KR101703962B1 - 슬라이딩 요소 특히, 피스톤 링, 및 슬라이딩 요소와 상대 작동 요소의 조합 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬라이딩 요소에 관한 것으로서, 주철, 또는 내측으로부터 외측으로 연장하는 CrN 층, Me(C_xN_y) 층 및 DLC 층를 가진 코팅을 구비하는 금속으로 제조된 피스톤 링에 있어서, DLC 층는 금속을 사용하지 않는(metal-free) DLC 층 또는 금속-함유 하부구조 및 금속을 사용하지 않는 DLC 상부층으로 구성된다. 본 발명은 이러한 슬라이딩 요소와 상대 작동 요소의 조합에 관한 것이다.

Description

슬라이딩 요소 특히, 피스톤 링, 및 슬라이딩 요소와 상대 작동 요소의 조합{Sliding element, in particular piston ring, and combination of a sliding element with mating running element}

본 발명은 슬라이딩 요소 특히, 코팅을 구비하는 피스톤 링, 및 슬라이딩 요소와 상대 작동 요소(mating running element)의 조합에 관한 것이다.

상대 작동 요소와 접촉하는 슬라이딩 요소는 여러 가지 기술 분야에 적용된다. 피스톤 링과 실린더 라이너의 조합은 전형적인 예로 간주 될 수 있다. 만약, 실린더들 또는 실린더 라이너들이 예를 들어, 알루미늄-실리콘 합급으로 제조되는 경우, 특히 불꽃-점화 기관, DLC(diamond like carbon) 코팅 시스템에서 마모 및 마찰 손실에 대하여 그 가치가 입증되었다. 그러나, 알려진 DLC 층 시스템들은 철계(iron-based) 실린더 라이너들을 가진 디젤 엔진 또는 고출력 과급기를 가진 불꽃-점화 기관에 사용하기 위한 사용 연한 및 적합성과 관련하여 개선의 필요성이 있다. 엄청나게 높은 실린더 압력과 특히, 직접 분사의 결합 때문에, 혼합된 마찰 상태의 더 큰 비례가 존재한다. 이러한 유형의 상황을 위한 DLC 코팅 시스템의 부적절한 안정성을 위한 결정적인 요인은 층 두께가 대체적으로 5㎛ 미만으로 고려되어야 한다.

DE 10 2005 063 123 B3은 런-인(run-in) 층로 코팅된 DLC를 개시한다. 더 큰 층 두께와 관련하여, 특히, 10-30㎛의 층 두께를 가진 CrN 계열의, PVD 코팅들이 알려져 있다. 비록 이러한 것들은 수명 연한을 개선할 수 있지만, 마찰 손실 내마모성이 악화되고, 특히 불충분한 윤활 작용과 내흠집성의 악화된다. 반면에, 그들의 비결정질 구조 때문에, DLC 층 시스템은 금속 표면에 대해 화학적으로 실질적으로 비활성이기 때문에 상대 작동 요소에 대해 극도로 낮은 접착성의 경향을 나타내는 장점을 가진다.

DE 296 05 666 U1은 금속을 포함하지 않는(metal-free), 층 두께에 대해 등급이 매겨진 경도를 가진 비결정질 카본 층으로 코팅된 내연 기관의 영역의 성분과 관련된다.

DE 10 2008 016 864 B3은 내측으로부터 외측으로 연장하는 접착 층, 금속-함유 비결정질 카본 층 및 금속을 포함하지 않는 비결정질 카본 층을 구비하는 피스톤 링을 개시한다.

WO 2009/106201 A1은 DLC 커플링 에이전트 층, DLC 기능 층 및 DLC 런-인 층들이 기재에 존재하는 내연 기관의 요소에 관련된다.

마지막으로, WO 2006/125683 A1은 내측으로부터 외측으로 연장하는 1VB, VB 또는 V1B 그룹들로부터 하나의 요소를 가진 층, 다이아몬드-유사 나노복합 조성물 및 DLC 층를 구비하는 피스톤 링을 개시한다.

본 발명은 예를 들어, 철계 상대 작동 요소와 함께 특히, 디젤 엔진 또는 고출력 과급기를 가진 불꽃-점화 기관에 사용될 때, 사용 연한과 마찰 손실과 관련된 요구조건들을 달성하는 슬라이딩 요소 특히, 피스톤 링을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 슬라이딩 요소와 상대 작동 요소의 적절한 조합을 개시한다.

본 발명의 상술한 목적은 청구항 1에 개시된 슬라이딩 요소에 의해 달성된다.

한편으로는, 이러한 슬라이딩 요소는 CrN 층과 외측에 있는 DLC 층의 조합을 특징으로 한다. DLC 층은 금속을 포함하지 않거나 금속-함유 하부구조(substructure) 및 금속을 포함하지 않는 DLC 상부층을 구비하는 어느 하나이다. 다시 말해, DLC 층은 적어도 부분적으로 금속을 포함하지 않고, 특히, 외면에서, 금속을 포함하지 않는 DLC 층을 구비한다. 또한, 대규모의 실험들에 의하면, 개시된 코팅은 Me(C_xN_y)층이 CrN층과 DLC층 사이의 중간층으로서 제공될 때, 특히 양호한 특성을 나태는 것을 보여준다. 이러한 층 구조를 사용한 시험들은 슬라이딩 요소 특히, 피스톤 링의 표면의 마모 특성이 Cr 접착 층과 DLC 상부층을 구비하는 알려진 구조와 비교하여 향상되었음을 나타낸다. 이것은 내구 연한을 현저하게 향상시킬 수 있다. 또한, 시험들은 상대적 기능 계수를 현저하게 감소시킬 수 있음을 보여준다.

따라서, 대체로, 개시된 층 구조는 향상된 슬라이딩 요소를 제공할 수 있다. CrN 층은 접착층 없이 예를 들어, 금속 증착법 또는 스퍼터링에 의해 기본적인 피스톤 재질에 부가되는 것이 바람직하다. 그러나, 특수한 적용에서, CrN 층은 접착층에 의해 슬라이딩 요소의 기본 재질에 부가될 수 있다.

명확성을 기하기 위해, Me는 금속을 나타내고, 이것은 예를 들어, 텅스텐, 크로뮴, 티타늄 또는 실리콘일 수 있음을 유의해야 한다. 또한, 카본 및 질소는 사실상 그 어떤 비율로도 전술한 층에 존재할 수 있으며, x와 y는 0-99 원자%(atom %)의 범위일 수 있다. 또한, 특히 적어도 일부 영역에서, 코팅은 천이 표면으로 연장하여 적어도 하나의 러닝 표면(running surface)에 인접한 표면으로 연장할 수 있다. 이것은 예를 들어, 피스톤 링의 러닝 에지(running edges)와 관련된다.

바람직한 개선 사항들은 다른 청구항들에 개시된다.

1100-1900 HV 0.002 값들은 CrN층 또는 하부구조의 경도에 적합한 것으로 판명되었다. 이러한 실시예는 1700-2900 HV 0.002의 금속을 포함하지 않는 DLC층의 경도 및/또는 800-1600 HV 0.002 금속-함유 DLC의 경도와 결합될 수 있다.

또한, DLC-층 특히, 금속-함유 및/또는 금속을 포함하지 않는 DLC 층의 특히 양호한 성질들은 그것이 수소를 함유하는 경우 얻어질 수 있을 것으로 기대된다.

바람직하게, 금속-함유 DLC층은 예를 들어, WC, CrC, SiC, GeC 또는 TiC와 같은 나노크리스탈 금속카바이드 침전물을 구비할 수 있다.

유리한 속성들은 1-30㎛의 두께를 가진 CrN, 2㎛의 최대 두께를 가진 Me(C_xN_y) 층들 및 5-40㎛의 두께의 전체 층에서 확인되었다.

거칠기와 관련하여, 그 성질을 더 개량하기 위해, 거칠기 파라미터들 Rz < 5 및/또는 Rpk < 0.8㎛를 가지도록 상부층의 표면을 형성하는 것이 바람직하다.

입증된 방식에서, 금속-함유 및/또는 금속을 포함하지 않는 DLC층은 PA-CVD법에 의해 제조될 수 있다.

또한, 본 발명은 전술한 바와 같은 적어도 하나의 슬라이딩 요소와 상대 작동 요소의 조합에 관계되고, 특히, 내연 기관의 실린더 또는 실린더 라이너와 관련되고, 특히 디젤 엔진 또는 고출력 과급기를 가진 불꽃-점화 기관에 관련되며, 상대 작동 요소는 철기(iron-based)이다.

본 발명에 따르면, 개시된 코팅은 Me(C_xN_y) 층이 CrN층과 DLC층 사이의 중간 층으로서 제공될 때 특히 양호한 특성을 나태는 것을 보여준다. 이러한 층 구조를 사용한 시험들은 슬라이딩 요소 특히, 피스톤 링의 표면의 마모 특성이 Cr 접착층과 DLC 상부층을 구비하는 알려진 구조와 비교하여 향상되었음을 나타낸다. 이것은 내구 연한을 엄청나게 향상시킬 수 있다. 또한, 시험들은 상대적 기능 계수를 엄청나게 감소시킬 수 있음을 보여준다.

도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 층 구조를 도시한다.
도 2는 피스톤 링과 실린더 라이너에 상대 마모를 나타내는 그래프이다.
도 3은 다른 층 시스템들의 상대 마찰 계수를 나타내는 그래프이다.

도 1에 도시된 바와 같이, CrN층(12)은 슬라이딩 요소의 기본 물질(10)에 부착된다. 도 1에 도시된 접착층(14)은 반드시 제공될 필요는 없다. 특히, 이것은 생략되는 것이 바람직하다. 또한, Me(C_xN_y) 중간 층(16)에 의해, DLC층(18)은 외측의 금속을 포함하지 않는 DLC층에 마련된다.

상기 접착 층(14) 없이 이러한 유형의 구조물을 이용한 실험이 수행되어 비교예와 비교되었다. 아래 표는 층 시스템을 나타낸다.

	층 구조				총 층 두께
	기재			러닝 표면(Running surface)
	접착 층	하부구조	중간 층	탑 층	[㎛]
DLC 시리즈	Cr			DLC	3.5
CNDLC01	-	CrN - 01	Me(CN)x	DLC	8.8
CNDLC02	Cr	CrON - 02	Cr	DLC	14.5
CNDLC03	Cr	Cr-N - 03	Cr	DLC	14.6
CNDLC04	Cr	CrON - 04	Cr	DLC	14.3

여기서, 시스템 "DLC 시리즈"는 CrN이 없는 표준 DLC층 시스템이다. 이러한 층 시스템들은 피스톤 링에 부가되었고, 윤활 환경에서 연마 주철 실린더 라이너와 조합하여 마찰 운동학적 행동이 조사되었다. 도 2는 피스톤 링(상부에서)과 실린더 라이너를 위한 상대 마모값을 보여준다. 도시된 백분율 값들은 실험이 끝난 후 남아 있는 원래의 DLC 층의 백분율을 의미한다. 이러한 값이 100% 이상이면, DLC층에 더하여, CrN 또는 CrON 층 역시 적어도 부분적으로 마모된다. 가장 높은 마모 값은 실린더 라이너의 상대 마모를 위한 기준값으로서 사용됨으로써 100 퍼센트로서 정의된다.

도 2를 참조하면, Me(C_xN_y) 중간 층를 가진 본 발명에 따른 코팅은 가장 낮은 상대 마모를 가진다. 실린더 라이어너 대한 마모의 경우, 알려진 DLC 코팅만이 더 낮은 값을 초래한다. 그러나, 실린더 라이너의 마모 역시 본 발명에 따른 예시를 위해 수용할 만한 범위이다.

마찰 계수에 대한 검사 역시 수행되었고 그 결과는 도 3에 도시된다. 여기서, 본 발명에 따른 예는 가장 낮은 상대 마찰 계수를 가진다. 따라서, 이러한 요구조건 역시 비교적으로 낮은 마모 요구 조건에 부가하여 긴 수명 연한을 달성한다.

12...CrN 층 14...접착 층
16...중간 층 18...DLC 층

Claims (11)

1. 내측의 CrN층, 중간의 Me(C_xN_y)층, 및 외측의 DLC층을 각각 가진 코팅을 구비하는 주철 또는 금속으로 제조된 슬라이딩 요소에 있어서,
   상기 DLC층은 금속-함유 하부구조층과 금속을 포함하지 않는 DLC 상부층으로 구성되고;
   상기 CrN층의 경도는 1100-1900 HV 0.002 및/또는 상기 금속을 포함하지 않는 DLC 상부층의 경도는 1700-2900 HV 0.002 및/또는 상기 금속-함유 하부구조층의 경도는 800-1600 HV 0.002이며;
   상기 Me는 텅스텐, 크로뮴, 티탄 또는 규소이고, x 및 y의 양쪽 모두는 0~99 원자%의 범위인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 금속-함유 하부구조층 및/또는 상기 금속을 포함하지 않는 DLC 상부층은 수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 금속-함유 하부구조층은 나노크리스탈 금속카바이드 침전물을 구비하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 CrN층의 두께는 1-30㎛ 및/또는 상기 Me(C_xN_y)층의 최대 두께는 2㎛ 및/또는 전체 층들의 두께는 5-40㎛인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 DLC 상부층의 거칠기는 Rz < 5㎛ 및/또는 Rpk < 0.8㎛인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 CrN층은 금속 증착법에 의해 및/또는 상기 금속-함유 하부구조층 및/또는 상기 금속을 포함하지 않는 DLC 상부층은 PA-CVD법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
   
8. 청구항 4에 있어서,
   상기 나노크리스탈 금속카바이드 침전물은 WC, CrC, SiC, GeC 또는 TiC를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
   
9. 청구항 1 또는 청구항 3 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 슬라이딩 요소는 피스톤 링인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 요소.
   
10. 청구항 9의 피스톤 링; 및
    상기 피스톤 링과 접촉되도록 구성된 내연 기관의 실린더 또는 실린더 라이너를 포함하는 조립체.
    
11. 청구항 1 또는 청구항 3 내지 청구항 8 중 어느 한 항의 슬라이딩 요소; 및
    상기 슬라이딩 요소와 맞물려 접촉되는 철계(iron-based) 작동 요소를 구비하는 조립체.
    

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