KR100204198B1 - 슬라이딩부재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 블라스팅 처리에 의해 주철 또는 강의 표면거칠기를 2㎛∼8㎛로 조절한 슬라이딩부재의 슬라이딩 부분의 기층의 표면에 이온도금에 의해 크롬과 질소를 주성분으로 하는 막을 적어도 10㎛ 이상의 두께로 형성시키고 막의 표면거칠기를 0.8㎛ 이하로 연마하는 슬라이딩부재의 제조방법 및 그렇게 제조된 슬라이딩부재의 관한 것이면, 그에 따르면, 내구성이 우수하고 공업적 이용가치가 높은 슬라이딩부재가 얻어진다.

Description

[발명의 명칭]

슬라이딩부재 및 그 제조방법

[발명의 상세한 설명]

[기술분야]

본 발명은 내마모성과 베이킹내성(baking resistance)이 우수하면서도 밀착성이 우수한 고경도의 이온도금막을 갖는 슬라이딩부재(sliding members) 및 그 제조방법에 관한 것이다.

[배경기술]

내연기관에 있어서 피스톤링(a piston ring)이나 압축기의 베인(a vane) 등과 같은 슬라이딩부재의 슬라이딩면(a sliding surface) 은 큰 윤활성이 요구되며 경질의 크롬 도금이 우수한 성능을 나타내기 때문에 종래에 사용되고 있다. 그러나, 요즈음의 내연기관의 고출력화나 배기가스(exhaust gas)의 해결대책 또는 경량화 등으로부터나 또는 종래의 배출가스의 사용규제 등으로부터 이러한 슬라이딩부재의 표면이 받는 부하는 증대될 수 있으며, 이온도금에 의한 TiN막이나 TiC막 또는 CrN막이 사용되도록 될 수 있다.

PVD법에 의한 TiN막 등은 매우 딱딱하고 부서지기 쉬우며 피막의 잔류응력이 높으므로 밀착성이 나쁘고, 두꺼운 막으로 사용하면 사용시에 막이 박리되거나 막의 표면거칠기가 거칠면 상대되는 부재를 마모시킨다는 문제를 발생시킨다. 그러므로, 일본특허출원공개 평성 4-19412호 공보에 기재된 바와 같이, 우선, 통상적인 방법으로 피스톤의 모재를 제조하고 그 표면거칠기를 연마 등에 의해 조절하며, 더 나아가서는, 매우 얇은 TiN막을 형성시키고 있다. TiN막을 형성한 후의 가공은 원칙적으로 행하지 않고, 가능한 한 초기결합을 개선하기 위해 래핑(lapping)을 실시하는 정도이다.

이와 같이 종래기술에 있어서는 기층표면의 거칠기를 연마 등에 의해 가공 조절하기 때문에 가공시에 기층에 변질층을 발생시킨다. 그 변질층은 이온도금공정에서의 사전 처리인 이온충돌의 정도로는 제거할 수 없으므로 기충과 막과의 밀착성이 충분하지 않게 되며, 막의 두께를 두껍게 하면 막이 박리되기 쉽게 되고, 또한, 막의 밀착성을 확보하기 위해 막의 두께를 얇게 하면 슬라이딩부재의 내구성이 충분하지 않았다.

[발명의 개요]

본 발명은 TiN막이나 TiC막 등의 이온도금막이 씌워진 슬라이딩부재가 갖는 상기와 같은 문제점을 해소하고, 내구성이 우수한 슬라이딩부품과 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명의 슬라이딩부재는 기층면의 거칠기가 2㎛∼8㎛인 주철 또는 강으로 이루어진 슬라이딩부재의 적어도 슬라이딩하는 면에 이온도금에 의한 크롬과 질소를 주성분으로 하는 막을 가지며 그 막의 표면거칠기를 0.8㎛이하로 하고 막의 두께를 10㎛이상으로 한 슬라이딩부재이며, 그러한 막이 금속크롬과 질화크롬으로 이루어지는 혼합조직과 질화크롬 조직 및 막의 내부로부터 막의 외부로 향해서 질소농도가 연속적 또는 단계적으로 증가하고 있는 조직이며, 그 조직이 아몰퍼스(amorphous)조직인 경우도 포함되어 있다. 또한, 슬라이딩부재의 슬라이딩면을 블라스팅(blasting)하는 제1공정과, 이온도금에 의해 크롬과 질소로 이루어진 막을 피복하는 제2공정 및, 막의 표면을 연마 등의 가공을 하는 제3공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 슬라이딩부재의 제조방법이다.

일반적으로 내마모성 막을 갖는 슬라이딩부재의 슬라이딩 면의 형성방법으로서는 막의 두께를 연마되어나가는 만큼 두껍게 코팅하고 표면을 연마하여 마무리함으로써 표면거칠기를 세밀하게 하는 것이 고려되지만, 이온도금막은 막의 내부응력이 전기도금 막에 비해 크고, 또한, 막의 경도도 높으므로 벗겨지기 쉽고, 내부응력의 크기는 막의 두께와 함께 증대되므로 상기 방법에서는 연마시에 피막의 박리가 발생할 우려가 더욱 커지며, 또한, TiN막나 TiC막은 Ti의 증발속도가 느리기 때문에 이온 도금에서의 막의 형성속도가 느리므로 연마되어나가는 만큼 두껍게 코팅하는 것은 공업적으로 바람직한 방법이 아니므로 행해지고 있지 않았다.

그래서, 본 발명에서는, 첫번째로, 블라스팅에 의해 기층표면의 가공변질층의 게거를 행하고, 아울러 표면거칠기를 2㎛ 내지 8㎛의 거칠기로 한다. 표면거칠기가 2㎛ 이하이면, 막의 잔류응력이 크고 막의 밀착성이 나쁘며, 8㎛ 이상이면, 막의 잔류응력저하의 효과가 작고 막의 표면을 세밀하게 하는데 소요되는 공정의 회수가 많아지고, 그로 인해 막의 두께 확보가 필요해지며, 효율이 나쁘다는 것이 우려되기 때문이다. 블라스팅에 의한 기층가공시의 변질층은 물리적으로 깍아내어지므로 기층의 활성적인 표면이 얻어진다. 이러한 활성 상태는 이온도금시까지 유지되는 것은 아니지만, 이온도금 공정에서의 이온충돌처리에 의해서 용이하게 활성이 회복되므로 이온도금막과 기층과의 밀착성이 좋아진다. 또한, 표면거칠기가 거칠게 됨으로써 이온도금막과의 접촉면적이 증가하므로 기층과의 밀착성은 더욱 좋아진다. 동시에, 피막의 잔류압축 응력은 작아지므로 피막의 박리성은 약해지게 될 것으로 추정된다. 이러한 까닭에, 막의 밀착성이 높아지므로 막의 형성 후에 연마해도 박리되지 않는다. 본 발명에서는 블라스팅 처리에 의한 가공변질층을 제거하고 표면거칠기를 2㎛ 내지 8㎛ 으로 한 기층표면에 이온도금처리를 실시하여 기층표면에 각을 형성시킨 후에, 막의 표면을 연마하고 그 거칠기를 0.8㎛ 이하고 조절한다. 기층표면에 형성하는 막의 두께는 기층표면의 거칠기 및 막의 표면거칠기의 조절에 관련해서 적절히 선택되지만, 막의 내구성을 높이기 위해서 적어도 10㎛ 이상이다. 두께가 이것보다 작은 경우에는 슬라이딩부재의 표면으로서 부하를 견디지 못하는 경우가 생기며, 또한, 막의 표면거칠기가 0.8㎛을 넘어서면, 슬라이딩부재로서의 상대되는 부재의 악영향을 끼친다.

두번째로, 본 발명에서는 이온도금막을 크롬과 질소를 주성분으로 하는 막으로 한다. 크롬과 질소로 이루어진 막으로 한 이유는 크롬은 티타늄에 비해 매우 높은 증기압을 갖고 있으므로 증발되기 쉽고, 따라서, 이온도금막의 형성속도도 빠르기 때문이다. 그러므로, 연마되어나가는 만큼의 막의 두께를 형성하는 것은 경제적으로도 문제가 없다. 또한, 크롬과 질소로 이루어진 피막은 베이킹내성과 내마모성 및 내식성이 우수하므로 슬라이딩부재의 표면피막으로서 적합할 뿐만 아니라, TiN막이나 TiC막에 비해서 내부응력이 작고 내박리성이 우수하므로 막의 두께를 두껍게 할 수 있기 때문에 내구성이 우수한 슬라이딩부품을 얻을 수 있기 때문이다. 크롬과 질소로 이루어진 피막은 Cr과 Cr₂N과 CrN 및 그것의 혼합물로 이루어진 막이며, Cr과 N과의 비율이 막의 내부에서 막의 외부로 향해서 N농도가 연속적 또는 단계적으로 증가되고 있는 피막을 포함하고, 피막조직이 아몰퍼스조직인 경우도 포함하고 있다.

[도면의 간단한 설명]

제1도는 베인의 개략적인 사시도이고,

제2도는 이온도금장치의 개략도이다.

[실시예]

본 발명은 블라스팅에 의해 표면을 활성시키는 공정과, 이온도금에 의해 크롬과 질소를 이루어진 막을 형성하는 공정과, 표면을 래핑 등에 의해 연마하는 공정으로 실시된다.

블라스팅 공정에서 모래와 공기와의 혼합고압가스를 슬라이딩부재의 슬라이딩기층면에 불어대서 기층면의 오염과 산화물 등의 막 밀착성의 저해물질을 제거하여 기층의 활성면을 얻는다. 여기에서, 알루미나(alumina) 실리콘카바이드(siliconcarbide) 등의 분말의 입도를 변화시킴으로써 또는 압력 및 블라스트의 수를 변화시킴으로써 평균 표면거칠기를 변화시킬 수 있다. 표1에 보이듯이, 평균 표면거칠기가 2㎛ 이하이면, 막의 잔류응력이 크고 평균표면거칠기가 2㎛ 이상으로 되면 막의 잔류응력은 서서히 약해지며 8㎛ 이상에서는 막의 잔류응력 저하의 효과가 적다는 것을 알 수 있다. 그러나, 표면거칠기가 지나치게 거칠면 그 만큼 막의 두께를 두껍게 하지 않으면 안되고 표면연마에 시간이 소요되므로 표면거칠기는 4㎛에서 6㎛가 최적이다.

강제로 된 피스톤링(외경 85Ø × 상하두께 2㎜ × 지름 방향두께 3.1㎜)의 약 100개 정도를 외주를 가지런히 맞추고 상하방향으로 쌓아서 양측부를 원반을 거쳐 너트로 조여서 피처리물로 삼았다. 또한, 마찬가지로 강제(질화물)로 된 로타리 콤프레서(rotary compressor)용 베인(50㎜ × 30mm x 5㎜ : 제1도에 도시)의 약 50개 정도를 슬라이딩면을 가지런히 하고 묶어서 공구에 고정(setting)시켜 피처리물로 삼았다.

우선, 샌드블라스팅(sand blasting)에 의해 외주면을 활성화했다. 모래는 탄화규소로 된 #180(a carborundum #180)을 사용하고 압력 490KPa로 외주면을 2번 블라스팅 한 표면거칠기는 평균 4.3㎛이었다. 표면은 트리클로로에탄(trichloroethane)에 의해 세정하고 증기탈지를 행하여 모래를 완전히 씻어냈다. 또한, 청정압축공기 등으로 모래를 제거할 수 있으면 트리클로로에탄에 의한 세척은 필요하지 않으며 따라서, 본 발명은 공해대책으로서도 유익한 수단이다.

이어서, 상기 처리후의 피처리물에 HCD이온도금법에 의해 크롬과 질소로 이루어진 막을 코팅했다. 이제, 그 방법에 대해서 제2도에 의거해서 상세히 설명하겠다.

그러한 링은 진공장치(I)내에 설치한 후에 도시하지 않은 진공펌프에 의해 1 × 10 torr 이하로 감압하고 히터(3)에 의해 약 400℃로 가열하다가 소정시간이 경과한 후에 아르곤가스를 약 1 × 10 torr까지 도입구(9)로부터 도입해서 직류전압을 가하고 글로우방전(glow discharge)을 일으키며 아르곤이온에 의한 기층표면의 충돌(bombardment)을 행했다. 다음에, 중공형 음극(4 : the hollow cathode)에 의해 전자빔을 발생시키고 수냉식 동도가니(5 : the copper crusible)속의 금속크롬(6)에 조사시킴으로써 크롬을 증발시켰다. 또한, 전자빔은 코일(7)에 의해서 수렴되고 있다. 이어서, 질소가스를 정해진 압력으로 되기까지 도입구(10)로부터 도입하고 크롬과 질소를 이루어진 막을 링(2)의 외주면에 형성했다. 성형막의 두께는 20 내지 60㎛으로 했다.

또한, 크롬과 질소로 이루어진 아몰퍼스막을 코팅하는 경우에는 히터에 의한 가열은 200℃까지로 했다. 또한, 질소 농도가 막의 내부로부터 막의 외부로 향해서 연속적 또는 단계적으로 증대하는 막을 형성하는 경우에는 도입하는 질소 가스량을 정해진 코팅시간에 걸쳐서 연속적 또는 단계적으로 정해진 질소가스의 분압까지 증가시킴으로써 코팅할 수 있다.

이렇게 해서 표 2에 도시하는 각종의 조건에 의해 크롬과 질소를 주성분으로 하는 피막을 코팅한 피스톤링 및 베인을 제작했다.

다음에 상기 조건에 의해 작성한 피스톤링 및 베인을 래핑연마함으로써 표면거칠기를 0.8㎛ 이하로 마무리했다.

이러한 피스톤링 및 베인의 피막을 조사한 결과를 표 3에 나타낸다. 막의 조성분석은 EPMA에 의하고, 조직분포는 X선 해석에 의하며, 경도는 막의 단면에서 마이크로비스코스 경도계에 의해 측정하고 막의 두께는 금속 현미경에 의해서 측정했다.

또한, 비교예 1, 2는 종래의 방법으로 제조한 피스톤링 및 베인이다. 비교예 1은 피스톤링 및 베인의 기층외주면을 래핑연마에 의해 약 0.18㎛으로 마무리 한후에 트리클로로에탄에 의해서 세정탈지하고 이온도금에 의해 TiN막을 약 7㎛가량 코팅하고 가벼운 래핑으로 마무리했다. 또한, 비교예 2는 비교예 1과 마찬가지로 해서 크롬과 질소를 주성분으로 하는 막을 코팅한 것이다.

상기 실시예로 제작한 피스톤링 및 베인을 실용 상태에 의해서 평가했다. 종래의 방법에 의한 막을 코팅한 피스톤링 및 베인(비교예 1 및 비교예 2)도 동시에 평가를 실시했다. 그 결과를 표 4와, 표5에 나타낸다. 본 발명에 의한 피스톤링 및 베인의 내마모성은 종래의 것(비교예 1)과 비교해도 나쁘지 않으며, 따라서, 막의 두께가 두꺼운 만큼 내구성이 양호하게 되어 있다. 또한, 종래의 것의 내구성향상품은 막의 박리가 발생하고 있으며 평가시간이 길어지면 상대되는 부재를 마모시킬 것으로 예상된다.

[산업상의 이용가능성]

이상과 같이 본 발명의 슬라이딩부재는 내구성이 우수한 것이며 엔진에 쓰이는 피스톤링과 기겨적인 밀봉부 및 압축기의 베인 등에 적합하며 그 공업적 이용가치가 높다.

Claims (9)

1. 코팅할 표면상에 샌드 블라스트 처리를 적용하여 평균 표면거칠기가 2㎛내지 8㎛를 가지는 주철 또는 강의 기층표면과, 이온도금에 의해 적용된 크롬과 질소를 구비하는 샌드 블라스팅면 상에 형성된 막과, 상기막의 내부면으로부터 외부면으로 연속 또는 단계적으로 증가하는 질소 농도를 구비하며, 상기 막은 10㎛ 이상의 두께와 막의 표면거칠기가 0.8㎛ 이하인 슬라이딩부재.
2. 제1항에 있어서, 상기 기층표면의 거칠기가 4㎛∼ 6㎛인 것을 특징으로 하는 슬라이딩부재.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 크롬과 질소를 주성분으로 하는 상기 막이 금속크롬과 질화크롬으로 이루어진 혼합조직으로 된 것을 특징으로 하는 슬라이딩부재.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 크롬과 질소를 주성분으로 하는 상기 막이 질화크롬인 것을 특징으로 하는 슬라이딩부재.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 크롬과 질소를 주성분으로 하는 상기 막이 막의 내부로부터 막의 외부로 향해서 질소농도가 연속적 또는 단계적으로 증가하고 있는 것을 특징으로 하는 슬라이딩부재.
6. 제3항에 있어서, 크롬과 질소를 주성분으로 하는 상기 막의 아몰퍼스조직인 것을 특징으로 하는 슬라이딩부재.
7. 제4항에 있어서, 크롬과 질소를 주성분으로 하는 상기 막이 아몰퍼스조직인 것을 특징으로 하는 슬라이딩부재.
8. 제5항에 있어서, 크롬과 질소를 주성분으로 하는 상기 막이 아몰퍼스조직인 것을 특징으로 하는 슬라이딩부재.
9. 제1항에 청구된 바와 같은 슬라이딩 부재를 제조하는 방법에 있어서, 슬라이딩 부재의 슬라이딩면을 블라스팅하는 제1공정과. 이온도금에 의해 크롬과 질소를 이루어진 막을 피복하는 제2공정 및, 상기 막의 표면을 연마 등에 의해 가공하는 제3공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 슬라이딩부재의 제조방법.