[논문]Cr-계 및 WC/C 코팅 SCM415강의 마찰•마모 특성에 관한 연구

장정환; 김해지; 김남경; 장기; 류성기

문제 정의

본 논문에서는 기어용 재료로 많이 사용되고 있는SCM415강의 재료 표면에 물리증착법(PVD : Physical Vapour Deposition)으로 CrN, AlCrN, WC/C 코팅재를 증착시킨 시편을 제작하고 상온, 대기압, 무윤활 상태의 조건에서 마모시험을 실시하여 마찰.마모 특성을 고찰하고자 한다.
조건에서 마모시험을 실시하여 마찰.마모 특성을 고찰하고자 한다. 또한 적용된 코팅재에 따른 마찰.
이러한 실험결과에서 본 실험의 마찰.마모 메커니즘은 주로 연삭마모, 응착마모라는 것을 보여준다.

제안 방법

또한 적용된 코팅재에 따른 마찰.마모 특성은 코팅층의 표면거칠기, 미소경도, 하중의 변화에 따른 마찰계수, 마모시험 후의 코팅층의 상태 둥으로 평가하고자 한다.
8㎛ 이하인 것을 사용하였다. 시험편의 가공공정은 Fig. 2와 같이 SCM415강의 재료를 선정한 다음 시험편 직경의 가공공차를 마이너스(-)가 되도록 선삭가공과 그라인딩작업을 실시하였다.
기어에 요구되는 경도를 얻기 위하여 열처리를 실시한 후, 시편의 양쪽 면을 연삭가공 및 폴리싱 (Polishing) 작업을 실시하였다. 그리고 열처리에서는 870 ℃ 에서 2시간 30분 동안 담금질 (quenching)공정을 그친 후 550 ℃ 에서 2시간동안 뜨임을 수행하였다.
그리고 열처리에서는 870 ℃ 에서 2시간 30분 동안 담금질 (quenching)공정을 그친 후 550 ℃ 에서 2시간동안 뜨임을 수행하였다. 그 후 질화처리 공정을 거친 후각각의 표면처리를 행하였다. Fig.
Pin의 회전속도는 100 rpm으로 일정하게 유지하였으며 실험하중은 9.81, 19.62, 29.43 N 등으로 변화시키면서 각 실험을 300 sec 동안 실시하였다.
경도 측정은 미소경도측정기 (FM-ARS 9000)를 사용하여 Test load 50 gf, Dwell time 10 sec의 조건으로 선삭에서부터 코팅 과정까지의 모든 시편을 대상으로 이루어졌으며 그 결과 값은 Fig. 6과 같다.
본 연구에서는 Cr.계 (CrN, AlCrN) 및 WC/C로 코팅된 SCM415강의 핀과 디스크 시험편을 상온, 대기압, 무윤활 상태에서 코팅재의 마찰마모 특성을 고찰하였다. Pin on disc 방식의 마찰마모 시험을 실시하였으며 마모 하중은 9.
계 (CrN, AlCrN) 및 WC/C로 코팅된 SCM415강의 핀과 디스크 시험편을 상온, 대기압, 무윤활 상태에서 코팅재의 마찰마모 특성을 고찰하였다. Pin on disc 방식의 마찰마모 시험을 실시하였으며 마모 하중은 9.81, 19.62, 29.43 N 등으로 적용하였다. CrN, AlCrN, WC/C 코팅재의 마찰 마모 특성은 표면거칠기, 미소경도, 마찰계수, 마모 흔적 등으로 평가되었으며 다음과 같은 결과를 얻었다.
43 N 등으로 적용하였다. CrN, AlCrN, WC/C 코팅재의 마찰 마모 특성은 표면거칠기, 미소경도, 마찰계수, 마모 흔적 등으로 평가되었으며 다음과 같은 결과를 얻었다.

대상 데이터

기어용 재료로 널리 사용되고 있는 SCM415강을 시험편의 모재로 선택하였으며 화학적 성분은 Table 1과 같다.
Pin type 시험편의 주요 제원은 05mm, 길이 25nun이고, Disc type 시험편은 Fig. 1과 같이 030mm, 두께 10mm로 제작하였다.

이론/모형

본 연구에서는 Pin on disc 방식으로 실험을 수행하였고 그 실험장치는 Fig. 4와 같다.

성능/효과

3(c)에서는 WC/C film의 표면에서 W와 C의 성분이 관찰되었다. EPMA의 결과에서 보는 바와 같이, 코팅된 시험편에서의 성분 분포는 일정하게 분포됨을 확인할 수 있었다.
미소 경도값은 코팅재료에 따라 다소 차이를 보였는데, 코팅층에 따른 미소경도값은 CrN film 에 비해 AlCrN film이 약 8.4% 향상되었고 WC/C film이 54.7% 향상된 2968 Hv로 미소경도값이 가장 높게 측정되었다. 결과적으로 코팅처리를 함으로써 CrN, AlCrN, WC/C film 순으로 미소경도의 값이 향상되는 것을 관찰할 수 있었다.
7% 향상된 2968 Hv로 미소경도값이 가장 높게 측정되었다. 결과적으로 코팅처리를 함으로써 CrN, AlCrN, WC/C film 순으로 미소경도의 값이 향상되는 것을 관찰할 수 있었다.
실험하중을 9.81 N으로 가했을 때, 마찰계수는 CrN film과 비교해서 AlCrN filme 19.4% 낮아졌으며 WC/C filme 60.2% 낮아졌다. 시험하중을 19.
6% 낮아졌으며 WC/C filme 69% 낮아졌다. 마지막으로 29.43 N으로 실험하중을 가했을 경우의 마찰계수는 CrN film과 비교해서 AlCrN filme 17.9% 낮아졌으며 WC/C filme 68% 낮아졌다. 그 결과 하중에 따른 마찰계수의 값이 CrN, AlCrN, WC/C film 순으로 감소한다는 것을 알 수 있다.
9% 낮아졌으며 WC/C filme 68% 낮아졌다. 그 결과 하중에 따른 마찰계수의 값이 CrN, AlCrN, WC/C film 순으로 감소한다는 것을 알 수 있다. 마찰계수는 마찰력과 수직하중의 비로 계산되며, 디스크와 핀 사이의 상대운동이 시작하는 순간과 정상 상태에서 각각 측정하여야 한다.
2. 마모 실험결과 실험하중이 증가함에 따라 마찰계수가 감소하는 것으로 나타났다. 즉, 실험 하중을 9.
마모 실험결과 실험하중이 증가함에 따라 마찰계수가 감소하는 것으로 나타났다. 즉, 실험 하중을 9.81 N으로 가했을 경우와 비교했을 때 19.62, 29.43 N으로 주었을 때 CrN fihn의 마찰계수는 각각 4.7, 12%, AlCrN film의 마찰계수는 9.6, 10.4%, WC/C film의 마찰계수는 25.9%, 29.3% 감소한 경향을 보였다.
3. 29.43 N에서 동일한 하중에 따른 마찰계수의 변화는 WC/C film이 AlCrN film과 CrN film에 비해 각각 157, 212% 감소하였다.
4. WC/C filme CrN, AlCrN film보다 응착마모현상이 현저하게 줄어드는 경향을 보였으며, 마모메커 니즘은 연삭마모, 웅착마모가 대부분이 었다.
1. 시험편의 평균거칠기는 0.75 ㎛ 이었으며 코팅층에 따른 미소경도값은 WC/C film이 AlCrN film 에 비해 42% 향상되었고 GN film에 비해 54% 향상된 결과를 보였다.

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