KR20080053491A - 자성 바크하우젠 노이즈에 의거하여 산출한 경도에 근거한주철제 부품의 취급 방법 - Google Patents

자성 바크하우젠 노이즈에 의거하여 산출한 경도에 근거한주철제 부품의 취급 방법 Download PDF

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안데르스 팁블린
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스카니아 씨브이 악티에볼라그
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Abstract

본 발명에 있어서의 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 주철제 부품을 취급하는 방법은, 주철제 부품의 적어도 1개소의 표면 상에서 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터를 측정하는 단계와, 상기 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터에 의거하여 주철제 부품의 재료의 경도를 산출하는 단계와, 상기 산출된 경도가 허용 경도 범위 내에 있는지 여부를 결정하는 단계를 포함한다.
차량, 엔진, 주철, 회주철, 부품, 경도, 바크하우젠 노이즈, 품질

Description

자성 바크하우젠 노이즈에 의거하여 산출한 경도에 근거한 주철제 부품의 취급 방법{METHOD FOR HANDLING A CAST IRON COMPONENT BASED ON ESTIMATING HARDNESS BY MAGNETIC BARKHAUSEN NOISE}
본 발명은 차량 및/또는 엔진에 사용하기에 적합한 주철제 부품(component)을 취급하는 방법에 관한 것이다.
승용차 또는 트럭과 같은 차량 및/또는 차량용 엔진을 을 제작할 때, 여러 가지 부품들이 조립되어 완성차가 된다. 완성차의 기능과 품질을 보장하기 위해, 일부 부품들에 대해서 일례로 치수, 재료 품질 등과 관련한 시험을 조립 전에 하는 것이 바람직할 때가 있다. 그 부품들에 대해 수행되는 시험은 비파괴 시험이어야 하는 것이 바람직한데, 그 이유는 만일 시험을 그와 같은 방식으로 하지 않게 되면 그 시험 자체에 의해 부품들이 파괴되거나 열화될 수 있기 때문이다. 그러나 비파괴 시험은 항상 가능한 것은 아니다.
재료의 여러 가지 특성, 일례로 경도를 시험하기 위한 한 가지 비파괴 시험 방법으로는 자성 바크하우젠 노이즈 방법(magnetic Barkhausen noise method)이 있다. 이 시험 방법은 강자성 재료 위에 이 재료가 자화될 수 있도록 가변 자기장을 인가시키는 단계를 포함한다. 상기 강자성 재료 내의 자구(magnetic domain)는 자 화 중에 방위가 바뀌게 되고 그에 따라 그 자구는 서서히 인가 자장과 정렬되게 된다. 자구는 바람직한 방위로 배향된 자구가 이보다 덜 바람직한 방위로 배향된 자구의 희생에 의해 성장하도록 하는 소위 블로호-벽(Bloch-wall)들의 운동을 통해서 바뀐다. 블로호-벽들에는, 일례로 이들이 전위(dislocation) 또는 입계에 이르게 된 때에, 결함부에 의해 핀이 형성되게 되고, 그에 따라 자구의 성장은 급작스럽게 중지하게 된다. 인가 자장을 더 증가시키게 되면 블로호-벽은 장해물을 극복하여서, 다음 결함부에 이르기 전까지는 신속하게 움직인다. 따라서 재료의 자화가 소수의 단계에서 일어나게 되는데, 이는 당해 기술 분야에 바크하우젠 노이즈(Barkhausen noise)로 알려져 있다. 재료의 경도와 바크하우젠 노이즈는 재료 내의 다수의 결함부와 상관 관계가 있기 때문에, 바크하우젠 노이즈에 근거하면 경도 및 다른 재료 특성도 산출할 수 있다.
미국 특허 제5,619,135호 공보에는 바크하우젠 노이즈를 이용하여 강의 경도를 비파괴 측정하기 위한 측정 장치에 대하여 개시되어 있다. 상기 측정 장치에서는, 바크하우젠 신호로부터 비월 합계율 최초 순간(jump sum rate first moment)을 계산하고 이어서 상기 비월 합계율 최초 순간에서 출발하여 재료 특성을 계산한다.
국제 특허 공개 WO 2004/021024 A1호에는 강 내의 경도 침투(hardness penetration)를 결정하는 장치에 대해 개시되어 있다. 이 장치는 주파수를 1 내지 200 Hz 범위에서 가변시키면서 자장을 인가하는 바크하우젠 노이즈 센서를 포함한다. 인가 자장의 주파수의 여하에 따라서, 자화는 재료 내의 각기 다른 깊이에 도달한다. 이 장치는 각기 다른 주파수에서 얻어진 바크하우젠 노이즈 신호들을 비교 하는 수단과, 상기 각기 다른 신호들에서 출발하여 경도 침투의 깊이를 계산하는 수단을 포함한다.
미국 특허 제4,881,030호에는 경화된 영역에서의 인장 응력을 측정하는 방법 및 장치에 대해 개시되어 있다. 이 방법은 터빈 블레이드의 내부 응력을 분석할 목적으로 터빈 블레이드에 사용된다.
상기 여러 예의 장치에서처럼 바크하우젠 노이즈 방법은 강에 용이하게 적용시킬 수 있다. 강은 비교적 균일한 입자 크기를 가지며 탄소 함량이 낮기 때문에 강을 바크하우젠 노이즈 방법으로 측정하는 것은 용이하다. 그러나 입자 크기의 변동 폭이 크거나 그리고/또는 탄소 및/또는 합금 원소의 함량이 높은 재료의 특성을 측정하기 위해 바크하우젠 노이즈 방법을 사용할 때에는 양호한 상관성을 얻기가 더욱 더 어렵다.
바크하우젠 노이즈 방법으로 측정하기 어려운 재료 중 하나는 주철인데, 그 이유는 입자 크기의 변동 폭이 크고 합금 재로 및 탄소의 함량이 높기 때문이다. 따라서 차량에 사용하기 위한 주철을 가지고 만들어진 부품 및 부품들에 대해서는 아직까지는 조립 전에 그 경도와 관련한 시험을 행한 적이 없었는데, 그 이유는 적절한 결과를 보여줄 것으로 생각되는 이용 가능한 실용상의 비파괴 검사법이 없었기 때문이다. 사실상, 차량이나 엔진에 사용하기 위한 주철제 부품의 경도를 조립하기 전에 비파괴 시험할 수 있게 하는 방법이 필요하다고 하는 것은 오래전부터 줄곧 인지되어왔다.
본 발명의 한 가지 목적은 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 주철제 부품의 취급을 향상시키는 데 있다. 본 발명의 다른 목적은 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 주철제 부품을 취급하는 장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 주철제 부품을 취급하는 향상된 방법의 용도를 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적은 특허청구범위의 청구항 제1항에 정의된 방법, 청구항 제9항에 정의된 장치, 그리고 청구항 제10항에 정의된 방법의 용도에 의해 달성된다.
주철에 대한 바크하우젠 노이즈 측정으로부터 정확한 결과를 얻기 어려운 경우라 해도, 본 발명의 방법은, 측정된 부품의 경도가 차량 또는 엔진의 부품으로 사용하는 목적에 따른 허용 가능한 범위 내에 있는지 여부를 결정하는 데 있어 충분한 정확도를 갖는다는 사실을 여실히 보여주게 되었다. 또한, 바크하우젠 노이즈의 측정은 부품 상의 측정이 행해지는 위치에 의해 적어도 부분적으로 영향을 받는다는 점도 여실히 밝혀지게 되었다. 경도를 산출할 때에 향상된 정확도를 제공하는 위치에서 바크하우젠 노이즈를 측정함으로써, 바크하우젠 노이즈 방법은 차량에 사용하기 위한 부품을 취급할 때에 사용함에 있어 충분히 개선될 수 있다. 부품 상의 개선된 측정 위치는, 한 위치에서 측정된 바크하우젠 노이즈로부터 산출된 경도와 비파괴 방법으로 측정된 경도를 서로 비교하는 단계를 포함하는 시험에 의해 쉽게 찾아낼 수 있다.
따라서 산출된 경도가 범위를 벗어난 값을 갖게 되어 불량품이 될 법 한 주철제 부품은 일례로 재가공되거나, 혹은 또 다른 더 신뢰성 있는 측정 방법으로 측정되거나, 아니면 불량품으로 폐기된다. 따라서, 바크하우젠 노이즈 방법은 비파괴적이고 사용하기에 신속하고 용이하므로 차량의 품질을 더욱 낮은 불량률로 향상시킬 수 있고 부품의 측정 비용도 감소될 수 있다.
바크하우젠 노이즈 방법은 수행하는 데에 단지 수 초 걸릴 뿐이어서, 본 발명의 방법은 각 작업에서 제한된 시간을 사용해야 하는 생산 라인에 사용하기에 아주 적합하다. 따라서 본 발명의 방법은 센서 및/또는 구성 요소를 경도의 자동 산출을 위해 이동, 접촉시키는 시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 방법은 또한 부품을 합격 그룹으로 분류하는 단계도 포함한다. 본 발명의 방법은 상기 합격된 부품을 차량 또는 엔진에 조립하는 단계도 포함한다. 부품 공급업체로부터의 납품을 받아들이기 전이나, 부품에 대해 추가 가공을 수행하기 전이나, 혹은 부품을 차량에 조립하기 전에 부품을 측정함으로써, 부품이 적절한 경도를 갖는 것이 보장된다. 너무 경성인 부품은 균열의 위험에 놓이는 경향이 있고, 반면에 너무 연성인 부품은 사용 중에 그 부품에 작용하는 힘을 견뎌내지 못할 수 있어서, 마모, 굽힘 또는 피로로 인해 고장이 발생하게 된다.
부품(component)이라는 용어는 본 명세서에서는 재료 블랭크, 반가공 부품, 완가공 부품, 또는 최종 모듈을 포함하는 것으로서 사용된다. 자성 바크하우젠 노이즈의 파라미터들은, 다른 여러 가지의 것들 중에서도, 바크하우젠 노이즈 신호의 피크 레벨(peak level), 바크하우젠 노이즈 신호의 피크 위치, 바크하우젠 노이즈 신호의 전체 폭의 절반 최대치(full-width half maximum), 상기 신호의 제곱 평균 제곱근(root mean square), 상기 신호의 적분, 또는 상기 신호의 변분(variation)과 같은 파라미터들을 포함한다. 일 실시예에서, 경도는 상기 피크 레벨, 피크 위치, 전체 폭의 절반 최대치, 제곱 평균 제곱근에 의거하여 산출되지만, 이보다 적거나 혹은 많은 파라미터가 사용될 수도 있다. 산출된 경도의 측정 단위는 비커스(Vickers) 경도와 같은 임의의 경도 측정 방법에 의해 한정될 수 있다. 본 명세서에서는, 브린넬(Brinell) 경도 단위가 사용되는데, 산출된 경도에 대비되는 실측 값들이 주어지는 경우 그 값들은 직경이 2.5mm인 볼을 187.5Kg의 하중력을 이용하여 측정된 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명의 방법은 부품의 표면의 기계 가공 부분 상에서 적어도 하나의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터를 측정하는 단계를 포함한다. 각기 다른 표면 조도는 부품을 바크하우젠 노이즈 방법으로 측정한 결과에 대해 깊은 영향을 미친다는 점을 발견하였다. 기계 가공된 표면에서 측정함으로써 각기 다른 부품에 있어서의 각기 다른 표면 조도로 인한 영향은 감소되어서, 더욱 나아진 상관성을 제공하게 되어, 바크하우젠 노이즈 신호를 가지고 산출한 경도와 부품의 실측 경도 사이의 통계적 편차가 더욱 줄어들게 된다. 상관성이 증가하고 부품의 산출된 경도와 실측 경도 사이의 표준 편차가 감소함으로 인해, 부품이 차량에 사용하기에 적합한지를 판단하는 확률이 향상된다. 또한, 허용되는 경도 범위의 확장을 가능하게 하고 그에 따라 문제 없이 실제로 사용될 수 있는 부품의 불합격 확률이 감소된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은 0 내지 5㎛ 범위의 산술 표면 조도를 갖는 부품의 표면의 일 부분 상에서 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터를 측정하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터는 0.5 내지 3㎛ 범위의 산술 평균 조도를, 가장 바람직하기로는 1 내지 2㎛ 범위의 산술 평균 조도를 갖는 표면 부분에서 측정된다. 바람직하기로는, 상기 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터는 3㎛보다 작은 범위, 바람직하기로는 2㎛보다 작은 범위, 더욱 바람직하기로는 1㎛보다 작은 범위의 산술 평균 조도를 갖는 표면 부분에서 측정된다. 따라서 각기 다른 부품들에 대한 상기 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터의 측정 및 경도 산출은 표면 조도의 차이에 덜 영향을 받는다. 그에 따라, 표준 편차가 감소하고, 부품의 허용된 산출 경도 범위가 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은 60Hz 이하의 주파수, 바람직하기로는 25Hz 이하의 주파수, 더 바람직하기로는 2Hz 이하의 주파수, 더욱 바람직하기로는 1Hz 이하의 주파수로 가변되는 인가 자기장을 이용하여 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터를 측정하는 단계를 포함한다. 따라서, 바크하우젠 노이즈는 재료의 더 깊은 레벨에서 측정되는데, 이에 의해 부품의 큰 샘플 체적에 걸쳐서 바크하우젠 노이즈 신호를 평균할 수 있게 되고, 게다가 부품의 실측 경도와 산출된 경도 간의 표준 편차가 감소되게 되고 상관성은 증가되게 된다. 이는 또한 표면으로부터의 영향도 감소시키게 된다. 차량 또는 엔진에 사용되는 부품에 있어서, 부품의 내측의 경도는 부품의 외측의 경도만큼이나 중요하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은 자성 바크하우젠 센서를 가지고 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터를 측정하고, 상기 센서를 스프링을 사용하여 표면에 적용하는 단계도 포함한다. 일 실시예에서, 상기 스프링은 사전에 장력 부여된 것으로 센서 프로브 내측에 위치된다. 자력의 전달은 부품과 센서 간의 접촉 성질에 의해 영향을 받는다. 센서를 표면 쪽으로 가압하는 스프링을 사용하게 되면, 센서의 프로브는 상기 표면과 관련되어서 이동하되 상기 센서와 표면 간의 접촉 상태의 질이 아주 높은 위치로 이동하게 되어, 더 나은 상관성과 더 작은 표준 편차가 보장될 수 있게 된다.
본 발명의 방법은 또한 센서를 규정된 힘에서 20% 미만으로 벗어난 힘으로 표면 쪽으로 가압하는 단계도 포함한다. 일 실시예에서 상기 힘은 규정된 힘에서 10% 미만으로 벗어난 것이다. 센서를 표면 위에 힘으로 가할 때에, 재료 내에 인장력이 발생된다. 바크하우젠 노이즈는 위와 같은 재료 내의 인장력에 의해 영향을 받으므로, 센서가 규정된 힘으로 가해지는 경우에는 측정치의 표준 편차가 감소될 수 있다. 더욱이 센서와 부품 간의 자성 접촉 상태의 질은 더욱 규격에 맞게 되어, 표준 편차가 더 감소되게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은 주철제 부품의 재료 내의 잔류 인장을 바크하우젠 노이즈 파라미터에 의거하여 산출하는 단계를 포함한다. 상기 잔류 인장은 또한 내구성을 돕는 압축력과 내구성을 악화시키는 인장력에 의해 부품의 성능에 영향을 준다. 따라서 잔류 인장을 측정하고 감안하게 되면 차량 또는 엔진의 품질을 증가시킬 수 있게 된다. 본 발명의 방법은 또한 산출된 잔류 인장이 허용 범위 이내에 있는지 여부를 결정하는 단계도 포함한다. 본 발명의 방법은 또한 산출된 경도와 잔류 인장이 경도와 잔류 인장의 허용된 조합 공간 범위 내에 있는지 여부를 결정하는 단계도 포함하는데, 부품의 품질은 상기한 바와 같은 것들의 조합에 그 근거를 두기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은 표면의 적어도 2 개소 부분들에서 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터를 측정하고, 상기 적어도 2 개소 부분들에 대한 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터의 평균치에 의거하여 부품 내의 재료의 경도를 산출하는 단계를 포함한다. 본 발명의 방법은 또한 부품의 적어도 3 개소 부분들에서 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터를 측정하고 이들의 평균치에 의거하여 경도를 산출하는 단계를 포함한다. 평균치를 사용하게 되면 측정의 표준 편차가 감소하게 되어, 저품질의 구성을 배제시킬 수 있는 확률이 더 양호하게 마련된다. 더욱이, 계산된 경도의 허용 범위의 허용도가 증가될 수 있기 때문에 더 많은 수의 부품들이 합격될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 부품은 주철제 실린더 라이너이다. 실린더 라이너는 엔진의 연소실 내측을 덮는 것인데, 특히 디젤 엔진에 있어서는 적대적인 환경 하에 놓이게 된다. 실린더 라이너는 마모와 피로 모두를 견뎌내야 한다. 따라서 실린더 라이너의 경도는 긴 사용 수명을 달성하는 데 있어 아주 중요한 것이다. 더욱이, 실린더 라이너의 표면은 기계 가공되는데, 그에 따라 바크하우젠 노이즈 측정을 위한 양호한 표면을 구성한다. 산출된 경도의 허용 범위는 실린더 라이너의 재료 여하에 따라 150 내지 500 HBW 범위 내에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 부품은 회주철로 만들어진 것이다. 일 실시예에서, 회주철제 부품은 엔진 블록 또는 실린더 헤드이다. 또 다른 양호한 실시예에서, 상기 부품은 회주철제 실린더 라이더를 포함한다. 회주철은 금속 기지(metal matrix) 내에 개재(介在)된 흑연 박편들을 포함하기 때문에 자성 바크하우젠 노이즈를 이용하여 회주철을 측정하는 것은 특히 어렵다. 본 발명에 의하게 되면 바크하우젠 노이즈 방법은 경도의 허용 범위를 결정함으로써 여전히 사용될 수 있음이 여실히 밝혀졌다. 회주철제 실린더 라이너에 있어서의 바람직한 경도 범위는 180 내지 300 HBW, 더 바람직하기로는 240 내지 290 HBW, 가장 바람직하기로는 250 내지 280 HBW에 있는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은 실린더 라이너의 동일 원주에 위치된 표면의 적어도 2개소 부분에서 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터를 측정하는 단계를 포함한다. 상기 실린더 라이너는 그 형상이 원통형이고, 선반에서 그 실린더 라이너를 그의 길이 방향 축을 중심으로 해서 회전시키면서 기계 가공되는 것이다. 동일 원주 상에서 측정함으로써, 각기 다른 기계 가공으로 인한 편차를 결과에 덜 영향 미치게 할 수 있다. 일 실시예에서는, 각기 다른 기계 가공에 따른 영향을 줄이기 위해서, 각기 다른 실린더 라이너들을 그 실린더 라이너들의 길이 방향에 대한 동일 위치에서 측정한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 경도는 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈의 선형 함수로서 산출된다. 일 실시예에서, 경도는 적어도 두 가지, 바람직하기로는 네 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터들의 선형 조합으로서 산출된다. 경도의 전 범위에 대해서 관계가 선형일 필요까지는 없지만, 상관성이 허용 범위 근처에서 정확하기만 하면 충분한데, 그 이유는 허용 범위 밖의 산출 경도를 갖는 부품은 불량으로 폐기될 것이기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 경도를 산출하는 관계는 부품을 납품하는 부품 공급업체에 따라 달라진다. 각기 다른 부품 공급업체들이 동일한 부품을 각기 다른 방식으로 가공하여서 각기 다른 표면 조도를 얻게 될 것이므로, 각기 다른 부품 공급업체로부터 납품된 부품을 다르게 취급하게 되면 더 양호한 상관성과 표준 편차를 얻게 된다. 일 실시예에서는, 각 부품 공급업체의 부품들에 대해서 바크하우젠 노이즈를 측정하고 경도를 산출하기에 가장 좋은 부품 상의 위치를 검사하는데, 그 이유는 상기와 같은 가장 좋은 위치는 각기 다른 부품 공급업체들마다 달라질 수 있기 때문이다.
이하에서는 본 발명의 비제한적인 실시예에 대해서 다음과 같은 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1a는 부품과 자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치를 도시하는 도면이다.
도 1b는 도 1a의 바크하우젠 노이즈 센서의 상세도이다.
도 1c는 도 1a의 부품의 재료에 대한 자화 곡선의 확대도이다.
도 1d는 도 1a의 부품으로부터 취한 바크하우젠 노이즈를 나타낸 도면이다.
도 1e는 도 1d의 바크하우젠 노이즈에 의거한 바크하우젠 노이즈 그래프이다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 2개 실시예에 대한 실측 경도와 산출된 경도 간의 상관 관계도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법을 블록도 형태로 나타낸 도면이다.
도 1에는, 본 실시예에서는 실린더 라이너에 해당되는 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 부품(1)이 도시되어 있다. 본 실시예에서 상기 실린더 라이너는 재료의 경도와 강도를 증가시키기 위해 인 함유 수준을 높인 회주철로 제조되는데, 그 이유는 그러한 회주철은 내피로성을 가지기 때문이다. 실린더 라이너의 재료는 균열을 야기할 수 있을 정도로 큰 경성을 띄지 않으며 실린더 라이너의 때 이른 마모를 야기할 수 있을 정도로 너무 연성을 띄지도 않는다.
도 1a에는, 자성 바크하우젠 노이즈를 측정하기 위한 장치(3)가 도시되어 있다. 상기 장치는 실린더 라이너의 표면에 대해 가해져서 재료 내의 바크하우젠 노이즈를 측정하도록 한 센서 프로브(5)를 포함한다. 상기 장치(3)는 이하에서 설명하는 바와 같이 바크하우젠 노이즈 측정을 실행하고 제어하고 또한 필요한 계산을 수행할 수 있도록 구성한 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 추가로 포함한다. 상기 장치(3)는 센서 프로브(5)를 실린더 라이너로 이동시키도록 설치된 로봇 암(6)도 추가로 포함하고, 여기서 상기 장치(3)는 바크하우젠 노이즈를 자동 측정하도록 구성된다. 다른 실시예에서는, 상기 장치(3)는 자동 측정을 위해 오히려 실린더 라이너를 상기 센서 프로브(5)로 이동시키도록 구성할 수도 있다.
도 1b에는 센서 프로브(5)의 일례가 상세하게 도시되어 있다. 센서 프로브(5)는 강자성체 재료의 U자형 몸체(9)를 구비하는 전자석(7)과, 상기 몸체(9) 둘레에 감겨서 자장을 발생시키도록 한 코일(11)을 포함한다. 몸체(9)는 실린더 라이 너의 표면에 대해서 지탱되어 그 표면에 자력을 안내하도록 구성된다. 센서 프로브(5)는 자장의 변화를 감지하도록 한 수동 코일(passive coil)을 구비하는 센서(13)도 또한 포함한다. 작동에 있어서, 센서 프로브(5)는 전자석(7)을 작동시켜서 특정 주파수의 가변 자장을 다수 회의 주기 동안 실린더 라이너에 인가시키고, 이에 실린더 라이너가 자화된다. 이 실시예에서, 장치(3)는 적어도 4회의 시간 주기(period) 또는 격발 단위(burst)에서 자장을 인가하도록 구성된다. 실린더 라이너의 자화에 의해 야기되는 자장의 변동은 코일(13)에 전류를 발생시키고, 그 센서(13)는 실린더 라이너의 자화 과정을 검출하게 하게 된다.
도 1c에는 실린더 라이너 내의 재료의 자화를 확대도로 나타낸 그래프이다. 명백히 알 수 있는 바와 같이 블로호-벽들에는 입계 및 전위와 같은 재료 내의 결함부에 의해 핀이 형성되므로 자화는 단계적이다. 바크하우젠 노이즈 측정 장치(3)는 자화 중의 불균일성 또는 노이즈를 측정하도록 구성된다. 도 1d에는 자화의 2 주기 동안에 발생한 노이즈를 도시하고 있다. 그 노이즈는 처리되어서 도 1e에 노이즈 그래프로 나타내었는데, 도 1d에서의 높은 노이즈와 낮은 노이즈의 평균을 나타낸 것이다. 바크하우젠 노이즈 그래프는 재료 내의 결함부의 측정을 제공하는 것이고, 따라서 노이즈 크기는 경도와 같은 재료의 기계적 특성과 상관 관계를 갖게 된다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치(3)는 적어도 한 가지의 바크하우젠 노이즈 파라미터를 측정하여서 그 측정된 적어도 한 가지의 바크하우젠 노이즈 파라미터에 의거하여 실린더 라이너의 경도를 산출하도록 구 성된다. 자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치(3)는 또한 실린더 라이너의 재료의 산출된 경도가 허용 범위 내에 있는지 여부를 결정하도록 구성되기도 한다. 자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치(3)는 또한 산출된 경도가 허용 범위 내에 있는지 여부를 알리는 메시지를 발하도록 구성되기도 한다. 경도가 허용 범위 내에 있는 경우, 실린더 라이너가 차량 또는 엔진에 때 이른 고장 없이 사용되기에 충분한 품질을 갖는 것으로 추정된다. 본 실시예에서, 산출된 경도의 허용 범위는 250 내지 280 HBW로서, 이 때 표준 편차는 약 8 HBW이고 허용된 실측 경도는 240 내지 290 HBW 범위 내에 있는 것으로 추정된다. 산출된 경도가 허용 범위 내에 있으면 족하므로, 회주철에 대한 정확한 산출이 어렵다하더라도 바크하우젠 노이즈 방법을 사용할 수 있다.
자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치(3)는 네 가지의 바크하우젠 노이즈 파라미터의 선형 조합에 의거하여 경도를 산출하도록 구성된다. 이들 파라미터들 중에서 3 개의 파라미터, 즉 노이즈 그래프 피크(A), 노이즈 그래프의 위치(B), 노이즈 그래프의 전체 폭의 절반 최대치(C)를 도 1e에 도시하였다. 본 실시예에서 네 번째 파라미터는 노이즈 그래프의 제곱 평균 제곱근이다. 이들 파라미터들은 당해 기술 분야에 잘 알려져 있다. 다른 실시예에서 자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치는 더 적은 수의 파라미터로, 일례로 하나의 파라미터, 또는 하나 이상의 파라미터에 의거하여 경도를 산출하도록 구성될 수 있다.
본 실시예에서, 자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치(3) 및 전자석(7)은 50Hz 이하의 주파수로 가변하는 자장을 발생시키도록 구성된다. 본 실시예에서, 주파수 는 2Hz 이하이지만, 바람직하기로는 측정은 1Hz 이하에서 이루어진다. 따라서 자화가 실린더 라이너 안으로 더 깊게 침투한다. 자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치(3)는 또한 더 양호한 노이즈 측정 품질을 얻을 수 있도록 하기 위하여 적어도 4 주기의 자장을 발생시키도록 구성되기도 한다. 도 1d에는 단지 2 주기만이 도시되어 있다.
자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치(3)는 또한 실린더 라이너 상의 기계 가공 표면 부분(19)에서 노이즈 파라미터들을 측정하도록 구성된다. 상기 기계 가공 표면 부분을 측정함으로써 표면으로부터의 간섭이 감소되어 측정이 향상되게 된다. 본 실시예에서 자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치(3)는, 1㎛보다 작은 표면 조도의 변동 폭을 갖는 범위 내에 있는 것인 1 내지 2㎛ 범위의 산술 표면 조도를 갖는 표면 부분(19) 상에서, 노이즈 파라미터를 측정하도록 구성된다. 따라서 각기 다른 실린더 라이너들 간의 표면 조도의 차이로 인한 간섭이 제한된다.
자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치(3)는 또한 실린더 라이너의 3개의 다른 표면 부분 상에서 노이즈 파라미터를 측정하도록 구성된다. 도 1a에는 2개의 표면 부분(19)이 도시되어 있는데, 세 번째 표면 부분은 실린더 라이너의 배면에 위치되어 있어서 도면에서 보이지 않는 것이다. 자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치(3)는 상기 3개의 표면 부분(19)에서 측정된 바크하우젠 노이즈 파라미터의 평균에 의거하여 경도를 산출하도록 구성된다. 따라서 실린더 라이너에 있어서의 임의의 국부적 불균일성이 평균화되어서, 산출된 경도와 실측 경도 간의 상관성이 증가하게 된다.
본 실시예에서 자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치(3)는 실린더 라이너의 동일 원주 상의 3개의 표면 부분(19)을 측정하도록 구성된다. 기계 가공 중에, 실린더 라이너는 선반에서 그 종축을 중심으로 하여 회전되고, 그에 따라 동일 원주 부분은 동일하게 기계 가공된다. 동일 원주 상의 표면 부분을 측정하게 되면 효율이 증가하게 된다. 사실, 실린더 라이너의 길이를 따른 각기 다른 여러 위치들은 실측 경도와 관련하여 측정할 때에 다른 상관성과 표준 편차를 보인다. 이는 각기 다른 표면의 각기 다른 기계 가공에 좌우되는 것이다. 본 실시예에서, 자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치(3)는 최고의 상관성과 최저의 표준 편차를 보이는 표면 부분을 측정하도록 구성된다. 특정 부품에 있어서 산출된 경도와 실측 경도 간의 상관성의 가장 좋은 형태와 위치는 간단한 실험을 통해 찾아낼 수 있다. 상관성의 가장 좋은 위치와 형태는 각기 다른 부품 납품업자가 납품한 부품들 간에 서로 다를 수 있다.
도 1b의 센서 프로브(5)는 이 센서 프로브의 종축이 실린더 라이너의 종축과 평행을 유지하도록 해서 실린더 라이너를 향해 가해질 수 있게 구성된다. 센서 프로브(5)는 실린더 라이너의 표면에 대해서 지탱되도록 한 벽(17)과, 전자석(7)과 센서 코일(13)을 실린더 라이너의 표면을 향해서 적용시키도록 구성된 적어도 하나의 스프링(15)도 또한 포함한다. 이와 같은 장치 구성에 의하면, 전자석(7)과 센서 코일(13)이 적절한 각도로 표면에 접촉하고, 그에 따라 센서 프로브(5)와 표면 산의 자기 접촉이 잘 확립된다. 전자석(7)과 센서 코일(13)은 또한 스프링(15)의 압축에 의해 부여된 특정 접촉력으로 표면에 가해진다. 따라서, 여러 개의 실린더 라이너들을 측정하는 경우에 센서 프로브(5)는 거의 동일한 힘으로 실린더 라이너를 향해 가해지는데, 이는 센서 프로브를 실린더라이너 상에 각기 다른 힘으로 가해지는 데 따른 어떠한 간섭도 감소된다는 것을 의미한다.
자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치(3)는 또한 실린더 라이너 내의 잔류 인장을 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터들의 선형 조합으로서 산출하도록 구성되기도 한다. 잔류 인장은 실린더 라이너의 각기 다른 위치 사이에서 크게 변화한다. 따라서 자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치(3)는 잔류 인장의 평균치를 측정하도록 구성된다. 자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치(3)는 또한 잔류 인장이 허용 범위 내에 있는지 여부를 결정하도록 구성되기도 한다. 자성 바크하우젠 노이즈 측정 장치(3)는 또한 산출된 경도와 산출된 잔류 인장을 조합한 결과에 따라 실린더 라이너가 합격에 해당하는지 여부를 결정하도록 구성되기도 한다. 잔류 인장은 실린더 라이너의 수명에 부정적으로 혹은 긍정적으로 영향을 주는데, 이에 따라 이를 조합시키게 되면 특수 실린더 라이너의 예상 성능을 더 양호하게 산출할 수 있게 된다.
도 2a 및 도 2b에는 실측 경도 대 산출 경도 간의 상관 그래프의 두 가지 예가 도시되었다. 실측 경도는 직경 2.5mm인 볼과 187.5Kg의 하중을 이용하여 브린넬 경도 측정 장치로 측정한 것이고, 산출 경도는 도 1a 및 도 1b의 장치로 산출한 것이다. 도면에서 점들은 각기 다른 실린더 라이너에서 각기 다른 측정 방법을 이용하여 측정된 측정치들을 나타낸다. 도면에서 그래프(20)는 산출된 경도와 실측 브린넬 경도 간의 각 상관 관계를 나타내는 것이다. 그래프(21)는 각기 다른 측정치들의 표준 편차를 나타내는 것이다.
도 2a의 점(22)들은 0 내지 5㎛ 범위의 표면 조도를 갖는 실린더 라이너의 기계 가공 표면 상에서 50Hz의 주파수로 가변하는 자장을 이용하여 측정한 것이다. 이와 같은 측정을 한 결과, 산출된 경도와 실측 경도 사이의 상관성은 0.4였다. 표준 편차는 10.33 HBW였다.
도 2b의 점(23)들은 1 내지 2㎛ 범위의 표면 조도를 갖는 실린더 라이너의 표면 상에서 2Hz의 주파수로 가변하는 자장을 이용하여 측정한 것이다. 이와 같은 측정을 한 결과, 산출된 경도와 실측 경도 사이의 상관성은 0.8이었다. 표준 편차는 8.01이었다.
위 결과가 명확하게 보여주고 있는 바와 같이, 더 낮은 주파수를 이용하여서 더욱더 특정된 표면 조도를 갖는 표면 상에서 행한 측정이 더 나은 상관성과 더 낮은 표준 편차를 나타내고 있다. 이는 잔류 인장을 측정하는 데 있어서도 마찬가지이다.
도 3에는 본 발명에 따른 방법이 블록 선도 형태로 도시되어 있다. 블록(31)에서, 본 발명의 방법은 실린더 라이너 둘레의 동일 원주 상에 배열된 측정할 3개의 표면 부분을 기계 가공하되, 상기 표면 부분들을 허용 가능한 표면 조도까지 1 내지 2㎛ 범위 내에서 기계 가공하는 단계를 포함한다.
블록(33)에서, 본 발명의 방법은 자동 로봇 암을 사용하여 바크하우젠 센서 프로브를 상기 표면 부분들에 규정된 힘의 20% 이내의 범위의 접촉력을 가지고 순서대로 가압하고, 세 개의 기계 가공된 표면 부분으로부터 바크하우젠 노이즈를 측정하는 단계를 포함한다.
블록(35)에서, 본 발명의 방법은 바크하우젠 노이즈로부터 적어도 하나, 본 실시예에서는 4개의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터를 취득하고, 상기 4개의 바크하우젠 노이즈 파라미터들의 평균값을 계산하는 단계를 포함한다.
블록(37)에서, 본 발명의 방법은 4개의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터들의 선형 조합에 의거하여 실린더 라이너의 재료의 경도를 산출하는 단계를 포함한다, 본 발명의 방법은 또한 4개의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터들의 또 다른 선형 조합에 의거하여 실린더 내의 평균 잔류 인장을 산출하는 단계도 포함한다.
블록(39)에서, 본 발명의 방법은 산출된 경도와 잔류 인장 각각이 허용 범위 내에 있는지 여부를 결정하는 단계를 포함한다. 본 실시예에서, 부품은 실린더 라이너이므로, 산출된 경도의 허용 범위는 250 내지 280 HBW의 범위에 있다.
산출된 경도와 잔류 인장이 허용 범위 내에 있는 경우, 본 발명의 방법은 블록(41)에서 실린더 라이너를 합격으로 인정하는 단계를 포함한다. 이어서 본 발명의 방법은 실린더 라이너를 차량 또는 엔진의 제작용으로 사용하는 단계를 포함하고, 또한 필요에 따라서는 실린더 라이너를 처리하고 그리고/또는 부품을 차량 또는 엔진에 조립하는 단계도 또한 포함한다.
산출된 경도와 잔류 인장이 허용 범위를 벗어난 경우, 본 발명의 방법은 블록(43)에서 그 실린더 라이너를 불합격시키는 단계를 포함한다. 경도 및/또는 잔류 인장이 허용 범위 근처에 있는 경우, 본 발명의 방법은 실린더 라이너의 추가 시험 및/또는 재가공을 위해 실린더 라이너를 내보내는 단계를 포함한다. 상기 재가공은 일례로 잔류 인장을 감소시키기 위한 어닐링을 포함한다. 경도 및/또는 잔류 인장이 허용 범위에서 아주 벗어난 경우, 실린더 라이너는 폐기된다.
본 발명은 이상에서 설명한 실시예에 제한되지 않고 특허청구범위의 구성 범위 내에서 변경될 수 있다. 일례로, 부품은 실린더 라이너이어야 할 필요는 없고 주철로 제조된 임의의 부품일 수 있다. 본 발명은 회주철로 제한되지 않고 백주철, 구상 흑연 주철 또는 다른 형태의 주철에도 동일하게 적용시킬 수 있다. 본 발명의 방법의 각 단계를 수행하는 순서는 변경될 수 있고, 일부 또는 전체 단계들을 부품 납품업자가 납품하기 전에 수행할 수도 있다. 측정할 표면은 적절한 표면 조도가 확보될 수 있도록 하기 위해 연마될 수 있다.

Claims (10)

  1. 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 주철제 부품을 취급하는 방법에 있어서,
    부품의 적어도 1개소의 표면 상에서 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터를 측정하는 단계와,
    상기 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터에 의거하여 부품의 재료의 경도를 산출하는 단계와,
    상기 산출된 경도가 허용 경도 범위 내에 있는지 여부를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 주철제 부품을 취급하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터를 부품의 표면의 기계 가공된 부분에서 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 주철제 부품을 취급하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터를 산술 표면 조도가 0 내지 5㎛인 부품의 표면의 한 부분 상에서 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 주철제 부품을 취급하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터를 60Hz 이하의 자화 주파수를 이용하여 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 주철제 부품을 취급하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터를 자성 바크하우젠 센서로 측정하고, 상기 자성 바크하우젠 센서를 스프링을 사용하여서 표면으로 가압시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 주철제 부품을 취급하는 방법.
  6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터에 의거하여 부품의 재료 내의 잔류 인장을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 주철제 부품을 취급하는 방법.
  7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부품에는 회주철제 실린더 라이너가 포함되는 것을 특징으로 하는, 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 주철제 부품을 취급하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터를 상기 실린더 라이너의 동일 원주에 위치한 표면의 적어도 2개소 부분에서 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 주철제 부품을 취급하는 방법.
  9. 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 주철제 부품을 취급하는 장치에 있어서,
    부품의 적어도 1개소의 표면 상에서 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터를 측정하도록 구성된 자성 바크하우젠 노이즈 센서를 포함하고,
    상기 적어도 한 가지의 자성 바크하우젠 노이즈 파라미터에 의거하여 부품 의 재료의 경도를 산출하도록 구성되고, 또한 상기 산출된 경도가 허용 경도 범위 이내에 있는지 여부를 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 주철제 부품을 취급하는 장치.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법의 용도에 있어서,
    상기 방법을, 차량, 엔진, 및/또는 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 주철제 부품의 생산을 향상시키기 위하여 사용하는 것을 특징으로 하는, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법의 용도.
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