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문제 정의
- 이 논문은 일방향 탄소섬유 강화 에폭시 기지 복합재의 건조 미끄럼 마모거동에 대한 종합적인 연구의 일환으로 경면 가공한 스테인리스 스틸 상대재에 대한 복합재의 비마모율과 마찰계수를 다섯 가지의 미끄럼 속도 조건하에서 결정하였으며, 탄소섬유 강화 에폭시 기지 복합재의 마모 메카니즘에대하여 광학현미경 및 주사전자현미경 (SEM) 관찰을 통하여 마찰특성을 비교하였다.
제안 방법
- 실시되었다. 경면 가공한 스테인리스 강 상대재 위의 마모막의 형성과 홈의 생성도 광학현미경과 SEM으로 조사되었으며, 마모 track의 가로 단면형상은 접촉식 표면 거칠기 시험기를 사용하여 측정하였다.
- 동일한 시험조건에서 3개의 시험편을 3시간씩 마모시험을 실시하였으며, 시험 후 상대재에 생긴 마모 트랙은 접촉식 표면거칠기 시험기로 측정되었으며, 시편과 상대재의 질량변화는 3번 이상 측정하여 평균값을 구하였다
- 미끄럼 방향과 시험조건이 마모에 미치는 영향의 비교는 단지 초기마모상태 구간에서만 비교하였고, 계의 마모수명은 지배적인 구간에 대하여 고려하였다. 비마모율의 계산은 시험시간과 초기마모상태 구간에서 손실된 무게를 사용하였다.
- 시험 시 환경조건은 온도와 습도의 조절이 가능한 환경 챔버를 제작하여 온도(2 1℃와 습도60%RH)를 일정하게 유지시켰다. 시편의 마찰력은 실시간으로 측정을 하며 시험을 실시하였고, 마모손실은 실험전후의 시편과 상대재의 무게를 측정하였다. 상대 마찰재는 Fig.
- 2와 같이 자체 제작한 핀온디스크(pin-on-disc)형 시험기를 사용하여 실시하였다(4). 시험 시 환경조건은 온도와 습도의 조절이 가능한 환경 챔버를 제작하여 온도(2 1℃와 습도60%RH)를 일정하게 유지시켰다. 시편의 마찰력은 실시간으로 측정을 하며 시험을 실시하였고, 마모손실은 실험전후의 시편과 상대재의 무게를 측정하였다.
- 실험에 사용한 복합재 시험편은 섬유방향에 대하여 3가지 주 미끄럼방향을 구별하였다'* 섬유 방향에 평행 (parallel), 직각(antiparallel)과 수직 (normal)방향으로 상대면에 대하여 실시하였다.
대상 데이터
- 실제 마모시험에 앞서 예비시험을 실시하여 핀의 경우, 핀 온 디스크 시험기에 SiC연마지(입도 15/㎛)를 사용하여 예비마모를 시킨 후 아세톤으로 깨끗이 세척하고 건 조로에서 약 60분간 건조시킨 후 시험하였는데 이것은 시험 전에 시편의 표면거칠기를 항상 같게 조정하여 디스크와 접촉면적이 일정하게 하여 두 접촉면 사이의 접촉이 더 좋은 상태로 되기 때문이다. 동일 시험 조건하에서 3개의 시편을 사용하였으며 각 시편은 새로운 디스크 위에서 실시하였다.
- 복합재의 특성과 구성 재료는 Table 1에 나타내었다. 복합재 판은 다이아몬드 톱으로 조심스럽게 절단한 후, 이것을 입자가 작은 고운 SiC 연마지 (15㎛)를 사용하여 시편에 크랙이 보이지 않게 가로 단면이 4.5 X 5.5mm, 길이 15mm로 연마하여 마찰과 마모시험의 시편으로 사용하였다.
- 시편의 마찰력은 실시간으로 측정을 하며 시험을 실시하였고, 마모손실은 실험전후의 시편과 상대재의 무게를 측정하였다. 상대 마찰재는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 지름 80mm X 두께 1.5mm의 디스크형으로 표면을 경면 가공한 스테인리스 강(STS304, INI스틸)을 사용하였으며, Table 2에 그 특성이 나타나 있다. 시험장치는 서로 다른 미끄럼 속도로 동작하게 끔 조정되었다.
- 실험에 사용한 재료는 일방향 탄소섬유 강화 에폭시 기지 복합재 프리프레그(HCU 100NS, 한국카본)를 적층하여 자체 제작한 hot press에서 가열 가압하여 경화시켜 4.5mm 두께의 판으로 제조하였다. 복합재의 특성과 구성 재료는 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
- 2. Pin-on-disc test apparatus used for friction and wear tests in the experiment.
- 건조 미끄럼 마모시험은 Fig. 2와 같이 자체 제작한 핀온디스크(pin-on-disc)형 시험기를 사용하여 실시하였다(4). 시험 시 환경조건은 온도와 습도의 조절이 가능한 환경 챔버를 제작하여 온도(2 1℃와 습도60%RH)를 일정하게 유지시켰다.
- 시험 전후 시편과 상대재의 질량손실은 Mettler 분석천칭(감도 O.Olmg) 으로 측정하여 같은 환경 조건에서 시험을 실시하였다. 마모 결과는 비 마모율의 항으로 주어졌으며 계산은 다음과 같다.
- 핀온디스크 시험기의 시편과 상대재의 접촉면 사이의 마찰력은 토크-로드 셀(torqueToadcell)로 원격monitering 되었다 건조마찰에 Amonton- Coulomb 법칙을 적용하면 마찰계수는 다음과 같이 계산된다
성능/효과
- (4) 복합재의 마찰계수는 미끄럼 속도가 증가하면 3방향 모두 증가하다가 일정한 값에 수렴하며 N방향이 가장 크며, P방향과 APS" 향 순이다. 이는 N방향에서 마찰초반에 발생한 섬유의 쟁기질에 의한 상대재 표면의 손상과 돌기변형에 따른 것이며, AP 방향의 마찰계수가 가장 낮다.
- (1) 일방향 탄소섬유 강화 복합재의 마모 거동에 미치는 미끄럼방향의 효과는 다르며 작용하는 마모 메커니즘의 형태에 의존한다.
- (2) 상온에서 경면 가공한 스테인리스 스틸에 대하여 미끄럼이 일어나면 AP 방향에서 높은 마모 저항과 낮은 마찰계수가 관* 찰되었다
- (3) 복합재의 비마모율은 미끄럼 속도가 증가하면 N방향과 P방향에서는 감소하는 경향 올 보이며, AP방향에서는 증가하다가 감소한다. 이것은 마모 메카니즘의 영향으로 속도가 증가하면 마모 이착막의 생성이 빨라져 이 착 막 속의 탄소섬유가 윤활제의 역할을 하기 때문이다
- 6은 경면가공한 스테인레스강 상대재와 탄소섬유 강화 복합재의 마모트랙을 휴대형 표면거칠기 시험기(ERC229)로 측정한 표면거칠기 선도이다. 3방향 모두 중심선 평균 거칠기 값(Ra)으로 0.05 ㎛의 표면 거칠기 값을 나타내고 있는 것으로 보아 경 면 가공한 상대재의 마찰트랙은 본 실험의 조건에서는 마모 흔적만 나타날 뿐 거의 마모가 되지 않았다는 것을 알 수 있다. 특히, N방향의 경우는 AP와 P 방향에 비하여 마모면의 표면거칠기가 전반적으로 거칠다는 것을 Fig.
- 5에서 마모 메카니즘의 다양한 종류를 보여주고 있다. 경면 가공된 상대재에 대한 복합재의 마모면은 Fig. 5(a)의 Normal방향에서는 섬유단면의 연마와 plowing이 나타났으며, 복합재와 상대재의 마모량과 마찰계수가 가장 높게 나타났다. 이는 마모 막의 생성이 거의 없고 섬유의 절단이나 이탈 현상이 일어나기가 가장 어렵기 때문이라 생각된다.
- 3에서 평균 비마모율은 Normal방향이 가장 높고 Parallel방향에서는 비슷한 경향을 나타났고 Anti-Parallel방향에 서 가장 낮게 나타났다. 따라서 마모는 각각의 조건에서 알 수 있듯이 초반에 생성된 마모막이 복합재료 시편과 상대재 표면에 형성되는 것이 마모에 가장 큰 영향을 미친다는 사실을 알 수 있다. 3가지 섬유 방향 중 특히 Anti- Parallel방향에서는 초기 마모막 형성시 마모가 되고 후반부에는 거의 마모량이 없었다.
- 탄소섬유강화 에폭시기지 복합재의 마찰과 마모성능을 경면 가공한 스테인리스 강 상대재에 대하여 pin-on-disc형 시험기로 각각의 조건에서 실험한 결과는 초기마모가 일어나고 안정상태에 이르는 시간이 대체적으로 약 30분 정도 걸렸으며, 초기시간 동안 시편과 상대재 사이의 마모 메카니즘은쟁기질(plowing), 웅착(adhesion) 및 돌기변형 등으로 인하여 마모가 많이 일어나고 마찰계수가 떨어져 안정상태가 되면 마모가 현저하게 줄어들었다. Fig.
후속연구
- 결론적으로 본 연구에서 경면 가공한 스테인리스강상대재에 대하여 이들 재료의 미끄럼 마모에 응용 시에는 가장 tribologicaltV 특성을 얻기 위하여 미끄럼은 섬유 방향에 직각(AP)방향으로 일어나게 해야 할 것이다.
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