KR101617911B1 - 슬라이딩 요소 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 잔류응력 기울기를 가지는 ta-c 타입의 DLC 코팅을 가지는 내연기관의 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링에 관한 것으로서, 외측으로부터 내측으로 보았을 때, 음의 잔류응력 기울기가 코팅의 중심 영역(Ⅱ)에 형성되고, 상기 기울기는 바람직하게는 내부 영역(Ⅲ)에서의 기울기보다 더 작고, 내부 영역(Ⅲ)은 중심 영역(Ⅱ)보다 더 작은 층 두께를 가진다.

Description

슬라이딩 요소{SLIDING ELEMENT}

본 발명은 내연기관의 슬라이딩 요소에 관한 것으로, 특히 피스톤 링에 관한 것이다.

연료 연소가 내연기관으로부터 이산화탄소 배출의 감소에 중요한 역할을 한다. 이것은 엔진에서, 특히 피스톤 링과 같은 피스톤 영역에서 마찰 손실에 의해 상당히 영향받는다. 결과적으로 내연기관의 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링에 관한 요구사항이 존재하고, 이 피스톤 링은 전체 수명에 걸쳐 마찰 특성을 가능한 양호하게 나타낸다. 전체 수명에 관하여, 모두 변경된 마찰 특성을 야기하는, 런닝-인(running-in) 특성, 윤활 결함 가능성 및 눌음(scorching) 가능성이 명확하게 고려될 필요가 있다.

전술한 기술분야에서, 경질 상의 PVD 코팅은 양호한 내마모성을 가지나 마찰 계수에 관하여 개선될 수 있는 것으로 알려져 있다.

DE 10 2005 063 123 B3에서는 외측으로부터 내측 방향으로, 런닝-인 층, 접착층, 마모 방지층을 포함하는 층 구조체가 개시되어 있다. 그러나 수명에 걸친 마찰 특성의 성질이 더욱 개선될 수 있다는 것이 명백하게 되었다.

US 6,528,115는 가변하는 sp2/sp3 비를 가지는 탄소 코팅을 구비한 슬라이딩 요소에 관한 것으로 특히, 기질로부터 외측 방향으로 감소되고 이후에 코팅의 외측으로 다시 증가될 수 있는 것이다.

본 발명의 목적은, 가능한 최대 기간 동안에 걸쳐 양호한 마찰 특성을 확실하게 가지는 코팅을 구비한, 내연기관의 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 1에 기재된 슬라이딩 요소에 의해 달성된다.

따라서 슬라이딩 요소는 코팅 두께에 대하여 변하는 잔류응력(residual stress)을 가지는 ta-C 타입의 DLC 코팅을 가진다. 다시 말해서, 적어도 하나의 잔류응력 기울기가 코팅 두께에 대하여 형성된다. "DLC"는 다이아몬드형 탄소(diamod-like carbon)를 지칭한다. ta-C 타입은 사면체 구조의 특징을 가지고, 수소로부터 자유롭고, 예를 들면, 독일 VDI 가이드라인 2840으로 정의된다. 이러한 타입의 층은 이하의 이유에 따라 양호한 마찰 특성뿐만 아니라 특별히 긴 수명을 제공한다.

먼저, 층 두께에 대한 잔류응력의 변화는, 층의 접착 또는 취성(brittleness)에 관하여 발생하는 문제없이, 예를 들면, 10㎛ 초과하는 커다란 층 두께의 생성을 가능하게 한다. 이는, 예를 들면, 층에서 낮은 잔류응력의 영역이 국부 안정 또는 자체 완화를 전체 층 합성물, 즉 복수 층 코팅에 제공하는 점이 밝혀졌기 때문이다. 따라서 내연기관에 사용될 때 발생하는 바와 같이, 높은 전단응력을 받을 때 DLC 코팅의 항복점(yield poinit)이 초과되지 않는다. 따라서 이것은 코팅 마모를 제한하는 효과적인 방식이다.

완전히 외측 또는 완전히 내측도 아닌 코팅의 중심 영역에서, 음의 잔류응력 기울기가 효과적이고, 바람직하게는 내측에서 즉, 코팅이 베이스 재료를 만나는 영역에서 음의 잔류응력 기울기 보다 더 작은 것이 효과적이다는 것이 입증되었다. 이것은 잔류 응력의 최대 수치가 코팅의 외측 방향으로 상대적으로 멀리 놓인다는 것을 의미하고, 이것은 양호한 특성을 시사한다. 이 맥락에서, 중심 영역은 내부 영역보다 더 두꺼운 층을 가지고, 바람직하게는 약 3배의 두께로 상당히 더 큰 두께를 가진다.

본 발명의 슬라이딩 요소의 바람직한 실시예가 이후의 청구항에 기재된다.

코팅과 슬라이딩 요소의 베이스 재료 사이의 접합에 관하여, 이 영역에서, 즉 슬라이딩 요소의 코팅의 내부 영역에서 외측으로부터 내측 방향으로 보았을 때 음의 잔류응력 기울기가 유리하다는 것이 입증되었다. 다시 말해서, 잔류응력은 베이스 재료 방향으로 낮은 수치로 감소되고, 따라서 베이스 재료에 양호한 응력 변이 및 층의 양호한 접착을 달성하게 된다.

외부 영역에서, 외측으로부터 내측 방향으로 보았을 때 양의 잔류응력 기울기는 유리하다는 것이 입증되었다. 다시 말해서, 코팅의 외부면에서의 잔류응력이 상대적으로 낮은 수치이고, 이것은 양호한 런닝-인 특성에 유리하다는 것이 입증되었다. 여기서부터, 바람직하게는 내측 방향으로 잔류응력의 가파른 증가가 있고, 따라서 앞서 언급된 효과가 달성될 수 있다.

특히, 극심히 높은 면압력이 예상되는 슬라이딩 요소의 경우에, 최내측 영역 즉, 베이스 재료와 직접적으로 접하는 영역에서 일정하게 낮은 수치의 잔류응력 분포를 가지는 것이 유리하다.

게다가, 런닝-인 특성은 코팅의 외측에서 이와 같은 일정하고 상대적으로 낮은 수치의 잔류응력 분포에 의해서 더욱 향상될 수 있지만, 최내측 영역에서의 수치보다 더 높은 수치인 것이 바람직하다.

여기에 기재된 다른 실시예에서, 광범위하게 교호하는 잔류응력을 가지는 중심 영역이 코팅에서 균열의 확산을 방지하는데 유리하다는 것이 입증되었다. 여기서, 낮은 잔류응력 영역의 범위는 높은 잔류 응력 영역의 범위보다 더 작거나, 동일하거나, 더 클 수 있다.

주기에 관한 가능한 수치, 즉 낮은 잔류응력의 영역의 시작점으로부터 높은 잔류응력의 영역을 통하여, 낮은 잔류응력의 다음 영역의 시작점까지의 두께는 0.01 내지 1㎛이다.

기술된 측정값은 10㎛ 또는 그 초과의 두께를 가지는 코팅의 생성을 가능하게 하고, 양호한 런닝-인 특성을 제공하면서, 또한 충분한 층 두께를 가져, 불가피한 마모를 당한 후, 코팅의 양호한 마찰 특성으로 긴 수명을 보장하도록 한다.

상이한 잔류응력을 생성하기 위하여, 예를 들면, sp2와 sp3 혼성된 탄소 원자 사이의 비를 변경하는 것이 유리하다. 특히, 압축 잔류응력은 sp3 부분을 증가시킴으로써 증가될 수 있고, 따라서 잔류응력 기울기의 형성을 가능하게 한다.

밀도가 증가하면 동일한 점이 적용되고, 따라서 층의 두께에 대한 층의 밀도를 변화시킴으로써, 층의 두께에 대하여 잔류응력이 유리한 방식으로 변경될 수 있다는 것이 예상된다.

마지막으로, 경도가 클수록 더 큰 압축 잔류응력을 야기하기 때문에, 층의 두께에 대하여 층의 경도를 변경시키는 것이 고려되었고, 따라서 이것은 또한 원하는 잔류응력 기울기가 설정되는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 예시적 실시예가 도면을 참조하여 더욱 상세하게 기재된다.
도 1은 제1 실시예에 따른 DLC 코팅의 두께에 대한 잔류응력 분포의 그래프이다.
도 2는 제2 실시예에 따른 DLC 코팅의 두께에 대한 잔류응력 분포의 그래프이다.

도면은 각각의 DLC 코팅의 두께에 대한 잔류응력을 도시하고, 코팅의 최외측 영역이 도면의 좌측 상에 도시되는 반면에, 코팅의 최내측 영역이 우측 상에 도시된다. 다시 말해서, 강 또는 주철과 같은 베이스 재료는 우측 상에 놓이고, 도시된 잔류응력을 가지는 코팅과 접합한다.

도 1의 실시예는, 내부 영역 또는 코팅의 "베이스(base)"(영역 Ⅲ)로부터 시작하여 (외측으로부터 내측으로) 음의 잔류응력 기울기를 포함한다. 다시 말해서, 코팅의 양호한 응력 전이 및 양호한 접착을 달성하기 위하여, 코팅과 베이스 재료 사이의 접합에서 잔류 응력은 특히 낮은 수치이다. 중심 영역(영역 Ⅱ)에서, 잔류응력은 더 낮은 기울기로 최대 수치까지 증가한다. 외측에서(영역 Ⅰ), 잔류응력은 급격히 감소하고, 따라서 외측으로부터 내측으로의 큰 양의 잔류응력 기울기를 형성하고, 이는 양호한 런닝-인 특성을 야기한다. 중심 영역(Ⅱ)은 내부 영역(Ⅲ) 및/또는 외부 영역(Ⅰ)보다 상당히 더 크다. 바람직하게는 중심 영역(Ⅱ)은 다른 영역(Ⅰ 및 Ⅲ) 모두 보다 더 크다. 이러한 두 개의 영역(Ⅰ 및 Ⅲ)은 거의 동일한 두께를 가질 수 있다. 중심 영역(Ⅱ)의 두께는 바람직하게는 다른 두 개의 영역의 두께보다 더 크고, 특히, 각각의 다른 영역(Ⅰ 및 Ⅲ)의 두께에 거의 세배이다.

도 2의 실시예에서, 최외측 영역(Ⅰ)에서의 잔류 응력은 초기 낮은 수치로 일정하고, 그 다음 급격하게 증가한다(영역 Ⅰ.2). 이것은 영역(Ⅰ)과 잔류응력이 광범위하게 교호하는 영역(Ⅱ) 사이의 적절한 전이를 제공한다. 특히, 전단 응력 하중의 경우에, 일정한 상태의 높은 수치 잔류응력은 균열을 일으키기 쉽다는 것이 알려져 왔다. 영역(Ⅱ)에서의 교호하는 잔류응력은 균열의 확산을 방지한다. 예로서, 이 영역에서의 주기(α)는 0.1 내지 1㎛ 범위가 될 수 있다. 도 1의 실시예와 유사한 방식으로, 베이스 재료로의 양호한 응력 전이를 제공하고 양호한 접착을 달성하기 위하여, 베이스 재료(도면의 우측으로)와 마주하는 높은 음의 잔류응력 기울기를 가지는 접합 영역(Ⅲ.1) 및 직접적으로 베이스 재료와 인접한 일정한 낮은 수치 잔류응력의 영역(Ⅲ.2)이 있다. 상세하게, 영역(Ⅲ.2)에서의 잔류응력 수치는 최외측 영역(Ⅰ.1)에서의 수치보다 낮을 수 있고, 영역(Ⅱ)에서의 잔류응력은 절대적인 최대치와 영역(Ⅰ)보다 조금 높은 수치 사이에서 가변할 수 있다.

두 도면 모두에서 포인트(D)로부터 포인트(C)로 연장하는 영역(Ⅰ)은 서로 대응되는 것으로 추가되어야 한다. 동일하게 중심 영역(Ⅱ), 즉 포인트(C)와 포인트(D) 사이, 그리고 각각의 영역(Ⅲ), 즉 포인트(B)와 포인트(A) 사이에 적용된다. 특히, 앞에서 언급된 두께 비가 또한 도 2에 적용된다. 마지막으로, 앞서 기술된 각각의 실시예의 특징은 모순되지 않는 한 서로 결합될 수 있다는 점에 유의해야 한다.

Claims (9)

1. 코팅의 두께에 대하여 변화하는 잔류응력(residual stress) 및 이에 따라 적어도 하나의 잔류응력 기울기를 가지는 ta-c 타입의 DLC 코팅을 포함하는 내연기관의 슬라이딩 요소로서,
   외측으로부터 내측 방향으로 보았을 때, 음의 잔류응력 기울기가 상기 코팅의 중심 영역(Ⅱ)에 형성되고, 상기 기울기는 내부 영역(Ⅲ)에서의 기울기보다 더 작고, 상기 내부 영역(Ⅲ)은 상기 중심 영역(Ⅱ)보다 더 작은 층 두께를 가지고, 상기 코팅은 적어도 10㎛ 두께인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
2. 청구항 1에 있어서,
   외측으로부터 내측 방향으로 보았을 때, 음의 잔류응력 기울기가 베이스 재료와 마주하는 영역(Ⅲ)에 형성되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   외측에서 내측 방향으로 보았을 때, 양의 잔류응력 기울기가 외부 영역(Ⅰ)에 형성되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 코팅의 최내측 영역(Ⅲ.2) 및/또는 최외측 영역(Ⅰ.1)에서의 잔류응력은 실질적으로 일정한 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 코팅의 최내측 영역에서의 잔류응력은 상기 코팅의 최외측 영역에서의 잔류응력보다 더 작은 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   잔류응력 기울기를 가지는 적어도 하나의 영역은 가변하는 sp2 및 sp3 혼성된 탄소 원소 비를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   잔류응력 기울기를 가지는 적어도 하나의 영역은 가변하는 층 밀도를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   잔류응력 기울기를 가지는 적어도 하나의 영역은 가변하는 층 경도를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 슬라이딩 요소는 피스톤 링인 슬라이딩 요소.

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