[논문]WC/C 박막의 윤활접촉하의 마멸기구

안효석; 김두인

doi:10.9725/kstle.2008.24.6.302

문제 정의

본 연구는 엔진의 태핏에 플라즈마 박막 코팅 기술을 적용하여 마찰을 저감시킴으로써 연비를 향상시키고에너지 절약게 기여할 수 있는 최적의 코팅재를 선정하는 데에 도움이 되는 기초 정보를 제공하기 위한 목적으로 WC/C 상용 코팅을 대상으로 수행되었다. 즉, 엔진 태핏의 접촉조건과 같은 윤활 상태에서의 코팅층의 마찰 및 마멸 거동을 규명하고 이와 관련된 마찰 및 마멸 메카니즘을 이해함으로써 WC/C 코팅이 실제 엔진 부품에 활용되었을 경우에 발생하는 마찰 및 마멸 현상을 예측하며 본 연구 결과로 제공된 트라이볼로 지적 성능을 기본 자료로 활용해 최적의 코팅을 설계하기 위한 기술적 기반을 마련코자 시도되었다.
본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 기술로 제조되어 상용으로 적용되고 있는 WC/C 박막 코팅을 엔진 피스톤링과 태핏 등에 적용하기 위한 연구의 일환으로 WC/C 박막 코팅에 대한 윤활접촉 하에서의 길들이기 특성을 파악하고 관련된 마찰 및 마멸거동을 이해하여 그 적용 가능성을 평가하고자 하였다.
WC/C 상용 코팅을 대상으로 수행되었다. 즉, 엔진 태핏의 접촉조건과 같은 윤활 상태에서의 코팅층의 마찰 및 마멸 거동을 규명하고 이와 관련된 마찰 및 마멸 메카니즘을 이해함으로써 WC/C 코팅이 실제 엔진 부품에 활용되었을 경우에 발생하는 마찰 및 마멸 현상을 예측하며 본 연구 결과로 제공된 트라이볼로 지적 성능을 기본 자료로 활용해 최적의 코팅을 설계하기 위한 기술적 기반을 마련코자 시도되었다.

제안 방법

있다[7]. 본 연구에서는 상용코팅과 동일한 증착기술을 사용하였으며 윤활실험을 위하여 현재 가솔린엔진에 사용 중인 타펫과 같은 조성의 철강재 플레이트에 코팅을 증착한 시편을 준비하였으며 증착 후 버핑(bufing)을 거쳐 표면거칠기를 조절하였다. 코팅의 두께와 표면 거칠기를 측정하기 위해 공촛점 현미경 (confbcal micro- scope)와 원자력현미경 (atomic force microscope (AFM))을 이용하였다.
윤활시험에서는 흐}중에 따른 마찰 및 마멸 거동의 변화를 고찰하기 위하여 20, 50, 100N의 세 가지 하중 조건에서 마찰 시험을 실시하였다. 상기 조건에서MoTDC를 함유한 5W20class의 윤활유에 접촉부를완전히 잠기게 한 후 윤활 마찰 시험을 실시하였다. 또한 경계윤활과 혼합윤활 둥 윤활영역의 변화를 조사히기 위해 두 접촉체 사이의 접촉저항(contact resistance)!- 마찰력과 동시에 실시간 측정하였다.
3 cm/sec가된다. 윤활시험에서는 흐}중에 따른 마찰 및 마멸 거동의 변화를 고찰하기 위하여 20, 50, 100N의 세 가지 하중 조건에서 마찰 시험을 실시하였다. 상기 조건에서MoTDC를 함유한 5W20class의 윤활유에 접촉부를완전히 잠기게 한 후 윤활 마찰 시험을 실시하였다.
3에 보인 직선 왕복동형의 TE 77 (Flint & Partners LTD)을 이용하였다. 윤활시험의 상대 재는 직경 7.8 mm인 베어링용 강구가 부착된 핀 (pin)를 이용하여 윤활 조건하에서의 각 코팅의 마찰 특성을 고찰하였다. 미끄럼 거리와 미끄럼 주파수는 각각 15 mm와 5 Hertz로 고정하였으며 이때 최대 미끄럼 속도와 평균 미끄럼속도는 각각 0.

대상 데이터

본 연구의 대상이 되는 WC/C 코팅은 비정질 메탈 카본 코팅으로 Balzei사에서 스퍼터링 기술로 제조한 상용코팅이며 텅스텐카바이드 층과 카본층이 몇 개의 원자 두께로 교차하여 다층구조 코팅을 형성하고 있다[7]. 본 연구에서는 상용코팅과 동일한 증착기술을 사용하였으며 윤활실험을 위하여 현재 가솔린엔진에 사용 중인 타펫과 같은 조성의 철강재 플레이트에 코팅을 증착한 시편을 준비하였으며 증착 후 버핑(bufing)을 거쳐 표면거칠기를 조절하였다.

이론/모형

윤활시험은 Fig. 3에 보인 직선 왕복동형의 TE 77 (Flint & Partners LTD)을 이용하였다. 윤활시험의 상대 재는 직경 7.
본 연구에서는 상용코팅과 동일한 증착기술을 사용하였으며 윤활실험을 위하여 현재 가솔린엔진에 사용 중인 타펫과 같은 조성의 철강재 플레이트에 코팅을 증착한 시편을 준비하였으며 증착 후 버핑(bufing)을 거쳐 표면거칠기를 조절하였다. 코팅의 두께와 표면 거칠기를 측정하기 위해 공촛점 현미경 (confbcal micro- scope)와 원자력현미경 (atomic force microscope (AFM))을 이용하였다.

성능/효과

4에 약 1 km의 미끄럼거리에 상당하는 회수인 36, 000 사이클에 이르기까지 시험을 실시한 각 하중별 마찰계수 및 접촉저항의 변화를 나타내었다. 4000 사이클 정도에 이르는 시험초기 단계에는 비교적 높은 마찰계수 값을 보이다 점차 감소하여 그 이후에는 100N 하중조건에서 0.08 정도로 감소하여 안정적인 (steady state) 마찰거동을 보였다. 마찰계수 0.
WC/C 코팅 마찰면은 본 연구에 사용된 시험 조건에서 상대 표면으로 부터의 물질전이는 없으며 우수한 내 마멸 성을 보인다. 또한 윤활유와의 tribochemical 반응에 의한 트리보필름도 거의 형성되지 않아 화학적 안정성이 매우 큰 박막을 형성하였다.
9는 하중 50N에서 강구 마찰면에 형성된 트리보필름에 대한 깊이방향의 AES 분석결과이다. WC/C 코팅의 마멸면에는 트리보필름이 잘 형성되지 않는 데에 반하여 상대재인 강구의 마멸면에 대한 AES 분석 결과를 보면 코팅으로부터의 텅스텐과 탄소 성분과 윤활유 및 첨가제로 부터의 몰리브덴, 황, 인 등의 성분을 포함한 트리보필름이 마찰면에 잘 형성되어 있으므로 상대재인 강구의 마찰면에는 트리보필름이 잘 형성되어 있어 접촉계면에서의 tribochemical reaction과 물질전이가 복합된 메카니즘이 강구 마찰면에 선택적으로 작용하는 경향이 있음을. 알 수 있다.
시험 초기 중에서도 약 500 사이클 이전에는 접촉저항 값이 상대적으로 낮아 경계윤활막의 형성이 완전치 않아 마찰거동이 불안정한 것으로 보이나 그 이후에는 접촉저항 값이 증가하였으며 이는 접촉 계면에 경계윤활막이 형성이 된 것을 의미한다. 본 실험조건에서는 약 500 사이클 이후에는 경계윤활막이 형성되었음을 알 수 있다.
보인다. 상대재인 강구의 마멸율은 본 연구의 시험조건 하에서 약 5배까지 증가하여 경계윤활 상태에서는 강구와 WC/C를 접촉쌍으로 하는 것은 상대 재의 보호 측면에서 그다지 유리하다고는 볼 수 없었다.
또한 윤활유와의 tribochemical 반응에 의한 트리보필름도 거의 형성되지 않아 화학적 안정성이 매우 큰 박막을 형성하였다. 이에 반하여 상대 재인 강구의 마찰면에는 트리보필름이 잘 형성되고있어 tribochemical reaction과 물질전이가 복합된 마멸메카니즘이 강구 마찰면에 선택적으로 작용하고 있음을 알 수 있었다.

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