적절한 부동태화를 보장하기 위해 기술자들은 스테인리스강 압연 단면의 세로 용접부를 전기화학적으로 세척합니다. (이미지 제공: Walter Surface Technologies)
제조업체가 핵심 스테인리스강 가공 계약을 체결했다고 가정해 보겠습니다. 판금과 튜브 섹션은 절단, 벤딩 및 용접된 후 마무리 공정으로 이동합니다. 부품은 튜브에 수직으로 용접된 판으로 구성됩니다. 용접 부위는 보기에는 좋지만 고객이 원하는 완벽한 상태는 아닙니다. 그 결과, 연삭기는 평소보다 더 많은 용접 금속을 제거하는 데 시간을 소비합니다. 그리고 안타깝게도 표면에 뚜렷한 푸른색이 나타납니다. 이는 과도한 열 입력의 명백한 징후입니다. 이 경우, 부품은 고객 요구 사항을 충족하지 못하게 됩니다.
연마 및 마감 작업은 대부분 수작업으로 이루어지며, 숙련된 기술과 손재주를 요구합니다. 가공물의 가치를 고려할 때, 마감 과정에서의 오류는 막대한 비용 손실로 이어질 수 있습니다. 스테인리스강과 같은 고가의 열에 민감한 재료를 사용할 경우, 재작업 및 폐기물 처리 비용이 증가할 수 있습니다. 오염 및 부동태화 실패와 같은 문제까지 겹치면, 한때 수익성이 높았던 스테인리스강 가공 작업이 손실이나 심지어 기업 이미지 손상으로 이어질 수도 있습니다.
제조업체는 이러한 문제를 어떻게 예방할 수 있을까요? 우선 연삭 및 마감 공정에 대한 지식을 쌓고, 각 공정이 어떤 역할을 하며 스테인리스강 가공품에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 것부터 시작할 수 있습니다.
연삭과 연마는 동의어가 아닙니다. 사실, 각 작업의 목표는 근본적으로 다릅니다. 연삭은 버(burr)나 과도한 용접 금속과 같은 재료를 제거하는 반면, 연마는 금속 표면을 매끄럽게 마무리하는 작업입니다. 큰 연삭 휠을 사용하는 경우 금속을 매우 빠르게 많이 제거하게 되고, 그 결과 깊은 흠집이 생길 수 있기 때문에 혼동이 생기는 것은 당연합니다. 하지만 연삭에서 흠집은 단지 부수적인 결과일 뿐이며, 특히 스테인리스강과 같이 열에 민감한 금속을 다룰 때는 재료를 신속하게 제거하는 것이 목표입니다.
마무리 작업은 단계적으로 진행되며, 작업자는 먼저 굵은 연마재로 시작하여 점차 고운 연마 휠, 부직포 연마재, 그리고 경우에 따라 펠트 천과 연마 페이스트를 사용하여 거울처럼 매끄러운 표면을 얻습니다. 최종 목표는 특정한 표면 마감(스크래치 패턴)을 얻는 것입니다. 각 단계(더 고운 연마재)는 이전 단계에서 생긴 깊은 스크래치를 제거하고 더 작은 스크래치를 생성합니다.
연삭과 마무리는 목표가 다르기 때문에 서로 보완적이지 않고, 잘못된 소모품 전략을 사용하면 오히려 상충될 수 있습니다. 과도한 용접 금속을 제거하기 위해 작업자는 연삭 휠을 사용하여 매우 깊은 스크래치를 낸 다음, 부품을 드레서에게 넘깁니다. 드레서는 이제 이 깊은 스크래치를 제거하는 데 많은 시간을 할애해야 합니다. 이러한 연삭-마감 순서는 여전히 고객의 마무리 요구 사항을 충족하는 가장 효율적인 방법일 수 있습니다. 하지만 다시 말하지만, 이 두 공정은 상호 보완적인 것이 아닙니다.
가공성을 고려하여 설계된 공작물 표면은 일반적으로 연삭 및 후가공이 필요하지 않습니다. 연삭만 하는 부품은 용접부나 기타 재료를 제거하는 가장 빠른 방법이 연삭이며, 연삭 휠이 남기는 깊은 흠집이 고객이 원하는 결과이기 때문입니다. 후가공만 필요한 부품은 과도한 재료 제거가 필요하지 않은 방식으로 제조됩니다. 대표적인 예로, 아름다운 가스 텅스텐 차폐 용접이 된 스테인리스강 부품은 기판의 마감 패턴에 맞춰 다듬기만 하면 됩니다.
연마재 제거량이 적은 연삭 휠을 사용하는 연삭기는 스테인리스강 가공 시 상당한 어려움을 초래할 수 있습니다. 마찬가지로 과열은 변색을 일으키고 재료의 특성을 변화시킬 수 있습니다. 따라서 가공 과정 전반에 걸쳐 스테인리스강을 최대한 낮은 온도로 유지하는 것이 중요합니다.
이를 위해 용도와 예산에 맞춰 가장 빠른 연삭 속도를 가진 연삭 휠을 선택하는 것이 도움이 됩니다. 지르코니아 휠은 알루미나 휠보다 연삭 속도가 빠르지만, 대부분의 경우 세라믹 휠이 가장 효과적입니다.
매우 단단하고 날카로운 세라믹 입자는 독특한 방식으로 마모됩니다. 입자가 서서히 마모되면서 평평해지지 않고 날카로운 모서리를 유지합니다. 따라서 다른 연삭 휠보다 훨씬 짧은 시간 안에 재료를 매우 빠르게 제거할 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 세라믹 연삭 휠은 가격 대비 성능이 뛰어납니다. 특히 스테인리스강 가공에 적합한데, 큰 칩을 빠르게 제거하고 열 발생과 변형을 최소화하기 때문입니다.
제조업체가 어떤 연삭 휠을 선택하든 잠재적인 오염 가능성을 염두에 두어야 합니다. 대부분의 제조업체는 탄소강과 스테인리스강에 동일한 연삭 휠을 사용할 수 없다는 것을 알고 있습니다. 많은 업체들이 탄소강과 스테인리스강 연삭 작업을 물리적으로 분리합니다. 탄소강에서 발생하는 아주 작은 불꽃이라도 스테인리스강 가공물에 닿으면 오염 문제를 일으킬 수 있습니다. 제약 및 원자력 산업과 같은 많은 산업에서는 소모품이 무공해 등급을 받아야 합니다. 이는 스테인리스강용 연삭 휠이 철, 황, 염소 함량이 거의 없어야(0.1% 미만) 함을 의미합니다.
연삭 휠은 스스로 연마할 수 없으며, 전동 공구가 필요합니다. 누구나 연삭 휠이나 전동 공구의 장점을 홍보할 수 있지만, 실제로는 전동 공구와 연삭 휠은 하나의 시스템으로 작동합니다. 세라믹 연삭 휠은 특정 출력과 토크를 가진 앵글 그라인더에 맞춰 설계되었습니다. 일부 에어 그라인더도 필요한 사양을 갖추고 있지만, 대부분의 세라믹 휠 연삭 작업은 전동 공구를 사용하여 이루어집니다.
출력과 토크가 부족한 연삭기는 아무리 최첨단 연마재를 사용하더라도 심각한 문제를 야기할 수 있습니다. 출력과 토크 부족은 압력을 받을 때 공구의 속도를 현저히 저하시켜, 연삭 휠의 세라믹 입자가 본래의 기능, 즉 금속 조각을 빠르게 제거하여 연삭 휠로 유입되는 열 발생 물질의 양을 줄이는 역할을 제대로 수행하지 못하게 합니다.
이는 악순환을 심화시킵니다. 연삭 작업자는 재료가 제거되지 않는 것을 보고 본능적으로 더 세게 누르게 되는데, 이는 과도한 열 발생과 연삭 휠의 변색을 초래합니다. 결국 너무 세게 눌러 휠 표면이 매끄러워지고, 이로 인해 작업자는 더 많은 열을 발생시키면서 결국 휠을 교체해야 한다는 사실을 깨닫게 됩니다. 얇은 튜브나 판재를 이런 식으로 작업하면 휠이 재료를 완전히 뚫고 지나가 버립니다.
물론, 아무리 좋은 도구를 사용하더라도 작업자가 제대로 훈련받지 못하면, 특히 공작물에 가하는 압력과 관련하여 이러한 악순환이 발생할 수 있습니다. 가장 좋은 방법은 그라인더의 정격 전류에 최대한 가깝게 압력을 가하는 것입니다. 예를 들어 10암페어 그라인더를 사용하는 경우, 그라인더가 약 10암페어를 소모할 정도로 강하게 눌러야 합니다.
제조업체가 고가의 스테인리스강을 대량으로 가공하는 경우, 전류계를 사용하면 연삭 작업을 표준화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 물론 실제로 전류계를 정기적으로 사용하는 업체는 거의 없으므로, 가장 좋은 방법은 소리를 주의 깊게 듣는 것입니다. 작업자가 회전수(RPM)가 급격히 떨어지는 것을 듣거나 느낀다면, 너무 무리하게 힘을 주고 있는 것일 수 있습니다.
압력이 너무 약한 경우(즉, 너무 약한 압력)에는 소리로 감지하기 어려울 수 있으므로, 이 경우에는 스파크의 흐름에 주의를 기울이는 것이 도움이 될 수 있습니다. 스테인리스강을 연마할 때 발생하는 스파크는 탄소강을 연마할 때보다 더 어둡지만, 여전히 눈에 띄어야 하며 작업 영역에서 일정한 형태로 돌출되어야 합니다. 작업자가 갑자기 스파크가 적게 보이는 경우, 압력을 충분히 가하지 않았거나 연삭 휠을 너무 매끄럽게 다듬었기 때문일 수 있습니다.
작업자는 일정한 작업 각도를 유지해야 합니다. 공작물에 거의 평행한 각도로 접근하면 과열이 심하게 발생할 수 있으며, 너무 높은 각도(거의 수직)로 접근하면 연삭 휠의 가장자리가 금속에 파고들 위험이 있습니다. 27형 연삭 휠을 사용하는 경우 20~30도의 각도로 공작물에 접근해야 하며, 29형 연삭 휠을 사용하는 경우에는 약 10도의 작업 각도가 적절합니다.
28형(테이퍼형) 연삭 휠은 일반적으로 평평한 표면을 연삭하여 더 넓은 연삭 경로에서 재료를 제거하는 데 사용됩니다. 이러한 테이퍼형 휠은 또한 낮은 연삭 각도(약 5도)에서 가장 잘 작동하므로 작업자의 피로를 줄이는 데 도움이 됩니다.
이로써 또 다른 중요한 요소인 적절한 연삭 휠 선택이 중요해집니다. 27형 휠은 금속 표면에 접촉점이 있고, 28형 휠은 원뿔형 모양 때문에 접촉선이 있으며, 29형 휠은 접촉면이 있습니다.
가장 흔하게 사용되는 27형 연삭 휠은 다양한 용도에서 제 역할을 하지만, 그 형상 때문에 스테인리스강 튜브 용접 조립체와 같이 깊은 프로파일이나 곡선이 있는 부품을 가공하기 어렵습니다. 반면 29형 연삭 휠은 프로파일 형상이 곡선과 평면이 혼합된 표면을 연삭해야 하는 작업자에게 더 편리합니다. 29형 휠은 접촉면적을 넓혀 각 위치에서 연삭하는 시간을 줄여주기 때문에 열 발생을 최소화할 수 있습니다.
사실 이는 모든 연삭 휠에 적용됩니다. 연삭 작업 시 작업자는 한 자리에 오랫동안 머물러서는 안 됩니다. 예를 들어, 작업자가 길이가 수 피트에 달하는 필렛에서 금속을 제거한다고 가정해 보겠습니다. 작업자는 휠을 짧게 위아래로 움직일 수 있지만, 이렇게 하면 휠이 좁은 영역에 오랫동안 머물러 공작물이 과열될 수 있습니다. 열 발생을 줄이기 위해 작업자는 한쪽 끝 부분 근처에서 한 방향으로 용접 전체를 연삭한 다음 공구를 들어 올려(공작물이 식을 시간을 준 후) 다른 쪽 끝 부분 근처에서 같은 방향으로 연삭할 수 있습니다. 다른 기술들도 효과가 있지만, 모두 한 가지 공통점이 있습니다. 바로 연삭 휠을 계속 움직여 과열을 방지한다는 것입니다.
일반적으로 사용되는 "카딩" 기술 또한 이러한 효과를 얻는 데 도움이 됩니다. 작업자가 평평한 상태에서 맞대기 용접부를 연마한다고 가정해 보겠습니다. 열 응력과 과도한 파임을 줄이기 위해 작업자는 용접부를 따라 연마기를 밀지 않고, 끝부분에서 시작하여 용접부를 따라 연마기를 당겨야 합니다. 이렇게 하면 연마 휠이 재료를 너무 많이 파고드는 것을 방지할 수 있습니다.
물론, 어떤 기술이든 작업자가 너무 느리게 진행하면 금속이 과열될 수 있습니다. 너무 느리게 하면 공작물이 과열되고, 너무 빠르게 하면 연삭 작업에 오랜 시간이 걸릴 수 있습니다. 최적의 이송 속도를 찾는 것은 일반적으로 경험을 통해 이루어집니다. 하지만 작업자가 해당 작업에 익숙하지 않다면, 스크랩을 연삭하여 작업물에 적합한 이송 속도를 감을 익힐 수 있습니다.
최종 가공 전략은 자재가 최종 가공 부서에 도착하고 떠날 때의 표면 상태를 중심으로 이루어집니다. 시작점(입고 시 표면 상태)과 최종점(요구되는 최종 가공 상태)을 파악한 후, 이 두 지점 사이의 최적 경로를 찾는 계획을 수립합니다.
최선의 방법은 항상 매우 공격적인 연마재로 시작하는 것은 아닙니다. 이는 직관에 반하는 것처럼 들릴 수 있습니다. 거친 모래로 표면을 거칠게 만든 다음 더 고운 모래로 넘어가는 것이 더 효율적이지 않을까요? 처음부터 고운 모래를 사용하는 것은 비효율적이지 않을까요?
반드시 그런 것은 아닙니다. 이는 연마 과정의 특성과 관련이 있습니다. 각 단계에서 입자가 작아질수록 연마제는 깊은 흠집을 더 얕고 미세한 흠집으로 대체합니다. 40방 사포나 플립 디스크로 시작하면 금속에 깊은 흠집이 남게 됩니다. 이러한 흠집이 표면을 원하는 마감에 가깝게 만들어준다면 좋겠지만, 40방 사포와 같은 마감재가 존재하는 이유가 바로 그것입니다. 고객이 4번 마감(방향성 브러시 마감)을 요청하는 경우, 40방 사포로 생긴 깊은 흠집을 제거하는 데 오랜 시간이 걸립니다. 연마 전문가들은 여러 단계의 입자 크기를 거치거나, 미세한 입자의 연마재를 오랫동안 사용하여 큰 흠집을 제거하고 더 작은 흠집으로 대체합니다. 하지만 이러한 방법은 비효율적일 뿐만 아니라 가공물에 과도한 열을 발생시키기도 합니다.
물론, 거친 표면에 고운 연마재를 사용하는 것은 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라, 잘못된 기술과 결합될 경우 과도한 열을 발생시킬 수 있습니다. 이때 투인원 또는 스태거드 플랩 디스크가 도움이 될 수 있습니다. 이러한 디스크는 연마포와 표면 처리 재료가 결합된 형태로, 작업자가 연마재를 사용하여 재료를 제거하는 동시에 더욱 매끄러운 마감을 얻을 수 있도록 해줍니다.
최종 마감 공정의 다음 단계는 부직포를 사용하는 것인데, 이는 마감 공정의 또 다른 독특한 특징을 보여줍니다. 바로 가변 속도 전동 공구를 사용할 때 가장 효과적이라는 점입니다. 10,000RPM으로 회전하는 직각 그라인더는 일부 연삭재에는 적합할 수 있지만, 일부 부직포는 완전히 녹여버릴 수 있습니다. 이러한 이유로 마감 작업자는 부직포를 사용한 마감 공정을 시작하기 전에 속도를 3,000~6,000RPM으로 낮춥니다. 물론 정확한 속도는 적용 분야와 소모품에 따라 달라집니다. 예를 들어, 부직포 드럼은 일반적으로 3,000~4,000RPM으로 회전하는 반면, 표면 처리 디스크는 일반적으로 4,000~6,000RPM으로 회전합니다.
적절한 도구(가변 속도 그라인더, 다양한 마감재)를 갖추고 최적의 작업 단계를 결정하는 것은 기본적으로 투입 재료와 최종 재료 사이의 최적 경로를 보여주는 지도와 같습니다. 정확한 경로는 적용 분야에 따라 다르지만, 숙련된 트리머는 유사한 트리밍 기술을 사용하여 이 경로를 따릅니다.
부직포 롤러가 스테인리스 스틸 표면을 완성합니다. 효율적인 마감 처리와 최적의 소모품 수명 유지를 위해 다양한 마감 매체가 서로 다른 RPM으로 회전합니다.
첫째, 그들은 서두르지 않습니다. 얇은 스테인리스 스틸 가공물이 뜨거워지면 한 부분의 작업을 멈추고 다른 부분에서 작업을 시작합니다. 또는 두 개의 다른 가공물을 동시에 작업할 수도 있습니다. 한쪽을 조금씩 작업한 다음 다른 쪽을 작업하면서 다른 가공물이 식을 시간을 줍니다.
거울처럼 매끄러운 마감을 위해 연마할 때는 연마 드럼이나 연마 디스크를 사용하여 이전 단계와 수직 방향으로 교차 연마할 수 있습니다. 교차 연마는 이전 스크래치 패턴과 조화를 이루어야 하는 부분을 부각시키지만, 8번 연마 단계의 거울처럼 매끄러운 마감을 얻기는 어렵습니다. 모든 스크래치가 제거되면 펠트 천과 버핑 휠을 사용하여 원하는 광택 마감을 완성합니다.
최적의 마감을 얻기 위해 제조업체는 마감 작업자에게 실제 도구와 재료를 비롯한 적절한 도구는 물론, 특정 마감의 모습을 정의하는 표준 샘플 설정과 같은 소통 도구도 제공해야 합니다. 이러한 샘플(마감 부서 근처, 교육 자료, 영업 자료 등에 게시됨)은 모든 사람이 동일한 기준을 따르는 데 도움이 됩니다.
실제 공구(전동 공구 및 연마재 포함)와 관련하여 특정 부품의 형상은 마감 부서에서 가장 경험이 많은 직원에게조차 어려움을 줄 수 있습니다. 바로 이럴 때 전문 공구가 도움이 될 수 있습니다.
작업자가 스테인리스강으로 된 얇은 벽의 튜브 조립품을 완성해야 한다고 가정해 보겠습니다. 플랩 디스크나 드럼을 사용하면 문제가 발생하거나 과열될 수 있으며, 심지어 튜브 자체에 평평한 부분이 생길 수도 있습니다. 이럴 때 튜브 가공용으로 설계된 벨트 샌더가 도움이 될 수 있습니다. 컨베이어 벨트가 파이프 직경의 대부분을 감싸면서 접촉점을 분산시켜 효율성을 높이고 열 발생을 줄입니다. 하지만 다른 모든 장비와 마찬가지로, 작업자는 과도한 열 축적을 방지하고 튜브가 변색되는 것을 막기 위해 벨트 샌더를 다른 위치로 옮겨야 합니다.
다른 전문 마감 도구에도 동일하게 적용됩니다. 좁은 공간용으로 설계된 핑거 벨트 샌더를 생각해 보세요. 마감 작업자는 이 샌더를 사용하여 두 판재 사이의 예각 필렛 용접 부분을 따라 샌딩할 수 있습니다. 핑거 벨트 샌더를 수직으로 움직이는 대신(양치질하듯이), 작업자는 필렛 용접 부분의 위쪽 끝을 따라 수평으로 움직인 다음 아래쪽 끝을 따라 움직이면서 한 부분에 너무 오래 머무르지 않도록 합니다.
스테인리스강의 용접, 연삭 및 마감 공정은 또 다른 난제를 야기합니다. 바로 적절한 부동태화를 확보하는 것입니다. 이러한 표면 처리 과정을 거친 후에도 스테인리스강의 크롬층이 표면 전체에 자연적으로 형성되는 것을 방해할 수 있는 잔류 오염 물질이 남아 있지 않은지 확인해야 합니다. 제조업체는 녹슬거나 오염된 부품에 대해 고객이 불만을 제기하는 것을 절대 원하지 않습니다. 바로 이 지점에서 적절한 세척과 추적성이 중요해집니다.
전기화학적 세척은 오염 물질을 제거하여 적절한 부동태화를 보장하는 데 도움이 되지만, 언제 이러한 세척을 수행해야 할까요? 이는 적용 분야에 따라 다릅니다. 제조업체는 스테인리스강의 완전한 부동태화를 촉진하기 위해 세척을 실시하는 경우, 일반적으로 용접 직후에 실시합니다. 그렇지 않으면 마감 처리제가 공작물의 표면 오염 물질을 흡수하여 다른 곳으로 퍼뜨릴 수 있습니다. 그러나 일부 중요한 용도의 경우, 제조업체는 추가적인 세척 단계를 거치거나, 심지어 스테인리스강이 공장을 떠나기 전에 적절한 부동태화 여부를 테스트할 수도 있습니다.
원자력 산업에 사용되는 중요한 스테인리스강 부품을 제조하는 업체가 있다고 가정해 보겠습니다. 숙련된 가스 텅스텐 아크 용접공이 완벽해 보이는 10센트 동전 크기의 용접 이음매를 만들었습니다. 다시 한번 강조하지만, 이는 매우 중요한 부품입니다. 마감 부서의 직원이 전기화학 세척 시스템에 연결된 브러시를 사용하여 용접 부위를 세척합니다. 그런 다음 부직포 연마재와 드레싱 천을 사용하여 용접 끝부분을 부드럽게 다듬어 전체적으로 균일한 표면 마감을 완성합니다. 마지막으로 전기화학 세척 시스템으로 한 번 더 브러싱 작업을 합니다. 하루 이틀 정도 그대로 둔 후, 휴대용 테스트 장비를 사용하여 부품의 부동태화 처리가 제대로 되었는지 확인합니다. 작업 기록과 함께 보관된 결과에 따르면, 부품은 공장을 떠나기 전에 완벽하게 부동태화 처리된 것으로 나타났습니다.
대부분의 제조 공장에서 스테인리스강 부동태화 처리의 연삭, 마무리 및 세척은 일반적으로 후처리 단계에서 이루어집니다. 실제로 이러한 작업은 제품 출하 직전에 수행되는 경우가 많습니다.
가공이 제대로 되지 않은 부품은 가장 비싼 불량품 발생 및 재작업의 원인이 되므로 제조업체가 연삭 및 마감 부서를 재검토하는 것은 당연한 일입니다. 연삭 및 마감 공정 개선은 주요 병목 현상을 해소하고 품질을 향상시키며 문제점을 해결하고 무엇보다 고객 만족도를 높이는 데 도움이 됩니다.
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