KR101632345B1 - Dlc 피복막 및 피복 밸브 리프터 - Google Patents

Abstract

CVD(화학기상성장) 성막 공법에 의한 성막 속도와 스퍼터링 성막 공법의 내구성을 아울러 확보할 수 있는 DLC(다이아몬드 라이크 카본) 피복막 및 피복 밸브 리프터를 제공한다.
DLC 피복막은 기재 표면에 퇴적 형성한 중간층(3)과, 이 중간층(3) 상에 퇴적 형성한 DLC층(4)으로 구성되고, 표면 경화 가능한 금속 탄화물 또는 금속에 의해 상기 중간층(3)을 형성하고, 또한 탄화수소 가스 혼입의 불활성 가스 도입하에서 상기 중간층(3)과 공통되는 금속 원소의 첨가에 의해 상기 DLC층(4)을 형성함으로써, 중간층(3)과 DLC층(4)에 대해서 연속되는 스퍼터링 처리에 의한 성막을 가능하게 하고, 이것에 더해, Me-DLC(금속 첨가 DLC)에 의한 DLC층(4)의 H(수소) 함유량의 조절을 가능하게 하는 것이다.

Description

DLC 피복막 및 피복 밸브 리프터{DLC COATING FILM AND COATED VALVE LIFTER}

본 발명은 엔진 부품 등의 슬라이딩면에 피복하는 DLC(다이아몬드 라이크 카본) 피복막 및 피복 밸브 리프터에 관한 것이다.

엔진 구성 부품 등의 슬라이딩면에 피복하는 DLC에 의한 피복막은 성막 처리 시간을 필요로 하는 PVD(물리기상성장)에 의한 스퍼터링 성막 공법과 비교하여 성막 속도나 표면의 평활성으로부터 CVD(화학기상성장) 성막 공법이 다용되며, 양산 저비용화가 도모되고 있다.

또, 특허문헌 1에 기재된 슬라이딩 부재의 DLC 피복막과 같이, Cr(크롬), Mo(몰리브덴) 등의 금속을 DLC에 첨가하여 저마찰화가 가능한 Me-DLC(금속 첨가 DLC)층을 형성함으로써 저마찰화가 도모되고 있다.

일본 특허 제4320605호 공보

그러나, CVD 성막 공법에 의한 DLC층은 성막 속도와 대응하여 H(수소)가 많이 함유되어 비교적 부드러운 점에서, Me-DLC층에 의해서도, 스퍼터링 성막 공법과 대비하여, 내구성상의 불리를 피할 수 없다는 문제가 있었다.

본 발명은 CVD 성막 공법에 의한 성막 속도와 스퍼터링 성막 공법의 내구성을 아울러 확보할 수 있는 DLC 피복막 및 피복 밸브 리프터를 제공하는 것에 있다.

청구항 1에 따른 발명은, 내연 기관을 구성하는 기구 부품의 기재 표면에 퇴적 형성한 중간층과, 이 중간층 상에 퇴적 형성한 DLC층으로 이루어지는 DLC 피복막에 있어서, 표면 경화 가능한 금속 탄화물 또는 금속의 스퍼터링 처리에 의해 상기 중간층을 형성하고, 또한, 탄화수소 가스 혼입의 불활성 가스 도입하에서의 카본의 스퍼터링 처리에 더해, 상기 중간층의 스퍼터링 처리의 계속 제어에 의해, 상기 중간층과 공통되는 금속 원소를 성막 두께와 대응하여 서서히 저감하면서 피복 표면까지 첨가함으로써 상기 DLC층을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

삭제

청구항 3에 따른 발명은, 청구항 1에 따른 발명에 있어서, 상기 공통의 금속 원소를 W(텅스텐)으로 한 것을 특징으로 한다.

삭제

청구항 5에 따른 발명은, 청구항 3에 따른 발명에 있어서, 상기 DLC층은 피복 표면의 금속 원소의 첨가량을 0.5~20at%(아토믹 퍼센트)의 범위에서 성막하는 것을 특징으로 한다.

청구항 6에 따른 발명은, 청구항 3 또는 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 발명에 있어서, 상기 DLC층은 H 함유량을 8~30at%의 범위에서 성막하는 것을 특징으로 한다.

청구항 8에 따른 발명은, 청구항 1, 청구항 3, 청구항 5, 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 발명에 있어서, 상기 기구 부품은 동밸브 기구 부품으로 특정하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
청구항 9에 따른 발명은, 청구항 8에 따른 발명에 있어서, 상기 기구 부품은 동밸브 기구 부품으로 특정하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

청구항 1에 따른 발명에 의해, 내연 기관을 구성하는 기구 부품에 대하여, 금속 탄화물 또는 금속에 의해 중간층을 형성함으로써, 기재에 대한 피복 표면측의 DLC층의 밀착력이 확보되고, 또, DLC층의 첨가 금속을 중간층의 구성 금속과 공통화함으로써, 스퍼터링 처리의 계속 제어에 의해 중간층으로부터 연속성을 유지하면서 다음의 DLC층의 성막 공정으로의 이행이 가능하게 된다.
이 DLC층의 성막 공정에 있어서는, 소정량의 탄화수소 가스를 혼입한 불활성 가스 도입하의 카본 스퍼터링에 의해, 스퍼터율을 확보하면서 DLC층의 H 함유량의 조절에 의한 경도 확보가 가능하게 되고, 이 때, 금속 원소를 점감 제어하여 표면까지 첨가함으로써, 중간층으로부터 DLC층의 표면에 이르는 첨가 금속의 연속 조성에 의한 표면까지의 일체 피복이 확보된다.
따라서, 중간층으로부터 DLC층에 이르는 스퍼터링의 계속 제어에 의해, 노 내 오염 리스크를 초래하지 않고 신속한 공정 이행과 스퍼터율의 확보에 의해 성막 처리 속도가 확보되는 점에서 성막 비용의 증가를 억제할 수 있다. 또, 중간층에 의한 기재와 DLC층과의 밀착성 및 첨가 금속의 연속 조성에 기초하는 DLC층의 표면까지의 일체화와 DLC층의 경도 제어에 의해, 충격적인 면압 변동 등의 표면 부하시의 표면 박리가 억제되어 내충격성이 확보되고, 또한 피복 표면에 이르는 DLC층의 금속 첨가에 의해, 몰리브덴 등의 특정의 엔진 오일 첨가 물질에 의한 DLC층의 마모를 억제하여 슬라이딩면을 보호할 수 있는 점에서, 기구 부품의 메커니컬 로스를 억제하면서, 내연 기관 특유의 작동 환경에 대응할 수 있는 내구성의 확보가 가능하게 된다.

삭제

청구항 3에 따른 발명에 의해, 청구항 1에 따른 발명의 효과에 더해, 공통의 금속 원소를 W으로 함으로써, 안정되고 밀착성이 우수한 금속 탄화물로서 주지의 WC(텅스텐 카바이드)를 중간층으로서 적용할 수 있으므로, DLC층의 신뢰성을 확보할 수 있다.

삭제

청구항 5에 따른 발명에 의해, 청구항 3에 따른 발명의 효과에 더해, W의 첨가량을 표면에서 0.5~20at%의 범위로 함으로써, DLC층은 스퍼터링 성막 공법만에 의한 성막에 대하여, 저마찰화에 의한 추가적인 내구성의 향상이 가능하게 된다.

청구항 6에 따른 발명에 의해, 청구항 3 또는 청구항 5에 따른 발명의 효과에 더해, DLC층의 H 함유량을 8~30at%의 범위로 함으로써, 필요한 내구성과 충분한 저마찰 슬라이딩성을 실현하고, 또한 처리 속도의 개선에 의한 양산화와 저비용화가 가능하게 된다.

청구항 8에 따른 발명은, 청구항 1, 청구항 3, 청구항 5, 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 발명에 더해, 동밸브 기구 부재가 노출되는 고온과 연속되는 고속 강진동의 환경에 노출되는 극심한 환경에 있어서, DLC 피복막의 성막 처리 비용의 증가를 초래하지 않고, 슬라이딩 저항의 저감과 아울러 내구성의 확보를 양립시켜 동밸브계 메커니컬 로스의 저감화를 도모할 수 있다.
청구항 9에 따른 발명은, 청구항 8에 따른 발명에 더해, 밸브 리프터가 받는 고온에 의한 오일 열화나 캠 접촉부에 연속하여 작용하는 고속 진동 충격 압력에 의한 대부하 입력에 노출되는 극심한 환경하에 있어서, 특히, 오일에 첨가되는 몰리브덴 등의 첨가제에 의한 배기측의 마모를 억제하여 내구성을 확보할 수 있다.

도 1은 DLC 피복막의 계층 구성을 나타내는 단면도.
도 2는 DLC 피복막의 성막 공정도.
도 3은 DLC층의 W 첨가량별 마찰 계수 그래프.
도 4는 DLC층의 H 함유량과 W 첨가량에 의한 마모량 맵.

상기 기술사상에 기초하여 구체적으로 구성된 실시형태에 대해서 이하에 도면을 참조하면서 설명한다.

(구성)

본 발명의 DLC 피복막(1)은 피막의 계층 구성을 나타내는 단면도를 도 1에 나타내는 바와 같이, 기재(2)에 하지층(2a)을 피복 처리한 다음, 그 표면에 퇴적 형성한 중간층(3)과, 이 중간층(3) 상에 퇴적 형성한 DLC층(4)으로 구성된다. 중간층(3)은 표면 경화 가능한 금속 탄화물 또는 금속에 의해 형성하고, 이 중간층(3)의 형성과 연속하여, 탄화수소 가스 혼입의 불활성 가스 도입에 의한 함유 H량 제어하에서 중간층(3)과 공통의 금속 원소의 첨가에 의한 DLC층(4)을 형성한다.

상기 구성에 의한 DLC 피복막(1)은 연속하는 스퍼터링 처리에 의해 중간층(3)과 DLC층(4)을 형성할 수 있음과 아울러, DLC층(4)의 함유 H량을 소정 범위로 제어할 수 있는 점에서, 스퍼터링 성막 공법에 의한 내구성과 CVD 성막 공법에 필적하는 처리 속도 및 표면의 평활성을 아울러 확보할 수 있다. 특히, 공통의 금속으로서 W을 사용함으로써, DLC층(4)의 안정적인 밀착성을 확보할 수 있다.

따라서, 상기 DLC 피복막(1)은 밸브 리프터의 캠 접촉면에 적용함으로써, 캠 접촉면의 슬라이딩 저항의 저감과 함께 내구성의 확보를 양립시켜, 엔진 구성 부품 중에서도 특히 극심한 슬라이딩 환경하에 있어서, 동밸브계 메커니컬 로스의 저감화를 도모함과 아울러, 처리 속도의 개선에 의한 양산화, 저비용화를 가능하게 하는 것이다.

구체예에 의해 상세하게 설명하면, 기재(2)는 엔진 구성 부품을 비롯한 기구 부재에 사용되는 탄소강, 합금강 일반을 폭넓게 적용 대상으로 하고, 하지층(2a)은 Cr의 피복에 의해 기재 표면을 성막 처리용으로 조정하고, 중간층(3)은 하지층(2a)에 겹쳐서 WC를 양자 합쳐서 0.5μm 이상의 두께로 적층함으로써 DLC층(4)의 밀착성을 확보하고, DLC층(4)은 W 첨가에 의한 Me-DLC층에 의해 형성한다.

(성막 공정)

상기 구성의 DLC 피복막(1)의 성막 처리는 그 공정도를 도 2에 나타내는 바와 같이 밸브 리프터 등의 처리 대상물의 초음파 세정 등에 의한 전처리와 방청 등의 후처리를 전후에 수반하고, 처리 대상 부분인 슬라이딩면의 기재 표면에 대해서, 성막 제1공정인 이온 클리닝과, 성막 제2공정인 Cr/WC 성막 처리와, 성막 제3공정인 Cr/WC+C 성막 처리와, 성막 제4공정인 쿨링까지의 일련의 공정에 의해 구성한다. 이들 성막 처리는 카본에 의한 C 타겟과 텅스텐 카바이드에 의한 WC 타겟을 구비함과 아울러, 탄화수소 가스 혼입의 불활성 가스 도입이 가능한 성막 장치를 사용한다.

제1공정인 이온 클리닝은 진공 감압, 200℃ 가열의 처리 조건의 스퍼터링 처리에 의한 기재 표면의 Ar(아르곤) 이온 클리닝이며, 이것에 이어지는 제2공정인 Cr/WC 성막 처리에 의해 Cr의 하지층(2a)과 WC의 중간층(3)을 형성하고, 이어서, 제3공정인 Cr/WC+C 성막 처리에 의해, 스퍼터링 처리에 의한 W의 점감 첨가와 CVD 처리에 의한 탄화수소 가스 혼입의 불활성 가스 도입을 동시 병행함으로써 W-DLC(텅스텐 첨가 DLC)에 의한 DLC층(4)을 형성한다.

이들 4공정에 이르는 일련의 성막 처리에 있어서는, 스퍼터링 처리에 의한 Cr의 하지층(2a)과 WC의 중간층(3)에 의해 DLC층(4)과 기재(2)와의 밀착력을 높여 박리 강도를 확보할 수 있다. 또, 스퍼터링 처리 +CVD 처리에 의해, WC 중간층(3)의 성막 후에 있어서도 WC 타겟의 스퍼터링 처리를 계속하면서, C 타겟에 전류를 흘림으로써, 성막 방법을 바꾸지 않고 스퍼터링 처리를 계속 제어하여 연속적으로 WC 중간층(3)으로부터 W 첨가의 Me-DLC층으로 서서히 변화시킴과 아울러, 동시에 탄화수소 가스의 도입에 의해 이온화시켜 DLC의 성막을 촉진시킴으로써, W 첨가의 DLC층(4)의 H 함유량을 소정 범위로 제어하여 막 마모량을 개선할 수 있다.

또, 상기 성막 공정에 있어서, DLC층(4)은 W의 첨가량을 중간층(3)으로부터의 성막 두께와 대응하여 서서히 저감시키는 점감 첨가 제어에 의해 형성함으로써, DLC층(4) 내의 첨가 금속량이 연속적으로 변화하여 감소하기 때문에, 막 내 균열 등에 대한 고내성을 확보하면서, 표면의 마찰 특성의 개선을 도모할 수 있다.

(슬라이딩 특성)

상기 구성의 DLC 피복막(1)에 대해서, 마찰 계수의 시험 결과에 의해, 이하와 같이 슬라이딩 특성을 평가할 수 있다. 이 마찰 계수 시험은 핀 온 디스크 시험에 의한 단체 평가이며, 면압과 슬라이딩면의 속도를 조정하여 모터링 시험과의 상관을 취할 수 있다.

DLC층(4)의 슬라이딩 특성에 대해서는, W 첨가량 구분의 마찰 계수 비교도를 도 3에 나타내는 바와 같이, W 비첨가의 CVD법 DLC층의 마찰 계수를 기준으로 하여, W의 첨가량 at% 증가에 따라 마찰 계수의 감소가 보여진다. 이 결과에 대해서는, W와 오일 첨가물과의 착체가 합성되어 DLC 표면에 부착되고, 이것이 마찰 계수를 낮추고 있다는 견해 등이 있다. 또, W 첨가량이 15at% 이상이 되면 내마모성이 떨어지는 점에서, DLC층(4)의 W 첨가량을 0.5~20at%의 범위로 특정함으로써, W 비첨가의 CVD법 DLC층에 대하여 동등 이상이 되는 특성 범위를 모두 커버할 수 있다.

(내마모 특성)

상기 구성의 DLC 피복막(1)에 대해서, 마모량의 시험 결과에 의해, 이하와 같이 내구 특성을 평가할 수 있다. 이 마모량 시험은 동밸브계의 기능성 내구성을 평가하기 위한 모터링 시험으로서, 캠샤프트를 모터로 구동하는 실린더 헤드에 의한 것이며, 보다 실기에 가까운 형태로 마모량의 평가를 행할 수 있다.

DLC층(4)의 내마모 특성에 대해서는, H 함유량과 W 첨가량에 의한 마모량 맵을 도 4에 나타내는 바와 같이, W 첨가량이 비교적 소량인 경우, 즉 5at%를 목표로 하는 W-DLC 쪽에 마모량이 적은 것을 알 수 있다. W 첨가량을 필요 이상 늘리면 막이 부드러워져, 마모가 촉진되는 것이라고 생각된다.

내마모 특성에 관해서는, H 함유량이 늘어나면 마모량도 증가한다. 통상의 스퍼터링 성막 공법에서의 H 함유량은 5~15at%의 사이이며, 상기 구성의 DLC 피복막(1)에 대해서는, 탄화수소 가스를 보다 많이 주입하는 CVD 성막 공법을 병용함으로써 H 함유량을 CVD 성막 공법의 영역까지 증가시켜 스퍼터링 성막 공법으로 성막 속도를 높일 수 있는 점에서, DLC층(4)의 H 함유량을 8~30at%의 범위로 특정함으로써, H 함유량이 15at% 이상, 통상은 20at% 전후의 CVD 성막 공법의 H 함유량 범위를 모두 커버할 수 있다.

상기 DLC 피복막(1)은 밸브 리프터의 캠 접촉부에 적용함으로써, 특히 오일 열화나 대부하 입력에 노출되는 극심한 환경에 있어서, 성막 처리 비용의 증가를 초래하지 않고, 슬라이딩 저항의 저감과 함께 내구성의 확보를 양립시켜 동밸브계 메커니컬 로스의 저감화를 도모할 수 있다.

1…DLC 피복막
2…기재
2a…하지층
3…중간층
4…DLC층

Claims (12)

1. 내연 기관을 구성하는 기구 부품의 기재 표면에 퇴적 형성한 중간층과, 이 중간층 상에 퇴적 형성한 DLC(다이아몬드 라이크 카본)층으로 이루어지는 DLC 피복막에 있어서,
   표면 경화 가능한 금속 탄화물 또는 금속의 스퍼터링 처리에 의해 상기 중간층을 형성하고, 또한, 탄화수소 가스 혼입의 불활성 가스 도입하에서의 카본의 스퍼터링 처리에 더해, 상기 중간층의 스퍼터링 처리의 계속 제어에 의해, 상기 중간층과 공통되는 금속 원소를 성막 두께와 대응하여 연속적으로 저감하면서 피복 표면까지 첨가함으로써 상기 DLC층을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 DLC 피복막.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 공통의 금속 원소를 W(텅스텐)으로 한 것을 특징으로 하는 DLC 피복막.
4. 삭제
5. 제 3 항에 있어서, 상기 DLC층은 피복 표면의 금속 원소의 첨가량을 0.5~20at%(아토믹 퍼센트)의 범위에서 성막하는 것을 특징으로 하는 DLC 피복막.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 DLC층은 H(수소) 함유량을 8~30at%의 범위에서 성막하는 것을 특징으로 하는 DLC 피복막.
7. 삭제
8. 제 1 항, 제 3 항, 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기구 부품은 동밸브 기구 부품으로 특정하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 DLC 피복막.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 동밸브 기구 부품은 밸브 리프터로 특정하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 DLC 피복막.
10. 제 5 항에 있어서, 상기 DLC층은 H(수소) 함유량을 8~30at%의 범위에서 성막하는 것을 특징으로 하는 DLC 피복막.
11. 제 6 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 기구 부품은 동밸브 기구 부품으로 특정하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 DLC 피복막.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 동밸브 기구 부품은 밸브 리프터로 특정하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 DLC 피복막.

Images