Assessment of Tribological Characteristics of CoCrW and CoCrMo Alloys

CoCrW와 CoCrMo 합금의 트라이볼로지 특성 평가

Abstract

Cobalt-chromium (CoCr)-based alloys have been used for wear applications because of their excellent mechanical properties and wear resistance. With growing concern over environmental problems, CoCr alloys are expected to be used for various tribological applications in degraded lubrication states. To expand the applicability of the materials, data should be accumulated across a broad spectrum of experimental parameters. In this work, the friction and wear characteristics of cobalt-chromium-tungsten (CoCrW) and cobalt-chromium-molybdenum (CoCrMo) alloys are investigated experimentally. The tests are conducted using a pin-on-reciprocating-plate tribotester in dry lubrication. CoCrW and CoCrMo are used as pin and plate materials to investigate the effect of the counter material. The results show that the friction coefficients between CoCrW and CoCrMo generally range from 0.4 to 0.5. The friction coefficient between the CoCrW pin and plate is found to be slightly small. However, the total wear between the CoCrW pin and plate is found to be the largest. In contrast, the total wear between the CoCrW pin and plate is relatively small. Furthermore, CoCrW may cause a faster wear progression of CoCrMo, especially for the case in which CoCrMo is used as the pin material. The results of this work provide a better understanding of the tribological properties of CoCrW and CoCrMo alloys. In addition, this work provides a practical guideline for the use of CoCrW and CoCrMo from the tribological design viewpoint.

1. 서론

서로 접촉하여 상대 운동하는 기계 부품에서 발생하는 마찰 및 마모 현상은 효율 감소 및 수명 저감에 따른 자원의 낭비를 유발하므로, 상대운동을 하는 부품의 성능을 개선하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 현재 전세계적으로 환경문제에 대한 관심이 높아짐에 따라, 기계 부품의 효율 및 내구성을 높이기 위한 소재를 개발하고 적용하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다[1-3].

CoCrW 합금 기반 소재들은 탄화물의 분산된 형태, Laves상 등으로부터 비롯되는 우수한 기계적 성질을 가지고 있다[4-5]. 또한, tribo-film 및 산화층 형성 등에 기인하는 높은 내마모성과 내부식성을 가지고 있어 밸브, 베어링, 인공관절, 공구 소재로써 다양하게 활용되고 있다[6-9]. 향후 이러한 소재들의 응용성은 더욱 확대될 것으로 예상되며, 이를 위해서는 다양한 조건에서의 마찰 및 마모 특성을 평가하고, 데이터를 축적하는 것이 요구된다. 특히, 이러한 소재들을 기반으로 한 트라이볼로지적 설계 기술을 도출하기 위해서는 상대 소재에 따른 마찰 및 마모 특성을 체계적으로 이해하는 것이 요구된다.

본 연구에서는 CoCr 기반 합금 중 특히, 밸브와 밸브시트 등과 같이 지속적인 상대운동을 경험하는 응용분야에서 주로 사용되는 CoCrW 합금과 CoCrMo 합금의 소재 조합에 따른 트라이볼로지적 특성을 정량적으로 이해하고자 하였다. 이를 위하여 pin-on-reciprocating plate tribo-tester를 이용한 실험을 수행하였다. 실험 중 마찰력의 변화를 관찰하고, 실험 전후 시편을 laser scanning confocal microscope (LSCM)을 활용하여 관찰함으로써 마모 특성을 평가하였다. 본 연구의 결과는 궁극적으로는 CoCr 기반 합금의 응용 범위를 확대시킬 수 있을 것으로 기대된다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. 실험 시편

본 연구에서는 CoCrW 및 CoCrMo 합금을 이용하여 pin과 plate 시편을 제작하여 실험을 수행하였다. CoCrW 및 CoCrMo pin 시편은 끝단 각도가 120º인 원뿔 형태로 제작되었으며, 이러한 예로써, CoCrW pin을 Fig. 1(a)에 제시하였다. 실험 전 모든 pin과 plate 시편의 표면은 LSCM (VK-X200, Keyence)를 이용하여 주의 깊게 관찰하였다. Figs. 1 (b)와 (c)는 각각 LSCM을 사용하여 측정한 CoCrW 및 CoCrMo pin의 3차원 형상 이미지를 나타낸다. 각 pin의 끝단 반경은 LSCM 데이터로부터 결정되었으며, CoCrW 및 CoCrMo pin의 반경은 각각 140 ± 10 µm, 170 ± 20 µm로 나타났다.

Fig. 1. (a) Photograph of CoCrW pin, LSCM images of (b) CoCrW and (c) CoCrMo pins, (d) photograph of CoCrW plate, and LSCM images of (e) CoCrW and (f) CoCrMo plates.

Pin과 상대 운동하는 plate 시편의 예로써, CoCrW plate 사진을 Fig. 1 (d)에 제시하였으며, Figs. 1 (e)와 (f)는 각각 CoCrW 및 CoCrMo plate의 3차원 LSCM 이미지를 나타낸다. Figs. 1 (e)와 (f)에 제시된 이미지로부터, plate 표면에 시편 제작 시 형성된 것으로 여겨지는 패턴을 관찰할 수 있다. Plate 시편의 표면 거칠기를 결정하기 위하여, 서로 다른 4 곳의 위치에서 LSCM 데이터를 얻었으며, 이를 통하여 얻은 CoCrW 및 CoCrMo plate의 평균 표면 거칠기 (average surface roughness)는 각각 1.7 ± 0.1 µm, 1.6 ± 0.1 µm였으며, Root Mean Square (RMS) 표면 거칠기 값은 각각 2.4 ± 0.1 µm, 2.2 ± 0.1 µm로 나타났다.

재료의 경도는 마찰 및 마모에 크게 영향을 미치는 요인 중 하나임으로 고려하여[10-11], micro-Vickers 경도 시험기를 이용하여 CoCrW 및 CoCrMo plate 시편의 경도를 측정하였다. 경도 측정을 위한 압입력과 압입 시간은 각각 10 N와 10초로 설정하였으며, 서로 다른 4곳의 위치에서 이루어졌다. CoCrW 및 CoCrMo plate의 경도는 각각 550 ± 20 HV, 470 ± 20 HV로 측정되었다.

2-2. 실험방법

Fig. 2는 본 연구에 사용된 실험 장치인 pin-on-reciprocating plate tribo-tester를 나타낸다. 수직하중은 dead weight를 이용하여 가하였으며, 마찰력은 실험장치에 장착된 loadcell을 이용하여 실시간으로 측정하였다. 본 연구에서는 소재 조합에 따른 마찰 및 마모 특성을 중점적으로 평가하기 위하여 예비실험을 통하여 실험 조건을 결정하였다. 하중 및 미끄럼 속도는 각각 20 N와 20 mm/s로 고정하였으며, 왕복 운동거리는 20 mm로 설정하였다. 각 실험은 1200 cycle 동안 진행하였으며, 이는 24 m의 미끄럼 거리에 해당하였다. 실험은 상온 및 상습 환경에서, 건식 조건(dry lubrication)으로 수행되었다. 이와같은 실험조건은 Table 1에 정리하여 제시하였다. 각각의 소재 조합 조건에서 3회 반복 실험을 수행하여 재현성을 확인하였다.

Fig. 2. Photographs of pin-on-reciprocating plate tribo-tester.

Table 1. Experimental parameter

Pin의 마모 부피는 실험 전후의 LSCM 데이터를 비교하여 정량적으로 측정하였다. 또한, plate의 마모 부피는, 실험 후 서로 다른 4곳의 위치에서 얻은 LSCM 데이터로부터 평균 단면을 구하여 계산하였다. 또한, Archard의 마모 법칙을 기반으로 마모율을 계산하였다[12].

3. 결과 및 고찰

3-1. 마찰 특성

Fig. 3 (a)는 pin과 plate 소재가 동일한경우, 즉, CoCrW pin과 CoCrW plate, CoCrMo pin과 CoCrMo plate 사이의 미끄럼횟수에 따른 마찰계수의 변화를 나타낸다. 두 경우 모두에서 초기 약 100~150회 동안 마찰계수가 급격하게 증가하는 한 후 비교적 일정한 값을 유지하는 것을 관찰할 수 있다. 그러나, CoCrW pin과 CoCrW plate의 경우의 마찰계수는 0.40 ± 0.03 정도인 반면, CoCrMo pin과 CoCrMo plate의 경우에는 0.43 ± 0.06정도로, CoCrW 사이에서 발생하는 마찰 계수가 CoCrMo 사이에서 발생하는 마찰 계수에 비하여 낮은 것을 알 수 있다.

Fig. 3. Variations of friction coefficient with respect to number of cycles for (a) CoCrW pin against CoCrW plate, and CoCrMo pin against CoCrMo plate, (b) CoCrW pin against CoCrMo plate, and CoCrMo pin against CoCrW plate, and (c) comparison of average friction coefficient.

Fig. 3 (b)는 pin과 plate 소재가상이한경우, 즉, CoCrW pin과 CoCrMo plate, CoCrMo pin과 CoCrW plate 사이의 미끄럼횟수에 따른 마찰계수의 변화를 나타낸다. Pin과 plate 소재가 동일한 경우 (Fig. 3 (a))와 마찬가지로, 미끄럼 초기에 마찰계수가 급격하게 증가하는 것을 관찰할 수 있으나, 그 후에는 비교적 완만하게 증가하는 것을 관찰할 수 있다. CoCrW pin과 CoCrMo plate, CoCrMo pin과 CoCrW plate 사이의 마찰 특성은 각각 0.47 ± 0.05, 0.48 ± 0.05로 거의 비슷한 것을 알 수 있다. 또한, pin과 plate 소재가 다른 경우의 마찰계수는 동일한 경우에 비하여 약간 큰 것을 알 수 있다.

각 실험 조건에서의 마찰 특성을 비교하기 위하여, 1,000~1,200 회 왕복 운동 동안의 마찰계수 평균을 구하였다. Fig. 3 (c)는 이러한 결과로써, 3회의 반복실험을 통하여 얻은 각 소재 조합에 따른 정상상태 마찰계수를 나타낸다. Fig. 3 (c)에 제시된 바와 같이, CoCrW pin과 CoCrW plate, CoCrMo pin과 CoCrMo plate, CoCrW pin과 CoCrMo plate, CoCrMo pin과 CoCrW plate 사이의 마찰계수들은 각각 0.40 ± 0.01, 0.45 ± 0.06, 0.47 ± 0.02, 0.48 ± 0.03로 계산되었다. 동일한 소재 간의 마찰계수가 상이한 소재 간의 마찰계수 보다 약간 작은 것으로 나타났다. 또한, 동일한 소재의 경우에는 CoCrW가 CoCrMo에 비하여 11.0% 정도 낮은 마찰 특성을 나타낸 반면, 소재가 상이한 경우의 마찰 특성은 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 그러나 전체적으로 CoCrW와 CoCrMo 상대재료 조합에 따른 마찰계수는 유사한 수준을 가지는 것을 알 수 있다.

3-2. 마모 특성

Fig. 4는 pin과 plate 소재가 동일한 경우에, 시편 접촉부를 LSCM으로 관찰한 3차원 이미지와 단면 프로파일을 나타낸다. 각 단면 프로파일은 미끄럼 방향과 수직을 이루도록 얻었으며, 실험 전 프로파일과 함께 제시하였다. 단면 프로파일의 위치는 3차원 이미지상에서 점선으로 표시하였다. Figs. 4 (a)와 (b)는 각각 CoCrW pin과 CoCrW plate, CoCrMo pin과 CoCrMo plate의 실험결과를 나타낸다. 두 경우 모두 pin의 끝단이 마모에 의해 평평해진 것을 확인할 수 있으며, 평평해진 끝단에는 미끄럼 방향을 따라 형성된 마모 흔적을 관찰할 수 있다. 이와 같이 pin이 평평해짐에 따라, pin과 plate 사이에 작용하는 접촉 압력은 감소할 것으로 예상된다. Plate의 경우에는 3차원 이미지와 단면 프로파일로부터, 마모 트랙이 미끄럼 방향을 따라 형성된 것을 명확하게 확인할 수 있다. 또한 형성된 마모 트랙 주변에 burr가 형성된 것을 알 수 있다.

Fig. 4. 3-dimensional laser scanning confocal microscope images and cross-sectional height profiles for (a) CoCrW pin against CoCrW plate and (b) CoCrMo pin against CoCrMo plate after experiment.

Fig. 4 (a)에 제시된 pin의 단면 프로파일로부터, CoCrW plate와 상대운동을 경험한 CoCrW pin의 높이 감소 및 마모된 영역의 직경은 각각 110 µm, 300 µm 정도인 것으로 나타났다. Plate에 형성된 마모 트랙의 폭과 깊이는 각각 600 µm, 10 µm로 측정되었다. 또한, 마모 트랙 주변에 형성된 burr의 높이는 약 10 µm인 것으로 나타났다. 이러한 측정 결과를 바탕으로 계산된 pin과 plate의 마모 부피는 각각 2.7 × 10^-3 mm³ , 1.4 × 10^-2 mm³로 나타났으며, pin과 plate의 마모율은 각각 5.7 × 10^-6 mm³/(Nm), 3.0 × 10^-5 mm³/(Nm) 로 계산되었다.

Fig. 4 (b)에 제시된 데이터로부터, CoCrMo plate와 상대운동한 CoCrMo pin의 높이 감소 및 마모된 영역의 직경은 각각 50 µm, 350 µm 로써, CoCrW plate 와 상대운동한 CoCrW pin에 비하여 높이 감소는 작고, 마모 영역은 큰 것으로 나타났다. CoCrMo plate에 형성된 마모 트랙은 CoCrW plate에 형성된 마모 트랙에 비해 좁고 얇게 형성되었으며, 폭과 깊이는 각각 300 µm, 8 µm로 측정되었다. 또한, 마모 트랙 주변에 형성된 burr의 높이는 약 15 µm인 것으로 나타났다. 이러한 측정 결과를 바탕으로 계산된 pin과 plate의 마모 부피는 각각 2.1 × 10^-3 mm³ , 4.3×10^-3 mm³였으며, 이는 각각 4.4×10^-6 mm³/(Nm), 9.0 × 10^-6 mm³/(Nm)의 마모율에 해당하였다.

Fig. 5 는 상이한 소재 간의 실험 후 각 시편을 LSCM 으로 관찰한 3차원 이미지와 단면 프로파일을 나타낸다. Figs. 5 (a)와 (b)는 각각 CoCrW pin과 CoCrMo plate, CoCrMo pin과 CoCrW plate간의 실험 결과를 나타낸다. Fig. 4에 제시된 동일한 소재의 경우와 마찬가지로, pin과 plate 소재가 상이한 경우에도 pin 끝단이 마모되어 평평해진 것을 알 수 있으며, plate에서는 마모 트랙이 미끄럼 방향을 따라 발생한 것을 명확하게 관찰할 수 있다. 또한, 마모 트랙 주변에 burr가 형성된 것도 관찰할 수 있다.

Fig. 5. 3-dimensional laser scanning confocal microscope images and cross-sectional height profiles for (a) CoCrW pin against CoCrMo plate and (b) CoCrMo pin against CoCrW plate after experiment.​​​​​​​

Fig. 5(a)에 나타낸 pin의 단면 프로파일로부터, CoCrMo plate와 상대운동을 경험한 CoCrW pin의 감소된 높이 및 마모된 영역의 직경은 각각 40 µm, 250 µm 정도인 것으로 나타났다. 또한, Plate에 형성된 마모 트랙의 폭과 깊이는 각각 250 µm, 10 µm로 측정되었다. 마모 트랙 주변에 형성된 burr의 높이는 약 10 µm인 것으로 나타났다. 이러한 측정 결과를 바탕으로 계산된 pin과 plate의 마모 부피는 각각 1.3 × 10^-3 mm³, 6.3 × 10^-3 mm³였으며, 마모율은 각각 2.7 × 10^-6 mm³/(Nm), 1.3 × 10^-5 mm³/(Nm)로 나타났다.

Fig. 5 (b)로부터, CoCrW plate와 상대운동한 CoCrMo pin의 높이 감소 및 마모된 영역의 직경은 각각 150 µm, 500 µm로써, 다른 경우에 비해 pin의 마모가 가장 크게 발생한 것으로 나타났다. CoCrMo pin과 상대운동을 경험한 CoCrMo plate의 폭과 깊이는 각각 700 µm, 5 µm로 다른 경우에 비해 마모트랙이 가장 넓고 얇게 형성되었으며, burr의 높이는 약 5 µm인 것으로 나타났다. 이러한 측정 결과를 바탕으로 얻은 pin과 plate의 마모 부피는 각각 1.2 × 10^-2 mm³, 4.1 × 10^-2 mm³였으며, pin과 plate의 마모율은 각각 2.5 × 10^-5 mm³/(Nm), 0.9 × 10^-5 mm³/(Nm)로 나타났다.

Fig. 6는 각 소재 조합에 따른 결과를 정리한 것으로써, 반복실험을 통하여 얻은 마모 부피, 마모율 측정 결과를 나타낸다. Fig. 6(a)는 각 경우에 대한 pin의 마모율을 나타낸다. CoCrW pin과 CoCrW plate, CoCrMo pin과 CoCrMo plate, CoCrW pin과 CoCrMo plate, CoCrMo pin과 CoCrW plate 사이에서 발생하는 각 pin의 마모율은 각각 (0.6 ± 0.1) × 10^-5 mm³/(Nm), (3.9 ± 0.4) × 10^-6 mm³/(Nm), (1.9 ± 0.5) × 10^-6 mm³/(Nm), (2.0 ± 0.5) × 10^-5 mm³/(Nm)으로 계산되었다. 또한, 소재 조합에 따른plate의 마모율은 Fig. 6(b)에 제시하였다. CoCrW pin과 CoCrW plate, CoCrMo pin과 CoCrMo plate, CoCrW pin과 CoCrMo plate, CoCrMo pin과 CoCrW plate 사이에서 발생하는 각 plate 마모율은 각각 (3.2 ± 0.1) × 10^-5 mm³/(Nm), (9.9 ± 0.8) × 10^-6 mm³/(Nm), (1.2 ± 0.2) × 10^-5 mm³/(Nm), (1.1 ± 0.4) × 10^-5 mm³/(Nm)로 계산되었다. 전체적인 마모 특성을 효과적으로 비교하기 위하여 Fig. 6(c)에는 pin과 plate의 마모 부피를 합산하여 제시하였다. CoCrW pin과 CoCrW plate, CoCrMo pin과 CoCrMo plate, CoCrW pin과 CoCrMo plate, CoCrMo pin과 CoCrW plate 사이의 pin과 plate의 마모 부피의 합은 각각 1.8 × 10^-2 mm³, 6.6 × 10^-3 mm³, 6.6 × 10^-3 mm³, 1.5 × 10^-2 mm³ 로 계산되었다.

Fig. 6. Wear rates of (a) pin and (b) plate, and (c) total wear volumes of pin and plate.​​​​​​​

Fig. 6에 제시된 결과로부터, 상대 소재가 동일한 경우, CoCrW 소재간의 마찰특성이 CoCrMo 소재간의 마찰특성에 비하여 약간 (11%) 작음에도 불구하고 (Fig. 3), 마모는 상대적으로 빠르게 진전되는 것을 알 수 있다. 특히, CoCrW plate의 마모율은 다른 경우의 plate 마모율에 비해 약 3배 정도 컸으며, 이에 따라 총 마모 부피도 가장 큰 것으로 나타났다. 이러한 결과는 동일한 소재 간에 크게 나타날 수 있는 응착 마모와 관련이 있을 것으로 기대된다. 반면에, CoCrMo 소재 간의 마모 진전은 상대적으로 매우 작게 나타났는데, 이는 tribo-film 형성에 기인할 것으로 생각된다[13,14].

CoCrW pin과 CoCrMo plate, CoCrMo pin과 CoCrW plate간의 마모 특성을 비교한 결과, CoCrMo pin과 CoCrW plate간의 마모가 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 이는 소재 조합이 같더라도, 어느 소재가 pin, 또는 plate로 사용됨에 따라 마모 특성이 다르게 나타날 수 있다는 것을 의미한다. 또한, CoCrW와 상대운동을 경험하는 CoCrMo의 마모는, 두 경우 모두에서 비교적 큰 것으로 나타났다. 특히, 대부분의 경우에서 pin의 마모율은 plate의 마모율에 비하여 작았음에도 불구하고[3,4], CoCrW plate와 상대 운동하는 CoCrMo pin의 마모율은 매우 큰 것으로 나타났다. 이러한 결과는, CoCrW 가 CoCrMo에 비하여 높은 경도를 가지고 있어, CoCrMo의 마모를 더 크게 진전시키는 것으로 생각된다[15]. 이러한 관점에서, CoCrW와 CoCoMo 소재간 상대운동 발생시에는 CoCrW의 내마모성이 상대적으로 큰 것을 알 수 있다.

4. 결론

본 연구에서는 CoCr합금의 상대 소재 조합에 따른 적용 가능성을 평가하기 위해 마찰 및 마모 특성을 건식 윤활상태에서 정량적으로 평가하였다. 이를 위하여 pin-on-reciprocating plate tribo-tester를 사용하여, 소재 조합을 변경하며 실험을 수행하였고 다음의 결론을 얻었다.

1) CoCr 소재 간의 마찰계수는 약 0.4~0.5사이에 형성되었으며, 소재 조합에 따른 차이는 크지 않은 것으로 나타났으나, CoCrW 사이의 마찰특성이 약간 더 작은 것으로 나타났다.

2) CoCrW 사이의 마찰특성이 비교적 더 작았음에도 불구하고, CoCrW 사이의 마모 진전은 상대적으로 매우 빠른 것으로 나타났다.

3) CoCrMo 사이의 마모 특성은 우수한 편으로써, CoCrW 사이의 마모에 비하여 약 3배 정도 작은 것으로 나타났다.

4) CoCrW와 CoCrMo 간의 마찰 특성은 비교적 유사했으나, CoCrW 가 CoCrMo의 마모를 크게 유발하는 것으로 나타났다. 특히, CoCrMo가 pin으로 사용될 경우에 마모가 크게 발생하는 것으로 나타났다.

본 연구에서 평가한 CoCr 합금 기반 소재의 마찰 및 마모 특성 결과는 향후 기계부품의 효율과 내마모성을 향상시키는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 이러한 소재의 마찰 및 마모 특성을 보다 깊이 이해하기 위해서는 미끄럼 거리 증가에 따른 마찰 특성 및 마모 기구 진전에 대한 연구, 온도 및 습도 환경 변화에 따른 영향 등에 대한 고찰이 필요할 것으로 예상된다.