KR102472526B1

KR102472526B1 - 덜 경성인 부품에 대한 슬라이딩용 비정질 탄소 층으로 코팅된 기계 부품

Info

Publication number: KR102472526B1
Application number: KR1020217012171A
Authority: KR
Inventors: 크리스토프 에오
Original assignee: 이드러메까니끄 에 프러뜨망
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2014-07-07
Publication date: 2022-11-29
Also published as: CN105492651A; MA38802A1; CA2917126C; FR3008905B1; KR20220162870A; KR20160041903A; WO2015011361A1; US10344242B2; CN113584431A; MX2016001090A; AU2014294910A1; BR112016000651B1; CA2917126A1; KR20210047976A; JP2019135331A; JP2022003167A; HUE057103T2; RU2016106092A; SI3024959T1; RU2667557C2

Abstract

본 발명은 (수소를 제외하고 70 원자% 이상의 탄소를 갖는) 비정질 탄소 코팅이 갖추어지고 표면 경도가 코팅의 2/3 이하인 대응체 부품과 슬라이딩하여 협력하도록 사용되는 기계 부품에 관한 것이다. 기계 부품은 상기 코팅이 0.050 마이크로미터 이하인 프로필로메트리에 의해 측정된 조도(roughness) Ra 및, 0.004 마이크로미터 이상이고 0.009 마이크로미터 이하인 원자 힘 현미경으로 측정된 마이크로-조도를 갖는 것이다. 이는 덜 경성인 대응체 부품의 마모 및 코팅의 마모를 최소화한다.

Description

덜 경성인 부품에 대한 슬라이딩용 비정질 탄소 층으로 코팅된 기계 부품 {MECHANICAL PART COATED WITH A LAYER OF AMORPHOUS CARBON FOR SLIDING IN RELATION TO A LESS HARD COMPONENT}

본 발명은 더 연성인 물질의 부품에 대해 고 하중 하에서 슬라이딩하도록 구성된 기계 부품의 처리에 대한 것이다. 이는 특히, 그러나 비 배타적으로, 연소 기관 내의 피스톤 핀의 처리에 대한 것으로, 이는 이들 부품이 비정질 탄소의 하드 코팅(명칭 "DLC 형태"가 종종 사용되고, DLC는 다이아몬드-유사 탄소(diamond-like carbon)를 의미한다)을 받고; 이러한 개념은 아래에서 자세히 설명한다) 비교적 연성인 물질, 예를 들어 청동 또는 예를 들어 알루미늄의 합금(이러한 핀이 통과하는 링, 또는 이러한 핀을 받는 피스톤 바디)에 대해 마찰하기 때문이다. 그러나, 본 발명은 보다 일반적으로, 현저한 마모를 유발하기 쉬운 것으로 알려진 속도 및 하중 조건을 수반하는 마찰 응용에서, 더 낮은 경도의 다른 부품과 슬라이딩을 통해 협력하도록 구성된, 가장 흔하게는 금속으로 된 기계적 부품의 경우에 대한 것이다.

특히 비정질 탄소의 코팅에 의한 피스톤 핀 처리는 당업자에게 공지되어 있다. 이러한 형태의 코팅을 적용하는 것의 이점은 청동 또는 알루미늄으로부터 종종 제조된 대응체 부품에 대한 피스톤 핀의 끌림을 방지하는 것이다.

이와 관련하여, 문헌 DE - 10 2011 102　209, 문헌 WO - 2009/144076, 또는 예를 들어 문헌 [Wear 261 (2006) pp785-791]에 나오는 문헌 ["The effect of various surface treatments on piston pin scuffing resistance" by I. Etsion, G. Halperin and E. Becher]을 참조할 수 있고; 이 문헌은 다음의 주소에서 찾을 수 있다:

[http://www.technion.ac.il/~merei02/public/2_The%20effect%20of%20various%20surface%20treatments%20on%20piston%20pin.pdf]

이러한 끌림 방지 코팅의 적용은 이들 부품 사이에 존재하는 접촉 압력의 증가로 인해 필요하게 되었다. 접촉 압력의 증가는 관성으로 인한 에너지 손실 및 부품의 질량을 줄이기 위해 그 크기를 계속해서 줄이는 경향에서 발생한다.

일반적으로 당업자에게는, 슬라이딩/마찰에 의해 서로 협력하는 부품의 쌍 내에서, 가장 작은 경도를 갖는 부품의 마모는 가장 큰 경도를 갖는 부품의 표면 조도(roughness)와 함께 감소하는 것으로 여겨진다. 피스톤 핀의 경우에는, 따라서 청동 또는 알루미늄 부품의 마모는 비정질 탄소의 층으로 코팅된 대응체 부품의 조도와 함께 감소하는 것으로 일반적으로 여겨지고; 이것이, 청동 또는 알루미늄의 마모를 제한하기 위해, 증착 전에 표면 상태를 통해 피스톤 핀에 특별한 주의를 기울이는 이유이다. 그럼에도 불구하고, 증착 전에 조도를 최소화하는 것은 충분하지 않고 종종 코팅된 부품의 조도를 감소시키기 위한 마감 처리 작업에 의해 보충되어야 하는데; 이러한 마감 작업은 (당업자에게 공지된 방법에 따라) 브러싱으로 이루어질 수 있다.

그러나, 특정 조건에서, 청동 또는 알루미늄 마모가 아닌 비정질 탄소의 코팅의 마모가 이러한 비정질 탄소의 코팅의 높은 경도에도 불구하고 이례적으로 커지는 것을 발견하였다. 따라서 동일한 기계적 특성 및 조도 특성(용어의 거시적 의미에서, 아래 참고)을 가진 두 코팅이 완전히 다른 거동을 보일 수 있다. 한 경우에서, 대응체 부품(더 낮은 경도, 또는 "연성" 물질의)의 높은 마모 및 코팅의 극히 낮은 마모가 확인되는 반면, 다른 경우에서, 연성 물질은 최소한의 마모 그리고 코팅은 높은 마모로 특성화되는데, 그 이유는 알려지지 않았다.

시스템의 적절한 동작을 위해, 두 대응체 부품 각각이 부품의 장수명을 가능하게 하기 위해 최소한으로 마모되어야 한다는 것은 쉽게 이해할 수 있다.

따라서 (수소를 제외하고 70 원자% 이상의 탄소 또는 심지어 90 원자%를 갖는) 비정질 탄소 코팅이 갖추어져, 실질적으로 더 낮은 경도(예를 들어 코팅의 경도의 2/3 미만)의 대응체 부품과의 조합으로, 두 부품 중 어느 것도 사용 중 고 마모되지 않도록 하는 부품을 제조 및 특성화할 수 있는 것이 필요하다.

더 연성인, 즉 경도가 코팅보다 1.5 배 이상 작은 물질과 마찰하도록 구성된, 본질적으로 탄소로 구성된(수소의 양을 제외하고 70 원자% 이상) 비정질 탄소의 강성 박막으로 코팅된 부품의 마모를 통제할 수 있기 위해서, 본 발명은 거시적 규모(종래의 측정) 및 미시적 규모(원자 힘 현미경에 의함, 실제로 100 ㎛²미만의 면적에서)에서의 조도 조건을 교시한다.

보다 구체적으로, 본 발명은 비정질 탄소의 코팅(70 원자% 이상의 탄소)이 갖추어지고 표면 경도가 코팅의 2/3 이하인 대응체 부품과 슬라이딩하여 협력하도록 구성되고, 코팅이 0.050 마이크로미터 이하인 프로필로메트리에 의해 측정된 조도 Ra 및 0.004 마이크로미터 이상이고 0.009 마이크로미터 이하인 원자 힘 현미경으로 측정된 마이크로-조도를 갖는 부품을 제공한다.

여기에서 조도 Ra는 이 코팅을 갖는 부품의 조도라는 것을 이해해야 한다.

사실 두 상이한 기술을 사용하여 측정된 이들 범위의 조도에 따라, 마찰하는 표면 사이에 놓인 임의의 윤활제의 특정 특성과 무관하게, 훨씬 덜 강성인 대응체 부품의 고 마모를 일으키는 일 없이 이러한 코팅된 부품의 적절한 마모를 가져왔음이 명백해졌다.

이들 두 개념의 조도를 구별하기 위해(산술 평균 면에서), 단어 "조도"는 아래에서 종래의 수단에 의해 측정된 것에 대해 사용되고 표현 "마이크로-조도"는 원자 힘 현미경을 사용하여 측정된 조도에 대해 사용된다.

종래의 조도를 측정하기 위한 수단은, 침(통상적으로 2 마이크로미터의 국소 반경을 갖는다)의 크기에 의해 해상도 면에서 제한되는데; 원자 힘 현미경에 사용되는 침은 크기가 수 배 규모 작으므로(통상적으로 0.01 마이크로미터 또는 그 미만의 국소 반경을 갖는다); AFM 침은 종래의 수단이 감지할 수 있는 것보다 작은 디테일을 볼 수 있도록 한다.

DLC(다이아몬드-유사 탄소)의 막으로 코팅된 부품의 조도의 최대 및 최소값을 설정하는 원칙은, 문헌 WO - 2012/073717에서 이미 제안되었고; 여기에서 4.5 원자% 내지 30 원자%의 수소를 함유하고, 제곱 평균 조도가 5　nm 내지 25　nm(즉 0.005 내지 0.025 마이크로미터)인 DLC의 코팅이 권장되지만; 최소 한계의 존재는 DLC 층 및 대응체 부품의 마모를 최소화하려는 의도와 관련된 것이 전혀 아니고, 사용된 특정 윤활제에 제공된 첨가제의 작용을 가능하게 하는 반응에 필요한 에너지를 생성하기 위해 충분한 수준의 마찰을 담보하도록 제안된다(윤활제는 몰리브데넘-기재 화합물 및 첨가된 아연 및 황을 함유하고, 이 문헌은 MoS₂의 형성을 담보하도록 기재되었다); 사실, 이 문헌은 두 부품 모두 비슷한 물질로 될 것을 권장하고, 따라서 그 사이에는 경도의 큰 차이가 없고 그 사이에는 본 발명의 기저에 있는 기술적 과제가 발생할 수 없다. 어떠한 경우든, 이 문헌은 원자 힘 현미경의 기술에 의한 조도 측정의 이점, 또는 더욱이 (프로필로메트리에 의해) 종래대로 및 매우 특정한 기술에 의해 측정된 조도에 대한 한계를 설정하는 것의 이점을 개시하지 않는다. (산술 평균 면의 RA가 아닌 제곱 평균 조도 면의) 종래의 측정에 의한 조도만을 한정하여 고려한다면, 이 문헌은 (산술 평균 Ra 면에서) 본 발명의 최대값보다 훨씬 적은 최대 값을 교시한다는 것을 알아야 하며, 이는 본 발명의 AFM 마이크로-조도 범위와 모순될 가능성이 높다. 다시 말해, 본 발명은 이 문헌의 조도보다 큰 종래의 측정 면에서의 조도 범위를 절대적으로 교시한다.

바람직하게는(그러나 반드시 그런 것은 아님), 프로필로메트리에 의해 측정된 이 조도 Ra의 값은 0,020 마이크로미터, 또는 심지어 0.025 마이크로미터의 한계보다 크다. 여기서 이것은 코팅의 조도라는 것을 알아야 하고, 이는 코팅 전의 표면의 조도와는 다를 수 있다.

바람직하게는, 프로필로메트리에 의해 측정된 조도는 0.046 마이크로미터 이하이고 원자 힘 현미경 상의 마이크로-조도는 0.004 내지 0.0075 마이크로미터이고; 이러한 제한된 범위는 두 대응체 부품의 낮은 수준의 마모를 훨씬 더 잘 담보할 수 있을 것으로 보인다; 그러나 본 발명은 두 부품의 마모를 적절하게 하기 위한 필요 충분 조건을 밝히는 것에 대한 것은 아니고; 이는 단순히 이러한 결과를 얻기 위한 충분 조건을 제공하는 것에 대한 것이라는 것을 알아야 한다.

본 발명의 바람직한 측면에 따르면, 다음이 조합될 수 있다:

* 코팅은 ERDA 기술에 따라 측정된 20+/-5 원자%의 양으로 수소를 함유하고,

* 부품은 수소화된 비정질 탄소의 코팅 아래에 1 마이크로미터 이하의 CrN 층을 포함하고,

* 2 마이크로미터 이상의 막의 경우, 코팅은 부품의 표면으로부터 1 마이크로미터 이하에 걸쳐 텅스텐 도핑을 포함한다.

본 발명은 또한 전술한 형태의 한 부품 및 표면 경도가 코팅의 2/3 이하인 대응체 부품을 포함하는, 슬라이딩하여 협력하는 부품의 쌍을 제공한다.

예를 들어, 이 대응체 부품은 구리 함유 합금, 예를 들어 청동으로부터 제조될 수 있고; 다르게는, 알루미늄 합금, 예를 들어 AlSn으로부터 제조될 수 있다. 또한 주석 합금일 수도 있다. 이러한 대응체 부품은 단지 표면 위만 이러한 물질로부터 형성될 수 있다.

본 발명의 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 비제한적 실시예를 사용하여 주어진 다음의 명세서로부터 확인될 것이며, 도면에서:
- 도 1은 코팅된 부품의 다양한 예의 조도와 그 부품의 마모 및 청동 대응체 부품의 마모와의 상관도이고;
- 도 2는 코팅된 부품의 다양한 예의 마이크로-조도와 그 부품의 마모 및 청동 대응체 부품의 마모와의 상관도이다.

아래에서는 엔진 내의 피스톤 축(또는 핀)의 작동 조건을 모의하는 조건에서의, 청동 (또는 심지어 알루미늄)으로된 대응체 부품과 협력하도록 구성된, 비정질 탄소 막으로 코팅된, 실제로는 스틸로된 금속 부품을 고려한다; 이는 크랭크축에 대한 축의 접합 또는 피스톤 자체에 대한 축의 접합일 수 있다.

CrN 코팅을 갖는 예가 비교를 위한 물품의 역할을 한다.

조도 Ra의 종래의 측정은, 일반적인 접근에 기초하여, 경성 층으로 코팅된 핀의 대응체 부품(특히 청동 또는 알루미늄)의 마모를 제한하기 위해 요구되는 필요한 수준을 정의할 수 있도록 한다. 그럼에도 불구하고, 주어진 코팅에 대해, 코팅된 부품의 종래의 특성화는 코팅이 마모될 것인지 아닌지를 결정할 수 있게 하지 않는다. 동일한 값의 조도 Ra(종래의 방식으로 측정된) 및 경도에 대해, 두 분명히 유사한 코팅 중 하나는 마모되지 않고, 반면 다른 쪽은 과도하게 마모되는 것이 가능하고, 그 이유는 아직 알려지지 않았다(이는 단순히 대응체 부품의 경도 사이의 비율이 높은 수준으로 인한 마찰일 수는 없다). 본 발명의 한 측면에 따르면, 원자 힘 현미경(또는 AFM) 기술에 의한 부품의 표면 검사는 두 대응체 부품의 마모를 최소화하기 위해 코팅된 부품이 가져야 하는 이상적인 위상학의 결정을 가능하게 하도록 기여한다.

다음의 실시예에서, 최초에는 동일한(유일한 차이는 제작 오차 내임) 피스톤 핀을 질화 크로뮴 CrN 및 다양한 형태의 비정질 탄소-기재 물질의 증착물로 각각 코팅했다; 현재 약어 DLC는 모든 형태의 비정질 탄소에 대해 종종 같은 뜻으로 사용된다; 사실, 약어 DLC("다이아몬드 유사 탄소(Diamond Like Carbon")는 다이아몬드에서와 같은 혼성을 나타내는 탄소 원자를 갖는 탄소를 의미하고 이러한 형태의 비정질 탄소에 사용되어야 한다. 아래에서, 약칭은 수소화 비정질 탄소, 비-수소화 비정질 탄소(이 경우 약어 DLC가 완전히 적절해 보일 것이다), 또는 텅스텐-도핑된 비정질 탄소이든 간에, 간편함을 위해, 다양한 형태의 비정질 탄소에 대해 약어 DLC를 채용할 것이다.

피스톤 핀은, 코팅 전에, 0.025 ㎛의 조도 측정 Ra 및 0.040 ㎛의 조도 측정 Rpk에 의해 특성화되었다. 여기에서 조도 측정 Rpk는 실시예의 특성화를 완성시키기 위해 조도 측정을 보충하여 주어진다. 위에서 나타낸 대로, 증착될 코팅은, 특히 이들 코팅 형성 양상에 따라 매우 상이한 조도를 가질 수 있다.

아래에서, 코팅의 두께 및 그의 경도에 채용되는, 10 내지 30 mN의 하중에 대응하는 경도 측정 Hv는, 압입 깊이가 증착물 두께의 약 1/10이도록 되고; 따라서 경도 측정은 기재의 경도를 상당한 정도로 통합하지 않는다.

CrN 층을 마그네트론 스퍼터링에 의해 생성했고, 이 유형의 증착물은 보통 아-화학양론적 층을 발생시킴을 알아야 한다. 질소 함량은 40+/-5 원자%이다. 이들 CrN 증착물은 실제로 1800+/-200 Hv의 비커스(Vickers) 경도에 의해 특성화된다. 증착물의 두가지 두께 1 ㎛ 및 2 ㎛를 고려하여 각각 CrN1 및 CrN2라고 한다.

수소화 비정질 탄소의 증착물은 통상적으로 아르곤 내에서 화학 증착(CVD)에 의해 생성된다; 바람직하게는, 증착 기술은 특정한 형태의 CVD, 즉 플라즈마 보조 CVD(PACVD) 또는 플라즈마 증강 CVD(PECVD)이다. 이들 층은 3000+/-400Hv의 경도에 의해 특성화되고, 이는 ERDA로 측정된 20+/-5 원자%의 수소 함량에 대응한다. 이들 층을 두가지 가능한 두께를 갖는 CrN 하부-층 위에 2 마이크로미터의 두께로 증착했다:

- 0.8 ㎛ CrN의 이중 증착물에 이은 2.0 ㎛의 수소화 비정질 탄소를 여기에서 DLC1라고 하고,

- 1.5 ㎛ CrN의 이중 증착물에 이은 2.0 ㎛의 수소화 비정질 탄소를 여기에서 DLC2라고 한다,

참조 DLC1의 변형으로, CrN 증착 조건을 변화시킴에 의해, 특히 아르곤의 총압을 증가시킴에 의해 수소화 비정질 탄소의 다른 증착물을 형성했고; 이 증착물을 아래에서 DLC3이라고 한다.

비-수소화 비정질 탄소의 코팅을 캐소드 아크 증착 기술에 의해 생성했다. 이것의 경도를 4500 Hv에서 측정했다. 이는 단일 두께, 즉 1 마이크로미터의 두께로 여겨진다; 이렇게 얻어지는 코팅은 아래에서 DLC4라고 한다. 비-수소화 비정질 탄소, DLC (또는 taC)의 증착물을 PVD 기술(흑연의 캐소드 아크 증착)에 의해 형성했다.

마지막으로, 탄화수소 분압을 함유하는 분위기에서 탄화 텅스텐 타겟을 사용하여 마그네트론 캐소드 스퍼터링에 의해 텅스텐-도핑된 수소화 비정질 탄소의 증착물을 생성했다. 이 증착물은 1400 Hv의 경도 및 10 원자%(수소 제외)의 W 함량에 의해 특성화된다. 이는 탄소로 덮인 WC의 하부-층으로부터 형성된 것으로 분석될 수 있다 (탄소 함량이 90 %에 도달할 때까지 점차 증가; 여기에서 고려되는 코팅은 2.5 ㎛의 총 두께의 경우 0.6 ㎛ 두께의 WC 층을 포함했다(점차 탄소가 풍부); 이 코팅을 아래에서 DLC5로 부른다.

위에서 언급된 경도는 작은 두께에도 불구하고 사실 코팅의 경도이고, 아래에 있는 물질의 경도가 아니라는 점을 상기해야 한다(위를 참고).

특히 수소화되지 않았을 때(일반적으로 100 % 탄소로 형성됨 - DLC 경우) 비정질 탄소의 코팅은 텅스텐-도핑된 수소화 비정질 탄소의 코팅을 제외하고 CrN보다 뚜렷하게 더 경성이다; 따라서, 비정질 탄소(수소화 또는 비-수소화, 비-텅스텐-도핑된)의 코팅은 보통 CrN 코팅보다 특히 마찰에 의한 마모에 높은 저항성을 갖는다.

마지막으로, 이들 코팅은 그 자체로 공지된 방법에 따라 크거나 작은 강도로 브러싱의 마감 단계를 거치거나 거치지 않았다.

브러싱을 다음의 표에 나타낸 것과 같이 두 주요량, 브러쉬의 베어링 압력 및 브러쉬의 경과 수에 의해 특성화했다.

이러한 브러싱은 깎아내는 방식으로 층의 증착 작업에서 형성될 수 있고 대응체 부품의 마모를 심화시키는 피크를 구성하는 혹(excrescence)을 제거할 수 있게 한다. 이들 혹의 기계적 강도는 매우 낮고, 이는 이들이 약간의 브러싱 후에 제거됨을 의미한다. 보다 집중적인 브러싱의 결과는 증착물 표면의 연마이다.

이들 부품 모두 프로필로메트리 뿐만 아니라, 5×5 ㎛의 이미지를 생성하는 원자 힘 현미경 "AFM" 기술을 사용하여 마이크로-조도 측정에 의한 조도 특성화를 거쳤다. 즉, 다양한 부품이 조도 측정기를 사용한 (종래의) 거시적 조도 측정(1/10 마이크로미터의 규모로) 및 AFM에 의한 나노계측 측정(10 나노미터 규모로) 되었고; 위에서 나타낸 대로, 이 조도를 거시적 조도와 구별하여 "마이크로-조도"로 부른다.

이들 부품 모두를 마지막으로 코팅된 부품의 마모 뿐만 아니라, 여기에서 연성(즉 경도가 고려되는 코팅의 2/3 이하)으로 간주하는 금속으로 제조된 대응체 부품의 마모의 정량화와 관련하여 마찰학적 면에서 특성화했다.

다음의 실시예에서, 연성 금속은 0.3 ㎛의 Ra가 실제 부품을 대표하는 10 mm 직경의 청동 실린더이다. 십자 축 유형의 구성에서 마찰 시험을 수행했다: 피스톤 핀의 줄무늬에 평행한 방향으로 상대적 움직임을 생성했고 10 mm 이동거리에 걸쳐 청동 핀의 모점 위로 접점을 움직였다. 가해진 하중은 11.6 N이었다. 편심 시스템에 의해 주어진 교차 운동에서 평균 슬라이딩 속도는 100 mm/s였다. 시험 전에, 접점을 SAE5W30 오일 방울로 습윤했다. 시스템을 110 ℃로 가열했다.

9000 시험 사이클 후, 마모를 슬라이딩 구역의 크기의 측정에 의해 특성화했다. 청동 핀의 경우, 측정은 마찰 자국의 폭을 따라 이루어졌다. 코팅된 부품의 경우, 마모 측정은 마찰 방향으로 이루어졌다. 청동 위의 접촉의 최초 폭은 320 ㎛로 알려졌다; 따라서, 약 320 ㎛ 내지 340 ㎛의 청동 위의 마찰 자국의 크기는, 청동 마모가 낮거나 존재하지 않음을 나타낸다. 유사하게, 마찰 방향에서 코팅된 핀 위의 최초 표면적의 크기는 240 ㎛였으므로; 260 ㎛ 이하의 크기는 코팅의 낮은 마모를 나타낸다. 코팅은 대응체 부품에 비해 실질적으로 경성이므로, 이들의 마모는 마찰에 해당할 수 없다는 것을 알아야 한다.

다음의 표는 코팅의 다양한 특성의 연관성을 나타낸다. 마모 측정은 특히 측정의 불확실성으로 인해, 아래에서 언급된 최초 측정보다 낮은 값에 대응할 수 있다(사실, 시험 샘플은 조도 및 기하학이 접촉 크기의 계산에 사용된 특성만큼 이상적이지 않은 실린더이다; 실제 기하학 및 실제 위상학의 효과는 이론적으로는 타원에 해당하는 최초 면적이 240 ㎛보다 약간 작은 것일 수 있다.

이들 결과를 도 1의 그래프(2 ㎛ 반경을 갖는 조도 측정기를 사용한 조도 측정 Ra) 및 도 2의 그래프(AFM 마이크로-조도, 줄여서 μRa로 나타냄)에 또한 나타낸다:

- 사각형은 DLC 코팅에 면하는 청동 부품의 마이크로미터 단위의 마모의 경우를 나타내고(눈금은 왼쪽),

- 마름모는 DLC 코팅의 마모의 경우를 나타내고(눈금은 오른쪽),

- 삼각형은 CrN 코팅에 면하는 청동 부품의 마모의 경우를 나타내고(눈금은 왼쪽),

- 십자는 CrN 코팅의 마모의 경우를 나타낸다(눈금은 오른쪽).

두 규모의 조도 측정이 정확히 동일한 정보를 제공하지 않는 것으로 여겨질 수 있다: 대부분의 거시적 조도는 코팅 증착 전 부품의 기계 가공으로부터 발생하는 반면 마이크로-조도는 코팅의 성장을 주로 특성화하고, 전술한 기계 가공의 영향은 낮다.

도 1의 도에서, 종래 기술에서 공지된 결과, 즉 청동의 마모는 종래대로 측정되었을 때 대응체 부품의 조도와 관계있다는 것을 알 수 있다. 코팅된 부품의 조도의 감소는 더 연성인 대응체의 마모의 감소를 자연스럽게 유도한다.

그러나 도 1의 이 도는, 추정될 수 있는 것과 달리, DLC 코팅은 그 특성이 마모하게 만들지 않음에도 불구하고(이것들은 청동 부품보다 경성이다) 높은 마모를 겪을 수 있음을 나타낸다. 또한, 코팅의 마모는 그의 조도와 관계가 없다. 사실, CrN 코팅과 관련하여, 코팅의 조도와 관계 없는 것으로 보이는 마모가 관찰되는 반면, DLC 코팅과 관련하여, 심지어 음의 상관관계, 즉 조도가 낮을 때 마모가 더 크다는 것으로 확인하는 것도 가능하다고 믿어진다.

청동 부품의 마모는 AFM 조도에 거의 비례한다(매우 낮은 값의 AFM 조도의 경우 평균이 가로축과 만난다)는 것을 알 수 있어, 도 2의 도와 관련하여 유사한 언급을 할 수 있다. 비정질 탄소로 코팅된 부품의 마모와 관련하여, 이 AFM 조도가 약 0.0050 마이크로미터를 초과하는 한 이는 타당한 것으로 보인다(CrN의 코팅과 관련하여, 마모는 모든 경우 낮게 유지된다).

다시 말해, 가장 크게 마모되는 비정질 탄소의 가장 매끈한 층이라는 것이 명백하므로, 조도 및 마이크로-조도의 이러한 측정은 코팅된 부품의 조도와 마이크로-조도 사이에 반비례 관계가 있다는 것과 대응체 부품에 면하는 이것의 마모가 쉽게 덜 경성(또는 더 연성)일 수 있다는 것을 나타낸다.

보다 구체적으로, 수소화 비정질 탄소 층 중에서(DLC1 내지 DLC3):

* 청동 대응체 부품의 마모의 경우는 코팅이 브러싱될 때 떨어지기 힘들다(심지어, 측정 불확실성을 감안하면, 실시예 3과 6 사이에 뚜렷한 차이는 없다는 것을 알 수 있다),

* 청동 대응체 부품의 마모는 브러싱의 이용과 함께 점차 감소하지 않고(또는 심지어 증가하고)(DLC1 참고),

* 코팅의 Ra 조도는 브러싱이 수행될 때 떨어질 수 있지만, 브러싱을 지속하는 것은 그 감소에 반드시 바람직한 영향을 주는 것은 아니고,

* 그러나, 코팅의 AFM 마이크로-조도는 브러싱이 수행될 때 떨어지고, 브러싱이 계속되면 점차 더욱 감소하고, 최소 마이크로-조도는 (CrN의 가장 얇은 하부-층을 갖는) DLC1에서 관찰된다,

* 브러싱은 코팅(DLC2, DLC3)의 마모의 감소를 가져오지 않는다; DLC1와비교하여 작은 감소가 확인되면, 브러싱을 지속하는 것은 심지어 마모를 촉진하는 결과를 가져온다.

* 지속된 브러싱이 된 이들 DLC1을 제외하고, 코팅의 마모는 적절한 수준이다(260 마이크로미터 미만)

* 아래에 있는 CrN 층의 증가는 청동 부품의 마모에 바람직한 영향을 주지 않는다; 반면, 겨우 0.8 마이크로미터 두께의 아래에 있는 층을 갖는 DLC1 코팅만이, 브러싱되지 않거나 조금 브러싱된 상태에서 적절한 마모를 갖는다,

* 코팅 증착 도중 아르곤 압력의 증가는 가시적인 긍정적인 영향이 없다(DLC2 및 DLC3을 비교).

비-수소화 DLC(DLC4)와 관련하여:

* 코팅의 브러싱은 청동 대응체 부품 마모의 적절한 수준을 유지하면서도, 코팅의 마모를 감소시키기 위해 필요한 것으로 보인다,

* 적절한 브러싱이 받아들일 만한 절충을 가져올 수 있는 것으로 여길 수 있다.

마지막으로 텅스텐을 갖는 DLC(DLC5)와 관련하여:

* 브러싱은 청동 대응체 부품의 마모에 긍정적인 영향을 미치지만, 마모는 이러한 브러싱이 없을 때에도 적절한 정도인 것으로 보이고,

* 그러나 대응체 부품에 대한 브러싱의 긍정적인 영향은 코팅 마모의 감소인 것으로 보인다.

브러싱을 수행하는 사실이 코팅의 성장 결함을 제거하기 위한 목적으로 피스톤 핀의 생산 설계에 의해 제공되는 작업이라는 것을 알 수 있다; 그러나, 이들의 매우 낮은 밀도를 고려하면(생산 기술의 특이성에 따라 매우 큰 양의 성장 결함을 가질 수 있는 비-수소화 비정질 탄소 증착물을 제외하고), 이러한 결함이 위에서 나타낸 마모 현상에 현저한 영향을 가질 수 있는지 의심스러워 보인다.

실시예 1 및 7 내지 9은 당업자에게 공지된 상황, 즉 조도와 마모 사이에는 실제로 비례관계가 없지만(실시예 1은 실시예 7보다 거칠지만 마모는 더 낮다; 조도는 확실히 관련된 유일한 파라미터가 아니다), 청동 대응체 부품의 높은 마모는 가장 거친 코팅된 시험 샘플(0,050+/-0,001 마이크로미터 초과의 Ra 조도)에서 확인된다는 것에 맞는 경우라는 것을 알 수 있다. 이들 실시예에서 확인되는 AFM 마이크로-조도는 확인된 가장 높은 값 중 하나(0.0090 초과)라는 것을 알 수 있다.

실시예 5, 6, 10 및 12와 관련하여, 이들이 코팅의 높은 값의 마모에 해당한다는 것을 알 수 있다. 이 결과는 이들 부품 위의 코팅이 이들의 가장 거친 대응하는 층의 기계적 또는 화학적 특성 면에서 구별되지 않기 때문에 당업자에게 놀랍게 보인다. 청동 대응체(실질적으로 더 연성)에 비해 코팅이 훨씬 더 경성이지만, 높은 마모가 명백하다. AFM 기술에 의한 조도 검사는 수 ㎛²의 규모에서, 이들 층이 특히 낮은 Ra(0.004 ㎛ 미만)에 의해 다른 층과 구별된다는 것을 밝혀낸다.

실시예 11은 나타낸 경계보다 약한 큰 청동 부품의 마모에 해당하고 경계로 여겨질 수 있다는 것을 알 수 있다.

이는, 비정질 탄소의 코팅(70 원자% 이상의 탄소)이 0.050 마이크로미터 이하의 Ra 조도 및 0.004 마이크로미터 초과 0.009 마이크로미터 미만의 Ra AFM 마이크로-조도를 가질 때, 코팅 및 청동 대응체 부품(비록 이것이 코팅보다 실질적으로 덜 경성이지만)의 낮은 마모의 조합이 있다고 여겨지게 한다.

정말로, 오직 실시예가 상호 마찰하는 부품 양 쪽의 낮은 마모를 가져오는 전술한 이중 조건을 만족한다.

마모의 경우는 코팅의 조도가 다음과 같을 때 훨씬 더 낮은 것으로 볼 수 있다:

- 종래의 측정에 의해 0.046 마이크로미터 이하이고

- AFM에 의해 0.004 내지 0.0075 마이크로미터.

이렇게 확인된 우수한 실시예는 (바람직하게는 CrN(명백히 1 마이크로미터 이하) 또는 텅스텐-도핑된 수소화 비정질 탄소(역시 명백히 1 마이크로미터 이하)의 아래에 있는 얇은 층을 갖는 수소 함량을 갖는) 수소화 비정질 탄소를 갖는, 브러싱이 되지 않았거나 거의 되지 않은 코팅에 해당하는 것을 강조해야 한다. 비-수소화 비정질 탄소와 관련하여, 적절한 브러싱이 전술한 조건을 만족시키고 따라서 적절한 상호 마모를 가져올 수 있는 것으로 보인다.

게다가, 비정질 탄소-기재 경성 층(수소를 제외하고 70 원자% 초과)을 포함하는 실시예 1 내지 12가 CrN 코팅으로 얻어진 실시예 13 내지 15와 상이한 결론을 가져오므로, 위로부터 코팅의 성질이 결정적이라는 것을 알 수 있다. 특히, 비정질 탄소 층과 관련하여, CrN 증착물은 코팅된 부품의 조도가 증가할 때 청동 마모의 증가를 가져오는 반면, 낮거나 매우 낮은 조도에서 CrN 층은 마모되지 않고 청동 대응체를 마모시키지 않는다. 이들 층은 CrN보다 경성이거나 대응체에 비해 뚜렷하게 1.5 배 초과 경성이기 때문에, 이러한 결과는 비정질 탄소 코팅의 마모 현상은 기계적인 것도 연마적인 것도 아니라는 것을 나타낸다. 따라서, 매우 낮은 조도에서 비정질 탄소 층의 고 마모는 당업자에게 공지되고 일반적인 현상이 아니다. 문제의 코팅은 주로 탄소로 구성되기 때문에, 이러한 해석에 제한되려는 의도 없이, 마찰-산화 유형일 수 있는 메커니즘이 수반되고, 따라서 탄소 층의 경도에 의해 영향을 받지 않는다고 생각할 수 있다.

마모에 대한 저항성의 관점에서만 본다면, 매우 매끈한 CrN 층이 기대되는 기능을 만족시킨다. 그러나, 마찰을 감소시키는 계속되는 목표로, 비정질 탄소의 코팅이 더 낮은 마찰 계수를 가능하게 하기 때문에 CrN에 비해 바람직하다. 위에서 나타낸 조도 범위가 합당한 수준의 마모를 가능하게 한다.

위의 표에서, Ra와 μRa(AFM)열 사이에 RPk이라는 명칭의 열이 위치한다는 것을 알 수 있다; 이 열은 조도 측정 변형에 따라 얻어진 조도를 포함한다. 조도를 특성화하는 이 다른 방식이 유사한 결론에 이르도록 한다는 것을 알 수 있다.

위의 결론은 다른 물질 쌍에 일반화된다; 따라서, 보다 일반적으로, 대응체 부품(위에서 정의된 낮은 경도를 갖는)은 어떠한 구리 합금, 또는 어떠한 알루미늄 합금으로 된 것일 수 있다; 이는 특히 피스톤 핀의 경우일 수 있다. 이는 주석 합금, 예를 들어 AlSn(특히 특정 크랭크축 베어링 또는 연결 봉 헤드에 사용되는)일 수 있다. 이 대응체 부품은 표면에만 연성 물질로 된 것(그리고 다른 물질로된 코어를 포함)일 수 있다고 이해할 수 있다.

얻어질 조도 및 마이크로-조도를 알면, 증착 조건을 조절하는 것은 당업자의 능력 내라는 것을 강조할 필요가 있다. 정말로, 증착물 및 심지어 PVD 하부-층의 형태학을 바꾸는 일단의 작동 파라미터가 당업자에게 이용가능하고, PVD 층은 두께와 함께 크기가 증가하는 기둥의 구조로 일반적으로 성장하는데, 이것이 조도에 영향을 미친다.

Claims

(수소를 제외하고 남은 성분들 중 70 원자% 이상의 탄소를 갖는) 비정질 탄소의 코팅이 갖추어지고 표면 경도가 코팅의 2/3 이하인 대응체 부품과 슬라이딩하여 협력하도록 구성되고, 코팅이 0.025 마이크로미터 초과, 0.050 마이크로미터 이하인 프로필로메트리에 의해 측정된 조도(roughness) Ra 및, 0.004 마이크로미터 이상이고 0.009 마이크로미터 이하인 원자 힘 현미경으로 측정된 마이크로-조도를 갖고, 비정질 탄소가 수소화된 것인 기계 부품.
제1항에 있어서, 프로필로메트리에 의해 측정된 조도가 0.046 마이크로미터 이하이고 원자 힘 현미경에 의한 마이크로-조도가 0.004 내지 0.0075 마이크로미터인, 부품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 코팅이 ERDA 기술에 따라 측정된 20+/-5 원자%의 양으로 수소를 함유하는, 부품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 수소화된 비정질 탄소의 코팅 아래에, 1 마이크로미터 이하의 CrN 층을 포함하는, 부품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 비정질 탄소의 코팅이 2 마이크로미터 이상의 두께를 갖고, 코팅은 부품의 표면으로부터 1 마이크로미터 이하에 걸쳐 텅스텐으로 도핑된 것인 부품.
제1항 또는 제2항에 기재된 부품 및
표면 경도가 코팅의 2/3 이하인 대응체 부품을 포함하는, 슬라이딩하여 협력하는 부품의 쌍.
제6항에 있어서, 대응체 부품이 구리 합금으로 된, 부품의 쌍.
제6항에 있어서, 대응체 부품이 알루미늄 합금으로 된, 부품의 쌍.
제6항에 있어서, 대응체 부품이 주석 합금으로 된, 부품의 쌍.
제6항에 있어서, 코팅이 ERDA 기술에 따라 측정된 20+/-5 원자%의 양으로 수소를 함유하는, 부품의 쌍.
제6항에 있어서, 수소화된 비정질 탄소의 코팅 아래에, 1 마이크로미터 이하의 CrN 층을 포함하는, 부품의 쌍.
제6항에 있어서, 비정질 탄소의 코팅이 2 마이크로미터 이상의 두께를 갖고, 코팅은 부품의 표면으로부터 1 마이크로미터 이하에 걸쳐 텅스텐으로 도핑된 것인 부품의 쌍.