Frictional and Fatigue Characteristics of Journal Bearings by Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification (UNSM)

초음파나노표면개질기술을 이용한 저널베어링 마찰 및 피로특성 연구

Abstract

In this study, we apply an ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) technique to radial journal bearings (JBs) and disks made of SUJ2 and SCM440, respectively. We investigate frictional properties of untreated and UNSM-treated specimens using a ball-on-disk tester. We construct the Stribeck curve at the boundary, under mixed and full hydrodynamic lubrication conditions for the specimens using friction data obtained from JB tests. The friction at the boundary lubrication condition and the transition period to mixed lubrication condition on the UNSM-treated specimens is reduced, which improves the service life of JBs. The major effects of this reduction in the three lubrication regimes can be explained in the terms of improved mechanical properties and the presence of micro dimples. Moreover, we estimate the friction and fatigue properties of SCM440 specimens using a ball-on-disk specimen under dry and oil-lubricated conditions. Friction test results reveal that the UNSM-treated specimens show lower friction coefficient than the untreated specimens under both dry and oil-lubricated conditions. We evaluate the fatigue properties of SCM440 specimens by calculating the Hertzian stress with respect to the failure cycles. Fatigue tests results also reveal that the UNSM-treated specimens possess a longer fatigue life than the untreated specimens. The improved properties are effective in increasing the energy efficiency of bearings.

1. 서 론

산업이 발전되고 증대됨에 따라 기계 구조물 내 베어링은 높은 수명과 안정성 그리고 신뢰성을 요구하게 되었고, 그에 따라 고도의 베어링 설계 기술도 필요로 하게 되었다[1]. 베어링 설계 및 제조를 통해 제작된 베어링은 충분한 수명이 확보되어야 하며, 이러한 수명은 기계 전체 성능 및 수명에 큰 영향을 끼치므로 베어링 성능/수명 향상을 위한 연구가 선진국가를 중심으로 세계적으로 활발히 연구되고 있다[2, 3].

구름베어링보다 비교적 큰 부하를 견딜 수 있는 저널베어링의 경우 자동차, 항공기, 철도차량 등과 운송 수단의 동력전달 부품으로 많이 사용된다. 저널베어링은 스폴(spalling), 필링(peeling), 마모(wear) 등 다양한 원인으로 파손되는 경우가 많으며, 상기와 같은 높은 신뢰성을 필요로 하는 운송수단은 파손 전 교체를 통해 사고를 미연에 방지한다.

본 논문에서는 국내 특허 기술인 초음파나노 표면 개질(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification, UNSM) 기술을 저널베어링 및 사용 소재 표면에 적용하여 표면경도 증가, 표면 거칠기 감소, 압축잔류응력을 증가시켜 마찰 및 피로 특성을 향상시키는 연구를 수행하였다. 저널 베어링 마찰과 피로 시험은 SUJ2 소재를 사용하여 시험하였고, 건식 및 윤활 상태의 마찰 시험은 크랭크 샤프트 소재로 사용되는 SCM440 소재를 사용하여 소재에 대한 기초시험을 진행하였다.

 

2. 절 차

2-1. 초음파나노표면개질(UNSM)기술

초음파나노표면개질 기술은 초음파 진동 에너지를 응용하여 아주 큰 정적 및 동적 하중이 부가된 볼을 이용하여 표면에 1초에 20,000번 이상의 타격(1,000~100,000회/mm2 정도)을 금속 표면에 주어, 강소성변형(Severe Plastic Deformation, SPD) 및 탄성 변형을 발생시키고, 이로 인해 표층부의 조직을 나노 결정 조직으로 개질함과 동시에 심층부에 아주 크고 깊은 압축잔류응력 등을 부가하는 한국 특허기술이다. 그림 Fig. 1은 UNSM 기술의 기본 원리 및 장치의 구성을 나타내고 있다[4].

Fig. 1.UNSM technology mechanism [4].

연마된 표면에 UNSM 처리를 하면 마이크로 딤플이 생성되면서 균일한 패턴을 형성하게 되고, 이 표면은 연마면 보다 거칠기가 감소된다. 더불어 나노 구조화, 표면경도 향상, 압축잔류응력이 형성된다[4].

본 논문에서는 초음파나노표면개질 기술을 이용하여 저널베어링 시편에 대한 마찰과 수명특성에 미치는 영향을 분석 연구하였다.

2-2. 시험 절차

2-2-1. 베어링강(SUJ2) 소재 시험

SUJ2 저널베어링 시편의 마찰시험을 진행하기 위해 Fig. 2와 같은 형태로 저널은 시험기 축에 고정하였으며 동심도를 유지하기 위해 테이퍼 형태로 설계하였다. 저널과 베어링은 부하 하중 시 슬립 현상에서 발생하는 마찰 오차를 최소화 하기 위해 키를 사용하여 고정하였다. Table 1은 UNSM기술 적용 전, 후 시편의 기계적 특성이다. 측정 결과 UNSM 기술이 적용되지 않은 시편 대비 UNSM 기술이 적용된 시편의 표면 경도가 약 HRC 4% 증가, 거칠기가 약 35% 감소, 압축잔류 응력이 700 MPa 증가하였다.

Fig. 2.Assembly of bushing and journal.

Table 1.Mechanical properties of SUJ2 specimen before and after UNSM treatment

마찰시험은 Fig. 3과 같은 시험장비 구조에서 수행하였다. Table 2의 저널 베어링 마찰 시험기 사양에서 보는 것처럼 본 시험기의 부가하중은 1~100 kgf, 회전수는 1~1,160 rpm까지 조정이 가능하다.

Fig. 3.Schematic view of a journal bearing test bench.

Table 2.Radial journal bearing test machine specifications

시험조건은 저널 베어링에 레이디얼 하중으로 1,000 kgf를 부가하였고, 시편의 회전속도를 10분간 10 rpm 단위로 10~60 rpm까지 변경하며 수행하였다. 하지만 예비 시험결과 회전 속도가 증가함에 따라서 상대 미끄럼 속도에 따른 마찰계수가 낮아지는 것을 확인하였고, 다시 조건을 변경하여 회전수 1 rpm 단위로 속도를 줄여가며 10~1 rpm까지 추가 시험을 진행하였다. 따라서 총 16번의 회전 조건과 자동차 엔진 오일을 사용하여 순환 윤활 상태로 시험하였다. SUJ2의 피로수명시험은 ASTM G99규격에 맞춰 제작한 원형형상의 시편으로 다목적 마찰 마모 시험기에서 구름 접촉 피로(Rolling contact fatigue)시험방식으로 진행하였다. 시험은 3개의 볼과 압력 450~580 MPa, 회전 속도 1,000 rpm, 오일 윤활조건에서 실행하였다.

2-2-2. SCM440 소재 시험

마찰 시험의 시편은 실제 자동차의 크랭크 샤프트(SCM440)를 사용하여 제작하였다. 크랭크 샤프트의 마찰 부위는 5개의 크랭크 저널과 4개의 핀 부위로 되어있으며 마찰 시험을 하기 위해 샤프트의 저널부분을 절단하여 Fig. 4와 같은 형상으로 시편을 제작하였다. UNSM기술 적용 전/후의 시편표면을 광학 현미경으로 관찰한 결과, Fig. 5에서 보이는 바와 같이 UNSM기술 적용 후의 시편 표면에서 마이크로 딤플이 생성된 것을 확인 할 수 있었다. Table 3는 UNSM 적용 전/후의 절단된 시편의 기계적 특성을 보여준다. UNSM기술 이 적용된 시편이 표면 경도가 HRC 6% 증가 되었고, 동일 시편에서 접촉식 표면 조도 측정기로 측정한 결과 18% 감소한 것이 확인되었다.

Fig. 4.Disk Specimen.

Fig. 5.Optical image showing the microstructure of the untreated and UNSM-treated specimens.

Table 3.Mechanical properties of the SMC440 specimen before and after UNSM treatment

마찰시험은 Fig. 6와 같은 다목적 마찰 마모 시험기에서 진행하였다. 다목적 마찰 마모 시험기는 신소재 개발과 더불어 제품의 다양성 및 사용 환경의 변화로 인해 ASTM 규격뿐만 아니라 비 규격 시험까지 가능한 시험기이다[5].

Fig. 6.Wear and friction tester.

또한 사용 후 크랭크 샤프트의 유사한 피로 조건을 구현하기 위해 샤프트에서 절단한 소재의 표면에 니들롤러 베어링을 이용하여 2,000N의 하중 조건에서 30만 사이클의 피로를 부가한 시편을 준비하였다. 마찰 시험은 어떠한 처리도 되지 않은 보통의 SCM440 시편, 피로를 부가한 시편, 피로 부가 후 UNSM 처리한 시편과 같이 세가지 조건의 시편을 준비하여 하중 50N, 회전속도 100 rpm의 조건에서 동일한 시간 동안 마찰계수를 측정하였으며 초기 표면 마찰 상태 변화를 확인하기 위하여 건식와 오일 조건을 구분하여 비교 측정하였다.

 

3. 시험 결과

3-1. 베어링강(SUJ2) 시험 결과

Fig. 7는 시험에서 도출된 마찰계수 그래프이다. 저널과 샤프트 간의 미끄럼 속도에 의한 마찰 계수는 UNSM 적용된 저널 베어링이 적용되지 않은 베어링보다 모든 구간에서 향상되었다. UNSM 기술이 적용된 시편의 마찰계수 값이 적용되지 않은 시편보다 평균 60% 감소하였다.

Fig. 7.Comparison of Stribeck curves before and after UNSM treatment.

베어링 시험 중 발생되는 진동이 15 Gpeak를 넘어설 경우 시험이 정지되도록 진행한 결과 Fig. 8에서와 같이 UNSM 기술이 적용된 시편의 피로수명이 모든 조건에서 수명이 30% 이상 향상된 것을 확인하였다.

Fig. 8.Variation of the Hertzian stress with respect to the failure cycles.

3-2. SCM440 소재 시험 결과

Fig. 9는 25~27°C의 온도 조건에서 건식 및 오일 윤활 상태에 따른 마찰계수 그래프를 나타낸 것이다. Fig. 9(a)는 건식 상태에서의 시험을 나타낸 것으로, UNSM 처리된 시편이 450초 구간에서 마찰계수가 안정화 되는 현상을 확인할 수 있었다. Fig. 9(b)는 윤활 조건에서 시험한 결과를 나타낸 것으로, UNSM 기술을 적용한 시편과 비교하였을 때 평균 마찰계수가 20%이상 감소하는 것으로 나타났다.

Fig. 9.Friction coefficient of new, halted at 3×105 cycles and UNSM treated on halted at 3×105 cycles SCM440C specimens under dry (a) and oil (b) test conditions.

건식 및 윤활조건의 시험결과, UNSM 표면 처리를 통하여 시편 표면이 나노 결정 조직으로 개질함과 동시에 마이크로 딤플 생성과 표면 거칠기가 감소함으로써 마찰 계수가 낮아지는 것으로 추정된다[6].

 

4. 결 론

본 논문에서는 저널베어링의 소재로 사용되는 SUJ2 베어링강 표면에 UNSM기술적용 전/후의 마찰 및 피로수명 비교시험을 진행하였고, 자동차 엔진 크랭크 샤프트 소재로 사용되는 SCM440의 마찰 계수 비교 평가시험을 진행하였다. 시험결과 두 소재 모두 표면 경도 및 거칠기, 압축잔류응력, 마찰 특성이 향상된 것을 시험을 통하여 확인하였다. SUJ2의 구름 접촉 피로 시험에서는 UNSM기술이 적용된 시편이 적용되지 않은 시편 보다 30% 이상 피로수명이 향상되었다. 이는 기계적 특성의 향상과 마찰계수의 감소가 피로 수명향상에 영향을 미친 것으로 보여진다. SCM440의 마찰 시험에서도 동일하게 UNSM기술을 적용한 시편의 마찰계수가 윤활 조건에서 평균 20% 이상 감소하였다. 이상의 시험을 통하여 얻은 결과로 산업 현장에 사용되는 여러가지 저널 베어링 및 여러 베어링에 UNSM기술을 적용하고 마찰 및 피로특성을 확인하는 연구를 지속적으로 진행 할 계획이다.