KR20210052385A - 향상된 열 전도성 및 마모 내성을 갖는 구리 합금 조성물 - Google Patents

향상된 열 전도성 및 마모 내성을 갖는 구리 합금 조성물 Download PDF

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Abstract

본 개시는 구리-함유 합금으로부터 제조된 분말 및 와이어에 관한 것이다. 구리-함유 합금은 구리-니켈-주석 합금 또는 구리-니켈-규소-크롬 합금이다. 금속 분말로부터 형성된 물품은 높은 열 전도성, 높은 마모 내성, 및 열 안정성을 나타낸다. 분말 및 와이어는 또한 용사를 위한 공급 재료로서 사용되고, 구리-함유 코팅이 개시된다. 구리-함유 합금 재료는 내연기관에서 실린더형 라이너로서 사용되는 때에 엔진 부품의 증가된 수명 및 연료 효율을 촉진한다.

Description

향상된 열 전도성 및 마모 내성을 갖는 구리 합금 조성물
본원은 2018년 3월 27일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/648,567호의 우선권을 주장하며, 이의 전체내용이 본원에서 참고로 통합된다.
본 개시는 분말 또는 와이어 형태의 구리 합금 조성물, 분말 형태의 그러한 조성물을 제조하고 사용하는 공정, 그로부터 형성된 물품, 및 열 및 플라즈마 스프레이 코팅을 위한 공급 재료로서의 이들의 사용에 관한 것이다. 합금은 높은 열 전도성 및 높은 마모 내성을 나타내는 구리-함유 합금이다. 용사된 코팅(thermal sprayed coating)은 높은 열 전도성, 우수한 마모 내성, 및 열 안정성을 나타낸다. 코팅은 내연기관용 라이너(liner) 및 코팅과 함께 특별한 용도를 갖는다.
연소 기관을 위한 부품에 대한 수요가 높다. 특히, 이들 부품이 높은 열 전도성 및 높은 마모 내성 둘 모두를 나타내는 것이 중요하다. 일부 첨가제, 예컨대, 윤활제의 포함은 열 전도성을 감소시키는 경향이 있다. 높은 열 전도성 및 마모 내성을 나타내는 새로운 조성물을 개발하는 것이 중요할 것이다.
냉간 분사 또는 아크 분사와 같은 용사 기술(thermal spraying technique)은 온도-처리된 재료가 표면 상에 분사되는 공정이다. 용사를 위해서 이용 가능한 전구체 재료는 금속, 합금, 세라믹, 플라스틱 및 복합체를 포함한다. 이들은 분말 또는 와이어 형태로 공급되고, 용융 또는 반-용융 상태로 가열되고, 미세한 마이크로미터-크기 입자의 형태로 기재(substrate) 쪽으로 가속된다. 연소 또는 전기 아크 방전이 용사를 위한 에너지의 공급원으로서 일반적으로 사용된다. 미세한 입자 또는 점적(droplet)이 기재에/기재 위에/기재 상에 분사되어 코팅을 형성시킨다. 현재의 분사 재료는 기계적인 러프닝(roughening) 또는 결합제/프라이머(primer)의 적용의 형태로 증착 표면의 전처리를 필요로 한다. 전처리 단계 없이 표면에 충분히 접착되는 코팅 재료를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 개시는 분말 또는 와이어의 형태로 구리-함유 합금을 포함하는 구리 합금 조성물에 관한 것이다. 구리-함유 합금 분말로부터 형성된 물품 및 그것으로 코팅된 물품은 높은 열 전도성 및 높은 마모 내성을 나타낸다. 일부 구체예에서, 분말 형태는 물품을 형성시키기 위해서 사용될 수 있는 조성물 중의 고체 윤활제와 조합된다.
와이어와 분말이 또한 공급 재료로서 통상의 용사 장치에 사용되어 구리-함유 합금 코팅을 생성시킬 수 있다. 코팅은 높은 열 전도성, 우수한 마모 내성, 및 열 안정성을 나타낸다. 구리-함유 합금을 코팅하는 방법 뿐만 아니라, Cu-함유 합금을 사용하는 엔진 보어, 기계적인 부품, 및 엔진 어셈블리가 또한 개시된다.
본원에서의 다양한 구체예에서, 구리-함유 합금을 포함하는 조성물로서, 구리-함유 합금이 구리, 니켈, 및 (i) 주석 또는 (ii) 규소 및 크롬을 포함하고, 합금이 미립자 또는 와이어의 형태인 조성물이 개시된다.
일부 구체예에서, 구리-함유 합금은 약 5 중량% 내지 약 9 중량%의 니켈; 약 1 중량% 내지 약 3 중량%의 규소; 약 0.2 중량% 내지 약 2.0 중량%의 크롬; 및 나머지 구리를 함유하는 구리-니켈-규소-크롬 합금일 수 있다.
또 다른 구체예에서, 구리-함유 합금은 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 니켈; 약 5 중량% 내지 약 10 중량%의 주석; 및 나머지 구리를 함유하는 구리-니켈-주석 합금일 수 있다.
구리-함유 합금은 약 2 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터의 평균 입자 크기를 갖는 미립자일 수 있다.
합금이 미립자 형태인 경우에, 조성물은 윤활제를 추가로 포함할 수 있다. 윤활제는 그라파이트, 탈크(talc), MoS2, 운모, 또는 질화붕소를 포함할 수 있다.
구리-함유 합금 미립자 조성물을 소결시킴으로써 형성되는 물품으로서, 구리-함유 합금이 구리, 니켈, 및 (i) 주석 또는 (ii) 규소 및 크롬을 포함하는 물품이 또한 본원에서 개시된다. 물품은, 예를 들어, 연소 기관(combustion engine), 밸브 시트(valve seat), 밸브 가이드(valve guide), 피스톤 링, 또는 부싱(bushing)을 위한 부품일 수 있다.
또한, 본원에서는 구리-함유 합금 미립자를 포함하는 조성물을 전구체 물품으로 성형하고; 전구체 물품을 약 500℃ 내지 약 1100℃의 온도에서 가열함을 포함하는 물품을 형성시키는 방법으로서, 구리-함유 합금 미립자가 구리, 니켈, 및 (i) 주석 또는 (ii) 규소 및 크롬를 포함하는 방법이 개시된다.
조성물은 균질화될 수 있다. 성형 및 가열은 웜 컴팩션(warm compaction), 열간 등방압 가압(hot isostatic pressing), 분말 단조(forging), 분말 사출 성형(injection molding), 분말 롤링(rolling), 및 분말 압출(extrusion) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 구체예에서, 하기 단계들 중 적어도 하나가 가열 단계 후에 수행된다: 제2 열처리; 조이닝(joining); 재가압(repressing); 리사이징(resizing); 머시닝(machining); 또는 표면 처리(surface treatment).
또한, 구리-함유 합금으로부터 코팅을 형성시키는 방법으로서, 구리, 니켈, 및 (i) 주석 또는 (ii) 규소 및 크롬을 포함하는 구리-함유 합금을 수용하고; 구리-함유 합금을 용융 또는 반-용융 상태로 가열하고; 용융 또는 반-용융 구리-함유 합금을 기재 상에 분사하여 코팅을 형성시킴을 포함하는 방법이 개시되고 기재된다.
본원에서의 또한 다양한 구체예에서, 피스톤; 피스톤 링; 및 라이너(liner)를 갖는 실린더형 보어를 포함하는 엔진 어셈블리로서, 라이너가 구리, 니켈, 및 (i) 주석 또는 (ii) 규소 및 크롬을 포함하는 구리-함유 합금으로부터 형성되는, 엔진 어셈블리가 개시된다.
실린더 라이너는 인서트(insert)의 형태이거나, 실린더 보어의 표면에 적용된 코팅의 형태일 수 있다. 코팅은 용사될 수 있다.
또한, 하나 이상의 표면을 갖는 기재; 및 구리-함유 합금 코팅을 포함하는 물품으로서, 구리-함유 합금이 구리, 니켈, 및 (i) 주석 또는 (ii) 규소 및 크롬을 포함하며, 구리-함유 합금 코팅이 기재의 적어도 하나의 표면에 적용되는, 물품이 개시된다.
구리-함유 합금은 기재의 적어도 한 표면 상에 용사될 수 있다. 물품은 엔진 부품, 부싱 또는 베어링(bearing)일 수 있다.
본 개시의 이들 및 다른 비-제한 특성이 이하 더욱 특별히 개시된다.
이하 설명은 도면에 대한 간단한 설명이며, 이는 본원에서 개시된 예시적인 구체예를 예시할 목적으로 제시되며 그러한 구체예를 제한하고자 하는 것이 아니다.
도 1은 본 개시의 일부 구체예에 따른 물품을 형성시키는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 2는 용사의 개략도이다.
도 3은 본 개시의 구리 분말을 사용하여 기재의 표면을 코팅하는 스프레이 공정의 예시적인 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 4는 본 개시의 일부 구체예를 예시하는 내부 연소실 및 엔진 보어의 단면 개략도이다.
도 5는 본 개시의 일부 구체예를 예시하는 실린더 헤드 어셈블리의 단면 개략도이다.
도 6a는 구리-함유 합금의 용사 증착(thermal spray deposition) 전의 알루미늄 기재(substrate)의 단면을 나타내는 사진이다.
도 6b는 구리-함유 합금의 용사 증착 후의 알루미늄 기재의 단면을 나타내는 사진다.
본원에서 개시된 부품, 공정 및 장치의 더욱 완전한 이해는 첨부된 도면을 참조함으로써 얻어질 수 있다. 이들 도면은 단지 본 개시를 입증하는 편의성 및 용이성을 기반으로 한 개략적인 표현이며, 그에 따라서, 장치 또는 이의 부품의 상대적인 크기 및 치수를 나타내고/거나 예시적인 구체예의 범위를 한정하거나 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
비록, 특이적 용어가 명료성을 위해서 하기 설명에서 사용되지만, 이들 용어는 단지 도면에서의 예시를 위해서 선택된 구체예의 특정의 구조를 나타내며, 본 개시의 범위를 한정하거나 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 도면 및 이하 설명에서, 유사한 번호 지정은 유사한 기능의 부품을 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
단수의 표현은 문맥에서 달리 명시하지 않는 한 복수 대상을 포함한다.
명세서 및 청구 범위에서 사용되는 용어 "포함하는"은 구체예 "로 이루어진" 및 "본질적으로는 ~로 이루어진"을 포함할 수 있다. 본원에서 사용되는 용어 "포함한다", "포함하는", "갖는", "갖는다", "할 수 있다", "함유한다" 및 이의 변형은 명명된 성분/단계의 존재를 요구하는 개방형 전이구, 용어, 또는 단어인 것으로 의도되며, 다른 성분/단계의 존재를 허용한다. 그러나, 그러한 설명은 열거된 성분/단계"로 이루어진" 및 "본질적으로는 ~로 이루어진"으로서 조성물 또는 공정을 또한 설명하는 것으로 해석되어야 하며, 이는 단지 명명된 성분/단계와 그로부터 생성될 수 있는 어떠한 불순물의 존재를 허용하며, 다른 성분/단계를 배제한다.
본원의 명세서 및 청구범위에서의 수치 값은 동일한 유효 숫자로 줄인 때에도 동일한 수치 값 및 값을 결정하기 위해서 본원에서 기재된 유형의 통상의 측정 기술의 실험적 오류보다 적게 언급된 값과 다른 수치 값을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
본원에서 개시된 모든 범위는 언급된 끝점을 포함하고 독립적으로 조합 가능하다(예를 들어, "2 그램 내지 10 그램"의 범위는 끝점들, 2 그램 및 10 그램, 및 모든 중간 값을 포함한다).
용어 또는 용어들, 예컨대, "약" 및 "실질적으로"에 의해서 변경된 값은 특정된 정확한 값으로 제한되지 않을 수 있다. 수식어 "약"은 또한 두 끝점의 절대값으로 정의된 범위를 개시하는 것으로 여겨져야 한다. 예를 들어, 표현 "약 2 내지 약 4"는 또한 범위 "2 내지 4"를 개시한다. 일반적으로는 용어 "약" 및 "대략"은 지정된 값의 플러스 또는 마이너스 10%를 나타낼 수 있다.
본 개시는 구리를 적어도 50 중량%의 양으로 함유하는 구리 합금을 나타낸다. 추가의 요소가 또한 이들 구리-함유 합금에 존재한다. 합금이 형식 "A-B-C 합금"으로 기재되는 경우에, 그러한 합금은 근본적으로는 요소 A, B, C 등으로 구성되고, 어떠한 다른 요소가 불가피 불순물로서 존재할 수 있다. 예를 들어, 구절 "구리-니켈-규소 합금"은 구리, 니켈 및 규소를 함유하는 합금을 기재하며, 본 기술분야에서의 통상의 기술자에 의해서 이해되는 바와 같이, 열거되지 않은 불가피 불순물 외에 다른 요소를 함유하지 않는다. 합금이 형식 "A-함유 합금"으로 기재되는 때에, 그러한 합금은 요소 A를 함유하고, 또한 다른 요소를 함유할 수 있다. 예를 들어, 구절 "구리-함유 합금"은 구리를 함유하는 합금을 기재하며, 또한 다른 요소를 함유할 수 있다.
본 개시는 구리-함유 합금을 포함하는 구리 합금 조성물에 관한 것이다. 구리-함유 합금은 분말 또는 미립자의 형태로 존재하거나, 와이어의 형태로 존재할 수 있다. 구리-함유 합금(미립자 또는 와이어)은 물품을 형성시키기 위해서 사용될 수 있거나 물품의 표면을 코팅하기 위한 용사 코팅 공정에서 사용될 수 있다. 구리-함유 합금은 구리, 니켈, 및 (i) 주석 또는 (ii) 규소, 및 크롬을 함유한다. 구리-함유 합금으로부터 형성된 물품 및 그로 코팅된 물품은 높은 열 전도성 및 높은 마모 내성을 나타낸다.
본 개시에 따라서, 구리-함유 합금은 약 68 중량% 이상의 구리를 함유한다. 특정의 구체예에서, 합금은 약 88.7 중량% 내지 약 91.5 중량%의 구리를 함유한다. 일부 예시적인 구체예에서, 구리-함유 합금은 구리, 니켈, 및 (i) 주석 또는 (ii) 규소와 크롬 둘 모두를 포함한다.
구리-함유 합금은 구리-니켈-주석(Cu-Ni-Sn) 합금일 수 있다. 일부 구체예에서, 본원에서 사용된 구리-니켈-주석 합금은 일반적으로는 약 5% 내지 약 20 중량%의 니켈, 약 5 중량% 내지 약 10 중량%의 주석을 포함하고, 나머지 부분은 구리이다. 이러한 합금은 경화되고 다양한 산업적 및 상업적 적용에서 사용될 수 있는 높은 항복 강도 제품으로 더욱 용이하게 성형될 수 있다. 이러한 높은 성능 합금은 구리-베릴륨 합금과 유사한 특성을 제공하도록 설계된다.
더욱 특히, 본 개시의 구리-니켈-주석 합금은 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 니켈 및 약 5 중량% 내지 약 10 중량%의 주석을 포함하고, 나머지 부분은 구리이다. 더욱 특히, 본 개시의 구리-니켈-주석 합금은 약 9 중량% 내지 약 15 중량%의 니켈 및 약 6 중량% 내지 약 9 중량%의 주석을 포함하고, 나머지 부분은 구리이다. 더욱 특이적 구체예에서, 구리-니켈-주석 합금은 약 14.5 중량% 내지 약 15.5%의 니켈, 및 약 7.5 중량% 내지 약 8.5 중량%의 주석을 포함하고, 나머지 부분은 구리이다.
더욱 바람직하게는, 구리-니켈-주석 합금은 약 15 중량% 니켈을 포함한 약 14 중량% 내지 약 16 중량%의 니켈; 및 약 8 중량%의 주석을 포함한 약 7 중량% 내지 약 9 중량%의 주석; 및 불순물 및 미량 첨가물을 배제한 나머지 구리를 포함한다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 구리-니켈-주석 합금은 약 8 중량% 내지 약 10 중량% 니켈 및 약 5 중량% 내지 약 7 중량%의 주석; 및 불순물 및 미량 첨가물을 배제한 나머지 구리를 포함한다.
미량 첨가물은 등축 결정의 형성을 추가로 향상시키고 용체화 처리(solution heat treatment) 동안에 매트릭스 내의 Ni 및 Sn의 확산 속도의 비유사성을 또한 감소시키는 붕소, 지르코늄, 철, 및 니오븀을 포함한다. 다른 미량 첨가물은 탈산소제(deoxidizer)로서 작용할 수 있고/거나 합금의 완성된 상태에서 그의 기계적인 성질에 영향을 줄 수 있는 마그네슘 및 망간을 포함한다. 다른 요소가 또한 존재할 수 있다. 불순물은 베릴륨, 코발트, 규소, 알루미늄, 아연, 크롬, 납, 갈륨 또는 티타늄을 포함한다. 본 개시의 목적을 위해서, 0.01 중량% 미만의 이들 요소의 양은 불가피 불순물인 것으로 여겨져야 한다. 즉, 이들의 존재는 의도되지 않거나 요구되지 않는다. 약 0.3 중량% 이하의 상기 요소들의 각각이 구리-니켈-주석 합금에 존재한다.
더욱 특정한 구체예에서, 구리-니켈-주석 합금은 약 90 ksi(620 MPa) 내지 약 150 ksi(1034 MPa)의 0.2% 오프셋 항복 강도; 약 105 ksi(724 MPa) 내지 약 160 ksi(1103 MPa)의 극한 인장 강도; 약 22 HRC 내지 약 36 HRC의 로크웰 경도 C(Rockwell Hardness C); 0.3 미만의 마찰 계수; 및 약 11 ft-lbs 내지 30 ft-lbs 초과의 샤르피 V-노치(Charpy V-notch: CVN) 인성을 가질 수 있다. 0.2% 오프셋 항복 강도 및 극한 인장 강도는 ASTM E8에 따라서 측정된다. 로크웰 C 경도(Rockwell C hardness)는 ASTM E18에 따라서 측정된다. CVN 인성은 ASTM E23에 따라서 측정된다. 합금은 또한 CO2 부식, 클로라이드 SCC, 피팅(pitting), 및 틈새 부식(crevice corrosion)에 내성일 수 있다.
대안적으로, 구리 함유 합금은 구리-니켈-규소-크롬-함유 합금(Cu-Ni-Si-Cr)일 수 있다. Cu-Ni-Si-Cr-함유 합금 중의 니켈의 양은 합금의 약 5 중량% 내지 약 9 중량%일 수 있다. 더욱 특이적 구체예에서, 니켈의 양은 약 6 중량% 내지 약 8 중량%; 또는 약 6.4 중량% 내지 약 7.6 중량%일 수 있다.
구리-니켈-규소-크롬-함유 합금 중의 규소의 양은 합금의 약 1 중량% 내지 약 3 중량%일 수 있다. 더욱 특이적 구체예에서, 규소의 양은 약 1.5 중량% 내지 약 2.5 중량%일 수 있다.
구리-니켈-규소-크롬-함유 합금 중의 크롬의 양은 합금의 약 0.2 중량% 내지 약 2.0 중량%일 수 있다. 더욱 특이적 구체예에서, 지르코늄의 양은 약 0.3 중량% 내지 약 1.5 중량%; 또는 약 0.6 중량% 내지 약 1.2 중량%일 수 있다.
구리, 니켈, 규소, 및 크롬의 이들 열거된 양은 어떠한 조합으로 서로 조합될 수 있다.
특정의 구체예에서, 구리-함유 합금은 약 5 중량% 내지 약 9 중량%의 니켈; 약 1 중량% 내지 약 3 중량%의 규소; 약 0.2 중량% 내지 약 2.0 중량%의 크롬; 및 나머지 구리를 함유하는 구리-니켈-규소-크롬 합금이다.
추가의 구체예에서, 구리-니켈-규소-크롬 합금은 약 6 중량% 내지 약 8 중량%의 니켈; 약 1.5 중량% 내지 약 2.5 중량%의 규소; 약 0.3 중량% 내지 약 1.5 중량%의 크롬; 및 나머지 구리를 함유한다.
더욱 특정한 구체예에서, 구리-니켈-규소-크롬 합금은 약 6.4 중량% 내지 약 7.6 중량%의 니켈; 약 1.5 중량% 내지 약 2.5 중량%의 규소; 약 0.6 중량% 내지 약 1.2 중량%의 크롬; 및 나머지 구리를 함유한다.
Cu-Ni-Si-Cr 합금은 약 130 GPa의 탄성계수(elastic modulus); 약 8.69 g/cc의 밀도; 및 100℃에서의 약 160 W/(m·K)의 열 전도성 및 300℃에서의 약 200 W/(m·K)의 열 전도성을 가질 수 있다. Cu-Ni-Si-Cr 합금은 또한 약 790 MPa(115 ksi)의 전형적인 최소 0.2% 오프셋 항복 강도; 및 약 860 MPa(125 ksi)의 최소 극한 인장 강도를 가질 수 있다. 이들 합금은 높은 마모 내성(10-10 이하의 링 마모율 1/psi)을 나타낸다.
본 개시는 또한 구리-함유 합금 분말/미립자를 형성시키는 방법, 구리-함유 합금 분말로부터 형성된 물품, 및 물품을 형성시키고 코팅시키는 방법에 관한 것이다.
본원에서 논의된 구리-함유 분말 합금의 사용은 높은 열 전도성을 유지하면서 미세구조를 분해하여 더욱 고른 특성 및 고체 윤활제의 첨가를 가능하게 한다.
도 1은 본 개시의 일부 양태에 따라서 물품을 형성시키는 예시적인 방법(100)을 예시하는 흐름도이다. 그러한 방법(100)은 구리-함유 합금 분말(110)을 형성시키고; 구리-함유 합금 분말(120)를 처리하고; 구리-함유 합금 분말을 하나 이상의 첨가제(130)와 혼합하고; 조성물(140)을 균질화시키고; 균질화된 조성물을 성형하여 전구체 물품(150)을 형성시키고; 전구체 물품을 가열하여 생성물 물품(160)을 형성시키고; 하나 이상의 제2 작업을 수행하여 완성된 물품(170)을 형성시킴을 포함한다.
구리-함유 합금 미립자는 기계적 공정, 화학적 공정, 및 전기화학적 공정, 또는 적어도 둘의 이들 유형의 공정들의 어떠한 조합을 통해서 형성될 수 있다(110). 기계적 공정의 비-제한 예는 밀링, 파쇄 및 분무를 포함한다. 분무는 용융물의 기계적인 붕해를 나타낸다. 일부 구체예에서, 분무는 고압의 물 또는 가스에 의해서 수행된다. 분무는 원심 분무, 진공 분무, 또는 초음파 분무일 수 있다.
화학적 공정의 비-제한 예는 산화물 환원, 용액으로부터의 침전 및 열 분해를 포함한다. 산화물 환원에서, 환원 가스는 금속 산화물 조성물에 도입되어 반응을 유도한다. 침전 방법은 광석(ore) 또는 광석 농축물을 침출시킨 다음, 침출 용액으로부터 금속을 침전시킴을 포함할 수 있다(시멘테이션(cementation), 전기분해, 또는 화학적 환원을 통해서). 첨가제는 pH 및/또는 핵화를 조절하기 위해서 도입될 수 있다. 합금/복합체 분말은 상이한 금속의 공침 및/또는 연속적인 침전에 의해서 생성될 수 있다. 열 분해 방법은 카르보닐의 열 분해와 관련될 수 있다.
전기화학적 공정의 비-제한 예는 캐소드(cathode) 상에 금속을 전착(예, 분말형 전착물로서 또는 매끄럽고 조밀한 취성의 전착물로서)시킨 다음, 밀링함을 포함할 수 있다. 전해조 조건이 조절되어 요망되는 입자 모양 및 크기를 달성시킬 수 있다. 미립자 재료는 직경이 약 2 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터일 수 있다. 특정의 구체예에서, 미립자 재료는 직경이 약 2 마이크로미터 내지 약 90 마이크로미터일 수 있고, 적어도 50 vol%의 입자가 80 마이크로미터 미만의 직경을 갖는다. 일부 더욱 특이적 구체예에서, 미립자 재료는 직경이 약 2 마이크로미터 내지 약 90 마이크로미터일 수 있고, 적어도 85 vol%의 입자가 80 마이크로미터 미만의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구체예에서, 입자는 약 5 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 직경을 갖는다.
구리-함유 합금 미립자는 컴팩션 전에, 그 동안에, 또는 그 후에 처리될 수 있다(120). 처리의 비-제한 예는 분류/스크리닝, 분리, 안정화, 어닐링(annealing) 및 윤활을 포함한다. 분류/스크리닝은 요망되는 입자 크기 및/또는 입자 크기 분포를 달성하기 위해서 입자를 여과함을 할 수 있다. 분리/균질화는 바람직하지 않은 편재된 차이를 유발시킬 수 있는 재료의 불균일한 분포를 방지한다. 안정화는 입자의 응집을 방지한다. 어닐링은 변형을 제거하여 금속을 연화시키는 열처리이다. 윤활제는 다이로부터 부품의 방출을 또한 용이하게 하면서 분말의 압축 및 소결 특성에 영향을 줄 수 있다. 다양한 처리(120)가 첨가제를 첨가(130)하고/거나 균질화(140)시키기 전에, 그 동안에, 또는 그 후에 수행될 수 있다.
분말은 첨가제의 첨가 후에 균질화(140)될 수 있거나 첨가제 첨가 전에 처리 단계(120)에서 균질화될 수 있다. 첨가제의 예는 윤활제이다. 윤활제의 비-제한 예는 그라파이트, 탈크, 또는 몰리브덴 디설파이드(MoS2), 운모, 및 육방 질화붕소 등을 포함한다.
물품은 분말/미립자를 성형하고 가열함으로써 구리-함유 합금 분말로부터 형성될 수 있다. 성형(150) 및 가열(160)은 동시에 또는 순차적으로 수행될 수 있다. 가압 및 소결이 이용될 수 있다. 특정의 구체예에서, 가열은 약 500℃ 내지 약 1100℃의 온도에서 수행된다. 금속 분말이 컴팩션에 의해서 변형됨에 따라서, 이의 밀도가 증가하고 가공 경화(work hardening)가 발생한다. 일부 구체예에서, 분말/미립자는 두 펀치(punch)(예, 상부 및 하부) 사이에서 가압되면서, 다이가 측면 지지를 제공한다. 프레스는 수압, 기계적, 공압, 회전, 또는 등방성 프레스일 수 있다. 소결은 컴팩션 동안의 입자 접촉이 증가하고 부품의 특성(예, 물리적 및 기계적)이 설정되는 공정이다. 소결은 재료의 융점보다 낮은 온도 또는 그와 동일한 온도 내지 그의 약 2/3의 온도에서 수행된다. 소결은 약 20 분 내지 약 60 분의 기간에 걸쳐서 발생할 수 있다. 소결은 보호 대기 중에서 발생할 수 있다. 보호 대기의 비-제한 예는 흡열 가스, 발열 가스, 해리된 암모니아, 수소, 수소-질소 혼합물 및 진공을 포함한다. 보호 대기는 부품을 산화 또는 질화(이는 흔히 공기 중에서 가열하는 때에 발생한다)로부터 보호할 수 있다. 액상 소결에서, 액체는 적어도 소결의 일부 동안 고체상과 공존한다. 액체는 고체 상태 시스템에 전형적인 것보다 더 신속한 소결 및 더 빠른 치밀화를 가능하게 한다. 활성화 소결에서, 첨가제는 확산 속도를 향상시키기 위해서 사용된다.
소결은 연속 벨트(continuous belt), 푸셔(pusher), 또는 워킹빔 가열로(walking beam furnace)에서 발생할 수 있다.
웜 컴팩션, 분말/미립자 및 다이는 보호 대기 하에 가열되고 이어서 압축된다.
전밀도 공정(full dessity process)은 분말 단조, 금속 사출성형, 열간 등방압 가압, 롤 압축(roll compacting), 열간 가압(hot pressing), 압출, 및 스프레이 성형을 포함한다.
분말 단조에서, 프리폼(preform)이 상승된 온도에서 제한된 다이에서 간단한 타격에 의해서 단조된다. 프리폼은 열간 업세팅(hot upsetting)에서 측면 재료 흐름을 거치거나 열간 재가압에서 가압 방향으로의 흐름을 거친다.
금속 사출성형에서, 금속 분말과 바인더의 균일한 혼합물이 모울드 내로 주입된다. 이어서, 바인더가 제거되고 부품이 전밀도 또는 거의 전밀도로 소결된다.
열간 등방압 가압에서, 분말 또는 미립자가 기밀 금속 또는 세라믹 컨테이너 내로 충전되고, 이어서, 가열되고, 탈기(degas)되어 휘발성 오염물을 제거한다. 이어서, 조성물은 추가로 가열되고 용기 내에서 불활성 가스(예, Ar 또는 N2)로 가압된다. 등방성 압력 때문에, 통합된 분말은, 더 작은 크기를 제외하고는, 본래의 컨테이너의 모양이다. 기계가공 또는 화학적 해체가 컨테이너를 제거하기 위해서 사용될 수 있다.
롤 압축은 분말(예, 실온에서)을 다공성(치론치의 60-90%) 스트립(strip)으로 압축시키는 롤링(rolling)을 나타낸다. 분말은 두 롤 사이의 갭에 공급(예, 중력을 통해서)될 수 있다. 가요성 그린 스트립(flexible green strip)이 소결 가열로(sintering furnace)에 이어서 고온 롤에 진입한다.
열간 가압은 단축 압력(uniaxial pressure)에 의해서 그리드 다이(rigid die)에서 수행될 수 있다. 보호 대기가 산화를 방지하기 위해서 사용될 수 있다. 분말은 또한 또는 대안적으로 컨테이너에서 캡슐화될 수 있다.
압출에서, 분말은 일반적으로는 상승된 온도(예, 재료의 절대 융점의 2/3 상에서)에서 캔에 충전되고, 탈기되고, 압출된다.
스프레이 성형에서, 불활성 가스 분무된 분말이 기재 상으로 유도된다. 분무된 점적은 반고체 형태 및 스플래터(splatter)로 기재 표면에 도달하여 전밀도 또는 거의 전밀도 재료를 형성시킨다.
제2 작업(들)(170)은 열 처리, 조이닝, 재가압, 리사이징, 기계가공 및 표면 처리로부터 선택될 수 있다. 열 처리는 가열, 냉각, 열간-작업, 및/또는 냉간-작업을 포함할 수 있다. 열 처리는 물품의 표면 경도를 증가시킬 수 있다. 조이닝은 두 개의 유사한 피스(piece)를 결합시킴을 포함한다. 리사이징은 물품의 치수를 변화시킴을 포함한다. 재가압은 물품의 밀도를 증가시키기 위해서 가압함을 포함한다. 표면 처리는 디버어링(deburring), 플레잉(playing), 연마(polishing), 밀봉, 및 숏 피닝(shot peening)으로부터 선택된 하나 이상의 처리를 포함할 수 있다.
본 개시 및 도 2에 예시된 또 다른 양태에 따라서, 구리-함유 합금(분말 또는 미립자 또는 와이어 형태)은 용사 시스템(thermal spray system)을 위한 공급 재료이다. 용사 시스템은 공급 재료로부터 물품을 생성시킬 수 있고, 물품/기재 상에 공급 재료의 코팅을 형성시킬 수 있다. 용사 기술은 분말/와이어를 고체 상태로부터 용융 상태 및 반-용융 상태로 변화시킨다.
도 2는 용융 및 반-용융 공급 재료를 기재에 가속시켜서 코팅을 형성시키기 위한 고팅 시스템의 예시적인 구체예를 예시하고 있다. 와이어 용사(thermal wire spray) 및 대기 플라즈마 용사(atmospheric plasma spray) 기술이 본원에 기재되어 있지만, 이들은 단지 예시적인 구체예이고 어떠한 유사한 방법 및 시스템이 이용되어 Cu-함유 공급 재료를 코팅시킬 수 있음을 주지해야 한다. 본원에서, 용사는 고체 공급 재료를 용융 또는 반-용융 상태로 용융시키고 용융 또는 반-용융 재료를 기재쪽으로 가속시켜서 코팅을 형성시키기 위한 어떠한 방법을 의미한다. 일반적으로, 용사는 다른 코팅 공정, 예컨대, 전기도금, 물리적 및 화학적 증착법에 비해서 높은 증착 속도로 큰 면적에 걸친 코팅을 제공할 수 있다. 생성되는 코팅은 두께가 사용되는 공정 및 재료에 따라서 약 20 마이크로미터 내지 3 밀리미터 이상의 범위일 수 있다. 공지된 용사 기술은 냉간 스프레이(cold spray), 플라즈마 스프레이, 웜 스프레이(warm spray), 폭발 용사(detonation spray), 고속 화염 용사(high-velocity oxy fuel spray), 및 아크 스프레이(arc spray)를 포함한다. 특히, 아크 스프레이 공정 또는 화염 제조기(flame gun)가 사용되어 기재 상에 코팅을 증착시킨다.
일부 예시적인 구체예에서, 도 2와 관련하여, 공급 재료(210)는 코팅층을 증착시키기 위한 플라즈마 전달 아크(Plasma Transfer Arc: PTA) 코팅 시스템(200)에 제공된다. 본 개시에 따라서, 공급 재료(210)는 분말/미립자의 형태의 구리-함유 합금이다. 예시적인 PTA 코팅 시스템(200)은 전극(214)을 포함한 노즐(212) 및 공정 가스를 유도하도록 구성된 채널(216)을 사용한다. 공정 가스는 채널(216)을 통해서 그리고 노즐(212) 밖으로 가속된다. 일부 구체예에서, 전기 아크가 전압(222)을 가함으로써 전극(214)과 노즐(212) 사이에서 생성된다.
공정 가스는 채널을 통해서 생성된 전기 아크로 흐르고, 이러한 전기 아크는 공정 가스를 플라즈마 제트(218)을 생성시키는 플라즈마 상태로 이온화시키고 변화시킨다. 공정 가스는 일반적으로는, 아르곤, 수소, 헬륨, 다른 불활성 가스 또는 이들의 혼합물을 포함하지만 이로 한정되는 것은 아니다. 공급 재료(210)는 플라즈마 제트(218) 내로 연속적으로 전달된다. 공급 재료(210)는 용융되고, 용융된 재료(220)는 기재(102) 쪽으로 스퍼터링된다. 용융된 재료(120)는 기재(210) 상에 증착되고 신속하게 고형화된다. 증착되고 고형화된 용융된 재료(220)의 축적은 기재(210)의 표면 상에 공급 재료의 코팅(204)을 형성시킨다.
상기 주지된 바와 같이, 공급 재료(210)는 플라즈마 제트(218) 내로 연속적으로 공급되는 미립자 또는 분말(208)일 수 있다. 분말 재료는 바람직하게는 직경이 약 2 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터, 또는 약 5 μm 내지 약 500 μm, 또는 약 2 μm 내지 약 500 μm일 수 있다. 분말은 운반 가스와 혼합되어 분말 재료의 이동을 용이하게 하고 조절할 수 있다.
대안적으로, 공급 재료(210)는 플라즈마 제트 내로 연속적으로 공급되는 와이어(206)의 형태일 수 있다. 와이어(206)는 재료의 스풀(spool)에 의해서 공급되고, 휠(wheel) 또는 그 밖의 공지된 부품에 의해서 전진될 수 있다. 이들 구체예에서, 와이어는 전기적으로 하전되어 전극(214)에 의해서 전기적 아크를 생성시킬 수 있다. 와이어의 직경은 약 1 mm 내지 약 5 mm이다. 일부 구체예에서, 와이어의 직경은 약 1.62 mm이다. 더욱 특이적 구체예에서, 와이어의 직경은 1.6mm +/- 0.03 mm이다.
공급 재료(210) 및 형성된 코팅(204)은 본원에서 개시된 구리-함유 합금 재료이다.
본 개시 및 도 3에 예시된 또 다른 양태에 따라서, 구리-함유 합금(분말 또는 와이어 형태로 제공됨)을 용사 코팅하기 위한 방법이 기재된다. 먼저, 공급 재료(분말 또는 와이어)가 제공된다(300). 앞서 기재된 구리-함유 합금이 코팅 공정을 위한 공급 재료로 여겨진다. 이러한 코팅 공정은 용사 장치를 사용한다. 그러한 장치는 다양한 공지된 용사 기술, 예컨대, 냉간 스프레이, 플라즈마 스프레이, 웜 스프레이, 폭발 용사, 고속 화염 용사, 및 아크 스프레이와 함께 사용하기에 적합하다.
일부 구체예에서, 공급 재료가 분말인 때에, 공급 분말은 운반 가스와 혼합되어 공급 분말을 가열 위치까지 수송한다. 운반 가스는 용융된 재료를 기재 쪽으로 추진하기 위해서 사용되는 어떠한 가스이다. 본 개시는 사용되는 가스의 유형과 관련하여 제한되지 않지만, 사용되는 전형적인 가스는 공기, 질소, 헬륨 및 아르곤이다. 운반 가스는 별도의 압축된 공기 시스템에 의해서 제공될 수 있거나, 공급 재료와 함께 시스템에 도입될 수 있다. 다른 구체예에서, 플라즈마 제트를 생성시키기 위해서 사용되는 공정 가스는 운반 가스이다. 다른 구체예에서, 플라즈마 제트는 운반 가스이다.
다음으로, 구리-함유 합금는 높은 온도에의 노출에 의해서 가열된다(참조 번호(310)). 열원은 연소 플레임(combustion flame), 전기 아크, 및 플라즈마 제트를 포함할 수 있다. 그러나, 본 기술분야에서 공지된 어떠한 열원이 사용될 수 있다는 것을 인지해야 한다. 높은 온도에의 구리-함유 합금 공급 재료의 노출은 공급 재료의 전부 또는 일부를 용융시킨다. 일부 공정에서, 합금은 약 350℃ 내지 약 700℃, 또는 약 400℃ 내지 약 600℃의 온도 범위에 노출된다. 다른 공정에서, 합금은 약 780℃ 내지 약 1115℃의 온도에 노출된다. 일부 공정에서, 합금은 약 2,500℃ 내지 약 3,000℃의 온도를 생성시키는 열원에 노출된다. 또 다른 공정에서, 합금은 약 5,500 ℃ 내지 약 6650℃의 온도를 생성시키는 열원에 노출된다. 또 다른 공정에서, 합금은 약 16,000℃ 내지 약 30,000℃의 온도를 생성시키는 열원에 노출된다. 일부 구체예에서, 합금은 약 25,000℃의 온도를 생성시키는 열원에 노출된다. 다른 공정에서, 합금은 약 780℃ 내지 약 1115℃의 온도에 노출되어 합금을 용융시킨다. 일반적으로는, 열원의 온도는 사용되는 용사 공정에 따라서 약 350℃ 내지 약 30,000℃의 범위일 수 있지만, 바람직하게는 약 350℃ 내지 약 3000℃이다. 합금 공급 재료는 반-용융된, 또는 용융된 것으로 기재될 수 있다. 일부 구체예에서, 공급 분말 입자의 외부만이 용융된 것으로 여겨진다.
용융 또는 반-용융 합금 분말은 기재 표면(320)에 분사/가속된다. 분사는 약 20 bar 내지 약 40 bar, 또는 약 30 bar 내지 약 40 bar의 압력에서 발생할 수 있다. 이는 입자 또는 점적(droplet)으로 블로잉/분리되는 반-용융 공급원료를 생성시킨다. 이들 입자 또는 점적은 매우 미세하고 일반적으로 약 1 마이크로미터 내지 약 20 마이크로미터인 평균 직경을 가질 수 있다. 입자의 유형 및 크기는 요망되는 특징을 갖는 코팅을 생성시키기 위해서 필요에 따라서 다양할 수 있다.
용융 및 반-용융 재료는 이어서 요망되는 기재(330) 상에 증착된다. 합금 입자/점적은 약 250℃ 내지 약 350℃의 온도로 신속하게 냉각되고 코팅을 형성시킨다. 기판과의 충돌 동안에, 합금 입자는 가소성 변형을 거쳐서 기재에 부착된다. 운반 가스의 팽창에 의해서 공급된 입자의 운동 에너지는 결합 동안에 가소성 변형 에너지로 전환된다. 물론, 분사는 동일한 영역에 여러 번 발생하여, 여러 층으로 형성되는 코팅을 생성시킬 수 있다. 각각의 층은 약 100 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 생성되는 코팅은, 특정의 구체예에서, 약 100 마이크로미터 내지 약 3000 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 이러한 두께는 코팅을 형성시키기 위해서 사용되는 층의 수에 의존할 것이다. 특정의 구체예에서, Cu-함유 합금 코팅은 약 500 마이크로미터 내지 약 1500 마이크로미터의 두께를 갖는다.
본 개시 및 도 4 및 도 5에 예시된 또 다른 양태에 따라서, 본 개시의 구리-함유 합금으로부터 제조된 엔진 부품 또는 그로 코팅된 엔진 부품이 기재된다. 피스톤은 연소 과정 동안에 보어(전형적으로는 실린더형 보어) 내에서 전후로 완복하는 엔진 부품(전형적으로는 실린더형 부품)이다. 피스톤은 요망되는 중량 및 열 전도성을 달성시키기 위해서 캐스트 알루미늄 합금(cast aluminum alloy)으로 제조될 수 있다. 열 전도성은 특정의 재료가 얼마나 잘 열을 전도하는지의 척도이고, 와트/(미터·캘빈(Kelvin))의 SI 단위를 갖는다. 알루미늄 및 다른 피스톤 바디 재료는 가열되는 때에 팽창한다. 적절한 양의 틈(clearance)이 보어 내의 자유로운 운동을 유지시키기 위해서 포함되어야 한다. 너무 작은 틈은 피스톤이 실린더에 들러붙게 할 수 있다. 너무 큰 틈은 압축 손실 및 증가된 노이즈를 유도할 수 있다. 전형적으로는, 피스톤 직경은 보어의 직경보다 더 짧다. 따라서, 피스톤 링이 제공되어 피스톤과 실리더 벽 사이에 밀봉을 확실히 하는데, 그 이유는 피스톤 링이 실린더 벽과 연속적인 활주 접촉되기 때문이다.
도 4는 엔진(300)의 전형적인 실린더의 수직 단면이다. 피스톤 헤드(420)는 관련된 실린더(440) 내에서 왕복운동하도록 도시되어 있다. 피스톤 링(426)은 피스톤(420)의 직경을 확대한다. 상부 피스톤 링은 라이너(452)를 포함한 실린더 벽(450)에 대한 접촉을 통합 압출 밀봉을 제공한다. 하부 피스톤 링은 크랭크샤프트를 둘러싸고 있는 오일로부터 실린더를 밀봉한다. 피스톤 헤드 내의 핀 보어(pin bore: 430)가 피스톤 헤드의 측면을 통해서 수직으로 연장된다. 핀(가시적이지 않음)은 핀 보어(430)를 통과하여 피스톤 헤드(420)를 피스톤 로드(428)에 연결시킨다. 피스톤 헤드(420)는 작동 동안에 그림자 윤곽으로 표시된 상사점 위치(top dead center position)를 갖는 실린더(440) 내에서 왕복운동한다. 예시된 다른 위치가 하사점(bottom dead center)이 아니라 그 근처에 있다는 것이 피스톤 헤드(420)에 피벗식으로(pivotally) 고정되는 피스톤 로드(428)의 거의 수직 위치로부터 측정될 수 있다.
피스톤 로드(428)의 하단부는 크랭크샤프트의 일부를 형성하는 로드 저널(rod journal: 458)에 피벗식으로 맞물린다. 그러한 저널(458)은 크랭크샤프트의 회전 축과 정렬되는 주요 저널 베어링(456)에 대해서 회전하는 카운터웨이트(454)에 장착된다. 카운터웨이트(454)는 엔진 주기의 배기 행정 동안에 피스톤 로드(428)를 상향으로 구동시키는 모멘텀을 제공한다.
피스톤 링(426)은 연소실을 밀봉하고, 열을 피스톤으로부터 실린더 벽으로 전달하고, 오일을 크랭크케이스로 반송시킨다. 피스톤 링의 유형은 압축 링, 와이퍼 링(wiper ring), 및 오일 링(oil ring)을 포함한다. 피스톤 링이 본 개시의 구리-함유 합금으로부터 제조되거나 그로 코팅되는 것이 고려된다.
실린더 라이너(liner)는 엔진 보어의 내벽으로 작용하고 피스톤 링의 미끄럼면을 형성한다. 통상의 실린더 라이너는 주철로 제조되고, 이는 우수한 마모-내성를 나타내는데, 엔진 부품을 위한 긴 사용 수명이 예상되기 때문이다. 그러나, 이들 주철 및 스틸 기반 라이너 및 인서트(insert)가 엔진 블록에 상당한 중량을 부가한다. 본 개시는 구리-함유 합금이 실린더 라이너(452)를 형성시키기 위해서 사용될 수 있는 것으로 생각된다. 이들 합금은 높은 열 전도성, 우수한 마모 내성, 및 열 안정성을 제공한다.
일부 구체예에서, 실린더 라이너(452)는 엔진 블록 실린더/보어(440) 내로 프레스 피팅되어 실린더 벽(450)을 형성시킨다. 이는 그러한 블록 또는 실린더 보어의 크기가 라이너 인서트의 외경보다 더 작음을 의미한다. 라이너 인서트는 실린더 내로 "가압"되고 그러한 크기 차이가 라이너 인서트를 제자리에 고정시킨다. 일반적으로는, 주철 보어에 대한 슬리브(sleeve)의 프레스 피트(press fit)는 .0025"이고, 알루미늄 보어의 경우에, 프레스 피트는 .004"이다. 현재, 인서트는 세 가지 벽 두께, 0.0625", 0.093" 및 0.125" 중 하나로 제조되지만, 신규한 구리-함유 합금 라이너 재료는 엔진 디자인에 의해서 요망되는 어떠한 두께로 제조될 수 있는 것으로 여겨진다.
본 개시의 다른 양태에 따라서, 실린더 라이너(452)는 구리-함유 합금으로 제조된 실린더 벽(450)의 표면 상의 코팅이다. 본 개시의 구리-함유 코팅은 본원에 기재된 바와 같은 용사 공정에 의해서 엔진 실린더(440)의 내부 표면에 적용된다.
코팅이 통상의 라이너 인서트에 비해서 유리한데, 그 이유는 그것이 중량을 절감하기 위한 부품의 재설계를 가능하게 하고 이는 자동차의 우수한 연비를 부여하기 때문이다. 구리-함유 합금 코팅은 또한 정형 가공(net shape manufacturing)에 더 가깝고 더 타이트한 설계 틈(design clearance)을 제공한다. 코팅은 또한 더 작은 니켈-규화물 입자(내부 노치 효과 없음)로 인해서 높은 피로 한계(high fatigue limit)를 나타낸다. 얇은 코팅(보어 내로 피딩되는 라이너 인서트와는 반대로)은 또한 코팅이 마모되는 때에 엔진이 가동할 가능성을 제공하고, 그에 따라서, 엔진에서의 고장 메커니즘을 제거한다.
도 4를 계속 참조하여 보면, 본 개시의 구리-함유 합금 피스톤 링(426)은, 피스톤(420)이 왕복운동하는 동안에, 낮은 마찰 표면을 제공하여 피스톤 링(426)이 실린더 벽(450)에 대해서 활주하게 한다.
본원에서 개시된 구리-함유 합금은 100℃에서 약 160 W/mK의 높은 열 전도성을 갖는다. 이들 구리-함유 합금은 통상의 재료에 비해서 여러 배의 열 전도성을 가질 수 있다. 높은 열 전도성을 궁극적으로는 엔진 부품의 더 낮은 온도를 유도한다. 예를 들어, 열은 피스톤의 링 홈으로부터 피스톤 링(426)을 통해서 그리고 실린더 벽(450) 내로 더욱 신속하게 전도될 것이다. 링 홈(ring groove)에서의 더 낮은 온도는 그러한 홈 내의 피스톤 재료의 항복 강도를 증가시키고, 또한 피로 강도를 증가시킨다.
구리-함유 합금의 사용으로 인해서 생성되는 높은 열 전도성 및 더 낮은 부품 온도는 엔진 시스템에 더 낮은 노킹 경향을 제공한다. 더 높은 압축 비율이 또한 증가된 연비와 함께 가능하다. 터보-차징(turbo-charging) 및 수퍼차징(supercharging)과 같은 강제 유도(forced induction)를 사용하는 엔진에서, 더 높은 부스트 압력(boost pressure)이 가능하다.
도 5는 내연기관을 위한 실린더 헤드에서의 밸브 가이드 배열을 예시하고 있다. 실린더 헤드는 그 안에 배치된 복수의 흡기 및 배기 포핏 밸브(poppet valve: 512)를 갖는 하우징(housing: 510)을 포함한다. 포핏 밸브(512)는 단일의 흡기 또는 배기구(514)를 통한 흐름을 제어한다. 포핏 밸브(512)는 밸브 스템(516) 및 밸브 헤드(520)를 포함한다. 밸브 스템는 밸브 가이드(518) 내에 수용되도록 구성된다. 밸브 가이드(518)는 하우징(510) 내에 밸브 가이드 보어(526)와의 간섭 피트(interference fit)를 갖도록 설계된 외부 표면(528)을 갖는다. 밸브 가이드 자체는 관 모양을 갖는다(즉, 그를 통한 중공 통로를 갖는다).
밸브 스템(516) 및 밸브 헤드(520)는 밸브 가이드의 장축에 관해서 왕복 운동으로 운동한다. 밸브 헤드(520)는 연소 실린더(440)에 인접한 밸브 시트(522)와 맞물리도록 구성된다. 밸브 헤드(520)는 압축 스프링(524)에 의해서 밸브 시트(522)와 접촉하도록 촉구된다. 밸브 시트는 또한 관 모양을 가지며, 내부 표면이 밸브 헤드와 맞물리도록 한 단부에서 테이퍼링된다.
왕복 운동은 밸브 스템(516)과 밸브 가이드(518) 사이 및 밸브 헤드(520)와 밸브 시트(522) 사이의 빈번한 접촉 및 후속 마모를 초래한다. 이들 엔진 부품은 또한 내연기관의 높은 온도에 주어진다. 밸브 시트와 밸브 가이드가 본원에서 개시된 구리-함유 합금으로 구성되거나 그로 코팅되는 것이 고려된다.
본 개시의 다른 양태에 따라서, 엔진 부품, 예컨대, 피스톤 링(426), 밸브 시트(522), 및 밸브 가이드(518)는 구리-함유 합금으로 코팅된다. 본 개시의 구리-함유 코팅은 본원에 기재된 바와 같이 용사 공정에 의해서 엔진 부품의 표면에 적요된다.
코팅이 유리한데, 그 이유는 그것이 중량을 절감하기 위한 부품의 재설계를 가능하게 하고 이는 자동차의 우수한 연비를 부여하기 때문이다. 구리-함유 합금 코팅은 또한 정형 가공에 더 가깝고 더 타이트한 설계 틈을 제공한다. 코팅은 또한 더 작은 니켈-규화물 입자(내부 노치 효과 없음)로 인해서 높은 피로 한계를 나타낸다. 얇은 코팅은 또한 코팅이 마모되는 때에 엔진이 가동할 가능성을 제공하고, 그에 따라서, 엔진에서의 고장 메커니즘을 제거한다.
본 개시의 또 다른 양태에 따라서, 구리-함유 합금으로 코팅된 적어도 하나의 표면을 갖는 물품이 제공된다. 구리-함유 합금 코팅은 정형 가공에 더 가깝고 물품의 더 타이트한 설계 틈을 제공한다. 도 6b는 구리-함유 합금으로 용사된 상부 표면을 갖는 알루미늄 기재 물품의 사진을 나타낸다. 구리-함유 합금 코팅은 일반적으로 마모에 주어지는 물품 및 부품에 특히 유용하다. 일부 구체예에서, 구리-함유 합금 코팅된 물품은 엔진 부품이다. 일부 예시적인 구체예에서, 구리-함유 합금 코팅된 엔진 물품은 운동 및 왕복운동 내부 엔진 부품에서 또는 그와 함께 사용되는 부싱, 베어링, 피스톤 홈 코팅이다. 다른 구체예에서, 구리-함유 합금 코팅된 물품은 엔진이 아닌 시스템에서 사용되는 부싱 및 베어링, 예컨대, 스틸(steel)로 제조된 저널 베어링이다. 일부 예시적인 실시예에서, 본원의 재료로 코팅된 부싱 및 베어링은 해양 적용, 랜딩 기어(landing gear) 등에서 사용된다.
하기 실시예는 본 개시의 장치 및 공정을 예시하기 위해서 제공된다. 실시예는 단지 예시적이며, 본 개시를 그에 기재된 재료, 조건, 또는 공정 파라미터로 제안하는 것으로 반드시 의도되지는 않는다.
실시예 1
도 6a는 기계적으로 거칠어진 알루미늄 기재의 표면의 단면의 사진이다. 기계적으로 거칠어진 표면을 구리-함유 합금으로 용사하여 두께 약 150 마이크론의 구리-함유 합금층을 생성시켰다. 도 6b는 Cu-함유 합금에 의한 용사 후의 거친 알루미늄 기재를 나타낸다.
본 개시는 예시적인 구체예를 참조로 하여 기재되었다. 명백하게는, 앞선 상세한 설명을 읽고 이해하면 다른 사람에 의해서 변형 및 변경이 발생할 수 있다. 본 개시는 모든 그러한 변형 및 변경이 첨부된 청구범위 또는 이의 균등물의 범위 내에 오는 한 그러한 모든 변형 및 변경을 포함하는 것으로 해석되는 것으로 의도된다.

Claims (23)

  1. 구리-함유 합금을 포함하는 조성물로서, 구리-함유 합금이 구리, 니켈, 및 (i) 주석 또는 (ii) 규소 및 크롬을 포함하고, 합금이 미립자 또는 와이어의 형태인, 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    구리-함유 합금이
    약 5 중량% 내지 약 9 중량%의 니켈;
    약 1 중량% 내지 약 3 중량%의 규소;
    약 0.2 중량% 내지 약 2.0 중량%의 크롬; 및
    나머지 구리를 함유하는 구리-니켈-규소-크롬 합금인,
    조성물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    구리-함유 합금이
    약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 니켈;
    약 5 중량% 내지 약 10 중량%의 주석; 및,
    나머지 구리를 함유하는 구리-니켈-주석 합금인,
    조성물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    구리-함유 합금이 약 2 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터의 평균 입자 크기를 갖는 미립자인, 조성물.
  5. 청구항 1에 있어서,
    윤활제를 추가로 포함하는, 조성물.
  6. 청구항 5에 있어서,
    윤활제가 그라파이트, 탈크(talc), MoS2, 운모(mica), 또는 질화붕소인, 조성물.
  7. 구리-함유 합금 미립자 조성물을 소결시킴으로써 형성된 물품(article)으로서, 구리-함유 합금이 구리, 니켈, 및 (i) 주석 또는 (ii) 규소 및 크롬을 포함하는, 물품.
  8. 청구항 7에 있어서,
    구리-함유 합금이
    약 5 중량% 내지 약 9 중량%의 니켈;
    약 1 중량% 내지 약 3 중량%의 규소;
    약 0.2 중량% 내지 약 2.0 중량%의 크롬; 및
    나머지 구리를 함유하는 구리-니켈-규소-크롬 합금인,
    물품.
  9. 청구항 7에 있어서,
    구리-함유 합금이
    약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 니켈;
    약 5 중량% 내지 약 10 중량%의 주석; 및,
    나머지 구리를 함유하는 구리-니켈-주석 합금인,
    물품.
  10. 청구항 7에 있어서,
    물품이 연소 기관(combustion engine), 밸브 시트(valve seat), 밸브 가이드, 피스톤 링(piston ring), 또는 부싱(bushing)을 위한 부품인, 물품.
  11. 구리-함유 합금 미립자를 포함하는 조성물을 전구체 물품(precursor article)으로 성형하고;
    전구체 물품을 약 500℃ 내지 약 1100℃의 온도에서 가열함을 포함하여, 물품을 형성시키는 방법으로서;
    구리-함유 합금 미립자가 구리, 니켈, 및 (i) 주석 또는 (ii) 규소 및 크롬을 포함하는, 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    조성물을 균질화시킴을 추가로 포함하는, 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    성형 및 가열이 웜 컴팩션(warm compaction), 열간 등방압 가압(hot isotactic pressing), 분말 단조(powder forging), 분말 사출 성형(powder injection molding), 분말 롤링(powder rolling), 및 분말 압출(powder extrusion) 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    가열 단계 후에 하기 단계 중 적어도 하나를 수행함을 추가로 포함하는 방법:
    제2 열처리;
    조이닝(joining); 재가압(repressing);
    리사이징(resizing);
    기계 가공(machining); 및
    표면 처리(surface treatment).
  15. 구리-함유 합금으로부터 코팅을 형성시키는 방법으로서,
    구리, 니켈, 및 (i) 주석 또는 (ii) 규소 및 크롬을 포함하고 미립자 또는 와이어의 형태인 구리-함유 합금을 수용하고;
    구리-함유 합금을 용융 또는 반-용융 상태로 가열하고;
    용융 또는 반-용융 구리-함유 합금을 기재(substrate) 상으로 분사하여 코팅을 형성시킴을 포함하는, 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    구리-함유 합금이
    약 5 중량% 내지 약 9 중량%의 니켈;
    약 1 중량% 내지 약 3 중량%의 규소;
    약 0.2 중량% 내지 약 2.0 중량%의 크롬; 및
    나머지 구리를 함유하는 구리-니켈-규소-크롬 합금인, 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    구리-함유 합금이
    약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 니켈;
    약 5 중량% 내지 약 10 중량%의 주석; 및,
    나머지 구리를 함유하는 구리-니켈-주석 합금인, 방법.
  18. 피스톤;
    피스톤 링; 및
    라이너(liner)를 갖는 실린더형 보어를 포함하는 엔진 어셈블리(engine assembly)로서,
    라이너가 구리, 니켈, 및 (i) 주석 또는 (ii) 규소 및 크롬을 포함하는 구리-함유 합금으로부터 형성되는, 엔진 어셈블리.
  19. 청구항 18에 있어서,
    실린더 라이너가 인서트(insert)의 형태이거나, 실린더 보어의 표면에 적용되는 코팅의 형태인, 엔진 어셈블리.
  20. 청구항 18에 있어서,
    코팅이 용사(thermal sprayed)되는, 엔진 어셈블리.
  21. 적어도 하나의 표면을 갖는 기재; 및
    구리-함유 합금 코팅을 포함하는 물품으로서,
    구리-함유 합금이 구리, 니켈, 및 (i) 주석 또는 (ii) 규소 및 크롬을 포함하고,
    구리-함유 합금 코팅이 기재의 적어도 한 표면에 적용되는,
    물품.
  22. 청구항 21에 있어서,
    구리-함유 합금이 기재의 적어도 한 표면 상에 용사되는, 물품.
  23. 청구항 21에 있어서,
    물품이 엔진 부품, 부싱 또는 베어링인, 물품.
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