마모시험방법
개요 - 내마모특성은재료의고유특성이아니라상대재료의종류나시험조건에따라서크게바뀌는상대적특성임. - 마모시험시시험방법, 시험조건, 상대재료, 시편의모양등을모두자세히밝혀야만그숫자가의미가있고재현성있는결과를얻을수있음. - 마모시험을복잡하게하는요인 시험재료와상대재료이외에윤활제을첨가에따라영향을받음. - 마모표준화 : 1984년프랑스베르사이유에서열린서방 7개국정상회담에서신소재의재료시험에대한표준화연구공동수행을합의. 주관기관 : 독일 BAM, 총괄 : 미국의연방표준국 (NBS) Research and Business INC. 2003 2
Tribology - 1966 년영국에서그리이스어의트라이보스 (tribos : 문지른다 ) 에서트라이볼로지 (tribology ) 라는단어를만들어냄. - 마모 (Wear) 의정의 : 물체의표면에서기계적인운동에의해물체가점차적으로부스러져떨어져나가는현상.( 독일규격 : DIN 50320) 기계적운동 : 기체, 액체, 고체등의접촉 - Tribology 는마찰 (Friction), 마모 (Wear), 윤활 (Lubricant) 등을종합적으로연구하는학문 Research and Business INC. 2003 3
Tribology 1. 마찰 (friction) - 정의접촉면에서의분자간결합력을끊는데필요한힘이다. (X) 양면성이있는힘으로서변형과응착이같이작용하여나타나는현상 (O) 2. 마모 (Wear) 마모연구는 1930년대독일에서시작됨 - Siebel의분류 (1) 윤활이안된표면에서미끄럼마찰에의한마모 (2) 윤활된표면에서미끄럼마찰에의한마모 (3) 윤활이안된표면에서구름마찰에의한마모 (4) 윤활된표면에서구름마찰에의한마모 (5) 진동접촉에서의마모 (6) 움직이는고체분말에의한마모 (Erosion) (7) 움직이는액체에의한마모 (cavitation) Research and Business INC. 2003 4
Tribology 2. 마모 (Wear) - Burwell의분류 (1) 응착마모 (Adhesive wear) (2) 연삭마모 (Abrasive wear) (3) 부식마모 (Corrosive wear) (4) 표면피로마모 (Surface fatigue wear) 3. 윤활 (Lubrication) 윤활의목적은두접촉면의사이에유체의막을만들어고체접촉면에손상을주지않고미끄럼이잘일어나도록함. Research and Business INC. 2003 5
마찰기구 1. 마찰기구마찰에는고체 / 기체, 고체 / 액체, 고체 / 고체의모든계면에서발생함. 표.1 마찰과마모양상 마찰 마모양상 예 고체 / 기체 공기저항 유체침식 공기베어링, 비행기동체, 터빈날개 고체 / 액체 고체 / 고체 점성저항마찰력 침식 (erosion,cavitation ) 마모 (wear) 유압기기, 배, 송유관베어링, 기차바퀴, 제동장치 고체 / 고체계면에서일어나는마찰에는크게미끄럼마찰과구름마찰의두가지가있다. 미끄럼마찰이구름마찰보다크며마찰력의차이때문에시험방법도서로다름. Research and Business INC. 2003 6
마찰기구 2. 미끄럼마찰 미끄럼마찰시계면에서일어나는일 ( 가 ) 접촉부의탄성변성 ( 나 ) 접촉부의소성변형 ( 다 ) 홈패임 (Plowing) ( 라 ) 응착부위의전단 (shearing) 3. 구름마찰미끄럼마찰에서는전단변형에대한저항이크게작용하나구름마찰에서는전단이거의일어나지않음. 구름마찰에기여하는요소 (1) 미세미끄럼 (micro slip, micro sliding) (2) 탄성이력 ( elastic hysterisis) (3) 소성변형 (4) 응착효과 Research and Business INC. 2003 7
마찰기구 Research and Business INC. 2003 8
마찰기구 Research and Business INC. 2003 9
마모기구 1. 마모와관련된상대운동의종류 ( 가 ) 미끄럼 ( 나 ) 구름 ( 다 ) 충격 ( 라 ) 진동 ( 마 ) 흐름 3. 마모기구 ( 가 ) 연삭마모 : 단단한면의돌기나 (asperity) 경질입자의절삭작용에의해일어나는마모 ( 나 ) 응착마모 : 참접촉부에서생긴응착부분의전단에의해생기는마모 ( 다 ) 부식마모 : 분위기나윤활제의부식작용과마찰의기계적작용이같이일어나는마모 ( 라 ) 표면피로마모 : 표면에서의반복접촉에의한피로때문에균열이일어나는마모 Research and Business INC. 2003 10
마모기구 Research and Business INC. 2003 11
마모기구 가. 연삭마모 - 미세절단 (micro-cutting) 에의한변형이주요기구임. - 마찰계수는미끄럼마모보다대략 1,000배정도크다. - 마모의손실을줄이려면재료의경도가연삭제나마모부스러기의경도보다 1.3배높음. - 1.3배보다무작정커진다고해서비례적으로좋아지는것은아니다. 나. 응착마모 - 재료의상호작용의중요한요소로작용하는마모기구임. - Van der waals힘과 1nm 정도의거리에서작용하는강한표면력에의해발생. - 금속의산화막이덮여있지않으면응착이잘일어나기때문에진공에서잘일어남. - 응착이일어난부분에서전단등에의한파괴가일어나면서재료가옮겨붙거나마모부스러기가생겨일어난다. Research and Business INC. 2003 12
마모기구 다. 부식마모 - 다른마모기구가고체의접촉에의해서나타나는것에비해분위기가제 3의요소로작용 - 2개의접촉면이먼저주위분위기와반응하여산화물, 염화물등의반응생성물이생기고이들의접촉하면서반응층이깨져나가고마모부스러기가생기며새로운표면이나타나면서위의과정을반복하면서위의반복되어일어남 나. 표면피로마모 - 주로반복접촉이일어나는구름접촉시스템, 즉볼베어링같은곳에서발생함. - 두물체가접촉할때최대전단응집력은표면이아니라표면에가까운물체의내부에서발생. - 베어링의내륜이나외륜의어느한곳에서계속적으로볼이지나가면서전단응력을반복적으로받게되어결국피로현상에의해균열이발생. Research and Business INC. 2003 13
윤활기구 - 윤활의목적 : 두접촉표면을기름등의얇은막으로떼어놓아잘미끄러지게한다. - 윤활은대략 3영역으로나누어짐. 경계윤활, 혼합윤활, 유체유활 - 경계윤활은두물체표면의돌출부가본격적으로닿기시작하며유체의막두께가표면거칠기보다작은상태. 마모문제의대부분이윤활상태에속한다. 건조마찰 경계윤활 (I) 혼합윤활 (II) 유체윤활 (III) 윤활조건 건조표면 표면에응집력으로붙어있는얇은기체나액체막 부분윤활 (I+II) 완전유체윤활 점도영향 없음 없음 부분적윤활 결정적영향 접촉과정의특징 돌출부의융착 돌출부의역학적접촉 (I+II) 의형태 동수압적 or 정수압적접촉 마찰계수 0.3 f 0.1 f 0.3 0.005 f 0.1 f 0.005 0.01 유막두께 (h) - 5X10-9 10-8 m 10-9 10-8 m 10-7 10-6 m 유막계수 ( ) - 1 1 4 1 10 Research and Business INC. 2003 14
윤활기구 Research and Business INC. 2003 15
마모시험의목적 - 재료의내마모성을평가 - 주어진윤활조건에서모의시험을통해가장좋은재료를고르거나주어진재료에적합한가장좋은윤활방법을찾는것. Research and Business INC. 2003 16
마모시험에영향을미치는요인 (1) 재료특성재료의성분, 평균입경 (grain size), 탄성계수, 열전도도, 가공경화특성, 경도등 (2) 시험방법및시편시편의모양, 하중, 움직임의종류, 표면거칠기, 진동, 왕복및회전주기 (3) 분위기온도, 습도, 분위기 ( 불활성가스, 진공, 산소분위기 ), 청정도등 (4) 윤활방법윤활제의종류, 윤활유안정도, 윤활조건등 Research and Business INC. 2003 17
마모시험에영향을미치는요인 Research and Business INC. 2003 18
마모시험에영향을미치는요인 (1) 온도마찰과마모에영향을미치는요인들가운데서가장중요함. - 온도 : 주위온도, 접촉면사이온도 - 접촉면사이의온도가가장중요하나이온도를측정하기매우어렵고만족할만한방법이별로없음. - 접촉면의온도 Ts ((fpv/ak) G +Ta) Ts : 접촉면사이의온도, f : 마찰계수, P : 하중, v : 속도, A : 면적, K : 열전도도 G : 열전달함수, Ta : 주위온도 - 표면온도가상승하면나타날수있는재료및윤활상의현상 ( 가 ) 재료가연해지고이결과연삭마모가증가되고골링 (galling) 이더잘일어나고표면의피막이쉽게깨져나감. Research and Business INC. 2003 19
마모시험에영향을미치는요인 ( 나 ) 윤활제와주위분위기와반응이더잘일어남. 윤활제의특성에따라마모량이증가, 감소 ( 다 ) 윤활제의점도가감소되면서마모가촉진됨. ( 라 ) 어느이상의온도가되면윤활제가제기능을못하여마모가급격히증가. (2) 하중 - 하중이시험에미치는영향 ( 가 ) 표면의온도에직접적으로영향 ( 나 ) 하중이증가하면참접촉면적이증가하며이결과마모량이증가 ( 다 ) 윤활막의두께가줄어들고돌출부의접촉이더많이일어나게되며이결과마모량증가 Research and Business INC. 2003 20
마모시험에영향을미치는요인 (5) 표면특성 - 마모율은겉보기접촉면적의영향을크게받지않고참접촉면적에비례함. - 거칠기등이매우중요한요소로인식되었으나실험결과주요한요소가아님. - 시험조건에따라서는중요함. 두접촉재료의경도가클경우윤활의경우로거칠기가클수록경계윤활이커짐. - 경계윤활조건에서시험을하다가마찰계수가 0.05이하로떨어지면윤활조건이바뀌었을가능성있으므로주의하여야함. (6) 분위기 - 마모시험에서분위기가중요한요인임 - 공기층의습도도시험결과에많은영향을미치므로습기에예민한재료를시험할때주의하여야하며시험기및시험기부품들을깨끗이유지하여야함. - 습도, 산소, 불활성, 진공분위기는공기중에서의실험결과와매우다르고마모기구도다름. Research and Business INC. 2003 21
마모시험에영향을미치는요인 (7) 윤활 - 유체윤활, 혼합윤활, 경계윤활로서유체윤활을증진시키는요인으로는속도증가, 면적증가, 윤활제의점도증가, 하중감소, 거칠기감소등이다. Research and Business INC. 2003 22
측정변수및측정방법 1. 측정변수 - 하중, 속도, 분위기는실험하기전에결정됨. - 측정변수 : 기계량, 열량, 물질량 (1) 기계량마찰력, 마찰계수 ( 변형게이지나토크셀로측정 ), 진동및소음 (2) 열량온도 ( 열전대로측정 ) (3) 물질량마모율 (4) 기타윤활막두께 ( 광학현미경, 정전용량, X-선을이용 ) 표면손상 ( 사진, 표면 Profile) Research and Business INC. 2003 23
측정변수및측정방법 2. 마모량 - 직접측정방법 (1) 시편의형상변화 - 길이변화 - 단면적변화 - 부피변화 (2) 시편의질량변화 (3) 마모되어나간재료의부피 - 상대적측정방법 (4) 시간에따른마모량 (5) 거리에따른마모량 (6) K= 마모부피 /( 하중 거리 )( 마모계수 : mm 3 /N m) (7) K = ( 마모부피 경도 )/( 하중 거리 ) (Archard s 마모계수 ) Research and Business INC. 2003 24
마모시험주의사항 ( 가 ) 시험시핀은반드시시작전에깨끗이닦아야한다. ( 나 ) 경계윤활시험할때는유체윤활이되지않도록주의하여야한다. ( 다 ) 미끄럼시험에서접촉면의반복접촉때시간간격이실제상황과비슷해야함. ( 라 ) 진동은격리되어야한다. ( 마 ) 시험시간동안시험조건을바꾸지말아야한다. ( 바 ) 변수의영향을연구할때는독립적인시험을반드시수행하여야한다. Research and Business INC. 2003 25
마모시험 ( 가 ) Pin on Disk (One pin, Three pin) ( 나 ) Ball on Disk (One ball, Three ball) ( 다 ) Thrust washer ( 라 ) Four ball ( 마 ) Ball on flat ( 바 ) Ring on block ( 사 ) Rolling wear Research and Business INC. 2003 26