KR102486796B1 - 미끄럼 요소, 특히 피스톤 링, 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미끄럼 요소, 특히 피스톤 링 및 그 제조 방법에 관한 것이고, 상기 미끄럼 요소의 활주면, 바람직하게는 상기 피스톤 링의 외주 표면은 질화층을 가지지 않고, 바람직하게는 표면 경화하지 않고, 상기 활주면은 가장 바깥층을 가지며, 상기 가장 바깥층은 상기 중간층, DLC층 또는 금속 기반 질화층, 바람직하게는 금속 질화층, 바람직하게는 크롬질화물층과 다르고, 미끄럼 요소의 기판과 DLC층 사이에 제공되며, 적어도 하나의 금속 함유 중간층, 바람직하게는 금속층, 특히 바람직하게는 크롬층이 있고, 미끄럼 요소의 적어도 하나의 추가 표면, 바람직하게는 피스톤 링 플랭크들은 표면 경화되고, 바람직하게는 질화층을 가진다.

Description

미끄럼 요소, 특히 피스톤 링, 및 그 제조 방법{Sliding Element, in Particular Piston Ring, and Method for Producing the Same}
본 발명은 우수한 전체 내마모성 뿐 아니라 활주면 영역의 유리한 마찰공학적 특징들을 보이는 미끄럼 요소, 특히 피스톤 링 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
내연기관의 이산화탄소 배출을 감소시킬 때, 연료 소비가 핵심적인 역할을 한다. 이는 그 중에서도 또한 엔진, 특히 피스톤들의 영역의 미끄럼 요소들의 마찰 손실에 의해 영향을 받는다. 미끄럼 요소들, 예를 들어 피스톤 링들은 활주면들을 가지고, 상기 활주면들에서 마찰 파트너들과 미끄럼 접촉한다. 이 마찰공학적 시스템은 복잡하고 대부분 마찰 파트너들의 물질 배열(material pairing)에 의해 결정된다.
그러므로, 전체 사용 기간 내내 가능한 가장 유리한 마찰 작용(friction behaviour)을 보이는 내연기관의 미끄럼 요소들이 필요하다. 그러나, 특히 최신 엔진들은, 미끄럼 요소들에 높은 열적 그리고 기계적 부하가 발생한다.
내연기관의 피스톤 링, 피스톤들, 또는 실린더 라이너(cylinder liner)들과 같은 미끄럼 요소들은 따라서 오랜 사용 기간에 걸쳐 낮은 마찰 계수 뿐 아니라 높은 내마모성을 가져야 한다.
피스톤 링들은 플랭크(flank)들이 부분적으로 또는 전체적으로 질화되고, 활주면들이 적어도 부분적으로 다른 코팅을 가지는 선행기술로부터 알려져 있다.
DE 102 21 800 A1은 활주면, 내부면 뿐 아니라 그 사이에 제공되는 상부 및 하부 플랭크들을 갖는 스틸 피스톤 링을 개시하고, 상기 활주면은 활주면 코팅으로서 열 스프레이층(thermal spray layer) 및 적어도 플랭크들 상에 제공되는 플라즈마 질화에 의해 생성되는 질화층(nitrided layer)이 적어도 부분적으로 제공된다.
US 6 508 473 B1은 상부 및 하부 플랭크들 상 또는 상부 및 하부 플랭크들 및 내주 표면 상의 질화층 및 외주 표면 상에 이온 플레이팅함으로써 형성되는 경질 필름을 갖는 피스톤 링을 설명한다.
DE 10 2005 023 627 A1은 일측에 챔버가 있는(chambered) 활주면을 갖는 스틸 피스톤 링을 보여주고, 활주면은 미세 균열을 가지는 크롬 세라믹 기반 마모 방지층으로 코팅되며, 적어도 플랭크들은 마모 감소 질화층이 제공된다.
DE 10 2005 011 438 B3은 스틸 또는 주철로 구성되는 피스톤 링 기초 본체 상에 마모 방지층을 생성하는 방법을 개시하고, 활주면 영역은 먼저 질소 같은 금속 요소들(nitrogen-affine metallic elements)을 기초로 적어도 단일층의 열 스프레이층이 적어도 부분적으로 제공되고, 그 다음 적어도 도포된 스프레이층을 갖는 플랭크들 및 활주면은 질화 처리된다.
비록 그런 미끄럼 요소들이 만족스러운 내마모성을 갖는 층들을 갖더라도, 그들은 특별히 낮은 마찰 계수를 갖는 활주면을 갖지도, 기판(substrate)과 마모 방지층 사이에 충분한 접착력을 갖지도 않는다.
또한, 피스톤 링의 활주면 상 DLC 코팅은 선행기술로부터 알려져 있다. 다이아몬드 같은 탄소층(Diamond-like Carbon Layers; DLC)은 sp3-혼성 탄소의 상당 부분을 비정질 탄소의 준안정 형태로 구성하며, 이는 특히 유리한 마찰공학적 특성들을 보인다. 가능한 DLC층 시스템들의 요약은 VDI Richtlinie 2840 Kohlenstoffschichten에서 찾을 수 있다.
DE 10 2011 003 254 A1은 적어도 하나의 활주면이, 내부에서 바깥으로, 금속을 함유하는 접착층 및 적어도 10 ㎛의 두께를 갖는 ta-C 타입 DLC층을 가지는 미끄럼 요소를 개시한다. 미끄럼 요소의 기본 물질은 질화될 수도, 아닐 수도 있다.
그런 미끄럼 요소들은 활주면 상에서 낮은 마찰 계수를 갖지만, 마모에 충분히 강하지는 않다.
활주면의 측면 상에 챔버가 제공되도록 기초 본체가 그 안에 제조되는 스틸 피스톤 링을 제조하는 방법이 DE 10 2011 014 483 B3로부터 알려져 있고, 활주면은 내마모성층, 및 기초 본체의 주변 및 플랭크 영역들이 직접 제공되고, 상기 주변 및 플랭크 영역들은 내마모성층이 제공되지 않고 질화된다. 내마모성층은 그 중에서도 DLC층 또는 크롬층으로 구성되고, 크롬층은 DLC층에 도포될 수도 있다.
하지만, 활주면의 기판에 대한 DLC층의 직접 적용 때문에 활주면에 대한 DLC층의 불충분한 접착력에 의해 미끄럼 요소의 내마모성이 제한된다.
본 발명은 우수한 전체 내마모성 뿐 아니라 활주면 영역의 유리한 마찰공학적 특성들을 보이는 슬라이딩 요소, 바람직하게는 피스톤 링 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이 목적은 청구항 1에 기재된 미끄럼 요소 및 청구항 7에 따른 미끄럼 요소 제조 방법에 의해 해결된다.
활주면을 구성하지 않는 표면들의 표면 경화는 표면의 내마모성을 보장한다. 하지만, 활주면의 가장 바깥층에 DLC층, 또는 금속 기반 질화층이 제공되기 때문에, 이는 활주면의 특히 유리한 마찰공학적 특성들 및 마모 작용에 기여한다.
놀랍게도, DLC층 또는 금속 기반 질화층을 갖고, 질화층을 갖지 않는 기판들이 DLC층 또는 금속 기반 질화층 아래에 질화층을 갖는 기판들보다 노킹 연소(knocking combustion)를 받는 반복 하중에 상당히 더 강하다는 것이 다양한 일련의 실험들에서 확인되었다.
하중 때문에 기판은 소성 변형되지만, 질화층의 취성(brittleness)은 질화된 영역 및 DLC층에 균열 개시를 초래한다. 그러나 질화층이 없는 기판에서, 물질 내에 균열 형성이 개시되기 전에 소성 변형에 의해 상당히 높은 긴장(tension)이 감소될 수 있다. DLC층 또는 금속 기반 질화층은 기판에 비해 얇은 층 두께 때문에 탄성 변형된다.
또한, 기판과 DLC층 또는 금속 기반 질화층 사이에 금속 함유 중간층, 바람직하게는 금속층, 특히 바람직하게는 크롬층을 도포함으로써 기판과 DLC층 또는 금속 기반 질화층 사이의 접착력이 상당히 향상될 수 있다.
청구항 1에 따른 활주면 상의 코팅 구조, 즉 적어도 하나의 금속 함유 중간층 뿐 아니라 가장 바깥층으로서의 DLC층 또는 금속기반 질화층이 제공되는 비질화 기판 표면은 낮은 마찰 계수를 갖는 활주면의 마모 보호를 보장하는 반면, 활주면을 구성하지 않는 표면들의 내마모성은 표면 경화에 의해 보장된다.
활주면은 바람직하게는 챔버 없이 다각형의 단면적을 갖는 링의, 바람직하게는 중공형 실린더 또는 중공형 원뿔대의 외주 표면에 대응한다.
미끄럼 요소를 제조하는 발명에 따른 방법에서, DLC층 또는 금속 기반 질화층은 필연적으로 중간층의 도포 후에 도포되는 반면 활주면을 구성하지 않는 적어도 하나의 표면의 표면 경화는 중간층의 도포 전에, 중간층의 도포 후 그러나 DLC층 또는 금속 기반 질화층의 적용 전에 및/또는 DLC층 또는 금속 기반 질화층의 도포 후에 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 미끄럼 요소의 바람직한 발전은 기타 청구항들에 기재된다.
본 발명에 따른 실시예에 따르면, 미끄럼 요소의 활주면은 표면 경화되지 않는다. 균열 개시가 질화된 활주면에서의 작용 메카니즘과 유사하게 상당히 감소될 수 있기 때문에 활주면의 코팅 아래에 표면 경화를 생략하는 것이 내마모성을 증가시킨다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 금속 함유 중간층들은 갈바닉(Galvanic) 및/또는 PVD 중간층들을 구성하는데 이는 이들이 접착력에 긍정적으로 영향을 미치기 때문이다.
더 바람직한 실시예에 따라, 금속 함유 중간층, 바람직하게는 갈바닉 중간층은 기판 표면에 직접 인접하여 접착력이 더 향상된다.
금속 함유 중간층이 기판과 DLC층 또는 금속 기반 질화층 사이에 직접 놓이는 활주면상 층 구조가 특히 유리하다. 그런 구조는 코팅의 접착력에 특히 유리한 것으로 입증되어 왔다.
유리하게는, 금속 함유 중간층, 바람직하게는 갈바닉 중간층은 1 ㎛ 내지 5 ㎛ 미만의 두께를 갖는데 이는 코팅의 사용 수명에 긍정적으로 영향을 주기 때문이다.
미끄럼 요소를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예는 금속 함유 중간층이 갈바닉 공정을 사용하여 도포되는 것이다. 이로써, 금속 함유 중간층들은 간단한 방법들을 사용하여 비용 효율적인 방법으로 증착될 수 있다.
미끄럼 요소를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법에 의해, 금속 함유 중간층 및/또는 금속 기반 질화층 및/또는 DLC층은 PVD 공정을 사용하여 유리하게 도포된다. 따라서, 정의된 층 두께 및 화학 조성을 갖는 층들이 확실히 증착될 수 있다.
더 바람직한 실시예에 따라, 표면 경화된 표면들은 그들이 정말 특별한 도포 케이스들에서 코팅될 수 있다 하더라도 코팅을 갖지 않는다.
다음 요소들의 질화물들을 갖는 금속 기반 질화층들은 특히 유리한 것으로 입증되어 왔다: 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 바나듐(V), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 텅스텐(W). 크롬질화물(CrN), 크롬(산)질화물(CrN(O)), 질화바나듐(VN) 및 질화알루미늄(AlN) 조성이 특히 바람직하다. 또한, 3성 분계 A-B-N이 바람직한데, A와 B는 각각 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 바나듐(V), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 규소(Si), 및 탄소(C)로 이루어진 그룹으로부터의 요소이고, N은 질소다. 티타늄-지르코늄-질소(Ti-Zr-N), 티타늄-알루미늄-질소(Ti-Al-N), 크롬-규소-질소(Cr-Si-N), 크롬-지르코늄-질소(Cr-Zr-N), 크롬-티타늄-질소(Cr-Ti-N) 및 크롬-바나듐-질소(Cr-V-N) 시스템들이 특히 바람직하다. 이들은 화학량론적 단계(stoichiometric phases) 또는 비화학량론적 단계(non-stoichiometric phases) 또는 그 혼합물일 수 있다. 금속 기반 질화층들은 상기 조성물들의 임의의 조합을 더 포함할 수 있고, 특히 이들은 단계적 방식으로 제공될 수도 있다. 또한, 그들은 작은 물방울(droplets)을 포함할 수 있고, 다층 시스템으로서, 또는 초격자 구조를 가지고 형성될 수 있다.
또한, 다음 문헌들의 금속 기반 질화층들이 바람직한 변형례들로서 제공된다:
DE102012200378 A1
DE102008017583 A1
DE102007027245 A1
DE102007035502 A1
DE102006046915 B3
DE102006046917 B3
DE102004032403 B3.
바람직한 실시예에 따라, 스틸 피스톤 링은 내주 및 외주 표면 뿐 아니라 상부 및 하부 플랭크가 제공된다. 상부 및 하부 플랭크 그리고 내주 및 외주 표면 각각은 질화층을 가지고, 상기 질화층은 예를 들어 플라즈마 질화법, 액체 질화법 또는 가스 질화법에 의해 피스톤링 내로 도입된다. 코팅은 피스톤 링의 활주면을 구성하고 질화되지 않은 외주 표면 상에 도포되고 이는 바람직하게는 1 ㎛ 와 5 ㎛ 사이의 층 두께를 갖는 제1 크롬 중간층, 제2 중간층 및 ta-C 타입의 DLC층을 구성한다. 제1 크롬 중간층은 바람직하게는 갈바닉 증착에 의해 활주면 상에 도포되고, 제2 크롬 중간층 및 DLC층은 바람직하게는 PVD 공정을 사용하여 증착된다.

Claims (11)

  1. 스틸 피스톤 링으로서,
    활주면, 내주 표면, 상부 플랭크, 및 하부 플랭크―상기 상부 플랭크, 상기 하부 플랭크, 및 상기 내주 표면은 각각 질화층을 가지며, 상기 활주면은 질화층을 갖지 않음―;
    상기 활주면의 비질화 기판 베이스 영역 상에 증착된 코팅―상기 코팅은 상기 활주면에 도포된 크롬을 포함하는 금속 함유 중간층을 포함하고, 상기 금속 함유 중간층은 1 ㎛ 와 5 ㎛ 사이의 두께를 가짐―; 또한
    DLC 층을 포함하는 가장 바깥층을 포함하는,
    스틸 피스톤 링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 활주면은 표면 경화되지 않는,
    스틸 피스톤 링.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 표면과 크롬을 포함하는 상기 금속 함유 중간층 사이에 추가적인 금속 함유 중간층이 있는,
    스틸 피스톤 링.
  4. 제 1 항에 있어서,
    금속 함유 중간층은 상기 기판과 상기 DLC층 사이에 직접 놓이는,
    스틸 피스톤 링.
  5. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 금속 기반 질화층은 상기 가장 바깥층과 상기 기판 표면 사이에 제공되는,
    스틸 피스톤 링.
  6. 제 1 항에 따른 스틸 피스톤 링을 제조하기 위한 방법으로서,
    상기 DLC 층은 상기 스틸 피스톤 링의 상기 활주면에 증착되고, 또한 상기 스틸 피스톤 링의 적어도 하나의 추가적인 표면은 상기 활주면의 질화는 방지하면서 표면 경화되는,
    스틸 피스톤 링을 제조하기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    추가적인 금속 함유 중간층은 갈바닉 공정을 이용하여 상기 기판의 표면 및 크롬을 포함하는 상기 금속 함유 중간층 사이에 도포되는,
    스틸 피스톤 링을 제조하기 위한 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    크롬 및 상기 DLC 층 중 적어도 하나를 포함하는 상기 금속 함유 중간 층은 PVD 공정을 이용하여 도포되는,
    스틸 피스톤 링을 제조하기 위한 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 활주면은 상기 피스톤 링의 외주 표면을 포함하는,
    스틸 피스톤 링.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 추가적인 금속 함유 중간층은 갈바닉 중간층을 포함하는,
    스틸 피스톤 링.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 추가적인 금속 함유 중간층은 1 ㎛ 내지 5 ㎛ 미만의 층 두께를 갖는,
    스틸 피스톤 링.

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