KR101136093B1 - 표면합금층을 갖는 비철금속재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비철금속으로 이루어진 모재의 표면결함을 낮추고 피로강도 및 표면경도를 향상시킬 수 있는 표면합금층을 갖는 비철금속재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 이를 위해, 비철금속으로 이루어진 모재를 마련하는 모재마련단계; 상기 모재 보다 낮은 경도로 이루어진 아연재의 구형쇼트볼을 제공하는 볼제공단계; 상기 구형쇼트볼을 모재의 표면을 향해 0.1~0.4㎫의 압력으로 분사하는 분사단계; 상기 구형쇼트볼이 모재의 표면입자와 결합되면서 물리적구조가 변화되어 모재의 표면으로부터 미세결정립구조의 표면합금층을 형성하는 합금화단계;를 포함하여 표면합금층을 갖는 비철금속재를 제조하는 것이다.

Description

표면합금층을 갖는 비철금속재 및 그 제조방법{NONFERROUS METAL AND PROCESS THEREOF}

본 발명은 표면합금층을 갖는 비철금속재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비철금속으로 이루어진 모재의 표면결함을 낮추고 피로강도 및 표면경도를 향상시킬 수 있는 표면합금층을 갖는 비철금속재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 쇼트피닝(shot peening)은 원심력이나 압축공기에 의해 조그마한 강철입자를 금속재로 이루어진 모재의 표면으로 강하게 분사하여 표면을 처리하는 가공방법 중의 하나이다. 따라서 쇼트피닝은 모재의 표면에 가공경화를 발생시켜서 피로강도를 향상시키므로 피로수명을 증가시키고 강도를 향상시키는 동시에 모재의 경량화에 의한 에너지절감을 기대할 수 있는 장점이 있다.

그러나 일반적인 쇼트피닝은 모재에 비해 경도가 높은 강철입자를 고압가스에 의해 모재의 표면에 강제로 침투시킴에 따라, 오히려 모재의 표면조도가 저하되어 표면물성이 떨어지게 되는 문제점이 있었다. 즉, 쇼트피닝은 모재의 표면 결정립을 미세화하고 강화하여 피로강도를 향상시키며 마모특성을 제고시키데 그 목적이 있으나, 상술한 바와 같이 모재의 표면조도가 저하되면 표면상의 발생된 미세한 홈이나 크랙이 파괴의 출발점으로 작용함에 따라 피로강도가 낮아지고 내마모성 또한 현저히 떨어지게 되는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 비철금속으로 이루어진 모재의 표면에 합금층을 형성하여 표면결함을 낮추고 피로강도 및 표면경도를 향상시킬 수 있는 표면합금층을 갖는 비철금속재 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 표면합금층을 갖는 비철금속의 제조방법은, 비철금속으로 이루어진 모재를 마련하는 모재마련단계; 상기 모재 보다 낮은 경도로 이루어진 아연재의 구형쇼트볼을 제공하는 볼제공단계; 상기 구형쇼트볼을 모재의 표면을 향해 0.1~0.4㎫의 압력으로 분사하는 분사단계; 상기 구형쇼트볼이 모재의 표면입자와 결합되면서 물리적구조가 변화되어 모재의 표면으로부터 미세결정립구조의 표면합금층을 형성하는 합금화단계;를 포함하는 것이다.

여기서, 상기 모재는 알루미늄 또는 알루미늄합금으로 이루어지며, 이때 모재는 65~185Hv의 경도로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 상기 구형쇼트볼은 45~55Hv의 경도로 이루어지는 것이 바람직하며, 이때 상기 구형쇼트볼은 0.2~0.4mm의 직경으로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 표면합금층은 모재의 표면으로부터 150㎛의 깊이로 이루어진다.

다른 한편, 상기 미세결정립구조를 구성하는 미세결정립의 크기는 20~200㎚로 이루어지는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 표면합금층의 표면조도는 3~4㎛로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면합금층을 갖는 비철금속은 상술한 제조방법에 의해 제조된다.

상기와 같은 수단으로 구현된 본 발명에 따르면, 비철금속으로 이루어진 모재에 비해 경도가 낮은 아연재의 구형쇼트볼이 모재의 표면으로 분사되어 모재의 표면입자와 결합되면서 표면합금층을 형성하므로, 표면이 미려하고 조도가 우수하여 피로강도 및 내마모성을 향상시키는 동시에 경화되는 깊이를 깊게 형성하여 표면물성을 향상시킬 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 쇼트피닝장치를 도시한 예시도.
도 2의 (a)는 본 발명의 실시예에 의한 구형쇼트볼을 나타낸 이미지이고, (b)는 종래의 RCW쇼트볼을 나타낸 이미지.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 표면합금층의 미세결정립구조를 나타낸 이미지.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 표면상태를 나타낸 OM 및 SEM 이미지.
도 6은 본 발명의 실험예 1에 의한 그래프.
도 7은 본 발명의 실험예 2에 의한 그래프.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실험예 3에 의한 그래프.
도 10은 본 발명의 제조방법에 대한 공정도.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 따라 상세히 설명한다.

본 발명의 표면합금층을 갖는 비철금속재는, 비철금속의 모재 표면으로 모재 보다 낮은 경도로 이루어진 아연재의 구형쇼트볼이 0.1~0.4㎫의 압력으로 분사되어 물리적으로 결합되면서 모재의 표면으로부터 150㎛깊이로 이루어진 미세결정립구조의 표면합금층이 형성되는 것을 그 기술적인 사상으로 한다.

상기와 같이 구성된 표면합금층을 갖는 비철금속재의 제조방법은, 비철금속으로 이루어진 모재를 마련하는 모재마련단계(S10), 모재 보다 낮은 경도를 갖는 아연재의 구형쇼트볼을 제공하는 볼제공단계(S20), 구형쇼트볼을 모재의 표면으로 분사하는 분사단계(S30), 구형쇼트볼이 모재의 표면입자과 결합되면서 물리적구조가 변화되어 모재의 표면으로부터 150㎛깊이로 이루어진 미세결정립구조의 표면합금층을 형성하는 합금화단계(S40)를 포함하는 것을 그 기술적인 사상으로 한다.

모재마련단계(S10)는 저융점의 비철금속, 예컨대 알루미늄(aluminium) 또는 알루미늄합금(aluminium合金)과 같은 비철금속을 마련하는 단계로서, 이러한 모재의 경도는 65~185Hv로 이루어지는 것이 바람직하다. 특히, 모재의 경도가 65Hv미만으로 이루어지면 표면조도값이 현저히 나빠지게 된다.

볼제공단계(S20)는 모재 보다 낮은 경도를 갖는 아연(Zinc; Zn) 재질의 구형쇼트볼을 제공하는 단계로서, 이러한 구형(求刑)쇼트볼은 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 공처럼 둥근 형태로 형성되어 모재 보다 낮은 45~55Hv의 경도를 갖는데, 이때 구형쇼트볼의 직경은 0.2~0.4㎜로 이루어진다.

분사단계(S30)는 분사노즐을 이용하여 모재의 표면으로 구형쇼트볼을 분사하는 단계로서, 이때 분사되는 압력은 0.1~0.4㎫을 유지하는 것이 바람직하다.

상기 모재마련단계(S10), 볼제공단계(S20), 분사단계(S30)는 도 1에 도시된 쇼트피닝장치로 구현되는데, 이러한 쇼트피닝장치를 살펴보면, 구형쇼트볼을 공급하는 볼공급탱크(1)와, 볼공급탱크(1)에서 공급된 구형쇼트볼을 모재(10)의 표면으로 분사하는 분사노즐(2), 분사노즐(2)로 압축공기를 공급하는 압축기(3), 분사노즐(2)을 통해 모재(10)로 분사된 후 낙하되는 구형쇼트볼을 집수하는 집수조(4), 집수조(4)에서 집수된 구형쇼트볼을 입도별로 선별하여 볼공급탱크(1)로 공급하는 선별기(5)로 구성된다.

이에 따라, 압축기(3)에 연결된 분사노즐(2)을 통해서 모재(10)의 표면으로 구형쇼트볼을 분사하고, 분사된 후 집수조(4)에 집수된 구형쇼트별은 입도별로 선별되어 볼공급탱크(1)로 공급되는 사이클을 반복하게 된다.

상술한 분사단계(S30) 이후에는 모재의 표면에 표면합금층을 형성하는 합금화단계(S40)가 이어지는데, 이러한 합금화단계(S40)는 구형쇼트볼이 모재의 표면입자와 결합되면서 물리적구조가 바뀐 미세결정립구조의 표면합금층을 형성하는 단계로서 본 발명의 가장 큰 특징을 이룬다. 즉, 본 발명의 표면합금화단계(S40)는, 종래의 쇼트피닝 기술처럼 모재에 비해 경도가 높은 강철입자-RCW(Round Cut Wire)쇼트볼을 나타낸 도 2의 (b) 참조-를 분사하여 모재의 표면입자를 바꾸지 않고 그 표면상에 박막을 형성시키는 표면처리가 아니라, 모재에 비해 경도가 낮은 아연재의 구형쇼트볼을 분사하여 모재의 표면입자와 결합되면서 물리적구조가 바뀌어 합금화되는 표면합금층을 형성하는 것이다. 이같은 표면합금화단계(S40)를 지난 모재는 우수한 표면조도값을 나타내며, 이에 따라 우수한 내마모성 및 피로강도를 기대할 수 있다. 이때 표면합금층은 모재의 표면으로부터 내부를 따라 150㎛의 깊이로 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고 도 3은 미세결정립구조를 나타낸 이미지로서, 이를 통해 알 수 있듯이 미세결정립구조를 구성하는 미세화된 결정립의 크기는 20~200㎚로 이루어진다.

첨부된 도 4 및 도 5는 상기와 같은 조건에 따라 제조된 모재의 조직사진을 나타낸 것으로서, 도 4는 OM(Optical Microscope)를 이용하여 촬영한 사진이고, 도 5는 SEM(Scanning Electron Microscope)를 이용하여 촬영한 사진이다. 도 4 및 도 5를 통해 알 수 있듯이 상기 단계들을 통해 제조된 모재의 표면에는 구형쇼트볼이 관찰되지 않음으로 합금화가 이루어짐을 알 수 있다.

이하에서는 실시예를 통해 표면합금층을 갖는 비철금속재의 제조방법에 대한 작용 및 효과를 보다 구체적으로 설명한다.

<실시예 1>

2024 알루미늄합금(경도 80~137Hv)으로 이루어진 모재 표면에, 45~55Hv의 경도값을 갖는 아연재의 구형(求刑)쇼트볼(직경 300㎛ 내외)을 0.1~0.4㎫의 압력을 유지하면서 분사한다.

<실시예 2>

6061 알루미늄합금(경도 65~107Hv)으로 이루어진 모재 표면에, 45~55Hv의 경도값을 갖는 아연재의 구형쇼트볼(직경 300㎛ 내외)을 0.1~0.4㎫의 압력을 유지하면서 분사한다.

<실시예 3>

7075 알루미늄합금(경도 80~175Hv)으로 이루어진 모재 표면에, 45~55Hv의 경도값을 갖는 아연재의 구형쇼트볼(직경 300㎛ 내외)을 0.1~0.4㎫의 압력을 유지하면서 분사한다.

<실시예 4>

A390 알루미늄합금(경도 80~137Hv)으로 이루어진 모재 표면에, 45~55Hv의 경도값을 갖는 아연재의 구형쇼트볼(직경 300㎛ 내외)을 0.1~0.4㎫의 압력을 유지하면서 분사한다.

<비교예 1>

2024 알루미늄합금(경도 80~137Hv)으로 이루어진 모재 표면에, 760Hv의 경도값을 갖는 금속재(steel)의 RCW(Round Cut Wire)쇼트볼(250㎛ 내외 크기)을 1㎫이상의 압력을 유지하면서 분사한다.

<비교예 2>

6061 알루미늄합금(경도 65~107Hv)으로 이루어진 모재 표면에, 760Hv의 경도값을 갖는 금속재의 RCW쇼트볼(250㎛ 내외 크기)을 1㎫이상의 압력을 유지하면서 분사한다.

<비교예 3>

7075 알루미늄합금(경도 80~175Hv)으로 이루어진 모재 표면에, 760Hv의 경도값을 갖는 금속재의 RCW쇼트볼(250㎛ 내외 크기)을 1㎫이상의 압력을 유지하면서 분사한다.

<비교예 4>

A390 알루미늄합금(경도 80~137Hv)으로 이루어진 모재 표면에, 760Hv의 경도값을 갖는 금속재의 RCW쇼트볼(250㎛ 내외 크기)을 1㎫이상의 압력을 유지하면서 분사한다.

< 실험예 1>

상기 실시예 1 내지 4와 비교예 1 내지 4의 조건으로 제조된 모재의 표면경도(Hardness, Hv) 및 표면조도(Roughness, Ra)를 측정하여 도 6에서 그래프로 나타내었으며, 도 6의 (a)는 실시예 1과 비교예 1을, (b)는 실시예 2와 비교예 2을, (c)는 실시예 3과 비교예 3을, (d)는 실시예 4와 비교예 4을 각각 비교하여 나타내었다. 그리고 도 4에 도시된 막대그래프는 표면경도값을, 선그래프는 표면도조값을 나타낸 것이다.

도 6을 통해 알 수 있듯이, 표면경도에 있어서 실시예 1 내지 4의 조건으로 제조된 모재와 비교예 1 내지 4의 조건으로 제조된 모재가 매우 비슷한 값을 나타낸 반면에, 표면조도에 있어서는 실시예 1 내지 4의 조건으로 제조된 모재가 비교예 1 내지 4의 조건으로 제조된 모재에 비해 현저히 우수한 값(대략 1/4 내지 1/6의 표면조도값 차이)을 나타내었다.

따라서, 표면조도값의 차이는 쇼트볼의 재질과 모양 및 분사 압력에 의해 기인함을 알 수 있다.

< 실험예 2>

상기 실시예 1 내지 4의 조건으로 제조된 모재 표면에서, 쇼트볼을 분사하는 시간 및 압력의 변화에 따른 아연의 함량 변화를 도 7에서 그래프로 나타내었으며, 여기서 표면 함량 분석은 SEM-EDS(Scanning Electron Microscope의 Energy-Dispersive x-ray Spectroscopy)을 이용하였다. 그리고 아래의 표 1은 실시예 1 내지 4에서 사용되기 전 모재의 주요성분의 함량을 나타낸 표이다.

도 7의 그래프를 살펴보면 쇼트볼을 분사하는 시간이 60초(sec)일 때 아연 함량이 최대치를 표시하였으며, 이 값은 표 1에 기재된 사용되기 전 모재의 아연 함량과 차이를 이룸에 따라, 실시예 1 내지 4로 제조된 모재의 표면에서 대략 2~3%의 합금화율을 나타냄을 알 수 있다.

따라서, 상술한 바와 같은 모재의 표면에만 합금화가 형성되어 미려하면서 표면물성이 우수하고, 더 나아가서는 피로강도 및 내마모성이 향상된 비철금속재를 제공하게 된다.

<실시예 5>

2024 알루미늄합금(경도 80~137Hv)으로 이루어진 모재 표면에, 45~55Hv의 경도값을 갖는 아연재의 구형쇼트볼(직경 400㎛ 내외)을 0.3㎫의 압력을 유지하면서 분사한다.

<실시예 6>

6061 알루미늄합금(경도 65~107Hv)으로 이루어진 모재 표면에, 45~55Hv의 경도값을 갖는 아연재의 구형쇼트볼(직경 400㎛ 내외)을 0.3㎫의 압력을 유지하면서 분사한다.

<실시예 7>

7075 알루미늄합금(경도 80~175Hv)으로 이루어진 모재 표면에, 45~55Hv의 경도값을 갖는 아연재의 구형쇼트볼(직경 400㎛ 내외)을 0.3㎫의 압력을 유지하면서 분사한다.

<실시예 8>

A390 알루미늄합금(경도 80~137Hv)으로 이루어진 모재 표면에, 45~55Hv의 경도값을 갖는 아연재의 구형쇼트볼(직경 400㎛ 내외)을 0.3㎫의 압력을 유지하면서 분사한다.

< 실험예 3>

상기 실시예 5 내지 8의 조건으로 제조된 모재의 표면 깊이에 따른 경도를 측정하여 도 8에서 그래프로 나타내었으며, 비교예 1 내지 4의 조건으로 제조된 모재의 표면 깊이에 따른 경도를 측정하여 도 9에서 그래프로 나타내었다. 부연하면 도 8의 (a)는 실시예 5, (b)는 실시예 6, (c)는 실시예 7, (d)는 실시예 8의 그래프를 나태내었으며, 도 9의 (a)는 비교예 1, (b)는 비교예 2, (c)는 비교예 3, (d)는 비교예 4의 그래프를 나태내었다.

도 8의 (a)를 통해 알 수 있듯이 실시예 5의 조건으로 제조된 모재는 표면으로부터 150㎛이후부터 경도값의 변화가 없는데 반하여, 비교예 1을 나타내는 도 9의 (a) 그래프에서는 모재의 표면으로부터 100㎛이후부터 경도값의 변화가 없음을 나타내고 있으며, 이에 따라 실시예 5의 조건으로 제조된 모재의 표면합금층의 깊이가 비교예 1의 조건으로 제조된 모재의 경화층의 깊이보다 대략 50㎛정도 더 깊게 형성됨을 알 수 있다. 아울러, 도 8의 (b), (c), (d)의 그래프 또한 모재의 표면으로부터 대략 150㎛이후부터 경도값의 변화가 없음을 나타내고 있으며, 이는 도 9의 (b), (c), (d)의 그래프에 나타난 경화층의 깊이보다 대략 50㎛정도 더 깊게 형성됨을 알 수 있다.

따라서, 모재의 표면으로부터 형성되는 경화깊이는 쇼트볼의 재질과 모양 및 크기에 의해 달리함을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태로 개량, 변경, 대체, 부가할 수 있음은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체, 부가에 의한 실시가 이하의 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것임은 자명하다.

1 : 볼공급탱크 2 : 분사노즐
3 : 압축기 4 : 집수조
5 : 선별기 10 : 모재

Claims (9)

1. 비철금속으로 이루어진 모재를 마련하는 모재마련단계;
   상기 모재 보다 낮은 경도로 이루어진 아연재의 구형쇼트볼을 제공하는 볼제공단계;
   상기 구형쇼트볼을 모재의 표면을 향해 0.1~0.4㎫의 압력으로 분사하는 분사단계;
   상기 구형쇼트볼이 모재의 표면입자와 결합되면서 물리적구조가 변화되어 모재의 표면으로부터 미세결정립구조의 표면합금층을 형성하며, 상기 미세결정립구조를 구성하는 미세결정립의 크기를 20~200㎚로 형성하는 합금화단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면합금층을 갖는 비철금속의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 모재는 알루미늄 또는 알루미늄합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면합금층을 갖는 비철금속재의 제조방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 모재는 65~185Hv의 경도로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면합금층을 갖는 비철금속재의 제조방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 구형쇼트볼은 45~55Hv의 경도로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면합금층을 갖는 비철금속재의 제조방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 구형쇼트볼은 0.2~0.4mm의 직경으로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면합금층을 갖는 비철금속의 제조방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 표면합금층은 모재의 표면으로부터 150㎛의 깊이로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면합금층을 갖는 비철금속의 제조방법.
7. 삭제
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 표면합금층의 표면조도는 3~4㎛로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면합금층을 갖는 비철금속재의 제조방법.
9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 표면합금층을 갖는 비철금속재.

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