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문제 정의
- 본 실험에서는 산업현장의 열처리 전문업체에 의뢰하여 고주파열처리를 실시했다. 사용한 공정변수로는 주파수 80kHz, 입력전류 240A, 입력전압 380V, 필라멘트전압 20V, 양극전압 7.
- 본 연구는 열처리를 위해 구성한 렌즈를 이용했을 때 열처리 특성을 분석하고 고주파 열처리와 비교하기 위함이다. 고주파 열처리는 열처리 전문업체에 의뢰하여 열처리한 결과를 토대로 열처리 특성을 분석하였다.
- 이와 같은 단점을 보완하기 위해 본 연구에서는 시편 표면에서 열처리 단면적을 증가시킬 수 있도록 열처리 광학계를 구성하여 실험하였다.'。
가설 설정
- 6. 레이저 열처리는 고주파열처리보다 경화 깊이는 작지만 높은 경도값을 가진다.
제안 방법
- CW Nd:YAG 레이저를 이용하여 SM45C의 표면경화 처리하는 경우 주요 공정 인자인 레이저 출력과 레이저빔 이동속도, 디포커싱된 초점위치가 표면경화 특성에 미치는 영향을 연구한 결과와 고주파 표면경화처리시 발생하는 경화특성을 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 5kW를 이용하여 마르텐사이트 스테인레스강 AISI 400C를 열처리하여 캐비테이션에 의한 내마모성을 개선하였다. K. H. Lo가 Nd:YAG레이저로 열처리할 때 표면을 코팅하거나샌드블라스팅 처 리를 하지는 않았지 만 레이 저 빔을디포커싱하여 멀티 패스로 중첩하여 열처리하였다. 디포커싱에 의한 멀티패스로 열처리표면 면적을 증가시킬 경우 중첩되는 부분이 템퍼링되어 경도가 감소되는 경향이 있다.
- 위함이다. 고주파 열처리는 열처리 전문업체에 의뢰하여 열처리한 결과를 토대로 열처리 특성을 분석하였다.
- 시편크기를 100x50x3mm로 고정하여 열처리 실험한 후 시편두께를 10mm로 변화시켜 실험하였다. 공정변수는 레이저출력을 1095W 로 고정하고, 195mm의 초점거리를 가지는 '열처리용 렌즈로 시편 표면에 레이저빔을 조사시켰을 때 초점거리 195mm Z축의 0으로 세팅 하였다.
- 공정변수로 주파수는 80kHz, 입력전류, 입력전압, 필라멘트전압, 양극전압이 각각 240A, 380V, 20V, 7.5kV를 사용하였고, 시편과 유도코일과의 간극은 1.5mm ~ 2mm, 표면경화코일 이송속도는 0.3m/min으로 실험하였다.
- H. Lt? 는 연속파형 Nd:YAG레이저출력 0.5kW를 이용하여 마르텐사이트 스테인레스강 AISI 400C를 열처리하여 캐비테이션에 의한 내마모성을 개선하였다. K.
- 디포커싱에 의해 표면열처리한 경우와 열처리 광학계를 제작하여 열처리 실험한 각각의 공정변수에 따라 경화분포도, 경화깊이, 경도크기 및 금속조직 상태를 비교분석하였다. 산업현장에서 가장 많이 사용하는 고주파열처리는 전문업체에 의뢰하여 열처리한 결과를 경화깊이, 경도분포, 금속조직변화 등을 레이저열처리특성과 비교하였다.
- 레이저열처리 목적으로 구성한 광학계의 입 열량을 분석하기 위해 초점거리 변화에 따른 시편 표면에서의 초점면적의 변화를 실험하였다. 조직변화는 경화깊이 변화에 따른 경도측정을 위해 열 영향을 주지 않는 리니어 정밀절단기(BUEHLER:isomet 4000 precision Saw(l))를 이용하여 시편 단면을 절단해서 연마한 후 비커스 경도분포를 관찰하였다.
- 레이저열처리한 경도값은 산업현장에서 주로 사용하는 고주파열처리 한 경 도값과 비 교하기위 해고 주파 열처리하였다. 고주파 열처리에 사용한 시편과 시편크기는 레이저열처리용 시편과 동일하다.
- 먼저 부피 에 따라 열처리 특성변화가 어떤 형태로 변하는지 분석 하기 위해 두께를 변화시켜 실험 하였다. 시편크기를 100x50x3mm로 고정하여 열처리 실험한 후 시편두께를 10mm로 변화시켜 실험하였다.
- 본 실험에서는 산업체 열처리전문업체에서 금형, 크랭크축, 일반축류에 요구되는 공정변수를 사용하여 열처리한 결과와 비교하였다.
- 고주파열처리를 실시했다. 사용한 공정변수로는 주파수 80kHz, 입력전류 240A, 입력전압 380V, 필라멘트전압 20V, 양극전압 7.5kV를 가하였다. 시편과 유도코일과의 간극은 1.
- 디포커싱에 의해 표면열처리한 경우와 열처리 광학계를 제작하여 열처리 실험한 각각의 공정변수에 따라 경화분포도, 경화깊이, 경도크기 및 금속조직 상태를 비교분석하였다. 산업현장에서 가장 많이 사용하는 고주파열처리는 전문업체에 의뢰하여 열처리한 결과를 경화깊이, 경도분포, 금속조직변화 등을 레이저열처리특성과 비교하였다.
- 5kV를 가하였다. 시편과 유도코일과의 간극은 1.5~2mm를 유지시켜 열처리하였다. 열처리코일 이송속도는 0.
- 조직변화는 경화깊이 변화에 따른 경도측정을 위해 열 영향을 주지 않는 리니어 정밀절단기(BUEHLER:isomet 4000 precision Saw(l))를 이용하여 시편 단면을 절단해서 연마한 후 비커스 경도분포를 관찰하였다. 시편을 폴리싱하고 Nital(3%)시약으로 부식처리 한 다음 광학현미경을 이용하여 경화깊이와 미세조직을 측정하였다. 경 도시 험은 마이크로 비 이커 스 경도시험기 (SHIMADZU:HmV-2model)를 사용하여 0.
- 먼저 부피 에 따라 열처리 특성변화가 어떤 형태로 변하는지 분석 하기 위해 두께를 변화시켜 실험 하였다. 시편크기를 100x50x3mm로 고정하여 열처리 실험한 후 시편두께를 10mm로 변화시켜 실험하였다. 공정변수는 레이저출력을 1095W 로 고정하고, 195mm의 초점거리를 가지는 '열처리용 렌즈로 시편 표면에 레이저빔을 조사시켰을 때 초점거리 195mm Z축의 0으로 세팅 하였다.
- 조직변화는 경화깊이 변화에 따른 경도측정을 위해 열 영향을 주지 않는 리니어 정밀절단기(BUEHLER:isomet 4000 precision Saw(l))를 이용하여 시편 단면을 절단해서 연마한 후 비커스 경도분포를 관찰하였다. 시편을 폴리싱하고 Nital(3%)시약으로 부식처리 한 다음 광학현미경을 이용하여 경화깊이와 미세조직을 측정하였다.
- lm/min 간격으로 증가시켜 실험하였다. 표면조건을 일정하게 하기 위해 경화실험을 하기 전에 시편의 표면을 연마기를 이용하여 사포(Sand Paper)로 연마하고 아세톤 세척후 레이저 빔을 조사시켰다.
대상 데이터
- 본 실험을 위해 제작한 레이저열처리용 가공 헤드의 렌즈초점거리는 195mm 이고, 크기는 1.6"xl.6"이다. 시편을 표면경화 시킬 때 표면과 대기 중의 오염물질사이의 상호작용을 방지하기 위해 Ar가스를 45。각도, 압력은 1 ~ 3bar 정도로 분사시켰다.
- 에 의뢰하여 제작한 것으로 반원통형이다. 렌즈의 재질은 UV grade F.S.이고, 초점거리는 195mm이며, WxL(40x40mm), tc(5.9mm), R( 101.7mm) 렌즈를 통과한 빔의 모양은 타원형이다.
- 본 실험에 사용한 열처리용 렌즈의 초점거리는 195mm인데, 이 초점위치를 z=0으로 하였을 때 단축의 초점폭은 600㎛이고, 열침투깊이는 300㎛ 였다. 일반적으로 디포커싱하는 방법으로 초점거리를 변화시키면서 레이저빔을 시편표면에 조사하였을 때 초점위치에서 조직이 변화된 시편폭은 좁지만 열 침투깊이는 깊어진다.
- 본 연구에 사용된 시편은 일반공작기계나 금형에서 많이 사용되는 SM45C을 사용했다. 시편의 화학조성은 Table 1과 같다.
- 본 연구에 사용된 재료는 금형재나 일반 기계구조용 강으로 많이 사용하는 SM45C를 레이저 열처리하였다. 디포커싱에 의해 표면열처리한 경우와 열처리 광학계를 제작하여 열처리 실험한 각각의 공정변수에 따라 경화분포도, 경화깊이, 경도크기 및 금속조직 상태를 비교분석하였다.
- 본 연구에 이용한 Nd:YAG레이저의 파장은 1.06 ㎛이고, 최대출력은 2.8kW 이다. 평균유효출력은 2kW인 연속파(continuous wave : CW)이고, 레이저빔은 직경이 600㎛인 광섬유를 통해서 전달한다.
이론/모형
- 레이저에 의한 열처리는 금속 표면에서 대부분 반사되는 레이저빔을 이용하여 급속가열.냉각되는 자기냉각법에 의한 방법을 이용한다. 고주파열처 리는 와전류손실과 표피효과를 이용하는 방법으로 도체 내에 교번자속이 관통하면 도체 내에 발생하는 유도기전력을 이용한다.
성능/효과
- 1. 시편두께가'10mm일 때 시편내부로 열이 급속하게 전달되어 냉각하는 속도가 두께가 3mm일 때보다 빨라 경화폭은 약 5%정도 작았다. 이런 현상은 급가열할 때 두께가 작아 체적이 크지 않으 .
- 2. 레이저빔의 이송속도에 따라 경화폭과 경도값을 측정한 결과 표면열원을 이용하기 때문에 입 열량을 증가시키면 표면일부가 증발하여 경도는 감소하고 경화폭은 증가하는 것으로 판단된다. 그러나 모재의 경도와 비교하면 경도값이 3배 이상 증가하였다.
- 4. 입열량변화에 대한 경화깊이 변화는 실험식 瓦 = a(l+E)b을 얻었다. 氏는 경화깊이 a, b 는 상수로 각각 1과 0.
- 5. 고주파열처리시 코일이 횡방향으로 이동 하면 서열 침투 깊이는 6000㎛이상 진행한 뒤 열 침투 깊이가 일정하게 되는 단점이 있다.
- 본 실험에서 사용한 열처리용 렌즈의 특성은 초점 위치에서 초점거리가 상대적으로 크게 벗어나도디포커싱하는 방법과 비교하면 열침투깊이가 300㎛ 정도로 일정하게 나타난다. 디포커싱하는 방법으로 열처리하였을 경우 초점면의 중심부에서 시편 표면 일부가 용융될 수도 있기 때문에 초점거리를 주의 깊게 조절해야 한다.
- 디포커싱으로 열처리 했을 때 경화부 중심보다 중심부와 레이저빔 외곽 사이에서 경도값이 크게 나타나는 이유는 고열 원의 레이저빔과 시편과의 온도구배(temperature gradient) 에 따라 고열원에 대한 냉각된 기지 조직과의 급냉각 때문에 발생하는 충분한 자기 퀜칭 현상 때문이다. 본 실험을 위해 제작한 렌즈를 사용해서 열처리했을 때 디포커싱으로 열처리했을 때보다 경도는 최소 약 lOOHv, 최대 약 300Hv정도 증가하였다. 디포커 싱했을 때 보다 경 도값이 크게 나타나는 이 유는 표면에서 용융이 발생하지 않아 탈탄 등 원소가 기화되 어 증발하지 않았기 때문이다.
- 9Hv, 10mm일 때 691Hv를 가진다. 시편두께가 10mm일 때 시편 내부로 열이 급속하게 전달되어 냉각하는 속도가 두께가 3mm일 때보다 빨라 경화폭도 약 5%정도 작았다. 두께가 작은 경우 경화폭과 경도값이 근소한 차이이지만 크게 나타나는 이유는 급가열할 때 두께가 작아 체적이 크지 않으면 시편 전체에 레이저빔이 미치는 영향이 상대적으로 크기 때문이다.
- 표면경도값은 본 실험에서 제작한 열처리 광학계를 사용했을 때 750Hv로 가장 크고, 최대경화 깊이는 400〃m이며, CO2 레이 저인 경우는 680Hv 정도였다. 그림에서 보는 바와 같이 고주파 열처리는 깊이 방향으로 경화깊이가 매우 깊게 형성되었지만 경도값은 가장 작았다.
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