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ISSN : 1225-827X(Print)
ISSN : 2287-4623(Online)
Journal of the Korean Society of Fisheries Technology Vol.50 No.2 pp.162-168
DOI : https://doi.org/10.3796/KSFT.2014.50.2.162

An experimental study of the friction and wear on counterpart roughness of silica particle reinforced nano composites

Hyung Jin KIM, Jung-Kyu LEE1, SungWi KOH2*
Department of Mechanical System Engineering/Institute of Marine Industry, Gyeongsang National University 650-160, Tongyeong, Korea
1Department of Control and Mechanical Engineering, Graduate School, Pukyong National University, Busan 608-739, Korea
2Department of Mechanical System Engineering, Pukyong National University, Busan 608-739, Korea
Corresponding author : swkoh@pknu.ac.kr Tel:82-51-629-6192, FAX: 82-51-629-6188
April 28, 2014 May 9, 2014 May 15, 2014

Abstract

The friction and wear characteristics of the rubber matrix composites filled with nano sized silica particles were investigated at ambient temperature by pin-on-disc friction test. The volume fraction of silica particles was 19%. The cumulative wear volume and wear rate of these materials on counterpart roughness were determined experimentally. The major failure mechanisms were lapping layers, deformation of matrix, ploughing, debonding of particles, fracture of particles and microcracking by scanning electric microscopy photograph of the tested surface. The cumulative wear volume showed a tendency to increase with increase of sliding distance. The wear rate of these composites tested indicated low value as increasing the sliding distance.


상대재의 거칠기에 따른 실리카 입자강화 나노 복합재료의 마찰 및 마모에 관한 실험적 연구

김 형진, 이 정규1, 고 성위2*
경상대학교 기계시스템공학과 해양산업연구소
1부경대학교 대학원 제어기계공학과
2부경대학교 기계시스템공학과

초록


    Pukyong National University
    CD20110831

    서 론

    두 물체가 직접적이거나 간접적으로 표면접촉을 하 고 있는 접촉점 사이에 상대운동이 일어날 경우 그 운동 에 대한 저항이 항상 생기는데 이러한 현상을 마찰이라 고 하며, 이때의 저항력을 마찰력이라 한다. 마모는 물 체의 표면에서 기계적인 운동에 의해 물체가 점차적으 로 부스러져 떨어져 나가는 현상을 말하며, 여기서 기계 적인 운동으로는 기체, 액체, 고체 등의 접촉에 의한 것 들이 있다. 그러나 마모만이 독자적으로 작용하는 경우 는 흔하지 않으며 대부분 마찰과 윤활이 마모와 같이 작 용하여 나타나므로 매우 복잡한 양상을 나타내게 되고, 이것은 상대재의 종류, 접촉양식, 미끄럼 거리, 접촉하 중, 미끄럼속도, 시험온도, 주변의 습도 등 운동 및 환경 조건에 크게 영향을 받기 때문이다.

    산업현장에서 실제로 생산되는 총에너지의 30%정도 가 마찰마모 과정에서 소실될 정도로 마모는 생산성과 밀접한 관계가 있으며, 에너지 절약에 직접적으로 연관 되므로 마모에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다 (Chand et al., 2000, Kim and Koh, 2008, Westergård et al., 2000).

    복합재료의 마찰 및 마모 특성에 영향을 미치는 인자 로는 강화섬유의 재질, 구성, 함유율, 상대재의 종류, 접 촉양식, 접촉하중, 미끄럼 거리, 미끄럼 속도, 시험온도, 주변의 습도 등 복잡한 인자들에 의해 좌우됨을 보이고 있다 (Koh et al., 2006, Koh et al., 2007, Lee, 2013, Youn and Kaang, 2014). 또한 복합재료의 마모기구는 응착마 모 (Ren et al., 2001), 충진재의 영향 (Kim et al., 2010b)에 의하여 발생한다고 하였다.

    최근 나노 스케일의 무기물 충진재를 첨가하여 폴리 머 복합재료의 마찰 및 마모 특성을 개선하는 연구가 활 발히 수행되고 있다 (Choi and Jeong, 2014, Dasari et al., 2009, Kim et al., 2010a). 폴리머 나노 복합재료는 적어도 한쪽 치수가 100nm 미만의 충진재를 갖는 복합재료를 의미한다. 마모의 관점에서 볼 때 나노 복합재료는 동일 한 충진재 체적분율일 때 마이크로 스케일 복합재료와 비교하여 큰 계면 면적과 많은 수의 충진재를 갖게 되 며, 또한 첨가된 충진재는 둘러싸고 있는 폴리머 체인과 비슷한 사이즈이므로 마찰에 의한 재료의 손실이 적어 마모저항이 개선될 것으로 예측된다.

    따라서 이 논문에서는 나노 복합재료의 마찰과 마모 의 종합적인 연구의 일환으로서 나노 사이즈의 무기물 실리카 입자를 고무에 첨가하여 나노 실리카 복합재료 를 제조하여 실험재료로 사용하였다. 상대재의 거칠기 의 변화에 따른 나노 실리카 복합재료의 마모저항의 변 화를 고찰하기 위하여 누적마모체적과 마모율을 고찰 하였고 나노 복합재료의 마모기구를 주사전자현미경의 관찰을 통하여 고찰하였다.

    재료 및 방법

    사용된 실험재료는 나노 사이즈 무기물 실리카를 열 가소성 합성고무인 EPDM (ethylene propylene diene Mclass) 고무에 강화시킨 실리카 나노 복합재료이다. EPDM 고무는 에틸렌과 프로필렌 그리고 디엔을 삼원 공중합한 열가소성합성고무를 말하며, 안전화 겉창재 료의 대체 재료이다. 나노 사이즈 실리카의 함유율은 19%이다. 성형된 복합재료의 판은 중앙부분이 실리카 입자의 배열이 전체적으로 고루 분포되어 있으므로 시 험편은 이 중앙부분을 다이아몬드 커터를 이용하여 절 취하여 사용하였다.

    Fig. 1은 핀온디스크 (pin-on-disc)형 시험기 (100rpm, Taesan Testing Co.)의 사진이다. 연삭마모시험은 핀온 디스크형 시험기를 사용하여 실시하였으며, 시험 시 온 도와 습도를 일정하게 유지시켰다. 시험편의 마찰력은 실시간으로 측정을 하며 시험을 실시하였고, 마모손실 은 실험 전후의 시험편의 질량을 측정하였다. 시험편은 15mm×4.5mm×5.5mm의 크기로 절단하고 표면을 사 포로 연마하여 마찰과 마모시험의 시험편으로 사용하 였다. 상대재인 SiC 연마지 (3M)는 지름 80mm, 두께 1.5mm인 디스크의 표면에 접착하여 연삭마모시험을 실 시하였으며, 실험에 사용한 SiC 연마지의 평균입도는 9, 15, 30µm 세 종류이다. 시험장치는 서로 다른 미끄럼 속 도로 동작하게끔 조정되어 있으므로 수직하중 상대재 의 거칠기가 9, 15, 30µm에서 미끄럼 속도를 0.1, 0.6m/s 를 유지시키며 미끄럼 거리 1000m까지 연삭마모시험을 실시하였다.

    연삭마모 시험은 동일한 시험조건에서 3개 이상의 시 험편을 각각의 시험거리에 대하여 실시하였으며, 시험 전 후 시험편의 질량손실은 분석천칭 (감도 0.01mg, Mettler Toledo Co.)으로 측정하여 같은 환경조건에서 3번 이상 측정하여 평균값을 구하였으며, 로드셀을 통하여 마찰 력은 실시간으로 측정하여 마찰계수를 얻었다. 마모된 시편의 마찰특성 비교 및 마모기구 조사를 위한 표면 관 찰은 주사전자현미경 (SEM, 3.0 nano, Tescan Co.)으로 관찰하였다.

    결과 및 고찰

    Fig. 2는 나노 사이즈의 무기물 실리카 입자를 첨가한 고무 기지 나노 복합재료에서 핀온디스크 마모시험기 로 실험을 행하여 상대재의 평균입자지름의 변화에 대 하여 미끄럼 거리의 변화에 따른 누적 마모체적을 고찰 하기 위해 나타낸 그림이다. 실리카 입자함유율은 19%, 미끄럼 속도 0.6m/s, 평균입자지름이 9, 15, 30mm으로 변 화시킬 때 적용하중을 (a)는 3N, (b)는 5N, (c)는 7N의 경 우를 나타낸 것이다. 우선 Fig.2 (a)에서 적용하중 3N, 미 끄럼 속도 0.6m/s, 상대재의 평균입자지름이 9mm의 경 우를 살펴보면 미끄럼 거리가 50, 100, 200m로 증가함에 따라 누적 마모체적은 3.8, 6.4, 10.0mm3으로 급격히 증 가하다가 미끄럼 거리가 400, 600, 800, 1000m로 증가해 감에 따라 13.7, 16.5, 21.8, 24.2mm3로 완만하게 증가하 여 그 차이가 적게 되는 것을 알 수 있다. 동일 조건에서 상대재의 평균입자지름이 15와 30µm의 경우에도 그 값 의 차이는 있으나 유사한 경향을 나타내는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 경향은 적용하중이 5N과 7N의 경우 에도 유사한 경향임을 Fig. 2 (b)와 Fig. 2 (c)에서도 알 수 있다. 미끄럼 거리에 따른 누적 마모체적의 변화가 선형 적으로 증가한다는 Chand et al. (2000)와 Lee (2013)의 결 과와는 상반된 결과이지만 비선형적으로 증가한다는 Ravikiran and Jahanmir (2001)의 결과와는 유사한 결과 이다. 하지만 Lee (2013)의 결과는 저울눈 (scale)이 km단 위로서 10km까지의 결과이므로 그러한 결과가 나왔다 고 생각한다. 따라서 미끄럼 거리가 증가함에 따라 누적 마모체적은 비선형적으로 증가하다가 선형적으로 증가 한다고 할 수 있다.

    Fig. 3은 적용하중이 3과 5N, 미끄럼 속도는 0.1과 0.6m/s일 경우에 상대재의 평균 입자지름 변화에 따라 미끄럼 거리가 1000m일 때의 평균 누적 마모체적을 나 타낸 것이다. 적용하중이 3N이고 미끄럼 속도가 0.1m/s 일 때 상대재의 평균입자지름이 9, 15, 30µm로 증가할 경우 적 마모체적은 8.2, 9.2, 12.6mm3으로 증가하여 누적마모체적이 평균입자지름의 증가에 따라 증가함을 알 수 있다. 또한 적용하중이 7N이고 미끄럼 속도가 0.6m/s일 때 상대재의 평균입자지름이 9, 15, 30µm로 증 가할 경우 누적 마모체적은 19.5, 23.4, 32.6mm3으로 증 가하여 누적마모체적이 증가함을 알 수 있다. 한편, 미 끄럼 속도와 상대재의 평균입자지름이 동일한 경우에 하중의 증가에 따른 누적마모체적도 증가하였다. 이는 상대재의 입자지름이 30µm, 미끄럼 속도가 0.6m/s인 경 우에 적용하중이 3, 5, 7N으로 증가함에 따라 누적마모 체적은 11.4, 15.4, 19.5mm3으로 증가하는 것으로서 알 수 있다.

    Fig. 4는 미끄럼 속도 0.1m/s, 적용하중 3, 5, 7N일 경우 에 상대재의 평균 입자지름 변화에 따라 마모율을 나타 낸 것이다. 동일 적용하중의 경우 마모율은 상대재가 거 칠어질수록 높게 나타남을 알 수 있고, 또한 상대재의 평균입자지름이 같은 경우에 하중이 증가함에 따라 마 모율이 크게 됨을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 마모율 은 적용하중의 증가함에 따라 마모율이 직선적으로 증 가한다는 결과 (Lee, 2013)와 유사한 결과이다.

    Fig. 5는 미끄럼 속도 0.6m/s, 적용하중 3N일 경우에 미끄럼 거리의 변화에 따른 마모율을 나타낸 것이다. 상 대재의 평균입자지름이 9µm인 경우에 미끄럼 거리가 200m로 증가함에 따라 마모율은 초반에는 다소 증가한 후 다시 감소하게 되고 미끄럼 거리가 더욱 증가해가면 미세하게 감소하는 것으로 나타났다. 적용하중이 7N의 경우에도 그 값이 커지기는 하지만 유사한 경향이 나타 남을 알 수 있다.

    나노 실리카 복합재료에서 핀온디스크 마모시험기를 사용하여 적용하중이 5, 7N이고, 상대재인 SiC 연마지 의 평균입자지름이 9, 15, 30µm 그리고 미끄럼 속도를 0.1, 0.6m/s로 하였을 때 시험한 마모면 사진이 Fig. 6이 다. 이때 마모면은 각각의 경우에 미끄럼 거리가 50m까 지 마모시험을 행한 상태를 SEM 사진 촬영한 것을 나타 낸 것이다. Fig. 6 (a)는 입자 함유율이 19%이고 적용하 중 5N, 상대재의 평균입자지름이 9µm, 미끄럼 속도 0.1m/s인 경우에 대한 마모면을 나타낸 것으로서 전체 적으로 마모막이 형성되었다는 것을 알 수 있다. 실리카 입자와 매트릭스인 고무가 확연히 구분되고 일부는 실 리카입자가 디본딩되어 탈락되고 있음을 알 수 있다. 또 한 일부 실리카 입자는 파괴되어 부스러기 형태로 탈락 되어 표면에 남아 있음을 알 수 있다. 탈락된 입자의 주 변은 매트릭스가 변형되고 입자의 일부 파손에 의한 매 트릭스의 변형이 나타나고 있다. 적용하중과 미끄럼 속 도가 동일한 경우에 상대재의 평균입자지름이 15, 30µm 인 경우에는 마모막이 형성된 것이 일부 파손되고 쟁기 질 (ploughing)의 흔적과 미시균열 (microcrack)이 발생 하였으며, 파손된 실리카 입자가 다소 많아지고 매트릭 스인 고무가 변형된 것을 알 수 있다 (Fig. 6 (b, c)참조). 또한 적용하중이 7N의 경우에도 마모막의 파손이 심해 지고 입자가 디본딩된 후 탈락, 또는 파괴되어 탈락한 입자가 많아지고, 미시균열의 발생이 증가하고 있음을 알 수 있다 (Fig. 6 (d, e, f)참조). 파괴기구를 종합한다면 마모막이 형성되었다가 쟁기질이 발생하고 입자의 디 본딩, 입자의 파괴, 기지의 변형, 미소균열이 발생하고 성장하는 것을 확인 할 수 있었다.

    Fig. 7은 나노복합재료에서 적용하중 5, 7N, 미끄럼 속 도를 0.1, 0.6m/s, 상대재의 평균입자지름 9, 30µm로 하였 을 때 미끄럼 거리 1000m에서 마모면을 촬영한 SEM 사 진을 나타낸 것이다. 1000m 마모시험을 하였기 때문에 마모면은 매트릭스의 변형이 심하고 또한 일부 실리카 입자의 응착마모에 의한 탈락도 심하고 미시균열도 많 이 발생함을 알 수 있다. 상대재의 평균입자지름이 큰 경 우가 미시균열이 더욱 많이 발생하고 있음을 알 수 있다.

    결 론

    나노 실리카 입자를 첨가한 고무 매트릭스 나노 복합 재료에 대하여 상대재의 평균 입자지름의 변화에 따른 누적마모체적과 마모율의 변화 및 마모기구를 고찰하 였다. 나노 사이즈 무기물 실리카의 입자 함유율은 19% 이고, 미끄럼 속도는 0.1, 0.6m/s, 상대재의 평균입자지 름은 9, 15, 30µm 이다. 얻어진 결론은 다음과 같다.

    누적 마모 체적은 미끄럼 거리가 증가함에 따라 급격 히 증가하다가 그 증가폭이 떨어지는 비선형적으로 증 가하였으며, 또한 상대재의 평균입자지름이 증가할수 록 누적마모체적은 증가하는 것으로 나타났다. 마모율 은 미끄럼 거리가 증가함에 따라 초기에는 다소 증가하 지만 점차 감소하였다. 마모 시험에서 파괴기구는 마모 막이 형성되었다가 쟁기질이 발생하고 입자의 디본딩, 입자의 파괴, 기지의 변형, 미소균열이 발생하고 성장하 는 것을 파면의 SEM 사진을 통해 확인 할 수 있었다.

    Figure

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    Photograph of pin-on-disc wear tester.

    KSFT-50-162_F2.gif

    Variation of wear volume as a function of sliding distance for the 19 vol.% nanosilica rubber composites tested on 9, 15, 30µmSiC paper at sliding speed of 0.5 m/s and applied load of 3, 5, 7N.

    KSFT-50-162_F3.gif

    Variation of wear volume as a function of counterpart roughness for tested on applied load 3, 5, 7N at sliding speed of 0.1, 0.6 m/s.

    KSFT-50-162_F4.gif

    Variation of wear rate as a function of counterpart roughness at 200m sliding distance for each applied load.

    KSFT-50-162_F5.gif

    Variation of wear rate as sliding distance for tested on 9, 15, 30 µm SiC paper, applied load 7N at sliding speed of 0.6 m/s.

    KSFT-50-162_F6.gif

    SEMphotographs of worn surface at sliding distance 50m on 9, 15, 30µm SiC paper, sliding speed of 0.1, 0.6 m/s and applied load of 5, 7N.

    KSFT-50-162_F7.gif

    SEMphotographs of worn surface at sliding distance 1000m on 9, 30µm SiC paper, sliding speed of 0.1, 0.6 m/s and applied load of 5, 7N.

    Table

    Reference

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