KR20130114831A - 가변밸브리프트 기구류의 표면처리 방법 - Google Patents

가변밸브리프트 기구류의 표면처리 방법 Download PDF

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KR20130114831A
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차성철
김형익
오정한
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 기존의 DLC 코팅 대신에 저마찰, 내마모 및 내열 코팅재인 저가의 Mo 용사코팅을 적용하여 내마모, 저마찰 특성과 내열성을 확보하여 연비를 향상시키고, 공정수를 줄여 기존의 DLC 코팅 대비 원가를 절감할 수 있는 가변밸브리프트 기구류의 표면처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 가변밸브리프트 기구류의 표면처리 방법은 코팅대상물의 표면에 모래입자를 블라스팅하는 단계; 상기 코팅대상물의 표면에 용사재로 몰리브덴을 사용하여 용사 코팅 방식으로 몰리브덴 용사코팅층을 형성하는 단계; 상기 코팅층이 형성된 코팅대상물의 표면을 폴리싱하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

가변밸브리프트 기구류의 표면처리 방법{Surface treating method for Variable Valve Lifter instruments}
본 발명은 가변밸브리프트 기구류의 표면처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연비 향상 및 원가를 절감할 수 있는 가변밸브리프트 기구류의 표면처리 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 엔진의 밸브트레인시스템은 기본형과 가변밸브작동기형으로 분류된다.
상기 가변밸브작동기(VVA;Variable valve Actuation)는 연비향상을 목적으로 하며, 엔진운전조건(회전수, 부하)에 따라 밸브개폐변위를 변화시키는 장치로 캠위상 장치와 캠변환장치로 구분한다.
특히, 캠변환장치의 예로 가변밸브리프트(VVL;Variable Valve Lifter)와 연속가변밸브리프트(CVVL;Continuous Variable Valve Lifter), 실린더기통 휴지장치(CDA;Cylinder De-Actuation)가 있다.
상기 연속가변밸브리프트 장치는 운전 중 밸브리프트를 연속적으로 가변시키는 장치이며, 저속 영역에서 리프트를 최소화하고 흡입 행정의 펌핑 로스(Pumping Loss)를 최소화하여 연비를 개선할 수 있다.
상기 연속 가변밸브리프트 장치는 핀류, 캠류, 하우징, 바디류로 구성되며, 상기 핀류, 캠류, 하우징, 및 바디류 등의 부품에 저마찰 코팅을 적용하는 경우에 추가적으로 연비를 향상시키는 효과가 있다.
그래서, 가변밸브리프트의 핀류, 캠류, 하우징, 바디류 등에 DLC(Diamond Like Carbon) 코팅을 적용함으로써, 0.3~0.8%의 연비를 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 (연속)가변밸브리프트 코팅방법을 보여주는 공정도로서, 상기 DLC 코팅을 적용하기 전에 표면조도를 최소화하고 표면을 세정하는 공정이 필요하다.
예를 들어, 코팅대상품의 표면조도를 최소화하기 위해 모래입자를 이용하여 샌드블라스팅을 하고, 랩핑 장비를 이용하여 표면의 평균조도(Ra)를 0.15~0.08㎛로 개선할 수 있다.
그 다음 코팅 전에 초음파 장비를 이용하여 연마된 표면을 세척 및 이물질을 제거하여야 한다.
이후, 상기 가변밸브리프트의 핀류, 캠류, 하우징, 바디류의 표면에 DLC 코팅 작업을 수행함으로써 가변밸브리프트 구성품의 마찰을 줄여 내구성을 향상시킬 수 있다.
그러나, DLC 코팅공정 및 이의 전후 공정을 적용함으로 인해 원가를 상승시키는 문제점이 있다.
또한, 최근 엔진의 다운사이징을 통한 구동가혹도 증대 및 온도상승, 저마찰 엔진오일 등의 적용으로 내열성과 내분위기성이 취약한 DLC 코팅의 마모문제가 대두되고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 연속가변밸브리프트 기구 내부의 핀, 캠, 바디, 하우징류에 저마찰, 내마모 및 내열 코팅재인 저가의 몰리브덴 와이어를 용융시켜 분사하는 방식으로 코팅한 후, 단순 폴리싱으로 몰리브덴 용사층의 조도를 개선함과 동시에, 용사층 표면에 잔존하는 기공에 오일을 저장하여 윤활제 작용을 하게 함으로써, 기존의 DLC 코팅을 대체가능하고, 내마모, 저마찰 특성과 내열성을 확보할 수 있으며, 코팅비 및 가공비를 포함한 기존 대비 원가상승분을 절감할 수 있는 가변밸브리프트 기구류의 표면처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 가변밸브리프트 기구류의 표면처리 방법은 가변밸브리프트의 구성품의 핀류, 캠류, 하우징, 바디류 중 선택된 어느 하나의 부품의 표면을 샌드블라스팅하는 단계; 용사건 내부에 공급된 몰리브덴 와이어를 용융시킨 후 노즐을 통해 용융된 몰리브덴을 상기 부품의 표면에 분사하여 코팅층을 형성하는 단계; 상기 부품에 형성된 코팅층을 폴리싱하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 코팅층은 기공을 가지고, 오일 마찰시 상기 기공에 오일이 함침되어 윤활성을 증대시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
상기 몰리브덴을 분사하여 코팅하는 방식은 화염 분사(Flame Spraying), 고속화염용사(High Velocity Oxygen Fuel Flame Spraying), 플라즈마 분사(Plasma Spraying) 방식 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가변밸브리프트 기구류의 표면처리 방법의 장점을 설명하면 다음과 같다.
첫째로, Mo 용사의 오일조건 마찰계수는 기존 DLC 코팅품 대비 약 10% 낮아 저마찰 특성이 우수한 장점이 있다.
둘째로, 종래기술에 따른 DLC 코팅이 적용된 경우에 고온(약 300℃)에서 경도저하가 발생하였지만, 본 발명에 따른 Mo 용사코팅이 적용된 경우 Mo 용사코팅층의 내열성이 우수하여 고온에서도 물성변화가 없고, 400도 이상 조건에서 물성변화 및 저하를 방지할 수 있다.
세째로, 고가의 DLC 코팅 대신에 저가의 Mo 용사 코팅을 적용함으로써 원가를 절감할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 DLC 코팅 방법을 보여주는 블록도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가변밸브리프트 기구류의 표면처리 방법을 보여주는 공정도
도 3은 도 2에서 용사 코팅 시 사용되는 용사건의 구조를 보여주는 단면도
도 4는 본 발명에 따른 모재에 코팅된 용사 코팅층을 보여주는 확대 사진
도 5는 도 4에서 용사 코팅층의 표면을 보여주는 확대 사진
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 Mo 용사 코팅 방법을 보여주는 공정도이고, 도 3은 도 2에서 용사 코팅 시 사용되는 용사건의 구조를 보여주는 단면도이다.
본 발명은 고가의 DLC 코팅을 대체하여 원가를 절감할 수 있는 가변밸브리프트 기구류의 표면처리 방법에 관한 것이다.
본 발명의 코팅 대상 부품은 가변밸브리프트 또는 연속가변밸브리프트의 구성품 중 핀류, 캠류, 하우징, 바디류 등이다.
본 발명에서 가변밸브리프트라 하면 연속가변밸브리트를 포함하기로 한다.
상기 가변밸브리프트 기구류의 표면처리 방법은 샌드블라스팅 단계, Mo 용사(Wire Flame Spraying) 코팅층(11) 형성 단계, 폴리싱 단계로 이루어진다.
샌드블라스팅을 하는 이유는 모재(13)와 용사재간의 접합력을 확보하기 위함이다.
샌드블라스팅 단계는, 코팅 전에 표면처리를 행하는 전처리 작업으로서 가변밸브리프트 모재(13)의 표면에 모래입자를 블라스팅하여 표면을 활성화시킨다.
Mo은 고경도, 내마모성 및 내열성이 우수한 특성을 가지고, DLC 대비 가격이 저렴하여 고가의 DLC를 대체할 경우에 재료비용을 절감할 수 있다.
Mo 용사코팅층(11) 형성단계는 기존의 DLC 코팅을 대체하여 Mo을 가변밸브리프트 모재(13) 표면에 형성함으로써 캠과의 마찰을 최소화하여 저마찰성, 내마모성을 향상시킬 뿐만 아니라, 기존의 내열성 및 내분위기성이 취약한 DLC 코팅의 문제점을 개선할 수 있다.
상기 Mo 용사코팅층(11) 형성단계에서 용사건(10)을 이용하여 Mo 용사코팅층(11)을 형성하는데, 용사건(10)은 도 3에 도시한 바와 같이 이의 내부 중심부에 소재공급홀이 형성되고, 소재공급홀을 가운데 두고 양측에 연료가스 및 산소(또는 공기)를 주입하기 위한 가스홀이 형성되어 있다.
상기 Mo 용사코팅층(11) 형성단계는 소재공급홀을 통해 Mo 와이어(12)(Wire) 또는 분말(Power)을 공급하고, 가스홀을 통해 연료가스(예, 아세틸렌) 및 산소를 공급하여, 공급된 연료가스를 연소시킴에 따라 화염을 통해 Mo 와이어(12)를 순간적으로 용융시킨 후 용융된 Mo을 고속으로 코팅대상물(13)의 표면에 분사하는 방식으로 이루어진다.
여기서, 상기 Mo 소재는 와이어(12) 또는 파우더 방식으로 제조가능하고, 용사 코팅방식으로 화염 분사(Flame Spraying), 고속화염용사(High Velocity Oxygen Fuel Flame Spraying), 플라즈마 분사(Plasma Spraying) 방식을 선택적으로 채택할 수 있다.
상기 Mo 용사코팅에 의해 형성된 Mo 용사코팅층(11)의 두께는 20~200㎛로 되고, 이의 조도는 용사코팅의 특성상 Ra 5.0㎛ 이상 수준으로 매우 높다.
그리고, 용사코팅의 특성상, 코팅층(11) 내에 기공(14)을 함유하고 있다.
상기 Mo 용사코팅층(11) 내에 함유된 기공(14)들은 오일과 마찰로 기공(14) 내에 오일이 함침됨으로써, 코팅층(11)에 오일이 공급되지 않을 경우에 기공(14) 내에 존재하는 오일의 윤활작용으로 텍스처링 효과를 볼 수 있게 한다.
계속해서, 폴리싱 단계는 폴리싱 후 표면 폴리싱을 통해 조도를 줄이고, 기공(14)에 오일이 함침되어, 드라이 상태에서도 저마찰성이 우수한 코팅층(11)을 생성한다.
또한, 상기 표면 폴리싱을 통해 오일을 함유하는 기공(14)이 존재하여 경계윤활영역에서도 저마찰성이 우수하여 텍스처링 효과를 발휘할 수 있다.
예를 들면, 코팅층(11)의 잔존두께는 5~150㎛이며, 용사코팅층(11)의 조도를 1.5㎛ 이하로 줄일 수 있다.
이하, 본 발명을 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
본 발명에 따른 Mo 용사 코팅 방법과 종래기술에 따른 DLC 코팅 방법을 비교하여 본 발명의 효과를 설명하면 다음 표 1과 같다.
Figure pat00001
1. 마찰계수 및 내마모성을 비교
핀 온 디스크(Pin on Disc) 마찰마모 시험기를 통해 코팅(디스크)과 핀(SUJ2)간 마찰계수를 측정하였다.
시험조건은 하중 10N, 거리 2000m, 반경 6mm, 선속도 100mm/s, 오일 GF4 조건에서 평가하였다.
그 후, 마찰트랙의 마모깊이와 상대재 핀의 중량을 비교하여 내마모성 및 상대공격성을 측정하였다.
2. 고온 물성 비교
400℃의 용광로(Furnace)에서 3시간 방치후, 경도를 측정하여 상온의 경도와 고온방치한 시편의 경도를 측정하여 경도 저하 여부를 평가한다.
상기와 같은 실시예에 의하면 표 1에 나타난 바와 같이 Mo 용사의 오일조건 마찰계수는 기존 DLC 코팅품 대비 약 10% 낮아 저마찰 특성이 우수하였다.
그리고, 기존의 DLC 코팅의 경우 300℃에서 경도저하가 발생하였지만, 본 발명에 따른 Mo 용사코팅의 경우 Mo 용사코팅층(11)의 내열성이 우수하여 고온에서도 물성변화가 없고, 400도 이상 조건에서 물성변화 및 저하를 방지할 수 있다.
또한, 고가의 DLC 코팅 대신에 저가의 Mo 용사 코팅을 적용함으로써 종래 기술 대비 원가를 절감할 수 있다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 모재에 코팅된 용사 코팅층을 보여주는 확대 사진이고, 도 5는 도 4에서 용사 코팅층의 표면을 보여주는 확대 사진이다.
10 : 용사건
11 : 코팅층
12 : 몰리브덴 와이어
13 : 코팅대상물(모재)
14 : 기공

Claims (3)

  1. 가변밸브리프트의 구성품의 핀류, 캠류, 하우징, 바디류 중 선택된 어느 하나의 부품(13)의 표면을 샌드블라스팅하는 단계;
    용사건 내부에 공급된 몰리브덴 와이어를 용융시킨 후 노즐을 통해 용융된 몰리브덴을 상기 부품의 표면에 분사하여 코팅층(11)을 형성하는 단계;
    상기 부품에 형성된 코팅층(11)을 폴리싱하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변밸브리프트 기구류의 표면처리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅층(11)은 기공(14)을 가지고, 오일 마찰시 상기 기공(14)에 오일이 함침되어 윤활성을 증대시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 가변밸브리프트 기구류의 표면처리 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 몰리브덴을 분사하여 코팅하는 방식은 화염 분사(Flame Spraying), 고속화염용사(High Velocity Oxygen Fuel Flame Spraying), 플라즈마 분사(Plasma Spraying) 방식 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가변밸브리프트 기구류의 표면처리 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9970542B2 (en) 2014-08-28 2018-05-15 Hyundai Motor Company Shift fork having improved abrasion resistance

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