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문제 정의
- 본 연구에서는 이러한 그레이트바의 수명연장을 위해 표면에 용사 코팅하였다. 용사 코팅된 그레이 트바의 기계적, 열적 성능을 측정하였고 이 결과를 코팅되지 않은 그레이트바의 성능과 비교 하였다.
- 대부분의 조건을 현장 사용조건과 비슷하게 적용하여 수행하였다. 샌드 블라스트 시험을 통하여 그레이트바의 표면에 코팅된 코팅층이 표면으로부터 탈락되는 정도를 관찰하고자 하였다. 또한 표면의 코팅층이 탈락되었으면 탈락된 면적의 사이즈를 정량적으로 측정하여 검토한다.
가설 설정
- 내마모 시험, 열충격 시험 등을 수행하기 위해서 시험샘플을 Fig. 5에서 보는 바와 같이 40mm×40mm 로 가공을 하였다.
제안 방법
- 그레이트바의 기계적, 열적 특성을 분석하기 위하여 실제 현장에서 사용되는 그레이트바를 가공하여 육면체의 시편을 제작하였다. 제작된 시편과 그레이트바의 표면에 코팅을 수행하여 그 물리적 특성을 분석하였다.
- 마모량은 마모된 깊이로 나타낸다. 깊이를 측정하여 마모에 대한 저항 특성을 수치화 하였다. 마모시험에서는 10kg의 하중으로 32,700 초 동안 시험을 수행하였다.
- 이렇게 코팅된 시편과 코팅되지 않은 순수한 그레이트바 시편의 기계적, 열적 특성을 상호 비교 분석 하였다. 내마모, 열충격, 조직현미경, 샌드블 라스트, 열화 강도 시험 등을 수행하여 성능을 비교하였다.
- 코팅된 그레이트바의 기계적, 열적 특성을 코팅되지 않은 그레이트바와 비교하여 제시하였다. 또한 사용된 그레이트바의 인장강도를 사용되지 않은 그레이트바의 인장강도와 비교 검토하였다.
- 샌드 블라스트 시험을 통하여 그레이트바의 표면에 코팅된 코팅층이 표면으로부터 탈락되는 정도를 관찰하고자 하였다. 또한 표면의 코팅층이 탈락되었으면 탈락된 면적의 사이즈를 정량적으로 측정하여 검토한다.
- 깊이를 측정하여 마모에 대한 저항 특성을 수치화 하였다. 마모시험에서는 10kg의 하중으로 32,700 초 동안 시험을 수행하였다. 마모시험은 상온과 고온 시험이 있는데, 본 연구에서는 상온에서 시험을 하였다.
- 마모시험에서는 10kg의 하중으로 32,700 초 동안 시험을 수행하였다. 마모시험은 상온과 고온 시험이 있는데, 본 연구에서는 상온에서 시험을 하였다. 마모의 깊이는 실시간으로 마이크로미터로 측정을 하여 정량적인 디지털 숫자로 기록하였다.
- 마모시험은 상온과 고온 시험이 있는데, 본 연구에서는 상온에서 시험을 하였다. 마모의 깊이는 실시간으로 마이크로미터로 측정을 하여 정량적인 디지털 숫자로 기록하였다. 외부 충격 혹은 마찰에 대한 마모의 정량적인 수치는 재료의 경도와 매우 밀접한 관계가 있다.
- 마모시험은 크게 핀-디스크 형식과, 핀-볼 형식의 두 가지가 주로 사용된다. 본 연구에서는 핀-볼 형태의 마모시험기를 사용하여 마모시험을 하였다. Fig.
- 12에 나타내었다. 샌드블라스트 시험에서는 동일한 속도, 동일한 시간, 동일한 메쉬 사이즈의 모래를 사용하여 시험을 수행하였다. 코팅되지 않은 그레이트바의 경우는 표면이 100% 완전히 삭마되었으며, Ni-WC alloy 코팅된 그레이트바는 코팅층이 거의 완벽하게 유지 되었다.
- 13에 나타낸 그림에서 up(상층부) 부분이다. 소결열을 직접적으로 많이 받는 up 부분과, 전도열을 받은 down 부분에 대한 강성을 비교 검토하기 위하여 각각의 부분에서 인장시 험편을 가공하여 획득하였다.
- 5에서 보는 바와 같이 40mm×40mm 로 가공을 하였다. 시편의 표면에 위에서 언급한 4 가지 재료를 사용하여 코팅을 하였고 이것을 코팅되지 않은 그레이트바의 시편과 동시에 동일한 조건에서 성능을 검증하였다.
- 열충격 시험은 –40 ~ 125℃의 heat-cycle을 일정한 시간 간격으로 반복 하면서 시험하였다. 시험조건은 Table 1 에 나타낸 바와 같이 -40 ~ 125℃의 사이클을 1시간 간격으로 총 84회 반복 열충격을 가하였다.
- 열충격시험은 온도를 정확하게 제어할 수 있는 챔버에서 수행되었으며 온도의 편차는 ±1℃ 정도 되는 기기에서 수행되었다. 열충격 시험은 앞에서 언급된 4 종류의 (② Mo alloy, ③ Ni-Cr alloy, ④ Cr-Si alloy, ⑤ Ni-WC alloy ) 코팅된 그레이트바 시편에 대해서 수행되었다.
- 열충격시험은 온도를 정확하게 제어할 수 있는 챔버에서 수행되었으며 온도의 편차는 ±1℃ 정도 되는 기기에서 수행되었다.
- 14에 비교하여 나타내었다. 온도는 상온 20℃, 100℃, 200℃ 세 부분에서 인장강도를 각각 측정하였다. 사용되지 않은 그레이트바의 시편은 상온에서 인장강도가 약 700MPa 정도, 200℃ 에서는 약 680MPa 정도로 나타났다.
- 본 연구에서는 이러한 그레이트바의 수명연장을 위해 표면에 용사 코팅하였다. 용사 코팅된 그레이 트바의 기계적, 열적 성능을 측정하였고 이 결과를 코팅되지 않은 그레이트바의 성능과 비교 하였다.
- 그레이트바의 가장 취약한 특성 중의 하나가 마모와 부식이다. 이러한 취약한 특성을 보완하기 위하여 표면에 내마모 특성을 가지는 코팅을 수행하였다. 내마모 시험은 ASTM D3702의 시험 기준에 따라 수행 하였다.
- 이렇게 코팅된 시편과 코팅되지 않은 순수한 그레이트바 시편의 기계적, 열적 특성을 상호 비교 분석 하였다. 내마모, 열충격, 조직현미경, 샌드블 라스트, 열화 강도 시험 등을 수행하여 성능을 비교하였다.
- 그레이트바의 기계적, 열적 특성을 분석하기 위하여 실제 현장에서 사용되는 그레이트바를 가공하여 육면체의 시편을 제작하였다. 제작된 시편과 그레이트바의 표면에 코팅을 수행하여 그 물리적 특성을 분석하였다. 총 4 가지의 재료로 그레이트바의 상층 표면에 코팅을 하였다.
- 제철공장의 소결과정에 사용되는 그레이트바에 대하여 수명연장을 위한 코팅을 수행하였다. 코팅된 그레이트바의 기계적, 열적 특성을 코팅되지 않은 그레이트바와 비교하여 제시하였다.
- 마모시험기로는 ㈜ 알앤비의 friction & wear tester 기를 사용하였다. 지르코늄 볼로 원판의 표면을 마모시키는 작용으로 마모 저항성을 측정하였다. 마모량은 마모된 깊이로 나타낸다.
- 제작된 시편과 그레이트바의 표면에 코팅을 수행하여 그 물리적 특성을 분석하였다. 총 4 가지의 재료로 그레이트바의 상층 표면에 코팅을 하였다. 적용된 코팅은 Mo alloy, Ni-Cr alloy, Cr-Si alloy, Ni-WC alloy 이다.
- 총 5 종류 시편에 대해서 샌드블라스트 시험을 수행하였다. ① normal (no coating), ② Mo alloy, ③ Ni-Cr alloy, ④ Cr-Si alloy, ⑤ Ni-WC alloy 코팅된 그레이트바에 대하여 샌드블라스트 시험한 결과를 Fig.
- 그러나 Cr-Si alloy, Ni-WC alloy의 경우는 용사 코팅된 조직이 상대적으로 거칠고 입자가 크게 형성되었다. 코팅 조직 현미경 검사를 위해서 시편을 절단하였고, 단면을 현미경으로 촬영하였다. 모재와 코팅재의 접촉부분은 대부분 접촉 기밀성이 높았다.
- 제철공장의 소결과정에 사용되는 그레이트바에 대하여 수명연장을 위한 코팅을 수행하였다. 코팅된 그레이트바의 기계적, 열적 특성을 코팅되지 않은 그레이트바와 비교하여 제시하였다. 또한 사용된 그레이트바의 인장강도를 사용되지 않은 그레이트바의 인장강도와 비교 검토하였다.
- 코팅된 표면의 금속조직을 현미경으로 관찰하였다. 고배율의 현미경으로 표면을 관찰한 사진을 Fig.
대상 데이터
- 마모시험기로는 ㈜ 알앤비의 friction & wear tester 기를 사용하였다.
- 6는 마모시험을 위한 시험 시편을 나타낸다. 시험 시편의 종류는 ① no coated grate bar, ② Mo alloy, ③ Ni-Cr alloy, ④ Cr-Sialloy, ⑤ Ni-WC alloy 이다.
- 총 4 가지의 재료로 그레이트바의 상층 표면에 코팅을 하였다. 적용된 코팅은 Mo alloy, Ni-Cr alloy, Cr-Si alloy, Ni-WC alloy 이다.
이론/모형
- 이러한 취약한 특성을 보완하기 위하여 표면에 내마모 특성을 가지는 코팅을 수행하였다. 내마모 시험은 ASTM D3702의 시험 기준에 따라 수행 하였다. 마모시험은 크게 핀-디스크 형식과, 핀-볼 형식의 두 가지가 주로 사용된다.
성능/효과
- 1. 코팅된 그레이트바 시편의 내마모 시험에서는 Ni-WC alloy가 코팅된 시편이 최고 우수한 특성을 나타내었으며, 이것은 코팅되지 않은 시편에 비해 약 3배 정도 우수한 결과를 나타냈다.
- 2. 열충격 시험에서는 모든 코팅 층이 탈락 없이 비교적 우수한 특성을 나타냈다.
- 3. 샌드 블라스트 시험을 통한 코팅층의 성능은 코팅이 되지 않은 일반 시편에 비해서 매우 우수하였다.
- 4. 장시간 열에 노출된 그레이트바의 경우는 사용되지 않은 그레이트바에 비해서 인장강도가 상온에서 약 16% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
- 그렇지만 표면 코팅재의 탈락 및 강도에는 이상 현상이 발견되지 않았다. 따라서 시험된 4 종류의 코팅재료는 열 충격시험에서 모두 우수한 특성을 나타냈다.
- 그러나 사용된 그레이트바의 경우는 상온인 20℃에서, 상부가 약 540MPa, 하부가 약 590MPa 정도 이며, 고온인 200℃ 에서는 상부가 약 560MPa, 하부가 약 630MPa 정도로 나타났다. 본 인장시험에서 특이한 현상은 사용된 그레이트바의 경우는 오히려 고온인 200℃ 에서 인장강도가 높게 나타났다. 이것은 장시간 고온에 노출됨으로써, 강의 조직이 변해서 생긴 현상이라고 추측된다.
- 8에 나타내었다. 코팅되지 않은 그레이트바 시편의 경우에는 마모깊이가 최대 1.3mm 정도이며, Mo 합금이 코팅된 시편의 경우는 1.1mm, Ni-Cr 합금이 코팅된 경우는 0.7mm, Cr-Si 합금이 코팅된 경우는 0.6mm, Ni-WC 합금이 코팅된 경우는 0.4mm 정도로 나타났다. Fig.
- 샌드블라스트 시험에서는 동일한 속도, 동일한 시간, 동일한 메쉬 사이즈의 모래를 사용하여 시험을 수행하였다. 코팅되지 않은 그레이트바의 경우는 표면이 100% 완전히 삭마되었으며, Ni-WC alloy 코팅된 그레이트바는 코팅층이 거의 완벽하게 유지 되었다. 기타 코팅층의 경우에도 부분적으로 삭마된 부분은 있으나 대부분 코팅층이 없어지지는 않았다.
- 모재와 코팅재의 접촉부분은 대부분 접촉 기밀성이 높았다. 코팅의 조직 검사를 통한 코팅의 내구성및 신뢰성을 확인할 수 있었다.
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