기어 코팅 기술

PVD 증착 기술은 새로운 표면 개질 기술로서 오랫동안 활용되어 왔으며, 특히 진공 이온 코팅 기술은 최근 몇 년 동안 크게 발전하여 공구, 금형, 피스톤 링, 기어 및 기타 부품 처리에 널리 사용되고 있습니다. 진공 이온 코팅 기술로 제작된 코팅 기어는 마찰 계수를 크게 줄이고 내마모성 및 일정 수준의 내식성을 향상시켜 기어 표면 강화 기술 분야에서 연구의 핵심 주제로 떠오르고 있습니다.

기어에 사용되는 일반적인 재료는 주로 단조강, 주강, 주철, 비철금속(구리, 알루미늄) 및 플라스틱입니다. 강철은 주로 45강, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl 등이 사용됩니다. 저탄소강은 주로 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo 등이 사용됩니다. 단조강은 성능이 우수하여 기어에 널리 사용되는 반면, 주강은 일반적으로 직경이 400mm 이상이고 구조가 복잡한 기어를 제작하는 데 사용됩니다. 주철 기어는 접착 및 공식에 대한 저항성이 우수하지만 충격 및 마모에 대한 저항성이 부족합니다. 주로 안정적인 작동, 저속이 아닌 동력 전달, 대형 및 복잡한 형상의 기어에 사용되며, 윤활이 필요 없는 조건에서도 작동할 수 있어 개방형 변속기에 적합합니다. 일반적으로 사용되는 비철금속으로는 주석청동, 알루미늄-철청동, 주조 알루미늄 합금 등이 있으며, 터빈이나 기어 제조에 주로 사용되지만, 슬라이딩 및 마찰 저항성이 떨어져 경하중, 중하중, 저속 기어에만 적합합니다. 비금속 재질 기어는 주로 무윤활 및 높은 신뢰성과 같은 특수 요구 사항이 있는 분야, 예를 들어 저공해 환경이 요구되는 가전제품, 의료기기, 식품 기계, 섬유 기계 등에 사용됩니다.

기어 코팅 재료

엔지니어링 세라믹 소재는 높은 강도와 ​​경도, 특히 우수한 내열성, 낮은 열전도율 및 열팽창률, 높은 내마모성 및 내산화성을 지닌 매우 유망한 소재입니다. 수많은 연구에서 세라믹 소재는 본질적으로 내열성이 뛰어나고 금속에 비해 마모가 적다는 것이 입증되었습니다. 따라서 내마모성 부품에 금속 대신 세라믹 소재를 사용하면 마찰 부품의 수명을 연장하고 고온 및 고내마모성, 다기능성 등 까다로운 요구 조건을 충족할 수 있습니다. 현재 엔지니어링 세라믹 소재는 엔진 내열 부품, 기계 변속기 내마모 부품, 화학 설비의 내식 부품 및 밀봉 부품 제조에 사용되고 있으며, 그 활용 범위가 점점 확대되고 있습니다.

독일, 일본, 미국, 영국 등 선진국들은 엔지니어링 세라믹 소재의 개발 및 응용에 큰 중요성을 부여하고 있으며, 엔지니어링 세라믹의 가공 이론 및 기술 개발에 막대한 자금과 인력을 투자하고 있습니다. 독일은 환경과 인체에 유해할 수 있는 윤활유를 대체하기 위해 PVD 기술을 이용하여 부품 표면에 적합한 박막을 합성하는 것을 목표로 하는 "SFB442"라는 프로그램을 시작했습니다. 독일의 PW Gold 연구팀은 SFB442의 지원금을 받아 PVD 기술을 구름 베어링 표면에 적용하여 박막을 증착했고, 그 결과 구름 베어링의 내마모 성능이 크게 향상되었으며, 증착된 박막이 극압 마모 방지 첨가제의 기능을 완전히 대체할 수 있음을 발견했습니다. 독일의 Joachim, Franz 연구팀은 PVD 기술을 사용하여 극압 마모 방지 첨가제를 함유한 윤활유보다 우수한 내피로성을 나타내는 WC/C 박막을 제조했으며, 이는 유해 첨가제를 코팅으로 대체할 수 있는 가능성을 제시합니다. 독일 아헨 공과대학교 재료과학연구소의 E. Lugscheider 연구팀은 독일 연구재단(DFG)의 지원금을 받아 100Cr6 강에 적절한 박막을 증착했을 때 피로 저항성이 크게 향상됨을 입증했습니다. PVD 기술. 또한, 미국의 제너럴 모터스(GM)는 볼보 S80 터보 차량의 기어 표면 피로 부식 저항성을 향상시키기 위해 PVD 코팅을 적용하기 시작했으며, 유명한 팀켄(Timken)사는 ES200이라는 이름의 기어 표면 코팅을 출시했습니다. 독일에서는 등록상표 MAXIT 기어 코팅이 등장했고, 영국에서는 등록상표 Graphit-iC와 Dymon-iC로 각각 등록된 기어 코팅이 판매되고 있습니다.

기계식 동력 전달 장치의 중요한 부품인 기어는 산업에서 중요한 역할을 하므로, 기어에 세라믹 소재를 적용하는 연구는 매우 중요한 실용적 의미를 지닙니다. 현재 기어에 적용되는 엔지니어링 세라믹은 주로 다음과 같습니다.

1. TiN 코팅층
1、TiN

TiN 세라믹 이온 코팅은 높은 경도, 우수한 접착력, 낮은 마찰 계수, 뛰어난 내식성 등의 특성을 지닌 가장 널리 사용되는 표면 개질 코팅 중 하나입니다. 특히 공구 및 금형 산업을 비롯한 다양한 분야에서 폭넓게 활용되고 있습니다. 그러나 기어에 세라믹 코팅을 적용하는 데 있어 가장 큰 제약은 세라믹 코팅과 기판 사이의 접합 문제입니다. 기어의 작동 조건과 영향 요인은 공구 및 금형보다 훨씬 복잡하기 때문에 기어 표면 처리에 단일 TiN 코팅만 적용하는 것은 큰 한계가 있습니다. 세라믹 코팅은 높은 경도, 낮은 마찰 계수, 내식성 등의 장점을 가지고 있지만, 취성이 강하고 두꺼운 코팅을 얻기 어렵기 때문에 코팅의 특성을 제대로 발휘하려면 높은 경도와 강도를 지닌 기판이 필요합니다. 따라서 세라믹 코팅은 주로 초경합금 및 고속도강 표면에 적용됩니다. 기어 소재는 세라믹 소재에 비해 연질이며, 기판과 코팅의 특성 차이가 커서 코팅과 기판의 결합력이 약하고, 코팅이 기판을 충분히 지지하지 못해 사용 과정에서 쉽게 탈락됩니다. 이는 세라믹 코팅의 장점을 제대로 발휘하지 못할 뿐만 아니라, 탈락된 세라믹 코팅 입자가 기어에 마모를 일으켜 기어의 마모 손실을 가속화합니다. 현재 해결책은 복합 표면 처리 기술을 사용하여 세라믹과 기판 사이의 결합력을 향상시키는 것입니다. 복합 표면 처리 기술은 물리적 증착(PVD) 코팅과 다른 표면 처리 공정 또는 코팅을 결합하여 기판 소재의 표면을 두 개의 서로 다른 표면/하부 표면으로 개질함으로써 단일 표면 처리 공정으로는 얻을 수 없는 복합적인 기계적 특성을 얻는 기술입니다. 이온 질화 및 PVD로 증착된 TiN 복합 코팅은 가장 많이 연구된 복합 코팅 중 하나입니다. 플라즈마 질화 처리된 기판과 TiN 세라믹 복합 코팅은 강력한 결합력을 가지며 내마모성이 크게 향상됩니다.

우수한 내마모성과 박막-기판 접합성을 갖는 최적의 TiN 박막 두께는 약 3~4μm입니다. 박막 두께가 2μm 미만이면 내마모성 향상이 미미하고, 5μm 이상이면 박막-기판 접합성이 저하됩니다.

2. 다층, 다성분 TiN 코팅

TiN 코팅의 적용이 점차 확대됨에 따라 TiN 코팅의 성능 향상 및 개선에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 최근에는 Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 등과 같은 이원계 TiN 코팅을 기반으로 하는 다성분 코팅 및 다층 코팅이 개발되고 있습니다. TiN 코팅에 Al 및 Si와 같은 원소를 첨가하면 고온 산화 저항성과 경도를 향상시킬 수 있으며, B와 같은 원소를 첨가하면 경도와 접착 강도를 향상시킬 수 있습니다.

다성분 조성의 복잡성으로 인해 이 연구에는 많은 논란이 있습니다. 특히 (Tix,Cr1-x)N 다성분 코팅 연구에서는 연구 결과에 큰 이견이 있습니다. 일부 연구자들은 (Tix,Cr1-x)N 코팅이 TiN을 기반으로 하며, Cr은 TiN 도트 매트릭스 내에서 치환 고용체 형태로만 존재할 수 있고, 독립적인 CrN 상으로는 존재할 수 없다고 주장합니다. 반면 다른 연구에서는 (Tix,Cr1-x)N 코팅에서 Ti 원자를 직접 치환하는 Cr 원자의 수가 제한적이며, 나머지 Cr은 단일 상태로 존재하거나 N과 화합물을 형성한다고 주장합니다. 실험 결과에 따르면 코팅에 Cr을 첨가하면 표면 입자 크기가 감소하고 경도가 증가하며, Cr의 질량 백분율이 31%에 도달할 때 코팅의 경도가 최대값을 나타내지만, 코팅의 내부 응력 또한 최대값에 도달합니다.

3. 기타 코팅층

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

(1)일본의 Y. Terauchi 등은 증착법으로 증착된 탄화티타늄 또는 질화티타늄 세라믹 기어의 마찰마모 저항성을 연구했습니다. 기어는 코팅 전에 표면 경도 약 HV720 및 표면 조도 2.4 μm를 얻기 위해 침탄 및 연마되었으며, 세라믹 코팅은 탄화티타늄의 경우 화학 기상 증착(CVD)으로, 질화티타늄의 경우 물리 기상 증착(PVD)으로 제조되었고, 세라믹 필름 두께는 약 2 μm였습니다. 마찰마모 특성은 오일 존재 하에서의 마찰과 건식 마찰에서 각각 조사되었습니다. 세라믹 코팅 후 기어 바이스의 갈링 저항성과 스크래치 저항성이 상당히 향상된 것으로 나타났습니다.

(2) Ni-P를 전이층으로 사전 코팅한 후 TiN을 증착하여 화학적으로 코팅된 Ni-P와 TiN의 복합 코팅을 제조하였다. 이 연구는 이 복합 코팅의 표면 경도가 어느 정도 향상되었고, 코팅이 기판과 더 잘 접착되어 내마모성이 더 우수함을 보여준다.

(3) WC/C, B4C 박막
일본공업대학 기계공학과 M. Murakawa 외 연구진은 PVD 기술을 이용하여 기어 표면에 WC/C 박막을 증착하였고, 무윤활 조건에서 일반 담금질 및 연삭 처리된 기어보다 수명이 3배 더 길다는 것을 입증했습니다. Franz J 외 연구진은 PVD 기술을 이용하여 FEZ-A 및 FEZ-C 기어 표면에 WC/C 및 B4C 박막을 증착하였고, 실험 결과 PVD 코팅이 기어 마찰을 현저히 감소시키고, 열 접착이나 접착 현상을 완화하며, 기어의 하중 지지력을 향상시키는 것으로 나타났습니다.

(4) CrN 필름
CrN 박막은 TiN 박막과 유사하게 높은 경도를 가지며, TiN 박막보다 고온 산화에 대한 저항성이 우수하고, 내식성이 뛰어나며, 내부 응력이 낮고, 상대적으로 인성이 우수합니다. Chen Ling 등은 고속도강(HSS) 표면에 우수한 박막 결합을 갖는 내마모성 TiAlCrN/CrN 복합 박막을 제조하고, 다층 박막의 전위 적층 이론을 제안했습니다. 이 이론에 따르면, 두 층 사이의 전위 에너지 차이가 ​​클 경우, 한 층에서 발생한 전위가 계면을 넘어 다른 층으로 이동하기 어려워 계면에서 전위 적층이 형성되고, 이는 재료 강화에 기여합니다. Zhong Bin 등은 질소 함량이 CrNx 박막의 상 구조 및 마찰 마모 특성에 미치는 영향을 연구했습니다. 연구 결과, N2 함량이 증가함에 따라 박막 내 Cr2N(211) 회절 피크는 점차 약해지고 CrN(220) 피크는 점차 강해지며, 박막 표면의 큰 입자는 점차 감소하고 표면은 평탄해지는 경향을 보였습니다. 질소 주입량이 25ml/min(타겟 소스 아크 전류 75A)일 때, 증착된 CrN 박막은 우수한 표면 품질, 경도 및 탁월한 내마모성을 나타냈다. (이 조건은 질소 주입량 25ml/min, 타겟 소스 아크 전류 75A, 음압 100V이다.)

(5) 초경질 필름
초경질 필름은 40GPa 이상의 경도를 가지며, 우수한 내마모성, 고온 저항성, 낮은 마찰 계수 및 낮은 열팽창 계수를 나타내는 고체 필름으로, 주로 비정질 다이아몬드 필름과 CN 필름으로 구성됩니다. 비정질 다이아몬드 필름은 비정질 특성을 가지며, 장거리 질서 구조가 없고 다수의 CC 사면체 결합을 포함하고 있어 사면체 비정질 탄소 필름이라고도 합니다. 비정질 탄소 필름의 일종인 다이아몬드 유사 코팅(DLC)은 높은 열전도율, 높은 경도, 높은 탄성 계수, 낮은 열팽창 계수, 우수한 화학적 안정성, 우수한 내마모성 및 낮은 마찰 계수와 같은 다이아몬드와 유사한 많은 우수한 특성을 가지고 있습니다. 기어 표면에 DLC 필름을 코팅하면 수명이 6배까지 연장되고 피로 저항성이 크게 향상되는 것으로 나타났습니다. 비정질 탄소-질소 필름으로도 알려진 CN 필름은 β-Si3N4 공유 결합 화합물과 유사한 결정 구조를 가지며 β-C3N4로도 알려져 있습니다. (Liu 및 Cohen 등) 본 연구에서는 제1원리로부터 의사포텐셜 밴드 계산을 이용한 엄밀한 이론적 계산을 수행하여 β-C3N4가 큰 결합 에너지, 안정적인 기계적 구조, 적어도 하나의 준안정상태 존재 가능성, 다이아몬드와 유사한 탄성 계수를 갖는 우수한 특성을 보이며, 이러한 특성으로 재료의 표면 경도 및 내마모성을 효과적으로 향상시키고 마찰 계수를 감소시킬 수 있음을 확인하였다.

(6) 기타 합금 내마모성 코팅층
일부 합금 내마모 코팅은 기어에 적용하기 위한 시도도 이루어졌습니다. 예를 들어, 45# 강철 기어의 치면에 Ni-P-Co 합금층을 증착하는 것은 초미세 결정립 구조를 얻기 위한 합금층으로, 기어 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 향상시키는 연구도 진행되었으며, HT250 주철 기어의 치면에 Ni-W 및 Ni-Co 합금 코팅을 적용하여 코팅되지 않은 기어에 비해 내마모성을 4~6배 향상시키는 연구도 진행되었습니다.