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문제 정의
- 본 연구에서는 가동 중 발생하는 디젤엔진 핵심부품의 다양한 손상 유형에 대한 특성 규명을 위해서부품 손상 거동에 대한 연삭 마멸 시험, 혼입물 압흔 시험, 스커핑 시험을 통해 디젤엔진 실린더와 피스톤 간의 연삭 마멸 거동을 분석하였으며, 윤활조건은 무윤활 상태에서 시험을 실시하였다.
제안 방법
- 실린더 라이너/피스톤 링 사이의 스커핑 현상을 연구하기 위해 온도, 표면조건 별 POD 시험을 통하여 시간에 대한 스커핑 거동을 분석하였다. PLINT 사의 TE-92를 이용하여 Table 2의 조건으로, 시험을 실시하되 일정시간 간격으로 마찰표면을 50 배율로 현미경 관찰하여 균열 발생 정도로 스커핑 저항 성을 평가하였다.
- 대상 부품재로 만들어진 압반(indentation plate)을 이용하여 MTS사의 압축 시험기를 이용하여 혼입물을 넣고 압축 시험을 실시하였다. 실린더 라이너와 피스톤 링 사이에 경도가 가장 큰 HAC 재질로 별도 가공한 핀을 넣고 해당 온도(25~500℃)까지 가열한 다음 압축 하중을 가하여 압입 흠이 영구적으로 잔존하는 시점의 하중을 측정하여 압입 흠(dent) 저항성을 관찰하였다.
- 스커핑 해석을 위해 실시한 실험에서 모든 시편에서 시험개시 후 짧은 시간 경과 후에 미세균열이 발생하였기에 균열 발생 시점으로 스커핑 저항성을 분석하기에는 어려움이 있었다. 따라서 본 연구에서는 스커핑 저항성의 비교를 위해 시험도중 표면의 스커핑 상태를 관찰하여 전체 표면의 20%에 해당하는 영역에 균열과 균열밴드가 생긴 시점의 시간을 측정하여 스커핑 저항성을 평가하였다.
- 실린더 라이너/피스톤 링 사이의 스커핑 현상을 연구하기 위해 온도, 표면조건 별 POD 시험을 통하여 시간에 대한 스커핑 거동을 분석하였다. PLINT 사의 TE-92를 이용하여 Table 2의 조건으로, 시험을 실시하되 일정시간 간격으로 마찰표면을 50 배율로 현미경 관찰하여 균열 발생 정도로 스커핑 저항 성을 평가하였다.
- 실린더 라이너/피스톤 링 연구 대상 부품재에 대해 POD(Pin-on-Disk) 시험을 실시하여 코팅재의 순수 내마모성을 평가하였다. Table 2에 실험 조건을 나타내었으며, 실제 선박용 디젤 엔진 가동 조건과 유사하게 실험을 진행하였으며, 4시간 후 무게 변화를 측정하였다.
- 대상 부품재로 만들어진 압반(indentation plate)을 이용하여 MTS사의 압축 시험기를 이용하여 혼입물을 넣고 압축 시험을 실시하였다. 실린더 라이너와 피스톤 링 사이에 경도가 가장 큰 HAC 재질로 별도 가공한 핀을 넣고 해당 온도(25~500℃)까지 가열한 다음 압축 하중을 가하여 압입 흠이 영구적으로 잔존하는 시점의 하중을 측정하여 압입 흠(dent) 저항성을 관찰하였다. Fig.
- 피스톤 링 표면 코팅 층의 경도가 실린더 라이너를 기준으로 높은 것을 경질 코팅(Hard-coating), 낮은 것을 연질 코팅(Soft-coating)으로 구분하여, 각각 두 가지 소재에 대하여 실험을 실시하였다. 각 소재에 대한 경도를 Table 1에 나타내었다.
대상 데이터
- Table 2에 실험 조건을 나타내었으며, 실제 선박용 디젤 엔진 가동 조건과 유사하게 실험을 진행하였으며, 4시간 후 무게 변화를 측정하였다. 실험 장비는 PLINT사의 TE-92 마모 시험기를 이용하였으며, 실린더 라이너를 디스크로, 피스톤 링을 핀으로 하여 실험을 실시하였다. Fig.
성능/효과
- Fig. 8(b)의 경질 코팅의 경우도 연질 코팅과 비슷한 경향을 나타내었으며, 연질 코팅에 비해 조금 더 빠른 시점에서 스커핑이 발생하여 스커핑 저항성이 낮게 평가되었다.
- 1. 경질 코팅이 연질 코팅의 피스톤 링에 비해 다소 높은 흠 발생 응력을 보였으며, 고온으로 갈수록흠 발생 응력이 감소하여 경도와 높은 상관성을 보였다.
- 2. 경질코팅의 경우 코팅부가 모재에 비해 마모량이 적었으며 온도가 올라갈수록 상온에 비해 마모량이 증가하는 경향을 보였으나 고온에서는 뚜렷한 경향을 보이지는 않았다. 연질 코팅에서도 온도에 대해 유사한 경향을 보였으며, 코팅부의 마모량이 모재에 비해 높게 나타났다.
- 3. 연질 코팅의 경우 진행 방향으로 미세 균열 발생과 함께 균열부 박리가 일어나는 반면 경질 코팅의 경우 진행 방향과 수직 방향으로 미세균열이 발생하고 이러한 미세 균열의 연결을 통해 균열부 박 리가 일어난다. 또한 연질 코팅의 진행 방향에 대한 균열부 박리 진행 속도보다 경질 코팅의 수직 방향에 대한 균열부 박리 진행 속도가 훨씬 빠르게 나타나 스커핑 저항성이 저하되었다.
- 연질 코팅에서도 온도에 대해 유사한 경향을 보였으며, 코팅부의 마모량이 모재에 비해 높게 나타났다. 경질 코팅의 경우 연질 코팅에 비해 연삭 마멸 시험시 마찰계수 변화 폭이 크게 발생하는 불안정한 특성을 보였다.
- 연질 코팅의 경우 진행 방향으로 미세 균열 발생과 함께 균열부 박리가 일어나는 반면 경질 코팅의 경우 진행 방향과 수직 방향으로 미세균열이 발생하고 이러한 미세 균열의 연결을 통해 균열부 박 리가 일어난다. 또한 연질 코팅의 진행 방향에 대한 균열부 박리 진행 속도보다 경질 코팅의 수직 방향에 대한 균열부 박리 진행 속도가 훨씬 빠르게 나타나 스커핑 저항성이 저하되었다.
- 5에 상온과 170oC에서의 마찰계수를 나타내었다. 상온에 비해 고온에서 마찰계수의 변화 폭이 상대 적으로 넓게 나타나는 불안정성을 보였으며, 실험 중 마찰 소음이 상온에 비해 크게 발생하였다. 하지만 고 온에서의 표면 산화피막의 윤활 작용으로 인해 전반적인 마찰계수의 값은 다소 감소하는 경향을 보였다.
- 상온에서는 50 MPa 이상의 흠 발생 응력(dent stress)을 나타내었으며, 100oC의 경우 상온에 비해서 급격히흠 발생 응력이 떨어짐을 확인할 수 있으며, 온도가 올라갈수록 흠 발생 응력이 낮아지는 폭이 좁아지는 경향을 나타내었다. 상온에서 HAS가 가장 높은 흠 발생 응력을 보였으며, 온도가 상승할수록 흠 발생 응력은 급격히 떨어짐을 보였으며, SBS가 가장 낮은 흠 발생 응력을 보였다.
- 3에 각 온도별로 표면 흠이 영구적으로 잔존 하는 시점의 응력 값을 그래프로 나타내었다. 상온에서는 50 MPa 이상의 흠 발생 응력(dent stress)을 나타내었으며, 100oC의 경우 상온에 비해서 급격히흠 발생 응력이 떨어짐을 확인할 수 있으며, 온도가 올라갈수록 흠 발생 응력이 낮아지는 폭이 좁아지는 경향을 나타내었다. 상온에서 HAS가 가장 높은 흠 발생 응력을 보였으며, 온도가 상승할수록 흠 발생 응력은 급격히 떨어짐을 보였으며, SBS가 가장 낮은 흠 발생 응력을 보였다.
- 4(a)에 보인 바와 같이, 경질 코팅의 경우 코팅부의 경도가 모재에 비해 상당히 높은 HAC의 경우 코팅부의 마모량이 전체 시험온도구간에서 낮은 반면, 경도가 비슷한 HBC의 경우에는 마모량이 온도 별로 큰 차이를 보이지는 않았다 온도가 올라갈수록 상온에 비해 마모량이 증가하는 경향을 보였으나 고온에서는 뚜렸한 경향을 보이지는 않았다. 연질 코팅에서도 상온에 비해 고온에서 높은 마모량을 나타내었으며, 코팅부의 마모량이 모재에 비해 높게 나타났다.
- 혼입물 압흔 시험 결과는 경도의 추이와 유사한 것으로 판단되며, 표면 흠 저항성의 개선을 위해서는 표면 경도가 높을수록 유리함을 의미한다.
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