KR20160085261A - 마찰공학적 시스템의 코팅된 표면을 형성하는 방법 - Google Patents

Abstract

본원은 마찰 및 마모 면에서 최적화된, 내연기관의 실린더 작동면을 형성하는 방법에 관한 것이다.

Description

마찰공학적 시스템의 코팅된 표면을 형성하는 방법 {METHOD FOR PRODUCING A COATED SURFACE OF A TRIBOLOGICAL SYSTEM}

본원은, 마찰 및 마모 면에서 최적화되고 그리고 자동차들의 내연기관들에서 CO₂ 배출 저감을 위한 요구들이 증가하는 배경에 대하여 개선된 실린더 작동면의 코팅된 표면을 형성하는 방법에 관한 것이다.

"실린더 보어 및 피스톤 링들" 의 마찰공학적 시스템의 마찰을 저감시킴으로써, 내연기관의 연료 소모 또한 그로 인한 배기 배출이 떨어진다.

저감된 마찰을 얻기 위해서, 니켈-규소-탄화물 분산층 (NiSiC) 은 예를 들어 실린더 보어에 갈바닉 전착된다. 이러한 복합 재료는 이들의 경도로 인해 마찰 및 내마모성에 있어서 매우 낮다. 갈바닉 공정은 매우 긴 코팅 시간을 필요로 하기 때문에, 이러한 방법은 스포츠카 엔진들 및 레이싱카 엔진들을 위한 소규모 배치 제조에만 사용될 수 있다.

마찬가지로, 합금 와이어 또는 이종 분말 형태의 코팅 재료가 용용되고 그리고 개별 용융 입자들이 실린더 벽에 대하여 고속에서 원심분리되어 열 분무층을 형성하는 열 코팅 방법들이 사용된다 (예를 들어, DE 10 2007 023 297 A1 또는 US 5,691,004 참조). 이러한 층들은 형성하기에 매우 값비싸고 그리고 실린더 블록에 높은 열응력을 유발한다. 그 결과, 실린더 블록은 바람직하지 않게 비틀릴 수 있다. 이러한 영향은 특히 중량 최적화된 및 그로 인해 얇은 벽으로 된 실린더들에서 발생한다.

더욱이, 모든 열적인 방법들은, 코팅 이후에 높은 블록 온도들로 인한 냉각 단계들에 의해 추가 처리가 지연되고 그리고 적용된 코팅의 표면 구조와 경도 때문에, 하위지형 (subtopographical) 의 층 손상 및 공구의 높은 레벨의 마모로 인해서 코팅된 보어들의 비용 효율적인 마무리 보링이 불가능한 단점을 가진다.

본원이 해결하고자 하는 문제는, 비용 효과적이고 그리고 대규모 배치 제조에 적합하며 또한 양호한 오일 보유력을 가지면서 동시에 내마모성 표면을 유도하는, 알루미늄으로 제조된 가공물들의 방법을 제공하는 것이다.

추가로, 양호한 열전달을 보장하도록 의도된다.

이러한 문제는 본원에 따라서 청구항 1 에 따른 적어도 2 번의 공정 단계들을 포함하는 방법에 의해 해결되고, 여기에서 알루미늄 실린더 블록에 대해서 실린더 보어의 내마모성 및 마찰 최적화된 지형 (topography) 을 유도하는 것이다.

본원에 따른 방법에 대해서 시작 지점은 비교적 대략 가공된 실린더 보어이고, 이 실린더 보어는 단일체 알루미늄 블록 또는 삽입형 습식 또는 건식 라이닝 형태이다. 각각의 경우에, 가공될 표면은 알루미늄 합금, 통상적으로 아공정 알루미늄으로 구성된다.

본원에 따른 방법의 제 1 단계 (예비가공) 에서, 표면은 호닝 (honing) 또는 정밀 보링에 의해 원하는 형상으로 되고 그리고 거의 최종 치수들대로 가공된다. (여전히) 미처리된 알루미늄은 매우 쉽고 비용 효율적으로 가공될 수 있다. 예비가공동안 원통 형상을 형성할 수 있다. 이에 적합한 방법은 정밀 보링이다. 이러한 목표 형상은 본원에 따른 후속 코팅에 의해 단지 약간만 변경된다.

전기분해로 적용된 층이 매우 얇기 때문에, 치수 보정은 실질적으로 불가능하다. 그리하여, 최종 치수들은 예비가공 동안에 거의 도달되어야 한다.

하지만, 예비가공에 의해, 원하는 목표 형상이 형성될 뿐만 아니라 후속 코팅을 위한 표면이 준비된다.

특히, 제 1 공정 단계에서 형성된 조도는 코팅 이후의 최종 품질에 영향을 준다.

1 ~ 4 ㎛ 범위의 조도 (Rz) 가 적합한 것으로 판명되었다. 그에 따라, 호닝 동안에는 010 ~ 046 의 다이아몬드 입자 크기들이 사용된다.

코팅을 형성하기 전에, 표면은 일반적으로 여전히 탈지된다.

그 후 전기 분해에 의해 적용된 코팅은 예비가공된 (목표) 형상을 등간격으로 재형성하고 그리하여 제 1 공정 단계에 의해 형성된 형상이 주로 유지된다.

제 2 공정 단계에서, 내마모성 코팅은 전기분해에 의해 적용되거나 형성된다. 이러한 경우에, 가공물에 비틀림이 없고 그리고 표면의 목표 형상이 변경되지 않는다.

이러한 층은 높은 경도를 가지고 그리하여 매우 내마모성이다. 전기분해동안 공정 파라미터들을 선택함으로써, 층의 공극률 (porosity) 이 목표로 하는 방식으로 설정될 수 있다. 공극률은 오일 보유력을 향상시키고, 슬라이딩 마찰로 인한 마모성을 저감시키며, 그리고 유체역학적 윤활을 보조한다.

높은 경도는 낮은 모터 속도들에서 혼합된 마찰 범위의 슬라이딩 마찰을 저감시키고 그리고 수명을 증가시킨다.

추가로, 코팅과, 알루미늄으로 제조된 기재 (실린더 블록 또는 라이닝) 사이의 열전달이 매우 양호하다.

여기에서, 산화물-세라믹 층들을 형성하기 위해 다양한 전해 코팅 기술들: 마이크로 아크 산화 (MAO) 로도 알려진 플라즈마 전해 산화 (PEO) 가 사용된다. 공지된 PEO 플라즈마 산화 방법들에서, 형성된 층들은, 즉 산화알루미늄의 경우에, 기재 재료의 산화물들로 구성된다.

특히 바람직한 전해 방법은 플라즈마 전해 전착 (PED) 이고, 이는 수용성 전해물에서 실시되고 그리고 내측에서 림 구역에서의 변화 및 외측에 층 형성 둘 다를 유발한다.

PED 의 다른 장점은, 산화알루미늄의 상기 층들 이외에, 산화티타늄 층들 (TiO₂) 과 같은 다른 산화금속 층들이 또한 형성될 수 있다. 적합한 방법은 US 7,578,921 B2 에 공지되어 있다.

이러한 방식으로 형성된 코팅들은, 예를 들어 3 ㎛ 의 관통 깊이를 가진 내측에 변화된 림 구역 및 예를 들어 9 ㎛ 의 외측에 형성된 층을 가지고, 그리하여 이 경우에 12 ㎛ 의 층 두께가 얻어진다. 통상적으로 사용되는 이 층 두께는 70 ㎛ 보다 상당히 낮고 그리고 이들의 경도는 최대 1500 HV 이다. 코팅의 경도 및 지형은 전기분해를 위한 전기 공정 파라미터에 의해 설정될 수 있다.

코팅 공정은 전해욕에서 실시된다. 이 공정에서, 가공물은 주로 마스킹되어, 코팅될 보어만이 전해물과 접촉하고, 그리하여 보어를 선택적으로 코팅할 수 있다.

이러한 마스킹은 예를 들어 리드 (lid) 에 의해 실시되고, 이 리드는 O 링들로 밀봉되며 크랭크케이스로부터 보어를 밀봉시킨다.

전극은 바람직하게는 실린더로서 구성되고, 이 실린더는 대략 가공될 실린더 보어의 길이이고 그리고 전극과 실린더 보어 사이에 대략 20 ~ 30 mm 의 두께를 가진 반경방향 갭이 있도록 치수결정된다. 자동차 엔진용 실린더 보어에 대해서, 전해물은 이 갭을 통하여 예를 들어 20 ℓ/min 의 체적 유량으로 유동하고, 리드에 의해 편향되며, 그리고 실린더 헤드용 밀봉면 쪽으로 다시 유동한다.

전극은 캐소드로 극성화되고, 가공물은 애노드로 극성화된다. 400 ~ 500 voll 의 전압을 가진 펄스형 DC 전류는 전극과 캐스도 사이에 인가된다. 오버레이된 교류 전류 구성요소를 갖고서 또는 갖지 않고서, 비펄스형 DC 전류를 사용하여 전기분해가 또한 실시될 수 있다.

대략 10 ~ 30 A /dm² 의 전류 밀도들이 적합한 것으로 판명되었다. 코팅 시간은 대략 2 ~ 10 분이고; 이 코팅은 복수의 전극들을 사용하여 블록의 모든 실린더들에서 동시에 실시될 수 있다.

층 두께, 최종 층 조도 및 공극 (pore) 크기는 인가된 전류, 전압, 사용된 펄스 프로그램 및 코팅 시간에 따른다.

코팅은 일반적으로 2 ~ 3 ㎛ 의 조도 (Rz) 및 2 ~ 3 ㎛ 의 공극 크기에서 예를 들어 1.0 ~ 2.0 ㎛ 의 Rpk 값을 가진다.

전체 층 두께와는 상관없이, 일반적으로 가공물의 재료에서 림 구역에서의 변화 깊이는 외측에 형성된 층의 대략 1/3 인 것으로 말할 수 있다. 20 ㎛ 의 총 층 두께에 대하여, 내측에서 림 구역에서의 변화는 예를 들어 대략 5 ㎛ 이고, 외측에 형성된 층은 보어안으로 대략 15 ㎛ 이다.

층의 정해진 조도는 공극들 및 층의 텍스쳐에 의해 유발된 파형들 (undulations) 로 구성된다. 그리하여, 추가적인 선택적인 단계에서, 필요하다면, 코팅은 코팅 동안 전개되는 파형들을 평평하게 하도록 평탄화 공정을 사용하여 마무리 작업을 받게 된다. 이러한 파형이 미미하면, 평탄화 공정은 생략될 수 있다.

평탄화 가공은 호닝 또는 브러싱에 의해 실시될 수 있다. 층에서 파형들을 평평하게 하도록, 종래의 호닝 공구들이 사용될 수도 있다. 하지만, 제거되는 재료의 양을 최소화시키고 그리고 표면의 (자유) 형상을 최소한으로만 변경하도록, 특별한 평탄화-호닝 공구들을 사용할 것을 추천한다. 상기 공구들의 자유롭게 지탱되는 (호닝) 스톤 세그먼트들은 실린더 보어의 길이에 비하여 비교적 짧지만 코팅 프로파일의 얕은 파형 부분들보다는 길고, 그 결과 실린더 보어의 기하학적 형상을 상당히 변화시키지 않으면서 동시에 최소량의 재료를 제거하면서 원하는 평탄화를 형성한다.

개별 스톤 세그먼트들의 길이가 증가할수록, 표면 라인은 더 넓은 범위로 직선화된다.

대안으로서, 호닝 브러시들을 사용할 수도 있고, 이러한 호닝 브러시들은 또한 이들의 가요성으로 인해 파형들에 적합하다. 이러한 호닝 브러시들은, 예를 들어 개별 강모들이 폴리아미드로 구성되고 그리고 이 강모들에 탄화규소, 코런덤 또는 다이아몬드 입자와 같은 마멸 경질 재료들이 매립된 브러시들이다.

예를 들어 강모들의 단부들에 세라믹 결합 절삭 재료 함유 결절들 (nodules) 이 장착된 가요성 호닝 브러시들이 또한 사용될 수도 있다.

모든 평탄화 변형예들에서, 표면에서의 파형들이 가능한 최저 양의 재료를 제거하면서 저감되어, 표면 라인이 가능한 직선인 실린더 작동면을 얻는 것이 중요하다. 직경에 걸쳐 10 ㎛ 미만의 평탄화 호닝 가공 허용치가 제거된다.

평탄화 호닝 동안, 층의 공극률 및 그 결과 오일 보유력이 대체로 유지된다.

대체로, 마무리된 호닝 및 평탄화된 층의 지형은 코팅 이전의 조도 및 층 특정 공극들을 가지고서 오버레이된다.

이 공정에서, 조도 프로파일은, 코팅 이후의 전술한 값에서부터 시작하여 평탄화 이후의 2.0 ~ 2.5 ㎛ 의 Rz 값들까지 변한다. 적합한 Rpk 값은 0.13 ㎛ 이다.

금속 결합 다이아몬드 입자들 및 세라믹 결합 코런덤 또는 SiC 입자들은 절삭 재료들로서 적합한 것으로 판명났다.

요약하면, 본원에 따른 방법을 사용하여, 공극 구조 및 높은 재료 경도로 인해 특히 마찰공학적으로 적합한 층은 제조 면에서 잘 제어된 방식으로 형성될 수 있다고 말할 수 있다.

층을 통하여 연소실로부터의 열분산은 특히 효과적인데, 이는 층이 세미-갈바닉으로 적용되고 그리하여 기재에 최적의 방식으로 결합하기 때문이다.

추가로, 본원에 따른 층은 실린더 보어의 기하학적 형상에 영향을 주지 않거나 상기 기하학적 형상에 미미하게만 영향을 주고, 그리하여 목표 형상은 코팅 이전에 이미 완성될 수 있다. 이러한 공정에서, 최적의 평탄화로 인한 재료 제거 및 코팅으로 인한 전착을 물론 고려해야 한다.

전반적으로, 본원에 따른 방법은 비용 및 기술면에서 매우 효율적인 컴팩트한 제조 체인에서 실시될 수 있다.

도 1 에서는 정밀 보링 또는 호닝에 의해 예비처리한 후의 보어 표면 라인을 도시한다.
도 2 는 층이 적용된 보어 표면 라인을 도시한다.
도 2a 는 층에서의 파형들을 도시한다.
도 2b 는 평탄화 이전의 층의 표면의 매우 확대된 재형성이다.
도 3 은 평탄화 이후의 층이 적용된 보어 표면 라인을 도시한다.
도 3a 는 평탄화 이후의 층에서의 파형들을 도시한다.
도 3b 는 평탄화 이후의 층의 표면의 매우 확대된 재형성이다.
도 4 는 평탄화를 위한 호닝 공구의 개략도이다.

도 1 은 호닝에 의해 예비가공된 (실린더) 보어의 표면 라인 (2) 을 도시한다. 이러한 상태에서, 기재는 후속의 코팅을 위해 활성화되고 그리고 원하는 목표 형상을 가진다.

도 2 에서는 PED 에 의해 처리한 후의 표면을 도시한다. 이 도면으로부터, 코팅 (9) 두께의 대략 1/3 (도면부호 4) 은 기재의 림 구역에서 변화를 형성하고 상기 두께의 대략 2/3 (도면부호 3) 는 외측에 층 구조를 형성함이 명확하다.

보어 (표면 라인 (2) 참조) 의 예비가공 치수들은, 코팅 (9) 의 표면 라인 (5) 이 마무리된 보어의 허용 범위내에 있도록 됨에 주의해야 한다.

도 2a 에서는 도 2 에 따른 표면 라인 (5) 에서 파형들을 도시한다. 이러한 파형들은 여러 번 사용하기에는 너무 크고, 그리하여 파형들을 저감시키도록 평탄화 공정이 또한 실시되어야 한다.

도 2b 에서는 코팅 이후의 표면의 SEM 사진을 도시한다. 이 사진에서, 코팅의 공극들 (8) 이 명백하다.

도 3 에서는 예를 들어 도 4 에 도시된 공구를 사용하여 호닝에 의해 달성되는 평탄화된 표면 라인 (6) 을 도시한다. 이 도면에서, 표면 라인은 직선의 표면 라인 (6) 이 공극들 (8) 을 유지하면서 형성되도록 평탄화된다. 평탄화 후에, 평탄화된 표면 라인 (6) 은 또한 마무리된 보어의 허용 범위내에 있다.

평탄화된 표면 라인의 표면은 또한 도 3a 에서 스캐닝된 섹션으로 도시되고 그리고 도 3b 에서 SEM 사진으로 도시된다.

도 4 에서는 평탄화 호닝 공정의 시작시에 스프링 장착된 호닝 스톤 (7) 을 사용하는 평탄화 호닝의 원리를 도시한다. 코팅에 대한 반경?향 작용은 반경방향 힘 (FR) 에 의해 형성된다. 스프링들로 인해, 호닝 스톤 (7) 은 실린더 보어의 목표 형상을 변화시키지 않으면서 코팅에서의 얕은 파형들을 저감시키는 옵션을 가지고 있다. 평탄화동안, 공극 구조들은 대부분 유지된다.

Claims (9)

1. 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 가공물 (1) 의 내마모성 표면을 형성하는 방법으로서,
   호닝 또는 정밀 보링에 의해 표면을 예비가공 및 활성화하는 단계, 및
   전기분해에 의해 내마모성 코팅 (9) 을 적용하는 단계를 포함하는, 내마모성 표면을 형성하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 내마모성 코팅 (9) 은 플라즈마 전해 전착 (PED) 또는 플라즈마 전해 산화 (PEO) 에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 내마모성 표면을 형성하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 내마모성 코팅 (9) 을 적용한 후에, 상기 코팅 (9) 의 공극을 유지하면서 상기 표면은 평탄화되는 것을 특징으로 하는, 내마모성 표면을 형성하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 코팅 (9) 의 표면은 호닝, 특히 평탄화 호닝 또는 브러싱에 의해 평탄화되는 것을 특징으로 하는, 내마모성 표면을 형성하는 방법.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
   평탄화동안 5 ㎛ 미만, 실린더 보어 (1) 의 직경에 기초하여 10 ㎛ 미만 제거되는 것을 특징으로 하는, 내마모성 표면을 형성하는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 한 항에 있어서,
   상기 표면은 바람직하게는 활성화된 그리고 적용된 코팅 (9) 사이에서 알칼리성 탈지를 받게 되는 것을 특징으로 하는, 내마모성 표면을 형성하는 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 한 항에 있어서,
   예비가공동안 원통형 표면이 형성되는 것을 특징으로 하는, 내마모성 표면을 형성하는 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 한 항에 있어서,
   상기 방법은 아공정 알루미늄 합금으로 제조된 가공물 (1) 을 코팅하는데 사용되는 것을 특징으로 하는, 내마모성 표면을 형성하는 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 한 항에 있어서,
   상기 방법은 내연기관의 실린더 보어 (1) 를 형성하는데 사용되는 것을 특징으로 하는, 내마모성 표면을 형성하는 방법.

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