KR100783967B1

KR100783967B1 - 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀

Info

Publication number: KR100783967B1
Application number: KR1020060098276A
Authority: KR
Inventors: 안승호; 김정구
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-10-10
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2007-12-10

Abstract

본 발명은 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차용 실린더 블록내 피스톤 및 피스톤 링 부품(단품)에 대해 마모 부식에 대한 상승효과를 정량적으로 평가할 수 있는 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 회전구동수단이 내재된 받침대와; 상기 받침대상에 회전 가능하게 고정되며 황산부식용액이 충진된 투명 케이스와; 상기 케이스의 측부 및 상부를 감싸면서 상기 받침대의 주변에 고정 장착되는 아크릴판체와; 상기 투명 케이스의 바닥면에 부착되는 시편과; 상기 시편의 표면에 대한 내마모 시험 및 그 결과치를 도출하는 시험측정수단과; 상기 시편에 대한 전위 변화를 측정하기 위한 전기화학시험장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀을 제공한다.

엔진 부품, 마모부식 시험, 전기화학적 시험셀

Description

엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀{Electrochemical testing cell}

도 1은 본 발명에 따른 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀을 나타내는 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀의 실제 모습을 나타내는 사진,

도 3은 본 발명에 따른 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀의 등가회로,

도 4는 본 발명에 따른 본 발명에 따른 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀의 동작 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 받침대 12 : 투명 케이스

14 : 황산부식용액 16 : 아크릴 판체

18 : 시편 20 : 마찰력 제공수단

22 : 로드셀 인디케이터 24 : 로드셀

26 : 볼 28 : 데이타수집장치

30 : 전기화학시험장치 32 : 작업전극

34 : 보조전극 36 : 기준전극

38 : 포텐시어스태트 40 : 주파수 반응 분석기

42 : 가스 버블러

본 발명은 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차용 실린더 블록내 피스톤 및 피스톤 링 부품(단품)에 대해 마모 부식에 대한 상승효과(Synergistic effect)를 정량적으로 평가할 수 있는 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀(Electrochemical testing cell)에 관한 것이다.

엔진의 피스톤은 윤활성을 좋게 하기 위해 그래파이트(GRAPHITING)로 표면 처리되며, 피스톤 링은 윤활성과 내마모성, 내열성을 향상시킬 목적으로 크롬(Cr) 도금을 하게 된다.

그러나, 자동차의 피스톤 및 피스톤 링은 엔진내 황(S) 성분이 오일막을 훼손시켜 점도를 떨어뜨리므로 마찰계수가 높아 재료가 마모 부식되고, 이는 손상된 코팅부와 재료 사이의 갈바닉효과(Galvanic effect)로 열화를 가속시키게 된다.

따라서, 연비와 엔진출력을 저하시키는 주된 요인으로 작용하고 있다.

일반적으로, 자동차용 실린더 블록에 적용되는 재료의 마모부식 거동에 대한 정량적이고 신뢰성있는 평가 방법이 부재된 상태이며, 자동차 엔진부품에 적용되는 코팅재 및 일반 재료에 대한 마모특성 평가의 기준은 잘 정립되어 있으나 마모부식으로 인한 상승효과를 정량화할 수 있는 평가방법이 부재된 상태이다.

이는, 무엇보다 평가용 시험셀 제작이 어렵다는 점도 있으며 마모부식된 시편의 수명을 예측할 수 있는 전기화학적 시험셀 구성과 측정에 한계가 있기 때문이다.

개발 차량에 대해 전반적인 방청 품질은 향상되고 있으나, 엔진부에 발생되는 마모와 부식으로 인한 내구수명 예측에 한계가 있어 이 분야에 대한 방청내구성을 확보할 필요가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 자동차 엔진부품용 재료의 마모부식 특성평가를 통해 방청내구성을 검증하며 부식특성 평가에 대한 평가 기술력의 우위를 달성할 수 있도록 하고, 또한 자동차용 엔진부품 중 피스톤인 경우, 재료에 대해 마모로 인한 마모부식 발생부를 전기화학적인 시험셀을 부착해서 마모부식 특성을 마모와 부식이라는 관점에서 동시에 평가하고 방청내구성이 얼마나 되는지를 평가할 수 있도록 한 엔진의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적 달성으로, 기존의 단품의 시편을 절취해서 마모특성만 평가했던 한계점에서 벗어나 마모로 인한 마모량과 부식이라는 관점에서 재료의 열화도를 부식속도로 환산시켜 평가 가능하고, 이를 통해 마모와 부식으로 인한 상승효과(Synergistic effect)를 도출할 수 있으며, 또한 자동차 엔진에 적용되는 재료의 신뢰성과 안정성, 평가 기술력을 달성할 수 있고, 자동차용 재료의 종류에 상관없이 평가가 가능하며 전기화학적 평가는 DC법과 AC법(임피던스분광시험법) 무관하게 평가될 수 있는 효과를 제공하고자 한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 회전구동수단이 내재된 받침대와; 상기 받침대상에 회전 가능하게 고정되며 황산부식용액이 충진된 투명 케이스와; 상기 케이스의 측부 및 상부를 감싸면서 상기 받침대의 주변에 고정 장착되는 아크릴판체와; 상기 투명 케이스의 바닥면에 부착되는 시편과; 상기 시편의 표면에 대한 내마모 시험 및 그 결과치를 도출하는 시험측정수단과; 상기 시편에 대한 전위 변화를 측정하기 위한 전기화학시험장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀을 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 시험측정수단은 상기 시편의 표면에 접촉되는 마모시험용 지지대와; 상기 마모시험용 지지대를 시편의 표면에 접촉되게 가압하는 가압수단과; 상기 가압수단으로부터의 마찰력 결과 측정치를 수집하는 데이타수집장치로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 전기화학시험장치는 상기 마모가 발생되는 재료인 시험편과 연결되는 작업전극과; 상기 투명 케이스내의 황산부식용액에 잠기면서 생성된 전자들을 환원시키기 위해 상기 아크릴판체에 관통 고정되는 보조전극(Counter electrode)과; 상기 투명 케이스내의 황산부식용액에 잠기면서 마모가 발생되는 재료인 상기 시험편의 전위 변화를 측정하기 위한 기준전극(Reference electrode)과; 상기 각 전극과 전기적 신호를 송수신하여 시험편의 부식속도를 측정하는 포텐시어스태트(potentiostat)와; 상기 포텐시어스태트와 연결되는 주파수 반응 분석기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 황산부식용액내의 공기를 제거하기 위하여 질소를 퍼징시키는 가스 버블러가 상기 아크릴판체에 고정 장착된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 엔진의 단품에 대한 방청 보증년한이 증가하고 개발기간이 단축되는 현실을 감안할 때, 자동차 엔진용 단품의 방청 내구성을 마모부식이라는 관점에서 평가 가능하도록 한 시험셀을 제공하고자 한 것이다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀을 나타내는 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀의 실제 모습을 나타내는 사진이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 회전구동수단이 내재된 받침대(10)상에 투명 케이스(12)가 장착되고, 이 투명 케이스(12)내에는 황산부식용액(14)이 충진된다.

또한, 상기 투명 케이스(12)의 측부 및 상부를 감싸면서 상기 받침대(10)의 주변에는 아크릴 판체(16)가 고정 장착되며, 이 투명 케이스(12)의 바닥면에는 시편(18)이 부착된다.

마모부식시험 셀의 시편이 놓이는 부분에는 스테인리스강이 아크릴 재질의 투명 케이스의 바닥면으로부터 약 0.2mm정도 돌출되어 평가하고자 하는 재료와 전기적 접촉을 유지하도록 한다.

이때, 상기 스테인레스 돌출부가 크게 되면 평가재의 중심이 잡히지 않아 마모부식 시험시 마모 데이터의 오류가 있으므로 약 0.2mm정도 돌출되게 하고, 그 위에 평가용 시편(재료 : CAST IRON재질, Cr도금 코팅 등)을 올려놓고 실리콘으로 실링처리를 하며, 실링 처리후 최소 3시간이상 공기중에서 건조시킨다.

이러한 건조 과정은 마모부식 시험간 부식속도를 산출할수 있는 신뢰도를 좌우한다.

상기 부식용액은 자동차 엔진의 부식 환경을 결정짓는 20wt% 황산(H₂SO₄)을 사용한다.

여기서, 상기 시편의 표면에 대한 내마모 시험 및 그 결과치를 도출하는 시험측정수단과, 상기 시편에 대한 전위 변화를 측정하기 위한 전기화학시험장치가 구비된다.

상기 시험측정수단은 시편의 표면에 그 하단이 접촉되는 마모시험용 지지대와, 상기 마모시험용 지지대를 시편의 표면에 접촉되게 가압하는 가압수단과, 상기 가압수단으로부터의 마찰력 결과 측정치를 수집하는 데이타수집장치(Data Acquisition System)로 구성된다.

상기 마모시험용 지지대의 하단끝에는 시편에 접촉되는 볼이 부착되어 있고, 그 상단은 노멀 로드(normal load)를 제공하는 마찰력 가압수단과 연결된다.

또한, 상기 마찰력 가압수단은 마모시험용 지지대(24)에 노멀 로드를 제공하는 마찰력 제공수단(20) 및 로드셀 인디케이터(22)를 포함한다.

따라서, 상기 로드셀(24)의 하단끝에 부착된 볼(26)이 시편에 접촉된 상태에서 상기 받침대(10)가 회전하는 동시에 상기 투명 케이스(12)가 회전을 하게 되어, 시편(18)에 대한 내마모성 시험이 진행되어진다.

이에, 상기 데이타 수집장치(28)에 시편(18)에 대한 마찰계수 및 마모량이 수집되어 내마모성에 대한 평가를 할 수 있게 된다.

여기서, 상기 시편(18)에 대한 전위 변화를 측정하여 부식속도를 얻을 수 있는 전기화학시험장치(30)가 구비된다.

상기 전기화학시험장치(30)는 상기 마모가 발생되는 재료인 시편(18)과 연결되는 작업전극(32)과, 상기 투명 케이스(12)내의 황산부식용액(14)에 잠기면서 생성된 전자들을 환원시키기 위해 상기 아크릴 판체(16)에 관통 고정되는 보조전극(34: Counter electrode)과, 상기 투명 케이스(12)내의 황산부식용액(14)에 잠기면서 마모가 발생되는 재료인 상기 시편(18)의 전위 변화를 측정하기 위한 기준전극(36: Reference electrode)과, 상기 각 전극과 전기적 신호를 송수신하여 시험편의 부식속도를 측정하는 포텐시어스태트(38: potentiostat)와, 상기 포텐시어스 태트(38)와 연결되는 주파수 반응 분석기(40)를 포함하여 구성된다.

상기 작업전극(32: Working electrode)은 마모시험기의 상대재 즉, 로드셀(24)의 하단끝에 부착된 알루미나 볼(26)을 통해 마모가 발생되는 시편(18)재료에 연결된다.

상기 기준전극(36: Reference electrode)은 마모가 발생하는 시편(18)재료의 전위변화를 측정하기 위해 포화칼로멜 전극(Saturated KCl)을 사용한다.

또한, 상기 보조전극(34: Counter electrode)은 작업전극(32)에서 생성된 전자들을 환원시키기 위해 비활성의 탄소봉전극이나 백금전극을 사용한다.

위와 같이, 본 발명의 마모부식 시험셀이 구비된 상태에서 측정하고자 하는 부위의 전위가 안정화되도록 최소 1시간이내에서 안정화시킨다.

상기 주파수 반응 분석기(40)의 데이터에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 측정부위에서 최소 3회이상 측정하고 데이터를 평균화한다.

상기 데이터 수집장치인 주파수 반응 분석기(40)는 상용화된 전기화학시험장치(30: POTENTIOSTAT/GALVANOSTAT)를 이용하고 포터블 상태에서 측정한다.

이와 같이, 상기 시험측정수단에 의하여 마찰계수와 마모량이 측정되고, 전기화학시험장치를 통해 부식속도가 측정되기 때문에 감응속도가 큰 임피던스 분광시험법으로 측정하도록 하되, 저주파영역(최소 1mHz)에 중점을 두도록 하며, 상기 전기화학시험장치의 측정 조건은 다음과 같다.

- 측정 주파수대역 : 100kHz ~ 1mHz

- 진폭 : ±10 mV

- 데이터에 대한 핏팅(FITTING) : 등가회로(Equivalent circuit)에 대한 구성은 도 3에 도시된 바와 같이, 코팅저항(Pore resistance, Rpore)과 전하이동저항(Charge transfer resistance, Rct)으로 구성되며, 여기서 코팅저항과 전하이동저항의 값을 더했을 때 부식속도의 산출이 가능하다.

한편, 상기 황산부식용액(14)내의 공기를 제거하기 위하여 질소를 퍼징시키는 가스 버블러(42)가 상기 아크릴 판체(16)에 고정 장착된다.

이와 같이, 본 발명의 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀은 엔진부품용 재료의 방청 내구성을 정량적으로 평가 가능하며, 이를 통해 품질보증 대응에 신속히 대처할 수 있게 해준다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀에 의하면, 자동차용 엔진부품 중 피스톤 재료에 대해 마모로 인한 마모부식 발생부를 전기화학적인 시험셀을 부착해서 마모부식 특성을 마모와 부식이라는 관점에서 동시에 평가하고 방청내구성이 얼마나 되는지를 평가할 수 있다.

이를 통해, 엔진 부품의 마모부식특성 평가에 대한 평가기술력을 확보할 수 있으며, 궁극적으로는 마모부식으로 인한 연비 및 엔진출력 저하를 선행단계에서 예방할 수 있는 효과를 제공한다.

Claims

회전구동수단이 내재된 받침대와;

상기 받침대상에 회전 가능하게 고정되며 황산부식용액이 충진된 투명 케이스와;

상기 케이스의 측부 및 상부를 감싸면서 상기 받침대의 주변에 고정 장착되는 아크릴판체와;

상기 투명 케이스의 바닥면에 부착되는 시편과;

상기 시편의 표면에 대한 내마모 시험 및 그 결과치를 도출하는 시험측정수단과;

상기 시편에 대한 전위 변화를 측정하기 위한 전기화학시험장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀.
청구항 1에 있어서, 상기 시험측정수단은:

상기 시편의 표면에 접촉되는 마모시험용 지지대와;

상기 마모시험용 지지대를 시편의 표면에 접촉되게 가압하는 가압수단과;

상기 가압수단으로부터의 마찰력 결과 측정치를 수집하는 데이타수집장치로 구성된 것을 특징으로 하는 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀.
청구항 1에 있어서, 상기 전기화학시험장치는:

상기 마모가 발생되는 재료인 시험편과 연결되는 작업전극과;

상기 투명 케이스내의 황산부식용액에 잠기면서 생성된 전자들을 환원시키기 위해 상기 아크릴판체에 관통 고정되는 보조전극(Counter electrode)과;

상기 투명 케이스내의 황산부식용액에 잠기면서 마모가 발생되는 재료인 상기 시험편의 전위 변화를 측정하기 위한 기준전극(Reference electrode)과;

상기 각 전극과 전기적 신호를 송수신하여 시험편의 부식속도를 측정하는 포텐시어스태트(potentiostat)와;

상기 포텐시어스태트와 연결되는 주파수 반응 분석기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀.
청구항 1에 있어서, 상기 황산부식용액내의 공기를 제거하기 위하여 질소를 퍼징시키는 가스 버블러가 상기 아크릴판체에 고정 장착된 것을 특징으로 하는 엔진 부품의 마모부식 시험용 전기화학적 시험셀.