KR101614050B1 - 내연 기관의 활주 요소, 특히 피스톤 링 - Google Patents

내연 기관의 활주 요소, 특히 피스톤 링 Download PDF

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Abstract

내연 기관의 활주 요소는 외부로부터 내측으로 적어도 다음의 층들, 즉 제1 카본계 층(carbon-based layer), 제1 카본계 층보다 더 단단하고 그리고/또는 수소 비율이 작은 제2 카본계 층, 물리적 기상 증착(PVD) 층 및 접합 층을 구비한 피막(coating)을 구비한다.

Description

내연 기관의 활주 요소, 특히 피스톤 링{SLIDING ELEMENT IN AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE, IN PARTICULAR A PISTON RING}
본 발명은 내연 기관의 활주 요소, 특히 피스톤 링에 관한 것이다.
내연 기관의 연료 소비량 및 그에 따른 CO2 배출량은 엔진의 마찰 손실에 따라 크게 좌우된다. 이 경우, 마찰 손실 중 상당 부분은 피스톤 조립체, 특히 피스톤 링에서 일어난다. 이러한 점에서, 내연 기관 분야에서 내연 기관의 모든 활주 부재, 즉 피스톤, 피스톤 링 및 실린더 라이너를 저마찰성으로 만드려는 노력이 행해지고 있다. 또한 상기 요소들에 대해 양호한 초기 길들이기(running-in) 거동을 부여할 수 있고 엔진의 전체 내용 연수에 걸쳐서 마찰을 비교적 낮게 하는 것이 바람직하다.
마멸 층 및 런인 층(run-in layer)과 바람직하게는 이들 층들 사이에 위치된 금속성 중간 층을 구비한 활주 요소가 독일 특허 DE 10 2005 063 123 B3에 공지되어 있다.
본 발명의 목적은 바람직한 런-인 거동을 영구적으로 낮은 마찰 계수와 결합시킨 내연 기관용 활주 요소, 특히 피스톤 링을 생성하는 것이다.
이 목적은 특허청구범위의 청구항 제1항의 요지에 의해 달성된다.
따라서, 외부로부터 내측으로 적어도 다음의 층들, 즉 제1 카본계 층(carbon-based layer), 제1 카본계 층보다 더 단단하고 그리고/또는 수소 비율이 작은 제2 카본계 층, 물리적 기상 증착(PVD) 층 및 접합 층을 구비한 피막(coating)을 구비한, 피스톤, 실린더 라이너, 특히 피스톤 링과 같은 내연 기관의 활주 요소가 제시된다.
최외곽의 제1 카본계 층은 특히 제2 카본계 층과 비교하면 상대적으로 연성이지만, 바람직한(favorable) 마찰 거동을 갖고 있다. 유리하게는, 공지의 다이아몬드상 카본(DLC; diamond-like carbon) 층에 관련된 강화된 내마멸성이 증가된다. 이러한 장점들은 특히 적절한 증착 공정들과 파라미터들에 의해 달성된다. 유리하게는, 상기 최외곽의 카본계 층은 그 자체가 양호한 초기 길들이기 거동(running-in behavior)을 달성하기 위하여 개조될 수 있는데, 다시 말하자면 예를 들어 실린더 라이너에 대한 피스톤 링의 초기 길들이기가 최적화된다.
유리하게는, 제1 카본계 층 아래의 제2 카본계 층은 두 카본계 층의 인접한 PVD 층에 대한 양호한 연결 및 접합을 이룬다. 카본계 층들 중 적어도 한 층이 DLC 층으로 만들어질 수도 있다. 바람직하게는 상기 두 카본계 층들은 비교적 얇아서 내용 연수가 한정되어 있으며 런인 층으로서 사용될 수 있다.
PVD 층은 "장기적인" 최외곽 층으로서 마련된다. 특정 공극률을 생성하는 것에 의해, 유리하기로는 카본계 런인(run-in) 층의 등급(magnitude) 수준인 바람직한 마찰 계수를 얻는 것이 가능하다. 시험에서, 그러한 마찰 계수가 어떠한 문제성 초기 길들이기 거동도 없이 두 개의 카본계 층의 존재로 인해 생긴다는 것을 발견했다. PVD 층은 예를 들어 최소 층 두께가 10㎛로 비교적 두껍고 따라서 내구성 및 내마멸성이 있다. 이렇게 하여, 필요한 내용 연수를 얻게 된다.
마지막으로, 강, 주철 또는 다른 적당한 소재일 수 있는, 활주 부재, 예를 들어 피스톤 링의 기본 소재(base material)에 접합 층이 마련된다. 전체적으로, 본 발명의 기본적인 개념이 여기서 처음으로 내연 기관의 활주 요소가 네 개 이상의 층들을 갖는다는 것이라는 점을 고려할 수 있다. 특히, 적당한 마찰 계수와 카본계 층의 양호한 초기 길들이기 거동이 PVD 층의 내마멸성과 결합된다. 추가적인 혁신점은 최외곽의 카본계 층이 상술한 특성들과 특징들을 갖는 제1과 제2 카본계 층들으로 구분된다는 것이다. 특히, 이러한 구분의 관점에서, 최내곽 층(접합 층)이 반드시 존재해야 할 필요가 없다.
본 발명의 바람직한 개선례들은 다른 청구항들에 기재되어 있다.
제1 및/또는 제2 카본계 층은 바람직하게는 수소화 비정질 카본(a-C:H) 형의 층이다.
바람직하게는 금속을 함유한 제3 카본계 층이 내부의 제2 카본계 층과 PVD 층 사이에 마련된다.
텅스텐 또는 다른 적당한 금속을 함유하는 텅스텐 함유 수소화 비정질 카본(a-C:H:W) 형의 층이 특히 적당한 것으로 판명되었다.
적당한 마찰 계수를 동시에 갖는 요구되는 초기 길들이기 거동을 위해, 제1 및 제2 카본계 층의 두께, 적절하게는 제3 카본계 층을 포함한 두께는 ≥3㎛ 및/또는 ≤5㎛가 좋은 것으로 판명되었다.
전체 내용 연수에 걸쳐서 적당한 마찰 계수를 보장할 수 있도록, PVD 층이 적어도 하나의 카본계 층의 등급 수준인 마찰 계수를 갖는 것이 바람직하다.
특히, 이는 (회주철 상의) 0.02의 영역에 있을 수 있다.
PVD 층에 대해서는, 질화크롬에 기초한 질화크롬(CrN) 형의 층으로 특히 양호한 결과를 얻을 수 있었다. 질화크롬계 층의 경우, GOE 243(출원인의 소재 사양)에 따른 층일 수 있다.
유리하게는, 필요한 내용 연수를 얻는 데에 현재로서는 PVD 층의 층 두께가 적어도 10㎛인 것이 바람직하다.
접합 층에 대해서는, 금속 층, 특히 크롬 층을 이용한 시험에서 특히 양호한 특성들을 발견했다.
마지막으로, 접합 층의 두께는 ≤0.5㎛가 좋은 것으로 판명되었다.

Claims (11)

  1. 외부로부터 내측으로,
    제1 카본계 층,
    제1 카본계 층보다 더 단단하고 그리고 수소 비율이 작은 제2 카본계 층,
    물리적 기상 증착(PVD) 층,
    접합 층, 및
    금속을 포함하는 제3 카본계 층을 포함하되, 상기 제3 카본계 층은 상기 제2 카본계 층과 물리적 기상 증착 층 사이에 마련되며, 상기 제3 카본계 층이 텅스텐 함유 수소화 비정질 카본(a-C:H:W) 형의 층인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 활주 요소.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 카본계 층 또는 제2 카본계 층, 또는 제1 카본계 층 및 제2 카본계 층이 수소화 비정질 카본(a-C:H) 형의 층인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 활주 요소.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 카본계 층, 제2 카본계 층 및 제3 카본계 층을 포함한, 두께가 3㎛ 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 활주 요소.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    PVD 층의 마찰계수는 적어도 하나의 카본계 층의 마찰계수와 동일한 것을 특징으로 하는 내연 기관의 활주 요소.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    PVD 층은 회주철 상에서 0.02의 마찰 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 활주 요소.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    PVD 층은 질화크롬(CrN) 층인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 활주 요소.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    PVD 층의 층 두께가 ≥10㎛인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 활주 요소.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    접합 층은 금속 층인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 활주 요소.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    접합 층의 두께는 ≤0.5㎛인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 활주 요소.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    접합 층이 크롬 층인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 활주 요소.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    활주 요소가 피스톤 링인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 활주 요소.
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