KR20220170047A - 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법 - Google Patents

인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉간단조 공정에서 인산염 피막을 정량적으로 예측하고 이를 통해 공정별 마찰계수를 정량적으로 예측하여 유한요소해석 시뮬레이션에 적용하는 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 형태에 따르면, 인산염 피막 처리된 선재의 인산염 피막 손상과 표면마찰계수간의 상관관계를 측정 및 정의하는 하중마찰계수관계 정의단계; 상기 인산염 피막 처리된 선재의 상기 표면마찰계수와 단위면적당 상기 인산염 피막의 손실량을 정의하는 단위면적당 인산염 피막 손실량 정의단계; 공정 단계별 상기 선재의 샘플링을 통해 공정별 피막중량을 계측하고 공정별 단위면적당 상기 인산염 피막의 손실량을 계측하여, 공정별 표면마찰계수를 정의하는 공정별 표면마찰계수 정의단계;를 포함하는, 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법이 제공된다.

Description

인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법{Method for Calculating Friction Coefficient for Each Process through Quantitative Evaluation of Phosphate Coat}
본 발명은 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 냉간단조 공정에서 인산염 피막을 정량적으로 예측하고 이를 통해 공정별 마찰계수를 정량적으로 예측하여 유한요소해석 시뮬레이션에 적용하는 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법에 관한 것이다.
냉간 단조는 강체공구를 이용하여 재료를 압축 변형시키고 원하는 형상으로 성형하는 가공법이다.
이러한 냉간단조에 사용되는 냉간단조용 소재인 선재(Wire rod)는 반제품 상태로 철강회사로부터 출하되며, 냉간단조 공정에서의 가공성 및 윤활성을 확보하기 위하여 중간가공을 거치게 된다. 최종 수요처에서의 가공성 확보를 위하여 구상화 및 연질화 열처리 (Spheroidizing or Low annealing)를 하며, 윤활성 확보를 위하여 소재표면에 인산염 피막(phosphate coating)처리를 한다.
인산염 피막 처리는 탈지-산세-화성-중화-윤활-건조 공정을 거쳐 생성된다. 중화공정에서 PH 상승으로 인해 화학평형 상태가 되어 피막 성분이 침전·석출되는데 인산아연(Hopeite)과 인산아연철(Phosphophyllite) 2가지 성분이 생성되어 화성 피막이 형성된다.
윤활공정에서는 앞서 생성된 화성 피막이 용해되어 반응비누층(스테아린산아연)을 형성하며, 반응하지 못한 성분은 미반응 비누(스테아린산나트륨)로 적층되어진다.
한편, 중화 및 윤활공정에서 형성된 3개의 층은 냉간단조 공정에서 피막의 밀착성, 소착성, 윤활성에 관여하며, 이는 성형하중의 증감, 금형수명의 증감의 형태로 나타난다. 특히 냉간단조 공정이 진행될수록 인산염 피막이 손상되어 본연의 성능이 저하됨에 따라 악영향을 미칠 수 있으며, 과도한 손상이 발생할 경우 피막이 완전히 소멸되어 소재가 금형표면에 소착되어 불량발생 및 금형손상이 발생할 수 있는데, 기존의 다단 냉간 단조공정 설계를 검증하는 과정에서 수행되는 유한요소해석을 통한 시뮬레이션에서는 각 공정별로 동일한 마찰계수가 적용되어 실 결과물과의 오차율이 증대될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 냉간 단조 금형의 정확한 수명 예측을 위한 공정별 인산염 피막 손상량의 정량적 예측이 가능한 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법을 제공하는 것이 과제이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따르면, 인산염 피막 처리된 선재의 인산염 피막 손상과 표면마찰계수간의 상관관계를 측정 및 정의하는 하중마찰계수관계 정의단계; 상기 인산염 피막 처리된 선재의 상기 표면마찰계수와 단위면적당 상기 인산염 피막의 손실량을 정의하는 단위면적당 인산염 피막 손실량 정의단계; 공정 단계별 상기 선재의 샘플링을 통해 공정별 피막중량을 계측하고 공정별 단위면적당 상기 인산염 피막의 손실량을 계측하여, 공정별 표면마찰계수를 정의하는 공정별 표면마찰계수 정의단계;를 포함하는, 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법이 제공된다.
상기 하중마찰계수관계 정의단계는, 마찰계수가 점진적으로 증가하는 하중조건으로 상기 선재를 반복마찰하고, 반복마찰횟수구간별 마찰계수를 측정하는 마찰계수 측정단계; 반복마찰 횟수별 상기 선재의 인산염 피막 잔존여부를 측정하는 인산염 피막 잔존여부 측정단계; 상기 마찰계수 측정단계와 상기 인산염 피막 잔존여부 측정단계의 결과로서, 상기 인산염 피막이 완전 소실될 때 까지 마찰계수와 마찰 반복횟수간의 상관관계를 정의하는 인산염 피막 소실 마찰횟수 정의단계;를 포함할 수 있다.
상기 인산염 피막 소실 마찰횟수 정의단계에서는, 반복 마찰된 상기 선재를 에너지분산형 분광분석법으로서 상기 선재 표면에 피막성분이 검출되는지를 파악할 수 있다.
상기 단위면적당 인산염 피막 손실량 정의단계에서는, 반복마찰 횟수별 상기 선재의 손상체적을 산출하여, 반복마찰 횟수별 단위면적당 손실량을 정의하는 단계일 수 있다.
상기 단위면적당 인산염 피막 손실량 정의단계에서는, 상기 선재에 대해 3차원 표면 거칠기 분석으로서 손상체적을 산출한 후 산출된 상기 손상체적을 손실무게로 환산하여 면적으로 분할하여 단위면적당 손실량을 계산할 수 있다.
상기 단위면적당 인산염 피막 손실량 정의단계에서는, 상기 단위면적당 손실량이 부재하는 구간 사이에서는 비선형 회귀분석을 통해 단위면적당 손실량을 추산하여 정의할 수 있다.
상기 공정별 표면마찰계수 정의단계는, 공정별 샘플을 채취하여, 채취된 샘플의 상기 인산염 피막 중량을 계측하여, 공정별 샘플의 단위면적당 인산염 피막 손실량을 계산하는 공정별 샘플 계측단계; 상기 공정별 샘플 계측단계에서 계측된 공정별 샘플의 단위면적당 인산염 피막 손실량으로서, 상기 단위면적당 인산염 피막 손실량 정의단계에서 정의된 상기 표면마찰계수와 단위면적당 상기 인산염 피막의 손실량 정의에 따라, 공정별 표면마찰계수를 정의하는 공정샘플 마찰계수 정의단계;를 포함할 수 있다.
정의된 상기 공정별 표면마찰계수를 시뮬레이션의 각 공정에 적용하는 적용단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법에 따르면 다단 냉간단조 공정의 특성상 발생되는 공정 간 인산염 피막 손상에 따른 마찰계수의 변화를 정량적으로 산출함으로써 유한요소해석 시뮬레이션 결과의 정확도를 향상시켜 공정설계 검증 정확도를 높이며, 이를 설계에 반영함으로써 금형의 정확한 수명 예측 등의 최적의 공정설계를 가능한 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법의 단계별 흐름을 도시한 순서도;
도 2는 도 1의 하중-마찰계수관계 정의단계의 세부단계를 도시한 순서도;
도 3은 선재의 마찰계수가 측정되는 모습을 도시한 도면;
도 4는 반복횟수구간별로 측정되는 마찰계수의 상관관계를 도시한 그래프;
도 5는 상기 인산염 피막이 완전 소실될 때까지 마찰계수와 마찰 반복횟수간의 상관관계를 도시한 그래프;
도 6은 3차원 표면 거칠기 측정을 통한 마찰반복횟수와 단위면적당 손실량의 상관관계에 대한 표;
도 7은 단위면적당 손실량과 마찰계수의 상관관계를 도시한 그래프;
도 8은 공정별 표면 마찰계수 정의단계의 세부단계를 도시한 순서도;
도 9는 다단 냉각단조가공 공정의 공정별 예를 도시한 도면;
도 10은 각 공정별 단위면적당 인산염 피막 손실량을 도시한 표; 이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법의 일 실시예에 대해서 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 하중-마찰계수관계 정의단계(S110), 단위면적당 인산염 피막 손실량 정의단계(S120) 및 공정별 표면마찰계수 정의단계(S130)를 포함할 수 있다.
상기 하중-마찰계수관계 정의단계(S110)에서는, 인산염 피막 처리된 선재의 인산염 피막 손상과 표면마찰계수간의 상관관계를 측정 및 정의한다.
상기 하중마찰계수관계 정의단계(S110)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 마찰계수 측정단계(S112), 인산염 피막 잔존여부 측정단계(S114), 인산염 피막 소실 마찰횟수 정의단계(S116)를 포함할 수 있다.
상기 마찰계수 측정단계(S112)에서는, 마찰계수가 점진적으로 증가하는 하중조건으로 상기 선재를 반복마찰하고, 반복마찰횟수구간별 마찰계수를 측정한다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 인산염 피막 표면이 형성된 선재의 시험편을 일정한 수직하중으로 가압한 상태에서 수평방향으로 일정한 변위를 부여한다. 상기 시험편(10)에 가해지는 수직하중의 크기에 따라 하중조건 및 마찰계수가 변화할 수 있다. 상기 수직하중은 반복될 때 선재 시험편(10)의 마찰계수가 변화하는 크기로서 일정하게 유지될 수 있다.
이 때, 마찰시험이 반복되면서 상기 선재 시험편(10)의 표면에 형성된 인삼연 피막이 점진적으로 손상되며 그에 따라 마찰계수가 변화할 수 있다. 이렇게 반복횟수별로 변화되는 마찰계수를 측정하여, 도 4와 같이, 반복횟수구간별로 측정되는 마찰계수의 상관관계를 그래프화 하거나 또는 데이터베이스화 하여 정의할 수 있다.
그리고, 상기 인산염 피막 잔존여부 측정단계(S114)에서는, 상기 마찰계수 측정단계(S112)에서 마찰시험된 선재 시험편(10)을 반복마찰 시험 때마다, 인산염 피막이 잔존해있는의 잔존여부를 측정할 수 있다. 상기 인산염 피막 잔존여부 측정단계(S114)에서 인산염 피막의 잔존 유무는 반복 마찰된 상기 선재(10)를 에너지분산형 분광분석법으로서 상기 선재 표면에 피막성분이 검출되는지를 파악함으로써 측정할 수 있다. 이 때, 검출되는 피막성분은 Zn, O, Na 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 인산염 피막 소실 마찰횟수 정의단계(S116)에서는, 상기 마찰계수 측정단계(S112)와 상기 인산염 피막 잔존여부 측정단계의 결과(S114)로서, 상기 인산염 피막이 완전 소실될 때까지 마찰계수와 마찰 반복횟수간의 상관관계를 정의할 수 있다.
즉, 상기 인산염 피막 잔존여부 측정단계(S114)를 통해 선재 표면에 인산염 피막성분이 검출되지 아니하는 반복횟수를 파악할 수 있으며, 이를 상기 마찰계수 측정단계(S112)를 통해 측정된 마찰 반복회수구간별 마찰계수 측정 데이터에 반영하여, 상기 인산염 피막이 완전 소실될 때까지 마찰계수와 마찰 반복횟수간의 상관관계를 도 5에 도시된 바와 같이 그래프화하거나 또는 데이터베이스화하여 정의할 수 있다.
상기 단위면적당 인산염 피막 손실량 정의단계(S120)에서는, 상기 인산염 피막 처리된 선재의 상기 표면마찰계수와 단위면적당 상기 인산염 피막의 손실량을 정의한다.
또한, 상기 단위면적당 인산염 피막 손실량 정의단계(S120)에서는, 반복마찰 횟수별 상기 선재의 손상체적을 산출하여, 반복마찰 횟수별 단위면적당 손실량을 정의할 수 있다.
즉, 반복 마찰에 따른 인산염 피막 손상의 정량적 기준을 제시하기 위하여 반복마찰된 선재 시편(10)의 3차원 표면 거칠기 분석을 수행하며, 그 수행 결과로 손상체적을 산출 후 손실무게로 환산하고, 이를 선재 시편의 면적으로 분할하여 단위면적당 손실량을 정의할 수 있다.
즉, 상기 하중-마찰계수관계 정의단계(110)에서 정의된 표면마찰계수 일정구간별로 상기 선재 시편(10)의 3차원 표면 거칠기 분석을 수행하여, 도 6에 도시된 반복마찰횟수별 인산염 피막의 단위면적당 손실량에 대한 데이터 베이스화를 통해, 도 7에 도시된 바와 같이, 표면마찰계수와 인산염피막 단위면적당 손실량 관계를 정의할 수 있다.
또한, 단위면적당 손실량이 부재하는 구간 사이에서는 비선형 회귀분석을 통하여 해당 구간의 표면마찰계수와 인산염피막 단위면적당 손실량 관계를 정의할 수 있다.
한편, 다단 냉간 단조공정에서는 필연적으로 공정별 인산염 피막의 손실이 발생하게 되며, 상기 인산염 피막의 손실에 따라 후속 공정에서는 마찰계수가 상승하게 된다.
따라서, 상기 공정별 표면마찰계수 정의단계(S130)에서는, 공정 단계별 상기 선재의 샘플링을 통해 공정별 피막중량을 계측하여 공정별 단위면적당 상기 인산염 피막의 손실량을 계측하여, 공정별 표면마찰계수를 정의할 수 있다.
상기 공정별 표면마찰계수 정의단계는, 도 8에 도시된 바와 같이, 공정별 샘플 계측단계(S132) 및 공정샘플 마찰계수 정의단계(S134)를 포함할 수 있다.
상기 공정별 샘플 계측단계(S132)에서는, 공정별 샘플을 채취하여, 채취된 샘플의 상기 인산염 피막 중량을 계측하여, 공정별 샘플의 단위면적당 인산염 피막 손실량을 계산한다.
즉, 예를 들어 도 9에 도시된 바와 같이, 다단 냉각 단조공정이 소재절단공정, 압출공정, 헤드예비성형공정 및 헤드성형 공정으로 이루어지는 경우, 각 공정마다 샘플을 채취하여 채취된 샘플의 상기 인산염 피막 중량을 계측하고, 공정별 샘플의 단위면적당 인산염 피막 손실량을 계산한다.
도 10은 상기 각 공정별 단위면적당 인산염 피막 손실량을 도시한 표이다.
상기 공정샘플 마찰계수 정의단계(S134)에서는 도 10의 표에 도시된 각 공정별 단위면적당 인산염 피막 손실량과 도 7의 단위면적당 인산염 파막 손실량 및 표면마찰계수 그래프를 참조하여 각 공정에 적용되는 표면마찰계수를 정의할 수 있다.
즉, 제1공정(압출공정)은 소재절단 상태이므로, 반복횟수가 1에서의 마찰계수 0.05를 적용할 수 있다. 마찰계수가 0인 상태는 현실에서 발생되지 아니하므로 0.05라 정의할 수 있다.
또한, 상기 제1공정에서 단위면적당 인산염 피막 손실량이 0.02이므로, 후속공정인 제2공정(헤드예비성형공정)에서의 표면마찰계수는 0.1을 적용할 수 있다.
또한, 상기 제2공정에서는 피막손실이 누적 발생되었으며, 단위면적당 인산염 피막 손실량이 0.03이므로, 후속공정인 3공정(헤드성형공정)에서의 표면마찰계수는 0.15를 적용할 수 있다.
한편, 공정별 표면마찰계수 정의단계(S134)후에는 적용단계(S140)가 수행될 수 있다. 상기 적용단계(S140)에서는 정의된 상기 공정별 표면마찰계수를 시뮬레이션의 각 공정에 적용한다.
즉, 상기 공정별 표면마찰계수 정의단계(S134)에서 정의된 공정별 표면마찰계수를 시뮬레이션상의 각 공정별 표면마찰계수에 적용하여 시뮬레이션 한다.
이렇게 각 공정별로 정의된 표면마찰계수로서 시뮬레이션함으로써, 시뮬레이션의 정확도를 보다 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 보다 정확한 금형의 수명 예측 등에 활용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
10: 선재 시험편
S110: 하중-마찰계수관계 정의단계
S112: 마찰계수 측정단계
S114: 인산염 피막 잔존여부 측정단계
S116: 인산염 피막 소실 마찰횟수 정의단계
S120: 단위면적당 인산염 피막 손실량 정의단계
S130: 공정별 표면마찰계수 정의단계
S132: 공정별 샘플 계측단계
S134: 공정샘플 마찰계수 정의단계
S140: 적용단계

Claims (8)

  1. 인산염 피막 처리된 선재의 인산염 피막 손상과 표면마찰계수간의 상관관계를 측정 및 정의하는 하중마찰계수관계 정의단계;
    상기 인산염 피막 처리된 선재의 상기 표면마찰계수와 단위면적당 상기 인산염 피막의 손실량을 정의하는 단위면적당 인산염 피막 손실량 정의단계;
    공정별 상기 선재의 샘플링을 통해 공정별 피막중량을 계측하고 공정별 단위면적당 상기 인산염 피막의 손실량을 계측하여, 공정별 표면마찰계수를 정의하는 공정별 표면마찰계수 정의단계;
    를 포함하는, 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하중마찰계수관계 정의단계는,
    마찰계수가 점진적으로 증가하는 하중조건으로 상기 선재를 반복마찰하고, 반복마찰횟수구간별 마찰계수를 측정하는 마찰계수 측정단계;
    반복마찰 횟수별 상기 선재의 인산염 피막 잔존여부를 측정하는 인산염 피막 잔존여부 측정단계;
    상기 마찰계수 측정단계와 상기 인산염 피막 잔존여부 측정단계의 결과로서, 상기 인산염 피막이 완전 소실될 때 까지 마찰계수와 마찰 반복횟수간의 상관관계를 정의하는 인산염 피막 소실 마찰횟수 정의단계;
    를 포함하는, 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인산염 피막 소실 마찰횟수 정의단계에서는,
    반복 마찰된 상기 선재를 에너지분산형 분광분석법으로서 상기 선재 표면에 피막성분이 검출되는지를 파악하는, 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단위면적당 인산염 피막 손실량 정의단계에서는,
    반복마찰 횟수별 상기 선재의 손상체적을 산출하여, 반복마찰 횟수별 단위면적당 손실량을 정의하는, 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단위면적당 인산염 피막 손실량 정의단계에서는, 상기 선재에 대해 3차원 표면 거칠기 분석으로서 손상체적을 산출한 후 산출된 상기 손상체적을 손실무게로 환산하여 면적으로 분할하여 단위면적당 손실량을 계산하는, 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 단위면적당 인산염 피막 손실량 정의단계에서는, 상기 단위면적당 손실량이 부재하는 구간 사이에서는 비선형 회귀분석을 통해 단위면적당 손실량을 추산하여 정의하는, 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공정별 표면마찰계수 정의단계는,
    공정별 샘플을 채취하여, 채취된 샘플의 상기 인산염 피막 중량을 계측하여, 공정별 샘플의 단위면적당 인산염 피막 손실량을 계산하는 공정별 샘플 계측단계;
    상기 공정별 샘플 계측단계에서 계측된 공정별 샘플의 단위면적당 인산염 피막 손실량으로서, 상기 단위면적당 인산염 피막 손실량 정의단계에서 정의된 상기 표면마찰계수와 단위면적당 상기 인산염 피막의 손실량 정의에 따라, 공정별 표면마찰계수를 정의하는 공정샘플 마찰계수 정의단계;
    를 포함하는, 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법.
  8. 제1항에 있어서,
    정의된 상기 공정별 표면마찰계수를 시뮬레이션의 각 공정에 적용하는 적용단계;
    를 포함하는 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법.
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