WO2020138547A1 - 엔진용 피스톤의 단열 구조물 - Google Patents

엔진용 피스톤의 단열 구조물 Download PDF

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WO2020138547A1
WO2020138547A1 PCT/KR2018/016782 KR2018016782W WO2020138547A1 WO 2020138547 A1 WO2020138547 A1 WO 2020138547A1 KR 2018016782 W KR2018016782 W KR 2018016782W WO 2020138547 A1 WO2020138547 A1 WO 2020138547A1
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layer
range
engine piston
anodizing
insulation structure
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Application number
PCT/KR2018/016782
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French (fr)
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왕주오지아
양혁철
이정근
류관호
양준규
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동양피스톤 주식회사
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    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/10—Pistons  having surface coverings
    • F02F3/12—Pistons  having surface coverings on piston heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
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    • F05C2251/00—Material properties
    • F05C2251/04—Thermal properties
    • F05C2251/042—Expansivity

Definitions

  • the present invention relates to an insulating structure and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an insulating structure for an engine piston and a method for manufacturing the same, which can improve the efficiency of an internal combustion engine and fuel efficiency of a vehicle.
  • the technology for improving fuel efficiency in automobiles is largely divided into weight reduction, driving resistance reduction, and engine efficiency improvement, and attempts to improve fuel efficiency through overall improvement of these technologies are made every year.
  • the annual average is only 2% improvement in fuel efficiency, and in the future, an annual average improvement of 4.9% is needed, so continuous research and development to improve fuel efficiency is urgent.
  • the lightweighting technology that reduces the weight of the vehicle by using lightweight materials as the vehicle body has already reached the technical limit, and the driving resistance reduction technology has relatively little improvement effect, so how to improve engine efficiency.
  • the need for technology development is increasing.
  • an internal combustion engine of an automobile has a thermal efficiency of about 15% to 35%. Even at the maximum efficiency of the internal combustion engine, about 60% or more of the total thermal energy is consumed due to heat energy and exhaust gas emitted to the outside through the wall of the internal combustion engine.
  • an insulating material is installed outside the internal combustion engine or a part of the internal combustion engine material or structure is changed or the internal combustion engine Methods were developed to develop the cooling system.
  • the present invention is to solve a number of problems, including the above problems, while having a low thermal conductivity and low volume heat capacity, and can secure high mechanical properties and heat resistance, is applied to the internal combustion engine to heat energy released to the outside It is an object of the present invention to provide an insulating structure for an engine piston and a method for manufacturing the same, which can be reduced to improve the efficiency of an internal combustion engine and fuel efficiency of an automobile.
  • these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.
  • an insulating structure of an engine piston is provided.
  • the insulating structure, the engine piston made of aluminum; A porous anodizing layer formed on a surface of at least a portion of the piston; And an insulating layer formed on the anodizing layer and including an inorganic binder and a particle-shaped insulating material having one or more hollows formed therein.
  • the inorganic binder may include a silica-based inorganic binder.
  • the thickness of the anodizing layer is in the range of 10 to 30 ⁇ m
  • the thickness of the heat insulating layer is in the range of 60 to 100 ⁇ m
  • the range of the parameter r expressed by Equation 1 below is 0.1 to It can have a range of 0.4.
  • the porous anodizing layer may be formed with a plurality of pores extending in a direction away from the surface inside the anodizing layer.
  • the precursor of the silica-based inorganic binder may include any one of a silane-based binder, a siloxane-based binder, and a silicate-based binder.
  • the heat insulating material may include any one or more of aerosol and hollow silica.
  • the heat insulating material may be in the range of 2wt% to 30wt%.
  • the particle size of the heat insulating material may have a range of 5 to 30 ⁇ m.
  • the heat insulating layer may further include a metal oxide in the form of particles as a reinforcing material, and the metal oxide may include any one or more of ZrO 2 , Al 2 O 3 , and TiO 2 .
  • the composition of the reinforcing material may have a range of more than 0 to 20wt% or less.
  • FIG. 1 is a view schematically illustrating an insulating structure for an engine piston according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing the structure of the anodizing layer of the insulating structure for the engine piston according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a graph showing the adhesive strength according to the thickness of the anodizing layer of the heat insulating structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph showing the adhesive strength and the temperature reduction rate according to the thickness of the heat insulating layer of the heat insulating structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an insulating structure 100 of an engine piston having an insulating layer according to an embodiment of the present invention.
  • the heat insulating structure 100 includes a porous anodizing layer 20 formed on a surface of at least a portion of an engine piston 10 and an insulating layer 30 formed on top of the porous anodizing layer 20.
  • the engine piston 10 corresponding to the base material of the heat insulating structure 100 includes an engine piston made of aluminum.
  • Aluminum in this specification and claims includes both pure aluminum and aluminum alloys.
  • the region in which the heat insulating structure 100 is formed may be, for example, an upper region of the engine piston 10, and may be a surface of a head portion, which is an area directly exposed to an explosion in the combustion chamber.
  • the heat insulating layer 30 includes an inorganic binder 36 constituting the matrix and an insulating material 32 that is combined and distributed therein by the inorganic binder 36.
  • the inorganic binder 36 includes a silica-based inorganic materia having low thermal conductivity and excellent heat resistance.
  • the precursor binder for the silica-based inorganic material includes, for example, a silane-based binder, a siloxane-based binder, and a silicate-based binder.
  • the heat insulating material 32 is a low heat capacity material added to reduce the heat capacity of the heat insulating layer 30, and has a particle shape in which one or more hollows are formed therein.
  • the insulating material 32 includes hollow silica or silica aerogel.
  • the particle size of the heat insulating material 32 may have a range of 5 to 30 ⁇ m.
  • the heat insulating layer may be formed by spraying a heat insulating material into a sol-type silica precursor binder and uniformly mixing it, followed by a spray coating method.
  • the insulating material may be covalently bonded to the functional group contained in the silica precursor.
  • the cohesion of the siloxane-based binder siloxane and the airgel which is a heat insulating material, increases the bonding force, thereby alleviating the brittleness of the insulating layer made of a ceramic material to ensure excellent durability at high temperature and high pressure.
  • the content of the insulating material 32 in the insulating layer 30 has a range of 2wt% to 30wt%.
  • the insulating material 32 is less than 2 wt%, the effect of reducing the heat capacity due to the addition of the insulating material is insignificant.
  • the range of the heat insulating material 32 may have a range of 2 to 20 wt%, and even more preferably a range of 2 to 10 wt%.
  • a reinforcing material 34 for enhancing the mechanical strength of the heat insulating layer 30 may be additionally added.
  • a metal oxide of high hardness may be used as the reinforcing material 34, and may include, for example, any one or more of ZrO 2 , Al 2 O 3 , and TiO 2 .
  • the reinforcing material 32 may have a range of 0 to 5 or less in a volume ratio (vol%) or a range of 0 to 20 or less in a weight ratio (wt%). When the reinforcing material exceeds 5 vol% or 20wt%, the density of the heat insulating layer is greatly increased, which hinders the implementation of low heat capacity characteristics.
  • the silica-based inorganic binder constituting the insulating layer 30 is a ceramic-based material, when directly coated on a surface of a different type metal material, an aluminum alloy, it exhibits low adhesive strength due to differences in chemical bonds and differences in thermal expansion coefficient. do. Especially when the coefficient of thermal expansion is large. Due to the stress caused by this, the bonding force at the interface between the heat insulating layer and the base aluminum alloy is reduced. Therefore, when the heat insulating layer is directly formed on the surface of the piston made of aluminum, the heat insulating layer is peeled off during engine operation. Can.
  • an anodizing layer 20 may be formed as an adhesive layer between the piston 10 and the heat insulating layer 30.
  • the anodizing layer 20 is formed by electrochemically anodizing the surface of an engine piston made of aluminum, and the structure of the anodizing layer 20 is shown in FIG. 2.
  • the anodizing layer 200 includes pores 210 extending in a direction away from the surface.
  • the pores 210 have a structure in which the boundary portions 211 are spaced apart from each other and distributed. 2 shows the results of observing the top surface (circular display portion) of the anodizing layer 20 with a scanning electron microscope.
  • the anodizing layer 20 has a pore structure in which a plurality of pore portions 210 having a predetermined depth are formed.
  • a sealing treatment for sealing such a pore structure is performed, but the present invention is characterized by using such a pore structure as an element for further increasing the effect of improving adhesion.
  • the anodizing layer 20 is formed by directly anodizing the surface of the aluminum base material 10, it has excellent adhesion to the aluminum base material 10.
  • the insulating layer 30 is coated on the anodizing layer 20, the anodizing layer 20, which is an aluminum oxide, and the insulating layer 30, which is a silicon oxide, may be increased in strength of adhesion by bonding as shown in Formula 1 below. have.
  • the anodizing layer 20 is a ceramic-based aluminum oxide, it is formed between the base material 10 of the aluminum material and the heat-insulating layer 30 of the ceramic-based material to serve as a cushioning material to relieve internal stress due to a difference in thermal expansion coefficient. It can be done.
  • the adhesive strength with the heat insulating layer 30 can be further improved by using the pore structure of the anodizing layer 20.
  • a plurality of openings are formed at the ends of the pores 210 that meet the upper surface of the anodizing layer 20. Due to the opening, it is possible to obtain an effect in which the surface of the anodizing layer 20 becomes rougher than in the case where there is no pore structure and an effect of increasing the surface area due to the area of the inner surface of the opening inlet. Due to this effect, the adhesion between the anodizing layer 20 and the heat insulating layer 30 is improved.
  • the silica precursor binder used to prepare the heat insulating layer 30 in the present invention even though it is coated on the anodizing layer 20 having a pore structure due to high surface energy, it does not penetrate to the inside of the pore 210. Therefore, even after the coating of the insulating layer 30, the pores 210 still maintain porosity in a state where the pores 210 are not filled.
  • the pore structure in the anodizing layer 20 is maintained as an empty space without filling, it is possible to reduce the thermal conductivity and heat capacity of the heat insulating structure of the present invention, thereby improving the heat insulating properties of the entire heat insulating structure and lowering the heat capacity to a low level. It has the advantage of being sustainable.
  • the present inventors have the thickness of the anodizing layer with respect to the thickness of the insulating layer (d I ) represented by the following Equation 1 in order to have excellent adhesion and insulating properties in the case of an insulating structure composed of such a porous anodizing layer and a silica-based insulating layer thereon. It was found that the ratio (r) of (d A ) should range from 0.1 to 0.4.
  • Equation 1 When the value of r represented by Equation 1 is less than 0.1, there is a problem that the adhesive strength of the expected level cannot be exhibited. On the other hand, when it exceeds 0.4, a problem occurs due to a decrease in insulation properties.
  • a base material in the form of a substrate was manufactured by casting an aluminum alloy used as a material for an engine piston.
  • the anodizing layer was formed on the surface of the base material by anodizing the base material.
  • a hollow silicone powder was added as a heat insulating material to the siloxane-based binder, and ZrO 2 powder was added together as a reinforcing material and stirred, and the stirred binder mixture was applied to the anodizing layer by a spray coating method. After application, it was dried in a heating furnace to form an insulating layer.
  • Table 1 shows the manufacturing conditions of Experimental Examples 1a to 1d for observing changes in physical properties according to the content of the insulating material in the insulating layer
  • Table 2 shows the physical properties of the insulating structure according to Experimental Examples 1a to 1d.
  • Table 2 shows the manufacturing conditions of Experimental Examples 2a to 2e for observing changes in physical properties as the thickness (d A ) of the anodizing layer and the thickness (d I ) of the insulating layer in the insulating structure are changed.
  • FIG. 5 shows the results of observing the cross section of the sample corresponding to Experimental Example 2e with a scanning electron microscope.
  • an anodizing layer formed on an aluminum base material and a heat insulating layer thereon are observed, and a heat insulating material and a reinforcing material in the form of circular particles are observed in the heat insulating layer.
  • Table 3 shows the ratio (r) of dividing the thickness of the anodizing layer by the thickness of the insulating layer, and the adhesive strength and temperature reduction rate according to each experimental example.
  • the adhesion strength between the coating and the base material was evaluated by applying the tensile adhesion measurement method (ASTM C633).
  • the temperature reduction rate when heating the top surface of the specimen, indicates the difference between the base material temperature in the case where the insulation structure is not formed and the base material temperature in the case where the insulation structure is formed.
  • a temperature reduction rate of 15% means that the temperature of the base material on which the heat insulating structure is formed is 15% lower than the temperature of the base material on which the heat insulating structure is not formed, and the difference is due to the heat insulating properties of the heat insulating structure. Is caused.
  • Figure 3 shows a graph showing the adhesive strength results of Experimental Examples 2a to 2g according to the thickness change of the anodizing layer while maintaining the thickness of the heat insulating layer to 80 ⁇ m.
  • Table 3 and FIG. 3 an increase in adhesive strength with an increase in thickness appears in the initial stage when the thickness of the anodizing layer increases.
  • the adhesive force decreases again with increasing thickness thereafter, and after 40 ⁇ m, it exhibits a converging characteristic. From this, it can be seen that the anodizing layer thickness has an optimum value in a specific range.
  • FIG. 4 is a graph showing the adhesive strength and the temperature reduction rate when the thickness of the insulating layer is changed while the thickness of the anodizing layer is maintained at 20 ⁇ m.
  • the thickness of the anodizing layer should be in the range of 10 to 30 ⁇ m in order for the adhesive strength to exceed at least 10 MPa, and the thickness of the insulating layer is in the range of 60 to 100 ⁇ m, more preferably for the temperature reduction rate to be 10% or more.
  • it should be in the range of 60 to 90 ⁇ m, more preferably in the range of 60 to 80 ⁇ m, and the range of r should be in the range of 0.1 or more and less than 0.5, for example, in the range of 0.1 to 0.4.

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Abstract

본 발명의 일 관점에 따르면, 엔진용 피스톤의 단열 구조물이 제공된다. 상기 단열 구조물은, 알루미늄으로 이루어진 엔진용 피스톤; 상기 피스톤의 적어도 일부의 표면에 형성된 다공성 아노다이징층; 및 상기 아노다이징층의 상부에 형성되며, 무기 바인더 및 내부에 하나 이상의 중공이 형성된 입자 형태의 단열재를 포함하는 단열층;을 포함한다.

Description

엔진용 피스톤의 단열 구조물
본 발명은 단열 구조물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 엔진 피스톤용 단열 구조물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 친환경 엔진개발 및 엔진의 고성능화를 달성하기 위한 많은 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 이에 따라 엔진의 폭발압, 비출력 및 회전속도는 점차적으로 증대되고 있다. 또, 전 세계적으로 자동차 배출가스로 인한 환경오염과 자동차 수요의 급격한 증가에 따른 에너지 자원의 고갈로 인해 이미 선진국에서는 Euro 및 Tier 등 자동차 배출가스와 CO2 규제를 엄격하게 강화하는 실정이다. 이에 세계 각국의 완성차 업계에서는 환경 및 연비규제에 부합되는 친환경/고효율 엔진개발을 위한 연구가 지속적으로 수행되고 있다.
특히, 자동차 연비 향상 기술은 크게 경량화, 주행저항 감소, 엔진 효율 향상 등으로 구분되며, 이들 기술들의 총체적인 개선을 통한 연비 향상 시도가 매년 이루어지고 있다. 그러나 연평균 2% 연비 향상에 그치고 있으며, 향후에는 연평균 4.9% 개선이 필요하여 연비 향상을 위한 지속적인 연구개발이 시급하다.
엔진 기술개발 동향에 따르면 경량소재를 차체로 사용함으로써 차량의 중량을 감소시키는 경량화 기술은 이미 기술적인 한계에 도달하였고, 주행저항 감소 기술은 상대적으로 개선 효과가 미미하기 때문에 엔진 효율의 향상 방법에 대한 기술개발의 필요성이 높아지고 있다.
일반적으로, 자동차의 내연 기관은 15% 내지 35% 내외의 열효율을 갖는 것으로 알려져 있다. 이러한 내연 기관의 최대 효율에서도 내연 기관의 벽을 통하여 외부로 방출되는 열에너지와 배기가스 등으로 인하여 전체 열에너지 중 약60% 이상이 소모되어 버린다.
이와 같이 내연 기관의 벽을 통하여 외부로 방출되는 열에너지의 양을 줄이면 내연 기관의 효율을 높일 수 있기 때문에, 내연 기관의 외부에 단열 재료를 설치하거나 내연 기관의 재질이나 구조의 일부를 변경하거나 내연 기관의 냉각 시스템을 개발하는 방법들이 사용되었다.
특히, 내연 기관 내에서 발생하는 열이 내연 기간의 벽을 타고 외부로 방출되는 것을 최소화하면 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있다. 그런데 반복적인 고온 및 고압의 조건 가해지는 내연 기관 내부에서 장시간 유지될 수 있는 단열 재료나 단열 구조 등에 관한 연구는 미미한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 낮은 열전도도 및 낮은 체적 열용량을 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있으며, 내연 기관에 적용되어 외부로 방출되는 열에너지를 저감하여 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 엔진 피스톤용 단열 구조물 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 엔진용 피스톤의 단열 구조물이 제공된다.
상기 단열 구조물은, 알루미늄으로 이루어진 엔진용 피스톤; 상기 피스톤의 적어도 일부의 표면에 형성된 다공성 아노다이징층; 및 상기 아노다이징층의 상부에 형성되며, 무기 바인더 및 내부에 하나 이상의 중공이 형성된 입자 형태의 단열재를 포함하는 단열층;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 무기 바인더는 실리카계 무기 바인더를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 아노다이징층의 두께는 10 내지 30㎛ 범위에 있고, 상기 단열층의 두께는 60 내지 100㎛ 범위에 있으며, 하기 수학식 1로 표현되는 파라미터 r의 범위가 0.1 내지 0.4의 범위를 가질 수 있다.
[수학식 1]
r=dA/dI
dA: 아노다이징층의 두께
dI: 단열층의 두께
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다공성 아노다이징층은 아노다이징 층의 내부에 상기 표면으로부터 멀어지는 방향으로 신장되는 기공이 복수개로 형성되어 있는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리카계 무기 바인더의 전구체는 실란(silane)계 바인더, 실록산(siloxane)계 바인더 및 실리케이트(silicate)계 바인더 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단열재는 에어로졸 및 중공 실리카 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단열재는 2wt% 내지 30wt% 범위에 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단열재의 입자 크기는 5 내지 30㎛ 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단열층은 강화재로 입자 형태의 금속산화물을 더 포함할 수 있으며, 상기 금속산화물은 ZrO2, Al2O3, TiO2 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 강화재의 조성은 0 초과 20wt% 이하의 범위를 가질 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 낮은 열전도도 및 낮은 체적 열용량을 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있으며, 내연 기관에 적용되어 외부로 방출되는 열에너지를 저감하여 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 엔진 피스톤용 단열 구조물 및 그 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 피스톤용 단열 구조물을 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 피스톤용 단열 구조물 중 아노다이징층의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단열 구조물의 아노다이징층 두께에 따른 접착력을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단열 구조물의 단열층 두께에 따른 접착력 및 온도저감율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단열 구조물의 단면 조직을 관찰한 결과이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단열층을 가지는 엔진용 피스톤이 단열 구조물(100)을 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 단열 구조물(100)은 엔진용 피스톤(10)의 적어도 일부의 표면에 형성된 다공성 아노다이징층(20) 및 다공성 아노다이징층(20)의 상부에 형성된 단열층(30)으로 이루어진다.
단열 구조물(100)의 모재에 해당되는 엔진용 피스톤(10)은 알루미늄으로 이루어진 엔진용 피스톤을 포함한다. 본 명세서 및 청구범위에서 알루미늄은 순수한 알루미늄 및 알루미늄 합금을 모두 포함한다. 단열 구조물(100)이 형성되는 영역은, 예를 들어, 엔진용 피스톤(10)의 상부영역으로서, 연소실 내 폭발에 직접 노출되는 영역인 헤드부의 표면이 될 수 있다.
단열층(30)은 매트릭스를 구성하는 무기 바인더(36) 및 무기 바인더(36)에 의해 결합되어 그 내부에 분산되어 분포하는 단열재(32)를 포함한다.
무기 바인더(36)는 열전도도가 낮고 내열성이 우수한 실리카계 무기물(silica-based inorganic materia)를 포함한다. 상기 실리카계 무기물의 전구체 바인더로는, 예를 들어, 실란(silane)계 바인더, 실록산(siloxane)계 바인더, 실리케이트(silicate)계 바인더를 포함한다.
단열재(32)는 단열층(30)의 열용량을 감소시키기 위하여 첨가되는 저열용량 소재로서, 내부에 하나 이상의 중공이 형성된 입자 형태를 가진다. 이러한 단열재(32)로는 중공 실리카 혹은 실리카 에어로겔(aerogel)를 포함한다. 단열재(32)의 입자 크기는 5 내지 30㎛ 범위를 가질 수 있다.
단열층은 단열재를 졸(sol) 형태의 실리카 전구체 바인더 내에 투입하여 균일하게 혼합한 후 이를 이용한 스프레이 코팅(spray coating)법에 의해 형성될 수 있다. 이때 단열재는 실리카 전구체에 포함된 기능기와 공유결합이 일어날 수 있다. 예를 들어, 실록산계 바인더의 실록산과 단열재인 에어로겔의 공유결합으로 인해 결합력이 증가되며, 이로 인해 세라믹 재질의 단열층의 취성을 완화시켜 고온 및 고압에서의 우수한 내구성을 확보할 수 있다.
단열층(30) 내에서 단열재(32)의 함량은 2wt% 내지 30wt% 범위를 가진다. 단열재(32)가 2wt% 미만일 경우, 단열재 첨가에 의한 열용량 감소 효과가 미미하게 나타나게 된다. 반면 30wt%를 초과할 정도로 첨가될 경우, 단열층(30)의 기계적 강도을 감소시킬 수 있다. 더 바람직하게는, 단열재(32)의 범위는 2 내지 20wt% 범위를 가질 수 있으며, 더욱 더 바람직하게는 2 내지 10wt% 범위를 가질 수 있다.
선택적으로 단열층(30)의 기계적 강도를 강화시키기 위한 강화재(34)가 추가적으로 첨가될 수 있다. 이러한 강화재(34)로는 고경도의 금속산화물이 사용될 수 있으며, 예를 들어, ZrO2, Al2O3, TiO2 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 강화재(32)는 부피비(vol%)로 0 초과 5 이하의 범위를 가지거나 혹은 중량비(wt%)로 0 초과 20 이하의 범위를 가질 수 있다. 강화재가 5 vol% 혹은 20wt%를 초과할 경우에는 단열층 밀도를 크게 상승시켜 저열용량 특성 구현에 방해된다.
단열층(30)을 구성하는 실리카계 무기 바인더는 세라믹 계열의 재질이므로 이종 재질인 금속 재질인 알루미늄 합금의 표면에 직접 코팅될 경우, 화학결합의 차이 및 열팽창 계수의 차이 등에 기인하여 낮은 접착강도를 나타내게 된다. 특히 열팽창 계수의 차이가 클 경우. 이에 기인한 응력발생으로 인하여 단열층과 모재인 알루미늄 합금 사이의 계면에서의 접합력이 감소하게 된다 따라서 알루미늄으로 이루어진 피스톤의 표면에 직접 단열층을 형성할 경우에는, 엔진 구동 중에 상기 단열층이 박리되는 현상이 나타날 수 있다.
이러한 단열층의 낮은 접착강도를 개선하기 위하여 피스톤(10)와 단열층(30) 사이에 접착층으로 아노다이징층(20)을 형성할 수 있다. 아노다이징층(20)은 알루미늄으로 이루어진 엔진용 피스톤의 표면을 전기화학적으로 양극산화시켜 형성한 것으로서, 도 2에는 아노다이징층(20)의 조직이 나타나 있다.
도 2를 참조하면, 아노다이징층(200)은 그 내부에 상기 표면에서부터 멀어지는 방향으로 신장되는 기공부(210)를 포함한다. 이러한 기공부(210)은 경계부(211)을 사이에 두고 서로 이격되어 분포되는 구조를 가진다. 도 2에는 아노다이징층(20)의 상부 표면(원형 표시 부분)을 주사전자현미경으로 관찰한 결과가 나타나 있다. 이를 참조하면, 아노다이징층(20)은 소정의 깊이를 가지는 다수의 기공부(210)가 형성된 기공 구조를 가진다.
통상적인 아노다이징층의 경우, 이러한 기공 구조를 실링(sealing)하는 봉공처리가 수행되게 되나, 본 발명에서는 이러한 기공구조를 접착력 향상의 효과를 더 증대시키기 위한 요소로 이용하는 것을 특징으로 한다.
아노다이징층(20)은 알루미늄 모재(10)의 표면을 직접 양극산화시켜 형성한 것이므로 알루미늄 모재(10)와 우수한 접착력을 가진다. 또한 아노다이징층(20) 상부에 단열층(30)이 코팅될 경우, 알루미늄 산화물인 아노다이징층(20)과 실리콘 산화물인 단열층(30)은 하기 화학식 1과 같은 결합에 의해, 접착력의 강도가 증가할 수 있다.
[화학식 1]
3Al2O3 + 2SiO2 → 3Al2O3·2SiO2
또한, 아노다이징층(20)은 세라믹 계열이 알루미늄 산화물이라는 점에서, 알루미늄 재질의 모재(10)와 세라믹 계열의 단열층(30) 사이에 형성되어 열팽창계수 차이에 기인한 내부 응력을 완화시키는 완충재 역할을 수행할 수 있다.
더 나아가 본 발명에서는 아노다이징층(20)의 기공구조를 이용하여 단열층(30)과의 접착력을 더욱 향상시킬 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 아노다이징층(20)의 기공구조로 인하여 아노다이징층(20)의 상부 표면과 만나는 기공(210)의 단부에는 복수의 개구부가 형성되게 된다. 이러한 개구부로 인하여 아노다이징층(20)의 표면이 기공구조가 없는 경우에 비해 더 거칠어지는 효과와 개구부 입구 내면의 영역으로 인하여 표면적이 증가되는 효과를 얻을 수 있다. 이러한 효과로 인하여 아노다이징층(20)과 단열층(30) 간의 접착력 향상이 나타나게 된다.
본 발명에 있어서 단열층(30)을 제조하기 위해 사용되는 실리카 전구체 바인더의 경우에는 높은 표면에너지로 인하여 기공구조를 가지는 아노다이징층(20)에 코팅되더라고 그 기공(210)의 내부까지 침투되지 않는다. 따라서, 기공(210)은 단열층(30)의 코팅 이후에도 여전히 기공(210) 내부가 충진되지 않은 상태로 다공성을 유지하게 된다.
아노다이징층(20) 내 기공구조를 충진하지 않고 빈 공간으로 유지함에 따라 본 발명의 단열 구조물의 열전도도 및 열용량을 감소시킬 수 있으며, 이를 통해 단열 구조물 전체의 단열 특성을 향상시키면서 열용량을 낮은 수준으로 유지할 수 있는 장점을 가진다.
본 발명자들은 이러한 다공성 아노다이징층 및 그 상부의 실리카 계열의 단열층으로 구성된 단열 구조물의 경우에 우수한 접착력 및 단열 특성을 가지기 위해서는 하기 수학식 1로 표현되는 단열층(dI)의 두께에 대한 아노다이징층의 두께(dA)의 비율(r)이 0.1 내지 0.4의 범위를 가져야 함을 발견하였다.
[수학식 1]
r=dA/dI
dI: 단열층의 두께
dA: 아노다이징층의 두께
상기 수학식 1로 표현되는 r의 값이 0.1 보다 작을 경우에는 기대하는 수준의 접착력을 나타내지 못하는 문제점이 발생한다. 반면, 0.4를 초과하는 경우에는, 단열특성의 감소로 인한 문제가 발생하게 된다.
이하에서는 본 발명의 이해를 돕기 위한 구체적인 실험예를 제공한다. 하기의 기술하는 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명이 하기의 실험예에 한정되는 것은 아니다.
엔진용 피스톤의 소재로 사용되는 알루미늄 합금을 주조하여 기판 형태의 모재를 제조하였다. 상기 모재를 아노다이징처리하여 상기 모재 표면에 아노다이징층을 형성하였다. 단열층 형성을 위해 실록산계 바인더에 단열재로 중공 실리콘 분말을 첨가하였으며, 이와 함께 강화재로 ZrO2 분말을 같이 첨가하여 교반하고, 교반된 바인더 혼합체를 스프레이 코팅법으로 상기 아노다이징층에 도포하였다. 도포 후 가열로에서 건조시켜 단열층을 형성하였다.
표 1에는 단열층 내 단열재의 함량에 따른 물성의 변화를 관찰하기 위한 실험예 1a 내지 1d의 제조 조건이 나타나 있으며, 표 2에는 실험예 1a 내지 1d에 따른 단열 구조물의 물성이 나타나 있다.
실험예 아노다이징층 두께(um) 단열층 두께(um) 단열재 함량(wt%) 강화재 함량(wt%)
1a 20 80 0 2
1b 20 80 2 2
1c 20 80 5 2
1d 20 80 10 2
실험예 밀도(g/cm3) 비열(J/gK) 열전도도(W/mK) 체적열용량(kJ/m3K)
1a 2.034 0.993 0.594 2019
1b 1.749 0.996 0.505 1742
1c 1.549 0.994 0.422 1539
1d 1.114 0.954 0.238 1062
표 2를 참조하면, 단열재를 첨가하지 않은 실험예 1a에 비해 단열재를 첨가한 실험예 1b 내지 1d의 밀도가 감소하고, 열전도도 및 체적 열용량이 현저하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 저밀도를 가지며, 낮은 열전도 및 열용량을 가지는 중공 실리카의 함량이 증가함에 따른 효과로 해석할 수 있다. 표 3에는 단열 구조물에서 아노다이징층의 두께(dA) 및 단열층의 두께(dI)를 변화시킴에 따른 물성 변화를 관찰하기 위한 실험예 2a 내지 2e의 제조 조건이 나타나 있다.
도 5에는 실험예 2e에 해당되는 샘플의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과이다. 도 4를 참조하면, 알루미늄 모재에 형성된 아노다이징층 및 그 상부의 단열층이 관찰되며, 단열층 내에는 원형 입자 형태의 단열재 및 강화재가 관찰되고 있다.
표 3에는 아노다이징층의 두께를 단열층의 두께로 나눈 비(r) 및 각 실험예에 따른 접착력 및온도저감율이 나타나 있다.
접착력 측정은 인장 접착력 측정법(ASTM C633)을 적용하여 코팅-모재간 부착강도를 평가하였다.
한편, 상기 온도저감율은 시편의 상면을 가열할 경우, 단열 구조물을 형성하지 않은 경우의 모재 온도와 단열 구조물이 형성된 경우의 모재 온도의 차이를 비율로 나타내는 것이다. 예를 들어온도저감율이 15%라는 것은 단열 구조물이 형성된 모재의 온도가 단열 구조물이 형성되지 않은 모재의 온도보다 15% 더 낮은 값을 나타내었다는 것을 의미하며, 그 차이는 단열 구조물에 의한 단열 특성에 기인하게 된다.
실험예 dA(㎛) dI(㎛) r=dA/dI 접착력(MPa) 온도저감율(%)
2a 0 80 0.00 3
2b 10 80 0.13 11 -
2c 20 80 0.25 16 -
2d 30 80 0.38 13 -
2e 40 80 0.50 10 -
2f 50 80 0.63 9 -
2g 60 80 0.75 9 -
3a 20 20 1.00 70 1
3b 20 40 0.50 45 6
3c 20 60 0.33 25 10
3d 20 80 0.25 16 13
3e 20 100 0.20 12 14.5
3f 20 120 0.17 10 15
한편, 도 3에는 단열층의 두께를 80㎛으로 유지한 상태에서 아노다이징층의 두께 변화에 따른 실험예 2a 내지 2g의 접착력 결과를 도시한 그래프가 나타나 있다. 표 3 및 도 3을 참조하면, 아노다이징층의 두께가 증가하는 초기에는 두께 증가에 따른 접착력의 증가가 나타난다. 그러나 20㎛에서 최대값을 나타낸 후 그 이후에는 두께 증가에 따라 다시 접착력이 감소하며 40㎛ 이후에는 일정한 값으로 수렴되는 특성을 나타낸다. 이로부터 아노다이징층 두께는 특정 범위에서 최적값을 가짐을 알 수 있다.
도 4에는 아노다이징층의 두께 20㎛로 유지한 상태에서 단열층의 두께를 변화시킬 경우의 접착력 및 온도저감율을 나타내 그래프가 도시되어 있다.
표 3 및 도 4를 참조하면, 접착력의 경우 단열층의 두께를 증가시킴에 따라 접착력은 뚜렷하게 감소하는 결과를 나타내었으나, 이와 대조적으로 온도저감율을 반대로 뚜렷하게 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 단열층의 두께가 증가할수록 단열층과 아노다이징층의 계면에서의 응력이 증가함에 따라 접착력이 감소하는 것으로 해석된다. 반면, 단열층은 우수한 단열특성을 가지고 있으므로, 단열층의 두께가 증가할수록 온도저감율은 감소되는 것으로 해석된다.
이로부터 단열층의 접착력과 온도저감율을 모두 고려하여 최적의 값을 도출하기 위해서는 아노다이징층 및 단열층의 두께를 최적으로 적절하게 설정할 필요가 있음을 알 수 있다. 발명자들은 이러한 조건은 아노다이징의 두께를 단열층의 두께로 나눈 r값이 0.1 내지 0.4 범위에 있어야 함을 발견하였다.
즉, 표 3을 참조하면, 접착력이 최소한 10MPa을 초과하기 위해서는 아노다이징층의 두께가 10 내지 30㎛ 범위에 있어야 하며,온도저감율이 10% 이상이기 위해서는 단열층의 두께는 60 내지 100㎛ 범위, 보다 바람직하게는 60 내지 90㎛, 더욱 바람직하게는 60 내지 80㎛ 범위에 있어야 하며, r의 범위는 0.1 이상 0.5 보다 작은 값,예를 들어 0.1 내지 0.4의 범위에 있어야 한다.
상술한 바와 같이, 알루미늄 모재로 이루어진 피스톤의 상부에 아노다이징 처리를 한 후 에어로겔을 함유하는 단열층을 형성할 겨우, 고온 내구성 및 접착력이 우수하며, 종래의 단열코팅 대비 저열전도도 및 저열용량 특성을 만족함으로써 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 엔진 피스톤용 단열 구조물을 제조할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 낮은 열전도도 및 낮은 체적 열용량을 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있으며, 내연 기관에 적용되어 외부로 방출되는 열에너지를 저감하여 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있다.

Claims (9)

  1. 알루미늄으로 이루어진 엔진용 피스톤;
    상기 피스톤의 적어도 일부의 표면에 형성된 다공성 아노다이징층; 및
    상기 아노다이징층의 상부에 형성되며, 무기 바인더 및 내부에 하나 이상의 중공이 형성된 입자 형태의 단열재를 포함하는 단열층;을 포함하되,
    상기 무기 바인더는 실리카계 무기 바인더를 포함하고,
    상기 아노다이징층의 두께는 10 내지 30㎛ 범위에 있고,
    상기 단열층의 두께는 60 내지 100㎛ 범위에 있으며,
    하기 수학식 1로 표현되는 파라미터 r의 범위가 0.1 내지 0.4의 범위를 가지는,
    엔진용 피스톤의 단열 구조물.
    [수학식 1]
    r=dI/dA
    dI: 단열층의 두께
    dA: 아노다이징층의 두께
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 아노다이징층은 아노다이징 층의 내부에 상기 표면으로부터 멀어지는 방향으로 신장되는 기공이 복수개로 형성되어 있는 것인,
    엔진용 피스톤의 단열 구조물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리카계 무기 바인더의 전구체는 실란(silane)계 바인더, 실록산(siloxane)계 바인더 및 실리케이트(silicate)계 바인더 중 어느 하나를 포함하는,
    엔진용 피스톤의 단열 구조물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열재는 에어로졸 및 중공 실리카 중 어느 하나 이상을 포함하는,
    엔진용 피스톤의 단열 구조물.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 단열재는 2wt% 내지 30wt% 범위에 있는
    엔진용 피스톤의 단열 구조물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열재의 입자 크기는 5 내지 30㎛ 범위를 가지는,
    엔진용 피스톤의 단열 구조물.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열층은 강화재로 입자 형태의 금속산화물을 더 포함하는,
    엔진용 피스톤의 단열 구조물.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속산화물은 ZrO2, Al2O3, TiO2 중 어느 하나 이상을 포함하는,
    엔진용 피스톤의 단열 구조물.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 강화재의 조성은 0 초과 20wt% 이하의 범위를 가지는,
    엔진용 피스톤의 단열 구조물.
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