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문제 정의
- 본 연구에서는 제철소에서 사용되고 있는 고속 초고압 왕복동 유압 및 수압 펌프에 대한 플런저의내마모성, 내식성 및 내열성을 향상시키기 위해 420J2로 제작하고, 본 연구실에서 개발한 초고속 용사기8,9)를사용하여 고경도 WC를 포함시킨 WC-Co-Cr 및 WC-Cr-Ni의 분말로 피막층을 형성하고 표면을 개질한 다음, 단면 미세조직, 표면 거칠기 및 경도 값의 특성을 조사하여 비교하였다.
제안 방법
- Table 6에는 경도측정기의 주요제원을 나타내고 있다. 경도값을 정확하게 측정하기 위하여 측정기 테이블의 V 블록 상에 시험편을 올려놓고 시험하중 441.3 N에서 측정시간을 15초로 설정한 다음, 표면 및 단면 경도를 측정하였다.
- 시험편의 단면 형상을 관찰하기 위해 광학현미경에 부착된 CCD 카메라로 단면 형상을 컴퓨터의 측정프로그램(XT-measure)에 의해 이미지로 저장하였다. 그리고 각 시험편의 단면 형상은 대물렌즈 10배율과 대안렌즈 10배율의 총 100배율로 측정하여 관찰하였다.
- 본 연구에서 고속 초고압 왕복동 수압펌프 플런저의 경우에는 WC-Cr-Ni의 분말로, 고속 초고압 왕복동 유압펌프 플런저의 경우에는 WC-Co-Cr의분말로 초고속 용사에 의해 피막하여 각 펌프에 설치하고 100일 동안 가동시킨 후, 플런저의 표면 거칠기 및 경도 값을 측정하여 사용전의 초기값과 비교하여 고찰하였다.
- 본 연구에서는 왕복동 펌프의 플런저 내구성 특성을 조사하기 위해 본 연구실에서 개발한 초고속 용사기로 용사조건을 최적화하여 420J2로 제작한 고속 초고압 왕복동 유압 및 수압 펌프의 플런저에 적합한 특성의 WC-Co-Cr 및 WC-Cr-Ni의 용사분말을 실제 적용하는 표면개질을 한 다음, 가동전의 초기값과 100일 가동한 후의 표면 거칠기 및 경도 값을 조사하고 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- Table 7에는 광학현미경의 주요제원을 나타내고 있다. 시험편의 단면 형상을 관찰하기 위해 광학현미경에 부착된 CCD 카메라로 단면 형상을 컴퓨터의 측정프로그램(XT-measure)에 의해 이미지로 저장하였다. 그리고 각 시험편의 단면 형상은 대물렌즈 10배율과 대안렌즈 10배율의 총 100배율로 측정하여 관찰하였다.
- 실험에서 적용한 고속 초고압 수압 및 유압 펌프의 플런저는 평균 100일 동안 사용한 후에 정기적으로 교환하는데, 사용 중에 매주 단위로 10시간씩 설비를 정지하고 정기검사를 한 다음, 다시 계속해서 사용한다. 따라서 100일 동안 사용할 때, 14주에 대한 140시간 동안 정기검사를 하기 위해 정지시켰기 때문에 총운전시간은 2260시간이 된다.
- 표면 거칠기는 정확한 측정을 하기 위해 수준기로 수평을 맞춘 후 컷오프 값은 0.8 mm로, 기준길이는 컷오프 값의 5배인 4 mm로, 범위 값은 25 μm로 설정하였으며, 플런저 표면을 알코올로 세척한 후 측정테이블 위에 올려놓고 이송장치를 작동시켜 측정하였다.
- 플런저의 피막두께는 고속 초고압 왕복동 수압 및 유압 펌프 모두 350 μm로 하였고, 이전연구8,9)에서 개발한 초경면 연마기로 플런저의 유효 피막층을120 μm로 연마하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 적용한 사상압연 설비 중에 들어있는 고속 초고압 왕복동 수압 및 유압 펌프의 플런저가 가동되는 모습을 Photos 1 및 2에 보여주고 있다. 본 연구에 적용한 수압펌프는 제철소의 열간 사상 압연설비에서 압연 대기 중인 열연코일의 산화철을 제거하기 위해 사용하였고, 유압펌프는 제철소의 열간 사상 압연 설비에서 압연 워크롤러의 압하량을 조절하기 위해 사용하였는데, 수압펌프는 다량의 물이 필요하기 때문에 플런저 직경이 유압 펌프보다 2.5배 더 컸다. 한편, 유압펌프의 플런저는 큰 압하 량을 필요로 하기 때문에 직경이 작고 작동압력이 수압펌프보다 70 bar 더높은 것을 사용하였다.
- 본 연구에서 실험에 적용한 시험편은 제철소의 사상압연 설비에서 사용되고 있는 직경 50 mm, 길이 530 mm인 고속 초고압 왕복동 수압펌프의 플런저와 직경 20 mm, 길이 250 mm인 고속 초고압 왕복동 유압펌프의 플런저를 420J2로 제작하여 수압펌프의 플런저는 WC-Co-Cr의 분말로, 유압펌프의 플런저는 WC-Cr-Ni의 분말로 초고속 용사법에 의해 피복하였으며, Table 1에는 420J2의 화학적 조성을 나타내고 있다.
- Table 3은 초고속 용사에 사용한 장비의 주요제원을 나타내고있다. 본연구에서 사용한 용사기는 JP5000으로 용사속도를 1000 ~ 1200 m/sec의 초고속으로 일정하게 유지시켰다. 용사분말의 캐리어 가스는 고순도 아르곤가스를 사용하였다.
- 본연구에서 사용한 용사기는 JP5000으로 용사속도를 1000 ~ 1200 m/sec의 초고속으로 일정하게 유지시켰다. 용사분말의 캐리어 가스는 고순도 아르곤가스를 사용하였다. 용사 후 시편의 냉각은 외부의 냉각장치를 사용하지 않고 공기로 하였다.
- 이송장치로부터 최대높이(Ry), 산술 평균 거칠기 (Ra), 10점 평균 거칠기(Rz)를 측정하여 증폭기 및 기록기를 거친 다음, 그 중에서 최대높이 값과 중심선 평균거칠기 값을3회 측정한 평균값을 데이터로 사용하였다.
- 측정기로부터 표면 로크웰, 로크웰, 브리넬 경도를 10회 반복하여 측정한 후, 그중에서 표면 로크웰 경도값에 대해 가장 큰 경도 값과 가장 작은 경도 값을 제외한 나머지 8회 측정한 평균값을 미세경도의 데이터로 사용하였다.
성능/효과
- 1) 수압 및 유압 펌프 플런저를 420J2로 제작하여 수압펌프 플런저는 WC-Co-Cr로, 유압펌프 플런저는 WC-Cr-Ni의 분말로 초고속 용사에 의해 피복하였을 때, 유효 피막두께는 120 μm로 각 펌프 플런저 모재와 용사분말 피복층 계면이 매우 치밀하여 결합력과 밀착력이 양호하였고 내마모 특성이 향상되었다.
- 2) 수압펌프 플런저는 복잡한 기밀장치 구성과 수막형성에 의해 100일 동안 가동한 후 중심선 평균거칠기 값이 가동 전의 초기값보다 1.110배, 표면 거칠기 최대높이 값은 약 1.295배 증가하였다.
- 3) 기밀장치가 아주 단순하고 유막이 형성되는 유압펌프 플런저는 수압펌프 플런저보다 가해지는 압력이 70 bar 더 높고, 동일 가동시간 동안에 왕복운동수가 8,542,800회 더 많기 때문에, 산봉 우리 및 골이 수압펌프 플런저보다 높게 형성되어 100일 동안 가동한 후 중심선 평균 거칠기 값이 가동전의 초기값보다 약 1.165배, 표면거칠기 최대 높이 값이 약 1.272배로 증가하였다.
- 4) 수압펌프 플런저의 100일 동안 가동한 후에 대한 표면 경도값은 사용전 초기값 보다 약 0.992배로, 단면 경도값은 약 0.991배로 감소되었고, 유압펌프 플런저의 경우에 100일 동안 가동 후의 표면경도값은 가동전 초기값보다 0.974배로, 단면 경도값은 약 0.974배로 감소되어 유압펌프 플런저의 경우가 감소폭이 더 큼을 알 수 있다.
- 그림에서 100일 동안 가동한 후에 대한 수압펌프 플런저의 중심선 평균 거칠기 값은 사용전 초기값보다 약 0.003 μm만큼 더 커서 약 1.110배, 표면 거칠기 최대높이 값은 약 0.103 μm만큼 더 커서 약1.295배 증가하였고, 유압펌프의 경우에는 중심선 평균 거칠기 값이 약 0.007 μm만큼 더 커서 약 1.165배, 표면 거칠기 최대높이 값이 약 0.120 μm만큼 더 커서 약 1.272배 증가하였다.
- 4 및 5는 수압 및 유압 왕복동 펌프의 플런저를 420J2로 제작하여 WC-Co-Cr과 WC-Cr-Ni의 분말로 초고속 용사에 의해 피복한 단면형상을 나타내고 있다. 모재표면에 고속으로 적층되는 WCCo-Cr과 WC-Cr-Ni의 용사피막은 서메트화 특성을 가지고 있는데, WC-Co-Cr의 용사피막은 바인더 역할을 하는 Co와 Cr기지 내에, WC-Cr-Ni의 경우에는 바인더 역할을 하는 Cr기지 내에 고경도의 WC가 각각 분산 혼합된 형태로 존재하여 강도, 경도 및 내마모 특성이 향상되었다.
- 시험편에 대한 WC-Co-Cr 및 WC-Cr-Ni의 유효 피막두께는 120 μm이며, 그림에서 수압 및 유압 펌프 플런저의 모재와 피복층 계면이 매우 치밀하게 나타나는 것으로 보아 결합력과 밀착력이 양호한 것으로 판단되었다.
- 991배 감소하였다. 한편, 유압 펌프 플런저의 경우에100일 동안 가동 후의 표면 경도값은 가동 전 초기값보다 2.311 HRC 만큼 감소하여 약 0.974배로, 단면 경도 값은 2.248 HRC 만큼 감소하여 약 0.974배 감소하여 유압 펌프 플런저의 경우가 감소폭이 더 큼을 알 수 있다.
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