KR101317521B1

KR101317521B1 - 내연기관용 슬라이딩 부품

Info

Publication number: KR101317521B1
Application number: KR1020110017179A
Authority: KR
Inventors: 신종정
Original assignee: 신종정
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2013-10-15
Also published as: KR20120097764A

Abstract

본 발명은 슬라이딩 부품의 표면에 합금의 코팅층을 형성하되 이러한 코팅층이 비정질 조직을 가지도록 하여 내마모성이 우수하고 마찰계수가 작아지도록 한 내연기관용 슬라이딩 부품에 관한 것으로, 이러한 본 발명은 Cr 45.3중량％, B 5.9중량％, Si 1.8중량％, C 0.12중량％, Cu 2.1중량％, Mn 0.8중량％, Ni 0.5중량％, Mo 0.5중량％, Li 1.1중량％, Ca 0.5중량％, Cd 1.8중량％, Sc 1.3중량％ 나머지는 Fe로 이루어진다.

Description

내연기관용 슬라이딩 부품{Coated sliding parts for internal combustion engine}

본 발명은 선박, 자동차 또는 중장비 등의 대형 엔진에 사용되는 내연기관용 슬라이딩 부품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 슬라이딩 부품의 표면에 합금의 코팅층을 형성하되 이러한 코팅층이 비정질 조직을 가지도록 하여 내마모성이 우수하고 마찰계수가 작아지도록 한 내연기관용 슬라이딩 부품에 관한 것이다.

일반적으로 선박, 자동차 또는 중장비 등은 디젤 엔진을 사용하는바, 상기 디젤 엔진은 경유나 등유를 연료로 하며, 압축에 의해 점화되기 때문에 압축점화기관이라고도 한다. 그리고, 디젤엔진은, 실린더 내로 흡입된 공기를 압축하여 고온ㆍ고압 분위기를 형성하고, 실린더 내에 액체연료를 분사하게 되면 자연발화가 일어나며 이러한 발화에 의한 폭발력을 이용하여 피스톤을 작동시킴으로써 동력을 얻는 내연기관이다. 경유와 같은 저질 연료도 사용이 가능하므로 연료비가 적게 드는 장점이 있다. 그리고, 디젤엔진은 가솔린엔진과 마찬가지로 실린더, 피스톤, 크랭크축(軸) 등으로 구성되어 있으며 연료를 플런저형 펌프에서 분사하고, 니들밸브가 용수철에 의해서 밸브시트에 밀착되어 있으며, 펌프에 의해서 소정의 압력이 된 연료는 미립자상(微粒子狀)으로 되어 실린더 속으로 분사된다. 실린더 속의 고온에 의해 자연 착화되어 연료가 폭발하면, 실린더 속의 압력이 상승하여 피스톤을 밀어주는 형태로 작동한다. 그리고, 디젤 엔진은 가솔린 엔진과 마찬가지로 2사이클식(式) 및 4사이클식(式)의 2종류가 있으며, 단동식(單動式)ㆍ복동식(複動式)이 모두 사용되고 있다. 마력은 수 마력부터 3만5천 마력 정도의 것까지 있다. 또 큰 마력을 내기 위해서 과급기(過給器)를 장치하는 경우도 있다. 연소실의 모양에 따라 단실식(單室式)과 부실식(副室式)이 있으며, 단실식은 피스톤 헤드와 실린더 커버에 둘러싸인 연소실에 연료를 분사하는 것으로 직접 분사식이라고 한다. 대형기관은 대체로 직접 분사식이다.

한편, 대형 디젤 엔진은 대형선박의 주기관으로 사용되며, 5,000마력 이상으로 2사이클의 것이 많고, 중형 디젤 엔진은 발전용, 선박용으로 사용되고 있다.

1,000마력 이상의 것에는 2사이클도 사용되고 있지만, 일반적으로 4사이클이 사용된다. 소형 디젤 엔진은 자동차용, 철도차량용, 소형선박용, 건설기관용 등으로 사용되어 그 용도가 매우 넓다.

디젤 엔진의 피스톤은 실린더 안에서 우리가 상상할 수 없을 정도의 빠른 속도로 가속, 감속, 정지로 구성되는 상하 운동을 되풀이하며, 팽창 행정시에는 순간적으로는 2000℃ 이상으로도 되는 연소가스가 팽창하기 때문에 최대 3∼4톤 (터보엔진은 5톤)의 힘을 받아 이것을 커넥팅 로드에 전달하는 운동을 한다.

따라서 피스톤은 왕복운동에 따라 발생하는 관성력을 작게 할 목적으로 가벼워야 하고, 팽창력을 지탱하기 위해 튼튼하고 열을 잘 전달하면서도 열변형이 적어야 하는 것이 요구된다. 대형 선박 엔진의 엔진블럭은 강성과 관련된 여러가지 문제 때문에 주로 주철을 이용하는데, 이러한 주철을 이용하게 되면 주철 조직 내의 흑연에 의해 윤활성이 부여될 수 있는 장점이 있다.

여기서, 피스톤 크라운(piston crown)은 피스톤의 머리 부분에 해당하여 피스톤 헤드(piston head)라고도 하는데, 엔진 연소실의 일부를 형성하며 고온의 열을 실린더 벽으로 전달하고 피스톤 하부 몸체를 통해 피스톤 핀과 커넥팅 로드로 폭발력을 전달하는 역할을 한다.

상기 피스톤 크라운의 테두리에는 피스톤 링 그루브가 다수 형성되어 있는데, 이러한 피스톤 링 그루부는 압축링과 오일링을 끼우기 위한 것으로, 압축링은 연소가스의 기밀을 유지하기 위한 것이며, 오일링은 연소실 벽의 오일을 긁어 내려 오일소모를 저감시키고 피스톤의 열을 실린더로 전달하기 위한 것이다.

상기 피스톤 링 그루브에 장착된 피스톤 링은 엔진의 실린더 보어에 맞닿아 있기 때문에 실린더 보어와 경계를 이루는 계면에서 큰 내마모성을 요구하게 된다. 실린더 보어와 피스톤이 접촉하는 계면은 엔진이 작동할 때 큰 마찰이 발생하므로,

피스톤 링은 이를 견딜 수 있는 인장력과 탄성력을 가져야 한다.

엔진의 폭발 행정시,피스톤 링은 연소에 따른 높은 온도 뿐만 아니라 피스톤 링과 실린더 라이너의 접촉으로 발생하는 열 때문에 항복 강도가 낮아지게 되며 연화율이 높아지게 된다. 피스톤 링 그루브 역시 피스톤 링과의 반복적인 접촉으로 인해 마모가 심하게 나타나는 부위이다. 마찬가지로 피스톤 로드도 씰과의 마찰로 인해 표면이 심하게 마모되는 경향이 있다.

통상 사용되는 피스톤 링은 일반적으로 주철 블랭크로 만들어지는데, 이 주철 블랭크는 강도 및 탄성과 관련하여 재료에 요구되는 기본적인 조건을 만족시킨다. 그러나 주철 블랭크로 제작된 피스톤 링의 경우에는 실린더 보어에 접촉하는 표면에 대하여는 내마모성이 없고 또한 고온에서 요구되는 열 안정성이 없는 문제점이 있다.

실린더 커버, 피스톤과 더불어 연소실을 형성하는 실린더 내면은 라이너로 불리는데 실린더 커버에 의해서 실린더 블록의 상부에 밀착되며, 엔진 운전중 가열 되었을 때 아래쪽으로 자유롭게 팽창할 수 있도록 블록의 보어 안에 약 절반 정도 끼워져 조립되어 있다.

피스톤과 실린더의 슬라이딩 부품들은 피스톤 로드를 제외하고는 주조방식으로 만들어져 주조중 형성되는 내부기포로 인해 조직이 치밀하지 못하고, 강성도 떨어지며, 표면이 매끄럽지 않은 문제점이 있다.

이러한 종래의 슬라이딩 부품들의 내마모성 향상과 저마찰계수 확보를 위하여 질화법, PVD법, CVD법을 적용하거나, 내마모성 확보를 위하여 내마모성 고합금강 재료를 사용하여 질화처리 및 침탄처리와 같은 표면경화처리를 행하기도 하였

다.

그러나, 이와 같은 방법은 수 ∼ 수십㎛ 두께의 경화막이 형성되고, 이러한 경화막은 취성을 띠고 있어 고압의 마찰력에서 쉽게 파괴되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 제반 문제점을 해결하기 위하여 개량발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 슬라이딩 부품의 표면에 합금의 코팅층을 형성하되 이러한 코팅층이 비정질 조직을 가지도록 하여 내마모성이 우수하고 마찰계수가 작아지도록 한 내연기관용 슬라이딩 부품을 제공하는 데 있다.

그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 내연기관용 슬라이딩 부품의 특징은,

담금질(Quenching)과 템퍼링(Tempering)에 의해 HRC 30의 경도를 갖도록 만들어진 SCM440 원판과, 상기 SCM440 원판의 외주면에 형성되고 비정질 조직을 가져서 우수한 내마모성을 갖는 용사 코팅층으로 이루어지는 내연기관용 슬라이딩 부품에 있어서,
상기 용사 코팅층은,
1차 가스로 산소를, 2차 가스로 프로필렌, 수소 또는 프로판을 사용하는 DJ(Diamond Jet) HVOF 시스템을 사용하여, Cr 45.3중량％, B 5.9중량％, Si 1.8중량％, C 0.12중량％, Cu 2.1중량％, Mn 0.8중량％, Ni 0.5중량％, Mo 0.5중량％, Li 1.1중량％, Ca 0.5중량％, Cd 1.8중량％, Sc 1.3중량％ 나머지는 Fe로 이루어진 조성물을 용사 코팅하여 이루어지는데,
화염의 온도는 3000℃, 용융입자의 비산 속도는 2,000m/sec로 분사하여 0.13 내지 0.15mm 두께로 형성된다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 수시로 크롬 도금을 수행하여 교체해야 하는 번거로움을 없앰과 동시에 장기간의 강한 내마모성과 낮은 마찰 계수를 갖는 슬라이딩 부품이 조성됨으로써 안정적으로 엔진을 구동시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

그리고, 본 발명은 안정한 화합물을 형성하여 다른 금속과 반응을 일으키지 않음으로 인해 마찰로 인한 마모 현상이 현저하게 줄어드는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 내연기관용 슬라이딩 부품의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명에 따른 내연기관용 슬라이딩 부품을 설명하면,

직경 100mm, 두께 6mm인 SCM440 원판을 담금질(Quenching)과 템퍼링(Tempering)을 거쳐 HRC 30의 경도를 얻도록 만들었다. 이를 크롬강 쇼트볼로 블라스팅하여 표면에 얕은 딤플면을 형성한 뒤 Cr 45.3중량％, B 5.9중량％, Si 1.8중량％, C 0.12중량％, Cu 2.1중량％, Mn 0.8중량％, Ni 0.5중량％, Mo 0.5중량％, Li 1.1중량％, Ca 0.5중량％, Cd 1.8중량％, Sc 1.3중량％ 나머지는 Fe로 구성된 조성물을 용사 코팅하였다.

여기서, 상기 용사 코팅 방법은, 1차 가스로 산소를, 2차 가스로 프로필렌, 수소 또는 프로판을 사용하는 DJ(Diamond Jet) HVOF 시스템을 사용하였으며, 화염의 온도는 약 3000℃였으며, 용융입자의 비산 속도는 약 2,000m/sec의 속도로 분사한다.

이러한 용사 코팅을 통하여 기공율 5% 이하이고 경도 HV 1,2000 내외인 경화층을 0.13~0.15mm 두께로 얻을 수 있었다.

알루미나 저석으로 코팅층을 연마하여 표면조도를 1.2S의 수준으로 가공한다.

이상의 방법으로 제작한 원판을 30㎛ 내외의 두께로 경질 크롬 도금한 원판과 함께 핀 온 디스크(Pin on disc) 방식으로 내마모 비교시험을 시행한다.

상기 핀은 직경 6mm(면적 28.3mm2)로, SCM440 환봉을 담금질(Quenching)과 템퍼링을 거쳐 HRC32의 경도를 가지는 것을 사용한다.

모서리 부분은 45° 모따기를 실시하여 엣지에 의한 에러를 예방하였다. 회전속도는 1.86m/min, 회전직경은 25mm로 하고, 하중은 20kg/㎠로 고정하여 소착 내구시간을 측정하였다. 조기소착에 의한 에러를 방지하기 위해,

그리스를 묻힌 천을 사용하여 원판 시편의 활주면을 깨끗이 닦아낸 상태에서 시험한다.

상기 각각의 원판을 3개씩 시험한 결과, 크롬 도금한 원판은 170, 192, 198sec만에 스코링 마모(scoring wear)가 발생한다.

또한, ASTM D-2670, D-2625, D-3233, D-5620에 규정된 팔렉스 마모시험기(Falex tester) 및 이를 이용한 시험방법으로 핀 온 브이블럭(Pin on V-block)마모시험을 시행한다. 이때, 사용된 핀은 SCM440 환봉을 가공하여 담금질(Quenching)과 템퍼링을 거쳐 HRC32의 경도를 가지는 것을 사용하여 최종1/4인치 직경으로 가공한다. 최종 직경보다 0.15㎜적게 절삭 가공한 뒤에 코팅하고, 이 코팅층을 연마하여 최종적으로 직경 1/4인치를 갖도록 가공한다. 경질크롬도금을 한 경우에는 도금후 연마하여 측정한 결과 두께가 35㎛로 나타났다. 브이 블록은 SCM440소재를 담금질(Quenching)-템퍼링 처리하여 핀 형태의 원기둥에 브이형 홈을 형성하는데, 핀의 직경은 1/2인치였다. 핀과 블록 모두 연마가공하였고, 핀의 표면조도는 1.2S의 수준이었다. 핀에 가해진 하중은 1000lbs (454kg) 회전수는 293rpm이었으며, 일반 베어링용 그리스를 천에 묻혀 닦아내는 정도로 윤활처리 하였다. 이상과 같은 조건에서 각각 3회 측정한 결과, 경질크롬 도금된 핀은 35, 49, 53sec에서 소착되었으며, 본 발명의 코팅 핀은 247, 285, 323sec를 나타내어 높은 내구성을 가졌다.

상기 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

담금질(Quenching)과 템퍼링(Tempering)에 의해 HRC 30의 경도를 갖도록 만들어진 SCM440 원판과, 상기 SCM440 원판의 외주면에 형성되고 비정질 조직을 가져서 우수한 내마모성을 갖는 용사 코팅층으로 이루어지는 내연기관용 슬라이딩 부품에 있어서,
상기 용사 코팅층은,
1차 가스로 산소를, 2차 가스로 프로필렌, 수소 또는 프로판을 사용하는 DJ(Diamond Jet) HVOF 시스템을 사용하여, Cr 45.3중량％, B 5.9중량％, Si 1.8중량％, C 0.12중량％, Cu 2.1중량％, Mn 0.8중량％, Ni 0.5중량％, Mo 0.5중량％, Li 1.1중량％, Ca 0.5중량％, Cd 1.8중량％, Sc 1.3중량％ 나머지는 Fe로 이루어진 조성물을 용사 코팅하여 이루어지는데,
화염의 온도는 3000℃, 용융입자의 비산 속도는 2,000m/sec로 분사하여 0.13 내지 0.15mm 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 내연기관용 슬라이딩 부품.