KR20220096363A - 친환경 하이브리드 자동차 부품용 코팅재 및 코팅 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 친환경 하이브리드 자동차 구동 부품에 적합한 내마모성, 고온내식성, 저마찰성, 윤활성 및 경량성을 갖춘 고기능성 코팅재를 설계하고 그에 따른 코팅 방법 및 코팅 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은 자동차 구동 부품에 대하여 Al-Sn이 복합적으로 코팅된 코팅막을 제공하며, 코팅재의 밀착력과 Sn의 분리 석출을 방지하기 위하여 하지층으로서 NiCr층을 구성한 복합코팅막을 제공한다.

Description

친환경 하이브리드 자동차 부품용 코팅재 및 코팅 시스템{Coating materials and Coating System for Members of Eco-friendly Hybride Car }

본 발명은 친환경 하이브리드 자동차 부품용 코팅재 및 코팅 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 내연기관 엔진과 전기차 또는 수소차를 겸비한 친환경 하이브리드 자동차 부품에 필요한 코팅 소재 및 그 코팅 시스템에 관한 것이다.

전기차 또는 수소차에 내연기관 엔진을 겸비하여 연비향상과 친환경성을 모두 구비한 하이브리드 자동차는 수요가 꾸준히 늘고 있다. 전기차/수소차에 비해 가격경쟁력이 있고 충전 인프라, 충전시간 단축 문제 등이 완전히 해결되기 전까지는 이러한 추세는 지속될 것이다. 하이브리드 자동차의 경우, 내연기관 구동과 배터리 구동 모터를 모두 구비하여 어느 한쪽의 구동에서 다른 쪽으로의 연속적 전환(Go-Stop) 동작은 부품의 초기구동에 따른 마모 요소를 증가시킨다. 연소엔진 구동환경 하에 따른 고온내식성과 엔진오일과의 상호작용 및 경량화 요소 그리고 전기차 구동 모터 부품으로서 금속-금속 간 윤활성 및 그리스 프리 무윤활 구동 환경 적합성과 같은 물성 요구에 따라 부품에 대한 고기능성 코팅이 필요한 상황이다.

공개특허 10-2016-0111372호의 경우, 내연기관용 베어링에 대해 황산바륨, 황산아연등의 물질을 바인더와 배합하여 도포하는 마찰방지 코팅을 실시하고 있다. 그러나 이러한 코팅층은 마찰을 줄여주지만 코팅방법 자체가 친환경적이지 못하고 박리되기 쉬운 문제가 있다.

따라서 본 발명의 목적은 친환경 하이브리드 자동차 구동 부품에 적합한 내마모성, 고온내식성, 저마찰성, 윤활성 및 경량성을 갖춘 고기능성 코팅재를 설계하고 그에 따른 코팅 방법 및 코팅 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은 자동차 구동 부품에 대하여 최종 Top layer 구성은 Al-Sn이 복합적으로 코팅된 코팅막을 제공하며, Al은 원가절감을 위한 인성 및 내충격성에 좋은 경량금속 성분 기반의 기지재 역할을 하며 Sn은 코팅재의 저윤활 특성에 효과를 더하는 합금 첨가 조성으로 구성되어 있다. 또한 자동차 구동 부품의 소재는 Al합금 계열 또는 스틸계열의 소재로 대부분 적용되고 있으며 이러한 부품 소재-코팅재 간의 동일한 금속 성분시 코팅층의 Al 성분의 부품 소재로의 확산이 발생하여 코팅이 적용된 부품의 코팅층 마모 및 내구성 문제로 인한 금속-금속간의 소착에 대한 문제가 발생할 수 있다. 이러한 부품 소재와 코팅재 성분의 확산을 방지하기 위하여 최총 Top layer 층과 부품 소재 계면 사이에 높은 코팅 밀착력과 최종 Top layer 층의 Al-Sn의 분리 확산 석출을 방지하기 위하여 하지층으로서 NiCr층을 구성한 복합코팅막을 제공한다. 이러한 확산 방지층의 역할을 하는 코팅소재 선정에 있어 재료 단가의 경제성 및 기능성을 고려하였을 때 Ni 소재가 가장 적합하나, 이론적으로 Ni은 강자성체로 분류되어 스퍼터링 공정시 플라즈마 소스 및 재료 특성상 플라즈마 방전이 어려운 단점이 있다. 이러한 부분을 고려하여 Ni 기반에 내식성이 강하며 기계적 강도가 우수하고, 또한 스퍼터링 방전이 가능한 Cr, Ti, Cu 등의 코팅막과의 결합이 이루어지지 않는 이종 전이금속 또는 이종의 경량금속을 합금화시킨 코팅 타겟을 이용하여 기능성 코팅층, 즉, 밀착력 향상을 위한 버퍼층, 최종 코팅층의 Al 확산에 의한 Al-Sn의 분리 석출을 막아주는 확산 방지층의 역할을 하는 고급형 패키징 코팅재이다.

즉, 본 발명은,

자동차 구동 부품에 대하여 적용되는 코팅재로서,

Al-Sn이 복합적으로 코팅된 것을 특징으로 하는 코팅재를 제공한다.

상기에 있어서, 기재 위에, 그리고 Al-Sn 아래 하지층으로서 Ni-Cr, Ni-Ti, 또는 Ni-Cu 코팅막이 형성된 것을 특징으로 하는 코팅재를 제공한다.

상기에 있어서, Al:Sn의 조성비는 중량비로서 90~50:10~50인 것을 특징으로 하는 코팅재를 제공한다.

상기에 있어서, 하지층은 Ni:Cr=80~50:20~50으로 이루어진 것을 특징으로 하는 코팅재를 제공한다.

자동차 구동 부품에 대하여,

Al-Sn 합금 타겟을 준비하고,

펄스 스퍼터링을 실시하여,

Al-Sn 복합코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 코팅 방법을 제공한다.

상기에 있어서, Al-Sn 복합코팅층을 형성하기 전에 Ni-Cr 합금 타겟을 준비하고, DC 스퍼터링으로 Ni-Cr, Ni-Ti, 또는 Ni-Cu 하지층을 형성하는 것을 특징으로 하는 코팅 방법을 제공한다.

상기에 있어서, Al-Sn 합금 타겟에서 Al:Sn의 조성비는 중량비로서 90~50:10~50 인 것을 특징으로 하는 코팅 방법을 제공한다.

자동차 구동 부품에 대하여 적용되는 코팅재로서, ZrO_2, SiO₂, Al₂O₃, Zr_aO_xSi_bO_y, Al_aO_xSi_bO_y, 또는 Zr_aO_xAl_bO_ySi_cO_z 을 포함하는 금속계 기반 나노복합 산화물 코팅재를 제공한다.

자동차 구동 부품에 대하여 적용되는 코팅재로서, ZiSi, ZiSiN 및 ZiSiO₂가 순서대로 기재에 적층된 것을 특징으로 하는 코팅재를 제공한다.

본 발명에 따르면, Al의 연성, 인성, 내충격성 및 경량성과 Sn의 저마찰성을 복합적으로 나타내는 고기능성 코팅으로 인해 친환경 하이브리드 자동차의 구동부품은 0.1 근처의 마찰계수를 갖는 저마찰 특성과 0.3um 근처의 낮은 마모 깊이(wear depth)를 보였다.

NiCr 확산배리어층으로 인해 Al의 비율을 높여도 석출되지 않으며, Sn 조성을 높일 경우 표면조도를 낮출 수 있어 저마찰 특성 및 윤활성을 좋게 한다.

도 1은 친환경 하이브리드 자동차 구동부와 구동부재에 대한 개요도이다.
도 2는 본 발명에 따라 구동부재에 형성되는 코팅층의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 코팅층 설계에 따라 코팅층을 형성하기 위한 스퍼터링 시험 결과를 보여주는 인가전압 주파수 대비 출력 및 스퍼터링 전압 그래프이다.
도 4는 본 발명의 코팅층 형성 공정에 대해 DC 스퍼터링과 펄스 스퍼터링 결과 타겟침식을 보여주는 사진이다.
도 5는 본 발명의 코팅층 형성 공정에 대해 DC 스퍼터링과 펄스 스퍼터링 결과 코팅층의 표면을 보여주는 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 코팅층에 있어서, Al과 Sn의 조성 변화와 코팅 공정 조건을 보여준 테이블이다.
도 7은 Al과 Sn의 조성 변화에 따라 펄스 스퍼터링된 후 타겟의 침식 상태를 보여주는 사진이다.
도 8은 Al과 Sn의 조성 변화에 따라 펄스 스퍼터링으로 코팅된 시료들의 사진이다.
도 9는 Al과 Sn의 조성 변화에 따라 펄스 스퍼터링으로 코팅된 시료들의 표면분석 사진이다.
도 10은 Al과 Sn의 조성 변화에 따른 시료들의 코팅면의 표면조도 그래프이다.
도 11은 Al과 Sn의 조성 변화에 따른 시료들의 코팅면의 표면 맵핑 분석(EDX) 결과이다.
도 12는 시료들의 코팅 두께를 보여준다.
도 13 내지 도 17은 시료들의 코팅 라인 스캐닝 분석을 보여준다.
도 18은 시료들의 마이크로 비커스 경도를 보여준다.
도 19는 시료들의 마찰특성 평가 결과이다.
도 20 내지 도 24는 시료들의 마모특성 평가결과를 보여준다.
도 25와 도 26은 시료들의 마모 깊이를 보여준다.
도 27은 본 발명의 변형 실시예로서 다층 코팅막의 구성단면도이다.
도 28 내지 도 34는 Zr-Si-N 나노복합코팅층에 대한 설명을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 친환경 하이브리드 자동차 구동부와 구동부재에 대한 개요도이다.

기존의 내연기관 엔진과 배터리로 구동되는 구동부를 모두 갖추고 있어, 구동 절환에 따른 초기구동 마모 요소가 증가되는 특성이 있다. 그러한 구동부재들로서 베어링, 피스톤 핀, 피스톤 링, 웜휠 기어 등이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 구동 부재들의 내마모성을 향상시킬 수 있는 코팅재로서 저마찰 및 고경도 특성을 구비하고 밀착력이 있는 도 2와 같은 구조의 코팅층을 설계하였다.

도 2에 나타낸 코팅층은 Al-Sn 복합코팅재로서 Al이 갖는 연성, 인성, 내충격성, 및 경량성과 Sn이 갖는 저마찰성을 모두 구비한다. 또한, 이러한 Al-Sn 복합코팅재가 기재에 강하게 밀착되고, Sn의 석출문제가 일어나지 않도록 NiCr 하지층을 형성하였다. 표층의 Al-Sn 복합코팅재에서 중량비로서 Al:Sn=90~50:10~50으로 할 수 있다. 코팅층의 두께는 Al-Sn 복합코팅층 1 내지 2um, 하지층의 두께 0.5 내지 1.5um로 할 수 있다.

상기와 같은 코팅층의 형성방법은 물질 특성을 고려하여 선택되어야 한다.

본 발명은 코팅소재 자체가 타겟으로 제작된 것을 적용하여 스퍼터링으로 코팅층을 형성하였다.

도 3은 본 발명의 코팅층 설계에 따라 코팅층을 형성하기 위한 스퍼터링 시험 결과를 보여주는 인가전압 주파수 대비 출력 및 스퍼터링 전압 그래프이다.

DC 파워로는 Sn이 중량비 50을 넘으면 타겟 자체에서 스퍼터링 방전이 일어나지 않는 문제가 있다. 따라서 펄스 전압을 이용하여 스퍼터링을 실시한다. 최적의 펄스 전압은 주파수 150KHz ~ 350KHz, 전압 350 내지 390V이며, 듀티 타임은 1 내지 2us으로 한다.

도 4는 본 발명의 코팅층 형성 공정에 대해 DC 스퍼터링과 펄스 스퍼터링 결과 타겟침식을 보여주는 사진이며, 도 5는 본 발명의 코팅층 형성 공정에 대해 DC 스퍼터링과 펄스 스퍼터링 결과 코팅층의 표면을 보여주는 사진이다.

상기에서 DC 스퍼터링 결과 타겟 침식 부위가 불균일하게 형성되고, 시료의 코팅층 표면조도에서도 2um 이상의 거대입자가 형성됨을 알 수 있다. 이는 Al이 결정성장을 하여 이루어진 것이다. 이에 반해, 펄스 스퍼터링에서는 타겟의 침식이 균일하고, 코팅층도 치밀한 구조를 나타내었으며, Al 입자가 1um 미만으로 형성되어있었다. 따라서 코팅층의 형성은 펄스 스퍼터링으로 실시하는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명에 따른 코팅층에 있어서, Al과 Sn의 조성 변화와 코팅 공정 조건을 보여준 테이블이다.

코팅층 형성 전에 이온 건으로 세정전처리를 실시하며, 하지층은 Ni:Cr=80~50:20~50으로 할 수 있다. 본 실시예의 경우, NiCr(80:20) 조성의 확산층(Diffusion layer)으로 형성하였고, 증착은 DC Power를이용하여 10A 조건에서 60min 정도 실시하였다. 이러한 하지층은 Sn이 석출되는 현상을 막아주며, Al-Sn 복합코팅층의 밀착력을 강화한다.

도 7은 Al과 Sn의 조성 변화에 따라 펄스 스퍼터링된 후 타겟의 침식 상태를 보여주는 사진이다.

순수 Al, 순수 Sn의 경우, 타겟 침식이 불균일하게 되며, Sn의 경우 용융부분이 나타난다. 이에 따르면, Sn의 함량이 10 내지 50중량%인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

도 8은 Al과 Sn의 조성 변화에 따라 펄스 스퍼터링으로 코팅된 시료들의 사진으로 육안으로 표면을 관찰할 수 있다. 좀 더 확실한 코팅표면 상태를 확인하기 위해 표면구조분석을 실시하였다.

도 9는 Al과 Sn의 조성 변화에 따라 펄스 스퍼터링으로 코팅된 시료들의 표면분석 사진이고, 도 10은 Al과 Sn의 조성 변화에 따른 시료들의 코팅면의 표면조도 그래프이다.

Sn 조성비가 높아질수록 표면조도가 낮아지는 것을 알 수 있다. 시료의 표면조도는 0.31 내지 0.40um이다.

도 11은 Al과 Sn의 조성 변화에 따른 시료들의 코팅면의 표면 맵핑 분석(EDX) 결과이고, 도 12는 시료들의 코팅 두께를 보여준다.

각각의 조성을 갖는 타겟으로 같은 시간 동안 코팅을 실시하여 얻은 코팅층의 두께는 도 12와 같이 서로 다르게 나타난다. 합금타겟의 수율이 약간 더 높다는 것을 알 수 있다.

도 13 내지 도 17은 시료들의 코팅 라인 스캐닝 분석을 보여준다.

도 18은 시료들의 마이크로 비커스 경도를 보여준다.

여기서 순수 Sn 타겟의 경우, 방전 후 타겟 용융 현상이 일어나 정확한 데이터라 보기 어렵다. 대체로 Sn 함량이 증가할수록 마이크로 비커스 경도는 낮아지며, 100 내지 260Hv를 보인다. 이로써 AlSn 복합 코팅재는 어느 정도 우수한 경도를 갖는다고 볼 수 있다.

도 19는 시료들의 마찰특성 평가 결과이다.

AlSn(80:20)의 코팅재는 순수 Al, 순수 Sn 보다 더 낮은 마찰계수를 나타내었으며, 0.1 미만(0.08 근처)의 마찰계수를 보여 저마찰 특성이 우수함을 알 수 있다.

도 20 내지 도 24는 시료들의 마모특성 평가결과를 보여준다.

여기서 AlSn(80:20) 및 AlSn(50:50)의 코팅재 마모특성이 우수함을 볼 수 있다.

도 25와 도 26은 시료들의 마모 깊이를 보여준다.

마모 깊이 역시 순수 Al, 순수 Sn 보다 AlSn 복합소재에서 더 낮게 나타났다.

상기와 같이 AlSn 복합코팅재를 친환경 하이브리드 구동부재에 적용함으로써 내마모 저마찰성을 확보하여 수명과 안정성을 얻을 수 있다.

상기 실시예는 베어링에 대해 이루어졌지만 이에 한정되지 않고 여러가지 구동부재에 실시될 수 있다.

또한, 금속계 또는 합금기반의 나노복합 산화물 즉, ZrO_2, SiO₂, Al₂O₃, Zr_aO_xSi_bO_y, Al_aO_xSi_bO_y, Zr_aO_xAl_bO_ySi_cO_z 등의 금속계 기반 나노복합 산화물 코팅재도 합금 타겟 내지 순금속 타겟과 산소를 공급하는 스퍼티링 공정에 의해 적용될 수 있으며, 세라믹 구조의 단점인 취성 특성에 대한 부분을 코팅입자의 나노사이즈화 및 수십 또는 수백 나노수준의 박막 두께를 형성하여 취성을 극복하고 엔진오일 환경, 전기차 모터 부분의 구동 샤프트 등의 그리스 또는 무윤활 환경에서의 저마찰 내마모성을 향상시킬 수 있다. 또한 단일금속 타겟이 아닌 Si과 같은 산화물을 형성하는 합금화 타겟을 이용한 코팅막의 경우 주상구조가 아닌 비정질 형태의 금속 나노복합 산화물을 형성할 수 있어 내충격에 대한 세라믹 코팅막 층의 취성 보완이 이루어져 수십 또는 수백 나노 두께의 금속 복합 산화물층이 아닌 후막화도 가능하다.

최근 ZrCuSi계 합금화가 된 코팅타겟을 이용하여 나노복합 질화물 ZrCuSiN의 코팅재 적용 부품의 엔진부품이 신기술로 적용되고 있으나 Cu의 영향으로 인한 내열성- 및 내식성 부족, 기존 CrN 코팅이 적용된 엔진부품에서의 저마찰 특성은 크게 차이가 나지 않는다고 보고되고 있다. 이러한 특성을 고려하였을 때 향후 차세대 고출력 기반의 친환경 자동차용 연소 엔진 또는 전기구동 부품에의 적용에 한계가 있으므로 앞서 언급한 금속계 기반 나노복합 산화물 코팅재의 경우 취성을 보완함으로써 세라믹 구조가 가지는 고경도, 저마찰 특성을 기본으로 하는 동시에 고온안정성 및 내열, 내산화특성이 더해진 다기능성 코팅막의 적용이 가능하다.

또한, 금속 또는 합금 타겟을 이용한 하지층을 갖는 반응성 스퍼터링을 이용한 금속계 산화물의 나노복합 코팅막 형성은 내구성 향상을 위하여 다층으로 구성될 수 있다. 즉, 최초 부품 소재 위에 하지층으로는 동일한 코팅 타겟 조성의 순수 스퍼터링을 통한 0.5um~2.0um 버퍼층 증착, 2단계로는 동일 타겟을 이용한 완충 및 내충격성, 강화 버퍼층 역할을 하는 금속 나노복합 질화층의 1.0um~3.0um 형성, 최종층에는 금속 또는 합금 타겟을 이용한 다기능성 고온 내마모, 저마찰금속 나노 복합산화물층의 50nm~1000nm 이내의 코팅막 증착을 통하여 금속 나노복합 멀티 코팅층의 적용도 가능하다.

본 발명은, 하지층(버퍼층)으로서 Zr-Si, 중간층으로 Zr-Si-N, 그리고 탑층으로 ZiSiO₂ 를 코팅한 나노복합 코팅막을 제작하였다. 도 28 내지 도 34는 이에 대한 실험 및 결과를 보여준다.

도 28은 실리콘 웨이퍼 시편에 플라즈마 표면처리 후, Zr-Si 타겟을 이용하여 Zr-Si 버퍼층을 형성하고, 그 위에 Zr-Si 타겟과 불활성 가스 외 질소 가스를 공급하여 Zr-Si-N 고 다기능성 탑층을 형성하는 것을 보여준다. 여기에 추가적으로 ZiSiO₂ 를 더 적층하여 나노복합 코팅막을 제작할 수 있다.

본 발명에서는, 질소 가스 공급 속도에 따라 C1, C2, C3 코팅층으로 분류하고 성능 시험을 하였다. 이에 대해 도 29에서 C1, C2, C3 코팅층의 시편 위치에 따른 코팅층 두께 변화를 알 수 있다. 질소 공급 속도가 바를 경우, 코팅층 두께는 시편 하부에서 두껍게 적층되었다. 이를 통해, 원하는 코팅층의 두께 조절을 위한 질소가스 공급 속도와 시편의 배치 위치를 정할 수 있다.

도 30은 코팅층의 접합력을 시험한 것이고, 도 31은 코팅층의 경도를 평가한 것이다. C1의 코팅층 경도가 16.37 GPa로 가장 높다.

도 32 내지 도 도 34는 Zr-Si-N 적층(공급) 속도, 즉, 성막재료 공급속도(질소 공급 속도)가 40 내지 50sccm일 때 그에 따른 코팅두께와 경도에 대한 것을 보여준다. 성막재료 공급속도(질소 공급 속도)가 50sccm 일 때 더 강한 경도를 보였다.

상기에서, 합금은 주조 또는 소결방식으로 제조될 수 있으며 본 실시예의 타겟은 소결방식으로 제작된 것이다.

소결의 경우 일반소결 또는 합금화 분말(아토마이징 공법)을 소결하여 코팅 타겟을 제작할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재

된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (7)

1. 자동차 구동 부품에 대하여 적용되는 코팅재로서,
   하지층으로 Zr-Si 코팅층;
   상기 하지층 위에 탑층으로 Zr-Si-N 코팅층을 적층하여 복합적으로 코팅된 것을 특징으로 하는 코팅재.
2. 제1항에 있어서, Zr-Si-N 코팅층 위에 ZiSiO₂ 를 더 적층하여 나노복합 코팅막 형성된 것을 특징으로 하는 코팅재.
3. 제1항에 있어서, Zr-Si-N 코팅층은 Zr-Si 합금 타겟에 대해 불활성 가스와 질소 가스를 공급하여 플라즈마를 발생시켜 코팅층을 형성한 것을 특징으로 하는 코팅재.
4. 제1항에 있어서, Zr-Si 하지층은 Zr-Si 합금 타겟에 대해 불활성 가스를 공급하여 플라즈마를 발생시켜 하지층을 형성한 것을 특징으로 하는 코팅재.
5. 제3항에 있어서, 질소 가스 공급 속도를 조절하여 코팅층의 경도를 조절한 것을 특징으로 하는 코팅재.
6. 시편에 대해, 플라즈마로 표면처리를 실시하고,
   Zr-Si 타겟을 설치하고,
   불활성 가스를 공급하여 플라즈마를 방전시켜 플라즈마에 의해 시편에 Zr-Si 하지층을 형성하고,
   질소 가스를 불활성 가스와 함께 공급하여 Zr-Si 하지층 위에 Zr-Si-N 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 코팅재 제조방법.
7. 제6항에 있어서, 질소 가스 공급 속도를 조절하여 코팅층의 두께와 시편의 배치 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 코팅재 제조방법.
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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