[첨단 헬로티]
사토 신이치로 (佐藤 愼一郞), 아마노 토모코 (天野 友子) 淸水電設공업(주)
1. 서론
자동차의 경량화와 안전성을 높이기 위해 골격 부품의 고강도화가 추진되고 있다. 이 재료로서 고장력강(하이텐)이 적극적으로 이용되어 왔다. 이것에 동반해 가공하는 프레스 금형도 고내구성을 요구받고, PVD 피막(코팅)을 비롯한 표면처리는 보다 높은 막경도, 내열성, 밀착성을 요구받아 왔다. ZERO-Ⅰ(제로원) 코팅은 경도, 내열성을 높인 PVD 피막으로, 금형의 메인티넌스 빈도를 억제해 금형의 재료비 절감에 공헌해 왔다.
금형 수명을 향상시키는 인자로서 막경도와 내열성을 들 수 있는데, 기존의 막 종류로는 한계가 되고 있다. 최근 금형 장수명화를 위해 마찰마모 특성을 향상시킨 PVD 피막이 주목을 받고 있다. 이 글에서는 PVD 피막이 하이텐 재료에 대해 어떠한 마찰마모 특성을 미치는가 기초실험을 해 금형용 PVD 피막의 마찰마모 특성에 대해 검토했다.
2. 실험 개요
마찰마모 특성을 평가하기 위해 볼온디스크 시험기(CSM사제, TRIBO-X)를 이용했다. 마찰계수에 영향을 미치는 것은 접촉면의 재질, 기름 등의 윤활제 유무, 표면 조도를 들 수 있다. 이번에는 접촉면의 재질과 기름의 유무에 착안, 평가를 했다.
표에 실험에 사용한 재료를 나타냈다. 볼온디스크 시험 조건은 하중 10N, 접동 거리 500m, 접동 속도 10cm/s로 했다.
3. 결과
(1) 무윤활 상태의 막 종류에 따른 마찰계수의 차이
그림 1에 하이텐재 1,180MPa, 무윤활 하의 각종 마찰계수 결과를 나타냈다. 막 종류에 따라 마찰계수가 다른 결과가 됐다. 시험 초기(그림 1 중 ○)에는 ZERO-Ⅰ의 마찰계수가 가장 낮고, 이어서 CrN, TiN, 논코트의 순이었다. 시험 종료 후에는 TiN의 마찰계수가 낮고, 이어서 CrN, ZERO-Ⅰ, 논코트의 순이 됐다.
무윤활에서는 경계면끼리가 완전하게 접촉한 상태대로 접동이 이루어지기 때문에 하이텐재와 피막의 마찰마모 특성의 결과를 얻을 수 있었다.
(2) 오일 윤활 상태의 막 종류에 따른 마찰계수의 차이
그림 2에 하이텐 1,180MPa, 윤활유, 코팅 종류에 따른 마찰계수 그래프를 나타냈다. 윤활 하에서는 모든 종류에서 마찰계수가 크게 내려가고, 500m 접동해도 안정되어 있다.
시험 초기에는 ZERO-Ⅰ의 마찰계수가 가장 낮고, 이어서 논코트, CrN, TiN의 순이 됐다. 오일 윤활에서는 시험 초기에서부터 경계 윤활로 접동이 이루어지기 때문에 하이텐재와 피막, 유활유의 마찰마모 특성의 결과를 얻을 수 있었다.
(3) 윤활유 종류에 따른 마찰계수의 차이
그림 3에 하이텐 1,180MPa, ZERO-Ⅰ 코팅, 오일 종류 차이에 따른 마찰계수 그래프를 나타냈다. 오일의 차이에 따라 마찰계수에 차이가 생겼다. 유지․유황계는 마찰계수가 낮고, 유지계는 마찰계수가 높은 경향을 볼 수 있었다. 이번에 사용한 유지․유황계를 주성분으로 하는 오일은 점도가 다르지만 2종류 모두 낮은 마찰계수이기 때문에 극압첨가제에 의해 저마찰이 발현됐다고 생각된다.
4. 맺음말
이번에 하이텐재 1,180MPa의 마찰마모 시험에서 아래의 지식을 얻었다.
① 무윤활 하에서는 마찰계수가 동마찰 상태가 되기까지의 접동 거리가 막 종류에 따라 변한다.
② 윤활 하에서는 막 종류에 따른 마찰계수의 큰 차이를 볼 수 없다.
③ 유지․유황계 윤활유는 유지계보다 마찰계수를 저감시키는 작용이 있었다.
④ 무윤활, 윤활유 환경의 시험 초기 마찰계수는 ZERO-Ⅰ이 가장 낮은 결과가 됐다.
시험 초기의 마찰계수를 파악함으로써 금형 장수명화를 목표로 한 제안을 앞으로도 하고 싶다.
사토 신이치로, 아마노 토모코 : 생산기술과
〒660-0822 兵庫縣尼崎市杭瀨南新町 1-12-6
