습도에서의 DLC 마모 평가의 중요성

DLC(다이아몬드 유사 탄소) 코팅은 향상된 마찰 특성, 즉 뛰어난 내마모성과 매우 낮은 마찰 계수(COF)를 가지고 있습니다. DLC 코팅은 다양한 재료에 증착될 때 다이아몬드 특성을 부여합니다. 유리한 마찰 기계적 특성으로 인해 DLC 코팅은 항공우주 부품, 면도날, 금속 절단 도구, 베어링, 오토바이 엔진 및 의료용 임플란트와 같은 다양한 산업 응용 분야에서 선호됩니다.

DLC 코팅은 고진공 및 건조한 조건에서 강철 볼에 대해 매우 낮은 COF(0.1 미만)를 나타냅니다.¹². 그러나 DLC 코팅은 환경 조건 변화, 특히 상대 습도(RH)에 민감합니다.³. 습도 및 산소 농도가 높은 환경에서는 COF가 크게 증가할 수 있습니다.⁴. 제어된 습도에서 신뢰할 수 있는 마모 평가는 마찰 공학 응용 분야를 위한 DLC 코팅의 현실적인 환경 조건을 시뮬레이션합니다. 사용자는 적절한 비교를 통해 대상 응용 분야에 가장 적합한 DLC 코팅을 선택합니다.
다양한 습도에 노출된 DLC 마모 행동.

측정 목표

이번 연구에서는 Nanovea를 소개합니다. 트라이보미터 습도 컨트롤러가 장착된 습도 컨트롤러는 다양한 상대 습도에서 DLC 코팅의 마모 거동을 조사하는 데 이상적인 도구입니다.

테스트 절차

DLC 코팅의 마찰 및 내마모성은 Nanovea Tribometer를 사용하여 평가되었습니다. 테스트 매개변수는 표 1에 요약되어 있습니다. 마찰 챔버에 부착된 습도 컨트롤러는 ±1%의 정확도로 상대 습도(RH)를 정밀하게 제어했습니다. 테스트 후 광학 현미경을 사용하여 DLC 코팅의 마모 트랙과 SiN 볼의 마모 흉터를 검사했습니다.

참고: 윤활유 또는 고온과 같은 환경 조건에서 다양한 재료 커플링의 성능을 시뮬레이션하기 위해 모든 솔리드 볼 재료를 적용할 수 있습니다.

결과 및 토론

DLC 코팅은 마찰이 적고 내마모성이 우수하기 때문에 마찰 응용 분야에 적합합니다. DLC 코팅 마찰은 그림 2와 같이 습도에 따른 거동을 나타냅니다. DLC 코팅은 상대적으로 건조한 조건(10% RH)에서 마모 테스트 전반에 걸쳐 ~0.05의 매우 낮은 COF를 보여줍니다. DLC 코팅은 RH가 30%로 증가함에 따라 테스트 중에 ~0.1의 일정한 COF를 나타냅니다. COF의 초기 런인 단계는 RH가 50% 이상으로 상승하는 첫 2000 회전에서 관찰됩니다. DLC 코팅은 50, 70 및 90%의 RH에서 각각 ~0.20, ~0.26 및 ~0.33의 최대 COF를 보여줍니다. 런인 기간 이후, DLC 코팅 COF는 50, 70 및 90%의 RH에서 각각 ~0.11, 0.13 및 0.20으로 일정하게 유지됩니다.

그림 3은 SiN 볼 마모 흉터를 비교한 것이고, 그림 4는 마모 테스트 후 DLC 코팅 마모 트랙을 비교한 것입니다. 습도가 낮은 환경에 노출되었을 때 마모 흉터의 직경이 더 작았습니다. 접촉면에서의 반복적인 슬라이딩 과정에서 SiN 볼 표면에 전사 DLC 층이 축적됩니다. 이 단계에서 DLC 코팅은 상대 운동을 촉진하고 전단 변형으로 인한 추가 질량 손실을 억제하는 효율적인 윤활제 역할을 하는 자체 전사 층에 대해 미끄러집니다. 낮은 RH 환경(예: 10% 및 30%)에서 SiN 볼의 마모 흉터에서 전사막이 관찰되며, 그 결과 볼의 마모 과정이 느려집니다. 이 마모 과정은 그림 4에 표시된 것처럼 DLC 코팅의 마모 트랙 형태에 반영됩니다. DLC 코팅은 접촉 인터페이스에 안정적인 DLC 전사 필름이 형성되어 마찰과 마모 속도를 크게 줄여주기 때문에 건조한 환경에서 더 작은 마모 트랙을 나타냅니다.

결론

습도는 DLC 코팅의 마찰 성능에 중요한 역할을 합니다. DLC 코팅은 슬라이딩 대응물(이 연구에서는 SiN 볼)에 전사된 안정적인 흑연 층의 형성으로 인해 건조 조건에서 크게 향상된 내마모성과 탁월한 낮은 마찰력을 보유합니다. DLC 코팅은 자체 전달층에 대해 미끄러지며, 이는 상대 운동을 촉진하고 전단 변형으로 인한 추가 질량 손실을 억제하는 효율적인 윤활제 역할을 합니다. 상대 습도가 증가하면 SiN 볼에서 필름이 관찰되지 않아 SiN 볼과 DLC 코팅의 마모율이 증가합니다.

Nanovea 마찰계는 ISO 및 ASTM 준수 회전 및 선형 모드를 사용하여 반복 가능한 마모 및 마찰 테스트를 제공하며, 하나의 사전 통합 시스템에서 사용 가능한 습도 모듈 옵션을 제공합니다. 이를 통해 사용자는 다양한 습도에서 작업 환경을 시뮬레이션할 수 있으며 다양한 작업 조건에서 재료의 마찰학적 거동을 정량적으로 평가할 수 있는 이상적인 도구를 제공합니다.

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1 C. 도넷, 서핑. Coat. Technol. 100-101 (1998) 180.

2 K. 미요시, B. 폴척, K.W. 스트리트, J.S. 자빈스키, J.H. 샌더스, A.A. 보에보딘, R.L.C. 우, 착용 225-229 (1999) 65.

3 R. 길모어, R. 하우어트, Surf. Coat. Technol. 133-134 (2000) 437.

4 R. Memming, H.J. Tolle, P.E. Wierenga, Thin Solid Coatings 143 (1986) 31