KR20180080717A - 고체 윤활제로 차량 부품을 써멀 스프레이 코팅하는 방법 및 장치 - Google Patents

고체 윤활제로 차량 부품을 써멀 스프레이 코팅하는 방법 및 장치 Download PDF

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스카니아 씨브이 악티에볼라그
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Abstract

본 발명은 차량 부품(30)을 고체 윤활제로 코팅하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 장치(40)는, a) 써멀 스프레이 장치(10)로, 상기 써멀 스프레이 장치(10)는 스프레이 플룸(16)의 중심축선에 대응하며, 써멀 스프레이 장치(10)의 배출 오리피스(13)의 중심을 관통하는 중심축선 라인(C)에 정렬되어 있는 스프레이 라인(S)을 따르는 스프레이 방향을 구비하는, 써멀 스프레이 장치(10); b) 고체 윤활제 분사 장치(20)로, 상기 고체 윤활제 분사 장치(20)는 분사 플룸(24)의 중심축선에 대응하며, 상기 고체 윤활제 분사 장치(20)의 중심축선 라인(Cl)에 정렬되어 있는 분사 라인(L)을 따르는 분사 방향을 구비하는, 고체 윤활제 분사 장치(20); 및 c) 스프레인 라인(S)을 따라 써멀 스프레이 장치(10)의 배출 오리피스(13)로부터 일정 거리(d)만큼 이격 배치되는 표면(31)을 구비하는, 코팅 대상이 되는 차량 부품(30)을 포함한다. 분사 라인(L)이 스프레이 라인(S)과 교차점(P)에서 교차하되, 상기 교차점은 코팅 대상 부품(30)의 표면(31)과 써멀 스프레이 장치(10)의 배출 오리피스(13) 중간에 위치하도록, 상기 고체 윤활제 분사 장치(20)가 위치된다. 본 발명은 차량 부품(30)을 고체 윤활제로 써멀 스프레이 코팅하기 위한 방법에도 관한 것이다. 본 발명은 또한 위와 같이 코팅된 부품을 구비하는 내연기관 및 차량에도 관한 것이다.

Description

고체 윤활제로 차량 부품을 써멀 스프레이 코팅하는 방법 및 장치
본 발명은 첨부된 특허청구범위에 규정되어 있는 바와 같이 차량 부품을 코팅하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 규정되어 있는 바와 같이 고체 윤활제로 차량 부품을 써멀 스프레이 코팅하기 위한 방법에도 관한 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 규정되어 있는 바와 같이 본 발명 방법에 의해 획득되는 부품들을 포함하는 내연기관에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 규정되어 있는 바와 같이 내연기관을 포함하는 차량에 관한 것이다.
내연기관 부품들은 일상적으로 가혹한 상황에서 작동한다. 연료가 연소하면 많은 부품들 특히 연소실 내부에 고온, 고압 그리고 부식 환경이 발생된다. 이와 동시에, 왕복하는 파트들이 이동함에 따라 엔진에 마멸과 마찰 손실이 발생한다. 중대형 차량 엔진에는 그 크기로 인해 일반적으로 루즈한 주철 라이너가 제공된다. 또한, 기어 또는 싱크로나이저 같은 다른 차량 부품들은 마찰성 마멸을 겪는다.
실린더 라이너 같은 차량 부품 파트들은 코팅이 필요한지 여부, 부품이 견뎌야 하는 상태 그리고 코팅 두께에 따라 많은 방법을 통해 코팅될 수 있다. 써멀 스프레이 코팅법은 그 중에서도 가장 널리 사용되고 있다.
써멀 스프레이 코팅은 용해된 또는 용융된 스프레이 재료를 세척되어 준비되어 있는 부품 표면 위로 고속으로 추진시키는 것을 포함한다. 써멀 스프레이 코팅 방법은 더 세분화될 수 있는데, 화염 스프레이 코팅, 전기 아크 스프레이 코팅, 고속 옥시-연료 스프레이 코팅 및 플라즈마 스프레이 코팅을 포함한다. 모든 써멀 스프레이 방법은 코팅 공정 중에 써멀-코팅 조성물들이 사용되는 방법에 따라 약 2600℃ 내지 16000℃에 이를 수 있는 고온에 노출되는 것을 특징으로 한다.
실린더 라이너를 코팅하기 위한 기존의 제조 공정은 회주철 라이너를 스테인리스강과 알루미나-지르코니아 복합재를 포함하는 분말로 플라즈마 스프레이 코팅하는 것이다. 이러한 코팅은 마모와 내식성 측면에서 실린더의 물성을 상당히 개선시킨다. 코팅 면을 호닝하면 액체 윤활제가 도달할 수 있는 표면의 윤활 특성이 우수해진다. 그러나 더 연료 경제적이고 배기가스가 줄어야 한다는 요구가 증가하기 때문에, 엔진 내 마찰을 더 줄여야 한다는 수요가 있다. 특히 액체 윤활 시스템을 사용할 때 윤활이 불량해질 수 있는 표면에서의 마찰을 더 줄여야 한다는 수요가 있다.
연소 엔진의 부품 파트들은 일반적으로 오일-계 윤활 시스템으로 윤활된다. 이러한 시스템들이 효과적인 것으로 판명되어 있지만, 모든 작동 조건에서 그리고 모든 마찰 접촉 영역에서 충분한 윤활을 달성하기는 어렵다. 이는 특히 예를 들어 하이브리드 차량 같이 스톱/스타트 주행 시스템을 하는 차량에 있어서 특히 문제가 된다. 따라서, 고체 윤활제의 사용이 매력적인 관심 대상이 된다.
고체 윤활제는 고상(solid phase)임에도 불구하고 액체 윤활 매체를 사용할 필요없이도 서로 슬라이딩하는 두 표면 사이의 마찰을 줄일 수 있는 재료이다. 일반적인 고체 윤활제는 흑연, 이황화몰리브덴 및 질화붕소를 포함한다. 고체 윤활제는, 통상적인 액체 윤활제의 사용으로는 충분하지 않거나 액체 윤활제를 사용하기에 적당하지 않은 상황에서 마찰을 줄이는 데에 사용될 수 있다. 이러한 사용처로는 내연기관의 실린더 라이너 같이 왕복기관 및 터빈 내 계면을 포함한다.
많은 고체 윤활제 코팅의 써멀 스프레이 방법이 당 업계에 주지되어 있다.
US5332422A호에, 내연기관의 실린더 보어 같은 표면을 코팅하기 위한 플라즈마 스프레이 가능한 분말이 개시되어 있다. 플라즈마 스프레이 가능한 분말은 ⅰ) 복수의 고체 윤활제 입자들의 결정립 크기의 덩어리; ⅱ) 고체 윤활제 입자들에 인접하는 용해 가능한 성분들; 및 ⅲ) 고체 윤활제 입자들과 용해 가능한 입자들이 덩어리진 결정립으로 결합시키는 저융점 매체를 포함한다.
EP1785503A1호는 내마모, 내부식 및 내열성이 있는 마찰 계수가 낮은 코팅을 개시하고 있다. 이 코팅은 다음 단계를 포함하는 공정에 의해 제작된다: 경질 면 재료 입자들을 준비하는 단계; 제1 바인더 재료를 사용하여 경질 면 재료 입자들을 응집시키는 단계; 고체 윤활제 재료 입자들을 제공하는 단계; 제2 바인더 재료를 사용하여 고체 윤활제 재료 입자들을 응집시키는 단계; 및 써멀 스프레이 공정으로 응집된 경질 면 재료 입자들과 응집된 고체 윤활제 재료 입자들을 기판에 적층시키는 단계.
US2008/0145554A1호에 써멀 스프레이 분말을 제작하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은, 복수의 다공성 입자들을 포함하는 분말을 제공하는 단계; 용매와 복수의 고체 윤활제 입자들을 포함하는 혼합물을 다공성 입자들 내로 침투시키는 단계; 및 용매가 증발하기에 충분한 온도로 분말을 열처리하는 단계.
WO2011/094222A1호에 써멀 스프레이 분말이 개시되어 있다. 써멀 스프레이 분말은 복수의 특정 금속 또는 금속 합금들을 구비하는 금속 또는 폴리머 클래드와 기계적으로 혼합된 금속과 금속 합금 중 적어도 하나를 구비하는 고체 윤활제 클래드를 포함한다.
US5766690A호에 자기-윤활 코팅을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 다음 단계들을 포함한다. 크롬 탄화물을 포함하는 입자들의 매트릭스를 제공하는 단계; 이 매트릭스를 플르오르화 바륨 및 플르오르화 칼슘 입자들을 포함하는 고체 윤활제와 혼합하여 복합 재료를 형성하는 단계; 고속의 옥시-연료 가스 스트림을 제공하는 단계; 및 복합 재료를 가스 스트림 내로 도입하여 복합 재료를 기판 위에 적층시키는 단계.
이들 공지의 방법들과 관련해서는 많은 문제들이 있다. 이들 대부분은 휘발(volatilization) 또는 분해(decomposition)를 방지하기 위해, 고체 윤활제의 "봉입(encapsulating)" 또는 응집(agglomerating) 원리에 기초한다. 이러한 코팅 재료를 제조하는 것은 복잡하고 비용이 많이 소모된다. 이러한 "봉입된" 고체 윤활제가 사용되는 않는다면, 써멀 스프레이 방법에 사용되는 고온으로 인해 고체 윤활제가 휘발되거나 분해될 수 있다. 이에 따라 최종 코팅이 분말 혼합물 내에 사용되는 양과 관련하여 상대적으로 적은 양의 고체 윤활제를 포함하기 때문에, 적은 양의 고체 윤활제가 최종 코팅 내에 통합되게 되며, 제조가 어려워지고, 제작 정지-시간이 늘고 재료 손실이 증가하게 된다. 또한, 퓸(fume)이 충분하게 추출되지 않는 경우에는, 휘발된 재료가 원치 않게 인접 표면 위에 적층될 위험도 있다. 스프레이의 온도를 낮추어서 이들 문제를 해결하고자 하는 시도는 세라믹 입자들 및 금속 합금 입자들 같이 휘발성이 덜한 구성성분들의 적층 효율을 낮추는 결과를 낳게 된다. 크기가 큰 고체 윤활제 입자들을 사용하거나 코팅 혼합물을 응집시킴으로써 이러한 문제들을 어느 정도는 줄일 수 있지만, 내마찰 효과가 감소되거나 코팅 혼합물 준비에 있어 제조 공정이 복잡해진다.
이에 따라, 당 업계에 공지되어 있는 방법들과 관련된 문제들을 줄이거나 해결하는 고체 윤활제를 포함하는 코팅 제조 방법에 대한 수요가 있다.
본 발명 발명자들은 고체 윤활제로 써멀 스프레이 코팅하는 종래 방법들은 코팅 조성물을 응집시키거나 봉입하기 위한 복잡한 제조 기법들을 필요로 하고, 코팅 재료로 분말형태의 재료만이 사용될 수 있다는 것을 인지하였다. 또한, 발명자들은 종래 방법들은 고체 윤활제의 휘발성이 상대적으로 높아서 최종 코팅 내에 적은 양의 고체 윤활체 성분만이 남는다는 것을 인지하였다. 발명자들은 이들 문제들로 인해 내연기관 부품 같은 차량 부품을 코팅할 때 부품들이 서브-최적의 윤활 특성을 갖는다는 것을 인지하였다. 발명자들은 또한 이는 코팅 퓸 추출 시스템의 크기를 크게 하고 및/또는 차량 부품의 인접 표면 위에 고체 윤활제가 불요하게 적층되는 문제를 야기한다는 것을 인지하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술이 안고 있는 단점들을 없애거나 줄일 수 있는, 차량 부품을 고체 윤활제로 써멀 스프레이 코팅하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 방법의 적층 효율을 저해시키지 않으면서도 더 많은 양의 고체 윤활제가 코팅된 차량 부품 표면에 통합될 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 코팅 재료를 위한 복잡한 제조 공정을 피할 수 있는 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 차량 부품을 고체 윤활제로 코팅할 때, 예컨대 금속 와이어 같이 분말 형태가 아닌 코팅 재료를 사용할 수 있는 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 코팅 장치에서 임의의 퓸 추출 시스템의 크기를 소형으로 할 수 있는 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 차량 부품에서 코팅하고자 하는 표면에 인접하는 표면에 고체 윤활제가 불요하게 적층될 위험을 줄인 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 만족스런 양의 고체 윤활제가 코팅되어 만족스런 윤활 물성을 갖는 차량 부품을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 작동할 때에 마찰 손실이 작은 내연기관을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 동력 시스템에서 마찰 손실이 작아 연료 경제가 개선된 차량을 제공하는 것이다.
전술한 본 발명 목적들은 본 발명에 따라 다음을 포함하는 차량 부품을 코팅하는 장치에 의해 달성된다.
차량 부품을 코팅하기 위한 본 발명의 장치는,
a) 공정 가스 입구, 써멀-코팅 조성물 입구 및 배출 오리피스를 포함하는 써멀 스프레이 장치로, 상기 써멀 스프레이 장치는 스프레이 플룸의 중심축선에 대응하며, 써멀 스프레이 장치의 배출 오리피스의 중심을 관통하는 중심축선 라인에 정렬되어 있는 스프레이 라인을 따르는 스프레이 방향을 구비하는, 써멀 스프레이 장치;
b) 유동층 고체 윤활제 입구와 배출 오리피스를 포함하는 고체 윤활제 분사 장치로, 상기 고체 윤활제 분사 장치는 분사 플룸의 중심축선에 대응하며, 상기 고체 윤활제 분사 장치의 중심축선 라인에 정렬되어 있는 분사 라인을 따르는 분사 방향을 구비하는, 고체 윤활제 분사 장치; 및
c) 스프레인 라인을 따라 써멀 스프레이 장치의 배출 오리피스로부터 일정 거리만큼 이격 배치되는 표면을 구비하는, 코팅 대상이 되는 차량 부품을 포함한다.
고체 윤활제 분사 장치는, 분사 라인이 스프레이 라인과 교차점에서 교차하되, 상기 교차점은 코팅 대상 부품의 표면과 써멀 스프레이 장치의 배출 오리피스 중간에 위치하도록, 상기 고체 윤활제 분사 장치가 위치된다. 분사 라인이 스프레이 라인과 교차점에서 교차하되, 상기 교차점은 코팅 대상 부품의 표면과 써멀 스프레이 장치의 배출 오리피스 중간에 위치하도록 고체 윤활제 분사 장치가 위치됨에 따라, 고체 윤활제가 타겟 면에 실질적으로 도달하기 전에 휘발하거나 분해되지 않고, 충분한 양의 휘발성이 덜한 구성성분들이 적층된다. 이에 따라, 공정의 적층 효율을 저해시키지 않으면서도 더 많은 양의 고체 윤활제를 코팅되는 차량 부품 표면에 통합시킬 수 있다. 이는 내연기관 부품을 코팅할 때 특히 유리하다. 본 발명 장치에 의하면, 전술한 다른 목적들도 달성된다.
일 실시형태에 따르면, 고체 윤활제 분사 장치가 써멀 스프레이 장치와 별개로 되어 있다. 이렇게 함으로써, 교차점(intersection point)을 선택함에 있어 더 큰 유연성을 제공하게 되며, 이에 따라 고체 윤활제와 써멀-코팅 조성물 물성 사이의 상대적 변동을 최대로 할 수 있게 된다.
다른 실시형태에 따르면, 고체 윤활제 분사 장치가 써멀 스프레이 장치에 통합되어 있다. 이렇게 함으로써, 코팅 장치의 취급이 용이해지고, 펌프 및 가스 튜브 같은 시스템 구성품들을 통합할 수 있다.
일 특징에 의하면, 분사 라인과 스프레이 라인의 교차점이 코팅 대상 부품 표면에서부터 0.75d 미만의 거리에, 바람직하기로는 코팅 대상 부품 표면에서부터 0.5d 미만의 거리에 위치한다. 이렇게 함으로써, 상대적으로 휘발성 및/또는 분해 가능한 고체 윤활제를 사용할 수 있게 된다. 다른 특징에 따르면, 분사 라인이 분사 방향으로 스프레이 라인과 정렬되어 있고, 약 90도 내지 약 30도 사이의 교차 각도로 바람직하기로는 약 90도 내지 약 60도 사이의 교차 각도로 스프레이된다. 이렇게 함으로써, 밀도, 끓는점 및/또는 분해 온도에 있어 더 넓은 범위의 고체 윤활제를 사용할 수 있게 된다.
다른 특징에 의하면, 써멀 스프레이 장치가 플라즈마 스프레이 장치이다. 이렇게 함으로써, 차량 부품을 코팅하기 위한 기존의 공정 및 코팅 조성물과 양립될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 차량 부품을 고체 윤활제 코팅으로 써멀 스프레이 코팅하는 방법으로, 다음의 단계들을 포함하는 써멀 스프레이 코팅 방법에 의해 전술한 목적들이 달성된다.
ⅰ) 공정 가스 입구, 써멀-코팅 조성물 입구 및 배출 오리피스를 포함하는 써멀 스프레이 장치로, 상기 써멀 스프레이 장치는 스프레이 플룸의 중심축선에 대응하며, 써멀 스프레이 장치의 배출 오리피스의 중심을 관통하는 중심축선 라인에 정렬되어 있는 스프레이 라인을 따르는 스프레이 방향을 구비하는, 써멀 스프레이 장치를 제공하는 단계;
ⅱ)　 유동층 고체 윤활제 입구와 배출 오리피스를 포함하는 고체 윤활제 분사 장치로, 상기 고체 윤활제 분사 장치는 분사 플룸의 중심축선에 대응하며, 상기 고체 윤활제 분사 장치의 중심축선 라인에 정렬되어 있는 분사 라인을 따르는 분사 방향을 구비하는, 고체 윤활제 분사 장치를 제공하는 단계;
ⅲ) 코팅 대상 차량 부품을 제공하는 단계;
ⅳ) 차량 부품 표면이 스프레이 라인을 따라 써멀 스프레이 장치의 배출 오리피스로부터 거리 d만큼 이격된 지점에 위치하도록 써멀 스프레이 장치와 차량 부품을 배치하는 단계;
ⅴ) 코팅 대상 부품의 표면과 써멀 스프레이 장치의 배출 오리피스의 사이의 교차점에서 분사 라인이 스프레이 라인과 교차하도록, 고체 윤활제 분사 장치를 위치시키는 단계;
ⅵ) 공정 가스 및 써멀 코팅 조성물을 써멀 스프레이 장치에 공급하고, 써멀 스프레이 장치를 작동시켜, 코팅 대상 부품 표면을 향해 추진되는 공정 가스와 적어도 부분적으로 용융 상태의 써멀 코팅 조성물을 포함하는 코팅 스프레이 플룸을 형성하는 단계;
ⅶ) 유동층 고체 윤활제 조성물을 고체 윤활제 분사 장치에 공급하고, 고체 윤활제 분사 장치를 작동시켜 분사 방향으로 고체 윤활제 조성물을 코팅 스프레이 플룸 내로 분사하는 단계.
일 특징에 따르면, 분사 라인(L)과 스프레이 라인(S)의 교차점(P)이 코팅 대상 부품 표면에서부터 0.75d 미만의 거리에, 바람직하기로는 코팅 대상 부품 표면에서부터 0.5d 미만의 거리에 위치한다. 이렇게 함으로써, 비교적 휘발성 및/또는 분해 가능한 고체 윤활제를 사용할 수 있다.
다른 특징에 따르면, 분사 라인(L)이 분사 방향으로 스프레이 라인(S)과 정렬되어 있고, 약 90도 내지 약 30도 사이의 교차 각도(α)로 바람직하기로는 약 90도 내지 약 60도 사이의 교차 각도(α)로 스프레이된다. 이렇게 함으로써, 밀도, 끓는점 및/또는 분해 온도 측면에서 넓은 범위의 고체 윤활제를 사용할 수 있다.
다른 측면에 의하면, 써멀 스프레이 장치가 플라즈마 스프레이 장치이다. 이렇게 함으로써, 차량 부품을 코팅하는 기존의 방법 및 코팅 조성물과 호환될 수 있다.
본 발명 방법은 다음 단계를 추가로 포함할 수 있다. ⅷ) 써멀 스프레이 장치에 대한 고체 윤활제 분사 장치의 거리와 위치를 유지하면서, 써멀 스프레이 장치와 차량 부품을 서로에 대해 이동시키는 단계. 이러한 방식으로 코팅이 추가로 개선될 수 있다.
다른 특징에 따르면, 고체 윤활제 조성물이 고체 윤활제 조성물의 총 중량을 기초로 할 때, 적어도 70 중량%의 고체 윤활제를 포함한다. 고체 윤활제는 흑연, 폴리테트라플르오르에틸렌, WS2, MoS2, 육방정 질화붕소, 티탄철석, MoSe2, TiO2, TinO2n-1, WO3, MoO3, NiTiO3 같은 겹산화물, Mo0 . 075Ti0 . 025O2, β-NiMoO4 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. 이는, 코팅된 차량 부품이 월등한 윤활 특성을 구비하는 것을 보증한다.
다른 특징에 따르면, 써멀 코팅 조성물이 금속 입자들 및/또는 세라믹 입자들을 포함한다. 일 실시형태에 따르면, 금속 입자들은 스테인리스강 입자일 수 있고, 세라믹 입자들은 알루미나-지르코니아 복합재 입자일 수 있다. 이는, 코팅된 차량 부품이 월등한 내식성, 내마모 특성 및 윤활 특성을 구비할 수 있도록 한다.
일 특징에 따르면, 차량 부품은 내연기관 부품이다. 기본적으로 충분한 양의 윤활제가 내연기관의 부품들 내로 제공될 수 있으며, 본 발명 장치는 이러한 부품들에 특히 적당하다.
본 발명은 또한 전술한 방법에 따라 제작된 고체 윤활제로 코팅된 부품을 포함하는 내연기관에 관한 것이다. 그러한 내연기관은 작동 시에 마찰 손실이 감소된다.
본 발명은 또한 전술한 바와 같은 내연기관을 포함하는 차량에 관한 것이다. 그러한 차량은 연료 경제를 개선시키고 배기물을 감소시킨다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참고로 하여 다른 측면들, 목적을 그리고 이점들을 설명한다.
첨부된 도면들과 함께 아래에 기재되어 있는 상세한 설명을 읽음으로써 본 발명과, 본 발명의 다른 목적과 이점들의 이해할 수 있을 것이다. 도면들에서 동일한 도면부호는 동일한 아이템을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 차량을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 내연기관을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 측면에 따라 코팅된 차량의 대표적인 부품인 실린더 라이너를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 써멀 스프레이 장치를 대표하는 플라즈마 스프레이 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 고체 윤활제 분사 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 측면에 따른 써멀 코팅 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 측면에 따른 공정 흐름도이다.
써멀 스프레이 코팅을 위한 본 발명 장치 및 방법에 의하면, 적당한 양의 고체 윤활제를 코팅하고자 하는 면 위에 적층할 수 있으며, 이는 특히 트럭 또는 버스 같이 중대형 차량에 통합되어 있는 내연기관과 관련하여 마찰 접촉하는 차량 부품 표면에 상당히 유리하다. 이와는 다르게, 차량은 승객용 차량일 수 있다. 내연기관은 모터보트, 증기선, 페리 또는 선박, 산업용 엔진 및/또는 엔진-구동식 산업용 로봇, 발전소 예를 들어 디젤 발전기가 제공되어 있는 전기 발전소, 기관차 또는 다른 적용분야에 사용될 수 있다. 특히, 내연기관에 사용되는 부품들 예를 들어 실린더 라이너는 작동하는 중에 혹독한 상황을 겪게 된다. 연료가 연소되면 고온, 고압 및 이들 부품에 대한 부식 환경을 형성하게 된다. 이와 동시에, 왕복하는 파트들이 이동함에 따라 엔진에 마멸과 마찰 손실이 발생한다. 이에 따라 기본적으로 이들 부품에는 적당한 윤활이 제공된다.
본 발명은 이들 부품의 윤활을 개선시킨다. 고체 윤활제의 주 분사 방향이 써멀 코팅의 주 분사 방향이 써멀 스프레이 장치의 배출 오리피스와 코팅 대상 부품 표면의 중간 교차점에서 교차하도록 고체 윤활 분사 장치를 위치시킴으로써, 고체 윤활제가 타겟 면에 도달하기 전에 실질적으로 휘발하거나 분해되지 않고 휘발성이 덜한 성분이 충분하게 고체 윤활제로 적층된다. 이에 따라, 코팅 조성물을 제조하기 위해 복잡하면서도 고가의 방법을 사용할 필요 없이, 차량 부품에 고체 윤활제 코팅을 제공할 수 있게 된다. 또한, 공정의 적층 효율과 타협하지 않고서도, 차량 부품 내로 유리한 양의 고체 윤활제를 통합시킬 수 있다. 써멀 스프레이 장치 및 분사 장치에서 나오는 플룸이 코팅 대상 표면을 타격할 때, 써멀 스프레이 장치에서 나오는 스프레이 플룸과 분사 플룸이 적어도 부분적으로 일치하도록 고체 윤활제 투입 장치가 지향되는 것이 적절하다.
도 1에 차량(1)의 측면이 개략적으로 도시되어 있다. 차량(1)은 내연기관(2)을 포함한다. 내연기관(2)은 기어박스(4)에 연결되어 있다. 내연기관(2)은 오토 엔진이나 디젤 엔진 같은 왕복식 엔진이 적절하다. 기어박스(4)는 상기 기어박스(4)의 출력 샤프트와 구동 샤프트(9)를 통해 차량(1)의 구동 휠들(8)에 연결되어 있다. 도 1에 도시되어 있는 차량(1)은 트럭이다. 차량의 적어도 일부 부품들 특히 내연기관(2) 부품들은 본 출원의 장치 및 방법에 의해 코팅된다. 고체 윤활제가 코팅된 차량(1) 부품들 특히 내연기관(2) 부품들을 사용함으로써 연료 효율을 개선하고 배기를 감소시킨다.
도 2는 내연기관(2)의 일 예시를 개략적으로 도시하고 있다. 내연기관(2)은 복수의 실린더들(3)을 구비하고 있다. 본 경우에는 6개의 실린더가 직선 형태로 배치되어 있는데, 도면에는 하나의 실린더만이 지시되어 있다. 각 실린더(3)는 연료 시스템(5)에 그리고 신선 공기 흡입 시스템(도시되어 있지 않음)에 그리고 배기가스 매니폴드(7)를 통해 배기가스 시스템(6)에 유체적으로 연결되어 있다. 실린더(3)에는 회주철을 포함하는 실린더 라이너(32)로 라이닝되어 있다. 라이너(30)의 내면(31)에는 본 발명 방법에 의해 코팅(32)이 제공되어 있다. 인터-부품 마찰이 이슈가 되는 차량 내 임의의 다른 주된 부품들이 본 발명에 따라 코팅될 수 있다. 특히, 부품들이 통상적인 액체 윤활 시스템에 의해 불량하게 윤활되는 경우, 그렇게 코팅된 부품들을 사용함으로써 차량 내에서 마찰 손실이 감소된다.
도 3은 내연기관에 사용하기 위한, 라이너(30)를 구비하는 실린더(3)를 개략적으로 도시하고 있다. 이 부품은 본 발명 장치와 방법을 사용하여 코팅될 수 있는 대표적인 부품이다. 그러나, 전술한 바와 같이, 인터-부품 마찰이 이슈가 되는 다른 주된 차량 내 부품이 본 발명에 따라 코팅될 수 있다. 그러한 부품들은 예를 들어 트랜스미션 부품, 동기화 링, 클러치 디스크, 기어쉬프트 포크, 피스톤, 피스톤 링, 베어링, 볼 조인트, 기어휠, 크랭크 핀 및 크랭크샤프트를 포함한다. 그렇지만 다른 부품들도 코팅될 수 있음은 물론이다.
코팅 입자들의 부품 표면에의 접합성을 개선하기 위해, 코팅하기 전에, 부품 표면이 세척되고 거칠게 가공되는 것이 적절하다. 세척 및 러프닝은 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지되어 있는 방법으로 수행된다.
본 발명은 다양한 써멀 스프레이 기법에 적용될 수 있다. 기법들은 그 중에서도 써멀-코팅 조성물 유입구 위치, 써멀-코팅 조성물 공급의 본질, 공정 가스의 조성성분, 공정 가스 가열 방법, 얻어지는 스프레이 플룸의 온도 및 스프레이 플룸 내 코팅 입자들 속도가 다를 수 있다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지의 써멀 스프레이 기법들은 대기압 플라즈마 스프레이, 고속 옥시-연료(HVOF) 액체 연료 스프레이, HVOF 가스 연료 스프레이, 전기 아크 와이어 스프레이, 연소 와이어 스프레이, 연소 분말 스프레이 및 제어식 대기압 플라즈마 스프레이를 포함한다.
도 4는 써멀 스프레이 장치를 대표하는 플라즈마 스프레이 장치(10)를 도시하고 있다. 써멀 스프레이 장치(10)는 일반적으로 적어도 하나의 공정 가스 유입구(11), 써멀 코팅 조성물 유입구(12) 및 배출 오리피스(13)를 포함한다. 둘 이상의 유입구가 존재할 수 있으며 또는 유입구가 배출 오리피스(13)를 둘러쌀 수 있다. 공정 가스가 써멀 스프레이 장치(10)에 공급되며, 아래에 설명되어 있는 바와 같이 가열된다. 이와 동시에, 써멀-코팅 조성물이 써멀 스프레이 장치(10)에 공급되며, 아래에 설명되어 있는 바와 같이 가열된다.
써멀 코팅 조성물은 가장 일반적으로 분말로 써멀 스프레이 장치에 공급되지만, 와이어(연소 와이어 스프레이)로 공급될 수도 있다. 써멀 코팅 조성물이 분말로 공급되는 경우, 질소 또는 아르곤 같은 캐리어 가스가 공급을 보조하는 데에 사용될 수 있다. 사용되는 기법에 따라, 써멀 코팅 조성물은 가열되기 전이나 가열된 후에, 장치의 내부에서 또는 배출 오리피스에 바로 인접한 공간에서 공정 가스와 혼합될 수 있다.
공정 가스와 써멀-코팅 조성물의 가열 방식은 사용되는 써멀 스프레이 기법에 따라 다르다. 대부분의 기법에서, 공정 가스가 먼저 가열되고, 그런 다음 이 열이 써멀-코팅 조성물로 전달되어, 써멀-코팅 조성물의 적어도 일부를 용융시킨다. 공정 가스가 연료/산화제(oxidant) 블렌드인 경우, 연소에 의해 가열된다. 써멀 스프레이 코팅에 적용되는 공지의 연료는 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 수소, 천연가스 및 등유를 포함한다. 공지의 산화제는 산소와 공기를 포함한다. 공정 가스는 플라즈마를 형성하는 공정 가스의 이온화에 의해 가열될 수도 있다. 공정 가스는 전기 아크 와이어 스프레이에서 가열된 써멀 코팅 조성물과 접촉함에 따라 간접적으로 가열될 수도 있다.
다양한 써멀 스프레이 기법들을 간단한 개요를 설명한다.
연소 와이어 스프레이 공정에서, 와이어로 형성된 써멀 코팅 조성물이 스프레이 장치를 통해 중앙에서 써멀 코팅 조성물이 용융되는 산소-연소 화염 속으로 공급된다. 용융된 재료는 압축 공기를 공급함으로써 분무화 되어 기판 표면을 향한다.
연소 분말 스프레이 공정은 연소 와이어 공정과 유사하다. 그러나 써멀-코팅 조성물 공급은 좀 더 넓은 범위의 써멀-코팅 조성물을 의미하는 분말이 사용될 수 있다. 이는 모든 재료들이 와이어 형상으로 제조될 수 없기 때문이다.
전기 아크 와이어 스프레이에서, 아크가 형성된다. 와이어로 형성된 2개의 서로 다른 전하로 하전된 써멀 코팅 조성물 공급이 서로 접촉하여 아크가 발생하고, 이에 따라 접촉 지점에서 용해된다. 그런 다음 압축 공기가 용융된 와이어 재료를 분무화 한 후 기판을 향하게 한다.
HVOF 스프레이에서, 액체 또는 기체 연료가 산소로 연소됨에 의해 가스와 써멀 코팅 조성물의 초음속 제트가 형성된다. 기판 상에서의 코팅 입자 충격 속도는 통상적인 화염 스프레이에 비해 상당히 크기 때문에, 코팅 특성이 개선된다.
써멀 스프레이 장치는 플라즈마 스프레이 장치인 것이 바람직하다.
도 4를 참조하면, 플라즈마 스프레이는 하나 또는 그 이상의 음극(14)(전극)과 양극(15)(노즐)을 구비하는 챔버를 활용한다. 공정 가스가 챔버를 관통하여 유동함에 따라, 직류 전원이 음극(14)에 인가되어 양극(15)에 아크를 발생시킨다. 이 아크가 가스 분자를 이온화시켜 플라즈마 플룸을 형성한다. 불안정한 플라즈마 이온들이 재결합하여 다시 가스 상태로 돌아가기 때문에, 다량의 써멀 에너지가 방출된다.
써멀-코팅 조성물이 통상적으로 질소 또는 아르곤인 캐리어 가스에 의해 공정 가스 플룸 내로 공급된다. 써멀-코팅 조성물 유입구(12)는 배출 노즐 내에 통합되어 있거나 배출 오리피스(13) 바로 근방 외부에 위치한다. 써멀-코팅 조성물은 적어도 일부분이 용용되어 있으며 타겟 기판을 향해 추진되는 공정 가스 플룸에 동반되어 코팅을 형성한다.
일반적으로 사용되는 공정 가스들은 아르곤, 수소, 질소 및 헬륨이며, 이들 가스들이 개별적으로 사용되거나 둘 또는 심지어 세 개의 가스들의 혼합물 형태로 사용된다. 전극에 인가되는 전류와 함께 조합되어 사용되는 가스는 생성되는 에너지 양을 조절한다. 가스 유동과 인가된 전류는 정밀하게 조절될 수 있기 때문에, 재현가능하고 예측가능한 코팅 결과물이 얻어질 수 있게 된다.
플라즈마 스프레이 공정은 대기압 플라즈마 스프레이(APS: Atmospheric plasma spraying)로 명칭되는 개방된 대기압에서 또는 진공상태(VPS) 또는 저압(LPPS) 같이 조절된 대기압에서 실시될 수 있다. 조절된 대기압 공정은 코팅 입자들이 덜 산화되게 되며, 이에 따라 고품질의 코팅이 얻어지지만 상당히 고가로 된다.
또한, 노즐의 형상과 구멍 크기, 코팅 재료가 플룸 내로 투입되는 지점과 각도, 건에서 타겟 면까지의 거리도 조절된다. 이러한 조절은 재현가능한 파라미터를 개발하는 데에 고정도의 유연성을 제공한다.
써멀 스프레이 플룸 내의 온도는 복수의 인자들에 따라 달라지는데, 그 중에서도 주로 사용되는 써멀 스프레이 기법에 따라 달라진다. 플룸 온도는 HVOF 스프레이의 경우 약 2600℃에서 플라즈마 스프레이의 경우 약 12000-16000℃ 범위일 수 있다. 코팅 입자들은 단일 음극 플라즈마 스프레이의 경우 약 1200℃에서 2700℃ 사이의 온도를 달성한다. 이는 대부분의 공통된 고체 윤활제의 증기화 및/또는 분해 온도를 상당히 상회하는 온도이다.
코팅할 부품의 온도는 장치 내 여러 파라미터들 예컨대 플라즈마 건에서부터 부품까지의 거리와 장치의 다양한 부분의 상대 운동을 사용하여 조절함으로써 제어될 수 있다. 기판 위에 집속되는 냉기 제트도 사용될 수 있다. 이들 기법들에 의해, 기판의 온도는 약 40℃ 내지 약 260℃ 사이 범위의 온도로 조절되어 유지될 수 있다.
관련 업계에서 공지되어 있는 어떠한 써멀-코팅 조성물도 사용될 수 있다. 적당한 써멀-코팅 조성물은 코팅될 부품에 대해 요구되는 물성에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 열적, 마모 및 부식 물성을 개선시킬 수 있다. 순 금속, 합금, 복합재, 탄화물, 세라믹 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 써멀-코팅 조성물은 통상 입자 크기가 바람직하기로는 10-100㎛인 분말 형태로 제공된다. 그러나 예를 들어 금속 와이어인 와이어 형태의 써멀-코팅 조성물도 본 발명에 사용될 수 있다.
바람직한 써멀-코팅 조성물은 Oerlikon Metco에서 나오는 SUMEBore F2071이다. 이 코팅은 0.4-0.5중량% C, 0.4-0.8중량% Mn, 12-14중량% Cr, 2.0-3.0중량% Mo 및 잔부는 Fe과 35중량%의 알루미나-지르코니아 복합재를 포함하는 강으로 구성되어 있다. 이 금속 입자들의 직경은 약 5㎛ 내지 약 45㎛이다. 세라믹 복합재 입자들의 직경은 약 5㎛ 내지 약 38㎛이다.
고체 윤활제 조성물은 써멀 스프레이 장치의 출구 오리피스의 하류 위치에서 코팅 스프레이 플룸 내로 투입되어, 고체 윤활제 입자들이 노출되는 최대 온도를 감소시키고 입자들이 플룸 온도에 노출되는 체류 시간을 감소시키는 것으로 의도된다.
고체 윤활체 조성물 내에 포함되기에 적당한 고체 윤활제는 흑연, 폴리테트라플르오르에틸렌(PTFE), WS2, MoS2, 육방정 질화붕소, 티탄철석(FeTiO3), MoSe2, TiO2, TinO2n -1, WO3, MoO3, NiTiO3 같은 겹산화물, Mo0 . 075Ti0 . 025O2, β-NiMoO4 또는 나열된 고체 윤활체들의 하나 또는 복수의 혼합물을 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 동일한 물성의 다른 고체 윤활제들도 사용될 수 있다. 고체 윤활제 조성물에 포함될 수 있는 윤활제들의 선택은 적용되는 분야와 코팅할 부품들의 작동 조건에 의해 결정된다.
일 예시로, 본 발명의 장치와 방법에 사용될 수 있는 일부 공통의 고체 윤활체에 사용하기 위한 일부 용융, 증발 및/또는 분해 온도를 아래에 나열하였다. 예를 들면, 흑연은 대기압에서 약 450℃에서 증발한다. PTFE는 327℃에서 용융되고, WS2는 대기압에서는 594℃에서 분해되고, 진공에서는 1250℃에서 분해된다. MO2는 대기압에서는 316℃에서 분해되고, 진공에서는 1185℃에서 분해되며, 육방정 BN은 대리압에서 1000℃에서 분해된다. MoSe2의 용융점은 적어도 1150℃이지만 대기압에서 400℃에서 분해된다. 티탄철석의 용융점은 1370℃이다. TinO2n -1(매그넬리 상)의 용융점은 1667-1869℃이다. WO3의 용융점은 1473℃이다. MoO3의 용융점은 801℃이다.
고체 윤활제의 입자 크기는 자유로이 선택할 수 있지만, 코팅에 사용되는 금속 분말의 크기와 동일한 영역 내에 있는 것이 바람직하며, 일반적으로 약 10 내지 100㎛이다.
고체 윤활제 조성물은 최종 코팅 층에 통합되는 소량의 다른 성분들도 포함할 수 있다. 특히 일반적으로 써멀-코팅 조성물 내에 포함되기에는 적당하지 않은 성분들 즉 플룸 내의 온도에서 휘발하거나 분해되는 성분들을 소량 포함할 수도 있다. 이러한 성분들은 고체 윤활제 조성물의 총 중량의 최대 30 중량%를 포함할 수 있다. 이 양은 20 중량% 미만인 것이 적당하고, 바람직하기로는 10 중량% 미만이며 가장 바람직하기로는 5 중량% 미만이다. 일 측면에 따르면, 고체 윤활제 조성물에는 다른 성분이 없거나 실질적으로 없다. 그 결과, 고체 윤활제 조성물은 그 고체 윤활제 조성물의 총 중량에 기초하여 70-100 중량%의 고체 윤활제를 포함한다. 이에 의해 유리하면서도 적당한 양의 고체 윤활제가 코팅 대상 표면 위에 적층될 수 있게 된다. 고체 윤활제 양이 많을수록 적층되는 양이 많아지고 이에 따라 고체 윤활제 조성물은 95-100 중량%의 고체 윤활제를 포함하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 장치 또는 방법에 사용될 수 있는 고체 윤활제 분사 장치(20)의 일 예를 개략적으로 도시하고 있다. 고체 윤활제 분사 장치(20)는 유동층 고체 윤활제 입구(21)와 출구 오리피스(23)를 포함한다. 고체 윤활제 조성물과 캐리어 가스를 포함하는 유동층 고체 윤활제 조성물이 동 업계에 주지되어 있는 분말 피더 예컨대 중력식 또는 회전식 디스크 분말 피더로부터 고체 윤활제 분사 장치(20)로 공급된다. 캐리어 가스는 일반적으로 질소 또는 아르곤이다. 고체 윤활제 분사 장치(20)는 고정물, 지그, 스캐폴드 또는 붐 암과 같이 동 업계에서 주지되어 있는 임의의 수단을 사용하여 써멀 스프레이 장치(10)에 대해 상대적인 위치에 유지되게 배치된다. 고체 윤활제 분사 장치(20)는 동 업계에 주지되어 있는 분말 피드 재료용의 전형적인 입구와 유사한 구조를 가질 수 있다. 고체 윤활제 분사 장치(20)는 써멀 스프레이 장치(10)와는 완전히 별개의 장치로 구성되거나 써멸 스프레이 장치(10)의 일부와 완전히 통합되어 구성될 수 있다. 예를 들면, 고체 윤활제 분사 장치(20)는 써멀 스프레이 장치(10)와 캐리어 가스 소스 또는 분말 피더를 공유할 수 있다. 고체 윤활제 분사 장치(20)는 써멀 스프레이 장치(10)에 직접 또는 간접 부착장치에 의해 써멀 스프레이 장치(10)에 대한 위치에 유지될 수도 있다. 모든 경우에서, 고체 윤활제 분사 장치(20)는 써멀 스프레이 장치(10) 및 그에 대응되는 써멀-코팅 조성물 입구(12)와는 독립적으로 병진 및 회전에 의해 위치될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 코팅 장치의 일 예시를 도시하고 있다. 이 장치는 써멀 스프레이 장치(10), 고체 윤활제 분사 장치(20) 및 코팅 대상이 되는 차량 부품(30)을 포함한다.
써멀 스프레이 장치(10)는 공정 가스 입구(11)를 포함한다. 공정 가스 입구(11)를 통해 일반적으로 질소 또는 아르곤인 캐리어 가스가 장치로 공급된다. 써멀 스프레이 장치(10)는 써멀-코팅 조성물 입구(12)도 포함한다. 써멀-코팅 조성물 입구(12)를 통해 써멀-코팅 조성물이 써멀 스프레이 장치(10)로 공급된다. 써멀 스프레이 장치(10)는 장치의 배출 단부에 배출 오리피스(13)를 포함한다. 배출 오리피스(13)를 통해 고온의 공정 가스가 공급된다. 써멀 스프레이 장치(10)는 스프레이 플룸(16)의 중심축선에 상응하는 스프레인 라인(S)을 따르는 스프레이 방향을 구비한다. 이러한 방식으로, 스프레이 플룸이 메인 방향을 구비하는 것을 의미하는, 1차 스프레이 방향이 정의된다. 또한, 스프레이 라인(S)은 써멀 스프레이 장치(10)의 중심축선 라인(C)에 정렬되어 있다. 중심축선 라인(C)은 배출 오리피스의 중심을 관통한다. 중심은 써멀 스프레이 장치(10)의 중심축선과 직교하는 평면에서 배출 오리피스의 중앙 지점을 의미한다.
고체 윤활제 분사 장치(20)는 유동층 고체 윤활제 입구(21)를 포함한다. 유동층 고체 윤활제 입구(21)를 통해 고체 윤활제가 고체 윤활제 분사 장치(20)로 공급된다. 고체 윤활제 분사 장치(20)는 배출 오리피스(23)도 추가로 포함한다. 배출 오리피스(23)를 통해 고체 윤활제가 분사된다. 고체 윤활제 분사 장치(20)는 분사 플룸(24)의 중심축선에 상당하는 분사 라인(L)을 따르는 분사 방향을 구비한다. 분사 라인(L)은 고체 윤활제 분사 장치(20)의 중심축선 라인(Cl)과 정렬되어 있다. 써멀 스프레이 장치(10)와 관련하여, 축심축선 라인(Cl)이 배출 오리피스(24)의 중심을 관통하는 것이 바람직하다. 중심은 고체 윤활제 분사 장치(20)의 중심축선(Cl)과 직교하는 평면에서 배출 오리피스(24)의 중앙 지점을 의미한다.
코팅 대상이 되는 차량 부품(30)은 스프레이 라인(S)을 따라 써멀 스프레이 장치(10)의 배출 오리피스(13)로부터 거리 d만큼 떨어져서 배치된다. 고체 윤활제 분사 장치(20)는, 분사 라인(L)이 교차점(P)에서 스프레이 라인(S)과 교차하도록 써멀 스프레이 장치(10)에 대한 상대 위치에 배치된다. 교차점(P)은 코팅 대상 부품의 표면(31)과 써멀 스프레이 장치(10)의 배출 오리피스(13)의 사이에 있다. 스프레이 라인들(S, L)이 고체 윤활제 분사 장치(20)를 코팅 대상 부품의 표면(31)을 향해 측면으로 병진시키거나(화살표 t) 또는 예각의 교차 각도(α)로 고체 윤활제 분사 장치(20)를 회전시키거나(화살표 r) 또는 이들 둘을 조합하여, 스프레이 라인들(S, L)이 교차할 수 있도록 고체 윤활제 분사 장치(20)를 배향시키고 위치시킨다. 고체 윤활제 분사 장치(20)는, 고체 윤활제 분사 장치(20)로부터의 스프레이 플룸(16)과 분사 플룸(24)이 코팅 대상 부품의 표면(31)과 충돌할 때, 이들 플룸들의 적어도 일부가 일치하게 배향되는 것이 적당하다.
이에 따라, 고체 윤활제 조성물의 증발 및/또는 분해를 줄이기 위해, 고체 윤활제 조성물이 코팅 대상 부품의 표면(31)과 써멀 스프레이 장치(10)의 배출 오리피스(13)의 사이의 위치에서 코팅 스프레이 플룸 내로 분사된다. 즉, 써멀 스프레이 장치(10)의 배출 오리피스(13) 하류에 분사된다. 이는 고체 윤활제 조성물이 순순한 플라즈마 플룸과 직접적으로 접촉하지 않는다는 것을 의미한다. 순순한 플라즈마 플룸은, 음극에 직류가 인가되는 써멀 스프레이 장치에 의해 얻어진다. 직류가 인가된 음극은 공정 가스가 챔버를 관통하여 유동하는 중에 양극에 아크를 발생시킨다. 아크는 가스 분자들을 이온화시켜 플라즈마 플룸을 형성한다.
캐리어 가스에 의해 공정 가스 플룸 내로 공급되는 써멀 코팅 조성물과는 달리, 고체 윤활제 조성물은 써멀 스프레이 장치를 우회하게 배치되어 있다. 이에 따라 고체 윤활제 조성물은 써멀 코팅 조성물을 이미 포함하고 있는 가스 플룸으로 분사된다. 고체 윤활제 조성물이 써멀 스프레이 장치의 배출 오리피스와 코팅 대상 부품의 표면 사이의 위치에서 코팅 스프레이 플룸 내로 분사되기 때문에, 코팅 스프레이 플룸의 온도는 가장 흔한 고체 윤활제의 증발 및/또는 분해 온도에 근겁하거나 그보다 낮다. 또한, 고체 윤활제가 코팅 스프레이 플룸과 접촉하는 기간이 감소되기 때문에, 고체 윤활제가 코팅 조성물과 동시에 고온의 공정 가스에 공급되는 상황에 비해 윤활제가 덜 증발 및/또는 분해된다.
여러 인자들에 따라 써멀 스프레이 장치(10)에 대해 고체 윤활제 분사 장치(20)를 병진 및/또는 회전시켜 최적으로 교차점(P)과 교차 각도(α)를 얻을 수 있다. 여러 인자들은 고체 윤활제 입자의 코팅 입자들에 대비한 상대 밀도, 공정 가스 유동 속도, 고체 윤활제 입자들의 분사 속도 및 플룸 온도 프로파일과 고체 윤활제의 열적 특성(용융 온도, 끓는 온도 및 분해 온도)을 포함한다.
써멀-코팅 조성물과 고체 윤활제 조성물의 지정된 임의의 조합에서 만족스러운 교차점(P)과 교차 각도(α) 값은 실험적으로 또는 컴퓨터 연산을 통한 유체 역학에 의해 결정될 수 있다. 일반적으로 교차점(P)은 코팅 대상 부품의 표면에서부터 오리피스(13)를 향해 측정하였을 때, 코팅 대상 부품(30)의 표면(31)으로부터 0.75d 이격되어야 하며, 바람직하기로는 0.5d 미만이다. 일부 경우에서, 교차점(P)은 표면(31)에 바로 인접할 수 있다. 교차 각도(α)는 일반적으로 최대 또는 90도 미만에서 약 30도가 바람직하고, 바람직하기로는 약 90도 내지 약 60도이다. 여기서, 분사 라인(L)은 분사 방향으로 스프레이 라인(S)에 대해 정렬되어 있다.
고체 윤활제가 통상적인 써멀 스프레이 공정을 사용하여 써멀-코팅 조성물의 일 구성성분으로 적용되는 경우에 비해, 만족스런 값들은 균일한 고품질의 코팅 표면을 제공하는 동시에 고체 윤활제의 적층 효율을 증가시킨다.
일단 만족스런 파라미터들이 확립되면, 코팅 공정이 수행될 수 있다. 코팅 공정의 여러 단계들을 보여주는 공정도가 도 7에 도시되어 있다.
코팅 공정은 다음 단계들을 포함한다.
ⅰ) 전술한 바와 같은 써멀 스프레이 장치(10)를 제공하는 단계;
ⅱ) 전술한 바와 같은 고체 윤활제 분사 장치(20)를 제공하는 단계;
ⅲ) 전술한 바와 같은 코팅 대상 차량 부품(30)을 제공하는 단계;
ⅳ) 차량 부품(30)의 표면(31)이 스프레이 라인(S)을 따라 써멀 스프레이 장치(10)의 배출 오리피스(13)로부터 거리 d만큼 이격된 지점에 위치하도록 써멀 스프레이 장치(10)와 차량 부품(30)을 배치하는 단계;
ⅴ) 코팅 대상 부품의 표면(31)과 써멀 스프레이 장치의 배출 오리피스(13)의 사이의 교차점(P)에서 분사 라인(L)이 스프레이 라인(S)과 교차하도록, 고체 윤활제 분사 장치(20)를 위치시키는 단계;
방법 단계 ⅴ)까지의 방법 단계들이 전술한 바와 같이 코팅 장치를 형성하게 된다. 단계들이 수행되는 순서는 본질적인 것이 아니며, 통상의 기술자라면 다양한 변형을 할 수 있다. 예를 들면, 단계 ⅴ)가 단계 ⅲ)과 단계 ⅳ) 전에 수행될 수 있다. 복수의 단계들이 동시에 수행될 수도 있다.
코팅 공정은 다음 단계를 계속해서 수행한다.
ⅵ) 공정 가스 및 써멀 코팅 조성물을 써멀 스프레이 장치(10)에 공급하고, 써멀 스프레이 장치(10)를 작동시켜, 코팅 대상 부품의 표면(31)을 향해 추진되는 공정 가스와 적어도 부분적으로 용융 상태의 써멀 코팅 조성물을 포함하는 코팅 스프레이 플룸(16)을 형성하는 단계;
ⅶ) 유동층 고체 윤활제 조성물을 고체 윤활제 분사 장치(20)에 공급하고, 고체 윤활제 분사 장치(20)를 작동시켜 분사 방향(L)으로 고체 윤활제 조성물을 코팅 스프레이 플룸(16) 내로 분사하는 단계.
다시, 단계들의 정확한 순서는 본질적이지 않으며, 유리하기로는 동시에 수행될 수도 있다.
코팅 대상 부품 표면의 면적에 따라서는, 다음 단계를 추가로 필요로 할 수 있다.
ⅷ) 써멀 스프레이 장치(10)에 대한 고체 윤활제 분사 장치(20)의 거리(d)와 위치를 유지하면서, 써멀 스프레이 장치(10)와 차량 부품(30)을 서로에 대해 이동시키는 단계.
이 단계는, 써멀 스프레이 장치(10)의 충돌 면적을 초과하는 면적의 표면을 코팅할 수 있도록 한다. 써멀 스프레이 장치(10)와 고체 윤활제 분사 장치(20)를 정지되어 있는 코팅 대상 부품(30)에 대해 이동시킴으로써, 상대 이동될 수 있다. 또는, 써멀 스프레이 장치(10)와 고체 윤활제 분사 장치(20)가 정지된 상태로 유지되어 있고, 예를 들어 지그, 턴테이블 또는 로봇 암으로 부품(30)을 이동시킬 수 있다.
적당한 교차점(P)과 교차 각도(α)를 사용함으로써, 고체 윤활제가 플라즈마 플룸에 노출되는 최대 온도가 감소된다. 또한, 플라즈마 플룸 내에서 고체 윤활제 입자들이 체류하는 시간이 줄어든다. 이에 따라, 적당한 파라미터를 선택함으로써, 써멀 코팅 조성물에 대한 최적의 조건이 유지되면서도, 고체 윤활제의 증발 및 분해가 방지될 수 있다.
위 공정으로 코팅되는 차량 부품(30)은, 종래의 써멀 스프레이 공정으로 고체 윤활제가 써멀 코팅 조성물의 일 구성성분으로 공급되는 경우에 비해, 많은 양의 고체 윤활제가 통합된, 균일한 고품질의 코팅 표면(31)을 구비하게 된다.
전술한 방법으로 제조되는 코팅은 써멀 코팅 조성물 성분과 고체 윤활제 조성물 성분들을 포함한다. 코팅은 예를 들면 고체 윤활제와 함께 금속 및/또는 세라믹을 재료를 포함할 수 있다. 전술한 공정에 의해 제작되는 코팅 내에 존재하는 고체 윤활제의 양은 코팅 대상이 되는 각 부품에 대해 요구되는 바와 따라 선택될 수 있지만, 최종 코팅의 약 5중량% 내지 약 70중량%인 것이 적당하다. 제조되는 코팅 두께는 코팅 대상이 되는 각 부품에 대해 요구되는 바와 따라 선택될 수 있지만, 약 0.05mm 내지 약 5mm가 적당하다.
전술한 구성과 구성요소들은 첨부된 특허청구범위에 규정되어 있는 본 발명의 범위에 속할 수 있으며, 다양한 실시형태들 사이에 있는 구성과 구성요소들은 조합될 수 있다.

Claims (15)

  1. 차량 부품(30)을 코팅하기 위한 장치(40)로, 상기 장치는,
    a) 공정 가스 입구(11), 써멀-코팅 조성물 입구(12) 및 배출 오리피스(13)를 포함하는 써멀 스프레이 장치(10)로, 상기 써멀 스프레이 장치(10)는 스프레이 플룸(16)의 중심축선에 대응하며, 써멀 스프레이 장치(10)의 배출 오리피스(13)의 중심을 관통하는 중심축선 라인(C)에 정렬되어 있는 스프레이 라인(S)을 따르는 스프레이 방향을 구비하는, 써멀 스프레이 장치(10);
    b) 유동층 고체 윤활제 입구(21)와 배출 오리피스(23)를 포함하는 고체 윤활제 분사 장치(20)로, 상기 고체 윤활제 분사 장치(20)는 분사 플룸(24)의 중심축선에 대응하며, 상기 고체 윤활제 분사 장치(20)의 중심축선 라인(Cl)에 정렬되어 있는 분사 라인(L)을 따르는 분사 방향을 구비하는, 고체 윤활제 분사 장치(20); 및
    c) 스프레인 라인(S)을 따라 써멀 스프레이 장치(10)의 배출 오리피스(13)로부터 일정 거리(d)만큼 이격 배치되는 표면(31)을 구비하는, 코팅 대상이 되는 차량 부품(30)을 포함하며,
    분사 라인(L)이 스프레이 라인(S)과 교차점(P)에서 교차하되, 상기 교차점은 코팅 대상 부품(30)의 표면(31)과 써멀 스프레이 장치(10)의 배출 오리피스(13) 중간에 위치하도록, 상기 고체 윤활제 분사 장치(20)가 위치되는 것을 특징으로 하는 차량 부품 코팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    고체 윤활제 분사 장치(20)가 써멀 스프레이 장치(10)와 별개로 되어 있는 것을 특징으로 하는 차량 부품 코팅 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    고체 윤활제 분사 장치(20)가 써멀 스프레이 장치(10)에 통합되어 있는 것을 특징으로 하는 차량 부품 코팅 장치.
  4. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    분사 라인(L)과 스프레이 라인(S)의 교차점(P)이 코팅 대상 부품(30)의 표면(31)에서부터 0.75d 미만의 거리에, 바람직하기로는 코팅 대상 부품(30)의 표면(31)에서부터 0.5d 미만의 거리에 위치하는 것을 특징으로 하는 차량 부품 코팅 장치.
  5. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    분사 라인(L)이 분사 방향으로 스프레이 라인(S)과 정렬되어 있고, 약 90도 내지 약 30도 사이의 교차 각도(α)로 바람직하기로는 약 90도 내지 약 60도 사이의 교차 각도(α)로 스프레이되는 것을 특징으로 하는 차량 부품 코팅 장치.
  6. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    써멀 스프레이 장치(10)가 플라즈마 스프레이 장치인 것을 특징으로 하는 차량 부품 코팅 장치.
  7. 차량 부품(30)을 고체 윤활제 코팅으로 써멀 스프레이 코팅하는 방법으로, 다음의 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 써멀 스프레이 코팅 방법.
    ⅰ) 공정 가스 입구(11), 써멀-코팅 조성물 입구(12) 및 배출 오리피스(13)를 포함하는 써멀 스프레이 장치(10)로, 상기 써멀 스프레이 장치(10)는 스프레이 플룸(16)의 중심축선에 대응하며, 써멀 스프레이 장치(10)의 배출 오리피스(13)의 중심을 관통하는 중심축선 라인(C)에 정렬되어 있는 스프레이 라인(S)을 따르는 스프레이 방향을 구비하는, 써멀 스프레이 장치(10)를 제공하는 단계;
    ⅱ)　 유동층 고체 윤활제 입구(21)와 배출 오리피스(23)를 포함하는 고체 윤활제 분사 장치(20)로, 상기 고체 윤활제 분사 장치(20)는 분사 플룸(24)의 중심축선에 대응하며, 상기 고체 윤활제 분사 장치(20)의 중심축선 라인(Cl)에 정렬되어 있는 분사 라인(L)을 따르는 분사 방향을 구비하는, 고체 윤활제 분사 장치(20)를 제공하는 단계;
    ⅲ) 코팅 대상 차량 부품(30)을 제공하는 단계;
    ⅳ) 차량 부품(30)의 표면(31)이 스프레이 라인(S)을 따라 써멀 스프레이 장치(10)의 배출 오리피스(13)로부터 거리 d만큼 이격된 지점에 위치하도록 써멀 스프레이 장치(10)와 차량 부품(30)을 배치하는 단계;
    ⅴ) 코팅 대상 부품의 표면(31)과 써멀 스프레이 장치의 배출 오리피스(13)의 사이의 교차점(P)에서 분사 라인(L)이 스프레이 라인(S)과 교차하도록, 고체 윤활제 분사 장치(20)를 위치시키는 단계;
    ⅵ) 공정 가스 및 써멀 코팅 조성물을 써멀 스프레이 장치(10)에 공급하고, 써멀 스프레이 장치(10)를 작동시켜, 코팅 대상 부품의 표면(31)을 향해 추진되는 공정 가스와 적어도 부분적으로 용융 상태의 써멀 코팅 조성물을 포함하는 코팅 스프레이 플룸(16)을 형성하는 단계;
    ⅶ) 유동층 고체 윤활제 조성물을 고체 윤활제 분사 장치(20)에 공급하고, 고체 윤활제 분사 장치(20)를 작동시켜 분사 방향(L)으로 고체 윤활제 조성물을 코팅 스프레이 플룸(16) 내로 분사하는 단계.
  8. 제7항에 있어서,
    분사 라인(L)과 스프레이 라인(S)의 교차점(P)이 코팅 대상 부품(30)의 표면(31)에서부터 0.75d 미만의 거리에, 바람직하기로는 코팅 대상 부품(30)의 표면(31)에서부터 0.5d 미만의 거리에 위치하는 것을 특징으로 하는 써멀 스프레이 코팅 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    분사 라인(L)이 분사 방향으로 스프레이 라인(S)과 정렬되어 있고, 약 90도 내지 약 30도 사이의 교차 각도(α)로 바람직하기로는 약 90도 내지 약 60도 사이의 교차 각도(α)로 스프레이되는 것을 특징으로 하는 써멀 스프레이 코팅 방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 써멀 스프레이 코팅 방법.
    ⅷ) 써멀 스프레이 장치(10)에 대한 고체 윤활제 분사 장치(20)의 거리(d)와 위치를 유지하면서, 써멀 스프레이 장치(10)와 차량 부품(30)을 서로에 대해 이동시키는 단계.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    고체 윤활제 조성물이 고체 윤활제 조성물의 총 중량을 기초로 할 때, 적어도 70 중량%의 고체 윤활제를 포함하는 것을 특징으로 하는 써멀 스프레이 코팅 방법.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    고체 윤활제가 흑연, 폴리테트라플르오르에틸렌, WS2, MoS2, 육방정 질화붕소, 티탄철석, MoSe2, TiO2, TinO2n -1, WO3, MoO3, NiTiO3 같은 겹산화물, Mo0.075Ti0.025O2, β-NiMoO4 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 써멀 스프레이 코팅 방법.
  13. 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    써멀 코팅 조성물이 금속 입자들 및/또는 세라믹 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 써멀 스프레이 코팅 방법.
  14. 제7항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 고체 윤활제 코팅 부품을 포함하는 내연기관(60).
  15. 제14항에 따른 내연기관을 포함하는 차량(70).
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