마모란 [ 마찰에 동반하여, 표면에서 작은 입자가 마모분으로 순차적으로 탈락하는 것으로 재료가 감량되는 현상]으로 설명되어진다. 따라서 마모는 기계적인 가공과 매우 가까운 관계가 있는 것을 알수있다.
건조마찰과 혼합윤활상태에서는 실제접촉으로 인하여 운동시에 마모가 발 생한다. 마모가 발생하면, 기계는 정밀도가 저하하고, 운동이 부정확하게 되 어 내부에 틈이 크게되기 때문에 진동・충격・소음등을 발생하고, 최후에 피 로로 인한 파괴를 유발한다.
마모는 재료와 그 조합, 하중, 속도, 마찰면의 형태과 크기, 마찰 시간, 분위 기, 온도, 습도, 고형입자의 존재등, 매우 많은 인자에 의해 영향받기 때문에 단순한 법칙성을 갖는 것은 곤란하다.
1) 마모의 종류
마모에는 많은 종류가 있고, 통상 그것들이 복합되어 생성하는 것이 많지 만, 보우웰(J. T . Borw ell, Jr)은 대표적으로 다음의 4종류를 열거했다.33)
(1) 응착마모(Adhes ive w ear)
(2) 어브레시브 마모(Abras ive w ear) (3) 부식마모 (Corros ion w ear)
(4) 표면피로마모 (Surface fatigue w ear) 2) 응착마모
(1) 마모의 기구
실제접촉면에 응착이 발생 할 때, 표면사이의 접선방향에 상대이동이 있고, 응착부분 부근에서 파단이 발생하여 상대면에 이착한다. 이것이 반복되면, 이착물이 성장하여 최후에는 접촉면에서 배출되어 마모분으로 된다. 이와 같 은 마모를 응착마모(또는 접촉마모)라 한다. Fig. 2- 22에 응착마모의 기구에 대한 모식도를 보인다.34)
F ig. 2- 22 Procedure of grow th w ear particle in adhes ive w ear.
(2) 비마모량과 마찰특성
반복 마찰에서는 기계가 실용에 공급되는 기간으로부터 본다면, 초기마모의 기간은 적고, 장기적인 마모량의 합계는 정상마모 쪽이 지배적이다.
단위표면적당의 마모량을 V, 마찰거리를 L, 하중을 W, 부드러운 쪽의 재료 의 경도를 pf로 한다면, 이들 사이에는 다음과 같은 관계가 있다.
V = w WL
pf (2- 27)
여기에 W는pf를 고려하지 않을(pf = 1이라 한다.)때, 비마모량라 불린다. 즉, 이 식(2- 27)은 홀므(R. Holm, 1946년) 식이라 불린다.
응착마모에서 마찰속도가 작은 경우에는 실제접촉면 부근에서 전단된 면 에 대하여, 상대면의 다음 돌기가 도착하기까지 충분한 시간이 있기 때문에 공기중의 산소에 의해 산화막이 형성되고, 이것이 표면을 보호한다. 그러나, 속도가 크게 되는 경우, 산화막을 형성하기에 시간이 부족하기 때문에 다음 의 돌기에 의해 강하게 응착되어 큰 마모분을 생성하게 된다.
3) Abras ive 마모
Abras ive 마모는 마찰면의 한쪽이 미세한 줄(File)과 같이 단단하여 요철이 심한 경우에 발생하는 마모(이원 Abrasive 마모)와 두 면 사이에 단단한 고 형입자가 들어있을 때 생성하는 마모(삼원 Abras ive 마모)가 있다. 전자의 이원 Abrasive 마모의 경우는 Fig. 2- 23(a)와 같은 단단한 쪽이 연한 면에 침입하여, 운동에 의한 절삭의 형태를 취한다. 후자의 삼원 Abrasive 마모의 경우에는 Fig. 2- 23(b)와 같이 입자가 부드러운 쪽 면에 박히고, 이 경우에는 단단한 면을 깍는다.
아브레시브 마모는 Fig. 2- 24와 같은 모델로 설명된다.35) 즉, 단단한 돌기를 반정각 θ의 원추형으로 정의한다. 이것에 인가된 하중 W에 의해 깊이 h만 큼 상대 재료에 파고들고, 그것이 L만큼 이동할 때 돌기가 미끌려 통과한
F ig. 2- 23 Kinds of abras ive w ear.
F ig. 2- 24 Schematic diag ram of abras ive w ear model.
체적이 마모분으로 외부에 배출되는 것이다. 연질재료의 압입경도, 즉 소성 유동압력을 pf로 하면, 이동시의 받는 면압은 원추 진행방향의 반쪽면으로,
W = 1
2 pf r2 (2- 28)
h = r cot (2- 29)
로 된다. 여기서 마모량 V는 원추의 종단면적에 L을 곱한 량으로,
V = 1
2 ( 2r ) hL = 2WL pf
(2- 30)
로 된다. 따라서 마모량은 돌기의 날카로움에 비례하고, 마모되는 쪽 재료의 경도에 역비례하는 것을 알 수 있다.
4) 표면 피로
이물질을 거시적으로 살펴보면 접촉부가 작고, 그것이 하중을 받으면, 그 부분은 변형되어 접촉면을 일으킨다. 이와 같은 접촉면에서는 응력에 의해 재료내부에 변형 전단응력이 발생한다. Fig. 2- 25는 표면피로에 의한 변형과 응력에 대하여 도식적으로 나타낸다. 접촉면에서 떨어진 재료 내의 한 점 a 에 정방형의 미소부분을 고려하면, 접촉면의 부근에서는 이것에 상당하는 부 분은 b, c, d처럼 변형을 하고 있다. 접촉면의 중심 O가 오른쪽에서 왼쪽으 로 이동한다고 생각하면, a의 정방형은 b→ c→ d의 과정으로 변형되어 가 고, 접촉면이 통과하면, e 즉 a의 형태로 되돌아 간다. 이와 같은 반복적인 변형과 응력에 의해 표면에서 내부로 들어가며 피로 Crack이 발생하여 표면 이 벗겨지는 마모가 발생한다. 즉, c의 전단응력은 b와 d에서의 전단응력보 다 크지만, 접촉면의 이동에 의해 c의 응력은 일부 진동으로 되어, b와 s가 합쳐져 두 진동 응력으로 되기 때문에 이것이 피로 크랙의 원인으로 되는 것이다.
F ig. 2- 25 Schematic illus tration of deformation and s tres s in the contact s urfaces .
2.4.5 연 질박 막에 의한 윤활