[논문]미세 딤플의 밀도에 따른 SCM415강의 마찰 거동 연구

조민행; 이성혁; 박상일; 여인웅

doi:10.9725/kstle.2010.26.6.311

미세 딤플의 밀도에 따른 SCM415강의 마찰 거동 연구
A study of Frictional Behavior of SCM415 Steel as a Function of Density of Micro Dimples 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.26 no.6, 2010년, pp.311 - 316

조민행 (중앙대학교 기계공학부) , 이성혁 (중앙대학교 기계공학부) , 박상일 (중앙대학교 기계공학부) , 여인웅 (현대자동차 중앙연구소 기반기술연구팀)

Abstract ▼ AI-Helper

Surface texturing of micro dimple or pore-shaped pattern was prepared using a fiber laser system. Surface texturing was designed to have a square pattern with a particular pitch distance for each corresponding density of 5, 10, 20, and 30%. Thermal damages such as bulges and burrs formed during laser irradiation were observed around the dimples. Thermal damages were later removed by lapping using alumina particles of $0.3{\mu}m$ in diameter. Oscillating friction tests were performed against heat-treated high speed steels under lubricated condition. The lubricant used was SAE 5W-30 automotive engine oil. Normal contact pressure and oscillating frequency was 0.28 MPa and 20 Hz, respectively. The tests were continued for 20 minutes, and friction plots were recorded for examination. Results revealed that the coefficient of friction was lowered regardless of texturing density. Moreover, the lowest coefficient of friction was obtained for 10% density texturing. It is attributed to increased lubricity due to the introduction of surface texturing. In addition, it is concluded that the optimum texturing density and pattern must be found for the best lubricity and low friction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 표면 텍스처링 가공에 가장 널리 사용되고 있는 레이저를 이용한 가공을 도입하였다. 텍스처링 가공은 fiber laser를 이용하여 서로 다른 밀도를 갖는 pore 혹은 dimple 형상 가공을 수행하였으며 가공 특성에 대해서 알아보았다.
본 연구를 통해 표면 텍스처링 밀도가 마찰에 미치는 영향을 알아보았다. 우선 표면 텍스처링 형상가공에 레이저가 매우 효율적임을 본 연구를 통해 확인하였다.

제안 방법

5 우측 상단에 삽입된 디스크 사진은 표면 텍스처링 샘플과 직접 접촉하는 mating disk를 나타내고 있다. 디스크에서의 마모를 최소화하여 텍스처링 처리 된 샘플에서의 마찰 및 마모 현상만을 관찰하기 위하여 디스크는 열처리된 고속도 공구강을 사용하였으며 그 경도는 HRC~60 정도의 값을 나타내었다. 왕복동 마찰 실험을 위한 jig 및 샘플의 체결상태는 아래 Fig.
텍스처링 가공은 fiber laser를 이용하여 서로 다른 밀도를 갖는 pore 혹은 dimple 형상 가공을 수행하였으며 가공 특성에 대해서 알아보았다. 또한 가공 된 샘플을 이용해 밀도에 따른 마찰 계수의 변화를 Optimol SRV를 이용한 선형왕복동 시험을 통해 알아보았다.
마찰 실험 후 홀 형상 및 샘플 표면의 변화를 관찰하기 위하여 SEM을 이용하여 표면 형상분석을 실시하였으며 그 결과는 아래의 Fig. 8에 주어졌다.
왕복동 운동 방향은 모든 샘플에 걸쳐 연삭가공에 의해 생성된 lay에 직각방향으로 설정하였다. Fig.
실험조건은 Table 2에 잘 나타나 있다. 이와 같은 실험조건은 다양한 하중 및 주파수를 이용하여 Stribeck curve를 생성한 후 혼합윤활 영역에서 마찰계수가 0.15인 실험조건을 선택하여 모든 실험에 적용하였다. 윤활유는 모든 실험에서 동일하게 2 drops을 사용하였다.
절삭 가공에 의해 준비된 시편은 치수 안정성이 매우 우수하기 때문에 별도의 치수 가공을 수행하지 않았으며 시험 표면의 조도에 따른 영향 연구 수행을 위해 경우에 따라 0.3 µm 직경 크기를 갖는 alumina particle을 이용해 lapping 처리를 진행하였다.
본 논문에서는 표면 텍스처링 가공에 가장 널리 사용되고 있는 레이저를 이용한 가공을 도입하였다. 텍스처링 가공은 fiber laser를 이용하여 서로 다른 밀도를 갖는 pore 혹은 dimple 형상 가공을 수행하였으며 가공 특성에 대해서 알아보았다. 또한 가공 된 샘플을 이용해 밀도에 따른 마찰 계수의 변화를 Optimol SRV를 이용한 선형왕복동 시험을 통해 알아보았다.
표면 텍스처링 밀도에 따른 마찰 거동을 살펴보기 위해 Optimol SRV를 이용한 선형 왕복동 마찰 시험을 수행하였다. 실험조건은 Table 2에 잘 나타나 있다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 재료는 SCM415 강이다 (Fig. 1). 시편은 SRV 시험 규격에 맞도록 지름 20 mm, 높이 6.

성능/효과

이러한 마찰계수의 감소는 텍스처링의 윤활유 저장 및 공급 역할로 인해 가능했을 것이다. 5% 및 20% 텍스처링 밀도에서도 감소효과가 나타난 것으로 보아 본 연구에서 설정한 실험 조건하에서는 마찰계수가 감소하기 위한 텍스처링 최대 밀도가 약 20% 부근인 것으로 볼 수 있다.
첫째, 홀 형상의 변화로 인한 윤활유 저장 및 공급 역할이 원활하지 못했을 수 있다. 둘째, bulge 제거 과정에서 발생한 파손입자 혹은 레이저 가공 중에 발생한 burr 들이 홀 내부에 갇혀있다가 윤활작용 중에 계면으로 이동하여 예상치 못한 연삭작용을 일으켰을 수 있다. 이에 대한 증거로 미세 입자 연삭에 의한 윤활유 변색을 들 수 있다.
딤플 혹은 홀간 피치 조정을 통해 밀도가 서로 다른 텍스처링 샘플을 가공하였으며, 가공 결과 본 연구에서 사용한 직경 약 75 µm의 경우 최적 밀도는 20% 이하로 구성이 되어야 할 것으로 나타났다.
4에 잘 나타나 있듯이 밀도가 증가함에 따라 홀간 간격이 좁아지다가 30% 밀도에서는 홀의 형상이 변형되는 결과를 나타냈다. 또한 가공 중에 발행한 bulges 혹은 burr가 lapping 과정 중 작은 입자로 분리되어 홀 내부로 채워지는 현상을 관찰할 수 있었다. 초음파 세척에 의해서 이러한 미세한 입자들을 최대한 제거하려 하였으나 일부 입자들은 홀 내부에 그대로 남아있었으며 특히, 밀도 30%의 경우 그 정도가 가장 심했다.
7의 그래프에서 알 수 있듯이 5, 10, 20% 텍스처링 밀도의 마찰계수는 텍스처링 처리가 되지 않은 샘플에 비해 마찰계수가 낮아진 것을 확인할 수 있다. 또한 최저 마찰계수는 밀도가 10%일 때 나타났으며 비텍스처링 샘플 대비 약 20% 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 마찰계수의 감소는 텍스처링의 윤활유 저장 및 공급 역할로 인해 가능했을 것이다.
마찰계수는 텍스처링 밀도 10%에서 최저 값을 나타냈으며 30%에서는 오히려 원 샘플보다 더 높은 마찰계수를 얻었다. 이러한 결과에 대해 몇 가지 원인이 가능하다.
예상한 바와 같이 scan speed를 낮추었을 경우 레이저와 금속표면이 접촉하는 시간의 증가로 인해 가공성이 현저히 향상되었다. 특히, 스캔 속도의 감소로 인해 홀의 깊이가 크게 증가하는 경향이 뚜렷했다.
본 연구를 통해 표면 텍스처링 밀도가 마찰에 미치는 영향을 알아보았다. 우선 표면 텍스처링 형상가공에 레이저가 매우 효율적임을 본 연구를 통해 확인하였다. 딤플 혹은 홀간 피치 조정을 통해 밀도가 서로 다른 텍스처링 샘플을 가공하였으며, 가공 결과 본 연구에서 사용한 직경 약 75 µm의 경우 최적 밀도는 20% 이하로 구성이 되어야 할 것으로 나타났다.

후속연구

결론적으로 표면 텍스처링은 구동 조건에 따라 최저 마찰계수를 나타내는 최적의 형상이 존재할 것으로 예상되며 다양한 작동 조건을 바탕으로 한 텍스처링 형상 최적화 연구가 반드시 필수적이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	윤활 조건에서 구동하는 기계적 요소의 마찰은 무엇과 관련이 있는가?	윤활 조건에서 구동하는 기계적 요소의 마찰은 점도 지수 등의 윤활유 특성, 작동 압력, 계면에서의 상대 속도, 계면 온도 등과 매우 밀접한 관련이 있다. 또한 재료 표면에의 고체 마찰제 혹은 DLC 등의 저마찰 코팅을 통해서 마찰 계수를 낮출 수 있다.
	기계적 요소의 마찰 계수를 낮출 수 있는 방법은 무엇인가?	윤활 조건에서 구동하는 기계적 요소의 마찰은 점도 지수 등의 윤활유 특성, 작동 압력, 계면에서의 상대 속도, 계면 온도 등과 매우 밀접한 관련이 있다. 또한 재료 표면에의 고체 마찰제 혹은 DLC 등의 저마찰 코팅을 통해서 마찰 계수를 낮출 수 있다. 이와 같은 방법은 현재 모든 윤활 구동요소에서 가장 널리 오랫동안 사용되고 있다.
	표면 텍스처링을 이용한 윤활성능 향상 연구는 무엇에 도입, 적용되었는가?	표면 텍스처링을 이용한 윤활성능 향상 연구는 이미 오래 전부터 내연기관의 실린더 라이너 등에 도입, 적용되었으며, 최근 들어 그 관심과 활용도가 다시 부쩍 높아지고 있다. 이는 정밀 미세 가공 기술의 발달과 더불어 고효율 시스템에 대한 사회적 요구가 반영된 결과라 할 수 있을 것이다.

참고문헌 (4)

Wang X, Kato K, Adachi K, and Aizawa K., "Loads Carrying Capacity Map for the Surface Texture Design of SiC Thrust Bearing Sliding in Water," Tribology International, Vol. 36, No. 3, pp. 189-197, 2003.

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Pettersson U. and Jacobson S., "Influence of Surface Texture on Boundary Lubricated Sliding Contacts," Tribology International, Vol. 36, No. 11, pp. 857-864, 2003.

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Manabu W, Yukihiko Y, Shuzo K, and Yoshiteru Y., "Effect of Surface Texturing on Friction Reduction Between Ceramic and Steel Materials Under Lubricated Sliding Contact," Wear, Vol. 254, pp. 356-363, 2003.

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Etsion I. and Sher E., "Improving Fuel Efficiency with Laser Surface Textured Piston Rings," Tribology International, Vol. 42, No. 4, pp. 542-547, 2009.

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