KR20140053880A

KR20140053880A - 피스톤 링

Info

Publication number: KR20140053880A
Application number: KR1020137029695A
Authority: KR
Inventors: 하야토 사사키; 다카시 오노
Original assignee: 가부시끼가이샤 리켄
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2014-05-08
Also published as: EP2733395A1; EP2733395A4; EP2733395B1; WO2014034180A1; US20150176710A1; JP2014149085A; CN103797285A; JPWO2014034180A1; JP5719031B2; CN103797285B; KR20150070421A

Abstract

고출력의 엔진에 있어서, 장기간에 걸쳐, 우수한 알루미늄 응착 방지 효과를 유지할 수 있는 피스톤 링을 제공한다. 본 발명에 따른 피스톤 링의 일양태는, 판형 충전재를 함유하는 수지계 피막에 의해, 상면 및 하면의 적어도 한쪽이 피복된 피스톤 링으로서, 판형 충전재가 알루미나, 탄화규소, 질화규소, 질화붕소로부터 선택되는 군의 적어도 1종을 포함한다.

Description

피스톤 링{PISTON RING}

본 발명은 피스톤 링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내연 기관용의 피스톤 링에 관한 것이다.

내연 기관에서 이용되는 피스톤 링 중, 연소실에 가장 가까운 곳에 설치되는 톱링은, 연소 압력에 의해, 알루미늄 합금 등으로 이루어지는 피스톤의 피스톤 링 홈(링 홈)에 세차게 타격되고, 동시에 링 홈의 표면을 미끄럼 이동한다. 내연 기관 안은, 연료의 연소에 의해 고온이 된다. 가솔린 엔진의 톱링 부근에서는, 200℃ 이상이 되어, 열충격 등에 의해 피스톤의 강도 저하를 야기하는 것이 알려져 있다.

피스톤의 링 홈의 표면에는, 도 1에 도시한 바와 같이 약 1 ㎛의 돌기가, 0.2 mm 간격으로 형성되어 있다. 이것은 바이트에 의한 선반 가공에 의한 것이다. 이 돌기는 피스톤 링의 타격(knocking)과 미끄럼 이동에 의해 결락 또는 마모되어, 링 홈 표면에 신생의 알루미늄면이 노출된다. 신생의 알루미늄면은, 금속으로 이루어지는 피스톤 링의 표면에 응착되기 쉽기 때문에, 알루미늄이 피스톤 링의 표면에 응착된다. 이하, 이 현상을 알루미늄 응착이라고 한다. 고출력 엔진에 있어서는, 링 홈의 표면이 거칠어지기 쉽고, 피스톤 링의 타격과 미끄럼 이동에 의해 또한 신생의 알루미늄면이 노출되어, 알루미늄 응착이 반복되기 때문에, 링 홈의 마모가 급속히 진행되는 것으로 생각된다. 링 홈의 마모가 커지면 피스톤 링에 의한 시일 성능이 저하되어, 연소 가스가 연소실로부터 크랭크실로 유입되는 블로우바이 가스가 증가한다. 블로우바이 가스가 증가하면 엔진의 출력 저하 등의 트러블을 야기할 우려가 있다.

알루미늄 응착을 방지하기 위해서는, 종래부터, 링 홈과 피스톤 링, 특히 톱링을 직접 접촉시키지 않는 방법이나 피스톤 링의 링 홈에 대한 공격을 완화시키는 방법 등이 제안되어 있다.

피스톤측의 대책으로서, 특허문헌 1에는, 알루미늄 합금으로 이루어지는 링 홈 표면에 양극 산화 처리(알루마이트 처리)를 실시하고, 또한 그 처리에 의해 생성되는 미세 구멍 중에 윤활성 물질을 충전하는 방법이 제안되어 있다. 양극 산화 처리에 의해, 링 홈 표면에 경질의 산화 피막이 형성되기 때문에, 알루미늄 합금의 탈락이 방지되어, 알루미늄 응착이 억제된다. 그러나, 피스톤에 대한 양극 산화 처리에 요하는 비용은 높고, 산화알루미늄은 경질이기 때문에 초기 길들임성(running-in performance)이 나쁘다는 문제가 있다.

한편, 피스톤 링측의 대책으로서, 내열성 수지의 폴리아미드, 폴리이미드 등에, 이황화몰리브덴 등의 고체 윤활제를 분산시킨 피막을, 피스톤 링측의 면에 형성하는 방법이, 특허문헌 2에 기재되어 있다. 이 방법에서는, 피막 중의 고체 윤활제가 벽개되어 마모됨으로써, 피막의 마찰 계수가 저하되고, 링 홈에 대한 공격력이 완화되어, 알루미늄 응착이 억제된다.

또한 특허문헌 3에는, 구리계 분말을 함유하는 내열 수지로 구성되는 표면 피막을 피스톤 링측의 면에 형성하는 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 3에서는, 구리계 분말의 첨가에 의해, 피스톤 링 표면에 형성된 표면 피막에 내마모성을 부여하고, 내열 수지에 의한 윤활성을 장기간에 걸쳐 기능시킬 수 있다고 기재되어 있다. 또한, 구리계 분말의 형상을 인편(鱗片)형으로 하여, 두께 방향으로 중첩되도록 배치함으로써, 피스톤 링 홈이 손상되는 것을 방지할 수 있는 것이 기재되어 있다.

최근, 환경 부하를 저감시키는 관점에서 엔진의 고효율화가 진행되고 있으며, 피스톤 링에도, 종래부터 고온 고부하의 조건하에서 충분한 성능을 발휘하는 내구성이 요구되고 있다. 특허문헌 2의 방법에서는, 고체 윤활제를 필수 성분으로서 첨가하고 있지만, 고체 윤활제는 전술한 바와 같이, 스스로가 벽개되어 마모됨으로써, 피막의 마찰 계수를 저하시키고, 링 홈에 대한 공격력을 완화시키고 있다. 그 때문에, 피막의 내마모성이 낮아, 장기간에 걸쳐 피막을 유지하고, 알루미늄 응착을 방지하는 효과를 지속하는 것은 곤란하다. 특히, 고온 고부하 조건하에서, 피막을 장기간에 걸쳐 유지하여, 전술한 효과를 얻는 것은 어렵다. 또한, 특허문헌 3의 피막에서도, 고온 고부하 조건하에서의 내구성이 충분하다고는 할 수 없고, 고출력의 엔진에 있어서, 장기간에 걸쳐 알루미늄 응착을 방지하는 효과를 유지할 수는 없다. 이하, 알루미늄 응착을 방지하는 효과를 「알루미늄 응착 방지 효과」라고 기재한다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 소63-170546호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 소62-233458호 공보 특허문헌 3 : 국제 공개 공보 제2007/099968호

본 발명의 목적은, 상기 문제점을 해결하여, 고출력의 엔진에 있어서, 장기간에 걸쳐, 우수한 알루미늄 응착 방지 효과를 유지할 수 있는 피스톤 링을 제공하는 것이다.

상기 과제를 감안하여 예의 연구한 결과, 본 발명자들은, 알루미나, 탄화규소, 질화규소, 및 질화붕소 중 적어도 1종의 판형 충전재를 함유하는 수지계 피막을, 피스톤 링의 상면 및 하면의 적어도 한쪽에 피복함으로써, 고출력의 엔진에 있어서도 장기간에 걸쳐 우수한 알루미늄 응착 방지 효과를 유지할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명에 상도했다. 즉, 본 발명의 일양태에 따른 피스톤 링은, 판형 충전재를 함유하는 수지계 피막에 의해, 상면 및 하면의 적어도 한쪽이 피복된 피스톤 링으로서, 판형 충전재가 알루미나, 탄화규소, 질화규소, 질화붕소로부터 선택되는 군의 적어도 1종을 포함한다. 또, 피스톤 링의 상면 및 하면이란, 피스톤 링의 표면에 있어서 링 홈 내에 배치되는 면으로, 피스톤 링의 외주면에 대략 수직인 면이다.

상기 양태에서는, 판형 충전재의 평균 입경이 2∼20 ㎛인 것이 바람직하다.

상기 양태에서는, 판형 충전재의 종횡비가 20∼200인 것이 바람직하다.

상기 양태에서는, 판형 충전재의 함유량이, 수지계 피막에 대하여 0.1∼30 체적%인 것이 바람직하다.

본 발명의 피스톤 링은, 고출력 엔진에 있어서도 장기간에 걸쳐, 우수한 알루미늄 응착 방지 효과를 유지할 수 있다.

도 1은 피스톤의 피스톤 링 홈 표면의 표면 거칠기를 측정한 결과를 도시한 도면이다.
도 2는 단체(單體) 응착 시험기의 개요를 도시한 단면도이다.
도 3의 (a)는 본 발명에 따른 피스톤 링의 일 실시형태의 사시도이고, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)에 도시한 피스톤 링의 b-b선 단면도이다.

이하에 본 실시형태의 피스톤 링에 관해 상세히 설명한다. 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 피스톤 링(3)의 상면 및 하면의 적어도 한쪽은, 수지계 피막(6)에 의해 피복되어 있다. 수지계 피막(6)은 판형 충전재(7)를 함유한다. 판형 충전재(7)는, 알루미나, 탄화규소, 질화규소, 질화붕소로부터 선택되는 군의 적어도 1종을 포함한다. 판형 충전재(7)는, 알루미나, 탄화규소, 질화규소, 질화붕소로부터 선택되는 군의 적어도 1종으로 이루어져 있어도 좋다.

(1) 피스톤 링 모재

본 실시형태의 피스톤 링을 구성하는 피스톤 링 모재(8)는, 가공성이나 내열성에 더하여, 링 홈과의 충돌이 반복되는 점에서, 소정의 강도나 내마모성을 갖는 것이 바람직하다. 바람직한 재료로는, 강, 마르텐사이트계 스테인리스강, 오스테나이트계 스테인리스강, 고급 주철 등을 들 수 있다. 또한, 내마모성을 향상시키기 위해, 스테인리스강에서는 질화 처리, 주철에서는 경질 크롬 도금이나 무전해 니켈 도금 처리를 실시한 피스톤 링 모재를 이용해도 좋다.

(2) 피스톤 링의 하지(下地) 처리

본 실시형태의 수지계 피막과 피스톤 링의 밀착성을 향상시키기 위해, 피스톤 링 모재의 표면(상면 및 하면)에는, 인산염 피막을 형성해도 좋다. 인산염 피막으로는 인산아연계, 인산망간계, 인산칼슘계의 피막을 들 수 있다. 또한, 인산염 피막 이외의 화성 처리 피막이나 산화막을 형성할 수도 있다. 표면에 경질 크롬 도금 피막이나 무전해 니켈 도금 피막 등이 형성되어 있는 피스톤 링에는, 화성 처리 피막을 형성할 수 없다. 따라서, 피막의 밀착성을 확보하기 위해 무기질 오염물이나 유기질 오염물을 피스톤 링 모재의 표면으로부터 제거하는 것이 바람직하다. 또한, 표면의 거칠기 조정을 겸하여 블라스트 처리를 피스톤 링에 행해도 좋다. 오염물의 제거와 블라스트 처리의 양방을 실시해도 좋다.

(3) 피막

본 실시형태의 피스톤 링을 피복하는 수지계 피막은, 알루미나, 탄화규소, 질화규소, 질화붕소 중 적어도 1종의 판형 충전재를 함유하는 것을 특징으로 한다. 내연 기관에서는, 고온하에, 연소 압력에 의해 피스톤 링과, 피스톤의 링 홈 표면 사이에서 충돌이 반복되고, 동시에, 피스톤 링 표면과 링 홈 표면은 둘레 방향으로 미끄럼 이동하고 있다. 본 실시형태의 수지계 피막 중에서는, 경질의 판형 충전재가 피막 표면에 대하여 거의 평행하게 배열되기 때문에, 상대재인 피스톤의 링 홈 표면을 거칠게 하지 않고, 링 홈 표면의 돌기를 미끄럼 이동의 초기 단계에서 마멸시킬 수 있다. 이 효과를 평활화 효과라고 한다. 이와 같이 링 홈의 돌기가 조기에 소실됨으로써, 링 홈 표면이 피스톤 링과 충돌 및 미끄럼 이동할 때의 피스톤 링의 공격력(링 홈 표면의 손상)이 대폭 저감된다. 또한, 경질 고강도의 판형 충전재가 분산된 본 실시형태의 수지계 피막은 고강도로 내마모성이 우수하고, 수지계 피막 중에 점재되는 경질의 판형 충전재에 의해, 상기 충격에 의한 응력이 완화되기 때문에, 고출력 엔진에 있어서도 장기간에 걸쳐 피막이 유지된다. 또한, 돌기가 소실된 후, 수지계 피막 중의 경질의 판형 충전재와의 미끄럼 접촉에 의해, 링 홈 표면의 알루미늄 합금 중, 연질의 알루미늄이 선택적으로 마모되어, 링 홈 표면에 초정 실리콘이 돌출된다. 이 때문에, 알루미늄과 피스톤 링의 접촉이 억제되어, 알루미늄 응착을 효과적으로 방지할 수 있다. 이 상태에서는, 수지계 피막 중의 경질의 판형 충전재와 초정 실리콘의 미끄럼 접촉이 지배적이게 되지만, 양자의 경도차는 작으며, 또한 수지계 피막 및 링 홈 표면의 매끄러운 평탄면끼리가 미끄럼 접촉한다. 그 때문에, 고온 고부하 조건하에서도, 피스톤 링 및 피스톤의 어느쪽의 마모도 작고, 양방의 이상적인 미끄럼 이동면이 유지된다. 이 때문에, 본 실시형태의 피스톤 링에서는, 고출력 엔진에 있어서도 장기간에 걸쳐, 우수한 알루미늄 응착 방지 효과를 유지할 수 있다.

본 실시형태에 있어서 「판형」이란, 두께에 대하여, 긴변이 큰 형상이다. 판형 충전재는, 반드시 완전한 평면을 가질 필요는 없고, 곡면이나 요철을 갖는 형상을 가져도 좋다. 수지계 피막에 알루미나, 탄화규소, 질화규소, 질화붕소 중 적어도 1종의 판형 충전재를 분산시킴으로써, 상기한 효과를 얻을 수 있다. 특히, 판형 알루미나를 이용함으로써, 알루미늄 응착 방지 효과가 현저해진다. 판형 충전재는, 공지된 방법으로 제조할 수도 있다. 판형 충전재로서 시판품을 이용할 수도 있다. 판형 알루미나로는, 긴세이 마테크 주식회사 제조의 합성 판형 알루미나(세라후)나 가와이 석회 공업 주식회사 제조의 알루미나계 필러(세라술) 등을 들 수 있다. 또한, 본 실시형태의 수지계 피막에 첨가하는 판형 충전재는 1종이어도 좋지만, 상대재가 되는 피스톤의 재료나 링 홈의 표면 상태 등에 따라, 알루미늄 응착 방지 효과가 커지도록 2종 이상을 선택하여 첨가해도 좋다.

본 실시형태의 피스톤 링에 피복하는 수지계 피막에 첨가하는 판형 충전재의 평균 입경은, 2∼20 ㎛인 것이 바람직하다. 한편, 여기서 판형 충전재의 평균 입경은, 긴변의 평균 길이이다. 평균 입경은 주사형 전자 현미경(SEM)으로 관찰하는 등에 의해 산출할 수 있다. 판형 충전재의 평균 입경을 상기 범위로 함으로써, 링 홈 표면의 돌기를 보다 효과적으로 소실시킬 수 있다. 판형 충전재의 평균 입경이, 2 ㎛ 미만에서는, 돌기를 단시간에 마멸시키는 것이 어려워질 가능성이 있다. 한편, 20 ㎛를 초과하면, 링 홈의 표면이 거칠어질 가능성이 있다.

또한, 본 실시형태의 피스톤 링에 피복하는 수지계 피막에 첨가하는 판형 충전재의 종횡비는, 20∼200인 것이 바람직하다. 한편, 판형 충전재의 종횡비란, 판형 충전재의 두께에 대한 긴변 길이의 비(긴변 길이/두께)이다. 판형 충전재의 종횡비는, 피막의 표면 및 단면을 주사형 전자 현미경(SEM)으로 관찰하는 등에 의해 산출할 수 있다. 판형 충전재의 종횡비를 상기 범위로 함으로써, 더욱 우수한 응력 완화 효과가 발휘되어, 피스톤재(링 홈)에 대한 피스톤 링의 공격력을 저감시킬 수 있음과 동시에, 피스톤 링이 피스톤재로부터 받는 응력을 완화시키는 효과가 더욱 향상되어, 장기간에 걸쳐 피막을 안정적으로 유지할 수 있다. 판형 충전재의 종횡비가 20 미만에서는, 링 홈 표면이 거칠어질 가능성이 있다. 한편, 종횡비가 200을 초과하면, 응력 완화 효과가 작아진다.

수지계 피막 중의 판형 충전재의 함유량은, 피막 전체에 대하여 0.1∼30 체적%인 것이 바람직하다. 판형 충전재의 함유량을 상기 범위로 함으로써, 링 홈의 표면을 거칠게 하지 않고, 보다 단시간에 링 홈의 표면에 존재하는 돌기를 마멸시킬 수 있고, 그 후, 링 홈의 수지계 피막에 대한 공격력을 저감시킬 수 있다. 또한, 판형 충전재의 함유량을 상기 범위로 함으로써, 수지계 피막의 표면에 노출되는 판형 충전재의 면적이 최적화되어, 링 홈 표면과의 충돌에 의한 응력을 완화시키는 효과가 더욱 향상된다. 그 때문에, 피막이 더욱 장기간에 걸쳐 안정적으로 유지되고, 우수한 알루미늄 응착 방지 효과를 지속할 수 있다. 판형 충전재의 함유량이 0.1 체적% 미만에서는, 링 홈 표면의 돌기를 단시간에 마멸시키는 것이 어렵다. 한편, 판형 충전재의 함유량이 30 체적%를 초과하면, 링 홈 표면이 거칠어질 가능성이 있다. 또, 수지계 피막 중의 판형 충전재의 함유량은, 피막의 표면 및 단면을 주사형 전자 현미경(SEM)으로 관찰하는 등에 의해 산출할 수 있다.

종래의 알루미늄 응착 방지용 피막에서는, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 이황화몰리브덴, 그래파이트 등의 고체 윤활제가, 필수 성분, 또는 첨가하는 것이 바람직한 성분으로 여겨져 왔다. 그러나, 본 실시형태에 있어서는, 고체 윤활제는 첨가하지 않는 것이 바람직하고, 첨가한다고 해도, 피막 전체의 체적에 대하여, 1 체적% 이하인 것이 바람직하고, 0.8 체적% 이하인 것이 보다 바람직하다.

본 실시형태의 피막의 수지 재료로는, 주쇄에 방향족 고리나 방향족 복소고리를 갖는 내열성 고분자가 바람직하고, 피스톤 링 홈 부근의 온도가 190℃ 이상에 달하는 경우에는, 유리 전이 온도가 190℃ 이상인 비결정성 고분자, 혹은 융점이 190℃ 이상인 결정성 고분자나 액정성 고분자가 적합하다. 구체적으로는, 페놀, 폴리이미드(PI), 폴리에테르이미드, 폴리아미드이미드(PAI), 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아릴레이트, 폴리페닐렌술파이드, 폴리에테르에테르케톤, 방향족 폴리에스테르, 방향족 폴리아미드, 폴리벤조이미다졸(PBI), 폴리벤조옥사졸, 방향족 폴리시아누레이트, 방향족 폴리티오시아누레이트, 방향족 폴리구아나민 등을 들 수 있다. 이들 수지 재료의 1종을 이용해도 좋지만, 이들 수지 재료 중 적어도 1종류를 포함하는 혼합물 또는 복합물로서 이용해도 좋다. 또한, 이들 수지 재료에 실리카, 알루미나, 티타니아, 지르코니아 등의 무기물을 분자 레벨로 분산시킨 유기-무기 하이브리드 수지를 이용함으로써, 기재와의 밀착성을 더욱 향상시킬 수 있다. 링 홈 부근의 온도는 250℃ 이상에 달하는 케이스도 있는 점에서, 수지 재료로는, 내열성이 높은 PBI, PI, PAI가 바람직하고, 마찰 계수를 고려하면 PI가 더욱 바람직하다. 또한, 코팅액을 제작하기 위해서는, 유기 용매에 가용인 것이 바람직하고, 와니스로서 시판되고 있는 PI, PAI를 이용하는 것이 바람직하다. 시판품으로는, PI로는 U-와니스-A, U-와니스-S(우베 흥산 주식회사 제조), HCI 시리즈(히타치 화성 공업 주식회사 제조), FC-114 파인·폴리이미드 와니스(파인 케미컬 재팬 주식회사 제조), H850D(아라카와 화학 공업 주식회사 제조), RC5057, RC5097, RC5019(주식회사 I.S.T 제조) 등을 들 수 있다. 또한, PAI로는 HPC 시리즈(히타치 화성 공업 주식회사 제조), 바이로막스(도요 방적 주식회사 제조)를 들 수 있고, 폴리이미드 또는 폴리아미드이미드에 실리카를 하이브리드한 수지로는, 콤포세란 H800, H900 시리즈(아라카와 화학 공업 주식회사 제조)를 들 수 있다.

본 실시형태의 피스톤 링의 수지계 피막의 두께(편측)는, 5∼20 ㎛인 것이 바람직하다. 피막의 두께가 20 ㎛를 초과하면, 피스톤 링을 링 홈에 장착할 때 문제가 생길 가능성이 있고, 비용적으로도 바람직하지 않다. 수지계 피막의 두께가 5 ㎛ 미만에서는, 링 홈 표면의 돌기 제거 후의 피막의 두께가 얇아져, 피막의 마멸에 의해 피스톤 링 모재가 표면에 노출될 가능성이 생기기 때문에, 장기간에 걸쳐 알루미늄 응착 방지 효과를 유지하는 것은 어렵다. 또한, 본 실시형태의 효과는, 피스톤 링의 상면 및 하면의 적어도 한쪽의 면에 피막을 피복함으로써 얻어지지만, 특히 알루미늄 응착이 발생하기 쉬운 하면에 피복함으로써 우수한 알루미늄 응착 방지 효과가 발휘된다. 보다 우수한 알루미늄 응착 방지 효과를 얻기 위해서는, 피스톤 링의 상면 및 하면에 피복하는 것이 바람직하다.

(4) 피막의 형성 방법

본 실시형태의 피막의 형성 방법은, 특별히 한정되지 않고, 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 롤 코팅, 딥 코팅, 인쇄법 등의 공지된 방법을 이용할 수 있다. 다만, 도포 효율, 도포 불균일(paint unevenness)의 발생을 억제한다는 관점에서, 인쇄법이 바람직하다. 코팅액 또는 잉크의 조제 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대 시판되는 폴리이미드 등의 와니스에 판형 충전재를 분산시킨 액에, 필요에 따라 용제를 첨가하여, 액의 점도를 최적치로 조정함으로써, 코팅액을 조제해도 좋다. 코팅액의 조제, 또는 잉크의 점도의 조정에 이용하는 용제나 첨가제는, 코팅 방법, 또는 인쇄 방법에 따라 적절하게 선택된다. 분산 방법은 특별히 한정되지 않고, 샌드밀, 비드밀, 볼밀, 롤밀 등 공지된 방법이 이용된다. 이 때, 필요에 따라 분산제 등을 적절하게 첨가해도 좋다.

코팅액을 피스톤 링의 상면 또는 하면에 도포한 후, 또는 인쇄 후, 건조시키고, 경화 처리를 행한다. 경화 온도나 시간은 이용하는 수지 재료 등에 따라 적절하게 선택된다.

실시예

이하, 실시예에 기초하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

저크롬강으로 제작한 피스톤 링의 외주면에, 이온 플레이팅법에 의해, 두께 약 30 ㎛의 CrN 피막을 형성했다. 얻어진 피스톤 링을 알칼리 탈지한 후, 약 80℃로 가열한 인산망간 수용액 중에 5분간 침지하여, 피스톤 링의 외주면 이외의 면에 두께 약 2 ㎛의 인산망간 피막을 형성했다. 폴리이미드 와니스(주식회사 I.S.T 제조의 RC5057)에, 충전재(첨가재)로서 평균 입경 10 ㎛, 종횡비 100의 판형 알루미나 분말(판형 충전재)을 첨가하고, 교반기를 이용하여 충분히 교반한 후, 롤 간격을 최소로 한 3본 롤밀에 통과시켜, 피막용 코팅액을 조제했다. 여기서, 판형 알루미나 분말의 첨가량은, 피막 전체에 대하여 10 체적%가 되도록 조정했다. 인산망간 피막을 형성한 피스톤 링의 상면 및 하면에, 피막용 코팅액을 스프레이 코팅한 후, 100℃에서 5분간 건조시키고, 300℃의 전기로에서 1시간 더 가열했다. 이상의 방법에 의해, 피스톤 링의 상면 및 하면을 수지계 피막으로 피복했다. 피스톤 링의 상면 및 하면에서의 수지계 피막의 두께는 어느 것이나 약 10 ㎛였다.

(실시예 2)

폴리아미드이미드 수지(도요 방적 주식회사의 HR13NX)를 N-메틸-2-피롤리돈으로 희석한 액에, 평균 입경 10 ㎛, 종횡비 100의 판형 알루미나 분말(판형 충전재)을 첨가하고, 교반기를 이용하여 충분히 교반한 후, 롤 간격을 최소로 한 3본 롤밀에 통과시켜, 피막용 코팅액을 조제했다. 여기서, 판형 알루미나 분말의 첨가량은, 피막 전체에 대하여 10 체적%가 되도록 조정했다. 얻어진 코팅액을 이용하여, 실시예 1과 동일한 피스톤 링의 상면 및 하면에, 실시예 1과 동일한 방법으로 수지계 피막을 형성했다. 피스톤 링의 상면 및 하면에서의 피막의 두께는 어느 것이나 약 10 ㎛였다.

(실시예 3)

판형 충전재를 알루미나 분말에서 판형 탄화규소 분말(평균 입경 : 10 ㎛, 종횡비 : 100)로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건하에서 피스톤 링의 상면 및 하면에 수지계 피막을 형성했다. 피스톤 링의 상면 및 하면에서의 피막의 두께는 어느 것이나 약 10 ㎛였다.

(실시예 4∼7)

판형 충전재로서, 평균 입경이 각각 1 ㎛(실시예 4), 2 ㎛(실시예 5), 20 ㎛(실시예 6), 및 30 ㎛(실시예 7)인 판형 알루미나 분말을 이용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건하에서 피스톤 링의 상면 및 하면에 수지계 피막을 형성했다. 피스톤 링의 상면 및 하면에서의 피막의 두께는 어느 것이나 약 10 ㎛였다.

(실시예 8∼11)

판형 충전재로서, 종횡비가 각각 10(실시예 8), 20(실시예 9), 200(실시예 10) 및 300(실시예 11)인 판형 알루미나 분말을 이용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건하에서 피스톤 링의 상면 및 하면에 수지계 피막을 형성했다. 피스톤 링의 상면 및 하면에서의 피막의 두께는 어느 것이나 약 10 ㎛였다.

(실시예 12∼15)

피막 전체의 체적을 100으로 하여, 판형 알루미나 분말의 첨가량을 각각 0.05 체적%(실시예 12), 0.1 체적%(실시예 13), 30 체적%(실시예 14) 및 40 체적%(실시예 15)로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건하에서 피스톤 링의 상면 및 하면에 수지계 피막을 형성했다. 피스톤 링의 상면 및 하면에서의 피막의 두께는 어느 것이나 약 10 ㎛였다.

(비교예 1)

첨가재로서 판형 알루미나 분말 대신에 고체 윤활제를 이용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건하에서 피스톤 링의 상면 및 하면에 피막을 형성했다. 고체 윤활제로는, 이황화몰리브덴 분말(평균 입경 2 ㎛) 및 그래파이트 분말(평균 입경 2 ㎛)을 이용하고, 첨가량은 피막 전체의 체적을 100으로 하여, 각각 5 체적%로 했다. 피스톤 링의 상면 및 하면에서의 피막의 두께는 어느 것이나 약 10 ㎛였다.

(비교예 2)

폴리아미드이미드 수지(도요 방적 주식회사의 HR13NX)를 N-메틸-2-피롤리돈으로 희석한 액에, 평균 입경 0.5 ㎛의 구형 알루미나 분말을 첨가하고, 교반기를 이용하여 충분히 교반한 후, 롤 간격을 최소로 한 3본 롤밀에 통과시켜, 코팅액을 조제했다. 여기서, 구형 알루미나 분말의 첨가량은, 피막 전체의 체적을 100으로 하여, 10 체적%로 했다. 얻어진 코팅액을 이용하여, 실시예 1과 동일한 피스톤 링에, 실시예 1과 동일한 방법으로 피막을 형성했다. 피스톤 링의 상면 및 하면에서의 피막의 두께는 어느 것이나 약 10 ㎛였다.

(비교예 3)

첨가재를 판형 알루미나 분말에서 평균 입경 0.5 ㎛의 구형 알루미나 분말로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건하에서 피스톤 링의 상면 및 하면에 피막을 형성했다. 구형 알루미나 분말의 첨가량은, 피막 전체의 체적을 100으로 하여 10 체적%로 했다. 피스톤 링의 상면 및 하면에서의 피막의 두께는 어느 것이나 약 10 ㎛였다.

(비교예 4)

첨가재를 판형 알루미나 분말에서 평균 입경 10 ㎛의 인편형 구리 분말로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건하에서 피스톤 링의 상면 및 하면에 피막을 형성했다. 인편형 구리 분말의 첨가량은, 피막 전체의 체적을 100으로 하여 20 체적%로 했다. 피스톤 링의 상면 및 하면에서의 피막의 두께는 어느 것이나 약 10 ㎛였다. 상기한 실시예 1∼15 및 비교예 1∼4의 각 피막의 형성 조건을 표 1에 나타낸다.

(단체 응착 시험)

단체 응착 시험에서는, 실시예 1∼15와 비교예 1∼4의 피스톤 링(3)을, 가솔린 엔진과 동일한 환경을 의사적으로 모방한 도 2에 도시한 단체 응착 시험기에 장착하고, 이하의 방법에 의해, 알루미늄 응착에 관한 평가를 행했다. 피스톤 링(3)을 3.0 mm/s로 회전시키면서, 알루미늄 합금제의 피스톤재(2)(링 홈에 상당)를 상하로 왕복 운동시키고, 소정 간격으로, 면압 5 MPa의 하중을 피스톤 링(3)에 가하는 단체 응착 시험을 5시간 행했다. 여기서, 히터(1)와 열전대(5)를 이용하여, 피스톤재(2)의 온도가 250℃±1℃가 되도록 제어하고, 피스톤 링(3)에 소정 간격으로 일정량의 윤활유를 질소 가스와 함께 분무했다.

단체 응착 시험 후의 피스톤 링의 피막 잔존량(잔존한 수지계 피막의 두께), 피스톤 링의 표면에서의 알루미늄 응착의 유무, 피스톤재의 마모량 및 표면 거칠기를 평가한 결과를 표 2에 나타낸다. 표 2에 나타내는 각 평가 결과는, 이하의 판정기준에 기초한 것이다. 피스톤재의 표면 거칠기로는, JIS B0633에 기초하여, 피스톤재의 코어부의 레벨차(Rk)를 산출했다. 또, 단체 응착 시험 전의 피스톤재의 표면 거칠기(Rk)는, 모든 실시예 및 비교예에 있어서 약 1.0 ㎛였다.

피막 잔존량(피스톤 링)…3 ㎛ 이상 : ◎, 1 ㎛ 이상∼3 ㎛ 미만 : ○, 1 ㎛ 미만(인산망간 피막 있음) : △, 1 ㎛ 미만(인산망간 피막 없음) : ×

알루미늄 응착의 유무(피스톤 링)…없음 : ○, 있지만 경미 : △, 있음 : ×

마모량(피스톤재)…0.5 ㎛ 미만 : ◎, 0.5 ㎛ 이상∼1.0 ㎛ 미만 : ○, 1.0 ㎛ 이상∼1.5 ㎛ 미만 : △, 1.5 ㎛ 이상 : ×

표면 거칠기(피스톤재)…0.3 ㎛ 미만 : ◎, 0.3 ㎛ 이상∼0.5 ㎛ 미만 : ○, 0.5 ㎛ 이상∼0.7 ㎛ 미만 : △, 0.7 ㎛ 이상 : ×

종합 판정…우량 : ◎, 양호 : ○, 비교적 양호 : △, 불가 : ×

폴리이미드에 이황화몰리브덴과 그래파이트를 분산시킨 피막을 피스톤 링에 피복한 비교예 1, 및 폴리아미드이미드에 구형 알루미나 분말을 분산시킨 피막을 피스톤 링에 피복한 비교예 2에서는, 단체 응착 시험 후에는, 수지계 피막은 전혀 잔존하지 않고, 하지의 인산망간 피막까지 마모가 진행되어 있고, 현저한 알루미늄 응착이 확인되었다. 또한, 피스톤재의 표면은 평활화되어 있지 않고, 마모가 진행되어 있는 것이 확인되었다. 이에 대하여, 폴리이미드에 구형 알루미나 분말을 분산시킨 비교예 3에서는, 비교예 1 및 2보다, 알루미늄 응착의 발생 및 홈의 마모가 억제되고, 5시간 운전 후에도 양호한 상태를 유지하는 것을 알 수 있었다. 이것은, 피스톤재에 대한 평활화 효과가 있는 경질의 구형 알루미나 분말과, 내열성 및 자기 윤활성을 갖는 폴리이미드 수지를 이용한 것에 의한 상승 효과로 생각된다. 한편, 폴리이미드에 인편형의 구리 분말을 분산시킨 피막을 피스톤 링에 피복한 비교예 4에서는, 단체 응착 시험 후에는, 경미한 알루미늄 응착이 확인되었다. 또한, 피스톤 링의 피막은 거의 잔존해 있지 않고, 피스톤재에도 마모가 진행되고, 표면은 평활화되어 있지 않은 것이 확인되었다. 이것은, 연질의 구리 분말을 이용해도 피스톤재에 대한 평활화 효과가 얻어지지 않으며, 또한 경도 및 강도가 낮은 구리 분말로는, 피스톤재와의 충돌시의 응력 완화 효과가 낮아, 구리 분말을 포함하는 피막 자체가 파손되어, 피막을 유지할 수 없었기 때문인 것으로 생각된다.

한편, 폴리이미드 및 폴리아미드이미드에 각각, 평균 입경 10 ㎛, 종횡비 100의 판형 알루미나 분말을 피막 전체에 대하여 10 체적% 첨가한 피막을 피스톤 링에 피복한 실시예 1 및 실시예 2, 폴리이미드에 판형 탄화규소를 분산시킨 피막을 피스톤 링에 피복한 실시예 3에서는, 어느 것이나 알루미늄 응착의 발생은 확인되지 않고, 피막의 마모 및 피스톤재의 마모도 적고, 피스톤재의 표면은 평활화되어 있었다. 이것은, 경질의 판형 충전재는 피스톤재에 대한 우수한 평활화 효과를 가지며, 또한 경질 고강도의 판형 충전재를 분산시킴으로써, 피막의 내마모성, 강도 및 응력 완화 효과가 향상된 것에 의한 것으로 생각된다.

실시예 1∼3, 및 5시간의 단체 응착 시험에서 알루미늄 응착이 확인되지 않은 비교예 3에 관해, 다시 10시간 단체 응착 시험을 행했다. 결과를 표 2에 나타낸다. 구형의 알루미나 분말을 분산시킨 비교예 3에서는, 알루미늄 응착이 발생한 반면, 판형 알루미나 분말을 분산시킨 실시예 1에서는, 15시간 후에도 알루미늄 응착은 확인되지 않았다. 실시예 1에서는, 판형 알루미나가 피막 표면(혹은 피스톤재의 표면)에 대하여 거의 평행하게 배열되기 때문에, 구형 알루미나와 초정 실리콘의 미끄럼 이동에 비교하여, 판형 알루미나와 초정 실리콘의 미끄럼 이동에서의 마찰력 쪽이 작아진다. 또한, 판형 알루미나가 점재된 실시예 1의 수지 피막에서는, 피스톤재와의 충돌에 의한 응력이 완화되기 쉽다. 이러한 이유에 의해, 실시예 1에서는, 이상적인 미끄럼 이동 상태가 유지되고, 알루미늄 응착이 방지된 것으로 생각된다. 폴리아미드이미드를 이용한 실시예 2 및 판형 탄화규소를 이용한 실시예 3에서는, 비교예 3보다 알루미늄 응착 방지 효과는 분명히 개선되었지만, 15시간 후에는, 경미한 알루미늄 응착이 확인되었다. 이러한 점에서, 수지 재료로는 폴리이미드가 보다 바람직하고, 판형 충전재로는 알루미나가 보다 바람직한 것을 알 수 있었다.

판형 알루미나 분말의 평균 입경을 변경한 실시예 1 및 4∼7에서는, 어느 것이나 알루미늄 응착의 발생은 확인되지 않고, 피막의 마모는 적었다. 특히, 판형 알루미나 분말의 평균 입경이 2∼20 ㎛의 범위인 실시예 1, 5 및 6은, 피스톤재에 대한 보다 우수한 평활화 효과를 나타내고, 피스톤재의 마모량이 0.5 ㎛ 미만으로 매우 적고, 수지계 피막의 잔존량이 많았다. 또, 어느 실시예에 있어서도, 5시간을 초과하는 단체 응착 시험에서는, 비교예 3보다, 우수한 알루미늄 응착 방지 효과가 얻어지는 것을 알 수 있었다.

판형 알루미나 분말의 종횡비를 변경한 실시예 1 및 8∼11에서는, 어느 것이나 알루미늄 응착의 발생은 확인되지 않고, 피막의 마모는 적었다. 특히, 판형 알루미나 분말의 종횡비가 20∼200의 범위인 실시예 1, 9, 및 10은, 피스톤재에 대한 보다 우수한 평활화 효과를 나타내고, 피스톤재의 마모량이 0.5 ㎛ 미만으로 매우 적고, 수지계 피막의 잔존량이 많았다. 또, 어느 실시예에 있어서도, 5시간을 초과하는 단체 응착 시험에서는, 비교예 3보다, 우수한 알루미늄 응착 방지 효과가 얻어지는 것을 알 수 있었다.

판형 알루미나 분말의 첨가량을 변경한 실시예 1 및 12∼15에서는, 어느 것이나 알루미늄 응착의 발생은 확인되지 않고, 피막의 마모는 적었다. 특히, 판형 알루미나 분말의 첨가량이 0.1∼30 체적%의 범위인 실시예 1, 13 및 14는, 피스톤재에 대한 보다 우수한 평활화 효과를 나타내고, 피스톤재의 마모량이 0.5 ㎛ 미만으로 매우 적고, 수지계 피막의 잔존량이 많았다. 또, 어느 실시예에 있어서도, 5시간을 초과하는 단체 응착 시험에서는, 비교예 3보다, 우수한 알루미늄 응착 방지 효과가 얻어지는 것을 알 수 있었다.

이상의 결과로부터, 판형 충전재를 함유하는 수지계 피막을 피복한 본 실시예의 피스톤 링에서는, 장기간에 걸쳐 알루미늄 응착 방지 효과를 유지할 수 있는 것이 확인되었다.

본 발명에 의하면, 고출력의 엔진에 있어서, 장기간에 걸쳐, 우수한 알루미늄 응착 방지 효과를 유지할 수 있는 피스톤 링이 제공된다.

1 : 히터
2 : 피스톤재
3 : 피스톤 링
4 : 온도 컨트롤러
5 : 열전대

Claims

판형 충전재를 함유하는 수지계 피막에 의해, 상면 및 하면의 적어도 한쪽이 피복된 피스톤 링으로서,
상기 판형 충전재가 알루미나, 탄화규소, 질화규소, 질화붕소로부터 선택되는 군의 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
제1항에 있어서, 상기 판형 충전재의 평균 입경이 2∼20 ㎛인 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 판형 충전재의 종횡비가 20∼200인 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 판형 충전재의 함유량이 수지계 피막에 대하여 0.1∼30 체적%인 것을 특징으로 하는 피스톤 링.