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Sliding Wear Behavior of Carbon Steel in changing Sliding Speed (Effects of Mild Wear Mode Test on subsequent Severe Wear Behavior)

미끄럼 속도변화에 따른 철강재료의 미끄럼 마모거동 (중마모 거동에 미치는 연마모 도입시험의 영향)

  • Lee, Han-Young (Dept. of Advanced Materials Engineering, Keimyung University)
  • Received : 2020.04.20
  • Accepted : 2020.05.18
  • Published : 2020.06.30

Abstract

In this study, the effect of the pre-mild wear mode test condition on the subsequent severe wear behavior of carbon steel has been investigated when the wear mode is varied according to the sliding speed change during sliding contact. Two sliding speeds of 0.3 m/s and 3 m/s for the mild wear mode test have been chosen and a sliding speed of 1 m/s for the severe wear mode test. A mild wear mode test at two different sliding speeds has been carried out during the severe wear mode test and total sliding distance of the mild wear mode test has been changed at this time. As a result, it could be found that the wear rate of carbon steel under the severe wear mode test after performing a pre-mild wear mode test is significantly reduced, compared with that before performing. However, its wear rate was slightly higher than that under the mild wear mode test. Oxides produced during the pre-mild wear mode test have been found to play a significant role in reducing the wear rate under the subsequent severe wear mode test. In particular, it was found that the effect of a pre-mild wear mode test performed at the sliding speed of 3 m/s has more rapid and the reduction in the wear rate was greater than thst at the sliding speed of 0.3 m/s.

1. 서론

트라이보시스템(tribosystem)의 재료설계 시에는 재료의 마모특성을 필히 고려해야 한다. 그런데 재료의 마모거동은 일반적으로 접촉조건, 접촉양식, 분위기 등에 따라 변화하므로 마모특성을 단순 규정한다는 것은 용이한 일이 아니다. 그래서 실제는 많은 접촉조건 중 미끄럼 거리, 접촉하중, 온도 그리고 미끄럼 속도에 대한 재료의 마모거동을 조사하여 재료의 마모특성이라 하고 이를 활용하고 있다[1]. 그런데 상당수의 트라이보시스템에서는 작동 중 접촉조건이 변화하여 접촉하중이나 운전 속도 등이 변화하는 경우가 있다.

응착마모 시의 접촉하중과 마모체적과의 관계는 HolmArchard 식으로 알려져 이들은 서로 비례하는 것으로 밝혀져 있다[2-4]. 이때, 작동 중 하중이 변화하게 되면 마모거동은 변화 전 하중에서 생성된 잔류응력의 영향으로 정체기를 가진 후 서서히 변화된 하중의 마모거동으로 전환하는 것으로 보고되고 있다[5,6]. 반면 HolmArchard 식에는 미끄럼 속도가 포함되어 있지 않으나 실제 응착마모에 많은 영향을 미치는 것으로 알려져 있다[7-10]. 어닐링(annealing) 한 철강재료의 일반적인 응착마모에 대한 속도특성 곡선을 보면 크게 마모면에 산화물이 생성되어 마모가 적게 발생하는 연마모(mild wear)영역과 산화물이 생성되지 않아 마모가 현저히 발생하는 중마모(severe wear) 영역으로 구분된다[4,7-10]. 그리고 연마모 영역은 저속과 고속 구간에서 각각 관찰되나 이 경우도 생성되는 산화물의 종류가 서로 상이한 것으로 알려져 있다[4]. 그런데 미끄럼 접촉 도중, 이러한 마모형태의 변화를 초래할 정도로 속도 변화가 일어난다면 변속 전의 마모형태는 변속 후의 마모거동에 많은 영향을 미칠 것이 분명하다. 이와 관련하여 저자는 지난 보고[11]에서 그 변속의 영향을 확인하였고, 그 중 속도 변화로 연마모에서 중마모로 마모거동이 변화하는 경우에 그 영향이 현저함을 밝혔다. 사실 이 결과는 응착마모 전이나 진행 도중에 변속을 이용한다면 마모율 저감의 효과를 기대할 수 있음을 시사한 것이다. 그런데 이때, 도입하는 연마모 발생 속도나 그 미끄럼 거리도 중마모 거동에 크게 영향을 미칠 것이 분명하다. 

그래서 본 연구에서는 일반적인 철강재료의 응착마모에 대한 속도특성을 고려하여, 중마모 발생 시험 도중 저속 및 고속 구간의 연마모 발생조건으로 각각 변속하고, 그 속도에서 미끄럼 거리를 변화시키는 도입시험한 후 미끄럼 마모거동의 변화를 조사하였다.

2. 실험방법

본 연구에서는 우선 시판되는 일반구조용 탄소강SM45C 환봉에서 마모시험용으로 소정의 핀(pin)형태의 시편(Φ6 × 15 mm)을 제작하였다. 핀 시편의 경도는 Hv281 정도인 것으로 밝혀졌다. 한편, 상대재 디스크(disc)는 합금공구강(STD11) 환봉에서 소정의 형태(Φ80 × 8 mm)로 가공한 후 열처리를 행하였다[8]. 열처리는 650℃에서 30분간 유지한 뒤 소입온도인 1,020℃에서 다시 20분간 처리한 후 유냉하였다. 이후 750℃에서 2시간 유지하는 템퍼링 처리를 한 후 측정한 상대재의 경도는 약 HRC 34(환산 Hv 336)인 것으로 밝혀졌다.

마모시험은 pin-on-disc형 마모시험기[7]를 사용하였다. 이때 하중은 2.9 N으로 하고 실온, 무윤활 상태에서 시험하였으며, 시험 전 핀과 디스크 마모면을 모두 #600 사포로 거칠기를 조정하였다. 미끄럼 속도는 지난 보고[11]를 참조하여 중마모가 발생하는 미끄럼 속도로 1 m/s를 취하고, 연마모가 발생하는 미끄럼 속도로는 0.3 m/s 및 3 m/s를 취하였다. 시험은 우선 1 m/s의 속도로 약 0.3 km까지 시험하여 핀 시편의 마모면이 전면 접촉된 것을 확인한 후에 0.3 m/s 및 3 m/s의 속도로 변속하였다. 그리고 각 0.3 m/s 및 3 m/s의 속도에서는 미끄럼 거리 0.6 km, 1.5 km, 6 km 까지 각각 시험한 후, 다시 1 m/s로 변속하여 6 km 까지 시험하였다. 마모량 측정은 소정의 마찰거리마다 시험을 중단하고 핀 시편의 중량 감소로 산출하였으며, 모든 시험은 동일 조건에서 2~5번의 시험을 하고 이들의 평균값을 사용하였다.

3. 실험결과 및 고찰

3-1. 미끄럼마모 거동

Fig. 1은 지난 보고[11]와 마찬가지로 0.3 m/s, 1 m/s, 3 m/s의 세 속도에서 변속없이 시험한 경우의 미끄럼 거리에 대한 마모량의 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 1 m/s에서는 미끄럼거리에 따라 마모량의 증가가 현저한 것으로 밝혀졌다. 반면 3 m/s에서는 전 거리에 걸쳐 마모발생이 거의 없는 것으로 확인되었으나, 0.3 m/s의 경우는 0.6 km 부근까지는 상당량의 마모발생 후 마모량이 급감하는 것을 알 수 있다. Table 1은 각 속도에서 거리에 대한 마모량의 변화를 초기마모 영역과 정상마모 영역으로 구분한 뒤, 각 영역에서의 마모율을 나타낸 것이다. 표에서 알 수 있듯이 1 m/s에서는 초기 및 정상마모 영역에서의 마모율 간에 다소 차이가 보이나 모두 현저히 큰 것으로 밝혀졌다. 이것은 이 속도가 중마모(severe wear)가 발생하는 조건임을 추측하게 하고 있다[11]. 한편 3 m/s의 경우는 마모영역에 관계없이 모두 아주 낮은 마모율을 보이나, 0.3 m/s에서의 마모율은 초기마모 영역에서 71.48 mg/km 정도의 높은 값을 보인 후 정상마모 영역에서 1.05 mg/km 정도로 급감을 하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 결과로 미루어 이들 속도는 모두 연마모(mild wear)가 발생하는 조건임을 알 수 있다[11].

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Fig. 1. Variation of wear loss with sliding distance at three different sliding speeds.

Table 1. Wear rate at three different sliding speeds

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Fig. 2는 미끄럼거리가 상이한 연마모 도입시험과 그 전후의 중마모 시험 모두를 포함한 전 시험 과정 상의 미끄럼거리에 따른 마모량의 변화를 나타낸 것이다. 그림 중 화살표는 각 조건에서의 두 번의 속도변화의 위치를 나타낸다. 그림에서 보듯이 1 m/s → 0.3 m/s → 1 m/s 변속의 경우와 1 m/s → 3 m/s → 1 m/s 변속의 경우를 비교하면 연마모 도입시험의 영향이 상이함을 알 수 있다. 1 m/s 후 3 m/s 도입시험의 경우는 속도변화에 마모거동이 바로 반응하여 변곡점이 명확히 관찰되나, 1 m/s 후 0.3 m/s 도입시험의 경우는 변곡점이 불명확함을 알 수 있다. 이것은 Fig. 1에서 보듯이 0.3 m/s에서의 마모거동은 소정의 초기마모 구간을 필요로 하기 때문으로 생각된다. 이러한 연마모 도입시험의 속도에 따른 효과 차이는 마찰면의 온도와 밀접한 관계가 있는 것으로 추정된다. 즉 연마모 도입시험의 속도가 빠르면 마찰면의 온도상승이 커서 산화물의 생성속도가 빨라지기 때문으로 생각된다. 한편 0.3 m/s 연마모 도입시험 이후 1 m/s로 변속한 경우에도 명확한 변곡점을 관찰할 수 없다. 이것은 연마모 도입시험의 미끄럼 속도에 따라 생성되는 산화물의 양이나 형태가 상이하기 때문으로 생각된다.

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Fig. 2. Variation of wear loss with sliding distance before/after changing the speed.

Fig. 3은 연마모 도입시험 시의 미끄럼거리의 영향을 비교하고자 연마모 도입시험 후 1 m/s 미끄럼속도에서의 미끄럼거리에 따른 마모량의 변화만을 비교한 것이다. 그림에서 보듯이 0.3 m/s 도입시험 후에는 초기마모 영역과 정상마모 영역의 구분이 명확하지 않으나 3 m/s도입시험 후는 명확히 구분된다. 특히 3 m/s에서 짧은 미끄럼거리를 도입할수록 초기마모 영역이 길어지는 것을 확인할 수 있다. Table 2는 이들 변화를 초기마모와 정상마모 영역으로 구분한 뒤 각 영역에서의 마모율을 비교한 것이다. 그 결과, 표에서 보듯이 0.3 m/s 속도에서 0.6 km의 짧은 미끄럼거리를 도입시험한 경우는 마모율이 여전히 300 mg/km이상인 것으로 밝혀져 그 효과를 관찰할 수 없다. 반면 3 m/s 속도에서는 그 짧은 미끄럼거리라도 현저히 감소된 것을 확인할 수 있다. 그리고 도입시험 효과가 나타난 정상마모영역에서의 마모율은 모두 도입시험 속도 별로 거의 유사한 값을 보이나 3m/s 도입시험의 마모율이 다소 적은 것으로 밝혀졌다. 또한 이들 값은 Table 1의 각 연마모 속도에서의 마모율보다는 다소 큰 것이 확인된다. 사실 3 m/s 연마모 도입시험에서 도입시험의 미끄럼거리에 따라 초기마모 영역 길이가 변화하는 현상도 생성하는 산화물의 양과 관계하는 것으로 추정된다. 즉 연마모 도입시험의 미끄럼거리가 길어지면 산화물 발생도 많아져 산화물들 간의 접촉이 발생하기 때문에 초기마모 영역이 짧아지는 것으로 생각된다. 반대로 도입시험의 미끄럼거리가 짧을 경우는 산화물 양이 적어 산화물간 접촉이 일어나지 않기 때문에 초기마모 영역이 길어지는 것으로 생각된다. 이 경우도 초기마모 영역에서 산화물이 발생하여 산화물간의 접촉이 발생하기 시작하면 정상마모로 전환되는 것으로 생각된다. 이러한 사실은 전술한대로 도입시험 속도 별로 도입시험의 미끄럼거리와 무관하게 각각 유사한 마모율을 갖는 것으로부터 이를 추정할 수 있다. 

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Fig. 3. Variation of wear loss with sliding distance after changing the speed to 1 m/s.

Table 2. Wear rate at 1m/s after each mild wear test with three different sliding distances at the sliding speeds of 0.3 m/s and 3 m/s

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3-2. 마모면 관찰 결과

Fig. 4는 연마모 도입시험 없이 0.3 m/s, 1 m/s, 3 m/s의 세 속도에서 미끄럼 마모시험한 후 관찰한 핀 시편과 상대재 디스크 마모면의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다. 그 결과 0.3 m/s의 핀과 디스크 마모면에는 각각 미세한 점상의 흑색 부위와 괴상의 흑색 부위가 관찰되고, 3 m/s의 이들 마모면에서는 각각 많은 스크레치(scratch)와 띠 모양의 흑색 부위가 확인된다. 특히 0.3m/s의 마모면은 적갈색이고 3 m/s의 마모면은 흑색인 것이 육안으로 확인되었다. 이들 부위의 에너지분산 분광분석(EDX, Energy dispersive X-ray Spectroscopy) 결과 이들은 모두 지난 보고[11]와 마찬가지로 모두 산소가 검출되어 이들은 철계 산화물인 것으로 추정되었다. 반면 외관상 마모면이 금속광택을 나타낸 1 m/s의 핀 및 디스크의 경우는 산화물 생성이 없을 뿐만 아니라 응착마모가 발생한 흔적도 관찰된다. 이러한 측면에서 1 m/s에서는 기계적 파괴마모로 중마모가 발생하는 속도에 해당되고 0.3 m/s 및 3 m/s는 산화물 발생으로 연마모가 발생하는 속도임을 확인할 수 있다. 특히 마모면의 외관상 색상으로 미루어 0.3 m/s에서 생성된 산화물은 Fe2O3계열이고 3 m/s에서 생성된 산화물은 Fe3O4 또는 FeO계열인 것으로 추정할 수 있다[4].

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Fig. 4. Optical micrograph on worn surface of pin and disc after testing at three different sliding speeds without sliding speed change.

Fig. 5는 0.3 m/s 도입시험의 미끄럼거리를 0.6 km 및 1.5 km까지 시행한 핀 시편과 상대 디스크의 시험 후 마모면을 광학현미경으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다. 그 결과, 0.6 km 미끄럼거리 도입시험 후의 핀 시편과 디스크 마모면 상에는 전혀 산화물이 관찰되지 않고 전형적인 응착마모의 마모면을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 반면 1.5 km 미끄럼거리 도입시험 후의 마모면에서는 산화물들이 잔존하고 있는 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 5. Optical micrograph on worn surface of pin and disc tested at 1 m/s after mild wear test up to 0.6 km and 1.5 km at the sliding speed of 0.3 m/s.

Fig. 6은 Fig. 5와 동일하게 3 m/s 도입시험에서 미끄럼거리를 0.6 km 및 6 km 까지 시행한 핀 시편과 상대 디스크의 시험 후 마모면을 나타낸 것이다. 이 경우는 Fig. 5의 결과와 달리, 도입시험 미끄럼거리와 무관하게 모든 핀 시편 및 상대 디스크 마모면 상에 산화물이 잔존하고 있음을 알 수 있으며, 마모면의 양상도 유사하다. 

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Fig. 6. Optical micrograph on worn surface of pin and disc tested at 1 m/s after mild wear test up to 0.6 km and 6 km at the sliding speed of 3 m/s.

이상의 결과, 미끄럼 마모 도중 중간에 연마모 도입시험을 하면 산화물들이 잔존하여 마모율 저감이 가능함을 알 수 있다. 특히 저속(0.3 m/s)의 연마모 도입시험에 의한 효과보다 고속(3 m/s)의 연마모 도입시험의 효과가 빠르고 마모율 저감효과도 더욱 큰 것으로 밝혀졌다.

4. 결론

본 연구에서는 중마모 발생 시험 도중, 연마모가 발생하는 두 가지 속도에서 미끄럼거리를 달리하는 도입시험을 한 후, 중마모의 마모거동에 미치는 그 도입시험의 영향을 조사하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 연마모 도입시험을 통해 마모율 저감이 가능함을 확인하였다. 이때 고속과 달리 저속의 연마모 도입시험의 경우는 소정의 미끄럼거리를 필요로 하는 것으로 밝혀졌다.

2. 연마모 도입시험 후의 마모율은 도입시험 미끄럼 속도 별로 미끄럼거리와는 무관하게 동일한 값을 나타내었으나, 원래 연마모 시의 마모율보다는 다소 큰 것으로 밝혀졌다.

3. 연마모 도입시험의 효과는 도입시험 시에 생성된 산화물들이 변속 후에도 잔존하여 금속간 접촉을 방지하기 때문으로 밝혀졌다.

4. 고속의 연마모 도입시험이 저속의 연마모 도입시험보다 영향이 빨리 나타나고 마모율 저감효과도 더욱 큰 것으로 밝혀졌다.

References

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