KR900008507B1 - 내마모성, 평활성 및 내식성 표면을 가진 기계부품 - Google Patents

내마모성, 평활성 및 내식성 표면을 가진 기계부품 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

내마모성, 평활성 및 내식성 표면을 가진 기계부품
본 발병은 철 또는 강철로 된 기계부품의 접촉 마찰부위에 표면층을 형성한 것에 관한 것이며, 특히 종이, 고무, 플라스틱, 수지, 세라믹스 또는 금속으로 된 부품과 접촉하여 마찰되는 부위에 내마모성, 평활성 및 내식성 표면을 가진 각종 기계 부품에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이 철 및 강철은 다른 금속재료에 비해서 강도, 연성, 인성, 경도 등의 기계적 성질이 우수하며, 기계자료, 구조재료 등에 가장 기본적인 재료로서 널리 이용되고 있다.
철 및 강철은 탄소(C)의 함유량에 따라서 철, 강철 및 주철로 나누어지며, 또한 강은 탄소강 및 그 탄소강에 여러가지의 원소를 첨가해서 특정한 성질을 갖게 한 합금강으로 분류되며, 이들은 그 성질에 따라서 여러가지의 용도로 사용되고 있다.
그리고 철강재료로 형성 된 기계부품이나 구조부품은 기계적 강도 외에 사용 조건이나 환경에 따라 요구되는 기계적 성질을 갖추어야 된다.
우선 철강 부품이 다른 부품과 마찰하는 상태에서 사용되는 경우에는 내마모성 및 표면 평활성이 요구된다.
예를 들면 철강부품이 기계에 있어서의 베어링부품(bearing parts)이나 슬라이딩 부품(sliding parts)과 같은 서로 마찰되는 곳의 기계부품으로서 사용되는 경우나 혹은 공구류로써 다른 부품과 접촉하여 사용되는 경우에는 상기 철강부품의 마모를 방지하는 동시에 다른 부품과의 미끄럼을 좋게 하기 위해서는 철강제품에 내마모성 및 표면 평활성이 요구된다.
또한 철강부품을 물, 산, 알칼리 등의 부식성 분위기의 환경에서 사용하는 부품으로 사용하는 경우, 예를 들면 수중 펌프의 축부 또는 임펠러(impeller) 등의 경우에는 철강 부품이 부식되지 않도록 내식성을 갖게하는 것이 필요하다.
최근에는 철강재료로 된 부품에 있어서는 그 재료 본래의 성질 외에 사용조건이나 환경에 따라서 요구되는 성질을 갖게 하기 위하여 부품의 모재(母材) 표면에 모재와는 기계적 성질이 다른 표면층을 형성하는 것이 시도되고 있다.
그리고 이 부품의 표면에 형성되는 표면층에 대해서는 다음과 같은 조건을 만족하여야 한다.
즉 부품이 다른 부품과 마찰하는 경우에 있어서의 다른 부품과의 마찰에 견딜 수 있는 내마모성, 다른 부품과의 미끄럼을 좋게 하는 평활성 및 다른 부품을 손상하지 않으며 부식성 분위기에 의해서 부식되지 않는 내식성이 있어야 한다.
더욱이 부품의 표면층은 높은 기계걱 강도를 가지며, 그 표면층이 형성될 때에 모재의 성질을 나쁘게 하지 않고 그리고 형성된 후에 연마가공 등의 마무리 가공이 불필요한 것이어야 한다.
철이나 강철로 된 부품의 모재표면에 표면층을 형성시키는 방법으로서는 도금법, PVD(Physical Vapor Deposition)법, CVD(Chemical Vapor Deposition)법, 용사(溶射)(frame spraying)법 등이 알려져 있다.
그러나 이러한 표면층 형상방법들은 각각의 표면에 대해서 요구되는 전술한 각각의 조건을 전부 만족하는 표면층을 형성시킬 수 있는 것은 아니며 실용화에 어려움이 많다.
즉 종래의 방법으로 형성된 표면층은 치밀성, 내마모성 및 평활성이 불충분하다.
또한 표면층과 모재와의 접착력이 충분하지 않으며, 표면층이 박리(剝離)될 우려가 있다는 문제가 있으며 또한 표면 형성 후에 마무리 가공이 필요하다.
본 발명은 전술한 결점을 개선하기 위한 것으로서, 우수한 내마모성 및 평활성이 있는 동시에 내식성이 양호하며 더욱이 모재를 나쁘게 하지 않고 높은 기계적 강도를 갖는 표면층이 형성되어 있으며, 그리고 종이, 고무, 플라스틱, 수지, 세라믹스 또는 금속으로 된 부품과 접촉하는 기계부품을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 기계부품은 종이, 고무, 플라스틱, 수지, 세라믹스 또는 금속으로 된 부품과 접촉되며 철을 주체로 한 금속 모재와 모재표면에 형성되며 주성분으로서 산화크롬(Cr2O3)을 포함하는 표면층으로 이루어진다.
산화크롬(Cr2O3)은 크롬 화합물의 가열에 의하여 생성된 재질이며, 표면층의 산화크롬과 모재의 반응생성물인 중간층이 표면층과 모재 사이에 형성된다.
본 발명의 기계부품은 종이, 고무, 플라스틱, 수지, 세라믹스 또는 금속으로 된 물품과 여러 가지 부품을 포함하며, 그러한 기계부품은 기계의 베어링부 또는 슬라이딩부 즉, 엔진부품이나 펌프 부품의 실린더와 같이 고무나 합성수지로 구성된 0링(0-ring)과 접촉하는 기계부품을 포함한다.
기계부품의 모재의 예로서는 탄소강, 스테인레스강 또는 다른 철합금이 있다.
본 발명의 기계부품의 모재표면에 형성되는 표면층은 크롬화합물로부터 가열에 의해서 변환되어 서로 강력하게 결합된 산화크롬(Cr2O3) 입자의 치밀한 구조로 되어 있다.
이 표면층은 평활하고 좋은 내마모성을 갖는다.
응결된 Cr2O3세라믹 입자의 크기가 매우 작으므로(1㎛ 이하), 표면층은 기공이 없고 치밀하며 평활한 층으로 될 수 있고 또 매우 얇게 형성될 수 있다.
그러므로 모재의 고유특성(예를 들면 탄성같은)을 효과적으로 이용할 수 있다. 표면층의 경도는 비커의 경도(Vicker's hardness)(HV)로서 500 이상이다.
모재 재료와 산화크롬과의 반응생성물인 중간층이 표면층 모재와의 경계에 형성된다.
표면층은 모재상에 높은 접착강도(500kgf/㎠)로 접착된다. 중간층 두께의 범위는 0.5-0.3㎛이다. 또한 표면층은 높은 내식성, 이질재료 제거성 및 높은 화학물에 대한 저항성을 지닌다.
표면층에 함유된 산화크롬(Cr2O3)은 경도를 증가시키고 마찰계수를 감소시킨다.
전술한 표면층을 가진 기계부품은 다음 방법으로서 제조된다. CrO3수용액 같은 산화크롬 용액을 코팅(coating)이나 침지(浸漬)(dipping) 방법으로 모재표면에 부착시키고, CrO3용액이 부착된 모재표면을 온도 500-600℃(바람직하기로는 550℃)로 가열, 소성하여 산화 처리하고, 모재표면에 Cr2O3를 주성분으로 하는 층을 형성한다.
전술한 바와 같이 500-600℃의 온도로 소성함으로써 CrO3를 Cr2O3로 변환시킬 수 있다. CrO3부착공정과 소성공정을 1사이클로 하여 여러번 되풀이 함으로써 모재표면에 Cr2O3를 주성분으로 하는 치밀하고 단단한 세라믹 코팅층을 형성한다. 이 층의 두께는 1-50㎛이다. 세라믹 코팅층의 두께는 전술한 처리과정을 반복하는데 따라서 조정된다.
기재부품의 표면층 두께는 1-10㎛가 좋으며 바람직하기로는 2-6㎛이다. 소성온도의 범위가 500-600℃로 낮기 때문에 소성에 의해서 모재의 성질을 나쁘게 하는 일이 적다.
소성을 행함으로써 Cr2O3로 변환시킬 수 있는 CrO3같은 크롬 화합물을 사용할 수 있다.
그러한 크롬 화합물의 예로는 NaCrO4·10H2O, Na2Cr2O7·2H2O, K2CrO4, K2Cr2O7및 (NH4)2Cr2O7이 있다.
더욱이 용액은 수용액으로 한정되지 않으며 용융염(molten salt)으로 대신할 수 있다. 바람직하기로는 용액의 농도는 10-85%이다.
본 발명의 실시예에 관해서 설명하기로 한다.
[실시예 1]
먼저 모재로서 오스테나이트 스테인레스강(ASTM 304) 및 페라이트 스테인레스강(ASTM 430)을 사용하며, 다음의 표 1에서 나타낸 조건에 의해 표면층을 형성하지 않은 것, 본 발명에 의해서 표면층을 형성한 것 및 종래의 방법에 의해서 표면층을 형성한 것으로 각각 구분해서 8개의 시험체를 준비하였다.
[표 1]
Figure kpo00001
각 시험체(No.1), (No.2)는 모재표면에 마무리 가공을 한 것이며, 본 발명에 의한 시험체 (No.3), (No.4)는 표면층 형성 후에 특별한 마무리 처리를 하지 않은 것이고, 그리고 다른 방법에 의한 시험체(No.5), (No.6), (No.7), (No.8)는 표면층 형성 후에 마무리 가공을 실시하였다.
본 발명의 한 실시예인 시험체(No.3), (No.4)는 다음과 같이 제조하였다. 즉 모재를 50% 크롬산(CrO3) 수용액에 1-2분 담그고, 건조 후에 온도 500-600℃의 공기 중에서 소성하였다.
전술한 과정을 16회 반복함으로써 모재표면에 약 5㎛ 두께의 표면층이 형성되었다.
이 표면층은 모재와 CrO3의 반응생성물(FeO·Cr2O3)과 주성분인 Cr2O3를 포함하는 중간층과, 그리고 CrO3로부터 변환된 Cr2O3를 주성분으로 하는 층을 포함한다.
그리고 이러한 시험체에 대해서 내마모성 및 내식성을 조사하기 위한 시험을 실시하였다.
[내마모성 시험]
섬유로 기계부품을 고속으로 마찰시키는 방법으로 내마모성을 시험하였다.
시험조건은 다음과 같이 하였다.
섬 유 : 폴리에스테르 50d/48f
속 도 : 3.5m/sec
장 력 : 65g
시험시간 : 24hr
결과는 표 2에 나타내었다.
[표 2]
Figure kpo00002
표 2에서 알 수 있듯이 본 발명에 의한 시험체는 마모 흔적이 없었으며, 24시간 운동후에도 섬유의 파손이 없었다.
[내식성 시험]
내식성 시험으로 염산(hydrochloric acid) 수용액에 시험체를 담그어서 시험체의 무게의 감소를 측정하였다.
시험조건은 다음과 같다.
용액농도 : 5%, 10%
온 도 : 상온
침지시간 : 24hr
결과는 표 3에 나타낸다.
[표 3]
Figure kpo00003
표 3에서 알 수 있듯이, 본 발명에 의한 시험체는 훌륭한 내식성을 가졌다.
[실시예 2]
모재로서 오스테나이트 스테인레스강(ASTM 304)으로 된 외주 34㎜, 내주 30㎜ 및 길이 100㎜의 실린더를 모재로 사용하여 두 가지의 시험체를 준비하였다.
한 시험체는 본 발명에 따른 표면층을 가지며, 다른 시험체는 종래의 방법에 따른 표면층을 갖는다.
즉, 시험체(No.9)는 본 발명에 의해서 표면층을 형성하였으며, 모재를 80% CrO3수용액에 1-2분 침지 시키고, 온도 500-600℃의 공기 중에서 소성하였다.
전술한 과정을 15회 반복하여 모재표면에 약 5㎛ 두께의 표면층을 형성하였다. 시험체(No.10)는 종래의 방법에 의해서 표면층을 형성하였으며, 모재에 크롬 도금시켜서 30-40㎛ 두께의 크롬층을 형성하였다.
두 시험체를 플런지 펌프의 실린더로 사용하여, 내부 표면의 내마모성 시험을 실시하였다. 또한 2% 소석회 수용액을 계속해서 플런지 펌프에 공급하였다.
그런 다음 300시간 후에 실린더 내부 표면상의 표면층 마모정도를 측정하였으며, 내부 표면의 상태도 관찰하였다.
펌프를 작동시키는 동안 축의 말단부에 설치된 고무의 슬라이딩(sliding)부는 120행정(stroke)/min으로 실린더 내부에서 왕복 운동하였다.
결과로서, 시험체(No.9) 내부 표면의 마모정도는 2㎛였고, 내부 표면의 상태는 변화가 없었다. 그러나 시험체(No.10) 내부 표면에 마모정도는 45㎛였고, 표면층이 거의 전부 소모되었고 모재가 노출되었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 내마모성, 평활성 및 내식성 표면을 가지고 있으며, 종이, 고무, 플라스틱, 수지, 세라믹스 또는 금속으로 된 부품과 접촉되는 기계부품을 제공한다

Claims (9)

  1. 종이, 고무, 플라스틱, 수지, 세라믹스 또는 금속으로 된 부품과 접촉되는 기계부품에 있어서, 철을 주체로 한 금속모재, 상기 모재표면에 크롬 화합물에서 가열에 의하여 변환된 산화크롬(Cr2O3)을 주성분으로 하는 표면층, 그리고 상기 모재와 표면층 사이의 경계에 모재와 산화크롬과의 반응 생성물인 중간층으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 내마모성, 평활성 및 내식성 표면을 가진 기계부품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표면층의 두께가 1-50㎛인 것을 특징으로 하는 기계부품.
  3. 제1항에 있어서, 상기 표면층의 두께가 1-10㎛인 것을 특징으로 하는 기계부품.
  4. 제1항에 있어서, 상기 표면층의 두께가 2-6㎛인 것을 특징으로 하는 기계부품.
  5. 제1항에 있어서, 크롬 화합물이 CrO3인 것을 특징으로 하는 기계부품.
  6. 제1항에 있어서, 상기 중간층의 두께가 0.5-3.0㎛인 것을 특징으로 하는 기계부품.
  7. 제1항에 있어서, 상기 중간층이 FeO·Cr2O3및 Cr2O3로 구성된 것을 특징으로 하는 기계부품.
  8. 제1항에 있어서, 상기 기계부품이 기계의 베어링 부품인 것을 특징으로 하는 기계부품.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기계부품이 엔진이나 펌프의 슬라이딩(sliding) 부품인 것을 특징으로 하는 기계부품.
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