Experimental Assessment of the Methanol Addition Effect on the Tribological Characteristics of Ni-based Alloy

메탄올 첨가에 따른 Ni 기반 합금의 트라이볼로지 특성 변화에 대한 실험적 연구

Abstract

Currently, the demand for green technologies toward a sustainable future is rapidly increasing due to growing concern over environmental issues. Methanol is biodegradable and can provide clean combustion to reduce sulfur oxide and nitrogen oxide emissions, and therefore it is a candidate fuel for marine engines. However, the effect of methanol on tribological characteristic degradation should be addressed for methanol-fueled engines. In this study, the methanol addition effects on tribological characteristic degradation is experimentally assessed using a pin-on-disk tribo-tester. Ni-based alloy is used as a target material due to its broad applicability as an engine component material. For a lubricant, engine oil with and without methanol are used. The tests are conducted for up to 10,000 cycles under boundary lubrication while the change in friction force is monitored. Additionally, the wear rate is determined based on laser scanning confocal microscope data. An additional test in which methanol is added at regular intervals is performed with an aim to directly observe its effect on friction. Overall, the friction coefficient increases slightly with increasing methanol concentration. Furthermore, the wear rate of the pin and disk increase significantly with methanol addition. The results also indicate that the friction increases instantaneously with methanol addition at the contacting interface. These findings may be useful for better understanding the methanol effect on the tribological characteristics of Ni-based alloys for methanol-fueled engines with improved performance.

1. 서론

매년 증가하는 탄소배출량을 줄이기 위하여 다양한 분야에서 노력이 이루어지고 있다. 선박은 대기 오염물질을 가장 많이 배출하는 운송수단 중 하나로써, 전세계 CO₂ 배출량의 2.4%, SOx는 13~15%, NOx는 12~13%를 차지하고 있다[1]. 이에 따라, 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)에서는 IMO 2020을 통하여 선박 연료의 황 함유량 기준을 0.5%로 제한하는 등과 같은 여러 규제를 도입함으로써 선박에서 배출되는 대기 오염물질을 줄이기 위하여 노력하고 있다[2]. 특히, 이러한 환경 규제에 대응하기 위하여 최근 liquefied natural gas (LNG), 수소연료전지, 메탄올과 같은 친환경 연료를 사용하는 선박에 대한 관심이 급격히 증가하고 있다[3]. 이러한 연료 중 메탄올은 생분해성을 가지며 질소산화물 및 황산화물 배출이 적은 청정 연소가 가능하여 향후 해양 엔진의 탈탄소화를 위한 대체 연료로써 주목받고 있다. 또한, 메탄올은 LNG, 수소 보다 저장과 이송이 용이하며 선박 건조 비용이 저렴하다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 메탄올이 엔진에 유입되어 엔진오일과 혼합되었을 때, 엔진오일의 윤활 성능 저하로 인해 엔진 소재들의 마모 및 부식특성이 저감 될 수 있다는 문제점이 예상된다. 이에 메탄올 유입에 따른, 엔진 부품 핵심 소재들의 마찰 및 마모 특성 변화를 체계적으로 이해하는 것이 요구된다.

본 연구에서는 마모, 부식 및 고온에서 우수한 성능을 가지고 있어 밸브, 베어링 및 연료 분사 장치와 같은 엔진부품의 주요 소재로 사용되는 Ni 기반 합금[4]을 대상 소재로 선정하여, 메탄올이 첨가되었을 때 마찰 및 마모 특성이 어떻게 변화하는지 실험적으로 평가하고자 하였다. 이를 위해서 pin-on-disk tribo-tester를 사용하였으며, 경계 윤활 상태(boundary lubrication)에서 실험을 수행하였다. 마찰 특성은 실험 과정에서 실시간으로 측정하였으며, 공초점 현미경(laser scanning confocal microscope)을 이용하여 실험 전후 pin과 disk의 마모특성을 정량적으로 파악하였다. 이러한 연구 결과는 향후 메탄올 엔진의 효율 및 성능 향상을 위한 기반 데이터로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. 실험 시편

실험에 필요한 pin은 대상 소재인 Ni 기반 합금을 이용하여 제작하였다. 상대 소재로는 SUS304를 선정하였으며, disk로 제작하여 실험에 사용하였다. 실험전 pin과 disk 시편들은 공초점 현미경을 이용하여 주의깊게 관찰하였다. Fig. 1(a)에는 실험에 사용한 실험 전 Ni 기반 합금 pin의 사진과 공초점 현미경을 이용하여 관찰한 3차원 이미지를 제시하였다. 공초점 현미경 데이터로부터 실험에 사용된 모든 pin의 끝단 반경을 측정하였으며, 그 값은 190 ± 30 µm로 나타났다. Fig. 1(b)에는 실험에 사용된 disk의 사진과 공초점 현미경으로부터 얻은 disk의 3차원 이미지를 제시하였다. 공초점 현미경 데이터로부터 평균 표면 거칠기(average surface roughness)를 측정하였으며, 그 값은 2.20 ± 0.06 µm로 나타났다. 경계 윤활 상태에서의 실험을 위하여 SAE 등급 40을 가지는 선박용 엔진오일을 사용하였다.

Fig. 1. Photographs and 3-dimensional laser scanning confocal microscope images of (a) Ni-based alloy pin and (b) SUS304 disk.

2-2. 실험방법

본 연구에서는 Fig. 2에 제시된 바와 같이, pin-on-disk tribo-tester를 이용하여 실험을 진행하였다. Dead weight을 이용하여 수직하중을 가하였으며, load cell을 이용하여 실시간으로 마찰력을 측정하였다. Ni 기반 합금이 우수한 내마모성을 가지고 있음을 고려하여, 예비실험을 통하여 신뢰성 있는 분석을 위한 실험 조건을 수립하였다. 수립된 실험 조건은 하중 30 N, 회전 속도 60 rpm (선속도: 0.13 m/s)이었으며, 10,000 cycle까지 진행하였다.

Fig. 2 Photograph of pin-on-disk tribo-tester.

실험은 경계 윤활 상태에서 진행하였으며, 메탄올 함유량에 따른 영향을 파악하기 위하여, 엔진오일과 혼합된 메탄올의 함유량을 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%로 변화시키며 실험을 진행하였다. 1회 실험에 사용된 엔진오일과 메탄올의 총 양은 30 µl로 하였다. 또한, 메탄올 투여에 따른 마찰 변화를 보다 효과적으로 관찰하기 위하여 2,000 cycle마다 일정량의 메탄올을 투여하는 실험을 진행하였다. 이 때 1회당 메탄올 투여양은 1.3 µl, 2.3 µl, 3.3 µl로 변화시켰으며, 10,000 cycle 동안 총 4회의 투여가 이루어졌다. 또한, 비교를 위하여 엔진오일을 투여하는 실험도 함께 진행하였으며, 이 때 투여 간격은 600 cycle이였다.

각 실험은 3회씩 반복하였으며, 실험 전후 pin의 공초점 현미경 데이터를 비교하여 마모 부피를 측정하였다. Disk의 경우 서로 다른 세 영역에서 측정한 공초점 현미경 데이터로부터 마모 트랙의 평균 단면 면적을 구하였으며, 이로부터 마모 부피를 계산하였다. 또한, 이렇게 얻은 마모 부피는 Archard의 마모 법칙을 기반으로 하여 정량적으로 마모율을 계산하였다[5,6].

3. 결과 및 고찰

3-1. 마찰 특성

Fig. 3(a)는 메탄올이 혼합되어 있지 않은 경우 (0 wt%), 메탄올 함유량 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%에서 미끄럼 거리 변화에 따른 마찰계수의 변화를 나타낸다. 모든 경우에서 초기 마찰계수는 0.2 이상으로 높았으나 급격하게 감소하는 것으로 나타났다. 메탄올 함유량 0 wt%인 경우 4,000 cycle 후 0.13정도로 감소한 후 10,000 cycle까지 유지되는 것으로 나타났다. 메탄올 함유량이 10 wt%인 경우에는 8,000 cycle까지 마찰계수가 서서히 감소하여 0.16정도에 도달한 후, 불안정한 거동을 보이며, 0.17정도로 증가하는 것으로 나타났다. 메탄올 함유량이 20 wt%인 경우 4,000 cycle의 회전운동까지 마찰계수가 0.16정도로 감소하였으며, 이후 8,000cycle까지 0.16 정도의 마찰계수를 유지하였으나, 그 후 마찰계수가 약간 상승하는 것으로 나타났다. 메탄올 함유량 30 wt%의 경우 1,000cycle까지 마찰계수가 0.18 정도로 감소한 후 3,000 cycle까지 유지되었으나, 이 후 10,000 cycle까지 상대적으로 매우 불안정한 거동을 나타내며 0.2 정도까지 상승하는 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터, 메탄올 함유량의 증가는 마찰계수의 상승과 함께, 불안정한 마찰 거동을 유발할 수 있는 것을 알 수 있다.

Fig. 3. (a) Variation of friction coefficient as a function of number of cycles from the tests using engine oil and methanol and (b) average friction coefficient.

메탄올 함유량에 따른 마찰계수의 경향성을 확인하기 위해 3회 반복 실험한 결과를 정리하여 Fig. 3 (b)에 제시하였다. 전체 실험 구간의 평균 마찰계수는 메탄올 함유량 0 wt%, 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%의 경우에 각각 0.15 ± 0.05, 0.15 ± 0.02, 0.15 ± 0.02, 0.16 ± 0.04으로 미세하게 증가하는 것으로 나타났다. 이를 통하여 메탄올 함유량이 증가함에 따라 마찰계수가 미세하게 증가하는 경향이 나타나고 있음을 알 수 있다. Fig. 3에 제시된 결과로부터, 메탄올 첨가는 마찰 특성의 저하를 유발하는 것으로 나타났으며, 이는 메탄올 분자간 수소 결합이 극성 분자가 표면에 흡착되는 것을 방해하는 현상과 관련이 있을 것으로 생각된다[7].

Fig. 4(a)는 실험 중간에 엔진오일을 추가로 투여했을 경우 측정된 마찰계수의 변화를 나타내며, 엔진오일 투여 시기는 그래프상에 화살표로 표시하였다. 엔진 오일이 추가적으로 투여되는 경우에는 마찰계수의 변화가 크지 않은 것을 알 수 있다. Fig. 4(b)는 실험 중간에 일정량의 메탄올을 4회 투여하였을 때의 마찰계수의 변화를 나타내며, 메탄올 투여 시점에서 마찰계수가 순간적으로 상승하는 것을 공통적으로 관찰할 수 있다. 1회당 메탄올 투여량이 1.3 µl, 2.3 µl, 3.3 µl 인 경우에 대하여, 순간적으로 상승한 마찰계수 값은 각각 0.19 ± 0.01, 0.17 ± 0.01, 0.15 ± 0.01인 것으로 계산되었으며, 이는 각각 25%, 24%, 10%의 마찰계수 증가에 해당하였다. 이러한 결과를 통하여 메탄올 투여는 마찰계수의 순간적인 상승을 유발할 수 있음을 알 수 있다. 그러나, 메탄올 투여량에 따른 영향을 관찰하기 어려웠다.

Fig. 4. Variation of friction coefficient as a function of number of cycles from the tests with (a) engine oil and (b) methanol injections.

3-2. 마모 특성

Fig. 5은 실험 후 공초점 현미경으로부터 얻은 pin의 3차원 이미지와 단면 프로파일을 나타낸다. 단면 프로파일의 경우 비교를 위해서 실험 전 프로파일과 함께 제시하였다. Fig 5(a), (b), (c), (d)는 각각 메탄올 함유량 0%, 10%, 20%, 30%의 실험 결과를 나타낸다. Pin의 끝단에 마모가 발생하여 끝단이 평평해진 것을 확인할 수 있으며, 회전 운동 방향으로 마모 흔적이 생긴 것을 확인할 수 있다. Pin의 단면 프로파일로부터, 메탄올 함유량 0 wt%, 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%의 경우에 대하여, 마모된 부분의 직경은 각각 294 µm, 400 µm, 360 µm, 373 µm로 나타났으며, 마모율은 0.48 × 10^-7mm³/(Nm), 1.28 × 10^-7mm³/(Nm), 0.96 × 10^-7mm³/(Nm), 1.04 × 10^-7mm³/(Nm)로 계산되었다. 전체적으로, 메탄올이 혼합되었을 경우 메탄올이 혼합되지 않은 경우보다 마모가 더 많이 발생했음을 알 수 있으며, 메탄올이 pin의 마모율에 부정적인 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있었다.

Fig. 5. 3-dimensional laser scanning confocal microscope images and cross-sectional height profiles of Ni-based alloy pins after the tests with (a) 0 wt%, (b) 10 wt%, (c) 20 wt% and (d) 30 wt% methanol concentrations.

Fig. 6 (a), (b), (c), (d)는 실험 후 공초점 현미경으로부터 얻은 disk의 3차원 이미지와 마모트랙의 평균 단면 프로파일으로써, 각각 메탄올 함유량 0 wt%, 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%의 실험 결과를 나타낸다. 마모트랙 주변에 burr가 형성된 것을 명확하게 관찰할 수 있다. 또한, disk의 마모율은, 메탄올 함유량 0 wt%, 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%의 경우에 대하여, 0.74 × 10^-5 mm³/(Nm), 5.3 × 10^-5 mm³/(Nm), 1.2 × 10^-5 mm³/(Nm), 4.1 × 10^-5mm³/(Nm)로 나타났다. 이러한 결과를 통하여 메탄올이 혼합되었을 경우 메탄올이 혼합되지 않은 경우 보다 마모가 더 많이 발생했음을 관찰할 수 있다.

Fig. 6. 3-dimensional laser scanning confocal microscope images and cross-sectional height profiles of SUS304 disks after the tests with (a) 0 wt%, (b) 10 wt%, (c) 20 wt%, and (d) 30 wt% methanol concentrations.

반복 실험을 통하여 얻은 마모 데이터를 정리하여 Fig. 7에 제시하였다. Fig. 7(a)는 0 wt%, 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%의 메탄올 함유량에 따른 pin의 평균 마모율을 나타내며, 그 값은 각각 0.75 × 10^-7 mm³/(Nm), 1.20 × 10^-7 mm³/(Nm), 1.47 × 10^-7 mm³/(Nm), 1.58 × 10^-7 mm³/(Nm)로 나타났다. 메탄올이 함유되지 않은 경우에 비하여, 함유량이 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%로 증가함에 따라 pin의 마모율은 각각 26%, 48%, 49% 정도로 증가하는 것으로 나타났다. Disk의 마모율은 Fig. 7(b)에 제시하였으며, 메탄올 함유량 0 wt%, 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%인 경우에, 각각 0.51 × 10^-5 mm³/(Nm), 3.60 × 10^-5 mm³/(Nm), 2.91 × 10^-5 mm³/(Nm), 2.66 × 10^-5 mm³/(Nm)로 계산되었다. 메탄올이 혼합되지 않은 경우에 대한 disk의 마모율 증가 정도는 메탄올함유량이 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%인 경우에 각각 82%, 78%, 76% 로 나타났다.

Fig. 7. Average wear rates of (a) Ni-based alloy pin and (b) SUS304 disk.

이러한 결과로부터 엔진오일에 메탄올이 혼합될 경우 마모 특성이 저하됨을 알 수 있으며, 이는 기존 연구 결과[8,9]와 일치한다. 특히, pin의 경우에는 메탄올 함유량 증가에 따른 마모율의 증가를 비교적 명확하게 관찰할 수 있었다. 그러나, disk의 경우에는 그 영향을 명확하게 관찰하기 어려웠는데, 이는 마모 저항성이 큰 Ni-based alloy와 상대운동하는 SUS304의 마모가 상대적으로 크게 발생하여, 실험 오차내에서 메탄올 함유량의 영향이 명확하게 관찰되지 않았기 때문으로 여겨진다.

4. 결론

본 연구는 엔진오일에 메탄올이 혼합되었을 때 Ni 기반 합금에 나타나는 마찰 및 마모 특성을 메탄올의 함유량에 따라 정량적으로 평가하였다. 이를 위하여 pin-on-disk tribo-tester를 사용하여 경계 윤활 상태에서 실험을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 메탄올 함유량 0 wt%, 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%에서 평균 마찰계수는 각각 0.15 ± 0.05, 0.15 ± 0.02, 0.15 ± 0.02, 0.16 ± 0.04로 나타났으며, 메탄올 함유량이 증가함에 따라 마찰계수가 미세하게 증가하였다.

2) 메탄올을 투여하였을 때 마찰계수가 순간적으로 10% ~ 25% 정도 증가하였다가 정상상태로 돌아가는 경향이 나타나는 것을 관찰할 수 있었으며, 이는 기밀 파손 등으로 메탄올이 윤활유에 공급될 경우, 상대적으로 큰 마찰 계수의 상승이 유발될 수 있음을 나타낸다.

3) 메탄올 함유량 0 wt%에 비하여 메탄올 함유량이 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%로 증가함에 따라 Pin의 마모율은 각각1.26, 1.48, 1.49배 정도 증가하였으며, disk의 마모율은 각각1.82, 1.78, 1.76배 정도 증가하였다. 전체적으로 메탄올이 엔진 오일에 첨가될 경우, 마모의 증가를 유발하는 것을 알 수 있다.

이와 같은 결과는 향후 메탄올 연료 추진 선박을 위한 Ni 기반 합금 부품의 트라이볼로지적 설계 기 술 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대되며, 더 나아가 고효율 메탄올 엔진 개발을 위한 기반 자료로써 활용될 수 있을 것으로 생각된다.