KR101866039B1 - 복합재 피스톤핀 처리방법 및 표면처리된 복합재 피스톤핀 - Google Patents

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Abstract

적어도 표면층이 강화섬유 및 수지를 포함하는 복합재 재질로 형성된 피스톤핀을 마련하는 마련단계; 상기 피스톤핀의 표면층을 가공하여 조도를 향상시키는 향상단계; 및 상기 피스톤핀의 마찰계수가 저감되도록 가공된 상기 표면층 상에 코팅층을 형성시키는 코팅단계;를 포함하는 복합재 피스톤핀 처리방법이 소개된다.

Description

복합재 피스톤핀 처리방법 및 표면처리된 복합재 피스톤핀 {TREATING METHOD OF COMPOSITE PISTON PIN AND SURFACE TREATED PISTON PIN}
본 발명은 복합재 재질로 이루어진 피스톤핀 표면의 조도를 향상시키고 코팅처리를 함으로써 마찰을 저감시킨 복합재 피스톤핀 처리방법에 관한 것이다.
기존의 SMC415 강을 이용하여 제작된 스틸 재질로만 구성된 피스톤핀의 경우 그 중량이 크기 때문에 차량에 적용 시 연비의 향상에 기여하는 바가 없었으며 피스톤핀에 요구되는 후프방향 굴곡강도 및 길이방향 굴곡강도 측면에서도 물성치가 만족스럽지 않아 이를 대체할 수 있는 피스톤핀의 제조가 요구되었다.
이에 복합재 재질을 이용하여 무게가 가볍고 강도가 훌륭한 피스톤핀을 ㅇl용하되, 엔진에 적용 시 연비를 향상시키기 위해 복합재 재질로 이루어진 피스톤핀의 표면을 처리하는 방법을 제공하기로 한다.
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.
10-2014-0038084 A
본 발명은 복합재 재질로 이루어진 피스톤핀 표면의 조도를 향상시키고 코팅처리를 함으로써 마찰을 저감시킨 복합재 피스톤핀 처리방법를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합재 피스톤핀 처리방법은 적어도 표면층이 강화섬유 및 수지를 포함하는 복합재 재질로 형성된 피스톤핀을 마련하는 마련단계; 상기 피스톤핀의 표면층을 가공하여 조도를 향상시키는 향상단계; 및 상기 피스톤핀의 마찰계수가 저감되도록 가공된 상기 표면층 상에 코팅층을 형성시키는 코팅단계;를 포함한다.
상기 마련단계는 강화섬유 및 수지를 포함하는 제1프리프레그가 원통형의 금형 외측면을 감싸도록 롤링하는 제1롤링과정; 상기 제1프리프레그의 강화섬유보다 탄성이 높은 강화섬유 및 수지를 포함하는 제2프리프레그가 상기 제1프리프레그의 외측면을 감싸도록 롤링하는 제2롤링과정; 및 상기 금형에 롤링된 상기 제1프리프레그와 상기 제2프리프레그를 오븐에 넣고 일체로서 성형하는 성형과정;을 포함할 수 있다.
상기 향상단계는 상기 피스톤핀의 표면층을 그라인딩하는 그라인딩과정; Ra 6㎛ 이하의 폴리싱 용액을 이용하여 그라인딩된 상기 피스톤핀의 표면층을 폴리싱하는 제1폴리싱과정; 및 Ra 1㎛ 이하의 폴리싱 용액을 이용하여 상기 피스톤핀의 표면층을 폴리싱하는 제2폴리싱과정;을 포함할 수 있다.
상기 코팅단계는 상기 표면층 상에 Cr 또는 Ti로 형성된 접합층을 증착시키는 제1코팅과정; 상기 접합층 상에 CrN 또는 WC로 형성된 지지층을 증착시키는 제2코팅과정; 및 상기 지지층 상에 (SiO)-DLC로 형성된 기능층을 증착시키는 제3고팅과정;을 포함할 수 있다.
상기 코팅단계는 100~240℃의 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 표면처리된 복합재 피스톤핀은 파이프 형상이며, 강화섬유 및 수지를 포함하는 복합재 재질의 이너층; 상기 이너층의 외측면을 따라 상기 이너층과 연결되고, 표면의 조도가 Ra 0.42㎛ 이하이며, 상기 이너층의 강화섬유보다 탄성이 높은 강화섬유 및 수지를 포함하는 복합재 재질의 아우터층; 및 상기 아우터층의 표면에 코팅되어 마찰계수를 저감시키는 코팅층;을 포함한다.
상기 코팅층은 상기 아우터층 표면 상에 증착되며, Cr 또는 Ti로 형성된 접합층; 상기 접합층 상에 증착되고, CrN 또는 WC로 형성된 지지층; 및 상기 지지층 상에 증착되며, (SiO)-DLC로 형성된 기능층;을 포함할 수 있다.
상기 이너층 및 상기 아우터층에 포함되는 수지는 에폭시 혼합물과 시아네이트 에스테르를 포함할 수 있다.
상기 아우터층의 강화섬유는 파이프의 길이방향과 나란하게 배열되며, 상기 이너층은 강화섬유가 상기 아우터층의 강화섬유와 수직하게 배열되고, 상기 아우터층의 내측면을 따라 상기 아우터층과 연결된 제1레이어; 및 강화섬유가 상기 아우터층의 강화섬유와 나란하게 배열되며, 상기 제1레이어의 내측면을 따라 상기 제1레이어와 연결된 상기 제2레이어;을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 복합재 피스톤핀 처리방법에 따르면 복합재 재질로 이루어진 피스톤핀 표면의 조도를 향상시키고 코팅처리를 하여 마찰을 저감시킴으로써 차량에 적용 시 연비가 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 코팅층의 모습을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제1롤링과정 및 제2롤링과정을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 표면처리된 복합재 피스톤핀을 나타낸 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
본 발명에 따른 복합재 피스톤핀 처리방법은 적어도 표면층이 강화섬유 및 수지를 포함하는 복합재 재질로 형성된 피스톤핀을 마련하는 마련단계; 상기 피스톤핀의 표면층을 가공하여 조도를 향상시키는 향상단계; 및 상기 피스톤핀의 마찰계수가 저감되도록 가공된 상기 표면층 상에 코팅층을 형성시키는 코팅단계;를 포함한다.
마련단계에서는 강화섬유 및 수지가 포함된 복합재 재질로 형성된 피스톤핀을 마련한다. 바람직하게는 본 발명의 가공대상이 복합재의 표면을 가공하는 방법이기 때문에 적어도 피스톤핀의 최외측을 형성하는 표면층이 복합재 재질로 형성된 피스톤핀을 마련할 수 있다.
적어도 표면층이 복합재 재질로 형성된 피스톤핀이 마련되면 피스톤핀의 표면층을 가공하여 조도를 향상시키는 향상단계가 수행된다. 이는 가공된 표면층 상에 마찰을 저감시키기 위한 코팅층이 코팅될 경우 표면층과 코팅층의 결합력을 증대시키기 위해 수행될 수 있다.
바람직하게는 향상단계는 상기 피스톤핀의 표면층을 그라인딩하는 그라인딩과정; Ra 6㎛ 이하의 폴리싱 용액을 이용하여 그라인딩된 상기 피스톤핀의 표면층을 폴리싱하는 제1폴리싱과정; 및 Ra 1㎛ 이하의 폴리싱 용액을 이용하여 상기 피스톤핀의 표면층을 폴리싱하는 제2폴리싱과정;을 포함할 수 있다.
먼저, 적어도 표면층이 복합재 재질로 형성된 피스톤핀의 표면층을 이를테면 숫돌과 같은 그라인딩 수단을 이용하여 그라인딩한다. 이러한 과정을 통해 표면층의 조도는 약 0.63㎛ 이하로 형성될 수 있다.
그라인딩과정이 완료되면 그라인딩된 표면층을 폴리싱하는 과정이 수행될 수 있으며 복수단계에 걸쳐 순차적으로 수행될 수 있다.
바람직하게는 제1폴리싱과정은 98% 이상의 고순도 알루미나이며 Ra 6㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 폴리싱 용액이 이용될 수 있으며 피스톤핀을 폴리싱장치에 투입한 후 약 200~400rpm의 속도로 일방향으로 피스톤핀을 회전시키는 방식으로 표면층을 폴리싱할 수 있다.
제1폴리싱과정에서는 표면층의 조도를 Ra 6㎛ 이하의 폴리싱 용액을 이용하여 외경 약 20mm, 길이 약 50mm 크기의 피스톤핀의 경우 약 30초 정도 수행될 수 있으며, 외경 약 40mm, 길이 약 90mm 크기의 피스톤핀의 경우 약 60초 정도 수행될 수 있다.
제1폴리싱과정이 완료되면 제2폴리싱과정을 통해 98% 이상의 고순도 알루미나이며 Ra 6㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 폴리싱 용액을 이용하여 피스톤핀을 폴리싱장치에 투입한 후 약 200~400rpm의 속도로 일방향으로 피스톤핀을 회전시키는 방식으로 제1폴리싱과정을 통해 일정 이하의 조도를 갖는 표면층을 다시 폴리싱할 수 있다.
제2폴리싱과정에서는 표면층의 조도를 Ra 1㎛ 이하의 폴리싱 용액을 이용하여 외경 약 20mm, 길이 약 50mm 크기의 피스톤핀의 경우 약 20초 정도 수행될 수 있으며, 외경 약 40mm, 길이 약 90mm 크기의 피스톤핀의 경우 약 40초 정도 수행될 수 있다.
도 1을 참조할 때 표면층의 조도를 향상시키는 향상단계가 완료되면 표면층의 마찰계수를 저감시키기 위한 코팅단계가 수행된다. 코팅단계에서는 피스톤핀의 마찰계수를 저감시키기 위해 표면층 상에 코팅층(310)을 형성시킨다.
바람직하게는 코팅단계는 상기 표면층 상에 Cr 또는 Ti로 형성된 접합층(310)을 증착시키는 제1코팅과정; 상기 접합층(310) 상에 CrN 또는 WC로 형성된 지지층(320)을 증착시키는 제2코팅과정; 및 상기 지지층(320) 상에 (SiO)-DLC로 형성된 기능층(330)을 증착시키는 제3고팅과정;을 포함할 수 있다.
진공상태의 챔버가 구비된 코팅장비에 표면층의 조도가 향상된 피스톤핀을 투입하고 아르곤(Ar)가스를 통해 플라즈마 상태가 형성시킨 후 챔버를 약 80℃로 가열하여 표면층을 활성화시킨다. 활성화된 표면층에 아르곤(Ar) 이온을 충돌시켜 바이어스(Bias)를 가함으로써 표면층을 세정하는 과정을 먼저 수행한다.
이후 제1코팅과정에서는 PVD법을 이용하여 표면층 상에 Cr 또는 Ti로 형성된 접합층(310)을 증착시킨다. 접합층(310)은 피스톤핀의 표면층과 접합층(310) 상에 증착될 지지층(320) 간의 접합력을 향상시키는 역할을 한다. 접합층(310)의 두께는 0.01~0.5㎛가 되도록 형성시킴이 바람직하다. 두께가 0.01㎛ 미만일 경우 접합력을 향상시키는 효과가 크지 않으며 반면, 두께가 0.5㎛를 초과할 경우 오히려 접합층(310)의 두께가 두꺼워 접합력이 저하될 수 있다.
제2코팅과정에서는 PVD법을 이용하여 접합층(310) 상에 CrN 또는 WC로 형성된 지지층(320)을 증착시킨다. 챔버로 공정가스 N2를 흘려보내 Cr타겟을 이용하여 CrN층을 형성시키거나 WC타겟을 이용하여 WC층을 형성시킬 수 있다. 지지층(320)은 접합층(310)과 지지층(320) 상에 증착될 기능층(330) 사이에서 내피로성 및 내충격성을 향상시키는 역할을 한다. 지지층(320)의 두께는 0.1~0.5㎛가 되도록 형성시킴이 바람직하다. 두께가 0.1㎛ 미만일 경우 하중인가 시에 박리될 수 있으며 반면, 두께가 0.5㎛를 초과할 경우 내부 압력이 증대되어 인성 및 경도 등이 저하될 수 있다.
제3코팅과정에서는 PVD법 또는 PACVD법을 이용하여 지지층(320) 상에 (SiO)-DLC(Diamon Like Carbon)로 형성된 기능층(330)을 증착시킨다. Si타겟 또는 C타겟과 탄화가스 및 HMDSO(HexaMethylDiSilOxane)가스를 이용하여 화학반응을 시킴으로써 기능층(330)을 형성시킬 수 있다. 기능층(330)은 내마모성, 저마찰성, 내열성 등을 개선하는 역할을 한다. 기능층(330)의 두께는 0.1~10㎛가 되도록 형성시킴이 바람직하다. 두께가 0.1㎛ 미만일 경우 내마모성, 저마찰성, 내열성 등의 향상효과가 크지 않으며 반면, 두께가 10㎛를 초과할 경우 박리 현상이 초래될 수 있다.
바람직하게는 코팅단계는 100~240℃의 온도에서 수행될 수 있다. 100℃ 미만에서 수행될 경우 피스톤핀이 엔진에 적용될 경우 해당환경에서의 내마모성이 부적합하다는 문제가 있으며 240℃을 초과하여 수행될 경우 마모가 발생하게 된다.
마련단계를 구체적으로 살펴보면, 강화섬유 및 수지를 포함하는 제1프리프레그(10)가 원통형의 금형(30) 외측면을 감싸도록 롤링하는 제1롤링과정; 상기 제1프리프레그(10)의 강화섬유보다 탄성이 높은 강화섬유 및 수지를 포함하는 제2프리프레그(20)가 상기 제1프리프레그(10)의 외측면을 감싸도록 롤링하는 제2롤링과정; 및 상기 금형(30)에 롤링된 상기 제1프리프레그(10)와 상기 제2프리프레그(20)를 오븐에 넣고 일체로서 성형하는 성형과정;을 포함할 수 있다.
먼저, 제1롤링단계를 통해서 제1프리프레그(10)를 원통형의 금형(30) 외측면에 감는다. 일정 폭을 갖는 시트(Sheet) 형태의 제1프리프레그(10)를 넓게 펼쳐놓고 단부에 금형(30)을 위치시킨 다음에 롤링시켜 제1프리프레그(10)가 금형(30)의 외측면을 감싸도록 한다.
다음으로, 제2롤링단계를 통해서 상대적으로 탄성이 높은 강화섬유의 제2프리프레그(20)를 제1프리프레그(10)의 외측면에 감는다. 일정 폭을 갖는 시트(Sheet) 형태의 제2프리프레그(20)를 넓게 펼쳐놓고 단부에 제1프리프레그(10)로 감싸진 금형(30)을 위치시킨 다음에 롤링시켜 제2프리프레그(20)가 제1프리프레그(10)의 외측면을 감싸도록 한다.
제1롤링단계 및 제2롤링단계를 통해 상대적으로 탄성이 높은 강화섬유의 제2프리프레그(20)가 바깥층에 위치하고 상대적으로 탄성이 낮은 강화섬유의 제1프리프레그(10)가 내층에 위치하도록 할 수 있다.
바람직하게는 도 2와 같이 제1프리프레그(10)와 제2프리프레그(20)를 넓게 펼쳐놓되, 제1프리프레그(10)의 단부와 제2프리프레그(20)의 단부가 서로 겹쳐지도록 연결한 다음 금형(30)을 이용하여 제1프리프레그(10) 및 제2프리프레그(20)를 롤링할 수 있다.
바람직하게는 제2롤링단계 이후 롤링된 제2프리프레그(20)의 외측면에 내열성의 필름을 래핑할 수 있다. 필름은 내열성을 갖는 열수축용 테잎으로 구성될 수 있다.
이후 성형단계에서는 필름에 래핑된 제1프리프레그(10)와 제2프리프레그(20)를 오븐에 넣어 일체로 성형한다. 상기와 같은 내열성의 필름을 제2프리프레그(20)의 외측면에 래핑함으로써 오븐에서 성형 시 내열성의 필름이 열에 의해 수축하게 되고 이에 따라 제1프리프레그(10)와 제2프리프레그(20) 내부에 존재하던 기공을 제거할 수 있다. 오븐에서의 성형은 약 200~250℃의 온도에서 약 1시간 정도 수행될 수 있다.
성형단계 이후에는 성형된 제1프리프레그(10)와 제2프리프레그(20)로부터 내열성의 필름 및 금형(30)을 분리한 다음 소정의 길이로 절단하는 절단단계가 수행될 수 있다.성형된 제1프리프레그(10)와 제2프리프레그(20)를 오븐으로부터 빼낸 다음 제2프리프레그(20)의 외측면에 래핑된 내열성의 필름을 제거하고 제1프리프레그(10)로 감싸져 있는 금형(30)을 분리하여 성형된 제1프리프레그(10)와 제2프리프레그(20)를 용도에 맞게 절단하는 것이다.
본 발명에 따른 복합재 피스톤핀 처리방법에 따르면 마찰계수의 저하로 마찰이 저감됨으로써 차량에 적용 시 연비가 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
도 3을 참조할 때 본 발명에 따른 표면처리된 복합재 피스톤핀은 파이프 형상이며, 강화섬유 및 수지를 포함하는 복합재 재질의 이너층(100); 상기 이너층(100)의 외측면을 따라 상기 이너층(100)과 연결되고, 표면의 조도가 Ra 0.42㎛ 이하이며, 상기 이너층(100)의 강화섬유보다 탄성이 높은 강화섬유 및 수지를 포함하는 복합재 재질의 아우터층(200); 및 상기 아우터층(200)의 표면에 코팅되어 마찰계수를 저감시키는 코팅층(310);을 포함한다.
상기 이너층(100) 및 상기 아우터층(200)에 포함되는 수지는 에폭시 혼합물과 시아네이트 에스테르를 포함할 수 있다.
또한, 상기 아우터층(200)의 강화섬유는 파이프의 길이방향과 나란하게 배열되며, 상기 이너층(100)은 강화섬유가 상기 아우터층(200)의 강화섬유와 수직하게 배열되고, 상기 아우터층(200)의 내측면을 따라 상기 아우터층(200)과 연결된 제1레이어(110); 및 강화섬유가 상기 아우터층(200)의 강화섬유와 나란하게 배열되며, 상기 제1레이어(110)의 내측면을 따라 상기 제1레이어(110)와 연결된 상기 제2레이어(120);를 포함할 수 있다.
이너층(100)은 상기의 제조방법에서 강화섬유의 탄성이 상대적으로 낮은 제1프리프레그(10)에 대응될 수 있다. 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 및 천연섬유 중에서 적어도 한 종류 이상으로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다. 수지는 폴리우레탄과 같은 열경화성 수지, 폴리프로필렌과 같은 열가소성 수지 중에서 적어도 한 종류 이상으로 이루어질 수 있다.
아우터층(200)은 상기의 제조방법에서 강화섬유의 탄성이 상대적으로 높은 제2프리프레그(20)에 대응될 수 있다. 또한, 향상단계를 통해 표면의 조도가 Ra 0.42㎛ 이하로 형성될 수 있다. 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 및 천연섬유 중에서 적어도 한 종류 이상으로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다. 수지는 폴리우레탄과 같은 열경화성 수지, 폴리프로필렌과 같은 열가소성 수지 중에서 적어도 한 종류 이상으로 이루어질 수 있다.
아우터층(200)과 이너층(100)의 탄성을 달리 형성하기 위한 본 발명에 따른 실시예로서 아우터층(200) 및 이너층(100)의 강화섬유는 탄소섬유로 구성되되, 아우터층(200)의 탄소섬유는 피치(Pitch)계 탄소섬유이고, 이너층(100)의 탄소섬유는 팬(PAN)계 탄소섬유일 수 있다.
피치계 탄소섬유는 탄성계수가 약 640GPa 이상인 것으로서 일반적으로 탄소의 비율이 높아 고탄성이기 때문에 후프방향 굴곡강도 및 재료강도를 상승시킴으로써 하중이 가해질 경우 하중에 따른 핀의 변형이 일어나는 Oval의 발생을 억제하고 또한, 굽힘변형을 억제할 수 있다.
팬계 탄소섬유는 탄성계수가 약 240GPa 이상인 것으로서 일반적으로 압축강도가 높은 특성이 있어 복합재 피스톤핀에서 최내측에 배치됨으로써 아우터층(200)을 지지해주고 하중으로부터 버텨주는 역할을 수행하여 후프방향 굴곡강도를 상승시킨다. 이에 따라 하중에 따른 Oval의 발생을 억제할 수 있다. 팬계 탄소섬유는 상대적으로 원가가 저렴하기 때문에 원가절감이 가능한 효과가 있다.
바람직하게는 이너층(100) 및 아우터층(200)의 수지가 에폭시 혼합물 및 시아네이트 에스테르(Cyanate Ester)를 포함할 경우 내열성을 향상시키며 수지의 흐름성을 증대시키는 시아네이트 에스테르가 첨가되어 강화섬유를 함침 시 공극을 저감시키고 강화섬유의 섬유의 균일도를 향상시킨다.
시아네이트 에스테르의 첨가로서 유리전이온도(Tg)가 높아지는데 유리전이온도(Tg)란 고분자 재료가 고체 상태에서 액체 상태로 변이가 일어나는 유리전이와 관계된 온도이다. 따라서 유리전이온도(Tg)가 높아질수록 내열성이 향상되는 것으로 볼 수 있고 강화섬유를 함침하는 수지제에 있어서 내열성이 향상되면 성형과정에서 급격하게 소성이 일어나지 않기 때문에 공극이 저감되며 강화섬유의 섬유 균일도는 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
바람직하게는 수지제에서 에폭시 혼합물과 시아네이트 에스테르의 혼합비는 1:0.82 ~ 1:1.22 범위일 수 있다. 에폭시 혼합물을 기준으로 시아네이트의 혼합비가 0.82에 미달하게 되면 유리전이온도(Tg)가 낮아 강화섬유를 함침할 경우 공극이 다량 발생하게 되고 섬유 균일도가 저하된다. 반면, 시아네이트의 혼합비가 1.22를 초과하게 되면 수지제의 흐름성이 높아 성형성이 좋지 못하고 수지제의 점도가 과도하게 낮아 균일한 형태의 복합재 부품의 제조가 어려워진다. 따라서 에폭시 혼합물과 시아네이트 에스테르의 혼합비는 1:0.82 ~ 1:1.22 범위로 한정한다.
아우터층(200)의 강화섬유 배열방향이 파이프의 길이방향과 나란하고 이너층(100)의 경우 다층구조를 이루도록 구성하되, 아우터층(200)의 내측면에 연결된 제1레이어(110)의 경우 강화섬유가 아우터층(200)의 강화섬유와 수직하게 배열되도록 하고 제1레이어(110)의 내측면에 연결된 제2레이어(120)의 경우 강화섬유가 아우터층(200)의 강화섬유와 나란하게 배열되도록 함으로써 결과적으로 아우터층(200), 제1레이어(110) 및 제2레이어(120)의 강화섬유는 외층부터 0°, 90°, 0°의 배열방향을 이루게 된다. 이에 따라 복합재 피스톤핀의 강성을 향상시키고 복합재 피스톤핀의 길이방향으로부터 가해지는 하중은 물론 폭방향으로부터 가해지는 하중에도 대비할 수 있다.
아우터층(200)의 표면에 코팅되어 마찰계수를 저감시키는 코팅층(310)은 상기 아우터층(200) 표면 상에 증착되며, Cr 또는 Ti로 형성된 접합층(310); 상기 접합층(310) 상에 증착되고, CrN 또는 WC로 형성된 지지층(320); 및 상기 지지층(320) 상에 증착되며, (SiO)-DLC로 형성된 기능층(330);을 포함할 수 있다. 코팅층(310)에 대한 설명은 상기 제조방법에서 코팅단계에 대한 설명으로 대신한다.
바람직하게는 이너층(100)과 아우터층(200) 각각의 두께 비율은 7:3 내지 4:6일 수 있다. 이너층(100)의 두께를 1로 했을때 1:0.429 내지 1:1.5로 나타낼 수 있다.
하기 표 1은 이너층(100)과 아우터층(200)의 두께비를 달리하면서 강성, 인성, 내열성 및 마찰계수를 비교한 것이다.
이너층 아우터층두께비 강성 인성 내열성 마찰계수wet(GF4오일)
9:1 fail pass fail 0.066
8:2 fail pass fail 0.064
7:3 pass pass pass 0.060
6:4 pass pass pass 0.059
5:5 pass pass pass 0.061
4:6 pass pass pass 0.058
3:7 pass fail pass 0.059
상기 표 1을 참조하였을 때 두께비가 8:2와 7:3을 경계로 마찰계수가 확연히 줄어든 것을 확인할 수 있으며 4:6과 3:7을 경계로 마찰계수가 오히려 증가하는 것을 알 수 있다.
하기 표 2에는 조건을 달리한 실시예와 비교예들의 조도, 마찰계수, 내열성 평가 및 마찰마모 여부를 비교하였다.
실시예 1 실시예 2 기존재 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5
조도 Ra
(㎛)		 0.44 0.45 0.43 0.94 0.63 0.42 0.72 0.53
마찰계수 dry 0.30 0.25 0.90 0.80 0.40 0.35 0.32 0.45
마찰계수
wet(GF4오일)		 0.04 0.03 0.10 0.098 0.08 0.06 0.04 0.08
내열성 평가
(>250℃)		 통과 통과 통과 통과 통과 통과 통과 통과
마찰마모 여부 변화 없음 변화 없음 마모 발생 마모 발생 변화 없음 변화 없음 변화 없음 마모 발생
실시예 1 및 실시예 2는 복합재 재질의 피스톤핀을 본 발명에 따른 처리방법에 의해 표면처리하되, 실시예 1은 약 120℃에서 코팅단계를 수행하고, 실시예 2는 약 190℃에서 코팅단계를 수행하여 평가하였다.
기존재의 경우 스틸 재질로 이루어진 피스톤핀을 이용하여 평가하였고 비교예 1은 복합재 재질의 피스톤핀 표면을 글라인딩 후 샌드플라스팅하여 평가한 것이며 비교예 2는 복합재 재질의 피스톤핀 표면을 글라인딩하여 평가한 것이다.
또한, 비교예 3은 복합재 재질의 피스톤핀을 본 발명의 향상단계에 따라 글라인딩한 다음 폴리싱하여 평가한 것이고 비교예 4는 복합재 재질의 피스톤핀을 본 발명의 향상단계를 생략하고 코팅단계를 수행하여 평가한 것이며 비교예 5는 복합재 재질의 피스톤핀을 본 발명에 따른 처리방법에 의해 표면처리하되 약 250℃에서 코팅단계를 수행하여 평가한 것이다.
기존재의 경우 실시예들과 비교하여 마찰계수가 높았으며 약 320시간 엔진내구를 평가하여 마찰마모 여부를 확인한 시험에서 마모가 발생한 것을 알 수 있었다.
비교예 1의 경우 실시예들과 비교하여 조도 및 마찰계수가 높았으며 마찰마모 여부를 확인한 시험에서 마모가 발생하였다.
비교예 2의 경우 마찰마모 여부를 확인한 시험에서 마모가 발생하지 않았지만 실시예들과 비교하여 조도 및 마찰계수가 높았다.
비교예 3의 경우 코팅층(310)이 존재하지 않아 실시예들에 비해 조도는 낮았지만 마찰계수가 높았다.
비교예 4의 경우 마찰계수는 실시예들과 동등 수준이었으나 향상단계를 거치지 않아 조도가 높았다.
비교예 5의 경우 실시예들과 비교하여 조도 및 마찰계수가 높았으며 마찰마모 여부를 확인한 시험에서 마모가 발생하였다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 제1프리프레그 20 : 제2프리프레그
30 : 금형 100 : 이너층
110 : 제1레이어 120 : 제2레이어
200 : 아우터층 300 : 코팅층
310 : 접합층 320 : 지지층
330 : 기능층

Claims (9)

  1. 적어도 표면층이 강화섬유 및 수지를 포함하는 복합재 재질로 형성된 피스톤핀을 마련하는 마련단계;
    상기 피스톤핀의 표면층을 가공하여 조도를 향상시키는 향상단계; 및
    상기 피스톤핀의 마찰계수가 저감되도록 가공된 상기 표면층 상에 코팅층을 형성시키는 코팅단계;를 포함하고,
    상기 마련단계는, 강화섬유 및 수지를 포함하는 제1프리프레그가 원통형의 금형 외측면을 감싸도록 롤링하는 제1롤링과정; 상기 제1프리프레그의 강화섬유보다 탄성이 높은 강화섬유 및 수지를 포함하는 제2프리프레그가 상기 제1프리프레그의 외측면을 감싸도록 롤링하는 제2롤링과정; 및 상기 금형에 롤링된 상기 제1프리프레그와 상기 제2프리프레그를 오븐에 넣고 일체로서 성형하는 성형과정;을 포함하되,
    상기 제2프리프레그의 강화섬유는 금형의 길이 방향으로 나란하게 배열되고, 상기 제1프리프레그는 상기 제2프리프레그의 강화섬유와 수직하게 배열되도록 상기 제2프리프레그의 내측면을 따라 연결되는 제1레이어와 상기 제2프리프레그의 강화섬유와 나란하게 배열되며 상기 제1레이어의 내측면을 따라 상기 제1레이어와 연결된 제2레이어로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합재 피스톤핀 처리방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 향상단계는,
    상기 피스톤핀의 표면층을 그라인딩하는 그라인딩과정;
    Ra 6㎛ 이하의 폴리싱 용액을 이용하여 그라인딩된 상기 피스톤핀의 표면층을 폴리싱하는 제1폴리싱과정; 및
    Ra 1㎛ 이하의 폴리싱 용액을 이용하여 상기 피스톤핀의 표면층을 폴리싱하는 제2폴리싱과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 피스톤핀 처리방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅단계는,
    상기 표면층 상에 Cr 또는 Ti로 형성된 접합층을 증착시키는 제1코팅과정;
    상기 접합층 상에 CrN 또는 WC로 형성된 지지층을 증착시키는 제2코팅과정; 및
    상기 지지층 상에 (SiO)-DLC로 형성된 기능층을 증착시키는 제3코팅과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 피스톤핀 처리방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅단계는,
    100~240℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 복합재 피스톤핀 처리방법.
  6. 파이프 형상이며, 강화섬유 및 수지를 포함하는 복합재 재질의 이너층;
    상기 이너층의 외측면을 따라 상기 이너층과 연결되고, 표면의 조도가 Ra 0.42㎛ 이하이며, 상기 이너층의 강화섬유보다 탄성이 높은 강화섬유 및 수지를 포함하는 복합재 재질의 아우터층; 및
    상기 아우터층의 표면에 코팅되어 마찰계수를 저감시키는 코팅층;을 포함하고,
    상기 아우터층의 강화섬유는 파이프의 길이방향과 나란하게 배열되며, 상기 이너층은, 강화섬유가 상기 아우터층의 강화섬유와 수직하게 배열되고, 상기 아우터층의 내측면을 따라 상기 아우터층과 연결된 제1레이어; 및 강화섬유가 상기 아우터층의 강화섬유와 나란하게 배열되며, 상기 제1레이어의 내측면을 따라 상기 제1레이어와 연결된 제2레이어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면처리된 복합재 피스톤핀.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 코팅층은,
    상기 아우터층 표면 상에 증착되며, Cr 또는 Ti로 형성된 접합층;
    상기 접합층 상에 증착되고, CrN 또는 WC로 형성된 지지층; 및
    상기 지지층 상에 증착되며, (SiO)-DLC로 형성된 기능층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면처리된 복합재 피스톤핀.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 이너층 및 상기 아우터층에 포함되는 수지는 에폭시 혼합물과 시아네이트 에스테르를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면처리된 복합재 피스톤핀.
  9. 삭제
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