SUJ2 베어링 강의 트라이볼로지 특성에 대한 초음파나노표면개질 (UNSM) 및 원더프로세스크래프트 (WPC) 처리 효과 연구

A Study on the Effects of Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification (UNSM) and Wonder Process Craft (WPC) Treatments on Tribological Properties of SUJ2 Bearing Steel

Abstract

Mechanical surface treatment is an excellent approach widely used to modulate and improve the performance and service life of bearings, gears, and frictional joints. The main purpose of this study is to investigate and compare the effect of ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) and wonder process craft (WPC) on the surface and tribological properties of SUJ2 bearing steel. The surface roughness and hardness of the untreated and treated (UNSM- and WPC-treated) specimens were measured and compared. Their tribological properties were evaluated using a micro-tribometer under grease-lubricated and dry conditions against itself. Surface hardness measurement results revealed that both the UNSM- and WPC-treated specimens had a higher hardness than that of the untreated specimen. The surface roughness of the untreated specimen was reduced after UNSM and WPC treatments. Abrasive wear mode was observed on the surface of the specimens worn under grease-lubricated conditions, while adhesive wear mode was found on the surface of the specimens worn in dry conditions. According to the tribological test results, the friction coefficient and wear rate of the untreated specimens were reduced by the application of both the UNSM and WPC treatments under grease-lubricated and dry conditions.

1. 서론

회전하는 기계의 베어링 소재로 사용되는 SAE 52100 o 강은 다양한 응용 분야에 널리 사용된다. 이것은 400C 미만 온도에서의 우수한 구름접촉 피로(rolling contact fatigue, RCF) 강도가 필요한 항공기 베어링 또는 고응력 부품에도 사용된다. 하지만 베어링을 장시간 사용하면 표면에 흠집(pitting)과 마모가 발생하여 베어링의 고장을 야기하고 장치의 비정상적 작동을 발생시킨다[1]. 또한 베어링의 성능 저하는 대부분 마찰과 마모에 의해 발생한다. 불필요한 마찰과 마모는 표면개질 기술을 통해 감소시킬 수 있으며, 이를 통해 베어링의 성능과 수명을 향상시킬 수 있다[2]. 따라서 마찰과 마모 메커니즘에서 표면개질 기술 영향에 대한 이해는 베어링의 신뢰성과 안정성 향상에 매우 중요하다. 표면개질 기술은 베어링뿐만 아니라 기어(gear), 마찰 조인트 (frictional joint) 등 다양한 기계 부품의 성능을 향상시키는 효과적인 수단 중 하나이며, 표면개질이 트라이볼로지 특성에 주는영향을 평가하기 위한 연구가 지속적으로 수행되었다.

Ma 등은 건식(dry) 조건에서 매끄럽지 않은(non-smooth) 생체(bionic) 표면을 가진SUJ2 베어링 강의 마찰과 마모거동을 평가한 결과 시험 시편의 생체 표면이 처리되지않은 시편에 비해 내마모성이 우수하고 안정적인 마찰계수를 제공하는 것으로 나타났다[3]. Mohd Iqbal 등은 병렬 스러스트 베어링 표면에 딤플(dimple)을 제작하여 마찰 성능에 대한 딤플의 직경, 깊이 및 면적 비율의 효과를 평가하였다[4]. Uddin등은 저온 물리적 기상증착 (low-temperature physical vapor deposition) 시스템에 의해 증착된 SUJ2 베어링 강에서 질화 티탄(TiN) 코팅의 마찰과 스크래치 저항성을 평가하였다[5]. 마찰과 스크래치 시험 결과는 2.83 μm 이상의 코팅 두께를 갖는 시편이 TiN 코팅에 비해 상대적으로 더 나은 접착력, 내마모성과 더 낮은 마찰계수를 나타냈다. 또한 Oses 등은 SUJ2 베어링 강의 마찰과 마모 특성을 제어하기 위해 열 화학(thermo-chemical) 처리, 레이저충격피닝(laser shock peening)과 물리증착 방법을 융합한 새로운 이중처리 (duplex treatment)를 개발하였다[6]. 마찰과 마모 시험결과는 융합한 처리가 낮은 마찰계수와 마모율을 60% 감소시키는 것으로 나타났지만 융합 처리된 베어링의 수명에 대한 적절한 시험 결과를 얻으려면 이중처리를 실제 베어링에 적용하고 테스트 벤치에서 시험을 수행해야 한다고 결론지었다.

본 연구에서는 초음파나노표면개질(ultrasonic nanocrystal surface modification, UNSM)과 미세입자피닝(wonder process craft, WPC) 기술을 이용하여 최적화된 처리 조건에서 처리된 시편에 대한 트라이볼로지 시험을 수행하였으며 마찰께수와 내마모성에 대한 표면개질의 영향을 논의하였다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. 시편 준비

마찰과 마모 시험에 사용된 사각 시편은 열처리된 SUJ2 3 베어링 강이며 치수는 20 × 10 × 5 mm³이다. 미처리 (UNSM과 WPC 처리가 되지 않은) 시편 표면을 #800 SiC사포로 연마하여 UNSM와 WPC 기술을 적용하였다.

2-2. 초음파나노표면개질(UNSM) 기술

UNSM기술은 초음파 진동 에너지를 응용하여 정적 및 동적 하중이 부가된 강구로 초당 2만번 이상의 타격을 가하여 표면강소성변형(surface severe plastic deformation, 2 SPD)을 발생시켜 표면을 나노조직으로 개질한다[7]. UNSM 공구가 시편 표면에 접촉된 상태에서 이동하면서 가한 타격에 의해 연속적인 소성변형이 발생되며 결과적으로 표면을 강화시킨다. 강화된 표면 깊이는 소재의 특성과 표면 상태 및 UNSM처리 조건에 따라 결정된다. UNSM기술의 개요는 Fig. 1과 같고 처리 조건은 Table 1과 같다.

Table 1. UNSM treatment parameters Frequency, kHz 20

Fig. 1. Schematic view of a UNSM technology.

2-3. 미세입자피닝(WPC) 기술

WPC 처리 기술은 금속 표면에 특수 매체(media)를 고속으로 충격을 가하여 단단한 마이크로 딤플 표면을 생성하는 방식으로 작동한다. WPC기술은 쇼트피닝(shot peening, SP) 기술과 밀접한 관련이 있다. SP기술과 같이 WPC처리된 금속 부품의 기계적 특성, 내마모성, 내식성과 피로 강도가 크게 향상된다[8]. 그러나 WPC기술의 피닝 매체는 SP기술에 비해 수십 배 더 작고 훨씬 단단하며 충격 속도도 훨씬 더 빠르다. 초미세 입자 표면 때문에 WPC기술은 SP에 비해 피로 강도 증가 및 응력부식파괴 저항이 월등하다. 그러나 매체의 질량이 작기 때문에 WPC 처리의 영향을 받는 깊이 영역은 10 µm 미만으로 SP기술 보다 훨씬 얕다. 금속 부품의 표면에 매체를 주입하여 A3변태(transformation point) 보다 온도가 높아져 열처리와 단조효과의 가공경화가 순간적으로 반복된다. 이를 통해 금속 표면층은 미세화되고 조밀해지며 고경도 및 강인한 구조를 얻을 수 있었다. WPC 기술의 개요는 Fig. 2와 같고 처리 조건은 Table 2와 같다.

Fig. 2. Schematic view of a WPC technology.

Table 2. WPC treatment parameters

2-4. 마찰 및 마모 시험 조

마찰과 마모 시험은 micro-tribo 시험기(CSM Instruments, Switzerland)를 사용하여 왕복직선 (reciprocating linear) 미끄럼 운동으로 수행되었다. 그리스 윤활은 일반적으로 베어링의 접동부에 사용되지만 사용 조건에 따라 윤활유의 고갈로 마모된다. 시험 조건은 Table 3와 같으며 각시편별 마찰 및 마모 시험을 3회 이상 수행되었다. 상대방 열처리된SUJ2베어링 강 볼 직경은 12.7 mm이다.

Table 3. Reciprocating tribo-test conditions

가혹한(harsh) 조건에서 움직이는 부품이 작동하는 동안 윤활유가 환경으로 배출될 수 있으며 일반적으로 먼지와 모래와 같은 건식 조건에서 작동한다. 따라서 건식 슬라이딩 조건에서 베어링 강의 마찰 특성에 대한 연구가 필요하며, 본 연구에서는 SUJ2 베어링 강의 마찰 특성에 대한 UNSM 및 WPC 처리 기술의 효과를 일반 베어링 그리스 윤활과 건식 조건에서 평가하였다.

2-5. 측정 및 분석

미처리, UNSM및 WPC 처리된 시편의 표면 거칠기를 표면 조도 측정기(SJ-210, Mitutoyo, 일본)로 측정되었다. 표면 경도를 마이크로 경도 측정기(MVK-E3, Mitutoyo, 일본)로 하중 100 gf에서 측정되었다. 미처리, UNSM 및 WPC 처리된 시편의 미세구조 및 마모흔이 주사전사현미경(scanning electron microscopy, SEM: Scios, FEI, USA)와 에너지분산형 X선 분광기(energy-dispersive Xray spectroscopy, EDS: Flash 6I100, BRUKER, USA) 로 분석되었다.

3. 결과 및 고찰

3-1. 표면 형태

Fig. 3.은 미처리, UNSM 및 WPC 처리된 시편의 표면 형태를 분석한 SEM이미지이다. Fig. 3(a)와 같이 미처리 시편의 표면에 기계가공으로 인한 미세한 긁힘 (scratching)과 결함(defect)이 있음이 확인되었다. 나타나는 미세 홈은 표면에 고유하게 새겨져 있다. Fig. 3(b)와 같이 UNSM처리 기술 적용 후 기계가공으로 인한 미세 한 긁힘과 결함은 제거되었고, 균일한 요철(corrugated) 표면으로 변환하여 표면의 균열개시처(crack initiation site)를 제거하였다. Fig. 3(c)와 같이WPC 처리 후 표면에 초미세 매질의 충격에 의해 미세 딤플이 형성되었다. WPC 기술의 매체는 작기 때문에 베어링의 치수에 영향을 미치지 않고 가공된 표면을 손상시키지 않는다. 따라서 WPC기술은 치수 제어 및 표면 조도가 중요한 베어링에 적용될 수 있다. WPC 기술의 매체로 생성된 표면딤플은 미세하여 육안으로 볼 수 없으며 Fig. 3(c)와 같이 SEM 현미경으로만 관찰할 수 있다.

Fig. 3. SEM images showing surface morphology of the untreated (a), UNSM-treated (b) and WPC-treated (c) specimens.

3-2. 표면거칠기 및 표면경도

미처리 시편의 표면 거칠기 측정은 가공 자국에 수직인 방향으로 측정하였다. UNSM 처리 방향에 수직인 방향으로 측정하였다. WPC 처리된 시편의 경우 처리 방향성이 없어 무작위로 선택된 영역에서 표면 거칠기를 측정하였다. Fig. 4는 미처리, UNSM및 WPC 처리된 시편의 표면의 거칠기와 경 도를 측정한 비교 결과이다. Fig. 4(a) 를 보면 미처리 시편의 평균 표면 거칠기 (R_a) 값은 결함과 가공 흔적이 있어도 약 0.015 µm이었다. UNSM처리 후 표면 거칠기는 0.015 µm에서 0.037 µm로 증가하였다. WPC 처리된 시편의 R_a는 미처리 및 UNSM 처리된 시편에 비해 각각 약 2.46배 및 12.2배 이상 증가되었다. 일반적으로 WPC 공정은 매체의 속도와 강도(intensity)에 따라 표면 거칠기를 크게 증가시킨다.

Fig. 4. Comparison in average surface roughness (a) and surface hardness (b) of the untreated, UNSMtreated and WPC-treated specimens.

미처리 시편의 표면 경도는 열처리된 SUJ2 베어링 강의 전형적인 경도인 59-61 HRC 정도로 확인되었다. Fig. 4(b) 를 보면 UNSM 및 WPC 처리 후 표면 경도는 미처리 시편에 비해 각각 약 9.7% 및 6.3% 증가되었다. UNSM 및 WPC 처리 후 표면 경도의 증가는 Hall-Petch 공식으로 설명 가능한 미세화된 결정립(refined grain) 때 문이다[9]. WPC 처리시 매체의 속도가 매우 빨라 냉간 가공(cold working) 외에도 매우 미세한 수준에서도 용융현상(melting phenomena)이 발생한다. WPC 처리 후 증가된 표면 경도는 국부적인 에너지 방출(release)의 결과이다. 표면 경도는 특히 건식 조건에서 시편 표면의 미세한 돌기(asperity)들 간의 탄성 혹은 소성 접촉에 따른 마찰계수 차이에 영향을 줄 수 있지만 그리스 조건에서는 표면 경도 증가에 의한 영향은 표면 거칠기 차이 영향 보다 적을 것으로 판단된다.

3-3. 마찰계수

왕복 미끄럼 운동으로 그리스 윤활과 건식 조건에서 얻은 3회 이상 실험에 대한 평균값 마찰계수 결과는 Figs. 5(a, b)와 같다. Fig. 5(a)는 그리스 윤활 시험 상태이며 미처리 시편의 평균 마찰계수와 표준편차 값은 약 0.059 ± 0.004이며 UNSM및 WPC 처리된 시편의 경우 평균 마찰계수와 표준편차는 각각 약 0.037 ± 0.006 및0.035 ± 0.007로 나타났으며 WPC 처리된 시편의 마찰계수는 UNSM 처리된 시편 보다 약 5.5% 낮았다. Fig. 5(b)와 같이 건식 시험 조건에서는 미처리 시편의 평균 마찰계수와 표준편차는 약 0.293 ± 0.10이며 UNSM및 WPC 처리된 시편의 경우 평균 마찰계수와 표준편차는 각각 약 0.263 ± 0.09 및0.247 ± 0.08로 나타났으며 WPC 처리된 시편의 평균 마찰계수는 UNSM 처리된 시편 보다 약 6.1% 낮았다. 그리스 윤활 조건에서UNSM및 WPC 처리 적용 후 평균 마찰계수는 미처리 시편 대비 각각 약 37.3% 및 40.7%로 감소되었고, 건식 조건에서는 각각 약 37.3% 및 40.7%로 감소되었고, 건식 조건에서는 각각 약 10.3% 및 15.7%로 감소되는 경향을 보였다.

Fig. 5. Comparison in friction coefficient of the untreated, UNSM-treated and WPC-treated specimens under greaselubricated (a) and dry (b) conditions.

UNSM및 WPC처리 기술에 의한 요철과 딤플 표면의 형성은 세 가지 방식으로 마찰을 줄이는 데 도움이 된다. 첫째, 금속과 금속의 접촉을 줄이는 유막을 유지하는 데 도움이 된다. 둘째, 마찰계수 감소를 위해 일반적으로 접촉 면적을 줄이는 데 도움이 된다. 셋째, 마찰 방지와 극압 재료가 내장된 미끄럽고 단단한 표면을 만든다. UNSM 및 WPC처리 기술이 마찰계수를 감소시키는 메커니즘은 윤활유와 마멸분(debris)의 저장소 기능과 마모 된 주요한 원인은 그루브와 인덴트 자체가 상기 메커니 입자 포집 기능을 고려할 수 있다. UNSM 및 WPC처리 즘을 수행하였기 때문으로 판단된다.

3-4. 마모율 및 마모 메커니즘

Fig. 6은 그리스 윤활과 건식 조건에서 수행된 마찰과 마모 시험 후 미처리, UNSM 및 WPC 처리된 시편의 표면에 나타난 마모흔 프로파일을 기반으로 계산한 마모율을 비교한 결과이다. 그리스 윤활 시험 조건에서 마 모흔은 거의 형성되지 않았다. 미처리 시편의 평균 마모 율 값은 약 4.73 × 10^-11 mm³ /Nm이며 UNSM및 WPC 처리된 시편의 경우 마모율 값은 각각 약3.14 × 10^-11 및 2.93 × 10^-11 mm³ /Nm로 나타났으며 WPC 처리된 시편의 내마모성은 UNSM 처리된 시편에 비해 좀더 향상되었 다. 건식 시험 조건에서는 미처리 시편의 마모율 값은 약 6.79 × 10^-8 mm³ /Nm이며UNSM 및 WPC 처리된 시편의 경우 마모율은 각각 약 5.66 × 10^-8 및 5.70 × 10^-8 mm³ /Nm 로 나타났으며WPC 처리된 시편의 내마모성은 UNSM 처리된 시편과 큰 차이가 없었다. 그리스 윤활 조건에서 UNSM및 WPC 처리 적용 후 시편은 미처리 시편 대비 내마모성 성능이 각각 약 33.6% 및 38.1% 향상되었고, 건식 조건에서는 각각 약 16.7% 및 16.1% 향상되는 경향을 보였다. UNSM 및 WPC 처리된 시편이 미처리 시편에 비해 내마모성이 증가하는 것은 경도의 증가와 표면 거칠기에 기인한다. 베어링 표면에 UNSM 및 WPC 처리 기술을 적용하면 미끄럼 저항이 낮아져 출력이 증가하고 연비가 향상되며 엔진의 초기 길들이기(runningin) 기간이 단축된다. 베어링 표면에 UNSM 및 WPC 처리 기술을 적용하면 면압 강도가 증가하고 윤활유가 쉽게 유출되지 않는 홈을 형성하여 내마모성이 증가한다.

Fig. 6. Comparison in wear rate of the untreated, UNSM-treated and WPC-treated specimens under grease-lubricated (a) and dry (b) conditions.

Figs. 7과 8은 그리스 윤활 및 건식 조건에서 수행된 마찰 및 마모 시험 후 미처리, UNSM 및 WPC 처리된 시편의 표면에 나타난 마모흔의 SEM-EDS 분석 결과이다. 그리스 윤활 및 건식 조건에서 미처리 시편에 비해 UNSM 및 WPC 처리된 시편의 마찰 계수 및 마모율이 낮 은 것은 표면 경도의 증가만 아니라 표면에 산화층(oxide layer)이 형성 되었기 때문이다. 또한, WPC와 UNSM처리 과정중에 표면에너지(surface energy)를 높여서 산화층 형성에 유리하나 물리적인 관점에서는 표면잔류응력 (surface residual stress)과 접촉균일성(contact uniformity) 은 마모율을 낮추는데 기여하였다. 그리스 윤활 및 건식 조건에서 미처리, UNSM 및 WPC 처리된 시편의 산소량은 각각 5.38%, 18.50%와 12.36% in wt. 및 17.88%, 24.00%와 24.49% in wt.% 였다. 그리스 윤활 및 건식 조건 모두에서 미처리 시편에 비해 UNSM 및 WPC 처리된 시편의 산화량이 더 높았다. 마찰 계수와 마모 성능은 산화층의 형성에 크게 의존한다. Figs. 7과 8의 삽도와 같이 그리스 윤활 조건에서는 연삭마모가 나타났으며 건식 조건에서는 응착마모가 나타났음을 확인하였다. 각 그리스 윤활 및 건식 조건에서는 미처리 시편의 마모흔에서 가장 많은 손상이 일어났으며 이러한 손상 으로 인해 마모율을 증가시켰을 것으로 사료된다. 또한, 미처리 시편의 그리스 윤활 조건에서 윤활 막을 유지하기 위해 윤활유 공급을 돕고 마찰력을 증가시키는 마모 입자를 접촉면에서 배제하는데 기여하는 것으로 설명할 수 있지만 UNSM 처리된 시편에서는 상대 운동에서 두 개의 계면에 마멸분이 갇히기 때문에 three-body 연삭마모 메커니즘이 발생되었다. UNSM 처리된 시편의 마찰 계수 및 마모율이 낮은 것은 요철 표면 형성으로 거칠기 증가, 경도 증가뿐만 아니라 표면에 형성된 Fe2O3 층 때문이라고 판단된다[10]. 또한 Figs. 8에서 건식 마찰 시험 후 미처리, UNSM 및 WPC 처리된 시편의 마모 트랙에서 Cr 및 Ni 원소가 관측되었다. 이는 그리스 윤활 조건보다 건식 조건에서 마찰 계수가 높기 때문이다. 따라서, UNSM 및 WPC처리된 베어링의 마찰이 감소되고 피로 강도가 개선되어 하중지지능력이 향상될 수 있으며 베어링의 마찰과 동력손실이 감소되어 작동성이 증가할 것으로 예상된다.

Fig. 7. SEM-EDS images of the wear tracks formed on the surface of the untreated, UNSM-treated and WPCtreated specimens under grease-lubricated conditions.

Fig. 8. SEM-EDS images of the wear tracks formed on the surface of the untreated, UNSM-treated and WPCtreated specimens under dry conditions.

4. 결론

그리스 윤활 및 건식 조건에서 얻은 미처리 시편과 UNSM 및 WPC 처리된 시편의 마찰과 마모 거동의 비교는 왕복 미끄럼 마모 시험에 의해 수행되었다. 주요 결론은 다음과 같다.

UNSM 및 WPC 처리된 시편은 미처리 시편에 비해 향상된 마찰과 마모 특성, 증가된 표면 거칠기와 표면 경도 특성이 나타났다.

UNSM 및 WPC 처리 후 표면 거칠기 증가는 UNSM 및 WPC 기술에 의해 형성된 균일한 요철과 딤플 표면 때문이며 표면 경도 증가는 결정립의 미세화로 인한 것이다.

그리스 윤활 조건 시편에서는 연삭마모가 나타났으며 건식 조건에서는 응착 마모가 나타났음을 확인하였다.

그리스 윤활 및 건식 조건에서 미처리 시편에 비해 UNSM 및 WPC 처리된 시편의 마찰 계수 및 마모율이 UNSM WPC 낮은 것은 마모흔에 산화층이 형성 되었기 때문이다.

이러한 결과로부터 UNSM 및 WPC 처리가 SUJ2 베어링 강의 미끄럼 마찰/마모 특성을 개선시킬 가능성이 있음을 확인하였다. Acknowledgements