KR20050005251A

KR20050005251A - 마찰저감특성이 우수한 엔진용 타펫 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20050005251A
Application number: KR1020030044268A
Authority: KR
Inventors: 안승균
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2005-01-13

Abstract

본 발명은 마찰저감특성이 우수한 엔진용 타펫 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 실리콘이 도핑되어 카본/수소/실리콘으로 이루어진 증착재료를 사용하는 DLC 코팅방법을 적용함으로써, 엔진의 실제 주행영역인 2,500∼3,000rpm에서 기존 침탄처리한 타펫에 비해 40∼45% 정도, 일반 DLC 코팅처리한 타펫에 비해 20∼25% 정도의 마찰저감효과를 얻을 수 있으며, 궁극적으로 엔진의 연비절감효과를 도모할 수 있도록 한 마찰저감특성이 우수한 엔진용 타펫 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

마찰저감특성이 우수한 엔진용 타펫 및 그 제조방법{Valve train tappet rising abrasion-resistive and method of it}

본 발명은 마찰저감특성이 우수한 엔진용 타펫 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실리콘을 도핑한 DLC(Diamond Like Carbon) 코팅방법을 이용하여 제조한 타펫과 이때의 제조방법을 제공함으로써, 기존 침탄처리한 타펫에 비해 40∼45% 정도, 일반 DLC 코팅처리한 타펫에 비해 20∼25% 정도의 마찰저감효과를 얻을 수 있고, 이에 따라 1.5∼2.0% 정도의 연비절감효과를 기대할 수 있는 마찰저감특성이 우수한 엔진용 타펫 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 엔진 개발의 최우선 과제는 엔진의 효율 향상이며, 이에 대해 다양한 측면에서 많은 연구가 진행되어 왔다.

그러나, 엔진 내의 에너지를 소비하는 근본적인 원인을 제거하지 않고서는 한계를 가질 수 밖에 없다.

엔진 내에서 자체적으로 에너지를 소비하는 요소는 여러가지가 있으며, 가장 대표적으로 피스톤과 실린더 간의 마찰운동, 밸브 구동계에서의 접촉운동 등이 있다.

밸브 구동계의 경우 엔진 구동력의 10∼25%를 소비하는 것으로 알려져 있으며, 이러한 에너지 소비량의 50% 정도가 캠과 타펫 간의 마찰에서부터 비롯된다고 보고된 바 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 엔진 내에서 캠(10)과 타펫(11)의 미끄럼 접촉운동으로 인한 마찰 발생은 캠과 타펫 표면의 마모를 유발시키고, 이는 마찰력 증가로 인한 동력손실 뿐만 아니라 밸브의 개폐 타이밍의 변화를 가져오게 하므로, 불완전 연소 등에 의한 연료 효율의 저하를 가져오게 된다.

여기서, 미설명 부호 12는 피스톤이고, 13은 크랭크축을 나타낸다.

이와 같은 에너지 소비작용은 엔진의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 연비에도 영향을 미치고 나아가서는 엔진의 수명과 신뢰성에 관련되므로 이를 줄이기 위한 많은 연구와 노력이 지속되고 있는 추세이다.

최근에는 마찰을 줄이기 위한 목적으로 캠샤프트와 타펫의 조도를 개선하는 방법을 많이 적용하고 있으며, 대표적인 방법으로는 저마찰 플라즈마 코팅(WCC), DLC(PVD), DLC(PACVD) 등이 있다.

위와 같은 코팅방법으로 개발한 타펫의 경우에는 일반 침탄처리한 타펫에 비해 마찰저항특성이 우수하여 선진 자동차 메이커에서 대부분 양산 적용하고 있는 추세이다.

따라서, 본 발명에서는 밸브 구동계, 특히 타펫의 마찰특성을 극대화하기 위한 방법으로 실리콘을 도핑한 DLC 코팅방법으로 타펫을 제조하는 방법과 이때 제조되는 타펫을 그 안출의 대상으로 한다.

본 발명은 위와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 실리콘이 도핑되어 카본/수소/실리콘으로 이루어진 증착재료를 사용하는 DLC 코팅방법을 적용함으로써, 밸브 구동계, 특히 타펫의 마찰저감과 관련하여 엔진의 실제 주행영역인2,500∼3,000rpm에서 기존 침탄처리한 타펫에 비해 40∼45% 정도, 일반 DLC 코팅처리한 타펫에 비해 20∼25% 정도의 마찰저감효과를 얻을 수 있으며, 궁극적으로 엔진의 연비절감효과를 도모할 수 있도록 한 마찰저감특성이 우수한 엔진용 타펫 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마찰저감특성이 우수한 엔진용 타펫의 제조방법은 이온빔 증착법과 스퍼터링 증착법을 이용한 엔진용 타펫의 제조방법에 있어서, 실리콘이 도핑되어 카본/수소/실리콘으로 구성되는 증착재료로 사용하여 타펫에 일정한 두께의 코팅막을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 증착법은 실리콘층의 접착력 증진을 위한 스퍼터링 증착법을 병행 적용할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이온빔 증착법과 스퍼터링 증착법 병행시 증착과정은 이온건으로 카본 및 수소 가스를 공급하여 코팅막을 합성한 후, 아르곤 가스를 공급하는 동시에 스퍼터건으로 실리콘 타겟을 스퍼터하여 실리콘이 첨가된 코팅막을 합성 증착하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이온빔 증착시 챔버 내의 압력은 10^-5Torr 이하로 유지하고, 아르곤 가스의 분위기를 조성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이온빔 증착시 타펫 코팅 전 이온건으로 챔버 내에 아르곤 가스를 공급하여 타펫에 대한 건식세척을 수행하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이온빔 증착시 기판이 되는 타펫을 균일한 증착을 위하여 챔버 내에서 일정한 속도로 회전시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 엔진용 타펫은 이온빔 증착법과 스퍼터링 증착법을 이용하여 제조한 엔진용 타펫에 있어서, 실리콘이 도핑되어 카본/수소/실리콘으로 구성되는 증착재료를 사용하는 일정한 두께의 코팅막을 갖도록 제조된 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 차량의 엔진용 타펫을 보여주는 사시도

도 2는 본 발명에 따른 타펫의 제조방법을 위한 코팅처리장비를 보여주는 개략도

도 3은 본 발명의 타펫과 기존의 타펫 간의 마찰저감특성을 비교한 그래프

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 캠 11 : 타펫

12 : 피스톤 13 : 크랭크축

14 : 스퍼터건 15 : 챔버

16 : 진공펌프 17 : 로테이팅 지그

18a,18b : 이온건 19a,19b,19c : 셔터

20 : 이온건 동력원 21 : 바이어스 동력원

22 : 스퍼터 동력원 23 : 가스 공급원

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 저마찰 코팅재인 실리콘을 포함하는 증착재료, 즉 카본:수소:실리콘(C:H:Si)을 사용하여 침탄 처리된 타펫 위에 코팅막을 일정한 두께, 예를 들면 1∼2㎛ 정도의 두께로 형성하는 DLC 코팅방법을 제공한다.

이러한 DLC 코팅방법으로 마찰저감특성이 우수한 타펫을 제조하는 코팅공정을 살펴보면 다음과 같다.

도 2에 도시한 바와 같이, 진공 분위기 조성을 위한 진공펌프(16) 및 챔버(15)를 구비하고, 이온빔 증착을 위한 이온과 가스를 제공하는 2개 정도의 이온건(18a),(18b)을 구비한다.

이온빔 소스인 이온건(18a),(18b)에 전류를 공급하기 위한 이온건 동력원(20)과, 기판(타펫)에 바이어스를 인가하기 위한 바이어스 동력원(21)과, 스퍼터건(14)의 구동을 위한 스퍼터 동력원(22)을 구비한다.

스퍼터건(14)의 경우 실리콘층의 합성시 접착력 증진을 위해 5" 마그네트론 스퍼터건을 적용한다.

여기서, 미설명 부호 19a,19b,19c는 각각의 건에 배속되는 셔터들이고, 17과 23은 기판이 놓여지는 로테이팅 지그와 이온빔 증착을 위한 가스를 제공하는 가스 공급원을 각각 나타낸다.

스퍼터건의 구동을 위한 스퍼터 동력원은 DC와 13.56MHz RF를 각각 사용하고, 진공계는 TMP 시스템으로 구성하며, 베이스 압력은 10^-5Torr 이하를 사용한다.

스퍼터링이나 이온건의 작동압력은 공급되는 가스의 양을 조절하는 방법으로 조절한다.

합성 및 스퍼터링 그리고 이온세척을 위한 가스들은 모두 이온건의 가스공급경로를 통해 공급되며, 카본의 공급원으로는 벤젠을 사용하고, 스퍼터링과 세척을 위한 가스로는 아르곤을 사용한다.

챔버의 중앙에 설치된 로테이팅 지그는 기판에 바이어스를 인가하기 위해 챔버로부터 절연시키고, 바이어스 전원으로는 250KHz의 고주파 전원을 사용한다.

먼저, 기판에 코팅막을 코팅하기 전에 이온건으로 아르곤 가스를 공급하여 방전을 일으켜 기판을 건식 세척한다.

DLC 코팅공정 전 챔버 내에 아르곤 가스를 공급하고, DC 전원으로 실리콘 타겟을 스퍼터하여 버퍼층(Buffer layer)을 합성한다.

계속해서, 이온건으로 벤젠을 공급하여 코팅막을 합성하는 동시에 아르곤 가스를 공급하여 실리콘 타겟을 스퍼터함으로써, 기판은 실리콘이 첨가된 코팅막을 얻을 수 있다.

즉, 코팅층의 타겟을 이용 이온건의 가스주입구를 통해 아르곤 가스를 주입시킨 후 이온화시키고, 타겟을 스퍼터시켜 타겟 내의 이온을 튀어나오게 한 다음 기판에 바이어스 전압을 걸어주어 기판에 증착시킬 수 있다.

아래의 표 1은 기존의 방법[DLC(이온도금),DLC(PACVD),WCC(스퍼터링)]으로 코팅막을 형성한 타펫과 본 발명의 방법[DLC(실리콘도핑)]으로 코팅막을 형성한 타펫의 물성을 비교한 표이다.

도 3은 본 발명의 타펫과 기존의 타펫 간의 마찰저감특성을 비교한 그래프로서, 위의 표 2에서 보여주는 시험조건으로 시험한 결과, 본 발명에서 제공하는 코팅방법인 DLC(실리콘도핑)으로 제조한 타펫은 기존 침탄재 타펫에 비해 40∼45% 정도의 마찰저감효과를 얻을 수 있고, 일반적인 저마찰 코팅방법인 DLC(이온도금),DLC(PACVD),WCC(스퍼터링)으로 제조한 타펫에 비해 20∼25% 정도의 마찰저감효과를 얻을 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 본 발명은 위와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 실리콘이 도핑되어 카본/수소/실리콘으로 이루어진 DLC 코팅방법을 적용하여 제조한 타펫 및 이때의 제조방법을 제공함으로써, 밸브 구동계 부품에 대해 기존 침탄처리한 타펫에 비해 40∼45% 정도, 일반 DLC 코팅처리한 타펫에 비해 20∼25% 정도의 마찰저감효과를 얻을 수 있으며, 이에 따라 엔진의 연비절감효과를 도모할 수 있는 장점이 있다.

Claims

이온빔 증착법과 스퍼터링 증착법을 이용한 엔진용 타펫의 제조방법에 있어서,

실리콘이 도핑되어 카본/수소/실리콘으로 구성되는 증착재료로 사용하여 타펫에 일정한 두께의 코팅막을 형성하는 것을 특징으로 하는 마찰저감특성이 우수한 엔진용 타펫의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 증착법은 실리콘층의 접착력 증진을 위한 스퍼터링 증착법을 병행 적용할 수 있는 것을 특징으로 하는 마찰저감특성이 우수한 엔진용 타펫의 제조방법.
제 2 항에 있어서, 상기 이온빔 증착법과 스퍼터링 증착법 병행시 증착과정은 이온건으로 카본 및 수소 가스를 공급하여 코팅막을 합성한 후, 아르곤 가스를 공급하는 동시에 스퍼터건으로 실리콘 타겟을 스퍼터하여 실리콘이 첨가된 코팅막을 합성 증착하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마찰저감특성이 우수한 엔진용 타펫의 제조방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온빔 증착시 챔버 내의 압력은 10^-5Torr 이하로 유지하고, 아르곤 가스의 분위기를 조성하는 것을 특징으로 하는 마찰저감특성이 우수한 엔진용 타펫의 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 이온빔 증착시 타펫 코팅 전 이온건으로 챔버 내에 아르곤 가스를 공급하여 타펫에 대한 건식세척을 수행하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰저감특성이 우수한 엔진용 타펫의 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 이온빔 증착시 기판이 되는 타펫을 균일한 증착을 위하여 챔버 내에서 일정한 속도로 회전시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰저감특성이 우수한 엔진용 타펫의 제조방법.
이온빔 증착법과 스퍼터링 증착법을 이용하여 제조한 엔진용 타펫에 있어서,

실리콘이 도핑되어 카본/수소/실리콘으로 구성되는 증착재료를 사용하는 일정한 두께의 코팅막을 갖도록 제조된 것을 특징으로 하는 마찰저감특성이 우수한엔진용 타펫.