KR20150109345A - 코팅을 갖는 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링 - Google Patents

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랄프 라메르스
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페데랄-모굴 부르샤이트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 슬라이딩 요소, 특히, 피스톤 링에 관한 것으로서, 적어도 하나의 작동면을 가지는 슬라이딩 요소, 특히, 피스톤 링에 있어서, 상기 작동면은, 내측으로부터 외측까지 적어도 제1 접착제 레이어와, 하드한 수소 미함유 DLC 레이어와, 제2 접착제 레이어와, 하드한 수소 미함유 DLC 레이어 보다 더 부드러운 소프트한 수소 함유, 금속 함유 및/또는 금속-카바이드 함유 DLC 레이어와, 소프트한 수소 함유, 금속 함유 및/또는 금속-카바이드 함유 DLC 레이어 보다 더 단단한 하드한 수소 함유 DLC 레이어가 구비되는 코팅을 가진다.

Description

코팅을 갖는 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링{Sliding Element, in Particular a Piston Ring, Having a Coating}
본 발명은 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링에 관한 것이다.
예를 들어, 피스톤 링과 같은 슬라이딩 요소들은 마찰 대상에 미끄럼 접촉되는 작동면(running surfaces)을 가진다. 마찰 공학적 시스템은 복잡하고, 예를 들어, 마찰 대상의 짝을 이루는 물질 및, 예를 들어, 압력, 온도 및 주변 매체와 같은 환경 조건에 의해 중요하게 결정된다. 확실히 현대 엔진을 포함하여, 특히 높은 하중은, 예를 들어, 피스톤 링에 발생된다. 구성요소의 기능을 보장하고 수명을 연장하기 위해 슬라이딩 요소의 작동면 특성이 특별히 최적화될 수 있다.
이러한 최적화는 예를 들어, 열 분사 공정(thermal spraying processes), 갈바닉 공정(galvanic processes) 또는 박막 레이어 테크놀로지 공정(thin-layer-technology processes)에 의한 대략 복합 레이어 시스템의 적용을 흔히 포함한다. 이러한 레이어의 주요 목적은 마모로부터 보호하는 것이고, 일반적으로 상기 레이어의 높은 경도에 우선 초점이 맞추어진다. DLC 레이어(diamond-like carbon)는 특히 단단하고 지속 가능한 레이어라는 것이 증명되었다. 이것들은, 예를 들어, 탄소의 다른 결합 부분인 C-C 결합 특성을 변화시키는 것에 의해, 그리고, 그것들의 특성에서 수소와 메탈의 유무에 의해 많은 방식에서 변형될 수 있다. 종종 접착제 레이어는 이러한 마모 보호 레이어 하에서 적용되는데, 이것은 슬라이딩 요소의 베이스 물질과 함께 높은 하중에서의 마모 보호 레이어의 특별히 지속 가능하고 강한 결합을 보장하는 것이 예상된다.
그러나, 매우 단단한 DLC 레이어의 독점적 사용은 어떤 기술적인 문제를 초래한다. 한편으로, 이들 레이어의 표면은 매우 평탄처리된 것이 틀림없으므로 높은 표면 압력에서 표면에 붕괴가 발생되지 않고, 따라서, 레이어 시스템은 실패하지 않는다. 그것은 또한 예를 들어, 링 마모와 라이너 마모가 마모 보호 레이어의 거칠기(roughness)에 따라 상당히 증가하는 것을 보여준다. 따라서, 사용하기 전 마모 보호 레이어의 표면을 가능한 많이 평활하게 할 필요가 있다. 그러나, 이는 광범위한 기술적 노력과 관련이 있고, 매우 비용 집약적이다. 예를 들어, EP 1 829 986 B1은 그렇게 단단한 탄소 기초 레이어가 강모 형상(bristle-shaped) 또는 판 형상(plate-shaped)의 요소에 의해 어떻게 처리될 수 있는지의 방법을 설명한다. 반면에, 매우 단단한 마모 보호 레이어는 불리한 런인 동작(run-in behavior)을 가진다. 그것의 높은 경도 때문에, 런인은, 런인 단계에서 증가된 마모를 격는 마찰 대상의 손실을 발생시키며, 또한, 흠집 형성물(formation of scoring) 및/또는 불탄 흔적(burn marks)을 발생시킨다.
런인 동작의 관점에서, 마모 보호 레이어보다 부드러운 런인 레이어를 제공하는 것이 적절할 수 있다. 이들 레이어의 목적은, 런인 레이어가 마찰 대상과 첫 번째 접촉에서 박리되고, 그렇게 함으로써, 마찰 대상의 상호간의 조정을 수행한다는 점에서 일종의 마찰 공학적 “균형”을 생성하기 위한 것이다. 런인 단계에 따라, 마찰에 의한 마모가 느려지고, 안정되며, 단단한 마모 보호 레이어가 장기적으로 유리한 마찰 특성 및 수명 내구성을 보장한다.
DE 10 2005 063 123 B3는, 내측으로부터 외측까지 마모 보호 레이어와, 접착제 레이어와, 예를 들어, WC와 같이 경질 재료 입자 역시 포함된 Me-C:H 타입의 런인 레이어로 구성되는 슬라이딩 요소 상의 레이어 시스템을 설명한다.
슬라이딩 요소는 내측으로부터 외측까지 접착제 레이어와, PVD 레이어와, 선택적인 a-C:H:W 타입의 탄소 기초 레이어와, a-C:H 타입의 탄소 기초 레이어와, 추가적인 a-C:H 타입의 탄소 기초 레이어를 구비하는 코팅을 가지는 것이 DE 10 2008 042 747 A1으로부터 명백하다. 이것은 외측의 탄소 레이어가 밑에 있는(underlying) 탄소 레이어보다 더 부드러운 것을 가능하게 한다.
본 발명은 최적의 기계적 및 마찰 공학적 특성을 가지는 슬라이딩 요소, 특히, 연소 엔진용 피스톤 링과 같은 슬라이딩 요소를 생성하는 것을 목적으로 한다. 보다 구체적으로, 그 목적은, 시간 단축과, 반대측 본체 마모 감소와, 런인 동안 적은 연료 및 오일 소비와 같은 유리한 런인 동작을 가지는 표면이 구비되는 슬라이딩 요소를 제공하는 것으로 구성된다. 또한, 슬라이딩 요소 표면의 향상된 가공성이 달성될 예정이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은, 청구항 제1항에 따른 슬라이딩 요소에 의해 해결된다. 유리한 실시예 및 발명의 추가적인 진전은 종속 청구항에 명시된 특징에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 유리한 런인 동작을 가지는 표면이 구비되는 슬라이딩 요소의 제공에 의해 시간 단축과, 반대측 본체 마모 감소와, 런인 동안 적은 연료 및 오일 소비와 같은 효과가 있으며, 또한, 슬라이딩 요소 표면의 향상된 가공성이 달성되는 효과가 있다.
본 발명에 따른, 특히, 피스톤 링과 같은 슬라이딩 요소는, 내측으로부터 외측까지 적어도 제1 접착제 레이어와, 하드(hard)한 수소 미함유 DLC 레이어와, 제2 접착제 레이어와, 하드한 수소 미함유 DLC 레이어 보다 더 부드러운 소프트한 수소 함유, 금속 함유 및/또는 금속-카바이드 함유 DLC 레이어와, 소프트한 수소 함유, 금속 함유 및/또는 금속-카바이드 함유 DLC 레이어 보다 더 단단한 하드한 수소 함유 DLC 레이어가 구비되는 코팅을 가지는 적어도 하나의 작동면을 가진다.
런인 후, 내측의 하드한 수소 미함유 DLC 레이어는 장기간의 운전 동안 슬라이딩 요소의 마모 보호를 담당하고, 따라서, 슬라이딩 요소의 양호한 수명 내구성과 기능성을 보장한다. 이러한 기능을 최적으로 수행하기 위해, 사면체이고, 수소 미함유이며, 달성 가능한 높은 경도에 의해 특징 지어진 무정형 탄소 레이어인 ta-C 타입의 레이어가 바람직하게 선택된다.
소프트한 수소 함유, 금속 함유 및/또는 금속-카바이드 함유 DLC 레이어는 특히, 비교적 부드럽지만 또한 양호한 마찰 거동을 가지는 전술한 DLC 레이어와 비교된다. 이 레이어는 바람직하게, 사면체이고, 수소 미함유이며, 무정형 탄소 레이어(ta-C), 또는, 수소 함유 무정형 탄소 레이어(a-C:H), 또는, 금속 함유 및 수소 함유 무정형 탄소 레이어(Me-DLC)로 형성된다. 소프트한 DLC 레이어는 2개의 하드한 DLC 레이어 사이의 안정화 중간 레이어로 작용함으로써, 발생하는 높은 전단력에 대하여 레이어 시스템을 안정화시킨다.
코팅의 최종 외곽 레이어는 하드한 수소 함유 DLC 레이어에 의해 형성된다. 이 레이어는 바람직하게 내측의 하드한 DLC 레이어 보다 약간 덜 단단하도록 구성되고, 내측의 하드한 DLC 레이어 보다 낮은 내마모성을 가진다. 이에 의해, 더 낮은 표면 거칠기는 예를 들어, 내연 기관에서 슬라이딩 요소의 사용 전에 평활화 프로세스에 의해 비교적 저비용으로 달성될 수 있다. 따라서, 레이어는, 실린더 작동면을 가지는 피스톤 링의 예시에서 실현되는 양호한 런인 동작을 가지는 런인 레이어로서 적합하고, 그것은 시간 단축과, 반대측 본체 마모 감소와, 적은 연료 및 오일 소비뿐만 아니라 런인 단계에서 블로바이(blow-by)와 전체적으로 관련된다.
레이어 시스템은 또한 내측의 하드한 DLC 레이어와 소프트한 DLC 레이어 사이에 양호한 응집 결합을 생성하는 2 개의 접착제 레이어에 의해 형성되므로, 코팅은 런인 단계에서의 높은 하중 동안 무결성(integrity) 및 기능을 상실하지 않는다. 한편, 제1 접착제 레이어는 작동면의 베이스 물질을 위한 결합제로서 작용하고 이것에 의해 전체적으로 코팅의 내구성과 기능성에 대한 기초를 형성한다.
선택된 DLC 레이어 재료는 예를 들면, 수소 함유량 또는 첨가 금속의 종류를 변화시키는 방법에 의해, 코팅의 개별 사용에 관한 레이어 특성의 양호한 최적화를 허용한다. 전체적으로, 레이어 시스템은 슬라이딩 요소의 전체 수명 동안 일관되게 낮은 마찰에 의해 특징지어지는 결과를 야기한다.
바람직하게, 하드한 수소 미함유 DLC 레이어는 대략 1800 내지 대략 3500 HV 0.02 사이의 경도를 가지고, 소프트한 수소 함유, 금속 함유 및/또는 금속-카바이드 함유 DLC 레이어는 대략 800 내지 대략 1400 HV 0.002 사이의 경도를 가지며, 하드한 수소 함유 DLC 레이어는 대략 1800 내지 대략 3100 HV 0.002 사이의 경도를 가진다. 상술한 바와 같이, 상이한 경도는 코팅의 각 레이어의 상이한 기능에 기초한다. 내측의 하드한 수소 미함유 DLC 레이어의 최대 경도는 수명 내구성을 보장한다. 소프트한 DLC 중간 레이어의 더 낮은 경도는 코팅의 기계적 안정화에 유리하다. 그리고, 외측의 하드한 수소 함유 DLC 레이어의 약간 감소된 최대 경도는 슬라이딩 요소의 런인 동작에 유리해지는 것을 증명한다. 개선된 런인 동작은 마찰 대상 서로간의 마찰 공학적 안정화와, 러닝 대상의 기하학적 구조에 슬라이딩 요소의 더 나은 조정을 야기한다. 이를 위해, 값의 주어진 범위에서 경도는 특히 유리하게 되는 것을 증명한다.
코팅의 기능성 및 유용성을 보장하기 위해, 하드한 DLC 레이어와 소프트한 DLC 레이어 사이의 경도의 차이는 대략 1.2배에서 대략 4.4배에 해당되는 것이 바람직하다. 경도에서의 적은 차이는 매우 유사한 레이어 특성을 가지는 균일한 레이어 시스템으로 이어지며, 예를 들어, 기계적 안정화, 또는 최적의 런인 동작, 또는 양호한 수명 내구성의 효과는 손실될 것이다. 반면에, 경도에서의 큰 차이는 기술적으로 거의 의미가 없는 것으로 나타나고, 어떤 긍정적이고 추가적인 효과를 가지지 않을 것이다.
소프트한 수소 함유, 금속 함유 및/또는 금속-카바이드 함유 DLC 레이어는, 텅스텐 및/또는 텅스텐 카바이드 및/또는 실리콘 및/또는 실리콘 카바이드 및/또는 크롬 및/또는 크롬 카바이드의 상을 유리하게 포함한다. 수소 함유 무정형의 탄소 레이어에 포함된 전술한 W, Si 그리고 Cr 및/또는 카바이드 요소는 안정화 특성과 마찰 특성 사이에서 양호한 절충을 구성하는 레이어를 형성하는 것을 보여준다.
바람직하게, 제1 및/또는 제2 접착제 레이어는 메탈, 특히 Cr을 포함한다. 접착제 레이어는 저온 플라즈마 처리, 예를 들어, 물리적 증착법에 의해 생성될 수 있다.
슬라이딩 요소의 작동면의 코팅은 바람직하게, 대략 5 ㎛에서 대략 50 ㎛의 전체 두께를 가진다. 이러한 범위에서의 레이어 두께는, 런인 레이어와 안정화 레이어가 그들의 기능을 수행하기에 충분히 두껍다는 것과, 마모 보호 레이어가 연속된 작동에서 양호한 마찰 동작을 보장할 수 있는 충분한 물질을 가진다는 것을 보장한다.
제1 접착제 레이어를 포함하는 하드한 수소 미함유 DLC 레이어의 두께와, 제2 접착제 레이어를 포함하는 2개의 수소 함유 DLC 레이어의 두께 사이의 레이어 두께 비율은 대략 1.1과 대략 12 사이이다. 따라서, 런인 레이어로서 작용하는 DLC 레이어의 바람직한 레이어 구조는 마모 보호 레이어로서 작용하는 DLC 레이어 보다 항상 더 얇게 설정된다. 레이어 두께의 비율은, 값의 범위 내이고, 예를 들어, 상대적으로 두꺼운 런인 레이어, 또는, 상대적으로 얇은 런인 레이어가 실현될 수 슬라이딩 요소의 작동 조건에 의존하는 경우, 유리하게 변화될 수 있다.
슬라이딩 요소의 베이스 물질은 스틸 또는 주조 물질로 형성될 수 있다. 이들 물질들은 예를 들어, 피스톤 링과 같은 높은 하중의 슬라이딩 요소를 위해 특히 유리한 베이스 물질이라는 것이 증명되었다.
또한, 적어도 하나의 DLC 레이어의 표면은 기계적으로 평활화(smoothed)될 수 있다. 가능한 한 평활화된 마찰 표면은, 예를 들어, 링 마모와 라이너 마모의 상당한 감소에 기여한다.
<본 발명의 실시 방법>
복합 레이어 시스템은 본 발명의 예시적인 실시예로서 가능하다. 그러한 실시예에서 제1 크롬 함유 접착제 레이어는 예를 들어, 스틸 또는, 주조 물질과 같은 슬라이딩 요소의 베이스 물질에 우선 적용된다. 하드한 수소 미함유 DLC 레이어는 전체적으로 레이어 시스템의 수명 내구성을 보장하는 레이어에 적용된다. 이것은 금속 함유 접착제 레이어로 이어지고, 비교적 소프트한 수소 함유, 금속 함유 및/또는 금속-카바이드 함유 DLC 레이어로 이어지며, 상기 모두는 기계적 전단력을 흡수하고 안정화 요소로서 작용한다. 표면 상에서, 레이어 시스템은, 내측의 하드한 DLC 레이어 보다 낮은 최고 경도를 가지고 슬라이딩 요소의 런인 레이어로 작용하는 하드한 수소 함유 DLC 레이어에 의해 완성된다.

Claims (9)

  1. 적어도 하나의 작동면을 가지는 슬라이딩 요소, 특히, 피스톤 링에 있어서,
    상기 작동면은, 내측으로부터 외측까지 적어도 제1 접착제 레이어, 하드한 수소 미함유 DLC 레이어, 제2 접착제 레이어, 상기 하드한 수소 미함유 DLC 레이어 보다 더 부드러운 소프트한 수소 함유, 금속 함유 및/또는 금속-카바이드 함유 DLC 레이어 및 상기 소프트한 수소 함유, 금속 함유 및/또는 금속-카바이드 함유 DLC 레이어 보다 더 단단한 하드한 수소 함유 DLC 레이어를 구비하는 코팅을 가지는, 슬라이딩 요소.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하드한 수소 미함유 DLC 레이어는 대략 1800 내지 대략 3500 HV 0.02 사이의 경도를 가지고, 상기 소프트한 수소 함유, 금속 함유 및/또는 금속-카바이드 함유 DLC 레이어는 대략 800 내지 대략 1400 HV 0.002 사이의 경도를 가지며, 상기 하드한 수소 함유 DLC 레이어는 대략 1800 내지 대략 3100 HV 0.002 사이의 경도를 가지는, 슬라이딩 요소.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하드한 DLC 레이어와 상기 소프트한 DLC 레이어 사이의 경도의 차이는 대략 1.2배에서 대략 4.4배에 해당하는, 슬라이딩 요소.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소프트한 수소 함유, 금속 함유 및/또는 금속-카바이드 함유 DLC 레이어는, 텅스텐 및/또는 텅스텐 카바이드 및/또는 실리콘 및/또는 실리콘 카바이드 및/또는 크롬 및/또는 크롬 카바이드의 상을 포함하는, 슬라이딩 요소.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및/또는 제2 접착제 레이어는 바람직하게 메탈, 특히 Cr을 포함하는, 슬라이딩 요소.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅은 대략 5 ㎛에서 대략 50 ㎛의 전체 두께를 가지는, 슬라이딩 요소.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 접착제 레이어를 포함하는 상기 하드한 수소 미함유 DLC 레이어의 두께와 상기 제2 접착제 레이어를 포함하는 상기 수소 함유 DLC 레이어의 두께 사이의 레이어 두께 비율은 대략 1.1과 대략 12 사이인, 슬라이딩 요소.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    베이스 물질은 스틸 또는 주조 물질인, 슬라이딩 요소.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 DLC 레이어의 표면은 매끈한 처리가 된, 슬라이딩 요소.
KR1020157017538A 2013-01-21 2014-01-08 코팅을 갖는 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링 KR20150109345A (ko)

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