KR20030071507A

KR20030071507A - 연소 기관 실린더 작업면을 위한 표면층 및 그러한표면층의 도포 공정

Info

Publication number: KR20030071507A
Application number: KR10-2003-0011560A
Authority: KR
Inventors: 바르베차트게라르트
Original assignee: 술처 멧코 아게
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2003-09-03
Also published as: CA2416692C; ATE429524T1; EP1340834A3; EP1340834A2; CH695339A5; DE50311438D1; US20030164150A1; US6701882B2; CN1441078A; EP1340834B1; CN100338253C; JP2003253418A; CA2416692A1; KR100593341B1

Abstract

연소 기관 실린더 작업면의 표면 코팅이 개시되고, 그러한 연소 기관은 이하의 특징을 갖는다.

코팅은 플라즈마 분사에 의해 도포되고, 코팅면은 복수개의 개방된 세공을 포함하며, 코팅면의 세공율은 0.5 내지 10%이고, 통계 평균 세공 크기가 1 내지 50 ㎛이며, 적어도 대부분의 세공은 100 ㎛ 이하의 크기를 갖고, 세공은 영역과 크기 모두를 고려하는 한 코팅면에 통계학적으로 분포되며, 코팅은 0.5 내지 8 중량%의 결합 산소량을 포함하고, 코팅은 고체 윤활유 역할을 하는 FeO 및 Fe₃O₄결정을 포함하며, 코팅면의 조도는 기계적 마무리에 의해 0.02 내지 0.4 ㎛의 산술 평균 조도(R_a) 및 0.5 내지 5 ㎛의 평균 마루-골 거리(R_z)로 조정된다. 세공은 피스톤 링과 실린더 벽 사이에 오일막의 형성을 지지하는 복수개의 미세 챔버를 형성한다.

Description

연소 기관 실린더 작업면을 위한 표면층 및 그러한 표면층의 도포 공정{SURFACE LAYER FOR THE WORKING SURFACE OF THE CYLINDERS OF A COMBUSTION ENGINE AND PROCESS OF APPLYING THE SURFACE LAYER}

본 발명은 연소 기관의 실린더 작업면의 표면 코팅은 물론, 연소 기관의 실린더 작업면에 표면 코팅을 도포하는 방법에 관한 것이다.

오일 교체 간격을 더욱 연장시키기 위해, 사용 수명이 연장된 새로운 모터유를 개발하는 최근에 이루어진 특정 공정이 연소 기관의 오일 소비를 감소시키는 데 바람직하다. 본 발명의 목적은 예컨대 엔진의 오일 레벨을 가득 채울 필요없이 96560 km(60000 마일) 간격으로 오일을 교체하는 것이다.

표면의 성질, 즉 실린더 벽의 터포그래피는 오일 소비에 결정적인 영향을 끼친다. 예컨대 호닝 가공에 의해 표면이 정밀하게 마무리되더라도, 오늘날의 실린더 작업면은 통상 상술된 세공율에 근접하지 못하며, 적어도 비교적 큰 다수의 세공을 갖기 때문에 오일 소비에 부정적인 영향을 끼친다.

특허 공개 제WO99/05339호는 산화물 함유가 바람직하지 않은 세공율의 원인이기 때문에 그 자체가 산화성이 있는 코팅면 상에 산화물의 형성을 방지할 목적을 갖는, 내부 벽, 특히 슬리브 베어링을 위한 열 플라즈마 코팅 공정을 개시한다. 3% 이하의 전체 세공율을 얻기 위해 세공은 폐쇄되어야 한다. 또한, 도포된 코팅은 조도가 산술 평균 4 내지 30 ㎛일 것을 제안한다. 그러나, 제안된 치수에 의해서는 오일 소비를 상당히 감소시키거나 마찰 특성을 상당히 개선시킬 수 없다.

또한, 미국 특허 제5,766,693호는 최하부 산화 단계에서 금속과 금속 산화물로 구성된 혼합층을 금속 산화 영역으로부터 분리하는 플라즈마 코팅 방법을 개시한다. 최대 30%의 금속 산화물, 3 내지 10%의 세공율, 1 내지 6 ㎛의 세공 크기 및 3.8 내지 14 ㎛(150 내지 550 μin)의 표면 조도(조도의 산술 평균)의 금속 산화물을 함유하는 것이 요구된다. 그러나, 제안된 치수에 의해서는 오일 소비를 상당히 감소시키거나 마찰 특성을 상당히 개선시킬 수 없다.

본 발명의 목적은 위에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 결점을 방지하는, 즉 오일 소비를 감소시키는 동시에 우수한 마찰 특성을 갖는 양호한 상태를 제공하는 연소 기관 실린더 작업면에 개선된 표면 코팅을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 그러한 표면 코팅을 연소 기관 실린더 작업면에 도포하는 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적 및 다른 목적을 충족시키기 위해, 본 발명은 제1 태양에 따라 이하의 특징의 조합을 갖는 연소 기관 실린더 작업면에 표면 코팅을 제공한다.

코팅은 플라즈마 분사에 의해 도포되고, 코팅면은 복수개의 개방된 세공을 포함하며, 코팅면의 세공율은 0.5 내지 10%이고, 세공 크기의 통계 평균이 1 ㎛와 50 ㎛ 사이이며, 적어도 크기가 100 ㎛ 이하인 세공만이 존재하고, 영역 및 크기 모두를 고려하는 한, 세공은 코팅면에 통계학적으로 분포되고, 코팅은 0.5 내지 8 중량%의 결합 산소를 포함하며, 코팅은 고체 윤활유 역할을 하는 FeO 및 Fe₃O₄결정을 포함하고, 코팅면의 조도가 기계적 마무리에 의해 0.02 내지 0.4 ㎛의 산술 평균 조도(R_a)와 0.5 내지 5 ㎛의 평균 마루-골 거리(R_z)로 조정된다.

제2 태양에 따르면, 본 발명은 연소 기관 실린더 작업면에 표면 코팅을 도포하는 방법을 제공한다. 따라서, 표면 코팅은 복수개의 개방된 세공을 갖고, 코팅면의 세공율은 0.5 내지 10%이며, 세공 크기의 통계 평균이 1 내지 50 ㎛이어서, 적어도 100 ㎛ 이하의 크기를 갖는 세공들만이 존재한다. 또한, 영역 및 크기 모두를 고려하는 한, 세공은 코팅면에 통계학적으로 분포되고, 코팅은 0.5 내지 8 중량%의 결합 산소를 포함하며, 코팅은 고체 윤활유 역할을 하는 FeO 및 Fe₃O₄결정을 추가로 포함한다. 이러한 방법은 5 내지 100 ㎛의 입자 크기를 갖고 가스 또는 물로 분무되는 코팅 분말을 실린더 작업면에 플라즈마 분사하는 단계를 포함하며, 분사 거리는 20 내지 50 ㎜이다.

본 특허 출원에 언급된 조도의 산술 평균(R_a)은 때때로 단순히 "조도 평균치" 또는 CLA(중심 평균)로 나타낸다. 이는 소정의 측정 경로의 길이가 길이와 상응하고 프로파일 중심선과 표면 프로파일 사이의 영역이 영역과 상응하는 사각형의 높이로 정의된다. 평균 마루-골 거리(R_z)는 연속적인 다섯 개의 측정 경로(1960년 "현대 산업"사의 린츠베르크 아 레히에 의해 독일에서 출간된 "자연 과학 및 기술 백과 사전" 제3권 ISBN 3-478-41820-X 제3063면 내지 제3065면 참조)의 각각의 마루-골 거리의 평균치로 정의한다.

반면, 본 발명에 따른 특징에 의해, 피스톤 링과 실린더 벽 사이에 기름막을 형성하기 위해 요구되는 오일을 수용하여 우수한 마찰 성능을 유지하기에 충분한 세공이 존재하는 것을 보장한다. 반면, 세공(공동)이 매우 작기 때문에, 절대적 오일 소비는 낮게 유지할 수 있다. 세공율이 특정한 영향을 끼치지 않는 종래 기술에 따른 실린더 작업면의 표면 코팅과는 달리, 본 발명의 표면 코팅은 각각의 세공의 크기가 우수하게 한정된 영역 내에서 유지되는 세공 기본 구조를 포함한다. 기계적 마무리에 의해, 코팅면의 세공이 개방된다.

이하에서는, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 표면층의 실시예가 설명될 것이다.

도1은 마루-골 높이 평균(R_a)과 코팅의 수행 레벨 사이의 관계를 도시하는 다이어그램.

도2는 실린더 작업면 코팅의 사진을 도시하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

R_a: 산술 평균 조도

L : 높이

1 : 표면 코팅

2, 3, 4 : 세공

본 발명은 조도의 산술 평균(R_a)과 코팅의 작용 사이에 존재하는 중요한 기술적인 상호 관계의 놀라운 발견에 기초한다. 도1의 횡좌표(x축)는 조도의 산술 평균(R_a)을 나타내고, 도1의 종좌표(y축)는 코팅의 양적 수행 레벨이 아닌 질적 수행 레벨(L)을 도시한다. 수행 레벨(L)은 마찰 계수, 오일 소비 및 마모 저항의 합이다. 코팅의 조도 산술 평균(R_a)이 너무 낮으면 소위 스커핑(scuffing)이라 하는 접착 마모의 위험이 있고, 코팅의 조도 산술 평균(R_a)이 너무 높으면 오일 소비가 허용되지 않을 만큼 증가한다.(도1의 영역B) 바람직한 개선점은 특허청구범위 제1항에 한정된 특징의 조합에 의해 실현될 수 있다.

이하에서는 도2에 도시된 바와 같이 실린더 작업면의 표면 코팅 사진을 참조하여 표면층 조성의 예시와 양호한 표면 코팅 적용 방법이 설명될 것이다.

도2에 도시된 실린더 작업면의 표면 코팅(1)은 플라즈마 분사 장치에 의해 도포되며, 복수개의 세공(2, 3, 4)을 포함한다. 세공은 2 내지 30 ㎛의 크기를 갖고, 세공의 대부분의 부분이 약 5 내지 20 ㎛의 크기를 갖는다. 코팅의 세공율, 즉 층의 전체 부피와 비교되는 세공의 부분은 1 내지 5%이다. 유사하게, 영역이 고려되는 한, 층(1)의 전체 영역과 비교되는 세공(2, 3, 4)의 부분은 1 내지 5%이다. 실린더 작업면의 표면 코팅(1)은 크기가 100 ㎛ 미만인 세공으로만 설정된다.

실린더 작업면의 표면 코팅(1)은 0.5 내지 8 중량%의 결합 산소를 포함하며, 그러한 결합 산소는 철과 함께 고체 윤활유 역할을 하는 FeO 및 Fe₃O₄결정을 형성한다. 바람직하게는, Fe₂O₃의 양은 0.2 중량% 이하이다. 이에 따라 형성된 산화물의 양은 코팅 공정 중에 코팅될 실린더 보어를 통과하는 공기 흐름의 조성을 변화시킴으로써, 특히 공기 중의 산소 및/또는 질소의 양의 증가시키거나 감소시킴으로써 제어될 수 있다. 또한, 실린더 작업면의 표면 코팅(1)에 결합된 산소의 부분은 코팅 공정 중에 코팅될 실린더 보어를 통과하는 공기 흐름의 유속을 감소시키거나 증가시킴으로써 제어될 수 있다. 공기가 순수한 산소로 교체된다면, 코팅 내의 결합 산소는 계수가 약 2로 감소된다.

대부분 철로 구성된 실린더 작업면의 표면 코팅(1)은 본질적으로 이하의 화학 조성을 포함한다.

탄소 = 0.05 내지 1.5 중량%

망간 = 0.05 내지 3.5 중량%

크롬 = 0.05 내지 18 중량%

실리콘 = 0.01 내지 1 중량%

황 = 0.001 내지 0.4 중량%

철 = 100 중량%에서 위의 원소들의 조성을 뺀 나머지

바람직하게는, 실린더 작업면의 표면 코팅(1)은 350 내지 550 N/㎟의 빅커스(HV_{0, 3}; Vickers)에 따른 마이크로 경도를 포함한다.

MnS 화합물 구조에 의한 실린더 작업면의 표면 코팅(1)의 우수한 기계적 성능을 달성하기 위해, 바람직하게는 1.2 내지 3.5 중량%의 망간 및 0.005 내지 0.4 중량%의 황을 포함한다.

세공(2, 3, 4)은 영역 및 크기 모두를 고려하여 실린더 작업면의 표면 코팅(1)에 통계학적으로 분포된다. 표면 코팅(1)을 실린더 작업면에 도포하기 위해, 바람직하게는 처리될 엔진 블록이 코팅 작업 중에 고정 상태를 유지할 수 있는 회전 플라즈마 분사 장치가 사용된다. 도포되면, 실린더 작업면의 표면 코팅(1)은, 특히 호닝 가공, 바람직하게는 다이아몬드 호닝 가공에 의해 실린더 작업면의 표면 코팅(1) 조도가 0.02 내지 0.4 ㎛의 산술 평균 조도(R_a) 및 0.5 내지 5 ㎛의 마루-골 높이 평균(R_z)이 될 때까지, 바람직하게는 0.02 내지 0.2 ㎛의 산술 평균 조도(R_a) 및 1 내지 3 ㎛의 마루-골 높이 평균(R_z)이 될 때까지 기계적으로 마무리된다.

코팅(1)의 세공율, 즉 층의 전체 부피와 비교되는 세공(2, 3, 4)의 부분은 물론, 세공(2, 3, 4)의 크기(치수)는 코팅 인자와 코팅 분말의 입자 크기를 변화시킴으로써 특정하게 제어될 수 있다. 따라서, 특히 플라즈마의 엔탈피가 중요한 역할을 하여, 대부분 플라즈마 가스의 수소 함유량과 프라즈마 전류에 의해 결정된다.

본 발명에 따라 표면 코팅(1)을 실린더 작업면에 도포하는 공정에서, 표면 코팅(1)은 5 내지 100 ㎛의 입자 크기를 갖는, 바람직하게는 10 내지 50 ㎛의 입자크기를 갖고 가스 또는 물로 분무되는 코팅 분말을 플라즈마 분사함으로써 생성되며, 분사 거리, 즉 플라즈마 분사 장치의 분말 분사기와 코팅될 표면 사이의 거리는 20 내지 50 ㎜이다.

바람직하게는 수소 0.5 내지 5 NLPM(분당 규정 리터)을 함유하는 아르곤이 플라즈마 가스로 사용된다. 플라즈마 전류는 35 내지 45 볼트의 전압에서 바람직하게는 100 내지 500 암페어이며, 더욱 바람직하게는 260 내지 360 암페어이다.

그러한 실린더 작업면의 표면 코팅(1)은 특히 캐스트(cast) 알루미늄 합금, 로트(wrought) 알루미늄 합금, 라멜라(lamellar) 흑연 주철, 버미큘러(vermicular) 흑연 주철, 구상 흑연 주철 또는 캐스트 망간 합금을 함유하는 기판에 도포될 때 적절하다.

본 발명에 따르면, 오일 소비를 감소시키는 동시에 우수한 마찰 특성을 갖는 양호한 상태를 제공하는 연소 기관 실린더 작업면에 개선된 표면 코팅을 제공할 수 있으며, 그러한 표면 코팅을 연소 기관 실린더 작업면에 도포하는 방법을 제공할 수 있다.

Claims

연소 기관 실린더 작업면의 표면 코팅에 있어서,

플라즈마 분사에 의해 도포된 코팅과,

복수개의 개방된 세공을 포함하는 코팅 표면과,

0.5 내지 10%의 코팅면 세공율과,

1 내지 50 ㎛, 적어도 대부분이 100 ㎛ 이하의 크기인 통계 평균 세공 크기와,

영역과 크기 모두를 고려하는 한, 코팅면에 통계학적으로 분포되는 세공과,

0.5 내지 8 중량%의 결합 산소를 포함하는 코팅과,

고체 윤활유 역할을 하는 FeO 및 Fe₃O₄결정을 포함하는 코팅과,

기계적 마무리에 의해 0.02 내지 0.4 ㎛의 산술 평균 조도(R_a) 및 0.5 내지 5 ㎛의 평균 마루-골 거리(R_z)로 조정되는 표면 조도의 조합을 특징으로 하는 표면 코팅.
제1항에 있어서, 통계 평균 세공 크기가 1 내지 10 ㎛이고 세공율이 0.5 내지 5%인 것을 특징으로 하는 표면 코팅.
제1항에 있어서, 코팅면의 조도는 0.05 내지 0.2 ㎛의 산술 평균 조도(R_a)와1 내지 3 ㎛의 평균 마루-골 거리(R_z)로 조정되는 것을 특징으로 하는 표면 코팅.
제1항에 있어서, 코팅면의 조도는 호닝 가공에 의해 조정되는 것을 특징을 하는 표면 코팅.
제1항에 있어서, 코팅면의 조도는 다이아몬드 호닝 가공에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 표면 코팅.
제1항에 있어서, 코팅은 350 내지 550 N/㎟의 빅커스 마이크로 경도(HV_0,3)를 갖는 것을 특징으로 하는 표면 코팅.
제1항에 있어서, 코팅은 탄소, 망간, 크롬, 실리콘 및 황을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 코팅.
제7항에 있어서, 코팅은,

탄소 = 0.05 내지 1.5 중량%

망간 = 0.05 내지 3.5 중량%

크롬 = 0.05 내지 18 중량%

실리콘 = 0.01 내지 1 중량%

황 = 0.001 내지 0.4 중량%

철 = 100 중량%에서 위의 원소들의 조성을 뺀 나머지

의 화학 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 코팅.
제7항에 있어서, 코팅은,

탄소 = 0.05 내지 0.8 중량%

망간 = 0.05 내지 1.8 중량%

크롬 = 11.5 내지 18 중량%

실리콘 = 0.01 내지 1 중량%

황 = 0.002 내지 0.2 중량%

철 = 100 중량%에서 위의 원소들의 조성을 뺀 나머지

의 화학 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 코팅.
제1항에 있어서, 코팅은 기계적 성능을 개선시키기 위해 망간 1.2 내지 3.5 중량% 및 황 0.05 내지 0.4 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 코팅.
표면 코팅은 복수개의 개방된 세공을 갖고, 코팅면의 세공율은 0.5 내지 10%이며, 통계 평균 세공 크기는 1 내지 50 ㎛이고, 적어도 대부분의 세공은 100 ㎛ 이하의 크기를 가지며, 세공은 영역과 크기 모두를 고려하는 한, 코팅면에 통계학적으로 분포되고, 코팅은 0.5 내지 8 중량%의 결합 산소를 포함하며, 코팅은 고체윤활유 역할을 하는 FeO 및 Fe₃O₄결정을 추가로 포함하는 연소 기관의 실린더 작업면에 표면 코팅을 도포하는 방법에 있어서,

5 내지 100 ㎛의 입자 크기를 갖고 가스 또는 물로 분무되는 코팅 분말을 실린더 작업면에 플라즈마 분사 단계를 포함하며, 분사 거리는 20 내지 50 ㎜인 것을 특징으로 하는 표면 코팅 도포 방법.
제11항에 있어서, 코팅 분말의 입자 크기는 10 내지 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 표면 코팅 도포 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 코팅 분말은,

탄소 = 0.05 내지 1.5 중량%

망간 = 0.05 내지 3.5 중량%

크롬 = 0.05 내지 18 중량%

실리콘 = 0.01 내지 1 중량%

황 = 0.001 내지 0.4 중량%

철 = 100 중량%에서 위의 원소들의 조성을 뺀 나머지

의 화학 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 코팅 도포 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 코팅은,

탄소 = 0.05 내지 0.8 중량%

망간 = 0.05 내지 1.8 중량%

크롬 = 11.5 내지 18 중량%

실리콘 = 0.01 내지 1 중량%

황 = 0.002 내지 0.2 중량%

철 = 100 중량%에서 위의 원소들의 조성을 뺀 나머지

의 화학 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 코팅 도포 방법.
제11항에 있어서, 표면 코팅은 다이아몬드 호닝 가공에 의해 기계적으로 마무리되는 것을 특징으로 하는 표면 코팅 도포 방법.
제11항에 있어서, 코팅 분말 입자의 크기 및/또는 코팅 분말 재료의 화학 조성 및/또는 플라즈마의 엔탈피는 코팅의 바람직한 특성을 생성하고 세공 및/또는 세공율의 크기를 조정하기 위해 변경되는 것을 특징으로 하는 표면 코팅 도포 방법.
제16항에 있어서, 플라즈마의 엔탈피는 플라즈마 전류 및/또는 플라즈마 가스 내의 수소량을 변화시킴으로서 변경되는 것을 특징으로 하는 표면 코팅 도포 방법.
제17항에 있어서, 플라즈마의 엔탈피는 플라즈마 전류를 변화시킴으로서 변경되며, 플라즈마 전류는 100 내지 500 암페어의 값으로 조정되는 것을 특징으로 하는 표면 코팅 도포 방법.
제17항에 있어서, 플라즈마 전류는 260 내지 320 암페어의 값으로 조정되는 것을 특징으로 하는 표면 코팅 도포 방법.
제11항에 있어서, 0.5 내지 5 NLPM(분당 규정 리터)의 수소량을 갖는 플라즈마 가스가 플라즈마 분사 장치에 공급되는 것을 특징으로 하는 표면 코팅 도포 방법.
제20항에 있어서, 플라즈마 가스로 아르곤이 사용되는 것을 특징으로 하는 표면 코팅 도포 방법.