KR100867912B1 - 비정질 경질 탄소막을 갖는 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및피스톤 핀 - Google Patents

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시게루 홋타
히로유키 모리
도시히데 오모리
마모루 도야마
요시오 시무라
히데오 다치카와
모토이치 무라카미
다카츠구 이와시타
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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
데이고쿠 피스톤링구 가부시키가이샤
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Abstract

윤활유를 이용하는 습식 조건에서 사용되는 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀으로서, 규소를 1 ~ 20 atomic % 만큼 함유하고 Rz 0.5 ㎛ 이하의 표면 조도를 가지는 비정질 경질 탄소막을 가지는 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
상기 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀은, 윤활유에 포함되는 첨가제의 흡착 또는 반응에 관계없이 윤활유를 이용하는 습식 조건에서 낮은 마찰 계수를 실현시킬 수 있다.

Description

비정질 경질 탄소막을 갖는 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀{PISTON RING, PISTON, CYLINDER AND PISTON PIN HAVING AMORPHOUS AND HARD CARBON FILM}
본 발명은, 윤활유를 사용하는 습식 조건에서 사용되고, 마찰 계수가 작으며, 내마모성에 있어서 우수한 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀에 관한 것이다.
엔진을 구성하는 피스톤, 피스톤 링, 실린더, 및 피스톤 핀 등의 활주 부재에 있어서, 자원 보존 또는 환경 문제를 고려하여 마찰로 인한 에너지 손실을 가능한 한 감소시킬 필요가 있다. 종래부터, 활주 부재의 활주면에 막을 형성하고 거기에 질화 처리 등의 표면 처리를 함으로써, 마찰 계수를 감소시키거나 내마모성을 향상시키려 해왔다. 그 중에서, DLC(다이아몬드형 탄소) 막이라고 불리는 비정질 경질 탄소막이 활주면의 활주성을 높이는 막으로 기대되어 왔다(예를 들어, 특허 문헌 1 및 2 참조).
특허 문헌 1 : 일본 공개 특허 공보 제 3-240957 호
특허 문헌 2 : 일본 공개 특허 공보 제 2001-192864 호
예를 들어, 전술한 특허 문헌 1 에서는 규소(Si)를 포함하는 비정질 경질 탄 소막이 개시되었다. 이 비정질 경질 탄소막은, 윤활유를 사용하지 않는 건조 조건에서 낮은 마찰 계수를 나타낸다. 그러나, 윤활유를 사용하는 습식 조건에서는 마찰 계수를 감소시키기가 어렵다. 그 요인으로서, 윤활유에 포함되는 다양한 첨가제의 영향을 생각할 수 있다. 윤활유 내의 첨가제는 비정질 경질 탄소막의 표면에 흡착되고 반응하여 경계막을 형성한다. 따라서, 마찰 계수는 활주 작동 중에 형성되는 경계막에 의해 결정된다고 여겨진다. 특히, 동력 전달을 위한 높은 마찰이 예상되는 구동계 오일을 사용하는 경우에, 마찰 계수를 감소시키기가 어렵다.
한편, 전술한 특허 문헌 2 에는 방향족 화합물을 함유하는 윤활유를 이용하려는 시도가 개시되었다. 방향족 화합물은 비정질 경질 탄소막에 대한 흡착력이 높기 때문에, 비정질 경질 탄소막의 표면에서 견고한 경계막을 형성한다. 즉, 비정질 경질 탄소막의 표면에 견고한 경계막을 형성시킴으로써, 고체 접촉 비율을 줄이고 마찰 계수를 감소시키려 한다. 그러나, 이 방법에서, 첨가제가 변경되는 경우에, 방향족 화합물 이외의 물질의 흡착 및 반응에 의해서, 마찰 계수의 감소가 방해될 우려가 있다. 또한, 환경 문제 등의 관점에서 첨가제의 종류의 재검토와 양의 적정화가 진행될 수 있다고 여겨진다. 이 경우에, 첨가제의 흡착 및 반응에 의한 전술한 방법에 의해서, 마찰 계수를 감소시키기가 어려워질 것이라고 예상된다.
본 발명은 이런 사정을 고려한 것이고, 윤활유를 이용하는 습식 조건에서 사용되는 경우에, 윤활유에 포함되는 첨가제의 흡착 및 반응에 의존하지 않고 낮은 마찰 계수를 실현시킬 수 있는 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀을 제공하는 것을 목표로 한다.
(1) 본 발명의 피스톤 링은 윤활유를 이용하는 습식 조건에서 사용되고, 피스톤 링 본체 및 피스톤 링 본체의 표면 중 적어도 일부분에 형성되는 비정질 경질 탄소막으로 구성되며, 비정질 경질 탄소막의 규소 함유량이 1 atomic % 이상, 20 atomic % 이하이고, 그 표면 조도가 Rz 0.5 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 피스톤 링은, 규소 향유량이 1 atomic % 이상, 20 atomic % 이하이고, 표면 조도가 Rz 0.5 ㎛ 이하인 비정질 경질 탄소막을 가진다. 비정질 경질 탄소막의 표면 조도는 상당히 작다. 따라서, 비정질 경질 탄소막을 활주면으로 하는 경우에, 고체-고체 접촉으로 인한 경계 마찰의 비율이 감소하지만, 윤활유에 의한 윤활의 비율은 증가한다. 따라서, 마찰 계수가 감소한다. 또한, 강 재료와 비교할 때, 비정질 경질 탄소막이 더 단단하고 더 마모되기 어렵다. 따라서, 대응 부재에 활주 가능하게 접촉하는 경우에도, 최초의 표면 조도를 유지할 수 있다. 또한, 비정질 경질 탄소막은 소정량의 규소를 포함한다. 본 발명의 분석에 따르면, 규소를 포함한다는 사실에 의해, 활주 가능하게 접촉하는 경우에 비정질 경질 탄소막의 표면에 실라놀(silanol, SiOH)이 생성된다. 이 실라놀의 생성에 의해서, 고체가 서로 접촉하는 경우라 할지라도, 경계 마찰이 급격하게 감소한다. 따라서, 본 발명의 피스톤 링은, 윤활유에 의한 윤활 비율의 증가와 경계 마찰의 감소 두 작용에 의해서 낮은 마찰 계수를 나타내게 된다. 또한, 내마모성에 있어서도 우수하다.
(2) 본 발명의 피스톤은 윤활유를 이용하는 습식 조건에서 사용되고, 피스톤 본체 및 피스톤 본체의 표면 중 적어도 일부분에 형성되는 비정질 경질 탄소막으로 구성되며, 비정질 경질 탄소막의 규소 함유량이 1 atomic % 이상, 20 atomic % 이하이고, 그 표면 조도가 Rz 0.5 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 피스톤은, 전술한 본 발명의 피스톤 링과 동일한 비정질 경질 탄소막을 가진다. 따라서, 비정질 경질 탄소막을 활주면으로 함으로써, 본 발명의 피스톤은 윤활유에 의한 윤활 비율의 증가와 경계 마찰의 감소 두 작용에 의해서 낮은 마찰 계수를 나타내게 된다. 또한, 내마모성에 있어서도 우수하다.
(3) 본 발명의 실린더는 윤활유를 이용하는 습식 조건에서 사용되고, 실린더 본체 및 실린더 본체의 내주면에 형성되는 비정질 경질 탄소막으로 구성되며, 비정질 경질 탄소막의 규소 함유량이 1 atomic % 이상, 20 atomic % 이하이고, 그 표면 조도가 Rz 0.5 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실린더에서, 전술한 본 발명의 피스톤 링과 동일한 비정질 경질 탄소막이 피스톤 링 또는 피스톤과 활주 가능하게 접촉하는 활주면이 된다. 따라서, 본 발명의 실린더는 윤활유에 의한 윤활 비율의 증가와 경계 마찰의 감소 두 작용에 의해서 낮은 마찰 계수를 나타내게 된다. 또한, 내마모성에 있어서도 우수하다.
(4) 본 발명의 피스톤 핀은 윤활유를 이용하는 습식 조건에서 사용되고, 피스톤 핀 본체 및 피스톤 핀 본체의 표면 중 적어도 일부분에 형성되는 비정질 경질 탄소막으로 구성되며, 비정질 경질 탄소막의 규소 함유량이 1 atomic % 이상, 20 atomic % 이하이고, 그 표면 조도가 Rz 0.5 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 피스톤 핀은 전술한 본 발명의 피스톤 링과 동일한 비정질 경질 탄소막을 가진다. 따라서, 비정질 경질 탄소막을 활주면으로 함으로써, 본 발명의 피스톤 핀은 윤활유에 의한 윤활 비율의 증가와 경계 마찰의 감소 두 작용에 의해서 낮은 마찰 계수를 나타내게 된다. 또한, 내마모성에 있어서도 우수하다.
(5) 활주 부재에 대한 본 발명의 제 1 조합은, 전술한 본 발명의 피스톤 링과 전술한 본 발명의 피스톤을 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 피스톤으로서, 비정질 경질 탄소막이 피스톤 링 홈에서 형성되는 방식을 채택하는 경우와, 본 발명의 피스톤 링으로서, 비정질 경질 탄소막이 피스톤의 왕복 이동 방향을 대향하는 피스톤 링 본체의 두 반대면에서 형성되는 방식을 채택하는 경우에, 본 조합에서 비정질 경질 탄소막이 서로 활주한다. 따라서, 각각에서의 마찰 계수의 감소 효과가 상승적으로 나타나므로, 마찰 계수를 훨씬 더 감소시킬 수 있다.
(6) 활주 부재에 대한 본 발명의 제 2 조합은, 전술한 본 발명의 피스톤 링이 조립된 피스톤과 전술한 본 발명의 실린더를 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 피스톤 링으로서, 비정질 경질 탄소막이 피스톤 링 본체의 외주면에서 형성되는 방식을 채택하는 경우에, 본 조합에서 비정질 경질 탄소막이 서로 활주한다. 따라서, 각각에서의 마찰 계수의 감소 효과가 상승적으로 나타나므로, 마찰 계수를 훨씬 더 감소시킬 수 있다.
(7) 활주 부재에 대한 본 발명의 제 3 조합은, 전술한 본 발명의 피스톤과 전술한 본 발명의 실린더를 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 피스톤으로서, 비정질 경질 탄소막이 피스톤 본체의 피스톤 스커트부에서 형성되는 방식을 채택하는 경우에, 본 조합에서 비정질 경질 탄소막이 서로 활주한다. 따라서, 각각에서의 마찰 계수의 감소 효과가 상승적으로 나타나므로, 마찰 계수를 훨씬 더 감소시킬 수 있다.
(8) 활주 부재에 대한 본 발명의 제 4 조합은, 전술한 본 발명의 피스톤과 전술한 본 발명의 피스톤 핀을 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 피스톤으로서, 비정질 경질 탄소막이 피스톤 구멍에서 형성되는 방식을 채택하는 경우와, 본 발명의 피스톤 핀으로서, 비정질 경질 탄소막이 피스톤 핀 본체의 외주면에서 형성되는 방식을 채택하는 경우에, 본 조합에서 비정질 경질 탄소막이 서로 활주한다. 따라서, 각각에서의 마찰 계수의 감소 효과가 상승적으로 나타나므로, 마찰 계수를 훨씬 더 감소시킬 수 있다.
본 발명의 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀은 모두 규소 함유량이 1 atomic % 이상, 20 atomic % 이하이고, 표면 조도가 Rz 0.5 ㎛ 이하인 비정질 경질 탄소막을 가진다. 비정질 경질 탄소막의 표면 조도가 작기 때문에, 윤활유에 의한 윤활 비율이 증가한다. 또한, 비정질 경질 탄소막이 규소를 포함하기 때문에, 경계 마찰도 줄어든다. 비정질 경질 탄소막이 활주면이 되도록 본 발명의 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀을 이용하는 경우에, 윤활유 내의 첨가제의 흡착 및 반응에 의존하지 않고 낮은 마찰 계수를 실현하는 것이 가능하다. 또한, 이것들을 적절하게 조합하여 사용함으로써, 마찰 계수를 훨씬 더 감소시킬 수 있다.
도 1 은, 피스톤이 배치된 실린더의 투과 사시도이다.
도 2 는, 동일한 피스톤에 조립되는 상부 링의 사시도이다.
도 3 은, 직류 플라즈마 CVD 막 형성 장치의 개략도이다.
도 4 는, 링 온 블록형 마모 시험 기기의 개략도이다.
도 5 는, DLC-Si 막의 표면 조도와 마찰 계수 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6 은, 막의 표면 조도와 마찰 계수 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7 은, 왕복 활주 시험 기기의 개략도이다.
도 8 은, 왕복 활주 시험에서의 마찰 계수에 대한 측정 결과를 나타내는 그래프이다(엔진 오일).
도 9 는, 왕복 활주 시험에서의 마찰 계수에 대한 측정 결과를 나타내는 그래프이다(경유).
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1: 실린더 10: 실린더 본체
11: 내주면 2: 피스톤
20: 피스톤 본체 21: 피스톤 링 홈
22: 피스톤 스커트부 23: 피스톤 핀 구멍
24: 피스톤 핀 30: 상부 링
31: 제 2 링 32: 오일 링
300: 상부 링 본체 301: 외주면
302: 상부면 303: 하부면
4: 직류 플라즈마 CVD 막 형성 장치 40: 챔버
41: 기부 스탠드 42: 가스 유입관
43: 가스 배출관
44: 스테인레스강으로 만들어진 양극판
45: 기재 5: 링 온 블록형 마찰 시험 기기
50: 블록형 시험편 51: 링형 시험편
52: 오일 욕 500: 막
6: 왕복 활주 시험 기기 60: 실린더 시뮬레이팅 부재
61: 링 시뮬레이팅 부재 62: 오일 공급관
이하, 본 발명의 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀을 상세히 설명하겠다. 처음에는, 본 발명의 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀에 공통되는 사항을 총괄하여 설명하겠다. 다음으로, 본 발명의 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀 각각에 특유한 사항을 개별적으로 설명하겠다. 또한, 마지막으로, 활주 부재에 대한 본 발명의 조합을 설명하겠다.
[공통 사항]
본 발명의 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀은 모두 윤활유를 이용하는 습식 조건에서 사용된다. 윤활유로서는, 일반적으로 사용되는 엔진 오일을 이용하는 것이 좋다.
본 발명의 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀이 가지는 비정질 경질 탄소막은 탄소 (C), 수소 (H), 규소 (Si) 를 포함한다. 규소 함유량은 1 atomic % 이상이고 20 atomic % 이하이다. 규소 함유량이 1 atomic % 미만인 경우에는, 경계 마찰의 감소 효과가 작다. 경계 마찰을 더 감소시키기 위해, 규소 함유량을 5 atomic % 이상, 그리고 6 atomic % 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 실용적인 막 형성 속도를 얻는다는 관점에서, 규소 함유량을 5 atomic % 보다 더 크게 하는 것이 바람직하다. 한편, 규소 함유량이 20 atomic % 를 초과하는 경우에는, 비정질 경질 탄소막의 마모량이 증가한다. 내마모성 및 내눌어붙음성을 고려하여, 규소 함유량을 9.8 atomic % 이하로 하는 것이 바람직하다. 규소 함유량을 9.5 atomic % 이하로 하는 것이 더 적절하다.
또한, 수소 함유량을 20 atomic % 이상 및 40 atomic % 이하로 하는 것이 좋다. 수소 함유량이 20 atomic % 미만인 경우에는, 비정질 경질 탄소막의 경도가 커지기는 하지만, 접착력 및 인성은 감소한다. 수소 함유량을 25 atomic % 이상으로 하는 것이 적절하다. 반대로, 수소 함유량이 40 atomic % 를 초과하는 경우에는, 비정질 경질 탄소막의 경도가 작아져서, 내마모성이 낮아진다. 수소 함유량을 35 atomic % 이하로 하는 것이 적절하다.
비정질 경질 탄소막의 표면 조도는 Rz 0.5 ㎛ 이하이다. 표면 조도가 Rz 0.5 ㎛ 를 초과하는 경우에는, 윤활유에 의한 윤활 비율의 증가를 기대할 수 없고, 따라서 마찰 계수를 감소시킬 수 없다. 바람직하게는, 표면 조도를 Rz 0.45 ㎛ 이하로 할 수 있다. 또한, 표면 조도를 Rz 0.3 ㎛ 이하로 하는 것이 더 적절하다. 표면 조도의 산출 방법은 JIS B0601 (1994) 에 규정된 방법에 따른다.
비정질 경질 탄소막의 경도는 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 내마모성 등을 고려할 때, 그것은 15 GPa 이상일 수 있다. 본 명세서에서는 비정질 경질 탄소막의 경도로서, 나노 인덴터(nano-indenter) 시험 기기 (주식회사 TOYO TECHNICA Corp. 에서 제조된 "MTS") 에 의해 측정치를 채택한다.
비정질 경질 탄소막은, 이미 공지되어 있는 플라즈마 CVD 법, 이온 도금법, 및 스퍼터링법 등의 CVD 법 또는 PVD 법에 의해 형성될 수 있다. 그러나, 스퍼터링법으로 대표되듯이, PVD 법에서는 막 형성 재료에 지향성이 있다. 따라서, 막을 균일하게 형성하기 위해서, 장치 내에 다수의 목표를 배치하거나 막이 형성되는 기재를 회전시킬 필요가 있게 된다. 결과적으로, 막 형성 장치의 구조가 복잡해지거나 가격이 비싸진다. 또한, 실린더의 내주면과 같은 기재의 형상에 따라서, 막을 형성하기 어려운 경우가 있을 수 있다. 한편, 플라즈마 CVD 법은 반응 가스에 의해 막을 형성하며, 복잡한 형상을 가지는 것에도 막을 쉽게 형성할 수 있다. 또한, 막 형성 장치의 구조도 간단하고 가격도 덜 비싸다. 플라즈마 CVD 법으로서는, 고주파 방전을 이용하는 고주파 플라즈마 CVD 법, 직류 방전을 이용하는 직류 플라즈마 CVD 법 등이 사용될 수 있다. 특히, 직류 플라즈마 CVD 법은, 막 형성 장치가 진공노와 직류 전원으로 구성될 수 있기 때문에 적합하다. 또한, 직류 플라즈마 CVD 법은, 피스톤 링의 외주면과 두 반대면에 동시에 막을 형성할 수 있고, 또한 실린더의 내주면에 대해서도 쉽게 막을 형성할 수 있기 때문에, 적합하다.
예를 들어서, 직류 플라즈마 CVD 법에 의해 비정질 경질 탄소막을 형성하는 경우에, 우선 진공 챔버 내에 기재를 우선 배치하고, 반응 가스 및 캐리어 가스를 챔버 안에 주입한다. 그리고, 방전에 의해 플라즈마가 발생되어, 반응 가스 중의 플라즈마 이온화된 C, CH, Si 등이 기재에 부착될 수 있다. 반응 가스로서는, 메탄(CH4)과 아세틸렌(C2H2) 등의 탄화수소 가스, Si(CH3)4 [TMS], SiH4, SiCl4, 및 SiH2F4 등의 규소 화합물 가스, 및 수소 가스를 사용하는 것이 좋고, 캐리어 가스로서는, 아르곤 가스를 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀이 각각의 비정질 경질 탄소막을 활주면으로 하면서 대응 부재와 활주 가능하게 접촉하는 경우에, 함유된 규소에 의해 비정질 경질 탄소막의 표면에서 실라놀이 생성된다. 예를 들어, 실라놀의 생성은 유도체화법을 이용한 XPS 분석에 의해 검출될 수 있다. 유도체화 XPS 분석은 이하의 과정으로 수행된다. 우선, 반응 시약인 트리데카플루오로-1,1,2,2-테트라하이드로옥틸-디메틸클로로실란(tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl-dimethylchlorosilane)이 들어있는 황산 안에, 활주 후의 비정질 경질 탄소막을 1 시간 동안 담근다. 이 때, 실라놀이 생성되는 경우, 막 표면 의 수산화기가 반응 시약의 염소와 반응하여 탈염산화된다. 다음으로, 비정질 경질 탄소막을 꺼내서, 클로로포름으로 충분히 씻는다. 그 후에, XPS 분석에 의해 F 의 양을 구함으로써 실라놀의 양을 양적으로 측정할 수 있다.
[피스톤 링]
본 발명의 피스톤 링은 피스톤 링 본체 및 피스톤 링 본체의 표면 중 적어도 일부분에 형성되는 비정질 경질 탄소막을 포함한다. 피스톤 링 본체의 재질로서는, 탄소강, 합금강, 및 주철 등의 철 계열 재료가 바람직하다. 비정질 경질 탄소막은, 그것과 실린더 사이의 마찰 계수를 감소시키기 위해서, 피스톤 링 본체의 외주면에 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 피스톤 링 홈과의 활주 가능한 접촉으로 인한 눌어붙음 또는 마모를 억제하기 위해서, 피스톤의 왕복 이동 방향을 향하는 두 반대면에 형성되는 것이 바람직하다. 피스톤 링의 눌어붙음 또는 마모가 억제된다는 사실에 의해, 일반적으로 피스톤 링 홈에 실시되는 알마이트 등의 내마모 처리가 불필요해져서, 비용이 감소될 수 있다. 따라서, 비정질 경질 탄소막은 피스톤 링 본체의 외주면과 피스톤의 왕복 이동 방향을 향하는 두 반대면 중에서 선택되는 하나 이상의 표면에 형성되는 것이 바람직하다.
일반적으로, 자동차 엔진의 수명은 300,000 km 이상이라고 말해진다. 따라서, 피스톤 링에도 높은 내구성이 요구된다. 따라서, 마모 등을 고려한다면, 비정질 경질 탄소막의 두께는 2 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 5 ㎛ 이상으로 한다면 더욱 적절하다.
활주면압이 100 MPa 이상으로 고압인 활주 환경에서, 비정질 경질 탄소막은 피스톤 링 본체로부터 박리되기 쉽다. 비정질 경질 탄소막의 박리를 억제하기 위해서, 피스톤 링 본체와 비정질 경질 탄소막 사이의 접착력은 20 N 이상(후술하는 스크래치 시험법에 따라서)인 것이 바람직하다. 활주면압이 1,000 MPa 이상으로 고압인 활주 환경에서 사용되는 경우에, 접착력은 30 N 이상(동일한 스크래치 시험법에 따라서)인 것이 바람직하다. 피스톤 링 본체와 비정질 경질 탄소막 사이의 접착력으로서는, 일반적인 스크래치 시험에 의한 막의 박리 하중을 채택한다. 즉, 120 도의 꼭지각 및 0.2 mm 의 선단부 반경의 다이아몬드 원뿔체에 하중을 가하면서 막을 긁고, 막이 박리될 때의 하중을 접착력으로 한다.
피스톤 링 본체와 비정질 경질 탄소막 사이의 접착성을 향상시킨다는 관점에서, 비정질 경질 탄소막이 형성되는 피스톤 링 본체의 표면에서 이온 충격법에 의한 요철 형성 처리가 미리 수행되는 것이 바람직하다. 이 요철 형성 처리에 의해서, 피스톤 링 본체의 표면은, 평균 높이가 10 nm 이상, 100nm 이하이고 평균 폭이 300 nm 이하인 돌출부를 가지는 요철면이 된다. 이 요철면에 비정질 경질 탄소막을 형성함으로써, 접착성이 향상된다. 형성된 요철면의 돌출부는 반구형으로 형성된다. 이 반구형 돌출부의 바닥에서 정점까지의 거리를 돌출부의 높이로 한다. 또한, 반구형 돌출부의 바닥의 최대 지름 (돌출부의 바닥면 형상이 완전한 원인 경우에는 지름, 또는 돌출부의 바닥면 형상이 완전한 타원인 경우에는 장축 지름) 에 상당하는 수평 거리를 돌출부의 폭으로 한다.
이 경우, 평균 높이가 10 nm 보다 작은 경우에는, 기계적인 고정 효과를 얻을 수 없어서, 접착성의 향상 효과가 충분하지 못하게 된다. 한편, 100 nm 를 초과하는 경우에는, 평평하고 매끄러운 비정질 경질 탄소막을 형성하기가 어려워진다. 평균 높이를 20 nm 이상, 70 nm 이하로 하는 경우에, 접착성은 더욱 향상된다는 점에 주목해야 한다. 또한, 평균 폭이 300 nm 를 초과하는 경우에, 고정 효과를 얻을 수 없어서, 접착성의 향상 효과가 충분하지 못하게 된다. 돌출부의 높이 및 폭은 주사형 전자 현미경 (SEM), 원자력 현미경 (AFM) 등에 의해 측정될 수 있다.
또한, 요철면을 차지하는 돌출부의 면적 비율은, 요철면의 면적을 100 % 로 했을 때, 30 % 이상일 수 있다. 돌출부의 면적 비율을 30% 이상으로 함으로써, 비정질 경질 탄소막의 접착성 향상 효과가 충분히 나타나도록 할 수 있다.
이온 충격법의 과정은 이하와 같다. 우선, 피스톤 링 본체가 밀폐된 챔버 내에 배치되고, 챔버 내의 가스가 소정의 가스압으로 배출된다. 가스압은 0.13 Pa 이상, 2,666 Pa 이하인 것이 바람직하다. 가스압이 0.13 Pa 보다 작은 경우에, 피스톤 링 본체를 충분히 가열할 수 없다. 2,666 Pa 을 초과하는 경우에는, 미세한 요철을 형성할 수 없다. 다음으로, 요철 형성 처리를 위한 가스가 주입된다. 요철 형성 처리를 위한 가스로서는, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 및 라돈 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상으로 구성되는 회유 가스를 이용하는 것이 좋다. 또한, 회유 가스에 수소를 더하는 경우에, 피스톤 링 본체 표면의 산화를 억제할 수 있다. 다음으로, 피스톤 링 본체의 표면에 이온 충격이 가해진다. 이온 충격을 가하기 위한 수단으로는, 글로우 방전 또는 이온 비임을 이용하는 것이 좋다. 200 ~ 1000 V 의 방전 전압 및 0.5 ~ 3.0 A 의 전류로 30 ~ 60 분 동안 이온 충격을 실시하는 경우, 균일하고 미세한 나노미터 수준의 요철을 형성 할 수 있다. 또한, 이온 충격을 가할 때, 피스톤 링 본체의 경도가 감소되지 않는 온도(200 ℃ 이상 필요)까지 피스톤 링 본체를 가열한다면, 더 균일하고 미세한 요철을 형성하는 것이 가능하다.
또한, 균일하고 미세한 요철을 형성하기 위해서, 요철 형성 처리 전에 피스톤 링 본체의 표면에 질화 처리를 하는 것이 바람직하다. 질화 처리의 방법으로서는, 가스 질화법, 염욕 질화법, 및 이온 질화법이 사용될 수 있다. 질화 처리 후에, 표면 조도가 Rz 0.5 ㎛ 이하가 되도록 그 표면을 연마 가공하고, 전술한 이온 충격을 가하는 것이 좋다.
본 발명의 피스톤 링의 대응 부재가 되는 피스톤 또는 실린더의 재질은 주철 및 알루미늄 합금 등의 금속, 및 초경합금, 알루미나, 및 질화규소 등의 세라믹이 바람직하다. 또한, 후술하듯이, 대응 부재도 규소 함유량 1 atomic % 이상, 20 atomic % 이하이고, 그 표면 조도가 Rz 0.5 ㎛ 이하인 비정질 경질 탄소막을 가지고, 그 둘 다에서 동일한 막을 활주면으로 하는 경우에, 그 사이의 마찰 계수가 더욱 감소되어 바람직하게 될 수 있다.
[피스톤]
본 발명의 피스톤은 피스톤 본체 및 피스톤 본체의 표면 중 적어도 일부분에 형성되는 비정질 경질 탄소막을 포함한다. 피스톤 본체의 재질로서는, 알루미늄 합금(AC8A 등), 주철 등이 바람직하다.
비정질 경질 탄소막은, 그것과 실린더 사이의 마찰 계수를 감소시키기 위해 서, 피스톤 본체의 피스톤 스커트부에 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 피스톤 링과의 활주 가능한 접촉에 의한 눌어붙음 또는 마모를 억제하기 위해서, 피스톤 링 홈에 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 피스톤 핀과의 활주 가능한 접촉에 의한 눌어붙음 또는 마모를 억제하기 위해서, 피스톤 핀 구멍에 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 비정질 경질 탄소막은, 상기 피스톤 본체의 피스톤 링 홈, 피스톤 스커트부, 및 피스톤 핀 구멍 중에서 선택되는 하나 이상의 위치에서 형성되는 것이 바람직하다.
마모 등을 고려한다면, 비정질 경질 탄소막의 두께는 1 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 3 ㎛ 이상으로 하는 경우가 더욱 바람직하다. 피스톤 핀과 비교할 때, 피스톤은 활주면압이 더 작아서 마모되기 더 어렵다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 피스톤에서 막 두께를 피스톤 링의 비정질 경질 탄소막의 두께보다 더 작게 해도 상관없다.
활주면압이 100 MPa 이상의 고압인 활주 환경에서, 비정질 경질 탄소막은 피스톤 본체로부터 박리되기 쉽다. 비정질 경질 탄소막의 박리를 억제하기 위해서, 피스톤 본체와 비정질 경질 탄소막 사이의 충분한 접착성이 필요해진다. 예를 들어, 알루미늄 합금의 경도는 약 100 Hv 이고, 강 재료의 경도보다 더 작다. 따라서, 전술한 스크래치 시험법에서 접착성을 평가하기가 어렵다. 또한, 주철은 그래파이트를 포함하는 조직이기 때문에, 알루미늄 합금과 유사하게, 스크래치 시험법에서 접착성을 평가하기가 어렵다. 따라서, 예를 들어, 피스톤 본체가 알루미늄 합금 또는 주철로 구성되는 경우에는, 로크웰 압입 시험법에 의해 접착성이 평가된다.
로크웰 압입 시험법은, 원추형 다이아몬드 관통자(로크웰 "C" 스케일 관통자)에 100 ~ 1500 N 만큼의 하중을 가하여, 그 압입 주변의 막의 박리 상태로부터 접착성을 평가하는 방법이다. 로크웰 압입 시험법은 독일에서 DIN 으로서 규격화되려 하고 있다. 예를 들어, W. Heinke et al., "Evaluation of PVD nitride coatings, using impact, scratch and Rochwell-C adhesion tests", Thin Solid Films, 270 (1995) pp. 431-438 에 기재되어 있듯이, 압입 주변에서 막의 박리가 발견되지 않는 경우(HF1-4)에, 접착성이 충분하다고 평가된다. 한편, 막의 박리가 발견된는 경우(HF5, 6)에는, 접착성이 부족하다고 평가된다. 따라서, 피스톤 본체가 알루미늄 합금 또는 주철로 구성되는 경우에, 피스톤 본체와 비정질 경질 탄소막 사이의 접착 상태는, 1,500 N 의 하중이 가해지는 로크웰 압입 시험에 의한 평가에 따른 HF1-4 의 상태에 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 피스톤의 대응 부재가 되는 실린더, 피스톤 링, 또는 피스톤 핀의 재질은 탄소강, 합금강, 주철, 및 알루미늄 합금 등의 금속 그리고 초경합금, 알루미나, 및 질화규소 등의 세라믹인 것이 바람직하다. 또한, 대응 부재도, 규소 함유량이 1 atomic % 이상, 20 atomic % 이하이고 표면 조도가 0.5 ㎛ 이하인 비정질 경질 탄소막을 가지며, 양 쪽에서 동일한 막을 활주면으로 하는 경우에, 그 사이에서의 마찰 계수가 더욱 감소될 수 있어 바람직하다.
[실린더]
본 발명의 실린더는 실린더 본체 및 실린더 본체의 내주면에서 형성되는 비 정질 경질 탄소막을 포함한다. 실린더 본체의 재질로서는, 알루미늄 합금(A390, AC4C 등), 주철 등이 바람직하다. 실린더 본체는 실린더 블록과 일체로 형성될 수 있고, 또는 실린더 라이너와 별개로 형성될 수도 있다. 본 발명의 실린더의 크기는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 실린더 본체의 가로세로 비 [내경 "D" 에 대한 길이 "L" 의 비 ("L"/"D")] 가 0.8 이상인 경우에, 직류 플라즈마 CVD 법에 의해 형성된 막의 이점이 크게 된다.
마모 등을 고려한다면, 비정질 경질 탄소막의 두께는 2 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 두께를 5 ㎛ 으로 하는 경우가 더욱 적절하다.
활주면압이 100 MPa 이상으로 고압인 활주 환경에서, 비정질 경질 탄소막은 실린더 본체로부터 박리되기 쉽다. 비정질 경질 탄소막의 박리를 억제하기 위해서, 실린더 본체와 비정질 경질 탄소막 사이에서의 충분한 접착성이 필요하게 된다. 예를 들어, 실린더 본체가 알루미늄 합금 또는 주철로 구성되는 경우에, 접착성은 전술한 로크웰 압입 시험법에 의해 평가된다. 즉, 실린더 본체와 비정질 경질 탄소막 사이에서의 접착 상태는, 1500 N 의 하중이 가해지는 로크웰 압입 시험에 의한 평가의 HF1-4 상태인 것이 바람직하다.
본 발명의 실린더의 대응 부재가 되는 피스톤 링, 또는 피스톤의 재질은 탄소강, 합금강, 주철, 및 알루미늄 합금 등의 금속 그리고 초경합금, 알루미나, 및 질화규소 등의 세라믹인 것이 바람직하다. 또한, 대응 부재도, 규소 함유량이 1 atomic % 이상, 20 atomic % 이하이고 표면 조도가 0.5 ㎛ 이하인 비정질 경질 탄소막을 가지며, 양 쪽에서 동일한 막을 활주면으로 하는 경우에, 그 사이에서의 마찰 계수가 더욱 감소될 수 있어 바람직하다.
[피스톤 핀]
본 발명의 피스톤 핀은 피스톤 핀 본체 및 피스톤 핀 본체의 표면 중 적어도 일부분에 형성되는 비정질 경질 탄소막을 포함한다. 피스톤 핀 본체의 재질로서는, 탄소강, 합금강, 및 주철 등의 철 계열 재료가 바람직하다. 비정질 경질 탄소막은, 그것과 피스톤 사이에서의 마찰 계수를 감소시키기 위해, 피스톤 핀 본체의 외주면에 형성되는 것이 바람직하다.
마모 등을 고려한다면, 비정질 경질 탄소막의 두께는 1 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 두께를 3 ㎛ 으로 하는 경우가 더욱 적절하다. 활주면압이 50 MPa 이상으로 고압인 활주 환경에서, 비정질 경질 탄소막은 피스톤 핀 본체로부터 박리되기 쉽다. 비정질 경질 탄소막의 박리를 억제하기 위해서, 피스톤 핀 본체와 비정질 경질 탄소막 사이에서의 접착력은 10 N 이상(전술한 스크래치 시험법에 따른다)으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 활주면압이 100 MPa 이상인 활주 환경에서 사용되는 경우에, 접착력은 20 N 이상(동일한 스크래치 시험법에 따른다)으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 피스톤 핀의 대응 부재가 되는 피스톤의 재질은 알루미늄 합금, 주철 등인 것이 바람직하다. 또한, 대응 부재도, 규소 함유량이 1 atomic % 이상, 20 atomic % 이하이고 표면 조도가 0.5 ㎛ 이하인 비정질 경질 탄소막을 가지며, 양 쪽에서 동일한 막을 활주면으로 하는 경우에, 그 사이에서의 마찰 계수가 더욱 감소될 수 있어 바람직하다.
이상, 본 발명의 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀의 실시형태를 설명했다. 그러나, 본 발명의 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀은 전술한 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서, 당업자가 할 수 있는 변경과 개량에 의한 다양한 형태로 실시될 수 있다.
[활주 부재의 조합]
전술한 본 발명의 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀은 적절하게 조합하여 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 발명의 피스톤 링을 본 발명의 피스톤과 조합한 형태, 이 형태에 본 발명의 실린더를 더 조합한 형태, 본 발명의 피스톤 링이 피스톤 링 홈에 조립된 피스톤을 본 발명의 실린더와 조합한 형태, 본 발명의 피스톤을 본 발명의 실린더와 조합한 형태, 및 본 발명의 피스톤 핀을 본 발명의 피스톤과 조합한 형태 등을 들 수 있다.
이하, 본 발명의 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀의 조합의 실시형태 중 하나를 설명하겠다. 도 1 에서, 피스톤이 배치된 실린더의 투과 사시도가 도시되었다. 도 2 에서, 동일한 피스톤에 조립되는 상부 링의 사시도가 도시되었다.
도 1 에서 도시되었듯이, 피스톤 (2) 은 실린더 (1) 내부에서 상하 방향으로 왕복 가능하게 배치된다. 실린더 (1) 를 구성하는 실린더 본체 (10) 의 내주면 (11) 에는, 규소 함유량이 1 atomic % 이상, 20 atomic % 이하이고 표면 조도가 0.5 ㎛ 이하인 비정질 경질 탄소막(비도시)이 형성되어 있다. 피스톤 (2) 을 구성하는 피스톤 본체 (20) 는 피스톤 링 홈 (21), 피스톤 스커트부 (22), 및 피스 톤 핀 구멍 (23) 을 가진다. 피스톤 스커트부 (22) 와 피스톤 핀 구멍 (23) 에, 동일한 비정질 경질 탄소막(비도시)이 형성되어 있다. 피스톤 핀 구멍 (23) 에는 피스톤 핀 (24) 이 장착된다. 피스톤 핀 (24) 의 외주면에, 동일한 비정질 경질 탄소막(비도시)이 형성되어 있다.
피스톤 링 홈 (21) 에는, 상부 링 (30), 제 2 링 (31), 및 오일 링 (32) 이 이 순서대로 위에서부터 각각 조립된다. 상부 링 (30), 제 2 링 (31), 및 오일 링 (32) 은 본 발명의 피스톤 링에 포함된다. 도 2 에 도시되었듯이, 상부 링 (30) 을 구성하는 상부 링 본체 (300) 는 외주면 (301), 상부면 (302), 및 하부면 (303) 을 가진다. 상부 링 본체 (300) 는 본 발명의 피스톤 링 본체에 포함된다. 또한, 상부면 (302) 과 하부면 (303) 은 피스톤 (20) 의 왕복 이동 방향을 향하는 두 반대면에 상당한다. 외주면 (301) 에는, 동일한 비정질 경질 탄소막(비도시)이 형성되어 있다. 또한, 상부 링 (30) 과 같은 방식으로, 동일한 비정질 경질 탄소막(비도시)이 제 2 링 (31) 및 오일 링 (32) 의 외주면에서도 형성되어 있다.
피스톤 (2) 은 윤활유를 사용하여 실린더 (1) 내에서 상하 방향으로 왕복한다. 이 경우에, 실린더 본체 (10) 의 내주면 (11) 에 형성된 비정질 경질 탄소막, 피스톤 링 (30, 31, 32) 의 각각의 외주면에 형성된 비정질 경질 탄소막, 및 피스톤 스커트부 (22) 에 형성된 비정질 경질 탄소막은 서로 활주 가능하게 접촉한다. 또한, 피스톤 핀 구멍 (23) 에 형성된 비정질 경질 탄소막과, 피스톤 핀 (24) 의 외주면에 형성된 비정질 경질 탄소막은 서로 활주 가능하게 접촉한다. 여기서, 비정질 경질 탄소막의 표면 조도가 Rz 0.5 ㎛ 이하이기 때문에, 고체-고체 접촉에 의한 경계 마찰의 비율은 감소하지만, 윤활유에 의한 윤활 비율은 증가한다. 또한, 활주 가능한 접촉시에 실라놀이 비정질 경질 탄소막의 표면에 생성됨으로써, 경계 마찰이 급격하게 감소된다. 따라서, 윤활 비율의 증가 및 경계 마찰의 감소 두 작용에 의해, 피스톤 링 (30, 31, 32) 과 피스톤 (2) 사이 및 그것들과 실린더 (1) 사이에서의 마찰 계수가 감소될 수 있다. 유사하게, 피스톤 핀 구멍 (23) 과 피스톤 핀 (24) 사이에서의 마찰 계수도 감소될 수 있다. 또한, 비정질 경질 탄소막은 마모되기 어렵기 때문에, 피스톤 링 (30, 31, 32), 피스톤 (2), 피스톤 핀 (24), 및 실린더 (1) 는 내마모성에 있어서 우수하다.
이상, 본 발명의 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀의 조합의 실시형태를 설명하였다. 그러나, 본 발명의 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀의 각각의 구성 및 그 조합은 전술한 실시형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 전술한 실시형태에서, 피스톤 링 (30, 31, 32), 피스톤 (2), 피스톤 핀 (24), 및 실린더 (1) 는 본 발명의 피스톤 링, 피스톤, 실린더, 및 피스톤 핀으로 각각 구성된다. 그러나, 피스톤 링 (30, 31, 32), 피스톤 (2), 피스톤 핀 (24), 및 실린더 (1) 중 어느 하나를 종래의 것으로 치환하여 구성하여도 좋다.
또한, 전술한 실시형태에서, 비정질 경질 탄소막은 피스톤 링 (30, 31, 32) 의 외주면에서 형성된다. 그러나, 피스톤 링에서 비정질 경질 탄소막이 형성되는 위치는 전술한 위치로 한정되지 않는다. 예를 들어, 이미 나온 도 2 에서 도시되었듯이, 상부면 (302) 또는 하부면 (303) 에 형성될 수 있다. 또한, 사 용되는 피스톤 링 전부에 비정질 경질 탄소막을 형성할 필요는 전혀 없다. 다수의 피스톤 링 중 일부에서만 비정질 경질 탄소막을 형성해도 된다.
전술한 실시형태에서, 비정질 경질 탄소막은 피스톤 스커트부 (22) 및 피스톤 핀 구멍 (23) 에 형성된다. 그러나, 피스톤에서 비정질 경질 탄소막이 형성되는 위치는 전술한 위치로 한정되지 않는다. 전술한 위치에 더하여 피스톤 링 홈 (21) 에 비정질 경질 탄소막을 형성해도 좋고, 또는 피스톤 링 홈 (21), 피스톤 스커트부 (22), 및 피스톤 핀 구멍 (23) 중 어느 하나에 비정질 경질 탄소막을 형성해도 좋다.
전술한 실시형태에 기초하여, 여러 가지의 비정질 경질 탄소막이 기재의 표면에 형성되었다. 그리고, 두 형태의 활주 시험이 수행되어 각각의 비정질 경질 탄소막의 마찰 특성을 평가하였다. 이하, 각각의 활주 시험 및 마찰 특성에 대한 평가를 설명하겠다.
(1) 링 온 블록형 마찰 시험 기기에 의한 활주 시험
(a) Si 함유 비정질 경질 탄소막(이하, 적절하게 DLC-Si 막 이라 한다)의 형성
도 3 에 도시된 직류 플라즈마 CVD (PCVD) 막 형성 장치를 이용하여, DLC-Si 막이 기재의 표면에 형성되었다. 도 3 에 도시되었듯이, 직류 플라즈마 CVD 막 형성 장치 (4) 는 스테인레스강으로 만들어진 챔버 (40), 기부 스탠드 (41), 가스 유입관 (42), 및 가스 배출관 (43) 을 가진다. 가스 유입관 (42) 은 밸브(미도시)를 통해 다양한 가스 용기(미도시)에 연결된다. 가스 배출관 (43) 은 밸브 를 통해 회전 펌프(미도시) 및 확산 펌프(미도시)에 연결된다.
우선, 기재 (45) 는 챔버 (40) 내에 놓이는 기부 스탠드 (41) 위에 배치되었다. 기재 (45) 는 마르텐사이트계 스테인레스강 SUS440C (담금질 및 조질된 제품 HRC 58) 으로 만들어진 블록형 시험편(6.3 mm × 15.7 mm × 10.1 mm) 이 적합했다. 다음에, 챔버 (40) 가 밀폐되었고, 챔버 (40) 내의 가스는 가스 배출관 (43) 에 연결된 회전 펌프 및 확산 펌프에 의해 소기되었다. 수소 가스는 가스 유입관 (42) 을 통해 15 sccm 의 유량으로 챔버 (40) 로 도입되었고, 챔버 (40) 내의 가스압은 약 133 Pa 이 적당했다. 그 후, 챔버 (40) 내측에 배치되고 스테인레스강으로 만들어진 양극판 (44) 과, 기부 스탠드 (41) 사이에서 200 V 의 직류 전압이 작용하였고, 그에 의해 방전이 시작되었다. 그리고, 기재 (45) 의 온도가 500 ℃가 될 때까지 이온 충격에 의한 온도 증가가 수행되었다. 다음에, 500 sccm 의 질소 가스 및 40 sccm 의 수소 가스가 가스 유입관 (42) 을 통해 도입되었고, 약 800 Pa 의 압력, 400 V 의 전압(1.5 A 의 전류), 및 500 ℃ 의 온도의 조건에서 플라즈마 질화 처리가 1 시간 동안 수행되었다. 기재 (45) 의 단면 조직을 관찰했을 때, 질화된 깊이는 30 ㎛ 이었다.
플라즈마 질화 처리 후, 수소 가스 및 아르곤 가스는 30 sccm 의 유량으로 가스 유입관 (42) 을 통해 각각 도입되었고, 약 533 Pa 의 압력, 300 V 의 전압(1.6 A 의 전류), 및 500 ℃ 의 온도의 조건에서 스퍼터링이 수행되어, 그에 의해 기재 (45) 의 표면에서 미세한 요철이 형성되었다(요철 형성 처리). 돌출부의 폭은 60 nm 이었고, 높이는 30 nm 이었다. 다음에, 반응 가스로서 TMS 가스 가 1 sccm 의 유량으로 가스 유입관 (42) 을 통해 도입되었고, 메탄 가스가 100 sccm 의 유량으로 도입되었으며, 또한 수소 가스 및 아르곤 가스가 30 sccm 의 유량으로 각각 도입되었으며, 약 533 Pa 의 압력, 320 V 의 전압(1.8 A 의 전류), 및 500 ℃ 의 온도의 조건에서 막이 형성되었다. 막 형성 시간은 막 두께가 2.7 ㎛ 로 되도록 제어되었다.
이런 방법으로, 세 종류(Rz 0.15 ㎛, 0.45 ㎛, 및 0.80 ㎛)의 DLC-Si 막이 블록형 시험편 위에서 형성되었다. 이렇게 형성된 DLC-Si 막은 DLC-Si-1 내지 3 으로 각각 번호가 매겨졌다. 이 DLC-Si 막의 조성은 6 atomic % 의 규소, 64 atomic % 의 탄소, 30 atomic % 의 수소로 되어 있다. 또한, DLC-Si 막과 기재의 접착력은 모두 50 N 이다. DLC-Si 막의 경도는 모두 17 GPa 이다. 이하의 활주 시험에서, 각각의 블록형 시험편에서 형성되는 DLC-Si 막은 대응 부재에 대해 활주면을 만들었다.
DLC-Si 막에서의 규소 함유량은 전자 프로브 미량분석법 (EPMA), X 선 광전자 분광법 (XPS), 오제 전자 분광법 (AES), 및 러더퍼드 후방산란 분광법 (RBS) 에 의해 양적으로 분석되었다. 또한, 수소 함유량은 탄성 반도 검출법 (ERDA) 에 의해 양적으로 분석되었다. ERDA 는, 막의 표면에 2 MeV 의 헬륨 이온 빔을 조사하고, 필름으로부터 산란되는 수소가 반도체 검출기에 의해 검출하여 막에서의 수소 농도를 측정하는 방법이다.
(b) 활주 시험 및 마찰 특성에 대한 평가
이렇게 만들어진 각각의 블록형 시험편에 대하여, 링 온 블록형 마찰 시험 기기("LFW-1", FALEX Corp 제조)에 의한 활주 시험이 수행되었다. 도 4 에서, 링 온 블록형 마찰 시험 기기의 개략도가 도시되었다. 도 4 에서 도시되었듯이, 링 온 블록형 마찰 시험 기기 (5) 는 블록형 시험편 (50) 및 대응 부재가 되는 링형 시험편 (51) 로 구성된다. 블록형 시험편 (50) 및 링형 시험편 (51) 은, 블록형 시험편 (50) 위에 형성되는 막 (500) 이 링형 시험편 (51) 과 접촉하는 상태로 배치된다. 링형 시험편 (51) 은 오일 욕 (52) 내에서 회전가능하게 배치된다. 본 활주 시험에서, 링형 시험편 (51) 으로서 "S-10" 링형 시험편(재질 : SAE4620 침탄 처리 강철 부재, 형상 : φ-35 mm 및 8.8 mm 폭, 표면 조도 : Rz 0.37 ㎛, 0.86 ㎛, 1.95 ㎛ 의 세 종류, FALEX Corp 제조)이 사용되었다. 또한, 오일 욕 (52) 에는 80 ℃ 까지 가열된 엔진 오일(Castle Motor Oil "SL5W-30")이 사용되었다.
우선, 무부하 상태에서 링형 시험편 (51) 을 회전시켰다. 다음으로, 블록형 시험편 (50) 의 위로부터 300 N 의 하중(헤르츠 면압 : 310 MPa)이 가해지고, 블록형 시험편 (50) 과 링형 시험편 (51) 이 3 ㎧ 의 활주 속도로 30분 동안 활주한 후에 그 사이의 마찰 계수가 측정되었다. 여기서, "헤르츠 면압" 은, 블록형 시험편 (50) 과 링형 시험편 (51) 사이의 접촉에서의 탄성 변형을 고려한 실제 접촉면에서의 압력의 최대치이다. 도 5 에서, 각각의 블록형 시험편에서의 마찰 계수의 측정 결과가 도시되었다. 도 5 에서의 횡축은 각각의 블록형 시험편의 활주 전 DLC-Si 막의 표면 조도를 나타낸다.
도 5 에 도시되었듯이, DLC-Si 막의 표면 조도가 Rz 0.80 ㎛ 인 경우에, 마찰 계수는 대응 부재의 표면 조도에 관계없이 더 컸다. 그러나, Rz 0.45 ㎛ 가 된 경우에는 마찰 계수가 더 낮아졌고, 또한, 0.15 ㎛ 인 경우에는 마찰 계수가 현저하게 낮아졌다. 또한, 대응 부재의 표면 조도가 더 낮아질수록, 마찰 계수의 감소 비율이 더 커졌다. 구체적으로, 대응 부재의 표면 조도가 Rz 0.37 ㎛ 인 경우에, DLC-Si 막의 표면 조도를 Rz 0.45 ㎛ 에서 Rz 0.15 ㎛ 로 변화시킴에 따라 마찰 계수가 약 50 % 감소하였다. 그러므로, 규소 함유량이 1 atomic % 이상이고 20 atomic % 이하이며, 표면 조도가 Rz 0.5 ㎛ 이하인 DLC-Si 막을 활주면으로 함으로써 마찰 계수를 줄일 수 있다는 것을 알 수 있다. 특히, 표면 조도가 Rz 0.3 ㎛ 이하인 경우에 마찰 계수의 감소 효과가 더 크다는 것을 알 수 있다.
또한, 비교를 위해서, DLC-Si 막을 가지는 블록형 시험편과 동일한 블록형 시험편에 규소를 함유하지 않는 DLC 막(이하 "DLC 막" 이라 한다)을 마그네트론 스퍼터링 (SP) 법에 의해 형성하였다. 이렇게 제공된 DLC 막은 표면 조도가 다른 세 종류로 만들어졌고, 각각 DLC-1, 2, 및 3 으로 번호가 매겨졌다. 유사하게, 블록형 시험편에 CrN 막이 할로우 캐소드(hollow cathode) (HCD) 법에 의해 형성되었다. 이렇게 제공된 CrN 막은 표면 조도가 다른 세 종류로 만들어졌고, 각각 CrN-1, 2, 및 3 으로 번호가 매겨졌다.
DLC 막과 CrN 막이 형성된 각각의 블록형 시험편과 막이 형성되지 않은 블록형 시험편 자체에 대해서, 활주 시험이 전술한 것과 동일한 링 온 블록형 마찰 시험 기기에 의해 수행되었다. 도 6 에서, 전술한 DLC-Si 막이 형성된 블록형 시험편의 측정 결과를 포함하여, 각각의 블록형 시험편의 마찰 계수에 대한 측정 결과가 도시되었다. 도 6 에서의 횡축은 각각의 블록형 시험편의 활주 전 표면 조도이다. 도 6 에서, 링형 시험편의 표면 조도가 Rz 0.37 ㎛ 인 경우와 Rz 1.95 ㎛ 인 경우의 측정 결과가 도시되었다. 즉, 도 6 에서, 각각의 블록형 시험편에서의 동일한 표면 조도에 대한 플롯 정보 중에서, 마찰 계수가 더 높은 것이 Rz 1.95 ㎛ 에서의 결과이고, 마찰 계수가 더 낮은 것이 Rz 0.37 ㎛ 에서의 결과이다. 또한, 표 1 에서, 각각의 블록형 시험편에서 형성되는 막의 두께, 표면 조도, 및 접착력이 전부 함께 나타나 있다. 막이 형성되지 않은 블록형 시험편(SUS440C) 자체가 표면 조도 차이에 따라 SUS440C-1 및 2 로 표시된다는 점에 주목해야 한다.
[표 1]
Figure 112007088955714-pct00012
도 6 에 도시되었듯이, DLC 막, CrN 막, 및 SUS440C 에서, 표면 조도를 더 작게 하는 경우에도 마찰 계수는 더 낮아지지 않았다. 반면에, DLC-Si 막에서는, 전술하였듯이 표면 조도를 Rz 0.5 ㎛ 이하로 한다면 마찰 계수가 현저히 낮아졌다. 이것은, 윤활유에 의한 윤활 비율의 증가에 더하여 경계 마찰의 감소 효과가 나타나기 때문인 것으로 생각된다.
(2) 왕복 활주 시험 기기에 의한 활주 시험
피스톤 링과 실린더 사이의 활주를 시뮬레이션하는 왕복 활주 시험 기기에 의해 활주 시험이 수행되었다. 도 7 에서, 왕복 활주 시험 기기의 개략도가 도시되었다. 도 7 에 도시되었듯이, 왕복 활주 시험 기기 (6) 는 실린더 시뮬레이팅 부재 (60) 및 링 시뮬레이팅 부재 (61) 로 구성된다. 실린더 시뮬레이팅 부재 (60) 의 재질은 주철이고, 링 시뮬레이팅 부재 (61) 의 재질은 질화강이다. 링 시뮬레이팅 부재 (61) 는 실린더 시뮬레이팅 부재 (60)의 내측에 활주 가능하게 접촉하면서 상하 방향으로 왕복한다. 실린더 시뮬레이팅 부재 (60) 와 링 시뮬레이팅 부재 (61) 사이의 활주부에서, 윤활유가 오일 공급관 (62) 을 통해 공급된다.
활주 시험은, 링 시뮬레이팅 부재 (61) 가 실린더 시뮬레이팅 부재 (60) 에 100 N 의 하중(헤르츠 면압 160 MPa)에 의해 가압되는 상태에서, 링 시뮬레이팅 부재 (61) 를 왕복시켜 이동시킴으로써 수행되었다. 이 경우에, 공급된 윤활유를 바꿔서, 한 시험은 엔진 오일(Castle Motor Oil "SL5W-30")을 사용하여 수행되었고, 다른 시험은 경유(JIS #2)를 사용하여 수행되었다. 그리고, 링 시뮬레이팅 부재 (61) 의 왕복 주기를 500 에서 1000, 1200, 1400 cpm(cycles per minute) 으 로 변화시켜서, 각각의 왕복 주기 동안의 마찰 계수를 측정하였다. 각각의 왕복 주기 동안의 마찰 계수의 평균치를 평균 마찰 계수로 하였다.
활주 시험에서 실린더 시뮬레이팅 부재 (60) 와 링 시뮬레이팅 부재 (61) 의 각각의 활주면은 이하 세 종류의 조합인 것이 알맞다: (i) 막이 형성되지 않음 [주철/질화강], (ii) 실린더 시뮬레이팅 부재에서만 DLC-Si 막 형성 [DLC-Si/질화강], (iii) 실린더 시뮬레이팅 부재 및 링 시뮬레이팅 부재 둘 다에서 막 형성 [DLC-Si/DLC-Si]. DLC-Si 막의 형성은 전술한 (1) (a) 의 방법에 따라 수행되었다. 표 2 에서, 전술한 조합에서 실린더 시뮬레이팅 부재 및 링 시뮬레이팅 부재의 활주면의 표면 조도가 나타나 있다. 또한, 도 8 에서는, 엔진 오일 사용시의 마찰 계수의 측정 결과가 도시되었다. 도 9 에서는, 경유 사용시의 마찰 계수의 측정 결과가 도시되었다.
[표 2]
Figure 112007001553836-pct00002
우선, 도 8 에 도시되었듯이, 실린더 시뮬레이팅 부재 및 링 시뮬레이팅 부재 중 하나 이상에 DLC-Si 막을 형성함으로써, 엔진 오일 사용시의 마찰 계수가 낮아졌다. 예를 들어, DLC-Si 막이 실린더 시뮬레이팅 부재의 활주면을 만드는 경우에 (DLC-Si/질화강), 마찰 계수는 평균적으로 약 10 % 낮아졌다. 또한, DLC-Si 막이 실린더 시뮬레이팅 부재 및 링 시뮬레이팅 부재 둘 다의 활주면을 만 드는 경우에 (DLC-Si/DLC-Si), 마찰 계수는 평균적으로 약 40 % 낮아졌다. 따라서, DLC-Si 막이 서로에 대해 활주하는 경우에 마찰 계수의 감소 효과가 크다는 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 9 에 도시되었듯이, 경유를 사용하는 경우에도, 실린더 시뮬레이팅 부재 및 링 시뮬레이팅 부재 중 하나 이상에 DLC-Si 막을 형성함으로써, 마찰 계수가 낮아졌다. 막이 없는 경우[주철/질화강]에서 비교했을 때, 엔진 오일을 사용하는 경우(도면에서 점선으로 표시)보다 경유를 사용하는 경우에 마찰 계수가 더 상승했다. 그러나, DLC-Si 막이 실린더 시뮬레이팅 부재의 활주면을 만드는 경우에 (DLC-Si/질화강), 마찰 계수는 현저하게 낮아져서, 감소 비율은 평균적으로 약 40 % 가 되었다. 또한, DLC-Si 막이 실린더 시뮬레이팅 부재 및 링 시뮬레이팅 부재 둘 다의 활주면을 만드는 경우에 (DLC-Si/DLC-Si), 마찰 계수는 평균적으로 약 80 % 만큼 낮아졌다. 전술한 내용에서, 규소 함유량이 1 atomic % 이상이고 20 atomic % 이하이며, 표면 조도가 0.5 ㎛ 이하인 DLC-Si 막에 의한 마찰 감소 효과를 확인할 수 있었다. 또한, DLC-Si 막을 서로에 대해 활주시킴으로써 마찰 계수를 더욱 감소시킬 수 있다는 것도 확인하였다.

Claims (18)

  1. 윤활유를 이용하는 습식 조건에서 사용되며, 피스톤 링 본체 및 상기 피스톤 링 본체의 표면 중 적어도 일부분에 형성되는 비정질 경질 탄소막으로 구성되는 피스톤 링에 있어서,
    상기 비정질 경질 탄소막의 규소 함유량이 1 atomic % 이상, 20 atomic % 이하이고, 그 표면 조도가 Rz 0.5 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 비정질 경질 탄소막은 상기 피스톤 링 본체의 외주면과 피스톤의 왕복 이동 방향을 향하는 두 반대면 중에서 선택되는 하나 이상의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 피스톤 링 본체와 상기 비정질 경질 탄소막 사이에서의 접착력이 20 N 이상인 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 비정질 경질 탄소막이 형성되는 상기 피스톤 링 본체의 표면은, 이온 충격법에 의한 요철 형성 처리에 의해서, 평균 높이가 10 nm 이상, 100nm 이하이고, 평균 폭이 300 nm 이하인 돌출부를 가지는 요철면이 되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 비정질 경질 탄소막은 직류 플라즈마 CVD 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  6. 윤활유를 이용하는 습식 조건에서 사용되며, 피스톤 본체 및 상기 피스톤 본체의 표면 중 적어도 일부분에 형성되는 비정질 경질 탄소막으로 구성되는 피스톤에 있어서,
    상기 비정질 경질 탄소막의 규소 함유량이 1 atomic % 이상, 20 atomic % 이하이고, 그 표면 조도가 Rz 0.5 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 피스톤.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 비정질 경질 탄소막은 상기 피스톤 본체의 피스톤 링 홈, 피스톤 스커트부, 및 피스톤 핀 구멍 중에서 선택되는 하나 이상의 위치에서 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 비정질 경질 탄소막은 직류 플라즈마 CVD 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  9. 윤활유를 이용하는 습식 조건에서 사용되며, 실린더 본체 및 상기 실린더 본체의 내주면에 형성되는 비정질 경질 탄소막으로 구성되는 실린더에 있어서,
    상기 비정질 경질 탄소막의 규소 함유량이 1 atomic % 이상, 20 atomic % 이하이고, 그 표면 조도가 Rz 0.5 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 실린더.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 비정질 경질 탄소막은 직류 플라즈마 CVD 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 실린더.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 실린더의 가로세로 비가 0.8 이상인 것을 특징으로 하는 실린더.
  12. 윤활유를 이용하는 습식 조건에서 사용되며, 피스톤 핀 본체 및 상기 피스톤 핀 본체의 표면 중 적어도 일부분에 형성되는 비정질 경질 탄소막으로 구성되는 피스톤 핀에 있어서,
    상기 비정질 경질 탄소막의 규소 함유량이 1 atomic % 이상, 20 atomic % 이하이고, 그 표면 조도가 Rz 0.5 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 피스톤 핀.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 피스톤 핀 본체와 상기 비정질 경질 탄소막 사이에서의 접착력이 10 N 이상인 것을 특징으로 하는 피스톤 핀.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 비정질 경질 탄소막은 직류 플라즈마 CVD 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀.
  15. 제 1 항에 따른 피스톤 링과, 제 6 항에 따른 피스톤을 포함하는 활주 부재 의 조합.
  16. 제 1 항에 따른 피스톤 링이 조립된 피스톤과, 제 9 항에 따른 실린더를 포함하는 활주 부재의 조합.
  17. 제 6 항에 따른 피스톤과, 제 9 항에 따른 실린더를 포함하는 활주 부재의 조합.
  18. 제 6 항에 따른 피스톤과, 제 12 항에 따른 피스톤 핀을 포함하는 활주 부재의 조합.
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