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문제 정의
- 이러한 요구 조건을 만족하기 위해서 윤활유의 성능 향상이 요구되고 있으며 자동차 부품 개발과정에 윤활유에 대한 특성과 성능을 고려하고 있다. 본 연구에서는 내충격성과 내마모 특성이 요구되는 승용차의 Synchronize Hub, 엔진오일펌프의 Rotor 및 변속기 부품으로 많이 적용되는 Fe계 저합금 분말 소결품(SMF 9060)에 대해서 실제 사용되는 조건의 마모시험을 실시하고 그 특성을 연구하고자 하였다. 즉, 일반적인 대기압 분위기와 불활성 기체인 Ar 가스분위기 상태 그리고 자동차용 엔진오일을 사용한 윤활상태에서의 온도변화에 따른 마모 특성을 비교분석 하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 내충격성과 내마모 특성이 요구되는 승용차의 Synchronize Hub, 엔진오일펌프의 Rotor 및 변속기 부품으로 많이 적용되는 Fe계 저합금 분말 소결품(SMF 9060)에 대해서 실제 사용되는 조건의 마모시험을 실시하고 그 특성을 연구하고자 하였다. 즉, 일반적인 대기압 분위기와 불활성 기체인 Ar 가스분위기 상태 그리고 자동차용 엔진오일을 사용한 윤활상태에서의 온도변화에 따른 마모 특성을 비교분석 하였다.
- 소결열처리로는 Muffle type 연속식 mesh belt를 사용하였으며 소결 후 냉각 시 탈탄방지를 위해 인리치 가스를 주입하였고 Fig. 2와 같이 데이터 값이 도출되었다.
- 시험편에 하중을 부가하고 시편을 회전시킬 때 Ball과 시험편에 작용하는 마찰력을 하중계(Load cell)로 측정하고, 측정된 마찰력을 작용하중과의 관계식으로 마찰계수를 구하는 방식이다. 마모량은 마모분(debris)의 무게나 시험편의 마모 실험 전 후의 무게차 등을 정밀 측정하여 계산하는 종래의 방법이 있으나 본 실험에서는 마모트랙부의 마모량을 정밀측정 할 수 있는 프로파일 측정기(profilometer)를 사용하여 마모형상과 마모면적을 관찰하면서 측정하였다.
- 마모시험은 상온에서 대기상태(ambient air condition)와 Ar 가스를 사용한 환원성 분위기 상태에서 각각 실험하고 마모거리를 300 m로 고정하여 실험하였다, 또한, 윤활유 적용 상태에서의 마모시험은 윤활유 온도를 상온과 100℃ 상태에서 각각 마모시험을 실시하였고 이때의 마모거리는 300 m, 10000 m로 고정하여 비교 실험하였다. 마모시험의 실험조건은 Table 2에 나타내었으며, 실험에 사용한 윤활유는 자동차용 엔진오일(HX7 5W-40, Shell, Netherlands)이며 사양은 Table 3에 나타내었다.
- 5와 같이 마모단면을 스캔하였다. 마모면의 단면형상과 마모면적을 측정하고 마모면의 원주길이를 곱하여 마모부피 즉, 마모량(Wear volume)을 측정 하였다. Fig.
- 특히 윤활상태에서 마모거리 300 m에서는 건식 마모시험조건과는 달리 볼과 시험편사이에서 마모가 거의 발생하지 않아서 마모량을 측정 할 수가 없었다. 따라서 마모거리를 10000 m로 늘려서 추가로 실험을 진행 하여 마모량을 측정하였다. 하지만, 마모거리 300 m와 비교했을 때 마찰계수의 변화는 거의 나타나지 않음을 확인 할 수 있었다.
- 이때 측정된 마모트랙부의 마모면적에 마모면의 원주길이를 곱한 값으로 마모량을 계산하였다.
- 대기 상태(ambient)와 불활성 gas 상태인 Ar 분위기 하에서 마모시험을 실시한 시험편의 마모분(debris)에 대한 XRD(X-ray diffractometer) 분석을 실시하여 산화막 형성과정을 관찰하였다.
- 내충격성과 내마모 특성이 요구되는 승용차의 Synchronize Hub, 엔진오일펌프의 Rotor 및 변속기 부품으로 많이 적용되는 Fe계 저합금 분말 소결품(SMF 9060)에 대해서 대기 상태, 불활성 Ar gas 분위기 상태 그리고 윤활상태에서의 온도변화에 따른 마모거동을 비교 실험하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용된 시험편은 Fe 분말에 Cu 1.5%, Ni 4.0%, Mo 0.5%를 확산 시킨 후 C 0.7% 혼합하여 130 Ton press 에서 φ12 × 4t, 밀도 7.0 g/cm3 으로 성형하여 소결시킨 후 연마 하여 초음파 세척하였다.
- 마모시험은 상온에서 대기상태(ambient air condition)와 Ar 가스를 사용한 환원성 분위기 상태에서 각각 실험하고 마모거리를 300 m로 고정하여 실험하였다, 또한, 윤활유 적용 상태에서의 마모시험은 윤활유 온도를 상온과 100℃ 상태에서 각각 마모시험을 실시하였고 이때의 마모거리는 300 m, 10000 m로 고정하여 비교 실험하였다. 마모시험의 실험조건은 Table 2에 나타내었으며, 실험에 사용한 윤활유는 자동차용 엔진오일(HX7 5W-40, Shell, Netherlands)이며 사양은 Table 3에 나타내었다.
- 본 실험에서는 Ball-on-disk 마모시험기(Tribometer, CSM)를 사용하였고, Fig. 3에 실험장치의 개략도를 나타내었다. 시험편에 하중을 부가하고 시편을 회전시킬 때 Ball과 시험편에 작용하는 마찰력을 하중계(Load cell)로 측정하고, 측정된 마찰력을 작용하중과의 관계식으로 마찰계수를 구하는 방식이다.
성능/효과
- 불활성 기체인 Ar gas 분위기에서 마모시험결과에서 마모초기 상태에서는 마모의 불안정성 및 Ar gas의 영향 등으로 인해 마찰계수의 변화가 나타남을 알 수 있었다. 마모거리 120 m부터는 Ar gas의 안정된 분위기하에서 마모가 이루어져서 일정한 마찰계수가 나타남을 확인 할 수 있었다.
- 불활성 기체인 Ar gas 분위기에서 마모시험결과에서 마모초기 상태에서는 마모의 불안정성 및 Ar gas의 영향 등으로 인해 마찰계수의 변화가 나타남을 알 수 있었다. 마모거리 120 m부터는 Ar gas의 안정된 분위기하에서 마모가 이루어져서 일정한 마찰계수가 나타남을 확인 할 수 있었다. 이 현상은 공기 중에서 형성된 산화막과 환원성 분위기인 Ar gas 영향의 상호작용에 기인한 것이라 추측된다[9].
- 윤활상태에서의 마모시험은 Fig. 6의 건식마모시험 결과와 비교했을 때 현저히 작은 마찰계수를 보였다. 또한, 윤활유의 온도차에 따른 마모거동에서 상온에서 마찰계수가 0.
- 6의 마찰계수측정 시험편으로 프로파일 측정기를 이용하여 마모단면 형상과 마모면적을 측정한 결과이다. 마찰계수가 높을 때 마모면적이 크게 나타남을 확인할 수 있었다.
- 7의 마찰계수를 측정한 시험편의 마모단면 형상 및 면적을 나타낸 결과이다. 마찰계수가 건식마모시험보다 월등히 낮은 결과로 인하여 마모면적도 작게 나타남을 확인할 수 있었다.
- 반면, 대기 상태에서 마모시험을 실시한 시험편의 마모분에서는 다량의 α상 및 γ상의 산화철 성분이 검출되어 마모분이 대기 상태에서는 급격한 산화막이 형성됨을 확인 할 수 있었다.
- 1. 건식마모시험의 마찰계수는 불활성인 Ar gas 분위기보다 약간 높게 나타났으며, 이는 시험편 가공에서 형성된 산화막과 Ar gas의 상호작용에 기인한 것이라 판단된다.
- 2. 윤활마모시험의 마찰계수는 건식마모시험에 비해서 우수한 마모거동을 나타냄을 확인 할 수 있었다. 하지만 윤활유 온도가 100℃ 인 고온에서는 점도가 감소하여 마찰계수가 상승하는 결과로 윤활유의 적정온도유지가 중요함을 알 수 있었다.
- 3. 마모량은 마찰계수와 비례관계가 있음을 확인할 수 있었고, Ar gas 분위기에서의 마모량은 산화막이 형성되지 않은 응착마모로 보이고, 윤활마모는 유체막의 형성으로 마모발생이 어렵고 또한, 산화막이 형성되지 않아서 연삭마모나 응착마모가 발생되지 않은 것으로 판단된다.
- 4. 마모시험에서 발생되는 마모분의 XRD 분석결과에서 Ar gas 분위기에서의 마모분은 산화철 성분이 발생되지 않았으나, 대기 상태 상태에서의 마모분은 다량의 산화철 성분이 검출되어 마모시험 시 마모분이 급격하게 산화가 진행됨을 알 수 있었다.
- 또한, 윤활유의 온도차에 따른 마모거동에서 상온에서 마찰계수가 0.15 µm, 인데 비해서 윤활유온도 100℃ 에서의 마찰계수는 0.18 µm로 상온보다 다소 상승하는 것으로 나타났다.
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