Evaluation of Lubrication Performance by Laser Texturing Surface Treatment Patterns through Ring Compression Tests

링 압축 시험을 이용한 레이저 텍스처링 표면처리 패턴별 윤활성능 평가

Abstract

To compare the lubrication performance improvement of different laser texturing surface treatment patterns, ring-shaped specimens were prepared by processing line and dot patterns using a fiber laser device. Ring compression tests were conducted to compare the reduction rates of the inner diameter corresponding to the same height reduction of the specimens. Laser processing conditions were set to create patterns with a depth of 9㎛ and a width of 45㎛. Ring specimens were processed with varying spacings between dots and lines. The forging lubricant TECTYL FORM CF 351S was uniformly applied to the upper and lower compression tools, and the rings were compressed by 40% using a hydraulic press, after which the inner diameter was measured. The comparison of inner diameter reduction rates indicated that pattern processing improves lubrication performance, with line patterns being more effective than dot patterns in enhancing lubrication performance.

1. 서론

냉간 단조 공정은 자동차 부품 생산에 널리 사용하는 공정 중 하나이다. 이 공정에서는 높은 접촉 압력, 큰 표면 팽창 및 가공 중 발생되는 높은 온도에 의해 마찰이 증가하게 되므로 공작물과 공구 사이에 우수한 윤활 특성이 요구된다. 기존의 비누-인산염 코팅이 이 공정에 사용되고 있으나 높은 에너지 소비와 유해한 슬러지 생성과 같은 환경 문제를 야기하고 있다. 이에 식물성 오일 등과 같은 환경 친화적인 윤활유를 개발하여 환경 오염을 저감하는 방안이 널리 연구되고 있다. Keshtiban[1]은 SiO2 나노 입자가 포함된 호두, 땅콩 기름을 도포하여 링 압축 시험(ring compression test)을 통해 윤활 성능을 평가하였다. 이러한 새로운 윤활유는 단순한 형상의 제품에는 충분히 높은 성능을 나타내는 반면, 특정 종류는 접착력이 부족하여 베벨 기어와 같은 높은 하중의 냉간 단조 공정에는 부족한 성능을 나타낸다. 일반적으로 윤활유는 물리적으로 접착되어 기존 화학적 코팅보다 윤활유 접착력이 떨어지는 것으로 알려져 있다. 따라서 공작물에 대한 윤활유 접착력을 향상시키기 위해 샷 블라스팅(shot blasting)이나 레이저 텍스처링(laser texturing)에 의한 새로운 지지 기술이 검토되고 있다[2, 3]. 표면 텍스처링은 건조 및 윤활 조건 모두에서 마찰 특성을 개선하는 효과적인 방법이라는 것이 잘 알려져 있다[4-7].

마찰계수를 측정하는 방법 중 링 압축 시험은 지난 40년 동안 널리 적용되고 있다. 이것은 Kunogi에 의해 시작되었으며 나중에 Male과 Cockcroft에 의해 개선되어 사용 가능한 방식으로 제시되었다[1, 8]. 이 시험 방법은 테스트 표본의 치수 변화를 활용하여 마찰 계수를 정량적으로 평가 가능하다. 평평한 링 시편이 두 개의 평평한 지그 사이에서 소성 압축될 때, 높은 마찰 조건에서는 재료가 안쪽으로 변형되고, 낮은 마찰조건에서는 Fig. 1에 개략적으로 표시된 것처럼 재료가 바깥쪽으로 변형된다.

Fig. 1 Effect of friction magnitude on metal flow during the ring compression test[8]

링 압축 시험 중 주어진 높이 감소율에 대해 시편의 내부 직경을 측정하면 압축 다이와 시편간의 마찰 계수의 크기에 대한 정량적 정보를 제공할 수 있다. 변형 중에 시편의 내부 직경이 증가하면 마찰 계수가 낮다는 것을 의미하며, 변형 중에 시편의 내부 직경이 감소하면 마찰 계수가 높다는 것을 의미한다. 이 관계를 이용하여, Male과 Cockcroft는 특정한 마찰 교정 곡선을 생성하였다. 이 곡선은 초기 높이(h₀)와 압축 후 높이(h)를 이용한 높이 감소율(ΔH%) 및 초기 내경(d₀)과 압축 후 내경(d)를 이용한 내경 감소율(ΔD%)로 정의되며, 이는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

\(\begin{align}\begin{array}{l}\Delta D \%=\frac{d_{0}-d}{d_{0}} \times 100 \\ \Delta H \%=\frac{h_{0}-h}{h_{0}} \times 100\end{array}\end{align}\)       (1)

다양한 마찰 계수에 대한 높이 감소와 시편 내부 직경의 감소율 간의 관계는 Fig. 2에 제시되어 있다. 이러한 관계는 마찰 계수를 정량적으로 분석하는 데 유용하게 활용되며 다양한 윤활조건에서 윤활성능을 비교하는데 사용되고 있다[9-12].

Fig. 2 Friction calibration curves in terms of μ[8]

2. 실험 내용

2.1 실험 방법

레이저 텍스처링 된 링 시편을 이용하여 Cockcroft 및 Male 이 제안한 링 압축 시험을 수행하였다. 링 시편이 압축될 때 Fig. 2와 같이 일반적으로 나타나는 마찰 교정 곡선에 점선으로 표시한 것과 같이, 동일한 높이 감소율에서 각 마찰 계수에 따라 내경 감소율이 다르게 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 내경 감소율을 측정하여 마찰계수의 높고 낮음을 비교 할 수 있다. 본 연구에서는 동일한 링 높이 감소율40% 에서 각 시편의 내부 직경의 감소율을 측정하여 윤활성능을 비교하였다.

2.2 시편 재료 및 치수

일반적으로 자동차 부품용 냉간 단조 공정에 사용되며 Table 1에 나타낸 화학성분을 갖는 냉간 압조강 SWCH10A를 사용하여 링 시편 형상으로 선삭 가공 후 #1000으로 폴리싱하였다. 링 시편의 치수는 외경:내경:높이를 Table 2와 같이 6:3:2의 비율로 제작하였으며[13, 14], 모든 시편이 유사한 표면 거칠기를 가지도록 동일한 준비 과정을 적용하여 Fig. 3과 같이 생산하였다.

Table 1 Chemical composition of the material

Table 2 Ring specimen dimensions

Fig. 3 Ring specimen shape and surface roughness

2.3 실험 절차 및 장비

2.3.1 레이저 텍스처링 조건 선정

레이저 출력, 주파수, 이송속도, 횟수에 따라 홈의 깊이, 폭이 달라지며 순간적인 레이저 가공인 점 형상과 연속적인 레이저 가공인 선 형상의 가공조건이 다르다. Park[15]이 가장 낮은 마찰계수를 가지는 홈 크기로 제안한 직경 50~80㎛, 깊이 10㎛내외의 홈을 생성하는 조건을 선정하기 위해, 위의 레이저 가공조건 변수의 조합별로 텍스처링 가공하고 단면을 Fig. 5의 광학현미경을 사용하여 200배 배율로 관찰하여 가공된 깊이와 폭을 측정하였다.

Fig. 4 Laser surface texturing equipment

Fig. 5 Optical microscope - Nikon eclipse LV150N

레이저 텍스처링에 사용한 장비는 Table 3의 성능을 갖는 Fig. 4에 나타낸 아이딜레이저社의 LG-20P 25W 소형 파이버 레이저 마킹기를 사용하였다.

Table 3 Specification of equipment

레이저 텍스처링으로 가공된 홈의 깊이와 폭은 Fig. 6에 나타낸 것과 같이, 버(burr)를 제외한 표면에서의 깊이와 폭을 측정하였다.

Fig. 6 Measuring the depth and width of dimples

2.3.2 시편 표면 텍스처링

Fig. 7에서와 같이, 선정된 레이저 텍스처링 조건으로 점 패턴(dot pattern)의 경우, 점과 점 가로, 세로 간격을 900, 700, 500, 300, 100㎛ 으로 가공하고, 선 패턴(line pattern)의 경우, 선행연구를 참조하여 선의 수직방향으로 윤활성능을 평가하기 위해[15, 16] 링 시편의 내경과 동심을 갖는 원 형상으로 반지름 간격을 900, 700, 500, 300, 100㎛으로 갖는 패턴형상으로 가공하였다.

Fig. 7 Pattern shapes and distance

타 연구에서 버 제거 후 마찰시험을 실시했으나[16-18] 본 연구에서는 버의 영향까지 고려하기 위하여 레이저 텍스처링 후 후처리 없이 실험을 수행하였다.

2.3.3 링 압축 시험

각각의 윤활 조건하에서 Table 4와 같이 패턴 형상 별로 5개씩 링 높이 감소율 40%까지 압축 후 외경, 내경, 높이를 측정하였다.

Table 4 Experimental conditions for lubrication performance comparison

실제 공정과 유사한 조건에서 실험을 하기 위해, Fig. 8과 같이 금형핀의 소재인 SKH51 재질로 제작한 상,하 압축 지그 사이에 링 시편을 넣고 실제 현장에서 사용 중인 Table 5의 특성을 갖는 단조유 도포 후 Fig. 9에 나타낸 유압프레스로 압축하였다.

Fig. 8 Compression tool shape and material

Table 5 Lubricant properties

Fig. 9 Compression testing equipment

3. 실험 결과

3.1 레이저 텍스처링 조건에 따른 홈의 깊이 및 폭

3.1.1 선 형상 텍스처링 실험

먼저 선 형상의 레이저 텍스처링 조건을 선정하기 위해 레이저 텍스처링 변수 중 주파수를 20kHz로 고정하고, 출력을 2.5~25W, 이송속도를 100~450㎜/s로 변화시키며 선 형상으로 가공 후 절단하여 광학현미경200배 배율로 홈의 깊이와 폭을 측정하여 Fig. 10에 나타내었다. 출력이 높아지거나 이송속도가 느릴수록 홈의 깊이와 폭은 커짐을 알 수 있다.

Fig. 10 Line pattern geometry dimensions

3.1.2 점 형상 텍스처링 실험

점 형상 텍스처링은 선 형상과 다르게 주파수의 변화에 따라 Fig. 11(a)와 같이 점 패턴이 불균일하게 가공되었다. 가공시간이 상대적으로 오래 걸리는 점상 패턴가공에 용이하도록 이송속도1,000㎜/s, 점 간격 100㎛로 고정하고 실험을 진행했으며 출력을 12.5~25W, 주파수를 20~100 kHz로 변화시키며 점 패턴을 가공하여 패턴형상을 확인하였으며 패턴형상을 비교했을 때 Fig. 11(b)와 같이 주파수 50kHz에서만 출력량과 상관없이 균일하게 가공되는 것을 확인하였다.

Fig. 11 Dot pattern geometry

점 형상의 경우, 1회 가공으로 원하는 홈의 깊이와 폭을 가공하기 어려우므로 한 자리에 2회 가공하였다.

주파수 50kHz, 이송속도 1,000㎜/s 로 고정하고 출력을 15~25W로 변화시키며 1회, 2회 각각 가공 후 홈의 중앙이 단면이 되도록 절단한 후 광학현미경 200배 배율로 홈의 깊이와 폭을 측정하여 Fig. 12에 나타내었다.

Fig. 12 Dot pattern geometry dimensions

3.1.3 텍스처링 조건 선정

Fig. 13과 같이 직경 45㎛, 깊이 9㎛으로 균일하게 텍스처링하기 위해 점 패턴은 출력 17.5W, 주파수 50kHz, 이송속도 1,000㎜/s로 2회 가공하고, 선 패턴은 출력15W, 주파수 20kHz, 이송속도 350㎜/s로 1회 가공하는 것으로 레이저 장비 셋팅 조건을 선정하였다.

Fig. 13 Surface and cross-sectional morphology of laser pattern shapes applied in ring compression tests

3.2 링 시편 표면 레이져 텍스처링

선정된 레이저 마킹 조건으로 점, 선 형상의 패턴을 Table 6과 같이 링 시편 표면에 텍스처링 하였다. 간격이 좁을수록 선 패턴 보다 점 패턴 가공에 소요되는 시간이 오래 걸리는 것을 확인하였다.

Table 6 Laser textured ring specimen geometry and processing time

3.3 링 압축 시험

3.3.1 비 윤활/윤활 상태 시편 압축 결과

레이저 텍스처링 처리된 링 시편을 압착 지그를 이용하여 기존 높이에서 40% 압축한 뒤 변형된 치수를 측정하였다. 측정된 치수로 식 (1)을 이용하여 높이 감소율과 내경 감소율을 구하고 평균값을 계산하여 비교하였다. 압축 후 형상을 Fig. 14에 나타내었다.

Fig. 14 Ring specimen after compression of 40% in height

표면 텍스처링 처리되지 않은 링 시편은 동일하게 40% 높이 감소율만큼 압축하였을 때, Table 7, Fig. 15와 같은 결과를 얻었다. 윤활유를 도포하지 않았을 때 내경 감소율이 -5.56% ~ -4.44%로 나타났고 윤활유를 도포하였을 때는 내경 감소율이 -13.33% ~ -10.67%로 나타났다. 이는 윤활유를 도포하여 윤활 성능이 향상 될 경우 내경 감소율이 더 낮은 것을 보여준다.

Table 7 Dimensions and reduction rates after ring compression tests - no texturing

Fig. 15 Inner diameter reduction rate at 40% height reduction –No texturing

3.3.2 선 패턴 시편 압축 결과

압축 후에도 표면에 선 패턴이 남아있는 것을 확인 할 수 있었으며, 압축 후 선 패턴 시편의 표면을 Table 8에 나타내었다.

Table 8 Laser textured ring specimen geometry - Line texturing

선 패턴 텍스처링 처리한 시편은 40% 압축 후 Table 9 Fig. 16의 결과를 얻었다. 전체적인 내경 감소율이 -13.33% ~ -8.89%로 나타났으며 그 중 간격 300 ㎛인 경우 가장 윤활성능 향상효과가 높은 것으로 보이며, 간격100㎛은 오히려 윤활성능 향상효과가 낮은 것으로 보인다. 이는 Cho[17]의 연구에서 마찰 표면에 가공한 텍스처링 밀도가 30% 이상 일 경우 오히려 마찰계수가 높아진 것과 같은 현상이다. 미세한 패턴을 갖는 표면 텍스처링이 윤활유를 저장하는 저장고 역할을 하여, 윤활유를 지속적으로 공급함으로써 윤활성능 향상에 도움이 되지만, 일정 간격 이하부터는 윤활유가 마찰 표면에 제대로 공급되지 못하고 고르게 퍼지지 못하여 윤활성능 향상 효과가 낮은 것으로 판단된다[16-18].

Table 9 Dimensions and reduction rates after ring compression tests – Line texturing

Fig. 16 Inner diameter reduction rate at 40% height reduction –Line texturing

3.3.3 점 패턴 시편 압축 결과

점 패턴 텍스처링 처리한 시편은 40% 압축 후 Table 10, Fig. 17의 결과를 얻었다. 내경 감소율이 -11.89% ~ -8.22%로 나타났으며 그 중 간격 300㎛인 경우 가장 윤활성능 향상효과가 높은 것으로 나타나며 간격 900㎛ 일 때 윤활성능 향상 효과가 낮은 것으로 나타났다. 선 패턴과 마찬가지로 간격100㎛이 윤활성능 향상 효과가 낮은 것으로 나타났다. 압축 후 점 패턴 시편의 표면을 Table 11에 나타내었다.

Table 10 Dimensions and reduction rates after ring compression tests – Dot texturing

Fig. 17 Inner diameter reduction rate at 40% height reduction –Dot texturing

Table 11 Laser textured ring specimen geometry -Dot texturing

3.3.4 전체 시편 압축 결과 비교

각 조건별 링 압축 시험 결과 전체를 비교하기 위해 Fig. 18과 같이 평균값을 하나의 그래프에 나타내었다.

Fig. 18 Inner diameter reduction rate at 40% height reduction –Average

레이저 텍스처링 표면처리 하지 않은 시편보다 텍스처링 표면처리 했을 때 윤활성능이 향상되었음을 확인하였다. 선 패턴이 점 패턴보다 효과적이며 간격 300㎛의 선 패턴이 -11.73%로 가장 윤활성능 향상에 효과적이고 900㎛의 점 패턴이 -9.61%로 윤활성능 향상 효과가 가장 적었다. 레이저 텍스처링된 패턴이 윤활유를 저장하고 공급해줄 수 있는 역할을 한다는 관점에서 점 패턴보다 선 패턴이 윤활유 저장용량이 크고, 넓은 구간에 분포시키기 유리하며, 접촉 면적이 적기 때문에 윤활 성능 향상 효과가 더 큰 것으로 판단된다.

4. 결론

본 연구에서는 레이저 가공 조건 변수(출력, 주파수, 이송속도)가 패턴형상에 미치는 영향을 파악하여 원하는 형상으로 표면에 패턴을 가공하고 패턴 형상(선, 점)이 윤활 조건하에서 링 압축 시험 시 내경 감소율에 미치는 영향을 분석하여 윤활성능을 비교하였다.

(1) 패턴이 없는 상태에서 윤활 조건의 유무에 따른 내경 감소율을 비교한 결과, 윤활유 도포 상태에서 내경 감소율이 낮게 나타났다. 이는 윤활 조건이 내경 감소율에 영향을 미치는 것을 보여준다.

(2) 선 패턴과 점 패턴이 있는 경우 내경 감소율은 전반적으로 더 낮은 값을 보였다. 이는 레이저 텍스처링 표면처리가 윤활조건에 추가적인 영향을 준다는 것을 의미한다.

(3) 선 패턴은 일반적으로 점 패턴보다 더 효과적이며 특정간격(300μm 및 900μm) 이 최상의 결과를 나타냈다. 그러나 매우 미세한 패턴(100μm 간격)은 상당한 가공시간이 걸림에도 윤활 성능 향상에 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 보인다.

(4) 본 연구의 결과는 실제 공정에서 윤활 조건과 패턴 형상을 최적화함으로써 원하는 변형 특성을 얻는 데 유용하게 활용될 수 있다. 이는 제품의 품질 향상과 공정 효율성 증대에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

향후 냉간 단조공정에서 높은 하중을 받는 후방 압출 공정에 레이저 텍스처링 표면처리가 미치는 효과에 대해 연구를 진행하여, 레이저 텍스처링이 실제 공정에서 미치는 영향을 분석할 예정이다.

후기

이 논문은 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었으며, 교신저자는 이에 감사 드립니다.