[논문]디젤엔진 실린더 라이너-피스톤 링의 코팅 층 강도에 따른 마모특성 연구

장정환; 김정훈; 김창희; 문영훈

doi:10.5228/kspp.2008.17.5.343

디젤엔진 실린더 라이너-피스톤 링의 코팅 층 강도에 따른 마모특성 연구
Effect of Coating Layer Hardness on the Wear Characteristics of Diesel Engine Cylinder liner-Piston Ring 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.17 no.5 = no.103, 2008년, pp.343 - 349

장정환 (부산대학교 정밀기계공학과) , 김정훈 (두산엔진(주) 기술연구소) , 김창희 (두산엔진(주) 기술연구소) , 문영훈 (부산대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

The wear between piston ring face and cylinder liner is an extremely unpredictable and hard-to-reproduce phenomenon that significantly decreases engine performance. This study will discuss characteristics of wear between hard and soft piston ring coatings with running surface of cylinder liner. Detailed tribological analysis by using Pin-on-Disk(POD) testing machine describes the lubricity mechanism between piston ring coatings and cylinder liner at different temperature with and without oil. The effect of surface roughness of the cylinder liner on the friction coefficient and wear amount of piston ring coatings will also be analyzed. To simulate scuffing mechanism between piston ring and cylinder liner, accelerated lab testing was performed. This study will provide the data from tribological testing of hard and soft piston ring coatings against cylinder liner. Furthermore, the microstructures and morphological features of the surface and the near-surface materials during wear will be investigated. From the scuffing test by using POD testing machine, scuffing mechanisms for the soft and hard coating will be analyzed and experimentally confirmed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이루려는 목적이 있다. 또한 경질 코팅은 연질코팅보다 높은 경도를 가지며, 마모 저항성 증가로 피스톤 링의 수명을 연장시키는 목적으로 사용된다. 매우 복잡한 마모 현상의 하나인 스커핑은 기계, 물리, 화학, 열 등의 상호작용에 의해 일어난다.
본 연구를 위한 소재는 선박용 디젤엔진 실린더 라이너와 피스톤 링을 사용하였으며, 실린더 라이너를 기준으로 코팅 층의 경도가 높은 경질 코팅과 반대의 경우인 연질코팅의 마모 특성을 파악하고자 하였다. 실제 선박용 디젤 엔진 실린더 라이너와 피스톤 링의 마모 거동에 대한 분석을 위하여, 실린더 라이너를 디스크로, 피스톤 링을 회전운동을 하는 핀으로 하여 Pin-on-Disk 시험을 실시하였다.
본 연구에서는 디젤 엔진 피스톤 링의 코팅 층강도에 따른 마모 특성을 파악하고자 하였다. 경질 코팅과 연질코팅의 두 종류에 대해 POD 실험을 통한 온도별, 표면조도 별 마모율과 마찰계수의 특성을 파악하였으며, 스커핑 실험을 통한 스커핑 메커니즘을 제시하였다’ 그 결론을 요약하면 아래와 같다.

제안 방법

경질 코팅과 연질코팅의 두 종류에 대해 POD 실험을 통한 온도별, 표면조도 별 마모율과 마찰계수의 특성을 파악하였으며, 스커핑 실험을 통한 스커핑 메커니즘을 제시하였다’ 그 결론을 요약하면 아래와 같다.
또한 디스크의 표면 조도에 따른 코팅 층의 영향을 분석하였다. 회전속도 500rpm(0.
5pm)로 분류하여 실험을 진행하였다. 또한 스커핑 실험을 통한 마모 진행과정을 고찰하고자 하였으며, 이를 통해 마찰계수와 스커핑 진행과정과의 상관관계를 분석하였다.
또한 하중장치 (load cell) 는 수직 축에 수평방향으로 위치해 있으며, 공기압에 의해 정밀하게 제어할 수 있다. 마모량 측정은 실험 전과 후의 핀의 무게를 전자 저울(측정능력: O.lmg)을 이용하였다.
75m/sec), 하중; 100N(50bar))으로 4가지 온도(25, 100, 170, 230℃)에 대해서 60분간 실험을 진행한 후 마모 특성을 분석하였다. 마모시험용 디스크는 표면 조도를 0.2~0.5㎛ 범위에서 가공하였으며, 핀은 코팅층의 특성 분석을 위해서 초기 표면조도를 유지한 채(경질코팅의 경우 0.28~0.35|im, 연질코팅의 경우 7.5~8㎛) 시험하였다.
본 연구에서는 경질코팅과 연질코팅의 두 분류로 나뉘어 코팅된 피스톤 링의 마모 특성에 관한 연구를 하기 위해서, 먼저 실제 엔진 가동 조건과 유사한 조건에서 실험을 통해 온도별(25, 100, 170, 230℃) 마모 특성과 표면 조도에 대한 마모 특성을 분석하고자 하였으며, 실린더 라이너의 표면조도를 3가지의 경우(Ra 0.2-0.5, 0.7-1.0, 1.2-1.5pm)로 분류하여 실험을 진행하였다. 또한 스커핑 실험을 통한 마모 진행과정을 고찰하고자 하였으며, 이를 통해 마찰계수와 스커핑 진행과정과의 상관관계를 분석하였다.
실린더 라이너/피스톤 링 대상 부품재에 대해 POD 시험을 실시하여 코팅층의 순수 내마모성을 평가하였다. 실린더 라이너를 디스크로, 피스톤링을 핀으로 가공하여 핀의 무게 변화에 따른 마모된 정도와 마찰계수를 관찰하였다.
실린더 라이너/피스톤 링 사이의 스커핑 현상을 연구하기 위해 4가지의 온도(25, 100, 170, 230℃)에 대한 무윤활 POD 시험 장치를 통하여 시간에 대한 표면 스커핑 거동을 분석하였다. 일정 시간 간격(1min)으로 총 20분 동안 마찰표면을 50배율로 현미경 관찰하여 표면 흠(surface scar) 발생 정도로 스커핑 저항성을 평가하였다.
실린더 라이너를 디스크로, 피스톤링을 핀으로 가공하여 핀의 무게 변화에 따른 마모된 정도와 마찰계수를 관찰하였다.
하였다. 실제 선박용 디젤 엔진 실린더 라이너와 피스톤 링의 마모 거동에 대한 분석을 위하여, 실린더 라이너를 디스크로, 피스톤 링을 회전운동을 하는 핀으로 하여 Pin-on-Disk 시험을 실시하였다.
실험 조건은 실제 선박용 디젤 엔진 가동 조건을 기준으로[4](회전 속도; 1500rpm(2.75m/sec), 하중; 100N(50bar))으로 4가지 온도(25, 100, 170, 230℃)에 대해서 60분간 실험을 진행한 후 마모 특성을 분석하였다. 마모시험용 디스크는 표면 조도를 0.
연질코팅과 경질코팅의 온도별 마모 결과를 바탕으로 스커핑 거동을 분석하였다.
4에서와 같이 챔버에 디스크와 핀이 충분히 잠길 정도의 윤활제를 첨가한 후, POD 시험을 실시하였다. 윤활시험에서는 마모를 촉진시키기 위해 가혹한 조건인 회전 속도 1500rpm (2.748m/sec), 수직하중 400N으로 30분 동안 실험을 수행하였다.
일정 시간 간격(1min)으로 총 20분 동안 마찰표면을 50배율로 현미경 관찰하여 표면 흠(surface scar) 발생 정도로 스커핑 저항성을 평가하였다. 표면 흠 발생을 엄밀하게 분석하기 위해 회전속도를 lOOOrpm, 실험하중을 20N으로 낮주어서 스커핑현상을 관찰하였다.
일정 시간 간격(1min)으로 총 20분 동안 마찰표면을 50배율로 현미경 관찰하여 표면 흠(surface scar) 발생 정도로 스커핑 저항성을 평가하였다. 표면 흠 발생을 엄밀하게 분석하기 위해 회전속도를 lOOOrpm, 실험하중을 20N으로 낮주어서 스커핑현상을 관찰하였다.
피스톤 링과 실린더 라이너 사이의 윤활 특성을 파악하기 위해서 Fig. 4에서와 같이 챔버에 디스크와 핀이 충분히 잠길 정도의 윤활제를 첨가한 후, POD 시험을 실시하였다. 윤활시험에서는 마모를 촉진시키기 위해 가혹한 조건인 회전 속도 1500rpm (2.
분석하였다. 회전속도 500rpm(0.916m/sec), 수직 하중을 50N으로 실험을 진행하였으며, 디스크는 표면 연마에 의해 총 3종류 범위의 초기 표면조도(Ra0.2~0.5, 0.7~1.0, 1.2~1.5㎛)를 가하여 표면조도에 대한 영향을 분석하였으며, 핀은 온도 실험과 동일하게 초기 표면조도를 유지한 채 가공하였다.

대상 데이터

실험 장비는 PLINT사의 TE-92 마모 시험기를이용하였으며, Fig. 2에 그 개략도를 나타내었고, Fig. 3에 디스크와 핀의 치수를 나타내었다_n 기계장치 상부에 모터가 위치해 있으며, 이에 의해 회전 속도를 제어 하게 된다. 또한 하중장치 (load cell) 는 수직 축에 수평방향으로 위치해 있으며, 공기압에 의해 정밀하게 제어할 수 있다.

성능/효과

(1) 온도 실험 결과, 마찰계수가 높을수록 마모율은 크게 나타났으며, 100℃ 에서 마찰계수와 마모율이 가장 크게 나타내었으며, 그 이상의 온도에서는 표면 산화에 의한 산화피막의 윤활작용에 의해 마찰계수와 마모율이 점점 줄어드는 경향을 보였다.
(2) 연질코팅은 표면조도의 영향으로 인해 표면 조도가 거칠어질수록 마모율은 낮게 나타났으며, 경질코팅은 표면조도의 영향이 미미하였다.
(3) 경질코팅은 회전 방향과 수직 방향으로 흠이 주로 발생하고, 연질코팅은 표면 흠이 산포해서 발생하고, 이 흠들이 회전방향으로 배열되는 형태를 띠었고, 코팅층의 응착이 관찰되었다.
(4) 온도에 대한 스커핑 실험 결과, 경질코팅 된 핀과 접촉한 디스크에서 표면 흠의 발생이 높게 나타났으며, io(rc 에서 많은 표면 흠이 발생하였으며, 보다 높은 온도에서는 표면 흠의 발생 정도가 감소하는 경향을 보였다.
10에 나타내었다. 연질코팅의 경우 표면조도의 변화에 따라 마모율의 변화가 큰 반면, 경질코팅은 변화가 미미하였으며, 경질코팅에 비해 연질코팅의 마모율이 크게 나타났다. 또한 윤활의 경우 무윤활 시험과 같은 조건에서는 마모가 거의 진행되지 않았다.
온도에 대한 스커핑 실험 결과, 25℃에서 가장 낮은 마모율과 마찰계수 그리고 표면 흠 발생 비율을 나타내었다. 고온에서 25℃에 비해 높게 나타났으며, 100℃에서 표면 흠이 많이 발생하였다(Fig.
온도에 대한 실험 결과, 100℃에서 25℃에 비해 마모율이 크게 증가하는 경향을 나타내었으나, 그 이상에서는 마모율이 점점 줄어드는 경향을 보였다. 고온에서는 표면의 뚜렷한 강도 저하가 나타나 25'C 에 비해 고온에서의 무른 표면에 대한 마모율이 높게 나타났다[5~6].
13(b)의 EDX 측정결과를 나타내었다. 측정 결과에 의하면, 핀의 코팅층의 성분인 구리 (Cu)와 알루미늄(A1)이 다량 검출되어 디스크 표면에 코팅층이 응착되었음을 알 수 있다. 시간이 지남에 따라 표면에 흠이 산포해서 발생되고, 회전 방향으로의 표면 흠이 배열되고 있다.

참고문헌 (11)

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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