KR20100005738A - 피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고출력 및 고연비를 추구하는 최근 엔진의 경향에 부합되도록 수지 코팅층 표면을 개선하여 내마모성을 증가시킨 피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층 및 그 제조방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 상기 피스톤 스커트부 모재의 표면에 도포되며 실린더 내벽과의 마찰면으로 돌출형성된 피크부; 상기 피크부 사이에 실린더 내벽과의 마찰면 반대방향으로 오목하게 형성된 밸리부; 상기 밸리부에 에칭을 통해 형성된 수용홈; 및 상기 수용홈에 내마모 입자가 충진된 내마모 입자블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층을 제공한다.

피스톤, 스커트부, 내마모 입자블록

Description

피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층 및 그 제조방법{High wear resistance of resin coating layer for skirt part of piston}

본 발명은 피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고출력 및 고연비를 추구하는 최근 엔진의 경향에 부합되도록 수지 코팅층 표면을 개선하여 내마모성을 증가시킨 피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적인 내연기관의 엔진에 포함되어 있는 실린더의 피스톤은 도 1에 도시된 바와 같이, 실린더블록의 내측에 피스톤(10)이 결합되어 있으며, 이 피스톤(10)은 연료의 폭발에 의해 왕복운동을 하게 되며, 이러한 피스톤(10)의 상측에는 복수개의 피스톤링이 결합되어 있으며, 그 아래에는 피스톤 스커트부(110)가 형성되어 있다.

상기 피스톤 스커트부(110)는 피스톤(10)의 왕복운동에 의해 실린더블록의 내측면과 마찰을 일으키게 된다.

근래에 들어 엔진의 출력이 향상됨에 따라 피스톤에 작용하는 압력 및 온도가 증가하여 피스톤은 더욱 가혹한 환경에서 구동조건을 갖게 되며, 피스톤(10) 스커트(110)와 실린더 내벽 사이에 작용하는 마찰마모 현상은 더욱 가혹해지고 있을 뿐만 아니라 연비향상과 내구성 및 엔진오일과의 적합성 등이 요구되고 있다.

종래에는 이러한 피스톤 스커트부(110)와 실린더 블록의 내벽과의 마찰 및 마모를 줄이기 위하여 피스톤 스커트부에 인산염 피막처리 부터 시작하여 그라파이트 수지코팅 및 MoS₂+그라파이트 수지코팅을 적용하여 연비향상의 요구에 따른 저마찰 특성을 만족시키는 코팅기술에 주력을 하였다.

보다 상세하게는, 피스톤 스커트(110)의 수지코팅(112)은 PAI(PolyAmide-imide)에 그라파이트 입자 또는 MoS₂+그라파이트 입자를 분산시킨 코팅액을 스크린 프린팅 방법에 의해 피스톤 스커트부 모재(111)에 단층으로 코팅하여 저마찰을 구현하는 방식을 사용하고 있다.

그러나, 엔진의 피스톤 구동조건 하에서 피스톤(10) 스커트부(110)에 가해지는 가혹한 조건에 의해 피스톤(10) 스커트부(110)의 코팅층(112)이 마모됨에 따라 일정수준 이상의 마모가 진행된 후 가공면의 피크(peak)에서 응력집중으로 인한 코팅층 탈락 현상이 발생하게 된다. 또한, 마모 정도가 심한 경우 스커트부(110)의 모재(111)의 피크부(112)가 마모되어 드러나게 되고, 피스톤(10)과 실린더 내벽 사이의 마찰력이 급격하게 증가하여, 피스톤의 내구성이 급감하게 되고 연비가 급격히 저하되게 된다(도 2).

최근에는 수지코팅액 안에 분산시키기 위한 저마찰 입자를 새로운 재질로 변경하거나 입자에 특수한 화학처리를 통해 수지코팅액과의 밀착력을 향상시키는 특허와, 연구 논문을 통해 저마찰 특성과 내마모성 향상을 위한 연구가 진행되고 있다.

그런데, 지금까지는 수지코팅 내의 분산입자의 종류, 크기, 분산양 등을 조절하여 저마찰 및 내마모 특성을 조절하려는 시도가 있었으나, 상기한 연구들은 결국 폴리머와 분산입자의 물성과 그 구성비 등에 의해 저마찰 특성과 내마모성이 결정되게 되어 있으며, 제한적인 폴리머 재질로 인해 내마모성의 향상에 한계가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 피스톤 스커트부의 수지코팅층 밸리부에 충진된 내마모 입자블록이 주변의 수지코팅층을 지지하여 마모가 진행되는 속도를 늦춰줌으로써, 수지코팅층의 내구성을 향상시킬 수 있고 수지코팅층의 피크부에 발생하는 응력집중을 방지하여 코팅 탈락을 억제할 수 있도록 한 피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 피스톤 스커트부의 표면에 일정한 두께로 코팅되는 고내마모성 수지 코팅층에 있어서,

상기 피스톤 스커트부 모재의 표면에 도포되며 실린더 내벽과의 마찰면으로 돌출형성된 피크부; 상기 피크부 사이에 실린더 내벽과의 마찰면 반대방향으로 오목하게 형성된 밸리부; 상기 밸리부에 에칭을 통해 형성된 수용홈; 상기 수용홈에 내마모 입자가 충진된 내마모 입자블록을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 내마모 입자블록은 100~200nm 크기의 내마모 입자와, 상기 내마모 입자 사이로 스며들어 내마모 입자를 결합하는 PEEK 용매를 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 내마모성 입자는 SiC, TiO₂, WS₂ 및 나노 다이아몬드 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면은 피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층의 제조방법에 있어서,

피스톤 스커트부 모재의 표면에 일정한 두께로 수지코팅층을 형성하는 단계; 상기 수지코팅층의 밸리부에 수용홈을 형성하기 위해 10~15㎛ 폭의 창을 갖도록 마스킹하는 단계; 상기 10~15㎛ 폭의 창을 통해 노출된 코팅층 표면을 페놀계 용제로 에칭하여 4~6㎛ 깊이의 수용홈을 형성하는 단계; 상기 수용홈에 100~200㎛ 크기의 내마모 입자와 바인더로 PEEK 용매를 충전하는 단계; 및 상기 마스킹을 제거한 후 190~210℃에서 1시간 동안 가열 경화하여 수지코팅층의 밸리부에 내마모 입자블록을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 폐놀계 용제로 에칭하는 시간은 30~40초인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 내마모 입자와 PEEK 용매를 충전하는 단계는 상기 수용홈에 PEEK 용매를 50nm 이하의 두께로 도포하는 단계; 상기 100~200nm 크기의 내마모성 입자를 수용홈에 충진하는 단계; 상기 수용홈에 충진된 내마모성 입자에 압력을 가해 클로즈 팩킹이 되도록 한 후 다시 PEEK 용매를 도포하여 표면과 내마모 입자 사이로 스며들게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 본 발명에 따른 피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층 및 그 제조방법에 의하면, 기존의 양산 피스톤과 호환 가능하도록 피스톤의 치수 및 공차의 변경없이 수지코팅층 밸리부에 내마모 입자블록을 충진하여 주변의 코팅층을 지지하게 함으로써, 마찰 계수의 손실없이 기존의 수지코팅 대비 40% 이상 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 내마모 입자블록이 다공성 구조로 이루어짐으로써 엔진오일의 리저버 역할을 하여 피스톤의 윤활성 측면에서 기존의 수지코팅에 비해 유리하고, 내마모 입자블록이 피크부의 응력집중을 분산시켜 줌으로써 코팅 탈락 현상을 방지할 수 있다.

또한, 피스톤 스커트부의 수지코팅층이 오래동안 지속됨에 따라 자동차의 운행에 따른 연비를 절감할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 피스톤을 나타내는 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 피스톤 스커트부에서 수지코팅층의 구조를 나타내는 모식도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 피스톤 스커트부의 수지코팅층 제조방법을 나타내는 공정도이다.

본 발명은 피스톤(10) 스커트부(11)의 수지코팅층(12) 표면에 폭 10~15㎛, 깊이 4~6㎛의 수용홈(13)을 에칭을 통해 형성하고, 100~200nm 크기의 내마모 입자(SiC, TiO₂, WS₂, 나노다이아몬드)를 수용홈(13)에 충진시킨 후, 소량의 바인더를 첨가하여 가열, 압축함으로써, 피스톤(10) 스커트부(11)의 코팅층(12) 표면에 내마모 특성을 가진 구조를 형성시키는 방법이다.

보다 상세하게는 먼저, 피스톤(10) 스커트부(11)의 모재(15)에 일정한 두께로 수지코팅층(12)을 코팅한다(도 5a). 이때, 수지코팅층(12)은 모재(15)의 형상에 따라 피크(peak)부(12a)와 밸리(Valley)부(12b)로 구성되고, 상기 내마모 입자를 충진하기 위한 수용홈(13)이 형성되는 부위는 수지코팅층(12)의 밸리부(12b)이다.

상기 밸리부(12b)에 형성되는 수용홈(13)의 형상은 엔진에 따른 차이로 인해 스커트부(11) 표면의 피크(peak to peak) 간격이나 수지코팅의 두께에 따라 차이가 있을 수 있으므로, 그 형상을 피스톤(10) 별로 최적화하여 조절할 수 있다.

수용홈(13)을 형성하기 위한 에칭작업의 일환으로 피스톤(10) 스커트 부에 피크부(12a)와 밸리부(12b)의 간격에 맞게 밸리부(12b)가 10~15㎛ 정도의 폭을 지니게 창을 형성하여 마스킹을 한다(도 5b).

그리고 페놀계 용제를 사용하여 30~40초 동안 노출된 코팅표면을 에칭하여 4~6㎛ 깊이의 수용홈(13)을 형성한다(도 5c). 이때 에칭시간이 30초 보다 짧을 경우 4~6㎛ 정도 깊이의 수용홈(13)을 형성하지 못하며 40초 보다 길 경우는 마스킹 밑면까지 에칭이 진행되기 시작하여 수용홈(13)의 폭이 마스킹에서 지정한 폭보다 넓어지고 깊이도 6㎛보다 깊어지기 때문에 시간을 정확히 조절하는 것이 중요하다.

다음으로 수용홈(13)에 바인더 역할을 하는 PEEK(Polyetheretherketone) 용매(solution)를 스프레이 방식으로 50nm이하의 두께로 도포한 다음, 100~200nm 크기를 갖는 내마모 입자, 예를 들어 SiC, TiO₂, WS₂, 또는 나노다이아몬드를 수용홈(13)에 충진한 후 압력을 가해 클로즈 팩킹이 되도록 한다.

계속해서, 다시 PEEK 용매를 도포하여 표면 및 내마모 입자 사이로 바인더가 스며들게 하고(도 5d) 마스킹을 제거한 후 190 ~ 210℃에서 1시간 동안 가열 경화시켜 내마모 입자와 바인더가 충진된 내마모 입자블록(14)을 형성한다(도 5e).

여기서, 상기 내마모 입자의 크기를 100 ~ 200 nm 로 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. 만약 입자의 크기가 100nm보다 작다면 바인더로 사용되는 PEEK 용매를 흡수하기 위한 충분한 공간을 형성하기 어려워서 결합력이 약해질 수 있고 입자의 크기가 200nm보다 크다면 좁은 수용홈(13)에 내마모 입자를 충진하기도 어려워 질 뿐만 아니라 실린더에 대한 대면공격을 유발할 수 있기 때문이다.

내마모 입자인 SiC, TiO₂, WS₂ 그리고 나노다이아몬드 입자는 각각의 입자가 독립적으로 사용되며, 어떠한 입자를 사용하더라도 유사한 결과가 얻어진다(입자에 대한 세부 조성비는 논의할 필요가 없다).

그리고 바인더로 사용되는 PEEK 용매는 PEEK와 NMP(유기 용제)를 1:2 비율로 혼합하여 만든 용액으로 충진된 내마모 입자 사이로 충분히 스며들기 위한 점도를 유지한다. 또한 가열 온도는 PEEK가 경화될 수 있는 온도이므로 주어진 온도를 유지하여야 한다.

이와 같은 구성에 의한 본 발명의 일실시예에 따른 피스톤(10) 스커트부(11)용 고내마모성 수지 코팅층(12)의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명에 따른 고내마모성 수지코팅층(12)의 작용을 나타내는 도면이다.

도 6에 도시한 바와 같이 수지코팅층(12)의 밸리부(12b)의 높이까지 마모가 진행되면 밸리부(12b)에 충진되어 있는 내마모 입자블록(14)이 주변의 수지 코팅층(12)을 지지해주면서 마모가 진행되는 속도를 늦춰준다.

따라서, 수지코팅층(12)의 마모가 진전되어 모재(15)가 드러나는 시간이 길어지게 되므로 결과적으로 수지코팅층(12)이 오래 지속될 수 있어서 코팅층(12)의 내구성이 향상되며, 내마모 입자블록(14)은 다공성 구조를 가지므로 오일 리저버 역할을 하여 윤활을 돕는다.

또한, 수지 코팅층(12)의 피크부(12a)에 발생하는 응력집중으로 고부하조건의 엔진 실험에서 간헐적으로 발생하는 코팅층(12) 탈락에 대해 내마모 입자블록(14)이 응력집중을 방지하여 코팅층(12) 탈락을 억제할 수 있다.

실험예

본 발명의 실시예는, TE77 마찰마모시험기를 이용하여 기존의 수지코팅(MoS₂ + 그라파이트 코팅) A와 기존 코팅 위에 내마모 입자를 충진 시킨 구조를 추가한 코팅 B에 대하여 마찰마모 실험을 진행하여 마찰계수를 측정하고 코팅이 벗겨지는 시간을 접촉저항의 변화를 통해 수지코팅이 벗겨져서 모재(15)와 상대재가 금속 대 금속 접촉을 이루는 시간을 측정하여 보았다.

본 마찰마모 실험은 도 7에서와 같이 피스톤(10) 스커트와 같은 표면 형상을 지닌 알루미늄 합금 플레이트(16)에 A, B 코팅을 적용한 후 SCM415 핀(17)으로 선접촉을 이루면서 왕복운동하는 코팅된 플레이트(16)와 핀(17) 사이의 마찰특성을 관찰하였다.

마찰계수는 윤활조건에서 50N의 하중 및 3Hz의 왕복속도로 30분간 실험을 하였고, 코팅의 내구성(접촉저항의 변화 측정)을 실험하기 위해 200N의 하중으로 윤활상태에서 10Hz의 왕복운동으로 각 시편에 대해 4시간의 실험을 진행하였다.

실험 결과 마찰계수는 도 8에 도시한 바와 같이 A, B 두 경우 모두 동일 수준의 마찰계수를 보이고 있으며, 접촉저항의 변화는 도 9에 도시한 바와 같이 A의 경우 실험 시작 후 1.9시간 만에 접촉저항의 급속한 감소를 보이는 반면, B의 경우 실험 시작 후 약 3.2 시간 만에 접촉 저항의 감소를 나타내고 있다.

이는 수지코팅층(12)이 완전히 벗겨져 금속과 금속 간의 접촉이 일어나기 때문이며, 본 실험을 통해 B의 경우가 코팅이 벗겨지는 시간이 더 오래 걸렸음을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 수지 코팅층(12)은 표면구조의 변경으로 저마찰 특성의 변화 없이 기존 코팅 대비 40% 가량 향상된 내마모성을 갖게 되었음을 확인 할 수 있었다(도 9).

또한, 본 발명은 기존 코팅에서 발생하던 응력집중에 의한 피크부(12a)의 코팅층(12) 탈락현상을 방지하고 기공이 존재하는 구조를 통해 마모가 진행되면서도 오일 리저버(oil reservoir) 역할을 하게 함으로써, 내마모 입자 구조가 코팅층(12)에 적용되어도 저마찰 특성의 저하를 방지하였다.

또한, 본 발명은 기존에 적용 되고 있던 피스톤(10)의 형상이나 코팅 후 피스톤(10)과 실린더 사이의 공차 등에 전혀 영향을 주지 않아 양산제품을 언제든지 대체하여 투입할 수 있는 호환성이 있으면, 기존의 수지코팅 개발 접근 방식과는 차별화된 방식으로 피스톤(10) 스커트부(11) 수지코팅층(12)의 고 내마모성을 확보한 기술이다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 종래의 피스톤을 나타내는 구성도,

도 2는 종래의 피스톤의 마찰에 따른 수지코팅층의 마모 진행 정도를 나타내는 모식도,

도 3은 본 발명에 따른 피스톤을 나타내는 구성도,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 피스톤 스커트부에서 수지코팅층의 구조를 나타내는 모식도,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 피스톤 스커트부의 수지코팅층 제조방법을 나타내는 공정도,

도 6은 본 발명에 따른 고내마모성 수지코팅층의 작용을 나타내는 도면,

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰계수 측정실험을 나타내는 도면,

도 8은 본 발명과 종래의 마찰계수 측정실험에 따른 결과를 나타내는 그래프,

도 9는 본 발명과 종래의 접촉저항 측정실험에 따른 결과를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 피스톤 11 : 스커트부

12 : 수지코팅층 12a : 피크부

12b : 밸리부 13 : 수용홈

14 : 내마모 입자블록 15 : 모재

16 : 알루미늄 플레이트 17 : 핀

Claims (7)

1. 피스톤 스커트부의 표면에 일정한 두께로 코팅되는 고내마모성 수지 코팅층에 있어서,

   상기 피스톤 스커트부 모재의 표면에 도포되며 실린더 내벽과의 마찰면으로 돌출형성된 피크부;

   상기 피크부 사이에 실린더 내벽과의 마찰면 반대방향으로 오목하게 형성된 밸리부;

   상기 밸리부에 에칭을 통해 형성된 수용홈; 및

   상기 수용홈에 내마모 입자가 충진된 내마모 입자블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 내마모 입자블록은 100~200nm 크기의 내마모 입자와, 상기 내마모 입자 사이로 스며들어 내마모 입자를 결합하는 PEEK 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 내마모성 입자는 SiC, TiO₂, WS₂ 및 나노 다이아몬드 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층.
4. 피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층의 제조방법에 있어서,

   피스톤 스커트부 모재의 표면에 일정한 두께로 수지코팅층을 형성하는 단계;

   상기 수지코팅층의 밸리부에 수용홈을 형성하기 위해 10~15㎛ 폭의 창을 갖도록 마스킹하는 단계;

   상기 10~15㎛ 폭의 창을 통해 노출된 코팅층 표면을 페놀계 용제로 에칭하여 4~6㎛ 깊이의 수용홈을 형성하는 단계;

   상기 수용홈에 100~200㎛ 크기의 내마모 입자와 바인더로 PEEK 용매를 충전하는 단계; 및

   상기 마스킹을 제거한 후 190~210℃에서 1시간 동안 가열 경화하여 수지코팅층의 밸리부에 내마모 입자블록을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층의 제조방법.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 폐놀계 용제로 에칭하는 시간은 30~40초인 것을 특징으로 하는 피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층의 제조방법.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 내마모 입자와 PEEK 용매를 충전하는 단계는 상기 수용홈에 PEEK 용매를 50nm 이하의 두께로 도포하는 단계;

   상기 100~200nm 크기의 내마모성 입자를 수용홈에 충진하는 단계;

   상기 수용홈에 충진된 내마모성 입자에 압력을 가해 클로즈 팩킹이 되도록 한 후 다시 PEEK 용매를 도포하여 표면과 내마모 입자 사이로 스며들게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층의 제조방법.
7. 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 내마모 입자는 SiC, TiO₂, WS₂ 및 나노 다이아몬드 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 피스톤 스커트부용 고내마모성 수지 코팅층의 제조방법.

Images