KR20190029808A - 코팅액 및 이를 이용한 자동차 드라이브 샤프트용 와셔 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 코팅액은, 중량%로, 폴리아미드이미드(PAI): 5~15%, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE): 5~15%, 불소계 실란: 0.5~1.5%, 세라믹 입자: 1~5%, 잔부 유기용매를 포함한다.
Description
본 발명은 코팅액 및 이를 이용한 자동차 드라이브 샤프트용 와셔에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 내구성 및 내부식성을 나타낼 수 있는 코팅액 및 이를 이용한 자동차 드라이브 샤프트용 와셔에 관한 것이다.
자동차는 엔진에서 발생된 동력을 바퀴로 전달하기 위한 구동계를 가지고 있다. 구동계의 말단에는 휠과 결합되는 허브가 설치되어 있고, 이 허브는 드라이브 샤프트와 결합되어 일체로 회전하게 된다.
이러한 구동계의 말단 모습이 도 1에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 드라이브 샤프트(10)는 허브(20)에 삽입되어 일체로 회전하고, 이 허브(20)는 차체에 연결된 너클(50)과 허브 베어링(30)을 매개로 연결된다.
이때, 드라이브 샤프트(10)와 연결된 버필드 조인트(40)와 허브 베어링(30) 사이의 직접적인 마찰을 방지할 수 있도록 그 사이에 와셔(100)가 설치되게 된다. 이 와셔(100)는 낮은 마찰계수와 높은 내마모성을 가질 수 있도록 여러 종류의 물질로 코팅되어 제공되는 것이 일반적이다.
종래에 사용되는 드라이브 샤프트용 와셔로서, 스틸 재질의 와셔에 PTFE를 포함하는 코팅층을 형성시킨 사례가 있다. 구체적으로, SPCC(steel plate cold commercial) 강판을 가스 연질화 처리하여 제조된 모재에, 35중량%의 주요성분, 즉 PAI, PTFE 및 멜라민과, 이들을 분산시키는 65중량%의 용매로 구성된 코팅액을 도포한 후 경화시켜 코팅층을 형성시키는 것이다.
그러나 상술한 조성의 코팅액으로 형성된 코팅층은 내마모성이 부족하여 쉽게 와셔의 모재가 노출되었고, 이에 따라 부식이 발생하거나, 금속간 마찰에 의한 이음이 발생하여 사용자에게 불쾌감을 유발하는 문제가 있었다.
따라서, 종래에 비해 내마모성, 내부식성 등이 더욱 향상된 새로운 코팅액과, 이를 적용한 드라이브 샤프트용 와셔가 요구되고 있는 실정이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 내마모성과 내부식성을 향상시켜 수명 및 감성품질을 향상시킨 코팅액 및 이를 이용한 자동차 드라이브 샤프트용 와셔를 제공하는 데 있다.
위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅액은, 자동차 드라이브 샤프트용 와셔에 코팅되는 코팅액으로서, 중량%로, 폴리아미드이미드(PAI): 5~15%, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE): 5~15%, 불소계 실란: 0.5~1.5%, 세라믹 입자: 1~5%, 잔부 유기용매를 포함한다.
상기 불소계 실란은, 퍼플루오로데실트리메톡시실란(perfluorodecyltrimethoxysilane), 트리플루오로프로필트리메톡시실란(trifluoropropyltrimethoxysilane) 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 불소계 실란은, 유기관능기 및 무기관능기를 포함하는 분자구조로 형성되고, 상기 유기관능기는, 상기 폴리아미드이미드(PAI) 또는 상기 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 결합되며, 상기 무기관능기는, 상기 세라믹 입자 또는 상기 와셔의 모재와 결합되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 드라이브 샤프트용 와셔는, 자동차 드라이브 샤프트에 설치되는 와셔로서, 스틸 재질의 와셔 본체; 및 중량%로, 폴리아미드이미드(PAI): 5~15%, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE): 5~15%, 불소계 실란: 0.5~1.5%, 세라믹 입자: 1~5%, 잔부 유기용매를 포함하는 코팅액을 상기 와셔 본체에 코팅하여 제조된 코팅층;을 포함한다.
상기 코팅층은, 15~25㎛ 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 코팅층은, 상기 코팅액을 200~300℃에서 경화 처리하여 제조된 것을 특징으로 한다.
상기 불소계 실란은, 유기관능기 및 무기관능기를 포함하는 분자구조로 형성되고, 상기 코팅층은, 상기 유기관능기가 상기 폴리아미드이미드(PAI) 또는 상기 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 결합되고, 상기 무기관능기가 상기 세라믹 입자 또는 상기 와셔 본체와 결합되는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 코팅액 및 이를 이용한 자동차 드라이브 샤프트용 와셔에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 코팅층의 내마모성과 내부식성이 향상되어 더 긴 시간 동안 허브베어링과 버필드 조인트 사이에 개재되어 있을 수 있는 와셔를 제공할 수 있다.
둘째, 코팅층의 내마모성이 높기 때문에 금속간 마찰에 의한 이음 발생을 방지할 수 있다.
셋째, 종래의 와셔 제조공정 중에서 코팅액의 조성만을 변경하여 적용할 수 있기 때문에 활용이 간편하다.
도 1은 자동차 구동계의 말단의 단면 모습을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 와셔의 단면 구조를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 와셔와, 이에 대비되는 비교예들의 스코핑 발생 시간을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 와셔와, 이에 대비되는 비교예의 염수분무시험 결과를 나타낸 사진,
도 5는 본 발명에 따른 코팅액의 성분 중 불소계 실란을 다른 종류의 실란으로 대체했을 경우 코팅층의 물성 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 와셔의 단면 구조를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 와셔와, 이에 대비되는 비교예들의 스코핑 발생 시간을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 와셔와, 이에 대비되는 비교예의 염수분무시험 결과를 나타낸 사진,
도 5는 본 발명에 따른 코팅액의 성분 중 불소계 실란을 다른 종류의 실란으로 대체했을 경우 코팅층의 물성 변화를 나타낸 그래프이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 코팅액 및 이를 이용한 자동차 드라이브 샤프트용 와셔에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 따른 코팅액의 조성은, 중량%로, 폴리아미드이미드(PAI): 5~15%, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE): 5~15%, 불소계 실란: 0.5~1.5%, 세라믹 입자: 1~5%, 잔부 유기용매를 포함한다.
이러한 조성으로 구성된 코팅액은 밀도가 약 1.04g/cm3이고, 경화온도가 200~300℃이며, 모재에 부착되어 경화된 이후의 코팅층 밀도는 약 1.70g/cm3이다.
코팅액의 각 조성별 첨가 이유와 수치한정 이유는 다음과 같다.
폴리아미드이미드(PAI)는 일종의 바인더로서 첨가되어 코팅층의 내마모성을 향상시킨다. 첨가량이 5중량% 미만일 경우에는 코팅층의 내마모성이 저하되고, 15중량%를 초과할 경우에는 코팅층의 마찰계수를 증가시켜 결과적으로 내마모성 및 내구성을 저하시키게 된다.
폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 마찰 저감을 위하여 첨가하는 일종의 윤활제로서 첨가된다. 첨가량이 5중량% 미만이면 마찰계수의 저감 효과를 얻기 어렵고, 15중량%를 초과하면 PTFE 자체의 낮은 내마모성에 기인하여 코팅층의 내마모성이 저하된다.
불소계 실란은 실리콘 원자를 중심으로 유기관능기와 무기관능기가 각각 형성되어 있다. 이 중에서 유기관능기는 폴리아미드이미드(PAI) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 결합되고, 무기관능기는 세라믹 입자 또는 후술할 와셔의 모재, 즉 철 원자와 결합된다. 이렇게 불소계 실란을 중심으로 각 성분들이 네트워크 형식으로 강하게 연결됨으로써 코팅층의 전체 강도 및 내구성, 모재와의 부착성을 향상시키고, 치밀한 결합 구조를 통해 외부 수분이 와셔 모재에 접촉하는 것을 방지함으로써 내부식성을 향상시킬 수 있다. 첨가량이 0.5중량% 미만이면 네트워크 결합 구조를 형성하기 어렵고, 1.5중량%를 초과하여 첨가하더라도 그 효과가 포화되어 더 이상의 성능 향상이 이루어지지 않는다.
세라믹 입자는 코팅층 내에 분산되어 코팅층의 강도를 향상시키는 분산강화용 물질로서, Al2O3, Fe2O3 등의 산화물계, Si3N4, BN 등의 질화물계, SiC 등의 탄화물계, MoS2, 그라파이트 등 다양한 종류가 사용될 수 있다. 첨가량이 1중량% 미만이면 분산강화 역할을 수행하기 어렵고, 5중량%를 초과하면 입자간 응집 현상에 의해 서로 뭉치기 때문에 분산강화 역할을 수행할 수 없을 뿐만 아니라, 불소계 실란과의 결합 개수가 감소하여 코팅층의 내구성이 저하된다.
유기용매는 상술한 PAI, PTFE, 불소계 실란, 세라믹 입자 등 주요 성분들을 고르게 분산시키기 위한 물질로서, 예를 들어 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)와 같은 물질을 사용할 수 있다. 이러한 유기용매는 경화 이후 증발하므로, 최종적인 코팅층은 폴리아미드이미드(PAI), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 불소계 실란, 세라믹 입자로 구성되게 된다.
본 발명에 따른 코팅액은 종래의 코팅액과 달리 멜라민이 제외되었기 때문에 경화온도를 낮출 수 있고, 이에 따라 공정에 소요되는 에너지를 절감할 수 있다.
도 1은 자동차 구동계의 말단의 단면 모습을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 와셔의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 와셔(100)는 와셔 본체(110)와 코팅층(120)으로 구성되어 있다. 이때, 와셔 본체(110)의 상면 및 하면에 각각 코팅층(120)이 형성되어 있는 것이 바람직한데, 이는 와셔 본체(110)와 허브 베어링(30) 또는 버필드 조인트(40)가 직접적으로 접하는 것이 와셔 본체(110)의 상면 및 하면이기 때문이다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 와셔 본체(110)의 상, 하면뿐 아니라 양측면을 포함한 전면에 코팅층(120)이 형성될 수도 있을 것이다.
와셔 본체(110)의 재질이나 형상은 크게 한정하지 않지만, 종래와 같이 SPCC 강재를 가스연질화 처리하여 제조된 것일 수도 있고, 스테인리스 스틸(SUS), SK5M강 등의 다양한 재질로 제조될 수도 있을 것이다.
코팅층(120)은 앞서 설명한 코팅액을 와셔 본체(110)에 도포한 후 200~300℃에서 경화 처리하여 제조된 것으로서, 코팅액의 조성 및 이에 관한 설명은 중복되므로 생략하도록 한다.
코팅층(120)의 두께는 15~25㎛로 형성되는 것이 바람직하다. 두께가 15㎛에 미달할 경우 충분한 내마모성 및 내부식성을 나타내기 어렵고, 1회의 코팅 작업으로 얻을 수 있는 코팅층(120)의 두께에는 한계가 있기 때문에 25㎛를 초과하는 두께의 코팅층을 형성시키기 위해서는 복수 회의 코팅 작업이 요구되므로, 각각의 코팅 작업간 형성된 여러 층의 코팅층 사이에 박리 현상이 발생할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따라 제조된 자동차 드라이브 샤프트용 와셔의 물성에 대해 설명하도록 한다.
도 3에는 종래의 코팅액을 사용한 비교예와 본 발명에 따른 코팅액을 사용한 실시예의 스커핑 시간을 비교한 그래프가 도시되어 있고, 도 4에는 비교예 및 실시예의 염수 시험 결과 사진이 도시되어 있으며, 도 5에는 본 발명에 따른 코팅액의 성분 중 불소계 실란을 다른 종류의 실란으로 대체했을 경우 코팅층의 물성 변화를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
1. 실시예
중량%로, 폴리아미드이미드(PAI): 10%, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE): 10%, 불소계 실란: 1%, 세라믹 입자: 5%, 잔부 유기용매로 구성된 코팅액을, SPCC-SD 재질의 모재에 도포한 후 200℃에서 2시간동안 경화시켜 코팅층을 제조하였다.
이때, 코팅층의 두께를 20㎛로 형성시켰다.
2. 비교예
중량%로, 폴리아미드이미드(PAI), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 멜라민의 합이 35%, 잔부 유기용매로 구성된 코팅액을, SPCC-SD 재질의 모재에 도포한 후 320℃에서 2시간동안 경화시켜 코팅층을 제조하였다.
이때, 비교예 1은 코팅층의 두께를 10㎛로 형성시키고, 비교예 2는 20㎛로 형성시켰다.
3. 시험
(1) 스커핑 시험(회전식 마찰시험)
하중 800N, 회전속도 500rpm, 상대재 재질 SUJ2 베어링강, 건식 마찰 조건에서 비교예 1, 비교예 2 및 실시예에 대한 시험을 수행하고, 스커핑 발생 시점에서 시험을 중단하였다.
(2) 비틀림 내구시험
실제 자동차에 적용되는 드라이브 샤프트, 허브, 허브베어링, 버필드 조인트와 함께 비교예 2 및 실시예에 각각 형성된 코팅층을 형성시킨 와셔를 결합시킨 후, 좌우 방향으로 소정 각도씩 반복 회전시키면서 코팅의 마모 및 이음 발생 등을 관찰하였다.
(3) 염수 시험
온도 35℃, 농도 5%의 NaCl 용액을 분무압 1.0Kgf/cm2 조건으로 400시간동안 비교예 2 및 실시예에 적용된 코팅층이 형성된 강재에 분사하여 결과를 관찰하였다.
4. 비교 결과
(1) 도 3에 도시된 바와 같이, 스커핑 시험시 종래 재질의 코팅액을 사용한 비교예 1 및 2의 경우 모두 스커핑 발생 시점이 실시예에 비해 낮게 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 코팅액으로 제조된 코팅층은 종래의 코팅층에 비해 높은 내구성을 나타내는 것을 알 수 있다.
(2) 비틀림 내구시험 결과, 비교예 2는 비틀림 내구시험 118 사이클만에 이음이 측정되었고, 2만 사이클 시점에서 코팅이 마모되어 모재가 노출되고 녹이 발생하였다.
반면 실시예는 비틀림 내구시험 16만 사이클 이상에서도 모재가 노출되지 않고 이음이 측정되지 않아 종래의 코팅층에 비해 8배 이상의 내구 수명을 갖는 것으로 나타났다.
(3) 도 4에 도시된 바와 같이, 비교예 2는 모재의 부식에 의해 표면에 변형이 발생하고 녹물이 흐르는 것을 관찰할 수 있지만, 실시예는 모재 표면의 변형이나 녹물이 발생하지 않았다.
한편, 도 5에는 마찰 시험시 마찰계수와 마모량을 측정한 결과가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예들은 비교예들에 비해 낮은 마찰계수와 높은 내마모성을 가지는 것을 알 수 있다.
도 5에 도시되어 있는 실시예 1은 앞서 도 3 및 4에 사용된 실시예의 조성에서 불소계 실란으로서 퍼플루오로데실트리메톡시실란이 사용된 것이고, 실시예 2는 불소계 실란으로서 트리플루오로프로필트리메톡시실란이 사용된 것이다.
비교예 2는 앞서 도 3 및 4에 사용된 비교예 2와 동일한 것이고, 비교예 3은 도 3 및 4에 사용된 실시예에서 불소계 실란을 대신하여 아미노프로필트리메톡시실란, 즉 아미노계 실란이 사용된 것이다.
즉, 본 발명에 따라 코팅액에 불소계 실란을 사용한 실시예 1 및 2는, 종래의 방법으로 제조된 비교예 2나, 아미노계 실란을 사용한 비교예 3에 비해 낮은 마찰계수와 높은 내마모성을 나타내는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 코팅액을 사용할 경우, 내마모성 및 내부식성이 높고, 낮은 마찰계수를 갖는 코팅층을 형성시킬 수 있다. 이에 따라 자동차 드라이브 샤프트용 와셔의 기대 수명을 획기적으로 증가시키고, 이음 발생을 억제하여 감성 품질을 향상시킬 수 있게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 드라이브 샤프트
20: 허브
30: 허브 베어링
40: 버필드 조인트
50: 너클
100: 와셔
110: 와셔 본체
120: 코팅층
20: 허브
30: 허브 베어링
40: 버필드 조인트
50: 너클
100: 와셔
110: 와셔 본체
120: 코팅층
Claims (7)
- 자동차 드라이브 샤프트용 와셔에 코팅되는 코팅액으로서,
중량%로, 폴리아미드이미드(PAI): 5~15%, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE): 5~15%, 불소계 실란: 0.5~1.5%, 세라믹 입자: 1~5%, 잔부 유기용매를 포함하는, 코팅액.
- 청구항 1에 있어서,
상기 불소계 실란은,
퍼플루오로데실트리메톡시실란(perfluorodecyltrimethoxysilane),
트리플루오로프로필트리메톡시실란(trifluoropropyltrimethoxysilane)
중 어느 하나 또는 그 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 코팅액.
- 청구항 1에 있어서,
상기 불소계 실란은, 유기관능기 및 무기관능기를 포함하는 분자구조로 형성되고,
상기 유기관능기는, 상기 폴리아미드이미드(PAI) 또는 상기 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 결합되며,
상기 무기관능기는, 상기 세라믹 입자 또는 상기 와셔의 모재와 결합되는 것을 특징으로 하는, 코팅액.
- 자동차 드라이브 샤프트에 설치되는 와셔로서,
스틸 재질의 와셔 본체; 및
중량%로, 폴리아미드이미드(PAI): 5~15%, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE): 5~15%, 불소계 실란: 0.5~1.5%, 세라믹 입자: 1~5%, 잔부 유기용매를 포함하는 코팅액을 상기 와셔 본체에 코팅하여 제조된 코팅층;을 포함하는, 자동차 드라이브 샤프트용 와셔.
- 청구항 4에 있어서,
상기 코팅층은, 15~25㎛ 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는, 자동차 드라이브 샤프트용 와셔.
- 청구항 4에 있어서,
상기 코팅층은, 상기 코팅액을 200~300℃에서 경화 처리하여 제조된 것을 특징으로 하는, 자동차 드라이브 샤프트용 와셔.
- 청구항 4에 있어서,
상기 불소계 실란은, 유기관능기 및 무기관능기를 포함하는 분자구조로 형성되고,
상기 코팅층은, 상기 유기관능기가 상기 폴리아미드이미드(PAI) 또는 상기 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 결합되고, 상기 무기관능기가 상기 세라믹 입자 또는 상기 와셔 본체와 결합되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 자동차 드라이브 샤프트용 와셔.
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