(주)한국자동화기술 기술세미나 by (주)한국자동화기술

기계체결요소 기술관리 및 조립비용 절감 기술세미나

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INDEX Part I 체결요소 일반 ▪ 볼트 기능과 원리 ▪ 볼트 체결력 및 체결토크 관리 ▪ 진동 풀림 ▪ 볼트강도 및 Marking / 볼트재료 및 제조과정 ▪ 열처리 ,, 볼트 파단 ▪ 기타사안 ( 고착 , 규격 등 )

Part II 체결요소 내식성 / 내열성 관리 ▪ 부식기초 및 종류 ~SCC, 수소취성 , 부식피로 등 ▪ 표면처리 종류 및 특징 ( 용융아연 , 다크로 , 매그니 등) ▪ 내식성 ▪ 스테인리스 스틸 및 내열성 체결요소 Part III 세계 최고 강도 스테인레스 볼트 & 너트 ▪ Bumax A4-80, A-100, Duplex, HEP 등 2

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Part I 체결요소 일반

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볼트기능과 원리

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볼트기능과 원리  

볼트의 일반적인 사용 목적은 두 물체를 결합시키는 것이다 . 볼트 머리 또는 너트에 토크를 주어 볼트 내부에 인장력을 발생시키고 반 대로 결합력 ( 압축력 ) 을 얻는다 . 인장 반력 ( 압축력 )

압축 반력 ( 인장력 )

스프링작용과 흡사한 볼트의 작동 구조 ( 2 Spring System )

* 볼트 결합체의 적정한 체결상태란 ? - 충분히 높은 축력으로 나사를 조인상태 ( 가동 중에 파손 또는 풀림 등을 일으키지 않을 것 ) - 결합체의 피로강도 , 내부식성 , 고강도 등 안정성 확보 - A/S 용이성 등을 고려한 적당한 체결 5

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볼트기능과 원리 : 나사 기초

 호칭지름 : 수나사에서는 바깥지름

 유효지름 :

d2 

d  d1 2

 리드 : 나선을 따라 축의 둘레를 일주할 때 축 방향으로 전진하는 거리  피치 : 나사산과 산의 거리  프랭크 (flank, 나사산면 ) : 산봉우리와 골밑을 연결하는 면  나사산 각도 : 서로 이웃하는 2 개의 프랭크가 이루는 각도 * 리드각 (lead angle ) :  l p  tan    d 2 d 2 가 크면 ,  다!

* 리드(lead) : l  l  n p

나사의 체결을 빨리 할 수 있으나 체결된 상태에서 쉽게 풀리는 경향이 있

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 나사산 높이 :

h

d  d1 2

체결력과 진동풀림

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볼트 체결력 : 상세  토크 (T= L x F)

 축력

 마찰계수 대비 축력 토크 (socket head screw/M8) 0.20 (m)

Torque (Nm)

16 12 0.08 8

5.3

4 0 0

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6 Preload (kN)

8 8.4

 마찰계수와 체결토크 마찰계수 대비 축력 토크 ( Socket Head Screw / M8) (m) 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12

20 16

Torque (Nm)

0.10 0.08

5.3

4 0 0

8.4

Preload (kN)

마찰계수 (m ) 는 체결 토크와 체결력에 큰 영향을 준다 .

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볼트 체결토크 결정 : 계산법 T = F× [(0.159xP)+(0.577xd2xμT)+(DFxμH/2)]

The preload F is related to the direct tensile stress ▪ F = As X σT The stress area of the thread As ▪ As = π x d2 2 / 4

Terms used in the formula

▪ DF = ( D0 + D1 ) / 2

Tightening torque to be applied to the fastener.

The preload (or clamp force) in the fastener.

▪ Example Calculation As an example, the above formulae will be used to determine the preload and tightening torque for a grade 8.8 M16 hexagon headed bolt.

σE

Equivalent strength (combined tensile and torsion strength) in the bolt thread. A figure of 90% of the yield strength of the fastener is usual.

σT

Tensile strength in the fastener.

Major (or outside) diameter of the thread.

Minor (or root) diameter of the thread.

Pitch diameter of the thread.

Pitch of the thread.

μT

Thread friction coefficient.

μH

Friction coefficient between the joint and nut face.

The effective friction diameter of the bolt head or nut.

Outside diameter of the nut bearing surface.

Inside diameter of the nut bearing surface.

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▪ Step 1 Establishing the dimensions and friction conditions. The data below is to be used. ▪ d2 = 14.124 mm d2 = ( d + d1 ) / 2 ▪ d = 14.701 mm ▪ d1 = 13.546 mm ▪ P = 2 mm ▪ μT =Taken as 0.11 ▪ μH =Taken as 0.16 1

▪ Step 2 Calculating the equivalent strength(σE) in the fastener using 90% of 640 N/mm2 gives σE = 576 N/mm2, substituting values into the formula gives σT = 491 N/mm2. ▪ Step 3 Taking the stress area as As as 157 mm2, gives the bolt preload F to be 77087N. ▪ Step 4 Determination of the tightening torque T. i ) The effective friction diameter. Taking D0 = 24 mm and DI = 17.27 mm gives DF =20.6 mm. ii ) Using the values calculated gives a Tightening torque T of 220658 , that is 221Nm.

볼트 체결토크 결정 : 측정법  토크 측정기 1 단계 ) 볼트머리가 부품면에 안착할 때까지 Torque 의 증가 없이 체결이 진행 2 단계 ) Torque 값이 급격히 증가 3 단계 ) 최대 Torque 에 도달 4 단계 ) 유효 토크로 Torque 감소

Peak Torque( 최대값 )

토크

③ ②

체결토크 범위 : 65%~75%

① 12

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④

유효 토크 (Prevailing Torque)

시간

볼트 체결토크 결정 : 챠트법  According to VDI 2230 Torque Chart

Size

M5 M6 M7 M8 M 10 M 12 M 14 M 16 M 18 M 20 M 22 M 24

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Property class 8.8 10.9 12.9 8.8 10.9 12.9 8.8 10.9 12.9 8.8 10.9 12.9 8.8 10.9 12.9 8.8 10.9 12.9 8.8 10.9 12.9 8.8 10.9 12.9 8.8 10.9 12.9 8.8 10.9 12.9 8.8 10.9 12.9 8.8 10.9 12.9

Preload force FM Tab in kN for μG = 0.1 7.4 10.8 12.7 10.4 15.3 17.9 15.1 22.5 26.0 19.1 28.0 32.8 30.3 44.5 52.1 44.1 64.8 75.9 60.6 88.9 104.1 82.9 121.7 142.4 104 149 174 134 190 223 166 237 277 192 274 320

0.12 7.2 10.6 12.4 10.2 14.9 17.5 14.8 21.7 25.4 18.6 27.3 32.0 29.6 43.4 50.8 43.0 63.2 74.0 59.1 86.7 101.5 80.9 118.8 139.0 102 145 170 130 186 217 162 231 271 188 267 313

0.14 7.0 10.3 12.0 9.9 14.5 17.0 14.4 21.1 24.7 18.1 26.6 31.1 28.8 42.2 49.4 41.9 61.5 72.0 57.5 84.4 98.8 78.8 115.7 135.4 99 141 165 127 181 212 158 225 264 183 260 305

0.16 6.8 10.0 11.7 9.6 14.1 16.5 14.0 20.5 24.0 17.6 25.8 30.2 27.9 41.0 48.0 40.7 59.8 70.0 55.9 82.1 96.0 76.6 112.6 131.7 96 137 160 123 176 206 154 219 257 173 253 296

Tightening torque MA in Nm for μK = μG = 0.2 6.4 9.4 11.0 9.0 13.2 15.5 13.1 19.3 22.6 16.5 24.3 28.4 26.3 38.6 45.2 38.3 56.3 65.8 52.6 77.2 90.4 72.2 106.1 124.1 91 129 151 116 166 194 145 207 242 168 239 279

0.1 5.2 7.6 8.9 9.0 13.2 15.4 14.8 21.7 25.4 21.6 31.8 37.2 43 63 73 73 108 126 117 172 201 180 264 309 259 369 432 363 517 605 495 704 824 625 890 1041

0.12 5.9 8.6 10.0 10.1 14.9 17.4 16.8 24.7 28.9 24.6 36.1 42.2 48 71 83 84 123 144 133 195 229 206 302 354 295 421 492 415 592 692 567 807 945 714 1017 1190

0.14 6.5 9.5 11.2 11.3 16.5 19.3 18.7 27.5 32.2 27.3 40.1 46.9 54 79 93 93 137 160 148 218 255 230 338 395 329 469 549 464 661 773 634 904 1057 798 1136 1329

0.16 7.1 10.4 12.2 12.3 18.0 21.1 20.5 30.1 35.2 29.8 43.8 51.2 59 87 101 102 149 175 162 238 279 252 370 433 360 513 601 509 725 848 697 993 1162 875 1246 1458

0.2 8.1 11.9 14.0 14.1 20.7 24.2 23.6 34.7 40.6 34.3 50.3 58.9 68 100 116 117 172 201 187 274 321 291 428 501 415 592 692 588 838 980 808 1151 1347 1011 1440 1685

볼트 체결 방법 체결법 감각법

장점 • 가장 경제적

단점 • 품질관리 불가능

비 고 지양해야 할 체결법

• 토크렌치 사용 토크법

• 비교적 경제적

• 토크 오차 감수

• 생산성 우수

• 부정확한 체결력

• 작업성 용이 • 정확한 체결력 확보 각도법

• 볼트 강도 최대한 사용 • 품질관리 가능

• 낮은 작업성

품질관리가 중요한 부위에

• 생산성 저하

제한적으로 사용

• 볼트의 항복점 이내 (70~80%) 에서 사 탄성역 각도법

소성역 각도법

용

▶ 체결력 토크법 < 탄성역각도법 < 소성역각도법

• 볼트의 재사용이 가능 • 볼트의 항복점 이상에서 사용

▶ 체결력 편차 토크법 > 탄성역각도법 > 소성역각도법

• 볼트가 소성변형되므로 재사용에 제한 .

▶ 작업성 ( 경제성 ) 토크법 > 탄성역각도법 > 소성역각도법

• 초기에 상당히 큰 체결력의 확보 가능 • 볼트 소형화 14

일반적으로 널리 사용됨

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볼트 체결과 너트 체결 비교  동일 토크 경우 너트 체결이 볼트 체결 대비 약 2 배 체결력  원인 : ① 볼트 몸체와 장착 홀 간의 간섭에 의한 손실 ② 볼트 자체의 비틀림 변형에 의한 손실



반드시 설계상 지시된 부분으로 체결 필 요!

다수 볼트 체결 시 체결력 관리  십자형 (Crisscross) 체결  토크 관리를 위해서는 십자형 체결이 필수  플랜지 표면 손상 방지를 위해 반드시 Back up 렌치를 사용 ! 15

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체결력 저항 요소와 인자  체결시의 저항 요소  볼트와 너트의 나사산 마찰  볼트 머리와 부품 또는 너트와 부품간의 마찰  볼트 머리를 조였을 때 볼트 몸체의 비틀림에 의한 Torque 손실 발생 → 체결 때 볼트부 조임이냐 , 너트부 조임이냐에 따라 체결력에 큰 영향  볼트 몸체와 홀 간극과의 간섭으로 인한 저항

 체결력을 결정하는 인자 나사산의 종류와 등급

가는 나사와 보통 나사 구분 / 4T, 7T 등급 구분 가는 나사와 보통 나사 구분 / 4T, 7T 등급 구분

체결부의 윤활

나사산에 오일 , 그리스 , 기타 이물질 오염 여부 나사산에 오일 , 그리스 , 기타 이물질 오염 여부

재질의 종류

조이는 부품의 강도에 따라 Torque 에 영향을 미침 조이는 부품의 강도에 따라 Torque 에 영향을 미침

와셔의 종류

와셔의 강도 , 종류 및 사용 수량에 따라 달라짐 와셔의 강도 , 종류 및 사용 수량에 따라 달라짐

접촉부의 면적 및 표면 처리

체결체의 종류에 따른 접촉면적 차이 , 체결체 및 체결체의 종류에 따른 접촉면적 차이 , 체결체 및 부품의 표면처리 ( 아연도금 , 다크로 ) 가 영향을 미침 부품의 표면처리 ( 아연도금 , 다크로 ) 가 영향을 미침

록킹면의 종류

록킹면의 강도 , 종류에 따라 달라짐 록킹면의 강도 , 종류에 따라 달라짐

장착 홀의 편심

볼트와의 간섭 발생에 따라 영향 볼트와의 간섭 발생에 따라 영향

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진동 풀림  진동 풀림 시 체결력 변화 체결력

 진동 풀림 인자

강도가 높은 Fastener

초기

너트 회전안됨 일반 Fastener

한계점

너트 회전 0

연신 정적 상태

진동 발생

풀림 범위

 진동이 심할 경우 , 접촉 표면의 미세한 떨림 발생  풀림 억제력인 정지마찰력이 운동마찰력으로 전환  마찰열 발생 => 마찰계수 감소로 Bolt 풀림 발생

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1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8)

나사의 정밀도 나사의 마찰계수 나사의 조도 체결토크 및 축력 체결류와 작업모재의 재질 진동의 세기 작업환경 요인 기타

진동 풀림 : 풀림방지 Nut 구분

형식

형상

원리

삽입형

수나사가 나일론을 파고 들어가 변형 시킴 .

고열사용 부적합 , 풀림방지기능은 미약하나 풀 림 후 이탈 방지 . 반복사용 부적합 . 오일류 사용 부적절 .

패치형

협기성 접착제 .

고열사용 부적합 . 가격이 비싸다 . 반복사용 부적합 . 오일류 사용 부적절 .

작은 홈을 낸 후 안으로 변형시켜 놓아 조이면 벌어지지 않으려는 힘으로 풀림방지 .

쉽게 구할 수 없다 . 가격이 비싸다 . 고온 사용 가능 .

120 도 각도로 3 곳을 국부적으로 변형시켜놓 음 . 으로써 풀림방지 .

쉽게 구할 수 있다 . 이탈방지 기능 . 나일론 삽입형 너트의 고온 대체용 .

쐬기 모양의 물체를 박아 넣는 원리 .

가격이 비싸다 . 작업성 저하 . 풀림방지 기능 높다 .

너트의 암나사는 볼트의 나사산을 감싸주고 눌러주며 , 볼트의 나사산은 너트의 암나사를 밀어주어 장력을 발생 .

쉽게 구할 수 없다 . 고온 사용가능 . 작업성 저 하. 고속철도에 주로 사용 .

홈 사이에 분할핀을 꽂아 너트가 회전할 수 없 게 고정함으로써 품림방지 .

수나사에 홈 작업 필요 . 핀 포인트 작업이 필요함 .

고정형

볼트로 고정 .

수나사에 흠집 발생 . 작업성 저하 . 조정용으로 사용 가능 .

삽입형

판 스프링을 넣어 수나사의 피치만큼 스프링이 변형되며 나사산을 누름 .

반복사용가능 . 고열사용 가능 . 가격이 싸다 .

CHEMICAL TYPE

나사변형 형

ALL- METAL TYPE

장점 / 단점

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진동 풀림 : Washer 구분

형식

형상

원리

장점 / 단점

접촉 면적을 넓혀 마찰면적을 늘림 .

가장 초보적인 풀림방지 형태 . 풀림방지 기능 없 음 . 가장 대중적이고 가격이 싸다 .

내측 key 는 홈 삽입 . 외측 이빨은 nut 삽입 됨 .

Lock nut 와 set 로 주로 사용 . 가격은 저렴함 . 작업성 저하 .

접촉 면적 외 텐션을 주어 진동에 저항 .

풀림방지 효과 낮음 . 오래 사용 시 스프링 기능 저하 . 쉽게 구할 수 있다 .

마찰면적 ( 접촉면적 ) 을 넓히고 텐션을 주어 진동에 저항 .

풀림방지 효과 낮음 . 대중적 .

나사 Head 부의 마찰력을 높임으로 풀림방지 기능을 함 .

모재 손상 . 경도가 낮은 모재에 사용 . 풀림기능 낮음 . 대중성 . 작업성 좋음 .

너트에 LOCK 와샤 형상을 포함한 제품 .

모재 손상 . 고가 . 작업성 저하 . 많은 부품수량으로 현장 관리 어려움 . 풀림방지 기능 높음 .

나사산의 각도와 LOCK 와샤의 각도를 다르게 해서 풀림을 방지함 .

모재 손상가능성 있음 . 풀림방지력 매우 높음 . 고가 . 대중성이 떨어짐 .

일반와샤

ALL- METAL TYPE

NUT 일체형

Look Washer

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진동 풀림 : Bolt 구분

형식

형상

원리

장점 / 단점

활성 금속과 접촉하여 열경화성 수지로 변형 틈새를 밀봉함 .

나사 소재나 재질에 상관 없이 사용가능 반복사용부적합 .

삽입형 ( 나일록 )

파우다 방식 .

나사 소재나 재질에 상관 없이 사용가능 . 사용조건 별로 여러 종류가 있음 . 반복사용 부적합 .

FLANGE BOLT

SEMS BOLT 대용 .

작업성 간소화로 좋음 . SEMS BOLT 보다 풀림방지력 높음 .

평와샤 , 스프링와샤 효과 .

작업성 좋음 . 플랜지형 대비 비싸다 . 스프링와샤와 같으나 공정상 관리를 편리하게 일체형으로 제작한 것 .

LOCTITE CHEMICAL TYPE

SEMS BOLT ALL- METAL TYPE TAPTITE

파워락

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모재에 TAP 을 생성하면서 체결 .

암나사를 약간 파고들어감 . 나사의 스프링기능을 활용하여 모재에 접촉 .

TAP 공정 불필요 --> 전조 탭 형성 ( 작업공정 모재와의 접촉성이 좋아서 풀림방지 기능 탁월함 .) 가격 저렴 .

풀림방지 기능 매우 높음 . 가격 저렴 . 조정나사로 사용가능 .

진동 풀림 방지 비교 종합 구분

형식

종류

설계 변경 필요성 (유,무)

삽입형

작업성 (상,중, 하)

( 가능 , 불가능 )

( 최상 , 상 ,중,하)

내열성

가격

(상,중, 하)

( 최상 , 상 ,중,하)

비 고

너트

무

상

블가능

중

하

중

볼트

무

상

가능 ( 횟수제한 )

중

하

중

내열성 높은 제품도 있음

너트

무

싱

가능 ( 횟수제한 )

중

하

중

볼트보다 효과 낮음

나사 변형형

너트

무

상

가능 ( 횟수제한 )

중

상

중

고정형

너트

유

하

가능

최상

상

중

삽입형

너트

무

상

가능 ( 횟수제한 )

중

일반와셔

와셔

유

하

가능

하

상

하

METAL

너트 일체형

와셔

유

하

가능

최상

상

TYPE

LOCK WASHER

와셔

유

하

가능

최상

상

최상

모재의 경도가 와셔보다 낮아야 함

FLANGE BOLT

볼트

유

상

가능

중

상

중

설계 간소화

SEMS BOLT

볼트

무

중

하

상

중

스프링 와셔와 동일한 효과

TAPTITE www.lock-one.kr 볼트 2000

가능 ( 횟수제한 )

유

상

가능

중

상

하

설계 간소화

CHEMICAL TYPE

ALL

반복사용 여부

풀림 방지 성능

패치형

작업의 어려움

풀림 방지 기능이 거의 없음 ( 평와셔 , 스프링와셔 , 코니컬와 셔)

진동 풀림 : 체결력 비교  DIN 65151 에 의거 제작된 Junker Machine 으로 Vibration Test 한 결과 10000

플랜지볼트

Preload (N)

9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 100

일반볼트 22

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500

1000

Cycles

와샤류

진동풀림 동영상 : 와셔 / 플랜지 볼트

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플랜지 볼트의 풀림방지 효과  실제 진동 풀림 테스트 결과

플랜지 볼트

스프링와셔 + 평와셔

 풀림 방지 효과의 원인 • 평와셔 + 스프링 와셔를 사용하는 경우 , 볼트와 와셔 및 와셔와 모재 간의 상대적인 움직임이 가능 ➜ 마모의 1~3 단계 반복 ➜ 마찰계수 저하 ➜ 축력 저하 ➜ 풀림 . • 플랜지 = 와셔와 볼트머리의 일체화 ➜ 접촉면적 확대 ➜ 마찰계수 상승 ➜ 풀림저항 24

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진동풀림 동영상 : Heico / Nord / 일반

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볼트 강도 및 마킹

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볼트 강도 (ISO 898-1) 및 마킹



특별히 강도를 요하지 않는 부품결합에는 4.8 등급 사용 .



강도를 요하며 , 진동에 의한 풀림 부위에는 8.8 등급 (Grade 5) 사용 .



중요부분 및 공간적 제한 부위에는 10.9 등급 (Grade 8) 또는 그 이상 사용 .

Min Rm

Rp0.2

min Rp0.2

Bolt Class

Rm Cal

4.6

4x100=

400

4x6x10 =

240

4.8

4x100=

400

4x8x10 =

320

5.6

5x100=

500

5x6x10 =

300

5.8

5x100=

500

5x8x10 =

400

6.8

6x100=

600

6x8x10 =

480

8.8

8x100=

800

8x8x10 =

640

10.9

10x100=

1000

10x9x10 =

900

12.9

12x100=

1200

12x9x10 =

1080

13.9

13x100=

1300

13x9x10 =

1170

N/mm2

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Cal

N/mm2

Nut Class

볼트 강도 및 마킹 : Stainless Steel Martensitic

Austenitic

A4-80

Ferritic

110

조성 집단에 의한 분류 Austenitic = 니켈 기반 오스테나이트 계열 금속

화학적조성에 의한 분류 1 = 황 성분이 포함되어 있으며 절삭가공 (303) 2 = 크롬과 니켈이 포함 냉간단조 (304 / 304L / 305) 3 = 크롬 , 니켈과 티타늄 , 니오비움 , 탄탈럼 포함 냉간 단조 (321 / 347) 4 = 크롬 , 니켈과 몰리브덴이 포함되어 있으며 냉간단조 (316 / 316L / 317) 5 = 크롬 , 니켈과 티타늄 , 니오비움 , 탄탈럼 , 몰리브덴 포함 냉간 단조 (316Ti)

속성 구분 50 = 인장강도의 1/10 (min 500 N/mm2) 70 = 인장강도의 1/10 (min 700 N/mm2) 80 = 인장강도의 1/10 (min 800 N/mm2)

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볼트 재료 및 제조과정

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볼트 재료 

일반적으로 탄소강선을 그 중에서 냉간단조용 강선재 를 많이 사용함 .



그 외에도 침탄소재강 을 많이 사용 ( 보통 S12C~S25C 상당재료 사용 )

 4.8 등급 (S10C 상당재료 ), 8.8 등급 (S45C 상당재료 ), 9.8 등급 이상 (SCM435~SCM440 ) 탄소강 & 합금강 강구분

강 종 S10C

C 0.08∼0.13

탄소강 S45C

크롬몰리브 덴강

SCM435 SCM440 AISI4140

0.42∼0.48

0.15 ∼0.35

0.30 ∼0.60 0.60 ∼0.90

0.030↓

0.33∼0.38 0.15 0.60 0.030↓ 0.38∼0.43 ∼0.35 ∼0.85 0.38∼0.43 0.17∼0.22 0.75∼1.00 0.035↓

화 학 성 분 S Ni

0.035↓

0.20↓

0.030↓

0.25↓

0.90∼1.20

0.15∼0.30

0.040↓

0.80∼1.10

0.15∼0.25

Ni+Cr 0.35↓ CR 0.20↓ Cu 0.30↓ Cu 0.30↓ -

스테인리스강

JIS (SUS)

AISI

C MAX

Si MAX

Mn MAX

P MAX

S MAX

Ni MAX

Cr MAX

304

0.08

1.00

2.00

0.040

0.030

8.00~10.50

18.00~20.00

304 L

0.030

1.00

2.00

0.040

0.030

9.00~13.00

18.00~20.00

316 316 L

0.08 0.030

1.00 1.00

2.00 2.00

0.040 0.040

0.030 0.030

10.00~14.00 12.00~15.00

16.00~18.00 16.00~18.00

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기타

Mo 2.00~3.00 Mo 2.00~3.00

볼트 재료 이해 도모를 위한 야금학 기초 Metal : 금속결합 / Crystal Structure(BCC, FCC 등) Defects( 결함 ) : dislocation ( 전위 ), grain boundary( 입 계) 등

Diffusion ( 확산 ) Phase Transformation( 상변태 ) Solid Soultion ( 고용 ) Precipitaion ( 석출 ) : eutectic ( 공정 ) /eutectoid ( 공석 )

Alloy Steel ( 합금강 ) : Fe-C Phase Diagram ( 상태도 )

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Crystal Structure - 원자간에 반복적인 혹은 주기적인 배열이 존재하는 구조

온도 상승

BCC 상 , α 상 Ferrite 조직 ADF=0.68 32

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FCC 상 , γ 상 Austenite 조직 ADF=0.74

볼트 제조과정

( 원소재 입고 )

( 원소재 시험 )

( 세척 )

( 머리 부 성형 )

( 성형 후 모습 )

( 열처리 )

( 전조 치수검사 )

( 전조가공 )

( 전조 가공기 세팅 )

( 성형 치수검사 )

( 표면처리 )

( 출하검사 )

( 포장 / 출하 )

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볼트 열처리 : 종류 분류

목 적

종 류 담금질 (Quenching; 소입 )

일반 열처리

미세 조직의 변경 과 경화에 의한 재 료의 전체적인 성 질을 변화시키는 공정

목적에 알맞게 조직 및 기계적 성질의 안정화 처리 , 인성 증가 , Stress 제거

풀림 (Annealing; 소둔 )

강을 연하게 하는 처리 , 내부응력제거 , 성분 · 조직의 균질화 , 기계가공성 증가

불림 (Normaling; 소준 )

가열하여 정상적인 상태로 처리 , 조직 미세화 , 내부응력 제거 ,

고주파경화

고주파 전류를 이용하여 가열→급속히 표피만 가열→ 담금질

화염경화

산소 - 아세칠렌 화염이나 프로판 가스 화염 등으로 가열하여 담금질

전해담금질

음극효과에 의해 발열하는 전기화학적 현상을 응용

가스침탄법 침류처리 금속침투법

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목적 : 표면경도 증가 , 내마모성 증 가

침탄경화

표면의 성질만 변 화시키는 열처리 화학적 방법

강을 단단하게 하는 처리 , 경도증가 , 내마모성 향상

뜨임 (Tempering; 소려 )

물리적 방법

표면 경화법

설 명

화학증착법

액체침탄법 고체침탄법

프로판 매탄 부탄

연속냉각곡선 & 마르텐사이트  Martensite (BCT,  ')

Tempering  Tempered Martensite(

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+ 시멘타이트

)

볼트 파단

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볼트 파단 : 파면학 (Fractography)  Static Load

너트 약함 너트 강함 너트 강함 & 짧음 & 동일

EXCECSSIVE AXIAL LOAD

TORQUE WITH EXCECSSIVE PRETENSION

TORSION

HYDROGEN EMBRITTLEMENT

 Dynamic Load : 피로파괴

Fatigue Fracture

Pulsating Axial Load with High Pretension

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Pulsating Axial Load with Low Pretension

One-Side Flexing Fatigue

Alternating Bending Stress

볼트 파단 : 피로파괴 (Fatigue Fracture) 1943 년 미국 포틀랜드항에 정박중 갑자기 두동강난 T-2 탱커

반복하중 작용 ( 항복하중 이하 )

2009 년 8 월 28 일 홍해에서 파나마 국적 29000 톤 급 유조선이 수리를 위해 이동 중 갑자기 쪼개져서 침몰

항복강도 이하의 변동 응력 볼트 파단 의 85%!

시간이 흐름에 따라 크랙 발생 크랙 성장 , 결합 => 피로파괴

2002 년 11 월 19 일 스페인 근해에서 싱가포르로 향하던 바하마 유조선 ‘프레스티지’호가 두 동강이 난 채 침몰 .

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1988 년 4 월 28 일 Aloha Airlines 737-2 24000ft 상공에서 비행기의 동체 부분이 떨어져 나감 /1 명 사망 , 69 명 부상 .

볼트 파단 : 피로파괴 (Fatigue Fracture)  S-N 곡선에서 1,000,000 Cycle 이상을 견디는 하중 ( 응력 )  피로시험에서 최소 응력값과 최대 응력값의 비율을 R 로 정의 . R = σmin / σmax  대개 금속모재 인장강도의 30% ≒ 피로한도

반복응력

 피로 한도

피로 한도

 피로 한도의 적용

반복 사이클

 모든 볼트는 예하중 ( 축력 ) 을 고려 / 변동하중 및 진동 상태  볼트는 항복강도가 아닌 피로한도를 적용 (R= -1 상태에서의  피로시험을 통한 피로한도 확보가 최선 피로한도 ) - 실제 상황에서 피로한도는 메우 복잡한 응력상황에서 결정됨 => 피로 해석 FEM Tool 사용으로 피로 수명 예측 - 피로해석이 불가능하다면 계산식으로라도 피로한도 적 용

 피로한도 인자 - 노치 , 치수 , 표면 , 온도 , 부식 , 열처리 효과 등 39

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(R=1 상태에서의 피로한도 )

볼트의 피로한도

Bumax DX Bumax 88 A4 80

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기타 사안

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절삭가공 vs 전조가공 순번

비교항목

전조가공볼트

절삭가공볼트

섬유상 조직

있음

없음

표면 가공경화

있음

없음

충격

강함

약함

경도

강함

약함

바니싱 작용 (Varnishing)

있음

없음

비고

피로강도 강함 약함 전조볼트는 절삭볼트 대비 약 20% 기계적 성능이 강합니다 !( 강도향상 )

품질 균일성

높음

낮음

개당단가

저렴

비쌈

M.O.Q

있음

없음

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절삭가공 vs 전조가공 Steel Class 12.9 Steel Class 8.8 Stainless Steel A2-70 (Cutting thread) Stainless Steel A2-70 Screws M12 x 120

Tensile Tests on Fasteners 12.9, 8.8 and A2-70

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고착현상  고착현상 (Galling) : 체결 중 볼트 너트가 늘어붙어 작업 중단  접동면 사이의 윤활부족으로 한쪽 금속 모재의 작은 일부분이 상대 금속면에 옮겨 붙는 현상  과대한 압력을 받으며 움직이는 면 사이에 발생 / 동종 연성 금속간 발생하는 일조의 냉간 용접화

 고착현상 (Galling) 발생 경우

연질의 마찰계수가 높은 동종금속

불균일한 나사면

빠른 속도의 체결

 고착현상 (Galling) 방지법  경도가 다른 재질 , 등급의 금속으로 조립  표면 안정화 처리로 윤활작용 가능하게 할 것  저속 조립  전조가공 나사 사용할 것 44

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나사부에 잔존한 Chip, Burr, 이물질

국부적인 또는 전체적인 심한 마찰

ï&#x201A;§ Galling Chart

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볼트너트 조합 및 Cam-out  볼트와 너트 조합 : 부적절한 등급의 볼트 , 너트를 사용하는 것이 파손의 원 인 볼트와 너트간의 체결 시 최적 조합 가이드 (ISO 898 – 2) Property class of nut

Mating bolts Property class

Diameter range

3.6 / 4.6 / 4.8

M16

3.6 / 4.6 / 4.8 / 5.6 / 5.8

M39

6.8

M39

8.8

M39

9.8

M16

10.9

M39

12.9

M39

등급의 상이함으로 인한 나사산 벗겨짐 현상 (Stripping)

 Cam-out : 원심력에 의해 비트가 스크류와 회전 시 서로간의 토크전달과 중심선상 의 부조화로 나사홈부 경사면을 타고 원심력에 의해 이탈하는 현상

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나사의 묻힘 깊이  최초 나사산이 하중의 약 50% 를 부담 , 2 번째 및 3 번째는 각각 25%, 12% 를 부담  6 번째 나사산은 하중의 2% 이하만을 부담 → 6 번째 이후 나사산의 측면은 접촉하지 않 음

 Stress Analysis by Ansys



암나사 구멍 깊이는 볼트보다 2~3 깊어야 하며 재질에 따라 일반적으로 다음과 같이 결정 【 d: 나사의 호칭경 】

모재 재질

M8 이하

M8 이상

동 , 청동

1.5~1.7 d

1.0~1.2 d

주철 , 강

1.5~1.7 d

1.3~1.5 d

경금속

1.8 d

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ASTM 볼트 & 너트 규격  ASME 은 "The American Society of Mechanical Engineers" 의 약자로 미국의 뉴욕에 본부 / 석유 , 화학 플랜트 건설에 있어서 적용규격으로 많이 이용  ASTM 은 미국재료시험협회규격으로 단체규격임 (http://www.astm.org)  표준화 대상은 specification, method, definition / 이를 정식규격과 가규격으로 구분  제정된 규격은 규격번호와 함께 기호를 붙여 품종내용을 표시  규격번호의 통일성은 없음

 ASTM A 000 B0 Class : A 분류기호 /000 규격번호 /B0 재질 /class 가공경화  有無 볼트 & 너트 관련 ASTM 규격  A000 : 규격

Alloy-Steel and Stainless Steel Bolting for High A193 Temperature or High Pressure Service and Other Special Purpose Applications Alloy-Steel and Stainless Steel Bolting for Low-Temperature A320 Service High-Temperature Bolting with Expansion Coefficients A453 Comparable to Austenitic Stainless Steels Carbon and Alloy Steel Nuts for Bolts for High Pressure or High 48 A194 www.lock-one.kr Temperature Service

 B0 : Grade / 재질 Item

Ni (%)

Min. Tempering Temperature ℉(℃)

0.37~0.49 0.65~1.10 0.035 Max. 0.040 Max. 0.15~0.35 0.75~1.20 0.15~0.25

1,100(593℃)

ASTM A193 Gr. B7M 0.37~0.49 0.65~1.10 0.035 Max. 0.040 Max. 0.15~0.35 0.75~1.20 0.15~0.25

1,150(620℃)

Grade ASTM A193 Gr. B7

ASTM A193 Gr. B8

C (%)

Mn (%)

P (%)

S (%)

Si (%)

Cr (%)

0.08 Max. 2.00 Max. 0.045 Max. 0.030 Max. 1.00 Max. 18.00~20.00

Mo (%)

Remark

SCM

8.00~10.50 Carbide Solution Treated

STS304

Bolt ASTM A193 Gr. B8M 0.08 Max. 2.00 Max. 0.045 Max. 0.040 Max. 1.00 Max. 16.00~18.00 2.00~3.00 10.00~14.00 Carbide Solution Treated

STS316

ASTM A320 Gr. L7

0.38~0.48 0.75~1.00 0.035 Max. 0.030 Max. 0.15~0.35 0.80~1.10 0.15~0.25

ASTM A320 Gr. B8

0.08 Max. 2.00 Max. 0.045 Max. 0.030 Max. 1.00 Max. 18.00~20.00

ASTM A320 Gr. B8M 0.08 Max. 2.00 Max. 0.045 Max. 0.030 Max. 1.00 Max. 16.00~18.00 2.00~3.00

Nut

ASTM A194 Gr. 7

0.39~0.49 0.65~1.10 0.040 Max. 0.040 Max. 0.15~0.35 0.75~1.20 0.15~0.25

ASTM A194 Gr. 8

0.08 Max. 2.00 Max. 0.045 Max. 0.030 Max. 1.00 Max. 18.00~20.00

ASTM A194 Gr. 8M

SCM

8.00~10.50

STS304

10.00~14.00

STS316

1,100(595℃)

SCM

8.00~10.50

STS304

STS316

0.08 Max. 2.00 Max. 0.045 Max. 0.030 Max. 1.00 Max. 16.00~18.00 2.00~3.00 10.00~14.00

 Class 1~Carbide Solution Treated / Class 2~Carbide Solution Treated and Strain Hardened

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Part II 체결요소 내식성 및 내열성 관리

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부식 (Corrosion)

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부식 기초  정의 : 금속재료가 주위환경과 화학적 혹은 전기화학적 반응을 일으켜 재료 물성의 훼손 및 유효수명의 단축을 초래하는 현상 . - 저온부식은 전기화학에너지 , 고온부식은 열에너지가 반응속도 지배 - 환경인자에 더해 역학적 인자가 더해져 부식파괴 가속 : 응력부식 , 부식피로 등  어원 : “Gnaw away” 라는 이태리어 “ Corroodere”  부식전극반응 : 두개의 반전지 (half cell) 반응의 조합 - 공기 중 ( 중성 ) 부식↓ , 수용액 ( 산 또는 알카리 ) 에서는 부식↑ - 산화 (oxidation)/ 양극 (anode) : 전자 (electron) 를 잃어버리는 반응 / Fe → Fe2+ + 2e- 환원 (reduction)/ 음극 (cathode) : 2H+ + 2e- →H2, H2O + 1/2O2 + 2e → 2OH- 전체 반응 : Fe + 1/2 O2 + H2O → Fe(OH)2 => 완전한 전기적 회로 (circuit)  녹이란 ? => 수산화철 2Fe(OH)2 => 붉은 침전 Fe(OH)3 => 산화철 Fe2 O3 => 녹 ( 수산화철 + 산화철 )

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 환원반응 종류 - 수소 환원반응 : 2H+ + 2e- →H2( 산성용액 ) / 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- ( 중성 & 알카 리) - 용존산소환원반응 : O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O( 산성용액 ) O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- ( 중성 & 알카리 ) - 금속이온환원반응 : M3+ + e- → M2+ / M+ + e- → M  Nernst 공식 : E = Eo + (RT/nF) ln (aOx/aRed) - E : 반전지 전위 / Eo: 반전지 표준전위 / R : 기체상수 / T : 절대온도 - aOx and aRed : 산화 및 환원 이온 활동도 (Activity) => 표준전위 ( 전극재료 ) 및 산화이온 활동도 ( 용액농도 ) 가 증가할수록 전위값이 증가 ! => 부식↑

 구동기전력 (Electromotive Force, EMF) -

전극재료 및 용액농도에 따라 반전지 전위 결정 => 이 전위가 전극반응 구동력 반전지들의 절대적 전위값은 측정할 수 없고 임의로 선택한 표준전위와 상대적인 값 표준전극으로는 수소전극을 이용해 측정한 반전지 전위를 Electromotive Force(EMF) EMF 가 낮을수록 산화 ( 부식↑ ) 반응을 높을수록 환원반응 ( 부식억제 ) 을 나타냄 두 금속간 EMF 차가 크면 클수록 양극이 부식되는 속도가 가속

→ 수용액 부식에서 수소전극 전위 보다 낮은 전위를 지니는 금속 ( 예 Fe, Zn 등 ) 은 부식되 고 이 보다 높은 전위를 지니는 금속 ( 예 Cu, Ag 등 ) 은 쉽게 부식되지 않음 53

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 Standard Electromotive Force Potential

환원

산화 - 산성용액에 산소가 용해되어 있으면 산소의 환원전위 1.23V 만큼 증가되기 때문에 쉽게 부식되지 않던 Cu, Ag 등도 이 보다 낮은 전위를 지니게 되어 부식되 기 시작하며 기존에 부식되기 쉬운 금속들의 부식은 가속화 된다 !

산화

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Cu + H2SO4 → 무반응 ( 부식되지 않 음) Cu+H2SO4 +1/2O2 → CuSO4 +H2O ( 부식 )

부식 형태  균일부식 (Uniform Corrosion)  금속표면 전체가 균일하게 부식 / 침식도 (25mg/dm2/day 또는 mm/y) 등으로 부식 정도

 국부부식 (Localized Corrosion)  공식 및 틈새부식 (Pitting and Crevice Corrosion) - 높은 산화도 용액 내에 부동태 피막 파괴원소 ( 염소이온 ) 가 존재할 때 발생 1) 부동태피막 파괴 → Pit 내 금속 산화반응 ( 용해 ) → 표면은 용존산소 환원반응 산화 : Fe → Fe2+ + 2e- & 환원 : 1/2O2 + H2O + 2e- → 2OH2) 산소가 Pit 내로 들어가 용해되는 속도 < 환원반응에 의해 용존산소가 소모되는 속도 → Pit 내 용존산소 고갈 → Pit 내에는 환원반응 멈춤 + 금속 용해반응 지속 → 양이온 (Fe2+) 과다 현상 : + → 평형 위해 외부 염소이온 (-) 을 Pit 내로 유입 → Pit 내 염화금속반응물의 농도가 높아지고 아래와 같은 반응이 진행 Fe2+Cl- + H2O → Fe(OH)2 ( 침적 , 수산화철 ) + H+Cl( 금속염화물이 수용액과 반응하여 용해되지 않고 침적하는 MOH 와 염산을 형성 ) → Pit 내 산성도가 높아짐 → 부식 가속화 3) 부식가속화로 방출되는 과다 전자는 전하평평 유지 위해 외부표면으로 이동 → 용존산소와 반응하여 수산화기 (OH-) 를 생성하는 환원반응 55

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- 공식 & 틈새부식 유발하는 용액 : CuCl2, FeCl3, HgCl2 등 - 방지법 : 고 내부식성 볼트 사용 / 표면처리 / 내식성 모재 사용

 갈바닉 부식 (Galvanic corrosion) - 부식환경 조건의 국부적 차이로 두 지점간 전위차가 발생 할 때 1) 두 개의 다른 금속이 부식환경에 접촉→ Galvanic Cell 부식→금속 EMF 에 따라 전극 결 정 2) 동일 금속 두 부위가 농도가 다른 부식용액 접촉→농도전지부식 (Differential Aeration Cell) - 음극 표면적이 상대적으로 클수록 양극 부식속도 증가 → 설계상 유의 → 산소 농도가 높은 쪽은 용존산소 환원반응 , 반대 쪽은 산화반응 - 재질 선정시 전위차를 최소화 / 가능한 이종금속은 전기적 절연 ( 부전도체 와셔 , 가스켓 등 ) Steel

Stainless Steel

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 입계 부식 (Intergranular Corrosion) - 입계가 입내 보다 높은 에너지 상태 → 입계는 산화반응 입내는 환원반응 가능성 존재 - 입계에 석출물 ( 부동태원소 포함 ) 이 형성 → 부동태 원소의 과소화로 내식성 저하 - Austenite 계 스테인리스 예민화 현상 ∙ 약 425 - 815℃ 에 노출 → 탄소가 입계로 확산 입계주변 크롬과 결합하여 크롬카바이드 (Cr23C6) 형성하여 입계에 석출 → 입계 부식 ∙ 입계주변은 산화반응 ( 양극부식 ), 입내는 환원반응 ( 음극방식 ) ∙ 양극 입계면적이 음극 입내면적 보다 절대적으로 작기 때문에 부식 가속화 - 방지법 ∙ 탐소함량을 크롬카바이드 형성에 필요한 최저 탄소량 0.03% 이내로 제한 ∙ 탄소와 친화력이 더 강한 Ti, Cb, Nb, Ta 첨가 (STS321, 347) / 용체화 처리

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부식 형태 : 환경야기균열 응력부식균열 (Stress Corrosion Cracking) Cl- 이나 응력집중으로 부동태피막 ( 산화크롬 ) 파괴 => 공식 발생 => Pit 내 염화금속반응물 농도↑ =>Pit 내 산성도 증가로 공식↑ => 균열 및 파괴 !( 오스테나이트 스테인리스강 염화물 응력부식 균열 )  부식환경 + 응력집중 => SCC 발생확률↑  허용하중 내에서 급격한 균열성장으로 갑작스런 파괴 : Failure Time is > hour!

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* 조립비용 절감 사 례

SCC : Framo- 펌프

- 일반 1975 년 해저 가스 개발전문 회사인 Frank Mohn 에서의 의뢰 · 해수 사용조건 (PRE) 이 충분한 소재인 Duplex Bolt 로 인한 작업 중단 발생 · BULTEN Stainless 社로 원인파악과 해결방법을 요청  해당 duplex bolt 는 모두 절삭가공 으로 생산된 제품임  나사산표면과 헤드 밑부분 등의 위치에 아주 미세한 흠과 크랙이 존재  이로 인한 응력부식 (Stress Corrosion Cracking) 으로 잦은 bolt 교체 작업  치밀한 전조가공으로 깨끗한 표면조도를 자랑하는 BUMAX bolt 로 교체  이후 동일 문제 발생 없으며 , Frank Mohn 으로부터 감사답신 접수로 사건 종료 .

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수소취성 (Hydrogen Embrittlement) 전기도금 , 고강도 (365HV 이상 , 9.8 등급이상 ) 볼트에서 특별한 이유 없이 볼트가 부러지는 경우  BCC 계에서 많이 유발 (BCC 가 FCC 보다 충진율 낮음 → Silp 이 제한됨 ) / FCC 계는 수소확산이 느림 → 수소취성 저항성 ↑ 방지법 : 산세척 대신 알카리세척 / 가능한 무전해도금 적용 ( 기계적 도금 , 화성피막처리 등) / 전기도금 후 200℃ 에서 3~4 시간 베이킹처리 (ISO 규정 ) 등  파단면 &SEM 사진

 수소취성 테스 트

Crack Initiations

수소취성 방지에 적합한 도금 처리 

Dacromet, Magni > M6 ( 다크로 , 매그니 )



Deltatone / Deltaseal ( 델타톤 , 델타실 )



 수소취성 모식도 60

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Hot dip galvanization, > M12 ( 핫 딥 갈바나이 징)



Mechanical plating ( 미케니컬 도금 )



Electroless Ni plating ( 무전해 니켈도금 )

부식피로 (Corrosion Fatigue) : 부식분위기 + 반복응력  부식 분위기에서 금속재료의 피로한도가 격감 ( 공식 등에 의해 노치효과 발생 )

 금속 내부에 공공이나 게재물 등에서 응력 집중 → 부식피로 원인 제공  거의 모든 재료에서 발생 가능  양전위 영역에서는 공식과 같은 금속의 용해에 의해 음전위 영역에서는 수소의 발생으로 인한 수소취성에 의해 발생함

 Fracture curves showing reduced service life (number of cycles to failure) in the presence of (a) corrosive environment, and (b) added notches.

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표면처리

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표면처리 표면처리 (Surface treatment) 란 ?  전기적 , 화학적 , 물리적 방법 등을 통해 이종재질을 제품의 표면에 생성시키는 방법  목적 : 금속의 부식 방지 / 내마모성 , 내구성 등 기능향상 / 전기절연 / 표면의 색채 , 광택 향상 등  종류 : 전기도금 (Electro Plating), 화학도금 (Electroless Plating), 양극산화 (Anodizing), 용융도금 (Hot Dipping), 화성처리 (Conversion Treatment), 크로메이트 (Cromate), 인산염 (Phosphate), 다크로 (Dacro) / 도장 (Painting), 라이닝 (Lining), 코팅 Coating), 진공증착 등

 도금 (Plating)

 물건의 표면 상태를 개선하기 위해 다른 물질의 얇은 층으로 피복하는 것 . 금속 표면에 다른 금속의 얇은 층을 입히는 것 . 오늘날 보통 도금이라고 하면 , 전기도금을 말함 .  도금의 두께단위는 미크론 (micron) 을 사용  기능 - 수명 연장 ( 내식성 ) - 내마모성 - 치수보정 - 고유 성질 개선 - 특정 성질 부여 ( 솔더링 ) - 식별 및 구분  전기식  비전기식 ( 무전해식 ) - 다른 처리를 위한 기본 바탕 - 대표적인 도금 방식 - 균일한 도금 두께 보장 - 밀착성 향상 - 경제성 우수 - 치수관리가 용이 - 도금상태가 균일하지 않음

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- 도금성 우수 , 고가

도금의 대표적 분류와 특징 도금의 종류

개요 및 용도

장점과 단점

전기 도금

전해 용액 중에서 도금될 물건을 음극으로서 통전하여 표면에 도금 금속을 석출하는 것으로 , 장식 , 방녹 , 기능과 다양한 목적으로 도금하며 , 비교적 염가이고 , 적절한 금속 피막을 부여할 수 있기 때문에 , 자동차와 음향 , 항공기 , 통신기 , 컴퓨터부품 , 장신구 , 건축자재 등 많은 용도로 부품을 도금 하고 있다 .

( 장점 ) 다종 소량품까지 가공 가능하며 . 다채로운 금속 질감을 부여할 수 있고 , 고가의 금속에 뛰어난 특성과 양호한 밀착성을 가진 피막을 얻을 수 있다 .

( 장점 ) 전착성이 균일하고 . 부도체 소재에도 양호한 밀착성을 가진 도금을 할 수 있다 . 금속 , 비금속에 도금이 가능하다 .

무전해 도금

용액중의 환원 반응을 이용해 제품 표면에 도금 금속을 석출 하는 것으로 , 금속부터 비금속까지 넓게 도금이 가능하고 , 도금후정밀도도 극히 높기 때문에 , 주요하게 기능을 중시하 는 공업적 용도에 널리 쓰이고 있으며 . 플라스틱 도금의 기초 용으로서 꼭 필요한 도금법이다 .

( 장점 ) 대부분의 금속 소재 , 비금속 소재도 처리 가능하고 ., 장 식성이 뛰어난 초 경질피막을 얻을 수 있다 .

진공 도금

용기 내를 진공으로 하여 , 금속과 산화물 , 등을 가스화 혹은 이온화해 물건 표면에 증착시키는 것으로 . 진공 증착과 스팩 터링 , ion 플레이팅 , ion 질화 , ion 주입 등 여러 가지 방법 이 있고 장식 , 기능의 분야에서 활용되고 있다 . 특히 반도체 제조에 불가결의 기술이다 .

( 장점 ) 면적의 큰 것 , 중량물 등의 방식 도금에 적절하고 도금 하기에 따라 수 10 년의 방식성을 가질 수도 있다 .

용융 도금

아연과 주석 , 알루미늄 등의 금속을 용해한 액 중에 물건을 넣고 , 각각의 금속을 도금될 부품에 부착시키는 것으로 , 대 표적인 예가 아연과 알루미늄을 도금한 강판이다 . 비교적 대 형 구조물과 건축자재 , 가드레일 , 가로등 , 전신주 부품 등 에 많이 이용된다 .

전착도장

전기 도금과 지극히 닮은 기술로 , 수계 도료의 속에 피처리물 건을 침지시켜 이것을 음극 또는 양극으로 하고 , 직류 전기를 통해 도막을 형성시키는 것으로 . 전자를 양이온 전착도장 , 후자를 음이온 전착도장이라고 말한다 . 방녹 목적으로는 흑 색이 많이 이용되고 있다 .

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( 단점 ) 형상에 따라 도금 후 얼룩이 생길 수 있고 , 독성이 강한 CN 을 사용하므로 폐수처리가 어렵다 .

( 단점 ) 소재에 따라 복잡한 사전처리가 필요하며 . 폐수 처리가 어렵다 .

( 단점 ) 일반적인 전기 도금과 비교해서 , 고온 처리해야 되고 , 비용도 높다 .

( 단점 ) 꽤 높은 고온욕 작업이고 . 도금의 종류가 제한된다 . ( 장점 ) 피처리물의 형상에 좌우되지 않고 균일한 도장을 할 수 있다 . 일정한 관리를 할 수 있다 . 도료 손실이 적고 , 여과에 의 해 도료 회수를 할 수 있다 . 화재의 걱정이 없고 위생적 . ( 단점 ) 후막화를 할 수 없다 . 전기 용량이 크다 . 색 대체가 곤 란.

표면처리 : 도금 종류 전기 전기 아연도금 아연도금 (Electro (Electro Zn Zn Plating) Plating) •

아연은 이온화되기 쉬운 금속으로 철 대신 부식되어 철을 보호

1. 최소 5 ㎛ (M6 미만 ), 최소 8 ㎛ 이상 (M6 이상 ), 특별한 경우 20 ~25 ㎛ 까지 생산 2. 후처리의 발달 (ex. 크로메이트 처리 ) 로 내식성 수배 ~ 십수배 향상가능 3. 크로메이트 (Chromate) 내식성 순서 : 국방색 > 흑색 > 자연색 ( 무지개색 ) > 백 색 4. 내식성 평가 : 중성 염수분무시험 (SST) 으로 5% 염수를 연속분무 시 최소 96 시간 이상 아연 아연 -- 니켈도금 니켈도금 (Zn-Ni (Zn-Ni plating) plating) 5. 크로메이트 후처리로 인한 +3 가 /+6 가로 도금 분류 +6 가는 환경규제로 사용하지 • 않음 일반 아연도금 대비 가혹한 환경에 월등한 내식성 ( 니켈 5∼10% 함유한 합

•

금) 내식성 향상을 위해 15 ㎛ 혹은 20 ㎛ ∼ 25 ㎛로 두껍게 도금 후 녹색 크로메이트를 실시 하기도 함 ( 비용상의 제약 , 정밀도상의 제약이 있슴 )

1. 2. 3. 4.

알루미늄 부품과 가장 낮은 접촉 부식성 제공 . 아연 - 니켈은 아연의 특유의 자기희생 부식 작용을 유지 . 도금 층의 경도가 높음 . 유색 크로메이트 처리 시 , 염수분무 2,000 시간 이상에서도 적청의 발생 없음 . 5. 내열성이 뛰어나 가열 처리 뒤에도 내식성이 우수함 . 니켈 도금 (Ni plating) •

밀착성 , 내식성 , 경도와 유연성 양호하며 백색을 띰 / 보통 5 ~ 10 ㎛ 도금 두

께 1. 변색이 적고 방청력 우수 / 은백색 장식용으로 사용 3. 질산에 박리되며 , 황산과 염산에 약간 녹음 4. 내식성 , 내마모성 , 납땜성이 우수

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Chromat e Zn Fe

무전해 니켈 도금 (Ni Electroless plating) • 전기대신 환원제를 전자의 공급원으로 하는 화학작용에 의한 도금방법 1. 경도가 HV450∼550, 열처리하면 HV650∼1000 가능 . 2. 복잡한 형상부품에 균일한 도금 가능 . 3. 열처리 적정두께 25 ㎛ · 최소도금두께 5 ㎛ ( 일반도금두께 ) 4. 내열성 : 300℃ 이상 사용가능하나 경도 떨어짐 / 내식성 : 산 , 알카리에 비교적 양 호. 6. 적용재질 : 철강 , 스테인레스 , 동 , 합금강 , 프라스틱 , 알루미늄 합금 인산염 인산염 피막 피막 (( 또는 또는 흑피막 흑피막 ,, Phosphate Phosphate coating, coating, Parkerizing) Parkerizing) • 도장하지 , 내식성 용도로 사용되고 있는 일종의 화성피막 1. 중성염수분무시험 (ASTM b 117) 을 실시 , 24 시간 동안 견디어야 함 . 2. 도장 하지용으로 사용할 경우 습기와 수분에 대한 내식성 증가 및 부식퍼짐 억제가능 . 3. 내식성 증가 위해 방청유나 WAX 등 후막 ( 厚漠 ) 을 덧붙여 사용하기도 함 4. 인산 아연계 (z 형 ) : 연회색 ~ 진회색 / 도장하지용 , 냉간성형 , 내마멸성 , 내식성이 좋 음. 5. 인산 망간계 (M 형 ) : 흑갈색 / 피막내의 MnO₂ 량에 따라 갈색이 짙어짐 / Zn 계에 비해 처리 비용이 많이 드나 두꺼운 피막 가능 / 내마모성 개선 흑착색 흑착색 (( 또는 또는 알칼리 알칼리 흑착색 흑착색 ,, Black Black Fast, Fast, BL BL Oxide) Oxide) • 피막을 입힘으로써 치수가 커지게 되면 안 되는 활동부품 (Sliding Part) 에 특히 적합 1. 알칼리염 처리 / 내부식성은 양호하지 못함 / 전후 치수 변화가 극히 적어 정밀 부품 방청 2. 표면이 흑색이므로 장식용이나 광선 반사 감소용으로 주로 사용 3. 흑착색과 흑피막의 차이 - 흑착색 : 알카리염 처리 / 150℃ 용액에서 5~10 분간 처리 / 무광 - 흑피막 : 인산염 처리 / 100℃ 용액에서 5~10 분간 처리 / 유광

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크롬도금 (Chrom plating) 장식 크롬도금 - 색상이 아름답고 내마모성과 내식성 우수 / 도금두께가 0.5 ㎛이하 • 경질크롬도금 - 경질크롬도금의 경우 도금욕의 성질이 대단히 나쁨 ( 타 도금에 비해 음극전류효율이 10-20% 정 도) - Hv700 ~ 1.000 의 고경도 가능 / 염산 외의 산에 부식이 안 됨 / 물질이 쉽게 분리되는 이형성 우 수 동 도금 (Cooper plating)

•

• 철 (Fe), Zn Diecast, Al 제품의 하지 도금으로 널리 사용 • 하지 도금이란 금속표면에 최종도금을 하기 전 , 도금물질과 소지의 밀착성이 좋지 않을 경우에 그 사이에 최종도금을 하기 위한 목적으로 도금해주는 것을 말함 ( 예 , Fe 에 Cr 도금이 잘 되지 않으므로 Cu 를 먼저 도금한 다음 Cr 도금을 함 ) 용융 용융 아연도금 아연도금 (Hot (Hot Dip Dip Galvanizing) Galvanizing) 치밀한 보호피막을 형성 , 가장 이상적인 방식특성을 갖고 있음 아연을 고온 (460℃ 부근 ) 에서 가열하여 녹인 용탕에 시편을 넣은 후 냉 각 통상 도금두께 40 ~ 80 ㎛ 정도 : 약 40 ㎛ (M10 미만 ), 약 55 ㎛ (M10 이상 ) • •

치밀한 & 두꺼운 보호피막 , 아연의 희생적 방식작용→해수환경에 적용 ! 경량품에서 중량품까지 도금 조에 침적 가능한 제품은 모두 도금이 가능 모재의 산화층과 아연이 뒤섞인 복합층 존재로 모재와의 결합력 우수 긴 내부 , 가느다란 절곡형태 등 보이지 않는 부위에도 도금 가능 . 크로메이트등 화상처리 하지 않고 방청용도유 처리제를 사용 . 법규상 필요한 도장 또는 주변과의 조화를 위해 다양한 페인트 처리가 가능 .

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다크로 (Dacro) 다크로 수용액을 금속표면에 도포한 후 열풍으로 건조시켜 다크로 피막 형성 다크로 원료는 아연과 알루미늄 금속분말 (Zinc Flake) 과 금속산화물 (Matrix) 및 기타 유기물로 조성된 수용액 → 아연의 자기희생 보호작용 + 부동태화 ( 크롬폴리머 )+ 장벽작 용 • 특징 1) 내식성 : SST 500 시간 이상 피막 두께 : 6 ㎛ 이상 • •

(KSD 9502, ASTM B-117) 2) 내열성 - 다크로 피막은 고온에서 장시간 견딤 / 전기아연도금은 100 도에서 크로메이트피막 파 3) 내상처성 괴 4) 수소취성에 강함 5) 복잡한 형상에도 안정적인 코팅 6) Al 과 접촉부식에 우수 7) 물 사용 공정 無 → 폐수 발생 無 → 경제성

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지오매트 지오매트 도금 도금 (Geomet (Geomet Plating) Plating) •

크롬을전혀 포함하지 않는 세계 최초의 수성 방청제를 사용한 친환경적 피막제

• •

무광 은백색의 내식성 화성피막제 / 기본색상은 은색 / 광범위 한 사용 분야 특징

1) 친환경성 - 용제형이 아닌 수용성 - 크롬 無 ( 황색의 6 가 크롬이 석출되지 않음 ) → 환경규제에 부합 2) 우수한 내식성 - 얇은 도금두께 (6~10 ㎛ ) 에도 염수분무테스트 (SST) 1,000 시간 이상 보증 3) 나머지는 다크로와 동일

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(Zn+Al)

무기질 바인더

매그니 매그니 도금 도금 (Magni (Magni Plating) Plating) •

Base 코팅 ( 유 , 무기 수지가 독특하게 배합 ) 과 Top 코팅 ( 에폭시 수지와 알루미늄 함유 ) 의 이중 코팅 시스템으로 구성

•

친환경성 ( 크롬 無 특수 Zinc 코팅 ) / 6~10 ㎛에도 염수분무테스트 (SST) 1,000 시간 이상 경제성 / 수소취성에 강함

테프론 & 자일란 코팅 (Tefron&Xylan Coating) •

불소수지를 도료화하여 페인트처럼 표면에 적당량 스프레이 후 일정한 온도로 가열 , 소 성을 거쳐 비활성의 단단한 코팅 층을 형성

• 불소수지의 특징 : 비점착성 / 내열성 (-260℃~+260℃) / 모든 화학제품에 안정성을 보임 / 기계설비의 보수시간이 단축되어 생산성 향상 / 마찰계수는 일반적으로 0.5 ～ 0.20 71

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내식성

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Corrosion Resistance

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내식성 시험 규격 시험법

적용규격

SSC Test (Sulphide Stress Corrosion)

NACE TM0177

CSC Test (Chloride Stress Corrosion)

ASTM G36

용

H2S Gas 와 응력 환경 염화물 ( 해수 ) 과 응력 환경

Pitting Corrosion Test

ASTM G48 Method A 산화염화물 노출 환경

Crevice Corrosion Test

ASTM G48 Method B 산화염화물 노출 환경

HIC Test (Hydrogen Induced Corrosion) IGC Test (Inter Granular Corrosion)

내

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NACE TM0284

수소취성 , 수소원조균열 , 수소 응력균열

ASTM A262

입계부식 확인 고온에서 C, Cr 결합에 의한 내 부식성 저하

PRE & CR Vale PRE (Pitting/crevice Resistance Equivalent value in chlorides)

- 재질의 화학적 성분비로 공식 (Pitting Corrosion) 에 대한 저항도를 계산한 값 - PRE = % Cr + 3.3 x %MO + 16 x %N Material(Grade)

Cmax

Cr %

Mo %

PRE value

ASTM 304(A2)

0.08

18.0~20.0

18.00~20.00

ASTM 316(A4)

0.03~0.08

17.0

2.1

0.04

316L HiMo (Bumax 88)

0.03

17.0

2.7

0.04

CR value (Corrosion Rate value)  일반적으로 CR ≤ 3 ⇒ 10 년간 해수에 노출되어도 부식이 거의 없다고 판단 ( 직사광선 , 해수 , 해풍 등 모든 자연조건 포함 )

CR3 영역 : 10 년간 해수에 부식이 없는 한계구간

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INCONEL/HASTELLOY /MONEL Duplex

Stainless Steel & 내열성 체결요 소

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특수강의 분류

구조용강 , 베어링강 , 스프링강 , 스테인레스강 , 내열강 , 공구강

Ni base 합금 : Inconel, Hastelloy, Monel, Incoloy 내열강

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Ni 첨가에 따른 조직 변화

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특수강의 합금 원소 영향 합금원소

스테인레스 스틸

C 함량↓ 내식성 향상 , 강도 감소 C 함량↑ 강도 및 경도 증가 탄소 (C) Austenite 계 예민화 현상 발생 부통태 피막형성 : Cr 12% 이상 크롬 (Cr) Cr-Ni 계 기계적 성질 및 내식성 향 니켈 (Ni) 상 Cr-Ni 계에서 부동태 특성 강화 몰리브덴 (Mo) (Cr 대비 3 배이상 ) 고용강화로 강도 향상에 기여

구리 (Cu) 티타늄 (TI) 나이오비윰 (Nb) 망간 (Mn) 질소 (N) 79

내열강 Cr 화합물 형성으로 강도 향상 산화피막 형성 , 내산화성 향상 Cr 과 함께 내산화성 향상 고온강도 향상

Mo 과 상호작용하여 내식성 향상 오스테나이트계 입계부식 방지

석출에 의한 고온강도 향상

오스테나이트 조직의 안정화 오스테나이트 조직의 안정화 ( 내식 성 ), 고온 강도 증가 ( 고용강 화 )=>Duplex

텅스텐 (W) www.lock-one.kr 알루미늄 (Al)

Cr 화합물 형성으로 강도 향상 석출경화로 고온강도 향상 79

산화물 보호 피막

스테인리스 & 내열강 합금조성 비교 구 분

STS 316L Duplex STS 316L (Bumax88 (Bumax109) (SA2205) )

Inconel Hastelloy Titinium 625 C-276 Gr2

Monel 400

C (%)

0.03 이하

0.1 이하

0.02 이하

0.08 이하

0.3 이하

Mn (%)

2.0 이하

0.5 이하

1.0 이하

2.0 이하

14.5~16.5

Cr (%) 16.5~18.5

16.5~18.5

21.5~23.0 20.0~23.0

Ni (%) 11.0~14.5 11.0~14.5

4.5~6.5

58 이상

57 이상

63 이상

Mo (%) 2.5~3.0

2.5~3.0

2.5~3.5

8.0~10.0

15.0~17.0

N (%)

0.14~0.2

0.5 이하

Cu (%)

28~34

Al (%)

5.5~6.75

V (%)

3.5~4.5

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0.35 이하

볼트 , 너트 표면처리에 따른 내식성 Phosphated( 인산염 ), Black oxide( 흑색피막 ) Nickel galv.( 니켈아연 )

내

Chromium( 크롬 ) Zinc + Blue chromate( 아연 + 황색 크로메이트 ) Mechanical Zinc Plated( 아연도금 ) Zinc + Black Chromate( 아연 + 흑색 크로메이트 )

식

Zinc + Yellow Choromate( 아연 크로메이트 ) Stainless A1( 황성분 포함된 절삭가공 ) Dacromet 320( 다크로처리 )

성

Delta Tone( 아연분말 코팅 ) Hot Dip Galvanized( 용융아연도금 ) Stainless A2( 크롬 , 니켈 포함된 냉간단조 ) Stainless A4( 크롬 , 니켈 , 몰리브덴 포함된 냉간단조 )

Ni Base 합금 (Duplex, INCONEL, HASTELLOY, MONEL 등 81

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Part III 세계 최고 강도 스테인레스 볼트 & 너트

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* 화스너 (볼트너트) 설계의 문제는 이런 위험들을 발생시키며 , 모두 큰 비용낭비로 이어 집니다.  (1)

작업비용, (2)

유지보수비용, (3) 하자보수비용

가스리킹 화재 부식발생에 의한 체결력저하 강도부족에 의한 파단

응력부식균열 피로파괴

수소취성 파괴

고착현상

* 그 외에도 많은 체결요소 기술문제들이 있습니다 83

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* Bumax 는 스텐레스볼트에 SCM 의 강도 가 더해진 고강도 복합기능 볼트이며 , 설계상의 모든 어려움을 해결합니다 !!!

내식성만 카바하는 일반 A4 볼트는 고강도 체결이 요구되는 Applications 에서 많은 사고를 유발합니다 . 이 문제를 해결하기 위하여 ASTM 은 B8M Class-2 를 , ISO 는 A4-80 을 규정 하고 , 기계장비 조립생산에 강력하게 요구하고 있습니다 . 1. BUMAX 는 316L 스텐레스 볼트가 강도에 취약한 문제를 해결하여 , 8,8, 10.9 등급의 고강도가 가능하게 하였으며 , ( 세계최고의 A4-80, A4-100 볼트 ) 2. 또한 , 고열에도 잘 견디고 , 비자성이라 자성에 민감한 방산장비류에도 적용될수 있고 , 고착현상이 방지되어 유지보수를 용이하게 합니다 .

Bumax 는 전세계 유일한 복합기능형 스텐레스 볼트너트 입니다 . Bumax A4-80 볼트는 설계상의 모든 어려움들을 한꺼번에 해결합니다 !!! 84

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Bumax 재질

구조용강 , 베어링강 , 스프링강 , 스테인레스강 , 내열강 , 공구강

Ni base 합금 : Inconel, Hastelloy, Monel, Incoloy 내열강

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스테인리스 & 내열강 합금조성 비교 구 분

STS 316L STS 316L [Bumax88] [Bumax109]

Duplex (SA2205) [Bumax DX]

Inconel 625

[Bumax HEP]

Hastelloy C-276

Titinium Gr2

Monel 400

C (%)

0.03 이하

0.1 이하

0.02 이하 0.08 이하

0.3 이하

Mn (%)

2.0 이하

0.5 이하

1.0 이하

2.0 이하

Cr (%) 16.5~18.5

16.5~18.5

21.5~23.0

20.0~23.0

14.5~16.5

Ni (%) 11.0~14.5

11.0~14.5

4.5~6.5

58 이상

57 이상

63 이상

Mo (%)

2.5~3.0

2.5~3.5

8.0~10.0

15.0~17.0

N (%)

0.14~0.2

0.5 이하

Cu (%)

28~34

Al (%)

5.5~6.75

V (%)

3.5~4.5

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0.35 이하

Bumax 강도  볼트 재질 별 강도 비교

BUMAX 88

ISO 등급으로 8.8 등급을 보장

BUMAX 109

ISO 등급으로 10.9 등급을 보장

1800 1600

MPa (N/mm2)

1600

인장강도 (Rm) 항복강도 (Rp)

1440

1400 1200 1000 800

800

880

800 640

600

792

790

600 450

550

400

470

356 240

200 0

Bumax 88

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Bumax Ultra A4-80 (STS316) DUPLEX (SA2205) INCONEL

625 HASTELLOY C-276 MONEL

400 TITANIUM

220

2종

 Bumax® 제품별 강도 Grade

Dimension

Strength class

Tensile strength Rm, min(MPa)

Yield strength Rp0.2, min(MPa)

Elongation, min(mm)

BUMAX 88

M3 - M36

800

640

0.3 d

BUMAX 109

M3 - M16 >M12

109 109

1000 1000

900 800

0.2 d

BUMAX Nitro

≤ M42

109, 129

1000, 1200

900, 1080

0.2 d

BUMAX SA

≤ M42

88, 109

800, 1000

640, 800

0.2 d

BUMAX LDX

≤ M42

88, 109, 129

800, 1000, 1200

640, 900, 1080

0.3 d

BUMAX DX

≤ M42

88, 109, 129

800, 1000, 1200

640, 900, 1080

0.3 d

BUMAX SDX

≤ M42

88, 109, 129

800, 1000, 1200

640, 900, 1080

0.3 d

BUMAX HDX

≤ M8

88, 109, 129

800, 1000, 1200

640, 900, 1080

0.3 d

BUMAX Ultra¹

≤ M16

149, 159, 169

1400, 1500, 1600

1260, 1350, 1440

0.2 d

¹ Bumax Ultra 는 고객 Need 에 따라 치수 , 디자인 , 강도 ( 최대 2500MPa) 주문 제작 가능

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 고강도 스테인레스 볼트 제조 기술 

역사성과 우수한 원재료 → 미량원소 및 슬래그 등 불순물 함량 최소 화

 Bulten 社 만의 품질우선주의 가공 기 술

- 반복 인발 및 저속 전조 가공 → 가공경화 → 고강도 확보

 가공경화 (Work hardening) - Austenite 조직은 열처리 경화 불가능 → 가공경화로 항복강도 증가 ! - 냉간 가공으로 치밀한 조직 획득 → 강도 강화 !

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 반복 인발  Chamfering

 다단 냉간 성형

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 저속전조

Bumax 내식성

 Bulten 社 만의 우수한 제강 및 표면처리 기술 → 해수 내식성 우수 !  일반 STS316L(A4) 대비 높은 PRE Value 및 낮은 CR(≤3) Value  PRE (Pitting/crevice Resistance Equivalent value in chlorides) - 재질의 화학적 성분비로 공식 (Pitting Corrosion) 에 대한 저항도를 계산한 값 - PRE = % Cr + 3.3 x %MO + 16 x %N < A2, A4 및 Bumax 88 PRE 값 비교 >

Material(Grade)

Cmax

Cr %

Mo %

PRE value

ASTM 304(A2)

0.08

18.0~20.0

18.00~20.00

ASTM 316(A4)

0.03~0.08

17.0

2.1

0.04

316L HiMo (Bumax 88)

0.03

17.0

2.7

0.04

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 CR value (Corrosion Rate value)  일반적으로 CR ≤ 3 ⇒ 10 년간 해수에 노출되어도 부식이 거의 없다고 판단 ( 직사광선 , 해수 , 해풍 등 모든 자연조건 포함 )

INCONEL/HASTELLOY /MONEL

CR3 영역 : 10 년간 해수에 부식이 없는 한계구간

92 Duplex

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 해수에 장기간 노출되는 조선 / 해양구조물에 최적 대안 !  Bumax 제품별 화학조성 및 PRE 값 Product (Grade)

Micro Structure

C max Cr

BUMAX 88/109 1.4432/36/35 S31603

Austenite

0.03

11.5 2.7

BUMAX Nitro

S31675

Austenite

0.035

20.5 10

2.4

N 0.4

0.01

6.2

N, Cu

21.5 1.5

0.3

N 0.22, Mn 5 26

UNS

Other

PRE

BUMAX SA

1.4547

S31254

Austenite

BUMAX LDX¹

1.4162

S32101

Ferrite-Austenite

BUMAX DX

1.4462

S31803, S32205

Ferrite-Austenite

0.03

5.2

3.2

N 0.18

BUMAX SDX

1.4410

S32750

Ferrite-Austenite

0.03

N 0.3

BUMAX HDX

1.4658

S32707

Ferrite-Austenite

0.03

6.5

4.8

N 0.4, Co

S46910

Martensite

0.02

Al, Ti, Cu

BUMAX Ultra BUMAX HE

1.4980

S66286

Austenite

0.08

1.5

Ti, V

BUMAX HEP

2.4952

N07080

Austenite

0.10

>65

Al, Ti, Co

¹ Bumax Lean Duplex 표준은 EN1.4162(PRE 26) 이나 EN1.4661(PRE 33) 도 공급가능 !

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 Stress Corrosion Cracking(SCC, 응력부식균열 ) 에 강함 

응력부식균열 (Stress Corrosion Cracking) 이 란 ? - 응력집중 → 미세한 표면의 흠 발생 및 성장 → 부동태피막 ( 산화크롬 ) 이 파괴 → 염소이온 수용액이 Austenite 와 반응 → 공식 (pitting) 발생 및 증가 - 응력집중 +Cl 수용액 +Cr 함유재질 => SCC 발생확 률↑

SCC 발생으로 파괴된 Duplex 볼트 및 파단면

SCC 발생이 없는 Bumax® 볼트

 일반 STS316L(A4) 대비 고량의 Cr 및 Mo 함유로 견고한 부동태 피막 형성 및 유 지

 나사산 가공 시 저속 전조가공으로 잔류응력의 최소화 및 치밀한 조직의 나사산 형 성 94

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Bumax 내산성 ( 내화학성 )  일반 STS316L(A4) 대비 우수한 내화학성을 지님 

일반 STS316L(A4) 대비 고량의 Cr 및 Mo 함유로 견고한 부동태 피막 형성 및 유지



저속 전조가공으로 잔류응력의 최소화 및 치밀한 조직의 나사산 형성

 내화학성 테스트  농도 20% 및 온도 50℃ 의 황산 용액에 1 년간 담가 표면부식 정도를 확인 황산 용액 농도 (%) Material

10%

20%

비고 (20% 기 준)

STS 304 (A2)

1.08

3.00

견디지 못함

STS 316, 316L (A4)

0.32

1.30

1.3mm 부식

0.44

0.44mm 부식 (A4 대비 1/3 수 준)

STS 316L HiMo (Bumax)

내화학 성 95

0.04

Bumax® 는 일반 STS316L (A4) 대비 3 배 이상 내화학성 이 우수 함

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내식성 & 내산성 종합 (Field Test) Product (Grade)

Urban

Marine, salt water

Sulphuric acid (H2SO4) at 50°C

Hydrochloric acid (HCl) at 50°C

High

Low

High

0.1%

10%

30%

BUMAX 88/109

△

BUMAX Nitro

△

BUMAX SA

BUMAX LDX

△

BUMAX DX

△

BUMAX SDX

BUMAX HDX

BUMAX Ultra

△

O 부식이 발생하지 않음 X 부식 발생 가능 높음 △ 부식 가능성 있으나 환경 , 디자인 , 유지보수 등에 따라 적용 가능 Low 온화화 조건 , 저온 / 저농도 High 가혹한 조건 , 고온 / 고농도

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Bumax 비자성  투자율 (Permeability) Km 이 1.000 이면 완전 비자성체로 Bumax 88 은 Km 이 으로 비자성체로 취급 1.006 저속 전조가공으로 잔류응력 최소화 및 자성제거 처리  재질별 투자율 재 질 투자율 (Km)



1.006

1.007

1.800

강자성

1.0006

1.002

약자성

1.0001

일반 STS(A2, A4) 제품은 제조과정에서 자성을 지니는 경우가 많아 조선해 양 산업 분야에서 문제가 되는 경우가 많음

비자성

BUMAX BUMAX A2-70 DUPLEX INCONEL HASTELLOY MONEL TITANIUM 2종 88 109 (STS304) (SA2205) 625 C-276 400

Bumax® 는 비자성과 함께 여러 특 성 요구되는 특수 산업 분야 최적 대 안!

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Bumax 내열성

 일반 STS316L(A4) 대비 우수한 내열성을 지님  A4 80 은 400℃ 초과 영역에서는 기계적 성능이 보장되지 못하나 Bumax(88,109) 는 600℃ 에서 85% 이상의 기계적 성능 ( 인장 및 항복강도 ) 을 보장 함  A4 80 과 Bumax 의 온도에 따른 항복강도 변화 비교 Materials

Remaining Yield strength (Mpa) 100ºC

200ºC

300ºC

400ºC

500ºC

600ºC

A4 80(316)

380

360

340

320

BUMAX 88

620

600

570

540

500

450

BUMAX 109

890

860

800

730

620

490

PED 기준

510

480

450

420

비고

600ºC 사용 가능

 고가의 내열합금 대비 적정 수준 내열성 보장으로 경제성 확보  Bumax 는 등급별로 -200℃ 에서 800℃ 까지 사용 가능 함

 Bumax HE(Heat) 는 700℃, Bumax HEP(Heat Plus) 는 815℃ 까지 사용 가능 98

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 고온 환경에서의 Stainless Steel 특징  Aging 으로 인한 연성 감소 / Creep Deformation / Gas Oxidation / 저하  강도 Bumax HE(Heat) 와 HEP(Heat Plus) 는 고온환경에 최적화 된 Grade 로 위의 문제를 해 결!

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 온도에 따른 물리적 성질 Product (Grade)

Thermal expansion , mean values in temperature ranges (x10-6) per °C 20 to 100℃

20 to 200℃

20 to 300℃

20 to 400℃

20 to 500℃

20 to 600℃

Magnetic permeability

BUMAX 88

16.5

17.5

1.006

BUMAX 109

16.5

17.5

1.007

15.5

16.5

1.003

BUMAX Nitro 15 BUMAX SA

16.5

1.003

BUMAX LDX

12.5

13.5

14.5

100

BUMAX DX

12.5

13.5

14.5

100

BUMAX SDX

12.5

13.5

14.5

100

BUMAX HDX 12.5

13.5

14.5

100

BUMAX Ultra 11.5

12.5

1000

BUMAX HE

16.5

17.5

1.007

BUMAX HEP

13.5

1.001

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고가 내열합금과의 사용 가능 온도 비교 1000 900

ºC 825

800

800 700 600

600

500

538

500

480

400

250

300 200 100 0

Bumax (88/109) Bumax HEP A4-80 (STS316) DUPLEX (SA2205) INCONEL HASTELLOY 625 C-276 MONEL

TITANIUM 400

 A4 80 은 400℃ 초과 영역에서는 기계적 성능이 보장되지 못하나 Bumax(88,109) 는 600℃ 에서 85% 이상의 기계적 성능 ( 인장 및 항복강도 ) 을 보장 함 10 1

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2종

Bumax 극저온성

극저온 (cryogenic / below -150 ℃ ) 환경에서의 Steel  

취성화 → 미세조직 , 화학성분 , 내부응력 등에 의해 결정 오스테나이트 Stainless Steel 이 듀플렉스 , 페라이트 및 마르텐사이트 Stainless Steel 보다 우수한 저온성질 (impact energy) 을 지님

 Bumax 의 우수한 극저온성

 4K(-269℃) / M20-110 / 인장 테스트 (EN ISO 3506-1 : 1997)

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 4K(-269℃) / M20-110 / 토크 테스트 (ISO 4014)

Cryostat( 저온유지장치 )

극저온 성

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Bumax® 는 극저온 특성과 함께 고장력이 필요한 특수 산업분야 ( 극저온 LNG 등 ) 최적 대안 !

Bumax 항고착  고착현상 (Galling)

연질의 마찰계수가 높은 동종금속

 

불균일한 나사면

빠른 속도의 체결



특수 전조 가공 ( 표면 조도 향상 ) 고착방지 화학처리 마찰계수 저하 / 고착원인 제거 

10 5

국부적인 또는 전체적인 심한 마찰 즉 , 온도와 압력이 극심해지는 순간 발 생.

나사의 표면거칠기가 결정적 발생 원인 일반 스테인레스 강의 고질적 품질 문제 → 조립비용 상승의 주된 원 인!

 Bumax 의 항고착성 

나사부에 잔존한 Chip, Burr, 이물질

고착 방지 / 작업성 향상

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

일반 STS(A2, A4) 와 Bumax 의 마찰계수 비교

0.5 0.4

0.47

마찰 계수

0.42

0.36

A4-80

0.3 0.2

0.18 0.11

0.1 0

BUMAX 88

0.2

0.08 0.02 0.01

THREAD

HEAD

TOTAL

BUMAX 109

* 조립비용 절감 사 례 업체명

반도체 / 화학플랜트 업종 다 수

구분

기존상황 ( 고착현상 )

개

• STS 볼트 (A2, A4) 를 윤활까지 해서 적용하였으나 고착현상 발생

비용 절감

• 고착현상 발생으로 상당한 유지

요

보수 비용 발생

사진 자료

106

전조가공 / 항고 착

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대상

반도체 / 화학플랜트 장비 개 선

• 항고착성이 우수한 고강도 Bumax(STS 316L) 볼트로 교체 후 고착현상 제거 • 전조가공 볼트 / 고착방지 화학처리 / 가공경화로 고강도 확보 •고착에 의한 볼트교체작업비용 및 관련 손 실 제거

기 술 검 토

• STS 볼트 (A2, A4) 의 고질적 고착문제를 고강 도 스테인레스볼트 적용 으로 해결

Bumax 피로한도  우수한 원소재 및 가공 ( 반복 인발 및 저속 전조가공 ) 법으로 피로한도 보증  

게재물 함량이 낮음 / 표면 특성이 우수 / 높은 항복 강도 → 우수한 피로한도 확보

A4-80 과 부막스 피로한도 비교 (S-N Diagram , M6x50 ISO 4017)

Bumax DX Bumax 88 A4 80

10 7

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10 8

No.

Industry Application

Grade

Customer

Country Remark

기타

Balder Rollercoaster at Liseberg

Liseberg

Sweden

조선해양

Water Jet

Rolls Royce

Sweden

조선해양

Water Jet

Doosan Heavy Industries Korea

조선해양

Submarines

TKMS

Germany

조선해양

Volvo Ocean Race

DX,88

ASSA Abloy

Sweden

조선해양

Cargo pump system

88,109,SA Frank Mohn

Norway

조선해양

Thruster

Brunvoll

Norway

조선해양

Propeller blade bolts

Wärtsilä

Finland

조선해양

Anti vibration system for boats

109

GKN

Germany

조선해양

Aluminum boats

Linder

Sweden

풍력

Offshore Windfarms

Weserwind

Germany

풍력

Offshore Windmill

Alstom

North Sea

풍력

Windmill

Gamesa

Spain

원자력

Fusion reactor

Max Planck

Germany

원자력

CERN, Particle accelerator

109

CERN

FRA, CN

www.lock-one.kr 10

10 9

기타

Road signs

109

Euroskilt

Norway

조선해양

Subsea fiber optic transmission

HDX

Siemens

Norway

자동차

Turbocharger

N80A

Ford

High Ni-Cr, 815°C

기타

Swimmingpool

원자력

Nuclear power plant

OGT

Sweden

석유화학

Petrochemical plant

Hyosung

Korea

펄프제지

Pulp and paper industry

Metso

Sweden

PED approved

기타

Water pumps

Xylem

Sweden

담수화

Desalination plant

Jebel Ali, Taweela

UAE

기타

Dishwasher

Hard

Arcelik

Turkey

Self tapping screw

조선해양

Wig Craft

Wingship Heavy Industries Korea

조선해양

Satellite Antenna for Marine

Intellian

Korea

항공우주

Satellite system

Satreci

Korea

방위산업

Electronic system for defense

Samsung Thales

Korea

기타

Locking system

Ultra

Abloy

Finland

조선해양

Rig applications

Seldén

Sweden

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Part IV 풀림 방지용 Solution LOCK-ONE

110

11 www.lock-one.kr

LOCK-ONE 볼트란 ? 볼트의 나사산은 일반볼트와 달리 나사산에 홈 (SLOT) 을 가공함으로써 체결시 볼트의 나사산 측면과 암나사 측면이 스프링 와셔를 끼워 넣은 것 처럼 용수철 같은 구조로 강한 결합력을 가지면서 체결되어 강력한 풀림 방지 효과를 발휘하는 볼트

11 1

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일반 볼트 vs LOCK-ONE 볼트 일반볼트

11 2

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LOCK-ONE 볼트

LOCK-ONE 볼트의 특징 LOCK 기능을 자체 보 유 볼트와 너트 체결 시 볼트 나사산의 두

갈래로 나누어진 부분이 마치 2 개의 스프링 와샤를 끼워 넣은 것 처럼 너트 를 양쪽으로 밀어주고 너트의 나사산 안쪽가지 꽉 들어차는 효과와 너트의 암나사가 볼트의 용수철 구조의 나사산 을 밀착하여 감싸 줌으로써 LOCK 기능을 스스로 보유

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재사용 가능 볼트의 나사산에 양쪽으로 벌어져 있는 산이 체결 시 적절하게 움직여 주며 너트의 암나사를 밀어주는 작 용을 하고 , 풀었을 때 원래 위치로 돌아가게 되어 재사용이 가능

효율성의 극대화 일반적인 LOCK 볼트는 추가적으 로 와샤나 접착제로 풀림을 완화시 키지만 LOCK-ONE 볼트는 단일 재 질로 가공함으로써 다른 추가적인 물질 불필요 <LOCK-ONE 볼트 사용 >

조임 토크의 증가 일반볼트는 체결시 볼트의 첫째 산 과 둘째 산에만 힘이 집중되는 반 면 , LOCK-ONE 볼트는 잠기는 힘 이 모든 산에 걸려 나눠지므로 상대 적으로 잠기는 힘이 50% 이상 증 가

< 일반볼트에 접착제사용 > LOCK-ONE 볼트

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일반볼트

작업효율성의 증대 LOCK-ONE 볼트는 사전에 접착제 나 특수한 표면처리 또는 다른 작업 이 필요 없이 바로 사용 가능

작업성 향상을 위한 복 합 스크류 채용 LOCK-ONE 볼트는 작업자가 볼트 를 손쉽게 조립할 수 있도록 볼트의 끝부분 ( 첫째 산 , 둘째 산 ) 은 일반 나사산을 적용하여 조립시 체결성 향상

일반나사 산

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LOCK-ONE 나사 산

진동시험 결과 비교

11 6

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LOCK-ONE 너트 작동 원리

11 7

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LOCK-ONE 너트 풀림 시험

11 8

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LOCK-ONE 너트 작업성

싱글너트와 거의 동일한 탈착 시간 , 3 회 이상의 동일 성능 반복체결 가능 11 9

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LOCK-ONE 와샤 작동 원리

특성 ( 볼트의 나사부에 작용하는 "LOCK ONE" 의 긴축 힘) 12 0

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LOCK-ONE 와샤 작업성

소켓 렌치에 의한 설치 방법

손에 의한 설치 방법

12 1

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LOCK-ONE 와샤 풀림 시험

실험 전

실험 후

일반너트 + 락원와샤 일반너트

실험 전

12 2

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실험 후

LOCK-ONE 와샤

12 3

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동영상

감사합니다

12 4