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[기술특집]프레스 금형용 ZERO-Ⅰ 코팅의 특성 평가

입력 : 2020.02.14 17:42

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[첨단 헬로티]


사토 신이치로(佐藤 愼一郞), 아마노 토모코(天野 友子) SEAVAC(주)


1. 서론


자동차의 경량화와 안전성을 높이기 위해 구조 부품의 고강도화가 추진되고 있으며, 강 재료로서 고장력강이 적극적으로 이용되어 왔다. 이와 함께 가공하는 프레스 금형도 고내구성을 요구받고 있으며, PVD 코팅을 비롯한 표면처리는 보다 높은 막경도, 내열성과 이들을 발휘하기 위한 밀착성을 요구받고 있다. 


ZERO-Ⅰ(제로원) 코팅은 경도, 내열성을 높인 PVD 코팅으로, 금형의 안정 장수명화에 의해 메인티넌스 빈도를 줄이고 금형가공의 코스트 절감에 공헌해 왔다.


고장력강의 프레스 성형은 보다 고온에서 가공을 하는 핫스탬핑 기술의 적용이 확대되고 있으며, 피복 금형의 고온 상태의 거동을 검증하는 것이 필요하다. 이 글에서는 고온 상태의 피막 상태를 확인하고, ZERO-Ⅰ 막의 내산화성, 고온내마모성의 평가를 했다.


2. 실험 방법


피막의 내산화성을 조사하기 위해 대기산화시험을 했다. ZERO-Ⅰ, TiAlN을 코팅한 SKD11재를 光洋서모시스템제 전기로로 대기 중에서 900℃, 1,000℃로 60분 가열하고, 주사형 전자현미경(SEM)으로 표면, 칼로테스트(Calotest) 흔적의 상태를 관찰했다.


또한 고온 환경 하의 트라이볼러지 특성을 평가하기 위해 상온 및 고온 마찰마모시험을 했다. 표에 시험 조건을 나타냈다. 직경 6mm 초경합금 볼에 ZERO-Ⅰ(경도 35GPa, 내열온도 1,000℃), TiAlN(경도 32GPa, 내열온도 800℃)의 2종류의 코팅을 해, 고온 하의 마찰특성 차이를 평가했다. 


상대재의 디스크에는 SKD11(58HRC)를 이용했다. 800℃ 시험에서는 안톤파사제 THT 고온 트라이보미터를 이용했다. 상온의 마찰마모시험은 CSM사제, TRIBO-X 볼온디스크 시험기를 이용했다.


3. 결과와 고찰


(1) 대기산화시험


그림 1에 대기산화시험 후의 시험편 표면 SEM 사진을 나타냈다. 900℃ 60분 대기산화시험 후에 TiAlN의 칼로테스트 흔적은 표면에 산화층을 볼 수 있었고, 막의 내부까지 산화가 진행되어 있었다. 



ZERO-Ⅰ은 표층이 산화되어 있을 뿐, 내부의 산화는 볼 수 없었다. 그리고 고온인 1000℃ 60분에서도 ZERO-Ⅰ은 막의 내부 산화는 볼 수 없었다. 이것에 의해 ZERO-Ⅰ이 TiAlN보다 대기 중에서 내열성이 높다는 것을 알 수 있다.


(2) 고온 마찰마모시험



그림 2에 마찰마모시험의 마찰계수를 나타냈다. TiAlN, ZERO-Ⅰ 모두 800℃에서 실온보다 낮은 마찰계수를 나타냈다. 이것으로부터 고온 쪽이 피막 표면이 보다 미끄러지기 쉬운 상태로 되어 있는 것으로 생각된다. 그림 3에 실온에서 마찰마모시험을 한 후의 볼, 섭동 흔적의 사진을 나타냈다. 실온에서는 차이는 나지 않았다.



그림 4에 800℃에서 마찰마모시험을 한 후의 볼, 섭동 흔적의 사진을 나타냈다. TiAlN 막은 완전히 산화되고, 시험 도중에 박리된다. TiAlN 볼 재질의 초경재가 SKD11재를 절삭함으로써 SKD11의 마모 깊이가 4μm가 됐다. 


ZERO-Ⅰ 막은 시험 중에 막이 박리하지 않으며, SKD11재를 상처 입히지 않고 섭동했다. 내열온도가 높은 ZERO-Ⅰ가 보다 고온까지 안정된 마찰특성을 나타낸 것으로 생각된다.


4. 맺음말


피막의 고온 하의 산화와 마찰마모시험에 의해 다음의 식견을 얻었다.


① 피막산화시험에서 TiAlN은 900℃에서 완전히 산화했는데, ZERO-Ⅰ은 1,000℃에서도 막의 중심까지 산화의 진행은 볼 수 없었다.


② 800℃의 마찰마모시험에서는 TiAlN은 산화가 진행되어 박리됐기 때문에 기본재의 마모가 진행됐다. 이것에 대해 ZERO-Ⅰ은 산화가 진행되지 않고, 기본재도 막도 마모가 억제되어 실온보다 낮은 마찰계수를 나타냈다.


고온 하에서 사용되는 피복 금형을 장수명화하기 위해서는 피막이 산화되지 않고, 고온에서도 밀착성을 확보해 막의 특성을 유지하는 것이 중요하다. ZERO-Ⅰ이 고온 하의 금형가공에서 생산성 향상과 코스트 다운에 공헌하기를 기대한다.

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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