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문제 정의
- 본 연구에서는 단순히 조성을 바꾸어 마찰 마모특성을 향상시키는 방법이 아닌, 두 종류의 마찰재를 물리적, 화학적으로 결합하여 두 종류의 마찰재의 특성이 동시에 발현 되었을 때, 어떠한 영향을 주는지에 초점을 맞추어 실험 및 분석을 진행하였으며, 금속계 마찰재와 유기계 마찰재의 혼합을 통해 마찰특성의 시너지 효과를 확인하고자 한다.
가설 설정
- 2. 하이브리드 마찰재의 낮은 마모율은 경도가 높은 금속계 부분의 영향과, 금속계 부분과 유기계 부분의 마모분진이 함께 형성한 2차 고평부 때문이다.
제안 방법
- 하이브리드 마찰재는 금속계 마찰재와 유기계 마찰재를 1:1의 면적분율로 배열하여 제작하였으며, 마찰방향을 달리 하였을 때 마모분진의 이동 차이에 의한 마찰 마모 특성을 비교하기 위해 마찰 방향을 달리 한 2가지 하이브리드 마찰재로 실험을 진행하였다. HY-LN은 금속계 부분에서 유기계 부분으로 마찰하였으며, HY-NL은 유기계 부분에서 금속계 부분으로 마찰실험을 진행하였다. 이후 하이브리드 마찰재를 통칭 할 때는 HY로 표기하였다.
- HY의 낮은 마모율과 일정한 마찰계수의 원인을 파악하기 위해, NS와 HY-LN의 유기계 부분의 표면을 SEM과 EDX로 분석하였다. Fig.
- NS와 HY-LN 표면에 형성된 2차 고평부 형상 차이의 원인을 알아보기 위해 2차 고평부의 성분 분석을 실시하였다. HY-LN의 2차 고평부에는 철이 평균 23.
- 마찰계수 변화(Δμ)는 마찰 시험 초기 마찰계수와 300℃, 400℃에서의 마찰계수 차이를 나타내었으며, 이를 통해 온도 변화에 따른 하이브리드 마찰재의 마찰계수 변화를 비교, 분석하였다.
- 일반적인 자동차용 마찰재는 혼합, 예비성형, 본 성형, 열처리과정을 거쳐 제작된다. 본 연구에서는 금속계 마찰재와 유기계 마찰재 원료를 각각 혼합(1800 rpm, 15 s)한 후, 예비성형(압력 = 513 kgf/cm2) 과정에서 유기계, 금속계 마찰재 분말을 면적 분율에 따라 배열하였다. 예비 성형 후, 본 성형(180℃, 압력 = 513 kgf/cm2), 열처리(225℃, 10 h) 과정을 거쳐 하이브리드 마찰재를 제작하였다.
- D는 마찰 거리를 의미한다. 실험 후 SEM, EDX(S-4300, Hitachi) 등을 이용하여 마찰재 표면의 형상과 성분 차이를 비교하였다.
- 본 연구에서는 금속계 마찰재와 유기계 마찰재 원료를 각각 혼합(1800 rpm, 15 s)한 후, 예비성형(압력 = 513 kgf/cm2) 과정에서 유기계, 금속계 마찰재 분말을 면적 분율에 따라 배열하였다. 예비 성형 후, 본 성형(180℃, 압력 = 513 kgf/cm2), 열처리(225℃, 10 h) 과정을 거쳐 하이브리드 마찰재를 제작하였다. 마찰재 제작 시 사용한 금속계 마찰재와 유기계 마찰재의 조성은 Table 1과 같다.
- 각 시험의 시험 조건은 Table 2와 같으며, 본 실험 전에 버니싱(burnishing) 과정을 통하여 시편이 디스크와 완전히 접촉할 수 있게 하였으며, 마찰재와 디스크 사이의 마찰이 충분히 안정화 된 후 본 마찰 시험이 진행 될 수 있도록 하였다. 일정 주기 시험 후, 하이브리드 마찰재의 고온에서의 마모율을 비교하기 위해 시험 전과 후의 마찰재 두께 변화를 마찰 에너지로 나누어 마모율을 계산 하였다[11].
- 마찰실험은 Krauss type 마찰 시험기와 축소형 제동 시험기를 이용하여 일정 주기 시험(constant interval test)과 스틱-슬립 시험을 진행하였으며, 시험 기기에 대한 자세한 설명은 이전 연구에서 설명하였다[11,12]. 일정 주기 시험은 끌기 시험을 일정 주기로 반복하여 디스크의 온도를 상승시켜 온도 변화에 따른 마찰계수의 변화와 고온에서의 마모율 등을 파악하는데 적합한 시험 방법으로, 마찰 온도는 적외선 온도계를 사용하여 마찰 시험 동안 디스크 표면 온도를 측정하였다. 스틱-슬립 시험은 저속에서 마찰계수의 진폭, 주기 등을 비교하여 외부조건 변화에 따른 마찰 진동 경향성을 비교하는 시험 방법이다.
- 제작된 시편의 스틱-슬립 시험은 속도와 압력 조건을 바꾸어 진행하였다. 압력, 속도 변화에 따라 마찰계수 수준의 변화가 특별한 경향성을 가지진 않지만 스틱-슬립 시험에서 중요한 사항은 시험 조건 변화에 따른 마찰계수 수준 변화가 아니라 마찰계수의 주기와 진폭의 변화이므로 마찰계수 수준에 대한 해석은 배제하였다.
- 1과 같다. 하이브리드 마찰재는 금속계 마찰재와 유기계 마찰재를 1:1의 면적분율로 배열하여 제작하였으며, 마찰방향을 달리 하였을 때 마모분진의 이동 차이에 의한 마찰 마모 특성을 비교하기 위해 마찰 방향을 달리 한 2가지 하이브리드 마찰재로 실험을 진행하였다. HY-LN은 금속계 부분에서 유기계 부분으로 마찰하였으며, HY-NL은 유기계 부분에서 금속계 부분으로 마찰실험을 진행하였다.
대상 데이터
- 따라서 유기계 마찰재는 더 낮은 디스크 온도에서 열에 의해 마찰면이 파괴되고 페이드 저항성이 금속계 마찰재에 비해 더 낮다. 본 실험의 경우 NS의 섬유로 사용한 티탄산칼륨과 아라미드 섬유의 시너지 효과에 의해 NS의 페이드 저항성이 향상되어 LS 보다 더 높은 온도에서 페이드 현상이 발생하였다[6,10].
- 하이브리드 마찰재는 금속계와 유기계 마찰재의 면적 분율에 따라 금속계 마찰재(LS), 유기계 마찰재(NS), 하이브리드 마찰재(HY-LN, HY-NL) 4가지 종류로 제작 하였으며 면적 분포는 Fig. 1과 같다. 하이브리드 마찰재는 금속계 마찰재와 유기계 마찰재를 1:1의 면적분율로 배열하여 제작하였으며, 마찰방향을 달리 하였을 때 마모분진의 이동 차이에 의한 마찰 마모 특성을 비교하기 위해 마찰 방향을 달리 한 2가지 하이브리드 마찰재로 실험을 진행하였다.
이론/모형
- 마찰실험은 Krauss type 마찰 시험기와 축소형 제동 시험기를 이용하여 일정 주기 시험(constant interval test)과 스틱-슬립 시험을 진행하였으며, 시험 기기에 대한 자세한 설명은 이전 연구에서 설명하였다[11,12]. 일정 주기 시험은 끌기 시험을 일정 주기로 반복하여 디스크의 온도를 상승시켜 온도 변화에 따른 마찰계수의 변화와 고온에서의 마모율 등을 파악하는데 적합한 시험 방법으로, 마찰 온도는 적외선 온도계를 사용하여 마찰 시험 동안 디스크 표면 온도를 측정하였다.
- 위 식의 k는 시편의 강성이며, v는 속도, L은 하중, t는 마찰 시간이다. 위 식에 따르면, 속도가 증가하고 압력이 감소할수록 슬립이 발생할 때까지 걸리는 시간이 감소, 즉 스틱-슬립의 주기와 진폭이 감소하는 것을 알 수 있고, 본 시험에서도 이론과 같은 경향을 보이므로 본 시험 결과는 라비노비치의 이론을 적용할 수 있다고 판단된다. 라비노비치의 스틱-슬립 이론에서 속도와 압력등의 외부 조건외에 스틱-슬립 현상에 영향을 줄 수 있는 변수는 시편의 강성이다.
- 제작한 마찰재의 경도는 로크웰 경도측정계(ARK-600, Akashi)를 이용하여 측정하였으며, 측정 결과는 Fig. 2와 같다. Fig.
성능/효과
- 1. 금속계 마찰재와 유기계 마찰재를 1:1로 배열한 하이브리드 마찰재의 마찰 마모 특성을 비교한 결과, 하이브리드 마찰재는 온도가 증가함에 따라 일정한 마찰계수를 유지하였으며, 이는 금속계와 유기계 마찰재의 서로 다른 마찰계수 변화의 상쇄 현상과 새로이 형성된 2차 고평부의 영향인 것으로 판단된다.
- 3. 하이브리드 마찰재의 강성은 강성이 큰 금속계 부분의 영향을 받아 금속계 마찰재와 유사한 강성을 보였으며, 이에 따라 하이브리드 마찰재의 스틱-슬립의 진폭과 주기는 금속계 마찰재와 유사하였다.
- 4. 고온에서의 마찰 마모특성과 저속에서의 스틱-슬립 시험 결과 본 실험에서 제작한 하이브리드 마찰재는 향상된 마찰 마모 특성을 얻어낼 수 있는 새로운 마찰재 제작 방법이라고 판단된다.
- HY의 고온에서의 향상된 마찰 마모특성은 경도가 높은 금속계 부분에 의한 낮은 물리적 마모와, 금속계 마모분진과 유기계 마모분진의 시너지 효과로 인해 생성된 단단한 2차 고평부 형성으로 인한 효과가 복합적으로 나타난 것으로 판단된다.
- 86)의 철이 발견되어 HY-LN의 유기계 부분보다 철의 함유량이 적었다. LS의 마모 분진을 대표하는 철이 HY-LN 유기계 부분의 2차 고평부에 포함되어있는 것으로 보아, 금속계의 마모분진이 유기계 부분으로 이동하여 유기계 부분에 2차 고평부 형성에 기여했다고 판단된다.
- 2를 보면, 제작한 마찰재 모두 일정 수준 이상의 경도 값을 보이며, 이는 마찰재가 제대로 성형 되었음을 말해준다. 면적 분포 별 마찰재의 경도는 LS의 경도가 NS보다 크며, HY의 경도의 경우 금속계 부분은 LS와, 유기계 부분은 NS의 경도와 유사한 수준을 보였다.
- 1 mm/sec) 조건에서 압력 변화에 따른 스틱-슬립 결과 그래프이다. 모든 시편에서 압력이 증가할수록 스틱-슬립의 주기가 길어졌으며, 진폭은 특별한 경향성이 없었다. NS의 스틱-슬립 주기는 LS에 비해 길었으며, HY의 주기는 LS와 비슷하였다.
- LS와 NS와는 달리 HY-LN의 경우, 온도 증가에 따라 마찰계수 수준이 일정하게 유지되었다. 이 결과는 300℃ 이상의 온도구간에서 금속계 부분의 페놀 수지의 열분해에 의한 마찰계수 하락과, 유기계 부분의 접촉 면적 증가에 따른 마찰계수 상승의 상쇄 현상과 HY 내의 금속계 마모분진이 유기계 부분에 형성한 2차 고평부에 의한 영향이 복합적으로 작용한 것으로 사료된다. HY-NL는 마찰계수 변화 수준은 차이가 있지만 온도변화에 따른 마찰계수 변화가 NS와 유사하였다.
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