KR20160060668A - 실린더 보어와 피스톤 링의 조합 - Google Patents

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Abstract

통상의 다이 캐스트에 의한 알루미늄 합금 주물이 이용될 수 있는 실린더 보어 용사 기술을 이용하고, 엔진에 고 부하가 걸려 가혹한 슬라이딩 조건이 되더라도, 내스커프성과 내마모성이 우수하며, 저 마찰 손실의 실린더 보어와 피스톤 링의 조합을 제공하기 위해, 내연 기관의 실린더 보어의 피스톤 링과의 슬라이딩 면에 형성한 표면의 조도 곡선에서의 Rpk 값이 0.20 ㎛ 미만인 철계 용사 피막과, 상기 피스톤 링의 외주 슬라이딩 면에 형성한 표면의 조도 곡선에서의 Rpk 값이 0.15 ㎛ 미만인 경질 탄소 피막을 조합한다.

Description

실린더 보어와 피스톤 링의 조합{COMBINATION OF CYLINDER BORE AND PISTON RING}
본 발명은 내연 기관의 실린더 보어와, 보어 내주면과 슬라이딩(접동)하는 피스톤 링의 조합에 관한 것으로, 특히 내주 슬라이딩 면(접동면)에 철계 용사 피막을 형성한 실린더 보어와 외주 슬라이딩 면에 경질 탄소 피막을 형성한 피스톤 링의 조합에 관한 것이다.
최근 자동차 엔진을 중심으로 하는 내연 기관은 연비 향상이 강하게 요구되고 있다. 그래서, 소형화, 경량화, 마찰 손실의 저감 등을 목표로 한 구성 부품의 연구 개발이 폭넓게 행해지고 있다. 예를 들면, 실린더에는 비중이 작은 알루미늄 합금(이하 "알루미늄 합금"이라 한다.)을 채용하고, 피스톤 링에는 낮은 마찰 계수의 경질 탄소 피막("다이아몬드상 카본(Diamond Like Carbon: DLC)"로도 불린다.)을 피복하는 것이 시도되고 있다.
JIS 규격재 ADC12 등의 알루미늄 합금은 일반적으로 경량으로 열 전도율이 좋은 것이 특징이다. 그러나, 알루미늄 합금 자체는 피스톤 링과의 슬라이딩에서 응착과 스커프(scuff)를 일으키기 쉽다. 이의 개선 방안으로서, 특개 2005-273654에서는 실리콘(Si)을 18 내지 22 중량%로 많이 함유하는 주조성이 나쁜 알루미늄 합금을 고압 다이 캐스트 법에 의해 양산 가능하며, 또한 슬라이딩 면 근방의 냉각 속도를 제어함으로써 평균 결정 입경이 12 내지 50 ㎛인 초정 실리콘 입자를 슬라이딩 면에 결정화한 실린더 블록을 포함하는 엔진용 부품을 개시하고 있다. 비교적 단단한 초정 실리콘 입자의 존재가 내스커프성의 향상과 실린더 마모의 억제에 공헌했다. 그러나, 이러한 알루미늄 합금으로도, 최근의 엔진의 고출력화에 따른 실린더 내 압력 상승으로 가혹해진 슬라이딩 조건에 대해서는, 내스커프성과 내마모성에 대한 요구를 충분히 만족할 수 없었다.
또한, 피스톤 링에는 알루미늄 합금에 대한 화학적 안정성과 낮은 마찰 계수 때문에 경질 탄소 피막의 적용이 시도되고 있다. 특개 2001-280497은 실리콘(Si) 함유량이 7 내지 20 중량%인 알루미늄 합금 실린더와, 외주면에 다이아몬드상 카본으로 이루어진 경질 피막이 형성된 피스톤 링과의 조합을 개시하고, 특히 DLC 경질 피막은 Si, Ti, W, Cr, Mo, Nb, 및 V의 군에서 선택되는 1 또는 2 이상의 원소의 탄화물을 분산시켜, 초기 순응성, 내스커프성 및 내마모성이 우수한 경질 탄소 피막을 개시하고 있다. 그러나, 이 초기 순응성이 좋은 DLC 경질 피막은 전술한 가혹한 슬라이딩 조건에서 단시간에 마모되는 것이 실정이었다.
한편, 알루미늄 합금 실린더에는 피스톤 링과 직접 슬라이딩하는 부분에 대해 주철제 라이너를 주포한 것과 철계 피막을 용사한 것이 있다. 그 중에서도 경량화와 열 전달 성능의 향상에 의한 보어 온도 전체의 저감과 균일성의 개선이 기대되는 실린더 보어 용사 기술이 주목을 받고 있다. 특개 2004-100645는 보어 내면에 적층 형성된 용사층의 표면을 호닝(honing) 가공에 의해 마무리하며, 슬라이딩 면의 피트(pit) 면적률이 5 내지 14%이고, 또한 유효 부하 조도(Rk)와 초기 마모 높이(Rpk)의 합으로 표시되는 표면 조도[Rk+Rpk]를 0.9 ㎛ 이하로 하며, 마찰 계수 및 내스커프성의 면에서 충분히 만족하는 슬라이딩 면을 구비하고, 연비 향상과 내구성 향상에 기여하는 실린더 블록을 개시하고 있다. 슬라이딩 면에 존재하는 피트는 유류(오일 포켓)로서의 기능을 가지며, 슬라이딩 시의 윤활유 부족을 방지하고 내스커프성을 향상시킨다. 그러나, 예를 들면, 엔진에 고 부하가 걸리고 슬라이딩 조건이 가혹해질 경우에는, 이 피트에 의한 유류만으로는 유막의 형성이 불충분하고, 내스커프성도 충분하지 않은 것으로 나타났다. 슬라이딩 면의 피트의 크기와 수를 증가시키는 것은 가능하지만, 윤활유의 연소에 따른 오일 소비량의 증가와 마찰 계수의 증대가 생기는 것도 밝혀지고 있다.
특개 2002-235852는 유류에 주목하여, 슬라이딩 표면에 형성된 평활 면에 깊이가 규칙적으로 변화하는 미세한 요부를 구비하고, 요부 사이에 플래토(plateau) 형상의 철부가 형성되어 있는 저 마찰 슬라이딩 부재를 개시하고 있다. 특개 2002-235852에서는 슬라이딩 속도가 큰 스트로크 공정의 중앙부에서는 유류의 깊이를 얕게 하여 유막 전단 손실에 따른 마찰 손실의 증대를 저감하고, 한편 스트로크 끝(피스톤으로 말하면, 상사점 및 하사점)에서는 유류의 깊이를 깊게 해서 윤활유 부족이 생기는 것을 회피하여 마찰 손실을 저감하고 있다. 그러나, 이러한 구조의 슬라이딩 면을, 요부의 깊이 등을 정밀하게 제어하여 형성하는 것은 실질적으로 많은 정밀한 공정을 필요로 하여 실용적이지 않다.
본 발명은 통상의 다이 캐스트에 의한 알루미늄 합금 주물이 이용될 수 있는 실린더 보어 용사 기술을 이용하고, 엔진에 고 부하가 걸려 가혹한 슬라이딩 조건이 되더라도 내스커프성과 내마모성이 우수하며, 저 마찰 손실의 실린더 보어와 피스톤 링의 조합을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자들은 철계 용사 피막을 형성한 실린더 보어와 경질 탄소 피막을 형성한 피스톤 링을 조합시킨 경우의 내스커프성에 대해 검토하고 열심히 연구한 결과, 철계 용사 피막과 경질 탄소 피막의 표면의 조도 곡선에서 돌출 산부(피크)의 높이(Rpk)를 소정의 값으로 제어함으로써, 내스커프성과 내마모성이 우수하고 또한 저 마찰 손실의 실린더 보어와 피스톤 링의 조합으로 할 수 있다고 생각하기에 이르렀다.
즉, 본 발명의 실린더 보어와 피스톤 링의 조합은, 상기 실린더 보어는 피스톤 링과의 슬라이딩 면에 철계 용사 피막을 형성하고, 상기 피스톤 링은 외주 슬라이딩 면에 경질 탄소 피막을 형성하며, 상기 철계 용사 피막의 표면의 조도 곡선에서의 Rpk(JIS B 0671-2:2002)가 0.20 ㎛ 미만, 상기 경질 탄소 피막의 표면의 조도 곡선에서의 Rpk가 0.15 ㎛ 미만인 것을 특징으로 한다. 상기 철계 용사 피막의 표면의 조도 곡선에서의 상기 Rpk 값은 0.15 ㎛ 미만인 것이 바람직하다.
상기 철계 용사 피막의 상기 슬라이딩 면은 미소 피트(micropit)를 가지며, 상기 미소 피트의 면적률은 1% 이상 10% 미만인 것이 바람직하고, 1% 이상 5% 미만인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 철계 용사 피막의 두께는 100 내지 500 ㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기 경질 탄소 피막은 수소 함유량이 2 원자% 미만인 것이 바람직하고, 마텐스(martens) 경도가 17 내지 25 GPa인 것이 바람직하다. 상기 경질 탄소 피막의 두께는 0.5 내지 10 ㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기 피스톤 링은 모재 상에 질화크롬층, 질화층 및 크롬 도금층 중 적어도 1종으로 이루어진 하지층을 갖는 것이 바람직하고, 상기 경질 탄소 피막은 Cr, Ti, W 및 Co로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종으로 이루어진 금속 및/또는 금속 탄화물의 중간층을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 실린더 보어와 피스톤 링의 조합에서는, 기본적으로 알루미늄 합금제의 실린더 블록을 이용하기 때문에 경량화에 공헌한다. 또한, 실린더 보어 용사 기술을 이용하여 철계 용사 피막을 슬라이딩 면에 형성하기 때문에, 높은 실리콘 함유량의 알루미늄 합금이 아니라 통상의 다이 캐스트에 의한 JIS 규격재 ADC12 등의 알루미늄 합금 주물이 이용될 수 있다. 물론, 고압 다이 캐스트 제조 기술과 같은 고가의 설비를 필요로 하지 않는다. 그 점에서는 주철 라이너의 주포물(insert)과 통상의 알루미늄 합금 주물이 이용될 수 있지만, 주철 라이너의 주포물과 비교하면 실린더 보어 용사 기술은 보어 사이 부분에 냉각 통로를 설치하여 독립 보어화하는 것도 가능하고, 보어 온도 전체의 저감과 균일성을 대폭 개선하는 것이 가능하다. 또한, 실린더 보어의 철계 용사 피막과 피스톤 링의 경질 탄소 피막의 양쪽 표면의 조도 곡선에서, 본 발명의 특징으로 하는 Rpk 값을 소정의 값 이하로 제어함으로써 슬라이딩 시의 마찰 계수를 낮춰 마찰 손실 저감에 공헌할 수 있다. 특히, 피스톤 링에 수소 함유량 2% 미만의 경질 탄소 피막을 피복함으로써, 철계 용사 피막의 미소 피트의 면적률이 작아도, 우수한 내스커프성을 나타내는 것이 가능하고, 엔진에 고 부하가 걸려 가혹한 슬라이딩 조건이 되더라도, 내스커프성과 내마모성이 우수하며, 저 마찰 손실의 실린더 보어와 피스톤 링의 조합을 제공하는 것이 가능하다.
도 1은 실시예 1의 용사 피막 표면의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 2a는 본 발명의 스커프 시험 방법을 나타내는 개요도이다.
도 2b는 스커프 시험 후의 피스톤 링 편에 생긴 타원 형상의 슬라이딩부를 나타내는 도면이다.
본 발명의 실린더 보어와 피스톤 링의 조합은 실린더 보어 내주면에 철계 용사 피막을 형성하고, 피스톤 링 외주 슬라이딩 면에 경질 탄소 피막을 형성하며, 또한 철계 용사 피막의 표면의 조도 곡선에서의 Rpk(JIS B 0671-2:2002)가 0.20 ㎛ 미만, 경질 탄소 피막의 표면의 조도 곡선에서의 Rpk가 0.15 ㎛ 미만인 것을 특징으로 한다. 실린더 보어와 피스톤 링의 슬라이딩에서는, 일반적으로 슬라이딩 면이 평활할수록 마찰 계수는 낮아진다고 말하지만, 내스커프성은 표면 조도의 대표적인 지표인 평균 산술 조도(Ra)와 십점 평균 조도(Rzjis)가 아니라, 특히 JIS B 0671-2:2002에 규정되는 돌출 산부 높이(Rpk)와 강한 상관관계를 나타내며, 철계 용사 피막의 Rpk 값을 0.20 ㎛ 미만, 경질 탄소 피막의 Rpk 값을 0.15 ㎛ 미만으로 함으로써, 저 마찰 계수이고 또한 우수한 내스커프성을 나타내는 것을 발견하였다. 철계 용사 피막과 경질 탄소 피막의 Rpk 값이 각각 0.20 ㎛, 0.15 ㎛ 이상에서는, 내스커프성이 저하되고, 또한 마모를 증대시켜 바람직하지 않다. 철계 용사 피막의 Rpk 값은 0.15 ㎛ 미만이 바람직하고, 경질 탄소 피막의 Rpk 값은 0.13 ㎛ 미만이 바람직하다.
본 발명의 실린더 보어와 피스톤 링의 조합에서, 실린더 블록은 JIS 규격재 ADC12와 같은 알루미늄 합금 주물제이고, 그 보어 내주면에 철계 피막이 직접 용사되는 무-라이너(liner-less) 실린더 블록이다. 실리콘(Si) 함유량을 특별히 많게 할 필요도 없고, 소정의 내열성, 강도, 신율 등을 갖는 주조성이 좋은 알루미늄 합금이 사용될 수 있다. 한편, 피스톤 링은 압축 링용 실리콘 크롬강(JIS SWOSC-V)이나 마텐자이트계 스테인리스강(JIS SUS440B)이 바람직하게 이용될 수 있다.
실린더 보어 내주면에 형성되는 철계 용사 피막은 특히 한정되지 않지만, 내스커프성, 내마모성, 저 마찰 계수라는 관점에서는, 탄소강에 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 등을 조금이라도 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 특개 2010-275581에는 질량비로 0.3 내지 0.4%의 C, 0.2 내지 0.5%의 Si, 0.3 내지 1.5%의 Mn, Cr 및/또는 Mo를 합계 0.5% 이하 함유하고, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되는 철계 용사 피막이 개시되어 있다. 용사는 플라즈마 용사, 아크 용사, 고속 플레임 용사 등 특히 한정되지 않지만, 철계 합금의 와이어를 사용하는 와이어 아크 용사가 경제적으로 우수하여 바람직하다. 아크 용사에서는 전류, 아토마이징 가스 압력, 노즐 형상 등의 조작 조건이 용사 피막의 특성에 큰 영향을 미친다. 철계 용사 피막은 일반적으로 기공과 산화물을 포함하지만, 예컨대 아토마이징 가스의 유량을 증가시키면 기공률은 감소하고 산화물의 비율은 높아진다.
실린더 보어 내주면은 최종적으로 호닝 가공에 의해 마무리되지만, 이때 충전성이 낮은 철 합금 입자와 산화물 입자의 탈락이 생기고, 혹은 내재하는 기공이 출현하여, 표면에 직경 수 ㎛ 내지 100 ㎛ 정도의 미소 피트가 형성된다. 용사 입자의 탈락은 호닝 가공의 정도(예를 들어 절삭 깊이)에도 영향을 받지만, 기공률과 산화물 비율은 상술한 바와 같이 용사 조건에 의해 결정되므로, 기본적으로는 용사 피막의 조직에 의해 결정된다. 미소 피트는 유류(오일 포켓)로서 기능하고, 특히 실린더 보어와 피스톤 링의 조합에서는 피스톤의 상사점 및 하사점의 근방에서 경계 윤활이 되는 경향이 있기 때문에, 그 근방의 미소 피트의 존재가 중요하다. 용사 피막 슬라이딩 면에서의 미소 피트의 면적률은 1% 이상 10% 미만인 것이 바람직하다. 미소 피트의 면적률이 커지면, 철계 용사 피막의 강도와 경도는 저하되는 경향이 있기 때문에, 1% 이상 5% 미만이 더욱 바람직하고, 더욱 바람직하게는 2% 이상 5% 미만이다. 또한, 미소 피트의 사이즈는 1 내지 200 ㎛의 범위에 있는 것이 바람직하다.
철계 용사 피막의 두께는 특히 한정되지 않지만, 호닝 가공 후의 최종적인 두께로서 100 내지 500 ㎛인 것이 바람직하다.
피스톤 링의 외주 슬라이딩 면에 형성되는 경질 탄소 피막은 제법상 수소를 함유하는 것이 많지만, 본 발명에서는 수소 함유량은 2 원자% 미만이 바람직하다. 경질 탄소 피막에 수소가 취입되면, 탄소 결합수의 절단을 일으키고, 결합을 수소로 종단시켜 버리지만, 수소 양이 적은 경질 탄소 피막에서는 윤활유 중의 유성제가 피막 표면에 흡착되기 쉬워지고, 탄소 원자의 말단에 OH기가 배위하여 실제 접촉을 막으며, 저 마찰화되기 때문이다. 더욱 바람직하게는, 수소 함유량은 1 원자%미만이다. 수소 함유량을 적게 한다는 점에서는, 증발원으로 탄소를 이용한 진공 아크 이온 플레이팅(Vacuum Arc Ion Plating: VAIP) 방법이 바람직하게 사용된다. 철계 용사 피막의 미소 피트의 면적률 1% 이상 5% 미만이 더욱 바람직한 것은 경질 탄소 피막 표면으로의 유성제의 흡착에 따른 저 마찰화에 의한 것이 큰 것으로 생각된다. 또한, 경질 탄소 피막의 경도는 수소 함유량에 강한 영향을 받고, 낮은 수소 함유량을 고려하면, 마텐스 경도(HMs)로 17 내지 25 GPa인 것이 바람직하고, 20 내지 25 GPa인 것이 더욱 바람직하다. 경질 탄소 피막은 상기 경도의 범위에 있으면, 금속 원소와 그 탄화물, 탄질화물 등을 함유시킬 수도 있다. 또한, 수소 함량과 금속 함유량이 다른 경질 탄소 피막을 적층시킨 적층 구조의 경질 탄소 피막으로도 좋다.
경질 탄소 피막의 두께는 특히 한정되지 않지만, 0.5 내지 10 ㎛인 것이 바람직하다.
본 발명에서는 경질 탄소 피막 표면의 Rpk 값은 0.15 ㎛ 미만이지만, 진공 아크 이온 플레이팅 방법에 의해 형성된 경질 탄소 피막은 조대한 파티클을 포함하는 경우가 많으므로, Rpk 값이 0.15 ㎛ 이상 되는 경우도 있다. 그러한 경우에는 성막 후에 경질 탄소 피막 표면을 브러시 랩(lap)이나 연마에 의해 Rpk 값을 0.15 ㎛ 미만으로 조정한다.
경질 탄소 피막은 실리콘 크롬강이나 마텐자이트계 스테인리스강으로 이루어진 피스톤 링 모재 상에 직접 피복할 수도 있지만, 매우 단단한 탄소 피막의 기재로서는 가능한 한 단단하고 강성이 높은 것이 바람직하다. 그런 의미에서, 모재 상에 CrN층 등의 이온 플레이팅층, 질화층, 크롬 도금층 등의 치밀한 경질의 하지층을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 경질 탄소 피막의 기재에 대한 양호한 밀착성을 확보하려면, 경질 탄소 피막과 모재 또는 하지층 사이에 Cr, Ti, W 및 Co로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종으로 이루어진 금속 및/또는 금속 탄화물의 중간층을 갖는 것이 바람직하다.
[실시예]
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2
실린더 보어에 상당하는 JIS ADC12 알루미늄 합금 플레이트(70 mm × 100 mm × 10 mm)의 한쪽 면을 블라스트(blast) 처리하고, 그 위에 질량%로 C: 0.3%, Si: 0.2%, Mn: 0.3%, Cr: 0.5%, Mo: 0.2%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 와이어를 용사재로 하여, 아크 용사법에 의해 철계 용사 피막을 약 500 ㎛ 형성하였다. 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2의 철계 용사 피막은 기본적으로 동일한 용사 조건에서 형성되었지만, 표면 성상(Rpk 값)이 다르도록 70 mm 폭 방향으로 연마 가공을 하였다. 다음에, 직사각형 단면으로 외주면을 배럴 페이스(barrel face) 형상으로 한 피스톤 링(질화 처리한 SUS420J2 상당, 호칭 지름(d) 90 mm, 폭(h1) 1.2 mm, 두께(a1) 3.2 mm)에 탄소를 타깃으로 한 진공 아크 이온 플레이팅에 의해 외주면에 경질 탄소 피막을 약 1 ㎛ 형성하였다. 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2의 경질 탄소 피막은 as-coated의 상태에서 Rpk가 0.2 내지 0.3 ㎛이었기 때문에, 표면 성상(Rpk 값)이 다르도록 원주 방향으로 랩 처리를 하였다. 또한, 경질 탄소 피막의 두께는 랩 처리를 하고도 거의 변화가 없었다.
[1] 표면 성상(Rpk 값)의 측정
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2의 철계 용사 피막 표면 및 경질 탄소 피막 표면에 대해, 촉침(stylus)식 표면 조도 시험기를 이용하여 Rpk 값을 측정하였다. 여기서, 철계 용사 피막은 100 mm의 길이 방향으로, 경질 탄소 피막은 폭 방향으로 측정하였다.
[2] 철계 용사 피막의 미소 피트 면적률 및 두께의 측정
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2의 철계 용사 피막을 형성한 각 알루미늄 합금 플레이트(70 mm × 100 mm × 10 mm)를 A 시료(50 mm × 100 mm × 10 mm)와 B 시료(20 mm × 100 mm × 10 mm)로 절단하고, 추가로 B 시료의 A 시료측 단면을 포함한 길이 방향 중앙부에서 C 시료(10 mm × 10 mm × 10 mm)를 잘라냈다. C 시료의 용사 피막 표면을 주사 전자 현미경으로 관찰하고, 피트 형상으로 보이는 미소 피트와 그 이외의 매트릭스를 2진화(binarize) 처리하고, 화상 해석에 의해 미소 피트의 면적률을 구하였다. 도 1은 실시예 1의 용사 피막 표면의 주사 전자 현미경 사진이다. 수 10 내지 100 ㎛ 정도 크기의 미소 피트(1)가 관찰되었고, 미소 피트의 면적률은 3.1%이었다. 또한, C 시료의 A 시료측 단면을 경면 연마하고, 주사 전자 현미경으로 피막의 두께를 구하였는데, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2에서 약 430 내지 약 450 ㎛의 범위에 들어갔다.
[3] 경질 탄소 피막의 수소 함유량의 측정
경질 탄소 피막의 수소 함유량의 측정은 러더퍼드 후방 산란 분광법(RBS)/수소 전방 산란 분광법(HFS)에 의해 구하였다. 실시예 1의 수소 함유량은 1.8 원자%이었다. 실시예 2 내지 4 및 비교예 1 내지 2의 경질 탄소 피막도 실시예 1과 동일한 진공 아크 이온 플레이팅에 의해 제조되었으므로, 수소 함유량도 실질적으로 동일하다고 볼 수 있다.
[4] 경질 탄소 피막의 마텐스 경도의 측정
경질 탄소 피막의 마텐스 경도(HMs)는 ISO 14577-1(계장화 압입 경도 시험)에 의거하고, 초미소 경도계를 이용하여, Berkovich 압자, 시험력: 9.8 mN의 조건으로 수행하였다. 측정 부분은 피막 표면 근방을 평균 입경 0.25 ㎛의 다이아몬드 페이스트를 도포한 직경 30 mm의 강구를 이용하여 구면 연마하고, 연마 부분에 대해 수행하였다. 마텐스 경도(HMs)는 하중-압입 깊이 곡선으로부터 계산된다. 실시예 1의 경질 탄소 피막의 마텐스 경도(HMs)는 22.6 GPa이었다. 마텐스 경도도 수소 함유량과 마찬가지로, 실시예 2 내지 4 및 비교예 1 내지 2의 경질 탄소 피막에 대해서도, 실시예 1과 실질적으로 동일한 경도라고 볼 수 있다.
[5] 스커프 시험
스커프 시험은 도 2a에 나타낸 바와 같이, 실린더 보어에 상당하는 철계 용사 피막(3)을 피복한 A 시료의 알루미늄 합금 플레이트(2) 상에(도시하지 않은 고정 치구에 설치된) 경질 탄소 피막을 피복한 피스톤 링의 절단편(4)(길이 약 30 mm)이 상대적으로 폭 방향으로 왕복 슬라이딩하는 시험에 따라 수행하였다. 시험은 알루미늄 합금 플레이트(2)를 진폭 3 mm, 50 Hz의 조건으로 왕복 이동시키고, 수직 하중을 100 N/분의 속도로 상승시키고, 동시에 그때의 마찰력을 계측하여 마찰력이 급격히 상승했을 때의 하중을 스커프 하중으로 하였다. 또한, 윤활유(5)는 PAO(Poly Alpha Olefin)의 기유에 1 질량%의 GMO(Glycerol Mono Oleate)를 함유한 윤활유를 사용하였다.
[6] 마모 시험
마모 시험은 스커프 시험을 실시한 동일한 시험기로, 수직 하중 100 N(일정), 시간 60분으로 한 것 이외에는, 스커프 시험과 동일한 조건으로 왕복 슬라이딩하는 시험에 따라 수행하였다. 경질 탄소 피막(3)의 마모량은 도 2b에 나타낸 시험 후의 피스톤 링 조각(4)에 생긴 타원 형상의 슬라이딩부(6)의 장축 길이(L)로 평가하였다.
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2의 각 피막의 두께, 및 경질 탄소 피막의 수소 함유량과 마텐스 경도를 제외한 각종 측정 결과를 다음 표 1에 나타냈다. 여기서, 스커프 시험에서의 스커프 하중과 마모 시험에 의한 마모량은 비교예 1의 데이터를 1로 한 상대치로 나타냈다.
실린더 보어
(철계 용사 피막)		 피스톤 링
(경질 탄소 피막)		 스커프
하중
(상대치)		 피스톤 링
마모량
(상대치)
Rpk
(㎛)		 미소 피트
면적률(%)		 Rpk
(㎛)
실시예 1 0.12 3.1 0.12 1.51 0.61
실시예 2 0.10 2.9 0.09 1.65 0.53
실시예 3 0.14 3.5 0.13 1.44 0.64
실시예 4 0.16 4.2 0.14 1.29 0.77
비교예 1 0.11 2.7 0.17 1.0 1.0
비교예 2 0.21 4.7 0.14 1.1 0.95
철계 용사 피막의 표면의 Rpk 값이 0.20 ㎛ 이상, 또는 경질 탄소 피막의 표면의 Rpk 값이 0.15 ㎛ 이상이면, 스커프 하중도 낮고, 경질 탄소 피막의 마모량도 비교적 크지만, 철계 용사 피막의 표면의 Rpk 값을 0.20 ㎛ 미만, 경질 탄소 피막의 표면의 Rpk 값을 0.15 ㎛ 미만으로 함으로써 스커프 하중이 현저히 향상되고, 그에 따른 마모량도 저감되는 것으로 나타났다.
실시예 5 내지 7
미소 피트의 면적률이 다르도록, 철계 용사 피막의 용사 조건을 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 실시예 5 내지 7의 실린더 보어에 상당하는 알루미늄 합금 플레이트를 제작하였다. 또한, 이들의 알루미늄 합금 플레이트와 조합한 피스톤 링은 실시예 1과 동일 성상의 경질 탄소 피막을 사용하였다. 실시예 5 내지 7의 철계 용사 피막의 Rpk 값과 미소 피트 면적률을 실시예 1과 동일하게 측정하고, 또한 스커프 시험 및 마모 시험도 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
실시예 8
피스톤 링의 재질을 SUS440B 상당 재료로 하고, 그 위에 두께 약 30 ㎛의 CrN 피막 하지층을 형성하고, 진공 아크 이온 플레이팅에 의해 금속 Cr 중간층을 약 0.5 ㎛와 경질 탄소 피막을 약 1.5 ㎛ 형성한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 실시예 8의 피스톤 링을 제작하였다. 경질 탄소 피막의 Rpk 값, 수소 함유량 및 마텐스 경도를 측정한 결과, Rpk 값이 0.14 ㎛, 수소 함유량이 0.7 원자%, 마텐스 경도는 24.1 GPa이었다. 또한, 실시예 8의 피스톤 링과 조합한 알루미늄 합금 플레이트로서, 실시예 1과 동일 성상의 철계 용사 피막을 사용하는 스커프 시험 및 마모 시험을 수행하였다.
실시예 9
미소 피트의 면적률이 가능한 한 작게 되도록, 철계 용사 피막의 용사 조건을 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 실시예 9의 실린더 보어에 상당하는 알루미늄 합금 플레이트를 제작하였다. 실시예 9의 철계 용사 피막의 Rpk 값 및 미소 피트의 면적률을 측정한 결과, Rpk 값이 0.05, 미소 피트의 면적률은 0.9%이었다. 또한, 조합한 피스톤 링으로서, 실시예 1과 동일 성상의 경질 탄소 피막을 사용하는 스커프 시험 및 마모 시험을 수행하였다. 결과를 실시예 5 내지 7 및 실시예 8의 결과와 함께 표 2에 나타냈다.
실린더 보어
(철계 용사 피막)		 피스톤 링
(경질 탄소 피막)		 스커프
하중
(상대치)		 피스톤 링
마모량
(상대치)
Rpk
(㎛)		 미소 피트
면적률(%)		 Rpk
(㎛)
실시예 5 0.12 5.6 0.12 1.34 0.61
실시예 6 0.10 9.2 0.12 1.32 0.69
실시예 7 0.14 10.6 0.12 1.25 0.64
실시예 8 0.12 3.1 0.14 1.58 0.58
실시예 9 0.05 0.9 0.12 1.09 0.63

Claims (10)

  1. 내연 기관의 실린더 보어와 피스톤 링의 조합으로서, 상기 실린더 보어는 피스톤 링과의 슬라이딩 면에 철계 용사 피막을 형성하고, 상기 피스톤 링은 외주 슬라이딩 면에 경질 탄소 피막을 형성하며, 상기 철계 용사 피막의 표면의 조도 곡선에서의 Rpk 값(JIS B 0671-2:2002)이 0.20 ㎛ 미만, 상기 경질 탄소 피막의 표면의 조도 곡선에서의 Rpk 값이 0.15 ㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 실린더 보어와 피스톤 링의 조합.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 철계 용사 피막의 표면의 조도 곡선에서의 상기 Rpk 값이 0.15 ㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 실린더 보어와 피스톤 링의 조합.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 철계 용사 피막의 상기 슬라이딩 면이 미소 피트를 갖고, 상기 미소 피트의 면적률이 1% 이상 10% 미만인 것을 특징으로 하는 실린더 보어와 피스톤 링의 조합.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 미소 피트의 면적률이 1% 이상 5% 미만인 것을 특징으로 하는 실린더 보어와 피스톤 링의 조합.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 철계 용사 피막의 두께가 100 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 실린더 보어와 피스톤 링의 조합.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경질 탄소 피막의 수소 함유량이 2 원자% 미만인 것을 특징으로 하는 실린더 보어와 피스톤 링의 조합.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 경질 탄소 피막의 마텐스 경도가 17 내지 25 GPa인 것을 특징으로 하는 실린더 보어와 피스톤 링의 조합.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경질 탄소 피막의 두께가 0.5 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 실린더 보어와 피스톤 링의 조합.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피스톤 링이 모재 상에 질화 크롬층, 질화층 및 크롬 도금층 중 적어도 1종으로 이루어진 하지층을 갖는 것을 특징으로 하는 실린더 보어와 피스톤 링의 조합.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경질 탄소 피막이 Cr, Ti, W 및 Co로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종으로 구성되는 금속 및/또는 금속 탄화물의 중간층을 갖는 것을 특징으로 하는 실린더 보어와 피스톤 링의 조합.
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