표면처리/ SHOOT PEENING(쇼트 피닝) 공법
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
SHOOT PEENING(쇼트 피닝) 공법
1.SHOOT PEENING의 유례
옛날의 군도나 마차의 스프링을 만들 때, 지금도 대장간에서 식칼을 벼를 때는 관찰하면 단조온도 훨씬 이상 또는 다 식은 후에도 오랫동안 햄머로 두들긴다. 이것은 칼날의 수명 을 길게 하거나 또는 재질을 단단하게 하는 일종의 냉각단조 효과로서 그 이론을 따지지 않고 오랫동안 전래되어온 비법 아닌 비법인 것이다.

쇼트 피이닝 공법은 쇼트라고 불리는 작은 금속입자를 고속으로 제품표면에 투사하여 작 은 쇼트입자가 표면을 HAMMERING하는 공법이다. 미국이 1940년대에 이 공법을 거의 모 든 기계공업에 실제로 도입하여 특히 자동차공업에 일대혁명을 가져왔다.
당시 일본산업계 는 이공법을 알고 있지 못하였고 연구실에서만 연구도중 태평양전쟁에서 노확한 미국 자동 차를 분해하여 세밀한 검사를 하던 중 금속 표면에 미세한 압낭을 발견하여 SHOT PEENING공법을 실시 하였음을 알아내었으나 실제 산업에 적용치 못한 채 대전이 종결되었다.

일본은 다행히 한국전쟁 중에 미군자동차의 수리 또는 부품의 제작을 미국으로부터 다량 수주하여 미국의 MILITARY SPECIFICATION에 의거한 제작도움을 받게된 신운으로 거의 모든 자동차 부품에 이론적 뒷받침을 제껴둔채 실제산업에 SHOT PEENING공법을 도입 하게되었고 이후 학계, 산업계가 실제를 뒷받침하는 이론이나 연구에 착수하기에 이르 렀으니 50년대에서 60년대라고 할 수 있다.

우리나라는 70년대 초반에 주물 청정용으로 쇼트 블라스트 기계가 도입되어 쇼트 블라스트 공법은 주물공장에서만 사용되는 것으로 알게되어 쇼트 블라스트 기계의 분류가 주조설비의 절시에 들어가게 되었고, 70년 후반에는 주강의 DESCALING용으로도 사용하게 되었으며 SHOT PEENING 용으로는 스프링계 1, 2계사에서 사용하기에 이르렀다.

자동차 부품에는 스프링을 제외하고는 거의 SHOT PEENING을 하지 않다가 자동차가 수출하기에 이르러 다소의 클레임 발생에 대한 외국기관의 규명에서 SHOT PEENING 해 야할 부분에서 PEENING하지 않는 것이 원인으로 규명된 건수가 수개 나타나서 자동차 MAKER와 자동차부품 SHOT PEENING공법에 대하여 조사연구 하였으며, 일부업체에서 SHOT PEENING을 시작한 단계이니, 우리나라의 SHOT PEENING은 80년대 부터라고 보 아야할 것이다.

2.SHOT PEENING
SHOT PEENING에 대하여는 오래 전부터 많은 연구가와 학자들이 금속학적 입장에서 많 은 연구논문을 발표하여 왔으나, X광선 또는 고무가 발견되지 오랜 후에야 겨우 실용화된 것과 마찬가지로 실제로 공법으로 사용하기까지에는 오랜 동안의 GAP이 있었다.

국내기계 공업계가 이 공법을 현재 적용하기까지는 미국에서의 실용화로부터 40년간이란 GAP을 갖고 있으며, 그간 많은 연구 보고서들이 있었으므로 본고에서는 이론 보다 실제 적용예를 소개하고 기회 있을때 그 이론을 종합하여 소개하고자 한다.

쇼트 피이닝이란 작은 구형의 금속입자를 상당한 고속으로 금속표면에 충동시켜 얻은 냉간 단조공법이라 정의 할수 있다. 좀더 구체적으로 설명하면 쇼트의 입자는 E=1/2mV²의 운 동에너지를 갖고, 작은 HAMMER역활로 금속표면을 강타하여 순간적으로 국부적인 발열을 일으키고 표면에 박히며 국부적인 승복점을 기과하게하여 영구변형을 주고 쇼트는 반발하 여 표면에서 이탈하게 된다. 이때 곰보의 깊이는 표면에서 0.1-0.8mm에 달하게 된다.
br> 변형층 바로 아래층은 항복점에는 달하지 아니하였으므로 강성은 존속하게 된다. 이층은 늘어나 표면층을 늘어나기 전의 상태로 유지 할려는 힘이 작용하고 있게되어 표면에는 잔유 압축응력, 내부는 인장 응력을 갖고 평형을 이루게 된다.
경험적으로 이 표면의 잔류 압축응 력은 내부인장응력의 수배의 크기에 달한다. 일반적으로 부품에 사용 응력이 가해지면 표면 에는 인장응력이 가해지는데 이 잔류 압축응력이 이를 상실하게 된다.

일반적으로 FATIGUE FAILURE는 압축응력에서 오는 것이 아니고 인장응력의 누적에서 오는 것이므 로 SHOT PEENING 효과로서 피로강도가 상당히 추가되어, 부품의 수명을 상식이상으로 증대시키게 된다.

3.SHOT PEENING
일반적으로 SHOT PEENING은 BENDING이나 TWISTING을 받는 부품의 피로수명을 연 장시키는데 특별한 효과가 있으며 축방향의 PUSH-PULL STRESS에 대하여는 효과가 없 다.
축방향 인장력만 받는 STAY BOLT 같은데는 효과가 없으나 하중 또는 진동을 받아서 생기는 TWISTING또는 BENDING STRESS에 대하여는 물론 효과가 있다.
일반적으로 널 리 알려진 부품으로서 SHOT PEENING을 하고 있는 것을 나열하면
1)CRANK SHAFT 2)AXLE SHAFT 3)PIVOT SHAFT 4)PROPELLER SHAFT 5)PROPELLER SHANK 6)UNIVERSAL JOINT 7)ROCKER ARM 8)PISTON 9)PISTON PIN 10)CYLINDER BLOCK 11)CRANK CASE 12)CONNECTING ROD 13)TORSION BAR 14)TRANSMISSION SHAFT 15)VALVE SPRING WASHER 16)STEERING KNUCHLE 17)TANK PIN 18)TANK TREAD 19)TANK TRACK PIN 20)TRACK LINK 21)CHAIN LIKE 22)ENGINE QUILL 23)GEAR 24)SPLINE 25)GUN PARTS 26)JET ENGINE BLADE 27) COMPRESSOR BLADE 28)IMPELLER PARTS 29)DRILL STEEL 30)MILLING CUTTER 31)COIL SPRING 32)LEAF SPRING 33)BEARINGS 34)PNEUMATIC DRILL 35)자동차 FRAME 및 부품 36)비철금속표면 등이다.
SHOT PEENING 가공은 원칙적으로 최후가공 공정후에 실시한다. 즉 절삭사공, 열처리, 연삭가공후에 SHOT PEENING 한다.
특별히 연질재료인 경우에는 SHOT PEENING 후에 HONING정도의 가벼운 가공을 하는 수도 있다.

4.SHOT PEENING의 이점 피로저항
SHOT PEENING은 내마모 또는 내피로를 향상시키는 공법으로서 설계에서는 허용능력 을 수 10%증가시키는 공법이라고 말할수 있다. 허용능력을 향상시키면 동일하중에서의 수 명은 엄청난 배수로 승감한다.

이와 같은 사실을 가장 알기 쉽게 설명할 수 있는 간단한 실험의 예를 들어보면 6.35㎜두 께의 펑스프링을 AISI 9260 STEEL로 만들어 QUENCHING후 HRC 40-45 TEMPRING 한 것을 CONSTANT DEFLECTION TYPE FATIGUE MACHIN을 사용하여 STRESS CYCLE을 0에서 최대까지의 GRAPH를 작성한 것이 그림 2이다.

그림 2

위의 CURVE는 SHOT PEENING을 한것이고 CURVE는 SHOT PEENING가공을 하지 않 은 것이다. 평균수명이 100,000CYCLE을 요한다면 허용능력은 PEENING않은 것이 125.000PSI (약 8,789Kg/ cm²) PEENING한 경우에는 155,000PSI(DIR10,898Kg/cm²)로서 24%증가이고 500,000CYCLE에서는 92,000PSI(약6,469Kg/cm²)대125,000PSI(약 8,789Kg/cm ²)35% 증가이다.

한편 동일한 허용능력에서의 수명을 비교하면 125,000PSI에서 PEENING한 것은 500,000 CYCLE의 수명이고 PEENING하지 않은 것은 100,000CYCLE의 수명밖에 되지 않으므로 이 경우 PEENING 하지 않은것의 수명은 300,000CYCLE이고 PEENING한 것은 GRATH에서 명시한것과 같이 무한대한 수명으로서 PEENING효과로서의 수명증가는 무한대한 효과가 있다고 말할 수도 있게된다. 이하에 대표적인 실례가 보고된 것을 간추려 기재한다.

(1)코일 스프링
5,500%수명증가: Cr-Si강, HRC 61-63 쇼트 피이닝 효과 5.500%의 수명증가가 있었다.
경도 HRC 52-53의 스프링 보다 피이닝 효과가 훨씬높은 것으로 보고 되었다.
2,000%수명증가: Cr-Si강 OIL TEMPERED헬리컬 스프링 HRC 53.21개시험

(2)판 스프링
600%수명증가: 각종재질의 판 스프링에 대하여 피이닝 효과를 측정한 결과 평균적으로 600%이상의 수명증가가 있었다. 이 보고서의 최소 증가가 350%이었다.

(3)크랭크 샤프트
50%수명증가: 단조재로 제작한 크랭크 샤프트에 쇼트 피이닝한 효과 피로수명이 50내지 100%증가가 있었다.
3,000%수명증가: 진공기 엔진의 크랭크 샤프트가 피이닝 효과 30배의 수명증가가 있었 다.(AMERICAN MACHINSTS)

(4)크랭크 케이스
30%수명증가: AL합금재 크랭크 케이스의 모서리가 균열되는 것을 개선하기 위하여 쇼트 피이닝한 결과 전 크랭크 케이스에 쇼트 피이닝하여 30%의 수명증가를 보고 있다.

(5)액슬 샤프트
400%피로수명증가: 쇼트 피이닝 하지않은 액슬 샤프트가 약 75,000CYCLE의 수명인반면 쇼 트 피이닝한 6개의 평균수명은 379,013CYCLE로서 약 400% 수명증가를 보았다는 보고서가 나와있다.

(6)GENERATOR DRIVE SHAFT
700%수명증가 : 10%TWIST TEST에서 쇼트피이닝한것과 하지않은것을 15개 비교하였더 니 수명비율이 거의 8:1이란 보고서가 나와있다.

(7)CONNECTING RODS
1,000%수명증가 : FORK TYPE CONNECTING ROD를 ONE-DIRECTION BENDING TEST한 결과 POLISH가공만 하고 쇼트피이닝하지 않은 것에 비하여 ROUGH FINISHING 한후 쇼트피이닝한 것이 1,000%의 수명증가가 있었다고 보고되고 있다.

(8)TORSION BAR
600%수명증가: NE-9262TORSION BAR에 쇼트 피이닝한 결과 600%의 수명증가가 있었다. 140%수명증가: 다른 보고서는 피이닝 하지 않은 것의 수명의 35,000 CYCLE이었는데 피이 닝한 것은 85,000CYCLE이다.

(9)STEERING KNUCKLES
350%수명증가:A-4042강제 STEERING KNUCKLE의 평균수명이 520,000 CYCLE인데 쇼트 피이닝결과 2,200,000CYCLE에서도 수명은 끝나지 않았다.

(10)TANK TRACK PIN
100%피로수명증가:1.25INCH(31.75mm)DIA에 0.25 INCH (6.35mm)RADIUS FILLET부에서 파괴되는데 쇼트피이닝한 결과 1,100%수명증가가 있었고 각종의 TANK PIN에 대하여 쇼트 피이닝 효과는 평균 500%이상이었다.

(11)기어
270%수명증가: TRANSMISSION의 LOW SPEED SLISING GEAR에서 쇼트 피이닝호과는 270%수명증가가 있었다. SAE 1020(탄소강)강재에 침탄, 열처리한 기어에 쇼트 피이닝한 효과는 SAE-4620(Ni-Cr-Mo 강) 강재에 침탄 열처리만 한것과 수명이 동일 하였다.
1,500%수명증가 : 기타 각종 보고들을 종합하면 최소 80%에서 1,500%까지에 달하는 수명증 가를 보고하고 있다.

(12) 部 品
350%수명증가 : 각종 보고서를 종합하면 각 부품이 130%에서 350%의 범위에서 수명증가 가 있는 것으로 보고 되고 있다.

(13)밀링 커터
85%수명증가:밀링 커터에 쇼트 피이닝 하였더니 그 수명에 10시간에서 17시간으로 연장되 었다.

(14)용접부위
200%수명증가:M-18엔진 냉각 FAN의 용접부위를 쇼트피이닝 하였더니 수명이 거의 3배가 되었다.

(15)기타
20,000%수명증가 : 주철시편으로 일방향 BENDING TEST를 하였더니 20,000%의 수명증가 가 있었다.
30,000%수명증가 : ARMASTEEL, TEST BAR가 수명이 150,000CYCLE이었는데 쇼트피이 닝 한 것은 5,000,000CYCLE이었다.

(16)STRESS CORROSION CRACKING
700,000%수명증가 : Mg합금시편(AMC-67SH)에 응력을 가하고 크롬가리와 염수에 담그면 120秒에서 CORROISON CRACK이 생기는데 쇼트 피이닝 결과 10일을 견디었다.
1,000%수명증가 : SAE 30915 STAINLESS STEEL 시편을 염산 마그네슘 水 에 응력을 가 한 상태에서 담근결과 270시간의 수명이었는데 쇼트피이닝 한 것은 3,000시간을 견디었다.


표 1

5,쇼트피이닝 강도
강판의 표면(한쪽면)에 쇼트를 투사하면 쇼트의 받은 표면에 강력한 잔유압축응력을 가지게 되므로 강판이 만곡된다.(그림 3)

잔유압축응력이 크면 만곡도 된다. 그러므로 쇼트 피이닝 강도는 이 만곡의 정도로 표시할 수 있다. 미국의 SAE에서는 쇼트 피이닝 강도를 측정하는 ALMEN STRIP 에 대하여 규정 하고 있다.
재질 : SAE 1070 냉연 스프링감 소입후 800。F±25。F 2시간 이상 TEMPERING
경도 : HRC 44-50
크기 : 길이 33"±0.015" 넓이 0.745-0.75" 두께:시편 N. A. C로 구분 / 거리 : 1.5"


A)ARC HEIGHT
쇼트피이닝 강도를 전기 ALMEN STRIP 으로써 표절간의 만곡의 높이로써 표시 할 수 있 다.


그림 3

각종 부품 개개에 대하여 각종의 강도로 쇼트피이닝하여 가장 그 효과가 좋았던 피이 닝 강도를 찾아내어 그 부품에 대하여는 쇼트피이닝 강도 얼마 즉 ARC HEIGHT가 주어진 다.


그림 4

특별부품의 도면에 SHOT PEEN 0.013A"로 표기되어 있으면 "A"STRIP 로서 표절간에 있 어서의 만곡 높이(ARC HEIGHT)0.013"가 될만큼 SHOT PEENING하라는 표시이다.
강도가 弱한 것에는 "N"STRIP, 강한것에는 "C"STRIP으로 표시한다.ALMEN TEST STRIP HOLDER의 규격은 그림 4와 같고 ARC HEIGHT 측정기는 그림 5와 같다.


그림 5

ALMEN TEST STROP HOLDER ALMEN STRIP을 고정시킨후 피가공물에 부착시키고 실제로 쇼트를 투사한후 HOLDER에서 STRIP을 떼내어 ARC HEIGHT 측정기에서 ARCHEIGHT를 얻을수 있었을 때의 쇼트 투사기간(또는 쇼트물에의 노출시간)을 작업표준 시간으로 설정한다.

작업중 가끔 ALMEN TEST STRIP을 부착시켜 ARC HIGHT를 얻을 수 있었을때의 쇼트 투사기간(또는 쇼트물에의 노출시간)을 작업표준시간으로 설정한다. 작 업중 가끔 ALMEN TEST STRIP를 부착시켜 ARC HEIGHT를 확인하여야한다.
B)COVERAGE
쇼트피이닝 강도의 측정방법에는 피사체에 SHOT가 맞은 밀도 즉 일정면적에 대한 쇼트 자 국 면적의 합을 %료 표시하는 방법이 있다,

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그림 6

그러나 이러한 방법은 사용 쇼트의 종류, 크기 피가공물의 재질, 형상 등에 따라 자국이 달라짐으로 절대치가 주어질 수 없다.
그러므로 일반적으로는 주어진 ARC HEIGHT를 얻었을때의 ALMEN TEST STRIP을 관 찰하여 이후 표면이다 그 상태를 육안으로 비교측하는데 방법이 사용된다.
COVERAGE의 경도를 %로 표시할 때에 비교할 표준시간이 규격으로 정하여져있다. 이 마 진은 COVERCGE 55%, 65%, 80%, 90% 등으로 되어있으며 ARC HEIGHT 와 변기하여 COVERAGE는 단순히 쇼트물에 노출시킨 시간과 관계될뿐이고 ARC HEIGHT와 반드시 비례하는 것은 아니라는 사례이다. COVERAGE와 노출시간과의 관계는 그림 6과 같다.


그림 7

C)ARC HEIGHT와 COVERAGE
FIG.7에서 어떤 일정조건하에서 쇼트의 입자크기만을 달리하여 작은 입자로 불라스트한 경우가 A, 굵은 입자로 블라스트한 경우가 B로 표시된 곡선을 얻었다. A의 경우 COVERAGE 100%일 때 ARC HEIGHT는 0.0010"였고 B의 경우는 동일한 ABC HEIGHT 를 얻는데 어떤 일정 시간에서 얻을수 있고 그 시간이 경과되면 ARC HEIGHT는 더 커 지고 일정 시간 경과 후에는 즉, COVERAGE 100%가 되었을때에는 ARC HEIGHT가 어떤 점에서 고정됨을 알수 있다. (그림 7)


그림 8

위의 경우에는 쇼트의 각입자 크기가 균일하다고 규정했을때의 곡선이고 실예에 있어서는 한 기계내의 쇼트의 입자분은 상당히 있다.
쇼트피이닝에 있어서 이 입지분자를 최소한으로 좁히는 것이 작업관리의 요체라고는 하지만 한도가 있을 것이다.
FIG. 8에 있어서 A는 작은 입자. B는 큰입자일때인데 작은입자가 50%이상 일때에는 동일 투사량(중량)에 있어서는 작은입자인 경우의 투사입자가 많기 때문에 COVERAGE 100%로 빨리 달성된다고 볼 수 있다.(그림 8)


그림 9

위 그림 9는 반대로 작은입자가 50%이하일때의 두 곡선이다. 실제작업에 있어서는 상기 와 같이 단 두종류의 쇼트입자만 혼합되는 것이 아니고 더 넓은 입자분자를 갖게 되므로 아래 FIG.10과 같은 그림이 된다.
즉 점선은 각 입자크기의 곡선이고 실선은 이들의 복합곡선이다.
일반적으로 실제에 있어 서는 곡선상에서 포화점을 지난 후에도 완만한 곡선의 상승이 있음을 알 수 있다.
이 사실은 매우 중요한 의미를 갖는 것으로서 실제 작업에 있어서 평균선에 달하지 훨씬 이전인 점 에서 COVERAGE 100%를 얻는다는 사실이다.


그림 10

이상에서는 일정조건하에서 단지 쇼트의 입자크기에 대해서만 감찰한것으로서 쇼크입자의 경도가 다른 경우에도 이와 유사한 사실이 일어난다. 또 유효투 사 밀도면에서도 투사각도의 변화에 따라 유사한 변화가 있음을 알아둘 필요가 있다.
이상 간단히 쇼트피이닝의 효과, 응조절위. 피이닝 강도 등에 대하여 실예를 위한 주의환기를 목 적으로 기술하였고 사용을 위한 쇼트피이닝 기계 및 피이닝용 쇼트 등에 대하여는 다음 기 회로 미루기로 한다.
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