KR100328606B1 - Heat barrier and wear resistant coating combination for internal combustion engines - Google Patents

Heat barrier and wear resistant coating combination for internal combustion engines Download PDF

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몰러 인터내셔날, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 고강도, 낮은 열 전도성율, 낮은 열 팽창 계수 및 우수한 접착력을 갖는 열 방벽 및 내마모 피복물로서, 상기 내마모 피복물은 자동 윤활되고 높은 열저항성, 강한 내 마모성 매트릭스, 낮은 마찰계수를 가지며 매끄러운 표면으로 기계가공이 용이한 내 마모성 피복물에 관한 것으로서, 상기 열 방벽을 내연 기관 실린더에 적용되어 열 거부성를 감소시키고 이에 따라 공기 또는 액체로 냉각할 필요성을 감소시키고, 상기 자동 윤활 내마모 피복층이 열 방벽에 적용되어 운전되는 내연 기관 부분과 열 방벽사이의 접촉을 막고 그리고 상기 내마모 피복물이 낮은 마찰 계수를 가려서 실제적으로 열을 더 생성하지 않고 900℃ 까지의 온도에서 잘 견디면서 자동-윤활된다.The present invention is a heat barrier and wear resistant coating having high strength, low thermal conductivity, low coefficient of thermal expansion and good adhesion, wherein the wear resistant coating is self lubricated and has high thermal resistance, strong wear resistant matrix, low coefficient of friction and smooth A wear resistant coating that is easy to machine to a surface, wherein the thermal barrier is applied to an internal combustion engine cylinder to reduce heat rejection and thereby reduce the need to cool with air or liquid, and the self-lubricating wear resistant coating layer is heated. It prevents contact between the internal combustion engine portion and the thermal barrier that is applied to the barrier and operates, and the wear resistant coating hides the low coefficient of friction and is self-lubricating with good resistance to temperatures up to 900 ° C. without actually producing more heat.

Description

내연기관용 열방벽 및 내마모성 코팅 조합물Heat barrier and wear resistant coating combination for internal combustion engines

본 발명은 내연기관용 내열코팅 및 내마모성 코팅에 관한 것이고, 특히 내연기관의 실린더 벽에 사용되는 개선된 코팅을 제공하는 열방벽 및 내마모성 코팅의 조합물에 관한 것으로서, 상기 내마모성 코팅은 피복된 엔진의 마모를 줄이기 위한 자체 윤활성을 갖고 높은 작동온도에 견딜 수 있다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to heat resistant coatings and wear resistant coatings for internal combustion engines, and in particular to combinations of heat barriers and wear resistant coatings that provide improved coatings for use in cylinder walls of internal combustion engines, wherein the wear resistant coatings provide abrasion of coated engines. It can withstand high operating temperatures with self-lubrication to reduce

내연기관의 불충분한 냉각은 휠씬 큰 동력이 내연기관에 의해서 얼마나 일정하게 제공될 수 있는 것에 관한 제한요인이 된다. 따라서, 내연기관의 작동실(피스톤 및 실린더 또는 회전자 및 회전자 하우징)로부터 내연기관의 냉각장치로 열 전도되는 열양을 바람직하게 최소로 유지함으로써 냉각장치가 전도되는 열을 적절히 제거하고 내연기관을 수용가능한 작동온도로 유지할 수 있게 한다. 저 열 방출 내연기관에는 이러한 내연기관의 작동실 내에 연소에너지를 수용하기 위해 세라믹 절연 코팅을 사용했다. 이러한 절연 코일에 의해서 제공되는 열 보호 이외에 합리적인 내열 특성을 얻기 위해서 다양한 방식의 세라믹이 실험되어 오고 있다.Inadequate cooling of the internal combustion engine is a limiting factor on how much more constant power can be provided by the internal combustion engine. Therefore, the amount of heat conduction from the operating chamber (piston and cylinder or rotor and rotor housing) of the internal combustion engine to the cooling apparatus of the internal combustion engine is preferably kept to a minimum, so that the cooling apparatus conducts heat appropriately and the internal combustion engine is removed. To maintain an acceptable operating temperature. Low heat dissipation internal combustion engines used ceramic insulating coatings to receive combustion energy in the operating chambers of these internal combustion engines. In addition to the thermal protection provided by such an insulated coil, various types of ceramics have been tested to obtain reasonable heat resistance characteristics.

1988년 자동차 기술협회 (S.A.E) 발행물에 공개된 바와같이 단열 내연기관의 최근의 개발에는 내연기관 부품용 열 절연체로 세라믹을 사용하는 방법이 제시되어 있다.As published in the 1988 S.A.E publication, recent developments in adiabatic internal combustion engines have shown the use of ceramics as thermal insulators for internal combustion engine components.

이러한 세라믹이 우수한 절연체이지만, 이러한 세라믹의 표면은 내마모성이 불량하고, 그 표면 조밀도도 마찰에 의해서 급격히 저하된다.Although such a ceramic is an excellent insulator, the surface of such a ceramic is poor in abrasion resistance, and the surface density also falls rapidly by friction.

세라믹 열방벽 코팅은 기관의 하우징을 통한 열전달의 감소 측면에서 매우 성공적이지만, 이렇게 함에 있어서 윤활필름을 유지하기 위해서 소정의 윤활성능을초과하여 내연기관 표면의 온도가 상승한다. 최근에는, 온도가 공지된 윤활유의 성능을 초과하는 응용예에 대한 고온의 자체 윤활 재료가 개발되어 오고 있다.Ceramic thermal barrier coatings are very successful in terms of reducing heat transfer through the housing of the engine, but in doing so, the temperature of the internal combustion engine surface rises beyond the desired lubrication performance to maintain the lubrication film. Recently, high temperature, self-lubricating materials have been developed for applications in which temperatures exceed the performance of known lubricants.

일예로 은과 칼슘 플루오르화물-바륨 플루오르화물의 공정 혼합물의 분산된 입자를 가진 니켈합금 접합의 크롬 카바이드(또는 실리콘 카바이드) 매트릭스로 구성되어 있으며 미국 항공우주국(NASA)에 의해서 개발된 NASA PS-200의 자체 윤활 합성코팅을 들 수 있다. 은과 플루오르화물은 미끄럼 표면상에 전단강도가 낮은 필름을 형성한다. 은은 500℃에 도달할 때까지 윤활을 제공하고, 500℃ 이상의 온도에서 연성변이에 대한 취성을 견뎌내는 플루오르화물의 공정 윤활을 제공한다.The NASA PS-200 itself, which is composed of a chromium carbide (or silicon carbide) matrix of nickel alloy junctions with dispersed particles of a process mixture of silver and calcium fluoride-barium fluoride, for example, was developed by NASA. Lubricating synthetic coating. Silver and fluoride form films with low shear strength on sliding surfaces. Silver provides lubrication until it reaches 500 ° C. and provides process lubrication of fluorides that withstands brittleness to ductility at temperatures above 500 ° C.

그런데, 서로 간에 양립할 수 있고 경제적으로 그리고 실제적으로 엔진의 작동부재에 적용될 수 있는 열 방벽코팅과 자체 윤활 내마모 코팅을 완성하는데는 복잡한 문제점이 존재한다.However, there are complex problems in completing thermal barrier coatings and self-lubricating antiwear coatings that are compatible with each other and that can be economically and practically applied to operating members of an engine.

따라서, 본 발명의 목적은 공냉식 또는 수냉식 엔진의 냉각부하를 줄이도록 개선된 실린더 벽용 코팅을 제공하기 위해서 열 방벽재료 및 마모방지 재료의 양립가능한 혼합물을 제공하려는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a compatible mixture of thermal barrier material and antiwear material in order to provide an improved coating for the cylinder wall to reduce the cooling load of an air cooled or water cooled engine.

본 발명의 다른 목적은 내연기관의 작동실로부터 배출되는 열을 감소시키려는 것이다.Another object of the invention is to reduce the heat exhausted from the operating chamber of an internal combustion engine.

본 발명의 다른 목적은 연소실 표면의 내마모 특성을 개선하도록 개선된 형태의 내마모 코팅을 제공하려는 것이다.Another object of the present invention is to provide an improved type of wear resistant coating to improve the wear resistance of the combustion chamber surface.

본 발명의 다른 목적은 엔진의 실린더 내벽의 연속적인 윤활 필요성을 배제하려는 것이다.Another object of the invention is to rule out the need for continuous lubrication of the cylinder inner wall of the engine.

본 발명의 다른 목적은 열방벽 재료의 내마모성에 대한 고려의 필요성을 배제함으로써 사용가능한 열 방벽 코팅재료를 보다 폭넓게 선택할 수 있게 하려는 것이다.It is another object of the present invention to allow a wider selection of usable thermal barrier coating materials by eliminating the need for consideration of the wear resistance of the thermal barrier material.

본 발명의 다른 목적은 피스톤 링과 미끄럼 밀봉이 이동경로의 일부에서 운동할 때 피스톤 링과 미끄럼 밀봉의 온도를 감소시키게 하는 수단을 제공하려는 것이다.Another object of the present invention is to provide a means for reducing the temperature of the piston ring and the sliding seal when the piston ring and the sliding seal move in a portion of the movement path.

본 발명의 바람직한 실시예에는 열 방벽코팅과 자체윤활 내마모 코팅의 혼합물을 포함하며, 상기 코팅은 내연기관용 개선된 실린더 내벽을 제공하기 위해서 부드러운 표면으로의 기계가공이 용이하다. 이러한 열 방벽 코팅은 높은 강도와, 낮은 전도율과, 낮은 열팽창 계수 및 우수한 부착 특성을 가지고 있고, 자체 윤활 내마모 코팅은 고온 저항성과, 경질의 내마모 매트릭스와, 낮은 마찰계수를 가지고 있다. 열의 흐름을 줄여 수냉 또는 공냉의 필요성을 감소시키기 위해 1차로 엔진 실린더의 내부 표면에 열 방벽이 형성된다. 열방벽이 내마모성을 갖지 않으므로, 엔진 부품의 운동에의한 열방벽과의 접촉을 방지하기 위해서 이러한 열방역 위에 자동 윤할 내마모 코팅이 형성된다. 이러한 내마모 코팅은 낮은 마찰 계수를 가지고 있어서 엔진 피스톤과의 체결로 인한 부가적인 열이 생성되지 않는다.Preferred embodiments of the present invention include a mixture of a thermal barrier coating and a self-lubricating wear resistant coating, the coating being easy to machine to a smooth surface to provide an improved cylinder inner wall for an internal combustion engine. Such thermal barrier coatings have high strength, low conductivity, low coefficient of thermal expansion and good adhesion properties, and self-lubricating wear resistant coatings have high temperature resistance, a hard wear resistant matrix, and a low coefficient of friction. Thermal barriers are formed primarily on the inner surface of the engine cylinders to reduce the flow of heat and thereby reduce the need for water or air cooling. Since the thermal barrier is not wear resistant, an anti-lubrication wear coating is formed on the thermal barrier to prevent contact with the thermal barrier due to the movement of the engine parts. This wear resistant coating has a low coefficient of friction so that no additional heat is generated due to engagement with the engine piston.

본 발명의 중요한 잇점 중의 하나는 표면의 내마모성 및 내마찰성을 수용가능한 수치로 유지하는 자체윤활 내마모 코팅을 갖춘 절연 열방벽을 제공하는 것이다.One of the important advantages of the present invention is to provide an insulating thermal barrier with a self-lubricating wear resistant coating that maintains the wear and friction resistance of the surface to an acceptable value.

본 발명의 다른 잇점은 내연기관의 작동실로부터 엔진의 냉각장치로 배출되는 열을 감소시킴으로써 엔진의 효율을 개선하는 것이다.Another advantage of the present invention is to improve the efficiency of the engine by reducing the heat exhausted from the operating chamber of the internal combustion engine to the cooling device of the engine.

본 발명의 다른 잇점은 개선된 내마모 특성을 가진 실린더 내벽용 코팅을 제공하는 것이다.Another advantage of the present invention is to provide a coating for the cylinder inner wall with improved wear resistance.

본 발명의 다른 잇점은 내연기관의 실린더 내벽의 연속적인 윤활 필요성을 제거하는 것이다.Another advantage of the present invention is to eliminate the need for continuous lubrication of the cylinder inner wall of the internal combustion engine.

본 발명의 다른 잇점은 사용되는 열 방벽재료의 내마모성을 고려할 필요성이 배제되어 열 방벽재료에 대한 선택가능성이 보다 더 커지게 된다.Another advantage of the present invention is that the need to consider the wear resistance of the thermal barrier material used is eliminated, resulting in greater selectivity for the thermal barrier material.

본 발명의 다른 잇점은 피스톤 링 또는 미끄럼 밀봉내의 윤활 파손을 방지하기에 충분한 피스톤 링 또는 미끄럼 링의 온도를 감소시키기 위한 수단이 제공된다.Another advantage of the present invention is provided by means for reducing the temperature of the piston ring or sliding ring sufficient to prevent lubrication breakage in the piston ring or sliding seal.

이러한 본 발명의 여러가지 목적 및 잇점들은 첨부된 도면을 참조한 바람직한 실시예의 설명으로부터 명확하게 파악된다.These and other objects and advantages of the present invention are apparent from the description of the preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 종래의 열 방벽기술을 최근에 개발된 고온 및 자체 윤활성 내마모 재료와 결합시켜서 2가지의 장점을 가진 내연기관의 내마모 표면용 합성 코팅이 제공된다.According to a preferred embodiment of the present invention, a combination of conventional thermal barrier technology with recently developed high temperature and self lubricating wear resistant materials provides a synthetic coating for wear resistant surfaces of internal combustion engines having two advantages.

본 발명의 열 방벽부를 구성하는 재료의 선택에 있어서의 바람직한 특징은 1) 낮은 열 전도율(즉, 10 BTU.ft/hr.ft2.°F)과, 2) 낮은 열팽창 계수와, 3) 기본 재료에의 우수한 접착성과, 그리고 4) 온도 증가시 높은 내구력의 유지이다. 바람직한 열 방벽재료의 대표적인 예로 지르코니아와 산화 실리콘을 들 수 있다.Preferred features in the selection of the material constituting the thermal barrier of the present invention are 1) low thermal conductivity (ie, 10 BTU.ft / hr.ft2. ° F), 2) low coefficient of thermal expansion, and 3) base material. 4) maintains high durability with increasing temperature. Representative examples of preferred thermal barrier materials include zirconia and silicon oxide.

본 발명의 내마모 코팅부에 대한 바람직한 특성은 1) 낮은 마찰계수(즉, .02이하)와, 2) 부드러운 표면으로의 기계작업이 용이함과, 3) 고온 저항력과, 4) 거친부분이 표면과 마찰하는 엔진부와 접촉하는 것을 방지하도록 표면에 유순한 필름을 형성하는 능력과, 그리고 5) 문질러지지 않은 만큼 유순한 필름을 지지하기 위한 단단하고 내마모성의 저항 매트릭스이다. 바람직한 내마모성 코팅재료의 대표적인 예로는 미국항공우주국(NASA)의 피에스(PS)-200으로서, 이는 내벽 및 피스톤링의 윤활이 불가능한 터빈 베어링 및 스티어링 엔진용으로 사용되는 자체 윤활코팅 재료이다.Preferred properties for the wear resistant coating of the present invention are 1) low coefficient of friction (ie, .02 or less), 2) ease of machining to smooth surfaces, 3) high temperature resistance, and 4) rough surfaces. 5) the ability to form a compliant film on the surface to prevent contact with the engine part in friction, and 5) a hard, abrasion resistant matrix for supporting the film as soft as it is not rubbed. A representative example of a preferred abrasion resistant coating material is NASA's PS-200, which is a self-lubricating coating material used for turbine bearings and steering engines where lubrication of inner walls and piston rings is not possible.

이러한 2가지의 기술을 조화시키기 위해서는 서로간에 양립할 수 있고 이들 기술을 실용화하기에 경제적일 수 있는 열방벽 및 자체 윤활 내마모 코팅의 2개의 코팅을 발견해야 한다. 이러한 2개의 코일의 혼합예는 지르코늄과 결합된 NASA PS-200의 자체 윤활 내마모 코팅과, 내마모 저항이 매우 작은 우수한 열 방벽 으로 형성되어 있다. 이러한 2개의 코팅의 결합은 종래의 엔진 구성 재료에 플라즈마 아아크 스프레이에 의해 형성될 수 있고 기본 재료 및 서로간에 양호하게 부착된다. 본 발명의 설명은 지르코늄 및 PS-200이 각각 열방벽 및 내마모 코팅의 예로서 사용되고, 이러한 사용예는 본 발명의 범위를 제한하려는 의도가 아니라 본 발명의 내용을 이해하는데 도움을 주도록 의도된 것일 뿐이다. 재료들이 서로간에 양립할 수 있고 사용되는 응용 기술과도 양립할 수 있는 한, 다른 종류의 재료 및 다른 응용 기술이 사용될 수 있다.In order to harmonize these two technologies, one must find two coatings of thermal barriers and self-lubricating antiwear coatings that are compatible with each other and can be economical to put these technologies to practical use. The combination of these two coils consists of a self-lubricating antiwear coating of NASA PS-200 combined with zirconium and an excellent thermal barrier with very low wear resistance. The combination of these two coatings can be formed by plasma arc spraying on conventional engine component materials and adheres well to the base material and to each other. The description of the present invention is that zirconium and PS-200 are used as examples of thermal barrier and anti-wear coatings respectively, and this use example is not intended to limit the scope of the present invention but is intended to assist in understanding the contents of the present invention. It is only. Other types of materials and other application techniques may be used so long as the materials are compatible with each other and with the application techniques used.

제 1도에는 실린더(16)를 형성하고 있는 천공 또는 기계가공된 표면(14)에 본 발명에 따라서 도포된 합성코팅(10)이 제공되어 있는 엔진 하우징(12)이 부분횡단면도로 도시되어 있다. 이러한 합성코팅(10)은 표면(14)에 부착된 열방벽 층(18)과, 이 열방벽층(18)의 상단에 배열되어 있는 자체 윤활 내마모층(20)으로 구성되어 있다. 또한, 제 1도에는 내마모층(20)을 마찰력으로 체결하는 피스톤링(24)을 갖춘 피스톤(22)도 부분 횡단면도로 도시되어 있다. 대안적으로는, 도시된 피스톤(22)과 피스톤링(24)이 회전식 엔진의 회전자와 정점의 밀봉수단이 될 수 있다.In FIG. 1 an engine housing 12 is shown, in partial cross-sectional view, provided with a synthetic coating 10 applied according to the invention on a perforated or machined surface 14 forming a cylinder 16. This synthetic coating 10 consists of a heat barrier layer 18 attached to the surface 14 and a self-lubricating wear resistant layer 20 arranged on top of the heat barrier layer 18. Also shown in FIG. 1 is a partial cross sectional view of a piston 22 having a piston ring 24 for fastening the wear resistant layer 20 to a frictional force. Alternatively, the piston 22 and piston ring 24 shown may be the means for sealing the rotor and apex of the rotary engine.

특히, 엔진 하우징(12)을 공냉시키기 위한 핀(26)과 내측 챔버(12)를 갖춘 냉각장치(21)가 엔진 하우징 내측에 설치되며, 상기 내측 챔버를 통해 열 흡수액이 엔진을 수냉시키도록 흐른다. 냉각장치(21)는 합성 코팅(10)을 통해서 전달되는 연소에너지를 산란시키고 흡수한다.In particular, a cooling device 21 having fins 26 and an inner chamber 12 for air cooling the engine housing 12 is installed inside the engine housing, through which heat absorbing liquid flows to cool the engine. . The chiller 21 scatters and absorbs the combustion energy delivered through the synthetic coating 10.

열 방벽 코팅층(18)을 형성하기에 앞서 표면(14)이 제공되어야 한다. 대부분의 엔진 구성재료는 알루미늄 또는 철-계열의 재료로 이루어져 있다. 코팅의 부착력을 강화하기 위해서 표면(14)에 작은 각형의 모래가 분쇄되어 뿌려져야 하고, 이때 코팅을 형성하기에 앞서 상기 금속 또는 모래의 입자들이 제거되도록 세척되어야 한다. 이러한 금속재 하우징(12)은 차등 열팽창에 의해 상기 코팅이 항상 압축하에서 도포될 수 있도록 작동시 예상되는 소정의 온도 이상의 온도로 미리 가열되어야 한다. 열 방벽코팅층(18)을 형성하기에 바로 앞서 접착제(30)가 표면(14)에 칠해 질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 알루미늄 표면에 도포되는 몰리브덴, 크롬, 알루미늄 및 이트륨의 혼합물로 이루어진 얇은(즉, 0.001 인치) 접착막이 상기 표면(14)에 대한 열방벽(18)의 부착력을 강화한다.The surface 14 must be provided prior to forming the thermal barrier coating layer 18. Most engine components consist of aluminum or iron-based materials. To reinforce the adhesion of the coating, small square sand must be crushed and sprayed onto the surface 14, which must be washed to remove particles of the metal or sand prior to forming the coating. This metallic housing 12 must be preheated to a temperature above the predetermined temperature expected in operation so that the coating can always be applied under compression by differential thermal expansion. The adhesive 30 may be painted on the surface 14 immediately prior to forming the thermal barrier coating layer 18. According to one embodiment of the invention, a thin (ie 0.001 inch) adhesive film made of a mixture of molybdenum, chromium, aluminum and yttrium applied to the aluminum surface enhances the adhesion of the thermal barrier 18 to the surface 14. do.

열방벽의 내마모 저항을 고려할 필요가 없기 때문에, 열 방벽(18)을 포함하는 재료는 매우 다양한 범위의 코팅재료로 선택될 수 있다. 지르코니아는 열 방벽으로 사용되고 본 명세서에서 코팅층(18)의 예로 사용되는 통상적인 형태의 세라믹이다. 바람직하게는, 지르코니아는 낮은 비율의 산화 이트륨으로 부분적으로 안정화되며 가열된 표면(14)위로 분무되는 플라즈마이다. 최적의 분무기술을 유지하게 위해서는 일정한 거리 및 항상 수직한 분무를 유지하기 위해서는 자동조절 플라즈마 건이 가장 바람직하다. 지르코니아의 두께는 코팅의 구조적 보존성에 요구되고 균형이 이루어지는 절연재료의 양에 좌우 된다. 통상적으로, 0.02 인치의 지르코니아 층이 바람직하다.Since it is not necessary to consider the wear resistance of the thermal barrier, the material including the thermal barrier 18 can be selected from a wide variety of coating materials. Zirconia is a conventional type of ceramic used as a thermal barrier and used herein as an example of the coating layer 18. Preferably, zirconia is a plasma that is partially stabilized with a low proportion of yttrium oxide and sprayed onto the heated surface 14. Self-regulating plasma guns are most desirable to maintain a constant distance and always vertical spray to maintain optimal spraying techniques. The thickness of zirconia depends on the amount of insulating material required and balanced by the structural preservation of the coating. Typically, a 0.02 inch zirconia layer is preferred.

지르코니아 코팅층(18)과 내 마모성 코팅(20)의 도포중에는 임의의 중간 공정은 필요가 없지만, 코팅(20)은 지르코니아 표면의 오염가능성을 피하는 것이 실용적임으로 지르코니아 층 이후에 곧바로 도포되어야만 한다. 지르코니아와 양립할 수 있는 적합한 내 마모성 코팅(20)의 예로는 나사(NASA)에서 개발된 PS-200 자동-윤활 코팅이다. 상기 나사의 PS-200 자체 윤활 코팅은 코팅을 위한 최적화된 플라즈마 변수로 적용되어야 한다. 이것은 지르코니아 층용 플라즈마 변수로부터 변경될 것이다. 상기 나사의 PS-200 자체 윤활 코팅은 지르코니아의 모든 불규칙한 면을 커버하고 지르코니아를 노출시키지 않고 매끄럽게 상기 나사의 PS-200 자체 윤활 코팅을 마감하기에 충분하게 도포된다. 나사의 PS-200 자체 윤활코팅은 일반적으로 0.01 두께로 도포될 것이다.No intermediate process is required during the application of the zirconia coating layer 18 and the wear resistant coating 20, but the coating 20 must be applied immediately after the zirconia layer as it is practical to avoid contamination of the zirconia surface. An example of a suitable wear resistant coating 20 compatible with zirconia is the PS-200 auto-lubricating coating developed by NASA. The screw's PS-200 self-lubricating coating should be applied with optimized plasma parameters for the coating. This will vary from the plasma parameters for the zirconia layer. The screw's PS-200 self-lubricating coating is applied enough to cover all irregular faces of zirconia and to smoothly finish the screw's PS-200 self-lubricating coating without exposing the zirconia. The screw's PS-200 self-lubricating coating will typically be applied to a thickness of 0.01.

상기 내 마모성 코팅층(20)은 매끄럽게 (예를들어, 10 마이크론 또는 그 이하) 마감되는데, 이는 그라인딩, 래핑(lapping) 또는 호오닝(honing)에 의해 달성될 수 있다. 그라인딩은 깨끗하게 절단하기 위해 코팅내의 임의의 내마모성 요소보다 더욱 경질의 휠의 사용을 필요로 한다. 이것을 2개의 다른 휠로 "거친" 공정 및 "마감" 공정을 필요로 한다. 상기 래핑은 파편을 제거하는 세정매체로서 알콜로 덮힌 주철을 사용하여 달성할 수 있다. 래핑은 평면 표면에의 응용이 가장 용이하다. 호오닐은 형상과 무관하여 내부가 만곡된 표면에 매우 적절하다. 충분한 호온스톤 압력은 절단을 위해 유지되어야만 하지만, 그 표면은 파편에 의해 긁히는 것을 피하기 위해 플러싱되어야만 한다. 호온스톤은 표면에 대해 수직이어야만 하고 항상 접촉상태를 유지하도록 가압되어야만 한다. 스톤의 축 및 회전운동은 이들을 깨끗 하고 평탄하게 절단하게 하는데 중요하다.The wear resistant coating layer 20 finishes smoothly (eg 10 microns or less), which can be achieved by grinding, lapping or honing. Grinding requires the use of a harder wheel than any wear resistant element in the coating for clean cutting. This requires two different wheels for a "rough" process and a "close" process. The lapping may be accomplished using cast iron covered with alcohol as a cleaning medium to remove debris. Lapping is easiest for application to planar surfaces. Hoonyl is well suited for curved surfaces that are internally independent of shape. Sufficient hornstone pressure must be maintained for cutting, but the surface must be flushed to avoid scratching by debris. The hornstone must be perpendicular to the surface and pressurized to maintain contact at all times. The axis and rotation of the stones are important to keep them clean and flat.

조작시, 피스톤(22)이 실린더(16)내에 수직으로 운동하여, 열 에너지가 실린더 내에 생성되고 화살표(32)에 의해 도시된 방향으로 냉각 시스템(21)으로 전도되어 전달된다. 그러나 대부분의 열에너지는 열 장벽 층(18)에 의해 냉각 시스템(21)에 도달되는 것이 방지된다. 내 마모성 코팅층(20)은 피스톤링(24)과 열 장벽층(18) 사이의 접촉을 막는다. 상기 코팅층(20)의 자체 윤활 특징은 상승된 온도에서 수행되어야 하는데, 이 온도(216℃ 이상) 이상에서는 실린더(16) 내에서 생성될 뿐만 아니라 피스톤링 마찰에 의해 야기된 열이 내 마모 코팅재료 표면을 매우 뜨겁게 하기 때문에 재래식 윤활유가 사용될 수도 있다. 내 마모성 코팅의 낮은 마찰 계수는 피스톤 링(24)의 마모를 막고 실질적으로는 피스톤 링(24) 및 내 마모성 코팅 사이의 마찰 접촉에 의해 정상적으로 생성된 열을 감소시킨다.In operation, the piston 22 moves vertically in the cylinder 16 such that thermal energy is generated in the cylinder and conducted to and transmitted to the cooling system 21 in the direction shown by the arrow 32. However, most of the thermal energy is prevented from reaching the cooling system 21 by the thermal barrier layer 18. The wear resistant coating layer 20 prevents contact between the piston ring 24 and the thermal barrier layer 18. The self-lubricating feature of the coating layer 20 should be carried out at elevated temperatures, above which temperatures (216 ° C. and above) are not only generated in the cylinder 16 but also due to the heat generated by the piston ring friction wear resistant coating material. Conventional lubricants may be used because they make the surface very hot. The low coefficient of friction of the wear resistant coating prevents wear of the piston ring 24 and substantially reduces the heat normally generated by the frictional contact between the piston ring 24 and the wear resistant coating.

피스톤(22), 피스톤 형(24) 및 실린더(16)가 상술한 실시예에 사용하였지만, 예를들어 로터와 로터 하우징과 같은 열 전도의 제어를 필요로 하는 마찰결합 기계부품, 또는 마찰 또는 크기적 특성이 상승된 온도에서 최적이거나 또는 바람직한 베어링 장치에 사용하여도 작동 부분의 적어도 한 표면상에 본 발명의 열 장벽/내마모 피복물을 포함함에 따른 장점을 취할 것이다.Although the piston 22, the piston mold 24 and the cylinder 16 are used in the embodiments described above, friction-coupled mechanical parts or friction or size that require control of thermal conduction, such as, for example, rotors and rotor housings. The use of the thermal barrier / abrasion resistant coating of the present invention on at least one surface of the working part will also benefit from the use of a bearing device that is optimal or desirable at elevated temperatures.

회전 내연기관의 경우에서, 본 발명을 사용하여 두 번째 장점을 달성할 수 있다. 단지 센터의 고온 영역 및 단부 하우징에 있는 연소실의 벽에 쎄라믹 코팅을 선택적으로 도포함에 의해 상기 시일은 코팅되지 않고 냉각된 표면을 통과할때 그들의 온도를 감소시킬 기회를 가진다. 이것은 슬롯내의 윤활작용의 손상을 방지하기 위한 충분한 저온에서 상기 밀봉을 유지하는 것을 가능하게 한다. 이는 코오킹(coking)을 통해, 연소실내로 약간의 오일이 침입하는 것을 방지하는 것이 불가능 하기 때문이다.In the case of a rotary internal combustion engine, the second advantage can be achieved using the invention. By selectively applying a ceramic coating to the hot zone of the center and to the walls of the combustion chamber in the end housing, the seals have the opportunity to reduce their temperature as they pass through the uncooled and cooled surface. This makes it possible to maintain the seal at a low enough temperature to prevent damage to lubrication in the slot. This is because it is impossible to prevent some oil from entering the combustion chamber through coking.

쎄라믹은 컴퓨터 제어에 의해 도포되고 최대 열 플럭스에서 최대 두께로부터 연소 영역의 외측에서 제로 두께로 작아 진다. 쎄라믹 코팅을 갖지 않는 동일한 내연 기관의 벽에 대한 열 플럭스를 제 2도에 도시하였고 트로코이드(trochoid) 하우징의 벽상에 놓이는 쎄라믹 코팅 두께의 대략적 패턴을 설정하기 위한 기초로서 사용되는데, 최대 두께 (1mm +)는 최대 열 플럭스의 지점에서 사용되고, 코팅은 어느 한 측면으로 감소될 것이다. 고체 윤활제가 피복 및 피복되지 않은 모든 표면상에 균일하게 도포된다. 더 상세하게는, 0°로서 크로코이드(40)의 작은 축(42)를 사용하여, 최대 두께는 30°에서 적용되고 상기 두께는 90°에서 제로 두께로 감소된다. 한편, 장축(44)의 경우 두께는 -30℃에서 제로로 감소되거나 제로에 근접하게 된다. 단부 하우징에서, 크로스 해칭된 영역(46)에 나타낸 바와같은 코팅 혼합물은 연소 온도에 노출된 영역을 커버한다. 그러나, 실제적으로 영역(50)으로 지시된 바와같이 미식 축구공-형태의 개구(48)의 엣지에 이르기까지 전체 120°영역을 정상적으로 커버할수 있다. 이들 단부벽 영역에 있어서, 또한 쎄라믹 층의 두께는 +30°에서의 최대 두께로부터 -30° 및 90°에서의 최소 두께인 제로로 작아진다.The ceramic is applied by computer control and is reduced from the maximum thickness at maximum heat flux to zero thickness outside the combustion zone. The heat flux for the walls of the same internal combustion engine without the ceramic coating is shown in FIG. 2 and is used as a basis for establishing an approximate pattern of ceramic coating thickness lying on the wall of the trochoid housing, with a maximum thickness (1 mm + ) Is used at the point of maximum heat flux and the coating will be reduced to either side. Solid lubricants are applied uniformly on all coated and uncoated surfaces. More specifically, using the small axis 42 of the crocoid 40 as 0 °, the maximum thickness is applied at 30 ° and the thickness is reduced to 90 at 0 °. On the other hand, in the case of the long axis 44, the thickness is reduced to or close to zero at -30 ℃. In the end housing, the coating mixture as shown in cross hatched area 46 covers the area exposed to the combustion temperature. However, it can normally cover the entire 120 ° region up to the edge of the football-shaped opening 48 as indicated by the region 50. In these end wall regions, the thickness of the ceramic layer also decreases from the maximum thickness at + 30 ° to zero, the minimum thickness at -30 ° and 90 °.

이 결과로, 하우징 주변의 온도 분포는 더욱 균일하게 된다. 즉, 연소측에서는 감소되고 흡입측에서는 증가된다. 이것은 연료-공기 혼합물의 켄칭감소 및 시일 등을 위한 엔진 틈새의 셋팅을 더욱 일정하게 유지하는데 도움을 줌으로써 오염을 감소시키는 장점을 제공한다. 더 양호한 틈새 제어에 의한 블로우-바이 (blow-by) 및 다른 가스의 누출을 감소시켜서 오염의 제어에 기여한다.As a result, the temperature distribution around the housing becomes more uniform. That is, it decreases on the combustion side and increases on the suction side. This provides the advantage of reducing contamination by helping to maintain a more constant setting of engine clearance for reducing quenching and sealing of fuel-air mixtures and the like. It contributes to the control of contamination by reducing blow-by and other gas leaks by better clearance control.

본 발명은 상기 특정 실시예로 기술하였지만, 당업자들에게 있어서는 본 발명의 다른 실시예로, 변경 및 변형할 수 있음은 매우 명백해 질 것이다. 예를들어, 상술한 회전식 내연기관의 실시예와 동일 또는 유사한 이유로 쎄라믹 코팅층(18)의 두께가 제 1도의 점선(52)에 의해 제안된 바와같이 더 작아지거나 또는 실린더의 하부분에서 제로로 감소되는 왕복 피스톤의 엔진의 실시예가 있을 수 있다. 따라서, 다음의 특허청구의 범위는 본 발명의 사상 및 범주내에 있는 모든 변경 및 변형예를 포함하는 것으로 해석해야 한다.While the invention has been described in the above specific embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that other embodiments of the invention may be altered and modified. For example, for the same or similar reason as the embodiment of the rotary internal combustion engine described above, the thickness of the ceramic coating layer 18 becomes smaller as suggested by the dotted line 52 in FIG. 1 or decreases to zero at the bottom of the cylinder. There may be an embodiment of the engine of the reciprocating piston being. Accordingly, the following claims should be construed as including all changes and modifications falling within the spirit and scope of the present invention.

제 1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 실린더의 내벽상에 배열된 열방벽 및 내마모성 코팅의 조합물을 포함하고 있는 엔진 하우징과, 실린더 밀 피스톤의 일부를 도시한 횡단면도.1 is a cross sectional view of an engine housing comprising a combination of a heat barrier and a wear resistant coating arranged on an inner wall of a cylinder in accordance with a preferred embodiment of the present invention and a portion of the cylinder mill piston;

제 2도는 본 발명의 열방벽 및 내마모 코팅으로 피복하기 이전의 회전식 엔진의 연소실을 형성하는 연소실 내벽에 대한 열 플럭스 분포를 도시한 도표.FIG. 2 is a diagram showing the heat flux distribution for the combustion chamber inner wall forming the combustion chamber of the rotary engine prior to coating with the heat barrier and wear resistant coating of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 : 합성 코팅 12 : 엔진 하우징10: synthetic coating 12: engine housing

14 : 표면 16 : 실린더14 surface 16: cylinder

18 : 열방벽층 20 : 자동윤활 내마모층18: heat barrier layer 20: automatic lubrication wear-resistant layer

22 : 피스톤 24 : 피스톤 링22: piston 24: piston ring

26 : 핀 28 : 내부 챔버26: pin 28: inner chamber

30 : 접착층 40 : 트로코이드(trochiod)30: adhesive layer 40: trochiod (trochiod)

42 : 보조축 44 : 주축42: secondary axis 44: main axis

48 : 구멍48: hole

Claims (12)

낮은 열 팽창 계수, 기초 재료에 대한 양호한 접착성 및 상승된 온도에서도 유지되는 고 강도를 갖는, 내연기관의 마찰-베어링 연소실 벽 표면용 보호 코팅에 있어서,A protective coating for a friction-bearing combustion chamber wall surface of an internal combustion engine, having a low coefficient of thermal expansion, good adhesion to the base material and high strength maintained even at elevated temperatures, 0.0 이상 10 BTU.ft/hr.ft2°F 이하의 열전도율을 갖는 세라믹 재료로 이루어고 상기 벽 표면에 고착되는 제 1 열 장벽 재료 층, 및A first thermal barrier material layer made of a ceramic material having a thermal conductivity of 0.0 or more and 10 BTU.ft / hr.ft2 ° F or less and fixed to the wall surface, and 내부에 분산된 은 및 칼슘 플루오르화물-바륨 플루오르화물 공정물 입자를 갖는 니켈 합금 결합된 크롬 탄화물 매트릭스를 포함하는 재료로 이루어지는 제 2 자체 윤활 내마모층으로서, 상기 공정물이 0.0 이상 0.2 이하의 마찰계수를 가지며 상기 제 2 내마모 층이 상기 제 1 재료층에 고착되는 제 2 자체 윤활 내마모층을 포함하고 있으며,A second self-lubricating wear resistant layer consisting of a material comprising a nickel alloy bonded chromium carbide matrix having silver and calcium fluoride-barium fluoride process particles dispersed therein, wherein the process has a friction coefficient of at least 0.0 and no greater than 0.2. And a second self-lubricating wear resistant layer, wherein the second wear resistant layer adheres to the first material layer, 상기 제 1 재료 층 및 상기 제 2 내마모 층이 밀착된 상태로 팽창 및 수축될 수 있는 유사한 열 팽창 특성을 갖는 보호 코팅.A protective coating having similar thermal expansion properties that can cause the first material layer and the second wear resistant layer to expand and contract in tight contact. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 내마모 층은 대략 316℃(600°F) 이상 최대 482℃(900°F) 까지에서 영향을 받지 않도록 유지되는 고온의 일체성을 갖는 보호 코팅.The protective coating of claim 1, wherein the second wear resistant layer is maintained unaffected at least between about 316 ° C. (600 ° F.) and up to about 482 ° C. (900 ° F.). 제 1항에 있어서, 상기 제 1 재료 층이 지르코니아로 이루어지는 보호 코팅.The protective coating of claim 1 wherein said first layer of material consists of zirconia. 제 1항에 있어서, 상기 연소실 벽 표면에 상기 제 1 재료층을 고착 시키기 위한 접합 코팅을 더 포함하는 보호 코팅.The protective coating of claim 1 further comprising a bonding coating for securing the first layer of material to the combustion chamber wall surface. 제 4항에 있어서, 고착을 위한 접합 코팅물은 몰리브덴, 크롬, 알루미늄 및 이트륨의 합성물인 보호 코팅.The protective coating of claim 4 wherein the bonding coating for fixation is a composite of molybdenum, chromium, aluminum and yttrium. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 재료층의 두께가 조작 열 플럭스 분포 특성에 비례하고, 엔진 벽에 상기 제 1 재료 층이 없는 보호 코팅.The protective coating of claim 1 wherein the thickness of the first material layer is proportional to the operational heat flux distribution characteristic and the engine material is free of the first material layer. 낮 열 팽창 계수, 기초 재료에 대한 양호한 접착성 및 상승된 온도에서도 유지되는 고 강도를 갖는 보호코팅을 갖는 마찰 베어링 기계부품에 있어서,In a friction bearing mechanical part having a low thermal expansion coefficient, good adhesion to the base material and a protective coating having a high strength maintained even at elevated temperatures, 마찰 베어링 기계 표면과,Friction bearing machine surface, 0.0 이상 10 BTU.ft/hr.ft2°F 이하의 열전도율을 갖고 상기 벽 표면에 고착되는 쎄라믹 재료로 이루어진 제 1 열 장벽 재료 층, 및A first thermal barrier material layer made of a ceramic material having a thermal conductivity of 0.0 or more and 10 BTU.ft / hr.ft2 ° F or less and fixed to the wall surface, and 내부에 분산된 은 및 칼슘 플루오르화물-바륨 플루오르화물 공정물 입자를 갖는 니켈 합금 결합된 크롬 탄화물 매트릭스를 포함하는 재료로 이루어지는 제 2 자체 윤활 내마모층으로서, 상기 공정물이 0.0 이상 0.2 이하의 마찰계수를 가지며 상기 제 2 내마모 층이 상기 제 1 재료층에 고착되는 제 2 자체 윤활 내마모층을 포함하고 있으며,A second self-lubricating wear resistant layer consisting of a material comprising a nickel alloy bonded chromium carbide matrix having silver and calcium fluoride-barium fluoride process particles dispersed therein, wherein the process has a friction coefficient of at least 0.0 and no greater than 0.2. And a second self-lubricating wear resistant layer, wherein the second wear resistant layer adheres to the first material layer, 상기 제 1 재료 층 및 상기 제 2 내마모 층이 밀착된 상태로 팽창 및 수축될 수 있는 유사한 열 팽창 특성을 갖는 마찰 베어링 기계표면.A friction bearing mechanical surface having similar thermal expansion properties that can be expanded and contracted while the first material layer and the second wear resistant layer are in intimate contact. 제 7항에 있어서, 상기 제 2 내마모 층은 대략 316℃ 이상 최대 482℃ 까지에서 영향을 받지 많도록 유지되는 고온의 일체성을 갖는 마찰 베어링 기계표면.8. The friction bearing mechanical surface of claim 7 wherein said second wear resistant layer remains largely unaffected from about 316 ° C. up to 482 ° C. 제 7항에 있어서, 상기 제 1 재료 층이 지르코니아로 제조되는 마찰 베어링 기계표면.8. The friction bearing mechanical surface of claim 7, wherein said first layer of material is made of zirconia. 제 7항에 있어서, 상기 기계 표면에 상기 제 1 재료 층을 고착시키기 위한 접합 코팅을 더 포함하는 마찰 베어링 기계표면.8. The friction bearing machine surface of claim 7, further comprising a bond coating for securing the first layer of material to the machine surface. 제 7항에 있어서, 상기 제 1 재료 층의 두께가 조작 열 플럭스 분포 특성에 비례하고, 기계표면을 형성하는 벽에 상기 제 1 재료 층이 없는 기계표면.8. The mechanical surface of claim 7, wherein the thickness of the first material layer is proportional to the operational heat flux distribution characteristic and wherein the wall forming the mechanical surface is free of the first material layer. 제 10항에 있어서, 고착을 위한 결합 코팅물은 몰리브덴, 크롬, 알루미늄 및 이트륨의 합성물인 기계표면.The mechanical surface of claim 10, wherein the bond coating for fixation is a composite of molybdenum, chromium, aluminum, and yttrium.
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