표면개질을 통한 초고주기 피로수명 향상과 에너지효율의 상관관계 연구

Abstract

기계부품의 내구한도 향상은 경량화, 효율성, 소형화등의 요구와 부합하여 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 요구에 따라 기계부품 소재에 대한 개선도 같이 이루어지고 있으며 많은 연구가 진행되고 있다. 기계부품의 특성 향상을 위해 신소재 개발이나 소재변경을 통한 방법도 있겠으나 원하는 특성 강화, 쉬운 가공성, 특정 부위 개선, 경제성 등을 위해 표면처리 공정을 많이 사용하고 있다. 표면처리법에는 다양한 방법을 통한 열처리가 있으며 그와 더불어 화학적, 물리적인 방법을 통한 표면처리법이 존재한다. 그중 미세단조는 기계적 표면처리법인 피닝 공정과 유사한 원리로서 고주기로 진동하는 팁이 소재 표면을 타격하여 표면개질을 통한 표면 경도 증가, 입자 미립화, 피로수명 향상 등의 장점을 가진 표면처리법이다. 원하는 부분에만 처리가 가능하며 여러 공정 변수를 정밀하게 조절하여 원하는 만큼의 표면개질 효과를 구현할 수 있다. 또한 화학적 표면처리법에 비하여 유독물질등의 발생이 없어 친환경적 공정이다. 기계부품 소재의 내구성 향상효과를 측정하기 위해서는 피로시험이 수반되어야 한다. 유압식, 회전굽힘식 등 피로시험법에도 여러 가지가 있지만 본 연구에 사용된 초음파 피로시험은 20 kHz의 초음파 공진을 이용하여 시편의 교번응력을 가하기 때문에 타 시험법 대비 짧은 시간에 피로시험이 가능하다. 연속으로 시험할 경우 109 Cycle 까지 약 13시간이 소요된다. 이에 반해 유압식 시험기가 10 Hz의 시험주파수를 갖는다면 약 1157일이 소요된다. 이러한 장점은 초고주기로 상향되고 있는 내구수명을 충족시키기 위한 피로시험에 적합하다. 초음파 피로시험을 위해 20 kHz에서 공진하는 시편을 제작하여 표면처리 후 피로수명을 비교하였다. 미세단조 이외에도 금속의 표면처리법에는 여러 가지가 있다. 그중 질화열처리, 침탄열처리 표면처리법이 미세단조와 비교하여 어떠한 장단점을 가지는지 비교하였으며 미세단조와 질화, 침탄을 같이 적용하고 또한 적용순서에 따라 어떠한 특성을 나타내는지 분석하였다. 초음파 피로시험을 통한 기가사이클(109 cycle)까지의 피로시험결과 피로수명 상승효과는 침탄이 가장 컸으며 질화, 미세단조 순서이다. 하지만 미세단조의 경우 초고주기(107 cycle)이상에서는 질화처리보다 피로수명 상승효과가 크게 나타났다. 질화처리 후 미세단조를 했을 경우 균열생성으로 피로수명이 감소하였으며 반대로 미세단조 후 질화처리의 경우에는 질소가 더욱 잘 확산되어 소폭 상승하였다. 침탄 후 미세단조, 미세단조 후 침탄의 경우에는 침탄처리와 비슷한 수준으로 피로수명이 상승되었으며 침탄으로 인한 심부까지의 경도상승과 고온에서의 재결정으로 인하여 미세단조로 인한 효과가 크게 나타나지 않았다. 미세단조 공정은 친환경적일 뿐만 아니라 에너지 소비측면에서도 효율적인 공정으로 알려져 있다. 하지만 소비 에너지 측면에서 다른 공정들에 비하여 얼마나 효율적인지는 분석되지 않았다. 더불어 4차 산업 혁명과 더불어 공정 자동화가 진행되면서 전력 소비의 효율화가 큰 화두인데 이는 전력 소비가 단순 환경문제와 더불어 이산화탄소 배출등과 관련된 에너지 효율을 통한 경제성과도 관련이 있기 때문이다. 또한 열처리 업체에서는 전기료가 최대 생산원가의 70%에 달할 정도로 에너지 효율이 중요하다. 이에 따라 공정별로 소비되는 전력을 기반으로 에너지 효율성을 분석하였으며 표면처리를 통한 피로수명 개선효과와 에너지 소비와의 상관관계를 연구하여 관계식을 정립하여 피로수명에 따라 표면처리 공정선택 가이드를 제시하였다. 피로수명 향상대비 에너지 효율은 미세단조가 가장 높았으며 질화열처리가 효율이 가장 낮았다. 이러한 경향은 기가사이클 영역으로 갈수록 두드러져 미세단조는 다른 표면처리법이 피로수명 증가에 따라 에너지효율이 감소한 것과 반대로 기가사이클에서 최대가 되었다.