KR20070009970A - 횡축에 박막 코팅을 구비한 차동 장치 및 그 제조 공정 - Google Patents

Abstract

차동 장치(10)의 내구성을 개선하기 위한 공정이 제공되며, 상기 차동 장치(10)는 피니언축(12)과 피니언(13)을 구비하고, 상기 피니언축(12)은 피니언(13)의 내경의 표면과 접촉하는 표면(12a)을 구비한다. 상기 공정은 피니언축(12)과 피니언(13) 사이의 계면 영역에서 피니언축(12) 또는 피니언(13) 또는 양자의 표면에 피니언(13)의 물질과 접촉할 때 피니언(13)의 물질보다 마찰 계수는 낮고 고착 내성은 높은 코팅(C)을 결합하는 단계를 포함한다.

차동장치, 피니언

Description

횡축에 박막 코팅을 구비한 차동 장치 및 그 제조 공정 {DIFFERENTIAL WITH THIN FILM COATING AT CROSS SHAFT AND PROCESSES FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 일반적으로 차동 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로는 내마모성이 우수하고 마찰이 적은 활주면을 제공하는 박막 코팅을 구비한 차량 차동 장치내 피니언축 및 그 제조 공정에 관한 것이다. 일반적으로 상기 코팅은 다양한 증착 기법으로 도포할 수 있는 금속 또는 실리콘 함유 탄소 재료를 포함한다.

일반적으로, 저점성 윤활유를 차동 장치에 사용하는 경우에는 고등급 탄소-Mo 강 (예컨대, JIS SCM 30-40)을 피니언축에 사용하며, 이 축을 탄소처리/담금질한 후 연성 질화처리하여 마모에 견디는 경화면을 마련한다. 대안으로서, 강으로 이루어진 피니언축에 몰리브덴 화염 코팅이나 플라즈마 분사를 실시한다. 그러나, 고등급강의 연성 질화처리와 같은 표면 경화에 의해 마멸과 관련한 내마모성 및 표면 내구성이 향상되기는 하지만, 고착 또는 부착과 관련한 내마모성은 그다지 개선되지 않는다. 한편, 몰리브덴 화염 코팅을 이용하면 고착과 관련한 내마모성을 개선할 수는 있으나, 마멸과 관련한 내마모성 및 표면 내구성은 거의 개선할 수 없다.

피니언축의 마모 특성을 개선하기 위해서는 연성 질화처리나 가스 질화처리 등에서의 노멀라이징 온도 또는 표면 처리 온도보다 낮은 온도에서 도포한 세라믹 코팅을 이용하는 것이 통상적이다. 이들 기법은 이온 도금, 플라즈마 화학 증착 또는 레이저 화학 증착과 같은 여러 방법을 약 500℃의 처리 온도에서 적용하는 것이 일반적이다.

이러한 통상적인 세라믹 박막의 두께는 1-20 미크론인 것이 전형적이며, 바람직하게는 2-10 미크론이다. 박막이 너무 얇으면 고착/마모에 대한 내성이 불충분하고, 두께가 바람직한 범위보다 너무 크면 처리 비용이 지나치게 증가한다. 다양한 범위의 세라믹을 이들 통상적인 기법에 이용할 수 있으며, TiN, Ti(C, N), Si3N4, TiC, SiC, Al2O3 등과 같은 재료를 포함할 수 있다. 고착 내성 향상에는 TiN, Ti (C, N) 및 Si3N4가 더 효과적이고, 내마모성 향상에는 TiC, SiC 및 Al2O3가 더 효과적이라는 것이 통설이다.

피니언축의 기초 재료도 마찬가지로 다양하며, 예를 들면 SAE/AISI 강 1045 내지 1080, 8620 및 4140 J 타입과 같은 금속으로 이루어질 수 있다. 열처리는 담금질/템퍼링, 고주파 담금질/템퍼링, 탄소처리/템퍼링, 또는 탄소처리/질화처리/템퍼링 등일 수 있고, 이 열처리 후에 연성 질화처리(염욕 또는 가스)나 가스 질화처리를 실시할 수 있다.

코팅 아래의 기초 재료는 표면 경도가 HV 400 이상이어야 한다. 표면 경도가 이보다 낮으면 접촉 응력으로 인해 기초 재료가 소성 변형이나 균열을 일으켜 코팅이 기초 재료로부터 분리될 가능성이 있다. 그리고, 기초 재료의 표면에는 질화처리로 생기는 다공성 화합물과 같은 취성층이 없어야 한다. 가공 도중에 취성 층이 형성되는 경우에는 그 취성층을 제거한 후 세라믹 코팅을 도포해야 한다. 이러한 점들을 고려하게 되면 비용이 허용 불가능한 수준으로 상승하거나 신뢰성이 제한되며, 또한 차동 장치의 수명이 감소한다.

피니언축과 피니언 사이의 마모를 감소시키기 위한 또 다른 통상적인 기법으로서 피니언의 인산염 처리(Lubrite^® 처리)를 적용할 수 있다.

비록 전술한 통상적인 기법들이 모두 피니언축의 마모를 어느 정도 개선하기는 하지만, 그러한 개선은 제한적이며 및/또는 불필요하거나 과도한 비용을 초래한다. 따라서, 과도한 추가 비용 없이 내마모성을 한층 더 개선할 수 있는 피니언축이 필요하다.

본 발명의 예시적인 실시 형태를 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면에 도시하였다.

도 1은 본 발명에 따른 피니언축을 구비한 차동 장치의 종단면도이다.

도 2는 본 발명의 한 가지 실시 형태에 따른 박막 코팅을 구비한 전형적인 차동 장치 내의 구성품의 표면의 일부를 도시한 단면도로서, 인서트를 확대 도시하여 상기 코팅을 상세히 보여주고 있다.

본 발명은 금속 또는 실리콘 함유 탄소 재료 코팅의 이용에 관한 것으로, 이 러한 코팅은 일반적으로 다이아몬드형 코팅(DLC)이라고 부르며, 상단층에서의 금속 또는 실리콘 레벨이 약 35 원자 중량%를 초과하지 않는다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전형적인 차량용 차동 장치(10)는 회전 하우징(11)과, 이 회전 하우징(11)을 관통하여 연장되는 피니언축(12; "횡축"이라고도 부름)을 포함한다. 이 피니언축(12)은 피니언(13)을 지탱하며, 이 피니언축(13)은 일반적으로 피니언축(12)과 접촉하도록, 그리고 도시된 바와 같은 방식으로 피니언축(12)에 대해 배치되어 있다. 피니언(13)이 피니언축(12)과 접촉하는 피니언축(12) 부위를 따라 활주 접촉 영역(12a)이 위치해 있다. 상기 차동 장치(10)는 피니언축(12)의 각 단부에서 사이드 기어(15)를 구비한다. 링 기어(16)를 통해 하우징(11)에 토크가 인가된다. 물론 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같은 구조의 차동 장치에 제한되지 않으며, 특정 구조에 무관하게 피니언축, 베벨 피니언 및 사이드 기어("베벨 기어"라고도 부름)를 구비한 임의의 차동 장치에 사용할 수 있다.

본 발명의 제1 실시 형태에서는, 피니언축(12)과 피니언(13) 사이에 형성된 활주 접촉 영역(12a)을 적어도 포함하는 구역에 걸쳐 금속 또는 실리콘 함유 탄소 코팅(C)을 피스톤축(12)의 외경부에 도포한다. 물론, 피니언축(12)이 피니언(13)과 접촉하는 피니언(13)의 내경부에 코팅(C)을 도포할 수도 있고, 피니언축(12)과 피니언(13) 모두에 도포할 수도 있다. 탄소 코팅(C)은 비정질 매트릭스 형태로 형성되며, 크롬, 티타늄, 텅스텐 및/또는 실리콘, 및/또는 이들 원소와 관련된 탄화물을 함유할 수 있다. 상단층에서의 금속 또는 실리콘 함량은 35 원자 중량%를 넘지 않아야 하며, 5 내지 20%인 것이 바람직하고, 상단층 조성물의 잔부는 바람직한 실시 형태에서는 대부분 탄소이지만, 상단층이 수소를 함유할 수도 있다. 이러한 박막들은 금속 함유 다이아몬드형 탄소 코팅이라고 부르며, 더 일반적으로는 "DLC" 박막이라고 지칭한다. 선택적으로, 탄소 함유 상단층을 크롬, 티타늄 또는 실리콘, 또는 기타 금속의 금속 결합층에 증착함으로써 기재에 잘 부착되도록 할 수 있다.

도 2에는 제1 실시 형태에 따른 박막 코팅(C)이 표면(S)에 부착된 상태가 도시되어 있다. 표면(S)은 용례에 따라서 피니언축(12)이나 피니언(13)의 표면일 수 있다. 본 제1 실시 형태에서는 표면(S)이 피니언축(12)의 표면에 해당한다. 코팅(C)은 부착층(21)과 구배층(22) 및 상단층(23)을 포함한다. 상단층(23)은 금속 또는 실리콘 함유 탄소 재료로 이루어져 있으며, 그 두께는 0.5 내지 5.0 미크론, 바람직하게는 3 미크론 미만이며, 35 원자 중량% 미만의, 바람직하게는 5 내지 20 중량%의 금속 또는 실리콘을 함유한다. 부착층(21)은 피니언축(12)의 표면(S)에 도포되어 있으며, 상기 표면(S)은 탄소강, 마이크로합금강, 저합금강, 구조강 또는 공구강으로 이루어지는 것이 전형적이다. 부착층(21)의 상부에는 구배층(22)이 증착되어 있고, 구배층(22)의 상부에는 상단층(23)이 증착되어 있다. 부착층(21)은 크롬, 티타늄 또는 실리콘을 포함한 다수의 재료로 이루어질 수 있다. 부착층(21)은 물리 및 화학적 결합을 통해 코팅(C)과 표면(S) 사이의 부착을 향상시킨다. 구배층(22)은 부착층(21)을 구성하는 재료로부터 상단층(23)을 구성하는 재료로 조성이 점진적으로 전이하는 형태를 취함으로써 응력을 완화시키는 완충 영역을 제공한다. 구배층(22)은, 이를 사용하지 않는 경우 층간 응력으로 인해 코팅이 안게 되 는 기계적인 약점을 최소화한다. 상단층(23)은 낮은 마찰, 높은 경도, 그리고 우수한 고착 내성이라는 바람직한 특성을 피니언축(12)의 표면(S)에 부여한다.

통상적인 마모 감소 기법과 비교할 때 본 발명이 유리한 점들로는 다음을 들 수 있다. 하지만, 본 발명의 잇점이 하기 사항으로 한정되는 것은 아니다.

1. 내마모성 향상

2. 고착에 대한 내성 향상

3. 비코팅 맞물림부{기어의 내경부(ID)}의 마모 감소

4. 유리한 전사막 형성

이에 반하여, 통상적인 탄화물, 질화물 및/또는 산화물 코팅(예를 들면, TiN)은 경계 윤활 상태에서 마찰이 낮지 않다. 또한, 본 발명의 DLC 코팅과 비교할 때 맞물리는 피니언 보어를 더 많이 마모시켜 맞물림 상태가 헐거워지게 하며, 기어가 축 상에서 "로킹(rocking)"함과 관련된 손상을 초래한다. 그리고, DLC 코팅은 탄화물 또는 질화물보다 낮은 온도(예를 들면, 일반적으로 150℃를 초과하지 않음)에서 증착할 수 있다. 또한, 본 발명의 DLC 코팅은 점진적인 마모의 결과 접촉부에 윤활성 전사막을 형성하지만, 탄화물, 질화물 및 산화물 코팅은 그러하지 못하다. 그러한 윤활성 전사막은 작동시 피니언축과 피니언 사이에 추가적인 완충을 제공하며, 피니언축에 대한 마모를 더욱 감소시킨다.

본 발명의 기타 특징으로는 코팅된 강축의 경도, 경계 윤활성, 그리고 내마모성을 들 수 있다. 예를 들면, 금속 또는 실리콘 함유 탄소 재료 코팅의 경도는 버코비치 다이아몬드 나노인덴테이션(Berkovich diamond nanoindentation)으로 측 정했을 때 9 GPa보다 큰 것이 바람직하며, 이 경우 코팅된 기재의 경계 윤활성과 내마모성은 비코팅 강 기재의 경우보다 개선되는 것이 일반적이다. 박막 코팅은 플라즈마 강화 화학 증착 공정, 화학 증착 공정, 반응성 물리 증착 공정, 스퍼터링 공정 또는 그 밖의 증기, 이온 빔 보조 또는 어블레이션(ablation) 증착 공정과 같은 다수의 공정을 이용하여 증착할 수 있다.

코팅된 피니언축(12)의 내마모성, 부착 마모 및 고착에 대한 내성, 경계 윤활성, 그리고 긴 수명은 피니언축(12) 상의 프로파일 R_z(도시 생략)의 평균 최대 높이가 약 0.8 마이크로미터 이하이면 더욱 향상된다.

적절한 코팅의 예로는 TiC/a-C:H 박막, WC/a-C:H 박막, TiC/a-C 박막, CrC/a-C:H 박막, Si/a-C:H 박막, SiO/a-C:H 박막, 그리고 이들 박막의 조합을 들 수 있으며, 이러한 박막을 차동 장치의 피니언축(12)에 도포할 수 있다. 부착성 마모의 주요인으로는 접촉하는 돌기들의 과도한 고체 대 고체 부착(예를 들면, "마이크로 결합" 또는 "마이크로 용접") 및 이에 따른 인열과 표면 손상을 들 수 있다. 고착은 부착성 마모가 극한에 달하여 성분들이 자유롭게 이동하지 못하는 경우이다. 피니언축(12)의 표면(S)을 본 발명에 따른 전술한 박막 코팅 중 어느 하나로 코팅하면, 축 돌기들과 대향면{예를 들면, 피니언(13)의 내경면}의 돌기들 사이의 마모성 상호 작용을 최소화할 수 있다. 이것이 가능한 것은 본 발명에 따른 코팅과 강으로 이루어진 대향면 사이의 화학적 이질성 때문이다. 이러한 화학적 이질성은 코팅을 구성하는 재료와 대향면을 구성하는 재료 사이에서 화학적 상호 작용의 수준을 감소시킨다. 이는 마이크로 결합 및/또는 마이크로 용접으로 인한 부착성 마모를 감소시키며, 그 결과 인열 및 표면 손상이 줄어든다.

본 발명의 코팅(C)은 활주 접촉시 일반적으로 내구성이 있으며, 내마모성이 우수하다. 이 코팅(C)은 대향면의 마멸성 마모를 촉진하지 않는 대신 코팅(C) 자체가 점진적인 화학 물리적 연마 방식으로 마모됨으로써 점진적 열화(급격한 열화의 반대) 및 마모 수명의 연장을 가져온다. 이는 피니언축(12)의 표면(S) 상의 초기 R_z가 약 0.8㎛ 이하임을 것을 전제로 한다. 마스킹은 불필요하다.

CSM 마찰계를 이용하여 핀-온-디스크 테스트를 실시하였다. 이 테스트는 볼-온-볼 접촉 방식으로 공기 중에서 윤활유 없이 진행하였다. 온도는 21℃였고 상대 습도는 ~50%였다. 활주 속력은 40cm/s였으며, 법선 방향으로 2N의 부하를 인가하여 약 1GPa의 초기 헤르츠 접촉 응력을 부여하였다. 박막에 대한 대향면 재료로는 지름이 3.97mm인 SAE Type 52100 강제 볼(R_z<100nm)를 사용하였다. 원자력 현미경으로 측정했을 때 R_z<500으로 박막을 SAE Type 52100 스틸 쿠폰에 증착하였다. 활주 테스트 지속 기간은 모든 테스트의 경우 2,000 사이클이었다. 코팅 처리당 테스트를 3회 실시하였다. 테스트 후에 강제 볼에서 마모로 제거된 재료의 체적을 측정한 후 법선 인가 하중 및 전체 이동 거리로 나누어 강제 볼의 마모율을 계산하였다. 양자의 코팅 모두 테스트를 견뎌냈고 부착 상태가 우수했다. 어느 테스트에서도 코팅 마모를 검출할 수 없었다.

기본적인 구성과 공정에 대한 변형이 가능하다. 예를 들면, 하나 이상의 피 니언(13)의 내경부에 박막 코팅(C)을 도포하고, 피니언축(12)에는 도포하지 않을 수 있다. 대안으로서, 피니언(13)과 피니언축(12) 모두에 박막 코팅(C)을 도포할 수 있다. 또한, 원하는 수준의 부착과 화학 및 물리적 내구성을 얻을 수 있는 한 코팅(C) 자체가 반드시 3개가 아닌 하나 이상의 층으로 이루어질 수 있다. 그리고, 코팅(C)을 화학 증착, 저압 화학 증착 및 습욕 화학 증착과 같은 그 밖의 다양한 공정으로 도포할 수도 있고, 2 이상의 연속 공정으로 도포할 수 있다. 부착을 위해서 티타늄과 텅스텐 대신 크롬과 같은 재료를 사용할 수 있다. 코팅의 경도가 결합 대상 물질보다 크도록 코팅을 조제할 수도 있다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 전술한 구성들을 다양하게 변형할 수 있으며, 전술한 기재 내용에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 대상은 제한이 아닌 예시를 위한 것으로 해석해야 한다.

Claims (16)

1. 차동 장치의 내구성을 개선하기 위한 공정으로서, 상기 차동 장치는 피니언축과 피니언을 구비하며, 이들 피니언축과 피니언은 표면을 각각 구비하여 상기 피니언축의 표면이 상기 피니언의 내경의 표면과 접촉하는 공정에 있어서, 상기 피니언축의 물질과 접촉할 때 상기 피니언축의 물질보다 마찰 계수는 낮고 고착 내성은 높은 코팅을 상기 피니언축과 피니언 사이의 계면 영역에서 상기 피니언축의 표면 또는 상기 피니언의 내경의 표면 중 적어도 하나에 결합시키는 단계를 포함하는 것인 공정.
2. 제1항에 있어서, 상기 코팅은 대체로 비정질 탄소로 이루어진 것인 공정.
3. 제2항에 있어서, 상기 코팅은 (a) 크롬, (b) 탄화크롬, (c) 티타늄, (d) 탄화티타늄, (e) 텅스텐, (f) 탄화텅스텐, (g) 실리콘 및 (h) 탄화실리콘으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 추가 재료를 함유하는 것인 공정.
4. 제3항에 있어서, 상기 추가 재료는 상기 코팅의 35 원자%를 초과하지 않는 것인 공정.
5. 제1항에 있어서, 상기 코팅은 대체로 수소화 비정질 탄소로 이루어진 것인 공정.
6. 제5항에 있어서, 상기 코팅은 (a) 크롬, (b) 탄화크롬, (c) 티타늄, (d) 탄화티타늄, (e) 텅스텐, (f) 탄화텅스텐, (g) 실리콘 및 (h) 탄화실리콘으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 추가 재료를 함유하는 것인 공정.
7. 제1항에 있어서, 상기 코팅은 적어도 2개의 층을 포함하며, 상기 코팅을 도포하는 단계는 제1 부재의 물질에 부착층을 도포하고 이 부착층 위에 최종층을 도포하는 단계를 포함하는 것인 공정.
8. 제7항에 있어서, 상기 코팅을 도포하는 단계는 상기 부착층의 조성으로부터 상기 최종층의 조성으로 변환되는 구배층을 상기 부착층과 최종층 사이에 도포하는 단계를 더 포함하는 것인 공정.
9. 제1항에 있어서, 상기 코팅을 상기 피니언축과 상기 피니언 모두에 결합하는 것인 공정.
10. 피니언축과 피니언을 구비한 차동 장치로서, 상기 피니언축은 상기 피니언의 내경면과 접촉하는 외경면을 구비하며, 상기 피니어축 또는 상기 피니언 중 적어도 하나는 상기 피니언축과 피니언 사이의 계면 영역에서 상기 피니언의 물질에 대해 상기 피니언축의 물질보다 마찰 계수와 화학 반응도가 낮은 코팅으로 코팅되어 있는 것인 차동 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 코팅은 대체로 비정질 탄소로 이루어진 것인 차동 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 코팅은 (a) 크롬, (b) 탄화크롬, (c) 티타늄, (d) 탄화티타늄, (e) 텅스텐, (f) 탄화텅스텐, (g) 실리콘 및 (h) 탄화실리콘으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 추가 재료를 함유하는 것인 차동 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 추가 재료는 상기 코팅의 35 원자%를 초과하지 않는 것인 차동 장치.
14. 제10항에 있어서, 상기 코팅은 대체로 수소화 비정질 탄소로 이루어진 것인 차동 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 코팅은 (a) 크롬, (b) 탄화크롬, (c) 티타늄, (d) 탄화티타늄, (e) 텅스텐, (f) 탄화텅스텐, (g) 실리콘 및 (h) 탄화실리콘으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 추가 재료를 함유하는 것인 차동 장치.
16. 제10항에 있어서, 상기 코팅은 상기 피니언축과 상기 피니언 모두에 존재하는 것인 차동 장치.

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