1. Introduction

화석 연료를 사용하는 차량의 배기관과 비배기관에서 발생하는 미세 입자는 환경 오염의 주요 원인 중 하나로 인식되고 있다[1, 2]. 차량 운행시 발생하는 미세 입자를 줄이기 위해 자동차 산업계는 지속적인 노력을 하고 있으 며, 노력의 일환으로 내연 기관 자동차에서 전기 자동차 등 친환경 자동차로의 전환을 수행하고 있다[3, 4]. 그러나 친환경 자동차로 전환되며 전반적인 차량 무게가 증가하 고 있으며, 차량 무게 증가에 따라 브레이크 시스템에서 발생하는 미세먼지 배출량은 오히려 증가하고 있다[5]. 이 렇게 브레이크 시스템에서 발생한 미세 입자는 호흡기로 쉽게 흡입될 수 있으며, 생체 내 조직과의 반응성이 높기 때문에 염증과 관련된 위험을 초래할 수 있다[6]. 브레이 크 시스템은 브레이크 디스크의 회전운동 에너지를 브레 이크 디스크와 패드 간의 마찰을 통하여 회전 운동 에너 지를 감소시키는 구조로 되어 있다[7, 8]. 브레이크 디스크 의 소재로는 회주철(Gray Cast Iron, GCI)계 금속 소재가 사용되며, 회주철 브레이크 디스크는 대기 습도와 도로에 존재하는 염분에 취약하기 때문에 사용 시간이 길어질수 록 제동시 발생하는 미세 입자의 배출량이 증가하는 것으 로 알려져 있다[9].

이러한 문제를 해결하기 위해, 앞선 연구에서 회주철에 WC-Ni-Cr 및 WC-Ni-Cr +Cr₃C₂을 코팅하여 제동시 브레 이크 패드에 의한 코팅층의 마모에 대한 저항성과 코팅 층의 경도를 높이는 연구를 수행하였다[10]. 세라믹과 금 속 물질이 혼합되어 구성된 Cermet(Ceramic +Metal ) 코 팅은 고경도의 세라믹 입자와 binder 역할을 하는 금속 분 말을 혼합함으로써 코팅층에 높은 경도와 뛰어난 인성을 부여할 수 있는 장점이 있다[11]. 이처럼 높은 경도와 뛰 어난 인성을 지닌 표면의 특성은 코팅의 내마모성(wear resistance)을 향상시키며 마모율(wear rates)을 감소시키는 것으로 알려져 있다[12]. 또한, 브레이크 시스템이 효과적 으로 작동하기 위해서는 다양한 제동 상황과 온도 및 습 도 조건에서도 안정적인 마찰력을 유지해야 한다[13]. 제 동 시에 발생하는 브레이크 디스크와 패드 표면 간의 상 호작용은 접촉 부위의 온도를 증가시키며, 이러한 고온에 서의 마모 거동은 제동 성능에 영향을 주게 된다[7]. 이와 관련하여 NiCr-Cr₃C₂ 조성과 ZrO₂+ Y₂O₃ 조성을 플라즈 마 용사 코팅을 통해 시편을 제작하여 분석을 진행한 결과 두 소재 모두 고속 및 고에너지 제동 조건에서도 안정적인 마찰 계수와 열차폐 효과가 존재함이 알려져 있다[14].

플라즈마 용사 코팅 기술은 공정 제한성이 낮아 대면적 코팅이 가능하다. 또한 손실부에 대한 보수가 가능하여 항 공, 우주, 자동차 등의 방대한 산업분야에서 널리 사용되 고 있다[15]. 이 기술은 주로 소재의 내마모나 내식성 등 의 표면 특성을 개선하는 데 사용되며, 대기 플라즈마 용 사(Atmospheric Plasma Spray, APS)에 의해 증착된 코팅 보다는 고속 산소 연료 용사법(High-Velocity Oxygen-Fuel, HVOF)에 의해 증착된 코팅이 더욱 우수한 기계적 성질을 갖는 것으로 알려져 있다[10]. HVOF 코팅 기술은 고온 고 속의 가스를 사용하여 소재를 분사하여 코팅하는 방식으 로 APS에 비해 코팅의 밀도가 높고, 기공이 적으며, 접합 강도가 높은 고경도의 코팅층을 형성할 수 있다[15].

본 연구에서는 WC 기반 복합 조성의 치밀한 코팅층 제 조에 적합하다고 알려져 있는[16-18] HVOF 용사 기법을 사용하여, 내마모성과 마찰력을 향상시키고 오염 입자 발 생을 줄이기 위한 코팅 시편을 제작하였다. 또한, Cr₃C₂의 첨가량을 조절하여 WC 기반 복합 조성에서 Cr₃C₂의 첨가 량에 따른 마찰 및 마모 거동을 비교 분석하였다. 또한, 디 스크와 패드의 마찰시 발생하는 열에 의한 영향으로 제동 시 발생하는 마모 입자 발생을 줄이기 위해[19], 열전도도 가 낮고 상안정성과 파괴인성이 높은 이트리아 안정화 지 르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, YSZ)가 첨가된 WC 기반 복합 조성을 개발하였다[20]. 이후 코팅 층의 미세조 직 관찰 및 상분석을 수행하였으며, 마찰 및 마모 거동 비 교 분석을 위해 상온의 건식 환경에서 Ball-on-disk 방식으 로 마찰 및 마모 시험을 수행하였다.

2. Experimental

2.1. HVOF 코팅 및 시편 전처리

조성에 따른 코팅층의 물성 분석을 위하여 회주철 (GC170)로 제작된 직경 30 mm, 두께 10mm의 시편을 코 팅 모재로 사용하였다. 앞선 연구에서 선정한 조성인 WCNi- Cr에 Cr₃C₂를 20vol% 첨가한 조성에서 Cr₃C₂의 첨가량 조절시 코팅층의 물성 변화 분석을 위하여 표 1에 나타낸 것과 같이 조성 설계를 진행하였다. 설계한 조성에 맞추어 구형 과립으로 된 평균 입도가 45 μm인 WC-Ni-Cr, Cr₃C₂, YSZ (Praxair, USA) 분말들을 부피비에 따라 혼합을 하였 다. 혼합된 분말은 HVOF(JP8000, Praxair, USA)장비를 사 용하여 표 2에 나타낸 것과 같은 조건으로 용사 코팅을 진 행하였다. 코팅된 시편은 #8000 이상의 Diamond Wheel로 경면 연마하여 가공하였으며, 표면조도측정기(SURFTEST SJ-410, Mitutoyo, Japan)를 사용하여 그림 1과 같은 조도 수준을 확인하였다.

Table 1

Mixing condition of coating powder

Sample ID	Based	Added	Powder Used	Reference
WC-Ni-Cr + 20% Cr3C2	WC-Ni-Cr	Cr3C2 20vol%	WC-733, CRC-105	[10]
WC-Ni-Cr + 10% Cr3C2	WC-Ni-Cr	Cr3C2 10vol%	WC-733, CRC-105	This study
WC-Ni-Cr + 5% Cr3C2	WC-Ni-Cr	Cr3C2 5vol%	WC-733, CRC-105	This study
WC-Ni-Cr + 20% YSZ	WC-Ni-Cr	YSZ 20vol%	WC-733, ZRO-271-3	This study

Table 2

Parameters of the HVOF spraying process

			Gun Type/Barrel Size	5220/4”
			Fuel Rate [GPH]	6
			Oxygen Gas Flow [SCFH]	2000
			CCP [psi]	105
			Spray Distance [mm]	380
			Pitch [mm]	5
			Velocity [mm/s]	300

Fig. 1

Results of Surface roughness.

2.2. 마찰 및 마모 시험(Ball-on-disk)

코팅 시편의 마찰 및 마모 거동 분석을 위해 마모 시험 기(MPV 110, Neoplus, Korea)를 사용하여 Ball-on-disk 방 법으로 마찰 및 마모 시험을 진행하였다. 마찰 및 마모 시 험은 직경 12.7 mm의 질화규소 볼(Si₃N₄ Ball, BNBINT, Korea)을 사용하였으며, 하중 20N, 거리 1000 m, 속도 100 RPM의 조건으로 KS L 1606 표준에 맞춰 분석을 진 행하였다. 마찰 및 마모 시험 후, 시험편의 비마모량을 계 산하기 위해 Surface Profiler(Alpha-Step, ET3000, Kosaka Laboratory Ltd., Japan)를 사용하여 마모흔을 측정하여 마 모체적을 계산하였다. 계산된 결과를 바탕으로 식(1)과 식(2)를 사용하여 마찰 및 마모 시험 후 시편의 비마모량을 계산하였다.

(1)

• V_disk : 원판 모양 시험편의 마모 체적(m³)

• R : 마모 흔적 원의 반지름(m)

• S1-S4 : 마모 흔적 원의 4곳의 단면적(m²)

(2)

W_s(disk) : 원판 모양 시험편의 비마모량(m²/N)

P : 하중(N)

L : 섭동 거리(m)

2.3. 코팅 시편 분석

코팅 후 시편의 상형성 거동 분석을 위해 X-Ray Diffraction( XRD, RINT-2500HF, Rigaku, Japan)를 40 kV, 200mA 로 설정하고 20~80° 영역을 10°/min의 속도로 분석하였다. 또한, 코팅 층의 두께와 분포된 조성의 균일성을 파악하기 위해 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM, JSM-6390, JEOL, Japan)을 사용하여 시편의 단면을 분석 하였으며, 마찰 및 마모 시험 후 코팅층의 박리 여부를 확 인하기 위하여 에너지 분산 X선 분광법(Energy-Dispersive x-ray Spectroscopy, EDS, Oxford Instruments, United Kingdom) 을 사용하여 회주철 검출 여부를 확인하였다. 시편의 코팅 층과 상대재인 질화규소볼의 경도는 마이크로 비커 스 경도측정기(HMV-2 T E, Shimadzu, Japan)를 사용하여 200 g.f 하중으로 각각 5회씩 측정하였다.

3. Results and Discussion

3.1. 상형성 분석 결과

코팅 후 표면 연마가 완료된 시편에 대한 XRD 분석 결 과를 그림 2에 나타냈다. 모든 코팅 시편(Cr₃C₂ 20 vol%, Cr₃C₂ 10 vol%, Cr₃C₂ 5 vol%, YSZ 20 vol%)에서 WC 상 과 NiCr₂O₄ 상이 공통적으로 형성된 것을 확인하였으며, NiCrO4 상의 경우에는 HVOF 용사 분위기 속에서 고 에 너지 상태의 Ni-Cr binder가 산소와 반응하여 산화물이 형 성된 것으로 보인다. WC-Ni-Cr +5vo l% Cr₃C₂ 코팅을 제 외한 모든 코팅(Cr₃C₂ 20 vol%, Cr₃C₂ 10 vol%, YSZ 20 vol%)에서는 W₂C 상이 확인되었다. 이러한 W₂C 상의 형 성은 구조적 특성상 고체 윤활 특성이 있는 것으로 알려 져 있으나[10], brittle한 특성을 가지고 있으며 Ni-Cr과 같 은 금속 binder의 분리(debonding)를 촉진시키는 것으로 알려져 있다[11]. 이러한 W₂C은 고온 고압의 HVOF 공정 중 산소와 WC가 반응하여 아래 식(3)과 같은 WC의 탈탄 화(decarburisation)가 발생하며 형성된 것으로 보인다[17].

Fig. 2

XRD analysis of Coating Samples.

(3)

WC-Ni-Cr +20 vol% Cr₃C₂ 코팅에서는 Cr₂C 상과 NiWO₄ 상이 관찰되었다. Cr₂C 상과 같은 Cr계 탄화물은 WC 및 W₂C에 비해 낮은 경도를 가지고 있으나, Ni-Cr과 같은 금 속 binder와 함께 우수한 바인더-스플렛 계면(intersplat) 특 성을 가져서 내마모성이 더 높은 것으로 알려져 있다[11]. 또한, NiWO₄ 상은 산소를 연료로 사용하는 HVOF 공정 중 아래 식(4, 5)처럼 같은 WC와 Ni-Cr binder의 산화 과 정에서 발생된 것으로 추정된다.

(4)

(5)

WC-Ni-Cr +2 0 vol% Cr₃C₂ 코팅을 제외한 모든 코팅 (Cr₃C₂ 10 vol%, Cr₃C₂ 5 vol%, YSZ 20 vol%)에서 XRD 분석 결과 WC의 Hexagonal 결정상과 Cubic 결정상이 함 께 관찰되었다. 특히 WC-Ni-Cr에 Cr₃C₂를 5 vol%, 10 vol% 첨가한 코팅에서는 어깨 피크 형성이 관찰되었는데, 이는 결정 구조 내에 비정질 상도 함께 형성되어 있는 것으로 보인다. 또한 피크들의 폭이 넓은 것은 HVOF 공정의 빠 른 냉각 속도와 고온 고압의 조건으로 인해 해당 위치에 다양한 결정 구조나 고용체가 형성되었을 가능성을 보여 준다.

그러나 제조된 모든 코팅에서는 별도로 5~20vol%씩 첨 가된 물질(Cr₃C₂, YSZ)에 대한 상 검출이 이루어지지 않 았는데, 이는 코팅 공정의 특성상 Cr₃C₂나 YSZ 같은 첨가 제가 XRD 분석 시 별도의 상으로 나타날 정도로 충분하 지 않아 XRD 분석 시 단일 상으로 검출이 되지 않은 것 으로 보인다. 또한 Cr₃C₂의 경우, 앞서 언급된 바와 같이 코팅 형성 과정에서 WC-Ni-Cr 매트릭스 상의 형성, 탄화 물 형성 또는 반응 생성물에 기여하는 것으로 보인다. YSZ의 경우 높은 융점을 가지고 있고 이로 인하여 HVOF 공정 중에 splat 형성이 어렵기 때문에 코팅 내 YSZ 함량 이 초기에 제조된 분말의 함량보다 낮은 것으로 보인다.

3.2. 미세 구조 분석 결과

그림 3은 각 코팅 조성의 코팅 층 단면에 대한 BSE (Back-Scattered Electrons) 분석 결과를 보여준다. 제조된 모든 코팅 시편의 단면 분석 결과, HVOF 코팅 및 표면 처리 후 코팅 층의 평균 두께가 100 μm 이상인 것을 확인 했다. 또한 BSE 분석 결과 모든 조성의 코팅 층에서 WC, Ni, Cr 등의 원소들이 코팅 층 전체에 고르게 분포되어 있 는 것을 확인할 수 있다. 가장 밝게 보이는 영역은 WC이 며, 회색으로 보이는 영역은 Ni-Cr binder로 식별된다. 가 장 어둡게 보이는 영역은 각 코팅에서 형성되는 결정상에 따라서 가장 가벼운(낮은 원자번호의) 상으로 구분될 수 있다. 예를 들어, 그림 3(a)에서는 Cr₂C의 상이 가장 어두 운 영역으로 식별될 수 있으며, 그림 3(b, c, d)에서는 NiCr₂O₄의 상이 가장 어두운 영역으로 식별될 수 있다. 이 중 YSZ의 코팅 증착 여부를 확인하기 위하여 단면에 대하 여 EDS 분석을 진행한 결과를 그림 4와 같이 나타내었다.

Fig. 3

Cross-section BSE images of (a) WC-Ni-Cr + 20% Cr₃C₂, (b) WC-Ni-Cr + 10% Cr₃C₂, (c) WC-Ni-Cr + 5% Cr₃C₂, (d) WC-Ni-Cr + 20% YSZ.

Fig. 4

Cross-section EDS images of WC-Ni-Cr + 20% YSZ.png

EDS 분석 결과 Zr 및 Y이외에 다른 원소들은 모두 확 인되었다. 이러한 결과는 YSZ가 앞선 XRD 분석 결과와 동일하게 고융점 소재로 HVOF 용사 코팅을 통해 모든 코 팅층에 대해 splat 형성이 거의 이루어지지 않은 것으로 보이며, 극 소량만 코팅층에 잔여하여 코팅층의 물성 변화 에 기여한 것으로 보인다.

3.3. 경도 측정 결과

그림 5는 시편의 코팅 층과 상대재에 대한 경도 그래프 를 나타낸다. 코팅 시편의 상대재인 Si₃N₄ Ball의 경도는 다른 코팅 시편에 비해 1.3배 이상 높은 15 GPa의 경도를 나타냈다. 이처럼 상대적으로 높은 경도의 상대재는 마찰 시 재료 표면에 더 큰 압력을 가해 마모 거동을 촉진시킬 수 있는 것으로 알려져 있다[19].

Fig. 5

Results of Vickers hardness.

WC-Ni-Cr에 YSZ를 첨가한 조성에서는 10.66 GPa의 경 도 값을 확인했다. 이는 WC-Ni-Cr에 Cr₃C₂를 첨가한 코팅 층의 경도 값 보다 낮은 값임을 확인했다. 이러한 결과는 상대적으로 경도가 낮은 YSZ가 WC-Ni-Cr에 소량으로 첨 가됨에 따라 코팅층 전체의 경도가 낮아져 나타난 현상으 로 보이며, 또한 내/외부 고상분율이 다른 YSZ 분말이 적 층 시에 미 용융된 부분으로 남아있으면서 코팅의 splat 구조 형성을 방해하면서 코팅 층의 밀도 감소와 기공율 증가에 영향을 미쳐 경도를 낮춘 것으로 보인다[21].

또한 Cr₃C₂의 경우 WC의 상분해를 억제하고 WC계 복 합 조성 코팅의 물성을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다[22]. 하지만 일정 양이 첨가된 복합 조성의 경우 Cr₃C₂가 코팅층 전체의 물성을 향상시키는데 기여할 수 있으나, 첨가량이 과도해질 경우 WC 혹은 W₂C보다 경도 가 낮은 Cr₃C₂의 영향으로 인하여 코팅층 전체의 경도가 낮아 질 수 있다. 이를 기반으로 Cr₃C₂ 첨가량에 따른 경 도 변화를 확인해 보면 Cr₃C₂가 10vol%가 첨가된 조성이 11.45GPa로 경도가 제일 높은 것을 확인할 수 있으며, Cr₃C₂가 20vol%가 첨가되었을 때 11GPa로 가장 낮은 것 을 알 수 있다. 이는 Cr₃C₂의 첨가량이 10vol% 일 때 복 합조성 코팅층의 경도가 극대화될 수 있음을 보여준다.

3.4. 마찰계수 분석 결과

마찰 및 마모 시험 후 측정된 마찰계수를 그림 6과 같 이 나타내었다. 분석 결과, 모든 코팅 시편 중에서는 WCNi- Cr에 YSZ를 20vol% 첨가한 코팅 시편이 가장 높은 마 찰계수를 보였으며, WC-Ni-Cr에 Cr₃C₂를 첨가한 코팅 시 편 중에서는 Cr₃C₂를 5 vol% 첨가한 코팅 시편이 가장 높 은 마찰계수를 보였다.

Fig. 6

Results of friction coefficient of coating samples.

마찰계수 분석 그래프 그림 7에 따르면, WC-Ni-Cr에 Cr₃C₂를 5 vol% 첨가한 코팅 시편이나 WC-Ni-Cr에 YSZ 를 20 vol% 첨가한 코팅 시편의 마찰계수 그래프에서는 마찰 및 마모 시험 초기에 마찰계수가 급격하게 증가하는 rooster tailing 현상을 보여주었다[14, 23]. 이러한 초기 마 찰계수는 표면 거칠기와 밀접한 관계가 있는 것으로 알려 져 있다[23]. WC-Ni-Cr에 Cr₃C₂를 10 vol% 첨가한 코팅 시편은 400m 이후 마모 구간에서 마찰계수가 급격하게 감소하는 fading 현상을 보여주었다. fading 현상은 마찰재 가 마찰특성을 상실하였을 경우 발생하는 현상으로 알려 져 있으며[23], 이러한 현상이 발생한 이유는 다른 조성 대비 WC-Ni-Cr에 Cr₃C₂를 10 vol% 첨가한 조성이 높은 경도를 가져 발생한 것으로 보이며, 이와 동시에 마찰 및 마모 시험 시 시편(마찰재)과 볼(상대재) 사이에서 불안정 한 마찰현상으로 인하여 시편의 표면에 형성된 불균질한 마찰막이 마찰 거리가 길어짐에 따라 마찰 계면에서 마찰 막이 박리되어 발생하는 현상으로 보인다[23]. WC-Ni-Cr 에 Cr₃C₂를 20 vol% 첨가한 조성에서는 마찰 마모 시험 초기부터 안정적인 마찰계수를 보여주었지만, 다른 조성 들과 비교하였을 때 가장 낮은 마찰계수가 측정되었다. 이 러한 결과를 통해 Cr₃C₂의 첨가량이 늘어날수록 마찰계수 가 낮아지는 경향성을 확인할 수 있으며, Cr₃C₂의 첨가량 이 마찰계수에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

Fig. 7

Results of wear test of coating samples.

3.5. 비마모량 측정 결과

미세먼지 배출량의 저감을 위한 친환경 브레이크 디스 크에 사용되는 표면 코팅에서 비마모량(specific wear rate) 은 미세입자 배출과 관련된 주요한 변수로서, 적정 수준의 마찰 계수와 함께 적은 비마모량을 갖는 소재의 특성이 요구된다[10]. 마모 시험 후 측정한 코팅 시편의 비마모량 은 그림 8과 같이 정리하였다. 계산 결과, Cr₃C₂를 첨가한 WC-Ni-Cr 코팅 시편은 Cr₃C₂의 첨가량이 많아질수록 비 마모량이 감소되는 경향을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 Cr₃C₂의 첨가량이 많아질수록 낮아지는 마찰계수와 반비 례 관계로 추론할 수 있다. 그러나 WC-Ni-Cr에 YSZ를 20 vol% 첨가한 코팅 시편의 경우에는 WC-Ni-Cr에 Cr₃C₂ 를 5 vol% 첨가한 코팅 시편과 마찰 계수가 유사하나 비 마모량은 YSZ가 첨가된 조성이 Cr₃C₂가 5vol% 첨가된 조 성보다 낮은 것을 확인할 수 있다. 마모흔의 깊이를 표면 위의 단차 두께로 측정하는 비마모량 계산 방법의 특성상 비마모량이 더 적게 측정될 수 있다. 응착 마모(adhesive wear)가 발생하는 경우에는 표면에 재료가 옮겨 붙거나하 는 마모 부스러기(wear debris)가 응착되는데, 이로 인해서 비마모량이 더 적게 측정된 것으로 보인다. 응착(adhesion) 은 van der Wals 힘과 1 nm 정도의 거리에서 작용하는 강 한 표면력(전자기장, 전장, 이동전자, 전자공유)에 의해 발 생하기 때문에 표면이 산화막에 덮여 있지 않을수록 응착 이 더욱 잘 일어나게 된다[19]. 그렇기 때문에, 마찰 계수 가 유사한 두 복합 조성 코팅(WC-Ni-Cr +5 vol% Cr₃C₂, WC-Ni-Cr +20 vol% YSZ) 사이에서 YSZ를 첨가한 조성 이 Cr₃C₂를 첨가한 조성에 비해서 더 높은 산화 저항성을 가지는 것을 유추해볼 수 있다.

Fig. 8

Results of specific wear rate of coating samples.

3.6. 마모면 분석 결과

마모 거동 분석을 위해 마모 시험 후 표면상태의 SEM 이미지를 그림 9에 나타내었다. 분석 결과, 모든 표면에서 wear debris가 adhesion된 adhesive wear 현상을 관찰할 수 있었다. 특히, WC-Ni-Cr +5 vol% Cr₃C₂ 코팅과 WC-Ni- Cr +20 vol% YSZ 코팅의 마모면에서는 물체 간의 마찰이 일어나면서 재료 한 쪽이 다른 재료 쪽으로 눌러붙는 galling 현상이 더욱 뚜렷하게 관찰되었다[24]. 이러한 galling 현상은 코팅 시편의 높은 마찰 계수가 원인인 것 으로 보인다.

Fig. 9

SEM images of wear track of (a) WC-Ni-Cr + 20% Cr₃C₂, (b) WC-Ni-Cr + 10% Cr₃C₂, (c) WC-Ni-Cr + 5% Cr₃C₂, (d) WC-Ni-Cr + 20% YSZ.

Fig. 10

SEM-EDS results of wear track of WC-Ni-Cr + 5% Cr₃C₂.

Fig. 11

SEM-EDS results of wear track of WC-Ni-Cr + 20% YSZ.

이에 galling 현상이 뚜렷하게 관찰된 두 마모면에서는 추가적으로 EDS 분석을 진행하였으며, EDS 분석 결과 그 림 10, 11과 같이 두 마모면에서 모두 Si 원소와 O 원소 가 함께 검출되었다. 이러한 Si 원소는 상대재인 질화규소 볼로부터 galling된 것으로 보이며, O 원소는 코팅 층과 볼의 마찰 및 마모 시험 중 마찰열에 의해 식(6)과 같이 형성된 SiO₂로부터 검출된 것으로 보인다[25]. 이러한 산 화물 피막의 형성은 마찰 및 마모 거동에서 고체 윤활제로 작용하여 마찰계수를 감소시키는 것으로 알려져 있다[26].

(6)

또한 WC-Ni-Cr + 20 vol% YSZ 코팅의 마모면에서는 YSZ의 원소인 Y와 Zr가 EDS 분석에서 검출되었으며, 이 러한 YSZ 조성은 산화막과 같은 표면 피막의 형성을 억 제하여 응착 현상의 촉진 및 마찰력을 향상시킨 것으로 보인다.

4. Conclusion

본 연구에서는 차량용 브레이크 디스크의 미세먼지 저 감 및 제동성능 향상을 위해 HVOF 코팅 기술을 활용하 여 WC-Ni-Cr 기반의 복합 조성 코팅 시편을 제작하고 마 찰 및 마모 시험을 통해 물리적 및 마찰과 마모의 특성을 평가하였다.

• 1. WC-Ni-Cr에 Cr₃C₂를 20 vol% 첨가한 코팅은 Cr₃C₂의 과도한 첨가로 인하여, WC-Ni-Cr에 Cr₃C₂를 첨가한 코팅들 중 상대적으로 낮은 경도값을 보였으나, 전체 코팅 중 가장 적은 비마모량을 보였다.

• 2. WC-Ni-Cr에 Cr₃C₂를 10 vol% 첨가한 코팅은 binder 효과의 극대화로 인하여, WC-Ni-Cr에 Cr₃C₂를 첨가 한 코팅들 중 상대적으로 높은 경도값을 보였으나, 마찰 및 마모 시험 중 fading 현상을 보였다.

• 3. WC-Ni-Cr에 Cr₃C₂를 5vol% 첨가한 코팅은 마찰 및 마모 시험 중 안정적인 마찰 거동과, WC-Ni-Cr에 Cr₃C₂를 첨가한 코팅들 중 상대적으로 높은 마찰계수 를 보였으나, 전체 코팅 중 가장 많은 비마모량을 보 였다.

• 4. WC-Ni-Cr에 YSZ를 20 vol% 첨가한 코팅은 산화물 피막의 형성으로 인하여, 전체 코팅 중 가장 높은 마 찰계수를 보였으나, WC-Ni-Cr에 Cr₃C₂를 20 vol% 첨 가한 코팅에 비하여 상대적으로 적은 비마모량을 보 였다.

• 5. 미세먼지 저감을 달성하기 위해 WC-Ni-Cr에 Cr₃C₂를 20 vol% 첨가한 복합 조성과 WC-Ni-Cr에 YSZ를 20 vol% 첨가한 복합 조성을 브레이크 디스크용 코팅 재료로써 사용을 고려할 수 있으며, 이와 관련하여 실형상 테스트와 같은 추가적인 실험이 필요하다.

Acknowledgements

Acknowledgement

본 논문은 산업통상자원부 산업기술혁신사업 기술개발 - 수송분야 비배기관 미세먼지 저감 사업(#20003589)의 연 구지원으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

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