[논문]자동차용 냉각기 고무호스의 노화거동과 미소경도분석

곽승범; 신세문; 신외기; 최낙삼

doi:10.3795/ksme-a.2007.31.9.915

[국내논문] 자동차용 냉각기 고무호스의 노화거동과 미소경도분석
Degradation Behavior and Micro-Hardness Analysis of a Coolant Rubber Hose for Automotive Radiator 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.31 no.9 = no.264, 2007년, pp.915 - 923

곽승범 (한양대학교 기게공학과) , 신세문 (한국화학연구원 신뢰성 평가센터) , 신외기 (평화산업(주)) , 최낙삼 (한양대학교 기계정보경영공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Rubber hoses for automobile radiators are apt to be degraded and thus failed due to the influence of contacting stresses of air and coolant liquid under thermal and mechanical loadings. The aging behaviors of the skin part of the hoses due to thermo-oxidative and electro-chemical stresses were experimentally analyzed. Through the thermo-oxidative aging test, it was shown that the surface hardness IRHD(International Rubber Hardness Degrees) of the rubber increased with a considerable reduction of failure strain as the aging time and temperature increased. On account of the penetration of coolant liquid into the skin part influenced by the electro-chemical degradation(ECD) test the weight of the rubber hose increased, whereas their failure strain and IRHD hardness decreased. The hardness of the hose in the side of the negative pole was the most deteriorated at the test site of the hose skin just below the coolant surface.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

끼에서 밝혀진 바와 같이 고장에 영향이 컸던 열가속 산소 스트레스와 전기화학적 스트레스를 냉각기 고무호스 부품 자체에 가하여 노화온도 및 시간에 따른 고무호스 표피층 및 내부의 열화거동을 미크로경도와 IRHD경도를 통해 분석하였다. 또한 이들 호스 부품에 대해 거시적인 인장강도 및 신장률 데이터를 노화온도 및 시간에 따라 측정하여 냉각기 고무호스 부품의 신뢰성설계 관련 물성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 자동차용 냉각기 고무호스에 대한 열가속 및 산소노화 시험과 ECD 시험을 하였다.
본 저자는 자동차 냉각기 호스용 EPDM 고무 재료의 열화거동과 관련한 연구로서 내ECD성이강화된 고무재료와 그렇지 않은 기존 고무 재료에 대한 정밀 노화분석을 실시하고 고무호스에 작용하는 각종 스트레 스에 따른 물성변화를 연 구하여 열 가속 노화, 산소노화, 쿨런트노화, ECD 노화의 특성을 해명하였다.5)또한 이러한 스트레스들 중에서 고장에 영향이 컸던 열가속 산소 스트레스와 전기화학적 스트레스에 대해 표피층의 열화 거동을 미크로경도분석, IRHD(Intemational Rubber Hardness Degrees)경도분석, 화학구조 분석을 통해 미시적으로 비파괴 평가하고, 이들 결과를 거시적인 인장강도 및 신장률 데이터와 비교하여 냉각기 고무호스의 신뢰성평가를 위한 고장분석기술을 제시한바 있다.

제안 방법

3)에 시편의 75%가 잠기게 하여 DC 12V, lOOt 에서 48hr, 96hr, 168hr, 240hr동안 시험을 수행하였다. ECD 시험 후의 인장강도와 신장률을 평가하기 위한 시편은 고무호스의 내층고무로부터 절취하여 아령형으로 제작하였다.
ISO 48시함규격의 M법에 따라 표면굴곡이 없는 두께 l~4rnm, IRHD경도 30-95 범위의 고무 시편을 이용하여 모서리부분에서 적어도 2mm 이상 떨어진 지점을 3회 이상 경도 측정하여 중앙값을 취하였다. 시험기로는 Hildebrand GmbH.
고무호스 내부에는 강화용 섬유패브릭이 함유되어 있었다. 고무 부의 기계적 성질인 인장강도 및 신장률을 측정하기 위해서 호스부품을 내층고무부와 외층 고무 부로 절단하여 분리하고, 내층고무부를 추가로 타발하여 아령형 시 편으로 제작하였다.
고무호 스의 표피노화층을 두께방향으로 관찰하기 위해 미크로경도 측정용 면도날을 사용하는 작두식절단기를 이용하여 소형시편을 절취하였다.
본 연구에서는 선행연구.끼에서 밝혀진 바와 같이 고장에 영향이 컸던 열가속 산소 스트레스와 전기화학적 스트레스를 냉각기 고무호스 부품 자체에 가하여 노화온도 및 시간에 따른 고무호스 표피층 및 내부의 열화거동을 미크로경도와 IRHD경도를 통해 분석하였다. 또한 이들 호스 부품에 대해 거시적인 인장강도 및 신장률 데이터를 노화온도 및 시간에 따라 측정하여 냉각기 고무호스 부품의 신뢰성설계 관련 물성을 평가하고자 한다.
냉각기 고무호스 시편에 대해 RS M0004, '에서 규정하는 스트레스 시험 및 물성시험을 하여 관련 물성값(경도, 인장강도, 신장률, 무게)을 측정했다. 인장시험에서는 분리된 내층고무로 만든 두께 2.
2와 같이 절취하여 내층고무의 IRHD표면경도와인장강도 및 신장률을 측정하였다. 또한 시편을 미세하게 절단하여 절단표면에서 두께방향의 미크로 경도 분포를 측정하였다.
이 미크로경도계는 불균질 열화한 표면 근방의 경도변화를 두께방향으로 측정하여 미크로 Shore A 경도분포를 표시하게 된다. 또한, 미소경도분포를 40㎛씩 촘촘하게 측정하기 위해서 광학현미경 관찰을 하면서 인덴터의 위치를 4 스텝 지그재그 패턴의 일정간격으로 미소 이동 시켜 미크로경도 시험을 하였다.
여기서 a, b, c, d는 시편에서 경도 측정의 위치를 나타낸다. 시편을 침지시킨 쿨런트액의 수면을 기준으로 해서 수면 위치를 a, 수면하의 깊이 방향으로 3mm씩 떨어진 위치를 각각 b, c, d로 정하여 측정하였다. 측정위치 a와 b에서의 경도 값은 노화 전에 비해 크게 저하되었으며 그 저하 폭이 컸음을 알 수 있다.
열가속 및 산소노화 시험은 호스 부품을 일정한 시험온도(125℃, 1800)에서 48m(2일), 96hr(4 일), 168hr(7일), 240hr(10일)동안 유지시킨 후 Fig. 2와 같이 절취하여 내층고무의 IRHD표면경도와인장강도 및 신장률을 측정하였다. 또한 시편을 미세하게 절단하여 절단표면에서 두께방향의 미크로 경도 분포를 측정하였다.
0mm의 아령형 시편을 이용하여 500mm/n血의 인장속도로 응력- 변형률곡선을 계측하였으며, 시험편은 시험 조건당 5개의 시험편을 사용하였다. 인장강도와 신장률은 각각 최대응력값과 파단시의 변형률로 측정하였다.
자동차용 냉각기 고무호스는 최근에 상대적으로 낮은 주행거리에서 예기치 않은 고장이 일어나 혼란을 야기시켰는데, 이들 고장의 대부분은 호스의 외부 변형에 어떠한 표시도 없이 발생된것을 확인하였다. 이러한 고장의 주된 원인은 호스 고무재질의 전기화학적 노화(electro-chemical degradation, ECD)로 알려져 있으며, 이 ECD는 호스, 냉각수(에틸렌글리콜 수용액), 그리고 엔진 fitting부와 라디에이터 fitting부가 갈바니 셀 또는 “베터리''를 형성하기 때문에 발생한다.
2와 같이 가로 100mm, 세로 lOnun 크기로 절취하여 ECD 시편을 만들었다. 자동차용 냉각기호스 신뢰성평가 인증기준인 RS M0004°)와 SAE J1684°°)에서 규정하는 방법에 따라 쿨런트 액이 채워져 있는 U자형 시험관(Fig. 3)에 시편의 75%가 잠기게 하여 DC 12V, lOOt 에서 48hr, 96hr, 168hr, 240hr동안 시험을 수행하였다. ECD 시험 후의 인장강도와 신장률을 평가하기 위한 시편은 고무호스의 내층고무로부터 절취하여 아령형으로 제작하였다.

대상 데이터

인장시험에서는 분리된 내층고무로 만든 두께 2.0±0.2rnm, 게이지 길이 20.0mm의 아령형 시편을 이용하여 500mm/n血의 인장속도로 응력- 변형률곡선을 계측하였으며, 시험편은 시험 조건당 5개의 시험편을 사용하였다. 인장강도와 신장률은 각각 최대응력값과 파단시의 변형률로 측정하였다.
평화산업(주)이 제작한 자동차용 냉각기 고무호스 부품(외경 31mm, 내경 23mm, 두께 4mm)을연구대상으로 선정하였다. 열가속 및 산소노화시험은 Fig.
호스 부품을 Fig. 2와 같이 가로 100mm, 세로 lOnun 크기로 절취하여 ECD 시편을 만들었다. 자동차용 냉각기호스 신뢰성평가 인증기준인 RS M0004°)와 SAE J1684°°)에서 규정하는 방법에 따라 쿨런트 액이 채워져 있는 U자형 시험관(Fig.

성능/효과

125X;에서의 열가속 및 산소 노화 시험에서는 냉각기용 호스재료의 IRHD 경도는 신뢰성 기준 이내로 유지되었으나, 180P의 가속노화 시험에서는 IRHD경도가 급증하여 노화시간 168hr 후에는 유연한 고무호스재료로서의 기능을 상실하였다. 인장강도와 신장률의 해석 결과도 위와 일치하였다.
외층고무 영역에서 경도 값이 내층고무보다 높게 나타나는 것은 노화 전의 초기에 외층고무의 경도 값이 높았기 때문으로 보인다. 경도 값이 노화시간에 따라 전체적으로 조금씩 증가한 것으로 보아 열 가속에 의한 노화가 내부까지 깊숙이 진행했음을 알 수 있다. 좌우측 표면 근방에서 경도 값의 하락이 큰 이유는 미크로경도 측정용 고무시편의 측면이자유응력단 이어서 인덴터 봉의 하중에 대한 저항력이 작아져 큰 변형이 용이하였기 때문이다.
보였다. 노화시간에 따른 무게 증가율이 거의 선형적으로 증가하여 96hr 이상의 노화시험에 의해 무게 변화율이 SAE J1684㈣의 신뢰성인증 한계 +5%를 초과하였다. 시편을 침지시킨 쿨런트액의 수면을 기준으로 해서 깊이 방향으로 일정간격씩의 위치에서 측정한 결과, 쿨런트액 수면 직하 3mm까지는 경도의 저하 폭이 컸으며 12mm 보다 더 깊은 위치에서는 노화정도가 매우 약해졌다.
8mm까지는 내층고무 영역이고, 그 오른쪽 부분이 외층 고무 영역에 해당한다. 노화시간이 깊어질수록 내층 고무의 경도 값이 전체 깊이에 걸쳐 증가하였으며 표피근처가 고무호스 두께의 가운데(깊이 2.2~3.0mm)보다 증가폭이 컸다. 외층고무 영역에서 경도 값이 내층고무보다 높게 나타나는 것은 노화 전의 초기에 외층고무의 경도 값이 높았기 때문으로 보인다.
이것은 갈바니 셀 회로가 엔진과 라디에터 금속접속부 근처의 고무호스에서 쿨런트액을 매체로 국부적으로 일어났음을 가리킨다. 시편 절단면에서의 미크로 경도분포를 측정한 결과 노화층은 내부 깊숙이까지 진행되었으며 단면 전체적으로 상당한 경도 저하를 유발시켰다.
노화시간에 따른 무게 증가율이 거의 선형적으로 증가하여 96hr 이상의 노화시험에 의해 무게 변화율이 SAE J1684㈣의 신뢰성인증 한계 +5%를 초과하였다. 시편을 침지시킨 쿨런트액의 수면을 기준으로 해서 깊이 방향으로 일정간격씩의 위치에서 측정한 결과, 쿨런트액 수면 직하 3mm까지는 경도의 저하 폭이 컸으며 12mm 보다 더 깊은 위치에서는 노화정도가 매우 약해졌다. 이것은 갈바니 셀 회로가 엔진과 라디에터 금속접속부 근처의 고무호스에서 쿨런트액을 매체로 국부적으로 일어났음을 가리킨다.

후속연구

결론적으로 본 냉각기 고무호스부품의 내ECD 성을 향상시키기 위해서는 호스와 금속(엔진부, 냉각기부)의 접속부의 설계를 개선하여 전기적인 갈바니 셀 회로의 서】기(전압)가 접속부에서 매우 적도록 설계하거나 고무재질 자체를 내ECD성이 강하도록 배합하여 쿨런트액이 고무층에 흡입되지 않도록 설계할 필요가 있는 것이다.

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