KR20200097417A - 내마모성 롤러 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
내마모성 롤러 및 그 제조 방법이 제시된다. 일 실시예에 따른 내마모성 롤러는, 롤러(roller); 및 마찰이 발생되는 상기 롤러의 표면의 적어도 일부에 버니싱(burnishing) 공구를 이용한 버니싱이 수행되어, 상기 버니싱이 수행되지 않은 상기 롤러의 표면보다 상기 버니싱이 수행된 상기 롤러의 표면의 강도 및 경도가 높은 표면처리부를 포함하여 이루어질 수 있다.
Description
아래의 실시예들은 내마모성 롤러 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 버니싱(burnishing) 공정 및 초음파 나노크리스탈 표면 개질(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification, UNSM) 공정을 이용한 내마모성 롤러 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
롤러(roller)는 밧줄이나 와이어를 연결하여 큰 하중을 끄는데 사용된다. 이에 따라 롤러는 표면 마모가 잘 발생하며 롤러의 수명에 큰 영향을 미친다.
특히 어업용으로 사용되는 롤러의 경우 그물을 끌어올릴 때 필수적으로 사용되고, 그물의 크기에 따라 5, 10, 20 톤 등으로 분류하며 대형 크기를 갖는다. 일반적으로 어업용 롤러는 기계 가공하여 제작하며, 소재는 주로 기계구조용 탄소강재(carbon steel)인 SM45C를 사용하여 표면에 열처리하여 사용한다. 경우에 따라서는 내마모성을 높이기 위하여 표면에 크롬(Cr) 도금을 실시하기도 하지만 비용이 비싸고 도금층의 두께 증가로 인하여 실효성 차원에서 문제가 있다.
한편, 어업 생산량은 매년 성장하고 있으며 롤러와 같은 어업 기자재의 수요도 증가하고 있다. 따라서 새로운 방식의 내마모성이 향상된 고성능 어업용 롤러의 개발이 필요하다.
한국공개특허 10-2017-0130096호는 이러한 어업용 로프 견인배출이중형 양승기에 관한 것으로, 양방향출력형 유압모터의 출력을 배가시켜 활용할 수 있고 어업용 로프를 보다 효율적으로 견인 및 배출시킬 수 있는 장치에 관한 기술을 기재하고 있다.
실시예들은 내마모성 롤러 및 그 제조 방법에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 버니싱(burnishing) 공정과 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 결합하여 롤러에서 마모가 잘 발생하는 와이어 접촉부만 국부적으로 강도와 경도를 올려 내마모성을 향상시키는 기술을 제공한다.
또한, 실시예들은 롤러의 표면에 롤-버니싱(roll-burnishing) 또는 볼-버니싱(ball-burnishing) 공정과 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행함으로써, 열처리 없이 간단하고 빠른 시간 내에 롤러를 깊게 내마모성을 가지도록 하여 수명이 향상된 내마모성 롤러 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 내마모성 롤러는, 롤러(roller); 및 마찰이 발생되는 상기 롤러의 표면의 적어도 일부에 버니싱(burnishing) 공구를 이용한 버니싱이 수행되어, 상기 버니싱이 수행되지 않은 상기 롤러의 표면보다 상기 버니싱이 수행된 상기 롤러의 표면의 강도 및 경도가 높은 표면처리부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 표면처리부는, 밧줄 또는 와이어가 접촉되는 상기 롤러의 홈부의 모양과 크기에 맞는 가공 롤(roll) 또는 볼(ball)을 제작하여, 상기 롤 또는 볼을 통해 상기 롤러의 홈부에 롤-버니싱(roll-burnishing) 또는 볼-버니싱(ball-burnishing) 공정이 수행될 수 있다.
상기 표면처리부는, 초음파 진동을 인가하여 표면 개질이 수행될 수 있다.
상기 표면처리부는, 밧줄 또는 와이어가 접촉되는 상기 롤러의 홈부에 초음파 나노크리스탈 표면 개질(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification, UNSM) 공정이 수행될 수 있다.
다른 실시예에 따른 내마모성 롤러의 제조 방법은, 마찰이 발생되는 롤러(roller)의 표면의 적어도 일부에 버니싱(burnishing) 공구를 이용하여 버니싱을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 버니싱이 수행되지 않은 상기 롤러의 표면보다 상기 버니싱이 수행된 상기 롤러의 표면의 강도 및 경도가 높을 수 있다.
상기 버니싱 공구를 이용하여 버니싱을 수행하는 단계는, 밧줄 또는 와이어가 접촉되는 상기 롤러의 홈부의 모양과 크기에 맞는 가공 롤(roll) 또는 볼(ball)을 제작하는 단계; 및 상기 롤 또는 볼을 이용하여 상기 롤러의 홈부에 롤-버니싱(roll-burnishing) 또는 볼-버니싱(ball-burnishing) 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 마찰이 발생되는 롤러의 표면의 적어도 일부에 상기 버니싱이 수행된 후, 초음파 진동을 인가하여 표면 개질을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 초음파 진동을 인가하여 표면 개질을 수행하는 단계는, 밧줄 또는 와이어가 접촉되는 상기 롤러의 홈부에 초음파 나노크리스탈 표면 개질(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification, UNSM) 공정을 수행할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 내마모성 롤러의 제조 방법은, 마찰이 발생되는 롤러(roller)의 표면의 적어도 일부에 초음파 진동을 인가하여 표면 개질을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 초음파 진동을 인가하여 표면 개질을 수행하는 단계는, 밧줄 또는 와이어가 접촉되는 상기 롤러의 홈부에 초음파 나노크리스탈 표면 개질(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification, UNSM) 공정을 수행할 수 있다.
상기 표면 개질이 수행된 상기 마찰이 발생되는 롤러의 표면의 적어도 일부에 버니싱(burnishing) 공구를 이용하여 버니싱을 수행하는 단계를 더 포함하고, 상기 표면 개질 및 상기 버니싱이 수행된 상기 롤러의 표면의 적어도 일부의 강도 및 경도를 높일 수 있다.
실시예들에 따르면 버니싱(burnishing) 공정과 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 결합하여 롤러에서 마모가 잘 발생하는 와이어 접촉부만 국부적으로 강도와 경도를 올려 내마모성을 향상시키는 내마모성 롤러 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면 롤러의 표면에 롤-버니싱(roll-burnishing) 또는 볼-버니싱(ball-burnishing) 공정과 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행함으로써, 열처리 없이 간단하고 빠른 시간 내에 롤러를 깊게 내마모성을 가지도록 하여 수명이 향상된 내마모성 롤러 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 내마모성 롤러의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정의 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 버니싱 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 버니싱에 따른 표피층의 경도 변화를 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리 전후의 롤러의 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리에 따른 마모 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 롤러의 마모 실험 장치를 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 버니싱(burnishing) 공정을 나타내는 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 내마모성 롤러의 제조 방법의 예를 나타내는 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행한 결과를 나타낸다.
도 13은 일 실시예에 따른 버니싱(burnishing) 공정을 수행한 결과를 나타낸다.
도 14는 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정 후, 버니싱(burnishing) 공정을 수행한 결과를 나타낸다.
도 15는 일 실시예에 따른 버니싱(burnishing) 공정 후, 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행한 결과를 나타낸다.
도 16은 일 실시예에 따른 내마모성 롤러의 제조 방법에 따른 경도를 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정의 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 버니싱 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 버니싱에 따른 표피층의 경도 변화를 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리 전후의 롤러의 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리에 따른 마모 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 롤러의 마모 실험 장치를 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 버니싱(burnishing) 공정을 나타내는 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 내마모성 롤러의 제조 방법의 예를 나타내는 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행한 결과를 나타낸다.
도 13은 일 실시예에 따른 버니싱(burnishing) 공정을 수행한 결과를 나타낸다.
도 14는 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정 후, 버니싱(burnishing) 공정을 수행한 결과를 나타낸다.
도 15는 일 실시예에 따른 버니싱(burnishing) 공정 후, 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행한 결과를 나타낸다.
도 16은 일 실시예에 따른 내마모성 롤러의 제조 방법에 따른 경도를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
기존에는 롤러의 내마모 특성을 높이기 위하여 경도가 높은 재료의 코팅이나 열처리를 통해서 내마모 특성을 향상시켰다. 여기서, 마모는 접촉이 빈번하게 발생하는 국부적인 부분에서 발생함에도 불구하고 기존의 방식은 제품 전체의 내마모 특성을 올려야 하는 문제점이 있으며, 또한 롤러가 큰 경우 열처리 등의 조건이 까다롭다는 문제점이 있다. 따라서 국부적으로, 특히 접촉이 빈번히 발생하는 부분에 대하여 내마모 특성을 향상시키는 기술이 요구된다.
아래의 실시예들은 내마모성 롤러 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 롤-버니싱(roll-burnishing) 또는 볼-버니싱(ball-burnishing) 공정과 초음파 나노크리스탈 표면 개질(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification, UNSM) 공정을 결합하여 롤러에서 마모가 잘 발생하는 와이어 접촉부만 국부적으로 강도와 경도를 올려 내마모성을 향상시키는 기술을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 내마모성 롤러는, 롤러(roller), 및 마찰이 발생되는 롤러의 표면의 적어도 일부에 버니싱(burnishing) 공구를 이용한 버니싱이 수행되어, 버니싱이 수행되지 않은 롤러의 표면보다 버니싱이 수행된 롤러의 표면의 강도 및 경도가 높은 표면처리부를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 표면처리부는 밧줄 또는 와이어가 접촉되는 롤러의 홈부의 모양과 크기에 맞는 가공 롤(roll) 또는 볼(ball)을 제작하여, 롤 또는 볼을 통해 롤러의 홈부에 롤-버니싱(roll-burnishing) 또는 볼-버니싱(ball-burnishing) 공정이 수행될 수 있다. 또한, 표면처리부는 초음파 진동을 인가하여 표면 개질이 수행될 수 있다. 예를 들어, 표면처리부는 밧줄 또는 와이어가 접촉되는 롤러의 홈부에 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정이 수행될 수 있다.
아래에서 일 실시예에 따른 내마모성 롤러 및 그 제조 방법에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 내마모성 롤러의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 내마모성 롤러의 제조 방법은, 마찰이 발생되는 롤러(roller)의 표면의 적어도 일부에 버니싱(burnishing) 공구를 이용하여 버니싱을 수행하는 단계(S110)를 포함할 수 있다. 또한, 마찰이 발생되는 롤러의 표면의 적어도 일부에 버니싱이 수행된 후, 초음파 진동을 인가하여 표면 개질을 수행하는 단계(S120)를 더 포함할 수 있다.
이에 따라 버니싱 및/또는 표면 개질이 수행되지 않은 롤러의 표면보다 버니싱 및/또는 표면 개질이 수행된 롤러의 표면의 강도 및 경도가 높을 수 있다.
아래에서 각 단계에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
단계(S110)에서, 마찰이 발생되는 롤러의 표면의 적어도 일부에 버니싱(burnishing) 공구를 이용하여 버니싱을 수행할 수 있다.
여기서, 롤러는 밧줄이나 와이어를 연결하여 큰 하중을 끄는데 사용될 수 있으며, 예컨대 그물을 끌어올리기 위해 사용하는 어업용 롤러가 될 수 있다. 이러한 어업용 롤러의 경우 그물의 크기에 따라 5, 10, 20 톤 등으로 분류할 수 있으며 그 크기가 비교적 크고, 자주 그물을 끌어올림에 따라 밧줄이나 와이어에 의해 롤러의 표면이 쉽게 마모될 수 있다. 이러한 롤러는 스틸(steel)과 같은 소재로 이루어질 수 있으며, 주로 기계구조용 탄소강재(carbon steel)를 사용할 수 있다. 그 예로써 SM45C가 사용될 수 있다.
이와 같이 마찰이 발생되는 롤러의 표면의 적어도 일부에 버니싱(burnishing) 공구를 이용하여 버니싱을 수행함으로써, 버니싱이 수행되지 않은 롤러의 표면보다 강도 및 경도를 높일 수 있다.
이러한 버니싱 공구를 이용하여 버니싱을 수행하는 단계(S110)는, 밧줄 또는 와이어가 접촉되는 롤러의 홈부의 모양과 크기에 맞는 가공 롤(roll) 또는 볼(ball)을 제작하는 단계와, 롤 또는 볼을 이용하여 롤러의 홈부에 롤-버니싱(roll-burnishing) 또는 볼-버니싱(ball-burnishing) 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
일례로, 밧줄 또는 와이어가 접촉되는 롤러의 홈부의 모양과 크기에 맞는 가공 롤(roll)을 제작할 수 있으며, 제작된 롤을 이용하여 롤러의 홈부에 롤-버니싱(roll-burnishing) 공정을 수행할 수 있다.
다른 예로, 밧줄 또는 와이어가 접촉되는 롤러의 홈부의 모양과 크기에 맞는 가공 볼(ball)을 제작할 수 있으며, 제작된 볼을 이용하여 롤러의 홈부에 볼-버니싱(ball-burnishing) 공정을 수행할 수 있다.
그리고, 단계(S120)에서, 마찰이 발생되는 롤러의 표면의 적어도 일부에 버니싱이 수행된 후, 초음파 진동을 인가하여 표면 개질을 수행할 수 있다.
특히, 초음파 진동을 인가하여 표면 개질을 수행하기 위해, 밧줄 또는 와이어가 접촉되는 롤러의 홈부에 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행함으로써 조직미세화-내마모성을 향상시킬 수 있다. 롤러에 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행하기 위해 발전기(generator) 및 공기압축기(air compressor)와 연결될 수 있다.
이와 같이 밧줄 또는 와이어의 반복적인 마찰로 인해 롤러의 피로손상 및 마모가 누적되는 부분에 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 적용함으로써, 롤러의 표면을 강화시키고 내마모성을 향상시키는 것에 의해 롤러의 수명을 증가시킬 수 있다. 이에 따라 롤러의 유지보수 및 교체비용을 절감할 수 있는 동시에, 롤러의 표면 개질 효과에 의해 진동 및 소음을 저감할 수 있다.
한편, 다른 실시예에 따른 내마모성 롤러의 제조 방법은, 마찰이 발생되는 롤러(roller)의 표면의 적어도 일부에 초음파 진동을 인가하여 표면 개질을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 표면 개질이 수행된 마찰이 발생되는 롤러의 표면의 적어도 일부에 버니싱(burnishing) 공구를 이용하여 버니싱을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고 초음파 진동을 인가하여 표면 개질을 수행하는 단계는, 밧줄 또는 와이어가 접촉되는 롤러의 홈부에 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행할 수 있다. 이에 따라 표면 개질 및 버니싱이 수행된 롤러의 표면의 적어도 일부의 강도 및 경도를 높일 수 있다.
실시예들에 따르면 롤러의 표면에 롤-버니싱(roll-burnishing) 또는 볼-버니싱(ball-burnishing) 공정과 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행함으로써, 열처리 없이 간단하고 빠른 시간 내에 롤러를 깊게 내마모성을 가지도록 하여 수명이 향상시킬 수 있다. 또한, 원하는 부분만 국부적으로 내마모성을 향상시킬 수 있어 경제적이며, 금속 표면을 개질하여 기계적 특성(강도, 경도, 표면 거칠기, 조직밀도 및 결정입자크기 등)을 향상시키고 압축 잔류 응력을 부가함으로써 보다 향상된 내마모 특성을 획득할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 마찰이 발생되는 롤러(210)의 표면의 적어도 일부에 초음파 진동을 인가하여 표면 개질을 수행할 수 있으며, 예컨대 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행할 수 있다.
여기서, 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM)은 롤러(210)의 표면을 강화시켜 내마모성을 향상시키기 위한 것으로, 1 내지 수십 mm 직경의 UNSM 공구(220)가 초음파 장치(ultrasonic device)에 부착되고, 정적(static) 및 동적(dynamic) 힘이 결합되어 UNSM 공구(220)의 끝단에 구성된 볼(221)이 롤러(210)의 표면에 충격을 가하는 형태로 이루어질 수 있다. 여기서 UNSM 공구(220)는 tungsten carbide ball/cermet ball과 같은 볼(221)이나 구면 형상을 가지는 공구일 수 있다.
이러한 충격은 미세 냉간 단조(micro-cold-forging)로 간주될 수 있고, 표면층에 강소성 및 탄성 변형(severe plastic and elastic deformations)을 야기하여 깊은 압축 잔류 응력(compressive residual stress)과 나노결정구조를 유도하며, 또한, 롤러(210)의 표면상에 무수한 불균일한 미세 딤플(micro dimple)을 생성하여 표면의 특성을 개선할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정의 결과를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, (a)는 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정에 따른 롤러(210)의 단면 변화를 나타낸다. 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행한 상태의 절단면을 확인하면 표면에 결정립 미세화(Grain Refinement)(211) 부분을 확인할 수 있다. 이러한 결정립 미세화(211)는 다결정질에서 특성 향상을 위해 결정립을 미세화하는 공정으로, 결정립을 미세화함으로써 주조 결함의 감소와 주물 및 주괴의 기계적 성질을 향상시킬 수 있다.
또한, (b)는 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정의 결과를 나타내는 실험 데이터이며, 기계구조용 탄소강재(carbon steel)인 S45C에 대해 표면으로부터의 깊이(depth)에 따른 마이크로 비커스 경도(Micro Vickers Hardness)(Hv)를 나타낸다. 여기에서는 하나의 예로써 5kg의 하중의 깊이 방향으로의 경도를 확인하였다.
여기서, 5kg의 1500mm/min, 5kg의 2000mm/min, 5kg의 2500mm/min 및 5kg의 3000mm/min의 경우에는 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리되었으며, S45C는 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리되지 않았다. 실험 결과, 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리된 5kg의 1500mm/min, 5kg의 2000mm/min, 5kg의 2500mm/min 및 5kg의 3000mm/min의 경우 0-300㎛ 정도의 깊이까지 경도가 높은 것을 확인할 수 있다(Affected Layer).
도 4는 일 실시예에 따른 버니싱 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 롤러(410)에 수행되는 버니싱 공정을 나타내는 것으로, 여기서 버니싱 공정은 롤-버니싱(roll-burnishing) 또는 볼-버니싱(ball-burnishing) 공정을 포함할 수 있다.
롤러(410)의 표면 중 마찰이 발생되는 롤러의 표면의 적어도 일부에 버니싱(burnishing) 공구(420)를 이용하여 버니싱을 수행함으로써, 버니싱이 수행된 롤러의 표면(411)이 버니싱이 수행되지 않은 롤러의 표면(412)보다 강도 및 경도가 높아지도록 할 수 있다. 예컨대 볼-버니싱(ball-burnishing) 공정의 경우 볼이 회전하거나 고정된 상태에서 버니싱을 수행할 수 있으며, 롤-버니싱(roll-burnishing) 공정 또한 이와 마찬가지로 수행될 수 있다.
특히, 밧줄 또는 와이어가 접촉되는 롤러의 홈부의 모양과 크기에 맞는 가공 롤(roll) 또는 볼(ball)을 제작한 후, 롤 또는 볼을 이용하여 롤러의 홈부에 롤-버니싱(roll-burnishing) 또는 볼-버니싱(ball-burnishing) 공정을 수행할 수 있다. 이에 따라 버니싱이 수행된 롤러의 표면(411)은 압축 잔류 응력(residual compressive stress) 및 잔류 인장 응력(residual tensile stress)이 발생하여 피로수명이 향상될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 버니싱에 따른 표피층의 경도 변화를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 롤-버니싱에 따른 침투(penetration) 깊이에 따른 로크웰 경도 C(Hardness Rockwell C, HRC)를 나타내며, 0-0.6mm 정도에서 침투 깊이에 따른 경도가 점차적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리 전후의 롤러의 예를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, (a)는 어업용 롤러(610)에 UNSM 공구(620)를 이용하여 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리를 하는 공정을 나타내고, (b)는 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리 전의 어업용 롤러(610)를 나타내며, (c)는 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리 후의 어업용 롤러(610)를 나타낸다.
이 때, 어업용 롤러(610)에서 밧줄 또는 와이어가 안착되어 마찰이 발생되는 롤러의 홈부(611)에만 국부적으로 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리될 수 있다. 또한 롤러의 홈부(611)에 롤-버니싱(roll-burnishing) 또는 볼-버니싱(ball-burnishing) 공정이 수행된 후, 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리될 수 있다. 이와 반대로, 롤러의 홈부(611)에 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리된 후, 롤-버니싱(roll-burnishing) 또는 볼-버니싱(ball-burnishing) 공정이 수행될 수도 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리에 따른 마모 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 20톤짜리 어업용 롤러에 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리 전후의 마모 실험한 결과를 비교한 것으로, (a) 및 (b)는 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리가 되지 않은 S45C 소재의 롤러(720)이고, (c) 및 (d)는 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리가 된 S45C 소재의 롤러(710)이다.
보다 구체적으로, (a)는 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리 전의 S45C 소재의 롤러(720)를 나타내고, (b)는 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리 전의 S45C 소재의 롤러(720)의 홈부(721) 대해 마모 실험 전후의 상태를 나타낸다. 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리 전의 S45C 소재의 롤러(720)에 대해 마모 실험을 수행한 결과, 마모 실험 이전의 홈부(721)(before wear test)와 마모 실험 이후의 홈부(721)(after wear test)는 0.86mm 정도의 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
또한, (c)는 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리 후의 S45C 소재의 롤러(710)를 나타내고, (d)는 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리 후의 S45C 소재의 롤러(710)의 홈부(711)에 대해 마모 실험 전후의 상태를 나타낸다. 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리 후의 S45C 소재의 롤러(710)에 대해 마모 실험을 수행한 결과, 마모 실험 이전의 롤러(710)의 홈부(711)(before wear test)와 마모 실험 이후의 롤러(710)의 홈부(711)(after wear test)는 0.50mm 정도의 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리에 따라 내마모성이 45% 향상되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리 전에 비해 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리 후에 내마모성이 향상될 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 롤러의 마모 실험 장치를 나타내는 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 롤러의 마모 실험 장치(800)는 롤러(810), 밸러스트(ballast, 820), 금속 와이어(metallic wire, 830) 및 실린더 유닛(840)을 포함할 수 있으며, 이러한 롤러 마모 실험 장치(800)를 통해 도 7에서의 어업용 롤러에 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리 전후의 마모 실험한 결과를 획득할 수 있다.
아래에서는 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정 및 버니싱(burnishing) 공정 중 적어도 어느 하나를 수행하고, 그에 따른 경도를 확인할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 상술한 바와 같이, 롤러(910)에 UNSM 공구(920)를 이용하여 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 처리(911)를 수행할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 버니싱(burnishing) 공정을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 롤러(1010)에 버니싱(burnishing) 공구(1020)를 이용한 버니싱(burnishing) 공정(1011)을 수행할 수 있으며, 보다 구체적으로 롤러(1010)의 홈부의 모양과 크기에 맞는 가공 롤(roll) 또는 볼(ball)을 제작할 수 있으며, 제작된 롤 또는 볼을 이용하여 롤러(1010)의 홈부에 롤-버니싱(roll-burnishing) 또는 볼-버니싱(ball-burnishing) 공정(1011)을 수행할 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 내마모성 롤러의 제조 방법의 예를 나타내는 도면이다.
먼저, 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이, 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행함으로써 롤러를 제조할 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행한 결과를 나타낸다. 도 12를 참조하면, U1 내지 U5의 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정에 따른 경도를 나타내며, 매개변수는 표 1과 같다.
[표 1]
그리고, 도 11의 (b)에 도시된 바와 같이, 버니싱(burnishing) 공정을 수행함으로써 롤러를 제조할 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 버니싱(burnishing) 공정을 수행한 결과를 나타낸다. 도 13을 참조하면, B1 내지 B5의 버니싱(burnishing) 공정에 따른 경도를 나타내며, 매개변수는 표 2와 같다.
[표 2]
또한, 도 11의 (c)에 도시된 바와 같이, 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정 후, 버니싱(burnishing) 공정을 수행함으로써 롤러를 제조할 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정 후, 버니싱(burnishing) 공정을 수행한 결과를 나타낸다. 도 14를 참조하면, UB1 내지 UB5의 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정 후, 버니싱(burnishing) 공정에 따른 경도를 나타내며, 매개변수는 표 3과 같다.
[표 3]
또한, 도 11의 (d)에 도시된 바와 같이, 버니싱(burnishing) 공정 후, 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행함으로써 롤러를 제조할 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따른 버니싱(burnishing) 공정 후, 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행한 결과를 나타낸다. 도 15를 참조하면, BU1 내지 BU5의 버니싱(burnishing) 공정 후, 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정에 따른 경도를 나타내며, 매개변수는 표 4와 같다.
[표 4]
도 16은 일 실시예에 따른 내마모성 롤러의 제조 방법에 따른 경도를 나타내는 도면이다.
도 16에 도시된 바와 같이, 도 15에서 설명한 버니싱(burnishing) 공정 후, 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행하는 경우 가장 경도가 높은 롤러를 획득할 수 있다.
이와 같이 내마모성 롤러를 제조하는 경우, 롤러의 홈부 형상과 크기에 맞는 가공 볼을 제작하여 공정이 간단하고 빠른 시간 내에 표면처리가 가능하다. 그리고 열처리와 같은 대형 장비가 필요하지 않아 경제적이며, 표면처리를 위한 롤러 형상의 크기의 제한이 없다. 더욱이, 실시예들에 따른 내마모성 롤러의 경우 표면 코팅과 달리 롤러 원소재를 점진적으로 물성을 변경(functional gradient)시켜, 이종 재질로 인한 계면상의 문제점이 없다.
한편, 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정의 경우 롤러의 표면층만 가공되어 지속성이 떨어지는 문제점이 있다. 즉, 롤러의 표면으로부터 200-300㎛ 정도의 표면층이 마모되거나 표면층이 벗겨진 후에는 쉽게 마모되는 문제점이 있다.
따라서 버니싱 공정을 수행 후, 초음파 나노크리스탈 표면 개질(UNSM) 공정을 수행함으로써 두께 방향으로 깊게 내마모성을 가지도록 제작이 가능하며, 롤러의 표면에 일부 마모가 발생하여 내마모 특성이 다른 방식에 비하여 매우 우수하다. 또한 롤러의 표면에 압축 잔류 응력이 발생하여 피로수명 또한 향상될 수 있다.
이상에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (10)
- 롤러(roller); 및
마찰이 발생되는 상기 롤러의 표면의 적어도 일부에 버니싱(burnishing) 공구를 이용한 버니싱이 수행되어, 상기 버니싱이 수행되지 않은 상기 롤러의 표면보다 상기 버니싱이 수행된 상기 롤러의 표면의 강도 및 경도가 높은 표면처리부
를 포함하는, 내마모성 롤러. - 제1항에 있어서,
상기 표면처리부는,
밧줄 또는 와이어가 접촉되는 상기 롤러의 홈부의 모양과 크기에 맞는 가공 롤(roll) 또는 볼(ball)을 제작하여, 상기 롤 또는 볼을 통해 상기 롤러의 홈부에 롤-버니싱(roll-burnishing) 또는 볼-버니싱(ball-burnishing) 공정이 수행된 것
을 특징으로 하는, 내마모성 롤러. - 제1항에 있어서,
상기 표면처리부는,
초음파 진동을 인가하여 표면 개질이 수행된 것
을 특징으로 하는, 내마모성 롤러. - 제3항에 있어서,
상기 표면처리부는,
밧줄 또는 와이어가 접촉되는 상기 롤러의 홈부에 초음파 나노크리스탈 표면 개질(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification, UNSM) 공정이 수행된 것
을 특징으로 하는, 내마모성 롤러. - 마찰이 발생되는 롤러(roller)의 표면의 적어도 일부에 버니싱(burnishing) 공구를 이용하여 버니싱을 수행하는 단계
를 포함하고,
상기 버니싱이 수행되지 않은 상기 롤러의 표면보다 상기 버니싱이 수행된 상기 롤러의 표면의 강도 및 경도가 높은 것
을 특징으로 하는, 내마모성 롤러의 제조 방법. - 제5항에 있어서,
상기 버니싱 공구를 이용하여 버니싱을 수행하는 단계는,
밧줄 또는 와이어가 접촉되는 상기 롤러의 홈부의 모양과 크기에 맞는 가공 롤(roll) 또는 볼(ball)을 제작하는 단계; 및
상기 롤 또는 볼을 이용하여 상기 롤러의 홈부에 롤-버니싱(roll-burnishing) 또는 볼-버니싱(ball-burnishing) 공정을 수행하는 단계
를 포함하는, 내마모성 롤러의 제조 방법. - 제5항에 있어서,
상기 마찰이 발생되는 롤러의 표면의 적어도 일부에 상기 버니싱이 수행된 후, 초음파 진동을 인가하여 표면 개질을 수행하는 단계
를 더 포함하는, 내마모성 롤러의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 초음파 진동을 인가하여 표면 개질을 수행하는 단계는,
밧줄 또는 와이어가 접촉되는 상기 롤러의 홈부에 초음파 나노크리스탈 표면 개질(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification, UNSM) 공정을 수행하는 것
을 특징으로 하는, 내마모성 롤러의 제조 방법. - 마찰이 발생되는 롤러(roller)의 표면의 적어도 일부에 초음파 진동을 인가하여 표면 개질을 수행하는 단계
를 포함하고,
상기 초음파 진동을 인가하여 표면 개질을 수행하는 단계는,
밧줄 또는 와이어가 접촉되는 상기 롤러의 홈부에 초음파 나노크리스탈 표면 개질(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification, UNSM) 공정을 수행하는 것
을 특징으로 하는, 내마모성 롤러의 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 표면 개질이 수행된 상기 마찰이 발생되는 롤러의 표면의 적어도 일부에 버니싱(burnishing) 공구를 이용하여 버니싱을 수행하는 단계
를 더 포함하고,
상기 표면 개질 및 상기 버니싱이 수행된 상기 롤러의 표면의 적어도 일부의 강도 및 경도를 높이는 것
을 특징으로 하는, 내마모성 롤러의 제조 방법.
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| Publication number | Publication date |
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| KR102275595B1 (ko) | 2021-07-09 |
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