트랙 슈는 건설 중장비의 무한궤도에 사용되는 중요한 핵심 부품으로 열악한 환경에서 사용되기 때문에 충분한 강도와 충격인성이 확보되어야 한다. 본 연구에서는 보론 첨가강으로 만들어지는 트랙 슈의 경화능을 죠미니 H-밴드법을 통해 먼저 확인한 후, 충격인성 개선을 목표로 다구찌의 직교배열실험법을 사용하여 트랙 슈의 제조공정을 최적화하여 트랙 슈의 충격인성 향상을 꾀하고자 하였다. 공정변수로는 트랙 슈의 제조과정에 있는 블룸소재별 압하비, 뜨임 온도, 뜨임 유지시간을 택하였으며, 직교배열 실험을 수행하여 이들 변수가 샤르피 충격실험으로 평가한 충격인성에 미치는 영향을 평가였다. 그 결과, 트랙 슈의 충격인성은 압하비가 높은 쪽이 유리하고, 뜨임 온도는 $210^{\circ}C$, 뜨임 유지 시간은 80분이 유리하다는 것을 알 수 있다.
트랙 슈는 건설 중장비의 무한궤도에 사용되는 중요한 핵심 부품으로 열악한 환경에서 사용되기 때문에 충분한 강도와 충격인성이 확보되어야 한다. 본 연구에서는 보론 첨가강으로 만들어지는 트랙 슈의 경화능을 죠미니 H-밴드법을 통해 먼저 확인한 후, 충격인성 개선을 목표로 다구찌의 직교배열실험법을 사용하여 트랙 슈의 제조공정을 최적화하여 트랙 슈의 충격인성 향상을 꾀하고자 하였다. 공정변수로는 트랙 슈의 제조과정에 있는 블룸소재별 압하비, 뜨임 온도, 뜨임 유지시간을 택하였으며, 직교배열 실험을 수행하여 이들 변수가 샤르피 충격실험으로 평가한 충격인성에 미치는 영향을 평가였다. 그 결과, 트랙 슈의 충격인성은 압하비가 높은 쪽이 유리하고, 뜨임 온도는 $210^{\circ}C$, 뜨임 유지 시간은 80분이 유리하다는 것을 알 수 있다.
This study examined the toughness improvement of a track shoe used as the undercarriage of excavator and bulldozer parts. The excavator is operated under poor conditions, such as the build-up field and quarry. Therefore, the track shoe requires high strength and impact toughness to endure immense sh...
This study examined the toughness improvement of a track shoe used as the undercarriage of excavator and bulldozer parts. The excavator is operated under poor conditions, such as the build-up field and quarry. Therefore, the track shoe requires high strength and impact toughness to endure immense shock while at work. The track shoe was made of heat treated boron steel. The sufficient possibility of hardenability with the theoretical Jominy curve for boron steel was confirmed while quenching. The Taguchi orthogonal array experiment method was used to optimize the process variables, such as area reduction ratio and heat treatment conditions (tempering temperature and holding time), to achieve toughness improvement. The toughness of the track shoe increased with increasing area reduction, and a tempering temperature of $210^{\circ}C$ and a tempering time of 80 min are beneficial for improving the toughness of the track shoe.
This study examined the toughness improvement of a track shoe used as the undercarriage of excavator and bulldozer parts. The excavator is operated under poor conditions, such as the build-up field and quarry. Therefore, the track shoe requires high strength and impact toughness to endure immense shock while at work. The track shoe was made of heat treated boron steel. The sufficient possibility of hardenability with the theoretical Jominy curve for boron steel was confirmed while quenching. The Taguchi orthogonal array experiment method was used to optimize the process variables, such as area reduction ratio and heat treatment conditions (tempering temperature and holding time), to achieve toughness improvement. The toughness of the track shoe increased with increasing area reduction, and a tempering temperature of $210^{\circ}C$ and a tempering time of 80 min are beneficial for improving the toughness of the track shoe.
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문제 정의
본 연구에서는 실험계획법으로 널리 알려진 다구찌의 직교배열실험법(Taguchi's orthogonal array experiment method) [4,5,6]을 사용하여 트랙 슈의 제조공정을 최적화하여 트랙 슈의 충격인성(Impact toughness) 향상을 꾀하고자 하였다.
무한궤도의 트랙 링크, 트랙 핀, 트랙 부쉬, 트랙 슈의 중요 부품은 전량 열처리를 실시하고 있다. 여기서는 담금질이 트랙 슈의 충격인성에 미치는 영향을 검토하였다. 기존 트랙 슈을 양산하고 있는 연속가열로에서 Fig.
분산분석의 결과로부터 뜨임 온도(B)는 전체 제곱 합 (Total sum of squares)에 대하여 68%의 영향을 미치고, 압하비(A)와, 뜨임 유지시간(C)을 합한 것은 32% 의 영향을 미친다. 이와 같이 분산분석을 하는 목적은 목적 함수에 미치는 각 인자의 영향에 대한 상대적 크기를 결정하고, 오차를 고려하여 그 정도를 평가하는데 있다. [13]
제안 방법
8(a)와 같이 채취하였으며, KS 0810 3호에 준하여 Fig.8(b)와 같이 시편을 제작하였고 Tinius Olsen 샤르피 충격시험기로 충격시험 을 실시하였다.
본 연구에서는 실험계획법으로 널리 알려진 다구찌의 직교배열실험법(Taguchi's orthogonal array experiment method) [4,5,6]을 사용하여 트랙 슈의 제조공정을 최적화하여 트랙 슈의 충격인성(Impact toughness) 향상을 꾀하고자 하였다. 공정변수로는 트랙 슈의 제조과정에 있는 블룸(Bloom) 소재별 압하비, 뜨임 온도, 뜨임 유지 시간을 택하였으며, 직교배열 실험을 수행하여 이들 변수가 충격인성에 미치는 영향을 평가였다. 또한 선정된 최적 공정변수를 적용하여 기존의 트랙 슈를 생산하고 있는 연속가열로에서 뜨임작업을 수행하여, 샤르피(Charpy impact test) 충격시험으로 충격값(Impact Value, I.
여기서는 담금질이 트랙 슈의 충격인성에 미치는 영향을 검토하였다. 기존 트랙 슈을 양산하고 있는 연속가열로에서 Fig.6과 같이 870℃ 승온 및 5분간 유지 후 W.S.Q(Water spray quenching)를 실시하였다.
냉각한 시편은 연삭기에서 서로 180°에 대응하는 위치를 시험편의 전 길이에 걸쳐 각각 0.4mm를 연마 제거한 후, 죠미니 경도 측정기로 물이 분사 접촉된 선단부터 Fig.5의 J1.5, J3, J5, J7, J9, J11, J13, J15, J20, J25, J30 지점의 경도(HRc)를 확인하였다.
공정변수로는 트랙 슈의 제조과정에 있는 블룸(Bloom) 소재별 압하비, 뜨임 온도, 뜨임 유지 시간을 택하였으며, 직교배열 실험을 수행하여 이들 변수가 충격인성에 미치는 영향을 평가였다. 또한 선정된 최적 공정변수를 적용하여 기존의 트랙 슈를 생산하고 있는 연속가열로에서 뜨임작업을 수행하여, 샤르피(Charpy impact test) 충격시험으로 충격값(Impact Value, I.V)의 변화를 확인하였다.
트랙 슈의 단면 압하비는 블룸 소재의 단면에서 트랙 슈 단면으로 압연될 때에 결정되는 소재 단면의 축소 변화량이다. 본 연구에서는 먼저 단일 블룸의 단면에 대하여 트랙 슈의 단면 크기가 각기 다른 3종류(트랙 슈 1(28RA), 2(11RA), 3(6RA)으로 명명)를 선정하여 트랙 슈의 압하비(=블룸 단면적/트랙 슈 단면적)가 충격인성에 미치는 영향을 파악하였다.
트랙 슈의 충격인성 향상을 위하여 트랙 슈의 압하비, 뜨임 온도, 뜨임 유지시간을 변수로 택하여 다구찌기법의 직교배열실험법을 통해 충격인성 향상에 미치는 요인들을 분석하였다. 그 결과 트랙 슈의 압하비는 압연 조직을 치밀하게 만드는 압하비가 높은 쪽이 유리하고, 뜨임 온도는 210℃에서 충격인성이 값이 높다.
하지만 실제 제강 과정에서의 합금, 특히 보론의 고용이 경화에 유효하게 기여하였는지를 파악하기 위해 실제 죠미니 경도 시험을 병행하여 죠미니 경도를 조사하였다. 죠미니 시편은 블룸(200mm×200mm) 소재에서 단면 (100mm×100mm)을 채취하여 전기로(Electric furnace) 에서 1200℃ 가열 및 90분간 유지 후 원형(Ø35)으로 압연하여 자연 냉각시켜 얻는다.
대상 데이터
이 H-밴드가 정해진 강을 H-강이라고 한다. 이 실험에서는 직경 25mm, 길이 100mm 시편을 사용한다.
데이터처리
최적 수준을 찾기 위해 특성 값의 SN 비를 이용하여 평균분석(Analysis of Mean, ANOM)과 분산분석 (Analysis of Variance, ANOVA)을 수행하였다. 여기서
이론/모형
보론강의 화학적 성분을 이용하여 죠미니 곡선과 각 죠미니 거리에서의 죠미니 경도를 예측할 수 있는 방법들이 알려져 있는데 본 연구에서는 고마츠 제작소(일본) 기술규격집을 참조하였다. [9]
트랙 슈의 제조공정에서 트랙 슈의 품질(강도, 충격인성, 내구성 등)에 중요한 영향을 미치는 변수들의 영향을 파악하기 위해 충격 인성에 미치는 특성이 규명되지 않 은 3개의 공정변수 트랙 슈의 단면 압하비(RA : Reduction ratio of area), 뜨임 온도(T : Tempering temperature), 뜨임 유지시간(C : Tempering temperature continuance) 에 대해 다구찌의 직교배열실험법을 적용하였다. 각 공정변수에 대해서 Table 5와 같이 각각 3수준의 제어인자를 설정하고 담금질 온도(Q : Quenching temperature) 는 동일수준으로 하여 Table 6과 같이 L0 직교 배열표를 작성하였다.
성능/효과
트랙 슈의 충격인성 향상을 위하여 트랙 슈의 압하비, 뜨임 온도, 뜨임 유지시간을 변수로 택하여 다구찌기법의 직교배열실험법을 통해 충격인성 향상에 미치는 요인들을 분석하였다. 그 결과 트랙 슈의 압하비는 압연 조직을 치밀하게 만드는 압하비가 높은 쪽이 유리하고, 뜨임 온도는 210℃에서 충격인성이 값이 높다. 이는 온도가 증가 할수록 충격치에 유리하게 작용하며, 저온뜨임의 청 열취성 구역인 250℃부근에 가까워질수록 충격값이 저하 되기 때문이다.
담금질 후 단면경도는 압하비 29와 11에서는 HRc 46.5～47.1로서 균일한 분포의 경도을 보였으나, 압하비 7에서는 HRc 40.1～46.5로서 트랙 슈의 단면 중심부에서 경도가 낮은 것으로 나타났다. 뜨임 후의 경도변화는 압하비 29, 11, 7 모두에서 HRc 0.
65dB로서 매우 근접한 결과이기 때문에 트랙슈 열처리의 최적화된 템퍼링 공정 변수가 충격인성을 향상시키고 있음을 알 수 있다. 따라서 트랙 슈의 충격인성을 향상시키기 위해서는 압하 비는 29로서 압하비가 높을수록 좋고, 뜨임 온도는 210℃가 적당하며 또한 뜨임 온도의 유지시간은 80분으로서 오래 유지 할수록 좋은 것으로 나타났다. 이는 세멘타이 트 조직 내의 탄소가 확산되어 페라이트의 분율을 높일 수 있도록 확산시간을 충분히 확보했기 때문으로 생각된다.
5로서 트랙 슈의 단면 중심부에서 경도가 낮은 것으로 나타났다. 뜨임 후의 경도변화는 압하비 29, 11, 7 모두에서 HRc 0.5～2 정도의 경도저하의 폭이 낮게 나타났다.
직교 배열 실험에서 최적의 인자 조건을 찾고, 이 조건에서의 실험결과를 예측한 후에 이와 같은 조건에서 실험을 수행한 결과를 Table 9에 나타내었다. 망대특성 SN비의 최적 값이 이론은 21.39dB이며, 실험값은 21.65dB로서 매우 근접한 결과이기 때문에 트랙슈 열처리의 최적화된 템퍼링 공정 변수가 충격인성을 향상시키고 있음을 알 수 있다. 따라서 트랙 슈의 충격인성을 향상시키기 위해서는 압하 비는 29로서 압하비가 높을수록 좋고, 뜨임 온도는 210℃가 적당하며 또한 뜨임 온도의 유지시간은 80분으로서 오래 유지 할수록 좋은 것으로 나타났다.
분산분석의 결과로부터 뜨임 온도(B)는 전체 제곱 합 (Total sum of squares)에 대하여 68%의 영향을 미치고, 압하비(A)와, 뜨임 유지시간(C)을 합한 것은 32% 의 영향을 미친다. 이와 같이 분산분석을 하는 목적은 목적 함수에 미치는 각 인자의 영향에 대한 상대적 크기를 결정하고, 오차를 고려하여 그 정도를 평가하는데 있다.
상기의 분석결과, 충격 인성을 최대로 하는 최적인자의 조합은 A1,B2,C3,D1 수준, 즉 압하비 29, 뜨임 온도 210℃, 뜨임 유지시간 80분, 퀸칭 온도 870℃ 임을 알 수 있 다.
이를 근거로 한 최적조건에서의 해석값과 실험값이 거의 일치하고 있다. 이는 본 연구에서 최적화 된 트랙 슈의 템퍼링 열처리 조건을 도출한 것이 타당 하다는 것을 알 수 있다.
트랙 슈의 충격값은 망대특성으로서 9회의 시험에서 뜨임 온도가 충격값의 결정에 68%를 기여하여 가장 높으며, 각 조건에서는 압하비 29, 뜨임온도 210℃, 뜨임 유지시간 80분에서 충격값이 가장 많이 향상되는 것으로 분석되었다.
이는 제조과정에서 발생하는 여러 변수에 의한 경화능 저하로 인해 이론과 실제 죠미니 경도값에서 차이가 발생하는 것으로 판단된다. 하지만, 실제 죠미니 곡선의 분포가 규격 내에 안정하게 분포되어 있어 본 시험에 제공된 시험편은 열처리 경화능이 충분히 확보된 것으로 판단된다.
화학성분에 의한 이론 죠미니 3개의 시편 모두가 경화능 상태가 우수한 것으로 나타났다. J1.
후속연구
본 연구에서 다구찌 직교배열실험법의 적용을 통하여 트랙 슈의 충격치 향상에 필요한 최적조건을 도출하였으며, 이는 열악한 조건에서 작업되는 트랙 슈의 충격인성 향상에 크게 기여할 것으로 기대한다. 향후 연구 과제로서 트랙 슈의 화학성분을 재구성하여, 강도와 충격인성 등 기계적 물성값의 향상과 원가절감을 동시에 개선할 수 있도록 연구를 수행하고자 한다.
본 연구에서 다구찌 직교배열실험법의 적용을 통하여 트랙 슈의 충격치 향상에 필요한 최적조건을 도출하였으며, 이는 열악한 조건에서 작업되는 트랙 슈의 충격인성 향상에 크게 기여할 것으로 기대한다. 향후 연구 과제로서 트랙 슈의 화학성분을 재구성하여, 강도와 충격인성 등 기계적 물성값의 향상과 원가절감을 동시에 개선할 수 있도록 연구를 수행하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
트랙 슈의 제조 공정은 어떻게 되는가?
통상 트랙 슈는 다음과 같은 공정을 거쳐 생산된다 : 냉간 프레스에 의한 압연재 절단-> 냉간 프레스에 의한 U노치 펀칭->870℃ 전후의 담금질 가열->열간 프레스에 의한 볼트 체결용 홀 펀칭->담금질 열처리(quenching, 퀜칭)->270℃ 전후에서 저온 뜨임처리(tempering, 템퍼링)->볼트 홀 펀칭 시에 발생한 버(burr) 제거를 위한 챔퍼링->자분탐상시험->출하.
무한궤도의 구조는 어떻게 되는가?
건설 중장비, 탱크 또는 트랙터와 같은 중장비에 사용 되고 있는 무한궤도(Undercarriage)용 차량의 주행 장치인 Fig.1의 무한궤도는 여러 개의 트랙 슈(Track Shoe)들이 크롤러(Crawler)의 길이 방향으로 다수 개 배치되어 트랙 링크(Track Link)와 트랙 핀(Track Pin)에 의해 서로 연속된 구조를 갖는다.(Fig.
보론이 트랙 슈의 제조에 사용되는 이유는 무엇인가?
이를 위해 니켈(Ni)이나, 몰리브덴(Mo) 등과 같은 고가의 합금 첨가제의 소재를 사용하고 있는데 이는 건설 장비 및 무한궤도 제조관련업체의 수익성을 악화시키는 요인이 되고 있다. 따라서 상대적으로 저렴하면서 소량 첨가시 강도향상효과가 큰 보론(B)이 최근 주목받고 있다.
참고문헌 (14)
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