KR101282483B1 - 내마모성 코팅 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내마모성 코팅을 제조하기 위한 방법 및, 마찰로 인한 마모에 노출된, 특히 내연 기관용 기계 부품의 사전 결정된 면에서 이루어진 내마모성 코팅에 관한 것이며, 상기 코팅은 기계 부품(1)의 사전 결정된 면(2)의 마모 저항성을 높이고 마찰을 줄이기 위해 적어도 2개의 CrNx-상으로 이루어진, 나노 결정 기능층(4)으로 구성된다.
기능층, 지지층, 버킷 태핏, 캠 접촉면, 준안정 혼합상

Description

내마모성 코팅 및 그 제조 방법{WEAR-RESISTANT COATING AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}
도1은 내연 기관의 밸브의 작동을 위한 버킷 태핏과 캠 샤프트로 구성된 마찰 쌍의 전면도.
도2는 도1의 버킷 태핏의 사시도.
도3은 롤링 베어링 부품에 의해 캠 팔로우어에 연결된 유압식 지지 소자의 사시도.
도4는 본 발명의 실시예의 따른, 내마모성 코팅을 갖는 기계 부품의 개략적 횡단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1:기계 부품 2:기계 부품의 사전 결정된 면
3:지지층/접착층 4:나노 결정 기능층/CrNx-상-층
5:버킷 태핏 6:캠
7:밸브 샤프트 8:유압식 지지 소자
9:피스톤 10:하우징
11:캠 팔로우어 12:롤링 베어링
50:캠 접촉면 51:버킷 외피
90:피스톤과 캠 팔로우어 사이의 접촉 영역
91:피스톤과 하우징 사이의 접촉 영역
본 발명은 마찰로 인한 마모에 노출된 기계 부품들의 사전 결정된 면에 대한 내마모성 코팅 및, 이와 같은 내마모성 코팅을, 특히 내연 기관 내의 기계 부품들을 위해 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명 및 본 발명의 기초가 되는 과제는 임의의 기계 부품들에 적용될 수 있음에도 불구하고, 내연 기관용 기계 부품들과 관련하여, 특히 버킷 태핏(bucket tappet)과 같은 밸브 구동 부품과 관련하여 더 자세히 설명된다.
예컨대 흡기 및 배기 밸브를 가지며 왕복 운동하는 피스톤을 구비한 차량 엔진 내에 구성된 캠 팔로우어(cam follower) 장치가 공지되어 있으며, 이 경우 흡기 및 배기 밸브들은 크랭크 샤프트의 회전과 동위상으로 또는 이에 대해 동기로 개폐된다. 밸브 구동 메카니즘은 캠 샤프트에 설치된 캠의 운동을, 캠 샤프트가 엔진의 크랭크 샤프트와 함께 회전할 때, 밸브로 전달하기 위해 사용된다. 이때 캠 샤프트의 캠은 해당 버킷 태핏의 작동면과 마찰 접촉한다.
예컨대 상기의 버킷 태킷 및 펌프 태핏과 같은 현대의 밸브 구동 부품들에서는 통상적으로, 마모 저항성 및 재료 보호에 대한 요구가 증가하고 있다. 높아진 마모 저항성에 대한 필요성의 원인은 제어 캠과 제어 태핏으로 구성된 마찰학적 시스템의 하중과 응력이 계속 증가하는 데에 있다. 이에 대한 원인은, 예컨대 가솔린 및 디젤 직접 분사 시스템과 같은 새로운 엔진 컨셉에서, 지속적으로 분사압이 증가하고, 윤활유 내에서 연마 입자 성분이 증가하며, 마찰 파트너의 오일 공급이 부족하고(이로써 혼합 마찰 성분이 증가한다), 비용 및 질량을 줄이기 위해 마찰학적으로 불리한 강(steel) 캠 사용이 증가한다는 데 있다. 재료 보호를 위한 중요한 기여는 밸브 구동기 내의 마찰 손실의 감소이며, 이로써 전체 밸브 구동기의 수명이 높아지면서 동시에 연료가 절약된다. 마찰 손실을 효율적으로 줄이기 위해, 넓은 회전수 영역에 걸쳐 마찰 토크를 낮추는 것이 필요하다.
이와 같은 버킷 태핏을 내연 기관의 밸브 제어부를 위한 경금속 태핏으로서 형성하는 것이 공지되어 있으며, 상기 경금속 태핏은 태핏 베이스 본체 및, 밸브 제어부의 제어 캠을 위한 접촉면에 삽입되고 표면이 경화된 강 플레이트를 포함한다.
그러나 상기 방법은 작동 상태에서 버킷 태핏이 저온 시동일 때의 -30℃에서부터 내연 기관의 작동중 대략 130℃까지의, 상대적으로 큰 온도 변화에 노출되는 단점을 갖는다. 이 경우 사용된 재료의 열 팽창이 상이할 수도 있다는 것이 문제점이다. 내마모성 삽입부로서 경금속 태핏 내에 삽입된 강 플레이트는 양호한 마모 특성을 가지지만, 열 부하 시에는 분리되는 경향이 있다. 따라서 열 부하 수용 능력이 제한된다. 다른 적용 기술적 단점은, 밸브 제어부의 제어 캠과 접촉하는 기능면 또는 캠 접촉면인, 상대적으로 넓은 림의 형태의 구성 공간이 사라지는 데에 있다.
또한, 종래 기술의 방법에 따르면, 마찰로 인한 마모에 노출된 기계 부품들의 작동면에 마모 방지층이 제공되는 것이 공지되어 있으며, 마모 방지층은 적용 경우에 따라서 바람직하게는 전기 도금된 금속 또는 열적 분무 방법으로 도포된 금속 및/또는, 경우에 따라 경질 재료 첨가물을 갖는 금속 합금으로 구성된다.
그러나 상기 방법은 열적으로 분무된 금속층의 강성이 상대적으로 약하다는 단점이 있기 때문에, 강성을 개선하기 위해 분무 재료가 동시에 표면 영역에 용융된 기본 재료와 용융식으로 혼합되어 합금되도록, 도포 후 금속층을 예컨대 플라즈마 빔, 레이저 빔, 전자 빔 또는 아크에 의해서 재용융시키는 것이 공지되어 있다. 그러나 재용융 합금 시에 상이한 조성물의 불균질 구역이 생기며, 이 구역에서는 기본 재료 및 층 재료가 우세할 수 있다. 기본 재료 비율이 매우 높은 경우 층 마모가 매우 높으며, 기본 재료 비율이 낮으면서 층 조합물이 다양할 때 미소 균열의 위험이 있으므로, 상기와 같은 층은 사용될 수 없다. 이 경우 마찰 부하는 층들에서 불리한 점착성-마모를 야기할 수 있다.
또한 출원인에게는, 버킷 태핏의 작동면을 열화학적 공정을 이용해서 침탄 질화 및/또는 침질 탄화하는 방법이 공지되어 있다. 그러나 이 방법은 만족스러운 마찰 계수에 도달되지 않으며 매우 낮은 마모 저항성이 생기는 단점을 갖는다.
또한 태핏의 작동면을 망간인산염층 또는 슬라이드 래커로 코팅하는 것이 출원인에게 공지되어 있다. 이 경우에도 만족스러운 마찰 계수 및 마모 저항성에 도달하지 않는다. 또한 상기와 같은 재료들은 불필요하게 환경을 오염시킨다. 이는 마찬가지로 작동면들에 도포될 수 있는 전기 도금 층들에도 적용된다.
또한 종래 기술에는 코팅 재료로서 경질 금속 및 고속도강(ASP 23)이 공지되어 있으나, 이들은 만족스럽지 못한 마찰 계수와 만족스럽지 못한 마모 저항성 외에도 추가적으로, 불리하게 높은 질량을 갖는다. 또한 이들의 제조는 높은 제조 비용에 연결된다.
출원인에게는 추가적으로, 예컨대 PVD 또는 (PA)CVD 방법에 의해 제조된, 예컨대 TiN, CrN, (Ti, Al)N과 같은 경질 층들이 공지되어 있다. 그러나 이와 같은 방법은, 상기 층들이 후처리되지 않는 경우 층들이 대응 본체의 높은 마모를 일으킨다는 단점을 갖는다. 후처리의 경우, 반응 표면으로 인해서 규정되지 않은 표면 상태가 생긴다.
미국 특허 제5,237,967호에는 탄소를 기로 하며, 커버층 내에 20 내지 60 원자 퍼센트의 수소를 갖는 PVD 및 (PA)CVD 층들이 공지되어 있는데, 소위 금속을 함유한 탄화수소층(Me-C:H)과 비결정성(amorphous) 탄화수소층(a-C:H)이다. 그러나 상기 층들은 마모 저항성과 화학적 안정성이 낮다. 또한 이들은 매우 높은 유체 마찰 계수를 갖는데, 이는 오일 윤활 상태 시 마찰 감소가 보장되지 않기 때문이다.
위에서 이미 설명한 바와 같이, 밸브 구동기 내의 마찰 감소는 연료 절약과 재료 보호를 위해 필수적이다. 이 목표는, 고체 마찰 및 혼합 마찰 영역을 줄임으로써 완전하게 재료가 분리된 유체 마찰 영역을 증가시킬 때 도달될 수 있다. 이 는 버킷 태핏과 캠 샤프트로 이루어진 마찰학적 시스템의, 가능한 낮은 전체 조도(RGes)에 의해서 도달된다.
RGes = ((RTassenstoessel)2 + (RNockenwelle)2)0.5 ,
이 경우 RTassenstoessel은 버킷 태핏의 표면 조도이며, RNockenwelle는 캠 샤프트의 표면 조도를 나타낸다.
이 경우 요구되는 버킷 태핏의 낮은 조도를 전체 수명에 걸쳐서 유지하기 위해, 높은 마모 저항성, 대응 본체에 대해 낮은 점착성을 갖는 경향 및 주변에 대한 낮은 반응성을 갖도록, 표면을 형성하는 것이 필요하다. 또한 상기 표면은 바람직하게는 액적과 같은 마모성 입자를 포함해서는 안된다.
침탄 질화, 침질 탄화 또는 질화와 같은 열 처리 상태 시에도, 탄소 철 합금으로 이루어진 버킷 태핏은, 이 경우 요구되는 마모 저항성 및, 마찰학적으로 유리한 표면 상태에 이르지 못한다. 특히 (미세한) 연마, 래핑, 폴리싱, 빔 등을 통해서 예컨대 질화층을 기계적으로 후속 처리하면, 표면의 표면 구조 외에도 화학적 조성물 및 반응성이 달라진다. 상기 변화는 한편으로 큰 분산 하에 있으므로, 동일하게 유지되는 품질이 실현될 수 없다. 다른 한편으로 지형적 아핀 표면은 마찰학적으로 불리한 특성을 가지며 대응 본체에 접착되는 경향을 갖는다. 또한 연마 공정 및 폴리싱 공정에 의해 표면에 가까운 영역에서 잔류 압축 응력이 유도되며, 이는 경질 재료층에 이미 존재하던 높은 잔류 압축 응력에 더해진다.
추가적으로, 유도된 전위와 터진 액적(droplet)으로 인해, 흠집과 미소 균열이 생기므로, 버킷 태핏의 층의 국부적 피로 강도가 감소하며, 층의 후처리 시에 부서짐이 생길 수 있을 정도로 접착 강도가 줄어든다.
그러나 예컨대 아크 방법으로 증착된 층의 경우 추후의 폴리싱을 생략하면, 경질의 액적들이 마찰로 인해 대응 본체를 마모시키거나 적어도 대응 본체가 무질서하게 폴리싱되므로, 예측되지 않는 불리한 결과가 생긴다. 더욱이 작동 중 상기 액적들이 층으로부터 터져 나오며, 이는 층을 손상시키고, 통제되지 않게 마모를 일으키는 입자를 생성한다.
따라서 본 발명의 목적은 위에서 언급한 단점들을 제거하며 특히 전체 사용 범위 내의 마찰 모멘트를 줄이고 코팅된 기계 부품 및 대응 본체의 수명을 늘이는 코팅 및, 상기와 같은 코팅을 위한 제조 방법을 형성하는 것이다.
본 발명에 따라 상기 과제는 장치 측면으로는 청구항 제1항의 특징을 갖는, 내마모성 코팅에 의해 해결되고, 방법 측면으로는 청구항 제17항의 특징을 갖는 방법에 의해 해결된다.
본 발명의 기본이 되는 개념은, 마찰을 감소시키고 기계 부품의 사전 결정된 면의 마모 저항을 증가시키기 위해 내마모성 코팅이 적어도 2개의 CrNx-상으로 이루어진 적어도 하나의 나노 결정 기능층으로 구성되는 것이다.
이로써 종래 기술에 따른 공지된 인용 문헌에 비해 본 발명은, 마찰 계수가 현저히 감소하고 코팅된 기계 부품 및 해당 대응 본체의 수명이 증가하는 장점을 갖는다. 또한 상기 코팅은, 액적이 형성되지 않고 표면 조도가 증가하지 않도록 구현될 수 있다. 또한 열 처리된 표면에 비해서 확실히 더 높은 경도에 이른다. 따라서 대응 본체에 대해 접착되는 경향이 적어지며 대응 본체의 분리가 개선된다. 코팅의 CrNx-혼합상에 의해, 최적의 화학 조성물, 최적의 마이크로 구조 및 최적의 형태에 이를 수 있다.
종속항에는 청구항 제1항에 기재된 내마모성 코팅 및 청구항 제17항에 기재된 방법의 바람직한 실시예 및 개선예가 제시된다.
바람직한 다른 실시예에 따라, 적어도 하나의 기능층은 주로 Cr2N과 CrN으로 이루어진 준안정 혼합상(metastable mixed phase)으로 구성된다. 준안정 혼합상 내에서의 Cr2N 비율은 바람직하게는 적어도 70%에 이른다. 나노 결정이 제공된 Cr2N 격자 및 CrN 격자 사이에, 상기와 같은 준안정 혼합상이 형성됨으로써, 층 시스템의 바람직한 마찰학적 및 기계적 특성이 얻어진다. 기능층은 바람직하게는 적합한 혼합상에 의해 최적이 된다. 바람직하게, 적어도 하나의 기능층은 10nm 범위 내의 입자 크기를 갖는다. 작은 입자 크기에 의해, 또한 주로 Cr2N 및 적은 성분의 CrN으로 이루어진 혼합상에 의해, 나노 결정 층들은 결함이 더 적어지며 조도 증가가 명백히 더 적다. 나노 결정 구조는 또한 전위 밀도를 감소시키므로, 균열 형성의 위험이 감소한다. 또한 적은 입자 한계는 효율적인 균열 배리어로서 사용되는데, 이는 대략 10nm의 입자 크기로 인해 최대 균열 길이도 대략 단지 10nm에 이르기 때문이다. 따라서 입자 한계에 이를 때 균열 정점에서의 응력 세기 인자는, 입자 한계가 극복될 수 없음으로써 균열이 퍼지지 않을 정도로 적다.
다른 바람직한 실시예에 따라 적어도 하나의 기능층은 2500HV 내지 3200HV 사이의 경도를 갖는다. 또한 코팅된 본체의 마모 방지부는, 열처리된 표면에 비교해서 확실히 확대되며, 대응 본체에 대한 접착 경향이 줄어들고 대응 본체로부터의 분리는 윤활막에 의해서 개선된다. 특정의 적용을 위해, 마찰 접촉 시 대응 본체를 보호하기 위한 커버층의 경도는 1600HV까지의 적은 경도로 감소할 수 있다.
다른 바람직한 실시예에 따라, 적어도 하나의 기능층은 최대 0.04㎛의 평균 조도(Ra)를 갖는다. 이와 같이 낮은 표면 조도, 특징적으로 양의 재료 성분을 갖는 지형 및 평평한 경사각 또는 경사 구릉에 의해, 대응 본체가 부드럽게 활주되므로 예컨대 버킷 태핏과 대응 본체로 구성된 마찰학적 시스템의 전체 조도(RGes)가 감소한다. 적은 전체 조도(RGes)에 의해 스트리벡(Striebeck) 곡선이 왼쪽으로 이동하므로, 고체에 접촉하는 마찰 상태가 감소하며 이로써 마모 임계적인 상태와 마찰도 감소한다. 높은 마모 저항성과 높은 경도는 추가적으로, 마찰과 연관된 작동 중 매끄러운 표면 및 층 두께를 유지시킨다.
바람직하게 적어도 하나의 기능층은 적어도 2개의 CrNx-상으로 이루어진 복수의 나노 결정 개별층으로 구성되며, 개별 층들은 점진적으로 또는, 동일하게 유지되는 층 조성물 내에 도포될 수 있다.
바람직한 다른 실시예에 따라 기계 부품의 사전 결정된 면과 4면(tetrahedral)-비결정성 탄소층 사이에 적어도 하나의 지지층 및/또는 적어도 하나의 접착층이 제공되며, 이는 예컨대 PVD 방법에 의해 예컨대 텅스텐을 포함하는 금속 함유 탄소층으로서, 전이 금속의 탄화물 및/또는 질화물을 포함하는 층으로서, 열처리에 의해서는 표면 경화, 침탄 질화 또는 침질 탄화층으로서, 열화학적 방법에 의해서는 질화 또는 붕소 처리된 층으로서 및/또는 예컨대 전기 도금(galvanic) 방법에 의해서는 크롬을 포함하는 층으로서 형성된다. 바람직하게 적어도 하나의 지지층 및/또는 접착층은 각각 0.1㎛ 내지 4.0㎛의 두께를 포함하며, 이 두께는 각각 상응하는 요구 또는 소비자 욕구에 맞게 다시 조정된다.
예컨대 기계 부품의 사전 결정된 면이 16MnCr5, C45, 100Cr6, 31CrMoV9, 80Cr2 등으로 구성된다.
본 발명에 따른 코팅의 바람직한 사용은 내연 기관에서 버킷 태핏, 캠 팔로우어 또는 로커 암으로서 형성된 익스펠러(expeller) 상의 익스펠러층, 버킷 태핏의 캠 접촉면 및/또는 버킷 외피이며, 밸브 구동 부품의 사전 결정된 표면, 특히 기계적 및 유압식 버킷 태핏, 유압식 지지 소자와 삽입 소자, 밸브 샤프트 또는 밸브 샤프트 지지부, 롤링 베어링 부품, 제어 피스톤, 릴리스 베어링, 피스톤 핀, 베어링 부시, 선형 가이드 등의 사전 결정된 표면이다. 이 경우 바람직하게는 오로지 개별 기계 부품들의 특정 면 또는 기계 부품의 완전한 표면에 본 발명에 따른 코팅이 형성될 수 있다.
기계 부품의 사전 결정된 면이 바람직하게 최대 0.03㎛의 평균 조도(Ra)를 갖는다. 이는 예컨대 코팅 전 베이스 본체가 적절하게 처리됨으로써 조정될 수 있다.
바람직한 다른 실시예에 따라 적어도 하나의 나노 결정 기능층은 PVD 방법, 바람직하게는 반응성 PVD-스퍼터링 방법에 의해 기계 부품의 사전 결정된 면들 상에 증착된다. 이때 바람직하게는 추가적으로, 적어도 하나의 기능층으로 탄소가 서브 플랜테이션(sub-plantation)된다. 바람직하게 적어도 하나의 기능층은 기계 부품의 템퍼링 온도보다 낮은 코팅 온도로 증착된다.
바람직한 다른 실시예에 따라, 적어도 하나의 증착된 기능층의 기계적 후처리가 실행되지 않는다. 따라서 낮은 표면 조도가 유지될 수 있으므로, 마찰 모멘트가 추가로 줄어든다. 마찬가지로 바람직하게는 기계 부품의 후 열처리가 이뤄지지 않으므로, 증착된 코팅의 원래 특성은 있을 수도 있는 후처리 시에 변화하지 않는다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 실시예들에 의해 더 자세히 설명된다.
도면에 도시된 동일한 도면 부호들은 다른 언급이 없는 한, 동일하거나 또는 기능이 같은 부품들을 나타낸다.
도1은 캠 접촉면(50)과 버킷 외피(51)를 갖는 버킷 태핏(5) 및 캠(6)으로 구성된 마찰 쌍을 도시한다. 버킷 태핏(5)은 도2에서 더 상세하게 사시도로 도시된다. 버킷 태핏(5)은 일반적으로 내연 기관 내의 기계 부품들을 위해서 밸브의 샤프트(7)에 연결되며, 상기 샤프트는 캠 면이 버킷 태핏(5)의 캠 접촉면(50)에 지지됨으로써 밸브를 개방 또는 폐쇄한다.
일반적으로 예컨대 버킷 태핏 및 펌프 태핏과 같은 현대의 밸브 구동 부품들은 마모 저항성과 재료 보호에 대한 요구가 높은데 특히 접촉면(50)에서 그러하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 기계 부품(1), 예컨대 버킷 태핏(5)을 위한 내마모성 코팅의 개략적 횡단면도를 도시하는 도4와 관련하여, 본 발명의 실시예가 이하에서 더 자세히 설명된다.
버킷 태핏(5)은 마찰 계수를 감소시키기 위해, 또한 캠 접촉면(50)의 영역에서 또는 필요에 따라 캠 접촉면(50)과 버킷 외피(51)의 영역에서 마모 저항성을 높이기 위해 본 발명에 따른 내마모성 코팅으로 코팅된다. 개방 측면의 영역에서 버킷 태핏(5)의 버킷 외피(51)의 변형이 높은 경우, 선택적으로 버킷 외피(51)가 부분적으로 코팅되거나, 캠 접촉면(50)만이 코팅되거나, 또는 버킷 태핏(5)의 버킷 외피(51)의 영역에서 내마모성 코팅이 추후에 적어도 부분적으로 제거될 수 있다.
본 발명에서, 버킷 태핏(5)의 캠 접촉면(50)이 기계 부품의 사전 결정된 면(2)으로서 제시되는 것이 우선적으로 가정된다. 당업자에게는 임의의 기계 부품의 임의로 사전 결정된 면이 본 발명에 따른 코팅으로 코팅될 수 있는 것이 공지되어 있다.
사전 결정된 면(2), 즉 버킷 태핏(5)의 캠 접촉면(50)이 바람직하게는 코팅 전에 표면 경화 또는 침탄 질화되어 템퍼링된다.
예컨대 16MnCr5, C45, 100Cr6, 31CrMoV9, 80Cr2 등과 같이 바람직하게 저렴한 강 재료로 이루어진, 본 발명의 경우 버킷 태핏(5)의 캠 접촉면(50)인 베이스 본체는 본 실시예에 따라 지지층(3) 및/또는 접착층(3)으로 코팅된다. 지지층(3) 또는 접착층(3)은 예컨대 각각, 금속 함유 탄소, 예컨대 텅스텐과 탄소의 화합물로 구성될 수 있으나, 다른 금속 재료(예컨대 크롬, 티탄) 및, 전이 금속의 붕소화물, 탄화물 및 질화물로도 구성될 수 있다. 지지층(3) 및/또는 접착층(3)은 예컨대 표면 경화, 침탄 질화, 침질 탄화와 같은 열처리에 의해서, 예컨대 질화, 붕화와 같은 열화학적 방법에 의해, 예컨대 크롬 함유층 도포와 같은 전기 도금 방법에 의해 또는, 전이 금속의 Me-C, 탄화물 및 질화물 도포와 같은 PVD 방법에 의해 형성될 수 있다. 예컨대 스퍼터링 또는 ARC 기술과 같은 PVD 방법의 경우, 경우에 따라서 금속이 증발되어, 반응성 가스(예컨대 질소)의 첨가 하에 층으로서 기판 상에 도포된다. 크롬은 고체 출발 물질로서 증발하며 높은 에너지 제공에 의해 질소 원자가 농축됨으로써, 버킷 태핏(5)의 사전 결정된 면(2) 상에 부분 결정층으로서 증착된다.
이와 관련해서, 하나의 지지층(3) 또는 하나의 접착층(3)만이, 복수의 지지층(3) 또는 복수의 접착 지지층(3)만이, 또는 상기 2개의 층들의 조합만이 버킷 태핏(5)의 사전 결정된 면(2) 또는 베이스 본체 상에 형성될 수 있는 것이 제시된다. 베이스 본체 상에 아직 형성되어야 할 내마모성 코팅 또는 지지층의 접착 개선이 요구되는 경우, 예컨대 0.1㎛ 내지 2.0㎛의 두께를 갖는 접착층(3)인 하나의 층이 베이스 본체 상에 형성된다. 그러나 상기 층이 지지층, 즉 베이스 본체와 아직 더 형성되어야 하는 내마모성 코팅 사이의 기계적 지지부로서 사용되어야 하는 경우, 2.0㎛ 내지 4.0㎛의 두께가 바람직하다. 지지층에 의해 피로 강도가 높아져야 하며, 즉 층 시스템의 소성 변형, 균열 형성과 확대 및 파단이 방지되어야 한다. 이와 같은 피로 과정은 개별 층들 또는 베이스 본체 및 내마모성 코팅의 상이한 경도, 탄성 모듈, 변형 가능성의 원조 하에 캠의 부하에 의해, 또한 이로부터 유도된 버킷 태핏(5)의 재료 응력에 의해 발생한다. 이 경우 지지층(3)인 층(3)의 형성은 단독으로 또는 적합한 접착층과의 조합 형태로 이루어진다.
도4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따라 지지층 및/또는 접착층(3)이 형성된 후, 내마모성 코팅(4)이 그 위에 형성된다. 내마모성 코팅(4)은 바람직하게는 적어도 2개의 CrNx 상으로 이루어진 나노 결정 기능층(4) 또는, 이와 같은 복수의 기능층(4)으로 구성된다. 코팅될 표면은 예컨대 반응성 PVD 스퍼터링 방법에 의해, CrNx 상으로 이루어진 나노 결정층으로 코팅되며, 상기 층들은 각각 주로 Cr2N 결합물로 이루어진 준안정 혼합상으로 구성된다. Cr2N 결합물의 비율은 바람직하게는 70% 이상이므로, 따라서 Cr(N) 결합물의 비율은 30% 보다 적다.
최고 코팅 온도는 바람직하게는 260℃에 달하므로, 코팅 과정에서 베이스 재료가 템퍼링되지 않는다.
코팅 방법 시, 예컨대 코팅 챔버 내에 크롬이 증발되며 질소 가스는 반응 가스로서 코팅 챔버 내로 유입되어 이온화되며, 코팅될 표면으로 가속화된다. 이와 동시에, 예컨대 아르곤 이온에 의해 배출된 크롬 이온과의 결합이 이루어진다. 배출된 크롬 이온은 도입된 질소에 결합되며 코팅할 부품에 인가된 바이어스 전압에 의해, 코팅할 표면을 향한다. Cr2N 결합물은 예컨대 70%의 크롬과 30% 또는 그보다 적은 질소로 구성된다. CrN 결합물에 대한 Cr2N 결합물의 비는 마찬가지로 대략 70:30이다. 이와 같은 비율은 공정에 기인하는 복수의 파라미터에 의해 결정되며, 이는 예컨대 코팅할 표면에 인가된 바이어스 전압, 아르곤 부피 유량, 질소 부피 유량, 코팅 챔버 내에서 코팅할 기계 부품의 회전 속도, 인가된 자기장 등이다.
경우에 따라서는, 서브 플랜테이션에 의해 나노 결정 기능층(4) 내로 탄소를 유입하는 것이 바람직할 수 있으며, 즉 탄소 원자는 높은 에너지로 나노 결정 기능층(4)의 제1 원자 위치에 제공되어 이에 연결된다. 이와 같이 탄소를 나노 결정 기능층(4) 내에 서브 플랜테이션함으로써, 종래의 크롬 질화층에서보다 더 낮은 마찰 계수에 이르며 접착성의 마모 저항성은 더 커진다.
나노 결정 기능층(4)은 기계 부품(1)의 사전 결정된 면(2) 상에 바로, 또는 위에서 설명한 지지층(3) 또는 접착층(3)과 함께 점진적으로, 또는 동일하게 유지되는 층 조성물로 증착될 수 있다. 반응성 PVD 스퍼터링에 의한 코팅 공정은 바람직하게는 열처리된 부품의 템퍼링 온도 아래에서 이루어진다.
마찰학적, 기계적으로 유리한 층 시스템의 특성을 얻기 위해, 대응 본체와 접촉하는 나노 결정 기능층(4)은 화학적 조성물과 관련하여, 또한 나노 결정 상태시 제공되는 Cr2N 격자와 CrN 격자 사이에 준안정 혼합상이 형성됨에 의한 마이크로 구조및 형태와 관련하여 최적이 된다. 10nm 범위 내에 있는 작은 입자 크기에 의해, 또한 주로 Cr2N 결합물 및 적은 비율의 Cr(N) 결합물로 이루어진 혼합상에 의해, 뢴트겐선 상 분석 시 간섭선의 명백한 확장 및 적은 세기의 반사를 얻는데, 이는 단지 적은 수의 결정만이 굴절 방정식을 충족하도록 방향 설정되기 때문이다. 다른 층들과 비교하여, 나노 결정층들은 결함이 더 적으며 조도 증가가 분명히 더 적다. 또한 나노 결정 구조는 전위 밀도를 감소시키므로, 균열 형성의 위험이 감소한다. 또한 입자 한계는 효율적인 균열 배리어로서 사용되는데, 이는 대략 10nm의 입자 크기로 인해 최대 균열 길이가 마찬가지로 10nm에만 달하기 때문이다. 이로써 입자 한계에 이를 때에 균열 정점에서의 응력 세기 인자는 입자 한계가 극복될 수 없고 이로써 균열이 퍼지지 않을 정도로 적다.
코팅은 바람직하게 대략 0.1㎛ 내지 4.0㎛, 바람직하게는 2.0㎛의 두께로 형성된다. 따라서 크기와 표면 조도는, 후처리가 필요하지 않도록 적은 치수 내에서 변한다. 코팅 공정은 바람직하게는, 액적이 형성되지 않고 조도의 최대 증가가 0.04㎛의 평균 표면 조도(Ra)로 되도록 실행된다.
태핏(5)의 캠 접촉면(50)은 바람직하게는 코팅 후 더 이상 후처리되지 않는데, 이는 최상의 기계적, 마찰학적 특성을 보장하기 위해서이다. 베이스 재료의 템퍼링 효과에 이르지 않도록 또한 코팅되지 않은 밸브 샤프트 지지부가 후 열처리 없이 적어도 650HV의 경도를 갖도록, 코팅 중 바람직하게는 낮은 온도 유입이 우세하다. 베이스 재료, 특히 밸브 샤프트 지지부의 후 열처리가 실행되지 않는다는 사실에 의해, 전체 시스템의 높은 그리고 재현 가능한 품질이 동일하게 유지될 수 있다.
코팅 후, 코팅된 표면, 예컨대 캠 접촉면(50)이 연마, 래핑, 폴리싱, 빔 등에 의해 기계적으로 후처리되지 않는다는 사실에 의해, 기능과 품질에 관해서는 견고한 표면이 보장되고 또한 0.04㎛의 최대 평균 조도를 갖는 흠집 없는 표면이 보장된다.
본 실시예에 따른 코팅(4 또는 3, 4)은 열처리된 표면과 비교하여, 거의 2500HV 내지 3200HV의 확실히 더 높은 경도를 가지며, 대응 본체에 대한 접착 경향이 더 낮고 대응 본체로부터의 분리는 윤활막에 의해서 개선된다. 최대 Ra = 0.04㎛인 낮은 표면 조도, 특징적으로 양의 재료 성분을 갖는 지형 및 평평한 경사각 또는 경사 구릉에 의해, 대응 본체가 부드럽게 활주되므로 버킷 태핏(5)과 캠 샤프트(6)로 구성된 마찰학적 시스템의 전체 조도(RGes)가 감소한다. 높은 마모 저항성과 높은 경도는 기계 부품 또는 내연 기관의 전체 수명 중 매끄러운 표면 및 층 두께를 유지시킨다.
이하에서는 본 발명에 따른 코팅의 바람직한 다른 사용예가 더 자세히 설명된다. 도3은 피스톤(9)과 하우징(10)을 포함하는 유압식 지지 소자(8)의 사시도를 도시한다. 유압식 지지 소자(8)는 캠 팔로우어(11)에 커플링되며, 캠 팔로우어(11)는 롤링 베어링(12)에 의해서 선회 가능하게 지지된다. 또한 도3에 도시된 바와 같이, 피스톤(9)은 피스톤(9)과 캠 팔로우어(11) 사이에 접촉 영역(90)을 포함한다. 또한 피스톤(9)은 피스톤(9)과 하우징(10) 사이에 접촉 영역(91)을 포함한다. 피스톤(9)과 캠 팔로우어(11) 사이의 접촉 영역(90) 내의 마모를 줄이기 위해 접촉 영역(90)은 마찬가지로, 예컨대 지지층 및/또는 접착층의 삽입 하에 CrNx 혼합상으로 이루어진 본 발명에 따른 나노 결정 기능층(4)으로 코팅된다. 내마모성 코팅은 도1, 2에 따른 제1 실시예에 설명된 코팅(3, 4)에 상응한다.
또한 피스톤(9)과 하우징(10) 사이의 접촉 영역(91)도 마찬가지로 사용예 및 제조 기술에 따라 이와 같은 코팅(3, 4)으로 코팅될 수 있다. 따라서 도시된 마찰학적 시스템의 전체 수명이 길어지므로, 작동 중 개별 기계 부품들의 고장이 줄어들며 이로써 전체적인 비용도 절약될 수 있다.
예컨대 롤링 본체, 롤링 베어링(12)의 내부 및 외부 링, 롤링 베어링 수용부, 축방향 디스크 등과 같은, 롤링 베어링(12)의 특정 롤링 베어링 부품들도 마찬가지로 마모 저항성을 높이고 마찰을 줄이기 위해, 예컨대 지지층 및/또는 접착층(3)의 삽입 하에, 위에서 설명한 나노 결정 기능층(4)으로 코팅될 수 있다.
위에서 설명한 층 시스템은 물론, 예컨대 엔진 영역 내의 분사 노즐, 선형 가이드, 기계적 및 마찰학적으로 부하가 높은 다른 부품들을 위한, 밸브 샤프트 또는 밸브 샤프트 지지부, 지지 소자 및 삽입 소자, 롤링 베어링 부품들, 차단 베어링, 피스톤 볼트, 베어링 부시, 제어 피스톤과 같은 다른 구성 유닛과 기능 유닛들에도 적합하다.
이와 관련해서는 지지층(3) 또는 접착층(3)이 사이에 형성되지 않고서도, 코팅할 기계 부품의 베이스 본체 상에 나노 결정 기능층(4)이 바로 증착될 수 있는 것이 제시된다.
이로써 본 발명은 내마모성 코팅 및, 이와 같은 내마모성 코팅을 제조하기 위한 방법을 제공하므로, 마찰 마모에 노출된 기계 부품들의 마모 저항성은 높아지며 이 기계 부품들 및 상응하는 대응 본체 사이의 매우 높은 마찰 모멘트가 방지될 수 있다. 대략 0.1㎛ 내지 4.0㎛ 두께의 코팅(4 또는 3, 4)에 의해, 크기 및 표면 조도가 변함없이 유지되며, 그럼에도 표면은 반응성으로 균질화된다. 상기 층의 마찰학적 특성이 개선되며 기계적 응력은 그 목적에 기초해서 또한 260℃ 보다 낮은 코팅 온도에 기초해서 비용면에서 유리한 강으로 제조될 수 있는 베이스 본체와 분담하게 된다. 따라서 통용되는 저렴한 제조 기술이 사용될 수 있다.
앞서 본 발명이 바람직한 실시예들에 의거해 설명되었지만, 이에 국한되지 않으며 다양한 방식으로 변형될 수 있다.
이 시점에서, 탄소 함유 기능층(Me-C:H, a-C:H, a-C:H:a, ta-C)을 이용하여 상술한 실시예가 구현될 수 있는 것이 제시된다.
본 발명에 따라, 마찰 계수가 현저히 감소하고 코팅된 기계 부품 및 해당 대응 본체의 수명이 증가하게 된다.

Claims (27)

  1. 마찰로 인한 마모에 노출된, 내연 기관용 기계 부품(1)의 사전 결정된 면(2)들 상의 내마모성 코팅(3, 4)이며,
    상기 코팅은 기계 부품(1)의 사전 결정된 면(2)의 마모 저항성을 높이고 마찰을 줄이기 위해 적어도 2개의 CrNx-상으로 이루어진, 적어도 하나의 나노 결정 기능층(4)으로 구성되며,
    상기 적어도 하나의 기능층(4)은 Cr2N-결합물 및 CrN-결합물로 이루어진 준안정 혼합상으로 구성되고, 10nm 범위 내의 입자 크기를 가지며,
    상기 기계 부품(1)의 사전 결정된 면(2)과 상기 적어도 하나의 기능층(4) 사이에 적어도 하나의 지지층(3) 또는 적어도 하나의 접착층(3)이 제공되는 것을 특징으로 하는 내마모성 코팅.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 준안정 혼합상 내에서 Cr2N-결합물의 비율이 적어도 70%에 달하는 것을 특징으로 하는 내마모성 코팅.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기능층(4)은 2500HV와 3200HV 사이의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 내마모성 코팅.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기능층(4)은 최대 0.04㎛의 평균 조도(Ra)를 갖는 것을 특징으로 하는 내마모성 코팅.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기능층(4)은 0.1㎛ 내지 4.0㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 내마모성 코팅.
  8. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기능층(4)은 적어도 2개의 CrNx-상으로 이루어진 복수의 나노 결정 개별층들로 구성되며, 상기 개별 층들은 점진적으로 또는, 동일하게 유지되는 층 조성물 내에 도포될 수 있는 것을 특징으로 하는 내마모성 코팅.
  9. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기능층(4)은 서브 플랜테이션된 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성 코팅.
  10. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 지지층(3) 또는 적어도 하나의 접착층(3)은 PVD 방법에 의해 텅스텐을 포함하는 금속 함유 탄소층으로서, 전이 금속의 탄화물과 질화물 중 어느 하나 또는 둘 다를 포함하는 층으로서, 열처리에 의해서는 표면 경화, 침탄 질화 또는 침질 탄화층으로서, 열화학적 방법에 의해서는 질화 또는 붕소 처리된 층으로서, 전기 도금 방법에 의해서는 크롬을 포함하는 층으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 내마모성 코팅.
  11. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 지지층(3) 또는 적어도 하나의 접착층(3)은 0.1㎛ 내지 4.0㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 내마모성 코팅.
  12. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 기계 부품(1)의 사전 결정된 면(2)이 16MnCr5, C45, 100Cr6, 31CrMoV9, 80Cr2 등으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내마모성 코팅.
  13. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 기계 부품(1)의 사전 결정된 면(2)이 최대 0.03㎛의 평균 조도(Ra)를 갖는 것을 특징으로 하는 내마모성 코팅.
  14. 버킷 태핏(5)으로서, 로커 암 또는 캠 팔로우어(11)로서 형성된 기계 부품 상의 익스펠러층으로서의, 제1항 또는 제3항에 따른 내마모성 코팅(3, 4)의 사용 방법.
  15. 버킷 태핏(5)으로서, 로커 암 또는 캠 팔로우어(11)로서 형성된 기계 부품 상의 익스펠러층으로서의, 제1항 또는 제3항에 따른 내마모성 코팅(3, 4)의 사용 방법이며,
    상기 버킷 태핏(5)의 캠 접촉면(50), 또는 상기 버킷 태핏(5)의 캠 접촉면(50)과 버킷 외피(51)는 상기 내마모성 코팅으로 완전히 또는 적어도 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 내마모성 코팅의 사용 방법.
  16. 밸브 구동 부품, 기계적 및 유압식 버킷 태핏의 사전 결정된 면, 엔진 영역 내의 분사 노즐을 위한 밸브 샤프트 또는 밸브 샤프트 지지부, 유압식 지지 소자와 삽입 소자, 롤링 베어링 부품, 제어 피스톤의 사전 결정된 면, 릴리스 베어링의, 피스톤 핀의, 베어링 부시의, 선형 가이드 등의 사전 결정된 면들 상의 층으로서의, 제1항 또는 제3항에 따른 코팅의 사용 방법.
  17. 마찰로 인한 마모에 노출된, 내연 기관용 기계 부품(1)의 사전 결정된 면(2)들 상에 내마모성 코팅(3, 4)을 제조하기 위한 방법이며,
    상기 기계 부품(1)의 사전 결정된 면(2)의 마모 저항성을 높이고 마찰을 줄이기 위해 기계 부품(1)의 사전 결정된 면(2) 상에, 적어도 2개의 CrNx-상으로 이루어진 적어도 하나의 나노 결정 기능층(4)을 도포하는 단계를 가지며,
    상기 적어도 하나의 기능층(4)은 Cr2N-결합물 및 CrN-결합물로 이루어진 준안정 혼합상으로 구성되고, 10nm 범위 내의 입자 크기를 가지며,
    상기 기계 부품(1)의 사전 결정된 면(2)과 상기 적어도 하나의 기능층(4) 사이에 적어도 하나의 지지층(3) 또는 적어도 하나의 접착층(3)이 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 적어도 하나의 나노 결정 기능층(4)은 PVD-방법에 의해 기계 부품(1)의 사전 결정된 면(2) 상에 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 삭제
  20. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기능층(4)은 준안정 혼합상 내에서의 Cr2N-결합물 비율이 적어도 70%에 달하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기능층(4)은 적어도 2개의 CrNx-상으로 이루어진 복수의 나노 결정 개별층들로 형성되며, 상기 개별 층들은 점진적으로, 또는 동일하게 유지되는 층 조성물 내에 도포되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기능층(4) 내로 탄소가 서브 플랜테이션되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 적어도 하나의 지지층(3) 또는 적어도 하나의 접착층(3)은 PVD 방법에 의해 텅스텐을 포함하는 금속 함유 탄소층으로서, 전이 금속의 탄화물과 질화물 중 어느 하나 또는 둘 다를 포함하는 층으로서, 열처리에 의해서는 표면 경화, 침탄 질화 또는 침질 탄화층으로서, 열화학적 방법에 의해서는 질화 또는 붕소 처리된 층으로서, 전기 도금 방법에 의해서는 크롬을 포함하는 층으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 기계 부품(1)의 사전 결정된 면(2)이 증착 전에 표면 경화되거나 침탄 질화되거나 두 처리 모두 수행되어 템퍼링되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제17항 또는 제18항에 있어서, 적어도 하나의 증착된 기능층(4)의 기계적 후처리가 실행되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기능층(4)은 기계 부품(1)의 템퍼링 온도보다 낮은 코팅 온도로 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 기계 부품(1)의 사전 결정된 면(2)의 후 열처리가 실행되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
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