Evaluation of Friction and Wear Characteristics of Carbon-based Solid Lubricant Films for Surface Application of Compressor Parts

압축기 부품소재 표면 적용을 위한 탄소 기반 고체 윤활막의 마찰 및 마모 특성 평가

Abstract

Between diaphragms made of stainless steel (SUS), which is the main component of a hydrogen gas compressor, micro-slip occurs owing to repeated bending, resulting in scratches on the surface. The surface scratch of the compressor part is a problem with airtightness, which reduces the efficiency of the compressor; in severe cases, damage is a possibility. In this study, the changes in friction and wear characteristics due to the surface polishing of SUS and carbon-based solid lubricant films (graphene and CNT) were analyzed. Bare SUS, polished SUS, graphene film, and CNT film specimens were prepared. The surface roughness of the SUS was significantly reduced by surface polishing but increased by carbon-based solid lubricating films. In contrast, the friction coefficient maintained a similar value after surface polishing but was significantly reduced by the carbon-based solid lubricant films. In particular, the graphene film exhibited the lowest initial friction coefficient, while the CNT film exhibited the lowest overall average friction coefficient. Regarding the wear rate, polished SUS exhibited the lowest value, but the surface condition of the wear track showed that the carbon-based solid lubricating films were relatively less damaged. Although the wear rate measured was largely attributed to the solid lubricating film peeling off, the SUS surface under the film was considered protected.

1. 서론

수소가스를 생산 및 저장하기 위해 사용되는 다이아프램 압축기의 핵심 부품인 다이아프램은 인코넬 합금 (Inconel alloy)이나 스테인레스 강(stainless steel) 소재로 원형의 얇은 박판으로 되어 있으며, 3장이 겹쳐져서 압축기 내에 설치가 된다[1,2]. 수소가스를 압축하기 위해 반복적인 굽힘을 경험하는 다이아프램들 간의 접촉면에서 는 미세한 슬립 현상에 의해 스크래치가 발생된다. 다이아프램 표면의 스크래치가 형성됨에 따라 압축기 내기 밀성에 문제가 될 수도 있으며, 반복적인 굽힘에 의해 크랙이 발생되고 심한 경우 다이아프램이 파손되기도 한 다[3]. 압축기의 기밀성과 다이아프램의 스크래치 및 크랙의 발생 정도는 다이아프램의 표면 거칠기 영향을 크게 받는다[4]. 따라서, 다이아프램의 표면을 매끈하게 연마하거나 저마찰/고내구성 코팅을 형성시킬 필요가 있다.

Graphene, carbon nanotube(CNT), diamond like carbon (DLC) 등 탄소 계열의 고체 윤활제는 강철보다 기계적 강도가 크고 우수한 윤활 특성을 나타내기 때문에 표면 보호용 코팅으로 활용된다[5-8]. 서로 다른 구조의 탄소 기반 고체 윤활제에 따른 마찰 및 마모 특성을 비교할 필요가 있다.

일반적으로 표면이 매끈하여 표면 거칠기 값이 낮을수록 고체 윤활막의 형성에 유리하다고 알려져 있다 [9]. 따라서 본 연구에서는 연마된 매끄러운 표면에 서로 다른 구조의 탄소기반 고체 윤활제를 형성시켜 마찰 및 마모 특성을 비교하였다.

2. 연구방법 및 내용

본 연구에서는 표면 마찰 및 마모 특성을 향상시키기 위해 다이아프램 소재인 스테인레스 강(SUS 304) 기판 위에 탄소 기반 고체 윤활막인 graphene과 carbon nanotube (CNT)를 형성시켰다. SUS 기판의 표면은 매끄럽게 연마하였으며, 고체 윤활제는 DI water에 1.5 wt%의 농도로 분산된 graphene suspension과 isopropyl alcohol에 1.5 wt%의 농도로 분산된 CNT suspension을 준비하였다. Graphene suspension과 CNT suspension을 스프레이 코팅 방법을 통해 연마된 SUS 기판 (35 mm × 35 mm) 표면 위에 각각 형성시킨 후, 전열기를 통해 약 200℃로 가열하여 약 2 μm 두께의 “Graphene film”과 “CNT film” 시편을 제작하였다. 비교군으로 표면 연마가 되지 않은 “Bare SUS” 기판과 연마된 “Polished SUS” 기판을 준비하였다.

표면조도기를 이용하여 준비된 시편들의 표면 거칠기를 측정하였다. 각 시편에 대한 마찰 및 마모 특성을 평가하기 위해 왕복운동 방식의 미끄럼 마찰시험을 수행하였다. 다이아프램 압축기의 실제 작동 환경을 고려하여 시험 조건을 선정하였으며, 마찰시험 조건들은 Table 1에 정리하였다. 1 mm 직경의 강구를 시편에 접촉시켜 200 mN의 수직 하중을 가한 후 왕복 미끄럼 방식의 마찰 실험을 진행하였다. 미끄럼 스트로크는 2 mm로 1 cycle에 왕복으로 4 mm를 이동하며, 16 mm/s의 속도로 총 10,000 cycles 동안 실험을 진행하였다. 신뢰성을 확보하기 위해 같은 조건에서 3회 이상 실험을 반복하였다. 실험이 끝난 후 광학현미경으로 시편 표면을 분석하여 마모의 정도를 비교하였다.

Table 1. Friction/wear test conditions

3. 결과 및 고찰

스프레이 코팅 방식으로 형성된 graphene film과 CNT film의 표면들을 Fig. 1과 같이 광학현미경을 통해 관찰 하였다. 또한, bare SUS와 연마된 SUS의 표면을 현미경으로 분석하였다.

Fig. 1은 시편들의 표면 상태를 보여준다. 연마되지 않은 Bare SUS는 매우 거친 표면 형상을 나타내는 반면 연마된 Polished SUS의 표면은 매우 매끄러운 것을 확인하였다. Graphene 코팅된 SUS의 표면은 불균일한 입자가 표면 전체에 분포되어 있고 약 20 μm 크기의 뭉쳐진 입자들이 관찰되었다. CNT의 표면은 나노튜브들이 얽혀져서 고르게 코팅된 것으로 확인되었다. 표면 조도 측정기를 이용하여 표면의 거칠기를 측정하였다. Fig. 2와 같이 각 시편의 표면 거칠기는 다르게 나타났다. Table 2와 같이 Bare SUS, Polished SUS, Graphene film, CNT film의 중심선 평균 거칠기(Ra)는 각각 0.17, 0.03, 0.32, 1.55 μm이다. Polished SUS의 표면 거칠기가 가장 작고 CNT film의 표면 거칠기가 가장 크게 측정되었다. 이처럼 표면 연마 및 코팅 소재에 따라 표면 거칠기가 달라지고 튜브 형태의 CNT 입자의 영향에 의해 표면 거칠기가 가장 크게 나타난 것으로 여길 수 있다.

Fig. 1. Microscope images of Bare SUS, Polished SUS, Graphene film and CNT film.

Fig. 2. Surface roughness of each specimen.

Table 2. Surface roughness values of each specimen

서로 다른 방법으로 제작된 4가지의 시편들에 대해 왕복 미끄럼 방식의 마찰/마모 실험을 수행한 결과, Fig. 3(a)와 같이 마찰계수의 변화를 확인할 수 있다. Bare SUS의 경우, 초기 사이클에서 약 0.4 정도의 마찰계수로 시작하여 서서히 증가하여 400 cycles 이후에서 약 0.8 이상의 값을 나타내었다. Polished SUS는 Bare와 비슷한 경향을 보였지만, 초기에 0.4에서 0.8까지 마찰 계수가 증가한 이후 큰 변화 없이 10,000 cycles에 도달할 때까지 약 0.8 정도의 일정한 값을 나타내었다. 이에 반해, Graphene film은 초기에는 대략 0.1 정도의 가장 낮은 마찰계수를 나타냈지만, 1,000 cycles 이후 급격히 증가하였고 마찰계수의 증가와 감소가 반복되다가 10,000 cycles에 도달할 때 약 0.6 정도를 나타냈다. Graphene film의 경우, 초기에는 고유의 저마찰 특성이 나타났지만, 미끄럼 운동이 반복됨에 따라 graphene 입자들이 박리되면서 거친 표면을 형성하였고, 이에 따라 마찰계수가 요동치며 증가한 것으로 사료된다. CNT film은 초기 약 0.4 정도의 마찰계수를 나타냈지만, 이후 점점 감소하여 0.3 정도에 도달하였다. Fig. 3(b)와 같이, Bare SUS와 Polished SUS의 평균 마찰계수가 각각 0.84, 0.79 정도로써, CNT film과 Graphene film에 비해서 대략 65% 정도 큰 값을 나타냈다. CNT film의 경우, 서로 얽혀있는 구조로 인해 접촉압력이 흡수/분산되어 완충작용에 의한 저마찰 특성을 나타낸 것으로 사료된다. 또한, CNT film은 초기 0.4 이하의 낮은 마찰계수에서 10,000 cycles 까지 지속적으로 감소하여 가장 낮은 마찰계수를 나타냈다. Graphene과 CNT films는 Bare SUS와 Polished SUS에 비해 마찰계수가 크게 감소한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3. Friction characteristics of each specimen: (a) friction coefficient history, and (b) average friction.

Fig. 4와 같이, 마찰 실험 후, 광학현미경과 표면조도기를 이용하여 시편 표면의 마모 형상을 분석하였고 마모 폭, 마모 깊이 값을 산출하여 마모율을 계산하였다. 마모율의 경우 Polished SUS에서 2.38 × 10^-8 mm³/N·mm로 가장 낮은 마모율이 측정되었고 Graphene film에서 5.16 × 10^-8 mm³/N·mm로 가장 높은 마모율이 측정되었다. Bare SUS와 CNT film의 마모율은 각각 4.36 × 10^-8 mm³/N·mm와 4.82 × 10^-8 mm³/N·mm이다. 마모율 결과는 마찰계수와 다른 경향이 나타났으며, Bare SUS와 polished SUS의 마모율이 코팅된 SUS에 비해 낮은 값을 보였다.

Fig. 4. Wear rate of each specimen.

Fig. 5와 같이, 마찰 실험 후, 각 시편 표면에 형성된 마모 형상을 비교하였다. 4가지의 시편들 모두 표면에 마모 트랙이 형성된 것을 확인할 수 있다. Bare SUS와 Polished SUS의 경우, 반복적인 미끄럼 운동에 의해 표면이 마모되어 중심부의 심한 스크래치 흔적을 볼 수 있 다. Graphene film의 경우에는 마모트랙 전체에 걸쳐 graphene 입자들이 박리된 흔적이 관찰되었다. CNT film의 마모트랙은 CNT들이 압착되어 덩어리째로 박리된 흔적들이 관찰되었다. Bare SUS, Polished SUS, Graphene film, CNT film의 마모 깊이는 각각 1.9, 1.3, 2.1, 3.0 μm 로 측정되었다. Graphene film과 CNT film의 두께가 약 2 μm이므로, film 하부의 SUS 표면이 마모된 깊이가 Bare SUS와 Polished SUS에 비해 상대적으로 작은 것을 알 수 있다. 이와 같이, film 시편들의 코팅된 입자들이 박리되어 마모율이 증가한 반면 벗겨진 film 하부의 SUS 표면에는 마모가 상대적으로 덜 발생되었다.

Fig. 5. Microscope images of wear track of each specimen.

4. 결론

본 연구에서는 표면 연마와 고체 윤활제 코팅이 마찰 및 마모 특성에 미치는 영향을 분석하였다. Graphene과 CNT suspension을 스프레이 코팅 방법으로 연마된 SUS 기판 위에 각각 코팅된 Graphene film과 CNT film과 Bare SUS및 Polished SUS를 시편으로 준비하였다. 이와 같이, 표면이 연마된 시편에 윤활 특성을 가진 나노 입자를 코팅하여 서로 다른 조건을 가진 시편들에 대해 마찰 및 마모 특성을 비교하였다. Graphene film과 CNT film이 Bare SUS 및 Polished SUS에 비해 마찰 특성이 우수한 것으로 확인되었다. CNT의 나노튜브와 graphene 입자에 의해 자기 윤활성이 증가하였고, 이로 인해 마찰력이 감소한 것으로 판단된다. 그러나 film 시편들은 코 팅된 입자들의 박리로 인해 마모율이 Bare SUS보다 증가했지만 하부의 SUS 표면을 보호한 것으로 사료된다.