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[기술특집]PCVD법에 의한 냉간가공용 금형에 대한 고윤활 코팅

입력 : 2020.02.14 17:41

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[첨단 헬로티]


카와타 카즈키(河田 一喜), 키다치 토루(木立 徹) 오리엔탈엔지니어링(주)


1. 서론


프레스, 단조로 대표되는 냉간가공용 금형에 요구되는 성능으로서는 내마모성, 내스커핑성, 내버닝성 등이 있다. 이들의 요구 성능에 대해 각종 표면처리가 냉간가공용 금형에 적용되고 있다. 


그 중에서 TRD(Thermo Reactive Deposition and Diffusion)법, CVD(Chemical Vapor Deposition)법, PVD(Physical Vapor Deposition)법으로 대표되는 세라믹 코팅은 내마모성, 내버닝성이 우수하기 때문에 널리 응용되고 있다. 


단 TRD법(TD법)이나 CVD법은 처리 온도가 약 1,000℃로 높기 때문에 금형의 변형, 치수 변화가 생기기 쉽다. 또한 PVD법은 저온 처리이기 때문에 변형, 치수 변화는 적지만, 그 프로세스 원리에서 막의 균일전착성이 나쁘기 때문에 깊은 구멍의 다이나 복잡한 형상의 금형에 대한 적용에는 제한이 있다. 


또한 PVD법 중에서도 다용되고 있는 아크법은 매크로파티클(Macroparticles)이나 핀홀(Pits)이 막 표면에 생성되기 때문에 윤활성, 내스커핑성 등에 문제가 있다.


그래서 기존의 TRD법, CVD법, PVD법에 의한 각종 코팅과 전혀 다르고 저온 처리로 복잡한 형상의 금형에도 적용할 수 있는 플라즈마 CVD(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition)법에 의한 윤활성이 우수한 코팅인 OMC에 대해 그 특징과 적용 사례를 보고한다.


2. 플라즈마 CVD 장치와 고윤활 코팅


PCVD법은 PVD법과 같이 고체의 증발원을 이용하지 않으며, 원료는 모두 가스 상태이기 때문에 매크로파티클이나 핀홀과 같은 결함이 발생하지 않고 치밀한 피막을 형성할 수 있다. 또한 PCVD법은 가스의 종류를 바꾸면 각종 막을 제작할 수 있고, 단층막뿐만 아니라 다층막이나 경사조성막도 제작하기 쉽다. 


또한 ‘확산경화층+경질피막’이라는 복합 처리가 하나의 장치로, 진공을 손상하지 않고 1회의 공정으로 가능하다. 이와 같이 PCVD법은 PVD법과 비교해 그 특징에 큰 차이가 있다. 그림 1에 양산형 펄스 DC-PCVD 장치의 개략도를 나타냈다.



이와 같이 플라즈마 CVD 장치를 사용해 Ti를 베이스로 해 N, C, B, O, Cl, Al, Si와 같은 원소를 용도에 따라 복합 첨가해 복합다층화한 고윤활 코팅이 OMC이다.


3. 고윤활 코팅의 특성


그림 2에 볼 온 디스크형 마찰마모시험기를 이용해, 무윤활 상태에서 상대 볼재가 SUJ2일 때의 각 시료의 마찰계수를 측정한 결과를 나타냈다. PCVD법에 의한 OMC는 모든 시료 중에서 마찰계수가 가장 낮고, 무윤활 상태에서도 마찰 거리 500m에서 0.15라고 하는 매우 낮은 값을 나타내고 있다.



이 경우의 마찰마모시험 후의 디스크 및 볼 마모에 관해서는 PVD법에 의한 모든 막 종류에서 디스크는 응착, 산화마모되어 있으며, 상대 볼재도 크게 마모되어 있었다. 한편 PCVD법에 의한 OMC는 디스크의 응착, 산화가 적고 상대 볼재의 마모도 매우 적었다. 


상대 볼재로서 철강 재료 중에서는 연질이며 버닝, 응착하기 쉬운 SUS304를 이용한 경우도 동일한 무윤활 마찰 조건에서 PCVD법에 의한 OMC는 마찰계수가 0.16으로 낮은 값을 나타냈다.


그리고 그림 3에 무윤활 상태로 상대 볼재가 알루미늄(A1050)일 때의 각 시료의 마찰계수를 측정한 결과를 나타냈다. PVD법에 의한 어느 막 종류도 마찰계수가 0.7 이상인 것에 대해, PCVD법에 의한 OMC는 0.16~0.18로 낮은 값을 나타내고 있다. 



이 경우의 마찰마모시험 후의 디크스 및 볼 마모 흔적을 그림 4에 나타냈다. PVD법에 의한 모든 막 종류에서 디스크는 상대 알루미늄재가 응착해 산화마모되어 있으며, 상대 볼재도 크게 마모되어 있다. 한편 PCVD법에 의한 OMC는 디스크의 응착, 산화가 거의 없고 상대 볼재의 마모도 매우 적다.



이상과 같이 PCVD법에 의한 OMC는 무윤활 상태에서 각종 재료에 대해 마찰계수가 낮고, 고윤활성을 나타냈다. 또한 PCVD법에 의한 OMC는 오일 윤활 상태의 마찰계수는 마찰 초기부터 0.1 이하가 되는 것이 확인됐다. 


그렇기 때문에 프레스, 단조로 대표되는 냉간가공용 금형에 응용한 경우, 경계 윤활 상태가 생기는 경우에도 PCVD법에 의한 OMC는 마찰계수를 낮게 유지하는 것이 가능하기 때문에 금형의 내구성과 피가공재의 다듬질 표면 향상에 공헌할 수 있다.


또한 PCVD법에 의한 OMC 중에는 윤활성을 유지한 채로 내열성, 내산화성을 향상시키는 원소를 첨가한 것도 있기 때문에 핫 프레스형에도 효과를 기대할 수 있다.


4. 응용 예


그림 5에 피가공재가 스테인리스강인 경우의 냉간가공용 금형에 대한 응용 예를 나타냈다. PCVD법에 의한 OMC가 기존의 PVD법에 의한 TiAlN막에 비해 큰 효과를 발휘하고 있다. 스커핑, 버닝되기 쉬운 SUS재에 대해, 기초 테스트의 결과가 이와 같은 응용 예도 증명할 수 있다는 것을 알 수 있다. 



또한 그림 6에 피가공재가 연질이며 응착하기 쉬운 동합금인 경우의 냉간가공용 금형에 대한 응용 예를 나타냈다. PVD법에 의한 어느 막 종류나 금형에 피가공재가 조기에 달라붙고 양산 처리가 불가능했다. 한편 PCVD법에 의한 OMC는 금형에 제품이 전혀 달라붙지 않고, 제품 형상도 확보할 수 있기 때문에 양산 처리를 계속하고 있다.



이상과 같은 고윤활성을 가진 PCVD법에 의한 OMC는 각종 냉간가공용 금형에 대한 응용이 급확대되고 있다. 또한 깊은 구멍을 가진 다이에 대한 응용에 관해서는 PVD법으로는 처리할 수 없지만, 구멍 지름의 3배 이상의 깊은 구멍을 가진 다이에 관해서도 PCVD법에 의한 OMC는 효과를 발휘하고 있다.


5. 맺음말


PCVD법은 PVD법과 달리 매크로파티클이나 핀홀과 같은 결함이 없는 치밀한 막을 형성할 수 있고, ‘확산경화층+경질피막’이라는 복합 처리를 하나의 장치로 할 수 있어 깊은 구멍품과 같은 복잡한 형상 금형에도 응용할 수 있다. 


이와 같은 PCVD법에 의한 고윤활성 코팅 OMC는 무윤활 상태에서 각종 상대재에 대해 마찰계수가 낮고, 경계 윤활 상태가 생기는 조건에서도 유리하기 때문에 프레스, 단조 등의 각종 냉간가공용 금형에 대한 응용이 확대되고 있다. 또한 내열성, 내산화성을 향상시킨 OMC에 의해 핫 프레스형 등에도 앞으로 응용을 기대할 수 있다.

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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