[논문]고주파열처리의 기술의 최신화제(2) 초급속 단시간가열 담금질에 관하여

김성완

문제 정의

다음으로 본사와 CHI(Contour Hardening Inc.)사가 공동개발한「0.1~0.5초 정도의 초 급속 단시간 가열의 특징을 갖는 MICROPULSE^®식 고주파 유도가열 장치를 이용한 고주파담금질에 의한 소형 기어의 윤곽담금질기술」에 관한 연구 개발 상황을 소개한다.
본 개발은「초급속단시간가열」의 특징을 이용한 기어의 윤곽담금질을 목표로 하여 대학 및 소재 메이커와 공동으로 여러 가지의 기초연구를 실시하였다.
소개하였다[4]. 본론에서는 본 기업에서 개발한 초 급속 단시간 가열담금질기술에 관하여 최신 화제도 포함시켜 소개하고자 한다.
앞서 언급한데로 고주파 열처리기술의 현재의 상태와 최근의 동향게 있어 기본적인 이야기나 고주파를 전문으로 하는 업체의 화제도 언급하면서 본 기업의 현실 업무 부문에서의 화제 및 고주파 열처리 기술의 숙성과 개발을 목적으로 설치한 열처리 기술 센터 「FTC (Fine Techno Center)j 의 화제를 중심으로 소개하였다[4]. 본론에서는 본 기업에서 개발한 초 급속 단시간 가열담금질기술에 관하여 최신 화제도 포함시켜 소개하고자 한다.

제안 방법

82 mm까지 4 단계로 변화 시켰다. S45C강의 기어를 제작하고 제 특성과 피로강도를 검사하였다. 그 결과를 그림 4에 피로한도와 시간강도를 함께 나타내었다.
1~0.5초의 초단시간 가열로 균일한 담금질 조직이 얻어질 수 있는가?」라는 의문을 해명하기 위 해초 급속 가열중의 모재상의 구상 시멘타이트의 분해, 고용, 확산프로세스에 관하여 시뮬레이션을 통하여 계산하고, 실제적인 급속가열 7화 도중에 급냉 시켜 조직을 고정한 시험편을 SEM 관찰결과와 비교 해석하였다.
&초이기 때문에 전조직의 영향이 커지는 것은 또한 분명한 사실이다. 그러면 동일한 S45C 강의 전 조직을 전 열처리 조건(조질(담금질템퍼링)조직, F + P조직, F +구상화 세멘타이트)을달리하여 회전 굽힘시험편을 제작하고 초급속단 시간 가열 丫화 담금질 후 정적인 기초특성과 피로강도를 조사하였다.
그러면 앞서 얘기한 표준 평 기어를 공시 품으로유압서보시험기를 이용하여 공시품의 치선을「#」자형의 치구로 반복하중을 주어 치근부분의 피로 특성을 구하였다. 또한 자동차 트랜스미션에 헬리컬기어가 사용되고 있지만 사정상 평 기어를 사용하였다.
그러나 윤곽담금질의 우수성을 높이기 위해서는 103~105회 정도의 시간강도 영역에서 피로강도와 단순 굽힘 강도를 더욱 향상시켜야 한다. 그러면, 치고 부분의 경화 충의 깊이의 영향을 보기 위해 깊이를 0.33- 0.82 mm까지 4 단계로 변화 시켰다. S45C강의 기어를 제작하고 제 특성과 피로강도를 검사하였다.
그러서, FCD700 재질의 표준평기어의 윤곽담금질 품(톱니 경화층 깊이 0.5 mm)과 ADI품(350Hv)의 피로시험을 실시하였다. 그 결과 그림 6에 보여주는 바와 같이 시간강도에서는 동등한 값을 보여주지만, 피로한도에서는 윤곽담금질 품이 보다 높은 값을 보여주는 바 구상흑연주철에서도 효과가 있음을 알 수 있었다[8].
그런 다음에 응력집중계수 a = 2.3의 절결을 갖는 시험편을 동일하게 고주파담금질 후 피로시험을 실시하였다. 그 결과 그림 7을 통해 알 수 있듯이 경화층이 얕아짐에 따라 보다 높은 피로강도를 얻을 수 있었다.
기초적인 기어의 성능을 조사하기 위해 모듈 3, 잇 수 40, 압력 각 20, 외경 126mm, 치폭 20 mm의 평 기어를 표준형상으로 S45C강의 초급속 단시간 고주파 가열담금질(윤곽담금질)품, 통상 고주파담금질 품, SCM420 강의 침탄담금질 품, S45C 강의 연질화품을 제작하고, 재료특성, 피로특성, 변형을 비교하였다. 그림 1에 재료특성의 측정결과를 나타내었다.
실제 기어에 사용 환경을 포함한 다양한 종류와 크기의 부하가 걸리는 조건으로 기어의 피로 강도를 평가 하였다. 일반적으로 치근 부분피로, 치면 피로 (마찰마모피로, 전동피로), 반복충격피로(극 고 부하에서 103회 정도의 비교적 저 사이클 피로)등의 몇 개의 부하상태에서의 피로시험을 행하고 종합적으로 판단할 필요가 있다.
또한 USA . 인디아나폴리스에서 매년 치러지는 짧은 기간이지만 가혹한 레이스인「Indy 500(97년도)」 에서 침탄 담금질한 기어 대신에 CHI에서 개발한 경량화 타입의 트랜스미션용 윤곽담금질기어 (SAE 1552강)를 탑재한 레이싱카가 우승, 준우승을 하였다. 시판되는 자동차에서의 평가와는 취지가 다르지만 주목할 만한 실용화 예이다.
일반적인 피로특성을 파악하기 위해 S45C강의 모래시계형의 평판 시험편을 0.5 mm에서부터 전체(주부)가열을 통하여 여러 가지의 경화층 깊이에 초 급속 또는 통상의 급속 단시간가열담금질을 하여 시험을 실시하였다. 이 시험의 분석결과, 경화층이 얕은시험편에서는 높은 표면압축 잔류응력과 높은 경도값을 보인반면, 전체 경화한 시편에서는 내부의 비 경화층과의 경계부분 및 내측을 기점으로 한 내부파괴가 발생하였고 기대한 피로강도를 얻을 수 없었다.
최근 주목받고 있는 더블 숏 피닝이 윤곽 담금질한 연치기어 (S50C 강, 모듈 3, 압력각 17°, 톱니 경화 깊이 0.5 mm)에 미치는 효과를 조사하였다. 그림 5를 통해 확인한 결과는 더블 숏 피닝을 처리한 제품의 경우 피로한도가 약 40% 정도 향상됨을 알 수 있었다.

대상 데이터

5초 정도의 초 급속 단시간), 담금질로 이루어지며, 모든 프로세스를 불과 10초 이내에 처리가 가능하다. 실험에 이용한 고주파 발진기는 예열 또는 고주파 템퍼링용의 주파수가 3/10/25/50 kHz(선택)/최대출력 600 kW이고, 본 가열용이 전자관식(150/210 kHz/600kW) 및 트랜지스터 식 (200kHz/1000kW)의 발진기이다. 고주파 .

성능/효과

그 결과 초단시간 가열에 의해서도 통상고주파 담금질과 마찬가지로 조질 조직의 경우에는 균일한 丫화담금질이 용이하고 구상탄화물 조직의 경우에는 쉽지 않음이 밝혀졌다. 또한 F + P 조직의 경우 괴상(塊狀) E가 보이지 않고 F 면적비율이 약 15% 이내라면 초급속 단시간 가열에 의하여 균일한 담금질 조직과 경도를 얻을 수 있었다.
5 mm)에 미치는 효과를 조사하였다. 그림 5를 통해 확인한 결과는 더블 숏 피닝을 처리한 제품의 경우 피로한도가 약 40% 정도 향상됨을 알 수 있었다. 이후 보다 자세한 내용을 발표할 계획이지만, 윤곽 담금질한 기어와 비교하여 볼 때, 표면 압축 잔류응력이 약 600N/mm²의 상승과 표면경도가 40 Hv 정도의 높은 값과 표면조도(R_max: 약 4 μm 감소)가 평활화 된 이유로 인해 피로한도가 개선된 것으로 예상된다[9].
또한 윤곽담금질 품과 침탄 담금질 품 등이 동등한 시간강도를 나타내는 것은 윤곽담금질 품은 조질에 의한 것이고, 침탄담금질품은 전체담금질과 함께 경화층 내측의 경도가 높기 때문이다. 단순 한치고 부분의 굽힘 강도가 윤곽 담금질 품(조질재) 와 침탄 담금질 품이 거의 동일한 수준을 보여주었고, 윤곽담금질 품(F + P재), 통상고주파담금질품의 순서로 낮은 값을 보여주어 피로강도와 동일한 경향을 보여주고 있다. 반복 고 부하응력 영역에서는 단순 굽 힘이나 피로 강도에 큰 영향을 미치는 것으로 생각된다.
또 10³~10⁵회 정도의 시간 강도영역에서는 윤곽담금질 품(조질재)이 가장 높은 값을 나타내었고, 윤곽담금질 품(F + P재)과 침탄담금질 품이 동등한 결과를 통상 고주파담금질 품과 연질화품은 거의 동일한 수준의 낮은 값을 보여주었다.
밝혀졌다. 또한 F + P 조직의 경우 괴상(塊狀) E가 보이지 않고 F 면적비율이 약 15% 이내라면 초급속 단시간 가열에 의하여 균일한 담금질 조직과 경도를 얻을 수 있었다.
또한 고 경도라도 피 절삭성을 개선할 수 있는 양립의 가능성에서 볼 때 쾌삭 원소의 첨가효과를 분석한 결과 역시 양립의 가능성을 보여주었다. 이와 같은 초급속단시간 급속가열 담금질의 장점을 끌어낼 수 있는 전용 강재의 개발은 매우 중요하다고 생각한다.
5 mm에서부터 전체(주부)가열을 통하여 여러 가지의 경화층 깊이에 초 급속 또는 통상의 급속 단시간가열담금질을 하여 시험을 실시하였다. 이 시험의 분석결과, 경화층이 얕은시험편에서는 높은 표면압축 잔류응력과 높은 경도값을 보인반면, 전체 경화한 시편에서는 내부의 비 경화층과의 경계부분 및 내측을 기점으로 한 내부파괴가 발생하였고 기대한 피로강도를 얻을 수 없었다.
이상의 결과로부터 기어의 윤곽담금질에 한정하지 않고 초 급속 단시간 가열에 의한 고주파담금질을 하면 표면에(특히 절단이 발생한 부재의 절단부에) 기존의 고주파담금질에서 나타나는 것보다 고압축 잔류응력이 발생한다고 한다. 이후에 새로운 특징을 찾아내거나 특징을 살리기 위한 노력을 계속하고 싶다.
2 mm이다. 표면 잔류응력은 -680N/mm²의 압축응력형태로 나타내고, 변형은 담금질전후의 치형오차, 치근오차, 치구의 진원도 변형량을 측정한 결과 모두 연질화 제품과 유사한 작은 값을 보여주었다. 일반적인 고주파 담금질 품은 가열시간이 2.
8초의 짧은 시간이더라도 이 (齒) 전체가 담금질경화되고, 윤곽담금질 품과 비교하여 압축 잔류응력이 낮은 값을 나타내고 열처리의 변형량도 큰 값을 나타내었다. 한편 침탄담금질품은 윤곽담금질 품과 비교하여 치형에 따라 균일한 경화층이 얻어지고 그 깊이는 치근에서 0.5 mm 정도로 유사한 결과를 보여주었으나 잔류응력은 -290N/mm² 정도의 낮은 값과 열처리의 변형량에 있어서도 큰 값을 나타났다. 연질화품은 저온에서 처리하기 때문에 변형량은 적지만 경화층이 수십 μm 정도로 작고 잔류응력은 거의 제로에 가까운 값을 보여주었다.
현재까지 시작의뢰품을 분석한 결과 여러가지 재질, 형상의 기어를 일부에서는 열처리조건을 변화시키면서 윤곽담금질을 하여 그 특성의 조사 데이터를 축적해 온 결과 그 중에서 표면압축잔류응력에 있어서는 -500~-1500N/mm² 정도의 일반적인 고주파 담금질 품 보다 높은 값을 얻을 수 있었다. 이후에 언급하게 될 회전굽힘 피로시험용의 시험편에서 -2500N/ mn?이라는 상당히 높은 측정치를 얻었다.

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