엔진부품을 위한 카본계 내마모 윤활코팅 2006. 5. 30. kist- 현대자동차 협력...

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Page 1: 엔진부품을 위한 카본계 내마모 윤활코팅 2006. 5. 30. KIST- 현대자동차 협력 포럼 KIST 미래기술연구본부 이 광 렬

엔진부품을 위한 카본계 내마모 윤활코팅

2006. 5. 30.KIST- 현대자동차 협력 포럼

KIST 미래기술연구본부 이 광 렬

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Contents

• Brief Introduction to Diamond-like Carbon Coatings

• Applications of DLC to Automobile Parts

• DLC Research at KIST

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What is DLC ?

• Amorphous Solid Carbon Film• Mixture of sp1, sp2 and sp3 Hybridized Bonds• High Content of Hydrogen (20-60%)

• Synonyms– Diamond-like Carbon– (Hydrogenated) amorphous carbon (a-C:H)– i-Carbon– Tetrahedral Amorphous Carbon

Heart valve Hard disk

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Bond Structure of Carbon

1S2 2S22P2

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a-C:H ta-C

2-D Analogy of Structure

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Properties of Solid Carbon

Property Diamond DLC Graphite

Density (g/cm3) 3.51 1.8 – 3.6 2.26

Atomic Number Density (Mole/cm3)

0.3 0.2 – 0.3 0.2

Hardness (Kgf/mm2) 10000 2000 - 8000 500

Friction Coeff. 0.05 0.03 – 0.2 0.1

Refractive Index 2.42 1.8 – 2.6 2.15 – 1.8

Transparency UV-VIS-IR VIS-IR Opaque

Resistivity (cm) >1016 1010 - 1013 0.2 – 0.4

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경질코팅층의 내마모 윤활특성

DLC

WC

TiN

CrN

TiCN

마모도 마찰계수 .

2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0( 상대비교치 )

Against steel ball, 50% RH, RT(Source : Nanotech Co. Ltd)

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Applications of DLC

VCR Head Drum

CD/DVD Mold

Spacer Tool

Form Die

Hard Disk & Slider

Digital VCR Tape

Razor Blade

Wrist Pin

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Applications of DLC

CarbofilmTM by Sorin Biomedica, Inc.

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Deposition Methods

Energy

Ion Source

Cold SubstrateIm

pact

Ene

rgy

(eV

)1

10

100

1000

Amorphous Carbon

(sp2)

DenseCarbon

CarbonSource

HydrocarbonSource

DenseHydro-Carbon

PolymerLike

Carbon

PlasmaPolymers

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PACVDPACVD

Ion Energy Distribution

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Examples of the Deposition Method

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Development of Diesel Engines

• Diesel engines are designed with continuously increasing power densities since the introduction of HP-fuel injection systems (1993).

• Power and torque of diesel engines increased at a much higher rate than gasoline engines.

• Meet environmental laws and cost reduction requirements.

0

100

200

300

400

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

Year

Nm Diesel

Petrol

(Source : Dr. Strondl @ Hauzer)

Momentum development for typical 2 liter Petrol and Diesel engines over 35 years.

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Driving Force : Economy and Environment

• Reduction of Energy Consumption– Reduction of friction

• Reduction of Emission– Higher pressure fuel injection– Predictable wear of piston ring

• Cost Reduction– Reduction of parts number

e.g. sliding bearing instead of needle bearing coated piston pin coated tappet

• Wear Protection– Higher load per surface area

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Friction Loss in Engine

(Source : Dr. Strondl @ Hauzer, 2005)

camshafttappets

valves

piston

piston rings

crankshaft

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Carbon based Nitride based

Me-C:H a-C:H Me a-C a-C CrN TiN

Production method

PVD/PACVD PACVD PVD PVD PVD PVD

Hardness (HV 0.05)

800-2200 1500-3500 1500-2500 2000-7000 2000-2200 2000-2200

Friction coefficient

0.1-0.2 0.02-0.1 0.05-0.1 0.02-0.1 0.4 0.7

Internal stress (GPa)

0.1-1.5 1-3 1-3 2-6 0.1-1 0.5-2

Thickness (µm) 1-10 1-3 1-5 1-3 1-40 1-8

Practical problems

+++ ++Process stability

+ +++ +++

Industrial experience

+++ ++ - - +++ +++

Available Coatings at Present

(Source : ICMCTF 2005 / 2006)

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(Source : Dr. Strondl @ Hauzer, 2005)

Coating Technology for Automobile Engines

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Penetration Fraction of PVD (2006)

• Diesel Pump 100% since 1994

• Crankshaft Bearing 100% since 1987

• Piston Ring 10% since 1993

• Valve train (Tappet) 2% since 2001

• Piston Pin 1% since 2002

• Gear < 1% since 2000

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Demands in Automobile Applications

• Low wear of Coated Part– Suppress abrasive wear– Suppress adhesive wear– Suppress fatigue wear

• Low Wear on Counterpart• Low Coefficient of Friction

Composition

Multilayer structure

Microstructure

Optimized to the applicationfor minimum wear and power consumption

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Nanocomposite / Multilayer

CrC/W-DLC Multilayer (Hauzer)W-DLC by Hybrid Ion Plating (KIST)

5nm

5nm

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Part: Diesel fuel injector and plungerCoating: a-C:H, W-C:H with metallic bufferCoating thickness >1 μmBenefit Wear resistance, preventing seizure

Figure from Robert Bosch GmbH

Fuel Injection System

2000~3000bar

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Technical Data

Engine power: 96 KW (130 PS)

Injection pressure: 2050 bar

Pressure power: 14.000 N

Advantages

• Increased efficiency (lower friction)

• Increased engine torque

• Reduce energy consumption

• Reduction of the CO2-emission

Source: Volkswagen AG, Wolfsburg

Unit Injection System (1.9TDI)

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Valve Train

Tappets Rocker Arm + Hydraulic Element

Coating CrN, a-C:H:W/Cr Si-DLC/SiThickness 2 – 6 µmCoating on Top side

Benefit Wear + friction

Coating Endurance+

ReleaseThickness 1 – 5 µmCoating on Head hydraulic element

Rockerarm (racing)

Benefit Wear

(Source : Dr. Strondl @ Hauzer)

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Piston Ring

- Sliding contact- Abrasive wear (also liner to be protected)- Temperature load

Coating 200 µm hard Cr (galvanic)30-40 µm CrN (PVD Arc)~10 µm DLC (PACVD) / Me-DLC (PVD)

(Source : KIST & DHI 1996)

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DLC Application by Nissan

日産自動車,水素フリー DLC コーティングによる摩擦低減技術を開発

日經 BP 2006/03/15 21:15

Compatibility with special lubricant of different additives ( = 0.07)연말 실용화 목표

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Gears

Full oil film lubrication DLC has not shown a beneficial influence.

Boundary lubrication (stopping/starting, severe load, temporary loss of lubricant) DLC coatings can significantly reduce wear.

Maximum load carrying capacity of gears can be increased by 10-40%.

Coated spur gear

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Door Lock to reduce noise

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(Source : Dr. Strondl @ Hauzer, 2005)

Coating Technology for Automobile Engines

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DLC Research @ KIST

• Synthesis and Application of DLC Films– Control of structure and properties of DLC films– Modification of DLC films by third element addition– Nanoscale structure manipulation for novel functions– Tribo-chemical Aspect of DLC Films– Mechanical Properties of Thin DLC Films– Application technologies

• Adhesion improvement• Coating layer optimization• Production process development

http://diamond.kist.re.kr/DLC

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Applications of DLC

VCR Head Drum

CD/DVD Mold

Spacer Tool

Form Die

Hard Disk & Slider

Digital VCR Tape

Razor Blade

Wrist Pin

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Technology Transfer to Industry

J&L Tech Co. Ltd

Daewoo Electronics Co.

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Required Properties of Top Ring

– Anti-scuffing– Wear Resistance– Low Friction Coefficient– Chemical Stability– Self Lubrication– Low Cost

Application to Top Ring

Schematics of Diesel Engine

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Deposition Method

• 250KHz PACVD using CH4 at 200 mTorr• Cylinder Coating Technology

(analogy to VCR Head Drums)• Buffer Layer Design for Optimum Adhesion

~10m Thick Films~10m Thick Films

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Reciprocal Tribometer (Plint 77)

sliding directionpiston ring

cylinder liner(boron cast iron)

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Anti-scuffing Property of Piston Rings

Cr WS2-1 WA2-2 GN PVD DLC0

50

100

150

200

250T

ime

to

fa

ilure

(ho

ur)

Test condition :load :200N, marginal lub. condition

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Wear Test under Dry Lubrication Conditions

0 5000 10000 15000

0.2

0.3

0.4

0.5

DLC coated Ring

Hard Cr Ring

No-lubricant conditionLoad 50N

Fric

tion

Coe

ffic

ient

Number of Cycle.

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Hard Cr Coated Ring DLC coated Ring

Before Test Before Test

After Test After test

Result of Dynamo Test (900h)

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Before Test Before Test

After Test After Test

100m6.5m

5.3m

Hard Cr Coated Piston Ring

DLC/Cr Coated Piston Ring

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Issues in Carbon Base Coatings

• Adhesion– In most cases, film adhesion is more important than th

e mechanical properties.

• Environmental Effects– Compatibility with new lubricants– Adhesion degradation in aqueous environment

• Tribochemical Reaction for Fundamentals– In-situ observation of the contact surfaces– Third element effect– Multilayer effect

• Market Penetration– Based on the advanced technology