[논문]다구찌 실험계획법을 이용한 소구경화기 총열 내부용 Cr-Mo-V강의 질화공정 최적화

권혁린; 김동은; 손형동; 신재원; 박재하; 강명창

doi:10.14775/ksmpe.2018.17.3.148

다구찌 실험계획법을 이용한 소구경화기 총열 내부용 Cr-Mo-V강의 질화공정 최적화
Optimization of Inner Nitriding Process for Cr-Mo-V Steel of Small Arms Barrel by using Taguchi Experimental Design Method 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.17 no.3, 2018년, pp.148 - 154

권혁린 ((주)S&T 모티브) , 김동은 ((주)S&T 모티브) , 손형동 ((주)S&T 모티브) , 신재원 (국방기술품질원) , 박재하 ((주) 이레테크) , 강명창 (부산대학교 융합학부)

Abstract ▼ AI-Helper

When shooting small arms, the inner surface temperature is heated up to about $700{\sim}1,000^{\circ}C$ by the friction of the bullet and the inner wall of the barrel and the combustion of propellant. High-temperature propellant gas and high-speed movement of the bullet cause corrosion of the inner wall, which is noticeable immediately in front of the chamber. In this study, the mechanical properties of Cr-Mo-V steel, which is the base material, were tested using Taguchi experimental design to find the best nitriding treatment conditions. For the nitriding process, the working time, salt bath temperature, and salt concentration were combined as three conditions and placed in the $L_9(3^4)$, orthogonal array table. The thicknesses of the white layer and the nitrogen diffusion layer were measured after nitriding under each condition in a salt bath furnace. Durability was evaluated by measuring the degree of dispersion through actual shooting because it was difficult to evaluate the mechanical properties of the cylinder inner structure. As a result, it was confirmed that the durability was optimal at $565^{\circ}C$, 1 hour, 0.5%. These optimal conditions were selected by the statistical analysis of the Minitab program(ver.17).

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서 본 연구에서는 기존의 인코넬 소재를 대체할 수 있는 새로운 공법을 찾기 위하여 총열 소재 Cr-Mo-V강의 기계적 성질을 향상시키고자 다구찌(Taguchi) 실험계획법을 이용하여 질화처리 공정을 강건 설계하였다. 질화처리에 영향을 미치는 인자들을 특성요인도(Cause & Effect Diagram) 및 계층적 분석방법(Analytic hierarchy process, AHP)으로 중요도를 분석하였다.

제안 방법

다구찌(Taguchi) 실험계획법을 이용하여 소구경화기(Small Arms) 총열 Cr-Mo-V강 내부의 질화공정 최적조건을 찾기 위해 주요인자인 염욕로 온도, 작업시간, 질화제 농도 3가지 파라미터(Parameter)를 직교배열표에 배치하고, 실험하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
따라서 본 연구에서는 기존의 인코넬 소재를 대체할 수 있는 새로운 공법을 찾기 위하여 총열 소재 Cr-Mo-V강의 기계적 성질을 향상시키고자 다구찌(Taguchi) 실험계획법을 이용하여 질화처리 공정을 강건 설계하였다. 질화처리에 영향을 미치는 인자들을 특성요인도(Cause & Effect Diagram) 및 계층적 분석방법(Analytic hierarchy process, AHP)으로 중요도를 분석하였다. 가장 중요도가 높게 나타난 염욕로(Salt bath)온도, 유지시간(Time), 질화제 농도(CN density)를 설계 주요인자로 선정하였고, 이를 각각 3가지 수준으로 조합하여 3수준계 직교배열표(Tables of orthogonal arrays) L₉(3⁴)에 배치하였다.

대상 데이터

실험에 사용한 재료는 총열소재로 주로 사용되는 고크롬강인 Cr-Mo-V강응로 Table 1에 화학적 조성비를, Table 2에 기계적 성질을 나타내었다^[12]. Table 3은 최소실험횟수로 백층 생성경향 파악 및 분석을 통해 총열의 질화처리공정을 강건설계하고자 L₉(3⁴)의 직교 배열표(Orthogonal array)에 각각의 수준을 배치하였다.

데이터처리

본 실험은 자연의 유일한 해를 찾으려는 것보다 품질과 비용의 최적해를 구하려는 목적에서 출발된 것으로 다구치(Taguchi)의 직교배열표를 이용하여 가장 안정적인 주요인자의 조합을 찾아 최적화된 질화처리 공정을 도출하고자 하였다^[9~11].

성능/효과

이에 따라 시간을 10분 단위로 조정통제하면 보다 효과적인 공정설계가 가능할 것으로 예측된다. 또한 백층두께에 따른 내구수명 비교평가를 위해 10,000발 사격 후 표면관찰 및 분산도(Degree of dispersion, D) 사격시험(규격 : 4.8inch max.)을 실시한 결과 6㎛의 백층이 생성된 총열에서 가장 우수한 것을 확인하였다. 이때, 백층두께 6㎛이 생성된 질화공정 조건은 S/N비 값으로 분석된 최적조건과 동일하였으며, 내구수명을 백층두께 6㎛일 때와 동일수준으로 유지가능한 범위를 추정하기 위해 백층두께별 분산도 사격결과를 회귀분 석(Regression analysis)한 결과 최대 9㎛임을 알 수 있었다.
)을 실시한 결과 6㎛의 백층이 생성된 총열에서 가장 우수한 것을 확인하였다. 이때, 백층두께 6㎛이 생성된 질화공정 조건은 S/N비 값으로 분석된 최적조건과 동일하였으며, 내구수명을 백층두께 6㎛일 때와 동일수준으로 유지가능한 범위를 추정하기 위해 백층두께별 분산도 사격결과를 회귀분 석(Regression analysis)한 결과 최대 9㎛임을 알 수 있었다.
질화공정으로 생성된 백층(White layer)두께의 결과를 신호대 잡음비(Signal to noise, S/N) 분석을 통해 얻은 최적조건은 염욕로 온도 565℃, 작업시간 1Hr, 질화제 농도 0.5%이며, 가장 큰 영향을 미치는 인자는 작업시간이다. ;이에 따라 시간을 10분 단위로 조정통제하면 보다 효과적인 공정설계가 가능할 것으로 예측된다. 또한 백층두께에 따른 내구수명 비교평가를 위해 10,000발 사격 후 표면관찰 및 분산도(Degree of dispersion, D) 사격시험(규격 : 4.

후속연구

향후, 확인된 질화처리 조건과 크롬도금을 복합하여 계면의 인터페이스 특성을 분석하고 기계적 특성을 평가하고자한다. 이를 통해 비효율적 공법에 따른 과다한 가공비(공수, 인시수, 품질관리, 소재비) 절감과 내부 표면처리 성능향상의 효과를 동시에 얻을 수 있을 것이다.
향후, 확인된 질화처리 조건과 크롬도금을 복합하여 계면의 인터페이스 특성을 분석하고 기계적 특성을 평가하고자한다. ;이를 통해 비효율적 공법에 따른 과다한 가공비(공수, 인시수, 품질관리, 소재비) 절감과 내부 표면처리 성능향상의 효과를 동시에 얻을 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	총열의 경도 내식성 및 내마모성을 향상시키기 위해 해야하는 것은 무엇인가?	이에 총열의 경도 내식성 및 내마모성을 향상시키기 위해 질화처리 크롬도금 등의 표면처리를 실시하여 수명을 확보하고 있다[2~3]. 그러나 Fig.
	소구경 화기에 균열이 발생하는 이유는 무엇인가?	소구경 화기(Small Arms)는 사격시 탄약(Bullet)의 추진제로부터 발생하는 고온 고압의 연소가스 및 탄자 전진시 발생하는 마찰력에 의해 총열 내부 온도가 고온으로 상승하며 팽창하게 된다. 사격 후, 총열은 대기에 의한 냉각과정에서 상변태(Phasetransformation)에 따른 내부응력이 발생하는데 이러한 팽창 및 수축 과정을 반복하며 총열 내부의 표면층에 미세 균열이 발생한다. 열응력에 의해 취약해진 총열 내부를 탄자(Bullet)가 지속적으로 마찰하게 되면 표면층이 급격히 침식, 탈락되는 현상이 발생하여 수명이 단축된다[1].
	소구경 화기의 사격시 발생하는 과정은?	소구경 화기(Small Arms)는 사격시 탄약(Bullet)의 추진제로부터 발생하는 고온 고압의 연소가스 및 탄자 전진시 발생하는 마찰력에 의해 총열 내부 온도가 고온으로 상승하며 팽창하게 된다. 사격 후, 총열은 대기에 의한 냉각과정에서 상변태(Phasetransformation)에 따른 내부응력이 발생하는데 이러한 팽창 및 수축 과정을 반복하며 총열 내부의 표면층에 미세 균열이 발생한다.

참고문헌 (12)

Lee, H. J., Rifle and Ballistics, Chung Moon Gak, pp. 91-107, 1994.
Oh, K. K., Kim, J. H., Choi, H. S., "Effect of Nitriding on Fatigue Characteristics of Cr-Mo Alloy Steel," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 39, No. 6, pp. 597-602, 2015.
Kim, M. W., Kim, K. H., Kang, M. C., Cho, S. H., Ryu, K. T., "Mechanical properties and cutting performance of Cr-Al-N hybrid coated micro-tool for micro high-speed machining of flexible fine die," Current Applied Physics, 12, S14-S18, 2012.

상세보기
Wang, B., Zhao, X., Li, W., Jianfeng Gu, M. Q., "Effect of nitride-layer microstructure control on wear behavior of AISI H13 hot work die steel," Applied Surface Science 431, pp. 39-43, 2018.

상세보기
Pinedo, C. E., Monteiro, W. A., "Surface hardening by plasma nitriding on high chromium alloy steel," Journal of materials science letters, Vol. 20, No. 2, pp. 147-150, 2001.

상세보기
Golanski, G., Pietryka, I., Slania, J., Mrozinskis, S., Jasak, J., "Microstructure and Mechanical Properties of CRMOV Steel after Long-term Service," Archives of Metallurgy and Materials, Vol. 61, No.1, pp. 51-54, 2015.
Zhao, J., Han, S. Q., Gao, H. B., Wang, L., "Remaining life assessment of a CrMoV steel using the Z-parameter method," International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 81, No. 9, pp. 757-760, 2004.

상세보기
Jeong, H. D., "A study on the Variation of Mechanical Properties Due to Thermal Aging in 2.5Cr-1Mo Boiler Tube Steel," Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A, Vol. 20, No. 5, pp. 1372-1381, 1996.
Kim, J. K., Kim, J. S., Lee, J. H., Kwak, J. S., "A Study on the Optimization of the Dimensional Deviation due to the Shortening of the Cycle Time for Rear Cover of Mobile Phone," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 16, No. 6, pp. 117-124. 2017.

원문보기 상세보기
Song, W. J., Lee, E. S., "A Study on the Optimal Conditions of Hole Machining of Microplate by Application of Response Surface Methodology in Wire-Pulse Electrochemical Machining," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 16, No. 5, pp. 141-149, 2017.
Kim, K. M., "Optimization of Sheet Metal Forming Process Using Mahalanobis Taguchi System," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 15, No. 1, pp. 95-102, 2016.
MIL-B-11595E(1988), "Bar, Metal and Blanks, Steel (Under 2 Inches in Diameter) for Barrels Of Small Arms Weapons," Retrieved 26, July., 2004, from http://quicksearch.dla.mil.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

다구찌 실험계획법을 이용한 소구경화기 총열 내부용 Cr-Mo-V강의 질화공정 최적화
Optimization of Inner Nitriding Process for Cr-Mo-V Steel of Small Arms Barrel by using Taguchi Experimental Design Method 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (12)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

다구찌 실험계획법을 이용한 소구경화기 총열 내부용 Cr-Mo-V강의 질화공정 최적화 Optimization of Inner Nitriding Process for Cr-Mo-V Steel of Small Arms Barrel by using Taguchi Experimental Design Method 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (12)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

권혁린 (1) 강명창 (87)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

다구찌 실험계획법을 이용한 소구경화기 총열 내부용 Cr-Mo-V강의 질화공정 최적화
Optimization of Inner Nitriding Process for Cr-Mo-V Steel of Small Arms Barrel by using Taguchi Experimental Design Method 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper