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마모

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목차

1. 개요

마모는 재료 표면이 상대적인 운동, 부식, 피로 등 다양한 요인으로 인해 손상되는 현상을 의미한다. 마모는 정상 마모, 융착 마모, 부식 마모, 피로 마모 등 여러 종류로 분류되며, 마모량은 하중, 거리, 재료의 경도 등에 영향을 받는다. 마모는 초기, 중간, 말기 단계로 진행되며, 작동 조건과 트라이보필름 형성에 따라 마모율이 달라진다. 마모를 측정하고 예측하기 위해 다양한 시험 방법과 마모 계수가 사용되며, 윤활유 분석도 간접적인 측정 방법으로 활용된다. 마모를 방지하기 위해 표면 공학 및 처리 기술이 사용된다.

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마모
개요
정의고체 표면에서 재료가 점진적으로 제거되거나 변형되는 현상
메커니즘접촉면 사이의 상대 운동
마찰력 작용
미세 파괴, 소성 변형, 화학적 반응 등
마모 유형
접착 마모접촉하는 두 표면의 원자 간 인력으로 인해 재료가 전이되는 현상
연마 마모단단한 입자나 거친 표면이 연한 표면을 긁거나 깎아내는 현상
부식 마모부식 환경에서 마찰과 함께 발생하는 재료 손실 현상
피로 마모반복적인 접촉 응력으로 인해 표면이나 표면 아래에 균열이 발생하고 재료가 박리되는 현상
프레팅 마모미세한 상대 운동을 하는 접촉면에서 발생하는 마모 현상
침식 마모고체 또는 액체 입자가 표면에 충돌하여 발생하는 마모 현상
마모에 영향을 미치는 요인
접촉 하중접촉면 사이의 힘
상대 속도접촉면 사이의 상대적인 속도
윤활 상태접촉면 사이의 윤활유 존재 여부 및 특성
접촉면의 특성접촉면의 경도, 거칠기, 화학적 조성 등
환경 조건온도, 습도, 부식성 환경 등
마모 방지 및 제어 방법
재료 선택마모에 강한 재료 사용
표면 처리경화, 코팅, 질화 등 표면 강화 기술 적용
윤활윤활유를 사용하여 마찰 감소
설계 개선접촉 압력 및 상대 운동 감소를 위한 설계 변경
마모 감시마모 상태를 지속적으로 모니터링하여 마모로 인한 파손 방지
마모 입자 분석
마모 입자마모 과정에서 생성되는 미세한 파편
분석 방법광학 현미경
주사 전자 현미경(SEM)
에너지 분산 X선 분광법(EDS) 등
분석 목적마모 메커니즘 규명
마모 발생 원인 분석
마모 상태 평가
윤활 상태 평가
마모의 중요성
산업적 영향기계 부품의 수명 단축, 유지보수 비용 증가, 생산성 저하 등
경제적 영향재료 손실 및 에너지 낭비, 제품 품질 저하, 환경 오염 등
안전 문제기계 및 장비의 고장, 인명 피해 등
추가 정보
관련 학문 분야마찰학
관련 현상피로 (재료), 부식, 크리프 (변형), 골절
연구 동향나노 재료를 이용한 내마모성 향상
첨단 윤활 기술 개발
마모 예측 및 제어 기술 연구
인공 지능을 이용한 마모 분석

2. 마모의 종류

마모는 그 발생 기구에 따라 응착 마모, 절삭 마모, 부식 마모, 피로 마모 등으로 분류된다. 이 외에도 다양한 종류의 마모가 존재한다.


  • 정상 마모: 재봉틀 기름 등을 사용하며, 통상적인 사용 환경에서 발생하는 마모이다.
  • 융착 마모: 고속, 고하중 조건에서 발생하는 마모이다.
  • 얼룩 마모: 장시간 사용으로 인해 표면이 피로해져 발생하는 마모이다.
  • 산화 마모: 미끄럼면이 산화되어 발생하는 마모이다.


마모의 진행 과정은 가장 단순한 고체 간 미끄럼의 경우, 마모량이 하중 및 거리에 비례하고 재료의 경도에 반비례하는 경향을 보인다.

미동 마모는 이동 거리가 0.5mm 정도인 미세한 이동에서 발생하는 마모를 말하며, 피팅 마모는 두 표면 사이에서 반복적인 순환 마찰로 인해 발생한다. 피팅 마모는 베어링에서 주로 발생하며, 심각한 경우 피팅 피로로 이어져 베어링 파손을 유발할 수 있다.[21] 피팅 부식은 실버 브리지(Silver Bridge) 참사와 미아누스 강 교량(Mianus River Bridge) 사고와 관련이 있다.

침식 마모는 고체 또는 액체 입자가 물체 표면에 충돌하여 발생하는 마모이다. 충돌하는 입자의 반복적인 변형과 절단 작용으로 인해 재료가 점진적으로 제거된다.[16] 침식 마모율은 입자의 재료 특성과 표면 특성에 영향을 받으며, 특히 충돌 각도가 중요한 요인이다.[18] 연성 재료는 약 30°의 충돌 각도에서, 비연성 재료는 표면에 수직인 충돌 각도에서 최대 마모율을 보인다.[1]

충격 마모는 두 물체의 접촉으로 인해 발생하며, 침식 마모와 달리 항상 동일하고 명확하게 정의된 위치에서 발생한다.

이 외에도 공동현상 마모, 확산 마모 등 덜 흔한 마모 유형도 존재한다.[21]

부차적인 마모로서 침식(에로ージョン), 캐비테이션 침식(에로ージョン), 전식(電食) 등을 포함하는 경우도 있다.

2. 1. 응착 마모

접착 마모는 마찰 접촉 중 표면 사이에서 발생하며, 한 표면에서 다른 표면으로 마모 부스러기 및 재료 화합물이 원치 않게 이동하고 부착되는 현상이다.[7]

접착 마모는 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있다.

# 상대 운동, "직접 접촉" 및 마모 부스러기를 생성하고 한 표면에서 다른 표면으로 재료가 이동하는 소성 변형으로 인해 발생한다.

# 응집 접착력은 실제 재료 이동이 있든 없든 측정 가능한 거리로 분리되어 있더라도 두 표면을 함께 유지한다.

일반적으로 접착 마모는 두 물체가 서로 미끄러지거나 눌러질 때 발생하며, 이는 재료 이동을 촉진한다. 이는 표면층 내 매우 작은 조각의 소성 변형으로 설명할 수 있다. 각 표면에 있는 요철 또는 미세한 고점(표면 거칠기)은 산화물 조각이 떨어져 다른 표면에 추가되는 정도에 영향을 미치는데, 부분적으로는 원자 사이의 강한 접착력 때문이지만, 상대 운동 중 요철 사이의 소성 영역에 에너지가 축적되기 때문이기도 하다.

메커니즘의 유형과 표면 인력의 진폭은 다양한 재료에 따라 다르지만 "표면 에너지" 밀도의 증가에 의해 증폭된다. 대부분의 고체는 접촉 시 어느 정도 접착된다. 그러나 산화 피막, 윤활제 및 일반적으로 발생하는 오염 물질은 일반적으로 접착을 억제하며,[8] 표면 사이의 자발적인 발열 화학 반응은 일반적으로 흡착된 종에서 낮은 에너지 상태를 갖는 물질을 생성한다.[9]

접착 마모는 거칠기의 증가와 원래 표면 위의 돌출부(즉, 덩어리) 생성으로 이어질 수 있다. 산업 제조에서 이것은 갈라짐으로 불리며, 결국 산화된 표면층을 파괴하고 기저부 재료에 연결되어 더 강한 접착력[9]과 덩어리 주변의 소성 흐름 가능성을 높인다.

52100 강 시료에서 알루미늄 합금에 대해 미끄러지는 접착 마모(이동된 재료). (노란색 화살표는 미끄러지는 방향을 나타냅니다)


접착 마모에 대한 마모량 V는 아래의 식으로 설명할 수 있다.[10][11]

V = K\frac{WL}{H_v}

여기서 W는 하중, K는 마모 계수, L은 미끄럼 거리, H_v는 경도이다.

2. 2. 절삭 마모

응착마모와 함께 마모의 한 종류로, 그 기구에 기반하여 절삭마모로 분류된다. 절삭 마모는 샌드페이퍼·모래 등에 의한 거칫거림 마모를 말한다.

2. 3. 부식 마모

물 등의 부식 작용에 의한 마모를 부식 마모라고 한다. 부식과 산화 마모는 윤활 접촉과 건식 접촉 모두에서 발생하며,[20] 기본적인 원인은 마모된 재료와 부식 매질 사이의 화학 반응이다. 마찰학적 응력과 부식의 상승 작용으로 인한 마모는 트라이보부식이라고도 한다.

마찰하는 표면은 일반적으로 외관 접촉 면적보다 훨씬 작은 실제 접촉부(외관 접촉 면적의 1/1000 이하가 되는 경우도 많음)에서 접촉하며, 그 부분은 마찰에 따라 극단적으로 높은 압력과 온도에 노출된다. 따라서, 일반적으로는 발생하지 않는 것과 같은 화학 반응을 유발하는 경우가 있으며(트라이보-케미컬 반응), 그 화학 반응에 의해 표면이 닳아 없어지는 마모도 존재한다.

또한, 표면의 화학 반응은 부동태를 대표하는 것처럼 어느 깊이까지 진행된 단계에서 반응 속도가 극단적으로 느려지는 경우가 있지만, 이러한 표면이 반복적으로 마찰에 노출되면, 반응 생성물이 제거되어 모재가 신생면으로 노출되고, 표면이 점진적으로 닳아 없어지는(=마모) 경우가 있다. 이러한 현상이 “부식 마모”이다.

진동을 받는 나사의 체결부 등에서 다량의 미세한 흑색 마모 분을 발생시켜 마모하는 “플레칭”과 분말을 기체를 매개로 수송하는 경우에 분말이 수송 파이프 등의 벽을 마모시키는 “침식(에로ージョン)” 등의 마모 형태도 존재한다.

플레칭 마모는 흑색 마모 분이 얼마 후 적색 녹으로 변하는 것으로부터 “코코아”라고도 불린다. 또한 기계류에서 중대한 고장으로 발생했을 경우에 다량의 녹슨 마모 분이 발견되기 때문에, 부식 마모와 혼동되는 경우가 있다.

2. 4. 피로 마모

표면 피로는 재료의 표면이 반복적인 하중에 의해 약화되는 과정으로, 일반적인 재료 피로의 한 유형이다. 피로 마모는 표면의 미세 균열의 반복적인 균열 성장에 의해 마모 입자가 분리될 때 발생한다. 이러한 미세 균열은 표면 균열 또는 표면 아래 균열이다.

2. 5. 기타 마모

재봉틀기름 등을 사용하며, 보통으로 생기는 정상마모(正常磨耗), 샌드페이퍼·모래 등에 의한 거칫거림마모, 고속·고하중하(高荷重下)에서 생기는 융착마모(融著磨耗), 장시간의 이용에 의해서 표면이 피로하여 생기는 얼룩마모, 물 등의 부식작용에 의한 부식마모, 이동거리가 0.5mm 정도인 미소이동 때 생기는 미동마모, 미끄럼면이 산화되어 있는 상태인 산화마모 등이 있다.

마모의 진행 과정에 대하여 가장 단순한 고체간 미끄럼인 경우에 마모량은 하중 및 거리에 각각 비례하고 굳기 에 반비례한다고 하며, 다음과 같은 관계식으로 표현된다.

:math:W = K {PL \over H}

  • :math:W: 비례정수
  • :math:K: 미끄럼 조건에 따라서 정해지는 것이며, 동일한 마모기구가 성립하는 범위 내에서 유효하다. 가령 하중을 바꿈으로써, 정상마모로부터 산화마모로 바뀌면, 그에 상응하는 :math:K가 정해진다.


기름이나 그리스를 써서 마모를 적게 한다는 것의 의미는, 고체끼리의 접촉 면적을 기름이나 그리스로써 바꿔 놓아 될수록 적게 하고, 가능하면 영으로 하는 것이다. 그러나 티탄과 같이 재료에 따라서는 보통의 윤활제로는 효과가 나타나지 않는 경우도 있고, 또 속도가 매우 느린 미끄럼 조건에서는 일반적으로 마찰계수가 매우 커지므로 윤활제 및 미끄럼 재료의 선택이 중요하다.

피팅 마모(fretting wear)는 두 표면 사이에서 반복적으로 일어나는 순환적인 마찰이다. 시간이 지남에 따라 피팅은 접촉하는 한 표면 또는 두 표면 모두에서 재료를 제거한다. 이는 일반적으로 베어링에서 발생하지만, 대부분의 베어링은 이러한 문제에 저항하도록 표면이 경화 처리된다. 두 표면 중 하나에 균열이 발생하는 또 다른 문제가 있는데, 이는 피팅 피로(fretting fatigue)로 알려져 있다. 이는 베어링의 치명적인 파손으로 이어질 수 있기 때문에 두 현상 중 더 심각한 문제이다. 마모에 의해 제거된 작은 입자가 공기 중에서 산화될 때 관련 문제가 발생한다. 산화물은 일반적으로 기저 금속보다 더 단단하기 때문에, 더 단단한 입자가 금속 표면을 더 마모시키면서 마모가 가속화된다. 특히 물이 존재할 때 피팅 부식(fretting corrosion)이 같은 방식으로 작용한다. 피팅 부식은 실버 브리지(Silver Bridge) 참사와 미아누스 강 교량(Mianus River Bridge) 사고의 원인이 되었다.

침식 마모는 매우 짧은 미끄럼 운동으로 정의될 수 있으며, 짧은 시간 간격 내에 수행된다. 침식 마모는 고체 또는 액체 입자가 물체 표면에 충돌하여 발생한다.[1] 충돌하는 입자는 반복적인 변형과 절단 작용을 통해 표면의 재료를 점진적으로 제거한다.[16] 이는 산업에서 널리 발견되는 메커니즘이다. 이송 과정의 특성으로 인해 연마 입자를 수송해야 하는 배관 시스템은 마모되기 쉽다.[17]

침식 마모율은 여러 요인에 따라 달라진다. 입자의 모양, 경도, 충돌 속도 및 충돌 각도와 같은 입자의 재료 특성은 침식되는 표면의 특성과 함께 주요 요인이다. 충돌 각도는 가장 중요한 요인 중 하나이며 문헌에서 널리 인정되고 있다.[18] 연성 재료의 경우, 최대 마모율은 충돌 각도가 약 30°일 때 나타나는 반면, 비연성 재료의 경우 최대 마모율은 충돌 각도가 표면에 수직일 때 발생한다.[1]

주어진 입자 형태에 대해, 침식률 :math:E는 속도에 대한 거듭제곱 법칙 의존성으로 표현할 수 있다.[15]

:E = kv^n

  • :math:k: 상수
  • :math:v: 속도
  • :math:n: 속도 지수 (일반적으로 금속의 경우 2 - 2.5, 세라믹의 경우 2.5 - 3)


충격 마모는 두 물체의 접촉으로 발생한다. 침식 마모와 달리, 충격 마모는 항상 동일하고 명확하게 정의된 위치에서 발생한다. 충격이 반복될 경우, 일반적으로 충격 순간의 운동 에너지는 일정하다. 충격의 빈도는 다양할 수 있다. 두 물체 모두에서 마모가 발생할 수 있지만, 일반적으로 한 물체의 경도와 인성이 훨씬 높아 그 마모는 무시된다.

다른, 덜 흔한 마모 유형으로는 공동현상 마모와 확산 마모가 있다.[21]

마모의 종류에 대해서는 여러 가지 설이 있지만, 현재는 그 기구에 기반하여 다음과 같이 분류된다.

  • 응착마모
  • 절삭마모
  • 부식마모
  • 피로마모


더불어 부차적인 마모로서 다음을 포함하는 경우도 있다.

  • 침식(エロージョン)
  • 캐비테이션 침식(エロージョン)
  • 전식(電食)


마찰하는 표면은 일반적으로 외관 접촉 면적보다 훨씬 작은 실제 접촉부(외관 접촉 면적의 1/1000 이하가 되는 경우도 많음)에서 접하고 있으며, 그 부분은 마찰에 따라 극단적으로 높은 압력과 온도에 노출된다. 따라서, 일반적으로는 발생하지 않는 것과 같은 화학 반응을 유발하는 경우가 있으며(트라이보-케미컬 반응), 그 화학 반응에 의해 표면이 감량하는 마모도 존재한다.

또한, 표면의 화학 반응은 부동태를 대표하는 것처럼 어느 깊이까지 진전된 단계에서 반응 속도가 극단적으로 느려지는 경우가 있지만, 이러한 표면이 반복적으로 마찰에 노출되면, 반응 생성물이 제거되어 모재가 신생면으로 노출되고, 표면의 점진적 감량(=마모)이 진행되는 경우가 있다. 이 마모는 “부식 마모”라고 불린다.

그 외, 진동을 받는 나사의 체결부 등이 다량의 미세한 흑색 마모 분을 발생시켜 마모하는 “플레칭”, 분말을 기체를 매개로 수송하는 경우에 분말이 수송 파이프 등의 벽을 마모시키는 “침식(エロージョン)” 등의 마모 형태도 존재한다.

플레칭 마모는, 흑색 마모 분이 얼마 후 적색 녹으로 변하는 것으로부터, “코코아”라고도 불린다. 또한 기계류에서 중대한 고장으로 발생했을 경우에 다량의 녹슨 마모 분이 발견되기 때문에, 부식 마모와 혼동되는 경우가 있다.

대상 재료 물질의 성질, 하중이나 속도 등의 역학적 조건, 온도 등의 화학적 조건의 영향을 민감하게 받고, 쉽게 수십 배나 마모량이 증감하는 등, 그 예측이 어려운 현상이다.

3. 마모의 진행 단계

마모의 진행 과정은 가장 단순한 고체 간 미끄럼의 경우, 마모량은 하중 및 거리에 각각 비례하고 굳기에 반비례하며, 다음과 같은 관계식으로 나타낼 수 있다.

: ${\displaystyle W=K{PL \over H}}$


  • ${\displaystyle W}$는 마모량
  • ${\displaystyle P}$는 하중
  • ${\displaystyle L}$는 거리
  • ${\displaystyle H}$는 굳기
  • ${\displaystyle K}$는 비례 상수


${\displaystyle K}$는 미끄럼 조건에 따라 정해지며, 동일한 마모 기구가 성립하는 범위 내에서 유효하다. 예를 들어 하중을 바꿈으로써 정상 마모에서 산화 마모로 바뀌면, 그에 상응하는 ${\displaystyle K}$값이 정해진다.

기름이나 그리스를 사용하여 마모를 줄이는 것은 고체끼리의 접촉 면적을 기름이나 그리스로 바꿔 최대한 적게 하고, 가능하면 영(0)으로 만드는 것이다. 그러나 티타늄과 같이 재료에 따라서는 일반적인 윤활제로 효과가 나타나지 않는 경우도 있고, 속도가 매우 느린 미끄럼 조건에서는 일반적으로 마찰 계수가 매우 커지므로 윤활제 및 미끄럼 재료의 선택이 중요하다.

일반적으로 마모율은 세 가지 단계로 변화한다.

  • 초기 단계 (또는 초기 런인 기간): 표면이 서로 적응하고 마모율이 높거나 낮게 변할 수 있다.
  • 중간 단계 (또는 중간 과정): 균일한 마모가 관찰되며, 부품 수명의 대부분이 이 단계에서 소모된다.
  • 말기 단계 (또는 노화 기간): 고마모율로 인해 표면이 빠르게 파손된다.


마모율은 작동 조건과 트라이보필름 형성에 크게 영향을 받는다. 고온, 변형률 및 응력과 같은 환경 조건이 심해짐에 따라 중간 단계가 단축된다.

다양한 작동 조건에서 마모율을 보여주는 마모 맵은 트라이보로지 접촉에 대한 안정적인 작동 지점을 결정하는 데 사용된다. 마모 맵은 또한 다양한 하중 조건에서 지배적인 마모 모드를 보여준다.

금속 표면 사이의 산업 조건을 시뮬레이션하는 명시적인 마모 시험에서는 다양한 마찰 메커니즘 간의 큰 중복과 공생 관계로 인해 서로 다른 마모 단계 간의 명확한 시간적 구분이 없다. 표면 공학 및 처리 기술은 마모를 최소화하고 부품의 수명을 연장하는 데 사용된다.[22][23]

4. 마모에 영향을 미치는 요인

재봉틀 기름 등을 사용하며, 보통으로 생기는 정상 마모, 샌드페이퍼·모래 등에 의한 거친 마모, 고속·고하중(高荷重)에서 생기는 융착 마모(融著磨耗), 장시간 사용으로 표면이 피로해져 생기는 얼룩 마모, 물 등의 부식 작용에 의한 부식 마모, 이동 거리가 0.5mm 정도인 미소 이동 때 생기는 미동 마모, 미끄럼 면이 산화되어 있는 상태인 산화 마모 등이 있다.

마모의 진행 과정에서 가장 단순한 고체 간 미끄럼의 경우, 마모량은 하중 및 거리에 각각 비례하고 경도에 반비례하며, 관계식은 다음과 같다.

:V = K\frac{WL}{H_v}

(V는 마모량, W는 하중, K는 마모 계수, L은 미끄럼 거리, H_v는 경도)

K는 비례 상수이며 미끄럼 조건에 따라 정해지고, 동일한 마모 기구가 성립하는 범위 내에서 유효하다. 하중을 바꿈으로써 정상 마모에서 산화 마모로 바뀌면, 그에 상응하는 K 값이 정해진다.

기름이나 그리스를 써서 마모를 줄이는 것은 고체끼리의 접촉 면적을 기름이나 그리스로 바꿔 최대한 줄이는 것이다. 그러나 티타늄과 같이 재료에 따라서는 일반 윤활제로 효과가 나타나지 않는 경우도 있고, 속도가 매우 느린 미끄럼 조건에서는 마찰 계수가 매우 커지므로 윤활제 및 미끄럼 재료 선택이 중요하다.

접착 마모는 마찰 접촉 중 표면 사이에서 발생하며, 한 표면에서 다른 표면으로 마모 부스러기 및 재료 화합물이 이동하고 부착되는 현상이다.[7] 접착 마모는 두 가지 유형으로 구분된다.

# 접착 마모는 상대 운동, "직접 접촉" 및 마모 부스러기를 생성하고 한 표면에서 다른 표면으로 재료가 이동하는 소성 변형으로 인해 발생한다.

# 응집 접착력은 실제 재료 이동 여부와 관계없이 측정 가능한 거리로 분리되어 있더라도 두 표면을 함께 유지한다.

일반적으로 접착 마모는 두 물체가 서로 미끄러지거나 눌러질 때 발생하며, 이는 재료 이동을 촉진한다. 이는 표면층 내 매우 작은 조각의 소성 변형으로 설명할 수 있다. 각 표면에 있는 요철 또는 미세한 고점(표면 거칠기)은 산화물 조각이 떨어져 다른 표면에 추가되는 정도에 영향을 미치는데, 부분적으로는 원자 사이의 강한 접착력 때문이지만, 상대 운동 중 요철 사이의 소성 영역에 에너지가 축적되기 때문이기도 하다.

메커니즘 유형과 표면 인력은 재료에 따라 다르지만 "표면 에너지" 밀도가 증가하면 증폭된다. 대부분의 고체는 접촉 시 어느 정도 접착된다. 그러나 산화 피막, 윤활제, 일반적인 오염 물질은 접착을 억제하며,[8] 표면 사이의 자발적인 발열 화학 반응은 흡착된 종에서 낮은 에너지 상태를 갖는 물질을 생성한다.[9]

접착 마모는 거칠기 증가와 원래 표면 위 돌출부(덩어리) 생성으로 이어질 수 있다. 산업 제조에서 이것은 갈라짐으로 불리며, 산화된 표면층을 파괴하고 기저부 재료에 연결되어 더 강한 접착력[9]과 덩어리 주변 소성 흐름 가능성을 높인다.

=== 연마 마모 ===

깊은 '홈'과 같은 표면은 주철 위의 연마 마모를 나타냅니다(노란색 화살표는 미끄러지는 방향을 나타냅니다)


연마 마모는 단단하고 거친 표면이 더 부드러운 표면 위로 미끄러질 때 발생한다.[12] ASTM International은 이를 단단한 입자 또는 단단한 돌출부로 인해 고체 표면에 대해 강제로 이동하는 재료 손실로 정의한다.[13]

연마 마모는 접촉 유형과 접촉 환경에 따라 분류되며,[14] 접촉 유형은 연마 마모 모드를 결정한다. 연마 마모 모드는 2체 및 3체 연마 마모로 나뉜다. 2체 마모는 거친 입자나 단단한 입자가 반대쪽 표면에서 재료를 제거할 때 발생하며, 절삭이나 경운 작업으로 재료가 제거되거나 변위되는 것이다. 3체 마모는 입자가 구속되지 않고 자유롭게 구르며 표면을 따라 미끄러질 때 발생한다. 접촉 환경은 마모가 개방형 또는 폐쇄형으로 분류되는지 결정하며, 표면이 서로 독립적으로 충분히 변위될 때 개방형 접촉 환경이 발생한다.

연마 마모에 영향을 미치는 여러 요소가 있으며, 재료 제거 방식에는 다음 세 가지가 있다.

# 경운

# 절삭

# 파쇄

경운은 재료가 마모 입자에서 멀리 측면으로 변위되어 직접 재료 제거 없이 홈이 형성되는 것이다. 변위된 재료는 홈에 인접한 능선을 형성하며, 이후 마모 입자가 통과하면서 제거될 수 있다.

절삭은 재료가 주요 파편이나 마이크로칩 형태로 표면에서 분리되고 홈 측면으로 변위되는 재료가 거의 없을 때 발생하며, 기존 가공과 매우 유사하다.

파쇄는 재료가 절삭 공정에 의해 표면에서 분리되고 압입 연마재가 마모 재료의 국부적 파괴를 일으킬 때 발생한다. 균열은 마모 홈 주변에서 자유롭게 전파되어 박리에 의한 추가적인 재료 제거를 초래한다.

연마 마모는 ISO 9352 또는 ASTM D 4060에 따라 Taber 마모 시험에 의한 질량 손실로 측정할 수 있다.

정상 작동 조건에서 마모율은 일반적으로 세 단계로 변한다.

  • 초기 단계 (초기 런인 기간): 표면이 서로 적응하고 마모율이 높거나 낮게 변할 수 있다.

5. 마모 측정 및 예측

ASTM International 위원회 G-2는 주기적으로 업데이트되는 특정 응용 분야에 대한 마모 시험을 표준화한다. 마찰, 마모 및 윤활 시험에 대한 많은 수의 문서를 윤활 및 마찰 공학회(STLE)가 작성했다. 표준화된 마모 시험은 시험 설명에 명시된 특정 시험 매개변수 집합에 대한 비교 재료 순위를 생성하는 데 사용된다. 산업 응용 분야에서 마모를 더 정확하게 예측하려면 실제 마모 공정을 시뮬레이션하는 조건 하에서 마모 시험을 수행해야 한다.

마모 시험은 입상 재료의 마모 저항을 측정하기 위해 수행되는 시험이다. Reye-Archard-Khrushchov 마모 법칙은 고전적인 마모 예측 모델이다.[24] 마모 계수는 재료의 마모를 측정, 특징짓고 상관관계를 분석하는 데 사용되는 물리적 계수이다. 윤활유 분석은 마모를 측정하는 또 다른 간접적인 방법이다. 여기서 마모는 액체 윤활유 내 마모 입자의 존재로 감지된다. 입자의 특성에 대한 추가적인 통찰력을 얻기 위해 화학적 분석(예: XRF, ICP-OES), 구조적 분석(예: 페로그래피) 또는 광학적 분석(예: 광학 현미경)을 수행할 수 있다.[25]

6. 마모 방지 기술

재봉틀기름 등을 사용하며, 마모의 종류는 다음과 같다.


  • 정상마모(正常磨耗): 보통으로 생기는 마모
  • 거친마모: 샌드페이퍼·모래 등에 의한 마모
  • 융착마모(融著磨耗): 고속·고하중(高荷重)에서 생기는 마모
  • 얼룩마모: 장시간 사용으로 표면이 피로하여 생기는 마모
  • 부식마모: 물 등의 부식작용에 의한 마모
  • 미동마모: 이동거리가 0.5mm 정도인 미소이동 때 생기는 마모
  • 산화마모: 미끄럼면이 산화되어 있는 상태인 마모


마모의 진행 과정에서 가장 단순한 고체간 미끄럼인 경우, 마모량은 하중 및 거리에 각각 비례하고 굳기에는 반비례하며, 다음과 같은 관계식으로 표현된다.

: 비례정수 (미끄럼 조건에 따라 정해지는 값, 동일한 마모기구가 성립하는 범위 내에서 유효)

하중을 바꿈으로써 정상마모에서 산화마모로 바뀌면, 그에 상응하는 값이 정해진다.

기름이나 그리스를 써서 마모를 줄이는 것은 고체끼리의 접촉면적 A를 기름이나 그리스로 바꿔 될수록 적게 하고, 가능하면 영으로 만드는 것이다. 그러나 티탄과 같이 재료에 따라서는 보통의 윤활제로는 효과가 나타나지 않는 경우도 있고, 또 속도가 매우 느린 미끄럼 조건에서는 일반적으로 마찰계수가 매우 커지므로 윤활제 및 미끄럼재료의 선택이 중요하다.

정상 작동 조건에서 마모율은 일반적으로 세 가지 단계로 변한다.

  • 초기 단계 (초기 런인 기간): 표면이 서로 적응하고 마모율이 높거나 낮게 변할 수 있다.
  • 중간 단계 (중간 과정): 균일한 마모가 관찰된다. 부품 수명의 대부분이 이 단계에서 소모된다.
  • 말기 단계 (노화 기간): 높은 마모율로 인해 표면이 빠르게 파손된다.


마모율은 작동 조건과 트라이보필름 형성에 크게 영향을 받는다. 고온, 변형률 및 응력과 같은 환경 조건이 심해짐에 따라 중간 단계가 단축된다.

다양한 작동 조건에서 마모율을 보여주는 마모 맵은 트라이보로지 접촉에 대한 안정적인 작동 지점을 결정하는 데 사용된다. 마모 맵은 또한 다양한 하중 조건에서 지배적인 마모 모드를 보여준다.

금속 표면 사이의 산업 조건을 시뮬레이션하는 명시적인 마모 시험에서는 다양한 마찰 메커니즘 간의 큰 중복과 공생 관계로 인해 서로 다른 마모 단계 간의 명확한 시간적 구분이 없다. 표면 공학 및 처리 기술은 마모를 최소화하고 부품의 수명을 연장하는 데 사용된다.[22][23]

참조

[1] 서적 Surface engineering for corrosion and wear resistance http://worldcat.org/[...] ASM International 2001
[2] 학술지 Analysis of Wear Particles Formed in Boundary-Lubricated Sliding Contacts 2016-06-16
[3] 서적 Metals Handbook: Desk Edition https://archive.org/[...] ASM International 1998
[4] 학술지 Is Tribology Approaching Its Golden Age? Grand Challenges in Engineering Education and Tribological Research 2018
[5] 학술지 Towards a unified classification of wear http://rdcu.be/oQCy 2013
[6] 학술지 Wear and wear particles – Some fundamentals 2005
[7] 웹사이트 Wear – About Tribology https://www.tribonet[...] 2024-12-10
[8] 서적 Engineering Tribology Elsevier Butterworth-Heinemann 2005
[9] 서적 1993
[10] 서적 Surface engineering for corrosion and wear resistance https://www.worldcat[...] ASM International 2001
[11] 서적 Wear- Materials, Mechanism and Practice John Wiley & Sons 2006
[12] 서적 Friction and Wear of Materials John Wiley and Sons 1965
[13] 간행물 Standard Terminology Relating to Wear and Erosion ASTM 1987
[14] 서적 ASM Handbook. Friction, Lubrication and Wear Technology ASM International 2002
[15] 서적 Surface engineering for corrosion and wear resistance http://worldcat.org/[...] ASM International 2001
[16] 학술지 A review on silt erosion in hydro turbines 2008
[17] 학술지 Mitigating elbow erosion with a vortex chamber 2016-01
[18] 학술지 Erosive wear behaviour of polyphenylenesulphide (PPS) composites 2007
[19] 서적 Stoßprobleme in Physik, Technik und Medizin: Grundlagen und Anwendungen https://www.springer[...] Springer Vieweg 2020
[20] 서적 Engineering tribology Elsevier Inc 2005
[21] 학술지 Towards a unified classification of wear http://rdcu.be/oQCy 2013
[22] 서적 Surface Wear - Analysis, Treatment, and Prevention ASM-International 2001
[23] 서적 Advanced Thermally Assisted Surface Engineering Processes Kluwer Academic Publishers 2004
[24] 서적 Various Modes of Wear and their Controlling Factors NASA Technical Memorendum TM X-52426 1968
[25] 웹사이트 Lubrication theory in oil analysis http://learnoilanaly[...] 2017-11-30


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