KR20130095390A - 다층의 코팅층을 갖는 자동차용 피스톤링 - Google Patents

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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 나노 다층의 코팅층을 갖는 자동차용 피스톤링에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진의 실린더와 피스톤링과의 마찰손실 저하로 인한 연비 향상과 피스톤링의 마모수명을 증대하기 위해, 피스톤링의 모재 외주면에 TiAlCrCN 나노 다층을 코팅시킨 나노 다층의 코팅층을 갖는 자동차용 피스톤링에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 저마찰 특성이 우수한 탄소를 첨가한 나노다층 TiAlCrCN을 최표면층으로 코팅하고, 내열성, 내마모성이 우수한 내열원소(TiAl, Cr)를 함유하는 인성이 우수한 나노다층 TiAlN/CrN을 중간층으로 코팅하는 등의 코팅 구조를 통하여, 600도 이상의 내열성, 내마모성, 저마찰 특성을 동시에 확보할 수 있도록 한 나노 다층의 코팅층을 갖는 자동차용 피스톤링을 제공하고자 한 것이다.

Description

다층의 코팅층을 갖는 자동차용 피스톤링{Piston ring having multilayer}
본 발명은 다층의 코팅층을 갖는 자동차용 피스톤링에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진의 실린더와 피스톤링과의 마찰손실 저하로 인한 연비 향상과 피스톤링의 마모수명을 증대하기 위해, 피스톤링의 모재 외주면에 TiAlCN 층 등을 코팅시킨 다층의 코팅층을 갖는 자동차용 피스톤링에 관한 것이다.
현재, 차세대 자동차 산업의 메가 트렌드는 "친환경" 에 있으며, 친환경을 충족시키기 위하여 2020년까지 이산화탄소 배출량을 현재 대비 35~50% 수준인 50g/km으로 저감하는 것을 목표로 다양한 친환경 차량을 개발하고 있다.
2025년 미국 기업평균연비 규제치(CAFE, Corporate Average Fuel Economy) 54.5 mpg (23.2 km/l)를 만족하기 위해 자동차 메이커들은 연비향상 기술 개발에 매진하고 있으며, 이에 엔진과 같은 구동계에서의 연료효율을 증가시키기 위해, 특히 코팅 및 표면 제어를 통한 저마찰, 내마모, 고내열 및 기능적 특성을 가지는 부품의 투입 및 확대적용이 불가피한 실정에 있다.
첨부한 도 7에서 보듯이, 엔진 구동계 부품 중 피스톤링은 피스톤과 엔진 실린더 내벽사이의 기밀을 유지하고, 윤활유가 연소실로 들어가지 않도록 윤활유를 긁어내도록 한 피스톤 바깥 둘레의 홈에 끼우는 한 쌍의 링을 말하며, 실린더 내벽과의 왕복 운동에 기인한 엔진내 마찰손실 및 마모가 발생하기 때문에 피스톤링 외주면에는 다양한 저마찰 고내구성 코팅/표면처리를 하여 사용하고 있다.
따라서, 피스톤링 외주면에는 크롬 도금 및 질화처리(가스질화)가 사용되고 있는데, 이는 주로 내마모 용도이고, 최근에는 저마찰, 내구 향상용으로 DLC, CrN을 비롯한 다양한 코팅재가 적용되고 있다.
첨부한 도 6에서 보듯이, 피스톤링의 모재 표면에 코팅되는 CrN 코팅은 PVD(Physical Vapor Deposition)법으로 코팅되고, 저마찰, 내마모성, 내스커핑성이 Cr도금 및 질화처리 보다 우수하여 피스톤링 외주면에 일부 적용중에 있다.
상기 코팅재 중, DLC(Diamond Like Carbon)는 우수한 저마찰성과 고경도를 가짐에 따라 엔진 습동부 부품에 적용되고 있지만, 300도 고온마찰, 수분이 함유된 분위기에서 DLC내 수소가 유출(effusion)되어, 코팅이 연화되면서 마찰 및 내구성이 악화되는 약점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 저마찰 특성이 우수한 탄소를 첨가한 TiAlCN을 최표면층으로 코팅하고, 내열성, 내마모성이 우수한 내열원소(TiAl, Cr)를 함유하는 인성이 우수한 나노다층 TiAlN/CrN을 중간층으로 코팅하는 등의 코팅 구조를 통하여, 500도 이상의 내열성, 내마모성, 저마찰 특성을 동시에 확보할 수 있도록 한 다층의 코팅층을 갖는 자동차용 피스톤링을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 피스톤링 모재에 코팅되는 Cr 또는 Ti 버퍼층; Cr 또는 Ti 버퍼층 위에 코팅되는 CrN 또는 Ti(C)N 중간층; CrN 또는 Ti(C)N 중간층 위에 코팅되는 TiAlN/CrN 나노다층; 상기 TiAlN/CrN 나노다층 위에 최표면층으로서 코팅되는 TiAlCN 층; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다층의 코팅층을 갖는 자동차용 피스톤링을 제공한다.
본 발명에 따른 상기 Cr 또는 Ti 버퍼층은 0.01~0.5 ㎛ 두께로 코팅되고, 상기 CrN 또는 Ti(C)N 중간층은 0.1~5 ㎛ 두께로 코팅되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 TiAlN/CrN 나노다층은 TiAlN과 CrN이 교대로 코팅되어 다층을 이루는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 TiAlN/CrN 나노다층은 10~50nm 두께로 된 TiAlN 나노층과 CrN 나노층이 교대로 코팅되어 0.1~10 ㎛ 두께를 이루는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 TiAlCN 층은 0.1~10 ㎛ 두께로 코팅된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 TiAlCN 층의 탄소 함량은 5~30 at% 로 함유된 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 피스톤링의 모재에 Cr 또는 Ti 버퍼층 및 CrN 또는 Ti(C)N 중간층을 차례대로 코팅한 후, 그 위에 내열성, 내마모성이 우수한 내열원소(TiAl, Cr)를 함유하는 인성이 우수한 나노다층 TiAlN/CrN을 코팅한 다음, 저마찰 특성이 우수한 탄소를 첨가한 TiAlCN을 최표면층으로 코팅시킨 피스톤링을 제공함으로써, 500도 이상의 내열성, 내마모성, 저마찰 특성을 동시에 확보할 수 있다.
또한, TiAlCN의 마찰계수는 질화 대비 30%, CrN 대비 19% 낮아, 피스톤링의 마찰손실 저감 및 연비향상(0.2~0.5%)을 실현할 수 있다.
또한, TiAlCN의 내스커핑성은 질화 대비 54%, CrN 대비 29% 이상 우수하여, 유막파괴 억제 및 내구성 향상이 가능한 장점이 있다.
특히, TiAlCN의 내마모성은 질화 대비 90% 이상, CrN 대비 70% 이상 우수한 장점이 있고, 코팅층 마모시, 그 하층에 중간층으로서 TiAlCrN 다층구조가 존재하므로 피스톤링의 내구성을 확보할 수 있다.
또한, 500도 이상의 내열성이 우수한 원소를 코팅함에 따라, 기존 DLC의 내열성 문제 및 CrN의 저마찰성 부족 등을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자동차용 피스톤링의 나노 다층의 코팅층에 대한 구성을 설명하는 개략적 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 자동차용 피스톤링의 나노 다층 코팅층에 대한 적층 구조를 설명하는 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 자동차용 피스톤링에 나노 다층 코팅층을 형성하기 위한 PVD장비를 설명하는 개략도,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 자동차용 피스톤링의 나노 다층 코팅층의 실시예에 따른 조직을 보여주는 전자 현미경 사진,
도 6은 종래의 피스톤링 표면처리 및 코팅법을 설명하는 개념도,
도 7은 자동차 부품 중, 피스톤 링의 장착 위치를 설명하는 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 비코팅 피스톤링(질화) 대비 마찰저감 30% 및 연비향상 0.5%, 그리고 내스커핑성 54% 향상, 내마모성 90% 향상을 도모할 수 있는 차량의 엔진 부품의 일종인 피스톤링을 제공하고자 한 것이다.
이를 위해, 본 발명의 피스톤링은 피스톤 링의 모재 외주면에 Ti 또는 Cr 버퍼층, CrN 또는 Ti(C)N 중간층, TiAlN/CrN 나노다층, 최표면층인 TiAlCN 층을 차례로 PVD(Physical Vapor Deposition) 방법으로 코팅시킨 점에 특징이 있다.
즉, 본 발명의 피스톤 링은 피스톤링의 모재 표면에 0.01~0.5 ㎛ 두께로 코팅되는 Cr 또는 Ti 버퍼층과, Cr 또는 Ti 버퍼층 위에 0.1~5 ㎛ 두께로 코팅되는 CrN 또는 Ti(C)N 중간층과, CrN 또는 Ti(C)N 중간층 위에 0.1~10 ㎛ 두께로 코팅되는 TiAlN/CrN 나노다층과, TiAlN/CrN 나노다층 위에 0.1~10 ㎛ 두께로 코팅되는 최표면층인 TiAlCN 층을 포함하여 구성된다.
여기서, 피스톤 링에 코팅되는 각 층의 코팅 이유를 살펴보면 다음과 같다.
Cr 또는 Ti 버퍼층
피스톤 링의 모재와의 접합력이 우수하고, 다른 코팅층의 잔류응력을 저하 및 조정하는 기능을 하며, 이러한 기능 실현을 위하여 Cr 또는 Ti 버퍼층은 피스톤 링의 모재 표면에 0.01~0.5 ㎛ 두께로 코팅된다.
CrN 또는 Ti(C)N 중간층
인성, 내피로성, 내충격성의 기능을 발휘하도록 CrN 또는 Ti(C)N 중간층이 Cr 또는 Ti 버퍼층 위에 0.1~5 ㎛ 두께로 코팅된다.
TiAlN/CrN 나노다층
TiAlN/CrN 나노다층은 내열원소(TiAl, Cr)를 함유하여 우수한 내열성 및 내마모성, 그리고 우수한 인성을 제공할 수 있도록 CrN 또는 Ti(C)N 중간층의 표면에 TiAlN과 CrN이 교대로 코팅되어 다층을 이루게 되고, 바람직하게는 10~50nm 두께로 된 TiAlN 나노층과 CrN 나노층이 교대로 코팅되어 전체적으로 0.1~10 ㎛ 두께로 형성된다.
TiAlCN 층
TiAlCN 층은 위의 나노다층을 구성하는 성분에 저마찰특성이 우수한 탄소(C: 5-30 at. %)를 더 첨가하여, 최표면층을 이루도록 한 것으로서, 전체적으로 0.1~10 ㎛ 두께로 형성된다.
여기서, 본 발명의 자동차용 피스톤링 코팅 방법을 살펴보면 다음과 같다.
본 발명의 나노다층을 갖는 피스톤링은 PVD(Physical Vapor Deposition) 방법으로 코팅되며, 그 밖에 코팅재 입자의 나노화 및 고속코팅을 구현하기 위해 고밀도 플라즈마를 생성하는 아크, HIPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering), ICP(Inductive Coupled Plasma)방식을 사용할 수 있다.
첨부한 도 3은 본 발명의 피스톤링에 나노다층을 코팅하기 위한 PVD 코팅장비를 나타내는 바, 히터 등이 내장된 코팅챔버와, 서로 마주보는 한 쌍의 Ti 또는 Cr 타겟과, 서로 마주보는 한 쌍의 TiAl 타겟과, 그리고 Ar, N2와 탄화가스(CxHy)의 공정가스를 공급하는 가스공급부 등이 포함되어 있다.
이러한 PVD코팅장비를 이용한 코팅 공정을 위하여, 먼저 코팅전 진공상태에서 Ar가스를 이용하여 플라즈마 상태를 만들고, 코팅챔버를 80℃로 가열하여 피스톤링 표면을 활성화시킨 다음, Ar이온이 피스톤링 표면에 충돌되도록 하면서 바이어스(Bias)를 가하여 피스톤링 표면을 세정한다(baking & cleaning).
다음으로, 피스톤링의 모재와의 접합력이 우수하고, 코팅의 잔류응력을 저하하기 위해 Ti 또는 Cr타겟만 사용하여 피스톤링의 모재 표면에 Ti 또는 Cr층을 0.01-0.5㎛의 두께로 코팅한다.
이어서, 공정가스 N2를 흘려보내 인성, 내피로성, 내충격성을 담당하는 중간층으로서, Cr타겟에서 나온 Cr이온과 반응시킨 CrN층 또는 C2H2, N2를 흘려보내 Ti타겟에서 나온 Ti이온과 반응시킨 TiN 또는 TiCN층을 Ti 또는 Cr층의 표면에 0.1~5㎛ 두께로 코팅한다.
연이어, 내열성 및 내마모성이 우수한 내열원소(TiAl, Cr)를 함유하는 인성이 우수한 TiAlN/CrN 나노다층을 TiN 또는 TiCN층 위에 코팅하는 바, TiAl타켓, Cr타겟, 공정가스 N2를 사용하여 TiAlN 나노층과 CrN 나노층이 10-50nm 두께로 교대로 코팅되도록 하고, 전체적으로 0.1~10㎛두께로 코팅되도록 한다.
다음으로, 상기 TiAlN/CrN 나노다층의 최표면 위에 저마찰특성이 우수한 탄소를 첨가한 TiAlCN(C: 5-30 at. %)을 코팅하게 된다.
즉, TiAl타켓, 공정가스 C2H2, N2를 사용하여 TiAlN/CrN 나노다층의 최표면 위에 TiAlCN 층을 0.1~10㎛두께로 코팅한다.
이때, 상기 TiAlCN 층에 함유되는 탄소의 함량이 5 at% 미만인 경우, TiAlCN 층이 결정질 혹은 다결정질 조직으로 변하게 되어 막의 경도가 저하되는 문제가 있고, 30 at% 이상인 경우에는 TiAlCN 층이 비정질 조직으로 변하게 되면서 역시 막의 경도가 저하되는 문제가 있어 바람직하지 않다.
여기서, 본 발명을 실시예를 통하여 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예
아래의 표 1에서 보듯이, 피스톤링의 모재 표면에 PVD공법을 이용하여 0.3 ㎛ 두께의 Cr 버퍼층을 코팅하고, Cr 버퍼층 위에 6 ㎛ 두께의 CrN 중간층을 코팅한 후, CrN 중간층 위에 3 ㎛ 두께의 TiAlCrN 나노다층을 코팅한 다음, 최표면층으로서 1 ㎛ 두께의 TiAlCN 층을 코팅시켰는 바, 그 코팅 조직은 첨부한 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같다.
Figure pat00001
비교예1~3
위의 표 1에서 보듯이, 비교예1로서 피스톤링의 모재에 질화법을 이용하여 20㎛ 두께의 질화층을 형성하였고, 비교예2로서 PVD공법을 이용하여 피스톤링의 모재 표면에 5㎛ 두께의 CrN을 코팅하였으며, 비교예3으로서 PVD공법을 이용하여 DLC 코팅층(0.1Cr-0.5WC-1.5DLC)을 2.1㎛ 두께로 코팅하였다.
실험예1~4
실험예1로서, 왕복동 마찰마모 시험기를 통해 실시예 및 비교예1~3의 코팅된 피스톤링과 실린더 라이너간 마찰계수를 측정하였으며, 시험조건은 하중 150N, 온도 150℃, 왕복주기 5Hz, 오일조건에서 1시간 동안 평가하였다.
실험예2로서, 왕복동 마찰마모 시험기를 통해 실시예 및 비교예1~3의 코팅된 피스톤링과 실린더 라이너간 스커핑 발생하중을 측정하여 내스커핑성을 비교하고자 유막파괴에 대한 저항성을 비교하였으며, 시험조건은 하중을 20분마다 20N단위로 500N까지 증가시켰고, 온도 150℃, 왕복주기 5Hz, 오일조건에서 평가하였다.
실험예3으로서, 실시예 및 비교예1~3의 코팅된 피스톤링과 실린더 라이너간 고온 내마모성 비교를 위하여, 왕복동 마찰마모 시험기로 마모량을 측정하였으며, 시험조건은 하중 150N, 온도 200℃, 왕복주기 5Hz, 오일조건에서 1시간 동안 평가하였다.
실험예4로서, 실시예 및 비교예1~3에 따른 피스톤링의 각 코팅층에 대한 접함강도 및 경도를 통상의 장비를 이용하여 측정하였다.
이러한 실험예 1~4의 측정결과는 아래의 표 2에 도시된 바와 같다.
Figure pat00002
위의 표 2에 기재된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 피스톤링은 마찰계수 및 고온 내마모성이 비교예1~3에 비하여 우수함을 알 수 있었고, 또한 스커핑하중의 경우 유막이 파괴될 때까지 480N으로 측정되어 내스커핑성이 비교예1~3에 비하여 우수함을 알 수 있었으며, 접함강도 및 경도 또한 비교예1~3에 비하여 우수함을 알 수 있었다.

Claims (6)

  1. 피스톤링 모재에 코팅되는 Cr 또는 Ti 버퍼층;
    Cr 또는 Ti 버퍼층 위에 코팅되는 CrN 또는 Ti(C)N 중간층;
    CrN 또는 Ti(C)N 중간층 위에 코팅되는 TiAlN/CrN 나노다층;
    상기 TiAlN/CrN 나노다층 위에 최표면층으로서 코팅되는 TiAlCN 층;
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다층의 코팅층을 갖는 자동차용 피스톤링.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 Cr 또는 Ti 버퍼층은 0.01~0.5 ㎛ 두께로 코팅되고, 상기 CrN 또는 Ti(C)N 중간층은 0.1~5 ㎛ 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는 다층의 코팅층을 갖는 자동차용 피스톤링.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 TiAlN/CrN 나노다층은 TiAlN과 CrN이 교대로 코팅되어 다층을 이루는 것을 특징으로 하는 다층의 코팅층을 갖는 자동차용 피스톤링.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 TiAlN/CrN 나노다층은 10~50nm 두께로 된 TiAlN 나노층과 CrN 나노층이 교대로 코팅되어 0.1~10 ㎛ 두께를 이루는 것을 특징으로 하는 다층의 코팅층을 갖는 자동차용 피스톤링.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 TiAlCN 층은 0.1~10 ㎛ 두께로 코팅된 것을 특징으로 하는 다층의 코팅층을 갖는 자동차용 피스톤링.
  6. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 TiAlCN 층의 탄소 함량은 5~30 at% 로 함유된 것을 특징으로 하는 다층의 코팅층을 갖는 자동차용 피스톤링.
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