Friction Characteristic of SCM44 Steel using Grease Lubricants

그리스 윤활유의 종류에 따른 SCM44의 마찰특성

Abstract

Friction mechanisms is a very important role in the industrial machinery. However, many experiments have been conducted to reduce the loss of energy resources and parts used due to friction because the friction force adversely affects parts, efficiency, noise, and the like of the power unit. Therefore, in this study, the friction coefficient according to the characteristics of the lubricant was measured to find out which Grease Lubricant maintains the low friction coefficient without being most affected by external conditions. A total of five grease lubricants were tested in this study: GHP CAL 301, GHP EP 2, GHP KG 10, GHP HPG 2, and GHP HTG 2. And the friction coefficient was conducted by changing the load conditions (2, 4, 6, 8, 10N) and rotational speed (24, 48, 67, 86, 105, 124, 143, 162vrpm) using a pin-on-disk wear test system. Also, duty number were calculated. As a result, it was confirmed that in all grease lubricants, the speed did not significantly affect the friction coefficient, and it was confirmed that in all lubricants, the size of the friction coefficient decreased as the load increased from a small load to a large load. In addition, it was determined from the experimental results that GHP EP 2 is the most suitable as a grease lubricant and GHP CAL 301 is not the most suitable.

1. 서론

마찰은 산업분야에서 매우 중요한 역할을 한다. 하지만 마찰력이 동력부의 부품, 효율, 소음, 등에 좋지 않은 영향을 끼치기도 한다. 따라서 산업의 발달과 더불어 동력의 사용 및 효율의 중요성이 증가함에 따라 마찰로 인해 생긴 에너지 자원 및 사용되는 부품의 손실을 줄이고자 많은 실험이 진행되고 있다.

자동차 분야에서는 브레이크나 클러치와 같은 고 마찰을 필요로 하는 부품을 제외하고는 피스톤, 베어링, 밸브, 캠과 같은 동력부품과 메커니컬 씰과 같은 정밀부품은 저 마찰이 요구되고 있다. 저 마찰의 요구조건에는 물체의 낮은 표면 거칠기, 그리스의 사용, 마찰면의 온도 등이 있다. 최근 이러한 조건을 맞추고자 많은 연구가 진행되고 있는데 각기 다른 환경에 적합한 그리스의 사용에 다양한 제한이 있다[1, 2, 3]. 또한 Tribology International Magazine의 Kenneth Holmburg 등[4]의 보고서에 따르면 자동차의 엔진, 변속기, 바퀴 그리고 브레이크의 마찰로 인해 생기는 에너지 손실은 세계 연료에너지의 약 1/3에 달한다. 2009년 연구된 바에 의하면 객차의 경우 마찰로 인한 에너지 손실은 가솔린과 디젤을 포함하여 약 2,080억 리터나 되며 이것을 현재 국제유가로 환산하면 가솔린은 약 316.7조원, 디젤은 약 265.8조원에 달한다. 이와 같은 막대한 손실들을 적절한 그리스의 사용으로 줄일 수 있다면 경제적으로 큰 이득을 기대할 수 있을 것으로 사료된다. 최근 점도가 낮을수록 저 회전 시 회전저항이 적어지는 현상으로 인해 자동차에 사용되는 엔진오일을 포함한 그리스의 저점도화로 연비상승의 효과를 도모하기 위한 노력이 계속되고 있다[5]. 하지만 이러한 현상이 실제 연비향상에 도움을 주는지, 마멸에는 영향이 없는지에 대해 실험적인 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 여러 그리스의 특성에 따른 마찰계수를 측정하여 어떠한 그리스가 외부조건에 가장 영향을 받지 않고 낮은 마찰계수를 유지하는가에 대해 실험을 통하여 알아보았다.

2. 실험 재료 및 실험방법

2.1 실험 재료 및 장치

본 실험에 사용된 그리스는 GHP CAL 301, GHP EP 2, GHP KG 10, GHP HPG 2, GHP HTG 2로 총 5가지의 그리스를 사용하였다. Table 1은 재료 물성치를 나타낸다. 반고체 상태인 그리스의 특성상 점도로 표시할 수 없기 때문에 밀도차로 구분한 NLGI Level을 표시하였다.

Table 1. Specification of 5 types of Grease tested in this study

* NLGI(National Lubricating Grease Institute) Level (국제 윤활 그리스 기관 등급) : 반고체 상태인 그리스는 점도로 표시할 수 없으므로 밀도차로 구분한다. 같은 그리스라도 그 정도가 차이가 있으므로 절대적인 수치가 없기 때문에 미국의 NLGI에 의해 1-9등급으로 나눈 등급.

* Worked Penetration (혼화주도) : 그리스의 경도를 표시하는 척도. 시료의 온도를 25±0.5℃로 유지한 후 규정된 혼화용기 안에서 60회 왕복시킨 직후에서 유동도가 비교적 작을 때 소성 유동에 의한 변형 또는 유동에 대한 저항.[7]

마찰시험 시 실험에 직접적인 영향을 미치는 재료는 Pin과 Disc이다. 본 연구에서 사용된 표준시편은 구조용 합금강인 SCM440으로 제작된 것으로 크기 및 수치는 Fig. 1과 같다. Fig. 2는 본 실험에서 쓰인 Pin-on-disc 형태의 마찰-마멸시험 장치이다[6]. Fig. 3에서 보는 바와 같이 디스크의 중심에서 r만큼 떨어진 거리에 핀을 위치시키고 핀의 윗부분에 1N 추를 이용해 하중(N)을 조절한다. 핀 아래의 디스크는 일정한 각속도로 회전하며, 조절한 하중을 받는 핀과 일정한 각속도(ω)로 움직이는 디스크의 마찰로 인해 마찰력이 나타난다.

Fig. 1 Measurement of the specimen

Fig. 2 Schematic view(left) and actual image(right) of pin-on-disk wear test system

Fig. 3 3D design of Force acting in a Pin-on-disk wear test system

2.2 실험방법

핀의 표면과 디스크의 표면이 접촉하게 되면 수직응력에 의하여 접선하중이 발생한다. 이 두 힘의 관계는 마찰력이며 일반적인 마찰력으로 표현된다. 우선 핀과 회전부에 위치할 디스크를 아세톤 용액으로 초음파세척기에서 5분간 세척을 실시한다. 세척한 디스크를 마모시험기의 회전부에 고정을 시킨 다음 모든 부분에 장치가 고정되면 디스크의 표면에 그리스를 얇게 펴 바른 후 마찰부와 회전부의 수평을 맞춘 뒤 Pin-on-disc 마찰-마멸시험 장치를 작동시킨다(Fig. 2). 디스크 위에 그리스가 골고루 발릴 수 있도록 약 5분가량 공회전을 시킨 뒤, 마찰부의 고정하중을 2N에서부터 동일한 2N간격으로 4N, 6N, 8N, 10N의 순으로 회전 속도를 변화 시켜가며 마찰력을 측정하였다. 한 종류의 그리스 당 40번의 실험(5종류의 하중 x 8종류의 속도 조건)을 수행하였고, 한 종류의 그리스 실험이 끝나면 마찰부에 묻은 그리스를 세척한 후 사용한 핀과 디스크는 초음파세척기에서 아세톤에 5분 이상 세척한 후 내용물을 저장하고 기록하였다. 실험조건은 Table 2와 같다. 미끄럼 마찰력은 인장압축 로드셀(load cell)에서 나오는 전압신호를 인디케이터(indicator)를 사용하여 증폭시킨 후 아날로그/디지털 변환기로 변환시켜 컴퓨터에 입력하고 프로그램에 의하여 마찰계수를 계산하였다[6].

Table 2. Experiment test condition

3. 실험 결과 및 고찰

본 실험은 다섯 종류의 그리스를 대상으로 실온의 환경에서 2N에서부터 10N까지 5단계로 하중을 일정하게 증가시켰다. 또한, 각 하중 당 속도는 24rpm에서 162rpm까지 24, 48, 67, 86, 105, 124, 143, 162rpm으로 총 8단계로 변화시키면서 이를 통해 각 그리스의 마찰계수(Friction Coefficient)를 계산하였고 윤활상태에 따른 매커니즘을 규명하기 위하여 Stribeck curve를 사용하였다. 마찰계수와 무차원수를 이용하면 윤활상태를 구별할 수 있는 Stribeck curve를 작성할 수 있는데 관계식을 표현하면 다음과 같다.

\(\begin{align}S=\frac{\mu V D}{L}\end{align}\)       (1)

여기서, S는 무차원수인 duty number, μ는 동점성계수[pa-s], V는 미끄럼속도[m/s], D는 접촉지름[m], L은 수직하중[N]이다. 일반적으로 Stribeck curve는 접촉상태에서 형상과 재료, 윤활막 두께, 미끄럼 상태에 의존한다.

계산된 마찰계수와 Duty number는 속도와 Duty Number를 변수로 비교⋅분석하였고 그 결과, 모든 그리스에서 속도는 마찰계수에 큰 영향을 끼치지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 모든 그리스 실험에서 하중이 증가할수록 마찰계수의 크기가 작아지는 것을 확인하였고 감소폭은 서서히 줄어드는 특성을 확인하였다. Duty number 또한 하중이 줄어들수록 감소하는 것을 확인하였다. 이를 통해 그리스의 마찰특성은 가해진 속도보다 하중이 더 큰 영향을 끼친다는 것을 알 수 있었다.

다음은 5종류의 그리스에 대해 그리스에 가해지는 속도와 하중에 따른 마찰 계수와 Duty number에 대한 데이터를 각 그리스 별로 분석한 결과이다.

3.1 GHP CAL 301

GHP CAL 301의 경우 Fig. 4(a)에서 보는 바와 같이 속도가 증가할수록 마찰계수 값은 변화가 거의 없는 직선의 형태를 보이는 것으로 나타났다. 따라서 속도는 마찰계수에 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있다. 또한 하중이 2N 씩 일정하게 증가할 때 마찰계수는 급격히 감소하면서 감소폭이 점차 줄어드는 것을 알 수 있다. 이는 속도보다 하중이 마찰계수에 더 많은 영향을 미친다는 것을 보여준다.

Fig. 4 Friction coefficient with Velocity(a) and Duty number(b) for GHP CAL 301

Fig. 4(b)는 5가지 하중에서의 Stribeck curve를 표현하였다. Fig. 4(b)에서 보는 것과 같이 유체윤활 상태가 잘 나타나고 있다. 수직하중 2N의 경우 마찰계수 값이 0.095∼0.097 사이에 분포하는 것을 알 수 있는데 0.025∼0.055 사이에 분포하는 나머지 하중과는 달리 2N의 마찰계수 값이 약 2배정도로 높게 나타났다. 이는 2N에서 마찰저항이 높은 것으로 판단할 수 있다.

3.2 GHP EP 2

GHP EP 2의 경우 Fig. 5(a)에서 보면 대체적으로 하중이 증가할수록 마찰계수 값이 감소하지만 4, 6, 10N의 경우 일정 속도 구간에서 증가와 감소를 반복하는 현상을 확인할 수 있었다. 다른 하중 변수들과 달리 8N의 하중에서는 속도변화에 따른 마찰계수 값의 변화가 적은 것을 알 수 있다. 또한 2N의 하중에서 압도적으로 마찰계수 값이 큰 것을 볼 수 있는데 이를 통해 최소 하중에서 저항 계수가 가장 크므로 저항의 영향을 많이 받음을 유추할 수 있다.

Fig. 5 Friction coefficient with Velocity(a) and Duty number(b) for GHP EP 2

Fig. 5(b)에서 2N은 다른 하중들과 달리 Duty Number에 따른 마찰계수 값이 월등히 높다. 따라서 2N인 저 하중일 때 마찰이 크다는 것을 알 수 있다. 그리고 10N의 하중에서 마찰계수 값이 점차 증가하게 되어 6N, 8N에서의 마찰계수 값을 넘게 된다. GHP CAL 301과 비교하여 다소 불안정한 값을 보이지만 윤활상태임을 잘 나타내고 있다. 또한 GHP EP 2의 경우 4∼10N의 마찰계수 값이 0.015∼0.030 범위에 분포하고, 다른 하중보다 마찰계수 값이 상대적으로 높게 측정된 2N의 경우에도 0.035∼0.047의 낮은 범위에 분포하는 것을 확인할 수 있었다.

3.3 GHP KG 10

GHP KG10의 경우 Fig. 6(a)에서 보면 전반적으로 하중이 증가할수록 마찰계수 값이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 2N의 경우 회전속도가 증가할수록 마찰계수 값이 증가하다가 0.30m/s 속도를 기점으로 감소하는 현상을 보였다. 그 외 하중의 경우 일정 속도구간에서 감소하는 추세를 보였으나 그 감소폭은 2N과 비교하여 매우 적은 값으로 나타났고, 전반적으로 회전속도가 증가할수록 마찰계수 값은 증가하는 추세를 보였으나 2N의 증감폭에 비하여 마찰계수 값의 변화는 작은 것을 알 수 있었다. 따라서 최소 하중에서 저항계수가 가장 크므로 2N에서 저항의 영향을 많이 받음을 알 수 있다.

Fig. 6 Friction coefficient with Velocity(a) and Duty number(b) for GHP KG 10

Fig. 6(b)에서 보면 다소 불안정한 값을 보이지만 유체윤활상태임을 잘 나타내고 있다. Duty number에 대한 마찰계수 값이 속도변화 별 마찰계수 값과 마찬가지로 2N 하중일 때 마찰계수 값이 제일 큰 것을 확인할 수 있다. 5가지 하중 모두 마찰계수 값이 Duty Number에 비례하는 모습을 보이나 각각의 어떠한 Duty Number를 기준으로 감소하였다가 다시 증가하는 현상을 관찰할 수 있었다. 마찰계수 값은 4∼10N의 경우 GHP EP 2와 유사하게 0.015∼0.035 범위에 존재하였으나 2N의 경우 다소 높은 0.0418∼0.073 범위에 존재하는 것을 확인할 수 있었다.

3.4 GHP HPG 2

GHP HPG 2의 경우 Fig. 7(a)에서 보면 GHP CAL 301과 마찬가지로 하중이 증가할수록 마찰계수 값은 작아지면서 변화폭은 줄어들며 직선의 형태가 되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 마찰계수는 속도에 영향을 받지 않는 다는 것을 알 수 있다. 그리고 Fig. 7(b)에서는 유체윤활 상태임을 확인할 수 있다. 하중이 증가할수록 마찰계수 값은 작아지고 Duty number는 증가하는 양상을 보이고 있다. 특히 하중은 2N씩 일정하게 증가하는데 마찰계수 값은 급격하게 감소하며 감소폭은 적어지는 것을 볼 수 있다. 또한 4N에서는 다른 하중별 그래프와는 달리 높은 속도에서 증가했다가 감소하는 패턴을 보였는데 결과적으로는 다시 초기의 마찰계수 수준으로 돌아오는 것을 확인할 수 있다. 마찰계수 값은 2N의 경우 0.087∼0.090, 4N의 경우 0.043∼0.052, 그리고 6, 8, 10N의 경우 0.017∼0.034 범위에 존재하는데 하중별 마찰계수 값 범위의 차이는 있으나 변화폭은 비교적 작다는 것을 알 수 있다.

Fig. 7 Friction coefficient with Velocity(a) and Duty number(b) for GHP HPG 2

3.5 GHP HTG 2

마지막으로 GHP HTG 2의 경우 Fig. 8(a)을 보면 GHP CAL 301과 GHP HPG 2와 유사한 현상을 보이는데 속도 변화에 따른 마찰계수 값의 변화는 거의 없으며 하중이 증가함에 마찰계수 값은 작아지고 감소폭은 급격히 줄어드는 것을 알 수 있다. 하지만 2, 6, 10N의 경우 124rpm 이상일 때 마찰계수 값이 약간 감소하는 현상을 나타내었다. Fig. 8(b)을 보면 유체윤활 상태임을 잘 보여준다. Stribeck curve 역시 GHP CAL 301과 GHP HPG 2와 유사하게 나타나는데 하중이 2N일 때 가장 큰 마찰계수 값과 가장 큰 Duty Number를 가진다. 그리고 하중이 커질수록 Duty Number값이 작아짐을 알 수 있다. 마찰계수 값의 경우 2N의 경우 0.090∼0.095, 4N의 경우 0.045∼0.047, 그리고 6, 8, 10N의 경우 0.020∼0.032 범위에 존재하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 8 Friction coefficient with Velocity(a) and Duty number(b) for GHP HTG 2

3.6 A comparison of the Friction Coefficient

앞에서 분석한 데이터 값을 바탕으로 같은 속도와 같은 하중 조건에서 5가지의 그리스의 마찰계수 값을 비교해보았다. 먼저 Fig. 9는 동일한 속도 조건에서 비교⋅분석한 그래프로 앞서 실험한 5종류의 그리스에 대해 가장 낮은 속도인 24rpm (a)과 가장 높은 속도인 143rpm (b)에서의 마찰계수 값을 나타낸다. 이 그래프를 보면 두 속도조건에서 모두 GHP CAL 301의 마찰계수 값이 모든 하중에서 압도적으로 높고 GHP HTG 2의 마찰계수 값이 전반적으로 가장 낮음을 알 수 있다. 또한 저속(24rpm)일 때는 GHP CAL 301, GHP EP 2, GHP KG 10은 2∼4N에서, GHP HPG 2와 GHP HTG 2는 2∼6N에서 마찰계수 값이 감소하다가 다시 증가하여 8∼10N 에는 값이 안정화하는 것을 확인하였고 고속(143rpm)일 때는 GHP CAL 301, GHP EP 2, GHP KG 10 그리고 GHP HPG 2 까지 2∼4N구간에서 감소하였다가 4N∼10N 구간에서는 다시 증가하는 형상을 보였다. 이때 GHP HTG 2의 경우에는 2∼8N까지 꾸준히 조금씩 감소하다가 8∼10N구간에는 점차 증가하는 결과를 보였다. 모든 그리스에서 공통적으로 하중이 2∼4N 일 때 마찰계수가 감소하고 그 이후로 하중이 증가할 때 마찰계수 값도 같이 증가하는 결과를 보였다. 이는 아몬트가 주장한 마찰1법칙에 기인한 것으로 사료된다.

Fig. 9 Friction coefficient with Velocity of 24rpm(a) and 143rpm(b) for 5 types of Grease

그리고 Fig. 10은 동일한 하중조건에서의 마찰계수 값의 변화를 비교한 그래프로 5종류의 그리스에 대해 가장 작은 하중인 2N (a)과 가장 큰 하중인 10N (b)에서의 마찰계수 값의 변화를 나타내었다. 이 그래프를 보면 2N의 저하중의 경우, 마찰계수 값은 전체적으로 0.036∼0.096 사이에 분포함을 알 수 있다. 5개의 그리스 중 86∼143rpm구간에서는 GHP HTG 2가, 그 외의 구간에서는 GHP CAL 301의 마찰계수 값이 높게 나타났고 모든 속도구간에서 GHP EP 2의 마찰계수 값이 압도적으로 낮은 것을 알 수 있다.

Fig. 10 Friction coefficient with load 2N(a) and load 10N(b) for 5 types of Grease

10N의 고하중의 경우 마찰계수 값은 0.014∼0.027 사이에 분포하고 있으며 GHP CAL 301의 값이 모든 속도구간에서 가장 높은 것을 알 수 있다. 또한 48∼105rpm구간에서는 GHP EP 2의 마찰계수 값이 가장 낮게 나타났다.

마찰계수 값은 전반적으로 저하중일 때 보다 고하중일 때 낮은 값을 나타냈으며 저하중일 때 보다 고하중일 때 마찰계수 값이 더욱 불안정한 것을 알 수 있다. 이는 마찰력의 발생원인중의 하나인 마찰 상호간의 응착현상 때문인 것으로 볼 수 있다.

4. 요약 및 결론

최근 불필요한 에너지 손실을 줄이기 위해 여러 산업분야에서 효율의 증가를 중요시하고 있다. 특히 자동차 분야에서는 2만여 개가 넘는 부품이 사용되고 있어 에너지 손실의 정도가 크다. 따라서 본 논문에서는 적합한 그리스의 사용을 통한 효율 증가를 위해 Pin-on-disk 마모시험기를 사용하여 그리스의 마찰특성을 연구하였다. 실험의 결과는 다음과 같다.

1) 윤활 마찰의 경우, 마찰계수는 모든 그리스에서 하중이 증가할수록 감소폭은 점점 줄어들면서 감소하였다. 이를 통해 하중이 증가할수록 마찰 계수 값은 줄어든다는 것을 알 수 있었다.

2) 윤활 마찰의 경우, 마찰계수는 속도에 대한 영향속도 변화보다 하중에 더 많은 영향을 받는 것으로 나타났다.

3) 동일한 속도조건에서, 저속과 고속조건 모두에서 실험재료 중 GHP CAL 301이 가장 높은 마찰계수를 가지고 GHP HTG 2가 가장 낮은 마찰계수를 가지는 것으로 나타났다.

4) 동일한 하중 조건에서, 최소 하중일 때는 GHP CAL 301이 가장 높은 마찰계수, GHP EP 2가 가장 낮은 마찰계수를 가지는 것으로 나타났고, 최대 하중조건에서는 마찰계수가 불안정한 현상을 보이지만 역시 GHP CAL 301이 가장 높은 마찰계수, 전반적으로 GHP EP 2가 48∼105rpm 속도 구간에서는 가장 낮은 마찰계수를 가지는 것으로 나타났다.

5) 높은 마찰계수는 마찰력이 높다는 의미로 간주되며, 속도 변화에 대한 마찰계수의 변화가 하중 변화에 대한 마찰계수의 변화에 비해 매우 작기 때문에, 동일 하중조건에서 가장 마찰계수가 낮은 GHP EP 2가 그리스로써 가장 적합하며 GHP CAL 301이 가장 적합하지 않다는 것으로 판단될 수 있다.