KR20100038598A - 자동차용 접동부품의 표면처리방법 - Google Patents

자동차용 접동부품의 표면처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차용 접동부품의 표면처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정상작동 조건에서 마찰계수 및 마모량을 저감시키며, 고온, 고부하, 윤활유 부족 등의 가혹조건에서는 접동면의 안정성을 개선하여 내스커핑(anti-scuffing, scuffing resistance) 특성을 향상시키는 자동차용 접동부품의 표면처리방법에 관한 것이다.
이를 위하여 상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 엔진 접동부품의 표면에 레이저 표면 미세가공(Laser Surface Texturing) 공정을 실시하여 딤플(미세기공)을 형성하고, 고체윤활제 용액을 상기 접동부품의 표면에 분사하여 딤플에 고정하는 고체윤활제 도포공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 접동부품의 표면처리방법을 제공한다.
레이저, 고체윤활제, 표면처리, 접동부품, 딤플, 마모, 스커핑, 정전도장

Description

자동차용 접동부품의 표면처리방법{Surface treatment method for sliding parts of vehicle}
본 발명은 자동차용 접동부품의 표면처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정상작동 조건에서 마찰계수 및 마모량을 저감시키며, 고온, 고부하, 윤활유 부족 등의 가혹조건에서는 접동면의 안정성을 개선하여 내스커핑(anti-scuffing, scuffing resistance) 특성을 향상시키는 자동차용 접동부품의 표면처리방법에 관한 것이다.
종래부터 자동차 엔진용 부품, 예컨대 실린더 라이너 (Cylinder liner), 피스톤 링 (Piston ring), 피스톤 핀 (Piston pin), 피스톤 스커트 (Piston skirt), 크랭크 샤프트 (Crank shaft), 베어링 메탈 (Bearing metal) 등의 접동부품의 표면에는 마찰/마모특성을 향상시키기 위하여, 표면코팅, 기계가공 등의 처리를 하고 있으며, 최근 들어 엔진의 고출력화, 보증기간의 증가, 내구수명의 향상 등 부품의 가혹/장기조건에서의 품질향상이 요구되고 있다.
자동차용 금속재료의 마찰/마모 특성개선을 위한 표면코팅에는 Cr, Cr/Ceramic, CrN, DLC(Diamond Like Carbon), Mo, Fe/fluoride, MoS2, Teflon, Graphite 등 여러 물질들이 도금, PVD, CVD, 용사, 도장 등의 기법으로 적용되거나 개발되고 있다.
그러나 이러한 코팅방법도 시장의 요구 수준을 충분히 만족시켜 주지 못하고 있으며, 비용이나 생산성, 성능면에서 더욱 효율적인 코팅층의 개발을 필요로 하고 있다.
한편, 레이저 가공기술은 1960년에 루비 레이저가 발명된 이래 CO2 레이저, Nd:YAG 레이저, Fiber 레이저 등 다양하게 향상되고 있으며, 레이저빔의 전송, 가공장치, 자동화장치 등이 고도화되어 용접, 절단, 천공, 표시 등 여러 방면으로 그 적용이 확대되고 있다.
도 1은 종래 레이저 표면 미세가공(Laser Surface Texturing)에 의해 접동부품의 표면에 딤플(미세기공)을 형성한 도면이고, 도 2는 딤플을 형성한 접동부품의 시험결과를 나타낸 그래프이다(출처 : P. Andersson et al., "Microlubircation effect by laser-textured steel surfaces", Wear 262 (2007) 369-379).
이와 관련된 기술로서 US 6,739,238에서는 크랭크 샤프트 부품의 실시예에서 깊이 3~5㎛, 직경 10~30㎛, 기공면적의 표면점유율 30~80 % 를 가지는 딤플의 레이저 가공에 대해 언급하고 있으며, US 6,341,782(Lubricated seals having micropores) 에서는 메카니컬 실(mechanical seal), 피스톤 링(piston ring)으로의 응용을 목적으로 직경이 100㎛ 이상이며 깊이/직경비가 0.002~0.05이고 기공면적의 표면점유율이 15~45 % 인 표면 미세기공이 기체를 유체로 하는 실(seal)에 유효하다고 언급하고 있다.
그러나 상기와 같은 시험결과나 기존 기술은 윤활역할을 하는 유체의 충분한 공급 또는 최소량을 전제로 하고 있으며, 상대재와의 간격이나 미세기공 내의 윤활성분이 부족할 경우에는 유효한 효과를 발현하기 어려운 문제점이 있다.
한편 미세기공에의 고체윤활제 적용은 A. Moshkovith 등(Wear 263 (2007) 1467-1469)이 MoS2-stearin 계 성분을 적용한 예가 있고, A. A. Voevodin 등 (Wear 261 (2006) 1285-1292)이 MoS2/graphite/Sb2O3 등을 적용한 예가 있다.
그러나 전자는 헝겊연마(cloth burnish)에 의한 고체윤활제의 적용이며, 후자는 헝겊연마 또는 스퍼터링(sputtering)에 의한 방법이다. 헝겊연마는 정밀하게 제어된 고체윤활제의 적용이 어려우며, 스퍼터링은 추가로 고가의 장비를 필요로 하는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 100W 이하의 저비용 저출력 레이저 장치를 이용하여 자동차용 엔진 접동부품의 표면에 미세기공을 정밀가공하고 미세기공에 윤활성 제어를 위한 고체윤활제를 효율적으로 적 용하여 내스커핑 특성이 우수한 자동차용 접동부품의 표면처리방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
또한 본 발명은 마찰계수 및 마모량의 저감을 통해 엔진부품의 수명향상 및 마찰손실을 감소하고 이에 의한 연비향상을 제공하는데도 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 자동차용 접동부품의 표면처리방법에 있어서,
엔진 접동부품의 표면에 레이저 표면 미세가공(Laser Surface Texturing) 공정을 실시하여 딤플(미세기공)을 형성하고, 고체윤활제 용액을 상기 접동부품의 표면에 분사하여 딤플에 고정하는 고체윤활제 도포공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 접동부품의 표면처리방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 레이저 표면 미세가공 공정은 펄스드 모드(pulsed mode)에서 수행되며, 펄스당 발생하는 레이저의 에너지는 0.5~2mJ이며, 펄스반복속도는 20~100 kHz, 레이저 조사시간은 2~2000 ms인 것을 특징으로 하며,
상기 고체윤활제 도포공정은 0.1~100 torr의 진공분위기에서 실시되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고체윤활제 도포공정은 정전도장을 적용하여 고체윤활제 용액을 접동부품에 전기적으로 부착하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 딤플은 직경 20~150㎛, 깊이 50~1000㎛, 피치 0.1~1.0 mm 로 형성하여, 상기 접동부품의 표면에서 딤플 처리된 면적율을 1~40%로 하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 고체윤활제로 MoS2, WS2, Cu2S, BN, Graphite 중에 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하며,
더욱 바람직하게, 상기 레이저 표면 미세가공 공정 후 접동부품의 표면을 연마하여 표면조도를 Rz 기준 0.1 ~ 2.0 ㎛ 수준으로 조정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 자동차용 접동부품의 표면처리방법은 레이저 가공공정에 의해 접동부품의 표면에 다수의 딤플을 형성하고, 딤플에 고체윤활제를 효과적으로 분사 고정하여 윤활 및 무윤활 환경에서 마찰계수 및 마모량을 저감시키고, 내스커핑성을 향상시켜 마찰손실의 감소와 부품수명의 증가가 가능하며, 궁극적으로 차량의 연비 향상 효과를 기대할 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 설명에 있어서 종래의 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 일실시 예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 자동차 엔진의 접동부품에 레이저 표면 미세가공(Laser Surface Texturing) 공정 및 고체윤활제의 도포공정을 실시하여 접동부품의 마찰손실 및 내스커핑성을 향상시키고, 고체윤활제의 도포공정시 정전도장을 수행하여 효과적인 고정화가 이루어지도록 한다.
일반적인 자동차 엔진의 접동부품으로는 예를 들어 피스톤 링, 피스톤 핀, 피스톤 스커트, 크랭크 샤프트, 베어링 메탈, 타펫, 로커암, 캠 등이 있으며, 소재는 주철, 강, 알루미늄합금, 마그네슘합금, 티타늄합금, 세라믹 소재 등이 적용된다.
본 발명은 레이저 표면 미세가공 공정(이하, 레이저 가공공정이라 함)에서 수십W급 저출력 레이저를 이용하여 접동부품의 표면에 딤플(dimple, 미세기공)을 형성하고, 마찰/마모량을 저감할 수 있도록 고체윤활제 도포공정에서 상기 딤플에 고체윤활제를 도포하여 고정한다.
고체윤활제를 딤플에 고정하는데 있어서 진공분위기에서 실시하거나 또는 별도의 정전도장처리를 통해 도포하도록 한다.
접동부품은 규칙적인 회전, 진동 또는 직선왕복운동을 하는 부품이 대부분으로, 윤활유 공급위치 또는 마모입자의 형성위치는 일정한 영역부위에 존재한다. 따라서 상기 딤플은 접동부품의 운동영역에 일정한 형상을 갖도록 형성하는 것이 접촉의 균일성을 유지하는데 유리할 수 있으며, 또한 딤플 속에 담지될 고체윤활제가 균일하게 분포되고 유효한 접동영역을 확보할 수 있다.
상기 접동부품에 딤플을 형성하기 위한 레이저 가공공정은 펄스드 모드(pulsed mode)에서 수행되며, 펄스당 발생하는 레이저의 에너지는 0.5~2mJ이며, 펄스반복속도는 20~100 kHz, 레이저 조사시간은 2~2000 ms 이다.
펄스당 발생하는 레어저의 에너지가 0.5mJ 미만이면 적절한 크기의 딤플을 형성하는데 공정시간이 과다해지고, 2mJ을 초과하면 장비의 용량이 커지며, 펄스반복속도가 20kHz 미만이면 에너지의 집중도가 과다해지고, 100kHz를 초과하면 에너지의 집중도가 부족하게 된다.
그리고, 레이저 조사시간이 2ms보다 작으면 적절한 크기의 딤플을 얻기가 어려워지고, 2000ms보다 오래 조사하면 과다한 공정시간이 소모되는 문제점이 발생한다.
레이저 가공공정 후 연마에 의해 표면조도를 Rz 기준 0.1 ~ 2 ㎛ 수준으로 조정하여 레이저 가공에서 발생될 수 있는 딤플부위 요철증가의 영향을 감소하게 한다.
이와 같은 레이저 가공공정에 의해 딤플은 직경 20~150㎛, 깊이 50~1000㎛, 피치 0.1~1.0 mm로 형성하여, 접동부품의 표면에서 딤플 처리된 면적율을 1~40%로 한다.
접동부품의 표면에 형성되는 딤플은 크기와 깊이, 간격(피치) 등에 따라 마찰/마모량이 달라지므로, 딤플의 직경이 20㎛ 미만이면 윤활유 및 마모입자의 저장기능이 미약하고, 150㎛보다 크면 가공시간이 과다하게 필요하며, 깊이가 50㎛보다 얕으면 역시 윤활유 및 마모입자의 저장기능이 줄어들고, 1000㎛보다 깊으면 부품 의 기계적 강도의 저하 가능성이 존재하며, 간격이 0.1mm 미만이면 가공시간을 장시간 소요하게 되고, 1.0mm를 초과하면 딤플의 효과가 감소하게 된다. 또한 접동부품의 표면에 딤플 처리된 면적율이 1~40%를 벗어나면 유효한 딤플의 효과영역을 벗어나게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 고체윤활제의 정전도장을 나타내는 개략도이다.
상기 딤플에 고체윤활제를 도포하는데 있어서 진공분위기에서 실시하는 경우 0.1~100torr의 진공분위기에서 고체윤활제 용액을 접동부품의 딤플에 고르게 분사하여 도포하고, 정전처리를 하는 경우 고체윤활제를 고전압 하에서 음(-)전하를 띠도록 대전하고 접동부품은 접지시켜 고체윤활제를 공급하면 도 3과 같이 고체윤활제 입자가 고르게 확산되어 접동부품의 딤플에 정전기적으로 흡착하면서 고르게 도포된다.
여기서, 상기 고체윤활제로는 MoS2, WS2, Cu2S, BN, Graphite 중에 선택된 하나가 사용되며, 진공분위기가 0.1torr 미만인 경우 진공도는 우수하지만 작업시간이 많이 소요되고 고가의 작업장비를 필요로 하게 되며, 100torr를 넘는 경우 대기압과의 차이가 적어 진공도가 떨어지므로 고체윤활제가 딤플에 고르게 도포되지 않게 된다.
실시예 1
침탄처리된 SCM415 소재의 표면에 20W급 파이버 레이저를 사용하여 PRR(Pulse Repitation Rate) 20kHz, 조사시간 2 ms의 조건으로 딤플 간 피치 0.2 mm, 직경 70㎛의 미세기공을 표면에 형성하고, 레이저 가공공정 후 연마에 의해 표면조도를 Rz 기준 1.4㎛ 수준으로 조정한다.
세척 건조된 접동부품의 가공면을 약 10torr의 진공에 도달시킨 후 MoS2 용액을 분무 도포 후 건조한다.
도 4는 실시예 1에 따라 침탄처리된 SCM415에 레이저 가공공정만 실시하여 형성된 딤플을 나타내는 사진(좌)과 침탄처리된 SCM415에 레이저 가공공정 후 진공분위기에서 고체윤활제로 도포된 딤플을 나타내는 사진(우)이다.
도 4에서, 동일한 조건으로 딤플 가공 처리 후, 고체윤활제 도포공정을 실시하지 않은 시편(좌)과 고체윤활제 도포공정을 실시한 시편을 도시하였으며, 이렇게 고체윤활제 도포여부만 다르게 한 조건으로 마찰시험을 실시하였다.
마찰시험은 왕복구동 핀 온 디스크(Pin on disc)방식으로 실시하였으며, 상대재는 SKD61소재로 제작된 원통 형상을 이용하였다. 시험조건은 왕복거리 10.8 mm, 왕복속도 10 Hz, 하중증가 속도 0.3 N/s, 최대하중 930 N 까지 시험하였으며, 마찰계수가 0.3 이상으로 증가하면 스커핑 발생으로 판정하였다.
Figure 112008069631153-PAT00001
시험결과는 표 1과 같이 고체윤활제 무처리 시편은 상대적으로 저 하중에서 스커핑이 발생하였으며, 미세가공 및 고체윤활제 처리에 의해 마찰계수 특성 및 내스커핑(scuffing)성이 향상되었음을 알 수 있다.
실시예 2
실시예 1의 공정을 바탕으로 침탄처리된 SCM415 소재의 표면에 20W급 파이버 레이저를 사용하여 PRR(Pulse Repitation Rate) 20kHz, 조사시간 2ms의 조건으로 딤플 간 피치 0.2mm, 직경 70㎛의 미세기공을 표면에 형성시킨다. 레이저 가공공정 후 연마에 의해 표면조도를 Rz 기준 1.4㎛ 수준으로 조정한다.
세척 건조된 침탄처리된 SCM415 소재의 가공면을 약 10torr의 진공에 도달시킨 후 고체윤활제 도포 과정 중 정전도장을 이용하여 고전압 하에서 음(-)로 대전된 고체윤활제를 접지된 침탄처리된 SCM415소재의 표면에 액체 정전도장건(예, Graco PRO X gun)으로 분사하여 전기적으로 부착시키고 건조한다.
도 1은 종래 레이저 표면 미세가공(Laser Surface Texturing)에 의해 접동부품의 표면에 딤플(미세기공)을 형성한 도면
도 2는 딤플을 형성한 접동부품의 시험결과를 나타낸 그래프
도 3은 본 발명에 따른 고체윤활제의 정전도장을 나타내는 개략도
도 4는 실시예 1에 따라 침탄처리된 SCM415에 레이저 가공공정만 실시하여 형성된 딤플을 나타내는 사진(좌)과 침탄처리된 SCM415에 레이저 가공공정 후 진공분위기에서 고체윤활제로 도포된 딤플을 나타내는 사진(우)

Claims (7)

  1. 자동차용 접동부품의 표면처리방법에 있어서,
    엔진 접동부품의 표면에 레이저 표면 미세가공(Laser Surface Texturing) 공정을 실시하여 딤플(미세기공)을 형성하고, 고체윤활제 용액을 상기 접동부품의 표면에 분사하여 딤플에 고정하는 고체윤활제 도포공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 접동부품의 표면처리방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 표면 미세가공 공정은 펄스드 모드(pulsed mode)에서 수행되며, 펄스당 발생하는 레이저의 에너지는 0.5~2mJ이며, 펄스반복속도는 20~100 kHz, 레이저 조사시간은 2~2000 ms인 것을 특징으로 하는 자동차용 접동부품의 표면처리방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체윤활제 도포공정은 0.1~100torr의 진공분위기에서 실시하는 것을 특징으로 하는 자동차용 접동부품의 표면처리방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체윤활제 도포공정은 정전도장을 적용하여 고체윤활제 용액을 접동부품에 전기적으로 부착하는 것을 특징으로 하는 자동차용 접동부품의 표면처리방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 딤플은 직경 20~150㎛, 깊이 50~1000㎛, 피치 0.1~1.0 mm로 형성하여, 상기 접동부품의 표면에서 딤플 처리된 면적율을 1~40%로 하는 것을 특징으로 하는 자동차용 접동부품의 표면처리방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체윤활제로 MoS2, WS2, Cu2S, BN, Graphite 중에 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 자동차용 접동부품의 표면처리방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 표면 미세가공 공정 후 접동부품의 표면을 연마하여 표면조도를 Rz 기준 0.1 ~ 2.0㎛ 수준으로 조정하는 것을 특징으로 하는 자동차용 접동부품의 표면처리방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20170051659A (ko) * 2015-10-30 2017-05-12 자동차부품연구원 마찰방지 코팅층 형성방법, 이에 의해 형성된 마찰방지 코팅층을 포함하는 부품

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KR20170051659A (ko) * 2015-10-30 2017-05-12 자동차부품연구원 마찰방지 코팅층 형성방법, 이에 의해 형성된 마찰방지 코팅층을 포함하는 부품

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