[논문]SM45C재의 UNSM 처리에 의한 트라이볼러지 특성 변화

심현보; 서창민; 서민수; 아마노브; 편영식

doi:10.26748/ksoe.2018.32.6.492

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The following results were obtained from a series of studies to accumulate data to reduce the coefficient of friction for press dies by performing tribological tests before and after the UNSM treatment of SM45C. The UNSM-treated material had a nano-size surface texture, high surface hardness, and la...

The following results were obtained from a series of studies to accumulate data to reduce the coefficient of friction for press dies by performing tribological tests before and after the UNSM treatment of SM45C. The UNSM-treated material had a nano-size surface texture, high surface hardness, and large and deep compressive residual stress formation. Even when the load was doubled, the small amount of abrasion, small weight of the abrasion, and width and depth of the abrasion did not increase as much as those for untreated materials. When loads of 5 N, 7.5 N, and 10 N were applied to the untreated material of SM45C, the coefficient of friction was approximately 0.76-0.78. With the large specimen, a value of 0.72-0.78 was maintained at a load of 50 N despite the differences in the size of the wear specimen and working load. Tribological tests of large specimens of SM45C treated with UNSM under tribological conditions of 100 N and 50 N showed that the frictional coefficient and time constant stably converged between 0.7 and 0.8. The friction coefficients of the small specimens treated with UNSM showed values between 0.78 and 0.75 under 5 N, 7.5 N, and 10 N. The friction coefficients of the SM45C treated with UNSM were comparable to each other.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 LNG 선박의 경량화와 안전성 확보를 위해서 이의 핵심요소인 멤브레인 소재인 STS 304L에 대한 주름성형에 의해 발생된 소성변형의 영향을 트라이볼러지(Tribology)적인 관점에서 평가하도록 한다. 즉 주름성형동안 발생되는 소성변형률과 두께감소의 정도는 공정조건, 즉 금형설계, 드로비드, 금형과 소재사이의 윤활, 금형의 표면처리 등에 크게 영향을 받게 된다.
본 연구에서는 주름성형용 금형의 표면처리와 윤활방법이 마찰력에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해 트라이볼러지 시험을 실시하여 최적의 표면처리방법을 도출하기 위해 연구를 수행하였다. 즉 멤브레인 성형의 금형재질인 SM45C를 사용하여 트라이볼러지 인자의 변화를 고려하면서 초음파나노표면개질(UNSM, Ultrasonic nanocrystal surface modification) 표면처리조건과 트라이볼러지 시험기의 하중조건에 따른 마찰계수의 특성변화를 시험평가 함으로써 멤브레인 두께감소와 면굴곡을 최소화할 수 있는 윤활방법과 표면처리방법을 선택할 수 있도록 자료를 축적하고자 한다(Amanov et al.

제안 방법

Fig. 2(b)의 큰 시험편은 1조건 만의 실험이 가능하며, 목적에 따라 50N과 100N에서 1,800초(0.5h)과 1,200초(0.3h)에서 트라이볼러지 시험을 실시하였다.
SM45C재의 미처리재와 UNSM 처리 전, 후에 트라이볼러지시험을 실시하여 프레스 금형용 마찰계수를 낮추는 자료를 축적하기 위한 일련의 연구에서 다음과 같은 결과를 얻었다.
UNSM 처리조건은 Table 1과 같지만 작용하중을 30N, 40N, 50N으로 달리하면서 3가지 조건으로 UNSM처리하여 UNSM30N, UNSM-40N, UNSM-50N으로 칭하였다.
본 연구에서는 주름성형용 금형의 표면처리와 윤활방법이 마찰력에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해 트라이볼러지 시험을 실시하여 최적의 표면처리방법을 도출하기 위해 연구를 수행하였다. 즉 멤브레인 성형의 금형재질인 SM45C를 사용하여 트라이볼러지 인자의 변화를 고려하면서 초음파나노표면개질(UNSM, Ultrasonic nanocrystal surface modification) 표면처리조건과 트라이볼러지 시험기의 하중조건에 따른 마찰계수의 특성변화를 시험평가 함으로써 멤브레인 두께감소와 면굴곡을 최소화할 수 있는 윤활방법과 표면처리방법을 선택할 수 있도록 자료를 축적하고자 한다(Amanov et al., 2012; Amanov et al., 2014; Gim and Jeong, 2007; Jeon et al., 2014; Lee et al., 2015; Pyun et al., 2012; Suh et al., 2016).

성능/효과

SM45C재의 UNSM처리재는 표면조직의 나노화, 높은 표면경도와 깊은 큰 압축잔류응력 형성 등으로 작용하중이 2배로 증가해도 마모, 마멸에 의한 중량감소량, 마멸폭과 깊이가 미처리 재처럼 크게 증가하지 않은 경향을 나타내었다.
SM45C재의 미처리재에 5N, 7.5N, 10N의 하중이 작용할 때, 마찰계수가 약 0.76~0.78정도로 거의 비슷하게 나타났고, 큰 시편에서는 하중 50N에서는 0.783을 유지하였고, 100N에서는 0.72 값을 유지하여, 마모시편과 작용하중의 크기의 차이에도 불구하고 0.72~0.78의 비슷한 마찰계수를 나타내었다.
UNSM처리된 SM45C재의 큰 시험편을 100N과 50N하에 트라이볼러지 시험하여 마찰계수와 시간과의 관계를 나타낸 마찰계수는 0.7~0.8 사이에 안정적으로 수렴하였다. UNSM처리된 작은 시험편의 마찰계수는 5N, 7.
8 사이에 안정적으로 수렴하였다. UNSM처리된 작은 시험편의 마찰계수는 5N, 7.5N와 10N하에서 0.78~0.75 사이의 값을 나타내어 서로 비슷한 경향을 나타내었고, SM45C재의UNSM처리에 따른 마찰계수는 서로 비슷하였다.
4(c)는 전체 Data를 모두 비교한 것으로 조도 Rz의 값이 가장 큼은 마이크로 냉간단조 형식인 UNSM처리에 의하여 생긴 현상이다. 이때, 미처리재의 조도가 가장 크며, UNSM 처리재 중에는 정하중을 크게 한 UNSM-50N의 조도가 UNSM-30N과 UNSM-40N에 비하여 크며, 정하중에 따라 Ra가 거의 선형적으로 증가하는 경향은 나타내었다. 이 자료중에 Rz의 거칠기 값이 최대값을 나타내므로, 최근 Ra보다 신뢰성이 크다고 평가하는 경향이다.
3(b)의 시험 장치로 100N과 50N하에 트라이볼러지 시험하여 마찰계수와 시간과의 관계를 각각 나타내었다. 이트라이볼러지 시험결과에서 3가지 UNSM 처리재는 하중이 큰 100N의 경우가 마찰계수가 0.7에 수렴하였고, 50N의 경우는 0.8에 수렴 후 UNSM-30N재는 마찰계수가 약간 감소하면서 안정된 경향을 나타내었다. 따라서 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액화 천연가스(Liquefied natural gas, LNG)의 화물창 내에선 어떤 작용이 나타나는가?	액화 천연가스(Liquefied natural gas, LNG)의 화물창은 LNG의 운송을 위한 Loading과 Unloading의 반복으로 111K(-162℃)에서 반복하중을 받게 된다. 또한, LNG의 액압과 파도에 따른 움직임으로 Sloshing(요동)이라는 유체유동의 효과에 의한 동적압력 하중 하에서 운전된다.
	LNG 선박용 내조 시스템에 사용되고 있는 멤브레인 재료의 대표적인 예는 무엇인가?	LNG 선박용 내조 시스템에 사용되고 있는 멤브레인 재료는 성형성이 뛰어날 뿐 만 아니라 용접성, 내식성, 인장강도 및 피로강도, 그리고 극저온에서 인성이 좋아야 한다. 이의 대표적인 재료는 9% Ni강과 오스테나이트계 스테인레스강(STS 304L급) 등이 알려져 있다(Kim et al., 2011; Kim et al.
	요동현상과 고압의 복합작용에 의해 멤브레인(Membrane)의 파손을 방지하기 위한 방법은 무엇인가?	또한, LNG의 액압과 파도에 따른 움직임으로 Sloshing(요동)이라는 유체유동의 효과에 의한 동적압력 하중 하에서 운전된다. 요동현상과 고압의 복합작용에 의해 멤브레인(Membrane)의 파손을 방지하기 위해 멤브레인에 주름을 설치하는데 이 주름은 평판소재에 소성가공으로 성형된다(Chun et al., 2009; Kim et al.

참고문헌 (13)

Amanov, A., Cho, I.S., Pyoun, Y.S., Lee, C.S., Park, I.G., 2012. Micro-dimpled Surface by Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification and its Tribological Effects. Wear, 286-287.
Amanov, A., Cho, I.S., Sasaki, S., 2014. The Influence of DLC Coating on the Mechanical and Frictional Properties of Unpeened and Peened Cu-based Bimetal under Dry Sliding Conditions. Materials Chemistry and Physics, 143, 814-824.

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Chun, M.S., Kim, M.H., Kim, W.S., Kim, S.H., Lee, J.M., 2009. Experimental Investigation on the Impact Behavior of Membrane Type LNG Carrier Insulation System. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 22(6), 901-907.

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Gim, J.S., Jeong, Y.T., 2007. Introduction to PVD/PACVD Coating. Journal of the Korean Society for Precision Engineering, 24(5), 7-13.
Jeon, Y.J., Kim, S.H., Yoon, K.T., Heo, Y.M., Lee, T.G., 2014. Indirect Prediction of Surface Damage for a Press Die with Wear Characteristics and Finite Element Stamping Analysis. Transactions of Materials Processing, 23(1), 29-34.

원문보기 상세보기
Kim, B.C., Yoon, S.H., Lee, D.G., 2011. Pressure Resistance of the Corrugated Stainless Steel Membranes of LNG Carriers. Ocean Engineering, 38, 592-608.

상세보기
Kim, H.S., Chun, M.S., Lee, J.M., Kim, M.H., 2013. A Comparative Evaluation of Fatigue and Fracture Characteristics of Structural Components of Liquefied Natural Gas Carrier Insulation System. Journal of Pressure Vessel Technology, 135(2), 021405.

상세보기
Kim, M.H., Lee, S.M., Lee, J.M., Noh, B.J., Kim, W.S., 2010. Fatigue Strength Assessment of MARK-III Type LNG Cargo Containment System. Ocean Engineering, 37, 1243-1252.

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Lee, S.C., Kim, J.H., Kim, H.D., Choi, G.S., Amanov, A., Pyun, Y.S., 2015. Changes in Mechanical Properties of WC-Co by Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification Technique. Journal of The Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, 31(4), 157-162.

원문보기 상세보기
Pyun, Y.S., Suh, C.M., Yamaguchi, T., Im, J.S., Kim, J.H., Amanov, A., Park, J.H., 2012. Fatigue Characteristics of SAE52100 Steel via Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification Technology. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 12, 6089-6095.

상세보기
Suh, C.M., Nahm, S.H., Kim, J.H., Pyun, Y.S., 2016. A Study on the VHCF Fatigue Behaviors of Hydrogen Attacked Inconel 718 Alloy. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A, 40(7), 637-646.
Suh, C.M., Song, G.H., Suh, M.S., Pyoun, Y.S., 2007. Fatigue and Mechanical Characteristics of Nanostructured Tool Steel by Ultrasonic Cold Forging Technology. Materials Science and Engineering: A, 443(1-2), 101-106.

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Yu, Y.H., Kim, B.G., Lee, D.G., 2013. Cryogenic Reliability of the Sandwich Insulation Board for LNG Ship. Composite Structures, 95, 547-556.

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