KR101980309B1 - 윤활 환경에서 작동하는 마찰 부품 - Google Patents

Abstract

윤활 환경은 마찰 조정제를 포함한다. 코팅이 부품에 적용된다. 본 발명에 따르면, 코팅은 크롬 질화물이고 마찰 조정제는 MoDTC이며, 크롬 질화물은 미세경도(microhardness)가 1,800±200 Hv인 NaCl 유형의 결정체를 나타내기 때문에 선택된다.

Description

윤활 환경에서 작동하는 마찰 부품{FRICTION PIECE OPERATING IN A LUBRICATED MEDIUM}

본 발명은 윤활 환경에서의 마찰 공학의 기술 분야에 관한 것이다.

더욱 상세하게, 본 발명은, 예를 들어 자동차 부품과 같은, 마찰 조정제를 포함하는 윤활 환경에서 작동하는 마찰 부품에 관한 것이다.

윤활 환경에서 작동하는 기계 부품의 마찰을 줄이기 위해 DLC와 같은 박막 코팅을 사용하는 것은 전문가에게 잘 알려져 있다.

DLC 코팅은 또한 마모로부터 코팅을 보호하는 제 2 기능을 수행하는 것으로 알려져 있다.

마찰 계수의 상당한 감소를 가능하게 하는 목적과 함께, 마찰 조정제인 첨가제를 첨가하는 것이 제안되었다. 이러한 첨가제는 바람직하게 고온의 마찰 접촉에서 화학적으로 반응하여, 고체 윤활제 역할을 하는 것으로 전문가에게 잘 알려진 MoS₂ 와 같은 화합물을 생성한다.

이러한 기술적 수준을 근거로, 마찰 계수를 더욱 줄이기 위하여, DLC와 MoDTC 간의 시너지 효과로부터 혜택을 얻기 위해 이들 두 첨가제의 효과를 결합하는 것이 바람직할 것으로 보인다.

그러나, 테스트 수행 이후, 이러한 결합이 만족스러운 결과를 제공하지 않는 것으로 보인다. 특히, 수소를 함유하는 DLC 코팅이 MoDTC의 존재 하에서 높은 마모율을 갖는 것이 관찰되었다. DLC 코팅이 수소화되지 않은 경우, 마모 현상이 두드러지지 않지만, 이러한 경우, 적용은 복잡하고 비용이 많이 드는 기술이다.

놀랍고도 예상치 못한 방식으로, MoDTC 마찰 조정제를 포함하는 윤활 환경에서, DLC 코팅을 크롬 질화물 코팅으로 대체하는 것은 마찰을 줄이고 마모에 대해 해당 부품을 보호하는 것 모두와 관련하여 특히 만족스러운 결과를 제공하는 것으로 테스트에서 나타났다.

다시 말해서, 마모 현상이 있는, MoDTC 마찰 조정제를 포함하는 윤활 환경에서 사용되는 DLC와는 반대로, 이러한 현상은 크롬 질화물에서는 발생하지 않는다.

따라서, 본 발명은 크롬 질화물과 MoDTC의 효과를 조합하여, 경도를 저하시키지 않고 마찰 계수의 상당한 감소를 제공하는데 그 목적이 있다.

크롬 질화물의 이러한 선택은, 크롬 질화물 대신에 마찰 조정제를 갖지 않는 윤활 환경에서 현재 거의 독점적으로 DLC를 사용하는 전문가의 일반 상식에 반한다.

DLC 코팅의 경우, 이의 기계적 강도를 강화하기 위해, 잘 알려진 방식으로, 예를 들어, 크롬 질화물과 같은 서브-레이어(sub-layer)를 증착할 수 있다는 사실을 염두에 두고, MoDTC 마찰 조정제, DLC 코팅 및 크롬 질화물 코팅을 포함하는 윤활 환경에서의 거동을 평가하기 위해 마찰 테스트가 수행되었다. 네 가지 코팅, 즉 DCX-0, DCX-1, DCX-2 및 DCX-3에 대해 수행한 테스트 결과를 나타내는 아래의 표를 참조하라, 여기서 DCX-3 코팅은 본 발명에 따른 것이다.

참조	내역
DCX-0	CrN (0.8 ㎛) + DLC (2.0 ㎛)
DCX-1	CrN (0.8 ㎛) + DLC (2.0 ㎛) + a-C (0.8 ㎛)
DCX-2	CrN (0.8 ㎛) + DLC (2.0 ㎛) + O2 플라즈마 처리
DCX-3	CrN (0.8 ㎛)

일련의 층은 마그네트론 반응성 스퍼터링(magnetron reactive sputtering)에 의해 형성된 크롬 질화물 코팅을 포함한다. 모든 코팅에 대해, 우선 강철 시편을 세척하고 나서 이들을 진공 증착 챔버 내에 배치된 지지대 상에 배치한다. 챔버를 채우고 배출하는 동안, 기계의 내부와 코팅될 부품을 150 ℃의 온도에서 2 시간 동안 가열하여 부품과 증착 기계에서 가스를 제거한다. 그리고 나서 부품은 아르곤 분위기 하에서 이온 세정(ionic scrubbing)되는데, 이의 목적은 자연적인 산화물의 얇은 막을 제거하고 따라서 코팅의 강력한 접착력을 제공하기 위한 것이다. 크롬 질화물의 증착은 아르곤/질소 혼합물에서 크롬(Cr) 표적물의 마그네트론 반응성 스퍼터링에 의해 수행된다. 질소의 흐름은, 증착 코팅이 40±5%의 원자 질소를 함유하도록, 플라즈마 내에서의 크롬(Cr)의 방출에 대한 광학적 측정에 의해 제어된다. 따라서, 미세경도(microhardness)가 1,800±200 Hv인 NaCl 유형의 CFC 결정체를 갖는 CrN 증착물이 수득된다. DCX-0, DCX-1 및 DCX-2에 있어서, 이러한 경우 아세틸렌의 플라즈마에서 탄화수소를 분해(cracking)하는 PACVD 기술을 이용하여 C-H 유형의 DLC의 코팅이 증착된다. DCX-1의 경우, 흑연 표적물의 마그네트론 스퍼터링에 의해 C 유형의 층이 최종적으로 증착된다. DCX-2의 경우, 순수 산소의 플라즈마를 형성하고 10 분 동안 플라즈마로부터의 이온으로 증착물에 충격(bombard)을 줌으로써, 증착물의 표면 화학을 개질한다.

이러한 테스트는 볼 베어링 위 표면(ballbearing-on-surface) 구성의 왕복 마찰계(tribometer)로 수행된다. 이러한 테스트를 위해, 표면은 0.02 ㎛의 Ra 수준으로 연마된 강철 시편으로 구성된다. 볼은 100Cr6 강철로 형성되고 10 mm의 직경이다. 모든 테스트를 위해, 코팅은 볼 베어링에 적용된다.

볼 베어링에 인가된 부하는 10N이며, 이는 140 ㎛의 헤르츠 접촉 직경과 0.68 GPa의 평균 압력을 제공한다.

볼 베어링은 100 mm 간격의 왕복 운동으로 구동된다. 슬라이딩 속도는 평균값이 3.5 cm/초인 사인(sine)형의 프로필을 따른다.

테스트는 110 ℃의 온도에서 15,000 사이클 동안 수행된다. 슬라이딩 속도, 압력 및 온도 조건은 마찰 감소 첨가제가 이의 역할을 수행하도록 반응하게 하는 것이다. 테스트의 끝에서, 볼 베어링이 관찰되고 마찰 흔적이나 마모 흔적의 직경이 측정되며, 이로부터 마모된 부피가 계산된다. 첨부한 그래프(도 1)는 평균 마모 속도(마찰 사이클의 수에 대해 마모된 부피)를 요약해서 나타낸다. 각각의 코팅에 대해 세 번의 테스트가 수행되고, 평균 마모가 계산된다. 에러 바(error bar)는 에러를 나타내는 것이 아니라 세 번의 테스트 동안의 최소값과 최대값을 나타낸다.

각각의 테스트 동안, 그리고 다양한 코팅에 대해, MoDTC 마찰 조정제를 포함하는 시판되는 자동차 오일의 존재 하에 측정이 수행되었다.

이 그래프에 대해서, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다:

- DCX-0 코팅에 있어서, 마찰이 특히 강하고, 이는 또한 MoDTC 마찰 조정제를 포함하지 않은 윤활 환경에서 동일한 유형의 코팅인 경우에는 그러하지 않다.

- DCX-1 코팅에 있어서, DLC 상부의 비-수소화 비정질 탄소층의 추가는 대략 2.9 배만큼 마모 속도를 줄이는 경향이 있다.

- DCX-2 코팅에 있어서, 산소 플라즈마에 의한 DLC 표면의 개질은 DLC의 마모 속도에 큰 영향을 주지 않는 반면, 표면 에너지는 완전히 개질되는 것을 알 수 있다.

- 본 발명에 따른 DCX-3 코팅은 테스트의 끝에서 마모를 나타내지 않으며, 마찰 직경은 초기 접촉 직경에 비해 아주 약간 크다. 크롬 질화물은 대략 1,800 Hv의 경도를 갖는다.

아래의 표는 첨부한 그래프에서 나타나는 평균 마모 속도의 값을 요약해서 나타낸다.

참조	㎛3/사이클에서의 마모 속도
DCX-0	1.68
DCX-1	0.56
DCX-2	1.26
DCX-3	0.42
강철	0.45

아래의 표는 테스트 끝에서의 마찰 계수를 나타낸다.

참조	마찰 계수
DCX-0	0.031±0.016
DCX-1	0.032±0.009
DCX-2	0.025±0.003
DCX-3	0.031±0.001
강철	0.040±0.005

코팅을 포함하는 모든 용액이 유사한 평균 마찰 계수를 나타내고 있음을 이들 표로부터 알 수 있다

DCX-0의 경우에서의 강력한 분산은 마모 때문이다. 가장 낮은 마찰 계수는 대부분 마모된 증착물과 함께 얻어진다.

낮은 마찰 계수는 주로 마찰 감소 첨가제인 MoDTC로 인한 것이다.

일례로서, 그리고 표의 마지막 줄에 나타낸 바와 같이, 비코팅(uncoated) 표면에 노출된 비코팅 볼 베어링과 함께한 테스트는 0.04±0.005의 마찰 계수를 나타낸다. 평균 마모 속도는 0.45이다. 이러한 용액은 마모를 견디지만, 오일 내의 내마모성 첨가제로 인해, 30% 높은 마찰 계수를 나타낸다.

이에 비해서, SAE 5W30 오일(마찰 조정제 미포함)을 사용한, 강철 표면에 노출된 DLC (DCX-0)로 코팅된 볼 베어링의 마찰은 0.3±0.05 ㎛³/사이클의 마모 속도를 나타내지만, 마찰 계수는 0.12에서 안정화된다. 지방산 유형의 마찰 감소 첨가제를 포함하는 SAE 5W30 오일에서, 마모 속도는 0.32±0.05 ㎛³/사이클이고 마찰 계수는 0.08이다.

DCX-0 유형의 DLC 코팅은 MoDTC 없이도 오일에서 마모를 잘 견디는 것을 위에서 알 수 있고, 이러한 오일이 MoDTC를 포함하는 것들처럼 낮은 마찰 계수의 달성을 허용하지 않는다는 것을 알 수 있다.

다시 말해서, 강철 내에서의 내마모제인 MoDTC의 존재 하에서 DLC 결합은 마찰을 견디는 기능과 다른 한편으로는 가능한 한 낮은 마찰 계수를 얻는 기능 모두를 수행하기에는 적합하지 않는 반면, 청구된 조합, 즉, 크롬 질화물과 MoDTC의 조합은 바람직하게 이러한 두 가지 기능을 수행한다.

본 발명은 또한 그렇게 코팅되고, 특히 엔진과 기어박스에 대한 자동차 분야에서 MoDTC를 포함하는 윤활 환경에서 작동하는 부품의 사용에 관한 것이다.

Claims (4)

1. 2개의 마찰 부품 및 마찰 조정제를 포함하는 윤활제를 포함하는 조성물로서,
   상기 마찰 부품 중 어떠한 것도 DLC로 코팅되어 있지 않으며,
   상기 마찰 조정제는 MoDTC를 포함하며,
   상기 마찰 부품 중 하나 이상은 NaCl 유형의 결정체가 존재하고 미세경도(microhardness)가 1,800±200 Hv인 크롬 질화물을 포함하는 코팅을 포함하는 것인 조성물.
2. 제1항에 있어서, 마찰 부품은 자동차 부품을 포함하는 것인 조성물.
3. 제2항에 있어서, 자동차 부품은 엔진 부품을 포함하는 것인 조성물.
4. 제2항에 있어서, 자동차 부품은 기어박스 부품을 포함하는 것인 조성물.

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