KR100299401B1 - Sliding material and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적어도 CrN 을 함유하는 질화 크롬계 피막을 PVD 법에 의해 Cr 및 N을 혼합한 기상과 기초재를 접촉시키는 것에 의해 기초재위에 형성시키며, 그 피막의 파단면 결정이 기초재 표면에서 피막 표면을 향해 기둥 모양의 형태로 있으며, 피막이 1.5~20% 의 빈구멍율을 가지며, 또한 단일상으로 슬라이딩 면에 평행한 (111)면으로 우선배향되어 있도록 형성시킨 질화 크롬계 피막을 갖는 슬리이딩 재료 및 그 제조 방법이다.The present invention forms a chromium nitride-based film containing at least CrN on a base material by contacting the base material with a gaseous phase mixed with Cr and N by the PVD method, and the fracture surface crystals of the film are formed on the surface of the base material. Sliding with a chromium nitride-based coating formed in a columnar shape toward the surface and having a hollow hole ratio of 1.5 to 20% and preferentially oriented to a (111) plane parallel to the sliding surface in a single phase. It is a material and its manufacturing method.
본 발명은 종래부터 사용되고 있는 피막에 비교하여 피막의 내박리성, 내마모성, 내소성이 우수하다.This invention is excellent in peeling resistance, abrasion resistance, and plasticity resistance of a film compared with the film conventionally used.
Description
제1도는 초고압 마모시험기(super pressure abrasion test apparatus)에 의한 마모(abrasion) 시험의 설명도.1 is an explanatory diagram of an abrasion test by a super pressure abrasion test apparatus.
제2도는 제1도의 A-A 선 전개 단면도.2 is a sectional view taken along line A-A of FIG.
제3도는 구름 피로(rolling fatigue) 시험기의 개요 설명도.3 is a schematic diagram of a rolling fatigue tester.
제4도는 본 발명에 사용하는 피스톤 링의 외주면에 형성된 질화 크롬(CrN)층 금속조직의 현미경 사진.4 is a micrograph of a chromium nitride (CrN) layer metal structure formed on the outer circumferential surface of a piston ring for use in the present invention.
제5도는 비교예 3 에 사용한 피스톤 링의 외주면에 형성된 기둥 모양이 아닌 질화 크롬층 금소조직의 현미경 사진.5 is a micrograph of a columnar chromium nitride layer structure, not a columnar shape, formed on the outer circumferential surface of the piston ring used in Comparative Example 3. FIG.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 스테이터 홀더 2 : 원반(상대재료)1: Stator holder 2: Disc (relative material)
3 : 주유구 4 : 로터3: oil filling hole 4: rotor
5 : 시험편 6 : 스테인리스 봉5: test piece 6: stainless steel rod
7 : 로드셀 8 : 동왜계7: Load Cell 8: Dynamic Distortion System
9 : 기록계 10 : 시험편의 핀 모양 돌기(5mm 각(角))9: Recorder 10: Pin-shaped protrusion of test piece (5mm angle)
11 : 테스트 롤러 12 : 부하 롤러11: test roller 12: load roller
13 : 시험편13: test piece
[산업상의 이용분야][Industrial use]
본 발명은 CrN을 주성분으로 하고 Cr2N을 함유하여 이루어지는 질화 크롬계 피막을 갖는 내마모성 및 내소성(baking resistance)이 우수한 슬라이딩 재료(sliding member) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sliding member excellent in abrasion resistance and baking resistance having a chromium nitride coating containing CrN as a main component and containing Cr 2 N, and a method for producing the same.
[종래의 기술][Prior art]
종래부터 예컨대 자동차의 엔진부품, 각종 기계부품 등의 슬라이딩부에는 슬라이딩 특성이 우수한 피막을 표면 처리에 의해 형성한 슬라이딩부품이 사용되어 지고 있다. 종래부터 행해지고 있는 표면처리 방법에는 질화처리, 크롬 도금처리, 몰리브덴 용사처리(Mo flame spraying treatment) 등의 방법이 있다.Background Art Conventionally, sliding parts having a film having excellent sliding characteristics by surface treatment have been used for sliding parts of, for example, automobile engine parts and various mechanical parts. Conventionally, the surface treatment method is a method such as nitriding treatment, chromium plating treatment, molybdenum spray treatment (Mo flame spraying treatment).
그러나, 근래 슬라이딩부품의 사용조건이 고속도화인 한편 고하중화함에 따라 부품에 요구되는 슬라이딩 특성은 더욱더 가혹해지며 종래의 표면처리로는 대응할 수 없는 경우가 생겨서 더욱 우수한 내마모성 및 내소성을 갖는 피막이 요망되어 지고 있다.However, in recent years, as the use conditions of sliding parts are high speed and high loads, the sliding characteristics required for the parts become more severe, and it is not possible to cope with conventional surface treatment, so that a film having better wear resistance and plastic resistance is desired. ought.
이같은 요청에 대해서 최근 PVD(Physical Vapor Deposition) 법에 의해 슬라이딩부재의 슬라이딩면에 금속 질화물이나 금속탄화물 등의 피막을 피복하는 것이 제안되고 있다.In response to such a request, it has recently been proposed to coat a film of metal nitride, metal carbide or the like on the sliding surface of the sliding member by PVD (Physical Vapor Deposition) method.
TiN, TiC, CrN 등의 PVD 피막은 우수한 내마모성, 내소성을 갖고 있으며 특히 질화 티타늄이나 질화 크롬 등이 실용화 가능한 피막으로서 주목되며 일부의 기계부품이나 엔진부품에서 사용되고 있다.PVD coatings such as TiN, TiC, CrN, and the like have excellent wear resistance and plasticity resistance, and are particularly noticeable as practical coatings such as titanium nitride and chromium nitride, and are used in some mechanical parts and engine parts.
그러나, 현재로서는 사용조건이 더욱 가혹해지며 이들 질화 티타늄이나 질화 크롬을 사용해도 슬라이딩 특성이 충분하다고는 말할 수 없는 상황이 발생하고 있다. 특히, 슬라이딩 운동에 덧붙여 슬라이딩면에 법선방향의 진동 운동이 상승작용하여 접촉면이 박리되는 일이 생기는 경우, 또는 슬라이딩 운동에 있어서 법선 방향의 하중이 변동하는 경우 등 슬라이딩 조건이 엄격한 사용조건하에선 이온 도금(ion plating)에 의한 질화 크롬 피막을 비롯한 경질 피막에 있어서 흠ㅁ모양 박리(peeling)가 발생하고 슬라이딩재료의 수명을 짧게 할 수 있다. 또, 사용 온도가 높거나 접촉하중이 큰 슬라이딩부분에 윤활유막이 형성되기 어려운 경우 등 윤활 조건이 엄격한 사용 조건하에서도 마찬가지의 경질 피막의 흠 모양 박리가 관찰된다. 그래서, 현재상태의 표면처리보다 내박리성이 우수한 세라믹스 코팅 피막을 피복한 슬라이딩재료가 요망되고 있다.However, at present, the use conditions become more severe and there is a situation that cannot be said that the sliding characteristics are sufficient even if these titanium nitrides or chromium nitrides are used. In particular, in addition to the sliding motion, the vibrational motion in the normal direction acts synergistically on the sliding surface, and the contact surface is peeled off, or when the load in the normal direction fluctuates in the sliding motion. In hard coatings, including chromium nitride coatings by ion plating, flaking occurs and the life of the sliding material can be shortened. In addition, the same flaw-like peeling of the hard film is observed even under conditions of strict lubrication, such as when a lubricating oil film is hardly formed on a sliding portion having a high use temperature or a large contact load. Therefore, there is a demand for a sliding material coated with a ceramic coating film that is superior in peeling resistance than the current surface treatment.
[발명이 해결하려는 과제][Problems to Solve Invention]
따라서, 본 발명의 목적은 엄격한 사용 조건하에서도 흠 모양 박리가 발생하지 않고 동시에 내마모성, 내소성이 우수한 피막을 피복한 슬라이딩재료, 및 그 재조 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a sliding material coated with a film excellent in wear resistance and plastic resistance without causing flaw-like peeling even under stringent use conditions, and a method for manufacturing the same.
[문제를 해결하기 위한 수단과 그 작용][Means and Their Actions to Solve Problems]
상기 문제를 감안하여 주의깊게 연구한 결과, 본 발명자는 PVD 법에 의해 크롬 및 질소를 혼합한 기상(gas phase mixture)을 기재(substrate)에 접촉시키고 기재의 표면상에 CrN 을 주성분으로 하고 Cr2N 을 함유하게 되는 질화 크롬계 피막을 형성시키고 그때, 피막의 파단면 결정이 기초재 표면으로부터 피막 표면을 향해서 기둥 모양의 형태로 한 것, 또한 피막의 빈구멍율(porosity)을 1.5-20%로 한정함으로써 흠 모양 박리가 발생하기 어렵고 또한 내마모성, 내소성이 우수한 슬라이딩 재료가 얻어진다는 것을 알아내고 본 발명을 완성했다.As a result of careful research in view of the above problems, the present inventors have contacted a gas phase mixture of chromium and nitrogen to the substrate by PVD method, CrN as the main component on the surface of the substrate, and Cr 2 A chromium nitride-based film containing N was formed, at which time the fracture surface crystals of the film were in a columnar shape from the surface of the base material toward the surface of the film, and the porosity of the film was 1.5-20%. The present invention was completed by finding out that a sliding material having a flaw-like peeling hardly generated and excellent in wear resistance and plastic resistance was obtained.
즉, 본 발명의 슬라이딩 재료는 적어도 CrN을 주성분으로 하고 Cr2N 을 함유하여 이루어지는 질화 크롬계 화합물을 기초재상에 피복해서 이루어지는 슬라이딩 재료이며 상기 피막의 파단면 결정이 기초재 표면으로부터 피막 표면을 향해서 기둥 모양인 형태를 갖는 것 및 제한된 피막 빈구멍율을 갖는 것을 특징으로 한다.That is, the sliding material of the present invention at least a CrN as a main component and the sliding material made by coating the formed chromium nitride-based compound on the basis recyclable by containing Cr 2 N and the cutting plane determined in said film is toward the film surface from the base material surface It is characterized by having a columnar shape and having a limited film porosity.
피막을 피복하는 기초재는 철(Fe)계 재료, 알루미늄계 재료, 및 티타늄계 재료중에서 용도에 따라서 적절히 선택한다. 이하, 상세하게 설명하는 PVD법은 CVD(chemical vapor Deposition) 법 등에 비해서 저온처리와 비슷하지만 증착 현상에 의한 입열(入熱)은 피할 수 없으므로 되도록이면 내열성이 있는 철계재료 및 티타늄 재료를 기초재로 해서 사용하는 것이 바람직하다.The base material which coats a film is suitably selected from an iron (Fe) material, an aluminum material, and a titanium material according to a use. The PVD method described in detail below is similar to the low temperature treatment compared to the CVD (chemical vapor deposition) method, but heat input due to the deposition phenomenon cannot be avoided. It is preferable to use it.
본 발명의 슬라이딩 재료에 있어서의 피막은 적어도 CrN을 주성분으로 하고 Cr2N 을 함유하여 이루어지는 질화크롬계 화합물로 되며, 또한 피막 파단면의 결정이 기초재 표면으로부터 피막 표면을 향해서 기둥 모양인 형태를 갖는다. 파단면이 기둥 모양 결정인 피막은, 피칭(pitching)에 의한다고 생각되는 흠 모양 박리가 발생하기 어렵다.The coating in the sliding material of the present invention is a chromium nitride compound composed of at least CrN and containing Cr 2 N, and crystals of the fracture surface of the coating have a columnar shape from the surface of the base material toward the coating surface. Have As for the film whose fracture surface is columnar crystal | crystallization, flaw-like peeling considered to be due to pitching hardly arises.
또, 질화 크롬계 피막은 치밀성이 높아지면 피막이 물러지고(brittle) 흠 모양 박리가 발생하기 쉽게 된다. CrN의 이론 밀도는 6.14 g/cm3인데, 박리를 방지하기 위해선 피막 빈구멍율을 1.5% 이상으로 할 것이 필요하다. 한편, 피막 빈구멍율을 너무 높게 하면 경도가 저하되고 내마모성이 열화된다. 따라서, 피막 빈구멍율의 상한을 20%로 하는 것이 필요하다. 빈구멍율은 얻어진 피막의 밀도를 측정하므로서 이론 밀도와의 비(比)로서 용이하게 계산할 수 있다.In addition, as the chromium nitride-based coating becomes more dense, the coating will be brittle and flaw-like peeling will likely occur. The theoretical density of CrN is 6.14 g / cm 3 , and in order to prevent peeling, it is necessary to make the film void ratio 1.5% or more. On the other hand, when the film porosity is too high, the hardness decreases and the wear resistance deteriorates. Therefore, it is necessary to set the upper limit of the film void porosity to 20%. The porosity can be easily calculated as a ratio to the theoretical density by measuring the density of the obtained film.
피막 경도는 피막의 결정형태, 피막 빈구멍율(재료사에 형성된 피막중의 기공율), 결정 배향에 의해 영향을 받는다. 본 발명의 피막의 경도는 표면에서 측정해서 HmV(Vickers Micro Hardness)로 약 600 에서 1000 정도이다.Film hardness is affected by the crystal form of the film, the film porosity (porosity in the film formed in the material yarn), and the crystal orientation. The hardness of the film of the present invention is about 600 to 1000 in HmV (Vickers Micro Hardness) measured on the surface.
또, 질화 크롬계 피막에 있어서 더욱 내박리성을 향상하기 위해서 슬라이딩 운동면에 평행하게 (111) 면을 우선배향(優先配向)시키는 것은 또한 가일층 효과가 있다.Further, in order to further improve the peeling resistance in the chromium nitride-based coating, it is also possible to further preferentially align the (111) plane in parallel with the sliding motion surface.
피막의 두께는 1~80μ m, 특히 바람직하게는 35~50μ m 인 것이 바람직하다. 피막의 두께가 1μ m 미만인 경우, 마모에 의해 피막의 수명이 짧다. 한편, 피막의 두께가 50μ m를 초과하는 경우, 피막이 박리되거나 피막에 균열이 생기거나 하는 경우가 있으며 기초재와의 밀착력이 저하된다. 또, 필요이상으로 피막을 두껍게 하는 것은 경제상 바람직하지 않다.The thickness of the film is 1 to 80 µm, particularly preferably 35 to 50 µm. When the thickness of the film is less than 1 m, the life of the film is short due to abrasion. On the other hand, when the thickness of a film exceeds 50 micrometers, a film may peel or a crack may arise, and adhesive force with a base material falls. In addition, it is not economically desirable to thicken the film more than necessary.
본 발명에 있어선 PVD법에 의해 크롬 및 질소를 혼합한 기상과 기초재를 접촉시킨다. PVD 법은 피막을 형성하는 기술의 일종이며 기본적으로는 중착, 스퍼터링, 이온 도금의 3가지 방법으로 분류할 수 있다.In the present invention, the base material is brought into contact with the gas phase in which chromium and nitrogen are mixed by the PVD method. The PVD method is a kind of technology for forming a film, and can be basically classified into three methods of deposition, sputtering, and ion plating.
특히, 본 발명에 있어선 크롬의 증기물질을 질소와 반응시켜서 질화 크롬의 피막을 기초재상에 퇴적시키는 반응성 이온 도금법이 가장 바람직하다.In particular, in the present invention, a reactive ion plating method in which a chromium nitride film is deposited on a base material by reacting a vapor material of chromium with nitrogen is most preferable.
크롬의 증기는 HCD 건(gun)이나 전자 빔 등의 고에너지 빔을 크롬에 조사하고 증발시킴으로써 얻는다. 또, 음극 아크 플라즈마식 이온 도금법, 및 스퍼터링법 같이 음극에서 크롬 입자가 방출되게 함으로써 크롬 증기를 얻어도 좋다.The vapor of chromium is obtained by irradiating and evaporating chromium on a high energy beam such as an HCD gun or an electron beam. Further, chromium vapor may be obtained by allowing chromium particles to be released from the cathode, such as cathode arc plasma ion plating and sputtering.
그 크롬 증기에 질소를 혼합한 기상중에서 플라즈마를 발생시키면 크롬은 이온화되고 질소 이온과 화합하여 질화 크롬계 화합물을 생성한다. 그결과, 기초재 표면에 질화 크롬계의 피막이 형성된다.When plasma is generated in a gaseous state in which nitrogen is mixed with the chromium vapor, chromium is ionized and combined with nitrogen ions to form a chromium nitride compound. As a result, a chromium nitride film is formed on the surface of the base material.
이하에 있어서, 이온 도금법을 예로 들어서 설명하지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다.Although the ion plating method is described below as an example, this invention is not limited to this.
우선, 기초재를 세척하고 표면에 부착된 오물을 제거하고 충분히 청정화하여 이온 도금 장치의 진공 채버내에 삽입한다. 챔버내 압력이 1.3 x 10-3~ 5 x 10-3Pa 로 되기까지 진공상태로 하고 나서 이온 도금 장치에 내장되어 있는 히터로 가열해서 기재의 내재 가스를 방출시킨다. 가열 온도는 300~500°C 로 하는 것이 바람직하다. 그후 100~400℃까지 냉각한다.First, the base material is washed, the dirt adhering to the surface is removed, sufficiently cleaned and inserted into the vacuum chamber of the ion plating apparatus. The vacuum is maintained until the pressure in the chamber is 1.3 x 10 -3 to 5 x 10 -3 Pa, and then heated by a heater built in the ion plating apparatus to release the internal gas of the substrate. The heating temperature is preferably 300 to 500 ° C. After that, cool down to 100 ~ 400 ℃.
챔버내 압력이 4x10-3Pa이하로 된 시점에서 타겟(target)인 크롬을 음극으로 하고 그 표면에서 아크 방전을 발생시켜 크롬 이온이 방출되게 한다. 이때, 기초재에는 바이어스 전압을 인가해두고 음극에서 방출된 금속 이온을 기판 표면에 고 에너지로 충돌시키는 방법, 소위 봄바드 클리닝(bombardment cleaning)에 의해 기초재 표면의 산화물 제거와 활성화 처리를 행한다. 그때의 바이어스 전압은 -700 ~ -900V로 하는 것이 바람직하다.When the pressure in the chamber becomes 4x10 -3 Pa or less, the target chromium is used as the cathode, and an arc discharge is generated at the surface thereof to release chromium ions. At this time, the base material is subjected to a bias voltage and the metal ions emitted from the cathode are bombarded with high energy on the substrate surface, so-called bombardment cleaning, to perform oxide removal and activation on the surface of the base material. The bias voltage at that time is preferably set to -700 to -900V.
그후, 바이어스 전압을 저하시키고 크롬 이온을 기초재 표면에 퇴적시키면서 질소 가스를 챔버내에 도입하고 플라즈마내를 통과시킨다. 그것으로 질소를 이온화하고 질소 분압을 1.3x10-1~13.3 Pa 정도로 하고 바이어스 전압을 0 ~ -100V 인가하여 기초재 표면에 이온 도금 피막을 형성시킨다. 피막 형성후, 진공 챔버내에서 200°C 이하로 되기까지 냉각하고 나서 슬라이딩 재료를 챔버에서 꺼낸다. 피막의 빈구멍율은 사용하는 압력을 조정함으로써 제어할 수 있다.The nitrogen gas is then introduced into the chamber and passed through the plasma while lowering the bias voltage and depositing chromium ions on the base material surface. It ionizes nitrogen, nitrogen partial pressure is about 1.3x10 <-1> ~ 13.3 Pa, and bias voltage is applied from 0 to -100V, and an ion plating film is formed in the base material surface. After the film is formed, it is cooled down to 200 ° C or less in the vacuum chamber and then the sliding material is taken out of the chamber. The void ratio of the film can be controlled by adjusting the pressure to be used.
이상의 방법으로 피막 파단면 결정이 기둥 모양의 형태를 나타내며 일정의 빈구멍율을 갖는 내마모성 및 소성이 우수한 질화 크롬계의 피막을 슬라이딩 재료의 슬라이딩면에 형성할 수 있다.In the above manner, a chromium nitride-based coating having a columnar shape in which the film fracture surface crystals have a columnar shape and excellent wear resistance and plasticity can be formed on the sliding surface of the sliding material.
이상이 질화 크롬계 피막을 피막 파단면의 결정이 기둥 모양으로 되는 형태로 기초재에 형성시키는 방법이지만, 본 발명에 있어서는 피막과 기초재의 사이에 금속 바닥층(foundation layer)을 개재시켜도 좋다. 상술한 피막 형성 공정중, 질소가스의 도입전에 이온 도금을 행하면 기재에 크롬 금속의 바닥층이 형성된다. 이 크롬 금속의 바닥층은 열팽창율이 기초재에 가깝고 열 응력의 영향을 받기 어렵기 때문에 밀착성은 양호하고 유연성이 넉넉하다(well-deforming). 크롬 금속의 바닥층은 0.1~2μ m 의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 0.1 μ m 미만에서는 밀착성 향상의 효과가 적고 0.1~2 μ m 의 두께에서 충분한 효과를 나타낸다. 또, 2 μ m 를 초과해도 그 이상의 효과는 얻을 수 없고 또, 경제상으로도 바람직하지 않다.Although the above method is to form a chromium nitride-based coating on the base material in a form in which crystals of the film fracture surface become columnar, in the present invention, a metal bottom layer may be interposed between the film and the base material. In the above-described film forming process, when ion plating is performed before the introduction of nitrogen gas, a bottom layer of chromium metal is formed on the substrate. The bottom layer of this chromium metal has good adhesion and well-deforming because the coefficient of thermal expansion is close to that of the base material and is less affected by thermal stress. It is preferable to form the bottom layer of chromium metal in the thickness of 0.1-2 micrometers. If it is less than 0.1 micrometer, the effect of adhesive improvement is small and it shows sufficient effect in the thickness of 0.1-2 micrometers. Moreover, even if it exceeds 2 micrometers, the further effect cannot be acquired and it is also unpreferable economically.
이같이 피막과 기초재의 사이에 밀착성 및 유연성이 넉넉한 바닥층을 형성하는 것은 피막의 박리 방지에 효과가 있다.Thus, forming a bottom layer with sufficient adhesion and flexibility between the film and the base material is effective in preventing peeling of the film.
[실시예]EXAMPLE
본 발명을 이하에 구체적 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명한다.The present invention will be described in more detail with reference to specific examples below.
[실시예 1]Example 1
본 실시예에선 재질이 SUS440 재인 기초재를 사용했다.In this embodiment, a base material of SUS440 material was used.
PVD 처리는 음극 아크 플라즈마식 이온 도금 장치를 이용했다. 기초재를 프레온(Freon)으로 세척하고 이온 도금 장치의 진공 챔버내에 삽입했다.PVD treatment used a cathode arc plasma type ion plating apparatus. The base was washed with Freon and inserted into the vacuum chamber of the ion plating apparatus.
챔버내 압력이 1.3 x 10-3Pa로 되기까지 진공으로 하고 나서부터 이온 도금 장치에 내장되어 있는 히터(heater)에 의해서 300 ~ 500°C로 가열하여 기초재의 내재(內在) 가스를 방출시키고 그후 200°C까지 냉각했다.After vacuuming until the pressure in the chamber is 1.3 x 10 -3 Pa, it is heated to 300 to 500 ° C by a heater built in the ion plating apparatus to release the internal gas of the base material, and then Cooled to 200 ° C.
챔버내 압력이 4 x 10-3Pa이하로 된 시점에서 바이어스 전압을 -700 ~ 900V 인가해두고 아크 방전을 발생시켜 크롬 이온을 방출시킨다. 그후 챔버내에 도입한 질소가스 분압을 1.3 x 10-1~13.3Pa 정도의 범위로 변화시키고 바이어스 전압을 0 ~ -100V 인가해서 기초재 표면에 두께 5μ m의 이온 도금 피막을 형성 시켰다. 피막 형성후, 진공 챔버내에서 200°C 이하로 되기까지 냉각해서 슬라이딩재료를 얻었다.When the pressure in the chamber becomes 4 x 10 -3 Pa or less, a bias voltage is applied at -700 to 900 V to generate an arc discharge to release chromium ions. Thereafter, the partial pressure of nitrogen gas introduced into the chamber was changed to a range of about 1.3 x 10 -1 to 13.3 Pa, and a bias voltage of 0 to -100 V was applied to form an ion plating film having a thickness of 5 µm on the surface of the base material. After the film was formed, it was cooled down to 200 ° C. or less in a vacuum chamber to obtain a sliding material.
얻어진 피막의 파단면 형태, 조성, 빈구멍율, 표면 미소 경도를 조사했다.The fracture surface form, composition, porosity, and surface microhardness of the obtained film were examined.
피막의 파단면(tension fracture surface)을 주사형 전자 현미경(scanning electron microscope)에 의해 2 차 전자상(second electronic figure)을 관찰했다. 모재로부터 피막 표면으로 향해서 기둥 모양인 결정을 확인할 수 있었다. 또, X 선 회절로 조성을 분석한 결과, CrN의 단일상(single phase)이자 슬라이딩면에 평행인 (111) 면이 배향되어 있음도 확인했다. 또한 빈구멍율은 3.9% 이며 그 표면 경도는 HmV 770이었다.The tension fracture surface of the film was observed by a scanning electron microscope with a second electronic figure. A columnar crystal was confirmed from the base material toward the coating surface. As a result of analyzing the composition by X-ray diffraction, it was also confirmed that the (111) plane, which is a single phase of CrN and parallel to the sliding surface, is oriented. The porosity was 3.9% and the surface hardness was HmV 770.
[실시예 2, 3, 비교예 1][Examples 2 and 3 and Comparative Example 1]
본 발명 재료의 내소성(baking resistance)을 평가한다.The baking resistance of the inventive material is evaluated.
SKD61재로 이루어지며 세로 5mm x 가로 5mm x 높이 5mm 의 핀 모양 돌기(10; 제 1 도, 제 2 도 참조)를 동심원상에 같은 간격으로 3 개 배치한 시험편(5)을 사용해서 5mm 각(角)의 정방형 단면에 본 발명에 의한 피막을 두께 10μ m 로 형성한 시험편을 작성하고 초고압 마모 시험기에 의해서 내소성 시험을 행했다. 시험편의 피막은 실시예 1 에 기술한 방법으로 형성하고 파단면의 결정은 기초재 표면으로부터 피막 표면을 향해서 기둥 모양의 형태를 가지며 또한 CrN 단 일상으로 슬라이딩면에 평행인 (111) 면으로 우선배향되어 있다. 피막 빈구멍율이 3.9% 인 피막(실시예 2), 및 파단면의 결정이 기초재 표면으로부터 피막 표면으로 향해서 기둥 모양의 형태를 가지며 피막 빈구멍율이 2.3% 인 피막(실시예 3)이었다. 피막의 표면 미소 경도는 실시예 2 인 피막 HmV 770, 실시예 3 인 피막이 HmV 845이었다.5mm square (5mm) using a test piece (5) made of SKD61 material and having three pin-shaped protrusions (10; FIGS. 1 and 2) arranged at equal intervals on a concentric circle. The test piece which formed the film of this invention in thickness of 10 micrometers in the square cross section of () was created, and the fire resistance test was done by the ultra-high pressure abrasion tester. The coating of the test piece was formed by the method described in Example 1, and the crystal of the fracture surface had a columnar shape from the surface of the base material toward the surface of the coating, and preferentially oriented to the (111) plane parallel to the sliding surface of CrN. It is. A film having an empty porosity of 3.9% (Example 2), and a crystal having a fractured surface having a columnar shape from the surface of the base material toward the surface of the film (Example 3). . The surface microhardness of the film was HmV 770 in Example 2 and HmV 845 in Example 3.
비교예로서 시험편의 5mm 각(角)의 단면에 두께 100μ m 의 크롬 도금 피막(비교예 1)을 형성한 시험편을 써서 마찬가지인 시험을 행했다.As a comparative example, the same test was done using the test piece which provided the 100-micrometer-thick chromium plating film (comparative example 1) in the 5 mm square cross section of a test piece.
본 시험에 사용한 초고압 마모시험기의 장치와 시험 조건은 다음 같다.The equipment and test conditions of the ultra high pressure wear tester used in this test are as follows.
시험 장치는 제 1 도 및 제 1 도의 a-a 전개 단면도인 제 2 도에 주요부를 도해적으로 나타내는 것이며, 스테이터 홀더(1)에 분리가능하게 부착되며 직경 80mm x 두께 10 mm인 연마 마무리를 실시한 원반(상대재료)의 중앙에는 뒷측으로부터 주유구(3)를 통해서 윤활유가 주유된다. 스테이터 홀더(1)에는 도시하지 않는 유압 장치에 의해서 도면에서 우측을 향해서 소정 압력으로 가압력(P)이 작용하게 하고 있다. 원반(2)에 서로 대향해서 로터(4)가 있으며 도시를 생략한 구동 장치에 의해서 소정 속도로 회전하게 하고 있다. 로터(4)에는 시험편(5)이 표면 처리층을 형성한 5mm 각의 정사각형의 단면을 슬라이딩 면으로서 원반(2)에 대해서 슬라이딩이 자유롭게 부착되어 있다.The test apparatus schematically shows the main part in FIG. 1 and FIG. 2 aa a sectional view of FIG. 1 aa, and is detachably attached to the stator holder 1 and has a polishing finish of 80 mm diameter x 10 mm thickness. Lubricating oil is lubricated through the lubrication port 3 from the rear side in the center of the mating material). The pressing force P acts on the stator holder 1 at a predetermined pressure toward the right side in the drawing by a hydraulic device (not shown). The rotor 2 is opposed to the disk 2 and is rotated at a predetermined speed by a drive device not shown. The rotor 4 is freely attached to the disk 2 by sliding the cross section of a 5 mm square square on which the test piece 5 has formed a surface treatment layer.
이같은 장치에 있어서 스테이터 홀더(1)에 소정의 가압력(P)을 가하고 소정의 면압으로 원반(2)과 시험편(5)의 핀 모양 돌기(10)가 접촉하게 해두고 주유구(3)로부터 슬라이딩면에 소정의 급유 속도로 급유하면서 로터(4)를 회전시킨다. 일정 시간마다 스테이터 홀더(1)에 작용하는 압력을 단계적으로 증가해가고 로터(4)의 회전에 의해서 시험편(5)과 서로 대향하는 원반(2)의 마찰에 의해서 스테이터 홀더(1)에 발생하는 토크(T)를 스테인리스 봉(6)을 통해 로드 셀(7)에 작용시키고 그 변화를 동왜계(8; distortion meter, 로드셀과 기록계 사이에서 로드셀에서의 동적으로 변화하는 비틀림량을 기록계에 적합한 신호가 될 때까지 전기신호로 변환 및 증폭시켜 비틀림량을 측정하기 위한 것)로 판독하고 기록계(9)에 기록시킨다. 토크(T)가 급격히 상승했을 때 소성(baking)이 발생한 것으로서 이때의 접촉면압으로써 내소성 특성의 좋고 나쁨을 판단한다. 상대 재료로선 철계 FC 25 재를 사용했다. 시험 조건은 다음 같다.In such an apparatus, a predetermined pressing force (P) is applied to the stator holder (1), and the disk 2 and the pin-shaped protrusions 10 of the test piece 5 are brought into contact with the sliding surface from the oil filling port 3 at a predetermined surface pressure. The rotor 4 is rotated while refueling at a predetermined oil supply speed. The pressure acting on the stator holder 1 gradually increases at a predetermined time and is generated in the stator holder 1 by friction between the test piece 5 and the disk 2 facing each other by the rotation of the rotor 4. The torque T is applied to the load cell 7 through the stainless rod 6 and the change is a signal suitable for the recorder by dynamically varying the amount of torsion in the load cell between the distortion meter, the load cell and the recorder. Is converted into an electrical signal and amplified until it is measured to measure the amount of twist) and recorded in the recorder 9. Baking occurs when the torque T rises sharply, and the contact surface pressure at this time determines whether the plastic resistance characteristics are good or bad. Iron-based FC 25 ash was used as a mating material. The test conditions are as follows.
마찰속도 : 8 m/초Friction Speed: 8 m / s
상대재료 : FC 25Relative Material: FC 25
접촉면압 : 20 kg/cm2로 고르게 한 후, 소성 발생까지 10 kg/cm2씩 증압, 각 면압에서 3 분간 유지Contact surface pressure: 20 kg / cm 2 evenly, increase pressure by 10 kg / cm 2 until firing, hold for 3 minutes at each surface pressure
윤활유 : 모터 오일 # 30Lubricant: Motor Oil # 30
유온 80°C, 공급량 250cc/분Oil Temperature 80 ° C, Supply 250cc / min
표 1 에 시험 결과를 나타내었다.Table 1 shows the test results.
Fc 25의 상대재료로 본 발명품은 접촉면압 280 및 283 kg/cm2에서 소성이 발생했다. 비교품의 크롬 도금의 내소성 면압 253 kg/cm2보다 높으며 내소성이 우수하다.As a counterpart of Fc 25, the present invention fired at contact surface pressures of 280 and 283 kg / cm 2 . Comparative product higher than that in the firing surface pressure 253 kg / cm 2 of chrome plating is excellent in plastic.
[실시예 4, 비교예 2]Example 4, Comparative Example 2
과연식 마모 시험기(Kakenshiki test apparatus)에 의해서 본 발명 재료의 부식 마모 시험을 실시했다. 기판 재질이 SKD-61 재이고 형성은 세로 5mm x 가로 5mm x 높이 20mm, 세로방향의 한쪽의 선단을 R 6mm 의 곡면으로 한 시험편을 사용하고 실시예 1에 기술한 방법에 의해서 시험편의 선단에 파단면의 결정이 기초재 표면으로부터 피막 표면을 향해서 기둥 모양의 형태를 가지며, 또한 CrN 단일상으로 슬라이딩면에 평행인 (111) 면으로 우선배향되어 있다. 피막 빈구멍율이 3.9%인 피막(실시예 4)을 10μ m 의 두께로 피복했다. 피막의 표면 미소 경도는 HmV 770이었다.The corrosion abrasion test of the material of the present invention was conducted by a Kakenshiki test apparatus. Substrate material is SKD-61 material, and the formation is 5mm x 5mm x 20mm in height, and the test piece with one end in the longitudinal direction of R 6mm is used to dig at the tip of the test piece by the method described in Example 1. The crystal of the cross section has a columnar shape from the surface of the base material to the film surface, and is preferentially oriented to the (111) plane parallel to the sliding surface in the CrN single phase. A film (Example 4) having a film porosity of 3.9% was coated with a thickness of 10 m. The surface microhardness of the film was HmV 770.
비교예로서 시험편 선단 R 부에 두께 100μ m의 크롬 도금 시험편을 이용하여 마찬가지 시험을 행했다.As a comparative example, the same test was done using the chromium plating test piece of thickness of 100 micrometers in test piece tip R part.
시험은, 표면 처리를 실시한 시험편의 선단 R 부를 드럼 모양으로 가공한 상대재료의 외주부에 곡면끼리 선접촉하게 맞추고 소정 하중을In the test, the front end portion R of the test piece subjected to the surface treatment was matched with the curved surfaces in line with the outer peripheral part of the counterpart material processed in a drum shape, and a predetermined load was applied.
가하여 소정 속도로 회전시킨다. 윤활은 PH=2 로 조정한 황산 수용액을 접촉부에 일정량 떨어뜨려서 행하며 산 분위로 했다.To rotate at a predetermined speed. Lubrication was carried out by dropping a sulfuric acid aqueous solution adjusted to PH = 2 by a certain amount to the acid position.
시험 조건은 다음과 같다.The test conditions are as follows.
슬라이딩 상대재료 : FC 25 재Sliding relative material: FC 25 ash
마찰속도 : 0.25 m/초Friction Speed: 0.25 m / s
마찰시간 : 6 시간Friction time: 6 hours
접촉하중 : 4kgContact load: 4 kg
분위기 : 슬라이딩부에 PH=2.0으로 조정한 황산 수용액을 1.5cc/분(分)당 떨어뜨림(滴下).Atmosphere: The sulfuric acid aqueous solution adjusted to PH = 2.0 in a sliding part is dropped per 1.5 cc / min.
피막 마모량의 측정치를 표 2 에 나타내었다. 결과는 크롬 도금 피막의 마모량을 100 으로 한 상대치로 나타내었다.The measured value of the film wear amount is shown in Table 2. The results are shown in relative values where the wear amount of the chromium plated film is 100.
비교품인 크롬 도금품에 비해 본 발명품은 마모량이 약 1/30으로 대폭적으로 감소되어 있다.Compared with the chromium plated product as a comparative product, the wear amount of the present invention is greatly reduced to about 1/30.
[실시예 5, 6, 비교예 3][Examples 5 and 6 and Comparative Example 3]
슬라이딩을 동반하는 구름 피로 시험기(롤러 피칭 시험기)에 의해서 본 발명 재료에 피복한 피막의 내박리성(peeling resistance)을 평가했다. 시험편의 기판 재질은 SCM 420 재를 침탄 처리한 재료이며 형상은 Ф 26 mm x 28 mm 의 롤러 모양이며 그 외주 표면에 본 발명의 피막을 45μ m의 두께로 처리했다. 시험편의 피막은 실시예 1에 기술한 방법으로 형성하고 파단면의 결정은 기초재 표면으로부터 피막 표면을 향해서 기둥 모양의 형태를 가지며 또한, CrN 단일상으로 슬라이딩면에 평행인 (111) 면으로 배향되어 있는 피막 빈구멍율이 3.9%인 피막(실시예 5) 및 파단면의 결정이 기초재 표면으로부터 피막 표면을 향해서 기둥 모양의 형태를 가지며 피막 빈구멍율이 2.3% 인 피막(실시예 6)이었다. 또, 피막의 표면 미소 경도는 실시예 5인 피막이 HmV 770, 실시예 6 인 피막이 HmV 845 이었다.Peeling resistance of the film coated on the material of the present invention was evaluated by a rolling fatigue tester (roller pitching tester) with sliding. The board | substrate material of a test piece is the material which carburized SCM 420 material, the shape is a roller shape of 26 mm x 28 mm, and the film of this invention was treated with the thickness of 45 micrometers on the outer peripheral surface. The film of the test piece was formed by the method described in Example 1, and the crystal of the fracture surface had a columnar shape from the surface of the base material toward the film surface, and was oriented in the (111) plane parallel to the sliding surface of CrN single phase. A film having a vacant porosity of 3.9% (Example 5) and a crystal having a fracture surface have a columnar shape from the surface of the base material toward the surface of the film, and a film having a porosity of 2.3% (Example 6) It was. In addition, the surface microhardness of the film was HmV 770 for the film of Example 5 and HmV 845 for the film of Example 6. FIG.
비교예로서 실시예 5, 6과 같은 재질은 시험편 본체 외주에 파단면의 형태가 기둥 모양이 아니고 피막 빈구멍율이 0.2%정도로 매우 낮은 CrN 피막을 42 μ m 피복하고 실시예 5, 6과 마찬가지로 내박리성을 측정했다.As a comparative example, the same materials as in Examples 5 and 6 were coated on the outer circumference of the test piece body with 42 μm of CrN film having a very low fracture surface having a columnar shape and a 0.2% void area. Peeling resistance was measured.
본 시험에 사용한 피칭 시험기의 장치와 시험 조건은 다음과 같다.The apparatus and test conditions of the pitching tester used in this test are as follows.
시험 장치는, 제 3 도는 주요부를 도해적으로 도시하는 것이며 Ф 26mm x 28mm의 시험편(13)을 부착한 테스트 롤러(11)와 서로 대향하여 부하 롤러(12)가 있고 소정의 압력으로 가압력이 작용하게 하고 있다. 테스트 롤러(11)는 동시생략의 구동 장치에 의해서 소정 속도로 회전하도록 하고 있으며 그 시험편(13)의 외주에는 표면처리상(surface treated phase)을 형성한다. 부하 롤러(12)는 Ф 130 x 18의 크기이며 외주는 R 300 mm의 형상을 하고 미시적으로는 시험편(13)과 점접촉하며 큰 가압력이 가해지게 되어 있다. 또, 부하 롤러(12)는 테스트 롤러(11)에 대해서 도시를 생략한 치차(gear wheel)를 통해 종동(從動)되며 상대적으로 미끄러지면서 회전하게 되어 있다. 슬라이딩 율은 시험편 주속(周速)(U13)과 부하 롤러 주속(U12)에 의해 (U13-U12)/U13으로 나타내어지며 임의로 선정된다. 시험편(11)과 부하 롤러(12)의 접촉부에는 도시생략한 주유구를 통해서 윤활유가 주입된다.3 shows a diagrammatic view of the main part and a load roller 12 is opposed to a test roller 11 to which a test piece 13 having a Ф 26 mm x 28 mm is attached and a pressing force is applied at a predetermined pressure. I'm letting you. The test roller 11 is rotated at a predetermined speed by a simultaneous driving device, and forms a surface treated phase on the outer circumference of the test piece 13. The load roller 12 has a size of 130 x 18, and the outer circumference has a shape of R 300 mm, and is microscopically contacted with the test piece 13, and a large pressing force is applied. In addition, the load roller 12 is driven and rotated relative to the test roller 11 through a gear wheel (not shown). The sliding rate is represented by (U 13 -U 12 ) / U 13 by the test piece circumferential speed U 13 and the load roller circumferential speed U 12 , and is arbitrarily selected. Lubricant is injected into the contact portion between the test piece 11 and the load roller 12 through a filling hole not shown.
이같은 장치에 있어서 시험편(13)에 소정의 가압력을 가하고 소정의 면압으로 시험편(13)과 부하 롤러(12)가 접촉하게 해두고, 접촉부에 소정의 주유 속도로 주유하면서 테스트 롤러를 소정 속도로 회전시키는 동시에 소정의 미끄럼율로 부하 롤러(12)를 회전시킨다.In such an apparatus, a predetermined pressing force is applied to the test piece 13, the test piece 13 and the load roller 12 are brought into contact with each other at a predetermined surface pressure, and the test roller is rotated at a predetermined speed while lubricating the contact portion at a predetermined oiling speed. At the same time, the load roller 12 is rotated at a predetermined sliding rate.
시험중 정기적으로 시험편 표면을 주의깊게 관찰하고 시험편의 표면에 흠모양 박리가 발생하기까지의 회전의 누계로 내박리성의 좋고 나쁨을 판단한다. 상대재료인 부하 롤러의 재질은 FC 25 재를 썼다. 시험 조건은 다음과 같다.Carefully observe the surface of the specimen regularly during the test, and judge the good and bad peeling resistance by cumulative rotation until flaw peeling occurs on the surface of the specimen. The material of the load roller, which is a relative material, is made of FC 25. The test conditions are as follows.
시험조건 변압(헤르츠 압력): 160 kgf/mm2 Test conditions Transformer (Hertz pressure): 160 kgf / mm 2
시험편 주속 : 82m/sTest piece peripheral speed: 82m / s
미끄럼율 : 20%Slip rate: 20%
사용오일 : #30(베이스 오일)Oil Used: # 30 (Base Oil)
오일 유량 : 1200 cc/분Oil flow rate: 1200 cc / min
오일 온도 : 80°COil temperature: 80 ° C
표 3 에 시험 결과를 표시했다.Table 3 shows the test results.
본 발명품은 비교예에 대해 내박리성이 매우 우수하다.This invention is very excellent in peeling resistance with respect to a comparative example.
[발명의 효과][Effects of the Invention]
이상 설명한 것으로 밝혀졌듯이, 본 발명은 기초재 표면에 피복되는 질화 크롬계 피막의 파단면의 결정을 기초재 표면에서 피막 표면을 향해서 기둥 모양의 형태로 하고 또한 피막 빈구멍율을 한정하므로서 종래부터 사용되고 있는 피막에 비교해서 내박리성이 우수한 슬라이딩재료를 제공하는 것과 아울러, 그 슬라이딩재료를 제조할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.As has been found to have been described above, the present invention has conventionally been carried out by crystallizing the fracture surface of the chromium nitride coating coated on the surface of the base material from the surface of the base material toward the surface of the film and limiting the film porosity. In addition to providing a sliding material excellent in peeling resistance compared to the film used, a method of manufacturing the sliding material can be provided.
본 발명 재료는 피스톤링, 캠 종동부(cam follower) 등의 엔진 부품 또는 슈 디스크(shoe disc) 등의 콤프레서 부품을 비롯한 슬라이딩 부품이나 절삭 공구 등에 적합하다.The material of the present invention is suitable for sliding parts, cutting tools, and the like, such as piston parts, engine parts such as cam followers, and compressor parts such as shoe discs.
Claims (6)
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KR1019940019236A KR100299401B1 (en) | 1994-08-04 | 1994-08-04 | Sliding material and its manufacturing method |
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JPH06293954A (en) * | 1993-04-07 | 1994-10-21 | Riken Corp | Slide material and its production |
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1994
- 1994-08-04 KR KR1019940019236A patent/KR100299401B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
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JPH06293954A (en) * | 1993-04-07 | 1994-10-21 | Riken Corp | Slide material and its production |
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