KR0162046B1 - 내연기관용 피스톤 링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관용 피스톤링에 관한 것으로, 외주 습동면(10)에 경질크롬도금층(12)을 형성하고, 이 경질크롬도금층(12) 위에 다시 이유화텅스텐(WS₂)층(14)을 형성하는 이중구조로 이루어져, 초기 길들이기 운전시에 원활하게 습동면의 적응이 이루어지고, 장시간의 경과후에도 내마모성이 향상되는 것이다.

Description

내연기관용 피스톤 링

제1도는 본 발명의 실시예에 따른 피스톤링 단면도.

제2도는 실시예1과 비교예1의 피스톤링을 이용한 벤치테스트 후, 시험시간과 오일소모량과의 관계를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 외주 습동면 12 : 경질크롬도금층

14 : 이유화텅스텐(WS₂)층

본 발명은 내연기관용 피스톤링에 관한 것으로, 특히 실린더라이너(혹은 실린더)와의 초기 길들이기 운전성을 좋게 하기 위해 습동면이 경질 크롬도금층과 이 유화텅스텐 (WS₂)층의 이중구조를 갖는 내연기관용 피스톤링에 관한 것이다.

최근의 엔진은 소형경량화, 고출력, 고성능화하는 반면에 엔진의 사용조건은 가혹화됨에 따라 엔진 각 부품의 내구성과 신뢰성 향상에 많은 노력이 있어왔다.

특히 연소실을 구성하는 피스톤링의 경우 내마모성, 내스커핑성, 내절손성 등의 향상을 위한 관점에서 많은 개량이 되고 있다.

그런데 조립 직후의 엔진은 제품제작의 정도상의 제약으로 피스톤링과 실린더라이너(또는 실린더)의 접촉상태가 불확실하게 되는 것은 피할 수 없는 일로 양자간에 간극이 존재하게 된다. 이러한 간극이 존재하는 상태에서 엔진을 운전하게 되면 연소실의 기밀이 깨져 크랭크실로의 블로우바이(blow-by)가스가 발생하게 된다.

이 블로우바이 가스는 실린더 내면을 항상 습윤 상태로 유지하고 있는 윤활막을 파괴하게 되어 실린더와 피스톤링 사이에 이상마모를 일으켜 스커핑(scuffing)을 발생시키게 된다.

또한 실린더와 피스톤링사이의 간극을 통하여 윤활유가 연소실 내로 흘러 들어가 오일소모량도 많아지게 된다.

따라서 길들이기 운전이라 불리우는 엔진조립 직후의 초기 운전에서 피스톤링과 실린더라이너(혹은 실린더)의 상호 습동을 통해 단기간에 양자의 간극을 없앨 필요가 있다.

일반적으로 내마모성이 우수한 피스톤링은 고경도의 습동면을 갖기 때문에 상기의 초기 길들이기 운전기간이 길어지는 경향이 있다.

그런 관계로 단기간에 피스톤링과 실린더라이너 혹은 실린더를 길들이는 방법으로서 피스톤링의 외주 습동면에 주석 도금과 같은 연질의 피막층을 코팅하거나, 링의 단면을 테이퍼지게 가공하는 방법 등이 사용되고 있다.

그러나 주석 도금을 입히는 방법은 고온, 고부하의 조건하에서 주석 도금층이 연질이므로 시동초기의 단계에서 용이하게 마멸되어 초기 길들이기의 효과가 소멸된다.

또한 링의 외주 습동면을 테이퍼 가공하는 방법은 테이퍼의 각도에 의해 연소실의 기밀성 내지 실린더 내주면의 습윤성에 나쁜 영향을 끼치는 문제가 있다.

이에 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고온·고부하의 조건하에서도 초기 길들이기 운전성이 좋아 스커핑 발생이 없으며, 아울러 내마모성도 우수한 피스톤링을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 피스톤링의 습동면에 내마모성이 우수한 경질 크롬도금층을 형성하고, 이 위에 마찰계수가 낮은 이유화텅스텐(WS₂) 피막을 소정두께 만큼 형성시켜 이중구조의 층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

따라서 상기한 바와 같이 제작된 피스톤링은 양호한 초기 운전성을 갖는 동시에 내마모성도 우수한 것이다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 피스톤링의 단면을 도시한 도면으로서, 외주 습동면(10)에 제1층으로서 경질 크롬도금층(12)이 형성되고, 상기 경질크롬도금층(12)의 상부에 제2층으로서 이유화텅스텐(WS₂)층(14)이 형성된 이중구조의 층으로 이루어져 있다.

여기서 상층의 이유화텅스텐(WS₂)층(14)은, 하층의 경질 크롬도금층(12)보다 연한 재질이기 때문에 엔진 시동 초기에 실린더라이너(혹은 실린더)와의 상대운동에 의해 길들이기 운전성이 양호하고. 또한 이 층은 마찰계수가 낮아 급속히 마모되지 않는다.

또한 하층의 경질 크롬도금층(12)은 고경도를 갖기 때문에 장기간동안 상층인 이 유화텅스텐층(14)이 마모된 후에도 양호한 내마모성을 유지하게 된다.

여기서 본 발명에 따른 제1층의 경질크롬도금층(12)은 무수크롬산을 주체로 한 도금욕에 피스톤링(1)을 넣고 전기 도금처리하여 얻는다.

도금처리조건은 무수크롬산150-250g/ℓ, 유산 1.5-2.5g/ℓ, 전류밀도 40-50A/d㎡, 도금조 온도 50-55℃, 처리기간 4-5.5Hr이다.

이렇게 해서 형성된 크롬도금층은 경도가 HV800이상으로 높고 내마모성이 좋다. 경질크롬도금층 두께는 50-300㎛가 적당하다.

왜냐 하면 경질크롬 도금층이 두께가 50㎛이하에서는 장기간의 운전 과정 중 크롬도금층이 모두 소멸될 가능성이 있으며, 300㎛ 이상이 되면 크롬도금층 균열 및 박리 문제가 발생된다.

그런데 경질크롬도금층(12)은 경도가 높아 초기 길들이기 운전성이 나쁘기 때문에 그 단점을 보완하기 위하여 제2층으로서 이유화텅스텐 피막을 제1층위에 분자융합방식으로 주입·침투시켜 형성한다.

분자융합방식에 의한 이유화텅스텐피막은 가열이나 Curing공정이 필요없으며 기타 접착제 또는 결합제 사용도 없이 자발적으로 분자결합을 형성한다.

이렇게 해서 크롬도금충(12)위에 형성된 이유화텅스텐층(14)은 표 1.의 이유화텅스텐피막의 특성에서 보는 바와 같이 낮은 경도와 화학적 안정성을 가짐으로 양호한 초기 길들이기 운전성을 나타낸다.

그리고 피스톤스커트의 내소착성·내스커핑성을 위해 처리되는 흑연의 마찰계수(0.07)보다 낮은 마찰계수(0.03)를 갖는 이유화텅스텐(WS₂) 피막은 일종의 고체 윤활제 역할을 함으로서 내소착성·내스커핑성의 개선효과도 갖는다.

제2층의 이유화텅스텐(WS₂) 피막두께는, 너무 얇으면 충분한 초기 길들이기 상태에 도달되기 전에 이유화텅스텐(WS₂) 피막이 소멸되기 쉬워 기대하는 길들이기 효과를 달성하기 어렵다.

또한, 필요 이상으로 너무 두꺼우면 처리 코스트상승과 박리 문제가 발생되며 이유화텅스텐(WS₂) 층 소멸에 따른 피스톤링의 엔드갭(end gap)부의 증대가 조기 진행되어 피스톤링의 기밀성이 떨어지는 현상이 조기 발생하게 된다.

따라서 이유화텅스텐(WS₂) 피막 두께는 0 5∼10㎛가 적당하다.

이하, 본 발명을 실시예를 참조하여 설명한다.

[실시예 1]

디젤엔진용 피스톤링의 외주 습동면에 제1층으로서 경질크롬도금층을 형성하는 제1공정과 제2층으로서 제1층위에 이유화텅스텐(WS₂)층을 형성하는 제2 공정으로 피막을 형성한다.

우선 제1공정에서 치수(직경×폭×두께)가 123×5.0×3.1㎜인 구상흑연주철재의 피스톤링을 모재로하여 표 2에 나타낸 조성의 도금조를 이용하여 표 3에 나타낸 조건으로 경질 크롬도금처리를 행한다.

제1공정으로부터 형성된 경질크롬도금층의 두께는 100㎛이며, 경도는 HV 890정도이다.

제2공정으로서 상기 제1공정으로부터 얻어진 경질크롬도금층을 표면에 갖는 피스톤링에 이유화텅스텐(WS)을 주입하여 1.0㎛의 두께로 코팅처리한다.

상기 피스톤링을 4사이클 수냉식 6기통 11리터 디젤엔진에서 상기 피스톤 링을 장착하여 주철제 실린더라이너와 2200rpm, 전부하(230ps)의 조건으로 100시간 벤치테스트를 행하고 오일소비량을 초기 25시간까지는 10시간 간격으로, 그 후는 25시간 간격으로 측정한다.

[비교예 1]

본 발명과의 비교를 위해 피스톤링 외주면에 경질크롬도금층만을 형성한 피스톤링을 이용하여 실시예 1과 같은 조건으로 벤치테스트를 행하고 오일소모량을 측정한다.

제2도는 상기 오일소모량 측정결과를 나타낸 것이다.

제2도로부터 명확하게 본 발명의 피스톤링이 경질크롬도금층만을 습동면에 갖는 피스톤링에 비해 초기시점부터 오일소비량이 작으며 25시간 이후의 안정영역에서도 역시 본 발명의 피스톤링을 장착한 엔진이 오일소모량이 더 작다.

그리고 벤치테스트후 엔진 분해결과 본 발명의 실린더라이너에서는 스커핑 발생이 관찰되지 않았으나 단순 크롬도금만 처리된 것은 스커핑 발생흔적이 관찰되었다.

이상의 설명과 같이 경질크롬도금층과 이유화텅스텐(WS)층을 외주 습동면에 갖는 본 발명의 피스톤링은 이유화텅스텐(WS)층의 우수한 초기 길들이기 운전성 및 내스커핑성과 경질크롬도금층의 장기 내마모성이 우수하다.

이상에서 서술된 것은 모든 점에서 단순한 예시에 불과한 것이고, 이를 가지고 한정적으로 해석해서는 안되며, 단지 본 발명의 진정한 정신 및 범위내에 존재하는 변형예는 모두 본 발명의 청구범위에 속하는 것이다.

Claims (2)

1. 외주습동면(10)에 내마모성이 우수한 경질크롬도금층(12)을 1차로 형성하고, 이 위에 이유화텅스텐(WS₂)을 0.5-10㎛ 두께로 분자융합방식에 의해 코팅시킨 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤링.
2. 제1항에 있어서, 상기 경질크롬도금층(12)의 두께는 50-300㎛인 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤링.