다이아몬드 강화 Cr 기반 소재의 정량적 마모 특성 평가

Quantitative Assessment of Wear Characteristics of Cr-based Coating Reinforced with Diamond

Abstract

Diamond reinforced Cr-based coating has been proposed as wear-resistant materials. In this study, the friction and wear characteristics of diamond reinforced Cr-based coating are experimentally assessed. The experiments are performed using a pin-on-reciprocating plate tribo-tester under various normal forces with boundary lubrication. The stainless-steel ball is used as a counter material. Prior to the experiments, mechanical properties such as elastic modulus and hardness are determined using nanoscale instrumented indentation. The hardness of the specimen is further determined using a Vickers hardness tester. The specimens before and after the experiments are carefully observed using a confocal microscope to understand the wear characteristics. In addition, the wear volume and wear rate of the specimens are determined based on the confocal microscope data. The results show that the friction coefficients are 0.096-0.100 under 20-40 N normal forces. Furthermore, the wear rates of the diamond reinforced Cr-based coating and the stainless steel ball under 20-40 N normal forces are found to be 12.8 × 10^-8 mm³/(Nm)-15.5 × 10^-8 mm³/(Nm) and 1.9 × 10^-8 mm³/(Nm)-3.9 × 10^-8 mm³/(Nm), respectively. However, the effect of the normal force on wear rates is not clearly observed, which may be associated with the flattening of the ball. The results of the study may be useful for the tribological applicability of diamond reinforced Cr-based coating as wear-resistant materials.

1. 서론

현재 전세계적으로 환경 보호에 대한 요구가 커짐에 따라 신재생 에너지 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 배기가스에 대한 규제가 강화되고 있으며, 이를 만족 하기 위한 다양한 친환경 기술들이 제시되고 있다[1-2]. 트라이볼로지 분야에서도 이러한 시대적 요구를 충족시 키기 위하여 다양한 green tribology 기술들이 제시되고 있다[3,4]. 특히, 상대운동을 경험하는 기계시스템의 마찰 성능을 개선하여 에너지 손실을 줄이고, 마모를 예측하고 최소화함으로써 제품의 수명을 연장시키기 위한 기술들에 대한 수요가 증가하고 있다. 이러한 관점에서, 상 대운동을 경험하는 부품의 표면 내구성을 향상시키기 위한 내마모 코팅 기술[5,6]의 적용은 더욱 확대될 것으로 예상된다. 내마모 코팅 소재로 제시되고 있는 소재 중 하나는 다이아몬드 강화금속복합제(metal matrix composite)로써, 향후 많은 응용분야에 적용 가능할 것으로 기대되고 있다[7,8]. 이러한 소재를 보다 효과적으로 해당 응용 분야에 적용하기 위해서는, 다양한 실험조건 및 환경에서의 마찰과 마모 특성을 체계적으로 파악하고 데이터를 축적하는 것이 요구된다.

본 연구에서는 우수한 기계적 물성과 내마모성을 가짐에 따라, 피스톤 링과 같은 다양한 응용분야에서 사용될 것으로 제시되고 있는 다이아몬드 강화 Cr 기반 소재의 정량적 마찰 및 마모 특성을 평가하고자 하였다. 이를 위하여 pin-on-reciprocating plate tribo-tester를 이용한 실험을 다양한 하중에서 수행하였다. 실험 중 마찰력의 변화를 측정하고, 실험 전후 시편을 관찰함으로써, 마모 특성을 평가하였다. 궁극적으로, 이러한 연구 결과는 다이아몬드 강화 Cr 기반 소재의 마찰 및 마모 특성을 이해하고, 응용분야를 확장하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. 실험 시편

본 연구에서는 높은 마모 저항성과 우수한 기계적 물성을 가지고 있어, 많은 분야에서 내마모 소재로써 사용되고 있는 다이아몬드 강화 Cr 기반 복합재 소재를 대상으로 선정하였다. 해당 소재는 주철 기판에 증착시킨 후 polishing하였으며, pin-on-reciprocating plate tribo- tester를 이용한 실험을 위하여, plate 형태로 제작되었다. 해당 소재의 마찰 및 마모 특성 평가를 위한 상대 재료로는 stainless steel (SS) ball을 이용하였다. Fig. 1 (a)은 다이아몬드 강화 Cr (Cr-diamond) 코팅 시편의 표면을 공초점 현미경(confocal microscope)을 이용하여 관찰한 결과로써, 표면과 단면의 광학 이미지들과 3차원 표면 topography를 나타낸다. Fig. 1 (a)에 제시된 결과로부터, polishing 과정에서 형성된 것으로 보이는 표면 요철이 존재하는 것을 알 수 있다. 또한, 코팅층의 두께는 약 200 µm인 것을 알 수 있다. 공초점 현미경을 이용하여 서로 다른 10곳을 측정한 결과로부터 시편의 평균표면 거칠기는 1.37 ± 0.08 µm인 것으로 나타났다. Fig. 1 (b)는 상대 재료로 이용된 SS ball을 공초점 현미경을 이용하여 관찰한 결과로써, 3차원 height 이미지 및 2차 원단 면 profile을 나타낸다. 실험에 사용된 SS ball의 반경은 1 mm인 것으로 나타났으며, 평균표면거칠기는 0.25 ± 0.04 µm로써 비교적 우수한 표면 거칠기를 가지고 있는 것으로 나타났다.

Fig. 1. (a) Confocal microscope image and 3D topography of Cr-based specimen with diamond reinforcement and (b) 3D topography and 2D cross-sectional profile of stainless steel ball specimen.

실험전에 비커스 경도계를 이용하여 Cr-diamond 및 SS ball 시편의 경도를 측정하였으며, 이를 위하여 ball 시편은 평평한 면을 가지도록 polishing 하였다. Cr- diamond와 ball 시편의 경도는 각각 800 ± 20 HV, 760 ± 40 HV로 나타났다. 또한, Cr-diamond 시편의 기계적 물성을 보다 명확하게 이해하기 위하여 nano-indentation 을 수행하였다. 그러나, 측정방법, 스케일, 압입자 형상 등의 차이로 인하여 nano-indentation 경도를 비커스 경도와 직접적으로 비교하기는 어려울 것으로 판단되었다. Nano-indentation측정은 서로 다른 5곳에서 이루어졌으며, Fig. 2는 이를 통하여 얻은 하중-변위 선도(force- displacement curve)를 나타낸다. 3 µN의 최대 하중 및 3000 µN/min의 압입 속도에서 수행된 nano-indentation 결과로부터, Cr-diamond 시편의 탄성계수 및 경도는 각각 230 ± 20 GPa과 17 ± 2 GPa임을 알 수 있었다.

Fig. 2. Force-displacement curve obtained on Cr-based specimen with diamond reinforcement.

2-2. 실험 방법

본 연구에서는 pin-on-reciprocating plate tribo-tester를 이용하여 실험을 수행하였다, Dead weight을 이용하여 가해지는 수직 하중은 20 N, 30 N, 40 N으로 변화시켰다. Hertzian 접촉 이론에 기반하여 계산한 접촉 압력은 20 N, 30 N, 40 N의 수직 하중에서 각각 2.6 GPa, 2.9 GPa, 3.2 GPa로 나타났다. 미끄럼 속도는 시편의 중앙부에서의 속도가 12 mm/s가 되도록 일정하게 고정하였다. 또한, 왕복운동 실험은 180 m의 미끄럼거리에 해당하는 30, 000회 동안 이루어졌다. 실험은 경계 윤활 상태에서 이루어졌으며, 40·C에서 144.5 mm /s, 100 C에서 14.5 mm /s의 점도를 가지는 디젤 엔진 오일을 사용하였다.

마찰력의 변화는 실험장치에 장착된 load cell을 이용하여 이루어졌으며, 실험 후 시편들을 공초점 현미경으로 주의 깊게 관찰하여 마모 특성을 이해하고자 하였다. 또한, 정량적인 마모 특성 평가를 위하여 공초점 현미경 데이터를 기반으로, 마모 부피를 얻었다. Cr-diamond 시편의 마모 부피는 실험 후 얻은 평균단면 프로파일로부터 마모 트랙의 단면적을 얻은 후, 이송거리를 곱하여 계산하였으며, ball 시편의 마모 부피는 실험 전후의 공초점 현미경 데이터를 비교하여 얻었다. 또한, 각 시편의 마모율 (wear rate)을 계산하였다.

3. 결과 및 고찰

3-1. 마찰 특성

Fig. 3 (a)는 20 N, 30 N, 40 N 수직하중에서, 왕복운동 횟수 증가에 따른 마찰계수의 변화를 나타낸다. 모든 경우에서 2,000~5,000회의 초기 왕복운동 동안 마찰계수가 약간 감소한 후 일정한 값을 유지하는 것으로 나타났다. 이러한 상대운동 초기 마찰계수의 감소는, Fig. 1에 제시된 바와 같이, Cr-diamond 시편에 존재하고 있던 표면 요철(asperity)들이 초기 마모에 의해 제거됨에 따라 발생하는 것으로 여겨진다. 초기 마모 발생 후, 마찰 계수가 비교적 일정하게 유지되는 것으로 보아, 마모의 진전도 비교적 점진적으로 발생할 것으로 예상된다. Fig. 3(b)는 정상상태에서의 마찰계수를 수직하중 변화에 따라 나타낸 결과이다. 20 N 및 30 N 수직하중에서의 마찰계수는 0.096으로 유사했으나, 40 N 수직하중에서는 0.100으로 약간 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 3. (a) Variation of friction coefficient with respect to number of cycles and (b) average friction coefficient at the steady state.

3-2. 마모 특성

Figs. 4 (a), (b), (c)는 각각 20 N, 30 N, 40 N의 수직하중에서 실험을 수행한 후, Cr-diamond 시편의 형성된 마모 트랙을 공초점 현미경으로 측정한 결과이다. Fig. 4에는 마모 트랙 전체의 광학 이미지와 함께, 마모 트랙 중앙부의 3차원 형상 이미지와 2차원 평균 단면 프로파 일을 제시하였다. Fig. 4에 제시된 결과로부터, Crdiamond 시편 표면에 형성되어 있던 요철들이 제거되며 마모 트랙이 형성된 것을 알 수 있다. 또한, 마모 정도는 수직하중 증가에 따라 증가하는 것으로 나타났는데, 특히, 마모 트랙의 깊이는 약 2 µm정도로 일정한 반면, 폭 은 약 100 µm에서 150 µm정도로 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 폭의 증가는 ball의 마모 진전에 따른 형상 변화와 관련이 있을 것으로 예상되었다.

Fig. 4. Confocal microscope images, 3D height images, and cross-sectional profiles of wear track formed on Cr based specimen with diamond reinforcement after the tests under (a) 20 N, (b) 30 N, and (c) 40 N normal forces.

Fig. 5는 실험 후 SS ball의 표면을 공초점 현미경으로 관찰한 결과로써, 광학 이미지와 2차원 단면 프로파일을 나타낸다. Cr-diamond 시편과 접촉한 SS ball의 표면이 마모에 의하여 평평해진 것을 알 수 있으며, 특히 미끄럼 방향을 따라 마모 흔적이 발생한 것을 알 수 있다. 그러나, Fig. 5에서 제시된 2차원 단면 프로파일 결과로부터, 수직하중 증가에 따른 SS ball의 높이 감소는 비교 적 일정한 것으로 나타났다. 이와 같이 ball이 평평해짐 에 따라, ball과 Cr-diamond 시편 사이에 작용하는 접촉 압력이 감소할 것으로 예상되며, 마모의 진전은 둔화될 것으로 예상된다. 또한, 앞서 언급한 바와 같이, ball의 평 평해지는 정도는 Cr-diamond 시편에 형성되는 마모 트랙의 폭 증가와 관련이 있을 것으로 생각된다. 수직하중 이 클 경우 ball의 평평해지는 현상이 보다 빨리 발생할 것이며, 이에 따라 Fig. 4에 제시된 바와 같이, Crdiamond 시편에 형성된 마모 트랙의 폭이 수직 하중이 커짐에 따라 증가하는 것으로 여겨진다

Fig. 5. Confocal microscope images and cross-sectional profiles of wear track formed on stainless steel ball after the tests under (a) 20 N, (b) 30 N, and (c) 40 N normal forces.

Figs. 4와 5에 제시된 데이터를 기반으로 수직하중 변화에 따른, Cr-diamond 시편과 ball의 마모 부피와 마모율을 계산하여 Fig. 6에 제시하였다. Fig. 4에 제시된 데이터로부터, Cr-diamond 시편의 마모 부피는 수직하중 증가에 따라 증가하는 것으로 나타났는데, 20 N, 30 N, 40 N 수직하중에서의 마모 부피는 각각 5.6 × 10-4 mm3 , 8.4 × 10-4 mm3 , 9.2 × 10-4 mm3 로 계산되었다 (Fig. 6 (a)). 그러나, 20 N, 30 N, 40 N 수직하중에서 Cr-diamond 시 편의 마모율은 각각 15.6 × 10-8 mm3 /(Nm), 15.5 × 10-8 mm3 /(Nm), 12.8 × 10-8 mm3 /(Nm)로써, 대체적으로 감소하는 경향을 나타냈다. 이러한 경향은 ball의 끝단이 평평해짐에 따라, 마모의 진전이 수직하중 커지는 만큼 증가하지 않고 둔화되는 것을 의미한다.

Fig. 6. Wear volumes and rates of (a) Cr-based specimen with diamond reinforcement and (b) stainless steel ball specimens as a function of normal force.

Fig. 6 (b)에 제시된 바와 같이, 20 N, 30 N, 40 N 수 직하중에서 ball의 마모 부피는 1.4 × 10-4 mm3 , 1.4 × 10-4 mm3 , 1.3 × 10-4 mm3 로써, Cr-diamond 시편의 경우와는 달리 크게 변하지 않는 것으로 나타났다 (Fig. 6 (b)). 또한, 20 N, 30 N, 40 N 수직하중에서 ball의 마모율은 각각 3.9×10-8 mm3 /(Nm), 2.6×10-8 mm3 /(Nm), 1.9 × 10-8 mm3 /(Nm)로써, 수직하중 증가에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터, ball의 경우에도, 끝단이 평평해진 후에는 마모의 진전이 둔화되어 수직하중의 영향이 크게 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다.

SS ball과 접촉으로 인하여 발생하는 Cr-diamond의 마모 기구를 이해하기 위하여, 각 시편들의 표면을 공초점 현미경을 이용하여 Fig. 7에 제시하였다. Fig. 7(a)와 (b)는 각각 실험 후 측정한 Cr-diamond 시편과 ball의 공초점 현미경 이미지를 나타낸다. Fig. 7(a)에 제시된 바와 같이, Cr-diamond시편 모두에서 미끄럼 방향을 따라 형성된 스크래치들을 관찰할 수 있으며, 이로부터 연삭 마모 (abrasive wear)가 발생한 것으로 알 수 있다. 또한, Cr-diamond 시편의 표면 위에 크랙들을 따라 마모 입자가 떨어져 나가는 현상을 관찰할 수 있다. Fig. 7(b)에 제시된 바와 같이, SS ball의 경우에는 미끄럼 방향을 따라 형성된 스크래치들을 관찰할 수 있으며, 응착 마모 (adhesive wear) 흔적을 함께 관찰할 수 있었다.

Fig. 7 Confocal microscope images of wear track formed on (a) Cr-based specimen with diamond reinforcement and (b) stainless steel ball specimens after the tests under 20 N, 30 N, and 40 N normal forces.

4. 결론

본 연구에서는 다이아몬드 강화 Cr 기반 소재의 정량적 마찰 및 마모 특성을 경계 윤활상태에서 평가하였다. 이를 위하여 pin-on-reciprocating plate tribo-tester를 사용하여, 다양한 수직하중에서 실험을 수행하였다. 상대 재료로는 SS ball이 사용되었다. 실험 결과, 마찰 계수는 초기에 약간 감소하는 경향을 나타났으며, 정상 상태에서는 0.096~0.100의 값을 가지는 것으로 나타났다. Crdiamond 소재의 마모는 예상된 바와 같이, 수직하중 증가에 따라 증가하는 반면, 마모율은 대체적으로 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 상대운동 진행에 따라 SS ball이 평평해지면서 수직 하중의 영향이 감소하기 때문인 것으로 여겨진다. 다이아몬드 강화 Cr 기반 소재의 마모율은12.8 × 10-8 mm3 /(Nm)에서 15.5 × 10-8 mm3 /(Nm)의 값을 가지는 것으로 계산되었다. SS ball의 마모율은 1.9×10-8 mm3 /(Nm) ~ 3.9 × 10-8 mm3 /(Nm)의 값을 가지는 것으로 나타났다. 또한, 주된 마모 기구는 연삭 및 응착 마모인 것으로 나타났다. 이와 같은 다이아몬드 강 화 Cr 기반 소재의 정량적 특성 평가 결과는 향후 응용 분야 확대에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.