ASTM G75-90 Slurry 1/7 재료의 slurry 연마도(Miller Number)와 ...

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재료의 slurry 연마도(Miller Number)와 Slurry연마반응(SAR Number)의 결정에 관한 표준실험도구
1. 범위
1.1 이 실험도구는 slurry의 종류에 따른 연마 정도에 대한 비교 값이나 다른 slurry에 대한 재료의 반응에
대한 데이터를 확립하는데 이용될 수 있다.
1.2 이 절차로 얻어진 실험 데이터는 slurry에서 한 시간 동안 한 쌍의 27% chromium iron wear block의 총
손실속도에 관련된 번호나, 한 시간 동안 다른 재료로 구성된 한 쌍의 표준시편에 대해 다른 slurry에 대한
총 손실의 속도에 관련된 번호를 계산하는데 사용된다.
1.3 SAR Number에 관한 시험시편에서 시편의 평평한 마모표면에 대한 요구사항은 아래의 실험에는 적용
될 수 없다. 얇거나(0.0002~ 0.005in. 혹은 0.151~0.127mm), 경하거나, 마모저항관련 코팅은 표면마무리로
적용될 수 없다. 표면마무리가 안된 SAR Number 실험에서의 총6시간 실험은 정확한 실험값이라 할 수 없
다.
1.4 이 표준은 안전 관련하여 따로 언급하지 않으며, 만약 이 표준의 사용이 안전과 관련된다면 적합한
안전과 건강 그리고 일반적인 제약에 대해선 사용하기 전에 사용자가 확립해야 한다.
2. 참고 문헌
2.1 ASTM Standard
G40 Terminology Relating to Wear and Erosion
2.2 Military Standard
MIL-R 6855c Rubber, Synthetic, Sheets, Strips, Molded or Extruded Shapes
3. 용어
3.1 정의-이 문서에서 사용된 정의는 G40에 준수한 것이며 아래와 같다.
Abrasion wear (연마마모)-경한 입자 혹은 경한 돌기가 고체 표면을 따라 이동하면서 발생하는 마모
Corrosive wear(부식마모)- 화학적 혹은 전기화학적으로 인한 마모
Cumulative erosion- time curve-시간과 cumulative erosion 양을 그린 곡선
Erosion- 고체표면과 유체, 고체-고체 간의 기계적 상호작용으로 고체표면에서의 점차적인 손실
Erosion-Corrosion- 에로전과 부식에 의한 상승공정으로서, 많은 경우에서 가속화.
Instantaneous erosion rate- 곡선에서 특정 점에서 erosion-시간 곡선에 접하는 기울기
3.2 이 표준에 대한 특정용어의 정의
Abrasion-corrosion(연마부식)-연마마모와 부식이 같이 작용하는 현상
Mass concentration- 복합 성분과 복합 상의 혼합체에서, 특정성분과 상의 크기에 대한 단위 량 혹은 총 체
적 단위
Miller Number- 누진적인 마모-시간곡선에서 특정시간에서 표준금속마모block의 총 손실과 순간적인 속도에
관련된 slurry 연마도의 측정치
SAR Number- 특정 slurry, 특정 재료의 연마반응에 대한 비교측정 시, 누진 연마-부식시간 곡선상에서 특정
시간에 대한 시료의 총 손실에 대한 순간적인 속도가 체적이나 두께 감소로 변환된 값
Slurry-액체에서 고체입자의 혼합물로서 액체와 같이 유동적이고 일관성 있게 구성된 물질
Slurry Abrasivity- 다른 slurry들과 비교되는 연마와 부식 마모를 유발하는 정도에 대한
비교경향 치
4. 실험도구의 요약
Miller number와 SAR number에서 slurry 연마도의 비교경향은 표준형상 금속 block의 측정된 총 손실을 이용
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함으로서 결정될 수 있다(회전 크랭크에 의한 왕복동 움직임, slurry가 담겨있는 용기에 탑재함). 직접적인 하
중이 블록에 전달된다. 각 실험에서 용기의 바닥은 합성고무로 구성되는데 이는 보호를 위함이다. 용기의 내
부는 평평한 형태거나 V형상으로 되어있는데 이는 마모 block의 통로 쪽으로 slurry입자를 제한하기 위해서
다, 각 stroke의 끝에서 CAM의 움직임에 의해 블록이 들려지는데 블록에 새로운 slurry입자를 공급하기 위해
서이다. block holder는 플라스틱으로 구성되어있고 이는 slurry에서 전해를 최소화하기 위해서이다.
4.2 이 실험도구는 4h씩 작동하는 16h용으로 제작되었는데 경험을 통하여 연장된 실험시간이 불필요하며 2
시간씩 증가하는 6h의 실험으로 확립되었으며 이는 장시간 실험에 동등하면서도 필수적인 데이터를 제공한
다. 최근의 개정은 짧은 실험절차에 기초한 것이다.
5. 중요성과 사용
5.1 Miller number는 slurry의 연마 비교 정도에 대한 지표이다. 주요목적은 표준재료의 마모에 대한 slurry
abrasivity 에 대한 순위를 나타내기 위해서이다. 표준 wear block에서 마모손실은 Miller number에서 얻어진
것보다 worse하다
5.2 SAR number는 특정입자에 대해 실험된 바와 같이 재료의 상대적인 연마반응에 대한 지표이다. SAR
number는 Miller number 결정에 사용되는 참고재료와는 별도로 다른 재료에 적용할 수 있는 Miller number의
보편화된 형식이다. 주요목적은 특정입자를 pumping하기 위한 시스템에 사용하기 위한 구조재료에 대해 순
위를 매기기 위해서이다. 또한 Miller지수를 결정하는데 쓰이는 참고재료보다는 선택된 구조재료에 대한 다양
한 slurry의 abrasivity에 대한 순위를 매기는데 사용될 수 있다. 실험된 재료의 시편에서 slurry 손상은 SAR
number에서 얻는 것보다 worse하다,
5.3 경험을 통해 대략 50혹은 그 이하의 Miller number 혹은 SAR number는 연삭 마모가 수반된다. 50이상
의 번호에선, 면밀히 관찰해야 하며, 연마에 의한 손상이 예상된다. 그러므로, Miller number와 SAR number는
펌프 및 다른 장비의 선택 그리고 펌프 관련된 liquid end part의 수명예측에 대한 slurry 및 재료에 대한 정보
를 제공한다.
5.4 SAR Number는 slurry system에 가장 적합한 재료를 결정하는데 사용될 수 있다.
6. 장치와 재료
6.1 그림1 과 2는 실험장치의 구조를 보여준다.
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6.2 장비 설명
6.2.1 장비는 200mm의 수평 왕복동 움직임을 가진 block arm에 의해 행해진다. Arm은 특정 점에서 크로스헤
드 쪽으로 자유롭게 선회하며 특정 점은 작동위치에서 크로스헤드 길에 대해 arm이 평형을 이루었을 때를
의미한다. 48r/min씩 적절한 커넥팅 로드에 의해 크로스헤드는 크랭크에 연결된다.
6.2.2 장비는 2개의 작동 arm이 있는데 하나는 평균영향을 위한 것이고 다른 하나는 측정의 재현성을 확인
하기 위해서이다. 또한 4개의 arm을 한 기계에 결합하여 2set의 모의실험이 가능하다.
6.2.3 각각의 하중이 부가되며 마모 블록의 표면에 전달되는 총 하중은 22.24N이다
6.2.4 캠은 각 arm stroke 끝에서 순간적으로 들려진다.
6.2.5 용기 별로 arm이 요구되며 용기의 크기는 폭 50mm /길이 381mm/높이 50mm이다.
6.2.6 용기의 바닥에 lap을 고정하기 위해 특별히 강화된 합성수지 filler를 사용하였고 마모 block의 이송에
대해 V형상의 바닥을 제공하였다. 캠의 기울기는 이동 축에 대하여 45°이며 실험 block의 밑으로 새로운
slurry를 공급하기 위함이다.
6.2.7 블록과 시편 holder는 플라스틱으로 제작되며 50mm by 50mm by 12.7mm이며 높이를 조절할 있게 홈이
나 조일 수 있는 구조로 제작한다. (그림 4 참조)
6.2.8 holder는 블록에 수직으로 조절할 수 있거나 합성수지 랩에 평행하게 맞출 수 있게 arm위에 탑재된다.
6.2.9 블록, 시편 이동길이를 제외하면, 가공된 제품의 길이오차는 총 0.5%의 오차 안에 들어오면 된다.
6.3 Miller number에 대한 재료는 파이프라인에 일반적으로 사용되는 합금이다. (Chromium-iron의 화학조성은
carbon 2.5%, magnesium 1.0%, Silicone 0.6%, Nickel 0.25%, Chromium 28%, Molybdenum-0.3%, Vanadium
0.8%, Iron balance)
6.3.1 재료는 실린더형태로 외경 183mm, 내경 152mm, 길이 305mm 이다
6.3.2 이 경우에 열처리 절차와 시편준비 절차는 다음과 같다.
6.3.2.1 풀림 24h, 179mm외경 164mm 내경으로 회전 및 깍아냄
6.3.2.2 1010℃까지 가열, 60분 유지
6.3.2.3 공냉, HRC 59~ 60
6.3.2.4 178mm외경, 165mm 내경으로 갈아냄
6.4 abrasive wheel or wire EDM을 이용하여 25.4mm 길이로 혹은 실린더 형태로부터 ring형태로 15mm로 자
른다. Segment를 그림4의 형태로 갈아낸다.
6.5 마모표면의 최종마무리는 #320의 습식 silicon carbide에서 기계적 가공 흔적을 제거한다.
6.6 lap은 3.18mm의 두께이고, 2 1/4in이며 MIL-R-6855C, Class 2, Grade 80에서 명시된 것을 따른다.
6.7 선택된 후보재료의 SAR Number 실험재료는 그림 4에서 보여지는 바와 같이 가공한다.
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7. 기구의 준비
7.1 이 실험을 시작하기 위한 장치의 설치에 대한 세분화된 설명은 통상적으로 이용 가능한 장비에 적합하다.
다른 장치를 위한 절차는 특히 정렬이 보장되어야 하는 제품의 경우에는 가능한 상세하게 절차를 따라야 한
다.
7.2 마모 혹은 시편 블록의 준비
7.2.1 각 실험을 위한 한 쌍의 마모 혹은 시편 블록을 준비한다.
7.2.2 블록 holder는 조절 가능하게 제작되어야 하며 해서 약 10mm의 두께까지 적용할 수 있어야 한다. 이
는 마모 블록과 다른 많은 상황을 연출하는 것에 대한 재 작업이 가능하게 해야 한다.
7.2.3 블록은 초기에 자성을 없애야 하며 그래서 정밀 하중이나 slurry에서 자성의 영향을 최소화 할 수 있다.
블록에 대하여 비 자성 막대기 tip을 위치시킨다. block 전체에 대하여 몇 초간 tip을 대고 있다가 천천히 제
거하며 접촉을 해제한다. 비자성기를 천천히 움직이는 것이 매우 중요하다.
7.2.4 블록을 세정제와 물로 문지로고 헹군다. 깨끗한 천으로 건조하고 heating lamp나 바람으로 약 5분 정도
건조한다. 건조가 끝나고 즉각적으로 각 시편에 대해 0.1mg단위로 무게를 측정하고 기록한다
7.3 각 기의 실험을 위한 한 쌍의 용기 준비
7.3.1 장비 위에 임시적으로 용기를 설치하며 정면에 대하여 연동모서리를 갖는다. 그리고 후면부에는 후면
부에 대하여 연동모서리를 갖는다. 이 공정은 다음공정으로 넘어가기 위한 곧은 모서리를 체크하는데 적절
한 방법을 지원한다.
7.3.2 용기에 새로운 합성고무를 놓고, 설치하기 전 코팅 보호막을 제거한 후에 tray filler를 설치하며 장비 왼
쪽 arm으로 갈수록 좁아지거나 경사진 형태이다(그림1). 그리고 오염물 보호막을 설치한다. 임시적으로 오른
쪽과 왼쪽 용기 죄임새를 설치하고 용기를 제거해서 돌기 끝과 용기 끝을 맞춘다. 그리고 나서 너트를 죄인
다.
7.4 마모 혹은 시편 블록의 설치- 한 쌍의 블록이 선택된 holder에 설치된다. 그림.5 에서와 같이 arm을 rack
위에 위치시킨다. jaw안에 블록을 위치시키는데 마모표면이 위를 보게 하고 시편 인식번호를 작동자가 볼 수
있게 표시 해야 한다. 블록이 고정될 때까지 가볍게 clamp bolt를 조인다. 고무망치나 나무망치를 이용해
block이 견고하게 자리잡을 수 있도록 가볍게 때려준다. 블록 정렬은 기계로 마무리된 mounting jig를 사용함
으로써 할 수 있다. Set screw와 함께 블록이나 시편을 올리며 block surface는 jig 면에 대해 clamp 볼트로
죄여진다.
7.5 최종 블록정렬 확인- 블록의 표면을 살짝 적셔준다. 젓음에 대한 상표가 종이 위에 보여야 한다.
7.6 입자 건조-건조, 세척되지 않는 고체입자는 slurry를 만들기 위해 사용된다. 입자의 표면은 시편의 얇은
층을 24시간 동안 상온에서 공기에 노출 시킴으로써 대기와 평형을 유지해야 한다. 시편의 온도는 상온보다
20℉을 초과해서는 안 된다.
7.7 Filling slurry tray
7.7.1 Miller number-실험될 slurry를 용기에 채운다. 각 용기는 300ml의 slurry를 담을 수 있으며 적합한 농도
의 slurry인지 확인할 수 있게 되어야 한다. 이 방법은 일반적으로 Miller number가 요구되는 건조입자 총량의
50%에 대하여 직접적으로 건조된 재료, 용액, 그리고 혼합체를 배분하는데 적합하다. 일반적인 혼합체는 고
체입자의 150g 그리고 증류된 물의 150g이다. 낮은 고체밀도는, 질퍽거림을 방지하고 위해 비율이 고체
100g 그리고 액체 100g으로 감소될 수 있다.
7.7.2 SAR Number에 대하여, 고체 농도 그리고 액체는 일반적으로 사용자나 이미 혼합되어 공급된 slurry에
의해 정해진다. 건조된 재료시편이 공급된다면, 섞이지 않았다는 설명이 제공되어야 하며, 증류수는 50%농도
까지 섞는데 농도가 보고서에 기록되어야 한다.
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8. Procedure
8.1 용기에 위치된 mounting된 블록으로 실험을 시작한다. 첫 번째 실험은 2시간 연속으로 실시되며, 시간이
되면 기계는 멈춰진다. 용기로부터 arm을 들고 뒤로 젖힌다. 마모 혹은 시편 block을 제거하고 세정제와 물
에서 문지르고, 175℃에서 15분 동안 오븐에서 건조하고 무게를 측정한 뒤 기록한다.
8.2 같은 holder에 블록을 교체하고, 시편인식번호를 표시한다. 7.4을 준수하여 정렬을 맞춘다.
8.3 적당한 막대를 이용하여 slurry를 각 용기에 대해 다시 섞어준다.
8.4 8.1-8.3에서처럼 3개의 2-h에 대한 한 쌍의 실험이다. 각 실험에 대하여 마모 block이나 시편의 총 손실을
기록한다. 총 손실의 계산된 비율은 펌프 부속과 파이프라인의 수명에 대한 측정 값이라 할 수 있다. 따라서,
Miller number와 SAR number는 총 손실의 속도에 기초한다.
8.5 5단계에서, 낡은 lap 마모의 최종 출현에 대해 기록해라 즉
8.5.1 Trace-상당히 트랙이 무딤
8.5.2 Light-대부분 scratch나 찰흔
8.5.3 Moderate- 0.4mm 깊이보다 적은 마모 흔 깊이
8.5.4 Heavy-0.8mm 깊이보다 적은 마모 흔 깊이
8.5.5 Severe- 마모 흔 0.8mm 혹은 그 이상
8.5.6 모든 경우에서, lap wear의 유일한 흔적이 있는데, 몇 slurry는 일반마모보다 더한 원인이 될 수 있다.
9. 결과의 계산
9.1 Miller number
9.1.1 마모 혹은 시편 block 총 손실,(일반 slurry에서 두 실험에 대한 평균 값)이 기록된다. 표1을 보라.
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데이터의 curve-fit에 대한 공식이다.
여기에서 t= 시간, h
9.1.2 가장 작은 사각형 도구를 사용하여, A와 B에 대한 값이 실험데이터와 거의 일치하는 곡선에 대하여 계
산되었다. 이 예에서, 다음 값이 결정되었다: A=4.38 B= 0.943
9.1.3 Miller number와 SAR number는 2시간 실험시의 마모 블록이나 시편의 총 손실에 대한 속도의 지표이다.
이 값은 2시간 실험 값을 식1에 미분하여 계산되었다. 이 값은 식2에서 본 2시간실험 곡선에 접선한 기울기
가 된다.
예를 들면 총 손실 속도= 12.72 ×0.72×2(0.72-1)=7.5mg/h
9.1.4 연마나 부식영향의 표현에 대한 번호를 부여하는 것은 Miller number를 정하는데 사용된다.
9.2 결과계산에 대한 컴퓨터 프로그램은 첨부XI에 있다.
9.3 SAR number-SAR number는 단순히 표준 마모 블록재료의 특정 중량: 시편재료의 특정 중량에 대한 비
에 의한 Miller number를 제곱승하여 얻어진다. 만약에 특정 중량 7.95를 갖는 304L stainless steel의 시편
에서 같은 총 손실이 관찰되었다면 SAR number는
예를 들면 SAR number는 136×(7.58/7.95)=130
10, 보고서
10.1 그림8은 실험 data 기록 양식이다.
10.2 컴퓨터 출력정보의 형식에서 받아들여질 수 있는 보고서가 X1.2와 X1.3에 나타내었다.
11. Precision and Bias
11.1 실험에서 접할 수 있는 Miller number의 범위는 꽤 넓다. 표2는 몇 slurry에 대한 Miller number의 몇
가지 예를 보여준다
11.2 Precision
11.2.1 Miller number와 SAR number를 측정하는데 대한 실험도구의 정밀함은 표3에서의 실험결과를 통해
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증명되었다. Miller number 실험에서 5.8%의 다양함의 계수를 얻었고, SAR number 계수에선 11.8%를 얻었
다.
11.2.2 최초 duplicate 4시간 실험, 용기1, 용기 2사이의 범위에 대한 편차를 보여준다. 가장 큰 편차를 보
이는 것은 실험번호 RM-2의 경우 9.7%의 다양함의 계수를 보인다.(표3,X1.9)
11.2.3 다른 학문간 데이터는 X1.4-X1.9에 묘사되었다.
11.3 Bias- Miller number와 SAR number를 측정하는 실험도구에 대한 절차는 경향이 없다. 왜냐하면 연마도
의 값은 오직 실험도구에 의해 정의되기 때문이다.
12. Keywords
12.1 Miller number; SAR number; slurry abrasivity; slurry material wear
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