Transactions of KSAE, Vol. 18, No. 1, pp.112-119 (2010) Copyright C 2010 KSAE 1225-6382/2010/103-16 차량연비향상을위한 DLC 코팅층이엔진마모특성에미치는영향 김기주 *1) 유석종 2) 최병익 3) 서정대학자동차과 1) 쌍용자동차 CAE 팀 2) 한국기계연구원나노역학팀 3) Effect of DLC Coating-layer on Engine Wear Characteristics for Improving Fuel Consumption of Automotive Engine Kee Joo Kim *1) Seok-Jong Yoo 2) Byung-Ik Choi 3) 1) Department of Automobile Engineering, Seojeong College, Gyeonggi 482-777, Korea 2) CAE Team, Ssangyong Motor Co., 150-3 Chilgoi-dong, Pyeongtaek-si, Gyeonggi 459-711, Korea 3) Korea Institute of Machinery & Materials, 171 Jang-dong, Yuseong-gu, Daejon 305-343, Korea (Received 13 May 2009 / Accepted 28 August 2009) Abstract : Recently, as the matters of environmental pollution, the energy exhaustion and alternative energy source have become more important issues, around industrial countries and the effort to improve fuel consumption is progressed continuously for decrease of air pollution. In an effort to improve fuel consumption for passenger cars, the study of DLC (Diamond Like Carbon) coating which is widely known to good wear characteristics come to the forefront. Therefore, in present study, it was investigated to the influence of DLC coating layer for wear characteristics with the piston ring material and then suggested to the development process for advanced automotive engine parts that showed improved wear characteristics. From these results, Finally, it will be contributed to improve the fuel consumption for passenger vehicles. Key words : DLC(Diamond Like Carbon), Coating( 코팅 ), Adhesion( 부착 ), Wear volume( 마모볼륨 ), Surface roughness ( 표면거칠기 ) 1. 서론 1) 국내에서는올해 8월부터자동차배기량에관계없이 5등급으로단일화하여에너지소비효율이 15km/l 이상이면 1등급으로분류하여각종세제혜택이주어질예정이다. 또한, 유럽연합은교토의정서에의거하여 2012년까지온실가스배출을 1990년대비 8% 감축시킬것을목표로 2012년유럽에서판매되는자동차신차의이산화탄소배출량이 130g/ km을초과시, 2012년 20 /g, 2013년 30 /g, 2014년 60 /g, 2015년 95 /g로각각단계적으로 Penalty를 * Corresponding author, E-mail: kjkim@seojeong.ac.kr 부과할예정이며, 일부유럽국가중프랑스, 스페인, 핀란드, 네덜란드, 오스트리아등은 2008년 1월 1일부터이산화탄소배출량에따라자동차등록세, 주행세등에이미벌과금 (Penalty) 및장려금제도를시행하고있다. 이에, 각국의자동차사는자동차배출가스로인한이산화탄소의발생량이전체이산화탄소배출량의약 80% 를차지하고있으므로, 연비향상을통한이산화탄소배출량을감소시키기위하여자동차경량화및엔진마찰손실저감등의연료고효율화기술개발에총력을기울이고있다. 본연구에서는내마찰 / 내마모특성이우수한 112
다. 1) 그러나, 탄화수소를이용한코팅방법중 C 3H 8 를 차량연비향상을위한 DLC 코팅층이엔진마모특성에미치는영향 DLC(Diamond Like Carbon) 코팅을적용, 박막코팅층의특성을포함한코팅층두께, 마찰계수등의실험결과를바탕으로 DLC 코팅이엔진부품의마찰 / 마모감소에미치는정량적기여도를고찰하고자한다. 2. DLC 코팅의특징 DLC는 Diamond와매우유사한높은경도와내마모성, 윤활성, 전기적절연성, 화학적안정성등의물리화학적특성을보유한탄소의비정질화합물이다. 이러한 DLC 합성을위하여 CH 4( 메탄가스 ), C 2H 2( 아세틸렌가스 ) 및 C 3H 8( 프로판가스 ) 등의탄화수소를이용하는수소함유 DLC와고상의흑연 Target를이용하는수소미함유 DLC로크게구분된 Fig. 1 Test piece 이용한코팅방법은폭발의위험으로인하여산업현장에서는잘사용되지는않는방법이다. 탄소의합성온도는매우낮아기질 (Substrate) 의제한없이거의모든재료에 DLC 코팅의적용이가능하다. 일반적으로다이아몬드상카본필름의합성을위하여 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 이온플레이팅 (Ion Plating), Filtered Vacuum Arc 등의여러가지장비를이용한공정이사용되고있으며, RF-PECVD나 Ion Plating 등에서는메탄 (CH 4), 아세틸렌 (C 2H 2), 프로판 (C 3H 8) 과같은탄화수소계열의가스를사용하며, 스퍼터링 (Sputtering), Filtered Vacuum Arc 2) 등고상의카본 Target을주로사용하고있다. 본연구에서는 W, Cr, Ti를이용하여 Inter Layer를구성하였고, DLC 코팅은 C 2H 2 가스를이용하여 PECVD 방법으로시험편을코팅제작하여평가하였다. 여기서, DLC 코팅의부착력및내마모특성을목적으로코팅하였다. 3. 실험방법 DLC 코팅을위한시험소재는엔진부품중피스톤링 (Piston Ring) 의주소재인구상흑연주철과유사한재질을사용하여제작하였으며, Fig. 1에나타낸것과같이 20 20 10( 가로 세로 두께 ) 의박막물 Fig. 2 Heat treatment cycle 성평가용사각시험편과 Φ30 10( 원주 두께 ) 의원형마찰특성평가용시험편을 #300까지밀링을이용하여정삭가공을실시하였고, 그후, #500, #800 및 #1,000번의 Emery Paper를이용하여수가공하였다. 시험편은피스톤링과동일한기계적물성을갖기위하여린드버그 (Lindberg) 사의열처리로 (BF51894C- 1Model) 를이용하여열처리하였으며열처리 Cycle 은 Fig. 2에나타내었다. 시험편의재료물성은피스톤링재질규격에준하여제작하였다. 시험편의경도및화학성분 (wt.%) 은 Table 1 및 2에나타내었으며, 표에나타나듯기준에부합하였다. 시험편의코팅은 DLC 박막코팅층의특성과내부층 (Inter Layer) 의특성을파악하기위하여모두 4 가지종류의코팅을실시 3) 하였으며, 코팅공정은먼저, 시험편의준비 세척 코팅 검사의공정을거쳐적층하였으며, 코팅한시험편의이력은 Table 3에나타내었다. Table 1 Hardness Test item Spec. Results Hardness (HRC) 25~38 28.9 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 18, No. 1, 2010 113
Kee Joo Kim Seok-Jong Yoo Byung-Ik Choi Table 2 Chemical composition(wt.%) Chemical composition (wt.%) Test item SPEC. Result T.C 3.30~4.20 3.56 Si 2.20~3.40 2.59 Mn 0.50~1.0 0.589 P 0.2max 0.07 S 0.05max 0.009 Cu 0.50~1.0 0.53 Mo 0.50~1.0 0.55 Table 4 A 社 coating process Coating system PECVD Coating gas C 2H 2 Coating pressure 10-3 mbar Process temperature 200 C Process time 10 hrs. Table 3 Test sample 구분 CrN WC+DLC Coating maker CrN+WC +DLC CrTiN +DLC - A 社 A 社 B 社 Process PVD PECVD Coating layer Inter layer PVD + PECVD PECVD Single Multi Double Multi 無有有有 Fig. 4 B 社 DLC Coating Equipment Fig. 5 CrN drop-let shape & size Table 5 B 社 coating process Coating system PECVD Fig. 3 A 社 DLC coating equipment DLC 코팅을위한시험장비및공정을 Fig. 3, 4 및 Table 4 및 5에나타내었다. Fig. 5에는 CrN 코팅시편의드롭렛 (drop-let) 형상과대략적인크기를주사전자현미경으로관찰한결과를나타내었는데형상은구상형상을나타내었다. DLC 코팅은 2사 (A 社, B 社 ) 공히동일한공정조건으로적층하였다. Coating gas C 2H 2 Coating pressure 10-3 mbar Process temperature 207 C Process time 10 hrs. 4. 실험결과 4.1 표면거칠기측정시험결과 Table 6은표면거칠기시험을나타내었고, Table 7 은시험결과를나타내었다. 114 한국자동차공학회논문집제 18 권제 1 호, 2010
Effect of DLC Coating-layer on Engine Wear Characteristics for Improving Fuel Consumption of Automotive Engine Table 6 Test condition 구분 Condition LC (Cut-off) 0.8mm LT (Total length) 5.60mm LM (Actual length) 4.00mm NX (Data number) 11,200 Table 7 Roughness test results (Unit : μm ) Roughness 구분 Rz Rmax Ra Substrate 5.07 5.9 0.77 CrN 7.59 8.38 0.97 WC+DLC 4.92 5.73 0.83 CrN+WC+DLC 7.12 8.82 1.04 CrTiN+DLC 5.53 6.02 0.9 시험편의 Roughness test 결과 Coating 전후 Ra (roughness average) 값은크게변하지않았으나, Rz (roughness z-방향한방향 height average) 값과 Rmax (roughness maximum) 값은큰차이를나타내었다. 4) 이것은, 중간적층 (Inter Layer) 으로사용된 CrN 코팅의드롭렛에기인한것으로추정된다. 시험편에나타난드롭렛의형상및크기는 SEM (Scanning Electron Microscope) 를이용하여측정하였으며, 2,000배로확대시약 1~6μm크기의드롭렛이다수관찰되었고, 관찰한드롭렛은 Fig. 5에나타내었다. 4.2 코팅부착성시험결과코팅부착성시험 (Hardness Failure Adhesion test) 는 Matsuzawa사의장비 (RXT-2 Model) 로로크웰 (Rockwell) C-인덴트 (indentation) 로측정하였고, VDI 3198 표준 에따라코팅면에서의균열 (crack) 이나플레이크 (Flake) 유무를측정한다. 시험하중은 150 kgf(1,470n) 의하중을가하여발생한균열이나플레이크에의해 HF1~HF6로분류할수있다. Fig. 6은코팅박막의균열이나플레이크의발생량에따라부착실패 (Hardness Failure) 의정도를분류할수있는견본그림이다. 위의시험방법에의한본연구에서의시험편에대한코팅부착성시험결과는 Table 8에나타내었다. HF1 HF2 HF3 HF4 HF5 HF6 Fig. 6 Standard of HF(Hardness Failure) test Table 8 HF value test results SPL HF value Results CrN WC+DLC CrN+WC+DCL CrTiN+DLC HF1 HF1 HF1 HF1 상기부착성시험결과로미루어각시험편의부착성능은양호한것으로판단된다. Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 18, No. 1, 2010 115
김기주 유석종 최병익 4.3 박막두께 및 Interlayer의 성분분석결과 박막물성을 평가하기 위한 시험편의 준비는 시험 편을 액체질소에 약 10~15초 침적 후 강제 파단하여 시험편을 제작하였고, Hitachi사의 SEM(Scanning Electron Microscope) S-3400N Model을 이용하여 파 단면의 Coating Layer 두께를 측정하였으며, 중간적 층부의 성분분석은 Horiba사의 EDX(Energy Disper- sive X-ray Spectroscopy) 7021-H Model을 이용하여 Fig. 10 WC+DLC coating EDX analysis Fig. 7~Fig. 14에 나타낸 것과 같이 정성 분석하였다. Fig. 7 CrN coating thickness Fig. 11 CrN+WC+DLC coating thickness Fig. 8 CrN coating EDX analysis Fig. 12 CrN+WC+DLC coating EDX analysis Fig. 9 WC+DLC coating thickness Fig. 13 CrTiN+DLC coating thickness 116 한국자동차공학회논문집 제18 권 제1 호, 2010
차량연비향상을위한 DLC 코팅층이엔진마모특성에미치는영향 Table 10 Wear resistance test condition 구분 Test condition Test load 10N Test speed 1.67M/min Test diameter 14mm Relative material SUJ2 6 Test length 500M Atmosphere Dry Fig. 14 CrTiN+DLC coating EDX analysis Table 9 Coating thickness & EDX test results SPL Coating thickness ( μm ) Inter layer material CrN 3.58 無 WC+DLC 2.18 W CrN+WC+DCL 4.62 Cr/W CrTiN+DLC 4.08 Cr + Ti 상기코팅박막의두께등은추후, 부품적용시적정코팅두께의설정과중간적층부의소재선정시적용할수있을것으로판단된다. 4.4 마모특성분석결과 마모저항성시험은핀온디스크마모저항시험기 (Pin on Disc Wear Resistance Tester) 를이용하여시험하였으며, 시험장치의모식도는 Fig. 15에나타내었다. Table 10은마모저항성실험조건을나타내었다. 마모저항성실험공정은시험재셋팅 시험하중부여 마모시험실시의순서로진행하였다. 4.4.1 마찰계수측정결과핀온디스크마모저항시험기를이용하여 500M 시험후의마찰계수 (Friction coefficient) 시험결과는다음과같다. 시험결과의정확도를기하기위하여같은코팅종류시험편 2개를같은방법, 같은시험조건으로 2 회반복하여수행하였다. 마찰계수측정결과 CrN 코팅은약 0.4, CrN+WC+ DLC 코팅은약 0.17로마찰계수가다소높게측정되었다. 이는, CrN 코팅시드롭렛의영향으로판단된다. WC+DLC 코팅과 CrTiN+DLC 코팅은약 0.11~ 0.14의양호하고균일한코팅를나타내고있다. 5,6) Fig. 15 Pin on disc wear resistance tester Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 18, No. 1, 2010 117
Kee Joo Kim Seok-Jong Yoo Byung-Ik Choi 4.4.2 Wear Volume 측정결과마찰계수측정후상대재로사용된 SUJ2 재질의 Ball과마모시험편의무게를측정하여마찰로인한재료의마모볼륨 (Wear volume) 을측정하였다. Table 11은마모시험완료한마모시험편으로이의외관확인결과, 마찰계수가우수한 WC+DLC 코팅과 CrTiN+DLC 코팅의마모량이가장적은것을확인할수있었다. Table 11 After test of specimen SPL Specimen CrN WC+DLC CrN+WC+DLC CrTiN+DLC Table 12와같이마모시험후의 Ball 및마모시험편의마모볼륨을 1/10,000 단위로측정결과, WC+ DLC 코팅과 CrTiN+DLC 코팅의마모시험편이가장우수한마모특성을나타내었다. 5. 결론본논문에서는엔진부품의마찰및마모감소로연료효율성을향상시켜자동차배출가스저감에기여할수있는 DLC 코팅을 PVD(Physical Vapor Deposition) 및 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 코팅방법으로엔진부품소재에적용하여코팅박막의특성및성능을평가하여다음과같은결론을얻었다. 1) 코팅전 후의시험재의표면거칠기측정결과, Ra값의변화는없으나, Rmax 및 Rz값의변화가발생하였다. 이는 CrN 코팅시드롭렛의발생과코팅공정의차이인것으로판단된다. 2) DLC 박막코팅의코팅부착성측정결과, PVD 및 PECVD 코팅방식공히 HF Value HF1의특성을나타내고있어양호한부착성능을나타내었다. 3) 코팅박막의두께및중간층의소재성분분석결과, 코팅두께는약 2~4μm두께로적층되었고, 중간층의소재종류는적용엔진부품의특성에따라 W, Cr, Ti 등의재료를적절히병행하여사용할수있을것으로판단된다. 4) 마모시험에의한, 마찰계수와마모볼륨을분석한결과, WC+DLC 더블층코팅 (double Layer Coating) 과 CrTiN+DLC 다층코팅 (Multi Layer Coating) 이마찰계수 0.11~0.14와마모볼륨 0.001g~0.005g으로가장우수한성능을나타내었다. 이와같이, 본논문에서는 WC+DLC 코팅과 CrTiN+DLC 코팅이동등수준의균일하고낮은마찰계수와마모볼륨을갖는것을확인할수있었다. 이러한, 우수한내마찰 / 내마모특성을갖는 DLC 코팅은각국의환경규제와연비향상을위하여향후자동차엔진부품용코팅방법으로그적용이확대되어질것으로사료된다. Table 12 Wear volume (Unit:g) 후 기 본연구는지식경제부의 21 세기프론티어기술개발사업의일환인 차세대소재성형기술개발사업단 의연구비지원으로수행되었으며이에감사드립니다. 118 한국자동차공학회논문집제 18 권제 1 호, 2010
Effect of DLC Coating-layer on Engine Wear Characteristics for Improving Fuel Consumption of Automotive Engine References 1) Y. H. Jun, Dyamond Phase Carbon Film, Physics Advanced Technology, pp.9-14, 2003. 2) N. Takahifo, Application of DLC Coating and and Machinary Tip, Mechanical Technology, pp.66-75, 2003. 3) H. Y. Ueng, C. T. Guo and K.-H. Dittrich, Development of a Hybrid Coating Process for Deposition of Diamond-like Carbon Films on Microdrills, Surface & Coating Technology, Vol.200, pp.2900-2908, 2006. 4) F. Attar and T. Johannesson, Adhesion Evaluation of Thin Ceramic Coating on Tool using the Scratch Technique, Surface & Coatings Technology, Vol.78, pp.87-102, 1996. 5) H. Ronkainen, S. Varjas and K. Holmberg, Friction and Wear Properties in Dry, Waterand Oil-lubricated DLC against Alumina and DLC against Steel Contacts, Wear, Vol.222, pp.120-128, 1998. 6) H. Li, T. Xu, C. Wang, J. Chen, H. Zhou and H. Liu, Tribochemical Effects on the Friction and Wear Behaviors of a-c:h and a-c Films in Different Environment, Tribology International, Vol.40, pp.132-138, 2007. Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 18, No. 1, 2010 119