KR102193263B1 - 개선된 슬라이딩 특성을 지닌 코팅 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건조 및/또는 윤활 상태에서 더 나은 슬라이딩 성능을 허용하는 코팅 시스템을 갖는 코팅된 슬라이딩 부분들에 관한 것이다. 본 발명에 따른 코팅 시스템은 가장 바깥쪽 레이어에 의해 특징되는데, 가장 바깥쪽 레이어는- 윤활 상태하에서 슬라이딩 어플리케이션의 경우 매끄러운 산화물 함유 레이어이며, 또는- 건조 또는 윤활 상태하에서 슬라이딩 어플리케이션의 경우, 몰리브덴 질화물을 포함하는 자가-윤활 레이어이며, 수 마이크로미터 또는 그 이하의 직경을 지닌 본질적으로 다수의 원형 오목부를 포함하는 구조화된 표면을 지닌 자가-윤활 레이어이며, 상기 오목부는 표면 위에 임의로 분포된다.

Description

개선된 슬라이딩 특성을 지닌 코팅{COATING WITH ENHANCED SLIDING PROPERTIES}

본 발명은 특히 청구항 1항 내지 7항에 따라, 건조 및/또는 윤활 상태에서 더 나은 슬라이딩 성능을 허용하는 코팅 시스템을 갖는 코팅된 슬라이딩 부분들(sliding parts)에 관한 것이다. 본 발명에 따라 제공되는 일부 코팅 시스템은, 예컨대 청구항 19에 설명된바와 같이 마찰 시스템(tribological system)에서 특히 고온 어플리케이션에 대해 적합하다. 또한 본 발명은, 청구항 18항에 설명된 바와 같은, 본 발명에 따라 슬라이딩 부분들 상에서 표면 처리(surface treatments)를 완수하기 위한 방법에 관한 것이다.

자동차 산업에 있어 현재의 개발은 차량의 높은 연료 효율에 대한 시장 수요 및 예컨대 유럽공동체의 규정 제715/2007호 와 같은 배기가스를 규제하기 위해 제안된 법안에 의해 대부분 추진되었다. 새로운 기술적 접근은 전체 동력 전달 장치(power train system)의 더 나은 효율 뿐만 아니라 높은 엔진 효율을 달성하는 것을 제공한다. 이러한 새로운 기술들은 미래 세대를 위해서 그리고 특히 요구되는 CO₂ 감소를 달성하기 위해서 차량의 새로운 컨셉으로 사용될 수 있다.

동력 전달 장치(power train)의 가동 부분들(moving parts)을 위한 가벼운 재료(lighter materials), 저-마찰 윤활제 및 엔진의 높은 작동 온도와 결합하여 향상된 온도 순환 관리가 연료 절약(fuel economy)을 향상시키는데 기여했다.

또한, 새로운 연료들의 사용, 특히 바이오 생산물로부터 생산되거나 새로운 오일 첨가제을 포함하는 친환경-연료들의 사용은 증가된 화학적, 기계적 및 열적 안정성을 갖는 재료들 사용의 필요성을 만들어 낸다. 또한, 자동차 산업에 사용되는 소재들의 선택은 비용 감소의 필요성에 대해 매우 영향을 받는다.

표면에 코팅들을 적용하는 재료 공학은 마찰 시스템의 설계를 위한 중요한 측면이 된다. 금속 질화물(metal nitrides), 금속-탄소 화합물(metal-carbon compound) 및 경질 탄소 레이어(hard carbon layers)로 구성된 얇은PVD 코팅들은 동력 전달 장치의 상이한 구성요소들을 코팅하는데 성공적으로 사용되어졌다. Cr_xN 코팅들은 피스톤 링의 마모를 감소시키고 피스톤 라이너 그룹의 특성을 향상시키는 것으로 알려져 왔다. Cr_xN 의 마찰 특성은 포함되는 위상(phase), 멀티-레이어 구조 및 마손 작용(fretting behavior)에 대하여 연구되었다. 어플리케이션들에 대한 중요성 때문에, 이 재료 시스템의 마모 작용(wear behavior)을 모델링하게끔 시도 되었다. 아크 증발 Cr_xN 코팅들(arc evaporated Cr_xN coatings)의 합성이 설명되었으며 이러한 코팅들의 미세구조(microstructure) 및 기계적 특성들이 특징지어 졌으며 증착된 Cr_xN 코팅들이 연구되어 졌다. 따라서, Cr_xN은 이 연구에서 논의된 다른 재료들과 비교해 "표준"(standard)으로 사용되었다.

금속-탄소 및 다이아몬드류(diamond-like)의 코팅들은 더 나은 연료 효율을 위해 자동차 산업의 경향을 지원한다. 텅스텐 및 탄소(a-C:H:W)를 포함하는 기어 표면상의 코팅들은 마찰을 낮추고 엔진 효율을 증가시킨다. 자동차의 커먼-레일 디젤 시스템의 인젝션 니들(injection needles) 상의 다이아몬드류 탄소 레이어들은 높은 분사 압력이 요구되는 간격을 엄격하게 유지시키는데 도운을 준다. a-C:H:W의 코팅들 및 다이아몬드류 코팅들(a-C:H)은 대부분 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 및 플라즈마 활성 CVD(plasma activated CVD)(PACVD) 프로세스의 결합으로 생산되는 한편 사면체 비결정질(수소가 없는) 탄소(tetrahedral amorphous carbon)는 음극 아크 방전(cathodic arc evaporation)에 의해 종종 제공된다. PACVD 에서, 기체 전구체(gaseous precursor)는 합성 코팅들(synthesized coatings)에서 결과적으로 5 및 30 at.% 사이의 일반적인 수소 함유량(hydrogen contents)이 되어 사용된다. 이것은 약 300℃의 온도에서 재료의 안정성을 제한하며, 수소가 없는 탄소 코팅들의 마찰 특성을 연구하는 하나의 이유이다. 현존하는 많은 어플리케이션들에도 불구하고, 탄소를 포함하는 코팅들은 여전히 중요한 연구 분야이며 종합적 검토에 있어 잘 요약되어 있다.

미래의 엔진 개발은 복잡한 마찰 시스템의 기능적인 설계를 지원하는 새로운 코팅 재료의 선택을 필요로 한다. 위에서 논의된 더 나은 연료 효율에 대한 수요를 기반하여, PVD 코팅들이 낮은 점성의 윤활제에서 마모를 제어하는데 사용될 수 있으며, 산화 환경 및 높은 온도에서 표준 재료들을 보호하고 다른 재료들 사이의 마모를 조정(adapt)하는데 사용될 수 있다. 증착 방법에 있어서의 변형에 기반하여, 다이아몬드류 탄소 코팅들은 공식 오일들(formulated oils) 및 첨가제들과 화학 반응들이 이러한 재료들에 대한 마찰 접촉의 최적화를 위해 고려되어야 할 윤활제들에 대한 다른 마찰 작용을 보여준다.

마찰 시스템의 성능에 영향을 주는 모든 매개변수들을 직시하여, 새로운 코팅 재료들은 오일들 및 그것들의 첨가제들에 대한 향상된 습윤성 및 더 나은 화학적 및 열적 안정성(chemical and thermal stability)을 지니게 설계되야 한다. MoN(Cu 도핑을 하거나 하지 않은)은 하나의 유망한 재료(promising material)이어서 연구되었으며 또한 이미 피스톤 링 어플리케이션에 대해 테스트되었다. 그러나 실제 엔진 테스트에 새로운 코팅 재료들을 사전 선택(pre-selection)하는 것은 비용이 많이 든다. 따라서, 재료들 및 재료 수정(material modification)은 비용 문제를 무시할 수 있을 것이며 실제 최상의 해결책을 위한 도전없이도 이미 현존하는 코팅 재료들이 사용될 수 있다.

본 발명의 목적은 종래 기술과 비교해서 건조 상태 및 윤활 상태하에서 마찰 및 마모 작용에 대해 더 나은 슬라이딩 성능을 허용하는 슬라이딩 부분들에 대해서 하나 이상의 코팅 시스템들을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 윤활 상태 뿐만 아니라 건조 상태하에서 어플리케이션들을 위한 대한 슬라이딩 부분들에 대해서 코팅 시스템들을 제공한다.

본 발명의 첫번째 양태는 윤활 상태(lubricated conditions)하에서 더 나은 슬라이딩 성능을 달성하기 위한 코팅 시스템에 관한 것이다. 이 코팅 시스템은 도 13a에 도시된 바와 같이 산화물 함유 레이어(oxide-containing layer)를 포함한다.

본 발명의 두번째 양태는 윤활 상태 및 건조 상태하(dry conditions)에서 더 나은 슬라이딩 성능을 달성하기 위한 코팅 시스템에 관한 것이다. 이 코팅 시스템은 질화물-함유 실행 레이어(nitride-containing running-in layer)을 포함하는데, 질화물-함유 실행-레이어는 도 13b 및 도 13c 에 도시된 바와 같이 몰리브덴 질화물(molybdenum nitride)을 포함한다. 이 코팅 시스템은 적어도 하나의 산화물 함유 레이어(oxide-containing layer) 또는 적어도 하나의 질화물 함유 레이어(nitride-containing layer)를 추가로 포함한다.

본 발명의 세번째 양태는 윤활 상태 및 건조 상태하에서 더 나은 슬라이딩 성능을 달성하기 위한 코팅 시스템에 관한 것이다. 이 코팅 시스템은 도 13d 및 13e에 도시된 바와 같이 하나 이상의 구조화된 레이어들(structured layers)을 포함한다. 이 구조화된 레이어들은 매끄러운 표면(smooth surface)을 제공하나 윤활제의 저장에 유리할 수 있는 적어도 일부 구멍들(holes)을 갖는다.

본 발명의 바람직한 실시예에는 윤활 상태하에서 수행되는 슬라이딩 어플리케이션들을 위한 코팅 시스템(위에서 언급된 본 발명의 첫번째 양태에 따라)으로 적어도 부분적으로 코팅되는 슬라이딩 구성요소(10,sliding component)가 있다. 이 코팅 시스템(1)(도 13a)은 산화물 함유 레이어(7,oxide-containing layer)를 포함하는데, 산화물 함유 레이어의 표면(surface)은 코팅 시스템(1)의 가장 바깥쪽 표면이다. 산화물 함유 레이어(7)의 표면은 매끄럽거나 감소된 거칠기 정점들(roughness peaks)을 갖는 매끄럽게된 표면이다.(용어 매끄럽게된 표면은 표면이 매끄러움에 이르기 위해 레이어 표면이 처리되는 것을 구체화하기 위해 이 맥락에서 사용된다.) 본 발명의 맥락 속에서 표면은 본질적으로 돌출부들(정점들)이 없는 것을 보여주나 매끄러운 표면으로 불리우는 오목부(recesses)(빈 공간)(cavities)를 보여줄 수 있다. 또한, 본 발명의 맥락 속에서 오목부들은 또한 밸리들(valleys) 또는 구멍들로 불리운다. 본 발명의 맥락 속에서 앞서 언급된 매끄러운 표면의 정의에 관해서는, 낮은 R_pk 값은 표면의 소량의 돌출부들(small amount of protrusions)과 관련될 수 있는 것으로 예상된다. 산화물 함유 레이어(7)는, 금속 산화물(metal oxide)로 이루어지며 원소조성 Me_1-bO_b 를 갖으며, 또는 주로 금속 산화물을 함유하고 원소 조성(element composition) Me_1-b-cX_cO_b 을 갖으며, b>c 또는 b>>c 이다. (본 발명의 맥락 속에서 b>>c는 b 가 c 보다 적어도 두배나 크다는 것을 의미한다). 여기에서: - Me는 농도(concentration) 1-b, 또는 적용 가능하다면 원자 퍼센트 1-b-c 를 갖는 금속 또는 다른 금속들의 결합체이다.

- O는 원자 퍼센트 농도 b를 갖는 산소이다.

- 적용 가능하다면 X는 O와 다른 비금속 원소이거나 X는 원자 퍼센트 농도 c를 갖는 O 를 함유하지 않은 비금속 원소의 혼합물이다.

바람직하게는, 산화물 함유 레이어(7)는 아크 PVD 증착 레이어(arc-PVD-deposited layer)이며, 아크 PVD 증착 레이어 표면은 액적(droplets)을 제거하기 위해 후-처리(post-treated)되어 코팅 표면에 밸리들 또는 구멍들을 생성시킨다. 본 발명의 맥락 속에서 용어 "밸리들 또는 구멍들 생성" 은 후-처리 동안에 표면에 빈 공간이 활발하게 만들어지게 될 것을 반드시 의미하는 것은 아니다. 그러나, 후-처리 동안에 적어도 일부 액적은 코팅에서 떼어내져 표면의 빈 공간에 들어가게(letting)된다. 후-처리는 예컨대 폴리싱(polishing) 또는 버어니싱(burnishing) 방법들을 사용하여 수행될 수 있다.

바람직하게는 X는 질소 또는 탄소이거나 질소 및/또는 탄소를 함유한다(contains).

코팅 시스템(1)은 기판(10) 및 산화물 함유 레이어(7) 사이에서 하나 이상의 레이어 타입을 포함할 수 있다:

- 예컨대 금속 이온 에칭(metal ion etching)에 의해 기판 표면에 또는 표면 상에 형성되는 금속 레이어 또는 매우 얇은 금속 레이어와 같은, 코팅 접착(력)을 향상시키기 위한 본딩 보강 레이어(3,bonding strength layer), 및/또는

- 예컨대 크롬 질화물 레이어 또는 몰리브덴 질화물 레이어와 같은, 금속 질화물 함유 레이어(5), 및/또는

- 원소 조성 Me_1-bO_b 또는 Me_1-b-cX_cO_b 를 갖는 산화물 함유 레이어(6).

본 발명의 더 바람직한 실시예에서 건조 상태 및 윤활 상태하에서 수행되는 슬라이딩 어플리케이션들을 위한 코팅 시스템(위에서 언급된 본 발명의 두번째 양태에 따라)으로 적어도 부분적으로 코팅된 슬라이딩 구성요소(sliding component)가 있다. 코팅 시스템(1')(도 13b-c)은 몰리브덴 질화물을 포함하는 질화물-함유 실행 레이어(9',nitride-containing running-in layer)를 포함한다.

실행 레이어(9',running-in layer)를 지닌 본 발명의 바람직한 실시예의 변형에 있어서, 실행 레이어(9')는 d+e+f

1, f>e, 및 d>e를 지닌 Mo_dO_eN_f 원소 조성을 구비한 몰리브덴 산화질화물(molybdenum oxynitride)로 구성되는데, 여기에서 d,e 및 f는 각각 원자 페센트에서 몰리브덴, 산소 및 질소의 농도이다. 몰리브덴 산화질화물 실행 레이어는 예컨대 모노레이어(monolayer) 또는 멀티레이어(multilayer) 또는 그라디언트 아키텍처(gradient architecture)를 갖게끔 설계될 수 있다.

본 발명에 따른 Mo-O-N 실행 레이어들에 대한 멀티레이어 아키텍처의 실례는 Mo-N 및 Mo-O 레이어들의 결합(조합)체(combination)이다. Mo-N 및 Mo-O 레이어들의 결합(체)은 특히 본 발명의 맥락 속에서 Mo-N 및 Mo-O 단일 레이어들(single layers)의 대체(alternating)를 의미한다. 이 경우, Mo-N 단일 레이어들은 Mo_mN_n 원소 조성을 갖는데, 여기에서 m 및 n 은 각각 원자 퍼센트에서 몰리브덴 및 질소의 농도이다. Mo-O 단일 레이어들은 바람직하게는 v≥w 를 지닌 화학식(formula) Mo_vO_w 에 따른 원소 조성을 갖는데, 여기에서 v 및 w 는 각각 원자 퍼센트에서 몰리브덴 및 산소의 농도이다. 바람직하게는, 단일 레이어들은, 예컨대 5 및 300nmm 사이에서, 300nm 보다 작은 레이어 두께를 갖으며, 보다 바람직하게는 150nm 보다 작은 두께를 갖는다. 바람직하게는, 멀티레이어 아키텍처의 적어도 일부 단일 레이어들은 100nm 보다 작은 레이어 두께를 갖는다. 추가 실례에는 Mo-N 및 Mo-O-N 레이어들의 결합체가 있다. 또 다른 실례에는 다른 원소 조성을 갖는 Mo-O-N 단일 레이어들의 다중 결합체이다.

바람직하게는 Mo-O-N 실행 레이어는 반응성 질소 및/또는 산소 대기(atmosphere)에서 아크 PVD 기술을 사용하여 증착된다.

실행 레이어(9')를 포함하는 본 발명의 바람직한 실시예의 추가 변형에 있어서, 실행 레이어(9')는 적어도 하나의 원소에 몰리브텐 질화물을 추가하여 포함하는데, 적어도 하나의 원소의 용해점은 몰리브덴 용해점보다 낮다. 이 경우에 실행 레이어(9')는 j+h+i

1 및 j>h>i 를 지닌 Mo_h-Z_LMPiN_j 원소 조성을 갖는데, 여기에서 j,h 및 i 는 질소, 몰리브덴의 원소 농도(element concentration)이며 원소 또는 원소들의 혼합물은 몰리브덴보다 낮은 용해점을 갖는다. 바람직하게는 Mo-Z_LMP-N 레이어는 아크 PVD 기술을 사용하여 증착된다. 바람직하게는 Mo-Z_LMP-N 을 증착시키기위해 사용되는 아크 PVD 기술은 반응성 증착 프로세스(reactive deposition process)를 포함하는데, 여기에서 Mo 및 Z_LMP 를 포함하는 적어도 하나의 타겟(target)은 질소 대기에서 아크 증발(arc-evaporated)된다. 바람직하게는 Z_LMP 는 구리(Cu) 이다.

실행 레이어(9')를 지닌 본 발명의 바람직한 실시예의 또 다른 변형에 있어서, 코팅 시스템(1')은 기판(10') 및 질화물 함유 실행 레이어(9') 사이에서 하나 이상의 금속 질화물 함유 레이어들(5',metal nitride containing layers)을 포함한다(도 13b). 하나 이상의 금속 질화물 함유 레이어들(5')은 예컨대 크롬 질화물(chromium nitride) 또는 몰리브덴 질화물(molybdenum nitride) 레이어들 일 수 있다.

실행 레이어(9')를 지닌 본 발명의 바람직한 실시예의 또 다른 변형에 있어서, 코팅 시스템(1')은 기판(10') 및 질화물 함유 실행 레이어(9') 사이에서 하나 이상의 금속 산화물 함유 레이어들(6',metal oxide containing layers)을 포함한다(도 13c). 하나 이상의 금속 산화물 함유 레이어들(6')은 예컨대 지르콘 산화물(zircon oxide), 알루미늄 크롬 탄소 산화물 또는 알루미늄 크롬 산화물 레이어들 일 수 있다. 이 변형에 따른 코팅 시스템(1')은 특히 상승되는 온도(elevated temperature)에서 수행되는 슬라이딩 프로세스들에 사용하는데 적합할 수 있다.

도 13b 에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 금속 질화물 함유 레이어들(5')을 포함하는 코팅 시스템(1')은 기판(10') 및 하나 이상의 금속 질화물 함유 레이어 들(5') 사이에 코팅 접착(력)(coating adhesion)을 향상시키기 위해 하나 이상의 본딩 보강 레이어들(3'bonding strength layers)을 추가로 포함할 수 있다.

도 13c 에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 금속 산화물 함유 레이어들(6')을 포함하는 코팅 시스템(1')은 기판(10') 및 하나 이상의 금속 산화물 함유 레이어 들(6') 사이에 코팅 접착을 향상시키기 위한 하나 이상의 본딩 보강 레이어들(3') 및/또는 하나 이상의 금속 질화물 함유 레이어들(4')을 추가로 포함할 수 있다. 또한 하나 이상의 금속 산화물 함유 레이어들(6')을 포함하는 이 코팅 시스템(1')은 하나 이상의 금속 산화물 함유 레이어들(6') 및 질화물 함유 실행 레이어(9') 사이에 하나 이상의 금속 질화물 함유 레이어들(8')을 포함할 수 있다.

본 발명의 더 바람직한 실시예에는 건조 상태 및 윤활 상태하에서 수행되는 슬라이딩 어플리케이션들을 위한 코팅 시스템(위에서 언급된 본 발명의 세번째 양태에 따라)으로 적어도 부분적으로 코팅된 슬라이딩 구성요소(sliding component)가 있다. 코팅 시스템(1")은 도 13d-e 에 도시된 바와 같이 하나 이상의 구조화된 레이어들(9")(9"')을 포함한다. 하나 이상의 구조화된 레이어들의 표면은 매끄럽게(즉, 감소된 거칠기 정점을 제공)되어 있으나 "밸리들"(valleys)(즉, 작은 구멍을 지님)을 지닌다.

본 발명에 따른 이런 바람직한 실시예에 대한 코팅 시스템(1")의 하나의 변형은 도 13d 에 도시되어 있다. 코팅 시스템(1")은 단지 하나의 구조화된 레이어(9")를 포함하는데, 이 구조화된 레이어의 표면은 코팅 시스템(1")의 가장 바깥쪽 표면이다.

바람직하게는, 구조화된 레이어(9")는, 만약 슬라이딩 프로세스가 윤활 상태하에서 수행되면 금속 산화물 함유 레이어이다. 바람직하게는 구조화된 레이어는, 만약 슬라이딩 프로세스가 건조 상태하에서 수행되면 예컨대 Mo-Cu-N 레이어와 같은 Mo-O-N 또는 Mo-Z_LMP-N 레이어이다. 도 13d에 도시된 바와 같이, 단지 하나의 구조화된 레이어(9")를 포함하는 코팅 시스템(1")은 기판(10") 및 구조화된 레이어(9") 사이에 코팅 접착을 향상시키기 위한 하나 이상의 본딩 보강 레이어들(3") 및/또는 하나 이상의 금속 질화물 함유 레이어들(5") 및/또는 하나 이상의 금속 산화물 함유 레이어들(6")을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 이런 바람직한 실시예에 대해서 코팅 시스템(1")의 다른 변형은 도 13e 에 도시되어 있다. 코팅 시스템(1")은 적어도 두개의 구조화된 레이어들(9")(9"')을 포함한다. 제1 구조화된 레이어(9")는 코팅 시스템의 가장 바깥쪽 레이어이며 자가-윤활 레이어(self-lubricated layer)이다. 상기 자가 윤활 레이어는 바람직하게는 예컨대 Mo-Cu-N와 같은 Mo-O-N 또는 Mo-Z_LMP-N 레이어 이다. 제2 구조화된 레이어(9"')는 가장 바깥쪽 레이어의 바로 아래(directly under)에 배치되며 만약 슬라이딩 프로세스가 건조 상태 및/또는 고온하에서 수행되면 바람직하게는 금속 산화물 함유 레이어 이다. 도 13e 에 도시된 바와 같이, 적어도 두개의 구조화된 레이어들(9")(9"')을 포함하는 코팅 시스템(1")은 기판(10") 및 구조화된 레이어(9") 사이에 코팅 접착을 향상시키기 위한 하나 이상의 본딩 보강 레이어들(3") 및/또는 하나 이상의 금속 질화물 함유 레이어들(5") 및/또는 하나 이상의 금속 산화물 함유 레이어들(6")을 포함할 수 있다.

구조화된 레이어들에 있는 유용한 작은 구멍들은 본 발명에 따른 유체 윤활제(fluid lubricant)(도 13d)를 저장하는데 특히 유리하다. 또한, 만약 하나의 구조화된 레이어의 위에, 예컨대 구조화된 금속 산화물 함유 레이어, 구조화된 자가-윤활 레이어(실행 레이어로서 운용되어야 하는)가 증착되면, 구조화된 금속 산화물 함유 레이어의 작은 구멍들은 자가-윤활 레이어의 입자들(particles)의 저장에 특히 유리하게 될 수 있다(도 13e).

본 발명에 따른 구조화된 레이어들(9")(9"')의 합성을 위해서는 특히 아크 PVD 기술이 적합하다. 본 발명에 따른 구조화된 아크-증착 레이어들의 표면을 향상시키기 위해서는 폴리싱(polishing) 또는 버어니싱(burnishing) 후-처리가 특히 추천된다.

이 관련내용은 본 발명에 따른 아크 PVD 기술에 의해 증착된 Mo-Cu-N 레이어들이 마찰 시스템에서 사용하기 위한 자가-윤활 레이어로서 특히 적합하다는 것이며, 특히 상승되는 온도에서 운용되는 슬라이딩 시스템들에서 적합하다는 것이다. 만약 Mo-Cu-N 레이어가 구멍들 구조를 지닌 코팅 매트릭스(coating matrix)를 보여주는 구조 방식으로 형성되는 경우 특히 더 나은 결과가 달성될 수 있다. Mo-Cu-N 레이어들의 코팅 매트릭스의 구멍들의 구조, 보다 정확하게는 수량(quantity), 형태 및 분포는 가장 적합한 구조로 설계하기 위해서 특히 타겟 조성물(target composition)에 영향을 미칠수 있다. 또한 Mo-Cu-N 레이어는 예컨대 모노레이어 또는 멀티레이어 또는 그라디언트 아키텍처를 갖게끔 설계될 수 있다.

본 발명의 더 나은 설명을 위해 하기에서는, 코팅 재료들의 사전-선택의 연구 결과가 제시될 것이다. 사전-선택된 코팅 재료들은 개발 노력을 최적화하기 위해 엔진 테스트에서 먼저 테스트되지 않지만 간단한 테스트 방법들을 사용하여 테스트 된다. 왕복 마모 테스트(reciprocating wear test)가 코팅되지 않은 스틸의 마모 대응부(counter-part) 및 음극 아크 방전을 사용하여 다른 재료들로 코팅된 기판 표면의 마모를 조사하는데 사용된다. 표면 거칠기 및 윤활에 대한 테스트의 반응(response)이 분석되었다.

본 발명의 맥락 속에서 조사된 코팅 재료들은 주로 반응성 음극 아크 방전(reactive cathodic arc evaporation)을 사용하여 생산되었다. 이 코팅 증착 기술은 하기 두가지 이유 때문에 주로 선택되었다: (a)음극 아크 방전은 반응성 가스들의 복잡한 제어 없이도 질소, 산소 또는 탄화수소와 같은 반응성 가스(reactive gases)에서 쉽게 수행될 수 있으며, (b)사용될 수 있는 조성 타겟들은 삼원 화합물 및 사원 화합물(ternary and quarternary compounds)로 쉬운 접근을 제공한다. 또한, 반응성 아크 방전은 반응성 스퍼터링(reactive sputtering)에 비해 낮은 생산비를 제공한다. 그러나, 아크 기술의 하나의 단점은 타겟 표면이 증발되는 동안에 음극 아크에 의해 발생되는 액적 형성이 이루어진다. 이러한 액적은 레이어 합성 동안에 코팅에 포함된다. 액적들의 갯수는 조향식 아크(steered arc)(자기장이 지원되는) 또는 여과 아크(filtered arc) 기술을 사용하여 감소될 수 있거나 심지어 방지될 수 있다. 그럼에도 불구하고(그렇지만), 아크 방전 프로세스들에 의한 아크 형성을 방지하기 위해서 최종 언급된 이러한 두가지 기술적 해결책은 코팅들의 산업규모 생산에 대한 단점을 갖는다. 조향식 아크는 순수 산소 가스를 안정화하는데 어렵고 여과 아크는 증착 비율(deposition rate)이 줄어들게 된다. 따라서, 랜덤 아크(random arc)에 의한 액적 발생의 불리한 점은 생산 실태 하에서 폴리싱 단계가 일반적이라는 인식이 용인된다. 연구들은 여기에서 반응성 아크 증발에 의해 매우 다른 특성들의 코팅 재료를 합성하는 것에 대해 단도직입적으로 강조하려는 의도가 있으며, 간단한 테스트 방법, 왕복 마모 테스트에 의한 슬라이딩 접촉에 대해 코팅 재료들의 마찰 및 보호 특성을 분류하는데 대한 가능성을 강조하려는 의도가 있다.

본 발명은 건조 상태 및 윤활 상태하에서 마찰 및 마모 작용에 대해 더 나은 슬라이딩 성능을 허용하는 슬라이딩 부분들에 대해서 하나 이상의 코팅 시스템들을 제공할 수 있다.

도 1은 폴리싱되지 않은 Cr_1.0N_1.0 코팅(샘플A)의 균열 횡단면이다.
도 2는 폴리싱되지 않은 ta-C코팅(샘플B)의 균열 횡단면이다.
도 3은 폴리싱되지 않은 Al_0.76 Mo_0.24 N_1.15 코팅(샘플C)의 균열 횡단면이다.
도 4는 폴리싱되지 않은 Mo_1.0 N_1.0 코팅(샘플D)의 균열 횡단면이다.
도 5는 폴리싱되지 않은 Mo_1.0 N_1-x O_x 코팅(샘플E)의 균열 횡단면이다.
도 6a는 폴리싱되지 않은 Mo_0.85 Cu_0.15 N_1.0 코팅(샘플F)의 균열 횡단면이다.
도 6b는 폴리싱되지 않은 Mo_0.85 Cu_0.15 N_1.0 코팅(샘플F)의 SEM 표면 현미경사진이다.
도 7은 건조 상태하에서 폴리싱되지 않은 샘플들에 대한 왕복 마모 테스트의 시간함수에서의 마찰계수를 도시한다.
도 8a는 Cr_1.0N_1.0, ta-C 및 Al_0.76 Mo_0.24 N_1.15 (좌측으로부터 우측)에 대해 건조 상태하에서 폴리싱되지 않은 샘플에 대한 마모 트랙(위쪽) 및 대응부 마모(아래쪽)를 도시한다.
도 8b는 Mo_1.0 N_1.0, Mo_1.0 N_1-x O_x, 및 Mo_0.85 Cu_0.15 N_1.0 (좌측으로부터 우측)에 대해 건조 상태하에서 폴리싱되지 않은 샘플들에 대한 마모 트랙(위쪽) 및 대응부 마모(아래쪽)를 도시한다.
도 9는 윤활 상태하에서 폴리싱된 샘플들에 대한 왕복 마모 테스트의 시간함수에서의 마찰계수를 도시한다.
도 10a는 Cr_1.0N_1.0, ta-C 및 Al_0.76 Mo_0.24 N_1.15 (좌측으로부터 우측)에 대해 윤활 상태하에서 폴리싱된 샘플에 대한 마모 트랙(위쪽) 및 대응부 마모(아래쪽)를 도시한다.
도 10b는 Mo_1.0 N_1.0, Mo_1.0 N_1-x O_x, 및 Mo_0.85 Cu_0.15 N_1.0 (좌측으로부터 우측)에 대해 윤활 상태하에서 폴리싱된 샘플들에 대한 마모 트랙(위쪽) 및 대응부 마모(아래쪽)를 도시한다.
도 11a는 건조-폴리싱되지 않은, 건조-폴리싱된 및 폴리싱된- 윤할 상태하에서 Zr-O 코팅된 부분들의 왕복 마모 테스트의 시간함수에서의 마찰계수를 도시한다.
도 11b는 건조-폴리싱되지 않은, 건조-폴리싱된 및 폴리싱된- 윤활 상태하에서 Al-Cr-C-O 코팅된 부분들의 왕복 마모 테스트의 시간함수에서의 마찰계수를 도시한다.
도 11c는 건조-폴리싱되지 않은, 건조-폴리싱된 및 폴리싱된- 윤활 상태하에서 Al-Cr-O 코팅된 부분들의 왕복 마모 테스트의 시간함수에서의 마찰계수를 도시한다.
도 12는 Zr-O, Al-Cr-C-O 및 Al-Cr-O(좌측으로부터 우측)에 대해 윤활 상태하에서 폴리싱된 샘플들에 대한 마모 트랙(위쪽) 및 대응부 마모(아래쪽)를 도시한다.
도 13a는 본 발명의 첫번째 양태에 따라 윤활 상태하에서 사용되어지는 슬라이딩 부분들에 대한 코팅의 도면이다.
도 13b는 금속 질화물 코팅 레이어(5')를 갖는 본 발명의 두번째 양태에 따라 윤활 상태 뿐만 아니라 건조 상태하에서 사용될수 있는 슬라이딩 부분들에 대한 코팅의 도면이다.
도 13c는 금속 산화물 코팅 레이어(6')를 갖는 본 발명의 두번째 양태에 따라 윤활 상태 뿐만 아니라 건조 상태하에서 사용될 수 있는 슬라이딩 부분들에 대한 코팅의 도면이다.
도 13d는 가장 바깥쪽 레이어로서 하나의 구조화된 레이어(9")를 갖는 본 발명의 세번째 양태에 따라 윤활 상태(9"가 자가-윤활 레이어인 경우 뿐만 아니라 9"가 금속 산화물 함유 레이어인 경우) 뿐만 아니라 건조 상태하에서(9"가 자가-윤활 레이어인 경우) 사용될 수 있는 슬라이딩 부분들에 대한 코팅의 도면이다.
도 13e는 두개의 구조화된 레이어(9")를 갖는 본 발명의 세번째 양태에 따라 윤활 상태 뿐만 아니라 건조 상태하에서 사용될 수 있는 슬라이딩 부분들에 대한 도면이다. 가장 바깥쪽 구조화된 레이어는 자가-윤활 레이어이며 하부의 구조화된 레이어(9"')는 예컨대 구조화된 금속 산화물 함유 레이어이다.

코팅 증착 및 특성화 방법(Coating deposition and characterization methods)

코팅들의 증착은 오씨 오렐리콘 블레이저스 아게(OC Oerlikon Blazers AG)의 INNOVA 생산 시스템에서 수행된다. 기판들(경화 스틸의 폴리싱된 디스크 및 폴리싱된 탄화 텅스텐 삽입물)은 증착되기 전에 습식 화합물(wet-chemical)로 세척된다. 10^-5밀리바(mbar)이하로 프로세스 챔버를 비운 후에, 기판에 대해 양호한 레이어 접착(력)을 보장하기 위해 표준 가열 및 에칭 단계들(standard heating and etching)이 수행된다. 원소 또는 조성 금속 타겟들(elemental or composite metallic targets)은 가스 유동 콘트롤러를 통해 챔버로 제공되는 적절한 반응성 가스들과 결합하여 사용된다. 크롬 타겟들은 GfE Metalle und Materialien GmbH 에 의해 생산되며, 그라파이트 타겟들(graphite targets)은 Steinemann AG 에 의해, 그리고 Mo, Al-Mo 및 Mo-Cu 타켓들은 PLANSEE Composite Meterials GmbH 에 의해 생산된다. 코팅들은 주로 Cr_xN 인터페이스 상에 증착된다. 이 인터페이스는 스틸에 양호한 접착 레이어를 형성하기 때문에 사용된다. 또한, Cr_xN 는 다른 합성 코팅들과 비교를 위해 표준으로 사용되는데, 이러한 재료들에 대한 많은 연구가 과거에 이루어졌기 때문이다. 코팅들의 증착은 다른곳에서 설명된 코팅들과 유사한 상태하에서 수행된다. 합성 레이어들은 재료들의 넓은 범위(wide spectrum)를 나타낸다: 매우 단단한 ta-C, 부드러운 CrN 및 Mo-기반(Mo-based) 코팅들.

표면 거칠기(surface roughness)는 평균 거칠기 깊이(mean roughness depth) R_Z, 거칠기 평균치(roughness average) R_a, 감소된 정점 높이(reduced peak heihgt) R_pk, 감소된 밸리 깊이(reduced valley depth) R_vk 및 스타일러스 기구(Mahr Perthometer M1)를 사용하여 EN ISO 표준들에 따라 폴리싱 전후에 코팅되는 샘플들의 재료 부분들(material portions) Mr1 및 Mr2의 측정에 의해 특징된다. 사용된 스타일러스의 팁 반경(tip radius)은 5㎛이며, 평가 길이(evaluation length)는 1n=4mm(1r=0.8)로 설정된다. 평균 표면 거칠기는, 노출된 경화 스틸 표면(bare hardened steel surface)에 대해 샘플당 3가지 단일 측정(three single measurement)으로부터 계산된다.

광학 현미경(법)(optical microscopy)(Olympus MX40)은 재료가 대응부(counter-part)에서 옮겨지는 것을 확인하고 코팅 재료들이 제거되는 것을 확인하기 위해 SRV 테스트 후에 마모 트랙을 조사하기 위해 사용된다. 대응부의 마모 볼륨(wear volume)은 대응부의 마모 직경으로부터 계산된다.

에너지 분산형 X-레이(EDX) 분석(EDAX에서)을 위한 검출기를 갖춘 Zeiss LEO 1530 Gemini 주사형 전자현미경(scanning electron microscope)(SEM)이 표면 형태(surface morphology) 및 레이어들의 균열 횡단면(fracture cross-section)을 검사하고 재료들의 조성 분석을 수행하기 위해 사용된다.

레이어 조성(layer composition)은 쥐리히의 연방 공과대학(Federal Institute of Technology)의 6MeV 텐덤형 가속기(tandem accelerator)에서 러더퍼드 후방산란 분광 광도법(rutherford backscattering spectrometry)(RBS)에 의해 분석된다. 측정은 165°하에서 2MeV, ⁴He 빔(beam) 및 실리콘 표면 장벽 검출기를 사용하여 수행된다. 수집된 데이타는 RUMP프로그램을 사용하여 평가된다. 탄성 반동 검파(elastic recoil detection)(ERD)는 전방 산란(forward scattering)에 의해 ta-C 코팅의 수소 함유량(hydrogen content)을 추정하기 위해 사용된다.

실온에서 압입 경도(indentation hardness)(H_IT) 및 압입률(indentation modulus)(E_IT)은 ISO14577-1 가이드라인에 따라 마텐스 경도 측정(피셔스코프 H100c)에 의해 결정된다.

이것은 합성 레이어들의 결정구조를 조사하는 작업의 범주를 넘어선다. 그러나 선택된 결과들은 참고자료와 비교할 수 있게끔 언급된다. 이 경우, 측정들은 θ-2θ-모드의 Cu K_α-방사선(radiation)을 사용하여 고체 포인트 검출기(solid state point detector) 및 괴벨-미러를 지닌 브루커-AXS D8 사전 회절계(Bruker-AXS D8 Advance diffractometer) 상에서 수행된다. ICDD-데이타 베이스는 코팅들에 존재하는 결정 상(crystallographic phases)을 식별하기 위해 사용된다.

증착된 코팅들의 마모 작용은 왕복 마모 테스터(SRV®, 옵티멀 인스트루먼트)를 사용하여 조사된다. 테스트 및 설정(set-up)에 대한 상세 정보는 다른 곳에서 찾을 수 있다. 구형 카운터 몸체(spherical counter body)는, 부하(load)하에서 코팅되고 폴리싱 된 경화 스틸 샘플에 대해서 진동(oscillating)한다. 10mm 직경의 경화 스틸 볼(1.3505 Grade25, 60-68HRC)은 가운터 몸체(Spheric-Trafalgar Ltd.)로서 사용된다. 데스트에서, 20N의 부하, 5Hz의 주파수 및 1mm의 스트로크(stroke)가 사용된다. 마찰력은, 수직항력(normal force)을 인지하게 마찰계수가 계산될 수 있게끔 테스트 블록에서 센서에 의해 지속적으로 기록된다. 테스트는 건조 및 윤활된 슬라이딩 상태하에서 수행되며, 그로인해 0W20 몰리브덴 디알킬티오커바메이트(molybdenum dialkylthiocarbamate)(0W20 Mo-DTC)오일이 윤활제로 사용된다. 모든 테스트는 실온(23℃±5℃)에서 이루어졌다. 건조 상태에서 폴리싱되지 않은 기판에 대한 테스트의 총 기간은 12.5분이며, 2,5분의 조정시간(running-in time) 및 10분의 테스트 시간으로 구성된다. 실행 동안에 부하는 2N 에서 20N 까지 지속적으로 증가된다. 윤활 상태하에서 폴리싱된 샘플들에 대한 감소된 마모로 인해, 122.5분의 테스트 기간이 선택되는데, 2.5분의 동일한 조정절차를 포함한다. 폴리싱은 수동으로 수행된다. 제1 단계에서, 샘플 표면들은 스카치 브라이트(Scotch-Brite™) 로 처리되고, 그 후에 폴리싱 몹(polishing mob)으로 폴리싱된다.

테스트 후에 코팅된 샘플들 및 카운터 몸체의 마모는 광학 현미경에 의해 평가된다.

코팅 특성(Coating properties)

테이블 1은 음극 아크 증착 프로세스(cathodic arc deposition process)의 가장 적절한 매개변수들을 요약한다: 음극 재료(cathode material), 사용되는 프로세스 가스 및 증착(기판)온도. ta-C 합성(synthesis)을 제외하고, 불활성 가스(inert gases)의 추가 없이 단지 반응성 가스들이 사용된다. 대부분의 경우에, 기능성 레이어(functional layer)는 Cr_xN 인터페이스 상에 증착된다. 단지 ta-C 에 대해서, 얇은 Cr 인터페이스가 사용된다. 또한 인터페이스 및 기능성 레이어들의 두께는 테이블 1에서 주어진다. 합성 코팅들의 조성들은 RBS 및 ERD에 의해 측정된다. 금속 조성(metallic composition)에 대해 ±3%의 오차가 추정(예상)되는 반면, 질소 함유량은 ±10%의 오차로 추정될 수 있다. EDX는 레이어들의 금속 조성을 재확인(double-check)하기 위해 사용되어 RBS 결과들을 확인한다. Mo_1.0N_1-xO_x 코팅에 대한 RBS 범위는 각각 Mo_1.0N_1.0(120nm) 및 Mo_1.00N_0.94O_O.06(60nm)의 이중레이어들(bilayers)로 구성된 멀티레이어 구조에서 잘 시뮬레이션될 수 있다. 조성 타겟으로부터 생산된 코팅들의 금속 비율(metallic ratio)은 모든 샘플들에 대해 사용된 타겟들의 금속 비율을 반영하지 않았다. 샘플 C는, Al₈₀Mo₂₀의 타겟 조성과 비교해 합성 Al_0.76Mo_0.24N_1.15에서 Al의 뚜렷한 "손실"(loss)을 보여준다. 테이블은 또한 미소경도 측정(microhardness measurements), 압입률(indentation modulus)(E_IT) 압입 미소경도(indentation microhardness)(H_IT)에 의해 달성된 코팅들의 기계적 특성을 포함한다.

테이블 2에서, 폴리싱 전후의 샘플들의 표면 거칠기(surface roughness)( R_z, R_a, R_Pk, R_vk, Mrl and Mr2)를 설명하는 매개변수들이 기재된다. 아크 증발에 의해 증착된 코팅들의 거칠기는 액적의 연속적인 포함에 의해 야기된 코팅 두께에 따라 증가된다. 그러나, 합성 코팅들의 표면 거칠기는 코팅 두께 하나만으로 좌우되지 않는다. 이것은, 예컨대 타겟 재료의 용해점, 타겟들의 제조방법(fabrication method), 타겟 조성 및 아크 소스(arc source)의 자기장(magnetic field)에 의해 영향 받는다. 탄화 텅스텐 기판들(tungsten carbide substrates) 상에 증착된 코팅들의 균열 횡단면 SEM(X-SEM) 현미경 사진들이 도 1 내지 도 6 에 표시되어 있는데, 코팅들의 일반적인 현미경 사진을 나타낸다. Cr_xN 접착 레이어는 SEM 이미지들에서 어두운 칼라에 의해 기능성 레이어로부터 쉽게 구별될 수 있다(도 3-도 6). 도 1은 샘플 A 의 X-SEM 현미경을 보여준다. 3.28㎛의 R_z을 지닌 두꺼운 Cr_1.0N_1.0 코팅은 다수의 액적 및 코딩들 내로 느슨하게 통합된 액적을 나타내는 개구들(openings)에 의해 특징된다. XRD에 의한 결정구조의 분석(여기에 도시되지 않음)은 아마도 액적에서 기인하는 체심 입방 크롬(body-centred cubic)(IDD 01-089-4055)의 일부 추가를 지닌 면심 입방 크롬 질화물(face-centred cubic chromium nitride)(IDD 03-065-2899)를 보여준다. 이것은 낮은 바이어스 전압을 사용하는 아크 증발 코팅에 대한 이전의 조사에서 얻어진 결과에 따른 것이다. 유리와 같은 미세구조(glassy microstructure)는 단지 1.7㎛의 두께 및 1.73㎛의 R_z값를 지닌 ta-C 레이어(도 2)에 대해서 발견된다. Al_0.76Mo_0.24N_1.15(도 3)의 X-SEM은 성장 레이어(grown layer)에서 조잡한 미세조직 및 많은 결함에 의해 특징된다. 비교해보자면, Mo_1.0N_1.0 및(도 4) 및 Mo_1.0N_1-xO_x(도 5) 코팅들의 균열 횡단면은 더 조밀하여 성장(growth) 동안에 액적 발생이 덜 나타난다. 이러한 세가지 코팅들은 약 15㎛ 의 두께 및 3.46㎛ 및 4.31㎛ 사이의 R_z 값을 갖는다. 또한 Mo_0.85Cu_0.15N_1.0(샘플 F) 의 표면 거칠기는 비록 그 레이어 두께(도 6a)가 단지 4.6㎛ 일지라도, 거칠기 범위( R_z = 3.75㎛)에서 정렬된다. 이런 상대적으로 높은 표면 거칠기는 샘플의 표면에 Cu가 풍부한 액적(Cu-enriched droplets) 의 존재에 의해 설명될 수 있다. 이러한 액적들은 증착 동안에 발생되어 성장 동안에 코팅의 표면에 느슨하게 포함된다(도 6b). 따라서, 음극 아크 방전에 의해 제조된 여섯가지 샘플들은 형태(morphology) 및 표면 거칠기(surface roughness)에 대해서 넓은 범위의 특징들을 보여주며 코팅 분류 능력에 대한 왕복 마모 테스트의 유용성을 나타낼 수 있다.

폴리싱 후에 측정된 표면 거칠기는 또한 테이블 2에 주어진다. 재료들의 분류에 대한 경향은 폴리싱 전후의 R_Pk 값을 비교함으로써 추론될 수 있다. 이러한 값들은 어보트- 파이어스톤 커브(Abott-Firestone Curve)에서 큰 R_z 의 값에 대한 표면 거칠기의 감소를 특징으로한다. 0.03 부터 0.04㎛ 까지의 값의 뚜렷한 감소(pronounced decrease)는 샘플 A,D 및 F에 대해서 발견된다. 샘플 C의 값(0.17㎛) 및 샘플 E의 값(0.11㎛)은 더 높다. 최초 R_Pk 값 0.53㎛에서 다소 높은 0.55㎛ 까지 값이 샘플 B(ta-C)에 대해서 감소가 관찰되지 않는다.

다른 코팅 재료들은 건조하고 폴리싱되지 않은 상태 및 윤활되고 폴리싱된 상태 하에서 왕복 마모 테스트에 의해 조사된다. 모든 측정들에 대한 대응부(counter-part) 재료들은 100Cr6 스틸이다. 테스트는 CoF의 시간 의존성, 코팅된 기판의 마모 작용 및 마찰 대응부의 마모 작용에 대한 정보를 제공한다. 대응부에서 생성된 마모 상한(한도)직경(wear cap diameter)로 부터 추론되는 마모 볼륨(wear volume)은 대응부의 마모를 정량화(quantify)하기 위해 사용될 수 있다. 광학 현미경은 대응부로부터 코팅 또는 그 반대로 재료들 이동(material transfer) 연구를 위해 사용된다. 도 7은 조사된 재료들에 대한 시간의 함수(function of time)로써 CoF를 보여준다. 테스트의 마지막(CoF_fin)에 CoF가 윤활된 폴리싱 상태 뿐만 아니라 건조한 폴리싱되지 않는 상태에 대해 테이블 3에 기재된다. 또한 테이블은 측정된 미모 상한직경 및 대응부 마모 볼륨을 기재한다. 건조한 폴리싱되지 않은 실험에 대해, 도 7의 CoF 커브는 재료들의 세가지 범주들(three categories)을 제안한다: 추가 감소에 대한 경향을 지닌 가장 낮은 마찰계수는 ta-C 코팅된 샘플에서 관찰된다. 그러나, 커브는 코팅의 단단한 액적에 의해 야기될 수 있는 정점들(peaks)을 보여준다. 가장 높은(최대) 마찰은 대략 0.8 및 그 이상에서 달성된 CoF 값에 대한 Cr_1.0N_1.0 및 Al_0.76Mo_0.24N_1.15 에 대해서 관찰된다. MoN-기반 코팅들은 비록 샘플 A 및 C에 대해 유사한 표면 거칠기를 갖고 있지만 더 낮으며 일부분 유사한 마찰계수(lower and share similar friction coefficients)를 갖아서(0.60 및 0.65 사이), 그 결과 중간 마찰 범위(medium friction range)를 갖는다. 광학 현미경에 의한 테스트 이후의 마찰 조사는 도 8a 및 도8b에 도시되어 있다. 도면들은 테스트 후의 모든 샘플들에 대한 코팅 표면(위쪽) 및 대응부의 마모 상한(wear cap)(아래쪽)을 비교한다. Cr_1.0N_1.0 (샘플 A)은 대응부(counter-part)로부터 마모 트랙(wear track)까지 상당한 재료 이동(material transfer)을 보여준다. 이것은 샘플B(ta-C)에 대해서는 다르다. 마모 트랙은 테스트 후에 뚜렷한 재료의 이동없이도 평평해진다. 그에 반해, 대응부는 코팅으로부터 탄소를 받는다. 샘플 C의 현미경 사진은 비상수 CoF 작용(도 7)에 의해 지원되는, 규정되지 않은 마찰 상태(undefined tribological situation), 추정(assumption)을 표시하고 양자의 조합을 제시한다. Mo-N 기반 코팅 재료들에 대해서, 대응부로부터 코팅된 샘플까지 두드러진 재료 이동이 보이지 않는다. 그러나, 코팅으로부터 대응부까지 재료 이동은 있다. 대응부의 마모는 샘플들 사이에서 다르다. 마모 볼륨은 Mo_1.0N_1.0(1.83*10⁷㎛³)에 대해서 가장 높고(최고이며), Mo_0.85Cu_0.15N_1.0(1.36*10⁶㎛³)에 대해서 가장 낮다(최소이다). 후자는 폴리싱되지 않은 표면들 및 건조한 슬라이딩 상태에 대한 대응부의 가장 낮은 마모를 보여 준다.

윤활 상태하에서 폴리싱된 샘플들에 대한 CoF의 시간 의존성(time dependence)은 테스트 기간이 122.5 분으로 증가되어 있는 도 9에 묘사되어 있다. ta-C의 CoF_fin 은 0.10 까지 감소된다. Mo-DTC 윤활에도 불구하고, 커브는 스파이크(spikes,산 모양으로 꺽인 부분)에 의해 특징된다. 이것은 비결정질 ta-C 메트릭스로부터 강하게 접착된 액적을 제거하지 않은 이미 논의된 부족한 폴리싱과 일치한다. 대응부의 적용범위(coverage)에 의해 표시되는 ta-C의 흑연화(graphitization) 동안에, 액적의 점진적 방출(gradual release)은 이러한 스파이크들을 만들 수 있다. 샘플 C(Al_0.76Mo_0.24N_1.15)은 0.17의 CoF_fin을 지닌 가장 큰 값을 갖는다. 샘플 B의 비결정질 외관(amorphous appearance)과 비교하며, 샘플 C의 X-SEM 현미경 사진은 레이어 및 그 표면들에서 다수의 입자들(grains) 및 액적(droplets)을 보여준다. 이것은 균열 전파(crack propagation )및 파편들의 발생(generation of debris)을 지원한다. Cr_1.0N_1.0 및 Mo_1.0N_1.0은 0.07을 지닌 가장 낮은 마찰계수를 갖으며, 반면에 Mo_1.0N_1-xO_x 및 Mo_0.85Cu_0.15N_1.0 은 다소 더 높은 0.09의 CoF_f 를 공유한다. 마모 트랙 및 대응부의 현미경 사진이 도 10a 및 10b에 도시되어 있다. 샘플A의 마모 트랙은 어떠한 코팅 마모도 표시되어 있지 않으며 또한 대응부도 마모 자국을 제공하지 않는다. 현미경 사진에 의해 도시된 대응부의 상한은 테스트 동안에 실제 재료의 제거량보다는 오히려 이 면적에서의 가역적 변형(reversible deformation)에 기인된다. 샘플 B는 윤활 상태 하에서 대응부의 감소된 마모(7.29*10⁵㎛³)를 보여준다. 비록 약 1500s에서 CoF의 계단파형 감소(steplike decrease)가 아마도 접촉 면적에서 변화하는 것이 관찰되지만, ta-C 코팅은 안정적으로 보인다. 그러나, 일부 긁힌 자국(scratch traces)은 테스트 동안에 방출된 경질 탄소 액적으로부터 보여질 수 있다. Al_0.76Mo_0.24N_1.15 는 또한 광학 현미경에 의해 마모가 검출되지 않을 수 있는 안정된 코팅을 형성한다. 대응부 마모는 조사된 샘플들 중에서 가장 높다. 위에서 이미 논의된 파편 발생 또는 날카로운 형태의 단단한 액적(sharp sized hard droplets)은 더 나은 폴리싱을 방해할 수 있다. 마모 상한 직경(wear cap diameter)을 기반하여, 샘플 D, E 및 F 는 Cr_1.0N_1.0 과 유사한 마모 작용을 보여준다. Mo_1.0N_1.0 샘플에 대한 대응부의 약간의 갈색 채색은 테스트에서 코팅 안정화에 영향을 미치지 않는 오일 또는 첨가제의 저하 및 분해에 기인힌다. 또한 Mo_0.85Cu_0.15N_1.0(샘플 F) 는 Cr_1.0N_1.0과 유사한 마모 상한을 발생시킨다. Mo_1.0N_1-xO_x 샘플들에 대한 상황이 눈에 띈다. 대응부의 마모가 광학 현미경에 의해 검출할 수 없고 링(ring)은 대응부의 가역적인 변형에 기인한다. 코팅들의 다른 압흔 경도들(indentation hardnesses) 및 만입률들(indentation moduli)에도 불구하고, 샘플 A, D, E 및 F 의 관찰되는 마모 상한 직경은 이러한 추정을 제시한다. 그것은 단지 탄성 변형에서 기인한(생겨난) 접촉 면적(contact area)의 평가에 의해 샘플 F에 대해 입증된다. 테이블 1에서 주어진 정해진 테스트 매개변수들(대응부의 직경 및 부하), Cr_xN 인터페이스의 두께 및 Mo_1.0N_1-xO_x 코팅들의 두께 및 기계적 상수들(mechanical constants)이 이러한 접촉 평가(contact evaluation)에 대해 사용된다. 경화 스틸 디스크(기판)의 E_IT 및 스틸 대응부의 E_IT 는 각각 231 GPa 및 222 GPa 로 측정된다. 0.25 및 0.3의 푸아송 비율(Poisson's ratios)은 코팅 및 경화 스틸(디스크 및 대응부)에 대해서 추정된다. 탄성 접촉 영역(elastic contact region)은 확대된 헤르츠 접근(법)을 사용하는 계층화된 접촉 모델을 적용하여 평가된다. 그 결과, 104㎛의 접촉 직경이 얻어지며, 그것은 도 10b(중간 부분)에서 측정된 원형(circle)의 반경(97㎛)과 오히려 완벽하게 일치한다. 비슷하고 좋은 일치가 또한 다른 세가지 샘플들의 마모 직경에서 발견된다.

실험 및 코팅 분석으로부터의 결과(Findings from the experiments and from the coating analysis)

반응성 음극 아크 방전은 복잡한 얇은 필름 재료들을 합성하기 위한 다목적 접근법(versatile approach)이다. 스퍼터링 기술에서 요구되는 것과 같은 타겟 오염(target poisoning)을 방지하기 위한 반응성 가스의 정교한 제어가 필요없다. 또한 조성 타겟은 이러한 방법으로 얻을 수 있는 거의 무제한의 코팅 설계를 지원한다. 타겟 재료와 합성된 재료의 금속 성분의 화학 조성의 비교는 두개의 가능성을보여준다: 타겟 조성은 샘플 F(Mo_0.85Cu_0.15N_1.0)에 대해 유지될 수 있으며, 반면에 샘플 C(Al_0.76Mo_0.24N_1.15)에 대한 두드러진 Al의 "손실" 이 측정된다. 단지 -40V 의 낮은 기판 바이어스 및 질소의 배타적인 사용 및 아르곤 가스가 없음으로 인해, 증착 동안에 기판부(substrate site)에서 재-스퍼터링의 가능성이 없다.

코팅에서 알루미늄 손실의 영향의 설명은 보다 상세한 조사를 필요로 한다. 우리의 실험에서 도시된 바와 같이 증착된 레이어들의 조성은 타겟 조성에 의해 재현가능하게 제어된다는 것이 중요하다. 그것은 미래의 요구사항들이 마찰 시스템의 최적화를 위해 질화물들 및 산화 질화물들 또한 순수한 산화물 이외에 연관된 매우 상세한 재료 설계에 영향을 끼칠(dictate) 것으로 생각된다. 음극 반응성 아크 방전은 이러한 요구사항들에 대응하는 타겟 설계의 자유(freedom)와 반응성 가스 제어의 용이성을 겸비한다. 필터링되지않은 아크 증착 프로세스와 관련된 액적의 발생은 마찰 어플리케이션을 위한 코팅들의 사용에 대해서 회의적인 생각을 불러 일으킨다. 이것은 실제로 표준 방법들에 의해 폴리싱(ta-C)되기 어려운 재료들 또는 날카롭고 단단한 외형을 보여주거나 또한 윤활 상태하에서 단단한 파편들을 생산하는 재료들에 대해 문제점이 있다(Al_0.76Mo_0.24N_1.15). 그러나, 액적 형성(droplet formation) 은 의도적으로 코팅에 구멍들을 생성시키는데 사용될 수 있으며 또는 폴리싱 동안에 쉽게 제거될 수 있는 액적을 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 도 6b는 Mo_0.85Cu_0.15N_1.0 샘플의 표면을 보여준다. 코팅의 표면은 다수의 액적들 및 구멍들에 의해 특징된다. 폴리싱 동안에, 큰 액적들은 15.8에서 9.1 까지, 즉 40% 이상, Mr1의 감소에 반영되게 용이하게 제거될 수 있다. 이것은 큰 R_z 값들이 대폭 감소되는 것을 의미한다. 그러나, 91.6에서 89.0 까지 Mr2의 감소(3% 미만으로 감소)는 단지 미미하다(marginal). 이것은 큰 정점들이 제거되는 동안 코팅의 "밸리" 특징은 유지되는 것을 의미한다. 또한 "밸리들"은 ta-C에 대해 유지된다. 그러나 이 경우에 폴리싱의 어려움 때문에 거의 변화되지 않은 표면(Mr1에서 심지어 작게 증가)을 초래한다. "밸리들"은 윤활제의 저장소로 제공되어 시스템의 마찰 성능을 향상시킨다. 따라서 더 단단한 코팅 매트릭스로 느슨하게 통합되는 "부드러운" 액적들의 생성을 촉진하는 타겟 설계는 아크 증착 기술에 대한 추가적인 가능성(potential)이 있다.

엔진의 마모 작용을 모델링하는 가능성(potential)을 갖기 때문에 왕복 마모 테스트는 연구를 위해 선택된다. 상기 테스트는 다른 슬라이딩 상태하에서 수행될 수 있으며, 대응부 재료, 윤활제, 첨가제, 온도 및 접촉 압력에 대하여 변화될 수 있다. 테스트 결과들은 재료 이동 또는 너무 높은 마찰 계수를 초래하게 증착된 상태로서의 너무 높은 표면 거칠기를 갖는 모든 조사된 코팅들은 나타낸다. 더 높은 접촉 압력 및 지속적인 변화하는 접촉 상태 때문에 테스트의 마지막 동안에 실행하는 재료들 이동 또는 재료 변환(material transformations)이 다르다. 우리는 테스트의 마지막의 상테에 우리자신을 제한한다. 샘플 A 및 C에 대해, "스커핑"(scuffing)과 유사한 효과를 나타낼 수 있는 대응부로부터 코팅까지 재료 이동이 관찰된다. ta-C 에서, 경질 ta-C가 흑연화되는 것이 나타나는 대응부까지 재료 이동이 관찰되고, 고체 윤활 형태로 이어진다. 이 흑연화된 탄소에 의한 대응부의 적용범위(coverage)는 건조 상태하에서 낮은 마찰 계수의 원인이다. 그것은 건조 상태하에서 마찰 어플리케이션들에 대한 ta-C의 가능성(potential)을 보여준다. 그러나, ta-C 표면의 폴리싱이 어려워서 저비용의 어플리케이션들에는 허용하지 않을 수 있다. 0.6 및 0.65 사이의 CoF를 지닌 코팅들은 테스트 마지막에 코팅들까지의 재료 이동을 보여주지 않는다. 이것은 건조하거나 불충분한 윤활하에서 "스커핑 없음"(no scuffing) 효과를 나타내는데, 이는 엔진 어플리케이션에 대한 중요한 요구사항 (important requirement)이다. 그러나, Mo_1.0N_1.0 및 Mo_1.0N_1-xO_x 는 높은 표면 거칠기 및 경도로 인해 대응부의 높은 마모를 야기한다. 이러한 두가지 재료에 대해 만약 고체 윤활 효과가 존재하면 단지 코팅된 샘플에 대해 활성화되고 대응부에 대해서는 활성화 되지 않는다. ta-C (3.40*10⁶㎛³) 및 Mo_0.85Cu_0.15N_1.0(1.36*10⁶㎛³)은 비록 이러한 코팅들이 높은 미세경도를 가지고 있지만 폴리싱되지 않은 샘플들 중에서 대응부의 가장 낮은 마모를 유발한다. 심지어 부드러운 Cr_1.0N_1.0도 약간 더 높은 마모를 유발한다. 광학 현미경 사진(도 8a 및 8b)은 대응부 마모를 감소시키며 코팅된 표면에서 기인되는 재료에 의한 대응부의 적용범위 샘플B 및 F에 대해 보여준다. 그 결과들은 아크 증발에 의해 증착된 코팅들의 후-처리가 필요하거나 강하게 권장되는 것을 제시한다. 그러나, 예컨대 피스톤 링들(예컨대, Cr_xN)에 대한 표면 마감 방법들(surface finishing methods)은 이미 수년 전부터 생산되고 있으며 새로운 코팅 재료들에 대해 쉽게 적용될 수 있다.

윤활 상태하에서 폴리싱된 샘플들에 대한 왕복 마모 데스트에서의 결과들은 대부분의 재료들에 대한 성능의 증가를 보여준다. 모든 코팅들은 마모가 줄어들거나 어떤 마모도 갖지 않는다. 단지 ta-C 레이어에서, 약간의 스크래치 패턴(scratch patterns) 이 관찰될 수 있는데, 이는 단단한 액적에 의한 마모를 다시 보여준다. 이런 폴리싱의 작은 효과(단지 거칠기 10% 감소)는 더 부드러운 100Cr6 스틸 대응부의 두드러진 마모 결과를 초래한다. 샘플들 A,D,E 및 F에 대한 대응부 마모(counter-part wear)는 무시될 정도이다. 마모 상한 직경은 단지 대응부의 탄성 변형을 가시화 한다.

요약하면, 연구들은 왕복운동 엔진 어플리케이션들에서 마찰 시스템을 최적화하기 위해 사용될 수 있는 코팅 재료들의 많은 다양성을 실현할 수 있는 음극 아크 방전을 보여준다. 왕복 마모 테스트의 결과들은 실제 엔진에서 더욱 비용이 많이드는 테스트 또는 어플리이션에 대한 코팅들의 사전 선택 및 최적화의 제1 단계로 사용될 수 있다. Mo-기반 재료들은 특히 Mo_0.85Cu_0.15N_1.0 및 Mo_1.0N_1-xO_x 멀티레이어 구조에 대한 테스트 상태 하에서 유망한 결과를 보여준다. Mo_0.85Cu_0.15N_1.0 의 경우, 음극 아크 방전에서 액적 발생의 단점을 윤활제 저장소로서 작용할 수 있는 코팅에 있는 구멍들을 유지하고 폴리싱에 의해 약하게 접착된 액적을 제거함으로서 장점으로 바꿀수 있을 것으로 보인다.

현 발명의 추가적 중요 양태(Further important aspects of the present invention)

도 7은 대응부로부터 코팅된 부분까지 재료 이동을 방해하는 약간의 코팅 재료들을 보여준다. 재료 이동은 마찰 시스템에서 구성요소들의 마모 및 감소된 수명을 의미하기 때문에 이것은 마찰 시스템의 설계에서 중요한 양태이다. ta-C 외에., 재료 이동을 방해하기 위해 선호되는 코팅 재료들은 MoN- 기반(MoN-based)이다. 이것에 대한 원인은 슬라이딩 상태하에서 표면에 이러한 재료들에 대해 발생하는 고체 윤활이다: ta-C 에 대한 흑연화 및 MoN-기반 재료들에 대한 산화. 또한 고체 윤활은 만약 이러한 재료들이 단단한 코팅에 포함될 수 있으면 부드러운 재료들에서 향상되거나 달성될 수 있다. 이것은 MoN이 건조하고 폴리싱되지 않은 상태하에서 대응부의 마모가 감소되는 것 뿐 아니라 코팅된 부분으로 재료 이동이 방해되는 효과를 지닌 Cu에 의해 도핑된 경우이다. 이 경우에 명백히 두가지 효과는 슬라이딩 상태를 향상시키는 역할을 한다. 처음에 액화의 형태를 기반하여 높은 접촉 압력 하에서 구리에 의해 자가-윤활 효과가 다시 야기된다. 대응부 재료에 따라, 구리를 지닌 대응부의 적용범위 또는 부분적 적용범위가 생길것이다. 또한, 다른 효과는 Mo-Cu-N 코팅에서 관찰될 수 있다. 이는 타겟 재료의 증발 동안에 액적으로부터 기인한 코팅에 있는 "밸리" 또는 구멍들의 생성이다. 이 경우에 조성 타겟으로부터 아크 증발의 바람직한 부산물이다. 이러한 액적들은 코팅(ta-C와 대비하여)에 느슨하게 포함되며 많은 구멍들을 지닌 표면을 폴리싱하지 전에 이미 형성된다. 액적들의 구리 함유량(copper content)은 매트릭스 코팅의 Cu 함유량과 비해 더 높으며, 매트릭스의 부드러운 액적들의 기계적 통합(mechanical integration)은 단지 불충분(insufficient)하다. 이것은 적어도 부분적으로 매트릭스 코팅 및 액적 사이의 경도 차이에서 기인하며 또한 Mr2 상의 폴리싱의 한계 효과(marginal impact)에 의해 반영된다. 이는 폴리싱 전에 이미 고체 및/또는 액체 유형(solid and/or liquid nature)의 윤활제를 위한 저장소를 지닌 매트릭스 코팅이 발생되는 것을 나타낸다. 이것은 코팅된 표면에 대한 중요한 설계 툴(design tool)이며 오히려 액체 윤활에 대해 명백하다. 그러나, 그것은 높은 증기압 또는 불충분한(부족한) 화학적 안정성으로 인해 보통 윤활제가 적합하지 않은 고온 어플리케이션에서 이용되는 표면들을 설계하기 위한 필수적인 툴이된다. 그러한 어플리케이션에서, "밸리들" 은 고체 윤활제 코팅(Mo-Cu-N)에 형성될 수 있다.

그러나, 고체 윤활제 코팅들의 이용은 항상 최상의 해결책을 제공하지 않을 수 있다. 이것은 도 9에 표시된 결과들에 나타난다. "빌트인"(built-in) 코팅되거나 자가-윤활 특성들(Mo-Cu-N and Mo-O-N)로 설계된 MoN-기반 코팅들은 0.09의 CoF_final 을 보여주며, Mo-N 및 Cr-N에 대한 값은 단지 0.07이다. 위에서 논의된 바와 같이, 모든 네개의 코팅들은 없거나 무시할 정도의 마모를 보여준다. 그러나, 슬라이딩 상태들은 순수한 금속-질화물 코팅들에게 더 낫다. 이것은 윤활제 및 윤활제의 첨가제에 의해 금속-질화물 표면들의 더 나은 습윤성의 결과라고 여겨진다.

위에서 논의된 사안은 폴리싱되지 않은 상태들 뿐 아니라 윤활되고 폴리싱된 상태 뿐 아니라 건조한 슬라이딩 하에서 코팅된 표면들에 대한 하기의 기술 향상 을 제시한다: Cr-N 또는 다른 금속 질화물 코팅과 Mo-Cu-N 또는 Mo-O-N 의 실행 레이어(running-in layer)의 결합(체).

추가 실험에서, 음극 반응성 아크 방전에 의해 생산된 산화물 코팅들은 상호 마모 테스트(reciprocal wear test)에 의해 슬라이딩 특성들에 대하여 조사되었다. Zr-O, Al-Cr-C-O, 및 Al-Cr-0 코팅들에 대한 CoF는 각각 도 11a,b 및 c 에 도시되어 있다. 코딩들은 공통적인 일부 작용을 갖는다: 그것은 폴리싱되지 않은 표면 및 폴리싱된 표면에 대해 단지 사소한 차이점(minor difference)을 지닌 건조 상태에 대해 매우 높은 CoF를 보여준다. 이것은 아마도 비윤활 상태에서 산화물 코팅의 파편의 형성에 기인한다. 그러나, 폴리싱된 표면에 대한 윤활 실험에서 MoN-기반 또는 CrN-기반 코팅들과 비교해 유사하거나 한층 감소된 마모가 관찰된다. Al-Cr-0 코팅에서, 마모 상한 직경이 가징 낮은데, 단지 약 180㎛ 이다.

이것은 두번째 기술 향상을 제시한다:

산화물 코팅들의 실행 특성을 향상시키기 위해 산화물 함유 코팅과 자가-윤활제 코팅(Mo-Cu-N 또는 Mo-O-N)의 결합(체). 자가-윤활제 코팅 또는 자가-윤활 코팅의 증착 이전에 폴리싱될 수 있는 산화물 코팅은 산화물 코팅 아래의 본래의 표면 거칠기(intrinsic surface roughness)를 감소시키기에 충분히 두꺼워야 한다.

많은 산화물 코팅들은 일반적인 금속-질화물 코팅들 보다 높은 온도에서 더 나은 기계적 안정성과 함께 온도에 안정적인 화합물을 형성하는 것이 문헌에 알려져 있다. 여기에 도시되지 않은 실험에서, 순수한 Cr-N 코팅들은 200℃에서 사용된 슬라이딩 상태하에서 전적으로 불안정하며, 반면에 얘컨대 Al-Cr-0 코팅은 아무 마모도 보이지 않는다. 이러한 테스트에서, 알루미나 대응부가 사용되었다.

실험에서 온도가 800℃(다시 알루미나 대응부로)까지 증가되었으며, 이는 Al-Cr-0 코팅의 CoF가 실온(at RT)에서 0.6에서 0.4까지(건조 상태) 감소되는 것이 관찰될 수 있다. 비록 30%가 감소하지만, 이것은 물론 실온에서 윤활 상태하에서 얻어질 수 있는 CoF가 전혀 아니다. 그러나, 800℃에서 일반적인 윤활이 작용되지 않는다. 비록, 발명자는 고온에서 자가-윤활 프로세스를 설명할 수는 없지만, 슬라이딩 테스트는 산화물 코팅 또는 자가-윤활 코팅에서 "밸리들"의 생성이 슬라이딩 상태를 향상시키는 것을 보여주었다. 또한 "밸리들"의 일부(Mr2)는 산화물 코팅들 또는 자가-윤활 오버코트(self-lubricated overcoat) 및 산화물 코팅의 결합(체)의 폴리싱에 의해 증가될 수 있다.

위의 조사에 기반하여, 다른 기술적 향상을 제시한다:

온도에 안정적인 산화물 코팅을 커버링하는 매트릭스 코팅의 구멍들과 온도에 안정적인 고체-윤활 코팅의 결합(체)은 또한 표면에 구멍들을 보여줄 수 있다.

본 발명에 따라 가장 바깥쪽 자가-윤활 레이어를 포함하는 코팅 시스템은 건조 상태하에서 작동되어야 하는 마찰 시스템의 어플리케이션들에 대해 특히 유익할 수 있다. 예컨대, 상승되는 온도에서 작동되는 마찰 시스템의 어플리케이션에 대해서 어떤 윤활제를 사용하는 것이 불가능하다. 슬라이딩 마찰 시스템의 경우에, 적어도 제1 및 제2 슬라이딩 구성요소를 포함하며, 각각의 슬라이딩 구성요소는 마찰 접촉(tribological contact)(다른 하나에 대해서 하나의 슬라이딩 표면의 상대적인 이동)에 노출되는 적어도 하나의 슬라이딩 표면을 갖는다. 연관된 슬라이딩 구성요소들의 마모를 감소하거나 방지하기 위해, 제1 슬라이딩 구성요소의 슬라이딩 표면 및/또는 제2 슬라이딩 구성요소의 슬라이딩 표면은 가장 바깥쪽 자가-윤활 레이어를 포함하는 본 발명의 어떤 실시예에 따른 코팅 시스템으로 코팅(적어도 부분적으로)되어야 한다.

Claims (19)

1. 슬라이딩 구성요소(10)는 윤활 상태하에서 다른 구성요소에 대해서 상대적으로 이동하도록 노출되는 슬라이딩 표면을 갖으며, 상기 슬라이딩 구성요소(10)의 슬라이딩 표면은 가장 바깥쪽 레이어(7)를 포함하는 코팅 시스템(1)으로 적어도 부분적으로 코팅되는데,
   상기 가장 바깥쪽 레이어(7)는 고온에서 기계적 안정성을 갖고 적어도 금속 산화물을 포함하는 산화물 함유 레이어이며, 상기 레이어(7)는 c 보다 적어도 두배 큰 b 및 c>0 또는 c=0 을 지닌 화학식 Me_1-b-cX_cO_b에 의해 정의된 원소 조성(element composition)을 갖으며,
   여기에서 Me는 Mo와 상이한 금속 또는 Mo를 포함하지 않은 다른 금속들의 결합(체)이며, Me는 1-b-c의 원자 퍼센트의 농도를 갖으며,
   O는 b의 원자 퍼센트의 농도를 갖는 산소이고,
   X는 질소 및/또는 탄소이거나 질소 및/또는 탄소를 함유하며, c의 원자 퍼센트 농도를 갖으며,
   상기 가장 바깥쪽 레이어(7)는 본질적으로 돌출부가 나타나지 않으나 오목부가 나타날 수 있는 매끄럽거나 또는 매끄럽게된 표면(smoothed surface)를 갖으며,
   산화물-함유 레이어(7)는 레이어 내에 포함된 아크-PVD 액적들을 포함하는 아크-PVD-증착 레이어이며, 지르콘 산화물(zircon oxide), 알루미늄 크롬 탄소 산화물(aluminum chromium carbon oxide) 또는 알루미늄 크롬 산화물(aluminum chromium oxide)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 구성요소(10).
   
2. 제 1항에 있어서,
   가장 바깥쪽 레이어(7)의 표면은 수 마이크로미터(several micrometer) 또는 그 이하의 직경을 지닌 본질적으로 다수의 원형 오목부를 포함하며, 상기 오목부는 표면 위에 임의로 분포되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 구성요소(10).
   
3. 제 1항에 있어서,
   가장 바깥쪽 레이어(7)의 표면은 폴리싱된 표면인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 구성요소(10).
   
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5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한항에 있어서,
   코팅 시스템(1)은,
   코팅 접착(력)을 향상시키기 위한 적어도 하나의 본딩 보강 레이어(3,bonding strength layer), 및/또는
   적어도 하나의 금속 질화물 함유 레이어(5), -여기에서 금속 질화물은 크롬 질화물(chromium nitride) 또는 몰리브덴 질화물(molybdenum nitride )- 및/또는
   가장 바깥쪽 레이어(7) 아래에 배치되는 적어도 하나의 추가 산화물 함유 레이어(6)를 추가로 포함하며, 상기 추가 산화물 함유 레이어(6)는 가장 바깥쪽 레이어(7)와 다른 것을 특징으로 하는 슬라이딩 구성요소(10).
   
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