ASTM G133 왕복형 마찰마모윤활 시험법

ASTM G133 마모시험법은 왕복(sliding reciprocating) 조건에서 재료, 코팅, 윤활 시스템의 마찰 및 마모 거동을 평가하는 대표적인 국제 표준 시험법 입니다.

ASTM G133 마모시험법은 – 무엇인가요 ?

1. ASTM G133 마모시험법은 Ball-on-Flat 점접촉 선형 왕복형 마찰운동 시험 방식으로 재료 및 표면 코팅의 무윤활 혹은 윤활 조건에서의 마찰계수와 마모 특성을 평가하는 국제 표준 마모시험법 입니다.
2. ASTM G133 왕복형 마찰마모 시험은 실제 기계 부품에서 발생하는 왕복 미끄럼 조건을 정밀하게 재현하여, 재료 코팅 윤활 시스템의 마찰 및 마모 거동을 정량적으로 평가하는 대표적인 국제 표준 시험법 입니다.

ASTM G133 왕복형 마모시험법 – 시험기 소개

ASTM G133 선형왕복형 마모시험법으로 마찰마모윤활 시험이 가능한,

1. 영국 Phoenix Tribology사의 모델 TE77과 (왕복형 전용)
2. 미국 BRUKER사 모델 UMT TRIOBOLAB (만능형)

을 이 페이지 하단에 소개 합니다.

ASTM G133 선형왕복형 마모시험법 – 개요

ASTM G133은 *볼(Ball)–평판(Flat) 접촉 조건에서 선형 왕복 운동(linear reciprocating motion)*을 이용하여

재료의 *마찰계수(COF, Coefficient of Friction)*와 *마모 특성(Wear behavior)*을 평가하는 대표적인 표준 시험법 입니다. 본 시험은 실제 기계 부품에서 흔히 발생하는

• 왕복 미끄럼(sliding with direction reversal)
• 경계윤활 혹은 무윤활 조건
• 국부 접촉 응력(Hertzian contact)

을 실험실 환경에서 재현하는 데 목적이 있습니다.

ASTM G133 왕복형 마모시험법 – 특징

• 왕복 운동으로 인해 마찰 방향이 주기적으로 +/- 방향 반전 (핀온디스크의 경우 한방향 마찰 시험)
• Ball-on-Flat 기하학 → 점 접촉 응력 및 마모 형상 해석
• 건식(Dry) 혹은 윤활(Lubricated) 시험 모두 가능
• 실온 ~ 고온(가열 챔버 적용 시) 조건 시험 가능
• 마찰력 실시간 측정 → 시간에 따른 마찰계수(COF) 변화 분석

※ ASTM G99(회전 Pin-on-Disk) 대비 왕복 마찰, 방향 전환에 따른 마모 메커니즘 분석에 강점

ASTM G133 마모 시험법 – 적용 분야

1. 금속, 세라믹, 코팅, 폴리머 재료 비교 평가
2. 표면 처리 코팅 내마모성 평가
3. 윤활유 그리스의 왕복 마찰 조건 성능 평가
4. 자동차, 조선·해양, 산업기계 부품 연구
5. 실제 사용 조건과 유사한 왕복 마찰 환경 재현 시험

ASTM G133 왕복형 마모시험법 – 시험기 구성 – 이미지

ASTM G133 시험은 다음과 같은 구성의 왕복형 마찰마모 시험기로 수행 됩니다.

• 구형 시편(Ball specimen) – 상부 위치
• 평판 시편(Flat specimen) – 하부 위치
• 수직 하중 인가 시스템 (Dead weight 또는 공압식 액추에이터)
• 선형 왕복 구동부 (Linear oscillating drive) – 상부
• 마찰력 센서 (Load cell / friction transducer) – 하부
• 스트로크 길이 조정 시스템
• 주파수 제어시스템(=왕복형 속도, 1 Hz=1 Cycle/sec)
• (선택) 윤활조, 고온 챔버, 환경 제어 장치

ASTM G133 마모 시험법 – 선형 왕복형 마찰마모시험 분석 방법

Procedure A – (실온, 무윤활)를 기반으로 한 대표 실험 예시

Procedure A (무윤활)/ Procedure B (윤활) – 실험조건 비교표

참고 (ASTM G133) :

수직 하중, 스트로크 길이, 왕복 속도(주파수), 시험 온도는

시험 재료, 접촉 조건, 시험 목적에 따라 조정하여 적용할 수 있으며,

표준에 명시된 값은 대표적인 예시 조건이다.

단, 표준 조건과 다르게 설정한 경우에는 시험 보고서에 해당 변경 사항을 명확히 기록해야 한다.

ASTM G133 Procedure A / B 시험 결과 해석 및 분석 방법

1.Procedure A / B 실험 결과의 차이 :

• Procedure A (무윤활 실온)

재료 자체의 기본 마찰 거동과 마모 특성을 평가하는 기준 시험 입니다.

마찰계수(COF, Coefficient of Friction) 변화와 마모량을 통해 코팅 소재 간 상대적인 내마모 성능을 비교

합니다.

• Procedure B (윤활 고온)

윤활유 존재 및 고온 환경에서의 실사용 조건에 가까운 마모 거동을 평가 합니다.

윤활 효과, 마찰 저감 능력, 고온 안정성 및 마모 억제 성능을 정량적으로 비교할 수 있습니다.

2. 마모 이미지(Wear scar image) 분석 방법 :

시험 후 볼(ball)과 플레이트 플랫(flat) 시편의 마모 형상을 광학 현미경 또는 SEM으로 관찰합니다.

• 상부 볼 시편

마모흔은 일반적으로 원형 또는 편평(flat) 형

마모 직경을 측정하여 마모 체적 계산에 사용

• 하부 플레이트 플랫 시편

왕복 방향을 따라 선형 마모 트랙 형성

트랙 폭 및 단면 형상으로 마모 심각도 판단

Procedure A에서는 비교적 선명한 마모 트랙,

Procedure B에서는 윤활막 형성, 트랙 완화 또는 표면 변형 감소가 관찰되는 경우가 많습니다.

3. 마찰력 및 마찰계수(COF) 분석 :

• 시험 중 *마찰력(Friction force)*를 실시간 측정

• 마찰계수 계산식 :

COF = F / P

(F: 마찰력, P: 수직하중)

• 분석 포인트

초기 구간: 러닝인(Running-in) 거동

안정 구간: 평균 마찰계수 비교

변동성: 윤활 상태, 접촉 안정성 판단

• Procedure A 건식 : 평균 COF 높음, 변동성 큼, 러닝인 영향 뚜렷
• Procedure B 윤활 : 평균 COF 낮음, 변동성 작음, 윤활막에 의해 접촉 안정화

4. 마모량(Wear volume) 분석 방법 :

ASTM G133은 마모율이 아닌 마모 체적(Wear volume) 보고를 기본으로 합니다.

• 볼 마모량

마모 직경을 이용한 구면 마모 체적 계산

• 플레이트 플랫 마모량

마모 트랙 단면적 × 스트로크 길이

마모 이미지와 수치 데이터를 함께 해석하여, ‘어디가 마모되었는가 + 얼마나 마모되었는가’ 를 동시에 평가 합니다.

5. 볼 시편의 3가지 마모 패턴 : (아래 그림 참조)

1. 볼 시편만 마모
2. 플레이트 플랫 시편만 마모
3. 볼과 플레이트 시편 모두 마모

6. 시험 결과의 활용 :

• 코팅·소재의 기본 내마모 성능 비교
• 윤활유 및 첨가제의 마찰 저감, ·마모 억제 효과 평가
• 실제 왕복 운동 부품(피스톤, 슬라이더, 밸브 등)의 상대적 성능 검증

ASTM G133 왕복형 vs ASTM G99 회전형 시험법 – 비교 테이블

ASTM G133 왕복형 시험법

ISO 7148-2 / ASTM G77 블록온링

ASTM G99 회전형 핀온디스크

시험 모두 구체적인 실험조건을 제시 하지 않습니다.

• 이는 실제 사용 조건이 매우 다양하기 때문에,
• 적용 환경을 반영한 조건에서 재현성 있는 상대 비교를 하도록 설계된 표준이기 때문 입니다.

• 본 표준시험법은 특정 하중, 속도, 온도를 고정하여 규정하지 않으며,
• 실제 적용 조건을 반영한 시험 조건 설정을 전제로 합니다.
• 따라서 시험 결과의 신뢰성은 조건 정의의 명확성 및 반복성에 의해 확보 됩니다.

모델 TE 77 공간 분해능 마찰력 측정기

개념 :

• 왕복 스트로크 전체의 마찰력을 평균 낼 뿐 아니라,
• 마찰 거리 위치별로 마찰 거동을 ‘지도처럼’ 보는 기술” 입니다.

1번 좌상/2번 우상/3번 좌하/4번 좌우 그래프 입니다.

①번 그래프는 프레팅 마찰력–변위 히스테리시스 루프입니다.

온도가 올라갈수록 마찰력의 ±변동폭이 줄어드는데,

이는 고온에서 Inconel 617 표면에 산화막이 형성되고 재료가 연화되어

마찰전단이 안정화되기 때문입니다. 그 결과 마찰계수와 stick–slip이 감소하며 루프가 얇아집니다

② Air 중에서는 산화막이 형성되어 마찰력 피크가 낮아지고 루프가 완만해지며,

헬륨(He) 분위기에서는 산화가 억제되어 금속 직접 접촉이 증가해 마찰력이 더 크게 나타납니다.

③번 그래프는 마찰계수(COF)의 사이클별 변화를 보여줍니다.

상온에서는 COF가 높고 변동이 크지만,

고온으로 갈수록 산화막 형성 영향으로 COF가 낮아지고 안정화됩니다.

특히 공기 분위기에서 가장 낮은 값을 보여 고온 산화막이 마찰 저감에 기여함을 의미 합니다.

④번 그래프는 프레팅 마모 손상(마모 깊이 또는 손상량)의 시간/마모시험 사이클에 따른 변화를 보여줍니다.

시험 초기에 running-in 구간에서 마모가 급격히 증가하고,

이후에는

*마모 속도가 완만한 정상상태(steady state)**로 전환 됩니다.

즉, 프레팅 수명은

초기 접촉 조건이 크게 좌우됨을 의미합니다. 

빨강색포함 5개의 그래프가 동일한 시험조건이 아닌 것으로 보임.

진한남색은 2단계 마모 발생하나, 진한황색은 2단계 마모 발생 안한 것으로 보임

실제 ASTM G133 왕복형 마찰마모윤활 시험 – 사례

시험 결과