활환경에서 보다는 베어링유 윤활환경에서 우수한 마찰, 마모 특성을 가지고 있음 을 예측할 수 있다.
이런 실험 결과를 보면, 두 세라믹 재료는 서로 다른 윤활유환경에서 다른 마 찰, 마모 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.
0 500 1000 1500 2000 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
1.4 grease
bearing fluid
Fr ic it io n co ef fi ci en t
Sliding distance(m)
(a) Cr2O₃
0 500 1000 1500 2000
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
1.4 grease
bearing fluid
Fr ic ti on coef fi ci ent
Sliding distance(m)
(b) ZrO₂
Fig. 18 Friction coefficient vs. sliding distance.
(load 300N , Velocity 0.2 m/s)
0 500 1000 1500 2000 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
Sliding distance(m)
Fr ic ti o n coef fi ci ent
grease bearing fluid
(a) Cr2O₃
0 500 1000 1500 2000
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
Sliding distance(m)
F ri cti o n c o effi ci en t
grease bearing fluid
(b) ZrO₂
Fig. 19 Friction coefficient vs. sliding distance.
(load 500N, Velocity 0.2 m/s)
3. 3 마모량의 변화
Fig. 20 (a)와 (b)는 공기 중에서 실험한 것으로 하중과 미끄럼속도 변화에 따른 마모량의 변화를 나타낸 그래프이다. Cr2O3와 ZrO2로 코팅된 하부 시험편 Rotor 와 상부 시험편 Stator인 고 탄소 크롬강 SUJ Ⅱ에 하중을 100N과 200N을 가했 다. 그리고 미끄럼속도를 0.1 m/s와 0.2 m/s로 마찰을 시켜 마모량을 측정하여 비교 검토하였다. 실험 전에 시편인 Rotor와 Stator를 아세톤 초음파 세척을 실시 하고 세정, 탈지하여 완전히 건조시킨 후 1×10-5g까지 측정이 가능한 전자식 지시 저울로 5회 측정하고 그 평균값을 실험 전 중량으로 하였다. 실험 후에도 같은 방법으로 중량을 측정하여 그 차이를 마모량으로 하여 비교․검토하였다.
Fig. 20 (a)는 공기 중에서 미끄럼속도를 0.1 m/s로 했을 때 하중을 100N과 200N으로 했을 때 그래프인데, ZrO2 코팅시험편은 하중 100N일 때 0.036g에서 하중이 200N으로 증가했을 때 마모량은 0.078g으로 마모량이 많이 증가하였다.
그러나 Cr2O3 코팅시험편은 하중이 100N일 때는 0.002g에서 하중이 200N으로 증 가 했을 때 마모량은 0.005g으로 많은 마모량의 차이가 없었다. 이는 건조 마찰시 Cr2O3 코팅시험편이 ZrO2 코팅시험편보다 우수한 내마모 특성을 가지고 있다고 예측이 가능하다. 고정 시험편인 Stator인 고 탄소 크롬강 SUJ Ⅱ의 마모량 역시 상대재료가 Cr2O3 코팅시험편인 경우에는 부하 하중이 100N일 때는 0.037g에서 하중이 200N으로 증가했을 때 0.039g 정도로 많은 마모량의 증가를 확인 할 수없 었으나, ZrO2 코팅시험편인 경우는 부하 하중이 100N일 때는 0.055g에서 하중이 200N으로 증가했을 때 0.073g으로 마모량이 많이 증가한다는 것을 알 수 있다.
Fig. 20 (b)는 미끄럼속도를 0.2 m/s로 증가시킨 후 실험 했을 때의 Rotor와 Stator의 마모량을 나타내는 그래프인데, Rotor인 경우 역시 많은 차이로 ZrO2 코 팅시험편이 Cr2O3 코팅시험편 보다 많은 마모량이 증가했음을 확인 할 수 있었 고, Stator 역시 상대 재료가 ZrO2 코팅시험편인 경우가 Cr2O3 코팅시험편일 때 보다 마모량이 많이 증가했음을 알 수 있다.
지금까지에 실험 결과를 분석하면, Cr2O3 코팅시험편인 경우 Rotor와 상대재료
인 Stator의 마모량의 차이를 비교 분석한 결과 Rotor의 마모량 보다 Stator의 마 모량이 많이 증가하는 이유는 고탄소 크롬강인 Stator 보다 상대 재료인 세라믹 재료가 내마모성이 뛰어남으로 인해 발생하는 원인이라 사료된다. 그리고 ZrO2
코팅시험편인 경우 실험에서는 SEM을 통한 마찰면의 관찰에서도 알 수 있지만 마찰, 마모 실험을 할 때 심한 마찰열의 발생과 응착 및 연삭 마모에 의해 세라 믹 코팅 층이 벗겨지면서 상대 재료인 고탄소 크롬강인 Stator 역시 연삭이 되면 서 마모량이 많이 증가하는 원인이라 사료된다.
그리스 윤활환경에서 실험한 결과 마모량의 증가를 비교하기 위해 Fig. 21에 나 타내었는데 Fig. 21 (a)는 미끄럼속도를 0.1 m/s로 하고 하중을 300N, 500N, 700N으로 했을 때 Rotor와 Stator의 마모량을 비교한 그래프이다. 마모량 측정 요령은 공기 중에서와 동일하게 실시하였다.
Fig. 21 (a)를 보면 Cr2O3 코팅시험편은 300N일 때는 0.0033g, 500N일 때는 0.0035g, 700N일 때는 0.0039g으로 많은 마모량의 증가를 보이지 않는 반면에, ZrO2 코팅시험편인 경우는 300N일 때는0.007g, 500N일 때는 0.020g, 700N일 때는 0.103g으로 부하 하중이 증가할수록 마모량이 많이 증가한다는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 역시 그리스 윤활환경에서도 Cr2O3 코팅시험편인 경우 ZrO2 코팅시 험편일 때 보다 우수한 내마모 특성을 가지고 있음을 예측할 수 있다.
고정 시험편인 Stator의 마모량 역시 상대재료가 Cr2O3 코팅시험편인 경우에는 많은 마모량의 증가를 보이지 않는 반면에, ZrO2 코팅시험편인 경우에는 하중 증 가에 따라 마모량이 많이 증가하였음을 알 수 있다.
Fig. 21 (b)는 미끄럼속도를 0.2 m/s로 했을 때 하중을 300N과 500N으로 했을 때의 마모량을 비교한 그래프이다. Fig. 21 (b)의 그래프에서 부하 하중을 700N까 지 증가 시키고 실험을 하지 못한 이유는 ZrO2 코팅시험편을 가지고 700N의 하 중에서 실험을 할 때 Rotor에서 너무 심한 마모가 발생하여 2시간 동안 실험을 완료 할 수 없는 이유로 인해 수직하중을 500N 까지만 증가시키고 실험하였다.
Cr2O3 코팅시험편인 Rotor의 경우에는 하중이 300N일 때 0.0063g, 하중이 500N
일 때는 0.0065g로 아주 작은 마모량의 증가를 보이고 있다. 반면에 ZrO2 코팅시 험편인 경우에는 하중이 300N일 때는 0.0056g에서 하중이 500N일 때는 0.0738g 으로 많은 마모량 증가를 보여, 역시 Cr2O3 코팅시험편이 ZrO2 코팅시험편보다 우수한 내마모 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
그리고 고정시험편인 고탄소 크롬강인 Stator의 마모량 역시 상대재료가 Cr2O3
코팅시험편인 경우에는 많은 마모량의 증가가 없는데 반해 ZrO2 코팅시험편인 경 우에는 하중 증가에 따라 많은 차이로 증가했음을 알 수 있다.
Fig. 22는 베어링유 윤활환경에서 실험한 결과 마모량을 비교하기 위해 나타낸 그래프인데, Fig. 22 (a)는 미끄럼속도를 0.1 m/s로 하고 하중을 300N, 500N, 700N으로 했을 때 Rotor와 Stator의 마모량을 비교한 그래프이다. 마모량 측정 요령은 공기 중에서와 동일하게 실시하였다.
Fig. 22 (a)를 보면 Cr2O3 코팅시험편인 Rotor의 경우에는 마모량이 300N일 때 는 0.001g이고, 500N일 때는 0.005g이고, 700N일 때는 0.007g으로 높은 하중으로 실험을 하더라도 많은 마모량의 증가가 나타나지 않았다. 하지만 ZrO2 코팅시험 편인 경우는 300N일 때는 0.0003g이고, 500N일 때는 0.005g, 700N일 때는 0.012g 으로 하중이 증가할수록 많은 마모량의 증가를 확인 할 수 있었다. 이는 역시 베 어링 윤활환경에서도 Cr2O3 코팅시험편이 ZrO2 코팅시험편보다 뛰어난 내마모 특 성을 가지고 있다고 사료된다.
그리고 고정시험편인 고탄소 크롬강인 Stator의 마모량 역시 상대재료가 Cr2O3
코팅시험편인 경우에는 많은 마모량의 증가가 없는데, 반해 ZrO2 코팅시험편인 경우에는 하중 증가에 따라 마모량이 많이 증가했음을 알 수 있다.
Fig. 22 (b)는 미끄럼속도를 0.2 m/s로 했을 때 하중을 300N과 500N으로 했을 때의 마모량을 비교한 그래프인데, Cr2O3 코팅시험편인 Rotor의 경우는 300N일 때는 0.0012g이고, 500N일 때는 0.0015g으로 많은 마모량의 증가가 없는 반면에, ZrO2 코팅시험편인 경우는 300N일 때는 0.003g이고, 500N일 때는 0.006g으로 하 중이 증가하고 미끄럼속도가 증가할수록 많은 마모량의 증가를 확인 할 수 있었
다. 그리고 고정시험편인 고탄소 크롬강인 Stator의 마모량을 역시 상대재료가 Cr2O3 코팅시험편인 경우에는 많은 증가가 없는데 반해 ZrO2 코팅시험편인 경우 에는 부하 하중 증가 및 미끄럼속도 증가에 따라 많은 차이로 증가했음을 알 수 있다.
지금까지의 실험 결과에 의하면 Rotor 및 Stator의 마모량은 Cr2O3 코팅시험편 인 경우에는 많은 마모량의 증가가 없는 반면에 ZrO2 코팅시험편인 경우에는 하 중 증가 및 미끄럼속도의 증가에 따라 마모량이 많이 증가하는 것으로 보아 Cr2O3 코팅시험편이 ZrO2 코팅시험편보다 우수한 내마멸, 마모 특성을 가지고 있 다고 사료된다.
100 120 140 160 180 200 0.00
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
W ei ght lo ss( g)
Load(N)
Cr2O3 Rotor ZrO2 Rotor Cr2O3 Stator ZrO2 Stator
(a) friction velocity 0.1 m/s
100 120 140 160 180 200
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
Cr2O3 Rotor ZrO2 Rotor Cr2O3 Stator ZrO2 Stator
Load(N)
W eig h t lo ss (g )
(b) friction velocity 0.2 m/s
Fig. 20 Relation of weight loss and load (in air)
300 400 500 600 700 0.00
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
Cr2O3 Rotor ZrO2 Rotor Cr2O3 Stator ZrO2 Stator
W eig h t lo ss (g )
Load(N)
(a) friction velocity 0.1 m/s
300 350 400 450 500
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
Cr2O3 Rotor ZrO2 Rotor Cr2O3 Stator ZrO2 Stator
W ei ght lo ss (g )
Load(N)
(b) friction velocity 0.2 m/s
Fig. 21 Relation of weight loss and load (in grease)
300 400 500 600 700 0.00
0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14
Cr2O3 Rotor ZrO2 Rotor Cr2O3 Stator ZrO2 Stator
W eig ht lo ss (g )
Load(N)
(a) friction velocity 0.1 m/s
300 350 400 450 500
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14
Cr2O3 Rotor ZrO2 Rotor Cr2O3 Stator ZrO2 Stator
W eig h t lo ss (g )
Load(N)
(b) friction velocity 0.2 m/s
Fig. 22 Relation of weight loss and load (in bearing fluid)
3. 4 마멸면의 미시적 관찰
마모과정은 상호 접촉하는 두 고체의 접촉부에서 변형과 파괴로 인해서 재료가 제거되는 과정이다. 이러한 마모과정을 미시적으로 관찰하여 그 기구를 규명하기 위하여 SEM을 사용하였다.
Fig. 23 (a)와 (b)는 Cr2O3와 ZrO2 코팅시험편에 대하여 공기 중에서 하중을 100N으로 미끄럼속도를 0.1 m/s로 실험을 하였을 때 마멸면의 SEM 사진이다.
Fig. 23 (a)를 보면 공기 중에서 하중을 100N으로 미끄럼속도를 0.1 m/s로 했을 때, Cr2O3 코팅시험편 마멸면의 사진이다. 마멸면을 보면 공기 중에서 Rotor 와 Stator가 서로 밀착되어 마모가 되면서 마찰열에 의해 마멸면이 응착(adhesive)이 되면서 마모가 되었음을 확인할 수 있다. 또한 마멸면의 중앙 부분에서 마모입자 들이 부분적으로 탈락되었음을 확인할 수 있다.
Fig. 23 (b)는 ZrO2 코팅시험편을 하중 100N으로 미끄럼속도를 0.1 m/s로 했을 때 사진인데, Cr2O3 코팅시험편의 사진과 비교했을 때 스플레이트가 더 많은 넓이 로 탈락된 것을 확인할 수 있다. 또한 코팅 층이 심하게 패이면서 마모가 일어남 을 알 수 있다. 이는 ZrO2 코팅의 마멸 특성인 취성파괴를 잘 나타내는 것으로 볼 수 있다 [13].
Fig. 24 (a)는 Cr2O3 코팅시험편을 하중을 100N으로 공기 중에서 미끄럼속도를 0.2 m/s로 했을 때 SEM 사진인데, 마멸면을 살펴보면 빠른 미끄럼 속도에 의해 발생하는 마찰열로 인해 심하게 응착되면서 마멸되었음을 알 수 있다. 이는 모재 에 탄성 및 소성변형이 발생하면서 소성변형에 의해 매끈한 면이 형성된 모습을 보여주고 있다 [14]. 이러한 면이 형성되면 마찰계수의 비교에서 알 수 있듯이 마 찰계수를 떨어뜨리는 요인으로 작용하며, 또한 이런 층은 소성변형과 마멸입자에 의해 압착 층으로 생성되어 마멸을 줄여 주는 원인으로 작용할 것이라고 사료된 다. 그리고 미끄럼 속도가 빨라질수록 응착되는 부분이 더욱 넓어지는 것을 알 수 있다.
Fig. 24 (b)는 ZrO2 코팅시험편을 하중 100N으로 미끄럼속도를 0.2 m/s로 했을
때 사진인데, 사진을 보면 마멸면의 중심부에 심한 연삭(abrasive) 마멸이 진행되 었음을 알 수가 있는데 그 이유는 사진에서 마멸면의 중앙에 스크래치 흔적이 있 는 것을 보면 알 수 있는데 코팅 층이 마멸로 스플레이트가 벗겨지고 새로운 스 플레이트 면이 나타나는 것을 사진으로 확인 할 수 있다.
위 사진들을 비교해 보면 Cr2O3 코팅시험편이 ZrO2 코팅시험편 보다 우수한 내 마멸 특성을 지니고 있음을 예측할 수 있으며 이는 지금까지 마찰계수의 비교 및 마모량의 변화 비교에서도 확인할 수 있었던 사실이다.
그리고, 부하 하중을 일정하게 하고 미끄럼속도를 0.1 m/s에서 0.2 m/s로 변화 를 주어 실험을 더욱 가혹한 실험 조건에서 실험을 했을 때에는 심한 응착 및 마 모 현상이 발생함을 알 수가 있었다.
Fig. 25 (a)와 (b)의 SEM 사진은 Cr2O3 코팅시험편과 ZrO2 코팅시험편을 하중 을 300N으로 하고 미끄럼속도를 0.1 m/s로 했을 때 그리스 윤활환경에서 실험을 한 마멸면의 사진인데, 전체적으로 마일드(mild)한 응착마멸을 확인 할 수 있었다, 이는 서로 상대하는 Rotor와 Stator 사이에 그리스 윤활유가 존재함으로 인해 두 마찰면 사이에서 직접 접촉하여 마모가 일어남을 막고 마찰면 사이에 발생하 는 열을 흡수함으로 인해 심한 연삭 마모현상은 발생하지 않았음을 알 수 있다.
이러한 현상은 마모량 변화를 비교했을 때에도 확인할 수 있는데 공기 중에서 실험보다 그리스 윤활환경에서 Rotor 와 Stator의 마모량이 적게 발생함을 보고 알 수 있었다.
Fig. 25 (a)는 그리스 윤활환경에서 하중을 300N으로 미끄럼속도를 0.1 m/s로 했을 때 Cr2O3 코팅시험편의 마멸면 사진인데, 전체적으로 마일드한 응착마멸이 발생함을 알 수 있으며, 일부분에서는 스플레이트들이 미소한 범위이지만 탈락된 것을 확인할 수 있다.
Fig. 25 (b)는 동일한 조건에서 ZrO2 코팅시험편을 가지고 실험한 사진인데 스 플레이트 사이사이에 기공이 산재해 있음을 알 수 있고, 스플레이트들이 하중에 의해 눌러져 응착되면서 마멸됨을 알 수 있다.