KR20170140278A - 코팅된 슬라이딩 부재 - Google Patents

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KR20170140278A
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트로이 칸톨라
제임스 알. 토스
로버트 알. 아하로노브
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페더럴-모걸 엘엘씨
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Abstract

본 발명에 따른 슬라이딩 부재(피스톤 링 등)에는 기판, 기판에 도포되는 베이스 코팅 및 상대적으로 얇게 도포되는 슬라이딩 코팅이 제공된다. 베이스 코팅은 일반적으로 PVD, CVD, 갈바니 증착, 전착 또는 용사 공정에 의해 기판의 주행면에 도포된다. 슬라이딩 코팅은 폴리머 매트릭스 및 매트릭스 전체에 배치되는 경질 입자를 포함한다. 슬라이딩 코팅은, 베이스 코팅이 이미 도포된 상태에서 적어도 4.0㎛의 표면 조도를 가질 때, 베이스 코팅에 도포된다. 슬라이딩 부재의 사용 중, 이러한 얇은 슬라이딩 코팅은 희생적 구동층(sacrificial run-in layer)으로서 작용한다. 또한, 슬라이딩 코팅의 폴리머 매트릭스가 마모됨에 따라, 경질 입자는 베이스 코팅의 거친 표면을 연마한다. 따라서, 슬라이딩 부재의 사용 전에 기도포된 베이스 코팅의 연마 또는 래핑이 요구되지 않는다.

Description

코팅된 슬라이딩 부재
상호 관련 참조
본 발명은 2015년 4월 22일 출원된 미국특허 출원번호 14/693,194를 우선권으로 주장하며, 그 전체 내용이 본원에 참조로 인용된다.
기술분야
본 발명은 피스톤 링과 같은 코팅된 슬라이딩 부재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다
엔진에 적용되는 슬라이딩 부재는 일반적으로 슬라이딩 특성을 최적화하기 위해 개질된 표면들로 이루어진 다중층의 재질들로 구성된다. 예컨대, 슬라이딩 부재는 납, 주석 또는 알루미늄에 기초한 금속층을 포함할 수 있는데, 이들은 갈바니 공정(galvanic process), 기화(vaporization) 또는 이온 도금(ion plating)에 의해 도포된다. 또한, 특정 성질, 하중 용량 및 내마모성을 달성하도록, 개질된 인공 수지 베이스(resin base) 등을 포함하는 비금속 슬라이딩 층과 관련한 내용도 공지되어 있다.
한편, 공지된 코팅에 의해 제공되는 하중 용량은 높을지라도, 이러한 하중 용량의 한계를 초과할 경우에는 슬라이딩 기능의 실패가 발생할 수도 있다. 연관된 기판 물질이 노출될 경우 엔진의 이상 정지를 일으켜 슬라이딩 부재의 완전 파괴를 유발할 수도 있다.
또한, 기계적 구조 내의 마찰을 줄이는데 있어서는 수지 기반의 슬라이딩 코팅이 오랜 기간 동안 사용되어 왔다. 일반적으로 금속, 플라스틱 및 고무 재질의 부품들이 코팅되는데, 이들은 추가 윤활없이 용이하게 이동 가능하도록 구성될 필요가 있다. 일반적인 실시예에서 부하는 다소 낮고, 온도 및 매체와 같은 경계 조건은 중요하지 않다. 특히, 유럽특허 공개번호 EP 0 984 182 A1 등의 다양한 공보로부터, 예컨대 엔진에 적용된 크랭크 샤프트 베어링도 이러한 슬라이딩 부재로 가능하다는 것이 알려져 있다. 이 문서에는 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI), 에폭시 수지 또는 페놀 수지의 매트릭스로 구성된 오버레이(overlay)와 함께, 특히 마모를 줄이기 위해 Fe3O4를 첨가할 수 있다는 내용이 기술되어 있다.
독일특허 공개번호 196 14 105 A1 에서는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 열가소성 플루오로폴리머, Fe2O3 및 고체 윤활제로 제조된 매트릭스 재료로 구성되는 한편, 마모 및 캐비테이션 방지가 가능한 플라스틱 슬라이딩 층을 개시하고 있다. 이 재료는 예컨대, 완충 장치용 가이드 부재와 같이 베어링 용도로 사용되는데, 그의 구조적 한계 및 불소 수지 매트릭스의 소프트한 특성으로 인해 낮은 슬라이딩 속도 및 낮은 하중에만 사용이 적합하다.
유럽특허 공개번호 EP 1 775 487 A2 에서는 금속 담체 물질, 및 금속 담체 물질에 도포된 알루미늄 합금 및 플라스틱 슬라이딩 층을 갖는 슬라이딩 베어링을 개시하고 있다. 플라스틱 슬라이딩 층의 결합 강도 및 캐비테이션 내구성을 향상시키기 위해, PI, PAI, 폴리벤-지미다졸(PBI), 개질 폴리머(EP) 및 기능성 폴리머(FP) 뿐만 아니라 MoS2, 흑연, PTFE 및 BN과 같은 고체 윤활제로 만들어진 접착제를 구비한 재료가 제안된다.
본 발명은 개선된 내마모성을 갖는 한편, 높은 피크 부하 용량을 갖는 슬라이딩 부재를 제공한다. 슬라이딩 부재는 예컨대, 고온 및 높은 슬라이딩 속도에서 움직이는 내연 기관 내의 부품들에 사용될 수 있다
슬라이딩 부재는 기판, 기판에 도포되는 베이스 코팅 및 베이스 코팅에 도포되는 슬라이딩 코팅을 포함한다. 베이스 코팅은 적어도 4.0㎛의 두께 및 표면 조도(Rz)를 갖는다. 슬라이딩 코팅은 적어도 하나의 폴리머로 형성된 매트릭스를 포함한다. 또한, 슬라이딩 코팅은 매트릭스 내에 배치되는 경질 입자들을 포함하며, 경질 입자들은 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화물 및 금속 중 적어도 하나로 형성된다. 슬라이딩 코팅은 베이스 코팅 두께의 2% 내지 60%의 두께를 갖는다.
본 발명의 또 다른 양태에서는 슬라이딩 부재의 제조 방법을 제공한다. 본 방법은 기판에 베이스 코팅을 도포하는 단계; 및 베이스 코팅에 슬라이딩 코팅을 도포하는 단계;를 포함한다.
슬라이딩 부재의 사용 중, 슬라이딩 부재가 다른 부품들을 따라 슬라이딩 함에 따라, 슬라이딩 코팅은 희생적 구동층(sacrificial run-in layer)으로 작용한다. 또한, 슬라이딩 코팅의 폴리머 매트릭스가 마모됨에 따라, 경질 입자들이 베이스 코팅을 연마하거나 또는 베이스 코팅의 표면 조도를 감소시키도록 구성된다. 따라서, 슬라이딩 부재의 사용 전에, 기도포된 베이스 코팅의 연마나 래핑(lapping)을 더 이상 할 필요가 없도록 구성된다.
본 발명에 따라 개선된 내마모성을 갖는 한편, 높은 피크 부하 용량을 갖는 슬라이딩 부재가 제공된다.
본 발명의 다른 장점들은 다음의 상세한 설명을 참조하여 첨부된 도면과 관련하여 고려될 때, 더욱 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 코팅된 피스톤 링의 사시도이다.
도 2는 도 1의 코팅된 피스톤 링의 2-2 라인을 따른 단면도이다.
도 3a 내지 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 코팅된 피스톤 링의 광학 현미경 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 슬라이딩 부재와 비교대상 슬라이딩 부재의 마찰 계수를 비교한 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6a 내지 도 6c는 실험 완료후 본 발명의 실시예에 따른 슬라이딩 부재에 나타난 마모 자국을 도시하는 SEM 이미지이다.
본 발명의 일 양태에서는 기판(22), 베이스 코팅(24) 및 그 위에 도포된 슬라이딩 코팅(26)을 포함하는 슬라이딩 부재(20)가 제공된다. 슬라이딩 부재(20)는 통상적으로 내연 기관에 적용 및 사용되며, 바람직하게는 높은 피크 부하를 받는 유체 윤활 분야에 사용된다. 예컨대, 슬라이딩 부재(20)는 크랭크 샤프트, 피스톤 스커트 또는 피스톤 링에 대한 베어링으로서 사용될 수 있다. 도 1 및 도 2는 슬라이딩 부재(20)가 피스톤 링을 포함하는 예시적인 실시예를 도시한다.
슬라이딩 부재(20)의 기판(22)은 일반적으로 금속으로 형성되지만, 비금속으로 형성될 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 기판(22)은 주철 또는 강철과 같은 철계 재료로 형성된다. 기판(22)은 또한 베이스 코팅(24) 및 슬라이딩 코팅(26)이 도포되는 적어도 하나의 주행면(28)을 제공한다. 기판이 피스톤 링인 도 1 및 도 2의 예시적인 실시예에서, 기판(22)은 내면(30), 주행면(28) 및 한쌍의 측면(32)으로 구성되고, 내면(30)은 중심 축선(A) 쪽을 향하고 원주 방향으로 연장되며, 주행면(28)은 내면(30)의 반대 방향으로 향하고, 한쌍의 측면(32)은 내면(30) 및 주행면(28)에 연결되도록 구성된다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 측면(32)은 서로 평행하게 연장될 수 있다. 대안적으로, 측면(32)은 비스듬한 각도로 배치됨으로써 키스톤 구조를 제공할 수도 있다(미도시). 또한, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 주행면(28)과 내면(30)은 서로 평행할 수 있다. 대안적으로, 주행면(28) 및/또는 내면(30)은 경사를 갖거나, 볼록하게 또는 오목하게 구성될 수 있다.
베이스 코팅(24)은 적어도 기판(22)의 주행면(28)에 도포되지만, 하나 이상의 다른 표면에 도포될 수도 있다. 도시된 실시예에서, 베이스 코팅(24)은 기판(22)의 주행면(28) 및 측면(32) 모두에 도포된다.
베이스 코팅(24)은 슬라이딩 부재(20)의 사용 중, 기판(22)이 긁히거나 마모되는 것으로부터 보호가 가능한 재료로 형성된다. 베이스 코팅(24)의 조성물은 금속, 세라믹과 같은 비금속, 또는 금속과 비금속의 혼합물을 포함할 수 있다. 예컨대, 베이스 코팅(24)의 조성물은 크롬(Cr), 크롬 질화물(CrN), 크롬 카바이드(CrC), 크롬 옥시 니이트라이드(CrON), 질화 티타늄(ZrN), 알루미늄 티타늄 질화물(AlTiN), 크롬 및 알루미늄 산화물, 크롬 및 세라믹, 크롬 및 다이아몬드, 다이아몬드, 유사 다이아몬드(DLC) 및 이들의 다중층 중 하나 이상으로부터 선택될 수 있다.
다양하고 상이한 공정을 사용하여 베이스 코팅(24)을 기판(22)에 도포할 수 있다. 예컨대, 베이스 코팅(24)은 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 갈바니 증착, 전착, 전기 화학 증착 및 용사 등의 열처리 공정으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 공정에 의해 도포될 수 있다. 예시적인 물리 기상 증착 공정은 플라즈마 보조 물리 기상 증착(PA-PVD), 음극 아크 증착, 스퍼터링 및 전자 빔 증발 공정을 포함한다. 화학 기상 증착 공정의 경우 플라즈마 보조 화학 기상 증착(PA-CVD)을 포함할 수 있다.
일실시예에서, 베이스 코팅(24)은 크롬으로 구성되고, 갈바니 증착에 의해 도포된다. 다른 실시예에서, 베이스 코팅(24)은 크롬 및 알루미늄 산화물, 예컨대 크롬 세라믹 코팅(CKS®)으로 지칭되는 물질로 구성되며, 갈바니 증착 또는 전기 화학 증착에 의해 도포된다. 또 다른 실시예에서, 베이스 코팅(24)은 크롬 및 미세 균열 네트워크에 내장된 다이아몬드 입자, 예컨대 GOETZE 다이아몬드 코팅(GDC®)으로 지칭되는 물질로 구성되며, 갈바니 증착 또는 전기 화학 증착에 의해 도포된다. 또 다른 실시예에서, 베이스 코팅(24)은 전체적으로 크롬으로 구성되며, 갈바니 증착에 의해 도포된다. 또 다른 실시예에서, 베이스 코팅(24)은 크롬 및 질소로 구성되며, 물리 기상 증착에 의해 도포된다. 또 다른 실시예에서, 베이스 코팅(24)은 다이아몬드 또는 유사 다이아몬드(DLC)로 구성되며, 화학 기상 증착 또는 플라즈마 보조 화학 기상 증착(PA-CVD)에 의해 도포된다.
기판(22)에 베이스 코팅(24)을 도포하는 데 사용되는 공정은, 도포된 상태의 베이스 코팅(24)이 4.0㎛ 이상의 표면 조도(Rz)를 갖도록 구성된다. 예시적인 실시예에서, 베이스 코팅(24)은 5.0㎛ 내지 8.0㎛의 표면 조도(Rz) 및 0.6㎛ 내지 0.8㎛의 표면 조도(Ra)를 갖는다. 또한, 베이스 코팅(24)은 일반적으로 50㎛ 이하의 두께(t1)로 도포된다. 그러나 갈바니 코팅의 경우, 두께는 최대 300㎛가 될 수 있다. 베이스 코팅(24)은 연마되거나 랩핑을 거치지 않으며, 슬라이딩 코팅(26)을 도포하기에 앞서 표면 조도가 감소되는 임의의 다른 공정을 거치지 않는다. 베이스 코팅(24)은 슬라이딩 코팅(26)이 도포될 때 도포된 상태 그대로 유지된다.
슬라이딩 코팅(26)은 베이스 코팅(24)이 도포된 그 상태에서 베이스 코팅(24) 상에 직접 배치되며, 따라서 4.0㎛ 이상의 표면 조도(Rz)를 갖는다. 슬라이딩 코팅(26)은 다양하고 상이한 방법으로 도포될 수 있다. 예컨대, 슬라이딩 코팅(26)은 화학적 또는 물리적 공정에 의해, 액체 또는 분말 재료의 형태로 도포될 수 있으며, 연속적인 박막으로 형성될 수 있다. 일실시예에서, 베이스 코팅(24)에 슬라이딩 코팅(26)을 도포하는 공정은 용매의 증발 또는 UV 방사선에 의한 경화를 포함한다. 기판(22)이 피스톤 링인 예시적인 실시예에서, 슬라이딩 코팅(26)은 50㎛ 이하의 두께(t2)로 도포되는 것이 바람직하며, 보다 일반적으로는 20㎛ 미만이 바람직하다.
슬라이딩 코팅(26)의 두께는 베이스 코팅(24)의 두께보다 작도록 구성된다. 예시적인 실시예에서, 슬라이딩 코팅(26)의 두께는 베이스 코팅(24)의 두께의 2% 내지 60%이다. 보다 일반적으로, 슬라이딩 코팅(26)의 두께는 베이스 코팅(24)의 두께의 10% 내지 50%, 또는 베이스 코팅(24)의 두께의 25% 내지 45%이다. 예컨대, 슬라이딩 코팅(26)은 5㎛ 내지 25㎛ 범위의 두께를 가질 수 있고, 베이스 코팅(24)은 20㎛ 내지 60㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 각각의 코팅(24, 26)의 두께 및 두께 비율은 슬라이딩 부재(20)의 특정 적용분야 또는 기타 요인에 따라 조정될 수 있다. 도 3a 및 도 3b는 슬라이딩 부재(20)의 베이스 코팅(24)에 도포된 슬라이딩 코팅(26), 특히 피스톤 링의 주행면(28)을 2개의 상이한 배율에서 찍은 광학 현미경 이미지를 도시하며, 여기서 슬라이딩 코팅(26)의 두께는 베이스 코팅(24)의 두께의 약 41%이다. 이 실시예에서, 슬라이딩 코팅(26)은 13㎛의 두께를 갖고 베이스 코팅(24)은 32㎛의 두께를 갖는다. 도 4a 및 도 4b는 슬라이딩 부재(20)에 도포된 슬라이딩 코팅(26), 특히 베이스 코팅(24)이 없는 피스톤 링의 측면(32)을 2개의 상이한 배율에서 찍은 광학 현미경 이미지를 도시하며, 여기서 슬라이딩 코팅(26)의 두께는 약 9㎛이다.
슬라이딩 코팅(26)은 일반적으로 베이스 코팅(24)과 동일한 기판(22)의 표면에 도포된다. 그러나, 슬라이딩 코팅(26)은 베이스 코팅(24)을 포함하지 않는 기판(22)의 다른 표면에 도포될 수 있거나, 또는 베이스 코팅(24) 만을 포함하는 기판(22)의 표면에 도포될 수도 있다. 기판(22)이 피스톤 링인 예시적인 실시예에서, 베이스 코팅(24) 및 슬라이딩 코팅(26)은 주행면(28) 및 측면(32)에도 모두 도포된다.
슬라이딩 코팅(26)은 하나 이상의 폴리머로 형성된 매트릭스를 갖는다. 가교 결합제, 열가소성 수지 및 듀로 플라스틱을 비롯한 다양한 유형의 수지 및 플라스틱이 폴리머 매트릭스를 형성하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 폴리머 매트릭스는 폴리아미드이미드(PAI), 폴리이미드(PI), 에폭시 수지, 폴리벤-지미다졸(PBI), 실리콘 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 실리콘, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 및 폴리에테르 술폰(PES) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 230℃ 이상의 융점을 갖는 다른 고용융성의 열가소성 재료도 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 폴리머 매트릭스는 폴리아미드이미드(PAI)로 구성되며, 슬라이딩 코팅(26)의 전체 부피를 기준으로 하여 적어도 40.0 용적%의 양으로 존재한다.
슬라이딩 코팅(26)은 또한, 매트릭스 전체에 배치되는 경질 입자를 포함한다. 경질 입자는 슬라이딩 코팅(26)의 전체 부피를 기준으로 하여 일반적으로 0.1 내지 20.0 용적%의 양으로 존재한다. 경질 입자는 또한, 바람직하게는 적어도 600HV/0.5의 경도 및 0.01 내지 5.0㎛의 입자 크기를 갖는다. 예시적인 실시예에서, 경질 입자는 슬라이딩 코팅(26)의 전체 부피를 기준으로 하여 0.1 내지 15.0 용적%의 양으로 Fe2O3를 포함하고, 3.0 내지 5.0 용적%의 양으로 Fe2O3와는 상이한 다른 입자들을 포함한다. 다른 입자들은 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화물 및 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 다른 경질 입자들의 예로는 SiC, S13N4, B4C3, 입방체 BN, TiO2 또는 SiO2; 및 Ag, Pb, Au, SnBi 및/또는 Cu로 이루어진 금속 분말을 들 수 있다.
또한, 슬라이딩 코팅(26)은 슬라이딩 코팅(26)의 전체 부피를 기준으로 하여일반적으로 5.0 내지 30.0 용적%의 양으로 고체 윤활제를 포함한다. 고체 윤활제는 MoS2, 흑연, WS2, 육각형 질화 붕소(h-BN), PTFE 및 금속 황화물 중 하나 이상을 포함한다.
본 발명의 다른 양태에서는 슬라이딩 부재(20)를 형성하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 기판(22)에 베이스 코팅(24)을 도포하는 단계 및 베이스 코팅(24)에 슬라이딩 코팅(26)을 도포하는 단계를 포함한다. 기판(22)에 베이스 코팅(24)을 도포하는 단계는 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 갈바니 증착, 전착, 전기 화학적 증착 및 용사 공정으로 이루어진 군으로부터 선택된 공정을 포함한다. 베이스 코팅(24)을 도포하는 단계는 베이스 코팅(24)이 300㎛ 이하, 일반적으로 5O㎛ 이하의 두께를 가질 때까지, 기판(22)의 표면에 베이스 코팅(24)을 도포하는 단계를 포함한다. 또한, 슬라이딩 코팅(26)을 도포하는 단계는, 도포된 상태의 베이스 코팅(24)이 4.0㎛ 이상의 표면 조도를 갖도록 베이스 코팅(24)에 슬라이딩 코팅(26)을 도포하는 단계를 포함한다. 슬라이딩 코팅(26)을 도포하는 단계는 또한, 슬라이딩 코팅(26)이 50㎛ 이하의 두께를 가질 때까지 슬라이딩 코팅(26)을 도포하는 단계를 포함한다.
베이스 코팅(24)과 슬라이딩 코팅(26)의 조합에 의해 슬라이딩 부재(20)의 성능을 향상시키는 한편, 전체 제조 비용 및 시간을 감소시킨다. 예시적인 실시예에서, 슬라이딩 코팅(26) 및 베이스 코팅(24)이 피스톤 링의 주행면(28)에 도포되는 경우, 슬라이딩 코팅(26)은 희생적 구동층으로서 작용함으로써, 베이스 코팅(24)의 내마모성을 향상시킬 수 있다. 슬라이딩 코팅(26)이 엔진(도시되지 않음)의 실린더 보어에 대해 주행하거나 슬라이딩 할 때, 슬라이딩 코팅(26)의 폴리머 매트릭스가 마모되고 경질 입자가 베이스 코팅(24)의 연마하거나 또는 표면 조도를 감소시키도록 구성된다. 더 얇게 구성된 슬라이딩 코팅(26)의 두께 및 조성으로 인해, 슬라이딩 코팅(26)은 베이스 코팅(24)보다 훨씬 빨리 마모된다. 일반적으로, 슬라이딩 코팅(26)은 엔진의 전체 수명의 1% 미만 동안 슬라이딩 부재(20) 상에 남아 있는 반면, 베이스 코팅(24)은 엔진의 전체 수명 동안 슬라이딩 부재(20) 상에 남아 있도록 설계된다.
코팅된 슬라이딩 부재(20)를 내연 기관에서 사용하게 되면, 슬라이딩 코팅(26)이 실린더 보어 또는 다른 대응물과 접촉하여 마찰이 일어남에 따라 슬라이딩 코팅(26)의 폴리머로 하여금 마모를 일으킴과 함께, 노출된 경질 입자가 실린더 보어 또는 다른 대응물과 접촉하여 마찰을 일으키게 된다. 폴리머가 마모됨에 따라, 베이스 코팅(24)은 실린더 보어 및 다른 대응물과 접촉하여 마찰을 일으키는 경질 입자에 노출된다. 경질 입자가 실린더 보어 또는 다른 대응물과 접촉하여 마찰을 일으킴에 따라, 경질 입자와 베이스 코팅(24) 사이의 마찰에 의해 베이스 코팅(24)이 연마된다. 시간이 지남에 따라, 베이스 코팅(24)의 표면 조도는, 실린더 보어 또는 다른 대응물과 접촉하여 마찰을 일으키는 경질 입자에 의해, 허용 가능한 수준으로 상당히 감소되도록 구성된다. 따라서, 내연 기관에서 슬라이딩 부재(20)의 사용 전에 별도의 연마, 래핑 없이 또는 베이스 코팅(24)의 표면 조도를 감소시키지 않고도, 매끄러운 베이스 코팅(24)이 구현될 수 있도록 구성된다. 또한, 슬라이딩 코팅(26)이 측면(32)에 도포될 경우, 슬라이딩 코팅(24)은 피스톤 (도시되지 않음)의 링 그루브에 대한 베이스 코팅(24) 및/또는 기판(22)의 마모를 지연시킬 수 있다. 최종적으로, 외경(OD) 주행면(28) 및 측면(32)에 도포될 경우, 슬라이딩 코팅(26)은 피스톤 상에 작동 가스를 수용할 수 있는 초기 밀봉 메카니즘을 제공하고, 구성 부품들이 보다 밀접한 베어링 접촉을 전개할 때 보다 개선된 밀봉을 유지하도록 구성된다.
실험 결과
본 발명의 슬라이딩 부재(20)와 비교대상 슬라이딩 부재의 마찰 계수를 비교하기 위한 실험이 수행되었다. 2개의 슬라이딩 부재는 동일한 기판을 포함하고, 각 기판은 KV4 주철 재료로 구성되며 피스톤 링(Φ 107 mm)의 형태로 제공된다. 기판은 내면과 함께, 중심 축선을 중심으로 원주 방향으로 연장되는 대향 주행면을 포함한다. 증착된 크롬 및 질소(CrN)로 이루어진 베이스 코팅(24)을 물리 기상 증착(PVD)에 의해 양 기판의 주행면에 도포하였다. 그런 다음, PAI 매트릭스와 Fe2O3의 경질 입자를 포함하는 슬라이딩 코팅(26)을 본 발명의 슬라이딩 부재(20)의 베이스 코팅(24)에는 도포한 반면, 비교대상 슬라이딩 부재에는 도포하지 않았다.
그런 다음, 슬라이딩 부재들에 카메론 플린트 테스트 프로토콜(Cameron & Plint test protocol)이 적용되었다. 슬라이딩 부재들의 코팅된 주행면은 압축 흑연 철(Φ 118 mm)로 제조된 실린더 라이너에 충돌하도록 구성되었다. 테스트 동안, 슬라이딩 부재들은 400N의 하중(FN), 190℃의 온도, 10Hz의 주파수, 13.5mm의 스트로크(v) 및 SW30 윤활유가 적용되었다. 하중은 4시간 동안 슬라이딩 부재들에 가해졌다.
도 5는 카메론 플린트 테스트 결과를 보여주는 차트로, 본 발명의 슬라이딩 부재(20)의 코팅된 주행면에 의해 제공되는 마찰 계수와 비교대상 슬라이딩 부재의 코팅된 주행면에 의해 제공된 마찰 계수를 비교하여 도시한다. 테스트 결과는 베이스 코팅(24)과 슬라이딩 코팅(26)의 조합을 포함하는 본 발명의 슬라이딩 부재(20)가 전체 테스트 기간 동안 더 낮은 마찰 계수를 달성한다는 것을 보여준다.
도 6a 내지 도 6c는 카메론 플린트 테스트 후 본 발명의 슬라이딩 부재(20)의 코팅된 주행면에 나타난 마모 자국을 도시하는 SEM 이미지이다. 테스트 동안, 슬라이딩 코팅(26)이 마모됨에 따라, 슬라이딩 코팅(26)의 경질 입자는 실린더 라이너와 접촉하여 마찰이 일어남에 따라 베이스 코팅(24)의 표면을 연마하였다. 도 6c는 카메론 플린트 테스트 후 부분적으로 마모된 코팅(24, 26)을 명확히 도시하도록 크게 확대한 도면이다.
명백하게, 본 발명의 많은 수정 및 변형이 상기 교시에 비추어 가능하며, 첨부된 청구항의 범위 내에서 본원에 구체적으로 기술된 것과 다른 방법으로 실시될 수도 있다.

Claims (20)

  1. 기판; 기판에 도포된 베이스 코팅; 및 베이스 코팅에 도포된 슬라이딩 코팅;을 포함하는 슬라이딩 부재에 있어서,
    상기 베이스 코팅은 적어도 4.0㎛의 두께 및 표면 조도(Rz)를 가지며;
    상기 슬라이딩 코팅은 적어도 하나의 폴리머로 형성된 매트릭스(matrix)를 포함하고, 상기 슬라이딩 코팅은 상기 매트릭스 내에 배치된 경질 입자를 포함하며, 상기 경질 입자는 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화물 및 금속 중 적어도 하나로 형성되고, 상기 슬라이딩 코팅은 상기 베이스 코팅의 두께의 2% 내지 60%의 두께를 갖는
    슬라이딩 부재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 코팅은 5.0㎛ 내지 8.0㎛의 표면 조도(Rz) 및 0.6㎛ 내지 0.8㎛의 표면 조도(Ra)를 갖는 것을 특징으로 하는
    슬라이딩 부재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 코팅은 크롬(Cr), 질화 크롬(CrN), 크롬 카바이드(CrC), 크롬 옥시 니이트라이드(CrON), 질화 티타늄(TiN), 질화 지르코늄(ZrN), 알루미늄 티타늄 질화물(AlTiN), 크롬 및 알루미늄 산화물, 크롬 및 세라믹, 크롬 및 다이아몬드, 다이아몬드 및 유사 다이아몬드(DLC) 중 적어도 하나로부터 선택된 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는
    슬라이딩 부재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 슬라이딩 코팅의 매트릭스는 폴리아미드이미드(polyamideimide)로 구성되고, 슬라이딩 코팅의 총 부피를 기준으로 적어도 40.0 용적%의 양으로 존재하고, 상기 경질 입자는 슬라이딩 코팅의 총 부피를 기준으로 0.1 내지 20.0 용적%의 양으로 존재하며, 상기 경질 입자는 슬라이딩 코팅의 총 부피를 기준으로 0.1 내지 15.0 용적%의 양으로 Fe2O3를 포함하는 것을 특징으로 하는
    슬라이딩 부재.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 경질 입자는 Fe2O3 이외의 다른 입자를 슬라이딩 코팅의 총 부피를 기준으로 3.0 내지 5.0 용적%의 양으로 포함하고, 상기 다른 입자는 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화물 및 금속으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 경질 입자는 600HV/0.5 이상의 경도 및 0.01 내지 5.0㎛의 입자 크기를 갖고,
    상기 슬라이딩 코팅은 슬라이딩 코팅의 총 부피를 기준으로 하여 5.0 내지 30.0 용적%의 양으로 고체 윤활제를 포함하며, 상기 고체 윤활제는 MoS2, 흑연, WS2, 육각형 질화 붕소(h-BN), PTFE 및 금속 황화물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
    슬라이딩 부재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 슬라이딩 부재는 피스톤 링이고, 중심 축선 쪽을 향하고 원주 방향으로 연장되는 내면; 상기 내면과 대향하는 주행면; 및 상기 내면과 주행면을 각각 상호 연결하는 한쌍의 측면;을 포함하며, 상기 베이스 코팅은 상기 주행면에 도포되는 것을 특징으로 하는
    슬라이딩 부재.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 베이스 코팅은 상기 측면들 중 적어도 하나에 도포되는 것을 특징으로 하는
    슬라이딩 부재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 슬라이딩 부재는 철계 재료로 형성된 피스톤 링이고, 중심 축선 쪽을 향하고 원주 방향으로 연장되는 내면; 상기 내면과 대향하는 주행면; 및 상기 내면과 주행면을 각각 상호 연결하는 한쌍의 측면;을 포함하며,
    상기 베이스 코팅은 상기 주행면 및 적어도 하나의 측면에 도포되고,
    상기 베이스 코팅은 5.0㎛ 내지 8.0㎛의 표면 조도(Rz) 및 0.6㎛ 내지 0.8㎛의 표면 조도(Ra)를 가지며,
    상기 베이스 코팅은 도포된 상태이고 연마되거나 랩핑되지 않으며,
    상기 베이스 코팅은 300㎛ 이하의 두께를 갖고,
    상기 베이스 코팅은 크롬(Cr), 질화 크롬(CrN), 크롬 카바이드(CrC), 크롬 옥시 니이트라이드(CrON), 질화 티타늄(TiN), 질화 지르코늄(ZrN), 알루미늄 티타늄 질화물(AlTiN), 크롬 및 알루미늄 산화물, 크롬 및 세라믹, 크롬 및 다이아몬드, 다이아몬드 및 유사 다이아몬드(DLC) 중 적어도 하나로부터 선택된 조성물을 가지며,
    상기 베이스 코팅은 물리 기상 증착, 화학 기상 증착, 갈바니 증착, 전착, 전기 화학적 증착 및 용사 공정으로 이루어진 군으로부터 선택된 공정에 의해 도포되고,
    상기 슬라이딩 코팅은 상기 베이스 코팅의 두께의 10% 내지 50%의 두께를 갖고,
    상기 슬라이딩 코팅은 50㎛ 이하의 두께를 가지며,
    상기 슬라이딩 코팅의 매트릭스는 폴리아미드이미드로 구성되고 슬라이딩 코팅의 총 부피를 기준으로 하여 적어도 40.0 용적%의 양으로 존재하며,
    상기 경질 입자는 슬라이딩 코팅의 총 부피를 기준으로 0.1 내지 20.0 용적%의 양으로 존재하고, 상기 경질 입자는 슬라이딩 코팅의 총 부피를 기준으로 0.1 내지 15.0 용적%의 양으로 Fe2O3를 포함하며, 3.0 내지 5.0 용적%의 양으로 Fe2O3 이외의 다른 입자를 포함하고, 상기 다른 입자는 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화물 및 금속으로 이루어진 군으로부터 선택되며,
    상기 경질 입자는 600HV/0.5 이상의 경도 및 0.01 내지 5.0㎛의 입자 크기를 갖고,
    상기 슬라이딩 코팅은 슬라이딩 코팅의 총 부피를 기준으로 하여 5.0 내지 30.0 용적%의 양으로 고체 윤활제를 포함하며, 상기 고체 윤활제는 MoS2, 흑연, WS2, 육각형 질화 붕소(h-BN), PTFE 및 금속 황화물 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 슬라이딩 부재가 내연기관에 사용될 때, 상기 슬라이딩 코팅은 내연 기관의 전체 수명의 1% 미만 동안 상기 슬라이딩 부재 상에 남아 있고, 상기 베이스 코팅은 내연 기관의 전체 수명 동안 상기 슬라이딩 부재 상에 남아 있는 것을 특징으로 하는
    슬라이딩 부재.
  9. 슬라이딩 부재의 제조 방법에 있어서, 상기 방법은:
    기판에 베이스 코팅을 도포하는 단계; 및 베이스 코팅에 슬라이딩 코팅을 도포하는 단계;를 포함하고,
    상기 베이스 코팅은 적어도 4.0㎛의 두께 및 표면 조도(Rz)를 가지며;
    상기 슬라이딩 코팅은 적어도 하나의 폴리머로 형성된 매트릭스를 포함하고, 슬라이딩 코팅은 상기 매트릭스 내에 배치된 경질 입자를 포함하며, 상기 경질 입자는 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화물 및 금속 중 적어도 하나로 형성되고, 상기 슬라이딩 코팅은 상기 베이스 코팅의 두께의 2% 내지 60%의 두께를 갖는
    슬라이딩 부재의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    베이스 코팅은 5.0㎛ 내지 8.0㎛의 표면 조도(Rz) 및 0.6㎛ 내지 0.8㎛의 표면 조도(Ra)를 갖는 것을 특징으로 하는
    슬라이딩 부재의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    슬라이딩 코팅을 도포하는 단계는, 베이스 코팅이 도포된 상태에 있고 4.0㎛ 이상의 표면 조도를 가질 때, 베이스 코팅에 슬라이딩 코팅을 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    슬라이딩 부재의 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    기판에 베이스 코팅을 도포하는 단계는 물리 기상 증착, 화학 기상 증착, 갈바니 증착, 전착, 전기 화학적 증착 및 용사 공정으로 이루어진 군으로부터 선택된 공정을 포함하는
    슬라이딩 부재의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    베이스 코팅은 크롬(Cr), 질화 크롬(CrN), 크롬 카바이드(CrC), 크롬 옥시 니이트라이드(CrON), 질화 티타늄(TiN), 질화 지르코늄(ZrN), 알루미늄 티타늄 질화물(AlTiN), 크롬 및 알루미늄 산화물, 크롬 및 세라믹, 크롬 및 다이아몬드, 다이아몬드 및 유사 다이아몬드(DLC) 중 적어도 하나로부터 선택된 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는
    슬라이딩 부재의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    베이스 코팅의 조성물은 크롬, 크롬 및 알루미늄 산화물, 또는 크롬 및 다이아몬드로 구성되며; 베이스 코팅을 도포하는 단계는 갈바니 증착을 포함하는 것을 특징으로 하는
    슬라이딩 부재의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    베이스 코팅의 조성물은 크롬 및 질소로 구성되며; 베이스 코팅을 도포하는 단계는 물리 기상 증착을 포함하는 것을 특징으로 하는
    슬라이딩 부재의 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    베이스 코팅의 조성물은 유사 다이아몬드(DLC)로 구성되며; 베이스 코팅을 도포하는 단계는 물리 기상 증착, 화학 기상 증착 또는 플라즈마 보조 화학 기상 증착(PA-CVD)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    슬라이딩 부재의 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    베이스 코팅의 조성물은 크롬 및 질소로 구성되며; 베이스 코팅을 도포하는 단계는 물리 기상 증착을 포함하는 것을 특징으로 하는
    슬라이딩 부재의 제조 방법.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 슬라이딩 코팅의 매트릭스는 폴리아미드이미드로 구성되고 슬라이딩 코팅의 총 부피를 기준으로 하여 적어도 40.0 용적%의 양으로 존재하며,
    상기 경질 입자는 슬라이딩 코팅의 총 부피를 기준으로 0.1 내지 20.0 용적%의 양으로 존재하고, 상기 경질 입자는 슬라이딩 코팅의 총 부피를 기준으로 0.1 내지 15.0 용적%의 양으로 Fe2O3를 포함하며, 3.0 내지 5.0 용적%의 양으로 Fe2O3 이외의 다른 입자를 포함하고, 상기 다른 입자는 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화물 및 금속으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 경질 입자는 600HV/0.5 이상의 경도 및 0.01 내지 5.0㎛의 입자 크기를 갖고,
    상기 슬라이딩 코팅은 슬라이딩 코팅의 총 부피를 기준으로 하여 5.0 내지 30.0 용적%의 양으로 고체 윤활제를 포함하며, 상기 고체 윤활제는 MoS2, 흑연, WS2, 육각형 질화 붕소(h-BN), PTFE 및 금속 황화물 중 적어도 하나를 포함하는
    슬라이딩 부재의 제조 방법.
  19. 제9항에 있어서,
    상기 슬라이딩 부재는 피스톤 링이고, 중심 축선 쪽을 향하고 원주 방향으로 연장되는 내면; 상기 내면과 대향하는 주행면; 상기 내면과 주행면을 각각 상호 연결하는 한쌍의 측면;을 포함하며, 상기 베이스 코팅은 상기 주행면에 도포되는 것을 특징으로 하는
    슬라이딩 부재의 제조 방법.
  20. 제9항에 있어서,
    상기 방법은 기판을 제공하는 단계를 포함하며, 이때 기판은 철계 재료로 형성된 피스톤 링이고, 중심 축선 쪽을 향하고 원주 방향으로 연장되는 내면; 상기 내면과 대향하는 주행면; 및 상기 내면과 주행면을 각각 상호 연결하는 한쌍의 측면;을 포함하며,
    상기 베이스 코팅은 5.0㎛ 내지 8.0㎛의 표면 조도(Rz) 및 0.6㎛ 내지 0.8㎛의 표면 조도(Ra)를 갖고, 상기 베이스 코팅은 도포된 상태이고 연마되거나 랩핑되지 않으며, 상기 베이스 코팅은 크롬(Cr), 질화 크롬(CrN), 크롬 카바이드(CrC), 크롬 옥시 니이트라이드(CrON), 질화 티타늄(TiN), 질화 지르코늄(ZrN), 알루미늄 티타늄 질화물(AlTiN), 크롬 및 알루미늄 산화물, 크롬 및 세라믹, 크롬 및 다이아몬드, 다이아몬드 및 유사 다이아몬드(DLC) 중 적어도 하나로부터 선택된 조성물을 가지며,
    상기 슬라이딩 코팅의 매트릭스는 폴리아미드이미드로 구성되고 슬라이딩 코팅의 총 부피를 기준으로 하여 적어도 40.0 용적%의 양으로 존재하며, 상기 경질 입자는 슬라이딩 코팅의 총 부피를 기준으로 0.1 내지 20.0 용적%의 양으로 존재하고, 상기 경질 입자는 슬라이딩 코팅의 총 부피를 기준으로 0.1 내지 15.0 용적%의 양으로 Fe2O3를 포함하며, 3.0 내지 5.0 용적%의 양으로 Fe2O3 이외의 다른 입자를 포함하고, 상기 다른 입자는 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화물 및 금속으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 경질 입자는 600HV/0.5 이상의 경도 및 0.01 내지 5.0㎛의 입자 크기를 갖고, 상기 슬라이딩 코팅은 슬라이딩 코팅의 총 부피를 기준으로 하여 5.0 내지 30.0 용적%의 양으로 고체 윤활제를 포함하며, 상기 고체 윤활제는 MoS2, 흑연, WS2, 육각형 질화 붕소(h-BN), PTFE 및 금속 황화물 중 적어도 하나를 포함하고,
    베이스 코팅을 도포하는 단계는 베이스 코팅을 주행면 및 적어도 하나의 측면에 도포하는 단계를 포함하며,
    기판에 베이스 코팅을 도포하는 단계는 물리 기상 증착, 화학 기상 증착, 갈바니 증착, 전착, 전기 화학적 증착 및 용사 공정으로 이루어진 군으로부터 선택된 공정을 포함하고,
    베이스 코팅을 도포하는 단계는, 베이스 코팅이 300㎛ 이하의 두께를 가질 때까지 기판의 표면에 베이스 코팅을 도포하는 단계를 포함하며,
    슬라이딩 코팅을 도포하는 단계는, 베이스 코팅이 도포된 상태에서 4.0㎛ 이상의 표면 조도를 가질 때 베이스 코팅에 슬라이딩 코팅을 도포하는 단계를 포함하고,
    슬라이딩 코팅을 도포하는 단계는, 슬라이딩 코팅이 50㎛ 이하의 두께를 가질 때까지 슬라이딩 코팅을 도포하는 단계를 포함하며,
    슬라이딩 코팅을 도포하는 단계는 베이스 코팅의 두께의 10% 내지 50%의 두께로 슬라이딩 코팅을 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    슬라이딩 부재의 제조 방법.
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