Effect of Water Content on Tribological Characteristics of Grease

수분 오염에 대한 그리스의 트라이볼로지적 특성

Effect of Water Content on Tribological Characteristics of Grease

왕도영¹, 유신성¹, 김성수¹, 김대은^1,

Do-Young Wang¹, Shin-Sung Yoo¹, Seong-Soo Kim¹, and Dae-Eun Kim^1,

1 연세대학교 기계공학과 (School of Mechanical Engineering, Yonsei University)

 Corresponding author: [email protected], Tel: +82-2-2123-2822 Manuscript received: 2015.7.17. / Revised: 2015.9.16. / Accepted: 2015.10.1.

Friction of mechanical components affects the life and reliability of various machines. In order to improve the wear resistance of mechanical components, grease has been used as a lubricant.

However, depending on the operating condition of the machine, the grease may be contaminated with water, which lowers the its lubricating ability. In this work, the effect of the water content on the lubricating ability of grease was investigated. Friction tests using grease were performed between a stainless steel ball and an acrylic plate. Water content in the grease was varied (0, 5, 10 wt.%). It was found that the contact angle varied due to the addition of water in the grease.

The friction and wear of the specimens were assessed with respect to amount of water content.

Wear of the specimens was relatively severe when water was added. A water content of 10 wt.%

resulted in significant lubricant degradation.

KEYWORDS: Grease lubrication (그리스 윤활), Water content (물 함유량), Friction (마찰), Wear (마모)

1. 서론

기계부품의 상대 운동 부위에서 발생하는 마찰, 마모 등의 문제는 기계의 수명을 결정하는 중요한 현상이다.^1-3 건식 조건에서는 높은 마찰력과 심각 한 마모가 발생하기 때문에 윤활제를 이용하여 접 촉면간의 마찰계수를 낮추고 이를 통하여 마모를 저감시키는 기술이 널리 적용되고 있다.^4-6 특히 기 계 장비에서 마찰과 마모가 많이 발생하는 미끄럼 베어링과 구름 베어링과 같은 부위에서는 그리스 와 같은 윤활제가 필수적으로 사용되고 있다.^7,8

그리스는 기유(Base Oil), 증주제(Thickener), 첨 가제(Additive)로 구성된다. 기유는 그리스의 윤활

작용 및 점성력에 영향을 미치고, 증주제는 그리 스의 유동 특성, 첨가제는 그리스의 내마모성과 내마찰 성능 결정에 중요 요소로 작용한다.^9-11

하지만 윤활제의 특성 상 윤활 부위에서 발생 하는 마모 입자나 외부로부터 오염 물질이 유입되 는 경우 윤활 특성이 저하되면서 볼 조인트와 베 어링과 같은 부품의 수명에 치명적 영향을 줄 수 있다.¹² 외부로부터 유입되는 오염 물질로는 모래 입자, 공기 중 먼지, 수분 등이 있으며 상대적으로 유입 발생하기 쉬운 수분의 경우 그리스에 침투하 는 경우 그리스의 특성에 변화가 생겨 윤활 특성 이 저하되는 것으로 알려져 있다.^13-15 최근 연구에 서는 그리스에 수분이 첨가되는 경우 윤활 특성 __________

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변화를 평가하기 위하여 그리스에 수분을 인위적 으로 혼합시킨 후 변화를 측정하였으며 그 원인으 로 그리스에 수분이 첨가되었을 때 그리스를 구성 하는 증주제가 가수분해 되고 카르복실기가 형성 됨을 확인하였다.^16,17 본 연구에서는 그리스에 첨 가된 수분에 따른 마찰과 마모 량을 정량적으로 평가하였고 그리스를 오염시킨 수분이 제거될 경 우 그리스의 윤활 특성이 어떻게 변화하는지 접촉 각과 마찰 계수를 이용하여 확인하였다.

2. 실험 장치 및 시편 2.1 그리스 시편 제조

본 실험에서는 다양한 산업용 기기의 베어링에 사용되는 SK ZIC ROYAL GREASE 2를 사용하였다.

이 그리스의 사용 온도 범위는 -20 - 120℃ 로 넓은 온도 범위에서 윤활 특성을 유지할 수 있는 것으 로 알려져 있다. 수분이 함유되지 않은 그리스에 일정비율 (5 wt.%, 10 wt.%)의 물을 첨가 한 후, 물 리적으로 섞어줌으로써 그리스에 수분이 균일하게 혼합된 시료를 만들었다.

혼합된 그리스 시료를 도포 할 시편으로는 (20

× 20 × 1 mm) 크기의 acrylic plate를 사용하였다. 그 리스 시료를 균일하게 도포하기 위해 acrylic plate 의 양쪽 모서리 부분에 50 µm 두께의 셀로판 테이 프를 붙인 후 나머지 부분에 일반 그리스와 물이 첨가 된(5 wt.%, 10 wt.%) 그리스 시료를 도포했다.

그 후 슬라이드 글라스를 이용하여 도포된 그리스 와 셀로판 테이프 위를 동시에 밀어낸 후 셀로판 테이프를 제거함으로써 그리스 시편을 준비하였다.

시편을 confocal microscope로 두께와 surface roughness를 측정한 결과 두께는 50 µm, surface roughness는 물이 첨가되지 않은 경우와 5 wt.%의 물이 첨가된 경우 6 µm, 물이 10 wt.% 첨가된 경우 5 µm 의 Ra 값을 나타냈다.

2.2 수분 함량에 따른 그리스 시료의 마찰 계 수 측정

마찰 계수 측정은 pin-on-disk 방식의 마찰테스 트기(CSM tribometer)로 Fig. 1과 같이 수행하였다. 6 mm 지름의 stainless steel ball에 8 N 수직 하중을 가하여 경계윤활 조건에서 실시하였다. 3 mm의 회 전반지름을 75.4 mm/s 속도로 20,000 cycle씩 회전 운동 하였다. 총 3가지의 그리스 시료(0 wt.%, 5 wt.%, 10 wt.%)에 각각 3번 반복 실험을 진행하였

고, 온도 25℃, 습도 48% 환경에서 수행되었다. 실 험 조건에서의 Hertzian contact pressure와 Hertzian contact radius는 각각 84.5 MPa과 213 µm로 계산 되 었다.

2.3 아크릴 시편의 표면 이미지 관찰 및 마모 율 측정

마찰 실험을 마친 아크릴 시편의 마모율 및 표 면 형상을 측정하기 위해 실험 후 그리스가 도포 되어 있는 아크릴 시편을 비누기가 섞인 deionized water와 순수한 deionized water에 넣고 초음파 세척 기를 이용하여 각각 10분 동안 클리닝 하여 시편 표면에 도포되어 있는 그리스를 제거하였다.

시편 표면은 gold sputter coating을 한 후에 scanning electron microscope(SEM, JEOL JSM-6610)을 이용하여 이미지를 측정하였고 마모 특성을 평가 하는데 이용하였다. 도포된 그리스를 제거한 아크 릴 시편의 마모율은 confocal microscope를 이용하 여 측정하였다. laser focal depth를 이용한 깊이 방향 데이터를 각 시편당 마모트랙 위의 서로 다른 세 곳에서 측정하여 마모율의 평균값을 계산하였다.

2.4 그리스 시료의 접촉각 측정

그리스는 비극성 성질을 갖기 때문에 극성 성 질을 갖는 물 방울을 떨어뜨렸을 때 접촉각은 90°

이상으로 측정된다. 이때 접촉각이 클수록 소수성 특성을 가지고 접촉각이 작을수록 친수성 특성을 가지게 된다. 이와 같은 성질을 통해서 그리스에 수분이 첨가되는 경우 그리스의 특성에 변화가 생 기는 것을 확인하기 위해 수분이 첨가되지 않은

Fig. 1 Experimental set-up of pin-on-disk friction test

그리스 시편과 10 wt.%의 수분이 첨가된 그리스 시편에 지름 0.5 mm의 물을 한 방울 떨어뜨려 물 방울과 그리스 사이에 접촉각을 측정하여 두 시편 의 특성 차이를 알아보았다.

2.5 그리스 내의 수분 증발 후 마찰 계수 측 정 및 접촉각 측정

그리스에 수분이 첨가됐을 때 윤활 특성이 변 한다면 수분의 영향이라는 것을 확인하기 위해 10 wt.%의 수분이 첨가 된 그리스 시편을 35℃

heating plate에서 1 시간 동안 올려두어 첨가된 수 분을 제거한 후 수행했던 마찰실험과 동일한 조건 하에서 총 3회 마찰실험을 수행하였다. 또한 수분 이 증발되고 나서 다시 변화된 그리스의 특성을 확인하기 위해 위와 같이 수분을 증발시킨 그리스 시편 위에 지름 0.5 mm의 물을 한 방울 떨어뜨려 물방울과 그리스 사이에 접촉각을 측정하였다.

3. 실험 결과 및 고찰 3.1 마찰 실험 결과

다음 Figs. 2(a)-2(c)는 첨가된 수분 함량에 따른 그리스의 마찰계수 변화를 보여준다. 전반적인 마 찰계수의 평균값을 보면 수분이 첨가되지 않은 경 우: 0.036, 5 wt.%의 수분이 첨가된 경우: 0.037, 10 wt.%의 수분이 첨가된 경우: 0.077로 측정되었다.

Fig. 2(c)의 경우는 다른 경우와 다르게 실험 시작 후 마찰계수가 약 0.2까지 올라갔다가 5,000 cycle 이후 마찰계수가 약 0.05까지 떨어져 다시 다른 두 경우와 비슷한 양상의 마찰계수를 보였다. 이 는 첨가된 10 wt.%의 수분이 그리스의 특성에 변 화를 발생시켜 그리스가 제대로 작동하지 못하여 마찰계수가 올라가고 여기서 발생한 마찰열로 인 하여 그리스 내 함유된 수분이 증발하여 다시 원 래 그리스의 윤활 특성이 나타난 결과로 보인다.

5,000 cycle 이후도 수분이 첨가되지 않은 그리스나 5 wt.%의 수분이 첨가된 그리스보다 마찰계수가 높게 측정되었는데 이는 5,000 cycle 이전의 높은 마찰계수로 인하여 크게 마모된 표면 때문이 마찰 에 영향을 미친 결과로 보인다.

Fig. 3은 각 시편들의 마찰계수의 평균값과 표 준편차를 5,000 cycle 전후로 나누어 비교한 그래프 이다. 5,000 cycle 까지는 수분이 첨가되지 않은 경 우: 0.035, 5 wt.%의 수분이 첨가된 경우: 0.035, 10 wt.%의 수분이 첨가된 경우: 0.144로 마찰계수가

측정되었고, 5,000 cycle 이후에는 수분이 첨가되지 않은 경우: 0.037, 5 wt.%의 수분이 첨가된 경우:

0.038, 10 wt.%의 수분이 첨가된 경우: 0.054로 마찰 계수가 측정되었다.

0 5000 10000 15000 20000

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

COF

Cycles

0wt% #1 0wt% #2 0wt% #3

(a) Grease without water

0 5000 10000 15000 20000

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

COF

Cycles

5wt% #1 5wt% #2 5wt% #3

(b) Grease with 5 wt.% water content

0 5000 10000 15000 20000

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

COF

Cycles

10wt% #1 10wt% #2 10wt% #3

(c) Grease with 10 wt.% water content

Fig. 2 Friction coefficient variation with respect to number of cycles

0.00 0.04 0.08 0.12 0.16

After 5,000 Cycles

COF

5,000 Cycles

0wt%

5wt%

10wt%

Fig. 3 Average friction coefficient with respect to water content in grease for different range of cycles

3.2 시편의 표면 이미지 관찰 및 마모율 측정 결과

다음 Figs. 4(a)-4(c)는 첨가된 수분 함량에 따른 마찰 실험 후 acrylic plate에 생긴 마모 트랙을 SEM을 이용하여 이미지를 측정하고, confocal microscope로 측정한 profile을 보여준다. 마모 트랙 의 폭은 세 경우 모두 300 µm 정도로 비슷하며 이 는 Hertzian contact diameter보다 1.5배 정도 큰 값으 로 Hertzian contact이론은 실험 초기 탄성 영역에서 만 적용되기 때문에 탄성 영역을 지나 마모가 진 행되는 본 실험 조건의 마모 트랙은 이론 값 보다 크게 측정되었으며 또한 실험 중 발생하는 진동이 나 접촉이 안정화 되는 과정도 마모 트랙의 크기 에 영향을 주었다. 수분이 첨가되지 않은 경우와 5 wt.%의 수분이 첨가된 경우 표면 상태가 비슷하 지만 10 wt.%의 수분이 첨가된 경우 다른 두 경우 에 비해 훨씬 마모가 많이 일어난 것을 표면 이미 지를 통해서도 알 수 있다.

또한 Fig. 5는 Fig. 4의 profile에서 wear area를 구 하고 회전반경을 이용하여 계산한 wear volume의 평 균값과 표준 편차 값을 나타낸 그래프이다. 각 wear volume의 평균값은 수분이 첨가되지 않은 경우:

1.9x10⁶ µm³, 수분이 5 wt.%만큼 첨가된 경우: 2.3x10⁶ µm³, 수분이 10 wt.%만큼 첨가된 경우: 22.3x10⁶ µm³ 로 측정되어 수분이 첨가되지 않은 경우에 비해 약 11.7배, 수분이 5 wt.%만큼 첨가된 경우에 비해 약 9.7배 증가했다. 이는 Fig. 3의 그래프에서 5,000 cycle까지 10 wt.%의 수분을 첨가했을 때 마찰계수 가 수분을 첨가하지 않거나 5 wt.%의 수분을 첨가 했을 때의 마찰계수보다 약 4배 컸기 때문에 이로

인하여 마모가 상대적으로 많이 일어난 결과로 보 인다.

3.3 그리스 시료의 접촉각 분석

Fig. 6은 그리스에 수분이 첨가됐을 때 특성의 (a) Grease without water

(b) Grease with 5 wt.% water content

(c) Grease with 10 wt.% water content

Fig. 4 SEM image and surface profile of acrylic plate specimen after friction test with respect to water content in grease

변화가 일어나는지 알아보기 위해 접촉각을 측정 한 사진과 평균값 및 표준편차 데이터이다. 수분 이 첨가되지 않은 그리스에 지름 0.5 mm의 물방울

을 떨어뜨린 경우의 접촉각이 101.3°, 수분이 10 wt.% 첨가됐을 때 같은 물방울을 떨어뜨린 경우의 접촉각이 93.0°로 측정 되었다. 두 경우 모두 접촉 각이 90° 이상으로 측정되어 두 그리스가 비극성 성질을 띄고 있음을 알 수 있다. 하지만 수분이 첨 가됐을 때는 그리스의 비극성이 작아져서 수분과 더 친화적인 극성으로 바뀌어 순수한 그리스에 물 방울을 떨어뜨렸을 때보다 접촉각이 8.3° 만큼 작아 졌다. 이는 그리스에 수분이 첨가되었을 때 그리스 의 특성에 변화가 생김을 보여주고 이로 인해 Fig.

2(c)와 같은 마찰 계수 변화가 생긴 것으로 보인다.

3.4 수분이 증발 된 그리스 시료의 마찰 계수 및 접촉각 분석

Fig. 7은 10 wt.%의 수분이 섞인 그리스를 35℃

의 heating plate에서 1시간 동안 증발시킨 후 마찰 실험을 해서 측정 된 마찰계수이다. 수분이 섞이 지 않은 그리스의 마찰계수 데이터와 비슷한 양상 을 보이며 평균 마찰계수는 0.03으로 측정되었다.

50 µm의 얇은 두께의 그리스에 포함된 수분이 1시 간 동안 35℃의 온도에서 증발하여 수분이 섞이지 않은 그리스의 마찰계수가 비슷한 결과값이 나왔 고 이는 10 wt.%의 수분을 첨가한 그리스의 마찰 실험에서 올라간 마찰계수가 마찰열로 인하여 다 시 떨어진 것을 설명해 준다.

Fig. 8은 위와 같은 방법으로 수분이 증발한 그 리스에 지름 0.5 mm의 물을 한 방울 떨어뜨려 접 촉각을 측정한 사진이다. 이때 접촉각은 99.3°로 측정되어 수분이 증발한 그리스가 비극성 성질을 회복했음을 알 수 있다.

0 4 8 12 16 20 24 28

10wt%

63 Wear volume (x10 µm) 5wt%

0wt%

Fig. 5 Wear volume of acrylic plate with respect to water content in grease after the friction test

(a) Grease without water

(b) Grease with 10 wt.% water content Fig. 6 Contact angle of grease with respect to water

0 5000 10000 15000 20000

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

COF

Cycles

after evap #1 after evap #2 after evap #3

Fig. 7 Friction coefficient of grease with 10 wt.% initial water content after water evaporation

Fig. 9는 Fig. 7에서 확인한 수분이 첨가되지 않 은 그리스와 수분이 10 wt.% 첨가 된 그리스의 접 촉각과 Fig. 8에서 확인한 접촉각을 비교한 그래프 이다. Fig. 8을 통해서 수분을 증발시킨 그리스의 접 촉각이 10 wt.%의 수분을 첨가한 그리스의 접촉각 보다 6.3° 증가했음을 확인했다. 이는 Fig. 6의 수분 이 첨가되지 않은 그리스의 접촉각보다 2° 작지만 수분 첨가로 인해 줄어든 그리스의 비극성 특성이 수분을 증발시킴으로써 다시 회복 되었다는 것을 보여준다. 이 결과를 통하여 Fig. 8에서 확인한 수분 이 증발된 그리스의 마찰계수가 수분이 섞이지 않 은 그리스의 마찰계수와 비슷한 특성이 나온 것이 마찰열에 의한 수분 증발 때문임을 확인할 수 있다.

4. 결론 및 고찰

본 연구에서는 그리스와 일정 수분을 첨가한

그리스를 이용하여 그리스에 수분이 첨가되었을 때 변화하는 윤활 특성과 마모 양상에 대해 고찰 하였다. Stainless steel ball과 acrylic plate의 경계윤활 조건에서 그리스에 대한 마찰특성 평가를 실시하 여 다음과 같은 결과를 확인할 수 있었다.

(1) 그리스에 수분이 일정함유량 이상으로 섞 인 경우 마찰 계수와 마모 량이 증가함을 확인하 였다. 10 wt.%의 수분이 섞인 그리스는 수분이 섞 이지 않은 그리스와 5 wt.%의 수분이 섞인 그리스 에 비해 마찰계수가 3.8배 높게 측정되었고 acrylic plate의 마모 량은 11배 높게 측정되었다.

(2) 5,000 cycles 후에 10 wt.%의 수분이 섞인 그 리스는 다른 시편들과 비슷한 마찰계수 양상과 값 을 보였고, 이는 마찰열로 인해 수분이 증발되면 서 발생하는 현상으로 보인다.

(3) 그리스에 10 wt.%의 수분을 섞은 시편의 경 우 접촉각이 101.3°에서 93°로 감소하였으며 이는 수분 오염이 그리스의 특성을 변화시킨다는 것을 보여준다.

(4) 수분이 함유된 그리스의 온도를 높여서 그 리스 내의 수분을 증발 시킨 결과 그리스의 윤활 특성이 가역적으로 회복됨을 마찰계수와 접촉각 측정을 통하여 확인하였다.

후 기

이 논문은 2015 년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연 구임 (No. 2010-0018289).

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Fig. 8 Contact angle of grease with 10 wt.% water after water evaporation

80 90 100

After evaporating Grease +

Water 10wt%

Contact angle

Grease

Fig. 9 Comparison of contact angle change according to the presence or absence of water

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