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연금속 박막은 경한 모재 위에 박막의 형태로 코팅하여 사용할 경우 낮은 마찰계수를 나타낼 수 있다고 알려져 있으며 이를 이용하여 유체윤활이 어려운 우주환경과 같은 특수 조건에서 기계 접촉부의 윤활을 담당시키려는 목적으로 연구되어왔다. 최근 들어 특정한 작동 조건에서 연금속 박막이 파손된 이후에도 마찰과 마멸이 낮고 지속적으로 안정적인 거동이 나타날 수 있다는 사실이 보고되고 있는데, 이는 마멸입자가 다시 접촉에 참여하여 접촉 상대 운동하는 표면에 부착되어 일종의 보호막을 형성하여 나타나는 현상임이 밝혀지고 있다. 이와 같은 물질전이층의 효과는 최근 트라이볼로지 분야에서 활발히 연구되고 있는 연구 분야중의 하나라고 할 수 있으나, 물질전이층의 형성과 역할에 관하여는 아직도 명확하게 이해하지 못하고 있다. 본 논문에서는 연금속 박막 자체의 윤활특성 뿐만 아니라, 연금속 박막이 파손된 뒤에 나타나는 물질전이층의 생성 원인과 그 마멸 및 윤화특성에 대하여 코팅 변수, 코팅 물질, 작동 조건, 실험 환경과 같은 다양한 조건들을 변화시키면서 구름마찰 실험과 미끄럼마찰 실험을 통하여 연구를 추진하였으며, 이때 나타난 다양한 결과들을 맵이라는 하나의 통일된 틀 안에서 정리하였다. 구름마찰 실험 및 미끄럼마찰 실험에서 물질전이 현상은 실험 하중의 증가에 따라 다소 증가하였으며 속도의 증가 시 현저히 감소하는 경향을 나타내었다. 실험 환경을 변화시킨 결과 구름마찰 실험에서 물질전이 현상은 진공, 건조공기, 대기의 순으로 증가하였는데 이는 모세관력으로 인한 입자간의 응착력의 증가가 그 원인이었으며, 미끄럼마찰의 경우 대기, 건조 공기, 진공의 순으로 물질전이부가 발달하였는데 진공중에서는 물질전이를 방해하는 산화층이 마찰에 의해 파손된 후 다시 복원되지 않기 때문인 것으로 사료되었다. 연금속 입자 투여 실험을 통해서 코팅층은 파손 이후 물질전이층을 형성하는 ...

연금속 박막은 경한 모재 위에 박막의 형태로 코팅하여 사용할 경우 낮은 마찰계수를 나타낼 수 있다고 알려져 있으며 이를 이용하여 유체윤활이 어려운 우주환경과 같은 특수 조건에서 기계 접촉부의 윤활을 담당시키려는 목적으로 연구되어왔다. 최근 들어 특정한 작동 조건에서 연금속 박막이 파손된 이후에도 마찰과 마멸이 낮고 지속적으로 안정적인 거동이 나타날 수 있다는 사실이 보고되고 있는데, 이는 마멸입자가 다시 접촉에 참여하여 접촉 상대 운동하는 표면에 부착되어 일종의 보호막을 형성하여 나타나는 현상임이 밝혀지고 있다. 이와 같은 물질전이층의 효과는 최근 트라이볼로지 분야에서 활발히 연구되고 있는 연구 분야중의 하나라고 할 수 있으나, 물질전이층의 형성과 역할에 관하여는 아직도 명확하게 이해하지 못하고 있다. 본 논문에서는 연금속 박막 자체의 윤활특성 뿐만 아니라, 연금속 박막이 파손된 뒤에 나타나는 물질전이층의 생성 원인과 그 마멸 및 윤화특성에 대하여 코팅 변수, 코팅 물질, 작동 조건, 실험 환경과 같은 다양한 조건들을 변화시키면서 구름마찰 실험과 미끄럼마찰 실험을 통하여 연구를 추진하였으며, 이때 나타난 다양한 결과들을 맵이라는 하나의 통일된 틀 안에서 정리하였다. 구름마찰 실험 및 미끄럼마찰 실험에서 물질전이 현상은 실험 하중의 증가에 따라 다소 증가하였으며 속도의 증가 시 현저히 감소하는 경향을 나타내었다. 실험 환경을 변화시킨 결과 구름마찰 실험에서 물질전이 현상은 진공, 건조공기, 대기의 순으로 증가하였는데 이는 모세관력으로 인한 입자간의 응착력의 증가가 그 원인이었으며, 미끄럼마찰의 경우 대기, 건조 공기, 진공의 순으로 물질전이부가 발달하였는데 진공중에서는 물질전이를 방해하는 산화층이 마찰에 의해 파손된 후 다시 복원되지 않기 때문인 것으로 사료되었다. 연금속 입자 투여 실험을 통해서 코팅층은 파손 이후 물질전이층을 형성하는 미세 입자의 공급원 역할을 한다는 것을 알 수 있었으며, 미끄럼마찰의 경우 대기, 건조 공기, 진공의 순으로 물질전이부가 발달하였는데 진공중에서는 물질전이를 방해하는 산화층이 마찰에 의해 파손된 후 다시 복원되지 않기 때문인 것으로 사료되었다. 연금속 입자 투여 실험을 통해서 코팅층은 파손 이후 물질전이층을 형성하는 미세 입자의 공급원 역할을 한다는 것을 알 수 있었으며, 기계적 변형 이력이 다른 은 입자를 투여하여 실험한 결과 마멸입자의 사전 변형에 의하여 축적된 에너지보다는 그 입자의 표면적을 줄이려는 경향이 물질전이를 일으키게 한다는 사실을 알 수 있었다. 이러한 다양한 실험 변수에 의하여 축적된 연금속 박막의 마찰·마멸 특성들을 접촉 압력-속도의 평면에 마찰과 마멸 및 물질전이층 발생 여부를 정리하여 맵을 구성한 결과 코팅층이 파손되지 않는 영역, 코팅층이 파손된 후 물질전이층이 발생하는 영역 및 코팅층 파손 이후 물질전이층이 발생하지 않는 영역으로 각각 구분되었으며, 이와 아울러 코팅 방법, 실험 환경 및 상대 운동형태의 변화 시 이들이 물질전이층의 생성에 영향을 각각 미쳐서 마멸 발생 기구 맵의 물질전이층이 발생하는 영역이 변화되는 것을 확인하였다. 또한 코팅층의 파손이 일어나는 접촉 압력 조건에서는 속도를 증가시킴에 따라 물질전이층의 발생이 감소되는 것이 관찰되었으며 더 이상 물질전이가 발생되지 않는 임계속도가 존재하는 것을 발견하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Thin soft metallic film has been known as a good solid lubricant especially in vacuum. The idea of soft metal coatings mainly relates to the low shear strength in order to achieve low friction in contact surfaces. This effect was found remarkable when thin soft metallic layers were coated on a hard ...

Thin soft metallic film has been known as a good solid lubricant especially in vacuum. The idea of soft metal coatings mainly relates to the low shear strength in order to achieve low friction in contact surfaces. This effect was found remarkable when thin soft metallic layers were coated on a hard base material. But this lubricating effect was highly limited by the inherent bonding strength between the substrate and soft metallic films. That is why the failure of coated soft metallic film is regarded as a definite end of service life. However, it was recently found that friction could be low and stable even after initial failure of the coated film. It was argued that mass transfer layer played an important role on the decrease in friction. In this work, the tribological role of transfer layer was studied intensively with various types of soft metallic coatings under various ranges of load, sliding speed and different environmental conditions. Soft metallic coatings were deposited by thermal evaporation, ion beam assisted deposition and functionally gradient atomic mixing methods. Sliding and rolling friction tests were performed respectively with ball-on-disk and thrust-bearing type tribotesters. Results showed that tribological behavior was affected significantly by the transfer layer formed at the contact surfaces. SEM and EPMA analyses showed that the contact surfaces were covered with the mass transfer layers of agglomerated wear particles and they acted as a protective layer. It was also found that the decrease in friction and wear was mainly attributed to shakedown phenomena which occurred at these layers. However, the formation of mass transfer layer was suppressed by several destructive forces as the sliding speed increased. Hence, above a critical sliding speed, no mass transfer layer was able to form. For building up a general framework of the tribological behavior of silver coated films, all test data were summarized on a map whose axes are contact pressure and sliding speed. As a result, three main regimes were clearly identified: (i) elastic/plastic deformation of silver coating without failure, (ii) mild wear regime after the failure of silver coating and (iii) severe wear regime after the coating failure. Various case studies, where different conditions of coating methods, environments and moving contact surfaces were used, also showed that these wear behavior were characterized by three wear regimes.

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