기계 부품용 DLC 코팅의 마찰 및 마모 특성에 관한 연구A study on friction and wear characteristics of DLC coating used for machine elements

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본 연구에서는 건조 마찰 및 경계 윤활 조건에서 공업용 다층 DLC 코팅의 마찰 및 마모 특성을 파악하기 위한 실험을 수행하였다. 연구 대상 DLC 코팅은 reactive sputtering 공정을 이용하여 substrate에 0.5 mm 두께의 Cr layer, 2.0 mm 두께의 CrN layer, 1.1 mm 두께의 a-C:H:W layer, 2.2 mm 두께의 a-C:H layer를 순차적으로 증착하여 제작하였다. 건조 마찰 및 경계 윤활 실험을 위한 DLC 코팅 증착에 사용된 substrate는 각각 침탄 경화 SCM 415 Cr-Mo steel disk와 AISI 52100 steel disk이다. 건조 마찰 상태에서 미끄럼 속도와 하중의 영향을 파악하기 위해 상온의 대기 분위기에서 DLC 코팅이 증착된 disk와 코팅이 증착되지 않은 12.6 mm 직경의 AISI 52100 steel ball을 0.0625, 0.125, 0.250, 0.500, 1.00, 2.00 m/s의 미끄럼 속도와 6.13, 20.7, 49.0 N의 하중 조건에서 20.0 km의 거리만큼 미끄럼 마찰시키는 실험을 수행하였다. 실험에는 자체 제작한 pin-on-disk 형태의 마찰 및 마모 실험 장치를 사용하였다. 실험 후 마찰 계수와 DLC 코팅과 AISI 52100 steel의 마모율을 구하였다. 실험 결과 마찰 계수는 미끄럼 속도와 하중이 증가할수록 대체로 감소하였다. 그리고 DLC 코팅과 AISI 52100 steel의 마모율은 하중이 증가할수록 대체로 감소하였다. 또한 이들은 미끄럼 속도가 증가함에 따라 증가하여 최대값에 도달하였으며, 이후 미끄럼 속도가 증가함에 따라 지속적으로 감소하였다. 마모율이 최대값을 보이는 미끄럼 속도는 DLC 코팅의 경우 하중에 관계없이 0.250 m/s이고, AISI 52100 steel의 경우 6.13 N의 하중에서는 0.125 m/s, 20.7과 49.0 N의 하중에서는 0.250 m/s였다. 광학 현미경을 이용한 마모면 관찰 및 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometer)와 Raman 분광법을 이용한 마모면 분석을 통해 미끄럼 속도와 하중의 변화에 따른 a-C:H layer의 흑연화(graphitization) 정도 변화 및 이착막(transfer layer)의 생성 정도 변화가 마찰 계수 변화의 주된 원인임을 확인하였다. 그리고 DLC 코팅과 AISI 52100 steel의 마모율은 주로 실험 조건의 변화에 따른 이착막의 생성 정도와 표면 경도 변화의 영향을 받았다. AISI 52100 steel 표면에 생성된 이착막은 주로 highly disordered graphite로 구성되며 마찰과 DLC 코팅과 AISI 52100 steel의 마모를 감소시켰다. 이와 더불어 경계 윤활 상태에서 윤활유와 미끄럼 속도, 온도 변화의 영향을 파악하기 위해 DLC 코팅이 증착된 disk와 코팅이 증착되지 않은 10.0 mm 직경의 AISI 52100 steel ball을 5.00, 10.0, 20.0, 40.0 Hz의 왕복 운동 주파수, 27.0, 55.0, 80.0, 110, 160 ℃의 온도, 293 N의 하중 및 1.00 mm의 stroke 조건에서 400 m의 거리만큼 미끄럼 마찰시키는 실험을 수행하였다. 마찰 및 마모 실험에는 상용 SRV(German: Schwingung Reibung Verschleiß, English translation: oscillating friction wear) tester를 사용하였으며, 경계 윤활 조건 조성을 위해 3 종류의 SAE 5W-20 윤활유를 사용하였다. 각각의 윤활유는 FM(friction modifier)의 첨가 여부 및 종류에 따라 FM이 배합되지 않은 윤활유, GMO(glycerol mono-oleate)가 배합된 윤활유, MoDTC(molybdenum dialky ldithiocarbamate)가 배합된 윤활유로 구분된다. 실험 후 마찰 계수와 두 상대 재질의 마모율을 구하였다. FM이 배합되지 않은 윤
Advisors
김경웅researcherKim, Kyung-Woong
Description
한국과학기술원 : 기계공학전공,
Publisher
한국과학기술원
Issue Date
2012
Identifier
511300/325007  / 020085020
Language
kor
Description

학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공, 2012.8, [ ix, 127 p. ]

Keywords

다이아몬드 라이크 카본; 마찰; 마모; 건조 마찰 조건; DLC(Diamond-Like Carbon); Friction; Wear; Dry friction regime; Boundary lubrication regime; 경계 윤활 조건

URI
http://hdl.handle.net/10203/181647
Link
http://library.kaist.ac.kr/search/detail/view.do?bibCtrlNo=511300&flag=dissertation
Appears in Collection
ME-Theses_Ph.D.(박사논문)
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