ASTM D2266 ASTM D4172 | 4-Ball Wear 시험법 및 시험기 소개

ASTM D2266 및 ASTM D4172 4-Ball Wear 시험법은 윤활유와 그리스의 마모 특성(WSD 마모상흔직경)을 정량적으로 평가하는 대표적인 국제 표준 마모 시험 입니다.

ASTM D2266 ASTM D4172 4-Ball Wear 시험 개요

4-Ball Wear (포볼 내마모) 시험 이란?

• ASTM D2266 ASTM D4172 포볼 내마모 시험법,
• 4-Ball Wear 시험은 직경이 동일한 4개의 강구(Steel Ball)를 사용하여,
• 윤활 조건 하에서 금속 접촉부에 발생하는 마모 특성을 정량적으로 평가하는 대표적인 국제 표준 마모 시험법 입니다.
• 마모 특성은 Wear Scar Diameter(마모상흔직경)을 측정 합니다.
• 회전하는 상부 볼과 고정된 하부 3개의 볼 사이에서 발생하는 마모 흔적을 측정하여 윤활제의 마모 보호 성능을 평가 합니다.

ASTM D2266 ASTM D4172 시험의 적용 목적

1. ASTM D2266과 ASTM D4172는 윤활제의 극압 파괴 한계가 아닌, 정상적인 윤활 조건에서의 지속적인 마모 억제 능력을 평가하는 데 목적이 있습니다.
2. 윤활유 및 그리스의 품질 비교, 배합 조건 변화에 따른 성능 차이, 장기 사용 시 마모 거동 분석에 널리 활용됩니다.

4-Ball 시험법 중, 윤활유(Oil)와 그리스(Grease) 마모 평가의 차이

1. 윤활유는 유동성 유막을 형성하여 마모를 억제하는 반면, 그리스는 반고체 구조와 증주제(thickener)에 의해 국부적인 윤활막을 형성 합니다.
2. ASTM D4172는 액체 윤활유, ASTM D2266은 윤활 그리스를 대상으로 하며, 동일한 4-Ball 장치를 사용하지만 윤활 메커니즘은 서로 다릅니다.

4-Ball Wear 시험 원리 및 시험 구성

4-Ball 접촉 구조 (1 회전 볼 + 3 고정 볼) :

• 시험은 하부에 고정된 3개의 강구 위에 상부 회전 볼 1개를 접촉시키는 구조로 이루어집니다.
• 이 접촉 구조는 점접촉(contact point)을 형성하여, 마찰마모가 집중적으로 발생하는 조건을 재현합니다.

마모 발생 메커니즘 (Boundary / Mixed Lubrication) :

• 시험 중 윤활 상태는 주로 경계윤활(Boundary lubrication) 또는 혼합윤활(Mixed lubrication) 영역에 해당합니다.
• 이 영역에서는 윤활막이 완전하지 않아 금속 간 직접 접촉이 발생하며, 윤활제의 마모 보호 성능 차이가 명확하게 드러납니다.

Wear Scar Diameter(WSD, 마모 상흔 직경 측정) 개념 :

• Wear Scar Diameter(WSD, 마모상흔직경)는 시험 종료 후 하부 고정 볼에 형성된 마모 흔적의 직경을 의미합니다.
• WSD가 작을수록 윤활제가 금속 접촉을 효과적으로 보호하고 있음을 의미합니다.

ASTM D2266 ASTM D4172 시험법으로 – 실험 가능한 시험기 소개

1. 영국 PHOENIX TRIBOLOGY사 모델 TE 92
2. 영국 PHOENIX TRIBOLOGY사 모델 ST-FB
3. 미국 BRUKER사 모델 UMT TRIBOLAB

을 이 페이지 하단에 소개 합니다.

ASTM D2266 – 4-Ball Wear Test for Lubricating Greases

ASTM D2266 – 4-Ball Wear (포볼 그리스 내마모) 시험 목적

• ASTM D2266 시험은 윤활 그리스(Grease)를 대상으로, 일정 하중 속도 시간 조건에서 그리스의 마모 보호 능력을 평가하는 시험법입니다.
• 베어링 및 고하중 접촉부에서 사용되는 그리스의 품질 관리와 성능 비교에 널리 사용 됩니다.

시험 대상 및 윤활 조건 (그리스)

• 시험 대상은 반고체 상태의 윤활 그리스이며, 하부 고정 볼 표면에 그리스를 직접 충진하여 시험을 수행합니다.
• 그리스의 증주제 구조와 기유 특성이 마모 거동에 직접적인 영향을 미칩니다

시험 절차 요약

• 3개의 고정 볼에 시험용 그리스를 도포한 후 상부 회전 볼을 장착합니다.
• 규정된 회전 속도와 하중 조건에서 일정 시간 동안 시험을 수행한 뒤, 마모 흔적을 측정 합니다

시험 사양 및 시험 조건

• 시험은 표준에서 규정한 하중, 회전 속도, 시험 시간 조건에서 수행되며,
• 반복성이 높은 마모 데이터를 확보할 수 있도록 설계되어 있습니다.

분석 항목

• Wear Scar Diameter (WSD, 마모상흔 직경) 측정
• 그리스의 마모 억제 성능
• 배합 조건 또는 제품 간 상대 비교
• 배합 조건 최적화란, 윤활제의 기본 성분과 마모 방지 첨가제의 종류·함량을 조절하여 Wear Scar Diameter(WSD)를 최소화하는 조합을 찾는 과정을 의미합니다.

ASTM D4172 – 4-Ball Wear Test for Lubricating Oils

ASTM D4172 – 4-Ball Wear (포볼 윤활유 내마모 ) 시험 목적

• ASTM D4172 시험은 윤활유(Oil)를 대상으로, 일정 조건에서의 마모 억제 능력과 윤활 성능 안정성을 평가하기 위한 시험법입니다.
• 산업용 윤활유, 자동차용 윤활유의 품질 관리(QC)에 널리 적용됩니다.

시험 대상 및 윤활 조건 (윤활유)

• 시험 대상은 액체 윤활유이며, 시험 컵 내에 윤활유를 충분히 공급한 상태에서 시험을 수행합니다.
• 유막 형성 능력과 첨가제 조성이 마모 특성에 큰 영향을 미칩니다.

시험 절차 요약

• 고정 볼을 시험 컵에 배치하고 윤활유를 주입한 후 상부 회전 볼을 장착합니다.
• 규정 조건에서 시험을 수행한 뒤 하부 볼의 마모 흔적을 측정합니다.

시험 사양 및 시험 조건

• 시험 온도, 하중, 회전 속도, 시험 시간은 ASTM D4172 표준에 따라 설정되며,
• 재현성이 높은 마모 데이터를 제공 합니다.

분석 항목

• Wear Scar Diameter (WSD, 마모상흔직경) 측정
• 윤활유 간 마모 보호 성능 비교
• 첨가제 조성 변화에 따른 마모 거동 분석

ASTM D2266(그리스유) vs ASTM D4172(윤활유)

– 실험방법은 동일 하고 – 차이점 비교표

중요한 주의사항 :

두 시험은 동일한 4-Ball Wear 시험 원리를 사용하지만, 윤활 상태와 작동 메커니즘이 다르기 때문에 , 시험 결과 수치는 서로 직접 비교할 수 없습니다.

ASTM D2266과 ASTM D4172 – 4 Ball Wear 시험 이미지

③ 결과 해석

1.각 하부 고정 볼의 마모 상흔은 완전한 원형이 아니므로,

• X–Y 두 방향을 측정하여 평균값으로 WSD를 산출합니다.

2.최종 WSD는 하부 고정 볼 3개의 평균값으로 계산됩니다.

3.WSD 값이 작을수록 윤활제의 마모 억제 성능이 우수함을 의미 합니다

상세 시험 절차 및 시험 조건 (공통)

시험 구성 및 시편 조건 (공통)

시험 볼(Ball)

• 재질: AISI 52100 베어링강
• 직경: 12.7 mm (1/2 inch)
• 경도: 약 HRC 64–66
• 표면 상태: 결함·스크래치 없는 신규 볼 사용

볼 배치

• 하부 고정 볼 3개
• 상부 회전 볼 1개
• 점접촉(Point contact) 조건 형성 → 마모 집중 발생

시험 환경

• 시험 온도: 75 °C
• 시험 분위기: 대기 조건
• 시험 전 처리 : 시험 볼 및 시험 컵 세정 후 완전 건조

시험 조건 (공통)

마찰 회전 속도

• 1,200 rpm (ASTM D2266 / D4172 표준 조건)

시험 하중

• 고정 하중 방식, 표준하중 40kgf (=환산하중 392 N)
• Wear 시험은 EP 시험과 달리 하중을 단계적으로 증가시키지 않음
• 윤활막이 완전히 분리되지 않는, 경계윤활(Boundary lubrication) 또는 혼합윤활(Mixed lubrication) 영역을 형성하도록 설정된 조건입니다.
• 이 하중 조건에서는 윤활제의 마모 억제 능력 차이가 → Wear Scar Diameter(WSD) 값으로 명확하게 구분됩니다.

시험 시간

• 60분 (1 hour) 연속 시험

상세 시험 절차 (공통)

1. 하부 고정 볼 3개를 시험 컵에 정확히 배치

2. 시험 윤활제 적용

• ASTM D2266: 하부 볼 표면에 그리스 충진
• ASTM D4172: 시험 컵에 윤활유 주입

3. 상부 회전 볼 장착 및 접촉 정렬

4. 규정 회전 속도(1,200 rpm) 설정

5. 규정 하중 40kgf 적용 후 시험 시작

6. 60분간 연속 마찰·마모 시험 수행

7. 시험 종료 후 상부 볼 분리

8. 하부 고정 볼 3개 회수 및 세정

9. 마모 흔적(Wear Scar) 측정

4-Ball Wear 시험 결과 분석 방법 (공통)

Wear Scar Diameter(WSD) 측정 방법 :

시험 종료 후 하부 고정 볼 3개에 형성된 마모 흔적을 각각 3개를 광학 현미경으로 측정합니다.

하부 고정 볼 3개 평균값 산출 원칙 :

각각 3개의 볼에서 측정된 마모 직경을 평균하여 최종 WSD 값으로 사용합니다.

X-Y 직경 평균 측정 방식 :

불규칙한 마모 형상을 보정하기 위해, 상흔의 X축과 Y축 직경을 측정한 후 평균값을 사용합니다.

최종 WSD 산출 :

• 하부 볼 3개의 WSD 값을 평균하여 대표 WSD 값으로 사용
• WSD 값이 작을수록 윤활제가 금속접촉을 효과적으로 보호하고, 마모 억제 성능이 우수하며, 제품 간 품질 비교와 배합 조건 평가에 활용 됩니다.