KR101198392B1 - 스몰펀치형 크리프 시험기 - Google Patents

스몰펀치형 크리프 시험기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 스몰펀치형 크리프 시험기는, 서보모터와 서보모터의 구동력에 의해 회전하는 볼스크류를 포함하는 구동부와 상기 볼스크류와 나사결합함으로써 상기 볼스크류의 회전에 따라 수직방향으로 이동하는 로드부와 상기 로드부의 하중을 시편에 전달하기 위한 샤프트와 상기 로드부의 하중이 해제되는 경우 상기 샤프트가 원위치로 복원될 수 있도록 복원력을 제공하는 벨로우즈를 포함하는 하중 전달부 및 상기 샤프트로부터 전달되는 하중으로 시편을 가압하는 펀치와 상기 펀치의 하부에 구비되며 시편이 안치되는 시편 고정지그와 상기 펀치 및 시편 고정지그가 삽입되는 챔버를 포함하는 테스트 챔버를 포함하여 구성되며, 소형화가 가능하고 온도조절 및 시편의 산화가 방지되어 표면 관찰이 용이하다.

Description

스몰펀치형 크리프 시험기{Creep tester of small punch type}
본 발명은 스몰펀치시험을 이용한 크리프 시험기에 관한 것이다.
일반적으로 어떤 재료에 일정 온도하에서 일정 응력 혹은 일정 하중이 작용할 때, 변형이 시간에 따라 함께 증가하는 현상이 나타나게 되는데, 이와 같은 현상을 '크리프(Creep)' 라고 하며 주로 고온에서 일어나는 현상이다. 고온 환경에서 노출 가동되는 발전 설비, 석유화학 설비 등은 장기간 사용함으로써 발생하는 크리프(Creep) 손상으로 인해 그 금속 재질이 열화 되어 수명이 단축된다. 그러므로 이러한 설비에서 수명의 단축을 정확하게 예측하지 못할 경우에는 설비의 파손으로 인해 막대한 인적, 경제적 손실이 발생하게 되므로 상기한 크리프 손상을 예측하기 위한 수명평가 방법으로서 크리프 실험이 수행된다.
이와 같은 크리프 실험을 수행하기 위하여 현재에는 일반적으로 인장시험기나 크리프 전용시험장치를 이용하고 있다. 크리프 실험의 경우, 짧게는 수십시간에서부터 길게는 수백시간 동안 500℃ 정도의 온도에서 100～200㎏/㎠의 하중을 받는 상태를 유지하게 되며, 하중이 가해지는 시편 고정구에 시편을 고정하여 일정한 응력 혹은 하중이 작용하도록 하고, 여기에 일정 온도로 상승시켜 유지하기 위한 가열장치로 가열로나 고주파 가열장치가 사용되고 있다. 또한, 시편이 고온에서 장시간 노출되면 대기에 있는 산소와 수분에 의하여 상온에서보다 산화가 잘 일어나서,
시편의 표면이나 파면 부위에 산화스케일이 발생하게 되므로 산화를 방지하기 위하여 가열로를 밀봉하여 불활성 가스를 주입하거나, 진공 상태에서 가열로를 사용하는 방법 등을 취하고 있다.
그러나 이러한 인장시험기 또는 크리프 전용시험장치는 크기의 대형화, 장시간의 시험시간으로 인하여 그 활용이 제한되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 크리프 시험방법으로서 최근 스몰펀치시험(Small Punch Test)이 제한되고 있다.
스몰펀치시험은 고온설비에 사용 중인 소재의 여러 가지 기계적 특성을 측정하는 방법으로 미소한 시편을 사용하므로 가동 중인 상태에서 시편 채취를 위한 설비의 작동 중지 또는 시편 채취 후 별도의 후 처리가 필요 없다는 관점에서 비파괴 시험방법이라고 할 수 있다. 스몰펀치시험은 지정한 온도에서 미소시편 중앙에 하중을 가하면서 시간에 따른 변위량을 측정하여 크리프 특성을 분석하게 된다. 일반적으로 하중-변위곡선으로부터 인장변수를 측정하며, 여러 온도범위에서 시험한 결과로부터 파단형태 천이온도를 측정할 수 있으며, 고온에서 크리프 파단강도도 역시 측정할 수 있다.
본 발명은 소형화가 가능하고 온도조절 및 시편의 산화가 방지되어 표면 관찰이 용이한 크리프 시험기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 서보모터와 서보모터의 구동력에 의해 회전하는 볼스크류를 포함하는 구동부; 상기 볼스크류와 나사결합함으로써 상기 볼스크류의 회전에 따라 수직방향으로 이동하는 로드부; 상기 로드부의 하중을 시편에 전달하기 위한 샤프트와 상기 로드부의 하중이 해제되는 경우 상기 샤프트가 원위치로 복원될 수 있도록 복원력을 제공하는 벨로우즈를 포함하는 하중 전달부; 및 상기 샤프트로부터 전달되는 하중으로 시편을 가압하는 펀치와 상기 펀치의 하부에 구비되며 시편이 안치되는 시편 고정지그와 상기 펀치 및 시편 고정지그가 삽입되는 챔버를 포함하는 테스트 챔버;를 포함한다.
여기서, 상기 구동부는 상기 로드부의 수직방향 이동을 안내하는 가이드레일을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 로드부는 상기 볼스크류에 나사결합하는 너트부재와 상기 너트부재가 내삽되어 고정되는 볼스크류 플랜지와 상기 볼스크류 플랜지에 연결되는 수평바 및 상기 수평바의 하부에 고정되는 로드셀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 로드부는 로드셀 하부에 교체 가능하게 고정되는 로드셀 하부지그를 더 포함할 수 있다.
상기 하중 전달부는 상기 샤프트의 상부에 형성되며 상기 로드셀 하부지그의 하강시 접촉하여 압력을 전달하는 벨로우즈 상부지그와 상기 벨로우즈 및 벨로우즈 상부지그를 밀폐시키기 위한 벨로우즈 커버를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 벨로우즈 커버는 투명재질인 것이 바람직하다.
또한, 상기 테스트 챔버는 상기 시편 고정지그를 감싸는 형태로 상기 챔버 내부에 설치되며 크리프 시험 동안 상기 시편의 온도를 일정하게 유지하기 위한 히터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 챔버는 상기 시편을 가압하는 동안 진공 상태가 유지될 수 있다.
또한, 상기 챔버에는 상기 챔버를 진공 상태로 만들기 위한 진공홀이 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 스몰펀치형 크리프 시험기는 스몰펀치시험 방법을 이용하고, 서보모터와 볼스크류 구동에 의해 시편에 하중이 가해짐으로써 크리프 시험기의 소형화가 가능하다.
또한, 시편의 온도 조절이 용이하고, 진공 분위기에서 시험할 수 있어 시편의 산화가 방지되는 효과가 있다.
도 1은, 본 발명의 스몰펀치형 크리프 시험기의 사시도,
도 2는, 도 1의 스몰펀치형 크리프 시험기의 구동부 및 로드부의 분해 사시도,
도 3은, 도 1의 스몰펀치형 크리프 시험기의 하중 전달부 및 테스트 챔버의 분해사시도,
도 4는, 테스트 챔버 내부의 분해 사시도이다.
이하, 본 발명에 의한 크리프 시험기의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 스몰펀치형 크리프 시험기는, 도 1에서 도시한 바와 같이, 상부에 가이드지그(100a)가 형성된 하부 플레이트(100)와 하부 플레이트(100)의 일측에 직립형태로 설치되는 구동부(200)와 구동부(200)에 연결되며 시편을 가압하기 위한 로드부(300)와 로드부(300)의 하부에 위치하며 로드부의 하중을 시편에 전달하기 위한 하중 전달부(400)와 시편이 안치되는 테스트 챔버(500)를 포함한다.
구동부(200)는 도 1 및 도 2를 참조하면, 하부 플레이트(100)의 일측에 직립하여 고정되고 일면이 개방된 함체 형태의 몸체(201)와 몸체(201)의 개방면에 결합하는 수직 전면 플레이트(202)를 포함한다.
몸체(201)와 수직 전면 플레이트(202)에 의해 형성되는 공간에는 서보모터(210)와 서보모터(210)에 연결되는 감속기(211)와 커플링(212)이 내장된다. 커플링(212)에는 볼스크류(213)가 연결되고, 볼스크류(213)는 양단에서 몸체(201)에 고정되는 두 개의 볼스크류 지그(214, 215))에 의해 지지된다.
한편, 몸체(201)의 양 측벽에는 가이드레일(220)이 각각 형성되고, 각 가이드레일(220)에는 가이드레일(220)을 따라 이동 가능한 이동블럭(221)이 한 쌍씩 결합한다.
로드부(300)는 상기 볼스크류(213)에 나사결합된다. 로드부(300)는 볼스크류(213)에 나사결합하는 너트부재(301)를 포함하며, 너트부재(301)에는 볼스크류 플렌지(302)에 삽입되어 고정된다. 볼스크류 플랜지(302)의 양 측벽에는 가이드지그(303)가 각각 결합되며, 가이드지그(303)는 구동부(200)의 이동블럭(221)에 고정된다.
볼스크류 플랜지(302)에는 수평바(304)가 고정되며 수평바(304)의 말단에는 로드셀(305)이 결합한다. 로드셀(305)은 로드셀 고정너트(306)에 의해서 로드셀 하부지그(307)와 연결된다. 로드셀 하부지그(307)는 로드셀 고정너트(306)를 풀어 교체가 가능하다.
상술한 구동부(200)와 로드부(300)의 결합구조에 의해 구동부(200)의 볼스크류(213)가 회전하면 이와 나사결합된 로드부(300)가 가이드레일(220)을 따라 상,하로 이동하게 된다.
하중 전달부(400)는, 도 3을 참조하면, 로드부(300)의 하부에 위치하며 벨로우즈 커버(401)와 벨로우즈 커버(401) 내부에 삽입되는 벨로우즈(402) 및 샤프트(403)를 포함한다. 벨로우즈 커버(401)는 상,하부가 개방된 원통형이며 하부에 결합플렌지(401a)가 형성된다. 벨로우즈 커버(401)는 하중 전달부(400)의 작동상태를 확인할 수 있도록 투명재질로 형성되는 것이 바람직하다.
벨로우즈(402)는 벨로우즈 상부플랜지(402a)와 벨로우즈 하부플랜지(402b) 사이에 탄성력 있는 주름관이 형성되어 있어 로드부(300)를 통해 하중이 전달되거나 해제되면 수축되거나 복원된다. 샤프트(403)는 벨로우즈(402)를 관통하여 삽입되며 벨로우즈 하부플랜지(402b) 밑으로 돌출된다.
샤프트(403)의 상부에는 벨로우즈 커버(401) 상부로 노출되며 로드셀 하부지그(307)와 접촉하는 벨로우즈 상부지그(403a)가 형성되어 있으며, 벨로우즈 상부지그(403a)는 벨로우즈 상부플랜지(402a) 위에 걸리어 지지된다.
이와 같은 구조에 의해 로드부(300)를 통하여 가해지는 하중은 샤프트(403)를 통해 테스트 챔버(500)로 전달된다.
테스트 챔버(500)는, 도 3 및 도 4를 참조하면, 하부 베이스(501)에 상,하부에 결합플랜지(502a, 502b)가 형성된 원통형의 챔버(502)가 결합하고, 챔버(502)의 내부에는 히터(503)가 설치되며, 히터(503) 내부에는 시편이 놓이는 시편 고정지그(504)와 시편 고정지그(504)를 덮는 시편 커버(505)가 위치한다.
히터(503)는 크리프 시험 동안 챔버(502) 내부를 일정온도로 유지하기 위한 것이며 히터(503)에 연결된 전선(503a)은 챔버(502) 외부로 인출된다. 시편 커버(505)의 상부에는 시편에 접촉하여 하중을 가하는 펀치(506)가 위치한다. 펀치(506)는 시편 커버(505)의 중앙에 형성된 펀치홀(505a)를 통과하여 시편을 가압하게 된다.
한편, 챔버(502)는 챔버커버(507)와 내부커버(508)가 차례로 결합한다. 내부커버(508)에는 벨로우즈 하부플랜지(402b)와 벨로우즈 커버(401)의 커버플랜지(401a)가 각각 결합함으로써 하중 전달부(400)와 테스트 챔버(500)의 내부는 기밀이 유지된다. 챔버커버(507)와 내부커버(508)는 상기 샤프트(403)가 통과할 수 있도록 중앙에 관통홀이 형성되어 있으며, 샤프트(403)는 상기 관통홀을 통과하여 상기 펀치(506)를 가압하게 된다.
크리프 시험에 앞서 챔버(502) 일측에 형성된 진공홀(509)을 통하여 챔버(502)의 내부공기를 흡입함으로써 챔버(502) 내부를 진공 상태로 유지할 수 있다. 챔버(502)를 진공 상태로 유지함으로써 시편이 산화되는 것이 방지된다.
또한, 하부베이스(501)의 하부는 하부 플레이트(100)의 상부에 형성된 가이드지그(100a)에 치합될 수 있도록 형성되어 있어(도 1 참조), 하중 전달부(400) 및 테스트 챔버(500)를 정확히 로드부(300)에 위치할 수 있도록 안내한다.
상술한 본 발명의 스몰펀치형 크리프 시험기의 구동부(200) 및 테스트 챔버(500)의 히터(503) 및 진공상태는 제어부(미도시)를 통해서 조절된다. 사용자는 챔버(502) 내부에 시편을 안치하고 챔버(502)를 진공상태로 만든 후, 구동부(200)를 통하여 시편에 가해지는 하중량, 하중시간과 챔버 내부온도를 설정한 후 시험을 시작하게 된다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 하부 플레이트 200: 구동부
201: 몸체 210: 서보모터
213: 볼스크류 220: 가이드레일
300: 로드부 301: 너트부재
302: 볼스크류 플랜지 400: 하중 전달부
402: 벨로우즈 403: 샤프트
500: 테스트 챔버 502: 챔버
503: 히터 506: 펀치

Claims (9)

  1. 서보모터와 서보모터의 구동력에 의해 회전하는 볼스크류를 포함하는 구동부;
    상기 볼스크류와 나사결합함으로써 상기 볼스크류의 회전에 따라 수직방향으로 이동하는 로드부;
    상기 로드부의 하중을 시편에 전달하기 위한 샤프트와 상기 로드부의 하중이 해제되는 경우 상기 샤프트가 원위치로 복원될 수 있도록 복원력을 제공하는 벨로우즈를 포함하는 하중 전달부; 및
    상기 샤프트로부터 전달되는 하중으로 시편을 가압하는 펀치와 상기 펀치의 하부에 구비되며 시편이 안치되는 시편 고정지그와 상기 펀치 및 시편 고정지그가 삽입되는 챔버를 포함하는 테스트 챔버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스몰펀치형 크리프 시험기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 로드부의 수직방향 이동을 안내하는 가이드레일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스몰펀치형 크리프 시험기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 로드부는 상기 볼스크류에 나사결합하는 너트부재와 상기 너트부재가 내삽되어 고정되는 볼스크류 플랜지와 상기 볼스크류 플랜지에 연결되는 수평바 및 상기 수평바의 하부에 고정되는 로드셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 스몰펀치형 크리프 시험기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 로드부는 로드셀 하부에 교체 가능하게 고정되는 로드셀 하부지그를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스몰펀치형 크리프 시험기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 하중 전달부는 상기 샤프트의 상부에 형성되며 상기 로드셀 하부지그의 하강시 접촉하여 압력을 전달하는 벨로우즈 상부지그와 상기 벨로우즈 및 벨로우즈 상부지그를 밀폐시키기 위한 벨로우즈 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스몰펀치형 크리프 시험기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 벨로우즈 커버는 투명재질인 것을 특징으로 하는 스몰펀치형 크리프 시험기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 테스트 챔버는 상기 시편 고정지그를 감싸는 형태로 상기 챔버 내부에 설치되며 크리프 시험 동안 상기 시편의 온도를 일정하게 유지하기 위한 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스몰펀치형 크리프 시험기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는 상기 시편을 가압하는 동안 진공 상태가 유지되는 것을 특징으로 하는 스몰펀치형 크리프 시험기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 챔버에는 상기 챔버를 진공 상태로 만들기 위한 진공홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 스몰펀치형 크리프 시험기.

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