KR20110134436A - 피스톤 링과 같은 슬라이딩 부재의 코팅 방법 및 슬라이딩 부재 - Google Patents

피스톤 링과 같은 슬라이딩 부재의 코팅 방법 및 슬라이딩 부재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노입자들이 처음에 형성되고 나서 PVD 방법 및/또는 CVD 방법에 의해 수행되는 코팅 과정에서 코팅 내에 주입되는 방법에 관한 것이다. 슬라이딩 부재는 별도로 생성된 나노입자들을 포함하는 PVD 방법 및/또는 CVD 방법에 의해 형성된 코팅을 포함한다.

Description

피스톤 링과 같은 슬라이딩 부재의 코팅 방법 및 슬라이딩 부재{Method for Coating a Sliding Element and Sliding Element, in particular a Piston Ring}
본 발명은 특히 피스톤 링(Piston ring)과 같은 슬라이딩 부재(Sliding element)의 코팅 방법에 관한 것이다. 피스톤 링과 같은 슬라이딩 부재에 있어서는, 작은 마찰 손실만을 가져오는 것이 요구된다. 예를 들면, 내연 기관에서 슬라이딩 부재로 작용하는 피스톤 링의 경우에, 마찰의 증가는 연료소모에 직접적인 영향을 미친다. 더욱이, 오일(Oil) 소모는 피스톤 링의 상태에 의해 영향을 받는다. 특히, 이와 관련하여, 요구되는 마찰계수를 영구적으로 실현하기 위해서는 특히 높아야 하는 이른바 변색 강도(Burn mark strength) 및 여굴 강도(Outbreak strength)가 관찰 되어야 한다.
이전까지 사용되었던 아이템(Item)으로는 특히 크롬 질화물(Chromium nitride)과 같은 단단한 기초 재료 상에 PVD법에 의한 코팅이 된 피스톤 링이 알려져 있다. 이에 더하여, 사이즈가 마이크로미터 범위 내에 있는 A1203 또는 다이아몬드 입자들(Diamond particles)이 혼입 된 크롬 층들(Chromium layers)의 전기적 증착법(Electrochemical deposition)이 알려져 있다.
나노크리스탈 형태(Nanocrystalline form)의 것으로서 분리 공정 중에 생산되고, 그 크기가 10nm 이하인 텅스텐 카바이드(Tungsten carbide) 증착물을 포함할 수 있는 DLC(Diamond-like carbon) 코팅 시스템은 WO2007/079834 A1에 나타나 있다.
마지막으로, DE 199 58 473 A1 은 이미 알려져 있으며 분리하여 제어가 가능한 CVD 또는 PVD 법과 결합될 수 있는 플라즈마 빔 소스(Plasma beam source)에 의해 합성물 층(Composite layer)을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 이 때, 나노크리스탈 입자(Nanocrystalline particles) 가 층에 박힐 수 있음을 개시한다.
본 발명의 기초를 형성하는 목적은 수명 기간 이상으로 마찰, 마모, 찢어짐 특성의 실현이 요구되는 슬라이딩 부재의 코팅 방법을 가능하게 하는 것이다.
본 발명의 목적은 특허청구범위 제1항에 기재된 방법에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 수명 기간 이상으로 마찰, 마모, 찢어짐 특성의 실현이 요구되는 슬라이딩 부재의 코팅 방법이 가능하게 된다.
본 발명은 특히 피스톤 링과 같은 슬라이딩 부재의 코팅 방법을 제안하며, 이 때, 상기 코팅은 적어도 하나의 층을 포함하고, 적어도 하나의 외면에 형성된다. 상기 코팅 방법에서 나노입자들이 초기에 생성된 후, 코팅 공정 중에 코팅 내부로 주입된다. 다시 말해서, 상기 나노입자들은 인 시튜(in situ), 즉 코팅 공정 중에 생성되는 것이 아니라, 어느 정도 익스 시튜(ex situ)로 별도로 생성되어 코팅 공정 중에 코팅 내부로 주입된다. 이러한 방식으로 사용되어, 피로강도(Fatigue strength), 변색 강도(Burnout strength), 여굴 강도(Outbreak strength), 파괴 강도(Breaking strength) 및 파열시의 늘어남(Elongation at rupture)과 같은 기계적 특성들의 향상을 가져오는 메커니즘(Mechanism)은 지금까지 파악한 지식으로는 다음과 같이 기능 하는 것으로 보인다. 물론, 본 발명은 이에 한정되지 않음을 알려둔다. 상기 언급된 입자들을 도입하는 것은 전술한 향상된 기계적 성질들을 가져오는 국부적 결정 격자변형(local crystal lattice deformation)을 일으킨다. 더불어서, 예외적으로 높은 그레인 한계 밀도(Grain limit density), 증가된 탄성 및 작아진 마찰로 인해 마모 특성(Wear properties) 및 찢어짐 특성(Tear properties)의 향상이 달성될 수 있다.
상기 주입된 나노입자들의 이점은 분산경화(Dispersion hardening) 또는 석출경화(Precipitation hardening)에 이용될 수 있다. 다시 말해서, 스트레스(stress)를 받을 때 생성되는 또는 이미 존재하는 변위(Displacement)들은 입자들 또는 증착물들을 피해나갈 수 없으며, 입자들 사이에서 어느 정도까지 불룩하게 튀어나온다. 그리하여, 변위들에 의해 반드시 바이패스 되어야 하는 변위 링들(Displacement rings)이 형성된다. 이러한 바이패스는 변위가 입자들 또는 증착물들을 피해서 나가는 것과 비교할 때 더 많은 에너지가 요구된다. 따라서, 로딩 용량(Loading capacity)이 증가한다. 아울러, 본 발명은 입자의 간격이 작아지고 입자 크기가 작아질수록 변위의 이동(Migration of displacement)에 대한 항복응력(Yield stress)이 증가하는 효과를 유리하게 이용한다. 이로 인해 재료의 강도가 증가하는 것이다. 이러한 효과는 특히 나노입자들(Nanoparticles)에 의해 잘 얻어질 수 있다. 더욱이, 그것들의 표면(surface)상에서의 높은 결함 밀도(Defect density)를 고려하면 나노입자들은 코팅 공정 중에 보강될 재료와 거의 관계 없이 주입되어 혼합될 수 있다는 것은 본 발명의 범위 내에서 밝혀졌다. 그리하여, 일정하지 않거나 부분적으로 일정 또는 전체가 일정하며, 상기 기계적 특성과 관련하여 상기 언급한 효과를 갖는 원하는 증착물들이 유리하게 형성될 수 있다. 나노입자들의 생성을 익스 시튜(Ex situ)로 하는 것은 나노입자들의 화학적, 결정학적 구조가 조절될 수 있음을 더욱 보장한다. 더욱이 이러한 조절로 인하여, 나노입자들을 생성할 때 나노입자가 소기의 방법대로 코팅 공정 중에 성장하는 층에 주입될 수 있다.
상기 코팅은 검증된 PVD(Physical vapour deposition) 및/또는 CVD (chemical vapour deposition) 코팅 공정에 의해 유리하게 실행될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 더 유리한 발전된 사항들에 대해서는 추가적인 청구항들에서 설명된다.
코팅하는 기초 재료 또는 기반으로서는, 질화물(Nitrides), 특히 금속(산화) 질화물(metal (oxy)nitrides), 그 중에서도 특히 Cr(O)N, AlN 또는 TiN 을 함유하는 재료가 특히 유리하다는 것이 밝혀졌다.
첫 시행에서 나노입자들의 부피 함량비가 20% 이하인 경우에 좋은 특성을 가져온다는 것을 알 수 있었다.
또한, 나노입자들의 입자 크기(지름)가 1 내지 100nm 인 경우, 바람직하게는 5 내지 75nm 인 경우, 특히 5 내지 50nm 인 경우에 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
나노입자로는 MexOy, MexCy 또는 MexSiy 와 같은 조성을 갖는 산화물(Oxide), 탄화물(Carbides) 및/또는 실리사이드(Silicides)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 화합물이 선호된다. 여기서, 상기 금속의 종류로는 Cr(Chromium), Ti(Titanium), Ta(Tantalum), Si(Silicon), In(Indium), Sn(Tin), Al(Aluminium), W(Tungsten), V(Vanadium) 또는 Mo(Molybdenum)이 사용될 수 있다. (이 때, 상기 x,y 값의 범위는 1≤x≤3 및/또는 1≤y≤3 에 해당할 수 있다.)
상기 층의 두께와 관련해서는, 코팅 두께가 최대 100㎛, 바람직하게는 5 내지 50㎛의 범위인 경우에 특히 좋은 특성이 확인되었다.
본 발명에 따른 상기 코팅은 여러가지 다른 방법들로 사용될 수 있으나, 증명된 특성들에 기인하여 기초 재료, 즉 코팅될 슬라이딩 부재의 코팅 재료로는 주철(Cast iron) 또는 주강(Cast steel)이 선호된다.
이에 더하여, 상술한 바와 같은 목적은 청구항 제9항에 기재된 슬라이딩 부재에 의해 달성되며, 이 때, 상기 슬라이딩 부재는 특히 피스톤 링에 해당한다. 본 발명에 따른 슬라이딩 부재의 바람직한 실시예는 본 발명에 따른 슬라이딩 부재를 제조하기 위한 방법에 관한 바람직한 실시예와 대응된다. 이것은 특히 요구되는 마찰 계수(Friction values), 마모 특성(Wear properties) 및 찢어짐 특성(Tear properties)을 영구적으로 갖는 영구적 슬라이딩 부재에 발생되는 장점들에 동일한 방법으로 적용된다.
피스톤 링의 바람직한 예로서, 슬라이딩 면들 중 하나 또는 그 이상의 면들, 즉 상면 및/또는 하면 및/또는 피스톤 링의 외부 실린더 면과 같은 접촉면이 코팅될 수 있다. 상기 접촉면은, 개별적으로 생성된 나노입자들이 도입된 본 발명에 따른 코팅에 의해 다른 면들보다 좀 더 두껍게 코팅될 수 있다. 상기 접촉면과 적어도 하나의 면 사이의 교차부분의 코팅은 라운드(Round)질 수 있다. 피스톤 링의 기초 재료 상에서 두 면의 교차부분이 라운드져 있는 것처럼 두 면의 코팅은 서로 동일한 두께일 수 있다. 또한, 특정 적용 예에서는 접촉면만 코팅될 수도 있다.

Claims (16)

  1. 적어도 하나의 층을 포함하고, 피스톤 링과 같은 슬라이딩 부재의 적어도 하나의 외면에 형성되는 코팅을 형성하는 방법으로서,
    나노입자들이 처음에 형성되고 나서 PVD 방법 및/또는 CVD 방법에 의해 수행되는 코팅 과정에서 코팅 내에 주입되는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅은 CrN, AlN 또는 TiN과 같은 금속 질화물(Metal nitride)을 포함하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 코팅은 CrON과 같은 금속 산화질화물(Metal Oxynitride)을 포함하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노입자들은 상기 코팅의 20 volume% 이하인 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅은 상기 나노입자들의 크기가 1 내지 100nm, 바람직하게는 5 내지 75nm, 특히 5 내지 50nm가 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅은,
    상기 나노입자들이 산화물(Oxides), 탄화물(Carbides) 및 실리사이드(Cilicides)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나 이상의 화합물이고,
    상기 화합물들 중 하나 또는 그 이상은 MexOy, MexCy 및 MexSiy 를 포함(Me: Cr,Ti,Ta,Si,In,Sn,Al,W,V,Mo, 1≤x≤3, 1≤y≤3)하도록 형성된 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅은 총 두께가 대략 100 ㎛ 이하, 바람직하게는 5 내지 50 ㎛ 로 형성되는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅은 슬라이딩 부재의 베이스가 되는 주철(Cast iron) 또는 주강(Cast steel) 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  9. 적어도 하나의 층을 포함하고 PVD 방법 및/또는 CVD 방법에 의해 적어도 하나의 외면에 형성되고 별도로 생성된 나노입자들을 갖는 코팅을 구비하는 피스톤 링과 같은 슬라이딩 부재.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 코팅은 CrN, AlN 또는 TiN과 같은 금속 질화물(Metal nitride)을 포함하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 코팅은 CrON과 같은 금속 질화물(Metal Oxynitride)을 포함하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노입자들은 상기 코팅의 20 volume% 이하인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅은 상기 나노입자들의 크기가 1 내지 100nm, 바람직하게는 5 내지 75nm, 특히 5 내지 50nm가 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노입자들은 산화물(Oxides), 탄화물(Carbides) 및 실리사이드(Cilicides)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나 이상의 화합물이고,
    상기 화합물들 중 하나 또는 그 이상은 MexOy, MexCy 및 MexSiy 를 포함(Me: Cr,Ti,Ta,Si,In,Sn,Al,W,V,Mo, 1≤x≤3, 1≤y≤3)하도록 형성된 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅은 총 두께가 대략 100 ㎛ 이하, 바람직하게는 5 내지 50 ㎛ 로 형성되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
  16. 제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬라이딩 부재의 베이스 재료는 주철(Cast iron) 또는 주강(Cast steel)을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
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