[논문]유한요소해석에 의한 코팅면의 브리넬 경도 평가: 제1보 - 타당성 연구

박태조; 강정국

doi:10.9725/kts.2020.36.6.378

유한요소해석에 의한 코팅면의 브리넬 경도 평가: 제1보 - 타당성 연구
Evaluation of Brinell Hardness of Coated Surface Using Finite Element Analysis: Part 1 - A Feasibility Study 원문보기

한국트라이볼로지학회지 = Tribology and lubricants, v.36 no.6, 2020년, pp.378 - 384

박태조 (경상대학교 기계공학부) , 강정국 (경상대학교 기계항공정보융합공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The friction surfaces of mechanical parts are heat-treated or coated with hard materials to minimize wear. Increasing the hardness is a very useful way to reduce abrasive wear. The general Brinell hardness test, which is widely used for metallic materials, is not suitable because it hardly shows any change in hardness when coated with thin films. In this study, we propose a basis for the application of the new Brinell hardness test method to the coated friction surface. An indentation analysis of the rigid sphere and elastic-perfectly plastic materials is performed using a commercial finite element analysis software. The results indicate that their loadto-diameter ratio is the same; the Brinell hardness test method can be applied even when the indenter diameter is on the micrometer scale. In the case of hard coating, it is difficult to calculate Brinell hardness using the diameter of the indentation, but the study revealed, for the first time, that it can be calculated using the depth of the indentation regardless of coating. The change in hardness owing to thin film coating over a wide load range implies that the hardness evaluation method is appropriate. Additional studies on various properties related to the substrate and coating material are required to apply the proposed method.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Schematic of spherical indentation on an elastic half space: (a) loading, (b) full unloading.
그림 Fig. 2. Finite element grid for indentation analysis.
그림 Fig. 3. Load-displacement response compared from FE simulation against Hertz theory for isotropic elastic substrate.
그림 Fig. 4. von Mises stress distribution for force-diameter ratio of 5. D is (a) 200 µm, (b) 1,000 µm.
표 Table 1. Mechanical properties [10]
그림 Fig. 5. Variation of deformed shape with force-diameter ratio.
그림 Fig. 6. Effect of indenter diameter on Brinell hardness.
그림 Fig. 7. Effect of applied load on indentation shape.
그림 Fig. 8. Comparison of equivalent plastic strain after full unloading: Coating thickness is (a) 0 μm, (b) 3 μm.
그림 Fig. 9. Variation of residual indentation shape with applied load after full unloading: Coating thickness is (a) 0 μm, (b) 3 μm.
그림 Fig. 10. Estimation of Brinell hardness using residual indentation depth.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 경질재료로 코팅한 마찰면의 경도측정에 브리넬 경도시험법을 적용하기 위한 기준과 근거를 제시하고자 한다. 이를 위하여 TiN으로 코팅된 모재에 구형압입자로 압입한 경우를 유한요소해석 S/W를 사용하여 해석하였다.

제안 방법

1에 비교하였다. 두 결과가 아주 잘 일치하므로 유한요소 해석방법을 사용하여 탄성-완전소성으로 변형하는 모재와 코팅에 대한 압입해석을 수행하였다.
본 논문에서는 경질재료로 코팅한 마찰면의 경도측정 에 브리넬 경도시험법의 적용을 위한 근거를 제시하기 위하여 강체인 구와 탄성-완전소성인 코팅된 모재에 대한 압입해석을 유한요소해석 S/W를 사용하여 수행하였다. 해석결과를 요약하면 다음과 같다.
본 논문에서는 경질재료로 코팅한 마찰면의 경도측정에 브리넬 경도시험법을 적용하기 위한 기준과 근거를 제시하고자 한다. 이를 위하여 TiN으로 코팅된 모재에 구형압입자로 압입한 경우를 유한요소해석 S/W를 사용하여 해석하였다.

성능/효과

1-3]. 이는 부품표면의 경도(Hardness) 를 높이는 것이 마모를 발생시키는 주된 원인중의 하나인 연삭마모(Abrasive wear)의 저감에 가장 효과적인 방법중의 하나이기 때문이다.
2O³, DLC(Diamond-like carbon) 등과 같은 경질재료로 코팅(Coating)하는 표면처리방법이 널리 적용되고 있다[1-3]. 이는 부품표면의 경도(Hardness) 를 높이는 것이 마모를 발생시키는 주된 원인중의 하나인 연삭마모(Abrasive wear)의 저감에 가장 효과적인 방법중의 하나이기 때문이다.
3, DLC(Diamond-like carbon) 등과 같은 경질재료로 코팅(Coating)하는 표면처리방법이 널리 적용되고 있다[1-3]. 이는 부품표면의 경도(Hardness) 를 높이는 것이 마모를 발생시키는 주된 원인중의 하나인 연삭마모(Abrasive wear)의 저감에 가장 효과적인 방법중의 하나이기 때문이다.
4-10]. 이 방법은 아주 뾰족한 압입자에 수 mN 크기의 미세하중을 작용시켜서 나노미터 스케일로 박막이 변형될 때의 하중-제하중 곡선(Loading- unloading curve)과 접촉투영면적으로부터 경도와 기계적특성 등을 측정할 수 있다.
2. 기존방법으로는 어려운 박막코팅한 마찰면의 브리넬 경도측정에 압흔의 깊이를 사용하는 것이 보다 적절함을 확인하였다.
3. 넓은 하중범위에 걸쳐서 박막코팅한 경우의 코팅으로 인한 경도변화는 제시한 방법의 근거로 충분하다.
이상의 결과, 압흔의 깊이를 사용하는 브리넬 경도는 기존의 방법으로는 측정이 어려운 박막코팅한 마찰면에 대해서도 적용이 가능함을 확인하였다. 그리고 압입자 크기를 밀리미터에서 마이크로미터까지로 스케일을 확대하면 미세 비커스 경도시험보다 활용범위가 높을 것으로 기대된다.

후속연구

이상의 결과, 압흔의 깊이를 사용하는 브리넬 경도는 기존의 방법으로는 측정이 어려운 박막코팅한 마찰면에 대해서도 적용이 가능함을 확인하였다. 그리고 압입자 크기를 밀리미터에서 마이크로미터까지로 스케일을 확대하면 미세 비커스 경도시험보다 활용범위가 높을 것으로 기대된다. 이를 위해서는 본 논문의 해석에서 고려하지 못한 압입자, 모재 및 코팅재의 탄성계수, 포아송비, 항복응력, 가공경화지수, 코팅두께 등과 같은 많은 변수의 영향에 대한 추가연구가 요구된다.
이 방법의 실제적용을 위해서는 모재와 코팅재에 관련된 다양한 변수에 대한 추가연구가 요구된다.
그리고 압입자 크기를 밀리미터에서 마이크로미터까지로 스케일을 확대하면 미세 비커스 경도시험보다 활용범위가 높을 것으로 기대된다. 이를 위해서는 본 논문의 해석에서 고려하지 못한 압입자, 모재 및 코팅재의 탄성계수, 포아송비, 항복응력, 가공경화지수, 코팅두께 등과 같은 많은 변수의 영향에 대한 추가연구가 요구된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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