KR20030091918A - 자동차 엔진 부품상에 합성된 질화탄소 코팅 및 코팅장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 엔진 부품 중에서 선택된 피코팅재 상에 합성되는 질화탄소(CNx) 코팅에 관한 것으로, 카본에 질소를 첨가하여 얻어지는 질화탄소층 및 Cr, Si, W, Ti 중에서 선택적으로 사용하여서 된 중간층으로 이루어 진다.

본 발명에 따른 코팅은, 경도값이 15~35GPa까지 제어 가능하며, 마찰계수는 0.05 이하까지 가능하다. 또한 다층 구조를 도입하여 코팅의 잔류응력을 50% 이상 감소시킬 수 있다. 따라서 이러한 코팅이 적용된 부품을 사용하는 자동차 엔진은 수명연장 및 연비저감에 현저한 효과가 있다.

Description

자동차 엔진 부품상에 합성된 질화탄소 코팅 및 코팅 장치 {Coating systhesized on the parts of motor engines and coating apparatus}

본 발명은 자동차 엔진 부품의 코팅에 관련된 것으로, 특히 자동차 엔진의 수명향상 및 연비저감을 위한 부품의 내마모, 고윤활을 보장하는 질화탄소(CNx) 코팅 및 높은 합성속도를 구현하는 코팅 장치에 관한 것이다.

자동차 엔진은 피스톤 링, 타펫, 베어링, 파킹 캠, 피니언 등 다양한 기계 부품들로 구성되어 있다. 현재까지 이러한 자동차 엔진 부품은 대부분 가스 질화 및 침탄, 그리고 습식 도금법 등의 표면 처리에 의하여 그 기계적 특성이 향상되어 왔다. 그러나 자동차 기술의 발전에 따라 엔진 파워가 상승하고 엔진 부품의 적응 환경이 가혹해 짐에 따라 기존의 표면 처리 방법으로는 많은 한계를 드러내게 되었다. 특히, 자동차 엔진 부품에 가장 널리 적용되고 있는 습식 도금의 경우, 환경 문제를 유발하여 점차적으로 그 사용이 제한되고 있다.

이에, 환경 친화적이며 보다 우수한 기계적 특성을 나타내는 플라즈마 코팅의 자동차 부품으로의 적용에 관한 연구가 세계적으로 활발히 이루어 지고 있다. 현재 해외에서는 크롬계 내마모 코팅막과 카본계 고윤활 코팅막이 엔진 부품에 적용되기 시작하고 있으나, 국내 자동차 분야에서는 그 응용이 전무한 실정이다. 특히 카본계 코팅막은 우수한 내마모성, 윤활 특성 및 화학적 안정성 등으로 인해 자동차 부품에 유효하게 적용될 것으로 기대된다.

그러나 카본 코팅은 코팅장치의 낮은 합성 속도로 인해 저가 대량으로 공급되어야 하는 자동차 엔진 부품에 적용되기에는 많은 한계를 나타내고 있다. 종래로부터 카본 코팅은 화학기상 증착법(CVD), 이온 플레이팅법, 아크증발증착법, 이온빔 스퍼터링법 등 여러 방법에 의하여 이루어져 왔으나 이들 방법을 수행하는 코팅장치는 플라즈마 밀도와 이온화율이 비교적 낮아 일반적으로 20nm/min 내외의 합성속도를 갖는다.

이에, 본 발명자는 자동차 엔진 부품에 대한 플라즈마 코팅을 연구하는 과정에서 보다 우수한 기계적 특성을 갖는 코팅과 더불어 높은 합성속도를 갖는 코팅장치를 개발하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 자동차 엔진 부품에 코팅을 함에 있어서, 질화탄소(CNx) 코팅을 적용하여, 종래의 것에 비하여 보다 우수한 기계적 특성을 갖는 코팅을 제공하고자 하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 높은 합성속도를 구현하는 코팅 장치를 제공하고자 하는 것이다.

도 1 내지 도3은 본 발명에 따른 코팅의 개념도.

도 4는 본 발명에 따른 코팅장치의 개략도.

도 5는 제 1 실시예에 따른 코팅의 단면조직 사진.

도 6은 제 2 실시예에 따른 코팅의 단면조직 사진.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

20a,b,c. 코팅21. 피코팅재

22. 질화탄소층23. 중간층

24. 응력 해소층30. 코팅장치

31. 진공함32. 진공펌프

33,34. 마그네트론원35. 지그

36. 가스유량 조절부

도 1은 본 발명으로 얻고자 하는 코팅(20a)의 구조를 나타낸 개념도이다. 부호 21은 자동차 엔진 부품 중에서 선택된 피코팅재이며, 상기 코팅(20a)은 피코팅재(21) 상에 합성되며, 카본에 질소를 첨가하여 얻어지는 질화탄소(CNx)층(22)이다. 상기 코팅(20a)은 그 두께가 약 1~2㎛ 정도이나, 경우에 따라서는 수 ㎛ 까지도 가능하다. 또한 질화탄소층(22)은 카본에 질소를 첨가하여 얻어지는 것으로, 기존의 카본 코팅에 비하여 우수한 내마모 및 윤활 특성을 갖는다.

도 2는 본 발명으로 얻고자 하는 다른 코팅(20b)의 구조를 나타낸 개념도이다. 이 코팅(20b)은, 상기한 코팅(20a)에 대하여, 피코팅재(21) 및 질화탄소층(22) 사이에 배치되는 중간층(23)을 더 포함하여 이루어진다. 상기 코팅(20b)은 그 두께가 약 1~2㎛ 정도이나, 경우에 따라서는 수 ㎛ 까지도 가능하다. 상기 중간층(23)은 피코팅재(21)와 질화탄소층(22) 간의 상호 밀착력을 구현하기 위하여 제공되며, 재료로서는 Cr, Si, W, Ti 중에서 선택하여 사용된다.

도 3은 본 발명으로 얻고자 하는 또 다른 코팅(20c)의 구조를 나타낸 개념도이다. 이 코팅(20c)은 상기한 코팅(20b)에 대하여, 상기 질화탄소층(22) 상에 응력 해소층(24)과 또 다른 질화탄소층(22a,b,c...)이 교대로 적층되어 이루어지며, 그 두께는 수 ㎛ 까지 가능하다. 이러한 다층 구조에 의하여 피코팅재(21)와의 보다 높은 밀착력 및 낮은 잔류응력을 갖는 코팅을 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코팅장치의 구성을 나타낸 도면으로, 이 코팅장치(30)에 의하여 마그네트론 스퍼터링법에 의한 질화탄소 코팅이 수행된다. 상기 코팅장치(30)는:

그 내부에서 피코팅재의 코팅처리가 이루어지는 진공함(31)과, 상기진공함(31) 외측에 제공되어 진공함(31)의 내부 압력을 제공하는 진공펌프(32)를 포함하는 장치에 있어서;

상기 진공함(31)의 서로 대향하는 양 측에 각각 구비되며, 어느 일측에는 질화탄소(CNx) 박막의 합성을 위한 고상 카본 타켓이 장착된 마그네트론원(33,34)과;

상기 진공함(31)의 내부에서 피코팅재가 상기 마그네트론원(33,34)의 전방을 지나도록 이송시키고, 직류 바이어스 전압(-)을 인가할 수 있도록 진공함(31)과 절연된 회전식 지그(35)와;

상기 진공함(31)의 외측에 배치되고 내부로 연결되어, 질화탄소 박막의 합성을 위한 N₂및 Ar 가스의 유량을 조절 공급해 주는 가스 조절부(36)로 구성된다.

바람직하게, 상기 마그네트론원(33,34)의 타측에는 질화탄소 박막과 피코팅재와의 밀착력을 위하여 Cr, Si, W, Ti 중에서 선택된 재료가 타켓으로 장착된다.

상기 코팅장치(30)의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다. 코팅하고자 하는 재료가 타켓으로 장착된 음극에 자석이 장착되어 타켓 표면과 평행한 방향으로 자장을 인가하여 전자를 접속함과 동시에, 전자가 그 주변에서 선회하도록 함으로써 플라즈마를 타켓 표면의 매우 가까운 곳에 유지시킨다. 이러한 작용에 의하여 플라즈마 밀도와 이온화율이 증가하게 되고, 그 결과 다량 생산된 이온에 의한 방전전류가 증가하며 스퍼터 속도가 향상된다. 따라서 기판에 대한 전자 충돌이 줄어들고, 결국 증착속도가 향상되는 결과를 얻을 수 있다. 실제로 본 장치는 200nm/min이상의 높은 합성속도를 구현할 수 있다.

제 1 실시예

도 5는 본 발명에 따른 코팅장치(30)를 이용하여 합성된 도 2 구조의 질화탄소 코팅(20b)의 주사전자현미경 사진이다. 질화탄소 박막을 합성하기 위한 공정 조건을 다음과 같이 하였다.

Ar 분압 : 3 ×10^-3Torr

N₂분압 : 0.5 ~ 3 ×10^-3Torr

마그네트론원

음극 1 : Cr (99.9% 이상의 순도)

음극 2 : graphite (99.9% 이상의 순도)

전류밀도 : 30 W/㎠

시편온도 : 약 150 ℃

시편 바이어스 : 직류 -200V

지그 회전속도 : 4~16 rpm

도 5에서, 시편 상에 밀착력 구현을 위한 Cr 중간층(23)과 탄화질소층(22)이 관찰되며, 같은 공정 조건으로 합성된 질화탄소 박막 내 질소 함량은 질소 공정 분압에 따라 10~60% 까지 넓은 범위에 걸쳐 합성됨이 확인되었다.

박막내 함유되는 질소 함량을 조절함으로써 경도값이 15~35GPa까지 제어 가능하며, 마찰계수는 0.05 이하까지 가능하다. 따라서 사용 목적에 따라 부합되는 기계적 특성을 가진 코팅막 합성이 가능하고, 점진적으로 질소 농도를 변화시키는 농도 경사 코팅도 가능하다. 또 지그(35)의 회전속도를 제어하여 각 층(22,23,24)의 두께를 가변 형성할 수 있다.

이러한 방법으로 코팅된 자동차 엔진 부품을 현장 적용한 결과 엔진 마찰 저감이 크게 향상되었으며, 이에 따른 연비 저감 효과도 현저하게 관찰되었다. 또한 고온 열화에도 탁월한 내구성을 가지게 되었다.

이러한 질화탄소 코팅막의 특성을 기존 크롬계 및 카본계 코팅막과 비교 정리하여 아래 표 1에 나타내었다.

(표 1)

	질화탄소막(CNx)	크롬계막(CrN)	카본막(a-C:H)
경도 (GPa)	15~35	22~25	20~35
마찰계수	<0.05	0.35	~0.1
밀착력(N)	>60	>60	40~45
잔류응력(GPa)	<2	<1	>2
내열 및 내구성	양호	우수	내열성에 문제

상기 표 1에서, 질화탄소막은 다양한 경도 범위를 가지고 있어 사용 목적에 따라 적용이 다양하게 이루어 질 수 있으며, 마찰계수는 타 코팅막에 비해 월등히 우수함을 알 수 있다. 또한 잔류응력을 2GPa 이하로 제어 가능하므로 밀력력도 높은 수치를 나타내었으며, 내열 밀 내구성도 양호하다.

제 2 실시예

도 6는 본 발명에 따른 코팅장치(30)를 이용하여 합성된 도 3 다층 구조의 질화탄소 코팅(20c)의 주사전자현미경 사진이다. 질화탄소 박막을 합성하기 위한 공정 조건을 다음과 같이 하였다.

Ar 분압 : 3 ×10^-3Torr

N₂분압 : 0.5 ~ 3 ×10^-3Torr

마그네트론원

음극 1 : Cr (99.9% 이상의 순도)

음극 2 : graphite (99.9% 이상의 순도)

전류밀도 : 30 W/㎠

시편온도 : 약 150 ℃

시편 바이어스 : 직류 -200V

지그 회전속도 : 4~16 rpm

도 6에서, 피코팅재(21) 상에 밀착력 구현을 위한 Cr 중간층(23)과 탄화질소층(22, 22a,b,c...) 및 Cr 응력 해소층(24)이 관찰된다. 상기 응력 해소층(24)의 도입으로 코팅(20c)의 잔류응력은 1GPa 까지 감소되어 시편과 코팅 간의 밀착력이 더욱 향상되는 결과를 얻었다.

본 발명에 따른 코팅은, 경도값이 15~35GPa까지 제어 가능하며, 마찰계수는 0.05 이하까지 가능하다. 또한 다층 구조를 도입하여 코팅의 잔류응력을 50% 이상 감소시킬 수 있다. 따라서 이러한 코팅이 적용된 부품을 사용하는 자동차 엔진은 수명연장 및 연비저감에 현저한 효과가 있다.

Claims (5)

1. 자동차 엔진 부품 중에서 선택된 피코팅재 상에 합성되는 코팅으로, 상기 코팅은 카본에 질소를 첨가하여 얻어지는 질화탄소(CNx)층인 것을 특징으로 하는 자동차 엔진 부품상에 합성된 질화탄소 코팅.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 코팅은 피코팅재 및 질화탄소층 사이에 배치되는 중간층을 더 포함하며, 상기 중간층은 피코팅재와 질화탄소층 간의 상호 밀착력을 구현하기 위한 재료로서 Cr, Si, W, Ti 중에서 선택적으로 사용하여서 된 특징으로 하는 자동차 엔진 부품상에 합성된 질화탄소 코팅.
3. 제 1 또는 제 2 항에 있어서, 상기 코팅은 상기 질화탄소층 상에 교대로 적층되는 응력 해소층과 또 다른 질화탄소층을 포함하며, 상기 응력 해소층은 Cr, Si, W, Ti 중에서 선택적으로 사용하여서 된 특징으로 하는 자동차 엔진 부품상에 합성된 질화탄소 코팅.
4. 그 내부에서 피코팅재의 코팅처리가 이루어지는 진공함과, 상기 진공함 외측에 제공되어 진공함의 내부 압력을 제공하는 진공펌프를 포함하는 장치에 있어서;

   상기 진공함의 서로 대향하는 양 측에 각각 구비되며, 어느 일측에는 질화탄소(CNx) 박막의 합성을 위한 고상 카본 타켓이 장착된 마그네트론원과;

   상기 진공함의 내부에서 피코팅재가 상기 마그네트론원의 전방을 지나도록 이송시키고, 직류 바이어스 전압(-)을 인가할 수 있도록 진공함과 절연된 회전식 지그와;

   상기 진공함의 외측에 배치되고 내부로 연결되어, 질화탄소 박막의 합성을 위한 N₂및 Ar 가스의 유량을 조절 공급해 주는 가스 조절부로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 코팅장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 마그네트론원의 타측에는 코팅의 밀착력과 잔류응력 완화를 위하여 Cr, Si, W, Ti 중에서 선택된 재료가 타켓으로 장착되는 것을 특징으로 하는 코팅장치.