KR101280343B1 - 부식 피로 손상의 평가 방법 - Google Patents

부식 피로 손상의 평가 방법 Download PDF

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Abstract

금형의 내냉공(internal cooling hole)과 같은 각종 부재에 발생하는 부식 피로 손상을, 시험편을 사용하여 간편하게 재현하는 부식 피로 손상의 평가 방법을 제공한다. 내부에 형성된 공간에 부식 매체를 도입한 시험편의 표면에, 반복적으로 하중을 부가하고, 상기 하중을 부가한 후의 시험편의 내부 공간의 표면 및/또는 단면을 관찰하는 부식 피로 손상의 평가 방법이다. 금형의 재질로 이루어지는 소재편에, 상기 금형의 내냉공을 모방한 공간을 형성하고, 상기 공간에 상기 금형의 냉각 매체를 모방한 부식 매체를 도입한 시험편을 준비하고, 이 시험편의 표면에, 반복적으로 하중을 부가하고, 상기 하중을 부가한 후의 시험편의 공간의 표면 및/또는 단면을 관찰하는 부식 피로 손상의 평가 방법이다.

Description

부식 피로 손상의 평가 방법{METHOD FOR EVALUATING CORROSION FATIGUE DAMAGE}
본 발명은, 부식 환경 하에서 반복적으로 하중을 받으며 사용되는 부품에 대하여, 거기에 발생하는 부식 피로 손상을 시험편을 사용하여 간편하게 재현하여 평가하는 방법에 관한 것이다.
그리고, 특히 금형의 내냉공(內冷孔)에 발생하는 부식 피로 손상을 평가하기에, 최적인 상기 평가 방법에 관한 것이다.
종래, 일반 강재(鋼材) 등을 대상으로 하는 내응력(耐應力) 부식 균열성의 평가에는, 시험편을 부식조(腐食槽)에 침지하여 일정한 인장(引張) 하중을 부하하고, 그 파단(破斷)까지의 시간에 전술한 특성을 비교 평가하는 정하중(定荷重) 응력 부식 균열 시험 방법(비특허 문헌 1)이나, 예균열(豫龜裂)을 도입한 시험편에 볼트나 쐐기 등으로 균열면을 개구(開口)시키는 것과 같은 하중(Wedge Opening Loading: WOL)을 부하하여, 그 균열의 진전 속도나 균열이 진전하지 않게 되는 응력 확대 계수의 하한값(하한계 응력 확대 계수)을 구하여 비교하는 응력 부식 균열 표준 시험법(비특허 문헌 2) 등이 사용되었다. 이들 시험 방법은, 주로 해양 구조물이나 보다 더 내식성(耐蝕性)을 필요로 하는 구조물 등에 이용되는 일반 강재를 대상으로 하고 있으며, 일정 하중 상태에서의 시험이 되고 있다.
한편, 본 발명이 평가할 손상은, 부식 환경 하에서 반복적으로 하중을 받으면서 사용되는 부품 등(이하, 피로 부재라고도 함)에 발생하는 부식 피로 손상을 상정(想定)하고 있다. 즉, 다이캐스트 등의 금형 분야이면, 그 내냉공에 발생하는 균열(크랙) 부분에는, 전술한 부분이 공업용수 등의 냉각 매체에 노출된 상태에서, 금형을 사용하는 사이클마다 열응력이나 형체결력(型締結力), 주조(鑄造) 압력 등의 응력이 반복적으로 작용하여 생기는 손상의 형태, 이른바 부식 피로의 상황에서 생기는 형태이다. 따라서, 본 발명이 평가할 손상 형태가, 반복 응력이 많이 작용하는 "피로"라는 점에서는, 상기 비특허 문헌의 시험 방법으로는 정확한 상태를 재현할 수 없었다.
그래서, 금형의 수냉공부(水冷孔部)에서 발생하는 손상을 평가하는 방법으로서는, 내냉공에 통수(通水)한 시험편을 외부로부터 반복적으로 가열·냉각함으로써, 사용중인 금형의 실상을 보다 정확하게 재현하도록 한 시험 방법이 제안되어 있다(특허 문헌 1). 이 방법은, 열응력을 반복적으로 발생시킴으로써, 내냉공에 피로를 재현 가능하다는 점에서 우수한 것이다.
일본 특허출원 공개번호 2007-298467호 공보
JIS 핸드북(철강 I)「스테인레스강의 응력 부식 균열 시험 방법(JIS G0576)」, 2008년, p.880∼882 「응력 부식 균열 표준 시험법-일본 학술 진흥회 제129 위원회 기준」, 1985년 7월 25일 발행
특허 문헌 1에 개시된 시험 방법은, 피로 부재에 발생하는 피로 현상을 재현 가능한 점에서는 유리하다. 그러나, 부식 환경 하에 노출되는 부위(즉, 내냉공)에 대해서는, 상기 부위에 발생시키는 응력은, 그 내냉공 표면과 가열 표면과의 사이의 온도 분포에 의한 열응력만을 콘트롤하기 때문에, 발생시킬 수 있는 응력의 범위에는 한계가 있다. 또한, 가열·냉각사이클에 시간을 요하므로 가속 시험이 곤란하다. 즉, 금형의 경우라면, 실제로 사용되었을 때의 내냉공으로부터 균열이 발생하는 사이클수는 103회부터 105회 정도이며, 특허 문헌 1의 방법으로는, 이 재현 시험을 단기간에 실시할 수 없는 과제가 있다.
또한, 특허 문헌 1의 실시인 경우, 거기에는 상기 시험편 이외에, 시험편을 설치하는 시험기에 특별한 사양의 것을 준비하지 않으면 안된다. 이상은, 피로를 동반하는 내응력 부식 균열성의 신속하고 간편한 평가를 행할 때의 과제가 되어, 전술한 특성에 따른 부품의 재질적 문제를 조기에 해결하는데 있어서는, 많은 장애로 된다.
본 발명의 목적은, 전술한 과제를 감안하여, 발생시킬 수 있는 응력의 범위(실제 사용 조건의 재현성), 시험 시간 및 시험 장치의 문제를 해결함으로써, 실제 금형과 같은 피로 부재에 발생하는 부식 피로 손상을 시험편을 사용하여 간편하게 재현할 수 있는, 부식 피로 손상의 평가 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자는, 실제 사용중인 피로 부재에 발생하고 있는 반복 응력에 대하여 검토한 바에 의하면, 이들 응력 상황은, 종합적으로는, 시험편의 표면에 "기계적으로" 하중을 부가함으로써 재현 가능하다는 지견(知見)을 얻었다. 그리고, 이 지견을 기초로, 더욱 검토하여 본 발명에 도달하게 되었다.
즉, 본 발명은, 내부에 형성된 공간에 부식 매체를 도입한 시험편의 표면에, 반복 하중을 부가하고, 상기 하중을 부가한 후의 시험편의 내부 공간의 표면 및/또는 단면을 관찰하는 것을 특징으로 하는 부식 피로 손상의 평가 방법이다.
그리고, 상기 방법을, 금형 분야에서의 부식 피로 손상의 평가에 적용한 것이 바람직하다. 즉, 금형의 재질로 이루어지는 소재편(素材片)에, 상기 금형의 내냉공을 모방한 공간을 형성하고, 이 공간에 상기 금형의 냉각 매체를 모방한 부식 매체를 도입한 시험편을 준비하여, 이 시험편의 표면에, 반복적으로 하중을 부가하고, 상기 하중을 부가한 후의 시험편의 공간의 표면 및/또는 단면을 관찰하는 것을 특징으로 하는 부식 피로 손상의 평가 방법이다.
본 발명에 의하면, 부식 피로 손상의 평가 시험에 있어, 그 시험편으로의 발생 응력 범위의 광범위한 달성, 즉 실제 사용 조건의 재현성을 향상시킬 수 있다. 또한, 시험 시간의 단축 및 시험 장치의 제약도 비약적으로 달성 및 해결할 수 있다. 따라서, 피로 부재, 바람직하게는 금형의 내냉공에 발생하는 부식 피로 손상을, 시험편을 사용하여 간편하게 재현하기 위해 불가결한 기술이 된다.
도 1은 본 발명에 사용하는 시험편의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 사용하는 시험 방법의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 3은 시험편의 공간 표면에 발생한 응력 부식 균열을 나타내는 확대 사진으로서, 본 발명에 따른 관찰의 일례를 설명하는 것이다.
도 4는 도 3의 응력 부식 균열의 파면을 나타내는 주사형 전자 현미경 사진으로서, 본 발명에 따른 관찰의 일례를 설명하는 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 중요한 특징은, 실제 피로 부재에 발생하는 응력을, 그 시험편의 레벨이라고 하더라도 표면에 기계적으로 하중을 부가함으로써 재현할 수 있는 점에 있다. 그리고, 이 하중은, 본 발명에 있어서는 "반복 하중"이 되어야만 하며, 이는 임의의 반복 하중을 부하할 수 있는 기존의 시험기에서도 부여할 수 있으므로, 이것에 의한 평가 방법의 신속, 간편화를 달성한 것에도 특징이 있다. 이하, 본 발명의 평가 방법에 대하여, 그 구성 요건마다 설명한다.
(1) 내부에 형성된 공간에 부식 매체를 도입한 시험편으로 만든다.
본 발명에 필요한 부식 환경은, 종래의 「부식 분위기 중에 시험편을 설치하여 형성(즉, 시험편의 표면 측에 부식 환경을 형성)」하는 것이 아니라, 「시험편 중에 형성된 공간에 부식 매체를 도입하여 형성(즉, 시험편의 내부에 부식 환경을 형성)」하는 것이다. 따라서, 기존의 간편한 피로 시험기를 이용하여, 시험편의 표면으로부터 반복적으로 하중을 부가할 수 있다.
(2) 시험편의 표면에, 반복적으로 하중을 부가한다.
본 발명의 경우, 실제 피로 부재에 대해서, 거기에 열응력이 발생하도록 한 경우에도, 상기 응력은 기계적인 하중을 부가함으로써 재현 가능하므로, 시험편에 열응력을 반드시 도입할 필요가 있는 것은 아니다. 따라서, 피로 시험기에는, 열응력을 발생시키기 위한 가열 기구(機構)나, 그에 따른 냉각 기구와 같은 특별한 설비도 필요하지 않다. 따라서, 기존의 피로 시험기를 이용함으로써, 발생시킬 수 있는 응력의 제어 범위를 광범위하게 하고, 반복 하중의 사이클 타임도 단축할 수 있으므로, 신속하고 간편한 평가가 이루어질 수 있다.
(3) 상기 하중을 부가한 후의 시험편의 내부 공간의 표면 및/또는 단면을 관찰하는 부식 피로 손상의 평가 방법이다.
본 발명의 부식 피로 손상의 평가는, 통상적인 평가 항목에 더하여, 시험편에서의 균열의 유무나 진전 상황, 파괴의 유무, 그 때의 하중의 크기나 부하 횟수를, 부식 환경과의 대비에 의해 행하는 등, 응력 부식 균열의 평가에 관한 데이터 중 1종류 이상을 채취하는 것을 일컫는다.
그리고, 이 평가를 위해서는, 시험편의 내부 공간의 표면 및/또는 단면(예를 들면, 균열 발생면이나 파괴면도 포함함)의 관찰이 필요하다.
그리고, 전술한 본 발명의 평가 방법은, 그것을 금형의 내냉공에 발생하는 부식 피로 손상의 평가에 적용함으로써, 큰 효과를 발휘한다. 즉, 금형의 내냉공에 생기는 부식 피로 손상을 시험편을 사용하여 평가하는 방법으로서, 상기 금형의 재질과 상기 금형의 내부에 형성되는 내냉공과, 이 내냉공에 도입되는 냉각 매체 및 사용중인 상기 금형의 내부에 생기는 반복 응력은, 하기에 나타낸 구성 요건과 같다.
(4) 금형의 재질로 이루어지는 소재편에, 상기 금형의 내냉공을 모방한 공간을 형성하고, 이 공간에 상기 금형의 냉각 매체를 모방한 부식 매체를 도입한 시험편을 준비한다.
즉, 내부에 내냉공을 가진 실제 금형을, 그 부식 환경과 함께 모방 시험편을 작성하는 공정이다. 따라서, 시험편의 재질은, 그 실제 금형의 모방 시에는, JIS에 규정되는 각종 공구강이나 그 개량강으로 한정되지 않고, 다른 재질이라도 당연하게 적용될 수 있다. 그리고, 부식 매체에 대해서도, 그 실제 금형에 사용되는 냉각 매체의 양태에 따르면 되며, 시험 조건을 조작할 필요가 있으면, 종류나 농도 등을 상세하게 변경해도 된다. 그리고, 부식 매체는, 수증기나 미스트(mist), 또는 기체 등, 액체로 한정되는 것은 아니다.
(5) 이 시험편의 표면에, 반복적으로 하중을 부가하고, 상기 하중을 부가한 후의 시험편의 공간의 표면 및/또는 단면을 관찰한다.
시험편의 표면에 하중을 부가하는 본 발명에 있어서, 그 하중은, 사용중인 금형의 내부에 생기는 반복 응력에 상당한 하중인 것이 바람직하다. 상당한 하중은, 실제 사용중인 금형의 내부(즉 내냉공을 포함하는 부위)에 발생하고 있는 응력이, 그것을 모방한 시험편의 공간에도 발생할 수 있는 표면 하중을 일컫는다. 그리고, 이 표면 하중의 설정값은, 실제 금형 내부에 발생하는 응력값을 그대로 재현할 수 있는 것이며, 물론 그 외에도 가속 시험 등을 행하기 위한 조작값이라도 된다.
그리고, 금형을 상정한 경우라도, 본 발명의 평가 방법은 시험편에 열이 발생하지 않도록 할 수 있다. 이 경우, 시험편에 도입하는 부식 매체에는, 실제 금형에서는 필요한 "냉각 작용 바로 그 자체"는 필요하지 않다. 따라서, 실제 금형, 그리고, 특허 문헌 1의 평가 방법에서도 필요한 냉각 매체(또는 부식 매체)의 순환을 생략할 수 있고, 부식 매체를 시험편 내에 봉입(封入)할 수 있다. 이는 시험편 및 시험 장치의 구조를 더욱 간편하게 하며, 따라서, 기존의 피로 시험기를 이용하는 것도 가능하게 한다.
[실시예]
도 1은, 본 발명의 평가 방법에 제공되는 시험편의 일례를 나타낸 모식도이다. 이것은, 실제 다이캐스트 금형의 내냉공에 발생할 수 있는 부식 피로 손상을 재현 및 평가하기 위한 것이다. 시험편(1)은, 소재편(2)의 공간(3)의 내부에 하기의 부식 매체(5)를 양단(兩端)의 밀봉 마개(4)로 봉지(封止)하여 이루어진다. 소재편(2)의 사이즈는 외형 가로 15mm×세로 15mm×길이 60mm이며, 길이 방향으로 직경 약 10mm의 관통 구멍을 가로 세로 각각 15mm의 정방형의 중심에 형성한 것이다. 또한, 소재편(2)의 재질은, 본 실시예의 상정하는 실제 다이캐스트 금형과 마찬가지로, SKD61을 1030℃에서 담금질 처리하고, 템퍼링(tempering)하여 45HRC로 조질(調質)한 것이다. 소재편(2)의 공간(3)은, 실제 다이캐스트 금형의 내냉공에 상당하는 것이며, 냉각 매체를 모방한 부식 매체(5)로서 3.5%의 NaCl 수용액을 봉입하였다.
그리고, 도 2의 모식도에 따라서, 도시하지 않은 유압 서보 시험기를 사용하여, 2Hz의 사이클 스피드로 시험편(1)의 서로 마주보는 2개의 표면에 하중을 부하 했다. 이 때, 균열 발생의 유무는, 부하 시험의 도중에 정기적으로 시험편(1)을 시험 장치로부터 제거하여, 그 공간(3)의 표면을 현미경으로 관찰함으로써 확인하였다.
도 3은, 공간(3)의 표면에 약 800MPa의 인장 응력[최대 주응력(主應力)]이 작용하는 부하 시험에 있어서, 그 약 6만 사이클(총시험 시간 8시간 정도) 경과 후의 공간 표면에 발생한 균열을, 그 표면을 관찰한 확대 사진이다. 여기서, 공간의 표면에 발생하는 응력은, 컴퓨터를 이용한 유한 요소법(finite elements method)에서의 응력 해석에 의해 구하였다. 그리고, 이 균열 파면을 산출하여 관찰한 결과가, 도 4에 나타내는 주사형 전자 현미경 사진이다. 도 4에 따르면, 균열 파면은 부식을 동반한 입계(粒界) 파괴의 형태를 나타내고 있고, 이는 실제 금형에서 발생하는 내냉공 균열(응력 부식 균열)의 파면과 동일한 피로 손상 형태였다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명의 평가 방법은, 상기 실시예로 한정되지 않고, 시험편의 재질이나 치수를 임의로 변경할 수 있으며, 부식 매체도 수도물, 지하수, 공업용수 등 임의로 선택할 수 있다. 그리고, 전술한 부식 매체는, 실시예와 같이 봉입할 수 있으며, 도 1의 밀봉 마개(4)를 소정의 조인트(접속자)로 변경하고, 거기에 통수 장치를 접속하면, 유수(流水)시키거나 단속적으로 유수·냉각을 반복하면서, 냉각수로서도 순환시킬 수 있다.
또한, 시험편에 발생한 균열의 평가는, 그 내부 공간의 표면 및/또는 단면을 육안이나 현미경 등에 의해 관찰하여, 균열의 유무나 크기 등을 측정하는 것에 더하여, 초음파 탐상(探傷), 투과 X선, 자기 탐상 등으로도 균열을 검출할 수 있고, 이들 중 하나의 수단 이상을 병용할 수 있다. 그리고, 시험 후에는, 발생한 균열 부위를 파괴하여, 직접 그 크기를 측정할 수 있다.
1: 시험편 2: 소재편
3: 공간 3: 밀봉 마개
5: 부식 매체

Claims (2)

  1. 내부에 형성된 공간에 부식 매체를 도입한 시험편의 표면에, 반복적으로 하중을 부가하고, 상기 하중을 부가한 후의 시험편의 내부 공간의 표면 및/또는 단면을 관찰하는, 부식 피로 손상의 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    금형 재질로 이루어지는 소재편에, 상기 금형의 내냉공(內冷孔)을 모방한 공간을 형성하고, 상기 공간에 상기 금형의 냉각 매체를 모방한 부식 매체를 도입한 시험편을 준비하고, 상기 시험편의 표면에, 반복적으로 하중을 부가하고, 상기 하중을 부가한 후의 상기 시험편의 공간의 표면 및/또는 단면을 관찰하는, 피로 손상의 평가 방법.
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