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문제 정의
- 본 연구에서는 디젤 엔진 피스톤 링의 코팅 층 종류에 따른 마찰 특성을 파악하였다. 그 결론을 요약하면 아래와 같다.
- 다[1~3]. 연질코팅의 경우 대체로 얇고 부드러운 재질이 사용되며, 초기 구동 시 발생하기 쉬운 스커핑(scuffing)을 예방하는데 그 목적이 있다. 경질코팅의 목적은 연질코팅보다 두껍고 높은 경도를 나타내며, 마모 저항성 증가로 피스톤 링의 수명주기를 연장시키는데 있다.
제안 방법
- 또한, 나노 스크래치 시험은 시작하중과 최대하중이 20mN으로 같은 하중을 부과하는 일정하중스크래치 법 (constant load scratch)을 사용하였고, 스크래치 길이는 300㎛, 속도는 10㎛/sec로 실시하였다. 나노 인덴테이션/스크래치 시험은 시편을 절단한 후의 절단면에 대해서 실시함으로써 초기 조건(표면조도)이 동일한 상태에서 실험을 진행하였다. Fig.
- 5㎛)로 분류하여 실험을 진행하였다. 또한 경도, 탄성계수 등의 재료 물성을 분석하기 위해서 나노 인덴테이션 시험을 실시하였으며, 스크래치 폭, 깊이, 파일-업(pile-up) 높이 등의 스크래치 된 표면의 형상 특성 분석을 위해서 나노 스크래치 시험을 실시하였다.
- 또한 윤활특성을 파악하기 위해서 챔버에 디스크와 핀이 충분히 잠길 정도의 윤활제를 첨가한 후, POD 시험을 실시하였다. Fig.
- 본 연구에서는 피스톤 링 코팅 층의 마찰 특성 분석을 위해서 6종류의 피스톤 링 코팅에 대해 Pin-on-Disk(POD) 시험을 통한 실린더 라이너와 피스톤 링 코팅 층 사이의 마찰계수를 측정하였으며, 실린더 라이너의 표면조도는 3가지의 경우(Ra 0.2~ 0.5, 0.7-1.0, 1.2~ 1.5㎛)로 분류하여 실험을 진행하였다. 또한 경도, 탄성계수 등의 재료 물성을 분석하기 위해서 나노 인덴테이션 시험을 실시하였으며, 스크래치 폭, 깊이, 파일-업(pile-up) 높이 등의 스크래치 된 표면의 형상 특성 분석을 위해서 나노 스크래치 시험을 실시하였다.
- 실린더 라이너/피스톤 링 대상 부품재에 대해 실린더 라이너를 디스크로, 피스톤 링을 회전운동을 하는 핀으로 하여 POD 시험을 실시하여 코팅 층의 마찰계수를 관찰하였다.
- 실린더 라이너의 표면 조도에 따른 코팅 층의 마찰 특성을 분석하기 위해, 디스크는 표면 연마에 의해 총 3종류 범위의 초기 표면조도(Ra 0.2-0.5, 0.7-1.0, 1.2~1.5㎛)를 가하여 회전속도 500rpm(0.916m/sec), 수직 하중 50N의 실험조건으로 표면 조도에 대한 영향을 분석하였다.
- 피스톤 링의 표면 코팅 층의 경도가 실린더 라이너를 기준으로 높은 것을 경질 코팅, 낮은 것을 연 질 코팅 으로 구분하였다. Type I~IV 는 경 질 코팅을 Type V-VI 는 연질 코팅을 의미하며, Table 1 에코팅 층의 특성을 나타내었다.
이론/모형
- 나노 인덴테이션, 스크래치 실험은 MTS 사의 Nanoindenter® XP를 사용하였으며, 팁은 탄성계수가 크고 마찰계수와 접촉 면적이 작은 베르코비치팁 (Berkovich tip)을 사용하였으며, 나노 인덴테이션시험은 2000nm 의 압입 깊이를 연속강성측정법 (continuous stiffness method)을 사용함으로써 경도 및 탄성계수의 변화를 측정하였다. 또한, 나노 스크래치 시험은 시작하중과 최대하중이 20mN으로 같은 하중을 부과하는 일정하중스크래치 법 (constant load scratch)을 사용하였고, 스크래치 길이는 300㎛, 속도는 10㎛/sec로 실시하였다.
- stiffness method)을 사용함으로써 경도 및 탄성계수의 변화를 측정하였다. 또한, 나노 스크래치 시험은 시작하중과 최대하중이 20mN으로 같은 하중을 부과하는 일정하중스크래치 법 (constant load scratch)을 사용하였고, 스크래치 길이는 300㎛, 속도는 10㎛/sec로 실시하였다. 나노 인덴테이션/스크래치 시험은 시편을 절단한 후의 절단면에 대해서 실시함으로써 초기 조건(표면조도)이 동일한 상태에서 실험을 진행하였다.
성능/효과
- (1) 윤활 시험의 경우 모든 종류의 코팅 층에서 0.1 이하의 마찰계수를 나타내었으며, 코팅 층의 종류에 따른 뚜렷한 마찰특성을 보이지는 않았다. (2) 표면조도가 거칠수록 높은 마찰계수를 나타내었으며, 이는 거친 표면이 접촉면에서의 돌출부가 되어 표면 박리가 더 촉진되면서 마찰 계수가 증가한 것으로 해석된다.
- 1 이하의 마찰계수를 나타내었으며, 코팅 층의 종류에 따른 뚜렷한 마찰특성을 보이지는 않았다. (2) 표면조도가 거칠수록 높은 마찰계수를 나타내었으며, 이는 거친 표면이 접촉면에서의 돌출부가 되어 표면 박리가 더 촉진되면서 마찰 계수가 증가한 것으로 해석된다. 표면조도의 변화에 따른 마찰계수의 증가량은 Type I-II 에서 가장 높게 나타났다.
- (3) 경질 코팅의 경우, 경도가 높을수록 스크래치 폭과 파일-업 높이가 감소하였으며, 인덴테이션강도와 탄성계수는 증가하였다';. 이는 일정 수직 하중에 대한 회전력은 경도의 증가에 따른 탄성계수가 높을수록 크게 나타났기 때문이다.
- (4) 연질 코팅의 경우, 마찰계수는 경도에 비해 디스크와 핀의 마찰 접촉면 형태 및 탄성 계수의 영향이 더 큰 것으로 나타났다.
- 모든 코팅 층에서 경도의 증가에 따라 스크래치 폭과 스크래치 깊이 및 파일-업 높이가 감소함을 보였다. 가장 높은 경도를 나타낸 Type I 에서 가장 낮은 스크래치 결과를 나타내었으며, 연질 코팅인 Type V-VI 에서 경질 코팅에 비해 상대적으로 낮은 경도에 따른 높은 스크래치 폭과 파일-업 높이를 나타내었다. 또한, 연질 코팅의 경우 비슷한 경도를 나타내었지만, 스크래치 폭과 파일-업 높이가 Type V 에 비해 Type VI 이 약 13% 높게 측정되었다.
- 8(b)는 비커스 경도와 나노 인덴테이션 결과와의 상관관계를 나타낸 것이다. 경질 코팅의 경우, 경 도가 증가할수록 인 덴테 이션 강도 및 탄성 계수는 증가함을 보였으며, 연질 코팅의 경우 비슷한인덴테이션 강도를 나타내었지만 탄성계수가 Type VI 에 비해 Type V가 약 13% 높게 측정 되 었다.
- 가장 높은 경도를 나타낸 Type I 에서 가장 낮은 스크래치 결과를 나타내었으며, 연질 코팅인 Type V-VI 에서 경질 코팅에 비해 상대적으로 낮은 경도에 따른 높은 스크래치 폭과 파일-업 높이를 나타내었다. 또한, 연질 코팅의 경우 비슷한 경도를 나타내었지만, 스크래치 폭과 파일-업 높이가 Type V 에 비해 Type VI 이 약 13% 높게 측정되었다.
- 8(a)는 비커스 경도와 나노 스크래치 결과와의 상관관계를 나타낸 것이다. 모든 코팅 층에서 경도의 증가에 따라 스크래치 폭과 스크래치 깊이 및 파일-업 높이가 감소함을 보였다. 가장 높은 경도를 나타낸 Type I 에서 가장 낮은 스크래치 결과를 나타내었으며, 연질 코팅인 Type V-VI 에서 경질 코팅에 비해 상대적으로 낮은 경도에 따른 높은 스크래치 폭과 파일-업 높이를 나타내었다.
- 5 인 경우의 마찰계수와 나노 인덴테이션 결과와의 관계를 나타낸 것이다. 인덴테이션 결과값이 높을수록 마찰계수는 증가하는 경향을 보였다.
- 9(a)의 경 질 코팅 의 경우, Type IV 에서 Type I 으로 갈수록 일정 수직하중과 회전 반경에 대한 회전력이 상대적으로 높게 나타난 것을 알 수 있다. 즉, 인덴테이션 결과 얻어진 탄성계수 및인덴테이션 강도가 높을수록 회전력은 더 크게 나타남을 예측할 수 있다.
- 6은 무윤활 조건에서의 디스크 표면 조도에 따른 평균 마찰계수를 나타낸 것이다. 표면 조도가 0.2~0.5일 때 가장 낮은 마찰계수를 나타내었으며, 표면조도가 거칠수록 모든 재료의 코팅 층에서 높은 마찰계수를 나타내었다. 이는 거친 표면이 접촉면에서의 돌출부가 되어 표면 박리가 더 촉진되면서 마찰계수가 증가한 것으로 해석된다.
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