KR930009989B1 - 압축기용 회전축의 표면처리방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

압축기용 회전축의 표면처리방법

제 1 도∼제 4 도는 본 발명의 한 실시예를 나타낸 것으로서,

제 1a 도∼제 1d 도는 화합물층 사양인 경우의 각공정을 순서대로 나타낸 설명도.

제 2 도는 확대층 사양의 회전부 표면의 단면확대도.

제 3a 도 및 제 3b 도는 화합불층 사양의 회전축 특성을 나타낸 그래프.

제 4 도는 일반적인 압축기를 나나탠 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

6 : 회전축 11 : 모재

12 : 화합물층 13 : 미반응잔재물

14 : 확산층 15 : 인산염피막.

본 발명은 예를들어 압축기에 조립된 금속제 회전축의 표면처리 방법에 관한 것이다.

최근, 에어콘에서는 소비자의 주거공간의 변화와 쾌적성의 요구에 따라 고성능화와 사용조건의 확대등이 도모되고 있다. 그리고, 에어콘의 주요한 구성물인 제 4 도에 나타낸 압축기(1)는 보다 고속 또는 저속에서의, 또한 보다 고부하 조건하에서의 운전에 견딜수 있어야 할 필요가 있다. 따라서, 베어링(2), (3)등과 미끄럼운동하여 고온이 되면서 구동부(4)의 구동력을 압축부(5)로 전달하는 회전측(6)에는 전술한 운전조건에 견딜수 있는 충분한 내마모성 및 내소착성(耐燒着性)이 요구된다.

즉, 전술한 압축기(1)에서는 고속운전시에 소위 pv값(pressure-velocity 값)이 상승하여 소착이 생길 위험성이 높아진다.

또한, 반대로 운전속도를 저하시키면, 회전축(6)의 주축부(7)와 주베어링(2) 및 부축부(8)와 부베어링부(3)사이의 미끄럼운동부로의 급유량이 감소하는 동시에, 동압베어링으로서의 베어링부하의 특성이 저하되어 회전축(6)과 베어링(2), (3)에 의한 금속 접촉기회가 증대하여 미모가 진행된다.

그리하여, 이러한 불합리함을 해결하기 위해 베어링구조의 개량과, 베어링과 회전축의 재료 개발등이 검토되고 있다.

그리고, 베어링의 미끄럼 운동 특성을 향상시키는 방법으로서 인산염 피막처리와 이황화몰리브덴 피막처리 또는 α-BN(boron nitridation)막처리 등이 알려져있다. 그리고, 이러한 처리는 고부하 운동시에서의 내소착성를 개선하여 주로 초기 길들이기를 양호하게 한다. 그러나, 예를들어 인버터 구동되는 압축기등에서 저속운전 했을때와 같이 급유량이 부족하기 쉬운 상태로 장시간의 운전이 실행된 경우 축부하 변동이나 유막두께의 감소등이 원인이 되어 마모가 진행될때가 있다.

또한, 이러한 마모에 대하여 경도가 높은 재료를 사용하거나, 표면처리로 표면정도를 높이는 것이 유효하다. 그러나, 경도가 높은 재료는 내마모성이 높은 것은 확실하지만, 가공성이 나쁘다는 불합리함을 가지고 있다.

또한, 금속제 부재의 경도를 표면처리 또는 열처리로 향상시키는 방법이 예를들어 자동차 관련부품을 중심으로 제안검토되고 있다. 그리고, 이러한 방법으로서 고주파 담금질, 침탄처리, 질화처리, 융화처리 및 실리콘나이징 처리등이 있는데, 모두 매우 고온하에서 실행된다. 그리고, 그 온도는 예를들어 침탄처리로 780℃ 전후, 또한 질화처리로 오백수십 ℃로 되어있다.

그리고, 이러한 온도하에서는 모재가 변형되므로, 이러한 방법의 사용에는, 자동차 관련 부품등에는 많지만 압축기 관련부품, 특히 수 미크론 이하의 부품 정밀도가 요구되며 또한 형상이 복잡한 회전축(6)에는 거의없다.

본 발명의 목적은 변형발생을 방지하고, 또한 내마모성 및 내소착성이 우수한 압축기용 회전축의 표면처리 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 철계 금속재료로 형성된 압축기용 회전축에 이온질화 처리에 앞서 사전에 이온질화처리온도+50℃이상∼상기 철계금속재료의 변태점 이하의 온도로 어니일링 처리를 하는 제1의 공정과, 상기 회전축에 450℃-550℃의 온도 조건에서 이온질화 처리를 하여 상기 회전축의 바깥둘레면에 질화철층을 형성하는 제2의 공정과, 이온질화 처리후에 인산염 피막처리를 하여 상기 질화철층의 표면에 인산염피막을 형성하는 제3의 공정을 구비하였다.

또한, 이온질화 처리전에, 어니일링처리시에 발생한 산화막을 제거하도록 하였다.

또한, 인산염 피막처리전에, 질화철층의 표면에 발생한 미반응 잔재물의 재거처리를 하도록 하였다.

또한, 인산염피막 처리전에, 질화철층의 화합물층에 제거하여 확산층을 노출시키도록 하였다.

또한, 상기 이온질화처리에 진공배기 공정과, 진공반응도 내에서 직류글로우 방전을 단속적으로 하여 회전축의 표면을 청소하는 스피터링공정과, 진공반응로 내의 온도를 이온질화 처리를 하는데 충분한 온도로 상승시키는 승온공정과, 질화가스 분위기중에서 450℃-550℃의 온도조건으로 글로우방전을 발생시켜서 이온질화를 하는 질화공정과, 불활성가스를 흐르게 하면서 회전축의 온도를 하강 시키는 온도강하 공정을 구비하였다.

이렇게 하므로써, 본 발명은 압축기용 회전축에 변형을 발생시키는 일이 없이 내마모성 및 내소착성을 향상시키도록 하였다.

이하, 본 발명의 각 실시예를 제 1 도∼제 3 도에 의거하여 설명한다.

또한, 종래의 기술에서 설명한 것과 중복되는 것에 대해서는 동일부호를 붙여서 그 설명은 생략하였다.

즉, 철게금속 재료에 의해 형성된 압축기용의 회전축을 이온질화 처리에 앞서 사전에 이온질화 온도 처리 온도 ±50℃이상으로 응력제거 어니일링시킨뒤, 연마가공 및 450∼550℃의 온도조건에서의 이온질화 처리를 한다.

그리고, 이후에 회전축의 표면의 미반응 잔재물을 제거하고 인산염 피막을 형성한다.

상기 철제금속재료로서는 편상흑연 주철이나 구상흑연주철(FCD)등의 주물재, 질화강, 탄소강, 크롬몰리브덴강 등의 강철계 소결체 이용할 수 있다.

또한, 상기 응력제거 어니일링(이하, 어니일링 이라함)은 회전축 주물 제조시의 회전축 각부의 냉각 속도차에 따라 발생하는 내부응력 또는 거친 가공시의 가공응력을 제거하기 위해 실행된다. 그리고, 어니일링은 이온질화 처리온도(후술함) +50℃∼상기 철제금속 재료의 변태점 온도이하로 실행된다.

그리고, 어니일링이 실행되는 분위기는 불활성가스 중이거나 공기중이라도 무방하다.

또한, 어니일링된뒤 노에서 추출된 회전축의 표면에서는 산화가 진행된다.

그리고, 이러한 산화는 공기중에서 어니일링을 하는 경우뿐만 아니라, 불황성 가스중에서 어니일링 하는 경우에도 진행된다. 그리고, 발생한 산화물은 연마가공시에 숫물의 눈막힘이 원인이 되어 숫돌의 절삭성을 저하시켜 버린다.

또한, 산화에 의해 발생한 산화막에 따라 회전축으 표면상태가 불균일해져서 후술하는 스피터링 공정시에 집중방전을 발생시키기 쉬어져서 스피터링 공정이 장시간화되어 버린다.

따라서 어니일링 처리시에 발생한 산화막을 이온질화 처리전에 제거한다.

상기 이온질화 처리는 진공 배기공정, 스피터링공정, 승온공정, 질화공정 및 온도강하공정으로 이루어진다.

이 가운데서 진공배기 공정에서는 진공반응로 내에 피처리물인 회전축을 설치한뒤 배기를 한다. 그리고, 진공반응로 내의 압력을 예를들어 0.1 「Torr」이하로 하여 누설이 발생하지 않음을 확인한다.

스퍼터링 공정에서는 노내에 암모니아 가스나 질소가스, 또는 질소와 수소의 혼합가스를 흐르게 한다. 그러고, 회전축을 음극으로 하고, 노벽을 양극(접지)로 하여 직류전압을 수 μsec간격으로 단속적으로 인가한다. 그리고, 암모니아 이온 또는 질소이온을 회전축의 표면에 충돌시켜 회전축의 표면의 기름성분을 털어내어 반응로 밖으로 배출하여 회전축의 표면을 청소한다. 그리고, 기름성분등을 제거함으로써 방전을 인장시켜, 회전축의 표면전에 얇은 이온피복을 균일하게 형성한다.

승온공정에서는, 상기 이온피복을 형성한뒤에 인가접압 및 노의 내부 압력을 서서히 높혀서 이온의 충돌에너지 및 충돌횟수를 증가시켜서 회전축의 온도를 상승시킨다.

질화공정에서는 질화온도를 450℃∼550℃로 설정된다.

즉, 질소이온에 의해 털어낸어진 회전축의 표면 철원소는 별도의 질소이온과 결합하여 회전축의 표면에 재부착 되어진다. 그리고, 이 재부착이 진행됨으로써 화합물층이 형성되는데, 이때 온도가 너무 낮으면 충분히 화합물층이 형성되는데, 이때 온도가 너무 낮으면 충분히 재부착시킬수 없게 된다. 또한, 재부착된 질화철의 질소의 일부가 회전축의 내부로 확산됨으로써 발생하는 확산층도 형성하기 어렵게 된다. 그리고, 과도한 저온에서 질화된 것은 전술한 것처럼 화합물층 및 확산층을 형성하기 어려워지는 동시에 화합물층의 조성(예를들어 γ상, ε상비율)이 변화되어 버리고, 450℃이하에서 질화한 경우에는 내마모성이 불충분해진다.

또한, 반대로 550℃이상의 고온에서 질화한 경우에는, 질화는 충분히 진행되지만 압축기용 회전축의 필요한 수 미크론이하의 변형, 정밀도를 유지할 수 없게 된다.

온도강하 공정에서는 전술한 질화공정이 종료된 뒤 질소가스등의 불활성 가스를 흐르게하여 회전축의 표면산화를 방지하면서 산화가 진행되지 않은 온도까지 온도를 하강시킨다.

또한, 전술한 것처럼 이온질화 처리후에 실행되는 미반응 잔재물의 제거란 불완전한 질화부분과 치밀화되어 있지 않은 최상부 표면층을 제거하는 것을 나타내는 것이다. 즉, 상기 질화공정이 종료되고 바로 대기중으로 추출하는 것은 표면산화등에 의해 할수없으므로 회전축은 노냉된다. 그리고, 회전축은 일정시간, 예를들어 400∼500℃의 온도로 질소등이 존재하는 분위기 가운데에 있으므로, 회전축의 최상부 표면에는 불완전한 질화부분이 존재하게 된다.

또한, 질화후 즉시 노의 내부를 진공으로 하더라도, 아직 치밀화가 진행되어 있지않아 표면 거칠기도 질화전에 비하여 거칠고 악화되어 있다. 따라서, 이러한 불완전한 질화부분과 치밀화되어 있지않은 최상부 표면충둥의 밀착강도가 약한 미반응 잔재물을 제거한다.

그리고, 미반응 잔재물을 제거하는 수단으로서 예를들어 배럴연마등을 채택하는 것을 생각할수 있다.

또한, 인산염 피막처리란, 통상 사용되고 있는 인산 망간처리를 나타내는 것이다.

제 1a 도∼제 1d 도는 본 발명의 제1의 실시예를 나타내고 있다. 그리고, 도면에서 "11"은 예를들어 강,주물 또는 철제 소결재등의 철계금속재료로된 모재이다. 이모재(11)의 표면에 이온질화처리를 하면 제 1b 도에 나타낸 것처럼, 모재(11)의 위에 화합물층(12)이 형성되고, 최상부 표면층에는 미반응 잔재물(13)이 생기게 된다. 또한, 모재(11)의 내부에는 질화확산 영역(확산층)(14)이 생기게 된다.

이 가운데서, 화합물층(12)은 γ'상 (Fe₄N) 및 ε상(Fe_2∼3N)으로 형성되어 있다. 그리고, 이온질화 처리시에 질소와 수소의 혼합가스를 사용하여 가스조성비율 50:50%정도로 한 경우에는 화합물층(12)의 많은 부분이 γ'상으로 되어 있는데, 이것보다도 질소의 비율을 증가시키면 γ'상과 ε상의 혼합상태로 된다.

화합물층(12)을 주로 표면처리를 하는 경우, 즉 회전축을 화합물층 사양으로 하는 경우, 화합물층(12)의 두께 "A"를 1㎛∼수㎛ 정도로 설정하고 확산층(14)의 두께 "B"를 10㎛정도로 설정한다.

여기에서 화합물층(12)을 형성한 뒤에는 표면의 미반응 잔재물의 제거를 할 필요가 있다. 미반응 잔재물의 제거를 하지 않는 경우에는 산염피막이 탈락하기 쉽고, 또한 이 미반응 잔재물(13)자체가 달라붙는 원인이 된다.

그리고, 제 1c 도에 나타낸 것처럼 미반응 잔재물(13)을 제거한 뒤, 인산망간등의 인산염 처리액에 침지하고 건조하여, 제 1d 도에 나타낸 것처럼 인산염피막(15)을 형성한다.

또한, 모재(11)에 구상흑연 주철을 채택하면 인버터 구동시의 고주파수 운전에 따라 회전축이 진동을 최소한으로 할수 있다. 또한, 모재(11)의 결정은 모재(11)의 내마모성이 표면처리에 따라 높아지므로, 모재(11)자체의 내마모성 보다도 강성과 제조단가를 우선하여 실행할수 있다. 따라서, 모재(11)에 예를들어 STKM(기제구조용 탄소강 강관)을 채택할 수 있다.

또한, 이온질화 처리의 온도는 다른 질화처리온도에 비하여 낮으므로, 이온질화처리를 한 경우에는 처리전후에서의 치수 정밀도 변화가 작다. 그리고 진화처리후에 경질인 최상부 표면층을 연마하는 것이나, 최종 연마후에 질화 처리하여 복수의 제품을 선별 사용하는 것등이 필요 없으며, 이온질화, 처리된 회전축을 내마모성 및 대량생산성이 모두 우수하게 된다.

또한, 미반응 불순물(13)을 제거한 후에 연질인 인산염 피막을 형성하고 있으므로, 스코링이나 회전축 표면의 미끄럼운동 상처등의 발생을 방지할 수 있어서, 장기간의 내마모성 및 초기 길들이기를 향상시킬 수 있다.

제 2 도에 나타낸 것처럼 확산층(14)을 주로 표면처리를 하는 경우, 즉 회전축을 사양으로 하는 경우, 화합물층(12)의 두께 "A"를 1㎛이하로 설정하고, 확산층(14)의 두께 "B"를 30-100㎛ 정도로 설정한다. 그리고, 화합물층(12)을 포함한 확산층(14)의 최상부 표면층쪽 까지를 연마등으로 제거한 뒤, 화합물층 사양인 경우와 마찬가지로 인산염 피막을 형성한다.

이상과 같은 각종 처리를 하므로서, 종래와 같은 침탄 처리나 질화처리를 하는 방법이나, 인산염 피막 처리만을 하는 방법에 비하여 거의 변형이 발생되는 일이 없으며, 내마모성 및 내소착성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 높은 정밀도 및 뛰어난 내마모성 및 내소착성이 요구되는 압축기용의 회전축의 초기 길들임성에 기인하는 초기 불량을 발생과, 장시간 운전시의 마모에 기인한 불량의 발생을 방지할 수 있다.

즉, 구체적으로는, 모재에 구상 흑연 주철을 사용하고 이 모재에 거친 가공(선반가공)후 또는 주조후에 600℃로 수시간의 어니일링을 한다. 이후, 회전축을 500℃의 암모니아 분위기(N₂: H₂=1 : 3)로 500∼1000V의 글로우 방전중에 약5시간 방치하고, 3㎛의 화합물층과 20㎛의 확산층을 형성하였다. 또한, 이 화합물층 사양의 회전축에 배럴연마를 수분간 실행하여 미반응 잔재물을 제거한뒤 인산 망간 처리를 하여 수 ㎛의 인산망간피막을 형성하였다.

이렇게해서 표면처리된 회전축에서는 변형이 수 ㎛이하였다. 그리고, 이 회전축을 실제로 압축기에 조립시켜 사용한 결과, 제 3 도 (a) 및 (b)의 그래프에 나타낸 것처럼 종래에 없는 내마모성과 내소착성을 얻을 수 있었다.

여기에서 제 3 도 (a) 및 (b)는 화합물층 사양의 회전축을 사용한 경우의 주축부(7), 부축부(8), 주베어링(2) 및 부베어링(3)의 미끄럼운동 특성을 나타내고 있다. 그리고, 제 3 도(a)는 마모량을 나타나며, 제 3b 도는 표면 거칠기를 나타내고 있다.

또한, 양도면에서 "△" 및 "○" 표시는, 전술한 것처럼 이온질화 처리된 회전축을 후술하는 조건 ①에서 사용한 경우와, 후술하는 조건 ②에서 사용한 결과를 각각 나타내고 있다. 또한, 양도면에서 "▲" 및 "●"표시는 이온질화 처리되어 있지않은 종래의 회전축을 상기 조건 ①에서 사용한 경우와, 상기 조건 ②에서 사용한 경우의 결과를 각각 나타내고 있다.

그리고, 상기 조건 ①은, 압축기(1)를 고부하 상태로 운전하고, 토출압력을 20kg/㎝, 흡입압력을 4kg/㎝, 운전주파수를 3Hz로서 1000시간의 단속 운전을 한 경우를 나타내고 있다.

그리고, 상기 조건 ②는 액상의 냉매가 압축기로 되돌아간 상태에서 압축기(1)를 운전하고, 토출압력을 10kg/㎝, 흡입압력을 6kg/㎝, 운전주파수를 135KHz로서 1000시간의 연속 운전을 한 경우를 나타내고 있다.

즉, 전술한 것같이 표면처리된 회전축을 사용함으로써 압축기(1)를 구성하는 부재중에서도 윤활조건이 엄격한 주축부(7), 부축부(8), 주베어링(2) 및 부베어링(3)에서는 종래의 회전축을 사용한 경우에 비하여 마모량이 저감하고, 표면 거칠기가 매끈하게되어 양호하게 개선되었다.

또한, 확산 사양의 회전축인 경우에는 화합물층 사양인 경우와 마찬가지로 어니일링을 한뒤 550℃의 질소와 수소를 1:1의 비율(체적비)로한 혼합가스 분위기중에서 500∼1000V의 직류 글로우 방전중에서 약 15시간 방치하고, 약 2㎛의 화합물층과, 70㎛의 확산층을 형성하였다. 또한 화합물층을 포함하여 표면에서 15㎛정도 연마하였던바, 표면 경도 Hy(비커스 정도) 500-600정도였다.

그리고, 모재의 경도가 Hv300정도인데 비하여, 경도가 상당히 향상되어 있음을 알수 있었다.

여기에서 화합물층을 최상부 표면층 으로한 경우의 표면경도는 Hv 700-100정도였다.

이후, 표면에 두께 2㎛의 인산염피막을 형성하였다.

이렇게 하여 표면처리된 회전측에서는 가공 정밀도는 종래의 주물 회전축과 아주 동일한 높은 값으로 되어 있으며, 이 회전축을 실제로 압축기에 조립시켜 사용한 결과, 초기 길들임 특성이 매우 개선되고, 또한 내마모성이 양호한 것이 확인되었다.

또한, 본 발명은 회전식 압축기에 조립되는 회전축뿐만 아니라, 다른 각종 압축기에 조립되는 회전축에 적용시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와같이, 본 발명은 철계금속 재료에 의해 형성된 압축기용의 회전축에 이온질화 처리에 앞서, 사전에 이온질화 처리온도 +50℃이상∼상기 철계금속재료의 변태점 이하의 온도로 어니일링 처리를 하는 제1의 공정과, 상기 회전축에 450∼550℃의 온도 조건으로 이온질화 처리를 하여 상기 회전축의 바깥둘레면에 질화철층을 형성하는 제2의 공정과 이온질화 처리후에 인산염 피막처리를 하며 상기 질화철층의 표면에 인산염 피막을 형성하는 제3의 공정을 구비하였다.

또한, 이온질화 처리전에, 어니일링 처리시에 발생한 미반응 잔재물 제거 처리하였다.

또한, 인산염 피막처리 전에, 질화철층의 화합물층을 제거하여 확산층을 노출시키도록 하였다.

또한, 상기 이온질화 처리에, 진공배기 공정과 진공반응로 내에서 직류글로우 방전을 단속적으로 하여 회전축의 표면을 청소하는 스피터링공정과, 진공반응로내의 온도를 이온질화 처리하는데 충분한 온도로 상승시키는 승은 공정과, 질화가스 분위기중에서 450∼550℃의 온도 조건으로 글로우 방전을 발생시켜서 이온질화를 하는 질화공정과, 불활성 가스를 흐르게 하면서 회전축의 온도를 하강시키는 온도강하공정을 구비하였다.

따라서, 본 발명은 압축기용 회전축에 변형이 발생하는 것을 방지하여 회전축의 가공정밀도를 저하시키는 일이없이 내마모성 및 내소착성을 향상시킬수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 철계 금속재료에 의해 형성된 압축기용 회전축에, 이온질화 처리에 앞서, 사전에 이온질화 처리온도 +50℃이상∼상기 철계금속 재료의 변태점이 이하의 온도로 어니일링 처리를 하는 제1의 공정과, 상기 회전축에 450∼550℃의 온도조건으로 이온질화 처리를 하며 상기 회전축의 바깥둘레에 질화철층을 형성하는 제2의 공정과, 이온질화 처리후에 인산염 피막처리를 하여 상기 질화철층의 표면에 인산염 피막을 형성하는 제3의 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 압축기용 회전축의 표면처리방법.
2. 제 1 항에 있어서, 이온질화 처리전에, 어니일링 처리시에 발생한 산화막을 제거하는 것을 특징으로 하는 압축기용 회전축의 표면처리방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 인산염 피막처리전에 질화철층인 표면에 발생한 미반응 잔재물의 제거처리를 하는 것을 특징으로 하는 압축기용 회전축의 표면처리방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 인산염 피막 처리전에 질화철층의 화합물층을 제거하고 확산충을 노출시키는 것을 특징으로 하는 압축기용 회전축의 표면처리방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 이온질화 처리는 진공배기공정과, 진공반응로 내에서 글로우 방전을 단속적으로 하여 회전측의 표면을 청소하는 스퍼터링 공정과, 질화가스 분위기 중에서 450∼500℃의 온도조건에서 글로우 방전을 발생시켜서 이온질화를 하는 질화공정과, 불활성가스를 흐르게하면서 회전축의 온도를 하강시키는 온도강하공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 압축기용 회전축의 표면처리방법.
6. 제 1 항에 있어서, 이온질화 처리전에, 어니일링 처리시에 발생한 산화막을 제거하는 것을 특징으로 하는 압축기용 회전축의 표면처리방법.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 인산염 피막처리전에, 질화철충의 표면에 발생한 미반응 잔재물의 제거처리를 하는 것을 특징으로 하는 압축기용 회전축의 표면처리방법.
8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 인산염 피막 처리전에, 질화철충의 화합물층을 제거하고 확산층을 노출시키는 것을 특징으로 하는 압축기용 회전축의 표면처리방법.

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