 부재를 섬유 강화 수지 링(1)의 표면에 맞닿게 하고, 금속 블록(2)에는 하중(5)을 걸면서 섬유 강화 수지 링(1)을 회전 방향(4)으로 회전시킴으로써 양 부재를 슬라이딩시킨다. 소정 시간 링을 연속하여 회전시킨 후의 작동유(3)의 착색과 금속 블록(2)의 슬라이딩면 상태를 관찰하였다.

유리 섬유 강화 에폭시 수지와 탄소 섬유 강화 에폭시 수지로 이루어지는 각각의 링, 및 EG관(전기 저항 용접 탄소강) 및 조관(종래품)과 동일한 금속 조성으로 이루어지는 블록을 준비하여 블록 온 링 시험에 제공하였다. 시험은 오일 온도 80℃, 링 회전수 163rpm, 하중 5kg의 조건으로 3.3시간 시험하였다. 슬라이딩 거리는 2.47km, 슬라이딩 속도는 0.3m/sec였다. 시험 결과는 도 7에 나타낸다. 표 4에는 시험 소재의 조합을 나타낸다.

[표 4]

유리 섬유 강화 에폭시제 링과 EG관의 조합에서는 금속 부재의 슬라이딩면은 크게 마모 흔적이 인지될 뿐 아니라 작동유(3)는 흑색화되고 있다. 한편, 유리 섬유 강화 에폭시제 링과 조관의 조합에서는 슬라이딩면의 마모 흔적은 작고, 실용상 문제가 없는 정도의 마모였다. 작동유(3)의 색 변화는 전혀 없었다. 이에 대하여, 탄소 섬유 강화 에폭시제 링과 EG관의 조합에서는 금속 블록(2)의 슬라이딩면의 마모 흔적은 크게 감소하여 유리 섬유와 조관의 조합보다도 작은 마모를 나타내었다. 또한, 조관에 있어서도 마모량이 감소하는 것을 나타내었다. 그리고, 탄소 섬유 강화 에폭시 링을 사용하면 금속 부재의 재질에 관계없이 작동유의 흑색화 현상은 발생하지 않는 것이 판명되었다.

상기의 시험 결과로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에서는 탄소 섬유 강화 합성 수지로 이루어지는 링을 사용하면 어떠한 금속 재질에서도 슬라이딩에 의한 금속의 마모량이 감소되고, 또한 작동유(3)의 흑색화 현상이 발생하지 않는 것이 실증되었다.

<실시예 2>

본 실시예에서는, 탄소 섬유 강화 합성 수지를 종래 사용의 유리 섬유 강화 합성 수지와의 튜브재에 대한 마모 특성을 비교하는 블록 온 링 시험에 의한 검증을 더 행하기 위해, 링 단면에서의 섬유의 노출 상태, 및 마모의 흔적의 3D 형상을 검토하였다.

[시험용 공시 재료 등]

이하와 같이 재료를 사용하고, 각 재질을 조합하여 시험을 행하였다.

시험 링 중의 각 섬유는, 에폭시 수지에 대하여 10 중량%로 첨가하였다.

시험유로서는 HP46 오일(JX제)을 사용하였다.

사용한 유리 섬유 및 탄소 섬유의 특성을 표 5에 나타내고, 블록 재질과 링의 재질의 조합을 표 6에 나타내고, 각 링의 외관을 도 8에 나타낸다. 시험 조건은 표 7에 나타내었다.

[표 5]

[표 6]

[표 7]

[시험 항목]

ㆍ 마모 시험법 : LFW 블록 온 링 시험

ㆍ 마모량 비교 : 현미경 관찰, 레이저 변위법에 의한 3D 화상 비교

[시험 결과]

성형한 유리 강화 에폭시 링 및 탄소 섬유 강화 에폭시 링의 외관을 도 8에 나타낸다. 성형한 양쪽 링의 단면의 현미경 사진(도 9)에 의하면, 유리 섬유는 굵고 직경이 고르지 않은 단섬유가 편재해 있다. 한편, 탄소 섬유는 가늘고 긴 장섬유가 균일하게 분포되어 있다.

본 시험을 종료한 블록의 슬라이딩 표면을 레이저에 의해 계측한 3D 형상을 도 10에 나타낸다. 유리 강화 에폭시 링은 EG관재를 심하게 마모하는 것, 탄소 섬유 강화 에폭시 링은 EG관재를 약간 마모하는 것에 지나지 않는 것이 양 사진의 대비에 의해 명확하게 인지된다.

관찰되는 각 마모면으로부터, 유리 섬유가 포함된 에폭시재는, 튜브재를 크게 마모시키는 한편, 탄소 섬유가 포함된 에폭시 수지재는 상대적으로 관재의 마모가 적은 것이 확인되었다.

<실시예 3>

실기에 의한 실린더 튜브 마모 문제에 있어서, 백업 링으로서 사용하는 수지재 중의 경질 유리 섬유가 마모 요인으로 예상되었다. 이 대책으로서, 백업 링에 첨가하는 강화재를 유리 섬유로부터 탄소 섬유로 변경하는 것을 검토하기 위해, 유리 섬유 또는 탄소 섬유에 의해 강화한 나일론66으로 이루어지는 폴리아미드 수지를 사용하였다.

시험 방법은, 실시예 1과 동일하게 한 블록 온 링 시험을, 유리 섬유 강화 나일론66 수지와 탄소 섬유 강화 나일론66 수지에 대하여 실시한 바, 실시예 1과 마찬가지로 탄소 섬유 강화 나일론66 수지와 EG관재의 조합이 마모량의 감소에 적합하다는 것이 판명되었다.

[정리]

이상과 같이, 본 발명은 (1) 금속 부재와 수지 부재가 상대적으로 슬라이딩하는 기구를 가지는 실링 장치에 있어서, 상기 금속 부재가 전기 저항 용접 탄소강으로 이루어지고, 상기 수지 부재가 탄소 섬유 강화 합성 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실링 장치이며, 전기 저항 용접 탄소강으로 이루어지는 부재와 탄소 섬유 강화 합성 수지로 이루어지는 부재를 조합함으로써, 전기 저항 용접 탄소강으로 이루어지는 부재와 유리 섬유 강화 합성 수지로 이루어지는 부재의 슬라이딩에 의해 발생되는 작동유의 흑색화, 및 전기 저항 용접 탄소강의 마모량의 증가 현상을 해결할 수 있다는 효과를 얻을 수 있고, 또한 이하의 (2) 내지 (9)의 태양(態樣)을 포함한다.

(2) 상기 전기 저항 용접 탄소강이, 열간 처리 또는 냉간 처리가 행해지지 않은 상기 전기 저항 용접 탄소강인, 상기 (1)에 기재된 실링 장치.

(3) 상기 전기 저항 용접 탄소강이, 20㎛ 이하의 페라이트 결정이 분산된 금속 조직으로 이루어지는, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 실링 장치.

(4) 상기 전기 저항 용접 탄소강이, 단면 경도의 분포가 표면으로부터 50㎛의 깊이까지 일정한 값을 나타내는 상기 전기 저항 용접 탄소강인, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 실링 장치.

(5) 상기 전기 저항 용접 탄소강이, C 0.06∼0.12%, Si 0.40% 이하, Mn 0.10∼15%, P 0.03% 이하, S 0.02% 이하의 원소를 함유하는, 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 실링 장치.

(6) 상기 수지 부재가 엔지니어링 플라스틱으로 이루어지는, 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 실링 장치.

(7) 상기 엔지니어링 플라스틱이 폴리아미드 수지, 에폭시 수지, 또는 불소 수지로부터 선택되는, 상기 (6)에 기재된 실링 장치.

(8) 상기 수지 부재가, 탄소 섬유를 5 중량%에서 15 중량% 함유하는, 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 실링 장치.

(9) 상기 금속 부재가 실린더 튜브이며, 상기 수지 부재가 피스톤에 설치된 백업 링인, 상기 (1)로부터 (8) 중 어느 하나에 기재된 실링 장치.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명은 금속 부재와 수지 부재가 상대적으로 슬라이딩하는 기구를 가지는 실링 장치에 있어서, 금속 부재가 전기 저항 용접 탄소강으로 이루어지고, 수지 부재가 탄소 섬유 강화 합성 수지로 이루어지는 슬라이딩면에서의 금속 부재의 마모를 저감시키는 것이 가능하므로, 금속 부재와 섬유 강화 수지 부재의 슬라이딩 기구를 가지는 기기류에 일반적으로 적용하는 것이 가능하며, 이와 같은 슬라이딩 기구를 가지는 기기류에 있어서, 장기의 가동 기간에 걸쳐 슬라이딩 부재의 교환 수리를 필요로 하지 않고, 안전성을 확보하는 것이 가능하다.

특히, 실링 장치를 필요로 하는 실린더류를 구비하는 기기류의 안전성과 장치 수명을 개선할 수 있는 것은 넓게 산업 분야에서 큰 경제적 효과를 발휘하는 것으로 생각된다.

1: 섬유 강화 수지 링
2: 금속 블록
3: 작동유
4: 회전 방향
5: 하중

Claims (9)

1. 금속 부재와 수지 부재가 상대적으로 슬라이딩하는 기구(機構)를 가지는 실링 장치로서, 상기 금속 부재가 전기 저항 용접 탄소강으로 이루어지고, 상기 수지 부재가 탄소 섬유 강화 합성 수지로 이루어지는, 실링 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전기 저항 용접 탄소강이, 열간(熱間) 처리 또는 냉간(冷間) 처리가 행해지지 않은 전기 저항 용접 탄소강인, 실링 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 전기 저항 용접 탄소강이, 20㎛ 이하의 페라이트 결정이 분산된 금속 조직으로 이루어지는, 실링 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 전기 저항 용접 탄소강이, 단면 경도의 분포가 표면으로부터 50㎛의 깊이까지 일정한 값을 나타내는 전기 저항 용접 탄소강인, 실링 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 전기 저항 용접 탄소강이, C 0.06∼0.12%, Si 0.40% 이하, Mn 0.10∼15%, P 0.03%이하, S 0.02% 이하의 원소를 함유하는, 실링 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 수지 부재가 엔지니어링 플라스틱으로 이루어지는, 실링 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 엔지니어링 플라스틱이 폴리아미드 수지, 에폭시 수지, 또는 불소 수지로부터 선택되는, 실링 장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 수지 부재가, 탄소 섬유를 5 중량%에서 15 중량% 함유하는, 실링 장치.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 금속 부재가 실린더 튜브이며, 상기 수지 부재가 피스톤에 설치된 백업 링인, 실링 장치.

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