프레팅 시험기(Fretting Test)
프레팅(Fretting) 이란 ?
프레팅(Fretting) 마모는 서로 접촉하고 있는 두 물체 사이에 아주 미세한 진동(진폭)이 반복될 때 발생하는 계면 마모 현상입니다.
주로 고정된 결합부(볼트, 베어링 등)에서 발생하며, 반복적인 마찰로 인해 표면 산화막이 파괴되고 미세한 파편이 생깁니다. 이 파편들이 연마제 역할을 하여 마모를 가속화하고, 심할 경우 피로 균열이나 부식으로 이어져 기계 부품의 수명을 단축시키는 주요 원인이 됩니다.
모델 TE 44 PIEZO FRETTING RIG
프레팅 시험의 종류 ; (진동마찰마모 시험기)
1. Tangential Fretting (=Parralel Fretting)
2. Hertzian Fretting
3. Impact Sliding
4. Indenting Hardness(=Depth Sensing Micro-hardness)
• ASTM E 2789
프레팅 피로 시험을 위한 표준 가이드 이 시험법은 광범위한 테스트 조건 및 접촉 형상에서 프레팅 피로 균열을 생성하는 주기 횟수(=왕복 마찰거리)에 대한 시험방법 입니다.
• ASTM G 204
프레팅 현상에서 접촉하는 고체 표면의 손상에 대한 표준 시험 방법. 이 시험법은 지정된 주기 숫자(=왕복 마찰거리) 지정 후에 특정 접촉형상을 사용하여 생성된 마모시험법입니다
• ASTM D 4170
그리스 윤활에 의한 프레팅 마모 보호에 대한 표준시험 방법. 이 시험법은 장거리 운송되는 승용차의 휠 베어링에서 마모에 대한 다양한 그리스의 영향에 대한 시험 방법 입니다. 이 시험법은 Thrust Ball Bearing을 직접 시험하는 베어링 프레팅 시험 장치로 기존 베어링이 판매 중단되어 이 시험법은 유명무실 해졌다가,
최근에는 감속기의 기어 및 베어링 부위에 사용되는 그리스, 자동차 로봇의 각종 모터 및 기어에 사용되는 그리스유에 대한 프레팅 현상 시험법으로 사용되고 있습니다. 저희 한미산업이
국내 윤활유 제조사에 ASTM D4170 시험법을 수행하는 프레팅 시험기를 제작하여 납품한 경력이 있습니다.
1. Tangential Fretting (=Parallel Fretting)
슬립과 슬립이 없는 접촉 영역 내에서 작은 변위의 진폭 접선 운동 생성 영역.
Tangetial Fretting(=Parallel Fretting)의 예 ;
a. 비틀림 진동에 영향을 받는 정적 구름 접촉 베어링.
b. 마이크로 변위 스케일 축 운동에 영향을 받는 스플라인샤프트 (아래 이미지)
c. 베어링 외륜과 하우징 사이의 끼워 맞춤이 불량한 경우 (아래 이미지)
D. 베어링 내륜과 샤프트의 끼워 맞춤이 불량한 경우 (아래 이미지)
2. Hertzian Fretting
- 상대 접촉점은 주기적으로 변하는 정상 수직하중을 받기 때문에, 접촉 압력과 접촉 면적이 주기적으로 변합니다.
- 접촉 영역의 크기가 증가하거나 감소하면 마이크로 슬립이 발생하여 프레팅 손상이 발생합니다.이러한 유형의 손상은 회전하지 않은 상태에서 진동을 받는 베어링에서 주로 발생하며 “False Brinelling”이라고 합니다.
트루 브리넬링 (=True Brinelling)
진정한 브리넬링은 부적절한 장착으로인한 충격 또는 과도한 하중, 취급중 기계의 낙하, 작동 주기중과도한 정적 또는 충격하중으로 인해 발생합니다. 이러한 유형의 브리넬링의 징후는 베어링 궤도와 전동체의 규칙적인 간격의 움푹 들어간 부분과 진동의 증가입니다. 브리넬링의 정의는 단단한 표면의 영구적인 움푹 들어간 부분입니다. 베어링브리넬링은 베어링의 내부궤도가 영구적으로 손상되었을때 발생합니다. 움푹 들어간 부분은 채터링이나 과도한 진동과 같은 부적절한 작동으로 빠르게이어져 다른 형태의 마모를 가속화 할 수 있습니다. 마모의 두가지 일반적인 형태 미끄러지는 표면사이의 접착인 갈링과 압연 압력하에서 재료가 벗겨지는 스폴링입니다. 브리넬링은 베어링이나 유압피스톤과 같은 움직이는 부품의 표면에 유사한 표시가 눌러지는 마모를 유발합니다.
브리넬링(Brinelling)은 브리넬경도(Brinell scale)의 이름을 따서 명명되었으며, 점접촉의 작은공이 미리 표준 시험화된 설정된 수직 하중(=힘)으로 단단한 측정 샘플 표면에 자국 변형을 생기게 하는 것입니다. 측정 샘플 표면에 남아있는 자국의 깊이와 직경은 표면의 브리넬경도를나타냅니다.
거짓 브리넬링 (=False Brinelling)
잘못된 브리넬링은 베어링이 작동 회전하지 않는 상태에서 생산현장 설비로부터 오는 외부의 진동에 영향을 받아 베어링에 작용하는 진동으로 인해 발생하며 부주의하게 운송중인 새장비에서도 발생할수있습니다. 이러한 유형의 브리넬링의 징후는 아래 이미지에서 볼수 있듯이 축방향을 따라 베어링레이스웨이의 함몰 및 마모 흔적이 있습니다. 이러한 종류의 False Brinnelling 진동 마모 현상의 오목한 마모 상흔은 더 많은 소음과 궁극적인 피로손상을 유발합니다
3. Impact Sliding
(충격성 마모시험과 마찰력 변화 측정 장치)
이러한 유형의 프레팅 동작은 일반적으로 볼이 밸브 시트에 충돌하는 체크 밸브와 같은 밸브와 관련되어 있어 초기 접촉 직후에 표면 사이에 미세한 미끄러짐이 발생합니다.
1. 디젤 연료 인젝터.
2. 방향 제어 밸브.
3. 진동이 있는 경우 열교환기 튜브.
4. 수많은 공작 기계 응용 프로그램.
5. 핵연료봉
Impact Sliding
4. Indenting Hardness(경도 물성 측정)
=> Depth Sensing Micro-hardness
프레팅 진동 마찰마모 시험기에 인덴팅 방식의 경도 물성 측정 장치를 특수 설계하여 다양한 소재와 코팅의 물성 경도 측정이 가능 합니다. 측정 샘플 소재나 코팅이 경도가 높고 딱딱하면은 인덴팅 압침이 깊이 들어가지 않고, 경도가 낮고 무른소재이면은 인덴팅 압침이 깊이 들어가게 됩니다. 마이크로 단위로 샘플에 압침이 침투하는 깊이 측정을 하여 경도 물성 측정 합니다.
Fretting 시험 결과 – 판정 기준
- Fretting Loop(마찰력 VS 마찰변위)의 그래프가
- Partial Slip(일부분 미끄 럼) –> Gross Slip(전체 미끄럼)이 발생시에 프레팅 파손으로 평가
하중 증가에 따른 – Fretting Loop -그래프 변화의 의미
낮은 하중 (10N ~ 20N) :
- 루프가 가늘고 거의 직선에 가까움
- 접촉면 대부분이 붙어 있는 상태(stick)
- 부분 미끄럼(Partial Slip) 상태
→ 실제 미끄럼은 접촉 가장자리에서만 발생
→ 주 손상 메커니즘: Fretting Fatigue (미세 균열)
중간 하중 (40N ~ 50N) :
- 루프가 타원형으로 두꺼워짐
- stick 영역이 줄고 slip 영역이 확대
→프레팅이 본격적으로 진행
→균열 + 초기 마모가 동시에 발생
높은 하중 (70N) :
- 루프가 넓고 두꺼운 큰 타원
- 접촉면 전체가 왕복 미끄럼
→ Gross Slip 상태
→ 주 손상 메커니즘: Fretting Wear (마모 지배)
→ 마모 파편과 산화물 발생 증가
핵심 정리 :
하중이 증가할수록 fretting loop의 면적이 커지며,
접촉은 partial slip에서 gross slip 상태로 전이 됩니다.
이는 한 사이클당 소산 에너지가 증가하고,
손상 메커니즘이 “균열” 지배 현상에서 “마모” 지배 현상으로 바뀌었음을 의미 합니다.”
Fretting Map :
수직 하중(Normal Force)과 진동 변위(Displacement amplitude)의 변화에 따라 프레팅 손상 메커니즘이 어떻게 달라지는지 보여주는 그래프입니다.
1. 그래프의 구성
- Y축 (Normal force): 위로 갈수록 누르는 힘이 강해집니다.
- X축 (Displacement amplitude): 오른쪽으로 갈수록 진동하는 폭이 커집니다.
- 루프 모양 (중간의 사각형/선): 한 사이클 동안 발생하는 에너지 소산(마찰력-변위 선도)을 나타냅니다.
2. 영역별 상세 설명
1.Stick 영역 (고착 영역):
- 하중은 크고 진폭은 매우 작을 때 발생합니다.
- 두 면이 거의 붙어 있는 상태로, 손상이 거의 발생하지 않습니다.
2.PSR 영역 (Partial Slip Regime, 부분 슬립 영역) → “균열지배”:
- 접촉면의 가장자리에서만 미세한 미끄러짐이 일어나는 단계입니다.
- 핵심: 이때 발생하는 에너지는 재료 내부로 집중되어 **미세 균열(Crack)**을 만듭니다. 표면이 깎여 나가는 ‘마모’보다는 내부로 파고드는 ‘균열’이 전체 파손을 결정하므로 균열지배 현상이라고 부릅니다.
3.GSR 영역 (Gross Slip Regime, 전면 슬립 영역) → “마모지배”:
- 진폭이 커지면서 접촉면 전체가 미끄러지는 단계입니다.
- 핵심: 미끄러짐이 활발해지면서 균열이 생길 틈 없이 표면이 깎여 나갑니다. 이때는 **마모(Wear)**에 의한 표면 손상이 주된 파손 원인이 되므로 마모지배 현상이라고 합니다.
요약하자면 :
이미지의 텍스트 설명처럼, 변위가 커질수록 손상 메커니즘이 ‘균열지배(PSR)’에서 ‘마모지배(GSR)’로 전이됩니다. 즉, 진폭이 작을 때는 눈에 보이지 않는 균열이 위험하고, 진폭이 커지면 눈에 보이는 표면 마모가 심해진다는 것을 의미합니다.
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.
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