기어 코팅 기술

PVD 증착 기술은 새로운 표면 개질 기술, 특히 진공 이온 코팅 기술로 오랫동안 활용되어 왔습니다. 이 기술은 최근 몇 년간 큰 발전을 이루었으며, 공구, 금형, 피스톤 링, 기어 및 기타 부품의 처리에 널리 사용되고 있습니다. 진공 이온 코팅 기술로 제작된 코팅 기어는 마찰 계수를 크게 감소시키고, 내마모성과 내부식성을 향상시킬 수 있어 기어 표면 강화 기술 분야의 주요 연구 분야로 자리 잡았습니다.

기어에 사용되는 일반적인 재료는 주로 단조강, 주강, 주철, 비철 금속(구리, 알루미늄), 플라스틱입니다. 강은 주로 45강, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl입니다. 저탄소강은 주로 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo입니다. 단조강은 성능이 우수하여 기어에 더 널리 사용되는 반면, 주강은 일반적으로 직경이 400mm 이상이고 구조가 복잡한 기어를 제작하는 데 사용됩니다. 주철 기어는 내접착성과 내식성이 뛰어나지만, 내충격성과 내마모성이 부족하여 안정적인 작동이 어렵습니다. 동력이 저속이거나 크기가 크고 형상이 복잡한 기어를 제작할 때 적합합니다. 무윤활 조건에서도 작동할 수 있어 개방형 변속기에 적합합니다. 비철 금속으로는 주석 청동, 알루미늄-철 청동, 그리고 주조 알루미늄 합금이 일반적으로 사용되며, 터빈이나 기어 제조에 널리 사용됩니다. 그러나 미끄럼 특성과 마찰 방지 특성이 좋지 않아 경량, 중하중, 저속 기어에만 사용됩니다. 비금속 기어는 무급유 윤활 및 높은 신뢰성과 같은 특수한 요구 조건을 가진 일부 분야에 주로 사용됩니다. 가전제품, 의료기기, 식품 기계, 섬유 기계와 같이 오염 물질이 적은 분야에 사용됩니다.

기어 코팅 재료

엔지니어링 세라믹 소재는 높은 강도와 ​​경도를 가진 매우 유망한 소재이며, 특히 내열성이 뛰어나고 열전도도와 열팽창률이 낮으며, 내마모성과 내산화성이 뛰어납니다. 수많은 연구에서 세라믹 소재는 본질적으로 내열성이 뛰어나고 금속 마모가 적다는 것이 밝혀졌습니다. 따라서 내마모성 부품에 금속 소재 대신 세라믹 소재를 사용하면 마찰 서브의 수명을 향상시키고 고온 및 고내마모성 소재, 다기능성 및 기타 까다로운 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 현재 엔지니어링 세라믹 소재는 엔진 내열 부품, 기계 변속기 내마모 부품, 화학 장비 내식성 부품, 밀봉 부품 제조에 사용되어 왔으며, 세라믹 소재의 폭넓은 응용 가능성이 점점 더 커지고 있습니다.

독일, 일본, 미국, 영국 등 선진국에서는 엔지니어링 세라믹 소재의 개발과 응용을 매우 중시하고 있으며, 엔지니어링 세라믹의 가공 이론과 기술을 발전시키기 위해 많은 자금과 인력을 투자하고 있습니다. 독일은 "SFB442"라는 프로그램을 시작했습니다. 이 프로그램의 목적은 PVD 기술을 사용하여 부품 표면에 환경과 인체에 유해할 수 있는 윤활 매체를 대체할 수 있는 적합한 피막을 합성하는 것입니다. 독일의 PW Gold 등은 SFB442의 연구비를 활용하여 PVD 기술을 적용하여 구름 베어링 표면에 박막을 증착했습니다. 그 결과, 구름 베어링의 내마모 성능이 크게 향상되었으며, 표면에 증착된 박막이 극압 내마모 첨가제의 기능을 완전히 대체할 수 있음을 발견했습니다. 독일의 Joachim, Franz 등은 PVD 기술을 사용하여 EP 첨가제를 함유한 윤활제보다 우수한 내피로성을 보이는 WC/C 박막을 제조했습니다. 이는 유해 첨가제를 코팅으로 대체할 수 있는 가능성을 제시합니다. 독일 아헨 공과대학교 재료과학 연구소의 E. Lugscheider 등은 DFG(독일 연구 위원회)의 연구비를 지원받아 적절한 박막을 구름 베어링 표면에 증착한 후 피로 저항성이 크게 향상되었음을 입증했습니다. PVD 기술을 이용한 100Cr6 강. 또한, 미국 제너럴 모터스(GM)는 볼보 S80 터보 차량에 피로 피팅 저항성을 향상시키기 위한 표면 증착 필름을 적용하기 시작했습니다. 유명 기업인 팀켄(Timken)은 ES200 기어 표면 코팅 필름을 출시했습니다. 독일에서는 MAXIT 기어 코팅이라는 등록상표가 등록되었으며, Graphit-iC와 Dymon-iC라는 등록상표가 붙은 기어 코팅은 영국에서도 판매되고 있습니다.

기어는 기계 전달 장치의 중요한 예비 부품으로서 산업에서 중요한 역할을 하므로, 세라믹 소재를 기어에 적용하는 연구는 매우 중요한 실무적 의의를 지닙니다. 현재 기어에 적용되는 엔지니어링 세라믹은 주로 다음과 같습니다.

1. TiN 코팅층
1. 티타늄

이온 코팅 TiN 세라믹 층은 높은 경도, 높은 접착력, 낮은 마찰 계수, 우수한 내식성 등을 갖춘 가장 널리 사용되는 표면 개질 코팅 중 하나입니다. 특히 공구 및 금형 산업을 비롯한 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 기어에 세라믹 코팅을 적용하는 데 영향을 미치는 주요 원인은 세라믹 코팅과 기판 사이의 결합 문제입니다. 기어의 작동 조건과 영향 요인은 공구 및 금형보다 훨씬 복잡하기 때문에 기어 표면 처리에 단일 TiN 코팅을 적용하는 것은 크게 제한됩니다. 세라믹 코팅은 높은 경도, 낮은 마찰 계수 및 내식성이라는 장점이 있지만, 취성이 있고 더 두꺼운 코팅을 얻기가 어렵기 때문에 코팅의 특성을 발휘하려면 코팅을 지지할 높은 경도와 고강도 기판이 필요합니다. 따라서 세라믹 코팅은 주로 초경 및 고속도강 표면에 사용됩니다. 기어 소재는 세라믹 소재에 비해 연성이 높고, 기판과 코팅의 특성 차이가 크기 때문에 코팅과 기판의 결합력이 약하고 코팅이 코팅을 지지하기에 충분하지 않아 사용 중 코팅이 쉽게 벗겨져 세라믹 코팅의 장점을 발휘하지 못할 뿐만 아니라, 벗겨진 세라믹 코팅 입자가 기어에 연삭 마모를 유발하여 기어의 마모 손실을 가속화합니다. 현재 해결책은 복합 표면 처리 기술을 사용하여 세라믹과 기판 사이의 결합력을 향상시키는 것입니다. 복합 표면 처리 기술은 물리 기상 증착 코팅과 다른 표면 처리 공정 또는 코팅을 결합하여 두 개의 분리된 표면/하부 표면을 사용하여 기판 소재의 표면을 개질함으로써 단일 표면 처리 공정으로는 달성할 수 없는 복합적인 기계적 특성을 얻는 것을 의미합니다. 이온 질화 및 PVD로 증착된 TiN 복합 코팅은 가장 많이 연구된 복합 코팅 중 하나입니다. 플라즈마 질화 기판과 TiN 세라믹 복합 코팅은 강력한 결합력을 가지고 내마모성이 크게 향상됩니다.

우수한 내마모성과 피막 접착력을 가진 TiN 피막층의 최적 두께는 약 3~4μm입니다. 피막층의 두께가 2μm 미만이면 내마모성이 크게 향상되지 않으며, 5μm를 초과하면 피막 접착력이 저하됩니다.

2. 다층, 다성분 TiN 코팅

TiN 코팅의 점진적이고 광범위한 적용에 따라 TiN 코팅의 개선 및 향상 방법에 대한 연구가 점점 더 활발해지고 있습니다. 최근 Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 등과 같은 이원 TiN 코팅을 기반으로 하는 다성분 코팅 및 다층 코팅이 개발되었습니다. TiN 코팅에 Al, Si 등의 원소를 첨가하면 코팅의 고온 산화 저항성과 경도를 향상시킬 수 있으며, B 등의 원소를 첨가하면 코팅의 경도와 접착력을 향상시킬 수 있습니다.

다성분 조성의 복잡성으로 인해 이 연구에는 많은 논란이 있습니다. (Tix,Cr1-x)N 다성분 코팅에 대한 연구에서 연구 결과에 큰 논란이 있습니다. 일부 사람들은 (Tix,Cr1-x)N 코팅이 TiN을 기반으로 하고 Cr은 TiN 도트 매트릭스에서 대체 고용체 형태로만 존재할 수 있고 별도의 CrN 상으로 존재할 수 없다고 믿습니다. 다른 연구에서는 (Tix,Cr1-x)N 코팅에서 Ti 원자를 직접 대체하는 Cr 원자의 수가 제한되어 있고 나머지 Cr은 싱글렛 상태로 존재하거나 N과 화합물을 형성한다고 보여줍니다. 실험 결과에 따르면 코팅에 Cr을 첨가하면 표면 입자 크기가 감소하고 경도가 증가하며 Cr의 질량 백분율이 3l%에 도달할 때 코팅의 경도가 가장 높은 값에 도달하지만 코팅의 내부 응력도 최대값에 도달합니다.

3、기타 코팅층

일반적으로 사용되는 TiN 코팅 외에도 다양한 엔지니어링 세라믹이 기어 표면 강화에 사용됩니다.

(1) 일본의 Y. Terauchi 등은 증착법으로 증착된 티타늄 카바이드 또는 티타늄 질화물 세라믹 기어의 마찰 마모 저항성을 연구했습니다. 기어는 코팅 전에 표면 경도 약 HV720, 표면 거칠기 2.4μm를 달성하기 위해 침탄 및 연마되었으며, 세라믹 코팅은 티타늄 카바이드의 경우 화학 기상 증착(CVD)으로, 티타늄 질화물의 경우 물리 기상 증착(PVD)으로 제조되었으며, 세라믹 필름 두께는 약 2μm였습니다. 마찰 마모 특성은 각각 오일과 건식 마찰이 있는 상태에서 조사되었습니다. 기어 바이스의 내마모성과 내스크래치성이 세라믹 코팅 후 상당히 향상되었습니다.

(2) 화학적으로 코팅된 Ni-P와 TiN의 복합 코팅은 Ni-P를 전이층으로 사전 코팅한 후 TiN을 증착하여 제조되었습니다. 본 연구를 통해 이 복합 코팅의 표면 경도가 어느 정도 향상되었으며, 코팅이 기판과 더 잘 결합되고 내마모성이 향상되었음을 알 수 있습니다.

(3) WC/C, B4C 박막
일본공업대학 기계공학과의 M. Murakawa 외 연구진은 PVD 기술을 사용하여 기어 표면에 WC/C 박막을 증착하였으며, 무급유 윤활 조건에서 일반 담금질 및 연삭 기어보다 3배의 수명을 달성했습니다. Franz J 외 연구진은 PVD 기술을 사용하여 FEZ-A 및 FEZ-C 기어 표면에 WC/C와 B4C 박막을 증착하였으며, 실험 결과 PVD 코팅이 기어 마찰을 크게 감소시키고, 열간 접착이나 접합에 대한 기어의 민감성을 줄이며, 기어의 하중 지지력을 향상시켰음을 확인했습니다.

(4) CrN 필름
CrN 박막은 경도가 더 높다는 점에서 TiN 박막과 유사하며, TiN 박막보다 고온 산화에 더 강하고, 내식성이 우수하며, TiN 박막보다 내부 응력이 낮고, 인성이 비교적 우수합니다. Chen Ling et al.은 HSS 표면에 우수한 박막 기반 결합을 갖는 내마모성 TiAlCrN/CrN 복합 박막을 제조하고, 다층 박막의 전위 적층 이론을 제안했습니다. 두 층 사이의 전위 에너지 차이가 ​​크면 한 층에서 발생한 전위가 다른 층으로 계면을 통과하기 어려워 계면에 전위 적층을 형성하여 재료를 강화하는 역할을 합니다. Zhong Bin et al.은 CrNx 박막의 상 구조 및 마찰 마모 특성에 대한 질소 함량의 영향을 연구했으며, 이 연구는 박막의 Cr2N(211) 회절 피크가 점차 약해지고 CrN(220) 피크가 N2 함량 증가에 따라 점차 강화되었으며, 박막 표면의 큰 입자가 점차 감소하고 표면이 평탄해지는 경향을 보였습니다. N2 폭기가 25ml/min일 때(대상 소스 아크 전류는 75A), 증착된 CrN 필름은 N2 폭기가 25ml/min일 때(대상 소스 아크 전류는 75A, 음압은 100V), 표면 품질이 좋고, 경도가 좋으며, 내마모성이 우수합니다.

(5) 초경질 필름
초경막은 40GPa 이상의 경도, 우수한 내마모성, 고온 저항성, 낮은 마찰 계수 및 낮은 열팽창 계수를 갖는 고체 막으로, 주로 비정질 다이아몬드 막과 CN 막으로 구성됩니다. 비정질 다이아몬드 막은 비정질 특성을 가지며, 장거리 정렬 구조가 없고, 많은 CC 사면체 결합을 포함하기 때문에 사면체 비정질 탄소 막이라고도 합니다. 비정질 탄소 막의 일종인 다이아몬드 유사 코팅(DLC)은 높은 열전도도, 높은 경도, 높은 탄성 계수, 낮은 열팽창 계수, 우수한 화학적 안정성, 우수한 내마모성 및 낮은 마찰 계수와 같은 다이아몬드와 유사한 여러 우수한 특성을 가지고 있습니다. 기어 표면에 다이아몬드 유사 코팅을 하면 서비스 수명을 6배까지 연장하고 피로 저항성을 크게 향상시킬 수 있는 것으로 나타났습니다. 비정질 탄소-질소 막으로도 알려진 CN 막은 β-Si3N4 공유 결합 화합물과 유사한 결정 구조를 가지며 β-C3N4로도 알려져 있습니다. Liu와 Cohen et al. 제1자연 원리에 따른 의사 퍼텐셜 밴드 계산을 사용하여 엄격한 이론적 계산을 수행한 결과, β-C3N4는 큰 결합 에너지, 안정된 기계적 구조, 적어도 하나의 준안정 상태를 가질 수 있다는 것을 확인했습니다. 또한, 그 탄성 계수는 ​​다이아몬드와 비슷하고 특성이 우수하여 재료의 표면 경도와 내마모성을 효과적으로 개선하고 마찰 계수를 줄일 수 있습니다.

(6) 기타 합금 내마모 코팅층
일부 합금 내마모성 코팅은 기어에도 적용되었습니다. 예를 들어, 45# 강철 기어의 치면에 Ni-P-Co 합금층을 증착하면 초미립자 조직을 얻을 수 있는 합금층으로, 수명을 최대 1.144~1.533배까지 연장할 수 있습니다. 또한, Cu-Cr-P 합금 주철 기어의 치면에 Cu 금속층과 Ni-W 합금 코팅을 적용하여 강도를 향상시키고, HT250 주철 기어의 치면에 Ni-W 및 Ni-Co 합금 코팅을 적용하여 코팅하지 않은 기어에 비해 내마모성을 4~6배 향상시킨 연구도 있습니다.