쇼트피닝 개요, 효과, 구조 및 쇼트피닝 후의 열처리와 압축 잔류응력 관계

 1. 쇼트피닝(shot peening) 개요

    1) 쇼트피닝은 직경 0.4㎜~1.2㎜의 수많은 강구를 주로 원심력을 이용하여 초속 수십 m/sec

      의 고속도로 금속제품 표면에 분사하는 작업이다.

    2) 이 처리에 의하여 표면으로부터 0.2~0.3㎜ 정도의 깊이까지 생성되는 가공경화와 압축 잔류

       응력으로 인하여 금속제품의 내 피로성이 2배에서 10배까지 증가하는 효과를 가져온다.

    3) 또한 열간 스프링에서는 쇼트피닝에 의해서 산화 스케일의 제거와 탈탄층의 변화 및 표면

       홈 의 제거 효과가 추가됨으로 내 피로성이 대단히 향상된다.

 2. 쇼트피닝(shot peening)효과

    1) 표면의 툴 마크 및 이물질을 제거한다.

    2) 산화 스케일 및 탈탄층을 제거한다.

    3) 표면에 압축 잔류응력을 생기게 한다.

    4) 표면층에 가공 경화를 발생시킨다.

3. 쇼트피닝 기계의 구조

기 준	쇼트 가속 방법에 따라
구 분	공기분사식 쇼트피닝기	임펠러 원심식 쇼트피닝기
쇼트 분사 방식	노즐로부터 분사되는 압축 공기에 의해 쇼트볼을 분사시키는 방식	그림에서 보는 바와 같이 컨트롤 게이지 가 고정되어 있으며, 디스트리 뷰터와 임펠러가 일체로 되어 고속 회전 한다. 쇼트는 그림과 같이 중앙으로 공급되어 컨트롤 게이지의 구멍을  따라 임펠러에 공급되어서 분사된다
특 징	장점으로는노즐의 각도 조정에 의해 쇼트의 방향 제어가 용이하기 때문에 물체의 특정한 부분을 선택하여 쇼트 피닝하기에 편리하며,   단점으로는 가속의 효율이 나쁘며, 큰 용량의 공기 압축기를 필요로 하는 것이다.	압축잔류응력을 얻고자 하는 대부분의 금속 제조 공정에서 사용되며 공기 분사식에 비해 효율이 좋다.

4. 쇼트피닝에 의한 잔류응력과 피로수명

      ▪  쇼트피닝은 스프링 표면에 압축 잔류응력을 부여한다.

      ▪  이것은 스프링이 작동할 때 인장응력과 상쇄되어 스프링 표면에 걸리는 응력을 저하시켜서 내구성을 크게 향상시킨다.

      ▪  피로파손은 주로 인장응력 측에서 생기기 때문에 굽힘응력의 경우는 굽힘 모멘트에 의하여

        인장응력이 생기는 측에 실시하면 효과가 크다.

5. 쇼트피닝시 고려 사항

 1) 쇼트볼의 종류

NO

항목

컷 와이어(Cut wire)

1

특징

탄소강선(경강선재)을 직경과 길이가 같게 원통형으로 절단한 것.

2

재질

성분

C

Si

Mn

P

S

SWRH72A 또는 72B

0.69~ 0.76

0.15~ 0.35

0.30~ 0.90

MAX.0.030

MAX.0.030

3

외관

경강선을 절단하여 만드는 cut wire는 경강선을 절단할 때crack, 겹침흠 및   갈라짐이 없어야 한다.

4

경도

쇼트호칭

경도

용도

CW12,CW10

HRC 48 이상

겹판 스프링용

CW 09,08,07

Hv 550~615

열간 스프링용

CW 06,05,04

Hv 550~650

냉간 스프링용

5

크기

기호

직경

길이

기호

직경

길이

CW12

1.2±0.06

12±1.2

CW07

0.7±0.04

7±0.7

CW10

1.0±0.04

10±1.0

CW06

0.6±0.04

6±0.6

CW09

0.9±0.04

9±0.9

CW05

0.5±0.03

5±0.5

CW08

0.8±0.04

8±0.8

CW04

0.4±0.03

4±0.4

2)아크하이트 측정 

    -.알멘스트립

NO	항목	알멘스트립(almen strip)
1	용도	쇼트피닝 시험편으로 사용
2	재료	JIS G 3311(특수강대, SK 5M-SK 7M)
3	경도	담금질, 뜨임 후 HRC 46~50
4	종류	TYPE	두  께(t)	평탄도	용도
		N	0.787±0.025	±0.025
		A	1.295±0.025	±0.025	냉간 코일 스프링용
		C	2.388±0.025	±0.038	열간 코일 스프링용

 

  -.아크하이트 측정방법

      ① 알멘 스트립을 게이지에 접촉 시켜놓고, 알멘 스트립의 영점 및 평탄도를 확인한 후, 필요한 경우 영점을 조정한다.

      ② 알멘 스트립을 알멘스트립 고정 치구에 중심을 맞추어 단단히 체결한다. 또한 알멘 스트립의 영점을 확인한 면을

           알멘 스트립 고정치구의 면과 일치시킨다.

      ③ 알멘 스트립의 표면을 피 가공물과 동일 조건으로 하여 쇼트피닝을 한다.

      ④ 알멘 스트립을 치구로부터 해체하여 쇼트피닝 되지 않은 면에서의 원호의 높이를 게이지로 측정한다.

      ⑤ 아크하이트의 표시는 사용한 알멘 스트립의 종류에 따라 게이지로 읽은 수치를 다음과 같이 기재한다.

          ex) 0.35mmA

     

    -.카바레지 측정 방법

        → 알멘 스트립의 한쪽 면을 연마하여 거울 면과 같이한다.

        → 알멘 스트립을 고정 치구에 체결한다.

        → 연마한 면을 피가공물과 동일 조건으로 하여 쇼트피닝을 실시한다.

        → 알멘 스트립 고정치구로부터 해체한 알멘 스트립의 시험 면을 10배로 확대하여 표준사진과의  

             대비에 따라 카바레지를 판정한다.

6. 쇼트피닝 후의 열처리와 압축잔류응력 관계

쇼트피닝 후의 열처리

쇼트피닝의 본질은 소성가공 이며 이 가공 층에는 소성 변형을 받은 재료의 일반적 특성인 미시적 내부 변형으로 생기는 탄성한의 감소가 있다.  따라서 감소한 탄성을 회복 하기 위하여 쇼트피닝 후에 저온풀림(200℃~250℃)을 하는 것이 효과적이다.

셋팅 핫 셋팅 크립템퍼

▶스프링의 변형량이 문제가 되는 스프링에서 재료에 탄성한도 이상의 하중(셋팅 응력)을 가해서 재료표면에 잔류응력을 생성    시키며 스프링에 적당한 영구변형을 일으키게 하는 것으로서 적정한 셋팅은 스프링의 사용 중 변형을 방지하며 항복점을    높일   뿐만 아니라 피로변형의 감소, 피로한도의 향상에도 유용하다.    그러나 셋팅에 따른 잔류응력의 최대치는 쇼트피닝에 의한 잔류응력에 비해 매우 작다. 따라서 세팅 후에 쇼트피닝을 실시    하면  셋팅의 효과는 완전히 없어져 버리므로 작업의 순서는 쇼트피닝 후에 세팅하여야 한다. ▶스프링이 조립되어 사용될 때 고온에 의한 변형이 문제가 되는 스프링에서는 고온 상태 (일반적으로 200~400℃)에서    셋팅한 경우가 효과가 크며 이것을 "Hot Setting"이라고 하고, 또 스프링을 압축치구에 의해서 일정 높이로 압축하여    일정시간(일반적으로 12~30분)고온의 노를 통과시키는 방법을 "Creep Temper"라고 한다. ▶이 두가지 작업 방법에 있어 다소 차이가 있지만 소성가공에 의해 발생한 미시적 잔류 응력의 제거와 시효경화를 동시에 하는    처리방법이다. 이 경우 저온 풀림의 온도도 쇼트피닝에 의한 잔류응력의 저하를 고려하여 200~250℃에서 하는 것이    바람직하다.