KR101781086B1 - 내연기관용 피스톤 - Google Patents

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KR101781086B1
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양준규
류관호
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동양피스톤 주식회사
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Abstract

본 발명은 표면에 인산염 피막이 형성된 내연기관용 피스톤으로서, 상기 인산염 피막은 망간 및 칼슘을 포함하는 인산염 피막 또는 아연 및 칼슘을 포함하는 인산염 피막이며, 상기 망간 및 칼슘의 함량 비율(CCa/CMn) 및 상기 아연 및 칼슘의 함량 비율(CCa/CZn)이 0.4 내지 1.0의 범위를 가지는 내연기관용 피스톤을 제공한다.

Description

내연기관용 피스톤{Piston for internal combustion engine}
본 발명은 피스톤에 관한 것으로서, 더 상세하게는 자동차 내연기관에 사용되는 스틸 피스톤의 산화 및 실린더 라이너와의 소착을 방지할 수 있는 내연기관용 피스톤에 관한 것이다.
자동차 내연기관용 엔진에 있어서, 실린더 라이너 및 피스톤은 작동 상태에서 매우 높은 기계적 및 열적 부하를 받게 된다. 더욱이, 실린더 라이너 및 피스톤 링, 보다 자세하게는 실린더 라이너의 작동면과 피스톤의 피스톤 링 등은 연소 엔진의 작동시 높은 온도에 의해 산화되거나, 또는 마모되며, 실린더 라이너와의 소착이 발생할 수 있다. 이로 인해 피스톤의 손상을 유발할 수 있고, 피스톤의 수리 또는 교체 등과 같은 경제적인 측면에서 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 자동차 내연기관에 사용되는 피스톤의 산화 및 실린더 라이너와의 소착을 방지할 수 있는 차량 엔진용 피스톤에 대한 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 내연기관용 피스톤이 제공된다. 상기 내연기관용 피스톤은 상기 인산염 피막은 망간 및 칼슘을 포함하는 인산염 피막 또는 아연 및 칼슘을 포함하는 인산염 피막이며, 상기 인산염 피막은 망간 및 칼슘의 함량 비율(CCa/CMn) 및 아연 및 칼슘의 함량 비율(CCa/CZn)이 0.4 내지 1.0의 범위를 가질 수 있다.
상기 내연기관용 피스톤에 있어서, 상기 내연기관용 피스톤의 재질은 크롬(Cr) 및 몰리브데늄(Mo)을 포함하는 템퍼드 마르텐사이트 강(temered martensite steel)일 수 있다. 예를 들어, 상기 템퍼드 마르텐사이트 강은 42CrMo4강일 수 있다.
상기 내연기관용 피스톤에 있어서, 상기 내연기관용 피스톤의 재질은 망간(Mn), 바나듐(V) 및 황(S)을 포함하는 페라이틱-펄라이트 강(ferritic-pearlite steel)일 수 있다. 예를 들어, 상기 페라이틱-펄라이트 강은 38MnVS6강일 수 있다.
상기 내연기관용 피스톤에 있어서, 상기 인산염 피막의 표면조도(Ra)는 0.4 내지 1.0 범위에 있을 수 있다.
상기 내연기관용 피스톤에 있어서, 상기 인산염 피막의 두께는 3 내지 10㎛ 범위에 있을 수 있다.
상기 내연기관용 피스톤에 있어서, 상기 인산염 피막의 결정립크기는 5 내지 15㎛ 범위에 있을 수 있다.
상기 내연기관용 피스톤에 있어서, 상기 망간 및 칼슘을 포함하는 인산염 피막은 표면이 침상조직을 가질 수 있다.
상기 내연기관용 피스톤에 있어서, 상기 아연 및 칼슘을 포함하는 인산염 피막은 표면이 구상조직을 가질 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내마모성, 내식성 및 저마찰성을 구현할 수 있는 내연기관용 피스톤 및 내연기관용 피스톤의 표면 처리 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 비교예 및 실험예에 따른 샘플들의 마모깊이를 분석한 결과이다.
도 2는 본 발명의 비교예 및 실험예에 따른 샘플들의 마모량을 분석한 결과이다.
도 3은 본 발명의 비교예 및 실험예에 따른 샘플들의 미세조직을 분석한 결과이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 엔진 피스톤은 피스톤의 적어도 일부, 예를 들어, 피스톤의 헤드부와 스커트부 뿐만 아니라 피스톤 링, 피스톤 핀 및 커넥팅 로드에 인산염 피막을 수 내지 수십 ㎛ 정도의 두께로 코팅함으로써 피스톤의 산화 및 실린더 라이너와의 소착을 방지할 수 있다. 여기서, 상기 피스톤의 재질은 스틸(steel) 피스톤일 수 있으며, 상기 스틸은 예를 들어, 크롬(Cr) 및 몰리브데늄(Mo)을 포함하는 템퍼드 마르텐사이트 강(tempered martensite steel) 또는 망간(Mn), 바나듐(V) 및 황(S)을 포함하는 페라이틱-펄라이트 강(ferritic-pearlite steel)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 템퍼드 마르텐사이트 강은 42CrMo4강일 수 있으며, 상기 페라이틱-펄라이트 강은 38MnVS6강일 수 있다.
상기 인산염 피막은 피스톤의 표면에 형성됨으로써 내마모성과 내식성이 우수하고, 물, 염류, 용제류에 대해서 불용성이므로 녹지 않고, 치밀하여 금속 표면을 잘 뒤덮으므로 방식효과가 크다. 인산염 피막은 예를 들어, 처리 탱크 내에 침지하는 침지법을 사용함으로써 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 내연기관용 엔진 피스톤의 표면 상에 코팅되는 인산염 피막은 망간 및 칼슘을 포함하는 인산염 피막 또는 아연 및 칼슘을 포함하는 인산염 피막일 수 있다. 인산염 피막은 탈지, 수세, 산세, 표면조정을 거쳐 인산염에 침지하여 피막을 형성한 후 수세, 중화, 탕세, 건조 및 방청의 단계를 거쳐 형성한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 의한 인산염 피막은 인산염에 침지하여 피막을 형성하는 단계에서 망간 및 칼슘을 포함하는 인산염 또는 아연 및 칼슘을 포함하는 인산염을 피스톤 표면에 형성할 수 있다.
본 발명자는 망간계 인산염 및 아연계 인산염이 내마모성 및 내식성을 갖는 재질이며, 예를 들어, 피스톤의 헤드부와 스커트부의 표면 상에 망간 및 칼슘을 포함하는 인산염 피막 또는 아연 및 칼슘을 포함하는 인산염 피막이 코팅되면, 마찰특성 및 마모 특성이 개선됨을 확인하였다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 피스톤 표면 상에 망간 및 칼슘을 포함하는 인산염 피막 또는 아연 및 칼슘을 포함하는 인산염 피막을 코팅함으로써 내마모성 및 내식성이 우수한 내연기관용 피스톤을 구현할 수 있다. 예를 들어, 인산염 피막의 온도, 시간, 농도 및 슬러지는 피막 형성 공정의 안정화 및 최종적으로 형성되는 코팅막의 두께나 막질의 특성에 영향을 미친다. 또, 탈지 공정, 산세 공정, 중화 공정 및 후처리 공정과 같이 각 공정에서의 시간, 온도, 농도, 수세의 온도 및 수질 등도 우수한 코팅막을 형성하는 중요한 인자들로서 코팅막의 특성에 영향을 미친다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 내연기관용 피스톤의 인산염 피막은 망간 및 칼슘의 함량 비율 또는 아연 및 칼슘의 함량 비율을 조절함으로써 우수한 내마모성 및 내식성을 갖도록 최적의 인산염 피막을 효과적으로 형성할 수 있다.
상기 인산염 피막은 망간 및 칼슘의 함량 비율(CCa/CMn) 또는 아연 및 칼슘의 함량 비율(CCa/CZn)이 0.4 내지 1.0의 범위를 가질 수 있다.
상기 망간 및 칼슘의 함량 비율과 아연 및 칼슘의 함량 비율의 한정 이유는 다음과 같다.
만약, 망간 및 칼슘의 함량 비율 또는 아연 및 칼슘의 함량 비율이 0.4 미만이면, 내마모성이 떨어지고, 반면에 1.0 초과이면, 내마모성 및 내식성 저하되어 피스톤 제조공정에 적용하기 어렵게 된다.
상기 인산염 피막의 표면조도(Ra)는 0.4 내지 1.0 범위에 있다.
만약, 인사염 피막의 표면조도가 0.4 미만이면, 인산염 피막 조직이 제대로 형성되지 않은 것으로 내마모성 효과를 보기 어려고, 반면 1.0 초과이면 조직이 매우 거대하여 피스톤의 마찰력이 증가되며, 상대재 마모를 야기 시킬 수 있다.
상기 인산염 피막의 두께는 3 내지 10㎛ 범위에 있다.
만약, 인산염 피막의 두께가 3㎛ 미만이면, 인산염 피막이 너무 얇아 내마모성 특성 효과를 얻기 어렵고, 반면에 10㎛ 초과이면 공정시간 증가으로 인해 생산효율이 떨어진다.
상기 인산염 피막의 결정립크기는 5 내지 15㎛ 범위에 있다.
만약, 인산염 피막의 결정립 크기가 5㎛ 미만이면, 피스톤의 마찰특성은 좋아질 수 있으나, 내마모성 효과가 저하된다.
반면에 15㎛ 초과이면, 우수한 내부식성을 얻기 어렵다.
이하에서는, 내연기관용 피스톤의 표면에 형성되는 인산염 피막의 내마모성과 상술한 인산염 피막에 첨가한 원소들의 함량 비율 간의 상호관련성을 파악하기 위한 실험예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 아래의 실험예들만으로 한정되는 것은 아니다.
표 1은 본 발명의 실시예에 따른 내연기관용 피스톤의 표면 처리 방법으로서, 준비된 42CrMo4강 모재의 표면에 인산염 피막을 형성하여 제조한 샘플들의 피막 종류, 인산염 피막의 각 원소 함량 비율을 정리한 표이다.
표 1에서 ‘첨가 원소들의 함량’은 피스톤의 표면 상에 형성된 인산염 피막에 함유된 원소들의 중량비(단위:g)이다. 예를 들어, 표 1의 실험예 4에 따르면, 피스톤의 표면 상에 형성된 인산염 피막에 함유된 칼슘 원소와 망간 원소의 함량이 각각 90g, 150g 일 경우, 망간 및 칼슘의 함량 비율(CCa/CMn)은 0.6이다.
샘플
종류		 피막
종류		 Ca/Zn
함량
비율		 Ca/Mn
함량
비율
실험예1 CaZnP 0.59 -
실험예2 CaZnP 0.97 -
실험예3 CaMnP - 0.4
실험예4 CaMnP - 0.6
비교예1 MnP - -
비교예2 CaZnP 0.32 -
비교예3 CaMnP - 0.2
표 2는 상기 표 1의 내연기관용 피스톤의 샘플들의 마모깊이, 상대재 마모량, 내마모성, 부식성 및 마찰계수를 평가한 결과를 나타낸 것이다. 다만, 코팅막의 마모깊이, 상대재 마모량, 입자크기, 내마모성, 마찰계수 및 부식성 등은 측정장비에 따라 절대값이 다르게 측정되므로 경향을 파악하는 상대적인 값으로 이해할 수 있다.
표 2에서 원(
Figure 112016105305083-pat00001
)으로 표현된 분포는 우수한 값을 나타낸 것이며, 정사각형(
Figure 112016105305083-pat00002
)으로 표현된 분포는 보통의 값을 나타낸 것이다. 피막의 종류에서 MnP는 망간인산염 피막을 의미하고, CaMnP는 망간 및 칼슘을 함유하는 인산염 피막을 의미하고, CaZnP는 아연 및 칼슘을 함유하는 인산염 피막을 의미한다.
샘플
종류		 피막
두께
(㎛)		 표면
조도
(Ra)		 입자
크기
(㎛)		 마모
깊이
(㎛)		 상대재
마모량
(㎟)		 부식성 내마모성 마찰계수
실험예1 5.5 0.431 < 10 3.02 0.086
Figure 112016105305083-pat00003
Figure 112016105305083-pat00004
Figure 112016105305083-pat00005
실험예2 5.3 0.455 < 11 1.31 0.085
Figure 112016105305083-pat00006
Figure 112016105305083-pat00007
Figure 112016105305083-pat00008
실험예3 5.4 0.713 < 10 1.40 0.091
Figure 112016105305083-pat00009
Figure 112016105305083-pat00010
Figure 112016105305083-pat00011
실험예4 5.7 0.655 < 8 1.70 0.095
Figure 112016105305083-pat00012
Figure 112016105305083-pat00013
Figure 112016105305083-pat00014
비교예1 5.0 0.360 < 6 2.42 0.069
Figure 112016105305083-pat00015
Figure 112016105305083-pat00016
Figure 112016105305083-pat00017
비교예2 5.3 0.426 < 9 2.04 0.066
Figure 112016105305083-pat00018
Figure 112016105305083-pat00019
Figure 112016105305083-pat00020
비교예3 5.4 0.449 < 10 2.50 0.076
Figure 112016105305083-pat00021
Figure 112016105305083-pat00022
Figure 112016105305083-pat00023
도 1은 본 발명의 비교예 및 실험예에 따른 샘플들의 마모깊이를 분석한 결과이고, 도 2는 본 발명의 비교예 및 실험예에 따른 샘플들의 마모량을 분석한 결과이며, 도 3은 본 발명의 비교예 및 실험예에 따른 샘플들의 미세조직을 분석한 결과이다.
도 1은 표 2의 실험예들 중 실험예 1과 실험예 3의 마모깊이와 비교예 1의 마모깊이의 평균값을 측정하여 비교한 결과이고, 도 2는 상기 실험예 1, 실험예 3 및 비교예 1의 상대재 마모량의 평균값을 측정하여 비교한 것이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 비교예 1에 비해 본 발명의 실험예 1와 실험예 3은 마모깊이도 상대적으로 적은 편이고, 그에 따른 상대재의 마모량도 상대적으로 적은 편이다. 비교예 1에 의한 피스톤 샘플보다 상대적으로 실험예 1과 실험예 3에 의한 피스톤 샘플들이 마찰계수가 작고, 내마모성이 우수한 것을 알 수 있다.
도 3은 표 2의 실험예들 중 실험예 1 내지 실험예 4의 내연기관용 피스톤 샘플과 비교예 2 및 비교예 3의 내연기관용 피스톤 샘플의 미세조직을 분석한 결과이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 내연기관용 피스톤 샘플들의 경우, 피스톤의 표면 상에 형성된 인산염 피막에 함유된 원소들의 함량의 비가 0.4 내지 1.0의 범위를 만족하는 경우, 내마모성과 내부식성이 우수한 것으로 확인되었다. 실험예 1(도 3의 (a)) 및 실험예 2(도 3의 (b))의 경우, 즉, 아연 및 칼슘을 함유하는 인산염 피막은 표면이 구상형태의 미세조직을 가지며, 실험예 3(도 3의 (c)) 및 실험예 4(도 3의 (d))의 경우, 즉, 망간 및 칼슘을 함유하는 인산염 피막은 표면이 침상형태의 미세조직을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이는 망간의 입자가 아연의 입자 크기보다 상대적으로 크기 때문에 칼슘과 아연이 함유된 인산염 피막에서 입자의 크기가 더 작고 고르게 형성된 것으로 해석된다.
반면에, 본 발명의 비교예 2(도 3의 (e)) 및 비교예 3(도 3의 (f))에 의한 내연기관용 피스톤 샘플은 표면이 입자의 형태가 뚜렷하지 않거나 다소 크기가 큰 침상형태의 조직을 갖는 것을 확인하였다. 본 발명의 인산염 피막을 사용하지 않은 내연기관용 피스톤 샘플의 경우, 생성되는 결정이 다소 크기가 큰 형상으로 형성되어 마찰 및 마모특성의 개선에 제한이 따를 수 있다.
따라서, 도 1 및 도 2를 참조하여 상술한 바와 같이, 비교예 1에 비해 본 발명의 실험예 1과 실험예 3은 마모깊이도 상대적으로 적은 편이고, 그에 따른 상대재의 마모량도 상대적으로 적은 편인데, 이는, 비교예 샘플들에 비해 상대적으로 침상형태 또는 구상형태의 미세조직을 갖는 실험예에 의한 피스톤 샘플들이 마찰계수가 작고, 내마모성이 우수한 것을 알 수 있다.
살펴본 바와 같이, 인산염 피막에 첨가된 원소들의 함량비는 내연기관용 피스톤의 내마모성을 효과적으로 제어할 수 있는 인자이다. 예를 들어, 표 1의 실험예 1의 망간 및 칼슘을 포함하는 인산염 피막은 상기 망간 및 칼슘의 함량 비율인 CCa/CMn이 약 0.59이며, 실험예 4의 아연 및 칼슘을 포함하는 인산염 피막은 상기 아연 및 칼슘의 함량 비율인 CCa/CZn이 약 0.6으로 거의 유사하지만 물질의 종류에 따라 미세조직이 크게 달라진다. 또, 동일한 물질을 사용할 경우도 함량 비율에 따라 마모도가 상대적으로 달라진다.
한편, 본 발명의 비교예 및 실험예들 모두 오일 반응성에서 특이사항은 없었으며, 염수분무에 의한 부식성 테스트 결과도 모두 양호한 결과를 얻었다. 이에 따라, 본 발명의 실시예들에 의한 내연기관용 피스톤은 인산염 피막에 함유된 원소의 함량비를 제어함에 따라 산화방지 및 실린더 라이너와의 소착을 방지할 수 있으며, 저마찰 특성과 내마모 특성을 현저하게 개선할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 표면에 인산염 피막이 형성된 내연기관용 스틸 피스톤으로서,
    상기 인산염 피막은 망간 및 칼슘을 포함하는 인산염 피막이며,
    상기 인산염 피막은 망간 및 칼슘의 중량 비율(CCa/CMn)이 0.6 내지 1.0의 범위를 가지고,
    상기 망간 및 칼슘을 포함하는 상기 인산염 피막은 표면이 침상조직을 가지는,
    내연기관용 피스톤.
  2. 표면에 인산염 피막이 형성된 내연기관용 스틸 피스톤으로서,
    상기 인산염 피막은 아연 및 칼슘을 포함하는 인산염 피막이며,
    상기 인산염 피막은 아연 및 칼슘의 중량 비율(CCa/CZn)이 0.6 내지 1.0의 범위를 가지고,
    상기 아연 및 칼슘을 포함하는 상기 인산염 피막은 표면이 구상조직을 가지는,
    내연기관용 피스톤.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 내연기관용 스틸 피스톤의 재질은 망간(Mn), 바나듐(V) 및 황(S)을 포함하는 페라이틱-펄라이트 강(ferritic-pearlite steel)인,
    내연기관용 피스톤.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 인산염 피막의 표면조도(Ra)는 0.4 내지 1.0㎛ 범위에 있는,
    내연기관용 피스톤.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 인산염 피막의 두께는 3 내지 10㎛ 범위에 있는,
    내연기관용 피스톤.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 인산염 피막의 결정립크기는 5 내지 15㎛ 범위에 있는,
    내연기관용 피스톤.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 내연기관용 스틸 피스톤의 재질은 크롬(Cr) 및 몰리브데늄(Mo)을 포함하는 템퍼드 마르텐사이트 강(temered martensite steel)인,
    내연기관용 피스톤.
  8. 삭제
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