KR100887851B1

KR100887851B1 - 밸브리프터 및 그 표면처리방법

Info

Publication number: KR100887851B1
Application number: KR1020080070306A
Authority: KR
Inventors: 여인웅; 최성문; 김웅; 안정욱; 김형익; 안승균; 백홍길; 정진원
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2009-03-09
Also published as: US8109248B2; US20100012064A1; CN101629497B; CN101629497A

Abstract

침탄침질 처리된 모재 표면의 버퍼층; 0.3~0.6㎛ 두께의 Me-DLC층; 및 1~1.5㎛ 두께로 형성되며 SP3 결합의 분율이 60~70%인 DLC층;을 포함하는 밸브리프터가 소개된다. 이러한 밸브리프터는 저마찰 특성 및 내마모성이 우수하다.

밸브리프터, 마찰, 캠, DLC

Description

밸브리프터 및 그 표면처리방법{VALVE LIFTER AND METHOD FOR SURFACE TREATMENT THEREOF}

본 발명은 저마찰 특성을 갖는 차량 내연기관용 밸브리프터 및 그 표면처리방법에 관한 것이다.

밸브리프터는 캠축의 회전운동을 상하운동으로 바꾸는 기능을 하며 주로 합금주철이나 탄소강으로 제조된다.

도 1에서 보듯이, 밸브리프터(20)는 원통형의 구조(도 2 참조)를 갖는데, 회전하는 캠축(10)이 접촉하는 상면(21)에는 마찰이 끊임없이 발생된다. 이러한 마찰을 줄이기 위하여, 현재, 밸브리프터(20) 표면, 특히 상면(21)에 경면 가공하거나, 다이아몬드상 카본 코팅(Dimond Like Carbon: 이하 "DLC") 코팅을 하거나 또는 CrN(Chromium Nitride) 코팅을 하고 있다.

그러나, 경면 가공에 의한 단순한 표면조도 개선은 손상되기 쉽고, 현재 개발되어 있는 DLC, CrN 코팅은 저마찰 특성이 미흡할 뿐만 아니라 특수한 오일을 사용해야만 최적의 저마찰 특성이 발휘된다는 한계가 있다. 예를 들면, 미국공개특허 제2005/0098134호에 소개된 수소 함유량이 극히 제한된 DLC 코팅의 경우 마찰 손실 을 최소화하기 위해서는 특수한 오일이 필요하다고 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 특정 조건의 오일을 사용하여야 하는 등의 제약이 없는 저마찰 특성이 우수한 밸브리프터 및 이러한 밸브리프터의 제조를 위한 표면처리방법을 제공함을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 밸브리프터는, 표면에 저마찰 특성의 코팅층들이 형성되며, 이 코팅층들의 최상부 코팅층은 SP3 결합 분율이 60~70%인 DLC층인 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 본 발명에 따른 밸브리프터는, 침탄침질 처리된 모재의 표면에 금속 타겟을 스퍼터링하여 형성된 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 텅스텐, 크롬, 티타늄, 몰리브덴의 군에서 선택된 어느 하나의 타겟을 스퍼터링하여 형성된 0.3~0.6㎛ 두께의 Me-DLC층; 및 상기 Me-DLC층 상에 1~1.5㎛ 두께로 형성되며, SP3 결합 분율이 60~70%인 DLC층;을 포함한다.

바람직하게는, 상기 침탈침질 처리된 모재는 표면 거칠기가 Ra 0.01~0.04이며, 상기 버퍼층은 Cr 타겟을 스퍼터링하여 형성된 크롬 코팅층이다.

또한, 바람직하게는 상기 DLC층은 수소 함량이 5~15wt%이며, 경도가 28~32GPa이다.

한편 본 발명에 따른 밸브리프터 표면처리방법은, (a) 모재 표면을 침탄침질 및 템퍼링하는 공정; (b) 템퍼링된 모재를 표면거칠기 Ra 0.01~0.04로 연마하는 공정; (c) 연마된 모재에 금속의 버퍼층 형성 후, 텅스텐, 크롬, 티타늄, 몰리브덴의 군에서 선택된 어느 하나를 타겟으로 하여 스퍼터링하면서 0.3~0.6㎛ 두께의 Me-DLC층을 형성하는 공정; 및 (d) Me-DLC층 위에 SP3 결합 분율이 60~70%인 DLC층을 1~1.5㎛ 두께로 형성하는 공정;을 포함한다.

상기 DLC층은 흑연 타겟을 스퍼터링하여 형성되며 SP3 결합 분율은 아세틸렌(C₂H₂) 공급량 및 밸브리프터 장착용 지그에 걸리는 바이어스전압을 조절함에 의해 이루어질 수 있다.

바람직하게는, 상기 버퍼층은 Cr 타겟을 스퍼터링하여 형성되며, 상기 (a) 공정에서 템퍼링 온도는 200~250℃이며, 상기 (c) 및 (d) 공정에서, 코팅 온도는 250℃ 이하로 유지된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 특징적인 구성에 따르면, 밸브리프터의 저마찰 특성이 우수하며 특정 조건의 오일을 사용하여야 하는 종래의 제약이 없다.

또한, 상기된 밸브리프터의 내마모성이 우수하다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 밸브리프터 및 그 표면처리방법에 대하여 보다 구체적으로 살펴본다.

도 2 및 도 3에서 보듯이, 밸브리프터(20)는 그 외표면, 특히 상면에 저마찰 특성의 발휘를 위한 복수 개의 코팅층이 형성된다. 이러한 코팅층들은 밸브리프터(20) 표면에 직접 형성되거나 혹은 캠축과 접하는 밸브리프터(20) 상면에 별도로 덧대여진 심(shim)에 형성될 수 있다. 코팅층들은 침탄침질(Carbonitriding)된 모재 상에 차례로 적층된 버퍼층, Me-DLC층, DLC층으로 이루어진다.

도 3 내지 도 5b를 참조하여 밸브리프터 표면처리방법과 함께 상기 코팅층들에 대하여 살펴본다.

먼저, 밸브리프터의 표면 코팅에 앞서 사전표면처리를 실시한다.

상기 코팅층들이 형성되는 모재의 경화 및 안정화를 위하여 침탄침질 처리를 한다. 즉, 모재 표면을 침탄침질한 후, 200~250℃로 템퍼링한다.

상기 침탄침질 처리된 모재의 표면은 표면거칠기 Ra 0.01~0.04㎛로 연마가공한다. 모재 표면거칠기가 0.01㎛ 미만일 경우 모재의 표면 코팅에 의해 오히려 거칠기가 증가하여 효과 대비 과다 비용이 소요되는 문제가 있고, 표면거칠기가 0.04㎛를 초과하는 경우에는 상기 코팅층들에 의한 마찰 저감 효과가 떨어지는 문제가 있다. 이러한 모재 표면의 연마에는 버핑(Buffing), 진동연마(Vibration Finishing: VF), 수퍼 피니싱(Super Finishing: SF) 등의 방법이 이용될 수 있다.

다음으로, 표면처리 완료된 모재 표면에 코팅을 실시한다.

상기 모재와 그 위에 적층되는 코팅층들 간의 밀착력 향상을 위해, 사전표면처리 완료된 모재 표면에 버퍼층을 형성한다. 이러한 버퍼층의 형성에는 Cr, Ti 등이 이용 가능한데, 특히, Cr 타겟을 스퍼터링함에 의해 형성된 크롬 코팅층의 효과가 우수하다.

상기 버퍼층이 형성된 모재 표면에 아세틸렌을 카본 소스로 하는 PACVD(Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition: 플라즈마 화학기상증착)법을 이용하여 금속 함유 DLC층(이하 "Me-DLC층")을 형성을 형성한다. 즉, Me-DLC층은 모재 표면에 반응가스로서 아세틸렌(C₂H₂)를 공급하면서 금속 타겟을 스퍼터링하여 Me-DLC층을 형성한다. 금속 타겟으로는 W, Cr, Ti, Mo, 바람직하게는 W, Cr이 사용된다. 이러한 Me-DLC층은 내충격성 향상과 더불어, 저마찰 특성을 발휘하는 상부의 DLC층과 모재 간의 밀착력 향상을 위한 층으로서, 0.3~0.6㎛의 두께로 증착시킨다. 상기 Me-DLC층의 두께가 0.3㎛ 미만인 경우 상기 내충격성 및 밀착력을 충분히 얻지 못하며, Me-DLC층의 두께가 0.6㎛를 초과하는 경우 자체의 잔류 응력 증가로 인해 Me-DLC층 형성 효과가 떨어진다.

상기 Me-DLC층 위에는 저마찰 특성을 실질적으로 발휘하는 DLC층을 1.0~1.5㎛ 두께로 형성한다. 이 두께가 1.0㎛ 미만일 경우 내연기관의 초기 길들이기 과정에서 DLC층이 마모되어 없어지는 문제가 있고, 1.5㎛를 초과하는 경우 자체의 잔류응력 증가로 인해 박리되는 문제가 있다.

상기 DLC층은 아세틸렌을 공급하면서 흑연 타겟을 스퍼터링함에 의해 형성된다. 도 4에서 보듯이 상기 DLC층은 탄소에 탄소 또는 수소가 결합된 SP2(도 5a 참조) 및 SP3 결합(도 5b 참조)의 혼합 구조를 갖는데, SP3 결합의 분율이 60~70%일 때 가장 우수한 저마찰 특성을 갖는다. SP3결합의 분율이 60% 미만을 경우 DLC층의 경도가 급격히 떨어져 밸브리프터 표면의 마모가 발생되며, 70%를 초과하는 경우 DLC층이 갖는 고유의 저마찰 특성이 현저하게 감소된다. 참고로, 통상적인 PACVD법에 의해 형성되는 DLC층 중의 SP3 결합 분율은 70~80%이며, PVD(Physical Vapor Deposition)법에 의해 형성되는 DLC층의 SP3 결합 분율은 80% 이상이다.

상기 SP3결합 분율의 조절은, 아세틸렌을 미세하게 조절하여 공급함과 아울러 밸브리프터가 장착되는 지그에 걸리는 바이어스전압을 조절함에 의해 가능하다. DLC층의 SP3분율은 수소 공급에 따라 증가하며, 바이어스전압이 증가함에 따라 감소하는 경향이 있다. 따라서 DLC층의 저마찰 특성만을 고려한다면 아세틸렌은 적게, 바이어스전압은 높게 해주면 된다. 그러나, DLC층의 경도 또한 바이어스전압에 의존하며 특정한 바이어스전압에서 최대치가 되기 때문에, 실험적으로 경도와 SP3 분율 함께 고려하여 최적값을 얻어내야만, 내마모성과 저마찰 특성이 모두 우수한 DLC층을 얻을 수 있다.

도 6을 참조하여 상기 DLC층의 형성을 위한 PVD 장비를 살펴보면, 진공챔버 내에 흑연타겟과 이로부터 일정간격 이격된 거리에 밸브리프터가 설치된다. 흑연 타겟에는 바이어스전압(-)이 걸리며, 그리고 밸브리프터가 장착되는 지그에도 바이어스전압(-Vsb)이 걸린다. 상기 진공챔버의 일측에서는 음극 바이어스된 흑연 타겟에 부딕혀 스퍼터링을 발생시키기 위한 아르곤이 공급되며, 다른 측에서는 수소 컨트롤을 위한 아세틸렌이 공급된다. 이와 같은 장비를 이용하여 지그에 걸린 바이어스전압과 아세틸렌의 공급량을 조절하면서 DLC층의 SP3 결합 분율은 80% 이상이 되도록 조절하게 되면, DLC층은 5~15wt%의 수소를 함유하게 된다. 한편, DLC층 경도는28~32Gpa 정도가 된다. 참고로, 종래의 PACVD법에 의해 형성되는 DLC층의 수소함량은 25~30wt%, PVD법에 의해 형성되는 DLC층의 수소함량은 0~5% 정도이다.

상기된 바와 같은 표면처리방법에 의해 코팅된 밸브리프터의 저마찰 특성을 확인하기 위하여, 동일 재질의 밸프리프터 6개를 제작하여 그 각각에 대하여 아래 의 표 1과 같이 표면 처리 후 마찰 토크 실험을 실시하였다.

구분	모재 열처리	표면거칠기(Ra)	최종 코팅층	SP3분율
비교예 1	침탄	0.1	-	-
비교예 2	침탄	0.03	-	-
비교예 3	침탄침질	0.1	DLC	75%
비교예 4	침탄침질	0.03	DLC	75%
비교예 5	침탄침질	0.03	DLC	82%
실시예	침탄침질	0.03	DLC	64%

상기 비교예 1, 2는 상술된 사전표면처리만 실시된 것이고, 비교예 3 내지 5, 그리고 실시예는 사전표면처리과 함께 다중 코팅(버퍼층, Me-DLC층, DLC층)처리까지 완료된 것이다. 비교예 3은 모재의 표면거칠기와 최상 코팅층인 DLC층의 SP3 분율이, 그리고 비교예 4, 5는 DLC층의 SP3 분율이, 각각 상기된 본 발명에 따른 조건에 부합되지 않는 것이다. 물론, 실시예는 본 발명에 따른 조건 이내의 범위에서 제작된 것으로서, DLC층의 SP3 분율은 64%였다.

상기 비교예 1 내지 5, 및 실시예에 따른 밸브리프터들 각각에 대해 엔지 헤드시스템을 이용한 리그(rig) 시험을 실시하였다. 실험 조건은 아래의 표 2에 기재된 바와 같으며, 그 실험 결과는 도 7의 그래프에서 확인할 수 있다.

시험 엔진	2리터 직렬 4기통 헤드
밸브리프터 종류	직동식
리그 방식	모터링
엔진 속도	800~6000rpm
오일 및 냉각수 온도	90℃
오일압	1 bar
오일 종류	5W20

도 7의 그래프에서, 가로축은 엔진 스피드(rpm)이며 세로축은 마찰토크(Nm)이다. 실시예의 경우, 비교예 1 내지 3에 비하여 저마찰 특성이 월등히 우수할 뿐만 아니라, DLC층의 SP3분율만이 다른 비교예 4, 5에 비해서도 우수한 마찰 저감 효과를 나타냈다.

한편, 상기한 바와 같은 실시예에 따른 밸브리프터를 실제 엔진에 장착하고 500시간 내구성 테스트를 실시한 후, 밸브리프터 표면의 마모흔을 관찰하였다. 그 결과, 도 8에서 볼 수 있듯이, 실시예의 경우 내마모성이 우수하여 거의 마모흔이 관찰되지 않았다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.

도 1은 통상적인 내연기관용 밸브 트레인계의 구성 일부를 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 밸브리프터의 표면 코팅층의 구성을 도시한 도면,

도 4은 도 2에 도시된 DLC층의 카본 결합구조를 도시한 도면,

도 5a는 도 4에 도시된 카본 결합구조 중 SP2 결합구조를 도시한 도면, 도 5b는 SP3 결합구조를 도시한 도면,

도 6은 도 2에 도시된 DCL층의 형성에 사용되는 장비 개략도,

도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 밸브리프터들에 대한 마찰 시험 결과를 비교하여 나타낸 그래프,

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 밸브리프터에 대한 내구성 테스트 후 마모흔의 발생 여부를 살펴본 결과 사진이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 캠축 20: 밸브리프터

Claims

표면에 저마찰 특성의 코팅층이 형성된 밸브리프터에 있어서,

침탄침질 처리된 모재의 표면에 금속 타겟을 스퍼터링하여 형성된 버퍼층;

상기 버퍼층 상에 텅스텐, 크롬, 티타늄, 몰리브덴의 군에서 선택된 어느 하나의 타겟을 스퍼터링하여 형성된 0.3~0.6㎛ 두께의 Me-DLC층; 및

상기 Me-DLC층 상에 1~1.5㎛ 두께로 형성되며, SP3 결합 분율이 60~70%인 DLC층;을 포함하는 밸브리프터.
청구항 1에 있어서, 상기 침탈침질 처리된 모재는 표면 거칠기가 Ra 0.01~0.04인 밸브리프터.
청구항 1에 있어서, 상기 버퍼층은 Cr 타겟을 스퍼터링하여 형성된 크롬 코팅층인 밸브리프터.
청구항 1에 있어서, 상기 DLC층은 수소 함량이 5~15wt%이며, 경도가 28~32GPa인 밸브리프터.
(a) 모재 표면을 침탄침질 및 템퍼링하는 공정;

(b) 템퍼링된 모재를 표면거칠기 Ra 0.01~0.04로 연마하는 공정;

(c) 연마된 모재에 금속의 버퍼층 형성 후, 텅스텐, 크롬, 티타늄, 몰리브덴의 군에서 선택된 어느 하나를 타겟으로 하여 스퍼터링하면서 0.3~0.6㎛ 두께의 Me-DLC층을 형성하는 공정; 및

(d) Me-DLC층 위에 SP3 결합 분율이 60~70%인 DLC층을 1~1.5㎛ 두께로 형성하는 공정;을 포함하는 밸브리프터 표면처리방법.
청구항 5에 있어서, 상기 DLC층은 흑연 타겟을 스퍼터링하여 형성되며 SP3 결합 분율은 아세틸렌(C₂H₂) 공급량 및 밸브리프터 장착용 지그에 걸리는 바이어스전압을 조절함에 의해 이루어지는 밸브리프터 표면처리방법.
청구항 5에 있어서, 상기 버퍼층은 Cr 타겟을 스퍼터링하여 형성되는 밸브리프터 표면처리방법.
청구항 5에 있어서, 상기 (a) 공정에서 템퍼링 온도는 200~250℃인 밸브리프터 표면처리방법.
청구항 5에 있어서, 상기 (c) 및 (d) 공정에서, 코팅 온도는 250℃ 이하로 유지되는 밸브리프터 표면처리방법.
표면에 저마찰 특성의 코팅층들이 형성된 밸브리프터에 있어서,

상기 코팅층들의 최상부 코팅층은 SP3 결합 분율이 60~70%인 DLC층인 것을 특징으로 하는 밸브리프터.
청구항 10에 있어서, 상기 DLC층은 두께가 1~1.5㎛인 것을 특징으로 하는 밸브리프터.
청구항 10에 있어서, 상기 DLC층은 수소 함량이 5~15wt%이며, 경도가 28~32GPa인 것을 특징으로 하는 밸브리프터.