[기계공학실험]에릭슨 시험(Erichsen Cupping Test) 1부

실험 목적

커핑 시험이라고도 불리는 에릭슨 시험은 쉽게 말해 재료의 연성을 평가하거나 비교하기 위해 사용되는 시험으로 구리판, 알루미늄 판 및 기타 여러 금속박 재료를 가압 형성하여 변형된 능력을 시험합니다. 이렇게 변형된 시험편을 가지고 가공된 표면의 성질이나 재질의 입도와 관련된 성질을 알아냄으로써 소중한 자료를 얻어내는 것이 목적입니다.

일반적으로 연성 시험은 관측이 어려운 재료에는 부적당하다고 보이지만 보통 판재들의 연성 시험에는 인장이나 굽힘 시험보다 더욱 효과적인 자료를 제공하기 때문에 에릭슨 시험을 시행합니다. 미국 같은 경우에는 볼펀치 변형 시험방법으로 규격화 하여 사용하고 있고, 시험 결과치로 나오는 펀치의 이동거리는 동일한 시험편에 대해 상, 하형 다이의 압축력, 윤활방법, 시험 종료의 결정방법 등에 따라 변화하게 되는데 이는 금속의 대략적인 시험으로 널리 사용되는 것을 보여줍니다.

 

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

에릭슨 시험에서 ‘에릭슨 값‘이란 적어도 시험편의 1개소에 뒷면에 도달하는 균열이 생길 때까지 펀치 끝이 하형 다이 면에서 이동한 거리를 ㎜로 표시한 수치를 말합니다. ASTM에서는 cup height이라고 정의합니다. 덧붙여서 표준 커핑 시험기는 하중 0에서 1200lbs까지 측정하는 하중장치와 1/16inch 두게까지 시험할 때 필요한 다이 및 성형공구가 포함 되어 있습니다.

 

1) 시험편

시험편은 시험 모양에 따라 1호, 3호, 시험편의 3종으로 하고 그 치수는 [표1]과 같이 합니다. 단 재료의 치수가 90㎜ 미만인 경우에는 표에 표시한 치수 90㎜를 70㎜로 하여도 좋으나 시험 결과에 그 사유를 명시하여야 합니다.

본 실험에서는 2호 시험편을 사용하였습니다. 직접 제작하여 어느 정도 오차는 발생하리라 생각 했지만, 여러개의 시험편의 두께를 버니어 캘리퍼스로 조사해본 결과 그 차이가 대략 0.01㎜ 정도 밖에 되지 않고, 동일 금속의 재료이기 때문에 이 부분에서 발생하는 오차는 없다고 보아도 무방합니다.

종류	치수	비고
1호 시험편	너비 90±2의 띠형	㎜
2호 시험편	변 90±2의 사각형	㎜
3호 시험편	지름 90±2의 원형	㎜

[표 1] 시험편의 종류

 

2. 에릭슨 시험의 장단점.

1) 에릭슨 시험의 장점

한 방향에 대해서만 연성을 측정 할 수 있는 다른 시험과 달리, 각 방향에 대한 판재의 연성을 시험 할 수 있다. 즉 다시 말해 한 방향의 측정만 가능한 인장시험이나 굽힘시험과 달리, X나 Y방향으로의 판재의 연성 측정이 가능하다. 실험 목적에서도 얘기 하였지만 에릭슨 시험은 완성 가공할 표면 성질 및 재질의 입도와 관련된 성질 등을 알아내는 데 귀중한 자료를 제공 합니다.

 

2) 에릭슨 시험의 단점

펀치와 접촉하는 표면의 마찰 효과와 파단이 시작되는 정확한 점의 결정 등의 불확실성이 있다. 다시 말해 펀치를 전진함에 있어서 언제 깨질지 정확히 예측 불가능하여 정확히 깨지는 순간에 전진을 멈추기가 힘듭니다.

동일한 시험편이라 할지라도 상, 하형 다이의 압축력, 윤활 방법, 시험 종료의 결정 방법에 따라서 각각의 값들이 조금씩 차이를 보입니다. 즉 이론대로라면 같은 시험편에서는 동일한 측정값이 나와야 하는데 그러지 못합니다.

이러한 단점으로 인하여 금속재료의 대략적인 시험으로 널리 사용됩니다.

 

3. 다른 연성 측정 시험 방법

1) 인장시험

재료역학 1 수업 시간에 재료를 구분하는 성질 2가지가 있는데, 이 두 가지가 인장시험에서의 탄성계수(E)와 재료가 얼마나 변형하는 지를 나타내는 변형률(ε)임을 알 수 있습니다. 이는 재료에 관한 가장 기초적인 자료로써 보통 환봉이나 판 등의 평행부를 갖는 시편을 축 방향으로 인장력을 가하여 그 때의 하중의 크기와 변형량을 측정합니다.

일반적으로 재료를 연성재료와 취성재료로 구분했을 때 측정 할 수 있는 값이 연성재료인 경우에는 주로 인장강도, 항복점, 연신율, 단면수축률이고 취성재료에서는 인장강도와 연신율 정도입니다. 이러한 차이를 보이는 이유는 어떠한 재료든 재료가 많이 변형 할 수 있음즉, 연신율이 큰 것은 바람직한 현상이지만 취성재료의 경우에는 그 값이 매우 작고 그다지 의미를 갖지 못하기 때문에 연성재료에 비해 연신율 측정이 드물 다는 것입니다. 따라서 재료의 연성을 평가하는 항목으로는 연신율과 단면수축률인데 이는 연성재료의 경우를 말합니다.

 

2) 굽힘 시험

재료의 연성을 가시적으로 보여주는 굽힘 시험은 말 그대로 시편의 양 끝 부분을 고정대로 지지한 다음, 시편의 중앙지점에 맨드릴이나 플런저로 하중을 가하여 눌러 주었을 때 얼마나 굽혀지는 지를 측정하여 재료의 연성을 알아보는 시험입니다. 여기서 시편은 미리 정해진 각도까지 굽혀지거나 또는 파단이 발생하는 시점까지 굽혀 집니다. 시험 결과에서 시편의 볼록한 부분은 균열이나 결함을 검사하기 위함이며, 이를 바탕으로 파단은 재료의 연성에 따라 규격에 규정된 균열의 크기나 결함에 따라 결정됩니다.

 

3) 굴곡 시험

굴곡시험이란 강판의 연성을 판단하기 위해 시험에 사용될 시편을 냉간압연 강판 굴곡성 시험에, 규정된 반경을 가진 축 위의 규정된 각도로 굽히는 것입니다. 굽힘시험과 비슷하다고 할 수 있는 이 시험은 굽힘을 받았을 때 시편의 굽혀진 부위 외면에 균열이 생기는가의 여부로 판정하여 강판의 연성을 측정합니다. 여기서 냉간 압연 강판에 있어 시편은 180°로 굽혀지는게 일상적입니다.

 

4) 올센형 수동식 연성 시험

그림 1 올센형(Olsen type) 수동식 연성 시험기

 

위 사진은 제목 그대로 미국 올센 회사에서 만든 수동식 연성 시험기입니다. 그림에서 보이는 바와 같이 시편을 하부 다이에 올려 놓고 핸들을 시계방향으로 돌려 고정 시키고 실험 하면, 컵(cup)형의 자국 깊이와 크기가 다이얼 게이지 및 압력계에 표시됩니다.이는 판재의 연성을 시험하기에 대단히 간편합니다.

 

실험 기구 및 장치

1. 실험 재료

1) 그림 2에는 에릭슨 시험기의 주요 구조가 나타나 있다. 금속박판 시험편을 구속하는 상, 하형 다이와 박판을 가압시키는 펀치로 구성되어 있습니다.

그림 2 Erichsen Cupping Tester SJTM-103M

구조명칭	번호	구분	치수(㎜)	구조명칭	번호	구분	치수(㎜)
상형다이	1 2 3 4 5	외경	55±0.1	하형다이	7 8 9 10	외경	55±0.1
		내경	27±0,05			내경	±0.1
		내경측R	0.75±0.1			내경측R	0.75±0.1
		외경측R	0.75±0.1			외경측R	3.2S
		내경편형부깊이	3±0.1	펀치	11	강구	20±0.015
		표면조도	3.2S

[표 2] 에릭슨 시험기의 치수

[표 2]에는 각각의 에릭슨 시험장치의 구성 성분의 수치와 명칭이 표기되어 있습니다.

 

2) 그라파이트 그리스

제작 된 시험편에 칼슘 비누, 정제광유, 그라파이트로 된 그라파이트 그리스를 바르고 시험편의 중심선이 펀치 및 다이의 중심과 일치하도록 시험편을 설치한다. 시험에 사용되는 그라파이트 그리스는 표의 성질을 갖는 것이 바람직하다.

① 그라파이트 그리스의 성질

품종	성질
그리스	컨시스턴시(1)	250~280(깊이 3.1㎜단위)
	유리산(2)	올레인산으로서 0.2%이하
	유리 알칼리(2)	Ca(OH)2으로 0.3%이하
	수분(3)	0.5~1.2%
	그라파이트 분	23~28%
그라파이트 조각	평균입자지름	0.3㎜이하
	최대입자지름	0.5㎜이하
	회분(4)	4.5%이하
광유	37.8℃의 동점도(5)	100~120cSt
	인화점	177℃이상
	회분	0.01%중량이하
	중화가	0.1㎎ KOH/g이하

[표 3] 그리파이트 그리스의 종류

(1) KS M 2032 (그리스 류 주도 시행방법)

(2) KS M 2038 (그리스 류 유리산 유리 알칼리 불용성 탄산염 시험방법)

(3) KS M 2058 (원유 및 석유 제품 수분 시험방법)

(4) KS M 3804 (천연 흑연 공업 분석 및 시험방법)

(5) KS M 2014 (석유 제품 동점도 시험방법)

 

(1)부터 (5)는 각각 4자리의 숫자에 따라 그 용도가 다름을 알 수 있습니다. 또한 다음에 소개할 실험방법 A, B 중에서 어떤 방법에 따른 것인가를 명백히 하기 위해 각각 에릭슨 값 앞에 A 또는 B를 써주어야 합니다. 그리고 본 실험에서 그라파이트 그리스 대신에 WD-40이라는 제품을 사용했습니다. 아무래도 금속과 금속간의 접촉이 일어나다보니 마찰이 생기는 것은 당연한 일입니다.

문제는 이 마찰로 인하여 실험결과에 오차를 발생시키기 때문에 이러한 마찰을 줄여주기 위해 윤활제 역할을 하는 WD-40을 그라파이트 그리스 대신에 사용했습니다. 그라파이트 대신으로 사용했다고는 하나 휘발성 성분으로 인해 비교적 빠르게 날아 가버리기 때문에 그라파이트의 효과에는 못 미쳤던 것으로 생각됩니다. 다음은 WD-40의 제품에 대해 다음과 같이 조사해 보았습니다. WD-40의 주요 구성성분은 다음과 같습니다.

ⓐ 50 % 스토 다드 솔벤트 

ⓑ 25 % , 액화 석유 가스 (이것은 아마 추진체로 예상됩니다.

ⓒ 15 < %의 미네랄 오일 (빛 윤활유)

ⓓ < 10 % 불활성 성분

원래 WD-40은 물을 격퇴하고 부식을 방지하기 위한 용도로 사용 되었지만, 지금은 일상생활의 가정에서도 여러 가지 용도로 사용되고 있습니다. 예를 들면 녹이 슬어 뻑뻑한 제품에 스프레이 노즐을 통해 액체를 뿌려 부드럽게 하거나, 나사가 심하게 고정되어 있을 때 이를 풀기 위해 뿌려주면 쉽게 풀 수 있습니다.

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