KR100706387B1 - 내마모 및 저마찰 특성을 동시에 향상시키는 엔진 밸브캡의 코팅 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 엔진 밸브 캡의 코팅 방법에 관한 것으로서, 침탄된 밸브 캡의 모재 표면을 전처리한 후 이 전처리된 표면 위에 Cr₂N 층 및 DLC 층을 차례로 코팅하여 줌으로써, 고면압하에서의 내마모 및 저마찰 특성을 동시에 향상시킬 수 있도록 한 엔진 밸브 캡의 코팅 방법에 관한 것이다.

이를 위하여, 본 발명은, 스퍼터링 장비를 이용하여 스퍼터 건의 α-Cr 타겟을 챔버 내에서 밸브 캡의 모재 표면 위에 스퍼터링시켜 α-Cr 중간층을 코팅시키는 단계와; 상기 챔버 내에 반응가스로 질소를 공급하면서 스퍼터 건의 α-Cr 타겟을 밸브 캡의 모재 표면 위에 스퍼터링시켜 상기 중간층 위에 Cr₂N 층을 1 ~ 3㎛의 두께로 증착, 코팅시키는 단계와; 반응가스로 아세틸렌(CH₂H₂)을 사용해 상기 Cr₂N 층 위에 DLC 코팅을 실시하여 두께 1 ~ 2㎛의 DLC 층을 코팅시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 엔진 밸브 캡의 코팅 방법을 제공한다.

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Description

내마모 및 저마찰 특성을 동시에 향상시키는 엔진 밸브 캡의 코팅 방법{Coating method of engine valve cap}

도 1은 본 발명의 코팅 방법에 따른 밸브 캡의 코팅층 구조를 나타낸 단면도,

도 2는 본 발명의 코팅 과정에서 이용되는 스퍼터링 장치의 개략도,

도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 실시예의 시편과 종래 방법에 따른 비교예의 시편에 대하여 마찰마모시험을 실시하여 마찰계수 및 마모량을 측정한 결과 그래프,

도 4는 실시예와 비교예에 대하여 500시간 엔진 내구시험 후의 밸브 캡 마모상태를 비교하여 나타낸 사진.

도 5는 일반적인 밸브 캡이 사용된 밸브 트레인 기구를 개략적으로 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 밸브 캡 10 : 모재

11 : 중간층 12 : Cr₂N 층

13 : DLC 층 14 : 커버층

본 발명은 자동차 엔진 밸브 캡의 코팅 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 침탄된 밸브 캡의 모재 표면을 전처리한 후 이 전처리된 표면 위에 Cr₂N 층 및 DLC 층을 차례로 코팅하여 줌으로써, 고면압하에서의 내마모 및 저마찰 특성을 동시에 향상시킬 수 있도록 한 엔진 밸브 캡의 코팅 방법에 관한 것이다.

일반적으로 밸브 트레인계는 엔진에서 실린더의 흡, 배기 밸브를 여닫는 역할을 수행하는 기구로서, 일부 디젤 엔진에서는 도 5에 도시한 바와 같이 밸브가 장착된 밸브 캡(valve cap)(1), 그리고 캠 팔로우워(cam follower)(2)를 포함하여 구성된 밸브 트레인계를 사용하는데, 상기 밸브 캡(1)은 변위 변화를 이용하는 캠 팔로우워(2)와 접촉하여 왕복 운동을 하게 된다.

이러한 밸브 캡에 대하여, 최근에는 환경보호와 소비자 보호 운동에 의해 고출력, 저연비, 무정비(maintenance free) 엔진에 대한 요구가 높아짐에 따라, 밸브 트레인계의 고출력 사용환경으로 인하여, 접촉 응력과 윤활 조건은 더욱 가혹해지는 반면 장시간의 수명이 요구되고 있다.

그런데, 이와 같은 밸브 트레인계에서의 파손은, 불완전 연소로 인해 배기가 스와 매연을 증가시키고 엔진의 소음과 진동을 과도하게 하여, 차량 전체 시스템의 성능을 급격히 감소시킨다.

또한, 밸브 트레인계 부품 중 핵심 요소인 밸브 캡의 파손은, 주로 밸브 캡이 캠 팔로우워와 롤링 및 슬라이딩 접촉하여 고속으로 미끄럼 마찰을 하기 때문에, 미끄럼 마모에 의한 스커핑(scuffing)을 일으키거나 표면 피로에 의한 박리현상인 피팅(pitting)을 일으키게 된다.

일단 스커핑과 피팅의 손상을 받으면 급격하게 파손이 진전되기 때문에 엔진 소음 증가와 밸브 개폐시기의 불안정화 또는 밸브 기밀 유지의 불안정을 초래하여, 연료가 불완전 연소되고, 결국 소음이나 배기가스의 문제를 낳게 된다.

따라서, 이러한 마찰 및 마모를 줄이기 위해서 조도 개선을 위한 경면가공을 하거나 저마찰 플라즈마 코팅(WCC-Balzers사 특허, TiN(droplet), DLC(PVD), DLC(PACVD))을 개발하여 선진 자동차 메이커에서는 양산 중에 있다.

그러나, 기존의 열처리 방법인 침탄이나 질화에 의한 표면개질 방법은 내마모성 및 마찰 특성을 향상시키는데 한계가 있으며, 또한 환경적으로 분리한 처리공법으로서 공해를 유발할 가능성이 있다.

그리고, 기존 개발되어 있는 TiN, DLC(Diamond Like Carbon), CrN 코팅의 경우에도 각각의 고유한 특성으로 내마모성과 저마찰 특성을 동시에 구현하기 힘들다.

예를 들면, TiN이나 CrN의 경우 높은 면압하에서 내마모 특성은 매우 우수하나 마찰계수가 비교적 높은 단점이 있으며, DLC의 경우 우수한 저마찰 특성을 보이 나 높은 면압에서 박리가 발생하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 침탄된 밸브 캡의 모재 표면을 전처리한 후 이 전처리된 표면 위에 Cr₂N 층 및 DLC 층을 차례로 코팅하여 줌으로써, 고면압하에서의 내마모 및 저마찰 특성을 동시에 향상시킬 수 있도록 한 엔진 밸브 캡의 코팅 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 자동차 엔진 밸브 캡의 모재 표면을 표면처리하는 방법에 있어서,

(a)스퍼터링 장비를 이용하여 스퍼터 건의 α-Cr 타겟을 챔버 내에서 밸브 캡의 모재 표면 위에 스퍼터링시켜 α-Cr 중간층을 코팅시키는 단계와;

(b)상기 챔버 내에 반응가스로 질소를 공급하면서 스퍼터 건의 α-Cr 타겟을 밸브 캡의 모재 표면 위에 스퍼터링시켜 상기 중간층 위에 Cr₂N 층을 1 ~ 3㎛의 두께로 증착, 코팅시키는 단계와;

(c)반응가스로 아세틸렌(CH₂H₂)을 사용해 상기 Cr₂N 층 위에 DLC 코팅을 실시하여 두께 1 ~ 2㎛의 DLC 층을 코팅시키는 단계;

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 밸브 캡의 모재는 상기 (a)단계의 코팅 실시 전에 그 표면을 마이크로블라스팅 처리하여 표면 거칠기를 0.12 ~ 0.17㎛로 만든 후 코팅을 실시하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (a) ~ (c)의 각 코팅 단계에서 코팅 온도 250℃ 이하에서 코팅하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 고면압하에서 내마모 및 저마찰 특성이 우수한 밸브 캡을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로서, 특히 침탄된 밸브 캡의 모재 표면을 전처리한 후 이 전처리된 표면 위에 Cr₂N 및 DLC 코팅을 차례로 실시함으로써, 고면압하의 내마모 및 저마찰 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 엔진 밸브 캡의 코팅 방법을 제공하고자 한 것이다.

이하, 본 발명의 코팅 과정을 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 코팅 방법에 따른 밸브 캡의 코팅층 구조를 나타낸 단면도이다.

본 발명은 밸브 캡에서 요구되는 내마모 및 저마찰 특성을 동시에 향상시키기 위하여 밸브 캡의 모재 표면에 도 1과 같은 코팅층을 형성시키는 것으로, 코팅은 도 2의 스퍼터링 장비를 이용하여 실시된다.

도 1의 코팅층 구조를 형성하기 위하여, 먼저 코팅 전에 침탄된 밸브 캡의 모재(10) 표면을 전처리하여 최적 코팅효과를 발휘할 수 있는 표면 거칠기로 조절한다.

즉, 마이크로블라스팅(micro-blasting) 장비를 이용해 밸브 캡의 모재 표면을 마이크로블라스팅 처리하여, 그 표면 거칠기가 0.12 ~ 0.17㎛의 범위가 되도록 한다.

여기서, 표면 거칠기를 0.12㎛ 미만으로 하는 경우에는 효과대비 처리비용이 증가하는 문제가 있고, 표면 거칠기가 0.17㎛를 초과하는 경우에는 전처리의 효과를 얻을 수 없는 문제가 있으므로, 바람직하지 않다.

상기와 같이 전처리 작업을 실시한 후, 밸브 캡의 모재(10) 표면에 도 2에 도시한 스퍼터링 장비를 이용하여 코팅을 실시하는데, 코팅 과정에서 모재 표면과 Cr₂N 코팅층 간 밀착력을 향상시키기 위하여 모재 표면 위에 우선적으로 α-Cr 코팅층(Interlayer)(11)을 형성시킨다.

도 2의 스퍼터링 장비를 이용함에 있어서, 기본적으로 진공펌프(24)를 작동시켜 챔버(21) 내부를 진공상태로 만든 다음, 스퍼터링 기체로는 아르곤(Ar)을 공급한다.

이러한 상태에서 글로우 방전(glow discharge)을 실시한 방전관의 모재(23)에 스퍼터 건(22)의 α-Cr 타겟을 스퍼터링시켜, 모재(10) 표면 위에 중간층(11)으로서 α-Cr 코팅층을 형성한다.

다음으로, α-Cr가 증착, 코팅된 밸브 캡 표면 위에 반응가스로서 질소(N₂)를 공급함과 동시에 α-Cr 타겟을 스퍼터링시켜 Cr₂N 코팅을 실시하며, 이때 Cr₂N 코팅층(12)을 1 ~ 3㎛의 두께로 증착시킨다.

여기서, Cr₂N 코팅층(12)을 1㎛ 미만으로 하는 경우 고면압하에서 내마모 특성을 가지지 못하는 문제가 있고, 3㎛를 초과하여 증착시키는 경우 코팅층 자체의 잔류응력의 증가로 내마모 특성이 떨어지는 문제가 있어, 바람직하지 않다.

다음으로, Cr₂N이 코팅된 밸브 캡 표면 위로 DLC 코팅을 실시한다.

이때, 스퍼터 건(22)의 α-Cr 타겟을 셔터로 차단한 상태에서 반응가스로 질소 대신 아세틸렌(CH₂H₂)을 공급하여 DLC 코팅에 필요한 탄소 입자를 제공하며, DLC 코팅층(13)의 두께는 1 ~ 2㎛로 한다.

여기서, DLC 코팅층(13)의 두께를 1㎛ 미만으로 하는 경우 초기 부품의 길들이기시 마모되어 DLC 코팅층이 없어지는 문제가 있고, 2㎛를 초과하여 코팅하는 경우 코팅층 자체의 잔류응력의 증가로 박리가 발생하는 문제가 있어, 바람직하지 않다.

DLC 코팅층(13)의 경우 경도가 높기 때문에 파워 조정 등을 통하여 마지막에 밀도를 낮게 코팅하는 것이 필요하며, 도 1에서 도면부호 14는 하층의 정상적인 DLC 코팅층(13)에 비해 상대적으로 밀도를 낮게 형성시킨 DLC 층, 즉 커버층을 나타낸다.

이와 같이 이루어지는 본 발명의 코팅은 250℃ 이하에서 실시하며, 이와 같이 코팅 온도를 250℃ 이하로 한정한 이유는, 밸브 캡의 열처리시에 템퍼링 온도가 180℃이므로 코팅 온도가 템퍼링 온도를 초과하게 될 경우 침탄층이 연화되어 모재의 경도가 저하되며, 이를 최대한 억제하기 위해서는 최대한 낮은 온도로 코팅되야 하기 때문이다.

만약, 250℃를 초과하는 경우 침탄이 풀리면서 경도 저하가 생길 수 있다.

이와 같이 하여, 밸브 캡의 모재(10) 표면에 내마모 특성이 우수한 Cr₂N 층(12)과 저마찰 특성이 우수한 DLC 층(13)을 차례로 코팅하여 줌으로써, 고면압하에서 우수한 내마모 및 저마찰 특성을 동시에 가지는 밸브 캡을 제조할 수 있게 된다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 상세하게 설명하는바, 본 발명이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예 1, 2

비교예 1로서 하기 표 1에 나타낸 금속을 모재로 사용하여 표면 거칠기 0.07 ~ 0.08㎛, 경도 690 ~ 720Hv인 질화재 시편을 제작하였으며, 비교예 2로서 하기 표 1에 나타낸 금속을 모재로 사용하여 표면 거칠기 0.08 ~ 0.09㎛, 경도 1500Hv인 침탄재 시편을 제작하였다.

또한, 실시예로서, SCM415를 모재로 사용하되, 본 발명의 코팅 방법에 따라 모재 표면에 전처리 후 Cr₂N 코팅 및 DLC 코팅을 실시하여 시편을 제작하였으며, 이때 Cr₂N+DLC 코팅층의 두께는 3 ~ 4㎛로 하였다.

시험예

상기와 같이 제작된 시편들을 사용하여 하기 표 2에 나타낸 시험조건을 토대로 마찰마모시험을 실시하였으며, 이때 측정된 마찰계수 및 마모량을 도 3a와 도 3b에 각각 나타내었다.

도 3a 및 도 3b의 결과를 보면, 기존 표면처리 방법을 이용한 비교예 1, 2에 비해 실시예의 코팅이 적용된 경우에서 내마모 및 저마찰 특성이 보다 향상됨을 볼 수 있었으며, 상대재의 마모량도 줄여주는 효과를 확인할 수 있었다.

그리고, 상기 표 1에 나타낸 표면처리 방법으로 각각 밸브 캡을 제작하여 500시간 내구 테스트를 실시한 후에 나타난 마모흔을 도 4에 나타내었으며, 그 결과를 보면, 도 4의 사진에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 코팅이 적용된 실시예에서 마모흔이 상대적으로 작게 나타났으며, 실시예의 코팅이 적용된 밸브 캠에서 내마모 특성이 보다 향상됨을 알 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차 엔진 밸브 캡의 코팅 방법에 의하면, 밸브 캡의 모재 표면에 내마모 특성이 우수한 Cr₂N 층과 저마찰 특성 이 우수한 DLC 층을 차례로 코팅하여 줌으로써, 고면압하에서의 내마모 및 저마찰 특성이 동시에 향상되는 밸브 캡을 제조할 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 자동차 엔진 밸브 캡의 모재 표면을 표면처리하는 방법에 있어서,

   (a)스퍼터링 장비를 이용하여 스퍼터 건의 α-Cr 타겟을 챔버 내에서 밸브 캡의 모재 표면 위에 스퍼터링시켜 α-Cr 중간층을 코팅시키되, 코팅 실시 전에 그 표면을 마이크로블라스팅 처리하여 표면 거칠기를 0.12 ~ 0.17㎛로 만든 후 코팅을 실시하는 단계와;

   (b)상기 챔버 내에 반응가스로 질소를 공급하면서 스퍼터 건의 α-Cr 타겟을 밸브 캡의 모재 표면 위에 스퍼터링시켜 상기 중간층 위에 Cr₂N 층을 1 ~ 3㎛의 두께로 증착, 코팅시키는 단계와;

   (c)반응가스로 아세틸렌(CH₂H₂)을 사용해 상기 Cr₂N 층 위에 DLC 코팅을 실시하여 두께 1 ~ 2㎛의 DLC 층을 코팅시키는 단계;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 내마모 및 저마찰 특성을 동시에 향상시키는 엔진 밸브 캡의 코팅 방법.
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