KR100467112B1 - 내연기관의 실린더 라이너와 피스톤 링의 조합 - Google Patents

내연기관의 실린더 라이너와 피스톤 링의 조합 Download PDF

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닛폰 피스톤 린구 가부시키가이샤
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Abstract

내연기관에 적합한 우수한 내마모성을 보유한 실린더 라이너와 피스톤 링의 조합이 제공되는 바, 실린더 라이너의 내주면은 적어도 일부분에 형성된 산화철피막을 갖고 있으며, 실린더 라이너를 따라 슬라이딩하는 피스톤 링은 적어도 슬라이딩 면에 형성된 금속 질화물피막을 갖고 있다.

Description

내연기관의 실린더 라이너와 피스톤 링의 조합{COMBINATION OF CYLINDER LINER AND PISTON RING OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
종래의 내연기관용 실린더 라이너는 강 또는 주철로 제작되며, 주철재 실린더 라이너로는 그 표면에 질화물층이 형성되어 있는 유형과, 질화물층이 형성되지 있지 않은 유형의 2가지 모두 사용된다. 상기의 실린더 라이너와 적절히 조합되는 피스톤 링은, 보편적으로 실린더 라이너를 따라 슬라이딩하는 피스톤 링의 슬라이딩 면상에 경질의 크롬도금층을 갖고 있다. 경질 크롬도금막을 갖고 있는 피스톤 링은 내마모성이 우수하고, 주철재 실린더 라이너는 주철 특유의 흑연과 스테다이트(steadite)로 인하여 우수한 슬라이딩 특성을 제공하므로, 상기의 조합에 의해 우수한 내스커핑성(scuffing resistance)과 내마모성이 확보된다.
본 특허의 출원인들은 일본 특개평 7-180608호(1995)와 특개평 8-178068호(1996)에, 종래보다 고속에서 작동하는 더 작고 경량화된 내연기관의 실시와, 경질 크롬도금막을 Cr-N 합금 PVD(물리적 기상 증착)피막으로 대체함에 의해 달성된 피스톤의 내공격성(슬라이딩시의 상대측으로부터의 공격에 대한 내성) 향상에 대하여, 각각 개시하였다.
배출가스 관련법규 같은 원인으로 인해 디젤기관의 작동 조건이 고도로 엄격해지고 있으므로, 디젤기관의 피스톤 링과 실린더 라이너에 있어서 우수한 내마모성이 요구되어져 왔다.
본 발명은 디젤기관과 같은 내연기관에 적합한 실린더 라이너 및 실린더 라이너와 피스톤 링의 조합에 관한 것이다.
도 1은, 본 발명에 따른 실시예와 종래 기술에 따른 비교예에 대하여, 각각의 실린더 라이너와 제1압축링에 있어서의 마모를 보여주는 그래프이다.
본 발명의 목적은, 내연기관용 특히 디젤기관용으로서 우수한 내마모성을 갖는, 실린더 라이너 및 실린더 라이너와 피스톤 링의 조합을 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 채용한 제 1 수단은, 피스톤 링이 실린더 라이너의 내주면을 따라 슬라이딩하는 내연기관의 실린더 라이너에 있어서, 적어도 실린더 라이너 내주면의 일부분에 산화철피막을 형성시키는 것이다. 본 발명에 채용된 제 2 수단은, 실린더 라이너를 따라 슬라이딩하는 피스톤 링에 있어서, 적어도 피스톤 링의 슬라이딩 면에 금속 질화물피막을 형성시키는 것이다.
상기 실린더 라이너는 건식 또는 습식이며, 상기 실린더 라이너의 모재는 주철 또는 강이다. 실린더 라이너 모재로서의 주철은 일반적으로 편상흑연주철이나, 구상흑연주철, CV주철, 공정흑연주철, 백심가단주철, 고Cr주철, 흑심가단주철 중의 하나일 수도 있다. 실린더 라이너 모재로서의 강으로는 어떠한 강도 사용가능하지만, 추천할만한 강에는 JIS(일본공업규격)에 명시된 S43C, S45C, S48C, S50C 같은 기계구조용 탄소강, JIS에 명시된 SUJ2 같은 고탄소 크롬베어링강이 포함된다. 실린더 라이너의 열처리로는, 실린더 라이너 내주면상의 사점과 같은 특정 영역에 대한 국부적인 칠 경화(chill-hardening) 및 국부적인 표면경화, 실린더 라이너 전체영역에 대한 담금질 및 표면 담금질 중의 한가지가 실시될 수 있다. 강재 또는 주철재인 실린더 라이너의 표면처리로는, 질화 처리, 붕소 화합물형성 처리, 침황 처리, 침탄 처리, 이온 주입, 금속 확산/증착, 금속 용사도금, 화성처리(산화물 피막처리, 인산염피막처리, 용융염 탄화물처리), 수지 함침처리 중 하나 이상의 처리가 산화철피막 형성 전에 또는 산화철피막 형성과 복합적으로 실시될 수 있다. 또한, 산화철피막 형성전이나 형성후에 쇼트피닝(shot peening)처리가 실시될 수도 있다.
실린더 라이너 내주면의 적어도 일부분에 형성된 산화철피막은 0.5-100㎛의 두께를 갖고 있으며, 주로 Fe3O4(Fe2O3와 FeO 또한 포함)의 화합물층과 확산층으로 구성되거나, 화합물층 단독 또는 확산층 단독으로 구성된다. 상기 산화철피막은 에어플라즈마 용사도금, 용융 질산염처리, 수증기처리 중 한 가지 방법에 의해 형성된다. 상기 산화철피막은 그의 요철 표면에 직경 1㎛ 정도인 다수의 공공(空孔)을 갖고 있으므로 보유성(保油性)이 우수하고, 그로 인한 오일 공급효과에 의하여 우수한 내마모성을 나타내게 되는 바, 결과적으로 실린더 라이너의 수명을 연장시켜 준다. 또한 산화철피막은 화학적으로 안정하기 때문에 부식마모를 억제해 준다.
피스톤 링은 주철이나 강을 모재로하여 제조되며, 특히, FCD 500 이상의 주철, 마르텐사이트계 스테인레스강(예컨대, 5-20 질량%의 Cr, 0.16-1.4 질량%의 C 및 Mo, V, Co, Al을 포함한다), Si-Cr 강 중에서 선정된 모재가 사용된다.
피스톤 링의 상기 금속 질화물피막은 모재인 주철위에 형성되거나, 모재위에형성된 질화물층위에 형성된다. 상기 질화물피막이 마모로 소진된 후에는 상기 질화물층이 외부에 노출되어 피스톤링을 보호해 줄 수 있다.
금속 질화물은 Cr-N 합금, Cr-B-N 합금, Ti-N 합금, Cr-B-V-N 합금 중 하나로 됨이 바람직하다고 할 수 있다. 상기의 Cr-N 합금과 Cr-B-N 합금에는, 결정조직내에 산소 1-15 질량% 및 탄소 1-15 질량%를 고용(固溶)하는 합금도 포함될 수 있다.
실린더 라이너를 따라 슬라이딩하는 피스톤의 슬라이딩 면상에 형성되는 금속 질화물피막은 스퍼터링이나 이온도금과 같은 PVD 또는 CVD(화학적 기상 증착)중의 한 가지 방법을 통하여 형성될 수 있다. 상기 피막은 피스톤 링의 내스커핑성(scuffing resistance)과 내마모성을 향상시켜주는 층으로, 5-120㎛의 두께를 가질 수 있다.
피스톤 링에 질화물층을 형성시킬 때는, 피스톤의 링 홈부에 대한 노킹(knocking)에 의해서 피스톤의 상단면과 하단면에 발생하는 노킹 마모를 방지하기 위해, 5-120㎛ 두께의 질화물층을 모재의 전체 표면에 형성시켜 줌이 바람직하다.
피스톤 링에 금속 질화물피막을 형성시키는 대신에, 도금(Cr 도금, 적층 Cr 도금, 복합 도금), 금속 용사도금(플라즈마 용사도금, Mo + Mo2C + NiCr, Mo + NiCrBSi, Mo + Mo2C + NiCrBSi, CrC/NiCr 등)을 통하여 보호층으로서 탄소계 피막(다이아몬드상 탄소, 금속 다이아몬드 탄소)을 형성시킬 수 있으며, 또는 상기 탄소계 피막에 대해 드라이 프로세스(dry process)를 실시할 수 있는데, 이렇게 해도유사한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 실린더 라이너는, 수증기처리에 의해서 최소한 실린더 라이너 내주면의 일부분 이상에 산화철 피막이 형성되며, 본 발명에 따른 피스톤 링(제1압축링)은 Cr-N 합금, Cr-B-N 합금(결정조직내에 산소 1-15 질량%, 탄소 1-15 질량%를 고용(固溶)), Ti-N 합금, Cr-B-V-N 합금 중 하나의 PVD 피막을 갖게 된다. 그렇게 됨으로써, 본 발명에 따른 실린더 라이너와 피스톤 링은 우수한 내마모성을 나타내며, 가혹한 작동조건하의 디젤기관에서도 충분한 내성을 지니므로 장시간 사용될 수 있다.
상기에 기술된 바와 같이, 주로 Fe3O4(또한 Fe2O3와 FeO도 포함) 산화철피막으로 된 본 발명의 실린더 라이너의 내주면은 우수한 내마모성과 긴 수명을 갖고 있으며, Cr-B-V-N 합금, Cr-N 합금, Cr-B-N 합금, Ti-N 합금과 같은 금속 질화물피막으로 된 본 발명의 피스톤 링의 슬라이딩 면은 충분한 내마모성과 내스커핑성을 갖고 있다. 따라서, 가혹한 작동조건하에 있는 디젤엔진에서조차 피스톤과 실린더 라이너의 마모를 현저히 감소시킬 수 있다.
강재 실린더 라이너는 경도 Hv 190 이상인 강재를 이용하여 제조가능하며,전체 담금질, 표면 담금질, 침황 처리, 침탄 처리 같은 처리가 선택적으로 실시된다. 강재로는, 충분한 기계적 강도, 예컨대 충분한 인장강도와 내충격성을 갖는 소려된 SUJ2와 S45C 같은 소재가 사용될 수 있다.
하기에서는, 본 발명에 따른 실시예와 종래 기술에 따른 비교예에 대하여, 각각의 실린더 라이너와 피스톤 링(제1압축링)에 실시된 시험에 대해 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 실시예 (1-3)의 실린더 라이너와 종래기술에 따른 비교예 (1-4)의 실린더 라이너는 모두 하기와 같은 특성의 동일한 주철을 모재로 하고 있다.
화학 조성(질량%)
TC : 2.80-3.50
Si : 1.50-2.50
Mn : 0.50-1.00
P : 0.20-0.50
S : < 0.13
Cu : 0.20-0.60
Mo : 0.10-0.50
B : 0.07-0.11
조직
흑연 : 편상
기지 : 퍼얼라이트, 특수 스테다이트
물성
경도 : 95 - 105 (HRB)
본 발명에 따른 실시예 (1-3)의 제1압축링과 종래 기술에 따른 비교예 (1-4)의 제1압축링은 모두 동일한 17Cr 스테인레스강을 모재로 하고 있다.
본 발명에 따른 실시예 (1-3)과 종래 기술에 따른 비교예 (1-4)에 대한 실린더 라이너의 내주면과 제1압축링의 슬라이딩 면은 하기의 표와 같다.
실린더 라이너의 내주면 제1압축링의 슬라이딩 면
실시예 1 산화철피막 Cr-N 합금 PVD 피막
실시예 2 산화철피막 Cr-B-N 합금 PVD 피막
실시예 3 산화철피막 Cr-B-V-N 합금 PVD 피막
비교예 1 피막 없음 Cr 도금층
비교예 2 질화물층 Cr 도금층
비교예 3 피막 없음 Cr-N 합금 PVD 피막
비교예 4 질화물층 Cr-N 합금 PVD 피막
여기서, 상기 실린더 라이너의 산화철피막은 570℃ 온도에서 2시간의 수증기처리에 의해 형성되며, 이 때 피막의 두께는 약 10㎛이고, 피막의 경도는 HV500 이상이다. 상기 실린더 라이너의 질화물층은 500℃ 온도에서 5시간의 질화처리에 의해 형성되며, 이 때 질화물층의 두께는 확산층과 화합물층 모두 합하여 약 50㎛이며, 질화물층의 경도는 HV880이다.
상기 피스톤 링의 Cr-N 합금 PVD 피막은, Cr-N(주로 ｛200｝)으로 이루어진 Cr-N 합금으로, 여기서 피막 두께는 30㎛이고 피막의 경도는 HV1000 이다.
상기 피스톤 링의 Cr-B-N 합금 PVD 피막은, 1-2 질량%의 B를 함유하는 Cr-N(주로｛111｝)으로 이루어진 Cr-B-N 합금으로, 여기서 피막 두께는 30㎛이고 피막의 경도는 HV2000 이다.
상기 피스톤 링의 Cr-B-V-N 합금 PVD 피막은, 0.05-20 질량%의 B와 0.1-30 질량%의 V를 함유하는 Cr-N(주로 ｛200｝)으로 이루어진 Cr-B-V-N 합금으로, 여기서 피막 두께는 30㎛이고 피막의 경도는 HV2000 이다.
상기 피스톤 링의 Cr 도금층은 약 100㎛의 두께와 HV900의 경도를 갖고 있다.
상기 실시예 (1-3) 및 비교예 (1-4)의 실린더 라이너와 제1압축링을 실제로 디젤기관에 장착한 다음, 상기 디젤기관을 소정의 시간동안 가동시켰다.
상기 실제 디젤기관은 하기의 조건하에서 가동되었다;
사용된 기관 : 디젤기관
총 배기량 : 11L
기관 회전속도 : 35S-1(2,100 rpm)
윤활유 : 10W-30
부하 : 최대 부하
가동 시간 : 100 시간
가동을 마친 후, 실시예 (1-3)과 비교예 (1-4)의 실린더 라이너와 제1압축링에 대하여 마모량을 측정하였다. 도 1은 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
상기 그래프에서 실린더 라이너의 마모량을 비교해 보면, 산화철피막을 갖고 있는 실시예 (1-3)에서는 마모량이 작고, 피막이 없는 비교예 1과 비교예 3에서는 그에 비해 마모량이 크며, 질화물층을 갖고 있는 비교예 2와 비교예 4에서는 마모량이 매우 큼을 알 수 있다. 실시예 1과 비교예 3 및 비교예 4에서, 실린더 라이너를 따라 슬라이딩하는 제1압축링이 모두 동일한 Cr-N 합금 PVD 피막을 갖고 있음에도, 실시예 (1-3)의 실린더 라이너의 마모량이 상대적으로 매우 작다는 사실은 산화철피막에 기인한 것으로 사료된다.
또한 상기 그래프에서 제1압축링의 마모량을 비교해 보면, PVD 피막층을 갖고 있는 실시예 (1-3)에서 마모량이 최소값을 나타내고, Cr 도금막을 갖고 있는 비교예 2와 Cr-N 합금 PVD 피막을 갖고 있는 비교예 4에서 그 다음으로 마모량이 작으며, 비교예 4와 마찬가지로 Cr-N 합금 PVD 피막을 갖고 있는 비교예 3에서는 비교적 마모량이 크고, Cr 도금막을 갖고 있는 비교예 1에서는 마모량이 매우 큼을 알 수 있다. 이는, 상기 제1압축링에 조합된 실린더 라이너의 내주면과의 상승효과(synergetic effect)에 의해서 제1압축링의 마모량이 상기와 같이 발생되었음을 보여주는 결과라 할 수 있다. 상기의 조합중에서, 실시예 (1-3)의 조합이 최적이며, 이는 산화철 피막을 갖고 있는 실린더 라이너와, Cr-N 합금 PVD 피막, Cr-B-N 합금 PVD 피막, Cr-B-V-N 합금 PVD 피막 중의 하나를 갖고 있는 제1압축링의 조합이다.

Claims (7)

  1. 피스톤 링이 실린더 라이너의 내주면을 따라 슬라이딩하는 내연기관에 있어서, 상기 실린더 라이너는 주철재 또는 강재로 이루어고, 상기 내주면의 적어도 일부분에 산화철 피막을 가지며, 상기 산화철 피막은 표면의 요철에 직경 1㎛ 정도의 다수의 공공(空孔)을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더 라이너
  2. 제 1 항에 있어서, 상기의 산화철피막이 에어플라즈마 용사도금, 용융 질산염처리, 수증기처리 중의 한 가지 방법에 의해서 형성된 것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더 라이너.
  3. 피스톤 링이 실린더 라이너의 내주면을 따라 슬라이딩하는 내연기관에 있어서,
    상기 실린더 라이너가 주철재 또는 강재로 이루어고, 상기 내주면의 적어도 일부분에 산화철 피막을 가지며, 상기 산화철 피막은 표면의 요철에 직경 1㎛ 정도의 다수의 공공을 갖고,
    상기 피스톤 링은 적어도 상기 실린더 라이너와의 슬라이딩 면에 금속 질화물로 이루어진 피막을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더 라이너와 피스톤 링의 조합.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 질화물피막이 PVD 또는 CVD에 의해 형성된 것을 특징으로 하는, 내연기관의 피스톤 링과 실린더 라이너의 조합.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 금속 질화물피막이 Cr-N 합금, Cr-B-N 합금, Ti-N 합금, Cr-B-V-N 합금 중 어느 하나로 이루어인 것을 특징으로 하는, 내연기관의 피스톤 링과 실린더 라이너의 조합.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 금속 질화물이 Cr-N의 결정조직내에 산소 1-15 질량%와 탄소 1-15 질량%를 고용(固溶)하고 있는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 피스톤 링과 실린더 라이너의 조합.
  7. 제 3 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤 링이, 상기 피스톤 링의 모재와 상기 금속 질화물피막의 사이에 형성된 질화물층을 갖는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 피스톤 링과 실린더 라이너의 조합.
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