[논문]유압 피스톤 펌프 소재의 마모 특성에 관한 연구

김남석; 김현수; 성기용; 안석환; 남기우

유압 피스톤 펌프 소재의 마모 특성에 관한 연구
A Study on Wear Property of Oil Hydraulic Piston Pump Material 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.23 no.3 = no.88, 2009년, pp.30 - 34

김남석 (부경대학교 대학원) , 김현수 (삼호정밀 기술연구소) , 성기용 (경남전략사업기획단) , 안석환 (부경대학교 기계공학부) , 남기우 (부경대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Oil hydraulic piston pumps are being extensively used in the world, because of simple design, light weight and effective cost etc. An oil hydraulic pump is likely to have serious problems of high leakage, friction and low energy efficiency according to large time use. In the oil hydraulic piston pumps the clearance between the valve block and piston plays an important role for volumetric and overall efficiency. In this paper, the wear property of the SACM645 material used the hydraulic piston pump has been work out by experimentation with variable heat treatment. To investigate the effect according to the piston surface condition, seven different types specimen were prepared. From the wear test results, induction hardening and nitration were definitely superior to the others. On the whole, nitration was estimated for high strength material to wear resistance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 피스톤펌프의 피스톤에 사용되는 SACM645 (41CrAlMo74: 알루미늄크롬몰리브덴강)를 표면 개질하여, 건조 상태에서 마모시험을 실시한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
이와 달리 질화처리를 한 시험편의 경우에는 표면의 경도는 800Hv 이상으로 높게 나타나는 반면, 시험편의 바깥 쪽으로부터 200µm 정도에서 거의 모재와 QT처리 시험편과 비슷한 경도를 가지는 것을 알 수 있다. 본 연구 개발은 고강도 피스톤 소재를 개발하는 것이 주목적이다. 따라서 피스톤이라는 것은 마모가 일어나서는 안 되는 부품이다.
본 연구에서는 피스톤 재료로 사용되고 있는 SACM645소재를 다양한 방법으로 열처리를 실시한 후 건조상태에서 마모 특성을 조사하였다.

제안 방법

마모실험은 SACM645 소재를 1) 모재, 2) 질화처리, 3) 고주파처리, 4) QT처리, 5) QT처리 후 질화처리, 6) QT처리 후 고주 파처리, 7) QT처리 후 쇼트피닝 처리한 7가지 시험편을 제작하여 상온에서 건조 상태로 회전수 400rpm, 하중 29N을 가하여핀 온 디스크 방식으로 총 마모거리를 3km로 정하고 매 500m 마다 시험편을 회수하여 세척하고 무게를 측정하여 마모량을 체크하고 시험핀의 마모면을 광학현미경을 통하여 관찰하였다. 표면개질 처리한 7 종류의 SACM645 핀 시험편을 사용하여 실온 건조상태에서 마모시험을 실시한 결과를 Fig.
Table 1에 사용 소재의 화학성분을 나타내었다. 디스크는 아무런 처리 없이 원소재를 사용하였으며, 핀은 모재, QT, 질화, 고주파, QT+질화, QT+고주파 및 QT+쇼트피닝 등 다양한 처리를 실시하여 총 7가지 시험편을 제작하였다. Table 2에 핀의 각종 처리 조건을 나타내었다.
마모시험은 회전수 400rpm, 총 마모거리 3km, 하중은 상온건조 상태 29N으로 실시하였다. 마모시험 500m마다 시험을 중지하고 정밀저울로 마모량을 측정하였다.
마모시험은 회전수 400rpm, 총 마모거리 3km, 하중은 상온건조 상태 29N으로 실시하였다. 마모시험 500m마다 시험을 중지하고 정밀저울로 마모량을 측정하였다.
본 실험은 피스톤과 밸브플레이트가 면 접촉을 이루고 있어 이를 가정하기 위하여 핀 온 디스크(Pin on disk) 형태의 마모시험을 실시하였다. 실험에 사용한 핀 재료는 (주)포스코에서 제조한 SACM 645를 각종 열처리 방법을 달리하여 사용하 였으며, 디스크 재료는 GCD500을 사용하였다.
Table 2에 핀의 각종 처리 조건을 나타내었다. 인장시험편은 KS B0801규격에 맞게 제작하여 INSTRON 8516 만능재료시험기를 사용하여 크로스헤드 속도 1mm/min의 속도로 실시하였으며, 경도는 마이크로 비커스 경도기를 사용하여 측정하였다.

대상 데이터

본 실험은 피스톤과 밸브플레이트가 면 접촉을 이루고 있어 이를 가정하기 위하여 핀 온 디스크(Pin on disk) 형태의 마모시험을 실시하였다. 실험에 사용한 핀 재료는 (주)포스코에서 제조한 SACM 645를 각종 열처리 방법을 달리하여 사용하 였으며, 디스크 재료는 GCD500을 사용하였다. Table 1에 사용 소재의 화학성분을 나타내었다.

성능/효과

(1) 인장강도 측정 결과 QT 시험편, QT+쇼트피닝 시험편 및 QT+질화 시험편의 최대응력은 800MPa 부근으로 비슷한 값을 나타내고 있으나, 변형률은 많은 차이를 나타내었다. QT+질화 시험편은 질화처리 후 경도가 Hv 800으로 매우 높으며, 연성이 매우 적게 나타났고, QT 고주파 시험편은 내부까지 전부 경화 되어 1,700MPa로 매우 높았게 나타났다.
(2) 경도 측정결과 대부분의 시험편은 모재와 비슷한 경도 값 (210~230Hv)을 나타내었고, 질화처리 시험편에서는 표면 경도가 800Hv, 내부는 모재와 비슷한 경도를 나타내었다.
(3) 마모시험 결과 고주파처리와 질화처리가 내마모성이 우수 하였다. 고주파처리 중에서도 QT+고주파 처리가 내마모성이 가장 좋은 결과를 나타내었다.
(4) 인장시험, 경도시험, 마모시험 등을 종합할 때, 질화처리의 경우가 가장 양호한 내마모성을 나타내는 고강도 소재라고 판단된다.
계속해서 금속간의 습립보다 응착부근에 큰 변형이 생겨 표면에 균열이 발생하기 시작하며 연삭에 의하여 많은 마모가 발생하였다. 그리고 (c) 질화 시험편, (d) 고주파 시험편, (e) QT+질화 시험편, (g) QT+고주파 시험편은 핀 마모량이 적은 것에서 미끄럼마모와 산화가 일어난 것으로 판단된다. 표면의 경도가 높아서 상대적인 접촉에 의하여 미끄럼이 발생하고, 장시간의 마찰에 의하여 온도가 상승하면서 산화에 의한 마모가 발생하였다고 판단된다.
그리고 QT+쇼트피닝 시험편은 표면에 압축 잔류응력을 부여하였으나, 표면 개질 깊이가 얕아서 인장특성 에는 영향이 거의 없었고, 변형률에는 약간의 영향을 주었다. QT+질화 시험편은 질화처리 후 경도가 800Hv으로 매우 높으며, 연성이 매우 적게 나타났다. QT 고주파 시험편은 표면 경화에 의하여 높은 강도와 풍부한 연성을 가지게 된다.
(1) 인장강도 측정 결과 QT 시험편, QT+쇼트피닝 시험편 및 QT+질화 시험편의 최대응력은 800MPa 부근으로 비슷한 값을 나타내고 있으나, 변형률은 많은 차이를 나타내었다. QT+질화 시험편은 질화처리 후 경도가 Hv 800으로 매우 높으며, 연성이 매우 적게 나타났고, QT 고주파 시험편은 내부까지 전부 경화 되어 1,700MPa로 매우 높았게 나타났다.
QT 시험편은 경화 후에 인성을 부여하였기 때문에 많은 변형이 발생하였다. 그리고 QT+쇼트피닝 시험편은 표면에 압축 잔류응력을 부여하였으나, 표면 개질 깊이가 얕아서 인장특성 에는 영향이 거의 없었고, 변형률에는 약간의 영향을 주었다. QT+질화 시험편은 질화처리 후 경도가 800Hv으로 매우 높으며, 연성이 매우 적게 나타났다.
따라서 피스톤이라는 것은 마모가 일어나서는 안 되는 부품이다. 마모로 인한 오차가 가장 최소화 되어야 피스톤의 기능과 효율이 초기와 같이 유지될 수 있다고 생각할 때, SACM645의 피스톤 부분의 재료 적용에 있어서, 현재 데이터 값으로 볼 때 질화처리가 가장 좋은 처리방법이라고 판단된다.
3에 나타 내었다. 모재 및 QT 시험편의 경도는 210~230Hv로 나타났으며, 시험편의 열처리에 따른 경도를 비교하여 볼 때, 고주파 열처리 한 시험편은 내부까지 550~600Hv 정도의 경도를 유지하고 있어, 표면경화를 넘어서 전체적으로 경화되었음을 알 수 있다. 이것은 시험편의 직경이 작아 표면에 가열된 열이 냉각되기 전에 내부에 영향을 미치게 되면서 전단면 경화가 발생한 것으로 판단된다.
디스크의 마모량은 핀 시험편의 마모량과 비슷하게 나타났다. 모재 시험편, QT 시험편 및 QT 쇼트피닝 시험편의 디스크 순으로 마모량이 많았으며, 나머지는 Fig. 6의 원형에 나타내듯이 마모량이 비슷하게 나타났다. 이것을 상세하게 파악하기 위하여 타원형 부분을 확대하여 Fig.
사진에서 나타나는 것처럼 질화처리 깊이는 표면에서 약 200µm 정도로 나타났으며, 열영향을 받은 부분도 일부 관찰되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유압 피스톤에서 주요 부품들의 표면처리 기술을 이용한 표면경도의 확보가 반드시 필요한 이유는 무엇인가?	유압기기들의 고압화에 따라 상대운동부의 간극 및 표면조도와 함께 표면처리 기술의 중요성이 더해지고 있다. 특히 가장 고압을 발생하는 유압 피스톤의 경우 주요 부품들의 표면처리 기술을 이용한 표면경도의 확보는 부품들의 내마모성, 내피로성, 내식성 등의 향 상을 위하여 반드시 필요하며(안석환 등, 2005; 2008), 그렇지 못할 경우 마모에 의한 표면손상으로 펌프가 파손되는 결과를 초래하므로 표면처리 기술에 대한 많은 연구가 필요하다(김종기와 정재연, 2001). 그러나 유압피스톤 펌프에 대한 지금까지 수행된 많은 연구(박태조, 1997; 2001)와 제품 개발, 생산에도 불구 하고 피스톤과 실린더와의 마모 특성에 대한 이론적인 연구 (Meikandan et al.
	유압 피스톤 펌프가 유압시스템에 널리 사용되는 이유는 무엇인가?	선박, 각종 기기 등에 사용되는 유압 피스톤 펌프는 간단한 구조로서 고압의 유압원을 생성하고, 소형이면서도 높은 토크를 발생하기 때문에 유압시스템에 널리 사용되고 있다. 피스톤과 실린더 사이의 좁은 간극에서 마모상태는 피스톤 펌프와 모터의 성능 및 수명에 직접적으로 아주 큰 영향을 미친다(함영복등, 2004).
	피스톤에 사용되는 SACM645를 표면 개질하여 건조 상태에서 마모시험을 실시한 결과는 어떠한가?	(1) 인장강도 측정 결과 QT 시험편, QT+쇼트피닝 시험편 및 QT+질화 시험편의 최대응력은 800MPa 부근으로 비슷한 값을 나타내고 있으나, 변형률은 많은 차이를 나타내었다. QT+질화 시험편은 질화처리 후 경도가 Hv 800으로 매우 높으며, 연성이 매우 적게 나타났고, QT 고주파 시험편은 내부까지 전부 경화 되어 1,700MPa로 매우 높았게 나타났다. (2) 경도 측정결과 대부분의 시험편은 모재와 비슷한 경도 값 (210~230Hv)을 나타내었고, 질화처리 시험편에서는 표면 경도가 800Hv, 내부는 모재와 비슷한 경도를 나타내었다. (3) 마모시험 결과 고주파처리와 질화처리가 내마모성이 우수 하였다. 고주파처리 중에서도 QT+고주파 처리가 내마모성이 가장 좋은 결과를 나타내었다. (4) 인장시험, 경도시험, 마모시험 등을 종합할 때, 질화처리의 경우가 가장 양호한 내마모성을 나타내는 고강도 소재라고 판단된다.

참고문헌 (16)
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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