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문제 정의
- 계 cermet 분말들을 HVOF 공정으로 제조하였으며, 건식 슬라이딩 마모 시험을 통해 마모 특성을 비교하였다. 또한 추가적인 마모 조직 관찰을 수행하여 코팅층 내 마모 기구를 미세조직과 연계하여 해석하고자 하였다.
가설 설정
- 6 μm으로 측정되었다. 단면 변형 조직을 관찰한 결과(그림 6(b)) 탄화물상의 파단이나 탄화물이 직접연삭 된 흔적은 거의 발견되지 않았다. 반면, 바인더 영역에서의 전단(green arrows)으로 인한 코팅층의 소실이 관찰되었다.
제안 방법
- 코팅 소재 내 상분석 및 미세조직 관찰을 위해 silicon carbide 연마지(#400~#4000) 및 1 μm alumina slurry를 사용하여 연마하였다. 또한 X-ray diffraction analysis(XRD) 를 통해 상분석을 수행하였다. 미세조직 관찰을 위해 field emission scanning electron microscope(FE-SEM) 및 energy dispersive spectrometer(EDS) 분석을 수행하였으며, 추가 적으로 미세조직 내 원소 분포를 확인하기 위해 electro probe x-ray microanalyzer(EPMA) 장비를 사용하였다.
- 세라믹 ball을 채택, 실험하였다. 마모 시험은 각 합금에 대해 3 kgf, 5 kgf, 7 kgf 하중에서 3.2 m/s 속도로 5시간 동안 상온 건식 조건에서 실시하였다. 마모흔의 표면 및 단면 변형 조직 관찰을 위해 FE-SEM(TESCAN; CZ/MIRA I LMA) 분석을 수행하였다.
- 2 m/s 속도로 5시간 동안 상온 건식 조건에서 실시하였다. 마모흔의 표면 및 단면 변형 조직 관찰을 위해 FE-SEM(TESCAN; CZ/MIRA I LMA) 분석을 수행하였다.
- 또한 X-ray diffraction analysis(XRD) 를 통해 상분석을 수행하였다. 미세조직 관찰을 위해 field emission scanning electron microscope(FE-SEM) 및 energy dispersive spectrometer(EDS) 분석을 수행하였으며, 추가 적으로 미세조직 내 원소 분포를 확인하기 위해 electro probe x-ray microanalyzer(EPMA) 장비를 사용하였다.
- 미세조직적 특징들이 마모 거동에 어떻게 영향을 미치는지 알아보기 위하여 마모 변형 조직 관찰을 수행하였으며, 이 중 마모량에 뚜렷한 차이가 나타났던 7 kgf 마모 시편들의 결과를 대표적으로 제시하였다. 먼저, 그림 6은 WC-12Co 코팅 소재의 마모흔 표면 및 단면 변형 조직 관찰 결과이다.
- 본 연구에서는 HVOF 공정을 이용하여 WC-12Co, WC-20Cr-7Ni, Cr3C2-20NiCr cermet 코팅 소재들을 제조하였으며 그 마모 특성을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 코팅층 마모 특성 최적화를 위해 공구강 표면에 WC계, Cr3C2계 cermet 분말들을 HVOF 공정으로 제조하였으며, 건식 슬라이딩 마모 시험을 통해 마모 특성을 비교하였다. 또한 추가적인 마모 조직 관찰을 수행하여 코팅층 내 마모 기구를 미세조직과 연계하여 해석하고자 하였다.
- 코팅 미세조직의 원소 분포를 확인하고자 각 코팅층 단면에 대해 EPMA 분석을 수행하였으며, 그 결과를 그림 4에 나타내었다. WC-12Co 코팅 소재는 W계 탄화물의 분율이 가장 높게 나타났으며, Co 원소 또한 C 원소와 대부분 겹쳐져 있어 Co6W6C 탄화물을 형성하였다.
- 초기 세 분말들은 모두 응집-소결(agglomerate-sintering) 법으로 제조하였다. 표 1에 사용한 분말들의 조성, 크기 및 제조사와 코팅층 제조에 사용된 HVOF 용사 장비를 제시하였다.
대상 데이터
- 마모 시험은 ball-on disk 시험기(NEO-TRIBO, UFW200) 를 사용하여 수행하였으며, 상대재로 Si4N3 세라믹 ball을 채택, 실험하였다. 마모 시험은 각 합금에 대해 3 kgf, 5 kgf, 7 kgf 하중에서 3.
- 본 연구에서는 HVOF 공정으로 세 종류의 WC-12Co, WC-20Cr-7Ni, Cr3C2-20CrNi 분말들을 사용하여 코팅층을 제조하였으며, 기지(substrate) 소재는 공구 제조 시 적용되는 S45C 강을 공통적으로 사용하였다. 초기 세 분말들은 모두 응집-소결(agglomerate-sintering) 법으로 제조하였다.
- 코팅 소재 내 상분석 및 미세조직 관찰을 위해 silicon carbide 연마지(#400~#4000) 및 1 μm alumina slurry를 사용하여 연마하였다.
이론/모형
- -20CrNi 분말들을 사용하여 코팅층을 제조하였으며, 기지(substrate) 소재는 공구 제조 시 적용되는 S45C 강을 공통적으로 사용하였다. 초기 세 분말들은 모두 응집-소결(agglomerate-sintering) 법으로 제조하였다. 표 1에 사용한 분말들의 조성, 크기 및 제조사와 코팅층 제조에 사용된 HVOF 용사 장비를 제시하였다.
성능/효과
- -20CrNi 코팅재의 경우 응착 마모에의한 코팅층의 탈락이주된 마모 기구로 나타났다. 그림 8(a) 마모흔 표면 관찰 결과, 연삭 마모흔(blue arrows)과 함께 많은 부위에서의 코팅층의 탈락이 관찰되었다. 이에 단면 변형 조직을 관찰한 결과(그림 8(b)), 마모 시 바인더 스플렛 계면(inter-splat)에서 관찰되었던 공극층에서 균열이 시작되고 계면을 따라 전파되면서 기지의 탈락이 쉽게 발생하는 것으로 나타났다.
- 이는 초기 상 분석 결과 WC 에서 탈탄된 C 원소가 Cr 바인더 상과 반응하여 Cr7C3 상이 생성되면서 탄화물 분율이 증가한 것과 관련 있는 것으로 보여진다. 그림 7(a)에 도시한 마모흔 표면 관찰 결과, 연삭 마모흔(blue arrows)은 다소 증가한 경향을 보였으나 탈락된 코팅층의 분율은 WC-12Co 코팅층에 비해 확연히 적게 나타났다. 또한 표면의 Cr7C3(짙은 회색)상에서 균열(red arrow)이 관찰되었는데 이 때 생성된 경한 탄화물 마모 입자(particle)에 의해 연삭 마모가 촉진된 것으로 판단된다.
- (a)의 WC-12Co 코팅층에서 탄화물은 평균 1.6 μm 크기의 밝은 회색(2)을 띄었으며, 금속 바인더 상(1)은 낮은 분율의 짙은 회색으로 나타났다.
- 그림 8(a) 마모흔 표면 관찰 결과, 연삭 마모흔(blue arrows)과 함께 많은 부위에서의 코팅층의 탈락이 관찰되었다. 이에 단면 변형 조직을 관찰한 결과(그림 8(b)), 마모 시 바인더 스플렛 계면(inter-splat)에서 관찰되었던 공극층에서 균열이 시작되고 계면을 따라 전파되면서 기지의 탈락이 쉽게 발생하는 것으로 나타났다. 더욱이 추가적으로 바인더-바인더 계면에서의 코팅층 탈락도 일어나 강화상인 Cr3C2상이 마모 저항성을 향상 시키는데 적절한 기지의 역할을 수행하지 못한 것으로 확인되었다.
- 1. WC-12Co 코팅 소재는 WC상의 탈탄으로 인한 W2C, Co6W6C 제2상의 생성이 관찰되었다. 또한 탄화물-바인더 계면에서 관찰된 미세 공극들은 W2C상의 높은 취성 및 바인더와의 접합 특성을 저하시키는 요인으로 작용하였다.
- 2. 5시간 ball-on disk 시험 후 마모량으로 평가된 cermet 코팅층의 마모 특성은 WC-20Cr-7Ni, WC-12Co, Cr3C2-20CrNi 순서대로 우수하게 나타났다. WC-12Co 코팅층에 서는 분리(debonding)된 탄화물-바인더 계면이 마모 시 균열 전파를 용이하게 하여 넓은 범위의 코팅층에 응착 마모를 야기하는 것으로 관찰되었다.
- 그에 따라 코팅층내 바인더 분율을 감소시켜 응착 마모 거동을 억제하였으며, 마모 시 발생한 일부 Cr7C3 상의 파단이 연삭 마모량을 다소 증가 시켰으나 바인더 상과 분리되지 않고 마모 저항성 향상에 기여하였다. Cr3C2-20CrNi 코팅 층의 경우 탄화물-바인더 계면 특성은 우수하게 나타났으나, 높은 바인더 분율과 스플랫 계면에 존재하는 미세 공극들에 의해 코팅층이 쉽게 탈락한 것으로 나타났다.
- WC-20Cr-7Ni 코팅층에서는 대부분의 Cr 원소가 탄소와 결합하여 Cr7C3 탄화물을 형성하고 있었다. Cr계 탄화물은 WC 및 W2C에 비해 낮은 경도 특성을 갖지만 바인더와 우수한 계면 특성을 갖는 것으로 나타났다. Cr3C2-20CrNi 코팅 소재에서는 Cr3C2 탄화물의 분율이 낮을 뿐만 아니라 각 스플랫의 계면에 공극이 존재하고 있었다.
- Cr3C2 -20CrNi 코팅 소재에서는 Cr3C2탄화물과 Cr 및 NiCr 기지 피크들이 나타났다(그림 2). WC계 코팅 소재와는 달리 기존 탄화물의 분해로 야기되는 새로운 탄화물상의 생성은 나타나지 않았 으며, 기지의 X 선 피크 강도가 비교적 높게 검출되었다.
- 각 코팅층 내 생성 상을 알아보기 위해 수행한 XRD 분석 결과(그림 2), WC-12Co 코팅 소재에서는 WC 입자 및 W2C, Co6W6C 탄화물이 존재하는 것으로 나타났다. 이는 높은 열원을 갖는 HVOF 공정 시 나타나는 WC 입자의 탈탄(decarburizing)에 의해 빠져나온 탄소가 새로운 상을 형성하였기 때문으로 보여진다[13].
- 세 cermet 코팅층들의 마모 특성을 비교하기 위해 마모 실험을 통해 마모량(wear loss)를 측정하였으며, 이를 그림 5에 제시하였다. 그 결과 모든 하중 조건에서Cr3C2-20CrNi, WC-12Co, WC-20Cr-7Ni 순으로 높은 마모량(낮은 내마모성)을 나타내었다. 특히 마모량의 차이가 가장 두드러지게 나타난 7 kgf 하중에서는 마모량이 각각 38 mg, 13 mg, 9.
- WC-20Cr-7Ni 코팅 소재의 경우 W2C상은 비교적 적은 양 생성되었고 Cr 바인더 상이 C 원소와 결합하여 Cr계 탄화물이 생성되었다. 그에 따라 코팅층내 바인더 분율을 감소시켜 응착 마모 거동을 억제하였으며, 마모 시 발생한 일부 Cr7C3 상의 파단이 연삭 마모량을 다소 증가 시켰으나 바인더 상과 분리되지 않고 마모 저항성 향상에 기여하였다. Cr3C2-20CrNi 코팅 층의 경우 탄화물-바인더 계면 특성은 우수하게 나타났으나, 높은 바인더 분율과 스플랫 계면에 존재하는 미세 공극들에 의해 코팅층이 쉽게 탈락한 것으로 나타났다.
- 4 μm로 측정되었다. 기공도는 순서대로 1.2%, 1.0%, 0.6%로 얻어져 세 코팅층들 모두 전체적으로 건전하게 적층되었음을 확인할 수 있었다.
- 이에 단면 변형 조직을 관찰한 결과(그림 8(b)), 마모 시 바인더 스플렛 계면(inter-splat)에서 관찰되었던 공극층에서 균열이 시작되고 계면을 따라 전파되면서 기지의 탈락이 쉽게 발생하는 것으로 나타났다. 더욱이 추가적으로 바인더-바인더 계면에서의 코팅층 탈락도 일어나 강화상인 Cr3C2상이 마모 저항성을 향상 시키는데 적절한 기지의 역할을 수행하지 못한 것으로 확인되었다.
- 마지막으로 가장 낮은 내마모 특성을 보였던 Cr3C2-20CrNi 코팅재의 경우 응착 마모에의한 코팅층의 탈락이주된 마모 기구로 나타났다. 그림 8(a) 마모흔 표면 관찰 결과, 연삭 마모흔(blue arrows)과 함께 많은 부위에서의 코팅층의 탈락이 관찰되었다.
- WC-20Cr-7Ni 코팅 소재에서는 Cr계 탄화물(pink arrows)의 형성이 두드러지게 나타났으며 이러한 탄화물 생성 반응으로 금속 바인더는 대부분 Ni 원소로 구성되어 있었다. 바인더 분율이 가장 높게 나타났던 Cr3C2-20CrNi 코팅 소재의 경우 탄화물의 분율이 가장 낮음을 재확인할 수 있었다.
- 1 μm로 세 코팅 소재 중 탄화물이 가장 조대하게 생성되어 있었다. 바인더 존재 영역에 대해 EDS 분석한 결과 바인더 상 중 밝은 색은 Ni 원소가, 비교적 어두운 색은 Cr 원소가 더 많이 함유되어 있었다. 이와 함께 바인더 스플랫들 사이 계면에서 미세한 공극들이 관찰되었다.
- 이상의 결과들을 비교 정리해보면, 먼저 WC-12Co 코팅 소재는 응착 마모 거동이 지배적으로 나타났다. 특히 탄화물-바인더 간 분리를 야기하는 W2C상에 의해 넓은 영역의 코팅층이 쉽게 탈락되었다.
- 0 mg로 측정되었다. 즉 가장 우수한 내마모성을 보인 WC-20Cr-7Ni 코팅 소재가 가장 낮은 내마모성을 보인 Cr3C2-20CrNi 코팅 소재에 비해 마모량이 약 76.3% 낮게 나타났다.
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