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기차레일 및 휠, 자동차 제동디스크, 자동차 클러치, 공작기계 등 대표적인 기계들을 살펴보면 사용 시간에 따라 점차적으로 성능저하 또는 소음진동 발생이 일어나게 되는데 이것은 장기간 사용으로 인해 부품에 마찰∙마모 발생하기 때문이다.
또한 상대운동을 하는 두 부품간의 간격이 커지면 진동이 심해지고 소음도 커지게 되는 것이다.
예를 들어 기차레일 및 휠은 주철로 제작되는 대표적인 제품이다. 이러한 기계부품들은 일정한 부분들에서 지속적이고 반복적인 접촉이 지속되면서 구름접촉피로 (rolling contact fatigue, RCF) 및 마모가 발생하게 된다.
이러한 현상은 차량의 고속화 및 통과 ...

기차레일 및 휠, 자동차 제동디스크, 자동차 클러치, 공작기계 등 대표적인 기계들을 살펴보면 사용 시간에 따라 점차적으로 성능저하 또는 소음진동 발생이 일어나게 되는데 이것은 장기간 사용으로 인해 부품에 마찰∙마모 발생하기 때문이다.
또한 상대운동을 하는 두 부품간의 간격이 커지면 진동이 심해지고 소음도 커지게 되는 것이다.
예를 들어 기차레일 및 휠은 주철로 제작되는 대표적인 제품이다. 이러한 기계부품들은 일정한 부분들에서 지속적이고 반복적인 접촉이 지속되면서 구름접촉피로 (rolling contact fatigue, RCF) 및 마모가 발생하게 된다.
이러한 현상은 차량의 고속화 및 통과 톤수의 증가에 따라 발생 빈도가 높아지고 안전을 위한 유지보수 비용의 증가로 이어진다. 즉 접촉이 발생하는 부분을 부분적으로 내마모성이 좋은 이종금속으로 보수를 하게된다면 이러한 유지보수 비용절감 효과를 가져 올 수 있다.
하지만 주철의 이종소재 접합의 경우 주철이 난용접성 소재이기 때문에 근본적인 연구가 부족한 실정이다.
4장에서는 탄소함량이 높아 보수가 어려운 난용접소재인 회주철에 대하여 AM (Additive Manufacturing) 공정으로 보수를 진행할때 금속분말 선정, Powder feed rate (5 g/min), Laser beam power (900 W), Nozzle speed (850 mm/min), Gas flow rate (2.5 l/min) 등 조건의 변화에 따른 실험 결과값을 비교하여 최적 공정 조건을 제시하였다.
또한 보수공정 시 HAZ (Heat affected zone) 의 영향으로 경도차가 발생하게 되는데 이는 모재와 적층부 사이 계면에 균열을 발생시키는 원인이 된다. 그리하여 보수공정 전 예열온도에 따른 경도차를 분석하여 AM 공정 시 최적의 예열온도 (200〬C)를 도출하였다. 그리고 기존 보수방법인 용접과 마찬가지로 AM 공정을 이용하게 되면 모재와 적층부 사이 계면에서 인장 잔류응력이 발생하게 된다.
이러한 인장 잔류응력은 제품의 성능저하 및 수명을 단축시키거나, 제품의 열변형을 가져오게 된다. 그리하여 본 연구에서는 주철 보수공정 시 열변형을 최소화 할 수 최소두께 (10 mm)를 해석 및 실험을 통해 확인하였다.
5장에서는 주철에 용접과 AM 공정을 통하여 보수 후 열영향부의 크기에 따른 기계적 특성을 평가하였다.
실제로 용접으로 보수공정을 한 경우 2.2 mm, AM 공정으로 보수할 경우 102 μm 깊이로 열영향부가 발생하였다. 이러한 열영향부의 영향으로 인해 기계적 강도는 3 MPa 발생하였지만 연신률에서는 80% 이상 차이가 발생함을 알 수 있었다.
6장에서는 AM 공정을 이용하여 AISI-P21 과 AISI-H13 금속분말을 통해 보수공정을 진행하였을때 소재의 미시재료적 구조분석과 기계적 특성을 평가하였다.
두 금속분말 모두 모재와 접하는 경계면에서는 일산화탄소 가스생성으로 인해 미세한 기공들을 확인할 수 있었다. 하지만 이러한 미세기공은 기계적 강도에는 큰 영향을 없음을 실험적으로 확인하였다.
7장에서는 AM 공정후 발생하는 여러가지 문제를 해결하기 위해 후처리 공정으로 UNSM (Ultrasonic nanocrystal surface modification) 공정을 수행하였다. UNSM 공정을 수행하게 되면 기존 인장 잔류응력이 발생하였던 부분에서 압축 잔류응력이 발생하게 되고 결정립미세화로 인하여 경도가 상승하는 것을 확인하였다.
이는 마모특성을 향상시키는 효과가 있었으며, 기존 회주철에 비하여 폭 방향으로 97.99%, 높이 방향으로 98.78% 향상이 되었다.
기존 대비 마모율이 98.78% 향상되면서 동일한 마찰력에서 마모율 0% 에 가깝게 표면강화하는 기술을 제안하였다.

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