나노 다이아몬드의 기계 산업 응용

（1）나노 다이아몬드 파우더 복합 도금

나노 다이아몬드 파우더 복합 도금 기술은 제품 제조에서 핵심 기술 중 하나입니다. 표면 도금을 통해 제품 표면에 성분과 조직이 제어 가능한 보호 코팅을 형성할 수 있으며, 이는 제품의 수명과 신뢰성을 현저히 향상시킵니다. 예를 들어, 사용 환경이 극도로 열악한 해양 플랫폼, 대형 노천 광산 채굴, 제철 및 석유화학 생산 설비 등에 장기 복합 보호층을 적용하면, 5~10년의 사용 기간 동안 내부에서 녹이 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있습니다. 또한 기계 산업 전반에서 광범위하게 사용되는 절삭 공구, 금형, 펌프류, 축류, 밸브 등에 이 기술을 적용하여 표면을 강화하면 사용 수명을 3~5배까지 연장할 수 있습니다.

나노 다이아몬드 파우더 복합 도금 기술은 고품질, 고효율, 에너지 절약, 재료 절감, 환경 보호 및 경제적 효율성 향상을 위한 효과적인 수단입니다. 통계에 따르면, 기계 제조에서 약 1/3의 에너지가 마모나 침식으로 인한 손실에 직접 또는 간접적으로 소비되며, 세계 철강 생산량의 1/10이 녹과 기타 부식으로 인해 손실됩니다. 부식과 마모로 인해 국민 경제에 끼치는 손실은 막대하며, 영국, 미국 등의 조사에 따르면 국민경제 총생산의 2%~4%가 부식으로 인해 손실되며, 중국의 경우 매년 부식으로 인한 손실이 최소 400억 위안에 달합니다. 조사에 따르면, 중국 27개 성·시의 약 400개 기계 산업 기업에서 매년 약 116억 위안의 손실이 부식으로 인해 발생하고 있습니다. 전 세계적으로 매년 금속 부식으로 인한 손실은 약 1,500억 달러에 달하며, 중국은 연간 약 1,500억 위안의 손실을 보고 있습니다. 이러한 기술적 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나가 바로 금속 전기도금이며, 나노 다이아몬드 복합 도금 기술은 그 효과적인 대안으로 주목받고 있습니다.

최근 몇 년 사이 다이아몬드 파우더의 높은 경도와 내식성을 활용한 복합 도금층이 점차 주목받고 있습니다. 그러나 일반적인 다이아몬드 파우더는 마이크로미터급 또는 아마이크로미터급 입자로 구성되어 있어 입자 크기가 비교적 크기 때문에, 이로 형성된 도금층 조직은 정밀 기기, 고광택 표면, 정밀 가공, 고내마모성 등의 요구를 만족시키기 어렵습니다. 나노 다이아몬드 파우더 생산 기술의 급속한 발전, 특히 2~12nm 수준의 초미세 다이아몬드 파우더의 등장으로 인해, 이를 이용한 복합 도금층은 이러한 한계를 보완할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다. 전해 브러시 도금 기술은 최근 전기도금 기술을 기반으로 발전된 신형 표면 개질 기술로, 기존의 기술로는 해결이 어려운 기계 부품의 복원 문제를 해결할 수 있는 방법으로 각광받고 있습니다. 중국과학원 란저우 화학물리연구소 고체윤활개방연구실과 란저우대학 재료학과의 공동 연구에 따르면, 나노 다이아몬드 파우더를 포함한 복합 니켈 브러시 도금층은 매우 우수한 감마 및 내마모 성능을 가지며, 실험 결과 그 성능은 나노 다이아몬드 블랙 파우더의 함량 증가에 따라 더욱 향상되는 것으로 나타났습니다.

효과적인 보호 수단을 적용하면 부식 손실을 최소 15%~35% 감소시키고, 마모 손실도 약 1/3 줄일 수 있습니다. 이 외에도, 표면 도금층은 매우 얇기 때문에 소량의 재료만으로도 표면 도금 및 개질을 통해 내식성, 내마모성 등의 성능을 크게 향상시킬 수 있어, 귀금속 재료의 절약 및 제조 비용 절감에 뚜렷한 경제적 효과를 가져옵니다. 예를 들어, 마모된 금형, 크랭크축, 가이드레일, 실린더 라이너, 케이스, 축류, 베어링 하우징, 버킷 이빨, 라이너 등의 부품과 궤도 차량 부품에 대해 전해 브러시 도금 기술을 활용한 정비 작업을 수행하면 매우 큰 경제적 이익을 얻을 수 있습니다.

나노 다이아몬드 파우더 복합 크롬 도금층의 마찰학적 성능을 연구한 결과, 복합 도금층에 나노 다이아몬드 파우더를 첨가하면 균일하고 치밀한 복합 전기 도금층을 형성할 수 있음이 밝혀졌습니다. 나노 다이아몬드 파우더의 첨가는 도금층의 결정립을 미세화시키고, 분산 강화 효과를 발휘하여 복합 크롬 도금층의 경도를 향상시킵니다. 윤활유 조건 하에서 나노 다이아몬드 파우더의 첨가는 도금층의 내마모성을 현저히 향상시킬 수 있으며, 도금층 두께가 27μm일 때 가장 효과가 뛰어나며, 내마모성은 순수 크롬 도금층에 비해 12배 향상됩니다。

나노 복합 도금 기술은 불용성 나노 다이아몬드 파우더 고체 입자를 도금액에 첨가하여 균일한 현탁액을 형성한 뒤, 고체 입자와 금속 이온이 함께 공동 석출되어 복합 도금층을 형성하는 일종의 석출 기술입니다. 현탁 기술을 활용해 나노 입자를 충분히 분산시킴으로써, 형성된 나노 다이아몬드 파우더 복합 도금층은 매우 우수한 내마모성 및 감마 성능을 가집니다. 나노 다이아몬드 복합 도금층의 경도는 HV700~1100에 이를 수 있으며, 내마모성은 Cr15, 일반 니켈 도금층 및 마이크로 다이아몬드 복합 도금층보다 우수합니다. 마찰 계수는 일반 도금층의 1/3에 불과하며, 독특한 자기 윤활 효과를 가지고 있어 내마모 수명이 2~5배 향상됩니다. 이 기술은 각 산업 분야의 정밀 내마모 부품의 표면 처리에 널리 활용될 수 있으며, 기존의 크롬 도금이나 니켈 도금 공정을 대체할 수 있습니다. 적용 효과는 표 1~표 3에 제시되어 있습니다.

표 1 나노급 다이아몬드 파우더가 포함된 크롬 도금층 드릴의 실험 결과

드릴 직경/ mm	가공 금속 종류	향상 배율 (사용 효과)
0. 8～1. 2	유리 섬유 테이프 보드	2. 7～3. 3
1. 0～2. 0	유리 섬유 테이프 보드	10. 0～20. 0
1. 5～2. 5	강	1. 5～1. 7
3. 5～10. 0	강	2. 0
6. 0～10. 0	스테인리스강	1. 8～3. 0
7. 2～8. 5	강	1. 5～1. 8
10. 0	스테인리스강	1. 9
20. 0	주철	6. 0～8. 0

 표 2 크롬-다이아몬드 파우더 도금층 압축 금형의 실험 결과

침탄, 질화, 크롬도금 강화 및 특수강 사용 공구와 비교한 상대 수명

 

표3 크롬-다이아몬드 파우더 도금층 프레스 공구 (암형, 수형)

판재 프레스 가공 시의 실험 결과

공정	가공 재료	향상 배율 (사용 효과)
냉간 압출	강 구리, 알루미늄	1. 6～1. 8 2. 0～3. 0
프레스 절단	유리 섬유 시트 황동	1. 6～2. 4 2. 0～4. 0
인장 성형	황동 도금 강	2. 8～3. 0 .1 4～1. 8