[공학나라] 기계 공학 기술정보

표면경화법 (case hardening)

금속의 열처리 방법 중의 하나로 금속 표면만의 경도를 올리는 방법이다. (겉은 바삭하고 속은 부드러운 바게트 빵같은 느낌이다.) 물론 surface hardening 이라고도 한다. 탄소강 뿐만 아니라 합금강에도 사용된다. 

금속 제품에서 경도를 높히는 것은 마찰면에 주로 사용되는데 경도를 높히면 내마모성이 높아지기 때문이다. 내마모성을 위해 경도가 높은 금속만을 적용하면 취성이 높아지는 단점이 있기 때문에 표면만 경도를 높히고 내부는 경도를 높히지 않기 때문에 취성의 전반적인 저하없이 내마모성을 높힐 수 있게 된다. 

강 표면의 화학성분을 변화시켜 경화하는 화학적 표면경화법과 강 표면의 화학성분을 변화 시키지 않고 담금질만으로 경화하는 물리적 표면경화법이 있다.

화학적 방법은 저탄소강과 같이 경도가 낮은 경우에 탄소나 질소를 표면에 스며들게 하여 경도를 올리는 것이 주 원리이다 (저탄소강은 말 그대로 탄소 함량이 낮아 경도를 올리기 쉽지 않다). 당연히 최종 형상으로 가공된 제품에 대해서 수행한다. 예를 들어 침탄법은 탄소를 스며들게 하는데 탄소는 당연히 고체이기 때문에 표면으로 스며들지 못하고 일산화탄소 (CO) 가스 형태로 제품의 표면에 스며들게 된다. CO 만드는 것은 쉬운데 밀폐된 공간 안에서 탄소가 많은 것들을 고온에서 산소와 반응시키면 된다 (번개탄에 불 붙이고 문 닫으면 사망하는 바로 그 원리). 탄소가 풍부한 뼈, 뿔, 발굽 등도 사용했다고 한다.

시안화법(청화법, Cyaniding)

시안화물을 사용하는 경화법이다. 빠르고 효율적인 방법으로 30분 이내에 가능하며 침탄법보다도 경도가 높다. 볼트, 너트, 스크류나 작은 기어와 같은 소형 부품에 보통 적용된다. 가장 큰 단점은 공정에 독성이 있는 재료가 있다는 것이다. 청화법에는 간편 뿌리기법과 침적법의 두 방법이 있다. 

간편 뿌리기법

시안화칼리 또는 황혈염을 주성분으로 한 분말제를 적열시킨 철의 부분에 뿌리거나 적열부분을 분말제 속에 파묻어 물 담금질을 하는 방법이다. 

침적법

청화칼리, 청화소다 등에 탄산칼리 또는 탄산소다 등을 섞은 혼합제의 용융 염욕(850℃)에 부품을 침적시킨 후 물 담금질한다. 이렇게 하면 깊이 0.3~1.0mm의 경화층이 생긴다. 청화법이 보통 고체 침탄법과 다른 점은 침적법을 단순히 탄소만을 침투시키는 데 대해 간이 뿌리기법, 청화물 CN에 의한 침탄과 질화의 두 작용을 할 수 있는 것이며, 청화법은 담금질 고속도강의 경화법에도 응용된다.

질화법(Nitriding)

표면에 질소를 확산시켜, 표면층을 경화하는 방법이다. 암모니아 가스 중에 질소(N)의 반응으로 질화층을 만든다. 500~600℃로 50~100시간 가열하여, 계속해서 가스를 공급하면서 서서히 냉각시킨다. 가스에 노출되는 시간에 비례해서 경화층의 두께가 결정된다. 치수 변화가 적고, 담금질을 할 필요가 없다. 측정기에서 측정면의 경화 등에 이용된다. 

가스 질화법

설트 배스 (salt bath) 질화법

플라즈마 질화법

침탄법

침탄법(Carburizing)은 저탄소강의 표면에 탄소를 침입시켜 경화시키는 것이다..

고체 침탄법

가스 침탄법

진공 침탄법

화염 및 유도 경화법 혹은 차등 열처리 (Differential heat treatment)

철의 표면을 급속히 고온 상태로 만든 후 다시 급히 냉각시키는 과정 (보통 물을 사용) 을 통해 경화를 얻는 방식이다. 

화염 경화(Flame hardening)

강력한 화염에 의해 철의 표면을 급속히 가열하여 표면층이 오스테나이트화 되었을 때 급랭하여 표면만을 경화한다.

유도 경화(Induction hardening)

경화하려는 부분의 표면에 주로 전자기 유도에 의한 고주파 전류를 발생시켜 단시간에 고열로 가열한 후 표면층만을 경화시키는 방식이다.

참고문헌

https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%91%9C%EB%A9%B4%EA%B2%BD%ED%99%94%EB%B2%95

https://en.wikipedia.org/wiki/Case-hardening

공동 현상 (cavitation)

공동현상이란 유체의 속도가 증가하여 압력이 "급격히" 저하되고 유체 내에 공동이 생기는 현상이다. 공동은 유체의 속도가 빨라지면 압력이 낮아져 (베르누이의 정리를 생각해보자) 증기압 이하가되면 액체가 기체로 바뀌기 때문에 발생한다.

증기 기포가 벽에 닿으면 부식이나 소음 등이 발생하므로 설계자는 공동현상을 피하도록 설계해야 한다. 

기포의 압력이 다시 포화증기압보다 높아질 경우 기포는 급격히 액체로 변하게 되는데 이 때 강렬한 충격파 (shock wave) 가 발생하고 배의 프로펠러나 펌프의 임펠러 등에 충격을 주며 소음과 진동 및 마모 현상을 야기한다 (물론 피로 파괴가 될 수 도 있다). 이러한 현상을 캐비테이션 부식 (Cavitation Corrosion) 또는 캐비테이션 손상 (Cavitation damage) 이라고도 한다.

프로펠러나 펌프의 설계할 때 공동현상이 발생하지 않게 하는 것은 유체 역학의 주요 분야 중 하나이다 (중요하다구...). 

펌프 설계 시에는 NPSH 라는 걸 사용한다. 

이외에 유동의 공동현상 가능성을 특징하는데 쓰는 무차원화수로 Cavitation Number 라는 것도 있다. 증기압과 국부적인 압력의 차이를 단위 부피당 운동에너지로 나눈 값이다. 상식적으로 보아도 쉽게 알수 있는데 이 값이 작을수록 공동 현상이 발생하기 쉽다.

p : 압력

pv : 증기압

rho : 밀도

v : 속도

참고문헌

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B3%B5%EB%8F%99%ED%98%84%EC%83%81

https://en.wikipedia.org/wiki/Cavitation

https://en.wikipedia.org/wiki/Euler_number_(physics)

무산소동 (OFHC)

Oxygen-free copper (OFC) 혹은 Oxygen-free high thermal conductivity copper (OFHC) 라고 한다.

전기적으로 제련되어 (elecrolytically refined) 산소의 함량을 0.001%이하로 만들어 높은 열전도성을 가지게 하는 구리이다.

극저온에서 많이 사용된다. 

종류

C10100 

Oxygen-free electronic (OFE) 라고도 한다. 99.99%의 구리다 0.00005%의 산소를 포함하고 있다. 여기 나타난 3종류 중에 가장 비싼 재질이다.

C10200

Oxygen-free (OF) 라고도 한다. 99.95%순도와 0.001%의 산소를 포함한다.

C11000

Electrolytic-Touch-Pitch (ETP) 라고도 한다. 가장 흔한 재질로 전자기기에 많이 사용된다. 99.9% 순도를 가지며 0.02~0.04%의 산소를 포함한다.

밀도 8.89 g/cm3 

녹는점 1065~1083 도씨

포아송비 0.34

탄성계수 115~117 GPa

열팽창계수 17e-6 /K (20~100 도씨)

H00 temper

Rockwell B 경도 10 

인장강도 250 MPa

항복강도 195 MPa

연신율 40%

ROA 70%

(출처 AtoM, matweb)

참고문헌

https://en.wikipedia.org/wiki/Oxygen-free_copper

원심 펌프 (Centrifugal pump) 

펌프는 터보기계 중의 하나로 기계적 회전 운동 에너지를 유체의 수력학 에너지로 변환해주는 기계다. 펌프는 전기 모터나 엔진으로 구동된다.

펌프의 종류 중 하나인 원심 펌프는 유체가 흡입면 (suction side)에서 임펠러 (impeller)로 들어가서 회전하는 임펠러에의해 가속이 되고 (압력도 상승한다) Volute 를 통해 pressure side 로 나가게 된다. 

펌프 효율

입력되는 에너지에 비해 유체가 얻는 에너지로 당연히 0~1의 값을 가진다. (1이 넘어간다면 영구기관보다 더 좋은 것을 발명한 것이다.) 

펌프 효율 

 : 기계적 에너지 입력 (W)

기계적 에너지 입력은 보통 회전하는 토크와 각속도의 곱으로 정의된다 (=T ω).

 : 유체 밀도 (kg/m3)

 : 중력가속도 (9.8 m/s2)

 : 부피 유량 (m3/s)

 : 유체에 더해진 헤드 혹은 양정 (m)

* H = 정적 상승 + 마찰에 의한 양정 손실 이다.

참고문헌

https://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_pump

http://contents.kocw.net/KOCW/document/2015/chonnam/kangboseon/2.pdf

펌프 양정에 대해 정리가 잘된 곳

http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=hvackkw&logNo=220875366802

오링 윤활제

오링에 윤활제를 바르지 않는 경우도 있으나 윤활제를 바르는 경우도 있다.

윤활제를 바르는 이유는 오링을 설치하고 연관 부품을 조립하는 과정에서

오링 표면의 마찰을 감소시켜서 오링이 마멸 (abrasion), 찝힘 (pinching) 및 짤림 (cutting) 등을 방지하기 위해서다.

부가적으로 자동화된 프로세스의 작업속도를 올려주고 오링이 제대로 자리잡게 해준다.

(아래 동영상 보면 조립하다가 오링에 왜 손상이 가는지 나온다. 다른 부품의 날카로운 모서리가 오링을 긁고 간다.)

적용하는 방법은 (아래 동영상에 나온다)

   - 손가락, 손, 브러쉬로 오링에 바르기

   - 윤활제 통에 담그기

   - (자주 사용하는 방법) 오링 여러개를 봉지에 넣고 윤활제 넣고 흔들기 (shake and bake method, 흔들고 굽기)

이러한 방법의 목적은 오링 전체에 윤활제의 얇은 막을 형성하는게 목적이다.

오링 만드는 데에서 상용품으로 윤활제를 판다.

참고문헌

파커 오링 블로그

http://blog.parker.com/how-to-lubricate-an-o-ring