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문제 정의
- 본 연구에서는 진공 장비에 사용되는 FKM 오링의 마찰/마모 특성을 파악하기 위하여 pin-on-reciprocating tribo-tester를 이용하여 마찰/마모 실험을 수행하였다. 또한, 마모의 경향과 메커니즘을 고찰하기 위해 광학 현미경과 전자 현미경을 이용하여 분석하였으며 마모계수를 정량적으로 계산하였다.
- (5) 이러한 형상은 고무가 접촉하여 상대 운동을 할 때 고무의 접촉 표면이 미끄럼 상대운동 방향에 수직해서 결을 보인다는 Schallamach에 의해 정의된 Schallamach wave(6)를 통해 설명 할 수 있다. 본 연구에서는 진공장비 출입구(gate)에 사용되는 Fig. 2와 같은 도브테일 그루부 (dovetail groove) 안에 장착된 오링의 반복 적인 접촉에 의해 발생하는 표면파손 현상을 고찰하였다.
제안 방법
- (5) 그러므로 접촉하는 조건이 실제와 다르기 때문에 마찰/마모 실험에서 적합한 조건을 찾기 위해서 다양한 하중에서 예비 실험을 진행하였으며, 실험은 건조 상태에서 진행하였다. 실험에서의 하중은 100, 200, 300, 400 gf로, 미끄럼 선속도는 80 mm/sec로 하였다.
- Hertz 이론은 일반적인 탄성특성을 갖는 물질에 대하여 접촉 면적과, 변형 정도와 최대 압력 분포를 예측하는데 유용하다. Hertzian 이론을 적용하기 위해 실제로 접촉을 하는 오링 끝부분의 형상을 볼로 가정하여 사용한 볼의 반경 R1을 2.5 mm, 오링의 끝부분의 반경 R2를 2.8 mm로 하였으며 최대 접촉 압력 po , 접촉 반지름 a를 수식 (2), (3)을 이용하여 구하였다. 여기서 P는 최대하중으로 200 gf를 적용하였으며, E*는 stainless steel 과 FKM 각각의 탄성계수 E1 , E2와 포아송비 ʋ1 ,ʋ2의 조합으로 구해진 값으로서 Table 1에 제시된 물성치를 바탕으로 식 (4)를 이용하여 구하였다.
- 다양한 하중에서 tribo-tester를 통해 각각의 하중에 대한 마찰력을 측정하였다. Fig.
- 실험 시간은 실험 장치 plate부의 1회 왕복운동을 1 cycle로 하여 100 cycles 동안 실행 하였다. 또한, 마모 발생 형상을 고찰하기 위한 실험에서는 200 gf 하중을 인가하여 18000 cycles 동안 실험을 진행하였다. 실험에서 200 gf 하중 선정근거는 지나치게 높은 하중은 경하지 않은 약한 소재인 오링의 마모율에 비정상적인 가혹한 영향을 초래하여 원래의 마모 메커니즘에서 벗어날 수 있기 때문이다.
- 본 연구에서는 진공 장비에 사용되는 FKM 오링의 마찰/마모 특성을 파악하기 위하여 pin-on-reciprocating tribo-tester를 이용하여 마찰/마모 실험을 수행하였다. 또한, 마모의 경향과 메커니즘을 고찰하기 위해 광학 현미경과 전자 현미경을 이용하여 분석하였으며 마모계수를 정량적으로 계산하였다.
- 또한, 오링의 마찰/마모 시험을 통한 마모의 메커니즘을 분석 하였으며, Archad's law(7)를 이용한 마모계수를 통해 오링의 마모 정도의 경향을 알 수 있었다.
- 실험에서 200 gf 하중 선정근거는 지나치게 높은 하중은 경하지 않은 약한 소재인 오링의 마모율에 비정상적인 가혹한 영향을 초래하여 원래의 마모 메커니즘에서 벗어날 수 있기 때문이다. 또한, 표면 조도기를 이용하여 표면 조도를 측정하였고, 광학 현미경과 전자 현미경을 이용하여 마모 표면의 경향을 분석하였다.
- 마모 발생 현상을 파악하기 위하여 tribo-tester 를 이용하여 200 gf 하중에서 18000 cycles 동안 진행한 실험을 통하여 얻은 오링의 마모된 표면을 광학 현미경과 전자 현미경을 통해 분석하였다. Fig.
- 경도(H)는 고무 경도계를 이용하여 측정한 경도를 ASTM E 140의 경도 전환표(hardness conversion table)을 참고하여 157 MPa을 얻을 수 있었다. 마지막으로 마모체적을 구하기 위하여 3.3.1절에서 설명한 바와 같이 실험을 통해 얻은 오링의 표면형상을 이용하여 마모체적을 구하였다. 마모체적(V)는 마모면적 0.
- 실험에서의 하중은 100, 200, 300, 400 gf로, 미끄럼 선속도는 80 mm/sec로 하였다. 실험 시간은 실험 장치 plate부의 1회 왕복운동을 1 cycle로 하여 100 cycles 동안 실행 하였다. 또한, 마모 발생 형상을 고찰하기 위한 실험에서는 200 gf 하중을 인가하여 18000 cycles 동안 실험을 진행하였다.
- 실험에 사용된 시편은 상용 FKM 오링을 사용하여 실험 결과를 현장에서 바로 응용이 가능하도록 하였으며, 실험 방법에 있어서는 오링이 장비에 장착되어 본연의 역할을 할 때 대표적인 접촉 메커니즘이라고볼 수 있는 왕복 운동을 구현한 pin-on-reciprocating tribo-tester를 이용하여 마모를 유발하고 광학 현미경과 전자현미경을 이용하여 마모 경향을 분석하였다. 또한, 오링의 마찰/마모 시험을 통한 마모의 메커니즘을 분석 하였으며, Archad's law(7)를 이용한 마모계수를 통해 오링의 마모 정도의 경향을 알 수 있었다.
- 실험에 사용된 오링의 마모를 정량적으로 분석 하기 위해 실험이 끝난 후 각 시편에 대하여 접촉식 표면조도기를 이용하여 마모된 표면을 5회 측정하였다. Fig.
- (5) 그러므로 접촉하는 조건이 실제와 다르기 때문에 마찰/마모 실험에서 적합한 조건을 찾기 위해서 다양한 하중에서 예비 실험을 진행하였으며, 실험은 건조 상태에서 진행하였다. 실험에서의 하중은 100, 200, 300, 400 gf로, 미끄럼 선속도는 80 mm/sec로 하였다. 실험 시간은 실험 장치 plate부의 1회 왕복운동을 1 cycle로 하여 100 cycles 동안 실행 하였다.
- 9(b)를 비교해보면 오링 상부면의 형상이 마모로 인하여 평탄화 된 것으로 알 수 있다. 오링의 마모 면적은 오링의 실험 전후의 형상을 비교하여 구하였으며, 5회의 측정 데이터로부터 얻은 값의 평균치로 최종적으로 마모 면적을 구하였다.
- 오링의 마모 정도를 파악하기 위하여 마모계수를 구하였다. 마모계수는 Archard's law(7)를 이용하여 구할 수 있으며 수식은 (8)과 같다.
대상 데이터
- FKM 고무는 Table 1에서와 같이 일반 고무 보다 높은 경도를 보이고 있으며 내열성과 내유성, 내약품성 등 일반적인 고무에서는 찾아볼 수 없는 뛰어난 특성을 가지고 있어 다양한 산업 현장에서 이용되고 있다. FKM 오링의 상대 마찰재로는 볼 베어링 용 스테인리스 강 볼로 선정하였다. 그 이유로는 실제 오링이 접촉하는 스퍼터 장비의 재료와 유사한 재질인 동시에 스테인리스 강 볼의 경도는 HRC 63으로 고무보다 매우 높아 상대적으로 마모량이 작기 때문에 상대 마찰재로 적합하다고 판단되었다.
- 실험에 사용한 시편은 스퍼터 장비에 장착되는 FKM 오링을 사용하였다. FKM 고무는 Table 1에서와 같이 일반 고무 보다 높은 경도를 보이고 있으며 내열성과 내유성, 내약품성 등 일반적인 고무에서는 찾아볼 수 없는 뛰어난 특성을 가지고 있어 다양한 산업 현장에서 이용되고 있다.
데이터처리
- (3) 실험에서 얻은 마모체적, 미끄럼거리, 하중으로부터 Archard's law를 이용하여 마모계수를 계산하였다. 본 연구에서 사용한 오링의 마모계수는 1.
이론/모형
- 본 실험에서는 Fig. 3과 같이 마찰/마모 작용을 구현하는 pin-on-reciprocating tribo-tester를 이용하였다. 핀과 reciprocating 구동을 하는 평판 부를 한 쌍의 마찰재로 한다.
- 오링과 볼 간의 접촉에서 발생하는 응력을 Hertzian contact 이론을 이용하여 분석하였다. Hertz 이론은 일반적인 탄성특성을 갖는 물질에 대하여 접촉 면적과, 변형 정도와 최대 압력 분포를 예측하는데 유용하다.
성능/효과
- (1) FKM 오링과 스테인리스 강 볼의 접촉에서의 마찰계수가 다양한 하중에서 약 3.5정도의 비교적 높은 값을 균일하게 보였다. 이와 같은 높은 마찰계수는 경도가 낮은 FKM 오링의 마모를 유발 시키는 원인이 되므로 오링의 형상 설계나 선택에 있어서 오링의 내마모성은 중요시 고려되어야 할 인자로 판단된다.
- (2) 마모실험을 통하여 얻은 오링 표면의 마모 형상과 마모 입자를 분석한 결과 extrusion 마모와 응착마모가 발생하였음을 알 수 있었으며 특정한 마모된 부위에는 표면이 연삭작용으로 마모되었음을 알 수 있었다. 따라서 오링의 마모는 다양한 복합적인 요인에 의해 마모가 발생 된다는 것을알 수 있다.
- 실험에서 가한 하중(L)은 200 gf 이며 이송거리(x)는 80 mm를 18000 cycles 동안 반복하였으므로 1,440 m가 된다. 경도(H)는 고무 경도계를 이용하여 측정한 경도를 ASTM E 140의 경도 전환표(hardness conversion table)을 참고하여 157 MPa을 얻을 수 있었다. 마지막으로 마모체적을 구하기 위하여 3.
- (3) 실험에서 얻은 마모체적, 미끄럼거리, 하중으로부터 Archard's law를 이용하여 마모계수를 계산하였다. 본 연구에서 사용한 오링의 마모계수는 1.1 x 10-4로서 비교적 높은 값을 가진다는 것을 알 수 있다. 따라서 오링의 수명을 향상 시킬 수있는 대책이 요구된다.
후속연구
- 또한, 오링의 마찰/마모 시험을 통한 마모의 메커니즘을 분석 하였으며, Archad's law(7)를 이용한 마모계수를 통해 오링의 마모 정도의 경향을 알 수 있었다. 이러한 분석은 산업 현장에서 오링의 설계나 마모의 원인 규명에 도움을 줄 수 있을 것이다.
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