[논문]모재의 표면 거칠기가 DLC 코팅의 마멸수명에 미치는 영향

이영제; 신경섭; 조정우

doi:10.9725/kstle.2005.21.3.130

모재의 표면 거칠기가 DLC 코팅의 마멸수명에 미치는 영향
The Effects of Surface Roughness on Wear-life of DLC Coating in Dry Sliding 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.21 no.3, 2005년, pp.130 - 135

이영제 (성균관대학교 기계공학부) , 신경섭 (성균관대학교 대학원 기계공학과) , 조정우 (성균관대학교 대학원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Dry sliding wear resistance of DLC coated silicon disk with different surface roughness has been evaluated using a ball-on-disk sliding tester. It was found that the transfer layer formed on steel ball produced a low friction regime and the formation of transfer layer was more active with increasing...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 전이층이나 산화막의 형성에 미치는 영향 중에 하나가 표면 거칠기인데, 거칠기에 따라 접촉 면적과 압력이 달라지기 때문이다 [8]. 본연구에서는 이러한 거칠기를 변수로 하여 미끄럼 운동 시 변화하는 DLC 코팅의 수명을 살펴보고자 한다.
4N을 사용하였다. 이는 가급적 속도를 낮추어 회전에 따른 흔들림과 시편의 상하운동을 최소화하여 균일한 마멸자국을 얻기 위하여 저속을 선택하였다. 하중은 다른 변형 없이 코팅의 수명을 측정하기 위해서 점진적 마멸이 일어나도록 사전 실험을 통해 선택되었다.

가설 설정

1. DLC 코팅과 강구와 의 미끄럼 접촉 시 형성되는 전이층은 DLC 코팅에서 강구로 응착에 의해 형성된다. DLC 코팅과 강구와의 저마찰 특성은 이렇게 형성된 전이층이 두 재료 사이에서 전단력을 감소시키는 역할을 하기 때문에 나타나게 된다.

제안 방법

건 마찰 상태에서 강구와 서로 다른 표면 거칠기를 갖는 실리콘디스크에 증착한 DLC 코팅과 의 미끄럼운 동 시 접촉부에 생성된 전이층이 코팅의 마멸수명에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 미끄럼 실험을 반복하여 수행한 후 다음과 같은 결론을 얻었다.
서로 다른 표면 거칠기를 갖는 시편을 제작하기 위해 연마지를 사용하여 R, 0.386 gm, 0.166 |im, 0.07 3 |im, 0.057 µm로 연마를 한 후 아세톤으로 초음파 세 척을 하여 불순물과 잔류 유기물을 제거하였다. 서로 다른 표면 거칠기를 갖는 모재가 DLC 코팅의 마멸수명에 미치는 영향을 조사하기 위하여 마이크로웨이브플라즈마 증착법 (microwave plasma-enhanced chemical vapor deposition method)을 이용하여 DLC로 코팅을 하였다.

대상 데이터

1과 같다. 마찰 및 마멸 실험에 사용한 볼시편은 지름이 10mm인 베어링 강구를 사용하였다. 상대재인 DLC가 코팅된 실리콘디스크의 경우 코팅의 보호를 위하여 알코올로 불순물과 잔류 유기물을 제거하였다.
마찰 및 마멸 실험을 위한 시편 재료로는 실리콘디 스크와 베어링 강구를 사용하였다. 서로 운동하는 상대면 두 재료 모두 대량 생산되어 품질이 비교적 균일하다.
서로 운동하는 상대면 두 재료 모두 대량 생산되어 품질이 비교적 균일하다. 실리 콘 디스크는 두께가 750 mm이며, CMP 공정에 의해 정밀 표면 가공하여서 중심 선 거칠기 0.017 |im R, 의표면 거칠기를 나타내었다.

이론/모형

057 µm로 연마를 한 후 아세톤으로 초음파 세 척을 하여 불순물과 잔류 유기물을 제거하였다. 서로 다른 표면 거칠기를 갖는 모재가 DLC 코팅의 마멸수명에 미치는 영향을 조사하기 위하여 마이크로웨이브플라즈마 증착법 (microwave plasma-enhanced chemical vapor deposition method)을 이용하여 DLC로 코팅을 하였다. 직류 바이어스 전압은 -450''/이고, 코팅의 두께는 폴리싱을 하지 않은 제일 고 운 실리 콘디스크 경우 0.

성능/효과

2. DLC 코팅과 강구와 의 미끄럼운동시 형성되는 전이층은 R, 0.073 nm 이상에서는 실접촉 면적이 줄어들어 빠르게 생성되므로 미끄럼시 발생하는 마찰계수는 마찰천이 구간을 거치지 않고 바로 저 마찰구간에서 고 마찰구간으로 천이 된다.
3. DLC 코팅의 마멸수명은 상대 재와 코팅 간의 실접촉 면적이 감소할수록 접촉면에 발생하는 접촉응력은 증가하기 때문에 감소하며, 표면의 거칠기가 큰 경우에도 코팅과의 실접촉 면적이 증가하게 되면 마멸수명은 증가한다.
각각의 그래프는 동일한 조건으로 5회 측 정한 결과이다. 모재의 표면 거칠기가 R, 0.017 μm에서 0.057 |irn로 변화할 때 급격한 마멸수 명 의 감소를 보이며, 0.057 μ이에서 0.073 μm으로 변화할 때도 급격하게 마멸 수명이 감소하는 것을 알 수 있다. 하지만 0.
각 부분은 미끄럼 운동 초기에 나타나는 강구와 DLC 코팅의 직접적인 초기 마찰로 인한 마찰천이구간, 그리고 시간이 지나 마찰이 안정된 신호를 보이는 저 마찰구간, 마지막으로 마찰이 다시 급격히 상승하는 고 마찰구간이다. 이러한 DLC 코팅과 강구의 미끄럼 실험 결과 나타나는 마찰계수의 변동으로부터 두 미끄럼면 사이에서 발생하는 현상이 일정한 것이 아니라 매우 다양하며 시간에 따라 변화한다는 것을 알 수 있다.
4(c)에서처럼 실리콘디스크에서 떨어져 나온 Si 성분과 Fe, O 성분 이 나타난 것으로 보아 Fe계열의 산화 전이층이 형성되는 것을 EDX 분석에 의해 알 수 있다. 즉, DLC 코팅의 저마찰 특성은 강구에 응착된 C와 Fe, 0 성분 의 전이층에 의한 것임을 알 수 있고, 이것이 제거되면서 마찰이 크게 증가함을 알 수 있다.

후속연구

이러한 세라믹 코팅은 내열성이 우수하고 표면 경도 가 매우 높아 상대 재료와의 접촉 시 마찰계수가 낮아서 내마멸성이 우수하며 화학적으로 매우 안정하기 때문에 열화학적으로는 차단막의 역할을 한다[3-5]. 따라서 앞으로 전반적인 기계부품에 있어 세라믹 코팅의 사용이 광범위하게 응용될 것으로 기대된다[6-8].

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