KR20020055500A - 유압발생장치의 피스톤 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유압발생장치의 부품인 피스톤의 윤활성과 내마모성을 증진시켜 궁극적으로 그 수명을 연장시키도록 된 유압 발생장치의 피스톤이 개시되어 있는 것으로, 본 발명의 유압발생장치 피스톤은 이 피스톤에 다이아몬드상 카본 필름이 코팅된 것을 구성으로 하는 것이며, 이를 제조하는 방법은 피스톤에 50∼100mtorr 압력의 아르곤 분위기에서 바이아스 전압 -200∼-1000V로 스퍼터 세척하는 제1단계; 100∼300mTorr의 아르곤과 실레인의 혼합 분위기에서 바이아스 -300∼-600V로 중간층을 증착하는 제2단계; 탄화수소 가스를 가스 공급계로부터 도입하고 압력을 200∼500mTorr, 바이아스를 -300∼-600V로 하여 상기의 피스톤에 다이아몬드상 카본 필름을 1∼10㎛의 두께로 코팅하는 제3단계;로 이루어져 있고, 이 피스톤을 사용하므로써 유압발생장치의 성능을 향상시키고, 특히 그 작동 수명을 연장시킬 수 있다.

Description

유압발생장치의 피스톤 및 그 제조방법{Piston of Hydraulic Generator and manufacturing method thereof}

본 발명은 유압 발생장치의 피스톤(piston, 이하 "피스톤"이라 함)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 피스톤의 윤활성과 내마모성을 증진시키기 위하여다이아몬드상 카본 필름을 코팅하므로써 피스톤의 수명을 향상시키고 피스톤에 의한 유압 발생장치의 실린더의 손상을 억제하여 제품의 성능을 향상시키고 수명을 연장시킬 수 있는 피스톤 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

도1은 일반적은 유압 발생장치의 실린더(10)와 피스톤(30)의 모식도 이다. 유압 발생장치는 실린더와 피스톤의 조합으로 구성되어 있으며, 피스톤(30)이 실린더(10)의 내부의 구멍 즉, 피스톤 보어(20)에 조립되어 왕복운동을 하여 유압을 발생시키는 장치이다.

이중 피스톤(30)의 표면은 유압 발생과정에서의 왕복운동으로 인하여 마모환경에 대하여 취약한 윤활조건을 가져 마찰 및 마모에 의한 소착 등 표면손상으로 유압 발생장치의 오작동을 유발하게 된다.

피스톤(30) 표면에서의 윤활성 및 내마모성을 향상시키는 것은 유압 발생장치의 성능 향상과 작동 시간 연장에 중요한 부분이다.

본 발명은 종래의 피스톤이 가지는 상술한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 피스톤 표면에 보다 강화된 윤활성과 내마모성을 부여하여 유압발생장치의 성능향상과 작동 시간 연장을 시킬 수 있게 하는 피스톤을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또다른 목적은 위의 피스톤 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 유압발생장치 구조도,

도 2는 다이아몬드상 카본 필름 합성장치 구조도,

도 3은 다이아모드상 카본 필름의 모식도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 실린더 블록 20 : 피스톤 보어

30 : 피스톤 40 : 합성 챔버

50 : 가스 공급계 60 : 전원 공급계

70 : 진공계 80 : 다이아몬드상 카본 필름

90 : 중간층 100 : 피스톤 모재

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 피스톤에 다이아몬드상 카본 필름이 코팅된 유압발생장치의 피스톤을 제공한다.

또한, 본 발명은 피스톤을 50∼100mTorr 압력의 아르곤 분위기에서 바이아스 전압 -200∼-1000V로 스퍼터 세척하는 제1단계; 100∼300mTorr의 아르곤과 실레인의 혼합 분위기에서 바이아스 -300∼-600V로 중간층을 증착하는 제2단계; 탄화수소 가스를 가스 공급계로부터 도입하고 압력을 200∼500mTorr, 바이아스를 -300∼-600V로 하여 상기의 피스톤에 다이아몬드상 카본 필름을 1∼10㎛의 두께로 코팅하는 제3단계;로 이루어지는 유압 발생장치용 피스톤에서의 다이아몬드상 카본 필름 코팅 방법을 제공한다.

다이아몬드상 카본 (diamond-like carbon) 필름은 다이아몬드와 유사한 물리 화학적 특성을 가진 고상 카본 필름의 하나로서 합성 온도가 낮고 표면이 평활하며 물성의 제어가 용이하다는 장점을 가지고 있다.

특히, 내마모성 및 윤활 특성이 뛰어나 내마모성 고체 윤활제로의 활용 가능성이 매우 높은 재료이다. 따라서, 드릴 등 가공용 공구에의 코팅 뿐만 아니라 컴퓨터 하드 디스크, 비디오 헤드 및 헤드 드럼의 고윤활 보호 코팅 등 많은 분야에서 활용되고 있는 재료이다.

이 필름의 합성을 위해서는 탄소 이온을 형성시키고 이들 이온이 높은 에너지를 가지고 필름 표면에 충돌하도록 하여야 한다. 이들 필름의 합성을 위해서는 플라즈마 화학 기상 증착(Chemical Vapour Deposition, 이하 "CVD"라 함)법, 스퍼터링법, 이온빔 합성법, 레이저 어블레이션법 등 다양한 방법과 이들 방법이 조합된 합성 기술등 많은 합성기술이 보고되어 사용되고 있다.

피스톤에 사용되는 재질은 철계 금속에 침탄처리 또는 질화처리 하거나 급냉및 템퍼링처리 한 것으로, 피스톤의 마모 상대재인 실린더 블록과의 접촉 왕복운동에 의하여 높은 마찰계수를 나타낸다.

그러나, 본 발명자들은, 피스톤에 다이아몬드상 카본 필름이 코팅되어 사용되는 경우, 필름의 두께가 1㎛ 미만일 때는 피스톤의 코팅층이 작동중에 손상되어 충분한 피스톤의 수명을 보장할 수 없다는 것을 발견하였다. 따라서, 본 발명에 따른 다이아몬드상 카본 필름의 두께는 1∼10㎛가 요구되고, 더욱 바람직하기로는 2㎛ 이상의 다이아몬드상 카본 필름이 요구된다.

즉, 피스톤을 Ar 이온을 사용하여 스퍼터 세척한 후, 실레인과 아르곤 가스를 공급하여 다이아몬드상 카본 필름과 피스톤 모재 사이에 중간층을 형성시켜 주었다. 상기 중간충 형성을 위한 공정은 다음의 단계로 구성된다.

⑴ 피스톤 모재를 50∼100mTorr 압력의 아르곤 분위기에서 바이아스 전압 -200∼-1000V로 스퍼터 세척하는 제1단계

스퍼터 효율은 플라즈마 가스의 압력과 바이어스 전압에 의해 결정된다. 이 때 가스압이 100mTorr이상이 되면 기체 분자간의 상호 간섭에 의해 충분한 세척효과를 얻을 수 없으며 가스압이 낮을 경우에는 스퍼터링에 참여하는 분자의 절대량이 부족하여 마찬가지로 세척 효율이 떨어진다. 바이어스 전압이 높을수록 스퍼터링의 효율은 높아지나 -1000V 이상의 고전압을 가할 경우 스퍼터링으로 떨어져 나온 금속원자에 의해 챔버(chamber)가 오염될 가능성이 있으므로 적정한 바이어스 전압을 결정하여 스퍼터링을 시행하여야 한다. 이때 반응시간은 20~60분이 바람직하다.

⑵ 챔버내의 압력을 100∼300mTorr로 유지하면서 실레인과 아르곤 혼합가스 분위기에서 바이아스 -300∼-600V로 중간층을 증착하는 제2단계

이러한 방법으로 본 발명에서 요구되는 두께의 다이아몬드상 카본 필름을 안정되게 성장시킬 수 있었는데, 본 발명을 통해 밝혀진 최적의 접착력 증진 공정은 후술하는 실시예에 나와 있다. 이 단계 역시 전단계와 마찬가지의 시간정도 즉, 20~60분 정도의 반응시간을 유지하는 것이 바람직하다.

합성 챔버내에서 상기 단계에 의해 중간층이 형성된 피스톤에, 다음과 같은 다이아몬드상 카본 필름 코팅 공정을 거쳐 다이아몬드상 카본 필름이 코팅된다.

⑶ 탄화수소 가스를 가스 공급계로부터 도입하고 압력을 200∼500mTorr, 바이아스 전압을 -300∼-600V로 하여 상기의 피스톤에 다이아몬드상 카본 필름을 1∼10㎛의 두께로 코팅하는 제3단계

다이아몬드상 카본 필름의 합성시 압력 혹은 바이어스 전압이 지나치게 높으면 흑연에 가까운 필름이 합성되어 내마모성이 현저히 감소하므로 본 발명에서 얻고자하는 소정의 성질을 획득할 수 없다. 또한 압력 및 바이어스 전압이 각각 200mTorr, -300V 이하가 되면 플라즈마가 인가되지 않는다. 이때 필름 합성속도를 0.5~2㎛/h속도로 하는 것이 콘트롤 면에서 바람직하고, 특히 0.8㎛/h로 조정하는 것이 바람직하다.

본 발명자들은 상술한 공정에 의해 다이아몬드상 카본 필름 코팅 피스톤을 성공적으로 제작할 수 있었다. 이러한 피스톤을 유압 발생장치에 적용한 결과, 유압 발생장치가 작동하는 도중 피스톤과 실린더가 소착되는 문제를 완전히 제거할수 있었으며, 이에따라 유압 발생장치의 작동 수명 또한 증가되었다.

본 발명의 바람직한 실시예가 후술하는 실시예에서 더욱 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명의 범위가 후술하는 실시예의 범위내에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1.

본 발명자들은 본 실시예에서 다양한 다이아몬드상 카본 필름의 합성 방법 중 1MHz의 라디오파를 이용하는 플라즈마 CVD에 의한 합성 방법을 사용하였다. 그러나, 전술한 바와 같이, 다이아몬드상 카본 필름의 합성 방법이 상기 플라즈마 CVD 만으로 국한되는 것은 아니다. 합성된 필름의 특성을 제어하는 중요한 변수는 합성면에 충돌하는 입자의 에너지이기 때문에 어떤 방법에서든 충돌하는 입자의 에너지를 체계적으로 조절할 수 있다면, 본 실시예와 동일한 기술적 방법이 손쉽게 적용될 수 있다.

도2는 본 발명에 따른 코팅에 사용된 합성 장치의 모식도이다. 장치는 합성챔버(40), 가스공급계(50), 전원 공급계(60) 및 진공계(70) 등 크게 4 부분으로 이루어져 있다. 다이아몬드상 카본 필름의 합성에서는 피스톤에 형성되는 바이아스 전압을 측정하는 것이 매우 중요한데, 본 장비는 라디오파 전원장치의 임피던스 매칭 네트워크 (impedence matching network)를 통해 바이아스를 읽을 수 있도록 되어있다.

도 3은 피스톤 상에 코팅된 필름의 단면의 모식도를 보여준다. 피스톤은 침탄강, 질화강등 금속재질을 가공하여 제작한 것이다. 상기 피스톤들을 초음파 세척기를 이용하여 아세톤 및 에탄올로 세척한 뒤, 건조시켜 코팅기의 음극에 설치하였다. 본 발명에 의해, 피스톤 모재(100) 위에 중간층(90) 형성 공정을 통해 중간층(90)가 형성된 뒤, 다이아몬드상 카본 필름(80)이 코팅된다.

다이아몬드상 카본 필름의 합성전에 필름의 접착력 향상을 위해 중간층을 형성시키고자 다음의 표 1의 공정을 거친 후 다이아몬드상 카본 필름을 코팅하였다. 표 1의 조건으로 합성한 필름에서 가장 우수한 접합성을 나타내었다.

공정	가스조성	압 력	바이아스전압	시 간
스퍼터세척	Ar 100%	80mTorr	-600V	60분
중간층 증착	Ar 50%SiH4 50%	400mTorr	-300V	30분

본 발명에서는 다이아몬드상 카본 필름의 합성에 메탄 가스를 반응가스로 사용하였다. 그러나 본 발명의 범위가 메탄만으로 한정되는 것은 아니다. 아세틸렌, 벤젠 등 어떠한 탄화수소 가스를 이용하든 합성 가스의 효과는 필름의 합성속도와 특성을 결정하는 실험 변수에만 영향을 미칠뿐 다이아몬드상 카본 필름의 합성 자체에 영향을 주지는 않기 때문이다. 필름의 합성시 합성 압력은 400mTorr였으며, 바이아스 전압은 -300V를 사용하였다 필름의 합성 속도는 0.8㎛/h 였으며, 필름의 두께는 합성 시간을 조절하여 변화시켰다.

2.5㎛의 두께로 다이아몬드상 카본 필름이 코팅된 피스톤을 이용하여 성능시험을 시행한 결과, 다이아몬드상 카본 필름을 적용하지 않은 제품은 피스톤 면에서의 마모 및 마찰에 의하여 소착이 일어난 반면 다이아몬드상 카본 필름을 적용한 피스톤은 표면에서 아무런 이상을 발견할 수 없었다. 이러한 결과는 다이아몬드상 카본 필름의 코팅에 의해 실린더의 내벽과 접촉 운동하는 피스톤 면에서의 마찰계수가 감소하여 유압 발생장치의 성능과 수명을 향상시키는 효과를 보여주는 것이다.

본 발명에 따른 다이아몬드상 카본 필름 코팅을 유압 발생장치의 피스톤의 표면에 코팅하므로써, 유압 발생장치의 성능을 향상시키고, 특히 그 작동 수명을 연장시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 유압 발생장치의 피스톤에 있어서, 상기 피스톤에 다이아몬드상 카본 필름이 코팅된 것을 특징으로 하는 유압 발생장치의 피스톤.
2. 제1항에 있어서, 상기의 다이아몬드상 카본 필름 코팅층의 두께가 1.0∼10㎛로 된 것을 특징으로 하는 유압 발생장치의 피스톤.
3. 제1항에 있어서, 상기 피스톤은 철계 합금 및 질화강을 가공한 것을 특징으로 하는 유압 발생장치의 피스톤.
4. 유압발생장치 피스톤의 다이아몬드상 카본 필름을 코팅하는 방법에 있어서,

   피스톤을 50∼100mtorr 압력의 아르곤 분위기에서 바이아스 전압 -200∼-1000V로 스퍼터 세척하는 제1단계;

   100∼300mTorr의 아르곤과 실레인의 혼합 분위기에서 바이아스 -300∼-600V로 중간층을 증착하는 제2단계;

   탄화수소 가스를 가스 공급계로부터 도입하고 압력을 200∼500mTorr, 바이아스를 -300∼-600V로 하여 상기의 피스톤에 다이아몬드상 카본 필름을 1.0∼10㎛의 두께로 코팅하는 제3단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 유압발생장치 피스톤의 다이아몬드상 카본 필름 코팅 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 제1단계와 제2단계의 반응시간을 20~60분으로 하고, 상기 제3단계의 코팅속도를 0.5~2㎛/h로 되게 하는 것을 특징으로 하는 유압발생장치 피스톤의 다이아몬드상 카본 필름 코팅 방법.