KR102571554B1 - 베어링에 결합된 샤프트를 포함하는 기계 시스템 및 이와 같은 시스템의 제조 방법 - Google Patents

베어링에 결합된 샤프트를 포함하는 기계 시스템 및 이와 같은 시스템의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 베어링(4) 및 베어링(4)에 결합된 샤프트(10)를 포함하고, 특히 내연 기관을 위한 것으로, 200MPa 미만의 평균 접촉 압력이 가해지는 기계 시스템(1)에 관한 것이다. 샤프트(10)는 적어도 하나의 영역(12)을 포함하며, 이 영역(12)은, 상기 영역(12)에 분포된, 베어링(4)의 표면 경도의 적어도 두 배의 표면 경도를 갖는 고착 방지 표면 코팅(20), 및 개별적인 미세 공동의 세트(31)를 포함하는 마이크로 텍스처링(30)을 구비한다. 본 발명은 또한, 이와 같은 기계 시스템(1)의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

베어링에 결합된 샤프트를 포함하는 기계 시스템 및 이와 같은 시스템의 제조 방법
본 발명은 샤프트를 수용하는 베어링에 결합된 샤프트를 포함하는 기계 시스템에 관한 것으로, 특히 내연 기관에 구비되는 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이와 같은 시스템의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 분야는 회전 또는 진동 운동을 수행하는 샤프트를 체결하기 위한 기계 시스템의 분야이다. 비제한적인 예로서, 본 발명은 특히 피스톤 샤프트 또는 로커 암 샤프트(rocker arm shaft)를 포함하는 시스템과 같은 자동차 분야의 내연 기관에 구비되는 샤프트 베어링 시스템에 관한 것이다.
심하고 반복적인 응력이 가해지는 이러한 마찰 시스템(tribosystem)에서 관찰되는 주요 문제는, 베어링과 이를 통과하는 샤프트 사이의 접촉 표면의 마모 현상에 관한 것이다.
전통적으로, 피스톤 샤프트는 표면 거칠기(surface roughness)가 낮고 DLC(diamond-like carbon) 코팅을 갖는 강철로 만들어졌으며, 베어링의 보어홀(borehole)에는 구리 합금 링이 선택적으로 구비되어 있다. 대안적으로, 베어링의 보어홀은 강철 또는 알루미늄 합금, 또는 복합 재료로 만들어질 수 있다.
샤프트의 경우, 표면 손상은 코팅이 부드럽게 마모되는 형태로 나타나며, 이는 잠재적으로 퇴화되어 고착(seizing) 상태가 될 수 있다. 베어링의 경우, 손상은 마모 형태로 나타나며, 이는 부품 사이 공간의 증가로 이어진다.
부품 사이 공간이 너무 커지면, 엔진은 시끄러워지고 결국 기능이 저하된다. 이에 따라, 고착 방지 코팅이 제 역할을 하고 이들 사이의 공간이 보존되기 위해, 2개의 대향하는 표면이 마모되지 않도록 하는 것이 중요하다.
훨씬 더 부드러운 금속 베어링보다, 고착 방지 코팅이 단단하다는 점에서, 이 공간을 보존하는 데에 어려움이 발생한다. 이 문제를 해결하기 위한 공지된 산업 제약은, 피크 거칠기 계수(peak roughness factor)를 최소화하는 것이며, 피크 거칠기 계수는 파라미터 RPk로 지칭될 수 있다. 종래 기술에서, 고착 방지 코팅은 0.08μm 미만의 RPk를 가져야 한다.
현재까지 샤프트의 DLC 코팅 손상 문제는 완전히 해결되지 않았다.
윤활을 촉진하기 위해, 윤활유 저장소 기능(lubricant reservoir function)으로, 일반적으로 오일로, 보어홀에서 거시적 가공(macroscopic machining)을 수행하는 것이 공지되어 있다. 이는 샤프트와 보어홀 사이의 접촉 계면에서, 마찰에 의해 발생된 칼로리를 소산시키기 위해 충분한 오일이 첨가되는 것이 보장될 수 있게 한다.
또한, 접촉 표면에서 발생하는 잔해를 포착하기 위해, 미세한 표면 구조(micrometric surface structures)가 사용될 수 있다. 이는 샤프트 또는 베어링의 표면으로부터 나오는 입자와 관련된 연마 마모(abrasive wear)를 제한하는 것을 가능케 한다.
EP1411145는 고착 방지 표면 코팅을 포함하는 샤프트의 일례를 설명한다. 이 문헌은, 서로 링크되는 피크 및 피트(peaks and pits)를 포함하는 표면 거칠기를 설명한다. 즉, 이 문헌은 분리된 미세 공동(microcavities) 세트에 의해 형성되는 마이크로 텍스처링(microtexturing)을 설명하지 않는다.
US2003/128903은 베어링 및 베어링에 결합된 샤프트와 같은 2개의 슬라이딩 요소를 포함하며, 내연 기관에 구비되는 기계 시스템을 설명한다. 예로서, 베어링은 CuPb, AlSiSn 또는 유사한 합금으로 만들어질 수 있다. 슬라이딩 요소들 중 적어도 하나는 분리된 미세 공동 세트에 의해 형성된 마이크로 텍스처링을 포함한다. 이 문헌에 언급된 유일한 코팅 예는 MoS2이며, 이러한 코팅의 사용은 비용이 많이 들고, 마모로 인해 충분한 내구성을 달성할 수 없다고 명시하고 있다. 이 문헌은, 코팅의 사용을 만족스러운 해결 방안으로 고려하지 않고, 미세 공동으로 대안을 찾는다.
FR2974399는 크랭크 샤프트 커넥팅 로드에 관절식으로 연결된 피스톤 샤프트를 포함하는, 내연 기관에 구비되는 기계 시스템의 또 다른 예를 설명한다. 피스톤 샤프트에는 윤활유 배출 채널을 형성하는 홈과 교차 줄무늬 세트를 포함하는 DLC 타입 코팅 및 표면 텍스처링이 구비된다. 이러한 텍스처링은 복잡하고, 이에 따라 수행하는데 비용이 많이 든다. 또한, 이 문헌에는 달성된 성능을 입증하는 시험이나 텍스처링의 크기와 관련된 어떠한 수치도 포함되어 있지 않다.
WO2007/031160은 접촉 표면이 서로 마찰하는 2개의 요소를 포함하는, 내연 기관에 구비되는 기계 시스템의 또 다른 예를 설명한다. 제1 요소는 크랭크 샤프트 트러니언(trunnion) 또는 피스톤 샤프트일 수 있고, 제2 요소는 커넥팅 로드 보어홀이다.
바람직하게는, 요소 중 하나는 건조 윤활 특성을 갖는 표면 코팅을 포함하고, 다른 요소는 코팅 및/또는 추가 액체 윤활유로부터 잔해를 포획하기 위한 공동을 포함한다. 특정 실시예에 따르면, 두 요소 모두 공동을 포함한다.
그러나, 이 문헌 또한 달성된 성능을 입증하는 어떠한 시험도 제시하지 않는다. 더 나아가, 이 문헌은 사용 중 만족스러운 성능을 얻기 위한 공동의 치수 특성을 구체적으로 언급하지 않는다.
따라서, 상기 해결 방안의 효과는 문제의 출원에 대해 입증되지 않았다. 또한 이러한 해결 방안에는 상당한 생산 비용이 수반될 수 있다.
본 발명의 목적은 고착 및 마모에 대한 내성 측면에서 만족스러운 해결 방안을 제안하는 것이다.
이를 위해, 본 발명의 하나의 목적은 베어링 및 베어링에 결합된 샤프트를 포함하고, 특히 내연 기관에 구비되며, 200MPa 미만의 평균 접촉 압력이 가해지는 기계 시스템으로서, 샤프트는 적어도 하나의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 영역은, 상기 영역 내에 분포된,
- 베어링의 표면 경도의 적어도 두 배의 표면 경도를 갖는 고착 방지 표면 코팅, 및
- 상기 영역에 분포된 분리된 미세 공동 세트에 의해 형성된 마이크로 텍스처링을 구비한다.
본 발명의 다른 유리한 특징에 따르면, 단독으로 또는 조합하여 고려되는 것으로:
- 샤프트의 고착 방지 표면 코팅은, 베어링의 표면 경도의 적어도 3배 이상의 표면 경도를 갖는다.
- 샤프트의 고착 방지 표면 코팅은, 베어링의 표면 경도의 적어도 6배 이상의 표면 경도를 갖는다.
- 각각의 미세 공동은 15 내지 100㎛의 최대 길이, 및 50nm 내지 100㎛의 깊이를 갖는다. 이에 따라, 미세 공동의 깊이는 표면 코팅의 두께보다 선택적으로 크거나 작을 수 있다.
- 각각의 미세 공동은 1 이하의 형태 비율(form ratio)을 가지며, 형태 비율은 깊이와 최대 길이 사이의 비율로 정의된다.
- 미세 공동은 5 내지 30%의 표면 밀도로 상기 영역 내에 분포되며, 이 표면 밀도는, 미세 공동의 총 면적과, 이들 미세 공동을 포함하는 상기 영역의 총 면적 사이의 비율로 정의된다.
- 외부 미세 공동의 깊이는 표면 코팅의 두께보다 작다. 즉, 외부 미세 공동은 코팅의 두께에 한정된다.
- 외부 미세 공동의 깊이는 표면 코팅의 두께보다 크다. 즉, 외부 미세 공동은 코팅 밑에 있는 샤프트의 베이스 재료 내로 침투할 수 있다.
- 모든 미세 공동은 치수(깊이와 길이 또는 직경)가 비슷한 동일한 기하학적 구조를 갖는다. 실제로, 미세 공동의 치수 사이의 유사도는, 사용된 마이크로 텍스처링 공정의 정밀도에 의존한다. 본 발명의 맥락에서, 치수 변화가 미세 공동의 평균 치수의 두 배(×2 = +100%) 및 절반(2로 나눔 = -50%) 사이로 유지될 때, 미세 공동은 유사한 치수를 갖는 것으로 가정된다. 예를 들어, 이 정의는 다음 자리수(×10 = +900%) 또는 이전 자리수(10으로 나눔 = -90%로)로의 치수 변화를 제외한다.
- 모든 미세 공동은 적어도: 제1 기하학적 구조를 갖는 제1 타입의 미세 공동; 및 제1 기하학 구조와 상이하며, 상이한 형상 및/또는 치수의 제2 기하학 구조를 갖는 제2 타입의 미세 공동을 포함한다. 형상은 특히 다양한 단면: 원형, 타원형, 직사각형, 삼각형 등의 단면에 해당한다. 본 발명의 맥락에서, 제2 타입의 미세 공동은, 그 치수가 제1 타입의 미세 공동의 평균 치수의 두 배(×2 = +100%)보다 크거나 절반(2로 나눔 = -50%)보다 작을 때, 상이한 치수를 갖는 것으로 가정된다.
- 미세 공동은 재료의 표면에 직사각형, 정사각형, 삼각형 또는 육각형 미세 공동의 네트워크를 형성하도록, 미리 결정된 패턴으로 상기 영역 내에 분포된다. 주어진 패턴 내에서 하나의 미세 공동의 중심과 인접하는 미세 공동의 중심 사이의 간격은 미세 공동의 길이 방향 치수(longitudinal dimensions)(길이 또는 직경) 중 하나의 값의 1 내지 10 배이다.
- 미세 공동은 랜덤 패턴으로 상기 영역에 분포된다. 하나의 미세 공동의 중심과 인접하는 미세 공동의 중심 사이의 간격은 미세 공동의 길이 방향 치수 중 하나의 값의 0.1 내지 10배로 무작위로 구비된다.
- 샤프트는 표면 코팅과 마이크로 텍스처링에 의해 완전히 커버되는 원통형 외부 표면을 갖는다.
- 샤프트는 표면 코팅 및 마이크로 텍스처링에 의해 커버되는 단일 국소 영역을 포함하는 원통형 외부 표면을 가지며, 이 영역은 베어링에 대해 마찰되도록 의도된 표면 부분을 적어도 부분적으로 커버한다.
- 샤프트는 표면 코팅 및 마이크로 텍스처링에 의해 커버되는 복수의 별개의 영역을 포함하는 원통형 외부 표면을 가지며, 이 영역은 베어링에 대해 마찰되도록 의도된 표면 부분을 적어도 부분적으로 커버한다.
- 고착 방지 표면 코팅은 샤프트의 표면 경도보다 적어도 두 배의 표면 경도를 가진다.
- 고착 방지 표면 코팅은 DLC 타입의 비정질 탄소로 만들어진다.
- 고착 방지 표면 코팅은 질화물(nitride) 타입(CrN, MoN, …)이다.
- 고착 방지 표면 코팅은 탄화물(carbide) 타입(CrC, SiC, …)이다.
- 샤프트는, 피스톤에, 또한 크랭크 샤프트 커넥팅 로드에 속하는 베어링 내에 하우징되는 피스톤 샤프트이다.
- 샤프트는, 로커 암에 속하는 베어링에 하우징되는 로커 암 샤프트이다.
- 샤프트는, 라인 베어링(line bearing)에 하우징되는 트러니언이다.
- 샤프트는, 빅 엔드 베어링(big end bearing)에 하우징되는 크랭크 핀이다.
- 라인 베어링/빅 엔드 베어링에 베어링 쉘(bearing shell)이 구비될 수 있다.
- 베어링은 강철, 구리 또는 구리 합금, 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 복합 재료 등으로 만들어질 수 있다.
본 발명의 추가 목적은, 전술된 바와 같은 기계 시스템의 제조 방법으로서,
- 샤프트의 상기 영역 내에 고착 방지 표면 코팅을 적용하는 것으로 구성된 코팅 단계; 및
- 상기 영역에 모든 미세 공동을 형성하는 것으로 구성된 마이크로 텍스처링 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 방법의 다른 실시예들에 따르면:
- 코팅 단계는 마이크로 텍스처링 단계 전에 수행된다.
- 마이크로 텍스처링 단계는 코팅 단계 전에 수행된다.
- 표면 코팅은 상기 영역에만 적용된다.
- 마이크로 텍스처링은 상기 영역에만 적용된다.
- 표면 코팅은 상기 영역을 넘어 적용된다.
- 마이크로 텍스처링은 상기 영역을 넘어 적용된다.
- 마이크로 텍스처링 단계는, 일정한 설정을 유지하는 마이크로 텍스처링 설비(installation)로 수행된다. 예를 들어, 마이크로 텍스처링 설비가 레이저 삭마(laser ablation) 기계인 경우, 레이저 빔과 샤프트 사이의 상대 운동, 레이저 빔과 샤프트 사이의 상대 속도, 및 샤프트의 헤드와 표면 사이의 거리뿐만 아니라, 레이저 빔의 파워, 플루언스(fluence), 반복 주파수 및 성형(shaping) 설정이 동일하게 유지된다.
- 마이크로 텍스처링 단계는, 2개의 상이한 설정으로 연속적으로 구성된 마이크로 텍스처링 설비로 수행되거나, 또는 상이한 설정을 갖는 2개의 마이크로 텍스처링 설비로 연속적으로 수행되어, 미세 공동 세트가, 상이한 기하학적 구조를 갖는 적어도 제1 타입의 미세 공동 및 제2 타입의 미세 공동을 포함하도록 한다.
예기치 않게, 접촉 압력의 분야에서, 베어링에 결합된 샤프트를 포함하는 기계 시스템은 즉 200MPa 미만의 평균 접촉 압력으로 작동하고, 문헌의 나머지에서 개시된 내고착성 및 내마모성의 향상을 감소시키지 않으면서, 미세 공동의 깊이는 코팅의 두께보다 크거나 작을 수 있다. 마찬가지로, 코팅 및 마이크로 텍스처링 단계가 수행되는 순서는, 본 발명에 의해 제공되는 성능 향상에 영향을 미치지 않는다.
본 발명은 단지 비제한적인 예로서 제공된 다음의 설명을 읽을 때 더 잘 이해될 것이며, 첨부 도면을 참조하여 이루어질 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 커넥팅 로드 및 피스톤 샤프트를 포함하는, 본 발명에 따른 기계 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1의 화살표 II에 따른 샤프트의 정면도이다.
도 3은 도 2의 III-III 선을 따른 단면도이다.
도 4는 도 3의 IV의 디테일을 나타내는 확대도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 대한 것으로, 도 4와 유사한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 대한 것으로, 도 4와 유사한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제4 실시예에 대한 것으로, 도 2 및 도 3과 유사한 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 제5 실시예에 대한 것으로, 도 2 및 도 3과 유사한 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 제6 실시예에 대한 것으로, 도 2 및 도 3과 유사한 도면이다.
도 13 내지 도 18은 마이크로 텍스처링의 다른 대안적인 실시예를 도시하는 상세한 도면이다.
도 1 내지 도 4는 자동차의 내연 기관에 구비되도록 설계된 본 발명에 따른 기계 시스템(1)을 도시한다.
또한, 본 발명에 따라 기계 시스템(1)은 커넥팅 로드(2) 및 피스톤 샤프트(10)를 포함한다.
커넥팅 로드(2)는 제1 베어링(3)을 형성하는 큰 단부 및 제2 베어링(4)을 형성하는 작은 단부를 포함하며, 이는 원통형 보어홀(6)을 한정하는 브론즈 링(5)을 포함한다.
피스톤 샤프트(10)는 베어링(4)에 설치되도록 의도되며, 보다 상세하게는, 브론즈 링(5)의 보어홀(6)에 설치되도록 의도된다.
대안적으로, 베어링(4)에는 링(5)이 없을 수 있다. 이 경우에 샤프트(10)는 베어링(4)의 보어홀에 직접 하우징된다.
피스톤 샤프트(10)는, DLC 비정질 탄소로 만든 얇은 층의 고착 방지 코팅(20)이 제공된 원통형 외부 표면(11)을 포함한다. 대안적으로, 코팅(20)은 몰리브덴 질화물 MoN 또는 Mo2N, 또는 다른 임의의 고착 방지 재료로 만들어질 수 있다.
코팅(20)은 마찰 기능을 갖는 표면 경화 처리를 구성한다. 코팅(20)은, 처리되지 않은 샤프트와 비교하여, 샤프트(10)의 내고착성을 향상시키는 것을 가능하게 한다. 즉, 코팅(20)은 표면(11)의 내고착성보다 우수한 내고착성을 갖는 외부 표면(21)을 갖는다.
또한, 코팅(20)은 샤프트(10)의 표면(11)의 표면 경도보다 큰 표면 경도를 갖는다. 바람직하게는, 코팅(20)은 표면(11)의 적어도 2배로 단단하다.
또한, 코팅(20)은 샤프트(10)의 표면(11)의 표면 경도보다 큰 표면 경도를 갖는다. 바람직하게는, 코팅(20)은 표면(11)의 적어도 2배로 단단하다.
또한, 코팅(20)은 베어링(4)의 보어홀(6)의 표면 경도보다 큰 표면 경도를 갖는다. 바람직하게는, 코팅(20)은 베어링(4)의 적어도 2배로 단단하다.
따라서, 코팅(20)은 커넥팅 로드(3)의 베어링(4)에서 피스톤 샤프트(10)의 고착을 피할 수 있게 한다.
피스톤 샤프트(10)는 표면(11)과 코팅(20) 사이에 형성된 서브 층(18)을 포함한다. 비제한적인 예로서, 서브 층(18)은 크롬 또는 크롬 질화물로 구성될 수 있다.
피스톤 샤프트(10)는, 표면(11)에 균일하게 분포된 분리된 미세 공동(31)(마이크로미터-스케일 공동) 세트에 의해 형성된 외부 마이크로 텍스처링(30)을 더 포함한다. 마이크로 텍스처링(30)은, 코팅된 샤프트(10)와 베어링(4)의 마모 속도를 감소 시키도록 의도된다. 실제로, 마모 속도를 감소시키는 것은, 코팅(20)의 고착 방지 특성을 보존하고, 샤프트(10)와 베어링(4) 사이의 간극을 유지하고, 따라서 기계적 기능을 보존하기 위한 주요 과제이다.
미세 공동(31)은 표면(11)에 불연속적인 외부 패턴을 형성한다. 미세 공동(31)은 동일한 기하학 구조인, 원형 단면을 갖는 돔 형상을 가지며, 돔의 에지에서 중심까지 깊이가 감소하는 영역을 한정한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 마이크로 텍스처링(30)은 코팅 층(20)에 형성되어, 미세 공동(31)이 코팅(20)의 표면(21)에서 개방되도록 한다.
각각의 미세 공동(31)은 실질적으로 동일한 치수를 가지며, 이는 레이저 빔의 정밀도에 따라 아주 약간 다르다. 본 발명의 맥락에서, 치수 변화가 미세 공동(31)의 평균 치수의 두 배(×2 = +100%) 및 절반(2로 나눔 = -50%) 사이로 유지될 때, 미세 공동(31)은 유사한 치수를 갖는 것으로 가정된다. 예를 들어, 이 정의는 다음 자리수(×10 = +900%) 또는 이전 자리수(10으로 나눔 = -90%로)로의 치수 변화를 제외한다.
원하는 성능을 달성하기 위해, 미세 공동(31)은 15 내지 100㎛의 직경 및 50nm 내지 100㎛의 깊이를 갖는다. 치수가 보다 작거나 크면, 베어링(4)에서 샤프트(10)의 마찰학적 거동(tribological behavior)은 만족스럽지 않다.
유리하게는, 각각의 미세 공동(31)은 1 이하의 형태 비율을 갖는다. 깊이와 최대 길이 사이의 비율로 정의되는 이 형태 비율은, 샤프트(10)의 고착 방지 코팅(20)의 마모 속도와 베어링(4)의 마모를 효과적으로 감소시키기 위해 최적이다.
더 나아가, 미세 공동(31)은 5 내지 30%의 표면 밀도로 표면(11)에 분포된다. 이 표면 밀도는, 표면(11)의 총 면적에 대한, 미세 공동(31)으로 커버되는 표면(11)의 면적의 비율로 정의된다.
실제로, 서브 층(18)은, 예를 들어 반응성 또는 비반응성 마그네트론 캐소드 스퍼터링(magnetron cathode sputtering)에 의해 표면(11)에 먼저 적용된다.
다음으로, 코팅 층(20)은, 예를 들어 물리 기상 증착(physical vapor deposition, PVD) 공정 또는 플라즈마 보조 화학 기상 증착(plasma-assisted chemical vapor deposition, PACVD) 공정에 따른 진공 증착에 의해 층(18)에 적용된다.
최종적으로, 마이크로 텍스처링(30)은, LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 프로토콜, 더 상세하게는, 레이저 삭마로 지칭되는 LASER 프로토콜이 사용되어 코팅(20)의 표면(21)에서 결정론적으로 수행된다.
대안적으로, 마이크로 텍스처링(30)은, 소성 변형 복제(plastic deformation replication)(예를 들어, 수행될 마이크로 텍스처링의 양성(positive) 패턴을 갖는 툴 사용)에 의해, 화학적 처리(게이트 또는 마스크 사용), 또는 마이크로 텍스처링(30)의 형상, 치수, 밀도 및 분포 측면에서 원하는 특성을 달성할 수 있게 하는 임의의 다른 기술에 의해 결정론적으로 수행될 수 있다.
도 1 내지 도 4의 예시에서, 표면(11)은 코팅(20) 및 마이크로 텍스처링(30)에 의해 완전히 커버된다. 즉, 전체 표면(11)이 코팅(20) 및 마이크로 텍스처링(30)이 구비된 마찰 영역(12)을 형성할 가능성이 있다.
내연 기관의 크랭크 샤프트 커넥팅 로드에서 피스톤 샤프트의 마찰 시스템을 시뮬레이션하기 위해 설계된 피스톤 샤프트 전용 테스트베드에서, 일련의 시험이 수행되었다. 시험은 재료와 마이크로 텍스처링 치수가 상이한 구성을 갖는다. 테스트된 다양한 해결 방안을 구별하기 위한 프로토콜이 마련되었다.
각 시험에서, 테스트된 샤프트는 표면 경도가 635HV인 담금질된 저합금강으로 만들어진다. 샤프트와 베어링의 직경은 25mm이며, 직경 간격은 20±5μm이다. 베어링의 너비는 19mm이다. 베어링에는 샤프트(10) 반대에 있는 링(5)이 구비된다.
일부 샤프트는, 두께 0.7μm의 질화 크롬 서브 층에서 2μm의 두께를 갖는 수소화된 a-C:H 타입의 DLC 비정질 탄소 코팅을 갖는다. 다른 샤프트는, 약 0.3㎛ 두께의 Cr 서브 층에서 0.7μm의 두께를 갖는 수소화되지 않은 ta-C 타입의 DLC 비정질 탄소 코팅을 갖는다. DLC a-C:H 코팅 및 샤프트의 경도 비율은 3.5이며, DLC ta-C 코팅 및 샤프트의 경도 비율은 7이다.
마이크로 텍스처링은 펨토초(femtosecond) 레이저에 의해 생성된 돔형 미세 공동으로 형성된다.
시험은 15kN의 하중, 즉 알루미늄, 구리 및 강철 또는 코팅된 강철 길항제(antagonists)에 대해 각각 37MPa, 45MPa 및 52MPa의 헤르츠 압력이 적용된 하중에서, 180℃로 가열 된 환경에서 수행된다. 각각의 시험 시간은 4 시간이다.
시험은 아래 표 1, 2 및 3에 자세히 설명되어 있다.
표 1은 접촉하는 표면 물질이 미치는 영향을 나타낸다. 더 상세하게는, 이는 재료의 경도 비율, 표면의 관찰, 및 있는 경우에서의 코팅의 손상과 샤프트 및/또는 베어링의 마모를 나타낸다. 테스트된 표면에는 마이크로 텍스처링이 포함되어 있지 않다. 샤프트 코팅과 베어링의 경도 비율로 정의된 경도 비율은 1 내지 20까지 다양하다.
텍스처링이 되지 않은 재료의 다양한 구성은 모두 비적합성을 갖는다. 이러한 비적합성은, 코팅 경도(Hv1)가 베어링 표면의 경도(Hv2) 보다 적어도 2배 이상일 때의 샤프트의 코팅 마모와 관련될 수 있다(시험 1-3, 5). 경도 비율 Hv1/Hv2가 1 이하일 경우, 샤프트의 코팅이 벗겨지고(flaking) 베어링에 15μm 깊이의 마모가 해당 구성이 적합하지 않은 것으로 한다(시험 4).
이들 예는 매끄러운 표면에 의해 야기된 문제점 및 길항제의 경도 비율이 미치는 영향을 예시한다.
표 2는 경도 비율이 5 내지 16.7인 코팅된 샤프트에 대해 마이크로 텍스처링 밀도가 미치는 영향을 나타낸다. 직경이 50μm이며 깊이가 500nm의 미세 공동이 샤프트에 제조된다.
5 내지 30%의 밀도(시험 6-11, 14-17 및 19-22)는 샤프트 코팅에서 매우 적은 마모(<0.1㎛)를 나타내며, 이는 본 발명에 의해 달성되는 유리한 효과를 나타낸다. 동시에, 베어링의 마모는 측정할 수 없다. 따라서 시험 6 내지 11, 14 내지 17 및 19 내지 22의 마이크로 텍스처링은, 베어링을 구성하는 재료의 성질과 무관하게 베어링 손상을 초래하지 않으면서 코팅된 샤프트를 보호한다.
한편으로, 밀도가 30%를 초과하는 경우(시험 12, 13, 18 및 23)에는 베어링에서 상당한 마모가 관찰되므로, 이러한 구성은 적합하지 않는 것으로 분류된다.
표 3은 마이크로 텍스처링의 치수 파라미터, 즉 미세 공동의 크기(더 큰 길이) 및 깊이가 미치는 영향을 나타낸다.
최대 치수가 50 내지 90μm이며 깊이가 500nm 내지 50μm인 마이크로 텍스처링에 수행된 시험 24-32는, 본 발명의 기준에 적합하다. 이러한 시험의 경우, 샤프트 코팅에서 마모가 아주 조금만 측정된다(<0.1 μm).
최대 치수가 100μm보다 큰 크기의 마이크로 텍스처링에 수행된 시험 33 및 34는, 시험 33 및 34에 대한 샤프트의 코팅 마모를 관찰할 수 있으며, 이는 본 발명에 적합하지 않은 것이다.
시험 36은 특허 FR2974399에 설명된 거시적인 텍스처링으로 수행된다. 이는 4μm의 베어링 마모와 적어도 0.2μm의 샤프트 마모로 인하여, 적합하지 않은 것으로 나타난다. 이 문헌에 설명된 텍스처링은 본 발명에서 원하는 기준, 즉 주로 샤프트 및 베어링의 코팅이 마모되는 것을 방지하는 기준에 미치지 못한다.
결과 테이블에서 열 지정 범례:
A 시험 번호
B 샤프트 코팅의 성질
C 길항제 링의 성질
D 경도 비율 Hv1/Hv2
- Hv1: 샤프트의 고착 방지 표면 코팅 경도
- Hv2: 샤프트의 길항제 베어링의 경도
E 텍스처링의 타입
F 텍스처링의 밀도(%)
G 텍스처링의 치수(μm)
H 깊이(μm)
I 형태 요소(form factor)
J 샤프트 마모
K 링 마모
L 적합(C) 또는 비적합(NC)
M 비적합 사유
본 발명에 따른 기계 시스템(1)을 구비한 샤프트(10)의 다른 실시예가 도 5 내지 도 18에 도시되어 있다. 샤프트(10)의 일부를 형성하는 일부 요소는 전술한 제1 실시예의 요소와 유사하며, 간략화를 위해, 동일한 참조 번호를 갖는다.
도 5는 표면(11)과 코팅(20) 사이에 서브 층이 없는 샤프트(10)를 도시한다.
도 6은 마이크로 텍스처링 단계가 코팅 단계 전에 수행되는 샤프트(10)를 도시한다. 미세 공동(41)으로 형성된 제1 마이크로 텍스처링(40)이 샤프트(10)의 표면(11)에서 수행된다. 코팅의 표면(21)이, 미세 공동(41) 위에 위치하며 실질적으로 동일한 기하학적 구조를 갖는 미세 공동(31)에 의해 형성된 마이크로 텍스처링(30)을 갖도록, 얇은 층의 코팅(20)이 그 다음으로 표면(11)에 적용된다. 더 상세하게는, 코팅(20)을 적용한 후, 제조된 미세 공동(31)은 초기 미세 공동(41)과 비교하여, 코팅(20)의 적용에 따라 치수가 아주 약간 상이하나, 일반적으로 동일한 형상을 갖는다.
도 7 및 도 8은, 표면(11)이 코팅(20)에 의해 완전히 커버되면서, 마이크로 텍스처링(30)이 표면(11)의 한 중심 영역(12)에서만 수행된 샤프트(10)를 도시한다. 실제로, 샤프트(10)와 보어홀(6) 사이의 접촉 계면은 그 영역(12)에 위치된다. 따라서, 마이크로 텍스처링(30)을 그 영역(12)으로 한정함으로써 샤프트(10)의 지속 시간 및 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따라 처리된 2개의 별개의 영역(12)을 포함하는 샤프트(10)를 도시한다. 영역(12)은 샤프트(10)의 중심 부분에 2개의 대향하는 각도 섹터(angular sectors)에 위치된다. 각각의 영역(12)에는 코팅(20) 및 마이크로 텍스처링(30)이 제공되며, 나머지 표면(11)은 처리(20 및 30)를 받지 않지만 다른 처리를 받을 수 있다. 예를 들어, 각각의 각도 섹터는 15° 및 160° 사이의 각도를 따라 연장될 수 있다. 대안적으로, 샤프트(10)는 예를 들어 15° 및 240°사이의 각도 섹터를 따라 연장되는 단일 영역(12)을 포함할 수 있다.
도 11 및 도 12는, 처리(20 및 30)가 중심 영역(12)에서만 수행되며, 나머지 표면(11)은 처리(20 및 30)를 받지 않지만 다른 처리를 받을 수 있는, 샤프트(10)를 도시한다.
본 발명의 맥락에서, "영역(12)"은 코팅(20) 및 마이크로 텍스처링(30)에 의해 커버되는 샤프트(10)의 표면으로 정의된다. 코팅(20)은 상기 영역(12)을 넘어 연장될 수 있다. 마찬가지로, 마이크로 텍스처링(30)도 상기 영역(12)을 넘어 연장될 수 있다.
바람직하게는, 영역(12)은 샤프트(10)와 베어링(4) 사이의 마찰 영역에 해당한다. 영역(12)은 변동 가능한 길이로, 마찰 영역을 넘어 연장될 수 있다. 영역(12)은 또한, 마찰 영역의 일부에만 해당할 수 있다. 이 경우, 나머지 마찰 영역은 코팅(20)으로만 또는 마이크로 텍스처링(30)으로만 커버되거나, 전혀 변형되지 않을 수도 있다.
도 13은 직사각형 단면을 갖는 긴 줄무늬 형태의 미세 공동(32)으로 형성된 마이크로 텍스처링(30)을 도시한다.
도 14는 삼각형 단면을 갖는 미세 공동(33)으로 형성된 마이크로 텍스처링(30)을 도시한다.
도 15는 타원형 단면을 갖는 미세 공동(34)으로 형성된 마이크로 텍스처링(30)을 도시한다.
도 16은 2개의 상이한 타입의 미세 공동(31 및 35)으로 형성된 마이크로 텍스처링(30)을 도시한다. 미세 공동(31, 35)은 원형 단면을 갖지만, 미세 공동(31)의 직경은 미세 공동(35)의 직경보다 크다. 미세 공동(31, 34)은 다른 치수를 갖는다.
본 발명의 맥락에서, 제2 타입의 미세 공동(35)은, 그 치수가 제1 타입의 미세 공동(31)의 평균 치수의 두 배(×2 = +100%)보다 크거나 또는 절반(2로 나눔 = -50%)보다 작을 때, 상이한 치수를 갖는 것으로 가정된다. 이 경우, 미세 공동(35)의 직경은 미세 공동(31)의 직경의 절반보다 작다.
도 17은 2개의 상이한 타입의 미세 공동(31 및 34)으로 형성된 마이크로 텍스처링(30)을 도시한다. 미세 공동(31)은 원형 단면을 갖는 반면, 미세 공동(34)은 타원형 단면을 갖는다. 미세 공동(31, 34)은 상이한 형상을 갖는다.
도 16 및 17에서, 상이한 타입의 미세 공동이 규칙적인 행으로 교대로 분포되어 있다. 대안적으로, 상이한 타입의 미세 공동은 다른 기하학적 패턴으로 결정론적으로 분포될 수 있다.
도 18은 미리 결정된 패턴이 아니라 무작위로 분포된 미세 공동(31)으로 형성된 마이크로 텍스처링(30)을 도시한다. 비제한적인 예로서, 이러한 랜덤 패턴은 샷 피닝 공정(shot-peening process)에 의해 이루어질 수 있다.
도 16 및 17에서, 상이한 타입의 미세 공동이 규칙적인 행으로 교대로 분포되어 있다. 대안적으로, 상이한 타입의 미세 공동은 다른 패턴으로 결정론적으로 분포되거나, 도 18에서와 같이 무작위로 분포될 수 있다.
실시예에 관계없이, 기계 시스템(1)은 베어링(4)과 샤프트(10) 사이의 계면에서 200MPa 미만의 평균 접촉 압력 하에서 작동하도록 의도되며, 이 기계 시스템(1)은, 샤프트(10)의 표면 경도(11)의 적어도 두 배의 표면 경도를 갖는 고착 방지 표면 코팅(20), 및 영역(12) 내에 불연속적으로 분포된 분리된 미세 공동 세트로 형성된 마이크로 텍스처링(30)이 모두 구비된, 적어도 하나의 상기 영역(12)을 포함한다.
실제로, 기계 시스템(1)은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 도 1 내지 도 18과 다르게 구성될 수 있다.
더 나아가, 위에서 언급된 다양한 실시예 및 변형예의 기술적 특성은 전체적으로 또는 일부에 대해 서로 조합될 수 있다.
따라서, 기계 시스템(1) 및 이를 제조하는 방법은 비용, 기능 및 성능 측면에서 채택될 수 있다.

Claims (16)

  1. 베어링(4) 및 상기 베어링(4)에 결합된 샤프트(10)를 포함하고, 내연 기관에 구비되며, 200MPa 미만의 평균 접촉 압력이 가해지는 기계 시스템(1)으로서, 상기 샤프트(10)는 적어도 하나의 영역(12)을 포함하며, 상기 영역(12)은, 상기 영역(12) 내에 분포된,
    상기 베어링(4)의 표면 경도(HV)의 적어도 두 배의 표면 경도(HV)를 갖는 고착 방지 표면 코팅(20), 및
    분리된 미세 공동 세트(31, 32, 33, 34, 35)에 의해 형성된 마이크로 텍스처링(30)을 구비하고,
    상기 미세 공동(31, 32, 33, 34, 35)은 5 내지 10%의 표면 밀도로 상기 영역(12) 내에 분포되고, 상기 표면 밀도는, 상기 미세 공동(31, 32, 33, 34, 35)에 의해 커버되는 총 면적과, 상기 미세 공동(31, 32, 33, 34, 35)을 포함하는 상기 영역(12)의 총 면적 사이의 비율로 정의되는 것을 특징으로 하는, 기계 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 샤프트(10)의 상기 고착 방지 표면 코팅(20)은, 상기 베어링(4)의 표면 경도(HV)의 적어도 3배 이상의 표면 경도(HV)를 갖는 것을 특징으로 하는, 기계 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 샤프트(10)의 상기 고착 방지 표면 코팅(20)은, 상기 베어링(4)의 표면 경도(HV)의 적어도 6배 이상의 표면 경도(HV)를 갖는 것을 특징으로 하는, 기계 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    각각의 상기 미세 공동(31, 32, 33, 34, 35)은 15 내지 100㎛의 최대 길이, 및 50nm 내지 100㎛의 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는, 기계 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    각각의 상기 미세 공동(31, 32, 33, 34, 35)은 1 이하의 형태 비율(form ratio)을 가지며, 상기 형태 비율은 상기 깊이와 상기 최대 길이 사이의 비율로 정의되는 것을 특징으로 하는, 기계 시스템.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 미세 공동(31, 32, 33, 34, 35)은 표면에 직사각형, 정사각형, 삼각형 또는 육각형 미세 공동의 네트워크를 형성하도록, 미리 결정된 패턴으로 상기 영역(12) 내에 분포되며, 단일 패턴 내에서 하나의 미세 공동의 중심과 인접하는 미세 공동의 중심 사이의 간격은 미세 공동의 길이 방향 치수 중 하나의 값의 1 내지 10배 사이인 것을 특징으로 하는, 기계 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 미세 공동(31, 32, 33, 34, 35)은 랜덤 패턴으로 상기 영역(12) 내에 분포되며, 하나의 미세 공동의 중심과 인접하는 미세 공동의 중심 사이의 간격은 미세 공동의 길이 방향 치수 중 하나의 값의 0.1 내지 10배 사이로 무작위인 것을 특징으로 하는, 기계 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 샤프트(10)는 상기 표면 코팅(20)과 상기 마이크로 텍스처링(30)에 의해 완전히 커버되는 원통형 외부 표면(11)을 갖는 것을 특징으로 하는, 기계 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 샤프트(10)는 상기 표면 코팅(20) 및 상기 마이크로 텍스처링(30)에 의해 커버되는 단일 국소 영역(12)을 포함하는 원통형 외부 표면(11)을 가지며, 상기 영역(12)은 상기 베어링(4)에 대해 마찰되도록 의도된 상기 표면(11)의 부분을 적어도 부분적으로 커버하는 것을 특징으로 하는, 기계 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 샤프트(10)는 상기 표면 코팅(20) 및 상기 마이크로 텍스처링(30)에 의해 커버되는 복수의 별개의 영역(12)을 포함하는 원통형 외부 표면(11)을 가지며, 상기 영역(12)은 상기 베어링(4)에 대해 마찰되도록 의도된 상기 표면(11)의 부분을 적어도 부분적으로 커버하는 것을 특징으로 하는, 기계 시스템.
  12. 청구항 1에 따른 기계 시스템(1)의 제조 방법에 있어서,
    상기 샤프트(10)의 상기 영역(12) 내에 상기 고착 방지 표면 코팅(20)을 적용하는 것으로 구성된, 샤프트(10) 코팅 단계; 및
    상기 샤프트(10)의 상기 영역(12) 내에 모든 미세 공동(31, 32, 33, 34)을 형성하는 것으로 구성된, 샤프트(10) 마이크로 텍스처링 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기계 시스템 제조 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 코팅 단계는, 상기 마이크로 텍스처링 단계 전에 수행되는 것을 특징으로 하는, 기계 시스템 제조 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 마이크로 텍스처링 단계는, 상기 코팅 단계 전에 수행되는 것을 특징으로 하는, 기계 시스템 제조 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 마이크로 텍스처링 단계는, 일정한 설정을 유지하는 마이크로 텍스처링 설비로 수행되는 것을 특징으로 하는, 기계 시스템 제조 방법.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 마이크로 텍스처링 단계는, 2개의 상이한 설정으로 연속적으로 구성된 마이크로 텍스처링 설비로 수행되거나, 또는 상이한 설정을 갖는 2개의 마이크로 텍스처링 설비로 연속적으로 수행되어, 상기 미세 공동(31, 32, 33, 34, 35) 모두가, 상이한 기하학적 구조를 갖는 적어도 제1 타입의 미세 공동(31) 및 제2 타입의 미세 공동(34; 35)을 포함하도록 하는 것을 특징으로 하는, 기계 시스템 제조 방법.
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