Fretting is a kind of surface degradation mechanism observed in mechanical components and structures. When two pieces of materials, pressed together by an external static load, are subjected to a transverse cyclic loading or various vibrations, so that one contacting face is relatively displaced cyc...
Fretting is a kind of surface degradation mechanism observed in mechanical components and structures. When two pieces of materials, pressed together by an external static load, are subjected to a transverse cyclic loading or various vibrations, so that one contacting face is relatively displaced cyclically parallel to the other face, wear of the mating surfaces occurs. These fretting damages may be observed in electrical connectors for automotive components, where there are special environments and various vibration conditions. This study aims to evaluate the usefulness of fretting test equipment that was developed for reliability test of electrical connector. Fretting tests were carried out using tin coated connectors and friction force, contact resistance, contact area and roughness of contact region were investigated. The following results that will be helpful to understand the fretting wear mechanism, increase process the contact resistance and contact area were obtained. (1) In the same frequency and slip amplitude, the friction force, roughness and contact area increased rapidly until about $10^3$ cycles, after which it was slightly changed. (2) In the various frequency and slip amplitude, the contact area increased with slip amplitude and cyclic numbers, but it did not depend on cyclic frequency. (3) The surface roughness of contact region did not depend on the cyclic frequency. From these results, the applicability of the fretting wear test equipment and reliability of connector were discussed.
Fretting is a kind of surface degradation mechanism observed in mechanical components and structures. When two pieces of materials, pressed together by an external static load, are subjected to a transverse cyclic loading or various vibrations, so that one contacting face is relatively displaced cyclically parallel to the other face, wear of the mating surfaces occurs. These fretting damages may be observed in electrical connectors for automotive components, where there are special environments and various vibration conditions. This study aims to evaluate the usefulness of fretting test equipment that was developed for reliability test of electrical connector. Fretting tests were carried out using tin coated connectors and friction force, contact resistance, contact area and roughness of contact region were investigated. The following results that will be helpful to understand the fretting wear mechanism, increase process the contact resistance and contact area were obtained. (1) In the same frequency and slip amplitude, the friction force, roughness and contact area increased rapidly until about $10^3$ cycles, after which it was slightly changed. (2) In the various frequency and slip amplitude, the contact area increased with slip amplitude and cyclic numbers, but it did not depend on cyclic frequency. (3) The surface roughness of contact region did not depend on the cyclic frequency. From these results, the applicability of the fretting wear test equipment and reliability of connector were discussed.
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문제 정의
또한, 나아가 통전성능에 영향을 미치는 관련 인자의 평가를 수행하고, 열화 메커니즘을 검토하고자 하였다.
본 연구과제는 전기/전자 기기 및 부품 제조업체인 타이코에이엠피(유)와 공동으로 프레팅 마모/피로 시험기를 개발하고, 개발 중인 커넥트를 대상으로 한 기초시험을 수행하여 구축한 시험장비의 유용성을 확인하고 제품개발을 위한 기초 데이터의 축적을 목적으로 수행되었으며, 다음의 결과를 도출하였다.
본 연구에서는 산학협력 공동연구로 자체 개발되어진 커넥트 전용 프레팅 마모/피로 시험기를 이용하여, 현재 개발과정에 있는 주석(Sn) 도금 커넥트를 대상으로 프레팅 시험을 수행하였다. 시험과정에서 얻어진 접촉저항 데이터 및 접촉부 관찰 결과로부터, 시험속도 변화에 따른 마모 및 접촉저항 거동평가, 상대슬립(Slip) 진폭 변화에 따른 마모 및 접촉저항 거동평가, 접촉부 표면 마모손상 검토를 통하여 설계단계에서 필요한 기초 데이터를 확보하고자 하였다.
본 연구에서는 산학협력 공동연구로 자체 개발되어진 커넥트 전용 프레팅 마모/피로 시험기를 이용하여, 현재 개발과정에 있는 주석(Sn) 도금 커넥트를 대상으로 프레팅 시험을 수행하였다. 시험과정에서 얻어진 접촉저항 데이터 및 접촉부 관찰 결과로부터, 시험속도 변화에 따른 마모 및 접촉저항 거동평가, 상대슬립(Slip) 진폭 변화에 따른 마모 및 접촉저항 거동평가, 접촉부 표면 마모손상 검토를 통하여 설계단계에서 필요한 기초 데이터를 확보하고자 하였다.
제안 방법
각 시험제품의 암/수 단자는 자체개발한 시험기의 지그부분에 완제품 상태로 고정되며, 지정되어진(슬립진폭 일정, 주파수 일정)조건으로 105 cycles까지 반복 시험하였다.
시험 종료 후에 수 단자 접촉부(4point)를 아세톤으로 가볍게 세척한 후, 광학현미경으로 관찰하였으며 사진촬영 및 접촉부 면적을 측정하여 각 시험 조건과 접촉부 마모손상 면적의 관계를 검토하였다. 또한, 접촉 손상부의 거칠기를 평가하기 위하여 2차원 표면 거칠기 측정을 수행하였으며, Ra, Ry 등의 거칠기도 분석 및 검토하였다.
또한, 접촉마모 손상부의 표면거칠기 측정은 Tokyo Seimitsu사의 Surfcom 1500SD로 수행하였으며, 첨단반경 2μm의 다이아몬드 탐침으로 접촉력은 0.75mN로 측정하였다.
먼저, 동일 시험조건(주파수, 슬립진폭)에서의 접촉부 마모손상 진행과정을 검토하기 위하여 주파수 5Hz, 슬립진폭 ±25μm의 조건으로 10, 102, 103, 104, 105 cycles 시험한 수 단자의 접촉부를 대상으로 광학현미경 관찰, 손상 접촉부 면적, 표면 거칠기 등을 분석하고 검토하였으며, Fig. 3에 시험완료 후에 촬영한 터미널의 사진을 제시하였다.
본 연구과제에 사용되어진 프레팅 시험기는 자체 개발되어진 프레팅 마모/피로 전용시험기를 사용하였다. 시험 시스템은 Fig.
본 연구과제에 있어서 수행되어진 전 시험제품(27개)의 프레팅 마모시험 과정에서 획득한 마찰력 및 접촉 저항의 cycle 수 증가에 따르는 변화를 검토하였다.
cycles까지 반복 시험하였다. 시험 시에 접촉저항 및 마찰력을 지정된 소정의 cycle에서 획득(저장)하였으며, 종료 후에 분석 및 검토하였다.
시험 종료 후, 수 단자의 접촉 손상부를 광학현미경 50배 배율로 확대 관찰하였다.
시험 종료 후에 수 단자 접촉부(4point)를 아세톤으로 가볍게 세척한 후, 광학현미경으로 관찰하였으며 사진촬영 및 접촉부 면적을 측정하여 각 시험 조건과 접촉부 마모손상 면적의 관계를 검토하였다. 또한, 접촉 손상부의 거칠기를 평가하기 위하여 2차원 표면 거칠기 측정을 수행하였으며, Ra, Ry 등의 거칠기도 분석 및 검토하였다.
전 시험제품의 수 단자에 형성되어있는 4곳의 접촉부 마모 손상영역의 표면 거칠기 Ra, Ry를 측정하였으며, 시험조건별(주파수, 슬립진폭)로 평균하여 Fig. 15에 나타내었다.
측정종료 후에 Fig. 6에 예시하는 것과 같이 접촉손상 부라고 판단되는 부분을 지정하고, 이 영역에 대하여 거칠기 분석을 수행하였으며, JIS’94에 의거하여 산출되어진 Ry 및 Rz을 구하였다.
대상 데이터
2에 나타내는 것과 같다. 또한 Table 2에 나타내는 것과 같이 각 시험조건에서 3회의 시험을 수행하였으며, 합계 27쌍의 시험제품에 대하여 시험을 수행하였다.
프레팅 마모시험은 개발과정에 있는 제품을 대상으로 하였으며, 커넥트의 암/수 단자 소재는 CuFe2이며, 표면에 Sn 도금을 실시한 제품으로, 대략적인 치수 및 형태는 Fig. 2에 나타내는 것과 같다. 또한 Table 2에 나타내는 것과 같이 각 시험조건에서 3회의 시험을 수행하였으며, 합계 27쌍의 시험제품에 대하여 시험을 수행하였다.
데이터처리
11,12) 접촉부의 표면거칠기는 수 단자에 형성되어 있는 point 2 및 4에서 각각 2회 이상 측정하였으며, 평균처리 하여 데이터를 분석하였다. Fig.
성능/효과
a) 1Hz/±50μm 시험에서 2개 제품이 각각 3만 및 5만 cycle 근방에서 접촉저항 증가로 인한 통전불량이 발생하였으며, 5Hz/±50μm 시험에서 1개 제품이 약 5만 cycle에서 통전불량이 발생하였다.
a) 마찰력 및 접촉부 표면 거칠기는 103 cycle까지는 급증한 후, 이후부터는 감소하거나 거의 일정하게 유지되었다.
b) 103 cycle부터 접촉부(수 단자) 마모가 극심하게 발생하였으며, 마모분이 상당량 외부로 유출되고 있었다.
b) 마찰력은 103 cycle까지는 급증하고, 이후는 다소 감소하여 거의 일정한 거동을 보였다.
c) 광학현미경은 이용한 접촉부 마모 손상면적 분석결과, 동일 슬립진폭 조건에서의 주파수 의존성은 인정되지 않았으나, 모든 주파수 조건에 있어서 슬립진폭이 증가하면 접촉면적도 증가하였다.
d) 표면 거칠기(Ra, Ry) 분석결과에 있어서는 표면 거칠기 파라메터는 슬립진폭 및 주파수와 같은 시험조건에 대하여 의존성이 나타나지 않았다. 이것은 접촉부 마모손상 영역에서 발생하는 마모분의 고착현상이 강하게 영향을 미치기 때문으로 판단된다.
또한, 1Hz, 5Hz 및 10 Hz의 시험결과를 병기한 Fig. 13을 보면, 동일주파수에서는 슬립진폭이 클수록 마찰력이 증가하는 경향을 알 수 있었으며, 동일 슬립진폭에서는 주파수가 적을수록 마찰력이 증가하는 경향이 있었다. 이러한 경향은 접촉부의 금속 산화에 필요한 시간 즉 주파수와 연관성이 있다는 사실을 시사하고 있다.
이러한 현상은 일반적인 초기 프레팅에 의한 손상-안정화 과정으로 이해된다. 또한, 슬립진폭 증가에 따른 마찰력증가의 의존성은 존재하였으나, 주파수 증가에 따른 의존성은 나타나지 않았다.
또한, 주파수 5Hz, 슬립진폭 ±50μm의 1개 제품(specimen No.3)에서는 약 3만 cycle 근방에서 접촉저항이 급증하였으며, 그 이외의 제품은 105 cycle에 도달할 때 까지 모두 안정된 통전성능을 유지하였다.
주파수별로 표시한 결과를 보면 모든 경우에 있어서 공통적으로 슬립진폭이 증가 할수록 마찰력도 증가하였다. 이것은 접촉부 표면형상 변화의 차이 및 접촉부 금속응착 등도 요인이 될 수 있으며, 무엇보다도 동일 cycle 수일 때 슬립진폭이 크면 접촉부마모량 증가와 함께 마모분의 발생량도 증가하며, 접촉부에 고착하여 접촉부 압력(응력)상승으로 이어지며, 접촉부 압력상승은 마찰력 상승을 유발하기 때문으로 알려져 있다.
그러나 103 cycle 이후에서 관찰되어진 사진에는 세척 전후 사진에 상당히 차이가 발생하였다. 즉 접촉부에서 cycle 수의 증가와 더불어 충분한 마모작용이 발생하였으며, 그 결과 생성된 마모분이 외부로도 유출되고 있음을 알 수 있었다. 이러한 마모손상 과정은 다양한 금속 접촉부에서 발생하는 프레팅 마찰력 변화, 접촉부 마모과정 및 cycle 수 등을 연구한 많은 연구자의 결과와도 좋은 일치를 보여주고 있다.
1의 제품에 있어서는 접촉저항이 수백Ω 단위로 변화하여, 통전능력을 상실한 상태로 판단되며, 나머지 2 제품의 경우에는 수 Ω 단위로 변화하고 있었다. 통전성능의 불안정이 발생한 이들 제품의 수 단자 표면에서 촬영한 접촉부 사진을 Fig. 11에 나타내는 것과 같이 다른 제품에 비하여 접촉부에서의 마모가 상대적으로 극심하게 발생한 것을 알 수 있었으며, 접촉부 표면에는 상당한 양의 마모분이 고착되어 있다고 추정된다.
후속연구
14(b)에는 동일 슬립진폭에서 1Hz에 비하여 5Hz의 면적이 미소하게 증가하였으나, 10Hz의 경우는 다소 감소하였으며, 이러한 경향은 슬립진폭이 적을수록 강하게 나타나고 있었다. 접촉 손상부의 성장 과정에 있어서도, 하중 작용시간이 길수록 변형 및 손상이 증가한다는 금속 소성이론이 적용가능하다고 판단되나, 1Hz에 비하여 5Hz의 면적이 감소하지 않고 미소하게 증가하였다는 점, 그리고 5Hz에 비하여 10Hz의 면적감소 정도가 슬립진폭이 적을수록 강하게 나타나는 점 등으로부터, 시험기의 커넥터 고정 지그 또는 구동부에서 미세한 유격이 발생하고 있을 가능성도 있다고 판단되며, 반복시험에 의한 보다 많은 데이터 축적 및 분석검토가 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
반복 상대슬립이 커넥터 접촉부에 발생 시 어떤 문제가 발생하는가?
그러나 외부진동에 의한, 수십 μm 정도의 미소한 거리의 반복 상대슬립(slip)이 커넥터 접촉부에서 발생하면 접촉부 마모손상과 함께 전기저항의 상승과 함께 통전성능 저하로 인한 차량 기능의 이상이 발생한다.1,2)
커넥터의 사용량이 급증하게 된 배경은 무엇인가?
최근의 자동차는, 탑승자와 보행자의 안전을 위한 안전장치, 외부 통신장치 및 탑승자의 편의성을 위한 장치 등의 발전과 더불어 전기적 연결을 구현하는 커넥터의 사용량이 급증하고 있다.
접촉부의 열화현상이 지속적으로 발생할 경우 어떤 문제가 발생하는가?
접촉부의 이러한 현상은 프레팅(fretting) 마모 또는 프레팅 피로손상으로 알려져 왔으며,3,4) 지속적 으로 발생하면 전기접점의 마모손상 및 전기저항 증가를 유발하고 결국에는 전기적 기능을 잃어버린다. 이러한 접촉부의 열화(劣化)현상은 단순하지 않으며, 저항 변화는 단자의 재료, 접촉응력, 상대슬립 (진동) 크기 및 형태, 등에 크게 의존한다고 알려져 있다.
참고문헌 (13)
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