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문제 정의
- 반면에 특유의 빔 안정성 및 사각형의 빔 프로파일로 인해 상대적으로 넓은 영역의 표면을 균일하게 가열할 수 있는 고출력 다이오드 레이저는 다른 레이저에 비하여 효율이 높기 때문에 레이저 표면처리시 가장 적합한 열원이라고 할 수 있다[3-7]. 따라서 본 연구에서는 고출력 다이오드 레이저를 이용하여 프레스 금형의 표면경화처리 적용을 위한 열처리를 실시하였다.
- 본 논문에서는 금형 재료의 차이에 따른 경화특성을 파악하기 위해 흑연의 분포상태가 다른 두 가지의 재료를 열처리한 후 경화특성을 비교해보았다. 금형재로 사용되는 주철은 일반 금형강과 비교하여 조직내에 흑연을 포함하고 있지만, 기지의 조직은 같기 때문에 기본적으로는 탄소강과 같은 열처리가 가능하다.
제안 방법
- (4) 열처리시 온도센서를 통해 시험편 표면의 온도를 측정하고, 적정 열처리 온도를 추정하였다. 추정된 열처리 온도를 기준으로 온도제어 열처리를 실시하여, FCD550은 1,100 ℃, HCI350은 1,050℃의 최적 열처리 온도를 도출하였다.
- FCD550 소재에 대한 열처리 특성을 파악하기 위해 주된 공정변수인 레이저 출력 및 빔의 이송속도를 변화시키면서 표면 열처리를 실시하였다. 레이저 빔의 이송속도를 2~4 mm/sec로 설정하고, 레이저 출력을 2.
- 고출력 다이오드 레이저를 이용하여 금형재료용 주철인 FCD550과 HCI350의 표면 열처리를 실시한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 또한 광학계에 부착되어 있는 적외선 온도센서를 이용하여 열처리 동안 두 시험편의 표면온도를 측정한 후 레이저 출력에 따른 시험편의 표면온도 변화를 관측하였다. 그리고 측정된 온도를 기준으로 열처리 온도를 변화시키는 온도제어 열처리를 실시하여 경화특성을 파악하였다.
- 본 연구에서 사용한 열처리 장치는 컨트롤러에 열처리 온도를 설정하면 레이저 조사동안 시험편 표면의 온도를 측정하고, 그 온도값을 토대로 레이저 출력을 자동으로 조절하는 온도제어 열처리가 가능하도록 구성되어져 있다. 따라서 빔의 이송속도를 3 mm/sec로 고정하고 두 소재의 적정 열처리 조건에서 측정된 표면온도를 기준으로 열처리 온도를 변화시키면서 열처리를 실시하였다. Figure 7에 각 소재의 열처리 온도에 따른 경화 폭 및 깊이의 변화를 나타낸다.
- 실험은 Figure 2에 나타낸 것과 같이 실시하였으며, 이때의 집광광학계와 시편과의 거리WD(working distance)는 235 mm이고, 빔 사이즈는 40×7 mm이다. 또한 광학계 헤드 부근에는 340~1,300 ℃의 측정범위를 가지는 적외선 온도센서(two color pyrometer)를 부착하여 레이저 열처리시 시험편의 표면온도를 실시간으로 측정할 수 있도록 구성하였다. 레이저빔 조사 중에는 빔 진행방향의 후면 20 mm 떨어진 위치에서 20 ℓ/min 유량의 아르곤(Ar) 가스를 40°각도로 분사하여 시험편 표면을 실드하였다.
- ) 및 빔의 이송속도(v)에 따른 표면 열처리를 실시하여 공정변수에 따른 경화특성을 파악하고, 재료에 따른 열처리 특성을 비교하였다. 또한 광학계에 부착되어 있는 적외선 온도센서를 이용하여 열처리 동안 두 시험편의 표면온도를 측정한 후 레이저 출력에 따른 시험편의 표면온도 변화를 관측하였다. 그리고 측정된 온도를 기준으로 열처리 온도를 변화시키는 온도제어 열처리를 실시하여 경화특성을 파악하였다.
- 열처리 전용의 사각빔 광학계를 로봇에 장착하고, 400 ㎛ 직경의 화이버로 레이저빔을 전송하여 열처리를 실시하였다. 또한 로봇 하부에는 레일이 설치되어 로봇의 좌우 이동을 가능하게 함으로써 대형 금형에서도 적용할 수 있도록 설계되었다.
- 레이저빔 조사 중에는 빔 진행방향의 후면 20 mm 떨어진 위치에서 20 ℓ/min 유량의 아르곤(Ar) 가스를 40°각도로 분사하여 시험편 표면을 실드하였다.
- 본 연구에서 사용한 열처리 장치는 컨트롤러에 열처리 온도를 설정하면 레이저 조사동안 시험편 표면의 온도를 측정하고, 그 온도값을 토대로 레이저 출력을 자동으로 조절하는 온도제어 열처리가 가능하도록 구성되어져 있다. 따라서 빔의 이송속도를 3 mm/sec로 고정하고 두 소재의 적정 열처리 조건에서 측정된 표면온도를 기준으로 열처리 온도를 변화시키면서 열처리를 실시하였다.
- 본 연구에서는 FCD550 및 HCI350 소재를 이용하여 레이저 출력(PL) 및 빔의 이송속도(v)에 따른 표면 열처리를 실시하여 공정변수에 따른 경화특성을 파악하고, 재료에 따른 열처리 특성을 비교하였다. 또한 광학계에 부착되어 있는 적외선 온도센서를 이용하여 열처리 동안 두 시험편의 표면온도를 측정한 후 레이저 출력에 따른 시험편의 표면온도 변화를 관측하였다.
- 다이오드 레이저는 900~1,030 ㎚의 파장대를 가지며, 빔 품질(beam quality)은 40 mm․rad이다. 열처리 전용의 사각빔 광학계를 로봇에 장착하고, 400 ㎛ 직경의 화이버로 레이저빔을 전송하여 열처리를 실시하였다. 또한 로봇 하부에는 레일이 설치되어 로봇의 좌우 이동을 가능하게 함으로써 대형 금형에서도 적용할 수 있도록 설계되었다.
- 일반적으로 주철은 흑연을 포함하고 있기 때문에 넓은 구역의 평균경도를 측정할 수 있는 브리넬(Brinell) 경도를 취하지만, 본 연구에서는 경화정도를 세밀하게 파악하기 위해 마이크로 비커스 경도기를 사용하여 경도를 측정하였다. 주철내의 흑연은 매우 연한 조직이기 때문에 경도 측정시 흑연의 영향을 피하기 위한 세심한 주의가 필요했으며, 흑연의 분포 상태 및 크기에 따라 측정값의 변동이 심하였다.
- (4) 열처리시 온도센서를 통해 시험편 표면의 온도를 측정하고, 적정 열처리 온도를 추정하였다. 추정된 열처리 온도를 기준으로 온도제어 열처리를 실시하여, FCD550은 1,100 ℃, HCI350은 1,050℃의 최적 열처리 온도를 도출하였다. 이때의 경화부 경도 및 레이저 출력을 측정한 결과, 출력제어 열처리시의 적정 열처리 조건과 거의 같은 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
- FCD550의 최적 열처리 조건을 기준으로 HCI350 소재의 열처리를 실시하였다. 빔 이송속도를 3mm/sec 로 고정하고 레이저 출력을 변화시키면서 열처리를 실시한 결과, HCI350 소재의 최적 열처리 조건은 FCD550의 열처리 조건보다 다소 높은 레이저 출력 3.
- 본 실험에서 사용한 시험편의 재료는 구상흑연 주철인 FCD550 및 편상흑연 주철 HCI350이며, 그 화학조성을 Table 1, 모재조직의 현미경 사진을 Figure 1에 각각 나타낸다. FCD550 소재는 구상화된 흑연 주위로 페라이트가 감싸는 형상을 하고 있으며, 기지조직으로 펄라이트가 분포되어 있는 펄라이트형 구상흑연 주철이며, HCI350은 흑연이 편상으로 존재하는 펄라이트형 편상흑연 주철이다.
- 실험에 사용한 레이저 열처리 장치는 크게 최대출력 4.0 kW의 다이오드 레이저와 6축 외팔보 로봇으로 구성되어져 있다. 다이오드 레이저는 900~1,030 ㎚의 파장대를 가지며, 빔 품질(beam quality)은 40 mm․rad이다.
- 이 조건을 초과한 출력에서는 표면에 용융이 발생하였으며, 그 미만의 출력에서는 표면에 발색만을 일으키며 열처리가 이루어지지 않는 매우 제한적인 열처리 범위를 나타내었다. 적정 열처리 조건 중 레이저 출력이 어느 정도 안정적이고 경화깊이가 가장 깊은 조건인 이송속도 3 mm/sec, 레이저 출력 3.5 kW를 FCD550 소재의 최적 열처리 조건으로 선정하였으며, 이 조건에서의 경화폭은 27 mm, 경화깊이는 0.9 mm였다.
성능/효과
- (1) 공정변수인 레이저 출력 및 빔의 이송속도에 따른 열처리를 실시한 결과, FCD550 및 HCI350소재의 적정 열처리 조건은 빔의 이송속도가 3 mm/sec일 때, 각각 레이저 출력 3.5 kW와 3.7 kW 로, 편상흑연 주철인 HCI350의 열처리 출력이 다소 높게 나타났다.
- (2) 최적 조건에서의 열처리시 두 소재의 경화 폭 및 깊이는 거의 같은 경향을 나타내었다. 열처리 조건에 차이가 있지만 경화정도가 비슷한 경향을 나타내는 이유는 재료의 열전도성에 차이가 있기 때문으로, 흑연이 구상으로 존재하는 FCD550소재보다 편상인 HCI350의 열전도도가 높아 열처리시 상대적으로 높은 입열이 요구되었다.
- (3) 마이크로 비커스 경도기를 사용하여 열처리부에 대한 경도를 측정한 결과, 경화부의 경도는 두 소재 모두 모재에 비하여 약 3배정도 상승하는 우수한 경화정도를 나타내었다.
- 표면에 용융이 발생하지 않고 경화정도가 가장 뛰어난 온도에서 측정된 경화 폭 및 깊이는 레이저 출력을 변화시키면서 열처리를 실시한 출력제어 열처리시와 거의 동일한 값을 나타내었다. 또한 이때의 경도를 측정한 결과, 경도분포 역시 비슷한 경향을 나타내어, FCD550의 경우 최적의 열처리 온도는 1,100 ℃에서 최고 경도는 900 Hv, 평균 경도는 780 Hv였다. 또한 HCI350 소재는 1,050 ℃가 최적의 열처리 온도였으며, 이때의 최고 경도는 890 Hv, 평균 경도는 720 Hv까지 상승하였다.
- FCD550 소재에 대한 열처리 특성을 파악하기 위해 주된 공정변수인 레이저 출력 및 빔의 이송속도를 변화시키면서 표면 열처리를 실시하였다. 레이저 빔의 이송속도를 2~4 mm/sec로 설정하고, 레이저 출력을 2.0 kW에서 4.0 kW까지 0.5 kW 단위로 변화시키면서 열처리를 실시한 결과, 이송속도가 감소할수록, 그리고 레이저 출력이 증가할수록 경화 폭 및 깊이는 증가하였다. 각 이송속도별 적정 열처리 출력은 2 mm/sec일 때 2.
- Figure 8은 각 시험편의 온도제어 열처리시 최적 조건에서의 레이저 출력변화를 나타낸 것이다. 레이저 조사 후 표면 온도를 제어 온도까지 올리기 위해 레이저 출력이 급속하게 증가한 후, 온도를 유지하기 위하여 지속적으로 변화하지만 그 차이가 크지 않은 것을 확인할 수 있다. 열처리가 진행되는 10~30초 사이의 평균 레이저 출력을 측정한 결과, FCD550의 출력은 3.
- FCD550의 최적 열처리 조건을 기준으로 HCI350 소재의 열처리를 실시하였다. 빔 이송속도를 3mm/sec 로 고정하고 레이저 출력을 변화시키면서 열처리를 실시한 결과, HCI350 소재의 최적 열처리 조건은 FCD550의 열처리 조건보다 다소 높은 레이저 출력 3.7 kW였다. 이 조건에서의 경화폭은 약 26 mm, 경화깊이는 약 0.
- 레이저 조사 후 표면 온도를 제어 온도까지 올리기 위해 레이저 출력이 급속하게 증가한 후, 온도를 유지하기 위하여 지속적으로 변화하지만 그 차이가 크지 않은 것을 확인할 수 있다. 열처리가 진행되는 10~30초 사이의 평균 레이저 출력을 측정한 결과, FCD550의 출력은 3.46 kW 였으며, HCI350은 3.65 kW의 출력을 나타내며, 모두 출력제어 열처리시의 적정 열처리 조건과 거의 동일한 수준임을 확인할 수 있었다.
- 7 kW였다. 이 조건에서의 경화폭은 약 26 mm, 경화깊이는 약 0.9 mm로 FCD550 소재의 열처리시와 거의 유사한 경화정도를 보였다. FCD550과 HCI350 소재의 열처리시 이송속도 3 mm/sec에서의 경화 폭 및 깊이의 변화를 Figure 3에 나타낸다.
- 추정된 열처리 온도를 기준으로 온도제어 열처리를 실시하여, FCD550은 1,100 ℃, HCI350은 1,050℃의 최적 열처리 온도를 도출하였다. 이때의 경화부 경도 및 레이저 출력을 측정한 결과, 출력제어 열처리시의 적정 열처리 조건과 거의 같은 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
- 또한 HCI350 소재는 1,050 ℃가 최적의 열처리 온도였으며, 이때의 최고 경도는 890 Hv, 평균 경도는 720 Hv까지 상승하였다. 이와 같이 출력제어와 온도제어시의 최적 열처리 조건에서의 경화특성이 비슷한 경향을 띠고 있는 것을 보아, 두 조건의 재료에 대한 입열량은 큰 차이가 없다고 판단할 수 있었다.
- 표면에 용융이 발생하지 않고 경화정도가 가장 뛰어난 온도에서 측정된 경화 폭 및 깊이는 레이저 출력을 변화시키면서 열처리를 실시한 출력제어 열처리시와 거의 동일한 값을 나타내었다. 또한 이때의 경도를 측정한 결과, 경도분포 역시 비슷한 경향을 나타내어, FCD550의 경우 최적의 열처리 온도는 1,100 ℃에서 최고 경도는 900 Hv, 평균 경도는 780 Hv였다.
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