KR100941270B1

KR100941270B1 - 배기계 부품의 부식 시험 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100941270B1
Application number: KR1020070059868A
Authority: KR
Inventors: 김인태; 최재웅
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2010-02-11
Also published as: KR20080111652A

Abstract

본 발명은 배기계 부품의 부식 시험 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차 배기계 재료의 시편에 대한 부식 환경 모사 시험을 간단하면서도 사실적으로 시험할 수 있도록 한 배기계 부품의 부식 시험 장치 및 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 배기계 부품의 모양을 모사한 배기계 부품 모사 샘플을 에릭슨 장비(Erichsen cupping testers)를 이용하여 소성 변형시키면서 컵(cup) 모양으로 제작하는 단계와; 상기 배기계 부품 모사 샘플내에 응축수를 담아두는 단계와; 상기 배기계 부품 모사 샘플을 운반용 트레이에 올린 후, 고온챔버에 투입하는 단계와; 상기 고온챔버내에서 응축수가 가열되면서, 배기계 부품 모사 샘플에 침적→ 증발→ 건조부식의 3가지 반복 부식 환경을 형성하는 단계와; 상기 배기계 부품 모사 샘플의 응축수 표면 경계면에서 발생되는 부식 정도를 관찰 및 측정하는 단계; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 배기계 부품의 부식 시험 장치 및 방법을 제공한다.

배기계 부품, 부식 시험, 컵, 샘플, 응축수, 고온챔버

Description

배기계 부품의 부식 시험 장치 및 방법{Device and method for corrosion test exhaust parts of vehicle}

도 1은 기존의 배기계 부품의 부식 시험 장치를 보여주는 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 배기계 부품의 부식 시험을 위한 샘플을 보여주는 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 배기계 부품의 부식 시험을 위한 샘플을 에릭슨 장비를 이용하여 제작하는 것을 설명하는 개략도,

도 4는 본 발명에 따른 배기계 부품의 부식 시험을 위한 샘플을 고온챔버에 배치시킨 상태를 보여주는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 샘플 20 : 응축수

30 : 고온챔버 40 : 열선

50 : 운반트레이

통상적으로, 자동차 배기계 재료는 응축수 부식, 습기 및 건기 부식, 산화부식 등 복잡한 부식 환경에 노출되기 때문에 부식 발생이 따르기 마련이며, 이 부식은 열적 피로(thermal fatigue)와 응축수에 의한 내부부식과, 외부 부식인자(염분, 습기, 기타 오염물 등)에 의한 외부부식으로 나누어진다.

상기 외부부식은 기존의 SST(염수분무 시험법)이나 CCT(복합부식환경촉진법)등으로 어느 정도 재현이 가능하지만, 응축수를 포함하는 내부부식의 경우는 CCT나 SST 만으로는 재현이 어려운 복잡한 현상이므로 새로운 시험법이 필요하다.

상기 내부부식은 염분이나 수분 등의 유입에 의한 부식보다 자동차 운행에 따른 응축수의 생성과 증발의 반복에 영향을 받는다.

즉, 뜨거운 배기가스가 배기관을 타고 내려오면서 식으면 배기관이 수축 및 응축되면서 응축수가 생성되고, 이때의 응축수는 물과 배기가스에 포함되어 있는 여러 화학물질들이 혼합되어 있는 액체로서, 부식 촉진 물질이 다수 포함된 성분을 갖는다.

가장 간단한 응축수 부식 실험장치는 상온이나 80℃의 모사된 응축수 용액 안에 시편을 일정시간 침지하여 무게 감량을 측정하는 것으로 알려져 있는데, 이러 한 종래의 방법은 실험결과에 대한 정확도 및 신뢰성이 떨어지기 때문에 재료의 내식성을 정확하게 평가하는데 한계가 있다.

이러한 부정확성을 보완하기 위해 실험의 단계를 배기계 재질이 응축수에 침적이 되는 단계와, 습기, 건기의 교차 단계, 및 열에 의한 산화 부식 단계 등 4가지 단계로 나누고, 그에 따른 장비로서 도 1에 도시된 바와 같이 침적, 습기, 건기, 산화부식 등 4단계로 나누어진 각 단계를 모사할 수 있는 여러 개의 챔버를 갖춘 장비가 개발되었지만, 매우 복잡하고 비용과 공간 차지 문제로 사용하기 불편한 점이 있다.

또한, 배기계 재료의 부식환경을 침적, 습기, 건기, 산화 의 4가지 프로세스로 구성한 것은 실제 재료가 노출된 환경과 거리가 있어 이에 대한 보완이 필요한 단점이 있다.

또한, 도 1의 장비를 이용한 실험 방법에서는 배기계 부품에 들어가는 재질에 대해 기본적으로 판재 형태로 실험을 하고 있는 바, 양산에서는 배기계 부품 중 판재의 형태를 띠는 것보다 프레스에 의해 가공된 상태로 사용되는 경우가 더 많기 때문에, 결국 기존의 실험에서는 강판이 변형이 되면서 생기는 재질적 변화와 구조적 특징을 충분히 반영하지 못하는 문제점이 있다.

이에, 기존 배기계 부식실험의 문제점을 보완한 배기계 부식 실험 장치가 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 챔버를 따로 구성하지 않고, 샘플의 모양을 컵 모양으로 변경하여 응축수 침적→ 증발→ 건조부식의 3가지 반복 부식환경을 하나의 챔버에서 재현할 수 있도록 함으로써, 자동차 배기계 재료의 시편에 대한 부식 환경 모사 시험을 간단하면서도 사실적으로 시험할 수 있도록 한 배기계 부품의 부식 시험 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 응축수를 담을 수 있도록 평면 강판을 컵 모양으로 제작한 배기계 부품 모사 샘플과; 상기 응축수가 담겨진 배기계 부품 모사 샘플을 받쳐주는 동시에 이동시킬 수 있는 운반 트레이와; 상기 운반 트레이에 올려진 복수개의 샘플이 장입되어, 샘플내의 응축수를 가열하여 증발시킬 수 있도록 열선을 벽면에 갖는 고온 챔버; 로 구성된 것을 특징으로 하는 배기계 부품의 부식 시험 장치를 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 배기계 부품의 모양을 모사한 배기계 부품 모사 샘플을 에릭슨 장비(Erichsen cupping testers)를 이용하여 소성 변형시키면서 컵(cup) 모양으로 제작하는 단계와; 상기 배기계 부품 모사 샘플내에 응축수를 담아두는 단계와; 상기 배기계 부품 모사 샘플을 운반용 트레이에 올린 후, 고온챔버에 투입하는 단계와; 상기 고온챔버내에서 응축수가 가열되면서, 배기계 부품 모사 샘플에 침적→ 증발→ 건조부식의 3가지 반복 부식 환경을 형성하는 단계와; 상기 배기계 부품 모사 샘플의 응축수 표면 경계면에서 발생되는 부식 정도를 관찰 및 측정하는 단계; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 배기계 부품의 부식 시험 방법을 제공한다.
여기서, 상기 에릭슨 장비(Erichsen cupping testers)는 에릭슨 시험기라고도 하며, 재료의 연성(Ductility)을 알기 위하여 동판, 알루미늄판 및 기타 연선 판재를 컵모양으로 가압성형하는 통상의 프레스 장비를 의미한다.

바람직하게는, 상기 관찰 단계는 전자 현미경 촬영으로 이루어지고, 상기 측정 단계는 실험 종료후 샘플의 무게 측정 및 부식 부분의 피팅 깊이(pitting) 측정을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 고온의 배기계 재질 노출 환경을 유지하는 고온전기로와, 배기계 부품의 형상을 모사할 수 있는 커핑(cupping)형 재질 샘플, 실험에 사용되는 규격화된 응축수 및 이에 따른 실험 방법으로 이루어진다.

본 발명에 따른 배기계 부품의 실험 방법은 다음과 같은 부식 프로세스를 따른다.

배기계 부품의 부식은 고온 부식으로서, 고온의 배기가스에 의해 응축수가 생성되어 고였다가, 증발이 되는 순환 건조의 형태를 띠고 있다.

즉, 응축수에 의한 침적→ 증발→ 건조부식→ 응축수 침적 … 의 환경에 노출이 된다.

이를 재현하기 위해, 침적, 건조, 산화 부식의 3가지 챔버를 구성해야 하는데, 이 챔버를 별도로 구성하게 되면 그 중간 단계들을 제대로 재현하지 못하기 때문에 사실성이 떨어진다.

본 발명은 챔버를 따로 구성하지 않고, 샘플의 모양을 변경하여 응축수 침적 → 증발→ 건조부식의 3가지 반복 부식환경을 하나의 챔버에서 재현하고자 한 것이다.

이를 위한 본 발명의 시험 장치는, 응축수(20)를 담을 수 있도록 평면 강판을 컵 모양으로 제작한 배기계 부품 모사 샘플(10)과, 상기 응축수(20)가 담겨진 배기계 부품 모사 샘플(10)을 받쳐주는 동시에 이동시킬 수 있는 운반 트레이(50)와, 상기 운반 트레이(50)에 올려진 복수개의 샘플(10)이 장입되어, 샘플(10)내의 응축수(20)를 가열하여 증발시킬 수 있도록 열선(40)을 벽면에 갖는 고온 챔버(30)을 포함하여 구성된다.

본 발명의 시험 장치에 대한 구성을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

우선, 실제 배기계 부품의 모양을 모사한 샘플을 제작한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 배기계 부품의 모양을 모사한 샘플(10)의 모양은 컵(cup) 모양으로 만들어지고, 이 컵 모양의 샘플(10)의 제작은 통상의 에릭슨 장비를 이용하여 만들 수 있으며, 그 제작예는 도 3에 도시된 바와 같다.

이렇게 제작된 컵 모양의 샘플은 다음 두 가지 조건을 만족시킨다.

첫째, 평면 강판을 컵 모양으로 제작함으로써, 재질의 변형이 생성되어 실제 배기계 재료에서 나타나는 성형 정도에 따른 부식 거동을 모사할 수 있다.

즉, 재료에 소성변형을 일으키면 재료 내부의 조직변화가 수반되어 외부 부식 환경에 대항하는 정도가 달라지게 된다.

둘째, 굴곡진 모양에 응축수를 담아둘 수 있다.

즉, 실제 배기계 부품에서는 응축수가 생성되었다가 증발되기를 반복하는 바, 이를 모사하는 방법으로 상기 컵 모양의 샘플(10)이 응축수(20)를 담을 수 있는 용기형 샘플을 제작되고, 이를 고온 챔버(30)에 장입을 하면 실제 배기계 부품의 경우처럼 시간이 지남에 따라 응축수(20)가 증발되는 현상을 모사할 수 있다.

한편, 침적부식 실험에서 보면, 부식의 정도는 응축수에 침적된 샘플의 수면 경계면이 가장 심하게 나타나며, 부식이 심한 경계면은 응축수 수위가 변경됨에 따라 같이 움직이므로 용기형 샘플의 경우 실제 응축수 수량 변화에 따른 부식 심화부의 위치 변화를 잘 나타낼 수 있다.

또한, 배기계 부품의 경우 일반적으로 고온 부식환경에 노출이 되기 때문에 이를 모사할 수 있는 고온챔버가 필요한 바, 본 발명에 따른 고온챔버는 도 4에 도시된 바와 같고, 본 발명에서는 컵 모양의 샘플을 이용하여 침적, 증발, 건식 부식의 3가지 모드를 모두 모사할 수 있기 때문에 고온챔버의 개수를 하나로 줄일 수 있다.

대개, 응축수는 고온의 배기가스가 배기계 부품으로 배출되면서 온도가 하강함에 따라, 수축/응축되어 생성되는 액체로 배기가스에 의해 다량의 부식촉진 생성물을 포함하고 있으며, 주로 SO₄2^-, CO₃2^-,NH4⁺, NO₃ ^-, CL^- 및 CH₃COO^-등으로 구성되어 있다.

실험에 사용되는 응축수는 다음의 표 1과 같은 조성을 갖는 표준 용액(standard solution)을 만들어 사용하며, 바람직하게는 실주행 자동차의 응축수 조성 분석결과 데이터를 사용한다.

여기서, 본 발명의 구체적인 시험 방법을 순서대로 설명하면 다음과 같다.

1. 배기계 부품 재질에 대해 규격 샘플을 에릭슨 장비를 이용하여 컵 모양으로 제작한다.

이때, 블랭크 크기(blank size)는 Φ97, 핫 높이(hat height)는 30mm로 세팅하며, 시험 재질의 연신률에 따라 조절 가능하다.

2. 응축수를 상기 컵 모양으로 제작된 배기계 부품 모사 샘플내에 장입한다.

실험 온도에 따라 장입량 조절 가능하며, 200℃ 실험의 경우 14㎖장입한다.

3. 이어서, 샘플을 운반용 트레이에 올린 후, 고온챔버에 투입 배치하여, 200℃로 가열함으로써, 응축수의 침적, 건조, 샘플의 산화 부식이 발생되도록 한다.

이때, 부식의 정도는 응축수에 침적된 샘플의 수면 경계면에서 가장 심하게 나타나며, 그 이유는 부식이 심한 경계면은 응축수 수위가 변경됨에 따라 같이 움직이므로 실제 응축수 수량 변화에 따른 부식 심화부가 된다.

4. 일정 시간마다 응축수를 보충한다.

즉, 응축수의 증발에 따른 보충으로, 200℃ 실험의 경우 2시간 간격으로 보출하고, 1cycle = 1일 8시간 실험이면, 응축수를 4회 보충한다.

5. 매 사이클마다 사진촬영하고, 실험이 끝나면 샘플의 무게 감량 및 피팅(pitting) 깊이, 즉 부식으로 인해 움푹 패인 오목부의 깊이를 측정한다.

한편, 실험 재질이 노출되는 온도에 따라 고온챔버의 온도, 응축수량, 보충 간격을 조절 가능하고, 상기와 같이 실험 재질의 부식 정도는 사진촬영과 무게감량 및 피팅깊이 측정으로 확인한다.

이때, 상기 피팅(pitting) 깊이는 부식실험 후, 샘플을 1/2로 분해한 다음, 포인트 마이크로미터(point micrometer)를 이용하여 측정한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 배기계 부품의 부식 시험 장치 및 방법에 의하면, 챔버를 따로 구성하지 않고, 샘플의 모양을 컵 모양으로 변경하여 응축수 침적→ 증발→ 건조부식의 3가지 반복 부식환경을 하나의 챔버에서 재현할 수 있다.

Claims

응축수를 담을 수 있도록 평면 강판을 컵 모양으로 제작한 배기계 부품 모사 샘플과;

상기 응축수가 담겨진 배기계 부품 모사 샘플을 받쳐주는 동시에 이동시킬 수 있는 운반 트레이와;

상기 운반 트레이에 올려진 복수개의 샘플이 장입되어, 샘플내의 응축수를 가열하여 증발시킬 수 있도록 열선을 벽면에 갖는 고온 챔버;

로 구성된 것을 특징으로 하는 배기계 부품의 부식 시험 장치.
배기계 부품의 모양을 모사한 배기계 부품 모사 샘플을 에릭슨 장비(Erichsen cupping testers)를 이용하여 소성 변형시키면서 컵(cup) 모양으로 제작하는 단계와;

상기 배기계 부품 모사 샘플내에 응축수를 담아두는 단계와;

상기 배기계 부품 모사 샘플을 운반용 트레이에 올린 후, 고온챔버에 투입하는 단계와;

상기 고온챔버내에서 응축수가 가열되면서, 배기계 부품 모사 샘플에 침적→ 증발→ 건조부식의 3가지 반복 부식 환경을 형성하는 단계와;

상기 배기계 부품 모사 샘플의 응축수 표면 경계면에서 발생되는 부식 정도를 관찰 및 측정하는 단계;

로 이루어진 것을 특징으로 하는 배기계 부품의 부식 시험 방법.
청구항 2에 있어서, 상기 관찰 및 측정하는 단계에서 관찰은 전자 현미경 촬영으로 이루어지고, 측정은 실험 종료후 샘플의 무게 측정 및 부식 부분의 피팅 깊이(pitting) 측정을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기계 부품의 부식 시험 방법.