Oil hydraulic piston pumps are being extensively used around the world, because of their simple design, light weight, effective cost, etc. An oil hydraulic pump is likely to have the serious problems of high leakage, friction, and low energy efficiency after a long period of use. In an oil hydraulic...
Oil hydraulic piston pumps are being extensively used around the world, because of their simple design, light weight, effective cost, etc. An oil hydraulic pump is likely to have the serious problems of high leakage, friction, and low energy efficiency after a long period of use. In an oil hydraulic piston pump, the clearance between the valve block and piston plays an important role for volumetric and overall efficiency. In this study, the wear property of the SACM645 material with DLC coating used for a hydraulic piston pump was determined by experimentation with variable heat treatment. To investigate the effect according to the piston surface condition, five different types of specimens were prepared. The maximum tensile strengths of the QT and QT Nitration specimens had similar values of about 800 MPa, but the strains indicated a big difference. In a wear test, the wear characteristic of the DLC coating specimen was shown to be excellent. The QT, QT + IH, QT + Nitration, and matirx specimen showed similar wear characteristics. In the case of a dry condition without oil, the DLC coating specimen had good wear resistance, with no wear shown.
Oil hydraulic piston pumps are being extensively used around the world, because of their simple design, light weight, effective cost, etc. An oil hydraulic pump is likely to have the serious problems of high leakage, friction, and low energy efficiency after a long period of use. In an oil hydraulic piston pump, the clearance between the valve block and piston plays an important role for volumetric and overall efficiency. In this study, the wear property of the SACM645 material with DLC coating used for a hydraulic piston pump was determined by experimentation with variable heat treatment. To investigate the effect according to the piston surface condition, five different types of specimens were prepared. The maximum tensile strengths of the QT and QT Nitration specimens had similar values of about 800 MPa, but the strains indicated a big difference. In a wear test, the wear characteristic of the DLC coating specimen was shown to be excellent. The QT, QT + IH, QT + Nitration, and matirx specimen showed similar wear characteristics. In the case of a dry condition without oil, the DLC coating specimen had good wear resistance, with no wear shown.
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문제 정의
본 연구에서는 피스톤 재료로 사용되고 있는 SACM645소재를 다양한 방법으로 열처리를 실시하고, DLC 코팅한 시험편으로 건조 상태에서 마모 특성을 조사하였다.
제안 방법
마모실험은 SACM645 소재를1) 모재, 2) 큐티처리, 3) 큐티처리 후 질화처리, 4) 큐티처리 후 고주파처리, 5) 큐티+ 질화처리 후 DLC 코팅을 실시한 5가지 시험편을 제작하여 상온에서 건조 상태로 회전수 50rpm에, 하중 5N을 가하여 볼 온 디스크 방식으로 총 마모거리를 3km로 정하고 매 500m마다 시험편을 회수하여 세척하고 무게를 측정하여 마모량을 체크하고 시험디스크의 마모면은 3km 실험을 실시한 후 광학현미경을 통하여 관찰하였다. 표면개질 처리한 5종류의 SACM645 핀 시험편을 사용하여 실온 건조 상태에서 마모시험을 실시한 결과를 Fig.
즉, DLC 코팅층은 최초 500m까지만 마모에 영향을 주는 것으로 판단된다. 따라서 모든 시험편에서 3km까지 마모 실험을 실시하였지만, 마찰 계수는 최초 500m까지만 비교해 그 특성을 조사하였다. 그 결과를 Fig.
마모시험은 볼온디스크 형태로 실시하였으며, 회전수 50rpm, 총 마모거리 3km, 하중은 5N으로 상온건조 상태에서 실험을 실시하였다. 마모시험 500m마다 시험을 중지하고 정밀저울로 마모량을 측정하였다. Fig.
DLC 코팅층의 부착력은 Scratch test, 두께는 Alpha step을 사용하여 각각 측정하였다. 마모시험은 볼온디스크 형태로 실시하였으며, 회전수 50rpm, 총 마모거리 3km, 하중은 5N으로 상온건조 상태에서 실험을 실시하였다. 마모시험 500m마다 시험을 중지하고 정밀저울로 마모량을 측정하였다.
본 연구에서는 피스톤 재료로 사용되고 있는 SACM645소재를 다양한 방법으로 열처리를 실시하고, DLC 코팅한 시험편으로 마모시험을 실시한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
Table 1에 사용 소재의 화학성분을 나타내었다. 세라믹 볼은 아무런 처리 없이 사용하였으며, 디스크는 모재, 큐티, 큐티+질화, 큐티+고주파 및 DLC 코팅 등으로 다양한 처리를 실시하여 총 5가지 시험편을 제작하였다. Table 2에 핀의 각종 처리 조건을 나타내었다.
Table 2에 핀의 각종 처리 조건을 나타내었다. 인장시험편은KSB 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 test, 두께는 Alpha step을 사용하여 각각 측정하였다.
표면경도 측정을 위한 Nano-indentation의 측정조건은 Acquisition rate 10Hz, Max load 3mN, Loading rate 6mN/min, Unloading rate 6mN/min, Poisson's ratio 0.18 으로 설정한 후 측정하였다.
대상 데이터
마모실험에 사용한 볼(Ball) 재료는 시중에서 구입한 세라믹 (φ3) 볼을 사용하였고, 디스크 재료는 (주)포스코사 에서 제조한 SACM 645를 각종 열처리 방법을 달리한 것과 DLC 코팅을 실시한 시험편을 사용하였다.
데이터처리
Acoustic emission 방법으로 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. 측정결과 30.
이론/모형
인장시험편은KSB 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 test, 두께는 Alpha step을 사용하여 각각 측정하였다. 마모시험은 볼온디스크 형태로 실시하였으며, 회전수 50rpm, 총 마모거리 3km, 하중은 5N으로 상온건조 상태에서 실험을 실시하였다.
성능/효과
(1) 인장강도 측정 결과 큐티, 질화, 고주파 시험편의 최대응력은 800MPa 부근으로 비슷한 값을 나타내고 있으나, 변형률은 많은 차이를 나타내었다. 큐티 고주파 시험편은 내부까지 전체적으로 경화되어 1,700MPa로 매우 높게 나타났다.
(3) 마모시험 DLC 코팅 시험편이 다른 시험편에 비하여 마모량, 마찰계수 및 마모면 폭 길이가 작아 우수한 내마모성을 나타내었다.
사진에서 나타나는 것처럼 질화처리 깊이는 표면에서 약200µm 정도로 나타났으며, 열영향을 받은 부분도 일부 관찰되었다.
부착력 측정은 CSM사의 Scratch tester(model: RST)을 사용하여 각 시험편당 랜덤하게 2회 측정하여 그 평균값으로 하였다. 측정결과 30.9N 및 31.1N으로 각각 나타나 우수한 값을 나타내었다.
18 으로 설정한 후 측정하였다. 측정결과 표면 경도값은 2,021Hv 및 2,248Hv로 각각 나타났다.
큐티 시험편은 경화 후에 인성을 부여하였기 때문에 많은 변형이 발생하였다. 큐티+ 질화 시험편은 질화처리 후 경도가 800Hv으로 매우 높으며, 연성이 매우 적게 나타났다. 한편 큐티 고주파 시험편은 표면 경화에 의하여 높은 강도와 풍부한 연성을 가지게 된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유압 피스톤 펌프와 모터가 유압시스템에서 널리 사용되는 이유는?
유압 피스톤 펌프와 모터는 간단한 구조로서 고압의 유압원을 생성하거나 소형이면서도 높은 토크를 발생하기 때문에 유압시스템에 널리 사용되고 있다. 피스톤과 실린더 사이의 좁은 간극에서의 마모상태는 피스톤 펌프와 모터의 성능 및 수명에 직접적으로 아주 큰 영향을 미친다.
DLC 박막이란?
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(임동필, 2007).
SACM645소재를 다양한 방법으로 열처리를 실시하고, DLC 코팅한 시험편으로 마모시험을 실시한 결과를 통한 결론은 무엇인가?
(1) 인장강도 측정 결과 큐티, 질화, 고주파 시험편의 최대응력은 800MPa 부근으로 비슷한 값을 나타내고 있으나, 변형률은 많은 차이를 나타내었다. 큐티 고주파 시험편은 내부까지 전체적으로 경화되어 1,700MPa로 매우 높게 나타났다.
(2) Scratch test는 코팅부와 모재와의 부착력을 측정하기 위한 장비로써, 순차적으로 하중을 증가시켜 긁어나가면서 박막의 최대 임계 하중을 구하는 방식으로 부착력을 측정하는 장비이다. 측정결과 30.9N 및 31.1N으로 각각 나타나 우수한 값을 나타내었다. Nano-indentation을 사용한 표면경도 측정 결과 2,021Hv 및 2,248Hv로 높은 값을 나타내었다.
(3) 마모시험 DLC 코팅 시험편이 다른 시험편에 비하여 마모량, 마찰계수 및 마모면 폭 길이가 작아 우수한 내마모성을 나타내었다.
(4) 인장시험, 경도시험, 마모시험 등을 종합할 때, DLC 코팅 처리한 경우가 가장 양호한 내마모성을 나타내는 고강도 소재라고 판단된다. 이 DLC 코팅은 실제 유압피스톤에 적용되었을 때에도 우수한 특성을 나타낼 것이라 예상된다.
참고문헌 (8)
김남석, 김현수, 성기용, 안석환, 남기우 (2009). “유압 피시톤펌프 소재의 큐티 특성에 관한 연구”, 한국해양공학회지, 제23권, 제3호, pp 30-34.
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