WO2018088699A1 - 국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법 - Google Patents

국부가열 및 초음파 나노크리스탈 표면개질을 이용한 표면처리방법 Download PDF

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WO2018088699A1
WO2018088699A1 PCT/KR2017/011074 KR2017011074W WO2018088699A1 WO 2018088699 A1 WO2018088699 A1 WO 2018088699A1 KR 2017011074 W KR2017011074 W KR 2017011074W WO 2018088699 A1 WO2018088699 A1 WO 2018088699A1
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treatment
heat treatment
surface modification
localized
unsm
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PCT/KR2017/011074
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편영식
아마노프아웨즈한
김준형
우르마노프바흐티요르
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선문대학교 산학협력단
(주)디자인메카
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    • C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F3/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by special physical methods, e.g. treatment with neutrons
    • C22F3/02—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by special physical methods, e.g. treatment with neutrons by solidifying a melt controlled by supersonic waves or electric or magnetic fields
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D2221/00—Treating localised areas of an article

Definitions

  • the present invention relates to heat treatment and surface treatment methods for treating surfaces of machine parts, mold tools, and the like. More particularly, large parts and molds such as crankshafts, large gears and bearings of large diesel engines, etc.
  • the surface treatment method for improving the strength by heat-treating only the parts necessary for the design the wear rate is decreased by increasing the surface hardness, the fatigue strength is increased, and the wear rate is reduced and the fatigue strength is increased by the formation of the compressive residual stress.
  • the heating phase used in the existing heat treatment Rather, by heating the entire or localized parts at low temperatures and adding extreme carbonaceous deformation energy, elements such as carbon or nitrogen are moved from the inside to the surface layer, the microphase structure is changed, the crystal grains are refined, and the compression residue is
  • the present invention relates to a surface treatment method using localized heating and ultrasonic nanocrystal surface modification, which is configured to impart better mechanical properties by adding stress and to further improve performance and lifespan.
  • the present invention in order to improve the strength by heat-treating only the parts necessary for the design of large parts and molds, as described above, Local Heating technology and Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification (UNSM) Through fusion and converging technology, localized heating is applied to the required parts of the object to improve its strength, and ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) is performed to modify the surface of the object and recover fatigue strength by heating.
  • the present invention relates to a surface treatment method using localized heating and ultrasonic nanocrystal surface modification, which is configured to improve both mechanical performance, strength, characteristics, and lifetime of an object.
  • surface treatment means various treatments performed to impart corrosion resistance, abrasion resistance, heat resistance, external appearance, etc. to the surfaces of metals and nonmetals.
  • Plating treatment to coat the coating chemical treatment to form a kind of chemical coating (phosphate coating, etc.) on the surface of the metal, chemical coatings to perform a chemical treatment, and the oxidation coating electrochemically using a metal object as an anode Anodizing film to be made, Painting to paint the surface of metal for the purpose of preventing corrosion and at the same time, and Lining to coat rubber, synthetic resin, etc. on the inner surface of tank made of metal.
  • surface hardening Case Hardening
  • the above-described plating treatment includes electroplating, chemical plating, hot dip plating, vacuum plating, infiltration plating, ion plating, and the like.
  • the chemical conversion treatment includes phosphate coating, chromate treatment, coloring, and the like.
  • anodization coating treatment is widely used for an oxide film of aluminum, and a typical surface hardening treatment is a metal heat treatment.
  • the heat treatment technology of metals gives characteristics such as wear resistance, impact resistance, and service life extension by repeating heating and cooling in the middle or final stage of the manufacturing process to change the mechanical properties of metal materials, machine parts and mold tools.
  • a technique it can be broadly divided into a technique of hardening the material to improve mechanical and physical performance, and a technique of softening the material to improve workability.
  • the local softening step of locally increasing the elongation by heat-treating only the portion of the high-strength magnesium plate (H-temper) that requires the molding process and forming the locally softened magnesium plate in the step Including the step, to selectively increase the elongation by locally heating only the part that needs to be molded, the part that needs to maintain high strength because no processing is required, only the heating or minimal heating is performed to improve the initial mechanical properties before molding Forming and Forming Method of Magnesium Plate through Local Softening Process This technique has been suggested about the magnesium sheet molded by a processing method.
  • the conventional heat treatment method by localized heating is basically a method of improving the strength of the metal surface by applying heat to a high temperature and then cooling, and thus, in view of the process characteristics of high temperature heating and cooling during such heat treatment, Since the tensile residual stress is also generated on the peripheral surface of the object after the heat treatment to reduce the fatigue strength, the conventional heat treatment method using localized heating is a post-process, such as shot peening, deep rolling (surface such as deep rolling)
  • the treatment technology has been used to remove the tensile residual stress or to transform it into a compressive residual stress to recover or strengthen the fatigue, but it is not easy to post-treatment to reduce the tensile residual stress of the large object or to change the compressive residual stress.
  • a post-treatment such as heat treatment or pinning, there was a problem that costs a lot.
  • the conventional heat treatment method by localized heating requires a separate additional equipment and process for the surface treatment process after localized heat treatment, the manufacturing process is cumbersome and the time and cost increase that much
  • the post-treatment for changing the tensile residual stress formed on the surface of the object after the heat treatment into a compressive residual stress is not considered at all.
  • an object of the present invention is to manufacture a large part such as a crankshaft, a large gear, a bearing, a mold, and the like of a large diesel engine.
  • a large part such as a crankshaft, a large gear, a bearing, a mold, and the like of a large diesel engine.
  • Another object of the present invention through the fusion of local heating technology and ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) technology as described above is configured to process the local heating and surface treatment process in a continuous process in the same equipment
  • Local heating and ultrasonic nano are configured to improve the mechanical properties, performance and life of the target in a short time easily and at low cost when manufacturing large parts such as crankshafts, large gears, bearings and molds of large diesel engines. It is to provide a surface treatment method using a crystal surface modification.
  • a surface treatment method using nanocrystal surface modification comprising: preparing an object to be subjected to surface treatment; Performing a localized heat treatment to impart desired mechanical properties to the prepared object in the step of preparing the object; Performing ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) on the surface of the localized object in the step of performing the localized heat treatment; And performing a finishing operation including a finishing treatment on the object whose surface is modified in the step of performing the ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM).
  • a surface treatment method using nanocrystal surface modification comprising: preparing an object to be subjected to surface treatment; Performing a localized heat treatment to impart desired mechanical properties to the prepared object in the step of preparing the object; Performing ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) on the surface of the localized object in the step of performing the localized heat treatment; And performing a finishing operation including a finishing treatment on the object whose surface is modified in the step of performing the ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM).
  • the preparing of the object may be performed such that a process of processing a metal product or a mechanical part including a bearing, a gear, a mold, or a shaft into a desired size and shape is performed.
  • the step of performing the localized heat treatment characterized in that configured to perform a treatment to achieve the desired mechanical strength by performing a heat treatment on the position necessary in the design of the object.
  • the step of performing the finishing operation, the local heating and the ultrasonic nanocrystal surface modification is performed to perform a treatment to complete the final product by performing a finish including a coating or surface treatment to the object is performed. It features.
  • the surface treatment method is characterized in that in the step of performing the localized heat treatment, the entire heating treatment is performed instead of the localized heat treatment.
  • a surface treatment apparatus configured to perform a surface treatment method using localized heating and ultrasonic nanocrystal surface modification described above, comprising: a jig for fixing an object; Transfer means for transferring the object mounted to the jig; A heat treatment part for performing local heating on the object mounted to the jig; Provided is a surface treatment apparatus comprising a surface modification for performing ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) to the object mounted to the jig.
  • USM ultrasonic nanocrystal surface modification
  • the surface treatment apparatus the heat treatment unit and the surface modification unit at a predetermined predetermined interval, or in a row, the object is mounted on the jig to perform the localized heat treatment, and then through the transfer means
  • the object mounted to the jig is characterized in that configured to perform the ultrasonic nano-crystal surface modification (UNSM) by transferring to the surface modification.
  • UNSM ultrasonic nano-crystal surface modification
  • the surface treatment apparatus further comprises a cooling means including a cooler installed between the heat treatment portion and the surface modification portion, and after the localized heat treatment is mounted on the jig through the transfer means. It is characterized in that it is configured to cool the object during the transfer of the object to the surface modification.
  • the surface treatment apparatus is configured such that the heat treatment portion and the surface modification portion are movable by the transfer means while the object is fixed, and after the localized heat treatment is performed at a desired position through the heat treatment portion, the transfer means.
  • the ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) continuously by moving the surface modification to the corresponding position by, characterized in that configured to be easily applied to large-scale heat treatment operations.
  • the present invention through the convergence of the local heating technology and the ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) technology as described above, to process the local heating and surface treatment process in a continuous process on the same equipment
  • UNSM ultrasonic nanocrystal surface modification
  • a surface treatment method using local heating and ultrasonic nanocrystal surface modification which can be configured to give characteristics, it is possible to manufacture a large part such as a crankshaft of a large diesel engine, a large gear, a bearing, a mold, etc. hardly improve both the mechanical properties of the object and its performance and lifetime There.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the overall configuration of the surface treatment method using localized heating and ultrasonic nanocrystal surface modification according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing an example of a nano skin formed of UNSM.
  • FIG. 3 is a view schematically showing a heat treatment by installing a halogen lamp in the UNSM device according to the surface treatment method using local heating and ultrasonic nanocrystal surface modification according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing the results of the verification experiment for verifying the effect of the surface treatment method using localized heating and ultrasonic nanocrystal surface modification according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a view showing the results of the verification experiment for verifying the effect of the surface treatment method using localized heating and ultrasonic nanocrystal surface modification according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing the results of the verification experiment for verifying the effect of the surface treatment method using localized heating and ultrasonic nanocrystal surface modification according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing a verification test result for verifying the effect of the surface treatment method using localized heating and ultrasonic nanocrystal surface modification according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention in the manufacture of large parts such as crankshafts, large gears, bearings and molds of large diesel engines, the tensile residual stress formed on the surface of the object after the heat treatment to change the compressive residual stress
  • post-treatment is not considered at all
  • conventional methods using conventional heat treatment and local heating techniques which have had no limitations on the method for improving the hardness of the object and giving better mechanical properties with improved hardness, are not considered at all.
  • UNSM ultrasonic nanocrystal surface modification
  • it is configured to process the local heating and surface treatment process in a continuous process on the same equipment, Local heating is applied to the object to improve mechanical strength, while at the same time ultrasonic nanocrystals Perform local surface modification (UNSM) to remove surface defects that occur during heat treatment, and change local residual stress to compressive residual stress to provide localized heating and ultrasonic nanocrystal surface modification. It relates to a surface treatment method used.
  • the present invention is configured to be able to process the local heating and surface treatment process in a continuous process in the same equipment through the fusion of local heating technology and ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) technology, as described below.
  • Local heating and ultrasonic nanocrystal surfaces are constructed to improve both the mechanical properties, performance and life of the object in a short time and at low cost when manufacturing large parts such as crankshafts of large diesel engines, large gears, bearings and molds. It relates to a surface treatment method using the modification.
  • the existing surface hardening technique is performed to reduce the wear resistance by increasing the surface hardness, increase the fatigue strength, reduce the wear rate and increase the fatigue strength by forming the compressive residual stress, for example, TTT
  • TTT compressive residual stress
  • steel using a curve it is heated to around 900 degrees above the austenite phase change and cooled at an appropriate speed to form a phase of high hardness, crystal grains, residual stress, or slightly higher than 900 degrees in the case of a steel-base alloy.
  • elements such as carbon or nitrogen are added by adding extreme carbonaceous deformation energy by performing whole or local heating in a proper heating state at a lower temperature than at normal temperature or a conventional heating state.
  • a surface treatment technique is proposed that moves N from the interior to the surface layer, alters the microphase structure, refines the crystal grains, and adds compressive residual stress.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the overall configuration of a surface treatment method using localized heating and ultrasonic nanocrystal surface modification according to an embodiment of the present invention.
  • the surface treatment method using localized heating and ultrasonic nanocrystal surface modification is broadly divided into steps of preparing an object to be subjected to surface treatment (S10), and in the step Performing localized heat treatment (S20) to impart desired mechanical properties to the required function of the prepared object, and removing defects on the surface of the object subjected to localized heat treatment in this step and modifying the surface of the object;
  • the ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) is performed to improve the mechanical properties (strength, hardness, surface roughness, texture density and grain size, etc.) and to add compressive residual stress.
  • Step S30 and performing a finishing operation such as finishing on the object whose surface is modified in the step S40. It can comprise.
  • the step (S10) of preparing the object for example, by processing a metal product or mechanical parts, such as bearings, gears, molds or shafts to the desired size and shape to perform local heating and ultrasonic nanocrystal surface modification It may be a step in which a treatment mounted on a surface treatment apparatus for performing is performed.
  • the step S20 of performing the localized heat treatment may be a step in which the heat treatment is performed only on a portion necessary for the design of the object mounted on the surface treatment apparatus to implement a desired mechanical strength as described above. have.
  • the tensile residual stress occurs on the surface of the object due to the nature of the heat treatment process that proceeds at a high temperature, and in some cases, defects such as scratches may occur on the surface.
  • ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) technology to metal products or mechanical parts such as bearings, gears, molds or shafts, and to modify the surface of the product or parts and to extend their lifespan.
  • USM ultrasonic nanocrystal surface modification
  • the present invention in order to solve the problems that may occur during the localized heat treatment as described above, it is configured to modify the surface of the object after heat treatment to prevent the occurrence of defects, and further improve the mechanical properties.
  • the UNSM process involves a tool with a diameter of 1 to several tens of millimeters (tungsten carbide ball / cermet ball or spherical shape) attached to an ultrasonic device, static and dynamic. The forces are combined so that the ball strikes the surface of the specimen up to 40,000 times per second , 100,000 times per mm 2 .
  • Such an impact can be considered micro-cold-forging, causing plastic and elastic deformation in the surface layer, leading to deep residual stresses and nanocrystalline structures.
  • it produces numerous non-uniform micro dimples on the surface of the specimen to improve the surface properties.
  • the nanostructure modification of the surface layer simultaneously improves both the strength (hardness) and ductility (toughness) of the specimen. Is already well known.
  • Rotary-Bending-Fatigue hereinafter also referred to as 'RBF'
  • Rolling contact Fatigue hereinafter also referred to as 'RCF'
  • NSM nanosonic nanocrystal surface modification
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a configuration of a nanoskin formed of UNSM.
  • nanoskin (Nanoskin), the surface layer is composed of nano-surface roughness and texturing (Texturing), the subcutaneous layer depth of ⁇ 100 ⁇ m the size of the crystal structure from several tens of nanometers to 1 ⁇ m
  • the inclined structure increases the residual stress from the depth of 2,000 ⁇ m to the surface layer, and the residual stress value of the surface layer is 1 Giga Pascal
  • the epidermal structure with larger structure is called nanoskin.
  • the step (S30) of performing the ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) is heat-treated by applying the ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) technology to the object subjected to the localized heat treatment as described above.
  • UNSM ultrasonic nanocrystal surface modification
  • step (S40) of performing the finishing operation to finish the final product by performing a finishing treatment such as painting or surface treatment to the object subjected to local heating and ultrasonic nanocrystal surface modification.
  • a finishing treatment such as painting or surface treatment to the object subjected to local heating and ultrasonic nanocrystal surface modification.
  • the surface treatment apparatus for performing the surface treatment method using the local heating and ultrasonic nanocrystal surface modification according to the present invention may include a heat treatment unit, a surface modification unit for performing the ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM), a jig for fixing the object and a conveying means such as a conveyor belt for transferring the object mounted on the jig. have.
  • a heat treatment unit for performing the ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM)
  • a jig for fixing the object and a conveying means such as a conveyor belt for transferring the object mounted on the jig. have.
  • the surface treatment apparatus for performing a surface treatment method using localized heating and ultrasonic nanocrystal surface modification the heat treatment unit and the surface modification unit at a predetermined interval, preferably, arranged in a row And, by attaching the object to the jig to perform a localized heat treatment to the required portion, and then transfer the heat treated portion through the transfer means to the surface modification portion may be configured to perform ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM), in this case, heat treatment
  • the cooling unit such as a cooler may be installed between the unit and the surface modification unit so as to cool the heat of the object during transport.
  • the surface treatment apparatus for example, when the object is a large part is not easy to transfer the object, the object is fixed and configured to be movable by the transfer means and the heat treatment unit and the surface modification unit, heat treatment After the localized heat treatment to the desired position through the portion is configured to perform the ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) continuously by moving the surface modification to the corresponding position by the transfer means, it can be easily applied to large-scale heat treatment work.
  • USM ultrasonic nanocrystal surface modification
  • the present invention has been described as an example in which the heat treatment is performed only on the necessary portion in the step S20 of performing the localized heat treatment, but the present invention is not necessarily limited thereto. That is, it should be noted that the present invention may be configured in various ways as necessary, such that the whole heating treatment for heating the entire object instead of the localized heating may be performed.
  • FIG. 3A is a diagram schematically illustrating a state in which a halogen lamp is installed in an UNSM device according to a surface treatment method using localized heating and ultrasonic nanocrystal surface modification according to an embodiment of the present invention.
  • 3b shows the state of performing heat treatment using a halogen lamp.
  • FIGS. 4 to 7 are comparison results with untreated specimens to verify the effect of the surface treatment method using localized heating and ultrasonic nanocrystal surface modification according to an embodiment of the present invention. It is a figure which shows each.
  • FIG. 4 shows the temperature of the heat treated specimen (H / T) and the heat treated and UNSM treated specimen (H / T + UNSM) for the Ti-6Al-4V alloy specimen. It is a figure which shows the result of comparing surface roughness.
  • the surface roughness Ra of the specimen (H / T) heat treated at a temperature of 600 ° C., 800 ° C., and 1000 ° C. is 0.393, 0.216, and 0.122 ( ⁇ m), respectively
  • the surface roughness of the heat treated and UNSM treated specimens (H / T + UNSM) were improved to 0.325, 0.185, and 0.102 ( ⁇ m), respectively.
  • Figure 5 is a surface hardness (surface hardness) according to the temperature of the heat treated specimen (H / T) and the heat treated and UNSM treated specimen (H / T + UNSM) for the Ti-6Al-4V alloy specimen It is a figure which shows the result of comparing hardness.
  • the surface hardness of the general untreated specimen is 338 HV
  • the surface hardness of the specimen (H / T) heat-treated at temperatures of 600 ° C., 800 ° C., and 1000 ° C. is 514, 553, and 700 ( HV)
  • the surface hardness of the heat treated and UNSM treated specimens (H / T + UNSM) was improved to 629, 903, and 933 (HV), respectively.
  • Figure 6 is a view showing a result of comparing the friction coefficient (Friction coefficient) of the specimen treated, untreated, general UNSM treatment, local heat treatment, heat treatment and UNSM.
  • S1 is an untreated specimen
  • S1 UNSM is a general UNSM treated specimen
  • S2 is a locally heat treated specimen at 600 ° C.
  • S2 UNSM is a local heat treated (600 ° C.) + UNSM treated specimen
  • S3 Is a locally heat treated specimen at 800 ° C.
  • S3 UNSM is a local heat treated (800 ° C.) + UNSM treated specimen
  • S4 is a local heat treated specimen at 1000 ° C.
  • S4 UNSM is a local heat treated (1000 ° C.) + UNSM treated specimen
  • Each specimen is shown.
  • the friction coefficient of the untreated specimen S1 was 0.78, and the friction coefficient of the general UNSM treated specimen S1 UNSM was 0.73, and the specimen was locally heat treated at 600 ° C., 800 ° C., and 1000 ° C.
  • the friction coefficients of S2, S3, and S4) were 0.74, 0.75, and 0.69, respectively, while the coefficients of friction for localized and UNSM treated specimens (S2 UNSM, S3 UNSM, and S4 UNSM) were 0.68, 0.66, and 0.64, respectively. It can be seen that the friction coefficient of the localized heat treated and UNSM treated specimens was lower than that of only heat treatment or UNSM.
  • FIG. 6 is a view showing a result of comparing wear rates of specimens treated without treatment, general UNSM treatment, local heat treatment, heat treatment, and UNSM.
  • S1 is an untreated specimen
  • S1 UNSM is a general UNSM treated specimen
  • S2 is a locally heat treated specimen at 600 ° C.
  • S2 UNSM is a local heat treated (600 ° C.) + UNSM treated specimen
  • S3 Is a locally heat treated specimen at 800 ° C.
  • S3 UNSM is a local heat treated (800 ° C.) + UNSM treated specimen
  • S4 is a local heat treated specimen at 1000 ° C.
  • S4 UNSM is a local heat treated (1000 ° C.) + UNSM treated specimen
  • Each specimen is shown.
  • the wear rate of the untreated specimen S1 was 137
  • the wear rate of the general UNSM treated specimen S1 UNSM was 82
  • the specimens thermally treated at 600 ° C., 800 ° C., and 1000 ° C. S2, The wear rates of S3, S4 are 134, 7.8 and 7.4, respectively
  • the wear rates of localized and UNSM treated specimens S2 UNSM, S3 UNSM, S4 UNSM are 74, 2.2 and 1.8, respectively. It can be seen that the wear rate of the localized and UNSM treated specimens was also the lowest compared to the case performed.
  • the surface roughness of the metal after local heating is reduced, the friction / wear characteristics are improved when the surface hardness is increased, and the tensile residual stress formed on the surface of the metal is changed to compressive residual stress and the particle size is increased. It can be seen that is improved.
  • the surface roughness Ra 0.52 ⁇ m ⁇ 0.22 ⁇ m
  • the surface hardness is increased from 514 HV ⁇ 629 HV
  • the coefficient of friction is reduced from 0.78 ⁇ 0.64
  • the wear resistance is improved from 137 ⁇ 10 -6 mm 3 / Nm ⁇ 82 ⁇ 10 -6 mm 3 / Nm
  • the compressive residual stress is improved from 100MPa ⁇ -1000 MPa. It can be seen that the size is improved to 100 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m.
  • the conventional UNSM technology there was a limit to obtain only the mechanical properties improvement effect that is less than the wear rate improvement level required by the conventional surface hardening heat treatment, surface modification method according to the present invention It is a technology that changes the microstructure by moving elements such as silver, carbon or nitrogen from the inside to the surface layer, and refines the crystal grains to add compressive residual stress. By adding extreme carbonaceous strain energy at low temperatures, it is possible to remarkably improve the effects of surface hardness increase, wear resistance decrease and fatigue strength increase.
  • the present invention is not necessarily limited to the contents of the embodiments described above. That is, for example, in the step (S20) of performing the above-described localized heat treatment, instead of the localized heat treatment of heat treating a part of the object, the entire heating process of heating the entire object may be performed. It should be noted that can be configured in various forms as needed.
  • the present invention by implementing the surface treatment method using the local heating and ultrasonic nanocrystal surface modification according to the present invention as described above, according to the present invention, the local heating technology and ultrasonic nano Through the convergence of the crystal surface modification (UNSM) technology, the localized heat treatment and the surface treatment process are performed in a continuous process on the same equipment to improve the mechanical strength by subjecting the localized heat treatment to the object, and at the same time, ultrasonic nanocrystal surface modification.
  • Surface treatment using localized heating and ultrasonic nanocrystal surface modification which is configured to remove surface defects generated during heat treatment and change tensile residual stress to compressive residual stress to impart better mechanical properties by performing (UNSM).
  • crankshaft of a large diesel engine a large gear
  • a lower cost in the production of large components such as the ring and the mold can be easily improved both the mechanical properties and the performance and life of the object in a short time.

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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
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 표면처리 기술을 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 않은데 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 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, 경도 향상과 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 900도보다 약간 높은 온도로 상승 후 대부분 TTT시보다 서서히 냉각시키는 석출경화 하는 방식이고, 종래의 UNSM 기술은, 기존의 표면경화 열처리에서 요구하는 마모율향상 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 Pascal보다 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 나노표면 개질기술의 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 도색이나표면처리 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 검증실험의 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 표면거칠기가 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 137×10-6mm3/Nm → 82×10-6mm3/Nm로 개선되며, 압축잔류응력은 100MPa → -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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