표면 처리는 벌크 재료 특성을 변경하지 않고 특정 기능적 특성을 부여하기 위해 재료의 단순한 '코팅'과는 거리가 먼 현대 표면 처리는 목표한 성능 결과를 달성하기 위해 표면 에너지, 형태 및 구성을 조작하는 통제된 화학적, 물리적 또는 열적 개입입니다. 상위 1~3개 분자 층을 수정하는 정밀 공학 분야입니다 .
본질적으로 표면 처리는 근본적인 과제를 해결합니다. 대부분의 재료는 의도한 용도에 적합하지 않은 표면 특성을 가지고 있습니다 . 알루미늄은 중량 대비 강도가 우수하지만 부식됩니다. 폴리머는 가볍지만 표면 에너지가 낮아 접착 결합을 방해합니다. 강철은 강하지만 산화되기 쉽습니다. 표면 처리는 필요에 따라 정확히 작동하는 인터페이스를 엔지니어링하여 이러한 격차를 해소합니다.
중요한 차이점은 표면 수정과 벌크 수정 에 있습니다 . 질화 처리와 같은 처리는 마이크로미터 깊이에만 영향을 미치므로 재료의 핵심 기계적 특성을 보존하는 동시에 환경과의 상호 작용을 변화시킵니다. 이러한 인터페이스 엔지니어링은 접착력, 부식 방지, 내마모성, 전기 전도성 및 미적 마감에 필수적입니다.
접착 실패는 부적절한 표면 에너지로 인해 발생합니다. 처리되지 않은 폴리프로필렌(낮은 표면 에너지 ≒ 30 mN/m)에서는 물방울이 구슬처럼 흩어지지만, 플라즈마 처리된 표면에서는 퍼집니다(높은 에너지 ≒ 72 mN/m). 이를 Young-Dupré 방정식이 지배합니다. 표면 에너지가 높을수록 분자 수준의 습윤이 촉진되어 접착제와 코팅이 약한 기계적 접착이 아닌 강한 공유 결합을 형성할 수 있습니다.
임계 임계값 : 대부분의 산업용 코팅은 적절한 습윤을 위해 >38 mN/m의 표면 에너지가 필요합니다. 처리되지 않은 금속은 유기 오염으로 인해 종종 20-25mN/m를 측정하므로 활성화 처리가 필요합니다.
부식은 전기화학 전지로, 전해질로 분리된 양극(금속 용해)과 음극(산소 환원)입니다. 표면 처리는 다음을 통해 이 세포를 파괴합니다.
배리어 보호 : 아연 코팅(아연 도금)은 강철보다 희생적으로 부식됩니다.
패시베이션 : 크로메이트층이 보호 Cr2O₃ 피막을 형성하여 부식 가능성을 높입니다.
억제 : 인산염 코팅은 음극 부위를 차단하여 부식 전류 밀도를 90% 이상 감소시킵니다.
액체 코팅(페인트)
현대 자동차 페인트는 총 100-150 µm의 다층 시스템 (전착 코팅 → 프라이머 → 베이스 코팅 → 클리어 코팅)입니다. 전착 코팅(e-coat)은 반대 전하를 사용하여 95% 전사 효율로 에폭시 프라이머를 증착하여 복잡한 형상에서 균일한 피복을 달성하고 1,000시간 이상의 염수 분무 저항성을 달성합니다.
분말 코팅
정전식 스프레이 증착은 액체 페인트의 30-40%에 비해 열경화성 분말(에폭시, 폴리에스테르)은 180~200°C에서 경화되어 2H~3H 연필 경도와 탁월한 UV 저항성을 갖춘 가교 네트워크를 형성합니다. 최근 발전에는 98%의 재료 활용률을 달성합니다. 열에 민감한 기판을 위한 저경화 분말 (150°C)이 포함됩니다.
도금 기술
전기도금 : DC 전류는 금속 이온(Ni, Cr, Zn)을 음극 부품으로 환원시킵니다. 두께 제어는 정밀하지만(±0.5μm) 수소 취화 위험이 있으므로 고강도 강철의 경우 도금 후 200°C에서 4시간 이상 베이킹해야 합니다.
무전해 도금 : 자동촉매 증착(예: 무전해 니켈)은 외부 전류 없이 막힌 구멍과 복잡한 형상에 균일한 두께를 제공합니다. 인 함량(낮음 2-5%, 중간 6-9%, 높음 10-13%)은 경도(500-700HV)와 내식성을 제어합니다.
용융 아연도금 : 450°C 용융 아연에 담그면 야금학적 Fe-Zn 합금 층(두께 50-150μm)이 생성됩니다. 아연 도금 강철(합금 코팅)은 자동차 차체 패널에 탁월한 용접성과 페인트 접착성을 제공합니다.
아노다이징 처리(알루미늄, 티타늄, 마그네슘)
황산에서 전기분해하면 나노다공성 Al₂O₃ 층 (두께 5~100μm)이 성장합니다. 유형 II 양극 산화 처리(10-25 µm)는 부식 방지 및 염료 수용성을 제공합니다. 유형 III 하드코팅(50-100 µm)은 마모 응용 분야에서 60-70 Rockwell C 경도를 달성합니다. 끓는 물이나 초산니켈에 기공을 밀봉하여 염료를 가두어 내식성을 향상시킵니다.
인산염 처리(강철/아연)
묽은 인산에 담그면 결정질 아연/망간/인산철 코팅(1~10μm)이 생성됩니다. 이는 다음을 제공합니다:
도료 접착력 앵커 : 크로스해치 접착력 200~300% 향상
내식성 : 백청에 대해 24-48시간 염수분무
윤활성 : 딥드로잉 작업시 마찰계수 30% 감소
크로메이트 처리(알루미늄/아연)
6가 또는 3가 크롬을 사용한 화학적 전환으로 패시브 Cr⊃2;O⊃3; 필름(0.1-1 µm)이 형성됩니다. 6가 Cr에 대한 RoHS 제한에도 불구하고 3가 크롬산염은 아연 도금 패스너에 대해 72시간 이상의 염수 분무 저항성을 제공합니다.
질화/질화탄화
500~600°C에서 강철에 질소를 확산시키면 단단한 질화철층(10~50μm, >900HV)이 생성됩니다. 플라즈마 질화는 정밀한 구역 제어를 위해 이온화된 암모니아를 사용하여 중요한 마모 표면만 처리하고 다른 표면은 마스킹합니다.
유도 경화
고주파(10-400kHz) 유도 가열은 표면층(2-8mm 깊이)을 빠르게 오스테나이트화한 후 물로 담금질합니다. 이는 크랭크샤프트 저널에 55-62 HRC 경도를 생성하는 반면 코어는 연성을 유지합니다(30-35 HRC).
레이저 열 처리
집속된 레이저 빔(2-10kW)은 10-50mm/s의 속도로 표면을 스캔하여 기어 톱니에 0.5-2mm 깊이의 경화 영역을 만듭니다. 장점 : 국소적인 치료로 왜곡이 제거됩니다. 후가공이 필요하지 않습니다.
연마재 분사(그릿/샷)
산화알루미늄(20-100메시)을 사용한 그릿 블라스팅은 코팅 접착력을 위한 50-100μin Ra 프로파일을 생성합니다. 압력(60-100 PSI) 및 노즐 각도(60-75°)는 프로파일 깊이를 제어합니다.
주강 쇼트(S170-S780)를 사용한 쇼트 피닝은 압축 잔류 응력(-500~-800 MPa)을 유발하여 피로 수명을 3~5배 향상시킵니다. 알멘 스트립 강도 (0.008-0.024A)는 피닝 에너지를 정량화합니다.
세라믹 미디어 디버링 및 광택 복잡한 부품을 갖춘
대량 마감 진동 보울입니다. 등방성 슈퍼피니싱은 표면 거칠기를 16 µin Ra에서 2-4 µin Ra로 줄여 기어 메시의 마찰과 마모를 줄입니다.
플라즈마 처리
대기 플라즈마 : 10-50 kV의 이온화된 공기는 유기 오염을 제거하고 표면 에너지를 몇 초 만에 >72 mN/m로 높입니다. 접착 본딩 전 인라인 폴리머 전처리에 이상적입니다.
저압 플라즈마 : Ar/O2 가스 혼합물을 사용한 진공(0.1-1mbar)을 통해 의료 기기 접착을 위한 심층 세척 및 표면 기능화가 가능합니다.
코로나 처리
유전체 전반에 걸친 고주파(15-25kHz) 방전은 오존과 라디칼을 생성하여 폴리머 표면을 산화시킵니다. 제한 사항 : 평평한/곡선된 표면만 처리합니다. 웹 처리 시스템은 100-300m/min의 속도로 필름을 처리합니다.
레이저 절제/구조화
펨토초 레이저는 표면적을 10~100배 늘리고 기계적 연동을 촉진하는 골유착을 위한 티타늄 임플란트에 사용됩니다. 마이크로/나노 텍스처 (레이저 유도 주기 표면 구조, LIPSS)를 생성합니다.
현대 자동차 에는 자동차당 10-15가지의 다양한 표면 처리가 필요합니다 .
본체 패널 : NIT(New Improved Treatment)가 포함된 아연 도금 강철은 딥 드로잉용 마찰 계수 0.08-0.12를 제공하여 프레스 공장 윤활유 비용을 40% 절감합니다.
알루미늄 후드 : Zr 기반 전처리(TecTalis)가 인산염을 대체하여 슬러지 폐기물을 50% 줄이면서 240시간 이상의 염수 분무를 달성합니다.
배터리 인클로저 : 플라즈마 처리된 알루미늄 프레임은 30MPa 이상의 전단 강도로 에폭시 접착 결합을 보장합니다.
패스너 : Zn-Ni 합금 도금(12-15% Ni)은 차체 하부 응용 분야에 대한 720시간 NSS 요구 사항을 충족합니다.
티타늄 패스너 : 카드뮴 대체를 위해 AMS 2488D에 따라 양극 산화 처리하여 96시간 염수 분무 달성
랜딩 기어 : 저압 플라즈마 질화로 <0.005' 치수 변화로 50 µm 케이스 깊이 생성
복합재 결합 : 탄소섬유의 대기압 플라즈마 처리로 표면에너지를 28mN/m에서 68mN/m으로 높여 박리 불량 제거
엔진 구성 요소 : 전자빔 물리 기상 증착(EB-PVD)을 사용한 열차폐 코팅(TBC)은 2000°F의 터빈 온도에서도 견딜 수 있습니다.
PCB 커넥터 : 금도금(MIL-G-45204에 따라 0.05-0.76μm 두께)은 500회 이상의 결합 주기 후에도 안정적인 전도성을 보장합니다.
방열판 : 흑색 양극 산화 처리로 방사율을 0.85로 증가시켜 열 방출을 25% 향상시킵니다.
EMI 차폐 : 플라스틱 하우징의 무전해 구리 도금(1-2μm)은 1GHz에서 80dB 감쇠를 달성합니다.
디스플레이 접착 : 광학투명접착제(OCA) 라미네이션 전 유리의 UV 오존 처리로 유기물을 제거하여 기포 결함 제거
수술 기구 : ASTM A967(구연산)에 따른 부동태화로 유리 철을 제거하여 오토클레이브 사이클에서 부식을 방지합니다.
티타늄 임플란트 : 알칼리 열처리로 골유착을 40% 가속화하는 나노 지형 생성
스테인레스 스틸 트레이 : 전해연마를 통해 Ra를 0.1 µin으로 줄여 박테리아 부착 부위를 제거하고 세척 검증을 용이하게 합니다.
카테터 결합 : PTFE 샤프트의 플라즈마 처리로 팁 부착을 위한 UV 접착 결합이 가능합니다.
| 인자 | 코팅 | 전환 | 열처리 | 기계적 | 플라즈마 |
|---|---|---|---|---|---|
| 기본 목표 | 부식 + 미학 | 접착 + 가벼운 부식 | 내마모성 | 스트레스 해소 + 청소 | 접착 활성화 |
| 재료 | 모든 금속 | Al, Zn, Mg, Ti | 철 합금 | 모든 금속/폴리머 | 폴리머, 복합재 |
| 두께 추가됨 | 20-150μm | 0.1~50μm | 0.5~8mm(케이스) | 0(1~10μm 제거) | 0(<0.1μm 수정) |
| 비용 | $0.50-$5/ft⊃2; | $0.10-$1/ft⊃2; | $0.50-$3/파운드 | $0.20-$2/ft⊃2; | $0.05-$0.50/부품 |
| 환경 | VOC 우려사항 | 중금속(Cr⁶+) | 에너지 집약적 | 먼지/진동 | 최소한의 낭비 |
| 리드 타임 | 1~3일 | 1~2일 | 3~7일 | 같은 날 | 인라인 가능 |
의사결정 트리 :
전기 전도성이 필요합니까? → 전기도금(Cu, Ag, Au)
구조적 마모 문제? → 질화 또는 유도 경화
플라스틱 페인팅? → 플라즈마 또는 코로나 처리
옥외 강철 부식? → 용융아연도금
의료용 스테인레스? → 패시베이션 + 전해연마
표면 에너지 측정 : 접촉각 측각법(ASTM D5946)으로 플라즈마 처리 효과를 검증합니다. 목표 <30° 물 접촉각
코팅 두께 : ISO 2178에 따른 와전류(0~50μm) 또는 자기 유도(0~2000μm)
접착력 테스트 : 코팅용 크로스해치 테이프 테스트(ASTM D3359); 접착제용 랩 전단(ASTM D1002)
부식 시험 : 염수분무(ASTM B117), 순환부식(GMW 14872), 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)
자동차 : IATF 16949, PPAP 레벨 3(코팅 접착력 검증 포함)
항공우주산업 : AS9100, 화학공정 NADCAP 인증
의료 : ISO 13485, 패시베이션 프로세스에 대한 IQ/OQ/PQ 검증
군용 : 크롬산염 변환용 MIL-STD-810, MIL-DTL-5541
녹색화학
3가 크롬 (Cr⊃3;⁺)이 6가 크롬(Cr⁶⁺)을 대체하여 발암성 폐기물을 90% 감소시킵니다.
지르코늄 기반 전처리 (예: Henkel Bonderite M-NT)로 인산염을 제거하여 슬러지 처리 비용을 50% 절감합니다.
UV 경화형 분말 코팅은 120°C에서 경화되므로 열 경화에 비해 에너지 소비가 40% 감소합니다.
디지털 프로세스 제어
IoT 센서는 실시간으로 수조 화학 물질을 모니터링하고 보충 화학 물질을 자동으로 투여합니다.
AI 비전 시스템은 99.5% 정확도로 라인 속도로 코팅 결함(크레이터, 핀홀)을 감지합니다.
디지털 트윈 시뮬레이션은 실제 시험 전에 플라즈마 처리 매개변수를 최적화하여 개발 시간을 60% 단축합니다.
순환경제
폐쇄 루프 도금 시스템은 드래그아웃을 95% 회수하여 물 사용량을 80% 줄입니다.
분체 코팅 오버스프레이 는 98% 재활용이 가능하여 사실상 폐기물을 제거합니다.
레이저 스트리핑은 화학 물질 없이 오래된 코팅을 제거하여 부품 재생을 가능하게 합니다.
표면 처리는 외관상의 최종 고려 사항이 아니라 재료 선택 단계에서 발생하는 잘못된 치료는 수백만 달러의 보증 청구 비용을 초래할 수 있지만 올바른 치료는 제품 혁신(더 가벼운 EV, 더 오래 지속되는 항공기, 더 안전한 의료 기기)을 가능하게 합니다. 전략적 엔지니어링 결정 입니다.
주요 시사점 :
표면 처리를 위한 설계 : 프로토타입 제작 후가 아닌 CAD 중에 처리를 지정합니다.
강력한 테스트 : 실제 노출을 모방한 가속 수명 테스트를 통해 검증합니다.
지속적인 모니터링 : 표면 품질 측정기를 사용하여 공정 드리프트로 인해 현장 오류가 발생하지 않도록 보장
수명주기 고려 : 환경 규제 및 수명이 다한 재활용 요소
미래는 스마트하고 지속 가능한 표면 엔지니어링 에 속합니다 . 여기서는 데이터 기반 공정 제어, 친환경 화학 및 고급 활성화 방법이 융합되어 기대 이상의 성능을 발휘하는 표면을 만듭니다.
표면 처리는 수정하는 정밀 엔지니어링 분야입니다 . 대량 재료 특성을 변경하지 않고 특정 기능 특성을 부여하기 위해 재료의 뚜렷한 층을 추가하는 코팅과 달리 진정한 표면 처리는 기존 표면 화학, 형태 또는 에너지 상태를 변화시킵니다. 상위 1-3개 분자 층을
핵심원리 : 인터페이스 엔지니어링이다. 예를 들어, 플라즈마 처리는 이온화된 가스로 폴리머 표면을 공격하여 CH 결합을 깨고 CO, CN 및 C-OH 작용기를 형성합니다. 이는 표면 에너지를 30mN/m(처리되지 않은 PP)에서 72mN/m 이상으로 높여 측정 가능한 두께를 추가하지 않고도 접착 결합을 가능하게 합니다.
주요 차이점 : 처리로 기질이 변형됩니다 . 코팅이 추가됩니다 . 이는 치수 공차, 열 순환 및 재활용에 중요합니다. 처리된 부품은 재료의 정체성을 유지하는 반면 코팅된 부품은 다중 재료 복합재가 됩니다.
이는 네 가지 기본 메커니즘을 통해 작동합니다.
화학적 변형 : 전환 반응으로 새로운 화합물이 생성됩니다. 아노다이징은 알루미늄을 산화시킵니다: 2Al + 3H2O → Al2O₃ + 6H⁺ + 6e⁻. 생성된 Al₂O₃ 층은 두께가 10~100μm이며, 염색되거나 밀봉될 수 있는 나노다공성 구조를 갖습니다.
물리적 활성화 : 기계적 또는 에너지 입력으로 인해 표면 지형이 변경됩니다. 쇼트 피닝은 압축 잔류 응력(-500~-800MPa)을 유도하여 균열 전파를 억제하는 냉간 가공 층을 생성하고 피로 수명을 300~500% 증가시킵니다.
에너지 상태 조작 : 플라즈마/코로나 처리는 반응성 자유 라디칼을 생성하여 표면 자유 에너지를 증가시킵니다. 이 공정은 물 접촉각이 90°에서 <30°로 떨어지면서 완전히 '습윤'되는 표면을 생성합니다.
확산 및 분리 : 침탄은 900-950°C에서 탄소를 강철로 확산시켜 탄소 함량이 0.8-1.2%인 0.5-3mm 케이스를 만듭니다. 담금질을 통해 이를 마르텐사이트(800 HV 표면 대 250 HV 코어)로 변환하여 견고한 코어 위에 단단하고 내마모성이 있는 표면을 생성합니다.
이 이진 분류는 단순합니다. 업계에서는 세 가지 주요 범주를 인식합니다 .
1. 표면처리(치수변화 없음)
부동태화 : 구연산은 스테인리스강에서 유리철을 제거하여 Cr⊃2;O₃ 부동태막을 형성합니다(ASTM A967).
플라즈마 활성화 : 재료를 제거하거나 추가하지 않고도 표면 에너지를 증가시킵니다.
Laser Shock Peening : 플라즈마 압력파를 통한 기계적 응력 변형
2. 표면 개질(화학 변화, 최소 치수)
아노다이징 : 알루미늄 표면을 Al2O₃ (+5-50 µm 두께)로 변환
질화 : 강철에 질소를 확산시킵니다. (+10-50 µm 백색층)
화학적 에칭 : 재료를 선택적으로 용해합니다(±5 µm 허용 오차).
3. 표면 코팅(첨가제)
전기도금 : Ni, Cr, Zn 5~50μm 첨가
용사 : 100~500 µm의 WC-Co 또는 Al₂O₃ 생성
PVD/CVD : TiN 또는 DLC를 1~5μm 증착
구별은 매우 중요합니다. 처리는 부품 형상을 보존합니다 . 코팅에는 재가공 여유가 필요합니다.
열처리는 제어된 가열 및 냉각 주기(어닐링, 담금질, 템퍼링)를 통해 담금질된 강철 부품은 완전 경화되어 잠재적으로 부서지기 쉽습니다. 전체 부품의 미세 구조를 수정합니다 .
표면 처리는 표면 근처 영역(<3mm 깊이)에만 영향을 미칩니다. 주요 차이점:
| 양상 | 표면 처리 | 열처리 |
|---|---|---|
| 깊이 | 0.1μm - 3mm | 전체 단면 |
| 핵심 속성 | 변하지 않은 | 변형됨 |
| 왜곡 위험 | 최소 | 높음(담금질) |
| 에너지 투입 | 국소화(레이저, 유도) | 벌크(로) |
| 비용 | $0.10-$5/ft⊃2; | $0.50-$3/파운드 |
예 : 기어의 표면은 마모를 위해 60HRC 표면이 필요하지만 인성을 위해서는 35HRC 코어가 필요합니다. 유도 경화 (표면 처리)는 톱니만 900°C로 가열하고 담금질하여 케이스 깊이를 2~8mm로 만듭니다. 경화(열처리)를 통해 전체 기어가 부서지기 쉽고 파손되기 쉽습니다.
표면 처리는 기판의 특성을 변경합니다 . 표면 코팅으로 뚜렷한 레이어 추가.
중요한 의미 :
접착력 : 코팅은 처리된 기판과의 기계적/화학적 결합에 의존합니다. 처리되지 않은 저에너지 표면(PP, PE)의 코팅은 박리됩니다. 처리를 통해 기판의 코팅 준비가 '준비'되었습니다.
실패 모드 : 코팅 실패는 계면(박리)입니다. 처리 실패는 기질과 관련이 있습니다(예: 불완전한 부동태화로 인해 부식되는 유리 철이 남습니다).
두께 : 코팅은 10-500 µm를 추가하여 공차에 영향을 미칩니다. 처리는 5μm 미만(양극산화 처리)을 추가하거나 없음(플라즈마)을 추가합니다.
재활용 : 재활용하기 전에 코팅을 벗겨내야 합니다(화학적/방법). 처리된 부품은 직접 재활용이 가능합니다.
비용 구조 : 코팅 비용은 면적과 재료량에 따라 달라집니다. 처리 비용은 처리 시간을 기준으로 합니다.
예 : 스테인레스 스틸 의료용 트레이는 내부식성을 위해 부품당 $0.05로 부동태화 (처리)하거나 경면 마감을 위해 추가하면 전해연마 + 부동태화 (처리)할 수 있습니다. 전기도금된 크롬 (코팅)을 부품당 2달러의 비용이 들고 오토클레이브 사이클에서 벗겨질 위험이 있습니다.
4가지 주요 동인:
1. 환경 보호
부식 : 노출된 강철은 습한 환경에서 연간 0.1~0.5mm씩 부식됩니다. 아연 도금은 희생적인 Zn 층을 추가하여 수명을 20~50년으로 연장합니다.
산화 : 티타늄은 수동 TiO2층을 형성하지만 500°C에서는 산화가 가속화됩니다. 양극 산화 처리로 이 층이 두꺼워져 800°C 서비스가 가능해집니다.
2. 기능적 성능
접착력 : 처리되지 않은 폴리프로필렌의 표면 에너지는 30mN/m입니다. 에폭시 접착제에는 45mN/m 이상이 필요합니다. 플라즈마 처리는 이러한 격차를 해소하여 30MPa 결합 강도를 달성합니다.
마모 : 처리되지 않은 4140 강철은 0.01mm/1000주기에서 마모됩니다. 질화처리는 이를 0.001mm/1000사이클로 줄입니다.
3. 규제 준수
생체 적합성 : 이식형 장치에는 ISO 10993 준수가 필요합니다. 패시베이션 및 아노다이징 처리로 세포 독성 이온이 침출되지 않습니다.
식품 안전 : FDA 21 CFR은 식품과 접촉하기 전에 스테인리스 스틸을 부동태화할 것을 요구합니다.
4. 경제적 가치
비용 회피 : $5 강철 브래킷 처리($0.10/패시베이션)로 $500 보증 청구를 녹으로 방지할 수 있습니다.
성능 승수 : 20달러짜리 자동차 센서 하우징의 레이저 텍스처링은 접착 접착 신뢰성을 85%에서 99.9%로 높여 현장 오류를 제거합니다.
화학이나 열 없이 물리적 힘을 사용하여 표면 특성을 변경하는 프로세스:
쇼트 피닝 : 60-100 PSI의 구형 매체(S170-S780 주강 샷)로 충격을 가하면 압축 응력이 발생합니다. Almen 강도 (0.008-0.024A)는 에너지를 정량화합니다. 적용 범위 >100%는 균일한 응력을 보장합니다. 스프링, 기어, 항공기 랜딩 기어에 사용되어 피로 수명을 5~10배 늘립니다.
대량 마감 : 세라믹 매체가 포함된 진동 보울은 등방성 수퍼피니싱을 달성하여 Ra를 16μin에서 2μin으로 줄입니다. 이는 기어 메시의 마찰 계수를 0.12에서 0.05로 줄여 효율성을 1~2% 향상시킵니다.
연마재 분사 : 산화알루미늄 그릿(20-100메시)은 코팅 접착력을 위해 50-100μin Ra 프로파일을 생성합니다. 백색 금속 분사 (SSPC-SP10)로 모든 녹을 제거하여 표면 청결도 95%를 달성합니다.
레이저 충격 피닝 : 3-5GW/cm² 레이저 펄스가 플라즈마를 생성하여 5-10GPa 압력파를 생성합니다. 이는 표면 변형 없이 숏 피닝보다 깊은 1-2mm 깊이의 압축 응력을 유도합니다. 터빈 블레이드에 사용됩니다.
심냉간 압연(Deep Cold Rolling) : 롤러가 -150°C에서 표면을 압축하여 압축 응력 800MPa의 나노결정질 구조를 생성합니다. 크랭크샤프트의 피로 수명을 200% 향상시킵니다.
철강 관련 공정은 부식 민감성, 중간 정도의 경도, 제한된 내마모성 등 강철의 고유한 약점을 해결합니다.
일반적인 강철 처리 :
인산염 처리 : 페인트를 고정하는 Fe₃(PO₄)⊃2;·8H2O 결정을 생성하고 24~48시간 염수 분무 저항성을 제공합니다. 자동차 차체에는 인산아연(Zn₃(PO₄)₂)이 선호됩니다.
흑색 산화물 (Fe₃O₄): 뜨거운 알칼리성 염의 화학적 전환으로 방청유를 함유하는 1μm 다공성 층이 생성됩니다. 12시간 미만의 염수 분무 저항성을 제공합니다. 순전히 패스너용 외관입니다.
아연 도금 : 용융 도금으로 50-150 µm Zn-Fe 합금 층을 생성합니다. 인터페이스의 외부 아연-철 합금 (델타 층)은 야금학적 결합을 제공합니다. 에타층 은 순수한 Zn입니다. oz/ft⊃2;로 지정된 코팅 중량(G90 = 0.90oz/ft⊃2; 양면).
질화처리 : 염욕(550°C) 또는 가스(500°C)로 질소를 확산시켜 900~1200HV 경도의 10~50μm 백색층(Fe2₋₃N)을 생성합니다. 담금질이 필요하지 않으며 왜곡이 없습니다.
용도별 선택 :
자동차 섀시 : 용융아연도금(G90)
엔진 패스너 : 흑색 산화물 + 오일
변속기 기어 : 가스 질화
바디패널 : 인산염 + E-Coat
그렇습니다. '스테인리스'라는 이름에도 불구하고 말이죠 . 수동 Cr2O₃ 층(두께 2-3nm)은 자연적으로 형성되지만 제조 과정에서 파괴됩니다.
필수 치료 :
부동태화 (ASTM A967): 절단, 용접 및 취급 시 유리 철을 제거합니다. 프로세스:
알칼리성 세척으로 기름때 제거
물로 헹구기
산 침지(20% 질산, 30-60분, 120-140°F) 또는 구연산(4-10% w/w, 30-120분, 70-140°F)
DI 물로 최종 헹굼
마른
이점 : 96시간 염수 분무 저항성을 회복합니다. 제약 분야에서 루징(산화철 얼룩)을 방지합니다.
전해연마 : 인산-황산 역도금은 표면을 Ra 0.1-0.2 µin으로 매끄럽게 하여 다음을 개선합니다.
세척성 : 박테리아 부착 90% 감소(FDA 규정 준수에 중요)
부식 : 표면의 Cr:Fe 비율을 1:3에서 3:1로 향상
피로 : 스트레스 증가 요인을 제거하여 수명을 20-30% 향상시킵니다.
필요하지 않은 경우 : 대기 서비스, 중요하지 않은 애플리케이션. 그러나 의료, 식품, 제약 또는 해양의 경우에는 물론 그렇습니다.
유도 경화는 속도, 정밀도 및 자동화로 인해 산업 응용 분야를 지배합니다.
시장점유율 :
유도 : 45% (자동차, 석유 및 가스, 광산)
침탄 : 30% (기어, 베어링)
질화 : 15% (크랭크샤프트, 압출기 나사)
레이저 : 5% (항공우주, 의료)
화염 : 5% (레거시/수리)
유도 경화의 장점 :
속도 : 부품당 1~5초(기어치)
정밀도 : 2-8mm 케이스 깊이 ±0.5mm
선택성 : 특정 영역(저널 보유)만 처리하고 다른 영역은 마스킹합니다.
자동화 : CNC 터닝 센터에 통합
침탄 우세 : 고하중 기어의 경우 침탄이 여전히 왕성합니다. 925~955°C에서 4~12시간 동안 가스 침탄하면 탄소 함량이 0.8~1.2%가 됩니다. 오일 담금질은 마르텐사이트(60-63 HRC)로 변합니다. 진공 침탄 (저압 아세틸렌)으로 사이클 타임을 50% 단축하고 입계 산화를 제거합니다.
깊이는 프로세스와 애플리케이션에 따라 다릅니다 .
| 공정 | 깊이 범위 | 공차 | 적용 |
|---|---|---|---|
| 유도 | 0.5-8mm | ±0.5mm | 샤프트 저널, 기어 톱니 |
| 침탄 | 0.5-3mm | ±0.2mm | 자동차 기어(0.8~1.2mm) |
| 질화 | 0.1-0.8mm | ±0.1mm | 크랭크샤프트(0.4-0.6mm) |
| 원자 램프 | 0.5-2mm | ±0.2mm | 절삭 공구, 다이 |
| 쇼트 피닝 | 0.1-0.5mm | — | 스트레스 프로파일 깊이 |
측정 : 나이탈 에칭(2-5% 질산)은 색상 변화를 통해 케이스 깊이를 나타냅니다. 미세경도 프로파일링 (ASTM E384)은 표면에서 안쪽으로 경도를 매핑합니다. 케이스 깊이는 경도가 50HRC로 떨어지는 깊이로 정의됩니다.
중요 설계 규칙 : 케이스 깊이는 기어 너무 얕으면(<5%) 조각이 발생합니다. 너무 깊으면(>25%) 코어가 부서지기 쉽습니다. 치두 두께의 10~20%가 되어야 합니다 .
취성 방지를 위한 주요 전략 :
1. 표면경화(경화 아님)
유도 경화 또는 화염 경화를 사용하여 마모 영역만 경화
코어는 펄라이트/페라이트(인성)로 유지되는 반면 표면은 마르텐사이트(경질)로 유지됩니다.
2. 합금 선택
중탄소 합금강 (4140, 4340)과 일반 탄소강(1045)을 선택하세요 .
합금 원소(Cr, Mo, Ni)는 경화성을 증가시켜 담금질 속도(오일 대 물)를 낮추고 담금질 균열을 줄입니다.
3. 템퍼링
담금질 후 400-600°F(1-2시간)에서 뜨임하여 스트레스 해소
경도를 3-5 HRC 포인트 감소시키지만 인성을 200-300% 증가시킵니다.
이중 템퍼링 (2사이클)으로 완벽한 변형과 안정성 보장
4. 마퀀칭(Martempering)
350-400°F의 뜨거운 기름/용해된 소금으로 담금질하고 균일한 온도가 될 때까지 유지한 후 공기 냉각
열 구배를 최소화하여 뒤틀림과 균열을 70% 줄입니다.
5. 극저온 처리
템퍼링 후 -300°F에서 24~36시간 동안 급속 냉동
잔류 오스테나이트를 마르텐사이트로 변환하여 추가 응력 없이 경도를 2-3 HRC로 높입니다.
실제 예 : 4140 기어(0.40% C)가 1.0% C 케이스로 침탄되고, 오일 담금질되고, 450°F에서 뜨임 처리됩니다. 결과: 60HRC 표면, 35HRC 코어, 15ft-lb 샤르피 충격 인성.
표면 처리 채택을 촉진하는 중요한 제한 사항 :
1. 왜곡 및 치수 변화
담금질 왜곡 : 물 담금질은 0.1-0.5% 치수 변화를 일으킬 수 있습니다. 복잡한 부품이 예측할 수 없을 정도로 휘어짐
교정 비용 : 열처리 후 프레스 교정 시 부품당 $50~$200
연삭재 : 후열처리 연삭을 위해 면당 0.005-0.020'를 추가해야 합니다.
2. 취성 및 균열
경화 부품(60HRC)은 5ft-lb 미만의 충격 인성을 가지며 충격 하중에는 허용되지 않습니다.
균열 급냉 : 응력 상승(나사산, 날카로운 모서리)으로 인해 고탄소 부품의 5~10%에서 균열이 시작됩니다.
수소 취성 : 침탄 및 도금으로 인해 H⁺가 유입되어 하중을 받을 때 지연 파괴 발생
3. 에너지와 시간
용광로 주기 : 1500-1800°F에서 4-24시간; 에너지 비용 $0.30-$0.50/lb
대기 제어 : 흡열 가스 발생기는 $10K-$50K의 자본 비용을 추가합니다.
일괄 처리 : 린 제조(Lean Manufacturing)와 인라인 표면 경화에 비해 비효율적
4. 재료 제한
저탄소강 (<0.30% C)은 적절하게 경화되지 않으며 표면 강화(침탄)가 필요합니다.
얇은 부분 (<0.125')은 경화되어 너무 부서지기 쉽습니다.
5. 환경에 미치는 영향
냉각 오일 : EPA 규제; 폐기 비용 $2-$5/갤런
대기가스 : CO, CO2, CH₄ 배출량 - 철강 톤당 10~20톤 CO2eq
세 가지 임상 목표 :
1. 생체적합성 향상
티타늄 임플란트 : 알칼리 열처리로 골유착(뼈 성장)을 40~60% 가속화하는 나노 지형을 형성하여 치유 시간을 12주에서 6~8주로 단축
표면 에너지 : 양극 산화로 Ti 표면 에너지를 높여 단백질 흡착 및 세포 부착을 촉진합니다.
2. 부식 및 내마모성
아말감 충전재 : 주석도금으로 부식 및 가장자리 누출 방지
스테인레스 기구 : ASTM F1089에 따른 패시베이션으로 오토클레이브 멸균(134°C 증기) 시 구멍이 뚫리는 것을 방지합니다.
3. 접착제 접착
복합 충전재 : 37% 인산 에칭으로 에나멜에 5~10μm 마이크로태그가 생성되어 20~30MPa 결합 강도 달성
세라믹 크라운 : 불산 에칭 + 실란 커플링제가 레진 시멘트를 15-20MPa의 속도로 도자기에 접착합니다.
교정용 브라켓 : 플라즈마 처리된 폴리카보네이트 브라켓은 치료 중 분리되지 않고 광중합형 접착제를 통해 법랑질에 접착됩니다.
특수 처리 : 50 µm Al₂O₃ 입자를 이용한 공기 마모는 접착을 위한 미세 기계적 유지력을 생성하여 수복 수명을 30% 증가시킵니다.
강철, 콘크리트, 목재에 적용하여 50~100년의 수명을 보장합니다 .
구조용 강철 :
교량, 고층건물 용 용융아연도금 (G90~G235 도금량)
현장 용접용 열분사 아연 (TSZ) - 코팅 내 아연 85%는 HDG와 동일한 수명을 달성합니다.
팽창성 페인트 : 500°F에 노출되면 1' 두께의 폼으로 팽창하여 빔에 2시간 내화 등급 제공
콘크리트 :
실란/실록산 실러 : 3~8mm 침투하여 수분 흡수율을 90% 감소시키고 염화물 침투율을 70% 감소시킵니다(철근 부식에 중요).
조밀화제 (규산나트륨): 유리 Ca(OH)₂와 반응하여 CSH 겔을 형성하여 표면 경도를 30% 증가시키고 내마모성을 높입니다.
목재 :
압력 처리 : 구리 아졸(CA)이 0.40 pcf(입방 피트당 파운드)를 침투하여 지면 접촉 시 40년 동안 부패를 방지합니다.
난연제 : 인산이암모늄 처리로 A급 화재 등급 달성(화염 확산 <25)
품질 관리 : ICRI(국제 콘크리트 수리 협회) 지침에서는 코팅 접착을 위해 콘크리트 표면 프로파일 칩을 통해 표면 프로파일(CSP 3-5)을 지정합니다.
예방적 유지보수를 통해 도로 수명을 10년에서 20년 이상 연장합니다 .
1. 택코트(아스팔트)
적용 : 오버레이 전 아스팔트 유제(RS-1 또는 SS-1)를 0.05-0.10갤런/yd⊃2; 분사합니다.
목적 : 기존 아스팔트와 새 아스팔트 사이의 결합을 형성하여 박리를 방지합니다.
중요한 이유 : 점착력이 없으면 오버레이 전단 강도가 60% 떨어집니다. 2~3년 안에 실패
2. 프라임코트(입상베이스)
적용 : 쇄석 바닥에 0.25-0.50 갤런/yd⊃2;의 MC-30 컷백 아스팔트 스프레이
목적 : 10~25 mm 침투하여 느슨한 골재를 결속시키고 수분 차단막 제공
경화 : 포장 전 24~72시간
3. 포그씰
적용 분야 : 0.10-0.15갤런/yd⊃2;의 희석된 유제(물과 1:1)
목적 : 작은 균열을 봉쇄하고, 결합재를 산화된 표면으로 복원시키며, 수명을 2~3년 연장시킵니다.
비용 : $0.50-$1.50/yd⊃2; vs. 오버레이의 경우 $5-$10/yd⊃2;
4. 칩 씰(표면 처리)
적용 : 아스팔트 바인더(0.30-0.40갤런/yd⊃2;)를 분사한 후 골재 칩(1/4'~3/8')을 삽입합니다.
용도 : 방수, 미끄럼저항성 향상, 크랙 봉쇄
수명 연장 : $2-$4/yd⊃2;로 5-7년
5. 슬러리 씰
적용분야 : 에멀전, 잔골재, 시멘트의 3/8인치 두께 혼합물
목적 : 표면을 평탄하게 하고, 작은 흠집을 메우고, 균일한 흑색 외관을 제공합니다.
왕복 교통편 : 2~4시간
'Black Stuff' : SS-1h 아스팔트 에멀젼 ('점착 코팅')은 검은색 끈적이는 스프레이입니다. MC-30 컷백 이 프라임 코트입니다. CRS-2P 폴리머 변성 에멀젼은 칩 씰에 사용됩니다.
