KR20160111368A

KR20160111368A - 내연기관의 실린더 크랭크케이스의 용사형 실린더 작동면의 제조방법과 이런 실린더 크랭크케이스

Info

Publication number: KR20160111368A
Application number: KR1020167015907A
Authority: KR
Inventors: 리앤더 쉬암; 닥터 크리스티앙 키메이쉬
Original assignee: 카에스 하우아웁시론우 알루테크 게엠베하
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2016-09-26
Also published as: WO2015074775A1; DE102013112809A1; RU2647064C2; JP6324508B2; CN105745350A; EP3071724A1; JP2016540123A; RU2016123807A; US20160273477A1

Abstract

실린더 크랭크케이스의 실린더 내벽(24)에 용사 방식으로 코팅(30)을 형성하고 이때 불활성 기체를 분무기체로 사용하는 방법들이 공지되어 있다. 그러나, 이런 코팅 층들은 부식되기 쉽다. 이를 방지하기 위해, 용사 과정 동안의 코팅 재료(15)의 이송속도를 8~22.5 kg/h로 할 것을 제안한다. 이 경우, 용사 코팅(30)의 층 공극율이 4.5~25%이고 산화물 함량이 0.5~5%인 실린더 작동면을 갖는 내연기관용 크랭크케이스가 제공된다.

Description

내연기관의 실린더 크랭크케이스의 용사형 실린더 작동면의 제조방법과 이런 실린더 크랭크케이스{METHOD FOR PRODUCING A SPRAYED CYLINDER RUNNING SURFACE OF A CYLINDER CRANKCASE OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND SUCH A CYLINDER CRANKCASE}

본 발명은 실린더 크랭크케이스의 실린더 내벽에 용사(thermal spraying) 방식으로 코팅을 형성하고 불활성 기체를 분무기체로 사용하는 내연기관의 실린더 크랭크케이스의 용사형 실린더 작동면의 제조방법과, 실린더 내벽의 용사에 의해 이런 방법으로 생산된 실린더 작동면을 갖춘 내연기관용 실린더 크랭크케이스에 관한 것이다.

실린더 크랭크케이스의 실린더 내벽의 용사에 의해 실린더 작동면 역할을 하는 코팅을 붙이는 다양한 방법이 알려져 있다. 실린더 작동면의 제조를 위해, 특히 플라즈마 분무와 아크 분무가 많이 사용되는데, 아크 분무의 경우 2개의 와이어형 분무재료들 사이에서 아크가 일어나고, 이런 아크에 의해 와이어 팁이 4000℃ 정도의 온도에서 용융되며 준비된 작업물 표면에 분무하게 되고, 버너에서의 플라즈마 분무의 경우, 아노드와 적어도 하나의 캐소드가 좁은 간격만큼 서로 분리되고 직류전압을 걸어주면 그 사이에서 아크가 생긴다. 버너를 통과하는 기체는 아크를 통과하면서 이온돠되어, 온도가 극히 높은 도전 기체가 되어 플라즈마 기체가 되고, 입경 5~120 ㎛ 정도의 분말들을 플라즈마 기체에 분사하면 고열로 인해 용융된다. 플라즈마 기체는 분말 입자들을 품고 있으며 코팅할 실린더 내벽을 향해 코팅재료의 용융 입자들 전부나 일부를 가속한다.

DE 697 02 576 T1은 용사에 의해 실린더 내벽을 코팅하는 방법을 소개하는데, 여기서는 먼저 탄소함량이 0.3% 미만인 저탄소강이나 고급강으로 된 용융 분말이나 용융 와이어로 실린더 내벽을 공기를 이용해 스핀코팅하여, 산화물 함량이 높은 하부층을 만든다. 이런 층은 너무 단단하다. 그 결과 다른 층을 입히는데, 이때 불활성 기체를 분무 기체로 사용하여 이 층의 산화물 함량을 크게 줄인다. 이어서, 연한 층을 제거하여 원하는 품질의 표면을 만들되, 단단한 내마모성 하부층을 작동면으로 남겨둔다.

DE 199 34 991 A1에 소개된 플라즈마 분무법에서는, 실린더 작동면의 제조과정중에 질소를 분무기체로 사용한다. 분무기체와 함께 제2의 질소기체를 사용하여 어떤 진공실도 사용하지 않도록 한다. 따라서, 코팅의 산화물 함량을 조절해야만 한다.

그러나, 이런 코팅들의 문제는, 산화물 함량이 높은 층에서는 부식이 아주 빨리 일어나고 산화물 함량이 낮은 층에서는 부식이 좀더 천천히 일어난다는 것이다. 이런 부식 때문에 실린더 작동면의 마모가 커진다. 또, 용사를 하는 기존의 방법은 부식 방지를 위해 고급강이나 적어도 저탄소강을 사용하기 때문에 비용이 아주 많이 든다.

본 발명의 목적은 내연기관의 실린더 크랭크케이스의 용사형 실린더 작동면을 제조하는 방법과 이런 실린더 크랭크케이스를 제공하되, 저탄소 합금강을 사용해도 실린더 작동면의 내부식성을 아주 높여 높은 내구성과 저렴한 생산비를 이루는 데 있다.

본 발명의 이런 목적은 제1항의 특징을 갖는 내연기관의 실린더 크랭크케이스의 실린더 작동면의 제조방법과, 제12항의 특징을 갖는 실린더 크랭크케이스에 의해 달성된다.

용사의 경우 코팅재료의 이송속도가 지금까지 일반적인 4~7 kg/h가 아니라 8~22.5 kg/h이기 때문에 입자속도가 느리되 코팅내 입자 크기는 늘어난다. 따라서, 본 발명에 의하면, 내연기관의 실린더 크랭크케이스에 분무된 코팅층은 공극률이 4.5~25%이고 산화물 함량은 0.5~5%이다. 이런 낮은 산화물 함량은 불활성 기체를 사용해 가능한 것으로, 이때문에 우스타이트 상(wustite phase)도 줄어들어, 층의 산화속도가 크게 줄어들고 부식도 줄어든다. 또, 대형의 개방 공극부가 생겨, 실린더 작동면의 오일보유량이 늘어나, 층 표면의 내부식성도 개선된다. 불활성 기체를 사용해 입자 표면에서의 발열반응이 방지되는데, 탄소함유 코팅재료를 사용할 경우 발열반응 동안 와이어의 탄소가 연소될 수 있다. 따라서, 산화가 줄고 입자온도도 낮아진다.

용사 처리중의 분무기체의 이송속도는 900~1,500 ℓ/min인 것이 좋다. 이런 이송속도에서는 공극율이 높은 내부식성 보호층들을 간단히 형성할 수 있다.

또, 용사 과정 동안의 분무기체의 이송속도가 300~900 ℓ/min이면 더 바람직하다. 이 경우, 노즐에서의 코팅재료의 속도와 온도가 더 감소되어, 코팅재료의 입자에 전달되는 에너지가 줄어든다. 따라서, 질량 이송속도의 증가로 인한 효과가 더 개선되어 공극율이 더 높아진다.

불활성 기체로 질소나 아르곤을 사용한다. 이런 기체를 사용하면 산화물이 적은 층들을 저렴하게 제조할 수 있다.

코팅 재료로 저탄소 합금강을 사용하면 아주 저렴하게 생산할 수 있어서 특히 바람직하다. 이 경우, 조기 산화에 의한 탄소의 조기 연소가 방지되면서도 적절한 내부식성을 얻을 수 있다. 이런 탄소강은 처리가 쉽고, 용사처리를 하는 동안 적절한 경도를 얻는데 필요한 마르텐사이트 조직도 만들 수 있다.

코팅은 플라즈마 이행형 와이어아크(PTWA; plasma transferred wire arc) 분무나 회전 싱글와이어(RSW: rotating single wire) 분무를 포함한 플라즈마 분무나 아크 분무로 생성되는 것이 바람직하다. 이 방식은 다공성 저산화물 층을 제조하기에 특히 적합하다.

이 때, 아르곤-수소 혼합물이나 아르곤-질소 혼합물을 플라즈마 기체로 사용하면, 이 혼합물을 사용할 때 플라즈마 기체의 수소 함량이 5~40 %이기 때문에 바람직하다. 이 방법에 의하면 층의 공극율과 산화물 함량을 원하는대로 얻을 수 있다.

또, 입자 표면온도가 1600~2400 ℃이고, 아크 온도는 3000~6000 ℃이며, 플라즈마 기체 온도는 10000~15000 ℃인 것이 좋다. 완전히 용해되지 않은 입자들이 표면에 존재하고, 소량의 산화물이 표면에 존재하게 된다.

플라즈마 이송속도는 40~250 ℓ/min인 것이 좋은데, 이 경우 비교적 낮은 입자 온도에서 비교적 낮은 입자 속도를 얻게 된다.

코팅을 연마하여 실린더 작동면으로 만드는 것이 바람직하다. 이 경우, 용사된 층에 추가 공극들이 생기고, 미세한 압력실 역할을 하고 오일을 담을 수 있는 이런 공극들이 노출되여, 기능적인 연마 표면이 형성된다. 또, 축대칭의 일정 두께의 벽을 만들 수 있다.

따라서, 실린더 크랭크케이스의 실린더 작동면 제조방법과 이렇게 제조된 실린더 크랭크케이스는 내부식성이 높다. 작동면에 오일이 공급되어, 코팅의 수명이 길어진다. 코팅의 생산비도 종래의 방법과 비교해 줄어드는데, 특히 저탄소 합금강을 사용할 때 더 그렇다.

PTWA 버너나 RSW 버너에 의해 부착된 코팅과 이렇게 제작된실린더 작동면에 대해 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 PTWA/RSW 버너의 노즐과 실린더 내벽에 형성된 코팅의 구조를 보여주는 단면도.

먼저, 하나 또는 다수의 실린더를 갖춘 크랭크케이스를 알루미늄 주물공정을 통해 종래의 방식으로 주조한다. 실린더 크랭크케이스의 실린더 내벽의 작동면은 내구성이 대부분 내구성이 부적절하여, 언더컷 구조를 만들어 실린더 내벽에 표면을 형성한다. 이어서, 용사 공정으로 실린더 내벽에 코팅을 붙인다. 본 발명에서는 이때 PTWA 또는 RSW 버너(10)를 실린더 안에 삽입하고 축방향으로 회전시키면서 층을 붙인다.

도 1에는 버너(10)에 의해 용사층(thermally sprayed layer)이 형성된 실린더 내벽이 도시되어 있다.

버너(10)는 제1 전압원에 연결된 제1 전극(12)과, 이 전압원의 반대 극에 연결되고 저탄소 합금강으로 된 제2 전극 역할을 하는 도전 와이어(14)를 포함하며, 도전 와이어는 수직으로 공급되고 코팅재(15) 역할을 한다. 제1 전극(12)은 버너(10)의 보어(16) 안에 배치되고, 보어 안에서 제1 전극(12)을 따라 기체가 소용돌이를 일으키면서 고속으로 노즐(18)을 빠져나간다. 이 기체는 수소 함량이 25% 정도인 아르곤-수소 혼합물로 이루어진다.

버너(10)를 통과하는 기체는 아크를 통과하면서 이온화된다. 이렇게 해리와 이온화되면서 양이온과 전자로 된 초고온 도전기체인 플라즈마 기체가 생성된다. 이런 플라즈마 기체는 온도가 12,000℃ 정도이고 이송속도는 100ℓ/min 정도이며, 노즐(18)을 통과할 때 노즐의 종축선을 따라서 팽창하여, 노즐(18)에 수직으로 연속 공급되는 와이어(14)에 부딪치면서 전기회로가 닫힌다. 이때 생긴 아크의 온도는 거의 4,000℃이다. 본 발명에 의하면, 와이어는 8~22.5 kg/h의 속도로 공급되고 이곳에 걸린 대량의 전류에 의해 전기저항으로 가열되어, 플라즈마 기체의 충돌에 의해 용융되고 원자화된 상태로 바뀐다.

보어(16)는 다수의 덕트(20)로 둘러싸이고, 질소와 같은 불활성 기체가 900ℓ/min 정도의 속도로 덕트를 흐른다. 한편, 이런 기체는 불활성 환경을 조성하면서, 와이어(14)의 용융 입자들(22)의 운반기체 역할을 하고 이런 입자들(22)을 분사시킨다. 이 기체류로 인해 실린더(26)의 내벽(24)이 입자(22)로 스핀코팅된다.

PTWA나 RSW 분무과정을 위해 와이어(14)의 이송속도는 거의 2배로 고속이고 분무 기체는 저속이기 때문에, 스핀코팅 용융물로 실린더 내벽(24)에 부딪치면서 부착되는 코팅재료(15)의 입자(22) 전체가 비교적 저속으로 코팅되는 것은 아니다. 또, 기체류가 저속이고 분무기체로 불활성 기체를 사용하기 때문에 입자 표면온도는 2000℃ 정도로 비교적 낮다. 따라서, 비교적 큰 입자들(22)이 생기고 실린더 내벽(24)에 부착되어, 층의 공극률이 20% 정도로 상당히 높아진다.

분무기체로 질소를 사용하기 때문에, 코팅재료(15)로 탄소강을 사용함에도 불구하고 입자(22)의 산화를 상당히 줄일 수 있는 불활성 환경이 조성된다. 따라서, 발열반응이 크게 감소되어 대량의 입자들이 생성되기 때문에 입자(22)의 온도가 더 낮아진다. 이때문에 실린더 내벽(24)의 코팅(30)의 산화물(28)의 농도가 대략 3% 정도까지 줄어들어, 우스타이트 상(wustite phase)이 적어 코팅(30)에서의 산화율이 감소되며, 이때문에 부식도 줄어든다. 그러나, 코팅(30)내의 마르텐사이트 조직은 유지되어 코팅의 경도가 적절히 확보된다.

그 결과, 원하는 실린더 작동면을 얻기위한 다른 처리공정 동안 코팅(30)이 연마된다. 즉, 표면에서 입자(22)가 제거되면서 오일보유 기능을 갖는 대형 개방 공극들(32)이 생겨, 크랭크케이스의 동작중에 오일을 많이 수집할 수 있고, 이때문에 부식이 더 방지된다.

따라서, 이런 용사형 실린더 작동면을 갖는 실린더 크랭크케이스는 내식성이 높은 한편, 아주 높은 윤활성 때문에 마모율도 극히 낮아진다.

Claims

실린더 크랭크케이스의 실린더 내벽(24)에 용사(thermal spraying) 방식으로 코팅(30)을 형성하고, 불활성 기체를 분무기체로 사용하는, 내연기관의 실린더 크랭크케이스의 용사형 실린더 작동면의 제조방법에 있어서:
용사 과정 동안의 코팅 재료(15)의 이송속도가 8~22.5 kg/h인 것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더 크랭크케이스의 용사형 실린더 작동면의 제조방법.
제1항에 있어서, 용사 과정 동안의 분무기체의 이송속도가 900~1,500 ℓ/min인 것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더 크랭크케이스의 용사형 실린더 작동면의 제조방법.
제1항에 있어서, 용사 과정 동안의 분무기체의 이송속도가 300~900 ℓ/min인 것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더 크랭크케이스의 용사형 실린더 작동면의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중의 어느 하나에 있어서, 불활성 기체로 질소나 아르곤을 사용하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더 크랭크케이스의 용사형 실린더 작동면의 제조방법.
제1항 내지 제4항 중의 어느 하나에 있어서, 코팅 재료(15)로 저탄소 합금강을 사용하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더 크랭크케이스의 용사형 실린더 작동면의 제조방법.
제1항 내지 제5항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 코팅이 플라즈마 전달 와이어아크 분무나 회전 싱글와이어 분무를 포함한 플라즈마 분무나 아크 분무로 생성되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더 크랭크케이스의 용사형 실린더 작동면의 제조방법.
제6항에 있어서, 아르곤-수소 혼합물이나 아르곤-질소 혼합물을 플라즈마 기체로 사용하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더 크랭크케이스의 용사형 실린더 작동면의 제조방법.
제7항에 있어서, 아르곤-수소 혼합물을 사용할 때 플라즈마 기체의 수소 함량이 5~40 %인 것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더 크랭크케이스의 용사형 실린더 작동면의 제조방법.
제6항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 입자 표면온도가 1600~2400 ℃이고, 아크 온도는 3000~6000 ℃이며, 플라즈마 기체 온도는 10000~15000 ℃인 것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더 크랭크케이스의 용사형 실린더 작동면의 제조방법.
제6항 내지 제9항 중의 어느 하나에 있어서, 플라즈마 이송속도가 40~250 ℓ/min인 것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더 크랭크케이스의 용사형 실린더 작동면의 제조방법.
제1항 내지 제10항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 코팅(30)이 실린더 작동면으로 연마되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더 크랭크케이스의 용사형 실린더 작동면의 제조방법.
제1항 내지 제11항 중의 어느 하나에 따른 방법으로 제조되는 실린더 작동면을 갖는 내연기관용 실린더 크랭크케이스에 있어서:
코팅(30)의 공극율이 4.5~25 %이고 코팅의 산화물 함량이 0.5~5 %인 것을 특징으로 하는 내연기관용 실린더 크랭크케이스.