KR20040033825A

KR20040033825A - 엔진용 피스톤 링 코팅방법

Info

Publication number: KR20040033825A
Application number: KR1020020063096A
Authority: KR
Inventors: 안승균
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2002-10-16
Publication date: 2004-04-28

Abstract

본 발명은 엔진용 피스톤 링 코팅방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피스톤 링의 모재 표면을 코팅하는 방법에 있어서 피스톤 링의 모재 표면에 α-Cr과 CrN을 두께비 1:3이 되도록 번갈아 반복 코팅하여 다수의 층이 적층된 구조로 코팅함으로써, 피스톤 링에서 요구되는 충분한 내마모성 및 고온 내산화성을 만족하면서도 밀착력, 잔류응력 및 내부식성이 우수한 피스톤 링 코팅층을 얻을 수 있도록 개선시킨 엔진용 피스톤 링 코팅방법에 관한 것이다.

Description

엔진용 피스톤 링 코팅방법{Coating method of piston ring for engine}

일반적으로 자동차용 엔진은 공기와 연료를 연소실 내로 유입시켜 연소시킴으로써 동력을 얻는 대표적인 내연기관이다.

이러한 자동차용 엔진의 실린더 내에는 고속으로 왕복운동을 하는 피스톤이 설치되며, 이 피스톤은 연소실에서 발생한 고온, 고압의 연소가스압을 받아 커넥팅 로드를 통해 크랭크 축을 회전시키는 일을 한다.

즉, 상기 피스톤은 고온의 연소가스에 피스톤 헤드가 노출되고 고압을 충격적으로 받으며 실린더 내에서의 고속 왕복운동으로 큰 마찰이 생기는 등 가혹한 조건하에서 구동되고 있는 것이다.

따라서, 상기 피스톤은 위의 가혹한 조건하에서도 그 기능을 충분히 발휘할 수 있도록 구비되어야 하며, 가벼우면서 견고할 뿐만 아니라 열전도성 및 내열성이 좋은 재질로 제조되어야 한다.

한편, 상기 피스톤의 상부 외주면 상에는 다수의 피스톤 링이 설치되며, 이 피스톤 링은 상측으로 통상 2개가 설치되는 압축링과, 그 하측으로 설치되는 1개의 오일링으로 구분되어진다.

여기서, 상측의 압축링은 연소실의 기밀을 유지하기 위하여, 하측의 오일링은 실린더 벽에 뿌려진 오일을 긁어내려 최소한의 유막을 만들고 이를 통해 실린더 내벽과 피스톤 사이의 마모를 방지하면서 피스톤의 부드러운 왕복운동을 유도하기위하여 설치된다.

상기 피스톤 링의 재질로는 스테인리스 스틸(예, SUS430)이 주로 사용되며, 내마모성, 내스커핑성 및 고온 내산화성을 위하여 상기 피스톤 링의 모재 표면에는 크롬성분이 함유된 코팅층을 적층시키는 것이 일반적이다.

상기 피스톤 링의 코팅방법으로서, 종래에는 물리증착(PVD: Physical Vapor Deposition) 방식의 마그네트론 스퍼터링(sputtering) 장비를 이용하여 피스톤 링의 모재 표면에 α-Cr 단일 코팅층과 CrN 단일 코팅층을 차례로 적층시키는 방법이 이용되었다.

즉, 종래에는, 첨부한 도 7에 도시한 바와 같이, 피스톤 링의 코팅층이 모재(10) 표면 위에 연질의 α-Cr 단일 코팅층(12)과 경질의 CrN 단일 코팅층(14)으로 이루어진 이중층 코팅구조로 되어 있는 것이다.

그러나, 상기와 같이 α-Cr 코팅층(12)과 CrN 코팅층(14)으로 이루어진 피스톤 링의 이중층 코팅구조에서는 피스톤 링과 실린더 보어와의 습동부에서 비정상적인 힘이 작용할 경우 코팅층 전체에 쉽게 크랙이 발생하여 본래의 코팅층 특성을 발휘하기가 어려웠고, 크랙에 따른 코팅층의 박리시 밀착력 및 내부식성이 떨어지는 등 내구성이 저하되는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 피스톤 링의 모재 표면을 코팅하는 방법에 있어서 피스톤 링의 모재 표면에 α-Cr과 CrN을 두께비 1:3이 되도록 번갈아 반복 코팅하여 다수의 층이 적층된 구조로 코팅함으로써, 피스톤 링에서 요구되는 충분한 내마모성 및 고온 내산화성을 만족하면서도 밀착력, 잔류응력 및 내부식성이 우수한 피스톤 링 코팅층을 얻을 수 있도록 개선시킨 엔진용 피스톤 링 코팅방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 코팅방법에 따른 피스톤 링 코팅층의 적층상태도이고,

도 2 ∼ 도 6은 본 발명에 따른 실시예의 코팅층과 종래방법에 따른 비교예의 코팅층에 대하여 각각 밀착력, 잔류응력, 내마모성, 내부식성 및 고온 산화성의 측정결과를 비교하여 나타낸 그래프이며,

도 7은 종래의 코팅방법에 따른 피스톤 링 코팅층의 적층상태도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 피스톤 링 모재12 : α-Cr 코팅층

14 : CrN 코팅층

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

본 발명은 피스톤 링에서 요구되는 내마모성, 내스커핑성 및 고온 내산화성의 향상을 위하여 피스톤 링의 모재(10) 표면을 코팅하는 방법에 있어서,

상기 피스톤 링의 모재 표면에 α-Cr을 먼저 코팅하고 이 α-Cr 코팅층 위에 CrN을 코팅하는 방식으로 상기 α-Cr과 CrN을 번갈아 반복 코팅하여 다수의 층이 적층된 구조로 코팅하되, 최종 형성되는 α-Cr 코팅층과 CrN 코팅층의 두께비가 1:3이 되도록 코팅하는 것을 특징으로 한다.

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

첨부한 도 1은 본 발명의 코팅방법에 따른 피스톤 링 코팅층의 적층상태도이다.

이에 도시한 바와 같이, 본 발명에서는 피스톤 링에서 요구되는 내마모성, 내스커핑성 및 고온 내산화성의 향상을 위하여 피스톤 링의 모재 표면을 α-Cr과 CrN을 사용하여 코팅하되, α-Cr과 CrN을 번갈아 코팅한다.

즉, 피스톤 링의 모재(10) 표면에 α-Cr을 먼저 코팅하고 이로 인해 형성된 α-Cr 코팅층(12) 위에 CrN을 코팅하는 방식으로 α-Cr과 CrN을 번갈아 반복적으로 코팅하는 것이다.

상기와 같이 피스톤 링의 모재(10) 표면을 코팅할 때 α-Cr 코팅층(12)과 CrN 코팅층(14)의 두께비는 1:3이 되도록 코팅하며, 완성된 피스톤 링의 겉 표면이 되는 최상층이 종래와 마찬가지로 경질의 CrN 코팅층(14)이 될 수 있도록 CrN 코팅으로 마감하는 것이 바람직하다.

결국, 본 발명에 의한 피스톤 링의 코팅구조는, 도 1에 도시한 바와 같이, 연질의 α-Cr 코팅층(12)과 경질의 CrN 코팅층(14)이 반복적으로 번갈아 적층되어진 다층 구조가 된다.

상기와 같이 연질의 α-Cr 코팅층(12)과 경질의 CrN 코팅층(14)으로 이루어진 피스톤 링의 다층 코팅구조에서는 피스톤 링과 실린더 보어와의 습동부에서 비정상적인 힘이 작용할 경우 다수의 α-Cr 연질층(12)이 완충작용을 하게 되므로 크랙 발생이 감소함은 물론, 크랙이 발생하더라도, 종래방법에 의한 이중층 코팅구조에서와 같이 코팅층 전체의 크랙이 아닌, 최상층에서의 크랙만이 발생하게 된다.

즉, 본 발명에 따른 다층 코팅구조에서는 최상층이 크랙으로 박리되더라도 바로 아래의 코팅층이 받치고 있으므로 밀착력이 향상되는 장점이 있는 것이다.

또한, 내부식성은 코팅층의 밀착력과 상관관계가 있는 것으로서, 본 발명에 따른 다층 코팅구조에서는 기존의 이중층 코팅구조에 비해 내부식성이 향상될 수 있는 장점이 있다.

이하, 다음의 실시예에 의거 본 발명을 더욱 상세히 설명하는 바, 본 발명이 다음의 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예

엔진용 피스톤 링의 재질로 사용되고 있는 SUS430 시편의 표면에 본 발명에 의거 α-Cr과 CrN을 번갈아 반복 코팅하여 적층시켰으며, α-Cr 코팅층과 CrN 코팅층의 두께비를 1:3으로 하여 총 두께가 30㎛인 다층의 코팅층을 형성시켰다(도 1 참조).

비교예

엔진용 피스톤 링의 재질로 사용되고 있는 SUS430 시편의 표면에 종래방법에 의거 α-Cr과 CrN을 각각 단일층으로 코팅하였으며, 총 두께가 상기 실시예와 동일한 이중층의 코팅층을 형성시켰다(도 7 참조).

시험예

비교예와 실시예에서 얻어진 두 시편을 사용하여 코팅층의 밀착력, 잔류응력, 내마모성, 내부식성 및 고온 산화성을 각각 측정하였으며, 그 결과를 도 2 ∼ 6에 각각 나타내었다.

먼저, 두 시편에 대한 밀착력 시험 결과를 도 2의 그래프에 나타내었다.

상기 밀착력 시험의 결과로서, 다층 코팅구조를 갖는 실시예의 시편에서는임계하중 70N을, 이중층 코팅구조를 갖는 비교예의 시편에서는 임계하중 56N을 나타내어, 종래방법에 의한 코팅층에 비해 본 발명에 의한 코팅층에서 밀착력이 약 25% 정도 증가함을 알 수 있었다.

다음으로, 두 시편에 대한 코팅층 잔류응력 시험 결과를 도 3의 그래프에 나타내었다.

상기 잔류응력 시험의 결과로서, 이중층 코팅구조를 갖는 비교예의 시편에 비해 다층 코팅구조를 갖는 실시예의 시편에서 잔류응력이 약 60% 정도 저감됨을 알 수 있었고, 이는 외부 환경에 대하여 본 발명에 의한 코팅층이 종래방법에 의한 코팅층보다 안정됨을 나타내는 것이다.

다음으로, 두 시편에 대한 코팅층 내마모성 시험은 볼 크레이터 방식으로 실시하였다.

여기서, 상대재는 직경 15mm의 스틸볼이었고, 볼 회전속도는 300rpm으로 90분 동안 실시하였으며, 이때 크기 1㎛의 다이아몬드 페이스트를 연마제로 사용하였다.

시험 후 마모 흔적의 직경을 측정하여 마모량을 계산하였으며, 그 결과를 도 4의 그래프에 나타내었다.

상기 코팅층 내마모성 시험의 결과로서, 다층 코팅구조를 갖는 실시예의 시편에서는 마모체적 0.006㎣를, 이중층 코팅구조를 갖는 비교예의 시편에서는 마모체적 0.003㎣를 나타내어, 종래방법에 의한 코팅층에 비해 본 발명에 의한 코팅층에서 마모체적이 오히려 크게 나타났으나, 이는 매우 미미한 증가로 두 시편의 내마모성이 거의 동등한 수준임을 나타낸다.

다음으로, 두 시편에 대한 내부식성 시험으로 동전위 분극시험(Potentiodynamic polarization test)을 실시하였고, 이때 용액으로는 3.5wt% NaCl 수용액을, 상대전극으로는 고순도 탄소봉을, 측정전극으로는 포화감홍전극(Saturated calomel electrode)을 사용하였으며, 분극전위는 부식전위(Corrosion potential)로부터 -250㎷부터 1000mV까지 주사속도(scan rate) 0.166㎷/s로 인가하여 상온에서 측정하도록 하였다.

동전위 분극시험 결과는 도 5의 그래프에 나타내었다.

상기 내부식성 시험의 결과로서, 두 결과곡선을 비교하여 볼 때 다층 코팅구조를 갖는 실시예 시편의 전류밀도 값이 이중층 코팅구조를 갖는 전류밀도 값보다 작음을 알 수 있으며 이것은 본 발명의 실시예 시편이 종래의 비교예 시편 시편보다 더 큰 내부식성을 갖음을 나타낸다.

다음으로, 고온 산화성 시험은 TGA를 이용하여 700℃의 대기 분위기 하에서 20시간 유지 후 무게변화로 산화량을 측정하였으며, 그 결과를 도 6의 그래프에 나타내었다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 코팅층과 종래방법에 의한 코팅층에서 고온 산화성은 그 차이를 알 수 없을 정도로 거의 동등한 수준임을 알 수 있었다.

결국, 비교예와 실시예에서 얻어진 두 시편을 사용하여 코팅층의 밀착력, 잔류응력, 내마모성, 내부식성 및 고온 산화성을 각각 측정한 결과를 요약하면, 이중층 코팅구조를 갖는 종래의 비교예 시편에 비해 다층 코팅구조를 갖는 본 발명의 실시예 시편에서 동등한 수준의 내마모성 및 고온 내산화성의 결과를 나타내면서 밀착력, 잔류응력 및 내부식성이 보다 우수한 결과를 나타내었다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 피스톤 링 코팅방법에서는 피스톤 링의 모재 표면에 α-Cr과 CrN을 두께비 1:3이 되도록 번갈아 반복 코팅하여 다수의 층이 적층된 구조로 코팅함으로써, 피스톤 링에서 요구되는 충분한 내마모성 및 고온 내산화성을 만족하면서 밀착력, 잔류응력 및 내부식성이 우수한 피스톤 링 코팅층을 얻을 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 엔진용 피스톤 코팅방법에 의하면, 피스톤 링의 모재 표면을 코팅하는 방법에 있어 피스톤 링의 모재 표면에 α-Cr과 CrN을 두께비 1:3이 되도록 번갈아 반복 코팅하여 다수의 층이 적층된 구조로 코팅함으로써, 피스톤 링에서 요구되는 충분한 내마모성 및 고온 내산화성을 만족하면서도 밀착력, 잔류응력 및 내부식성이 우수한 피스톤 링 코팅층을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 코팅방법을 적용하면 피스톤 링의 내구성을 향상시킬 수 있으므로 본 발명의 코팅방법이 적용된 피스톤 링을 엔진 연소 폭발압이 큰 승용 디젤 차량이나 상용차 엔진의 피스톤에 장착하면 엔진의 전체적인 내구성을 향상시키는 효과가 기대된다.

Claims

피스톤 링에서 요구되는 내마모성, 내스커핑성 및 고온 내산화성의 향상을 위하여 피스톤 링의 모재 표면을 코팅하는 방법에 있어서,

상기 피스톤 링의 모재 표면에 α-Cr을 먼저 코팅하고 이 α-Cr 코팅층 위에 CrN을 코팅하는 방식으로 상기 α-Cr과 CrN을 번갈아 반복 코팅하여 다수의 층이 적층된 구조로 코팅하되, 최종 형성되는 α-Cr 코팅층과 CrN 코팅층의 두께비가 1:3이 되도록 코팅하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 코팅방법.