KR20180053150A - 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법 - Google Patents

국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대형 디젤엔진의 크랭크축이나 대형 기어, 베어링 및 금형 등과 같은 대형 부품의 사용기능상 필요한 부분에만 열처리를 행하여 강도를 향상시키기 위한 표면처리방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 열처리 후 대상물의 표면에 형성된 인장잔류응력을 압축잔류응력으로 변화시키는 사후처리 및 경도향상과 함께 대상물의 표면을 개질하여 더욱 양호한 기계적 특성을 부여하기 위한 방법에 대하여 전혀 고려되지 않은 한계가 있었던 기존의 열처리 및 국부가열 기술을 이용한 종래기술의 표면처리방법들의 문제점을 해결하기 위해, 국부가열 기술과 초음파 나노크리스탈 표면개질(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification ; UNSM) 기술의 융복합을 통하여, 동일한 장비에서 연속된 공정으로 국부가열과 표면처리 공정을 처리할 수 있도록 구성됨으로써, 대상물의 기계적 특성과 성능 및 수명을 모두 향상시킬 수 있도록 구성되는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법이 제공된다.

Description

국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법{Surface treatment method using local heating and ultrasonic nanocrystal surface modification}
본 발명은 기계부품이나 금형공구류 등의 표면을 처리하기 위한 열처리 및 표면처리방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 예를 들면, 대형 디젤엔진의 크랭크축이나 대형 기어 및 베어링 등과 같은 대형 부품 및 금형의 설계상 필요한 부분에만 열처리를 행하여 강도를 향상시키기 위한 표면처리방법에 있어서, 표면경도 상승에 의해 내마모율을 감소하고, 피로강도를 상승시키며, 압축잔류응력 형성에 의해 마모율 감소 및 피로강도를 상승시키는 목적으로 가열 후 적정한 속도로 냉각하여 높은 경도의 상, 결정입자, 잔류응력을 형성하는 기존의 표면경화기술 및 기존의 표면경화 열처리에서 요구하는 마모율 향상 수준에 미달하는 기계적 특성 형성으로 대체하기가 어려운 종래의 UNSM 기술의 문제점을 해결하기 위해, 기존의 열처리시 사용하는 가열상태보다는 낮은 온도의 가열상태에서 전체 또는 국부가열을 행하여 극심한 탄소성변형 에너지를 부가함으로써, 탄소 또는 질소 등의 원소를 내부로부터 표면층으로 이동시키고, 마이크로 상조직을 변경시키며, 결정입자를 미세화시키고 압축잔류응력을 부가하는 것에 의해 기존의 방법에 비해 보다 우수한 기계적 특성을 부여하는 동시에, 성능 및 수명이 더욱 향상될 수 있도록 구성되는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 대형 부품 및 금형의 설계상 필요한 부분에만 열처리를 행하여 강도를 향상시키기 위해, 국부가열(Local Heating) 기술과 초음파 나노크리스탈 표면개질(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification ; UNSM) 기술의 융복합을 통하여, 대상물의 설계상 필요한 부분에 국부가열을 행하여 강도를 향상하는 동시에, 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 행하여 대상물의 표면을 개질하고 가열에 의한 피로강도를 회복하도록 구성됨으로써, 대상물의 기계적 성능과 강도, 특성 및 수명을 모두 향상시킬 수 있도록 구성되는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법에 관한 것이다.
일반적으로, 예를 들면, 베어링이나 기어, 축, 터빈 등과 같은 기계부품이나, 프레스 금형, 철강산업, 제지, 반도체 디스플레이 산업에서의 롤 등과 같은 금형공구류의 제조시에는, 각 제품의 형태 및 원하는 사이즈에 맞추어 원재료를 성형하는 가공공정과 함께, 가공된 결과물의 기계적인 특성을 개선하거나 별도의 특징을 부가하기 위해 여러 가지 열처리와 표면처리(Surface Treatment) 기법이 적용된다.
즉, 표면처리는, 금속, 비금속의 표면에 내식성, 내마모성, 내열성 외관미 등을 부여하기 위해 실시되는 각종 처리를 의미하며, 그 종류로는, 금속의 표면이나 비금속 표면에 다른 금속을 사용하여 피막을 입히는 도금(Plating) 처리와, 금속의 표면에 일종의 화학 피막(인산염 피막 등)을 만들어 주는 화학적인 처리를 행하는 화성 처리(Chemical Coatings)와, 금속물체를 양극으로 하여 전기화학적으로 산화 피막을 만드는 양극성화 피막과, 부식을 방지하는 동시에 미관을 주기 위한 목적으로 금속의 표면에 도료를 칠하는 도색(Painting)과, 금속으로 만든 탱크 등의 내면에 고무, 합성수지 등을 피복시키는 라이닝(Lining) 및 탄소나 질소 등을 침투시키거나 또는 기타의 방법으로 표면을 경화하여 물리적 성질을 향상시키는 표면경화(Case Hardening) 처리 등이 있다.
더 상세하게는, 상기한 도금 처리의 방법으로는 전기도금, 화학도금, 용융도금, 진공도금, 침투도금, 이온도금 등이 있고, 화성 처리의 방법으로는 인산염 피막처리, 크로메이트 처리, 착색 등이 있으며, 양극성화 피막 처리는 알루미늄의 산화 피막에 널리 사용되고, 대표적인 표면경화 처리로는 금속의 열처리가 있다.
즉, 금속의 열처리 기술은 금속재료, 기계부품, 금형공구의 기계적 성질을 변화시키기 위하여 제조 공정의 중간 또는 최종단계에서 가열과 냉각을 반복함으로써 내마모성, 내충격성, 사용수명 연장 등과 같은 특성을 부여하는 기술로서, 크게 나누어, 재료를 단단하게 만들어 기계적, 물리적 성능을 향상시키는 기술과, 재료를 무르게 하여 가공성을 개선시키는 기술로 나누어질 수 있다.
또한, 상기한 바와 같은 열처리 기술 중, 예를 들면, 대형 디젤엔진의 크랭크축이나, 대형 기어 및 베어링 등과 같이, 그 크기가 커서 전체에 대한 열처리가 용이하지 못한 경우에는, 이러한 대형 부품의 사용기능상 필요한 부분에만 열처리를 행하여 강도를 향상시키는 국부가열 기술이 널리 사용되고 있다.
여기서, 상기한 바와 같은 국부가열 방법에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1427293호에 제시된 "급속가열에 의한 국부연화 공정을 통한 고강도 마그네슘 판재의 성형가공법 및 이에 의하여 성형가공된 고강도 마그네슘 판재 성형부품"에 따르면, 고강도 마그네슘 판재(H-temper) 중 성형가공이 필요한 부위만 열처리하여 국부적으로 연신율을 높이는 국부연화 단계 및 상기 단계에서 국부연화된 마그네슘 판재를 성형가공하는 단계를 포함하여, 성형이 필요한 부위만을 선택적으로 국부가열하여 연신율을 높일 수 있으며, 가공이 필요하지 않아 고강도를 유지해야 하는 부위는 무가열 또는 최소한의 가열만이 수행되어 성형 전 초기 기계적 특성을 유지시킬 수 있는 국부연화 공정을 통한 마그네슘 판재의 성형가공법 및 상기 성형가공법에 의해 성형가공된 마그네슘 판재에 대한 기술내용이 제시된 바 있다.
아울러, 상기한 바와 같은 국부가열 방법에 대한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1383393호에 따르면, 냉각 성형과 핫스탬핑을 동시에 수행할 수 있도록 구성되어 국부적으로 이종 강도를 가지는 부품을 제조할 수 있는 국부 핫스탬핑 성형 장치 및 이를 이용한 핫스탬핑 성형방법에 대한 기술내용이 제시된 바 있다.
더욱이, 상기한 바와 같은 국부가열 방법에 대한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1354149호에 따르면, 고장력강, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 티타늄 합금 등과 같은 난성형성 소재의 성형성을 향상시키기 위하여 별도의 열원 설계, 제작 없이 소재의 소성 변형이 일어나는 국부적인 영역에만 선택적인 가열을 함으로써 난성형성 소재의 성형성을 향상시키는 난성형성 소재를 절곡하기 위한 굽힘성형틀을 갖는 국부 가열판재 성형장치에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.
또한, 상기한 바와 같은 국부가열 방법에 대한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1235752호에 따르면, 국부가열, 굽힘성형 또는 비틀림성형 및 냉각이 반복적/연속적으로 이루어져 점진적인 성형이 이루어질 수 있고 소재의 다양한 방향으로 굽힘성형이 가능한 국부가열 및 점진적 성형을 이용한 굽힘 및 비틀림 성형방법에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.
상기한 바와 같이, 최근, 여러 분야에 걸쳐 필요한 부분에만 열처리를 행하는 국부가열 기술이 널리 사용되고 있으나, 상기한 바와 같은 종래의 국부가열 방법은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.
더 상세하게는, 종래의 국부가열에 의한 열처리 방법은, 기본적으로 고온으로 열을 가한 후 냉각하는 것에 의해 금속 표면의 강도를 향상시키는 방식이므로, 이러한 열처리시 고온 가열과 냉각이 진행되는 공정특성상, 열처리 후 대상물의 주변 표면에도 인장잔류응력이 생성되어 피로강도가 저하되게 되므로, 이를 위해, 종래의 국부가열에 의한 열처리 방법은, 사후 공정으로, 숏피닝, 딥 롤링(deep rolling) 들과 같은 표면처리기술을 사용하여 인장잔류응력을 제거하거나, 압축잔류응력으로 변형시켜 피로를 회복하거나 강화하도록 하여 왔으나, 대형 대상물의 인장잔류응력을 감소시키거나 압축잔류응력으로 변화시키기 위한 사후처리가 쉽지 않고, 열처리나 피닝과 같은 후처리를 수행하는 경우에는 많은 비용이 소요되는 문제가 있었다.
즉, 기존의 국부가열에 의한 열처리 방법은, 상기한 바와 같이 국부가열 처리 후 표면처리 공정을 위한 별도의 추가적인 장비 및 공정이 필요함으로 인해, 그만큼 제조과정이 번거롭고 시간 및 비용이 증가하게 되는 단점이 있었으며, 이러한 문제점을 해결하기 위해서는, 동일한 장비에서 연속된 공정으로 국부가열과 표면처리 공정을 처리할 수 있는 새로운 구성의 국부가열 및 표면처리기술을 제공하는 것이 바람직하나, 종래, 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시된 바 없었다.
따라서 상기한 바와 같이, 열처리 후 대상물의 표면에 형성된 인장잔류응력을 압축잔류응력으로 변화시키기 위한 사후처리가 전혀 고려되지 않은 데 더하여, 국부가열을 이용한 열처리와 별도의 표면처리방법이 각각 별개의 장치와 공정으로 수행되어야 하는 점에서 공정단축 및 비용절감에 한계가 있었던 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여는, 국부가열과 같은 열처리시에 표면개질을 함께 수행하는 것에 의해 대상물의 강도를 향상시킬 뿐만 아니라, 열처리시 발생하는 표면상의 결함을 제거하고 누적 피로를 회복하여 더욱 양호한 기계적 특성을 부여할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 표면처리방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허공보 제10-1427293호 (2014.07.31.)
2. 한국 등록특허공보 제10-1383393호 (2014.04.02.)
3. 한국 등록특허공보 제10-1354149호 (2014.01.15.)
4. 한국 등록특허공보 제10-1235752호 (2013.02.15.)
5. "초음파 나노표면개질기술의 특성과 활용방안 연구", 편영식, 박정현, 조인호, 김창식, 서창민, 대한기계학회논문집 190 A권, 제33권 제3호, pp. 190~195, 2009.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 대형 디젤엔진의 크랭크축이나 대형 기어, 베어링 및 금형 등과 같은 대형 부품의 제조에 있어서, 열처리 후 대상물의 표면에 형성된 인장잔류응력을 압축잔류응력으로 변화시키는 사후처리가 전혀 고려되지 않은 데 더하여, 경도향상과 함께 대상물의 표면을 개질하여 더욱 양호한 기계적 특성을 부여하기 위한 방법에 대하여도 전혀 고려되지 않은 한계가 있었던 기존의 열처리 및 국부가열 기술을 이용한 종래의 표면처리방법들의 문제점을 해결하기 위해, 국부가열 기술과 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM) 기술의 융복합을 통하여, 동일한 장비에서 연속된 공정으로 국부가열과 표면처리 공정을 처리할 수 있도록 구성됨으로써, 대상물에 국부가열을 행하여 기계적 강도를 개선하는 동시에, 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 수행하여 열처리시 발생하는 표면상의 결함을 제거하고, 인장잔류응력을 압축잔류응력으로 변화시켜 더욱 양호한 기계적 특성을 부여할 수 있도록 구성되는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 국부가열 기술과 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM) 기술의 융복합을 통하여 동일한 장비에서 연속된 공정으로 국부가열과 표면처리 공정을 처리할 수 있도록 구성됨으로써, 대형 디젤엔진의 크랭크축이나 대형 기어, 베어링 및 금형 등과 같은 대형 부품의 제조시 저렴한 비용으로 단시간에 용이하게 대상물의 기계적 특성과 성능 및 수명을 모두 향상시킬 수 있도록 구성되는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 열처리 후 대상물의 표면에 형성된 인장잔류응력을 압축잔류응력으로 변화시키는 사후처리 및 열처리 후 표면처리 공정을 위한 별도의 추가적인 장비 및 공정이 필요함으로 인해 제조과정이 번거롭고 시간 및 비용이 증가하게 되는 단점이 있었던 기존의 열처리 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 동일한 장비에서 연속된 공정으로 국부가열과 표면처리 공정을 처리할 수 있도록 구성되는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법에 있어서, 표면처리를 실시할 대상물을 준비하는 단계; 상기 대상물을 준비하는 단계에서 준비된 상기 대상물에 원하는 기계적 특성을 부여하기 위해 국부가열 처리를 수행하는 단계; 상기 국부가열 처리를 수행하는 단계에서 국부가열 처리된 상기 대상물의 표면에 초음파 나노크리스탈 표면개질(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification ; UNSM)을 수행하는 단계; 및 상기 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 수행하는 단계에서 표면이 개질된 상기 대상물에 대하여 마감처리를 포함하는 마무리 작업을 수행하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법이 제공된다.
여기서, 상기 대상물을 준비하는 단계는, 베어링이나 기어, 금형 또는 축을 포함하는 금속제품이나 기계부품을 원하는 크기 및 형태로 가공하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 국부가열 처리를 수행하는 단계는, 상기 대상물의 설계상 필요한 위치에 대하여 열처리를 행하여 원하는 기계적 강도를 구현하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 마무리 작업을 수행하는 단계는, 상기 국부가열 및 상기 초음파 나노크리스탈 표면개질이 수행된 상기 대상물에 도색이나 표면처리를 포함하는 마감처리를 행하여 최종 제품을 완성하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 표면처리방법은, 상기 국부가열 처리를 수행하는 단계에서, 상기 국부가열 처리 대신에 전체가열 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법을 수행하도록 구성되는 표면처리장치에 있어서, 대상물을 고정하기 위한 지그; 상기 지그에 장착된 상기 대상물을 이송할 수 있는 이송수단; 상기 지그에 장착된 상기 대상물에 국부가열을 수행하기 위한 열처리부; 상기 지그에 장착된 상기 대상물에 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 수행하기 위한 표면개질부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 표면처리장치가 제공된다.
여기서, 상기 표면처리장치는, 상기 열처리부와 상기 표면개질부를 미리 정해진 일정 간격으로, 또는, 일렬로 배치하고, 상기 지그에 상기 대상물을 장착하여 상기 국부가열 처리를 행한 후, 상기 이송수단을 통해 상기 지그에 장착된 상기 대상물을 상기 표면개질부로 이송하여 상기 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 표면처리장치는, 상기 열처리부와 상기 표면개질부의 사이에 설치되는 쿨러를 포함하는 냉각수단을 더 포함하여 구성됨으로써, 상기 국부가열 처리를 행한 후 상기 이송수단을 통해 상기 지그에 장착된 상기 대상물을 상기 표면개질부로 이송하는 도중에 상기 대상체를 냉각할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 표면처리장치는, 상기 대상체를 고정하여 두고, 상기 이송수단에 의해 상기 열처리부와 상기 표면개질부가 이동 가능하도록 구성됨으로써, 상기 열처리부를 통하여 원하는 위치에 국부가열 처리를 행한 후 상기 이송수단에 의해 상기 표면개질부를 해당 위치로 이동시켜 연속적으로 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 수행하는 것에 의해, 대규모의 열처리 작업에도 용이하게 적용될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 국부가열 기술과 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM) 기술의 융복합을 통하여, 동일한 장비에서 연속된 공정으로 국부가열과 표면처리 공정을 처리하는 것에 의해 대상물에 국부가열 처리를 행하여 기계적 강도를 개선하는 동시에, 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 수행하여 열처리시 발생하는 표면상의 결함을 제거하고, 인장잔류응력을 압축잔류응력으로 변화시켜 더욱 양호한 기계적 특성을 부여할 수 있도록 구성되는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법이 제공됨으로써, 대형 디젤엔진의 크랭크축이나 대형 기어, 베어링 및 금형 등과 같은 대형 부품의 제조시 저렴한 비용으로 단시간에 용이하게 대상물의 기계적 특성과 성능 및 수명을 모두 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 국부가열 기술과 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM) 기술의 융복합을 통하여, 동일한 장비에서 연속된 공정으로 국부가열과 표면처리 공정을 처리하는 것에 의해 대형 디젤엔진의 크랭크축이나 대형 기어, 베어링 및 금형 등과 같은 대형 부품에 더욱 양호한 기계적 특성을 부여할 수 있도록 구성되는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법이 제공됨으로써, 열처리 후 대상물의 표면에 형성된 인장잔류응력을 압축잔류응력으로 변화시키는 사후처리가 전혀 고려되지 않은 데 더하여, 경도향상과 함께 대상물의 표면을 개질하여 더욱 양호한 기계적 특성을 부여하기 위한 방법에 대하여도 전혀 고려되지 않은 한계가 있었던 기존의 열처리 및 국부가열 기술을 이용한 종래의 표면처리방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 UNSM으로 형성되는 나노스킨의 사례를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법에 따라 UNSM 장치에 할로겐 램프를 설치하여 열처리를 행하는 모습을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법의 효과를 검증하기 위한 검증실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법의 효과를 검증하기 위한 검증실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법의 효과를 검증하기 위한 검증실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법의 효과를 검증하기 위한 검증실험 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법의 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, 대형 디젤엔진의 크랭크축이나 대형 기어, 베어링 및 금형 등과 같은 대형 부품의 제조에 있어서, 열처리 후 대상물의 표면에 형성된 인장잔류응력을 압축잔류응력으로 변화시키는 사후처리가 전혀 고려되지 않은 데 더하여, 경도향상과 함께 대상물의 표면을 개질하여 더욱 양호한 기계적 특성을 부여하기 위한 방법에 대하여도 전혀 고려되지 않은 한계가 있었던 기존의 열처리 및 국부가열 기술을 이용한 종래의 표면처리방법들의 문제점을 해결하기 위해, 국부가열 기술과 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM) 기술의 융복합을 통하여, 동일한 장비에서 연속된 공정으로 국부가열과 표면처리 공정을 처리할 수 있도록 구성됨으로써, 대상물에 국부가열을 행하여 기계적 강도를 개선하는 동시에, 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 수행하여 열처리시 발생하는 표면상의 결함을 제거하고, 인장잔류응력을 압축잔류응력으로 변화시켜 더욱 양호한 기계적 특성을 부여할 수 있도록 구성되는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 국부가열 기술과 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM) 기술의 융복합을 통하여 동일한 장비에서 연속된 공정으로 국부가열과 표면처리 공정을 처리할 수 있도록 구성됨으로써, 대형 디젤엔진의 크랭크축이나 대형 기어, 베어링 및 금형 등과 같은 대형 부품의 제조시 저렴한 비용으로 단시간에 용이하게 대상물의 기계적 특성과 성능 및 수명을 모두 향상시킬 수 있도록 구성되는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법에 관한 것이다.
즉, 기존의 표면경화기술은, 표면경도 상승에 의해 내마모율을 감소하고, 피로강도를 상승시키며, 압축잔류응력 형성에 의해 마모율 감소 및 피로강도를 상승시키는 목적으로 행해지며, 예를 들면, TTT 곡선을 사용한 강의 경우, 오스테나이트 상변화 이상의 온도인 900도 전후로 가열 후 적정한 속도로 냉각하여 높은 경도의 상, 결정입자, 잔류응력을 형성하거나, 또는, 강기저 합금인 경우 900도 보다 약간 높은 온도로 상승 후 대부분 TTT시보다 서서히 냉각시키는 석출경화 하는 방식이고, 종래의 UNSM 기술은, 기존의 표면경화 열처리에서 요구하는 마모율 향상 수준에 미달하는 기계적 특성 형성으로 대체하기가 어려운 실정이다.
이에, 본 발명에서는, 후술하는 바와 같이, 상온 또는 기존의 열처리시 사용하는 가열상태보다는 낮은 온도의 적정한 가열상태에서 전체 또는 국부가열을 행하여 극심한 탄소성변형 에너지를 부가함으로써, 탄소 또는 질소 등의 원소를 내부로부터 표면층으로 이동시키고, 마이크로 상조직을 변경시키며, 결정입자를 미세화시키고 압축잔류응력을 부가하는 표면처리기술이 제시된다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법은, 크게 나누어, 표면처리를 실시할 대상물을 준비하는 단계(S10)와, 상기 단계에서 준비된 대상물의 사용기능상 필요한 부분에 원하는 기계적 특성을 부여하기 위해 국부가열 처리를 행하는 단계(S20)와, 상기 단계에서 국부가열 처리가 수행된 대상물의 표면에 결함을 제거하고 상기 대상물의 표면을 개질하여 인장잔류응력을 압축잔류응력으로 변화시키는 것에 의해 기계적 특성(강도, 경도, 표면거칠기, 조직밀도 및 결정입자크기 등)을 향상시키고 압축잔류응력을 부가하는 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 수행하는 단계(S30) 및 상기 단계에서 표면이 개질된 대상물에 대하여 마감처리 등의 마무리 작업을 수행하는 단계(S40)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 대상물을 준비하는 단계(S10)는, 예를 들면, 베어링이나 기어, 금형 또는 축 등과 같이, 금속제품이나 기계부품을 원하는 크기 및 형태로 가공하여 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 수행하기 위한 표면처리장치에 장착하는 처리가 수행되는 단계일 수 있다.
또한, 상기한 국부가열 처리를 행하는 단계(S20)는, 상기한 바와 같이 하여 표면처리장치에 장착된 대상물에 대하여 설계상 필요한 부분에만 열처리를 행하여 원하는 기계적 강도를 구현하는 처리가 수행되는 단계일 수 있다.
이때, 상기한 바와 같이, 국부가열 과정에서는, 고온으로 진행되는 열처리 공정의 특성상 대상물의 표면에 인장잔류응력이 발생하고, 경우에 따라서는, 표면에 흠집 등의 결함이 발생할 수도 있다.
여기서, 이러한 문제는, 베어링이나 기어, 금형 또는 축 등과 같은 금속제품이나 기계부품에 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM) 기술을 적용하여 해당 제품이나 부품의 표면을 개질하고 수명을 연장시키는 것으로 개선될 수 있다.
이에, 본 발명에서는, 상기한 바와 같은 국부가열 처리시 발생할 수 있는 문제점을 해결하기 위해, 열처리 후 대상물의 표면을 개질하여 불량의 발생을 방지하는 동시에, 기계적 특성을 더욱 향상시킬 수 있도록 구성된다.
더 상세하게는, UNSM 처리는, 1 내지 수십 mm 직경의 공구(tungsten carbide ball/cermet ball이나 구면 형상을 가지는 공구)가 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 가하는(strike) 형태로 이루어진다.
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.
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.
따라서 상기한 바와 같이, 초음파 나노크리스탈 표면개질(ultrasonic nanocrystal surface modification ; UNSM) 기술을 적용하여 나노스킨(Nanoskin)을 형성함으로써, 해당 부품의의 표면을 개질하고 누적 피로를 회복하여 수명을 연장할 수 있다.
더 상세하게는, 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 한다.
여기서, 상기한 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM) 기술에 대한 보다 상세한 내용은, 예를 들면, 본 발명의 발명자 등에 제시된 "초음파 나노표면개질기술의 특성과 활용방안 연구" 등과 같은 종래기술의 문헌을 참조할 수 있다(선행기술문헌 5 참조).
즉, 상기한 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 수행하는 단계(S30)는, 상기한 바와 같이 하여 국부가열 처리가 수행된 대상물에 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM) 기술을 적용하는 것에 의해 열처리된 대상물의 표면에 나노스킨(Nanoskin)을 형성함으로써, 표면에 존재하는 불량을 제거하고 텍스쳐를 형성하여(texturing) 기계적 특성을 향상시키는 동시에, 열처리 공정에서의 고온으로 인한 누적 피로를 회복하고 강도 및 경도를 더욱 향상시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 상기한 마무리 작업을 수행하는 단계(S40)는, 상기한 바와 같이 하여 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질이 수행된 대상물에 도색이나 표면처리 등의 마감처리를 행하여 최종 제품을 완성하는 단계로 구성될 수 있다.
여기서, 도시되지는 않았으나, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법을 수행하기 위한 표면처리장치는, 예를 들면, 국부가열 처리를 수행하기 위한 열처리부와, 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 수행하기 위한 표면개질부와, 대상물을 고정하기 위한 지그 및 지그에 장착된 대상물을 이송할 수 있는 컨베어 벨트와 같은 이송수단을 포함하여 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 본 발명에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법을 수행하기 위한 표면처리장치는, 상기한 열처리부와 표면개질부를 일정 간격으로, 바람직하게는, 일렬로 배치하고, 지그에 대상물을 장착하여 필요한 부분에 국부가열 처리를 행한 후, 이송수단을 통해 열처리된 부분을 표면개질부로 이송하여 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 수행하도록 구성될 수 있으며, 이때, 열처리부와 표면개질부의 사이에는 쿨러와 같은 냉각수단을 설치하여 이송중에 대상체의 열을 식힐 수 있도록 구성될 수 있다.
또는, 상기한 표면처리장치는, 예를 들면, 대상체가 대형 부품인 경우 대상체의 이송이 용이하지 못하므로, 대상체를 고정하여 두고 이송수단에 의해 열처리부와 표면개질부를 이동 가능하도록 구성하여, 열처리부를 통하여 원하는 위치에 국부가열 처리를 행한 후 이송수단에 의해 표면개질부를 해당 위치로 이동시켜 연속적으로 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 수행하도록 구성됨으로써, 대규모의 열처리 작업에도 용이하게 적용될 수 있다.
아울러, 상기한 본 발명의 실시예에서는, 상기한 국부가열 처리를 행하는 단계(S20)에서 필요한 부분에만 열처리를 행하는 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 경우로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은 상기한 국부가열 대신에 대상물의 전체를 가열하는 전체가열 처리가 수행되도록 구성될 수도 있는 등, 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
계속해서, 도 3 내지 도 7을 참조하여, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법의 실제 성능 및 효과를 검증하기 위한 검증실험이 결과에 대하여 설명한다.
먼저, 도 3을 참조하면, 도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법에 따라 UNSM 장치에 할로겐 램프를 설치한 모습을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3b는 할로겐 램프를 이용하여 다.열처리를 행하는 모습을 나타내는 도면이다.
또한, 도 4 내지 도 7을 참조하면, 도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법의 효과를 검증하기 위해 무처리 시편과의 비교결과를 각각 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 먼저, 도 4를 참조하면, 도 4는 Ti-6Al-4V 합금 시편에 대하여 열처리된 시편(H/T)과 열처리 및 UNSM 처리된 시편(H/T + UNSM)의 온도에 따른 표면 거칠기(surface roughness)를 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 일반 무처리 시편의 표면 거칠기는 Ra = 0.52(㎛)인 반면, 600℃, 800℃, 1000℃의 온도에서 열처리된 시편(H/T)의 표면 거칠기(Ra)는 각각 0.393, 0.216, 0.122(㎛)이고, 열처리와 UNSM 처리된 시편(H/T + UNSM)의 표면 거칠기는 각각 0.325, 0.185, 0.102(㎛)로 개선된 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면, 도 5는 Ti-6Al-4V 합금 시편에 대하여 열처리된 시편(H/T)과 열처리 및 UNSM 처리된 시편(H/T + UNSM)의 온도에 따른 표면 경도(surface hardness)를 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 일반 무처리 시편의 표면 경도는 338 HV인 반면, 600℃, 800℃, 1000℃의 온도에서 열처리된 시편(H/T)의 표면 경도는 각각 514, 553, 700(HV)이고, 열처리와 UNSM 처리된 시편(H/T + UNSM)의 표면 경도는 각각 629, 903, 933(HV)로 개선된 것을 확인할 수 있다.
아울러, 도 6을 참조하면, 도 6은 무처리, 일반 UNSM 처리, 국부열처리, 열처리 및 UNSM 처리된 시편의 마찰계수(Friction coefficient)를 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6에 있어서, S1은 무처리 시편이고, S1 UNSM은 일반 UNSM 처리된 시편이며, S2는 600℃로 국부열처리된 시편이고, S2 UNSM은 국부열처리(600℃) + UNSM 처리된 시편이며, S3는 800℃로 국부열처리된 시편이고, S3 UNSM은 국부열처리(800℃) + UNSM 처리된 시편이며, S4는 1000℃로 국부열처리된 시편이고, S4 UNSM은 국부열처리(1000℃) + UNSM 처리된 시편을 각각 나타내고 있다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 무처리 시편(S1)의 마찰계수는 0.78이고, 일반 UNSM 처리된 시편(S1 UNSM)의 마찰계수는 0.73이며, 600℃, 800℃, 1000℃로 국부열처리된 시편(S2, S3, S4)의 마찰계수는 각각 0.74, 0.75, 0.69인 반면, 국부열처리 및 UNSM 처리된 시편(S2 UNSM, S3 UNSM, S4 UNSM)의 마찰계수는 각각 0.68, 0.66, 0.64로서, 단순히 국부열처리나 UNSM만 수행된 경우에 비해 국부열처리 및 UNSM 처리된 시편의 마찰계수가 가장 낮게 나타났음을 확인할 수 있다.
더욱이, 도 7을 참조하면, 도 6은 무처리, 일반 UNSM 처리, 국부열처리, 열처리 및 UNSM 처리된 시편의 마모율(Wear rate)을 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7에 있어서, S1은 무처리 시편이고, S1 UNSM은 일반 UNSM 처리된 시편이며, S2는 600℃로 국부열처리된 시편이고, S2 UNSM은 국부열처리(600℃) + UNSM 처리된 시편이며, S3는 800℃로 국부열처리된 시편이고, S3 UNSM은 국부열처리(800℃) + UNSM 처리된 시편이며, S4는 1000℃로 국부열처리된 시편이고, S4 UNSM은 국부열처리(1000℃) + UNSM 처리된 시편을 각각 나타내고 있다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 무처리 시편(S1)의 마모율은 137이고, 일반 UNSM 처리된 시편(S1 UNSM)의 마모율은 82이며, 600℃, 800℃, 1000℃로 국부열처리된 시편(S2, S3, S4)의 마모율은 각각 134, 7.8, 7.4인 반면, 국부열처리 및 UNSM 처리된 시편(S2 UNSM, S3 UNSM, S4 UNSM)의 마모율은 각각 74, 2.2, 1.8로서, 단순히 국부열처리나 UNSM만 수행된 경우에 비해 국부열처리 및 UNSM 처리된 시편의 마모율 또한 가장 낮게 나타났음을 확인할 수 있다.
따라서 상기한 바와 같은 실험결과로부터, 국부가열 후 금속의 표면 거칠기가 감소되고, 표면경도가 증가되면 마찰/마모 특성이 향상되며, 금속의 표면에 형성된 인장잔류응력을 압축잔류응력으로 변화시키고 입자크기가 개선되는 것을 알 수 있다.
또한, 상기한 본 발명의 실시예에 나타낸 바와 같이, 국부가열기술과 초음파 나노표면개질(UNSM) 기술을 동시에 이용하면 국부가열에 의해 향상된 특성들이 더욱 향상되는 것을 알 수 있으며, 예를 들면, 국부가열 후 UNSM 적용시 표면거칠기가 더욱 감소되고, 표면경도도 더욱 증가되며, 마찰/마모 특성도 더욱 향상됨을 확인할 수 있다.
즉, 도 4 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 국부가열 기술과 초음파 나노표면개질 기술을 함께 적용시, 표면거칠기 Ra = 0.52㎛ → 0.22㎛로 감소하고, 표면경도는 514 HV → 629 HV로 증가하며, 마찰계수는 0.78 → 0.64로 감소하고, 내마모성은 137×10-6 mm3/Nm → 82×10-6 mm3/Nm로 개선되며, 압축잔류응력은 100 MPa → -1000 MPa로 향상되고, 입자크기는 100㎛ → 50㎛로 개선됨을 확인할 수 있다.
따라서 상기한 실험결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래의 UNSM 기술은, 기존의 표면경화 열처리에서 요구하는 마모율 향상 수준에 미달하는 기계적 특성 개선효과밖에 얻지 못하는 한계가 있었으나, 본 발명에 따른 표면개질방법은, 탄소 또는 질소 등의 원소를 내부로부터 표면층으로 이동시켜 미세조직을 변경시키고, 결정입자를 미세화시켜 압축잔류응력을 부가하는 기술로서, 상온이나 적정한 가열상태에서 전체 또는 국부가열을 통해 기존에 비해 낮은 온도에서 극심한 탄소성 변형에너지를 부가함으로써 표면경도 상승, 내마모율 감소 및 피로강도 상승의 효과를 현저하게 개선할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 반드시 상기에 기재된 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 예를 들면, 상기한 국부가열 처리를 행하는 단계(S20)에서, 대상물의 일부분을 열처리하는 국부가열 처리 대신에 대상물의 전체를 가열하는 전체가열 처리가 수행되도록 구성될 수도 있는 등, 본 발명은 필요에 따라 다양한 형태로 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법을 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 국부가열 기술과 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM) 기술의 융복합을 통하여, 동일한 장비에서 연속된 공정으로 국부가열과 표면처리 공정을 처리하는 것에 의해 대상물에 국부가열 처리를 행하여 기계적 강도를 개선하는 동시에, 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 수행하여 열처리시 발생하는 표면상의 결함을 제거하고, 인장잔류응력을 압축잔류응력으로 변화시켜 더욱 양호한 기계적 특성을 부여할 수 있도록 구성되는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법이 제공됨으로써, 대형 디젤엔진의 크랭크축이나 대형 기어, 베어링 및 금형 등과 같은 대형 부품의 제조시 저렴한 비용으로 단시간에 용이하게 대상물의 기계적 특성과 성능 및 수명을 모두 향상시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 국부가열 기술과 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM) 기술의 융복합을 통하여, 동일한 장비에서 연속된 공정으로 국부가열과 표면처리 공정을 처리하는 것에 의해 대형 디젤엔진의 크랭크축이나 대형 기어, 베어링 및 금형 등과 같은 대형 부품에 더욱 양호한 기계적 특성을 부여할 수 있도록 구성되는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법이 제공됨으로써, 열처리 후 대상물의 표면에 형성된 인장잔류응력을 압축잔류응력으로 변화시키는 사후처리가 전혀 고려되지 않은 데 더하여, 경도향상과 함께 대상물의 표면을 개질하여 더욱 양호한 기계적 특성을 부여하기 위한 방법에 대하여도 전혀 고려되지 않은 한계가 있었던 기존의 열처리 및 국부가열 기술을 이용한 종래의 표면처리방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 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 (9)

  1. 열처리 후 대상물의 표면에 형성된 인장잔류응력을 압축잔류응력으로 변화시키는 사후처리 및 열처리 후 표면처리 공정을 위한 별도의 추가적인 장비 및 공정이 필요함으로 인해 제조과정이 번거롭고 시간 및 비용이 증가하게 되는 단점이 있었던 기존의 열처리 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 동일한 장비에서 연속된 공정으로 국부가열과 표면처리 공정을 처리할 수 있도록 구성되는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법에 있어서,
    표면처리를 실시할 대상물을 준비하는 단계;
    상기 대상물을 준비하는 단계에서 준비된 상기 대상물에 원하는 기계적 특성을 부여하기 위해 국부가열 처리를 수행하는 단계;
    상기 국부가열 처리를 수행하는 단계에서 국부가열 처리된 상기 대상물의 표면에 초음파 나노크리스탈 표면개질(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification ; UNSM)을 수행하는 단계; 및
    상기 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 수행하는 단계에서 표면이 개질된 상기 대상물에 대하여 마감처리를 포함하는 마무리 작업을 수행하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 대상물을 준비하는 단계는,
    베어링이나 기어, 금형 또는 축을 포함하는 금속제품이나 기계부품을 원하는 크기 및 형태로 가공하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 국부가열 처리를 수행하는 단계는,
    상기 대상물의 설계상 필요한 위치에 대하여 열처리를 행하여 원하는 기계적 강도를 구현하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 마무리 작업을 수행하는 단계는,
    상기 국부가열 및 상기 초음파 나노크리스탈 표면개질이 수행된 상기 대상물에 도색이나 표면처리를 포함하는 마감처리를 행하여 최종 제품을 완성하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 표면처리방법은,
    상기 국부가열 처리를 수행하는 단계에서, 상기 국부가열 처리 대신에 전체가열 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법.
  6. 청구항 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 기재된 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법을 수행하도록 구성되는 표면처리장치에 있어서,
    대상물을 고정하기 위한 지그;
    상기 지그에 장착된 상기 대상물을 이송할 수 있는 이송수단;
    상기 지그에 장착된 상기 대상물에 국부가열 처리를 수행하기 위한 열처리부;
    상기 지그에 장착된 상기 대상물에 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 수행하기 위한 표면개질부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 표면처리장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 표면처리장치는,
    상기 열처리부와 상기 표면개질부를 미리 정해진 일정 간격으로, 또는, 일렬로 배치하고,
    상기 지그에 상기 대상물을 장착하여 상기 국부가열 처리를 행한 후, 상기 이송수단을 통해 상기 지그에 장착된 상기 대상물을 상기 표면개질부로 이송하여 상기 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 표면처리장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 표면처리장치는,
    상기 열처리부와 상기 표면개질부의 사이에 설치되는 쿨러를 포함하는 냉각수단을 더 포함하여 구성됨으로써,
    상기 국부가열 처리를 행한 후 상기 이송수단을 통해 상기 지그에 장착된 상기 대상물을 상기 표면개질부로 이송하는 도중에 상기 대상체를 냉각할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 표면처리장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 표면처리장치는,
    상기 대상체를 고정하여 두고, 상기 이송수단에 의해 상기 열처리부와 상기 표면개질부가 이동 가능하도록 구성됨으로써,
    상기 열처리부를 통하여 원하는 위치에 국부가열 처리를 행한 후 상기 이송수단에 의해 상기 표면개질부를 해당 위치로 이동시켜 연속적으로 초음파 나노크리스탈 표면개질(UNSM)을 수행하는 것에 의해, 대규모의 열처리 작업에도 용이하게 적용될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 표면처리장치.
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