장축의 내부 크롬도금은 크롬산 용액에 황산을 촉매로 경질의 후막 도금층을 형성시키는 기술로서 산업뿐만 아니라 군사적 목적으로도 널리 사용되고 있다. 대구경의 포신내부에 경질크롬도금을 처리하면 강성과 내마성을 증대시켜 고압의 폭발력에 견딜 수 있다. 탄자의 높은 운동에너지와 탄 폭발로 생긴 고압력에 의해 포신 내부의 크롬도금층이 탈락되는 문제가 있어 도금 공정 전반에 걸친 검토가 이루어졌다. 크롬도금은 탈지, 수세, 전해연마, 에칭, 도금, 수세 및 수소취성제거 등 여러 공정으로 이루어진다. 크롬도금 탈락은 도금의 밀착성과 연관이 있으며, 그 중에 전해연마액의 Fe 농도가 도금 밀착성에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 도금부위의 요철상태를 SEM으로 조사하여 도금탈락을 방지할 수 있는 최적의 Fe 농도를 설정하고, 밀착성 시험 등으로 그 효과를 입증하였다.
장축의 내부 크롬도금은 크롬산 용액에 황산을 촉매로 경질의 후막 도금층을 형성시키는 기술로서 산업뿐만 아니라 군사적 목적으로도 널리 사용되고 있다. 대구경의 포신내부에 경질크롬도금을 처리하면 강성과 내마성을 증대시켜 고압의 폭발력에 견딜 수 있다. 탄자의 높은 운동에너지와 탄 폭발로 생긴 고압력에 의해 포신 내부의 크롬도금층이 탈락되는 문제가 있어 도금 공정 전반에 걸친 검토가 이루어졌다. 크롬도금은 탈지, 수세, 전해연마, 에칭, 도금, 수세 및 수소취성제거 등 여러 공정으로 이루어진다. 크롬도금 탈락은 도금의 밀착성과 연관이 있으며, 그 중에 전해연마액의 Fe 농도가 도금 밀착성에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 도금부위의 요철상태를 SEM으로 조사하여 도금탈락을 방지할 수 있는 최적의 Fe 농도를 설정하고, 밀착성 시험 등으로 그 효과를 입증하였다.
The internal chromium plating of a long-axis tube is widely used in military and industrial application, with the thick hard plating formed using a mixed solution of Chromium acid and catalytic $H_2SO_4$. A large-caliber gun can endure a high explosive force as a result of the increased s...
The internal chromium plating of a long-axis tube is widely used in military and industrial application, with the thick hard plating formed using a mixed solution of Chromium acid and catalytic $H_2SO_4$. A large-caliber gun can endure a high explosive force as a result of the increased stiffness and wear resistance provided by this internal hard chromium surface. The internal chromium layer of a tube is prone to exfoliation caused by the high kinetic energy of the projectile and high pressure of the explosion. Therefore, we reviewed the plating process. Chromium plating comprises many steps, including the removal of Grease, water cleaning, electrolytic abrasion, etching, plating, water cleaning, and hydrogen brittleness removal. The exfoliated chromium plating layer is affected by the adhesion property of the plating. In particular, the Fe concentration of the electrolyte affects the adhesion property. The optimum Fe concentration for effectively suppressing the exfoliation of the plating layer was established by using a scanning electron microscope to determine the surface roughness, and the effectiveness was proved in an adhesion test, etc.
The internal chromium plating of a long-axis tube is widely used in military and industrial application, with the thick hard plating formed using a mixed solution of Chromium acid and catalytic $H_2SO_4$. A large-caliber gun can endure a high explosive force as a result of the increased stiffness and wear resistance provided by this internal hard chromium surface. The internal chromium layer of a tube is prone to exfoliation caused by the high kinetic energy of the projectile and high pressure of the explosion. Therefore, we reviewed the plating process. Chromium plating comprises many steps, including the removal of Grease, water cleaning, electrolytic abrasion, etching, plating, water cleaning, and hydrogen brittleness removal. The exfoliated chromium plating layer is affected by the adhesion property of the plating. In particular, the Fe concentration of the electrolyte affects the adhesion property. The optimum Fe concentration for effectively suppressing the exfoliation of the plating layer was established by using a scanning electron microscope to determine the surface roughness, and the effectiveness was proved in an adhesion test, etc.
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문제 정의
도금공정 전반에 걸쳐 어떠한 요인이 도금 탈락에 영향을 미치는 지를 조사하게 되었다.
우선 전해연마량, 전해연마액의 Fe농도와 사격 시험결과를 비교한 결과, 전해연마량은 보증사격 후 크롬도금 탈락량과 무관하게 나타났고 전해연마액의 Fe농도의 경우 전해연마액 교체에 따라 교체 초기에 대략 4로트 분량에 대해서 도금탈락 현상이 많은 것으로 나타났다. 이는 초기 건욕액의 Fe농도가 낮으므로 전류 도금성이 떨어지고, 도금 밀착성에도 영향을 미치는 것으로 판단되어 전해연마액의 Fe농도와 도금탈락 상관관계를 조사하게 되었다.
제안 방법
다만, 화학연마 시간 변경과 스트라이크도금 추가는 적용 후 도금 밀착성이 나빠 종전의 방법으로 환원 하였고, 도금 탈락현상은 공정변경과 관계없이 간헐적으로 발생하여 탈락 원인을 재검토하게 되었다.
도금공정 전반에 걸쳐 어떠한 요인이 도금 탈락에 영향을 미치는 지를 조사한 결과 특이점을 찾지 못하여 전해연마액이 도금탈락과 상관관계가 있는 지를 분석하였다.
이러한 결론이 타당한 지에 대한 1차적인 비교 시험으로 Table 4와 같이 밀착성 시험방법을 종전의 1mm 굽힘시험에서 3mm 굽힘시험으로 변경하여 밀착성 개선효과를 확인하였으나, 시편 두께의 변경만으로는 밀착성에 대한 검출력을 향상 시킬 수가 없어 굽힘시험 후 시편을 파단하는 악조건 시험으로 경계면의 도금 탈락상태 확인 및 밀착성에 대한 검증을 하였다.
자료의 객관성을 확보하기 위해 공정마다 비디오로 촬영하여 작업기록서와 대조하였으며, 탈락량이 많은 포열과 탈락이 적은 포열과 비교한 결과 특이사항이 발견되지 않았다. Table1은 공정 비디오 및 작업기록서 확인내용이다.
전해연마 기존사용액과 새로 적용된 건욕액의 전해연마량, 안정화시간, 요철의 크기, 표면상태에 대한 시험을 실시하게 되었다. 시편은 재질 3종(스테인리스 강, 4130 강, 포열 시편)별로 각 2개씩 시험을 실시했다.
크롬도금에 대한 품질확인시험은 시편에 의해 밀착성시험, 경도시험, 크랙수 검사, 경계선 검사, 다공성 시험을 실시하며, 최종적으로 실제 3~4발 또는 7발 사격시험을 통해 구간별 박리량을 계산하여 도금탈락여부를 확인하고 탈락량이 기준을 초과하면 재도금 후 재시험을 실시한다. 도금설비는 Fig.
용액은 온도 50±1℃로 자동 조절하도록 하여 크롬도금 품질을 안정화시키고 전원을 약 6,000~10,000A로 공급하되 전류의 흔들림이 없도록 리플을 최소화하여 고품질의 전기가 공급되도록 정류기를 특별히 개발하여 적용하여야 한다. 포신 상부와 하부에 포신과 동일 재질과 동일 내경치수를 갖는 시편을 설치하여 작업 후 시편을 절취하여 밀착성검사, 경도검사, 다공성검사, 크랙검사 등을 실시한다.
대상 데이터
시편번호은 스테인리스 강 시편(2-1, 2-2), 4130강 시편(2-3, 2-4), 포열 시편(3-1, 3-2)으로 하고, 시험조건으로 건욕액은 황산, 인산비를 1:1로 시험한 결과 Table 2와 같다.
전해연마 기존사용액과 새로 적용된 건욕액의 전해연마량, 안정화시간, 요철의 크기, 표면상태에 대한 시험을 실시하게 되었다. 시편은 재질 3종(스테인리스 강, 4130 강, 포열 시편)별로 각 2개씩 시험을 실시했다.
성능/효과
개선을 위해 어떤 공정이 도금 밀착성에 영향을 미치는 지를 살펴본 결과, 전해연마 공정의 연마 표면과 입자의 크기가 도금 밀착성에 연관이 있는 것으로 파악되었고, 전해연마액의 Fe농도가 높을수록 전해연마면의 표면상태가 거칠고 입자의 크기가 작게 형성되어 도금 표면 면적이 커져 도금 밀착성이 증대된다고 나타났다.
공장내 시험이후 최소 Fe농도를 만족하는 전해연마액으로 생산된 포열 1개 당 4발의 실 사격시험으로 도금탈락량을 조사한 결과, 최소 Fe농도 표준화 이후에 생산된 후속 K1A1 전차포와 최근 개발된 K2 전차포의 도금 탈락량이 전량 규격치내 기준을 만족하였다.
공정개선과 작업표준화를 위해 전해연마액의 최소 Fe농도를 설정한 결과, 차기 건욕액으로 교체 시에는 건욕액과 기존 전해연마액을 혼합하여 사용하고, 혼합할 때 전해연마액의 최소 연마물은 1,400 mg/L으로, 전해연마액의 Fe농도는 최소 1,300 mg/L이상으로 표준화하였다.
도금 탈락에 전처리 공정이 영향이 없는 지를 확인하기 위하여, 전처리 후 물 퍼짐시험(Water Break Test) 방법을 추가하고, 전해탈지 및 전해연마 수세 후 액 흐름 상태를 리트머스 종이를 사용하여 10회 확인한 결과 탈지액은 푸른색, 전해연마액은 붉은색, 수세는 색상 변화가 없어 전처리 공정에서의 수세상태는 양호하다는 결과를 얻었다.
477로 포열을 구성하는 성분 중에 대부분이 Fe 가 차지하고 있으므로 기존 전해연마액에 생성된 성분 중에 Fe농도가 증가할수록 전도성과 금속 용해가 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 공정개선과 작업표준화를 위해 전해연마액의 최소 Fe 농도를 설정하는 것이 필요하며, 포열 36개 정도를 생산한 전해연마액에서 도금탈락량이 최소화 된다는 것을 시험 및 사격시험결과를 통해 알 수가 있었다.
시험결과 초기 건욕액에 비해 현 기존액의 전해 연마량, 요철의 길이, 안정화 시간이 더 좋은 것으로 나타나며 희석량이 60% 이상일 때 기존액과 유사하게 나타났다. 따라서 전해연마에 의해 기존액에 생성된 부산물 성분 함량이 많을수록 전류 전도성이 우수하며 요철의 길이가 증가 되는 것으로 나타났다.
시험결과 기존액과 건욕액의 전해연마량을 비교한 결과, 기존액의 연마량이 더 많은 것으로 나타나며, 전류 안정화시간은 기존액에서는 크게 차이가 없이 전류 투입 시 바로 안정화 되지만, 건욕액에서는 전해질(금속이온)이 부족하여 전류가 상승하는데 시간이 소요되었다. 시편표면 상태를 비교해보면 기존액이 신규 건욕액에 비해 좀 더 거칠며, 엠보싱이 크게 나오는 것을 알 수 있는데, 이것이 도금 밀착성 향상에 영향을 끼칠다고 판단되며 표면상태에 대한 광학현미경(200배) 사진은 아래 Fig.
시험결과 초기 건욕액에 비해 현 기존액의 전해 연마량, 요철의 길이, 안정화 시간이 더 좋은 것으로 나타나며 희석량이 60% 이상일 때 기존액과 유사하게 나타났다. 따라서 전해연마에 의해 기존액에 생성된 부산물 성분 함량이 많을수록 전류 전도성이 우수하며 요철의 길이가 증가 되는 것으로 나타났다.
우선 전해연마량, 전해연마액의 Fe농도와 사격 시험결과를 비교한 결과, 전해연마량은 보증사격 후 크롬도금 탈락량과 무관하게 나타났고 전해연마액의 Fe농도의 경우 전해연마액 교체에 따라 교체 초기에 대략 4로트 분량에 대해서 도금탈락 현상이 많은 것으로 나타났다. 이는 초기 건욕액의 Fe농도가 낮으므로 전류 도금성이 떨어지고, 도금 밀착성에도 영향을 미치는 것으로 판단되어 전해연마액의 Fe농도와 도금탈락 상관관계를 조사하게 되었다.
이러한 결과로 건욕액에 비해 기존 전해연마액의 어떤 성분이 전도성과 요철의 길이에 가장 크게 관련되는 지를 조사하게 되었다.
이번 연구를 통해 전해연마 시 신규 건욕액보다 연마물이 포함되어 Fe농도가 높은 기존 전해연마액이 전류 안정화시간이 5초 ~ 1분35초 정도로 짧았으며, 전해연마 표면의 평균 요철의 비가 1.09 ~1.06배로 신규 건욕액 보다 길어 도금 밀착성이 증가된다는 것을 굽힘 파단시험이나 실 사격시험으로 알 수가 있었으며 최소 Fe농도를 설정하여 작업 표준화 함으로써 이후 도금공정에서는 도금탈락으로 인한 결함을 예방할 수가 있었다.
포열의 비중은 7.894이고 그 중에 Fe 비중이 7.477로 포열을 구성하는 성분 중에 대부분이 Fe 가 차지하고 있으므로 기존 전해연마액에 생성된 성분 중에 Fe농도가 증가할수록 전도성과 금속 용해가 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 공정개선과 작업표준화를 위해 전해연마액의 최소 Fe 농도를 설정하는 것이 필요하며, 포열 36개 정도를 생산한 전해연마액에서 도금탈락량이 최소화 된다는 것을 시험 및 사격시험결과를 통해 알 수가 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대구경 포열에 대한 내부 크롬도금 기술을 사용한 나라는?
대구경 포열에 대한 내부 크롬도금 기술은 미국, 이태리, 독일 등 선진국에서는 이미 개발되어 사용되어 왔으나, 국내에서는 민군 용역과제로 120미리 전차포에 최초로 적용되어 국내에서도 기존의 강선포에서 내부 크롬도금이 된 활강포 제조기술을 확보하게 되었다.
일반적인 도금두께는 몇 미크론인가?
일반적인 도금두께는 50 미크론 이상이나, 탄 사격 시 발생되는 매우 큰 마찰력과 추진제에 의해 고압이 발생되는 대구경 포신에는 두께가 127미크론 이상으로 국내에서는 처음으로 적용되는 도금기술이다. 도금방법은 도금 용액 속에 존재하는 크롬이온(+전지)을 직류전기를 통해 전해처리하여 음극인 포신에 붙이는 원리를 이용한다.
장축의 내부 크롬도금의 군사적 목적으로 널리 사용하고 있는 이유는?
장축의 내부 크롬도금은 크롬산 용액에 황산을 촉매로 경질의 후막 도금층을 형성시키는 기술로서 산업뿐만 아니라 군사적 목적으로도 널리 사용되고 있다. 대구경의 포신내부에 경질크롬도금을 처리하면 강성과 내마성을 증대시켜 고압의 폭발력에 견딜 수 있다. 탄자의 높은 운동에너지와 탄 폭발로 생긴 고압력에 의해 포신 내부의 크롬도금층이 탈락되는 문제가 있어 도금 공정 전반에 걸친 검토가 이루어졌다.
참고문헌 (3)
Park, J. K., 2014, "Corrosion Protection and Surface Treatment," Sejin Publisher(Seoul, Korea), pp. 69-74.
A Society of Corrosion Protection, 2005, "A Handbook of Current Metal Corrosion Protection," A Study Company of Electric Generation(Seoul, Korea), pp. 424-446.
Lee, H. Y., 2013, "The Engineering of Metal Corrosion," Yeon Keung Culture Pulblisher(Seoul, Korea), pp. 38-57.
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