KR20140038084A

KR20140038084A - 핀 또는 샤프트용 코팅재 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20140038084A
Application number: KR1020120104342A
Authority: KR
Inventors: 차성철
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2014-03-28
Also published as: KR101428600B1

Abstract

본 발명은 핀 또는 샤프트용 코팅재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 모재의 표면에 형성되는 Cr 또는 Ti 접합층; 상기 접합층의 표면에 위치하는 CrN 또는 WC 지지층; 및 상기 지지층의 표면에 위치하는 Si-DLC 또는 SiO-DLC 기능층을 포함하며 핀 또는 샤프트의 내마모성 및 내열성 등을 개선시키기 위한 핀 또는 샤프트용 코팅재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

핀 또는 샤프트용 코팅재 및 이의 제조방법{Coating material for pin or shaft and the method for manufacturing thereof}

본 발명은 핀 또는 샤프트용 코팅재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Cr 또는 Ti 접합층; CrN 또는 WC 지지층; 및 Si(O)-DLC 기능층을 순서대로 포함하는 구조를 가지며, 밸브 트레인 부품이나 엔진 부품 등에 사용되는 핀 또는 샤프트 등의 내소착성, 내마모성 및 내열성 등의 물성 개선 및 저열변형을 위한 핀 또는 샤프트용 코팅재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

내연기관 엔진은 외부로부터 공기 및 연료를 흡입하여 연소실에서 연소시킴으로써 동력을 발생시키는 장치로서, 상기 공기 및 연료를 연소실로 흡입하기 위한 흡기밸브 및 상기 연소실에서 연소된 폭발 가스를 배출하기 위한 배기밸브를 구비하는데, 이러한 흡배기 밸브는 크랭크축의 회전에 연동하여 회전하는 캠샤프트에 의해 개폐된다.

이 때, 구동캠, 캠샤프트, 태핏, 로커암 및 로커암 링크 등 상기 흡배기 밸브를 작동하기 위한 일련의 부품들을 밸브 트레인이라고 한다.

일반적으로 상기 밸브 트레인 부품이나 엔진 부품 등 차량용 부품의 물성은 소재, 성분, 제조 공정, 표면 연마, 열처리 등에 의해 결정되는데, 사용 시에 발생되는 열충격, 소착, 마모 등에 의해 부품의 수명은 급격하게 저하된다.

도 1은 로커암 및 상기 로커암에 사용되는 핀을 나타낸 도면이고, 도 2는 컨트롤레버 및 상기 컨트롤레버에 사용되는 핀을 나타낸 도면이며, 도 3은 스윙암 및 상기 스윙암에 사용되는 핀을 나타낸 도면인데, 도시된 바와 같이 자동차의 엔진 부품이나 밸브 트레인 부품 등에 다른 부품과의 체결 및 고정 등의 목적으로 다양한 종류의 핀(100)이 사용되고 있다.

최근 들어 자동차 업계는 친환경 차량을 개발을 위한 다운 사이징, 연비 향상 관련 기술에 대한 연구를 활발히 진행하고 있는데, 이에 의해 상기 엔진 부품의 핀(100)이나 샤프트, 특히 밸브 트레인계 캠팔로워, 로커암, 스윙암 등에 가해지는 하중이 증대되고 적용 환경이 가혹지고 있다.

따라서 엔진 부품 등의 수명 저하를 방지하고 성능을 유지하기 위한 다양한 시도가 계속 되고 있는데, 소재 자체를 고온에 강한 내열강 등으로 개발하는 것과 함께 내소착성, 내마모성, 저마찰성, 내열성 등을 개선하기 위한 표면 처리 연구가 활발히 진행되고 있다.

종래에는 상기 핀(100)이나 샤프트 등의 성능 향상을 위해 표면을 침탄 침질, 고주파 처리 또는 질화처리 등을 하였는데, 이는 주로 표면 경화를 통한 내마모성 개선 용도이기에 탄화물 등에 의해 쉽게 소착되고, 마찰계수가 높아 연비 측면에서 불리한 문제가 있었다.

뿐만 아니라, 통상적인 Si-DLC 또는 SiO-DLC 코팅의 경우 코팅층의 증착 온도가 200 ℃ 이상인데, 이는 상기 핀(100)이나 샤프트 등 엔진 부품의 열처리 공정 에 있어 통상적인 뜨임 온도(약 160 ℃)보다 높기에, 부품의 열변형으로 인한 치수 오차 발생으로 인하여 상기 코팅을 적용할 수 없는 문제가 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 핀이나 샤프트 등의 내열성, 내소착성, 내마모성 등을 확보하고, 저마찰화로 인한 연비 개선 및 코팅에 의한 열변형을 최소화시키는 핀 또는 샤프트용 코팅재 및 이의 제조방법을 제공하고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 핀 또는 샤프트용 코팅재는 모재의 표면에 형성되는 Cr 또는 Ti 접합층; 상기 접합층의 표면에 위치하는 CrN 또는 WC 지지층; 및 상기 지지층의 표면에 위치하는 Si-DLC 또는 SiO-DLC 기능층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 접합층의 두께는 0.01 내지 0.5 μm 이고, 상기 지지층의 두께는 0.1 내지 5 μm 이며, 상기 기능층의 두께는 0.1 내지 10 μm 인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 기능층의 실리콘(Si) 원자 백분율은 4 내지 12 % 인 것이 바람직하다.

또 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 핀 또는 샤프트용 코팅재의 제조방법은 진공 상태의 챔버를 플라즈마 상태로 만드는 단계; 상기 챔버 내에 위치한 모재의 표면에 Cr 또는 Ti 접합층을 저온 증착하는 단계; 상기 접합층의 표면에 CrN 또는 WC 지지층을 저온 증착하는 단계; 상기 지지층의 표면에 Si-DLC 또는 SiO-DLC 기능층을 저온 증착하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 모재의 표면은 활성화 및 세정된 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 저온 증착은 상기 모재의 뜨임 온도보다 낮은 온도에서 실시되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 저온 증착은 150 ℃ 이하에서 실시되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는 종래 고주파 처리 또는 질화 처리 등과 대비하여 내소착성, 내열성, 내마모성 등의 물성을 개선하여 부품의 품질 향상 및 수명 유지가 가능한 장점이 있다.

또한, 마찰 계수를 낮춤으로써 연비가 향상되고, 저온 증착을 통해 부품의 열변형이 최소화되어 허용 공차를 만족하는 효과가 있다.

뿐만 아니라, 향후 배기가스 배출 규제와 관련된 유로 6, 7에 대비하여 저열변형, 저마찰 코팅기술을 확보할 수 있다.

도 1은 로커암 및 상기 로커암에 사용되는 핀을 나타낸 도면.
도 2는 컨트롤레버 및 상기 컨트롤레버에 사용되는 핀을 나타낸 도면.
도 3은 스윙암 및 상기 스윙암에 사용되는 핀을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 의한 상기 Si(O)-DLC 코팅재의 구조를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 의한 코팅재를 제조하기 위한 코팅 장비를 나타낸 도면.
도 6은 종래 침탄침질 처리에 의한 로커암 핀의 엔진 평가 후 사진.
도 7은 본 발명의 코팅 처리에 의한 로커암 핀의 엔진 평가 후 사진.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 일 관점에서, 주요층으로 Si(O)-DLC 기능층을 포함하는 핀 또는 샤프트용 코팅재에 관한 것이다.

종래 핀 또는 샤프트 표면에 침탄침질, 고주파 처리 또는 질화 처리 등을 하는 경우 표면에 탄화물 등에 의한 소착물(110)이 발생되는데, 상기 소착물(110)은 부품의 경도를 감소시키고, 리크나 파손 등을 초래하여 부품 수명을 저하시키는 주된 원인이 된다.

뿐만 아니라, 최근 다운 사이징, 연비향상 관련 기술의 적용으로 핀 또는 샤프트 등의 엔진 부품 적용 조건이 악화됨에 따라 이를 견딜 수 있는 높은 수준의 물성이 요구되는데, 종래 침탄 등의 표면 처리로는 상기 부품의 내열성, 내마모성 및 내소착성 등의 물성을 향상시키는데 한계가 있었다.

따라서 본 발명은 이를 해결하고자 하기 구조를 가진 Si(O)-DLC 코팅재를 제공한다. (여기서, Si(O)-DLC 는 Si-DLC 또는 SiO-DLC 이며, DLC 는 Diamond Like Carbon 을 의미한다.)

도 4는 본 발명에 의한 상기 Si(O)-DLC 코팅재의 구조를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 코팅재는 모재(200) 표면에 형성되는 Cr 또는 Ti 접합층(210); CrN 또는 WC 지지층(220); 및 Si(O)-DLC 기능층(230)을 순서대로 포함한다.

상기 Cr 또는 Ti 접합층(210)은 코팅의 잔류응력을 최소화하고, 코팅층과 모재(200)의 밀착력을 향상시키기 위한 버퍼층으로서 사용되며, 바람직하게 0.01 내지 0.5 μm 의 두께를 가지는데, 두께가 0.01 μm 미만인 경우에는 성분 물질의 양이 상기 기능을 발휘하기에 충분하지 않으며 0.5 μm 초과인 경우에는 밀착성이 저하되기 때문이다.

또한, 상기 CrN 또는 WC 지지층(220)은 핀이나 샤프트 등의 엔진 부품에 기본적으로 요구되는 특성인 인성, 내피로성 및 내충격성 등을 향상시키기 위한 중간층으로서 사용되며, 바람직하게 0.1 내지 5 μm 의 두께를 가지는데, 두께가 0.1 μm 미만인 경우에는 성분 물질의 양이 상기 기능을 발휘하기에 충분하지 않으며 5 μm 초과인 경우에는 밀착성이 저하되기 때문이다.

또한, 상기 Si(O)-DLC 기능층(230)은 본 발명에 의한 코팅재의 주요 특징인 내소착성, 내마모성, 저마찰성, 내열성 등을 개선시키기 위한 기능층(230)으로서 사용되며, 바람직하게 0.1 내지 10 μm 의 두께를 가지는데, 두께가 0.1 μm 미만인 경우에는 성분 물질의 양이 상기 기능을 발휘하기에 적절하지 않으며 10 μm 초과인 경우에는 코팅층의 박리 현상이 발생되기 때문이다.

뿐만 아니라, 상기 Si(O)-DLC 기능층(230)에 있어서 상기 실리콘(Si)의 원자 백분율(atomic percent, at)은 바람직하게 4 내지 12 % 인데, 원자백분율이 4 % 미만인 경우에는 저마찰성 및 내소착성 등이 저하되고, 12 % 초과인 경우 경도가 저하되기 때문이다.

일반적으로, 내마모성과 내충격성은 서로 상반되는 물성으로 동시에 개선하는 것이 매우 어려우나, 본 발명은 내충격성이 우수한 중간층에 내마모성이 우수한 기능층(230)을 포함함으로써 상기 물성의 동시 개선을 가능하게 한다.

본 발명은 다른 관점에서, PVD 또는 PACVD 법을 사용하며 주요층으로 Si(O)-DLC 기능층(230)을 포함하는 핀 또는 샤프트용 코팅재의 제조방법에 관한 것이다.

여기서, PVD 법은 물리적 증기 증착법(Physical Vapor Deposition), PACVD 법은 플라즈마 화학 증착법(Plasma-Assisted Chemical Vapour Deposition)을 의미한다.

도 5는 본 발명에 의한 코팅재를 제조하기 위한 코팅 장비를 나타낸 도면인데, 도시된 바와 같이 상기 코팅 장비는 챔버(310); 상기 챔버(310)에 설치된 타겟부(320), 진공 게이지(330), 가스 투입부(340), 배기부(350), 윈도우(360), 온도 측정기(370); 바이어스 전원장치(380), 코팅 전원장치(390); 및 상기 챔버(310) 내부에 모재(200)를 포함하는 회전 홀더(300)를 포함한다.

이 때, 상기 타겟부(320)는 바람직하게 Cr 타겟, Ti 타겟, WC 타겟 또는 SiC 타겟 등을 포함한다.

한편, 핀이나 샤프트 등의 모재(200)는 코팅 등 표면 처리에 앞서 바람직하게 뜨임 처리를 하는데, 통상적으로 약 160 ℃ 또는 240 ℃ 등의 온도에서 처리된다.

이 때, 상기 모재(200)가 약 160 ℃의 온도에서 뜨임 처리된 경우, 통상적인 200 ℃ 이상의 Si(O)-DLC 코팅을 적용할 수 없는데, 이는 코팅 온도가 뜨임 온도보다 높을 때, 부품의 열변형으로 인해 허용 공차를 벗어나기 때문이다.

따라서, 본 발명의 코팅재 제조방법에 있어서, 뜨임 온도보다 낮은 바람직하게 150 ℃ 이하의 저온에서 증착함에 따라 부품의 열팽창 등 열변형을 최소화하는 것이 바람직하다.

먼저 코팅의 전처리 단계로서, 펌프 등을 이용하여 챔버(310) 내부를 진공상태로 만든 후 가스 투입부(340)를 통해 아르곤 가스 등을 투입하여 플라즈마 상태로 만든다.

그리고 바람직하게 상기 챔버(310)를 80 ℃로 가열하여 모재(200)의 표면을 활성화하고, 바이어스 전원장치(380)를 통해 바이어스 전압을 인가하여 아르곤 양이온을 상기 모재(200) 표면에 충돌시킴으로써 세정한다. (baking & cleaning)

그 다음, 상기 모재(200)의 표면에 Cr 타겟을 이용하여 Cr, 또는 Ti 타겟을 이용하여 Ti 접합층(210)을 바람직하게 0.01 내지 0.5 μm 두께로 저온 증착한다.(PVD 법)

그 후, WC 타겟을 이용하여 WC 지지층(220), 또는

Cr 타겟과 가스 투입부(340)를 통한 질소 가스를 이용하여 CrN 지지층(220)을 바람직하게 0.1 내지 5 μm 의 두께로 저온 증착한다.(PVD 법)

그 다음, SiC 타겟과 가스 투입부(340)를 통한 탄화 수소 가스 및 테트라메틸실란(Tetra-MethylSilane, TMS) 가스를 이용한 화학반응을 통해 Si-DLC 기능층(230), 또는 SiC 타겟과 가스 투입부(340)를 통한 탄화 수소 가스 및 헥사메틸디실록산(HexaMethylDiSilOxane, HMDSO) 가스를 이용한 화학반응을 통해 SiO-DLC 기능층(230)을 바람직하게 0.1 내지 10 μm 두께로 저온 증착한다.(PACVD 법)

구체적으로 본 발명의 일실시예로 바람직하게 코팅 공정 파라미터인 플라즈마 파워(-6A)를 유지하면서, 공정 시간을 통상적인 공정 시간 대비 2배(2시간에서 4시간)로 연장하여 코팅층의 두께를 확보하여 간단한 코팅 공정을 도출함으로써 본 발명의 엔진 부품 등에서 요구하는 코팅재 물성을 확보하였다.

상기 플라즈마 파워(-6A)가 상승되는 경우 코팅층간의 잔류 응력 증대 및 조직 거대화로 내충격성, 내피로성, 표면 조도가 악화되며, 플라즈마 파워(-6A)가 하강되는 경우 코팅 속도 저하로 인한 원가 상승의 문제가 있다.

또한, 상기 일실시예로 코팅 공정 시간이 2시간인 경우 Si(O)-DLC 의 최적 두께(1μm)를 확보하기 어려우므로, 통상적인 200 ℃ 이상의 Si(O)-DLC 코팅 조건과 동일한 플라즈마 파워를 유지하면서, 공정 시간을 4시간으로 증대하여 물성을 확보하였다.

	비교예 1	실시예 1
표면처리/코팅	침탄침질	저온 SiO-DLC
마찰계수(오일)	0.113	0.048
소착성 육안관찰 (엔진평가 후)	표면소착 발생	표면 변화 없음

상기 표 1은 종래 침탄침질 처리에 의한 로커암 핀과 본 발명의 코팅 처리에 의한 로커암 핀을 비교한 표이고, 도 6은 종래 침탄침질 처리에 의한 로커암 핀의 엔진 평가 후 사진이며, 도 7은 본 발명의 코팅 처리에 의한 로커암 핀의 엔진 평가 후 사진이다.

이 때, 마찰계수는 핀 온 디스크(Pin on Disc) 마찰 마모 시험기를 통해 코팅(디스크)과 핀(SUJ2)간 마찰계수 측정을 통해 구해진다. 시험 조건은 하중 10N, 거리 2,000m, 반경 6mm, 선속도 100 mm/s, 오일(GF4) 조건이다.

그 후, 마찰 트랙의 마모 깊이 및 상대재 핀의 중량을 비교하여 내마모성 및 상대공격성 등을 측정하였다.

소착성은 코팅핀, 비코팅핀을 각각 로커암에 조립 및 장착하여 엔진 내구 평가를 200시간 진행한 후 소착성을 평가하였다.

그 결과, 종래 침탄침질 처리에 의한 로커암 핀보다 본 발명의 코팅 처리에 의한 로커암 핀의 마찰 계수가 낮게 측정되었는데, 이를 통해 저마찰특성이 개선됨을 확인할 수 있다.

또한, 종래 종래 침탄침질 처리에 의한 로커암 핀에서 엔진 평가 후에 소착물(110)이 발생된 것과 달리, 본 발명의 코팅 처리에 의한 로커암 핀의 경우 소착물(110)이 발생되지 않았는데, 이를 통해 내소착성이 개선됨을 알 수 있다.

	비교예 2	실시예 1
코팅	기존 SiO-DLC	저온 SiO-DLC
코팅온도	200 ℃	150 ℃
두께(μm)	2	1.55
경도(GPa)	17.7	16.7
접합력(N)	37	38
열변형량	0.12 % 팽창	무

상기 표 2는 종래 SiO-DLC 코팅 처리에 의한 로커암 핀과 본 발명의 저온 코팅 처리에 의한 로커암 핀을 비교한 표인데, 기존의 통상적인 SiO-DLC 코팅의 경우 코팅 온도가 모재(200)의 뜨임 처리 온도보다 높기에 열팽창이 발생한 것과 달리, 본 발명의 경우 코팅 온도가 모재(200)의 뜨임 온도보다 낮기에 열변형이 관측되지 않았는데, 이를 통해 열변형이 최소화됨을 알 수 있다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

100 : 핀 110 : 소착물
200 : 모재 210 : 접합층
220 : 지지층 230 : 기능층
300 : 회전 홀더 310 : 챔버
320 : 타겟부 330 : 진공 게이지
340 : 가스 투입부 350 : 배기부
360 : 윈도우 370 : 온도 측정기
380 : 바이어스 전원장치 390 : 코팅 전원장치

Claims

모재(200)의 표면에 형성되는 Cr 또는 Ti 접합층(210);
상기 접합층(210)의 표면에 위치하는 CrN 또는 WC 지지층(220); 및
상기 지지층(220)의 표면에 위치하는 Si-DLC 또는 SiO-DLC 기능층(230)을 포함하는 핀 또는 샤프트용 코팅재.
제1항에 있어서,
상기 접합층(210)의 두께는 0.01 내지 0.5 μm 이고, 상기 지지층(220)의 두께는 0.1 내지 5 μm 이며, 상기 기능층(230)의 두께는 0.1 내지 10 μm 인 것을 특징으로 하는 핀 또는 샤프트용 코팅재.
제1항에 있어서,
상기 기능층(230)의 실리콘(Si) 원자 백분율은 4 내지 12 % 인 것을 특징으로 하는 핀 또는 샤프트용 코팅재.
진공 상태의 챔버(310)를 플라즈마 상태로 만드는 단계;
상기 챔버(310) 내에 위치한 모재(200)의 표면에 Cr 또는 Ti 접합층(210)을 저온 증착하는 단계;
상기 접합층(210)의 표면에 CrN 또는 WC 지지층(220)을 저온 증착하는 단계;
상기 지지층(220)의 표면에 Si-DLC 또는 SiO-DLC 기능층(230)을 저온 증착하는 단계;
를 포함하는 핀 또는 샤프트용 코팅재의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 모재(200)의 표면은 활성화 및 세정된 것을 특징으로 하는 핀 또는 샤프트용 코팅재의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 저온 증착은 상기 모재(200)의 뜨임 온도보다 낮은 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 핀 또는 샤프트용 코팅재의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 저온 증착은 150 ℃ 이하에서 실시되는 것을 특징으로 하는 핀 또는 샤프트용 코팅재의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 접합층(210)의 두께는 0.01 내지 0.5 μm 이고, 상기 지지층(220)의 두께는 0.1 내지 5 μm 이며, 상기 기능층(230)의 두께는 0.1 내지 10 μm 인 것을 특징으로 하는 핀 또는 샤프트용 코팅재의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 기능층(230)의 실리콘(Si) 원자 백분율은 4 내지 12 % 인 것을 특징으로 하는 핀 또는 샤프트용 코팅재의 제조방법.