선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 대표적인 PVD와 CVD 공법인 Arc plating, Ion gun plating 및 PECVD로 DLC 코팅을 제조하여 건조 및 윤활환경에서의 마찰마모특성 평가를 통해 자동차 구동부품 등에의 적용성을 타진해 보고자 하였다. Nanoindentaion, 스크래치법과 Raman 분석을 통해, Arc 및 Ion gun plating으로 제조된 시편의 경우에서 PECVD로 제조된 시편에 비해 상대적으로 높은 경도와 부착성능을 나타냄을 확인하였으며, 이와 같은 물성의 차이가 궁극적으로는 마찰마모환경에서의 마모저항성을 높일 수 있음을 확인하였다.
- 본 연구에서는 Arc plating, Ion gun plating 및 PECVD 등 3가지 진공증착법을 사용하여 DLC 코팅막을 제조한 후, 이에 대하여 Raman 등에 의한 화학적 분석과 Nanoindenter 등을 활용한 기계적 물성을 조사하여 Tribology 특성에 미치는 영향에 대하여 고찰 하고자 하였으며, 이를 통해 습동환경에 사용되는 부품의 DLC 코팅 적용시 공법에 따른 코팅물성의 비교를 위한 기초자료로서 활용될 수 있도록 하고자 하였다.
제안 방법
- Rockwell C diamond indenter(R: 200 µm, a: 120°)를 사용하여 0.1 mm/sec의 이동속도로 하중을 60 N까지 점진적으로 증가시켜 이때 발생하는 음향방출값을 측정하여 코팅층의 박리하중을 측정하였다.
- 각 공법별로 제조된 DLC 코팅의 표면 및 단면 미세구조를 관찰하고자 시험편을 Pt 코팅한 후 FE-SEM (JSM-6701F, Jeol, Japan)을 이용하여 분석하였다.
- 각기 다른 증착공법으로부터 형성된 DLC 코팅의 물성을 비교해 보고자 Arc plating법(Filtered Vacuum Arc), Ion-gun plating법 그리고 PECVD법 등 3가지의 진공증착법을 사용하여 DLC 코팅시료를 제조하였다. 실험에 사용된 기판은 물성분석을 위한 Si wafer와 Tribology 평가를 위한 강재기판으로서 각 공법에 대해 공통적으로 침탄처리된 STS316 재질의 plate(W70xL25xt3)를 제작하여 사용하였다.
- 각 코팅품에 대한 기계적 물성은 Nanoindentation 법을 사용하여 경도, 탄성계수 및 조도를 측정하였다. 경면연마된 시료표면에 대하여 나노인덴터 (Triboindenter, Hysitron, USA)를 사용하여 소재의 물성을 평가하였다. 나노인덴테이션은 Berkovich 압입자로 5 mN의 하중에 5 mm 간격으로 15×3의 격자형태로 압입하여 실험하였다.
- 나노인덴테이션은 Berkovich 압입자로 5 mN의 하중에 5 mm 간격으로 15×3의 격자형태로 압입하여 실험하였다.
- 단일의 압입시험은 5초(1 mN/sec.)동안 압입, 2초 동안 5 mN의 압입하중을 유지, 다시 5초(−1 mN/sec.)동안 압입을 제거하는 하중제어모드(Load control mode)에서 시행되었고 각각의 압입점에서 얻은 하중-변위곡선으로부터 경도값과 탄성계수값을 구하였다.
- 또한 작동환경에 따른 코팅부품의 마찰마모에 미치는 영향을 알아보고자 건조 및 윤활조건으로 각 공법별로 제조된 코팅품에 대한 마찰마모 시험을 진행한 후 마찰계수값과 마모깊이를 측정하였다.
- 비교적 밀착성이 높은 Arc plating을 제외한 나머지 두 가지 공법에서는 코팅-기판간 밀착성 증대를 위해 Ion gun plating시 Cr을, PECVD시 Si을 각각 중간층으로 도입하였다. 또한 코팅경도 등 코팅자체의 물성 평가를 위해서는 Si wafer를 기판재로 하여 분석용 코팅시료를 별도로 제조하였다. 각각의 코팅공법에 대한 내용은 Fig.
- 무윤활 마모시험은 Fig. 2(a)와 같이 Ball-on-plate 형의 회전마모시험을 통하여 수행하였으며, 이에 대한 세부적인 시험조건을 Table 2에 나타내었다.
- 1 mm/sec의 이동속도로 하중을 60 N까지 점진적으로 증가시켜 이때 발생하는 음향방출값을 측정하여 코팅층의 박리하중을 측정하였다. 박리발생 mode는 광학현미경으로 관찰하여 인가된 load값과의 관련성을 확보하였다.
- 분위기에 따른 마찰마모현상에 대한 파악을 위하여 Arc plating법으로 코팅된 시편을 선택하여 건조 및 윤활 분위기에서 마찰마모시험 후 표면미세구조와 조성분석을 수행하였다. Fig.
- 윤활환경에서의 마모성 평가는 Fig. 2(b)와 같이 Ballon-Plate 방식의 왕복운동방식으로 각 샘플을 일반 엔진오일(5 W30)에 함침된 상태로 하여 마모시험을 수행하였다. 이때 오일의 온도는 실제 자동차 엔진의 작동시 평균적인 온도인 90℃로 세팅하여 실험하였으며, 상세한 시험조건은 Table 3에 나타내었다.
- 코팅-기재간 부착성능의 평가는, 침탄처리된 강재위에 코팅된 시험편에 대하여 스크래치 시험기(JLSC022, J&L Tech, Korea)를 활용하여 코팅막과 기판재간의 부착정도를 평가하였다.
대상 데이터
- 1 mT 수준을 유지하였으며, 증착온도는 Arc와 Ion gun plating의 경우 250℃ 이하, PECVD의 경우는 500℃ 이하에서 진행되었다. Arc 증착의 경우 carbon 소스로서 graphite target(99.9%)을 사용하였으며, 나머지 두 가지 공법에서는 아세틸렌(C2H2, 99.6%) 개스를 사용하였다. 비교적 밀착성이 높은 Arc plating을 제외한 나머지 두 가지 공법에서는 코팅-기판간 밀착성 증대를 위해 Ion gun plating시 Cr을, PECVD시 Si을 각각 중간층으로 도입하였다.
- 따라서 통상의 경우 경면 수준의 폴리싱 등 전처리 과정이 필요하다. 본 실험에서는 0.1 um의 다이아몬드 슬러리를 사용하여 경면 폴리싱후 코팅을 실시하여 스크래치 시험편을 제조하였다.
- 각기 다른 증착공법으로부터 형성된 DLC 코팅의 물성을 비교해 보고자 Arc plating법(Filtered Vacuum Arc), Ion-gun plating법 그리고 PECVD법 등 3가지의 진공증착법을 사용하여 DLC 코팅시료를 제조하였다. 실험에 사용된 기판은 물성분석을 위한 Si wafer와 Tribology 평가를 위한 강재기판으로서 각 공법에 대해 공통적으로 침탄처리된 STS316 재질의 plate(W70xL25xt3)를 제작하여 사용하였다. 습동용 부품의 경우 실재 부품이 구동되는 작동환경에서 코팅적용의 유효성을 확인하기 위해서는 기재 자체의 강도 유지가 반드시 필요하며, 이를 위해 일반적으로 코팅전에 질화 혹은 침탄등의 표면처리가 수반되고 있다.
이론/모형
- 각 공법별로 제조된 DLC의 결합상태 등 화학적 분석은 Raman (JASCO NSR-3100, Japan)분광법으로 수행되었다. 이때 532 nm 레이저를 사용하여 파장범위 980~2000 cm-1 구간에서 측정하였다.
- 각 코팅품에 대한 기계적 물성은 Nanoindentation 법을 사용하여 경도, 탄성계수 및 조도를 측정하였다. 경면연마된 시료표면에 대하여 나노인덴터 (Triboindenter, Hysitron, USA)를 사용하여 소재의 물성을 평가하였다.
성능/효과
- 3 um의 두께의 막이 형성된 것으로 관찰되고 있으며, 버퍼층으로 형성된 Cr층이 columnar 구조로 형성된 이후 dense한 DLC 막이 표면층을 이루고 있음을 알 수 있다. Fig 3(c)의 PECVD로 코팅된 DLC 코팅의 경우는 버퍼층을 포함하여 약 1.2 um 두께의 코팅층이 형성되었음을 확인할 수 있으며, 앞서 두 가지 PVD 공법에 비해 현저히 작은 입자조직이 형성되었음을 알 수 있다. 모든 시험편에서 기재와의 경계면에서의 crack이나 delamination은 관찰되지 않고 있다.
- 1,11) CVD 공법은 가장 오래된 carbon 증착기술이며, 등방성 증착특성을 보이므로 비교적 복잡한 형상에 코팅이 가능하다. 이후 PECVD 등 플라즈마를 이용한 CVD 기술이 점차 발전되어 왔으며 전형적으로 SP3 및 SP2 결합이 혼재하는 구조를 나타낸다.
- 대표적인 PVD와 CVD 공법인 Arc plating, Ion gun plating 및 PECVD로 DLC 코팅을 제조하여 건조 및 윤활환경에서의 마찰마모특성 평가를 통해 자동차 구동부품 등에의 적용성을 타진해 보고자 하였다. Nanoindentaion, 스크래치법과 Raman 분석을 통해, Arc 및 Ion gun plating으로 제조된 시편의 경우에서 PECVD로 제조된 시편에 비해 상대적으로 높은 경도와 부착성능을 나타냄을 확인하였으며, 이와 같은 물성의 차이가 궁극적으로는 마찰마모환경에서의 마모저항성을 높일 수 있음을 확인하였다. PECVD로 제조된 DLC의 경우는 smooth한 표면과 낮은 조도 등이 마찰환경에서는 강점을 보일 수 있으나, 상대적으로 낮은 물성으로 인해 마모저항 측면에서 약점을 보인 것으로 판단된다.
- 일반적으로 건조분위기의 마찰마모시험에서는 소재와 상대재 사이에 실시간적인 윤활막 형성이 어려우므로 재료자체의 강성이나 표면상태에 따라 마찰마모특성이 좌우될 확률이 높다. 따라서 표면경도와 부착성이 상대적으로 높은 PVD법이 CVD법으로 증착된 경우에서보다 높은 마모저항성을 보일 것으로 판단된다.
- 본 실험에서 PECVD로 코팅된 시료에서는 전형적인 Two peaks system이 관찰되고 있으며, D peak의 경우 1351cm−1, G peak의 경우 1569 cm−1 위치에서 발견되고 있다.
- 7(a)에서 보듯이 Arc plating의 경우는 뚜렷한 경계박리 없이 38 N에서 기재 일부의 노출이 직접적으로 발생하였음을 확인하였다. 이와 같이 3가지 코팅방법의 경우에 대한 스크래치 법으로 평가된 기재밀착성은 Arc법으로 코팅된 시료가 가장 높음을 확인할 수 있다.
- PECVD로 제조된 DLC의 경우는 smooth한 표면과 낮은 조도 등이 마찰환경에서는 강점을 보일 수 있으나, 상대적으로 낮은 물성으로 인해 마모저항 측면에서 약점을 보인 것으로 판단된다. 특히 Arc와 Ion gun plating 된 시편의 마모시험 비교결과에서 보면, 코팅막의 부착성능이 마모저항성에 영향을 주는 결정적인 요소의 하나로 확인 되었다. 따라서 경도, 조도 등과 같은 막 자체의 물성을 개선함과 더불어 기판과의 부착성능에 대한 최적화가 코팅제품의 궁극적인 마모저항성 높이는 데 반드시 필요한 조건으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.