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문제 정의
- 본 연구에서는 고무 제조단계와 시장단계에서의 고장현상과 요인 및 해석방법을 파악하여 고장 메카니즘을 분석하였다. 고무부품의 제조공정은 크게 원료고무에 전단력과 온도를 가해 고무가 연화되면서 균일한 가소화 상태로 되는 소련 작업과 소련된 고무에 배합약품을 균등히 혼합하여 분산시키는 혼련작업과 쇄상 고분자속에 있는 불포화 이중결합에 유황, 금속산화물, 유기과산화물 등의 가황제 작용으로 망상결합 고분자 고무가 되어 탄성체가 되는 가황작업으로 크게 나누어진다.
제안 방법
- (1) 고무마운트에 제조공정과 시장단계에서의 고장현상과 요인 및 해석방법을 파악하여 고장 메카니즘을 분석하였다.
- (2) 고무재료 물성시험은 재료의 기계적 특성을 파악하기 위한 시험으로 본 연구에서는 단축 인장, 이축인장상태에서 다양한 환경조건에서 시험을 수행하여 물성을 확보하였다.
- (4) 고무부품료의 노화수명을 예측하기 위해 가속 열 노화시험을 수행하여 시간-온도 환산식인 아레니우스 관계식을 구하였다. 예측된 노화수명은 EPDM이 NBR보다 노화특성이 우수함을 알 수 있었다.
- 고무부품은 50°C, 70°C, 85°C, 100°C의 환경챔버에서 1일에서 45일까지 일정기간동안 압축된 상태로 두어 열 노화시켰다.
- 고무부품의 가속 열 노화시험을 위해 압축줄음률장치를 이용하여 고무부품 초기 높이의 25%를 압축하여 압축 영구줄음률 시험을 수행하였다. 고무부품은 50°C, 70°C, 85°C, 100°C의 환경챔버에서 1일에서 45일까지 일정기간동안 압축된 상태로 두어 열 노화시켰다.
- 고무재료 물성시험용 시편은 고무마운트에 사용되는 NBR과 EPDM 재료로 가황시킨 고무 컴파운드를 ASTM D3182에 따른 금형을 이용하여 가황프레스를 이용하여 압축성형으로 제작하였다. 고무재료는 점탄성(viscoelastic) 특성으로 인하여 변형률 속도(strain rate)에 영향을 받는다.
- 단축인장시험은 Fig. 2(a)와 같이 재료시험기에 500 N 용량의 로드셀을 장착하여 수행하였으며 시편의 변형률을 측정하기 위해 레이저 신장계를 사용하였다. 시편의 표점거리는 레이저 반사 테입을 이용하여 20 mm가 되도록 하였다.
- 그러나 국내 대부분의 고무부품 생산업체가 영세한 중소기업으로 기술개발에 대한 투자부족과 관련 기술 인력의 잦은 이동 등으로 인해 체계적인 기술축적이 어려운 실정이다. 따라서 본 연구에서는 냉장고 압축기 모터에서 발생되는 소음과 진동을 제어할 목적으로 사용되는 고무마운트에 대해 열화요인 및 고장 파손사례를 조사하여 고장 메카니즘을 분석하였으며 고무재료에 대한 물성시험을 통해 변형률에너지함수를 기반으로 고무재료 비선형 재료 상수를 결정하였다. 또한, 환경시험에 의한 가속열 노화시험을 통해 노화온도 및 노화일수에 따른 응력-변형률 관계를 파악하였으며 아레니우스 관계식을 이용하여 고무재료의 노화수명을 예측 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 냉장고 압축기 모터에서 발생되는 소음과 진동을 제어할 목적으로 사용되는 고무마운트에 대해 열화요인 및 고장 파손사례를 조사하여 고장 메카니즘을 분석하였으며 고무재료에 대한 물성시험을 통해 변형률에너지함수를 기반으로 고무재료 비선형 재료 상수를 결정하였다. 또한, 환경시험에 의한 가속열 노화시험을 통해 노화온도 및 노화일수에 따른 응력-변형률 관계를 파악하였으며 아레니우스 관계식을 이용하여 고무재료의 노화수명을 예측 하였다. 그동안 고무분야에 대한 국내 연구개발 및 투자는 다른 기술 분야에 비해 상대적으로 미비하였으나 세계 일류화를 지향하는 제품에 고무부품의 사용이 날로 증가하고 있어 재료개발과 신뢰성 평가를 통한 설계기술을 체계화시킨다면 가까운 시일 내에 선진 고무기술 수준에 도달할 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구에서는 고무재료에 대한 수명예측을 위해 열 노화시키는 가속방법을 선택하여 가속시험을 통해 얻어진 데이터로 아레니우스(Arrhenius) 모델을 이용하여 수명을 예측하였다. 아레니우스 모델은 여러 온도에서 고무제품의 초기 특성 값의 일정 변화가 발생하는 시점을 수명으로 판단하여 시간-온도의 master curve 및 관계식으로 표현된다.
- 본 연구에서는 단축인장, 이축인장시험을 통해 얻어진 응력-변형률 결과를 변형률에너지함수로부터 구해진 응력-변형률의 관계식을 이용하여 Table 2에서와 같이 무니-리블린 2항과 오그덴 3항의 비선형 재료상수를 결정하였다.
- 대부분의 고무부품들은 환경적인 영향에 의한 열 노화와 반복하중에 의한 피로손상 누적으로 인해 수명을 다하게 된다. 본 연구에서는 여러 가지 특성저하 인자 중에서 가장 주요한 인자인 온도를 고려하여 실제 제품이 사용되는 곳의 온도보다 높은 오븐에서 열 노화시키는 가속시험방법을 선택하여 고무소재의 물성변화와 수명을 예측하였다.
- 온도변화에 따른 노화조건은 70°C, 85°C, 100°C에서 180일 동안 노화시간을 갖도록 하였으며 일정기간동안 노화된 시편은 오븐에서 꺼내어 24시간 상온에서 방치한 후 물성시험을 하였다.
- 단축압축시험은 압축판과 고무시편의 접촉면에서 발생되는 마찰로 인하여 근본적으로 순수한 압축응력-변형률 관계를 얻기 어렵다. 이러한 문제를 극복하기 위해 압축시험과 동일한 변형모드를 갖는 이축인장시험을 수행하였다. 이축인장시험은 Fig.
- 고무부품은 50°C, 70°C, 85°C, 100°C의 환경챔버에서 1일에서 45일까지 일정기간동안 압축된 상태로 두어 열 노화시켰다. 주어진 시간이 경과된 후 시편을 꺼내어 압축장치로부터 분리한 후 하중-변위 관계의 특성시험을 수행하여 온도와 시간에 따른 특성변화를 파악하였다.
성능/효과
- (3) 노화온도와 노화일수가 증가할수록 물성변화가 커짐을 알 수 있었으며 NBR이 EPDM보다 내열 특성이 떨어짐을 알 수 있었다.
- Fig. 4～5는 응력-변형률 관계선도를 나타낸 것으로 노화온도와 노화일수가 증가할수록 강성이 높아짐을 알 수 있었으며 EPDM보다 NBR의 강성변화가 훨씬 크게 나타남을 알 수 있었다.
- Table 3으로부터 계산되어 예측된 사용수명은 50%의 특성변화가 있을 때 NBR은 0.5년, EPDM은 2.5년으로 EPDM이 NBR보다 사용수명이 훨씬 우수한 고무재료임을 알 수 있었다.
- 다양한 노화온도에서 노화일수에 대한 특성변화는 온도가 높고 노화일수가 증가할수록 증가함을 알 수 있었으며 EPDM 보다 NBR 소재의 고무부품이 특성변화가 심하게 나타났다.
- (4) 고무부품료의 노화수명을 예측하기 위해 가속 열 노화시험을 수행하여 시간-온도 환산식인 아레니우스 관계식을 구하였다. 예측된 노화수명은 EPDM이 NBR보다 노화특성이 우수함을 알 수 있었다.
후속연구
- (5) 고무부품에 대한 고장 메카니즘 분석과 고무 재료 물성 및 특성변화에 대한 많은 시험 데이터가 축적된다면 고무부품의 수명예측 및 신뢰성 향상에 상당한 도움을 줄 수 있으리라 기대된다.
- 또한, 환경시험에 의한 가속열 노화시험을 통해 노화온도 및 노화일수에 따른 응력-변형률 관계를 파악하였으며 아레니우스 관계식을 이용하여 고무재료의 노화수명을 예측 하였다. 그동안 고무분야에 대한 국내 연구개발 및 투자는 다른 기술 분야에 비해 상대적으로 미비하였으나 세계 일류화를 지향하는 제품에 고무부품의 사용이 날로 증가하고 있어 재료개발과 신뢰성 평가를 통한 설계기술을 체계화시킨다면 가까운 시일 내에 선진 고무기술 수준에 도달할 수 있을 것으로 기대된다.
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