KR20010100323A - 수중 고주파 열처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수중 고주파 열처리방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는, 철강재질로 되는 각종 기계부품을 냉각액속에 침지시켜, 냉각액속에서 고주파 유도가열에 의한 기계부품의 가열과 가열된 기계부품의 담금질이 동시에 이루어지도록 하므로서, 담금질처리 된 기계부품의 치수변화와 변형을 최소화 함과 동시에 대기중에서는 열처리가 어려운 특수한 형상이나, 예리한 코너부를 갖는 부품을 포함하여 국소부분만 부분적으로 경화시킬 필요가 있는 기계부품 등에 다양하게 적용할 수 있는 수중 고주파 열처리 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의한 수중 고주파 열처리방법은, 철강재질로 되는 각종 기계부품의 표면 부위를 고주파 유도가열을 통하여 가열하고, 가열된 기계부품을 담금질처리하는 것에 있어서, 상기의 기계부품을 수돗물, 이온교환수, 18폴리머 수용액중에서 택일하여서 되는 냉각액속에 침지시키는 부품침지공정(100)과, 상기의 부품침지공정(100)을 거친 후, 기계부품이 냉각액속에 침지된 상태에서 기계부품을 회전시킴과 동시에 고주파 유도가열을 통하여 기계부품의 표면 부위를 가열하는 고주파 유도가열공정(200)과, 상기의 고주파 유도가열공정(200)을 거친 후, 가열된 기계부품을 냉각액속에서 회전시켜 담금질처리하는 담금질공정(300)을 거치는 것을 특징으로 한다.

Description

수중 고주파 열처리방법{An induction heat treatment process in the water}

본 발명은 수중 고주파 열처리방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는, 철강재질로 되는 각종 기계부품을 냉각액속에 침지시켜, 냉각액속에서 고주파 유도가열에 의한 기계부품의 가열과 가열된 기계부품의 담금질(Quenching)이 동시에 이루어지도록 하므로서, 담금질처리 된 기계부품의 치수변화와 변형을 최소화 함과 동시에 대기중에서는 열처리가 어려운 특수한 형상이나, 예리한 코너부를 갖는 기계부품을 포함하여 국소부분만 부분적으로 경화시킬 필요가 있는 기계부품 등에 다양하게 적용할 수 있는 수중 고주파 열처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 철강재질로 되는 각종 기계부품을 피가열물인 2차 회로로 하여 코일 등으로 되는 1차 회로에 고주파 전류를 유동시키게 되면, 코일에 고주파 전류가 유동하는 과정에서 발생하는 교번자속에 의하여 2차 회로인 피가열물의 표면층에 와전류(Eddy current)가 유기되고, 이 때 발생하는 주울열을 이용하여 피가열물의 표면층을 철강의 A₁변태점 내지 A₃변태점 이상으로 가열한 다음, 코일의 전류유동을 차단시킴과 동시에 가열된 피가열물을 냉각수와 같은 냉각매질을 사용하여 담금질시키므로서, 피가열물의 내부조직은 바꾸지 않은 상태에서 피가열물의 표면층만을 마르텐사이트조직으로 할 수 있게 된다.

상기와 같이 고주파 유도가열을 이용한 표면 열처리방법은 피가열물에 대한 급속한 가열과 피가열물의 표면 부분만을 국부적으로 가열할 수 있다는 장점에 의하여 주로 철강재 기계부품의 피로강도와 내마모성 및 인성 등과 같은 기계적 성질을 향상시키는 수단으로 폭넓게 활용되고 있으며, 각종 기계부품의 경량화와 내구성 향상에 크게 기여하고 있다.

그러나, 고주파 유도가열을 이용한 종래의 표면 열처리방법은 고주파 유도가열에 의하여 피가열물이 되는 각종 기계부품을 대기중에서 먼저 가열하고, 가열된 기계부품을 냉각매질속에 침지시키거나, 가열된 기계부품의 표면에 냉각매질을 분사시켜 담금질처리하므로서, 각종 기계부품에 요구되는 충분한 표면강도와 내마모성은 얻을 수 있지만, 가열시 열영향부가 크게 되어, 가열된 기계부품 표면의 열전도 속도와 냉각매질과의 접촉에 의한 냉각속도에 차이가 발생하므로서, 담금질처리된 표면층에 과도한 치수변화를 야기시키게 될 뿐만 아니라, 기계부품의 표면에 얼룩이 발생하는 문제점이 있었다.

상기와 같이 담금질처리된 표면층의 치수변화가 크게 되면, 피가열물이 되는 각종 기계부품의 전체적인 형상의 변형을 야기시키게 되므로, 높은 정밀도가 요구되는 기계부품의 경우에는 고주파 유도가열에 의한 표면 열처리 이후에, 기계부품에 요구되는 치수와 형상에 맞도록 후가공을 해야 하므로서, 후가공에 소요되는 추가적인 시간과 인력 및 설비 등에 의하여 제품의 생산원가를 상승시키게 되는 문제점이 있었다.

또한, 대기중에서 고주파 열처리를 행할 경우에는 특수한 형상이나 예리한 코너부를 갖는 기계부품을 포함하여 국소부분만 부분적으로 경화시킬 필요가 있는 기계부품 등에는 고주파 유도가열을 이용한 표면 열처리 방법을 적용하기가 매우 까다로우며, 설사 적용할 수 있다 하더라도 열처리 작업의 난이도와 작업시간 및 작업조건 등에 의하여 제품의 생산원가가 상승되기 때문에 다양한 기계부품의 열처리에 적용하기 힘든 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 의한 수중 고주파 열처리방법은, 피가열물이 되는 각종 기계부품을 수돗물, 이온교환수, 18의 폴리머 수용액중에서 택일하여서 되는 냉각액속에 침지시키는 부품침지공정과, 기계부품이 냉각액속에 침지된 상태에서 기계부품을 회전시킴과 동시에, 고주파 유도가열을 통하여 기계부품의 표면 부위를 가열하는 고주파 유도가열공정과, 가열된 기계부품을 냉각액속에서 회전시켜 담금질처리하는 담금질공정으로 이루어지는 일련의 공정을 거치므로서, 냉각액속에서 고주파 유도가열에 의한 기계부품의 가열과 가열된 기계부품의 담금질이 동시에 이루어지도록 하여, 담금질처리 된 기계부품의 치수변화와 변형을 최소화 함과 동시에 대기중에서는 열처리가 어려운 특수한 형상이나 예리한 코너부를 갖는 부품을 포함하여 국소부분만 부분적으로 경화시킬 필요가 있는 기계부품 등에 다양하게 적용할 수 있는 수 있는 것을 본 발명의 기술적 과제로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 수중 고주파 열처리방법에 사용되는 장치를 도시하는 정면도.

도 2는 본 발명에 의한 수중 고주파 열처리방법에 사용되는 장치를 도시하는 평면도.

도 3은 본 발명에 의한 수중 고주파 열처리 방법을 나타내는 공정블럭도.

도 4는 본 발명에 의한 열처리 방법에 의하여 열처리된 S45C 시편의 표면 현미경조직을 나타내는 사진.

도 5는 본 발명에 의한 열처리 방법에 의하여 열처리된 S45C 시편의 고배율 표면 현미경조직을 나타내는 사진.

도 6은 본 발명에 의한 열처리 방법에 의하여 열처리된 S45C 시편의 표면 주사전자 현미경조직을 나타내는 사진.

도 7은 S45C 시편의 열처리되지 않은 중심부 조직을 나타내는 사진.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 고주파 가열장치 11 : 전진 가이드 12 : 승강기구

13 : 코일 20 : 냉각조 30 : 원형테이블

31 : 주축 32 : 베어링 커버 33 : 구동모터

34 : 감속기 40 : 부품고정대 41 : 에어실린더

42 : 체인기어 43 : 로터리 죠인트 44 : 보조모터

45 : 감속기 46 : 체인 47 : 체인기어

100 : 부품침지공정 200 : 고주파 유도가열공정 300 : 담금질공정

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 수중 고주파 열처리방법에 사용되는 장치를 도시하는 정면도이며, 도 2는 본 발명에 의한 수중 고주파 열처리방법에 사용되는 장치를 도시하는 평면도이고, 도 3은 본 발명에 의한 수중 고주파 열처리방법을 나타내는 공정블럭도이며, 도면중 미설명 부호 21은 배수관, 30a는 원점 조정대, 30b는 각도판, 41a는 슬라이드 축, 43a는 에어공급관, 50은 지지프레임을 나타내는 것이다.

먼저, 본 발명에 의한 수중 고주파 열처리 방법에 사용되는 장치의 전체적인 구성은 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각액이 저장되는 냉각조(20)의 내부에는 원판 형상의 원형테이블(30)이 설치되며, 원형테이블(30)의 하측 중앙부에는 냉각조(20)를 지지하는 지지프레임(50)의 내부에 설치된 감속기(34)에 결합되어, 감속기(34)를 통하여 감속된 구동모터(33)의 회전을 원형테이블(30)에 전달하는 주축(31)이 설치되고, 냉각조(20)의 바닥부분에는 주축(31)의 회전을 지지하는 역할을 하는 도면에 도시되지 않은 베어링을 덮개 형상으로 커버하는 베어링 커버(32)가 설치된다.

상기의 구동모터(33)는 1,5kW의 용량을 가지며, 500rpm까지 회전수를 조정할수 있는 것으로서, 구동모터(33)의 회전속도가 감속기(34)에 의하여 100:1의 비율로 감속된 상태로 주축(31)을 통하여 원형테이블(30)에 전달되어, 원형테이블(30)이 일정한 속도로 회전하게 되며, 원형테이블(30)은 주축(31)의 중심축을 기준으로 45°씩 회전할 수 있도록 되어 있다.

그리고, 상기 원형테이블(30)의 외주연상에는 에어공급관(43a)과 연결된 로터리 죠인트(43)로부터 압축공기를 공급받아 슬라이드 축(41a)을 몸체의 내부에서 상하로 승강시키는 에어실린더(41)가 45°각도마다 1개씩, 총 8개가 고정되어 설치되며, 슬라이드 축(41a)의 몸체 내부에는 도면에 도시되지 않은 회전축이 베어링에 의하여 회전가능하게 지지되고, 회전축의 상단과 하단에는 슬라이드 축(41a)의 상부와 하부로 노출형성되는 부품고정대(40)와 체인기어(42)가 고정설치된다.

상기와 같이 원형테이블(30)의 외주연상에 에어실린더(41)가 45°각도마다 고정설치된 상태는 도 2에 도시된 바와 같으며, 원형테이블(30)의 외주연상에서 c, b, a, h, g 지점에 해당하는 구간은 로터리 죠인트(43)로부터 에어실린더(41)에 공급되는 압축공기에 의하여 슬라이드 축(41a)이 하강하여, 부품고정대(40)에 고정되는 기계부품이 냉각액속에 침지된 상태로 유지되는 구간이며, f, e, d 지점에 해당하는 구간은 로터리 죠인트(43)로부터 에어실린더(41)에 공급되는 압축공기에 의하여 슬라이드 축(41a)이 상승되어, 부품고정대(40)에 고정되는 기계부품이 냉각액의 상부로 노출된 상태로 유지되는 구간이다.

그리고, 상기 슬라이드 축(41a)의 몸체 하부로 노출형성되는 상기의 체인기어(42)는 슬라이드 축(41a)이 에어실린더(41)의 작동에 의하여 하강한 상태에서,원형테이블(30)의 회전에 의하여 냉각조(20)의 바닥부분에 설치된 3개의 체인기어(47)를 연결하는 체인(46)에 걸리게 되며, 3개의 체인기어(47)중 하나의 체인기어(47)는 지지프레임(50)의 내부에 설치된 보조모터(44)와 연결되는 감속기(45)에 결합되어, 감속기(45)를 통하여 감속된 보조모터(44)의 회전에 따라 연동회전하도록 설치된다.

상기의 보조모터(44)는 90W의 용량을 가지며, 120rpm까지 회전수를 조정할 수 있는 것으로서, 보조모터(44)의 회전속도가 감속기(45)에 의하여 30:1의 비율로 감속된 상태로 체인(46)을 통하여 체인기어(42)에 전달되고, 체인기어(42)는 슬라이드 축(41a)의 내부에서 회전가능하게 지지되는 회전축에 의하여 부품고정대(40)와 연결되어 있으므로, 체인기어(42)의 회전에 의하여 부품고정대(40)가 연동하여 회전하게 되어, 부품고정대(40)는 원형테이블(30)의 회전에 따른 공전과 체인기어(42)의 회전에 따른 자전이 모두 가능하게 된다.

그리고, 상기 냉각조(20)의 일측에는 지지프레임(50)의 상부에 구비되는 전진가이드(11)와 승강기구(12)에 의하여 상하방향 및 전후방향으로 이동될 수 있는 고주파 가열장치(10)가 설치되며, 고주파 가열장치(10)의 일측 상부에는 부품고정대(40)에 고정되는 각종 기계부품을 가열하기 위한 코일(13)이 고주파 가열장치(10)로부터 연장되어 설치되고, 냉각조(20)의 배면측에는 원형테이블(30)의 정확한 위치설정을 위한 원점 조정대(30a)와 각도판(30b) 및 냉각액의 수위조절을 위한 배수관(21)이 설치된 구성으로 된다.

상기의 고주파 가열장치(10)는 고주파 유도에 의한 기계부품의 표면가열이불과 수 초 정도의 짧은 시간에 이루어지기 때문에 150 kW, 200kHz 용량의 고주파 발진장치에 연결하여, 0.1초 단위로 정확한 시간제어가 가능한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가지는 장치를 이용한 본 발명에 의한 수중 고주파 열처리방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 수중 고주파 열처리 방법은 도 3에 도시된 바와 같이, 일차적으로 철강재료로 되는 각종 기계부품을 수돗물, 이온교환수, 18의 폴리머 수용액 중에서 택일하여서 되는 냉각액속에 침지시키는 부품침지공정(100)을 거친다.

상기의 부품침지공정(100)과정은 냉각조(20)에 상기의 냉각액을 채워넣은 상태에서, 에어실린더(41)의 작동으로 슬라이드 축(41a)이 상승되어 부품고정대(40)가 냉각액의 액면 부근에 위치하게 되는 e 지점에 철강재질로 되는 각종 기계부품을 부품고정대(40)의 상면에 고정하여 놓게 된다.

상기의 상태에서 구동모터(33)를 구동시켜 원형테이블(30)을 45°각도로 회전시키게 되면, 원형테이블(30)의 회전에 따라 e 지점에서 고정된 기계부품이 f 지점을 지나 g 지점에 위치하게 됨과 동시에 에어실린더(41)의 작동으로 슬라이드 축(41a)이 하강하여, 부품고정대(40)에 고정된 기계부품이 냉각액속으로 침지되는 공정과정으로 이루어진다.

상기의 부품침지공정(100)을 거친 후에는, 기계부품이 상기의 냉각액속에 침지된 상태에서 기계부품을 회전시킴과 동시에, 고주파 유도가열을 통하여 기계부품의 표면 부위를 가열하는 고주파 유도가열공정(200)을 거친다.

상기의 고주파 유도 가열공정(200)과정은 냉각액속에 침지된 기계부품이 원형테이블(30)의 회전에 의하여 g 지점에서 h 지점으로 이동하게 되고, h 지점은 슬라이드 축(41a)이 에어실린더(41)의 작동에 의하여 하강한 상태로 유지되는 지점이기 때문에, 슬라이드 축(41a)의 하부로 노출형성되는 체인기어(42)가 보조모터(44)의 회전에 따라 연동회전하는 체인(46)에 걸리게 되므로서, 체인(46)의 회전에 의하여 체인기어(42)가 연동회전하게 되고, 체인기어(42)와 회전축으로 연결된 부품고정대(40)가 회전하게 되어, 부품고정대(40)에 고정된 기계부품이 회전하는 상태가 된다.

상기와 같은 상태에서 원형테이블(30)을 계속 회전시켜 기계부품을 h 지점에서 a 지점으로 이동시키게 되면, 체인기어(42)가 보조모터(44)에 의하여 회전하고 있는 체인(46)에 걸린 상태로 체인(46)을 따라 이동하게 되므로서, 부품고정대(40)에 고정된 기계부품의 회전이 유지되는 상태로 기계부품이 h 지점에서 a 지점으로 이동하게 된다.

상기와 같이 기계부품을 h 지점에서 a 지점으로 이동시킴과 동시에 지지프레임(50)에 설치된 전진가이드(11)와 승강기구(12)를 조작하여, 고주파 가열장치(10)에 설치된 코일(13)을 a 지점의 상부에 위치시키게 되면, a 지점에서 기계부품의 표면 유도가열을 위한 세팅이 이루어지게 된다.

상기의 상태에서 기계부품의 형상과 크기 및 종류에 따라 요구되어지는 주파수와 가열시간에 맞추어 고주파 가열장치(10)로부터 고주파 전류를 코일(13)에 유동시키게 되면, 코일(13)을 유동하는 고주파 전류에 의하여 기계부품의 표면 부분이 가열되는 공정과정으로 이루어지며, 기계부품이 냉각액에 침지되어 회전하고 있는 상태이므로 갑작스런 액온의 상승과, 가열시 발생하는 기계부품 표면의 얼룩을 방지할 수 있게 됨과 동시에 기계부품의 표면이 균일하게 가열되어 가열시의 열영향부가 최소화 된다.

상기의 고주파 유도가열공정(200)을 거친 후에는, 가열된 기계부품을 상기의 냉각액속에서 회전시켜 담금질처리하는 담금질공정(300)을 거치므로서, 본 발명에 의한 수중 고주파 열처리방법이 완료되어진다.

상기의 담금질공정(300)과정은 a 지점에서 고주파 유도가열에 의하여 기계부품의 표면을 가열한 다음, 원형테이블(30)을 회전시켜 기계부품을 a 지점에서 b 지점으로 이동시키게 되면, 체인기어(42)가 보조모터(44)에 의하여 회전하고 있는 체인(46)에 걸린 상태로 체인(46)을 따라 이동하게 되므로서, 부품고정대(40)에 고정된 기계부품의 회전이 유지되어, a 지점에서 b 지점으로 이동하는 과정에서 기계부품의 표면이 냉각액속에서 담금질처리된다.

상기의 상태에서 원형테이블(30)을 계속 회전시켜 기계부품을 b 지점으로부터 c 지점으로 이동시키게 되면, 체인기어(42)가 체인(46)으로부터 이탈되어 기계부품의 회전은 중지되지만, 기계부품이 냉각액속에 침지된 상태가 유지되므로서, 지속적인 담금질이 이루어지게 되며, 기계부품을 c 지점에서 d 지점으로 이동시키는 과정에서도 마찬가지로 기계부품이 냉각액속에 침지된 상태가 유지되어 기계부품이 지속적으로 담금질처리되는 공정과정으로 이루어진다.

그리고, 기계부품이 d 지점에 위치하게 되면, 로터리 죠인트(43)로부터 에어실린더(41)에 압축공기가 공급되어 슬라이드 축(41a)이 상승하게 되고, 부품고정대(40)에 고정된 기계부품이 고주파 유도가열에 의한 표면 열처리가 완료된 상태로 냉각액의 상부로 노출되므로서, d 지점에서 열처리된 기계부품을 부품고정대(40)로부터 제거하게 되며, 원형테이블(30)의 45°회전시마다 e 지점에 새로운 기계부품을 연속적으로 고정하여 a 지점으로 공급하므로서, 원형테이블(30)에 설치된 8 개의 부품고정대(40)마다 기계부품이 고정된 상태로 한 쪽에서는 기계부품을 부품고정대(40)에 고정 및 제거하는 동안, 반대쪽에서는 자동적으로 냉각액중에서 고주파 유도 가열에 의한 담금질처리가 이루어지는 하나의 연속적인 공정으로 기계부품에 고주파 열처리를 할 수 있게 된다.

상기와 같이 본 발명에 의한 수중 고주파 열처리방법에서 수돗물, 이온교환수, 18의 폴리머 수용액 중에서 하나를 택일한 것을 냉각액으로 사용하는 이유는 다음과 같다.

일반적으로 고주파 유도 가열에 의한 표면 열처리에서 얻을 수 있는 기계부품의 최소 유효 경화층의 깊이는 사용되는 고주파 장치의 주파수와 전력밀도, 가열시간, 가열 및 냉각매질의 종류에 따라 달라지게 되며, 통상적으로는 사용되는 주파수를 증가시킬수록 얕은 유효 경화층 깊이를 얻을 수 있으나, 표면 열처리의 대상이 되는 기계부품의 형상과 크기 및 종류에 따라 적용되는 주파수에 많은 제약을 받게 되고, 가열시간 또한 기계부품의 형상과 크기 및 종류에 따라 다르게 되므로, 본 발명에서는 주파수가 동일한 조건하에서 최소 유효 경화층 깊이를 얻을 수 있는 가열 및 냉각매질을 사용하고자 하였다.

Fig.1 : 가열 및 냉각매질의 종류가 유효 경화층 깊이에 미치는 영향

주) 상기의 실험은 20염수, 수돗물, 이온교환수, 4폴리머 수용액 및 공기를 가열시의 가열매질과 냉각매질(공기는 냉각매질로서 수돗물을 사용)로 사용하여, 500kHz, 10kW용량의 고주파 열처리 장치에서 시편을 1.6초 동안 가열한 후, 담금질처리하였을 때의 가열 및 냉각매질이 유효 경화층 깊이에 미치는 영향을 나타낸 것이다.

상기의 Fig.1에서 도시된 바와 같이, 염수를 사용한 경우에는 재료의 냉각성능은 최고 5배까지 증가시킬 수 있지만, 소금 분자의 전리작용으로 코일과 기계부품사이에 전류의 흐름이 증가하므로서, 기계부품의 표면에 충분한 유도전류와 이에 의한 와전류가 발생하지 않게 되어, 기계부품의 표면경화온도까지 가열할 수 없게 되므로서, 수중 고주파 열처리 장치에 사용되는 냉각액으로서는 부적당하다.

그리고, 상기의 실험에서 수돗물을 사용한 것은 고주파 유도가열을 통한 담금질 처리에 이용되는 물은 분출구멍의 막힘현상을 방지하기 위하여 경수보다는 연수가 바람직하기 때문이며, 수돗물을 사용한 경우에 가장 얕은 유효 경화층 깊이인 0.6mm 가 얻어졌고, 그 다음이 이온 교환수를 사용한 경우로서 0.9mm의 유효 경화층 깊이가 얻어졌으며, 특히, 이온 교환수의 경우에는 일반 수돗물보다 더 짧은 가열시간에 유효 경화층의 깊이를 얻을 수 있는 데, 이는 순수한 물은 일반 수돗물보다 물속에 용해된 전해질의 농도가 낮기 때문에, 전기 도전성이 낮아져서 유도가열에 의한 전자 유도효과가 증가하기 때문이다.

그리고, 4의 폴리머 수용액은 수돗물과 이온교환수 다음의 유효 경화층 깊이인 1.3mm가 얻어졌으며, 폴리머 수용액의 농도가 경화특성에 미치는 영향을 실험하기 위하여 폴리머 수용액을 가열 및 냉각매질로 하고, 가열시간을 1.4초에서 2.2초까지 0.2초 간격으로 하여 5단계로 변화시킬 때와, 폴리머의 농도를 4에서 30까지 5단계로 변화시킬 때에, 첨가된 폴리머의 농도가 유효 경화층의 깊이에 미치는 영향을 Fig.2와 Fig.3에 도시하였다.

Fig.2 : 폴리머 냉각매질의 농도가 유효 경화층 깊이에 미치는 영향

Fig.3 : 폴리머 냉각매질의 가열시간이 유효 경화층 깊이에 미치는 영향

상기의 Fig.2에 도시된 바와 같이, 폴리머의 농도가 증가할수록 유효 경화층의 깊이가 얕아지는 효과가 얻어짐을 알 수 있으며, 이러한 효과는 가열시간이 1.4초로 짧은 경우에는 폴리머의 농도별로 큰 차이가 없으나, 가열시간이 2.2로 길게 되는 경우에는 폴리머의 농도가 18와 30인 경우를 제외하고는 매우 뚜렷하게 나타나게 되며, 특히 가열시간이 1.6초 이상일 때 농도가 13에서 18로 증가하면 유효 경화층의 깊이를 얕게 하는 데 현저한 효과를 나타내고 있음을 알 수 있다.

그리고, 상기의 Fig.3 에 도시된 바와 같이, 폴리머의 농도가 4 ~ 13사이의 범위에서는 가열시간이 증가함에 따라 유효 경화층 깊이가 거의 직선에 가깝게 증가하고 있고, 이들 사이의 농도차이에도 불구하고 동일한 가열시간에서는 거의 같은 유효 경화층 깊이를 나타내고 있으며, 폴리머의 농도가 18에서는 가열시간이 증가하여도 유효 경화층 깊이의 변화가 비교적 적게 되고, 특히 가열시간이 1.4 ~ 1.8초의 범위에서는 매우 안정적인 유효 경화층의 깊이를 나타내고 있음을 알 수 있다.

따라서, 동일한 주파수 조건하에서 최소 유효 경화층 깊이를 얻기 위해서는수돗물과 이온교환수가 가장 효과적이며, 폴리머 수용액을 냉각액으로 사용할 경우에는 폴리머의 농도가 18인 경우가 최소 유효 경화층의 깊이가 얕으면서도 다소의 가열조건(가열시간)의 차이에도 안정적이고 균일한 유효 경화층의 깊이를 얻을 수 있게 된다.

상기와 같은 본 발명에 의한 수중 고주파 열처리방법을 사용하여 S45C(스테인레스강)시편을 500kHz, 10kW 용량의 고주파 가열장치로 냉각수 속에서 1.5초 동안 가열한 후 담금질처리한 것의 금속조직을 도 4에서 도 7까지의 사진을 통하여 나타내었으며, 측정된 유효 경화층의 깊이는 0.3mm, 평균경도는 492HV(비커스 경도)이다.

도 4의 사진에서 나타난 바와 같이, S45C 시편의 표면으로부터 0.3mm 근방에서는 조직의 윤곽이 다르게 나타나고 있음을 알 수 있으며, 더욱 배율이 확대된 도 5의 사진에서 나타난 바와 같이, 경화된 표면의 조직은 대부분이 매시브 마르텐사이트(Massive martensite)의 형태를 나타내고 있음을 알 수 있다.

그리고, 경화된 표면조직을 더욱 세밀하게 고찰하기 위하여 전자주사 현미경을 통하여 촬영한 도 6의 사진에서 나타난 바와 같이, 표면조직의 대부분이 매시브 마르텐사이트 조직이며, 일부 미고용 퍼얼라이트가 혼재하고 있음을 알 수 있으며, 도 7의 사진에서 나타난 바와 같이, 열처리의 영향을 받지 않은 중심부 조직은 S45C 시편의 초기 조직과 동일한 전형적인 층상형의 퍼얼라이트와 페라이트의 혼합구조를 나타내고 있음을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 수중 고주파 열처리 방법이 코너부 과열방지효과와 형상인자에 따른 균질경화성 및 중간에 가공부분을 가지는 봉재의 굽힘변형특성에 미치는 영향을 대기중에서 고주파 열처리한 것과 비교한 내용을 표 1 및 표 3을 통하여 나타내었다.

표 1 : 코너부 과열 방지효과(소재; 프라이머리 피스톤)

위치	수중처리	대기중처리
	표면아래 0.2mm지점의 경도(HV)	유효경화층의 깊이(mm)	표면아래 0.2mm지점의 경도(HV)	유효경화층의 깊이(mm)
구멍이 뚫린 부분	645 ~ 670	0.7	666 ~ 688	0.9 ~ 1.0
구멍이 뚫리지않은 중간부분	670	0.6	645	0.6

표 2 : 형상인자에 따른 균질 경화성(소재; 터빈 허브)

단면경도측정위치	수중처리	대기중 처리
	표면아래 0.2mm지점의 경도(HV)	유효경화층의 깊이(mm)	표면아래 0.2mm지점의 경도(HV)	유효경화층의 깊이(mm)
얇은 단면	557	0.5	585	0.9
두꺼운 단면	536	0.6	510	0.6
편차	21	0.1	75	0.3

표 3 : 중간에 가공부분을 갖는 봉재의 굽힘변형특성

처리방법	유효 경화층 깊이(mm)	굽힘 변형도(mm)
수중처리	0.7	2/1000
수중처리	1.1	3/1000
수중처리	1.3	4/1000
수중처리	1.9	6/1000
수중처리	2.5	7/1000
대기중처리	0.7	6/1000

상기의 표에서 알수 있는 바와 같이, 프라이머리 피스톤(Primary piston)과 같이 외주연에 수 개의 구멍이 뚫린 특수한 형상으로 되는 기계부품이나, 터빈 허브(Turbine hub)와 같이 몸체 전체에 걸쳐 단면의 두께가 일정하지 않은 기계부품 뿐만 아니라, 봉재의 중간에 가공부분이 형성되어 열처리에 따른 변형이 비교적 쉽게 일어나는 기계부품의 경우에도, 수중에서 고주파 유도가열과 동시에 ??칭처리한본 발명에 의한 것이 대기중에서 고주파 유도가열을 행하고, 냉각매질을 사용하여 따로이 담금질처리 한 종래의 것보다 얕은 유효 경화층 깊이를 가지면서도 코너부 과열방지효과와 형상의 차이에 따른 균질경화효과 및 변형방지효과가 우수하며, 표면부근의 경도 또한 높게 된다.

상기와 같이 본 발명에 의한 수중 고주파 열처리방법은, 철강재질로 되는 각종 기계부품을 냉각액속에 침지시켜, 냉각액속에서 고주파 유도가열에 의한 기계부품의 가열과 가열된 기계부품의 담금질이 동시에 이루어지도록 하므로서, 가열시에 기계부품 표면의 열영향부를 최소화하여 담금질처리된 기계부품의 치수변화와 기계부품의 변형을 방지할 수 있는 효과가 있으며, 이로 인하여 열처리 후의 재가공을 생략할 수 있기 때문에 제품의 생산단가를 현저히 절감할 수 있게 된다.

또한, 대기중에서는 열처리가 어려운 특수한 형상이나 예리한 코너부를 갖는 부품을 포함하여 국소부분만 부분적으로 경화시킬 필요가 있는 각종 기계부품을 간단하게 열처리할 수 있게 됨과 동시에 열처리된 기계부품의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 철강재질로 되는 각종 기계부품의 표면 부위를 고주파 유도가열을 통하여 가열하고, 가열된 기계부품을 담금질처리하는 것에 있어서,

   상기의 기계부품을 수돗물, 이온교환수, 18폴리머 수용액중에서 택일하여서 되는 냉각액속에 침지시키는 부품침지공정(100)과,

   상기의 부품침지공정(100)을 거친 후, 기계부품이 냉각액속에 침지된 상태에서 기계부품을 회전시킴과 동시에 고주파 유도가열을 통하여 기계부품의 표면 부위를 가열하는 고주파 유도가열공정(200)과,

   상기의 고주파 유도가열공정(200)을 거친 후, 가열된 기계부품을 냉각액속에서 회전시켜 담금질처리하는 담금질공정(300)을 거치는 것을 특징으로 하는 수중 고주파 열처리방법.