스트리벡 커브 윤활 특성 시험기 (Stribeck Curve Tester)
스트리벡 커브 (Stribeck Curve)의 기원 :
- 스트리벡 커브(Stribeck Curve)는 1902년 독일 엔지니어 리하르트 스트리벡(Richard Stribeck)이 저널베어링(Journal Bearing) 실험을 통해 처음 정의한 곡선 입니다.
- 그는 회전축과 베어링 사이의 윤활유 점도, 회전속도, 하중 조건에 따라 경계윤활 → 혼합윤활 → 유체윤활로 변화하는 마찰계수를 체계적으로 측정했고, 이 결과가 오늘날의 스트리벡 곡선으로 알려져 있습니다.
- 즉, 스트리벡 커브는 본래 저널베어링 시험에서 출발한 윤활 메커니즘의 기본 모델이 맞습니다.
BRUKER사의 볼-온-디스크 방식 스트리벡 커브 윤활시험은 어떻게 다른가 ?
- 정밀 하중·속도 제어로 3개 윤활 영역을 명확히 분석
- BRUKER 스트리벡 커브 윤활 특성 시험기는 1~10 N의 저하중을 정밀 제어 합니다. (최저 0.1 N 이하 제어 및 최대 2,000 N 제어 가능)
- 0.1~5,000 RPM 마찰속도 구간에서 시험할 수 있습니다.
- 속도만 단계적으로 높이거나, 하중을 줄이면서 속도를 증가시키는 다양한 테크닉을 통해
- 경계 혼합 유체윤활 영역의 변화를 마찰계수(COF) 기반으로 정확하게 분석할 수 있습니다.
- 가장 다루기 쉬운 Ball-on-Disc 방식을 사용하므로
- 연구자는 다양한 윤활유·그리스유의 3개 윤활영역 특성을 빠르고 명확하게 비교·평가할 수 있습니다.
스트리벡 곡선의 의미
- 윤활상태와 마찰계수와의 관계를 저어널베어링에 대하여 나타낸 선도.
- 위 그래프는 Y축 마찰계수 X 축 마찰속도 x 점도/수직하중 매개 변수를 가지고 윤활유 특성의 분포곡선을 보여 준다.
- 일반적으로, 마찰속도는 중지(Stop)-> 저속->고속으로 증가할 경우, 경계윤활(Boundary)->혼합윤활(Mixed)->유체윤활(Hydro Dynamice)의 변형을 가져오고,
- 점도는 낮은 점도->중간 점도->높은 점도로 변화할 경우, 경계윤할->혼합윤활->유체윤활의 변형의 가져오고, 점도는 마찰열에 의하여 영향을 받게 되고, 유체윤활에서 회전속도가 더 증가하고, 더 높은 점도로 증가할 경우, 마찰계수는 점도의 저항에 의하여 증가하는 경향이 있다.
아래는, 전형적인 스트리벡 곡선 (Stribeck Curve Test) 입니다.
BRUKER사 모델 UMT TRIBOLAB
2025년 현재 세계 시장 3,000대 판매된
마찰마모윤활 시험기 단일모델 입니다.
BRUKER사의 모델 UMT TRIBOLAB
볼-온-디스크 방식 혹은 선 접촉 스트리벡 커브 윤활시험 개념도 입니다.
- 위 시험 결과 스트리벡 곡선 비교를 해보면은, 3종류의 천연콩 오일이 빨간색 선의 미네랄 오일보다 경계~혼합윤활에서 마찰계수가 높은 것을 보아, 미네랄 오일이 윤활성능이 가장 좋다는 것을 보여주고 있습니다.
- 그러나, 고속 마찰의 유체윤활에서는 빨간색 선의 미네랄 오일이 마찰계수가 더 높은 것을 보여주고 이 것은 미네랄 오일이 유체윤활에서 점도 지수가 높다는 것을 보여 줍니다.
BRUKER사의 볼-온-디스크 방식 – 스트리벡 커브 시험 사례
- 스트리벡 시험은 SAE 52100 볼과 디스크를 사용하여 모델 UMT TriboLab으로 수행 되었습니다.
- 각 시험 세트는 러닝인(break -in) 단계를 거친 후 진행 되었습니다.
- 네 가지 윤활유(A, B, C, D)를 사용하여 스트리벡 곡선을 생성 하였으며, 이를 통해 윤활제의 잠재적 적용 가능성을 평가하고 각 윤활 영역에서 성능 기반 순위를 제공 하였습니다.
- 모델 UMT TriboLab은 특정 V/Fz 비율을 유지하기 위해 속도와 수직 하중을 동시에 변화시킬 수 있습니다.
- 네 가지 윤활유를 평가하기 위한 스트리벡 시험은 세 가지 윤활 영역을 모두 포괄하기 위해 V/Fz 비율 0.01에서 20,000 범위에서 수행되었습니다.
- 시험 동안 마찰력(Fx)과 수 직 하중 이 측정되었습니 다. 또한 볼과 디스 크 사이의 전 기적 접촉 저항 (ECR) 값도 측정 기록되었습니다. ECR 데이터 는 볼과 디스크 사이에 존재하는 윤활유 막의 두께에 대한 정성적 지표를 제공합니다.
- 위 그림 2(Figure 2)는 Lube-A의 스트리벡 곡선과 전기적 접촉저항 그래프를 함께 보여 줍 니 다. 이 곡선은 경계, 혼합, 유체 윤활 영역을 나타냈습니다. 윤활유의 점도 기여로 인해 유체 윤활 영역에서는 마찰계수(COF) 가 상당히 높은 것으로 나타났습니다.
- 경계 윤활에서는 금속간 직접 접촉으로 인해 혼합 영역에 비해 COF가 높은 경향을 보였습니 다.
- 반면 유체윤활이 시작 될 때 COF는 매우 낮게 나타났습니다.
- 그림2의 전기적 접촉저항 데이터 역시 세 영역을 보여주며,마찰 결과와 일치함을 확인할 수 있습니다.
- 유체 윤활영역에서는 ECR 신호가 상당히 높게 나타났습니다.
- 혼합 윤활영역이 시작되는 V/Fz 비율 약 200에서 ECR은 감소하는 경향을 보였습니다.
- 경계 윤활이시작 되는 V/Fz 비율 약 1.3에서는 ECR 수치가 매우 낮아 금속 간 접촉 을 확인시켜 주었습니다.
- Lube-A는 경계 및 혼합윤활 영역에서 가장 우수한 성능을 보였습니다.
- 따라서 다른 세가지 윤활유는 Lube-A와 직접 비교 되었습니다.
- 위 그림 3은 Lube-A와 Lube-B의 스트리벡 곡선을 비교한 것입니다.
- 경계 및 혼합 윤활 영역에서 Lube- B는 Lube-A보다 더 높은 COF 값을 보였습니다.
- 위 그림 4는 Lube- A와 Lube- C의 스트리벡 곡선을 비교한 것으로, Lube- C가 혼합 윤활 영역에서 더 높은 COF를 나타냄을 확인할 수 있습니 다.
- Lube-C는 경계 윤활에서는 Lube-A와 유사한 마찰 거동을 보였으 나, 점도의 차별적 기여로 인해 유체 윤활 영역에서는 Lube-A보다 상당히 낮은 COF를 보였습니다
- 그림 5는 Lube-A와 Lube-D의 스트리벡 곡선을 비교한 것입니 다.
- Lube-D는 유체 윤활 영역을 제외하고 Lube-A보다 더 높은 COF를 나타냈습니다.
- 위 그림 5는 Lube-A와 Lube-D의 스트리벡 곡선을 비교한 것입니 다.
- Lube-D는 유체 윤활 영역을 제외하고 Lube-A보다 더 높은 COF를 나 타냈습니다.
- Table 1 상단 표 설명 입니다 .
- 일반적으로 윤활유는 마찰계수가 낮을수록 더 우수한 성능을 발휘하는 것으로 인정 됩니다. COF(마찰계수) 데이터를 기반으로, 네 가지 윤활유를 각각의 윤활 영역(regime)에서 1~4위로 순위를 매겼습니다. 여기서 1위는 COF가 가장 낮고 가장 우수한 성능을, 4위는 COF가 가장 높고 가장 낮은 성능을 의미 합니다.
- 윤활유들의 순위는 표 I 에 제시되어 있습니다.
- 경계 윤활(boundary) 영역에서는 Lube-A와 Lube-C가 가장 우수한 성능을 보였으며, Lube-D가 가장 낮은 성능을 보였습니다.
- 혼합 윤활(mixed) 영역에서는 Lube-A가 가장 우수, Lube-D가 가장 낮은 성능을 나타냈습니다.
- Lube-B는 경계 및 혼합 윤활 영역 에서 모두 2위를 하였습니다.
- 유체 윤활(hydrodynamic) 영역에서는 Lube-C가 가장 우수( 1위)하였고, Lube-D가 2위를 차지 하였습니다. 반면 Lube-A와 Lube-B는 최하위를 기록 하였습니다.
- 또한, Stribeck 시험에서 전기적 접촉 저항(ECR) 측정 결과는 마찰 측정 결과와 잘 일치 하였습니다.
BRUKER사의 모델 UMT TRIBOLAB
스크래치 시험 – 수직하중/마찰력/ECR 저항수치/AE음향 – 분석
위 Figure 5의 설명 입니다.
- 시험 중 *Fz(수직하중)*의 제어는 Figure 5에서 확인할 수 있듯이 매우 우수하게 이루어졌습니다. Figure 5의 상단에는 전체 스크래치 구간에 대한 광학 현미경 이미지도 함께 제시되어 있습니다.
- 광학 이미지에는 노란색의 두 개 수평선 사이 거리(∆X)와 해당 위치(Y)를 표시하는 이미지 자(Image ruler)가 포함되어 있습니다. 이 이미지 측정자는 마우스 포인터를 이용하여 원하는 위치에 선을 배치함으로써 광학 이미지 상에서 길이를 측정하는 데 사용된다.
- 스크래치 시작점으로부터 약 4 mm 지점 직전에서, 전기 접촉 저항(ECR, Electrical Contact Resistance) 그래프는 급격한 감소를 보였고, AE(Acoustic Emission, 음향 방출)는 높은 활성 신호를 나타냈으며, Fx(접선력=마찰력)는 증가하는 경향을 보였습니다. 흥미롭게도, 해당 지점에서의 광학 이미지 역시 코팅의 박리(delamination)가 시작되었음을 보여주었습니다.
- 즉, Fx, AE, ECR 데이터와 광학 이미지가 동시에 스크래치 시작점으로부터 약 4 mm 지점에서 코팅의 파괴가 발생했음을 확인해 주었다.
- 코팅 파괴가 발생한 시점의 Fz 값은 39.6 N이었으며, 이 값이 해당 코팅의 스크래치 접착력(scratch adhesion value) 혹은 Critical Point를 의미합니다.
BRUKER사의 모델 UMT TRIBLAB – 특징
- BRUKER사의 모델 UMT-TRIBOLAB은 건식 시험환경에서 금속,비금속,세라믹,코팅소재들의 마찰/마모/스크래치 /고온 로크웰 경도시험 뿐 아니라,
- 윤활유/그리스유 등 습식 시험 환경에서 윤활 특성 분석이 가능하며, 윤활유 그리스유의 윤활 특성을 시험하고 매우 쉽게 스트리벡 곡선화 하여, 측정 샘플들간에 경계~ 혼합~유체 윤활에서의 마찰 윤활 특성을 보여 줄 수 있는 유일한 시험분석기 입니다.
- 그리고, 한대의 시험기에서 1mN~2,000N까지 시험이 가능한 유일한 장비로서 , 나노~마이크로~매크로 고하중 제어 시험을 한대에서 할 수 있는 특장점이 있습니다.
- 회전식 핀온디스크/왕복형/BLOCK ON RING/SPIRAL/미끄럼 구름 마찰 시험/브레이크 시험/클러치 시험/부식 마모 시험 등 다양한 시험 장치를 쉽고 빠르게 교체 사용 가능 합니다.
모델 UMT TriboLab의 상세 사양을 확인할 수 있는 공식 링크입니다.
한미산업
1999년 개업 이후, 지난 30여년간
- Tribology(마찰/마모/윤활/CMP 연마), 스크래치, 고온 경도계, 베어링 시험기 : 미유럽 일본의 유명 제조공급사인 BRUKER, PHOENIX Tribology, TABER, SHINTO Heidon, INNOWEP, AMTEC, TRICO사.
- 열분석기(DSC,TGA,STA,TMA), 고온진공로 : 스위스 KEP 그룹의 SETARAM SETSAFE, 미국 MRF사, 일본 ENEOS MATERIALS사의 수지 열경화 시험기 등
최첨단 장비들을 국내에 소개 및 판매 기술 지원하여 왔으며, 또한 이기술을 바탕으로 일부 품목 제조를 통하여 국산화에도 노력하여 왔습니다. 앞으로도 더욱 노력하여 국내 기술 발전에 이바지 하도록 하겠습니다.
상호: 한미산업
대표: 최동하
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