마찰·마모·슬라이딩 시험과 관찰·해석·측정
운동하는 부품과 부품 사이에서는 마찰이 발생합니다. 예를 들어, 자동차나 전철의 동력을 전달하는 파워 트레인에는 클러치·트랜스미션·드라이브 샤프트 등 여러가지 부품이 사용되며 이들을 「슬라이딩 부품」이라고 합니다.
슬라이딩 부품에는 마찰에 의한 발열 및 마모가 발생합니다. 마찰에 의한 발열 및 마모는 기계 시스템의 고장 원인 중 대부분을 차지하며 그 경제적 손실은 적지 않습니다. 그리고 이 손실을 줄이기 위해 실시하는 마찰 시험 및 마모 시험, 슬라이딩 시험에 의한 부품 및 그 소재의 특성 평가를 「마찰 공학 시험」이라고 합니다.
여기에서는 마찰·마모 시험과 슬라이딩 시험, 그리고 마찰 전반을 과학적으로 생각하는 마찰 공학의 관점에서 시험 및 측정 방법과 4K 디지털 마이크로스코프를 이용한 최신 과제 해결 사례를 소개합니다.
마찰·마모·슬라이딩 시험
시험편과 상대 재료를 마찰시키고 그때의 마찰계수* 및 마찰량을 측정하는 시험입니다.
슬라이딩 부품이 사용되는 각종 업계에서는 신제품의 연구 개발·제품의 품질 평가 및 수탁 분석으로 마찰·마모 시험 및 슬라이딩 시험에 의한 소재의 변화를 평가하는 사례가 많습니다. 이런 사례는 윤활유·그리스 제조사, 베어링이 및 풀리 등의 부품 공급자·모터 제조사 등 슬라이딩 부품에 관련된 다양한 업계에서 품질 보증상 필요한 시험으로 실시됩니다.
마찰계수: 접촉면이 마찰력에 미치는 영향을 수치화한 것. 단위는 없고 「μ(뮤)」로 표시된다. 「운동 마찰계수」와 「정지 마찰계수」가 있고, 수치는 물체 및 표면 가공에 따라 달라진다.
마찰·마모·슬라이딩 시험 방법
마찰 시험은 슬라이딩 시험과 함께 마찰의 크기를 측정하는 시험이며, 결과는 보통 마찰계수로 구합니다. 한편, 마모 시험은 마찰에 의해 변화한 상태를 측정하는 시험이며, 슬라이딩면의 변형 및 흠집으로 결과를 구합니다.
마찰계수의 측정 방식으로는 계측기로 마찰력을 측정하는 방법 및 구동 모터의 부하 전력을 측정·변환하여 구하는 방법, 마찰에 의한 진동 감쇠*의 동작으로 구하는 방법, 그리고 경사면상에 놓은 물체가 미끄러지기 시작하는 각도를 바탕으로 최대 정지 마찰력*을 구하는 방법 등이 있습니다. 이러한 시험에서는 마찰 및 마모 뿐만 아니라 윤활제의 효과 및 품질 저하 등도 시험의 대상이 됩니다.
진동 감쇠: 진동이 시간의 경과와 함께 작아지는 현상. 「감쇠 진동」이라고도 한다.
최대 정지 마찰력: 정지된 물체를 이동시키려 했을 때 발생하는 마찰력. 한편, 이동 중 발생하는 마찰력은 「운동 마찰력」, 베어링 내의 볼 및 니들 등에 발생하는 마찰은 「구름 마찰력」이라고 한다.
마찰 공학 시험
베어링으로 대표되는 슬라이딩 부품에서 마찰 저항은 큰 부하이자 손실입니다. 이 저항을 줄이려면 부품의 기계적 특성인 재료역학은 물론 윤활유의 유체역학, 열에 의한 표면 현상을 측정하는 열역학 등 다면적인 관점에서 포괄적으로 대응해야 합니다.
이처럼 마찰이 미치는 영향을 폭넓게 고찰하고 평가하는 대책을 「마찰 공학」이라고 하며, 그 특성을 평가하는 시험을 「마찰 공학 시험」이라고 합니다.
마찰 공학 시험의 필요성
기계 장치에서 발생하는 마찰에 의한 열 발생과 마모에 의한 재료 손실은 기계적 저항을 일으켜 기계 장치 고장의 가장 큰 원인이 된다고 합니다. 이 마찰과 마모를 절감하여 컨트롤하는 것은 단순한 트러블 대책의 기술이 아니라, 기계 장치의 신뢰성과 성능 향상, 나아가 경제적 손실을 줄이기 위한 핵심 기술이라고 할 수 있습니다.
마찰 공학 시험의 특징
마찰·마모 시험은 같은 재료라도 시험편의 형상 및 시험 방식·환경 조건이 바뀌면 완전히 다른 특성값이 될 때가 많다고 합니다. 따라서 마찰·마모 시험에서는 대상이 되는 실제 현상이 어떤 조건인지 파악하고 그와 가까운 조건에서 시험할 필요가 있습니다. 또한, 윤활제의 성능은 윤활제의 물성과 계면 화학적 성질이 큰 영향을 미칩니다. 특히 고체 윤활제*는 기름 및 그리스에 비해 내하중 성능이 높아 기름 및 그리스에 들어가는 첨가제로도 이용됩니다.
마찰 공학 시험은 사용 조건과 가까운 조건에서 실시되어 마찰에 관한 실제 환경을 재현합니다. 슬라이딩 부품에 사용되는 소재는 물론, 윤활제 및 부품의 형상에 따른 특성 등도 평가의 대상이 됩니다.
고체 윤활제: 마찰로부터 재료 표면을 보호하거나 마찰 및 마모를 절감시키는 고체 물질. 이황화 몰리브덴 및 흑연, PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene)등이 있다.
마찰 시험·마모 시험·슬라이딩 시험 관찰의 최신 사례
마찰·마모 시험의 시험편 및 슬라이딩 부품은 대체로 입체적이며, 강한 반사면인 경우도 적지 않습니다. 이 경우, 일반적인 현미경의 측정·해석에서는 초점 조정 및 반사광 대책 등 검사원에게 난이도가 높은 조작이 필요합니다. 또한, 정량화로 검토할 수 없는 등의 문제도 있습니다.
최근에는 기술이 발달하여 디지털 마이크로스코프가 기존 현미경의 여러 과제를 해결하고, 마찰·마모 시험의 효율을 대폭으로 개선했습니다.
깊이가 있는 베어링 흠집 관찰의 효율화
베어링이 어떤 타격을 입어 생긴 흠집을 관찰합니다. 관찰면이 평면이 아닌 경우, 현미경을 이용한 고배율 관찰은 높이가 아주 조금만 달라도 초점이 맞지 않아 초점을 섬세하게 조정하는 데 시간이 걸렸습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 고해상도 HR 렌즈와 전동 리볼버로 렌즈 교체 없이 20~6000배의 「심리스 줌」을 실시할 수 있어 빠르게 원하는 배율로 줌을 할 수 있습니다.
- A: 디지털 마이크로스코프를 이용한 관찰
- B: 현미경을 이용한 관찰
- C: 앞면의 흠집 관찰
- D: 안쪽 면의 흠집 관찰(×500)
또한, 「내비게이션 라이브 합성」을 통해 자동으로 심도를 합성하여 대상 물체 전체에 풀 포커스를 맞춥니다. 이 기능은 가까운 곳부터 먼 곳까지 초점이 맞는 초고해상도 4K 화상으로 정확하고 효율적인 확대 관찰·외관 검사·평가를 간단하게 실시할 수 있습니다.
그리고 접속된 렌즈를 자동 인식하여 촬영 화면과 함께 배율 데이터도 관리할 수 있습니다.
디지털 마이크로스코프는 전체 화상부터 부분 확대 화상까지 끊김 없이 고해상도의 줌 업을 실행할 수 있는 관찰 기능과, 뛰어난 데이터 관리 기능으로 검사 효율 향상에 기여합니다.
마찰면 손상의 관찰과 측정을 1대로
관찰과 측정을 실시하는 경우, 기존에는 각 기기의 변경이 필요하여 긴 시간이 걸렸습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 선명한 확대·관찰 뿐만 아니라 기존의 현미경으로는 불가능했던 다양한 계측·측정과 수치 취득이 실현됩니다. 마우스를 이용한 간단한 조작으로 마모 시험 후의 슬라이딩면 플레이킹* 및 피칭* 등 손상 관찰부터 거칠기 검사에 도움이 되는 평면 계측·거칠기 측정까지 이 1대로 쉽게 이루어집니다.
플레이킹: 재료의 구름 피로에 의해 궤도면이나 전동 물체의 표면이 벗겨져 요철이 생기는 현상.
피칭: 궤도면에 생기는 깊이 약 0.1 mm의 반점 모양 구멍.
광택면의 반사광을 억제하여 마모·마찰을 관찰
접동면의 마찰에 의해 광택이 생긴 시험편 및 시험구는 반사광이 강하여 현미경으로는 헐레이션이 장애가 되어 관찰할 수 없는 경우가 있었습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 「헐레이션 제거」·「링 제거」 기능으로 반사광을 제거합니다. 마찰로 광택이 강해진 슬라이딩면의 헐레이션을 억제하여 선명하게 촬영할 수 있습니다. 미세한 헤어라인 흠집 및 마찰 흠집과 부착물의 차이도 판별할 수 있기 때문에 마찰·마모의 상태를 더 정확하게 파악할 수 있습니다.
1대로 관찰부터 2D 측정·3D 측정까지 가능
입체적인 대상 물체의 경우, 기존의 외관 관찰은 부분별로 초점 조정이 필요했으며 흠집의 판정 누락이나 사용자에 따른 평가 차이가 문제가 되었습니다. 또한, 입체적인 대상 물체라도 2D 치수 측정으로만 평가해야 했습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 선명한 4K 화상에 의한 확대 관찰 및 2D 치수 측정과 더불어 3D 형상 취득 및 3D 치수 측정, 임의 단면의 프로파일 측정이 가능합니다. 검사원의 숙련도와 관계없이 간단한 조작으로 3D 형상의 해석·측정이 가능하기 때문에 마찰부 표면 평가의 고도화와 정량화, 작업 효율화가 동시에 실현됩니다.
시장의 요구에 빠르게 응하기 위한 최신 툴
앞으로 마찰·마모 시험의 수요 확대 뿐만 아니라 마찰 공학 등의 평가에 대응하려면 신속하고 정확한 검사 데이터에 기반한 연구 개발 및 품질 개선, 제조 공정 확립이 요구됩니다.
고해상도 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」를 도입하면, 기존 현미경에 비해 비약적인 작업 효율화 및 이전에는 불가능했던 고해상도의 관찰·해석·측정·평가가 한 대로 완결됩니다. 그 밖에도 여러 최첨단 기능을 탑재한 「VHX 시리즈」는 품질과 속도가 모두 요구되는 향후의 업계에서 효과적인 툴이 될 것입니다.
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