KR20120014590A - 슬라이딩 요소 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관의 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링에 관한 것으로, 적어도 하나의 잔류응력 기울기를 가지는 ta-C 타입의 DLC 코팅을 가진다.

Description

슬라이딩 요소{GLIDING ELEMENT}

본 발명은 내연기관의 슬라이딩 요소에 관한 것으로, 특히 피스톤 링에 관한 것이다.

내연기관의 이산화탄소 배출을 감소시킬 때, 연료 연소가 중요한 역할을 한다. 이것은 엔진에서, 특히 피스톤 영역에서, 예를 들면 피스톤 링의 마찰 손실에 의해 본질적으로 영향받는다. 그러므로 내연기관의 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링에 관한 요구사항이 존재하고, 이 피스톤 링은 전체 수명에 걸쳐 가장 양호하게 가능한 마찰 특성을 갖는다. 전체 수명에 관하여, 각각 마찰 특성의 변경을 야기하는, 런닝-인(running-in) 특성, 어떠한 윤활 결함 가능성 및 어떠한 변색 형성이 고려되는 것이다.

전술한 기술분야에서, 경질 베이스 상의 PVD 코팅은 양호한 내마모성을 가지나 마찰 계수에 관하여 개선이 요구되는 것으로 알려져 있다.

DE 10 2005 063 123 B3에 기재된 층 구조체는, 외측으로부터 내측으로, 런닝-인층, 접착층, 마모 방지층을 포함한다. 그러나 수명에 걸친 마찰 특성의 성질은 여전히 개선 가능한 것으로 여겨지고 있다.

본 발명의 기초를 형성하는 목적은, 가능한 최대 기간 동안에 걸쳐 양호한 마찰 특성을 확실하게 가지는 코팅을 구비한, 내연기관의 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 1에 기재된 슬라이딩 요소에 의해 해결된다.

그러므로 슬라이딩 요소는 코팅 두께에 대하여 변하는 잔류응력(residual stress)을 가지는 ta-C 타입의 DLC 코팅을 가진다. 다시 말해서, 적어도 하나의 잔류응력 기울기가 코팅 두께에 대하여 형성된다. 주지하는 바와 같이, "DLC"는 다이아몬드형 탄소(Diamod-Like Carbon)를 의미한다. ta-C 타입은 사면체 구조의 특징을 가지고, 수소로부터 자유롭고, 예를 들면, VDI 가이드라인 2840으로 정의된다. 이러한 타입의 층은, 한편으로 양호한 마찰 특성을 제공하고, 게다가, 이하의 이유로 특별히 긴 수명을 가진다.

다른 한편으로, 층 두께에 대한 잔류응력의 변화는, 층의 접착 또는 취성(brittleness)에 관하여 발생하는 문제없이 커다란 층 두께, 예를 들면, 10㎛ 초과하는 두께를 제공하는 것을 가능하게 한다. 특히, 예를 들면, 층에서 잔류응력이 낮은 영역이 전체 층 합성물, 즉 특히 제공되는 복수 층 코팅을 국부적으로 안정시키거나 또는 완화시키는 것을 설정 가능하게 됐다. 이 경우에, 내연기관에 사용될 때 발생하는 바와 같은, 높은 스러스트(thrust) 하중 응력으로, DLC 코팅의 탄성 제한이 초과되지 않는다. 따라서, 코팅 마모가 성공적으로 제한될 수 있다.

본 발명에 따른 슬라이딩 요소의 바람직한 추가 개발은 추가 청구항에 기재되어 있다.

코팅으로부터 슬라이딩 요소의 베이스 재료까지 가로지르는 것에 관하여, 외측으로부터 내측으로의 관점에서, 코팅의 내부 영역에서 음의 잔류응력 기울기가 유리하다는 것이 입증되었다. 다시 말해서, 베이스 재료로 가로지르는 양호한 응력을 달성하고, 층의 양호한 접착을 달성하기 위하여 잔류응력은 베이스 재료를 향하여 낮은 수치까지 감소한다.

외측에 놓인 영역에 대하여, 외측으로부터 내측으로의 관점에서, 양의 잔류응력 기울기가 유리하다는 것이 입증되었다. 다시 말해서, 잔류응력이 코팅의 외측면 상에 상대적으로 낮은 수치로 위치되고, 이것은 양호한 런닝-인 특성에 유리하다는 것이 입증되었다. 그러나 여기서부터, 잔류응력은 바람직하게는 내측을 향하게 급격하게 증가하고, 따라서 전술한 효과가 달성될 수 있다.

코팅의 중심에 위치하는 영역에 대하여, 즉, 외측도 아니고 내측도 아닌 영역에 대하여, 바람직하게는 코팅의 내부 영역, 즉 베이스 재료를 향하여 위치하는 영역에서의 음의 잔류응력 기울기 보다 작은 음의 잔류응력 기울기가 가치있는 것으로 입증되었다. 이러한 방식으로, 잔류응력은 코팅의 외측에 상대적으로 길게 최고 수치로 위치되고, 이것은 양호한 특성을 예상가능하게 한다.

특히, 최고 높은 표면압을 예상할 수 있는 슬라이딩 요소에 대하여, 최내측 영역, 즉 베이스 재료에 직접적으로 마주하는 영역에서 일정하게 낮은 잔류응력 프로파일이 양호하다.

또한, 마찬가지로 일정하고, 상대적으로 낮은, 그러나 바람직하게는 최내측 영역에서의 수치보다 높고, 코팅의 외측 상에 제공되는 잔류응력 프로파일에 의해, 런닝-인 특성은 더욱 향상될 수 있다.

코팅에서 균열의 확산을 방지하기 위하여, 중간 영역에서 광범위하게 교호하는 잔류응력이 유리하다는 것이 입증되었다. 이와 관련하여, 낮은 잔류응력을 가진 영역의 범위는 높은 잔류응력을 가지는 영역의 범위와 동일하거나 또는 더 넓다.

주기에 관하여, 즉, 낮은 잔류응력을 가진 영역의 시작점과 높은 잔류응력을 가진 영역을 걸쳐 낮은 잔류응력을 가진 다음 영역의 시작점 사이의 두께는 0.1 내지 1㎛의 수치가 가능하다.

전반적으로, 기재된 측정에 의하여, 10㎛ 이상의 두께를 가진 코팅이 제조될 수 있고, 이 코팅의 효과는, 한편으로 양호한 런닝-인 특성을 가지면서, 동시에 충분한 층 두께를 구성한다는 점이고, 따라서 불가피한 마모 후, 코팅의 양호한 마찰 특성으로 긴 수명을 보장하도록 한다.

상이한 잔류응력의 발생을 위하여, 예를 들면, sp2와 sp3 혼성된 탄소 원자 사이의 비의 변경이 유리하다. 특히, 압력 잔류응력은 sp3 부분을 증가시킴으로써 증가될 수 있고, 이것은 전반적인 잔류응력 기울기의 형성을 가능하게 한다.

이것은 유사하게 증가하는 밀도에 적용되고, 따라서 층의 두께에 대한 층의 밀도의 변화에 관하여, 층의 두께에 대하여 잔류응력을 유리하게 변화시킬 수 있다는 것이 예상된다.

마지막으로, 경도 정도가 클수록 더 큰 압력 잔류응력을 야기하기 때문에, 층의 두께에 대하여 층의 경도를 변경시키는 것이 고려되었고, 따라서 이러한 방식으로 원하는 잔류응력 기울기가 또한 설정될 수 있다.

본 발명의 이하 실시예가 예로써 도면을 참조하여 더욱 상세하게 기재된다.
도 1은 제1 실시예에 따른 DLC 코팅의 두께에 대한 잔류응력 프로파일을 도시한다.
도 2는 제2 실시예에 따른 DLC 코팅의 두께에 대한 잔류응력 프로파일을 도시한다.

도면에서, DLC 코팅의 잔류응력은 코팅의 두께에 대하여 각각 표시되고, 그래프에서 좌측에 코팅의 최외측 영역이 위치되고, 우측에 코팅의 최내측 영역이 위치된다. 다시 말해서, 예를 들면, 강 또는 회주철의 베이스 재료는 우측 상에 도시된 잔류응력을 가지는 코팅과 접합한다.

도 1의 실시예에서, (외측으로부터 내측으로) 음의 잔류응력 기울기는 내부 영역 또는 코팅의 "베이스(base)"로부터 시작하여 형성된다(영역 Ⅲ). 다시 말해서, 코팅의 양호한 응력 전이 및 양호한 접착을 달성하기 위하여, 베이스 재료로 가로지르는 잔류 힘은 특히 낮다. 중간 영역(영역 Ⅱ)에서, 잔류응력은 더 낮은 기울기로 최대 수치까지 더욱 증가한다. 외측에서(영역 Ⅰ), 잔류응력은 상당히 감소하고, 다시 말해서, 외측으로부터 내측으로 양의 잔류응력 기울기가 크게 형성되고, 이것은 양호한 런닝-인 특성을 유발한다.

이것은 동일한 방식으로 도 2의 실시예에 적용되어, 최외측의 영역(Ⅰ)에서 잔류응력은 초기 낮은 수치로 일정하고, 그 다음 상당히 증가한다(영역 Ⅱ). 이것은 영역(Ⅰ)과 영역(Ⅲ) 사이를 가로지르는 응력 의존을 제공하고, 영역(Ⅲ)에서 잔류응력이 광범위하게 교호한다. 특히, 스러스트 응력 부하로 일정하게 높은 잔류응력 상태는 균열의 위험에 있다는 것이 입증되었다. 영역(Ⅲ)에서의 교호하는 잔류응력은 균열의 확산을 방지한다. 이 영역에서, 주기 α는 예를 들면 0.1 내지 1㎛ 사이가 될 수 있다. 도 1의 실시예와 유사하게 음의 잔류응력 기울기가 급한 영역(Ⅳ)는 베이스 재료와 접하고(도면의 우측 상에서), 베이스 재료로 가로지르는 양호한 응력 및 양호한 접착을 달성하기 위하여, 일정하게 낮은 잔류응력 프로파일을 가진 영역(Ⅴ)가 직접적으로 베이스 재료와 인접하여 있다. 영역(Ⅴ)에서의 잔류응력 수치는 특히 최외측의 영역(Ⅰ)에서의 수치보다 낮고, 영역(Ⅲ)에서 잔류응력은 절대적인 최대치와 영역(Ⅰ)보다 조금 높은 수치 사이에서 가변할 수 있다.

Claims (12)

1. 내연기관의 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링으로서,
   ta-c 타입의 DLC 코팅을 구비하고,
   상기 코팅은 코팅의 두께에 대하여 변화하는 잔류응력(residual stress) 및 적어도 하나의 잔류응력 기울기를 가지는 내연기관의 슬라이딩 요소.
2. 청구항 1에 있어서,
   외측으로부터 내측으로의 관점에서, 베이스 재료를 향하여 위치되는 영역(Ⅲ, Ⅳ)에서, 음의 잔류응력 기울기가 형성되는 슬라이딩 요소.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   외측으로부터 내측으로의 관점에서, 외측에 위치되는 영역(Ⅰ, Ⅱ)에서, 양의 잔류응력 기울기가 형성되는 슬라이딩 요소.
4. 청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한 항에 있어서,
   외측으로부터 내측으로의 관점에서, 상기 코팅의 중간 영역(Ⅱ)에서, 바람직하게는 내측 방향에 위치된 영역보다 더 작은 음의 잔류응력 기울기가 형성되는 슬라이딩 요소.
5. 청구항 1 내지 청구항 4중 어느 한 항에 있어서,
   상기 코팅의 최내측 영역(Ⅴ) 및/또는 최외측 영역(Ⅰ)에서 잔류응력은 거의 일정한 슬라이딩 요소.
6. 청구항 1 내지 청구항 5중 어느 한 항에 있어서,
   최내측 영역에서 잔류응력은 상기 코팅의 최외측 영역에서 잔류응력 보다 낮은 슬라이딩 요소.
7. 청구항 1 내지 청구항 6중 어느 한 항에 있어서,
   상기 코팅의 중간 영역(Ⅲ)에서, 광범위하게 교호하는 잔류응력이 형성되는 슬라이딩 요소.
8. 청구항 7에 있어서,
   교호의 주기(α)는 0.1 내지 1㎛인 슬라이딩 요소.
9. 청구항 1 내지 청구항 8중 어느 한 항에 있어서,
   상기 코팅은 10㎛ 이상의 두께인 슬라이딩 요소.
10. 청구항 1 내지 청구항 9중 어느 한 항에 있어서,
    잔류응력 기울기를 가지는 적어도 하나의 영역에서, sp2와 sp3 혼성 탄소 원자 사이의 비율이 변하는 슬라이딩 요소.
11. 청구항 1 내지 청구항 10중 어느 한 항에 있어서,
    잔류응력 기울기를 가지는 적어도 하나의 영역에서, 층의 밀도가 변하는 슬라이딩 요소.
12. 청구항 1 내지 청구항 11중 어느 한 항에 있어서,
    잔류응력 기울기를 가지는 적어도 하나의 영역에서, 층의 경도가 변하는 슬라이딩 요소.

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