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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.16 No.4 pp.46-52
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2017.16.4.046

Measurement of Mass Transfer from Metal Friction Surfaces using Laser Plasma Spectroscopy

Sangwoo Yoon*, Jihoon Kim*, Joohan Kim*#
*Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Seoul National University of Science and
Technology
Corresponding Author : joohankim@seoultech.ac.kr+82-02-970-6314
20170526 20170629 20170714

Abstract

We quantitatively measured the mass transfer from friction surfaces, specifically brake pads and rotors, using laser plasma spectroscopy. Specifically, we modelled the mass transfer from the pad to the rotor and measured the elemental diffusion intensity distribution in the rotor material using laser plasma spectroscopy. The main elements measured were Cu, Ni, Ti, and Cr, and the distribution of these after transfer was measured as the ratio of the atomic peak and the ion peak of the plasma in the rotor exposed to friction and the surface composition of the rotor and the roughness, respectively. We measured and quantified the diffusion coefficient for each element through the mass transfer model and found that Cr obtained the largest diffusion coefficient (D) of the elements measured based on this system with a value of 1.9484 x 10-15 m2/s.


레이저 플라즈마 분광 기법을 이용한 금속 마찰 표면에서 물질전달 측정

윤 상우*, 김 지훈*, 김 주한*#
*서울과학기술대학교 일반대학원 기계공학과

초록


    Seoul National University of Science and Technology

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    많은 기계 부품들이 마찰에 의해 그 표면 상태의 변화가 나타나고 이를 통해 물성치의 변화가 생긴 다. 이러한 현상에 따라 마찰면을 가진 기계 부품 들의 기능적 표면특성의 변화가 사용기간에 따라 나타나게 된다[1,2]. 이러한 것은 실제로 여러 원인에 의해 발생되는 현상이지만 그 중 접촉면에서의 물 질 확산이 중요한 원인으로 해석될 수 있다[3]. 여 러 응용 중에서 이러한 마찰면의 확산현상이 중요 시되는 케이스 중 하나는 자동차의 브레이크 패드 와 로터로 이루어진 브레이킹 시스템이다[4,5]. 일반 적으로 자동차 브레이크 시스템에 의한 제동 시 브 레이크 패드와 로터 간에는 강한 마찰력이 발생하 며 브레이크 패드에서의 원소들이 마찰에 의한 열 로 확산이 가속화되어 로터표면에서의 물성치 변화 가 일어난다. 이러한 외부 원소의 확산 침투에 의 한 표면 물성치 변화 중 특히 표면 마이크로 형상 의 변화에 따른 마찰 특성의 변화를 예상할 수 있 으며 그 결과를 모델링하고 예측하는 것이 중요하 다[6,7]. 하지만 실제로 이러한 확산 현상(Fig. 1)을 고체 재료 내에서 공간적으로 측정하는 것은 어려 운 일이다. 특히 시편의 형태를 유지하고 표면 손 상을 최소화하면서 물질 전달에 의한 원소의 변화 를 표면으로부터 깊이 방향으로 측정하는 기법은 XRD와 같은 기존의 원소 분석 방법으로는 비효율 적이다. 최근 정밀 비접촉 측정 기법의 방법으로 레이저 유도플라즈마 분광법(Laser Induced Breakdown Spectroscopy: LIBS)을 적용한 원소의 비 접촉 3차원 측정방법이 연구 보고되어 왔다[8-11]. 레 이저는 비접촉 고밀도 에너지원으로 재료 표면에 어블레이션을 통해 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 이렇게 발생된 플라즈마는 재료의 원소 특성에 따 라 분광하여 그 원소 분포의 특성을 추적할 수 있 다. 이러한 원리를 이용하면 재료의 파괴 없이 재 료표면과 재료내부에서의 원소 분포 특성을 공간적 으로 분석가능하다.

    본 연구에서는 레이저 유도 플라즈마 분광(LIBS) 측정 기법을 이용하여 마찰 금속간 확산에 의한 발 생 물질 전달 분석을 진행하였다. 세부적으로 마찰 표면에서 물질 전달을 통한 확산계수를 LIBS를 이 용하여 측정하였으며 이를 통해 마찰 재료에 있어 서의 표면 특성 변화를 확인하였다. 본 연구에 사 용된 재료는 마찰면의 특성을 가지고 있는 브레이 크 패드와 로터이다. 이들의 마이크로 표면 형상 측정을 통해 물질 전달에 의한 거칠기 영향을 검증 하였으며 물질 확산계수를 모델링 및 측정하여 주 요 영향 인자 원소를 확인하였다.

    2.실험 장치

    실험을 위해 마찰이 발생된 브레이크 패드와 로 터를 사용하였다. 로터 표면의 원소 융착 현상과 확산 접합에 의한 표면 거칠기 변화를 알기 위해 표면조도 형상 측정기를 이용하였다. 사용된 레이 저 유도 플라즈마 분광분석장비(RT100, Applied Spectra)의 실험 장치는 Fig. 2와 같다. 장비에 사용 된 레이저는 1064 nm 파장의 Nd:YAG 펄스레이저 이며, 펄스당 에너지 80 mJ, 펄스폭은 5 ns, 빔 스 폿사이즈는 100 μm의 특성을 가지고 있다. 장치 내에서 발생된 레이저는 집속렌즈를 통해 재료에 조사되며 표면에서 어블레이션에 의해 발생된 플라 즈마의 원자 스펙트럼 피크신호는 5채널 CCD로 분 석된다. 대표 물질의 원자 피크 신호(Atomic Peak) 과 이온 피크 신호 (Ionic Peak)가 독립적으로 측정 되었으며 레이저 조사에 따른 마이크로 홀의 발생 으로 재료의 안쪽 깊이 방향으로의 물질 전달된 원 소의 분포를 측정할 수 있었다. 이렇게 측정된 스 펙트럼 데이터를 통해 재료의 물질 확산계수(D)를 계산하였다.

    LIBS는 재료의 성분 분석을 목적으로 하는 분석 법이다. 레이저가 재료 표면에 조사되어 어블레이 션이 일어나며 이 때 재료 표면의 여러 원소들이 플라즈마 형태로 존재하게 된다. 플라즈마 내의 들 뜬 상태의 원소들이 바닥상태로 안정화될 때 각 원 소 고유의 분광선이 방출되고, 이 분광선을 검출기 가 수집하여 스펙트럼 신호를 구성한다. 이러한 스 펙트럼 신호 측정 분석을 통해 재료 원소의 정성, 정량 성분 분석 수행하였다. 이러한 스펙트럼 신호 는 재료의 물리적 구조 형상에 의해서도 달라질 수 있으며 이를 이용하여 대상 물질의 특성뿐만 아니 라 기계적 성질 또한 파악 할 수 있다[12-14].

    3.실험결과 및 고찰

    3.1.표면 거칠기

    Fig. 3은 마찰 후 로터의 표면을 50배 배율로 관찰 한 결과이다. 확산된 원소가 표면 융착에 의해 떨 어져나가 약 200 μm의 직선형 피츠(Pits)가 발생한 것을 관찰할 수 있다. Fig. 4는 마찰 전, 후 로터의 거칠기를 비교한 것으로 사용 후 로터의 표면이 사 용 전보다 거칠어진 것을 확인할 수 있다. 고속의 금속 마찰면에서 발생한 열에 의해 마멸 파편이 반 대쪽 금속면에 물질 전달이 진행되어 표면 거칠기 의 정도가 커진 것을 보여준다.

    3.2.레이저 플라즈마 피크 신호 분석

    Fig. 5 는 LIBS장치 내에서 레이저 어블레이션에 의한 로터 표면에서의 스폿의 형상이며 직경은 약 50 μm 로 나타났다. Fig. 6 는 LIBS분석을 통해 도출된 원 시편 및 마찰 시편의 금속 원소별 원자 피크(Atomic Peak)와 이온피크(Ionic Peak)의 파장별 스펙트럼 신호 형상이다. 패드에서 로터로 확산된 원소를 피크 신호 데이터베이스를 바탕으로 확인할 수 있었으며, 원 시편에 비해 마찰 시편 표면에 서 패드의 원소들의 검출량이 높아진 것을 통해 브 레이크 패드와 로터가 서로 마찰되며 로터 표면으 로 브레이크 패드 금속 원소들의 물질 확산이 발생된 것으로 분석이 가능하다(Fig.7).

    Fig. 8은 Fig. 7 에서 추적한 원소 중 Cu, Ni, Ti, Cr 의 재료의 깊이 방향(x축)에 따라 피크 신호 강 도 (y축)를 원자 피크와 이온 피크의 비율로 나타낸 것이다. 이 그래프에서, 오른쪽으로 갈수록 신호 강 도가 감소하는 것을 볼 수 있다. 이 결과는 로터 표면으로 전달된 금속 원소들이 표면에서 깊이 방 향으로 확산되었다는 것을 보여준다. 대부분의 금 속원소는 표면에서부터 10 ~ 30 μm의 깊이까지 확산이 진행되다가 그 이상의 깊이에서는 확산이 이루어지지 않은 것으로 관찰되었다.

    고체 재료에 대한 확산 강도의 분석을 위해 일반적 으로 정상상태의 물질확산을 모델링할 수 있으며 픽의 제 1 법칙(Fick’s First Law)에 의해 다음과 같 이 모델링할 수 있다.(1)

    J = D d C d x
    (1)

    여기서 J 는 확산흐름, D 는 확산계수, C 는 농도, x는 깊이를 나타낸다. 확산흐름은 농도 구배에 비 례하며 확산계수는 상수로 나타난다.

    확산흐름과 농도구배를 알면 확산계수 D (m2/s) 를 구할 수 있다. 비정상상태의 물질확산은 픽의 제 2 법칙 (Fick’s Second Law)으로 모델링할 수 있 으며 다음과 같이 표현한다.(2)

    C ( x , t ) t = D 2 C x 2
    (2)

    식 (2)의 해는 다음과 같이 나타낼 수 있다.(3)

    C ( x , t ) C s C 0 = 1 e r f ( x 2 D t )
    (3)

    여기서 C0는 초기농도, Cs 는 최종적으로 수렴된 농도, C(x,t)x깊이에서 t 초 후의 농도이다.

    이와 같은 모델링을 통해 앞서 측정한 확산 강도 분석을 수행하였다. Fig. 9는 앞서 측정된 원자 피 크 강도 데이터를 ERF 함수로 변환한 그래프이다. 이 그래프를 통해 깊이방향에 따른 해당 원소의 확 산계수 D를 구할 수 있다. Fig. 9를 통해 나타난 확산계수 D 는 Cu의 경우 5.6369×10-16 m2/s, Ni 의 경우 7.4266×10-16 m2/s, Ti의 경우 6.2859 × 10-16 m2/s, Cr의 경우 1.9484×10-15 m2/s로 Cr의 확산계수가 가장 크게 나타났다(Fig. 10). 실험에 적용된 확산 시스템에서 Cr 의 영향 이 가장 크게 나타나는 것으로 결론 내려질 수 있 으며 이는 재료 표면의 물리적 상태 및 재료 내부 의 화학적 조성에 상대적으로 큰 효과를 미친다고 할 수 있다.

    4.결 론

    마찰면인 브레이크 패드와 로터에서 일어나는 표 면 거칠기 변화 요인과 확산 물질의 관계가 LIBS 측정 기법을 통해 분석되었다. 확산되어 융착된 금 속이 외력에 의해 떨어져 나간 결과, 표면에 피츠 (Pits)가 발생해 로터의 표면 거칠기에 영향을 주었 다. 패드와 로터의 마찰에 의한 융착이 관찰 되었 으며 마찰면에서 물질전달이 측정되었다. 패드에서 로터로 전달된 금속 원소는 대표적으로 Cu, Ni, Ti, Cr이 있으며 각각의 원소들은 모델링을 통해 확산 특성을 분석하였으며 금속 원소별 확산계수(D)를 측정하여 확산 강도를 도출하였다. 물질 전달된 금 속원소 중 Cr의 확산 계수가 가장 크게 나타났으며 이는 이와 같은 시스템에서 특정원소의 물질전달에 의해 재료의 물리적 및 화학적 특성이 영향을 받을 수 있음을 알 수 있다.

    후 기

    본 연구는 서울과학기술대학교 2016-2017 교내연 구지원사업에 지원을 받음.

    Figure

    KSMPE-16-46_F1.gif
    Example of mass transfer on solid boundary surfaces of Cr and Ti
    KSMPE-16-46_F2.gif
    Schematic of LIBS setup
    KSMPE-16-46_F3.gif
    Pits and scratch on the rotor surface
    KSMPE-16-46_F4.gif
    Surface roughness of the rotor, baseline (up) and friction effect (down)
    KSMPE-16-46_F5.gif
    Spot of laser ablation by LIBS
    KSMPE-16-46_F6.gif
    Peak Ratio at the rotor surface before and after friction
    KSMPE-16-46_F7.gif
    Comparison of contents of metal elements in rotor surface
    KSMPE-16-46_F8.gif
    Distribution profiles of (a) Cu, (b) Ni, (c) Ti, and (d) Cr elements in the depth direction
    KSMPE-16-46_F9.gif
    Normalized concentration distributions of (a) Cu, (b) Ni, (c) Ti, and (d) Cr elements for erf function fitting
    KSMPE-16-46_F10.gif
    Diffusion coefficients of the metal elements

    Table

    Reference

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