추상
본 논문은 유압 지지 기둥 표면에 고속 레이저 클래딩 방식으로 철계 합금 코팅을 형성할 때 발생하는 균열 및 기공 결함을 조사합니다. 야금학적 응고 원리와 에너지 분산 분광법(EDS)을 이용한 코팅 구성 원소의 점 및 선 스캔 분석을 통해 클래딩 재료 조성 및 공정 변수에 따른 결함 발생 원인을 체계적으로 규명했습니다. 연구 결과, B 및 Si 원소의 편석, Cr-Mo-C 탄화물의 석출, 그리고 기지상의 상전이 현상이 균열 및 기공 발생의 주요 원인임을 밝혀냈습니다. 레이저 출력, 스캐닝 속도, 분말 공급 속도, 클래딩 층 수 등의 공정 변수를 적절히 조절하지 않으면 결함 발생이 더욱 심화될 수 있습니다. 본 연구는 유압 지지 기둥 표면에 고속 레이저 클래딩 기술을 산업적으로 적용하는 데 필요한 이론적 근거를 제공합니다.

개요
유압 지지 기둥은 작동 중 교류 하중을 받게 되어 표면 마모 및 부식이 발생합니다. 고속 레이저 클래딩 기술은 높은 효율, 낮은 희석률, 국부적인 열영향부 형성 등의 장점으로 표면 강화 및 보수에 효과적인 방법으로 자리 잡았습니다. 그러나 클래딩 층 내의 균열 및 기공 결함은 코팅의 성능에 심각한 영향을 미치므로, 이러한 결함의 발생 메커니즘에 대한 체계적인 분석이 필요합니다.

1. 균열 발생 분석
1.1 중요한 요소

B와 Si 분리B 함량이 0.5%를 초과하면 결정립계에서 Ni 및 Si와 함께 저융점 공융체를 형성하여 결정립계 결합을 약화시키는 액체 막을 생성하고, 따라서 균열 발생 및 전파를 촉진합니다.

Si 및 Mn 원소의 영향Si는 용융 풀의 점도를 증가시켜 가스 배출을 방해하는 반면, Mn은 MnS 개재물 형성을 촉진하여 균열의 원인이 됩니다.

Cr-Mo-C 시너지 효과Cr과 C는 Cr₂₃C₆ 및 Cr₇C₃와 같은 탄화물을 형성하고, Mo는 Mo₂C를 형성합니다. 이러한 탄화물의 석출은 부피 수축을 유발하며, 이는 열 응력과 결합하여 잔류 응력을 증가시키고 균열을 발생시킵니다.

27SiMn 매트릭스의 상전이오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되면 부피 팽창과 전단 응력이 발생하여 계면 박리 위험이 증가합니다.

1.2 프로세스 요소

과도한 레이저 출력레이저 출력이 높을수록 온도 구배가 커져 열응력이 집중됩니다.

빠른 스캔 속도스캔 속도가 빠르면 응고 시간이 단축되고 냉각 속도가 증가하여 응력 집중이 심화됩니다.

과도한 수의 외장재 층피복층이 너무 많으면 층간 응력이 누적되어 재료의 항복 강도를 초과할 경우 균열이 발생합니다.

2. 공극 형성 분석
2.1 중요한 요소

B와 O의 반응: 붕소(B)는 산소와 반응하여 휘발성 B₂O₃를 형성하고, 이로 인해 용융 풀에 기포가 발생합니다.

몰리브덴의 산화몰리브덴(Mo)은 산화되어 MoO₃를 형성하며, 이는 기포 형성의 핵 역할을 합니다.

복합 개재물의 형성: Si는 C와 반응하여 SiC를 형성하고, SiO₂는 기포 배출을 방해하는 복합 개재물을 생성합니다.

Mn 증발망간 증발은 용융 풀에 난류를 유발하여 가스를 가두고 다공성을 발생시킵니다.

저융점 공융체: SiO₂ 및 B₂O₃와 같은 저융점 공융체의 형성은 재료 내에 가스를 가둡니다.

2.2 프로세스 요소

불안정한 가스 흐름가스 공급이 불안정하면 용융 풀에서 보호 기능이 저하되거나 난류가 발생합니다.

과도한 분말 공급 속도분말 사료를 너무 많이 넣으면 덩어리가 지고 기포가 갇힐 수 있습니다.

레이저 출력과 스캐닝 속도의 불일치레이저 출력과 스캐닝 속도가 제대로 맞춰지지 않으면 용융 풀의 흐름과 가스 배출에 영향을 미칩니다.

3. 균열과 다공성의 시너지 효과
기공은 응력 집중원으로 작용하여 균열 선단의 응력 강도 계수를 증가시키고 균열 전파를 가속화합니다. 균열 전파 과정에서 새로운 표면은 가스를 흡착하여 기공의 응집 및 산화를 더욱 촉진하고, 결과적으로 복잡한 손상 네트워크를 형성하여 재료의 피로 수명을 크게 단축시킵니다.

4. 결론

균열 형성균열은 주로 B와 Si의 편석, 탄화물 석출, 기지 내 상변화로 인해 발생합니다. 공정 변수는 열응력 및 응고 거동에 영향을 미칩니다.

다공성 형성기공률은 B, Mo, Si, Mn과 같은 원소의 휘발성, 산화 및 개재물 거동과 밀접한 관련이 있습니다. 공정 변수는 가스 배출을 제어합니다.

효과적인 통제 조치B와 Si 함량을 0.5% 미만으로 제어하고, Cr/Mo 비율을 최적화하며, Ni 함량을 높이면 결함을 효과적으로 억제할 수 있습니다.

시너지적 손상 메커니즘균열과 다공성은 시너지 효과를 내는 손상 메커니즘을 나타내므로, 재료 구성 설계 및 공정 최적화를 통한 종합적인 접근 방식이 필요합니다.