금속 부품 고장 분석은 "거시적 분석 우선, 미시적 분석 다음; 현상 먼저, 본질 다음; 정성적 분석 우선, 정량적 분석 다음"의 논리를 따라야 합니다. 핵심은 다차원적인 테스트를 통해 고장 모드(예: 파단, 부식, 마모, 변형)를 식별한 다음, 고장의 근본 원인(설계, 재료, 공정, 사용 환경 등)을 추적하고, 마지막으로 개선 방안의 근거를 제시하는 것입니다. 다음은 6가지 핵심 단계를 포함하는 체계적인 분석 프레임워크입니다.
고장 분석의 전제 조건은 부품의 "전 생애 주기 정보"를 파악하는 것입니다. 그렇지 않으면 올바른 방향에서 벗어나기 쉽습니다. 수집해야 할 주요 정보는 다음과 같습니다.
- 기본 부품 정보
- 부품명, 용도(예: 샤프트, 기어, 압력 용기), 구조 설계 도면(필렛 및 구멍과 같은 응력 집중 영역에 초점);
- 재료 등급(예: 45강, 304 스테인리스강, TC4 티타늄 합금) 및 원래 성능 매개변수(경도, 인장 강도, 내식성 등).
- 제조 및 가공 공정
- 성형 공정(주조, 단조, 용접, 3D 프린팅), 열처리 공정(담금질 및 템퍼링, 용체화 시효), 표면 처리(크롬 도금, 침탄);
- 가공 중 결함 발생 여부(예: 용접 기공, 단조 균열, 열처리 변형).
- 사용 및 작동 조건
- 작업 부하(정적/동적/충격 부하, 부하 크기 및 방향);
- 환경 매개변수(온도: 실온/고온/저온; 매질: 공기, 물, 오일, 산-염기 용액, 먼지; 진동 또는 피로 사이클 존재 여부);
- 고장 전 작동 상태(예: 이상 소음, 누출 또는 정밀도 저하 발생 여부; 고장이 갑작스러운지 점진적인지).
- 과거 유지보수 기록
- 부품의 수리 또는 교체 여부; 이전에 유사한 고장이 발생했는지 여부; 유지보수 중 부적절한 작업이 있었는지 여부(예: 과부하 사용, 윤활 부족).
거시적 분석은 육안 또는 저배율 확대경(≤100x)으로 고장 부품의 외관, 파단 및 변형 특성을 관찰하여 고장 유형과 주요 영역을 초기적으로 식별하는 것을 포함합니다. 이는 후속 미시적 분석을 위한 "탐색" 역할을 합니다. 다음 차원에 집중합니다.
- 고장 위치의 국소화
- 고장이 "응력 민감 영역"(예: 샤프트 숄더, 키홈, 나사산 뿌리), "공정 취약 영역"(예: 용접 이음매, 주조 라이저) 또는 "재료 결함 영역"(예: 개재물, 기공)에서 발생했는지 여부;
- 예시: 샤프트가 샤프트 숄더 필렛에서 파단된 경우, 응력 집중과 관련이 있을 가능성이 높습니다. 파이프라인이 용접부에서 누출되는 경우, 용접 품질을 우선적으로 검사해야 합니다.
- 외관 특성 관찰
- 파단 고장: 파단 색상(산화물 색상 유무로 고온에서 파단되었는지 확인), 평탄도(평탄 = 취성 파단, 거침 = 연성 파단), 방사선 유무(피로 파단의 전형적인 특징으로, 방사선의 시작점이 균열원);
- 부식 고장: 부식 유형 식별(피팅: 국부적인 작은 구멍; 균일 부식: 전체적인 얇아짐; 입계 부식: 입계 경계를 따라 균열; 응력 부식: 균열 및 부식 흔적 동반);
- 마모 고장: 마모된 표면에 마모 흠집(마모 마모), 부착 흔적(접착 마모, 예: 금속 표면의 "고착"), 또는 피로 박리(접촉 피로, 예: 기어 이빨 표면의 박리)가 있는지 관찰;
- 변형 고장: 부품의 주요 치수(예: 샤프트 직경, 판 평탄도)를 측정하여 허용 오차를 초과하는지 확인(예: 고온에서의 "열 변형", 과부하 하에서의 "소성 변형").
- 거시적 기계적 특성 검증
- 고장 부품의 "비고장 영역"을 샘플링하여 경도, 인장 강도, 항복 강도 등을 테스트하고 설계 요구 사항과 비교하여 고장이 불량한 재료 특성(예: 열처리 후 경도 부족)으로 인해 발생했는지 확인.
거시적 분석을 통해 범위를 좁힌 후, 미시적 테스트 방법을 사용하여 재료의 미세 구조, 파단 세부 사항 및 원소 분포를 관찰하여 고장의 "미시적 메커니즘"(예: 조대 입자로 인한 취성 파단, 입계 부식으로 인한 균열)을 밝힙니다. 일반적인 방법과 적용 시나리오는 다음과 같습니다.
- SEM에서 파단면에 다수의 "딤플"(구덩이 모양 특징)이 관찰되면 연성 파단을 나타내며, 이는 과부하(재료의 항복 강도를 초과하는 하중)로 인해 발생할 수 있습니다;
- 파단면에 "절단면"(평평한 작은 결정면) 또는 "입계 파단"(입계 경계를 따라 전파되는 균열)이 있는 경우, 취성 파단을 나타내며, 이는 저온, 재료 개재물 또는 입계 부식으로 인해 발생할 수 있습니다;
- 파단면에 "피로 줄무늬"(평행 줄무늬)가 있는 경우, 피로 파단을 나타내며, 이는 반복적인 교번 하중(예: 샤프트의 회전 진동) 또는 표면 균열원(예: 가공 흠집)으로 인해 발생할 수 있습니다.
고장 메커니즘은 "부품 고장을 유발하는 물리적/화학적 과정"을 의미합니다. 거시적 + 미시적 분석 결과를 결합하여 고장의 핵심 원인을 명확히 해야 합니다. 일반적인 고장 메커니즘과 해당 시나리오는 다음과 같습니다.
- 기계적 고장 메커니즘
- 과부하 파단: 하중이 재료의 극한 강도를 초과하며, 파단면에 딤플이 있음;
- 피로 파단: 반복적인 교번 하중, 파단면에 피로 줄무늬 + 균열원;
- 소성 변형: 하중이 재료의 항복 한계를 초과하거나, 고온에서 재료 연화;
- 마모: 표면 접촉 마찰로 인한 재료 손실(마모 마모, 접착 마모, 접촉 피로 마모).
- 화학적 고장 메커니즘
- 부식: 금속과 환경 매질 간의 화학 반응(예: 습한 환경에서 탄소강 녹 발생, Cl⁻ 환경에서 스테인리스강 피팅);
- 산화: 고온에서 금속과 산소 간의 반응(예: 800℃ 이상에서 강철이 산화 스케일을 형성하여 치수 정확도 감소).
- 열적 고장 메커니즘
- 열 연화: 고온으로 인해 재료 강도/경도가 감소하여 변형 또는 파단 발생;
- 열 피로: 반복적인 가열-냉각 사이클로 인해 열 응력 사이클 및 균열 형성(예: 보일러 파이프, 엔진 블록).
고장 메커니즘을 기반으로, "설계, 재료, 제조, 사용, 유지보수"의 5가지 링크에서 근본 원인을 추가로 조사하여 "현상 설명"에서 멈추는 것을 피합니다:
- 설계 링크
- 결함: 응력 집중 설계(예: 지나치게 작은 필렛 반경), 안전율 부족(하중 계산 오류), 부적절한 재료 선택(예: 부식 환경에서 스테인리스강 대신 일반 탄소강 사용);
- 예시: 염산을 운반하는 Q235강(내산성 아님)을 사용한 화학 파이프라인에서 부식 누출이 발생했으며, 근본 원인은 "잘못된 재료 선택"이었습니다.
- 재료 링크
- 결함: 불량한 재료 조성(예: 합금 원소 함량 부족), 내부 개재물(예: 강철 내 황화물 개재물), 야금 결함(예: 주조 기공, 단조 균열);
- 예시: 20CrMnTi강으로 만든 기어가 용융 중 과도한 황 함량으로 인해 톱니 뿌리에서 파단되어 개재물이 발생했습니다.
- 제조 링크
- 결함: 잘못된 열처리 공정(예: 낮은 담금질 온도로 인한 경도 부족), 부적절한 용접 공정(예: 불완전 관통, 기공), 표면 가공 결함(예: 피로 균열원을 유발하는 선삭 흠집);
- 예시: 샤프트 부품이 담금질 후 적시에 템퍼링하지 않아 과도한 내부 응력으로 인해 보관 중에 자체적으로 균열이 발생했습니다.
- 사용 링크
- 결함: 과부하 작동(예: 크레인 과부하), 온도/압력 제한 초과 작동(예: 설계 값을 초과하는 보일러 압력), 비정상적인 환경(예: 습한 환경에서 녹 방지 없음);
- 예시: 장비 과도한 진동으로 인해 과도한 교번 하중이 발생하여 모터 샤프트가 피로 파단을 겪었습니다.
- 유지보수 링크
- 결함: 윤활 부족(베어링 마모 가속), 부식성 매질을 제때 청소하지 않음(예: 파이프라인 내벽의 제거되지 않은 스케일, 부식 심화), 부적절한 수리(예: 용접 수리 중 새로운 균열 발생).
분석의 궁극적인 목표는 문제를 해결하는 것입니다. 근본 원인을 기반으로 표적화되고 실행 가능한 개선 조치를 제안해야 하며, 일반적인 방향은 다음과 같습니다:
귀하의 메시지는 20-3,000 자 사이 여야합니다!