KR102291260B1

KR102291260B1 - 기계 요소에 활주면을 제조하기 위한 방법

Info

Publication number: KR102291260B1
Application number: KR1020177019237A
Authority: KR
Inventors: 홀거 팻촐트
Original assignee: 섀플러 테크놀로지스 아게 운트 코. 카게
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2016-01-11
Publication date: 2021-08-20
Also published as: WO2016112904A1; KR20170102488A; US20170348797A1; DE102015221041A1; CN107002251A; JP6732760B2; JP2018504550A; CN107002251B; US11072040B2; EP3245391B1; EP3245391A1

Abstract

본 발명은, 기계 요소(1, 1'), 특히 캠 팔로워에 활주면(3, 3a, 3b)을 제조하기 위한 방법에 관한 것이며, 기계 요소(1, 1')는 그의 표면(2)의 적어도 일부분에 우선적으로 코팅(4, 4')을 구비하며, 그 다음 레이저에 의한 구조화를 이용하여 상기 표면 내에 표면 구조(5)가 도입된다. 코팅(4, 4')의 낮은 층 두께(s₁)에서도 코팅(4, 4')을 관통하지 않는 표면 구조(5)가 도입될 수 있도록, 표면 구조(5)의 도입이 레이저 간섭 구조화를 이용하여 수행된다.

Description

기계 요소에 활주면을 제조하기 위한 방법{METHOD FOR PRODUCING A SLIDING SURFACE ON A MACHINE ELEMENT}

본 발명은 기계 요소, 특히 캠 팔로워에 활주면을 제조하기 위한 방법에 관한 것이며, 기계 요소의 활주면은 하나 이상의 추가의 기계 요소에 대해 접촉 활주식 이용을 위해 제공되고, 하나 이상의 추가의 기계 요소는 활주면 상에서 활주 방향으로 활주되며, 기계 요소는 그의 표면의 적어도 일부분에 우선적으로 코팅을 구비하고, 그 다음 레이저에 의한 구조화를 이용하여 코팅 내에 표면 구조가 도입된다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따라 제조된 하나 이상의 활주면을 갖는 기계 요소 및 이러한 기계 요소와의 활주 접촉에 관한 것이다.

US 2005/0175837 A1에는 기계 요소에 활주면을 제조하기 위한 방법이 설명되며, 기계 요소는 그의 표면의 적어도 일부분에 우선적으로 코팅을 구비한다. 그 다음 레이저 구조화를 이용하여 상기 코팅 내에 표면 구조가 도입된다.

DE 10 2009 060 924 A1은 진공 마찰 공학적 응용을 위한 고체 윤활제를 포함하는 구조를 설명한다. 이 경우에, 다이아몬드형 탄소(DLC)로 이루어진 층을 포함하는 층 시스템이 기판 상에 형성되며, 층 시스템 내에, 또는 기판 및 층 시스템 내에 레이저 간섭 방법을 이용하여, 고체 윤활제로 충전된 함몰 구조가 형성된다.

상기 종래 기술을 기초로 하여, 본 발명의 과제는, 개선된 활주면의 제조 방법을 제공하는 것이며, 본 발명의 범주 내에서는 코팅 층의 두께가 낮아도 코팅을 관통하지 않는 구조가 도입될 수 있다.

상기 과제는 청구항 제1항의 전제부로부터 출발하여 특성부의 구성과 관련되어 해결된다. 그에 이어지는 종속 청구항은 각각 본 발명의 바람직한 개선을 반영한다.

본 발명에 따르면, 기계 요소, 특히 캠 팔로워에 활주면을 제조하기 위한 방법이 제안되며, 기계 요소의 활주면은 하나 이상의 추가의 기계 요소에 대해 접촉 활주식 이용을 위해 제공되고, 하나 이상의 추가의 기계 요소는 활주면 상에서 활주 방향으로 활주된다. 기계 요소는 그의 표면의 적어도 일부분에 우선적으로 코팅을 구비하며, 그 다음 레이저 간섭 구조화를 이용하여 코팅 내에 표면 구조가 도입된다. 코팅의 코팅 표면 상에서 수직으로 볼 때, 복수의 폐쇄된 구조 요소를 포함하는 표면 구조가 형성된다.

즉, 사용된 액체 윤활제가 표면 구조와 맞물려서 그에 가급적 오래 접착 유지될 경우, 특히 양호한 활주 특성을 갖는 활주면이 달성될 수 있는 것으로 나타났다. 따라서, 표면 구조는 액체 윤활제로 충전된 부피를 제공해야 하고, 그 위에서 활주 방향으로 활주되는 추가의 기계 요소의 부하 및 속도에 따라 윤활제를 제공하거나 방출해야 한다.

이 경우에, 활주면의 활주 응력이 어느 방향으로 수행되는지가 특히 중요한 것으로 인식되었다. 따라서, 추가의 기계 요소의 표면 활주시에, 구조 요소의 부피 내에서 윤활제의 압력을 증가시키고 -활주 방향에서 볼 때- 구조 요소의 단부에서 정유압 압력을 증가시키며 유체 역학적 윤활제 쿠션의 형성을 가능케 하는 구조 요소가 형성된다.

본 발명에 따르면, 구조 요소는, 코팅 표면 상에서 수직으로 볼 때 구조 요소의 주변이 코팅으로 둘러싸일 경우, 즉, 코팅의 주연부와 접촉되지 않을 경우, "폐쇄된" 것으로 간주된다. 구조 요소의 이러한 유형의 구성은 윤활제 수용을 위한 제한된 트로프(trough) 형태의 용기를 제공함으로써, 윤활제가 그로부터 쉽게 누출될 수 없다.

특히, 폐쇄된 구조 요소는 코팅 표면 상에서 수직으로 볼 때 활주면의 최대 10%의 면 확장을 포함한다. 이는, 추가의 기계 요소가 활주면 상에서 활주시에, 활주면의 충분한 위치에서, 유체 역학적 윤활제 쿠션이 형성되며, 활주 파트너들 간에 일종의 "수막(aquaplaning)" 효과가 생성되는 것을 보장한다.

특히, 폐쇄된 구조 요소는 선형으로 또는 점 형태로 함몰부 형태로서 형성된다. 폐쇄된 선형 구조 요소의 길이는 바람직하게는 약 20㎛ 내지 10mm의 범위 내, 특히 20㎛ 내지 5mm 범위 내에서 선택된다. 점 형태의 구조 요소는 특히, 활주면이 동적 응력뿐만 아니라, 정적 응력에 노출되거나 활주 속도가 매우 작거나 심지어 0일 수 있을 경우에 제공된다.

바람직하게는, 코팅 표면이 활주 방향에 대해 평행하게 가상의 중심선을 통해 두 개의 반부로 분할되고 선 섹션 형태의 구조 요소는 각도(γ≠0)에서 가상 중심선을 향해 배향된다. 특히, 선형 구조 요소는 활주 방향에서 볼 때 각도(γ≠0)에서 가상 중심선 쪽을 가리키도록 배향된다. 이러한 조치는, 유체 역학적 윤활제 쿠션의 형성을 더욱 촉진한다.

특히, 선형 구조 요소 중 각각 두 개는 V형 구조 형상을 형성하며, 이러한 V형 구조 형상의 첨부는 활주 방향을 가리키도록 배치된다. 이에 의해, 유체 역학적 압력이 특히 증가되는데, 그 이유는, 윤활제가 두 개의 선형 구조 요소로부터 그 위에서 활주하는 기계 요소를 통해 V의 첨부 영역 내로 가압되어, 그 곳에서 특히 효과적으로 유체 역학적 윤활제 쿠션이 생성되기 때문이다.

바람직하게, 기계 요소에서 코팅 및 구조화는, 기계 요소가 후속적인 사용에서, 다른/추가의 기계 요소와 활주식으로 접촉이 발생하는 코팅 표면의 영역 내에만 제공된다. 코팅 표면의 이러한 부분 또는 부분들, 또는 경우에 따라 전체 코팅 표면은 하나 이상의 상응하는 활주면이다.

통상적으로, 적절한 재료를 갖는 기계 요소의 표면의 코팅의 도움으로 활주 특성이 개선되는 반면, 구조화의 도움으로, 마찰 파트너들 간에 충분한 윤활제 양의 존재를 항상 보장하는 윤활제를 위해 의도된 저장소가 제공된다. 이러한 구조의 상응하는 형상에 의해 수막 효과와 유사한 효과가 생성됨으로써, 마찰 파트너가 존재하는 윤활제 양으로 인해 거의 다른 마찰 파트너 상에서 부유한다.

표면 구조의 도입은 레이저 간섭 구조화를 이용하여 실행된다. 달리 말하자면, 레이저 구조화는 구체적으로 레이저 간섭 구조화의 형태로 구현된다.

이러한 유형의 방법은 레이저 간섭 구조화를 이용하여, 낮은 깊이를 갖는 미세 구조가 형성될 수 있는 장점을 가지며, 이러한 구조는 정확하게 규정되며, 주기적으로 연속하는 동시에 낮은 제조 시간으로 제조될 수 있다. 레이저 간섭 구조화를 이용하여, 매우 낮은 구조 깊이가 구현될 수 있기 때문에, 코팅의 층 두께가 낮아도 표면 구조를 통해 관통되지 않는 활주면이 제조될 수 있다. 레이저 간섭 구조화에서, 통상의 기술자에게 공지된 방식으로 복수의 레이저 빔이 공동으로 각각의 구조화의 구성을 위해 이용된다.

종래의 레이저 구조화 방법의 응용시에, 매우 낮은 구조 깊이가 제조될 수 없는데, 이는 코팅의 층 두께가 낮으면 코팅의 관통을 초래한다. 이에 의해 통상, 코팅 및 구조화의 조정과 관련된 자유도가 서로에 대해 제한된다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 도입된 표면 구조의 깊이는 코팅의 층 두께에 대한 비율이 0.5이다. 이에 의해, 표면 구조와 코팅의 적절한 상호작용이 구현될 수 있다.

본 발명의 개선예에서, 코팅으로서, 크롬-니켈 층(CrNi-층) 또는 비정질 탄소로 이루어진 층이 제공됨으로써, 기계 요소의 적절한 활주 특성이 그 표면의 상응하는 영역 내에서 구현될 수 있다. 그러나 기본적으로, 본 발명의 범주 내에서 다른 코팅이 기계 요소의 표면 상에 제공될 수 있다.

이 경우에, 하나의 비정질 탄소층(DLC)에 부가적으로, 복수의 비정질 탄소층(DLC)들이 제공될 수도 있다. 또한, 질화물, 탄화물, 산화물로 이루어진, 여기서는 혼합 형태 및/또는 멀티 층으로서 하나 또는 복수의 경질 재료 층이 도포될 수 있다. 또한, 하나 또는 복수의 경질 크롬 층, 망간 포스페이트 층 및/또는 아연 포스페이트 층, 금속 술피드 층, 그라파이트 층, PTFE-층 및 청동 층의 형태의 코팅의 도포도 입증되었다.

본 발명의 다른 구성 가능성은, 캠 팔로워, 특히 버킷 태핏, 로커 암, 펌프 태핏 등의 활주면이 제조되는 것이다. 캠 팔로워는 내연 기관의 밸브 트레인 시스템용 버킷 태핏 또는 레버 형태의 캠 팔로워일 수 있거나 펌프의 부품일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 체인 핀에 활주면을 제조하기 위해 응용될 수도 있다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 표면 구조가 불균일하게 형성된다. 이러한 불균일성은 상이한 구조 깊이의 제공 및/또는 상이한 구조 기하학의 제공 및/또는 구조의 상이한 밀도에 의해 구현될 수 있기 때문에, 기계 요소의 표면에서, 작동 중에 발생하는 상이한 활주 속도에 대한 활주면의 매칭이 가능하다. 따라서, 표면 영역 내에서, 높은 활주 속도가 발생하여 많은 윤활제가 유지되어야 하는 곳에 많은 수의 구조 요소가 제공될 수 있다. 그러나 표면 구조가 기계 요소에 균일하게 형성될 수도 있다. 특히 바람직하게는, 구조 요소 내부에 윤활제 쿠션을 형성하기 위한 압력 형성을 더 지원하기 위해, 표면 구조의 구조 깊이는 폐쇄된 구조 요소의 영역 내에서 상이하게 형성된다.

본 발명의 다른 구성 가능성은, 0.01㎛ 내지 0.4㎛의 깊이를 갖는 표면 구조가 도입되는 코팅이 0.05㎛ 내지 6㎛의 층 두께를 포함한다. 그러나 기본적으로, 이것이 각각의 경우에 기술적으로 바람직하다면, 30㎛까지의 깊은 구조 또는 더 깊은 구조도 가능하다. 통상, 층 깊이에 비해 더 낮은 구조 깊이의 제공을 통해 코팅 표면 상에 윤활제의 보유가 구현된다.

본 발명에 따른 기계 요소 및 하나 이상의 추가의 기계 요소로 형성된 활주 접촉부에서, 기계 요소의 활주면이 하나 이상의 추가의 기계 요소에 대해 접촉 활주식 이용을 위해 제공되며, 하나 이상의 추가의 기계 요소가 활주면 상에서 활주 방향으로 활주를 위해 제공되며, 활주면에는 전체적으로 액체 윤활제가 제공되는 것이 입증되었다.

특히 이 경우에, 오일, 특히 SAE 식별 부호 0W-x 형태의 액체 윤활제 또는 디젤 연료가 사용된다. SAE 식별 부호 OW-x에서 알파벳 x에 대해 사용된 값이 작게 선택될수록, 윤활제의 유막은 더 얇다.

본 발명은 독립 청구항 또는 이에 종속되는 청구항의 특징들의 명시된 조합으로 한정되지 않는다. 또한, 가능한 실시예 및 개별 특징들이 청구 범위, 본 발명의 바람직한 실시예의 이하의 상세한 설명 또는 도면으로부터 직접 형성될 경우, 가능한 실시예 및 개별 특징들이 서로 조합된다. 도면 부호의 사용에 의한 청구 범위의 도면에 대한 관계는 청구 범위의 보호 범위를 한정하지 않는다.

도 1은 기계 요소의 단면도를 도시한다.
도 2는 로커 암 형태의 기계 요소의 3차원 도면으로 도시한다.

도 1은 기계 요소(1)의 일 부분을 단면도로 도시하며, 기계 요소(1)는 예를 들어 버킷 태핏, 로커 암 등과 같은 캠 팔로워이다. 기계 요소(1)는 그 표면(2)에 여기에 미도시된 추가의 기계 요소와의 접촉을 위한 활주면(3)을 갖추며, 활주면(3)의 구성을 위해 먼저, 코팅(4)이 표면(2) 상에 제공된다.

본 실시예에서, 크롬-니켈 층 또는 비정질 탄소로 이루어진 층일 수 있는 코팅(4)은, 0.05㎛ 내지 1.2㎛ 범위 내에 있는 층 두께(s₁) 및 코팅 표면(4a)을 포함한다. 코팅(4)에 이어, 표면 구조(5)가 코팅 표면(4a) 내로 도입되고, 이러한 구조화는 레이저 간섭 구조화에 의해 제조된다. 이 경우에, 폐쇄된 구조 요소(5a, 5b, 5c)들이 복수의 레이저 빔의 상호작용을 통해 형성되며, 표면 구조(5)의 구조 깊이(s₂)는 0.15㎛ 내지 0.4㎛ 범위 내에 있다. 따라서, 코팅(4)은 표면 구조(5)에 의해 관통되지 않는다. 레이저 간섭 구조화를 이용하여, 코팅은 낮은 층 두께(s₁)에서 구현될 수 있다. 도면 부호 7은 활주면(3)의 가상의 중심선(7)을 나타낸다.

활주면을 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법에 의해, 코팅이 관통되지 않으면서, 기계 요소의 코팅에 표면 구조가 형성될 수 있다.

도 2는 두 개의 활주면(3a, 3b)을 갖는 로커 암 형태의 기계 요소(1')의 3차원 도면을 도시한다. 기계 요소(1')의 활주면(3a, 3b)은 여기에 미도시된 하나 이상의 추가의 기계 요소에 대한 접촉 활주식 이용을 위해 제공되며, 하나 이상의 추가의 기계 요소는 활주면(3a, 3b) 상에서 활주 방향(GR)으로 활주된다. 기계 요소(1')는 그 표면(2)의 두 개의 영역 내에 (도 1 참조) 각각 코팅(4, 4')을 구비하며, 이어서, 상기 두 개의 영역 내로 레이저 간섭 구조화를 이용하여, 선형 구조 요소(5a, 5b) 및 점 형태의 구조 요소(5c)를 포함하는 표면 구조(5)가 도입된다.

이 경우에, 코팅(4, 4')의 코팅 표면(4a, 4a') 상에서 수직으로 볼 때, 각각의 코팅 표면(4a, 4a')은 활주 방향(GR)에 대해 평행하게, 가상의 중심선(7a, 7b)을 통해 두 개의 반부로 분할된다. 표면 구조(5)는, 각도(γ ≠ 0)에서 가상 중심선(7a, 7b)을 향해 배향된 복수의 선형 구조 요소(5a, 5b)를 포함하며 형성된다. 이 경우에, 복수의 선형 구조 요소(5a, 5b)가 쌍으로 배치되어 V형 구조 형상(6)을 형성하며, 이러한 V형 구조 형상(6)의 첨부는 활주 방향(GR)을 가리키도록 배치된다.

이에 의해, 활주면(3a, 3b) 상에 도포된 전체적으로 액체인 윤활제의 유체 역학적 압력이 특히 증가되는데, 그 이유는 윤활제가 두 개의 선형 구조 요소(5a, 5b)로부터 활주면 상에서 활주하는 기계 요소를 통해 V 형상의 첨부의 영역 내로 가압되어, 그곳에서 특히 효과적으로 유체 역학적 윤활제 쿠션이 생성되기 때문이다.

1, 1': 기계 요소
2: 표면
3, 3a, 3b: 활주면
4, 4': 코팅
4a, 4a': 코팅 표면
5: 표면 구조
5a, 5b, 5c: 구조 요소
6: 구조 형상
7, 7a, 7b: 가상 중심선
s₁: 층 두께
s₂: 구조 깊이

Claims

기계 요소(1, 1') 및 하나 이상의 추가의 기계 요소로부터 형성되는 활주 접촉부를 제조하기 위한 방법이며, 활주면(3, 3a, 3b)이 하나 이상의 추가의 기계 요소에 대해 접촉 활주식 이용을 위해 기계 요소(1, 1') 상에 제공되며, 하나 이상의 추가의 기계 요소는 활주면(3, 3a, 3b) 상에서 활주 방향(GR)으로 활주되며, 기계 요소(1, 1')는 그의 표면(2)의 적어도 일부분에 우선적으로 코팅(4, 4')을 구비하며, 그 다음 레이저 간섭 구조화를 이용하여 코팅 내에 표면 구조(5)가 도입되며, 코팅(4, 4')의 코팅 표면(4a, 4a') 상에서 수직으로 볼 때, 복수의 폐쇄된 구조 요소(5a, 5b, 5c)를 포함하는 표면 구조(5)가 형성되는, 활주 접촉부를 제조하기 위한 방법에 있어서,
활주면(3, 3a, 3b)의 영역들에서 사용되는 하나 이상의 추가의 기계요소의 활주 속도가 더 높을수록, 표면 구조(5)의 더 많은 수의 구조 요소(5a, 5b, 5c)가 상기 활주면(3, 3a, 3b)의 영역에 제공되고,
코팅 표면(4a, 4a')은 활주 방향(GR)에 대해 평행하게 가상의 중심선(7, 7a, 7b)을 통해 두 개의 반부로 분할되고 선 섹션 형태의 구조 요소(5a, 5b)는 각도(γ≠0)에서 가상 중심선(7, 7a, 7b)을 향해 배향되고,
선형 구조 요소(5a, 5b) 중 각각 두 개는 V형 구조 형상(6)을 형성하며, 이러한 V형 구조 형상(6)의 첨부는 활주 방향(GR)을 가리키도록 배치되고,
상기 V형 구조 형상(6)은 개별 형성되는 활주 접촉부 제조 방법.
제1항에 있어서, 폐쇄된 구조 요소(5a, 5b, 5c)는 코팅 표면(4a, 4a') 상에서 수직으로 볼 때 활주면(3, 3a, 3b)의 최대 10%의 면 확장으로 형성되는 활주 접촉부 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 폐쇄된 구조 요소(5a, 5b, 5c)는 선형으로 또는 점 형태로 함몰부 형태로서 형성되는 활주 접촉부 제조 방법.
삭제
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서, 도입된 표면 구조(5)의 구조 깊이(s₂)는 코팅(4, 4')의 층 두께(s₁)에 대한 비율이 0.5인 활주 접촉부 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 코팅(4, 4')으로서, CrNi-층 또는 비정질 탄소로 이루어진 층이 제공되는 활주 접촉부 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 캠 팔로워의 활주면(3, 3a, 3b)이 제조되는 활주 접촉부 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 활주면(3, 3a, 3b) 상에서 볼 때, 상이한 구조 깊이, 상이한 구조 기하학 및 상이한 구조 밀도 중 하나 이상을 구현함으로써 표면 구조(5)는 비균일하게 형성되는 활주 접촉부 제조 방법.
제9항에 있어서, 폐쇄된 구조 요소(5a, 5b, 5c)의 영역 내에서 표면 구조(5)의 구조 깊이는 상이하게 형성되는, 활주 접촉부 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 활주면(3, 3a, 3b)의 코팅(4)은 0.05㎛ 내지 6㎛ 범위의 층 두께(s1)로 형성되고, 0.01㎛ 내지 0.4㎛ 범위의 구조 깊이(s2)를 갖는 표면 구조(5)가 도입되는 활주 접촉부 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 따른 방법에 따라 형성된 활주 접촉부이며, 기계 요소(1, 1')의 활주면(3, 3a, 3b)은 하나 이상의 추가의 기계 요소에 대해 접촉 활주식 이용을 위해 제공되며, 하나 이상의 추가의 기계 요소는 활주면(3, 3a, 3b) 상에서 볼 때 작동 중에 발생하는 상이한 활주 속도로 활주 방향(GR)으로 활주면(3, 3a, 3b) 상에서의 활주를 위해 제공되며, 활주면(3, 3a, 3b)에는 전체적으로 액체 윤활제가 제공되는 활주 접촉부.
삭제