[논문]고주파 열처리를 고려한 액슬 축 비틀림 거동 연구

강대현; 이범재; 윤창배; 김강욱

doi:10.3795/ksme-a.2010.34.5.645

초록
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고주파열처리(induction hardening)는 엔진의 구동력을 차동장치에서 바퀴까지 전달해주는 부품인 액슬축(axle shaft)의 비틀림 강도를 증가시키기 위해 적용되는 열처리 방법이다. 고주파 열처리 과정의 급속가열과 급속냉각은 소재에 잔류응력과 물성치를 변화시켜 액슬축의 허용 전달토크를 변화시킨다. 본 연구에서는 고주파 열처리한 액슬축의 잔류응력의 분포와 열처리 깊이에 따른 비틀림 강도 변화를 열물성 및 상변태를 고려한 유한요소 해석을 통해 예측하였으며 이를 시험과 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Induction hardening has been used to improve the torsional strength and characteristics of wear for axle shaft that is used to transmit driving torque from the differential to the wheel in automobiles. After the rapid heating and cooling processes of induction hardening are carried out, the shaft ha...

Induction hardening has been used to improve the torsional strength and characteristics of wear for axle shaft that is used to transmit driving torque from the differential to the wheel in automobiles. After the rapid heating and cooling processes of induction hardening are carried out, the shaft has residual stress and material properties change; this affects the allowable transmitted torque. The objective of this study is to predict the distribution of residual stress and estimate the torsional strength of induction-hardened axle shafts with residual stress. In this study, the finite element method is used to study the thermomechanical behavior of the material, and the results are compared with experimental results. The results indicate that the torsional strength of the axle shaft depends on the surface hardening depth and distribution of residual stress.

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문제 정의

본 연구에서는 엔진의 구동력을 차동장치에서 바퀴까지 전달해주는 역할을 하는 자동차 부품인 액슬 샤프트(axle shaft)의 고주파 열처리 잔류응력의 분포 및 열처리 깊이에 따른 비틀림 강도 변화에 대한 해석을 수행하였으며 이를 시험 결과와 비교하였다. 유한요소해석(FEM)은 상용유한요소 프로그램인 ABAQUS 및 user subroutine 을 이용하였으며 온도에 따른 열물성을 고려하여 수행하였다.
본 연구에서는 고주파 표면경화 열처리된 액슬 샤프트에 대한 열처리 잔류응력 및 비틀림 거동을 알아보았다.

제안 방법

본 연구에서는 엔진의 구동력을 차동장치에서 바퀴까지 전달해주는 역할을 하는 자동차 부품인 액슬 샤프트(axle shaft)의 고주파 열처리 잔류응력의 분포 및 열처리 깊이에 따른 비틀림 강도 변화에 대한 해석을 수행하였으며 이를 시험 결과와 비교하였다. 유한요소해석(FEM)은 상용유한요소 프로그램인 ABAQUS 및 user subroutine 을 이용하였으며 온도에 따른 열물성을 고려하여 수행하였다.
기존의 유도가열에 대한 유한요소해석은 도체(work piece)와 주변의 공기에 대한 유한요소를 생성하여 전자기장에 대한 해석과 열전달 해석을 수행하였으나⁽³⁾ 본 연구에서는 해석의 효율성을 고려하여 전자기장 모델을 단순화하였다.
고주파 유도가열로 오스테나이트 변태 시작온도(Austenite start temperature, As)인 723℃이상에 도달 후 마르텐사이트 변태 시작온도(Martensite start temperature, Ms)를 거쳐 마르텐사이트 변태 완료온도(Martensite finish temperature, Mf)인 200℃까지 급냉(quenching)의 과정을 거친 영역까지를 열처리된 영역(SM45C-H)으로 고려하여⁽⁵⁾물성치를 적용하였으며 Table 1, 2 는 각 영역별 온도에 따른 물성치를 나타내었다.^(1,5)
SM45C 의 CCT 선도을 이용하여, 최고온도(T_max)가 723 ℃이상이며 냉각속도(dT/dt)가 140℃/sec 이상인 두가지 조건을 모두 만족하는 영역이 상변태 발생하는 영역으로 계산하였다.⁽⁵⁾
(2) 열처리 잔류응력을 고려하여 경화깊이에 따른 비틀림 강도 및 강성을 해석을 통해 예측하였다.
열전달 및 열응력 해석은 Fig. 2 에 나타낸 바와 같이 축대칭 요소(axisymmetric elements)를 사용하였고 비틀림 해석은 축대칭 요소를 중심축(symmetry axis)을 기준으로 요소 및 해석결과를 회전시킨 후 비틀림 하중을 적용하였다.

대상 데이터

액슬 샤프트의 재질은 SM45C 이며 형상은 Fig. 1과 같다.
본 해석과 시험에서는 열처리 깊이를 3mm 와 4mm 인 두 가지 경우를 대상으로 하였다.
본 연구에서는 열처리 깊이 변화에 따른 비틀림 거동을 대상으로 하였다.

데이터처리

(4) 해석을 통해 비틀림 파단은 응력집중으로 인한 급격한 소성변형률 증가로 인해 발생하며 단면 변화부에서 발생함을 시험결과와 비교하였다.

이론/모형

축대칭 형상의 도체 표면에 발생된 와전류로 인해 발생된 열원의 분포에 대한 방정식은 맥스웰 방정식을 이용하여 준정적 전자기장(quasi-stationary electro magnetic field)임을 가정하면 다음과 같이 표현할 수 있다.⁽⁴⁾
비틀림의 경우 항복점을 명확하게 결정할 수 없으므로 비교적 간단한 방법으로 항복점을 결정할 수 있는 JAEL(Johnson’s Apparent Elastic Limit)을 사용하여 Table 3 에 나타내었으며 Table 4는 파단토크를 나타내었다.

성능/효과

열처리 깊이가 증가함에 따라 항복토크와 파단토크 모두 증가하는 경향을 보이며 파단토크의 증가보다 항복토크의 증가율이 더 큼을 확인할 수 있다. 이는 표면 경화층의 마르텐사이트 변태가 액슬 샤프트의 항복토크 증가에 크게 기여함을 보여준다.
(1) 고주파 열처리 해석을 위한 간단한 입열모델 및 온도에 따른 물성을 적용하였으며 열처리에 의한 잔류응력분포 양상이 시험결과와 유사한 경향을 보임을 확인하였다.
(3) 경화깊이가 증가할수록 항복토크의 증가율이 파단 토크의 증가율보다 큼을 해석 및 시험 결과를 통해 확인하였다.
(5) 유한요소해석을 통해 액슬 샤프트의 고주파 열처리 및 비틀림 거동을 예측하여 실험결과와 유사한 결과를 얻을 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고주파 표면경화 열처리된 액슬 샤프트에 대한 열처리 잔류응력 및 비틀림 거동의 연구 결과는?	(1) 고주파 열처리 해석을 위한 간단한 입열모델 및 온도에 따른 물성을 적용하였으며 열처리에 의한 잔류응력분포 양상이 시험결과와 유사한 경향을 보임을 확인하였다. (2) 열처리 잔류응력을 고려하여 경화깊이에 따른 비틀림 강도 및 강성을 해석을 통해 예측하였다. (3) 경화깊이가 증가할수록 항복토크의 증가율이 파단 토크의 증가율보다 큼을 해석 및 시험 결과를 통해 확인하였다. (4) 해석을 통해 비틀림 파단은 응력집중으로 인한 급격한 소성변형률 증가로 인해 발생하며 단면 변화부에서 발생함을 시험결과와 비교하였다. (5) 유한요소해석을 통해 액슬 샤프트의 고주파 열처리 및 비틀림 거동을 예측하여 실험결과와 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
	고주파열처리는 무엇인가?	고주파열처리(induction hardening)는 엔진의 구동력을 차동장치에서 바퀴까지 전달해주는 부품인 액슬축(axle shaft)의 비틀림 강도를 증가시키기 위해 적용되는 열처리 방법이다. 고주파 열처리 과정의 급속가열과 급속냉각은 소재에 잔류응력과 물성치를 변화시켜 액슬축의 허용 전달토크를 변화시킨다.
	일반 열처리에 비해 고주파 열처리가 가지는 우수한 특성은 무엇인가?	표면경화 열처리는 기계, 자동차, 항공기 부품의 고출력화, 내구수명 향상, 경량화 요구의 증대로 강도, 마모 및 파괴 특성을 향상시키기 위한 목적으로 이용되고 있다. 일반 열처리에 비해 고주파 열처리는 요구하는 재료의 표면층만을 급속가열, 냉각에 의해 경화하기 때문에 강도, 표면 경도, 내마모성, 피로강도, 형상정밀도 측면에서 우수한 특성을 보인다.(1) 이 같은 급속가열과 냉각에 의해 재료의 금속 조직 변태 및 잔류응력이 발생한다.

참고문헌 (7)

Metals Handbook Ninth Edition - Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys, Vol. 1, ASM International, pp. 455-542.
Yun. J. O. and Yang. Y. S., 2004, “A Study on the Flat-Type Induction Heating of Steel Plate,” Trans. of the KSME(A), Vol. 28, No. 7, pp. 948-954.

원문보기 상세보기
Dominique Coupard, Thierry Palin-luc, Philippe Bristiel, Vincent Ji and Christian Dumas, 2008, “Residual Stresses in Surface Induction Hardening of Steels: Comparison Between Experiment and Simulation,” Materials Science and Engineering A, Vol. 487, pp. 328-339

상세보기
Cajner, F., Smoljan, B. and Landek,D., 2004, “Computer Simulation of Induction Hardening,” Journal of Materials Processing Technology, Vol. 157, pp. 55-60

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George E. Totten, Maurice A. H. Howes and Tatsuo Inoue, 2002, Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel, ASM International, pp. 220-295.
Ko. J. B., Kim. W. K. and Won. J. H., 2005, "The effect on Fatigue Strength of Induction Hardened Carbon Steel," Trans. of Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol. 14, No.6, pp. 83-87.
ABAQUS User’s Manual, 2008, Version 6.8, Dassault Systemes Simulia Corp, Providence, RI,USA.

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