KR101462532B1 - 해수용 금속 합금과 그의 표면 개질 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해수용 금속 합금 및 그의 표면 개질에 있어서, 특히 해수 환경에서 사용되는 금속 합금의 캐비테이션 손상을 개선하기 위해 표면 개빌된 해수용 금속 합금과, 그 금속 합금의 표면을 개질하는 방법에 관한 것으로, 쇼트 피닝을 위한 분사 노즐과 해수용 금속 합금의 표면 간의 거리를 10㎝로 설정한 후에 상기 분사 노즐을 통해 상기 표면에 2 내지 5bar의 압축 공기로 1 내지 5분 동안 쇼트볼을 분사하여 상기 표면을 개질하여 생성되는 해수용 금속 합금과, 그를 쇼트 피닝을 위한 분사 노즐과 금속 합금의 표면 간의 거리, 상기 쇼트 피닝 시에 쇼트볼을 분사하는 시간, 그리고 상기 쇼트볼을 상기 분사 노즐을 통해 분사하는 분사 압력을 설정하는 준비 단계; 및 상기 거리와 상기 시간을 고정 값으로 설정한 상태에서 상기 설정된 분사 압력으로 상기 표면에 쇼트볼을 분사하는 쇼트 피닝 단계로 이루어지는 표면 개질 방법으로 생성함으로써, 해수 환경에서 사용되는 금속 합금 표면을 개질하여 캐비테이션 손상을 최소화할 수 있으며, 특히 알루미늄 청동 합금의 표면을 개질함으로써 해수 환경에서의 캐비테이션 손상을 최소화할 수 있어서 내구성 및 수명 연장 효과를 발휘하는 발명이다.

Description

해수용 금속 합금과 그의 표면 개질 방법 {metal alloy for seawater, and method for reforming surface thereof}

본 발명은 해수용 금속 합금 및 그의 표면 개질에 관한 것으로, 특히 해수 환경에서 사용되는 금속 합금의 캐비테이션 손상을 개선하기 위해 표면 개빌된 해수용 금속 합금과, 그 금속 합금의 표면을 개질하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 원자력 발전소의 냉각용 해수 펌프 임펠러 또는 대형 선박용 프로펠러에는 주로 알루미늄 청동 합금이 사용되고 있다.

알루미늄 청동 합금은 다른 동합금에 비해 내마모성과 고강도 그리고 내부식성이 우수할 뿐만 아니라 비중이 작으며 열전도도가 비교적 높기 때문에, 각종 특수용 밸브와 고정자-유량조절용 대형 밸브 축 등의 수력 기계에도 적합하고, 고압용 실린더 등에 사용되어 자동차 산업 및 항공 산업 등 여러 분야에 적용되고 있다.

그러나, 이와 같은 알루미늄 청동 합금의 우수한 성질에도 불구하고 캐비테이션 침식(cavitation erosion)에 의한 손상 사례가 대단히 많이 발생하고 있다. 더욱이 열악한 부식 환경인 해수에서는 염소 이온에 의한 공식(pitting) 손상이 증가하게 된다. 이러한 공식은 반복적인 기포 붕괴 압력에 따른 충격 하중에 의해 재료가 손상되어 피로 파괴 현상을 발생시키는 캐비테이션 손상(cavitation damage)을 가속화시키게 된다.

그에 따라, 종래에는 원자력 발전소의 냉각용 해수 펌프 임펠러의 경우에, 캐비테이션 침식으로 인한 심각한 손상을 야기하여 보수 유지를 위한 인적 및 비용적인 손실이 많다는 문제가 있었다. 또한 대형 선박용 프로펠러가 손상되는 경우에도 교체 작업 또는 많은 수리 시간은 물론 교체 작업이나 수리 시간 동안 선박 운행을 못함에 따른 운영 손실 금액도 상당하였다.

한편, 종래에는 용접이나 그라인딩 처리를 이용하여 수리하는 방안이 있었으나 그에 따른 2차적인 결함으로 인해 완전한 수리가 어려운 단점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 점을 감안하여 안출한 것으로, 특히 해수 환경에서 사용되는 금속 합금의 캐비테이션 손상을 저감하도록 쇼트볼의 분사 노즐과 금속 합금의 표면 간에 최적의 거리에서 쇼트 피닝을 진행하여 생성되는 해수용 금속 합금과 그의 표면 개질 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 해수용 금속 합금의 특징은, 쇼트 피닝을 위한 분사 노즐과 해수용 금속 합금의 표면 간의 거리를 10㎝로 설정한 후에 상기 분사 노즐을 통해 상기 표면에 2 내지 5bar의 압축 공기로 1 내지 5분 동안 쇼트볼을 분사하여 상기 표면을 개질하여 생성되는 것이다.

바람직하게, 상기 해수용 금속 합금의 표면에 4bar의 압축 공기로 3.5분 동안 상기 쇼트볼을 분사할 수 있다.

바람직하게, 상기 해수용 금속 합금은 알루미늄 청동 합금일 수 있으며, 상기 알루미늄 청동 합금은 ALBC1과 ALBC2와 ALBC3와 ALBC4 중 어느 하나일 수 있다.

보다 바람직하게, 상기 알루미늄 청동 합금은 ALBC3일 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 해수용 금속 합금의 표면 개질 방법의 특징은, 쇼트 피닝을 위한 분사 노즐과 금속 합금의 표면 간의 거리, 상기 쇼트 피닝 시에 쇼트볼을 분사하는 시간, 그리고 상기 쇼트볼을 상기 분사 노즐을 통해 분사하는 분사 압력을 설정하는 준비 단계; 및 상기 거리와 상기 시간을 고정 값으로 설정한 상태에서 상기 설정된 분사 압력으로 상기 표면에 쇼트볼을 분사하는 쇼트 피닝 단계로 이루어지는 것이다.

바람직하게, 상기 준비 단계는 상기 분사 노즐과 상기 표면 간에 거리를 8~12㎝ 범위에서 고정 설정할 수 있다.

보다 바람직하게, 상기 분사 노즐과 상기 표면 간에 거리를 10㎝로 고정 설정할 수 있다.

바람직하게, 상기 쇼트 피닝 단계는 상기 분사 압력을 0.5 내지 15bar로 설정하여 상기 쇼트볼을 분사할 수 있다.

보다 바람직하게, 할 수 있다.

바람직하게, 상기 준비 단계는 상기 시간을 1~5분 범위에서 고정 설정할 수 있다.

보다 바람직하게, 상기 시간을 3.5분 동안으로 고정 설정할 수 있다.

바람직하게, 상기 금속 합금은 알루미늄 청동 합금일 수 있다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

해수 환경에서 사용되는 금속 합금 표면을 개질하여 캐비테이션 손상을 최소화할 수 있다. 특히, 알루미늄 청동 합금의 표면을 개질함으로써 해수 환경에서의 캐비테이션 손상을 최소화할 수 있어서, 내구성 및 수명 연장 효과를 발휘한다. 이는 유지 보수 비용을 절감하는 효과도 가져온다.

또한, 본 발명을 원자력 발전소의 냉각용 해수 펌프 임펠러에 적용함으로써, 캐비테이션 침식으로 인한 손상을 방지하여 보수 유지를 위한 인적 및 비용적인 손실을 최소화할 수 있다. 또한 본 발명을 대형 선박용 프로펠러에 적용할 경우에는, 손상에 따른 교체 작업 또는 수리 시간을 최소화할 수 있으므로 선박 운영 손실 금액도 상당히 줄어들게 된다.

도 1은 본 발명에서 사용되는 쇼트 피닝 장비의 모식도를 나타낸 도면;
도 2는 본 발명에 따른 해수용 금속 합금의 표면 개질 방법을 설명하기 위한 흐름도;
도 3은 ALBC3 합금에 쇼트볼 분사 압력(projection pressure)을 변수로 설정하여 쇼트 피닝을 실시한 이후 표면 경도 측정 결과를 나타낸 그래프;
도 4는 ALBC3 합금에 쇼트볼 분사 압력을 변수로 설정한 조건 하에서 쇼트 피닝 공정 후 합금의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 다이어그램;
도 5는 ALBC3 합금에 쇼트볼 분사 압력을 변수로 설정한 조건 하에서 쇼트 피닝 공정 후 합금의 표면을 3D 현미경으로 관찰한 다이어그램;
도 6은 ALBC3 합금에 쇼트볼 분사 압력을 변수로 설정한 조건 하에서 쇼트 피닝 공정 후 합금의 표면에 대해 3D 현미경 분석에 의한 손상 깊이를 비교한 그래프;
도 7은 ALBC3 합금의 다양한 쇼트볼 분사 압력에서 쇼트 피닝 공정을 거친 시험편에 대해 10시간 동안 30㎛ 진폭에서 캐비테이션 실험을 실시한 후 표면 형상을 나타낸 다이어그램;
도 8은 ALBC3 합금의 다양한 쇼트볼 분사 압력에서 쇼트 피닝 공정을 거친 시험편에 대해 10시간 동안 30㎛ 진폭에서 캐비테이션 실험을 실시한 후 무게 감소량을 상호 비교한 그래프;
도 9는 ALBC3 합금의 다양한 쇼트볼 분사 압력에서 쇼트 피닝 공정을 거친 시험편에 대해 10시간 동안 30㎛ 진폭에서 캐비테이션 실험을 실시한 후 표면을 3D 현미경으로 관찰한 다이어그램;
도 10은 ALBC3 합금의 다양한 쇼트볼 분사 압력에서 쇼트 피닝 공정을 거친 시험편에 대해 10시간 동안 30㎛ 진폭에서 캐비테이션 실험을 실시한 후 표면에 대해 3D 현미경 분석에 의한 평균 손상 깊이를 비교한 그래프; 그리고
도 11은 ALBC3 합금의 모재와 다양한 쇼트볼 분사 압력에서 쇼트 피닝 공정을 거친 시험편에 대해 10시간 동안 30㎛ 진폭에서 캐비테이션 실험을 실시한 후 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 다이어그램이다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 해수용 금속 합금의 표면 개질 방법의 바람직한 실시 예를 자세히 설명한다.

본 발명의 설명에서는 표면 개질을 위한 가공물로 알루미늄 청동 합금을 예로 든다. 그러나 그 가공물은 알루미늄 청동 합금으로만 한정하지 않고 발전소의 냉각용 해수 펌프 임펠러나 선박용 프로펠러나 각종 특수용 밸브나 고정자-유량조절용 대형 밸브 축 등의 수력 기계나 고압용 실린더 등과 같이 다양한 산업 분야에서 적용되는 금속 합금에 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 해수용 금속 합금의 표면 개질을 위한 쇼트 피닝 장비의 구성에 대해 설명한다.

본 발명에서 사용되는 해수용 금속 합금은 한국산업규격에 따른 알루미늄 청동 합금으로 ALBC1과 ALBC2와 ALBC3와 ALBC4 중 하나 일 수 있으며, 바람직하게는 ALBC3를 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명에서 사용되는 쇼트 피닝 장비의 모식도를 나타낸 것이다.

본 발명의 쇼트 피닝에 사용되는 장비는 블라스트 건(Blast Gun)으로 쇼트볼을 가공물의 표면에 분사시켜 가공물 표면을 개질한다.

본 발명에서 블라스트 건은 압축 공기(0.5 내지 15bar)로 분사 노즐을 통해 쇼트 볼을 분사시킨다. 분사된 쇼트볼이 가공물의 표면과 충돌하면서 가공물은 압축잔류응력을 가지게 된다.

쇼트볼은 가공물의 표면에 충돌한 후 호퍼(Hopper)로 낙하하여 쌓이게 되며, 그 쌓인 쇼트볼은 다시 집진기(Dust collector)에 의해 사이클론(Cyclone)으로 이송된다.

이후에, 사이클론은 쇼트볼을 원심 분리하여 정상적인 쇼트볼과 분진을 분리한다. 원심 분리를 통해 분리된 정상적인 쇼트볼은 다시 분사될 수 있도록 사이클론 호퍼(Cyclone Hopper)에 모이게 된다. 반면에 분진은 집진기로 흡입되어 백 필터(Bag filter)의 의해 포집된다.

쇼트볼의 규격은 미세 경도(Micro Vickers Hardness) 513~577Hv이고 직경 0.4mm이다. 쇼트볼로는 STS304 재질을 사용하며, 성분 함량비는 다음의 표 1과 같다.

Fe	C	S	Mg	Si	P	Cr	Ni
71.207	0.072	0.002	1.107	0.39	0.028	18.43	8.512

도 2는 본 발명에 따른 해수용 금속 합금의 표면 개질 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에서는 쇼트 피닝을 위한 분사 노즐과 금속 합금의 표면 간의 거리, 쇼트 피닝 시에 쇼트볼을 분사하는 시간, 그리고 쇼트볼을 분사 노즐을 통해 분사하는 분사 압력을 설정하는 준비 단계를 수행한다(S10). 이 준비 단계에서는 분사 노즐과 알루미늄 청동 합금 표면 간에 거리를 8~12㎝ 범위에서 고정으로 설정할 수 있다. 보다 바람직하게는, 분사 노즐과 알루미늄 청동 합금 표면 간에 거리를 10㎝로 고정 설정할 수 있다. 또한, 쇼트 피닝 시에 쇼트볼을 분사하는 시간은 1~5분 범위에서 고정 설정할 수 있다. 보다 바람직하게은, 그 시간을 3.5분 동안으로 고정 설정할 수 있다.

이어, 준비 단계에서 거리와 시간을 고정 값으로 설정한 상태에서 또한 설정된 분사 압력으로 알루미늄 청동 합금 표면에 쇼트볼을 분사하는 쇼트 피닝 단계를 수행한다(S20). 이 쇼트 피닝 단계에서는 쇼트볼의 분사 압력을 0.5 내지 15bar 로 설정하여 분사할 수 있다. 보다 바람직하게는 쇼트볼의 분사 압력을 4bar로 설정하여 분사할 수 있다.

다음은 분사 노즐과 ALBC3 합금 표면 간의 거리(이하, 쇼트볼 분사 거리)를 고정하고 쇼트볼의 분사 압력을 변수로 설정하여 쇼트 피닝 공정을 실시하는 예들을 설명한다.

도 3은 ALBC3 합금에 쇼트볼 분사 압력(projection pressure)을 변수로 설정하여 쇼트 피닝을 실시한 이후 표면 경도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

도 3을 참조하면, 가장 우수한 내구성과 캐비테이션 저항성을 나타내는 쇼트볼 분사 거리와 쇼트 피닝 시간으로 고정하는데, 예를 들어 쇼트볼 분사 거리는 10㎝로 고정하고, 쇼트 피닝 시간을 3.5분으로 고정하여 설정한다. 또한 쇼트볼의 분사 압력을 2 내지 5bar로 적용한다. 모재(As-received)의 평균적인 표면 경도는 290Hv이고, 압력 변수에 따른 쇼트 피닝을 진행한 모든 시험편은 모재와 비교하여 높은 경도 상승 효과를 나타낸다. 분사 압력 증가에 따른 표면 경도는 비례적으로 증가하며, 분사 압력 4bar에서 가장 높은 경도 상승률을 나타낸다.

예로써, 쇼트볼 분사 압력 2bar인 경우에 표면 경도는 339.5Hv로 모재 대비 대략 17.1% 경도 상승을 나타내며, 분사 압력 3bar인 경우에 388.8Hv로 모재 대비 대략 34.1%의 경도 상승률을 나타낸다. 쇼트볼 분사 압력 4bar의 경우에 440.0Hv로 가장 높은 경도 값을 나타내며 모재 대비 대략 52.0%의 경도 상승률을 나타낸다. 또한 쇼트볼 분사 압력 5bar에서는 417.9Hv로 모재 대비 대략 44.1%의 경도 상승률을 나타내지만 4bar의 경우보다 경도가 감소한다.

결과적으로 ALBC3 합금에 대하여 쇼트 피닝 공정을 적용할 시에 쇼트볼 분사 거리와 쇼트 피닝 시간을 고정한 조건 하에서 경도 상승효과를 최적화하기 위한 쇼트볼 분사 압력은 4bar일 수 있다.

이와 같이 쇼트볼 분사 거리와 쇼트 피닝 시간이 고정된 상태에서 쇼트볼을 수직 분사할 경우에, 쇼트볼 분사 압력이 증가하면 쇼트볼의 속도 에너지의 증가로 인해 합금 표면에 더 큰 소성 변형을 가해지므로 표면 경도는 증가할 수 있다.

그러나, 쇼트볼 분사 압력이 5bar인 경우에는 분사 압력 4bar에 비교하여 다소 낮은 경도 상승률을 나타낸다. 이는 과도한 분사 압력에 의한 오버 피닝이 합금 표면을 손상시킬 가능성이 높기 때문이다.

이와 같이 쇼트 피닝 공정을 통해 원하는 가공 경화 효과를 얻기 위해서는 적절한 쇼트볼 분사 거리와, 쇼트 피닝 시간(쇼트볼 분사 시간) 그리고 쇼트볼 분사 압력을 포함하는 공정 조건이 요구된다.

도 4는 ALBC3 합금에 쇼트볼 분사 압력을 변수로 설정한 조건 하에서 쇼트 피닝 공정 후 합금의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 다이어그램이다.

도 4를 참조하면, 쇼트 피닝 공정을 실시할 시에 모재와 비교하여 쇼트볼의 충돌로 인해 ALBC3 합금의 표면은 변형되어 모재와 큰 차이를 나타낸다.

주사전자현미경을 통해 시험편 표면에 형성된 요철의 형상과 탈리조직을 확인 할 수 있으며 각 조건 별 즉, 쇼트볼 분사 거리 별로 상호 비교할 수 있다.

쇼트 피닝 공정 시에 쇼트볼 분사 압력을 2bar로 설정하는 경우, 상대적으로 낮은 분사 압력임에도 불구하고 50배와 100배 배율 사진에서 쇼트볼 분사에 따른 변형이 전체적으로 고르게 나타난다. 그러나 300배와 500배 배율 사진에서는 형성된 요철의 크기가 크지 않고 요철의 가장자리가 전반적으로 융기되어 표면이 거칠게 나타낸다. 따라서, 분사 압력 2bar에서는 쇼트 피닝에 의한 소정 변형 영역이 깊지 않을 수 있다.

쇼트 피닝 공정 시에 쇼트볼 분사 압력을 3bar로 설정하는 경우, 300배 배율 사진에서의 표면은 분사 압력 2bar 대비 요철 형성 부위가 다소 감소하고 일부 영역에서는 요철의 형상이 상대적으로 평탄하고 넓어지게 나타난다. 그리고 500배 배율 사진에서는 요철 형상이 평탄하게 나타나지만 요철 가장자리의 융기 현상은 더욱 크게 나타난다. 그로 인해 표면 손상은 깊이 방향으로 크게 발달하여 분사 압력 2bar에 비해 표면 손상이 크게 나타난다.

쇼트 피닝 공정 시에 쇼트볼 분사 압력을 4bar로 설정하는 경우, 쇼트 피닝 후 표면 경도 상승률이 가장 높게 나타난다. 100배, 300배 및 500배 배율 사진에서 쇼트 피닝에 의해 발생된 요철 형상이 확연히 감소한다. 그리고 다른 분사 압력 조건과 비교하여 표면이 가장 평활하게 나타나며, 요철 가장자리의 융기 현상이 적게 나타난다. 이는 분사 압력이 증가함에 따라 쇼트볼의 운동에너지가 증가할 뿐만 아니라 쇼트볼의 분사량 또한 증가하여 커버리지가 100%에 도달한다. 그리하여 요철 가장자리 융기된 부분이 쇼트볼에 의해 평탄해질 수 있다.

쇼트 피닝 공정 시에 쇼트볼 분사 압력을 5bar로 설정하는 경우, 경도 상승률이 감소하는 경향을 나타낸다. 300배와 500배 배율 사진에서 요철이 재차 형성되어 가장자리가 융기된다. 이는 쇼트볼의 과도한 분사 압력으로 오버피닝이 발생하여 소성변형의 한계점을 지나 소성변형 영역의 일부 조직이 탈리되면서 요철이 재차 생성될 수 있다.

결과적으로 ALBC3 합금에 대하여 쇼트피닝 후 표면에 전체적으로 요철이 형성되나 분사 압력 4bar에서는 쇼트피닝 가공 효과로 표면이 균질화되므로 표면 개질에 있어 분사 압력의 영향이 크게 나타난다.도 5는 ALBC3 합금에 쇼트볼 분사 압력을 변수로 설정한 조건 하에서 쇼트 피닝 공정 후 합금의 표면을 3D 현미경으로 관찰한 다이어그램이다.

도 5를 참조하면, 쇼트 피닝 공정 시에 쇼트볼 분사 압력을 2bar로 설정하는 경우, 모재와 비교하여 상대적으로 크기가 작은 요철들이 표면 전반에 걸쳐 균일하게 형성된다.

그러나, 쇼트 피닝 공정 시에 쇼트볼 분사 압력을 3bar로 설정하는 경우, 작은 요철들의 형성은 감소하지만 표면이 부분적으로 쇼트피닝 손상에 의해 침강과 융기된 요철들이 나타난다. 그로 인해 깊이 방향의 손상과 거칠기가 증가한다.

도 4의 주사전자현미경을 통한 표면 관찰에서 분사 압력 2bar일 때 표면 전반에 균일 분포의 요철이 생성되고, 분사 압력 3bar에서는 생성된 요철의 가장자리가 융기되는 현상이 크게 나타나는 것과 동일한 것이다.

쇼트 피닝 공정 시에 쇼트볼 분사 압력을 4bar로 설정하는 경우와 5bar로 설정하는 경우에서는 분사 압력 3bar에 비해 형성된 요철의 분포와 형상이 다소 균일해지고 거칠기가 감소한다. 따라서, 4bar나 5bar가 가장 적절한 분사 압력 값일 수 있으며, 표면 전체에 균일하게 소성변형에 의한 압축잔류응력을 형성한다. 이때 압축잔류응력은 표면 전반에 걸쳐 균일하게 형성될 수 있다.

도 6은 ALBC3 합금에 쇼트볼 분사 압력을 변수로 설정한 조건 하에서 쇼트 피닝 공정 후 합금의 표면에 대해 3D 현미경 분석에 의한 손상 깊이를 비교한 그래프이다.

도 6을 참조하면, 평균 손상 깊이는 쇼트볼 분사 압력 2bar인 경우에 35.2㎛, 3bar인 경우는 44.2㎛, 4bar인 경우는 39.8㎛, 그리고 쇼트볼 분사 압력 5bar인 경우는 40.0㎛로 전반적으로 모재와 비교하여 소성변형에 의해 크게 상승한다.

특히, 분사 압력 증가에 따라 분사 압력 3bar까지 평균 손상 깊이가 급격하게 증가할 수 있다. 이는 초기 쇼트 피닝 적용 시 요철 생성과 더불어 요철 가장자리의 융기 현상으로 인해 평균 손상 깊이가 크게 나타날 수 있다. 이후 분사 압력 4bar와 5bar에서는 쇼트 피닝에 의해 요철 가장자리의 융기부분이 쇼트볼 충돌에 의한 충격에너지에 의해 침강하고 평탄화되어 상대적으로 평균 손상 깊이가 낮게 측정될 수 있다. 다양한 분사압력으로 쇼트 피닝 공정을 진행한 후 평균 손상 깊이 측정 결과를 표 2에 정리한다.

표 2는 ALBC3 합금에 대하여 다양한 분사 압력 하에서 쇼트 피닝 공정 후 평균 손상 깊이를 나타낸 것이다.

		BM	2 bar	3 bar	4 bar	5 bar
Height	1	16.6	39.0	46.2	41.5	44.7
	2	15.3	26.0	42.3	42.0	39.1
	3	17.0	40.7	44.1	35.9	36.0
	Average	16.3	35.2	44.2	39.8	40.0

도 7은 ALBC3 합금의 다양한 쇼트볼 분사 압력에서 쇼트 피닝 공정을 거친 시험편에 대해 10시간 동안 30㎛ 진폭에서 캐비테이션 실험을 실시한 후 표면 형상을 나타낸 다이어그램이다.

도 7을 참조하면, 각 쇼트 피닝 공정 시 쇼트볼 분사 압력에 따른 표면 손상 정도를 비교할 때, 상대적으로 모재와 비교하면 모든 조건 하에서 쇼트 피닝 공정을 진행한 경우에서 캐비테이션 손상이 적게 발생한다. 쇼트 피닝 공정에 따른 압축잔류응력 형성으로 인해 표면의 경도가 높아져서 캐비테이션 충격압에 대한 저항성이 향상되었기 때문이다. 이와 같이 내캐비테이션 특성의 향상은 수중에서 회전하는 운동체의 내구성을 향상시킬 수 있다. 그러나 쇼트 피닝 공정에서 쇼트볼의 충격을 통해 ALBC3 합금의 표면을 가공하는 효과는 과도한 쇼트볼 분사 압력을 적용할 시에 ALBC3 합금의 오버 피닝을 유발하여 요철의 발생, 조직 변형층의 제거 또는 내부 잔류응력의 증대로 인한 취성화 등과 같은 급격한 특성 저하를 유발할 수도 있다. 특히, 상기 나열된 단점 이외에도 내식성이 급격하게 저하할 수 있으므로 본 발명에서는 해수 환경 하에서 캐비테이션 실험을 통해 내캐비테이션 특성과 같은 기계적 특성과 전기화학적 특성을 복합적으로 분석하고 미세영역의 관찰을 통해 각 조건 별 손상 깊이, 무게 감소량 및 표면 형상 등을 아래 설명된 바와 같이 비교한다.

도 8은 ALBC3 합금의 다양한 쇼트볼 분사 압력에서 쇼트 피닝 공정을 거친 시험편에 대해 10시간 동안 30㎛ 진폭에서 캐비테이션 실험을 실시한 후 무게 감소량을 상호 비교한 그래프이다.

도 8을 참조하면, 쇼트 피닝 공정을 거치지 않은 모재의 무게 감소량이 0.0305g이며, 상대적으로 쇼트 피닝 공정을 거친 시험편은 무게 감소량 증가폭이 모재보다 낮게 나타난다. 쇼트볼 분사 압력의 증가에 따라 무게 감소량이 감소한다. 쇼트볼 분사 압력 4bar의 경우 무게 감소량은 0.0196g으로 가장 낮은 값을 나타내어 모재 대비 대략 35.7%의 개선효과를 나타낸다. 이는 쇼트 피닝 공정에 의한 가공 경화로 인해 표면의 경도가 증가하여 내침식성 또는 내캐비테이션 특성이 향상된 것이다. 경도 측정 결과에서는 표면에 소성 변형층이 형성되어 모재 대비 상당히 높은 경도를 가지게 된다. 또한 형성된 소성 변형층의 깊이가 일정하고 균일하게 분포되어 내구성이 향상된다.

전술된 도 5의 쇼트 피닝 공정 이후 3D 현미경 사진과 비교하면 캐비테이션 실험의 결과에서 쇼트 피닝 공정을 거치지 않은 모재는 상당히 손상됨을 나타낸다.

반면에, 쇼트 피닝 공정을 거친 모든 시험편들의 표면 손상과 거칠기의 변화는 증가할 수 있다. 캐비테이션 실험 후 보다 세밀한 변화 특히, 표면의 손상 깊이는 다음의 도 10 및 11을 통해 설명된다.

도 10은 ALBC3 합금의 다양한 쇼트볼 분사 압력에서 쇼트 피닝 공정을 거친 시험편에 대해 10시간 동안 30㎛ 진폭에서 캐비테이션 실험을 실시한 후 표면에 대해 3D 현미경 분석에 의한 평균 손상 깊이를 비교한 그래프이다.

도 10을 참조하면, 쇼트 피닝 공정을 거치지 않은 모재는 110.7㎛로 가장 큰 평균 손상 깊이를 나타내며, 쇼트 피닝 공정을 거치는 경우에는 모든 분사 압력 조건 하의 캐비테이션 실험에서 손상 깊이가 모재 대비 크기 감소한다.

쇼트 피닝 공정을 거치지 않은 모재의 경우에는 16.3㎛로 캐비테이션 실험으로 대략 579.4%의 손상이 증가한 반면에 쇼트 피닝 공정을 거치는 경우에는 모든 분사 압력 조건 하의 캐비테이션 실험에서 손상 깊이의 변화가 상대적으로 작게 나타난다.

쇼트볼 분사 압력 2bar의 경우에는 대략 87.8%의 손상 깊이의 증가를 나타내며, 쇼트볼 분사 압력 3bar의 경우에는 대략 25.8%의 손상 깊이의 증가를 나타내며, 쇼트볼 분사 압력 4bar와 5bar의 경우에는 각각 대략 9.0%와 7.3%의 손상 깊이 증가를 나타낸다.

캐비테이션 실험 전후를 비교할 때 손상 깊이 변화는 전반적으로 분사 압력의 증가에 따라 감소함을 나타낸다.

그러나 캐비테이션 실험 후 무게 감소량 및 손상 깊이를 종합적으로 분석하여 무게 감소량이 가장 적으면서도 손상 깊이가 가장 작게 나타난 조건이 가장 캐비테이션 저항성이 우수하다고 할 수 있으므로, 캐비테이션 실험 후 무게 감소량과 손상 깊이가 가장 작게 나타난 쇼트볼 분사 압력은 4bar에서 가장 우수한 캐비테이션 저항성을 나타낸다.

표 3은 쇼트 피닝 공정을 거친 ALBC3 합금에 대해 분사 압력에 따른 캐비테이션 실험 후 3D 분석 결과를 나타낸 것이다.

		BM	2 bar	3 bar	4 bar	5 bar
Height	1	193.0	45.9	52.5	45.0	42.7
	2	39.6	45.2	52.3	41.0	45.6
	3	99.4	107.1	62.1	44.2	40.4
	Average	110.7	66.1	55.6	43.4	42.9

도 11은 ALBC3 합금의 모재와 다양한 쇼트볼 분사 압력에서 쇼트 피닝 공정을 거친 시험편에 대해 10시간 동안 30㎛ 진폭에서 캐비테이션 실험을 실시한 후 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 다이어그램이다.

도 11을 참조하면, 캐비테이션 손상은 모재 뿐만 아니라 쇼트 피닝 공정을 거친 시험편 모두에서 나타나며 특히 모재에서 가장 많은 손상이 나타난다.

전반적으로 쇼트 피닝의 분사 압력 증가에 따라 캐비테이션에 의한 표면 손상 정도는 확연하게 감소한다. 쇼트 피닝의 분사 압력이 상대적으로 낮은 분사 압력 2bar와 3bar에서 쇼트 피닝 공정 후 요철이 거칠게 형성된 표면에 대해, 캐비테이션 실험을 실시한 경우에는 표면 손상이 크게 나타난다. 한편 요철이 상대적으로 평탄하게 형성된 분사 압력 4bar와 5bar에 대해서는 캐비테이션 손상이 훨씬 작게 나타난다. 이는 캐비티 붕괴 특성상 표면이 거칠고 캐비티의 이탈을 방해할수록 캐비티는 해당 위치에 집적되고 붕괴되면서 캐비티 충격압을 전달하여 ALBC3 합금 표면을 손상시키기 때문이다. 또한 앞서 언급한 바와 같이 분사 압력 증가에 따라 조직 변형층이 두터워져 압축잔류응력이 크게 형성되어 ALBC3 합금의 내구성이 향상될 수 있다.

ALBC3 합금에 대한 다양한 쇼트볼 분사 압력에 따른 경도 측정, 조직 관찰, 전기화학적 특성 그리고 내캐비테이션 특성을 모두 분석한 도 3 내지 11의 결과는 다음과 같다.

표면 경도 측정 결과, ALBC3 합금의 표면 경도는 쇼트 피닝 공정에 의해 모재 대비 경도가 향상되며, 특히 쇼트 피닝 공정 시 쇼트볼 분사 압력이 4bar 인 경우에서 모재 대비 최대 52% 정도 경도 향상을 나타낸다.

표면 관찰 결과, ALBC3 합금에 대한 쇼트 피닝 공정 후 표면은 전체적으로 요철이 발생한다. 쇼트볼 분사 압력 4bar에서 쇼트 피닝을 실시한 경우에는 가장 평활한 표면을 나타내므로 최적 조건일 수 있다.

해수 환경 하에서 캐비테이션 실험 결과, 3D 분석 및 주사전자현미경 분석 결과, 쇼트 피닝 공정을 실시하지 않은 경우가 심한 손상을 나타내며, 쇼트 피닝 공정을 적용한 경우에는 캐비테이션 저항성이 향상된다. 그리고 쇼트볼 분사 압력의 증가에 따라 표면 손상이 감소하며, 특히 4bar 이상의 조건에서 표면 손상이 작게 나타난다. 또한 분사 압력 4bar인 경우에서 무게 감소량이 가장 작으므로 내캐비테이션 특성이 가장 우수하다. 결국 분사 압력 4bar가 최적의 조건일 수 있다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다.

그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시 예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (13)

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6. 해수용 알루미늄 청동 합금의 표면을 개질하는 방법에 있어서,
   쇼트 피닝을 위한 분사 노즐을 통해 쇼트볼을 분사하는 분사 압력을 변수로 설정하는 단계;
   상기 설정된 변수를 서로 다른 값으로 설정하여 쇼트 피닝을 다수 회 실시하는 단계;
   상기 알루미늄 청동 합금의 표면 경도와 마모에 따른 무게 감소량과 표면 손상 깊이를 측정하는 단계;
   상기 측정 결과에 따라 상기 알루미늄 청동 합금의 표면 경도가 가장 높으면서 상기 무게 감소량 대비 상기 표면 손상 깊이가 가장 작은 4bar를 상기 분사 압력으로 결정하는 단계를 포함하되,
   상기 쇼트 피닝을 다수 회 실시하는 단계에서는, 상기 알루미늄 청동 합금의 표면과 상기 분사 노즐 간의 거리를 10cm로 설정하고, 상기 쇼트볼을 분사하는 시간을 3.5분으로 설정하고, 미세 경도(Micro Vickers Hardness) 513~577Hv이고 직경 0.4mm인 STS304 재질의 상기 쇼트볼을 사용하여 상기 알루미늄 청동 합금의 표면이 최대 캐비테이션 저항성을 가지도록 하며,
   상기 쇼트 피닝 단계 이후에,
   상기 알루미늄 청동 합금의 표면에 충돌한 후 호퍼로 낙하하여 쌓인 상기 쇼트볼을 집진기에 의해 사이클론으로 이송하는 단계와,
   상기 사이클론에서 상기 쇼트볼을 원심 분리하여 상기 분사 노즐을 통해 다시 분사될 수 있는 정상적인 쇼트볼과 분진을 분리하는 단계와,
   상기 정상적인 쇼트볼을 상기 호퍼에 모이게 하는 단계와,
   상기 분진을 흡입하여 백 필터로 포집하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 해수용 금속 합금의 표면 개질 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 알루미늄 청동 합금은 ALBC3인 것을 특징으로 하는 해수용 금속 합금의 표면 개질 방법.
8. 제 6 항의 해수용 금속 합금의 표면 개질 방법으로 생성되는 해수용 금속 합금.
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