[논문]Ti-계 코팅이 SCM415강의 마찰.마모 특성에 미치는 영향

장정환; 탁성훈; 장기; 허철수; 류성기

doi:10.9725/kstle.2010.26.3.162

[국내논문] Ti-계 코팅이 SCM415강의 마찰.마모 특성에 미치는 영향
Effect of the Ti-series Coating on the Friction and Wear Characteristics of SCM415 Steel 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.26 no.3, 2010년, pp.162 - 166

장정환 (경상대학교 대학원 기계항공공학부) , 탁성훈 (경상대학교 대학원 기계항공공학부) , 장기 (경상대학교 대학원 기계항공공학부) , 허철수 (경상대학교 대학원 기계항공공학부) , 류성기 (경상대학교 항공기부품기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to show the friction and wear characteristics on the vapor deposited Tiseries 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 condition. 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.

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문제 정의

본 연구에서는 기어의 내마모성 향상을 위한 기어코팅기술을 연구하기 위하여 기어재료로 많이 사용하고 있는 SCM415강의 코팅층에 따른 마찰마모 특성을 고찰하고자 한다. 오늘날 모재의 표면에 경질층을 코팅함으로써 모재의 변화를 최소화함과 동시에 재료의 물성을 향상시킬 수 있는 장점을 가지고 있는 코팅재에 관한 연구가 많이 이루어지고 있는 실정이다.
따라서 본 연구에서는 기어에 적용하기 위한 단계적 실험으로 재료표면에 TiN, TiCN, TiAlN 코팅재를 플라즈마상태에서 증착시킨 시편을 사용하여 상온, 대기압, 무윤활 하에서 마찰마모 특성을 연구하고자 한다. 우선 시험편의 표면거칠기(Roughness)를 측정하여 정확한 실험이 이루어지도록 하고, 각각의 코팅층의 미소경도 (Micro hardness)값의 차이를 관찰하고자 한다.
또한 하중의 변화에 따른 마찰계수(Friction coefficient)를 측정하여 마찰계수의 변화를 고찰한다. 그리고 주사전자현미경(SEM)과 광학현미경을 이용하여 실험 후의 코팅층의 표면을 고찰하고자 한다.

제안 방법

실험 직전 및 직후 시편은 항상 깨끗하게 세척하고 Pin이나 Disc 시험편은 1o 이내로 지그에 수직을 맞추어 단단히 고정하고 원하는 하중을 가한 후 모터를 구동하였다.
그 후 질화(Nitriding) 처리 공정과 250~500℃ 사이의 진공상태에서 물리증착법(PVD)을 이용한 약 5 µm의 표면처리를 행하였다.
따라서 본 연구에서는 기어에 적용하기 위한 단계적 실험으로 재료표면에 TiN, TiCN, TiAlN 코팅재를 플라즈마상태에서 증착시킨 시편을 사용하여 상온, 대기압, 무윤활 하에서 마찰마모 특성을 연구하고자 한다. 우선 시험편의 표면거칠기(Roughness)를 측정하여 정확한 실험이 이루어지도록 하고, 각각의 코팅층의 미소경도 (Micro hardness)값의 차이를 관찰하고자 한다. 또한 하중의 변화에 따른 마찰계수(Friction coefficient)를 측정하여 마찰계수의 변화를 고찰한다.
우선 시험편의 표면거칠기(Roughness)를 측정하여 정확한 실험이 이루어지도록 하고, 각각의 코팅층의 미소경도 (Micro hardness)값의 차이를 관찰하고자 한다. 또한 하중의 변화에 따른 마찰계수(Friction coefficient)를 측정하여 마찰계수의 변화를 고찰한다. 그리고 주사전자현미경(SEM)과 광학현미경을 이용하여 실험 후의 코팅층의 표면을 고찰하고자 한다.
시험편의 가공공정은 재료 선정 후 시험편의 직경의 가공공차는 (-) 공차로 가공하였고 양쪽 면을 연마 및 Polishing하여 제작하였다. 그리고 시험편 Disc와 Pin 모두 열처리 조건으로 담금질(Quenching) 공정으로 870℃에서 2시간 30분 동안 유지한 후, 뜨임(Tempering) 공정을 550℃에서 2시간 동안 유지하여 수행하였다.
실험조건은 Table 1과 같이 상온, 대기압 상태, 건식 마찰 하에서 수행되었으며 Pin의 궤적 반지름은 11.5 mm, 회전속도는 100 rpm(0.12 m/s)으로 항상 일정하게 하고 실험하중을 9.81, 19.62, 29.43 N으로 변화시키면서 각 실험을 정상상태마찰(Steady state friction)에 이르는 300 sec 동안 진행하였으며 실험 후 하중에 따른 마찰계수와 마찰거리에 따른 마찰계수의 추이를 측정하였다. 그리고 본 연구에서는 Pin on disc 방식을 채택하여 수행하였다.
본 연구에서는 Ti계(TiN, TiCN, TiAlN) 코팅 SCM415 강의 디스크 시험편과 핀을 상온, 대기압, 무윤활 상태에서 각 코팅 시편당 하중을 9.81, 19.62, 29.43 N으로 변화시키면서, Pin on disc 방식의 마찰마모 시험을 실시하여 Ti 코팅재의 마찰마모 특성을 고찰하고, 광학 현미경 및 주사 전자 현미경을 이용하여 코팅 층 표면을 고찰한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다. 1.

대상 데이터

Disc Type 시험편은 Pin과의 접촉면의 표면거칠기를 0.8 µm (중심선 평균값(Ra))은 이하인 것만을 사용하였다.
본 실험에서는 기어재료로 널리 사용되고 있는 SCM415강을 시험편의 모재로 선택하였다.
시험편의 주요 제원은 Pin type 시험편은 Fig. 1과같이 직경 5 mm, 길이 25 mm이고, Disc Type 시험편은 직경 30 mm, 두께 10 mm로 제작하였다. Disc Type 시험편은 Pin과의 접촉면의 표면거칠기를 0.
그 후 질화(Nitriding) 처리 공정과 250~500℃ 사이의 진공상태에서 물리증착법(PVD)을 이용한 약 5 µm의 표면처리를 행하였다. 코팅재로는 TiN, TiCN, TiAlN 이 사용되었고 코팅작업이 완료된 후 시험편의 코팅색상은 TiN film은 황금색, TiCN film은 청회색, TiAlN film은 보랏빛회색을 띤다.
75 µm로 나타났다. 경도 측정은 미소경도측정기(FM-ARS 9000)를 사용하여 Test load 50 gf, Dwell time 10 sec의 조건으로 기계가공에서부터 코팅 과정까지의 모든 시편을 대상으로 이루어졌으며 그 결과값은 Fig. 3과 같다.

이론/모형

실험방법은 Fig. 2와 같이 102-PDwear tester를 사용하여 ASTM G99 Wear testing with a pin on disc 규격에 의거하였다. 실험 직전 및 직후 시편은 항상 깨끗하게 세척하고 Pin이나 Disc 시험편은 1^o이내로 지그에 수직을 맞추어 단단히 고정하고 원하는 하중을 가한 후 모터를 구동하였다.
43 N으로 변화시키면서 각 실험을 정상상태마찰(Steady state friction)에 이르는 300 sec 동안 진행하였으며 실험 후 하중에 따른 마찰계수와 마찰거리에 따른 마찰계수의 추이를 측정하였다. 그리고 본 연구에서는 Pin on disc 방식을 채택하여 수행하였다.

성능/효과

미소경도값은 코팅재료에 따라 다소 차이를 보였는데, 기계가공과 질화처리를 거친 시험편의 경도값은 257 Hv로 나타났다. 그리고 TiN film은 898 Hv, TiCN film은 1339 Hv를 보인 반면에 TiAlN film은 1756 Hv 의 가장 우수한 미소경도값을 보였다.
이와 같이 시험편의 표면에 코팅층이 형성됨에 따라 미소경도값의 향상을 가져올 수 있으며, 본 실험의 코팅층 중에서는 알루미늄 성분의 첨가가 미소경도값의 향상에 영향을 주었던 것으로 생각된다.
4는 각 시험편에 대한 수직하중의 변화에 따른 마찰계수의 변화를 나타낸 것이다. 실험 하중을 9.81, 19.62, 29.43 N으로 주었을 때 TiN film의 마찰계수는 0.389, 0.231, 0.172, TiCN film의 마찰계수는 0.374, 0.224, 0.167, TiAlN film의 마찰계수는 0.351, 0.204, 0.076로 나타났다. 위에서 알 수 있듯이 하중이 증가함에 따라 마찰계수가 다소 감소하는 경향으로 나타났다.
그리고 실험하중을 9.81 N으로 가했을 때 마찰계수는 TiN film과 비교해서 TiCN film은 4% 낮아졌으며 TiAlN film은 10% 낮아졌다. 시험하중을 19.
마지막으로 29.43 N으로 시험하중을 가했을 경우의 마찰계수는 TiN film과 비교해서 TiCN film은 2% 낮아졌으며 TiAlN film은 56% 낮아졌다. 그 결과 하중의 변화에 따른 일정한 경향을 읽을 수 있고, 동일하중에 대한 마찰계수의 값이 TiN, TiCN, TiAlN film 순으로 감소한다는 것을 알 수 있다.
43 N으로 시험하중을 가했을 경우의 마찰계수는 TiN film과 비교해서 TiCN film은 2% 낮아졌으며 TiAlN film은 56% 낮아졌다. 그 결과 하중의 변화에 따른 일정한 경향을 읽을 수 있고, 동일하중에 대한 마찰계수의 값이 TiN, TiCN, TiAlN film 순으로 감소한다는 것을 알 수 있다. 마찰계수는 마찰력과 수직하중의 비로 계산되며, 디스크와 핀 사이의 상대운동이 시작하는 순간과 정상 상태에서 각각 측정하여야 한다[7]
이러한 실험결과 본 실험의 마찰마모 메커니즘은 주로 연삭마모, 응착마모라는 것을 보여준다. TiAlN film의 시험편이 TiN, TiCN film보다 응착마모 현상은 줄어들고 연삭마모 현상이 주를 이루는 경향을 알 수 있다.
1. 마모 실험 결과 하중이 증가함에 따라 마찰계수가 감소하는 것으로 나타났다. 즉, 하중을 9.
2. 29.43 N에서 동일한 하중에 따른 마찰계수의 변화는 TiAlN film이 TiCN film과 TiN film에 비해 각각 54, 56% 감소하였다.
3. 코팅층에 따른 비커스 경도값은 TiAlN film이 TiCN film에 비해 31% 향상되었고 TiNfilm에 비해 95% 향상된 결과를 보였다. 그리고 표면처리를 함으로써 비커스 경도값이 향상되었다.
코팅층에 따른 비커스 경도값은 TiAlN film이 TiCN film에 비해 31% 향상되었고 TiNfilm에 비해 95% 향상된 결과를 보였다. 그리고 표면처리를 함으로써 비커스 경도값이 향상되었다.
4. TiAlN film은 TiN, TiCN film보다 응착마모현상이 현저하게 줄여드는 경향을 보였으며, 마모 메커니즘은 연삭마모, 응착마모가 주로 나타났다.
마모 실험 결과 하중이 증가함에 따라 마찰계수가 감소하는 것으로 나타났다. 즉, 하중을 9.81 N을 가했을 경우와 19.62, 29.43 N으로 하중을 주었을 때 TiN film의 마찰계수는 각각 41, 56%, TiCN film의 마찰계수는 40, 55%, TiAlN film의 마찰계수는 42%, 78% 감소한 경향을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 선진국에서는 기계부품의 내마모성을 향상시키기 위하여 어떤 연구가 활발히 진행되고 있는가?	최근 선진국에서는 기계부품의 내마모성을 향상시키기 위하여 경질 코팅층 코팅법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 경질 코팅층 코팅법은 산업분야에서 다양하게 응용될 수 있는 표면처리 기술로서 플라즈마, 아크열원, 가스화염 등을 이용하여 모재 표면에 세라믹 분말을 고속도로 분사시켜 접착시키는 코팅방법이다[1,2].
	Ti 코팅이 기계부품의 마찰마모 특성에 미치는 영향에 관한 연구가 요구되는 이유는 무엇인가?	이러한 특성을 이용하여 정밀기계, 항공기, 산업기계 등에서 플라즈마 코팅방법을 널리 사용하고 있으며, 그 응용범위도 넓어지고 있다[4,5]. 현재 각광을 받고 있는 Ti 코팅의 특성과 내마모의 장점을 가지고 있는 Ti 코팅재라도 상대 재료와의 극심한 마찰과 가혹한 작업환경조건의 영향으로 마모와 융착 등 트라이볼로지적인 현상이 수반된다. 따라서 Ti 코팅이 기계부품의 마찰마모 특성에 미치는 영향에 관한 연구가 요구되고 있다[6]
	경질 코팅층 코팅법은 어떤 코팅방법인가?	최근 선진국에서는 기계부품의 내마모성을 향상시키기 위하여 경질 코팅층 코팅법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 경질 코팅층 코팅법은 산업분야에서 다양하게 응용될 수 있는 표면처리 기술로서 플라즈마, 아크열원, 가스화염 등을 이용하여 모재 표면에 세라믹 분말을 고속도로 분사시켜 접착시키는 코팅방법이다[1,2]. 특히, 플라즈마 용사 법은 다른 코팅방법과는 달리 상온 및 대기압에서도 가능하며, 용사재료 및 모재에 대한 선택제한이 적을 뿐만 아니라, 각종 모양 구성 요소 위에 넓은 범위에서 코팅재를 접착시킬 수 있는 효과적이고도 유연성이 있는 코팅기술이다[3].

참고문헌 (8)

Sture Hogmark and Per Hedenqvist, "Tribology Characterization of Thin, Hard Coatings," Proceedings of the 6th nordic on tribology, Vol. 3, pp. 735-747, 1994.
M. G. Hocking, V. Vasantasree, and P. S. Sidky, "Metallic and Ceramic Coatings," Long man scientific & technical, New York, 1989.
김창근, "플라즈마 용사 기술의 새로운 이해," 기계와 재료, 4-1, pp. 84-93, 1992.
E. Lugscheider, "Plasma Spraying for Wear Applications," Proceeding of the national thermal spray conference, pp. 14-17, 1987.
J. Takeuchi, H. Nakahira, and J. Nagai, "Physical Properties of Some Oxide Coatings by Low Pressure Plasma Spraying," 2nd plasma-technique symposium, Vol. 2, pp. 141-151, 1991.
S. K. Lyu, K. J. Jung, and L. Lu, "A Study on the Influence of Ceramic Coating on Characteristics of Friction and Abrasion of Aluminum Alloy(7075 T6) used in Mechanical Casting," Journal of the Korean Society of safety, Vol. 18, No. 3, pp. 14-21, 2003.
R&B Technical note, 2005.
I. H. Sung, H. G. Han, and H. S. Kong, "Study on the Frictional Characteristics of Micro-particles for Tribological Application," Journal of the KSTLE, Vol. 25, No. 2, pp. 81-85, 2009.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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