열처리 공정에 대한 유한요소해석과 강인강의 조직미세화에 관한 연구 (A) Study on the finfite element analysis for heat treatment processes and grain refinement of high strength steel원문보기
열처리는 화학적 야금학적 구조를 인위적으로 조작함으로써 표면강도, 내마모성 및 제품수명과 같은 기계적 성질을 향상시키기 위하여 많은 제조공정들에 폭넓게 이용되고 있다. 그러나 부적절한 경도, 경화 깊이 및 치수변형과 같은 원치 않는 결과들이 열처리 후에 발생하게 된다. 전통적으로 특정 금속제품의 열처리 공정변수들은 주로 많은 실험들을 통해 결정되어 왔다. 이러한 시행착오법들은 많은 시간과 비용을 요구하지만 열처리 과정중의 열적, 기계적 및 미세 조직적 변화에 관한 정보들을 제공해 주지는 못하였다. 최근 시뮬레이션 기술의 급속한 발전과 더불어 열처리 공정중의 ...
열처리는 화학적 야금학적 구조를 인위적으로 조작함으로써 표면강도, 내마모성 및 제품수명과 같은 기계적 성질을 향상시키기 위하여 많은 제조공정들에 폭넓게 이용되고 있다. 그러나 부적절한 경도, 경화 깊이 및 치수변형과 같은 원치 않는 결과들이 열처리 후에 발생하게 된다. 전통적으로 특정 금속제품의 열처리 공정변수들은 주로 많은 실험들을 통해 결정되어 왔다. 이러한 시행착오법들은 많은 시간과 비용을 요구하지만 열처리 과정중의 열적, 기계적 및 미세 조직적 변화에 관한 정보들을 제공해 주지는 못하였다. 최근 시뮬레이션 기술의 급속한 발전과 더불어 열처리 공정중의 상변태를 고려한 금속구조, 온도 및 응력/변형율의 변화에 대한 유한요소해석이 가능하게 되었다. 그러나 이러한 열처리 공정에 대한 시뮬레이션들은 실제공정으로 적용되지 못하고 있는 데 열처리 공정의 시뮬레이션에는 열적-기계적-금속적 연성효과가 고려되어야 하며, 따라서 이러한 3가지 분야에 대한 수많은 물성치들이 요구되기 때문이다. 그러므로 본 논문에서는 열처리 공정을 시뮬레이션하기 위한 상변태 운동역학 방정식과 그 상수들, 확산계수, 열전도도, 열용량, 잠열, 탄성계수, 열팽창계수, 응력 변형율과 같은 수많은 재료 물성 데이터들과 경계조건으로서 표면반응속도가 산업계에서 흔히 사용되는 강인강(AISI 4118H steel, AISI 52100 steel)에 대해 획득되었다. 그리고 열처리 후의 미세조직과 잔류응력에 영향을 큰 미치는 열전달 계수를 계산하기 위한 유한요소프로그램인 MPL-HTC를 개발하였다. 이러한 데이터들을 이용하여 ?칭 열처리 공정과 침탄 열처리 공정에 대한 유한요소해석이 수행되었으며, 해석결과와 실험결과의 비교를 통해 해석결과의 타당성을 검증하였다. 한편, 최근 자동차 업계에서는 고효율, 고출력 및 경량화에 따른 소형화에 대한 결과로서 오염된 환경하에서 고속, 고온 및 큰 토크를 전달할 수 있을 뿐 아니라 보증기한의 연장과 내구성에 대한 엄격한 요구조건을 만족시킬 수 있는 고성능의 베어링이 요구되고 있다. 이러한 가혹한 환경하에서는 고수명의 베어링을 만들어내기 위해서 베어링 메이커들은 베어링의 형상 설계, 새로운 재료 개발 및 열처리 방법의 개발 등을 통해 베어링의 품질을 향상시키려 하고 있다. 미세 입자를 가진 베어링강의 경우, 일반적인 베어링강에 비해 피로성능이 대단히 뛰어나다는 것이 알려져 있다. 입자 미세화를 통해 베어링의 내구성을 향상시키기 위하여 먼저 베어링강의 재가열 공정 중 구 오스테나이트 입자크기를 예측하기 위한 모델을 개발하였고, 이를 이용하여 이중 ?칭 열처리 공정을 개발하였다. 제안된 열처리 사이클을 통해 약 5㎛직경 정도의 구 오스테나이트 입자크기의 미세조직이 얻어졌으며, 따라서 베어링강의 내구성이 상당히 향상될 수 있었다.
열처리는 화학적 야금학적 구조를 인위적으로 조작함으로써 표면강도, 내마모성 및 제품수명과 같은 기계적 성질을 향상시키기 위하여 많은 제조공정들에 폭넓게 이용되고 있다. 그러나 부적절한 경도, 경화 깊이 및 치수변형과 같은 원치 않는 결과들이 열처리 후에 발생하게 된다. 전통적으로 특정 금속제품의 열처리 공정변수들은 주로 많은 실험들을 통해 결정되어 왔다. 이러한 시행착오법들은 많은 시간과 비용을 요구하지만 열처리 과정중의 열적, 기계적 및 미세 조직적 변화에 관한 정보들을 제공해 주지는 못하였다. 최근 시뮬레이션 기술의 급속한 발전과 더불어 열처리 공정중의 상변태를 고려한 금속구조, 온도 및 응력/변형율의 변화에 대한 유한요소해석이 가능하게 되었다. 그러나 이러한 열처리 공정에 대한 시뮬레이션들은 실제공정으로 적용되지 못하고 있는 데 열처리 공정의 시뮬레이션에는 열적-기계적-금속적 연성효과가 고려되어야 하며, 따라서 이러한 3가지 분야에 대한 수많은 물성치들이 요구되기 때문이다. 그러므로 본 논문에서는 열처리 공정을 시뮬레이션하기 위한 상변태 운동역학 방정식과 그 상수들, 확산계수, 열전도도, 열용량, 잠열, 탄성계수, 열팽창계수, 응력 변형율과 같은 수많은 재료 물성 데이터들과 경계조건으로서 표면반응속도가 산업계에서 흔히 사용되는 강인강(AISI 4118H steel, AISI 52100 steel)에 대해 획득되었다. 그리고 열처리 후의 미세조직과 잔류응력에 영향을 큰 미치는 열전달 계수를 계산하기 위한 유한요소프로그램인 MPL-HTC를 개발하였다. 이러한 데이터들을 이용하여 ?칭 열처리 공정과 침탄 열처리 공정에 대한 유한요소해석이 수행되었으며, 해석결과와 실험결과의 비교를 통해 해석결과의 타당성을 검증하였다. 한편, 최근 자동차 업계에서는 고효율, 고출력 및 경량화에 따른 소형화에 대한 결과로서 오염된 환경하에서 고속, 고온 및 큰 토크를 전달할 수 있을 뿐 아니라 보증기한의 연장과 내구성에 대한 엄격한 요구조건을 만족시킬 수 있는 고성능의 베어링이 요구되고 있다. 이러한 가혹한 환경하에서는 고수명의 베어링을 만들어내기 위해서 베어링 메이커들은 베어링의 형상 설계, 새로운 재료 개발 및 열처리 방법의 개발 등을 통해 베어링의 품질을 향상시키려 하고 있다. 미세 입자를 가진 베어링강의 경우, 일반적인 베어링강에 비해 피로성능이 대단히 뛰어나다는 것이 알려져 있다. 입자 미세화를 통해 베어링의 내구성을 향상시키기 위하여 먼저 베어링강의 재가열 공정 중 구 오스테나이트 입자크기를 예측하기 위한 모델을 개발하였고, 이를 이용하여 이중 ?칭 열처리 공정을 개발하였다. 제안된 열처리 사이클을 통해 약 5㎛직경 정도의 구 오스테나이트 입자크기의 미세조직이 얻어졌으며, 따라서 베어링강의 내구성이 상당히 향상될 수 있었다.
Heat treatment is widely used in various manufacturing processes to improve the mechanical properties of a product such as surface hardness, wear resistance and service life by intentionally manipulating chemical and metallurgical structures. However, unwanted results such as improper hardness, hard...
Heat treatment is widely used in various manufacturing processes to improve the mechanical properties of a product such as surface hardness, wear resistance and service life by intentionally manipulating chemical and metallurgical structures. However, unwanted results such as improper hardness, hardening depth and dimensional change or distortion are concurrently occurred after heat treatment. Traditionally, process parameters of heat treatment for specific metallic product have been determined by many experiments. These trial and errors needed high cost but couldn't offer information on the thermal, mechanical and microstructural change during heat treatment. In recent years, along with fast improvement in simulation technologies, analysis for the change of metallic structures, temperature, and stress/strain incorporating phase transformation in heat treatment process has become realistic. However, these heat treatment simulations have not used practically in real fields since thermal-mechanical-metallic coupled analysis must be performed and a large number of properties about three fields need to conduct simulations. Therefore, several data for simulating heat treatment such as transformation kinetic equation constants, diffusion coefficient, thermal conductivity, heat capacity, latent heat, young's modulus, coefficient of thermal expansion, strain/stress curves) as well as boundary conditions like surface reaction rate were obtained for two industrially common materials(AISI 4118H and AISI 52100) in this study. And a lab-based finite element code, MPL-HTC, was developed for calculating surface heat transfer coefficients(HTC) which have a great influence upon the microstructure and residual stress. Using these data, finite element analysis for quenching and carburization were performed and results of simulations were verified by comparing predicted values and experimental ones. Meanwhile, current applications require bearings to sustain high speed, high temperature and high torque in a heavily contaminated environment as a result of the demand for high efficiency, high power, compactness in modern vehicles as well as the stringent durability requirements and extended warranty standard. Greater bearing life is demanded under these extreme environments. So, bearing makers are improving the quality of bearings through research on bearing design and the development of new materials and heat treatments. It's well known that bearing steels with fine grain size are superior in fatigue properties to conventional bearing steels. Thus, a model for predicting prior austenite grain size of high strength bearing steels in reheating process was proposed to develop heat treatment cycles first and then double quenching heat treatment processes were developed to improve the durability of high strength steel through grain refinement. Microstructure with a prior austenite grain size of approximately 5 µm in diameter could be obtained using proposed heat treatment, accordingly the durability of bearing steels could be substantially enhanced.
Heat treatment is widely used in various manufacturing processes to improve the mechanical properties of a product such as surface hardness, wear resistance and service life by intentionally manipulating chemical and metallurgical structures. However, unwanted results such as improper hardness, hardening depth and dimensional change or distortion are concurrently occurred after heat treatment. Traditionally, process parameters of heat treatment for specific metallic product have been determined by many experiments. These trial and errors needed high cost but couldn't offer information on the thermal, mechanical and microstructural change during heat treatment. In recent years, along with fast improvement in simulation technologies, analysis for the change of metallic structures, temperature, and stress/strain incorporating phase transformation in heat treatment process has become realistic. However, these heat treatment simulations have not used practically in real fields since thermal-mechanical-metallic coupled analysis must be performed and a large number of properties about three fields need to conduct simulations. Therefore, several data for simulating heat treatment such as transformation kinetic equation constants, diffusion coefficient, thermal conductivity, heat capacity, latent heat, young's modulus, coefficient of thermal expansion, strain/stress curves) as well as boundary conditions like surface reaction rate were obtained for two industrially common materials(AISI 4118H and AISI 52100) in this study. And a lab-based finite element code, MPL-HTC, was developed for calculating surface heat transfer coefficients(HTC) which have a great influence upon the microstructure and residual stress. Using these data, finite element analysis for quenching and carburization were performed and results of simulations were verified by comparing predicted values and experimental ones. Meanwhile, current applications require bearings to sustain high speed, high temperature and high torque in a heavily contaminated environment as a result of the demand for high efficiency, high power, compactness in modern vehicles as well as the stringent durability requirements and extended warranty standard. Greater bearing life is demanded under these extreme environments. So, bearing makers are improving the quality of bearings through research on bearing design and the development of new materials and heat treatments. It's well known that bearing steels with fine grain size are superior in fatigue properties to conventional bearing steels. Thus, a model for predicting prior austenite grain size of high strength bearing steels in reheating process was proposed to develop heat treatment cycles first and then double quenching heat treatment processes were developed to improve the durability of high strength steel through grain refinement. Microstructure with a prior austenite grain size of approximately 5 µm in diameter could be obtained using proposed heat treatment, accordingly the durability of bearing steels could be substantially enhanced.
주제어
#heat treatment finite element analysis grain refinement quenching carburizing
학위논문 정보
저자
이광오
학위수여기관
부산대학교
학위구분
국내박사
학과
정밀기계공학과
발행연도
2007
총페이지
ix, 134장
키워드
heat treatment finite element analysis grain refinement quenching carburizing
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