[논문]레이저피닝을 이용한 스테인리스 강의 내마모성 향상

임현택; 김필규; 정성호

문제 정의

본 논문에서는 레이저피닝에 의한 듀플렉스 강의 내마모성 변화를 보고하였다. 레이저피닝에 의한 내마모성 향상을 극대화시키기 위하여 보호층으로는 Al 박판이 사용되어야 한다는 것이 확인되었으며, 레이저에너지밀도를 10 GW/cm² , 빔 중첩도를 75 pulse/mm²로 사용하였을 때 120 분동안 발생되는 듀플렉스 강의 마모량은 피닝이 이루어지지 않은 샘플에 비하여 최대 39 %까지 줄어들었음이 확인되었다.
본 연구에서는 해수담수화용 펌프에 사용되어질 부품들의 기계적 성질을 향상시키고자, 듀플렉스 강에 기본적인 레이저피닝을 수행하였으며, 다양한 에너지밀도와 빔 중첩도, 코팅 등의 변수들에 따른 내마모성을 확인하였다.

제안 방법

또한, 본 연구에서는 보호층의 영향을 확인하기 위해 유기검정페인트와 Fe 박판, Al 박판을 사용하였으며, 보호층을 사용하지 않은 경우에 대해서도 레이저피닝을 수행하였다. Al 박판과 Fe 박판은 Goodfellow 사의 순도 99.
5 J)가 사용되었다. 레이저 빔은 초점길이 400mm 를 갖는 집속렌즈를 사용하여 표면에 조사되었으며, 레이저 빔의 크기를 조절하는 방식으로 레이저 에너지 밀도를 조절하여 8, 10, 12 GW/cm²의세가지 조건에서 실험이 수행되었다. 피닝 시편은 Industeel 사의 2205 듀플렉스 강이 사용되었으며, 표 1 에 자세한 조성비가 명시 되어있다.
실험은 시편의 중심 영역에서 수행되었으며 X-Y 모터 구동형 정밀 이송장치를 통해 시편을 이송하면서 15×15 mm2 의 크기에 레이저 빔이 조사되도록 하였다.
8 mm³으로 66%의 마모량 감소 효과가 나타났다. 이를 통해 위 실험에 있어서 최적의 보호층은 Al 박판임을 알 수 있으며, 레이저에너지밀도와 빔 중첩도의 영향을 확인할 때, Al 박판을 보호 층으로 활용하여 실험을 수행하였다.
레이저 빔의 중첩도는 X-Y 모터의 스캔속도를 조절하는 방식으로 정해지는데 빔의 반복율 (repetition rate)을 X 방향의 속도와 Y 방향 이송거리의 곱으로 나누어 주면 단위면적당 조사되는 레이저 펄스의 개수를 구할 수 있다. 중첩도의 영향을 확인하기 위해 25 pulse/mm² 에서 75 pulse/mm² 까지 다양한 경우에 대해 실험이 수행되었다.

대상 데이터

또한, 본 연구에서는 보호층의 영향을 확인하기 위해 유기검정페인트와 Fe 박판, Al 박판을 사용하였으며, 보호층을 사용하지 않은 경우에 대해서도 레이저피닝을 수행하였다. Al 박판과 Fe 박판은 Goodfellow 사의 순도 99.5%의 제품을 사용하였으며 Fe 박판의 경우 50 마이크로미터, Al 박 판의 경우 100 마이크로미터 두께의 박판이 사용되었다. Al 박판의 경우 50 마이크로미터의 경우 모든 경우에 대하여 찢김 현상이 발생하여 Fe 박판과 다르게 100 마이크로미터의 박판을 사용하였다.
5%의 제품을 사용하였으며 Fe 박판의 경우 50 마이크로미터, Al 박 판의 경우 100 마이크로미터 두께의 박판이 사용되었다. Al 박판의 경우 50 마이크로미터의 경우 모든 경우에 대하여 찢김 현상이 발생하여 Fe 박판과 다르게 100 마이크로미터의 박판을 사용하였다.
시편은 5 mm 두께와 50×50 mm2 의 크기로 절단 후 실험에 이용되었다.
그림 1 은 본 실험에 이용된 레이저피닝 시스템의 개략 도를 나타낸다. 실험용 레이저로는 2 차고주파 Nd:YAG 레이저(Continuum, Powerlite Precision ; wavelength=532 nm, Ⅱ pulse duration=8 ns, maximum pulse energy=1.5 J)가 사용되었다. 레이저 빔은 초점길이 400mm 를 갖는 집속렌즈를 사용하여 표면에 조사되었으며, 레이저 빔의 크기를 조절하는 방식으로 레이저 에너지 밀도를 조절하여 8, 10, 12 GW/cm²의세가지 조건에서 실험이 수행되었다.
그림 3 은 레이저에너지밀도와 빔 중첩도에 따른 마모량의 변화를 나타내고 있다. 위에서 언급하였던 대로 Al 박판을 보호층으로 사용하였으며 보호층영향을 확인하기 위한 실험과 유사하게 SKD 61 로 제작된 핀으로 160 RPM 의 회전속도와 3kg 의 하중으로 120 분간 마모를 수행하였다. 먼저 레이저에너지밀도에 따른 영향을 보기 위해 빔 중첩도를 75 pulse/mm²로 고정한 후 다양한 레이저밀도에서 레이저피닝을 수행하면 피닝이 이루어지지 않은 시편은 9.
레이저 빔은 초점길이 400mm 를 갖는 집속렌즈를 사용하여 표면에 조사되었으며, 레이저 빔의 크기를 조절하는 방식으로 레이저 에너지 밀도를 조절하여 8, 10, 12 GW/cm²의세가지 조건에서 실험이 수행되었다. 피닝 시편은 Industeel 사의 2205 듀플렉스 강이 사용되었으며, 표 1 에 자세한 조성비가 명시 되어있다. 시편은 5 mm 두께와 50×50 mm² 의 크기로 절단 후 실험에 이용되었다.

성능/효과

9 로 경도와 내마모성 향상이 나타났다. Al 박판을 보호층으로 사용하였을 때 경도와 내마모성은 더욱 향상되게 되는데, 경도는 323 으로 30%가량의 경도 상승효과가 나타났으며, 마모량은 0.8 mm³으로 66%의 마모량 감소 효과가 나타났다. 이를 통해 위 실험에 있어서 최적의 보호층은 Al 박판임을 알 수 있으며, 레이저에너지밀도와 빔 중첩도의 영향을 확인할 때, Al 박판을 보호 층으로 활용하여 실험을 수행하였다.
36 mm³의 마모량이 발생하게 된다. 다양한 보호층에 대하여 레이저에너지밀도는 10 GW/cm² , 빔 중첩도는 75 pulse/mm² 로 고정한 후, 피닝을 수행한 결과 보호층이 없는 경우는 경도가 259 로 상승하였으며, 마모량이 1.34 mm³ 으로 감소하였다. 유기검정페인트는 경도가 260 으로 증가, 마모량 1.
본 논문에서는 레이저피닝에 의한 듀플렉스 강의 내마모성 변화를 보고하였다. 레이저피닝에 의한 내마모성 향상을 극대화시키기 위하여 보호층으로는 Al 박판이 사용되어야 한다는 것이 확인되었으며, 레이저에너지밀도를 10 GW/cm² , 빔 중첩도를 75 pulse/mm²로 사용하였을 때 120 분동안 발생되는 듀플렉스 강의 마모량은 피닝이 이루어지지 않은 샘플에 비하여 최대 39 %까지 줄어들었음이 확인되었다. 이에 따라 레이저피닝 기술을 해수담수화 플랜트용 펌프에 적용할 경우, 펌프의 내구성 및 성능향상, 수명연장이 가능 할 것으로 보이며, 다양한 산업분야에도 활용이 가능할 것으로 판단된다.
34 mm³ 으로 감소하였다. 유기검정페인트는 경도가 260 으로 증가, 마모량 1.6 mm³ 으로 감소하였으며, Fe 박판의 경우도 경도 286, 마모량 0.9 로 경도와 내마모성 향상이 나타났다. Al 박판을 보호층으로 사용하였을 때 경도와 내마모성은 더욱 향상되게 되는데, 경도는 323 으로 30%가량의 경도 상승효과가 나타났으며, 마모량은 0.
39 mm³의 마모량이 발생하였다. 이를 통해 레이저에너지밀도를 10 GW/cm² 로 사용하였을 때 내마모성을 극대화 할 수 있다는 것을 알 수 있고, 120 분 동안 마모량을 39%까지 줄일 수 있다는 것을 알 수 있다. 레이저에너지밀도를 10 GW/cm² 으로 고정하여 빔 중첩도에 따른 내마모성을 영향을 살펴보면 25 pulse/mm² 의 경우 10.

후속연구

레이저피닝에 의한 내마모성 향상을 극대화시키기 위하여 보호층으로는 Al 박판이 사용되어야 한다는 것이 확인되었으며, 레이저에너지밀도를 10 GW/cm² , 빔 중첩도를 75 pulse/mm²로 사용하였을 때 120 분동안 발생되는 듀플렉스 강의 마모량은 피닝이 이루어지지 않은 샘플에 비하여 최대 39 %까지 줄어들었음이 확인되었다. 이에 따라 레이저피닝 기술을 해수담수화 플랜트용 펌프에 적용할 경우, 펌프의 내구성 및 성능향상, 수명연장이 가능 할 것으로 보이며, 다양한 산업분야에도 활용이 가능할 것으로 판단된다.

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