KR101597153B1 - 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법 - Google Patents

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편영식
김준형
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Abstract

본 발명은 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여 기계적인 접촉(contact), 회전(rotation), 구부림(bending) 등의 반복에 의해 누적되는 피로(fatigue)를 회복하여 해당 부품이나 물질의 수명을 연장하기 위한 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여 FEM(Finite Element Method) 해석방법이나, 잔류응력 측정, 또는, 표면층의 미세균열을 찾아내기 위한 형광분석 등과 같은 비파괴검사를 수행하여 대상물의 구조 및 피로상태를 평가하는 단계와, 상기 단계에서의 평가 내용에 근거하여 피로 누적위치를 검출하는 단계 및 상기 단계에서 검출된 피로 누적위치에 초음파 등을 이용하여 진동에너지를 인가함으로써 대상물의 표면에 나노스킨을 형성하는 단계를 포함하여 구성됨으로써, 대상물의 표면에 나노스킨을 형성하는 것에 의해 대상물의 표면을 개질하고 누적 피로를 회복하며, 그것에 의해 피로수명 및 제품 전체의 수명을 연장할 수 있도록 구성되는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법이 제공된다.

Description

나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법{Method for restoring fatigue life using nanoskin}
본 발명은 기계부품이나 금속재질의 피로수명을 회복하는 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여 기계적인 접촉(contact), 회전(rotation), 구부림(bending) 등의 반복에 의해 누적되는 피로(fatigue)를 회복하여 해당 부품이나 물질의 수명을 연장하기 위한 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여 FEM(Finite Element Method) 해석방법이나, 잔류응력 측정, 또는, 표면층의 미세균열(micro hair crack)을 찾아내기 위한 형광분석 등과 같은 비파괴검사를 수행하여 대상물의 구조 및 피로상태를 평가하고, 평가 내용에 근거하여 피로 누적위치를 찾아낸 후, 이러한 피로 누적위치에 초음파 등을 이용하여 진동에너지를 인가함으로써, 대상물의 표면에 나노스킨(Nanoskin)을 형성하는 것에 의해 표면을 개질하여 누적 피로를 회복하고 수명을 연장할 수 있도록 하기 위한 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여, FEM 해석방법이나, 잔류응력 측정, 또는, 표면층의 미세균열을 찾아내기 위한 형광분석 등과 같은 비파괴검사를 수행하여 대상물의 구조 및 피로상태를 평가하고, 평가 내용에 근거하여 피로 누적위치를 확인 또는 예측한 후, 대상물의 예상 수명이 경과하기 전에 확인 또는 예측된 피로 누적위치에 미리 초음파 등을 이용하여 진동에너지를 인가하여 누적피로를 주기적으로 회복시킴으로써, 대상물의 원래 수명보다 훨씬 오래 사용이 가능하도록 할 수 있고, 그것에 의해, 부품 교체 및 유지보수 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법에 관한 것이다.
더욱이, 본 발명은, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여, 초음파 검사, 형광분석 등과 같은 비파괴 검사 등에 의한 정기적 또는 비정기적인 점검을 수행하고 수행 결과 표면에 변색, 스니어링(눌린 흔적), 국부마모, 헤어크랙 및 내부 크랙 등을 포함하는 이상이 발견되면, 해당 위치에 초음파 등을 이용하여 진동에너지를 인가하는 것에 의해 대상물의 표면에 나노스킨을 형성함으로써, 표면을 개질하여 누적 피로를 회복하고 수명을 연장할 수 있도록 하기 위한 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법에 관한 것이다.
최근, 환경오염 문제가 사회적인 문제로 대두됨에 따라 친환경적인 새로운 에너지 시스템의 개발에 대한 요구가 높아지고 있으며, 이러한 친환경 에너지 시스템의 예로서, 예를 들면, 풍력 발전이 있다.
또한, 일반적으로, 풍력 발전기는, 풍력 블레이드(wind blades)에 의해 구동되는 구동축(drive shaft)을 지지하기 위해 중형(medium-sized) 및 대형(large) 구면 롤러 베어링(spherical roller bearings ; SRBs) 및 이중 테이퍼 롤러 베어링(double taper roller bearings ; DTRBs)을 구비하고 있다.,
그러나 풍력 발전기는, 그 크기, 무게 및 높은 위치(elevated locations)로 인해, 상기한 베어링과 같은 부품의 교체나 유지보수가 어렵고 비용이 많이 들게 된다는 문제가 있어 아직까지 널리 보급되지 못하고 있다.
여기서, 이러한 문제는, 베어링과 같은 부품에 초음파 나노크리스탈 표면개질(ultrasonic nanocrystal surface modification ; UNSM) 기술을 적용하여 해당 부품의 수명을 연장시키는 것으로 개선될 수 있다.
더 상세하게는, UNSM 처리는, 1 내지 5mm 직경의 텅스텐 카바이드 볼(tungsten carbide ball)이 초음파 장치(ultrasonic device)에 부착되고, 정적(static) 및 동적(dynamic) 힘이 결합되어, 상기한 볼이 초당 40,000회, mm2당 100,000번까지 시편(specimen)의 표면에 충격을 가한다(strike).
이러한 충격은 미세 냉간 단조(micro-cold-forging)로 간주될 수 있고, 표면층에 가소성 및 탄성 변형(plastic and elastic deformation)을 야기하여 깊은 잔류응력(residual stress)과 나노결정 구조(nanocrystalline structure)를 유도하며, 또한, 시편의 표면상에 무수한 불균일한 미세 딤플(micro-dimple)을 생성하여 표면의 특성을 개선한다.
아울러, Hal-Petch 관계(relationship)에 따르면, 표면층의 나노구조 개질(nanostructure modification)이 시편의 강도(strength)(경도(hardness)) 및 가소성(ductility)(단단함(toughness))을 모두 동시에 개선하는 것이 이미 잘 알려져 있다.
여기서, 베어링 등의 부품의 표면을 개질하여 수명을 연장하기 위한 종래기술의 예로서, 예를 들면, 미국특허공보 US 2002/0043313호에는 "초음파 충격에 의한 금속 성능 개선과 금속의 열화로부터의 보호 및 열화의 억제를 위한 방법"이 제시되어 있고, 일본공개특허공보 특개2002-69510호에는 "초음파를 이용한 표면개질방법 및 표면개질장치"가 제시된 바 있으며, 한국 공개특허공보 제10-2012-0073952호에는 "포터블 초음파 마찰표면 개질장치"가 제시되어 있고, 한국 공개특허공보 제10-2012-0064222호에 따르면, "무한궤도장비의 궤도핀의 초음파 나노개질처리장치 및 방법"이 각각 제시된 바 있다.
상기한 바와 같이, 종래, 초음파를 이용하여 기계부품의 표면을 개질하는 것에 의해 해당 부품의 수명을 연장하기 위한 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 종래기술문헌에 제시된 방법들은, 단순히 초음파 충격에 의해 표면을 개질한다는 원론적인 내용만을 제시하거나, 또는, 특정한 하나의 부품에 국한되어 표면에 초음파를 가하는 것으로 해당 부품의 수명을 연장하는 기술내용만을 제시하고 있는 점에서 그 한계가 있는 것이었다.
즉, 일반적으로, 베어링 등에 있어서, 회전 굴곡 피로(Rotary-Bending-Fatigue ; 이하, 'RBF'라고도 함) 및 회전 접촉 피로(Rolling contact Fatigue ; 이하, 'RCF'라고도 함)는 해당 부품의 수명을 결정하는 주된 요인이 되므로, 상기한 바와 같은 UNSM 기술을 일반적인 종래의 공업용 베어링강(engineering bearing steel)(일본 표준 SUJ2 및 SUJ3)에 적용하면, 피로 표면의 회복 및 개선이 가능하여 부품 수명을 연장할 수 있고, 그것에 의해 부품 교체 및 유지보수에 들어가는 비용을 절감할 수 있다.
그러나, 각각의 부품마다 사용되는 용도에 따라 각각 피로가 발생하는 위치가 다르게 되므로, 동일한 부품이라도 사용 용도나 설치 위치에 따라 그 누적 피로와 수명 및 피로가 발생하는 위치가 각각 다르게 나타나게 된다.
따라서 초음파를 이용한 표면개질시 사전에 각각의 부품마다 피로가 누적되는 위치 및 누적량을 정확히 파악하고, 이에 맞추어 적절한 시기 및 정확한 위치에 초음파를 이용한 표면개질을 행하여 피로회복 및 수명연장에 있어서 최적의 효과를 얻을 수 있도록 하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시된 바 없었다.
[선행기술문헌]
1. 미국특허공보 US 2002/0043313호(2002.04.18.)
2. 일본공개특허공보 특개2002-69510호(2002.03.08.)
3. 한국 공개특허공보 제10-2012-0073952호(2012.07.05.)
4. 한국 공개특허공보 제10-2012-0064222호(2012.06.19.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여 기계적인 접촉(contact), 회전(rotation) 및 구부림(bending) 등의 반복에 의해 누적되는 피로(fatigue)를 회복하여 해당 부품이나 물질의 수명을 연장하기 위해, 대상물에 대하여 FEM(Finite Element Method) 해석방법이나, 잔류응력 측정, 또는, 표면층의 미세균열(micro hair crack)을 찾아내기 위한 형광분석 등과 같은 비파괴검사를 수행하여 대상물의 구조 및 피로상태를 평가하고, 평가 내용에 근거하여 피로 누적위치를 찾아낸 후, 그러한 피로 누적위치에 초음파 등을 이용하여 진동에너지를 인가함으로써, 대상물의 표면에 나노스킨(Nanoskin)을 형성하는 것에 의해 대상물의 표면을 개질하여 누적 피로를 회복하며, 그것에 의해 대상물의 피로수명 및 제품 전체의 수명을 연장할 수 있도록 구성되는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여, FEM 해석방법이나, 잔류응력 측정, 또는, 표면층의 미세균열을 찾아내기 위한 형광분석 등과 같은 비파괴검사를 수행하여 대상물의 피로상태를 평가하고, 평가 내용에 근거하여 피로 누적위치를 확인 또는 예측한 후, 대상물의 예상 수명이 경과하기 전에 확인 또는 예측된 피로 누적위치에 미리 초음파 등을 이용하여 진동에너지를 인가하여 누적피로를 주기적으로 회복시킴으로써, 대상물의 원래 수명보다 훨씬 오래 사용이 가능하도록 할 수 있고, 그것에 의해, 부품 교체 및 유지보수 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법을 제공하고자 하는 것이다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여 초음파 검사와 같은 비파괴 검사 등에 의한 정기적 또는 비정기적인 점검을 수행하고, 수행 결과 표면에 변색, 스니어링(눌린 흔적), 국부마모, 헤어크랙 및 내부 크랙 등을 포함하는 이상이 발견되면, 해당 위치에 초음파 등을 이용하여 진동에너지를 인가하는 것에 의해 대상물의 표면에 나노스킨을 형성함으로써, 표면을 개질하여 누적 피로를 회복하고 수명을 연장할 수 있도록 하기 위한 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 베어링을 포함하는 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여 대상물의 표면에 나노스킨(Nanoskin)을 형성하는 것에 의해 기계적인 접촉(contact), 회전(rotation), 구부림(bending) 등의 반복에 의해 누적되는 피로(fatigue)를 회복하고 상기 대상물의 피로수명 및 제품 전체의 수명을 연장할 수 있도록 구성되는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법에 있어서, 상기 대상물의 구조 및 피로상태를 평가하는 구조해석단계; 상기 구조해석단계의 해석 결과에 근거하여 상기 대상물의 피로 누적위치를 검출하는 검출단계; 및 상기 검출단계에서 검출된 상기 대상물의 피로 누적위치에 나노스킨을 형성하는 것에 의해 상기 대상물의 표면을 개질하고 누적 피로를 회복하는 회복단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법이 제공된다.
여기서, 상기 구조해석단계는, FEM(Finite Element Method) 해석방법이나, 잔류응력 측정, 또는, 표면층의 미세균열(micro hair crack)을 찾아내기 위한 형광분석을 포함하는 비파괴검사 중 적어도 하나를 수행하여 상기 대상물의 구조 및 피로상태를 평가하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회복단계는, 초음파 나노크리스탈 표면개질(ultrasonic nanocrystal surface modification ; UNSM) 기술을 적용하여, 상기 검출단계에서 검출된 상기 대상물의 피로 누적위치의 표면에 초음파를 이용한 진동에너지를 인가하여 상기 나노스킨을 형성하는 것에 의해 상기 대상물의 표면을 개질하고 누적 피로를 회복하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따르면, 베어링을 포함하는 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여 대상물의 표면에 나노스킨(Nanoskin)을 형성하는 것에 의해 기계적인 접촉(contact), 회전(rotation), 구부림(bending) 등의 반복에 의해 누적되는 피로(fatigue)를 회복하고 상기 대상물의 피로수명 및 제품 전체의 수명을 연장할 수 있도록 구성되는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법에 있어서, 상기 대상물의 구조 및 피로상태를 평가하는 구조해석단계; 상기 구조강도 해석단계의 해석 결과에 근거하여 상기 대상물의 피로 누적위치를 검출하는 검출단계; 상기 구조해석단계의 해석 결과에 근거하여 상기 대상물의 잔존 수명을 미리 예측하는 예측단계; 상기 검출단계에서 검출된 상기 대상물의 피로 누적위치에 초음파를 이용한 진동에너지를 인가하는 것에 의해 나노스킨을 형성하여 상기 대상물의 표면을 개질하고 누적 피로를 회복하는 회복단계; 및 상기 예측단계에서 예측된 상기 대상물의 잔존 수명이 경과하기 전에 상기 대상물의 피로 누적위치에 초음파를 이용한 진동에너지를 인가하는 것에 상기 대상물의 누적피로를 회복하고 상기 잔존 수명을 연장시키는 누적피로 회복단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법이 제공된다.
여기서, 상기 방법은, 상기 예측단계에서 예측된 상기 대상물의 잔존 수명에 따라 상기 누적피로 회복단계를 주기적으로 반복 수행하는 단계를 더 포함함으로써, 상기 대상물의 전체 수명을 증가시키는 동시에 부품 교체 및 유지보수 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 구조해석단계는, FEM(Finite Element Method) 해석방법이나, 잔류응력 측정, 또는, 표면층의 미세균열(micro hair crack)을 찾아내기 위한 형광분석을 포함하는 비파괴검사 중 적어도 하나를 수행하여 상기 대상물의 구조 및 피로상태를 평가하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회복단계 및 상기 누적피로 회복단계는, 초음파 나노크리스탈 표면개질(ultrasonic nanocrystal surface modification ; UNSM) 기술을 적용하여, 상기 검출단계에서 검출된 상기 대상물의 피로 누적위치의 표면에 초음파를 이용한 진동에너지를 인가하여 상기 나노스킨을 형성하는 것에 의해 상기 대상물의 표면을 개질하고 누적 피로를 회복하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따르면, 베어링을 포함하는 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여 대상물의 표면에 나노스킨(Nanoskin)을 형성하는 것에 의해 기계적인 접촉(contact), 회전(rotation), 구부림(bending) 등의 반복에 의해 누적되는 피로(fatigue)를 회복하고 상기 대상물의 피로수명 및 제품 전체의 수명을 연장할 수 있도록 구성되는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법에 있어서, 상기 대상물에 대하여 초음파 검사를 포함하는 비파괴 검사에 의한 정기적 또는 비정기적인 점검을 수행하는 단계; 및 상기 점검 결과, 상기 대상물의 표면에 변색, 스니어링(눌린 흔적), 국부마모, 헤어크랙 및 내부 크랙을 포함하는 이상이 발견되면, 해당 위치에 초음파를 이용하여 진동에너지를 인가하는 것에 의해 상기 대상물의 표면에 나노스킨을 형성함으로써, 표면을 개질하여 누적 피로를 회복하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 대상물에 대하여 FEM(Finite Element Method) 해석방법이나, 잔류응력 측정, 또는, 표면층의 미세균열을 찾아내기 위한 형광분석 등과 같은 비파괴검사를 수행하여 대상물의 구조 및 피로상태를 평가하고, 평가 내용에 근거하여 피로 누적위치를 찾아낸 후, 이러한 피로 누적위치에 초음파 등을 이용하여 진동에너지를 인가하여 대상물의 표면에 나노스킨을 형성하는 것에 의해 대상물의 표면을 개질하고 누적 피로를 회복하여 대상물의 피로수명 및 제품 전체의 수명을 연장할 수 있도록 구성되는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법이 제공됨으로써, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여 기계적인 접촉(contact), 회전(rotation), 구부림(bending) 등의 반복에 의해 누적되는 피로(fatigue)를 회복하고, 그것에 의해, 해당 부품이나 물질의 수명을 연장할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 구성되는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법을 이용하여, FEM 해석방법이나, 잔류응력 측정, 또는, 표면층의 미세균열을 찾아내기 위한 형광분석 등과 같은 비파괴검사를 수행하여 대상물의 구조 및 피로상태를 평가하고, 평가 내용에 근거하여 피로 누적위치를 확인 또는 예측한 후, 대상물의 예상 수명이 경과하기 전에 확인 또는 예측된 피로 누적위치에 미리 초음파 등을 이용하여 진동에너지를 인가하여 누적피로를 주기적으로 회복시킴으로써, 대상물의 원래 수명보다 훨씬 오래 사용이 가능하도록 할 수 있고, 그것에 의해, 부품 교체 및 유지보수 비용을 절감할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여 초음파 검사와 같은 비파괴 검사 등에 의한 정기적 또는 비정기적인 점검을 수행하고, 수행 결과 표면에 변색, 스니어링(눌린 흔적), 국부마모, 헤어크랙 및 내부 크랙 등을 포함하는 이상이 발견되면 해당 위치에 초음파 등을 이용하여 진동에너지를 인가함으로써, 대상물의 표면에 나노스킨을 형성하는 것에 의해 대상물의 표면을 개질하여 누적 피로를 회복하고 수명을 연장할 수 있으며, 그것에 의해, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재의 수명을 연장하여 유지보수 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 UNSM으로 형성되는 나노스킨의 사례를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법을 검증하기 위한 테스트를 수행하기 위해 사용된 SUJ2 및 SUJ3 시편의 구성을 각각 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법을 검증하기 위한 테스트에 적용된 UNSM 처리의 각종 파라미터를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3에 나타낸 SUJ2 및 SUJ3 시편의 경도(hardness) 및 거칠기(roughness)를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 나타낸 각 시편의 평균값에 근거하여 RBF 테스트를 수행한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 5에 나타낸 SUJ3 시편에 대한 RCF 테스트 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 미처리된 SUJ2 시편과 UNSM 처리된 SUJ2 시편의 단면에 대한 SEM 이미지를 각각 나타내는 도면이다.
도 9는 미처리된 SUJ3 시편과 UNSM 처리된 SUJ3 시편의 단면에 대한 EBSD IQ 맵을 각각 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여 기계적인 접촉(contact), 회전(rotation), 구부림(bending) 등의 반복에 의해 누적되는 피로(fatigue)를 회복하여 해당 부품이나 물질의 수명을 연장하기 위해, 대상물에 대하여 FEM(Finite Element Method) 해석방법이나, 잔류응력 측정, 또는, 표면층의 미세균열을 찾아내기 위한 형광분석 등과 같은 비파괴검사를 수행하여 구조 및 피로상태를 평가하고, 평가 내용에 근거하여 피로 누적위치를 찾아낸 후, 이러한 피로 누적위치에 초음파 등을 이용하여 진동에너지를 인가함으로써, 대상물의 표면에 나노스킨을 형성하는 것에 의해 대상물의 표면을 개질하여 누적 피로를 회복하며, 그것에 의해 대상물의 피로수명 및 제품 전체의 수명을 연장할 수 있도록 구성되는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여, FEM 해석방법이나, 잔류응력 측정, 또는, 표면층의 미세균열을 찾아내기 위한 형광분석 등과 같은 비파괴검사를 수행하여 구조 및 피로상태를 평가하고, 평가 내용에 근거하여 피로 누적위치를 확인 또는 예측한 후, 대상물의 예상 수명이 경과하기 전에 확인 또는 예측된 피로 누적위치에 미리 초음파 등을 이용하여 진동에너지를 인가하여 누적피로를 주기적으로 회복시킴으로써, 대상물의 원래 수명보다 훨씬 오래 사용이 가능하도록 할 수 있고, 그것에 의해, 부품 교체 및 유지보수 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여, 초음파 검사와 같은 비파괴 검사 등에 의한 정기적 또는 비정기적인 점검을 수행하고 수행 결과 표면에 변색, 스니어링(눌린 흔적), 국부마모, 헤어크랙 및 내부 크랙 등을 포함하는 이상이 발견되면, 해당 위치에 초음파 등을 이용하여 진동에너지를 인가하는 것에 의해 대상물의 표면에 나노스킨을 형성함으로써, 표면을 개질하여 누적 피로를 회복하고 수명을 연장할 수 있도록 하기 위한 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법에 관한 것이다.
계속해서, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법은, 크게 나누어, 먼저, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여 대상물의 구조 및 피로상태를 평가하는 구조해석단계(S11)와, 상기 구조해석단계의 해석 결과에 근거하여 대상물의 피로 누적위치를 검출하는 검출단계(S12)와, 상기 검출단계에서 검출된 피로 누적위치에 나노스킨을 형성하는 것에 의해 대상물의 표면을 개질하고 누적 피로를 회복하는 회복단계(S13)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기한 구조해석단계(S11)는, 예를 들면, FEM(Finite Element Method) 해석방법이나, 잔류응력 측정, 또는, 표면층의 미세균열을 찾아내기 위한 형광분석 등과 같은 비파괴검사를 수행하여 대상물의 구조 및 피로상태를 평가하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기한 회복단계(S13)는, 상기 검출단계(S12)에서 검출된 상기 대상물의 피로 누적위치의 표면에 초음파 등을 이용한 진동에너지를 인가하여 나노스킨을 형성하도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 상기한 회복단계(S13)는, 상기 검출단계에서 검출된 상기 대상물의 피로 누적위치의 표면에, 예를 들면, 초음파 나노크리스탈 표면개질(ultrasonic nanocrystal surface modification ; UNSM) 기술을 적용하여 대상물의 표면을 개질하고 누적 피로를 회복하도록 구성될 수 있다.
아울러, 도 2를 참조하면, 도 2는 UNSM으로 형성되는 나노스킨의 구성예를 나타내는 도면이다.
즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 나노스킨(Nanoskin)이란, 표면층은 나노급의 표면 거칠기와 텍스쳐링(Texturing) 조직으로 구성되며, 피하층은 깊이 ~ 100㎛까지는 결정조직의 크기가 수십 나노에서 1㎛까지의 경사조직의 구조이고, 깊이 ~ 1,500㎛부터 표면층까지는 경도가 모재보다 상승하는 경사조직이며, 깊이 ~ 2,000㎛부터 표면층까지는 잔류응력이 커지는 경사조직으로, 표면층의 잔류응력의 값이 1 Giga Pascal 보다 큰 구조를 가지는 표피구조를 나노스킨이라 정의한다.
여기서, 상기한 본 발명의 실시예에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법에 있어서, 상기한 구조해석단계(S11)는 대상물의 구조 및 피로상태 평가를 위해 FEM 해석방법이나, 잔류응력 측정, 또는, 표면층의 미세균열을 찾아내기 위한 형광분석 등과 같은 비파괴검사를 수행하여 대상물의 구조 및 피로상태를 평가하고, 상기한 회복단계(S13)는 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM) 기술을 적용하여 대상물의 표면 개질 및 누적 피로를 회복하는 것으로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이러한 경우로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 상기한 FEM 방법이나 UNSM 기술 이외에 다른 방법도 필요에 따라 적절히 사용 가능한 것임에 유념해야 한다.
더욱이, 상기한 본 발명의 실시예에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법은, 상기한 구조해석단계(S11)에서 대상물의 구조 및 피로상태 평가를 통해 피로 누적위치를 찾아내는 것에 더하여, 잔존 수명을 미리 예측하고, 예측된 예상수명에 맞추어 대상물의 예상수명이 경과하기 전에 적절한 시기에 상기한 회복단계(S13)의 처리를 통해 누적피로를 회복하여 주는 각각의 단계들을 더 포함하도록 구성될 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이, FEM 해석방법이나, 잔류응력 측정, 또는, 표면층의 미세균열을 찾아내기 위한 형광분석 등과 같은 비파괴검사를 수행하여 대상물의 구조 및 피로상태 평가를 통해 피로 누적위치 및 예상수명을 결정하고, 예상수명이 경과하기 전에 해당 피로 누적위치에 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM) 기술을 적용하여 피로수명을 회복하는 일련의 과정을 대상물의 예상수명에 맞추어 주기적으로 반복 수행함으로써, 대상물의 피로수명 및 전체 수명을 거의 무한대로 회복하고 증가시키는 것이 가능할 것으로 기대된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법은, 상기한 바와 같이 대상물의 구조 및 피로상태 평가를 통해 피로누적위치를 검출하고 잔존 수명을 예측하여 예상수명이 경과하기 전에 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 적용하여 피로수명을 회복하는 일련의 과정을 주기적으로 반복 수행하도록 구성되는 것으로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여, 초음파 검사와 같은 비파괴 검사 등에 의한 정기적 또는 비정기적인 점검을 수행하고, 수행 결과 표면에 변색, 스니어링(눌린 흔적), 국부마모, 헤어크랙 및 내부 크랙 등을 포함하는 이상이 발견되면, 해당 위치에 초음파 등을 이용하여 진동에너지를 인가하는 것에 의해 대상물의 표면에 나노스킨을 형성함으로써, 표면을 개질하여 누적 피로를 회복하고 수명을 연장할 수 있도록 구성될 수도 있는 등, 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법을 구현할 수 있다.
계속해서, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법을 실제의 경우에 적용하여 실험을 수행한 결과에 대하여 설명한다.
먼저, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법을 검증하기 위해, 누적된 RCF 표면에 UNSM 처리의 효과를 검증하기 위한 테스트를 수행하기 위하여 사용된 SUJ2 및 SUJ3 시편의 구성을 각각 나타내는 도면이다.
여기서, 이하에 설명하는 실험예에서는, SUJ2 및 SUJ3를 각각 가공하여 본 발명의 실시예에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법을 적용한 경우를 예로 하여 설명하였으나, 본 발명은 이러한 SUJ2 및 SUJ3의 경우로 한정되는 것은 아니며, SUJ2 및 SUJ3 이외에 다른 여러 가지 재료나 물질에 대하여도 필요에 따라 적절히 적용될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
즉, SUJ2는 일반적으로 사용되는 베어링 링 소재로서, 본 실시예에서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, RBF(Rotary-Bending-Fatigue) 테스트를 위해, KS B ISO 1143 표준에 따른 형태 및 크기로 가공되었다.
또한, 진공침탄 SUJ3 베어링강(Vacuum-carburized SUJ3 bearing steel)은 높은 경도(hardenability)로 인해 일반적으로 큰 볼 및 롤러에 사용되며, 본 실시예에서, SUJ3 시편은, 도 3에 나타낸 바와 같이, RCF(Rotary-Contact-Fatigue) 테스트를 위해, ASTM G 99 표준에 따른 형태 및 크기로 가공되었다.
아울러, 도 3에 나타낸 바와 같이 하여 준비된 SUJ2 시편에 UNSM 처리의 효과를 조사하기 위하여, 일본 야마모토사(Yamamoto Company)의 YRB 2000 회전 굴곡 테스트기(rotary bending test machine)를 이용하여 테스트가 진행되었으며, SUJ3 시편에 대한 UNSM 처리의 효과를 조사하기 위하여는, 핀 온 디스크 분석(pin-on-disk analysis)과 RCF 시험이 동일한 시험기에서 가능하도록 본 발명의 출원인인 선문대학교에 의해 제작된 시험기가 사용되었다.
여기서, 도 3에 있어서, F는 피로(fatigue)이고, U는 UNSM을 각각 의미하고, 피로수명의 퍼센트(25, 50 및 75% F)는 평균 피로수명에 따라 시편에 적용된 사이클 수를 나타내므로 실수명 사용(real-life usage)을 시뮬레이션하였으며, RBF 테스트 조건은 다음과 같다.
응력(stress) : 990 MPa
회전속도(rotational speed) : 3125 rpm
압력비(stress ratio) : R = -1
온도(temperature) : 15 ~ 20 ℃
아울러, "피로표면(Fatirued surface)"이란 실수명 마찰손상(friction damage)을 시뮬레이션하기 위한 마모(grinding) 처리에 의해 시편에 가해진 표면 손상(surface damage)을 의미하며, SUJ3 시편에 대한 RCF 시뮬레이션 조건은 다음과 같다.
볼 재료 및 수(ball material and number) : WC, 3
볼 직경(ball diameter) : 7.14 mm
접촉응력(contact stress) : 4.6 GPa
회전속도(rotational speed) : 1500 rpm
윤활여부(dry or lubrication) : 윤활유(Oil lubrication)
여기서, UNSM 처리과정의 구체적인 내용에 대하여 설명하면, 초음파 나노 표면개질(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification) 기술은 초음파 진동에너지에 의해 매우 큰 정적 및 동적 하중이 부가된 볼(ball)을 이용하여 1초에 20,000번 이상의 타격(1,000 ~ 100,000회/mm2 정도)을 금속 표면에 인가하여 SPD(Severe Plastic Deformation) 및 탄성 변형을 발생시키고, 그것에 의해 표층부의 조직을 나노결정 조직으로 개질함과 동시에, 매우 크고 깊은 잔류응력 등을 부가하는 기술이다.
또한, UNSM 장치의 구성은, 일반적으로, 크게 나누어, 진동자(20kHz 또는 40kHz), 부스터(Booster), 혼(Horn)으로 구성되고, 혼의 선단에는 볼(Ball)과 볼을 고정하는 볼 팁(Tip)이 설치되어, 선반이나 머시닝 센터와 같은 공작기계에 부착하여 환형물, 평면형상 및 자유곡면 형상물을 가공할 수 있도록 구성되어 있다.
따라서 이러한 UNSM 장치를 이용하여, 연마(Polishing)한 금속에 UNSM 처리를 수행하면 딤플(Dimple)이 생성되면서 딤플 패턴을 형성하게 되고, 이러한 딤플 표면은 연마한 표면보다 거칠기(Surface roughness)가 낮아지며, 또한, 금속 표면에 1초당 20,000번 이상의 타격을 통해 나노구조화(Nanostructure), 표면경도(Surface hardness) 향상 및 잔류응력(residual stress) 부가의 효과를 얻을 수 있다.
즉, UNSM 처리에 의해 얻어지는 기계적 특성 및 그로 인한 기대효과는, 먼저, 크고 깊은 잔류응력(1000MPa 이상, 깊이 2000㎛ 이상)에 의해 LCF(Low Cycle Fatigue)/HCF(High Cycle Fatigue) 강도 향상, 구름접촉 피로강도(RCF) 향상 및 SCC(Stress Corrosion Cracking) 강도 향상의 효과가 있고, 또한, 미세홈(Microdimples)에 의해 표면거칠기 향상, 마찰계수 저감 및 마모율 저감의 효과가 있으며, 아울러, 표면경도 향상에 의해 마모율 저감, LCF/HCF 강도 향상의 효과가 있고, 더욱이, 나노결정구조에 의해 인장강도 및 경도 향상, 피로강도 향상 및 내마모율 향상의 효과를 기대할 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이, 피로 파괴에 큰 영향을 주는 중요 요인이 잔류응력의 유무와 표면의 상태라는 관점에서, 이러한 UNSM에 의한 표면개질의 적용은 매우 활용도가 높을 것으로 기대된다.
계속해서, 도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법을 검증하기 위한 테스트에 적용된 UNSM 처리의 각종 파라미터를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
즉, 본 발명자들은, 본 발명의 실시예에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법을 검증하기 위하여, 도 3에 나타낸 바와 같은 SUJ2 및 SUJ3 시편에 도 4에 나타낸 바와 같이 하여 각각 UNSM 처리를 수행하고, 각 시편들의 미세구조를 주사전자현미경(scanning electron microscope(SEM) ; JSM 5610), 전계효과(field effect) 주사전자현미경(FE-SEM)에 설치된 전자 후방산란 회절(electron back-scatter diffraction(EBSD) ; TSL_OIM) 시스템 및 전계효과 투과형 전자현미경(field effect transmission electron microscope(FE-TEM) ; JEM-2100F)를 이용하여 관찰하였다.
다음으로, 도 5를 참조하면, 도 5는 도 3에 나타낸 SUJ2 및 SUJ3 시편의 경도(hardness) 및 거칠기(roughness)를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
여기서, 도 5에 있어서, 각각의 측정위치는, 먼저, SUJ2(RBF)는 목 부분(neck area)이고, SUJ3(RCF)는 외표면(top surface) 이며, 각각의 측정방법은, 경도의 경우 Krautkramer MIC-20 장치 및 UCI(ultrasonic contact impedance) 방법을 이용하여 측정하였고, 표면 거칠기는 Mitutoyo SJ-210 장치 및 Stylus 방법을 이용하여 측정하였다.
또한, 도 6을 참조하면, 도 6은 도 5에 나타낸 각 시편의 평균값에 근거하여 RBF 테스트를 수행한 결과를 나타내는 도면이고, 도 7을 참조하면, 도 7은 도 5에 나타낸 SUJ3 시편에 대한 RCF 테스트 결과를 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 시편 #2가 가장 긴 피로수명을 나타내었고, 시편 #4의 피로수명은 시편 #1보다 긴 것을 알 수 있으며, 상기한 바와 같은 테스트 결과로부터, UNSM 처리가 표면 특성 및 누적 피로를 현저하게 개선하는 것을 알 수 있다.
계속해서, 도 8을 참조하면, 도 8은 미처리된 SUJ2 시편과 UNSM 처리된 SUJ2 시편의 단면에 대한 SEM 이미지를 각각 나타내는 도면이다.
여기서, 도 8에 있어서, 도 8a는 미처리시의 단면이고, 도 8b는 25% F + UNSM 처리된 경우이며, 도 8c는 50% F + UNSM 처리된 경우이고, 도 8d는 75% F + UNSM 처리된 경우이다.
도 8a에 나타낸 바와 같이, 미처리된 시편은 상대적으로 균일한 미세구조를 나타내고 페라이트 메트릭스(ferrite matrix)(마텐자이트(martensite))의 입자 크가(grain size)가 ~ 300nm인 것으로 관측된다.
반면, 처리된 시편의 경우는, 도 8b 내지 8d에 나타낸 바와 같이, 스트레인이 적용된 미세구조 개질층(strain-induced microstructural refined layers)이 관측되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 이러한 개질층의 깊이는 처리조건에 따라 ~ 14㎛ 내지 ~ 9㎛로 나타나며, 입자 크기는 원래의 경우( ~ 300nm) 보다 훨씬 작은 ~ 100nm로 개질된다.
계속해서, 도 9를 참조하면, 도 9는 미처리된 SUJ3 시편과 UNSM 처리된 SUJ3 시편의 단면에 대한 EBSD IQ 맵(image quality map)을 각각 나타내는 도면이다.
여기서, 도 9에 있어서, 도 9a는 미처리된 SUJ3 시편의 경우이고, 도 9b는 UNSM 처리된 SUJ3 시편의 경우이며, 도 9c는 피로 누적상태(fatigued)의 SUJ3 시편의 경우이고, 도 9d는 피로누적 및 UNSM 처리된 SUJ3 시편의 경우를 각각 나타내고 있다.
더 상세하게는, 도 9a에 나타낸 바와 같이, 미처리된 시편의 경우는 균일한 미세구조가 관찰되나, UNSM 처리된 시편의 경우는, 도 9b에 나타낸 바와 같이, 개질된 미세구조층이 표면(top surface)에 관찰되며, 이때, 입자 크기는 나노사이즈( ~ 5nm)로 개질된다.
아울러, 피로 테스트 후 미세구조는, 도 9c에 나타낸 바와 같이, 미처리시에 비해 거칠어진(coarsened) 듯이 보이나, 피로 및 UNSM 처리 후에는, 도 9d에 나타낸 바와 같이, 구조가 개질되어 미처리된 SUJ3 시편과 유사한 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
따라서 상기한 바와 같은 내용으로부터, SUJ2 및 SUJ3 시편에 UNSM 처리를 행함으로써 나노스킨이 형성되고, 그것에 의해 SUJ2 및 SUJ3강의 RBF 및 RCF를 개선할 수 있음을 알 수 있다.
즉, 상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 표면에 나노스킨층(nanoskin layer)을 형성하는 것에 의해 일반적인 베어링과 같은 기계부품이나 금속 또는 합금의 피로수명(fatigue life)을 현저하게 개선할 수 있다.
여기서, 나노스킨층 구조는 초음파 나노크리스탈 표면개질(ultrasonic nanocrystal surface modification ; UNSM) 기술에 의해 얻어질 수 있고, 나노스킨의 미세구조는 주사전자현미경(scanning electron microscope ; SEM),전자 후방산란 회절(electron back-scatter diffraction) 및 투과형 전자 현미경(transmission electron microscope ; TEM) 등을 통해 분석 가능하다.
또한, 상기한 본 발명의 실시예에 있어서, 서로 다른 피로상태의 SUJ2 및 SUJ3 베어링이 UNSM 처리되었고, 먼저, SUJ2에 대하여는, 3개의 미처리된 시편에 대한 회전 굴곡 피로(rotary-bending fatigue ; RBF) 수명 평균을 100% 수명으로 하고, 동일한 시편에 수명의 25%, 50% 및 75% 까지 피로를 누적시킨 각 3개의 시편에 UNSM 처리로 피로수명을 회복시킨 후, 이러한 UNSM SUJ2 시편을 RBF 테스트한 결과, 미처리된 시편에 비하여 342% 이상의 피로수명 개선이 나타났다.
아울러, SUJ3에 대하여는, 미처리된 시편의 RCF 수명을 100% 수명으로 하여 대략 87%의 표면 손상을 피로로서 가한 후, 피로누적된 SUJ3 시편에 일련의 UNSM 처리로 피로수명을 회복시킨 후 RCF 테스트한 결과, 미처리된 시편에 비해 180% 이상의 피로수명 개선을 나타내었다.
이러한 결과로부터, 본 명에 따라 UNSM 기술을 통한 나노스킨 처리에 의해 베어링 합금의 RCF와 RBF 수명 회복이 가능함을 알 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법을 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법을 구현함으로써, 본 발명에 따르면, 대상물에 대하여 FEM(Finite Element Method) 해석방법이나, 잔류응력 측정, 또는, 표면층의 미세균열을 찾아내기 위한 형광분석 등과 같은 비파괴검사를 수행하여 구조 및 피로상태를 평가하고, 평가 내용에 근거하여 피로 누적위치를 찾아낸 후, 이러한 피로 누적위치에 초음파 등을 이용하여 진동에너지를 인가하여, 대상물의 표면에 나노스킨을 형성하는 것에 의해 대상물의 표면을 개질하고 누적 피로를 회복하여 대상물의 피로수명 및 제품 전체의 수명을 연장할 수 있도록 구성되는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법이 제공됨으로써, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여 기계적인 접촉(contact), 회전(rotation), 구부림(bending) 등의 반복에 의해 누적되는 피로(fatigue)를 회복하고, 그것에 의해, 해당 부품이나 물질의 수명을 연장할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 구성되는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법을 이용하여, FEM 해석방법이나, 잔류응력 측정, 또는, 표면층의 미세균열을 찾아내기 위한 형광분석 등과 같은 비파괴검사를 수행하여 대상물의 구조 및 피로상태를 평가하고, 평가 내용에 근거하여 피로 누적위치를 확인 또는 예측한 후, 대상물의 예상 수명이 경과하기 전에 확인 또는 예측된 피로 누적위치에 미리 초음파 등을 이용하여 진동에너지를 인가하여 누적피로를 주기적으로 회복시킴으로써, 대상물의 원래 수명보다 훨씬 오래 사용이 가능하도록 할 수 있고, 그것에 의해, 부품 교체 및 유지보수 비용을 절감할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여 초음파 검사와 같은 비파괴 검사 등에 의한 정기적 또는 비정기적인 점검을 수행하고, 수행 결과 표면에 변색, 스니어링(눌린 흔적), 국부마모, 헤어크랙 및 내부 크랙 등을 포함하는 이상이 발견되면 해당 위치에 초음파 등을 이용하여 진동에너지를 인가함으로써, 대상물의 표면에 나노스킨을 형성하는 것에 의해 대상물의 표면을 개질하여 누적 피로를 회복하고 수명을 연장할 수 있으며, 그것에 의해, 베어링 등과 같은 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재의 수명을 연장하여 유지보수 비용을 절감할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

Claims (8)

  1. 베어링을 포함하는 기계적 부품이나 금속 또는 합금 소재에 대하여 대상물의 표면에 나노스킨(Nanoskin)을 형성하는 것에 의해 기계적인 접촉(contact), 회전(rotation), 구부림(bending)의 단독 또는 복합적인 반복작용에 의해 누적되는 피로(fatigue)를 회복하고 상기 대상물의 피로수명 및 제품 전체의 수명을 연장할 수 있도록 구성되는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법에 있어서,
    상기 대상물의 종류를 분류하는 분류단계;
    상기 분류단계의 분류결과에 근거하여, 상기 대상물이 베어링 종류인 경우, FEM(Finite Element Method) 해석방법이나, 잔류응력 측정, 또는, 표면층의 미세균열(micro hair crack)을 찾아내기 위한 형광분석을 포함하는 비파괴검사 중 적어도 하나를 선택적으로 수행하여 상기 대상물의 구조 및 피로상태를 분석하는 구조해석단계;
    상기 구조해석단계의 해석 결과에 근거하여 상기 대상물의 피로 누적위치를 검출하는 검출단계;
    상기 구조해석단계의 해석 결과에 근거하여 상기 대상물의 잔존 수명을 미리 예측하는 예측단계;
    상기 검출단계에서 검출된 상기 대상물의 피로 누적위치의 표면에 초음파 나노크리스탈 표면개질(ultrasonic nanocrystal surface modification ; UNSM) 기술을 적용하여 초음파를 이용한 진동에너지를 인가하는 것에 의해 나노스킨(Nanoskin)을 형성함으로써 상기 대상물의 표면을 개질하고 누적 피로를 회복하는 누적피로 회복단계; 및
    상기 예측단계에서 예측된 상기 대상물의 잔존 수명이 경과하기 전에 상기 대상물의 피로 누적위치에 초음파를 이용한 진동에너지를 인가하는 것에 의해 나노스킨(Nanoskin)을 형성하여 상기 대상물의 누적피로를 회복하고 상기 잔존 수명을 연장시키는 잔존수명 회복단계를 포함하여 구성됨으로써,
    상기 대상물의 전체 수명을 증가시키는 동시에, 부품 교체 및 유지보수 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법.
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  5. 제 1항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 예측단계에서 예측된 상기 대상물의 잔존 수명에 따라 상기 잔존수명 회복단계를 주기적으로 반복 수행하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법.
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  8. 제 1항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 대상물에 대하여 초음파 검사를 포함하는 비파괴 검사에 의한 정기적 또는 비정기적인 점검을 수행하는 단계; 및
    상기 점검 결과, 상기 대상물의 표면에 변색, 스니어링(눌린 흔적), 국부마모, 헤어크랙 및 내부 크랙을 포함하는 이상이 발견되면, 해당 위치에 초음파를 이용하여 진동에너지를 인가하는 것에 의해 상기 대상물의 표면에 나노스킨을 형성함으로써 표면을 개질하여 누적 피로를 회복하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노스킨을 이용한 피로수명 회복방법.
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