1. 서론

기계의 마찰을 극복하고 마모로 인한 고장을 해결하기 위하여 소비되는 에너지는 전 세계 에너지 소비의 23%를 차지하고 있다[1]. 표면 텍스쳐링(Surface texturing)은 상대운동을 하는 표면에 미세한 딤플(Dimple)이나 그루브(Groove) 등을 가공하여 마찰을 저감하는 기술이다[2]. 이 기술은 미세 패턴의 윤활유 저장 효과, 마모입자 포집효과 윤활막의 평균압력 증대 효과를 나타내며, 높은 마찰 현상을 개선하고 부품의 내구성을 향상시킬 수 있다[3].

표면 텍스쳐링의 다양한 표면 패턴과 가공 매개변수에 대한 많은 연구가 수행되었다[4-6]. 그 중 패턴의 형상은 텍스쳐링된 표면의 마찰 특성에 영향을 미치는 가장 중요한 요소이다. 패턴의 형상 외에도 패턴의 깊이, 폭, 밀도 등과 같은 매개변수(Parameters) 또한 마찰 특성에 중요한 영향을 미친다. 그루브 패턴의 매개변수인 사잇각, 깊이, 면적 밀도 및 패턴 비율이 마찰 특성에 유의한 영향을 미치는 것으로 확인되었으며[4], 텍스쳐의 배열은 매우 중요한 매개변수였다[5,6].

가장 일반적인 이산형 패턴인 원형 딤플 텍스쳐는 매끄러운 표면보다 우수한 마찰성능을 갖는다는 것이 보고 되었으며, 원형 딤플 텍스쳐는 스러스트 베어링(Thrust bearing), 미케니컬 시일(Mechanical seal), 내연기관의 피스톤 링(Piston ring) 등에 적용되었다[7,8]. 이후 원형 텍스쳐에 대한 연구를 바탕으로 다른 텍스쳐 형상이 연구되고 있으며,　사각형 딤플로 표면 텍스쳐링된 경사진 슬라이더 베어링에 대한 수치해석이 진행되었다[9]. 사각형 딤플이 많아질수록 하중지지능력은 증가하여 하중지지능력이 최대인 딤플의 수에서 마찰계수는 가장 낮았다.

실린더 라이너에 적용된 빗살무늬 패턴의 매개변수는 더 나은 마찰 특성을 얻기 위해 여전히 최적화 중이다[10]. 다양한 사잇각과 폭으로 그루브 빗살무늬 패턴을 가공하여 제한된 이론적 방법으로 미세 유체 흐름에 의한 마찰 메커니즘이 보고된 바 있다[11]. 또한, 텍스쳐의 시뮬레이션 모델을 확립하고, 매개변수가 트라이볼로지 특성에 미치는 영향을 조사한 결과, 그루브 빗살무늬 패턴과 같은 텍스쳐의 형태가 윤활 성능에 큰 영향을 미친다는 것이 보고되었다[12]. Lee 등은 패턴의 매개변수에 따른 마찰특성을 Reynolds 방정식을 이용하여 수치 해석하였다. 다이아몬드 패턴 중 40 µm의 깊이를 가지는 가로세로 비가 1/2인 마름모 모양의 패턴이 마찰계수를 줄이는 데 가장 효과적이었다[13].

레이저 표면 텍스쳐링(Laser surface texturing)은 거의 모든 종류의 재료에 적용이 가능하고 짧은 가공시간 등의 장점이 있다. 특히 레이저 표면 텍스쳐링은 레이저 제어 매개변수(Laser control parameter)로 패턴의 형상과 크기를 정밀하게 제어할 수 있으며, 접촉 표면의 트라이볼로지적 특성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 부적절한 패턴의 매개변수는 더 높은 마찰계수가 유발되며 표면 텍스쳐링 효과를 더 이상 기대할 수 없게 된다[14].

이에 본 연구에서는 서로 다른 사잇각과 폭에 따른 그루브 빗살무늬 패턴의 마찰 및 마모 거동을 비교 분석하고, 표면 텍스쳐 가공된 시편에 대한 최적의 설계조건을 고찰하고자 한다. 이를 위해 주철(GC 200) 표면에 그루브 빗살무늬 패턴을 가공하여, 미끄럼 마찰시험에서 마찰 및 마모 특성을 평가하였다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. 시편 제작

본 연구의 대상이 되는 시편은 주철 소재의 ∅6 mm × 2 mm 상부 시편과 ∅60 mm × 5 mm 하부시편으로 준비되었다. Legens 사의 20W Fiber Laser 장비를 이용하여, 상부 시편에 그루브 빗살무늬 패턴이 Table 1과 같은 레이저 제어 매개변수로 가공되었다.

Table 1. Laser control parameters

그루브 빗살무늬 패턴의 사잇각에 따른 미끄럼마찰 특성을 조사하기 위하여 미끄럼 접촉표면에 105º, 115º, 125º, 135º, 145º 및 155º의 사잇각을 갖도록 그루브 빗살무늬 패턴을 가공하였다. 또한, 그루브 폭에 따른 마찰 특성을 조사하기 위하여 폭 120 µm와 200 µm를 갖도록 가공하였다. Table 2는 본 연구에서 사용된 시험편의 재질과 표면 텍스쳐링된 그루브 빗살무늬 패턴의 밀도, 폭 및 깊이를 나타내었다.

Table 2. Experiment conditions for friction test

Fig. 1에 그루브 빗살무늬 패턴이 가공된 상부 시편 표면의 현미경 사진을 나타내었다.

Fig. 1. Optical microscope photos of (a) 105º (b) 115º (c) 125º (d) 135º (e) 145º (f) 155º of crosshatch angle for grooved crosshatch specimens.

2-2. 시험 방법

본 시험에서는 Fig. 2와 같은 핀 온 디스크 방식의 마찰시험기를 이용하여 시험을 진행하였다. 미끄럼 마찰시험 중에 초당 2회 마찰력이 측정되었으며, 주변 환경 온도는 25 ± 3ºC 수준으로 유지되었다. 그루브 빗살무늬 패턴의 사잇각에 따른 미끄럼 마찰 특성을 조사하기 위하여 미끄럼 운동 방향 선을 기준으로 대칭적으로 패턴을 유지하며 시험하였다. Fig. 3과 같이 화살표 방향으로 미끄럼마찰 시험을 진행하였으며, 그루브 빗살무늬의 사잇각을 기준각도로 정의하였다.

Fig. 2. Schematic of experimental apparatus[15].

Fig. 3. Notation of angle, width, and sliding direction for grooved crosshatch specimen.

본 시험에 사용되는 그리스 윤활제는 Kixx사의 Grease 2이다. 경계 및 혼합 윤활 조건에서 진행해야 하기에 0.5 g의 그리스를 디스크에 도포하여 윤활 조건에 부합하는 환경을 모사하였다. 핀 온 디스크 방식의 마찰시험이 Table 3과 같이 수행되었다. 수직하중에 따른 설정된 미끄럼 속도가 변화하면서 마찰력이 컴퓨터로 저장되었다. 낮은 수직하중에서 높은 수직하중으로 시험 되었으며, 미끄럼 속도는 수직하중에 따라 0.02 m/s에서 0.30 m/s로 단계별로 속도가 증가하였다. 하부 시편의 접촉 표면에 그리스 윤활 트랙이 형성되도록 수직하중 9.8 N, 회전속도 0.314 m/s 조건에서 런-인(Run-in)이 3분간 수행되었다.

Table 3. Test conditions

3. 결과 및 고찰

3-1. 그루브 빗살무늬 패턴의 사잇각에 따른 마찰계수 변화

그리스 윤활 하에서 그루브 빗살무늬 시편의 사잇각 별로 미끄럼 마찰시험을 진행하였으며, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

3-1-1. 폭 120 µm 그루브 빗살무늬 패턴의 사잇각에 따른 마찰계수 변화

Fig. 4는 패턴의 폭 120 µm와 105º, 115º, 125º, 135º, 145º 및 155º 사잇각을 가지는 그루브 빗살무늬 시편의 사잇각 각도 별 마찰계수의 변화 곡선이다. (a)는 그리스 윤활하에서 미끄럼 속도 0.26 m/s의 사잇각 변화에 따른 마찰계수 변화 곡선을 보여주고 있으며, (b) 는 수직하중 55.4 N의 마찰계수 변화 곡선을 보여주고 있다. 하중 92.2 N 일 때 사잇각 105º 시편과 155º 시편은 각각 0.135, 0.130의 마찰계수를 나타내었다.

Fig. 4. Coefficient of friction as a function of (a) crosshatch angles and (b) sliding speeds.

미끄럼 마찰 특성은 그루브 빗살무늬 패턴의 사잇각에 따라 변화되고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 폭 120 µm를 가지는 그루브 빗살무늬 패턴 시편은 사잇각 135˚일 때 수직하중 69.4 N에서 0.101의 마찰계수를 나타내었으며, 마찰 특성이 가장 우수하였다. 이는 Chae & Kim[16]의 그루브 빗살무늬 패턴으로 가공된 SKD11소재의 사잇각에 대한 마찰계수 변화 결과와 경향이 일치함을 확인할 수 있었다.

3-1-2. 폭 200 µm 그루브 빗살무늬 패턴의 사잇각에 따른 마찰계수 변화

Fig. 5는 패턴의 폭 200 µm와 115º, 125º, 135º 및 145º 사잇각을 가지는 그루브 빗살무늬 시편의 사잇각 각도 별 마찰계수의 변화 곡선이다. (a) 는 그리스 윤활하에서 미끄럼 속도 0.22 m/s의 사잇각 변화에 따른 마찰계수 변화 곡선을 보여주고 있으며, (b) 는 미끄럼 속도 0.30 m/s의 마찰계수 변화 곡선을 보여주고 있다. 미끄럼속도 0.22 m/s에서 하중 41.6 N일 때 사잇각 115º 시편과 145º 시편은 각각 0.138, 0.127의 마찰계수를 나타내었다.

Fig. 5. Coefficient of friction as a function of crosshatch angle for sliding speed of (a) 0.22 m/s and (b) 0.30 m/s.

미끄럼 속도 0.30 m/s에서 사잇각 125일 때, 0.22 m/s에서 사잇각 135º일 때, 각각 0.113, 0.115의 가장 낮은 마찰계수를 나타내었다. 폭 200 µm 크기를 가지는 그루브 빗살무늬 시편은 125º와 135º 사이일 때 마찰 특성이 가장 우수하였다. 이는 회전하는 디스크와 패턴이 면 접촉하는 모델에 대해 Reynolds 방정식을 활용하여 마찰 특성을 수치 해석한 Lee[13]의 결과와 유사한 경향으로 그루브 패턴의 각도의 영향성이 주요한 의미를 가진다.

본 연구의 그루브 빗살무늬 패턴의 사잇각에 따른 마찰계수 비교 결과에 따라 마찰 저감을 위해서는 사잇각이 135º인 그루브 빗살무늬 패턴이 효과적인 것으로 판단된다.

3-2. 그루브 빗살무늬 패턴의 폭에 따른 마찰계수 변화

그리스 윤활하에서 120 µm와 200 µm의 폭을 갖는 그루브 빗살무늬 시편의 미끄럼 마찰시험을 진행하였으며, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. Fig. 6과 Fig. 7은 각각 그루브 빗살무늬 패턴의 폭 120 µm와 200 µm를 가지는 상부 시편의 수직하중에 따른 마찰특성이 나타나고 있으며, 마찰시험 후 접촉표면이 마모된 상부 시편의 SEM 사진을 Fig. 8과 Fig. 9에 나타내었다.

Fig. 6. Friction coefficient for grooved crosshatch specimens of 120 µm of width.

Fig. 7. Friction coefficient for grooved crosshatch specimens of 200 µm of width.

Fig. 8. SEM photos for specimens of (a) 115º (b) 125º (c) 135º and (d) 145º of crosshatch angles and 120 µm of width.

Fig. 9. SEM photos for specimens of (a) 115º (b) 125º (c) 135º and (d) 145º of crosshatch angles and 200 µm of width.

69.4 N의 수직하중, 미끄럼 속도 0.30 m/s에서 폭 120 µm를 갖는 그루브 빗살무늬 시편이 가장 낮은 마찰 계수를 나타내었다. 미끄럼마찰 특성은 그루브 빗살무늬 패턴의 폭의 증가에 따라 마찰계수가 증가하고 있음을 알 수 있었다.

Fig. 6과 Fig. 7에서의 결과와 같이 동일한 밀도 10%에서 패턴의 폭이 작아지고 그루브의 수가 많아질수록 마찰계수가 줄어든다. 이는 Park & Jang[9]의 사각형 딤플에 대한 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식을 수치해석 결과와 동일하였다. 그루브 빗살무늬 패턴에 의한 마찰저감효과는 패턴의 폭이 200 µm보다는 120 µm인 경우에 더욱 크게 나타난다.

4. 결론

본 연구는 그리스 윤활하에서 레이저 표면 텍스쳐 가공된 주철 소재의 시편을 이용하여 미끄럼 마찰시험을 수행하였다. 그루브 빗살무늬 패턴의 사잇각에 따른 마찰 특성을 연구하기 위하여, 사잇각 105º에서 155º까지 시편을 제작하여 마찰 특성을 조사하였다. 또한, 그루브 폭에 따른 마찰 및 마모 거동을 비교 분석하기 위하여 그루브 폭 120 µm와 폭 200 µm의 시편을 제작하여 마찰 특성을 연구하였다.

그루브 빗살무늬 패턴이 가공된 시편에 대한 최적의 설계조건을 고찰하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 레이저 표면 텍스쳐링된 시편에서 그루브 빗살무늬 사잇각과 폭의 변화에 따라 마찰계수가 변화됨을 실험적으로 확인할 수 있었다.

2) 그루브의 폭 120 µm 크기를 가지는 시편은 기준각도 135º일 때 가장 우수한 마찰감소 효과를 보여주고 있다.

3) 그루브의 폭 200 µm 시편은 기준각도 125º와 135º 사이일 때 마찰감소 효과가 가장 우수하였다.

4) 미끄럼마찰 특성은 그루브 빗살무늬 패턴의 폭의 증가에 따라 마찰계수가 증가하고 있음을 알 수 있었다.

5) 69.4 N의 수직하중, 미끄럼 속도 0.22 m/s에서 기준각도 135º 폭 120 µm 그루브 빗살무늬 시편이 가장 낮은 마찰계수를 가지고 있었다.

Acknowledgements

이 논문은 2020년 산업기술혁신사업의 에너지기술개발사업(20206310100120)으로 지원 받아 수행되었음. 경북대학교 공학설계연구소에서 연구시설을 지원하였음.