KR100404006B1 - 비정질 경질 탄소막, 기계부품, 및 비정질 경질 탄소막의제조방법 - Google Patents

비정질 경질 탄소막, 기계부품, 및 비정질 경질 탄소막의제조방법 Download PDF

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Abstract

막중에 금속 산화물을 함유하는 경우, 비정질 경질 탄소막은 슬라이딩의 초기에 저마찰계수를 갖는다. 또한, RF 플라즈마 CVD 방법의 저온처리로 인하여 막과 모재와의 밀착성도 향상된다. 이러한 막은, 과도한 조건하의 여러 가지의 슬라이딩 부품, 즉 피스톤 링, 압축기의 베인 및 연료분사펌프의 플런저에 코팅될 수가 있다.

Description

비정질 경질 탄소막, 기계부품, 및 비정질 경질 탄소막의 제조방법 {AMORPHOUS HARD CARBON FILM, MECHANICAL PARTS AND METHOD FOR PRODUCING AMORPHOUS HARD CARBON FILM}
본 발명은, 내마모성을 향상시키고 마찰계수를 저감할 목적으로, 슬라이딩 부품 등에 적용하는 보호막에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은, 이러한 보호막으로서의 경질 탄소막 및 그 제조방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 비정질 경질 탄소막으로 코팅하여 자동차용, 가전 기구용으로 사용하는 기계부품에관한 것이다. 본 발명에 있어서, "경질 (硬質 : hard)" 이라고 하는 것은, 마찰학에 있어서의 일반적인 용어에 따라 사용되는 것이다 (예컨대, "트라이보로지스트(Tribologist)" Vol. 44, No. 9, 1999, 소특집 "경질 재료" 참조). 특히, 상대 부품보다 경도가 높은 슬라이딩 부품이 경도특성을 만족한다고 말할 수 있다. 특히, 경질막의 경도는, Hv (미크로-비커스 경도수) 1000 이상, 더 바람직하게는 Hv 1500 이상이다. 비정질 경질 탄소막에 대하여는, 트라이보로지스트 Vol. 41, No. 9, 1996, 760-771 페이지에 몇가지 적용예가 해설되어 있다.
내마모성과 내스커프성 (scuffing resistance) 을 향상시키기 위한 종래의 금속재료의 표면처리방법은, 질화, PVD 법, CVD 법을 포함한다. TiC 또는 TiN 의 금속 탄화물 또는 금속 질화물은, 상기 후자의 2가지 방법에 의하여, 공구, 금형 등의 금속재료의 표면에 경질막으로서 코팅된다. 그러나, 이들 코팅층은 Hv 2000 ∼ 3000 의 고경도이지만, 마찰계수가 0.2 ∼ 0.8 정도로 비교적 크기 때문에, 상대부품과의 마찰에 있어서 환경에 따라 슬라이딩 저항이 증가하여, 코팅층의 마모, 상대부품의 손상이라는 문제를 일으킨다.
자동차용 내연기관의 슬라이딩 부품, 특히 피스톤 링의 외주면은 과도한 슬라이딩 조건에 노출된다. 압축기의 베인, 연료분사펌프의 플런저 (피스톤) 도 마찬가지로 과도한 슬라이딩 조건에 노출된다. 따라서, 이들 부위에 대하여는 고도한 레벨의 내마모성이 요구되고 있다.
종래, 이들 부위의 충분한 슬라이딩 특성, 특히 내마모성을 확보하기 위하여, 고급의 내마모성 재료를 사용하여, 질화 및 침탄과 같은 표면경화처리를 행하고 있다. 그러나, 종래의 방법으로는 사용재료가 고가인 문제점이 있다. 더욱이, 표면경화처리시에 수백도로부터 1000℃ 의 고온에서 처리를 수행할 필요가 있기 때문에, 열변형에 의한 치수 정밀도의 저하와 모재 (피처리재) 의 경도 저하라는 문제가 있다.
연료분사펌프의 플런저는 윤활성이 불량한 가솔린 환경하에서 작동하기 때문에, 플런저의 표면상에는 경질입자를 분산시킨 복합분산 도금피막이 적용되고 있는데, 소정 레벨의 피막경도를 얻기 위하여는 400℃ 정도의 열처리가 필요하므로, 이 열처리중의 연화를 방지하기 위하여는 SKD 11 (Cold Work Tool Steel) 상당의 고급재료를 기재로 사용하는 것이 필요하다. 이러한 환경하에서, 저온에서 내마모성 경질피막을 형성하는 처리방법의 개발이 요구되고 있다.
플라즈마 또는 이온 빔을 이용한 CVD 법에 의하여 형성되는 비정질 경질 탄소막은, Hv 약 2000 ∼ 3000 의 고경도를 갖기 때문에, 내마모성이 양호한 코팅재로서 주목되고 있다. 비정질 경질 탄소막은, 다이아몬드상의 탄소막, i-탄소막, 수소화 비정질 탄소막 (a-C:H) 등으로 불리우는데, 이들 각 막은 비정질상의 탄소가 주체인 막이다.
이와 같은 비정질 경질 탄소막은 슬라이딩 부재로의 적용도 검토되고 있으나, 막 자체의 압축응력이 크기 때문에, 막과 모재와의 밀착성이 떨어져, 막의 두꺼운 코팅이 불가능하다는 문제가 있다.
기재에 대한 비정질 경질 탄소막의 밀착성을 개선하는 방법으로서, 막과 기재와의 사이에 중간층으로서 금속, 금속 질화물 및 금속 탄화물의 층을 개재시키는 것이 제안되어 있다. 예컨대, 일본 특허공보 평5-82472 에는, 주기율표 4a, 5a, 6a 족 금속의 탄화물, 탄질화물, 탄산화물, 탄질산화물, 탄붕소화물, 및 Si 의 탄화물, 탄질화물을 중간층으로서 이용하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 일본 특개평10-130865 에는, Al, Cr, Sn, Co 로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 금속원소, 또는 이로부터의 산화물, 질화물, 또는 탄화물을 주성분으로한 중간층이 개시되어 있다. 그러나, 이들은 밀착성을 향상시키기 위해 이용하는 중간층에 관한 것으로, 직접적으로 슬라이딩에 관여하는 표면층에 관한 것은 아니다.
Surface Coating Technology, 47, 710-721 (1991) 및 일본 특개평3-240957 (일본특허 2971928 호) 에는, 비정질 경질 탄소 - 수소 - 규소막으로 이루어진 슬라이딩 표면에 형성된 규소 산화물 (SiO2) 에 대한 기체의 흡착에 의하여, 저마찰계수가 실현될 수 있음이 개시되어 있다. 그러나, 이와 같은 규소 산화물은, 사전에 막중에 Si 를 함유한 수소화 비정질 탄소막이 상대부품과 슬라이딩하는 것에 의하여 표면에 형성된 것으로, 초기에서부터 막중에 존재한 것은 아니다. 그 때문에, 슬라이딩 초기의 단계에서 마찰계수가 커서, 저마찰계수를 실현하기 까지 장시간을 필요로 한다고 하는 문제가 있다.
종래기술에 관계된 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은, 고경도 및 저마찰계수를 가지며 밀착성이 양호한 비정질 경질 탄소막을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 슬라이딩 표면을, 금속 산화물을 함유하는 비정질 경질 탄소막으로 코팅한 기계부품을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 금속 산화물을 함유하는 비정질 경질 탄소막을 제공함으로써, 종래의 비정질 경질 탄소막으로는 실현이 불가능하였던, 슬라이딩 초기에서부터 안정한 저마찰계수를 얻는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 전술한 특성을 가지는 비정질 경질 탄소막의 제조방법을 제공하는데 있으며, 이에 의하면, 비정질 경질 탄소막을 기계부품의 슬라이딩 표면에 형성함에 있어 고온을 필요로 하지 않는다.
도 1 은 본 발명에 사용된 RF 플라즈마 CVD 장치의 개략도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 비정질 경질 탄소막의 전체 원소의 XPS 분석결과이다.
도 3 은 본 발명에 따른 비정질 경질 탄소막의 산소 원소의 XPS 분석결과이다.
도 4 는 본 발명을 적용한 피스톤 링의 단면도로, 외주면에 비정질 경질 탄소막이 형성되어 있는 것을 나타낸 도면이다.
도 5 는 본 발명을 적용한 3피스 타입의 오일 제어 피스톤 링의 단면도이다.
도 6a 는 본 발명을 적용한 압축기용 베인의 사시도이고, 도 6b 는 그 베인의 단면도이다.
도 7 은 본 발명을 적용한 연료분사펌프용 플런저의 단면도이다.
도 8 은 본 발명에 따른 비정질 경질 탄소막을 형성하기 위해 본 발명에 사용한 또다른 RF 플라즈마 CVD 장치의 개요를 나타낸 도면이다.
도 9 는 피스톤 링의 외주면에 비정질 경질 탄소막을 형성하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 10 은 피스톤 링의 외주면, 측면, 내주면에 비정질 경질 탄소막을 형성하는 또다른 방법을 나타낸 도면이다.
도 11 은 산소유량과 마찰계수의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 12 는 본 발명의 실시예 및 비교예의 마찰손실을 나타낸 그래프이다.
도 13 은 본 발명의 실시예 및 비교예의 베인 마모량을 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1, 41 : 진공실 2 : 하부 전극
3 : 상부 전극 4 : RF 전원
5 : 가스 도입구 6 : 배기구
7, 42 : 피스톤 링 (piston ring) 10 : 피처리재 (기재)
12 : 비정질 경질 탄소막 13 : 스페이서 익스팬더
20 : 베인 (vane) 30 : 플런저 (plunger)
탄소와 수소를 주성분으로 하는 본 발명에 따른 비정질 경질 탄소막은, 막중에 금속 산화물을 함유한 것을 특징으로 한다. 이 금속 산화물은, Si, Ti, B 및 W 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 원소의 산화물을 포함한다. 또한, 막중의 산소의 함유량은 약 0.1 ∼ 10 원자% 인 것이 바람직하다.
이와 같은 탄소와 수소를 주성분으로 하여 금속 산화물을 포함한 비정질 탄소막은, 탄소원료, 금속함유원료 및 산소를, 기재를 설치한 진공실 내에 도입함으로써 형성할 수가 있다.
또한, 본 발명에 따른 비정질 탄소막은, 고경도로 내마모성이 우수하고, 저마찰계수이기 때문에, 슬라이딩 부분을 가지며 윤활이 곤란한 조건하에 작동하는기계부품에의 적용이 가능하다.
본 발명에 따른 비정질 경질 탄소막의 부성분은, 주로 산화물이며, 산화물로서 결합하여 있지 않은 소량의 산소, 금속 원소 이외에, 원료에 함유된 불소, 브롬, 염소 등의 물질을 포함한다.
본 발명에 있어서, 주성분인 탄소와 수소는, Ar-레이저 라만 분광법으로 검출되는 비정질 구조를 형성하며, 이에 의해 우수한 슬라이딩 특성을 발휘한다. 한편, 금속 산화물은 결정질 또는 비정질일 수도 있다.
본 발명에 있어서, 상대부재는, 슬라이딩 부재가 피스톤 링인 경우에는, 주철 또는 알루미늄 합금으로 제조된 실린더 또는 실린더 라이너이다. 슬라이딩 부재가 압축기의 베인인 경우에는, 상대부재는 알루미늄 또는 철로 제조된 로터 또는 하우징이며, 슬라이딩 부재가 연료분사펌프의 플런저인 경우에는, 상대부재는 SKD 11 에 상당하는 재료로 제조된 실린더이다. 이들은 예시적인 것이며, 본 발명에 따른 비정질 경질 탄소막은, 비정질 경질 탄소막의 슬라이딩 특성을 이용하는 것이 가능하다면, 어떠한 부재로서도 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 비정질 경질 탄소막의 경도는 기본적으로 막중의 수소 함유량에 의하여 결정되지만, Hv 1800 이하의 경도에서는 내마모성이 불량하고, Hv 2500 이상의 경도에서는 막이 부숴지기 쉽기 때문에, Hv 1800 ∼ 2500 의 경도가 바람직하다. 더 바람직하게는, Hv 1900 ∼ 2400 범위의 경도가 요망된다. 또한, 막의 두께는 2 ㎛ 미만에서는 충분한 내마모성을 얻을 수 없고, 15 ㎛ 초과에서는 막의 응력에 의해 박리되기가 쉽기 때문에, 5 ∼ 10 ㎛ 의 두께가 바람직하다.
이어서, 각 슬라이딩 부재 마다의 막형성 부위에 대하여 설명한다. 피스톤 링인 경우에는, 적어도 외주면에 막을 형성한다. 3피스 타입의 오일제어 피스톤 링인 경우에는, 사이드 레일의 전체면과 스페이서 익스팬더의 귀부분에 형성한다. 압축기의 베인인 경우에는, 적어도 베인의 선단 라운드면과 측면중의 1개소 이상에 막을 형성하고, 연료분사펌프의 플런저인 경우에는, 적어도 플런저의 외주면에 막을 형성한다. 이들 피스톤 링, 베인, 플런저 등의 기재는 종래부터 사용되고 있는 재료이어도 좋다. 금속 산화물을 함유하는 본 발명에 따른 비정질 경질 탄소막을 슬라이딩 부재의 필요한 부위에 형성하는 경우, 하지 금속상에 직접 형성하여도 좋고, 질화층, Cr 도금막, 질화규소의 경질입자를 분산시킨 Ni-Co-P 계 복합분산 도금막, CrN, TiN 의 이온 도금막 등의 막상에 형성하는 것도 가능하다.
이와 같은 탄소와 수소를 주성분으로 하여 금속 산화물을 함유하는 비정질 탄소막은, 탄소원료, 금속함유원료 및 산소를, 슬라이딩 부재를 설치한 진공실 내에 도입함으로써 형성할 수가 있다. 그 막형성법으로서는, RF 플라즈마 CVD 법, 이온빔 증착법, 진공 아크법이 있으나, 이하에서는 RF 플라즈마 CVD 법의 예를 설명하기로 한다.
탄소원료로서는, 메탄, 아세틸렌 등의 탄화수소 가스를 이용할 수 있다. 또한, 금속함유원료로서는, 테트라메틸실란, 테트라에틸실란, 테트라에톡시실란, 테트라메톡시실란, 트리에톡시보론, 플루오르화 보론, 테트라-i-프로폭시 티탄, 헥사플루오르화 텅스텐 등을 이용할 수가 있다.
또한, 막형성 (성막) 시에 슬라이딩 부재의 가열은 행하지 않는다. 슬라이딩 부재는 플라즈마에 노출되는 것에 의하여 온도가 상승하지만, 그 온도는 200℃ 이하로 유지된다.
이하, 본 발명을 그 실시형태를 참조하여 상세히 설명한다.
비정질 경질 탄소막중에, Si, Ti 및 W 와 같은 안정한 카바이드를 형성하기 쉬운 금속원소를 첨가함으로써, 막과 철계의 기재와의 밀착성을 향상시킬 수가 있다. 또한, 성막 (막형성) 중의 플라즈마에 산소를 첨가함으로써, 비정질 경질 탄소막중에 금속 산화물이 형성된다. 또 다르게는, 미리 금속원소와 산소를 포함한 출발재료를 이용할 수도 있다. 예컨대, Si 를 첨가한 비정질 경질 탄소막에서는, SiO2형태의 산화물이 막중에 생성된다. SiO2는 그 자체로는 마찰계수가 1.0 정도로 크지만, 분위기 가스의 흡착에 의한 컨태미네이션 윤활현상의 발생에 의해 그 마찰계수가 0.25 정도까지 감소하는 것으로 알려져 있다. 이와 같이 하여 비정질 경질 탄소막의 최표면은 물론이고 막중에도 미량의 금속 산화물을 함유시킴으로써, 컨태미네이션 윤활현상이 슬라이딩 초기로부터 발생하여 슬라이딩중에 유지되므로, 안정한 저마찰계수의 비정질 경질 탄소막으로 할 수가 있다.
이와 같이 하여 금속 산화물을 포함하며 슬라이딩 부재의 표면에 형성된 비정질 경질 탄소막은 슬라이딩 부재와의 밀착성도 양호하고, 고경도이며 저마찰계수이다. 이와 같은 금속 산화물을 함유하는 비정질 경질 탄소막은 슬라이딩 부재의 상대 부재와의 슬라이딩 접촉부위 또는 스러스트 접촉부위에 형성되므로, 과도한 조건하에서도 슬라이딩 부재의 내마모성이 향상된다.
본 발명에 따른 비정질 경질 탄소막은 종래의 비정질 경질 탄소막과는 달리 금속 산화물을 함유하고 있기 때문에, 종래보다도 낮은 마찰계수를 얻을 수 있다고 하는 특징이 있다. 그 성질에 대하여는 이하와 같이 고찰한다. 규소를 포함한 비정질 경질 탄소막에서는, 막의 경도와 마찰계수는 막중의 탄소, 수소 및 규소의 양, 그리고 이들의 결합상태에 의존한다. 이러한 결합상태에 주목하면, 탄소 원자는 다른 탄소 원자 또는 수소 원자와 결합하여, sp2 결합 (그래파이트 구조) 과 sp3 결합 (다이아몬드 구조) 을 형성한다. 본 발명에 따른 비정질 경질 탄소막은 Ar 레이저 라만 분광법에 의한 측정에서 1550cm-1파장 부근의 브로드 G (Graphite) 피크와 1400cm-1파장 부근의 서브 D (Disordered) 피크의 구조적인 특징을 갖는 것이 확인되었는 바, sp2 결합과 sp3 결합, 즉 그래파이트 구조와 다이아몬드 구조가 각각 혼재한 구조를 하고 있다.
막중에서의 원소의 결합상태에 주목하면, 원소상 규소는 탄소와 결합하여 안정한 탄화물을 형성하지만, 부분적으로 미결합인 전자가 댕글링 본드 (dangling bond) 로서 남아 있을 가능성이 있어 구조적으로 불안정하며, 막의 경도와 마찰계수도 이러한 댕글링 본드에 의하여 영향을 받는 것으로 생각된다. 막 내부에 댕글링 본드가 존재하는 경우에는, 슬라이딩중에 마멸이 진행하여 막 내부가 분위기에 노출되는 때에, 본드와 분위기와의 상호작용에 의한 화학반응, 예컨대 산화분위기인 경우에는 막표면의 산화반응이 진행하여, 막표면이 화학적으로 안정한 상태에도달하기 까지 반응이 진행하는 것으로 생각된다. 여기서, 본 발명은, 전술한 종래기술의 분석에 기초하여, 금속원소를 첨가한 비정질 경질 탄소막을 플라즈마로부터 생성시키는 때에 미량의 산소를 도입하여, 안정한 탄화물의 형태로 탄소에 의해 고정되지 않은 금속원소를 미량의 산소와 결합시켜 산화물로 함으로써 안정한 결합상태로 하는 것에 착안했다.
이상, 규소 산화물의 예를 설명하였지만, 비정질 경질 탄소막에 Ti 가 첨가된 경우에는, 탄소와의 결합에 의해 TiC 를 형성하고, 탄소와 결합하지 않은 Ti 를 산화물로 함으로써 동일한 효과를 기대할 수 있다.
이와 같이 하여, 그래파이트 구조에 의한 저마찰성과 다이아몬드 구조, Si-C 결합에 의한 고경질성의 양방의 성질을 겸비하고, 더욱이 미량의 산소첨가에 의한 안정한 결합상태에 의해 안정한 저마찰성을 가지는 막으로서, 본 발명에 따른 금속 산화물을 함유하는 비정질 경질 탄소막을 고안하기에 이르렀다.
도 11 은 비정질 경질 탄소막의 마찰계수에 대한 산소첨가의 효과를 나타낸 것이다. 소량의 산소를 첨가하는 것으로 마찰계수가 저감되는 것을 알았다. 이와 같은 막에 대하여 X선 광전자 분광법 (X-ray photoelectron spectroscopy : XPS) 에 의해 막중의 규소 함유량 및 결합상태에 대하여 조사한 결과, 규소 함유량은 4 원자% 이하이고, 주로 탄소와 결합하여 Si-C 결합을 형성하고 있으나, 일부의 규소는 산소와 결합하여 SiOx의 형태를 하고 있음이 확인되었다. 즉, 규소 산화물이 마찰계수의 저감에 유효한 것으로 확인되었다.
(실시예)
다음은 본 발명에 따른 비정질 경질 탄소막을 제조하기 위한 수순이다. 먼저, 진공실내에 기재를 배치하고, 진공실내를 배기한다. 예컨대, 5.25E-8Pa (7E-6 torr) 이하의 압력까지 배기한다. 다음으로, 진공실내를 연속적으로 배기하면서 Ar 가스를 도입하여 직류 전력 또는 고주파 전력을 기재에 인가하여 진공실내에 플라즈마 방전을 여기시켜 기재 표면을 플라즈마에 의해 클리닝한다. Ar 가스의 유입을 중지한 후, 탄소원료, 금속함유원료 및 산소를, 상기 기재를 설치한 진공실내에 도입하여, 플라즈마 방전을 여기하여, 기재 표면상에 금속 산화물을 함유하는 비정질 경질 탄소막을 형성한다. 탄소원료로서는, 메탄, 아세틸렌과 같은 탄화수소 가스를 이용할 수가 있다. 또한, 금속함유원료로서는, 테트라메틸실란 (Si(CH3)4), 테트라에틸실란 (Si(C2H5)4), 테트라메톡시실란 (Si(OCH3)4), 테트라에톡시실란 (Si(OC2H5)4), 트리에톡시보론 (B(OC2H5)3), 테트라-i-프로폭시티탄 (Ti(OCH(CH3)2)4), 헥사플루오르화텅스텐 (WF6) 등을 이용할 수가 있다.
진공실내의 압력은 7.5E-6 ∼ 7.5E-5Pa (1∼10 mTorr) 가 적합하다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
실시예 1 (산소 첨가)
기재에 거울면 마무리를 행한 SKH 51 재를 사용하여, RF 플라즈마 CVD 법에 의해 기재 표면에 비정질 경질 탄소막을 성막하여, 평가시험을 행하였다. 성막처리를 위해 사용되는 RF 플라즈마 CVD 장치를 도 1 에 개략적으로 나타낸다.
진공실 (1) 의 배기구 (6) 에 접속된 펌프 (도시되지 않음) 에 의해 5.2E-8Pa 이하까지 배기한다. 다음으로, 가스 도입구 (5) 로부터 Ar 가스를 도입하여, 진공실내의 압력을 7.5E-5Pa 로 조정한다. 그래서, 하부전극 (2) 과 상부전극 (3) 간의 사이에 RF 전원 (4) 으로부터 300W 의 고주파 전력을 인가하여 상기 전극들간에 플라즈마를 발생시킨다. 피처리재 (기재 : 10) 는 하부전극 (2) 상에 놓아 둔다. 이 기재를 Ar 플라즈마로 소정의 시간동안 클리닝처리를 행한 후, 고주파 전원을 오프(off)하여 플라즈마 방전을 정지시켜, Ar 가스의 공급을 정지한다. 다음으로, 가스 도입구 (5) 로부터 아세틸렌, 테트라메틸실란, 산소를 진공실 (1) 내에 도입하여, 각각의 가스의 분압비가 C2H2: TMS : O2= 8.5 : 1 : 0.5 에서 전압이 5.25E-5Pa 가 되도록 조정한다. 압력이 안정화된 후에, RF 전원 (4) 을 온(on) 하여 100W 의 고주파 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시켜, 이 플라즈마에 의해 60분 정도 성막을 행했다. 이렇게 함으로써 피처리재 (기재 : 10) 에 약 1 ㎛ 정도 두께의 흑색의 막이 형성되었다.
형성된 흑색 막에 대하여 레이저 라만 분광측정을 행한 결과, 막이 전형적인 비정질의 다이아몬드상 카본임이 확인되었다. 추가로 막 내부의 XPS 분석을 행하였다. 도 2 는 막의 전체 원소를 대상으로한 XPS 분석결과이다. 결합에너지 284 eV 에 Cls, 100 eV 에 Si2p, 150 eV 에 Si2s 의 피크가 검출되었다. 또한, 도 3 은 파장 530 eV 부근에서 산소의 결합상태를 분석한 결과이다. 산소의 피크 위치가 532 eV 이기 때문에, SiO2가 형성되는 것이 확인되었다. 또한, 표1 은 XPS 분석에 의한 조성분석의 결과를 나타낸 것이다. 이로부터, 상기 조성에 의해 막중에 SiO2가 형성되는 것이 확인되었다.
피처리재 (기재) 의 표면에 형성한 비정질 경질 탄소막의 마찰특성의 평가는 볼-온-디스크 (ball-on-disc) 시험에 의하여 행하였다. 직경 6 mm 의 A SUJ 2 볼을 상대부재로 하여, 무윤활 및 실온에서 하중 10N 으로 막을 가압하여, 슬라이딩 속도 10 mm/sec 로 약 20 m 의 거리를 슬라이딩시켰다. 그 결과를 표 2 에 나타낸다.
비교예
본 발명의 실시예와의 비교를 용이하게 하기 위해, 테트라메틸실란 및 산소를 첨가하지 않고 아세틸렌만을 이용하여 성막을 행하였다. 성막의 수순, 진공실의 압력 등은 실시예 1 과 동일하게 하여 행하였다. 막 두께, 마찰특성의 측정결과를 표 2 에 나타낸다.
실시예 2 (산소함유 화합물을 사용)
산소 대신에 테트라에톡시실란 (TEOS, (Si(OC2H5)4) 을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1 에 나타낸 것과 동일한 조건으로 성막을 행하였다. 이 경우에는,각각의 가스의 분압비가 C2H2: TMS : TEOS = 8 : 1 : 1 에서 전압이 5.25E-5Pa 가 되도록 조정했다. XPS 분석결과, 실시예 1 과 동일하게 막중에 SiO2가 형성되는 것을 알았다.
표 2 에서 마찰계수를 비교하면, 막중에 SiO2와 같은 산화물이 없는 경우에는 높은 마찰계수를 나타냄이 분명하다. 한편, 실시예 1 및 2 에서 나타난 바와 같이, 막중에 SiO2와 같은 산화물이 존재하는 경우에는 마찰계수가 0.05 로 낮은 값을 나타낸다.
실시예 3 (피스톤 링)
도 4 는 본 발명을 피스톤 링에 적용한 실시예를 나타낸 것이다. 도 5 는 본 발명을 3피스 타입의 오일제어 피스톤 링에 적용한 실시예를 나타낸 것이다. 피스톤 링 (7) 과 3피스 타입의 오일제어 피스톤 링의 레일 (10) 의 외주면 (7a,10a), 내주면 (10b), 측면 (10c) 에 해칭부로 나타낸 비정질 경질 탄소막 (12) 을 형성한다. 또한, 스페이서 익스팬더 (13) 가 레일 (10) 과 접촉하는 귀 부분에도 비정질 경질 탄소막 (12) 을 형성한다. 비정질 경질 탄소막 (12) 은 전술한 바와 같이 RF 플라즈마 CVD 법에 의해 형성되고, 금속 산화물을 함유하는 것이다.
미리 질화처리 및 클리닝처리를 행한 피스톤 링 (42) 을 도 8 에 도시된 RF 전원 (44) 에 전기적으로 접속된 전극판 (44) 상에 배치하고, 진공실 (41) 의 배기구 (45) 에 접속된 펌프 (도시되지 않음) 에 의해 진공실내를 5.25E-8Pa 이하 정도까지 배기했다. 다음으로, 가스 도입구 (46) 로부터 Ar 가스를 도입하여 압력을 7.5E-5Pa 정도로 조절하고, RF 전원 (4) 으로부터 고주파 전력을 피스톤 링 (42) 에 인가하여 플라즈마 방전을 여기하여, 피스톤 링의 표면을 클리닝했다. 이어서, Ar 가스의 유입을 정지한 후, 진공실 (41) 내에 탄소원료 (아세틸렌), 금속함유원료 (테트라메틸실란), 및 산소를 도입하고, 재차 RF 전력을 인가하여 플라즈마 방전을 여기하여, 피스톤 링 (42) 에 금속 산화물 (SiO2) 을 함유하는 비정질 경질 탄소막을 형성하였다.
성막시에 피스톤 링의 가열은 행하지 않았다. 피스톤 링이 플라즈마에 노출됨으로써, 피스톤 링에 대한 플라즈마중의 전자와 이온의 충돌에 의한 충격에 의해 온도상승이 발생하였으나, 피스톤 링의 온도는 표 3 에 나타낸 조건하에서는 200℃ 를 초과하지는 않았다.
피스톤 링 (42) 을 적층하여 전극판 (44) 상에 놓아둔 도 8 의 경우에는, 피스톤 링의 외주면에만 비정질 경질 탄소막이 형성된다. 한편, 도 9 에 도시한 바와 같이, 원통형의 지그 (50) 에 복수개의 피스톤 링 (42) 을 일정한 간격으로 하여 감아서 설치한 경우에는, 피스톤 링의 외주면과 측면에 비정질 경질 탄소막을 형성할 수가 있다. 또한, 도 10 에 도시한 바와 같이, 복수개의 피스톤 링 (42) 을 일정한 간격으로 하여 3개의 봉 (60) 을 이용하여 지지한 경우에는, 피스톤 링의 외주면, 측면, 내주면 (봉 (60) 에 의해 가려지는 부분을 제외) 에 비정질 경질 탄소막을 형성할 수가 있다.
도 8 에 나타낸 바와 같이 성막을 행한 피스톤 링에 대하여 모터링 (motoring) 시험에 의하여 마찰손실의 측정을 행하였다. 상대 부재는 FC 250 의 실린더 라이너로 하였다. 회전수는 100rpm 으로 하고, 오일은 저점도유 (40℃, 5cSt) 를 사용하였다. 그 결과를 도 12 에 나타낸다.
비교예 2
비교를 위해, 실시예 3 에서 사용된 질화처리된 피스톤 링에 대하여 어떠한 피막형성 표면처리도 하지 않았으며, 실시예 3 과 동일한 조건으로 마찰손실을 측정했다. 그 결과를 실시예 3 및 다른 비교예들과 함께 도 12 에 나타낸다.
비교예 3
비교를 위해, 실시예 3 에서 사용된 질화처리된 피스톤 링에 크롬 도금층을약 20 ㎛ 의 두께로 형성시켰으며, 실시예 3 과 동일한 조건에서 마찰손실을 평가하였다. 그 결과를 실시예 3 및 다른 비교예들과 함께 도 12 에 나타낸다.
비교예 4
비교를 위해, 성막중에 산소를 첨가시키지 않은 것을 제외하고는, 실시예 3 과 동일한 방법에 의해, 규소가 탄화물의 형태로서만 존재하는 비정질 경질 탄소막을 피스톤 링의 외주면에 약 10 ㎛ 의 두께로 형성하였다. 이와 같은 막을 형성한 피스톤 링에 대하여 실시예 3 과 동일한 조건에서 마찰손실을 평가하였으며, 그 결과를 실시예 3 및 다른 비교예들과 함께 도 12 에 나타낸다.
도 12 로부터 분명한 바와 같이, 실시예 3 에 따른 피스톤 링에서는 질화층만인 비교예 1 의 피스톤 링에 대하여 11.6% 만큼 마찰손실이 저감되어 있는 것을 알 수 있다. 실시예 3 의 마찰손실의 이러한 값은 비교예 3 의 질화+크롬 도금한 피스톤 링에 대하여도 약 8% 만큼 낮은 값으로 되어 있다. 또한, 실시예 3 의 마찰손실은, 산소가 첨가되지 않고 규소가 탄화물의 형태로만 존재하는 비교예 4 의 비정질 경질 탄소막에 대하여도, 약 3.2% 저감되어 있다. 즉, 이 결과로부터, 규소를 함유하는 비정질 경질 탄소막에 있어서 비정질 경질 탄소막에 산소를 미량 첨가함으로써, 막중에서 완전한 탄화물로 되어 있지 않은 구조적으로 불안정한 규소를 산화물로 하여, 보다 화학적으로 안정한 규소 산화물로한 본 발명의 비정질 경질 탄소막은, 보다 낮은 마찰계수를 실현시킬 수 있기 때문에, 규소 산화물이 형성되어 있지 않은 비정질 경질 탄소막보다도 마찰손실이 저감하는 것으로 나타났다.
실시예 4 (베인)
도 6a 는 압축기용 베인 (20) (모재 재질은 SKH51) 의 사시도이고, 도 6b 는 베인 (20) 의 단면을 나타낸 도면이다. 선단 R면 (20b) 과 4개의 측면 (20a) 에는, 전술한 바와 같이 RF 플라즈마 CVD 법에 의해, 규소 산화물을 함유하는 비정질 경질 탄소막 (12) 을 형성했다. 표 4 는 실시예 4 와 다른 비교예들의 제작조건에 대하여 나타낸 것이다.
도 8 에 도시한 장치에 있어서, 전극판 (44) 상에, 베인 (20) 을 그 저면 (20c) 을 아래로 하여 일정한 간격으로 배치한다. 저면 (20c) 을 제외하고서 베인 (20) 의 선단 R면 (20b) 과 4개의 측면에 비정질 경질 탄소막을 형성했다. 이렇게 처리한 베인, 즉 선단 R면과 4 개의 측면에 금속 산화물을 함유하는 비정질 경질 탄소막을 코팅한 베인을 다음의 조건하에서 내마모성 평가시험을 행했다: 상대 부재는 FC250, 슬라이딩 속도는 0.5 m/sec, 윤활은 오일 윤활 (모터 오일, 니세키 모터 오일제 P20), 온도는 100℃, 시험 시간은 4시간. 그 결과를 도 13 에나타낸다.
비교예 5
비교를 위해, 실시예 4 에서 이용한 것과 동일한 SKH51 에 피막형성의 표면처리를 하지 않은 베인을 이용하여, 내마모성을 비교하였다. 내마모성의 시험결과는 실시예 4 및 다른 비교예들과 함께 도 13 에 나타낸다.
비교예 6
비교를 위해, 실시예 4 에서 이용한 것과 동일한 SKH51 에 이온 도금법에 의해 CrN 막을 약 5 ㎛ 의 두께로 형성한 베인을 이용하여, 내마모성을 비교하였다. 내마모성의 시험결과는 실시예 4 및 다른 비교예들과 함께 도 13 에 나타낸다.
비교예 7
비교를 위해, 성막중에 산소를 첨가하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 4 와 동일한 방법에 의해, 규소가 탄화물로서만 존재하는 비정질 경질 탄소막을 베인에 10 ㎛ 의 두께로 형성하였다. 이와 같은 막을 형성한 베인에 대하여 내마모성을 비교평가한 시험결과는 실시예 4 및 다른 비교예들과 함께 도 13 에 나타낸다.
도 13 으로부터 분명한 바와 같이, 표면처리를 행하지 않은 SKH51 (비교예 5) 이 마모량이 가장 크고, 산소를 첨가하지 않은 비정질 경질 탄소막 (비교예 7) 이 마모량이 두번째로 크며, 실시예 4 의 마모량은 이온 도금에 의한 CrN 막 (비교예 6) 과 동일한 수준으로 작은 마모량으로 되어 있는 것을 알 수 있다.
또한, 표 4 와 관련하여 마찰계수에 착안하면, 실시예 4 의 마찰계수는 그 비교예들에 비하여 낮은 마찰계수로 되어 있다.
즉, 이 결과로부터, 규소를 함유하는 비정질 경질 탄소막에 있어서 그 비정질 경질 탄소막에 산소를 미량 첨가함으로써, 막중에서 완전한 탄화물로 되어 있지 않은 구조적으로 불안정한 규소를 산화물로 하여, 보다 화학적으로 안정한 결합상태의 규소 산화물로한 비정질 경질 탄소막은, 규소 산화물이 형성되어 있지 않은 비정질 경질 탄소막에 비하여 낮은 마찰계수를 실현시킬 수 있으며, 마찰손실도 저감하는 것으로 나타났다.
실시예 6 (플런저)
도 7 은 연료분사펌프용 플런저 (30) (재질 SKD11 에 상당하는 재료) 의 단면도를 나타낸 것이다. 플런저의 원통형 외주부에는, 전술한 바와 동일한 방법으로 RF 플라즈마 CVD 법에 의해, 규소 산화물을 함유하는 비정질 경질 탄소막 (12) 을 형성했다.
도 8 에 도시한 바와 같은 장치에서 플런저의 상단부를 지그 (도시되지 않음) 로 지지하면서 전극판 (44) 상에 복수개의 플런저 (30) 를 일정간격으로 수직 정렬시켜, 플런저 (30) 의 외주면에, 규소 산화물을 함유하는 비정질 경질 탄소막 (12) 을 10 ㎛ 의 두께로 형성하였다. 이렇게 처리한 플런저로, 가솔린 환경하에서의 내스커프성 (scuff resistance) 의 평가시험을, 슬라이딩 속도 8 m/sec, 하중 max 250MPa 의 조건으로 행하였다.
비교예 8
비교를 위해, 실시예 5 에서 이용한 것과 동일한 SKD11 에 피막형성의 표면처리를 행하지 않은 플런저의 내스커프성을 실시예 5 와 동일한 방법으로 시험했다. 그 결과를 표 5 에 나타낸다.
비교예 9
비교를 위해, 실시예 5 에서 이용한 것과 동일한 플런저 (30) 의 외주면에 복합분산 도금법에 의해 B 를 함유하는 Ni-Co-P 계 도금막을 형성한 플런저의 내스커프성을 실시예 6 과 동일한 방법으로 시험했다. 그 결과를 표 5 에 나타낸다.
비교예 10
비교를 위해, 성막중에 산소를 첨가하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 5 와 동일한 방법에 의해, 규소가 탄화물로서만 존재하는 비정질 경질 탄소막을 플런저에 10 ㎛ 의 두께로 형성하였다. 이와 같은 막을 형성한 플런저에 대하여 내스커프성을 비교평가한 시험결과를 실시예 5 및 다른 비교예들과 함께 표 5 에 나타낸다.
표 5 로부터 분명한 바와 같이, 내마모성 막이 없는 SKD11 의 플런저의 경우에는 약 10MPa 정도의 스커핑 (scuffing) 이 발생한다. 또한, B 를 함유하는 Ni-Co-P 계 도금막의 경우에는 약 20MPa 정도의 스커핑이 발생한다. 또한, 규소 산화물을 함유하고 있지 않은 비정질 경질 탄소막의 경우에는 약 22MPa 정도의 스커핑이 발생한다. 그러나, 규소 산화물을 함유하는 비정질 경질 탄소막의 경우에는, 최대하중인 25MPa 에서 스커핑을 발생하지 않는다.
즉, 이로부터, 규소를 함유하는 비정질 경질 탄소막에 있어서 그 비정질 경질 탄소막에 산소를 미량 첨가함으로써, 막중에서 완전한 탄화물로 되어 있지 않은 구조적으로 불안정한 규소를 산화물로 하여, 보다 화학적으로 안정한 결합상태의 규소 산화물로한 비정질 경질 탄소막은, 규소 산화물이 형성되어 있지 않은 비정질 경질 탄소막에 비하여 낮은 마찰계수를 실현시킬 수 있으며, 마찰손실도 저감하는 것으로 나타났다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 비정질 경질 탄소막에서는 성막중에 미량의 산소 또는 산소함유 화합물을 첨가함으로써 용이하게 막중에 금속 산화물을 형성할 수 있으며, 이에 의해 마찰계수가 약 1/4 로 저감된다. 또한, 슬라이딩 초기에서의 마찰계수의 증가도 없이 안정한 마찰계수가 얻어진다고 하는 효과가 있다.
또한, 자동차용, 가전용으로 과도한 슬라이딩 조건에서 사용되는 슬라이딩부재에, Ni 또는 Co 계와 같은 고가의 내열재료를 사용하지 않아도 되고, 슬라이딩 부재의 상대 부재와의 슬라이딩 접촉부위 또는 스러스트 접촉부위에 실온 부근의 분위기에서 금속 산화물을 함유하는 비정질 경질 탄소막을 형성함으로써, 성막중에 모재의 열변형 및 그에 따른 치수 정밀도의 저하를 억제하고, 균일하며 밀착성이 양호한 피막을 용이하게 형성할 수가 있다.
이에 의해, 슬라이딩 부재의 내마모성, 내스커프성을 대폭 개선할 수 있으며, 피스톤 링, 베인, 플런저의 슬라이딩 부분을 저마찰성, 고경도의 피막으로 코팅함으로써 상기 슬라이딩 부분의 마찰손실을 저감하고, 내구성을 개선할 수 있다.
또한, 미리 막중에 마찰계수를 저감시키는 금속 산화물이 함유되기 때문에, 진공 분위기, 비산화성 분위기에서도 저마찰계수를 얻을 수 있다.

Claims (14)

  1. 탄소와 수소를 주성분으로 하는 비정질 경질 탄소막으로서, 막중에 금속 산화물 및 금속 탄화물을 함유하며, 상기 금속 탄화물을 상기 금속 산화물보다 많이 함유한 것을 특징으로 하는 비정질 경질 탄소막.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 산화물은, Si, Ti, B 및 W 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 원소의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 경질 탄소막.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 막중의 산소의 함유량이 약 0.1 ∼ 10 원자% 인 것을 특징으로 하는 비정질 경질 탄소막.
  4. 슬라이딩 부분을 가지는 기계부품 (10,12,30,42) 으로서, 그 슬라이딩 부분이, 탄소와 수소를 주성분으로 하고 금속 산화물 및 금속 탄화물을 함유하며 상기 금속 탄화물을 상기 금속 산화물보다 많이 함유하는 비정질 경질 탄소막 (12) 으로 코팅된 것을 특징으로 하는 기계부품.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 금속 산화물은, Si, Ti, B 및 W 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 원소의 산화물인 것을 특징으로 하는 기계부품.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 비정질 경질 탄소막 (12) 이 비커스 경도로 1800 ∼2500 의 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 기계부품.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 비정질 경질 탄소막 (12) 의 두께가 2 ∼ 15 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 기계부품.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 비정질 경질 탄소막 (12) 이 비커스 경도로 1800 ∼ 2500 의 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 기계부품.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 비정질 경질 탄소막 (12) 의 두께가 2 ∼ 15 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 기계부품.
  10. 제 4 항 내지 제 9 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 기계부품이 피스톤 링 (42) 인 것을 특징으로 하는 기계부품.
  11. 제 4 항 내지 제 9 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 기계부품이 압축기 베인 (20) 인 것을 특징으로 하는 기계부품.
  12. 제 4 항 내지 제 9 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 기계부품이 연료분사펌프의 플런저 (30) 인 것을 특징으로 하는 기계부품.
  13. 비정질 경질 탄소막의 제조방법으로서, 탄소원료, 금속함유원료 및 산소를, 기재 (10) 를 설치한 진공실 (1,41) 내에 도입하여, 금속 산화물 및 금속 탄화물을 함유하며 상기 금속 탄화물을 상기 금속 산화물보다 많이 함유하는 비정질 경질 탄소막을 형성하는 것을 특징으로 하는 비정질 경질 탄소막의 제조방법.
  14. 비정질 경질 탄소막의 제조방법으로서, 탄소원료, 금속함유원료 및 산소함유원료를, 기재 (10) 를 설치한 진공실 (1,41) 내에 도입하여, 금속 산화물 및 금속 탄화물을 함유하며 상기 금속 탄화물을 상기 금속 산화물보다 많이 함유하는 비정질 경질 탄소막을 형성하는 것을 특징으로 하는 비정질 경질 탄소막의 제조방법.
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