Galling Wear Tester | 갤링 마모시험기


갤링 마모 – 개요

갤링 마모(Galling wear)는 접착 마모의 심각한 형태로, 판재 성형 공정에서 흔히 발생합니다. 공구 표면에 소재가 전이되면서 공구와 시편 모두가 손상되고, 이는 제품 품질 저하 및 예기치 못한 가동 중단을 초래합니다.


산업적 영향 : 공구 손상으로 인한 가공 중단은 전체 가공 시간의 약 20% 손실, 연간 100억 달러 이상의 추가 비용이 발생 보고 되고 있습니다.


갤링 마모시험기 – 시험 규격

ASTM G98 – Galling resistance of materials (플런저 방식)

ASTM G196 – Galling resistance under plunger-on-flat contact

Bruker TriboLab UMT 장비 기반 스크래치 시험법 (Scratch Test)


특징:

저속 미끄럼(1 mm/s) 하에서 10 N 하중으로 갤링 유발

마찰계수(COF) 변화 관찰 → 갤링 단계 구분 (1단계: 낮은 마찰, 2단계: 상승, 3단계: 급격히 증가)


ASTM G98 Standard Test Method for Galling Resistance of Materials


  1. 시험 방식: 볼(볼트 또는 핀)과 평면 시편의 플런저-온-플랫(Plunger-on-flat) 접촉
  2. 하중 범위: 일반적으로 200 N ~ 2000 N 사이에서 점진적으로 하중을 증가시켜 시험합니다.
  3. 목적: 재료가 고착(seizure) 되지 않고 견딜 수 있는 *임계 하중(critical load)*을 결정.
  4. 결과: “No galling load” (갤링이 발생하지 않는 최대 하중)과 “Galling load” (갤링이 최초 발생하는 하중)을 비교.


ASTM G196 Standard Test Method for Galling Resistance of Materials under Plunger-on-Flat Contact


  1. 시험 방식: ASTM G98과 유사하지만, 더 정밀한 하중 제어와 연속적인 미끄럼(sliding) 조건에서 수행.
  2. 하중 범위: 보통 100 N ~ 1000 N 수준에서 제어된 하중을 가해 평가.
  3. 목적: 실제 산업 환경(볼트 체결, 금속 접합 등)에서 나타나는 실질적인 마찰 조건을 반영.
  4. 결과: 갤링 발생 시점의 하중을 계량화하여 재료별 갤링 저항성을 정량화.


갤링 마모시험기 – 특징

갤링 마모시험기 – 기술 사양


  1. Load range : 0.5 N ~ 50 N (분해능 ±2.5 mN)
  2. 최대 접촉압력 : 650 MPa (Hertz contact model)
  3. Sliding length : 최대 150 mm (50 mm 구간 단위)
  4. 미끄럼 속도 : 1 mm/s
  5. COF 및 AE 신호 동시 측정

갤링 마모시험기 – 계측 장치


  1. Bruker 사 UMT Tribolab : 하중, 위치, 마찰력 정밀 측정
  2. Acoustic Emission (AE) Sensors : Vallen Systeme F15a & R15a, 5 MHz 샘플링
  3. Profilometer : Alicona InfiniteFocus G5, 스크래치 및 재료 전이 분석
BRUKER사 모델 UMT TRIBOLAB으로 GALLING 마모시험을 위한 내부 장치 준비 이미지

갤링 마모시험기, Bruker사 UMT TRIBOLAB 장비 (실험에 사용된 모습). AE(음향 방출) 센서는 그림의 가독성을 위해 제거되었으며, AE 측정 셋업은 아래에 제시 됩니다.

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스크래치 시험법을 이용한 – Galling 마모시험 방법

하중 제어 방식


  1. 모든 시험은 수직 하중 제어(load control) 방식으로 수행
  2. 일정 하중: 10 N (로드셀 범위: 0.5 N ~ 50 N, 분해능 ±2.5 mN)
  3. Hertz 접촉압 계산(탄성 변형 가정)에 따른 접촉압 : 최대 접촉압력: 650 MPa / 평균 접촉압력: 430 MPa
  4. 이 값은 판금 성형에서 나타나는 실제 압력과 유사하며, 알루미늄 갤링 연구 결과와도 일치함


갤링 마모 단계


시험 중 관찰된 갤링은 일반적으로 세 단계로 구분되었습니다.

  • 1단계: 낮은 마찰, 안정적 거동
  • 2단계: 마찰 증가, 점진적 손상 발생
  • 3단계: 높은 마찰, 급격한 손상 진행

시험 종료 조건: 갤링 3단계에 도달하면 시험을 종료


스크래치 길이 및 시험 절차


  • 최대 스크래치 길이: 50 mm (1회 패스 기준)
  • 시험은 50 mm 구간 단위로 수행
  • 구간별 정의: 구간 A: 0 ~ 50 mm 구간 B: 50 ~ 100 mm 구간 C: 100 ~ 150 mm


시험 절차:


만약 구간 A에서 갤링 3단계가 나타나지 않으면, 동일 인덴터로 구간 B 진행 필요 시 구간 C까지 연속 수행.

예: 총 150 mm 스크래치 = 50 mm × 3회

실험 조건 및 예외 사항


  • 총 시험: 34회
  • 사용된 인덴터(볼 샘플): 총 22개 (일부는 반복 사용)
  • 예외 사례: 시험 2~4번은 갤링 2단계 시작 전 인덴터 표면 조사를 위해 조기 종료

상부 인덴터 팁(indenter tip)은 시중에서 판매되는 크롬-몰리브덴 고강 도 강(AISI 4140) 볼 베어링으로，직경은 10 mm이며 경도는 207 HV였다.

플레이트 재료는 두께 3 mm 의 알루 미늄 합금 AI5083 H32였으며，크기는 125 mm x 210 mm로 절단되었다. 이 합금은 경량 자동차 차체 부품에 널리 사용되는 대표적인 자동 차용 소재이다.


미끄럼 속도


  • 일정 속도 유지: 1 mm/s
  • 목적: 시험 중 발생할 수 있는 마찰열 영향 최소화
  • 선행 연구에 따르면, 미끄럼 속도는 갤링 마모 거동에 큰 영향을 줌


총 스크래치 거리


  • 시편별 스크래치 거리: 24 mm ~ 최대 150 mm
  • 총 길이는 갤링 발생 시점에 따라 달라짐
  • 일부 시험은 마찰계수(COF)가 0.9에 도달하는 순간 종료


갤링 마모시험 – 음향 방출 분석

음향 방출(AE) 분석은 갤링 마모 발생을 비파괴적으로 실시간 모니터링할 수 있는 유망한 방법입니다. 연구에서는 t-검정, 선형 회귀, 클러스터 분석을 활용하여 AE 신호 특징(지속시간, RMS, 주파수, 엔트로피 등)이 갤링 단계별로 어떻게 변하는지 규명했습니다

산업 적용 예


  1. 발전 플랜트의 터빈 블레이드, 펌프 임펠러
  2. 해양 구조물, 선박 추진기 부품
  3. 자동차 엔진 및 유체 시스템 부품
  4. 수소·에너지 소재 연구
GALLING WEAR TEST-시험용 시편 판에 설치된 AE 센서

AE 음향 센서와 시료 셋업 이미지


갤링 마모시험 – 활용 분야

산업 적용


  • 자동차: 알루미늄 차체 판재, 패스너, 베어링
  • 항공우주: 티타늄 합금 볼트, 구조 결합부
  • 에너지/플랜트: 밸브, 펌프, 고압 피팅
  • 제조업: 고강도 공구강, 표면 코팅 성능 평가


연구 적용


  • AE 기반 공구 상태 모니터링 (Tool Condition Monitoring, TCM)
  • 예측 유지보수(Predictive Maintenance) 모델 개발
  • 신소재/코팅 마모 거동 규명


BRUKER 갤링 마모시험 – 장점

  1. Galling 현상 재현을 위해 ASTM과 같은 고하중 시험기를 찾을 필요 없습니다.
  2. AE 기반 음향 감지를 통한 비파괴식 모니터링 가능
  3. 마모 단계(초기–전이–심각) 자동 구분
  4. 공구 수명 연장 및 불량률 감소
  5. 공정 중단 시간 최대 40% 절감


한미산업은 1999년부터 미유럽일본의 유명 TRIBOLOGY 시험분석기 제조사와 공동으로 TRIBOLOGY 기술을 유일하게 전문적으로 국내 고객에게 기술지원하고 있습니다.

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마찰마모윤활

열_분석기

베어링 시험기

스크래치,물성

3차원 표면형상

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

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