공구의 충격 마모 및 스폴링

반복적인 충격은 표면을 일련의 메커니즘을 통해 마모시키며, 이는 경미한 산화막 영역에서부터 금속 박편을 제거하는 표면 하부 균열에 이르기까지 다양합니다. 이 페이지는 충격 하에서 형성되는 표면 하부 구조, 손상 메커니즘과 그 배후의 계수 데이터, 그리고 타격 공구에 대한 스폴링 연구에서 도출된 경도 및 형상 규칙을 수집합니다.

충격 마모의 두 단계

충격 마모는 표면이 변형되고 마모 흔적이 형성되지만 측정 가능한 양의 재료 손실은 없는 유도 기간으로 시작됩니다. 이 기간의 끝은 제로 마모 한계이며, 측정 가능한 마모가 계산되는 기준점입니다.

제로 마모 한계에 대해 출처에서 제시한 모델은 각 충격이 표면 전단 응력과 최대 표면 하부 전단 응력으로 인한 손상을 기여하는 것으로 간주합니다. 해당 식의 재료 마모 계수는 탄소강 및 공구강 시편에 대해 약 1.1로 나타납니다.
한계를 넘어서면 대부분 부품의 유효 수명은 마모 시작이 아니라 특정 깊이의 재료 손실과 관련되며, 이 때문에 측정 가능한 마모 영역이 수명 예측을 담당합니다. 아래 표의 측정된 계수 값은 이 모델의 꼬리 부분에 위치하며, 여기서 마모 부피는 충격 에너지와 충격 횟수를 따릅니다.
무윤활 금속의 경우 미끄럼 마모 계수 k는 약 5 x 10의 -3승과 3 x 10의 -5승 사이에 있다. 충격 마모 계수 K는 약 5 x 10의 -4승과 1 x 10의 -6승 사이로 한 자릿수 더 작을 것으로 예상되며, 아래 측정값은 그 범위 내에 있다.

측정된 표면	충격 에너지, kgf mm	충격 횟수	윤활	충격 마모 계수 K
구리, 경질	2	1	없음	53 x 10^-6
강종	20	1	없음	67 x 10^-6
강종	20	1	예	10 x 10^-6
텅스텐	138	2.4 x 10³	없음	130 x 10^-6
구리	60	5 x 10⁵	없음	20 x 10^-6
Soft steel	120	5 x 10⁵	없음	19 x 10^-6
알루미늄 합금	60	5 x 10⁵	없음	42 x 10^-6
티타늄 합금	120	5 x 10⁵	없음	15 x 10^-6
Hard steel	160	5 x 10⁵	없음	28 x 10^-6
Hard steel	700	4 x 10³	없음	43 x 10^-6
Hard steel	42	2 x 10⁴	없음	104 x 10^-6
Hard steel	0.36	6.5 x 10⁴	없음	14 x 10^-6
Hard steel	0.36	4.3 x 10⁵	예	1.2 x 10^-6
Soft steel	0.36	1 x 10⁴	없음	247 x 10^-6
Soft steel	0.36	3.2 x 10⁶	예	0.8 x 10^-6

출처: ASM Handbook, Vol. 11, Failure Analysis and Prevention (ASM International), Impact Wear Failures 기사의 충격 마모 계수 값. 출처 표에는 참고 문헌 열도 포함되어 있으나, 해당 행들이 여러 연구를 인용하므로 여기서는 생략합니다.

윤활은 동일 재료, 동일 에너지에서 계수를 약 한 자릿수 감소시키며, 이는 충격 에너지 0.36 kgf mm를 공유하는 두 개의 경질 강 및 두 개의 연강 행에서 확인할 수 있습니다.
저에너지 및 적은 충격에서의 연강은 세트 내에서 가장 높은 계수인 247 x 10의 -6승을 나타냅니다. 동일한 강재를 320만 회 윤활 충격으로 운전하면 0.8 x 10의 -6승으로 떨어지는데, 이는 반복 충격 접촉의 초기 몇 시간을 매우 손상시키는 길들이기 거동입니다.

표면 아래에 형성되는 구조

반복적인 충격 하중은 접촉부 아래에 다양한 재료에서 나타나는 층상 구조를 형성합니다. 이는 수백 회의 충격 내에 형성되고 더 많은 충격이 가해짐에 따라 정상 상태를 유지하며, 접촉하는 두 물체 모두에서 성장합니다.

영역	정의	효과
모재	접촉부에서 가장 먼 영역. 교란되지 않은 금속이며, 부품이 반복 충격을 받기 전의 상태에 대한 기준입니다.	변형 없음.
변형 영역	소성 변형된 모재로, 내부 경계에서는 변형이 없고 외부 경계에서는 최대에 이릅니다. 반복 응력 사이클에 의해 형성되며 형성됨에 따라 가공 경화됩니다.	위의 백색층으로 점진적으로 전이됩니다.
White layer	표면 영역으로, 일반적으로 균질하고 미세한 구조를 가지며 경도가 현장에서 발달합니다. 그 조성은 종종 혼합되어 충격을 가하는 두 물체와 환경 모두에서 재료를 끌어옵니다.	심하게 가공 경화되면 여기서 미세 균열이 쉽게 생성되며, 균열의 최소 저항 경로는 변형 영역과의 계면입니다.

출처: ASM Handbook, Vol. 11, Impact Wear Failures 기사에서 반복 충격 하중을 받는 표면 아래에서 발견되는 표면 하부 영역.

충격을 가하는 물체의 표면에서 경도가 상승합니다. 변형 영역에서는 이것이 가공 경화입니다. 백색층에서 경도는 현장에서 발달한 표면 근처 재료의 특성이며, 층 자체는 접착, 기계적 혼합 및 확산의 조합을 통해 형성됩니다.
표면 아래의 금속이 취성이거나 변형되지 않으면 백색층은 여전히 형성되고 모재는 변형되지 않은 상태로 유지됩니다. 따라서 이 층은 부품이 연질이거나 잘못 처리되었다는 증거가 아닙니다. 이는 반복 충격의 증거이며, 취성의 경우 변형되지 않은 금속 위에 직접 위치합니다.
균열은 이러한 구조 중 일부에서는 나타나고 다른 일부에서는 나타나지 않으며, 나타나는 경우 백색층을 통과하거나 변형 영역과의 계면을 따라 진행됩니다. 표면 하부 백색층은 수십에서 수백 마이크론 깊이에서도 발견되었으며, 그 중 하나에서 진행되는 균열은 그것과 마모 표면 사이의 모든 것을 제거합니다.

재료가 떨어져 나가는 방식

출처에는 다섯 가지 메커니즘이 나열되어 있으며, 접촉 조건이 어느 것이 활성화되는지를 결정합니다. 아래의 심각도 사다리는 경미한 끝에서 극단적인 끝까지 이어집니다.

메커니즘	외관	어디에서 접하는가
산화 마모	경미한 영역. 산화막이 물체를 분리하고 금속 대 금속 접촉을 차단합니다. 파편은 미세하고 대부분 금속 산화물입니다.	낮은 응력 접촉, 약간의 미끄럼 또는 프레팅 거동을 포함한다.
응착	재료가 한 물체에서 다른 물체로 번지고 전이됩니다. 돌기 끝에서 접합부가 용접되고, 가공 경화된 끝에서 균열이 생성되며, 파손된 끝은 다른 표면에 접착된 상태로 남습니다.	중간 정도의 수직 또는 복합 충격으로, 미끄럼에서의 접착 마모와 매우 유사하게 거동합니다.
마모	쟁기 홈과 접촉 표면의 거칠어짐. 더 높은 충격 응력에서는 균열 생성과 평판 모양 입자가 홈 내부에 나타납니다.	주로 복합 충격 접촉으로, 미끄럼이 충격과 동반됩니다.
표면 피로 및 박리	표면 하부 균열이 생성된 후 백색층 경계를 따라 성장하고, 재료가 박편으로 떨어져 나갑니다. 이것이 스폴링 경로입니다.	백색층이 형성되고 가공 경화되는 더 심각한 접촉 조건.
소성 변형	재료는 제거되지 않고 버섯 모양으로 접촉 영역 밖으로 변위됩니다.	연질 또는 경화가 부족한 타격면으로, 이는 더 심각한 손상이 올 것이라는 경고 역할을 합니다.

출처: ASM Handbook, Vol. 11, Impact Wear Failures 기사의 재료 제거 메커니즘.

접촉 조건	발생 현상
Low stress	산화 마모, 작은 서브마이크론 입자, 고도로 산화된 표면. 산화막이 나금속보다 윤활성이 좋기 때문에 마모율이 낮습니다.
중간 정도의 충격	미끄럼에서의 응착 마모와 유사한 공정으로, 두 물체 사이에 스미어링과 전이가 발생합니다.
더 심한 접촉	표면 피로, 표면 하부 균열 성장 및 스폴링. 암석 천공용 텅스텐 카바이드 비트가 이 방식으로 재료를 손실합니다.
매우 큰 충격 에너지	표면 파괴에 의한 파손으로, 재료가 빠르게 제거됩니다.

출처: ASM Handbook, Vol. 11, 접촉 조건이 더 심해짐에 따른 충격 마모 메커니즘의 진화.

스폴링 스폴링은 재료가 박편이나 칩 형태로 표면에서 떨어져 나가는 표면 손상으로, 피팅보다 넓은 면적과 더 깊은 깊이에 걸쳐 발생합니다. 철도 공학에서는 진행된 단계를 셸링(shelling)이라고 합니다.

베어링 레이스 및 기어 이와 같은 구름 접촉에서는 최대 헤르츠 접촉 응력 지점에서 피팅이 시작되어 약 0.5~1.0mm 크기의 작은 피트를 형성하며, 응력 사이클 수가 진행 정도를 결정합니다. 더 큰 면적의 재료 손실을 스폴링이라고 하며, 이는 일반적으로 반복적인 구름 접촉으로 인한 표면 하부 피로로 시작됩니다. 따라서 동일한 손상을 구름 접촉 피로 또는 피로 마모라고도 합니다.
타격 공구 및 피타격 공구에서는 구름 대신 충격 하에서 동일한 재료 제거가 발생합니다. 스폴은 피로 과정이 아닌 결함을 따라 발생할 수도 있으며, 기록된 원인 중 하나는 공구의 담금질 균열이 나중에 스폴로 발전하는 것입니다. 담금질 균열이 스폴로 발전하기 전에 판독하는 방법은 다음 페이지에 설명되어 있습니다: 담금질 균열 페이지.
기계적으로, 백색층은 미세 균열이 생성될 때까지 가공 경화되며, 이러한 균열은 최소 저항 경로, 즉 아래 변형 영역과의 경계를 따라 진행됩니다. 그런 다음 재료가 플레이크로 분리됩니다. 이는 미끄럼 하중 하에서 전위 축적으로 표면 하부 균열이 생성되는 고전적인 박리 그림과는 다른 경로입니다.

타격 공구의 경도 및 형상 한계

출처에는 6가지 사양이 요약되어 있으며, 이들은 철도, 산업 및 수공구 작업에서 타격 공구가 제작되는 경도 범위를 설정합니다. 표에는 공구 유형, 강종 계열 및 사양에서 허용하는 경도가 나와 있습니다.

사양	공구 유형	강종	경도, HRC
AREMA	충격 선로 공구	9260A, 및 몰리브덴이 포함된 9260B	타격면 51~55, 피타격면 44~48, 절삭날 56~60, 끝단 52~56
ANSI B173.3-1991	중타격 공구	탄소 0.45~0.88, 망간 0.3~1.2, 규소 최대 0.35	타격면 45~60, 목재 분할용 메일 44~55, 펜 45~60
BS 876-1981	해머	탄소 0.5~0.6, 망간 0.5~0.9, 규소 0.1~0.4, 헤드 질량 1.8kg 초과 시 크롬 0.2~0.3	타격면 50~58, 및 면 아래 3mm에서 46
GGG-H-86C-1963	해머	탄소 0.46~0.85, 망간 0.2~0.9, 규소 0.1~3	양면 44~55, 목공용 50~60, 볼 펜 50~57, 25in. 핸들 아래 92~105 HRB 및 그 위 40~45 HRC
ANSI B209.3-1990	목재 분할 쐐기	탄소강	최대 35, 5ft에서 10lb 낙하 추로 검사
ANSI B209.1-1991	끌	탄소강 또는 합금강	피타격면 최대 45, 절삭날 53~60

출처: ASM Handbook, Vol. 11, 타격 및 피타격 공구 사양 충격 사건으로 인한 스폴링 문서에서. 철도용 타격 및 피타격 공구는 현재 grade B 강으로 제조되며, 클로 바 및 레일 집게와 같은 비충격 공구는 일반 탄소강으로 제조된다.

American Railway Engineering and Maintenance of Way Association 사양은 슬레지 해머 또는 스파이크 메일의 전체 헤드를 오스테나이트화, 담금질 및 뜨임할 것을 요구하며, 타격 끝만 경화하는 것이 아닙니다. 출처의 현장 시험은 전체 헤드 처리 해머에서 실행되었습니다.
이러한 공구의 경도 사양은 아래와 위에서 안전 범위를 설정합니다. 6가지 중 2가지가 타격면에서 60 HRC를 허용하며, 출처는 취성 벽개 파괴가 그 수준을 조금 넘으면 시작된다고 언급하여 상한이 안전 경계에 불편할 정도로 가깝습니다. 하한은 약 50 HRC이며, 공구가 다른 강 공구를 타격할 수 있는 경우 약 45 HRC로 낮아집니다. 이는 더 연한 면이 더 넓은 면적에서 변형되고 버섯 모양이 되기 때문이며, 이는 스폴이 올 것이라는 가시적인 경고입니다. 완성된 공구에서 경도 값 판독은 다음 페이지에서 다룹니다: 경도 시험 방법 페이지.

스폴링 연구에서 발견된 내용

출처는 제어된 에너지와 각도로 앤빌 및 강 블록에 해머 헤드를 타격한 현장 시험 및 실험실 장치를 검토합니다. 발견 사항은 아래에 요약되어 있으며, 인용된 화학 성분 수치는 참고용입니다.

발견 사항	세부 사항
넓은 범위의 강종	일반 탄소강, 1% 크롬 몰리브덴 강종, 고합금 0.65C-1Si-3Ni 강종 및 림 템퍼링 해머를 포함한 해머에 대한 현장 시험에서 모두 사양 경도 범위 내에서 치핑 또는 마모율에 유의미한 차이가 없었습니다. 1045, 1060, 1072, 1075, 1080, 1552, 9260 및 4340 강에 대한 실험실 스폴링 시험도 동일한 결론에 도달했습니다.
실무에서 사용되는 경도 한계	6가지 사양 중 2가지가 타격면을 최대 60 HRC까지 허용하며, 출처는 이를 안전 한계에 매우 가깝다고 설명합니다. 취성 벽개 파괴가 그 바로 위에서 시작되기 때문입니다. 하한은 일반적으로 약 50 HRC이며, 공구가 다른 강 공구를 타격할 수 있는 경우 약 45 HRC로 떨어집니다. 45 HRC에서는 공구가 스폴링 대신 버섯 모양이 되며, 이 버섯 모양이 경고입니다.
타격 공구보다 연한 피격 공구	모든 사양은 피타격면에 타격면보다 낮은 최대 경도를 허용합니다. 더 연한 피타격 공구는 변형되어 접촉 면적을 확대하고 하중을 분산시켜 더 단단한 공구에서 스폴 발생 가능성을 낮춥니다.
날끝 형상	모따기 또는 라운딩된 모서리는 모서리 대 표면 및 모서리 대 모서리 충격에 대한 스폴링 저항을 높입니다. 작은 겹침에서는 모따기와 최소 동일한 반경이 측정되며 4.8mm 겹침에서 더 우수합니다. 시험된 티너 세팅 해머는 모따기가 전혀 없었고 단 7.5도의 각도 분리에서 쉽게 스폴링되었습니다.
충격 각도	엣지에서 표면으로의 충격의 경우 스폴링 구간은 좁고 약 25도 부근에 집중됩니다. 못 망치는 약 20도 이하에서는 스폴링이 발생하지 않았고 35도에서는 스폴링 빈도가 더 낮았습니다. 어떤 망치도 평평한 타격으로 스폴링을 일으키도록 만들 수 없었습니다.
사용 중 가공 경화	한 현장 연구에서 사용 중 타격면의 변형 경화로 경도가 1.5~2.5 HRC 상승했습니다. 치핑은 망치 사용 약 200주당 한 번 기록되었습니다.

출처: ASM Handbook, Vol. 11, 스폴링 연구에서 도출된 결론 및 Spalling from Impact Events의 공구 형상 및 충격 각도 섹션. 실험실 시험에서 망치 헤드 속도는 못 박기용 14 m/s에서 강철 모루에 대한 의도적 스폴링용 33 m/s까지였습니다.

충격 마모가 공구 선정과 만나는 지점

충격 하중 공구 인성을 얻기 위해 내마모성을 포기한다, 그리고 내충격 강종이 이에 선택된다. 강종과 그 거동은 다음에 제시되어 있다 치핑 저항 페이지, S7은 S7 등급 페이지.

공구가 마모 대신 균열될 때

마모 없이 조기에 파손되는 경질 공구는 일반적으로 인성 한계를 초과한 것입니다. 단계별 원인과 검사 순서는 다음에 있습니다: 공구 및 금형 고장 분석 페이지.

파단면 판독

비치 마크, 래칫 마크, 셰브론 및 딤플은 각각 다른 것을 말하며, 전체 판독 세트는 다음에 표로 정리되어 있습니다: 파단면 특징 차트.

마모와 과부하 구분

마모, 피로 및 과부하는 동일 배율에서 다르게 보이며, 세 가지 스케일에서의 6가지 손상 모드와 그 특징은 다음에 수집되어 있습니다: 손상 모드 식별 차트.

견적 전 확인 사항

조성 데이터는 일반 참고용입니다. 실제 값은 표준, 제강소 및 히트 번호에 따라 다릅니다. 재료 시험 성적서로 확인하거나 Aobo Steel에 문의하십시오.

계수 값은 출처에 명시된 재료 및 접촉 조건에서의 실험실 및 현장 시험을 설명합니다. 이는 설계 또는 윤활 변경의 영향을 평가하는 것이지 귀하의 공구 수명을 규정하는 것이 아닙니다. 사양을 변경하기 전에 자체 적용 분야의 형상, 경도 및 충격 조건을 확인하십시오.