Quantitative Assessment of Initial Wear Characteristics of CoCr-Based Alloys

CoCr 기반 합금의 초기 마모 특성에 대한 정량적 평가

Abstract

CoCr-based alloys have been developed as wear-resistant materials owing to their excellent mechanical properties and strong wear resistance. The purpose of this study is to experimentally assess the frictional and wear characteristics of CoCr-based alloys slid against two different counter materials subjected to various normal forces to determine the expansion applicability of CoCr-based alloys. CoCrMo and CoCr alloys were selected as the target materials and NiCr and NiCrB alloys as counter materials. Experimental tests were performed using a pin-on-reciprocating plate tribo-tester under dry lubrication. Before performing the tests, the surface of the specimens was observed through confocal microscopy and the hardness was measured using a micro-Vickers hardness tester. The wear volume of the plate was calculated at the end of the tests using confocal microscope data, and the wear rate was quantitatively obtained based on Archard's wear law. From the results, the wear rates of the CoCrMo specimens that slid against NiCr and NiCrB are 7.69 × 10^-6 ㎣/Nm and 5.26 × 10^-6 ㎣/Nm, respectively. The wear rates of the CoCr specimens that slid against NiCr and NiCrB were higher than those of the CoCrMo specimens by factors of approximately 4 and 8, respectively. The CoCrMo specimens further exhibited lower friction characteristics than the CoCr specimens. The findings of this study will be useful for expanded applications of CoCr-based alloys as wear-resistant materials for various mechanical parts.

1. 서론

전 세계적으로 환경 보호에 대한 관심이 높아지면서 유해 배기가스 배출에 대한 규제가 확대되고 있으며, 효율성 증대에 대한 요구가 높아지고 있다. 이에 따라, 자동차 및 선박에서 많이 사용되는 엔진의 연소 효율 향상 및 배출가스 절감을 위한 많은 연구가 진행되고 있다[1-3]. 또한, 상대운동을 경험하는 각종 엔진 부품들의 마찰 손실을 줄이고, 마모로 인한 성능 감소 및 파손을 감소시키기 위한 노력도 함께 이루어지고 있다[4]. 예를 들어, 엔진의 가동 중에발생하는연소 잔여물 (combustion residues)의 감소는 배출가스를 현저히 줄일 수 있지만 밸브 시트표면 위의 보호막 형성을 저하시키므로, 밸브와 밸브시트의 표면 파손이 발생할 수 있다[5]. 이에 따라 상대운동을 경험하는 엔진 부품의 표면 내구성을 향상시키기 위하여 다양한 hardfacing 소재가 사용되고 있다. 이러한 소재들을 효과적으로 사용하기 위해서는 다양한 실험 조건에서 소재에 따른 마찰과 마모 특성을 파악하는 것이요구된다. 

본 연구에서는 엔진 부품소재로 사용되고 있는 hardfacing 소재들의 초기 마찰 및 마모 특성을 소재 조합과 하중 변화에 따라 정량적으로 평가하고자 하였다. 실험소재로는 우수한 기계적 물성과 내마모성을 가짐에 따라 실제 엔진 부품으로 많이 사용되고 있는 CoCr 기반 합금[6-9]과 Ni 기반 합금[10,11]을 선정하였으며, pinon-reciprocating plate tribo-tester를 이용한 실험을 수행 하였다. 시편의 마찰 특성은 실험 중 실시간으로 측정하였으며, 마모 특성은 공초점 현미경 (confocal microscope) 을 이용하여 분석하였다. 이러한 연구 결과는 향상된 마모 및 마찰 특성을 가지는 엔진 부품 소재에 대한 기본적인 데이터를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. 실험 시편

본 연구의 대상 소재로는 상대적으로 우수한 기계적 물성과 높은 마모저항성을 가지고 있어, 내마모 소재로써 다양한 분야에서 사용되고 있는 CoCrMo 합금과 CoCr 합금을 사용하였다. 해당 소재는 pin-on-reciprocating plate tribo-tester를 이용한 실험을 위하여 plate 형태로 제작되었다. Fig. 1(a)는 실험을 위하여 제작된 plate 시편의 예를 나타내는 사진이다. 실험 전 시편의 표면을 공초점 현미경을 이용하여 관찰하였으며, Fig. 1(c)는 이러한 예를 나타낸다. 공초점 현미경 데이터로부터 얻은 CoCrMo와 CoCr 시편의 평균표면거칠기 (R_a)는 각각 1.9 ± 0.2 µm, 1.9 ± 0.1 µm로 나타났다. 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 CoCrMo와 CoCr 시편의 경도를 측정하였으며, 각각 550 ± 20 HV, 490 ± 30 HV로 나타났다. 이러한 결과로부터, 상대적으로 경도가 높은 CoCrMo 합금의 마모 특성이 보다 우수할 것으로 기대되었다.

Fig. 1. Photographs and confocal microscope images of specimens: (a,c) CoCrMo alloy plate and (b,d) NiCr alloy pin.

CoCr 기반 합금의 상대소재로는 Ni 기반 합금으로써, NiCr과 NiCrB 합금으로 선정하였으며, Fig. 1(b)와 (d) 는 각각 실험을 위하여 제작된 NiCr pin 시편의 사진 및 공초점 현미경 이미지의 예를 나타낸다. NiCr 과 NiCrB pin은 120도의 끝단 각도를 가지도록 하였다. 공초점 현미경 데이터를 통하여 측정한 NiCr과 NiCrB pin 시편들의 끝단 반경은 각각 175 ± 7 µm, 173 ± 10 µm로 나타났다.

2-2. 실험 방법

Fig. 2는 실험에 사용된 pin-on-reciprocating plate tribotester를 나타낸다. 수직하중은 dead weight을 이용하여 가하였고, 상대운동에 따른 마찰력은 load cell을 이용하여 측정하였다. 본 연구에서 하중은 10 N, 20 N, 30 N으로 변화시켰으며, 왕복 운동시 미끄럼 속도는 시편의 중앙부에서 20 mm/s가 되도록 일정하게 유지시켰다. 왕복 운동 횟수는 1200회로 설정하였으며, 이는 24 m의 미끄럼거리에 해당하였다. 실험은 건식 상태에서 이루어졌다.

실험 후 plate 및 pin 시편을 공초점 현미경으로 관찰하여 초기 마모 특성을 정량적으로 평가하였다. CoCr 기반 합금 plate 시편의 표면에 형성되어 있는 마모 트랙 (wear track)을 공초점 현미경으로 관찰하여, 평균단면 프로파일을 얻었으며, 이로부터 단면적을 구하였다. 또한, 마모트랙의 단면적과 이송거리로부터 마모 부피를 구하였다. 또한, Archard의 마모법칙에 기반하여 마모율(wear rate)을 정량적으로 얻었다. NiCr 기반 pin의 경우, 실험 전후에 얻은 공초점 현미경 데이터를 비교하여 마모 정도를 파악하였다. 

Fig. 2. Photograph of pin-on-reciprocating plate tribotester.

3. 결과 및 고찰

3-1. NiCr 합금과의 실험결과

Fig. 3(a)는 CoCrMo와 CoCr 시편 표면에 형성된 마모 트랙을 나타내는 공초점 현미경 측정 결과의 예로서, NiCr pin에 대하여 20 N의 수직하중에서 실험한 결과이다. Fig.3(a)에 나타낸 결과로부터, CoCr 시편에 비하여 CoCrMo 시편의 마모가 적은 것을 알 수 있다. 수직하중이 10 N~30 N으로 변함에 따라 두 시편에 형성된 마모 트랙의 단면 프로파일을 Fig. 3(a)에 함께 제시하였다. 대체적으로 CoCrMo 시편의 마모가 CoCr 시편에 비하여 적게 발생한 것을 확인할 수 있으며, 하중이 증가함에 따라 마모 트랙의 단면적이 증가하는 것을 알 수 있다. Fig. 3(b)는 NiCr pin과의 상대운동에서 발생하는 CoCrMo과 CoCr 시편의 마모율을 나타낸다. 하중이 10 N에서 30 N으로 증가함에 따라 CoCrMo 시편의 마모율은 9.86 × 10^-6mm³/Nm, 7.00 × 10^-6mm³/Nm, 6.20 × 10^-6mm³/Nm으로 나타났다. 또한, CoCr 시편의 마모율은 2.66 × 10^-5mm³/Nm, 3.52 × 10^-5 × mm³/Nm, 2.36 × 10^-5mm³/Nm으로 나타났다. 두 시편 모두에서 하중이 증가함에 따라 마모율의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.

Fig. 3. (a) Three-dimensional confocal microscopy images and cross-sectional height profiles of CoCrMo and CoCr plate specimens after the tests with NiCr pins, along with (b) wear rate and (c) friction coefficient with respect to normal force. 

Fig. 3(c)는 NiCr pin과의 상대운동에서 발생하는 CoCrMo와 CoCr 시편의 마찰계수를 나타낸다. 마찰계수는 1200회의 왕복 운동 중에서, 정상상태에 해당하는 1000~1200회에서의 평균값을 사용하였다. 10 N, 20 N, 30 N의 수직하중에서 CoCrMo 시편의 마찰계수는 각각 0.40, 0.41, 0.34로 나타났다. 또한, CoCr 시편의 경우에는 0.58, 0.59, 0.49로 나타났다. 두 경우 모두에서 하중에 따른 마찰계수의 변화는 크지 않은 것으로 나타났다.  이러한 결과로부터, NiCr pin과 상대운동할 때 발생하는 CoCrMo 시편 마찰 및 마모 특성이 CoCr 시편에 비하여 우수한 것을 알 수 있으며, 이는 CoCrMo 합금의 마모 저항성 및 경도가 CoCr 합금에 비하여 상대적으로 크기 때문으로 생각된다. 또한, 이는 CoCrMo 합금에 포함 된 Mo의 영향과 관련이 있을 것으로 여겨진다.

Figs. 4(a)와 (b)는각각 20 N의 수직하중에서 CoCrMo 및 CoCr 시편과의 실험 후 얻은 NiCr pin의 공초점 현미경 이미지이다. Fig. 1(d)에 제시한 실험전의 이미지와 비교할 때, 두 경우 모두에서 pin의 끝단이 마모에 의하여 평평해진 것을 알 수 있으나, CoCrMo 시편과의 상대운동에서 발생한 pin의 마모가 상대적으로 매우 적은 것을 알 수 있다. 이는 CoCrMo 시편 표면에 형성된 마모 트랙의 폭이 적은 것과 관련이 있는 것으로 생각된다. 결과적으로, CoCrMo 합금은 CoCr 합금에 비하여 상대재료인 NiCr 합금의 마모 진전을 억제하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 4. Three-dimensional confocal microscopy images of NiCr pins after the tests with (a) CoCrMo and (b) CoCr plate specimens.

3-2. NiCrB 합금과의 실험 결과

Fig. 5(a)는 CoCrMo와 CoCr 시편 표면에 형성된 마모 트랙을 나타내는 공초점 현미경 측정 결과의 예로서, NiCrB pin에 대하여 20N의 수직하중에서 실험한 결과이다. Fig. 5(a)에 제시된 바와 같이, NiCrB pin과 상대운동하는 경우에도, CoCrMo 시편의 마모가 CoCr 시편에 비하여 현저하게 적게 발생한 것을 알 수 있다. 또한, Fig. 5(a)에 함께 제시된 단면 프로파일로부터, 모든 수직하중에 대하여 CoCrMo 합금의 마모가 CoCr 합금에비하여 적게 발생한 것을 확인할 수 있다. 수직하중이 10 N에서 30 N으로 증가함에 따라 NiCrB pin과의 상대운동에서 발생하는 CoCrMo 시편의 마모율은 4.85 × 10^-6mm³/Nm, 6.71 × 10^-6mm³/Nm, 4.21 × 10^-6mm³/Nm으로 계산되었다. 또한, CoCr 시편의 마모율은 4.58 × 10^-5mm³/Nm, 3.98 × 10^-5mm³/Nm, 4.29 × 10-5mm³/Nm으로 나타났다.(Fig. 5 (b))

Fig. 5(c)는 NiCrB pin과의 상대운동에서 발생하는 CoCrMo와 CoCr 시편의 마찰계수를 나타낸다. 10 N, 20 N, 30 N의 수직하중에서 CoCrMo 시편의 마찰계수는 각각 0.39, 0.34, 0.35로 나타났으며, CoCr 시편의 마찰계수는 각각 0.44, 0.45, 0.44로 나타났다. 또한, Fig. 3 (d)와 5 (d)에 제시된 결과를 비교할 때, NiCrB pin과의 상대운동 시 발생하는 마찰계수가 NiCr pin의 경우에 비하여 전반적으로 작은 것을 알 수 있다.

Fig. 5. (a) Three-dimensional confocal microscopy images and cross-sectional height profiles of CoCrMo and CoCr plate specimens after the tests with NiCrB pins, along with (b) wear rate and (c) friction coefficient with respect to normal force.

Fig. 6(a)와 (b)는 각각 20N의 수직하중에서 CoCrMo 및 CoCr 시편과의 실험 후 얻은 NiCrB pin의 공초점 현미경 이미지이다. Fig. 4에 제시한 NiCr pin에 비하여 NiCrB pin의 마모 정도가 매우 적은 것을 알 수 있으며, 이는 NiCrB 합금에 포함된 CrB 화합물에의한 영향으로써, NiCrB 합금의 기계적 물성 및 마모저항성이 NiCr 에 비하여 상대적으로 높기 때문으로 여겨진다[12,13]. 

Fig. 6. Three-dimensional confocal microscopy images of NiCrB pins after the tests with (a) CoCrMo and (b) CoCr plate specimens.

3-3. 상대재료의 영향 및 마모 기구 분석

Fig. 7은 모든 수직하중에 대한 실험 결과에 대하여, 각 소재 조합에 따른 평균 마모율과 마찰계수를 나타낸다. NiCr 및 NiCrB에 대한 CoCrMo 시편의 평균 마모율은 각각 7.69 × 10^-6mm³/Nm, 5.26 × 10^-6mm³/Nm로 계산 되었다. 또한, NiCr 및 NiCrB에 대한 CoCr 시편의 평균 마모율은 각각 2.85 × 10^-5mm³/Nm, 4.28 × 10^-5mm³/Nm 로 나타났다. 이러한 결과로부터, CoCrMo 합금을 사용 할 경우, CoCr 합금에 비하여 마모율을 감소시킬 수 있을 것으로 기대되며, 그 효과는 NiCrB 소재에 대하여 더 클 것으로 예상된다. Fig. 7(b)에 제시한 바와 같이, NiCr 및 NiCrB에 대한CoCrMo 시편의 마찰계수는 각 각 0.38과 0.36로 나타났으며, NiCr 및 NiCrB에 대한 CoCr 시편의 마찰계수는 각각 0.55, 0.44로 나타났다. 즉, CoCr 합금을 CoCrMo 합금으로 대체하였을 경우, 특히 NiCr 소재에 대하여 마찰 저감 효과를 얻을 수 있을 것으로 여겨진다. 또한, NiCr 합금에 비하여, 상대소재로써 NiCrB 합금이 사용되었을 경우, 마찰 저감 효과를 얻을 수 있으며, CoCr 합금의 경우 그 효과가 좀 더 큰 것 으로 나타났다.

Fig. 7. (a) Average wear rates and (b) friction coefficients of CoCrMo and CoCr plate specimens slid against NiCr and NiCrB pin.

CoCr 기반 합금의 마모 기구를 이해하기 위하여, 시편의 표면을 공초점 현미경을 이용하여 관찰하였다. Fig.8(a)와 (b)는 각각 실험 후 측정한 pin과 plate 시편들의 공초점 현미경 이미지를 나타낸다. Fig. 8(b)에 제시된 바와 같이, CoCrMo 및 CoCr 시편 모두에서 응착 및 연삭마모 흔적을 주로 관찰할 수 있다. 그러나, Fig. 8(a)에서 알 수 있듯이, CoCrMo 시편과 상대운동한 NiCr 및NiCrB pin의 경우에는, 연삭마모가 발생한 표면 위에 재료 전이에 의한 tribo-film이 형성된 것을 알 수 있다[5,14]. 이는 NiCr 및 NiCrB pin이 지속적으로 CoCrMo 시편과 접촉함에 따라 CoCrMo에서 발생한 것으로 여겨지는 마모 입자들이 전이되어 형성된 것으로 여겨진다. 이와 같이 형성된 tribo-film 은 마찰 및 마모의 증가를 억제하는데 기여할 수 있는 것으로 생각된다. CoCr 시편과 상대운동한 NiCr 및 NiCrB pin 표면에는 상대적으로 tribo-film이 덜 발생한 것을 알 수 있으며, 이에 따라 마모의 흔적이 좀 더 명확하게 관찰되었다. 또한, Fig.8(b)에 제시된 결과로부터, CoCrMo 및 CoCr 시편 모두에서 연삭 및 응착 마모의 흔적이 관찰됨을 알 수 있다. 그러나, 연삭 및 응착 마모의 흔적은 CoCr 시편에서 보다 명확하게 나타났다. 특히, tribo-film은 CoCrMo 시편에서 주로 형성된 것으로 관찰되었다. 이러한 결과로부터, tribo-film 형성이 CoCrMo의 마모 진전을 억제하고낮은 마찰 특성을 가질 수 있게 하는 주된 이유 중 하나 일 것으로 판단된다.

Fig. 8. Confocal microscope images of (a) NiCr and NiCrB pins and (b) CoCrMo and CoCr plate.

4. 결론

본 연구에서는 Ni 기반 합금과 상대운동하는 CoCr 기반 합금의 마찰 및 마모 특성을 소재 조합과 하중 변화에 따라 건식 윤활상태에서 정량적으로 평가하였다. 이를 위하여 pin-on-reciprocating plate tribo-tester를 사용한 실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) NiCr 및 NiCrB와 상대운동하는 CoCrMo의 초기 마모율은 7.69 × 10^-6 mm³/Nm와 2.85 × 10^-5 × mm³/Nm 로 나타났다. 또한, NiCrB와 상대운동하는 경우 CoCrMo과 CoCr 시편의 초기 마모율은 각각 5.26 × 10^-6 × mm³/Nm와 4.28 × 10^-5mm³/Nm로 나타났다. 이로부터, NiCr 및 NiCrB에 대한 CoCrMo의 초기 마모 저항성은, CoCr 에 비하여 각각 3.7배와 8배 정도 큰 것으로 나타났다. 

2) NiCr 및 NiCrB에 대한 CoCrMo 시편의 마찰계수는 각각 0.38과 0.36로 나타났으며, NiCr 및 NiCrB에 대한 CoCr 시편의 마찰계수는 각각 0.55와 0.44로 나타났다. 

3) NiCr 및 NiCrB와 상대운동하는 CoCrMo 및 CoCr의 주된 마모 기구는 응착 및 연삭 마모인 것으로 나타났다. 그러나 CoCrMo의 경우에는 tribo-film이 형성된 것으로 나타났으며, 이는 마모의 진전을 억제하고 상대적으로 낮은 마찰 특성을 유지하는데 기여하는 것으로여겨진다.

본 연구로부터, CoCr 합금을 CoCrMo 합금으로 대체하였을 때 마찰 및 마모 특성이 개선될 수 있음을 알 수 있었으며, 이와 같은 결과는 가혹한 윤활조건에서 상대운동하는 기계부품의 트라이볼로지적 특성 향상에 기여 할 수 있을 것으로 예상된다. 향후 CoCrMo 합금의 응용성을 파악하기 위해서는 실제 부품의 작동 환경을 고려한 다양한 조건에서의 트라이볼로지적 특성의 평가가 필요할 것으로 예상된다. 특히, 미끄럼 거리를 증가시켜 마모의 진전 특성을 이해하기 위한 연구가 필요하다고 판단된다.