[논문]탄소 섬유 보강 폴리에테르에테르케톤의 마찰 및 마모 거동에 관한 연구

류성국; 김경웅

doi:10.22634/ksme-a.2001.25.6.930

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 단탄소 섬유 보강 폴리에테르에테르케톤(CF/PEEK)을 건조 마찰 상태에서 축류, 아암류, 기어류에 많이 사용되는 SCM440(Cr-Mo 鋼, AISI4140)과 미끄럼 마찰 시켰을 때의 마찰 및 마모 거동을 실험을 통해서 알아봄으로써 베어링과 같이, 두 표면이 직접 닿아 서로 상대 운동을 하는 부품의 설계에 필요한 마 찰및 마모의 기초 자료를 제시함을 목적으로 한다.
필요하다. 특히, 고분자 복합 재료가 베어링과 같은 부품에 사용되는 경우는 저속, 고하중이나 잦은 기동이 필요하여 유체 윤활이 어려운 경우이므로, 본 연구에서는 저속 영역에서 건조 마찰 상태로 실험하려고 한다.

제안 방법

산출했다. CF/PEEK 핀 시편의 마모량을 구하기 위해 분해능 0.01 mg 의 디지털 전자 저울을 사용하였으며, 실험 전후 각각 3 회씩 측정하여 그 평균값을 CF/PEEK 핀 시편의 무게로 취했다. 그렇게 측정한 CF/PEEK 핀 시편의 무게 변화량을 핀 시편의 밀도로 나누어 마모 체적을 구했다.
각 실험 조건에 따른 마찰 계수를 비교하기 위하여 각 경우마다 평균 마찰 계수(仏)와 최종 마찰 계수(“Q를 구하였다. 평균 마찰 계수는 실험 전 구간에서의 마찰 계수를 평균한 값이며, 최종마찰 계수는 마찰 거리가 40 km 를 넘어서는 곳에서부터 실험이 끝나는 곳까지의 마찰 계수의 평균 값이다.
0/zm, HRC:61 - 63. 각각의 디 스 크 표면 조건에서 마찰면에 작용하는 압력을 1.44 MPa, 3.07 MPa, 4.05 MPa, 4.87 MPa, 5.53 MPa 로, 각 압력에 대하여 미끄럼 속도를 0.5 m/s, 1.0 m/s, 1.5 m/s 로 변화시켜가며 43.2 km 를 마찰시켰을 때의 마찰 계수와 마모량을 측정하고 표면 상태를 관찰 함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.
고분자 복합 재료가 트라이볼로지 부품으로 사용되는 경우는 저속, 고하중이나 잦은 기동이 필요하여 유체 윤활이 어려운 경우이므로, 이번 실험에서는 유막 형성이 어렵다고 판단되는 속도 및 압력을 주었다. 미끄럼 속도의 경우, 저속 영역인
01 mg 의 디지털 전자 저울을 사용하였으며, 실험 전후 각각 3 회씩 측정하여 그 평균값을 CF/PEEK 핀 시편의 무게로 취했다. 그렇게 측정한 CF/PEEK 핀 시편의 무게 변화량을 핀 시편의 밀도로 나누어 마모 체적을 구했다. 실험하는 핀 시편이 고분자 재료의 특성이 급격하게 변화하는 유리화 및 용융 온도에 이르지 않는지 알아보기 위해서 디스크 마찰 트랙 주위의 온도를 측정하였으며, 마찰 전후 CF/PEEK 시편 및 SCM440(AISI 4140) 디스크의 표면을 광학 금속 현미 경과 SEM(scanning electron microscope, 전자 주사 현미경)을 이용하여 관찰하였다.
디스크의 표면 조도는 SURFTEST 301(Mitutoyo) 로 측정 하였고, 경 도는 Akashi Hardness Tester 로 로크웰 경도를 측정하였다. 핀 및 디스크 시편은 표면의 불순물을 제거하기 위해서 알코올로 닦고 대기 중에서 한 시간 이상 건조 시킨 후에 실험을 하였다.
역에서 다섯 가지로 주었다. 따라서 각 상대 디스크 표면 상태에 대해서 한 가지 속도와 한 가지 압력을 하나의 경우로 하여 총 열 다섯 가지 경우에 대해서 실험을 행하였으며, 각 경우에 대해서는 동시에 세 번의 실험을 행하였다. 각 실험에서 핀이 움직인 거리는 43.
그렇게 측정한 CF/PEEK 핀 시편의 무게 변화량을 핀 시편의 밀도로 나누어 마모 체적을 구했다. 실험하는 핀 시편이 고분자 재료의 특성이 급격하게 변화하는 유리화 및 용융 온도에 이르지 않는지 알아보기 위해서 디스크 마찰 트랙 주위의 온도를 측정하였으며, 마찰 전후 CF/PEEK 시편 및 SCM440(AISI 4140) 디스크의 표면을 광학 금속 현미 경과 SEM(scanning electron microscope, 전자 주사 현미경)을 이용하여 관찰하였다.
탄소 섬유 보강 폴리에테르에테르케톤의 마찰 및 마모 거동을 알아보기 위해서 상대 마찰면인 SCM440(AISI 4140)디스크의 표면 조도 및 표면 경 도를 변화시켜가며 핀-온-디스크형 실험 장치로 마모 실험을 수행하였다. 실험 조건 및 상대 디스 크면의 상태는 전술한 바와 같으며 SCM440(AISI 4140)디스크의 표면 조건은 다음과 같이 세가지로 주었다• L 日四丄5 ~ 3.

대상 데이터

축류, 아암류, 기어류 등에 주로 사용된다. 본 연구에서는 상대 마찰면인 SCM440(AISI 4140) 의 표면 상태가 다음과 같은 세 가지 경우에 대해서 실험을 수행하였다.
핀 시편의 표면은 제작 후 절단 가공 흔적을 없애기 위해서 1000 메쉬 SiC 연마 지로 건식 연마하였다. 실험에 사용된 디스크 시편은 내경 70 mm, 외경 114 mm 의 링 모양이며, 재질은 SCM440(AISI 4140)이다.
실험에 사용된 핀 시편은 탄소 섬유 강화 폴리에 테 르에 테 르케 톤(carbon fiber reinforced polyetheretherketone, CF/PEEK)이다. 핀 시편은 분말 상태의 PEEK 와 PAN 계열의 짧은 탄소 섬유를 하중비로 30% 혼합하여 압축 성 형 공정(compression molding process)으로 판재형으로 제작한 뒤 3 mm x 4 mm 의 마찰면을 가진 길이 12 mm 의 직육면체 형상으로 절단되었다.

성능/효과

(1) 최종 마찰 계수의 크기는 상대 디스크 마찰 면의 표면 조건이 I 인 경우에는 0.1 ~ 0.24, II 인 경우에는 0.19 ~ 0.41, Ⅲ 인 경우에는 0.19 ~ 0.35 였으 며, I 인 경우보다 Ⅱ, Ⅲ 의 경우가 그 값이 높았는 데, 이는 낮은 표면 조도의 디스크에서는 웅착 마 찰 성분의 증가와 스틱 슬립의 발생이, 높은 경도 의 디스크에서는 빠른 탄소 섬유의 파괴와 탈락 그리고 그 입자에 의한 연삭 마찰 성분의 증가가 그 원인으로 생각된다.
(2) 비마모율의 크기는 0.15 X10 ~ 1.45 xlO [mm3/Nm] 정도 였으며, 세 경우의 실험에서, PV 값이 증가함에 따라( I 의 경우에는 어느 PV 값을 넘어선 후) CF/PEEK 핀의 비마모율은 증가하며, 그로 인해 핀의 표면에 형성된 탄소막의 영향으로 PV 값이 증가함에 따라 최종 마찰 계수는 감소한다.
(3) 상대 디스크 마찰면의 표면 조건이 II 인 경 우에서는 모든 하중 및 속도 조건에서 스틱 슬립 과 함께 심한 소음이 발생했으며 마찰 및 마모 특성이 I 의 경우보다 좋지 않았다. 특히 높은 PV 에 서는 심한 떨림 현상도 발생했는데, 실제 부품에 의 응용에 있어서도 상대 마찰면의 표면 조도가 너무 작은 경우는 피해야 할 것으로 생각된다.
(4) 상대 디스크 마찰면의 표면 조건이 Ⅲ 인 경 우에서는 탄소 섬유의 빠른 균열과 파괴 및 탈락 이 일어났으며, 탈락한 섬유들로 인한 심한 연삭 마모 현상 때문에 마찰 및 마모 특성이 I 의 경우보다 나쁘게 나타났다. 이러한 사실에서부터 상 대 마찰면 재료의 표면 경도가 탄소 섬유의 파괴 에 영향을 미치고, CF/PEEK 재료 전체의 마찰 및 마모 특성에도 크게 영향을 미친다고 유추할 수 있다.
따라서 최종 마찰 계수는 마찰 초기의 과도 응답 상태를 지나고 마찰 특성이 어느 정도 정상 상태에 접어들었을 때의 마찰 계수 값이다. 또한 모든 실험에서의 비마모량을 mm'/Nm 단위의 비마모율(또는 마모 지수, wear factor)로 나타내었다. 여기서 비마모율 K 는
따라서 디스크 표면에 형성 된 전이막은 마찰 계수 및 비마모율을 낮추는 역할을 한다는 것을 알 수 있다. 또한 핀 표면에 탄 소막이 형성되었을 때는 그렇지 않은 경우보다 마 찰 계수가 낮았는더】, 이로부터 핀 표면에 형성된 탄소막은 마찰 계수를 낮추는 역할을 한다는 것을 알 수 있다.

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