KR19990061520A - Wear-resistant member coated with an amorphous carbon layer - Google Patents

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최준엽
조정환
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추호석
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본 발명은 내마모부재에 관한 것으로, 수소를 함유한 비정질 탄소층이 마모면에 피복된 것을 특징으로 하여 우수한 내마모성과 마찰특성을 갖게 된 것이다.The present invention relates to an abrasion resistant member, characterized in that an amorphous carbon layer containing hydrogen is coated on a wear surface, thereby providing excellent wear resistance and friction characteristics.

Description

비정질 탄소층이 피복된 내마모부재(Wear-proof Parts Coated A Carbon-Layer)Wear-proof Parts Coated A Carbon-Layer

본 발명은 비정질 탄소층이 피복된 내마모부재에 관한 것으로, 특히 피스톤 조립체를 구성하는 피스톤, 피스톤 링 및 피스톤 라이너 등의 마모면에 비정질 탄소층을 피복하여 내마모성과 마찰특성을 우수하게 만든 비정질 탄소층이 피복된 내마모부재에 관한 것이다.The present invention relates to an abrasion-resistant member coated with an amorphous carbon layer. In particular, the amorphous carbon layer is coated with an amorphous carbon layer on a wear surface such as a piston, a piston ring, and a piston liner constituting a piston assembly, thereby providing excellent wear resistance and friction characteristics. It relates to a layer-coated wear resistant member.

일반적으로 내마모부재는 기계장치에서 회전면이나 왕복운동하는 부분에 많이 사용되는 것으로, 엔진의 피스톤 조립체를 구성하는 피스톤이나 피스톤 링 또는 피스톤 라이너는 고온, 고압의 실린더안에서 실린더 내벽과 마찰을 하면서 고속으로 왕복운동을 하여 커텍팅로드를 통하여 크랭크샤프트에 회전력을 발생시켜 주는 역할을 하는 것으로 내마모부재가 사용되는 대표적인 예라 할 수 있다.In general, wear-resistant members are widely used on rotating surfaces or reciprocating parts of machinery. Pistons, piston rings, or piston liners constituting the piston assembly of an engine are used at high speed while friction with the inner wall of a cylinder in a cylinder of high temperature and high pressure. It is a representative example of the wear-resistant member that serves to generate a rotational force on the crankshaft through the connecting rod by reciprocating motion.

이러한 피스톤조립체는 동력행정중 고온, 고압의 연소가스와 접촉하고, 또한 실린더 내벽과 고속으로 마찰운동을 하므로, 다음과 같은 조건이 요구된다.Since the piston assembly is in contact with the combustion gas of high temperature and high pressure during the power stroke, and also frictional movement with the inner wall of the cylinder at high speed, the following conditions are required.

즉 실린더 내벽과 마찰을 감소시켜 기계적 손실을 줄여야 하며,고온의 연소가스로 부터 열을 받더라도 내마모성등 기계적 성질이 저하되지 않아야 한다.In other words, the mechanical loss must be reduced by reducing friction with the inner wall of the cylinder, and the mechanical properties such as wear resistance should not be degraded even when heated from high temperature combustion gases.

특히 엔진이 고출력화되고 있는 현재의 경향에서는 피스톤 등의 내마모성을 높여 실린더 내부에서의 기밀작용을 향상시키는 것에 활발한 연구가 진행되고 있으며, 그중 피스톤 링의 외주습동면이나 라이너의 내벽, 피스톤의 상부 및 측면에 다이몬드 필름을 증착시켜 피스톤 조립체의 내마모성을 증대시킨 방법이 제안되었다.In particular, in the current trend of high engine power, active research is being conducted to improve the airtight action inside the cylinder by increasing the wear resistance of pistons, among which the outer circumferential sliding surface of the piston ring, the inner wall of the liner, the upper part of the piston and A method of increasing the wear resistance of a piston assembly by depositing a diamond film on the side has been proposed.

이 피스톤조립체에 다이아몬드 필름을 증착시킨 방법은 피스톤 조립체의 습동부품에 고온 내마모성을 부여하기는 하지만, 다이아몬드 필름을 부품에 증착시키기가 매우 까다로워 품질이 균일하지 못하다는 문제점이 있었다.The method of depositing a diamond film on the piston assembly provides a high temperature wear resistance to the sliding parts of the piston assembly, but has a problem that the quality of the diamond film is very difficult to deposit on the parts.

즉 다이아몬드 필름은 고온(800℃이상)에서 증착되게 되어 있으므로 증착시 모재가 높은 증착온도에 영향을 받아서 용해되거나 기계적 특성이 변화하게 되므로 다이아몬드 필름을 증착시킬 수 있는 재료는 극히 제한된다는 단점이 있고, 특히 다이몬드 필름특성상 Al-Si계 합금으로 된 피스톤 부품에는 증착되기 어려운 제조상의 어려움이 있다. 뿐만아니라 피스톤 등과 같이 증착면적이 비교적 넓은 부분에는 비용이 많이 소요되는 단점이 있었다.That is, since the diamond film is to be deposited at a high temperature (800 ℃ or more) has a disadvantage that the material to deposit the diamond film is extremely limited because the base material is affected by a high deposition temperature during deposition, or the mechanical properties change. In particular, a piston part made of an Al-Si-based alloy has difficulty in manufacturing due to the diamond film property. In addition, a relatively large portion of the deposition area, such as a piston has a disadvantage that takes a lot of cost.

또한 다이아몬드 필름이 증착된 피스톤 부품을 그대로 조립하여 사용한 결과, 다이아몬드 필름이 증착된 피스톤 부품은 내마모성이 증대하여 마모가 적었지만, 다이아몬드 필름이 증착되지않은 부품인 실린더에는 이상마모현상이 발생하였다. 이는 증착된 다이아몬드 필름이 표면조도가 1s(Rs; 필름의 최고높이와 최저높이와의 높이차; 단위 ㎛)이상의 거칠은 결정질이어서 상대 부품인 실린더 내벽을 연삭시키기 때문이다.In addition, as a result of assembling the piston parts in which the diamond film was deposited, the piston parts in which the diamond film was deposited had increased wear resistance and less wear. However, abnormal wear phenomenon occurred in the cylinder, in which the diamond film was not deposited. This is because the deposited diamond film is a coarse crystalline having a surface roughness of 1 s (Rs; height difference between the highest height and the lowest height of the film; unit μm), thereby grinding the inner wall of the cylinder, which is a relative component.

따라서 이러한 상대부품의 이상마모현상을 방지하고 다이아몬드 필름의 우수한 마모특성을 이용하기 위해서는 피스톤에 다이아몬드 필름을 증착시킨 다음 그 다이아몬드 필름을 다시 기계적 또는 화학적 연마를 통하여 표면조도를 향상시켜야만 하는 데, 다이아몬드 필름은 경질이어서 연마를 하는 데 소요되는 비용이 많아 엔진부품과 같은 비교적 낮은 단가의 부품에는 적용하기에 어려움이 있다.Therefore, in order to prevent abnormal wear of these counterparts and to use the excellent wear properties of the diamond film, the diamond film must be deposited on the piston and then the diamond film must be mechanically or chemically polished to improve the surface roughness. Since it is hard, it is difficult to apply it to relatively low cost parts such as engine parts because of the high cost of polishing.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 고온,고압의 조건에서 내마모 특성을 만족시키면서도 상대부품의 이상마모현상을 일으키지 않으며, 제조비용도 저렴한 내마모부재를 제공함에 목적이 있다.Accordingly, the present invention is designed to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide abrasion resistant members having low wear cost while satisfactory wear resistance under conditions of high temperature and high pressure, and which do not cause abnormal wear phenomenon of the counterpart.

상기 목적은 필름의 코팅온도가 상대적으로 낮고, 코팅면도 평활하여 후가공이 필요하지 않는 비정질 탄소층을 내마모부재의 마모면에 형성시킴으로써 달성할 수 있다.The above object can be achieved by forming an amorphous carbon layer on the wear surface of the wear resistant member having a relatively low coating temperature of the film and having a smooth coating surface, which does not require post-processing.

상기와 같은 구성으로 된 본 발명에 따른 내마모부재는, 수소를 함유한 비정질 탄소층이 마모면에 피복된 것을 특징으로 하는 것이다.The wear-resistant member according to the present invention having the above configuration is characterized in that the amorphous carbon layer containing hydrogen is coated on the wear surface.

이와 같은 내마모부재에서 상기 비정질 탄소층은 수소가 0~70%함유된 것이 바람직하다.In such a wear resistant member, the amorphous carbon layer preferably contains 0 to 70% of hydrogen.

또한 상기 비정질 탄소층은 Si, W, Fe, Ni, Co, Cr, Mo 등의 금속원소를 0~40%함유하는 것이 내마모성과 마찰특성을 더욱 향상시킬 수 있어 바람직하다.In addition, the amorphous carbon layer preferably contains 0 to 40% of metal elements such as Si, W, Fe, Ni, Co, Cr, and Mo, since it may further improve wear resistance and friction characteristics.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 실시예를 통하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in detail by examples.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 내마모부재는 수소를 함유한 비정질 탄소층이 상기 내마모부재의 마모면에 형성된 것을 특징으로 하는 것으로서, 상기 내마모부재의 마모면은, 피스톤 조립체의 경우 피스톤의 경우 피스톤 링 고정면(piston cavity)을 지칭하는 것이고, 피스톤 링의 경우는 외주습동면을, 실린더라이너의 경우는 내벽을 지칭하는 것이다.As described above, the wear-resistant member according to the present invention is characterized in that an amorphous carbon layer containing hydrogen is formed on the wear surface of the wear-resistant member, wherein the wear surface of the wear-resistant member is a piston assembly. In this case, the piston ring refers to a piston cavity, in the case of a piston ring, the outer sliding surface, and in the case of a cylinder liner, the inner wall.

한편, 내마모부재의 마모면에 수소를 함유한 탄소층을 형성하는 방법은 일반적인 건식코팅방법을 사용할 수 있는데, 이 건식코팅방법에는 화학 기체상 증착법(CVD법)과 진공 증착법(PVD법)을 들 수 있다.On the other hand, a method of forming a hydrogen-containing carbon layer on the wear surface of the wear-resistant member can be used a general dry coating method, which is chemical vapor phase deposition (CVD) and vacuum deposition (PVD method) Can be mentioned.

이중 CVD법이 제조비용면에서 바람직한데, 이 방법으로 내마모부재의 마모면에 비정질 탄소층을 형성하는 것은, 탄소원을 진공상태로 유지되고 내마모부재, 예로서 피스톤과 피스톤 링 및 실린더라이너가 놓인 반응 용기에 불어 넣어 마모면에 탄소가 접촉하여 비정질 탄소층을 형성하게 된다.The dual CVD method is preferred in terms of manufacturing cost, in which the formation of an amorphous carbon layer on the wear surface of the wear resistant member maintains the carbon source in a vacuum and the wear resistant members such as pistons and piston rings and cylinder liners Blown into the reaction vessel placed in contact with the wear surface to form an amorphous carbon layer.

이와 같은 건식코팅방법에 따라 피스톤과 피스톤 링 및 실린더라이너의 마모면에 비정질 탄소층을 0.1~100μm의 두께로 형성할 수 있게 된다.According to the dry coating method, an amorphous carbon layer may be formed to a thickness of 0.1 to 100 μm on the wear surface of the piston, the piston ring, and the cylinder liner.

그리고 상기 비정질 탄소층에는 0~70%의 수소가 포함되는 것이 바람직하고, 경도가 800~12,000kg/mm2가 되는 것이 적정한 내마모성 및 마찰 특성을 가지므로 바람직하다 할 것이다. 아울러 상기 비정질 탄소층의 내마모성과 마찰 특성이 더욱 향상되게 하기 위해 Si, N, W, Fe, Ni, Co, Cr, Mo 등의 금속원소를 함유시킬 수 있다.In addition, it is preferable that the amorphous carbon layer contains 0 to 70% of hydrogen, and it is preferable to have a hardness of 800 to 12,000 kg / mm 2 since it has appropriate wear resistance and friction characteristics. In addition, metal elements such as Si, N, W, Fe, Ni, Co, Cr, and Mo may be included to further improve the wear resistance and friction characteristics of the amorphous carbon layer.

실시예 1.Example 1.

rf-플라즈마(주파수 250kHz) CVD(chemical vapor deposition)장치를 이용하여 탄소원으로 메탄 가스를 흘리면서 바이어스 전압을 50~1500V로 유지하여 비정질 탄소층을 실린더라이너 및 피스톤 링에 증착시켰다.An amorphous carbon layer was deposited on the cylinder liner and the piston ring using an rf-plasma (frequency 250 kHz) chemical vapor deposition (CVD) apparatus while maintaining a bias voltage of 50-1500 V while flowing methane gas into the carbon source.

이와 같이 비정질 탄소층이 마모면에 형성된 실린더라이너 및 피스톤 링의 내마모 특성을 확인하기 위하여 다음과 같이 실험하였다.Thus, the following experiment was carried out to confirm the wear resistance of the cylinder liner and the piston ring in which the amorphous carbon layer was formed on the wear surface.

피스톤에 비정질 탄소층이 마모면에 형성된 피스톤 링을 장착하고 엔진을 가동하여 100시간 동안 가혹시험을 하였다. 그리고 비정질 탄소층이 형성되지 않은 기존의 크롬 피스톤 링을 피스톤에 장착하여 상기한 바와 같은 조건으로 시험하여 비교하였다.The piston was equipped with a piston ring in which an amorphous carbon layer was formed on the wear surface, and the engine was operated to perform a severe test for 100 hours. And the conventional chromium piston ring without an amorphous carbon layer was mounted on the piston and tested under the same conditions as described above and compared.

본 발명에 따라 마모면에 탄소층이 마모면에 형성된 것은 마모흔이 1μm정도의 것이 관찰되었고, 기존의 크롬 피스톤 링의 마모흔은 30μm정도의 것으로 피스톤 링 전구역에서 관찰되었다.According to the present invention, it was observed that the carbon layer was formed on the wear surface of the wear surface of about 1 μm, and the wear trace of the existing chrome piston ring was about 30 μm, and was observed in the entire piston ring area.

따라서 탄소층이 마모면에 형성된 피스톤 링의 경우 내마모성이 약 30배 정도 증가되었음을 알 수 있었다.Therefore, in the case of the piston ring formed on the wear surface of the carbon layer, the wear resistance was increased by about 30 times.

실시예 2.Example 2.

피스톤 링과 실린더라이너계의 가장 빈발하는 문제점은 응착마모로 알려져 있는데, 응착마모는 피스톤 링과 실린더라이너의 계면에서 윤활막이 국부적으로 파괴되어 발생하는 현상으로 피스톤 링과 실린더라이너의 계면 윤활막 파괴를 막는 것이 이상마모를 방지하는 가장 이상적인 방법이라고 할 수 있다. 그러나 피스톤 링과 실린더라이너에 충분한 윤활유를 공급하는 것이 현실적으로 어렵기 때문에(연소시에 윤활유가 연소되어 공해를 유발함) 윤활막이 파괴되었을 때 이상마모를 일으키지 않을 수 있는 피스톤 재료의 선정이 중요하다.The most frequent problem of the piston ring and cylinder liner system is known as adhesion wear.Adhesion wear is caused by local breakdown of the lubrication film at the interface between the piston ring and the cylinder liner. It is the ideal way to prevent abnormal wear. However, since it is practically difficult to supply sufficient lubricating oil to the piston ring and cylinder liner (the lubricating oil burns during combustion, causing pollution), it is important to select a piston material that will not cause abnormal wear when the lubricating film is broken.

비정질 탄소는 세라믹 재료로 금속과의 응착마모가 적어 피스톤 링 및 실린더라이너의 재료로 이상적이라 할 수 있다. 이러한 내응착마모 특성을 비교하기 위하여 비정질 탄소가 증착된 피스톤 링과 현재 상용화되어 있는 크롬이 증착된 피스톤 링을 비교실험하였다.Amorphous carbon is a ceramic material with low adhesion to metal, which makes it ideal for piston ring and cylinder liner materials. In order to compare the adhesion resistance characteristics, the piston rings in which amorphous carbon was deposited and the chromium deposited piston rings were compared and tested.

비교실험 방법은 다음과 같다. 상용화된 실린더라이너를 적정 크기로 절단한 후 실린더라이너 내측에 피스톤 링을 밀착하여 왕복운동을 행함으로써 실제 엔진의 작동조건을 재현하여 실험하였다. 실험적으로 윤활막의 파괴를 재현하는 것이 어렵기 때문에 윤활유를 공급하지 않았고 하중을 50N 가한 상태에서 응착마모를 일으키는 시간을 측정하였다.The comparative experiment method is as follows. After cutting the commercially available cylinder liner to an appropriate size, the piston ring was brought into close contact with the inside of the cylinder liner to perform a reciprocating motion. Since it is difficult to reproduce the failure of the lubricating film experimentally, the time for causing the adhesive wear under the condition that the lubricant was not supplied and the load was applied at 50 N was measured.

응착마모를 일으키는 기준은 마찰계수가 0.5이상인 시점으로 하였고 비정질 탄소층의 증착조건은 상기 실시예 1과 동일하게 하였다.The criterion to cause adhesion wear was a time point of the friction coefficient is 0.5 or more and the deposition conditions of the amorphous carbon layer was the same as in Example 1.

마모시험결과로서, 상용화된 크롬이 증착된 피스톤 링은 3분 미만에서 응착마모가 발생하였으마 비정질 탄소가 증착된 피스톤 링의 경우에는 시험시간 3시간 동안 응착마모가 발생하지 않았다.As a result of the abrasion test, the commercially available chromium-deposited piston ring had an adhesion wear in less than 3 minutes, but in the case of an amorphous carbon-deposited piston ring, the adhesion ring did not occur during the test time of 3 hours.

실제 엔진 작동시에 피스톤 링과 실린더라이너 사이에서 국부적으로 윤활막이 파괴되는 경우에도 비정질 탄소층이 피복된 피스톤 링은 국부적으로 파괴된 윤활막이 복원될 때까지 응착마모를 일으키지 않음으로써 이상마모의 가능성을 획기적으로 감소시킬 수 있게 된다.Even if the lubrication film is locally broken between the piston ring and the cylinder liner in actual engine operation, the piston ring coated with the amorphous carbon layer does not cause adhesion wear until the locally destroyed lubrication film is restored. It can be greatly reduced.

한편 피스톤 링과 실린더라이너 사이의 마찰계수를 감소시킴으로써 마찰력에 기인한 엔진 출력손실을 감소시킬 수 있다.On the other hand, by reducing the friction coefficient between the piston ring and the cylinder liner, the engine output loss due to the friction force can be reduced.

이와 같이 탄소층이 마모면에 형성된 실린더 조립체를 마모시험한 결과 우수한 마찰특성과 내마모 특성을 확인할 수 있었다.As a result of the abrasion test of the cylinder assembly in which the carbon layer was formed on the wear surface, excellent friction characteristics and wear resistance characteristics were confirmed.

상술한 바와 같이 본 발명의 내마모부재는 각 구성 부품의 마모면에 비정질 탄소층이 형성되어 우수한 내마모성과 마찰특성을 가질 수 있게 된다.As described above, the wear-resistant member of the present invention has an amorphous carbon layer formed on the wear surface of each component to have excellent wear resistance and friction characteristics.

Claims (3)

수소를 함유한 비정질 탄소층이 마모면에 피복된 것을 특징으로 하는 내마모부재.A wear resistant member, characterized in that an amorphous carbon layer containing hydrogen is coated on a wear surface. 제 1 항에 있어서, 상기 비정질 탄소층은 수소가 0~70%함유된 것을 특징으로 하는 내마모부재.The wear resistant member according to claim 1, wherein the amorphous carbon layer contains 0 to 70% of hydrogen. 제 1 항에 있어서, 상기 비정질 탄소층은 Si, W, Fe, Ni, Co, Cr, Mo 등의 금속원소를 0~40%함유하는 것을 특징으로 하는 피스톤 조립체.The piston assembly of claim 1, wherein the amorphous carbon layer contains 0 to 40% of metallic elements such as Si, W, Fe, Ni, Co, Cr, Mo, and the like.
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