[논문]미끄럼 조건에 따른 로터리 압축기 베인/롤러 표면의 마찰 마멸 특성

오세두; 조성욱; 이영제

doi:10.9725/kstle.2004.20.6.337

[국내논문] 미끄럼 조건에 따른 로터리 압축기 베인/롤러 표면의 마찰 마멸 특성
Friction and Wear of the Vane/Roller Surfaces Depending on Several Sliding Condition for Rotary Compressor 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.20 no.6, 2004년, pp.337 - 342

오세두 (성균관대학교 대학원 기계공학부) , 조성욱 (삼성전자 Digital Appliance 연구소 요소기술그룹) , 이영제 (성균관대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

One of the serious challenges in developing rotary compressor with HFC refrigerant is the prediction of scuffing times and wear amounts between vane and roller surfaces. In this study, the tribological characteristics of sliding surfaces using vane-roller geometry of rotary compressor were investigated. The sliding tests were carried out under various sliding speeds, normal loads and surface roughness. During the test, friction force, wear depth, time to failure and surface temperature were monitored. Because severe wear occurred on vane surface, TiN coating was applied on sliding surfaces to prolong the wear life of vane-roller interfaces. From the sliding test it was found that there was the optimum initial surface roughness to break in and to prolong the wear life of sliding surfaces. Depending on the load and speed, the protective layers, which were composed of metallic oxide and organic compound, were formed on sliding surfaces. Those would play an important role in the amounts of friction and wear between roller and vane surfaces.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 로터리 압축기 구동부의 베인 -롤러에 대한 미끄럼 시험을 수행하였다. 재료의 작용 하중, 속도 등을 변화시켜 가며 TiN 코팅된 베인과 비코팅된 베인에 대한 마찰 및 마멸 특성을 평가하였다.

가설 설정

2) 베인의 마멸량은 수직하중에 비례한다. 그리고 미끄럼 속도가 증가하면 마멸량은 증가한다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 로터리 압축기 구동부의 베인 -롤러에 대한 미끄럼 시험을 수행하였다. 재료의 작용 하중, 속도 등을 변화시켜 가며 TiN 코팅된 베인과 비코팅된 베인에 대한 마찰 및 마멸 특성을 평가하였다. 그리고 TiN 코팅된 베인의 표면의 조도 변화를 관찰하여 수명을 늘릴 수 있는 최적의 표면 조도를 관 찰하였다,
재료의 작용 하중, 속도 등을 변화시켜 가며 TiN 코팅된 베인과 비코팅된 베인에 대한 마찰 및 마멸 특성을 평가하였다. 그리고 TiN 코팅된 베인의 표면의 조도 변화를 관찰하여 수명을 늘릴 수 있는 최적의 표면 조도를 관 찰하였다,
일반적으로 경질 코팅은 다른 여러 코팅 방법과 비교하여 연삭마멸 및 응착마멸에 대한 저항성이 우수하다고 보고되고 있다[9]. 따라서 베인의 마찰 특성을 향상시키기 위해서 베인의 표면에 TiN 코팅을 하였다. 코팅의 마찰 특성은 증착 방법에 많이 의존하는데, 본 연구에서는 모재의 뒤틀림이 거의 없고 증착 후 깨끗한 코팅 표면을 얻을 수 있는 PVD 방법을 이용하였고, 그 제조법으로 아크 이온 플레이팅(arc ion plating) 법을 사용하여 증착하였다.
이 압력용기 안에서 베인과 디스크 시편은 각각 시험편 홀더에 고정된다. 로드셀을 이용하여 마찰력 및 마찰계수가 측정되며, 미끄럼 시험 동안 다이얼 게이지를 이용하여 마멸트랙의 깊이를 측정하였다.
디스크 시편은 압축기의 롤러 재질의 실린더 봉을 절단하였고, 베인 시편도 실제 로터리 압축기에서 사용하는 베인 재료를 가공하여 실험에 이용하였다. 베인 표면에는 TiN 코팅을 수행하였다. 베인 재료는 고속도 강으로 되어 있으며, 롤러 재료는 Ni-Cr-Mo 회주철로 만들어졌다.
미끄럼 실험은 대체 냉매로 추천되고 있는 HFC 계 열의 R410A와 이 냉매와의 혼합성이 뛰어나다고 보 고되는 POE(polyolester)의 혼합환경에서 수행하였다. 그리고 실험은 3 bar의 압력에서 수행되었고, 초기 실 험온도는 50°C로 하였다.
마멸량으로부터 마멸률을 산출하였다. 마멸률은 마 멸량을 수직하중과 미끄럼 거리의 곱으로 나눈 값으로 정의되는데, 마멸률이 낮을수록 마모 저항을 크다는 것 을 의미한다.
세 가지 다른 표면조도를 이용하여 초기 표면조도에 따른 스커핑 수명과 TiN 코팅된 베인의 표면조도 변화를 관찰하였다. Fig.
7은 표면조도 변화를 보여준다. 수직하중은 그림의 아래부분과 같이 초기 하중 40 kg 에서 20kg씩 단계적으로 증가시켰으며 각 하중에 대한 미끄럼 시험 후 조도를 측정하였다. 미끄럼 실험 초기에는 거친 표면과 중간 표면들은 매끄러워지고 있다.
8은 코팅 베인과 비코팅 베인의 마멸 후 표면을 확대하여 찍은 SEM 사진이다. 두 베인 모두 스커핑이 발생할 때까지 실험한 후에 표면을 관찰하였다. 트랙의 크기는 코팅한 베인이 훨씬 좁다.
로터리 압축기 구동부의 내마모성을 향상시키기 위하여 베인의 표면에 TiN 코팅을 하였고, 대체냉매/윤 활유인 R410MOE 혼합환경에서 베인-롤러 접촉면의 마찰 및 마멸특성을 평가하였다. 실험결과를 통하여 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.
또 초기 조도에 따른 조도 변화 및 스커핑 수명을 알아보기 위해 베인의 TiN 코팅면 표면조도를 Table 2와 같이 0.06, 0.15, 0.27 |im Ra 세 종류로 제작하였다.

대상 데이터

2-2. 실험장치 및 실험방법

실험장치는 압자와 시험편의 형상을 바꿀 수 있는 다목적 고압 마모 시험기를 이용하였으며, 본 실험에서는 압자와 시험편을 Fig. 1과 같은 vane-on-disk 형으로 사용하였다. 시험기는 압력용기를 가지고 있어서 최대 20 bar까지 압력을 올릴 수 있다.
실험 시편으로 실제 로터리 압축기의 롤러와 베인을 사용하였다. Fig.
2는 실험 시편의 형태를 보여준다. 디스크 시편은 압축기의 롤러 재질의 실린더 봉을 절단하였고, 베인 시편도 실제 로터리 압축기에서 사용하는 베인 재료를 가공하여 실험에 이용하였다. 베인 표면에는 TiN 코팅을 수행하였다.
베인 표면에는 TiN 코팅을 수행하였다. 베인 재료는 고속도 강으로 되어 있으며, 롤러 재료는 Ni-Cr-Mo 회주철로 만들어졌다.
Table 1은 실험시편의 표면조도와 표면경도를 보여준다. 롤러 시편(디스크 형태)은 롤러의 실제 표면조도 와 유사한 0.14 |im Ra이며 경도는 약 550~600Hv이 다. 베인 시편의 표면 조도는 0.

이론/모형

따라서 베인의 마찰 특성을 향상시키기 위해서 베인의 표면에 TiN 코팅을 하였다. 코팅의 마찰 특성은 증착 방법에 많이 의존하는데, 본 연구에서는 모재의 뒤틀림이 거의 없고 증착 후 깨끗한 코팅 표면을 얻을 수 있는 PVD 방법을 이용하였고, 그 제조법으로 아크 이온 플레이팅(arc ion plating) 법을 사용하여 증착하였다. TiN 코팅의 두께는 5 #로 하였다.

성능/효과

3은 다양한 하중과 미끄럼 속도에 대한 베인의 마멸폭을 보여준다. TiN 코팅 베인의 마멸량이 비코팅 베인에 비해 작다는 것을 확인할 수 있으며, 두 베인의 마멸량의 차이는 속도가 커질수록 증가하고 있다. 또 미끄럼 속도가 증가하면 500rpm까지는 마멸량이 증가하지만, 1000 rpm에서는 감소하고 있다.
TiN 코팅 부분은 디스크와 접촉하지 않아서 처음 표면을 그대로 유지하는 부분이고, 베인 모재는 접촉에 의한 마멸 때문에 모재가 드러난 부분이며, 마멸된 TiN 부분은 모재를 드러나지 않지만 TiN이 마멸된 부분이다. 모재가 드러난 부분에 대하여 미끄럼 전후 EDS 성분분석을 하면 Fig. 6b와 같이 미끄럼에 관찰되던 Ti 성분이 미끄럼 수행 후 Fig. 6c와 같이 마멸 때문Journal of the KSTLE에 관찰되지 않는 것을 확인할 수 있다.
1) 베인 표면의 TiN 코팅을 하면 비코팅 베인과 비교할 때 내마모성을 향상을 가져올 수 있다.
3) 초기 표면조도가 다른 베인을 이용한 단계하중 실험을 통하여 표면의 마모수명을 증가시킬 수 있는 최적의 조도가 0.15 [im Ra 임을 알 수 있었다.
4) 스커핑 발생 시 비코팅 베인의 표면이 코팅 베인 의 표면보다 심하게 파손된다.

참고문헌 (9)

Hasegawa, H. et al., 'The Friction and Wear Charac-teristics in Refrigerant Atmosphere,' Proceedings ofJAST Tribology Conference Tokyo, pp. 489, 1991
United Nations Environment Programme., 'Mont-real Protocol on Substances That Deplete the Ozone Layer,' Final Act., 1989
Mizuhara, K. et al., 'The Friction and Wear Behav-ior in Controlled Alternative Refrigerant Atmo-sphere,' STLE Paper, No. 92-TC-3B-3, pp. 120-126, 1992
Nishwaki, F. and Hasegawa, H., 'Mechanical LossReduction at Thrust Bearings of Scroll CompressorsUsing R407C,' Proceedings of 1995 InternationalCompressor Engineering Conference at Purdue, pp.263-268, 1995
Jonsson, U. J., 'Lubrication of Rolling ElementBearings with HFC-Polyolester Mixtures,' WEAR,Vol. 232, pp. 185-191, 1999
Yoon, H., Sheiretov, T. and Cusano, C., 'TribologicalEvaluation of Some Aluminum-based Materials inLubricant/Refrigerant Mixtures,' WEAR, Vol. 218,pp. 54-65, 1998
Sheiretor, T., Glabbeek, W. V. and Cusano, C., 'Tii-bological Evaluation of Various Surface Treatmentsfor M2 Tool Steel in a Refrigerant Environment,'Proceedings of 1994 International Compressor Con-ference at Purdue, pp. 103-108, 1994
Kawashima, T., Kawabata, H. and Watakabe, S.'Wear Characteristics of Each Composition of TheChromium Nitride Coated Vane in the Rotary Com-pressor for HFC-134a,' Proceedings of 1995 Interna-tionaI Compressor Engineering Conference at Purdue,pp.257-262, 1995
Choa, S. H., 'Tribological Characteristics of VariousSurface Coatings for Rotary Compressor Vane,'WEAR, Vol. 221, pp. 77-85, 1998

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2-2. 실험장치 및 실험방법

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