KR20120110041A - 피스톤 링 - Google Patents

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Abstract

낮은 마찰특성과 내마모성을 갖는 탄소계열의 코팅이 제공된, 즉, 슬라이딩면 위에 형성된 탄소계열의 코팅을 갖는 피스톤 링으로서, 상기 코팅은 적어도 2층으로 적층된 다른 경도를 갖는 2 타입의 층들로 구성된 다층코팅이며, 상기 2 종류의 층들 간의 경도차는 500에서 1700HV이고, 고경도층은 두께가 저경도층과 같거나 더 크며, 전체적으로 상기 코팅은 두께가 5.0㎛이상이다. 상기 고경도층은 두께가 5에서 90㎚이다. 상기 코팅이 형성된 표면은 기저재료 거칠기가 1.0㎛Rz 이하이다.

Description

피스톤 링{Piston Ring}
본 발명은 내연기관용 피스톤 링에 관한 것이다.
탄소계열의 코팅은 마찰계수가 낮은 코팅으로 알려져 있으나, 코팅 스트레스가 크고 자체 균열이 발생하므로, 두께를 증가시키기가 어렵다. 일본특허 공개공보(A) No. 2006-008853은 연층으로 구성된 최외각 표면층과 연층 및 경층이 번갈아 적층된 다층 구조로 제조되고 완만한 표면이 쉽게 얻어질 수 있는 마찰계수가 낮은 탄소계열의 코팅을 제안한다.
관련 기술에 대해 상기 일본특허 공개공보(A) No. 2006-008853를 참조하라.
일본특허 공개공보(A) No. 2006-008853은 경층과 연층 간에 경도차를 정의하지 않고 있다. 그러나, 상기 일본특허 공개공보(A) No. 2006-008853에서, 연층은 피팅층을 말하는 반면, 경층은 내마모층을 말하므로, 경도는 실시예 1에서 연층은 18 GPa이고 경층은 42 GPa이며, 실시예 2에서 연층은 20 GPa이고 경층은 41 GPa이다. 연층과 경층 간의 경도차가 컸다.
본 발명의 목적은 낮은 마찰 속성과 우수한 내마모성을 갖는 탄소계열의 코팅이 제공된 피스톤 링을 제공하는 것이다.
본 발명은 슬라이딩면 위에 형성된 탄소계열의 코팅을 가지며, 상기 코팅은 적어도 2층으로 적층된 다른 경도를 갖는 2 타입의 층들로 구성된 다층코팅으로, 상기 2 타입의 층들 간의 경도차는 500에서 1700HV이고, 고경도층은 두께가 저경도층과 같거나 더 크며, 전체적으로 상기 코팅은 두께가 5.0㎛이상인 피스톤 링을 제공한다.
바람직하기로, 고경도층은 두께가 5에서 90㎚이다.
바람직하기로, 상기 코팅이 형성된 표면은 기저재료 거칠기가 1.0㎛Rz 이하이다.
바람직하기로, 상기 코팅의 최외각 표면층은 고경도층이다.
바람직하기로, 상기 코팅의 저경도층은 탄소만 또는 탄소 및 또한 Cr 또는 Ti를 함유한다.
본 발명의 피스톤 링에 따른 본 발명의 이점적인 효과를 요약하면, 탄소계열의 코팅을 경도차가 500에서 1700HV인 2 타입의 층들의 다층코팅으로 함으로써, 두께를 증가키는 것이 가능해지고 낮은 마찰 속성과 우수한 내마모성 모두가 주어진다. 경도차가 500HV 미만이면, 코팅 균열로 인해 슬라이딩면이 거칠어지고, 마찰계수가 더 커지며, 상대재료의 마모가 또한 더 커진다. 경도차가 1700HV보다 더 크면, 슬라이딩으로 저경도층이 마모되고, 스트레스가 고경도층의 표면 양각부에 집중되며(도 1b 참조), 코팅이 깎여지고, 마찰계수가 더 커지며, 상대재료의 마모도 또한 더 커진다. 코팅의 전체 두께가 5.0㎛ 미만이면, 내마모성이 불충분해진다.
본 발명의 이들 및 다른 목적과 특징은 첨부도면을 참조로 하기에 주어진 바람직한 실시예들의 설명으로부터 더 명백해진다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예를 도시한 것으로, 도 1a는 피스톤 링의 일부분을 도시한 길이방향 횡단면도이고, 도 1b는 코팅부의 확대 횡단면도이며, 도 1c는 슬라이딩 후 코팅면의 일부를 도시한 도면이다.
도 2는 왕복 마모 테스터기의 개략도이다.
하기에서, 도면을 참조로 하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
피스톤 링(1)은 외주에 형성된 탄소계열의 코팅(2)을 갖는다. 탄소계열의 코팅(2)은 적어도 2층으로 각각 적층된 다른 경도를 갖는 A 및 B의 2 타입의 다층 코팅으로 구성된 DLC(다이아몬드형 탄소) 코팅이다. 도 1a 내지 도 1c에서, 2 타입의 층들(A,B)은 6개 층으로 각각 적층된다. 최외각 표면층은 높은 경도를 갖는 층(A)이다. 2 타입의 층들(A 및 B) 간의 경도차는 500에서 1700HV이다. 높은 경도를 갖는 층(A)(이하 "고경도층(A)"이라 함)은 두께가 5 내지 90㎚인 반면, 낮은 경도를 갖는 층(B)(이하 "저경도층(B)"이라 함)은 같거나 더 큰 두께를 갖는다. 탄소계열의 코팅(2)의 전체 두꼐는 5.0㎛ 이상이다. 외주의 기저재료 거칠기는 1.0㎛Rz 이하이다. 저경도층(B)은 Cr 또는 Ti을 함유할 수 있다. Cr 또는 Ti가 함유된 경우, 고경도층(A)과의 접착이 더 향상된다.
고경도층(A)의 두께가 5㎚보다 작으면, 슬라이딩 후(도 1c 참조) 외주에 노출된 고경도층(A) 및 저경도층(B)의 필요한 폭이 충분히 확보될 수 없어, 오일 보유속성이 떨어지고, 낮은 마찰계수가 불충분해진다. 두께가 90㎚보다 더 크면, 슬라이딩 후 외주에 드러난 고경도층(A) 및 저경도층(B)의 폭이 너무 커져, 코팅 균열이 발생하고, 마찰계수가 커지게 되며, 상대 재료의 마모도 또한 더 커진다. 외주의 기저재료 거칠기가 1.0㎛Rz 보다 더 크면, 슬라이딩으로 저경도층(B)이 마모되고, 고경도층(A)의 표면 양각부에 스트레가 집중되며(도 1b 참조), 코팅을 깍아내고, 마찰계수가 더 커지며, 상대재료의 마모가 또한 더 커지게 된다. 최외각 표면층이 고경도층(A)이면, 상대재료의 표면이 빨리 완만해질 수 있다.
상기 탄소계열의 코팅(2)은 (저경도층(B)을 형성하는)스퍼터링과 (고경도층(A)을 형성하는) 이온도금을 교번함으로써 PVD 방법을 이용해 형성된다. 층의 두께는 형성시간을 변경함으로써 조절되는 한편, 경도는 바이어스 전압을 변경함으로써 조절된다.
아래에, 자체 마모량, 상대 마모량 및 마찰계수에 대한 왕복 마모 테스터기의 사용 결과를 설명한다.
도 2는 테스트를 위해 사용된 왕복 마모 테스터기의 외형을 도시한 것이다. 핀형 상단 테스트 피스(10)가 홀딩블록(11)에 의해 유지된다. 위로부터 유압 실린더(12)가 하방 하중을 가하기 위해 사용되므로, 하단 테스트 피스(13)가 압박 받는다. 다른 한편으로, 평편 디스크형 하단 테스트 피스(13)는 이동식 블록(14)에 의해 보유되고, 크랭크 장치(15)에 의해 앞뒤로 이동되어 진다. 참조번호(16)는 하중 셀을 나타낸다.
테스트 조건은 다음과 같다:
하중: 100N
속도: 600cpm/min
윤활유: 5W-20
시간: 1시간
상단 테스트 피스: DLC 코팅에 주어진 피스톤 링용 핀형 테스트 피스
하단 테스트 피스: 실린더 라이너용 플레이크형 그래파이트 주철 재료
실시예
A층경도
HV
B층경도
HV
A,B층
경도차
HV
C와는 다른 B층 원소 기저재료 거칠기 ㎛Rz 층두께
자체마모㎛ 상대마모㎛ 마찰계수
실시예1 2000 300 1700 - 0.2 5 0.5 1 0.04
실시예2 1900 1400 500 - 0.3 20 0.5 1 0.04
실시예3 2700 1000 1700 - 0.2 30 0.5 1 0.04
실시예4 1700 400 1300 - 0.2 90 0.5 1 0.04
실시예5 2500 1000 1500 Cr 0.3 80 0.5 1 0.04
실시예6 1700 400 1300 - 0.5 10 0.5 1 0.04
실시예7 1700 400 1300 - 1.0 10 0.5 1 0.04
비교예1 1800 1400 400 - 0.2 90 코팅파손 5 0.09
비교예2 2800 1000 1800 - 0.3 90 2.0 4 0.07
비교예3 1900 1400 500 - 0.3 3 0.5 1 0.06
비교예4 1700 300 1400 - 0.2 110 2.0 5 0.09
비교예5 2000 300 1700 - 0.2 3 0.5 1 0.07
비교예6 1700 400 1300 - 1.2 10 1.5 2 0.07
본 발명은 예시를 위해 선택된 특정 실시예를 참조로 설명하였으나, 본 발명의 기본 개념 및 범위로부터 벗어남이 없이 당업자들에 의해 많은 변형들이 이루어질 수 있음이 명백하다.
1 피스톤 링
2 탄소계열의 코팅
10 상단 테스트 피스
11 홀딩 블록
13 하단 테스트 피스
14 이동식 블록
15 크랭크 장치
16 하중 셀

Claims (5)

  1. 슬라이딩면 위에 형성된 탄소계열의 코팅을 가지며,
    상기 코팅은 적어도 2층으로 적층된 다른 경도를 갖는 2 타입의 층들로 구성된 다층코팅으로, 상기 2 타입의 층들 간의 경도차는 500에서 1700HV이고, 고경도층은 두께가 저경도층과 같거나 더 크며, 전체적으로 상기 코팅은 두께가 5.0㎛이상인 피스톤 링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고경도층은 두께가 5에서 90㎚인 피스톤 링.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 코팅이 형성된 표면은 기저재료 거칠기가 1.0㎛Rz 이하인 피스톤 링.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅의 최외각 표면층이 고경도층인 피스톤 링.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅의 저경도층은 탄소만 또는 탄소 및 또한 Cr 또는 Ti를 함유하는 피스톤 링.
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