KR20140053185A - 피스톤 링용 내마모층 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 바람직하게는 내연기관들의 피스톤 링들에 사용되는 내마모층에 관한 것이다. 내마모층은, 철(Fe): 15 내지 25 중량%, 탄화 텅스텐(WC): 10 내지 25 중량%, 크롬(Cr): 30 내지 40 중량%, 니켈(Ni): 10 내지 25 중량%, 몰리브덴(Mo): 10 내지 25 중량%, 탄소(C): 1 내지 10 중량%, 및 규소(Si): 0.1 내지 2 중량%를 포함하고, 상기 크롬(Cr)은 원소의 형태 및/또는 Cr2C3의 형태의 탄화물로서 제공된다. 게다가, 내마모층을 도포하는 방법 및 이러한 내마모층을 갖는 피스톤 링이 개시된다.
Description
본 발명은 내마모층, 바람직하게는 내연 기관들(internal combustion engines)용 피스톤 링들에 사용되는 내마모층에 관한 것이다. 특히, 이러한 피스톤 링을 위한 코팅 형태의 내마모층 뿐만 아니라 이 내마모층을 도포하고 이러한 종류의 내마모층을 갖는 이러한 피스톤 링을 제조하는 방법이 설명된다.
피스톤 링들은 예컨대, 내연기관 또는 피스톤 압축기의 피스톤 상의 밀봉 요소들이다. 내연기관에서, 피스톤 링들은 연소실(combustion chamber)에 대해 피스톤 헤드와 실린더 벽 사이의 갭을 밀봉한다. 피스톤이 상하로 이동함에 따라, 피스톤 링의 외주면은 피스톤과 일정하게 탄성(springy) 접촉하면서 실린더 벽을 따라 활주하는 동시에, 피스톤의 경사 이동들 때문에 피스톤 링은 그의 피스톤 링 그루브 내에서 발진하여, 링의 플랭크(flank)들이 피스톤 링 그루브의 상하 플랭크와 번갈아 접촉한다. 마찰체들이 서로 대항하여 활주하는 각각의 경우에, 소정량의 마모가 불가피적으로 발생하며, 이는 재료에 따라 다소 심각할 수 있으며, 부분들이 비윤활식이라면, 이는 스커핑 스코어링(scuffing scoring)을 유발할 것이며, 궁극적으로는 기관의 파손을 유발할 것이다. 상당한 응력들을 받게 되는 내연기관 부분들, 예컨대 피스톤 링들을 제조하기 위해서, 가장 보편적으로 사용되는 재료들은 주철 및 주철 합금들이다. 피스톤 링들, 특히 압축 링들은 4 행정 및 2 행정 기관들과 같은 높은 응력을 받는 내연기관들에서 더 증가하는 부하들에 노출된다. 이러한 부하들은 피스톤 링 상의 고 정점(high peak) 압축 압력, 높은 연소 온도 및 윤활제 막(lubricant film)의 감소를 포함하며, 이들 모두는 마모, 스커핑 내성, 미소용접(microwelding) 및 내부식성과 같은 기능 특징들에 상당한 영향을 미친다.
높은 점화(ignition) 압력들, 더 낮은 배기들 및 직접 연료 분사는, 피스톤 링들 상의 부하들의 추가 증대(intensification)를 나타낸다. 그 결과, 특히 하부(lower) 피스톤 링 플랭크 상에서의 피스톤 재료의 도금이 손상된다.
피스톤 링들 상에 가해진 기계적 그리고 동적 부하들이 계속해서 증가함에 따라, 더 많은 기관 제조자들이 고품질 강(재료 1.4112와 같은 조질(tempered)의 고합금 강)으로 제조된 피스톤 링들을 요구하고 있다. 본원에서, 2.08 중량% 미만의 탄소를 함유하는 철 재료들은 강으로서 언급된다. 탄소 함량이 더 높으면, 재료는 주철이라 한다. 강 재료들은 주철보다 양호한 강도 및 인성 특징들을 갖는데, 이는 기본 미세구조 내에 유리 흑연(free graphite)에 의한 간섭이 존재하지 않기 때문이다. 피스톤 링들을 제조하기 위해 가장 보편적으로 사용되는 재료들은 고크롬 합금량을 갖는 마르텐사이트강(martensitic steel)들이다.
실린더 벽에 대한 피스톤 링들의 활주 및 마모 특성들을 더 개선하기 위해서는, 그의 둘레면에 다양한 재료들의 코팅들이 제공된다. 이러한 코팅들은, 예컨대, 몰리브덴, 크롬, 니켈, 붕소, 규소, 알루미늄, 구리 및/또는 탄소를 함유한다. 상업적으로 입수가능한 피스톤 링 코팅중 하나는 상표명 MKP200으로 공지되어 있으며, 몰리브덴 및 Cr2C3-NiCr의 복합재(composite)를 함유한다.
그러나, 마모, 스커핑 및 부식에 대한 내성의 관점에서 미래의 기관 발전들의 요구들을 충족시키기 위해서, 이러한 코팅들을 갖는 피스톤 링들은 이상적으로 설치되지 못한다. 이에 대한 하나의 이유는, 보호층의 공극률(porosity)이 높다는 것이며, 이는 대략 10 내지 15%이며, 사용되는 용사(spraying) 방법으로 인해 층에서 내마모 성분(component)들의 비율이 제한된다.
이에 따라, 본 발명의 목적은, 개선된 내마모층 및 코팅 방법 및 이러한 내마모층으로 코팅된 피스톤 링을 제공하는 것이며, 여기서 철계 합금(iron-based alloy)이 몰리브덴 및 탄화 텅스텐과 함께 사용된다.
본 발명의 목적은, 하기에 나타낸 비율들을 갖는 원소들을 포함하는 내마모층을 사용하여 본 발명에 따라 해결된다:
철(Fe): 15 내지 25 중량%,
탄화 텅스텐(WC): 10 내지 25 중량%,
크롬(Cr): 30 내지 40 중량%,
니켈(Ni): 10 내지 25 중량%,
몰리브덴(Mo): 10 내지 25 중량%,
탄소(C): 1 내지 10 중량%, 및
규소(Si): 0.1 내지 2 중량%를 포함하고,
여기서, 상기 크롬(Cr)은 원소의 형태 및/또는 Cr2C3의 형태의 탄화물로서 제공된다.
성분(ingredient)들은, 모든 시작 재료들, 구성요소들, 성분들, 원소들, 및 첨가제들이 이전에 기록된 것들 및 명백하게 언급된 것들을 포함하며, 모든 경우들에서 총 100 중량%가 되도록 하는 방식으로 함유된다. 시작 재료들, 구성요소들, 성분들, 원소들 및 첨가제들의 비율은, 당업자에게 공지된 다양한 방법들에 의해 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 15 내지 50 중량%의 탄화물들의 전체 비율에서, 탄화 텅스텐(WC): 10 내지 25 중량% 및 Cr2C3: 5 내지 30 중량%의 탄화물 농도들이 함유된다.
본 발명에 따른 내마모층에서의 탄화물들을 이용함으로써, 스커프 및 마멸(abrasion) 내성이 더 증가된다.
내마모층을 도포하기 위해서, 열용사(thermal spray) 프로세스가 바람직하며, 특히 본원에서는 HVOF 프로세스(고속 산소 연료로부터 유도됨), 즉 고속 화염 용사(high-velocity flame spraying)가 바람직하다. 내마모층 성분들을 제조하기 위해서 사용되는 내용물들은 분말 재료들의 형태이다. HVOF 프로세스의 사용은 코팅될 모재(substrate) 상에서 특히 조밀한(dense) 열 코팅을 유발한다.
사용된 분말들의 입자 크기들은, 바람직하게는 1 내지 80㎛ 범위이다. 각각의 탄화물들은, 바람직하게는 0.1 내지 5㎛의 입자 크기를 가지며, NiCr 기재(matrix)에 매립될 수 있다. 탄화물들은 응집 및 소결된 입자들의 형태로 또는 1차 석출된 탄화물들로서 공급될 수 있다. 이들 탄화물들은, 바람직하게는 NiCr 기재에 매립된다.
내마모층의 물리적 특징들(예컨대, 열전도도, 열팽창계수)을 고려하면, 15 중량%의 철함유 베이스 시스템의 최소 비율이 모재와 코팅 사이에서 준균질(quasi-homogeneous) 시스템을 생산한다. 이렇게 함으로써, 혼합된 마찰(특히, 피스톤 엔진의 상사점 및 하사점의 구역들에서의)에 의해 생성된 열 에너지가 보다 효율적으로 소멸되고, 예컨대 엔진에 제공된 온도 편차들에 의해 균일한(even) 열 이완 프로세스가 보장된다.
따라서, 내마모층으로서의 몰리브덴 및 탄화 텅스텐과 함께 피스톤 링 베이스 코팅 재료로서의 본 발명에 따른 철계 합금의 사용은 마모, 스커핑 및 부식에 대한 내성의 관점에서 개선된 특징들을 갖는 새로운 유형의 피스톤 링을 유발한다.
이에 따라, 본 발명은 또한 내마모층으로 코팅된 피스톤 링을 제공한다. 본원에서, 코팅될 피스톤 링은 임의의 유형의 피스톤 링, 예컨대 주철 또는 강 피스톤 링일 수 있다. 피스톤 링은 바람직하게는 열용사 프로세스에 의해 코팅되며, 바람직하게는 HVOF 프로세스에 의해 코팅되고, 특히 바람직하게는 본 발명에 따른 코팅 프로세스에 의해 내마모층으로 코팅된다.
이러한 코팅된 피스톤 링 상의 코팅의 층 두께는 바람직하게는 20 내지 1000㎛이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 내마모 코팅이 코팅된 피스톤 링의 코팅의 경도는 550HV1 내지 950HV1(비커스 경도 시험)이다.
이러한 종류의 코팅된 피스톤 링들은 주로 내연기관들에 사용된다. 이러한 상태들 하에서, 이러한 적용분야들에 또한 제공되는 황을 함유하는 오일들은, 피스톤 링의 내마모층에서의 몰리브덴이 MoS2를 형성하기 위해서 황과 반응하는 것을 유발하며, 상기 MoS2는 또한 그의 결정 구조로 인해 훌륭한 고체 윤활제이다. 이러한 작용은 트라이보시스템(tribosystem)의 스커핑 또는 스코어링 경향을 추가로 개선하는데 도움을 준다. MoS2는 육방격자 기준면(hexagonal base plaen)(001)에 대해 평행한 황-금속-황 평면들의 어레이를 구성하는 전형적인 층 격자를 갖는다. 이러한 평면들 내에 강력한 공유 결합(covalent bond)들이 존재한다. 그러나, 이 평면들은 단지 약한 반데르발스 상호작용들을 통해 서로 연결된다. 이러한 흑연과 같은 비등방성 층 구조는 낮은 재료 경도 및 (001) 평면들을 따른 우수한 박리성(fissility)을 판정하며, 그 결과 우수한 비상 작동 특징들이 성취된다.
도 1에서 광학 현미경을 통한 변형예 V1의 미세구조(무라카미 프로세스(Murakami process)에 따라 에칭처리된 단면)는, 변형예 1이 적은 미용융 입자들을 가지며, 또한 몰리브덴과 함께 니켈-크롬 기재(matrix)에서 균일하게 분포된 Cr2C3 영역들을 갖는 것을 도시한다.
도 2 및 도 3은 REM에 의한 변형예 V2a 및 v2b의 미세구조들을 도시한다.
도 4는 윤활식 링/실린더 시스템 내의 엔진 외부 시험후 링 및 실린더 라이닝 상의 마모를 나타내며, 도 5는 부적절한 윤활식 링/실린더 시스템에서의 스커핑 내성을 도시한다.
도 2 및 도 3은 REM에 의한 변형예 V2a 및 v2b의 미세구조들을 도시한다.
도 4는 윤활식 링/실린더 시스템 내의 엔진 외부 시험후 링 및 실린더 라이닝 상의 마모를 나타내며, 도 5는 부적절한 윤활식 링/실린더 시스템에서의 스커핑 내성을 도시한다.
실시예
I.
내마모
코팅들
하기 내마모 코팅들이 서로 비교되었다:
V1: 기준으로서의 Mo 및 Cr2C3 -NiCr의 복합재(상표명: MKP200, 페데랄-모굴사(Federal-Mogul)로부터의 표준 제품) 및
V2: 2-상 혼합물 (상 1: Mo + Cr2C3 -NiCr; 상 2: FeCr 베이스 + WC/Cr2C3 -NiCr) 여기서,
V2a: 상 1 대 상 2의 혼합비 = 40/60,
V2b: 상 1 대 상 2의 혼합비 = 25/75
변형예 1은 플라즈마 용사에 의해 도포되었으며, 변형예 2a 및 2b는 HVOF 프로세스로 도포되었다.
표 1은 시험에 사용된 내마모층들의 화학적 조성을 도시한다.
| 변형예 | 화학적 조성 | ||||||
| Fe | WC | Cr | Ni | Mo | C | Si | |
| # | (중량 %) | ||||||
| V1 | - | - | 17 | 16 | 60 | - | - |
| V2a | 22 | 12 | 33 | 17 | 13 | 3.6 | 0.5 |
| V2b | 19 | 14 | 35 | 18 | 15 | 3.1 | 0.4 |
표 1: 다양한 내마모 층들의 화학적 조성
II
.
실험예들
미세구조(microstructure), 공극률(porosity) 그리고 경도(hardness), 및 마모 그리고 스커핑(scuffing) 성능이 상이한 변형예들에 대해 시험되었다.
제 1 실험예에서, 미세구조 및 상 분포가 광학 및 주사 전자 현미경을 사용하여 검사되었다.
도 1에서 광학 현미경을 통한 변형예 V1의 미세구조(무라카미 프로세스(Murakami process)에 따라 에칭처리된 단면)는, 변형예 1은 미용융 입자들을 거의 갖지 않으며, 또한 몰리브덴과 함께 니켈-크롬 기재(matrix)에서 균질 분포된 Cr2C3 영역들을 갖는 것을 도시한다. 공극률 검사들로부터, 변형예 1의 공극률이 10%를 초과하지 않는다는 것이 드러났다.
REM에 의한 변형예들 V2a 및 v2b의 미세구조들을 도시하는 도 2 및 도 3으로부터, 탄화물들 및 몰리브덴이 변형예들 V2a 및 v2b에서 균질 분포되고 있음을 알 수 있다. 또한, NiCr 기재에서 WC 및 Cr2C3 영역들이 제공된다. 미용융 입자들은 볼 수 없다. 공극률 검사들로부터 변형예들 V2a 및 v2b 양자 모두에서 대략 1%의 공극률이 드러났다.
도 1 내지 도 3에서, 더 거칠며(coarser), 밝은 영역들은 탄화 텅스텐에 해당하며, 매우 평탄하며 또한 밝은 영역들은 몰리브덴에 해당하고, 밝은 회색 영역들은 니켈에 해당하며 어두운 회색 영역들은 Cr2C3 또는 FeCr을 함유하는 상들을 나타낸다.
도 3으로부터, 더 크고 거칠며 밝은 영역들(탄화 텅스텐에 해당함)은 상 2에서의 증가, 즉 FeCr 베이스 + WC/Cr2C3-NiCr의 함량의 증가가 내마모층의 탄화물 농도의 증가를 유발하는 것으로 명확히 도시되어 있다.
표 2는 공극률 및 기계적 특징들에 대해 계산된 값들을 요약한다.
| 실험예 | 탄화물 비율 목표 | 경도 | 공극률 |
| # | (중량%) | HV 1 | % |
| V1 | 20 | 390-660 | 9 |
| V2a | 30 | 591-815 | 1 |
| V2b | 40 | 673-896 | 1 |
표 2: 다양한 내마모 코팅들의 특징들
표 2에 기초하여 하기 결론들이 도출될 수 있다. 첫 번째로, 공극률은 HVOF 프로세스(V1이 플라즈마 용사 프로세스로 도포되었음)를 사용함으로써 단순하게 연속 하강되었으며, 두 번째로, 탄화물 농도의 증가는 내마모층의 경도 증가를 유발한다.
상기 설명된 시험들 이외에, 마모 및 스커프 시험들이 엔진 외부에서 실행되었다. 이를 위해서, 코팅된 슬라이딩 본체의 세그먼트가 홀더에 고정되었으며, 유욕(oil bath)에서 일정한 힘과 속도를 갖는 카운터바디(counterbody)에 대항하여 진동되었다. 그 결과들이 도 4 및 도 5에 도시되어 있으며, 여기서 도 4는 윤활식 링/실린더 시스템 내의 엔진 외부 시험후 링 및 실린더 라이닝 상의 마모를 나타내며, 도 5는 부적절한 윤활식 링/실린더 시스템에서의 스커핑 내성을 도시한다.
종래 기술로부터 공지된 보호층에 대해 수정된 조성(composition)을 갖는 본 발명에 따른 내마모 층을 사용함으로써, 상당히 개선된 내마모성을 성취할 수 있었다(도 4 참조). 이는 링 및 실린더 라이닝의 마모 감소를 유발한다.
다른 실험예에서, 스커프 거동이 조사되었다. 이를 위해, 원칙적으로, 마모 시험에 대한 것과 동일한 실험 셋업이 사용되었다. 그러나, 부적절한 윤활 조건이 셋업되었으며, 일정 시간 간격들에서 부하가 증가되었다. 미끄럼 마찰계수가 0.3을 초과하자마자 측정이 중단되었다. 변형예들 V2a 및 V2b은 변형예 V1보다 상당히 양호한 스커프 거동을 갖는 것으로 도시되어 있다(도 5 참조). 변형예 V2b에서 더 낮은 비율의 탄화물 함량 및 더 낮은 용융도는 V2a에 비해 더 낮은 스커프 내성을 유발한다.
상기 실험 결과들로부터, 본 발명에 따른 내마모층은 상당히 양호한 특징들을 가지며, 내마모층이 코팅된 피스톤 링이 향상된 마모 및 스커프 내성을 나타내는 것을 알 수 있다.
Claims (14)
- 철(Fe): 15 내지 25 중량%,
탄화 텅스텐(WC): 10 내지 25 중량%,
크롬(Cr): 30 내지 40 중량%,
니켈(Ni): 10 내지 25 중량%,
몰리브덴(Mo): 10 내지 25 중량%,
탄소(C): 1 내지 10 중량%, 및
규소(Si): 0.1 내지 2 중량%를 포함하고,
상기 크롬(Cr)은 원소의 형태 및/또는 Cr2C3의 형태의 탄화물로서 제공되는,
피스톤 링용 내마모층.
- 제 1 항에 있어서,
15 내지 50 중량%의 탄화물들의 전체 비율에서,
탄화 텅스텐(WC): 10 내지 25 중량% 및
Cr2C3: 5 내지 30 중량%의 탄화물 농도들을 함유하는,
피스톤 링용 내마모층.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 피스톤 링용 내마모층의 도포 방법으로서,
(i) 분말 형태의 성분(ingredient)들을 제공하는 단계, 및
(ii) 상기 성분들을 모재(substrate) 상에 고속 화염 용사(high-speed flame spraying)(HVOF 프로세스)하는 단계를 포함하는,
피스톤 링용 내마모층의 도포 방법.
- 제 3 항에 있어서,
원소 분말들의 입자 크기들은 1 내지 80㎛이며, 사용된 탄화물들의 입자 크기는 0.1 내지 5㎛인,
피스톤 링용 내마모층의 도포 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 탄화물들은 응집 및 소결된 입자들로서 또는 1차 석출된 탄화물들로서 제공하는,
피스톤 링용 내마모층의 도포 방법.
- 제 5 항에 있어서,
상기 탄화물들은 NiCr 기재(matrix)에 매립되는,
피스톤 링용 내마모층의 도포 방법.
- 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모재는 피스톤 링인,
피스톤 링용 내마모층의 도포 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 피스톤 링은 주철 또는 강 피스톤 링인,
피스톤 링용 내마모층의 도포 방법.
- 피스톤 링으로서,
상기 피스톤 링에는 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 피스톤 링용 내마모층이 코팅되는,
피스톤 링.
- 제 9 항에 있어서,
상기 코팅의 층 두께는 20 내지 1000㎛인,
피스톤 링.
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 코팅의 경도는 550HV1 내지 950HV1인,
피스톤 링. - 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅은 HVOF 프로세스로 도포되는,
피스톤 링.
- 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅은 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 도포되는,
피스톤 링.
- 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피스톤 링은 주철 또는 강 피스톤 링인,
피스톤 링.
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