KR20120016109A - 엔진 피스톤 코팅용 내마모성 윤활 라카 - Google Patents

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Abstract

피스톤 코팅은 카본 섬유뿐만 아니라 페놀 수지(Phenolic resin), 그라파이트, MoS2, WS2, BN 및 PTFE 를 포함하는 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 고체 윤활제를 포함한다. 상기 코팅은 유리한 내마모성 및 유리한 마찰계수를 갖는다.

Description

엔진 피스톤 코팅용 내마모성 윤활 라카{Wear-resistant antifriction lacquer for coating engine pistons}
본 발명은 피스톤에 대한 코팅에 관한 것으로서, 구체적으로는 내연기관의 피스톤 샤프트(Piston shaft)에 대한 코팅에 관한 것이다.
피스톤 샤프트에 대한 코팅은 낮은 마찰계수와 함께 높은 내마모성을 나타내야 한다. 특히, 반복적인 저온 시동(Cold starts)과 같이 높은 마모도가 따르는 엔진 작동 상태에 있어서 우수한 내구성 및 내마모성이 요구된다. 이와 관련하여, 피스톤 샤프트의 로드-베어링 영역에서의 코팅의 고갈은 특히 방지되어야 한다.
내연기관의 피스톤에 대한 다양한 코팅은 선행기술에서 알려져 있다.
예를 들어, US 5 486 299 는 연료로서 알코올이나 비석유(Non-petroleum) 기반의 제품을 사용하는 엔진의 피스톤 및/또는 실린더 면에 대한 코팅용 윤활 조성물에 대해 기술한다. 이러한 윤활 조성물은, 폴리아미드 이미드 수지(Polyamide imide resin, PAI resin)로 이루어진 매트릭스 내에 있는 그라파이트, MoS2 및 PTFE 의 혼합물을 포함한다.
EP 1 469 050 A1 은 큐어링되지 않은 폴리아미드 이미드(PAI)와, PTFE 와 같은 고체 윤활제, 티타늄 산화물(Titanium oxide) 파우더 및 실란 커플링제(Silane coupling agent)를 혼합하여 얻은 피스톤용 코팅 조성물에 대해 기술한다.
또한, DE 10 2005 026 664 A1 은 PAI 라카(Lacquer)를 기반으로 하는 피스톤용 코팅에 대해 기술한다. 이러한 코팅은 PTFE를 함유하지 않으며, 5-15 wt.% 의 아연 황화물(Zinc sulphide), 5-15 wt.% 의 그라파이트 또는 MoS2 및 5-15 wt.%의 TiO2 를 함유한다. 아연 황화물 및 TiO2 모두는 0.7㎛ 이하의 입자 사이즈를 갖는 미립자 형태로 사용된다.
DE 43 43 439 A1 은 에폭시 수지(Epoxy resin) 내에 그라파이트, MoS2 및 BN을 포함하는 고체 윤활제로 코팅된 양각의 웹(webs)으로 형성된 피스톤 스커트(Piston skirt)를 가진 피스톤을 포함하는 왕복 피스톤 배열에 대해 기술한다.
EP 0 976 795 A2 는 윤활제로서 페놀 수지(Phenolic resin), 에폭시 수지, 폴리비닐 부티랄 수지(Polyvinyl butyral resin) 및 폴리올레핀 왁스(Polyolefin wax)의 혼합물을 함유하는 것으로서, 힌지(Hinges) 및 그와 같은 것들을 위한 부식 방지 윤활제에 대해 기술한다. 또한, 상기 코팅은 부식 억제제로서의 알루미늄 입자(Aluminium particles), 아연 입자(Zinc particles) 또는 금속 인산염(Metal phosphate) 및 용매를 포함한다.
DE 103 29 228 A1 은 예를 들어 에폭시 수지 또는 PEEK 로 이루어질 수 있는 폴리머 매트릭스(Polymer matrix)를 갖는 슬라이드 베어링(Slide bearings)용 폴리머 조성물 재료에 대해 기술한다. 충진재 및 나노 스케일의 입자들은 이러한 폴리머 매트릭스 내에 박힌다. 아라미드 섬유(Aramide fibre), 유리 섬유(Glass fibres), 카본 섬유(Carbon fibres), 유리 공구체(Glass spheres), PTFE, 그라파이트 및 실리콘이 충진재로 사용될 수 있다. 상기 나노 스케일의 입자들은 TiO2, Al2O3, MgO, ZeO2, SiC, Si3N4, BN, 유리 및 단단한 고체 금속 재료에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 목적은 향상된 내마모성을 보이며 엔진 내에서 마찰 손실을 최소화하는 피스톤용 코팅 조성물을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 특허청구범위 제1항에 따른 코팅 조성물에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 피스톤용 코팅 조성물은 향상된 내마모성을 보이며 엔진 내에서 마찰 손실을 최소화하는 효과를 가져온다.
놀랍게도, 본 발명의 조성물은 저마찰, 내마모 및 극도의 점착성이 있는 피스톤 코팅(특히 피스톤 샤프트 코팅)을 제공한다는 것이 밝혀졌으며, 피스톤 코팅의 상기 특성들은 선행기술의 시스템만큼 우수하거나 심지어 그보다 더 뛰어나다.
본 발명에 따른 상기 조성물은 열경화성 페놀 수지를 포함한다. 소위 레졸(Resol)이라 불리우는 열경화성 페놀 수지는 노볼락(novolaks)과는 대조적으로 수산기(Hydraxyl group)를 통한 가교 결합(cross-link)을 할 수 있다. 페놀 수지는 평균 분자량 500-1500 g/mol 의 것이 사용되는 것이 바람직하다.
또한, 유리한 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 상기 조성물은 에폭시 수지를 함유한다. 에폭시 수지의 첨가는 일반적으로 막(Layer)의 유연성뿐만 아니라 금속 표면에 대한 막의 접착력 또한 향상시킨다. 이를 위해, 2000-4000 g/mol 의 분자량을 갖는 비스페놀 A(bisphenol A) 및 700 g/mol 이상의 에폭시를 기반으로 하는 에폭시 수지가 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 이러한 수지는 바람직하게 용매 내의 용액으로서 사용된다. 용매의 선택은 본질적으로 라카 응용(Lacquer application)의 성질에 의해 좌우되며, 경화된 코팅의 성질에 영향을 미치지 않는다. 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) 및 부톡시에탄올(Butoxyethanol)을 포함한다.
상기 페놀 수지 및 선택적으로는 상기 에폭시 수지 또한 물로 희석 가능한 분산제(Water-dilutable dispersion)로 사용될 수 있다.
그라파이트, MoS2, WS2, BN 및/또는 PTFE 는 고체 윤활제로서 조성물에 첨가된다. 이와 관련하여, 일반적으로 당업자에게 알려진 등급(Grades)이 고체 윤활제로서 사용될 수 있다. 그라파이트는 평균 그레인 사이즈가 1-100㎛, 특히 바람직하게는 5-50㎛ 인 것이 사용되는 것이 바람직하다. 이황화 몰리브덴(Molybdenum disulphide)은 평균 그레인 사이즈가 0.1-50㎛, 특히 바람직하게는 0.1-10㎛ 인 것이 사용되는 것이 바람직하다. 육방정계 변형물(hexagonal modification)인 붕소 질화물(Boron nitride)은 평균 그레인 사이즈가 1 내지 100㎛, 특히 바람직하게는 1 내지 20㎛ 의 범위인 것이 사용되는 것이 바람직하다. 폴리테트라 플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE) 원재료는 평균 그레인 사이즈가 1-100㎛, 특히 바람직하게는 1-20㎛ 인 것이 사용되는 것이 바람직하다.
만약, 고체 윤활제로서 그라파이트가 사용된다면, 전체 조성물을 기준으로 2-8 wt.% 의 양으로 사용되는 것이 바람직하다.
만약, 고체 윤활제로서 MoS2 가 사용된다면, 전체 조성물을 기준으로 10-20 wt.%의 양으로 사용되는 것이 바람직하다.
앞서 언급한 고체 윤활제의 그레인 사이즈는 광 산란 측정 수단에 의해서 당업자에게 잘 알려진 방식으로 결정될 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 조성물은 카본 섬유를 함유한다. 이것은 바람직하게 전체 조성물을 기준으로 2-10 wt.%, 특히 2-8 wt.% 의 양으로 사용된다. 카본 섬유는 평균 섬유 두께가 100㎛ 이하, 바람직하게는 1-10㎛ 이며, 또한 평균 섬유 길이가 1000㎛ 이하, 바람직하게는 10-500㎛ 인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 따른 조성물은 카본 나노섬유(Carbon nanofibers)라 불리우는 것을 함유할 수 있으며, 그것의 평균 섬유 두께는 통상의 카본 섬유와 대조적으로 1㎛ 미만, 바람직하게는 10 내지 500nm 범위이다. 이와 관련하여, 통상의 카본 섬유의 두께 및 길이는 광학 현미경에 의해 측정되었다. 카본 나노섬유에 있어서는, 두께 및 길이가 전자주사 현미경(Scanning electron microscopy)에 의해 밝혀질 수 있다.
상기 언급된 성분들에 더하여, 상기 조성물은 유량 조절 첨가제(Flow-control additives), 항기포제(Anti-foaming agents), 습윤제(Wetting agents), 분산 보조제(dispersing aids) 또는 유동 첨가제(Rheological additives)와 같은 첨가제 및 보조물질 역시 함유할 수 있다.
본 발명에 따른 코팅 조성물의 특히 바람직한 실시예는 다음 표(총 배합물 100g 에 대한 양(g); 고형분으로 나타나는 수지의 양)에 나타난다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Al2O3: 세라믹 알루미늄 산화물 나노입자의 분산
TiO2: 이산화 티타늄(금홍석)의 분산; 5㎛ 미만의 분말도
본 발명은 이하에서 실시예를 통해 더욱 구체적으로 기술되며, 상기 실시예는 본 발명의 주제를 한정하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
실시예
모든 양은 총 배합물에 대한 wt.% 로 주어진다. 수지의 양은 고형분의 함량을 나타낸다. 첨가제 및 보조 물질의 양은 공급된 형태에 따른다.
Figure pct00003
Figure pct00004
PAI: 열경화성 폴리아미드 이미드 수지
Al2O3: 세라믹 알루미늄 산화물 나노입자의 분산
TiO2: 이산화 티타늄(금홍석)의 분산; 5㎛ 미만의 분말도
상기 막의 마찰학적 특성은 Cameron Plint TE-77 Tribotester(마찰 마모 테스트)로 조사된다. 이러한 목적을 위해, 알루미늄 샘플들은 본 발명에 따른 라커 배합물로 코팅되며, 마찰재인 주철로 상기 막의 마찰계수가 측정된다. 상기 측정은 150N 의 하중 하에서, 25Hz 의 진동수로, 오일이 없는 상태에서 수행된다.
마찰계수 외에도, 엔진 작동 상태에서 상기 막의 내마모성은 각별히 중요하다. 이러한 목적을 위해, 상응하는 피스톤이 엔진 테스트 벤치(Engine test bench) 상에서 마모 테스트를 받는다. 이는 종래의 4기통 가솔린 기관 내에서 영하 10℃에서의 50회 연속의 저온 시동 테스트로 구성된다. 피스톤 샤프트 상의 마찰방지 라커 코팅에 대한 마모는 이 테스트 후에 겉보기로 평가되며, 1 내지 5 의 스코어를 부여 받는다. 스코어 1은 눈에 띄는 막의 마모가 없음을 나타내는 반면, 스코어 5는 피스톤 샤프트의 로드-베어링 영역 전체에 걸친 피스톤 재료에 대한 높은 마모도를 나타낸다.
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
*평가: 1: 적은 마모, ... 5: 많은 마모

Claims (9)

  1. 페놀 수지(Phenolic resin);
    그라파이트, MoS2, WS2, BN 및 PTFE 로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 고체 윤활제; 및
    카본 섬유를 포함하는 코팅 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    두께가 100㎛ 이하이며, 길이가 500㎛ 이하인 카본 섬유가 사용되는 것을 특징으로 하는 코팅 조성물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    추가적인 첨가제 및 보조 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    에폭시 수지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 조성물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 윤활제는 전체 조성물을 기준으로 10-30wt.% 의 양이 사용되는 것을 특징으로 하는 코팅 조성물.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 카본 섬유는 전체 조성물을 기준으로 3-10wt.% 의 양이 사용되는 것을 특징으로 하는 코팅 조성물.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 코팅 조성물의 피스톤용 용도.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 용도는 피스톤 샤프트용인 것을 특징으로 하는 용도.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 피스톤은 내연기관 피스톤인 것을 특징으로 하는 용도.
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