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암석 마찰학

암석 트라이볼로지

NANOVEA 트리보미터 사용

작성자

DUANJIE LI, PhD

소개

암석은 광물 알갱이로 구성되어 있습니다. 이러한 광물의 종류와 풍부함, 그리고 광물 알갱이 사이의 화학적 결합 강도가 암석의 기계적, 마찰학적 특성을 결정합니다. 지질 암석 주기에 따라 암석은 변형을 겪을 수 있으며 일반적으로 화성암, 퇴적암, 변성암의 세 가지 주요 유형으로 분류됩니다. 이러한 암석은 다양한 광물 및 화학적 조성, 투과성 및 입자 크기를 나타내며 이러한 특성은 다양한 내마모성에 기여합니다. 암석 마찰학은 다양한 지질 및 환경 조건에서 암석의 마모 및 마찰 거동을 탐구합니다.

암석 마찰학의 중요성

마모 및 마찰을 포함한 암석에 대한 다양한 유형의 마모는 유정 굴착 과정에서 발생하며, 이는 드릴 비트 및 절단 도구의 수리 및 교체로 인해 직접적이고 결과적으로 상당한 손실을 초래합니다. 따라서 암석의 천공성, 천공성, 절단성 및 마모성에 대한 연구는 석유, 가스 및 광업 산업에서 매우 중요합니다. 암석 마찰학 연구는 가장 효율적이고 비용 효과적인 시추 전략을 선택하는 데 중추적인 역할을 하여 전반적인 효율성을 향상시키고 재료, 에너지 및 환경 보존에 기여합니다. 또한 표면 마찰을 최소화하면 드릴 비트와 암석 사이의 상호 작용을 줄여 도구 마모를 줄이고 드릴링/절단 효율을 향상시키는 데 매우 유리합니다.

측정 목표

본 연구에서는 NANOVEA T50의 성능을 보여주기 위해 두 가지 유형의 암석에 대한 마찰학적 특성을 시뮬레이션하고 비교했습니다. 트라이보미터 통제되고 모니터링되는 방식으로 암석의 마찰 계수와 마모율을 측정합니다.

나노베아

T50

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샘플

테스트 절차

두 암석 샘플의 마찰 계수, COF 및 내마모성은 Pin-on-Disc 마모 모듈을 사용하는 NANOVEA T50 마찰계로 평가되었습니다. Al2O3 볼(직경 6mm)을 카운터 재료로 사용했습니다. 테스트 후 NANOVEA 비접촉 프로파일로미터를 사용하여 마모 트랙을 검사했습니다. 테스트 매개변수는 아래에 요약되어 있습니다. 

마모율 K는 공식 K=V/(F×s)=A/(F×n)을 사용하여 평가되었으며, 여기서 V는 마모량, F는 일반 하중, s는 슬라이딩 거리, A는 마모 트랙의 단면적, n은 회전수입니다. NANOVEA Optical Profilometer를 사용하여 표면 거칠기와 마모 트랙 프로파일을 평가하고 광학 현미경을 사용하여 마모 트랙 형태를 검사했습니다. 

본 연구에서는 카운터 재료로 Al2O3 볼을 예로 사용했습니다. 실제 적용 상황을 시뮬레이션하기 위해 맞춤형 고정 장치를 사용하여 다양한 모양의 견고한 재료를 적용할 수 있습니다.

테스트 매개변수

강철 표면

석회석, 대리석

마모 반지름 5mm
일반 힘 10 N
테스트 기간 10 분
속도 100rpm

결과 및 토론

NANOVEA Mechanical Tester의 Micro Indentation 모듈을 활용하여 석회석과 대리석 샘플의 경도(H)와 탄성 계수(E)를 그림 1에서 비교합니다. 석회석 샘플은 H에 대해 1.07, E에 대해 49.6GPa의 값을 기록한 대리석과 달리 각각 0.53 및 25.9GPa로 측정된 더 낮은 H 및 E 값을 나타냈습니다. 석회석 샘플은 과립화 및 다공성 특성으로 인해 표면 불균질성이 더 크기 때문일 수 있습니다.

두 암석 샘플의 마모 테스트 중 COF의 변화는 그림 2에 나와 있습니다. 석회석은 초기에 마모 테스트 시작 시 COF가 약 0.8로 급격히 증가하여 테스트 기간 동안 이 값을 유지합니다. COF의 이러한 급격한 변화는 마모 트랙 내의 접촉면에서 발생하는 빠른 마모 및 거칠기 과정으로 인해 Al2O3 볼이 암석 샘플에 침투하기 때문일 수 있습니다. 대조적으로, 대리석 샘플은 약 5m의 슬라이딩 거리 후에 COF가 더 높은 값으로 눈에 띄게 증가하여 석회석과 비교할 때 내마모성이 우수함을 나타냅니다.

그림 1: 석회석과 대리석 샘플 간의 경도 및 영률 비교.

그림 2: 마모 테스트 중 석회석 및 대리석 샘플의 마찰계수(COF) 변화.

그림 3은 마모 테스트 후 석회석과 대리석 샘플의 단면 프로파일을 비교하고 표 1은 마모 추적 분석 결과를 요약합니다. 그림 4는 광학 현미경으로 관찰한 샘플의 마모 흔적을 보여줍니다. 마모 트랙 평가는 COF 진화 관찰과 일치합니다. 장기간 동안 낮은 COF를 유지하는 대리석 샘플은 석회석의 0.0353mm³/Nm에 비해 0.0046mm³/Nm의 더 낮은 마모율을 나타냅니다. 대리석의 우수한 기계적 특성은 석회석보다 내마모성이 우수합니다.

그림 3: 마모 트랙의 단면 프로파일.

밸리 지역 계곡 깊이 마모율
석회암 35.3±5.9×104 μm2 229±24μm 0.0353mm3/Nm
대리석 4.6±1.2×104 μm2 61±15μm 0.0046mm3/Nm

표 1: 마모궤적 분석 결과 요약.

그림 4: 광학 현미경으로 트랙을 착용합니다.

결론

본 연구에서 우리는 제어되고 모니터링되는 방식으로 대리석과 석회석이라는 두 암석 샘플의 마찰 계수와 내마모성을 평가하는 NANOVEA 마찰계의 성능을 보여주었습니다. 대리석의 우수한 기계적 특성은 뛰어난 내마모성에 기여합니다. 이러한 특성으로 인해 석유 및 가스 산업에서 드릴링 또는 절단 작업이 어려워집니다. 반대로, 바닥타일 등 고급 건축자재로 사용하면 수명이 대폭 연장됩니다.

NANOVEA 마찰계는 회전 모드와 선형 모드 모두에서 ISO 및 ASTM 표준을 준수하면서 정확하고 반복 가능한 마모 및 마찰 테스트 기능을 제공합니다. 또한 고온 마모, 윤활 및 마찰 부식을 위한 옵션 모듈을 제공하며 모두 하나의 시스템에 원활하게 통합됩니다. NANOVEA의 탁월한 제품군은 얇거나 두꺼운, 부드럽거나 단단한 코팅, 필름, 기판 및 암석 마찰학의 모든 범위의 마찰공학 특성을 결정하는 데 이상적인 솔루션입니다.

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