KR100632425B1 - 슬라이딩 부재 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 TiN 자체의 우수한 내마모성 및 낮은 마찰 계수를 유지하면서 TiN 코팅의 성능을 향상시킴으로써 고온 부식을 포함하는 적용에 대해 개선된 경질 코팅에 관한 것이다. 질화물계 슬라이딩 재료는 0.414 내지 0.423 nm의 격자 상수를 가진 면심입방 결정 구조를 가지고, 주로 TiN으로 제조되지만, Al, Cr, Zr 및 Hf 로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하거나; 또는 실질적으로 질화 티탄 및 B 및 Si로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하고, 9 nm 이하의 평균 크기의 결정을 포함하는 면심입방 결정 구조를 가지는 질화물계 재료를 포함한다.
Description
본 발명은 증기 터빈 및 가스 터빈과 같은 고온 회전 기계 내의 베어링 및 실(seal)에 사용하기 위한 고온 슬라이딩 부재 및 슬라이딩 부재의 제조 방법, 또는 절삭 공구와 같이 내마모성 및 낮은 마찰이 요망되는 경우에 적합한 슬라이딩 부재에 관한 것이다.
금속 재료로 제조된 베어링 및 실의 내마모성 및 내부식성을 개선하기 위해 세라믹 코팅을 하는 것은 광범위하게 실시된다. 이러한 세라믹 코팅을 제조하는데 사용되는 재료로는 질화티탄(TiN), 탄화티탄(TiC), 질화크롬(CrN), 질화붕소(BN), 및 다이아몬드-유사 탄소(DLC)를 들 수 있다. 이들 재료 중, TiN 및 CrN은 이미 금속 주형 및 절삭 공구 상에 경질 코팅으로서 산업적으로 광범위하게 적용된다.
이러한 경질 코팅을 하기 위한 통상의 방법으로서, 하기 표면 개선 기술이 널리 알려져 있다: 물리적 증착(PVD) 또는 화학적 증착(CVD)을 포함하는 이온 플레이팅법, 스퍼터 증착, 플라즈마 CVD 및 이온 주입. 특히, 코팅이 기판에 단단하게 결합하고, 코팅이 낮은 공정 온도에서 제조될 수 있기 때문에, 증착법과 이온 주입 기술을 조합한 다이나믹 이온 빔 혼합(DM) 방법이 강렬한 관심을 끌고 있다.
광범위하게 사용되는 세라믹 코팅 중 하나는, 면심입방 결정 구조를 가지는 것으로 알려진 격자간 고용체 화합물을 형성하는 전형적인 물질인 TiN이다. TiN은 Ti로 구성된 격자 내에 질소 원자가 들어간 NaCl형 결정 구조를 가진다. TiNx의 조성 범위는 0.8 < x < 1.16 만큼 넓고, x가 이 범위 내에서 변하는 경우, TiN의 격자 간격이 변한다. 마모 및 부식에 대한 우수한 내성 때문에, TiN 코팅은 또한 베어링 또는 실 성분에 사용된다.
오늘날의 실시에서 작동 온도가 높아지고 있기 때문에, 증기 터빈 및 가스 터빈과 같이 고온에서 작동하는 회전 기계에 적용하기 위해서는 우수한 고온 슬라이딩 특성 뿐만 아니라 우수한 내마모성, 고온 내부식성을 가진 경질 코팅이 요구되고 있다. 이러한 적용을 위해 TiN 코팅이 고려되지만, 지금까지의 실험 결과들로는, TiN 코팅 자체가 고온에서 내부식성이 불충분하기 때문에, TiN 코팅이 고온 대기 또는 고온 증기에 노출되는 경우 TiN 코팅의 내구성이 의심스러운 것으로 알려져 있다. 따라서, TiN 분야의 현재 상태로는 이러한 적용을 위해 TiN 코팅을 사용하는 것이 허용되지 않는다.
또한, 펌프와 같은 일반적인 회전 기계에서는 회전 속도 및 작동 압력이 증가하는 경향이 있어, 고부하 및 높은 선단속도의 심한 작동 조건을 견딜 수 있는 슬라이딩 성분이 필요하다. 통상의 TiN 코팅은 TiN 코팅 자체의 불충분한 경도 및 내마모성으로 인해 심한 슬라이딩 조건이 존재하는 이러한 경우에 부적절한 것으로 알려져 있다.
본 발명은 상기 약술된 문제점들을 해결하기 위해 실시되었고, 그 목적은 TiN 코팅의 우수한 내마모성 및 낮은 마찰 특성을 유지하면서 고온 부식을 견딜 수 있는 슬라이딩 부재를 제공하는 것이다. 다른 목적은 TiN 코팅의 우수한 내마모성 및 낮은 마찰 특성을 더 개선하여, 높은 회전 속도 및 고압에서 작동하는 회전 기계의 필요사항을 충족시키는 우수한 슬라이딩 특성을 가지는 슬라이딩 부재를 제공하는 것이다.
본 발명은 기판 및 기판 상에 형성된 경질 코팅을 포함하고, 상기 경질 코팅이 실질적으로 TiN 및 Al, Cr, Zr 및 Hf로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함하고, 질화물계 재료의 결정에서 0.414 내지 0.423 nm 범위의 격자 상수를 가진 면심입방 결정 구조를 가지는 질화물계 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재에 관한 것이다.
고온 부식 및 산화에 대한 TiN 코팅의 내성을 개선할 목적으로, 본 발명자들은 이러한 생성물의 제조방법 뿐만 아니라 Ti 및 N과는 다른 원소를 함유하는 질화물계 코팅을 얻기 위한 기술을 연구해왔다. 즉, 첫째 목적은 Ti 및 N과는 다른 원소를 함유하는 질화물계 박막을 생성하기 위한 기술을 개발하여, TiN의 우수한 슬라이딩 특성(내마모성 및 낮은 마찰 계수)을 잃지 않고 고온 부식에 대한 내성을 개선하는 것이다. 그 결과, 이러한 재료가 면심입방 결정 구조를 가지고, 실질적으로 TiN 및 Al, Cr, Zr 및 Hf로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소를 함유한다는 것과, 격자 상수가 0.423 nm을 넘으면, 비커스 경도가 2000 이하가 되고, 내마모성이 불충분하게 되기 때문에 격자 상수는 이 값보다 작아야 한다는 것을 알게되었다. 이 재료들은 또한 일반적으로 슬라이딩 내성을 필요로 하는 곳에 사용될 수 있다.
실질적으로 TiN를 포함하면서 하나 이상의 Al, Cr, Zr 및 Hf도 포함하는 본 발명의 질화물계 재료는 면심입방 결정 구조의 몇몇 Ti 부위가 Al, Cr, Zr 및 Hf로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소에 의해 치환되고, 또한 면심입방 결정 구조를 가지는 재료로 제시된다.
지금까지의 연구에 의하면, 질화물계 재료가 면심입방 결정 구조를 가지고, 격자 상수가 0.414 내지 0.423 nm이고, 질화물계 재료의 결정 크기가 최적인 경우 이 재료의 비커스 경도가 2500 이상이고, 탄소, 산소 등과 같은 불가피한 불순물을 제외하고는 하기 조성을 가지는 경우에 상기 목적이 달성되는 것으로 증명되었다.
질화물계 재료로 제조된 슬라이딩 부재의 바람직한 화학적 조성은 불가피한 불순물을 제외하고는, 다음 식으로 정의된다: Ti(100-x)Mex 질화물 화합물(여기서, Me는 Al, Cr, Zr 및 Hf로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소를 나타내고, x는 2 원자% ≤x ≤30 원자% 관계의 범위 내에 있다).
이러한 부재는 질소 이온을 증착물에 주입하면서 금속 원소인 Ti 및 첨가물이 진공에서 기판 상에 증착되게 하는 DM 방법에 의해 제조될 수 있다. 이 방법은 비교적 저온 공정에서 기판에 단단하게 부착하는 코팅을 가진 코팅 생성물을 제조할 수 있게 한다. 기판은 SUS420J2 또는 SUS630과 같은 스테인레스강 또는 인콜로니(Incolony) 909와 같은 니켈계 합금에 의해 충족될 수 있는 단단한 결합을 생성하기 위해 11x10-6 이하의 낮은 열팽창 계수를 가지는 것이 바람직하다.
이온 빔에 대한 가속 전압은 40kV 이하인 것이 바람직한데, 그 이유는 가속 전압이 더 높으면 높은 공정 비용과 방사선 보호가 필요한 더 큰 가속 장치가 필요하기 때문이다. 한편, 가속 전압이 1kV 이하이면, 코팅이 기판에 단단하게 부착하지 않아서 생성물은 고온 슬라이딩 적용에 적합하지 않다.
x-선 회절 측정의 결과, 바람직한 결정 크기는 수 nm 내지 100 nm이다. 경질 코팅의 두께는 각 적용마다 조절할 수 있지만, 비용 및 잔류 응력을 고려하여 두께는 수십 마이크로미터 미만인 것이 바람직하다.
DM 방법을 사용하여 경질 코팅을 하는 공정 동안, Ti 및 첨가 원소의 증발 속도를 각각 조절함으로써 첨가물의 비율을 조절할 수 있다. TiN의 면심입방 결정 구조는 격자간 고용체로서 Ti 격자 내에 질소 원자가 들어감으로써 생성된다. 하나 이상의 원소 Al, Cr, Zr 또는 Hf가 TiN에 첨가되는 경우, TiN의 면심입방 결정 구조는 첨가 원소의 농도가 증가함에 따라 비규칙적으로 되고, 결국 비정형 상태가 되거나 다른 결정 구조를 얻는다. 따라서, 내마모성 및 낮은 마찰 계수를 유지하기 위해서는 첨가 원소의 전체 농도가 30 원자% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 지금까지의 연구에 따르면, 고온 부식에 대한 내성은 첨가 원소의 농도가 증가함에 따라 증가하지만, 생성물을 적용 조건에 맞출 수 있게 하기 위해서는 고온 증기 또는 고온 공기의 부식의 심각도의 관점에서 농도의 최저한도를 결정하는 것이 바람직하다.
결정들은 (111) 면으로 배향되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 가속 전압, 전류 밀도, 주입 에너지(W/cm2), 및 빔 입사각과 같은 질소 이온 빔의 주입 조건을 조절함으로써 결정들은 DM 방법 동안 (111) 면으로 배향될 수 있다.
한편, 발명자들은 또한 고온 강도가 필요없는 슬라이딩 적용에 사용할 수 있는 질화물계 재료를 개발해왔다. 이러한 슬라이딩 부재는 기판 및 기판 상에 형성된 경질 코팅을 포함하고, 상기 경질 코팅이 실질적으로 TiN와 B 및 Si로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함하고, 평균 크기가 9 nm 이하인 결정을 포함하는 면심입방 결정 구조를 가지는 질화물계 재료를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 개념의 공정은 하기에 약술된다.
TiN 코팅의 경도 및 내마모성을 개선하기 위해서, 본 발명자들은 Ti 및 N과는 다른 원소를 함유하는 질화물계 코팅과 이러한 생성물의 제조방법을 얻기 위한 기술을 연구해왔다. 즉, 첫째 목적은 Ti 및 N과는 다른 원소를 함유하는 질화물계 박막을 생성하기 위한 기술을 개발하여 경도 및 내마모성을 개선하는 것이다. 그 결과, 이러한 재료가 면심입방 결정 구조를 가지고, 실질적으로 TiN과 B 및 Si로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함하고, 결정 크기가 9 nm 이하인 경우 비커스 경도가 3000 이상이고, 탄소, 산소 등과 같은 불가피한 불순물을 제외하고는 하기 조성을 가진다는 것을 발견하였다.
질화물계 재료의 제 2그룹으로 제조된 슬라이딩 부재는 불가피한 불순물을 제외하고는, 다음 식으로 정의되는 화학적 조성을 가진다: Ti(100-x)Mex 질화물 화합 물(여기서, Me는 B 및 Si로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소를 나타내고, x는 2 원자% ≤x ≤30 원자% 관계의 범위 내에 있다).
제 1그룹에서, 이러한 부재는 질소 이온을 증착물에 주입하면서 금속 원소인 Ti 및 첨가물이 진공에서 기판 상에 증착되게 하는 DM 방법에 의해 생성될 수 있다. 이 방법은 비교적 저온 공정에서 기판에 단단하게 부착하는 코팅을 가진 코팅된 생성물을 제조할 수 있다. 기판은 SUS420J2 또는 SUS630과 같은 스테인레스강 또는 인콜로니 909와 같은 니켈계 합금에 의해 충족될 수 있는 단단한 결합을 생성하기 위해 11x10-6 이하의 낮은 열팽창 계수를 가지는 것이 바람직하다. 기판은 상기 참조된 것과는 다른 강철 재료를 포함할 수 있다. 또한, 내마모성 부품 또는 절삭공구를 제조하기 위해서, WC와 같은 초경 합금 뿐만 아니라 SiC, Si3N4 및 Al2O3와 같은 다양한 세라믹 재료도 사용할 수 있다.
이온 빔에 대한 가속 전압은 40kV 이하인 것이 바람직한데, 그 이유는 가속 전압이 더 높으면 높은 공정 비용과 방사선 보호가 필요한 더 큰 가속 장치가 필요하기 때문이다. 한편, 가속 전압이 1kV 이하이면, 코팅이 기판에 단단하게 부착하지 않아서 생성물은 슬라이딩 적용에 적당하지 않다. 경질 코팅의 두께는 각 적용마다 조절할 수 있지만, 비용 및 잔류 응력을 고려하여 두께는 수십 마이크로미터이하인 것이 바람직하다.
DM 방법을 사용하여 경질 코팅을 하는 공정 동안, Ti 및 첨가 원소의 증발 속도를 조절함으로써 첨가물의 비율을 조절할 수 있다. TiN의 면심입방 결정 구조는 격자간 고용체로서 Ti 격자 내에 질소 원자가 들어감으로써 생성된다. 하나 이상의 원소 B 및 Si가 TiN에 첨가되는 경우, 첨가 원소의 농도가 증가함에 따라 TiN의 면심입방 결정 구조는 비규칙적으로 되고, 결국 다른 결정 구조를 얻는다. 따라서, 우수한 내마모성 및 낮은 마찰 계수를 유지하기 위해서는 첨가 원소의 전체 농도가 30 원자% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 지금까지의 연구에 따르면, 경도 및 내마모성은 첨가 원소의 농도가 증가함에 따라 증가하지만, 생성물을 슬라이딩 조건의 심각도에 맞출 수 있게 하기 위해서는 농도의 최저한도를 결정하는 것이 바람직하다.
결정들은 (111) 면으로 배향되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 가속 전압, 전류 밀도, 주입 에너지(W/cm2), 및 빔 입사각과 같은 질소 이온 빔의 주입 조건을 조절함으로써 결정들은 DM 방법 동안 (111) 면으로 배향될 수 있다.
상기 슬라이딩 부재의 제조 공정에서, 실질적으로 질소 이온을 함유하는 이온 빔으로 기판을 조사하는 동안, 진공에서 Ti 및 Al, Cr, Zr, Hf, B 및 Si로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소를 동시에 기판 상에 증착하여 기판 상에 경질 코팅을 형성하는 것이 허용된다.
본 발명의 다른 실시형태는 가동 부재 및 정적 부재의 조합을 포함하고, 상기 가동 부재 또는 정적 부재가 청구항 1, 3, 10 및 11 중의 어느 한 항에 따른 슬라이딩 부재로 제조되거나, 또는 청구항 12에 따른 방법에 의해 제조되고, 나머지 부재는 탄소 함유 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 메커니즘이다. 탄소를 함유하는 재료는 실질적으로 탄소를 함유하는 재료, 탄소가 침투된 재료 또는 탄소를 함유하는 박막일 수 있다.
청구항 1, 3 및 10 중의 어느 한 항에 따른 슬라이딩 부재, 청구항 12에 따른 방법 또는 청구항 13 또는 14에 따른 슬라이딩 메커니즘에서, 기판은 금속 재료일 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 청구항 1, 3 및 10 중의 어느 한 항에 따른 슬라이딩 부재를 포함하거나, 또는 청구항 12에 따른 방법에 의해 제조된 슬라이딩 부재를 포함하는 드레싱 공구이다.
도 1은 본 발명의 경질 코팅을 하기 위한 장치의 개략도이고;
도 2는 결정자 크기 및 비커스 경도 값을 보여주는 그래프이고;
도 3은 고온 증기 실험 장치의 개략도이고;
도 4는 증기 터빈의 비접촉단면 실의 구조도이고;
도 5는 스러스트(thrust) 베어링에 적용되는 본 발명의 슬라이딩 부재를 가진 자기 펌프의 도면이고;
도 6은 본 발명의 슬라이딩 부재를 가진 드레싱 공구의 도면이다.
본 발명은 하기에 기재된 바람직한 실시예에 의해 설명할 것이다.
첫째, 다이나믹 이온 빔 혼합(DM) 막 증착 장치는 도 1을 참조하여 설명한다. 상기 장치는 그 바닥 면 위의 기판(W)을 지지하기 위한 구리 홀더(12); 각각 가열기(13a, 14a)를 가지고, 홀더(12) 아래에 배치된 증기 공급원(13, 14); 및 비스듬한 입사각으로 아래로부터 기판(W)에 이온을 조사하기 위한 이온 공급원(15)을 포함하는 허메틱(hermetic) 막 증착 챔버(11)를 포함한다. 회전축(16)을 제공하여 기판(W)을 회전시켜 막을 균일하게 증착시키고, 회전축(16)을 통과하여 흐르는 순환수로 구리 홀더(12)를 냉각시켜 이온 충격으로 인해 기판 온도가 올라가는 것을 방지한다.
이러한 막 증착 장치를 사용하여, 하기 공정에 따라 막을 증착함으로써 두 종류의 기판, SUS4202J2 강 및 인콜로니 909에 대해 비교 실험을 실시하였다. 실험 표본의 제 1그룹에서는, 금속 Al, Cr, Zr 및 Hf의 그룹에서 선택되는 하나 이상의 원소가 2-30 원자%의 비율로 Ti에 포함되고, 실험 표본의 제 2그룹에서는, 원소 B 및 Si의 그룹에서 선택되는 하나 이상의 원소가 2-30 원자%의 비율로 Ti에 포함된다. 기판(W)은 0.05 ㎛ 이하의 평균 표면 조도를 얻기 위해 거울 연마제에 대해 표본 표면을 연마하여 전처리하고, 알코올에서 초음파 세정하여 공정을 종결하였다. 세정한 기판(W)을 도 1에 나타낸 DM 장치의 홀더(12)에 부착하였다.
먼저, 챔버(11)를 비워 1 x 10-5 토르 이하의 진공이 되게 하고, 가속 전압 10 kV, 이온 전류 밀도 0.2 mA/cm2, 및 45도의 입사각에서 조사된 질소 이온을 사용하여 표본을 스퍼터 세정하였다. 그 다음, 이온 빔 공급원(15)에서 전류 밀도를 조절하면서 질소 이온을 조사하고, Ti 및 첨가 원소 각각에 대한 증기 공급원(13, 14)을 가열기(13a, 14a)로 가열하였다. 4 ㎛의 막 두께를 얻을 때까지 증기화 속도를 조절하면서 증착 공정을 계속하였다. 막 증착 조건은 표 1에 나타낸다.
표 2에 나타낸 증착된 코팅의 조성은, 제 1그룹에서는 Al, Cr, Zr 및 Hf의 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소가 2-30 원자% 범위의 양으로 존재하고, 제 2그룹에서는 B 또는 Si가 2-30 원자% 범위의 양으로 존재한다는 것을 나타낸다. 이 표에서, 첨가물의 공급률은 (Me 증착 속도)/(Ti 증착 속도)로 주어진 비율로 나타낸다. 코팅 두께는 석영 오실레이터를 사용하여 증착 두께를 조사하여 조절하였다. 하기 조건을 만족시키는 기판을 사용하여 동일한 방법으로 대조구 표본을 제조하였다: 첨가물 원소를 포함하지 않는 표본, 면심입방 결정 구조를 형성하지 않는 표본, 격자 상수가 0.414 내지 0.423 nm 범위에 있지 않는 표본, Ti에 대해 2-30 원자% 범위 밖의 첨가물(Al, Cr, Cr, Zr 및 Hf)을 포함하는 표본, Ti에 대해 4-8 원자% 범위의 Nb 및 Ta를 포함하는 표본.
따라서 얻어진 다양한 경질 코팅의 특성은 또한 표 2에 나타낸다. 제 1그룹에서, 모든 경질 코팅은 (111) 바람직한 배향을 나타내었고, (111) 면 사이의 간격은 0.239-0.242 nm 범위 내에 있었다. 이러한 면간 간격 값들로부터 얻은 격자 상수는 0.414-0.419 nm의 범위를 나타내었다.
또한, 도 2는 제 2그룹에서 다수의 다양한 질화물계 코팅에 대한 비커스 경도와 결정자 크기 사이의 관계를 보여준다. 다양한 질화물계 코팅의 x-선 회절 조사 결과, 코팅은 면심입방이고, (111) 바람직한 배향을 가진다는 것을 나타내었다. 결정자 크기는 다음 관계:
D = 0.9 λ/(βcosθ)
(상기 식에서, D는 결정자 크기, λ는 사용한 x-선 파장, β는 반너비, θ는 (111)에 대한 브래그 각이다)
로부터 얻었다. 이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 제 2그룹에서 슬라이딩 실험 표본은 3500 이상의 매우 큰 값의 비커스 경도와 슬라이딩 마모에 대한 고도의 내성을 가진다.
다음으로, 0.1-3 ㎛ 두께의 TiN 코팅을 어떤 첨가물의 첨가 없이, 도 1에 나타낸 장치의 기판 상에 먼저 성장시키고 나서, 상기 방법을 사용하여 다양한 원소를 질화물계 코팅에 첨가하여 약 5 ㎛의 최종 두께를 얻었다. 그리고 나서, 표본을 고온 증기 노출 실험하였다. 도 3은 트랩(17), 기판(표본)(W)을 지지하기 위한 홀딩 케이스(18), 한 온도에서 기판(W)을 유지하기 위한 용광로(19) 및 기판(W)에 증기를 공급하기 위한 증기 발생기(20)를 포함하는 실험 장치의 개략도를 나타낸다. 450℃에서 300시간 동안 용광로에서 표본을 유지시켰다.
노출된 표본을 주어진 시간 동안 Ar 이온으로 스퍼터링하여 표면층을 제거하고, 스퍼터링된 표면을 x-선 광전자 분광법(XPS)으로 시험하여 조성을 조사하였다. 이 공정을 반복하여, 상이한 깊이에서 산소 함량을 측정하여 부식 반응의 깊이를 평가하였다. 표 3은 첨가된 원소를 함유하는 이들 질화물계 경질 코팅이 고온 부식에 대해 내성을 나타낸다는 실험 결과를 보여준다.
다음에는 증기 터빈 내의 메이팅(mating) 링에 대한 본 발명의 적용을 설명한다. 도 4는 증기 터빈의 비접촉단면 실 구조의 한 예를 보여준다. 도 4에서, 축 슬리브(23)을 가진 회전축(22)은 실 하우징(21)에서 수용된다. 축 슬리브(23)는 키(24)를 가진 회전링(25)(메이팅 링)을 지지한다. 각 회전링(25)은 대향 고정된 링(26)을 가진다. 회전링(25)용 재료는 스테인레스강(SUS420J2)이고, 슬라이딩 표면은 DM 방법을 사용하여 본 발명의 제 1그룹 중의 고온 슬라이딩 내마모성 경질 코팅으로 코팅한다. 도면에는 도시하지 않았지만, 고압측면(H)부터 저압측면(L)까지의 회전링(25)의 슬라이딩 표면 상에 그루브가 형성된다.
고정된 링(26)은 각각 핀(27)을 통해 실 링 리테이너(28)에 연결되고, 스프링(29)은 실 링 리테이너(28)와 실 하우징(21) 사이에 제공된다. 고정된 링(26)은 스프링(29)과 실 링 리테이너(28)에 의해 각각 회전링(25)에 대해 압착된다. 여기서, 로킹 기판(locking plate)(30) 및 시어링 키(shearing key)(31)도 제공된다.
상기 구조의 비접촉 단면 실은 회전축(22)의 회전으로 작동되어, 회전링(25) 및 고정된 링(26)은 상대 운동을 하고, 회전링(25)에 제공된 그루브는 고압 측면(H) 상의 유체를 회전시키고, 허메틱 표면에 유체 실을 형성한다. 유체 막 때문에 허메틱 표면은 접촉하지 않고, 고정된 링(25)과 회전링(26) 사이에 미세 공간을 형성한다. 여기서, 도 4의 실은 정상 압축 상태에 있는 것으로 생각할 수 있으며, 이런 경우, DM 방법으로 제조된 코팅을 제 2그룹에서 회전링(25)의 슬라이딩 표면에 도포함으로써 슬라이딩 내마모성을 개선할 수 있다.
도 5는 자기 펌프 내의 스러스트 베어링에 대한 본 발명의 적용을 보여준다. 도 5에서, 스러스트 베어링은 분할벽(40)에 설치된 정적 부재(41), 및 정적 부재(41)에 면해 있고, 임펠러(44)에 고정된 가동 부재(42)를 포함한다. 영구 자석(46)은 분할벽(40)을 통하여 자기 커플링(43)에 고정되고, 임펠러(44) 상에 고정된 영구 자석(45)에 면해 있다. 자기 커플링(43)의 회전은 영구 자석(46, 45)을 통해 스러스트 베어링의 스러스트 지지대와 함께 회전하는 임펠러(44)에 자기 커플링 힘에 의해 전해진다.
그룹 1 또는 그룹 2의 본 발명의 경질 코팅은 DM 방법으로 스러스트 베어링을 구성하는 가동 부재(42)의 슬라이딩 표면에 도포된다. 정적 부재(41)는 주로 탄소계 재료로 제조한다. 이러한 스러스트 베어링을 제조함으로써, 낮은 마찰 계수와 낮은 탄소 마모율을 가진 우수한 스러스트 베어링을 얻는다. 도면에는 도시하지 않았지만, 방사상 베어링의 가동 부재의 슬라이딩 표면은 또한 본 발명의 경질 코팅으로 코팅할 수 있고, 정적 부재는 탄소계 재료로 제조하여, 유사하게 우수한 방사상 베어링을 생산할 수 있다.
도 6a, 6b는 반도체 기판 상에 평평한 표면을 생산하기 위한 화학적/기계적 연마 공구의 손상된 표면을 수리하기 위해, 본 발명을 드레싱 공구에 적용하는 본 발명의 다른 실시형태를 나타낸다. 드레싱 공구의 원판 금속 베이스(52)의 표면에는 0.3 mm의 선단 간격(apex spacing)과 0.15 mm의 높이를 가진 돌출부(54)가 제공되고, 돌출부는 DM 방법에 의해 제 1그룹 또는 제 2그룹 중의 본 발명의 경질 코팅(56)으로 코팅하여, 고경도를 가진 표면 돌출부를 생성한다.
이러한 드레싱 공구는 다이아몬드 입자(58)를 전기 플레이트된 금속 메트릭스(60)에 삽입하여 제조한 도 6c에 나타낸 통상의 드레싱 공구에 비해 동일하거나 우수한 내마모성 및 슬라이딩 마찰을 유지하면서 베이스(52)와 경질 코팅(56) 사이에 강한 결합을 나타내어, 결국 더 높은 강도 및 내구성을 나타내었다.
금속 재료가 기판으로 사용되지만, 본 발명은 금속 기판에 한정되는 것이 아니고, 동일한 결과를 얻기 위해 초경합금, 세라믹도 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.
또한, 상기 실시예에서, 베어링 유닛의 가동 부재는 금속, 초경합금 또는 세라믹 재료로 제조하고, 본 발명의 경질 코팅은 부재의 슬라이딩 표면에 도포하였다. 그러나, 정적 부재를 금속, 초경합금 또는 세라믹 재료로 제조하고, 본 발명의 경질 코팅을 슬라이딩 표면에 도포하고, 가동 부재를 탄소계 재료로 제조할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서, 본 발명의 경질 코팅을 가진 슬라이딩 부재와 연결된 재료는 수지-침투된 경질 탄소 또는 경질 탄소뿐이지만, 연결 재료는 이러한 조합에 한정되지 않는다. 탄소-침투된 재료를 포함하여, 다양한 탄소계 재료를 사용할 수 있다. 탄소 함유 재료는 탄소계 조성 재료(탄소 섬유 강화된 조성 재료, 탄소 조성 재료), 탄소강, 주철, 카바이드 화합물(SiC, Cr3C4, TiC 등), 및 탄소-그룹 코팅(DLC 막, TiC 코팅)을 포함할 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 제 1그룹에 따르면, 본 발명의 슬라이딩 부재는 TiN 코팅의 우수한 내마모성 및 낮은 마찰 특성을 유지하면서, 고온 부식에 대해 개선된 내성을 가지는 고온 슬라이딩 적용을 위한 경질 코팅을 제공한다. 또한, 본 발명의 제 2그룹 슬라이딩 부재에 따르면, TiN 코팅의 경도 및 이의 내마모성은 오늘날의 회전 기계에 사용되는 고속 및 고압의 결과로 요망되는 슬라이딩 마모에 대한 고도의 내성을 위해 더 개선된다.
본 발명은 증기 터빈, 가스 터빈과 같은 고온에서 작동하는 회전 기계에 사용되는 베어링 및 실과 같은 고온 슬라이딩 성분, 또는 고도의 내마모성 및 낮은 마찰 특성을 필요로 하는 절삭공구와 같은 이러한 성분들에 적용할 수 있다.
Claims (18)
- 기판 및 상기 기판 상에 형성된 경질 코팅을 포함하고, 상기 경질 코팅이 질화티탄 및 Cr을 포함하고, 질화물계 재료의 결정에서 0.414 내지 0.423 nm의 범위의 격자 상수를 가지는 면심입방 결정 구조를 가지는 질화물계 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
- 삭제
- 기판 및 상기 기판 상에 형성된 경질 코팅을 포함하고, 상기 경질 코팅이 질화티탄 및 B를 포함하고, 평균 크기가 9 nm 이하인 결정자를 포함하는 면심입방 결정 구조를 가지는 질화물계 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 기판 및 상기 기판 상에 형성된 경질 코팅을 포함하고, 상기 경질 코팅이 질화티탄 및 Zr 및 Hf로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함하고, 질화물계 재료의 결정에서 0.414 내지 0.423 nm 범위의 격자 상수를 가지는 면심입방 결정 구조를 가지는 질화물계 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
- 제 1항, 제 3항 및 제 10항 중의 어느 한 항에 있어서,상기 질화물계 재료가 불가피한 불순물을 제외하고는, 화학식:Ti(100-x)Mex 질화물 화합물(상기 식에서,Me는 Cr, Zr, Hf 및 B로 구성된 그룹에서 선택된 한 원소를 나타내고, x는 2 원자% ≤x ≤30 원자% 관계의 범위 내에 있다)로 정의된 화학적 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
- 질소 이온을 함유하는 이온 빔을 사용하여 상기 기판을 조사하면서 진공에서 Ti와 Cr, Zr, Hf 및 B로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소를 상기 기판 상에 동시에 증착시킴으로써, 상기 기판 상에 경질 코팅을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제 1항, 제 3항, 제 10항 및 제 11항 중의 어느 한 항에 따른 슬라이딩 부재의 제조방법.
- 가동 부재와 정적 부재의 조합을 포함하고, 상기 가동 부재 또는 정적 부재가 제 1항, 제 3항, 제 10항 및 제 11항 중의 어느 한 항에 따른 슬라이딩 부재로 제조되거나, 또는 제 12항에 따른 방법으로 제조되고, 나머지 부재는 탄소 함유 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재의 제조방법.
- 제 13항에 있어서,상기 탄소 함유 재료가 탄소가 함유된 재료, 탄소가 침투된 재료 또는 탄소 함유 박막인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재의 제조방법.
- 제 1항, 제 3항 및 제 10항 중의 어느 한 항에 있어서,상기 기판이 금속 재료인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
- 제 12항에 있어서,상기 기판이 금속 재료인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재의 제조 방법.
- 제 13항 또는 제 14항에 있어서,상기 기판이 금속 재료인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재의 제조방법.
- 제 1항, 제 3항 및 제 10항 중의 어느 한 항에 따른 슬라이딩 부재를 포함하거나, 또는 제 12항에 따른 방법에 의해 만들어진 슬라이딩 부재를 포함하는 드레싱 공구.
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