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새로운 코팅 기술과 공구에 대한 적용
 
DLC코팅과 공구에 대한 적용
 
월간 기계기술기자 | 2005.03.01 | 2005년 3월호
 
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환경오염 문제로 인해 PRTR법 (Pollutant Release and Transfer Register : 화학물질 배출 파악관리 촉진법)이 시행되고 습동 부품이나 절삭시 사용되는 오일이나 그리스에 포함되는 국압 (局壓) 첨가제(MoS2, Zn 등), 이들 부품을 세정할 때 사용하는 용제, Cr 도금 폐액에서 발생하는 6가 크롬 등의 오염물질에 대해 없애는 방향에서 검토되고 있다. 그러나 이러한 환경 오염물질들을 없애거나 궁극적인 오일리스(Oilless)화는 습동 부품및 부품가공에 사용되는 절삭공구 등에 있어선 사용하기 힘든 환경이 될 것으로 예상된다. 그리고 Cr 도금은 기계 부품에 많이 사용되어 값싼 부품의 수명을 대폭 연장시켜 왔는데 이 Cr 도금에서 발생하는 환경 오염물질이 환경 오염을 일으키지 않도록 폐액 플랜트를 준비해야 한다는 필요에서 시설비 증가가 염려되고 이 점에 대한 대안으로서 Cr을 대신할만한 도금에 대해 검토되고 있다.
  본고에서는 이같은 문제점들을 해결하기 위해 DLC(Diamond Like-Carbon)에 의한 무윤활 습동의 연구과제와 무윤활 절삭을 지향한 공구에 적용하는 점에 대해 기술한다.
1. 환경 오염을 고려한 3가지 키워드
<그림 1>에서는 각국의 유해 화학물질에 관련한 주요 규제사항을 나타낸다. 일본 내에서는 PRTR 법이 시행되고 이 법에 저촉되는 재료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를 첨부해야할 의무가 있다. 그러나 부품가공, 습동 용도에서는 현재 이 대상 리스트에 올라있는 오일, 오일 중의 중금속, 도금 폐액을 어떻게 환경 친화적인 프로세스와 재료로 바꾸어 갈 것인가에 대해 비용절감 문제도 아울러 고려하면서 모색되고 있다. 이에 대해서는 무윤활 습동, 무윤활 절삭, 탈(脫)크롬 도금, 이 3가지의 키워드를 들 수 있다.
 1.1 무윤활 습동
  부품끼리 습동시킬 경우 종전에는 오일이나 그리스를 사용하여 마찰·마모를 최소화 했다. 그러나 1980년대 후반에는 취사장이나 세면소에서 사용하는 수세(水洗) 철물 내부나 주사기 바늘, 실린지 내의 메디컬용으로 사용되었던 실리콘 그리스의 발암성 문제가 염려되어 미국의 재료 메이커에서 그 생산을 중단했다. 그래서 대기업 수세(水洗)기기 메이커 에서는 Greaseless를 달성하기 위해 저(低)마찰 세라믹스 코팅의 대표인 DLC를 채택했다. 이 탕수(온수·냉수)혼합 수전은 1994년도에 발표된 후로 이미 7백만개가 출하되었다.
  1990년대 후반에는 환경 오염물질의 Close up, 오존층을 파괴하는 플론 사용 규제라든가 기계의 생산성·수명을 늘리는 메인티넌스 프리라는 단어가 업계에서 통용되기에 이르렀다. 특히 저(低)습동 재료 로서 인기가 있던 MoS2등이 지금에 와서는 환경 오염물질로 인식되어 사용을 보류 하는 움직임이 나오고 있었다. 예를 들면 우주에서 가동하는 인공위성의 습동부에는 그리스를 사용할 수 없기 때문에 MoS2가많이 사용되고 있는데 지구의 둘레는 우주의 쓰레기통이라고 해서 이 물질들이 우주 공간을 오염시키는 것으로 여기고 있다.
  그리고 반도체의 고(高)집적화가 진행됨에 따라 이 반도체 제조장치에서 사용되는 오일이나 그리스가 디바이스의 불량을 낳는다는 관점에서 구동부에서는 Greaseless에 박차를 가했다. 그리고 가솔린 중의 S나 자동차용 오일 중의 MoS2도마찬가지로 줄여야 한다는 미국의 주(洲) 규제가 운용되기 시작했다. 이러한 움직임에서 오일이 없더라도 저마찰·저마모로 습동할 수 있는 DLC에 이목이 집중되었다. 2000년대에 들어와서는 여러 분야의 산업에서 ‘이 DLC에 주목하여 습동부를 Oil Free로 할 수 없을까?’ 하는 점에서 검토하기 시작했다.
  제조방법에 따라 막질(膜質)이 달라지기 때문에 SP2, SP3, H의 구성비에 따른 DLC 통합 문제를 검토하기 시작했다.
 1.2 무윤활 절삭
  부품을 기계가공할 때 절삭 오일은 필수 품이었다. 그러나 이 오일이 바닥으로 흘러서 토양오염을 초래하고, 또 부품을 용제로 세정하는 공정에서 오존층 파괴라든가 환경오염의 관점에서 트리클렌 (Triclene)과 플론의 사용이 규제되었다.
  그러나 이 물질들과 동등한 세정 능력을 가진 대체 용제가 좀처럼 나오고 있지 않아 세정에 애를 먹고 있다. ‘이러한 문제점 들을 해결함에 있어 오일을 사용하지 않고 절삭가공을 할 수는 없을까?’에 대해 생각 했다. 그러나 수계(Water-base) 절삭재를 사용하면 열전도가 나쁘기 때문에 날끝의 온도가 상승하고 또 들러붙는 등의 문제가 발생한다. 그러므로 날끝에 세라믹스 코팅을 실시함으로써 이 문제들을 해결하여 수계 절삭, 드라이 절삭을 할 수 있게 되었다. 특히 종전의 TiN을 대신해서 내열성이더 높은 TiAlN이나 TiSiN 등이 사용되기 시작했다. 그리고 최근에는 부품의 경량화 차원에서 DLC 코팅된 바이트로 알루미늄 재료를 미스트, 무윤활 절삭하는 점에 대해 검토하기 시작했다. 본 건에 대해서는 나중에 상세히 설명한다.
2. 각종 표면처리의 분류
<그림 2>에서는 각종 표면처리 방법을 나타낸다.
  종전의 코팅법으로는 용액법으로 분류되는 도금 법이 많이 사용되었으나 작금의 환경문제, 고경 도, 저(低)마찰 등의 관점에서 기상(氣相) 증착법이 크게 신장되고 있다. 어떤 회사가 조사한 보고 서에 의하면 이 분야는 연 10% 정도로 성장하고 있다고 한다.
  한편 내구성 관점에서 후막(厚膜)이 요망되는 분야에서는 용사(溶射)법이 주목을 받고 있다. 그러나 막의 밀도가 낮고 표면이 거친 점 등의 문제로 인해 후공정이 필요하다. 이에 대해 기상 증착 법은 1〜5㎛ 정도가 많이 사용되고 면도 평활하여 코팅 후에는 그대로 사용할 수 있기 때문에 공구 ·금형에 1980년대부터 사용되어 최근에는 도금 법의 대체로서 부품 등의 사용에 검토되는 기회가 증가하고 있다. 기상 성장법은 물리증착법과 화학 증착법으로 크게 나뉜다. 물리증착법에는 원료 소스가 고체인 상태에서 이온을 부딪치게 해서 원소를 날려버리는 스패터링법과, 아크나 전자빔을 고체 표면에 부딪쳐 용해시킴으로써 금속입자를 날려버리는 방법이 있다.
  고체 소스로 Cr을 사용하고 거기에 질소를 도입 하면 질화크롬이 형성된다. 그리고 화학증착법은 원료 소스가 가스나 액체인 상태에서 이것을 가열 하거나 플라즈마로 에너지를 줌으로써 화합물을 형성시킬 수 있다. 원료 가스로 사염화티탄과 암모니아를 사용하면 금색으로 익숙해 있는 질화티 탄을 형성시킬 수 있다. 화학증착법은 일반적으로 500℃ 이상에서 처리되는 일이 많고 부품 등과 같이 저열(低熱)성이 낮은 기재에 처리할 경우에는 플라즈마를 이용해서 저온화 처리나 물리증착법을 적용하는 일이 많다.
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3. DLC의 특징·제법(製法)
DLC는 다이아몬드의 자립막이 개발되어 있었을 때의 부산물로서 생성되었다고 한다. <그림 3>에서는 DLC의 구조·제법을 비교하여 나타낸다. 탄소로 합성되는 다이아 몬드, 그래파이트는 결정 구조를 가지나 DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고,또 200℃ 정도의 저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상적인 PVD막에 비해 훨씬 우위에 있다.
  DLC와 다결정 다이아몬드, 천연 다이아 몬드와의 특성 비교한 데이터를 <그림 4>에 나타낸다.
  DLC는 밀도와 경도 면에선 다이아몬드보다 떨어지나 굴절률이 작기 때문에 광학 분야를 포함한 폭넓은 분야에서 용도가 개척되고 있다. 특히 저온에서 처리할 수 있는 막들 중에서는 내약품성이 높다.
  최초로 DLC를 형성한 것은 1970년대 초에 Aisenberg 일행이 이온빔 증착법을 적용하여 합성되었는데 이것이 처음이었다. 그후에는 Vora 일행이 플라즈마 분해증착법을 적용해서 형성을 시도했다.
  <그림 5>에서는 대표적인 DLC 형성 방법을 나타 낸다. 주요 제법으로는 고주파 플라즈마법, 이온 화증착법, 스패터링법을 들 수 있다.
  고주파 플라즈마법은 메탄가스가 원료로 사용 되어 막 중의 수소가 약 30(원자, atom)%로 많기 때문에 평활성이 뛰어나고 마찰계수도 작지만 경도가 약간 낮다고 한다.
  한편 이온화증착법은 원료로 벤젠을 사용하고 이온화된 탄화수소를 직류로 가속하기 때문에 막중의 수소가 타서 막은 단단해지나 면조도가 약간 나빠진다고 한다.
  그리고 DLC 막을 후막화할 수 있도록 하기 위해 스패터링법으로 내부 응력을 저하시키는 내용이 검토되고 있다.
4. DLC의 마찰·마모 특성
<그림 6>에서는 공구나 금형에서 널리 이용되고 있는 고속도강(SKH51) 위에 각종 경질 세라믹을 피복한 재료와 습동 핀으로 사용한 일반 구조용 탄소강(S25C)을 대기중의 무윤활 조건에서 습동 시험한 결과를 나타낸다.
  습동 초기에 TiAlN 등의 경질 박막을 피복하면 처리하지 않은 상태에서 보다 마찰계수가 더욱 저하됨을 알 수있다. CrN을 피복한 재료에서는 마찰 계수가 기재보다 증가하고 있는데 이것은 막이 형성됨에 따라 표면이 거칠 어지기 때문이라고 생각한다.
  습동시험을 다시 계속하면 비교적 초기(수십 m) 단계에서 미처리(코팅하지 않음)된 기재에서 습동 상대재의 응착이 일어나기 시작하여 마찰계수가 상승하고 습동시험 후기에는 세라믹 코팅처리된 기재(TiAlN, CrN)에서도 응착이 일어나 마찰계수가 0.7 정도로 까지 상승함을 알 수 있다.
  한편 DLC를 피복한 재료에서는 습동 초기단계에서부터 가장 낮은 마찰 계수 수치( =약 0.2)를 보여 습동거리가 증가하더 라도 현저한 변화는 발견되지 않아 습동 특성이 안정적으로 유지됨을 알 수 있다.
  그리고 습동 상대재(볼)의 마모 높이를 측정해 보니 처리되지 않은 기재나 TiAlN막을 피복한 시료에서는 높이 0.06〜0.07mm까지 마모되었는 데, 이에 반해 DLC막을 피복한 시료에서는 높이0.01mm 정도로 마모되었다<그림 7>. <그림 8>에서는 부품에서 널리 이용되고 있는 강(SKD11) 위에 각종 경질 세라믹을 피복한 재료와 SUS440C를 대기중, 진공중의 무윤활 조건에서 습동시험한 결과를 나타낸다. 진공중의 DLC는 대기 중보다도 더 낮은 마찰계수를 보였다.
5. DLC의 용도 개발
1980년대에 최초로 실용화되었던 것은 휴대형 카세트 플레이어의 이어폰에 탑재되었던 제품이다. 이것은 DLC의 표면탄성파 전달 특성이 매우 좋아 저주파에서부터 고주파까지의 음을 전달할수 있기 때문에 채택되었다.
  그러나 재료 개발의 속도가 빨라 이미 DLC를 사용하지 않아도 되는 금속박 등이 개발되어 이제품은 대폭 감소되었다.
  그후 1990년대에 들어와 AV 기기의 샤프트 관련에서 실용화가 진행되었는데 1994년에 출시된 탕수혼합 수전에서는 크게 히트되지 않았다.
  이것은 가정이나 빌딩의 세면소·취사장에서 사용하는 더운물과 찬물을 하나의 손잡이로 온도조절과 수량(水量) 조정을 가능하게 하는 획기적인 유닛으로 되었다.
 이 탕수혼합 수전(수도꼭지)은 Greaseless 라는 생태적인 면을 주목하는 분위기가 힘을 얻고 있어 현재까지 700만 개의 유닛이 생산된 제품으로까지 성장했다.
 이 유닛을 채택하게 된 것이 DLC의 용도 개척에 불을 붙였다. 그후에는 각사가 습동 용도 이외의 DLC 특성을 평가하기 시작했다.
  <그림 9>에서는 DLC 막의 특징 및 용도를 나타낸다. DLC 막은 현재 폭넓은 분야에서 사용되고 있다.
  그리고 환경문제와 관련하여 습동으로 인한 에너지 손실 저감은 중요한 과제로 되어 있고 특히 자동차 관련회사가 적극적으로 개발을 추진하고 있다.
6. 고분자 재료에 대한 DLC코팅 기술
무·수지와 같은 고분자 재료의 표면 윤활성을 개선하려면 종전에는 유지(油脂)를도포·첨가했다.
  당연히 유지가 떨어지면 점점 마찰계수가 커지는 등의 폐해가 나온다. 예를 들면 자동차의 전면(前面) 와이퍼가 소리를 내기 시작한다. 고무 부품·제품이 상대재와 고착(固着)하기도 한다.
  ‘이러한 폐해를 일으키는 원천이 되는 유지 등의 첨가제를 없앨 수는 없을까?’하고 생각했다. 기재 변형에 추수(追隨)할 수있는 표면형태를 개발했다<그림 10>. 그 결과, 코팅하지 않은 고무에 비해 마찰계수를 대폭 줄일 수 있었다<그림 11>. 현재는 35mm 줌카메라용 O링이나 기계장치용 Seal Packing에 사용되고 있다.
7. 알루미늄 절삭공구용 DLC막의 개발
부품의 경량화, 금형의 온도제어성의 관점에서 알루미늄재로 급속히 옮겨가고 있는 추세이다. 그리고 생산성 향상 면에서는 고속 절삭이나 환경오 염을 방지하기 위해 무윤활 절삭이 요구되고 있다. 그러나 종전의 알루미늄 절삭에서는 코팅하지 않은 바이트로 실리콘 등을 배합한 알루미늄 합금을 절삭하려고 다이아몬드 코팅 처리를 했다. 그러나 코팅하지 않은 바이트는 알루미늄이 응착되어 절손(折損)이 발생하기 쉽고 다이아몬드 코팅 처리를 한 바이트는 처리온도가 1,000℃ 이상이 어서 모재로 초경밖에 사용할 수 없기 때문에 매우 고가이고 재코팅은 할 수 없었다. 그리고 날끝이 두껍고 면조도가 커지기 때문에 절삭성이나 다듬질의 면조도가 나빠진다. 이러한 문제 때문에 1990년대에는 DLC를 바이트에 성막(成膜)하려는 시도가 있었으나 바이트에 요구되는 막의 경도 (3,000HV 이상)와 밀착성(스크래치 경도로 50N 이상)을 좀처럼 달성할 수가 없었다. 그러나 최근에 와서 성막 방법과 막 구조의 개선을 시도한 결과, 밀착성이 크게 개선되었다. 고경도의 DLC를 달성하기 위해 막 안에 수소를 넣지 않음으로써막 경도를 크게 개선시켰다는 보고가 있다. 여기 서는 종전에 밀착성을 개선하기가 어려운 것으로 여겨졌던 아크법이 적용되어 있는 점이 주목된다.
  그리고 막의 두께를 얇게 함으로써 예리한 날끝을 유지하고 양호한 절삭성으로 칩이 작아져 평활하고 얕게 절삭할 수 있게 되었다. 최근에 와서 많이 사용하게 된 ADC12에 대해서도 양호한 절삭 특성을 얻고 있다. 이 코팅은 200℃ 정도에서 성막할 수 있기 때문에 저렴한 고속도강을 사용할수 있고, 또 막을 제거하고 재코팅도 할 수 있기 때문에 운전비를 크게 절감할 수 있을 것으로 전망된다.
  탄소계 경질 박막으로서 DLC가 개발된 지 4반 세기가 경과했다. DLC는 저마찰·저마모이고 환경 친화적인 재료로서 가장 큰 산업인 자동차 산업에서 연비 향상을 목적으로 습동 부품에 적용하는 문제를 검토하기 시작했다. 한편 역전 발상에서 개발된 고분자 재료에 대한 플렉시블 DLC 막은 35mm 카메라의 O링이나 패킹 등 우리 주변의 제품에서 적응되기 시작했다. 최근에는 고밀착 DLC가 개발되었기 때문에 알루미늄을 무윤활로 절삭할수 있을 가능성이 보였다. 알루미늄 합금은 경도· 강도의 향상을 지향하기 위해 실리콘 농도가 증가하고 있고 바이트에 대한 요구도 심하므로 더 한층의 고경도·고밀착 DLC가 요구되고 있다.

 
TAG :  무윤활습동  무윤활절삭  DLC코팅
 
 
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