ASTM G99 Pin-on-Disk 마모시험법

ASTM G99 마모시험은 Pin-on-Disk 방식으로 재료 및 표면 코팅의 마찰계수와 마모 특성을 평가하는 국제 표준 마모시험법 입니다.

ASTM G99 마모시험 – 개요 – (Pin-on-Disk 마모시험법)

• ASTM G99 마모시험은 Pin-on-Disk 방식의 표준 마찰 마모 시험법으로 (ASTM은 미국에서 제정된 표준시험 규격으로, 현재는 전 세계적으로 널리 사용되는 국제 표준시험법 입니다.)
• 고정된 핀(pin) 시편과 회전하는 디스크(disk) 시편을 접촉시켜
• 마찰계수(Coefficient of Friction, COF, 동적 마찰계수)와 마모 특성을 정량적으로 평가하는 국제 표준 시험입니다.
• 평면 핀(flat-ended pin) 대신, 고접촉 응력을 생성하기 위해 구형 볼(ball) 시편을 사용할 수 있습니다.
• 이 시험법은 금속, 세라믹, 폴리머, 코팅, 복합재료 등 다양한 재료의 상대적인 내마모 성능 비교 및 연구개발에 널리 사용됩니다.
• 마찰마모윤활 시험에서 얻어지는 마찰력, 마찰계수(COF), 마모량 등의 결과는 시험 조건, 시편 형상, 표면 상태 등에 따라 달라질 수 있으며, 절대적인 수치라기보다는 동일 조건 하에서 재료 간 특성을 비교하기 위한 상대적인 지표로 해석하는 것이 일반적입니다.
• ASTM G99 시험법은 마찰 속도, 수직 하중, 시험 온도 등의 구체적인 시험 조건을 제한하지 않으며, 시험 목적에 따라 조건을 유연하게 설정할 수 있습니다. 단, 적용된 모든 시험 조건과 마모량 계산 방법은 명확히 기록되어야 합니다.

ASTM G99 Pin-on-Disk 시험법으로 마찰마모윤활 시험이 가능한,

미국 BRUKER사 영국 Phoenix Tribology사의 Tribology Tester의

해당 모델을 이 페이지 하단에 소개 합니다.

ASTM G99 마모시험 – 원리 – (Pin-on-Disk 방식)

Pin-on-Disk 시험은 다음과 같은 원리로 수행됩니다.

• 핀 시편에 일정한 수직 하중(Normal Load)을 적용함
• 디스크 시편을 일정한 회전 속도 또는 선속도로 회전
• 접촉부에서 발생하는 마찰력을 실시간 측정하여 동적 마찰계수(COF) 계산
• 시험 후 시편 또는 마모 트랙을 분석하여 마모량 및 마모율 평가

ASTM G99 마모시험은 실제 기계 부품을 그대로 재현하기보다는, 재료 간 마찰·마모 경향성을 비교하는 데 목적이 있습니다.

ASTM G99 마모시험 개념 – 이미지 – (Pin-on-Disk 방식)

ASTM G99 마모시험 Pin-on-Disk 시험법 에서는 :

• 고정된 핀(pin) 시편에 수직 하중을 가하고,
• 디스크(disk) 시편을 일정한 속도로 회전시켜 상대 슬라이딩 마찰 조건을 형성합니다.
• 핀 시편은 디스크 표면의 특정 반경 위치에 접촉하며, 회전에 따라 원형 마모 트랙(wear track)이 형성됩니다.

• 핀 시편의 형상은 → 핀형(pin, 면접촉)/구형(ball,점접촉)/원통형(cylinder, 선접촉) 등 시험 목적에 따라 다양하게 선택될 수 있으며,
• 본 시험법은 재료 간 마찰계수(COF) 변화와 마모 경향성을 비교·평가하는 데 사용됩니다.
• 본 시험은 디스크 중심이 아닌 지정된 반경 위치에서 슬라이딩 접촉이 이루어지며,
• 디스크 외곽에서 시험은 피하는게 좋습니다. 디스크 가장자리 부근에서 반복적으로 고하중 볼 접촉 시험을 수행할 경우, 회전축 및 시험기 내부 베어링에 비대칭 하중이 집중되어 장비의 축 정렬(alignment) 및 베어링 수명에 부정적인 영향을 줄 수 있으므로 일반적으로 피하는 것이 바람직 합니다.

ASTM G99 마모 시험법 – Pin / Disk – 마찰계수 마모도 측정 방법

마찰계수 (COF) :

• 실시간 동 마찰계수 곡선 측정
• 초기 길들이기(Run-in) 구간 및 안정화 구간, 변화구간 분석 가능

마모 특성 :

• 질량 감소
• 체적 마모량
• 마모 트랙 폭 및 단면 분석
• 마모율(Wear rate) 산출

※ ASTM G99는 마모량 계산 방식을 강제하지 않으며, 시험 조건과 계산 방법을 명확히 기록하도록 규정합니다.

PIN(핀) 마모도 측정 방법

핀은 주로 질량 감소 → 마모 체적 → 마모율 순으로 계산 합니다.

(1) 질량 감소 측정

시험 전 후 핀의 질량을 정밀 저울로 측정 합니다.

• Δm = m before−m after

m before : 시험전 질량

m after : 시험 후 질량

(2) 마모 체적 계산

핀 재료의 밀도(ρ)를 이용해 마모 체적으로 환산 합니다.

• V pin=Δm /ρ

V pin : 핀 마모 체적 (mm³)

Δm : 질량 감소량 (g)

ρ : 핀 재료 밀도 (g/mm³)

(3) 마모율 계산 (Wear Rate)

슬라이딩 거리와 하중을 고려한 정규화된 마모율을 계산 합니다.

• k pin = V pin/ F×L​​

k pin : 핀 마모율 (mm³/N·m)

F : 하중 (N)

L : 총 슬라이딩 거리 (m)

Pin 마모 평가는 소모성 재료, 코팅 비교, 마찰조건 영향 분석에 많이 사용 됨.

DISK(디스크) 마모도 측정 방법

디스크는 마모 트랙 형상 분석을 통해 마모 체적을 계산합니다.

(1) 마모 트랙 단면적 측정

디스크에 형성된 *마모 트랙의 단면적(A)*을 프로파일러(접촉식 또는 비접촉식)로 측정 합니다.

단면적은 위에서 본 마모 상흔의 이미지가 아닙니다.

(2) 마모 체적 계산

마모 트랙의 단면적과 트랙 길이를 이용해 마모 체적을 계산합니다.

• V disk = A×2πR

V disk ​: 디스크 마모 체적 (mm³)

A : 마모 트랙 단면적 (mm²), 위에서 본 이미지가 아닌 앞에서본 단면적

R : 마모 트랙 반경 (mm)

실제는 반복 마찰시험에서 형성되는 디스크 마모 트랙은 비대칭 3차원 형상을 가짐으로, 접촉식이나 비접촉식 3D 표면 측정기를 이용한 쉽고 편한 자동 마모체적계산 방법을 권장 합니다.

(3) 디스크 마모율 계산 : Wear Rate(k)의 의미

마모 체적(V)은 시험에 적용된 수직하중(Normal Load) 과

마찰 슬라이딩 거리에 크게 의존하므로,

시험 조건이 서로 다른 경우 직접적인 비교가 어렵습니다.

마모율(k)은 마모 체적을 하중과 슬라이딩 거리로 정규화한 지표로,

시험 조건의 영향을 최소화하고 Pin 시편(상대재) 에 대한

디스크 시편 소재의 고유한 마모 특성을 비교하기 위해 사용 됩니다.

• k disk = V disk / F×L​

k disk​ : 디스크 마모율 (mm³/N·m)

F : 수직하중(N)

L : 총 마찰 슬라이딩 거리(m)

Disk 마모 평가는 표면처리, 코팅 내구성, 실제 부품 표면 손상 평가에 중요.

복합소재 마모시험에서 마모체적 계산시, 밀도 정의가 애매한 경우에 “현실적인 대안”

복합소재나 다층 코팅의 경우, 마모 체적을 계산하기 위한 유효 밀도 정의가 모호해질 수 있습니다.

이러한 경우 ASTM G99 표준에서도 허용하는 질량 손실(mass loss) 기반 마모 평가가 현실적인 대안이 됩니다.

질량 마모율은 체적 환산 없이 마모량을 직접 비교할 수 있으며,

다음과 같은 형태로 표현됩니다.

• g/m (마찰 슬라이딩 거리당 질량 손실)
• g/N·m (수직하중과 마찰거리를 고려한 질량 마모율)

이 방법은 특히 다층 코팅, 복합 코팅(DLC + Polymer), 다공성 복합재와 같이 밀도 정의가 어려운 소재에 적합합니다.

ASTM G99 시험 – 시험 조건 설정 범위

• 수직 하중 : 시험 목적에 따라 설정
• 회전 속도 / 선속도 제어
• 시험 거리 또는 시험 시간 설정
• 건식(Dry) 조건 시험
• 윤활 조건 시험(오일, 그리스 등)
• 온도 제어 옵션 적용 가능(장비 사양에 따라)

ASTM G99 마모시험 – 주요 적용 분야

ASTM G99 마모시험법으로 시험가능한 소재와 윤활재 입니다.

1. 금속 및 합금 내마모 성능 평가
2. 표면 코팅(DLC, 세라믹, PVD/CVD) 비교 시험
3. 폴리머 플라스틱 및 복합재 마찰 특성 분석
4. 윤활유 그리스유, 첨가제 등 성능 비교 시험
5. 대학 연구소 기업 R&D 및 품질 평가

ASTM G99 – 시험 조건 이해

ASTM G99에서 가장 중요한 3가지 시험 조건 은 다음 세 가지 핵심 조건으로 정의됩니다.

① 수직 하중 (Normal Load)

• 핀 시편이 디스크 표면을 누르는 힘
• 접촉 응력과 마모 메커니즘에 직접적인 영향

예:

• 낮은 하중 → 미세 마찰, 경미한 마모
• 높은 하중 → 강한 마찰, 발열 증가, 마모 가속

② 마찰 속도 / 회전 속도

• 디스크의 회전 속도 또는 선속도
• 마찰열 발생, 윤활 상태 유지 여부에 영향

예:

• 저속 → 안정적 마찰
• 고속 → 마찰열 증가, 마찰계수 변동 가능

③ 접촉 반경 (Wear Track Radius)

• 핀이 디스크의 어느 위치 반경에서 접촉하는지
• 시험 재현성과 비교성에 매우 중요 (선속도 계산) : 접촉 반경은 (meter/sec)와 같이 기초 시험조건인, 마찰 선속도에 직접적인 영향을 미치므로 시험 재현성과 비교성에 중요 합니다.

중요 포인트 :  ASTM G99 시험은 디스크 중심이 아닌, 지정된 반경에서 원형 마모 트랙을 따라 진행됩니다. 

실제 ASTM G99 시험 – 사례

시험 목적

DLC 코팅 강재와 일반 강재의 마찰계수 및 마모 특성 비교

시험 조건 (예시)

1. 시험 방식 : ASTM G99 Pin-on-Disk
2. 핀 시편 : Ø6 mm Ball (Al₂O₃)
3. 디스크 시편 : DLC 코팅 강
4. 수직 하중 : 10 N
5. 회전 속도 : 200 rpm
6. 접촉 반경 : 10 mm
7. 시험 거리 : 1,000 m
8. 환경 : 건식 (Dry, 상온)

시험 중 획득 데이터

• 실시간 마찰계수(COF)
• 시험 종료 후 마모 트랙 관찰
• 핀 시편 마모 상태 분석

마찰계수(COF) 그래프 해석 (아래 이미지 참고 바랍니다)

① 초기 구간 (Run-in)

• 마찰계수 급격한 변화
• 표면 거칠기 적응 단계

② 안정화 구간

• COF 수치 가 일정 범위로 수렴
• 재료 고유 마찰 특성 반영

③ 시험 종료 구간

• 1,000m 마찰거리에서
• COF 상승이 발생 시작
• DLC 코팅의 내수명 내마모 성능 확인

아래 그래프 이미지 참고 바랍니다.

시험 결과

DLC 코팅 시편 :

• 낮고 안정적인 마찰계수
• 마모 트랙 얕음(마모도가 낮다)

일반 강재 :

• 마찰계수 변동 큼
• 마모 트랙 명확 (마모도가 크다)

결론  : ASTM G99 시험을 통해 DLC 코팅의 우수한 마찰 안정성과 내마모 성능을 정량적으로 비교 ·평가할 수 있음. 아래 마모트랙의 마모 이미지 예시 자료 입니다.

ASTM G99 회전형 핀온디스크 시험법

ISO 7148-2 / ASTM G77 블록온링

ASTM G133 왕복형 시험법은

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.