[논문]고온차단 기밀용 그라파이트의 고온 미끄럼마모 특성 평가

김연욱; 김재훈; 양호영; 박성한; 이환규; 김범근; 이성범; 곽재수

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.11.1349

고온차단 기밀용 그라파이트의 고온 미끄럼마모 특성 평가
Sliding Wear Properties of Graphite as Sealing Materials for Cut off Hot Gas 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.11, 2013년, pp.1349 - 1354

김연욱 (충남대학교 기계설계공학과) , 김재훈 (충남대학교 기계설계공학과) , 양호영 (충남대학교 기계설계공학과) , 박성한 (국방과학연구소) , 이환규 (국방과학연구소) , 김범근 (인제대학교 기계자동차공학부) , 이성범 (인제대학교 기계자동차공학부) , 곽재수 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

초록
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고온의 가스유로를 조절하는 개폐식(On-Off)밸브의 구동축과 라이너 사이에 위치하여 구동장치로의 고온 가스유입을 방지하는 기밀 소재에 대하여 연구하였다. 기밀 소재로 사용된 그라파이트(Graphite)는 구동장치에 의한 구동축의 지속적인 움직임으로 인해 마모가 발생한다. 본 논문은 고온가스 조절 밸브 내의 기밀 소재로 사용된 그라파이트(Graphite, HK-6)에 대한 상 고온 마모 특성을 평가하였다. 구동축의 소재인 레늄합금(W-25Re)에 대하여 그라파이트의 마모 시험을 수행하고 마찰계수와 비마모율을 비교하였다. 상온과 실제 작동 환경인 고온 $485^{\circ}C$에서 미끄럼속도와 접촉하중의 변화에 따른 마찰계수와 비마모율을 평가하였다. 마모표면의 SEM 분석을 통하여 상 고온 마모표면에 관찰되는 third body 를 확인하고 이로 인한 윤활효과를 고찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Sealing structure to prevent flowing hot gas into the driving device, located between the driving shaft and the liner of On-Off valve for controlling the hot gas flow path was studied. Wear occurs due to the constant movement of the driving shaft controlled by actuator on graphite as the sealing material. In this paper, the dynamic wear behavior in high temperature of graphite(HK-6) to be used as sealing material was evaluated. Reciprocating wear test was carried out for the graphite(HK-6) to the relative motion between shaft materials(W-25Re). The results of friction coefficient and specific wear rate according to contact load, sliding speed at room temperature and $485^{\circ}C$ considering the actual operating environment were evaluated. Through the SEM analysis of the worn surface, third body as lubricant films were observed and lubricant effect of third body was considered.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 고온가스 조절 밸브 내 기밀 소재인 그라파이트 HK-6 에 대하여 작동 환경을 고려한 온도, 미끄럼속도, 접촉하중을 변수로 하여 왕복동 마모 시험을 진행하고 미끄럼 마모 특성을 평가하였다. 상온과 고온에서 변화하는 기밀 소재의 마모 특성에 대하여 연구한 결과는 다음과 같다.
본 논문은 고온가스 조절 밸브 내에서 기밀 소재로 사용되는 그라파이트의 미끄럼마모 특성에 관하여 연구하였다. 상온과 실제 작동환경인 고온 환경에서 접촉하중 및 미끄럼속도 조건을 다르게 하여 왕복동 마모시험을 수행하고 변화하는 그라파이트의 미끄럼마모 특성에 대하여 고찰하였다.

제안 방법

(2) 하중 변화에 따른 상온 및 고온에 따른 마모 특성을 평가하였다. 하중이 증가함에 따라 마찰계수는 감소하였으며, 고온의 마찰계수가 상온보다 대략 40% 정도 작게 나타났다.
(3) 마모표면의 SEM 분석을 통해 마모기구를 관찰하였다. 분석 결과, 상온에 비해 고온에서 마모입자의 표면응착이 유리하였으며, 응착으로 형성된 표면은 third body 역할을 함으로써 마찰계수를 줄여주는 윤활 효과를 나타낸다.
기밀 소재인 그라파이트와 상대재 사이에서 발생하는 마모를 모사하기 위해 고온 왕복동 시험기 (Fig. 3, Reciprocating friction wear tester, RFW-160)를 이용하여 시험하였다. 상∙하부 시편에 대한 지속적인 미끄럼마모를 발생시는 방식으로 마모시험은 온도, 미끄럼속도, 접촉하중에 따른 영향을 분석한다.
12 m/s 에 대하여 고온가스에 의해 발생하는 편심 하중을 고려한 접촉하중 100 N, 150 N, 200 N 의 범위에 대하여 시험을 수행하였다. 마모 시험 중 실시간으로 마모 깊이와 마찰하중이 측정되어 도출되는 결과 값을 분석하여 마모 거동을 분석하였다.
3, Reciprocating friction wear tester, RFW-160)를 이용하여 시험하였다. 상∙하부 시편에 대한 지속적인 미끄럼마모를 발생시는 방식으로 마모시험은 온도, 미끄럼속도, 접촉하중에 따른 영향을 분석한다. 시험 온도는 상온과 실제 기밀 소재의 작동 환경인 고온 485℃에서의 온도에 따른 영향을 분석하고, 마모 변위 4 mm 에 대한 5 Hz, 10 Hz, 15 Hz 의 미끄럼속도 각각 0.
본 논문은 고온가스 조절 밸브 내에서 기밀 소재로 사용되는 그라파이트의 미끄럼마모 특성에 관하여 연구하였다. 상온과 실제 작동환경인 고온 환경에서 접촉하중 및 미끄럼속도 조건을 다르게 하여 왕복동 마모시험을 수행하고 변화하는 그라파이트의 미끄럼마모 특성에 대하여 고찰하였다.
상∙하부 시편에 대한 지속적인 미끄럼마모를 발생시는 방식으로 마모시험은 온도, 미끄럼속도, 접촉하중에 따른 영향을 분석한다. 시험 온도는 상온과 실제 기밀 소재의 작동 환경인 고온 485℃에서의 온도에 따른 영향을 분석하고, 마모 변위 4 mm 에 대한 5 Hz, 10 Hz, 15 Hz 의 미끄럼속도 각각 0.04, 0.08, 0.12 m/s 에 대하여 고온가스에 의해 발생하는 편심 하중을 고려한 접촉하중 100 N, 150 N, 200 N 의 범위에 대하여 시험을 수행하였다. 마모 시험 중 실시간으로 마모 깊이와 마찰하중이 측정되어 도출되는 결과 값을 분석하여 마모 거동을 분석하였다.

대상 데이터

미끄럼마모 특성 평가 소재로 사용된 그라파이트는 Tokai carbon 社에서 제공하는 HK-6 를 사용하였다. HK-6 는 극초미세 결정립 그라파이트로 건식 마모 특성이 좋고, 동적 마찰 조건에서 안정적인 마찰계수를 확보한다.
시편의 형상은 Fig. 2 와 같이 레늄 합금 소재(W-25Re)의 상부 시편은 반지름이 6 mm 인 반원의 형태이고, 그라파이트 소재(HK-6)의 하부 시편은 사각 블록에 원형의 홈이 파여 홈을 따라 상부 시편이 마모 운동을 할 수 있도록 실제 작동환경을 고려하여 제작하였다.

이론/모형

4 는 시험 전과 상온 및 고온 485℃에서 마모 시험 후, 마모흔에 대한 표면조도를 측정한 것이다. 표면조도 측정은 ISO1997 규격에 따라 측정거리 4 mm 에 대하여 기준거리 0.8 mm 로 각 3번씩 측정하여 평균값으로 정리하였다. 시험 전의 그라파이트 소재인 하부 시편의 표면조도는 평균적으로 Ra 0.

성능/효과

(1) 그라파이트 마모 표면의 시험 전과 후의 표면조도 측정하여 비교한 결과, 시험 전 Ra 0.4 µm 에서 시험 후의 표면조도는 대략 Ra 0.2 µm 로 표면조도가 감소하였으며 일정 조건에서 마모 시험 후 표면이 오히려 평탄해 짐을 확인하였다.
비마모율에 대한 결과로, 접촉하중이 증가함에 따라 감소하며 상온에 비해 고온 환경에서 접촉하중의 영향이 크게 나타나고 있다. 또한, 속도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보이며 접촉하중이 클수록 속도의 영향을 적게 받는 것으로 나타났다. 고온의 경우, 속도 증가에 따른 비마모율의 변화 량은 100 N 에서 보다 200 N 에서 적게 나타나며, 하중 200 N 에 대한 비마모율은 각 미끄럼 속도에 대해 2.
12 m/s(15 Hz)에서 미끄럼 거리에 따른 마찰계수를 나타낸 것이다. 마찰계수는 일정 수준의 마모가 진행된 후에 안정적인 값으로 수렴하는 경향을 보이며, 미끄럼속도의 영향으로 0.04 m/s 에 비해 0.12 m/s 에서 상온의 마찰계수가 다소 불안정하다. 마찰계수가 일정 마모거리에서 안정되는 것은 접촉하는 두 소재의 접촉 표면에 형성되는 third body 가 일정 마모 진행 후 증가나 감소 없는 안정상태가 되고 이와 같은 안정상태 이 후에 마찰계수 역시 일정상태를 유지하기 때문이다.
비마모율은 고하중에서 저하중으로 감소함에 따라 증가하였으며 상온보다 고온에서 큰 값을 보였다. 마찰계수에 대한 속도의 영향은 크지 않았으며, 속도가 증가함에 따라 비마모율은 감소하는 경향을 보였다.
분석 결과, 상온에 비해 고온에서 마모입자의 표면응착이 유리하였으며, 응착으로 형성된 표면은 third body 역할을 함으로써 마찰계수를 줄여주는 윤활 효과를 나타낸다. 미끄럼 거리에 따른 마모 깊이를 측정한 결과, 고온에서 third body 는 일정거리 마모의 진행 후에 기저면으로부터 증가 한 뒤 안정상태에 이르는 것을 확인하였다.
(3) 마모표면의 SEM 분석을 통해 마모기구를 관찰하였다. 분석 결과, 상온에 비해 고온에서 마모입자의 표면응착이 유리하였으며, 응착으로 형성된 표면은 third body 역할을 함으로써 마찰계수를 줄여주는 윤활 효과를 나타낸다. 미끄럼 거리에 따른 마모 깊이를 측정한 결과, 고온에서 third body 는 일정거리 마모의 진행 후에 기저면으로부터 증가 한 뒤 안정상태에 이르는 것을 확인하였다.
하중이 증가함에 따라 마찰계수는 감소하였으며, 고온의 마찰계수가 상온보다 대략 40% 정도 작게 나타났다. 비마모율은 고하중에서 저하중으로 감소함에 따라 증가하였으며 상온보다 고온에서 큰 값을 보였다. 마찰계수에 대한 속도의 영향은 크지 않았으며, 속도가 증가함에 따라 비마모율은 감소하는 경향을 보였다.
접촉하중에 대한 영향으로 Fig. 9(a)와 (c)를 비교했을 때 접촉하중 200 N 에서 시험 된 마모 표면이 비교적 평탄하게 나타나며 100 N 에서 시험된 마모표면의 경우 표면에 크랙과 결함이 많이 있는 것을 확인할 수 있다. Fig.
(2) 하중 변화에 따른 상온 및 고온에 따른 마모 특성을 평가하였다. 하중이 증가함에 따라 마찰계수는 감소하였으며, 고온의 마찰계수가 상온보다 대략 40% 정도 작게 나타났다. 비마모율은 고하중에서 저하중으로 감소함에 따라 증가하였으며 상온보다 고온에서 큰 값을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	개폐식(On-Off) 밸브는 어떤 방식인가?	개폐식(On-Off) 밸브는 유체 또는 기체의 유로나그 입구를 개폐하는 방식으로 유량률을 조절하여 유량, 압력, 온도를 조절하는 제어 밸브 중 구현이 용이하고 구동기의 작동에 요구되는 에너지 소모의 효율성 때문에 산업시설에 다양하게 응용되고 있다. (1,2)유로의 개방과 차단은 라이너(Liner)를 따라 구동되는 구동축(Driving shaft)에 의해 이뤄지며 구동축은 구동장치(Actuator)로 제어된다.
	가스터빈이나 엔진 등과 같이 500℃ 이상의 고온 가스를 제어하는 구조물은 고온의 영향으로 인해 제어 장치의 오작동이나 파손이 발생하는데 이것을 방지하기 위해 어느 부분에 어떤 구조가 요구되는가?	가스터빈이나 엔진 등과 같이 500℃ 이상의 고온 가스를 제어하는 구조물은 고온의 영향으로 인해 제어 장치의 오작동이나 파손을 방지하기 위한 구조가 필요하다. 이러한 열적 문제를 해결하기 위해 구동축과 라이너 사이에는 고온 환경으로부터 기밀(Sealing)을 유지할 수 있는 구조가 요구된다. 기밀 구조의 소재는 고온 환경으로부터 구조물의 제어 장치를 안전하게 유지할 수있어야 하며 또한, 기밀 소재와 구동축 사이의 끼워 맞춤이나 열팽창 그리고 구동축의 구동에 의해 지속적인 마모가 발생하기 때문에 소재의 내마모성 역시 고려되어야 한다.
	고체 윤활제의 대표적인 그라파이트 소재의 특징은?	고체 윤활제의 대표적인 그라파이트 소재는 육각 판상의 구조로 층상의 C-C 결합에 비해 층위 사이의 van der Waals 결합력이 약해 판상을 따라 전단이 쉽게 일어나며, 마모 과정에서 생성되는 입자들은 점점 작아지게 되어 third-body contact 에 유리해 진다. 마모 과정에서 생성된 마모 입자들이 접촉면에 효과적으로 채워지게 되고 이러한 잔여물들은 지속적으로 단단하고 조밀한 윤활막을 형성하게 됨으로써 마모에 대한 저항성 향상에 도움을 준다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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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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