KR20140028077A - Dlc 코팅된 부품 및 dlc 코팅을 도포하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 WC-C 조성물 구배 층을 가지고, 금속-함유 하층막을 제외하며 이온 주입층(implantation layer)을 제외한 층 및 DLC 표면층을 가진 부품에 관한 것으로, 상기 부품은 스크래치 검사시 응집 성향을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

DLC 코팅된 부품 및 DLC 코팅을 도포하는 방법{PART HAVING A DLC COATING AND METHOD FOR APPLYING THE DLC COATING}

본 발명은 DLC(Diamond-Like carbon) 코팅, 특히 마찰부에 대한 DLC 코팅의 기술적 분야에 관한 것이다.

본 발명은 예를 들어, 피스톤 로드(piston rod), 캠축(camshaft), 밸브 리프터(valve lifter), 실린더(cylinders), 피스톤 링(piston ring) 등의 마찰계수, 보다 일반적으로는 하중이 걸린 마찰의 모든 경우의 마찰 계수를 줄이는데 특히 유용한 적용을 갖는다. 이러한 마찰을 줄이기 위하여, 본 기술분야의 숙련된 자는 해당 부품에 DLC 코팅의 도포 가능성에 대해 완전히 인식한다.

또한 본 발명은 마찰을 줄이기 위한 다른 시도 없이도 검은색을 가지도록 코팅에 의해 제공되는 표면을 필요로 하는 경우의 적용을 가질 수 있다.

일반적으로 부품 위의 DLC 막의 낮은 접착력은 특정의 적용에 있어서 실제 문제가 될 수 있다는 것이 본 기술분야의 숙련된 자에게 알려져 있다. 접착력을 증가시키기 위한 하나의 기술적 해결책은 예를 들어 실리콘 또는 크롬에 기반한 금속-함유 접착층을 사용하는 것이다. 다양한 기술적 해결책이 제시되어 있다.

예를 들어, WO2011/018252는 접착층, 금속-함유 DLC 코팅 및 무금속 DLC 코팅으로 구성되는 코팅을 가지는 마찰부를 기술하고 있다. 접착층은 바람직하게는 1 μm의 최대 두께를 가지는 크롬 코팅인 반면 금속-함유 DLC 코팅은 바람직하게는 WCC 텅스텐 카바이드로 만들어진다. 다양한 층 및 코팅의 두께의 비율은 특정 범위의 값으로 제한된다, 이 범위 밖에서는, 만일 DLC 두께가 너무 얇다면 부품의 수명이 짧아질 것이고, DLC 두께가 너무 두껍다면 부품이 너무 이르게 벗겨지거나 박리될 위험이 있다.

WO0179585는 접착층(adhesive layer), 전이층(transition layer) 및 다이아몬드성 탄소층(layer of diamond-like carbon)을 가지는 다층 시스템(multilayer system)을 기술하고 있다. 접착층은 4번째, 5번째 또는 6번째 서브그룹 내의 원소 및 실리콘을 포함하는 반면, 전이층은 탄소와 4번째, 5번째 또는 6번째 서브그룹의 최소한 하나의 원소 및 실리콘을 포함한다. 상부층(upper layer)은 주로 다이아몬드성 탄소로 만들어진다. 이 시스템은 최소한 15 GPa의 경도 및 최소한 HF3의 접착강도를 가진다.

일반적으로, DLC 막 내 내부 응력과 관련있는 하층막(undercoat)으로부터 DLC 막이 박리(delamination)되는 것이 발견되었으며 박리는 막의 두께를 증가시킨다. 또한 접착 하층막은 개별 단계로 형성되고 이는 본 방법에 드는 가격을 증가시키며 이러한 방법을 더욱 복잡하게 만든다는 것이 명백하다.

본 발명은 간단하고 신뢰할 수 있으며 효과적이고 효율적인 방식으로 이러한 문제점을 극복하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 문제점은 선행 기술의 가르침에 기초한 금속-함유 접착 하층막(예를 들어, 실리콘 또는 크롬)을 이용하지 않고 향상된 접착력을 가지는 DLC 막을 생산하는 것이다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, WC-C 조성물 구배층을 가지며, 금속-함유 하층막이 없고 스크래치 검사시 응집 성향으로 특징되고 DLC 표면층을 가지는 금속 부품이 설계 및 완성되었다.

본 발명은 하기에서 수반되는 도면을 참조로 하여 더 상세히 설명한다.
도 1은 스크래치 검사 방법을 이용한 코팅의 파괴 프로파일을 나타낸 도이다.
도 2는 접착 박리(adhesive flaking)의 경우에 도 1에서 A-A선을 따라 횡단면을 나타낸 도이다.
도 3은 응집 박리(cohesive flaking)의 경우에 도 1에서 A-A선을 따라 횡단면을 나타낸 도이다.
도 4는 응집/접착 박리(cohesive/adhesive flaking)의 경우에 도 1에서 A-A선을 따라 횡단면을 나타낸 도이다.

언급된 문제점은 하기의 방법에 의해서 유리하게 해결된다:

- 부품을 마이크로파로 에칭하는 단계;

- 부품을 WC-C 조성물 구배층을 가지도록 하는 단계;

- WC-C 층에 DLC 코팅을 도포하기 위해 마이크로파 플라즈마(Microwave plasma)를 사용하는 단계;

마이크로파 에칭은 이온의 흐름을 조정하는 다이오드(diode) 에칭을 사용하여 가능한 것보다 더욱 효과적인 에칭(처리되는 부품의 기하학적 구조와 관계없이)을 얻을 수 있게 한다. 또한 부품의 품질을 떨어뜨리지 않고 낮은 템퍼링 온도(tempering temperature)에서 부품을 에칭하는 것도 가능하다. 또한, 마이크로파 DLC 코팅을 이용하여 종래의 DLC 코팅에 비해 약 50%까지 도포하는 공정 시간을 감소시킬 수 있다는 것이 관찰되었다.

바람직하게는, 0.05에서 0.5 Pa의 압력 범위에서 에칭하기 위하여 아르곤 플라즈마(argon plasma)를 만든다.

다른 양태에 따르면, 마그네트론(magnetron) PVD 기술을 이용하여 WC-C 조성물 구배층을 생성한다. 처음에 순수 WC 층으로 시작하여 C₂H₂ 와 같은 탄화수소 가스의 램프(ramp)를 생성하며, 최종적으로는 WC-C 층을 생성한다. WC-C 조성물 구배층의 두께는 피스톤 링과 같이 더 큰 두께를 필요로 하는 것을 제외하고 대부분의 도포시 0.3에서 10 μm이며, 바람직하게는 0.8 μm이다.

다른 양태에 따르면, DLC 코팅은 1에서 20　μm의 두께를 가진다.

또한 본 발명은 마이크로파-에칭된 부분이 갖는 WC-C 조성물 구배층에 도포된 DLC 코팅을 가지는 마찰부에 관한 것이다.

상기 나타낸 바와 같이, 선행 기술은 모든 경우에서 예를 들면, 순수 Cr으로 만들어진 접착 하층막에 이어서, 텅스텐 도핑된 DLC 층이 금속으로 도핑되지 않은 증착(deposited) DLC의 접착력을 확실하게 할 목적으로 얻어질 때까지 탄소 함유량이 점차 증가하는 텅스텐 카바이드-기반의 층을 포함하는 DLC 코팅을 기술하고 있다.

본 발명과 관련하여, 하나 또는 그 이상의 접착 하층막을 가진 DLC 코팅 및 본 발명의 양태에 따라 접착층을 사용하지 않는 DLC 코팅을 생산하여 얻어진 결과를 비교하기 위해 실험을 수행하였다.

코팅의 접착력이 향상되도록 임의의 표면 산화물을 제거하기 위해 미리 이온 에칭된 금속-함유 기판 위에 재료(materials)를 증착하였다. 다양한 이온 에칭 기술 즉, 주로, 다이오드 에칭, 트리오드 플라즈마(triode plasma) 에칭 및 ECR 마이크로파 에칭은 본 기술분야의 숙련된 자에게 잘 알려져 있다.

다이오드 에칭은 1에서 10 Pa의 압력의 아르곤 대기 하에서 기판에 수백 볼트(<-500V)의 음전압을 가하는 것을 포함한다. 이러한 조건 하에서, 그 부품 주위에 발광 방전(luminous discharge)이 존재하며 플라즈마 내의 아르곤 양이온은 기판의 표면을 포격(bombard)하여 표면 스퍼터링(sputtering) 및 산화물의 제거를 이루게 한다.

트리오드 플라즈마 기술을 이용하여, 낮은 압력(0.1에서 1 Pa)에서 밀집한 아르곤 플라즈마가 플라즈마 증폭기(amplifier)에 의해 생성된다. 아르곤 양이온은 기판을 음으로 편향(negatively biasing)하여 가속화시키고 이들은 표면을 에칭한다. 이러한 유형의 방법의 경우, 음전압은 최대의 에칭 효율을 달성하기 위해 -250 V에서 -500 V 사이의 값이어야 한다.

ECR 마이크로파 에칭은 0.05에서 0.5 Pa의 압력 범위에서 아르곤 플라즈마 생성을 가능하게 한다. 그 부품은 -50 V에서 -250 V가 최적인 음전압으로 편향된다.

이들 에칭 기술 각각을 본 실험에 사용하였다. 에칭 다음에 대략 0.1에서 0.2 μm의 크롬 두께를 얻기 위해 순수 크롬 접착 하층막을 마그네트론 음극 스퍼터링(cathode sputtering)으로 시편(test pieces)의 일부에 생성시켰다. 그 다음 텅스텐 카바이드는 최종 DLC 코팅의 접착을 가능하게 하기 위해서 50%가 넘는 원자 농도가 되도록 증착된 탄소를 풍부하게 하는 탄화수소 유량을 점차 증가시키는 마그네트론 음극 스퍼터링에 의해 모든 시편에 증착되었다. 텅스텐-함유층의 두께가 1.5 μm까지 증가하는 실시예 9 및 10을 제외하고는, 텅스텐-함유층은 대략 0.5 μm의 두께를 가졌으며 DLC는 대략 2 μm 두께를 가졌다.

하기 표에 실험 조건을 요약하였다.

에칭 기술	Cr 접착층의 존재
다이오드	예
다이오드	아니오
트리오드	예
트리오드	아니오
ECR	예
ECR	아니오

모든 코팅은 접착력 측면에서 특정되었다. 스크래치 검사 방법이 사용되었다. 이 방법은 HRC 압입(indentation) 실험에 사용되는 것과 같이 다이아몬드로 증착된 재료 표면을 스크래칭 하는 것을 포함한다는 것을 알 것이다. 시편이 다이아몬드 아래에서 일정한 속도로 병진 이동(translationally moved)하는 동안 점진적으로 증가하는 부하가 가해진다. 이것은 증가하는-부하 스크래치(도 1)를 얻을 수 있게 하고, 이를 기초로 박리 방식뿐만 아니라 박리력(임계 하중)을 결정할 수 있게 한다. 박리 방식은 코팅의 파괴 위치를 나타낸다. 두개의 주요 박리 유형이 있다:

- 접착 박리(도 2)

- 응집 박리(도 3)

응집/접착으로 일컫는 응집 파괴와 접착 파괴를 조합한 혼합 방식이 있다(도 4).

접착 박리는 하나의 계면(interface)을 따라 균열의 전파와 일치함으로써, 그 부품의 표면과 평행한 반면 응집 박리는 계면에 대하여 비스듬한 각도로 코팅을 통하여 전파한다. 접착 박리는 코팅의 접착력 부족이 특징이다. 응집 박리는 응력이 코팅을 구성하는 재료의 파열 한계(기계적 강도)를 초과하는 경우 발생한다.

접착면의 경우, 임계 하중이 접착력의 특성을 부여한다.

응집 파괴의 경우, 이의 접착력이 아닌 특성화된 코팅의 파괴 강도이다. 임계 하중은 증착된 재료의 특징일 뿐만 아니라, 또한 기판의 두께 및 경도의 특징이기도 하다.

두번째 방법은 접착력을 평가하기 위해 사용되었다. 이 방법은 2 kg의 하중 하에서 비커스 다이아몬드(Vickers diamond)를 이용하여 증착된 재료를 압입 가공(indenting)하는 것을 포함한다.

하기 표는 크롬 하층막 없이 2.5 μm이고, 크롬 하층막이 있는 경우 2.7 μm인 총 증착 두께 및 실시예 9 및 10의 경우 총 두께 3.5　μm인 공구강(tool steel)(경도 64 HRC)으로 만들어진 기판 위에서 얻어진 스크래치 검사 결과를 포함하는 일련의 실험을 요약한다. 실시예 11 및 12는 본 발명의 견고성(robustness)을 증명할 수 있는 두꺼운 스택(stacks)을 가진다. 실시예 11은 증착된 8 μm 두께의 DLC 위에 증착된 4 μm 두께의 텅스텐-기반층을 포함한다. 실시예 12의 경우, 텅스텐층의 두께는 9.7 μm까지 증가하였으며 DLC 표면층의 두께는 19.2 μm까지 증가하였다.

실시예	에칭 기술	Cr 접착층의 존재	에칭 압력 (Pa)	임계 하중 (N)	상(Facies)	2kg(20 N)의 비커스 압입
1.	다이오드	예	2	32	C	NTR
2.	다이오드	아니오	2	6	A	NTR
3.	트리오드	예	0.6	33	C	NTR
4.	트리오드	아니오	0,6	8	A	NTR
5.	트리오드	아니오	0.4	18	CA	NTR
6.	ECR	예	0.5	32	C	NTR
7.	ECR	아니오	0.5	18	CA	NTR
8.	ECR	아니오	0.3	31	C	NTR
9.	ECR	아니오	0.3	36	C	NTR
10.	ECR	아니오	0.3	35	C	NTR
11.	ECR	아니오	0.3	44	C	NTR
12.	ECR	아니오	0.3	55	C	NTR

C = 응집(Cohesive)

A = 접착(Adhesive)

CA = 응집/접착(Cohesive/adhesive)

NTR = 증착된 재료의 박리 없음(No detachment of deposited material)

상기 표는 다이오드 에칭 및 선행 기술의 지시에 따르는 경우, 크롬 하층막이 WC와 강철의 계면에서 강한 접착력을 얻을 수 있으며(실시예 1), 이의 부재시, 강한 접착력을 얻을 수 없음(실시예 2)을 나타낸다.

트리오드 에칭 기술의 이용은 크롬 하층막 없이 스크래치될 때 증착된 재료의 작용의 변화하는 결과를 가져온다(실시예 4 및 5). 임계 하중은 다이오드 에칭과 비교하여 증가하였으며(실시예 2) 및 박리 유형은 변화하였다(실시예 4 및 5).

관찰된 박편(flake)은 중간 박리 방식을 나타낸다.

본 발명에 따른, ECR 마이크로파 에칭 기술의 이용은 크롬 하층막 없는 선행 기술과 상당히 유사한 기계적 작용을 얻을 수 있음을 입증한다(실시예 8). 트리오드 에칭 기술과 마찬가지로, 압력을 줄이는 것은 향상된 스크래치 검사 수행 결과를 가져온다는 것을 알 수 있다(실시예 7 및 8).

실시예 9 및 10은 임계 하중 수치에 의해 입증되는 바와 같이, 응집 박리에 대한 저항이 텅스텐-함유 하층막의 두께만큼 증가한다는 것을 나타낸다. 두개의 실시예에서, 텅스텐 카바이드 및 구배층의 두께는 1.5 μm이다. 특히, 실시예 9에서, 텅스텐-카바이드 두께는 1 μm까지 증가하였으며, 탄소 농도 구배와 일치하는 두께는 0.5 μm이다. 실시예 10에서, 텅스텐-카바이드 두께는 0.2 μm인 반면, 탄소 농도 구배층은 1.3 μm까지 증가된다.

실시예 11 및 12는 용액의 견고성을 보여준다. 진공 상태에서 증착된 얇은 경화층의 두께의 증가는 내부 압축 응력을 증가시킨다는 것이 알려져 있다. 그럼에도 불구하고, 스크래치 검사 중 작용은 응집성으로 남아있고 임계 하중의 증가는 텅스텐-기반 층의 두께의 증가의 결과이다.

에칭 기술에 덧붙여, 에칭 압력이 감소된 경우 결과는 크롬 하층막 없이 생산된 층의 접착력이 향상되는 경향이 있다. 에칭 중 압력의 감소는 실제 기술 그 자체에 의존한다. 다이오드 기술은 일반적으로 0.5 Pa만큼 낮은 플라즈마 압력을 생성하지 못한다.

따라서, 본 발명에 따른, 적절한 에칭 기술의 사용은 아르곤 압력을 감소시키고 크롬 하층막이 없는 DLC 유형의 접착 스택(adhering stack)을 생산하는 것-기술분야의 숙련된 자에게 널리 받아들여지고 이전의 기술적 해결에 대항하는 업적을 가능하게 한다.

본 발명에 따른 방법은 많은 장점을 가진다:

또한 필요한 장치를 단순화하고 그 비용을 줄이고, 접착 하층막을 제거하는 것 외에 하나의 계면을 제거하며, 따라서 코팅의 신뢰성과 견고성을 향상시킨다.

또한 수행된 실험에서 나타난 바와 같이, 크롬 하층막은 더욱 효과적인 에칭이 필요한 것으로 보이는 텅스텐 카바이드와는 달리, 크롬 하층막으로 증착된 재료로서, 접착력 측면뿐만 아니라 수행하기 위하여 특정 유형의 에칭에 있어 결함을 감추는 경향이 있다는 것이 명백하다.

또한, 2 kg 하중으로 비커스 압입(Vickers identation)을 사용하는 것은 다양한 유형의 증착 재료의 접착력의 어떠한 차이도 없다. 비록 적용된 하중이 2 kg (20 N)였으나, 비커스 다이아몬드에 의해 유발된 변형은 실시예 2와 같이 스크래치 검사 방법에 의해 접착력의 결함이 입증된 경우에서도 증착된 재료의 분리를 야기하기에 불충분하였다.

Claims (9)

1. WC-C 조성물 구배를 갖는 층 및 스크래치 검사시 응집 성향으로 특징되는 DLC 표면층을 가지며, 금속-함유 하층막 및 이온 주입층이 없는 것을 특징으로 하는 금속 부품.
2. 제1항에 있어서, 마이크로파 에칭된 부분을 갖는 WC-C 조성물 구배층에 도포된 DLC 코팅으로 덮인 것을 특징으로 하는 부품.
3. 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 부품에 DLC 코팅을 도포하는 방법:
   - 부품을 마이크로파로 에칭하는 단계,
   - 부품이 WC-C 조성물 구배층을 가지도록 하는 단계,
   - WC-C 층에 DLC 코팅을 도포하기 위해 마이크로파 플라즈마(Microwave plasma)를 사용하는 단계.
4. 제3항에 있어서, 0.05에서 0.5 Pa 범위의 압력에서 에칭하기 위해 아르곤 플라즈마(argon plasma)를 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제3항에 있어서, WC-C 조성물 구배층이 마그네트론(magnetron) PVD에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 처음에 순수 WC 층으로 시작하여 탄화수소 유량 램프(ramp)를 생성하며, 최종적으로 WC-C 층을 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제5항 또는 6항에 있어서, WC-C 조성물 구배층의 두께는 0.3에서 10 μm, 바람직하게는 0.8 μm인 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제3항에 있어서, DLC 코팅이 1에서 20 μm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 금속-함유 하층막의 부재, 이온 주입층의 부재 및 WC-C 조성물 구배를 가지는 것을 특징으로 하는, 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 얻어지는 DLC 코팅으로 덮인 부품.
   
   

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