소개

마모는 거의 모든 산업 부문에서 발생하며 GDP의 약 0.75%에 달하는 비용을 부과합니다1. 마찰학 연구는 생산 효율성, 애플리케이션 성능을 개선하고 재료, 에너지 및 환경을 보존하는 데 필수적입니다. 진동과 진동은 광범위한 마찰 응용 분야에서 필연적으로 발생합니다. 과도한 외부 진동은 마모 과정을 가속화하고 서비스 성능을 저하시켜 기계 부품에 치명적인 고장을 일으킵니다.

기존의 불감하중 트라이보미터는 질량 추에 의해 정상 하중을 적용합니다. 이러한 하중 기법은 하중 옵션을 일정한 하중으로 제한할 뿐만 아니라 높은 하중과 속도에서 제어되지 않은 강렬한 진동을 발생시켜 마모 거동 평가가 제한적이고 일관되지 않습니다. 제어 진동이 재료의 마모 거동에 미치는 영향에 대한 신뢰할 수 있는 평가는 다양한 산업 응용 분야의 R&D 및 QC에 바람직합니다.

나노베아의 획기적인 고부하 트라이보미터 동적 하중 제어 시스템을 갖춘 최대 하중 용량은 2000N입니다. 고급 공압 압축 공기 로딩 시스템을 통해 사용자는 마모 과정에서 발생하는 원치 않는 진동을 감쇠시키는 이점을 통해 높은 일반 하중 하에서 재료의 마찰학적 거동을 평가할 수 있습니다. 따라서 기존 설계에 사용된 완충 스프링이 필요 없이 하중을 직접 측정할 수 있습니다. 병렬 전자석 진동 로딩 모듈은 최대 20N의 원하는 진폭과 최대 150Hz의 주파수를 잘 제어된 진동에 적용합니다.

마찰은 상부 홀더에 가해지는 측면 힘에서 직접 높은 정확도로 측정됩니다. 변위는 현장에서 모니터링되어 테스트 샘플의 마모 거동 변화에 대한 통찰력을 제공합니다. 제어된 진동 하중 하의 마모 테스트는 부식, 고온, 습도 및 윤활 환경에서 수행되어 마찰 공학 응용 분야의 실제 작업 조건을 시뮬레이션할 수도 있습니다. 통합된 고속 비접촉 프로파일로미터 몇 초 안에 마모 트랙 형태와 마모량을 자동으로 측정합니다.

측정 목표

이 연구에서는 제어된 진동 하중 조건에서 다양한 코팅 및 금속 시료의 마찰 거동을 연구하는 데 있어 나노베아 T2000 동적 하중 트라이보미터의 성능을 소개합니다.

 

테스트 절차

300 µm 두께의 내마모성 코팅의 마찰 계수, COF 및 내마모성과 같은 마찰 거동을 평가하고 나노베아 T2000 트라이보미터와 ASTM G992에 따른 핀 온 디스크 설정을 사용하는 기존 무부하 트라이보미터를 비교했습니다.

제어된 진동 하에서 6mm Al²O₃ 볼에 대해 별도의 Cu 및 TiN 코팅 샘플을 Nanovea T2000 마찰계의 동적 부하 마찰학 모드로 평가했습니다.

테스트 매개변수는 표 1에 요약되어 있습니다.

라인 센서가 장착된 통합 3D 프로파일로미터는 테스트 후 마모 트랙을 자동으로 스캔하여 몇 초 만에 가장 정확한 마모량 측정을 제공합니다.

결과 및 토론

공압식 로딩 시스템과 데드로드 시스템 비교

 

나노베아 T2000 트라이보미터를 사용한 내마모성 코팅의 마찰 거동을 기존의 사하중(DL) 트라이보미터와 비교합니다. 코팅의 COF 변화는 그림 2에 나와 있습니다. 마모 테스트 동안 코팅이 ~0.6의 비슷한 COF 값을 나타내는 것을 관찰했습니다. 그러나 그림 3의 마모 트랙의 여러 위치에서 20개의 단면 프로파일을 보면 코팅이 사하중 시스템 하에서 훨씬 더 심한 마모를 경험했음을 알 수 있습니다.

높은 하중과 속도에서 데드 로드 시스템의 마모 과정에서 강렬한 진동이 발생했습니다. 높은 슬라이딩 속도와 결합된 접촉면에 집중된 엄청난 압력은 상당한 무게와 구조물 진동을 발생시켜 마모를 가속화합니다. 기존의 부하시 트라이보미터는 질량 추를 사용하여 하중을 가합니다. 이 방법은 경미한 마모 조건에서 낮은 접촉 하중에서는 신뢰할 수 있지만, 더 높은 하중과 속도의 공격적인 마모 조건에서는 상당한 진동으로 인해 무게추가 반복적으로 튕겨져 고르지 않은 마모 트랙이 발생하여 신뢰할 수 없는 마찰 평가를 초래합니다. 계산된 마모율은 8.0±2.4 x 10-4 mm3/N m로 높은 마모율과 큰 표준 편차를 보여줍니다.

나노베아 T2000 트라이보미터는 동적 제어 하중 시스템으로 설계되어 진동을 감쇠시킵니다. 이 시스템은 압축 공기로 정상 하중을 가하여 마모 과정에서 발생하는 원치 않는 진동을 최소화합니다. 또한 액티브 폐쇄 루프 하중 제어를 통해 마모 테스트 내내 일정한 하중이 적용되고 스타일러스가 마모 트랙의 깊이 변화를 따라갑니다. 그림 3a와 같이 훨씬 더 일관된 마모 트랙 프로파일이 측정되어 3.4±0.5 x 10-4 mm3/N m의 낮은 마모율을 기록합니다.

그림 4에 표시된 마모 트랙 분석은 나노베아 T2000 트라이보미터의 공압 압축 공기 로딩 시스템으로 수행된 마모 테스트가 기존의 무부하 트라이보미터에 비해 더 부드럽고 일관된 마모 트랙을 생성한다는 것을 확인시켜 줍니다. 또한 나노베아 T2000 트라이보미터는 마모 프로세스 동안 스타일러스 변위를 측정하여 현장에서의 마모 진행 상황에 대한 추가 통찰력을 제공합니다.

 

나노베아 T2000 트라이보미터의 첨단 공압식 로딩 시스템은 기존의 데드 로드 시스템에 비해 자연적으로 빠른 진동 댐퍼라는 본질적인 이점을 가지고 있습니다. 공압 시스템의 이러한 기술적 장점은 서보 모터와 스프링을 조합하여 하중을 가하는 부하 제어 시스템과 비교할 때 사실입니다. 이 기술은 이 연구에서 입증된 바와 같이 높은 부하에서 안정적이고 더 잘 제어된 마모 평가를 보장합니다. 또한 능동 폐쇄 루프 부하 시스템은 마모 테스트 중에 정상 부하를 원하는 값으로 변경하여 브레이크 시스템에서 볼 수 있는 실제 적용을 시뮬레이션할 수 있습니다.

테스트 중 제어되지 않은 진동 조건의 영향을 받지 않고 나노베아 T2000 동적-하중 트라이보미터를 사용하면 다양한 제어 진동 조건에서 재료의 마찰 거동을 정량적으로 평가할 수 있습니다. 진동은 금속 및 세라믹 코팅 샘플의 마모 거동에 중요한 역할을 합니다.

병렬 전자석 진동 하중 모듈은 설정된 진폭과 주파수에서 정밀하게 제어된 진동을 제공하므로 환경 진동이 중요한 요소인 실제 조건에서 마모 과정을 시뮬레이션할 수 있습니다. 마모 중에 진동이 가해진 경우 Cu와 TiN 코팅 샘플 모두 마모 속도가 상당히 증가했습니다. 마찰 계수의 변화와 현장에서 측정된 스타일러스 변위는 마찰 응용 분야에서 재료의 성능을 나타내는 중요한 지표입니다. 통합된 3D 비접촉식 프로파일로미터는 마모량을 정밀하게 측정하고 마모 트랙의 세부적인 형태를 몇 초 만에 분석할 수 있는 도구를 제공하여 마모 메커니즘에 대한 근본적인 이해에 더 많은 통찰력을 제공합니다.

T2000에는 20비트 내부 속도와 16비트 외부 위치 인코더를 갖춘 자체 튜닝된 고품질, 고토크 모터가 장착되어 있습니다. 이를 통해 트라이보미터는 0.01~5000rpm의 탁월한 회전 속도 범위를 제공할 수 있으며, 단계적으로 점프하거나 연속적으로 변경할 수 있습니다. 하단에 위치한 토크 센서를 사용하는 시스템과 달리 나노베아 트라이보미터는 상단에 위치한 고정밀 로드셀을 사용하여 마찰력을 정확하고 개별적으로 측정합니다.

나노베아 트라이보미터는 ISO 및 ASTM을 준수하는 회전 및 선형 모드(4볼, 스러스트 와셔 및 블록 온 링 테스트 포함)를 사용하여 정밀하고 반복 가능한 마모 및 마찰 테스트를 제공하며, 고온 마모, 윤활 및 트리보 부식 모듈을 하나의 사전 통합된 시스템에서 옵션으로 사용할 수 있습니다. 나노베아 T2000의 탁월한 제품군은 얇거나 두꺼운, 연질 또는 경질 코팅, 필름 및 기판의 모든 범위의 마찰 특성을 측정하는 데 이상적인 솔루션입니다.