Although Graphite Compacted Vermicular (GCV) was first observed in 1948, the narrow range for stable foundry production precluded the high volume application of GCV to complex components such as cylinder blocks and heads until advanced process control technologies became available. This, in turn, ha...
Although Graphite Compacted Vermicular (GCV) was first observed in 1948, the narrow range for stable foundry production precluded the high volume application of GCV to complex components such as cylinder blocks and heads until advanced process control technologies became available. This, in turn, had to await the advent of modern measurement electronics and computer processors. Following the development of foundry techniques and manufacturing solutions, primarily initiated in Europe during the 1990s, the first series production of GCV cylinder blocks began during 1999. Today, more than 40,000 GCV cylinder blocks are produced each month for OEMs, including Audi, DAF, Ford, Hundai, MAN, Mercedes, PSA, Volkswagen, and Volvo. Given that new engine programs are typically intended to support three to four vehicle generations, the chosen engine materials must satisfy current design criteria and also provide the potential for future performance upgrades without changing the overall block architecture. With at least a 75% increase in the ultimate tensile strength, a 40% increase in the elastic modulus, and approximately double the fatigue strength of either iron or aluminum, GCV is ideally suited to meet current and future of engine design and performance requirements.
Although Graphite Compacted Vermicular (GCV) was first observed in 1948, the narrow range for stable foundry production precluded the high volume application of GCV to complex components such as cylinder blocks and heads until advanced process control technologies became available. This, in turn, had to await the advent of modern measurement electronics and computer processors. Following the development of foundry techniques and manufacturing solutions, primarily initiated in Europe during the 1990s, the first series production of GCV cylinder blocks began during 1999. Today, more than 40,000 GCV cylinder blocks are produced each month for OEMs, including Audi, DAF, Ford, Hundai, MAN, Mercedes, PSA, Volkswagen, and Volvo. Given that new engine programs are typically intended to support three to four vehicle generations, the chosen engine materials must satisfy current design criteria and also provide the potential for future performance upgrades without changing the overall block architecture. With at least a 75% increase in the ultimate tensile strength, a 40% increase in the elastic modulus, and approximately double the fatigue strength of either iron or aluminum, GCV is ideally suited to meet current and future of engine design and performance requirements.
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문제 정의
본 연구는 DLC 코팅된 GCV 소재의 마모특성에 관한 연구이다. CV흑연주철은 흑연의 모양이 Vermicular(애벌레)와 비슷하다고하여 붙여진 이름이다.
본 연구에서는 GCV소재의 마모특성을 DLC 코팅 유무와 DLC 합성조건의 변화에 따라 조사하여 다음의 결론을 얻을 수 있다.
본 연구에서는 GCV소재의 마모특성을 DLC 코팅 유무와 DLC 합성조건의 변화에 따라 조사하였다.
제안 방법
DLC 코팅시험은 당사에서 제작한 DLC 코팅시험편을 사용하였고, 코팅조건은 RF power 600W, Chamber heat 200℃, 코팅중 시험편 공전, HMDSO 등의 조건은 일정하게 유지하고 CH4와 Ar를 사용한 DLC 코팅 시간을 변화시켜 실험을 실시하였다. Table 2에 디스크의 합성조건을 나타내었다.
마모시험은 볼온디스크 형태로 실시하였으며, 회전수 100rpm, 총 마모거리 2km, 하중은 상온건조 상태 5N으로 실시하였다. 마모시험 500m마다 시험을 중지하고 정밀저울로 마모량을 측정하였다. Fig.
DLC 코팅층의 부착력은 Scratch test를 사용하여 각각 측정하였다. 마모시험은 볼온디스크 형태로 실시하였으며, 회전수 100rpm, 총 마모거리 2km, 하중은 상온건조 상태 5N으로 실시하였다. 마모시험 500m마다 시험을 중지하고 정밀저울로 마모량을 측정하였다.
Table 1에 사용 소재의 화학성분을 나타내었다. 세라믹 볼은 아무런 처리 없이 사용하였으며, 디스크는 모재 및 여러 조건으로 DLC 코팅 등으로 다양한 처리를 실시하여 총 5가지 시험편을 제작하였다.
인장시험편은 KSB 0801규격에 맞게 제작하여 INSTRON 8516 만능재료시험기를 사용하여 Cross hear speed 1mm/min의 속도로 실시하였으며, 경도는 마이크로 비커스 경도기 및 Nano-indentation을 사용하여 측정하였다. DLC 코팅층의 부착력은 Scratch test를 사용하여 각각 측정하였다.
부착력 측정은 CSM사의 Scratch tester(model: RST)을 사용하여 각 시험편당 랜덤하게 2회 측정하여 그 평균값으로 하였다. 측정조건은 0~50N의 힘을 50N/mim의 속도로 순차적으로 시험편에 가한 후 Acoustic emission 신호와 육안 관찰을 통하여 부착력을 측정하였다. Fig.
DLC 코팅층 표면측정은 CSM사의 Nano indentation tester(model: NHTX)를 사용하여 각 시험편당 랜덤하게 2회 측정하여 그 평균값으로 하였다. 측정조건은 Acquisition 10Hz, 최대깊이 400nm, 로딩 시간 100mN/min, 제거시간 100mN/min, 포아송 비 0.3으로 설정한 후 측정하였다. Table 4는 각 조건별 코팅층의 표면 경도를 정리하여 나타내었다.
대상 데이터
마모실험에 사용한 볼(Ball) 재료는 시중에서 구입한 φ3의 알루미나 세라믹 볼을 사용하였고, 디스크 재료는 신명테크에서 제조한 GCV340을 여러 조건으로 DLC 코팅을 실시한 시험편과 실시하지 않은 시험편을 사용하였다.
데이터처리
DLC 코팅층 표면측정은 CSM사의 Nano indentation tester(model: NHTX)를 사용하여 각 시험편당 랜덤하게 2회 측정하여 그 평균값으로 하였다. 측정조건은 Acquisition 10Hz, 최대깊이 400nm, 로딩 시간 100mN/min, 제거시간 100mN/min, 포아송 비 0.
Acoustic emission방법으로 부착력 측정이 어려운 경우에는 시험 후 광학현미경을 통하여 육안으로 부착력을 측정 할 수 있다. 부착력 측정은 CSM사의 Scratch tester(model: RST)을 사용하여 각 시험편당 랜덤하게 2회 측정하여 그 평균값으로 하였다. 측정조건은 0~50N의 힘을 50N/mim의 속도로 순차적으로 시험편에 가한 후 Acoustic emission 신호와 육안 관찰을 통하여 부착력을 측정하였다.
4는 GCV 소재의 마이크로 비커스 경도값을 조사하여 나타내었다. 총 20회 경도실험을 실시 한 후 그 평균값을 조사하여 나타내었다. 경도값은 318Hv로 나타났다.
이론/모형
인장시험편은 KSB 0801규격에 맞게 제작하여 INSTRON 8516 만능재료시험기를 사용하여 Cross hear speed 1mm/min의 속도로 실시하였으며, 경도는 마이크로 비커스 경도기 및 Nano-indentation을 사용하여 측정하였다. DLC 코팅층의 부착력은 Scratch test를 사용하여 각각 측정하였다. 마모시험은 볼온디스크 형태로 실시하였으며, 회전수 100rpm, 총 마모거리 2km, 하중은 상온건조 상태 5N으로 실시하였다.
성능/효과
(1) GCV340의 미세조직을 조사한 결과 편심흑연과 구상흑연이 동시에 존재하는 조직으로 나타났다. 이 두가지의 조직이 동시에 존재함으로 인하여 200℃ 정도의 온도에서 치수변화가 거의 없는 우수한 소재로 알려져 있다.
(2) GCV 340 소재의 인장실험 결과, 인장강도 411.5MPa, 항복강도 313.8MPa, 연신율 2.7%로 각각 나타났고, 경도값은 318Hv로 나타났다.
(3) Micro-RAMAN, Scratch test, Nano-indentation 실험 결과 DLC 임을 확인할 수 있었고, 부착력 및 표면 경도값을 각각 확인 가능 하였다.
(4) 마모계수는 전 시험편에서 0.2 이하의 아주 우수한 값을 나타내었다. 90min 동안 DLC 코팅을 실시한 시험편의 경우는 2,000m까지의 마모시험에서도 코팅층이 손상되지 않고 있어 마찰계수도 가장 우수한 값을 나타내었다.
(5) 마모면 관찰 결과 DLC 90min 코팅을 실시한 시험편에서는 거의 파손 흔적이 나타나지 않고 있으며 2,000m 마모시험 후에도 일부만 파손이 일어나고 있는 것을 알 수 있다. 표면경도 및 부착력이 다른 시험편 보다 우수하여 마모시험에서도 우수한 결과가 나타났다고 판단된다.
2 이하의 아주 우수한 값을 나타내었다. 90min 동안 DLC 코팅을 실시한 시험편의 경우는 2,000m까지의 마모시험에서도 코팅층이 손상되지 않고 있어 마찰계수도 가장 우수한 값을 나타내었다.
그림에서 나타나는 것처럼 DLC 30min 시험편은 500m 전에 코팅층이 파손된 것을 확인할 수 있다. DLC 60min 코팅한 시험편은 1,000m 정도 마모시험 진행 후에 코팅이 파손되고 있는 것을 확인할 수 있으며, DLC 120min 코팅을 실시한 시험편은 500m 부터 어느 정도의 파손흔적은 나타나지만 전 부분이 파손된 것은 1,500m 이후에 파손이 진행되었다는 것을 알 수 있다. 하지만 DLC 90min 코팅을 실시한 시험편에서는 거의 파손 흔적이 나타나지 않고 있으며 2,000m 마모시험 후에도 일부만 파손이 일어나고 있는 것을 알 수 있다.
인장시험편은 총 5개의 실험을 실시하여 그 평균값을 나타내었다. GCV 340소재는 인장강도가 340MPa, 항복강도 270MPa 이상의 값을 요구하는데 본 실험에서는 인장강도 411.5MPa, 항복강도 313.8MPa, 연신율 2.7%로 각각 나타나 요구하는 값을 만족하였다.
Raman 스펙트라 분석 결과 1560cm−1에서 피크가 관찰되어 거의 대부분이 DLC 층으라는 것을 확인 할 수 있었다.
자세히 살펴보면, GCV 340 데이터를 기준으로 볼때 DLC 코팅을 30분 및 60분 실시한 후 마모시험에서는 마찰계수가 조금 높게 나타나고 있다. 하지만 DLC 코팅을 90분 및 120분 실시한 후 마모시험시의 마찰계수는 전체적으로 낮게 나나타고 있으며, 특히 90분 동안 DLC 코팅을 실시한 시험편의 경우는 2,000m까지의 마모시험에서도 코팅층이 손상되지 않고 있어 마찰계수도 가장 우수한 값을 나타내었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CV흑연주철은 어디에 사용되는가?
주조성, 열전도성은 Grey iron(편상흑연주철)에 가깝고, 강도는 Ductile iron(구상흑연주철) 쪽에 가까운 특성을 나타내므로 CV흑연주철의 적용 분야는 복잡하고, 주조가 어려운 높은 정밀도를 요하는 주물품이나, 어느 정도 강성이 높게 요구되면서 열전전도가 좋아야 하는 부품 등에 사용되고 있다. 예를 들면, 유압기기용 소재, 고출력엔진용 실린더블록, 실린더헤드, 브레이크디스크, 브레이크 드럼, 배기메니폴드 등 이다(김남석 등, 2009).
CV흑연주철 이름의 유래는?
본 연구는 DLC 코팅된 GCV 소재의 마모특성에 관한 연구이다. CV흑연주철은 흑연의 모양이 Vermicular(애벌레)와 비슷하다고하여 붙여진 이름이다. 주조성, 열전도성은 Grey iron(편상흑연주철)에 가깝고, 강도는 Ductile iron(구상흑연주철) 쪽에 가까운 특성을 나타내므로 CV흑연주철의 적용 분야는 복잡하고, 주조가 어려운 높은 정밀도를 요하는 주물품이나, 어느 정도 강성이 높게 요구되면서 열전전도가 좋아야 하는 부품 등에 사용되고 있다.
DLC 박막은 어떤 재료를 말하는가?
DLC 박막은 비정질 카본 박막의 하나로서 다이아몬드와 유사한 높은 경도, 윤활성, 내마모성, 화학적 안정성, 전기절연성, 그리고 광학적 투과성을 가지고 있는 재료를 말한다. 수소를 함유한 경우에는 구조적 특성을 강조한 수소함유 비정질 카본이라는 이름이 사용되기도 하며, 최근 이러한 FVA법으로 제조된 초경질-다이아몬드상 카본 박막은 sp3 분율이 매우 높고, 거의 다이아몬드에 가까운 기계적 물성 및 밀도 등의 특성으로 인해 ta-C 혹은 a-D라고 불리고 있으며, 대표적인 고윤활 고경도 물질로 분류된다(이진호 등, 2009).
참고문헌 (5)
김남석, 김현수, 성기용, 안석환, 남기우 (2009). “유압 피스톤 펌프 소재의 마모 특성에 관한 연구”, 한국해양공학회지, 제23권, 제3호, pp 30-44.
Steve Dawson (2008). “Compacted Graphite Iron - A Material Solution for Modern Diesel Engin Cylinder Blocks and Heads”, World Foundry Congress 68th WFC, pp 93-99.
Steve Dawson (1999). “Compacted Graphite Iron: Mechanical and Physical Properties for Engine Design”, Werkstoff und Automobilantrieb, Dersen, Germany, pp 1-20.
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