미국 에너지부 알곤국립실험실의 연구원들은 기계부품들의 수명을 상당히 향상시킬 수 있는, 새로 특허를 받은 기술을 개발하였다. 산업 장비에 통합되어 있는 금속 부품들은 매우 마모가 잘되고 또한, 찢기는 경우가 많이 발생한다. 장비를 보호하고 장비의 수명을 연장하기 위해서 붕소의 확산 동안에 금속 조각들에 붕소화물 층이 침적되는 팩 보라이딩(pack-boriding)과 같은 많은 경화방법들이 개발되었다. 기존의 보링 방법은 시간이 많이 걸릴 뿐만 아니라 노동력이 많이 드는데 이러한 문제를 해결하기 위해서 명예연구원인 Ali Erdemir와 연구원들은 시간과 에너지, 경비 및 환경오염을 줄일 수 있는 초고속 보링 공정을 개발하였다.

지난 3년 동안에 연구팀은 이론적인 아이디어를 받아들여 이를 대형 규모의 노로 전환하였다. 이 노는 100마이크로미터 두께의 보론 층을 단지 30분 내에 침적시킬 수 있다. 그러나 이는 팩-보링 방법을 통해 같은 두께의 층을 얻는 데에는 대략 10시간이 걸린다. 연구원들은 성공적으로 과정을 완료했고 실용 특허도 받았는데 이 특허 내에는 기술의 초고속 특성, 다루어질 수 있는 다양한 재료들, 초고속 보라이딩 공정 내에 포함된 특별한 단계들이 포함되어 있다. 이 혁신적인 기술은 Erdimer에 의해 “청정하고 친환경적이며 비용 효과적 및 에너지 효과적인 기술”로 묘사되고 있다.

팩 보라이딩 방법에서 부품들은 10시간 이상 약 섭씨 982도에서 혼합분말로 구워진다. 이와는 반대로 초고속 기술은 금속 표면 내에서 반응성 붕소로 직접 되도록 배터리와 같은 디자인을 활용한다. 노는 배터리와 유사하며 붕소가 목적지로 빠르게 흐르게 하기 위해서 음극과 양극 사이의 친화력에 의존한다. 붕소가 매우 빠르게 공급되기 때문에 초고속 보라이딩 방법을 통해 만들어진 층들은 기존 팩-보라이딩 기술에 의해 얻어진 층들에 비해 보다 두껍고 균일하다. 초고속 보라이딩 방법은 보다 빠를 뿐만 아니라 붕소 대신에 질소 혹은 탄소를 사용하는 것과 같은 다른 표면 경화 방법에 비해 보다 거친 층들을 만들게 된다. 만약에 보호 층이 두꺼우면 쉽게 금이 가지도 않으며 헐겁게 만들어지기 때문에 금속 부품들의 수명을 확장시키고 장기간 보다 신뢰성이 있고 일정하게 유지해준다. 내구성이 우수하여 부품의 유지비가 적게 드는 장비들은 훨씬 가격 경쟁력을 가지게 된다.

팩-보라이딩 내에 포함된 가열 공정에서만 노동력이 많이 든다고 Erdemir는 말한다. 이와는 반대로 초고속 팩-보라이딩 방법은 보다 우수한 작업을 할 수 있고 동시에 80~90% 에너지를 절약할 수 있다. 분말 혼합을 기반으로 하는 보라이딩도 이산화탄소와 다른 해로운 유해물질들을 배출하지만 초고속공정은 실제로 이들 유해물질들을 배출하지 않는다. 많은 사람들이 농장 기계, 자동차 혹은 비행기에 대해 많이 고려하지 않지만, 이들 단단한 층들은 부품들을 잘 보호하여 보호 층을 침적시키는 것은 장비를 계속적으로 사용할 수 있게 해주는 중요한 단계가 되며 이는 자동차 부품들을 부식, 마모 및 하중으로부터 보호한다. 항공우주 분야에서는 많은 부품들이 티탄으로 만들어지는데 이 금속이 초고속 보라이딩 공정을 거치게 되면 보다 내구성이 우수해진다.

“모든 종류의 장비들이 응용되는 조건은 보다 거칠어지고 있다. 기존의 표면 경화방법으로는 이들 장비들을 보호하기에 충분하지 않다”라고 Erdemir는 말한다. 농업, 광업 및 오일과 가스 탐험에 사용되는 장비들은 마모와 찢김에 매우 민감하지만 가장 최근에 개발된 기술이 이들 장비들을 보호하는 것을 도와줄 수 있다. “이 특허를 얻은 것은 매우 대단한 것이다. 이는 어떤 기술을 증명하는 기준에 대한 증명이며 완전한 생산 수준에 도달하는 것을 보는 것은 매우 흥분되는 일이다. 우리는 우리 노력에 대한 결과를 가지게 되었고 올해 말경에 상업적인 규모로 실용화될 것으로 여겨지는, 이 빠르게 성장하는 기술에 대해 매우 자랑스럽게 생각한다”고 그는 말한다.

 

연구진은 개인 산업체 회사들과 파트너가 되어 산업 규모의 노를 상업용 사용을 위해 이전하였다. Erdemir는 경화 방법을 향상시키고자 하고 있지만 현재 그는 초고속 보라이딩 방법이 첫 번째 상업용 적용에 근접하게 된 것에 매우 행복해하고 있다. 미국 에너지부 에너지 효율 및 재생에너지, 첨단 제조청이 3년 동안 이 프로젝트에 지원하였다.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 8월 19일]

 

 

Researchers at the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory have developed a newly patented technology that can considerably increase the life of mechanical components. Metal parts integrated in industrial machines undergo significant wear and tear. In order to protect and extend the lifetime of machinery, a number of surface hardening methods has been developed such as pack-boriding, which deposits a boride layer on metal pieces during boron diffusion.

Distinguished Fellow Ali Erdemir’s work has improved on this traditional boriding method, which not only takes up significant amount of time, but is also labor-intensive. To resolve this issue, the researchers developed a process for ultra-fast boriding that saves time, energy and cost, while reducing environmental concerns.

Over the past three years, the research team adopted an abstract idea and converted it into a large-scale furnace, which can deposit a 100µm-thick boride layer in just a matter of 30 minutes. However, it will take roughly 10h to acquire the same level of thickness through the pack-boriding method.

The team successfully completed the process and now has received a utility patent, which encompasses the technology’s ultra-fast nature, the variety of materials that can be treated, and the specific steps involved in the ultra-fast boriding process. This innovative technology was described by Erdimer as “clean and green, cost-effective and energy-efficient.”

In the pack-boriding method, parts have to be baked in a mixture of powders at 1,800°F for a period of 10 hours or more. In contrast, the ultra-fast technique utilizes a battery-like design to direct the reactive boron within the metal surfaces. The furnace is similar to a battery, and depends on the attraction between negative and positive charges to allow boron to flow quickly toward its destination.

Since boron is supplied very quickly, the layers created through the ultra-fast boriding method are more thick and uniform when compared to the layers obtained through the standard pack-boriding technique. In addition to being faster, ultra-fast boriding also produces tougher layers than other alternative options available for surface hardening, such as the use of nitrogen or carbon instead of boron.

If a protective layer is thick, it would not crack easily or come loose, thus extending the longevity of metal parts and rendering them more reliable and consistent in the long term. Machines that are durable and those that need minimum maintenance for their components could be more cost-effective.

Erdemir informed that the heating process involved in the pack-boriding technique alone makes it labor-intensive. In contrast, the ultra-fast boriding method can do a better job and at the same time uses 80 to 90% less energy. The powder mix-based boriding also emits carbon dioxide gas and other harmful emissions, while the ultra-fast process practically eliminates these emissions.

Not many people would look at a farming tool, a car or an airplane and appreciate the robust layers protecting its components, but depositing this protective layer is a critical step that enables machines to operate with continues use.

This comprises automobiles with components facing the burden of corrosion, erosion and heavy loads. In the aerospace sector, a large number of components are made from titanium. However, this metal would be much more resilient if is subjected to the ultra-fast boriding process.

“The application conditions for all kinds of machinery are getting harsher,” Erdemir said. “The conventional approach to surface hardening is just not enough to sustain these machines.”

Erdemir added that tools utilized in farming, mining, and oil and gas exploration are quite sensitive to wear and tear, but the latest technology could aid in preserving this equipment.

“It feels great to get this patent,” Erdemir said “because it’s very exciting to see something start at the demonstration level and reach the full production level. We have real fruits to show for our labor, and we’re proud of this rapidly-growing technology that will hopefully be up and ready for commercial practice by the end of this year, if not by this fall.”

The research team has partnered with a private industry partner to translate the industrial-scale furnace into commercial use. Erdemir intends to enhance the surface hardening method, but for now he is happy that the ultra-fast boriding method is close to its first commercial application

The U.S. Department of Energy’s Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, Advanced Manufacturing Office funded the three-year project, which led to this patented ultra-fast boriding technique.

 

[원문출처 : http://www.azom.com/news.aspx?newsID=44311]