KR20140053109A - 금속 부분의 표면 처리 - Google Patents

Abstract

금속 부분의 표면 처리 방법으로서, 표면의 모든 부분이 여러 주요 입사각들을 따라 입자들을 받을 수 있도록, 실질적으로 구형인 입자들의 스트림에 상기 금속 부분의 표면(1)을 노출하고, 10° 와 45° 사이의 외측 반 정점각을 갖는 원뿔 또는 원뿔형 필름에 상기 표면의 일부에서 상기 입자들의 주요 입사각들이 본질적으로 분포되고, 평균 두께가 수십 마이크론인 나노구조의 표면층(3)이 얻어질 때까지, 0.1mm를 초과하고 2mm 미만의 직경을 갖는 입자들이 40m/s와 100m/s 사이의 속도로 분사되는 단계를 포함한다. 이후 열화학적 처리, 특히 질화물 타입의 저온 처리 또는 저압 침탄질화 타입의 고온 처리가 적용된다.

Description

금속 부분의 표면 처리{SURFACE TREATMENT OF A METAL PART}

본 발명은 금속 표면의 처리 분야에 관한 것으로서, 특히 피닝(peening)에 의한 처리에 관한 것이며, 선택적으로 열화학적 처리가 결합되는 피닝에 의한 처리에 관한 것이다.

숏 피닝(shot peening)은 피로 수명(fatigue life)과 같은 금속 표면의 특정 성질 향상에 널리 사용되는 기술이다. 숏 피닝 처리는 일반적으로 피닝의 영향을 받는 표면의 비율을 말하는 커버리지(coverage) 정도와 단위 면적당 적용된 운동 에너지 양을 말하는 강도로 특징 지워진다. 숏 피닝 기술분야의 문헌에서는 피닝된 물질이 초래하는 균열과 피로수명 단축과 같은 열화가 시작되는 커버리지(coverage) 정도와 강도 파라미터의 한계에 대해 규정하고 있다. 열화를 일으키는 이러한 조건들은 일반적으로 “오버피닝(overpeening)”이라는 용어로 지칭한다.

피닝처리에 대한 추후의 연구에서는 일반적으로 규정된 한계 이상으로 피닝을 밀고나감으로써 표면층에서 물질의 나노구조화의 생성 가능성을 조명해왔다. “나노구조화”라는 용어는 안정된 상(phase)을 얻는 것을 말하며, 입자 크기는 대략 수십 나노미터 정도이다. 특정한 조건 하에서, 물질의 나노구조화는 미소균열의 확대를 방지함으로써, 상술한 저하가 발생하지 않도록 하는 것으로 추정된다.

물질의 나노구조화는 피로수명, 강도, 내식성, 원자의 열확산성, 생체적합성의 증가 및 마찰 특성의 향상 등과 같은 유리한 효과들을 발생시킨다.

나노구조화된 표면층을 생성하는 것으로 알려진 과정들에 있어서 본질적으로 주의할 사항은 다음과 같다:

보통의 입사각으로 고속 또는 초고속으로 처리할 샘플에 미립자 또는 매우 미세한 입자들을 분사하는 기술(미립자 봄바딩(Bombarding) 또는 에어블라스트 숏피닝(Air Blast Shot Peening). 이러한 기술들은 특히 일본 철강협회 제47권(2007), No.1 pp157-162에 개시되어 있다;

초음파 숏피닝 또는 표면 기계적 마찰 처리로 알려진, 저속으로 보다 큰 입자들을 진동시키는 기술들. 이러한 기술들은 특히 일본 금속 재료 거래 협회 제45권, No.2(2004), pp376~379에 개시되어 있다.

WO02/10461에는 볼베어링 볼(ball bearing balls)과 유사한 완전한 구형의 볼들을 다양한 입사각으로 금속 부분의 임팩트 지점에 분사하는, 나노구조 생성과정이 개시되어 있다. 수십 또는 수백 마이크론 두께의 나노구조물을 얻기 위해, 처리될 금속부분의 표면에 기계적 및/또는 열적 응력을 가하는 것이 개시되어 있다.

CN101580940A 에는 타이어 몰드(tyre mould) 처리방법이 개시되어 있다. 이 방법은 나노결정화를 통한 처리단계를 포함한다. 상기 나노결정화 단계는 지속적으로 진동하는 피닝 툴을 이용하여 수행된다.

WO02/10462에는 볼 분사 원천(ball projection source)에 의해 서로 다르고 다양한 입사각 방향을 따라 임팩트 지점에 볼들이 분사되는 나노구조물 생성 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 또한 350°C와 550°C 온도에서 나노구조물 층을 화학처리하는 단계를 포함한다.

금속 부분 상에서 나노구조화된 표면층을 얻을 수 있는 피닝 과정을 제공함에 있다.

일 실시예에 따르면, 본 발명은 금속부분의 표면 처리를 위한 처리과정을 제공하는 것으로, 다음 단계 포함한다.

상기 표면의 임의의 부분이 복수의 주요 입사각들을 따라 입자들을 받을 수 있도록 상기 실질적으로 구형 입자들의 스트림에 상기 금속 부분의 표면을 노출시키는 단계, 여기서 10° 내지 45°의 외측 반 정점각 (outer half apex angle)을 갖는 원뿔 또는 원뿔형 필름에 상기 표면의 일부 상의 상기 입자들의 주요 입사각들이 본질적으로 분포되고, 가령 40 내지 50㎛ 이상의 평균 두께를 갖는 나노구조의 표면층(3)이 수득될 때까지 0.1mm를 초과하고 2mm 미만의 직경을 갖는 상기 입자들이 40m/s와 100m/s 사이의 속도로 분사된다.

본 발명의 주요 개념은 상기 물질의 다수의 원자 슬립면(slip plane)에 응력을 가하기 위해 다양하며 제어된 입사각들을 따라, 처리될 표면을 강타(hit) 할 수 있는 하나 이상의 입자들의 스트림들을 생성하는 것이다. 일 실시예에 따르면, 나노구조물들의 표면층의 평균 두께는 40 또는 50㎛를 초과하며, 상기 나노구조물의 표면층의 경계는 상기 금속 물질을 구성하는 물질에 따라 결정되는 한계점을 초과하는 경도를 갖는 금속부분의 영역으로 결정된다.

일실시예에 따르면, 상기 경도 한계점은 표면 처리 시 수득되는 종래 기술에 따른 물질의 경도로 정의되는데, 이는 상기 금속 부분의 처리된 표면에서 수득될 수 있는 경도의 50%와 같다. 또는 이 한계점은 특히 결정체 상 변화가 발생하는 위치 등 다른 파라미터의 함수로 정의될 수 있다.

또 다른 유리한 실시예들에 따르면, 이러한 과정은 다음의 특징들을 하나 이상 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 입자들의 직경은 0.3mm를 초과하고 1.4mm 미만이다.

일실시예에 따르면, 상기 입자들의 입사각은 상기 원뿔 또는 원뿔형 필름 내에 실질적으로 지속적으로 분포되어 있다.

일실시예에 따르면, 상기 원뿔 또는 상기 원뿔형 필름은 10° 내지 30° 사이의 외측 반 정점각을 갖는다.

일실시예에 따르면, 상기 입자들의 스트림은 중심방향을 따라 분사되는 입자들을 포함하고, 상기 중심방향에 대하여 상기 표면을 비스듬하게 제공하기 위해 상기 금속부분은 서포트(support)에 고정되고, 상기 서포트는 상기 입자들의 중심방향과 동축인 축을 중심으로 회전된다.

일실시예에 따르면, 상기 중심방향에 대한 상기 부분의 표면의 경사도는 10° 내지 30° 사이이고, 바람직하게는 15°에 가깝다.

일실시예에 따르면, 상기 입자들은 50m/s 내지 80m/s 사이의 속도로 분사된다.

일실시예에 따르면, 상기 입자들은 처리 전 상기 부분의 표면의 경도보다 더 큰 경도를 갖는다.

일실시예에 따르면, 본 발명은 상기 과정에 의해 처리된 표면을 포함하는 금속 부분을 제공하고, 상기 표면은 40 또는 50㎛를 초과하는 평균 두께를 갖는 나노구조물의 표면층을 포함하고 상기 나노구조물의 표면층의 경계는 상기 금속 물질을 구성하는 물질에 따라 결정되는 한계점을 초과하는 경도를 갖는 금속부분의 영역으로 결정된다.

일실시예에 따르면, 상기 경도 한계점은 표면 처리 시 수득되는 종래 기술에 따른 물질의 경도로 정의되는데, 이는 상기 금속 부분의 처리된 표면에서 얻을 수 있는 경도의 50%와 같다.

일실시예에 따르면, 나노구조물의 표면층의 평균 두께는 100㎛를 초과한다.

일실시예에 따르면, 본 발명은 다음을 포함하는 금속 부분의 표면 처리 장치를 제공한다.

직경이 0.1mm를 초과하고 2mm 미만인 실질적으로 구형인 한 스트림(stream)의 입자들을 생성할 수 있으며 40m/s와 100m/s 사이의 속도로 분사시키는 분사수단, 금속 부분을 지지할 수 있고 상기 입자들에 노출된 표면을 포함하는 서포트(support), 및 상기 서포트의 표면 상의 상기 입자들의 주요 입사각들이 10° 내지 45° 사이의 외측 반 정점각을 갖는 원뿔 또는 원뿔형 필름에 본질적으로 분포되도록, 상기 입자들에 대하여 상기 서포트의 방향을 변경할 수 있는 엑츄에이터(actuator)를 포함한다.

위의 피닝 과정들을 통해서 상기 부분의 표면에서 그레인(grain) 경계들의 고밀도를 수득할 수 있는 것이 관측되었다. 이전에 수득한 물질의 나노구조화 덕분에, 확산 처리는 표면의 나노구조화가 이루어지지 않은 부분에 비해 더 빠른 속도에서 확산되고 및/또는 더 깊이 확산되고 및/또는 더 저온에서 이루어져 금속 구조의 질을 높일 수 있다. 상술한 열화학적 처리는 첫번째로 나노구조화된 층에 영향을 미친다. 그러나 나노구조화된 층에 영향을 미치는 것이 열화학적 처리만 있는 것은 아니다. 실제로, 나노구조화된 영역은 밑에 있는 금속에 역시 영향을 미치기 위한 특히 효율적인 취수로(inlet channels)를 제공할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 부분은 강(steel)으로 제작되며, 상기 열화학적 조건은 나노구조물들의 표면층의 강의 그레인(grain) 경계들로 질소의 확산으로 이어지는 300°C 내지 590°C 사이의 온도에서의 질화 조건이며, 상기 과정은 예를 들어 나노구조물들의 표면층에 분산된 질화 또는 카보나이트라이드 입자 형태로 형성된 미세한 침전물이 이 층에서 분산되어 형성되는 결과를 가져온다.

일실시예에 따르면, 상기 금속 부분은 오스테나이트 스테인레스 강(austenitic stainless steel) 또는 구조용 강(structural steel)으로 구성되고, 상기 표면은 1000 내지 2000% 커버리지 정도로 입자들에 노출된다.

일실시예에 따르면, 상기 금속 부분은 공구강(tool steel)으로 구성되고, 가령 3000% 보다 큰 커버리지 정도로 피닝을 수행함으로써 적어도 40㎛두께의 나노구조화된 층이 수득될 때까지 상기 표면은 상기 입자들 스트림(stream)에 노출된다.

일실시예에 따르면, 상기 열화학적 조건은 나노구조물들의 표면층의 재결정화와 재결정화된 표면층의 강(steel)의 입자(grain) 경계로의 질소 확산으로 이어지는 750°C 내지 1000°C 사이 온도에서의 저압 침탄질화(carbonitriding) 조건이며, 재결정화된 표면층에서 미세하게 분산된 카보나이트라이드(carbonitride) 입자들을 생성 및 그 생성을 촉진하는 과정이다.

일 실시예에 따르면, 상기 금속 부분을 상기 열화학적 조건에 노출하는 단계는 상기 침탄질화 온도까지 상기 금속 부분이 점진적인 온도 상승을 받게 하는 단계 및 상기 침탄질화 온도에서 온도를 유지하는 단계를 포함하고, 상기 온도 상승 시간과 상기 온도 유지 시간의 합은 3시간 미만이다.

일실시예에 따르면, 상기 온도 상승 시간과 상기 온도 유지 시간의 합은 0.5 내지 1.5시간 사이이다.

일실시예에 따르면, 상기 표면은 400% 내지 1000% 사이의 커버리지 정도에서 상기 입자들에 노출된다.

마찬가지로, 다른 열화학적 처리는 확산된 원자들의 기능으로서 다른 화학적 구조를 갖는 침전물의 형성으로 이어진다. 어쨌든, 기존의 물질의 나노구조화는 미세하고 분산된 형태의 이러한 침전물들의 구조화에 유리하며 거친 형태의 침전물의 형성 또는 약화시키는 지속적인 네트워크 형태로의 침전물 형성을 억제한다.

본 발명의 특정 측면들은 비교적 짧은 시간 내에 비교적 두꺼운 나노구조화 된 표면층을 생산하기 위하여 높은 생산성을 갖는 물질을 나노구조화하는 과정의 설계 개념을 바탕으로 한다. 본 발명의 특정 측면들은 비교적 동종의 나노구조화된 표면층들의 생산 개념을 바탕으로 한다. 본 발명의 특정 측면들은 다양한 기하학적 구조, 특히 오목한 형상에 적용되는 물질을 나노구조화하는 과정의 설계 개념을 바탕으로 한다. 본 발명의 특정 측면들은 비교적 실시가 비교적 용이하고 경제적인 물질을 나노구조화하는 과정의 설계 개념을 바탕으로 한다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조로 단지 도시를 통해 제한하지 않는 방식으로 제공된 다음의 몇몇 특정 실시예를 통해 더 잘 이해되고 그외 목적, 세부내용, 특징 및 이점들이 명백해질 것이다.

도 1은 금속 표면을 나노구조화하는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 과정들을 수행하는데 적합한 피닝 장치의 개략적인 사시도이다.
도 3은 도 2의 장치에 의해 생산된 한 스트림(stream)의 입자들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 장치의 작동 도식도이다.
도 5는 몇몇 피닝 조건들에 따른, 처리된 표면 아래 깊이와 금속부분의 강도 변화를 함수로 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 5의 피닝 조건들에 따른, 커버리지의 정도와 나노구조화된 표면층의 두께의 변화를 함수로 나타낸 그래프이다.
도 7은 몇몇 숏 크기들에 따른 커버리지의 정도와 처리 시간의 변화를 함수로 나타낸 그래프이다.
도 8은 피닝 조건에 따른, 커버리지의 정도와 표면 강도 및 나노구조화된 표면의 두께의 변화를 함수로 나타낸 그래프이다.
도 9는 처리된 부분 부착의 다양한 모드에 따른 커버리지의 정도와 나노구조화된 표면층의 두께의 변화를 함수로 나타낸 그래프이다.
도 10은 몇몇 피닝 조건들에 따른 도 2의 장치에 있어서 서포트의 경사도와 나노구조화된 표면층의 두께의 변화를 함수로 나타낸 그래프이다.
도 11은 처리된 표면 밑의 깊이와 다양한 금속 물질로 제조된 부분들의 강도 변화를 함수로 나타낸 그래프이다.
도 12는 다양한 금속 물질에 따른 커버리지의 범위와 나노구조화된 표면층의 두께 변화를 함수로 나타낸 그래프이다.
도 13 및 도 14는 두 가지 분사율에 따른 커버리지의 범위와 나노구조화된 표면층의 표면 강도 변화 및 두께의 변화를 함수로 나타낸 그래프이다.
도 15는 또 다른 피닝 조건에 따른 커버리지의 범위와 나노구조화된 표면층의 두께 및 표면강도 변화를 함수로 나타낸 그래프이다.
도 16은 임팩트 영향 영역을 나타내는, 피징 과정에 의하여 처리된 부분의 개략적인 단면도이다.
도 17 내지 도 20은 나노구조화된 표면층들의 광학 현미경 사진들이다.
도 21은 사전 피닝 없이 질화 과정에 의해 처리된 부분의 탄소 및 질소의 확산 프로필을 나타내는 그래프이다.
도 22는 도 21의 질화과정과 피닝과정에 의해 연속적으로 처리된 부분의 탄소 및 질소의 확산 프로필을 나타내는 그래프이다.
도 23는 각각 나노구조와, 질화 과정 및 숏 피닝 과정에 의해 연속적으로 처리된 부분과 단지 질화과정과 숏 피닝 과정에 의해 처리된 부분의 잔류응력(residual stresses) 프로필을 나타내는 그래프이다.
도 24는 각각 피닝 과정과 저압 침탄질화 과정에 의해 연속적으로 처리된 부분 및 단지 저압 침탄질화 과정에 의해 처리된 부분의 비커스 경도(Vickers hardness) 프로필을 나타내는 그래프이다.
도 25 및 도 26 은 사전 나노구조화가 있는 경우와 없는 경우의 520°C 에서의 기체 질화 처리에 대한, 표면 인근의 32CrMoV13 공구강의 샘플의 단면도를 보여주는 광학 현미경 이미지이다.
도 27 및 도 28은 사전 나노구조화를 한 경우와 하지 않은 경우의, 520°C 에서의 기체 질화 처리에 대한, 표면 인근의 X38CrMoV5 공구강의 샘플의 단면도를 보여주는 광학 현미경 이미지이다.
도 29 및 도 30은 사전 나노구조화를 한 경우와 하지 않은 경우의, 저압 침탄질화 처리에 대한, 표면 인근의 23MnCrMo5의 강의 샘플의 단면도를 보여주는 광학 현미경관찰 이미지이다.
도 31은 다른 경도 측정 방법과 함께 몇몇 피닝 조건에 따른, 처리된 표면 밑의 깊이와 금속 부분의 경도 변화를 함수로 나타낸 그래프이다.
도 32는 측정된 경도곡선이 중첩된 처리된 표면 아래의 깊이와 나노구조화된 표면층을 갖는 금속 부분을 함수로 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 33은 피닝 처리된 부분의 표면 경도 변화 및 커버리지의 정도와 나노구조화된 표면층의 두께 변화를 함수로 나타낸 그래프이다.
도 34는 질화처리의 고수준 까지 30분 이상 온도 상승의 시뮬레이션 동안 (900°부근)의 시간과 온도변화를 함수로 나타낸 도면이다.
도 35는 도34와 동일조건이나 1시간 30분 동안의 온도 상승 시뮬레이션 동안 시간과 온도변화를 함수로 나타낸 도면이다.
도 36은 도 34와 동일조건이나 3시간 동안의 온도 상승 시뮬레이션 동안 시간과 온도변화를 함수로 나타낸 도면이다.

이하에서는 금속 부분 상에서 나노구조화된 표면층을 얻을 수 있는 피닝 과정들의 실시예들을 설명한다. 다른 기재가 없는 한, 아래에 기재된 실험 결과들은 평판 금속 샘플에서 얻은 것으로 한다.

도 1을 참조하면, 금속 표면(1)을 나노구조화하는 과정이 개략적으로 도시된다. 왼쪽 도면에서, 처리 전, 표면 전체까지의 입자들(2)의 크기는 일반적으로 수십 내지 수백 ㎛이다. 오른쪽 도면에서, 처리 후, 표면층(3)에서 물질의 입자들(2)의 크기는 수십nm, 예를 들면 약 20nm로 줄어든 반면, 더 큰 크기의 입자들은 물질 내에 보다 깊이 존재한다. 이 후, 표면(1)에 수직이며 표면으로부터 시작해 물질 내부로 향하는 z축이 정의된다. 표면은 크기(dimensions)의 기준으로서의 역할을 한다. 표면층(3)과 변경되지 않은 깊이 물질 사이의 입자들의 크기 변화는 실제로는 도면보다 점진적으로 나타난다.

상기 층(3) 내의 물질의 나노구조화는 적어도 600°C 까지는 안정적이다. 이러한 나노구조화된층으로 코팅된 금속 부분은 예를 들면 내마모성 및 내피로성이 중요한 특성들인 분야에 사용될 수 있다.

도 2를 참조하면, 이와 같은 나노구조화된 층을 생산하는데 사용되는 피닝 머신(10)이 설명된다.

장치(10)은 숏(shot) 입자들의 크기에 따라 다른 속도 V로 분사되는 숏 분사물을 생성하기 위한 숏 저장소 및 공기 압축기(미도시)로부터 공급되는 분사노즐(11)을 포함한다. 이에 대한 변형으로서, 숏 입자들의 분사는 종래 기술에 따른 베인 터빈(vane turbine)을 이용하여 수행될 수 있다. 일반 피닝 장비로는 20m/s 내지 120m/s의 속도를 얻을 수 있다.

사용된 숏은 바람직하게는 원자화에 의해 수득된 입자들로 구성된다. 이러한 입자들은 비교적 유리한 가격에 대량으로 생산할 수 있으며, 상당히 좋은 구형도 가령 85% 이상의 구형도를 갖는다. 이들의 가격은 볼 베어링 볼보다 실질적으로 낮으며, 99%를 초과하는 구형도 달성을 위한 생산 과정은 사실상 생산을 위한 과정은 사실상 단일화된 과정이다.

또는, 조절된 컷 와이어(conditioned cut wire), 유리 비드 또는 세라믹 비드 등과 같은 그외 종래의 피닝 매체를 사용할 수도 있다.

분사노즐(11)은 다음의 방식으로 구성된 이동식 서포트 장치(12)를 마주보도록 고정된다: 금속 디스크(13)는 고정된 프레임(19)에 대하여 회전하도록, 전동기와 같은 요동모터(미도시)의 샤프트(shaft)에 안착된다. 상기 디스크(13)의 중심 회전축은 상기 노즐(11)의 중심 분사축과 동축이다. 상기 디스크(13) 상에는 기울어질 수 있는 서포트(14)가 배치되며, 디스크(13)에 대한 경사도는 나사로 조절할 수 있다. 기울어질 수 있는 서포트(14)의 중심부에는 상기 서포트(14)에 평행한 나사(16)를 갖는 조임 클램프(fastening clamps, 15)가 고정된다. 나사(16)는 클램프(15)와의 사이에서, 처리할 부분 상에 조여져서 상기 처리할 부분을 조일 수 있고, 처리 후에는 풀어서 상기 부분을 빼낼 수 있다.

도 3을 참조하면, 분사노즐(11)에 의해 생성된 입자들의 분사물(20)을 개략적으로 도시하고 있다. 분사물(20)은 반 정점각 β 를 갖는 원뿔형에 가깝다. 각도 β는 가령 임팩트 되는 영역(21)의 반경 ρ와 상기 영역(21)으로부터 노즐(11)의 오리피스(orifice)까지의 간격 L 사이의 비율로 측정될 수 있다.

도 4를 참조하여, 피닝 장치(10)의 작동 원리를 설명한다. 서포트(14)에 평행한 평면 샘플에 대해, 분사물(20)의 중심축(25) 주변에 위치한 표면 부분은 로컬 노말 방향(local normal direction, 26)에 대하여 입사각 α로 입자들을 분사 받는다. 분사물(20)의 가장자리 주변에 위치한 표면 부분은 로컬 노말 방향(27)에 대하여 입사각 α-β로 입자들을 분사 받는다. 분사물(20)의 반대 가장 자리 주변에 위치한 표면 부분은 로컬 노말 방향(28)에 대하여 입사각 α+β로 입자들을 분사 받는다.

입자들이 분사되는 동안 서포트 장치(12)가 돌면, 분사물(20)에 위치한 모든 부분이 다소 넓은 원뿔형 필름에 위치하는 입사각들로 부딪힌다. 이 원뿔형 필름은 분사물(20)의 중심으로 갈수록 얇아지는데, 이 분사물(20)의 중심부에서는 각도 α와 정확히 일치하는 반면, 분사물(20)의 주변으로 향할수록 α-β 와 α+β 사이의 모든 각도를 포함한다. 만일 β>α 라면, 상기 원뿔형 필름은 원뿔로 축퇴된다. 서포트 장치(12)가 회전하는 동안, 처리된 표면 영역은 원뿔형 필름 내에 위치한 모든 표고값(elevation value)들의 각도로 부딪힐 수 있다. 이러한 장치(10)의 특성으로 인해, 아래 실험을 알 수 있는 바와 같이, 비교적 높은 생산성으로 다양한 금속 상에 나노구조화된 층을 생성할 수 있다. 아래 실험에서, 각도 β는 약 8°이고 거리 L은 약 300mm이다. 물론 이는 분사물(20)의 주요방향을 벗어난 이례적인 궤도를 따라 분사되는 입자들의 작은 부분까지 배제하는 것은 아니다.

이하 실험들은 다양한 종류의 숏에 대하여 수행한 것으로, 주요 특성은 SAE J444표준에 따라 표 1에 나타난 바와 같다. 한 종류의 숏의 노미날(nominal) 직경은 분포의 중앙 직경(median diameter)으로 정의된다: 고려된 종류의 숏의 입자들의 50% 중량부는 노미날 직경 미만의 직경을 가지며, 나머지 50% 중량부는 노미날 직경보다 큰 직경을 갖는다.

SAE J444 표준에 따른 숏들의 상태량

숏의 종류	중앙 직경(D)	분포 (크기가 더 큰 입자들의 비율)
S550	1.40	0		>85	>96
S330	0.85			0	<5		>85	>96
S280	0.71				0	<5		>85	>96
S170	0.425						0	<10			>85	>97
S070	0.18										0	<10		>80	>90
	mm	2.00	1.70	1.40	1.18	1.00	0.85	0.71	0.60	0.50	.425	0.35	0.30	0.18	.125

실험 1

표 2는 입사각 α=15°로 서포트(14)에 클램프로 고정시킨 평면 샘플 E24 강(저합금 강: 탄소 0.2%, 망간 1.5%, 철 98.2%)상의 기계(10)로 수행된 제1 실험의 결과를 보여준다. 이 표에는 실험에 사용한 숏의 종류, 분사 속도V, 커버리지 정도 R, 수득한 나노구조화된 층의 두께 Z_n, 피닝에 노출된 면 상의 샘플의 비커스 경도(Vickers hardness), 반대측면 상에서의 샘플의 비커스 경도, 그리고 소위 경도 이득으로 불리는, 두 경도 간의 비율 등이 기록되어 있다.

커버리지 정도 R은 피닝의 영향을 받은 표면의 비율에 대한 측정치이다. 본 명세서에서는 다음과 같이 정의된다: 100%란 노출된 표면의 98% 를 임팩트하기에 통계적으로 충분한 양의 숏이 분사되었음을 나타낸다. 100%를 넘어서면, 이 기준 량에 대하여 선형 법칙(linear law)이 적용된다. 따라서, 1000% 커버리지 정도는 기준량의 10배가 분사되었음을 나타낸다. 유속이 일정한 경우, 커버리지 범위는 샘플의 처리시간 측정치를 나타내기도 한다.

나노구조화된 층의 두께 Z_n는 두 가지 방법으로 구했다: 광학 현미경을 통한 관찰 또는 깊이 z의 함수로서의 물질의 경도 프로필의 관찰을 통한 방법이다.

광학 현미경을 통해 측정된 두께는, 나노구조화된 영역(3)에 대응하는 시각적으로 비결정질인 층의 두께를 9번 관찰한 값의 산술평균값이다. 처리된 샘플의 너비는 세 개의 영역에 걸쳐 스캔하고 각 영역당 세 번 측정함으로써, 측정 방법의 재현가능성을 보장한다.

시각적으로 비결정질인 관찰 영역이 진정 나노 크기로 된 입자들의 효과로 인한 경화에서 기인한 경화의 정점(peak)에 해당하는지 확인하기 위해, 광학 현미경을 통한 관찰과 경도 프로필간의 연계가 이루어진다.

경도 프로필 생성을 위한 방법은 렌즈를 포함하고 100g(HV 0.10)의 하중을 갖는 피라미드형 끝(tip)이 형성된 마이크로 비커스 경도 테스터(micro Vickers hardness tester)로 최외측면으로부터 시작해 50㎛의 단(step)으로 압흔선(indentation line)을 만드는 단계를 포함한다. 샘플의 표면과 나노구조화된 층은 광학 현미경에서처럼 시각화된다. 이에 따라, 경도 프로필은 50㎛ 내지 500㎛의 깊이에서 수득된다. 신뢰할 수 있고 재현성 있는 측정을 위해, 세 개의 압흔선의 평균을 구한다.

경도 프로필과 두께 Z_n간의 관계는 도 5를 참조로 더 자세히 설명될 수 있다. 도 5는 R=3000%를 갖는 실험 1의 샘플들에 상기 방법을 적용하여 수득한 결과를 나타낸다. 곡선(30)은 S170류 숏에 해당한다. 곡선(31)은 S280류 숏에 해당한다. 곡선(32)은 S330류 숏에 해당한다. 곡선(33)은 S550류 숏에 해당한다. 모든 곡선들(30 내지 33) 상에서, 나노구조화된 층(3)에 해당되는 매우 높은 경도(34)를 갖는 영역이 나타나며, 깊이에 따라 경도가 더 점진적으로 감속하고 물질의 변형 경화(strain hardening)에 해당되는 제 2영역(35)이 나타난다. 따라서, 나노구조화된 층(3)의 경계선은 경도의 기울기가 급격히 변하는 곳에 해당한다. 이 점은 시각적 관찰에 의해 얻은 두께 Z_n들이 숏의 종류별로 쇄선으로 표시된 도 5에서 확인 할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 5에서 실험된 네 가지 종류의 숏에서, 시각적으로 관찰된 나노구조화된 층(3)의 경계선은 경도가 표면에서의 경도 값과 표면에서 먼 부분의 경도 값 사이의 중앙 값(median value)에 해당되는 영역과 실질적으로 일치하는데, 여기서 표면은 깊이 50㎛의 제1 측정 지점으로 표시되고, 피닝에 의해 실질적으로 영향을 받지 않은 물질인, 표면으로부터 먼 영역은 500㎛ 깊이에서의 최종 측정 지점으로 표시된다.

따라서, 나노구조화된 층(3)의 정량적 정의가 경도 곡선의 함수로서 제공된다. 나노구조화된 층(3)은 피닝 처리에 의해 형성된 물질의 경화가 샘플의 표면에서 수득한 최대 경화의 50% 이상인 영역이 된다. 이러한 실증적인 정의는 750%를 넘는 커버리지 정도에 대해 실험적으로 검증되었으며, 이에 대해서는 이하에서 더 자세히 설명한다.

도 6은 네 종류의 숏에 의한, 커버리지의 정도 R에 의해 측정된, 피닝 처리 시간의 함수와 시각적으로 관찰된 두께 Z_n의 변화를 나타낸다. 곡선(36)은 S170류 숏에 해당된다. 곡선(37)은 S280류 숏에 해당된다. 곡선(38)은 S330류 숏에 해당된다. 곡선(39)은 S550류 숏에 해당된다. 곡선(36 내지 39)들은 나노구조화된 층(3)의 탐지 한계점과 그 두께의 포화 한계점을 보여준다. 특히, 실험 1의 조건에서는, 두께가 R=3000% 이상까지는 크게 변하지 않는다는 것을 볼 수 있다.

도 6은 실험 1으로부터의 모든 숏들이 100㎛, 심지어는 140㎛를 넘는 두께 Z_n을 얻을 수 있음을 보여준다. 도 6는 S280 및 S300 숏들(곡선 37 및 38)의 두 가지 이점을 보여준다. 반면, 더 큰 입자들(S550) 또는 더 작은 입자들(S170)의 경우에 비해 약 300% 라는 낮은 커버리지 R의 정도1에서 나노구조화된 층(3)이 나타난다. 반면, 두께 Z_n는 더 큰 입자들 (S550) 또는 더 작은 입자들 (S170)의 경우에 비해 더 높은 수치(level)에서 정점(peak)에 도달한다.

가장 큰 입자 S550(곡선 39)에서 최대 두께 Z_n를 수득하지 못한다는 점이 놀라울 수 있다. 그러나, 이러한 관찰 결과는 발사체의 크기가 증가할 때, 각 입자 임팩트에서 물질의 더 깊고 강한 플라스틱 변형과 관계되는 입자 당 운동 에너지의 증가와 임팩트의 덜 균일한 분포와 관계되는 임팩트들 간의 중간 공간의 증가 사이의 경쟁효과에 의해 설명될 수 있다.

이러한 경쟁은 나노결정화 로브(nanocrystallization lobe)로도 불리는 임팩트 영향 영역이 반구로 나타난 도 16에서 개략적으로 도시되어 있다. 근접한 임팩트의 경우 처리된 전체 표면에 걸쳐서 비교적 균일한 두께를 형성하는데 반해, 비교적 서로 이격된 임팩트의 경우에는 비교적 작은 두께(Z_o)에 걸쳐 물질이 변형되는 가장자리 영역 및 비교적 큰 두께(Z₁)에 걸쳐 물질이 변형된 중심 영역을 형성한다. 관찰될 수 있는 두께(Z_n)는 Z₀과 Z₁ 사이에 배치된다.

입자의 크기가 관찰 가능한 영향을 미치는 또 다른 특성은 처리된 표면을 따라 균일하게 형성된 두께 Z_n이다. 입자의 크기가 관찰 가능한 영향을 미치는 또 다른 특성은 처리된 표면 상의 두께 Z_n의 균일성이 있다. 이 특성은 두께 Z_n의 표준 편차 ℓ에 의해 특징 지워질 수 있다. 표 3은 실험 1의 샘플들에서 측정한 값들을 나타내며, 현미경 사진은 도 17 내지 도 19에 도시되어 있다. 선택된 커버리지의 정도에 있어서, 최대 타입인 S550 숏은 S330 타입에서 수득한 두께에 비해 중간 두께(Z_n)를 제공하나 표준편차 ℓ는 두 배가 되는 것으로 간주된다. 도 17 내지 도 19에서도 나노결정화 로브 관찰이 가능하다.

실험 1의 나노구조화된 두께의 표준편차

도면.	숏의 종류	커버리지의 정도 R (%)	표면에서의 비커스 경도(HV)	나노 두께 zn (㎛)	나노두께 표준편차 ℓ (㎛)
17	S170	1000	263	72.05	11.1
18	S280	1000	290	119.7	12.5
19	S330	1000	290	159.76	19.6
20	S550	1000	292	175.5	40

게다가, 분사노즐(11)의 속성에 따라, 주어진 커버리지의 정도를 얻는데 필요한 시간은 입자들의 크기에 따라 증가한다. 도 7에서는 종래의 피닝 노즐 모델에 따른, 모든 조건들이 모두 같을 경우에서의, 두 개의 다른 입자 크기에 대한 사출 시간 t에 따른 커버리지 정도 R의 변화를 나타낸다. 곡선(40)은 S550 타입에 관한 것이고 곡선(41)은 S550 타입에 관한 것이다. 실험 1에서, 100㎛의 두께를 형성하기 위해서는, S550 타입의 경우에는 107초, S330타입의 경우에는 30초, S280 타입의 경우에는 75초가 필요하다. 따라서, 생산성에 있어서의 최적의 숏의 종류는, 즉 단위 시간당 최대의 나노구조화된 두께를 생성하는 숏 종류는 S550 입자 크기보다 작을 때이다.

따라서, 실험 1은 대형 입자들의 역효화가 S550 타입의 숏에서 발생하기 시작하며, 따라서 이보다 더 큰 크기를 사용하는 것은 유리하지 않다는 것을 보여준다.

도 8은 나노구조화된 두께 Z_n와 처리된 샘플의 표면에서 관찰된 경도 사이의 관계를 보여준다. 곡선(42)은 실험 1에서 S280 타입 숏의 커버리지의 정도 R에 대한 두께(Z_n, 왼쪽 축)를, 그리고 곡선(43)은 실험 1에서 S280 타입 숏의 커버리지의 정도 R에 대한 표면(오른쪽 축)에서의 비커스 경도를 나타낸다. 곡선(43)은 초기 경도(44)에서 시작해 영역(45)에서 경도의 제 1증가를 일으키나 나노미터 크기의 그레인(grain)을 형성하지는 않는 변형 경화 효과와, 영역(46)에서 경도의 제 2증가를 일으키는 물질의 나노구조화 효과를 나타낸다.

실험 2

실험 1에서 클램프(15)에 의해 상기 부분을 클램핑하는 것의 선택적 효과를 평가하기 위해, 서포트(14)에 클램핑 응력을 적용하지 않으면서 서포트(14)에 샘플을 끈끈하게 본딩함으로써 실험 1과 유사한 조건 하에 S280 타입 숏으로 시험 2를 수행하였다. 도 9는 실험 1의 곡선(42)에 중첩된 실험 2(사각형 기호)에서의 커버리지 R의 함수로서 두께 Z_n의 변화를 나타낸다. 두 개의 실험결과에서 두께나 경도의 면에서 큰 차이는 나타나지 않았는데, 이는 실험 1에서 클램핑에 의한 해당부분의 조임은 관찰된 나노구조화 효과와 아무런 인과관계가 없음을 의미한다.

실험 3

숏의 분사물에 대하여 처리될 부분의 방향의 효과를 평가하기 위해, 각도 α를 0°와 45°사이의 다양한 각도 및 서포트 장치(12)의 회전을 적용함으로써 실험 1과 유사한 조건에서 S170, S280, S330 타입의 숏들에 실험 3을 실시했다. 이 실험 3을 통해 얻어진 나도구조화된 두께들은 표 4에 기록된 바와 같다.

R=3000%에 대한 실험 3의 나노구조화된 두께

회전	α(°)	0	15	30	45
무	S170	0	97	92	72	Z n (㎛)
유		0	130	102	105
무	S280	131	156	134	153
유		133	189	171	160
무	S330	111	168	134	144
유		116	236	183	125

α=15° 에서 아주 정확하게 피크에 도달하기 위해 각도 α에 따라 변하는 두께 숏의 각 타입이 관찰된다. 또한, 서포트의 회전은 α=0° 에서는 현저한 효과를 나타내지 못하지만, 서포트가 경사지면 두께 Z_n는 대체로 증가한다. 이러한 관찰결과는 처리된 표면의 어떤 지점에서의 다양한 입사각에서 입자들의 임팩트의 생성은 나노구조화의 생산성을 대체로 증가하는 것을 보여준다. 특히, 이러한 입사각들은 본 실험의 컨텍스트 내의 10° 에서 45° 사이의 외측 반 정점각을 갖는 원뿔 또는 원뿔형 필름에 분포된다.

도 10은 도 4의 서포트 회전의 결과를 도식적으로 나타낸다. 곡선(50)은 S170타입 숏에 해당한다. 곡선(51)은 S280 타입에 해당된다. 곡선(52)은 S330류 타입에 해당된다.

나노구조화 과정에서 처리된 물질의 특성의 효과를 평가하기 위해, 다른 물질로 다른 실험을 수행했다. 이론적으로, 서로 다른 물질들은 극심한 플라스틱 변형을 위한 서로 다른 수용성을 가지며, 따라서 나노결정화 메커니즘은 서로 다르다. 극심한 플라스틱 변형 하에서 그레인 정제 과정은 구조물과 물질의 적층 결함 에너지(SFE)와 같은 다양한 고유의 그리고 외적 요소에 의존한다. 예를 들어 순철과 같이 물질의 SFE가 높을수록 다양한 슬립 평면의 활성화는 보다 어려워지고 그레인(grain)요구 절차를 위한 전위 발생이 생성된다. 따라서, 금속의 결정학적 구조 및 탄소 또는 다른 합금 요소들 특히 전위 형성이 바람직한 침전물 형태의 다른 요소들의 선택적 존재는 나노구조화 과정의 생산력에 영향을 갖는다.

실험 4

S280타입의 숏으로 실험 1과 유사한 조건하에 304L 스테인리스 강 샘플과 32CrMoV13 구조용 강 샘플에 비교 실험을 실시했다. 도 11은 도 5와 유사한 경우의 R=3000%를 위한 경도 프로필에 관하여 이러한 실험의 결과를 도시하고 있다. 곡선 53은 304L 스테인리스 강철에 해당된다. 곡선 54는 32CrMoV13 구조용 강에 해당된다. 이러한 물질들의 경도 프로필은 실험 1에서 관찰된 추세와 일치한다. 도 11의 영역 34와 35들은 도 5에서와 같은 의미를 갖고 있다. 실험 1(E24 강) 의 곡선 31은 비교를 통하여 도시된다. 관찰된 두께(Z_n)들은 시각적으로 E24에 대해서는 143㎛, 32CrMoV13 구조적 강철에 대해서는 176㎛, 그리고 304L 스테인리스 강철에 대해서는 155㎛이다.

상기에 곡선 54와 31에 대한 실증적 정량적 정의의 타당성이 관찰된다.

이 정의는 경도 기준이 300㎛ 깊이에서 선택되면 곡선53 (304L 강) 에 명백히 대응된다. 이러한 기준의 선택은 물질의 피닝 동안, 그리고 특히 물질의 변형 경화의 단계에 해당하는 피닝의 제1단계 동안 304L강 마이크로 구조의 변화에 의해 설명된다.

물질의 피닝의 제1단계 동안, 304L강의 특정량의 오스테나이트는 변형 유기 마텐자이트로 전환된다. 변형 유기 마텐자이트로의 변환은 경도를 상당히 증가시킨다. 곡선(53)에서는, 경도의 상당한 감소는 300~350㎛ 사이에서 뚜렷하다. 이 경도 감소는 오스테나이트의 상 전이영역 및 변형 유기 마텐자이트의 함량이 높은 상 전체에 대응한다. 두번째 단계에서, 나노구조화된 층(3)이 마르텐자이트 상에서 나타난다. 따라서, 350㎛ 보다 큰 두께에서 시작해서, 304L강 샘플은 오스테나이트의 본래의 경도를 가지며, 300㎛ 미만의 두께에서는 나노구조화된 층과 변형 유기 마텐자이트의 존재 두 가지 모두에 의해 물질의 경도가 증가한다. 따라서 나노구조화된 층 결정에 사용되는 기준 경도는 변형 유기 마텐자이트의 가장 깊은 층에서의 경도이며, 여기서는 약 300㎛이다.

실험 5

S170타입 숏으로, 실험 1과 유사한 조건하에서, 0.03C(99.8% Fe)을 함유한 순철 샘플에 비교 실험을 실시했다. 순철은 페라이트 구조와 높은 SFE 에너지 (약 200mJ/m²) 때문에 그레인(grain) 제련에서 가장 안좋은 물질 중 하나로 여겨진다. 도12의 곡선(55)은 이 실험으로부터 얻어지는 시각적으로 관찰되는 커버리지의 정도 R에 대한 함수로서의 두께 Z_n를 나타낸다. 실험 1(E24 강) 의 곡선(36)은 비교를 통하여 도시된다.

따라서, E24강은 순철(R=1000%에서 나노구조화된 층 발생)보다 급격히 나노결정화가 되며(R=750%에서 나노구조화된 층 발생), 포화 시 나노구조화된 층의 두께가 두꺼운 것이 확인된다. 실험 5는 상기 과정을 통해서 예상할 수 있는 대부분의 물질에서 100㎛ 보다 두꺼운 나노구조화된 층을 얻을 수 있음을 보여준다.

실험 6

소형 입자들의 효과를 평가하기 위해, 0.03C(99.8% Fe)를 함유하는 순철 및 S070류 타입으로 실험을 실시했다. 다른 조건들은 실험 1과 유사하다.

도 13은 도 8과 유사한 분사 속도가 V=60m/s 인 경우에 수득한 결과를 나타내고 있다. 곡선(60)은 표면에서의 비커스 경도를 나타내고, 곡선(61)은 시각적으로 관찰되는 두께 Z_n를 나타낸다. 두께 Z_n는 R=3000% 이상부터는, 60㎛에 가까운 수준에서 두께 Z_n가 포화되는 것으로 관찰된다. S070타입 같은 소형 입자들의 경우에는, 일반 피닝 물질로 300s 미만의 커버리지의 정도가 빠르게 달성될 수 있다.

도 14는 도 8과 유사한 분사 속도 V=92m/s에서 얻어진 결과들을 나타낸다. 곡선(62)은 표면에서의 비커스 경도를, 곡선(63)은 두께 Z_n를 나타낸다. R=3000% 이상부터 시작하여 80㎛ 내지 90㎛에 가까운 수준에서 두께 Z_n가 포화됨이 관찰된다.

실험 8

제2일련의 실험을 이하에서 설명한다. 이 제 2일련의 실험들에서는, 오로지 물질의 경도 곡선을 바탕으로 하여 나노구조화된 층의 정의를 제공하기 위해 더 정확한 방법으로 샘플의 경도 프로필의 측정하였다.

표 10은 표 2에 제시된 실험 1에서와 동일한 조건에 따라 수행된 제2일련의 실험들의 결과를 나타낸다.

이 제2일련의 실험 중에 경도 프로필 생성을 위해 사용한 방법은 최외측 표면에서부터 100㎛ 깊이까지, 20㎛에서 시작해 10㎛ 간격을 갖는 압흔선을 형성하는 것으로 이루어진다. 이어, 상기 압흔선은 50㎛ 간격으로 300㎛ 깊이까지 지속된다. 압흔선은 렌즈를 포함하여 25g의 하중(HV 0.025)을 갖는 피라미드형 팁을 갖는 마이크로 비커스 경도 테스터로 형성된다. 이는 1㎛ 간격 및 뵐러 옴니메트 므흣사(Bueehler Omnimet Mhtsa) 조절 및 측정 소프트웨어를 갖는 전동 표를 포함하는 부엘라 마이크로메트(Buehler Micromet) 5104 마이크로 경도 테스터이다. 이에 따라, 경도 프로필은 20㎛ 내지 300㎛ 깊이에서 얻어진다. 신뢰할만하며 재현성 있는 측정을 위해 값은 세 개의 압흔선의 평균이다. 앞의 실험들과 같은 방식으로, 샘플 표면과 나노구조화된 층은 광학 현미경에 의하여 시각화된다. 샘플 관찰은 자이스 악시오 스코프(Zeiss axio scope) A1 현미경, 시마징 마이크로퍼블리셔 5.0 RTV 카메라(Qimaging Micropublisher 5.0 RTV camera), 자이스 EC EPIPLAN X10/0.2HD 렌즈 및 악시오비전 4.8 소프트웨어 등을 사용해 이루어진다.

표 3에서 첫 세 열은 표 2의 첫 세 열과 동일하다. 네 번째 열에서는 경도에 대한 Z_nh으로 나타낸 나노구조화된 층의 두께가 언급되어 있다. 대신에, 실험 8에서는, 깊이 z의 함수로서의 경도 프로필만을 근거로 나노구조화된 층 Z_nh의 두께가 얻어진다. 이를 위해, 경도 한계점은 표면층에서 측정한 경도와 물질이 피닝에 의해 실질적으로 변경되지 않은 깊은층에서의 샘플의 경도 사이의 중간값을 계산하여 설정된다.

따라서, 나노구조화된 층 Z_nh의 두께는 표면 처리 이후에 샘플의 표면에서 관찰된 경도 증가분의 절반과 동일한 경도 증가분을 갖는 깊이에 해당한다.

제 5 및 제 6 열에서는 처리된 정면과 처리되지 않은 정면 상의 샘플의 표면에서의 경도를 언급한다. 이 값들은 측정한 경도 곡선의 제 1측정 지점, 즉 20㎛ 깊이에 해당된다. 전반적으로, 실험 1에서보다 표면에 가깝게 경도가 측정됨으로써, 경도 값도 표 2에서보다 높게 된다. 표면 근처에서의 그레인(grain)의 크기는 경사도에 따라 달라진다. 따라서, 일 최외측 표면 영역에서, 그레인(grain)의 크기는 10㎛ 와 50㎛ 사이에서 다양한 값을 갖게 되며, 영역이 깊을수록, 그레인의 크기는 수십 나노미터에서 수백 나노미터 커버리지에서 다양한 값을 갖게 된다. 따라서, 물질에서 형성된 자국 은 실험 1에서보다 크기가 커지게 되기 때문에 측정값의 정확도는 떨어진다.

표 10에서 마지막 열에서는 마이크로 경도 테스터의 불확실한 차이로 인해 발생하는 두께 측정값 Z_n의 불확실한 차이를 언급하고 있다. 경도 측정값들은 E24 강에 대해서는 약 ±10 비커스 불확실성을, 32CrMoV13 강에 대해서는 ±9.5 비커스 그리고 304L 강철에 대해서는 ±13.5 비커스 불확실성을 갖는다. 경도 측정의 정확도를 높이기 위해 물질의 경도 함수로서 경도 테스터 하중을 적용됐다: 경도가 높은 물질일수록 더 큰 하중을 사용했다. 따라서, 32CrMoV13 강과 304L 강에 대해 50g의(HV 0.050) 하중을 사용했다.

도 31은 R=3000%를 갖는 실험 1 샘플들에 대한 앞서 설명한 방법으로 얻어진 경도 프로필을 나타내고 있다. 곡선(170)은 S170류 타입에 해당한다. 곡선(172)은 S330류 타입에 해당한다. 곡선(173)은 S550류 타입에 해당한다. 모든 곡선(170,171,173) 상에서 나노구조화된 층(3)에 해당하는 경도가 매우 높은 영역 및 깊이에 따라 경도가 더 점차적으로 감소하며 물질의 변형 경화에 해당하는 제2영역이 나타난다.

일 예로, 도 31에서, 깊은층에서 측정한 경도 값(174)과 곡선(170)과 관련되는 샘플의 표면층 상에서 측정한 최대 경도 값(175)은 각각 142 및 300 비커스이다. 해당 한계점(71)은 샘플의 깊은층에서 측정한 경도 값(174)과 샘플의 표면층 상에서 측정한 최대 경도 값(175) 사이의 중간 값에 해당하는 221 비커스 값을 갖는다.

이 임계점은 S170 숏에 해당하는 실험에서 81.5㎛와 대략 비슷한 값을 갖는 나노구조화된 층의 두께 Z_nh를 결정할 수 있게 한다.

따라서, 나노구조화된 층의 두께 Z_nh의 불확실성 범위(range)는 경도 한계점과 경도의 불확실성 범위(range)로부터 설정된다. 일 예로, 앞서 설명한 221 비커스 임계점(171)에 대해, 각각 231 비커스와 211 비커스를 갖는 경도 값 185와 186에 대해 나노구조화된 층의 두께의 경계 값들이 표시된다. 따라서, 나노구조화된 층의 두께는 69에서 92㎛의 커버리지를 갖는다. 나노구조화된 층의 불확실성 커버리지는 표10에 제시된다. 따라서, 경도의 불확실성으로 인해, 그래프적으로 측정된 나노구조화된 층의 두께 자체도 측정 가능한 불확실성을 갖는다.

앞서 명시한 바와 같이, 경도를 바탕으로 한 제 2측정 방법은 시각적 설정 방법과 만족스럽게 서로 일치한다: 도 32는 도 31(R=3000%에서 170S 피닝)의 곡선(70)에 해당되는 샘플의 광학 현미경 사진 상에서 관찰되는 영역을 나타낸다. 샘플 표면으로부터의 깊이 z 함수로서의 경도 프로필(170)은 이 영역들에 대한 도식 표면에 표시된다.

도 32에서는 물질이 실질적으로 무정형이며 동질의 영역에 해당하는 나노구조화된 표면층(177)이 관측된다. 층(177)은 도 17 내지 도 19에서 관측되는 어두운 영역에 해당된다. 층(177)은 해당 부분의 표면(176)으로부터 제2층(178)으로 연장된다. 제 2층(178)은 그레인 경계들이 관측되고 그레인(grain) 경계들에 의해 제한되는 그레인(grain) 크기가 깊이에 따라 증가되는 영역에 해당한다. 광학 현미경 상에서, 층(178)은 층(177)으로부터 시작과 대조적으로 갑작스러운 변화로부터 연장되는 영역에 대응한다. 이 제 2층(178)은 물질의 변형 경화 영역에 해당한다. 제 3층(179)은 그레인(grain) 크기가 일정한 영역을 포함한다. 경도 임계점(171)은 나노구조화된 표면층(177)과 층(178) 사이에서 시각적으로 관찰되는 경계(184)와 실질적으로 동일하다.

표 2에 시각적으로 나열된 관측된 두께 값 Z_n과 표 10에 나열된 두께 값 Z_nh들 사이의 차이는 일반적으로 ±30㎛ 단위로 표 2에 언급된 측정치의 비교적 높은 불확실성 한계로부터 본질적으로 유래한다. 실제로, 표 2에 나열된 시각적 관측 결과에서는 높은 두께 값들의 원인이 되는 전이층(178)의 일부를 포함한다.

앞서 명시한 경도를 바탕으로 두께를 측정하는 방법은 커버리지의 정도가 750% 미만인 실험 8의 샘플의 경우에 해당하는 나노구조화 된 층의 두께가 얇은 경우, 광학적 관측과 차이를 보인다. 나노구조화된 층의 두께를 결정하는 또 다른 방법 또한 사용 가능하다. 이 또 다른 방법 또한 경도 한계점으로부터 나노구조화된 층의 두께를 결정하는 원리를 바탕으로 한다. 이 방법은 샘플 상에서 나타나는 경우 관측되는 것으로 시작되며, 그 두께가 매우 얇은 경우에는 나노구조화된 층(3)이 한계점에 해당하는 표면에서의 경도 값을 갖는다. 도 33을 참조하면, S170 피닝 실험에 있어서, 곡선(80)은 커버리지 함수로서의 나노구조화된 층의 두께를 나타내고, 곡선(81)은 커버리지의 함수로서의 샘플의 표면 경도를 나타낸다. 나노구조화된 층의 최소 검출 가능한 두께(182)는 150% 커버리지로 나타난다. 그러나, 이 나노구조화된 층이 나타나는 동안 측정된 표면 경도(183)는 226비커스이다. 이 226의 경도 임계점은 커버리지가 750% 미만으로 처리 후 나노구조화된 층의 두께를 결정하기 위한 경도 한계점의 실제 값으로 구성된다. 이 대체 값은 R=3000% (221 비커스)에서 중간값의 도움으로 결정된 경도 한계점에 가까운 값을 갖는다. 표 10에 나열된 실험 8에서, 경도 한계점은 750% 미만의 커버리지 값에 대해 상기 다른 방법으로 결정된다. 표 3에서, 이 다른 방법으로 결정된 값에는 별표(*)를 했다.

Fe-0,03c 와 비교하여 Fe03,3Si 합금이 페라이트 결정화 구조를 갖는 경우, 이러한 결과는 위에서 인용한 International ISIJ 문헌의 도 4에 나타난 것들과 비교를 해야 한다. 실험 6은 커버리지 정도, 입자 크기 그리고 분사속도가 모두 본 명세서에서 보다 낮은 값으로 더 큰 나노구조화 두께를 수득하는 것을 보여주고 있다. 두 가지 케이스의 다른 정의 때문에 커버리지의 정도의 비교는 눈금이 요구되는 것이 주목되어진다. 낮은 분사 속도의 사용은 처리된 표면의 거칠기를 감소하거나 마이크로크랙에 보다 취약한 물질을 보호하는 것에 유리한 것이 증명된다.

실험 7

실험 7은 0.03C(99.8% Fe)를 함유하는 순철 샘플 및 S170타입 숏을 대상으로 실시했다. 다른 조건들은 실험 1의 경우와 같다.

도 15는 도 8과 유사한 경우에서의 분사 속도 V=57m/s에서 얻어진 결과를 나타낸다. 곡선 64는 표면에서의 비커스 경도를 나타내고, 곡선 65는 두께 Z_n를 나타낸다. 숫자 44, 45 및 46은 도 8에서와 같은 의미를 갖는다. 두께 Z_n는 100㎛에 가까운 수준에서 포화되는 것으로 관찰된다.

이 결과들은 위에서 인용한 Materials Transactions 문헌의 도3(a) 와 도4(b)에 나타난 것들과 비교를 해야 한다. 특히, 훨씬 짧은 시간안에 훨씬 두꺼운 두께가 얻어지고, 같은 숏 크기로 초음파 숏 피닝(USSP : ultrasonic shot peening)보다 훨씬 더 유연한 과정을 통해 얻어졌다.

위에 나타난 결과들은 평면 금속 샘플로부터 얻어진 것임에도 불구하고, 과정들은 어떠한 형상의 금속 부분에도 적용될 수 있다. 특히, 비평면 표면을 처리하기 위해, 비평면의 제한된 부분을 성공적으로 처리가능하며, 평면 표면에 관하여 앞서 언급한 각도 조건이 비평면 표면의 각 연속적인 부분에 대하여 대략적으로 적용하기 위하여 매 시간 처리된 표면 부분을 지향한다. 여기서 “연속적인 부분”이라는 표현은 국부 곡률 반경에 대해 표면부가 비교적 작아서, 표면부에 대해 평균 방향을 정의할 수 있고, 분사되는 숏들에 비하여 상대적으로 크기 때문에 통계적으로 여러번의 임팩트를 예상할 수 있는 표면부를 의미한다.

어떤 비평면 기하학적구조는 해당 부분에서 하나의 같은 입자 즉, 리바운드에 의해 다수의 임팩트를 생산할 수 있다. 그러나, 주어진 리바운드는 매우 큰 에너지 손실로 이어지므로, 이는 입자의 주요 입사 즉, 해당부분에서 가장 중요한 첫 임팩트 전의 입사로 추정된다.

만일 처리될 부분의 각 표면에 대한 상기 언급한 방향조건이 바람직하지도 않고 수행되지도 않는 경우, 최종 사용에서 가장 압력을 많이 받는 금속 부분의 일부로 인식되는 것이 바람직하고, 이는 상기 부분의 작업 표면으로 언급된다. 예를 들어 기어 피니언의 작업표면은 일반적으로 톱니의 기초이다. 따라서, 피니언의 나노구조화 처리는, 특정 실시예에서, 톱니 베이스 표면 상에서 입자들의 주요 입사들의 특정 배향을 수행하기 위하여 연속적으로 톱니표면을 입자 분사물을 향하게 하여 수행된다.

단일 분사 노즐은 도 2의 장치의 일실시예에서 제시되었다. 그러나, 몇몇 분사 노즐을 갖는 피닝 기계로 생각할 수도 있다. 이러한 분사 노즐은 몇몇 다른 입사각을 따라 상기 부분의 동일한 표면을 타겟으로 하기 위하여 특별히 배치될 수 있다. 분사 노즐은 또한 처리될 부분의 다양한 표면들을 타겟으로 하기 위하여 배치될 수도 있다.

10°에서 45°사이의 외측 반정점각을 갖는 원뿔 또는 원뿔형 필름에 분포된 입자들의 주요 입사각을 형성하기 위해 상기 부분의 분사 노즐과 서포트의 다른 관련 배치가 예상될 수 있다. 특히, 분사노즐의 대체가 수행된다.

열화학적 과정들에 따른 피닝의 결합

수정, 확산, 금속으로된 물질의 표면층의 화학 조성물 및, 예를 들어 열저항성, 피로 저항, 고온 또는 저온 산화저항 또는 부식 저항 등을 향상시키기 위해 특정한 기계적, 물리적 화학적 상태량을 주기 위해, 이전에 언급된 나노구조화 과정이 열화학적 처리들과 결합될 수 있다. 본 케이스에서는 표면 화학적 수정은 금속의 원뿔의 화학적 조성을 손상시키지 않는다. 표면 화학적 수정은 열처리와 결합된다. 구성요소 확산 및 열처리의 선택은 원뿔과 표면에서의 상태량에 의존한다.

이 목적에 사용될 수 있는 주요 열화학적 처리는 아래의 표 9에 언급된다.

주요 열화학적 처리

화학 시스템	명칭	요구되는 저항
Fe -N	질화	마찰 (마모) - 부식 피로
Fe -C	침탄화	마찰 (마모) - 고하중 시 접촉 피로
Fe - C - N	침탄질화	마찰 (마모) - 중간 하중 시 접촉 피로
Fe -S	침황화	마찰 (시징(seizing))
Fe - S - N	침황질화	마찰 (시징 -마모) -부식 피로
Fe - C - N - S	침황탄질화	마찰 (시징 -마모) -부식 피로
Fe -B	붕소화	마찰 (마모)
Fe - Al	알루미늄화	고온 산화
Fe - Cr	크롬화	머브레이전(Abrasion) - 산화
Fe - Cr - Al	크롬알루미늄화	머브레이전(Abrasion) - 고온 산화
Fe -Si	실리콘화	내산성

상당한 재결정화 즉, 상대적으로 낮은 온도에서 일반적인 처리 없이 수행되는 열화학적 처리와 상당한 재결정화의 원인 즉, 상대적으로 높은 온도에서 일반적인 처리 간의 구별이 용이하다.

저온 처리

강의 약 590°C 초과하지 않는 온도에서의 열화학적 처리에서, 확산 단계 동안 나노구조화된 층에서 그레인(grain) 크기는 대체로 변화하지 않는다. 물질의 나노구조화는 상기 부분의 외측 표면에서 나타나고 확산 단계에 알맞은 그레인(grain) 경계들의 중첩 효과를 갖는다. 따라서, 확산 과정은 나노구조화가 없는 것에 비하여 운동 및 확산 깊이에 대하여 높은 효율을 갖는 나노구조화 피닝 이후에 수행되는 것이 확인된다. 더욱이, 침전 형상들, 특히 카보나이트라이드의 침전 아 나노구조화된 층에서 금지되기 때문에 나노구조화는 크기와 그레인(grain) 경계들의 연결을 제한한다.

표 6과 관련하여 아래에 질화 테스트가 언급된다.

실험 8.1

304L 스테인레스 강의 평면 샘플이 사용된다. 질화는 300°C에서 100시간 동안 플라즈마 용광로에서 수행된다.

피닝 없이 질화된 부분에서는, 3에서 5미크론 두께를 갖는 질소 오스테나이트의 층이 형성된다. 피닝에 의해 질화된 부분에서는 마르텐자이트/오스테나이트 혼합 구조물의 질소강화된 나노구조화된 암층이 4에서 10미크론 두께 사이에서 관측된다.

비커스 경도는 25에서 50g의 하중 하에서 부분의 표면에서 측정된다. 이는 이전 피닝 처리에 의해 30% 증가되며, 1000 HV 부근에 도달한다.

도 21및 도 22에는 각각 이전 피닝 없이 질화된 부분(곡선 70 및 71)과 연속적인 피닝과 질화된 부분(곡선 73 및 74)에 대한 깊이의 함수로서 질소와 탄소의 농도(질량분율)이 나타난다.

피닝 처리 없이, 확산은 0.06%의 질소 함량의 5미크론 주위에서 멈춘다. 표면에서의 질소 함량은 11% 부근이다. 탄소 강화된 부층(72) 또한 5미크론 깊이 주위에서 질소 확산 전에 관측된다.

이전 피닝 처리에 따라 질소 확산은 더 깊어진다. 표면에서 강화정도는 9% 부근이다. 상기 탄소 강화 부층은 피닝 처리에 의해 약화되고, 이런 이유로 보다 계속적인 탄소 농도 프로필이 발생한다.

실험 8.2

304L 스테인레스 강의 평면 샘플이 사용된다. 질화는 400°C에서 100시간 동안 플라즈마 용광로에서 수행된다.

온도 증가는 깊은 깊이로의 질소 확산에 알맞다. 피닝이 없는 부분에서, 주로 질소 오스테나이트로 구성되는 백색층이 8에서 10 미크론 깊이에서 형성된다. 피닝된 부분은 8에서 15미크론 깊이를 갖는 나노구조화된 암층으로 특징지워진다. 상기 이전 피닝 때문에 강화 깊이는 50% 커버리지로 증가된다.

경화 효율 이득은 이전 피닝 없는 질소 처리에 대하여 적어도 15%이다. 표면에서 측정된 비커스 경도는 이전 피닝 없이 1150HV 주위에 비해 1300HV 로 향하는 경향이 있다.

더욱이, 실험 8.1과 같은 현상들이 관측된다, 즉, 피닝 처리에 의한 보다 연속적인 탄소 프로필이다.

304L, 304, 316 또는 316L 타입 오스테나이트 스테인레스 강에 대해, 특히 그레인(grain) 크기의 감속 및 변형 유기 마르텐자이트로 알려진 오스테나이트의 마르텐자이트로의 부분 또는 전체 전환에 의하여 경화가 발생한다. 그러나, 유기 변형 마르텐자이트의 형성은 이러한 강의 부식 저항 상태량을 크게 감소하는 경향이 있다. 따라서, 이러한 물질 상 아주 높은 커버리지의 피닝은 상기 물질의 부식 저항 상태량을 감소시킨다. 그러므로, 발명자들은 반 부식 상태량을 크게 분해 없이 경화 효과로부터 유용하기 위해 이 타입의 강의 1000에서 2000% 커버리지는 최적 타협을 주는 것을 관측했다.

실험 9.1

600°C 에서 조질형(quenched-tempered) 구조적 강 32CrMoV13의 평면 샘플이 사용된다.

피닝 처리 없이 480°C 에서 질화된 부분 상에서, 1에서 2 미크론 두께를 갖는 철 질화물의 얇은 동종의 백색 층의 존재가 관측된다. 많은 카보나이트라이드 네트워크 침전물들은 확산 층에 존재한다. 질소의 농도가 증가하면, 이 침전물들은 부분의 취성 영역과 표면의 스폴링에 알맞은 것으로 구성되는 상대적으로 연속적인 층을 형성하는 경향이 있다.

480°C에서 나노구조화와 함께 질화돤 부분 상에서, 1에서 3미크론 두께를 갖는 백색 층의 성장 시작이 있다. 나노구조화된 층에서, 질화물 또는 카보나이트라이드의 네트워크의 시각적 발현에 의해 질소의 확산은 동반되지 않는다.

질화에 대하여 이전 피닝 처리 때문에 표면에서의 경도는 15% 근처로 증가한다.

실험 9.2

600°C 에서 조질형(quenched-tempered) 구조적 강 32CrMoV13의 평면 샘플이 사용된다.

도 25는 이전 나노구조와 없이 520°C 에서 가스 질화 처리에 대한 표면 부근의 샘플의 단면도를 보여주는 전자 현미경 이미지이다. 이전 피닝 없이, 백색 층(80)의 낮은 부분에서 탄소(0.6%)로 강화된 확산 층과 연관되는 부층의 존재가 관측된다. 그러므로 이는 connected의 발달, 그리고 취성, 숫자 79에서 볼 수 있는 카보나이트라이드 네트워크에 알맞다.

도 26은 이전 나노구조화 이후 520°C에서 가스 질화 처리에 대한 표면 부근의 샘플의 단면도를 보여주는 전자 현미경 이미지이다.

이전 나노구조화와 함께, 520°C 에서 가스 질화 처리는 카보나이트라이트 침전물들이 나노구조화 처리에 의하여 영향을 받는 층들에서 카보나이트라이드들의 네트워크 형성 없이 그레인(grain) 경계들에서 섬세하게 흩어지는 나노구조화된 물질의 층을 유지한다. 260미크론 부근, 질소 확산 깊이는 나노구조화 처리에 의한 부정적인 영향을 받지 않는다. 백색 층에서 최외각 표면에서 질소의 강화 콘텐츠는 나노구조화 처리화 함께 18%를 향하는 경향 때문에 14%를 초과한다.

10%부근으로 추측되는 추가적인 경화는 표면뿐만 아니라 첫 100미크론에서 나노구조화 처리의 효과에 의해 얻어진다. 표면 경도는 1000HV를 향하는 경향이 있다.

백색층(80)의 두께는 두 처리와 아주 유사하며 10미크론 부근이다. 50미크론의 깊이에서, 질소 함량은 나노구조화가 있는 경우 1.5%와 나노구조화 없는 경우1.3%에 가깝다:.

도 23은 다양한 처리들에 대한 깊이의 함수로서 잔여 압축응력을 나타낸다.

- 사각형 : 다음의 숏 피닝에 의한 질화 처리

- 삼각형 : 다음의 연속적인 질화처리 및 숏피닝에 의한 나노구조화 질화처리

두 응력 프로필은 50㎛의 깊이와 압축응력 값에 관하여 실질적으로 동일하다. 50㎛ 깊이 이상에서, 나노구조와, 질화 및 숏피닝에 의해 처리된 샘플은 질화처리와 숏피닝 단독에 관하여 응력값과 깊이가 증가한다. 압축 깊이는 200미크론과 가깝게 증가한다. 만일 전단응력이 깊고 특히 롤링 응력에 관하여는 이 영역에 위치하면 이는 피로행동에 알맞다.

일반적으로, 1000%와 2000% 사이의 커버리지를 갖는 피닝은 질소의 상대적으로 깊은 확산의 원인으로 경도의 기계적 상태량과 구조강, 특히 32CrMoV13강 상의 강의 표면 마감 사이의 최적 타협을 얻는 것을 가능하게 한다. 대신에, 2000%가 넘으면, 피닝 때문에 일어난 변형은 이러한 강의 전형적인 사용 특히 장치와 기어링의 정확도에 부적절함을 증명하는 표면 마감을 발생시킨다.

실험 9.3

40-43 HRC 퀀치 및 이중 강화된 X38CrMoV5 도구강의 평면 샘플이 520°C 에서 가스 질화 처리된 것이 사용된다.

도 27은 이전 나노구조화 없이 질화 처리를 조건으로 표면 부근의 샘플의 단면도를 보여주는 전자 현미경 이미지이다. 도 28은 이전 나노구조와 이후 질화처리를 조건으로 샘플의 단면도를 보여주는 전자 현미경 이미지이다. 영역은 샘플의 표면과 가까운 것이 매시간 보여진다.

나노구조화 처리는 도 27에서 숫자 79에서 볼수 있는, 카보나이트라이드 네트워크 침전물들의 높은 희석과 함께 나노구조물을 유지한다. 520°C 에서 질화 처리 역시 나노구조화 처리가 있거나 없는 질화층을 얻을 수 있게 한다. 종래의 질소에서 강화 깊이는 각각 나노구조화 처리 없이 145미크론과 나노구조화 처리에 따른 170미크론이다. 표면 비커스 경도들은 같은 레벨이며 1300HV 부근이다.

그러므로 이 실험 또한, 나노구조물의 존재는 백색층(80) 하에서 카본나이트라이드의 네트워크의 침전물들을 제한한다. 그러므로 예상되는 이득은 결합층 하에서 더 나은 임팩트와 스폴링 저항이다. 이러한 도구들은 긴 사용연한으로 포지 또는 주조공장에서 사용된다.

도구강, 특히 X38CrMoV5강에서, 적어도 40um의 두께를 갖는 나노구조화된 층은 질화에서 특별한 향상을 가능하게 한다. 이러한 두께는 특히 S170 타입 숏을 사용하여 적어도 3000%의 커버리지에 의해 얻어진다. 더 큰 사이즈의 숏, 일반적으로 S280 또는 S330의 사용은 감소된 커버리지와 함께 동일한 두께를 얻게하나 처리된 부분의 표면 마감을 상당히 분해한다.

고온 처리

저온 확산 과정은 금속으로의 확산을 가능하게 하는 구성요소의 원자 크기를 제한한다. 반면에, 강의 750°C 부근을 넘는 고온 과정에서는 표면 나노구조화를 제거하는 재결정화가 발생한다. 고온은 특히 진공 챔버로 더운 질소를 주입하며 종래의 침탄질화 과정에 대하여 물질의 산화를 제한할 수 있게 하는 저압 침탄질화 과정에서 필요하다.

그러나, 발명자들은 이전의 피닝된 부분이 저압 침탄질화와 같은 고온 과정을 대상으로 할 때, 섬세한 그레인(grain) 재결정화를 얻을 수 있는 것을 발견했다. 재결정화 크기는 피닝에 의해 얻어진 변형 경화의 정도, 온도, 열화학적 처리의 기간에 의존한다.

예를 들어 10 이상의 그레인(grain) 들의 순도 때문에, 바람직하게는 NF A 04-102 표준에 따라 12이상, 표면에서 나타나는 그레인(grain) 경계의 고밀도를 얻을 수 있다. 표면은 확산과 알맞으며 질소 농도와 선택적으로 침탄질화된 층의 탄소 농도와 확산 비율을 를 증가시킬 수 있게한다. 게다가, 이전의 나노구조화 처리는 부분의 표면의 취성의 원인이 되는 밀집한 카본나이트라이드 네트워크의 침전물을 금지할 수 있게 한다.

저압 침탄질화 실험은 이러한 점이 이용된 표 7과 관계되는 아래에 나타난다.

실험 10

처리된 샘플은 피니언 톱니이다. 발명자들은 매우 극심한 나노구조화 조건들에 대한, 조립 재결정화를 관측했다. 따라서, 400에서 1000%의 커버리지는 최적 피닝 조건으로 확인되었다.

시간의 함수로서 재결정화를 평가하기 위해, 최종 880°C를 달성하기 위해 샘플은 다음의 다양한 모드의 온도상승의 실험을 대상으로 한다. 3가지 최종 처리 시간 T가 실험되었다: 0.5h , 1.5h 그리고 3h. 매 시간, 샘플은 옥외에서 냉각되었다. 용광로의 온도 상승 운동은 재결정화의 자연 영향 및 점진적인 가열은 섬세한 그레인(grain) 재결정화에 알맞은 것이 알려졌다. 이것이 상대적으로 점진적인 상승 곡선들이 아래 예에서 선택된 이유이다.

최적 피닝 조건들을 확인하기 위해, 실험들 다른 커버리지의 정도와 다른 숏 타입으로 수행되었다. NF A 04-102에 따른 그레인(grain) 인덱스(index)는 처리 기간과 커버리지의 정도에 해당하는 각 샘플의 표면에서 측정되었다.

실험의 결과들은 아래의 표 11에 나열된다.

처리시간 T와 수행된 표면 처리의 함수로서 샘플 상에서 측정된 그레인(grain) 크기

열처리 총 처리 시간	피닝 없는 경우 (R=0%)	이전 피닝 S170, R=500%	이전 피닝 S170, R=750%	이전 피닝 S170, R=1000%	이전 피닝 S280, R=1000%
0.5 h	9	= 12	= 12	= 12	= 12
1.5 h	9	12	12	11	8 to 9
3 h	9	9	9	9 to 10	8 to 9

나노구조화 샘플 상에서, 다음의 구조물들은 온도 상승과 냉각의 말에서 관측된다.

- T=0.5h, 200에서 800°C 까지 점진적인 상승에 대응하는 : 아주 섬세한 페라이트 그레인(grain) (인덱스(index) ≥ 12)은 표면에서 관측 가능하다. 재결정화의 시작은 관측가능하나, 나노구조화 없이 구조물은 아주 빠르게 접하게 된다.

T=0.5h 동안의 온도 공선은 도 34에 도시된다. 첫째로, T=0.3h 부근에 도달하기 까지 온도는 점진적으로 상승한다. 880°C에서 200을 유지한다. T=0.5h가 될때까지 온도는 200을 유지한다.

그럼에도 불구하고 표면에서 얻어지는 그레인(grain)의 섬세함 때문에 이 짧은 열처리는 높은 장점을 나타낸다, 물체의 열적 관성 때문에 모든 위치에 적용될 수 없다, 이 부분의 크기가 클 때의 짧은 시간에서 처리된 표면에서 얻어지는 균일한 온도를 방지한다.

- 두 개의 중간 유지를 갖는 200 부터 800°C 까지의 상승에 대응하는 T=1.5h : 또한, 아주 섬세한 그레인(grain)은 숏의 크기에 의존하는 1000% 이하의 커버리지에 대한 표면에 존재한다. 3배 경계들에서 재결정화는 커버리지 R이 증가할 때 점점더 시각화되며 그리고 큰 깊이에 영향을 받는 것이 명백하게 관측된다. R=1000%에서 이 강의 표면에서 페라이트 그레인(grain)의 확대 현상 결과는 12 미만의 그레인(grain) 크기 인덱스(index)이다.

T=1.5h 동안의 온도 곡선은 도 35에 도시된다. 온도는 T=0.75h 부근까지 760°C에서 유지(201)까지 상승한다. 그 다음에는 온도는 T=1.25h까지 850°C 부근이 유지되는 온도인 유지(202)까지 상승하고, 그 다음에는 실험이 끝날 때까지 880°C 최종 유지(203)까지 이끌어진다.

- 세 개의 중간 유지를 갖는 200 부터 800°C 까지의 상승에 대응하는 T=3h: 모든 나노구조화들은 9이하의 목록들을 갖는 표면 및 표면 바로 밑면에서 페라이트 그레인(grain)들의 확대현상을 야기하는 실험이 된다. 그 다음에는, 밑면에는, 섬세한 그레인(grain) 재결정화가 완벽하게 확인된다.

T=3h 동안의 온도 곡선은 도 36에 도시된다. 실험 동안, 온도는 3개의 온도 유지들에 의해서 880°C의 온도유지(204)로 점진적으로 이끌어진다 : 630°C 부근의 온도 제2유지(206)가 T=1h 에서 533°C 부근의 온도 제1유지(205)를 뒤이어 일어나고, 740°C 부근의 온도 제3유지(207)이 뒤이어 일어난다. 유지(204)는 T=2.75에서 달성된다.

그러므로 열처리 시간이 매우 긴 경우 조립 재결정화 (인덱스(index)<10)가 발생하는 것이 확인되고, 반면에 3시간 미만의 열처리의 경우 섬세한 그레인(grain) (인덱스(index)>10) 이 확인되는 것이 가능하다. 그러므로, 1.5h 고온 처리는 표준 기계적 부분들 상에서 섬세한 그레인 재결정화를 얻는 것에 대한 좋은 타협으로 나타난다. 그러나, 얻어진 그레인 크기는 열처리 파라미터와 이전 피닝 파라미터에 의존한다.

그러므로, 너무 큰 커버리지, 즉 1000% 이상의 커버리지는 조립을 가진 결정화, 특히 1.5시간 처리를 한 결정화에 알맞다. 더욱이, 발명자들은 커버리지의 정도가 너무 클 때, 피닝에 의해 생산된 상기 부분의 변형이 너무 커지는 것을 확인하였으며, 이는 표면 마감을 분해한다. 이는 특히 1000%의 커버리지의 정도를 조건으로 하는 샘플에 대한 경우이다. 그러므로, 발명자들은 1000% 이하의 커버리지의 정도는 그레인의 확대를 방지하는 동안 표면 마감의 최적 조건을 얻는 것을 가능하게 하는 것을 관측하였다. 특히, 표면 마감이 처리될 부분의 필수적 상태량인 경우, 커버리지의 정도의 감소가 필수적이다. 본 실시예에서, 400에서 500%의 커버리지가 선택되었다.

또한 유사한 양적 및 질적 결과가 20MnCr5 및 27MnCr5 기어링 타입 강을 구성으로 하는 샘플에서도 관측되었다. 상기 관측은 다른 합금, 특히 기어링 타입 강들, 예를 들면 20CrMo4, 18MnCrB5, 29MnCr5, 15MnCrMo5, 18NiCrMo5, 또는 20NiCrMo7에 적용된다.

R=500% 및 T=1.5h에서, 평균 그레인(grain) 크기는 3.3㎛ 부근이며, 즉, 40㎛를 초과하는 표면에서 12번 나타난 경계들이다.

도 29는 이전 나노구조화 없이 저압 침탄질화 처리를 조건으로 하는 샘플의 단면도를 나타내는 전자 현미경 이미지이다. 도 30은 이전 나노구조화 이후 없이 저압 침탄질화 처리를 조건으로 하는 샘플의 단면도를 나타내는 전자 현미경 이미지이다. 0.4와 0.6mm 사이에 위치하는 샘플의 영역은 매시간 보여진다. 저압 침탄질화 실험들에서, 시간 T=1.5h 유지된다. 실험들은 나노구조화가 카본나이트라이드 네트워크들을 사라지게 하는 것이 관측되는 것으로 이어졌다. 대신에, 침탄질와 처리의 큰에서 관측된 구조물은 마르텐자이트로 구성되며 그리고 이전 피닝 없는 샘플에 대하여 그레인 경계에서 카본나이트라이드 네트워크의 시작은 도 29상의 숫자 79에서 확인가능하며, 반면에 나노구조화된 표면은 단지 마르텐자이트만을 포함하며, 이는 타격(attack)하기 어려우며, 카보나이트라이드들의 용적들이 분포된다. 샘플 표면에서 NF A 04-102에 따라 측정된 그레인 크기 목록은 도 29의 샘플의 9와 동일하며, 도 30의 샘플의 12와 동일하다. 연결된 네트워크들의 모양으로 카보나이트라이드 침전물들의 퍼컬레이션을 억제하는 그레인들의 섬세함의 결과 카보나이트라이드들의 용적들이 위치하는 그레인 경계들은 그레인 크기에 비례하는 크기를 가진다.

도 24는 이전 피닝이 있는 경우(곡선 75)와 피닝이 없는 경우(곡선 76) 저압 침탄질화 이후 깊이의 함수로서 샘플의 경도를 나타낸다. 이전 나노구조화과 관측되기 때문에 깊이에서 뚜렷한 증가는 경화되며, 650의 경도에서 깊이는 나노구조화 없이 0.41mm부터 나노구조와화 함께 0.54mm까지로 관측된다.

탄소 농도 프로필 상에서, 단순히 침탄질화된 샘플과 처리들을 격은 샘플 사이에 변화는 관측되지 않는다. 반면에, 나노구조화는 표면 밑의 제1 제2 제10 mm 질소 농도 프로필을 증가시키며, 이는 큰 큰 경도 정체기를 설명한다. 이 이득은 아래의 표 8에서 측정된다.

저압 침탄질화 이후 깊이 함수로서의 질소의 질량 분율(%)

깊이 z (mm)	나노 구조화한 샘플	나노 구조화하지 않은 샘플	이득 (%)
0.06	0.13	0.21	62
0.10	0.12	0.16	33
0.15	0.10	0.14	40
0.20	0.09	0.11	22
0.25	0.08	0.08	0

몇몇 특정 실시예와 연계하여 본 발명을 설명한 것에도 불구하고, 본 발명은 상기 실시예로 제한되지 않으며, 본 발명의 커버리지에 해당하는 것이라면 설명한 모든 기술적 등가물 및 그 조합을 포함할 수 있다.

특히, 상기 예들에 기재된 실시예들은 비교적 두꺼운 나노구조화된 표면층을 형성할 수 있게 하는 것이 설명된 피닝 과정들이 있는 초기의 동종의 물질에 관한 것이다. 주어진 물질에 적용된 커버리지의 정도는 이러한 커버리지를 통해 수득할 수 있는 나노구조화 층의 두께로 특징 지울 수 있다. 이에 따라, 그 외 사전 처리를 거친 물질에 유사한 커버리지 정도를 적용하는 것 또한 비록 이 사전처리된 물질이 설명한 예들과 부합되지 않는, 예를 들어 이종 물질이라고 하더라도, 나노구조화된 표면층들을 효과적으로 생성할 수 있다.

'갖는다', '구성한다' , '포함한다' 등의 동사의 사용 및 그러한 동사의 활용은 청구항에서 언급한 요소 또는 단계 이외의 존재를 배제하지 않는다. 요소 또는 단계에 대한 부정관사 'a' 또는 'an'의 사용은 그러한 요소 또는 단계가 복수로 존재할 수 있는 가능성을 배제하지 않는다. 몇몇 수단 또는 모듈은 하나의 동일한 물질요소로 나타날 수 있다.

청구항에서, 괄호 안의 모든 참조 기호는 청구항을 제한하는 것으로 해석되어져서는 안된다.

실험 1, E24강, 숏들의 로크웰 경도(Rockwell hardness) = 48HRC

숏의 종류	V (m/s)	R (%)	zn (㎛)	처리된 표면의 경도 (HV)	미처리된 면의경도(HV)	경도 이득 (%)
S170	57	100	0	198	108	83%
		150	0	211	114	85%
		200	0	200	113	77%
		300	0	212	111	91%
		500	0	241	112	115%
		750	69	256	108	137%
		1000	72	263	111	137%
		1500	91	274	116	136%
		3000	129	308	113	173%
		6000	138	309	113	173%
		10000	140	302	116	160%
S280	52	100	0	215	130	65%
		150	0	224	132	70%
		200	0	224	138	62%
		300	67	247	139	78%
		500	91	262	137	91%
		750	101	278	138	101%
		1000	120	290	113	157%
		1500	134	295	116	154%
		3000	143	298	114	161%
		6000	178	301	113	166%
		10000	172	315	114	176%
S330	60	100	0	213	114	87%
		150	0	233	116	101%
		200	0	234	110	113%
		300	111	264	111	138%
		500	112	253	108	134%
		750	142	282	114	147%
		1000	160	290	114	154%
		1500	175	298	112	166%
		3000	192	310	123	152%
		6000	193	300	131	129%
		10000	186	304	142	114%
S550	49	100	0	206	129	60%
		150	0	216	144	50%
		200	0	223	131	70%
		300	0	227	135	68%
		500	0	243	145	68%
		750	104	278	148	88%
		1000	176	292	147	99%
		1500	168	279	153	82%
		3000	164	292	159	84%
		6000	175	295	157	88%
		10000	173	308	167	84%

피닝 이후 질화 처리들

실험명	샘플	피닝 조건들	질화 조건들	고 질소 함량을 갖는 층의 두께(㎛)	고 질소 함량을 갖는 층 중 미피닝 층의 두께(㎛)	표면에서의 질소함량(%)	미피닝 표면에서의 질소 함량(%)
실험 8.1	304L 스테인리스 강	크기 = S170 Har.= 48　HRC V= 57 m/s R= 1125% zn= 80 ㎛	100 시간동안 350°C 에서 플라즈마	4 내지 10	3 내지 5	9	11
실험 8.2			100 시간동안 400°C 에서 플라즈마	8 내지 15	8 내지 10	12	12
실험 9.1	32CrMoV13 강 (기어링용)	크기 = S170 Har.= 48　HRC V= 57 m/s R= 1875% zn= 90 ㎛	50 시간 동안 480°C 에서 플라즈마	1 내지 3	1 내지 2	14	14
실험 9.2			50 시간동안 520°C에서 기체 질화	10	10	18	14
실험 9.3	X38CrMoV5 강 (화덕 툴 용)	크기 = S170 Har.= 58　HRC V= 57 m/s R= 3000% zn= 40 ㎛	520°C for 50 시간동안 520°에서 기체 질화	14	10	12	10

피닝 이후 저압 침탄질화 처리들

실험명	샘플	피닝 조건들	침탄질화 조건들
실험 10	23MnCrMo5 강 (기어링용)	크기 = S170 경도.= 48　HRC V= 57 m/s R= 400% zn= 40 μm	80°C에서 저압 침탄질화

실험 8, 실험 1에 해당하는 샘플, E24 강, 숏들의 로크웰 경도(Rockwell hardness) = 48 HR

숏의 종류	V (m/s)	R (%)	zn (㎛)	처리된 면의 경도 (HV)	미처리된 면의 경도 (HV)	경도 이득 (%)	znh 최소 (mm)	znh 최대 (mm)
S170	57	100	0.00	225	142	58%
		150	0.00	226	133	70%
		200	27.46*	234	140	67%
		300	30.28*	252	143	76%
		500	46.47*	276	132	109%
		750	50.00*	281	135	108%
		1000	54.22	288	140	106%	49.29	62.67
		1500	59.15	290	140	107%	57.74	74.64
		3000	81.69	292	131	123%	69.01	92.25
		6000	94.36	323	135	139%	90.84	96.47
		10000	87.32	327	127	157%	73.23	95.77
S330	60	100	0.00	240	136	76%
		150	35.21*	244	136	79%
		200	34.50*	253	139	82%
		300	39.43*	260	135	93%
		500	67.60*	267	129	107%
		750	69.71	284	128	122%	61.26	90.14
		1000	76.05	297	129	130%	69.01	96.47
		1500	111.26	299	126	137%	102.11	121.83
		3000	111.97	309	128	141%	97.88	123.23
		6000	123.94	310	157	97%	109.50	139.43
		10000	97.14	310	126	146%	90.00	113.57
S550	49	100	0.00	222	135	64%
		150	0.00	225	139	62%
		200	0.00	227	141	61%
		300	29.57*	240	144	67%
		500	44.36*	248	128	94%
		750	57.74*	261	141	85%
		1000	98.59	271	134	102%	76.76	161.97
		1500	108.45	289	148	95%	81.69	133.09
		3000	97.18	295	132	123%	83.80	146.47
		6000	115.00	309	142	118%	85.71	140.00
		10000	119.28	325	144	126%	98.57	150.00

Claims (12)

1. 강(steel)으로 이루어진 금속 부분의 표면 처리 방법으로서,
   표면(1)의 임의의 부분이 복수의 주요 입사각(incidences)들을 따라 입자들을 받을 수 있도록 실질적으로 구형 입자들의 스트림(20)에 상기 금속 부분의 표면(1)을 노출하는 단계; 여기서 10° 내지 45° 사이의 외측 반 정점각(α, α+β , α-β)을 갖는 원뿔 또는 원뿔형 필름에 상기 표면의 일부 상의 상기 입자들의 주요 입사각들이 본질적으로 분포되고, 나노구조의 표면층(3)이 수득될 때까지 0.1mm를 초과하고 2mm 미만의 직경을 갖는 상기 입자들이 40m/s 내지 100m/s 사이의 속도로 분사되며; 및
   상기 금속 부분의 표면(1)에서부터 시작하는 그 두께의 적어도 일부 상의 금속 부분의 화학적 조성을 변경하기 위해, 상기 부분의 금속 구조 내부로의 물질의 확산을 일으키는 열화학적 조건들에 상기 금속 부분의 표면(1)을 노출하는 단계를 포함하며,
   상기 열화학적 조건들은 나노구조의 표면층(3)의 재결정화 및 재결정화된 상기 표면층의 강(steel)의 그레인(grain) 경계들 내부로 질소의 확산을 일으키는 750°C 내지 1000°C 사이 온도에서의 저압 침탄질화(low-pressure carbonitriding) 조건들이고, 상기 재결정화된 표면층에 미세하게 분산된 카보나이트라이드(carbonitride) 입자들을 생성하는 과정인 것을 특징으로 하는 강으로 이루어진 금속 부분의 표면처리방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 열화학적 조건들에 상기 금속 부분을 노출하는 단계는,
   상기 침탄질화 온도까지 점진적으로 상승하는 온도에 상기 금속 부분을 노출하는 단계; 및
   상기 침탄질화 온도에서 온도를 유지하는 단계를 포함하고,
   상기 온도가 상승하는 시간과 온도가 유지되는 시간의 합이 3시간 미만인 것을 특징으로 하는 강으로 이루어진 금속 부분의 표면처리방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 온도 상승 시간과 온도 유지 시간의 합은 0.5 내지 1.5시간 사이인 것을 특징으로 하는 강으로 이루어진 금속 부분의 표면처리방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 표면(1)은 400% 내지 1000% 사이의 커버리지(coverage) 정도를 갖는 상기 입자들의 스트림에 노출되는 것을 특징으로 하는 강으로 이루어진 금속 부분의 표면처리방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 질화 또는 침탄질화된 표면(1) 부근의 강의 그레인(grain)들은 NF A 04-102에 따라 10 이상의 크기 지수를 갖는 것을 특징으로 하는 강으로 이루어진 금속 부분의 표면처리방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 실질적으로 구형인 입자들은 직경이 0.3mm를 초과하고 1.4mm 미만인 것을 특징으로 하는 강으로 이루어진 금속 부분의 표면처리방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 실질적으로 구형인 입자들의 입사각들은 실질적으로 지속적으로 분포되는 것을 특징으로 하는 강으로 이루어진 금속 부분의 표면처리방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 원뿔 또는 원뿔형 필름은 10° 내지 30° 사이의 외측 반 정점각(outer half apex)을 갖는 것을 특징으로 하는 강으로 이루어진 금속 부분의 표면처리방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 한 스트림(stream)의 입자들은 중심방향(25)을 따라 분사되는 입자 분사물(20)을 포함하고,
   상기 표면을 상기 중심방향에 대하여 비스듬히 배치하기 위해 상기 금속부분은 서포트(14)에 고정되고, 상기 서포트(14)는 상기 입자 분사물의 중심방향과 동축인 축을 중심으로 회전되는 것을 특징으로 하는 강으로 이루어진 금속 부분의 표면처리방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 중심방향에 대한 상기 부분(α)의 표면의 경사도는 10° 내지 30° 사이이며, 바람직하게는 15°에 근접한 것을 특징으로 하는 강으로 이루어진 금속 부분의 표면처리방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실질적으로 구형인 입자들은 50m/s 내지 80m/s 사이의 속도로 분사되는 것을 특징으로 하는 강으로 이루어진 금속 부분의 표면처리방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실질적으로 구형인 입자들은 처리 전 상기 부분의 상기 표면의 경도보다 더 큰 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 강으로 이루어진 금속 부분의 표면처리방법.

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