쇼트피닝(Shot peening)이란 무엇일까요?

쇼트피닝(Shot peening)이란 무엇일까요?

 

쇼트피닝(Shot peening)은 금속 부품의 표면에 강구를 고속으로 투사하여 표면층을 소성변형시키고 압축잔류응력을 생성하는 일종의 냉간가공 기술입니다. 쇼트피닝의 목적은 금속 부품의 피로수명, 표면강도, 내식성, 내마모성 등을 향상시키는 것입니다.

쇼트피닝의 원리는 간단합니다. 강구가 금속 표면에 충돌하면 충돌부위에 소성변형이 일어나고, 이 변형층과 변형되지 않은 금속 내부와의 평형을 맞추기 위해 표면에는 압축잔류응력이 생성됩니다. 이 압축잔류응력은 표면에 발생할 수 있는 균열의 확산을 억제하고, 외부매질과의 반응을 감소시킵니다. 그 결과, 금속 부품의 피로강도, 인장강도, 기타 기계적 성질이 개선됩니다.

 

쇼트피닝의 가공 조건은 다음과 같습니다.

- 쇼트볼의 재질: 강구, 유리, 세라믹 등이 사용됩니다. 쇼트볼의 재질은 공작물보다 경도가 높아야 합니다.

- 쇼트볼의 크기: 쇼트볼의 크기는 공작물의 형상과 요구되는 아크하이트(가공경화 깊이)에 따라 결정됩니다. 쇼트볼의 크기가 커지면 아크하이트는 커지고, 커버리지(가공된 표면 비율)는 감소합니다.

- 쇼트볼의 속도: 쇼트볼의 속도는 압축공기나 원심력으로 조절할 수 있습니다. 쇼트볼의 속도가 증가하면 아크하이트와 표면조도값은 커지고, 쇼트볼의 피손율은 높아집니다.

- 쇼트볼의 투사각도: 쇼트볼은 공작물에 수직으로 가까운 각도로 투사되어야 합니다. 이때 압축잔류응력이 가장 크게 생성됩니다.

 

쇼트피닝은 다양한 분야에 응용될 수 있습니다. 예를 들어, 스프링, 기어, 축, 핀, 터빈블레이드 등 반복하중을 받는 기계 부품에 적용하면 피로수명을 현저히 증가시킬 수 있습니다. 또한 용접부위에 적용하면 인장잔류응력을 완화시키고, 금속의 산화특성 및 슬래그 또는 이물질을 제거하는 청정효과를 얻을 수 있습니다.

 

쇼트피닝은 금속 부품의 표면가공 기술 중 하나로, 간단하면서도 효과적인 방법입니다. 쇼트피닝을 통해 금속 부품의 성능과 수명을 향상시킬 수 있습니다.

 

쇼트피닝의 구체적인 장점으로는 다음과 같습니다.

- 피로 강도 향상: 피로 강도란 금속이 반복적인 응력에 견딜 수 있는 강도를 말하는데, 쇼트피닝은 표면에 압축 잔류응력을 생성하여 반복적인 인장 응력에 대한 저항력을 증가시킵니다. 따라서 쇼트피닝된 금속은 쇼트피닝되지 않은 금속보다 높은 피로 강도를 가진다고 할 수 있습니다.

- 내식성 향상: 내식성이란 금속이 환경적인 요인에 의해 부식되는 것을 막는 능력을 말하는데, 쇼트피닝은 표면에 압축 잔류응력을 생성하여 부식에 의한 균열의 발생과 확대를 억제합니다. 따라서 쇼트피닝된 금속은 쇼트피닝되지 않은 금속보다 높은 내식성을 가진다고 할 수 있습니다.

- 파손 방지 및 지연: 파손이란 금속이 극한의 응력에 의해 파괴되는 것을 말하며, 쇼트피닝은 표면에 압축 잔류응력을 생성하여 파괴에 필요한 응력을 증가시킵니다. 따라서 쇼트피닝된 금속은 쇼트피닝되지 않은 금속보다 높은 파괴 강도를 가지며 또한, 쇼트피닝은 표면에 미세한 표면결함을 생성하여 파손의 시작점을 분산시킵니다. 이는 파손의 진행을 지연시키고, 파손의 크기를 줄이는 효과가 있다고 할 수 있습니다.

 

쇼트피닝은 쏘아 부딪히는 입자의 종류와 방법에 따라 다양한 종류가 있습니다. 대표적인 쇼트피닝의 종류와 방법은 다음과 같습니다.

 

- 에어 쇼트피닝: 공기압을 이용하여 입자를 쏘아 부딪히는 방법입니다. 입자는 주로 강철, 유리, 세라믹 등의 구슬이나 와이어 컷이 있습니다. 에어 쇼트피닝은 입자의 속도와 압력을 조절할 수 있어 다양한 응력 상태를 만들 수 있는 장점이 있지만, 공기압이 낮아 입자의 에너지가 낮고, 입자가 흩어져 효율이 낮다는 단점이 있습니다.

- 워터 쇼트피닝: 물압을 이용하여 입자를 쏘아 부딪히는 방법입니다. 입자는 주로 강철, 유리, 세라믹 등의 구슬이나 와이어 컷이 있고, 워터 쇼트피닝은 물압이 높아 입자의 에너지가 높고, 입자가 집중되어 효율이 높다는 장점이 있는 반면, 물과 금속의 접촉으로 인해 부식이 발생할 수 있고, 물의 처리가 필요하다는 단점이 있습니다.

- 레이저 쇼트피닝: 레이저를 이용하여 금속 표면에 충격파를 생성하는 방법입니다. 충격파는 금속 표면에 압축 잔류응력을 생성하고, 레이저 쇼트피닝은 입자가 필요하지 않고, 정밀하고 균일한 응력 상태를 만들 수 있다는 장점이 있지만, 레이저 장비가 비싸고, 열에 의한 변형이 발생할 수 있고, 광학적인 손상이 발생할 수 있다는 단점이 있습니다.

 

쇼트피닝은 다양한 산업 분야에서 사용되는 부품의 수명을 연장하고 성능을 향상시키는 데 도움이 되는 공정입니다. 예를 들어, 항공기의 날개나 엔진, 자동차의 엔진부나 변속기, 선박의 프로펠러나 기관실, 철도차량의 바퀴나 객차 등에서 쇼트피닝을 적용할 수 있습니다. 쇼트피닝은 이러한 부품들에 대해 피로 강도와 내식성을 향상시켜 안전성과 신뢰성을 높여줍니다.

 

쇼트피닝은 앞으로도 지속적인 연구와 개발을 통해 더욱 발전할 것으로 예상됩니다.

이상입니다.

정원신재료(유)