Effect of Micro-grooves Manufactured via Ultrasonic Nanocrystalline Surface Modification on Sliding Friction

초음파나노표면개질기술로 제작된 마이크로 그루브가 미끄럼 마찰 특성에 주는 영향

Abstract

The surface texture produced via surface texturing is an important approach for controlling the tribological behavior of friction behavior of mechanical devices. The purpose of this study is to investigate the effect of grooves generated via ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) technology on the tribological performance of AISI 4150 steel against stainless steel 316L. In the study, tribological tests are performed under two different regimes, namely mixed and hydrodynamic lubrication, by varying the applied normal load and reciprocating speed during the tests. According to the test results, the friction coefficient decreases as static load (10 N, 30 N, and 50 N) of UNSM technology increases in the mixed lubrication regime. Conversely, the friction coefficient increases as the static load (10 N, 30 N, and 50 N) of UNSM technology increases in the hydrodynamic lubrication regime. Hence, the results indicate that micro-grooves generate hydrodynamic pressure in the outlet, which increases the oil film thickness between the two mating surfaces. This potentially leads to a reduction in friction in the mixed lubrication regime due to the prevention of contact of asperities and debris. However, the results indicate an adverse effect in the hydrodynamic lubrication regime. In this regard, additional experiments should be performed to investigate the effect of grooves generated by UNSM technology at varying conditions on the friction behavior of AISI 4150 steel, which in turn can be controlled by the generated pressure and oil film thickness at the contact interface.

1. 서론

Surface texturing은 기계 부품의 마찰 성능을 향상시키는 효과적인 수단 중 하나로 여겨지며 표면구조 (surface texture)가 트라이볼로지 특성에 주는 영향을 조사하기 위한 연구가 수행되었다. Etsion등은 실링링(sealing ring) 표면, 왕복 운동하는 자동차 부품, 병렬 스러스트 베어링 및 자기 테이프에 딤플(dimple)을 제작하고 실험과 이론적 모델 해석을 통해 트라이볼로지 성능에 대한 딤플의 직경, 깊이 및 면적 비율의 효과를 이론적으로 연구하였다[1-3]. 깊이 대 직경의 비는 가장 중요한 매개 변수 중 하나로, 이는 윤활막의 두께를 증가시키고 적절한 범위 내에서 마찰계수를 감소시키는데 영향을 주었다. Vlădescu 등은 자동차 부품의 피스톤-라이너 접합부를 정밀하게 모사한 시험장치를 구성하고 초박막의 측정이 가능한 광학장비로 표면구조가 유활막의 두께 및 마찰 성능에 주는 영향을 확인하였고 특히 혼합윤활 영역에서 윤활막과 마찰력이 밀접한 관련성이 있음을 보여주었다[4]. Siripuram과 Stephens는 윤활막이 존재하고 미끄럼 운동하는 표면에 대해 각각 형상이 다른 미세돌기(micro asperities)의 효과에 대한 수치적 연구를 제시하였다[5]. 모든 미세돌기 형상에 대해 돌출부가 0.2, 오목부가 0.7의 면적비를 지니는 영역에서 최소 마찰계수가 나타났다. 이외의 여러 이론적, 실험적, 및 수치해석적 연구들 [6-14]에 의해 표면구조의 깊이, 너비, 미세형상의 개수 및 위치와 같은 기하학적 구조가 베어링 성능에 영향을 주는 것으로 확립되었다.

본 연구에서는 초음파나노표면개질기술 (ultrasonic nano-crystal surface modification, UNSM) 을 이용하여 표면처리 조건에 따라 그루브(groove)가 제작된 시편에 대한 트라이볼로지 시험이 수행되었으며 마찰계수에 대한 그루브의 영향이 논의되었다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. 시편 준비

시험에 사용된 시편은 Fig. 1과 같이 AISI 4150환봉을 치수가 20 mm × 10 mm × 6 mm이 되도록 절단하여 열처리 경화한 AISI 4150 강이며 상대 시편은 치수가 10 mm × 10 mm인 스테인리스강 박판이다. 미처리 시편은 #800 샌드 페이퍼로 표면을 연마하였다. UNSM 처리 시편은 연마된 미처리 시편에 UNSM 기술을 적용하였으며 이에 따라 표면에 미세한 그루브가 생성되었다.

Fig. 1. Specimens for tribo-test.

2-2. 초음파나노표면개질(UNSM) 기술

UNSM기술은 초음파진동 에너지를 응용하여 정적 및 동적 하중이 부가된 강구로 초당 20, 000번 이상의 타격을 가하여 SPD(severe surface plastic deformation)을 금속에 발생시켜 표면을 나노조직으로 개질한다[15]. UNSM 공구가 시편 표편에 접촉된 상태에서 이동하면서 가한 타격에 의해 연속적인 소성변형이 발생되며 결과적으로 공구의 이동방향을 따라 표면에 미세한 그루브가 생성된다. 그루브의 폭과 깊이는 소재의 특성과 표면 상태 및 UNSM처리조건에 따라 결정된다. UNSM 기술의 개요는 Fig. 2와 같고 처리조건은 Table 1과 같으며 표면처리 후 그루브 형상의 대략적인 치수는 Table 2에 나타냈다.

Fig. 2. Schematic view of a UNSM technology.

Table 1. UNSM treatment parameters

Table 2. Groove dimensions generated at various UNSM treatment parameters

2-3. 트라이볼로지 시험 조건

트라이볼로지 시험은 마찰 시험기에서 윤활유를 시편에 공급하면서 Fig. 3와 같이plate-on-plate조건에서 그루브의 직각방향, 왕복 미끄럼 운동으로 수행하였다. 시험조건은 Table 3와 같다. 시험기의 한계로 부가 가능한 ㅇ 최대하중이 제한되기 때문에 스트리벡 곡선(Stribeck curve)에 따라 윤활 상태를 제어하기 위해 하중과 시험속도를 조절하였다. 각 시편별 트라이볼로지 시험을 3회 이상 수행하였다.

Fig. 3. A picture of the reciprocating tribo-test.

Table 3. Reciprocating tribo-test conditions

3. 결과 및 고찰

3-1. 표면경도 및 표면거칠기

표면조도측정기(SJ-210, Mitutoyo, 일본) 및 비커스 경도 시험기(MVK-E3, Mitutoyo, 일본) 로 미처리 시편과 UNSM 처리 시편의 표면거칠기 및 표면경도를 측정하였으며 그 결과는 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4(a)를 보면 UNSM 처리 후 표면거칠기는 증가하였다. 혼합윤활 및 유체윤활의 관점에서 높은 표면 거칠기는 유효한 최소 유막 두께를 감소시키고 두 표면의 돌기(asperities)간의 부분적인 접촉이 발생하여 마찰을 증가시킬 수 있다. Fig. 4(b)를 보면 UNSM 처리 후 표면경도는 거의 변화하지 않았다. 표면경도는 특히 혼합 윤활 영역에서 시편 표면의 미세한 돌기들 간의 탄성 혹은 소성 접촉에 따른 마찰계수 차이에 영향을 줄 수 있으나 본 시험에서 표면 경도 차이에 의한 영향은 적을 것으로 생각된다.

Fig. 4. Comparison in surface roughness (a) and hardness (b) at various UNSM treatment conditions.

3-2. 표면 분석

Fig. 5는 UNSM 처리 전후 시편과 상대 시편의 표면을 SEM 분석한 결과이며 Fig. 5의 (a)는 연마된 미처리 시편이고 (b)는 UNSM 처리 후 시편이며 (c)는 상대시편이다. 미처리 시편 및 상대 시편의 표면은 매끄러운 상태이다. UNSM처리 후 시편 표면에 그루브(groove)가 존재하는 것을 확인할 수 있으며 UNSM처리시 정적 및 동적 하중이 부가된 강구가 시편의 표면을 이동하면서 소성변형 시킨 결과이다.

Fig. 5. SEM image of the untreated (a), and UNSM- treated (b) and counter specimens (c).

3-3. 마찰 계수

트라이볼로지 시험의 결과는 Fig. 6, 7과 같다. Fig. 6는 상대적으로 고하중, 저속도인 시험조건이며 미처리(untreated) 시편의 평균 마찰 계수 및 표준편차는 약 0.11 ± 0.025이며 UNSM처리된 시편의 경우 표면처리시 부가된 정적 하중인 10N, 30N, 50N 순서로 마찰계수 및 표준편차는 각각 약 0.094 ± 0.010, 0.082 ± 0.020, 0.072 ± 0.013로 나타났으며 고하중으로 처리된 시편일수록 평균 마찰계수가 감소하는 경향을 보였다. 반대로 Fig. 7는 저하중, 고속도인 시험조건에서는 미처리 시편의 평균 마찰 계수는 약 0.011 ± 0.004로 가장 낮은 마찰계수를 보였으며 UNSM처리된 시편의 경우 표면처리시 부가된 정적 하중인 10 N, 30 N, 50 N 순서로 평균 마찰계수는 각각 약 0.027 ± 0.008, 0.034 ± 0.015, 0.022 ± 0.015 로 나타나 평균 마찰계수가 증가하는 경향을 보였다. 마찰 계수의 범위로 보아 Fig. 6은 혼합윤활, Fig. 7은 유체윤활 상태로 생각된다.

Fig. 6. Comparison in friction coefficient behaviors at 25 N/0.8 Hz.

Fig. 7. Comparison in friction coefficient behaviors at 10 N/6 Hz.

3-4. 마모 트랙

Fig. 8는 25 N/0.8 Hz시험 조건에서 트라이볼로지 시험 후 시편의 표면을 분석한 결과이다. 스크래치 같은 연삭마모의 흔적이 발견되었으며 특히 상대시편에서 표면에 입자들이 박혀있는 것이 발견되었다. 연삭마모는 부분적인 돌기 및 마모나 외부에서 침입한 미세한 입자들의 접촉에 의해 발생된 것으로 생각된다. 10 N/6 Hz시험 조건에서는 스크래치 등의 흔적은 발견되나 이는 시험 초기 정지 상태에서 상대 운동을 시작하는 순간 접촉되어 있던 돌기 및 외부에서 침입한 입자의 절삭작용 때문 으로 보인다.

Fig. 8. SEM images of the wear track: untreated (a), UNSM-treated after tribo test at 25 N/0.8 Hz (b) and 10 N/6 Hz (c), counter specimen (d).

3-5. 마찰 계수 감소 메커니즘 고찰

Surface texturing이 마찰계수를 감소시키는 메커니즘은 윤활유의 저장소 기능과 마모입자 포집 기능을 고려할 수 있다. 각각의 기능은 윤활막을 유지하기 위한 윤활유 공급을 돕고 마찰력을 증가시키는 마모 입자를 접촉면에서 배제하는데 기여하는 것으로 설명될 수 있다.

본 시험에서 UNSM 처리 후 시편의 마찰계수가 감소된 주요한 원인은 그루브 자체가 마이크로 스케일의 유체 동압 베어링 기능을 수행하였기 때문으로 생각된다[1-4, 12, 16]. Fig. 9에서 설명하면 윤활액이 그루브에 출입하는 과정에서 그루브의 미세한 고저차로 흐름이 바뀌어 출구 부근에서 양력을 발생시켜 하중 지지 효과를 발생시킨 것으로 생각된다. UNSM 처리 조건에 따라 그루브의 기하학적 형상을 제어할 수 있고 이는 유체의 흐름에 영향을 주어 압력 발생 효과를 변화시킬 수 있다.

Fig. 9. Schematic view of a lifting effect mechanism by micro grooves in sliding friction.

고하중, 저속도 조건에서 윤활막의 두께가 충분하지 않아 시편의 미세한 돌기나 접촉면에 침입한 입자에 의한 접촉이 발생하여 마찰이 증가되나 마이크로 그루브로 인해 윤활막의 압력 상승 및 두께 증가로 접촉을 방지함으로써 마찰을 감소시킨 것으로 보인다. 저하중, 고속도 조건에서는 이미 충분한 윤활막 두께가 형성된 상태에서 마이크로 그루브가 윤활액의 흐름을 혼란시키고 불필요한 에너지 손실을 발생시켜 마찰이 증가된 것으로 생각된다.

4. 결론

미처리 시편과 UNSM처리시편 사이의 마찰 계수의 비교는 윤활유가 투입된 왕복 미끄럼 마찰시험에 의해 수행되었다. 주요 결론은 다음과 같다.

UNSM기술에 의해 제작된 마이크로 그루브는 윤활 환경에서 상대운동하는 두 시편의 마찰을 감소시킬 가능성이 있음.

마이크로 그루브에 의한 마찰 감소는 시험 조건 및 주변 환경의 영향을 받으며 경우에 따라 오히려 마찰을 증가시킬 수 있음.

UNSM 처리 조건과 마찰 계수 거동 사이에 유의미한 관계성이 확인되었으며 이는 처리조건에 따라 마이크로 그루브의 폭 및 깊이와 같은 기하학적 형상에 차이가 발생하여 윤활막에 주는 영향이 변하기 때문으로 보임.

이러한 결과로부터 UNSM처리가 미끄럼 마찰 특성을 개선시킬 가능성이 있음을 확인하였다. 다만 surface textuing 분야에서 지적되는 것처럼 마찰 및 윤활 조건과 표면구조의 기하학적 조건에 따라 surface textuing의 효과가 변하여 마찰계수를 증가 혹은 감소시킬 수 있으므로 모든 미끄럼 마찰에 일반적으로 적용시키는 것은 지양해야 한다. 또한 시험 시 주변 온도에 따른 윤활액의 점성 변화 시편의 기하학적 정밀성, 표면의 토포그라피, 시험 설정의 오류 등 시험 결과에 영향을 주는 요소들이 많아 보다 정밀하게 시험환경과 조건을 설정하여 추가적인 시험을 진행할 필요가 있으며 UNSM 처리 조건에 따른 그루브의 기하학적 형상을 정밀하게 측정하고 그에 따른 실제 윤활막의 압력 및 두께에 주는 영향을 구체적으로 확인할 필요가 있다.