고탄소강은 사용자가 요구하는 특성을 만족시키기 위해 침탄, 질화, 고주파담금질 등에 의해 표면처리 되어져 왔다. 그러나 기존의 처리 방법은 모두 처리물 전체를 가열하거나 균일한 가열을 하지 못하여 표면처리 후 변형의 문제와 처리후의 후가공의 경비문제, 그리고 극히 일부분만 경화가 필요한 부품에는 적용하기 어려운 문제점이 있었다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 표면처리법으로로써 레이저열처리 방법이 대두대고 있으며, 레이저열처리는 레이저 빔을 피처리물의 표면에 조사하고 적당한 속도로 이동을 하게 되면 레이저조사부위가 급속하게 가열되고 레이저 빔이 통과한 후에는 표면의 열이 내부로 열전도 되어 급속히 자기냉각(self-quenching)됨으로써 표면에 새로운 기계적 성질을 갖게 하는 열처리법이다. 본 연구에서는 기존의 CW Nd:YAG 레이저 열원보다 효율이 좋은 HPDL을 이용한 고효율, 고기능의 고탄소강 열처리 후 재료적 물성을 평가하였다. 그 결과 레이저빔의 조사속도 및 온도변화에 따른 열처리부 및 모재 부분에 대한 경도특성 및 미세조직의 특성을 명확히 할 수 있었다.
고탄소강은 사용자가 요구하는 특성을 만족시키기 위해 침탄, 질화, 고주파담금질 등에 의해 표면처리 되어져 왔다. 그러나 기존의 처리 방법은 모두 처리물 전체를 가열하거나 균일한 가열을 하지 못하여 표면처리 후 변형의 문제와 처리후의 후가공의 경비문제, 그리고 극히 일부분만 경화가 필요한 부품에는 적용하기 어려운 문제점이 있었다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 표면처리법으로로써 레이저열처리 방법이 대두대고 있으며, 레이저열처리는 레이저 빔을 피처리물의 표면에 조사하고 적당한 속도로 이동을 하게 되면 레이저조사부위가 급속하게 가열되고 레이저 빔이 통과한 후에는 표면의 열이 내부로 열전도 되어 급속히 자기냉각(self-quenching)됨으로써 표면에 새로운 기계적 성질을 갖게 하는 열처리법이다. 본 연구에서는 기존의 CW Nd:YAG 레이저 열원보다 효율이 좋은 HPDL을 이용한 고효율, 고기능의 고탄소강 열처리 후 재료적 물성을 평가하였다. 그 결과 레이저빔의 조사속도 및 온도변화에 따른 열처리부 및 모재 부분에 대한 경도특성 및 미세조직의 특성을 명확히 할 수 있었다.
Recently, high carbon steel has become essential not only for shipbuilding parts, but also mass production. Its surface has been treated by carburizing, nitriding and induction hardening, but these existing treatments cause considerable deformation and increase the expense of postprocessing after tr...
Recently, high carbon steel has become essential not only for shipbuilding parts, but also mass production. Its surface has been treated by carburizing, nitriding and induction hardening, but these existing treatments cause considerable deformation and increase the expense of postprocessing after treatment; furthermore, these treatments cannot be easily applied to parts that requiring the hardening of only a certain section. This is because the treatment cannot heat the material homogeneously, nor can it heat all of it. Laser surface treatment was developed to overcome these disadvantages, and when the laser beam is irradiated on the surface and laser speed is appropriate, the laser focal position is rapidly heated and the thermal energy of surface penetrates the material after irradiation, finally imbuing it with a new mechanical characteristic by the process of self-quenching. This research estimates the material characteristic after efficient and functional surface treatment using HPDL, which is more efficient than the existing CW Nd:YAG laser heat source. To estimate, microstructural changes and hardness characteristics of two parts (the surface treatment part, and parental material) are observed with the change of laser beam speed and surface temperature.
Recently, high carbon steel has become essential not only for shipbuilding parts, but also mass production. Its surface has been treated by carburizing, nitriding and induction hardening, but these existing treatments cause considerable deformation and increase the expense of postprocessing after treatment; furthermore, these treatments cannot be easily applied to parts that requiring the hardening of only a certain section. This is because the treatment cannot heat the material homogeneously, nor can it heat all of it. Laser surface treatment was developed to overcome these disadvantages, and when the laser beam is irradiated on the surface and laser speed is appropriate, the laser focal position is rapidly heated and the thermal energy of surface penetrates the material after irradiation, finally imbuing it with a new mechanical characteristic by the process of self-quenching. This research estimates the material characteristic after efficient and functional surface treatment using HPDL, which is more efficient than the existing CW Nd:YAG laser heat source. To estimate, microstructural changes and hardness characteristics of two parts (the surface treatment part, and parental material) are observed with the change of laser beam speed and surface temperature.
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문제 정의
본 연구에서는 고출력 다이오드 레이저를 이용하여[6-9] 고탄소강인 HP1A 시료를 사용하여 시료 표면에서 측정된 열처리 온도 및 레이저 빔의 이송속도를 각각 달리 변화시켜 레이저열처리를 실시한 후 현미경 조직관찰과 경도분포 특성을 고찰하고 입열량 특성 및 표면조건 변화를 레이저열처리 인자에 따라 규명하고자 하였다.
본 연구에서는 고탄소강 HP1A 소재를 사용하여 레이저열처리 특성을 평가 하였다. 고탄소강 소재에 대한 레이저열처리 특성에 미치는 지배인자 및 열처리 조건에 따른 경화특성에 관한 연구 결과를 다음과 같이 정리하였다.
제안 방법
4. 레이저 열에너지가 실험편 내부로 침투하게 되는 현상을 정량화하기 위해 레이저 빔의 이송속도에 따른 입열량의 관계를 분석 하였다. 분석결과 레이저 빔의 이송속도의 증가에 따라 입열량은 선형적으로 감소하였다.
이런 현상을 정량화하기 위하여 레이저 공정변수에 대한 입열량을 계산한 후 경화폭과 경화깊이 관계를 비교하였다. 각각의 공정변수에 대한 입열량 분포를 분석한 후 고찰하였다.
또한 광학계에 부착되어 있는 적외선 온도센서를 이용하여 시험편 표면온도를 측정한 후 레이저 출력에 따른 표면온도 변화를 관측하였다. 그리고 표면열처리부의 열처리 공정변수에 따른 입열량 특성을 분석하고, 미세조직을 관찰하여 경화특성을 규명하였다.
본 연구에서는 레이저열처리 조건으로 열처리 온도 및 레이저 빔의 이송속도에 따른 열처리를 실시하여 공정변수에 따른 경화특성을 분석하였다. 또한 광학계에 부착되어 있는 적외선 온도센서를 이용하여 시험편 표면온도를 측정한 후 레이저 출력에 따른 표면온도 변화를 관측하였다. 그리고 표면열처리부의 열처리 공정변수에 따른 입열량 특성을 분석하고, 미세조직을 관찰하여 경화특성을 규명하였다.
시편의 온도 측정을 위하여 열처리 헤드부분에 적외선 온도센서인 2색 온도계(two color pyrometer)가 부착되어 있으며, 측정지점은 빔조사부의 중앙이며 측정온도의 범위는 350~1,300℃이다. 또한 온도제어는 고온계를 통해 측정된 온도를 통하여 레이저출력이 자동조절 되게 구성하였다.
본 연구에 사용된 고탄소강 소재에 대한 경화특성을 파악하기 위해 주된 공정변수인 열처리 온도 및 레이저 빔의 이송속도를 변화시키면서 레이저 열처리를 실시하였다. 레이저 빔의 이송속도 2 mm/sec로 고정하고 열처리 온도를 900~1,150℃ 사이에서 50℃ 간격으로 실시하고, 열처리 온도 1,050℃로 고정하고 레이저 빔의 이송속도 2, 3, 5, 7, 10 mm/sec로 변화시키면서 열처리를 실시하였다.
0 kW이며, 레이저 빔은 직경이 400 μm의 파이버로 전송된다. 레이저 빔의 전송은 파이버를 통해 6축 로봇에 부착된 광학렌즈로 전송되고, 대형부품의 레이저열처리 적용을 위해 레일을 설치하여 넓은 범위로 빔의 전송이 가능하도록 구성하였다. 레이저 빔 사이즈는 40×7 mm의 열처리 광학렌즈를 사용하였고, 레이저의 WD(working distance)는 235 mm이다.
레이저열처리 온도 및 레이저 빔의 이송속도가 각각 1,050℃, 2 mm/sec의 공정변수에서 표면열처리시 미세조직 특성을 관찰 하였다. Figure 6은 미세조직을 나타낸 것으로 경화부와 모재부로 나누어 관찰하였다.
본 연구에 사용된 고탄소강 소재에 대한 경화특성을 파악하기 위해 주된 공정변수인 열처리 온도 및 레이저 빔의 이송속도를 변화시키면서 레이저 열처리를 실시하였다. 레이저 빔의 이송속도 2 mm/sec로 고정하고 열처리 온도를 900~1,150℃ 사이에서 50℃ 간격으로 실시하고, 열처리 온도 1,050℃로 고정하고 레이저 빔의 이송속도 2, 3, 5, 7, 10 mm/sec로 변화시키면서 열처리를 실시하였다.
본 연구에서는 레이저열처리 조건으로 열처리 온도 및 레이저 빔의 이송속도에 따른 열처리를 실시하여 공정변수에 따른 경화특성을 분석하였다. 또한 광학계에 부착되어 있는 적외선 온도센서를 이용하여 시험편 표면온도를 측정한 후 레이저 출력에 따른 표면온도 변화를 관측하였다.
시험편은 레이저열처리 후 자기냉각 효과를 고려하여 90×50×30 mm로 제작하였다.
Figure 5는 레이저 표면처리 후 입열량의 특성을 나타낸 것으로 레이저 열에너지가 시험편의 표면에 조사된 후 급속히 가열되고 시험편의 내부로 열에너지가 침투하게 된다. 이 현상을 정량화하기 위해 레이저 빔의 이송속도에 따른 입열량의 관계를 비교 분석 하였다. 레이저 열처리 온도 1,050℃로 고정하고 레이저 빔의 이송속도에 따른 입열량을 나타낸 것으로 레이저 빔의 이송속도 2~4 mm/sce에서는 선행적으로 감소하고 있다.
레이저빔이 시편표면에 조사된 후 급속가열 현상이 진행되면서 시편 내부로 열에너지가 침투하게 된다. 이런 현상을 정량화하기 위하여 레이저 공정변수에 대한 입열량을 계산한 후 경화폭과 경화깊이 관계를 비교하였다. 각각의 공정변수에 대한 입열량 분포를 분석한 후 고찰하였다.
본 연구에 사용된 레이저열처리 장비는 고출력 다이오드 레이저 장비로 Figure 1에 나타내었다. 여기서 레이저 최대출력은 4.
본 연구에 사용된 시험편의 모재경도는 대략 196~230 Hv 이다. Figure 4는 열처리 온도 및 레이저 빔의 이송속도에 따른 경화특성을 나타내었다.
본 연구에서 사용된 재료는 진공탈가스 처리한 강괴로 단조하여 생산되기 때문에 재질의 청정도가 높고 기공이 없으며, 성분의 편석 또는 기타 유해한 결함이 적은 소재이다. 따라서 금형소재 및 기계부품 소재로 많이 사용되고 있어 국부적으로 기계적 특성을 달리하여 부품의 내구수명을 향상시키기에 유리하다.
이로 인하여 재료의 강도를 높이고 내마모성, 내충격 피로강도를 높이게 되어 기계적 성질도 향상된다. 시험에 사용된 소재는 고탄소강으로 열처리능이 우수한 소재로 레이저열처리에 의해 경화부의 침상 마르텐사이트 조직이 잘 형성되어 있다.
성능/효과
1. 레이저 열처리에서 가장 중요한 지배적인 공정변수인 열처리 온도 및 레이저 빔의 이송속도의 범위를 선정하기 위해 열처리 온도별 및 레이저 빔의 이송속도별 열처리 후 표면경화특성을 분석한 결과 열처리 온도 1,100℃ 이상에서 표면 부분 용융이 발생하였다. 레이저 빔의 이송속도의 경우 실험조건(2, 3, 4, 5 mm/sec)에서 요구하는 경화특성을 얻었다.
2. 열처리 제어온도에 따른 레이저 출력 특성의 경우 열처리 온도가 높을수록 레이저 출력도 증가하였다. 그러나 열처리 온도 50℃씩 증가에 따른 레이저 출력 증가는 0.
3. 공정변수에 따른 경화특성 분석 결과 레이저 열처리 온도 900~1,050℃와 레이저 빔의 이송속도 2~5 mm/sec 사이에서 표면용융없이 요구하는 경화 특성을 얻을 수 있었으며, 열처리 조건에 따라 경화폭 및 경화 깊이 차이는 있는 것으로 나타났다.
5. 페라이트와 펄라이트로 혼재된 모재를 레이저 열처리 후 경화부는 펄라이트의 시멘타이트 탄소가 페라이트로 고용되어 마르텐사이트 조직을 형성하고 있는 것을 확인하였다.
1 kW 이상 출력 변화가 있는 것으로 나타났으며, 이는 약간의 출력변화의 차이에도 표면경화특성에 영향을 줄 수 있을 것으로 판단한다. 따라서 레이저열처리시 온도제어에 의한 열처리가 레이저 출력제어에 비해 유리할 것으로 판단된다.
따라서 레이저열처리의 주된 공정변수인 열처리 온도의 경우 900~1,050℃, 레이저 빔의 이송속도의 경우 2~5 mm/sec에서 열처리능이 우수한 경향을 보였다.
7배 이상 상승한 것으로 관찰되었다. 또한 레이저 빔의 이송속도가 낮을수록 열처리 온도가 증가할수록 시험편 두께방향으로 입열량도 증가하여 오스테나이트로 변태되는 부분도 증가되며, 그 후 자기냉각효과로 인하여 마르텐사이트를 형성하는 부분이 넓어 졌음을 알 수 있다. 따라서 Figure 4(a)에서와 같이 열처리 온도가 낮을수록 경화폭이 감소하고 있음을 알 수 있으며, 경화깊이의 경우 Figure 4(b)에서와 같이 레이저 빔의 이송속도 2 mm/sec일때 열처리 온도 1,050℃에서 0.
33 kW로 크지 않았다. 또한 레이저 출력의 경우 열처리 중 0.1 kW 이상 출력 변화가 있는 것으로 나타났으며, 이는 약간의 출력변화의 차이에도 표면경화특성에 영향을 줄 수 있을 것으로 판단한다. 따라서 레이저열처리시 온도제어에 의한 열처리가 레이저 출력제어에 비해 유리할 것으로 판단된다.
Figure 3은 레이저 열처리하는 동안 시험편의 표면온도 제어를 통한 각 온도별 레이저 출력변화를 나타내었다. 레이저 빔 조사 후 시험편의 표면온도를 제어온도까지 상승시키는데 약 3초 정도 걸리는 것으로 나타났다. 그 후 레이저 출력은 제어온도를 유지하기 위하여 계속적으로 변화하는데 이때 제어온도 폭에 비해 레이저 출력의 폭은 크지 않았다.
레이저열처리 후 최대 표면경도는 861 Hv로 관찰되어 모재경도에 비해 약 3.7배 이상 상승한 것으로 관찰되었다. 또한 레이저 빔의 이송속도가 낮을수록 열처리 온도가 증가할수록 시험편 두께방향으로 입열량도 증가하여 오스테나이트로 변태되는 부분도 증가되며, 그 후 자기냉각효과로 인하여 마르텐사이트를 형성하는 부분이 넓어 졌음을 알 수 있다.
레이저 열에너지가 실험편 내부로 침투하게 되는 현상을 정량화하기 위해 레이저 빔의 이송속도에 따른 입열량의 관계를 분석 하였다. 분석결과 레이저 빔의 이송속도의 증가에 따라 입열량은 선형적으로 감소하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
레이저열처리란 무엇인가?
그러나 기존의 처리 방법은 모두 처리물 전체를 가열하거나 균일한 가열을 하지 못하여 표면처리 후 변형의 문제와 처리후의 후가공의 경비문제, 그리고 극히 일부분만 경화가 필요한 부품에는 적용하기 어려운 문제점이 있었다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 표면처리법으로로써 레이저열처리 방법이 대두대고 있으며, 레이저열처리는 레이저 빔을 피처리물의 표면에 조사하고 적당한 속도로 이동을 하게 되면 레이저조사부위가 급속하게 가열되고 레이저 빔이 통과한 후에는 표면의 열이 내부로 열전도 되어 급속히 자기냉각(self-quenching)됨으로써 표면에 새로운 기계적 성질을 갖게 하는 열처리법이다. 본 연구에서는 기존의 CW Nd:YAG 레이저 열원보다 효율이 좋은 HPDL을 이용한 고효율, 고기능의 고탄소강 열처리 후 재료적 물성을 평가하였다.
고탄소강은 사용자가 요구하는 특성을 만족시키기 위해 무엇을 해왔는가?
고탄소강은 사용자가 요구하는 특성을 만족시키기 위해 침탄, 질화, 고주파담금질 등에 의해 표면처리 되어져 왔다. 그러나 기존의 처리 방법은 모두 처리물 전체를 가열하거나 균일한 가열을 하지 못하여 표면처리 후 변형의 문제와 처리후의 후가공의 경비문제, 그리고 극히 일부분만 경화가 필요한 부품에는 적용하기 어려운 문제점이 있었다.
사용자가 요구하는 특성을 만족시키기 위해 해왔던 기존의 고탄소강 처리 방법의 문제점은 무엇인가?
고탄소강은 사용자가 요구하는 특성을 만족시키기 위해 침탄, 질화, 고주파담금질 등에 의해 표면처리 되어져 왔다. 그러나 기존의 처리 방법은 모두 처리물 전체를 가열하거나 균일한 가열을 하지 못하여 표면처리 후 변형의 문제와 처리후의 후가공의 경비문제, 그리고 극히 일부분만 경화가 필요한 부품에는 적용하기 어려운 문제점이 있었다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 표면처리법으로로써 레이저열처리 방법이 대두대고 있으며, 레이저열처리는 레이저 빔을 피처리물의 표면에 조사하고 적당한 속도로 이동을 하게 되면 레이저조사부위가 급속하게 가열되고 레이저 빔이 통과한 후에는 표면의 열이 내부로 열전도 되어 급속히 자기냉각(self-quenching)됨으로써 표면에 새로운 기계적 성질을 갖게 하는 열처리법이다.
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