KR101935067B1 - 윤활 조건하에서 마찰 어프리케이션들에 의한 마모 및 마찰동작을 개선하기 위해 금속 포함 탄소 레이어로 코팅된 슬라이딩 컴포넌트 - Google Patents

윤활 조건하에서 마찰 어프리케이션들에 의한 마모 및 마찰동작을 개선하기 위해 금속 포함 탄소 레이어로 코팅된 슬라이딩 컴포넌트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 또는 몰리브덴(molybdenum)과 결합된 코팅들을 포함하는 DLC 및/또는 기술이 달성되는 상태에 비해 마모 및 마찰의 감소를 향상시키는 방식으로 윤활제를 포함하는 아연(zinc)을 사용할 수 있는 슬라이딩 부품들을 위한 코팅에 관한 것이다. 본 발명에 따른 코팅 시스템은, 적어도 금속을 포함하는 Me-C/a-C:X 타입의 탄소 레이어(carbon layer)로, 성분구성(element composition)이, 0.3≤a≤0.6 및 0<b≤0.3을 지닌 (MeaC1-a)1-bXb 로 표현될 수 있는데, M은 금속 또는 다른 금속들의 조합이며, X는 M과 다른 성분이며 C와 다른 성분이고, 또는 X는 Me와 다른 성분의 혼합물(mixture)이며 C를 포함하지 않는다. Me는 바람직하게는 크롬(Cr) 또는 몰리브덴 (Mo)일수 있으며, X는 바람직하게는 수소(H) 일수 있으며 또는 실리콘 및 수소의 혼합물(Si+H)일 수 있다.

Description

윤활 조건하에서 마찰 어프리케이션들에 의한 마모 및 마찰동작을 개선하기 위해 금속 포함 탄소 레이어로 코팅된 슬라이딩 컴포넌트{SLIDING COMPONENT COATED WITH METAL-COMPRISING CARBON LAYER FOR IMPROVING WEAR AND FRICTION BEHAVIOR BY TRIBOLOGICAL APPLICATIONS UNDER LUBRICATED CONDITIONS}
본 발명은, 달성된 기술 상태에 비해 향상된 마모 및 마찰 감소 방식으로 몰리브덴(molybdenum)- 및/또는 아연(zinc)- 을 포함한 윤활제와 결합하는 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 또는 DLC- 를 포함하는 코팅들을 사용할 수 있는 슬라이딩 부품들을 위한 코팅에 관한 것이다. 본 발명에 따른 코팅 시스템은, 적어도 금속 포함한 Me-C/a-C:X 타입의 탄소 레이어(carbon layer)로, 성분(원소)구성(element composition)이, 0.3≤a≤0.6 및 0<b≤0.3을 지닌 (MeaC1-a)1-bXb 로 표현될 수 있는데, M은 금속 또는 다른 금속들의 조합이며, X는 M과 다른 성분이며, C와 다른 성분이고, 또는 X는 Me와 다른 성분의 혼합물(mixture)이며 C를 포함하지 않는다. 바람직하게는 Me는 크롬(Cr) 또는 몰리브덴 (Mo)일수 있으며, 바람직하게는 X는 수소(H) 일수 있으며 또는 실리콘 및 수소의 혼합물(Si+H)일 수 있다.
DLC 코팅들의 어플리케이션은, 과적하 베어링에 대한 수요가 있는 중요한 설계들(critical designs)에 있어 마모 문제를 제거하게끔 표준 해결책으로 자동차 산업에서 확립되었다.
그러나, DLC 코팅들의 우수한 마찰 감소 특성에도 불구하고, 어떤 고급 오일 첨가제들이 DLC 코팅들과 결합하여 사용됨으로써 자동차 시스템에 있어서 마찰 감소 및 마모 성능에 대해 만족스럽지 못한 결과가 달성되는 것이 관찰되었다.
DLC 코팅들의 마찰 감소 특성들은, 건조 조건 및 윤활 조건의 양쪽 조건하에서 잘 알려져 있으나, "마찰 손실의 감소" 라는 주제는 단지 최근에 더욱더 중요하게 되었는데, 왜냐하면 현재 연료 효율성 및 CO2 배출 최소화가 강하게 주목되고 있기 때문이다.
독일 가이드라인 VDI2840에 따른 a-C:H 타입(금속- 없음, 수소 포함 DLC) 및 a-C:H:Me 타입(금속 및 수소 포함 DLC)의 DLC 코팅들은, 예컨대 일반적으로 자동차 산업(automotive industry)에서 사용되는데, 특히 과적하들, 고갈된 윤활 및 잠재적인 정지 문제(potential seizure problems)들을 포함하는 중요 설계들에서 마모 문제에 대처하기 위한 표준 해결책으로 확립되었다.
금속을 함유한 a-C:H:Me 코팅을은, 멀티 챔버 인라인 머신들에서 뿐아니라 배치코터(batch coater)에서 반응성직류(reactive d.c.) 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)에 의해 주로 준비된다. 사용 대상들은 금속 또는 금속 탄화물들(metal carbides)로 구성되며 작동 가스(working gas)는 아르곤 및 탄화수소(hydrocarbon)가스의 혼합물, 예컨대 아세틸렌(acetylene)이다. 금속을 함유하는 a-C:H:Me 코팅들은, 금속이 없는 a-C:H 코팅 보다 낮은 경도(hardness) 및 마모 저항(wear resistance)을 보여주나, 하지만 아마 높은 인성(toughness)을 보여준다. 대부분의 경우에 텅스텐(W) 또는 티타늄(Ti)이 마찰(학) 시스템(tribological system)에 있어 좋은 마찰 및/또는 마모 감소에 도달하는 의도를 지닌 a-C:H:Me 코팅들의 제공을 위해 사용되며, 그러나 기술적으로 또한 금속들을 형성하는 다른 탄화물(carbide)이 사용될 수 있다. 예컨대, 또한 a-C:H:Cr코팅들이, 저철분 충격에너지(low iron bombarding energies)를 사용하여, 반응성 마그네트론 스퍼터링 증착 기술(magnetron sputtering deposition techniques))에 의해 생산되었다. 이런 경우에 a-C:H:Cr코팅들은 완전하게 비정질 필름(amorphous films)으로 발전(grow)한다.
상기한 슬라이딩 어플리케이션에 사용되는 a-C:H:Me 타입의 DLC코팅들은 20%보다 많지 않은 원자 퍼센트(atomic percent)의 Me:C 비율들에 의해 특징된다.
그러나 DLC코팅들의 마찰 감소 특성은, 새로운 기능의 설계 및 기술들과 같은, 특히 개선된 오일 첨가제(oil additives)의 분야에 있어서의 개발과 함께, 다른 종류의 해결책과 경쟁한다.
일반적으로 대부분의 DLC코팅들은, 윤활이 있거나 윤활이 없이도 적절하게(제대로) 작용하도록 설계되었으나, 아쉽게도, 현재 일부는 DLC코팅들과 나쁜 융화성(poor compatibility)을 보여주는 첨가제들이 사용된다. 이러한 경우는 정확히 몰리브덴 디티오 카바메이트(molybdenum dithio carbamate)(MoDTC) 및 징크 디알킬디티오포스페이트(zinc dialkyldithiophosphate)(ZDDP)와 같은 몰리브덴- 및 아연- 을 포함하는 오일 첨가제들을 지닌 a-C:H:Me 타입 및 a-C:H타입의 DLC코팅들의 상호작용에 의해 관찰되었다. MoDTC는, 마찰을 감소하기 위해 많은 엔진 오일들의 첨가제로서 요즘 일반적으로 사용되는 마찰 변성제(수정제)(friction modifier)이다. ZDDP는, 많은 타입의 유압 및 윤활 유체에서 발견되는 내-마모 첨가제(anti-wear additive)이다. MoDTC 및 ZDDP 오일 첨가제들은, 특히 고농도(high concentration)에서 적용될 때, DLC코팅들의 마찰 및/또는 마모 작용(wear behaviour)이 크게 변화되어 나쁜 영향을 미칠수 있다.
또한, 일반적으로 지나친 혼합 또는 경계 윤활(border lubrication)의 범위에서 마찰을 감소하게끔 설계되는 극압 첨가제(extreme pressure additives)(EP 첨가제)에 관련해서, 의도된 효과는 황화물들(sulfides) 및 Mo-산화물(Mo-oxides)들을 함유하는 표면 레이어들의 조성(formation)에 기반한다. 이러한 경우들에 있어서, 첨가제의 복합 분자들(complex molecules)로부터 표면 레이어에서 발생되는 마찰화학 반응(tribochemical reaction)이 하나의 스틸 또는 적어도 하나의 금속 표면에 직면하여 작용하게끔 설계된다. 이런 이유에 대해 추정할 수 있는데, a-C:H 및 a-C:H:Me코팅들과 같은 순수한 탄소 표면들 또는 대부분의 탄소 표면들이 사용됐을 때 첨가제 및 표면 사이의 예상된 마찰화학 반응은 발생하지 않으며, 따라서 표면 레이어들의 조성은 실패한다. 또한, 첨가제의 복합 분자들 및 a-C:H 및 a-C:H:Me코팅 사이에서 원하지 않는 화학 반응이 발생할 수 있으며, 그것은 코팅들 자체의 변질(degeneration)에 이르게 한다. 아마도 그것은 필시 뒤이은 안정적이고 마모가 없는 마찰 작용을 지닌 일반적인 러닝-인 성능(running-in performance)을 보여주는 것 이외에 a-C:H코팅들이 EP첨가제를 함유하는 윤활제들과 결합하여 사용될 때 a-C:H코팅들은 지속적인 마모을 진행하는 20GPa 보다 큰 경도를 가지는 경우가 많기 때문인 것으로 설명될 수 있다.
또한, 금속 및 탄소를 포함하는 코팅들의 구조는 코팅 증착 조건(coating deposition conditions)에 의해 크게 영향을 받을수 있다고 알려져 있다. 예컨대, 일부 경우들에서 Cr-C코팅들의 증착에 의해 증가된 이온 에너지(ion energies)의 사용은, X-레이 회절패턴들(diffraction patterns)에서 크롬 탄화물들(chromium carbides) Cr7C3,Cr3C2 및 fcc CrC 에 할당될 수 있는 일부 잘 정의된 피크들(peaks)의 출현을 이르게 한다. 다른 경우들에서, 예컨대 이온 도금 Cr-C코팅들 준안정(metastable)원자 fcc CrC 양상(phase)은 반화학량론(sub-stoichiometric)으로서 공개(revealed)되었다.
또한, 18 및 85 원자%(at%) 사이의 Cr-함유량을 가지는 스퍼터 증착된 Cr-C코팅들은, 기계가공 성능에 대해 조사되었으며 Cr-함유량에 따라 상이한 가공 어플리케이션에서 좋은 기계가공 성능(machining performance)을 보여주는것으로 알려져 있다. 예컨대 명백히 가장 낮은 마모율 및 드릴링 테스트에서의 가장 좋은 결과는 약 69원자% Cr을 함유한 Cr-C코팅들에 의해 관찰되며 반면에 회전 테스트(turning tests)에서 가장 좋은 성능은 약 18원자% Cr을 함유한 Cr-C코팅들에 의해 달성되었다. 또한 CrxC로 코팅된 도구들의 코팅 두께가 기계가공 성능에 상당한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
그럼에도 불구하고, 금속 함유한 DLC코팅들은, 윤활제와 결합하여 사용될 때, 특히 Mo- 및/또는 Zn- 을 포함한 첨가제를 함유한 윤활제와 결합하여 사용될 때 지금까지 화학적 특성에 관해 조사되지 않았다.
본 발명의 목적은 상기한 문제들에 대한 해결책을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 추가 목적은, 슬라이딩 부품을 위한 코팅 시스템을 제공하는데 있는데, 상기 코팅 시스템은, 코팅들을 포함하는 DLC 또는 DLC- 의 저하없이 MoDTC 및 ZDDP와 같은 Mo- 및/또는 Zn- 을 포함한 첨가제들을 함유한 윤활제와 결합하는 DLC 또는 DLC- 를 포함하는 코팅들을 사용하는 것을 허용하는 것이나 최신 기술 상태와 비교해 향상된 마모 및 마찰의 감소에 이르게한다.
Mo- 및/또는 Zn- 를 포함한 첨가제들을 함유한 윤활제와 상호작용하는 DLC코팅들의 단점을 극복하기 위해서, 발명자는, 화학 친화력(chemical affinity)을 언급된 첨가제에 제공하여 최신 기술 상태와 비교해 결과적으로 더 나은 마찰 및 마모 작용을 제공할 수 있는 금속 도핑(metal-doping)으로 변형된 DLC코팅들(metal-doping modified DLC coatings)에 의한 새로운 설계를 목표로하고 있다.
이전에 언급된 바와 같이, Me-C 원자 비율(atomic ratio)에 있어서 20% 보다 많지 않게 지니는 a-C:H:Me코팅들은, 마모 및 마찰 작용을 개선하기 위해 슬라이딩 컴포넌트의 코팅를 위해 사용되는 최신 기술 상태로부터 알려져 있으나, 이러한 코팅들은 금속이 없는 a-C:H코팅들(metal-free a-C:H coatings))과 마찬가지로 Mo- 및/또는 Zn- 을 포함하는 첨가제들을 함유한 윤활제들과 호환(compatible)되지 않는다.
발명자들은, 원자 퍼센트에 있어서 30%와 같거나 크고 60%와 같거나 작은 aMe:C 비율을 가지는 금속 도핑된 DLC코팅들이 Mo- 및/또는 Zn- 을 포함한 첨가제들을 함유한 윤활제들과 긍적적인 상호작용을 보여주는 것을 놀랍게도 발견했는데, 그 결과로 종래의 a-C:H 및 a-C:H:Me 타입의 DLC코팅들과 비교해 현저히 더 나은 마모 및 마찰 작용을 보인다.
본 발명에 따라 생산된 슬라이딩 어플리케이션들을 위한 새로운 금속 도핑된 DLC코팅들의 변형된 구조를 보다 정확하게 설명하기 위해, 이러한 코팅들은 다음과 같이 본 발명의 맥락에서 파악할수 있을 것이다.
Me-C/a-C-X 에서, Me는 하나의 금속 또는 두개 이상의 금속의 조합이며, X는 Me와 다르고 C와 다른 성분(element)이며, 또는 X는 C를 함유하지 않은 Me와 다른 성분들의 혼합물인데, 원자 퍼센트에 있어서 Me:C 비율은 20%보다 더 크다.
본 발명의 맥락에서 Me:C 비율은 항상 원자-%로 주어지며 다음의 공식을 사용하여 계산된다;
Me:C[원자%]=(Me [원자%] / (Me [원자%] + C [원자%])) * 100
따라서 본 발명의 맥락에 있어서, 20% 보다 크지 않은 Me:C 비율을 가지며, 수소를 함유하는 Me 포함한 DLC코팅들은 하기에서는 오직 a-C:H:Me코팅들로 참조될 것이며, 반면에 20% 보다 큰 Me:C 비율을 가지는 Me를 포함한 DLC코팅들은 하기에서 오직 Me-C/a-C:X로 참조될 것이다.
발명자들은, 본 발명에 따라 몰리브덴- 및/또는 아연- 을 포함하는 윤활제들과 결합되어 사용되는 Me-C/a-C:X코팅들의 마모 메카니즘을 a-C:H 및 a-C:H:Me코팅들의 마모 메카니즘과 비교한다.
본 발명에 따라 합성된 Me-C/a-C:X코팅들은 감소된 표면 마모을 달성할 뿐만 아니라 첨가제로 유발된 마찰 감소의 잇점을 활용할 수 있다.
특히 발명가들은, Me는 본질적으로 크롬(Cr)이고, X가 본질적으로 수소(H)이거나 X가 수소 및 실리콘의 혼합물(H+Si)일 때, 마찰 어플리케이션에 의해 마모 및 마찰 감소가 달성될 수있는 것에 관해 몰리브덴- 및 아연-을 포함하는 윤활제들(예컨대, MoDTC- and ZDDP-를 포함하는 윤활제들)들과 매우 긍적적으로 상호 작용하는 것을 발견할 수 있다.
본 발명에 따라 코팅된 슬라이딩 컴포넌트는 마모 및 마찰을 감소를 향상시킬 수 있다.
도 1은 윤활된(MoDTC-없음 및 MoDTC-함유 오일)진동마모 테스트(oscillating wear test)에서 테스트된 a-C:H 타입의 DLC코팅들의 결과이다.
도 2는 코팅 조성물로부터 의존하는 Cr-C/a-C:H 코팅들의 압흔경도(indentation Hardness)HIT 및 연마 마모 비율을 나타낸다.
도 3은 상이한 Cr:C 비율을 가지는 Cr-C/a-C:H 코팅들의 횡단면 SEM 이미지를 인데; a)Cr:C 비율이 ca.25%(HIT=10.2 GPa, EIT= 114 GPa), b)Cr:C 비율 ca. 50% (HIT= 14.3 GPa, EIT= 197 GPa), c) Cr:C 비율 ca.70% (HIT= 12.7 GPa, EIT= 205 GPa), d)Cr:C 비율 ca. 50 % 그러나 상이한 증착 패러미터들에 의해 생산된다(HIT= 21.3 GPa, EIT= 225 GPa)
도 4는 상이한 Cr:C 비율을 가지는 Cr-C/a-C:H 코팅들의 볼-온-디스크 테스트 마찰 커브들 (Ball-on-disc tests friction curves)인데, 표준 엔진 오일을 지닌 윤활 하에서 a)MoDTC가 없이, b) MoDTC가 구비되어 테스트 된다.
도 5는 오일이 윤활된 볼-온 디스크 테스트 후에 상이한 Cr:C 비율을 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅들의 마찰계수 및 평균 마모 트랙 깊이인데, a) MoDTC이 없는 오일, b)MoDTC가 구비된 오일.
도 6은 레이저 현미경 조사(Y축 전체 규모: 15㎛)에서 파생된 오일이 윤활된 볼-온 디스크 테스트 이후의 a-C:H 코팅들 및 상이한 Cr:C 비율을 가지는 Cr-C/a-C:H 코팅들의 마모 트랙 프로파일들이다.
도 7은 오일이 윤활된 볼-온-디스크 테스트 이후의 각각의 Cr:C 비율이 대략 25%, 50% 및 70%를 가지는 상이한 세개의 Cr- C/a-C:H 코팅들의 마모 트랙의 SEM이미지 및 EDX 성분 매핑들인데, a)MoDTC가 없는 오일: 1.-3. 라인: SEM이미지, EDX:C, EDX: Cr; b)MoDTC가 구비된 오일: 1.-4. 라인: SEM이미지, EDX: C, EDX: Cr, EDX: Mo 이다.
도 8은 오일이 윤활된 볼-온-디스크 테스트 이후의 a-C:H 코팅들의 마모 트랙의 SEM 이미지 및 EDX 성분 매핑들인데, 1.-4. 라인: SEM이미지 , EDX: C, EDX: Cr, EDX: Mo; 좌측: MoDTC 없음, 우측: MoDTC 구비됨.
도 9는 MoDTC가 구비된 오일 하에서 윤활된 볼-온-디스크 테스트 이후의 상이한 Cr-C/a-C:H 코팅들의 마모 트랙의 SEM 횡단면 이미지인데, a)Cr:C 비율 ca. 25 %; b) Cr:C 비율 ca. 50 %; c) Cr:C 비율 ca. 70 % 이다.
도 10은 MoDTC가 구비된 오일 하에서 윤활된 볼-온-디스크 테스트 이후의 a-C:H 코팅의 마모 트랙의 SEM 횡단면 이미지이다.
도 11은 상이한 Cr:C 비율에 의해 증착되는 Cr-C/a-C:H의 수소 함유량의 SIMS 측정이다.
도 12는 본 발명에 따라 Me-C/a-C:H 타입의 기능적 레이어를 함유한 코팅 시스템의 초안(draft)이다.
최초 테스트에서 고농도의 MoDTC는 a-C:H and a-C:H:Cr 타입의 DLC 코팅들을 강하게 방해하는 것으로 나타나는데, 이것은 이러한 종류의 코팅들의 마모 저항에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
발명가들은, 윤활된 진동 테스트(oscillating wear test)에서, a-C:H 코팅들 을 테스트했으며, 이런 종류의 DLC 코팅들의 마모 및 마찰 성능에서, MoDTC-함유 오일들의 영향 및 MoDTC-없는 표준 오일들을 비교했다. 결과들이 도 1에 도시되어 있다. 도 1에서 관찰될수 있는 바와 같이, a-C:H 코팅들의 마모 저항(wear resistance)은 MoDTC-함유 윤활제 사용으로 현저히 줄어들므로 a-C:H 코팅들의 사용으로 유발된 마찰 감소는 제한된다. 마찰 계수가 MoDTC-함유 오일에 의해 근소하게 감소될지라도, DLC 코팅은, 광학 현미경에 의해 조사된(도1 우측에), 마모 트랙에서 볼수 있는 더 뚜렷한 마모를 진행(undergoes)한다. 또한 MoDTC-함유 오일이 지닌 초기 저마찰 계수(low friction coefficient)는 계속 진행중인 마모 트랙에서 다시 증가하기 시작한다.
또한 본 발명은, Mo- 및/또는 Zn- 포함하는 윤활제들과 결합한 코팅 특성 및 마찰 작용(tribological behaviour)에 관해 추가적으로 분석되는 Cr-C/a-C:H 코팅들 및 X = H + Si를 지닌 Cr-C/a-C:X 코팅들의 일부 실시예들을 사용하여 보다 상세히 설명될 수 있다.
본 발명에 따라 Cr-C/a-C:H 코팅들 및 X = H + Si를 지닌 Cr-C/a-C:X코팅들을 생산하기 위해, 발명자들은, 플라즈마 도움 화학 증기 침착 기술(plasma assisted chemical vapor deposition (PACVD) techniques)에 의해 코팅챔버에서 일제히 생산되는 탄소-함유 코팅에 Cr을 추가하기 위해 기본적으로 스퍼터 기술(sputter techniques)을 이용한다. 그러나, 아크 이온 플래이팅(arc ion platting,AIP) 또는 스퍼터의 조합과 같은 다른 물리적 증착 기술이 알려져 있으며, 본 발명에 따른 코팅들을 생산하기 위해 코팅 증착 동안에 추가 이온화 소스(ionization sources)의 활성화를 포함하는 아크 프로세스(arc processes ) 또는 아크 및 PACVD 프로세스 또는 프로세스가 또한 사용될 수 있다.
본 발명에 따라 합성되는 Cr-C/a-C:H 코팅들 및 X = H + Si를 지닌 Cr-C/a-C:X 코팅들은, 윤활제에 함유된 첨가제와 긍정적 상호작용(positive interaction)을 달성하기 위해서 필요한 활성 표면 화학(active surface chemistry )을 제공하며, 그 결과 필요한 표면 레이어가 구축(build up)된다.
본 발명에 따라 생산된 이러한 코팅들은 상이한 Cr:C 비율을 가지고 증착되며, 형태(학)(morphology)에 관한 조사, 기능성 및 마찰(학) 특성은 하기에 보다 상세히 설명될 것이다.
발명자들은, Cr:C 비율의 변화가 이러한 코팅들의 형태에 상당히 영향을 주는 것을 발견했으며, 그로인해 Mo- 및/또는 Zn- 포함하는 오일 첨가제들, 특히 엔진 오일들에서 MoDTC 첨가제들을 지닌 코팅들의 마찰화학적 상호작용(tribochemical interaction)은 긍정적인 방법(positive way)에 강하게 영향을 받을 수 있다.
또한 코팅 증착 패러미터들(coating deposition parameters)은 형태 및 이러한 코팅들의 일반적인 코팅 특성에 영향을 미칠 수 있다.
실례 1: MoDTC-포함 윤활제들과 상호작용하는 Cr-C/a-C:H 코팅들.
코팅 증착(Coating Deposition): 상이한 Cr:C 비율들을 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅들이 2.0*10-5mbar 범위 내 또는 그 이하의 잔류압(residual pressure)을 지닌 상업용 PVD/PACVD-시스템(오를리콘 블레이저(Oerlikon Balzers) BAI830DLC)에 제공된다. 코팅챔버는 대략 1m3 의 볼륨을 가지며 두개의 마그네트론 소스들(magnetron sources)이 설비된다. 기판들(substrates)은 2-포울드-로테이션(2-fold-rotation) 및 3-포울드-로테이션(3-fold rotation)로 코팅될 수 있는데; 현재의 경우에는 2-포울드-로테이션이 사용된다.
증착하기 전에, 스틸 기판들(steel substrates)(DIN 1.2842, Φ 22 mm x 5.6 mm)은 대략 150℃로 가열되며 추가 아크 방전(arc discharge)(저 전압 아크)으로부터 추출된 이온들을 지닌 순수 아르곤 플라즈마(Ar plasma)로 식각된다. 식각한 후에, 순수 Cr 레이어(접착 레이어 3)는, 다음 코팅과 스틸 기판 사이의 좋은 접착을 보장하기 위해서, 순수 아르곤 분위기(Ar atmosphere)의 두개의 Cr-타켓(targets)에서 직류-스퍼터링(dc-sputtering)에 의해 증착된다. 또한, Cr-C/a-C:H 코팅(기능 레이어 1) 전에 CrxNy 레이어(지원 레이어 5)는, 다음의 Cr-C/a-C:H 코팅(기능 레이어)에 대한 부하 용량(load capacity)을 감소시키기 위해 혼합된 아르곤/질소 분위기( mixed Ar/N2 atmosphere)의 두개의 Cr-타켓에서 증착된다.
또한 일부 경우에서 구배 레이어(gradient layer)는, 기본적으로 Cr-N-C (전이 레이어 7)(transition layer 7)를 포함하며, Cr-N-C는 코팅 시스템 내에서 접착 강도(bonding strength)를 증가시키기 위해 코팅챔버에서 동시에 질소 유량의 감소 및 C2H2- 유량의 증가에 의해 Cr-N 및 Cr-C/a-C:H 레이어 사이에 증착되는 두께에 따라서 다양한 질소 및 탄소 함유량을 가진다.
그 다음에 Cr-C/a-C:H코팅들은, 4.0∼4.5*10-3 mbar의 압력범위에서 혼합된 Ar/C2H2 분위기의 두개의 Cr-타켓에서 직류-스퍼터링에 의해 증착된다. 증착 동안에, 타겟 파워(target power)는, 타겟 당 7.5㎾로 일정하게 유지되고, 바이어스 전압(bias voltage)(직류 펄스 전원 공급장치로 적용 됨)은 800V 까지 조정되며 아르곤 유량은 115 sccm 으로 설정된다. 그 다음 Cr:C-비율은, 142 sccm (가장 낮은 Cr 함유량에 대한) 및 57 sccm(가장 높은 Cr 함유량에 대한)사이에서 C2H2유량의 간단한 변화에 의해 조정된다. 코팅의 두께는 일반적으로 약 2㎛까지 조정되며 프로세스 온도는 230℃ 이하가 된다.
Cr-C/a-C:H 코팅들에서 Cr:C-비율은 C2H2 유량에 따라 거의 선형적으로 변화한다. 조사된 C2H2-범위에 대해, Cr 함유량은∼25%(가장 높은 C2H2유량에 대한) 및 ∼70%(가장 낮은 C2H2유량에 대한) 사이에서 조정된다.
Cr-C/a-C:H 코팅(기능 레이어 1)의 증착 이후의 일부 경우에서 런-인 특성들(run-in properties)(런-인 레이어 9)을 가지는 추가 레이어 또는 상부 레이어가 증착된다.
런-인 레이어(9)(run-in layer 9)는, 바람직하게는 25%의 Cr:C-비율을 가진 Cr-C/a-C:H 레이어이며, 또는 런-인 특성들을 가진 표준 a-C:H 레이어 이다.
비교를 위해서, 동일한 스틸 샘플들을, 또한 상업적으로 이용할 수 있는, 약 2∼3㎛의 코팅 두께를 지닌 금속-없는 DLC 코팅들(metal-free DLC coatings)(a-C:H 코팅들)로 코팅된다. a-C:H 코팅은, 접착 레이어로써 대략 0.5㎛ 두께로 스퍼더된 Cr 레이어를 지닌 혼합된 Ar/C2H2 분위기에서 밀리파라드 글로 방전 프로세스(m.f. glow discharge process)로 실행된다.
코팅 특징(coating characterization): 코팅들의 구성(composition)은 전자 프로브 미량분석(EPMA, Cameca SX 100)에 의해 결정된다. 또한 코팅의 형태는 전자 현미경(electron microscopy)(SEM, Leo 1530, 레오 전자 현미경,Leo Electron Microscopy) 스캐닝에 의해 특징된다. 횡단면 이미지는 60°각도하에서 촬영된다. 코팅 경도(압흔 경도 HIT) 및 탄성 만입률(elastic indentation modulus)(EIT)은, 부하(load) 대 30mN 까지 압흔 깊이 커브들을 기록하는 상업적도구(commercial instrument)(피셔스코프 H 100, Fischerscope H 100)로 결정된다. 최대 압흔 깊이는 300nm 까지의 범위이다. 연마 마모 비율(abrasive wear rates)은, 알루미나 현탁액(알루미나 입자 사이즈가 1㎛을 의미 함)으로 운용하는 볼 크레이터링 테스트(ball cratering test)에 의해 결정된다. 결과들을 정량화하기 위해, 코팅으로 들어가는 크레이터 그라운드(crater ground)의 볼륨은 회전식 볼(ratating ball)의 정상(상용) 부하(normal load) 및 트랙 길이에 의해 나뉜다. 코팅들의 연마 마모 비율 WV 에서 사용되는 단위(unit)는 10-15m3N-1m-1 이 된다.
상이한 Cr-C/a-C:H 코팅들의 마찰 특성(마찰 및 마모 작용 계수)을 분석하기 위해서, 볼-온-디스크-테스트가 실시된다. 우리는 움직이지 않는 상태하에서 0.1m/s의 선형 속도로 회전하는 Cr-C/a-C:H 코팅된 디스크 및 30N의 정상 부하가 적용되는 코팅되지 않은 구형 핀(spherical pin)(Φ3 mm이고, 100Cr6이며, 64까지 경화된 볼)을 사용했다. 테스트는 2000m 의 슬라이딩 거리(sliding distance)에 대해 실시된다. MoDTC에 존재해 있는 상이한 Cr:C비율을 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅들의 마찰 및 마모 작용을 분석하기 위해서, 볼-온-디스크-테스트는 두개의 상이한 오일들을 사용하는 윤활 조건 하에서 실시된다. 양쪽 오일들은 완전히 공식화(fully formulated) 된다. 또한, 두개의 오일들 중 하나에는 MoDTC가 함유된다. 테스트 초기의 헤르츠 접촉 응력(Hertzian contact stress)은 약 2.0 GPa 인데, 코팅되지 않은 스틸 볼의 점진적 마모(progressive wear)으로 인해, 테스트 마지막에는 대략 0.3 GPa의 표면 압력까지 떨어진다.
마모 트랙(wear track)의 분석은 상이한 기술로 실시된다. 마모 트랙의 프로파일 형상은 상업 콘포컬 레이저 현미경(confocal laser microscope)(Olympus Lext OLS 3000)에 의해 결정된다. 평균 마모 트랙 깊이는, 12.5 ㎛의 다이아몬드 팁(diamond tip ) 반경을 지닌 스타일러스 프로파일러(stylus profiler) (Dektak 3, Veeco)로 측정된다. 또한, 마모 트랙 및 표면 레이어에 있어서 지형( topography), 코팅 형태 및 표면 성분 분포(surface elemental distribution)는 SEM(평면 및 횡단면)및 상이한 성분(원소)들(C,Cr,Mo)의 EDX(옥스포드 엑스-맥스)(Oxford X-max) 매핑에 의해 결정된다.
기계적 특성 및 코팅 형태(Mechanical properties and coating morphology); 여기에 제시된 Cr:C코팅들에 대한 증착 프로세스는 안정적이며 코팅 조성물(coating composition) 뿐만 아니라 기계적 및 마찰 특성은 재생할수 있다는 것이 우선적으로 언급할 가치가 있다.
도 2는, 코팅 조성물에 의존하는 Cr-C/a-C:H 코팅들의 기계적 특성(압흔경도(indentation Hardness) HIT 및 연마 마모 비율)을 제공한다. 코팅들의 압흔 경도는, 대략 50%의 Cr:C 비율까지 증가하며, 경도는 대략 60%의 Cr:C 비율까지 일정하게 유지되는 것 같이 보이며 더 높은 Cr:C비율에 대해서는 감소한다. 연마 마모 비율들(abrasive wear rates)(볼 크레이터링 테스트로 결정 됨)은, 대략 45%의 Cr:C 비율까지 거의 일정하다. Cr 함유량의 추가적인 증가는 더 높은 마모 비율에 이르게 된다. 종속성(dependency) 및 특성 경도 최대(characteristic hardness maximum)의 정확한 기울기(exact slope)는 사용된 금속 각각의 금속 탄화물들 및 프로세스 패러미터들에 좌우된다.
25원자%보다 작은 Cr:C 비율을 가지는 코팅들은 상세히 조사되지 않았는데, 왜냐하면 금속-없는 DLC류는 Mo- 및 Zn- 포함한 오일 첨가제와 상호작용(부정적 상호작용)이 예상될 뿐만 아니라 낮은 코팅 경도의 조합의 단점이 예상되기 때문이며, 매우 낮은 금속 함유량의 결과로서 마모 비율이 증가된다.
조사된 Cr-C/a-C:H 코팅들의 경도 및 연마 마모 저항은 예상된 것 처럼 a-C:H 타입의 DLC-코팅들과 비교해 낮았다. 고성능 마모 저항 및 마찰을 감소시키는 코팅들로서 DLC코팅들이 광범위한 산업에 사용됨으로 인해, a-C:H 타입의 DLC코팅들은 참고용으로 사용된다. 20GPa 보다 큰 압흔 경도(현재 경우에 24.8GPa로 측정 됨) 및 1*10-15m3/Nm(여기서는 0.6*10-15m3/Nm)보다 작은 연마 마모 비율은 이러한 코팅들의 뛰어난 기계적 특성들을 확인시킨다.
게다가, 코팅 조성물은, 증착 프로세스 패러미터들을, 예컨대, C2H2 유량을, 조정함으로써, 기계적 또는 마찰 코팅의 특성 뿐만아니라 코팅 형태에 영향을 줄 수 있다. 상이한 조성물을 가지는 Cr-C/a-C:H 코팅들의 횡단면 SEM이미지들은 도 3a∼3d에 도시되어 있다. 형태는 주상 구조(columnar structure)가 주를 이룬다(dominated). Cr:C 비율 25%를 지닌 횡단면은 "콜리플라워" 표면 지형(surface topography)(도 3a)을 지니는 전형적인 a-C:H:Me코팅의 모습을 가진다. Cr함유량이 약(ca.) 50% 및 추가로 70원자%의 Cr:C 비율까지 증가함으로서, 형태는 더 밀도있게 되며 표면은 더 매끄럽게 된다.(도 3b 및 3c). 적합한 프로세스 패러미터들은 형태의 조정 뿐 아니라 기계적 특성의 조정을 허용한다. 도 3d는, 증착 프로세스 패러미터들의 완전히 상이한 범위에서 달성되는, 비교 조성물(comparable composition)(ca.50%의 Cr:C 비율)을 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅의 실례를 제공한다. 이 코팅에서의 SEM 횡단면 이미지는, 더 많이 미립화되고 더 조밀화된 구조를 지닌 변화된 형태를 보여준다; 또한 표면 지형(surface topography)도 상당히 변화된다. 코팅 형태에 있어서의 변화는, 경도 및 탄성 압흔 계수(elastic indentation modulus):HIT= 21.3 GPa / EIT= 225 GPa, 의 증가에 의해 동반된다.
여기에서 제시된 Cr-C/a-C:H 코팅들의 범위를 조사하기 위해 선택된 기계적 특성들은 이미 산업적으로 잘 확립된, 즉 경도 범위가 HIT= 10∼15 GPa 인, 금속-포함 DLC코팅들(a-C:H:Me)과 비교할만 하다.
마찰(학) 특성들 및 오일 첨가제와 상호작용(Tribological properties and interaction with oil additives): 코팅 물질 자체에 임박하는 특성들 이외에, 기판 재료, 윤활제 및 대응부(counterpart)를 포함하는 마찰 시스템의 코팅 작용이 주요 관심사이다. 자동차 어플리케이션에, 예컨대 파워트레인(powertrain)에, 대한 대표적인 결과를 만들어내기 위해, 윤활 마찰테스트(lubricated tribotest)에서 100Cr6가 코팅된 표면들에 대한 대응부 재료(counterpart material)로서 사용된다.
마찰 테스트들은 현저히 다른 작용을 지닌 세개의 상이한 Cr-C/a-C:H 타입들에서 실시된다. Cr 함유량은, EPMA의 분석에 의해 결정된 대략 25%, 50% 및 75%의 Cr:C 비율을 지닌 낮은 수준, 중간 수준 및 높은 수준으로 되어 있으며, HIT= 10∼15GPa 의 경도범위를 포함한다. 순수 DLC(a-C:H)코팅은 참고용으로(as reference) 사용된다.
도 4a는 표준 엔진 오일(standard engine oil)을 지닌 윤활 하에서 샘플 코팅들에 대해 달성된 마찰 커브들(friction curves)을 도시한다. 오일은 MoDTC가 없는 표준 첨가제 패키지를 가진다. 모든 코팅들의 마찰 계수는 0.11 범위에 있으며 전체 슬라이딩 거리에 걸쳐서 안정되어 있다. 러닝-인(Running-in)은 오히려 빨라지며, 마찰 커브들은 다소 부드러운 모양(smooth shape)을 가진다. 모든 Cr-C/a-C:H 코팅들은 이러한 조건 하에서 거의 동일한 마찰 작용을 보여주는 것에 주목해야 한다. 성능은 a-C:H 참고용 코팅(reference coating)과 비교할 만하며, 매우 더 높은 경도 및 마모 저항을 가진다.
다음 테스트에 대해 추가 MoDTC 첨가제 만을 함유한 동일한 엔진 오일이 사용된다. 이러한 조건들 하에서, 도 4b 도시된 바와 같이, 마찰 작용은 상이하다.
대략 25%의 Cr:C 비율에 상응하는 Cr함유량을 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅들은 상당히 장기적인 러닝-인 단계(prolonged running-in phase)를 가진다. 마찰 계수는 더 낮은 아래로 떨어지기 전에 높은 레벨에서 오랫동안 머무르지만, 여전히 상대적으로 높은 값을 가진다. 게다가 전체 마찰 커브는 다른 코팅들과 비교해 매끄럽지 않다. 이러한 작용에 대한 가능한 하나의 설명은, 나중에 명시되듯이, 코팅의 심각한 마모에 있다.
대략 50%의 Cr:C 비율을 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅 및 a-C:H 코팅의 마찰 계수 커브들은 상당히 유사하다. 짧은 러닝-인 단계(< 50m) 이후에 낮은 레벨에서 부드러운(원활한) 마찰 계수에 도달한다. 테스트의 시작에서의 낮은 마찰 레벨로의 빠른 하락(fast drop)은 꺼칠꺼칠함이 매끄럽게되는 코팅 효과에 의해 설명될 수 있다.
대략 70%의 Cr:C 비율을 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅은 약간 긴 러닝-인 단계(약 200m)를 가지며, 그 결과 마찰 계수가 낮아진다. 마찰 커브는 약간의 "스파이크"(spike)를 보인다. 이러한 "스파이크"는 각각 코팅의 상당한 마모 변형의 시작(onset)을 나타낸다. 이런 경우에 중간 레이어(interlayer) 또는/및 금속 기판 재료가 노출될 것이다. 이후 금속 표면에 대해 최적화된 첨가제들이 마찰 작용을 좌우하기 시작한다.
마찰 계수 자체 이외에도 기판 재료 및 코팅 표면의 가능한 변형과 결합되는 마모 트랙은 고 부하 윤활 마모 테스트 하에서 코팅의 마찰 성능의 평가를 위해 필수적이다. 제1 단계에서 각각의 마모 트랙 마찰 깊이가 분석된다. 도 5는 마모 트랙 깊이, 및 상이한 Cr함유량을 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅들의 마찰 계수를 보여준다. 마모 트랙 깊이는 텍타일 스타일러스 프로파일러 측정(tactile stylus profiler measurement)의 평균 결과이다. 도 5a 및 도 5b는 각각 MoDTC가 있고 없는 오일에 대한 결과들을 보여준다.
MoDTC가 없는 오일에 대한 마찰 계수는 Cr-C/a-C:H 코팅 조성물과는 거의 독립적이다. 마모 트랙의 깊이는 약 55% 까지의 Cr:C 비율에 상응하는 Cr함유량에 대해 낮아진다. 더 높은 Cr함유량에서 마모 트랙의 깊이는 증가한다. 25%의 Cr:C 비율에 상응하는 Cr함유량에서 낮은 마찰 계수는 20% 보다 많지 않은 Cr:C 비율에 상응하는 Cr함유량을 가지는 종래의 a-C:H:Me 코팅들의 범위내에 있다. 이러한 종래의 a-C:H:Me 코팅들은, 마찰 접촉에 있어서 건조한 조건 하에서 뿐만 아니라, 표준 오일들을 지닌 윤활 조건 하에서 사용하기 위해 좋은 기능성을 제공하게끔 설계되었다. 이런 조건들 하에서, a-C:H:Me 코팅들은, 마찰 때에 실행가능하고 적합한 해결책이며 넓은 범위의 어플리케이션들을 위한 마모 감소 코팅이다.
도 5b에서 볼수 있듯이, MoDTC를 포함하는 엔진 오일이 사용될 때의 결과들은 상당히 상이하다. 마찰 계수들은 코팅들의 Cr함유량의 증가와 함께 지속적으로 감소하나, 평균 마모 트랙 깊이는, 약 40 에서 60% 까지의 Cr:C 비율에 상응하는 Cr 함유량에 대한 명백한 최소를 보여준다.
마모 트랙의 면밀한 분석(Wear track in-depth analysis): 이러한 작용에 이르는 메카니즘을 확인하기 위해, 마모 트랙의 상세한 조사는 EDX 매핑들(mappings) 뿐만아니라 3D 레이저 현미경 및 SEM을 사용하여 실시되었다. EDX 매핑들은 알려진 조성물을 지닌 첨가제들의 효과를 입증하는데 사용될 수 있다. 그 결과는 도 6 및 7에 요약되어 있다.
도 7a는, MoDTC 없이 달성되는 대략 25%, 50원자% 및 70원자%의 Cr:C 비율들을 지닌 세개의 상이한 Cr-C/a-C:H 코팅들의 마모 트랙을 보여준다. 마모 트랙들(도 6)의 레이저 현미경 프로파일들은, 25 % 및 50 %의 Cr-C 비율들에 상응하는 코팅 조성물들에 대한 매끄러운 트랙 및 단지 작은 홈들을 입증한다. EDX 매핑들은 마모 트랙 및 무부하 코팅 영역들 사이의 코팅 표면의 중요한 차이점을 보여주지 않는다. 70%의 Cr:C를 가지는 Cr-C/a-C:H 코팅을 위한 깊은 그로브 및 트렌치들(deep groves and trenches)은 SEM이미징 뿐만 아니라 레이저 현미경 프로파일(laser microscope profile) 둘다를 사용하여 마모 트랙에서 관찰될 수 있다.
도 6(우측에) 및 7b는 MoDTC 첨가제들을 지닌 오일을 사용하지만 동일한 세가지 코팅 조성물들을 가지는 코팅들에 실시되는 테스트들 이후에 결과로 된 마모 트랙 프로파일들을 보여준다. 대략 25%의 Cr-C 비율을 가지는 코팅들의 레이저 현미경 프로파일은 전체 마모 트랙에 걸쳐서 있는 상당한 트렌치를 보여준다. SEM 및 EDX이미지들은, 이러한 테스트 하에서 코팅의 불충분한 마모 저항을 보여주는 금속 중간레이어(interlayer)의 노출 및 코팅의 심각한 마모를 입증한다. 몰리브덴은, 높은 부하 코팅 영역들의 노출된 금속성 중간레이어와 함께 첨가제의 상호작용을 바꾸는 마모 트랙을 따라 오직 탐지될 수 있다. 그러나, 무부하 코팅 영역들의 첨가제 및 코팅들 표면 사이에서 상호작용이 탐지되지 않는다.
대략 50%의 Cr:C 비율을 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅의 레이저 현미경 프로파일은 부하 및 무부하된 영역(loaded and unloaded area)사이에 거의 상이점이 없는 것을 보여주는데, 이는 주목해야 될 마모 트랙이 탐지되거나 관찰될 수 없다는 것을 의미한다. EDX 매핑 이미지들은 전체 부하 영역에 걸쳐서 Mo의 조밀한 분포(dense distribution)를 보여준다. 이것은, 특히 MoDTC 같은, 첨가제들의 의도된 효과는 또한 동일한 부하 영역(homogeneous loaded area)에서 작용한다. 코팅 자체의 마찰 감소 특성과 첨가제들과의 상호작용과 결합된 효과는 결과적으로 상당히 낮은(rather low) 마찰 계수에 이른다. 또한 이러한 낮은 마찰은 전체 표면에 걸쳐서 상당히 동일하다는 것을 추정할 수 있다. 다시 말해, 국부적 과부하(local overload)로 인한 재료의 비틀림 또는 국부적으로 증가된 온도에 의한 국부적인 손상(local damage)을 초기화할 수 있는 국지적인 더 높은 마찰 영역이 없다. 이것은 코팅들이 몰리브덴-첨가제들을 함유하는 윤활제와 함께 높은 부하 하에서 사용될 때 약 50%의 Cr:C 비율에 상응하는 Cr함유량을 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅들의 우수한 마찰 작용에 대해 설명될 수 있다.
70%의 Cr:C 비율에 상응하는 Cr함유량을 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅은 깊은 홈들 및 심각한 코팅 마모을 보여준다. 금속성 표면의 노출과 관련된 깊은 홈들을 따라 첨가제들의 증착이 탐지될 수 있다. 그러나 높은 부하 접촉들(high loaded contacts)에서 코팅의 부족한(나쁜) 마모 저항 및 깊은 홈들은 낮은 마찰 계수에도 불구하고 코팅의 어플리케이션을 제한한다.
또한 비교하기 위해 a-C:H 코팅들은, 참고용으로서 MoDTC첨가제들을 지닌 오일들 및 없는 오일들을 사용하여 테스트되는데, 그 결과들은 도 8에 요약되어 있다. 예상한 대로, MoDTC가 없이 테스트될 때 마모가 거의 관찰되지 않았으며 단지적은 수의 홈들이 마모 트랙 프로파일에 존재하였다. 또한 SEM 및 EXD 조사는 중요한 마모에 대한 힌트를 제공하지 않는다. EDX 매핑들은, 첨가제들의 어떤 표면 활성(surface activity)에 대해 그리고 코팅된 표면 및 첨가제 사이의 상호작용에 의해 생성된 마찰 박막(tribo-film)의 어떤 형성에 대한 아무 표시가 없다는 것을 보여준다. MoDTC로 테스트 될때, SEM 각각의 EDX 이미지들 뿐만아니라 레이저 현미경 프로파일들은 홈들 및 마모의 발생을 보여준다. a-C:H의 마모는, 심지어 금속성 중간레이어에 부분적으로 도달하는 깊은 그로브(groves)를 초래한다. Cr-C/a-C:H 코팅들에 대한 조사결과와는 대조적으로 이러한 홈들 근처 또는 마찰 박막의 구축(build-up)의 아무런 표시가 없다. 몰리브덴은, MoDTC 첨가제의 활성에 대한 표시로서 탄소 표면, 특히 높은 부하가 없는 영역들, 에서 발견할 수 없다.
마모 트랙 깊이 측정 및 레이저 현미경 프로파일은 마모 및 변형을 구별할 수 없다. 따라서, 도 9에서 볼수 있듯이, 마모 트랙의 횡단면들이 제공되어 SEM에 의해 조사된다. 25%의 Cr:C 비율을 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅에 대해 국부적인 과부하에 기인한 스틸 기판의 홈들, 부분적인 마모 및 가소성 변형의 상당한 형성을 확인할 수 있다(도 9a). 그러나, 코팅들이 기판 재료의 변형을 뒤따르게 할 수 있는것은 주목할 만하며, 따라서 높은 코팅 품질 및 코팅의 좋은 접착에 대해 표시(indication)되고 있다.
70%의 Cr:C 비율을 지닌 Cr-C/a-C:H에 대해서 기판의 변형(deformation of the substrate) 및 코팅의 심각한 손상이 관찰될 수 있다.(도 9c). 또한, 25%의 Cr:C 비율을 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅과는 대조적으로, 70%의 Cr:C 비율을 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅들은, 깨지고 거의 분쇄되어, 변형될 것 처럼 보인다. 이것은 25%의 Cr:C 비율을 지닌 Cr-C/a-C:H와 비교해 이러한 샘플의 마모 트랙에 더 많이 흩어져 있는 EDX이미지들과 잘 일치한다.
50%의 Cr:C 비율을 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅(도 9b)은 완전히 다른 작용을 보여준다. 마모 트랙은 무부하 영역들로부터 구별되기 어렵고, 기판 재료의 마모 또는 변형은 높은 부하 영역에서도 보이지 않는다. 오직 매그럽게된 코팅 및 작은 홈들만 탐지될 수 있다.
도 10은, MoDTC 첨가제들과 함께 윤활 마찰 테스트 이후의 a-C:H 코팅 마모 트랙의 SEM 횡단면 이미지를 보여준다. 구별할 수 있는 많은 수의 홈들이 마모 트랙에서 탐지될 수 있다. 이것은 기판 재료의 변형은 홈들의 발생에 책임이 없지만 a-C:H코팅 코팅 두께의 감소에는 책임이 있는 것이 명백하다. 이것은 MoDTC 첨가제들과 함께 윤활 조건 하에서 a-C:H코팅의 마모에 대한 명확한 입증으로서 받아들여 진다.
3D 프로파일들, 횡단면들 및 SEM/EDX을 사용하여 마모 트랙의 상세 분석이 공개(revealed)되는데, 약 2GPa 또는 더 큰 부하 하에서 하부의 기판 재료(underlying substrate material)의 변형 뿐 아니라 코팅의 마모이 일어날 수 있다. 대략 50원자%의 Cr:C를 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅들에 대한 마모 저항 및 마찰의 결합 효과는 코티 팅 자체를 줄이고, 코팅 및 첨가제들 사이의 추가적인 상호 작용은 우수한 마모 자항에 비해 동질이며 낮은 마찰(homogenous and low friction)을 보장한다. 이 시스템은 변형 및 마모 없이 높은 부하들을 견딜 수 있다. 코팅 조성물의 변화는 윤활 시스템의 높은 부하 하에서 또한 마모 메카니즘의 변화를 의미한다.
상이한 조성물들을 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅들은 혼합된 Ar/C2H2 분위기(atmosphere) 하에서 크롬 타켓들(chromium targets)을 스퍼터링 함에 의해 성공적으로 합성되었다. 넓은 범위의 Cr:C 비율은 조정될 수 있다. 코팅들의 기계적 및 마찰(학) 특성의 상세한 조사에서는, Cr-C/a-C:H 코팅들이 표준 오일을 지닌 윤활 하에서 높게 부하된 마찰 접촉들의 우수한 성능을 보여주는 것이 공개된다. MoDTC 첨가제가 없는 엔진 오일을 사용할 때, Cr-C/a-C:H 코팅들의 성능은, 코팅들의 크롬 함유량과 상관없이, 잘 확립된 a-C:H 코팅들의 성능과 비교될수 있다. MoDTC 첨가제들을 포함하는 엔진 오일의 코팅을 테스트 할 때, 50% 보다 큰(＞50 원자%) Cr함유량을 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅들은 a-C:H 코팅들 보다 비슷한 마찰 계수를 보여준다. 그러나, 대략 50원자% Cr의 Cr:C를 지닌 Cr-C/a-C:H 코팅들의 마모 저항은 a-C:H 코팅들의 마모 저항 보다 뛰어났다. 더 높은 코팅 경도의 a-C:H 코팅들은 어떤 혜택도 제공하지 못하므로, 관찰된 마모은 대부분은 아마도 코팅된 표면 및 오일 첨가제들 사이의 마찰(학) 메카니즘의 결과로 보인다. 현재의 경우에는, 특히 약 50원자%의 Cr:C 비율에 상응하는 Cr함유량에서, Cr-C/a-C:H 코팅들의 보다 나은 성능은, Cr-C/a-C:H 코팅 표면 및 몰리브덴 함유한 첨가제 사이의 긍적정인 화학적 및 기계적 상호 작용에서 기인될 수 있다.
본 발명에 따른 실례들로서 설명된 모든 코팅들은 380mm의 최대 코팅 높이를 지닌 소형의 상업적 코팅 기계장치(오를리콘 블레이저(Oerlikon Balzers) BAI830DLC)에서 실시된다. 또한 Cr-C/a-C:H 코팅 프로세스들을 850mm의 최대 코팅 높이를 지닌 상업적인 높은 볼륨(high-volume)의 코팅 기계장치 또는 중간 볼륨(mid-volume)의 코팅 기계장치(오를리콘 블레이저 RS90 또는 OBRS50)로 이전된다. 모든 코팅 기계장치에서, Cr-C/a-C:H 코팅에 대한 증착 공정은 안정적이어서 코팅 특성들(조성물, 기계 및 마찰 특성)을 재현(재생)할 수 있다. 이 맥락에서의 코팅 높이는, 코팅 기계장치에 분포되는 코팅될 기판들을 따라 코팅 기계장치의 수직 축의 길이에 상응하는 치수를 의미하며, 최대 코팅 높이는, 코팅될 기판 상에 동질 기판의 증착이 보장될 수 있는(코팅 두께 뿐만 아니라 코팅 질에 관한) 가장 긴 코팅 높이에 상응한다.
도 11에 도시된 결과들에 대해 각각의 기능 레이어들 Cr-C/a-C:H의 Cr:C비율은 EPMA분석에 의해 결정되고, 수소 함유량은 이차 이온 질량 분석(secondary ion mass spectrometry )(SIMS)시험에 의해 측정된다. 이차 이온 질량 분석은, 일차 이온 빔(primary ion beam)에 초점을 맞추고 방출된 이차 이온들을 수집하고 분석하여 시료(specimen)의 표면을 스퍼터링에 의해 고체 표면 및 박막 필름의 조성물을 분석하기 위해 재료과학 및 표면과학에 사용되는 기술이다. 이러한 이차 이온들은,표면의 원소, 동위원소 또는 분자조성(elemental, isotopic, or molecular composition)을 결정하게끔 질량 분석기(mass spectrometer)로 측정된다. 도 11에 표시된 결과들에 따르면, 수소 함유량은 크롬 함유량이 증가함에 의해 감소하는데, 그러나 약 1의 Cr:C 비율에서 여전히 상당한 H-함유량(약 3원자%)을 탐지할 수 있다.
실례 2: X = H + Si를 지닌 Cr-C/a-C:X 코팅들
코팅 증착(coating deposition): 상이한 Cr:C 비율들을 가지고 X = H + Si를 지닌 Cr-C/a-C:X 코팅들은 실례 1의 Cr-C/a-C:H 코팅들과 유사한 방법으로 제공되나, 코팅들의 탄소 함유 레이어들의 증착을 위해서 테트라메틸리안(Tetramethylsilan,TMS) 또는 TMS의 혼합물 및 C2H2 가스들을 사용한다. 코팅을 위해 2.0*10-5mbar 범위내 또는 그 이하의 잔류압을 지닌 상업용 PVD/PACVD-시스템(오를리콘 블레이저(Oerlikon Balzers) BAI830DLC)이 제공된다.
증착하기 전에, 스틸 기판들(steel substrates)(DIN 1.2842,Φ 22 mm x 5.6 mm)은 대략 150℃로 가열되며 추가 아크 방전(arc discharge)(저 전압 아크)으로부터 추출된 이온들을 지닌 순수 아르곤 플라즈마(Ar plasma)로 식각된다. 식각한 후에, 순수 Cr 레이어(접착 레이어 3)는, 다음 코팅과 스필 기판 사이의 좋은 접착을 보장하기 위해서, 순수 아르곤 분위기(Ar atmosphere)의 두개의 Cr-타켓(targets)에서 직류-스퍼터링(dc-sputtering)에 의해 증착된다. 또한 Cr-C/a-C:(Si+H) 코팅(기능 레이어 1)전에 CrxNy 레이어(지원 레이어 5)는, 다음의 Cr-C/a-C:(Si+H)코팅(기능 레이어 1)에 대한 부하 용량을 감소시키기 위해 혼합된 아르곤/질소 분위기( mixed Ar/N2 atmosphere)의 두개의 Cr-타켓에서 증착된다.
또한 일부 경우에서 구배 레이어(gradient layer)는, 기본적으로 Cr-N-C (전이 레이어 7)(transition layer 7)를 포함하는데, Cr-N-C는 코팅 시스템 내에서 접착 강도(bonding strength)를 증가시키기 위해 코팅챔버에서 동시에 질소 유량의 감소 및 C2H2-또는 TMS-유량 또는 C2H2- 및 TMS 혼합물의 유량의 증가에 의해 Cr-N 및 Cr-C/a-C:(H+Si) 레이어 사이에 증착되는 두께에 따라서 다양한 질소 및 탄소 함유량을 가진다.
그 다음에 Cr-C/a-C:(H+Si)코팅들은 4.0∼4.5*10-3 mbar의 압력범위에서 혼합된 Ar/TMS 또는 Ar/TMS+C2H2 분위기의 두개의 Cr-타켓에서 직류-스퍼터링에 의해 증착된다. 증착 동안에, 타겟 파워(target power)는, 타겟 당 7.5㎾로 일정하게 유지되고, 바이어스 전압(bias voltage)(직류 펄스 전원 공급장치로 적용 됨)은 800V 까지 조정되며 아르곤 유량(Ar flow)은 115 sccm 으로 설정된다. 그 다음 Cr:C-비율은, 142 sccm (가장 낮은 Cr 함유량에 대한) 및 57 sccm(가장 높은 Cr 함유량에 대한)사이에서 C2H2유량의 간단한 변화에 의해 조정된다. 코팅의 두께는 일반적으로 약 2㎛까지 조정되며 프로세스 온도는 230℃ 이하가 된다.
Cr-C/a-C:(H+Si)코팅들의 Cr함유량은 TMS 또는 TMS+C2H2 유량에 따라 거의 선형적으로 변한다. 조사된 유량 범위에 대해, Cr함유량은 25%(가장 높은 TMS 또는 TMS+C2H2유량에 대한) 및 70%(가장 낮은 TMS 또는 TMS+C2H2유량에 대한) 사이의 Cr:C 비율을 지닌 코팅들이 달성되게끔 조정된다.
Cr-C/a-C:(H+Si)코팅(기능 레이어 1)의 증착 이후의 일부 경우에서 런-인 특성들(run-in properties)(런-인 레이어 9)을 가지는 추가 레이어 또는 상부 레이어가 증착된다.
바람직하게는 런-인 레이어(9)(run-in layer 9)는, 25%의 Cr:C-비율을 가진 Cr-C/a-C:(H+Si) 레이어이며, 또는 런-인 특성들을 가진 표준 a-C:H 레이어 이다.
비교를 위해서, 동일한 스틸 샘플들은, 또한 상업적으로 이용할 수 있는, 약 2∼3㎛의 코팅 두께를 지닌 금속-없는 DLC 코팅(a-C:H)으로 코팅된다. a-C:H코팅은 접착 레이어로써 대략 0.5㎛ 두께로 스퍼더된 Cr 레이어를 지닌 혼합된 Ar/C2H2 분위기에서 밀리파라드 글로 방전 프로세스(m.f. glow discharge process)로 실행된다.
위에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따라 증착되고 0 및 60% 를 포함하면서 그 사이의 Cr:C 비율을 가지는 Cr-C/a-C:(H+Si) 코팅들은, 비교적 금속-없는 a-C:H 코팅에 비해서 Mo- 및 Zn- 함유하는 오일 첨가제들과 더 나은 상호 작용을 보여 주며 이 결과 마찰 어플리케이션 테스트에서 더 나은 마찰 및 마모 작용에 이른다.
본 발명의 바람직한 실시예
본 발명의 바람직한 실시예는, 몰리브덴 및/또는 아연을 포함하는 윤활제와 함께 사용하기 위한 슬라이딩 컴포넌트(sliding component)이며, 상기 컴포넌트는 적어도 부분적으로 윤활제와 접촉될 것으로 예견되는 코팅을 포함하는데, 코팅은, 0.3=<a=<0.6 및 0<b=<0.3을 지닌 (MeaC1-a)1-bXb 로서 표현될 수 있는 조성물에 형성된 적어도 하나의 Me-C/a-C:X 레이어를 포함한다.
- 상기 Me는 금속 또는 두개 이상의 금속들의 혼합물이고,
- C는 탄소(carbon)이며,
- X는 Me와 다른 성분이며 C와도 다른 성분이고, 또는 X는 Me와 다른 성분들의 혼합물이며, C를 함유한 성분들의 혼합물과는 다르다.
- 만약 Me 및 C가 성분 밸런스(element balance)로 간주된다면, a는 Me의 원자분율(atomic fraction)이고,
- 만약 Me,C 및 X가 성분 밸런스로 간주된다면, b는 X의 원자분율(atomic fraction)이다.
위에서 언급된 슬라이딩 컴포넌트의 코팅들에 포함되는 적어도 하나의 Me-C/a-C:X 레이어가 있는 본 발명의 추가적인 바람직한 실시예에서, Me는 크롬 또는 몰리브덴 또는 대부분 크롬 또는 몰리브덴을 함유한 두개 이상의 금속들의 혼합물이며,
- X는 수소(H) 또는 실리콘(Si) 또는 질소(N) 또는 붕소(B), 또는
- X는 대부분 수소 또는 실리콘 또는 질소 또는 붕소를 함유한 성분들의 혼합물이다.
본 발명의 하나 더 추가적인 바람직한 실시예에서 위에서 언급된 슬라이딩 컴포넌트의 코팅들에 포함되는 적어도 하나의 Me-C/a-C:X 레이어는 기능 레이어(function layer)(1)이다.
본 발명의 하나 더 추가적인 바람직한 실시예에서 위에서 언급된 슬라이딩 컴포넌트의 코팅은, 기능 레이어(1) 뿐만 아니라 또한 적어도 하나의 접착 레이어(adhesion layer)(3) 및/또는 적어도 하나의 지원 레이어(support layer)(5) 및/또는 적어도 하나의 전이 레이어(transition layer)(7) 및/또는 적어도 하나의 런-인 레이어(run-in layer)(9)를 포함하며,
- 만약 주어진다면, 적어도 하나의 접착 레이어(3)는, 코팅(10)될 기판 표면과 기능 레이어(1) 사이에서, 기판 표면 상에 코팅(10)되게끔 증착되고,
- 만약 주어진다면, 적어도 하나의 지원 레이어(5)는, 코팅(10)될 기판 표면과 기능 레이어(1) 사이 또는 적어도 하나의 접착 레이어(3)와 기능 레이어(1) 사이에서, 기능 레이어(1) 아래에 증착되며,
- 만약 주어진다면, 적어도 하나의 전이 레이어(7)는, 적어도 하나의 접착 레이어(3)와 기능 레이어(1) 사이 또는 적어도 하나의 지원 레이어(5)와 기능 레이어 사이에서, 기능 레이어(1) 아래에 증착되고,
- 만약 주어진다면, 적어도 하나의 런-인 레이어(9)는 기능 레이어(1) 위에 증착된다.
본 발명의 하나 더 추가적인 바람직한 실시예에서 위에서 언급된 슬라이딩 컴포넌트의 코팅은, 기능 레이어(1) 이외에도 또한 적어도 하나의 접착 레이어(3) 및/또는 적어도 하나의 지원 레이어(5) 및/또는 적어도 하나의 전이 레이어(7) 및/또는 적어도 하나의 런-인 레이어(9)를 포함하는데, 하기에 의해 특징된다.
- 기능 레이어(1)는 성분 조성물(element composition)(CraC1-a)1-bXb 을 가지는데, a의 범위는 0.3≤a≤0.6 이며, 바람직하게는 0.4≤a≤0.5이며, 보다 바람직하게는 a=0.45 이고, b의 범위는 0＜a≤0.3 이고, 바람직하게는 1≤a≤0.2 이며, 보다 바람직하게는 만약 Me가 크롬이고 X가 수소이면 2≤a≤0.12 인데, 이런 기능 레이어(1), 및
- 만약 주어진다면, 적어도 하나의 접착 레이어(3)는 하나 이상의 금속들로 구성된 본질적으로 금속 레이어(metallic layer) 인데, 바람직하게는 크롬으로 구성되며, 이러한 적어도 하나의 접착 레이어(3)는 바람직하게는 1㎛ 보다 작은 두께를 가지고, 및/또는
- 만약 주어진다면, 적어도 하나의 지원 레이어(5)는, 본질적으로 금속질화물 레이어(metal nitride layer)인데, 바람직하게는 본질적으로 크롬 질화물(chromium nitride)로 구성되고, 이런 적어도 하나의 지원 레이어(5), 및/또는
- 만약 주어진다면, 적어도 하나의 전이 레이어(7)는, 대부분 금속-탄소-질소 레이어(metal-carbon-nitrogen layer)인데, 금속-탄소-질소 레이어는 또한 기능 레이어에 함유된 Me 및 X 성분들을 포함하며 레이어 두께를 따라서 성분들의 변수 농도(variable concentration)를 지닌 구배 레이어(gradient layer)는 특히 지원 레이어(5) 근처에서 낮은 탄소 농도에 의해서 기능 레이어(1) 근처에서 높은 탄소 농도에 의해서 특징되며, 및/또는
- 만약 주어진다면, 적어도 하나의 런-인 레이어(9)는, a=0.25 를 지닌 (Me'aC1-a )1-bX'b 로써 표현될 수 있는 조성물에 의해 형성된 a-C:H 레이어 또는 Me-C/a-C:H 레이어 인데, 여기에서 Me'는 기능 레이어(1)에 있는 Me와 동일 성분 또는 성분들의 혼합물이며, C는 탄소이고, X'는 기능 레이어(1)에 있는 X와 동일 성분 또는 성분들의 혼합물이며, 만약 Me' 및 C가 성분 밸런스(element balance)로 간주되면 a는 Me'의 원자분율(atomic fraction)이고, 그리고 만약 Me', C 및 X'가 성분 밸런스로 간주되면 b는 X'의 원자분율(atomic fraction)이다.
본 발명의 하나 더 추가적인 바람직한 실시예에서 위에서 언급된 슬라이딩 컴포넌트의 코팅은, 기능 레이어(1) 이외에도 또한 적어도 하나의 접착 레이어(3) 및/또는 적어도 하나의 지원 레이어(5) 및/또는 적어도 하나의 전이 레이어(7) 및/또는 적어도 하나의 런-인 레이어(9)를 포함하며, 하기에 의해 특징된다.
- 기능 레이어(function layer)(1)는, 어플리케이션에 따라 0.5 및 30㎛ 사이의 두께를 가진다.
- 적어도 하나의 접착 레이어(adhesion layer)(3)는 1㎛ 보다 작은 두께를 가지는데, 바람직하게는 0.3㎛ 이다.
- 적어도 하나의 지원 레이어(support layer)(5)는 3㎛ 보다 작은 두께를 가지는데, 바람직하게는 약 1.5㎛ 이다.
- 적어도 하나의 전이 레이어(transition layer)(7)는 1㎛ 보다 작은 두께를 가지는데, 바람직하게는 약 0.3㎛ 이다.
- 적어도 하나의 런-인 레이어(run-in layer)(9)는 최대 1㎛의 두께를 가지는데, 바람직하게는 0.2 및 0.5㎛ 사이 이다.
위에서 언급된 바와 같이 사용될 코팅의 두께는 어플리케이션에 따라 선택되어야 한다. 예컨대 코팅 두께, 특히 최대 30㎛까지의 기능 레이어 코팅 두께는 피스톤 링들 코팅을 위해 추천(권장)될 수 있으며, 최대 10㎛ 까지는 마찰 엔진부품을 위해 추천될 수 있다.
마찰 시스템에 관한 본 발명의 추가적인 실시예는 위에서 설명된 발명의 실시예 중 하나에 따른 슬라이딩 컴포넌트 및 몰리브덴 및/또는 아연- 포함한 윤활제를 포함한다.
본 발명은 윤활된 조건에 의해 높게 부하된 어플리케이션에 대해 또한 위에서 설명된 본 발명의 실시예 중 하나에 따른 슬라이딩 컴포넌트의 사용(use)에 관한 것이다.

Claims (7)

  1. 몰리브덴 및 아연 중 하나 이상을 함유하는 윤활제와 함께 사용하기 위한 슬라이딩 컴포넌트에 있어서, 상기 컴포넌트는 적어도 부분적으로 윤활제와 접촉될 것이 예견되는 코팅을 포함하고, 상기 코팅은 0.3≤a≤0.6 및 0<b≤0.3을 지닌 (MeaC1-a)1-bXb 로서 표현될 수 있는 조성물에 의해 형성되는 적어도 하나의 레이어를 포함하는데, 여기서
    - Me는 금속 또는 두개 이상의 금속의 혼합물이고,
    - C는 탄소이며,
    - X는 Me 및 C와 상이한 성분이거나, 또는 X는 Me와 상이하고 또한 C를 함유한 성분들의 혼합물과 상이한 성분들의 혼합물이며,
    - Me 및 C가 성분 밸런스(element balance)로 간주된다면, a는 Me의 원자분율(atomic fraction)이고,
    - Me, C 및 X가 성분 밸런스로 간주된다면, b는 X의 원자분율이고,,
    상기 슬라이딩 컴포넌트에서,
    - Me는 크롬 또는 몰리브덴이거나, 크롬 또는 몰리브덴을 함유한 둘 이상의 금속 혼합물이며,
    - X는 수소 또는 실리콘 또는 질소 또는 붕소이거나,
    - X는 수소 또는 실리콘 또는 질소 또는 붕소를 함유한 성분들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 컴포넌트.
  2. 제 1항에 있어서,
    코팅에 포함되는 적어도 하나의 레이어는 (MeaC1-a)1-bXb 로 표현될 수 있는 조성물에 의해 형성되는 기능 레이어(1)인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 컴포넌트.
  3. 제 2항에 있어서,
    코팅은 기능 레이어(1)를 포함하고, 적어도 하나의 접착 레이어(3), 적어도 하나의 지원 레이어(5), 적어도 하나의 전이 레이어(7), 적어도 하나의 런-인 레이어(9) 중 어느 하나 이상을 더 포함하며,
    - 적어도 하나의 접착 레이어(3)를 포함하는 경우, 적어도 하나의 접착 레이어(3)는, 코팅될 기판 표면(10)과 기능 레이어(1) 사이에서, 코팅될 기판 표면(10) 상에 증착되고,
    - 적어도 하나의 지원 레이어(5)를 포함하는 경우, 적어도 하나의 지원 레이어(5)는, 코팅될 기판 표면(10)과 기능 레이어(1) 사이에서, 또는 적어도 하나의 접착 레이어(3)와 기능 레이어(1) 사이에서, 기능 레이어(1)의 아래에 증착되며,
    - 적어도 하나의 전이 레이어(7)를 포함하는 경우, 적어도 하나의 전이 레이어(7)는, 적어도 하나의 접착 레이어(3)와 기능 레이어(1) 사이에서, 또는 적어도 하나의 지원 레이어(5)와 기능 레이어(1) 사이에서, 기능 레이어(1)의 아래에 증착되고,
    - 적어도 하나의 런-인 레이어(9)를 포함하는 경우, 적어도 하나의 런-인 레이어(9)는 기능 레이어(1)의 위에 증착되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 컴포넌트.
  4. 제 3항에 있어서,
    - 기능 레이어(1)는 성분 조성물(element composition)(CraC1-a)1-bXb 을 가지는데, a의 범위는 0.3≤a≤0.6 이고, b의 범위는 0＜b≤0.3 이고,
    - 적어도 하나의 접착 레이어(3)를 포함하는 경우, 적어도 하나의 접착 레이어(3)는 크롬을 포함하는 하나 이상의 금속으로 이루어진 금속 레이어이고, 적어도 하나의 접착 레이어(3)는 1㎛ 미만의 두께를 가지며,
    - 적어도 하나의 지원 레이어(5)를 포함하는 경우, 적어도 하나의 지원 레이어(5)는 크롬 질화물을 포함하는 금속 질화물 레이어이고,
    - 적어도 하나의 전이 레이어(7)를 포함하는 경우, 적어도 하나의 전이 레이어(7)는 금속-탄소-질소 레이어이며, 금속-탄소-질소 레이어는 또한 기능 레이어에 함유된 Me 및 X 성분들을 포함하며, 금속-탄소-질소 레이어는 지원 레이어(5)에 가까울수록 탄소 농도가 낮고 기능 레이어(1)에 가까울 수록 탄소 농도가 높은, 레이어 두께를 따라 성분들의 농도가 변화(variable concentration)하는 구배 레이어(gradient layer)이고,
    - 적어도 하나의 런-인 레이어(9)를 포함하는 경우, 적어도 하나의 런-인 레이어(9)는, a=0.25를 갖는 (Me'aC1-a )1-bX'b 로 표현되는 조성물에 의해 형성된 a-C:H 레이어 또는 Me-C/a-C:H 레이어이며, 여기서 Me'는 기능 레이어(1)에 있는 Me와 동일한 성분이거나 또는 동일한 성분들의 혼합물이며, C는 탄소이고, X'는 기능 레이어(1)에 있는 X와 동일 성분이거나 동일한 성분들의 혼합물이며, Me' 및 C가 성분 밸런스(element balance)로 간주되면 a는 Me'의 원자분율(atomic fraction)이고, Me', C 및 X'가 성분 밸런스로 간주되면 b는 X'의 원자분율(atomic fraction)인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 컴포넌트.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한항에 있어서,
    슬라이딩 컴포넌트는 피스톤 링 또는 슬라이딩 요소(element) 인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 컴포넌트.
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 슬라이딩 컴포넌트, 및
    몰리브덴 및 아연 중 하나 이상을 함유한 윤활제를 포함하는 마찰 시스템.
  7. 삭제
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