고주파 열처리의 원리, 경도, 장단점 그리고 적합한 재질까지

고주파 열처리의 원리, 경도, 장단점 그리고 적합한 재질까지

표면 담금질에는 불꽃 경화, 고주파 열처리, 전자 빔 열처리, 레이저 열처리의 4종류가 있는데

그 중에서도 고주파 열처리는 가장 많이 이용되고 있는 표면 경화 법입니다.

고주파 열처리(고주파 담금질)은 코일을 사용한 전자 유도 전류에 의한 재료를 가열하는 구조로,

주로 탄소강과 저 합금강의 부품 표면에 대해서 내마모성과 내 피로성을 향상시키기 위해서 실시합니다.

이번에는 고주파 열처리의 원리와 적합한 재료, 장단점 등을 봅시다.

 

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고주파 열처리란?

고주파 열처리는 고주파 전류에서 발생하는 유도 가열을 이용한 열 방법으로

가열 코일에 의한 강재를 달군 후에, 급속히 냉각된 강재의 표면을 경화시키는 것입니다.

 

파손이나 연마 균열이 발생하기 쉽기 때문에

기본적으로 고주파 열처리 후에는 200℃ 이하의 저온 열처리를 합니다.

고주파 전류의 침투 깊이는 강재의 대비 투자율과 저항뿐 아니라 주파수에 의해서도 결정됩니다.

이에 다양한 주파수에 대응하는 고주파 발진기가 있습니다.

 

가열할 때에는 일반적으로 1~500kHz의 광범위의 주파수가 이용되고 있습니다.

고주파 열처리를 하는 주된 강재는 탄소강과 저합금강이 대표적으로 

산업 기계의 침대 샤프트 톱니 바퀴 등의 부품에 많이 사용되고 있습니다.

고주파 열처리의 특징과 장점과 단점

장점

· 필요한 부분이나 표면만 경화할 수 있다.
· 높은 표면 경도를 얻는 것으로 내마모성에 뛰어나다.
· 제품의 내부는 원래 소재로 높은 인성이 유지된다.
· 표면의 압축 잔유 응력이 크고 내 피로성에 뛰어나다.
· 탈탄이 발생하기 어렵고, 내 피로성이 떨어질 염려가 없다.
· 산화 스케일이 적고 표면이 깨끗하다
· 경화 깊이의 조정이 가능
· 전기를 이용한 가열에서 운전과 정지가 스무스하다.

단점

· 담금질 경화의 정도는 재료에 포함되는 탄화물의 종류나 크기에 좌우된다.
· 제품 형상에 있던 가열 코일이 필요.
· 돌기부와 장식적인 모서리 등 엣지 부분은 가열이 과잉이 되기 쉽다.
· 정확한 온도 측정할 수 없어 경험이 필요.

 

고주파 담금질의 원리

 

고주파 열처리의 예로서, 위 그림에 수형 이동 열처리의 구조를 첨부하였습니다.

고주파 열처리기는 강재의 근처에 있는 가열용 코일에 고주파 전류를 흘리면

강재 표면에 소용돌이 전류가 흐릅니다.

 

강재는 소용돌이 전류와 강재의 전기 저항에서 발생하는 주울 열 때문에 발열합니다.

이 열에 의한 강재를 오스테나이트 영역까지 급속히 가열시킨 뒤

내부 온도가 상승하기 전에 급속히 냉각되면,

강재의 표면이 마르텐사이트 영역에 들어가 경화하는 구조입니다.

소용돌이 전류의 침투 깊이는 주파수가 높을수록 얕아지며, 주파수가 낮을수록 깊어집니다.

그래서, 경화 깊이를 얕게 하고자 할 경우 높은 주파수를 사용하며,

깊게 경화시키고 싶은 경우는 낮은 주파수를 사용합니다.

 

 

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고주파 열처리의 종류

 

한발 열처리 

부품만 회전시키고 대상 부분 전체를 한꺼번에 가열하고 열처리하는 방법입니다.

가열 코일이나 제품을 크게 이동시키지 않는 범용적인 타입입니다.

 

 

카타형 이동 열처리

카타형 이동 열처리는, 가열 코일과 부품을 세로 방향으로 이동시키고

연속으로 열처리를 합니다. 주로 긴 소재나 원주형의 부품에 채용되고 있습니다.

 

 

가로형 이동 열처리

가로형 이동 열처리는, 코일과 부품을 가로 방향으로 이동하면서 연속으로 열처리를 합니다.

주로 평면을 열처리하는 부품에 채용되었습니다.

 

고주파 열처리에 적합한 재질

고주파 열처리에 적합한 재질의 예는 다음과 같습니다.

· 탄소강 : S45C·S50C·S55C
· 합금강 : SCM435·SCM440·SNCM439
· 베어링 강 : SUJ2
· 스테인리스 강 : SUS420J2·SUS440C
· 탄소 공구강 : SK3
· 합금 공구강 : SKS3·SKD11

 

고주파 열처리의 경도

고주파 열처리는 탄소강 S45C의 경우 50~60HRC정도의 경도를 얻을 수 있습니다.

 

고주파 열처리에 필요한 장치와 기기

고주파 열처리에 필요한 장치는 다음과 같은 것이 있습니다.

· 고주파 발진기 : 고주파를 발생시키기 위한 장치.
· 급랭기 : 재료를 담금질부에 반송·유지·이동·회전시키기 위한 기기.
· 제어반 : 설비 전체의 제어를 실시하는 장치.
· 조작반 : 소입 조건의 설정을 실시하는 장치.
·가열 코일 : 가열하고 싶은 것에 고주파 전류를 유도시키기 위한 부품.

대상 워크 형상보다 다양한 코일 형태가 설계된다.
·냉각 장치(담금질용 전원용 ): 담금질용 냉각 수조와 고주파 발진기, 가열 코일 등의 냉각 수조.

 

 

 

 

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