Recently, surface modification technology is of importance to improve the wear resistance and the corrosive resistance for high accurate mechanical parts such as LM guide, Ball Screw and Roller Bearing etc., Those has generally featured on rolling contact mechanism to improve not only the wear and t...
Recently, surface modification technology is of importance to improve the wear resistance and the corrosive resistance for high accurate mechanical parts such as LM guide, Ball Screw and Roller Bearing etc., Those has generally featured on rolling contact mechanism to improve not only the wear and the friction, but also the accuracy and the corrosion performances. For surface modifications of high accurate mechanical parts, normally thermal spray, PVD, CVD and E.P. processes have been used with many materials such as DLC, raydent, W, Ni, Ti etc. Diamondlike carbon (DLC) films possess a combination of attractive properties and have been largely employed to modify the tribological behaviors such as friction, wear, corrosion, fretting fatigue, biocompatibility, etc. However, for rolling contact mechanism mechanical parts DLC films are needed to study for commercial benefit. Rolling contact mechanism has features on effects of cyclic motions and stresses, and also not simply sliding motions. The papers focused on the performance test of wear and corrosive resistance according to Me-DLC film thickness. And also, its thickness effect of wear analysis was carried out through the simulation of the maximum shear stress under the rolling contact surface. As the results, Me-DLC films have more potential to improve the wear resistance for high precision mechanical parts than raydent films.
Recently, surface modification technology is of importance to improve the wear resistance and the corrosive resistance for high accurate mechanical parts such as LM guide, Ball Screw and Roller Bearing etc., Those has generally featured on rolling contact mechanism to improve not only the wear and the friction, but also the accuracy and the corrosion performances. For surface modifications of high accurate mechanical parts, normally thermal spray, PVD, CVD and E.P. processes have been used with many materials such as DLC, raydent, W, Ni, Ti etc. Diamondlike carbon (DLC) films possess a combination of attractive properties and have been largely employed to modify the tribological behaviors such as friction, wear, corrosion, fretting fatigue, biocompatibility, etc. However, for rolling contact mechanism mechanical parts DLC films are needed to study for commercial benefit. Rolling contact mechanism has features on effects of cyclic motions and stresses, and also not simply sliding motions. The papers focused on the performance test of wear and corrosive resistance according to Me-DLC film thickness. And also, its thickness effect of wear analysis was carried out through the simulation of the maximum shear stress under the rolling contact surface. As the results, Me-DLC films have more potential to improve the wear resistance for high precision mechanical parts than raydent films.
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문제 정의
본 연구는 DLC 코팅 중 기계부품과의 접착력 등을 향상시키기 위해 Sputter 공정을 통한 Ti 증착과 C2H2 가스를 사용한 PE-CVD 공정을 동시에 수행하여 메탈이 포함된 DLC 인 Me-DLC(Metal composited DLC) 공정 연구를 진행하였다. 초기 수차례의 Me-DLC 공정 실험결과와 타 연구 결과를 검토 후 코팅 두께를 1 ㎛ 정도로 선정하였으며, LM 가이드의 내마모성 및 내식성 연구를 수행하였다.
본 연구는 지식경제부 산업원천기술개발사업의일환인 “정밀기계부품 가공용 고밀도 전자빔의 고속 청정 Finishing 공정 기술개발” 사업 및 “Flexible 기판 기반 연속제조 융합공정 요소기술개발” 사업의 도움으로 수행되었다.
제안 방법
Table 2 는 주요 공정조건이며, RF Plasma 와 DC Plasma 의 Power 등의 다양한 공정 조건 파라미터를 이용하여 Me-DLC 공정을 수행하였다.
구름 운동의 경우 Hertzian Contact 에 의한 응력분포가 수명에 중요한 영향을 끼치기 때문에 LM 가이드와 블록에 작용하는 Elliptical Hertizian Contact Stress 와 마찰계수에 의한 응력 형태 분석을 수행하였다. 이를 통해 코팅두께에 따른 내마모성의 원인을 분석하였으며, 더불어 기계적인 정밀도 성능을 분석하였다.
내마모성 평가를 위해 하중은 9,250N (0.25C) 정도를 가하였으며, 시험속도는 20m/min 정도로 테스트를 수행하였다. 레일의 길이를 고려하여 이송거리는 450mm 정도로 테스트 되었다.
초기 수차례의 Me-DLC 공정 실험결과와 타 연구 결과를 검토 후 코팅 두께를 1 ㎛ 정도로 선정하였으며, LM 가이드의 내마모성 및 내식성 연구를 수행하였다. 또한 Raydent 코팅 소재와의 비교 연구를 수행하였다.
본 연구는 Me-DLC 코팅 공정으로 PE-CVD 및 Sputter 방식을 동시에 이용하였으며, LM 가이드의 내마모성 및 내식성 연구를 수행하였다. 또한 Raydent 코팅 소재와의 비교 연구를 수행한 후 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
구름 운동의 경우 Hertzian Contact 에 의한 응력분포가 수명에 중요한 영향을 끼치기 때문에 LM 가이드와 블록에 작용하는 Elliptical Hertizian Contact Stress 와 마찰계수에 의한 응력 형태 분석을 수행하였다. 이를 통해 코팅두께에 따른 내마모성의 원인을 분석하였으며, 더불어 기계적인 정밀도 성능을 분석하였다.
가스를 사용한 PE-CVD 공정을 동시에 수행하여 메탈이 포함된 DLC 인 Me-DLC(Metal composited DLC) 공정 연구를 진행하였다. 초기 수차례의 Me-DLC 공정 실험결과와 타 연구 결과를 검토 후 코팅 두께를 1 ㎛ 정도로 선정하였으며, LM 가이드의 내마모성 및 내식성 연구를 수행하였다. 또한 Raydent 코팅 소재와의 비교 연구를 수행하였다.
대상 데이터
특징으로는 Sputter 와 PE-CVD 를 동시에 수행가능하며, UBM Magnetron 방식의 Sputter 가 이용되었다. Sputter Target 은 Ti 이며, C2H2 가스가 PE-CVD 공정에 이용 되어지며, Me-DLC 증착하기 위해 Sputter 와 PE-CVD 공정이 동시에 이루어진다.
2 는 볼 부하에 따른 최대 전단응력 발생지점이며, 볼 부하가 증가될수록 깊이가 깊어진다. 본 연구에 사용된 LM 가이드의 볼 직경은 4.6mm 이며, 수명실험에 사용된 부하는 정격부하인 볼당 43N 이다. 이때 최대 전단응력 발생 지점은 28 ㎛ 정도인 것으로 예측되었다.
주요 사양은 Table 1 에 나타내었으며, 시료크기는 1m 정도까지 가능하다. 특징으로는 Sputter 와 PE-CVD 를 동시에 수행가능하며, UBM Magnetron 방식의 Sputter 가 이용되었다. Sputter Target 은 Ti 이며, C2H2 가스가 PE-CVD 공정에 이용 되어지며, Me-DLC 증착하기 위해 Sputter 와 PE-CVD 공정이 동시에 이루어진다.
성능/효과
1) LM 가이드 등의 구름운동 부품은 코팅두께에 따라 최대 전단 응력으로 인해 코팅이 표면 박리 현상이 발생 가능하며, 따라서 사용 부하하중 및 볼 직경에 따라 코팅두께의 설계가 필요할 것으로 판단된다.
2) Me-DLC 코팅 소재의 내마모성은 Raydent 소재와 비교하여 뒤떨어지지 않는 것으로 판단된다. 또한 Block 의 Me-DLC 코팅면 경우 코팅 두께가0.
3) Raydent 코팅의 내마모 특성이 표면 박리현상을 보이는 것은 최대 표면 전단응력 지점인 28㎛ 영역과 가깝기 때문에 이러한 전단응력의 반복하중에 의한 표면 박리현상이 심화되는 것으로 판단된다.
4) 내식성 테스트 결과 150 시간 까지 Raydent 코팅 소재와 비교하여 큰 차이가 나타나 않았다. 그러나 Me-DLC 코팅은 코팅 두께가 비교적 얇기때문에 공정 파라미터에 따른 영향이 크게 나타났다.
5) 코팅 전후의 LM Rail 의 뒤틀림 오차, LM Block 의 이송시 발생되는 진직도 오차 및 각도 오차가 1 ㎛이내로 큰 변화가 없음을알 수 있었다.
내식성 테스트 결과 150 시간 까지 Raydent 코팅 소재와 비교하여 큰 차이가 나타나지 않았다. 그러나 해당 실험 결과에서 여러 차례의 Me-DLC 코팅 공정 변화를 통해 내식성이 우수한 조건을찾을 수 있었다.
본 실험 결과를 통해 Me-DLC 코팅 소재의 내마모성은 Raydent 소재와 비교하여 뒤떨어지지 않는 다는 결론을 도출할 수 있었다. 또한 Block 의 Me-DLC 코팅면의 경우 코팅 두께가 0.
4 ㎛정도로 Rail 의 Me-DLC 코팅 두께인 1 ㎛ 정도보다 얇으나 현격한 마모의 차이가 없음을 발견하였다. 이는 앞서 예측한 표면응력의 깊이와 코팅두께에 따른 경도변화 특성을 고려해 볼 때 Me-DLC 코팅두께는 0.4-1 ㎛정도에서도 내마모성에 유리하다는 결론을 얻을 수 있었다.
코팅 두께에 또 다른 특성으로 압축응력이 수 GPa 정도가 발생되며, 두께가 증가될수록 압축응력 또한 커지는 특성이 있는 것으로 알려져 있으며 기관내부 실험 결과로도 확인되었다.1,9,10
후속연구
결론적으로 LM 가이드 등의 구름운동 부품의 경우 코팅 두께에 따른 최대전단응력으로 인해 코팅이 표면 박리 현상의 발생이 가능할 것이다. 따라서 사용 부하하중 및 볼 직경에 따라 코팅 두께의 설계가 필요할 것으로 판단된다.
최근 Raydent 를 이용한 표면 코팅 공정이 LM 가이드 및 베어링 부품 등에 많이 이용되고 있다. 그러나 내구성의 추가 향상에 대한 요구와 구름운동 부품의 환경 다변화를 위한 새로운 코팅공정 연구가 요구된다. 이를 위해 무 윤활 상태에서도 내구성이 매우 큰 것으로 알려진 DLC 코팅소재를 구름운동 부품에 적용하는 연구가 진행되고 있다.
Me-DLC 코팅은 코팅 두께가 비교적 얇기 때문에 공정 파라미터에 따른 영향이 크게 나타났다. 따라서 내마모성과 내식성을 우수하게 갖기 위해서는 코팅 두께 이외 추가적인 Me-DLC 공정 파라미터에 따른 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LM 가이드, 볼스크류 및 베어링 등 구름 운동을 하는 정밀 기계 부품의 수명향상을 위해서 필수적인 연구는 무엇인가?
LM 가이드, 볼스크류 및 베어링 등 구름 운동을 하는 정밀 기계 부품의 수명향상을 위해서는 내구성 및 내식성에 관한 연구가 필수적이다.
DLC 코팅 공정에서 코팅 설계 시 고려되는 파라미터는 무엇인가?
DLC 코팅 공정은 Sputter(PVD)와 PE-CVD에 의한 공정이 주로 이용된다. 코팅 설계 시 고려되는 파라미터로는 코팅두께, 경도, 접착력, 표면조도 및 내부응력 등이 고려된다. 이중 코팅 두께가 두꺼워 질수록 접착력이 커지며, 내식성 또한 커지는 것으로 보고되고 있다.
DLC 코팅 공정은 어떤 공정이 주로 이용되는가?
DLC 코팅 공정은 Sputter(PVD)와 PE-CVD에 의한 공정이 주로 이용된다. 코팅 설계 시 고려되는 파라미터로는 코팅두께, 경도, 접착력, 표면조도 및 내부응력 등이 고려된다.
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