KR100738151B1 - 자동차용 샤시부품의 부식피로 평가방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 샤시부품의 부식피로 평가방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기화학적으로 샤시부품이 열화되는 환경조건을 설정하고, 부식시험조에서 샤시부품을 침지한다음 피로시험 장비로 부식피로 단품내구시험을 하여 보다 신뢰성 있고 정량적으로 평가할 수 있도록 한 자동차용 샤시부품의 부식피로 평가방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 단품용 부식피로 시험조건중 부식환경을 설정하는 단계와; 부식피로 시험조를 구축하는 단계와; 일정 응력하에서 파단되었을 때 필드와의 부식피로의 내구성을 HMC의 법칙에 의해 보정하는 단계와; 상기 HMC의 법칙과 전기화학적 평가를 통해 필드 재현성을 평가하는 단계; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 자동차용 샤시부품의 부식피로 평가방법을 제공한다.

샤시부품, 부식피로, 부식시험조, HMC의 법칙

Description

자동차용 샤시부품의 부식피로 평가방법{Method for Corrosion Fatigue Life for Automotive Chassis Parts }

도 1은 본 발명에 따른 샤시부품의 부식피로 평가를 위한 시험조 구성을 나타내는 장치구성도.

도 2는 본 발명에 따른 자동차용 샤시부품의 부식피로 평가를 위한 평가 순서를 나타내는 블럭도.

도 3은 본 발명에 따른 전기화학 시험셀을 나타내는 장치구성도.

도 4a는 현재 밀도에 따른 전위를 나타내는 그래프.

도 4b는 온도에 따른 부식율 및 부식전위를 나타내는 그래프.

도 5는 본 발명에 따른 샤시부품의 부식피로 평가를 위한 등가회로를 나타내는 회로도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 부식시험조 11 : 부식용액 순환기

12 : 시편 13 : 액츄에이터

14 : 볼트 15 : 백라이트

16 : 전기화학 시험셀 17 : 셀하우징

18 : 작업전극 19 : 기준전극

20 : 그래파이트 카운터 전극

본 발명은 자동차용 샤시부품의 부식피로 평가방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기화학적으로 샤시부품이 열화되는 환경조건을 설정하고, 부식시험조에서 샤시부품을 침지한다음 피로시험 장비로 부식피로 단품내구시험을 하여 보다 신뢰성 있고 정량적으로 평가할 수 있도록 한 자동차용 샤시부품의 부식피로 평가방법에 관한 것이다.

전세계적으로 단품에 적용되는 부식피로 시험모드와 평가기법은 거의 전무한 상태이다. 현재까지 샤시부품을 포함한 단품의 부식 손상정도를 평가하는 방법으로서 염수분무시험, 복합환경 순환부식시험 등이 가장 일반적이다.

그러나, 자동차의 주행환경을 고려할 때 부식손상과 더불어 자동차의 주행중에 반복응력이 상승효과로 작용되어 부식피로조건이 형성된다.

따라서, 부식피로 균열이 현저한 피로수명의 감소를 초래하게 되고, 전착도장된 샤시부품은 국부적으로 나타나는 결함부를 통해 물, 염, 진흙 등의 부식환경이 침투하고, 운행과정에서의 반복응력에 의해 부식피로균열이 발생할 가능성이 상당히 높다.

특히, 알루미늄과 같은 소재는 표면에 형성되는 산화막으로 인해 부식피로에 대한 민감도가 일반 강재보다 높다.

따라서, 향후 경량화된 샤시부품의 적용비율이 증가하는 점을 고려할 때 샤시부품의 부식이 부식피로에 미치는 영향을 정량적으로 평가할수 있도록 단품시험용 부식피로 평가모드 개발이 절실히 요구되어진다.

상기와 같은 필요에 의해, 해외의 자동차 유명메이커를 중심으로 단품위주 부식피로시험을 하고 있지만, 단순히 부식피로에 대한 저항성 즉, 파단 싸이클수를 비교하는데 그치기 때문에 파단된 싸이클 시점이 필드 몇 년을 보증할지에 대해선 신뢰성이 없다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 단품시험용 부식피로 평가기법으로 기초 실험을 통해 결정된 부식환경에 단품을 노출하고 부식피로 시험을 하되, 샤시부품의 종류에 상관없이 적용 가능한 부식피로 평가기법을 제공하고, 부식피로 시험조건에서 파단되었을 때 필드와의 보정(CORRELATION)을 전기화학적인 평가(임피던스 분광시험법)방법으로 확인함으로써, 필드 현상이 재현가능하고, 보다 신뢰성 있고 정량적으로 평가할 수 있는 시스템을 구축하여, 향후 경량화된 샤시부품의 적용비율이 증가하는 경우에 적응 대응할 수 있도록 한 자동차용 샤시부품의 부식피로 평가방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 단품용 부식피로 시험조건중 부식환경을 설정하는 단계와; 부식피로 시험조를 구축하는 단계와; 일정 응력하에서 파단되었을 때 필드와의 부식피로의 내구성을 HMC의 법칙에 의해 보정하는 단계와; 상기 HMC의 법칙과 전기화학적 평가를 통해 필드 재현성을 평가하는 단계; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 HMC의 법칙은

이고, 상기 N_f(air)는 대기환경에서 ±1.3G의 응력이 작용할 때 파괴까지의 싸이클수, N(air)는 대기환경에서 ±1.3G의 응력이 작용한 싸이클, N_f(corrosion)는 부식피로환경에서 ±1.3G의 응력이 작용할 때 파괴까지의 싸이클수, N(corrosion)는 부식피로환경에서 ±1.3G의 응력이 작용한 싸이클수인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 샤시부품의 부식피로 평가를 위한 시험조 구성을 나타내는 장치구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 정량적이고 신뢰성있는 샤시부품의 부식피로 평가를 위한 평가 순서를 나타내는 블럭도이며, 도 3은 본 발명에 따른 전기화학 시험셀을 나타내는 장치구성도이다.

본 발명은 자동차용 샤시부품의 부식피로 평가에 관한 정량적인 방법에 관한 것이다.

본 발명은 전기화학적으로 샤시부품이 열화되는 환경조건을 설정하고 부식시험조에서 샤시부품을 침지한다음 피로시험 장비로 부식피로 단품내구시험을 하되, 기본적으로 전착된 시편(단품)과 샤시부품의 부식속도가 증가하는 임계조건(가혹한 부식환경)을 설정하고 일정 반복응력하에서 부식피로 시험을 하고, 파단면을 기준으로 전기화학적으로 평가해서 중고차 조사를 통해 획득된 데이터와의 상관관계를 규명하여, 단품 부식피로 내구시험모드를 통해 평가된 부품이 필드 부식피로에 대해 몇 년을 보증할수 있을지 평가할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

샤시부품은 차랑주행시 하단부에서 발생하는 치핑으로 인해 도막이 손상되거나 표면에 형성된 산화막이 손상되어 국부적으로 부식이 발생하게 된다. 따라서, 샤시부품의 종류에 상관없이 부식시험조(10)에 넣어 부식피로 한도를 평가할수 있도록 도 1에 도시한 바와 같이 샤시부품의 부품피로 평가장치를 구성한다.

상기 평가장치는 단품부식피로 시험과 관련하여 부식용액이 저장된 부식시험조(10)와, 부식용액을 일정한 농도로 순환시켜주는 부식용액 순환기(11)와, 시편(12)을 부식시험조(10)의 내부에 장착된 시편(12)에 반복응력을 주는 액츄에이터(13)로 구성되어 있다.

상기 부식시험조(10)는 일정한 체적을 갖는 직사각체이고, 아크릴 재질로서 수평하게 설치되어 있고, 내부에는 5%의 염화나트륨이 포함된 수용액이 채워져 있다.

또한, 부식시험조(10)의 내부에는 부식용액이 50℃의 온도를 유지할 수 있도 록 히팅장치가 설치되어있고, 시편(12)이 수평방향으로 장착되어 있다. 이때, 시편(12)은 볼트(14)에 의해 체결되어 있고, 볼트(14)의 갈바닉 부식을 억제하기 위해 볼트(14)에 백라이트(15)(BAEKELITE)가 삽입되어 있다.

상기 백라이트(15)는 볼트(14)의 부식을 억제함으로써 볼트(14)의 부식이 시편(12)의 부식에 영향을 미치지 않도록 하고, 볼트(14) 체결에 있어서 와셔와 같이 풀림방지역할을 한다.

상기 부식용액 순환기(11)는 부식시험조(10)와 배관되어 5%의 염화나트륨을 부식시험조(10)에 공급하고 순환시키는 장치이다. 이때, 부식시험조(10)와 부식용액 순환기(11) 사이에는 펌프가 설치되어 부식시험조(10)에 저장된 부식용액을 계속해서 순환시킨다.

상기 액츄에이터(13)는 부식시험조(10)의 상부에 수직방향으로 설치되고, 피스톤이 상하이동하여 부식시험조(10)에 장착된 시편(12)에 반복응력을 가하게 된다.

도 3에 도시한 바와 같이, 상기 부식시험조(10)에 침지된 시편(12)에 액츄에이터(13)를 통해 반복응력이 가해질 때 부식시험조(10)에는 전기화학 시험셀(16)을 구성하게 된다.

상기 전기화학 시험셀(16)은 통상의 부식구성에 관한 것으로, 내부에 전해액이 저장된 일정한 크기의 셀하우징(17)과, 작업전극(18), 기준전극(19) 및 그래파이트 카운터 전극(20)으로 구성되어 있다.

상기 작업전극(18)은 전기화학적 반응을 발생시키고, 기준전극(19)은 전위차 를 읽어들이는 기능을 하고, 그래파이트 카운터 전극(20)은 전자를 소모하는 역할을 하며, 작업전극(18)의 하단에는 시편(12)이 부착되어 있다.

① 본 발명에 따른 샤시부품의 전착도장된 단품(시편;12)과 경량화 합금소재로 제작된 부품을 준비한 다음 전기화학적 평가를 할수 있도록 일정크기로 절단한다.

② 노면계측으로부터 획득된 데이터를 가지고서 가혹한 부식피로 시험환경(5%의 염화나트륨 수용액, 50℃ 온도유지)을 구성하고, 샤시부품(시편;12) 체결부의 갈바닉거동을 방지하기 위해 실링한다.

즉, 시편(12)을 부식시험조(10)의 내부에 볼트(14)로 체결하고, 볼트(14)에 백라이트(15)를 삽입하여 볼트(14)의 갈바닉 부식을 방지한다.

③ 노면계측으로부터 획득된 데이터를 가지고서 부식시험조(10)에 침지된 샤시부품에 액츄에이터(13)(ACTUATOR)를 통해 반복응력을 인가한다. 이때 반복응력을 인가할 때 부식시험조(10)에는 전기화학 시험셀(16)을 구성하게 된다.

④ 일정 싸이클수에 도달되어 파단이 발생하였을 때 임피던스 분광시험법을 통해 파단된 면 위주로 필드 몇 년에 해당하는지를 평가한다.

⑤ 상기 파단된 면을 야금학적으로 관찰해서 반복응력에 의한 것인지, 부식에 의한 영향이 주(主)인지를 판단한다.

특히, 부식시험조(10)의 온도조건은 49±1℃로 한다. 부식시험조(10)에 샤시부품을 노출시킨후 2시간동안 안정화시킨다.

이를 평가하기 앞서 부식평가용 표준시편(전착도장된 것과 도장되지 않은 것 )을 제작하고 전기화학 시험셀에서 평가하게 된다.

이때, 전기화학시험을 하는 조건은, 아래와 같다.

-인가되는 전위 범위 : -0.25Voc ~ 1V내외

-주사속도(SCAN RATE) : 0.166 mV/sec

전착도장된 시편은 도막저항이 크기 때문에 저항보정을 반드시 해야 한다.

표준시편을 통해 전기화학적 평가가 완료되면 부식이 가속되는 온도조건을 설정하고 유리전이온도를 일반 공기중에서 측정해서 상관관계 유무를 파악하게 된다.

도 4a는 현재 밀도에 따른 전위를 나타내는 그래프이고, 도 4b는 온도에 따른 부식율 및 부식전위를 나타내는 그래프이다.

상기와 같은 기초시험을 통해 가속화 부식시험조건을 설정하게 된다. 이때 결정된 온도는 50℃내외이다(도 4a 및 도 4b 참조). 부식시험조(10)에 침지된 샤시부품은 2시간동안 안정화시킨후 시험한다.

이와 같이, 셋팅된 부식환경조(10)에 샤시부품을 노출하고 로워 암(LOWER ARM)과 프론트 크로스 멤버(FRONT CROSS MEMBER)는 하중 447kg_f을, 리어 크로스 멤버(REAR CROSS MEMBER)는 390kg_f을 부여한다.

또한, 동일조건의 하중에서 공기중의 피로특성을 평가한다. 이는 부품별 부식피로에 대한 평가기준을 설정하는 기준을 제공하게 된다.

부품별 일정하중에서 파단된 것은 표면분석을 하게 된다. 1차적으로 임피던 스 분광시험법으로 주파수 10mHz ~ 100kHz범위에서 진폭 ±10 mV를 부여하게 된다. 이때, 도 5에 도시한 바와 같이, 등가회로를 구성해서 데이터를 시뮬레이션 하게 된다.

이는 필드에서 주행되었던 중고차 조사를 통해 구축된 데이터와 비교함으로써 상관성을 찾게 된다.

이는 부식피로 시험모드에 대한 원천기술력을 제공하게 되는데, 다음식과 같이 전세계적으로 유일한 HMC의 법칙을 구성하게 된다.

여기서, N_f(air)는 대기환경에서 ±1.3G의 응력이 작용할 때 파괴될 때까지의 휠 싸이클수를, N(air)는 대기환경에서 ±1.3G의 응력이 작용한 싸이클수를, N_f(corrosion)는 부식피로환경에서 ±1.3G의 응력이 작용할 때 파괴될 때까지의 휠 싸이클수를, N(corrosion)는 부식피로환경에서 ±1.3G의 응력이 작용한 싸이클수를 의미한다.

이때, N_(air)/N_f(air)는 기계적 응력이 작용했을때의 피로수명을 나타내고, N_(corrosion)/N_f(corrosion)는 순수 부식이 되었을 때의 피로수명을 나타내며, 상기 1.3G는 차량의 자중에 1.3배 한 값이다.

또한, 상기 수학식1에서 분모는 이론값이고, 분자는 실험값이다.

기존의 마이너의 법칙(MINER'S RULE)은 단순히 기계적 응력만을 평가하고 피로수명을 예측했던것에 불과했으나, 본 발명에 따른 HMC의 법칙은 자동차 주행환경에서 나타나는 기계적 응력과 부식피로 환경이 복합적으로 작용할때의 현상을 모사하고 부식피로에 대한 수명을 예측하기위해 개발된 것이다.

이는 단순히 경험식이 아니라 전기화학적 원리(부식피로=기계적응력+부식환경)에 근거하여 개발한 것으로서, 이 식을 근거로 단품(샤시부품) 부식피로수명의 예측에 유용하게 적용되며, 단순히 수명만을 평가하는게 아니고 파단되었을때의 수명이 방청평가년수에 어느정도 근접하는지를 전기화학적 평가결과와 결부시킴으로써 상관관계를 규명하여 평가할 수 있다.

전기화학적 평가가 완료되면 표면분석을 통해 파단된 면이 어떤 메커니즘을 가지고 진행되었는지를 규명하게 된다.

한 예를 들자면,

북미지역에서 부식피로내구 10년 수명을 만족하기 위한 내구기준으로 부식환경 기준과 부식피로 수명을 다음과 같이 계산할 수 있다.

x=86,566Cycle

캐나다의 경우 1년에 비가 오는 날은 평균적으로 66일(365일 대비 5.53분의 1에 해당)이고, 1년에 대기환경에서 ±1.3G의 응력이 219,616번 작용하고, 부식피로환경에서 ±1.3G의 응력이 48,477번 작용하게 된다.

이때, 1년에 ±1.3G의 응력이 작용한 싸이클수는 이론상 268,100번이고, 비가 오는 부식환경에서 응력이 작용한 싸이클수(48,477)는 268,100에 5.53분의 1배하여 얻은 수이고, 비가 오지 않는 대기환경에서 응력이 작용한 싸이클수(219.616)는 268,100에 5.53분의 4.53배 하여 얻은 수 이다.

그리고, 대기환경에서 ±1.3G의 응력이 작용할 때 파괴까지의 싸이클수는 이론값으로 491,906이고, 이에 부식환경에서 ±1.3G의 응력이 작용할 때 파괴까지의 싸이클수는 상기 식1에 의해 86,566으로서 파단한계를 나타낸다.

따라서, 상기 식에 의해 파단되었을때의 수명이 방청평가년수에 어느정도 근접하는지를 전기화학적 평가결과와 결부시킴으로써 상관관계를 규명하여 평가할 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 샤시부품의 부식피로 평가방법에 의하면, 본 발명에 따른 단품용 부식피로 시험평가 기법은 필드와 상관성이 높아 재현성 및 신뢰성 확보가 가능하고, 개발되는 샤시부품의 부식피로 민감도를 명확히 설정함으로써 궁극적 목표인 부식피로에 대한 수명예측을 할 수 있다.

Claims (2)

1. 단품용 부식피로 시험조건중 부식환경을 설정하는 단계와;

   전기화학 시험셀을 포함하는 부식시험조를 구축하는 단계와;

   상기 전기화학 시험셀을 포함하는 부식시험조 내에 침지된 샤시부품에 액추에이터로 반복응력을 인가하여 일정 응력하에서 파단되게 하는 전기화학적 평가를 통해 필드와의 부식피로의 내구성을 HMC의 법칙에 의해 보정하는 단계와;

   상기 HMC의 법칙과 전기화학적 평가를 통해 필드 재현성을 평가하는 단계;

   를 포함하여 이루어지되, 상기 HMC의 법칙은

   

   이고,

   상기 N_f(air)는 대기환경에서 ±1.3G의 응력이 작용할 때 파괴까지의 싸이클수, N(air)는 대기환경에서 ±1.3G의 응력이 작용한 싸이클, N_f(corrosion)는 부식피로환경에서 ±1.3G의 응력이 작용할 때 파괴까지의 싸이클수, N(corrosion)는 부식피로환경에서 ±1.3G의 응력이 작용한 싸이클수인 것을 특징으로 하는 자동차용 샤시부품의 부식피로 평가방법.
2. 삭제

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