경질 막의 종류와 특성 : 금속 표면 처리의 기초 지식 7

경질 막의 종류와 특성 : 금속 표면 처리의 기초 지식 7

1. 경질 막의 개발 동향

경질 막에 가장 기대되는 적용 목적은 내마모성 및 내마모성의 향상입니다. 절삭 공구를 비롯한 기계 부품 및 자동차 부품에 적용되어 있습니다. 또한 내식성과 내열성, 내 반응성의 향상도 기대할 수 있기 때문에 사용 조건의 가혹한 금형 및 자동차 엔진 부품에 이르기까지 적용 범위가 확대되고 있습니다.

PVD (물리 증착 : Physical Vapor Deposition) 및 CVD (화학 증착 : Chemical Vapor Deposition)에 의한 경질 막의 수탁 가공의 수요는 공구가 대부분을 차지하고 있습니다. 그 이유는 PVD 및 CVD가 절삭 공구 및 금형을 사용하는 가공 산업의 기술 과제와 깊이 관련되어 있기 때문입니다 ( 그림 1 ).

그림 1 : 공구를 둘러싼 과제와 PVD · CVD의 관계

가공 기술을 둘러싼 기술 과제는 초정밀 가공, 초고속 가공 및 난 가공재 가공의 용이 화입니다. 지구 환경 문제와 자원 절약 대책에 관해서도 세미 드라이 가공에서 완전히 건조 가공에 실현이 검토되고 있습니다.

이러한 과제를 해결하기 위해서는 기존의 공구의 마찰 마모 특성을 개선 할 필요가 있으며, PVD 또는 CVD에 의한 경질 막 코팅이 기대되고 있습니다. 일본에서 처음으로 공업 적으로 응용 된 경질 막은 질화 티타늄 TiN 막입니다. 질화 티타늄 TiN 경질하고 금색이므로 실용화 된 초기에는 상처가 나지 금색 도금으로 장식 시계의 외부 케이스와 밴드, 안경테 등으로 채용되었습니다.

새로운 경질 막의 개발 목적은 기존의 질화 티타늄 TiN 막에 비해 무 윤활 환경에서의 마찰 계수를 감소 할 수 있으며, 고온 산화성이 우수한 것 등이 포함된다. ( 그림 2 ).

그림 2 : 티타늄 TiN 막을 기본으로 한 경질 막의 개발 동향

낮은 마찰 계수 피막으로는 다이아몬드 형 카본 막 (DLC : Diamond-Like Carbon)은 내식성과 낮은 상대 공격성 피막으로는 질화 크롬 CrN 막 개발되고 있습니다. 현재 경질 막에 대한 수요가 다양 화하고 미래에도 적용 분야가 확대 될 것으로 생각됩니다.

 

2. 경질 막의 내마모성

 경질 박막의 마찰 계수 및 마모량을 동시에 산출 할 수있다 시험기로 볼 온 디스크 마찰 마모 시험기가 자주 이용되고 있습니다 ( 그림 3 ). 고정 된 상대 공을 일정 하중으로 꽉 시편을 회전시켜 그 때의 마찰력에서 마찰 계수의 변화를 측정합니다. 시험 후 마모 자국에서 마모량을 측정 할 수 있습니다.

그림 3 : 볼 온 디스크 마찰 마모 시험기에 의한 경질 막의 마찰 마모 시험 법

일례로 아크 증발 법에 의해 생성 된 질화 크롬 CrN 막에 대한 다양한 마찰 환경 하에서 마찰 마모 시험을 실시했을 때의 마찰 거리에 따른 마찰 계수의 추이를 나타냅니다 ( 그림 4 ).

그림 4 : 질화 크롬 CrN 막 각종 마찰 환경 하에서의 마찰 계수의 추이와 상대 재 (SUS304)의 마모 폭

이 때 상대 재료는 응착하기 쉬운 스테인레스 스틸 (SUS304)입니다. 상대 재에 관계없이 무 윤활 환경에서는 마찰 계수가 높아집니다. 그러나 마찰 환경이 액체 환경 (파라핀 오일, 수용성 절삭유) 아래에서는 마찰 계수와 동시에 상대 재료의 마모량도 극단적으로 줄일 수 있습니다.