Journal of the KSTLE Vol. 26, No. 3, June 2010, pp. 162~166 The Korean Society of Tribologists & Lubrication Engineers
Ti-계 코팅이 SCM415강의 마찰·마모 특성에 미치는 영향
장정환·탁성훈·장 기·허철수·류성기
*
†경상대학교 대학원 기계항공공학부
*경상대학교 항공기부품기술연구소(K-MEM R&D Cluster)
Effect of the Ti-series Coating on the Friction and Wear Characteristics of SCM415 Steel
Jeong-Hwan Jang, Sunghoon Tak, Qi Zhang, Zhezhu Xu and Sungki Lyu *
†School of Mechanical & Aerospace Eng., Graduate School Gyeongsang National University
* School of Mechanical & Aerospace Eng., Gyeongsang University, ReCAPT(K-MEM R&D Cluster)
(Received January 28, 2010; Accepted April 15, 2010)
Abstract − The purpose of this study is to show the friction and wear characteristics on the vapor deposited Ti- series coating layers on the SCM415 steel. In this research, frictional wear characteristic of coating materials such as TiN, TiCN, TiAlN was investigated under room temperature, normal air pressure and dry lubricating con- dition. Therefore this study carried out research on the friction coefficient, micro hardness(Hv), roughness, SEM on the vapor deposited coating layers on the SCM415 steel.
Keywords − friction( 마찰 ), wear( 마모 ), coating layer( 코팅층 ), friction coefficient( 마찰계수 ), Ti-series coating (Ti 계 코팅 ), SEM( 주사전자현미경 )
1. 서 론
최근 선진국에서는 기계부품의 내마모성을 향상시키 기 위하여 경질 코팅층 코팅법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 경질 코팅층 코팅법은 산업분야에서 다 양하게 응용될 수 있는 표면처리 기술로서 플라즈마, 아 크열원, 가스화염 등을 이용하여 모재 표면에 세라믹 분 말을 고속도로 분사시켜 접착시키는 코팅방법이다[1,2].
특히, 플라즈마 용사 법은 다른 코팅방법과는 달리 상 온 및 대기압에서도 가능하며, 용사재료 및 모재에 대 한 선택제한이 적을 뿐만 아니라, 각종 모양 구성 요소 위에 넓은 범위에서 코팅재를 접착시킬 수 있는 효과 적이고도 유연성이 있는 코팅기술이다[3]. 이러한 특성 을 이용하여 정밀기계, 항공기, 산업기계 등에서 플라 즈마 코팅방법을 널리 사용하고 있으며, 그 응용범위도
넓어지고 있다[4,5]. 현재 각광을 받고 있는 Ti 코팅의 특성과 내마모의 장점을 가지고 있는 Ti 코팅재라도 상 대 재료와의 극심한 마찰과 가혹한 작업환경조건의 영 향으로 마모와 융착 등 트라이볼로지적인 현상이 수반 된다. 따라서 Ti 코팅이 기계부품의 마찰마모 특성에 미치는 영향에 관한 연구가 요구되고 있다[6].
본 연구에서는 기어의 내마모성 향상을 위한 기어코 팅기술을 연구하기 위하여 기어재료로 많이 사용하고 있는 SCM415강의 코팅층에 따른 마찰마모 특성을 고 찰하고자 한다. 오늘날 모재의 표면에 경질층을 코팅함 으로써 모재의 변화를 최소화함과 동시에 재료의 물성 을 향상시킬 수 있는 장점을 가지고 있는 코팅재에 관 한 연구가 많이 이루어지고 있는 실정이다.
따라서 본 연구에서는 기어에 적용하기 위한 단계적 실험으로 재료표면에 TiN, TiCN, TiAlN 코팅재를 플라 즈마상태에서 증착시킨 시편을 사용하여 상온, 대기압, 무윤활 하에서 마찰마모 특성을 연구하고자 한다. 우선
†주저자·책임저자 : [email protected]
시험편의 표면거칠기 (Roughness) 를 측정하여 정확한 실
험이 이루어지도록 하고 , 각각의 코팅층의 미소경도
(Micro hardness) 값의 차이를 관찰하고자 한다 . 또한 하중의 변화에 따른 마찰계수 (Friction coefficient) 를 측 정하여 마찰계수의 변화를 고찰한다 . 그리고 주사전자
현미경 (SEM) 과 광학현미경을 이용하여 실험 후의 코
팅층의 표면을 고찰하고자 한다 .
2. 시험편 및 실험방법
2-1. 시험편
본 실험에서는 기어재료로 널리 사용되고 있는
SCM415 강을 시험편의 모재로 선택하였다 .
시험편의 주요 제원은 Pin type 시험편은 Fig. 1 과 같이 직경 5 mm, 길이 25 mm 이고 , Disc Type 시험 편은 직경 30 mm, 두께 10 mm 로 제작하였다 . Disc Type 시험편은 Pin 과의 접촉면의 표면거칠기를 0.8 µ m ( 중심선 평균값 (Ra)) 은 이하인 것만을 사용하였다 .
시험편의 가공공정은 재료 선정 후 시험편의 직경의 가공공차는 (-) 공차로 가공하였고 양쪽 면을 연마 및
Polishing 하여 제작하였다 . 그리고 시험편 Disc 와 Pin 모
두 열처리 조건으로 담금질 (Quenching) 공정으로 870
oC
에서 2 시간 30 분 동안 유지한 후 , 뜨임 (Tempering) 공 정을 550
oC 에서 2 시간 동안 유지하여 수행하였다 . 그
후 질화 (Nitriding) 처리 공정과 250~500
oC 사이의 진 공상태에서 물리증착법 (PVD) 을 이용한 약 5 µ m 의 표 면처리를 행하였다 . 코팅재로는 TiN, TiCN, TiAlN 이
사용되었고 코팅작업이 완료된 후 시험편의 코팅색상 은 TiN film 은 황금색 , TiCN film 은 청회색 , TiAlN film 은 보랏빛회색을 띤다 .
2-2. 실험방법
실험방법은 Fig. 2 와 같이 102-PDwear tester 를 사 용하여 ASTM G99 Wear testing with a pin on disc
규격에 의거하였다 . 실험 직전 및 직후 시편은 항상 깨끗하게 세척하고 Pin 이나 Disc 시험편은 1
o이내로 지그에 수직을 맞추어 단단히 고정하고 원하는 하중을 가한 후 모터를 구동하였다 . 그리고 원하는 속도를
setting 하고 실험이 종료되는 시간을 정하였다
실험조건은 Table 1 과 같이 상온 , 대기압 상태 , 건식 마찰 하에서 수행되었으며 Pin 의 궤적 반지름은
11.5 mm, 회전속도는 100 rpm(0.12 m/s) 으로 항상 일정 Fig. 1. Test piece shape of pin and disc type. Fig. 2. 102-PD wear tester.
Table 1. Experimental condition
Velocity 100 rpm (0.12 m/s) Load 9.81, 19.62, 29.43 N
Times 300 sec
Others Normal temperature, atmospheric pressure and dry wear
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하게 하고 실험하중을 9.81, 19.62, 29.43 N 으로 변화시 키면서 각 실험을 정상상태마찰 (Steady state friction) 에
이르는 300 sec 동안 진행하였으며 실험 후 하중에 따
른 마찰계수와 마찰거리에 따른 마찰계수의 추이를 측 정하였다 . 그리고 본 연구에서는 Pin on disc 방식을 채택하여 수행하였다 .
3. 실험결과 및 고찰
3-1. 코팅 전후의 미소경도
시편의 표면은 #2000 사포로 연마하여 거칠기를 조
정하였다 . 이 때 표면 평균 거칠기는 0.75 µ m 로 나타
났다 . 경도 측정은 미소경도측정기 (FM-ARS 9000) 를 사용하여 Test load 50 gf, Dwell time 10 sec 의 조건 으로 기계가공에서부터 코팅 과정까지의 모든 시편을 대상으로 이루어졌으며 그 결과값은 Fig. 3 과 같다 .
미소경도값은 코팅재료에 따라 다소 차이를 보였는 데 , 기계가공과 질화처리를 거친 시험편의 경도값은
257 Hv 로 나타났다 . 그리고 TiN film 은 898 Hv, TiCN film 은 1339 Hv 를 보인 반면에 TiAlN film 은 1756 Hv
의 가장 우수한 미소경도값을 보였다 .
이와 같이 시험편의 표면에 코팅층이 형성됨에 따라 미소경도값의 향상을 가져올 수 있으며 , 본 실험의 코 팅층 중에서는 알루미늄 성분의 첨가가 미소경도값의 향상에 영향을 주었던 것으로 생각된다 .
3-2. 하중에 따른 마찰계수의 변화
Fig. 4 는 각 시험편에 대한 수직하중의 변화에 따른
마찰계수의 변화를 나타낸 것이다 . 실험 하중을 9.81, 19.62, 29.43 N 으로 주었을 때 TiN film 의 마찰계수는
0.389, 0.231, 0.172, TiCN film 의 마찰계수는 0.374, 0.224, 0.167, TiAlN film 의 마찰계수는 0.351, 0.204,
0.076 로 나타났다 . 위에서 알 수 있듯이 하중이 증가함
에 따라 마찰계수가 다소 감소하는 경향으로 나타났다 .
이것은 마찰력이 일정할 때 , 적용하중이 증가하면 마 찰계수가 감소함을 의미한다 .
그리고 실험하중을 9.81 N 으로 가했을 때 마찰계수 Fig. 3. The relationship between micro hardness(Hv)
and coating layers.
Fig. 4. Comparison of the friction coefficient for films
as a function of sliding distance.
는 TiN film 과 비교해서 TiCN film 은 4% 낮아졌으 며 TiAlN film 은 10% 낮아졌다 . 시험하중을 19.62 N
으로 가했을 경우에는 TiN film 을 기준으로 TiCN
film 은 3% 낮아졌으며 TiAlN film 은 12% 낮아졌다 .
마지막으로 29.43 N 으로 시험하중을 가했을 경우의 마 찰계수는 TiN film 과 비교해서 TiCN film 은 2% 낮
아졌으며 TiAlN film 은 56% 낮아졌다 . 그 결과 하중 의 변화에 따른 일정한 경향을 읽을 수 있고 , 동일하 중에 대한 마찰계수의 값이 TiN, TiCN, TiAlN film
순으로 감소한다는 것을 알 수 있다 . 마찰계수는 마찰 력과 수직하중의 비로 계산되며 , 디스크와 핀 사이의
상대운동이 시작하는 순간과 정상 상태에서 각각 측정 하여야 한다 [7].
3-3. 코팅층의 마모 상태 고찰
Fig. 5(a) 는 TiN film 을 마모 실험 후 Disc Type
시험편의 마모 흔적을 주사전자현미경을 이용하여 500
배율로 확대해서 촬영한 것이다 . 주로 응착마모와 연 삭마모 현상이 나타나 있는 것을 관찰 할 수 있었고
TiCN film 은 Fig. 5(b) 와 같이 TiN film 과 비슷한 마 모 흔적이 나타난 것을 확인 할 수 있었다 . 하지만 Fig. 5(c) 는 TiAlN film 의 마모 흔적을 촬영한 것인데 응착마모 현상은 거의 없어지고 주로 연삭마모로 인한
마모 흔적이 나타난 것을 확인 할 수 있었다 . Pin
Type 의 마모는 마찰부분에서 코팅층이 완전히 제거된 상태로 나타났다 .
이러한 실험결과 본 실험의 마찰마모 메커니즘은 주 로 연삭마모 , 응착마모라는 것을 보여준다 . TiAlN film 의 시험편이 TiN, TiCN film 보다 응착마모 현상은
줄어들고 연삭마모 현상이 주를 이루는 경향을 알 수 있다 . 이는 TiAlN film 의 시험편은 외부하중에 대한
내구성이 뛰어난 것으로 볼 수 있다 .
4. 결 론
본 연구에서는 Ti 계 (TiN, TiCN, TiAlN) 코팅
SCM415 강의 디스크 시험편과 핀을 상온 , 대기압 , 무
윤활 상태에서 각 코팅 시편당 하중을 9.81, 19.62,
29.43 N 으로 변화시키면서 , Pin on disc 방식의 마찰마
모 시험을 실시하여 Ti 코팅재의 마찰마모 특성을 고찰 하고 , 광학 현미경 및 주사 전자 현미경을 이용하여 코
팅 층 표면을 고찰한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다 . 1. 마모 실험 결과 하중이 증가함에 따라 마찰계수가 감소하는 것으로 나타났다 . 즉 , 하중을 9.81 N 을 가했
을 경우와 19.62, 29.43 N 으로 하중을 주었을 때 TiN
film 의 마찰계수는 각각 41, 56%, TiCN film 의 마찰
계수는 40, 55%, TiAlN film 의 마찰계수는 42%,
Fig. 5. SEM micrographs of wear scar.
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78% 감소한 경향을 보였다 .
2. 29.43 N 에서 동일한 하중에 따른 마찰계수의 변화
는 TiAlN film 이 TiCN film 과 TiN film 에 비해 각 각 54, 56% 감소하였다 .
3. 코팅층에 따른 비커스 경도값은 TiAlN film 이
TiCN film 에 비해 31% 향상되었고 TiNfilm 에 비해
95% 향상된 결과를 보였다 . 그리고 표면처리를 함으
로써 비커스 경도값이 향상되었다 .
4. TiAlN film 은 TiN, TiCN film 보다 응착마모현상 이 현저하게 줄여드는 경향을 보였으며 , 마모 메커니 즘은 연삭마모 , 응착마모가 주로 나타났다 .
후 기
이 논문은 한국산업기술진흥원의 지역혁신 인력양성 사업의 지원으로 수행되었으며 이에 감사드립니다 .
참고문헌
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