금속 표면 샷 피닝: 필수 가이드
금속 부품이 어떻게 놀라운 강도와 내구성을 얻는지 궁금한 적이 있나요? 샷 피닝은 우리가 매일 사용하는 많은 탄력적인 부품의 숨은 영웅입니다....
가장 단순한 도구부터 가장 복잡한 엔진까지 모든 기계가 갑자기 고장 나기 시작했다고 상상해 보세요. 원인은 무엇일까요? 부식, 마모 및 기타 표면 손상일 것입니다. 이 블로그에서는 금속 표면의 내구성과 성능을 향상시키는 기술을 탐구하는 금속 표면 엔지니어링의 매혹적인 세계를 살펴봅니다. 표면 강화부터 고급 플라즈마 및 레이저 처리까지, 이러한 방법으로 중요한 부품의 수명을 보호하고 연장하는 방법을 알아보세요. 이러한 혁신으로 기계가 원활하고 효율적으로 작동하여 업계의 시간, 비용, 자원을 절약할 수 있는 방법을 알아보세요.
표면 현상과 변화는 자연에서 빈번하게 발생합니다. 엔지니어링에서는 거의 모든 부품이 환경과 접촉하며, 이러한 부품의 표면이 환경에 직접적으로 노출됩니다.
환경과 상호작용하는 동안 표면은 부식, 마모, 산화, 침식을 겪을 수 있으며, 이는 부품의 손상이나 고장으로 이어질 수 있습니다. 결과적으로 표면은 장비 고장에 대한 첫 번째 방어선 역할을 합니다.
표면 공학은 표면 전처리를 거친 후 표면 강화, 변형 또는 표면 공학 기술의 조합을 통해 고체 금속 또는 비금속 표면의 형태와 화학 성분을 개선하는 것을 포함합니다. 표면 엔지니어링의 목표는 원하는 표면 특성을 얻기 위해 조직 구조와 응력 상태를 체계적으로 엔지니어링하는 것입니다.
표면 변형 강화는 롤링 또는 샷 피닝과 같은 기계적 수단을 통해 금속 표면에 압축 변형을 일으켜 표면에 경화된 층을 생성하는 것입니다. 이 층의 깊이는 0.15-1.5mm일 수 있습니다.
표면 변형 강화의 주요 방법은 다음과 같습니다. 피닝표면 압연 기술 및 구멍 압출 강화.
압축 프로세스 중에 변형 경화 레이어에 두 가지 변화가 발생합니다:
(1) 조직 구조 측면에서 강화 층의 전위 밀도가 매우 높고 결정 격자가 심하게 왜곡됩니다. 교번 응력이 가해지면 반대 부호를 가진 전위는 충돌 할 때 서로 상쇄되고 같은 부호를 가진 전위는 재배열됩니다. 그 결과 강화 층의 전위 밀도는 감소하고 미세한 하위 입자가 점차적으로 형성됩니다.
(2) 응력 상태 측면에서, 표면층과 내부 층 사이의 금속 변형의 불균형 정도 때문에 표면층의 금속이 주변 영역으로 소성 확장되면 내부 층 금속에 의해 방해되어 더 높은 거시적 잔류 스트레스 강화 층에 있습니다.
1. 샷 피닝 강화
제어식 샷 피닝이라고도 하는 샷 피닝은 고속의 발사체 흐름을 부품 표면으로 향하게 하여 소성 변형을 일으키고 특정 두께의 강화된 층을 형성하는 공정입니다.
부품 표면에 압축 응력이 발생하기 때문에 부품에 하중이 가해지면 이 응력 중 일부가 상쇄되어 부품의 피로 강도. 샷 피닝은 그림 1에 설명되어 있습니다.
그림 1 샷 피닝 강화 공정의 개략도
상온에서는 작고 단단한 발사체가 공작물 표면을 향해 고속으로 발사되어 재결정 온도에서 탄성 및 소성 변형을 일으킵니다. 이로 인해 그림 2에서 볼 수 있듯이 큰 잔류 압축 응력이 발생합니다.
각 스틸 샷은 부품에 닿을 때 금속 표면에 작은 홈이나 함몰을 만들며, 이는 마치 미니어처 막대가 표면에 부딪히는 것과 유사합니다. 이러한 홈을 형성하려면 금속 표면층을 늘려야 합니다.
표면층 아래에서 압축된 입자는 표면을 원래 모양으로 복원하려고 시도하여 고압축 상태의 반구를 만듭니다. 이러한 수많은 함몰이 겹쳐지면 균일한 잔류 압축 응력 층이 형성되어 표면 피로 강도와 응력 부식에 대한 내성이 향상됩니다.
그림 2 샷 피닝 표면의 소성 변형
샷 피닝은 두께가 2mm 이하인 금속 제품이나 정밀한 치수와 형태를 유지할 필요가 없는 주조 및 단조품에서 산화피막, 녹, 모래, 오래된 바니시를 제거하는 데도 사용할 수 있으며 코팅 또는 도금 전에 표면을 청소하는 방법으로도 사용할 수 있습니다.
샷 피닝은 항공기 엔진 압축기 블레이드, 동체 구조 부품, 자동차 부품 등 장시간 높은 응력을 받는 금속 부품의 피로 방지 특성을 향상시키는 데 널리 사용되는 냉간 처리 공정입니다. 전송 시스템.
샷 피닝은 발사체의 속도에 따라 일반 샷 피닝과 초음속 표면 샷 피닝으로 나뉩니다. 초음속 스프레이 건의 발사체 속도는 300~500m/s이며, 부품이 회전하면서 표면 전체에 샷 피닝을 수행할 수 있습니다.
(1) 샷 피닝용 장비
샷 피닝 기계는 샷 구동 방식에 따라 기계식 원심 샷 피닝 기계와 공압식 샷 피닝 기계의 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다.
또한 샷 피닝 기계는 건식 스프레이 또는 습식 스프레이로 사용할 수 있습니다.
건식 스프레이 샷 피닝 기계의 작업 조건은 불리한 반면, 습식 스프레이 샷 피닝 기계는 발사체를 분사하기 전에 서스펜션에 혼합하여 조건을 개선합니다.
기계식 원심식 샷 피닝기는 블레이드와 임펠러의 고속 회전으로 인한 원심력의 작용으로 발사체를 가속시켜 작동합니다.
그러나 이러한 유형의 샷 피닝 기계는 피닝 파워가 제한적이고 생산 비용이 높습니다. 주로 그림 3과 같이 높은 피닝 강도, 제한된 다양성, 큰 배치 크기, 단순한 모양 및 큰 크기를 가진 공작물에 사용됩니다.
그림 3 기계식 원심분리 샷 피닝 기계
공압 원심식 샷 피닝 기계는 압축 공기를 원동력으로 사용하여 발사체를 고속으로 추진합니다. 그러면 발사체가 공작물 표면에 충격을 가해 원하는 샷 피닝 효과를 얻을 수 있습니다.
이 기계는 공기 압력을 조절할 수 있어 샷 피닝의 강도를 유연하게 제어할 수 있다는 장점이 있습니다. 또한 한 번에 여러 부품을 처리할 수 있습니다.
이 기계는 샷 피닝 강도가 낮고 다양한 모양과 크기, 작은 배치 크기, 복잡한 형상을 가진 부품에 가장 적합합니다. 그러나 그림 4에 표시된 것처럼 전력 소비가 높고 생산성이 낮다는 점에 유의해야 합니다.
그림 4 공압 원심분리식 샷 피닝 기계
(2) 발사체 유형
와이어 커팅 펠릿: 일반적으로 사용되는 와이어의 직경 범위는 0.4mm~1.2mm이고 경도는 45~50 HRC입니다. 가장 좋은 템퍼링 방법은 M 또는 B입니다.
주강 펠릿: 펠릿의 크기는 0.2mm에서 1.5mm까지 다양합니다. 이후 어닐링경도는 30~57 HRC입니다. 깨지기 쉽고 소비율이 높지만 가격이 저렴합니다. 주강 샷의 품질은 다음과 관련이 있습니다. 탄소 함량일반적으로 0.85%~1.2% 범위의 망간 함량과 0.65%~1.2% 범위의 망간 함량으로 구성되어 있습니다.
글라스 샷: 60% SiO2로 구성되며 경도는 46~50 HRC입니다. 부서지기 쉬우므로 부품의 경도가 샷보다 낮은 용도에 적합합니다.
세라믹 샷: 경도가 높고 취성이 높으며 샷 블라스팅 후 높은 잔류 압축 응력을 얻을 수 있습니다.
액체 주사: 이 유형의 샷에는 SiO₂ 입자와 Al₂O₃ 입자가 포함되어 있습니다. SiO₂ 입자는 물과 혼합되어 블라스팅 과정에서 압축 공기에 의해 추진됩니다.
2.표면 롤링 기술
표면 롤링은 롤링 볼 또는 롤러를 사용하여 가공 부품의 표면에 압력을 가하는 기술입니다. 이 압력으로 인해 소성 변형이 발생하여 부품 표면에 강화 층이 형성됩니다. 이 프로세스는 그림 5에 나와 있습니다.
그림 5 표면 롤 강화의 개략도
표면 압연 기술로 생성된 수정된 레이어의 깊이는 5mm 이상에 달할 수 있으므로 단순한 모양, 샤프트 및 홈이 있는 평면 부품에는 이상적이지만 복잡한 부품에는 사용할 수 없습니다.
표면 압연 기술은 타의 추종을 불허하는 수많은 이점을 제공합니다. 예를 들어, 이 기술은 화학 성분의 변화 없이 재료의 물리적 상태만 변경합니다. 또한 이 기술은 간단한 도구와 프로세스를 사용하므로 처리 효율이 높습니다.
비절삭 가공 기술인 롤링 기술은 폐기물 칩이나 액체를 생성하지 않아 환경 친화적이며 '친환경 제조' 개념에 부합합니다.
또한 이 기술은 절삭으로 인한 인장 응력을 제거하고 부품 표면을 압축 응력 상태로 만듭니다. 이 잔류 압축 응력은 균열이 확장되는 것을 방지하고 부품의 피로 수명을 개선할 수 있습니다.
결론적으로, 이 기술은 다양한 산업 분야에서 널리 채택되어 상당한 경제적 이익을 창출하고 있습니다.
(1) 메커니즘
① 미세 구조 메커니즘:
절단 후 금속 표면에는 공구의 절단 자국이 남습니다. 현미경으로 보면 금속 표면이 고르지 않은 것으로 관찰됩니다. 압연 가공은 일종의 압력 마감으로, 금속 표면은 호브의 압력에 의해 강한 소성 변형을 겪습니다.
공학 재료 이론에 따르면 금속의 소성 변형의 기본 메커니즘은 결정이 특정 결정면과 방향을 따라 다른 부분에 대해 상대적으로 미끄러질 때 발생하는 슬립입니다. 외력을 받으면 크리스탈은 계속 미끄러지고 변형 과정에서 크리스탈 입자는 부드러운 방향에서 단단한 방향으로 서서히 회전합니다. 결정립은 서로 맞물려 있어 각 결정립의 변형을 방해합니다.
산업에서 사용되는 대부분의 금속은 다결정질이기 때문에 손상 없이 상당한 소성 변형을 견딜 수 있습니다. 금속의 결정 입자가 지속적으로 미끄러지면 전위 밀도와 결정 격자 왜곡이 증가합니다. 반대 부호를 가진 전위는 서로 상쇄되고, 같은 부호를 가진 전위는 더 작은 하위 결정립으로 재배열됩니다. 결정 입자가 미세할수록 전위 밀도가 높아져 변형과 분산이 커집니다.
이는 국부 응력 집중을 생성하기 어렵다는 것을 의미하며, 항복 강도 및 피로 성능을 향상시킵니다. 압연 금속 재료.
표면 품질 메커니즘:
금속 표면의 품질은 종종 거칠기로 측정되며, 이는 응력 집중의 주요 원인 중 하나입니다. 표면이 거칠면 날카로운 상처가 생길 가능성이 높아 응력 집중을 유발하고 피로의 원인이 될 수 있습니다.
교대 응력 하에서 응력 집중은 피로 균열의 형성과 전파를 촉진합니다. 표면이 거칠고 절개 팁이 날카로울수록 응력 집중이 더 심각해집니다.
롤링 강화는 공작물 표면에서 롤러의 롤링 효과를 사용하여 표면 금속에 플라스틱 흐름을 일으키고 원래의 낮은 오목한 홈을 채워 공작물 표면의 거칠기를 줄이고 잔류 공구 자국을 제거하는 것입니다. 이렇게 하면 응력 집중이 감소하고 공작물의 피로 수명이 향상됩니다.
잔류 압축 응력의 메커니즘:
1930년대 초, 부품 표면에 잔류하는 압축 응력이 부품의 피로 수명을 연장할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 금속 재료 표면의 균열 전파는 교대로 가해지는 하중이 특정 한계에 도달할 때, 즉 응력 강도가 재료 자체의 임계 응력 강도에 도달할 때 발생합니다.
롤링은 표면의 원래 미세 균열을 줄이고 잔류 압축 응력을 생성하여 부품의 피로 수명을 늘릴 수 있습니다.
(2) 롤링 효과에 영향을 미치는 프로세스 매개변수
표면 롤링 결과에 영향을 미치는 주요 공정 파라미터는 롤링 압력, 롤 개수, 롤링 속도입니다.
롤링 압력은 롤러가 공작물 표면에 가하는 힘을 말하며 피로 강도에 큰 영향을 미칩니다. 그러나 현재 이에 대한 연구는 제한적이며 최적의 롤링 압력을 계산하는 정확한 수학적 공식은 없습니다. 또한 부품의 강도, 크기, 롤러의 직경과 같은 요소의 영향을 받기도 합니다. 실제로 최적의 롤링 압력은 시행착오를 통해 결정됩니다.
롤 수는 롤러가 공작물의 동일한 위치를 누르는 횟수를 말하며, 공작물의 피로 강도에 큰 영향을 미칩니다. 롤 수가 너무 적으면 공작물 표면이 원하는 소성 변형에 도달하지 못할 수 있습니다. 롤 수가 너무 많으면 공작물에 접촉 피로가 발생하고 심한 경우 표면이 심하게 열화될 수 있습니다.
압연 속도는 압연 공정 중 공작물의 회전 속도이며 피로 강도에는 거의 영향을 미치지 않지만 압연 공정의 효율성에 영향을 미칩니다. 속도가 너무 빠르면 과도한 소성 변형이 발생할 수 있고, 너무 느리면 생산 효율이 저하될 수 있습니다. 생산 시에는 특정 조건에 따라 적절한 압연 속도를 결정하는 것이 필수적입니다.
(3) 구멍 압출 보강
홀 압출은 막대, 부싱, 다이와 같은 특정 도구를 사용하여 공작물의 홀 벽이나 주변에 서서히 일관되게 압력을 가하는 표면 강화 공정입니다. 이 공정을 통해 특정 두께의 소성 변형 층이 형성되어 표면의 피로 강도와 응력 부식에 대한 저항성이 향상됩니다.
구멍 압출에는 그림 6과 같이 로드 압출, 부싱 압출, 스탬핑 다이 압출 및 회전 압출을 포함하여 일반적으로 사용되는 몇 가지 방법이 있습니다.
그림 6 홀 압출 강화 공정 방법
홀 압출 강화는 주로 내부 홀의 피로 저항성을 개선해야 하고 비행기의 중요 부품과 같이 다른 방법으로는 달성할 수 없는 공작물에 사용됩니다.
임프레션 다이 압출은 대형 부품 및 스킨과 같은 중요한 베어링 부품을 강화하는 데 이상적이며, 회전 압출은 랜딩 기어와 같은 대형 부품의 내부 구멍을 강화하는 데 가장 적합합니다.
플라즈마는 자유 전자와 이온의 혼합물로 이온화된 기체처럼 작용하며 대부분 중성입니다. 플라즈마 확산 기술(PDT) 또는 입자 충격 확산 기술이라고도 하는 플라즈마 화학 열처리 기술은 저진공 환경에서 가스 글로우 방전을 통해 생성된 이온을 사용하여 공작물 표면에 충격을 가하여 구성, 구조 및 성능을 변경하는 기술입니다.
기존의 가스 열 확산 기술에 비해 이온 열 확산은 몇 가지 장점이 있습니다:
(1) 이온 폭격 스퍼터링은 공작물 표면에서 산소(패시베이션) 막이나 불순물을 제거하여 표면 활성을 개선하고 침투 원소를 더 쉽게 흡수할 수 있도록 합니다. 이렇게 하면 열 확산 속도가 빨라집니다.
(2) 플라즈마는 반응 가스를 활성화하고 화학 반응 온도를 낮출 수 있습니다.
(3) 열팽창 층의 구조와 두께는 공정 파라미터를 조정하여 제어할 수 있습니다.
(4) 환경을 오염시키지 않는 환경 친화적인 프로세스입니다.
플라즈마는 고온 플라즈마와 저온 플라즈마로 나눌 수 있습니다. 저온 플라즈마의 예로는 오로라, 형광등, 전기 아크, 요오드 텅스텐 램프 등이 있으며, 핵융합과 태양심은 고온 플라즈마에 속합니다.
저온 플라즈마(비평형 플라즈마라고도 함)에서 무거운 입자의 온도는 상온에 가깝고 전자의 온도는 10³~10⁴K 정도로 높습니다.
기체가 절연체에서 도체로 변하는 것을 기체 방전이라고 하며, 이를 위해서는 일정한 전기장 세기와 기체 내에 하전 입자가 존재해야 합니다. 전기장에서는 하전 입자가 방향성 운동으로 이동하여 하전 입자와 가스 원자 사이, 하전 입자와 전극 사이에 일련의 물리적 및 화학적 변화가 일어납니다. 이는 하전 입자 간의 충돌로 인해 기체 여기와 이온화를 일으킵니다.
충돌로 인해 원자의 전자가 정상 에너지 준위에서 더 높은 에너지 준위로 전이되어 준안정 여기 원자가 생성됩니다. 여기된 전자가 기저 상태로 돌아오면 광자(글로우)의 형태로 에너지를 방출합니다. 하전 입자 충격의 에너지가 충분히 크면 원자에서 전자를 밀어내어 이온화를 일으킬 수 있습니다.
1. 이온 질화 메커니즘
(1) 콜벨 이온 스퍼터링 질화 모델
고에너지 질소 이온이 음극에 영향을 미쳐 음극 표면에서 Fe 원자가 스퍼터링됩니다. 그런 다음 Fe 원자는 N 원자와 반응하여 FeN을 형성하고, 이는 공작물 표면에 재침착됩니다(후방 산란).
전이성 FeN은 다음과 같은 순서로 분해됩니다: FeN → Fe₂-₃N → Fe₄N. 이 과정에서 분해된 N 원자는 강철의 표면 또는 표면 근처로 침투합니다.
동시에 그림 7에 표시된 것처럼 강철 표면에 외부에서 내부로 향하는 Fe₂-₃N(ε 상)과 Fe₄N(γ' 상)의 질화 층이 형성됩니다.
그림 7 콜벨 이온 스퍼터링 질화 모델
(2) 새로운 이온 질화 모델
새로운 직류(DC) 이온 질화 모델의 다이어그램은 그림 8에서 확인할 수 있으며, 이온 질화 장치의 설계는 그림 9에 나와 있습니다.
그림 8 새로운 DC 이온 질화 모델
그림 9 이온 질화 장치의 개략도
2. 이온 질화 공정
(1) 세척된 공작물을 이온 질화로에 넣고 약 1Pa의 압력으로 진공 처리해야 합니다.
(2) 소량의 질소가 풍부한 가스를 도입하고 DC 고전압 전원 공급 장치를 활성화하여 가스가 빛나고 방전되도록 해야 합니다.
(3) 공작물 표면을 스퍼터링하고 청소해야 합니다.
(4) 공기 압력과 전압을 조정하고 공작물을 필요한 가공 온도로 가열한 후 질화를 시작해야 합니다.
(5) 원하는 질화 층 두께를 얻기 위해 공작물을 지정된 시간 동안 필요한 온도로 유지해야 합니다.
(6) 전원이 차단되면 진공 환경에서 공작물을 200°C 이하로 냉각해야 합니다. 질화된 공작물의 표면이 은회색으로 나타납니다.
3. 조직 유형 및 이온 질화의 영향 요인
질화는 590°C(유텍토이드 온도)보다 낮은 온도 범위에서 수행됩니다. 질소 함량이 증가함에 따라 질화 층의 구조는 다음과 같이 외부에서 내부로 변화합니다: 그림 10과 같이 ε → ε + γ' → γ' + 확산층 → α 확산층으로 변화합니다.
그림 10 질화(560℃×5시간) 후 38CrMoAl 강철의 표면 구조 모폴로지
이온 질화 층에 영향을 미치는 주요 요인은 다음과 같습니다:
(1) 질화 온도: 질화 층의 두께는 온도가 증가함에 따라 증가합니다.
(2) 질화 시간: 질화 초기 단계(30분 미만) 동안 질화 속도는 다음과 비교하여 훨씬 빠릅니다. 가스 질화. 시간이 지남에 따라 침투 속도가 감소하고 결국 가스 질화 속도에 도달합니다.
(3) 질소 가스: 일반적으로 사용되는 질소 가스에는 암모니아, 질소+수소 등이 있습니다.
(4) 질소 가스 압력, 전압 및 전류 밀도:
4. 이온 질화 층의 성능
이온 질화 층의 성능은 주로 다음 지표를 기준으로 평가합니다:
(1) 경도: 질화 층의 경도는 질화 온도, 강철에 존재하는 합금 원소의 유형 및 질화 온도에 의해 결정됩니다. 강철 유형.
(2) 피로 강도: 질화는 공작물의 피로 강도를 향상시킬 수 있으며 확산 층의 두께에 따라 증가합니다.
(3) 인성: 질화 층에서 확산 층의 인성이 가장 높고 단상 화합물 층(ε 상 또는 γ' 상)이 그 뒤를 따르며 γ' + ε 혼합상은 가장 낮은 인성을 갖습니다.
(4) 내마모성: 다른 질화 방식에 비해 이온 질화는 구름 마찰에 대한 내마모성이 가장 우수합니다.
일반적으로 사용되는 강종의 이온 질화 공정은 표 1에 나와 있습니다.
표 1 일반적으로 사용되는 강종의 이온 질화 공정
| 강철 등급 | 프로세스 매개변수 | 표면 경도 (HV0.1) | 화합물 레이어 깊이 (µm) | 총 코팅 깊이 (mm) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 온도(oC) | 시간(시간) | 압력(Pa) | ||||
| 38CrMoaIa | 520～550 | 8～15 | 266～532 | 888～1164 | 3～8 | 0.30～045 |
| 40Cr | 520～540 | 6～9 | 266～532 | 750～900 | 5～8 | 0.35～0.45 |
| 42CrMo | 520～560 | 8～15 | 266～532 | 750～900 | 5～8 | 0.35～0.40 |
| 3Cr2w8V | 540～550 | 6～8 | 133～400 | 900~1000 | 5～8 | 0.20～0.90 |
| 4Cr5MoVI | 540～550 | 6～8 | 133～400 | 900~1000 | 5～8 | 0.20～0.30 |
| Crl2MiV | 530～550 | 6～8 | 133～400 | 841～1015 | 5～7 | 0.20～0.40 |
| QT60-2 | 570 | 8 | 266～400 | 750～900 | ___ | 0.30 |
레이저 표면 처리 기술에는 고유한 레이저의 특성 빔을 사용하여 재료의 표면을 처리하고 특정 두께의 처리 층을 형성합니다. 이를 통해 재료 표면의 기계적, 야금학적, 물리적 특성이 크게 향상됩니다. 결과적으로 부품과 공작물의 마모, 부식, 피로에 대한 저항성을 향상시켜 효율적이고 확고한 표면 처리 기술로 자리 잡았습니다.
1. 특징
(1) 레이저 빔 처리는 소재 표면의 높은 화학적 균일성, 미세한 결정 입자, 표면 경도 증가를 가져옵니다. 따라서 인성은 그대로 유지하면서 내마모성이 향상되고 표면 성능이 높아집니다.
(2) 이 프로세스는 입력 열이 낮고 열 변형이 최소화됩니다.
(3) 높은 에너지 밀도와 빠른 처리 시간이 특징입니다.
(4) 레이저가 닿을 수 있는 깊은 구멍, 홈 및 기타 복잡한 부위와 같은 특정 부위에 치료할 수 있습니다.
(5) 이 프로세스에는 진공이 필요하지 않거나 화학적 오염이 발생하지 않습니다.
(6) 처리하는 동안 표면층은 마르텐사이트 변형을 겪고 잔류 압축 응력을 유지하여 피로 강도를 향상시킵니다.
2. 레이저 표면 처리 장비
레이저 표면 처리 장비는 다음과 같이 구성됩니다:
3. 레이저 표면 처리 기술의 원리와 특성
레이저는 동일한 위상, 특정 파장, 강한 방향성을 가진 전자기파의 일종입니다. 레이저 빔은 일련의 거울과 렌즈로 제어되며, 이를 통해 직경이 작고(최소 0.1mm) 출력 밀도가 높은(10⁴~10⁹W/cm² 범위) 빔에 초점을 맞출 수 있습니다.
레이저와 금속 사이의 상호작용은 광선의 흡수, 에너지 전달, 금속 구조의 변화, 레이저 작용 냉각 등 레이저의 강도와 방사 시간에 따라 여러 단계로 나눌 수 있습니다.
레이저 표면 처리 기술은 고출력 밀도 레이저 빔을 사용하여 비접촉 방식으로 재료 표면을 가열하고, 표면의 열전도도를 이용해 표면을 냉각하고 표면 강화를 달성합니다.
이 기술은 재료 가공에 몇 가지 이점을 제공합니다:
4. 레이저 표면 처리 후 조직 유형
레이저 가열 과정은 매우 빠르기 때문에 상 변화 과정에서 높은 수준의 과열이 발생합니다. 그 결과 결정 핵의 핵 형성 속도가 빨라집니다.
가열 시간이 짧기 때문에 탄소 원자 확산과 입자 성장이 제한되어 더 작고 오스테나이트 곡물.
냉각 속도도 다른 담금질제보다 빨라 히든바늘이나 미세바늘을 쉽게 만들 수 있습니다. 마르텐사이트 구조.
레이저 빔으로 처리된 강철 표면에 형성된 조직의 유형은 관찰을 통해 확인할 수 있습니다.
저탄소강은 두 개의 층으로 나눌 수 있습니다: 바깥층은 숨겨진 바늘이 있는 완전히 담금질된 영역입니다. 마르텐사이트 구조로 표시되며, 내부 층은 불완전하게 담금질된 영역으로 페라이트가 남아 있습니다.
중탄소강은 4개의 층으로 이루어져 있는데, 바깥쪽 층은 경도가 800HV인 흰색의 밝은 히든 니들 마르텐사이트로 일반적인 담금질 경도보다 100개 이상 높습니다. 두 번째 층은 히든 니들 마르텐사이트와 소량의 트루스타이트의 조합으로 경도가 약간 낮습니다. 세 번째 층은 히든 니들 마르텐사이트, 메쉬 트루스타이트, 소량의 페라이트의 조합입니다. 네 번째 층은 크립토니들 마르텐사이트와 완전한 페라이트 메쉬로 구성됩니다.
고탄소강 또한 바깥층은 암호화 마르텐사이트, 안층은 암호화 마르텐사이트와 용해되지 않은 탄화물의 조합으로 이루어진 두 개의 층으로 이루어져 있습니다.
주철은 크게 세 가지 층으로 나눌 수 있습니다. 표면층은 용융 및 응고의 수지상 결정으로 구성되며 스캐닝 속도가 증가함에 따라 감소합니다. 두 번째 층은 크립토니들 마르텐사이트와 소량의 잔류 흑연 및 인의 공융 구조입니다. 세 번째 층은 더 낮은 온도에서 형성된 마르텐사이트입니다.
5. 레이저 표면 처리 기술의 분류
(1) 레이저 상전이 경화
레이저 담금질이라고도 하는 레이저 상전이 경화에는 고에너지 밀도 레이저 빔을 사용하여 공작물 표면을 조사하는 방식이 사용됩니다. 대상 영역은 빛 에너지를 즉시 흡수하여 열로 변환하여 레이저 작용 영역의 온도가 급격히 상승하고 구조 유형이 다음과 같이 급격하게 변화합니다. 오스테나이트. 빠른 냉각 과정을 거친 후 매우 미세한 마르텐사이트 및 기타 구조물이 생성됩니다.
다음은 레이저 담금질의 주요 특징입니다:
(2) 레이저 표면 클래딩
레이저 표면 클래딩은 레이저 빔으로 합금 또는 세라믹 분말과 기판 표면을 빠르게 가열하고 녹여 표면 강도를 향상시키는 공정입니다. 그런 다음 빔을 제거하여 재료가 냉각되고 응고되도록 합니다.
다음은 주요 특징입니다:
(3) 레이저 표면 합금
레이저 표면 합금은 고에너지 레이저 빔을 사용하여 기본 재료의 얇은 층을 외부 합금 원소와 빠르게 녹이고 혼합하는 공정입니다. 그 결과 10~1000μm의 두께를 가진 표면 용융층이 형성됩니다.
응고 중 용융층의 냉각 속도는 10⁵~10⁸ ℃/s로, 담금질 기술을 통해 달성한 냉각 속도와 비슷할 수 있습니다.
또한 용융층 액체의 확산 및 표면 장력의 물리적 현상으로 인해 50μs~2ms의 짧은 시간 내에 미리 정해진 깊이와 화학적 조성의 표면 합금층이 형성됩니다.
레이저 표면 합금 공정의 가장 큰 장점은 조성, 구조 및 성능의 변화가 용융 영역과 작은 영향 영역에서만 발생하여 매트릭스에 대한 열 효과를 최소화하고 변형을 최소화한다는 것입니다. 이 공정은 전반적인 구조적 특성을 희생하지 않고 표면 사용 요구 사항을 충족합니다.
녹는 깊이는 다음을 조정하여 제어합니다. 레이저 파워 및 조사 시간. 모재에 0.01 ~ 2mm 두께의 표면 합금층을 형성할 수 있습니다.
냉각 속도가 빠르기 때문에 분리가 최소화되고 결정 입자가 상당히 정제됩니다.
(4) 레이저 충격 경화
펄스 지속 시간이 수십 나노초인 고피크, 고출력 밀도의 레이저 빔을 금속 타겟에 쏘면 금속 표면이 레이저 에너지를 흡수하고 순간적으로 기화하여 고온, 고압 플라즈마가 생성됩니다.
플라즈마가 감금 층에 갇히면 고강도 압력 충격파가 발생하여 금속 표면에 충격을 가한 다음 금속으로 전파됩니다.
충격파의 피크 압력이 동적 압력을 초과하는 경우 항복 강도 의 경우, 재료 표면에 변형 경화를 일으켜 재료에 큰 압축 응력을 남깁니다.
이 과정을 레이저 충격 강화라고 하며, 레이저 샷 피닝이라고도 합니다. 이 방법은 깊은 변형 영향층, 제어 가능한 충격 영역 및 압력, 다음 사항에 대한 영향 최소화 등의 이점이 있습니다. 표면 거칠기간편한 자동화를 지원합니다.
샷 피닝에 비해 레이저 충격 치료는 잔류 압축 응력 층이 2~5배 더 깊어져 1mm에 달할 수 있습니다.
반면 압출 및 충격 강화와 같은 강화 기술은 평평하거나 일정한 모양의 표면에만 적용할 수 있습니다.
또한 레이저 충격 강화는 강화된 영역의 표면 거칠기와 치수 정확도를 보존할 수 있습니다.
(5) 레이저 표면의 비정질화
레이저 표면 비정질화는 레이저로 생성된 용융 풀의 급속 냉각 조건을 사용하여 특정 합금의 표면에 특수한 비정질 층을 형성하는 프로세스입니다.
다른 비정질화 방법에 비해 레이저 비정질화는 공작물 표면에 넓은 면적의 비정질 층을 생성할 수 있으며 비정질 층의 구성을 확장할 수도 있습니다.
고에너지 전자빔을 사용하여 재료 표면의 온도를 높이고 구성과 구조를 변경하여 성능을 개선하는 과정을 전자빔 표면 처리라고 합니다.
전기장의 고속 전자를 에너지 운반체로 사용하며 전자 빔은 최대 10⁹W/cm²의 에너지 밀도를 가질 수 있습니다.
다음은 전자빔 표면 처리의 주요 기능입니다:
1. 전자빔 표면 처리 기술의 원리
전자 빔은 음극 필라멘트에서 생성되는 고에너지 전자의 흐름입니다.
음전하를 띤 전자 빔이 전위가 높은 양극을 향해 고속으로 이동하면서 가속기에 의해 가속되고 전자기 렌즈에 의해 초점이 맞춰져 빔의 파워가 향상됩니다.
두 번째 초점을 맞춘 후에는 에너지 밀도가 고도로 집중되어 공작물 표면의 작은 영역으로 빠른 속도로 돌진합니다.
전자빔이 전달하는 대부분의 운동 에너지는 열 에너지로 변환되어 재료 표면의 충격을 받은 부분이 마이크로초 이내에 섭씨 수천도까지 급격히 상승합니다. 이로 인해 재료가 순식간에 녹거나 증발합니다.
2. 전자빔 표면 처리 기술용 장비
전자빔 표면 처리 기술 장비는 5가지 시스템으로 구성되어 있습니다:
3. 전자빔 표면 처리 기술의 특징
공작물은 진공 챔버에서 가열되어 산화 또는 탈탄. 표면 상 변화 강화 프로세스에는 냉각 매체가 필요하지 않습니다. 대신 매트릭스 자체의 냉각 거동에 의존하여 "녹색 표면 강화"를 달성할 수 있습니다.
전자빔의 에너지 변환율은 약 80%~90%로 에너지가 집중되고 열 효율이 높습니다. 이를 통해 국소 상변환 강화 및 표면 합금을 달성할 수 있습니다.
전자빔의 집중된 열로 인해 열 작용점이 작고 가열 중 열 응력이 최소화됩니다. 또한 얕은 경화 층으로 인해 구조적 응력이 최소화되고 표면 변형이 왜곡을 강화합니다.
전자빔 표면 처리 장비의 비용은 레이저 장비보다 저렴하여 일회성 투입 비용이 레이저 비용의 1/3 미만이며 전자빔 처리 비용은 레이저 처리 비용의 절반에 불과합니다.
전자빔이 회전하여 자기 편향을 통해 스캔하는 방식으로 장비 구조가 간단합니다. 공작물의 회전, 이동 또는 광 투과 메커니즘이 필요하지 않습니다.
전자빔 표면 처리는 적용 범위가 넓어 강철, 주철 등 다양한 소재의 표면 처리는 물론 복잡한 형상의 부품에도 사용할 수 있습니다.
전자빔은 쉽게 여기되어 X-선을 발생시킬 수 있으므로 사용 중 전자빔으로부터 보호하는 것이 중요합니다.
4. 전자빔 표면 처리 기술의 분류
전자빔 표면 처리 기술의 분류는 그림 11에 나와 있습니다.
그림 11 전자빔 표면 처리 기술의 분류
(1) 전자빔 표면 상 변화 강화
마르텐사이트 변형을 겪는 금속의 경우 공정의 성공 여부는 매개변수 제어에 달려 있습니다. 전자 빔의 평균 전력 밀도는 10⁴~10⁵ W/cm² 사이여야 하고, 가열 속도는 10³~10⁵ ℃/s여야 합니다. 냉각 속도는 10⁴ ~ 10⁶ ℃/s에 도달할 수 있어야 합니다.
전자 빔의 빠른 융합은 과포화 고용체를 생성하여 소재를 강화하고 초미세 마르텐사이트를 형성합니다. 이렇게 하면 재료의 경도가 증가하고 표면에 잔류 압축 응력이 남게 되어 내마모성이 향상됩니다.
(2) 전자빔 표면 재용융 처리
전자빔 재용융은 합금의 화학 원소를 재분배하고 특정 원소의 미세 분리를 줄여 공작물의 표면 성능을 개선하는 기능을 가지고 있습니다.
또한 재용융 공정은 진공 환경에서 진행되기 때문에 표면 산화를 방지하는 데 도움이 됩니다.
결과적으로 전자빔 재용융은 화학적 활성 마그네슘의 표면 개선에 이상적인 처리법입니다. 알루미늄 합금.
(3) 전자빔 표면 합금
일반적으로 텅스텐(W)과 같은 원소입니다, 티타늄 재료의 내마모성을 향상시키기 위해 티타늄(Ti), 붕소(B), 몰리브덴(Mo) 및 그 탄화물이 합금 원소로 선택됩니다.
니켈(Ni) 및 크롬(Cr)과 같은 원소를 추가하면 재료의 내식성을 향상시킬 수 있습니다.
또한 코발트(Co), 니켈(Ni), 실리콘(Si) 등의 원소를 적절히 조합하면 전체적인 합금 효과를 높일 수 있습니다.
(4) 전자빔 표면의 비정질화 처리
전자 빔의 평균 출력 밀도를 10⁶~10⁷ W/cm² 범위로 높이고 노출 시간을 약 10⁵초로 단축하면 기판과 금속의 용융 표면 사이에 상당한 온도 구배를 생성할 수 있습니다.
전자빔 조사가 중단되면 금속 표면의 냉각 속도는 10⁷~10⁹ s-¹로 기존 비정질 준비 공정의 냉각 속도인 10³~10⁶ s-¹ 범위를 크게 뛰어넘습니다.
결과적으로 얻어진 비정질 구조는 밀도가 높고 피로와 부식에 대한 우수한 내성을 자랑합니다.
(5) 전자빔 표면의 얇은 층을 어닐링합니다.
전자빔을 표면의 얇은 층을 어닐링하는 열원으로 활용하면 필요한 전력 밀도가 이전 방식에 필요한 것보다 훨씬 낮아져 재료의 냉각 속도가 느려집니다.
이 방법은 주로 금속 재료로 만든 얇은 스트립의 표면 처리에 사용됩니다.
또한 전자빔 어닐링은 반도체 소재에도 효과적으로 적용되고 있습니다.
5. 전자빔 표면 강화 기술 적용
전자빔 처리를 통해 금형강 표면이 강화된 후 재료의 가장 바깥쪽 층이 용융됩니다. 용융된 층의 두께가 약 10μm에 도달하면 이 용융으로 인해 표면 미세 경도가 감소합니다.
표면 카바이드 입자가 매트릭스 고용체 크롬에 용해되어 에너지가 증가하여 과포화 고용체가 강화되고 초미세 마르텐사이트가 형성됩니다. 그 결과 시료의 미세 경도가 955.2 HK에서 1169 HK로 증가하고 상대 내마모성이 5.63배 증가합니다.
폭격이 잦을수록 영향을 받는 부위가 더 깊어지고 미세 경도가 더 많이 증가합니다.
전기 스파크 표면 처리 기술은 에너지 저장 전원이 전극을 통과하여 10~2000Hz 범위의 주파수에서 전극과 공작물 사이에 스파크 방전을 생성하는 원리를 기반으로 합니다.
전도성 재료로 만들어진 전극이 공작물 표면에 녹아 표면의 물리적, 화학적 특성을 향상시키는 합금 층을 형성합니다.
EDM 표면 강화 레이어의 효과는 기본 재료와 [...]의 영향을 모두 받습니다. 전극 재료. 일반적인 전극 재료로는 TiC, WC, ZrC, NbC, Cr이 있습니다.3C2및 초경합금.
1. EDM 표면 처리 기술 프로세스
그림 12는 전기 스파크 표면 처리 기술의 프로세스를 보여줍니다.
그림 12(a)에서 전극과 공작물 사이의 거리가 큰 경우 전원 공급 장치는 저항 R을 통해 커패시터를 충전하고 진동기의 작용으로 전극을 공작물에 더 가깝게 가져옵니다.
그림 12(b)는 전극과 공작물 사이의 간격이 일정 거리에 도달하면 강한 전기장이 간격의 공기를 이온화하여 스파크 방전을 일으킨다는 것을 보여줍니다.
방전은 전극과 공작물 사이의 접촉 지점에서 금속의 부분적인 용융 또는 기화를 유발합니다. 전극이 계속해서 공작물에 접근하여 접촉하면 스파크 방전이 멈추고 접촉 지점을 통해 단락 전류가 흐르면서 추가 가열이 이루어집니다.
그림 12(c)에서 전극에서 공작물에 가해지는 적절한 압력은 용융된 재료가 결합하고 확산되어 합금 또는 새로운 화합물을 형성하도록 보장합니다.
마지막으로 그림 12(d)와 같이 오실레이터의 작용을 통해 전극이 공작물에서 분리됩니다.
그림 12 EDM 표면 강화 공정의 개략도
(1) 물리 화학 야금 공정 고온과 고압에서
스파크 방전에 의해 생성된 고온으로 인해 공작물 표면의 전극 재료와 매트릭스 재료가 부분적으로 녹습니다. 가스의 열팽창과 전극의 기계적 충격력에 의해 생성된 압력으로 인해 전극 재료와 매트릭스 재료가 융합되어 물리적, 화학적 상호 작용을 하게 됩니다. 질소 및 산소와 같은 이온화된 가스 원소의 상호 작용은 기판 표면에 특수 합금을 생성합니다.
(2) 고온 확산 프로세스.
확산 과정은 용융 영역과 액체와 고체 상 사이의 경계에서 모두 발생합니다.
확산 시간이 짧기 때문에 액체 원소가 매트릭스로 확산되는 것이 제한되어 확산 층이 얕아집니다. 그러나 이를 통해 매트릭스와 합금 층 사이의 금속학적 결합을 개선할 수 있습니다.
(3) 빠른 상 변화 프로세스.
공작물 매트릭스의 열 영향 영역은 빠른 가열 및 냉각을 경험하여 용융 영역 근처의 부분이 오스테나이트화 및 마르텐사이트화 변환을 겪게 됩니다. 이 프로세스는 입자 구조를 개선하고 경도를 높이며 잔류 압축 응력을 생성합니다.
이러한 효과는 피로 근력 향상에 도움이 됩니다.
2. 전기 스파크 표면 처리 기술의 특성
(1) 장점:
장비가 간단하고 비용 효율적입니다;
강화층과 기판 사이의 결합이 강력하고 안정적입니다;
공작물의 내부 온도가 낮게 유지되거나 변하지 않아 구조와 성능의 변화를 방지하고 어닐링 및 변형을 방지합니다;
낮은 에너지 및 재료 소비량;
처리 개체에는 크기 제한이 없으므로 대형 공작물의 로컬 처리에 이상적입니다;
표면 강화 효과가 상당합니다;
과도하게 마모된 공작물을 수리하는 데 사용할 수 있습니다;
간편한 조작과 마스터하기.
(2) 단점:
표면 강화층은 일반적으로 0.02~0.5mm 깊이에 불과할 정도로 얕습니다;
표면 거칠기가 매우 낮지 않습니다;
작은 구멍과 좁은 홈은 가공이 어렵기 때문에 표면 강화층의 균일성과 연속성이 떨어집니다.
1.전기 도금의 정의 및 원리
전기 도금은 표면 처리 프로세스 전기 화학 원리를 활용하여 도금 대상 품목의 표면에 특정 유형의 금속 코팅을 증착하는 방식입니다.
전기 도금의 원리: 도금할 모재는 도금을 위해 원하는 금속이 포함된 염 용액에서 음극 역할을 합니다.
그런 다음 전기 분해 과정을 통해 도금 용액에 있는 원하는 금속의 양이온이 모재 금속 표면에 증착되어 도금층이 형성됩니다(그림 13 참조).
그림 13 전기 도금 원리
전기 도금의 목적:
전기 도금을 통해 기본 재료와 다른 특성을 가진 표면층을 얻을 수 있습니다. 이 층은 표면의 부식 및 마모에 대한 저항력을 향상시킬 수 있습니다.
일반적으로 코팅의 두께는 수 미크론에서 수십 미크론까지 다양합니다.
전기 도금의 특징:
전기 도금 공정에 사용되는 장비는 비교적 간단하고 작동 조건을 쉽게 제어할 수 있습니다.
사용 가능한 코팅 재료의 범위가 넓고 비용이 상대적으로 저렴하기 때문에 전기 도금은 다양한 산업에서 재료 표면 처리에 널리 활용되는 방법이 되었습니다.
2.코팅의 분류
코팅은 성능에 따라 몇 가지 유형으로 분류할 수 있습니다:
예를 들어, 수리를 위해 Ni, Cr, Fe 층을 전기 도금할 수 있습니다. 코팅과 모재 사이의 전기 화학적 특성에 따라 코팅은 양극 코팅과 음극 코팅으로 나눌 수 있습니다.
양극 코팅은 모재에 대한 코팅의 전위가 음수일 때 발생합니다. 예를 들어 강철에 아연 코팅을 하는 것이 이에 해당합니다. 반면 음극 코팅은 모재에 대한 도금층의 전위가 양수일 때 발생합니다. 예를 들어 강철의 니켈 도금 및 주석 도금 층이 이에 해당합니다.
조합 형태에 따라 코팅은 단층 코팅(Zn 또는 Cu 층 등), 다층 금속 코팅(Cu-Sn/Cr 코팅, Cu/Ni/Cr 코팅 등), 복합 코팅(Ni-Al₂O₃ 코팅, Co-SiC 코팅 등)으로 나눌 수 있습니다.
코팅 성분에 따라 분류하면 코팅은 다시 단일 금속 코팅, 합금 코팅, 복합 코팅으로 나눌 수 있습니다.
3. 기본 전기 도금 용액의 구성
소금 침전물에서 발견되는 주요 금속염은 다음과 같습니다:
황산구리 및 황산니켈과 같은 단일 염류;
아연산나트륨 및 시안화아연나트륨과 같은 복합 염류.
착화제는 증착되는 금속 이온과 복합체를 형성하며 주로 도금 용액의 전기 화학적 특성을 변경하고 금속 이온 증착 공정을 조절하는 역할을 합니다.
착화제는 도금 솔루션의 중요한 구성 요소이며 코팅 품질에 큰 영향을 미칩니다.
일반적인 착화제에는 시안화물, 수산화물, 피로인산염, 타르타르산염, 니트릴로트리아세트산, 구연산 등이 있습니다.
전도성 염의 목적은 도금 용액의 전도도를 높이고, 탱크 종단 전압을 낮추며, 공정에서 전류 밀도를 높이는 것입니다.
예를 들어, Na2SO4 를 니켈 도금 솔루션으로 전환합니다.
전도성 염은 전극 반응에 참여하지 않으며, 산과 염기 모두 전도성 물질로 사용할 수 있습니다.
버퍼는 약산성 또는 약알칼리성 수조에서 중요한 공정 파라미터입니다.
버퍼는 도금 용액의 pH 값을 조정하고 도금 공정 중에 안정적인 pH를 유지하기 위해 첨가됩니다.
완충액은 산-염기 균형을 효과적으로 제어할 수 있는 충분한 양이 있어야 하며, 일반적으로 염화칼륨 아연 도금 용액에 붕산과 같은 30-40g/L의 양을 첨가합니다.
양극 활성화제는 전기 도금 공정 중에 금속 이온에 의해 지속적으로 소모됩니다.
대부분의 전기 도금 솔루션은 용해성 양극에 금속 이온을 공급하여 음극에 증착된 금속의 양이 양극에서 용해된 금속의 양과 같도록 하여 도금 솔루션의 조성을 균형 있게 유지합니다.
활성화제를 추가하면 부동태화 없이 양극의 활성을 유지하고 정상적인 용해 반응을 유지할 수 있습니다.
예를 들어, 니켈 양극의 부동태화를 방지하기 위해 니켈 도금 용액에 염화칼륨(Cl-)을 첨가해야 합니다.
도금조의 성능과 코팅의 품질을 향상시키기 위해 특수 첨가제를 첨가합니다. 이 단계는 전기 도금에서 매우 중요합니다.
첨가물의 양은 일반적으로 리터당 몇 그램으로 소량이지만 그 영향은 상당합니다.
이러한 첨가제에는 다양한 유형이 있으며, 다음과 같이 분류할 수 있습니다:
(1) 브라이트너 - 코팅의 밝기를 개선합니다.
(2) 입자 정제제 - 코팅의 결정화 조건을 변경하고 결정 입자를 정제하며 코팅을 조밀하게 만듭니다.
예를 들어, 아연산염 아연 도금 욕조에 에피클로로히드린과 아민의 응축물을 첨가하면 코팅이 스펀지 같은 느낌에서 조밀하고 밝은 느낌으로 바뀔 수 있습니다.
(3) 레벨링 에이전트 - 도금 용액의 미세 분산 기능을 개선하고 기판의 미세한 거친 표면을 매끄럽게 합니다.
(4) 습윤제 - 금속과 용액 사이의 계면 장력을 줄여 코팅이 기판에 더 잘 밀착되도록 하고 핀홀을 줄입니다.
(5) 스트레스 완화제 - 코팅의 스트레스를 줄여줍니다.
(6) 코팅 경화제 - 코팅의 경도를 향상시킵니다.
(7) 마스킹 에이전트 - 미량 불순물의 영향을 제거합니다.
4.전기 도금 공정의 기본 단계
전기 도금 공정의 기본 단계는 액상에서의 질량 전달, 전기 화학적 환원, 전기 결정화입니다.
5.전기 도금 품질에 영향을 미치는 요인
(1) 도금 솔루션:
도금 용액의 품질을 결정하는 주요 요인으로는 주염의 용해도, 이온 배위, 추가 염의 존재 여부, pH 값, 수소 발생 가능성, 전류 밀도, 전류 파형, 첨가제, 온도 및 교반과 같은 전류 파라미터가 있습니다. 모재 금속의 특성과 표면 처리 상태도 전처리 공정과 마찬가지로 중요한 역할을 합니다.
(2) 전기 도금 방법: 랙 도금
랙 도금은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 바나듐(V) 등의 금속을 수용액에서 개별적으로 전기 도금할 수 없는 금속을 전기 도금하는 방법입니다. 이러한 금속을 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)과 같은 철족 원소와 함께 증착하면 합금을 형성하여 단일 금속으로는 구현할 수 없는 외관을 얻을 수 있습니다.
(3) 합금 증착 조건
합금을 성공적으로 입금하려면 두 가지 조건이 충족되어야 합니다:
두 금속 중 적어도 하나는 그 염의 수용액에서 증착될 수 있어야 합니다.
두 금속의 증착 전위는 서로 매우 가까워야 합니다.
무전해 도금은 화학 반응을 활용하여 기판 표면에 금속을 증착하여 도금층을 형성하는 표면 처리 방법의 일종입니다. 전류를 사용하여 증착 공정을 진행하는 전기 도금과 달리 무전해 도금은 용액의 금속 이온을 금속으로 환원하는 화학 반응에 의존합니다.
무전해 도금을 수행하는 방법에는 세 가지가 있습니다.
1.D배치 증착
엔지니어링에서 침지 도금 공정은 용액에 존재하는 도금할 금속(M1, 예: Fe)보다 더 양이온인 금속 M2(예: Cu)로 공작물 표면에 증착된 금속 이온을 대체하는 과정을 포함합니다.
금속 M1이 금속 M2로 완전히 덮이면 증착이 중지되므로 코팅 두께가 제한됩니다.
변위 증착은 철 침지 구리 도금, 구리 침지 수은 도금 및 알루미늄 아연 도금과 같은 공정에 사용됩니다.
침지 도금은 실용적인 코팅을 생산하기 어려울 수 있으므로 다른 도금 방법의 보조 공정으로 자주 사용됩니다.
2.C온택트 입금
도금 공정에는 M1과 M2 외에도 세 번째 금속인 M3가 사용됩니다.
M2 이온이 용액에 존재하면 두 금속 M1과 M3이 연결되고 전위가 높은 M3에서 전위가 낮은 M1로 전자가 흐르면서 M2가 환원되어 M1에 증착됩니다.
접촉 금속 M1이 M2로 완전히 덮이면 증착이 중지됩니다.
언제 무전해 니켈 도금 는 자가 촉매 특성이 없는 기능성 물질에서 수행되며, 접촉 증착은 종종 니켈 증착을 시작하는 데 사용됩니다.
3.R교육 증착
산화를 통해 자유 전자를 방출하는 환원제의 환원을 통해 금속 이온을 금속 원자로 변환하는 과정을 환원 증착이라고 합니다.
반응 방정식은 다음과 같이 표현할 수 있습니다:
환원제 산화
Rn+ → 2e- + R(n + 2)+
금속 이온 감소
M2+ + 2e- → M
"엔지니어링의 화학 도금"이라는 용어는 주로 환원 증착 화학 도금 공정을 의미합니다.
무전해 도금의 조건은 다음과 같습니다:
많은 금속의 종류 및 무전해 도금에 사용할 수 있는 합금으로, 무전해 니켈 도금과 무전해 구리 도금이 가장 일반적으로 사용되는 무전해 니켈 도금과 무전해 구리 도금을 포함하여 Ni-P, Ni-B, Cu, Ag, Pd, Sn, In, Pt, Cr 및 많은 Co 기반 합금이 있습니다.
무전해 도금은 일반적으로 내식성, 내마모성이 우수합니다, 브레이징 특성 및 기타 특수한 전기적 또는 자기적 특성으로 인해 재료의 표면 특성을 개선하는 데 효과적인 방법입니다.
열분사 기술 및 열분사 용접 기술 열 에너지원(예: 산소-아세틸렌 불꽃, 전기 아크 또는 플라즈마 불꽃)을 사용하여 특수 코팅 재료를 녹여 작업물에 도포하여 보호 층을 형성합니다.
이 기술은 비교적 두꺼운 코팅(0.1~10mm 범위)을 만들 수 있는 것으로 알려져 있으며 주로 복합층 구성 요소의 제조 및 수리에 활용됩니다.
1.열분사 기술
(1) 열분사 기술의 원리 및 특성
열 스프레이에서는 다양한 열원을 사용하여 코팅 재료를 용융 또는 반용융 상태로 가열합니다. 그런 다음 그림 14와 같이 고속 가스를 사용하여 용융된 재료를 분산 및 정제하여 고속으로 기판 표면에 충격을 가해 코팅을 형성합니다.
그림 14 열분사 기본 공정의 개략도
열 스프레이 프로세스는 크게 네 단계로 구성됩니다:
(2) 코팅 재료
열 분무는 코팅 재료에 대한 특정 요구 사항이 있으며, 다음 조건을 충족해야 합니다:
코팅 재료는 모양에 따라 와이어와 파우더의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
(3) 용사 코팅의 조합 메커니즘
기계적 본딩: 이 유형의 본딩에서는 용융 상태의 입자가 기판 표면과 충돌하여 얇고 평평한 액체 층으로 퍼집니다. 이 층은 기판의 물결 모양 표면에 매립되어 기계적 결합을 형성합니다.
금속 결합: 이 유형의 결합은 코팅과 기판 표면 사이의 확산 및 용접을 통해 이루어집니다.
물리적 결합: 고속으로 움직이는 용융 입자가 기판 표면과 충돌할 때 계면 양쪽의 거리가 원자 격자 상수 범위 내에 있으면 반데르발스 힘에 의해 입자들이 서로 결합합니다.
(4) 코팅의 형성 과정
스프레이 재료가 용융 상태에 도달할 때까지 가열합니다.
그런 다음 재료를 작은 물방울로 분무하여 기판 표면을 향해 고속으로 분사합니다.
입자가 기판에 미치는 충격이 강하고 운동 에너지가 클수록 결과물인 코팅의 결합력이 강해집니다.
용융된 고속 입자는 기판 표면과 충돌하면 변형되고 결국 응축되어 코팅을 형성합니다.
코팅의 형성은 그림 15에 나와 있습니다.
그림 15 코팅 형성 과정의 개략도
코팅 구조는 다양한 크기의 평평한 입자, 녹지 않은 구형 입자, 내포물 및 기공으로 구성됩니다.
모공의 존재는 다음과 같은 이유로 인해 발생할 수 있습니다:
코팅의 기공을 잘 제어하면 윤활유 저장 능력, 단열 성능 향상, 단열재 사용량 감소 등 여러 가지 이점을 얻을 수 있습니다. 내부 스트레스와 열 충격에 대한 저항력을 높였습니다.
그러나 과도한 기공은 내식성 감소, 표면 거칠기 증가, 결합 강도, 경도 및 내마모성 감소 등 코팅에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
따라서 코팅을 준비하는 동안 코팅의 기공 수를 신중하게 조절하는 것이 중요합니다.
2.열분사 용접 기술
(1) 용사 용접 기술의 원리 및 특성
용사 용접 기술은 열을 사용하여 코팅 재료를 재용융 또는 부분적으로 녹인 다음 기판 표면에 응축시켜 기판과 금속학적 결합을 가진 표면층을 만드는 공정으로, 소결이라고도 합니다.
다른 표면 처리 방법에 비해 용사 용접으로 생성된 구조는 금속학적 결함이 최소화되고 기판과의 결합 강도가 높으며 밀도가 높습니다. 하지만 다음과 같은 한계가 있습니다. 재료 선택. 열 스프레이에 비해 기판 변형이 더 크고 열 스프레이 층의 구성이 원래 구성에서 변경됩니다.
(2) 열분사 용접 기술의 분류
열 스프레이 용접 기술은 크게 화염 스프레이 용접과 플라즈마 스프레이 용접의 두 가지 범주로 나뉩니다.
화염 스프레이 용접: 이 공정은 기판 표면에 분말을 분사한 다음 불꽃으로 코팅을 직접 가열하여 기판 표면의 코팅을 재용융하는 방식으로 이루어집니다. 기판의 표면이 완전히 젖고 원소가 계면에서 확산되어 강력한 야금 결합을 형성합니다. 화염 스프레이 용접은 장비와 공정이 간단하고 코팅과 기판 사이의 결합 강도가 높으며 코팅의 내식성이 우수하다는 특징이 있습니다.
플라즈마 스프레이 용접: 이 방법은 플라즈마 아크 를 열원으로 사용하여 기판을 가열하여 표면에 용융 풀을 형성합니다. 동시에 스프레이 용접 분말 재료가 플라즈마 아크에 도입되고 아크 컬럼에서 예열됩니다. 그런 다음 분말은 화염에 의해 용융 풀에 분사되어 완전히 용융되고 가스와 슬래그를 배출합니다. 스프레이 건을 제거한 후 합금 용융 풀이 응고되어 스프레이 용접 층을 형성합니다.
플라즈마 스프레이 용접의 특징:
(3) 열분사 용접 기술과 열분사 기술의 차이점:
공작물 표면 온도: 스프레이 중 공작물의 표면 온도는 250°C 미만, 스프레이 용접 중 온도는 900°C 이상이어야 합니다.
본딩 상태: 스프레이 코팅은 주로 기계적 결합을 통해 함께 유지되며, 스프레이 용접 층은 야금 결합을 통해 형성됩니다.
분말 재료: 스프레이 용접은 자체 용융 합금 분말을 사용하는 반면, 용사 용접에 사용되는 분말에는 제한이 없습니다.
코팅 구조: 열 스프레이 코팅은 기공이 있는 반면 플라즈마 스프레이 용접 층은 균일하고 콤팩트하며 기공이 없습니다.
지지력: 플라즈마 스프레이 용접 층은 충격 하중과 높은 접촉 응력을 견딜 수 있습니다.
희석 비율: 플라즈마 스프레이 용접 층의 희석 비율은 약 5% ~ 10%이며, 용사 코팅의 희석 비율은 0에 가깝습니다.
화학적 변환 코팅 기술은 화학적 또는 전기화학적 방법을 통해 금속 표면에 안정적인 화합물 막을 형성하는 기술입니다.
이 기술은 주로 공작물의 부식 방지 및 표면 장식에 활용되며, 이러한 부품의 내마모성을 향상시킬 수도 있습니다.
특정 조건에서 특정 금속과 부식성 액상이 접촉하여 화학 반응을 일으키는 것입니다.
이 반응은 농도 편광과 양극-음극 편광으로 인해 금속 표면에 강한 접착력을 가진 불용성 부식 생성물 층을 생성합니다.
이 필름은 물과 같은 부식성 물질로부터 모재를 보호하고 유기 코팅 필름의 접착력과 내노화성을 향상시킬 수 있습니다.
생산에 사용되는 두 가지 주요 형태의 변환 필름 기술은 인산염 처리와 산화 처리입니다.
1.인산염 처리
인산염 처리란 강철 소재를 인산염 용액으로 처리하여 불용성 인산염 막을 형성하는 공정입니다. 이 공정에 관련된 단계는 다음과 같습니다:
인산염 필름은 인산철, 인산망간, 인산아연 등으로 구성되며 회백색 또는 회흑색 결정으로 나타납니다. 이 필름은 모재 금속과 강한 결합을 형성하며 저항성이 높습니다. 산화물 필름에 비해 인산염 필름은 부식에 대한 저항성이 높습니다.
인산염 필름은 대기, 유성 및 벤젠 매질에서 부식에 대한 내성은 우수하지만 산, 알칼리, 암모니아, 바닷물 및 증기에 대한 내성은 약합니다.
인산염 처리의 주요 방법은 담그기, 분무, 담그기와 분무의 조합입니다. 인산염 처리는 용액의 온도에 따라 상온, 중온, 고온 인산염 처리로 다시 분류됩니다.
이 함침 방식은 고온, 중온, 저온 인산염 처리 공정에 이상적입니다. 이 방법은 모든 형태의 공작물을 처리할 수 있으므로 간단한 장비와 안정적인 품질로 다양한 두께의 인산염 필름을 만들 수 있습니다.
두꺼운 인산염 필름은 주로 공작물의 부식 방지 처리와 표면의 마찰 방지 특성을 향상시키는 데 사용됩니다.
스프레이 방식은 중온 및 저온 인산염 처리 공정에 적합하며 자동차 껍질, 냉장고, 세탁기 및 페인트 프라이머로 사용되는 기타 대형 품목과 같은 대면적 작업물이나 저온 변형 처리에 이상적입니다. 이 방법은 처리 시간이 짧고 필름 형성 속도가 빠르지만 얇거나 중간 두께의 인산염 필름만 생산할 수 있습니다.
2.O산화 처리
(1) 강철 산화 처리
블루링이라고도 하는 강철 산화 처리는 강철 공작물을 산화 용액에 노출시켜 표면에 조밀하고 단단한 Fe3O4 필름을 형성하는 공정입니다. 이 필름의 두께는 약 0.5~1.5마이크로미터입니다.
블루링은 일반적으로 부품의 정밀도에 영향을 미치지 않으며 도구와 기기의 장식적인 보호를 위해 자주 사용됩니다. 이 처리는 공작물 표면의 내식성을 개선하고 잔류 응력을 완화하며 변형을 줄이고 표면 외관을 향상시킬 수 있습니다.
강철 산화 처리에 가장 일반적으로 사용되는 방법은 알칼리성 방법입니다. 산화 용액의 구성 및 공정 조건은 공작물의 재료 및 성능 요구 사항에 따라 선택할 수 있습니다.
일반적으로 사용되는 용액은 수산화나트륨 500g/L, 아질산나트륨 200g/L, 물로 구성되며, 균형은 물입니다. 용액은 약 140°C의 온도에서 6~9분 동안 처리해야 합니다.
(2) 알루미늄 및 알루미늄 합금 산화 처리
아노다이징
아노다이징은 공작물을 전해질에 넣고 전류를 흘려 경도가 높고 흡착력이 강한 산화막을 만드는 방법입니다. 가장 일반적으로 사용되는 전해질은 15%~20% 농도의 황산, 3%~10% 농도의 크롬산, 2%~10% 농도의 옥살산입니다.
양극 필름은 뜨거운 물로 처리하여 부피 팽창으로 인해 폐쇄되는 수분 함유 알루미나로 산화막을 변환할 수 있습니다. 또한 산화막의 결정 틈새를 통해 부식성 물질이 기판에 침투하는 것을 방지하기 위해 중크롬산 칼륨 용액으로 밀봉할 수도 있습니다.
화학적 산화 ② 화학적 산화
화학적 산화는 공작물을 약알칼리 또는 약산성 용액에 담가 알루미늄 기판에 단단히 결합된 산화막을 생성하는 방법입니다. 이 방법은 주로 건축용 녹 방지 알루미늄 및 간판용 장식용 필름과 같은 알루미늄 및 알루미늄 합금의 표면 장식뿐만 아니라 공작물의 내식성 및 내마모성을 향상시키는 데 사용됩니다.
증착 기술은 증착 요소가 포함된 증기상 물질을 재료 표면에 증착하여 박막을 형성하는 새로운 형태의 코팅 기술입니다. 이 과정은 물리적 또는 화학적 방법을 통해 이루어질 수 있습니다.
증착 공정의 원리에 따라 증착 기술은 물리적 기상 증착(PVD)과 화학 기상 증착(CVD)의 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다.
1.P물리 기상 증착
물리적 기상 증착(PVD)은 물리적 방법을 사용하여 진공 조건에서 재료를 원자, 분자 또는 이온으로 기화시키는 기술입니다. 그런 다음 기화된 재료는 기체상 공정을 통해 재료 표면에 증착되어 박막을 형성합니다.
PVD에는 진공 증착, 스퍼터링 증착, 이온 도금의 세 가지 주요 방법이 있습니다.
진공 증착은 필름을 형성하는 재료를 증발 또는 승화시켜 작업물 표면에 증착하는 것을 포함합니다. 사용되는 가열 방법은 증발 재료의 융점에 따라 다르며 저항 가열, 전자빔 가열 또는 레이저 가열이 포함될 수 있습니다. 진공 증발은 장비와 공정이 간단하다는 장점이 있지만 기화된 입자의 낮은 운동 에너지로 인해 코팅과 피착재 간의 결합이 약해져 충격과 내마모성이 떨어지는 단점이 있습니다.
스퍼터링 증착은 진공 상태에서 아르곤을 이온화하여 가속된 아르곤 이온을 형성하고 음극에 충격을 가하는 과정을 포함합니다. 스퍼터링된 입자는 공작물 표면에 증착되어 필름을 형성합니다. 이 방법은 적용 가능한 재료의 범위가 넓고 투사력이 좋다는 장점이 있지만 증착 속도가 느리고 장비가 비싸다는 단점도 있습니다.
이온 도금은 진공 상태에서 가스 방전 기술을 사용하여 증발된 원자를 이온화하여 고에너지 중성 입자와 함께 공작물 표면에 증착합니다. 이 방법을 사용하면 접착력이 강하고 평탄화 능력이 우수하며 증착 속도가 빠른 고품질 코팅을 얻을 수 있습니다. 하지만 이온 도금에 사용되는 장비는 복잡하고 고가입니다.
PVD는 적용 가능한 베이스 재료와 필름 재료의 범위가 넓고, 재료가 절약되고 오염이 없는 간단한 공정입니다. 결과물인 필름은 접착력이 강하고 필름 두께가 균일하며 핀홀이 거의 없습니다. PVD는 기계, 항공우주, 전자, 광학, 경공업 등의 산업에서 내마모성, 내식성, 내열성, 전도성, 절연성, 광학, 자기, 압전 및 초전도 필름을 제조하는 데 널리 사용됩니다.
2. 화학 기상 증착
화학 기상 증착(CVD)은 기체 혼합물이 특정 온도에서 기판 표면과 상호 작용하여 기판 표면에 금속 또는 화합물 필름을 형성하는 공정입니다.
다음은 CVD의 주요 특징 중 일부입니다:
내마모성, 내식성, 내열성, 전기 및 광학 분야의 특수 특성으로 인해 CVD는 기계 제조, 항공 우주, 운송, 석탄 화학 등의 산업에서 널리 사용되어 왔습니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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