전조 가공용 SKD11 금형강의 내마모성 및 내식성 향상을 위한 코팅 공정 최적화에 관한 연구

Abstract

볼트(Bolt)는 대부분의 기계 부품 산업에서 필수적인 체결 요소 중 하나로, 19세기 산업혁명과 함께 볼트의 사용은 더욱 증가하여 기계설계의 구조적 혁신을 가능하게 한 역사적으로 중요한 발명품 중 하나로 여겨진다. 최근에는 산업 고도화에 따라 고사양 볼트에 대한 수요 증가로 인해 고온 내식성 합금과 같은 전조 가공이 어려운 소재가 많이 사용되고 있다. 이러한 소재들은 높은 경도와 강도를 특징으로 하며, 금형에 큰 압력을 가해도 모재의 변형이 어렵다. 이로 인해 금형의 마모가 가속화되고, 금형에 가해지는 응력이 증가하여 금형 파손의 위험이 더욱 높아지게 된다. 금형의 잦은 손상은 제품의 단가를 상승시키기 때문에 기존보다 내마모, 고강도 특성이 구현되는 새로운 금형 소재를 사용하거나 표면처리 및 코팅기술, 서보프레스 도입 등 가공공정에 대한 개발을 요구하고 있다. 본 논문에서는 볼트의 나사산을 가공하는 전조금형에 많이 사용되는 STD11종의 소재를 모재로 하였고, 이러한 모재에 수명과 성능을 향상시키기 위하여 나노복합체 코팅막을 적용하였다. 기존의 3원계 Cr-Al-N 코팅막에 Si 원소를 추가하고 그 함량을 조절함으로써 코팅막의 기계적 특성, 내부식성 등을 향상시킬 목적으로 연구를 수행하였다. 이를 위해 미세조직 변화, 표면거칠기, 경도, 밀착력, 내부식성을 시험 분석하였다. Cr-Al-Si-N 코팅막 조성의 Si 함량을 1.8 ～5.6 at.%로 점차 증가시켰고, 그에 따라 경도는 29.2 GPa에서 최대 34.3 GPa까지 증가하는 것을 보였다. 최대 경도를 나타내는 Si 함량은 4.9 at.% 였으며 이러한 경도의 향상은 비정질과 나노결정 사이에 강한 결합에너지에 의한 입계강화 및 Hall-Petch의 관계식에서 도출된 재결정화에 따른 결정 크기에 기인한다는 것을 알 수 있었다. Si가 5.0 at.% 이상 함유되면 경도가 감소되는 것을 볼 수 있는데, 이것은 Si의 함량증가와 함께 a-Si3N4의 함량이 증가되면서 나노결정과 비정질 사이의 이상적인 조성 비율을 잃게 되기 때문인 것으로 사료되었다. 결론적으로 경도 특성이 비정질상의 변화에 따라 변한다는 것을 확인할 수 있었다. Si의 함량 증가에 따른 H/E 함수를 비교했을때 Si 함량이 4.9 at.%에서 0.098, H3/E2는 0.33으로 가장 높은 값을 보였다. 전조 금형의 구동환경에서 Crack에 대한 저항성이 높으면 높은 하중의 비정질 매트릭스에서 크랙의 전파를 강하게 억제하고, 나노사이즈의 (Cr,Al)N, AlN, CrN과 같은 결정립에서 이동과 전위 형성을 방지할 것으로 판단된다. 밀착력은 Si 조성이 높은 경우 압흔의 크기도 상대적으로 작게 나타났으며 우수한 밀착력을 보이는 것을 확인 할 수 있었다. 조성별 Cr-Al-Si-N 코팅막들의 거리에 따른 마찰계수을 분석하였을 때 모재인 STD11은 마모시험 시작 후 마찰계수의 증가와 변위가 커져 마모에 의한 소착, Debris 등이 발생한 것으로 판단되었다. 반면 Si 조성이 4.9at% 인 시료의 경우 마찰계수가 기존 시료 대비 낮게 시작되었고 변위가 크지 않음을 확인하였다. 마모트렉을 관찰 해 보면 코팅을 하지 않은 소재의 경우 좁고 깊은 마모흔을 보이나 코팅이 적용된 시료는 넓고 마모깊이가 크게 나타나지 않은 것을 볼 수 있었다. 또한 변위에 대한 감소폭이 큰 것으로 보아 Debris 등에 의한 영향이 줄어든 것으로 사료되었다. 전류-전위 곡선을 통해 Cr-Al-Si(4.9 at.%)-N 시료와 기존 열처리 소재를 비교하였을 때 단순 열처리된 STD11은 코팅막이 적용된 시편에 비해 부식 전위가 -46 mV 낮고, 부식 전류 밀도가 78배 이상 높아 부식이 더 먼저, 매우 빠르게 발생한다는 것을 확인할 수 있었다. 위와 같은 결과를 토대로 Cr-Al-Si-N 코팅막을 STD11에 적용하면 우수한 경도, 내마모, 내부식 특성이 구현된다는 것을 확인할 수 있었고, 이는 전조금형의 수명연장 및 손상방지에 유의미한 효과가 있다는 것으로 사료된다.