Tribological Characteristics of Phosphorated Starch Based Electrorheological Fluid

Tribological Characteristics of Phosphorated Starch Based Electrorheological Fluid

Min-Gyu Jang

, Chul-Hee Lee

, Jea-Young Choi, Jung Woo Sohn and Seung-Bok Choi School of Mechanical Engineering, Inha University

(Received August 10, 2009; Revised December 4, 2009; Accepted December 20, 2009)

Abstract − This experimental study presents tribological characteristics under boundary lubrication contacts associated with electrorheolocal (ER) fluid. ER fluid is prepared by using phosphorated starch particles and sil- icone oil. Experimental apparatus of tribological tester is designed and constructed to evaluate tribological char- acteristics of pin specimens. Wear tests under boundary lubrication of ER fluid are experimentally performed under consideration of several operational factors such as normal load, sliding distance, sliding speed and spec- imen materials: steel, copper and aluminum. After wear test, microscopic surface changes of the worn pin spec- imens are analyzed in order to investigate measured wear characteristics by using the scanning electron microscope (SEM) as well as surface profilometer. In addition, the chemical wear characteristics are inves- tigated by using energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS). Moreover, friction coefficient measurements under different materials of pin specimens are conducted for the tribological investigations. In order to verify the effect of starch phosphate particles in ER fluid, the wear test results with ER fluid are compared with test results with only silicone oil. The results clearly present that the phosphorated starch based ER fluid shows the stabilized wear as well as friction characteristics after run-in operations, but the wear rate under ER fluid is increased.

Keywords − electrorheological fluid (ER 유체 ), boundary lubrication ( 경계 윤활 ), wear rate ( 마모율 ), friction coefficient ( ^마찰계수 )

1. 서 론

ER(ElectroRheological) 유체는 일반적으로 수 kV/mm

의 전기장 인가 시 유체 안의 입자들이 대전되어 전극 과 전극 사이에 체인 형상의 구조를 형성함으로써 마 치 고체와 같이 항복응력을 갖는 유체를 말한다 . ER 유 체의 거동은 외부로부터의 하중이나 압력에 대하여 저 항할 수 있게 하며 지속적인 제어 , ^{간단한 설계 및 빠}

른 응답속도와 같은 장점을 갖게 한다 . 이러한 ER 유체 를 이용하여 실제 산업용 밸브 시스템 , 자동차 쇽업소 버 , 엔진 마운트와 같은 시스템의 적용에 대한 연구가 지속적으로 행해지고 있다 [1,2].

그러나 이러한 ER ^{유체에 함유되어 있는 입자들에 의}

한 마모 문제가 실제 기계시스템의 적용에서 발생되고 있으며 오랜 작동 시간으로 작동 기계 부품의 재료 특 성뿐만 아니라 ER 유체의 특성 또한 변형되는 현상이 나타나고 있다 . 따라서 ER 유체의 트라이볼로지 특성에 관한 이해는 필수적이라 할 수 있다 .

트라이볼로지 측면에서 ER 유체의 마모 및 윤활 현상

†주저자

: [email protected]

‡책임저자

: [email protected]

에 대한 연구는 1989 ^년 Lingard ^{에 의하여 처음 시작}

되었으며 이산화 규소 ER 유체의 마모 및 윤활에 대한 연구도 Park 에 의하여 수행되었다 [3,4]. 그러나 ER 유 체의 트라이볼로지 측면의 연구는 이후로 거의 연구되 지 않았다 .

따라서 본 연구에서는 제안된 인산화 (Phosphorated)

전분 (Starch) ER 유체에 대한 트라이볼로지 특성을 연구

한다 . ER 유체의 마모 특성을 실험하기 위하여 핀 - 온 - 디 스크 실험 장치를 설계하고 제작한다 . ^{본 연구에서 제}

작한 인산화 전분 ER 유체를 사용하여 3 가지 각기 다른

시편의 실험을 수행하고 SEM ^{및 표면 측정기를 사용}

하여 핀 표면의 마모 상태를 관찰하였다 . 또한 화학적

마모 특성을 알아보기 위하여 EDS(Energy Dispersive

x-ray Spectroscopy) ^{를 사용하여 마모 부위를 측정하였다} . 2. Electrorheological (ER) 유체

ER 유체는 일반적으로 비전도성 용매에 분산된 전도 성 입자들을 가진 현탁액으로서 전기장 비인가시 뉴토

니언 (Newtonian) 유체의 거동을 따르지만 , 전기장을 가

하면 마치 고체와 같이 항복응력을 갖는 빙햄 (Bingham)

유체의 거동을 나타내는 유체들을 총칭한다 .

Fig. 1 에서는 ER 유체의 입자들이 자유롭게 움직일

수 있는 뉴토니안 유체로부터 입자들이 하나의 체인구 조로 연결되어 있는 빙햄 유체로 변화되는 것을 보여 준다 .

이러한 입자들의 원주 구조는 입자의 운동을 제한하 고 , 현탁액의 에너지 분해 또는 점성 특성들은 증가하 다 . ^따라서 , ER ^{유체에 인가되는 전기장의 변화에 따라}

현탁액의 전기 - 점성 특성들은 변한다 . 본 연구에서 사 용된 ER 유체는 30% 의 인산화 전분 입자와 70% 의 실리콘 오일 (KF-96-30CS) ^{로 구성하였다} .

3. 실험 방법

ER 유체의 마모성능을 실제 평가하기 위하여 , 핀 - 온 -

디스크 타입의 마모시험기를 Ludema ^{의 논문을 토대로}

개발하였다 [5].

Fig. 2 는 마모시험기의 개념도와 개발된 장비를 나

타낸 것이다 . ^{본 마모 실험기는 다른 핀} - ^온 - ^{디스크 타}

입의 시험기와 다르게 디스크의 바닥 면이 유체 용기 에 가라앉은 이후 회전 디스크의 측면에서 접촉이 발 생되게 하였다 . 따라서 ER 유체는 회전하는 디스크를 따라 접촉면에 지속적으로 공급된다 .

마모실험 시 회전하는 디스크에 고정된 핀을 통하여 수직하중을 가해주며 이 수직 하중은 유압에 의하여 생성된다 . ^{디스크는 설치된} DC ^{모터의 특정한 회전속}

도 (rpm) 를 가지고 회전하고 실험기에는 수직 하중과

디스크의 회전속도를 제어하기 위하여 소형 프로세서 가 장착되어 있으며 마찰 토크 , ^{수직 하중} , ER ^유체의 Fig. 1. Characteristics of electrorheological (ER) fluid.

Fig. 2. Experimental apparatus for wear test: (a)

schematic configuration, (b) photograph.

온도 상승을 측정할 수 있게 개발 되었다 .

마찰 특성을 평가하기 위하여 , 기계 시스템에서 널리 사용되는 강 (S45C), 알루미늄 (AL1050), 구리 (C1220) 의 재질을 핀 시편으로 선정하였다 . ^{사용된 핀과 디스크}

의 재료 특성 ( 밀도 , 경도 , 인장강도 ) 은 Table 1 에 요약 되어 있다 .

실제 사용 환경과 동일하게 평가하기 위하여 , 접촉

면의 수직 하중은 유압 작동기를 사용하여 33.3 N~

100N ^{까지 변화시켜 주었으며 접촉되는 부품들의 속도는}

0.3m/s (97rpm), 0.7m/s (228rpm), 1.0m/s (326rpm)

로 하며 전기 모터를 사용하여 변화하였다 . Table 2 는 이러한 마모실험의 실험 조건들을 나타낸 것이다 .

마모 실험 후 실험 전후의 시편 무게를 전자저울 (DIN

50321) ^{을 이용하여 정확한 무게를 측정하였다} . ^{핀 표}

본의 마모율은 무게손실 비를 미끄럼 거리로 나눔으로 써 아래와 같이 얻어진다 .

(1)

4. 실험 결과 및 논의

Fig. 3 은 동일한 미끄럼 속도 0.7 m/s 에서 강 재질의

핀 시편에 가해지는 하중을 33.3 N, 66.6 N, 100 N

으로 각각 달리하여 이에 따른 마모율의 변화를 도시 한 것이다 . 경계 조건의 윤활 상태를 유지하기 위하여 제안된 인산화 전분계 입자를 용질로 사용한 ER 유체 를 사용하였다 . Fig. 3 의 실험결과에서 보여지듯이 미 끄럼 거리가 길어짐에 따라 마모율이 줄어드는 것을 알 수가 있다 . ^{이는 마모가 진행됨에 따라 시편의 접}

촉 면적이 늘어나고 시편의 평평한 끝 단의 형태가 디 스크의 외경의 굴곡과 같아지기 때문이라 할 수 있다 .

따라서 초기 미끄럼 상태에서는 접촉 면적이 가장 작 고 접촉 압력이 작은 면적에 집중되기 때문에 마모율 이 가장 높다 .

wear rate weight loss sliding dis ce tan ---

=

(S45C) 7.85 167~229 343

(S45C after Disk Induction hardening)

7.85 201~269 686

Table 2. Experimental conditions

Specimens Ø6 mm, 40 mm

Lubrication status Starch-based ER Fluid Unidirectional

rotational speed Constant 0.70 m/s / Varying from 0.3 to 1.0 m/s Normal load Constant 66.6 N

/ Varying from 33.3 N to 100 N

Pressure Ambient air

Temperature Room temperature (21.2

C)

Relative Humidity 46%

Fig. 3. Wear rate under normal load changes (S45C, linear velocity of 0.7 m/s).

Fig. 4. Wear rate under sliding velocity changes (S45C,

normal load of 66.6 N).

미끄럼 속도에 따른 마모의 특성을 알아보기 위하여

디스크의 회전 속도를 제어하여 0.3 m/s, 0.7 m/s,

1.0 m/s 의 속도로 실험을 수행하였다 . Fig. 4 는 수직 하

중을 66.6 N 으로 고정한 상태에서 속도 변화에 따른 마

모율을 나타낸 것이다 . ^{초기 마모율은 회전 속도가 느}

릴수록 크지만 미끄럼 거리가 증가할수록 마모율의 차

이가 감소함을 알 수 있으며 미끄럼 거리 2000~2400 m

에서는 차이가 거의 없는 것을 알 수 있다 .

Fig. 5 는 시편의 재질에 따른 마모율 변화를 도시한

것이다 . ^{실험에 사용한 시편은 각각 강} , ^알루미늄 , ^구

리이며 시편에 가해준 수직 하중은 66.6 N, 미끄럼 속

도는 0.7 m/s ^{로 하였다} . ^{시험 결과 최대 마모율은 강을}

사용한 경우이며 약 0.0015 mg/m 이다 . 마모율은 알루

미늄 , 구리 , 강 순으로 감소 하였고 따라서 시편 재질 의 경도가 클수록 마모율이 높음을 알 수 있었다 . ^이

는 일반적인 상식과 반대되는 것이지만 이후 Fig. 7 에

서 나타나는 바와 같이 알루미늄 , 구리 , 강 순으로 마 찰계수가 증대되는 것으로 보아 마찰계수가 마모율에

Fig. 5. Wear rate with various specimens after test with ER fluid (normal load = 66.6 N, linear velocity = 0.7 m/s).

Fig. 6. Wear rate with various specimens after test with silicone oil (normal load = 66.6 N, linear velocity = 0.7 m/s).

Fig. 7. Friction coefficient of specimens (a) AL1050, (b) C1220, (c) S45C (normal load = 66.6 N, linear velocity

= 0.7 m/s).

크게 영향을 주는 것을 알 수 있다 . Fig. 6 은 ER 유 체 입자의 마모 영향을 파악하기 위해 실리콘 오일만

을 사용하여 마모율을 측정한 결과이다 . Fig. 6 에서 나

타나듯이 ER ^{유체와 실리콘 오일에서의 마모량이 차이}

가 나는 것을 확인할 수 있다 . 이는 ER 유체의 입자

(particle) 들이 마모에 영향을 주는 것으로 파악된다 .

Fig. 7 은 미끄럼 거리에 따른 시편 표면의 마찰계수

를 도시한 것이다 . 마찰계수는 하중과 토크센서를 통 해 받은 드럼과 핀 사이의 마찰력으로부터 구하였다 .

그래프에서 바는 각 미끄럼 거리에 대한 평균 마찰 계 수 값을 나타낸다 . 여러 가지 재질의 핀 시편을 사용 하여 미끄럼 속도 0.7 m/s, 수직 하중 66.6 N 조건에서 실험을 수행하였다 . 결과에서 나타나듯이 마찰 계수는

미끄럼 거리가 1600~2000 m ^{를 지나면서 작아지며 안}

Fig. 8. SEM images of pin specimens before wear test (X 2000) (a) AL1050, (b) C1220, (c) S45C.

Fig. 9. SEM images of pin specimens after wear test

with ER fluid (X 2000) (a) AL1050, (b) C1220, (c)

S45C.

정화 된다 . 강의 경우 인산화 전분 ER 유체 경계조건

상태에서 마찰 계수 값은 1600~2000 m 가 지나면서

0.21 ^{에 도달한다} . ^{앞서 언급한 바와 같이 마찰계수는}

알루미늄 , 구리 , 강의 순으로 증대되고 이는 마모율에 영향을 미치는 것으로 나타난다 .

세가지 핀 재질에 따른 시편 표면을 관찰하기 위하

여 측정 표면 위를 이동하여 촉침 (stylus) 의 수직 방향

변위를 측정하는 표면 거칠기 측정기를 사용한다 . ^측

정대상 핀 시편은 Fig. 5 에서 사용된 시편으로

2,400 m 까지 실험한 것이다 .

Table 3 은 측정된 표면 거칠기 R

, R

, R

값을 각 시편에 따라 나타낸 것이다 . 표면 거칠기 값을 비 교해보면 알루미늄의 R

^값이 0.81 ^µ m ^{로 가장 높은}

값을 가지고 있다 . 구리 및 강은 비슷한 거칠기를 보

여주고 있으며 R

^값은 0.495 ^µ m, R

^{값은 각각}

3.15 µ m, 3.33 µ m 이다 .

Fig. 8 과 Fig. 9 는 각각 SEM 촬영에 의한 초기 시 편과 마모 시험 후 시편의 재질에 따른 마모 면의 미

세구조를 2,000 배 확대하여 나타낸 것이다 . 표면 결과

에서 나타난 바와 같이 알루미늄 시편의 마모면은 찢겨 진 흔적이나 미세 구멍이 많이 보이지만 강의 경우에는 미세 구멍과 찢겨진 흔적이 알루미늄 시편에 비해 적고 구리 시편의 마모 면의 경우엔 앞의 두 시편에 에 비 해 매우 부드러운 표면이 나타남을 알 수 있다 .

Fig. 10 ^은 ER ^{유체 마모 테스트 후의} EDS ^{결과를 나}

타내며 인산화 전분 입자에 의한 화학적 변화는 없으 나 실리콘 오일 사용으로 인한 Si 의 양이 증가한 것을 알 수 있다 .

5. 결 론

본 연구에서는 실험실에서 제작한 인산화 전분 ER

유체의 경계 윤활 조건에서의 트라이볼로지 특성을 연 구하였다 . 핀 - 온 - 디스크 시험기를 사용한 실험을 통하 여 마찰 및 마모 실험을 하였으며 미끄럼 거리 , ^미끄

럼 속도 , 수직 하중에 대한 영향을 조사하였다 . 또한 세가지 시편의 재질에 따른 트라이볼로지 특성 시험도 수행하였다 . ^{마모율과 마찰 계수 측정에서 마찰과 마}

모 특성이 운전 중 안정화되는 특정 영역이 있는 것을 확인하였다 . ^{표면 측정기를 이용하여 마모 표면의 마}

멸 정도를 측정하였으며 SEM 을 통해 각기 다른 시편 의 마모 표면을 이해할 수 있었다 . 따라서 실험결과는 인산화 전분 ER ^{유체가 안정된 마모 및 마찰 특성을}

가지지만 실리콘 오일만의 마모율보다 ER 유체의 입자 에 의해 마모율이 높은 것을 알 수 있다 .

후 기

이 논문은 인하대학교의 지원에 의하여 연구되었음 . 참고문헌

1. Choi, S. B., Lee, H. G., and Chang E. G., “Field Test Results of a Semi-active ER Suspension System Associated with Skyhook Controller,” Mechatronics , Vol. 11, No. 3, pp. 345-353, 2001.

Fig. 10. EDS results of pin specimens after wear test

with ER fluid (a) AL1050, (b) C1220, (c) S45C.