KR101719696B1 - 코팅을 구비한 활주 요소, 특히 피스톤 링 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 주행면에, 내부에서 바깥쪽 방향을 기준으로 부착 층(10); 금속, 바람직하게는 텅스텐을 함유하는 DLC 층(12); 무금속 DLC 층(14)을 포함하는 코팅을 구비하고, 무금속 DLC 층의 두께는 금속 함유 DLC 층에 대한 비가 0.7 내지 1.5이고, 전체 코팅 두께에 대한 비가 0.4 내지 0.6인 것을 특징으로 하는, 예를 들어 피스톤 링과 같은 활주 요소에 관한 것이다.

Description

코팅을 구비한 활주 요소, 특히 피스톤 링{SLIDING ELEMENT, IN PARTICULAR A PISTON RING, HAVING A COATING}

본 발명은 적어도 하나의 주행면에 코팅을 구비한 활주 요소, 특히 피스톤 링에 관한 것이다.

피스톤 링, 피스톤 또는 실린더 슬리브와 같은 내연 기관의 활주 요소는 가능한 한 적은 마찰과 낮은 수준의 마모만으로 긴 내용 연수 동안 작동해야 한다. 내연 기관의 경우 연료 소모량과 직접 관련되는 마찰은 다이아몬드상 카본(DLC: diamond-like carbon)으로 된 코팅에 의해 낮은 수준으로 유지될 수 있다. 또한, 층 두께는 원리적으로는 40㎛까지 달성할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 층 두께가 5㎛를 초과하게 되면, 예를 들면 층의 구조와 조성과 관련한 층 특성이 변함으로써 요구되는 내용 연수를 달성할 수 없다는 문제가 있다. 이는 층 두께가 5㎛ 이하인 경우에도 유사하게 적용될 수 있다.

이와 관련하여 적어도 질화 크롬을 포함하는 경질물 기반의 PVD 코팅이 공지되어 있다. 이러한 층들은 필요한 수준의 내마모성을 갖기는 하지만, 이들은 요구되는 낮은 마찰 계수를 갖지 못한다.

독일 특허 DE 10 2005 063 123 B3호에는 양호한 운전개시기(running-in) 거동을 나타내는 DLC 코팅을 구비한 활주 요소가 공지되어 있다. 그러나, 전반적으로, 낮은 마찰 계수의 내구성을 더욱 개선시킬 여지가 있다.

독일 특허 DE 10 2008 016 864호는, 내부에서 바깥쪽 방향을 기준으로 부착 층, 금속 함유 DLC 층, 무금속 DLC 층을 포함하는 코팅을 구비한 활주 요소에 관한 것이다.

독일 특허 공개 공보 DE 197 35 962호에는 가이드 부시 및 가이드 부시의 내면에 경질 카본 필름을 구현하는 방법을 개시하고 있는데, 플라즈마 CVD 공정이 비정질 수소화 카본으로 된 경질 카본 필름을 내면에 구현하는 데 사용된다.

마지막으로 국제 특허 공개 공보 WO 2006/125683 A1호에는, 내부에서 바깥쪽 방향을 기준으로 IVB족, VB족 또는 VIB족으로 된 원소를 포함하는 층, 다이아몬드상 나노복합 조성물을 포함하는 중간 층, DLC 층을 포함하는 피스톤 링이 개시되어 있다.

이러한 배경 하에서, 본 발명은 마찰 계수와 마모 특성의 조합과 관련하여 더욱 향상된 활주 요소를 제공하는 데에 목적을 두고 있다.

이러한 본 발명의 목적은 특허청구범위의 청구항 1에 기재된 활주 요소에 의해 달성된다.

따라서, 본 발명의 활주 요소는, 적어도 하나의 주행면에, 내부에서 바깥쪽 방향을 기준으로 부착 층; 금속, 바람직하게는 텅스텐을 함유하는 DLC 층; 무금속 DLC 층을 포함하는 코팅을 구비하며, 무금속 DLC 층과 금속을 함유하는 DLC 층간의 두께 비는 0.7 내지 1.5이고 그리고/또는 무금속 DLC 층과 전체 코팅 간의 두께 비는 0.4 내지 0.6이다. 바람직하게는, 부착 층은 크롬 부착 층이다. 금속을 함유하는 DLC 층은 무정질 카본을 포함하는 것으로서, a-C:H:Me를 지정할 수 있으며, 바람직한 금속 함유 DLC 층으로는 C:H:W를 지정할 수 있다. 마찬가지로, 최외측 층 또는 상부 층은 비정질 카본을 포함하는 것으로서, a-C:H를 지정할 수 있다. 마찰과 마모에 대해 특히 양호한 특성을 위에서 설명한 값의 경우에서 확인하였다. 이러한 마찰공학적 특성들은 더 두꺼운 상부 층에 의해서 내용 연수가 더 긴 방향으로 영향을 받을 수 있다. 그러나, 이 상부 층이 중간 층과 비교하여 너무 두꺼워지면 마모 값은 악화된다. 중간 층과 상부 층의 두께가 거의 동일한 경우에 특히 양호한 마모 값을 확인할 수 있었고, 이에 따라 중간 층과 상부 층의 두께 비가 대략 1.0, 특히 0.9 내지 1.1이거나 또는 상부 층의 전체 층에 대한 두께 비가 대략 0.5, 특히 0.45 내지 0.55인 것이 바람직하다. 마찰의 경우, 상기 범위 내의 코팅에 대해, 내연 기관에서 일어나는 요구들을 만족스럽게 충족시키고 특히 대체로 일정한 마찰 계수를 확인할 수 있었다. 이와 대조적으로, 이 범위 밖에서는, 단기간의 경과에도 높은 최고 마찰 계수와 일정하지 않은 마찰 특성을 확인하였다.

본 발명이 반드시 한정되지는 않는 이러한 거동에 대한 설명으로서, 우선 무금속 DLC 층이, 금속 함유 DLC 층의 층 두께가 최외측 층의 두께와 유사한 경우에, 코팅이 강도와 인성 간의 조합에 대해 최적으로 구현될 수 있는 방식으로 보상될 수 있는 매우 높은 내부 응력을 전체 시스템으로, 즉 전체 코팅으로 도입하는 것으로 현재로서는 생각되고 있다. 따라서, 이러한 코팅으로 코팅된 활주 요소, 특히 피스톤 링은 내마모성이 양호하다. 무금속 DLC 층과 금속 함유 DLC 층간의 층 두께 비가 0.7보다 작으면 그리고/또는 상부 층의 층 두께의 전체 층의 두께에 대한 비가 0.4보다 작으면, 최외측의 무금속 DLC 층은 내마모성이 높음에도 불구하고 층 두께가 불충분하기 때문에 활주 요소의 내용 연수가 너무 짧다. 이와 대조적으로, 무금속 DLC 층과 금속 함유 DLC 층간의 층 두께 비가 1.5 보다 크면 그리고/또는 상부 층의 층 두께의 전체 층의 두께에 대한 비가 0.6보다 크면, 금속 함유 DLC 층의 두께는 내부 응력을 보상하기에 충분하지 않다. 이에 따라, 작업 중의 과도하게 높은 부하로 인해, 최외측 층의 두께가 상당함에도 불구하고 DLC 층 전체의 조기 마모가 일어나거나, DLC 층의 박리(flake-off)가 일어난다.

코팅이 활주 요소의 적어도 하나의 주행면에 적어도 부분적으로 구현되지만, 코팅은 전체 주행면으로 확장될 수 있고, 특히 예를 들어 피스톤 링의 플랭크(flank) 및/또는 주행면에서부터 주행면에 접하는 면으로의 전이부(transition)와 같은 주행면과 접하는 면들에 전체적으로 또는 부분적으로 구현될 수 있다.

본 발명에 따른 활주 요소의 바람직한 개선례는 추가 청구항들에 기재되어 있다.

현재로서는, 주철 또는 강이 활주 요소, 특히 피스톤 링의 모재로 바람직하다. 이들 소재에 대해서 특히 양호한 특성을 확인할 수 있었다.

층의 경도는 무금속(a-C:H:-)(상부) DLC 층에 대해서는 1700 내지 2900HV0.02의 값이 바람직하고 금속 함유(a-C:H:Me-) DLC 층에 대해서는 800 내지 1600HV0.02의 값이 바람직한데, 이는 이들 값을 이용할 때 요건들이 만족스럽게 충족되었기 때문이다.

금속 함유 DLC 층 및 무금속 DLC 층은 둘 다 수소를 포함할 수 있고, 이는 시험 결과 유리한 것으로 판명되었다.

또한, 텅스텐을 함유하는 DLC 층에 대해, 나노결정질 텅스텐 카바이드 석출물(nanocrystalline tungsten carbide precipitate)을 함유하는 것이 바람직하고, 이에 의해 특성이 더 향상될 수 있다.

특히 크롬 부착 층인, 부착 층의 두께는 최대 1㎛의 값인 것이 바람직하다.

총 코팅 두께는 앞서 설명한 마찰 계수와 마모 특성들 간의 균형이 특히 만족스럽게 달성될 수 있도록 5 내지 40㎛인 것이 바람직하다.

코팅의 효과적인 구현과 관련하여, 현재로서는 부착 층이 금속 기상 증착으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 코팅의 유리한 제조는 금속 함유 DLC 층 및/또는 무금속 DLC 층이 PA-CVD 공정으로 구현되면 추가로 보장된다.

이하, 본 발명의 바람직한 예시적인 실시예들을 도면을 참조하여 더욱 충분히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 코팅의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 시험례와 비교예의 두 경우에 대해 마모를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 시험례와 비교예의 두 경우에 대해 마찰 계수를 나타낸 도면이다.

도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 코팅은, 내부에서 바깥쪽 방향을 기준으로 부착 층(10), 중간 층(12), 상부 층(14)을 포함하며, 그 두께들과 두께 비들은 위에서 설명한 범위 내에 있다.

시험례

본 발명에 따른 코팅의 특성을 두 개의 시험례와 하나의 비교예를 기초로 하여 조사하였다. 시험은 하기의 코팅들을 이용하여 행하였다.

여기서, 시험례 1과 시험례 3이 본 발명에 따른 예이고, 시험례 2는 비교예이다. 연구는 “윤활된, 피스톤 링/호닝된(honed) 회주철 실린더 슬리브 ” 시스템에 대해 행하였다. 도 2는 피스톤 링들의 상대적인 마모 값들을 나타낸다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 시험례들은 비교예 2보다 마모가 상당히 작은데, 특히 비교예 2에서 일어나는 마모의 대략 20% 이하이다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 시험례들의 경우, 마찰 계수가 시간에 따라 대체로 일정한 반면, 비교예의 경우, 한편으로는, 마찰계수가 전반적으로 더 높고 매우 높은 최곳값을 나타낸다. 다른 한편으로는, 마찰 계수가 매우 심하게 변동되었다. 또한, 이 비교예에 따른 코팅은 시험 과정이 완료되기 전에 불량이 되었다.

Claims (9)

1. 적어도 하나의 주행면에, 내부에서 바깥쪽 방향을 기준으로 부착 층(10); 금속을 함유하는 DLC 층(12); 무금속 DLC 층(14)을 포함하는 코팅을 구비한, 피스톤 링에 있어서,
   무금속 DLC 층의 두께는 금속 함유 DLC 층에 대한 비가 0.7 내지 1.5이고, 전체 코팅 두께에 대한 비가 0.4 내지 0.6이며, 코팅의 총 두께는 5 내지 40㎛이며,
   금속 함유 DLC 층은 800 내지 1600HV0.02의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
2. 제1항에 있어서,
   주철 또는 강을 모재로 하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   무금속 DLC 층은 1700 내지 2900HV0.02의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   금속 함유 DLC 층 및/또는 무금속 DLC 층은 수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   금속이 텅스텐이며, 텅스텐을 함유하는 DLC 층은 나노결정질 텅스텐 카바이드 석출물(nanocrystalline tungsten carbide precipitate)을 함유하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   부착 층은 두께가 최대 1㎛인 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   부착 층은 금속 기상 증착으로 이루어진 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   금속 함유 DLC 층 및/또는 무금속 DLC 층은 PA-CVD 공정에 의해 이루어진 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
9. 제6항에 있어서,
   부착 층은 크롬 부착 층인 것을 특징으로 하는 피스톤 링.

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