KR102356466B1 - 용손 및 열피로 통합 시험장치 - Google Patents

용손 및 열피로 통합 시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명과 관련된 용손 및 열피로 통합 시험장치는, 용탕을 일정 온도로 가열할 수 있게 형성된 가열로 본체; 시편을 고정할 수 있게 형성된 홀더부; 상기 용탕에 시편을 투입시키거나 후퇴시키는 동작을 반복적으로 수행시킬 수 있게 구성된 상기 홀더부에 연결되는 시편 구동부; 및 상기 시편 구동부를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

용손 및 열피로 통합 시험장치{APPARATUS FOR INTEGRATED TESTING WEAR RESISTANCY AND THERMAL STRESS}
본 발명은 시편의 용손 및 열피로를 시험할 수 있는 장치에 관한 것이다.
다이캐스팅은 용탕을 금형 내에 고속, 고압으로 사출하여 단시간에 제품을 만드는 주조기술이다. 다이캐스트용 금형의 표면이나 금형 주조법에서의 주형의 표면은 고온의 용융금속과 접촉한 상태로 있다가 냉각된 후에는 제품으로부터 분리되는 과정을 거치게 된다. 이 과정에서 열피로와 함께 용손, 용착, 부식, 버닝 등을 겪게 된다. 다이캐스팅에서의 트러블은 단독으로 나타나거나 여러 현상이 중첩되어 발생하는 경우가 많다. 결과적으로 금형의 안정성을 서서히 떨어뜨려 수명을 단축시키며 제품의 결함을 증가시켜 생산성을 저해하는 요인으로 작용한다.
용손은 용탕 성분과 금형강 성분 사이의 화학반응에 의해 표면이 탈락하는 현상(melt-out)이다. 용손에 의해 발생된 금형 표면의 요철 등의 상태는 제품에도 그대로 전사되므로 제품의 결함을 만들게 된다. 용손에 의한 금형의 손상을 규명하는 것은 금형강의 열처리 및 표면처리의 개선 및 그에 따른 금형 수명의 증대와 다이캐스팅 품질의 향상을 위한 시작점이다. 그럼에도 불구하고 용손 특성의 평가를 위한 연구가 미미하며, 용손 특성을 시험하기 위한 장치에 대한 기술적인 제시도 없는 실정이다. 그러다 보니, 재료의 용손 및 열피로 측정을 위해 가열로에 용탕을 준비하고, 금속 시편을 넣고 일정 시간이 경과한 후(반복적인 투입이 없이) 용탕으로부터 빼고 물리량들을 측정하는 방식이 사용되었다.
* 관련 선행문헌
한국 공개특허 제10-0919044호 (2009.09.18 등록)
일본 공개특허 제2006-322808 (2006.11.30 공개)
본 발명의 목적은 다이캐스팅용 금형강 등과 같이 용손 및 열피로가 발생할 가능성이 높은 재료에 대하에 용손 및 열피로 특성을 통합하여 전문적으로 시험할 수 있는 장치를 제시하는데 있다.
본 발명과 관련된 용손 및 열피로 통합 시험장치는, 용탕을 일정 온도로 가열할 수 있게 형성된 가열로 본체; 시편을 고정할 수 있게 형성된 홀더부; 상기 용탕에 시편을 투입시키거나 후퇴시키는 동작을 반복적으로 수행시킬 수 있게 구성된 상기 홀더부에 연결되는 시편 구동부; 및 상기 시편 구동부를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 용손 및 열피로 통합 시험장치는, 상기 가열로에 부착되어 상기 용탕을 가열시킬 수 있게 형성된 히터; 및 상기 용탕의 온도를 측정할 수 있게 형성된 온도센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 온도센서의 측정값으로부터 설정된 용탕이 설정된 온도로 유지되도록 상기 히터의 동작을 제어하고, 상기 시편의 왕복 속도 및 간격을 제어할 수 있도록 상기 모터의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 용손 및 열피로 통합 시험장치는, 상기 시편의 후퇴시 상기 시편에 잔류하는 용탕을 제거할 수 있게 형성된 리테이너부를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 시편 구동부는, 상기 가열로 본체의 일측에 설치되는 모터부; 및 상기 모터부의 회전을 왕복운동으로 변환시켜 상기 홀더부를 이동시키는 변환기구부를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 변환기구부는, 상기 시편의 왕복 방향으로 배치된 가이드링크부; 상기 가이드링크부에 구속되어 이동되며, 상기 홀더부와 연결되는 슬라이드부; 일단이 상기 모터부에 연결되어 회전될 수 있게 형성되는 회전링크부; 및 일단은 상기 회전링크부의 타단에 연결되고 타단은 상기 슬라이드부에 연결되는 전달링크부를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 용손 및 열피로 통합 시험장치는, 상기 시편의 열피로를 측정할 수 있도록 상기 시편을 냉각 유체에 의해 냉각시킬 수 있게 구성된 냉각부를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 냉기 냉각부는, 상기 홀더부를 통해 유체를 순환시킬 수 있게 형성된 순환유로부; 및 상기 시편을 냉각시킬 수 있게 형성된 열전달 유로부를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 용손 및 열피로 통합 시험장치는, 상기 용탕에 투입될 수 있도록 실린더 형태의 인렛가이드; 및 상기 시편의 투입시 상기 시편에 압력을 제공할 수 있게 형성된 압력작용부를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 압력작용부는 그 가장자리가 상기 가열로 본체의 내주면에 접하며 상하이동 가능하게 형성되고, 자중에 의하여 상기 용탕에 압력을 가할 수 있게 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 가열로 본체는 상기 압력작용부의 하한 위치를 제한하는 제한턱을 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 시편은 원형 단면의 주면을 포함하고, 상면에 수직방향의 홈이 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 용손 및 열피로 통합 시험장치에 의하면, 용탕을 가열 유지시키는 가열로 본체에 대하여 시편을 시편 구동부에 의하여 반복적으로 용탕에 투입 및 후퇴시키는 동작을 수행시키는 것으로, 실제 사용환경에 부합하는 사이클을 반복시킴으로써 용손 및 열피로 특성의 정확한 측정이 가능하게 된다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 가열된 상태에서 시편이 급속히 냉각되도록 구성함으로써 열피로를 측정을 위한 온도를 실제의 다이캐스팅 환경에 부합하도록 제어할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 시편의 투입시 시편에 압력을 제공할 수 있게 형성된 압력작용부를 구성함으로써, 압력이 작용하는 상황에 보다 부합되게 시험장치를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명과 관련된 용손 및 열피로 통합 시험장치(100)를 개략적으로 보인 개념도이다.
도 2는 도 1의 용손 및 열피로 통합 시험장치(100)에서 시편(101)이 용탕에 접촉하는 것을 보인 작동 상태도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명과 관련된 변환기구부(160)의 일 예를 개략적으로 보인 단면도들이다.
도 5는 본 발명과 관련된 다른 일 예로서, 홀더부(231, 232)에 냉각부(270)가 설치된 용손 및 열피로 통합 시험장치를 보인 단면도들이다.
도 6은 본 발명과 관련된 또 다른 일 예로서, 시편에 압력이 작용할 수 있게 형성된 용손 및 열피로 통합 시험장치를 개념적으로 보인 도면들이다.
이하, 본 발명과 관련된 용손 및 열피로 통합 시험장치를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1에 의하면, 용손 및 열피로 통합 시험장치(100)는 용탕을 시험을 위한 일정 온도로 가열시킬 수 있도록 히터(120)를 갖는 가열로 본체(110)를 구비한다. 가열로 본체(110)는 내화 재료를 용기 형태로 형성한 것으로서, 시험 또는 설치시 용이한 취급을 위하여 이동형 대차나 바퀴 등을 구비할 수 있다. 히터(120)는 가열로 본체(110)의 측면이나 바닥면에 설치됨으로써 시험의 대상이 될 알루미늄, 마그네슘 등의 재료를 용융 온도로 가열시키거나 조업중인 실제의 다이캐스팅 온도에 맞게 유지시킬 수 있게 구성된다. 이러한 히터(120)는 전열선을 이용하거나 고주파 유도코일 등이 사용될 수 있다. 가열로 본체(110)에는 용탕의 온도를 체크할 수 있도록 온도센서(도시되지 않음)가 구비될 수 있다. 온도센서는 접촉식 또는 비접촉식이 사용되거나 이들 모두가 사용될 수 있다.
가열로 본체(110)의 상부에는 시편(101)을 고정하는 홀더부(130)가 시편 구동부(150)에 의하여 왕복 이동할 수 있게 설치되어 있다. 시편 구동부(150)에 의한 홀더부(130) 및 시편(101)의 주기나 속도, 온도센서를 통한 용탕의 온도 유지는 제어부에 의하여 제어되도록 구성된다.
시편(101)은 용손 측정의 대상이 되는 임의의 다이캐스팅이나 금형 주조(금속제 주형에 용탕을 주입하여 주물을 만드는 주조)용 강종을 가공하여 제작한다. 시편(101) 소재를 원봉상으로 가공한 형태이거나 임의의 단면형을 갖는 봉형태로 제작할 수 있다. 홀더부(130)와의 결합 및 후술하는 냉각부의 설치를 위하여, 시편(101)은 홀더부(130)가 삽입될 수 있도록 '凹' 자 형태의 종단면을 갖는 형태일 수 있다. 제작된 시편(101)은 홀더부(130)에 스크루(105) 등에 의하여 체결될 수 있다.
시편(101)은 시편 구동부(150)에 의하여 하강하여 용탕(M)에 투입된 후 일정 시간이 경과하면 다시 시편 구동부(150)에 의하여 용탕(M)으로부터 후퇴되어 상승할 수 있게 구성된다. 시편(101)이 용탕(M)으로부터 나와 후퇴할 때 시편(101)의 주면에 잔류하는 용탕을 제거할 수 있도록 용탕(M)의 상측에는 리테이너부(140)가 배치될 수 있다. 이러한 리테이너부(140)는 용탕(M)이 제거될 수 있도록 하면서도 시편(101)이 이동하는 과정에서 리테이너부(140)에 의하여 표면이 손상되는 것을 방지할 수 있게 형성된다. 일 예로서, 리테이너부(140)는 시편(101)에 대하여 직접 접촉이 거의 이루어지지 않은 상태가 될 수 있도록 충분히 작은 틈새를 갖도록 형상 및 구조가 설정될 수 있다. 다른 예로서, 리테이너부(140)는 시편(101)에 접하는 부위에 시편(101)과의 간격을 일정하게 유지시키기 위한 롤러 또는 바퀴가 구비될 수 있다. 또 다른 예로서, 리테이너부(140)는 용탕(M)보다 높은 융점을 갖는 브러시를 구비할 수도 있다.
시편 구동부(150)는 가열로 본체(110)의 일측에 설치되는 모터부(151)와, 모터부(151)의 회전을 왕복운동으로 변환시켜 홀더부(130)를 이동시키는 변환기구부(160)를 갖는 형태로 되어 있다. 가열로 본체(110), 시편 구동부(150) 및 사용자 인터페이스(입·출력부를 포함한다)는 일체화되어 하나의 장치로 구성될 수도 있다.
도 1은 시편(101)이 용탕(M)에 투입되기 전의 상태이고, 도 2는 시편(101)이 용탕(M)으로부터 후퇴되어 상승한 상태이다. 제어부는 히터(120)의 동작을 제어하여 용탕(M)을 설정된 온도로 유지하도록 하는 한편, 시편 구동부(150)를 제어하여 시편(101)이 용탕(M)에 대하여 설정된 횟수(예: 10만 회)만큼 반복하여 투입 및 후퇴되도록 할 수 있다. 도 1 및 도 2는 하나의 시편(101) 및 홀더부(130)가 설치된 것을 보이고 있으나, 한꺼번에 복수의 시편을 반복 왕복시킬 수 있게 구성할 수도 있다. 이 경우, 설정된 사이클을 수행하는 일련의 시편(예를 들어 열처리나 표면처리의 정도를 달리 하는 복수의 조합을 말한다)들을 한꺼번에 테스트할 수 있게 되어 측정의 신뢰성을 높이고 다량의 측정을 가능하게 한다.
기설정된 온도의 용탕(M)에 반복횟수(실제로 다이캐스팅이 이루어지는 정도의 반복횟수)만큼 왕복투입이 완료된 시편(101)은 홀더부(130)로부터 분리하여 물리량을 측정한다. 측정된 각 시편(101)의 용손 및 열피로와 관련된 물리량은 1차적인 데이터를 이루게 되며, 상호 비교를 통하거나 미리 보관된 라이브러리와의 대조를 통하여 면밀하게 연구되고 규명될 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명과 관련된 변환기구부(160)의 일 예를 개략적으로 보인 것으로, 변환기구부(160)는 모터부(151)의 회전축(162)으로부터 전달된 회전력을 시편(101) 및 홀더부(130)의 직선왕복 운동으로 변환시킨다.
이들 도면에 의하면, 변환기구부(160)는 하우징(168) 내에 몇 가지의 링크 기구를 포함하고 있다. 즉, 변환기구부(160)는 시편(101)의 왕복 방향으로 배치된 가이드링크부(161)와, 가이드링크부(161)에 구속되어 이동되며 홀더부(130)와 연결되는 슬라이드부(163)와, 일단이 모터부(151)의 회전축(162)에 연결되어 회전될 수 있게 형성된 회전링크부(164)와, 일단은 회전링크부(164)의 타단에 연결되고 그 타단은 슬라이드부(163)에 연결되는 전달링크부(165)로 구성되어 있다.
도 3과 같이, 회전축(162)에 연결된 회전링크부(164)가 시계방향으로 회전될 때, 6시 방향을 통과한 이후 회전링크부(164)에 연결되어 있는 전달링크부(165)는 상승하게 되고 그에 따라 슬라이드부(163) 및 슬라이드부(163)에 연결된 홀더부(130)와 시편(101)도 함께 위로 올라가게 된다. 반대로, 도 4와 같이, 회전링크부(164)가 12시 방향을 통과한 이후 회전링크부(164)에 연결되어 있는 전달링크부(165)는 하강하게 되고 그에 따라 슬라이드부(163) 및 슬라이드부(163)에 연결된 홀더부(130)와 시편(101)도 함께 하방으로 내력가게 된다. 이러한 변환기구부(160)의 작용에 의하여 홀더부(130) 및 시편(101)은 반복적인 승강 이동을 하게 된다. 도 3 및 도 4에 제시되어 있는 변환기구부(160) 외에도 홀더부(130)와 시편(101)을 왕복할 수 있는 다른 형태의 링크 구조나 이송메커니즘이 사용될 수 있으며, 하강이나 상승시 속도를 균일하게 유지시킬 수 있는 형태도 가능하다.
도 1 내지 도 4는 홀더부(130) 및 시편(101)이 시편 구동부(150)에 의하여 상하로 이동되고 용탕(M)을 담고 있는 가열로 본체(110)가 정지되어 있는 것을 보이고 있으나, 이와 달리 용탕(M)을 담고 있는 밀폐된 용기의 내부에서 시편(101)을 설치하고 용기를 회전시키거나 왕복 구동시킴으로써 시편의 용탕에 대한 투입과 후퇴를 반복적으로 할 수 있도록 구성하는 것도 가능하다.
또한, 도 1 내지 도 4의 장치 내에서 시편(101)의 용탕(M)에 대한 투입 전에 이형제를 도포하도록 하여 다이캐스팅이 이루어지는 실제 모습과 유사하게 운용할 수도 있다.
도 5는 본 발명과 관련된 다른 일 예로서, 홀더부(231, 232)에 냉각부(270)가 설치된 용손 및 열피로 통합 시험장치를 보인 단면도들이다. 본 예에서는 시편(201)에 가해지는 열피로를 보다 실제 사용 환경에 부합시켜 측정할 수 있도록 시편(201)을 냉각 유체에 의해 냉각시킬 수 있게 구성된 냉각부(270)가 설치된 것을 보인다. 냉각부(270)는 홀더부(231, 232)를 통해 유체를 순환시킬 수 있게 형성된 순환유로부(271)와, 시편(201)을 냉각시킬 수 있게 형성된 열전달 유로부(272)를 포함하는 형태일 수 있다. 이때, 제작의 편의성을 고려하여 홀더부(231, 232)는 순환유로부(271)가 형성된 제1홀더부(231)와, 열전달 유로부(272)가 형성된 제2홀더부(232)의 결합 형태로 구성될 수 있다. 열전달 유로부(272)는 열전달 효과를 증대시킬 수 있도록 코일 형태로 형성될 수 있다. 도 5(a)와 같이, 시편(201)은 원형 단면의 주면을 포함하는 형태로서 상면에 수직방향의 홈(202)이 형성될 수 있으며, 홈(202)에 냉각부(270)를 갖는 홀더부(231, 232)가 삽입될 수 있게 구성된다. 홀더부(231, 232)가 홈(202)에 삽입되면 시편(201)에 형성된 체결홀(203)을 통하여 스크루(205)를 체결하여 고정한다.
이와 같이 냉각부(270)를 갖는 홀더부(231, 232) 및 시편(201)을 통하여, 용탕(M)에 접촉하는 시편(201)의 표면이 받는 용손 및 열피로에 의한 복합 효과를 실제 작업환경과 근접하게 만들 수 있고 측정 결과의 신뢰성도 높일 수 있다.
도 6은 본 발명과 관련된 또 다른 일 예로서, 시편에 압력이 작용할 수 있게 형성된 용손 및 열피로 통합 시험장치를 개념적으로 보인 도면들이다. 본 예에서는 인렛가이드(391)와 압력작용부(392)를 갖는 용손 및 열피로 통합 시험장치(300)를 구성하였다. 즉, 용탕(M)에 시편(201)이 안내되어 투입될 수 있도록 인렛가이드(391)가 구비되어 있으며, 압력작용부(392)는 그 가장자리가 가열로 본체(310)의 내주면에 접하며 상하이동 가능하게 형성되고 자중에 의하여 용탕(M)에 압력을 가할 수 있게 형성되어 있다. 이때, 압력작용부(392)의 무게는 실제 다이캐스팅 시 가해지는 압력을 발휘하는 정도일 수 있다. 가열로 본체(310)의 내주면에는 압력작용부(392)의 하한 위치를 제한하는 제한턱(395)을 배치함으로써 시편(301)이 상승한 상태에서 압력작용부(392)가 하한 위치에서 유지되도록 할 수 있다.
이상에서 설명한 용손 및 열피로 통합 시험장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되지 않는다. 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
100: 용손 및 열피로 통합 시험장치 101: 시편
105: 스크루 110: 가열로 본체
120: 히터 130: 홀더부
140: 리테이너부 ` 150: 시편 구동부
151: 모터부 160: 변환기구부
161: 가이드링크부 162: 회전축
163: 슬라이드부 164: 회전링크부
165: 전달링크부 168: 하우징
270: 냉각부 271: 순환유로부
272: 열전달 유로부 391: 인렛가이드
392: 압력작용부 395: 제한턱

Claims (12)

  1. 용탕을 일정 온도로 가열할 수 있게 형성된 가열로 본체;
    시편을 고정할 수 있게 형성된 홀더부;
    상기 용탕에 시편을 투입시키거나 상기 용탕으로부터 후퇴시키는 동작을 반복적으로 수행시킬 수 있게 구성된 상기 홀더부에 연결되는 시편 구동부;
    상기 시편의 후퇴시 상기 시편에 잔류하는 용탕을 제거할 수 있게 형성된 리테이너부; 및
    상기 시편 구동부를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 시편 구동부는,
    상기 가열로 본체의 일측에 설치되는 모터부; 및
    상기 모터부의 회전을 직선 왕복운동으로 변환시켜 상기 홀더부를 이동시키는 변환기구부를 포함하는, 용손 및 열피로 통합 시험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열로에 부착되어 상기 용탕을 가열시킬 수 있게 형성된 히터; 및
    상기 용탕의 온도를 측정할 수 있게 형성된 온도센서를 더 포함하는, 용손 및 열피로 통합 시험장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 온도센서의 측정값으로부터 설정된 용탕이 설정된 온도로 유지되도록 상기 히터의 동작을 제어하고,
    상기 시편의 왕복 속도 및 간격을 제어할 수 있도록 상기 모터부의 동작을 제어하도록 구성된, 용손 및 열피로 통합 시험장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 변환기구부는,
    상기 시편의 왕복 방향으로 배치된 가이드링크부;
    상기 가이드링크부에 구속되어 이동되며, 상기 홀더부와 연결되는 슬라이드부;
    일단이 상기 모터부에 연결되어 회전될 수 있게 형성되는 회전링크부;
    일단은 상기 회전링크부의 타단에 연결되고 타단은 상기 슬라이드부에 연결되는 전달링크부를 포함하는, 용손 및 열피로 통합 시험장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 시편의 열피로를 측정할 수 있도록 상기 시편을 냉각 유체에 의해 냉각시킬 수 있게 구성된 냉각부를 더 포함하는 용손 및 열피로 통합 시험장치.
  8. 제7항에 있어서,
    냉기 냉각부는 상기 홀더부를 통해 유체를 순환시킬 수 있게 형성된 순환유로부; 및
    상기 시편을 냉각시킬 수 있게 형성된 열전달 유로부를 포함하는, 용손 및 열피로 통합 시험장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 용탕에 투입될 수 있도록 실린더 형태의 인렛가이드; 및
    상기 시편의 투입시 상기 시편에 압력을 제공할 수 있게 형성된 압력작용부를 더 포함하는, 용손 및 열피로 통합 시험장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 압력작용부는 그 가장자리가 상기 가열로 본체의 내주면에 접하며 상하이동 가능하게 형성되고, 자중에 의하여 상기 용탕에 압력을 가할 수 있게 형성된, 용손 및 열피로 통합 시험장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가열로 본체는 상기 압력작용부의 하한 위치를 제한하는 제한턱을 더 포함하는, 용손 및 열피로 통합 시험장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 시편은 원형 단면의 주면을 포함하고, 상면에 수직방향의 홈이 형성된, 용손 및 열피로 통합 시험장치.

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