KR20110059710A - 내마모 및 내부식성의 층상 복합체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 철재로 만들어진 기재를 가진 층상 복합체에 관한 것으로, 상기 기재는 PVD/PACVD 코팅 및 부식방지층을 구비하며, 상기 부식방지층은 상기 PVD/PACVD 코팅 위에 배치되어 있고, 상기 PVD/PACVD 코팅은 포어들을 갖고 있으며, 상기 포어들 안으로 상기 부식방지층이 돌출한다.

Description

내마모 및 내부식성의 층상 복합체 {WEAR AND CORROSION RESISTANT LAYERED COMPOSITE}
본 발명은 마모 및 부식을 방지하는 층상 복합체, 및 이러한 층상 복합체를 제조하기 위한 제조방법에 관한 것이다.
마찰학적으로 (tribologically) 부하를 받은, 또한 부식에 노출된 부품들을 마모로부터 보호하기 위해 코팅이 사용된다. 이 마모는 특히 개별적으로 또는 조합되어 나타나는 여러 가지 마모 메커니즘을 근거로 유체 역학적 윤활상태에서 상호 운동하지 않는 재료쌍들에서 주로 발생한다 이러한 이유로 인해, 마모 및 부식 방지층을 수단으로 하여 부하에 대처하는 최적의 설계가 점점 더 중요성을 얻고 있다.
마찰학적 특성 (tribological properties) 을 특정하게 개선할 수 있는, 하지만 적합한 부식방지 성능을 제공하지 않는 개별적인 방법들이 존재한다. 선행기술에 따라 이용 가능한 부식방지층은 충분한 마찰학적 특성, 예컨대 마찰 최소화 및 마모 저항성을 갖지 않는다. PVD (물리적 기상 증착) 또는 PACVD (플라즈마 화학 기상 증착) 을 수단으로 하여 도포될 수 있는 층시스템 (layer system) 들이 공지되어 있으며, 상기 층시스템들은 좋은 마찰학적 특성을 가지기는 하나 단지 불충분한 부식저항성을 가진다. 부식방지를 위해 전착 (electrodeposition) 으로 또는 화학적으로 또는 자가촉매적으로 (autocatalytically) 도포된 보호층이 공지되어 있으며, 하지만 상기 보호층은 단지 적은 마찰학적 저항력을 가진다.
DE 10 2006 049 756 A1 에는 마모 방지층이 공지되어 있으며, 상기 마모 방지층은 경질 재료를 함유하는, 금속성의 여러 가지 상들 (phases) 의 다수의 층으로 형성되어 있다. 특별한 부식방지층이 이 층시스템에서는 제공되어 있지 않다.
DE 2417920A 에는 철, 철합금 또는 초경합금으로 만들어진 대상물의 표면에 크롬카바이드층을 제조하기 위한 방법이 공지되어 있다. 이 경우, 크롬 할라이드, 붕산 및/또는 붕산염을 가진 멜팅 배스 (melting bath) 가 사용된다.
DE 10 242 421 A1 에는 나이오븀 질화물 또는 나이오븀 금속 질화물을 기초로 하여 마모 및 부식으로부터 기재 (substrate) 를 보호하기 위한 코팅이 공지되어 있으며, 이 경우 접착을 개선하기 위한 중간층들이 도포된다. 나이오븀 질화물은 매우 큰 경도를 가진 경질 재료층이다. 이 이외에, 나이오븀 질화물은 부식 작용에 대해 극단적으로 저항적이다. 그러므로, 나이오븀 질화물층은 부식방지 뿐만 아니라 마찰학적으로 저항력이 있는 코팅의 과제를 충족시킨다. 하지만 나이오븀 질화물을 가진 코팅은 비교적 비용이 많이 든다.
그러므로, 본 발명의 목적은 철재 (ferrous material) 위에 도포될 수 있고, 탁월한 부식방지 특성과 조합되어 매우 좋은 마찰학적 특성을 가지며, 비용 절감적으로 제조될 수 있는 층시스템을 제공하는 것이다.
이 목적은 본 발명에 따르면 장치와 관련하여서는 청구항 제 1 항의 특징들을 가진 층시스템에 의해 달성되며, 방법과 관련하여서는 청구항 제 10 항에 따른 층시스템을 도포하기 위한 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 층상 복합체는 철재로 만들어진 기재로 구성되고, 상기 기재는 PVD/PACVD 코팅 및 부식방지층을 구비하며, 상기 부식방지층은 상기 PVD/PACVD 코팅 위에 배치되어 있고, 상기 PVD/PACVD 코팅은 포어들 (pores) 을 갖고 있으며, 상기 포어들 안으로 상기 부식방지층이 돌출한다.
본 발명의 기초를 이루는 아이디어는, 경질 재료층, 및 철재 위에 도포되는 부식방지층으로 구성된 하이브리드 (hybrid) 층시스템이 형성되는 것이다. 이로 인해, 부품 표면에서는, 도포된 개별층들의 특성들로 조합되는 특성들이 특정하게 실현될 수 있다.
종속항들에는 청구항 제 1 항에 기재된 층시스템 및 청구항 제 10 항에 기재된 이러한 유형의 층시스템을 제조하기 위한 방법의 바람직한 구현형태와 개선형태가 기재되어 있다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면들을 참조로 보다 상세히 설명한다.
도면들은 다음을 나타낸다:
도 1 은 제 1 바람직한 실시예에 따른 본 발명에 따른 층시스템의 개략적인 단면;
도 2 는 제 2 바람직한 실시예에 따른 본 발명에 따른 층시스템의 개략적인 단면;
도 3 은 제 3 바람직한 실시예에 따른 본 발명에 따른 층시스템의 개략적인 단면;
도 4 는 커버층, 기능층 및 기재를 가진 본 발명에 따른 층시스템의 개략적인 단면;
도 5 는 기재의 다면 코팅을 가진 본 발명에 따른 층시스템의 개략적인 단면이다.
도면들에서 동일한 참조부호는 달리 언급이 없는 한 동일한 또는 기능이 동일한 구성요소를 표시한다.
도 1 은 제 1 바람직한 실시예에 따른 본 발명에 따른 층시스템 (layer system) 의 개략적인 단면을 보이고 있다. 부품 또는 기재 (substrate, 10) 에는 PVD/PACVD 코팅 (20) 이 제공되어 있다. PVD/PACVD 코팅 (20) 은 포어 (pore, 22) 들을 갖고 있다. PVD/PACVD 코팅은 부식방지층 (30) 에 의해 밀봉되어 있다. 상기 부품은 철재로 구성되며, 예컨대 기계에서의 또는 모터 안의 베어링 부품이다. PVD/PACVD 코팅 (20) 은 탁월한 마찰학적 특성, 예컨대 마찰 감소 및 마모 방지에 의해 그 탁월함을 나타낸다. 하지만 이 층 (20) 은 그의 작은 층두께 및 방법에 의한 특성으로 인해 완전히 닫혀 있는 것이 아니며, 이는 층 (20) 이 포어 (22) 들, 이른바 핀홀들 (PinHoles) 을 갖고 있는 것을 의미하고, 상기 포어들은 층 (20) 의 부식방지 장벽효과 (barrier effect) 를 방해한다. 마찰학적으로 활성인 (tribologically active) 이 층 (20) 에 추가적으로 좋은 부식방지 성능을 제공하기 위해, 상기 층에는 유기 (organic)/무기 (inorganic)/광물 (mineral) 밀봉부 (30) 가 제공되어 있으며, 상기 밀봉부는 핀홀 (22) 들을 닫고, 그리고 굴러가는 상태에서 포어 (22) 들 안으로 삽입된다. 밀봉부 (30) 를 위해 본 발명에 따르면 이른바 졸겔 (sol-gel) 층들이 이용된다. 이렇게 하여 얻어진 절연에 의해 양극 (anodic) 부식방지가 보장되어 있다.
도 2 는 본 발명의 제 2 바람직한 실시예에 따른 본 발명에 따른 층시스템의 개략적인 단면을 보이고 있다. 부품 (10) 위에는 전착으로, 화학적으로 또는 자가촉매적으로 도포된 층 (20) 이 제공되어 있다. 층 (30) 위에는 PVD/PACVD 층 (20) 이 위치한다.
전착으로, 화학적으로 또는 자가촉매적으로 도포된 층 (30) 은 PVD/PACVD 층 (20) 을 위한 수용 지지층으로 쓰이며, 그리고 부식 뿐만 아니라 마모 때문에 적용될 수 있다. 예컨대 베어링 구성요소들의 하중으로 인해 마모부식 (tribocorrosive) 부하가 자주 발생하며, 그리고 이로 인해 부품 이탈이 초래된다. 이는 부품의 마모 작용이 부식에의 노출과 조합되어 발생하는 것을 의미한다. 이는 전착으로, 자가촉매적으로 또는 화학적으로 도포된 층 (30) 에 의해 저지된다. 추가적으로, 이 층 (20) 은 제조에 있어 경제적인 장점들을 가능하게 하는데, 왜냐하면 일반적으로 PVD/PACVD 공정에서는 기재 (10) 와 마찰학적 기능층 (functional layer, 20) 사이의 접착 증진 층이 필요해지기 때문이며, 상기 접착 증진 층은 보통의 경우에는 인사이투 (in situ), 즉 PVD/PACVD 공정의 시작시 PVD 공정에 의해 증착된다. 선행하는 전착, 화학적 또는 자가촉매적 코팅에 의해 이 공정층이 생략될 수 있으며, 그리고 상응하여 공정 시간이 짧아질 수 있다. 또한, PVD 공정으로부터의 지지층을 위한 상응하는 표적물질 (target materials) 을 위한 비용이 생략된다.
도 3 은 그 밖의 바람직한 실시예에 따른 본 발명에 따른 층시스템의 개략적인 단면을 보이고 있다. 이 경우, 부품 (10) 위에는 크롬카바이드층 (chrome carbide layer, 40) 이 위치한다. 이 크롬카바이드층 (40) 은 크롬 또는 크롬합금으로 만들어진 층 (20) 이 부품 (10) 위에 도포됨으로써 생성된다. 뒤따르는 방법단계에서, PVD/PACVD 방법에서 층 (20) 은 예컨대 에칭 (etching) 방법단계에 의해 또는 인사이투 (in situ) PVD 공정에서 크롬카바이드층 (40) 으로 전환된다. 이때, 상기 층은 구조가 바뀌고 압축된다.
도 4 는 커버층 (cover layer), 기능층 (functional layer) 및 기재를 가진 본 발명에 따른 층시스템의 개략적인 단면을 보이고 있다. 부품 (10) 위에는 PVD/PACVD 공정에 의해 생성된 층 (20) 이 위치한다. 이 층 위에는 커버층 (30) 이 위치한다. 층 (20) 은 포어들 및 핀홀들 형태의 다공성 (porosity) 을 가지며, 그러므로 충분한 부식방지를 보장하지 않는다. 충분한 부식방지를 보장하기 위해, 부품은 PVD/PACVD 공정을 수단으로 하여 층 (20) 이 제조된 후 뒤이어 전착, 화학적 또는 자가촉매적 처리를 겪으며, 상기 처리는 공유결합 (covalent bond) 뿐만 아니라 이온 (ionic) 또는 금속 (metallic) 결합을 구비한 커버층 (30) 을 형성한다. 이로 인해, PVD/PACVD 공정시 생긴 포어들이 닫히며, 그러므로 양극으로 (anodically)/음극으로 (cathodically) 부식을 방지하는 작용은 PVD/PACVD 층의 마찰학적 특성을 유지하면서 생성된다.
도 5 는 기재의 다면 (multisided) 코팅을 가진 본 발명에 따른 층시스템의 개략적인 단면을 보이고 있다. 원통형 부품 (예컨대 컵 태핏, 10) 은 그의 바깥 주행면 (running surface, L) 에 PVD/PACVD 방법에 의해 생성된 층 (20) 을 가진다. 부품 (10) 의 왼쪽 전면 (S1) 과 오른쪽 전면 (S2) 에는 전착으로, 화학적으로 또는 자가촉매적으로 생성된 층, 예컨대 아연합금층이 도포되어 있다. 이 아연합금층 (50) 은 부식방지를 제공한다. 이로 인해, 원하는 특성들이 부품에서 특정하게 설정되고, 조합될 수 있다. 즉, 이 예에서 부품은 상기 부품 (10) 의 윗면에는 마찰학적으로 부하를 받을 수 있는 기능층 (20) 을 가지며, 상기 부품의 측면들에는 부식을 방지하는 층 (50) 을 가진다. 이 기술에 의해 마모 방지, 마찰 감소, 부식 방지를 부품에서 국부적으로 특정하게 실현하는 것이 가능하다.
10 : 기재
20 : PVD/PACVD 코팅
22 : 포어들
30 : 부식방지층
40 : 크롬카바이드층
50 : 아연합금층
L : 주행면
S1 : 제 1 전면
S2 : 제 2 전면

Claims (10)

  1. 철재로 만들어진 기재 (10) 를 가진 층상 복합체로서, 상기 기재는 PVD/PACVD 코팅 (20) 및 상기 PVD/PACVD 코팅 (20) 위에 배치된 부식방지층 (30) 을 구비하며, 상기 PVD/PACVD 코팅 (20) 은 포어 (22) 들을 갖고 있으며, 상기 포어들 안으로 상기 부식방지층 (30) 이 돌출하는 층상 복합체.
  2. 제 1 항에 있어서, 포어 (22) 들을 통한 부식방지층 (30) 은 기재 (10) 와 함께 브리지들 (bridges) 을 형성하는 것을 특징으로 하는 층상 복합체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 부식방지층 (30) 은 공유결합 특성 뿐만 아니라 이온 또는 금속 결합 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 층상 복합체.
  4. 철재로 만들어진 기재 (10) 를 가진 층상 복합체로서, 상기 기재는 전착, 화학적 또는 자가촉매적 코팅 (30) 및 상기 전착, 화학적 또는 자가촉매적 코팅 (30) 위에 배치되어 있는 PVD/PACVD 코팅 (20) 을 구비하는 층상 복합체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 층상 복합체를 가진 베어링 부품 (10) 으로서, 상기 베어링 부품은 주행면 (L) 과 측면 (S1, S2) 들을 구비하며, 상기 주행면은 PVD/PACVD 코팅 (20) 을 수단으로 하여 코팅되어 있고 상기 측면들은 전착, 화학적 또는 자가촉매적 층 (50) 을 가진 베어링 부품 (10).
  6. 제 5 항에 있어서, 층 (50) 은 전착으로, 화학적으로 또는 자가촉매적으로 생성된 층이며, 상기 층은 강 (steel) 에 대해 양극 부식방지 뿐만 아니라 음극 부식방지를 제공하는 것을 특징으로 하는 베어링 부품 (10).
  7. 제 6 항에 있어서, 층 (50) 은 아연합금층 또는 니켈합금층인 것을 특징으로 하는 베어링 부품 (10).
  8. 하기의 방법단계들을 가진 제 4 항에 따른 층상 복합체를 제조하기 위한 방법:
    a) 철재로 만들어진 기재 (10) 를 제공하는 단계;
    b) 상기 기재 (10) 위에 전착, 화학적 또는 자가촉매적 코팅 (30) 을 도포하는 단계;
    c) 상기 코팅 (30) 위에 PVD/PACVD 코팅 (20) 을 도포하는 단계.
  9. 하기의 방법단계들을 가진 제 1 항에 따른 층상 복합체를 제조하기 위한 방법:
    a) 철재로 만들어진 기재 (10) 를 제공하는 단계;
    b) 상기 기재 (10) 위에 PVD/PACVD 코팅 (20) 을 도포하는 단계;
    c) 상기 PVD/PACVD 코팅 (20) 위에 전착, 화학적 또는 자가촉매적 코팅 (30) 을 도포하는 단계.
  10. 하기의 방법단계들을 가진 층상 복합체를 제조하기 위한 방법:
    a) 철재로 만들어진 기재 (10) 를 제공하는 단계;
    b) 상기 기재 (10) 위에 크롬 또는 크롬합금으로 만들어진 층 (20) 을 도포하는 단계;
    c) 상기 층 (20) 을 PVD/PACVD 방법을 수단으로 하여 크롬카바이드층으로 전환시키는 단계.
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