[논문]DLC와 PTFE표면코팅에 따른 자기유변유체의 마찰 마모 특성

장붕; 이광희; 이철희; 최종명

doi:10.9725/kstle.2015.31.2.62

DLC와 PTFE표면코팅에 따른 자기유변유체의 마찰 마모 특성
Friction and Wear Characteristics of Magneto-rheological Fluid Depend on Surface Coated by DLC and PTFE 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.31 no.2, 2015년, pp.62 - 68

장붕 (인하대학교 기계공학과) , 이광희 (인하대학교 기계공학과) , 이철희 (인하대학교 기계공학과) , 최종명 (인하대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A magnetorheological (MR) fluid is a smart material whose rheological behavior can be controlled by varying the parameters of the applied magnetic field. Because the damping force and shear force of an MR fluid can be controlled using a magnetic field, it is widely employed in many industrial applications, such as in vehicle vibration control, powertrains, high-precision grinding processes, valves, and seals. However, the characteristics of friction caused by iron particles inside the MR fluid need to be understood and improved so that it can be used in practical applications. Surface process technologies such as polytetrafluoroethylene (PTFE) coatings and diamond-like carbon (DLC) coatings are widely used to improve the surface friction properties. This study examines the friction characteristics of an MR fluid with different surface process technologies such as PTFE coatings and DLC coatings, by using a reciprocating friction tester. The coefficients of friction are in the following descending order: MR fluid without any coating, MR fluid with a DLC coating, and MR fluid with a PTFE coating. Scanning electron microscopy is used to observe the worn surfaces before and after the experiment. In addition, energy dispersive X-ray spectroscopy is used to analyze the chemical composition of the worn surface. Through a comparison of the results, the friction characteristics of the MR fluid based on the different coating technologies are analyzed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

대한 연구가 필요하다[17]. 따라서 본 연구에서는 마모 개선을 위한 표면 코팅 방법에 따른 자기유변유체의 마찰 특성을 분석하는 것을 목적으로 한다.
본 실험은 시편 표면의 코팅 종류에 따른 자기유변유체의 마찰 특성을 분석하는 것을 목적으로 한다. Fig.
이번 실험에서는 시편표면의 코팅종류에 따른 마찰계수, 표면조도와 표면 화학원소의 성분을 측정하고 실험 결과 비교분석을 통하여 자기유변유체의 마찰 및 마모 특성에 관한 연구를 하였다. 자기유변유체의 마찰 및 마모 특성은 다음과 같다.

제안 방법

DLC와 PTFE 표면 코팅 처리된 시편표면의 마모 현상을 자세히 알아보기 위하여 표면조도 측정기Surface Profilometer(Mitsutoyo SurfTest SV-3100)를 이용하여 실험 전의 코팅표면과 실험 후의 마모표면의 표면 조도를 측정하였다. 실험 전과 실험 후에 측정한 Ra값의 비교 그래프는 Fig.
본 논문에서는 왕복 마찰시험기(R&B 108-RF)를 이용하여 실험을 진행하였다. 이 왕복 마찰시험기는 DC 모터로 작동하면서 크랭크축 연동장치를 통해 핀이 시편 위에서 왕복 마찰운동을 하게 되며 왕복 마찰 거리는 10 mm이다.
시편 표면의 코팅 종류에 따른 표면 마모 상태를 관찰하기 위해 SEM(Scanning Electron Microscope)을이용하여 실험 전과 후에 시편 표면의 마모 흔적을 관찰하였다. 실험 전후의 표면 비교 결과는 Fig.
기존연구 결과를 통해 자기유변유체의 마찰계수는 자기장을 인하하는 경우에 더 큰 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다[17]. 이번 실험에서 자기유변유체의 유 변 특성을 충분히 나타내기 위하여 자기장의 세기는 5 mT, 실험 온도는 실내온도 25°C 유지해서 실험을 진행한다. 표면코팅 처리 종류에 따른 자기유변유체의 마찰 특성을 비교하기 위해 표면에 코팅하지 않은 알루미늄 합금기판 플레이트와 DLC와 PTFE로 코팅된 기판 플레이트에서 실험을 진행한다.
조건은 Table 3과 같이 나타난다. 이번 실험에서자기유변유체와 시편을 전면 접촉시키기 위해 완전히 덮을 정도의 충분한 자기유변유체를 주입하였다. 기존연구 결과를 통해 자기유변유체의 마찰계수는 자기장을 인하하는 경우에 더 큰 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다[17].
이번 실험에서 자기유변유체의 유 변 특성을 충분히 나타내기 위하여 자기장의 세기는 5 mT, 실험 온도는 실내온도 25°C 유지해서 실험을 진행한다. 표면코팅 처리 종류에 따른 자기유변유체의 마찰 특성을 비교하기 위해 표면에 코팅하지 않은 알루미늄 합금기판 플레이트와 DLC와 PTFE로 코팅된 기판 플레이트에서 실험을 진행한다.
실험장치의 시편 양쪽에는 자석을 배열하였으며, 핀과 플레이트 접촉 부분의 자기장세기는 5 mT 이다. 핀과 플레이트 사이의 공간에(Fig. 1 확대도 표시) 자기유변유체를 넣고 마찰계수, 온도, 하중 등을 측정해서 데이터를 기록한다. 여기에서 마찰력은 로드 셀을 통해 측정하며 마찰계수의 계산식은 다음과 같이 나타난다.

대상 데이터

알루미늄 합금(AL6061)의 브리넬 경도는 410 N/mm²이며내식성, 용접성이 좋고 중간 정도의 강도이다. 기판 플레이트의 크기 규격은 길이(50 mm)×너비(20 mm)×높이(10mm), 핀의 크기 규격은 길이(20mm)×지름(10 mm)로 제작한다. 그리고 시편 표면코팅의 두께는 각각 10 µm이며 시편 사진은 Fig.
본 실험에서 사용된 자기유변유체(Magneto-rheological fluid)는 Lord Corporation 제품이며 세부 모델명은 MRF-132DG이다. 철 입자의 무게비율은 80.
있는 스마트 재료이다. 자기유변유체는 저 히스테리시스(hysteresis)를 갖고 있는 고투자율 자성 입자 (magnetic particles)와 비 투자율 유체로 구성한 콜로이드 서스펜션(colloid suspension)이다[1-2]. 자기장이 자기유변체에 인가되면 기유(base oil) 내부의 철 입자가 자기장 방향에 따라 사슬 모양을 형성하면서 강성 및 댐핑 특성이 변하게 된다[3].

성능/효과

1. PTFE와 DLC를 코팅한 시편표면의 경우 PTFE 코팅표면의 마찰계수가 DLC 코팅 표면의 마찰계수보다 낮은 결과를 나타낸다.
2. 실험 후의 시편 표면을 통해 PTFE 코팅표면의 마모가 DLC 코팅표면의 마모 보다 뚜렷하게 나타나며, PTFE코팅 표면에는 마모로 인한 잔여물이 나타난 것을 확인할 수 있다.
3. PTFE 코팅의 경우 DLC 코팅에 비해 상대적으로 경도가 낮아서 마모로 인해 높은 표면조도가 나타난다.
4. 시편 코팅처리를 통해 낮은 마찰계수를 얻을 수 있고 이를 통해 마찰 성능을 향상시킬 수 있다.
그러므로 Fig. 6에서 실험 후에 DLC코팅 처리하는 시편 표면의 C원소는 감소하고 Fe, Al 원소가 뚜렷하게 증가하며, Fig. 7에서 실험 후에 PTFE 코팅 처리하는 시편 표면의 F원소가 감소하고 Al과 Fe원소가 뚜렷하게 증가하는 현상이 나타난다.
따라서 자기유변유체가 핀과 플레이트 사이에 윤활제로써의 역할이 더 크기 때문에 오히려 PTFE 코팅표면에서는 낮은 마찰계수 일어난다[18]. 또한 알루미늄 합금 시편 표면에 마모가 증가함으로 인해 마찰계수가 왕복 슬라이드 사이클의 증가함에 따라 점점 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 그러나 표면 코팅을 하는 시편의 마찰계수가 왕복 슬라이드의 사이클수의 증가함에 따라 오히려 큰 영향을 받지 않아서 안정적인 경향을 확인할 수 있다.
기존 연구 결과에서 자기유변유체에 자기장이 부하되면 자기유변유체 내부의 철 입자들은 자기장 방향에 따라 알루미늄 플레이트 표면에 정렬되며, 자기장을 인가하는 경우 마찰계수가 높게 나오는 특성이 있다[17]. 또한 코팅을 하지 않은 시편 표면의 마찰계수가 여전이 가장 높으며, DLC로 코팅한 시편의 마찰계수가 PTFE로 코팅한 시편의 마찰계수에 비해 상대적으로 높은 마찰계수를 나타낸다. 코팅하지 않은 알루미늄보다 DLC와 PTFE 코팅을 한 알루미늄 플레이트의 표면이 더 우수한 마찰특성을 갖고 있으며, 실험에 사용된 알루미늄합금과 DLC 코팅 및 PTFE 코팅의 경도 순서는 DLC > Al > PTFE와 같다.
핀의 재질이 동일하므로 플레이트 표면의 코팅의 경도 차이가 마모에 영향을 미치는 것으로 생각할 수 있다. 실험 전과 실험 후에 PTFE 코팅표면은 더 거칠게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 마찰계수와 표면조도가 증가하는 이유는 PTFE 코팅의 경도가 DLC코팅의 경도 보다 휠씬 낮아서 실험 후에 PTFE 코팅 처리된 표면이 심하게 마모되기 때문이다.
따라서 접촉면에서 핀과 플레이트의 왕복 운동 시 핀과 플레이트 접촉뿐만 아니라 입자들과의 접촉으로 인해 마모가 발생한다. 실험 후에 DLC 코팅표면의 마모 상태와 비교하면 PTFE 코팅한 시편표면에서 더 거친 표면을 확인할 수 있으며 코팅이 벗겨져 나간 흔적 또한 확인할 수 있다.

후속연구

이번 연구를 통해 기계적인 분야와 공업 분야에서 코팅 기술의 종류에 따른 자기유변유체의 마찰 특성을 효율적으로 이용할 수 있다.

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