KR101801400B1 - Ｄｌｃ 코팅을 구비한 슬라이딩 요소 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기재에 DLC 코팅 (12)을 구비한 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링에 관한 것이다. 본 발명에 따른 슬라이딩 요소는 DLC 보다 연질의 재료 (14)가, 슬라이딩 요소가 활주할 슬라이딩 파트너와 슬라이딩 요소가 접촉하게 될 DLC 코팅 (12)의 표면에 매립된 것을 특징이다.

Description

ＤＬＣ 코팅을 구비한 슬라이딩 요소 {Sliding Element with DLC Coating}
본 발명은 기재(substrate)에 DLC 코팅을 구비한 슬라이딩 요소, 특히, 피스톤 링에 관한 것이다.
고도의 스트레스를 받는 엔진에 사용되는 피스톤 링은, 기본적으로, 내마모성이 있는 작동 표면 코팅(running surface coating)을 구비해야 하는데, 이 때문에 경질 재료를 기반으로 한 PVD 코팅 및 DLC 코팅이 종종 이용된다. PVD 코팅이 마모 현상에 대하여 비교적 내성이 좋기는 하지만, 엔진 내 마찰 손실을 최소화함으로써 연료 소모를 최대한 줄이고자 하는 근래의 요구를 충족하는데 필요한 수준의 낮은 마찰계수를 제공하지는 못한다. 이러한 이유로, 종종 PVD 코팅이 더 선호된다.
DLC는 "다이아몬드상 탄소(Diamond-Like-Carbon)"의 약어로서, 무정형, 다이아몬드상 탄소를 의미하는데, 이 DLC는 연삭마모(abrasive wear) 및 응착마모(adhesive wear)에 대한 양호한 내성, 표면 부스러짐(surface spallation) 방지, 화학적 안정성, 및 양호한 열전도성과 기계적 특성(경도 및 탄성계수) 등의 특별한 성질을 갖는 것이 특징이다. 높은 경도는, 특히, 높은 비율의 sp3-혼성 탄소 원자를 갖는 DLC 막(layer) 시스템에서 얻어지는데, 이 때, sp3-혼성 탄소 원자의 몰 분율은 60퍼센트(%) 이상이다. 이 물질은 또한 사면체 결합 비정형 탄소(tetrahedrally-bonded amorphous carbon: ta-C)라고 불린다. DLC 막은 수소 함유 및/또는 금속 함유 DLC 시스템과 같이, sp3-혼성 탄소 원자 비율이 낮고 ta-C 막 시스템보다 경도가 낮은 경우에도 이용된다.
피스톤 링에 대한 기존의 고경도 DLC코팅의 단점 중 하나는, 상대적으로 연질인 막(soft layer)에 비하여, 그 탄성과 가소성으로 인한 전단력 흡수 능력이 매우 낮다는 것이다. 이것은 특히, 슬라이딩 요소 또는 작동 파트너(running partner)의 표면이 조금만 고르지 않아도, 소위 엔진의 러닝-인 기간(running-in period)에는, 코팅 면이 부스러져, 낮은 표면 압력에도 DLC 코팅의 파손이 초래될 수 있음을 의미한다.
반면, 연질 DLC막은 내마모성이 너무 낮다는 단점으로 인하여, 상대적으로 짧은 내용 연한(耐用秊限)만 경과해도 DLC 막이 이미 닳아버려서 더 이상 낮은 마찰계수를 유지할 수 없게 된다.
본 발명의 목적은 기재에 DLC 코팅된 슬라이딩 요소를 제공하는 것으로서, 상기 DLC 코팅된 슬라이딩 요소는 낮은 마찰계수뿐만 아니라 높은 내마모성을 보유하기 때문에, 그 결과, 작동 파트너의 표면이 어느 정도 균일하지 못하더라도 그로 인한 심각한 손상은 발생하지 않는다.
본 발명의 이러한 목적은 특허청구범위 제1항에 따른 발명의 주된 기술적 내용 및 특허청구범위 제6항에 따른 방법에 의하여 달성된다. 나아가 본 발명의 유익한 실시예들이 이들의 종속항들에 개시되어 있다.
구체적으로, 본 발명에 따르면, 기재에 DLC 코팅된 슬라이딩 요소, 특히, 피스톤 링은 연질 재료가 DLC 코팅 표면에 매립(embed)된 상태로 슬라이딩 파트너(sliding partner)와 활주 접촉(sliding contact)이 이루어진다는 점이 특징이다. 본 발명에서 "연질 재료"라 함은 DLC와 비교하여 상대적으로 연한 재질의 재료를 의미한다. 슬라이딩 파트너는 이러한 관계에서 슬라이딩 요소가 활주하게 될 요소(element)인 바, 예컨대, 슬라이딩 요소가 피스톤 링인 경우에, 관련 피스톤에 속하는 실린더 벽이 슬라이딩 파트너가 되는 것이다.
연질 재료가 DLC 코팅 표면 내에 매립되어 있음으로 해서, 특히 결정적인 피스톤 링의 러닝-인 과정에서, 어떠한 손상도 없이 소위 제 3 본체(body)의 형성이 이루어지게 된다. 소위 제 3 본체란 피스톤 링의 실린더 벽에 대한 러닝-인 동안에 형성되는 DLC코팅 내의 층으로 이해된다. 제 3 본체의 특성은 특히 WO2010/009 862 A1으로부터 획득될 수 있다. 제 3 본체 형성의 효과는 또한 피스톤 링 이외의 슬라이딩 요소에서도 획득된다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 연질 재료는 DLC 코팅보다 연질인 금속 또는 금속 산화물, 특히, 철 또는 철-크롬 화합물 또는 이들의 산화물을 포함한다. 이러한 실시예들은, 실린더 작동 면(working surface), 바꾸어 말하면, 슬라이딩 요소의 슬라이딩 파트너가 상기 금속 또는 금속 산화물로 코팅된 것일 때 특히 바람직하다. 철 기반의 내연기관 분야에는, 피스톤 링의 슬라이딩 파트너로서 열 코팅 공(bore)이 점점 더 많이 사용되고 있는데, 이 열 코팅 공은 철-탄소 합금 또는 철-크롬 합금 등을 포함한다. 또한, 마모 거동을 향상시키기 위하여, 몇 가지 변수들을 적절히 조절한 융사 공정(thermal spraying process)을 이용하여 금속 산화물도 코팅에 함유시킬 수 있다. 따라서, 상기 바람직한 실시예의 관점에서 슬라이딩 요소의 형성은, 슬라이딩 요소의 DLC 코팅과 슬라이딩 파트너 사이에서 러닝-인 과정 중에 발생하는 물질 이동이 이미 이루어졌으므로, 어떠한 손상이나 위험 없이 러닝-인 과정이 수행될 수 있다는 것을 의미한다.
DLC 코팅은 사면체 결합 무정형 탄소(tetrahedrally bonded amorphous carbon; ta-C)를 포함하는 것이 유리인데, 이로 인하여 특히 높은 경도 및 그에 따른 내마모성을 갖는 것이 특징이다.
본 발명의 더욱 바람직한 실시예로서, DLC코팅의 표면은 연질 재료를, 면적 기준으로, 15 내지 60%, 바람직하게는 20 내지 40%의 양으로 함유한다. 연질 재료, 특히 금속 또는 금속산화물의 상기 면적비 농도 범위에서, 최상의 실현 가능한 마모 및 마찰 지수를 제공한다. 내연기관의 내부 및 외부에서 수행한 조사에서, 연질 재료의 함량이 너무 높으면 연질 재료의 지나친 마모 속도로 인한 DLC 코팅 파괴의 위험뿐만 아니라, 미세 융착(microweldings)과 그에 따른 스코어링(scoring)의 위험이 증가함으로써, 코팅층의 급격한 마모는 물론 심지어 코팅층의 파쇄를 초래할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 반면, DLC 코팅의 표면 내에 연질 재료의 농도가 너무 낮으면 DLC 코팅의 탄성과 유연성 향상 및 그에 따른 전단력 흡수 능력의 증가에 대하여 요구되는 효과가 불충분하여, 그 결과, 상기 코팅의 내용 연한을 보증할 최적의 작동을 더 이상 보장할 수 없게 된다. 그러나, 전술한 면적비 범위 내에서는 상기 두 가지 모두의 측면에서 특별한 이점을 제공한다.
연질 재료가 바람직한 정도로 매립되어 있는 DLC 코팅 영역은, DLC코팅 내에, 표면으로부터 아래로 1 ㎛ 깊이, 보다 바람직하게는 0.5 ㎛ 깊이까지 연장되어 있는 것이 바람직하다. DLC코팅 내에서 연질 재료가 상기 깊이로 매립되면 DLC 코팅된 피스톤 링의 최적 러닝-인 거동을 이끌어 내어서, 결과적으로 DLC 코팅의 낮은 마찰계수뿐만 아니라 보다 낮은 마모율을 최대한 유지할 수 있게 한다.
또한, 상기 표면은 가능한 거칠기가 낮은 것이 바람직한데, 거칠기는 2 ㎛ 미만, 바람직하기로는 1 ㎛ 미만의 평균 거칠기 깊이(average roughness depth) Rz, 및/또는 0.15 ㎛ 미만, 바람직하게는 0.1 ㎛ 미만의 보정 피크 높이(reduced peak height: RPK)로 정의될 수 있다. 이 방법에 따라, 높은 표면 압력 점의 발생 빈도를 최대한 낮게 유지할 수 있는데, 이것이 특히 양호한 슬라이딩 특성을 이끌어 낸다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 연질 재료를 함유한 영역 외부 DLC 코팅의 경도는 10 내지 70 GPa, 바람직하게는 15 내지 50 GPa이다. 이러한 경도는 DLC 코팅의 낮은 마모를 위해 필요하며 탄성 향상 및 표면 결함에 의해 야기되는 전단력에 대한 내성 향상의 효과를 방해하지 않는다. DLC 코팅은 수소를 함유하는 것이 바람직하며, a-C:H, a-C:H:Me, ta-C:H 또는 a-C:H:X 유형에 해당된다. 이 때, Me는 금속으로서, 중에서 선택되는 것이 바람직하며, X는 비금속으로서, 실리콘, 산소, 질소 및 붕소 중에서 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명은 다른 실시예로서, DLC 코팅은 ta-C 또는 a-C 유형이 바람직하며, 수소를 함유하지 않는다.
슬라이딩 요소의 전술한 두 가지 부류의 변형은 양호한 경도를 제공하기 때문에 내마모성과 함께 낮은 마찰계수를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 슬라이딩 요소는 기재와 DLC 코팅 사이에 금속-함유 점착층을 포함하는 것이 바람직한데, 이 점착층은 특히, 0.1 ㎛ 내지 1.0 ㎛의 두께를 갖는다. 이와 같은 점착층은 또한, DLC 코팅의 기재에 대한 점착성을 향상시킴으로써, 슬라이딩 요소의 내구성을 향상시킨다. 이 때, 기재와 DLC 코팅 사이에 함유되는 금속은 크롬, 텅스텐 또는 티타늄이 바람직하다.
기재는 주철 또는 강철로 이루어진 것이 바람직한데, 이들 재료는 탄성과 강도가 모두 좋아서 피스톤 링 또는 이에 상응하는 슬라이딩 요소로 특히 적합하게 사용되기 때문이다.
전술한 슬라이딩 요소를 제조하기 위한 본 발명의 방법은, 슬라이딩 파트너와 접촉하게 될 슬라이딩 요소의 DLC 코팅 표면에 DLC보다 연질의 재료가 함유된다는데 특징이 있다. 상기 연질 재료는, 이미 기재에 적용되어 왔으며, 금속 또는 금속 산화물이 바람직하고, 철 또는 철-크롬 화합물 또는 이들의 산화물이 특히 바람직한데, DLC 코팅 내부로 함유된다.
이와 관련하여, DLC 코팅 표면에 대한 연질의 재료의 도입은 코팅법 또는 워킹-인 법 (working-in method)으로 수행하는 것이 바람직하다. 적용 가능한 워킹-인 법은 강철 솔을 이용한 기계적인 솔질, 강철띠 연마(steel strip polishing) 공정, 또는 래핑(lapping) 공정 등이 있다. 기재에 대한 코팅은, 예컨대, 분무 코팅, 박막증착(sputtering) 또는 PVD 아크(arc) 공정 등에 의하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 또 하나의 독립적인 측면은, 전술한 방법들 중 하나를 내연기관의 실린더 벽에 존재하는 재료를 피스톤 링에 도입하기 위하여 사용하는 것이다. 여기서, 피스톤 링은, 지침에 따라 사용될 때, 실린더 벽을 활주한다. 본 발명에 따르면, DLC 층의 표면에 도입되는 재료는 피스톤 링과 같은 슬라이딩 요소에 대한 향후의 슬라이딩 파트너와 일치되기 때문에, 상기 용도는 단순히 DLC 코팅 표면의 기계적 가공과 관련된 방법과는 구별되어야 한다.
이상에서 설명한 본 발명에 의하면, 슬라이딩 요소와 슬라이딩 파트너 사이, 예컨대, 피스톤 링과 실린더 벽 사이의 마찰을 줄이는 것이 가능한데, 이 것은 특히 내연기관에 있어서 연료 소모를 줄일 수 있다는 의미이므로 절실히 요구되는 사항이다. 그 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 슬라이딩 요소는 내마모성이 있으며, 슬라이딩 파트너의 다소 거친 표면도 극복함으로써, 예컨대, 내연기관의 러닝-인 기간 동안에 피스톤 링의 표면 파쇄의 위험이 없다.
본 발명에 따른 DLC 코팅된 슬라이딩 요소는 낮은 마찰계수뿐만 아니라 높은 내마모성을 보유하기 때문에, 그 결과, 동반 작동부의 표면이 어느 정도 균일하지 못하더라도 그로 인한 심각한 손상은 발생하지 않는다.
본 발명의 또 다른 이점들, 특징들 및 유익한 개량들은 전체 특허청구범위 및 하기의 도면에 대한 설명들로부터 도출될 수 있다.
도 1은 바람직한 DLC 코팅 표면에 대한 SEM 사진을 나타낸 도면이다;
도 2는 금속 및 금속 산화물을 함유하고 있는 DLC 코팅의 단위 요소의 깊이 분포(depth profile)를 나타낸 도면이다;
도 3은 두 DLC 코팅의 마모 지수(wear value)를 비교하여 나타낸 도면이다;
도 4는 금속 함유 및 금속 비함유 DLC 코팅된 피스톤 링의 힘 곡선 및 마찰 곡선 그래프를 나타낸 도면이다.
도 1은 금속/금속 산화물 함유층 14를 초기 층 두께 12 ㎛로 구비한 DLC 코팅 12의 표면에 대한 SEM 이미지를 나타낸다. 이 경우, 금속/금속 산화물 함유층 14의 면적비는 39%이다. 금속/금속 산화물 함유층을 갖춘 다양한 시료들에 대한 시험이 수행되었는데, 이 때 금속/금속 산화물 함유층의 면적비는 27.8%와 39% 사이에서 변화시켰다.
금속/금속 산화물 함유층을 갖춘 시료들은, 마찰 및 마모 시험에서 비처리 DLC 코팅보다 현저히 좋은 특성을 나타낸다. 이 결과는 하기에 간단히 논한 도 3 및 도 4에서 볼 수 있다.
도 2는 금속 및 금속 산화물을 함유하고 있는 DLC 코팅의 주 성분의 깊이 분포를 나타낸 도면으로서, DLC 코팅 표면은 철 및 산화철이 함유되어 있었다. 세 가지 주성분인 탄소(C), 산소(O) 및 철(Fe)의 각각의 비율은 Y축을 따라 표시하였으며, DLC 코팅 표면의 층 깊이는, 아래로 1 ㎛ 깊이까지, X축을 따라 표시하였다.
위 도표로부터 알 수 있듯이, 철 및 산화철의 측정 가능한 매립 부분은 0.5 ㎛ 아래까지 연장된다. 이 깊이 이하에서는 DLC 코팅은 상응하는 철 또는 산화철의 매립이 없는 것으로 나타난다.
0.5 ㎛ 깊이까지 금속/금속 산화물을 매립하는 것이 특히 효과적이라는 사실이 엔진 시험을 통하여 확인되었다. 한편, DLC 코팅의 금속 부분은 0.7 내지 1.0 ㎛의 동심상 마모로 240시간 이상의 엔진 테스트 후에는 더 이상 검출되지 않는다.
도 3은 금속 함유 및 금속 비함유 DLC 코팅의 상대 마모 값을 나타낸 도면이다. 금속 함유 DLC 코팅은 도3의 도표 왼쪽에 나타나 있다. 상기 도표에 의하면, 금속/금속 산화물 함유 DLC 코팅의 마모 값은 금속 비함유 DLC 코팅 대비 약 20%에 불과하다는 것을 알 수 있다.
마모는, 슬라이딩 요소가 윤활 조건하에서 슬라이딩 파트너에 대하여 일정 속도에서 일정 하중으로 진동되는, 소위 진동-마찰 마모 시험으로 측정하였다.
끝으로, 도 4는 금속/금속 산화물 함유 및 비함유 DLC 코팅된 피스톤 링의 힘 거동 및 마찰 거동을 시간에 대하여 그린 또 다른 그래프를 나타낸다.
여기서 실선 곡선은 금속/금속 산화물 비함유 DLC 코팅의 마찰 거동을 나타내고, 점선 곡선은 금속/금속 산화물 함유 DLC 코팅의 마찰 거동을 나타내며, 파선 곡선은 시간에 대한 힘(force) 거동을 나타낸다.
도 4로부터, 금속/금속 산화물 함유 DLC 코팅은 금속/금속 산화물 비함유 DLC 코팅에 비하여 표면 마모 정도가 상대적으로 낮게 나타나는 것을 알 수 있는데, 그 이유는, 금속/금속 산화물 함유 DLC 코팅의 마찰은 거의 일정하게 떨어지는 반면, 금속/금속 산화물 함유 DLC 코팅의 마찰은 10-12 분간의 짧은 러닝-인 상(running-in phase) 후 증가하기 때문이다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형이 가능할 것이다.

Claims (16)

  1. DLC 보다 연질의 재료 (14)가, 슬라이딩 요소가 활주할 슬라이딩 파트너와 슬라이딩 요소가 접촉하게 될 DLC 코팅 (12)의 표면에 매립(embed)된 것을 특징으로 하는, 기재에 DLC 코팅 (12)을 구비한 슬라이딩 요소로서,
    DLC 코팅 (12)의 표면은 연질 재료 (14)를 면적 기준으로 15 내지 60%의 양으로 포함하는 슬라이딩 요소.
  2. 제 1 항에 있어서, 연질 재료(14)는 DLC 코팅 (12) 보다 연질이고, 금속 또는 금속 산화물을 포함하는 슬라이딩 요소.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 연질 재료(14)가 매립되어 있는 DLC 코팅(12)의 영역은, DLC코팅(12) 내에, 표면으로부터 아래로 1 ㎛ 깊이까지 연장되어 있는 슬라이딩 요소.
  5. 제 1 항에 있어서, 표면은 2 ㎛ 미만의 평균 거칠기 깊이(Rz), 및/또는 0.15 ㎛ 미만의 보정 피크 높이(RPK)를 갖는 슬라이딩 요소.
  6. 제 1 항에 있어서, 슬라이딩 요소는 기재와 DLC 코팅 사이에, 금속을 함유한 점착층을 추가로 포함하는 슬라이딩 요소.
  7. 슬라이딩 요소가 활주할 슬라이딩 파트너와 접촉하게 될 슬라이딩 요소의 DLC 코팅 표면에 DLC 보다 연질의 재료를 함유시킴을 특징으로 하는, 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 하나에 따른 슬라이딩 요소의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, DLC 코팅 보다 연질인, 금속 또는 금속 산화물을 연질 재료로서 DLC 코팅 표면에 함유시키는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 연질 재료는 코팅법 또는 워킹-인(working－in) 법에 의하여 DLC 코팅의 표면으로 도입함을 특징으로 하는 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 슬라이딩 요소는 피스톤 링인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
  11. 제 2 항에 있어서, 연질 재료(14)는 DLC 코팅 (12) 보다 연질이고, 철 또는 철-크롬 화합물 또는 그들의 산화물을 포함하는 슬라이딩 요소.
  12. 제 1 항에 있어서, DLC 코팅 (12)의 표면은 연질 재료 (14)를 면적 기준으로 20 내지 40%의 양으로 포함하는 슬라이딩 요소.
  13. 제 4 항에 있어서, 연질 재료(14)가 매립되어 있는 DLC 코팅(12)의 영역은, DLC코팅(12) 내에, 표면으로부터 아래로 0.5 ㎛ 깊이까지 연장되어 있는 슬라이딩 요소.
  14. 제 5 항에 있어서, 표면은 1 ㎛ 미만의 평균 거칠기 깊이(Rz), 및/또는 0.1 ㎛ 미만의 보정 피크 높이(RPK)를 갖는 슬라이딩 요소.
  15. 제 6 항에 있어서, 슬라이딩 요소는 기재와 DLC 코팅 사이에, 크롬, 텅스텐 또는 티타늄을 함유한 점착층을 추가로 포함하는 슬라이딩 요소.
  16. 제 8 항에 있어서, DLC 코팅 보다 연질인, 철 또는 철-크롬 화합물 또는 그들의 산화물을 연질 재료로서 DLC 코팅 표면에 함유시키는 것을 특징으로 하는 제조방법.
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