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문제 정의
- 본 연구에서는 코발트기 자융성합금 코팅의 공정최적화를 위해 경도 및 마모율의 다중특성치에 대한 가중치를 고려하여 통계적 분석을 실시하였다. 이를 토대로 사용 환경이나 목적에 따른 코발트기 자융성합금 코팅의 최적공정 조건을 도출하고, 코팅의 품질에 영향을 미치는 인자들의 기여도를 분석하였다.
제안 방법
- 경도는 코팅의 단면을 절단하여 기재의 표면으로부터 100 μm 떨어진 위치의 값을 마이크로 비커스 경도시험기(Akashi, MVK-H1)를 사용하여 측정하였다.
- 본 연구에서는 코발트기 자융성합금 코팅의 공정최적화를 위해 경도 및 마모율의 다중특성치에 대한 가중치를 고려하여 통계적 분석을 실시하였다. 이를 토대로 사용 환경이나 목적에 따른 코발트기 자융성합금 코팅의 최적공정 조건을 도출하고, 코팅의 품질에 영향을 미치는 인자들의 기여도를 분석하였다.
- 용사코팅의 품질에 영향을 미치는 여러 인자들 중 본 연구에서는 산소 유량, 아세틸렌 유량, 분말 송급률 및 용사 거리의 4가지를 선정하고 각각의 인자에 대해 3가지 수준을 적용시켰다. 산소 유량은 35, 44 및 53 ft3/h, 아세틸렌 유량은 44, 55 및 66 ft3/h, 분말 송급률은 24, 30 및 36 lb/min, 용사 거리는 160, 200 및 240 mm로 하여 수준별로 각각 20%의 간격을 두었다.
- 용사코팅의 품질에 영향을 미치는 여러 인자들 중 본 연구에서는 산소 유량, 아세틸렌 유량, 분말 송급률 및 용사 거리의 4가지를 선정하고 각각의 인자에 대해 3가지 수준을 적용시켰다. 산소 유량은 35, 44 및 53 ft3/h, 아세틸렌 유량은 44, 55 및 66 ft3/h, 분말 송급률은 24, 30 및 36 lb/min, 용사 거리는 160, 200 및 240 mm로 하여 수준별로 각각 20%의 간격을 두었다. 4인자 3수준의 L9(34) 직교배열표에 따라 시험편을 제작하였다.
- 본 연구에서는 코발트기 자융성합금 코팅의 경도와 마모율 2가지를 특성치로 선정하였다. 경도는 코팅의 단면을 절단하여 기재의 표면으로부터 100 μm 떨어진 위치의 값을 마이크로 비커스 경도시험기(Akashi, MVK-H1)를 사용하여 측정하였다.
- 상대마모재로는 Al 2O 3 ball을 사용하였다. 마모율은 마모거리 당 무게손실률로 구하였다.
- 마모율과 경도 2가지 특성치 모두를 고려한 경우의 최적조건을 도출하기 위해 실험에서 얻어진 결과에 손실함수를 적용하여 정규화하고, 각각의 특성치에 가중치를 적용한다. 이 값은 다음의 식으로 계산되었다.
- 전술한 바와 같이 본 연구에서는 코발트기 자융성합금 코팅에 있어서 경도와 마모율의 다중특성치에 대한 분산분석을 통해 최적공정 조건을 도출하였고, 각 인자들의 기여도를 분석하였다. 이러한 결과를 토대로 실제 산업현장에서 사용환경이나 목적에 따라 여러 특성치를 고려한 공정최적화가 가능할 것으로 판단된다.
대상 데이터
- 기재는 일반 구조용강인 SS400 강판을 40×40 mm로 가공 하여 사용하였고 용사전 기재의 표면을 #23 알루미나 그릿트를 이용하여 블라스트처리를 하고 아세톤에서 초음파 세척을 하였다.
- 1 m/s, 마모거리 1000 m로 하였다. 상대마모재로는 Al 2O 3 ball을 사용하였다. 마모율은 마모거리 당 무게손실률로 구하였다.
이론/모형
- 마모율을 구하기 위한 마모시험은 ball-on-disk 방식의 건식마모시험기(Neoplus, MPW-100)를 사용하였다. 코팅된 시편을 #2000 사포를 이용하여 표면 조도를 일정하게 한 후 마모시험을 실시하였다.
성능/효과
- 1은 각각의 인자 및 수준별 경도의 S/N비를 나타낸 것으로, 이 그래프에서 가장 높은 값들의 조합이 최적공정 조건이다. 즉, A3B3C2D3가 본 연구에서 구해진 최적공정 조건으로 산소 유량 53 ft3/h, 아세틸렌 유량 66 ft3/h, 분말 송급률 30lb/min, 용사 거리 240 mm이다. 경도를 특성치로 한 경우의 최적조건의 S/N비 추정구간은 신뢰도 95% 수준에서 5.
- 분산분석의 결과로 얻어진 최적조건 A3B3C2D3가 직교배열표에 포함되어 있지 않으므로 확인을 위한 검증실험을 실시하였고, 그 결과 얻어진 S/N비는 5.86이었다. 이 값은 분산분석을 통해 얻은 추정구간 5.
- 분산분석의 결과로 얻어진 최적조건 A3B3C2D3가 직교배열표에 포함되어 있지 않으므로 역시 확인을 위한 검증 실험을 실시하였고, 그 결과 얻어진 S/N비는 9.30이었다. 이 값 또한 분산분석을 통해 얻은 추정구간 9.
- 5로 했을 경우의 손실함수와 MRSN을 정리하여 나타낸 것이고, Table 7은 그 분산분석의 결과를 나타낸 것이다. 분산분석의 결과 용사거리, 산소 유량 및 분말 송급률이 유의한 인자로 밝혀졌다. 전술한 바와 같이 경도를 특성치로 한 경우의 유의인자는 산소 유량과 용사 거리, 마모율을 특성치로 한 경우의 유의인자는 분말 송급률이었다.
- 1) 코발트기 자융성합금 용사코팅의 경도에 영향을 미치는 인자는 산소 유량과 용사 거리이며, 마모율에 영향을 미치는 인자는 분말 송급률이다.
- 2) 경도를 특성치로 했을 경우의 최적공정조건은 산소 유량 53 ft3/h, 아세틸렌 유량 66 ft3/h, 분말 송급률 30 lb/min, 용사 거리 240 mm이고, 마모율을 특성치로 했을 경우 코팅의 최적공정조건은 산소 유량 53 ft3/h, 아세틸렌 유량 55 ft3/h, 분말 송급률 36 lb/min, 용사 거리 240 mm이다.
- 3) 경도와 마모율의 가중치를 각각 0.5로 한 다중특성치를 고려할 경우의 최적조건 코팅은 하나의 특성치만을 고려했을 때의 최적조건 코팅보다 낮은 S/N비를 나타내지만, 경도와 마모율 모두 평균 이상의 S/N비를 나타내는 양호한 코팅을 얻을 수 있다.
- 4) 가중치를 고려한 다중특성치에 대한 통계적 분석으로 사용환경이나 목적에 따른 최적공정조건의 도출 및 각 인자의 기여도의 영향을 쉽게 분석할 수 있다.
후속연구
- 전술한 바와 같이 본 연구에서는 코발트기 자융성합금 코팅에 있어서 경도와 마모율의 다중특성치에 대한 분산분석을 통해 최적공정 조건을 도출하였고, 각 인자들의 기여도를 분석하였다. 이러한 결과를 토대로 실제 산업현장에서 사용환경이나 목적에 따라 여러 특성치를 고려한 공정최적화가 가능할 것으로 판단된다.
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