Effects of Lubricant on Fretting Corrosion of Tin-Coated Electric Contacts

주석 도금한 전기 접촉부의 미동마멸 부식에 대한 윤활유의 영향

Abstract

We conduct a series of fretting corrosion tests on tin-coated electric contact to evaluate the effects of lubricant on fretting corrosion behavior. We perform these tests with a constant contact force at 25℃ 50℃, 75°C, and 100℃. In the tests with a span amplitude of 30 μm, we could not determine the conventional behavior of the first, second, and third stages of the change in electric resistance during fretting corrosion and observed that the contact resistance continuously increases with the cycles. This behavior is due to the fact that the generation of oxides on the tin-coated contact is controlled and stabilized by the presence of lubricant. SEM observations on samples with a span amplitude of 77 μm at all testing temperatures confirm that there is less oxide debris on the fretting damaged surface. Hence, for tin-coated electric connector, the effect of lubrication on the lifetime of the electric contact increases as the fretting span decreases and testing temperature increases, compared to those for connector without lubricant. Especially, for a specimen with a span amplitude of 30 μm at 100℃, the increment in contact lifetime due to lubricant is found to be more than 20 times, compared to that without lubricant.

1. 서 론

최근 자동차에서는 유해 배출가스 감소와 편의 및 안전성 향상을 위하여 첨단 전자 제어장치의 적용이 급격히 증가하고 있다[1]. 자동차의 전자제어시스템에서는 배선 와이어보다는 커넥터 단자에서 주로 문제가 발생한다. 커넥터 단자의 접촉불량의 주요 원인 중 하나인 미동마멸 부식(fretting corrosion)은 진동이나 열팽창 차이에 의하여 접촉부에 미동마멸 및 부식이 복합적으로 발생하는 현상이다[2]. 커넥터 접촉부의 경우 산화막 생성 촉진, 먼지나 불순물 등에 노출되기 쉬운 이동 조건 등으로 인하여 동적인 조건에서 접촉저항이 급격히 변화하는 현상이 발생하게 된다. 이와 같은 상황에서는 각종 전자제어 센서들에서 출력되는 신호 데이터 값의 왜곡이 발생할 수 있다. 이러한 커넥터의 접촉 불량에 의한 고장은 차량의 안전한 운전에 치명적일 수 있다.

최근 현장에서는 자동차 전기 커넥터 단자에 전도성 윤활유를 도포하여 커넥터의 수명을 연장하는 제품이 출시되어 일부 적용되고 있다. 그러나, 이들의 성능 향상에 관한 정량적인 평가를 다룬 연구[3-5]는 매우 제한적이다. 예를 들어, Swingler[3]는 자동차 전기 커넥터 단자에서 저주기 미동마멸의 경우에 전류를 가할 경우 전류에 의한 주울 열이 표면 산화를 가속화시키나 산화막의 전기적 파쇄를 더 주도하게 되어 접촉저항 증가 현상을 지연시킨다고 발표하였다. 또한, 윤활은 산화막 형성을 지연시키며 마모를 줄이고 접촉부의 산화막 부스러기를 청소하는 역할을 하여 접촉저항 거동을 향상시킨다고 보고하였다. Narayanan 등[4]은 주석 도금한 커넥터의 윤활유의 영향에 대하여 상온에서는 매우 효과적이며 접촉저항이 매우 안정적인 거동을 보인다고 발표하였다. 그러나 155℃의 경우 주석 도금은 경도의 감소로 인해 빠른 속도로 마모가 이루어지고, 윤활유는 산화를 억제하며 마모된 부스러기 입자와 산화물들이 접촉부에 쌓여서 윤활유가 제 역할을 못한다고 보고하였다. 그러나 전도성 윤활유를 커넥터 접점에 도포 시 접촉수명 측면에서의 정량적인 성능 향상에 관한 연구는 거의 없다.

따라서 본 연구에서는 자동차용 전기 커넥터 단자의 성능향상 및 수명 연장을 위하여 현장에서 일부 적용하고 있는 전도성 윤활유를 적용하여 미동마멸부식 거동에 있어서 윤활유의 영향을 연구하고자 한다. 이를 위하여 다양한 온도 및 미동거리에 대하여 미동마멸 부식 과정을 분석하고 각 조건에서의 미동거리의 영향과 접촉저항의 변화를 고찰하고자 한다. 이를 통하여 전기 커넥터에 전도성 윤활유를 현장에 적용 시 커넥터 접점의 내구 수명측면에서의 향상효과를 정량적으로 평가하고자 한다.

 

2. 실험 방법 및 시험편

시험기의 주변온도에 의한 온도차이로 발생하는 변위제어의 오차를 제거하기 위하여 시험기 전체를 외부 챔버안에서 장착하여 시험을 수행하였다. 또한, 시편의 접촉저항을 측정하기 위해 정전류-저항측정법을 사용하였다. 미동 마멸시 변화하는 저항을 관찰하기 위해 Fig. 1과 같이 커넥터 양단에 0.1A의 정전류를 흐르게 하고 대각선 방향에서는 멀티미터기를 이용하여 전압 강하를 측정하여 옴의 법칙을 이용하였다. 일정한 변위를 제어하기 위하여 고해상도 CCD 카메라를 적용하여 정해진 간격의 두 개의 표점거리를 측정하여 LabVIEW 프로그램을 통하여 실시간으로 제어하였다. 마찰계수를 측정하기 위하여 수직 방향의 하중은 분동추를 적용하고 수평방향으로 작용하는 힘을 측정하여 수평방향 하중/수직하중으로 결정하였다. 시험장치의 상세한 설명은 논문[6]과 유사하다.

Fig. 1.Schematic of measurement for contact resistance.

실험에 사용된 전기접촉시편은 전력공급 및 신호전달용 커넥터로 널리 사용하는 구리합금 (Ni:1.82%, Si: 0,75%, Zn: 0.01%, Sn 0.37%, Cu: balance)으로 시편의 두께는 0.3 mm이다. 주석 도금층의 두께는 10 μm이다. 단일 접촉점을 구현하기 위하여 상부 시편은 볼록 시편으로 제작되었으며 하부 시편은 평판으로 제작하였다. 볼록 시편의 곡률반경을 1 mm로 제작하기 위하여 직경 2 mm의 볼 베어링을 압입자로 사용하여 직경 2 mm 구멍으로 제작된 하부 금형을 사용하여 수직으로 변위 1 mm를 가하여 제작하였다. 반구형 시편의 지름을 측정한 결과 반구형 시편의 표면 반지름은 1.04 mm으로 확인하였다.

0.85 N의 일정한 접촉 하중 상태에서 미동거리를 30 μm, 50 μm, 77 μm로 변화시키면서 온도 25℃, 50℃, 75℃, 100℃에서 실험을 수행하였다. 미동마멸시험 시 시험편의 미끄럼 속도는 평균 0.02 μm/s로 매우 느리게 수행하였다. 시험에 사용한 윤활유는 시중에서 전기 커넥터의 수명 및 성능 향상을 위하여 사용하는 중간 점도를 가지며 실리카가 많이 첨가된 합성 탄화수소계 그리스인 Nye Lubricant사의 NyoGel 760G를 적용하였다. 시험은 접촉저항이 최대 0.1Ω에 이를 때까지 수행하였다. 미동마멸에 의한 표면의 손상정도를 분석하기 위해 미동마멸이 발생한 부위에 대하여 시편을 채취하여 SEM 분석을 수행하였다.

 

3. 실험결과 및 고찰

3-1. 접촉전기저항의 변화

Fig. 2(a), (b), (c)는 온도 25℃, 접촉하중 0.85 N에서 이동거리 30 μm, 50 μm, 77 μm에서 사이클 당 전기저항의 변화를 각각 나타낸 그래프이다. Fig. 2(a)에서 온도 25℃에서 미동거리 30 μm의 경우 접촉저항이 약 2350 사이클 까지 점차적으로 접촉저항이 증가하며, 그 이후에는 급격히 증가하며 접촉저항이 0.01Ω에 도달하였다. 온도 25℃에서 미동거리 50 μm의 경우인 Fig. 2(b)의 경우, 접촉저항이 약 300 사이클까지 점차적으로 접촉저항이 증가하며 그 이후에는 저항 크기의 변동이 심하게, 즉 불안정하게 증가하며 약 400 사이클 근처에서 매우 불안정하게 증가하였다. 420 사이클 근처에서 0.01Ω에 도달하였으며 그 이후에도 더욱 불안정하게 변화하였다. 한편, 온도 25℃에서 미동거리 77 μm의 경우인 Fig. 2(c)의 경우는 접촉저항이 약 40 사이클까지 일정한 상태에서 그 이후에는 불안정하게 증가하여 약 200 사이클 근처에서 접촉저항이 0.01Ω에 도달하였으며 200 사이클 이후에는 좀 더 급격히 증가하면서 불안정하게 변화하였다. 이들 세 가지의 경우 안정적으로 접촉저항이 증가하는 구간의 길이가 미동거리가 증가하면서 감소하는 거동을 나타내고 있다. 또한 미동거리가 증가하면서 0.01Ω까지 도달하는 사이클 수가 감소함을 알 수 있다. Fig. 2(a), (b), (c)에서 초기 수 사이클까지 접촉저항이 증가한 후에 급격히 저항이 감소하는 것은 초기 도금층에 생성된 산화물로 인해 저항이 증가 후 바로 파쇄되어 감소하는 것으로 판단된다. 또한, 접촉저항이 사이클이 증가하면서 완만하게 지속적으로 증가하는 현상은 다른 연구[6]에서 서술한 바와 같이 접촉면의 산화막이 반복으로 파괴되면서 쌓인 산화물 입자(oxide particles)가 접촉면의 일부분을 차단하였기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 2.Variation of contact resistance with fretting cycles at a span amplitude of (a) 30 μm, (b) 50 μm, and (c) 77 μm at 25℃, respectively.

Fig. 3(a), (b), (c), (d)는 각각 미동거리 30 μm에 대한 시험온도 25℃, 50℃, 75℃, 100℃에 대한 결과를 다시 비교 정리한 것이다. 오일이 없이 건조상태에서의 주석 도금한 커넥터 접촉 저항은 통상적으로 비교적 일정하며 낮은 접촉저항 값을 갖는 제 1구간, 접촉저항이 지속적으로 증가하는 제 2구간, 매우 불안정하게 간헐적으로 접촉저항이 급작스럽게 증가하는 제3구간으로 구분된다[7]. Fig. 3(a), (b), (c), (d)을 통하여 미동거리 30 μm에서는 온도에 상관없이 제 1, 2, 3 구간의 구분이 없이 사이클이 증가하면서 지속적으로 접촉저항이 증가하는 거동을 보였다. 또한, 온도가 증가하면서 사이클당 접촉저항이 증가하는 기울기가 증가하여 결국 0.01Ω까지 도달하는 사이클 수가 감소함을 알 수 있다. 이는 윤활유로 인하여 접촉면의 산화막 생성을 억제하여 반복으로 파괴되면서 쌓인 산화물 입자가 접촉면의 일부분을 차단하는 것을 억제하는 효과로 기인한다. 또한, 도전성 윤활유로 인하여 접촉면을 증가시키는 효과로 판단된다.

Fig. 3.Change in contact resistance of the connector across the contact zone as a function of fretting cycles with an amplitude of 30 μm at (a) 25℃, (b) 50℃, (c) 75℃, and (d) 100℃.

3-2. 접촉마찰계수의 변화

Fig. 4(a), (b), (c)는 각각 25℃에서 수직하중 0.85 N의 하중이 가해질 때 미동거리 30 μm, 50 μm, 77 μm 일 때의 마찰계수의 변화를 나타내고 있다. Fig. 4(a), (b), (c)을 통하여 미동거리가 증가하면서 전반적으로 마찰계수의 크기도 같이 증가함을 알 수 있다. 초기의 낮은 마찰계수는 표면의 산화막이 존재함으로 야기된다고 판단된다. 그러나 산화막이 제거되면 금속/윤활유/금속 혹은 금속/윤활유/마멸 산화막 입자 간의 상호작용이 시작되어 마찰계수가 증가한다고 판단된다. 한편, 50℃, 75℃, 100℃ 온도 구간에서의 실험결과를 통하여 전반적으로 온도가 증가하면서 전반적으로 마찰계수가 증가하였다. 이와 같은 이유는 온도가 증가하면서 산화막의 생성이 증가하며 이로 인하여 마찰계수가 증가하는 것으로 판단된다.

Fig. 4.Variation of friction coefficient with fretting cycles at a span amplitude of (a) 30 μm, (b) 50 μm, and (c) 77 μm at 25℃, respectively.

3-3. 표면형상 분석

미동거리 77 μm에서 시험한 평편한 측의 미동접촉 마모가 발생한 부분을 SEM으로 관찰하였다. Fig. 5(a), (b), (c), (d)는 각각 온도 25℃, 50℃, 75℃, 100℃에서 실험한 시험편의 표면 형상이다. 본 사진을 통하여 손상부 주변에 산화물 덩어리가 별로 없이 매우 깨끗함을 확인하였다. 손상부 주변에서의 덩어리가 산화물인지 여부를 파악하기 위하여 SEM에 설치된 에너지 분산분석기(EDS, energy dispersive spectroscopy)를 이용하여 손상된 부분의 성분을 분석하였다.

Fig. 5.SEM micrographs of the fretting wear surface of the specimens at (a) 25℃, (b) 50℃, (c) 75℃, and (d) 100℃, respectively, with a span amplitude of 77 μm.

Fig. 6은 온도 100℃에서 미동거리 77 μm 에서 실험한 시험편(Fig. 5(d))의 EDS 결과이다. Fig. 6(b)를 통하여 미동마멸이 발생하지 않은 부분 (지점 1)의 경우 산소가 약 17%로 나타났다. 이에 비하여 미동마멸 손상이 발생한 부분에서 산소의 성분은 상대적으로 높아 지점 9의 경우 최대 71% 정도로 나타났다. 또한 중앙에 해당하는 부분인 지점 4의 경우 구리가 34% 검출되었다. 또한 손상주변의 덩어리에 해당하는 지점 3의 경우 32%로 나타나 이들 물체가 산화막 덩어리로 판단된다. 본 실험결과를 통하여 미동마멸로 인하여 산화물이 손상된 부분에 많이 발생하였음을 확인하였다. 그러나 오일을 도포하지 않은 결과와 비교하여 산화물 부스러기가 잘게 부스러지지 않고 덩어리로 존재함을 알 수 있다. 이는 윤활유가 없는 주석 도금한 커넥터의 경우 미동마멸 시험 후 수 μm~100 μm 이상의 크기를 갖는 산화된 도금층이 박리되어 퇴적된 것을 관찰한 결과[6]와 매우 상이하다. 윤활유가 없는 경우에는 마멸접촉면에 산재된 많은 산화물 부스러기들로 인하여 전기저항이 증가하였다. 또한, Fig. 5를 통하여 온도가 증가하면서 손상부 주변에 산화물의 입자가 약간씩 증가함을 알 수 있다. 이와 같은 사실은 온도가 증가하면서 전반적인 마찰계수의 크기가 증가하는 사실과 일치한다.

Fig. 6.(a) SEM micrographs of the fretting wear surface and (b) EDS results at point 1~10 of the specimens at 100℃ with a span amplitude of 77 μm.

3-4. 커넥터 수명

커넥터의 접촉저항에 대한 파손기준은 제품의 접촉 저항보다는 적용하는 분야의 일정 값으로 정하고 있다. 본 연구에서는 시험편인 주석 도금 커넥터를 신호용 접점에 적용한다고 가정하여 파손기준을 0.01Ω으로 설정하였다. Fig. 7은 미동거리에 대한 파손 사이클 수를 나타낸 그래프이다. Fig. 7을 통하여 전반적으로 미동거리의 크기가 증가하면서 또한 온도가 증가하면서 파손 수명이 감소하는 경향을 나타냄을 알 수 있다. 그러나 50℃와 75℃의 경우 약간 온도 효과에 대한 경향이 역전되는 경향이 있다. 이에 대한 이유는 현재 불분명하여 추가적인 연구가 필요하다.

Fig. 7.Fretting cycles to 0.01Ω of tin-plated brass as a function of span amplitude with lubricant at different temperatures.

접촉 수명을 0.01Ω으로 가정 시의 25℃, 50℃, 75℃, 100℃에서의 일정한 접촉하중(=0.85 N) 조건에서 접촉 수명 결과를 Table 1에 요약하였다. 윤활유가 없는 주석 도금한 커넥터에 대한 동일한 조건에서 실험한 데이터[6]를 비교를 위하여 추가하였다. Table 1을 통하여 윤활유를 첨가한 주석 도금 커넥터의 경우 윤활유가 없이 건조한 상태에서의 커넥터에 비하여 수명이 증가함을 확인하였다. 특히 미동거리가 30 μm일 경우 온도 100℃에서 윤활유 도포로 인한 수명 증가 효과가 20배 이상 증가함을 알 수 있다. Fig. 8은 시험온도 25℃, 50℃, 75℃, 100℃에서의 일정한 접촉하중 (=0.85 N)조건에서 접촉수명을 나타낸 그래프이다. Fig. 8을 통하여 미동거리가 작을수록, 그리고 온도가 증가할수록 접촉 수명에 대한 윤활유 도포 효과가 증가함을 확인하였다. 통상적으로 자동차 커넥터의 단자의 경우 미동거리가 30 μm 이하이며 엔진의 작동으로 인하여 후드의 온도가 100℃ 이상인 점을 고려할 경우 기존의 윤활유 도포없이 적용하는 경우보다 접촉 단자에 윤활유를 적용시 접촉 수명 연장에 매우 기여할 것으로 판단된다.

Table 1.Summarized results of fretting life cycles to 0.01 Ohm with and without lubricant [6]

Fig. 8.Effect of lubricant on fretting lifetime to 0.01Ω of tin-plated brass as a function of span amplitude at different temperatures.

 

4. 결 론

전기적 컨넥터의 미동마멸부식 현상에 있어서 온도 25℃, 50℃, 75℃, 100℃에서 윤활유를 적용하여 이들 윤활유가 접촉저항 수명에 끼치는 영향을 평가하기 위하여 미동 거리 30 μm, 50 μm, 77 μm에 대하여 실험을 수행하였다. 실험결과는 다음과 같다.

1. 미동거리 30 μm에 대한 시험온도 25℃, 50℃, 75℃, 100℃에 대한 시험결과 통상적인 미동마멸부식거동인 제 1, 2, 3 구간의 구분이 없이 사이클이 증가하면서 지속적으로 접촉저항이 증가하는 거동을 보였다. 이는 윤활유로 인하여 접촉면의 산화막의 생성을 억제하며 접촉면을 안정화시키는 효과로 판단된다.

2. 미동거리 77 μm에서 시험한 시험편에 대하여 SEM으로 관찰한 결과 손상부 주변에 전반적으로 산화물 덩어리가 거의 없음을 확인하였다. 그러나, 온도가 증가하면서 손상부 주변에 산화물의 입자가 약간씩 증가함을 알 수 있다. 이와 같은 사실은 온도가 증가하면서 전반적인 마찰계수의 크기가 증가하는 사실과 일치한다.

3. 윤활유를 첨가한 주석 도금 커넥터의 경우 윤활유가 없이 건조한 상태에서의 커넥터에 비하여 미동거리가 작을수록, 온도가 증가할수록 접촉 수명에 대한 윤활유 도포 효과가 증가하였다. 특히, 미동거리가 30 μm일 경우 온도 100℃에서 윤활유 도포로 인한 수명 증가 효과가 20배 이상 증가함을 알 수 있다.