KR102467685B1 - 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물 - Google Patents

엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물 Download PDF

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Abstract

자동차의 엔진 피스톤에 적용되는 고체윤활 코팅조성물이 개시되어 있다.
이 개시된 자동차의 엔진 피스톤용 고체윤활 코팅 조성물로서, 페놀 수지, 에폭시 수지 및 폴리아미드 이미드 수지로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 바인더와; 고체윤활제와; 첨가제; 및 용매를 포함한다.

Description

엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물{Solid Lubricating Coating Composition for silk printing engine pistons}
본 발명은 엔진 피스톤 고체윤활 코팅 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진 피스톤에 코팅되어 고윤활성, 고내열성 및 내마모성의 특성을 향상시키기 위한 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물에 관한 것이다.
자동차 엔진은 공기와 연료를 연소실 내로 유입시켜 연소시킴으로써 동력을 얻는 대표적인 내연기관이다. 이러한 자동차 엔진의 실린더 블록 내에는 고속으로 왕복운동을 하는 피스톤이 설치되어 있으며, 이 피스톤은 연소실에서 발생한 고온, 고압의 연소압을 받아 커넥팅 로드를 통해 크랭크 축을 회전시키는 일을 한다.
피스톤은 고온의 연소가스에 피스톤 헤드가 노출되고, 또한 고압을 충격적으로 받으며, 실린더 블록 내에서의 고속 왕복운동으로 큰 마찰이 생기는 등 가혹한 조건하에서 구동된다. 따라서, 피스톤은 위의 지속적인 고온의 가혹한 조건하에서도 그 기능을 충분히 발휘할 수 있도록 제조되어야 함은 물론, 가벼우면서도 견고할 뿐만 아니라 열전도성 및 내열성이 좋은 재질로 제조되어야 한다.
또한, 통상의 피스톤에서는 고온의 연소열에 의한 피스톤의 파손 방지와 피스톤의 내부 냉각을 위한 환형의 오일 갤러리가 피스톤 몸체의 내부, 즉 탑 링용 홈의 안쪽으로 설치되어 있으며, 이 오일 갤러리의 일측과 타측으로는 오일 유입을 위한 유입구와 배출을 위한 배출구가 각각 형성되어 있다.
따라서, 엔진의 운전시 오일의 일부가 유입구를 통해 오일 갤러리 내부로 유입된 후 순환되면서 피스톤 몸체 및 링 캐리어를 냉각시키고, 순환된 오일은 배출구를 통해 몸체 밖으로 배출되도록 되어 있다. 탑 링이 결합되는 홈이 형성된 링 결합부를 나타낸다. 한편, 피스톤은 왕복운동 특성에 따라 관성질량이 될 수 있으면 작은 것이 좋으며, 이를 위해 피스톤 하부쪽을 스커트(skirt) 모양으로 절삭하여 실린더 블록 내벽에 접촉되는 면적을 최소화하고 있는 바, 이와 같이 절삭된 부위를 피스톤 스커트부라 한다.
이 피스톤 스커트부는 피스톤의 왕복운동에 의해 실린더 블록 내벽과 마찰을 일으키게 되며, 따라서 피스톤 스커트부에는 실린더 블록 내벽과의 마찰 및 마모를 줄이기 위하여 내마모성 윤활막 코팅을 하는 것이 일반적이다. 피스톤 스커트부의 마찰 및 마모 거동을 보면, 실린더 블록 내의 피스톤 상하운동시 상사점 및 하사점이 경계윤활영역이 되며, 그 외의 영역은 유체윤활영역이 된다.
경계윤활영역에서의 연비 저감을 위한 마찰 저감 및 내마모성 향상을 위해 기존에는 주석 도금을 적용해오다가 최근에는 카본 코팅, MoS2 코팅을 적용하고 있으며, 엔진의 초기 연비 개선을 위해 브레이크-인(break-in) 시간의 단축 요구도 점차 높아지는 추세에 있다.
반면, 스커트부 코팅층이 엔진 내부의 지속적인 고온환경에서도 높은 내열성을 유지하면서도 저마찰성 및 윤활기능이 향상되는 데는 한계가 있다.
등록특허공보 제10-1766085호(2017.08.01.) 공개특허공보 제2007-0081566호(2007.08.17.)
본 발명은 저마찰성 및 윤활기능이 향상되는 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 저마찰성 및 윤활기능이 향상되고, 이와 함께 지속적인 고온환경에서도 높은 내열성을 유지하는 동시에 평균 0.03 이하의 마찰계수를 가지는 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차의 엔진 피스톤용 고체윤활 코팅 조성물은 자동차의 엔진 피스톤용 고체윤활 코팅 조성물로서, 페놀 수지, 에폭시 수지 및 폴리아미드 이미드 수지로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 바인더와; 고체윤활제와; 첨가제; 및 용매를 포함할 수 있다.
상기 고체윤활제는 질화붕소, 그라파이트, 몰리브덴 디설파이드, 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 바인더는 폴리아미드 이미드 수지이고, 상기 폴리아미드 이미드 수지는 고체윤활 코팅 조성물 전체 중량 기준으로 45 ~ 85중량%를 포함할 수 있다.
상기 바인더는 폴리아미드 이미드 수지이고, 상기 폴리아미드 이미드 수지는 고체윤활 코팅 조성물 전체 중량 기준으로 55 ~ 90 중량%를 포함할 수 있다.
상기 바인더는 폴리아미드 이미드 수지이고, 상기 폴리아미드 이미드 수지는 고체윤활 코팅 조성물 전체 중량 기준으로 45 ~ 85중량%를 포함하고, 상기 고체윤활제는 질화붕소 6 ~ 30 중량%와; 그라파이트 2 ~ 10 중량%와; 몰리브덴 디설파이드 1 ~ 9중량% 및 폴리테트라플루오로에틸렌 2 ~ 10 중량%를 포함할 수 있다.
헤드부; 및 상기 헤드부와 연결되어 하부에 위치한 스커트부를 포함하고,
상기 스커트부는 본체; 및 상기 본체에 형성된 고체윤활 코팅층을 포함하고,
상기 고체윤활 코팅층은 상기 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물로 형성될 수 있다.
상기 코팅층은 평균 0.03 이하의 마찰계수를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물은 고온이 지속적으로 유지되는 엔진 내부의 조건에서 피스톤의 고내열성 및 저마찰성을 유지하는 동시에 내구성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 고체윤활 코팅 조성물이 형성된 피스톤 시편을 일정 조건 하에서 이루어진 실험 결과를 나타낸 사진.
도 2는 도 1의 마찰계수를 측정한 실험 데이터.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 고체윤활 코팅 조성물이 형성된 피스톤 시편을 일정 조건 하에서 이루어진 실험 결과를 나타낸 사진.
도 4는 도 3의 마찰계수를 측정한 실험 데이터.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 고체윤활 코팅 조성물이 형성된 피스톤 시편을 일정 조건 하에서 이루어진 실험 결과를 나타낸 사진.
도 6은 도 5의 마찰계수를 측정한 실험 데이터.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 고체윤활 코팅 조성물이 형성된 피스톤 시편을 일정 조건 하에서 이루어진 실험 결과를 나타낸 사진.
도 8은 도 7의 마찰계수를 측정한 실험 데이터.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 스커트부에 코팅층이 형성된 피스톤을 보여주는 정면 사진.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 고체윤활 코팅 조성물이 형성된 피스톤 시편의 부착성 시험 결과를 나타낸 표.
본 발명에서 사용되는 용어 "상에 형성", "상부(상측)에 형성", "하부(하측)에 형성", "상에 설치", "상부(상측)에 설치" 및 "하부(하측)에 설치" 등은, 당해 구성요소들이 직접 접하여 적층 형성(설치)되는 것만을 의미하는 것은 아니고, 당해 구성요소들 간의 사이에 다른 구성요소가 더 형성(설치)되어 있는 의미를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태를 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 실시형태를 도시한 것으로, 이는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공된다.
본 발명에 따른 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물은 고출력 자동차의 엔진 피스톤에 적용되는 고체윤활 코팅조성물로서, 페놀 수지, 에폭시 수지 및 폴리아미드 이미드 수지 중 적어도 어느 하나로 이루어진 군으로 이루어진 바인더와, 고체윤활제 및 첨가제를 포함할 수 있다.
상세하게, 본 발명에 따른 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물은 폴리아미드 이미드 수지로 이루어진 바인더와, 질화붕소, 그라파이트, 몰리브덴 디설파이드, 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 고체 윤활제와, 1 내지 5중량%의 첨가제 및 1 내지 20중량%의 디메틸아세트아미드 용매를 포함할 수 있다.
바인더는 5~25중량%의 페놀 수지, 5~15중량%의 에폭시 수지 및 40~90중량%의 폴리아미드 이미드 수지 중 적어도 어느 하나로 이루어진 군으로 이루어질 수 있다. 특히, 폴리아미드 이미드 수지는 구체적으로 코팅액 내에 포함된 입자상의 성분들을 결집시키면서 피스톤(10)의 스커트부(15)와의 부착력을 제공할 수 있다. 바람직하게 폴리아미드 이미드 수지는 코팅액 전체 중량 기준으로 50중량% ~ 84중량%로 포함될 수 있다.
고체 윤활제는 스커트부(15) 본체(17) 표면의 윤활 목적으로 첨가할 수 있다. 또한, 분산성이 좋고 윤활성이 크게 떨어지지 않는 구형의 입자를 사용할 수 있다. 예를 들어, 폴리테트라플루오르에틸렌(Poly-tetrafluoroethylene, PTFE), 그라파이트(Graphite), 이황화몰리브덴(MoS2), 그래핀(Graphene), 질화붕소(BN), WS2, PbS, Sb2O3, PbO, Polyetherether ketone(PEEK), Carbon black 등을 사용할 수 있다.
상세하게, 고체 윤활제는 8 ~ 35 중량%의 질화붕소(BN), 그라파이트(Graphite), 몰리브덴 디설파이드, 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
코팅제 조성 성분 중 BN 파우더는 다른 고체 윤활제 보다 높은 내열성 및 저마찰성을 가져 고온이 지속적으로 유지되는 엔진 내부의 조건에서 피스톤의 저마찰 유지 및 내구성이 향상될 수 있다. BN(Boron Nitride; 질화붕소)파우더는 판상형의 결정구조를 갖고 있으면서 서로 정 반대의 특성을 갖고 있습니다. 예를 들면, 부드러운 물질이면서 연마 역할을 하고, 높은 전기 저항치를 갖고 있으나 열전도도는 좋으며 내화학적 특성, 내산화성 및 내부식성이 매우 좋다. BN 파우더는 입자 분포도, 순도 및 비표면적에 따라 여러 종류가 있다. 폴리머에 첨가하여 충진제나 첨가제로 사용될 때, 열전도도, 열팽창 및 전기저항은 Grade에 따라 차이가 날 수 있다. 내화물질로 사용이 되며, 고성능을 요구하는 항공기의 브레이크 시스템 또는 전통적인 윤활제로 사용이 되는 BN 파우더는 다양한 특성을 갖고 있다. BN 파우더의 주요 특성에는 무기화합물, 흰색의 분말, 판상형의 결정구조, 이론밀도가 2.27g/㎤ 이다. BN 파우더의 중요 용도로는 윤활제, 열전도도 및 전기 저항을 개선키 위한 각종 폴리머(실리콘 및 에폭시 등)의 충진제 또는 첨가제, 페인트나 탈형제 성분, 내화물(용융금속의 화학적 반응 차단), 전기 절연제, 첨단세라믹, 금속 및 유리공업의 코팅제 등 다양하다.
그라파이트(Graphite)는 일반적으로 고온으로 올라갈수록 강도가 높아지는 원료의 특성이 있다. 열저항성이 강하고 열팽창이 작은 편이라 PTFE와 비슷한 기능을 가지며 함께 충진제로 사용될 수 있다.
폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)는 마찰계수가 낮은 코팅층(20)을 형성하기 위해 더 추가될 수 있는 성분이다. 불소와 탄소의 강력한 화학적 결합으로 인해 매우 안정된 화합물을 형성함으로써 거의 완벽한 비활성 및 내열성, 비점착성, 낮은 마찰계수의 특성을 가진다. 또한, 코팅층(20)의 윤활성, 이형성, 내마모성을 향상시키는 기능을 할 수 있다.
상세하게, 고체윤활제는 8 ~ 35 중량% 중 질화붕소 6 ~ 30 중량%, 그라파이트 2 ~ 10 중량%, 몰리브덴 디설파이드 1 ~ 9중량% 및 폴리테트라플루오로에틸렌 2 ~ 10 중량%가 포함될 수 있다. 특히 질화붕소의 경우 전체 고체윤활제 조성물에 대하여 80 ~ 90%를 차지할 수 있다. 만약 함량이 미만이거나 초과되는 경우 고온에 소착되고 내구성이 좋지 않으며 기밀성이 저하될 수 있다. 따라서, 질화붕소 6 ~ 30 중량%의 범위를 가질 경우 높은 내열성 및 저마찰성을 가져 고온이 지속적으로 유지되는 엔진 내부의 조건에서 피스톤의 저마찰 유지 및 내구성이 향상될 수 있다.
첨가제는 전체 코팅 조성물 중량 기준으로 1 내지 5중량% 범위를 포함할 수 있다. 첨가제 중 경화제는 경화를 위한 것으로서, 이는 예를 들어 이소시아네이트계로부터 선택될 수 있다. 하나의 예시에서, 경화제는 잠재성 경화제로서 블록 이소시아네이트로부터 선택될 수 있다. 분산제는 각 성분들의 분산성을 개선할 수 있는 것이면 좋으며, 기포를 방지할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 레벨링제는 코팅층의 표면 평활도를 위한 것이면 좋다. 본 발명에 있어서, 상기 분산제와 소포제 및 레벨링제는 통상적으로 사용되는 것으로부터 선택될 수 있다. 이때, 코팅액 전체 중량 기준으로 경화제는 3중량% ~ 10중량%, 분산제는 0.5중량% ~ 2중량%, 소포제는 0.2중량% ~ 0.5중량%, 레벨링제는 1중량% ~ 3중량%로 포함될 수 있다. 이와 같은 경화제와 분산제, 소포제 및 레벨링제의 함량에 있어서, 각 성분의 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우, 각 성분으로부터 얻을 수 있는 기능이 미미하거나, 과잉 사용에 따른 상승효과가 그다지 크지 않을 수 있고 경제적 측면에서도 바람직하지 않을 수 있다. 한편, 이에 한정되는 것은 아니며, 첨가제로 유량 조절 첨가제(Flow-control additives), 항기포제(Antifoaming agents), 습윤제(Wetting agents), 분산 보조제 (dispersing aids) 또는 유동 첨가제(Rheological additives)와 같은 첨가제 및 보조물질 역시 함유될 수 있다.
상기 피스톤의 코팅은 보통 스크린 프린팅 공정(Screen printing process)에 의해 수행된다. 이러한 응용을 위해, 특히 선호되는 용매는 끓는점이 높은 용매이다.
적합한 용매는, 예를 들어 부틸 글리콜 아세테이트(Butyl glycol acetate), 에틸 글리콜 아세테이트(Ethyl glycol acetate), 디프로필렌 글리콜(Dipropylene glycol), 디프로필렌 글리콜 부틸 에테르(Dipropylene glycol butyl ether), 부톡시에탄올(Butoxyethanol) 및 디메틸아세트 아미드(Dimethylacetamide ;이하 DMAC) 등을 포함할 수 있다.
특히, 메틸아세트아미드(Dimethylacetamide ;이하 DMAC)는 많은 유기 반응 및 산업 분야에 사용되는 양극성 비양자성 용매이고, 높은 끓는점과 우수한 열적 화학적 안정성으로 다목적 용제이다. 즉, DMAC는 코팅 및 필름 생산 모두에서 고내열성을 가지는 폴리아미드 이미드 수지(PAI)의 우수한 용매일 수 있다. 이러한 용매는 코팅액의 전체 중량 기준으로 5~15중량% 범위가 포함될 수 있다. 또한, 상기한 용매의 종류에만 한정되는 것은 아니며, 물과 유기 용제 및 이들의 혼합으로부터 선택될 수 있고 여기서 유기 용제는 알코올류 및 케톤류 등이 유효하게 이용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예 각각을 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 비교예는 종래 기술을 의미하는 것은 아니며, 이는 단지 실시예와의 비교를 위해 제공된다.
[비교예 1]
하기 [표 1]에 보인 성분 및 함량으로 코팅액을 제조하였다. 이때, 15~25중량%의 페놀 수지(Phenolic resin), 10~15중량%의 에폭시 수지, 9~14중량%의 그라파이트, MoS2, WS2, BN 및 PTFE 로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 고체 윤활제, 6~8중량%의 첨가제 및 잔량의 용매를 혼합하였다.
바람직하게는, 25중량%의 페놀 수지(Phenolic resin), 15중량%의 에폭시 수지, 9중량%의 그라파이트, MoS2, WS2, BN 및 PTFE 로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 고체 윤활제, 6중량%의 첨가제 및 45중량%의 용매를 포함한 각각 성분들을 적량 취하여 혼합한 다음, 충분한 분쇄와 분산이 이루어지도록 하여 시편을 준비하였다.
도 1, 도 3, 도 5 및 도 7 각각은 실시예 3 내지 실시예 6에 의해 제조된 코팅 조성물의 샘플 시료를 발췌하여 사진 촬영해 사진으로 예시해 보인 것이다.
하기 [표 1]에서, 각 성분의 함량(중량%)은 코팅 조성물 전체 중량을 기준으로 한 것이다.
[비교예 2]
10~30중량%의 페놀 수지(Phenolic resin), 10~30중량%의 에폭시 수지, 10~30중량%의 그라파이트, MoS2, WS2 및 BN로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 고체 윤활제, 5~30중량%의 첨가제 및 잔량의 용매를 포함하여 혼합하였다.
바람직하게는, 30중량%의 페놀 수지(Phenolic resin), 30중량%의 에폭시 수지, 10중량%의 그라파이트, MoS2, WS2 및 BN로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 고체 윤활제, 5중량%의 첨가제 및 25중량%의 용매를 포함한 각각 성분들을 적량 취하여 혼합한 다음, 상기 실시예 1과 동일하게 시편을 준비하였다.
[실시예 1]
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 고체윤활 코팅 조성물이 형성된 피스톤 시편을 일정 조건 하에서 이루어진 실험 결과를 나타낸 사진이고, 도 2는 도 1의 마찰계수를 측정한 실험 데이터이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물은 45 ~ 85중량%의 폴리아미디 이미드 수지(PAI), 8 ~ 35중량%의 그라파이트, MoS2, PTFE및 BN로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 고체 윤활제, 1 ~ 5중량%의 첨가제 및 1 ~ 20중량%의 DMAC 용매를 포함하여 혼합하였다.
바람직하게는, 본 발명의 제1실시예에 따른 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물은 55중량%의 폴리아미디 이미드 수지(PAI), 30중량%의 그라파이트, MoS2, WS2, BN 및 PTFE 로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 고체 윤활제, 5중량%의 첨가제 및 10중량%의 용매를 포함한 각각 성분들을 적량 취하여 혼합한 다음, 상기 실시예 1과 동일하게 시편을 준비하였다.
본 실시예 1 내지 실시예 3 각각에 따른 코팅액의 구체적인 성분 및 함량에 따른 고내열성 결과는 하기 [표 1]에 보인 바와 같다.
< 코팅 조성물의 성분 및 함량에 따른 고내열성 결과 >
구 분 함량(중량%)
비교예1 비교예2 실시예1
페놀수지 25 30 -
에폭시수지 15 30 -
PAI* - - 55
PTFE* 9 - 30
Graphite* 10
MoS2 *
BN*
WS2 * -
첨가제* 6 5 5
용매* 45 25 10
엔진 내부의 고온환경(1000℃이상)에서의 상태(육안) 일부 벗겨짐 일부 벗겨짐 그대로 유지
* PAI : 폴리아미드 이미드 수지
* PTFE : 폴리테트라플루오르에틸렌(Poly-tetrafluoroethylene)
* Graphite : 그라파이트(흑연)
* MoS2 : 이황화몰리브덴
* BN : 질화붕소(Boron Nitride)
* WS2 : 이황화 텅스텐
* 용매 : DMAC (메틸아세트아미드; Dimethylacetamide)
* 첨가제: 경화제, 분산제, 소포제 및 레벨링제 등을 포함
* 용매 :
- 실시예 1 및 실시예 2 는 부틸 글리콜 아세테이트(Butyl glycol acetate), 에틸 글리콜 아세테이트(Ethyl glycol acetate), 디프로필렌 글리콜(Dipropylene glycol), 디프로필렌 글리콜 부틸 에테르(Dipropylene glycol butyl ether) 및 부톡시에탄올(Butoxyethanol) 중 적어도 어느 하나
- 실시예 3은 디메틸아세트아미드(Di Methyl Acetamide,DMAC)
상기 [표 1]에서 보인 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3 중 실시예 3의 경우 1000℃ 이상의 지속적인 엔진 내부의 고온환경에서도 소착이 일어나지 아니하며 윤활기능을 가짐을 육안으로 확인할 수 있었다. 따라서, 실시예 1은 비교예 1 및 비교예 2 와 다르게 바인더로 폴리아미드 이미드 수지(PAI)를 함유함으로써 고내열성이 뛰어남을 알 수 있었다.
< 내마모성 테스트 >
상기 각 실시예 및 비교예에 따른 코팅액을 알루미늄(Al) 판에 1회 스크린 코팅(screen coating)한 다음, 220℃에서 약 30분 동안 경화시켰다. 이후, 약 2시간 동안 방치한 다음, 왕복식 마모시험기(영국, Plint사(社), 제조 모델명-TE77)를 이용하여, 아래 [표 2]의 시험 조건에 따라 각 코팅 시편에 대하여 마찰계수를 측정하였다. 그 결과는 하기 [표 3] 에 나타내었다.
<내마모성 시험 조건>
평균 하중 평균 속도 시험횟수 거리(길이)
10Kgf 3Hz 30,484회 329,231mm
< 부착성 테스트 >
각 실시예에 따른 코팅액을 알루미늄 호일(Al foil)에 1회 스크린 코팅(screen coating)한 다음, 220℃에서 약 30분 동안 경화시켰다. 이후, 약 2시간 동안 방치한 다음, 박리강도 시험기에서 90도(angle) 박리 테스트(peel test) 방법을 이용하여 부착성을 평가하였다. 이때, 5m/분의 속도로 박리 시, 10Kg의 하중에서 박리가 발생된 경우에는 "△", 10Kg ~ 20Kg 사이의 하중에서 박리가 발생된 경우에는 "○", 20Kg의 하중에서 박리가 발생되지 않은 경우에는 "◎"로 평가하여, 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
[실시예 2]
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 고체윤활 코팅 조성물이 형성된 피스톤 시편을 일정 조건 하에서 이루어진 실험 결과를 나타낸 사진이고, 도 4는 도 3의 마찰계수를 측정한 실험 데이터이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물은 45 ~ 85중량%의 폴리아미디 이미드 수지(PAI), 8 ~ 35중량%의 그라파이트, MoS2, PTFE및 BN로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 고체 윤활제, 1 ~ 5중량%의 첨가제 및 1 ~ 20중량%의 DMAC 용매를 포함하여 혼합하였다.
바람직하게는, 본 발명의 제2실시예에 따른 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물은 65중량%의 폴리아미디 이미드 수지(PAI), 25중량%의 그라파이트, MoS2, WS2, BN 및 PTFE 로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 고체 윤활제, 5중량%의 첨가제 및 5중량%의 용매를 포함한 각각 성분들을 적량 취하여 혼합한 다음, 상기 실시예 1과 동일하게 시편을 준비하였다.
[실시예 3]
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 고체윤활 코팅 조성물이 형성된 피스톤 시편을 일정 조건 하에서 이루어진 실험 결과를 나타낸 사진이고, 도 6은 도 5의 마찰계수를 측정한 실험 데이터이다.
본 발명의 제3실시예에 따른 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물은 55 ~ 90중량%의 폴리아미디 이미드 수지(PAI), 10 ~ 40중량%의 그라파이트, MoS2, PTFE및 BN로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 고체 윤활제, 1 ~ 5중량%의 첨가제 및 1 ~ 20중량%의 DMAC 용매를 포함하여 혼합하였다.
바람직하게는, 본 발명의 제3실시예에 따른 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물은 85중량%의 폴리아미디 이미드 수지(PAI), 10중량%의 그라파이트, MoS2, BN 및 PTFE 로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 고체 윤활제, 2중량%의 첨가제 및 3중량%의 용매를 포함한 각각 성분들을 적량 취하여 혼합한 다음, 상기 실시예 1과 동일하게 시편을 준비하였다.
[실시예 4]
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물이 형성된 피스톤 시편을 일정 조건 하에서 이루어진 실험 결과를 나타낸 사진이고, 도 8은 도 7의 마찰계수를 측정한 실험 데이터이다.
본 발명의 제4실시예에 따른 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물은 55 ~ 90중량%의 폴리아미디 이미드 수지(PAI), 10 ~ 40중량%의 그라파이트, MoS2, PTFE및 BN로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 고체 윤활제, 1 ~ 5중량%의 첨가제 및 1 ~ 20중량%의 DMAC 용매를 포함하여 혼합하였다.
바람직하게는, 본 발명의 제4실시예에 따른 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물은 40중량%의 폴리아미디 이미드 수지(PAI), 40중량%의 그라파이트, MoS2, BN 및 PTFE 로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 고체 윤활제, 5중량%의 첨가제 및 15중량%의 용매를 포함한 각각 성분들을 적량 취하여 혼합한 다음, 상기 실시예 1과 동일하게 시편을 준비하였다.
본 실시예1 내지 실시예 4에 있어서, 코팅 조성물의 다른 함량을 가진 시편에 따른 내마모성 실험 결과는 하기 [표 3]에 보인 바와 같다.
< 코팅 조성물 함량에 따른 고온내열성, 부착성 및 내마모성 평가 결과>
항목 함량(중량%)
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4
PAI 55 65 45 85
PTFE, Graphite,MoS2, BN 30 25 35 10
첨가제 5 5 5 2
용매(DMAC) 10 5 15 3
고온내열성 그대로
유지 		그대로
유지 		살짝
벗겨짐 		그대로 유지
부착성
(90도 박리) 		◎ ◎ ○ ◎
내마모성 평균 마찰계수 0.024 0.019 0.067 0.046
최대 마찰계수 0.034 0.024 0.069 0.057
* "△" : 10Kg의 하중에서 박리가 발생된 경우,
"○" : 10Kg ~ 20Kg 사이의 하중에서 박리가 발생된 경우
"◎" : 20Kg의 하중에서 박리가 발생되지 않은 경우
상기 [표 3] 및 도 1 내지 도 4 각각에서 보인 바와 같이, 실시예 1 및 실시예 2 각각은 실시예 3 및 실시예 4와 대비할 때 평균 마찰계수가 0.03 이하로 내마모성 및 윤활성이 높음을 알 수 있었다.따라서, 실시예 1 내지 4와, 비교예 1 및 2를 대비해 보면, 폴리아미드 이미드(PAI)의 사용 여부에 따라 적어도 고내열성 및 내마모성이 크게 차이를 보임을 알 수 있다.
한편, 사진으로 촬영하여 나타내 보인 도 1 및 도 3과, 도 5 및 도 7 각각의 시편 표면을 대비하여 살펴보면, 실시예 3 및 4의 경우 표면의 마모에 의한 스크래치가 확연히 드러나는 정도임을 확인할 수 있다.
[표 3] 결과를 살펴보면, 실시예 1은 평균 0.024의 낮은 마찰 계수를 나타냈고, 실시예 2는 실시예 1 보다도 낮은 평균 0.019의 마찰 계수를 나타내었다. 즉, 실시예 1 및 실시예 2 각각은 0.03 이하의 낮은 마찰 계수를 나타냄에 따라 내마모성은 물론이고 윤활성, 접착성, 내식성 및 열 안정성이 우수하며 접촉 표면에 특별히 적합하여 정밀 윤활의 높은 기계적 마찰에 가깝게 밀착될 수 있다. 또한, 피스톤(10) 스커트부(15) 상에 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물로 코팅을 한 후, 오랜 시간 동안 상태는 유용성이 높고 피스톤(10)의 수명을 향상시킬 수 있다. 반면, 상기한 함량 범위를 벗어나는 경우, 실시예 5 및 6와 같이 평균 마찰 계수가 0.03 이상으로 높아져 실시예 3 및 실시예 4에 비해 비교적 내마모성이 낮을 수 있다.
따라서, 실시예 1 내지 실시예 4 각각은 55 내지 90중량%의 폴리아미드 이미드 수지를 포함함에 따라, 55 중량%를 벗어나는 경우 고온 내열성이 부족할 수 있다. 또한, 90중량%을 초과하는 경우 상대적으로 고체윤활제의 함유량이 낮아져서 부착성 및 내마모성이 높아질 수 있다.
아울러, 실시예 3 및 4을 대비해 보면, 실시예 1 및 2 각각은 45 내지 85중량%의 폴리아미드 이미드 수지를 포함함에 따라, 45 중량%를 미만인 경우 부착성 및 내마모성은 비교적 낮으나 제품 표면 간의 부착력, 입자 결집력 및 강도 보강 등이 미미할 수 있고 고온 내열성이 부족할 수 있다. 또한, 85중량%을 초과하는 경우 상대적으로 기타첨가제 및 용매의 함량이 낮아져 고온 내열성은 비교적 좋으나 내마모성 및 마찰력 등이 높아질 수 있다.
그러므로, 본 발명에 따르면 실시예 1 및 실시예 2 각각은 높은 내열성을 가지고 동시에 저마찰성을 가져 고온이 지속적으로 유지되는 엔진 내부의 조건에서 피스톤의 저마찰 유지 및 내구성이 향상될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 스커트부에 코팅층이 형성된 피스톤을 보여주는 정면 사진이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 피스톤(10)은 헤드부(13)와, 헤드부(13)와 연결되어 하부에 위치한 스커트부(15)를 포함할 수 있다. 스커트부(15)는 본체(17) 및 본체(17)에 엔진 피스톤(10) 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물로 이루어진 코팅층(20)이 형성될 수 있다.
여기서 코팅층(20)은 표면장력이 높을 수록 스커트부(15)와의 코팅 밀착력이 향상될 수 있다. 육안으로 보았을 때 박리 및 기포가 발생되는 코팅층(20)의 경우 피스톤(10) 스커핑으로 이어져 엔진 성능 저하뿐만 아니라 엔진이 멈출 수 있는 위험이 발생될 수 있다. 일정하고 고르게 코팅된 피스톤(10)은 코팅층(20)의 품질이 균일하고 사용상 유해한 흠, 기포 박리 등이 존재하지 않으며, 실제 엔진 구동 중에도 충분한 내구성을 가질 수 있다.
스커트부(15) 상에 실시예 1 내지 6과 같이 고체윤활 코팅 조성물로 코팅층(20)이 형성될 수 있다. 이 코팅층(20)은 일정한 코팅 두께로 형성될 수 있다. 이 코팅층(20)은 피스톤(10) 스커트부(15) 상의 본체(17) 표면에 윤활성을 증대시킬 수 있고, 엔진 출력이 상승하더라도 저마찰 및 내마모성을 향상시키며, 더불어 연비를 향상시킬 수 있다. 즉, 이 코팅층(20)는 0.03 이하의 마찰계수를 가지고 내마모성이 형성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 고체윤활 코팅 조성물이 형성된 피스톤 시편의 부착성 시험 결과를 나타낸 표이다.
도 10을 참조하면, [표 3]의 부착성 시험 결과를 나타낸 것으로 10Kg ~ 20Kg 사이의 하중에서 박리가 발생된 "○"의 결과를 나타난 실시예 3을 제외하고 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 4 각각은 20Kg의 하중에서 박리가 발생되지 않은 "◎"로 평가되었기 때문에 부착성이 우수함을 알 수 있었다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
10: 피스톤 13: 헤드부
15: 스커트부 17: 본체
20: 코팅층

Claims (7)

  1. 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물에 있어서,
    폴리아미드 이미드 수지로 이루어진 바인더와;
    고체윤활제와;
    첨가제; 및
    용매를 포함하고,
    상기 폴리아미드 이미드 수지는 고체윤활 코팅 조성물 전체 중량 중에 55 ~ 90 중량%를 포함하며,
    상기 고체윤활제는 고체윤활 코팅 조성물 전체 중량 중에 질화붕소 6 ~ 30 중량%와; 그라파이트 2 ~ 10 중량%와; 몰리브덴 디설파이드 1 ~ 9중량%; 및 폴리테트라플루오로에틸렌 2 ~ 10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 헤드부; 및
    상기 헤드부와 연결되어 하부에 위치한 스커트부를 포함하고,
    상기 스커트부는,
    본체; 및
    상기 본체에 형성된 고체윤활 코팅층을 포함하고,
    상기 고체윤활 코팅층은 제1항에 따른 엔진 피스톤 실크 인쇄용 고체윤활 코팅 조성물로 형성된 것을 특징으로 하는 자동차의 엔진 피스톤.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고체윤활 코팅층은,
    평균 0.03 이하의 마찰계수를 가지는 것을 특징으로 하는 자동차의 엔진 피스톤.
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