Optimization of surface quality for YG20 tungsten steel cut by liquid nitrogen assisted abrasive suspension jet

가장 단단한 금속을 절단하는 것이 돌을 톱질하는 것이 아니라 차가운 버터를 써는 것처럼 느껴지는 세상을 상상해 보십시오. 이것이 바로 연마 부유 현탁 제트 가공(abrasive suspension jet machining)이라 불리는 기술이 약속하는 바입니다. 이 공정에서는 고압의 물 스트림에 모래나 가넷과 같은 작고 날카로운 입자들을 혼합합니다. 물이 단순히 입자를 끌고 가는 기존 방식과 달리, 이 고급 시스템은 물과 입자를 두껍고 균일한 슬러리(slurry) 상태로 혼합하여 발사합니다. 그 결과, 액체와 고체가 결합된 스트림이 엄청나고 고르게 분산된 힘으로 재료를 타격하며, 이는 전통적인 도구가 흔히 남기는 열 손상 없이 금속을 베어낼 수 있게 합니다. 수십 년 동안 엔지니어들은 이 방법을 사용하여 티타늄에서 알루미늄에 이르기까지 모든 것을 절단해 왔습니다. 그러나 텅스텐 강철과 같이 매우 단단하고 취성이 강한 재료에 직면했을 때, 이 공정은 한계에 부딪힙니다. 재료가 너무 단단해서 제트가 한 번에 깔끔하게 절단하기 어려우며, 종종 거칠고 불균일하며 미세한 균열이 가득한 표면을 남기게 됩니다. 여기서 어떻게 하면 더 매끄럽게 절단할 것인가에 대한 질문은 광업 및 중장비 분야에서 이러한 내구성 있는 재료에 의존하는 산업들에게 매우 중요한 문제가 됩니다.

안후이 과학기술대학교와 중국 광업기술대학교의 연구팀은 YG20 텅스텐 강철이라는 재료를 사용하여 이 특정 문제를 해결하고자 했습니다. 이렇게 단단한 물질을 절단하는 어려움을 해결하기 위해, 그들은 냉각제인 액체 질소를 도입했습니다. 액체 질소로 강철을 먼저 분사함으로써 온도를 급격히 낮추어, 금속을 더 부서지기 쉽고 분해하기 쉬운 상태로 만들었습니다. 그 후 이 냉각 단계를 연마 부유 현탁 제트로 이었습니다. 이 하이브리드 방식(연구진은 이를 액체 질소 보조 연마 부유 현탁 제트라고 부릅니다)은 제트만 사용했을 때보다 훨씬 빠르게 강철을 절단하는 데 성공했지만, 새로운 문제를 야기했습니다. 절단면이 균일하지 않았던 것입니다. 단일한 일관된 질감 대신, 연구진은 절단면이 매우 다른 특성을 가진 두 개의 뚜렷한 구역으로 나뉘어 있다는 것을 발견했습니다.

연구진이 강력한 현미경으로 절단면을 관찰했을 때, 두 가지 유형의 손상 사이에 명확한 경계가 나타났습니다. 제트가 막 침투하기 시작한 절단면의 상부는 연성 파괴(ductile fracture)의 징후를 보였습니다. 이 영역에서 재료는 마치 부드러운 금속이 옆으로 밀려나는 것처럼 행동하며, 제트가 이동하는 방향을 따라 길고 가는 긁힘 패턴을 남겼습니다. 이 구역은 상대적으로 매끄러웠으며, 평균 거칠기 측정값은 약 2.3 마이크로미터였습니다. 그러나 제트가 가장 격렬하게 작업해야 했던 더 깊은 부분의 절단면은 완전히 달랐습니다. 이곳에서 재료는 취성 방식으로 산산조각 났습니다. 매끄러운 긁힘 대신, 표면은 절단 경로를 따라 달리는 들쭉날쭉한 능선으로 뒤덮였으며, 깊은 꽃잎 모양의 구멍들이 그 주변을 에워싸고 있었습니다. 이 취성 구역은 훨씬 더 거칠었으며, 평균 6.7 마이크로미터로 상부의 매끄러운 구역보다 거의 세 배나 더 거칠었습니다. 연구진은 재료를 단 한 번의 통과로 절단하는 표준 방식이 이 거칠고 산산조각 난 하단부를 제트의 연마 작용으로부터 보호하지 못해 품질 저하를 초래한다는 것을 깨달았습니다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 "역방향 2차 절단(inverted reverse secondary cutting)"이라고 부르는 영리한 2단계 전략을 제안했습니다. 아이디어는 절단과 연마를 두 개의 별개 작업으로 취급하는 것이었습니다. 첫 번째 단계에서는 작업을 빠르게 완료하기 위해 강철을 빠른 속도로 절단하며, 하단부가 거칠어지는 것을 수용합니다. 절단이 완료되면, 강철 조각을 뒤집습니다. 이렇게 하면 거칠고 산산조각 난 하단부가 위를 향하게 됩니다. 그런 다음, 반대 방향으로 그리고 정밀하게 제어된 속도로 제트를 다시 실행합니다. 이 두 번째 통과는 미세한 연마 역할을 하여, 전체 두께를 다시 절단할 필요 없이 들쭉날쭉한 능선을 갈아내고 깊은 구멍을 메웁니다. 이 두 번째 통과의 속도를 조절함으로써, 연구진은 연마가 가장 효과적인 최적의 지점을 찾아냈습니다.

이 새로운 접근 방식의 결과는 놀라웠습니다. YG20 텅스텐 강철에 이 방법을 테스트했을 때, 전체 절단면의 평균 거칠기는 표준 단일 통과 방식에 비해 현저히 감소했습니다. 초기 절단 속도에 따라 최종 표면은 27%에서 29% 더 매끄러워졌습니다. 연구진은 두 번째 연마 통과의 속도가 가장 결정적인 요소라는 것을 발견했습니다. 만약 제트가 너무 빨리 움직이면, 거친 부분을 매끄럽게 다듬을 시간이 부족했습니다. 만약 너무 느리게 움직이면, 첫 번째 통과가 너무 공격적이어서 복구할 수 없는 손상이 너무 많이 남게 되었습니다. 그들은 두 번째 통과가 분당 25에서 32 밀리미터 사이의 속도로 움직일 때 가장 좋은 결과가 나온다는 것을 발견했습니다. 이 속도에서 취성 구역의 "능선"과 구멍들이 효과적으로 갈려 나가, 훨씬 더 균일하고 고품질인 표면을 남겼습니다.

이 연구는 작업 순서와 절단 방향을 변경함으로써 극도로 단단한 재료의 한계를 극복할 수 있음을 보여줍니다. 연구진은 절단의 거칠기가 재료의 경도 때문이 아니라, 제트의 에너지가 어떻게 적용되는지의 결과임을 입증했습니다. 무거운 절단 작업과 미세한 마무리 작업을 분리함으로써, 그리고 재료의 독특한 특성을 역으로 이용함으로써, 그들은 훨씬 더 나은 결과를 얻었습니다. 정밀하고 매끄러운 텅스텐 강철 절단이 필요한 산업 분야에서, 이 방법은 완전히 새로운 기계를 발명할 필요 없이 기존 도구를 사용하는 방식을 재고함으로써 작업 품질을 개선할 수 있는 실질적인 방법을 제공합니다.