• Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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• 2001.11a
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• pp.296-303
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• 2001

In nuclear power steam generators, high flow rates can induce vibration of the tubes resulting in fretting wear damage due to contacts between the tubes and their supports. In this paper the fretting wear tests and the sliding wear tests were performed using the steam generator tube materials of Inconel 690 against STS 304. Sliding tests with the pin-on-disk type tribometer were done under various applied loads and sliding speeds at air and water environment. Fretting tests were done under various vibrating amplitudes, applied normal loads and various temperatures. From the results of sliding and fretting wear tests, the wear of Inconel 690 can be predictable using the work rate model. Depending on normal loads and vibrating amplitudes, distinctively different wear mechanisms and often drastically different wear rates can occur. At room temperature, the wear coefficient K of Inconel 690 is 7.57${\times}$10$\^$13/Pa$\^$1/ in air and it is 1.93${\times}$10$\^$13/Pa$\^$1/ in water. At room temperature, it is found that the wear volume in air is more than in water. In water, the wear coefficient K at 50$^{\circ}C$ and 80$^{\circ}C$ is 4.35${\times}$10$\^$-13/Pa$^1$ and 5.81${\times}$10$\^$-13/Pa$^1$ respectively, Therefore, it is found that the wear volume extremely increases by increasing on temperature in water. This study shows that the dissolved oxygen with temperature increment increases and the wear due to fluidity is severe.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.349-349
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• 2011

인공관절은 노인성 질환이나 자가 면역질환, 신체적인 외상 등으로 인하여 발생하는 관절의 손상 부위를 대체하기 위해 고안된 관절의 인공 대용물이다. 인공 관절 중 인공 고관절의 경우 관절 운동을 하는 라이너(Liner)와 헤드(Head) 부분이 인공관절의 수명을 결정하게 되는데, 헤드 부분에 메탈소재와 라이너 부분에 고분자 소재를 사용하는 MOP(metal on polymer) 구조의 인공관절은 충격흡수의 장점이 있는 반면 wear debris에 의한 골용해로 인하여 관절이 느슨해지는 문제점이 발생하여 재 시술의 주요 원인이 되고 있다. 현재 인공관절의 수명을 늘리기 위해 DLC, ZrO, TiN 등의 높은 경도 값을 갖는 박막을 금속헤드 위에 증착하여 상대재인 인공관절용 고분자 소재의 마모량을 줄이고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 따라서 본 연구에서는 PIII&D(Plasma Immersion Ion Implantation & Deposition)공정을 이용하여 Co-Cr-Mo 합금 소재에 질소 이온을 주입 한 후 NbN 박막을 증착하여 상대재인 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)의 마모량을 줄이고자 하였다. NbN 박막의 특성을 평가하기 위해 XRD, XPS, AFM 등의 분석을 수행하였으며, 상대재인 초고분자량 폴리에틸렌의 마모량을 측정하기 위해 Pin-on-disk tribometer를 이용하여 마모 실험을 진행하였다. 마모 실험 결과, NbN 박막을 단순 증착한 경우, 현재 인공관절용 헤드(Head) 소재로 가장 널리 사용되고 있는 Co-Cr-Mo 합금에 비하여, 상대재인 초고분자량 폴리에틸렌의 마모량을 약 20% 감소시키는 것을 알 수 있었다. 또한, Co-Cr-Mo 합금 소재에 질소 이온주입을 하여 표면을 개질한 후, NbN 박막을 증착한 경우, 마모량이 최대 50%까지 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2007.11a
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• pp.397-397
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• 2007

Diamondlike carbon (DLC) coatings were deposited on alumina ceramic seals using a plasma immersion ion deposition technique (PIID). Then they were subjected to tribological tests using a pin-on-disc tribometer under a high load (1.3 GPa) and under elevated temperatures up to 400C. Coefficients of friction (COFs) were recorded and compared with that of the untreated alumina while the wear tracks were analyzed using SEM with EDS to characterize the DLC films. To enhance the DLC adhesion to the substrate, various interlayers including Si and Cr were deposited using the PIID process or an ion beam assisted deposition (IBAD) method. It was observed that the DLC coating, if adhering well to the substrate, reduced the COFs significantly, from 0.4-0.8 for the uncoated alumina to about 0.05-0.1, within the tested temperature range. The adhesion was determined by the interlayer type and possibly by the application method. Cr interlayer did not perform as well as the Si interlayer. This could also be due to the fact that the Cr interlayer and the subsequent DLC coating had to be done in two different processing systems, while both the Si interlayer and the subsequent DLC film were deposited in one system without breaking the chamber. The coating failure mode was found to be delamination between the Cr and the alumina substrate. In contrast, the Si interlayer with proper DLC deposition procedures resulted in very good adhesion and hence excellent tribological performance. Further study may lead to future DLC applications of ceramic seals.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.356-356
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• 2010

Tribological behaviors of the hard film on soft substrate system were explored using the hard thin film of diamond-like carbon (DLC) coated the soft polymer of polydimethysiloxane (PDMS). A DLC film with the Young's modulus of 100 GPa was coated on PDMS substrate with Young's modulus of 10 MPa using plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) technique. The deposition time was varied from 10 sec to 10 min, resulting in nanoscale roughness of wrinkle patterns with the thickness of 20 nm to 510 nm, respectively, at a bias voltage of $400\;V_b$, working pressure 10 mTorr. Nanoscale wrinkle patterns with 20-100 nm in width and 10-30 nm height were formed on DLC coating due to the residual stress in compression and difference in Young's modulus. Nanoscale roughness effect on tribological behaviors was observed by performing a tribo-experiment using the ball-on-disk type tribometer with a steel ball of 6 mm in diameter at the sliding speed of 220 rpm, normal load of 1N and 25% humidity at ambient temperature of $25^{\circ}C$. Friction force were measured with respect to thickness change of coated DLC thin film on PDMS. It was found that with increases the thickness of DLC coating on PDMS, the coefficient of friction decreased by comparison to that of the uncoated PDMS. The wear tracks before and after tribo-test were analyzed using SEM and AFM.

• Tribology and Lubricants
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• v.34 no.6
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• pp.217-225
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• 2018

In this study, we spray a Ni-Cr composite powder onto AISI 4340 steel using the high velocity oxygen fuel method. We subsequently subject the Ni-Cr coating (as-sprayed) to ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) process to improve the tribological performance. This study aims at increasing the wear resistance and durability of the Ni-Cr coating by altering the surface integrity and microstructure via the UNSM process. The UNSM process reduces the surface roughness of the as-sprayed coating by about 64%, which is explained by observing the elimination of high peaks and valleys and filling up micro-pores. Furthermore, a change in the microstructure of the coating due to continuous high-frequency strikes to the surface by a tip can lead to an increase in hardness from about 48 to 60 HRC. Furthermore, we investigate the characterization of the friction and wear behavior of Ni-Cr coating by a ball-on-disc tribometer in the dry conditions. We determine that after the UNSM process, there is a significant reduction in the friction coefficient of the as-sprayed coating from approximately 1.1 to 0.75. This is owing to the increased hardness and smoothed surface roughness. In addition, we investigate the surface morphology and wear track of the coatings before and after the UNSM process using a scanning electron microscope, energy dispersive spectrometer, and three-dimensional laser scanning microscope. We observe that the wear track of the Ni-Cr coating after the UNSM process is lower than that of the as-sprayed one. Thus, we confirm that the UNSM process has a significant influence on the improvement of the tribological performance of the Ni-Cr composite coating.

• Tribology and Lubricants
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• v.38 no.4
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• pp.170-178
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• 2022

Mechanical surface treatment is an excellent approach widely used to modulate and improve the performance and service life of bearings, gears, and frictional joints. The main purpose of this study is to investigate and compare the effect of ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) and wonder process craft (WPC) on the surface and tribological properties of SUJ2 bearing steel. The surface roughness and hardness of the untreated and treated (UNSM- and WPC-treated) specimens were measured and compared. Their tribological properties were evaluated using a micro-tribometer under grease-lubricated and dry conditions against itself. Surface hardness measurement results revealed that both the UNSM- and WPC-treated specimens had a higher hardness than that of the untreated specimen. The surface roughness of the untreated specimen was reduced after UNSM and WPC treatments. Abrasive wear mode was observed on the surface of the specimens worn under grease-lubricated conditions, while adhesive wear mode was found on the surface of the specimens worn in dry conditions. According to the tribological test results, the friction coefficient and wear rate of the untreated specimens were reduced by the application of both the UNSM and WPC treatments under grease-lubricated and dry conditions.

• Tribology and Lubricants
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• v.38 no.1
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• pp.8-14
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• 2022

Amorphous carbon (a-C) has excellent wear resistance and, therefore is used as a coating to protect numerous mechanical components to prolong their lifetimes. Among the a-C coatings, diamond-like carbon (DLC) and DLC-containing silicon (Si-DLC) receive extensive attention owing to their enhanced wear resistance and low frictional characteristics. In this study, the friction and wear characteristics of DLC and Si-DLC coatings are analyzed. For comparative analysis, DLC-coated and Si-DLC-coated vanes are utilized with the counterpart of a roller for the friction tests. Since the lubricated mechanical components are generally vulnerable to wear when a lubricant film does not form properly, friction tests are conducted under boundary lubrication conditions to promote wear. A cylinder-on-cylinder type tribometer is used to perform the friction tests with various normal load conditions. After the friction test, a 3D laser confocal microscope is used for quantifying the wear volume to calculate the wear rate of each specimen. Consequently, the DLC-coated specimen shows a lower coefficient of friction (COF) and wear rate than the specimen without the coating, while the Si-DLC coating shows a higher COF than the bare specimen. The results of this study are expected to contribute to improving the efficiency and reliability of compressors.

• Journal of the Korean Vacuum Society
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• v.15 no.3
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• pp.287-293
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• 2006

Diamond-like carbon (DLC) film was deposited using benzene $(C_6H_6)$ by r. f-plasma assisted chemical vapor deposition. The tribological properties of the DLC film were tested by rotating ball-on-disc type tribometer isolated by a chamber. The tribological test was performed in air environment of relative humidity ranging from 0 to 90% in order to observe the tribological behavior of the DLC film with the change of humidity. We used steel ball and DLC coated steel ball to investigate the effect of the counterface material. Using steel ball, the friction coefficient of DLC film increased from 0.025 to 0.2 as the humidity increased from 0% to 90%. In case of DLC coated steel ball which didn't form the Fe-rich debris, the friction coefficient showed much lower dependence of humidity as 0.08 in relative humidity 90%. We confirmed that the high humidity dependence of the friction coefficient using steel ball resulted from the increase of debris size with humidity and the formation of Fe-rich debris by the wear of steel ball. And the friction coefficient was immediately dropped when the relative humidity changed from 90% to 0% during test using steel ball. From this result, we confirmed that the effect of the Fe-rich debris on the friction coefficient was that Fe element in debris formed the highly sensitive graphitic transfer layer to humidity.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 1999.07a
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• pp.114-114
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• 1999

Boron nitride (BN)는 매우 뛰어난 물리적, 화학적 성질을 가지고 있는 재료로 많은 연구가 진행되고 있다. hexagonal 형태의 hBN의 경우 큰 전기 저항과 열 전도도를 가지고 있고 열적 안정성을 가지고 있어 반도체 소자에서 절연층으로 쓰일 수 있다. 또한 X-ray와 가시광선을 투과시키기 때문에 X-ray와 가시광선을 투과시키기 때문에 X-ray lithography이 mask 기판으로 사용될 수 있다. Boron-carbon-nitrogen (BCN) 역시 뛰어난 기계적 성질과 투명성을 가지고 있어 보호 코팅이나 X-ray lithography에 이용될 수 있다. 또한 원자 조성이나 구성을 변화시켜 band gap을 조절할 수 있는 가능성을 가지고 있기 때문에 전기, 광소자의 재료로 이용될 수 있다. 본 연구에서는 여러 합성 조건 변화에 따른 hBN 막의 합성 거동을 관찰하고, 카본 농도변화에 따른 BCN 막의 기계적 성질과 구조의 변화, 그리고 실리콘 첨가에 의한 물성 변화를 관찰하였다. BN박막은 실리콘 (100) 기판 위에 r.f. plasma assisted CVD를 이용하여 합성하였다. 합성 압력 0.015 torr, 원료 가스로 BCl3 1.5 sccm, NH3 6sccm을 Ar 15 sccm을 사용하여 기판 bias (-300~-700V)와 합성온도 (상온~50$0^{\circ}C$)를 변화시켜 BN막을 합성하였다. BCN 박막은 상온에서 기판 bias를 -700V로 고정시킨 후 CH4 공급량과 Ar 가스의 첨가 유무를 변화시켜 합성하였다. 또한 SiH4 가스를 이용하여 실리콘을 함유하는 Si-BCN 막을 합성하였다. 합성된 BN 막의 경우, 기판 bias와 합성 온도가 증가할수록 증착속도는 감소하는 경향을 보여 주었다. 기판 bias와 합성온도에 따른 구조 변화를 SEM과 Xray로 분석하였다. 상온에서 합성한 경우는 표면형상이 비정질 형태를 나타내었고, X-ray peak이 거의 관찰되지 않았다. 합성온도가 증가하게 되면 hBN (100) peak이 나타나게 되고 이것은 합성된 막이 turbostratic BN (tBN) 형태를 가지고 있다는 것을 나타낸다. 50$0^{\circ}C$의 합성 온도에서 기판 bias가 -300V에서 hBN (002) peak이 관찰되었고, -500, -700 V에서는 hBN (100) peak만이 관찰되었다. 따라서 고온에서의 큰 ion bombardment는 합성되는 막의 결정성을 저해하는 요소로 작용한다는 것을 확인 할 수 있었다. 합성된 BN 막은 ball on disk type의 tribometer를 이용하여 마모 거동을 관찰한 결과 대부분 1이상의 매우 큰 friction coefficient를 나타내었고, nano-indenter로 측정한 BN막의 hardness는 매우 soft한 막에서부터 10 GPa 정도 까지의 값을 나타내었고, nano-indenter로 측정한 BN 막의 hardness는 매우 soft한 막에서부터 10GPa 정도 까지의 값을 가지며 변하였다. 합성된 BCN, Si-BCN 막은 FT-IR, Raman, S-ray, TEM 분석을 통하여 그 구조와 합성된 상에 관하여 분석하였다. FT-IR 분석을 통해 B-N 결합과 C-N 결합을 확인할 수 있었고, Raman 분석을 통하여 DLC의 특성을 분석하였다. 마모 거동에서는 BCN 막의 경우 0.6~0.8 정도의 friction coefficient를 나타내었고 Si-BCN 막은 0.3이하의 낮은 friction coefficient를 나타내었다. Hardness는 carbon의 함유량과 Ar 가스의 첨가 유무에 따라 각각을 측정하였고 이것은 BN 막 보다 향상된 값을 나타내었다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 1999.10a
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• pp.37-37
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• 1999

Cr-N 계 박막은 경도가 높고 치밀한 층을 형성할 수 있으므로 현재 금형과 기계류 핵심부품의 내마모 및 내식성 향상을 위한 대표적인 물질로 많은 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 아크 이온플레이팅 장비를 이용하여 질소분압, 바이어스 전원 등의 변화에 따른 Cr-N계 박막의 결정성 및 표면상태, 증착율, 그리고 내마모성을 조사하였다. Cr-N 계 박막을 증착하기 위해서 사용한 시편은 $20MM{\phi}{\times}4mmt$ 크기의 고속도 공구강 디스크이었으며, Trichloroethylene에서 5분간 초음파 세척을 한 후 건조하여 진공용기 내에 장착하였다. 박막을 증착하기전 시편의 표면을 깨끗하게 하기 위해서 Ar 이온 충격으로 플라즈마 전처리를 하였다. 증착된 Cr-N 계 박막의 두께는 CALOTEST와 XRF 두께 측정기를 이용하여 측정하였으며, 박막의 결정성과 내마모성은 X-선 회절분석기와 tribometer로 관찰하였다. 아크 전류를 변화시키면서 증착한 Cr-N 박막의 경우 층작율은 아크 전류가 50A에서 80A로 증가함에 따라 45nm/min에서 87nm/min으로 증가하였다. 그리고 바이어스 펄스의 duty-on 시간과 주파수가 증가할수도록 박막의 증착율은 감소함을 알 수 있었다. Duty-on 시간과 주파수의 증가는 기판에 오랫동안 이온의 충격을 가하므로서 상대적으로 가벼운 질소이온이 크롬과 결합하는 것을 방해하여 박막의 증착율이 감소할 것이다. 기판에 인가하는 바이어스 펄스의 duty-on 시간을 변화시키면서 증착한 Cr-N 박막에 대한 X-선 회절상을 조사한 결과 duty-on 시간이 20%인 경우에는 Crn(111), CrN(200)와 Crn(220) 피크 들만 나타나 입방정의 CrN 박막이 형성되었으며, duty-on 시간의 증가에 따라 $Cr_2N$ 상의 형성이 점점 많아져 80% duty-on 시간 경우에는 거의 CrN과 $Cr_2N$ 상이 공존하는 것으로 나타났다. 또한 duty-on 시간이 증가할수록 회절피크의 세기가 증가하여 결정화가 더 많이 진행되어짐을 알 수 있었다. 마찬가지로 바이어스 펄스이 주파수에 다른 결정성의 변화도 펄스의 주파수가 증가할수록 박막이 결정성이 좋아지고 $Cr_2N$ 상이 쉽게 형성되었다. 증착 진공도에 따른 결정성은 상대적으로 질소의 농도가 높은 낮은 진공도에서는 CrN 상이 주로 형성되었으며, 반대로 높은 진공도에서는 $Cr_2N$ 상이 많이 만들어졌다. 즉 $1.3{\times}10^{-2}Torr$의 증착 진공도에서는 CrN 상만이 보이는 반면 $9.0{\tiems}1-^{-2}Torr$ 진공도에서부터 $Cr_2N$ 상이 형성되기 시작하여 $5.0{\tiems}10^{-2}Torr$ 진공도에서는 두개의 상이 혼재되어 있음을 알 수 있었다. 박막의 내마모성을 조사한 결과 CrN 박막의 마찰 계수는 초기에 급격하게 증가한 후 0.5에서 0.6 사이의 값으로 큰 변화를 보이지 않았으며, $Cr_2N$ 박막도 비슷한 거동을 보였다.