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문제 정의
- Mg 합금의 압출은 최근에 개발된 기술일 뿐 아니라, 압출금형에 경질 코팅을 적용한 경우는 거의 없었다4,5). 따라서 본 연구에서는 Mg 합금 압출금형의 수명향상을 위하여 압출금형재로 널리 쓰이는 SKD61 금형에 이온플레이팅 법을 사용하여 CrN, TiN을 코팅하고 왕복마모시험을 실시하여, 시험하중과 상대재의 온도 (RT, 120℃)에 따른 마찰계수(coefficient of friction)를 측정하고 마모형태를 관찰하여 코팅 층의 유효효과를 타 코팅막을 사용할 경우와 비교하여 고찰하였다.
제안 방법
- 본 실험에서는 상부 시험편(Pin)으로 압출금형재로 널리 사용되는 SKD61을 모재로 사용하였으며 화학조성비는 표 1과 같다. Pin(지름 8 mm, 높이 19mm)에 CrN, TiN 박막을 아크 이온플레이팅법을 사용하여 표 2의 조건에서 증착하였다.
- 시험 후 분석은 비커스 경도계(Mitwtoyo, HM-200)로 코팅된 상부 시편의 옆면을 1 kgf의 하중으로 측정하였고, X-ray Diffraction(XRD, Rigaku, RU200B)를 이용하여 코팅 시편상을 2θ (20-90도)의 조건에서 분석하였다. 그리고 Field emission scanning electron microscope(FESEM, JEOL, JSM7000F)을 이용하여 상부 시편의 코팅면과 단면을, Energy dispersive X-ray spectroscopy(EDS)를 이용하여 시험 후 발생된 powder를 분석하였다.
- 사전 실험 결과와 마모시험장비 조건에 맞추어 다음 표 4에 나타낸 바와 같이 실험을 진행하였다. 또한 핀을 AZ80 소재로 제작하여 진행하였을 때에 핀의 마모가 심각하여 마찰계수와 마모량이 정확하게 측정되지 않아서, 상대적으로 면적이 적은 핀(SKD61)을 금형소재로 하여 코팅하였다. 실험은 대기압의 무윤활조건에서 pin의 왕복 frequency를 1 Hz로 일정하게 하고, 실험 하중을 11, 15, 19 kgf로 변화시키고, 하부 시험편의 온도를 RT, 120℃로 증가시키면서 진행하였다.
- 마그네슘 압출금형의 내마모성 향상을 위한 방안으로 마그네슘 압출금형재로 널리 사용되는 SKD61에 CrN, TiN을 코팅하여, 마모시험을 한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 마모실험은 직선왕복동 마모시험기(reciprocating friction wear tester, R&B, 108-RF)를 이용한 pin on disc type 으로, 그림 2과 같이 pin의 측면이 disc 표면을 직선왕복운동하는 형태로 진행되었다.
- 그림 5는 왕복마모시험시 각 코팅 시험편인 핀에 걸어준 하중과 온도에 따른 마찰계수값의 변화를 나타낸 그래프이다. 마찰계수는 상부 시험편과 하부 시험편에서 발생하는 마찰력과 수직에서 누르는 하중의 비로 나타내며, 각각의 사이에서 상대운동이 시작하는 순간과 정지상태에서 각각 측정하여 평균하였다.
- 시험 후 분석은 비커스 경도계(Mitwtoyo, HM-200)로 코팅된 상부 시편의 옆면을 1 kgf의 하중으로 측정하였고, X-ray Diffraction(XRD, Rigaku, RU200B)를 이용하여 코팅 시편상을 2θ (20-90도)의 조건에서 분석하였다.
- 실험은 대기압의 무윤활조건에서 pin의 왕복 frequency를 1 Hz로 일정하게 하고, 실험 하중을 11, 15, 19 kgf로 변화시키고, 하부 시험편의 온도를 RT, 120℃로 증가시키면서 진행하였다. 실험 중 하중과 온도에 따른 각 시험편의 마찰계수 변화와 실험 후 마모깊이 변화는 마모시험기 자체에서 분석된 결과로 측정하였다. 시험 후 분석은 비커스 경도계(Mitwtoyo, HM-200)로 코팅된 상부 시편의 옆면을 1 kgf의 하중으로 측정하였고, X-ray Diffraction(XRD, Rigaku, RU200B)를 이용하여 코팅 시편상을 2θ (20-90도)의 조건에서 분석하였다.
- 또한 핀을 AZ80 소재로 제작하여 진행하였을 때에 핀의 마모가 심각하여 마찰계수와 마모량이 정확하게 측정되지 않아서, 상대적으로 면적이 적은 핀(SKD61)을 금형소재로 하여 코팅하였다. 실험은 대기압의 무윤활조건에서 pin의 왕복 frequency를 1 Hz로 일정하게 하고, 실험 하중을 11, 15, 19 kgf로 변화시키고, 하부 시험편의 온도를 RT, 120℃로 증가시키면서 진행하였다. 실험 중 하중과 온도에 따른 각 시험편의 마찰계수 변화와 실험 후 마모깊이 변화는 마모시험기 자체에서 분석된 결과로 측정하였다.
- 하부 시험편(Disc)은 AZ80 마그네슘 합금을 사용하였고 화학조성비는 표 3과 같다. 하부 시험편은 그림 1과 같은 도면을 바탕으로 제작되었고, 마모 시험하기 전에 모든 시편은 초음파 세척으로 표면 불순물을 제거한 후에 마모시험을 진행하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 상부 시험편(Pin)으로 압출금형재로 널리 사용되는 SKD61을 모재로 사용하였으며 화학조성비는 표 1과 같다. Pin(지름 8 mm, 높이 19mm)에 CrN, TiN 박막을 아크 이온플레이팅법을 사용하여 표 2의 조건에서 증착하였다.
- 하부 시험편(Disc)은 AZ80 마그네슘 합금을 사용하였고 화학조성비는 표 3과 같다. 하부 시험편은 그림 1과 같은 도면을 바탕으로 제작되었고, 마모 시험하기 전에 모든 시편은 초음파 세척으로 표면 불순물을 제거한 후에 마모시험을 진행하였다.
성능/효과
- (2) 하부 시험편의 온도가 120℃로 증가하면, 각 코팅의 마찰계수가 감소하는 것을 확인하였으며, 이는 온도 증가에 따른 마찰 표면에서 산화물이 형성되어 연삭 마모와 표면의 피막 탈착이 원활하기 때문으로 보이며, 그 결과 각각의 하부 시험편의 표면이 매끄러워지는 것으로 분석되었다.
- (3) TiN과 CrN 코팅층을 비교하면, CrN이 낮은 마찰계수와 마모량을 나타내어 상대적으로 AZ80 Mg 합금과의 마모성능이 우수하였다. 이것은 CrN이 TiN에 비하여 경도가 작고 열전도도도 낮아서 마찰열의 방출이 용이하지 못하지만, AZ80 Mg 합금과의 응착성이 적고, 낮은 온도에서 산화물의 형성이 용이하여 연삭제로 작용함으로써 상대적으로 마모성능이 우수한 것으로 판단되었다.
- 모두 500배로 관찰되었으며, 하중 및 하부 시험편의 온도에 따른 표면상태의 변화가 비교되었다. CrN, TiN 모두 120℃에서의 마찰마모시험 결과는 RT 상태에 비해 매우 표면이 부드러운 결과가 확인되었다. 앞의 그림 5에서도 120℃에서 낮은 마찰계수와 마모시간이 증가하여도 적은 마찰계수의 변화가 관찰되었는데 그림 7과 8의 SEM 이미지를 통해 다시 확인되었으며, 이것은 하부 시험편 온도가 상승되어 연삭 마모가 활성화되어 그림 5와 같이 마찰계수의 감소를 가져온 것으로 보인다.
- CrN과 TiN의 테스트 결과를 비교하기 전에, 코팅을 하지 않은 시편의 경우 11 kgf 조건에서 0.78의 마찰계수의 결과를 확인하였으며, 전체적인 결과는 하부 시험편 온도가 120℃일 때 그림 5에서 관찰할 수 있듯이 RT 환경에서와는 다르게 마찰계수의 증가폭이 매우 적은 현상을 보였다. 이것은 RT 상태의 경우 응착마모가 일어나 마모가 급격히 발생되고 이로 인해 하부 시험편 쪽의 마모흔적이 웅덩이 모양으로 변화하면서 마찰면적이 커져 마찰계수가 증가하는 것으로 판단되고, 한편 120℃에서는 하부 시험편의 표면부가 연해지고 산화물의 형성이 쉬워지면서 마그네슘 하부 시험편 표면 산화물의 탈착이 쉬워지고 탈착된 미세 산화물이 연삭제로 작용하면서 상 하부 시험편 사이에 연삭 마모가 주로 발생되면서 마찰계수가 감소하는 것으로 보여진다8,9).
- (1) 하중이 증가함에 따라 마찰계수가 증가하였으며, 이는 하중에 증가에 따라 발생하는 상부 시험편과 하부 시험편의 접촉면에서 응착 및 연삭 변형에 대한 저항이 커지기 때문이다. RT 상태에서 각하중에 따라 CrN의 마찰계수는 0.43, 0.47, 0.50로 증가하였고, TiN은 0.44, 0.48, 0.53로 증가하여 TiN 의 증가폭이 상대적으로 큼을 알 수 있었다. 반면 코팅을 전혀 하지 않은 시편의 경우 11 kgf 조건에서 0.
- 8 Wm−1 K−1이며, 이 수치로 볼 때 TiN의 열전도성이 상대적으로 크기 때문에 코팅층과 하부 시편의 마찰에 의한 온도상승은 CrN쪽이 클 것으로 보인다. 따라서 CrN이 TiN에 비하여 응착물이 적은 것은 마찰온도의 상승에 의한 연삭 마모가 보다 활성화된 것으로 보이고, 또한 Mg 합금과의 재료적 친화성에 의한 응착성도 CrN이 TiN에 비하여 적은 것으로 보인다. 특히 CrN은 표 5의 결과처럼 온도의 상승과 더불어 산화물의 형성이 TiN 에 비해서 용이하므로 실제 마모상태에서 형성된 산화물이 연마제 효과를 주어 연삭 마모가 일어나 상대적으로 TiN 코팅에 비해 마찰계수가 낮은 것으로 보인다10-12).
- 이 결과는 하중이 증가됨에 따라서, 상부 시험편과 하부 시험편 사이의 접촉면에서 압력의 증가에 의한 응착마모의 증가와 마모생성물의 불규칙성에 의해 마찰계수가 증가한 것으로 판단된다. 또한 마모시험시간이 증가함에 따라 AZ80 하부 시험편의 마모흔적이 편평하게 형성되지 못하고 웅덩이 모양으로 됨으로써 핀과 하부 시험편의 접촉면적이 증가하는 것도 일부 영향을 주었다.
- 28 µm의 두께를 가졌다. 또한 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 증착된 각 코팅층의 표면경도를 측정한 결과, TiN은 약 1909(Hv), CrN은 약 1846(Hv)의 값을 나타내었다.
- 각 하중과 온도에서 12시간 동안 마찰마모시험을 시행한 결과로써. 마찰계수는 CrN과 TiN 코팅 모두 하중의 증가에 따라 증가하는 것을 확인하였다. 이 결과는 하중이 증가됨에 따라서, 상부 시험편과 하부 시험편 사이의 접촉면에서 압력의 증가에 의한 응착마모의 증가와 마모생성물의 불규칙성에 의해 마찰계수가 증가한 것으로 판단된다.
- 그림 7와 8은 CrN과 TiN 핀을 사용하여 마찰마모 테스트 후 하부 시험편의 표면을 FE-SEM을 이용하여 관찰한 결과이다. 모두 500배로 관찰되었으며, 하중 및 하부 시험편의 온도에 따른 표면상태의 변화가 비교되었다. CrN, TiN 모두 120℃에서의 마찰마모시험 결과는 RT 상태에 비해 매우 표면이 부드러운 결과가 확인되었다.
- (3) TiN과 CrN 코팅층을 비교하면, CrN이 낮은 마찰계수와 마모량을 나타내어 상대적으로 AZ80 Mg 합금과의 마모성능이 우수하였다. 이것은 CrN이 TiN에 비하여 경도가 작고 열전도도도 낮아서 마찰열의 방출이 용이하지 못하지만, AZ80 Mg 합금과의 응착성이 적고, 낮은 온도에서 산화물의 형성이 용이하여 연삭제로 작용함으로써 상대적으로 마모성능이 우수한 것으로 판단되었다. 응착성이 적은 것은 마모시험 후 관찰된 CrN과 TiN 코팅층 표면의 응착물을 상대 비교하여 확인할 수 있었다.
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