샷 피닝이 소재 표면에 미치는 놀라운 영향

샷 피닝은 다른 표면 개질 방법에 비해 비교적 간단한 표면 강화 공정이지만 그 효과는 매우 큽니다. 항공우주, 기관차, 자동차 등 다양한 산업 분야에서 사용됩니다.

샷 피닝의 원리는 발사체를 사용하여 재료에 충격을 가하여 표면에 작은 구멍을 만들고 소성 변형을 일으키는 것입니다. 이로 인해 금속 표면에 잔류 응력이 발생합니다. 표면 아래의 압축된 결정 입자는 원래 모양으로 복원되어야 하며, 이를 통해 재료의 표면을 강화하는 균일한 잔류 압축 응력 층이 생성됩니다.

촬영 결과 피닝를 사용하면 재료의 표면층이 구조적 변화를 겪습니다. 입자가 더 미세해지고 전위 밀도와 격자 왜곡이 증가하며 높은 잔류 압축 응력이 형성됩니다. 이 잔류 스트레스 는 소재의 피로 저항성과 피로 수명은 물론 강도, 경도, 응력 부식에 대한 저항성 및 고온 산화 특성을 크게 향상시킵니다.

I. 테스트용 자료

이 테스트는 고강도, 우수한 내열성, 우수한 가공성 및 우수한 재료로 알려진 2A14 알루미늄 합금으로 만든 배럴 모양의 부품을 사용했습니다. 전기 용접 용접 이음새 성능. 이 소재의 구체적인 구성은 표 1에 나와 있습니다.

표 1 2A14 알루미늄 합금 화학 성분

2A14 알루미늄 합금 배럴 모양의 부품은 네 그룹으로 나뉘었습니다(그림 1 참조),

• 의 첫 번째 그룹 표면 거칠기 값입니다: Ra = 0.30-0.65 μm;
• 표면 거칠기 값의 두 번째 그룹입니다: Ra = 2.20-4.71 μm;
• 표면 거칠기 값의 세 번째 그룹입니다: Ra = 6.5-7.1 μm;
• 표면 거칠기 값의 네 번째 그룹입니다: Ra = 1.40-1.75 μm.

(a) 1그룹

 (b) 두 번째 그룹

(c) 세 번째 그룹

(d) 4번째 그룹

그림 1 샷 피닝 전 부품

테스트는 SP1200 G4 공압 쇼트 블라스팅 기계를 사용하여 수행되었으며, 그 작동 원리는 그림 2에 나와 있습니다. 유리 섬유 강화 플라스틱 샷을 음압 상태에서 고압 노즐에 흡수시킨 다음 고압으로 부품 표면에 샷을 추진했습니다.

테스트에 사용된 쇼트 블라스팅 펠릿은 AGB70 사양의 유리 펠릿으로 만들어졌으며 AMS 2431/6 표준을 충족했습니다. 그 외관은 그림 3에 나와 있습니다.

그림 2 샷 피닝 치료

그림 3 유리 펠릿

샷 피닝의 강도는 그림 4에 표시된 자체 제작 툴링을 사용하여 검증했습니다. ALMEN 시험편을 검증하기 위한 표준 베이스는 자체 제작한 툴링에 나사로 단단히 고정되었고, ALMEN 표준 시험편은 표준 베이스에 고정되었습니다.

ALMEN 표준 테스트 피스는 SAE J 442 및 AMS 2431/2 문서의 요구 사항을 모두 준수했습니다. 요구 사항을 충족하기 위해 최소 4번의 테스트가 수행되었습니다.

그림 4 홈메이드 작업 기구

II. 테스트 방법

1. 샷 피닝 압력 및 샷 흐름 선택

샷 피닝 공정 중에 발사체는 특정 운동 에너지로 재료 표면으로 추진되어 특정 기압 하에서 일정한 흐름을 형성합니다. 발사체의 속도와 충격력은 기압에 의해 결정되며, 재료의 소성 변형 정도는 샷 피닝의 강도에 의해 결정됩니다.

포화 곡선을 그리고 ALMEN 테스트 피스의 검증을 통해 포화점을 결정하여 해당 샷 피닝 강도를 결정할 수 있습니다. 공기 흐름 압력을 결정할 때는 재료 표면의 마모를 줄이기 위해 더 낮은 압력을 사용하는 것이 좋습니다.

단위 시간당 발사되는 발사체 수인 발사체 유량은 기류 압력과 관련이 있습니다. 기류 압력이 낮으면 유량도 낮아야 합니다. 이 경우 0.5×105Pa의 기류 압력이 선택되어 발사체 유량은 3kg/min이 되었습니다.

스프레이 건의 상하 이동 속도를 조절하여 다양한 샷 피닝 강도를 얻을 수 있습니다. 스프레이 건의 이동 속도를 300mm/min, 600mm/min, 900mm/min으로 조정하여 각각 0.35mm(A), 0.31mm(A), 0.27mm(A)의 샷 피닝 강도를 가진 부품을 얻었습니다.

2. 샷 피닝 시간 결정 및 커버리지 감지

샷 피닝 시간은 ALMEN 테스트 피스의 포화 시간에 따라 결정됩니다. 그러나 부품 표면에서 100% 커버리지를 달성하는 데 필요한 시간은 테스트 피스의 포화 시간을 기준으로 사용할 수 있습니다.

평균 커버리지에 대한 무작위 통계를 기반으로 하는 아브라미 방정식은 입자의 도착 속도가 일정하다고 가정합니다. 방정식은 다음과 같습니다:

공식에서,

• C는 커버리지(%)입니다;
• n은 아브라미 인덱스입니다;
• r은 움푹 들어간 부분의 반경입니다;
• R은 움푹 들어간 부분을 형성하는 평균 속도입니다;
• t는 움푹 들어간 부분을 형성하는 데 필요한 시간입니다.

아브라미 방정식에 따르면 커버리지 비율은 100%에 가까워지지만 이론적으로 100%에 도달하는 것은 불가능합니다. 최종 10% 커버리지에 도달하는 데 필요한 시간은 초기 90% 커버리지에 필요한 시간보다 1.5배 더 큽니다. 마지막 1% 커버리지에 도달하는 데 필요한 샷 피닝 시간은 전체 시간의 약 20%를 차지하며, 마지막 2% 커버리지에 필요한 시간은 전체 시간의 거의 40%에 달합니다. 99% 커버리지의 경우, 85%의 위치가 최소 2회 이상, 50%가 5회 이상 도달했습니다.

일반적으로 커버리지 비율이 98%에 도달하면 100% 커버리지와 동일한 것으로 간주합니다. 하지만 100% 커버리지에 도달하면 샷 피닝이 과도하게 발생할 수 있습니다. 커버리지 비율을 98%로 제어하면 샷 피닝 시간을 크게 줄일 수 있습니다.

아브라미 방정식에 따르면 구덩이의 반경은 발사체의 반경과 같고 구덩이 형성의 평균 속도는 대략 제트 속도와 같습니다. 100% 커버리지에 도달하는 데 필요한 시간은 20분입니다.

표면 커버리지는 형광법을 사용하여 측정합니다. 샷 피닝 전에 부품 표면에 형광 약제를 도포하고 검은색 조명 아래에서 조명을 비추어 완전한 커버리지를 확인합니다. 그런 다음 부품을 샷 피닝합니다. 샷 피닝 후 부품을 다시 검은색 조명 아래에서 조명하고 형광이 없거나 거의 없으면 커버리지가 100%로 간주됩니다. 구체적인 공정은 그림 5에 설명되어 있습니다.

(a) 부품 표면에 대한 형광 코팅의 영향

(b) 샷 피닝 전 부품

(c) 샷 블라스팅 후 파트 효과

그림 5 형광법에 의한 커버리지 테스트 프로세스.

부품을 선택한 후 그림 6과 같이 블라스팅 후 표면 지형을 추가로 검사했습니다. 그림 6a와 6b를 보면 펠릿 크레이터가 부품 표면 전체에 고르게 분포되어 있으며, 이는 형광 커버리지 테스트 결과와 일치하여 누락된 표면이 없음을 나타냅니다. 그림 6c에서 볼 수 있듯이 확대하면 표면에 균열이 없고 더 조밀하고 강화된 층이 형성되어 있습니다.

（a）

（b）

（c）

그림 6 알루미늄 배럴의 샷 피닝 후 표면 형태

III. S표면 거칠기 분석

표면 거칠기를 측정하기 위해 팁 곡률 반경이 약 2μm인 다이아몬드 스타일러스를 사용합니다. 스타일러스의 위아래 움직임은 전기 길이 센서에 의해 전기 신호로 변환됩니다. 증폭, 필터링, 계산을 거쳐 표면 거칠기 값이 미터에 표시되고 Ra 값을 사용하여 평가됩니다.

2A14 알루미늄 합금의 표면 거칠기는 거칠기 측정기를 사용하여 테스트하고 표 2와 같이 샷 피닝 전과 후의 거칠기를 측정했습니다. 샷 피닝을 하지 않은 부품의 표면 거칠기 값이 낮으면 샷 피닝 후 거칠기가 증가하기 시작합니다. 이는 부품의 표면 경도가 높지 않고 표면이 비교적 균일하며 발사체에 의해 생성되는 충격 에너지가 고르지 않아 상대적으로 평평한 표면에 더 큰 구덩이가 형성되어 표면 거칠기 값이 증가하기 때문입니다.

그러나 샷 피닝된 부품의 표면 거칠기 값이 높으면 이미 표면이 불균일하고 고르지 않습니다. 발사체의 균일한 속도는 표면의 소성 변형을 유발하여 거칠고 고르지 않은 표면을 실제로 평평하게 만듭니다.

표 2 샷 피닝 공정이 알루미늄 합금의 표면 거칠기에 미치는 영향

표 2는 다양한 샷 피닝 강도에서 표면에서 생성되는 강도가 클수록 상대적으로 강도가 낮은 표면에 미치는 영향이 더 크다는 것을 보여줍니다. 그러나 표면 거칠기에 미치는 영향의 전반적인 추세는 일관적입니다.

샷 피닝이 부품 표면에 미치는 실제 영향은 주로 발사체가 표면으로 전달되는 에너지에 따라 달라지며, 이는 주로 발사체의 질량과 속도에 의해 결정됩니다.

그림 7은 발사체 입자의 힘과 가속 방향에 대한 개략도를 보여줍니다.

그림 7 발사체 파티클의 힘과 가속 방향

뉴턴의 제2법칙에 따르면 발사체의 미분 방정식은 다음과 같이 설명할 수 있습니다:

F 는 발사체 파티클이 받는 항력이며, 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

공식에서,

• M은 발사체의 질량(kg)입니다;
• C_x 는 항력 계수입니다;
• v_G 는 출력 공기 속도입니다;
• p_G 는 노즐 출력 공기 밀도(kg/mm3)입니다;
• v_t 는 노즐 출력 기류의 발사체 속도(m/s)입니다;
• d는 발사체의 직경(mm)입니다.

발사체 파티클의 미분 방정식입니다:

공식에서,

• t 는 발사체가 노즐을 통해 가공된 표면에 분사되는 시간(초)입니다;
• p 는 발사체의 밀도입니다.

열역학 공식에 따르면

공식에서,

• p0 및 ρ0은 각각 표준 대기압과 표준 대기압 아래의 밀도입니다;
• P그리고 ρ_G 는 각각 작동 압력 및 작동 압력 하에서의 밀도입니다.

발사체의 질량은 무시할 수 있으며, 발사체의 움직임에 대한 최종 미분 방정식은 다음과 같습니다:

여기서 c는 경계 조건이 다음과 같은 경우 적분 상수입니다. t=0이고 발사체 속도 v=0, c=1/v_G따라서

위에서 도출한 공식을 통해 샷 피닝 공정의 다양한 파라미터가 표면 성능에 미치는 영향을 추론할 수 있습니다:

• 노즐에서 출력되는 발사체의 속도, 발사체가 부품 표면에 도달하는 데 걸리는 시간, 발사체의 밀도 및 주파수와 관련된 발사체의 운동 에너지입니다.
• 부품의 표면 거칠기를 더 잘 제어하려면 발사체의 속도와 샷 입자의 크기를 조정해야 합니다.
• 블라스팅 후 부품의 표면 거칠기는 표면의 미세한 형상 특성뿐만 아니라 표면 피트 프로파일의 최대 높이와 고르지 않은 표면의 제어를 반영합니다.
• 샷 피닝 공정이 표면 거칠기에 미치는 영향은 샷의 강도뿐만 아니라 샷 입자의 크기와 표면의 커버리지에 의해서도 결정되며, 이는 서로 상응하는 관계를 갖습니다.

IV. C포함

(1) 스프레이할 수 없는 특정 표면이 있어 표면 커버리지가 양호하고 균열이 없어 비교적 조밀한 강화층을 형성합니다.

(2) 동일한 유형의 발사체의 샷 피닝 강도에 따라 특정 범위 내에서 부품의 표면 거칠기가 달라질 수 있습니다. 예를 들어

• 표면 거칠기 값이 Ra=0.30~0.65μm 사이인 경우 표면 거칠기는 Ra=2.2μm까지 증가할 수 있습니다.
• 표면 거칠기 값이 Ra=1.40~1.75μm인 경우, 샷 블라스팅 후 표면 거칠기는 원래 표면 거칠기와 비슷한 Ra=1.6μm 내외로 유지됩니다.
• 표면 거칠기 값이 Ra=2.8-7.1μm 사이인 경우 표면 거칠기는 Ra=2.3-6.1μm로 감소할 수 있습니다.

(3) 샷 피닝 공정의 다양한 파라미터가 표면층의 성능에 미치는 영향은 발사체 입자의 미분 방정식에서 도출되며, 그 원인은 다음과 같을 수 있습니다:

• 발사체의 운동 에너지와 노즐에서 나오는 공기 흐름의 속도입니다.
• 발사체가 부품 표면에 도달하는 데 걸리는 시간입니다.
• 발사체의 밀도 및 빈도입니다.

샷 피닝 공정이 강할수록 약한 공정에 비해 표면에 미치는 영향은 더 커지지만 표면 거칠기에 미치는 영향의 전반적인 추세는 변하지 않습니다.