KR20130105086A

KR20130105086A - 엔진 피스톤링

Info

Publication number: KR20130105086A
Application number: KR1020120027221A
Authority: KR
Inventors: 심소정; 안정욱
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2013-09-25
Also published as: US9482343B2; US20130241154A1

Abstract

본 발명은 엔진 피스톤링의 모재(100)의 표면에 코팅된 Cr코팅층(200); CrN코팅층(400); 및 상기 CrN코팅층(400)위에 형성되며 Si 성분이 3 ~ 10 at% 함유된 Si-DLC코팅층(600);을 포함하는 엔진 피스톤링 및 그 제조방법이 소개된다.

Description

엔진 피스톤링{PISTON RING FOR ENGINE}

본 발명은 엔진 실린더 내 마찰손실을 줄이고 연비를 향상시키고자 피스톤링의 외주면에 저마찰 Si-DLC코팅을 처리한 엔진 피스톤링 및 그 제조방법에 관한 기술이다.

차량 엔진의 피스톤과 실린더 내벽 사이의 기밀(氣密)을 유지하고 또 실린더 벽의 윤활유를 긁어내려 윤활유가 연소실로 들어가지 않도록 하기 위하여 피스톤 바깥 둘레의 홈에 끼우는 한 쌍의 링을 피스톤링이라고 한다.

도 1은 종래 엔진 피스톤링의 코팅 상태를 나타낸 도면으로서, 이러한 피스톤링은 낮은 마찰계수를 가지면서도 내구성을 유지해야 하는 어려움이 있다.

이를 위해, 일반적으로 피스톤링(10)의 외주면에는 Cr(Chrome)도금(30) 또는 질화처리(가스질화)가 사용되고 있는데, 최근에는 고유가 및 CO2규제로 인해 마찰손실을 줄이고 내구성을 향상시키고자 CrN(Chrome Nitride)을 비롯한 다양한 표면처리 기술이 대두되고 있다.

이러한 표면처리방법 중, DLC(Diamond Like Carbon)는 다이아몬드와 흑연의 중간상으로 흑연의 낮은 마찰계수와 다이아몬드의 높은 경도 그리고 내화학특성이 우수하여, 피스톤링의 외주면에 적용시 엔진 마찰손실을 더욱 줄일 수 있어서 궁극적으로 차량의 연비를 향상시킬 수 있다.

하지만 상기 DLC는 고온에서 장시간 노출시 마찰 및 내구성이 악화되고, 코팅내 잔류응력이 높아 코팅 두께 증대시 박리가 발생하는 문제가 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

이에 본 발명은 상기한 문제를 해소하기 위해 안출된 것으로서, 엔진 실린더내 마찰손실을 줄이고 연비를 향상시키고자 피스톤링의 외주면에 저마찰 Si-DLC(Silicon doped Diamond Like Carbon)코팅 처리함으로써, 저마찰특성과 내구특성을 동시에 만족시킬 수 있는 엔진 피스톤링을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명 엔진 피스톤링은, 모재의 표면에 코팅된 Cr코팅층; 상기 Cr코팅층위에 코팅된 CrN코팅층; 및 상기 CrN코팅층위에 형성되며, Si 성분이 3 at% 이하(0(zero)은 제외)로 함유된 저함량층과 Si 성분이 3 ~ 10 at% 함유된 고함량층 순서로 교대로 적층된 Si-DLC코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 저함량층과 상기 고함량층은 각층의 두께가 50 nm(나노미터)이하(0(zero)은 제외)인 것을 특징으로 한다.

상기 고함량층은 Si-DLC코팅층의 최외층에 위치하도록 코팅되어서 실린더 내벽과 접촉하도록 된 것을 특징으로 한다.

상기 Si-DLC코팅층은 탄화가스(CxHy)와 TMS(Tetra-methylsilane, Si(CH3)4) 가스 또는 탄화가스와 HMDSO(Hexamethyldisiloxane, O(Si(CH3)3)2) 가스가 화학반응하여 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 Cr코팅층 및 Si-DLC코팅층은 실린더 내벽과 접촉되는 모재의 외주면에만 코팅된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 엔진 피스톤링 및 그 제조방법에 의하면, Si-DLC의 마찰계수는 Cr도금 및 질화대비 23%, CrN 대비 11% 낮아 피스톤링의 마찰손실을 줄이고 연비를 0.2~0.5% 향상시킬 수 있고, Si-DLC의 내스커핑성은 Cr도금 및 질화대비 50%, CrN 대비 30% 이상 우수하여 유막파괴를 억제하고 피스톤링의 내구성을 향상시킬 수 있으며, Si를 DLC에 도핑처리함으로서 DLC의 저마찰과 고온 내마모성을 향상시킬 수 있고, Si-DLC가 마모되어도 하층 Cr+CrN의 다층구조가 존재하여 피스톤링의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 엔진 피스톤링의 코팅 상태를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 피스톤링을 나타낸 도면,
도 3은 도 2에 도시된 엔진 피스톤링의 코팅 단면을 나타낸 도면,
도 4는 도 2에 도시된 엔진 피스톤링을 제조하기 위한 제조장치를 나타낸 도면,
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예와 비교예의 성능을 대비한 그래프이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 엔진 피스톤링 및 그 제조방법에 대해 살펴본다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 피스톤링을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 엔진 피스톤링의 코팅 단면을 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 엔진의 피스톤링은, 모재(100)의 표면에 코팅된 Cr코팅층(200)과, 상기 모재(100)의 최외층에 코팅되며 Si 성분이 3 at% 이하(0(zero)은 제외)로 함유된 저함량층(610)과 Si 성분이 3 ~ 10 at% 함유된 고함량층(630)이 혼합된 Si-DLC코팅층(600)과, 상기 Cr코팅층(200)과 Si-DLC코팅층(600) 사이에 코팅된 CrN코팅층(400)을 포함한다.

상기와 같은 구조에 의해, Si-DLC의 마찰계수는 Cr도금 및 질화대비 23%, CrN 대비 11% 낮아 피스톤링의 마찰손실을 줄이고 연비를 0.2~0.5% 향상시킬 수 있다.

그리고, Si-DLC의 내스커핑(耐scuffing)성은 Cr도금 및 질화대비 50%, CrN 대비 30% 이상 우수하여 유막파괴를 억제하고 피스톤링의 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, Si를 DLC에 도핑처리함으로서 DLC의 저마찰과 고온 내마모성을 향상시킬 수 있으며, Si-DLC가 마모되어도 하층 Cr+CrN의 다층구조가 존재하여 피스톤링의 내구성을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 Si-DLC코팅층(600)은 저함량층(610)과 고함량층(630)의 각층의 두께가 50 nm(나노미터)이하(0(zero)은 제외)인 것을 특징으로 하고, 특히 상기 저함량층(610)과 상기 고함량층(630)은 두께가 동일한 것을 특징으로 한다.

상기 고함량층(630)은 내구성을 향상시키고 마찰저감을 도모할 수 있지만 경도가 약해지는 단점이 있는 바, 상기 경도가 약한 단점을 보완하기 위해 Si 성분의 함량이 상기 고함량층(630)보다 낮은 저함량층(610)을 함께 구성하게 되며, 이럴 경우 피스톤링이 전체 부위에 걸쳐 균일한 강도를 보유할 수 있도록 상기 저함량층(610)의 두께와 상기 고함량층(630)의 두께를 서로 동일하게 형성하는 것이 바람직하다.

상기 저함량층(610)과 상기 고함량층(630)은 상기 CrN코팅층(400)에서부터 1개 층씩 교대로 적층되게 구성되며, Si-DLC코팅층(600)의 최외층에는 내구성이 우수하고 마찰저감이 우수한 상기 고함량층(630)이 위치하도록 코팅되어서 실린더 내벽과 접촉하게 된다.

Si의 함유율에 따라 Si-DLC코팅층(600)은 고온에서도 저마찰과 내구성 유지의 특성을 유지할 수 있게 된다.

한편, 상기 Si-DLC코팅층(600)은 탄화가스(CxHy)와 TMS(Tetra-methylsilane, Si(CH3)4) 가스 또는 탄화가스와 HMDSO(Hexamethyldisiloxane, O(Si(CH3)3)2) 가스가 화학반응하여 형성되도록 한다.

또한, 상기 Cr코팅층(200) 및 Si-DLC코팅층(600)은 실린더 내벽과 접촉되는 모재(100)의 외주면에만 코팅되도록 하는 것이 효과적이다.

이와 같이, 본 발명에서 적용된 Si-DLC는 CrN보다 더 낮은 마찰계수와 높은 경도를 갖고 있어서 피스톤링의 저마찰, 내마모성, 내스커핑성 향상에 매우 효과적인 코팅재이며, Si의 함유율에 따라 저함량층(610)과 고함량층(630)을 구비하도록 구성함에 따라 일반적인 DLC와는 달리 고온에서도 저마찰과 내구성이 유지될 수 있게 된다.

그리고, 도 4는 도 2에 도시된 엔진 피스톤링을 제조하기 위한 제조장치를 나타낸 도면으로서, 이를 참고하여 본 발명의 엔진 피스톤링을 제조하는 방법을 살펴보면 하기와 같다.

본 발명에 따른 엔진 피스톤링의 제조방법은, 엔진 피스톤링의 모재(100)에 Cr코팅층(200)을 코팅하는 Cr코팅단계; 및 탄화가스(CxHy)와 TMS(Tetra-methylsilane, Si(CH3)4) 가스 또는 탄화가스와 HMDSO(Hexamethyldisiloxane, O(Si(CH3)3)2) 가스의 화학반응을 통해 Si-DLC코팅층(600)을 코팅하되, Si 성분이 3 at% 이하(0(zero)은 제외)로 함유된 저함량층(610)과 Si 성분이 3 ~ 10 at% 함유된 고함량층(630)을 구비하도록 코팅하는 Si-DLC코팅단계;를 포함한다.

여기서, 상기 Cr코팅단계와 상기 Si-DLC코팅단계 사이에, N2가스를 스퍼터링(Sputtering)된 Cr이온과 화학반응시켜서 CrN코팅층(400)을 코팅하는 CrN코팅단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 Si-DLC코팅단계에서는 TMS 또는 HMDSO 가스의 주입량을 조절해서 Si의 함유율을 조절할 수 있게 되는 바, 즉 Si 성분이 3 at% 이하(0(zero)은 제외)로 함유된 저함량층(610)과 Si 성분이 3 ~ 10 at% 함유된 고함량층(630)이 되도록 조절할 수 있다.

구체적으로, 본 발명에서 적용된 Si-DLC 코팅처리는 도 3과 같이 피스톤링 모재(100)의 외주면에 Cr(PVD,Physical Vapor Deposition법)+CrN(PVD법)+Si-DLC(PACVD법)의 다층구조로 코팅되며, 최외층 Si-DLC는 상기 CrN코팅층(400)에서부터 Si 성분이 3 ~ 10 at% 함유된 고함량층(630)과 Si 성분이 3 at% 이하(0(zero)은 제외)로 함유된 저함량층(610)이 1개 층씩 교대로 적층되게 코팅되는 방식이다.

이때, 상기 저함량층(610)과 고함량층(630)은 각층의 두께가 50 nm(나노미터)이하(0(zero)은 제외)가 되도록 코팅되며, 또한 상기 저함량층(610)과 고함량층(630)은 두께가 동일하도록 코팅되는 것이 바람직하다.

본 발명의 피스톤링은 도 4와 같은 Cr 타겟과 Ar, N2와 탄화가스(CxHy), TMS(Tetra-methylsilane, Si(CH3)4) 또는 HMDSO(Hexamethyldisiloxane, O(Si(CH3)3)2)의 공정가스를 사용하는 진공 코팅장비에서 코팅된다.

먼저, 진공상태에서 Ar가스를 이용하여 플라즈마 상태를 만들고, 코팅챔버를 80℃로 가열하여 피스톤링 표면을 활성화시키며, Ar이온이 피스톤링 표면에 충돌토록하여 Bias를 가하여 피스톤링 표면을 세정한다.(baking & cleaning)

그 후, 코팅층과 모재와의 밀착력을 향상시키기 위해 Cr타겟만 사용하여 Cr층을 코팅한다.(두께 0.1~1.0㎛)

그리고, 공정가스 N2를 흘려보내 Cr타겟에서 스퍼터링 된 Cr이온과 화학 반응을 통해 CrN층을 코팅한다.(두께 0.1~10㎛).

그 후, Cr타겟을 사용하지 않고 탄화가스와 TMS 또는 HMDSO 가스를 이용하여 화학 반응을 시키면 C, Si가 결합하여 Si-DLC층이 형성된다.(두께 0.1~10㎛)

이때, Si가 함유된 가스(TMS 또는 HMDSO)를 조절해서 DLC내 Si 성분이 3 at% 이하(0(zero)은 제외)로 함유된 저함량층(610) 및 Si 성분이 3 ~ 10 at% 함유된 고함량층(630)이 1개씩 교대로 적층되게 구성한다.

그리고, 도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예와 비교예의 성능을 대비한 그래프로서, 먼저 도 5는 마찰계수의 비교를 나타낸 것이다. 왕복동 마찰마모 시험기를 통해 피스톤링과 실린더 라이너간의 마찰계수를 측정하였다. 시험조건은 하중 150N, 온도 150℃, 왕복주기 5Hz, 오일조건에서 1시간 동안 평가하였다. 결과는 도 5와 같이 Si-DLC < DLC < CrN < 질화 순으로서, 질화처리가 가장 높았고 Si-DLC의 마찰계수가 가장 낮았다. 또한, Si를 함유율을 변화시키며 도핑함에 따라 Si-DLC의 마찰계수가 더욱 낮아졌다.

도 6은 내스커핑(耐Scuffing)성을 비교한 것으로서, 왕복동 마찰마모 시험기를 통해 피스톤링과 실린더 라이너간 스커핑 발생 하중을 측정하여 유막파괴에 대한 저항성을 비교하였다. 시험조건은 하중을 20분마다 20N단위로 440N까지 증가시켰고, 온도 150℃, 왕복주기 5Hz, 오일조건에서 평가하였다. 결과는 도 6과 같이 질화 < CrN < DLC = Si-DLC 순으로서, 질화처리가 가장 빨리 스커핑이 발생하였고 DLC와 Si-DLC가 스커핑 발생하중이 가장 높았다.

도 7은 고온내마모성을 비교한 것으로서, 왕복동 마찰마모 시험기를 통해 피스톤링과 실린더 라이너간 피스톤링 마모량을 측정하였다. 시험조건은 하중 150N, 온도 25℃와 200℃, 왕복주기 5Hz, 오일조건에서 1시간 동안 평가하였다. 결과는 도 7과 같이 고온에서 DLC의 마모량은 크게 증가하는데 반해 Si-DLC는 마모량이 크게 증가하지 않았다. 또한, Si를 함유량을 조절하여 도핑할 경우 Si-DLC의 고온 내마모성은 더욱 향상되었다.

즉, 상술한 바와 같은 구조로 이루어진 본 발명의 엔진 피스톤링 및 그 제조방법에 따르면, Si-DLC의 마찰계수는 Cr도금 및 질화대비 23%, CrN 대비 11% 낮아 피스톤링의 마찰손실을 줄이고 연비를 0.2~0.5% 향상시킬 수 있게 된다.

또한, Si-DLC의 내스커핑성은 Cr도금 및 질화대비 50%, CrN 대비 30% 이상 우수하여 유막파괴를 억제하고 피스톤링의 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

그리고, Si를 DLC에 도핑처리함으로서 DLC의 저마찰과 고온 내마모성을 향상시킬 수 있게 된다.

한편, Si-DLC가 마모되더라도 하층에 Cr+CrN의 다층구조가 존재하므로 피스톤링의 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 - 피스톤링 모재 200 - Cr코팅층
400 - CrN코팅층 600 - Si-DLC코팅층
610 - 저함량층 630 - 고함량층

Claims

모재(100)의 표면에 코팅된 Cr코팅층(200);
상기 Cr코팅층(200)위에 코팅된 CrN코팅층(400); 및
상기 CrN코팅층(400)위에 형성되며, Si 성분이 3 at% 이하(0(zero)은 제외)로 함유된 저함량층(610)과 Si 성분이 3 ~ 10 at% 함유된 고함량층(630) 순서로 교대로 적층된 Si-DLC코팅층(600);을 포함하는 엔진 피스톤링.
청구항 1에 있어서,
상기 저함량층(610)과 상기 고함량층(630)은 각층의 두께가 50 nm(나노미터)이하(0(zero)은 제외)인 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤링.
청구항 5에 있어서,
상기 고함량층(630)은 Si-DLC코팅층(600)의 최외층에 위치하도록 코팅되어서 실린더 내벽과 접촉하도록 된 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤링.
청구항 1에 있어서,
상기 Si-DLC코팅층(600)은 탄화가스(CxHy)와 TMS(Tetra-methylsilane, Si(CH3)4) 가스 또는 탄화가스와 HMDSO(Hexamethyldisiloxane, O(Si(CH3)3)2) 가스가 화학반응하여 형성된 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤링.
청구항 1에 있어서,
상기 Cr코팅층(200) 및 Si-DLC코팅층(600)은 실린더 내벽과 접촉되는 모재(100)의 외주면에만 코팅된 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤링.