KR101441708B1

KR101441708B1 - 박막 코팅된 윤활상태의 슬라이딩 부품

Info

Publication number: KR101441708B1
Application number: KR1020097008458A
Authority: KR
Inventors: 페리 필립 모랭; 플로랑 레드라피에르; 로랑 휴제
Original assignee: 아쉬.에.에프.
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2014-09-17
Also published as: US20100095923A1; JP2010507055A; CN101553598A; US8722197B2; ATE502132T1; JP5074510B2; BRPI0719867B1; MY153143A; KR20090079904A; RU2009118949A; TWI428467B; WO2008047044A2; CN101553598B; CA2665685C; EP2089560A2; DE602007013268D1; PL2089560T3; TW200835807A; ES2360483T3; FR2907470A1

Abstract

거칠기 프로파일을 갖는 박막 층이 표면에 피착되고, 프로파일의 파라미터 및 평균 주기는, 마찰 성능을 향상시키기 위해 결정되며, 프랑스 표준 ISO 4288에 규정된 바와 같이, 프로파일(P_SM)(㎛)의 평균주기의 제곱과 거칠기 프로파일(Pa)(㎛) 사이의 비율(A)은 5 x 10⁵ ㎛ 이상, 즉

인 것을 특징으로 한다.

Description

박막 코팅된 윤활상태의 슬라이딩 부품{SLIDING MATING PART IN LUBRICATED REGIME, COATED BY A THIN FILM}

본 발명은 윤활상태에서의 마찰공학의 기술적 분야에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 마모를 감소시키고 접선력(tangential force)의 전달을 최소화하기 위한 코팅 및 표면처리에 관한 것이다.

기계 부품의 마찰 성능을 향상하기 위해 다수의 기술적 해법이 제안되어 있다. 전통적인 표면경화처리와 물리증착(PVD: Physical Vapour Deposition) 또는 플라즈마 보조 화학 증착(PACVD: Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition)과 같은 다양한 방법에 의해 얻어진 경질 박막 층의 피착 사이에는 본질적으로 차이가 있다.

경질 박막 층의 피착은 전이 금속 질화물(TiN, CrN, TiAIN 등)의 증착, 비정질탄소(DLC) 코팅 등을 들 수 있다. 기계적 이유뿐만 아니라 기술적인 측면에서, 표면 코팅의 피착은 5 ㎛를 일반적으로 초과하지 않는다고 여겨진다. 이 두께를 초과하면, 층의 취화(embrittlement) 및 박리(flaking)의 위험이 발생할 수 있다. 또한, 시간 경과 후 얇은 층의 완전한 접착 및 강도를 얻는 것이 중요하다. 따라서, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 약 0.04 ㎛의 거칠기(Ra)를 갖는 불균일성이 아주 낮은 표면 텍스처를 요구한다.

따라서, 종래기술로부터, 표면처리 및 진공증착의 마찰 성능은 약간의 거칠기를 갖는 표면으로만 보증되는 것으로 여겨진다.

예를 들면, 미국 특허 제6,886,521호의 교시에 의하면, DLC 피착의 경도와 그의 두께의 함수로서, 표면 거칠기 파라미터(Rz)의 최대값을 설정한다. 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 일반적으로 Ra ≤ 0.04 ㎛의 가능한 낮은 거칠기를 요구한다.

따라서, 종래기술의 분석으로부터, 높은 표면 거칠기는, 코팅의 기계적 강도에 해로운 과도한 소성 변형을 일으킬 수 있는 국부적인 과잉 압력을 유도하는 불균일한 표면을 생성하기 때문에, 경질 피착을 수용하기에는 적합하지 않다. 더욱이, 윤활 상태에서, 거칠기의 진폭이 너무 높으면, 오일 막이 국부적으로 파괴되고 상대적인 거동에서 표면은 더 이상 완전하게 분리되지 않으며, 이에 의해 상기 표면의 마찰계수가 증가되고 조기 마모가 일어나게 된다.

또한, 마찰공학 분야에서의 과학논문은 윤활상태에서의 거칠기의 영향을 논의한다. 예를 들면, "Occurrence of microelastohydrodynamic lubrication in simple sliding motion with transverse roughness" - J. Wang, M. Kaneta, F. Guo, P. Yang - Journal of Engineering Tribology - Vol. 220 No. J13 (May 2006) pp. 273 - 285에 언급되어 있다.

이들 논문으로부터, 표면 거칠기의 진폭은 마찰계수를 감소시키기 위해 가능한한 낮아야 한다는 것을 결론짓고 있다.

또한, 주목할 만한 것은, 과학논문 "Influence of harmonic surface roughness on the fatigue life of elastohydrodynamic lubricated contact" - A.D. Chapkov, F. Colin, A.A. Lubrecht - Journal of Engineering Tribology - Vol. 220 No. J13 (May 2006) pp. 287 - 294"에는 사인파 프로파일(sinsoidal profile)로서 처리된 거친 표면 접촉의 수치해석은 접촉면의 불균일과 관련된 과잉 압력의 영향을 밝히며, 이들 과잉 압력은 프로파일 주기를 증가시키는 것에 의해 제한될 수 있다는 것을 나타내고 있다. 그러나, 높은 파장의 프로파일상의 접촉 압력의 이 감소는 기판의 탄성 변형에 의해 설명된다. PVD 또는 PACVD 방법에 의해 얻어진 경질 피착의 경우에 있어서, 이들 피착은 그들의 높은 탄성 계수 및 그들의 높은 경도 때문에, 기판의 변형을 수용할 수 없으며, 따라서 그들은 빠르게 손상을 입는다.

따라서, 종래기술로부터, 마찰공학 분야에서, 예를 들면 비정질 탄소의 경우에, 수백 미크론을 초과하지 않는 일반적으로 0.04 ㎛ 미만의 거칠기(Ra)를 갖는 매우 높은 마무리 레벨을 갖는 표면에 얇은 층의 피착이 실시되어야 한다는 것을 명확하게 알 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자의 일반적 지식에 비추어 예측하지 못한 방식으로, 상당히 높은 주기의 소정 거칠기를 갖는 표면 텍스처는 윤활상태에서 부품을 사용할 때 PVD 또는 PACVD 방법에 의해 얻어진 얇은 피착을 허용할 수 있다는 것이 인식되었다.

따라서, 본 발명의 한가지 기본적 특징에 따르면, 얇은 층은 거칠기 프로파일(profile)을 갖는 표면에 피착되고, 그의 파라미터와 평균주기는 마찰 성능을 향상시키기 위해 결정된다. 이들 특정 거칠기 프로파일은 적절한 기계가공 파라미터(터닝, 밀링, 브로치의 회전속도, 툴 이송 등)를 선택하는 것에 의해 얻어진다.

특히, 본 발명의 한가지 기본적 특징에 따르면, 프랑스 표준 ISO 4288에 규정된 바와 같이, ㎛ 단위의 프로파일의 평균주기(P_SM)의 제곱과 ㎛ 단위의 거칠기 프로파일(Pa) 사이의 비율(A)은 5 x 10⁵ ㎛ 이상, 즉

이다.

파라미터(P_SM)의 넓은 분산 때문에, 이 식은 마찰구역에서 슬라이딩 방향에 평행하게 취해진 8개의 측정값으로부터 계산된 평균 파라미터에 적용된다.

마찰 테스트에 의해서도 10⁶ ㎛보다 높은 비율(A) 및 더욱 양호한 10⁷ ㎛보다 높은 비율(A)의 놀랄만한 결과를 얻었다.

그 결과, 파형 주기를 사용하는 것만으로, 일반적으로 용인되지 않는 프로파일 높이를 갖는 심하게 열화되는 표면 텍스처를 허용하는 것이 가능하다.

0.4 ㎛의 거칠기(Pa)를 갖는 프로파일에 대해 전술한 식을 적용하면, 이 프로파일의 평균주기(P_SM)가 450 ㎛보다 높을 때 양호한 결과가 얻어지는 것을 알 수 있다. 더 나은 결과는 이 프로파일의 평균주기(P_SM)가 2 mm 보다 높을 때 얻어진다.

종래기술의 교시와 대비되는 본 발명의 기본적 특징 때문에, 높은 마무리 레벨을 갖는 표면 텍스처를 얻을 필요가 있는 경우에, 최소 비용으로 균등한 또는 더 놀라운 마찰 성능을 갖는 부품을 얻는 것이 가능하다.

따라서, 경제적 또는 기술적 이유로 인해, 랩핑(lapping), 그라인딩 (grinding) 또는 다른 방법에 의해 현저한 표면 텍스처를 얻는 것이 불가능한 경우, 본 발명에 의하면, 원재료 기계가공 방법과 관련된 표면 파형을 유지하면서 날카로운 가장자리(sharp edge) 및 거칠기 피크(roughness peak)의 존재를 제한하기 위해, 표면을 약식으로 거칠게 하는 것만으로 충분하다. 후자는 전술한 파라미터 (A)를 최대화하기 위해 더욱 최적화(회전속도, 툴 이송 등)된다. 이들 파형은 윤활에 적합한 사인파 프로파일을 얻도록 하고, 이것은 조립라인 시장의 용도를 위해 제조비용을 감소시키는 이점을 제공한다.

거칠기 특징에 대해 높은 주기를 얻기 위해 다양한 방법이 이용 가능하고, 그것들은 일반적으로 종래의 기계가공 방법: 터닝, 밀링 등을 사용하여 쉽게 실시될 수 있다는 것을 유의해야 한다.

하기 표 1은 본 발명에 따른 처리의 다양한 실시예를 나타낸다. 부품 또는 샘플은 윤활상태에서의 테스트 동안 표면 준비 및 마찰계수의 영향을 관찰하기 위해 다양한 기계가공 방법에 의해 얻어진 평탄한 테스트 표본이다. 표면은 PACVD 방법에 의해 DLC 피착으로 코팅되었다. 샘플은 일정 속도로 회전하는 미처리된 100C6 강철 링의 맞은편에 100℃로 가열된 5W30 오일욕으로 윤활된 상태에서 테스트되었다. 샘플을 대면하는 링의 마찰계수가 테스트 동안에 측정되었다. 4개의 샘플 (A), (B), (C), (D)가 그들의 마찰계수를 비교하기 위해 준비되었다.

샘플	Ra (㎛)	Rz (㎛)	Pa (㎛)	P_SM (㎛)	A = P_SM ²/Pa (㎛)	마찰 계수	열화 영역(㎟)
A	0.014	0.12	0.18	240	3 x 10⁵	0.089	2.9
B	0.042	0.25	0.23	1300	7 x 10⁶	0.087	1.0
C	0.036	0.20	0.23	2400	2.5 x 10⁷	0.065	0.6
D	0.12	0.79	0.34	578	10⁶	0.088	2.1

이들 결과는 전술한 비율 "A"가 거칠기 파라미터(Ra) 및 (Rz) 보다 마찰계수에 영향을 미치는 것을 나타낸다. 예를 들면, 샘플 (A)는 매우 낮은 거칠기에도 불구하고, 본 발명의 분야에 맞지 않으며, 표에서의 가장 높은 마찰계수를 갖는 것이 관찰되고 있다. 반대로, 샘플 (C)는 샘플 (A) 보다 매우 높은 (Ra)를 갖지만, 매우 높은 비율의 "A"를 갖고 약간의 마찰 거동을 표시한다.

본 발명의 이점은 전술한 것으로부터 명확하게 나타난다.

본 발명은 자동차 분야, 특히 엔진의 마찰 부품에 이롭게 적용되는 것을 발견하였다.

Claims

마찰 기능을 갖는 비정질 탄소(DLC)의 얇은 층으로 코팅된 윤활상태에서의 슬라이딩 접촉 부품에 있어서,

상기 얇은 층은 거칠기 프로파일을 갖는 표면에 피착되고, 그의 파라미터와 평균주기는 마찰 성능을 향상시키기 위해 결정되며, 프랑스 표준 ISO 4288에 규정된 바와 같이, ㎛ 단위의 프로파일의 평균주기(P_SM)의 제곱과 ㎛ 단위의 거칠기 프로파일(Pa)사이의 비율(A)은 5 x 10⁵ ㎛ 이상, 즉

인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 접촉 부품.
제 1 항에 있어서,

상기 비율(A)은 10⁶ ㎛보다 높은 것을 특징으로 하는 슬라이딩 접촉 부품.
제 2 항에 있어서,

상기 비율(A)은 10⁷ ㎛보다 높은 것을 특징으로 하는 슬라이딩 접촉 부품.
제 1 항에 있어서,

거칠기(Pa)가 0.4 ㎛인 프로파일에 대하여,

상기 프로파일 P_SM의 평균주기는 450 ㎛보다 높은 것을 특징으로 하는 슬라이딩 접촉 부품.
제 1 항에 있어서,

거칠기(Pa)가 0.4 ㎛인 프로파일에 대하여,

상기 프로파일 P_SM의 평균주기는 2 mm보다 높은 것을 특징으로 하는 슬라이딩 접촉 부품.
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