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제목 스크류 마모를 일으키는 세 가지 원인
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2021/03/02 13:29

스크류 마모를 일으키는 세 가지 원인

스크류 마모 발생의 원인을 정확히 이해하지 못하면 시간과 비용을 낭비할 수 있다. 배럴 정렬불량 마모는 가열되면서 배럴이 팽창하게 된다. 배럴 온도가 차가웠을 때 배럴 안으로 쉽게 미끄러져 들어가던 스크류가 배럴이 뜨거울 때는 꽉 끼여 움직임이 원활치 않을 수 있다.

 

압출기의 스크류 마모는 대개 세 가지 원인으로 발생한다. 첫 번째는 스크류 내의 균형이 맞지 않는 고압 영역 때문이다. 이는 주로 스크류 설계 문제로 인한 것이다. 두 번째는 배럴 정렬로 인한 것인데, 이것이 일반적으로 가장 파괴적이다. 스크류 마모를 일으키는 세 번째 원인은 연마성의 거친 필러(충전재) 사용이다. 일반적으로, 마모의 정확한 원인은 스크류 플라이트에 나타나는 마모 패턴을 조사함으로써 확인할 수 있다

(그림 참조).

첫 번째 원인과 관련해서, 압축이 시작되기 전에 용융이 형성되기 시작할 수 있도록 스크류를 설계해야 한다. 용융이 전혀 이루어지지 않은 고형 펠렛이 스크류에 끼이는 것을 방지하기 위해서는 스크류의 나머지 부분 전체에 걸쳐 용융상태 수지가 충분히 존재해야 한다.

스크류 디자인이 너무 공격적이면, 다시 말해 압축비(compression rate)가 너무 높으면 용융수지가 다운스트림 방향으로(또는 심지어 업스트림 방향으로도) 강제로 흘러가면서 짧은 채널 구간이 완전히 고형 수지로 가득 차도록 남겨질 수 있다.

이 경우 스크류가 이 고형 수지를 계속 줄어드는 공간에서 다운스트림 방향으로 강제로 밀어내려고 하면서 그 지점의 압력이 순간 극단적 수준으로 상승할 수 있다. 필자는 스크류가 일시적으로 고형수지로 막히면서 순간적으로 압력이 10,000psi를 넘는 경우를 경험한 적이 있다.

이 같은 막힘 현상은 극히 짧은 순간 동안만 발생하며, 이 순간 막힌 지점에 국부적으로 생성된 극단적으로 높은 전단 응력에 의해 약간의 용융이 형성되어 막힘 증상이 일시적으로 완화되기도 한다. 이 같이 막힌 지점은 스크류의 압축구간 전체에 걸쳐 무작위적으로 그리고 지속적으로 형성될 수 있다.

 스크류 채널은 플라이트 폭의 8~9배에 달하기 때문에, 막힌 지점에 인접해 앞서가는 플라이트와 뒤따라오는 플라이트에 가해지는 압력은 채널 내의 압력 4~4.5배에 근접할 수 있다. 반대편 압력이 훨씬 낮아진 스크류는 그 위치 맞은편 배럴에 엄청난 힘으로 밀려 부딛치게 된다. 스크류의 압축력 및 회전력이 합쳐져 플라이트의 단단한 표면이 배럴 라이너와 마찰되면서 마모가 발생해 단단한 표면이 플라이트에서 “뜯겨져” 나가게 되는 것이다.

이런 유형의 마모를 말해주는 흔적으로 아래 그림의 “A” 처럼 경화처리 표면 가장자리가 플라이트 뒤쪽으로 삐쳐 나온 것을 볼 수 있다. 그 형태는 대개 매우 들쭉날쭉하며 날카롭다. 이것은 막힌 지점 반대편의 압축력 및 전단력에 의해 경화처리된 표면이 변형된 것이다. 이런 흔적은 용융이 많이 형성되기에 앞서 체적 압축이 이루어지는 영역에서 항상 발생한다. 때문에 용융 형성 구간이 플라이트 3~6개의 길이로 축소된다.

배럴 정렬 불량으로 인한 심한 마모는 가열 되면서 배럴이 팽창하게 되므로, 배럴 온도가 차가웠을 때 배럴 안으로 쉽게 미끄러져 들어가는 스크류가 배럴이 뜨거울 때는 꽉 끼여 움직임이 원활치 않을 수 있다는 점에 유의해야 한다.

압출기 스크류에서 드라이브 엔드는 드라이브 퀼(drive quill)에 중심이 맞춰져 고정하기 때문에, 가열로 인해 곧은 상태를 유지하지 못하는 배럴 안에서 회전시키면, 스크류가 회전을 위해 끊임없이 구부러지게 되면서 여기서도 엄청난 양의 힘이 플라이트 외경(O.D.)에 가해지게 된다.

열처리한 4140 강철(가장 일반적인 스크류 소재)의 팽창계수는 인치 당 6.8×10-6인치다. 별로 큰 것처럼 느껴지지 않지만, 이 팽창계수면 200인치 길이 스크류가 160°C(320°F)에서 0.435인치 더 길어진다. 다운스트림 구성장치 또는 배럴 지지장치 등 어떤 이유로 해서 배럴이 직선으로 확장하지 못하는 경우에는, 곧바로 플라이트에 심각한 마모가 일어나게 된다.

장비 작업자가 압출기의 운전 토크에 대해 매우 잘 알고 있다면, 플라이트가 마모되면서 나타났다가 빠르게 (몇 시간 만에) 사라지는 평상시보다 높은 드라이브 과부하 발생을 알아챌 수도 있을 것이다. 정렬 불량으로 인한 마모의 흔적(그림 “B” 참조)은 과도한 압축으로 인한 마모와 비슷해 보이지만 훨씬 더 큰 길이로 돌출되어 나오며, 스크류 끝 부분과 같이 완전한 용융수지가 존재하지만 압축 발생은 없는 영역에서 일어난다.

스크류의 심한 마모를 일으키는 세 번째 원인은 거친 연마성 필러다. 스크류 대 배럴의 반경 방향 유격은 대개 직경의 1/100정도다. 따라서 이보다 작은 크기의 입자면 문제가 없을 것으로 생각할 수 있다. 하지만 그렇지 않다. 스크류는 배럴 안에서 언제나 배럴 길이 전체에 걸쳐 완벽하게 중심을 잡고 있는 것은 아니다.

변동하는 압력과 토크로 인해 스크류가 이 유격 내에서 부단히 움직이고 있다는 점을 기억해야 한다.  그 결과로, 배럴 라이너와 스크류 플라이트 사이에 지속적으로 이동하는 접촉이 일어난다. 이는 스크류 플라이트보다 더 단단한 매우 작은 입자가 회전하는 스크류의 플라이트와 배럴 라이너 사이에 끼여 미세한 마모를 일으킬 수 있음을 의미한다.

스크류 플라이트에 사용되는 대부분의 내마모성 표면 경화 소재는 니켈 또는 코발트 매트릭스에 탄소화물 또는 붕소화물 같은 부유물질을 더해 마모 내성을 구현한다. 이 탄소화물 및 붕소화물 등은 극히 단단하지만, 이것들을 지지해주는 매트릭스 물질은 훨씬 부드럽기 때문에, 거친 마모성 충전재가 매트릭스 소재에 무수히 많은 미세한 스크래치를 발생시키는 것이다. 이런 미세한 스크래치는 확대하지 않으면 보이지 않는 경우가 대부분이기 때문에 마모된 플라이트 표면은 연마된 것과 비슷하게 보인다. 거친 충전재 입자는 또한 플라이트를 둥글게 만들기도 한다.

이 결과로 연마되고 둥그렇게 된 상태가 그림 “C”에서 보는 것이다. 이런 종류의 마모는 스크류 전체에서 폭넓게 플라이트 상에 발생할 수 있으며, 특히 충전재가 아직 용융수지에 완전히 혼합되지 않고 개별 입자 상태를 유지하고 있는 피딩 및 압축 부분에서 더 심하게 일어난다.

플라이트 마모를 주의 깊게 분석하면 그에 맞는 적절한 해결책을 찾기가 수월해진다. 스크류 마모 발생의 원인을 정확히 이해하지 못하면 시간과 비용을 낭비할 수도 있다.

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