KR101420142B1 - 코팅을 구비한 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링, 및 슬라이딩 요소의 제조방법 - Google Patents

코팅을 구비한 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링, 및 슬라이딩 요소의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 슬라이딩 요소는 적어도 하나의 작동 표면에, 안쪽에서부터 바깥쪽으로, 금속-함유 점착층과 적어도 10 ㎛ 두께를 갖는 ta-C 타입 DLC 층을 구비한 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링에 관한 것이다.
슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링의 제조 공정으로, 금속-함유 점착층 및 적어도 10 ㎛ 두께의 ta-C 타입 DLC 층을 갖는 코팅이 이루어진다.

Description

코팅을 구비한 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링, 및 슬라이딩 요소의 제조방법 {Sliding element, in particular piston ring, having a coating, and process for the production of a sliding element}
본 발명은 적어도 하나의 작동 표면(running surface)에 코팅을 구비한 슬라이딩 요소(sliding element), 특히, 피스톤 링 및 그 슬라이딩 요소의 제조방법에 관한 것이다.
예컨대, 피스톤 링, 피스톤 또는 실린더 라이너와 같은, 내연기관의 슬라이딩 요소는 긴 수명 기간에 걸쳐 가능한 마찰이 거의 없고 또한 적은 마모로 작동해야 한다. 마찰은, 내연기관에서 연료 소모와 직접적으로 관련되어 있는데, DLC(Diamond-Like-Carbon) 코팅에 의해 낮게 유지될 수 있다. 또한, DLC 코팅의 두께는 원칙적으로는 40 ㎛까지 달성될 수 있다. 그러나, 코팅층의 두께가 5 ㎛ 를 초과하면, 예컨대, 코팅층의 구조 및 조성 등의 측면에서, 코팅층의 특성이 변하여 요구 수명을 달성하지 못한다는 문제가 있다. 이와 같은 문제는 코팅층의 두께가 5 ㎛ 미만인 경우에도 마찬가지이다.
본 발명의 목적은 알맞은 층 두께의 ta-C 타입 DLC 코팅뿐만 아니라 금속 함유 점착층을 구비한 슬라이딩 요소를 제공하는 것으로서, 본 발명에 의하면, 슬라이딩 요소의 전 수명에 걸쳐 최소한의 마찰력 손실을 보장할 수 있다.
다이아몬더상 카본(DLC) 층은 sp3-혼성 탄소 원자의 주요 특성을 갖는 무정형 탄소의 준안정(metastable) 형태이다. 새로운 부품을 개발하기 위하여 여러 가지 기재(substrate) 상에 다이아몬더상 카본 층의 부여는 오늘날 서로 다른 다양한 공정을 통하여 수행되고 있다. 대량생산이 가능한 슬라이딩 요소를 코팅할 수 있는 가장 잘 알려진 공정은 PA-CVD, 박막증착(sputtering), 및 진공 아크 증착 공정(DE4006456) 등이다. 상기의 방법에 의해 제공될 수 있는 코팅층 시스템은, PA-CVD의 경우에는 전통적으로 수소를 함유하고 박막증착 및 진공 아크 증착 공정의 경우에는 수소가 함유되어 있지 않다. 가능한 DLC 코팅층 시스템에 대한 요약은 VDI 가이드라인 2840 탄소 필름 에서 찾아볼 수 있을 것이다.
하기 표 1에는 본원 발명의 내용 중에 포함되어 있는 선행기술로서 기여하고 있는 문헌들이 열거되어 있다. 하기 목록에는 공정에 관한 공개문헌들과 물품(물건)에 관한 공개문헌들로 구분되어 있다.
Figure 112012055052419-pct00001
Figure 112012055052419-pct00002
Figure 112012055052419-pct00003
EP 0724023에 의하면, 수소 비함유 (< 0.5 at%) DLC 코팅은 저윤활 환경에서 사용될 때뿐만 아니라 무윤활 조건하에서도 양호한 마찰 거동 갖는 것이 알려져 있다. 이러한 층은 최대 층두께가 수 ㎛ 이고 40 Gpa을 초과하는 경도(hardness)와 400 Gpa을 초과하는 탄성계수를 나타낸다.
DE 10 2005 063 123 B3에는 러닝-인 거동이 양호한 DLC 코팅을 구비한 슬라이딩 요소가 알려져 있다. 그러나, 수명이 너무 짧아서, 슬라이딩 요소의 전체 수명에 걸쳐 변함없이 낮은 마찰을 보장할 수 없다.
DE 10 2008 016 864는, 안쪽부터 바깥쪽으로, 점착층, 금속- 및 수소 함유 DLC 층 및 금속-비함유 수소-함유 DLC 층으로 이루어진, 다층 코팅을 갖는 슬라이딩 요소에 관한 문헌이다.
DE 197 35 962 A1은 가이드 부시 및 가이드 부시의 내면에 경질 탄소 필름을 형성하는 공정을 개시하고 있는데, 가이드 부시에는 플라즈마 CVD 공정에 의하여 내면에 수소 첨가된 무정형 탄소의 경질 탄소 필름이 형성되어 있다.
WO 2006/125683 A1은 안쪽부터 바깥쪽으로, IVB, VB 또는 VIB 족 원소로 된 층, 다이아몬드상 나노복합체 구성을 갖는 중간층 및 DLC층으로 이루어진 피스톤 링을 개시하고 있다.
양호한 마모지수는 sp3-혼성 탄소 원자의 함량이 가능한 높을 때, 특히 60 at%(atomic percent)를 초과할 때 달성되는 것으로 알려져 있다. 그러한 층을 ta-C 층이라고 하며 전통적인 박막증착(sputtering) 공정 또는 소위 진공 아크 공정(이에 관해서는 상기 표 1의 DE 40 06 456 C1 및 DE 198 50 218 C1 참조) 에 의하여 제조될 수 있다. 수소-비함유 ta-C 코팅은 산소-함유 층(예컨대, 상기 표 1의 DE 10 2008 022 039 A1의 교시 참조) 및 산소- 및 수소-비함유 층(이에 관해서는 EP 0 724 023 A1 참조)으로써 수 마이크로미터의 두께로 제조될 수 있다.
상기 문헌에는, 대부분의 경우 크롬 질화물을 함유하는, 경질-재료-기반의 PVD 코팅도 알려져 있다. 그러한 층들은 요구되는 내마모성을 보유하고 있으나, 마찰계수(friction coefficient)는 필요한 수준으로 낮지는 않다.
이상의 선행기술들과는 달리, 본 발명의 목적은 마찰계수와 마모 특성의 조합 측면에서 더욱 향상된 슬라이딩 요소를 제공하는 것이다. 본 발명은 또한, 위와 같은 슬라이딩 요소의 제조방법을 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 슬라이딩 요소는 적어도 하나의 작동 표면에, 안쪽에서부터 바깥쪽으로, 금속-함유 점착층과 ta-C 타입 DLC 층을 갖는, 적어도 10 ㎛ 두께의 코팅을 구비한다. 금속-함유 점착층은 DLC층의 접착을 보장할 뿐만 아니라 그 층 내에서 발생하는 내부 응력을 균등하게 분배시킬 수 있다는 장점이 있다.
최소한 10 ㎛ 두께의 코팅은 내연기관의 전 수명에 걸쳐 요구되는 내마모성과 함께 양호한 마찰 지수를 확보하는 것을 보장한다. 특히, 마모 거동은 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링 그 자체와, 예컨대, 실린더 라이너(liner)와 같은 대향체(counter body), 양쪽 모두에 알맞게 조정될 수 있다. 본 발명에 따른 코팅의 생산성은 하기에 서술된 공정 단계, 특히 전술한 점착층 및 DLC 층의 제조 공정뿐만 아니라, 금속 이온 박막증착 공정에 의하여 코팅되는 표면의 세정에 의하여 확보될 수 있다. 그 결과, 본 발명에 의하여 현저히 향상된 슬라이딩 요소가 제공될 수 있다.
슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링을 구성하는 핵심적인 요구사항 중 하나는, 작동하는 동안 마찰력 손실의 최소화를 보장할 수 있도록 슬라이딩 요소의 전 수명기간 내내 지속될 수 있는 코팅을 제공하는데 있다. 내연기관에서의 초기 평가에 의하면, 수소-함유 DLC-코팅된 피스톤 링과 비교하여, ta-C 코팅된 피스톤 링/AlSi 동작 경로(running path)가 약 60% 정도 더 낮은 마모를 달성함에도 불구하고, 적용 분야와 슬라이딩 접촉면에 따라, 최소한 10 ㎛ 두께의 코팅 층이 필요한 것으로 밝혀졌다. 코팅 층 전체의 두께는 약 20 ㎛ 이하가 바람직하다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예는 특허청구의 범위에 의해서도 알게 될 것이다.
특히 ta-C 층 두께가 수 ㎛를 초과하는 경우에 충분한 층 접착력을 보장하기 위해서는, 기재와 DLC 층 사이에 금속-함유 점착층을 제공하는 것이 추가적으로 필요하다. 현재, 초기 연구결과에 의하면, 점착층은 적어도 다음 중 하나의 재료를 함유하는 것이 바람직하다: 크롬, 티타늄, 크롬 질화물 및 텅스텐.
또한, 상기 점착층은 0.1 ㎛ 내지 1.0 ㎛의 두께인 것이 유리한 것으로 밝혀졌다.
DLC 층은, 실질적으로 산소- 및/또는 수소-비함유, 말하자면, 이들 각각의 원소를 0.5 at% 미만의 양으로 함유할 때, 특히 양호한 물성을 나타내는 것을 알 수 있었다.
DLC 층의 경도 및 탄성 계수는 피스톤 링의 마찰 거동에도 영향을 미친다. 시험 과정에서, DLC 층은 55 GPa을 초과하지 않는 표면 경도와 550 GPa을 초과하지 않는 탄성 계수를 갖는 것이 유리한 것을 알 수 있었다.
또한, 선행기술과는 대조적으로, 내연기관의 내부 및 외부 평가에서, DLC 층은 sp3 혼성 탄소 원자의 함량이 적어도 40 at% 이상일 때, 특히 양호한 마모 값이 얻어지는 것을 알 수 있었다.
모서리 부근 DLC 층의 바깥쪽 1 ㎛ 내지 3 ㎛에서 Sp3 함량의 의도적으로 감소시키면, 러닝-인 및 러닝-인 시간 자체의 마찰이 추가적으로 감소된다. 내연기관 외부에 대한 예비시험에 의하면, 모서리 부근 바깥쪽 1 ㎛ 내지 3 ㎛를 약물 처리한 또 다른 실시예는, 700N까지의 최대 하중 하에 불충분한 윤활 조건에서의 과열 변색 거동(burn mark behaviour) 및 내열성 면에서 더욱 향상되는 결과를 발생시키는 것으로 확인되었다.
1 ㎛ 내지 3 ㎛의 두께를 갖는 가장자리 부근의 DLC 층의 바깥 영역을 붕소, 산소 및/또는 규소와 같은 원소로 유용하게 약물 처리할 수 있다.
특히, 낮은 마찰 값을 확보하기 위하여, 슬라이딩 요소의 작동 표면은 가능한 매끄러워야 한다. 본 발명에 따른 DLC 층은, 보정된 피크 깊이(reduced peak depth) Rpk가 0.3 ㎛ 미만, 특히 0.1 ㎛ 미만임과 동시에 코팅된 상태에서 거칠기 깊이(roughness depth: Rz)가 6 ㎛ 미만이고, 마감 처리된 상태에서의 거칠기 깊이 Rz는 2 ㎛ 미만, 특히 1 ㎛ 미만인 것이 바람직하다. 이와 관련하여, EP 1 829 986 A1 및 DE 198 50 218 C1의 방법이 본 출원 발명의 주제에 포함된다.
주철 또는 강철은, 특별한 용도를 위하여 질화(nitride)될 수 있는데, 코팅될 슬라이딩 요소의 기재 및 베이스 재료로 바람직하다. 베이스 재료로서의 주조용 재료와 관련한 바람직한 형태는 다음과 같다:
- 박막 흑연을 함유한 비합금, 담금질하지 않은(untempered) 주철
- 합금, 열처리 또는 비열처리된 탄화물 함유 회주철(grey cast iron)
- 담금질한 구상 주철
- 담금질하지 않은 버미큘러 주철
- 주강 (적어도 11 중량%의 크롬 함유, 특수 탄화물 삽입된 담금질한 마텐사이트 구조, 질화 또는 비질화(nitrided or non-nitrided))
베이스 재료로서의 강철과 관련한 바람직한 형태는 다음과 같다:
- 크롬 강 (적어도 11 중량%의 크롬 함유, 질화 또는 비질화)
- 크롬-규소-탄소 강
내연기관에서의 시험 결과, 본 발명에 따라 ta-C 타입 DLC 층으로 코팅된 피스톤 링의 특히 양호한 오일 긁기 작용은 매우 작고, "날카로운" 하부 러닝 모서리에 의해 구현됨을 알 수 있었다. 따라서, 본 발명에 따른 피스톤 링의 하부 러닝 표면 모서리는 0.2 mm 이하, 바람직하게는 0.1 mm 미만의 반경을 갖는 것이 더욱 바람직하다.
전술한 본 발명의 목적은, 또한 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링의 제조를 위한 특허청구범위 제 14 항에 기재된 공정에 의하여 달성되는데, 이 공정에서, 금속-함유 점착층 및 적어도 10 ㎛ 두께의 ta-C 타입 DLC 층을 갖는 코팅이 이루어 진다. 진공 레이저 아크 공정에 의한 제조방법은, 이미 여러 가지 문헌에 개시되어 있는데(표 1 참조), 10 ㎛ 보다 두꺼운 ta-C 층의 제조를 위하여 본 발명의 내용 범위에서 개선되었는데, 본 발명에 따른 공정에서는 재료의 선택과 층 두께 측면에서 최적화된 점착층을 사용하였고 공정 변수들은 전 코팅 시간에 걸쳐 공정의 안정화를 보장한다. 한편, 상기 공정에 의하여 바람직한 방안과 이점들이 달성될 수 있음은 본 발명에 따른 슬라이딩 요소에 대한 전술한 설명에서 잘 드러나 있다. 또한 상기 공정과 관련하여 하기에 기술되어 있는 모든 특징들도 본 발명에 따른 슬라이딩 요소에 적용될 수 있다는 점도 언급되어 있다.
다른 한편, 점착층은 박막증착(sputtering) 공정, 열기상증착(thermal vapour deposition) 공정 또는, 예컨대, 아크 공정과 같은 전기 기상증착(electrical vapour deposition) 공정 등에 의하여 특히 높은 신뢰도로 형성될 수 있다고 언급되어 있다.
전술한 바와 같이, 코팅될 표면이 금속 이온 박막 증착 공정에 의하여 세정되면 슬라이딩 요소의 기재에 대한 점착층의 접착력 측면에서 특별한 이점이 있다.
완료된 코팅의 거칠기는 래핑, 벨트 및/또는 브러시 광택(polishing)에 의하여 유리하게 감소될 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. (a) 슬라이딩 요소는 적어도 하나의 작동 표면에, 안쪽에서부터 바깥쪽으로, 금속-함유 점착층과 적어도 10 ㎛ 두께를 갖는 ta-C 타입 DLC 층을 구비하고; (b) 상기 ta-C 타입 DLC 층은 혼성 탄소 원자의 sp3 함량을 적어도 40 at% 가지며; 그리고, (c) ta-C 타입 DLC 층의 바깥쪽 1 ㎛ 내지 3 ㎛의 Sp3함량을 감소시킨 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 슬라이딩 요소는 피스톤 링인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 점착층은 크롬, 티타늄, 크롬 질화물 및 텅스텐으로부터 선택되는 적어도 하나의 재료를 함유하는 것을 특징으로 하는 제1항에 따른 슬라이딩 요소.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 점착층은 0.1 ㎛ 내지 1.0 ㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, ta-C 타입 DLC 층은 산소를 0.5 at% 미만의 양으로 함유하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, ta-C 타입 DLC 층은 55 GPa을 초과하지 않는 표면 경도와 550 GPa을 초과하지 않는 탄성 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 갖는 ta-C 타입 DLC 층의 바깥쪽 1 ㎛ 내지 3 ㎛ 가 약품 처리된 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, ta-C 타입 DLC 층의 바깥쪽 1 ㎛ 내지 3 ㎛가 붕소, 산소 및 규소 중 적어도 하나의 원소를 이용하여 약품 처리된 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, ta-C 타입 DLC 층은 거칠기 깊이(Rz)가 6 ㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 거칠기 깊이(Rz)는 2 ㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 거칠기 깊이(Rz)는 1 ㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, ta-C 타입 DLC 층은 보정된 피크 깊이(Rpk)가 0.3 ㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 보정된 피크 깊이(Rpk)는 0.1 ㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 베이스 재료가 주철 또는 강인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 피스톤 링의 하부 러닝 표면 모서리는 0.2 mm 이하의 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 하부 러닝 표면 모서리는 0.1 mm 미만의 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
  17. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 슬라이딩 요소의 제조 공정으로서, 금속-함유 점착층 및 적어도 10 ㎛ 두께의 ta-C 타입 DLC 층을 갖도록 코팅이 수행되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소의 제조 공정.
  18. 제 17 항에 있어서, 점착층은 박막증착 공정, 열 기상증착 공정 또는, 예컨대, 아크 공정과 같은 전기 기상증착 공정에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 제조 공정
  19. 제 17 항에 있어서, ta-C 타입 DLC 층은 진공 레이저 아크 공정에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 제조 공정.
  20. 제 17 항에 있어서, 코팅될 표면이 금속 이온 박막 증착 공정에 의하여 세정되는 것을 특징으로 하는 제조 공정.
  21. 제 17 항에 있어서, 코팅은 코팅이 형성된 후 래핑, 벨트 및 브러시 광택 중 적어도 어느 하나에 의하여 매끈하게 하는 것을 특징으로 하는 제조 공정.
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