KR100643617B1

KR100643617B1 - 엔진 마찰저감용 타펫의 ｗｃｃ 코팅방법

Info

Publication number: KR100643617B1
Application number: KR1020040092880A
Authority: KR
Inventors: 안승균
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-11-15
Filing date: 2004-11-15
Publication date: 2006-11-10
Also published as: KR20060047056A

Abstract

본 발명은 엔진 마찰저감용 타펫의 WCC 코팅방법에 관한 것으로서, 타펫의 모재 표면을 코팅하는 방법에 있어서, 코팅전 침탄된 타펫의 표면을 버핑(Buffing) 처리하여 표면 거칠기가 0.06 ~ 0.07㎛인 요철을 준 후, 코팅온도 180℃ 이하에서 텅스텐 탄화물 탄소(WCC) 코팅을 2 ~ 3㎛ 두께로 처리함으로써, 기존의 침탄재 타펫과 대비하여, 엔진의 실제주행 영역인 2500 ~ 3000rpm에서의 마찰 저감 특성이 우수하며, 특히 엔진 길들이기 시간(Break-in time)을 1시간 이내로 줄여 엔진 초기의 마찰 저감을 개선할 수 있게 되어 결과적으로 엔진 연비를 향상시킬 수 있는 엔진 마찰저감용 타펫의 WCC 코팅방법에 관한 것이다.

엔진 마찰저감용, 타펫, WCC 코팅 방법

Description

엔진 마찰저감용 타펫의 ＷＣＣ 코팅방법{Method for Tungsten Carbide Carbon coating of tappet in engine}

도 1은 본 발명에 따른 엔진 마찰저감용 타펫의 WCC 코팅방법에 따른 타펫 코팅층의 구조를 나타내는 사진,

도 2는 본 발명에 따른 엔진 마찰저감용 타펫을 WCC 코팅함에 있어서, 코팅장치를 나타내는 도면,

도 3과 도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 실시예의 코팅층과 종래 방법에 따른 비교예의 코팅층에 대하여 각각 20시간 엔진 길들이기 후의 마찰 특성과 엔진 길들이기 시간별 마찰 특성을 나타내는 그래프,

도 5는 일반적인 밸브 트레인 기구를 나타내는 개략적인 도면이다.

본 발명은 엔진 마찰저감용 타펫의 WCC 코팅방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 타펫의 모재 표면을 코팅하는 방법에 있어서, 코팅전 침탄된 타펫의 표면을 버핑(Buffing) 처리하여 표면 거칠기가 0.06 ~ 0.07㎛인 요철을 준 후, 코팅온 도 180℃ 이하에서 텅스텐 탄화물 탄소(WCC) 코팅을 2 ~ 3㎛ 두께로 처리하는 엔진 마찰저감용 타펫의 WCC 코팅방법에 관한 것이다.

일반적으로, 밸브 트레인계는 엔진에서 실린더의 흡배기 밸브를 여닫는 역할을 수행하는 기구로서, 트럭, 버스 등에 사용되는 대형 디젤 엔진에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 밸브 스프링(140)을 개재하여 밸브(150)가 장착된 로커 아암(130)과 푸시 로드(120), 그리고 타펫(Tappet)(100)으로 구성된 오버 헤드 캠 타입(Overhead Cam Type)의 밸브 트레인계를 사용하는데, 상기 타펫(100)은 푸시 로드(120)와 캠(110) 및 캠 샤프트 사이에서 캠(110)의 변위 변화를 이용하여 왕복 운동하게 한다.

이러한 타펫(100)에 대해, 최근에는 환경보호와 소비자 보호 운동에 의해 고출력, 저연비, 무정비(Maintenance Free) 엔진에 대한 요구가 높아지면서 밸브 트레인계의 사용 환경은 고출력으로 인하여 접촉 응력과 윤활 조건이 가혹해지고 장시간의 수명이 요구되고 있다.

그런데, 이와 같은 밸브 트레인계에서의 파손은 불완전 연소로 인하여 배기 가스와 매연이 증가하고 엔진의 소음과 진동을 과도하게하여 차량 전체 시스템의 성능을 급격하게 감소시킨다.

밸브 트레인계 부품중 핵심 요소인 타펫(100)의 파손(Failure)은 주로 캠(110)과의 롤링 및 슬라이딩 접촉으로 고속으로 미끄럼 마찰을 하기 때문에 미끄럼 마모에 의해 스커핑(Scuffing)을 일으키거나 표면 피로에 의한 박리 현상인 피팅(Pittig)을 일으키게 된다.

스커핑과 피팅의 손상을 받으면 급격하게 파손이 진전되기 때문에 엔진 소음 증가와 밸브 개폐 시기의 불안정화나 밸브 기밀 유지의 불안정으로 연료가 불완전 연소하고 결국 소음이나 배기 가스의 문제를 낳게 된다.

따라서, 이러한 마찰을 줄이기 위해 캠 샤프트와 타펫(100)의 조도 개선을 위해 경면가공을 하거나 저마찰 플라즈마 코팅(WCC-Balzers사 특허, TiN(Droplet) DLC(PVD), DLC(PACVD))을 개발해 선진 자동차 메이커에서는 양산중에 있다.

또한, 코팅용 모재는 저탄소 침탄용 강재인 Cr-Mo을 이용하여 침탄을 한 후, 온도 180℃를 전후에서 템퍼링을 하게 되므로, 코팅 처리온도를 템퍼링 온도 이하에서 처리하는 것이 필요하나, 만일 템퍼링 온도 이상에서 처리를 할 경우, 침탄층의 경도가 연화될 뿐만 아니라 모재의 경도가 저하되어 변형을 유발하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 타펫의 모재 표면을 코팅하는 방법에 있어서, 코팅전 침탄된 타펫의 표면을 버핑(Buffing) 처리하여 표면 거칠기가 0.06 ~ 0.07㎛인 요철을 준 후, 코팅온도 180℃ 이하에서 텅스텐 탄화물 탄소(WCC) 코팅을 2 ~ 3㎛ 두께로 처리함으로써, 기존의 침탄재 타펫과 대비하여, 엔진의 실제주행 영역인 2500 ~ 3000rpm에서의 마찰 저감 특성이 우수하며, 특히 엔진 길들이기 시간(Break-in time)을 1시간 이내로 줄여 엔진 초기의 마찰 저감을 개선할 수 있게 되어 결과적으로 엔진 연비를 향상시킬 수 있는 엔진 마찰저감용 타펫의 WCC 코팅방법을 제공하는데 그 발명의 목적이 있다.

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 타펫의 모재 표면을 코팅하는 방법에 있어서,

스퍼터건의 α-Cr타겟을 모재에 스퍼터링 시키는 단계와;

WC(텅스텐 탄화물) 타겟을 상기 모재에 스퍼터링 시키며, 이와 동시에 반응가스인 아세틸렌(C₂H₂)를 이용하여 아르곤 가스를 분해시켜 C(탄소)를 스퍼터링 시킨 모재의 WC층 위에 증착시키는 단계와;

α-Cr층을 제외하고, WC층 및 C층을 반복적으로 코팅하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 타펫의 모재는 그 표면을 버핑(Buffing) 처리하여 표면 거칠기가 0.06 ~ 0.07㎛인 요철을 준 후, 코팅온도 180℃ 이하에서 텅스텐 탄화물 탄소(WCC) 코팅을 2 ~ 3㎛ 두께로 처리하여 코팅하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 엔진 마찰저감용 타펫의 WCC 코팅방법에 따른 타펫 코팅층의 구조를 나타내는 사진이고, 도 2는 본 발명에 따른 엔진 마찰저감용 타펫을 WCC 코팅함에 있어서, 코팅장치를 나타내는 도면이다.

이에 도시한 바와 같이, 본 발명에서는 타펫에서 요구되는 마찰저감 특성의 향상을 위하여 타펫의 모재 표면에 대하여 코팅 공정이 이루어지게 되는 바, 도 2에 도시된 코팅 장치를 통해 코팅 공정이 이루어지게 된다.

이러한 코팅 장치를 이용한 코팅 공정은 먼저, 글로방전(Glow Discharge)을 실시한 방전관의 모재 및 상기 모재에 코팅된 코팅층의 밀착력을 향상시키기 위하여 스퍼터건의 α-Cr타겟을 모재에 스퍼터링 시킨 다음, WC(텅스텐 탄화물) 타겟을 상기 모재에 스퍼터링 시키며, 이와 동시에 반응가스인 아세틸렌(C₂H₂)를 이용하여 아르곤 가스를 분해시켜 C(탄소)를 스퍼터링 시킨 모재의 WC층 위에 증착시킨다.

이후, α-Cr층을 제외하고, WC층 및 C층을 반복적으로 코팅하는 바, 그 코팅층의 두께를 2 ~ 3㎛로 처리하게 된다.

한편, 코팅전 침탄된 타펫의 표면은 버핑(Buffing) 처리하여 표면 거칠기가 0.06 ~ 0.07㎛인 요철을 준 다음, 코팅온도 180℃ 이하에서 코팅하게 된다.

여기서 코팅온도를 180℃ 이하로 한정한 이유는 타펫의 열처리시 템퍼링 온도가 180℃이므로 코팅 온도가 템퍼링 온도를 초과하게 될 경우, 침탄층이 연화되어 모재의 경도가 저하되므로 이를 억제하여 향상된 경도 수준(HRc 60-61)을 유지할 수 있도록 하기 위함이다.

이와 같은 코팅방법에 따른 타펫의 코팅층의 구조는 도 1에 도시된 바와 같 이, 내마모성이 뛰어난 텅스텐 탄화물로 이루어진 코팅 최외각층과, 내식저항, 내하중성 및 윤활성이 뛰어난 비정질 탄소로 이루어진 기능층이 WC/C/WC/C/WC/C.....구조로 반복적으로 번갈아 적층되어진 다층막 구조로 구성되며, 각 층의 두께는 10㎚크기로 된다.

상기와 같이 코팅전 침탄된 타펫의 표면을 버핑(Buffing) 처리하여 표면 거칠기가 0.06 ~ 0.07㎛인 요철을 준 후, 코팅온도 180℃ 이하에서 텅스텐 탄화물 탄소(WCC) 코팅을 2∼3㎛ 두께로 처리함으로써, 기존의 침탄재 타펫과 대비 마찰 저감을 개선할 수 있게 되어 결과적으로 엔진 연비를 향상시킬 수 있게 된다.

이와 같이, 상기 타펫은 밸브 트레인계 타입 뿐만 아니라, HLA(Hydraulic Lash Adjuster)의 타펫, MLA(Mechanical Lash Adjuster)의 심(Shim), 버켓(Bucket) 등의 타펫 종류 모두 가능한 것이 바람직하다.

이하, 다음의 실시예에 의거하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하는 바, 본 발명이 다음의 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예

표 1에 나타난 바와 같이, 표면 거칠기 0.06 ~ 0.07㎛, 경도 1500Hv, 코팅온도 180℃ 이하에서 텅스텐 탄화물 탄소(WCC) 코팅을 2 ~ 3㎛ 두께로 처리하였다.

비교예1,2

표 1에 나타난 바와 같이, 표면 거칠기 0.07 ~ 0.08㎛, 경도 690 ~ 720Hv인 침탄재 및, 표면 거칠기 0.08 ~ 0.09㎛, 경도 1500Hv, 코팅온도 180℃ 이하에서 텅스텐 탄화물 탄소(WCC) 코팅을 1 ~ 2㎛ 두께로 처리하였다.

시험예

상기와 같이, 실시예와 비교예 1,2에서 얻어진 두 시편을 사용하여 표 2에 나타난 시험 조건을 토대로 하여 엔진 길들이기 시간에 따른 엔진 속도 및 시간에 대한 마찰 특성을 측정하였으며, 그 결과를 도 3과, 도 4a 및 도 4b에 각각 나타내었다.

먼저, 첨부한 도 3은 본 발명에 따른 실시예의 코팅층과 종래 방법에 따른 비교예의 코팅층에 대하여 20시간 엔진 길들이기 후의 마찰 특성을 나타내는 그래프로서, 상기 그래프에 나타난 바와 같이, 버핑 처리한 후, WCC코팅을 한 타펫 코팅재는 20시간 엔진 길들이기 완료 후에 실 주행영역인 2500 ~ 3000RPM에서 25 ~ 30%의 마찰 저감 효과를 이룰 수 있었으며, 특히 저 RPM 영역인 2000RPM에서 마찰 저감 효과가 두드러짐을 알 수 있었다.

또한, 첨부한 도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 실시예의 코팅층과 종래 방법에 따른 비교예의 코팅층에 대하여 엔진 길들이기 시간별 마찰 특성을 나타내는 그래프이다.

상기 그래프에 나타난 바와 같이, 버핑 처리한 후, WCC코팅을 한 타펫 코팅재의 엔진 길들이기 시간이 2시간 이내로 개선됨을 알 수 있으며, 특히 3000RPM에 비하여 1000RPM에서의 효과가 큰 것을 알 수 있다.

이는 주행 초기부터 연비의 절감 효과를 얻을 수 있다는 것을 의미하는 것으로서, 본 발명에 따른 타펫의 코팅방법을 통해 마찰 저감 특성이 우수한 타펫 코팅층을 얻을 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 엔진 마찰저감용 타펫의 WCC 코팅방법에 의하면, 기존의 침탄재 타펫과 대비하여, 엔진의 실제주행 영역인 2500 ~ 3000rpm에서의 마찰 저감 특성이 우수하고, 특히 엔진 길들이기 시간(Break-in time)을 1시간 이내로 줄여 엔진 초기의 마찰 저감을 개선할 수 있게 되어 결과적으로 엔진 연비를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

삭제
스퍼터건의 α-Cr타겟을 모재에 스퍼터링 시키는 단계와, WC(텅스텐 탄화물) 타겟을 상기 모재에 스퍼터링 시키며 이와 동시에 반응가스인 아세틸렌(C₂H₂)를 이용하여 아르곤 가스를 분해시켜 C(탄소)를 스퍼터링 시킨 모재의 WC층 위에 증착시키는 단계와, α-Cr층을 제외하고 WC층 및 C층을 반복적으로 코팅하는 단계를 포함하여 이루어진 엔진 마찰저감용 타펫의 WCC 코팅방법에 있어서,

상기 타펫의 모재는 그 표면을 버핑(Buffing) 처리하여 표면 거칠기가 0.06 ~ 0.07㎛인 요철을 준 후, 코팅온도 180℃ 이하에서 텅스텐 탄화물 탄소(WCC) 코팅을 2 ~ 3㎛ 두께로 처리하여 코팅하는 것을 특징으로 하는 엔진 마찰저감용 타펫의 WCC 코팅방법.