In this study, an ultrasonic nanocrystalline surface modification (UNSM) technique is applied to tungsten carbide-cobalt (WC-Co) to extend the service life of carbide parts used in press mold. The UNSM technique modifies the structure, reduces the surface roughness, increases the surface hardness, i...
In this study, an ultrasonic nanocrystalline surface modification (UNSM) technique is applied to tungsten carbide-cobalt (WC-Co) to extend the service life of carbide parts used in press mold. The UNSM technique modifies the structure, reduces the surface roughness, increases the surface hardness, induces the compressive residual stress, and increases the wear resistance of materials by introducing severe plastic deformation. The surface roughness, hardness, and compressive residual stress of WC after UNSM treatment improve by about 42, 10, and 71%, respectively. A wear test under dry conditions is used to assess the effectiveness of the UNSM technique on the friction and wear behavior of WC. The UNSM technique is found to reduce the WC friction coefficient by approximately 21% and enhance the wear resistance by approximately 85%. The improved friction and wear behavior of WC may be mainly attributed to the increased hardness and compressive residual stress. Moreover, the WC specimen is treated by UNSM technique using three different WC, silicon nitride (Si3N4) and stainless steel (STS304) balls. The surface treated by WC balls shows the highest hardness when compared with treatment by stainless steel and silicon nitride balls. According to the obtained results, the UNSM technique is believed to increase the durability of the carbide component by improving the friction and wear behavior.
In this study, an ultrasonic nanocrystalline surface modification (UNSM) technique is applied to tungsten carbide-cobalt (WC-Co) to extend the service life of carbide parts used in press mold. The UNSM technique modifies the structure, reduces the surface roughness, increases the surface hardness, induces the compressive residual stress, and increases the wear resistance of materials by introducing severe plastic deformation. The surface roughness, hardness, and compressive residual stress of WC after UNSM treatment improve by about 42, 10, and 71%, respectively. A wear test under dry conditions is used to assess the effectiveness of the UNSM technique on the friction and wear behavior of WC. The UNSM technique is found to reduce the WC friction coefficient by approximately 21% and enhance the wear resistance by approximately 85%. The improved friction and wear behavior of WC may be mainly attributed to the increased hardness and compressive residual stress. Moreover, the WC specimen is treated by UNSM technique using three different WC, silicon nitride (Si3N4) and stainless steel (STS304) balls. The surface treated by WC balls shows the highest hardness when compared with treatment by stainless steel and silicon nitride balls. According to the obtained results, the UNSM technique is believed to increase the durability of the carbide component by improving the friction and wear behavior.
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문제 정의
주로 판금을 가공하는 프레스금형은 가공시 높은면압부하가 발생하므로 PVD와 CVD는 표면 박리현상에 의해 적용하는데 한계가 있었다. 이와 관련하여 본 논문에서는 국내에서 개발된 UNSM(초음파 나노 표면 개질) 기술을 적용하여 내구성 확보를 통한 프레스금형 수명연장 가능성을 확인하였다. 시험 전 예비 시험을 진행하여 적정한 UNSM 처리 조건을 선정하였으며, 마찰·마모시험을 통한 초경부품의 내구성 향상 여부를 확인하였고, 표면거칠기, 표면경도, 압축잔류응력 등 기계적 특성 변화를 확인하여 UNSM 기술이 마찰· 마모에 미치는 영향을 분석하였다.
시험 전 예비 시험을 진행하여 적정한 UNSM 처리 조건을 선정하였으며, 마찰·마모시험을 통한 초경부품의 내구성 향상 여부를 확인하였고, 표면거칠기, 표면경도, 압축잔류응력 등 기계적 특성 변화를 확인하여 UNSM 기술이 마찰· 마모에 미치는 영향을 분석하였다. 정확한 분석을 위해서는 현장시험이 중요하나 우선적으로 시험편을 이용하여 마찰·마모 변화를 통한 프레스 금형 수명연장 가능성을 확인하기 위해 본 시험을 진행하였다.
제안 방법
기계적 특성과 마찰·마모 변화를 확인하기 위하여 Table 3과 같이 동일한 조건으로 시험편에 UNSM처리하였다.
이와 관련하여 본 논문에서는 국내에서 개발된 UNSM(초음파 나노 표면 개질) 기술을 적용하여 내구성 확보를 통한 프레스금형 수명연장 가능성을 확인하였다. 시험 전 예비 시험을 진행하여 적정한 UNSM 처리 조건을 선정하였으며, 마찰·마모시험을 통한 초경부품의 내구성 향상 여부를 확인하였고, 표면거칠기, 표면경도, 압축잔류응력 등 기계적 특성 변화를 확인하여 UNSM 기술이 마찰· 마모에 미치는 영향을 분석하였다. 정확한 분석을 위해서는 현장시험이 중요하나 우선적으로 시험편을 이용하여 마찰·마모 변화를 통한 프레스 금형 수명연장 가능성을 확인하기 위해 본 시험을 진행하였다.
표면거칠기를 확인하기 위해 사용된 측정 장비는 Mitutoyo SJ-210, Japan을 사용하였으며, 표면경도를 확인하기 위한 측정 장비는 Buehler Micromet-3, USA, 압축잔류응력을 확인하기 위한 측정 장비 Rigaku DIMAX2299HR, Japan을 사용하였다. 또한 깊이별 경도를 확인하기 위한 측정장비는 Mitutoyo HM-112, Japan을 사용했으며, Micro dimples를 확인하기 위해 사용한 장비는 atomic force microscope, SPA400, Japan을 사용하였다.
대상 데이터
마찰 및 마모의 변화를 확인하기 위해 사용한 시험편은 Fig. 6과 같이 초경소재의 원형링을 2개씩 준비하였으며, 물성값은 Table 2와 같으며 마찰 및 마모시험에 사용된 WC ball의 형상은 둥근 형태의 φ 7볼을 사용하였다.
본 시험에서 기계적 특성을 확인하기 위해 사용한 시험편은 Fig. 5와 같이 사각형태의 초경을 사용했으며, 시험편의 물성값은 Table 2와 같다. 타격볼의 형상은 둥근 형태의 WC, Si3N4, STS304 세 가지 볼을 사용하였으며, φ2.
5와 같이 사각형태의 초경을 사용했으며, 시험편의 물성값은 Table 2와 같다. 타격볼의 형상은 둥근 형태의 WC, Si3N4, STS304 세 가지 볼을 사용하였으며, φ2.38 볼을 사용하였다.
이론/모형
또한 깊이별 경도를 확인하기 위한 측정장비는 Mitutoyo HM-112, Japan을 사용했으며, Micro dimples를 확인하기 위해 사용한 장비는 atomic force microscope, SPA400, Japan을 사용하였다. 그리고 Fig.
성능/효과
14 감소되어 UNSM 처리 전 보다 약 21% 향상되었다. Fig. 15와 같이 시험편 마모량도 0.0028g 감소되어 UNSM 처리 전 보다 85% 향상되었다. 향상 원인으로 UNSM 처리 시 표면이 나노결정 조직으로 개질되면서 초경의 WC입자 크기와 Co층 두께가 감소하여 표면거칠기, 표면 경도, 압축잔류응력 등 기계적 특성이 향상되었기 때문으로 사료된다.
UNSM 처리 전, 후 시험편을 이용하여 마찰·마모시험을 통한 프레스금형의 수명연장 가능성을 확인한 결과 UNSM 처리 후 마찰계수가 21%, 시험편 마모량이 85% 향상되어 초경부품 수명연장에 UNSM 기술이 도움이 되는 것을 확인하였다. 초경 시험편에 WC, Si3N4, STS304 세가지의 타격볼을 사용하여 동일 조건으로 UNSM 처리하였을 때 WC ball로 타격한 시험편의 기계적 특성이 가장 많이 변해 초경 UNSM 처리시 타격볼 경도도 중요한 요소임을 알 수 있었다.
UNSM 처리 후 표면거칠기는 Fig. 9와 같이WC Ball로 처리했을 때 0.081µm 감소되어 UNSM 처리 전보다 42% 향상되었다. 이러한 결과는 Fig.
초경 시험편에 WC, Si3N4, STS304 세가지의 타격볼을 사용하여 동일 조건으로 UNSM 처리하였을 때 WC ball로 타격한 시험편의 기계적 특성이 가장 많이 변해 초경 UNSM 처리시 타격볼 경도도 중요한 요소임을 알 수 있었다. 기대했던 마이크로딤플은 생성되지 않았지만, 표면거칠기, 표면경도, 압축잔류응력 등 기계적특성이 향상되어 마찰·마모 감소에 따른 초경부품 내구성이 향상되는 것을 확인하였다. 본 논문의 시험결과 요약은 Table 6 과 같으며, 피로특성 확인을 위하여 RCF(구름 접촉 피로)시험과 Scratch test 등 추가 시험을 진행할 계획이며, 실제 프레스금형에 적용하여 어떠한 영향이 있는지 현장시험도 진행할 계획이다.
압축잔류응력은 Fig. 13과 같이 WC Ball로 UNSM 처리 후 918Pa 증가되어 UNSM 처리 전 대비 71% 향상되었다. 이러한 결과는 UNSM 처리 시 재료표면에 압축력을 받으면서 표면층에 미세한 소성변형이 생긴 영향으로 사료된다.
초경 부품의 성능 향상 가능성을 확인하기 위해 Dry상태에서 진행한 마찰·마모 시험 결과 Fig. 14와 같이 UNSM 처리 후 마찰계수는 약 0.14 감소되어 UNSM 처리 전 보다 약 21% 향상되었다. Fig.
도움이 되는 것을 확인하였다. 초경 시험편에 WC, Si3N4, STS304 세가지의 타격볼을 사용하여 동일 조건으로 UNSM 처리하였을 때 WC ball로 타격한 시험편의 기계적 특성이 가장 많이 변해 초경 UNSM 처리시 타격볼 경도도 중요한 요소임을 알 수 있었다. 기대했던 마이크로딤플은 생성되지 않았지만, 표면거칠기, 표면경도, 압축잔류응력 등 기계적특성이 향상되어 마찰·마모 감소에 따른 초경부품 내구성이 향상되는 것을 확인하였다.
표면경도는 Fig. 11과 같이 WC Ball로 UNSM 처리했을 때 137.2Hv 증가되어 UNSM 처리 전 보다 10% 향상되었으며, 깊이별 경도 변화는 Fig. 12와 같이 0.03mm 이내에 경도가 가장 높게 나오는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 UNSM 처리시 표면이 다져지면서 표면조직이 미세하게 변화된 영향으로 사료된다.
후속연구
기대했던 마이크로딤플은 생성되지 않았지만, 표면거칠기, 표면경도, 압축잔류응력 등 기계적특성이 향상되어 마찰·마모 감소에 따른 초경부품 내구성이 향상되는 것을 확인하였다. 본 논문의 시험결과 요약은 Table 6 과 같으며, 피로특성 확인을 위하여 RCF(구름 접촉 피로)시험과 Scratch test 등 추가 시험을 진행할 계획이며, 실제 프레스금형에 적용하여 어떠한 영향이 있는지 현장시험도 진행할 계획이다.
참고문헌 (7)
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