Improvement of Tribological Characteristics of Multi-Scale Laser-Textured Surface in terms of Lubrication Regime

윤활영역에서 멀티크기 Laser Surface Texturing 효과

Abstract

Laser Surface Texturing(LST) is a surface engineering process used to improve tribological characteristics of materials by creating patterned microstructures on the mechanical contact surface. In LST technology, a pulsated laser beam is used to create arranged dimples on a surface by a material ablation process, which can improve such as load capacity, wear resistances, lubrication lifetime, and reduce friction coefficients. In the present study, the effect of multi-scale LST on lubricant regime was investigated. A pulsed Nd:YAG laser was applied on the bearing steel(AISI 52100) to create arranged dimples. To optimize the surface texturing effect on friction, multi-scale texture dimples with some specific formula arrays were fabricated by combining circles, ellipses and the laser ablation process. The tribological testing of multi-scale textured surface was performed by a flat-on-flat unidirectional tribometer under lubrication and the results compared with that of the non-textured surface. Through an increase in sliding speed, the beneficial effect of multi-scale LST performance was achieved. The multi-scale textured surface had lower friction coefficient performances than the non-textured surface due to the hydrodynamic lubrication effect.

1. 서 론

Surface texturing이란 금속재료표면에 micro patter을 정밀 가공하여 사용목적에 따른 특성제어 및 성능을 표면에 부여하는 기술이다. 최근, 산업체에서는 두 물체의 접촉 시, 경계윤활 및 건조마찰상태에서 발생하는 트라이볼로지적 특성을 향상시키기 위해 물리적인 방법으로 micro-dimple, micro groove와 같은 미세한 형상들을 원하는 패턴으로 가공하는 surface texturing마찰 제어법이 주목받고 있다. 이러한 기계시스템의 마찰을 제어하여 수명을 연장하고, 효율과 신뢰성을 향상시킴으로써 에너지를 절약할 수 있으며, 안전성 향상에도 상당한 도움이 된다고 알려져 있다[1, 2]. 최근에는 표면의 마찰 성능 향상을 위한 surface texturing연구가 골프공, 엔진실린더, 자기 저장 장치, 베어링 및 메키니컬 씰 등의 접동면 마찰 특성을 개선하기 위해 다앙하게 적용 되고 있다[3, 4].

Etion의 연구[5]에 따르면 균일하게 분포된 반구형 마이크로 딤플을 기계용 씰표면에 처리하였을 때 일반 마이크로 표면 텍스처링에 비해 큰 내구성향상을 가져왔으며 동일한 표면처리를 피스톤링 부분에 적용하여 제한속도 내에서 마찰 평가한 결과, LST실린더 링부분의 마찰계수가 25% 감소하였다. 특히, 엔진의 예비 실험의 경우, LST 배럴 형상링이 200 RPM 이하 저속에서 저마찰 특성을 보였으나 2,000 RPM 이상의 고속에서는 향상이 보이지 않은 것으로 보고되었다[6].

아울러 Chon연구에 따르면, Polyoxymethylene(POM) 마이크로 CNC 표면에 텍스처링을 실시하게 되면 처리하지 않은 소재에 비해 약50% 저마찰 효과를 나타내었다. 이러한 LST기법은 세라믹, 금속, 고분자의 텍스처 딤플은 마찰저감에 상당한 효과가 야기하는 것으로 나타나고 있음을 보고하였다[7, 8].

그러나, 이러한 texturing 효과는 위와 같은 많은 연구를 진행되고 있으나, 윤활 영역에서의 멀티크기의 LST의 마찰 저감 효과에 대한 연구는 아직 활발히 진행되고 있지 않고 있다.

본 연구에서는 베어링강(AISI 52100) 시험편에 레이저를 사용하여 서로 다른 밀도의 딤플 패텬을 제작하였다. 베어링강 디스크 시험편의 상대재로 베어링강 핀을 접촉하여 마찰특성 평가와 텍스처링 마찰특성을 비교하였다.

 

2. 시험장치 및 시험방법

2-1. 시험편

디스크 시험편은 직경 35 mm 두께 5 mm인 크기로 제작 하였으며 핀과 디스크 시험편 모두 경도 HRC 59-60인 베어링강(AISI 52100)을 사용하였다. 모든 시험편은 표면거칠기(Ra) 0.06-0.08 μm로 연마를 실시하였다. 마찰시험은 멀티크기 텍스처와 처리하지 않은 두개의 다른 표면 구조로 구성하였다. 멀티크기 텍스처는 밀도를 달리하여 시험편을 제작하였으며 본 연구에서의 LST표면의 특성은 Table 1과 같다. 멀티크기 턱스처 핀 시험편을 제작하기 위하여 200 ns의 펄스시간 펄스에너지 1mJ, 15 kHz 펄스반복과 18~20% 힘으로 레이저 마이크로 텍스처링을 금속 표면에 실시하였다. 원 및 타원으로 조합하여 레이저공정으로 멀티크기의 특정 배열 딤플을 제작하였으며 LST공정동안 딤플 주위에 생성된 마모입자들은 랩핑작업으로 제거하였다. 타원 딤플은 150/300 μm의 축방향 길이를 가지고 있으며, 원형 딤플의 직경은 300μm로 가공하였다.

Table 1.Surface patterns and characteristics of multi-scale LST patterns

Fig. 1.Laser surface texturing equipment.

2-2. 마찰시험

마찰 시험은 멀티크기 텍스처와 처리하지 않은 베어링강을 사용하여 Pin-on-disc 단방향 실험을 수행하였다. 아래에 디스크 시험편을 고정하고 상부에 6 mm 직경의 핀시험편을 사용하여 10N의 하중에서 회전속도 50~300 RPM의 범위로 단방향 슬라이딩 접촉실험을 하였다. 디스크의 접촉궤도가 22 mm이기 때문에 선형 미끄럼 속도는 0.09, 0.18, 0.36, 0.55 m/s이며, 각각의 시험은 2,000초 동안 실시하였다. 모든 시험편은 아세톤으로 세정한 후 가능한 일정 표면 상태를 유지하기 위하여, 마찰 시험 이전에 윤활제 및 오염물질을 제거하고 건조시켰으며, 텍스처 처리 하지 않은 시험편은 동일한 시험조건으로 비교 평가 하였다. 다른 시험은 딤플 깊이의 마찰 거동을 평가하기 위해 수행되었고, 위에서 언급 한 같은 미끄럼 속도와 수직하중에 3.4, 5.5, 7.5 μm 깊이의 딤플 표면에 실시하였다. 시험편의 장착과 마찰시험은 Fig, 2와 같이 수행하였다. 시험에 사용된 윤활유는 현재 자동차의 엔진오일로 시판중인 동점도 40℃에서 54mm2/s, 100℃에서 10mm2/s, 점도지수 157인 poly-alpha-olefin(PAO) 윤활제를 사용하였다. 결과의 정밀도를 높이기 위해 모든 시험은 두번 수행하여 평균값을 제시하였다. 또한 시험 전후의 표면형상을 관찰하기 위하여 FE-SEM을 사용 하였다.

Fig. 2.Schematic illustration of pin on disk type reciprocating friction test.

 

3. 결과 및 고찰

3-1. 윤활영역에서 언텍스처 표면의 마찰특성

연마한 언텍스처 표면과 그라운드 시험편의 10N에서 미끄럼속도와 마찰계수의 관계는 Fig. 4에서 나타내었다. 표면조도가 마찰계수에 어떠한 영향을 미치는지 명확하게 알 수 있다. 0.09-0.36 m/s의 범위에서 미끄럼 속도가 증가할 때, 마찰 계수는 서서히 감소하여 미끄럼 속도가 0.55 m/s로 더 증가했을 때보다 다시 올라 갔다. 두 시험편은 낮은 미끄럼 속도 (<0.36)에서 유사한 마찰계수 경향을 보이지만 전체적으로 연마한 시험편이 저마찰 특성을 나타내고 있다. 이러한 경향은 윤활 효과로 의한 것으로 생각 되어진다. 연마된 시험편은 0.043 − 0.015 ± 0.0031, 그라운드 시험편은 0.062 −0.018 ± 0.0031의 평균 마찰계수 범위에 있었다.

Fig. 3.The SEM micrographs of (a) polished, (b) ground.

Fig. 4.The friction coefficient of non-textured, ground and polished surface.

3-2. 윤활영역에서 멀티크기 텍스처의 마찰특성

Fig. 6은 10N의 수직하중에서 0.09m/s에서 0.55 m/s 로 속도를 달리하여 멀티크기LST 딤플의 밀도와 마찰계수의 상관관계를 보여준다. 딤플 패턴의 깊이는 5.5 μm로 동일하게 제작하였으며, 일반적으로 모든 그래프는 표면의 굴곡에 따라 명확한 마찰계수를 나타내고 있다. 언텍스처 시험편에 비해 멀티크기 텍스처 시험편의 평균 마찰계수는 크게 다르게 나타났다. 0.09 m/s에서는 높은 마찰계수를 보였고, 미끄럼 속도가 0.18 m/s 이상에서는 마찰계수가 급격히 감소하여 그 이상 에서는 안정적인 마찰계수를 보였다. 모든 마찰계수 그래프는 0.18 m/s에서 미끄럼속도 인근에서 윤활영역으로 전환되는 것으로 사료되며 이것은 스트리벡 곡선과 일치했다.

Fig. 5.The SEM micrographs of multi-scale textured surface (a) at low density of 7%, (b) high density of 20%.

Fig. 6.The friction coefficient of multi-scale LST with increasing sliding speed at different dimple densities.

0.18 m/s에서 0.55 m/s에서 밀도에 따른 실험결과 12%일 때 가장 낮은 마찰 계수를 보였으며, 20%, 7%, 5% 순으로 나타났다. 시험한 모든 조건에서 멀티크기 텍스처 시험편이 언텍스처 시험편에 비해 저마찰 특성을 보였다. 이것은 접촉표면 마이크로 딤플에 윤활막을 형성함으로써, 윤활하에서 마찰계수를 줄이는 역할을 해주기 때문이다. 그리고, 미끄럼 속도의 증가는 접촉면에 들어가는 윤활유의 증가로 유체윤활 효과에 따른 마찰계수를 감소시킨다고 할 수 있다.

3-3. 멀티크기 텍스처의 윤활 효과

윤활영역에서의 멀티크기 텍스처의 마찰특성을 평가하기 위해서 언텍스처 시험편 멀티크기 텍스처 시험편을 장시간 동안 윤활조건에서 미끄럼 마찰시험을 수행하였다. 언텍스처 시험편은 연마 시험편, 그라운드 시험편, 멀티크기 텍스처 시험편은 밀도를 5, 7, 12% 시험편으로 3,000초 동안 미끄럼 속도를 달리하고 수직 하중 10N의 조건으로 수행 하였다. Fig. 7은 시험편에 따른 마찰계수의 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 텍스처 시험편과 언텍스처 시험편 사이의 마찰계수에는 큰 차이가 관찰되었다. 그라운드 시험편이 연마 시험편에 비해 약 0.006 높은 마찰계수를 보였다. 밀도에 따른 마찰계수는 12%일때가 가장 낮았으며 7%, 5% 순으로 나타났다. 12% 밀도의 딤플 시험편이 연마시험편에 비해서는 4배, 그라운드 시험편에 비해서는 7배의 저마찰 특성 보였다.

Fig. 7.The friction coefficient performance of nontextured and multi-scale textured surface under longer sliding conditions.

 

4. 결 론

윤활영역 하에서 원형과 타원 형상의 멀티크기 laser-surface texturing(LST)의 트라이볼로지적 특성을 pin-on-disc 시험장치로 평가하였다. 그 결과 멀티크기 텍스처 표면이 텍스처 처리하지 않은 표면에 비해 마찰계수가 낮고 안정적이었다. 이것은 유체윤활 효과에 의한 것으로, 딤플의 밀도 분포가 12%일 때 마찰 저감 효과가 가장 높았으며, 미끄럼 속도가 증가함에 따라 저마찰 특성을 나타냈다.