[논문]컴프레서 부품의 DLC코팅 적용에 따른 트라이볼로지적 특성 연구

윤주용; 서국진; 한재호; 전지환; 송지영; 고영덕; 남자현; 김선교; 김대은

doi:10.9725/kts.2022.38.1.8

컴프레서 부품의 DLC코팅 적용에 따른 트라이볼로지적 특성 연구
Tribological Characteristics of DLC-Coated Part in Compressor 원문보기

한국트라이볼로지학회지 = Tribology and lubricants, v.38 no.1, 2022년, pp.8 - 14

윤주용 (연세대학교 대학원 기계공학과) , 서국진 (연세대학교 대학원 기계공학과) , 한재호 (연세대학교 대학원 기계공학과) , 전지환 (삼성전자 생활가전사업부) , 송지영 (삼성전자 생활가전사업부) , 고영덕 (삼성전자 생활가전사업부) , 남자현 (삼성전자 생활가전사업부) , 김선교 (삼성전자 생활가전사업부) , 김대은 (연세대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Amorphous carbon (a-C) has excellent wear resistance and, therefore is used as a coating to protect numerous mechanical components to prolong their lifetimes. Among the a-C coatings, diamond-like carbon (DLC) and DLC-containing silicon (Si-DLC) receive extensive attention owing to their enhanced wear resistance and low frictional characteristics. In this study, the friction and wear characteristics of DLC and Si-DLC coatings are analyzed. For comparative analysis, DLC-coated and Si-DLC-coated vanes are utilized with the counterpart of a roller for the friction tests. Since the lubricated mechanical components are generally vulnerable to wear when a lubricant film does not form properly, friction tests are conducted under boundary lubrication conditions to promote wear. A cylinder-on-cylinder type tribometer is used to perform the friction tests with various normal load conditions. After the friction test, a 3D laser confocal microscope is used for quantifying the wear volume to calculate the wear rate of each specimen. Consequently, the DLC-coated specimen shows a lower coefficient of friction (COF) and wear rate than the specimen without the coating, while the Si-DLC coating shows a higher COF than the bare specimen. The results of this study are expected to contribute to improving the efficiency and reliability of compressors.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. DLC coated nose part of vane.
그림 Fig. 2. Contact part of roller as a counter surface.
그림 Fig. 3. Illustration of cylinder-on-cylinder type tribometer.
그림 Fig. 4. Surface roughness measurement results.
표 Table 1. Experimental conditions
그림 Fig. 5. Vickers hardness test results.
그림 Fig. 6. COF measurement results under the normal load of 5 N, sliding speed of 200 rpm, sliding cycles of 20,000 conditions.
그림 Fig. 7. COF measurement results under the normal load of 25 N, sliding speed of 100 rpm, sliding cycles of 144,000 conditions.
그림 Fig. 8. 3D laser confocal microscope images of (a) specimen A, (b) specimen B, and (c) specimen C.
그림 Fig. 9. Wear rate measurement results under the normal load of 25 N, sliding speed of 100 rpm, sliding cycles of 144,000 conditions.
그림 Fig. 10. 3D laser confocal microscope images of the wear track for (a) specimen A, (b) specimen C and surface profile images for (c) specimen A, (d) specimen C.
그림 Fig. 11. 3D laser confocal microscope images of the wear track of the roller about (a) specimen A, (b) specimen C and surface profile images of the roller about (c) specimen A, (d) specimen C.
표 Table 2. Surface and tribological characteristics

AI 본문요약
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문제 정의

컴프레서는 소형화를 통해 고효율을 달성할 수 있지만, 부품 크기 감소로 인해 기계적 특성이 저하되어 내구성 측면에서 악영향을 미칠 수 있다. 본 연구는 컴프레서 부품의 마모가 주로 발생되는 컴프레서의 작동 시작, 종료 시점과 유사한 환경을 모사하기 위하여 실제 컴프레서에 사용되는 polyvinyl ether (PVE) oil 및 DLC 코팅이 적용된 베인과 롤러 부품을 활용하여, 경계윤활 단계에서 마찰 시험을 수행하였다. 본 연구는 상온에서 마찰 시험이 진행되었으며, 이는 컴프레서의 일반적인 작동 온도인 100~110o C와는 상이한 조건이다.
s이다. 본 연구에서는 PVE oil의 점도가 일반적인 컴프레서의 작동 온도에서 보다 높은 환경에서 마찰 시험을 진행하였다. 따라서 일반적인 작동 조건에 비해 가혹한 조건에서 마찰 시험이 수행되는 것을 확인하기 위해 최소윤활막 두께 및 무차원수 Λ를 계산하여 경계윤활 단계임을 확인하였다.

제안 방법

마찰 시험은 직접 제작한 cylinder-on-cylinder 방식 마찰시험기를 사용하였다. Hertzian contact stress를 증가시키기 위해 베인을 실제 접촉 형상에서 90o 회전하여 cylinder-on-cylinder 방식의 마찰 시험을 수행하였다. 이를 Fig.
마찰 시험을 수행하기 전 3D 레이저 공초점 현미경(Keyence 社)을 사용하여 200 × 200 mm2 크기의 정사각형을 임의의 4지점에 대하여 평균표면거칠기(Ra)를 측정하고 이를 평균내었다.

대상 데이터

1에서와 같이 SUS440C 재질로 제작 된 베인(26 × 30 × 4.73mm3 )의 노즈부(곡률반경 4.9mm) 에 코팅이 적용되지 않은 A 시편, DLC 코팅이 적용된 B 시편과 Si-DLC 코팅이 적용된 C 시편을 준비하였다
상대면으로는 Fig. 2에서와 같이 GCD550 재질로 제작된 롤러(외경 44.2 mm, 내경 30.2 mm)를 사용하였다.

데이터처리

자세한 마찰 시험 조건은 Table 1에 나타내었다. 모든 시편은 데이터 신뢰성을 확보하기 위해 각 3번 반복 실험을 실시하였고 실험값에 대한 평균값, 표준편차를 나타내었다.

이론/모형

DLC 코팅의 경도 측정은 비커스 경도계(Zwick Roell 社)를 사용하여 측정하였다. 경도 측정은 임의의 3지점에 대해 200 gf 수직 하중을 10초간 압입하는 조건으로 진행하였고, 측정한 값을 평균내었다.
마찰 시험은 직접 제작한 cylinder-on-cylinder 방식 마찰시험기를 사용하였다. Hertzian contact stress를 증가시키기 위해 베인을 실제 접촉 형상에서 90o 회전하여 cylinder-on-cylinder 방식의 마찰 시험을 수행하였다.

성능/효과

B 시편이 낮은 마찰계수를 나타낸 이유는 A, C 시편에 비해 상대적으로 낮은 표면거칠기와 슬라이딩 방향과 평행한 방향의 가공결로 인해 접촉면에 윤활유가 지속적으로 도포되었다고 추정된다.
가혹 조건에서 실험 후 마모트랙을 분석한 결과, A, B, C 시편의 마모율이 각각 4.76 × 10-11, 3.45 × 10-11, 1.91 × 10-11 mm3 /N·mm로 측정되었으며 C < B < A 순으로 마모율이 낮게 측정되었다.
가혹 조건인 수직 하중 25 N, 슬라이딩 속도 100 rpm, 144,000 cycle 마찰 시험 조건에서 A, B, C시편의 마찰 계수가 각각 0.082, 0.074, 0.098로 측정되었으며 앞선 조건과 마찬가지로 B < A < C 순으로 마찰계수가 낮음을 확인하였다.
수직 하중 5 N, 슬라이딩 속도 200 rpm, 20,000 cycle 마찰 시험 조건에서 A, B, C 시편의 마찰계수가 각각 0.105, 0.098, 0.106으로 측정되었다. 해당 조건에서는 버니싱 마모가 주로 발생하였음을 확인할 수 있었다.
106으로 측정되었다. 해당 조건에서는 버니싱 마모가 주로 발생하였음을 확인할 수 있었다.

후속연구

본 연구를 통해 컴프레서 부품의 신뢰성을 확보할 수 있을 것으로 기대한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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