한국표면공학회지 J. Kor. Inst. Surf. Eng.
Vol. 43, No. 6, 2010.
<연구논문>
6xxx계 알루미늄합금의 압출 금형용 SKD61 강재에 증착된 TiAlN, CrAlN 박막의 마찰·마모에 대한 연구
김민석, 고진현, 김상호*
한국기술교육대학교 신소재공학과
A Study on the Friction and Wear Characteristic of TiAlN and CrAlN Coating on the SKD61 Extrusion Mold Steel for 6xxx Aluminum Alloy
Min Suck Kim, Jin Hyun Kho, Sang Ho Kim*
Dept. of Materials Engineering, Korea University of Technology and Education, Cheonan 330-708, Korea
(Received October 13, 2010 ; revised December 30, 2010 ; accepted December 30, 2010)
Abstract
In this research, the friction and wear characteristic behaviors of coating materials of TiAlN and CrAlN were investigated. The wear test was conducted in air and un-lubricated state using the reciprocating friction wear tester. Temperature were 50 and 120oC, and load were 3, 7, and 11 kgf for tests. By comparing the coefficient of friction and observing the wear microstructure, the friction and wear characteristic behaviors of TiAlN and CrAlN coating layers on SKD61 were investigated. The coefficient of friction of CrAlN coating was lower than that of TiAlN at all conditions. Therefore, CrAlN was suggested to be more advantageous coating than TiAlN for the extrusion mold of aluminum.
Keywords: TiAlN, CrAlN, Coefficient of friction, SKD61
1. 서 론
가혹한 환경에서의 기계장치 사용요구가 우수한 부품 및 재료를 필요로 한다. 이에 각종 정밀 금 형 및 부품소재에 기계적 특성이 다른 기능성 물 질을 코팅하여 원소재가 갖는 고유의 특성보다 우 수한 성질을 표면에 부여하는 코팅기술이 개발되 고 있다1,2).
이에 본 논문에서는 최근 들어 각광받고 있는 TiAlN, CrAlN 고경도 화합물 박막코팅을 정밀 금 형부품소재의 성능 및 수명향상을 위한 목적으로 수행하였다.
TiAlN 박막은 약 0.7의 건식마찰계수를 가지며 500oC의 고온에서도 내 산화성이 우수하며, 내마모,
내 충격성 등의 기계적 성질이 뛰어나다. 500oC이 하에서 막 경도가 약 2600~3200 Hv으로 높은 경도 를 가지며3), 고속작업에 적합하다는 장점이 있다4). 또한 약 0.6의 건식마찰계수를 갖는 CrAlN은 500oC 이하에서 박막의 경도가 약 2600~3100 Hv이고, 고 온 내 산화성이 우수하며 높은 압출 속도에 비해 마찰계수가 낮아 국내에서도 CrAlN의 금형 적용에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다5).
이에 본 논문에서는 TiAlN, CrAlN 고경도 화합 물 박막을 금형의 성능 및 수명향상을 위한 목적 으로 압출금형재로 널리 사용되고 있는 SKD61 금 형소재에 이온플레이팅법으로 성막하여 마모시험 을 실시하였다. 직선왕복운동 마모시험기를 이용 하여 하중과 온도에 따른 마찰계수 및 마모깊이를 측정하고, 주사전자현미경을 통해 마모형태를 관 찰하였다.
*Corresponding author. E-mail : [email protected]
2. 실험 방법
2.1 시험편준비
본 실험에서는 그림 1과 같이 봉상의 SKD61 금 형소재에 TiAlN, CrAlN을 코팅하여 직선왕복운동 마모시험기의 상부시험편(pin)으로 사용하였고, 하 부시험편(disc)은 Al6061을 사용하였다. 상부시험편 (pin)은 지름 8 mm, 높이 19 mm의 봉상의 시편에 TiAlN과 CrAlN 박막을 이온플레이팅법으로 증착하 였다. 증착조건은 표 1에 나타내었다.
증착 후 마이크로 비커스경도계(Micro Vickers hardness tester)를 이용하여 증착박막의 표면경도를 측정하였다.
또한 상대재로서 사용된 Al 6061 시편의 조성은 표 2와 같다.
2.2 실험방법
본 실험에서는 pin on disc 방식으로 마모 실험을 진행하였다. 그림 2와 같이 상부에 있는 척에는 pin 을 고정하고 하부의 지그에는 disc 형태의 시험편 을 고정한 다음 pin의 수직하중과 좌·우 상대운동 을 통하여 disc에 마찰을 발생시켜 마모상태를 관
찰하였다. 실험조건은 표 3과 같이 상온, 무윤활, 대기압상태에서 수행되었으며, pin의 왕복 frequency 는 1 Hz로 항상 일정하게 하였다. 실험변수로 하중 을 3, 7, 11 kgf로 변화시키면서 실험을 진행하였고, 하부 시험편의 온도를 50, 120oC로 증가하면서 실 험을 진행하였다. 이 후 마찰계수 및 마모깊이의 변 화와 마모면의 변화를 분석하였다.
3. 실험결과 및 고찰
3.1 박막의 특성평가
그림 3은 표면에 TiAlN이 증착된 봉상의 SKD61 시편의 단면을 광학현미경으로 촬영한 것이다. 표 1 의 조건으로 증착된 TiAlN 박막의 두께는 3.58 µm 이였으며, CrAlN 역시 동일한 두께를 나타냈다. 마 이크로비커스경도계를 이용하여 증착된 각 코팅층 의 표면경도를 측정한 결과, TiAlN은 약 3195(Hv), CrAlN은 약 3060(Hv)의 경도값을 나타냈다.
Fig. 1. Shape of pin on disc test pieces.
Table 1. Deposition condition of TiAlN and CrAlN Deposition condition
Target (size) Ti, Cr/Al (99.9%, 2 inch) Working pressure 0.12 Pa
Gas Ar + N2
Distance (target-substrate) 150 mm
Table 2. Component of Al 6061
Grade Elements (wt%)
Al Mg Si Cr Mn
Al6061
96.36 1.2 0.8 0.04 0.15
Ti Cu Zn Fe other
0.15 0.2 0.25 0.7 0.15
Fig. 2. Reciprocating friction wear test for pin on disc type.
Table 3. Wear test condition Parameter
Laod 3, 7, 11 kgf
Temperature (disc) RT, 50, 120oC
Time 1800 sec
Frequency 1 Hz
Others Atmospheric pressure, un-lubrication
Fig. 3. The cross-sectional image of TiAlN coating layer.
3.2 하중에 따른 마찰계수 변화
그림 4는 코팅된 각 시험편에 대한 수직하중에 따른 마찰계수 변화를 나타낸 것이다. 수직하중을 3, 7, 11 kgf으로 가했을 때, TiAlN이 코팅된 SKD61 시험편의 마찰계수는 0.606, 0.635, 0.649이였고, CrAlN이 코팅된 SKD61 시험편의 마찰계수는 0.586, 0.618, 0.624로 나타났다. 각 수직하중에서 CrAlN 코팅의 경우 TiAlN 코팅에 비해 마찰계수가 3.4%, 2.75%, 4.0% 정도 낮았다.
또한 하중이 증가함에 따라 각 시험편의 마찰계 수도 증가하는 경향을 보였는데, 이는 하중이 증가 하면서 상부 시험편과 하부 시험편 사이의 실제 접 촉부분 증가와 높은 압력에 의한 소성변형의 발생 에 의해 마모량이 늘어난 것으로 판단된다6).
그림 5는 11 kgf의 하중에서 각 코팅층에 대한 마 모깊이를 나타낸 것이다. TiAlN의 평균 마모깊이는 0.00318 mm, CrAlN는 0.0012 mm이였으며, 마찰거 리가 길어질수록 마모깊이는 증가하는 경향을 그래 프에서 확인하였다.
3.3 온도에 따른 마찰계수 변화
그림 6은 시험하중 11 kgf에서 하부 시험편의 온 도를 상온, 50oC, 120oC로 변화하였을 때 마찰계수
를 측정한 것이다. 그 결과 TiAlN 코팅은 0.649, 0.606, 0.602, CrAlN 코팅은 0.624, 0.600, 0.590로 나타났다. 이 결과로부터 알 수 있는 것은, 온도가 증가하면서 상대재의 표면부가 연해지고 이로 인해 연삭마모가 발생하여 표면의 피막이 쉽게 탈착되어 마찰계수가 감소한다는 것이다6).
상온과 120oC에서 마모시험을 수행한 후 하부시 험편의 마모면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진 을 그림 7에 나타냈다.
하부시험편의 온도가 증가할수록 마모면은 점점 매끄러워지는 것을 알 수 있는데, 이는 온도증가와 함께 마찰계수가 감소하는 것과 관계된다. 또한 Fig. 4. Comparison of the coefficient of friction at
different loads.
Fig. 5. Comparison of the depth of wear at 11 kgf load.
Fig. 6. Comparison of the coefficient of friction at different temperature.
CrAlN에 의한 마모형태가 상대적으로 더욱 평탄한 것을 알 수 있다.
이러한 CrAlN의 특성으로 볼 때, 상온 및 고온의 Al 압출조건에서 TiAlN에 비하여 금형의 수명연장 Fig. 7. Worn surface of Al6061 disc observed by FE-SEM.
Fig. 8. FE-SEM cross sectional images of (a) TiAlN/11 kgf/120oC, (b) CrAlN/11 kgf/120oC.
Fig. 9. Worn surface roughness of (a) TiAlN, (b) CrAlN at RT observed by AFM.
과 우수한 압출재 표면조도를 구현하는데 유리하다 는 것을 나타낸다.
그림 8은 11 kgf, 120oC에서 TiAlN과 CrAlN의 마 찰 마모 시험 후의 표면 상태를 분석한 것이다. 두 시편 모두 코팅 층의 두께는 약 3.58 µm로, 마모시 험 후 CrAlN의 경우 코팅층의 손상이 거의 없었으 나, 반면에 TiAlN은 마찰에 의한 표면의 손상이 발 생하는 현상이 나타났다.
또한 그림 9는 상온에서 마모시험 후 TiAlN과 CrAlN 코팅층의 표면조도를 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 측정한 것으로, TiAlN의 표 면조도 값은 21.193 nm, CrAlN은 13.830 nm으로 나 타났다. 이 결과로부터 TiAlN에 비해 CrAlN 코팅 층이 Al 6xxx계와 낮은 마찰계수를 가짐으로써 압 출시 금형과 압출재 모두 매끈한 표면을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
4. 결 론
1. 수직하중이 증가함에 따라 마찰계수는 증가하 였으며, 이는 하중이 증가하면서 발생되는 접촉면 의 증가와 소성변형에 의한 것임을 알 수 있다. 각 하중에서 CrAlN의 마찰계수는 0.586, 0.618, 0.624 로 TiAlN에 비해 낮은 값을 나타냈으며, 또한 상대 재의 마모깊이도 낮았다.
2. 하부시험편의 온도가 증가할수록 각 코팅에 대 한 마찰계수는 감소하며 마모면의 형태도 점점 매
끄러워 지는 것을 알 수 있다. 이는 온도증가에 따 른 연삭마모의 증가와 동시에 표면의 피막탈착이 원활하기 때문이라 판단된다.
3. CrAlN이 TiAlN에 비하여 경도는 작지만, 상온 및 고온의 마찰계수가 작기 때문에 Al 압출금형 코 팅재료로 금형의 내마모 특성 향상을 위한 표면 코 팅재료로 상대적으로 활용 가능성이 높은 것을 확 인하였다.
후 기
본 연구는 한국기술교육대학교의 교육연구진흥비 의 지원으로 수행되었습니다.
참고문헌
1. 장정환, 김남경, 김해지, 장기, 허철수, 류성기, 한국 기계가공학회지, 9 (2010) 40.
2. 김상식, 김갑석, 한전건, 한국자동차공학회 1997년 춘계학술대회 논문집, 6 (1997) 617.
3. 이봉구, 오성모, 전찬열, 김정기, 김동현, 한국공작 기계학회 논문집, 14 (2005) 2.
4. 정인수, 옥철호, 이규용, 2005년 대한기계학회 춘계 학술대회 논문집, 5 (2005) 401.
5. K. Bobzin, N. Bagcivan, N. Goebbels, K. Yilmaz, B.-R. Hoehn, K. Michaelis, M. Hochmann, Surf.
Coat. Technol., 204 (2009) 1097.
6. R&B Technical Note. (2005) 52.
