KR101781618B1 - 적어도 피스톤 링의 내부 표면을 코팅하는 방법 및 피스톤 링 - Google Patents

적어도 피스톤 링의 내부 표면을 코팅하는 방법 및 피스톤 링 Download PDF

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Abstract

피스톤 링의 내부 표면의 적어도 일부를 코팅하는 방법에 있어서, 상기 링은 바람직하게는 주철 또는 강철로 이루어지고, PVD 및/또는 DLC 코팅은 PA-CVD, 글로우 방전 및/또는 HIPIMS 방법들 중 하나 이상에 의해 도포된다. 피스톤 링은 상기 링의 내부 표면의 적어도 일부 상에 형성되어 있는 코팅을 가지며, 상기 코팅은 바람직하게는 PA-CVD, 글로우 방전 및/또는 HIPIMS에 의해 도포되어 있는 PVD 및/또는 DLC 코팅이다.

Description

적어도 피스톤 링의 내부 표면을 코팅하는 방법 및 피스톤 링{Method for coating at least the inner face of a piston ring and piston ring}
본 발명은 적어도 피스톤 링의 내부 표면을 코팅하는 방법 및 피스톤 링에 관한 것이다.
본 발명에 따라 코팅되는 피스톤 링은 전형적으로 내연 기관의 피스톤 내 2-부품 오일 스크래퍼(scraper) 링의 구성요소로서 제공된다. 실린더 또는 실린더 라이너와 슬라이딩하면서 접촉하는 실제 피스톤 링은 내부에 위치하는 나선 압축 스프링에 의해 실린더 벽에 대항하여 가압된다. 따라서, 피스톤 링의 내부 표면에서, 상기 기관의 작동 도중 동력학적 응력으로 인해 상대적 움직임이 피스톤 링과 나선 압축 스프링 사이에서 발생한다. 이 움직임은 소위 2차 마모를 초래할 수 있으며, 이는 그 자체가 피스톤 링 상에서 홈 내 채널 형태로 그리고 스프링 상에서 마멸된 물질의 형태로 드러날 수 있다. 상기 스프링은 홈 내 채널에서 걸릴 수 있으며, 이는 피스톤 링의 긁힘 작용을 부여한다. 더욱이, 기능을 수행하는 데 요구되는 접선 힘(tangential force)이 감소될 수 있다.
DE 196 51 112 A1은, 코팅이 충분하게 제공되어 있는, 엔진 피스톤 로드 상의 오일 스크래퍼 링에 관한 것이다.
JP2006349019 (A)는 비정질 하드카본 코팅(amorphous hard carbon coating)을 갖는 피스톤 링을 개시하고 있다.
DE 196 51 112 A1 JP2006349019 (A)
본 발명의 목적은 피스톤 링을 코팅하는 방법, 및 코팅된 피스톤 링을 제공하는 것이며, 여기서 2-부품 오일 스크래퍼 링의 하나 이상의 구성요소의 마찰 및/또는 마모 거동이 개선된다.
상기 목적은 한편으로는 특허청구범위 청구항 1에 기재된 방법에 의해 달성된다.
결론적으로, PVD 및/또는 DLC 층이 피스톤 링에 도포되며, 바람직하게는 주철(cast iron) 또는 강철(steel)로 제조된 피스톤 링에, PA-CVD(플라즈마-보조 화학 증착)(plasma-assisted chemical vapour deposition), 글로우 방전(glow discharge) 또는 고이온화법(high ionisation process), 예컨대 HIPIMS의 방법들 중 하나 이상에 의해 도포된다. 이로 인해, 전술된 방법에서는, 놀랍고도 새로운 방식으로, 피스톤 링의 내부 표면의 코팅이 공정 기술의 관점에서 실현 가능한 방식으로 우수한 품질로 형성될 수 있음이 밝혀졌다. 따라서, 최초로, 나선 압축 또는 코일 스프링에 대항하여 효과적인 마모 보호를 피스톤 링의 내부 표면에 제공할 수 있다. 상기 피스톤 링은 그의 내부 측면 상에 코일 스프링을 수용하기 위한 홈을 가질 수 있음이 언급되어야 한다. 여기서, "적어도 내부 측면 상에 코팅(됨)(coating at least on the inner side)"은 피스톤 링이 그의 원통형 내부 표면 상에, 및 바람직하게는 적어도 이들 영역, 예컨대 코일 스프링과 접촉하고 있는 코일 스프링 홈의 영역 내에 코팅되어 있음을 의미하는 것으로 이해된다. 그러나, 본원에 기재된 코팅이 추가 표면들, 예컨대 플랭크(flank) 및/또는 작동 표면(running surface)에 제공될 수 있다.
전술된 층들은 매우 낮은 마찰 계수를 갖는 것으로 밝혀졌다. 결론적으로, 상기 코일 스프링에 대한 낮은 마모가 더 유리하게 기대된다. 최종적으로, 전술된 층들은 비교적 극내화학성(extremely chemically resistant)을 가지며, 따라서 침적이 방지되고, 상기 오일 링 시스템의 이동성에서의 추가 개선이 전체적으로 유리하게 달성된다. 상기 DLC 층은 수소-부재 층(hydrogen-free layer)의 형태로, 특히 a-C 또는 ta-C의 형태로 존재할 수 있다. 수소-함유 금속-부재 층(hydrogen-containing but metal-free layer)은 예컨대 a-C:H 또는 ta-C:H의 형태로 추가로 고려될 수 있다.
바람직한 추가 개발사항들은 다른 청구항들에 기재되어 있다.
상기 요건들을 유리하게 충족하는 층 두께에 대해서는 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위인 것으로 밝혀졌다.
PVD 층에 대해서는, 초기 시험들에서 금속 크롬, 티탄, 알루미늄 및 텅스텐 중 하나 이상의 질화물 및/또는 탄화물로 형성된 층이 특히 우수한 결과들을 갖는 것으로 밝혀졌다. 상기 질화물 및 탄화물의 침적이 교호적으로 또는 동시에 발생할 수 있다.
800 내지 4000 HV0.1의 경도를 갖는 PVD 층들에서 특히 우수한 결과들이 달성되었다.
상기 비정질 탄소 또는 DLC 층에 대해서는, 이하의 층들 중 하나 이상을 가지며 우선 상기 피스톤 링의 기재 물질이 대면하는 것이 1.0 ㎛ 이하의 층 두께를 갖는 크롬 및/또는 티탄의 접착제 층을 갖는 구조가 바람직하다. 이후, 금속- 또는 반도체-함유 중간 층, 즉 a-C:H:Me(여기서, 금속으로서 텅스텐, 티탄 또는 크롬을 가짐) 또는 a-C:H:X(여기서, X는 반도체로서 규소 및/또는 게르마늄, 및/또는 구성성분 불소, 붕소, 산소 및 질소 중 하나 이상을 가짐)가 뒤따른다. 이 중간 층의 두께는 바람직하게는 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛이다. 전술된 구조는 바람직하게는 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛의 두께를 갖는 a-C:H 유형의 금속-부재 최상부 층(metal-free top layer)에 의해 완결된다.
나노결정질 금속 또는 금속 탄화물 침적물, 예컨대 WC, CrC, SiC, GeC 또는 TiC를 함유하는 금속-함유 DLC 중간 층에서 특히 우수한 성질이 밝혀졌다.
상기 DLC 층에 대해서는, 2000 내지 5000 HV0.002의 경도에서 유리한 성질들이 밝혀졌다.
앞서 기재된 방법들에 덧붙여, 스퍼터링 및 특히 공동 캐소드(hollow cathode) 글로우 방전 방법이 또한 DLC 층에 사용될 수 있다.
앞서 언급된 목적은 청구항 8에 기재된 피스톤 링에 의해 추가로 달성된다. 이의 바람직한 실시양태들은 전술된 바람직한 방법 특징들을 적용함으로써 수득된다.
또한, 동일자로 출원하고 명칭 "슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링, 및 슬라이딩 요소를 코팅하는 방법(Sliding element, in particular a piston ring, and method for coating a sliding element)"을 갖는 출원에서 출원인에 의해 기재되어 있는 코팅의 실시양태를, 본원에 기재된 적어도 그의 내부 표면 상에 코팅되어 있는 피스톤 링에 적용할 수도 있음이 언급되어야 한다. 더욱이, 본원에 기재된 내부 표면 상에 특별히 코팅되어 있는 피스톤 링은, 동일자로 출원하고 명칭 "내연 기관 내 피스톤의 오일 스크래퍼 링용 나선 압축 스프링, 및 나선 압축 스프링을 코팅하는 방법(Helical compression spring for an oil scraper ring of a piston in an internal combustion engine and method for coating a helical compression spring)"을 갖는 출원에서 실시양태들 중 하나로 기재되어 있는 나선 압축 스프링과 유리하게 조합될 수 있다.

Claims (8)

  1. 적어도 피스톤 링의 내부 표면을 적어도 부분적으로 코팅하는 방법으로서, 상기 피스톤 링은 주철(cast iron) 또는 강철(steel)로 제조되고, 상기 코팅은 PA-CVD, 글로우 방전(glow discharge) 또는 HIPIMS 에 의해 PVD 층 또는 DLC 층이 도포되는 것이며, 상기 DLC 층은 a-C:H:X 유형(여기서, X는 규소, 게르마늄, 불소, 붕소, 산소 및/또는 질소임)의 하나 이상의 중간 층을 포함하는 것인, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PVD 층 또는 DLC 층은 0.5　㎛ 내지 10 ㎛의 전체 두께로 도포되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 PVD 층이, 교호적으로 또는 동시에 침적되어 있는 크롬, 티탄, 알루미늄 및 텅스텐 중 하나 이상의 질화물; 또는 이들 중 하나 이상의 탄화물; 또는 상기 하나 이상의 질화물과 상기 하나 이상의 탄화물;을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 DLC 층이, 1.0 ㎛ 이하의 층 두께를 갖는 크롬 및/또는 티탄의 접착제 층; 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛의 층 두께를 갖는 a-C:H:Me 유형(여기서, Me는 텅스텐, 티탄 및/또는 크롬임) 또는 a-C:H:X 유형(여기서, X는 규소, 게르마늄, 불소, 붕소, 산소 및/또는 질소임)의 하나 이상의 금속-함유 중간 층; 및 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛의 층 두께를 갖는 a-C:H 유형의 금속-부재 최상부 층(metal-free top layer) 중 하나 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 금속-함유 DLC 층이 나노결정질 금속 또는 금속 탄화물 침적물을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
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