KR20160120747A

KR20160120747A - 쇼트 물질 및 쇼트 피닝 방법

Info

Publication number: KR20160120747A
Application number: KR1020167024565A
Authority: KR
Inventors: 해럴드 렘케; 패트릭 이. 맥; 로버트 파커
Original assignee: 더 나노스틸 컴퍼니, 인코포레이티드
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2016-10-18
Also published as: AU2015218270B2; EP3105357A4; BR112016018439A2; EP3105357A1; US20150231763A1; JP2017512142A; CA2939134A1; JP2020040200A; WO2015123673A1; AU2015218270A1

Abstract

금속 합금 입자를 가공 대상물에 투사하는 것을 포함하는, 가공 대상물을 쇼트 피닝하는 방법으로서, 여기서 상기 금속 합금 입자가 Fe를 B, C, Cr 및 Nb와 조합하여 포함하고, 여기서 Fe가 50.0 원자 퍼센트 초과의 수준으로 존재하는 것인 방법. 금속 합금 입자는 1150 이상의 비커스 경도 (HV) 및 200 GPa 초과의 탄성률을 갖는다.

Description

쇼트 물질 및 쇼트 피닝 방법 {SHOT MATERIAL AND SHOT PEENING METHOD}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2014년 2월 14일에 출원된 미국 가출원 번호 61/940,140을 우선권 주장한다.

발명의 분야

본 발명은 쇼트 피닝(shot peening)을 위한 쇼트 물질(shot material) 및 쇼트 피닝 방법 및 상기 공정에 의해 수득된 처리 물품에 관한 것이다.

쇼트 피닝은 반복 하중(cyclic loading), 마모, 및 부식, 및 다른 수명 감소 영향을 겪는 주로 금속제 부품 또는 가공 대상물(workpiece)의 저항성을 증진시키는 목적을 갖는 기계적 표면 처리이다. 쇼트 피닝 공정 동안에, 쇼트 매체(shot medium)라고도 칭해지는 연마 매체가, 가공 대상물의 표면 상으로 분사(propel)된다. 매체의 충격은 가공 대상물의 표면에 딤플(dimple)을 형성시킨다. 가공 대상물 내의 딤플 아래의 복원력은 압축시 비교적 높은 응력을 받는 물질의 반구를 초래하고 피닝 공정 동안에 딤플이 중첩됨에 따라 압축 잔류 응력장(compressive residual stress field)이 피닝된 표면 상에 발생한다. 이러한 생성된 압축 응력은 가공 대상물에 다종다양한 유익을 제공할 수 있다. 예를 들어, 가공 대상물의 유용 수명은 응력 균열로부터의 부식, 마찰, 캐비테이션(cavitation), 마손(galling), 침식 및 마모에 의해 유발되는, 반복 하중(cyclical load) 또는 응력, 뿐만 아니라 이들 종류의 응력의 조합 하에 증가될 수 있다. 이들 유익은 가공 대상물의 표면 상에 압축 응력의 존재에 의해 유발되며, 그 이유는 이러한 응력이 표면 균열 형성 및 또는 균열 전파의 경향을 감소시키기 때문인 것으로 통상 가정된다.

보고된 쇼트-피닝 매체는 (1) 탄화물, 탄화물 복합물(carbide composite), 또는 서멧(cermet) (세라믹 (cer)과 금속 (met) 물질로 구성된 복합 물질(composite material)); (2) 예를 들어 세라믹 비드(bead) 또는 세라믹 쇼트, 예컨대 생 고벵(Saint Gobain)으로부터 마이크로블래스트(Microblast)® B-120 또는 지르블래스트(Zirblast)® B-30 또는 B-400으로서 시판되는 세라믹, 예컨대 지르코니아를 포함한다.

금속을 기재로 하는 피닝 매체는 미국 특허 번호 6,658,907에 보고되어 있다. 철을 기재로 하는 무정형 구형 입자는, 바람직하게는, 900-1100의 범위의 비커 경도(Vicker hardness) (HV) 및 200,000 MPa 이하의 영률(Young's modulus)을 갖는, 45 내지 55 wt.%의 철 함량을 갖는 것으로 언급되는 피닝 물질로서 사용된다.

미국 특허 출원 공개 번호 2011/0265535는 질량%로 5 내지 8%의 B, 0.05-1%의 C, 0 내지 25%의 Cr, 잔량의 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 여기서 B 및 가 8.5% 이하의 총량으로 함유되어 있는, 철을 기재로 하는 쇼트 피닝 물질을 개시한다. 5% 미만의 B 함량은 불충분한 경도를 제공하는 것으로 기재되었다.

WO2009/133920A1은 B (5-8 질량%), Al (10 질량% 이하, 바람직하게는 0.5-10 질량%), Cr (0-25 질량%, 바람직하게는 1-25 질량%), 및 나머지의 Fe 및 필연적인 불순물로 제조된, 철을 기재로 하는 쇼트 물질을 개시한다. HV는 보도된 바로는1150-1300 범위에 이르렀다.

WO2012/128357은, 질량%로, 2-8%의 B, 및 다음 식: 0≤ (Ti% / 10) + (Cr% / 25) + (Mo% / 10) + (W% / 6) + (Ni% / 10) + (Al% / 10) + (C% / 1)≤ 1.00을 충족시키는 양으로 Ti, Cr, Mo, W, Ni, Al 및 C로부터 선택된 하나 이상의 원소, 및 F 및 필연적인 불순물로 이루어진 나머지를 함유하고 75 ㎛ 이하의 입자 직경을 갖는 쇼트 피닝 물질을 개시한다.

개요

금속 합금 입자를 가공 대상물에 투사하는 것(projecting)을 포함하는, 가공 대상물을 쇼트 피닝하는 방법으로서, 여기서 상기 금속 합금 입자가 Fe를 B, C, Cr 및 Nb와 조합하여 포함하고, 여기서 Fe가 50.0 원자 퍼센트 초과의 수준으로 존재하고 여기서 상기 금속 합금이 1150 이상의 비커스 경도(Vickers Hardness) (HV) 및 200 GPa 초과의 탄성률(elastic modulus)을 갖는 것인 방법. 본 발명은 또한, 상기 언급된 방법에 의해 처리되는 가공 대상물을 포함한다.

본 발명은 또한, Fe를 B, C, Cr 및 Nb와 조합하여 함유하는 금속 합금 입자를 포함하고, 여기서 Fe가 50.0 원자 퍼센트 초과의 수준으로 존재하고 여기서 상기 금속 합금이 1150 이상의 비커스 경도 (HV) 및 200 GPa 초과의 탄성률을 갖는 것인, 쇼트 피닝 물질 그 자체에 관한 것이다.

하기 상세한 설명은, 예증 목적으로 제공되고 본 발명의 임의의 측면을 제한하는 것으로 간주되지 않는 첨부된 도면을 참조로 보다 잘 이해될 수 있다.
도 1은 쇼트-피닝을 위한 에어-블래스팅 캐비닛(air-blasting cabinet)의 개략도이다.
도 2는 비교 피닝 강도 포화도(comparative peening intensity saturation) 곡선의 플롯이다.
도 3은 특정된 가공 대상물에 대한 비교 잔류 응력장의 플롯이다.
도 4는 비교 가공 대상물 경도 값의 플롯이다.
도 4A는 특정된 가공 대상물에 대한 잔류 응력장의 플롯이다.
도 4B는 비교 가공 대상물 경도 값의 플롯이다.
도 4C는 피닝 강도 포화도 곡선의 비교 플롯이다.
도 4D는 특정된 가공 대상물에 대한 잔류 응력장의 플롯이다.
도 4E는 비교 가공 대상물 경도 값의 비교 플롯이다.
도 4F는 피닝 강도 포화도 곡선의 비교 플롯이다.
도 5는 피닝 강도 포화도 곡선의 비교 플롯이다.
도 6은 비교 피닝 강도 포화도 곡선의 플롯이다.
도 7은 근사(near) 피닝 강도 포화도에서 비교 가공 대상물 경도 값의 플롯이다.
도 8은 명시된 입자의 비교 질량 손실의 플롯이다.
도 9는 생 고벵 B120 입자와 대비하여 1.0시간 및 6.0시간에서 본 발명의 입자에 대한 비교 질량 손실의 플롯이다.
도 10은 질량 손실의 비교 플롯이다.
도 11은 피닝 강도 포화도 곡선의 비교 플롯이다.
도 12는 피닝 강도 포화도 곡선의 비교 플롯이다.
도 13은 근사 피닝 강도 포화도에서 비교 가공 대상물 경도 값의 플롯이다.

상세한 설명

상기 언급된 바와 같이, 본 발명은 비교적 높은 경도 및 내구성을 제공하는 쇼트 피닝 매체에 관한 것이다. 합금은 일반적으로 F을 기재로 하는 것으로 이해되고 B, C, Cr 및 Nb를 포함한다. 임의적 원소는 Mn, Si 및 V를 포함한다. 철을 기재로 한다는 언급은 합금 조성의 대부분이 철 (예를 들어, > 50.0 원자 퍼센트 Fe)을 포함하는 특징으로서 이해될 수 있다. 게다가, 합금은 바람직하게는 α-Fe (페라이트) 및/또는 γ-Fe (오스테나이트)를 포함하는 것이다. 합금은 또한 바람직하게는 다음 중 하나 이상을 포함한다: (1) 착물 붕소화물 (예를 들어 M₁B, M₂B 및 M₃B이고 여기서 M은 전이 금속이다); (2) 착물 탄화물 (예를 들어 M₁C, M₂C, M₃C, 및 M₂₃C₆이고 여기서 M은 전이 금속이다); (3) 보로카바이드 (붕소화물 및 탄화물 원자 둘 다를 함유하는 물질).

바람직하게는 합금 조성은 아래 표 1에 특정된 농도로 구성된다:

<표 1> 바람직한 합금 조성

상기에 더하여, 본원에서의 합금은 또한 바람직하게는, 원자 퍼센트로, 다음 조성을 가질 수 있다: Fe (58.0-65.0); B (14.0-19.0); C (4.0-5.5); Cr (7.0-13.5); Mn (0-1.5); Nb (1.4-3.5); Si (0-1.5) 및 V (0-6.0).

본원에서의 합금은 바람직하게는 분무(atomization) 방법에 의해 입자로서 제조된다. 예시적인 분무 절차는 가스 분무, 원심 분무 또는 물 분무를 포함한다. 그 다음에 입자는 다양한 기술, 예컨대 선별, 분류 및 공기 분류를 사용하여 크기가 정해질 수 있다. 바람직하게는, 입자는, 95%의 입자가 40 ㎛의 내지 250 ㎛의 범위 (입자를 통해 최대 선형 치수)의 크기 범위를 갖는다는 것이다. 따라서, 약 5%의 입자는 이 범위를 벗어나며 0.1 - 39.9 ㎛의 범위의 입자 크기 분포를 나타낼 수 있다. 보다 바람직하게는, 마이크론으로 D10 값 (이 숫자 미만 크기의 입자를 갖는 모집단의 퍼센트)은 50.0 ㎛이다. 바람직한 D50 값 (중앙치)은 80 ㎛이며 바람직한 D90 값 (이 숫자 미만의 분포의 90 퍼센트)은 150 ㎛이다.

게다가, 마이크론으로 D10 값은 50-100의 범위에 속할 수 있고, D50 값은100-150의 범위에 속할 수 있고 D90 값은 150-200의 범위에 속할 수 있다.

상기 언급된 입자와 관련하여, 바람직하게는, 입자는 구형의 기하학적 구조를 갖는다. 이는 3 차원 공간에서의 소정의 지점으로부터 모두 동일한 거리 r인 지점의 집합을 갖는 형상으로 이해될 수 있다. r의 값은 반경이다. 또한 고려되는 비교적 덜 구형의 형상은 그릿(grit)으로 칭해지는 비교적 더 각진 형상을 포함한다.

합금은 입자가 약 1150 이상의 HV 값을 나타낸다는 것이다. 바람직하게는, HV 값은 1150-1400의 범위일 수 있다. 보다 바람직하게는, HV 값은 1250 +/- 75이다. 따라서, HV 값은 바람직하게는 1175 내지 1400의 범위일 수 있다. 게다가, 입자는 이들이 200 GPa 초과, 보다 바람직하게는 200 GPa 초과 350 GPa 이하의 범위의 탄성률을 갖는다는 것이다.

본원에서의 입자의 또 다른 특징은 그의 연관된 내구성이다. 그 맥락에서 본원에서의 내구성은 입자를 다음 범위의 조건 하에 가공 대상물 쪽으로 투사하는 것을 특징으로 하였다: 0.13 MPa 내지 0.82 MPa의 투사 압력(projection pressure), 80 m/s 내지 350 m/s의 피닝 속도 및 2-12 mils의 알멘(Almen) A 강도. 가공 대상물까지의 거리는 76 - 153 mm의 범위이다. 그 다음에 가공 대상물 및 매체는 시험 전에 15분의 기간 동안 예비컨디셔닝된다(preconditioned). 가공 대상물은 697의 비커스 경도를 갖는 약 13%의 망간을 함유하는 6.35 mm 두께의 강철 합금이다. 18시간의 기간 동안 가공 대상물 상에 이러한 투사 후에 금속 입자는, 입자의 100 그램 부분의 경우, 존재하는 75 ㎛ 미만의 입자의 중량 분율이 7.0% 이하이다라는 것이다.

본원에서의 입자는 에어 노즐-유형(air nozzle-type) 시스템 또는 원심 휠(wheel) 기반 시스템과 같은, 입자에 운동 에너지를 부여하는데 사용되는 장비 장치의 두 가지 유형에서 이용될 수 있다. 본원에 열거된 실시예를 에어 노즐 시스템에 의해 수행하였다 (도 1). 보다 구체적으로, 켈코(Kelco) 에어 블래스팅 캐비넷을 다음 파라미터로 이용하였다: 노즐 유형: 7.9375 mm의 출구 직경을 가진 벤투리; 101.6 mm의 가공 대상물까지의 거리; 2.63 kg/분의 질량 유량. 그러나 개시된 유익의 모두가 휠 기반 시스템에 대해 관찰될 수 있을 것이라는 것이 고려된다. 게다가, 본원에서의 입자는, 명시된 특성을 갖는 가공 대상물에 대해 실시예에서 적용되지만, 충격 입자로 처리하는 이점이 유익할 수 있는 임의의 가공 대상물에 적용가능할 것이다.

본 발명의 작용 실시예를, 다양한 쇼트-피닝 매체와 비교하여, 아래에 제공한다. 그러나, 이제, 본원에서의 비교적 높은 경도 및 내구성 쇼트-피닝 매체가 디-샌딩(de-sanding), 디-스케일링(de-scaling), 및 임의의 가공 대상물의 코팅 이전의 에칭(etching)을 포함하나 그에 제한되지는 않는 쇼트 피닝 이외의 공정뿐만 아니라 워터 제트(water jet) 또는 다른 절단 및 톱질 적용에도 적용가능할 것이라는 것이 본원에서 이해될 수 있다.

실시예 1 및 1A

본 발명의 금속 연마 매체 (실시예 1)를 피닝 매체로서 채택하고 그와 같이시험하였다. 구형의, 철을 기재로 하는 입자는 7.36 g/cm³의 비중, 1284의 비커스 경도를 갖는, 12.7 at.% 크롬, 18.8 at.% 붕소, 1.5 at.% 니오븀, 4.6 at.% 탄소, 0.3 at.% 망간, 0.8 at.% 규소, 및 나머지 (61.3 at.%) 철로 구성된다. 입자는 52 마이크로미터인 D10, 83 마이크로미터인 D50, 및 142 마이크로미터인 D90의 입자 크기 분포를 가졌다.

본 발명의 다른 금속 연마 매체를 또한 제조하였다. 구체적으로, 실시예 1A는 7.77 at.% 크롬, 14.73 at.% 붕소, 2.68 at.% Nb, 5.45 at.% C, 1.17 at.% Si, 4.68 at.% V 및 62.45 at.% 철로 구성된다. 실시예 1B는 실시예 1과 동일한 합금 조성을 갖는다.

비교를 위해, 두 가지 시판 피닝 매체를 초기에 사용하였다: (1) 7.6 g/cm³의 비중, 729의 비커스 경도 및 100 마이크로미터인 D10, 132 마이크로미터인 D50, 및 183 마이크로미터인 D90의 입자 크기 분포를 갖는 신토 마이크로쇼트(Sinto Microshot) SBM-100C; (2) 7.4 g/cm³의 비중, 788의 비커스 경도 및 64 마이크로미터인 D10, 92 마이크로미터인 D50, 및 134 마이크로미터인 D90의 입자 크기 분포를 갖는 신토(Sinto) AMO 비드(Beads) AM-100.

상기 언급된 쇼트 매체 입자 경도 시험을 비커스 다이아몬드 압입자(indenter)를 갖춘 투콘(Tukon) 2500 누프(Knoop)/비커스 자동 경도 시험기(Vickers Automated Hardness Tester) (2000x 광학 장치(optics))를 사용하여 수행하였다. 입자 견본을, 이들을 에폭시 수지와 첨가-혼합하고, 경화시킨 다음에, 혼합물을 연마하여 입자 단면을 노출시킴으로써 제조하였다. 100 그램의 시험 하중을 사용하고, 보고된 열두개의 압흔(indent)의 평균은 표 2에서 아래에 나타낸 바와 같다:

<표 2>

입자 크기 분포를 마이크로트랙(Microtrac) S3500 레이저 회절 분석기를 사용하여 측정하였다. 분포를 표 3에서 아래에 나타냈다:

<표 3>

나노 기기 탑재 압입 시험기(instrumente indentation tester) (IIT)를 사용하여 실시예 1의 입자의 탄성률을 측정하였다. 입자 견본을, 입자를 에폭시 수지와 혼합하고, 경화시킨 다음에, 혼합물을 연마하여 입자 단면을 노출시킴으로써 제조하였다. 각각의 샘플 상에 4개의 입자를 시험용으로 선택하였다. 샘플 내에 압입의 위치를 입자의 가장자리에 너무 가깝게 되지 못하도록 배치하였지만, 달리 특히 임의의 다른 기준으로 선택하지는 않았다. 다이아몬드 베르코비치(Berkovich) (삼각뿔) 압입자를 사용하여, 최대 20 mN까지, 20 하중 증가분(load increment)으로, 그리고 그 다음에 20 하적 감소분(unloading decrement)으로 각각의 시험을 행하였다. 압입 데이터는 종래의 "올리버 앤드 파르(Oiver and Pharr)" 기술을 사용하여 분석하였다. 데이터는 압입자의 초기 침투, 하중 프레임(load frame)의 준수, 및 사용된 압입자의 영역 기능에 대해 보정하였다. 기기는 이들 양의 국가 표준에 기인하는 하중 및 변위에 대한 기기 장치로 교정하였다. 실시예 1은 246 GPa ±44.58의 탄성률 (0.3의 푸아송 비(Poisson's ratio)로 가정)을 갖는 것으로 측정되었다.

일반적으로, 본원에서 이용될 수 있는 가공 대상물은 바람직하게는, 500-1000의 HV 값을 갖는 금속 유형 가공 대상물을 포함한다. 이러한 가공 대상물은 금속 시트, 코일, 스프링, 금속 단조 또는 튜브를 포함하나 그에 제한되지는 않는 여러가지의 기하학적 형태일 수 있다. 따라서, 본원에서 특정된 입자를 이용하는 쇼트 피닝 방법은 일반적인 마모 특성의 증진을 포함한, 임의의 목적을 위해 쇼트 피닝이 이용되는 임의의 가공 대상물에 적용될 수 있다는 것이 본원에서 고려된다.

평가 목적을 위해, 472의 비커스 경도 및 0.106 마이크로미터의 표면 거칠기 평균 (Ra)을 가진 SAE 1070 강철 알멘 A (76 mm x 19 mm x 1.295 ± 0.025 mm 두께) 스트립 및 알멘 N (76 mm x 18 mm x 0.785 ± 0.025 mm 두께) 스트립을 가공 대상물로서 선택하였다. 알멘 스트립은 쇼트 피닝 공정의 강도를 정량화하는 관련 기술 분야에서 사용된다. 피닝 조작에 의해 유도된 압축 응력은 스트립을 아치로 변형시키고, 그의 최대 곡률점은 측정을 위해 특별히 설계된 게이지를 사용하여 측정한다. 설정된 피닝 파라미터 하에 생성된 연속 알멘 스트립으로부터의 아치 높이를 시간의 함수로서 플롯팅하여 피닝 강도 포화도를 결정한다. 피닝 강도 포화도는 피닝 시간이 두배가 되는 때 아크 높이 10 퍼센트 이하 증가를 넘는 최초 지점으로 정의된다.

따라서 5, 10, 20 및 40초의 피닝 증가분 후에 알멘 스트립 아치 높이를 측정함으로써 피닝 강도 포화도를 결정하였다. 교정된 일렉트로닉스 인코퍼레이티드(Electronics Inc.) 어브밴스트 알멘 게이지(Advanced Almen Gage)를 사용하여 측정하였다. 포화도 곡선 해결(Saturation Curve Solver) 소프트웨어, 출시(Release) 9를 사용하여 피닝 강도 포화도를 계산하였다. 12.7, 25.4, 50.8, 101.6, 및 127.0 마이크로미터에서 프로파일링함으로써 X-선 회절 (XRD)에 의해 포스트 피닝 최대 표면 아래 잔류 압축 응력을 측정하였다. XRD 피크 폭을 각각의 프로파일에 대한 경도로 전환시켰다.

표면 거칠기를 미투토요(Mitutoyo) SJ-210 기기를 사용하여 측정하였다.

가공 대상물 포스트 피닝 잔류 응력장을, 12.7, 25.4, 50.8, 101.6, 및 127.0 마이크로미터에서 프로파일링함으로써 SAE HS-784/2003에 따라서 X-선 회절 (XRD)에 의해 측정하였다. X-선 회절 (XRD)을 사용하여 잔류 응력을 측정하는데 있어서, 결정 격자에서의 변형을 측정하고, 연관된 잔류 응력은 적절한 결정 격자 면의 선형 탄성 변형을 가정하여 탄성 계수로부터 결정된다. 4 mm 직경의 둥근 콜리메이터(collimator), 155° 2θ의 피크, 및 크롬 방사선으로 TEC1630을 사용하여 XRD를 수행하였다. 회절 피크에 대한 포물선 피트(fit)를 사용하였고, 여기서 피크의 k 알파 2 성분은 SARATec 소프트웨어를 사용하여 감산되었다. 빔 (응력 구배 효과)의 급격한 침투 및 층 제거를 차지하는 보정이 또한 적용되었다. 12.7에서 127 마이크로미터 깊이에서 미소경도 측정에 의해 교정된 피크 폭에 의해 경도를 결정하였다.

다음 파라미터를 사용하여 켈코 에어 블래스팅 장비를 사용하여 쇼트 피닝을 수행하였다: 0.55 MPa의 투사의 압력; 7.9375 mm의 출구 직경을 가진 벤투리 노즐; 101.6 mm의 가공 대상물까지의 거리; 및 2.63 kg/분의 질량 유량. 다시 도 1을 참조한다.

피닝 시험의 결과를 아래 표 4에 요약하였고, 비교 피닝 강도 포화도 곡선을 도 2에 도시하였고, 비교 잔류 응력장을 도 3에 도시하였고 가공 대상물에서의 상응하는 비교 경도 값을 도 4에 도시하였다.

<표 4>

표 4로부터, 신토 SBM-100C의 표면 거칠기가 실시예 1의 것보다 더 낮지만, 최대 잔류 압축 응력이 또한, 거의 동등한 표면 강도와 함께 더 낮다는 것을 알 수 있다. 이는 또한 포화도에서 피닝 강도 (알멘 강도 (아치 높이))를 피닝 포화 시간과 대비한 비교에서 반영되어 있다. 추가로, 신토 SBM-100C의 9.02초의 보다 긴 포화 시간 대 실시예 1의 것 (5.82초) 및 피닝 강도 포화 시간 근처에서 시판 신토 SBM-100C의 보다 낮은 최대 잔류 압축 응력 (10초에서 635 MPa) 대 실시예 1의 것 (5초에서 726 MPa)은 보다 낮은 투사 압력이 신토 SBM-100C의 것에 동등 최대 잔류 응력의 경우 본원에 개시된 합금으로 사용될 수 있고 그로 인해 비용이 절감된다는 것을 의미한다. 피닝 포화 시간 근처에서 시판 신토 AM-100의 최대 압축 응력 (5초에서 655 MPa)을 본 발명의 실시예 1의 것과 대비하여 비교시 동일한 결론이 도출될 수 있다. 이는 또한 근사 피닝 강도 포화도에서 두께 잔류 응력장 프로파일을 통한 XRD의 플롯인 도 3에 반영되어 있다. 도 4는 근사 피닝 강도에서 두께 경도 프로파일을 통한 XRD의 플롯이고, 실시예 1의 작업은 신토 SBM-100C 및 신토 AM-100과 동일한 방식으로 표면을 경화시킨다는 증거를 제공한다.

표 4로부터, 시판되는 신토 생성물과 비교시, 비교는 알멘 포화도가 달성된 그 시점에서 가장 관련되는 것으로 고려된다는 점을 다시 주목하여야 한다. 따라서, 20초 피닝 시간에서 실시예 1A의 표면 거칠기는 10초 피닝 시간에서 신토 SBM-100C의 것보다 더 낮고, 실시예 1A의 경우 신토 SBM-100C의 것과 대비하여 보다 높은 최대 잔류 압축 응력이 달성된다는 것을 알 수 있다. 추가로, 피닝 강도가, 표 4에 나타낸 바와 같이, 실시예 1A의 경우 신토 SBM-100C의 것보다 더 높기 때문에, 보다 깊은 잔류 압축 응력이 암시된다. 이는 실시예 1A 및 신토 SBM-100C 둘 다의 경우 근사 포화도에서 XRD 프로파일 잔류 응력장인 도 4A, 및 경도 플롯인 도 4B를 검토하면 확인된다. 게다가, 실시예 1A 및 신토 SBM-100C의 피닝 강도 포화도 곡선은 도 4C에 제공되어 있다.

표 4로부터, 10초 피닝 시간 후에 (알멘 포화도가 다시 달성된 후에) 신토 SBM-100의 표면 거칠기는 20초 후에 (알멘 포화도가 달성된 후에) 실시예 1B의 것보다 낮다는 것을 추가로 알 수 있다. 그러나, 근사 동등 최대 잔류 압축 응력이 신토 SBM-100C와 대비하여 실시예 1B의 경우 달성된다. 추가로, 피닝 강도가, 표 4에 나타낸 바와 같이, 근사 동등 최대 잔류 압축 응력과 함께 실시예 1B의 경우 신토 SBM-100C의 것보다 더 높기 때문에, 보다 깊은 잔류 압축 응력이 암시된다. 이는 실시예 1B 및 신토 SBM-100C 둘 다의 경우 근사 포화도에서 XRD 프로파일 잔류 응력장인 도 4D, 및 경도 플롯인 도 4E를 검토하면 확인된다. 게다가, 실시예 1B 및 신토 SBM-100C의 피닝 강도 포화도 곡선은 도 4F에 제공되어 있다.

실시예 2

실시예 2에서, 실시예 1 및 실시예 1B의 입자를 시판 지르코니아 세라믹 피닝 매체와 비교하여 시험하였고, 3.8 g/cm³의 비중, 692의 비커스 경도 및 79 마이크로미터인 D10, 105 마이크로미터인 D50, 및 148 마이크로미터인 D90의 입자 크기 분포를 갖는 생 고벵 마이크로블래스트® B120을 사용하였다. 472의 비커스 경도 및 0.106 마이크로미터의 표면 거칠기 평균 (Ra)을 가진 SAE 1070 강철 알멘 N (76 mm x 18 mm x 0.785 ± 0.025 mm 두께) 스트립을 가공 대상물로서 선택하였다. 다음 파라미터를 사용하여 켈코 에어 블래스팅 장비를 사용하여 쇼트 피닝을 수행하였다: 0.28 MPa의 투사의 압력; 7.9375 mm의 출구 직경을 가진 벤투리 노즐; 101.6 mm의 가공 대상물까지의 거리; 및 2.63 kg/분의 질량 유량. 5, 10, 20 및 40초의 피닝 증가분 후에 알멘 스트립 아치 높이를 측정함으로써 피닝 강도 포화도를 결정하였다. 교정된 일렉트로닉스 인코퍼레이티드 어브밴스트 알멘 게이지를 사용하여 측정하였다. 포화도 곡선 해결 소프트웨어, 출시 9를 사용하여 피닝 강도 포화도를 계산하였다. 12.7, 25.4, 50.8, 101.6, 및 127.0 마이크로미터에서 프로파일링함으로써 X-선 회절 (XRD)에 의해 포스트 피닝 최대 표면 아래 잔류 압축 응력을 측정하였다. XRD 피크 폭을 각각의 프로파일에 대한 경도로 전환시켰다. 피닝 시험의 결과를 표 5에 요약하였다. 실시예 1의 경우, 비교 피닝 강도 포화도 곡선을 도 5에 도시하였고, 비교 잔류 응력장을 도 6에 도시하였고 상응하는 비교 경도를 도 7에 도시하였다. 실시예 1B의 경우, 비교 피닝 포화도 곡선을 도 11에 도시하였고, 비교 잔류 응력장을 도 12에 도시하였고 상응하는 비교 경도를 도 13에 도시하였다.

<표 5>

표 5로부터, 생 고벵 B120의 표면 거칠기가 실시예 1의 것보다 더 낮지만, 근사 동등 표면 강도 및 최대 잔류 압축 응력이 실시예 1의 경우 생 고벵 B120과 대비하여 달성된다는 것을 알 수 있다. 추가로, 피닝 강도가, 표 5에 나타낸 바와 같이, 근사 동등 최대 잔류 압축 응력과 함께 실시예 1의 경우 생 고벵 B120의 것보다 더 높기 때문에, 보다 깊은 잔류 압축 응력이 암시된다. 이는 실시예 1 및 생 고벵® B120 둘 다의 경우 포화도에서 XRD 프로파일 잔류 응력장인 도 6, 및 경도 플롯인 도 7를 검토하면 확인된다.

표 5로부터, 생 고벵 B120의 표면 거칠기가 실시예 1B의 것보다 더 낮지만, 근사 동등 최대 잔류 압축 응력이 실시예 1B의 경우 생 고벵 B120의 것과 대비하여 달성된다는 것을 또한 알 수 있다. 추가로, 피닝 강도가, 표 5에 나타낸 바와 같이, 근사 동등 최대 잔류 압축 응력과 함께 실시예 1B의 경우 생 고벵 B120의 것보다 더 높기 때문에, 보다 깊은 잔류 압축 응력이 암시된다. 이는 실시예 1B 및 생 고벵 B120 둘 다의 경우 포화도에서 XRD 프로파일 잔류 응력장인 도 12, 및 경도 플롯인 도 13을 검토하면 확인된다.

실시예 3

실시예 3에서, 75 마이크로미터 미만의 미분을 제거하기 위해 체질된 실시예 1 및 1B의 내구성을, 신토 마이크로쇼트 SBM-100, 신토 AMO 비드 AM-100 및 생 고벵 마이크로블래스트® B120의 내구성과 비교하여 시험하였다. 다음 파라미터를 사용하여 켈코 에어 블래스팅 장비를 사용하여 쇼트 피닝을 수행하였다: 0.55 MPa의 투사의 압력; 7.9375 mm의 출구 직경을 가진 벤투리 노즐; 101.6 mm의 가공 대상물까지의 거리; 및 2.63 kg/분의 질량 유량. 피닝 매체 내구성을 시험하기 위해, 바람직하게는, 예비-컨디셔닝된 매체를 사용하여 일정 기간에 걸쳐 피닝된 6.35 mm 두께의 해드필드 망간(Hadfield Manganese) 가공 대상물을 사용한다. 해드필드 망간 가공 대상물은 0.8-1.25 wt.% 탄소와 11-15 wt.% 망간을 함유하는 강철을 합금함으로써 제조된다. 가공 대상물은 120,000 psi - 140,000 psi의 극한 인장 강도, 65,000 psi - 85,000 psi의 항복 강도를 갖는다. 가공 대상물은 또한 바람직하게는, 180-245의 초기 HB 경도 값 내지 작업 경화 상태에서 >500의 HB 경도 값을 가질 것이다. 매체를 시험하기 전에 15분 동안 가공 대상물을 각각의 매체로 피닝함으로써 예비-컨디셔닝을 수행하였다. 6, 12, 18, 및 24시간의 피닝 증가분에서 75 마이크로미터 미만의 매체를 계량함으로써 내구성을 평가하였다. 이는, 지정된 시간 간격에서 쇼트의 100 g 샘플을 제거하고, 100 g 매스를 체질하고, 직경 75 마이크로미터 미만의 입자의 분획을 계량하여 파쇄된 물질의 중량%를 확인함으로써 행하였다. 이 시험의 결과를 표 6에 나타냈다.

<표 6>

표 6으로부터, 실시예 1 및 1B는 모든 시판 샘플과 비교하여, 특히 생 고벵 마이크로블래스트® B120과 비교하여 우수한 내구성을 갖는 것으로 관찰된다. 실시예 1 및 1B의 경우 질량 손실을 신토 AM-100 및 신토 SBM-100C와 비교하여 도 8에 그래프로 도시하였다. 실시예 1 및 1B의 경우 질량 손실 (생 고벵 마이크로블래스트® B120과 비교하여)을 도 9에 그래프로 도시하였다.

따라서, 상기 데이터가, 본원에서의 쇼트 피닝 금속 합금 입자가 보다 폭넓게 이해될 수 있고 예비컨디셔닝된 강철 가공 대상물 (즉 내구성 시험 전에 피닝되는 가공 대상물)에 0.55 MPa의 압력에서 투사될 경우, 18시간의 기간 후에, 20.0% 이하, 또는 ≤ 19.0%, 또는 ≤ 18.0%, 또는 ≤ 17.0%, 또는 ≤ 16.0%, 또는 ≤ 15.0%, 또는 ≤ 14.0%, 또는 ≤ 13.0%, 또는 ≤ 12.0%, 또는 ≤ 11.0%, 또는 ≤10.0%, 또는 ≤ 9.0%, 또는 ≤ 8.0%, 또는 ≤ 7.0% 이하의 질량 손실 (75 ㎛ 미만의 입자의 분획)을 나타내는 입자로서 정의된다는 점을 확인한다는 것이 이해될 수 있다. 게다가, 입자는 상기 특정된 시험 조건 하에 이들이 최대 12시간의 기간 후에 ≤5.0%의 질량 손실 (75 ㎛ 미만의 입자의 분획)을 나타낸다는 것이다. 더욱이, 입자는 상기 특정된 시험 조건 하에 이들이 최대 6시간의 기간 후에 ≤4.0%의 질량 손실 (75 ㎛ 미만의 입자의 분획)을 나타낸다는 것이다. 마지막으로, 입자는 상기 특정된 시험 조건 하에 이들이 ≤1.0% 미만의 질량 손실 (75 ㎛ 미만의 입자의 분획)을 나타낸다는 것이다.

상기로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은, 예를 들어, 쇼트-피닝 공정에서와 같이, 금속 연마재로서 사용될 경우 비교적 높은 경도와 내구성을 조합하며 철을 기반으로 하는 금속 입자의 사용에서의 개선을 제공한다. 유익은 본원에 언급된 바와 같은 입자 강도 및 내구성으로 인해 이용된 금속 입자의 사용에서의 증가된 수명뿐만 아니라 충격된 가공 대상물에서 실현될 수 있는 특성에서의 개선도 포함하나 그에 제한되지는 않는다.

실시예 4

실시예 4에서, 75 마이크로미터 미만의 미분을 제거하기 위해 체질된 실시예 1의 내구성을, 실시예 3의 것보다 더 낮은 투사 압력에서 생 고벵 마이크로블래스트® B120의 내구성과 비교하여 시험하였다. 다음 파라미터를 사용하여 켈코 에어 블래스팅 장비를 사용하여 쇼트 피닝을 수행하였다: 0.28 MPa의 투사의 압력; 7.9375 mm의 출구 직경을 가진 벤투리 노즐; 101.6 mm의 가공 대상물까지의 거리; 및 2.63 kg/분의 질량 유량. 피닝 매체 내구성을 시험하기 위해, 예비-컨디셔닝된 매체를 사용하여 일정 기간에 걸쳐 피닝된 6.35 mm 두께의 해드필드 망간 가공 대상물 (상기 기재됨). 매체를 시험하기 전에 15분 동안 가공 대상물을 각각의 매체로 피닝함으로써 예비-컨디셔닝을 수행하였다. 1, 3, 및 6시간의 피닝 증가분에서 75 마이크로미터 미만의 매체를 계량함으로써 내구성을 평가하였다. 이는, 지정된 시간 간격에서 쇼트의 100 g 샘플을 제거하고, 100 g 매스를 체질하고, 직경 75 마이크로미터 미만의 입자의 분획을 계량하여 파쇄된 물질의 중량%를 확인함으로써 행하였다. 따라서, 이제 본원에서의 쇼트 피닝 매체의 한 특징은 해드필드 망간 가공 대상물에서 0.28 MPa의 압력에서 투사될 경우, 금속 합금 입자인 것으로 이해될 수 있다.

<표 7>

표 7로부터, 실시예 1은 생 고벵 마이크로블래스트® B120과 비교하여 우수한 내구성을 갖는 것으로 관찰된다. 상기에 따른 실시예 1의 경우 질량 손실을, 생 고벵 마이크로블래스트® B120과 비교하여, 도 10에 그래프로 도시하였다.

따라서, 상기 데이터가, 본원에서의 쇼트 피닝 금속 합금 입자가 보다 폭넓게 이해될 수 있고 예비컨디셔닝된 강철 가공 대상물 (즉 내구성 시험 전에 피닝되는 가공 대상물)에 0.28 MPa의 압력에서 투사될 경우, 6시간의 기간 후에, 15.0% 이하, 예컨대 ≤14.0%, 또는 ≤ 13.0%, 또는 ≤ 12.0%, 또는 ≤ 11.0%, 또는 ≤10.0%, 또는 ≤ 9.0%, 또는 ≤ 8.0%, 또는 ≤ 7.0%, 또는 6.0%, 또는 ≤5.0%, 또는 ≤ 4.0%, 또는 ≤ 3.0%, 또는 ≤ 2.0%, 또는 ≤ 1.0%의 질량 손실 (75 ㎛ 미만의 입자의 분획)을 나타내는 입자로서 정의된다는 점을 확인한다는 것이 이해될 수 있다. 게다가, 입자는 상기 특정된 시험 조건 하에 이들이 최대 3시간의 기간 후에 ≤5.0%, 또는 ≤ 4.0%, 또는 ≤ 3.0%, 또는 ≤ 2.0%, 또는 ≤ 1.0%의 질량 손실 (75 ㎛ 미만의 입자의 분획)을 나타낸다는 것이다. 더욱이, 입자는 상기 특정된 시험 조건 하에 이들이 최대 1시간의 기간 후에 ≤ 3.0%, 또는 ≤ 2.0%, 또는 ≤ 1.0%의 질량 손실 (75 ㎛ 미만의 입자의 분획)을 나타낸다는 것이다.

본원에서의 쇼트 피닝 입자의 적용은 기어 부품(gear part), 캠과 캠축(cam and camshaft), 클러치 스프링(clutch spring), 코일 스프링(coil spring), 커넥팅 로드(connecting rod), 크랭크축(crankshaft), 기어 휠(gearwheel), 리프 및 서스펜션 스프링(leaf and suspension spring), 스레드(thread), 록 드릴(rock drill), 및 터빈 블레이드(turbine blade)를 포함하나, 그에 제한되지는 않는다. 하나의 특히 유용한 적용은 엔진 밸브 스프링을 포함하는 것으로 결정되었고, 이 스프링은 캠이 이러한 밸브를 개방하여 압력을 방출할 때까지 그의 좌석(seating)에 대하여 폐쇄되는 엔진 밸브 스프링을 유지하도록 작동한다. 이러한 엔진 밸브 스프링은 특히, HRC 48-55의 경도 (ASTM의 A877)를 갖는 크롬-규소 유형 밸브 스프링 합금과 같은, 비교적 높은 경도를 갖는, 엔진 밸브 스프링을 포함한다.

Claims

금속 합금 입자를 가공 대상물에 투사하는 것을 포함하는, 가공 대상물을 쇼트 피닝하는 방법으로서, 여기서 상기 금속 합금 입자가 Fe를 B, C, Cr 및 Nb와 조합하여 포함하고, 여기서 Fe가 50.0 원자 퍼센트 초과의 수준으로 존재하고 여기서 상기 금속 합금이 1150 이상의 비커스 경도 (HV) 및 200 GPa 초과의 탄성률을 갖는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 금속 합금이 1150-1400의 HV를 갖는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 금속 합금이 200 GPa 초과 내지 350 GPa의 범위의 탄성률을 갖는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 금속 합금이 다음을 포함하는 것인 방법:
Fe: 59.0 - 64.0 at.%
B: 17.5 - 18.8 at.%
C: 4.4 - 5.1 at.%
Cr: 12.7-13.1 at.%
Nb: 1.4-1.7 at.%.
제1항에 있어서, 95%의 입자가 40 ㎛ 내지 250 ㎛의 범위의 크기를 갖는 것인 방법.
제1항에 있어서, 입자가 하기 입자 크기 분포를 갖는 것인 방법:
D10: 50 ㎛
D50: 80 ㎛
D90: 150 ㎛.
제1항에 있어서, 75 마이크론 미만의 입자의 중량 분율이, 상기 가공 대상물 상에 상기 입자의 투사 후에 7.0% 이하인 것인 방법.
제1항에 있어서, 쇼트가 500 내지 1000의 HV를 갖는 금속 물질에 투사되는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 합금이 α-Fe 및/또는 γ-Fe 및 다음 중 하나 이상을 포함하는 것인 방법:
(1) 착물 붕소화물;
(2) 착물 탄화물; 또는
(3) 보로카바이드.
제1항에 있어서, 상기 합금이 다음을 포함하는 것인 방법:
Fe: 58.0 - 65.0 at.%
B: 14.0 - 19.0 at.%
C: 4.4 - 5.5 at.%
Cr: 7.0-13.5 at.%
Nb: 1.4-3.5 at.%.
제1항에 있어서, 입자가 하기 입자 크기 분포를 갖는 것인 방법:
D10: 50 - 100 ㎛
D50: 100-150 ㎛
D90: 150 - 200 ㎛.
제1항에 있어서, 상기 입자가, 예비컨디셔닝된 강철 가공 대상물에 0.55 MPa의 압력에서 투사될 경우, 18시간의 기간 후에, 75.0 ㎛ 미만의 입자의 분획과 연관된, 20.0% 이하의 질량 손실을 나타내는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 입자가, 예비컨디셔닝된 강철 가공 대상물에 0.28 MPa의 압력에서 투사될 경우, 6시간의 기간 후에, 75.0 ㎛ 미만의 입자의 분획과 연관된, 15.0% 이하의 질량 손실을 나타내는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 가공 대상물이 기어 부품, 캠, 캠축, 클러치 스프링, 코일 스프링, 커넥팅 로드, 크랭크축, 기어 휠, 리프 스프링, 서스펜션 스프링, 스레드, 록 드릴, 터빈 블레이드 또는 엔진 밸브 스프링 중 하나를 포함하는 것인 방법.
Fe를 B, C, Cr 및 Nb와 조합하여 함유하는 금속 합금 입자를 포함하고, 여기서 Fe가 50.0 원자 퍼센트 초과의 수준으로 존재하고 여기서 상기 금속 합금이 1150 이상의 비커스 경도 (HV) 및 200 GPa 초과의 탄성률을 갖는 것인 쇼트 피닝 물질.
제15항에 있어서, 상기 금속 합금이 1150-1400의 HV를 갖는 것인 쇼트 피닝 물질.
제15항에 있어서, 상기 금속 합금이 200 GPa 초과 내지 350 GPa의 범위의 탄성률을 갖는 것인 쇼트 피닝 물질.
제15항에 있어서, 상기 금속 합금이 다음을 포함하는 것인 쇼트 피닝 물질:
Fe: 59.0 - 64.0 at.%
B: 17.5 - 18.8 at.%
C: 4.4 - 5.1 at.%
Cr: 12.7-13.1 at.%
Nb: 1.4-1.7 at.%.
제15항에 있어서, 95%의 입자가 40 ㎛ 내지 250 ㎛의 범위의 크기를 갖는 것인 쇼트 피닝 물질.
제15항에 있어서, 상기 금속 합금이 다음을 포함하는 것인 쇼트 피닝 물질:
Fe: 58.0 - 65.0 at.%
B: 14.0 - 19.0 at.%
C: 4.4 - 5.5 at.%
Cr: 7.0-13.5 at.%
Nb: 1.4-3.5 at.%.
제15항에 있어서, 입자가 하기 입자 크기 분포를 갖는 것인 쇼트 피닝 물질:
D10: 50 - 100 ㎛
D50: 100-150 ㎛
D90: 150 - 200 ㎛.