침식 마모 시험기 – ASTM G76 – Gas Jet Erosion Rig

모델 TE 68 침식 마모 시험기 Gas Jet Erosion Rig

– 배경 (Back Ground)

Gas Jet Erosion Rig는 University of Cambridge 재료과학 및 금속공학과의 Dr. I. M. Hutchings가 개발한 실험 기법을 기반으로 하며, 미국의 Dr. A. Ramamurthy 및 Freese Enterprises와 공동으로 연구되었습니다. 본 장비는 Phoenix Tribology Ltd가 라이선스 하에 제작 합니다.

TE 68은 기체에 의해 운반되는 입자(stream)에 의한 침식 마모(erosive wear)를 이용하여 경질 및 연질 코팅, 그리고 벌크(단일체) 재료의 마모계수(wear coefficient)를 평가하는 데 사용 됩니다.

침식(Erosion)은 산업 현장에서 중요한 마모 메커니즘입니다. ASTM 및 DIN 표준 시험법이 존재하지만, 실제로는 각 기관마다 서로 다른 방식으로 시험을 수행 합니다.

ASTM G76 “Standard Practice for Conducting Erosion Tests by Solid Particle Impingement”에서는 단일 실험실 시험만으로는 실제 사용 조건에서의 성능을 충분히 평가할 수 없음을 명시하고 있습니다. 실제 현장의 침식 조건은 입자 크기, 속도, 충돌각, 환경 조건 등 다양한 요소가 복합적으로 작용하며, 이들은 모두 침식률에 영향을 줍니다.

침식 시험에서 정의하고 제어해야 할 주요 변수는 다음과 같습니다 :

• 입자 속도 (공기 속도와 동일하지 않음
• 입자 질량 유량
• 노즐 마모
• 노즐에서 분사되는 입자의 확산 정도
• 입자의 크기 및 형상
• 입자의 충돌 각도

ASTM G76 시험법을 보완해야 하는 이유 :

ASTM G76 시험법의 특징 중 하나는 1.5 mm의 매우 작은 제트 직경으로 인해 입자가 표면에 “드릴링(drilling)” 형태로 깊게 침투한다는 점입니다. 표준에서는 침투 깊이가 1 mm를 초과하지 않도록 규정하지만, 이는 표면에 상당히 깊은 손상을 유발합니다. 침투가 깊어질수록 표면에 충돌 후 반사되는 입자와의 상호작용으로 인해 제트의 물리적 상태가 변화합니다. 이러한 매우 가혹한 조건은 코팅 시험에는 적합하지 않으며, 코팅이 아닌 기판(substrate)까지 마모가 진행될 수 있습니다.

또한 ASTM에서 정의한 소형 노즐은 마모가 발생하기 쉽습니다. 노즐이 마모되면 입자 유동 형상이 변하고, 시험 데이터의 재현성이 떨어집니다.

ASTM G76은 내경 1.5 mm, 길이 50 mm의 노즐을 규정합니다. 이 작은 노즐은 높은 배압(back-pressure)을 유발하므로, 요구 질량 유량(2 ± 0.5 g/min)을 달성하기 위해 연마재를 압력 하에 공급해야 합니다. 일반적으로 노즐 입구 압력 20 psi(약 1.4 bar)에서 약 30 m/s의 입자 속도가 형성 됩니다.

모델 TE 68 침식 마모 시험기 Gas Jet Erosion Rig – 설명

• TE 68 Gas Jet Erosion Rig는 내경 4.7 mm, 길이 300 mm의 대형 노즐을 사용합니다. 이로 인해 운전 압력이 매우 낮아집니다.
• 노즐은 텅스텐 카바이드(Tungsten Carbide)로 제작할 필요가 없으며, 일반적인 심리스(seamless) 인발형(type 304) 스테인리스강 튜브로 제작됩니다. 내부 표면 마감 상태를 정밀하게 관리할 수 있고, 교체 비용도 매우 저렴합니다.
• 대형 노즐 직경은 입자 분사 범위를 넓혀 코팅 및 벌크 재료의 침식 시험에 더욱 적합합니다. 표면에 “드릴링” 현상이 줄어들며, 반사 입자의 영향도 감소하여 보다 안정적이고 제어된 침식 조건을 구현합니다.
• 또한 더 다양한 입자 종류를 사용할 수 있어 실제 침식 환경을 보다 현실적으로 모사할 수 있습니다.
• 질량 유량은 회전 홈 디스크(rotating grooved disc)를 이용하여 제어되며, 입자는 벤츄리 흡입(venturi suction)을 통해 공기 흐름으로 공급됩니다. 질량 유량은 디스크 회전 속도로 조절합니다. 입자는 단순한 호퍼에서 중력에 의해 홈으로 공급됩니다.

모델 TE 68 침식 마모 시험기 Gas Jet Erosion Rig – 주요 특징

• 노즐 수직 이동 장치 (Vertical traverse)

→ 노즐과 시편 간 거리 조절 가능 (침식 면적 변화에 영향)

• 다양한 노즐 적용 가능

→ 입자 플룸(plume) 형상 및 속도 범위 조절 가능 (*플룸(Plume)*은 침식 시험에서 노즐을 통해

분사된 입자들의 공간적 분포(확산 형태)를 의미합니다. 쉽게 말하면, 노즐에서 나온 모래/입자

제트가 공기 중에서 퍼지면서 형성하는 “입자 구름” 또는 “분사 패턴”입니다. )

• 대형 시험 챔버 및 각도 조절 시편 스테이지 (일반 시편 크기 50 mm × 50 mm)

→ 시편을 기울여 입자 충돌각 변경 가능

→ 충돌각 변화에 따른 침식 거동 연구 가능

• 옵션 공기 가열 시스템

→ 최대 100 °C까지 고온 시험 가능

모델 TE 68 침식 마모 시험기 Gas Jet Erosion Rig – 성능

기본 성능 (Standard Performance)

• 입자 속도: 25 ~ 80 m/s
• 질량 유량: 0.2 ~ 2 g/min
• 속도는 공기 압력 및 노즐 길이에 의해 결정됨

확장 성능 (Enhanced Performance)

1. 입자 공급 어셈블리를 밀폐된 소형 챔버에 넣고 최대 4 bar 압력을 가하면, 입자 속도를 기존 최대 80 m/s에서 약 120 m/s까지 증가시킬 수 있습니다.
2. 혼합 챔버와 노즐 출구 사이의 압력 차는 약 1 bar로 유지되며, 이는 입자 공급 챔버와 벤츄리 인젝터 사이에서 약 3 bar의 압력 강하가 발생함을 의미합니다.
3. 입자 공급 챔버, 혼합 챔버, 인젝터 상류 압력, 노즐 출구 압력 간의 압력 차와 실제 입자 유량 사이의 정량적 관계는 아직 완전하게 규명되지 않았습니다.
4. 그러나 현재 표준 사양으로 적용되는 공급 챔버는, 특정 시험 조건에서 사용자가 조정 시 입자 속도의 유의미한 증가를 제공합니다.

모델 TE 68 침식 마모 시험기 Gas Jet Erosion Rig – 상세 사양