1. 고주파 열처리 작업

고주파 열처리는 급속한 가열과 급속한 냉각에 의해서 강의 표면만을 열처리 경화시키는 것이다.

따라서 급속한 가열에 대해서는 성분의 확산,조직의 변태가 짧은 시간내에 양호하게 이루어지는 재료가 좋다. 이 때문에 고주파 열처리용 재료로는 JIS B 6912에 적용 강종이 규정되어 있는데 급속한 가열로 인하여 재료의 담금질성,과열로 인한 경정입의 성장방지,중탄소량으로 인한 절삭성의 개선 등을 고려하여 볼 때 Mn,Cr,B,Ti,Zr,V,Pb,Ca등의 합금성분이 함유된 강이 좋다.

고주파 열처리는 가열 유지 시간이 짧기 때문에 강중의 탄화물이 오스테나이트 중에 완전히 고용되기 전에 열처리가 이루어지는 일이 있다. 이 때문에 표면은 완전히 열처리 되었다 하더라도 강의 내부는 여러 가지 혼합조직이 나타난다. 따라서 열처리를 하기전에 미리 예열하여 솔루바이트등의 균일한 조직이 나타나도록 하는 것이좋다. 또 합금원소가 함유된 특수강은 탄소강에 비해서 가열 확산 시간이 걸리므로 충분한 변태가 이루어지기 위해서는 소정의 담금질 온도에서의 유지시간을 연장하거나 가열온도를 좀더 높여서 작업을 행해야 한다. 그림은 직경 5mm의 환봉을 고주파가열하여 방치하였을 때에 온도 분포가 시간과더불어 변화하는 상태를 나타낸 것이다. 강의 깊은 열처리 경화층을 얻기 위해서는 내부까지 급냉하여야 한다.

냉각속도는 분사냉각인 경우에는 유량과 압력에 따라 달라진다.

담금질 경화층의 깊이는 절단면을 연마한 후 3 ~ 10% 질산에 담그면 강재의 표면이 변색 된다. 이것을 관찰하여 보면 변색된 부분가지의 깊이와 실제로 유효한 경도를 구비한 부분까지의 깊이와의 상호관계는 열처리 조건이나 재료에 따라 달라진다. 그림은 변색깊이와 유효경화층과의 관계이다.

▶고주파 작업 방법의 요령과 특징

고주파를 하기 위한 필요한 코일의 종류, 열처리 조건(장치의 번호,주파수,필요한전압,전류,가열시간,냉각제,냉각조건 등)을 기입한 작업표준서를 작성해 두고 표준작업을 해야한다.

2. 고주파 소입의 경우 일반적인 확인사항

3. 고주파 소입,소려가공의 JIS 규격

[표1]  (단위mm) 

JIS 규격에서는 다음과 같이 제정되어 있지만 특히 정밀도 분야에서는 엄격히 관리하고 있다. 경화층 깊이의 평균통계에서 벗어난것에 대해서는 [표1]의 허용치를 보면 된다. 그리고 경화층 깊이는 JIS G0559에 의한것 이고 지시는 유효경화층 깊이를 원칙으로 하고 전경화층 깊이에도 지장이 없다.

[ 비 고 ]
1. 측정개소는 대부분 동일조건에서 가공하는 범위이다.
2. 소입경계부 부근은 측정개소부터 제거한다.
3. 동일로드는 같은로드의 가공재료를 사용해서 동일작업 조건에서 가공, 인정된 가공품 일체를 말한다.

다만 동일로드로 하여금 취급한 가공품의 최고량은 연속 8시간 이내에 소입가공 되어진 것을 말한다. 소입 경화부 범위는 가공품에 있어 정해진 규정 또는 지정된 표면형태를 나타내는 범위이다. 그 경계선 평균치의 가공품에 있어서는 결정한 규정 또는 지정의 소입경화 부 범위는 각 주변에 대하여 ± 3mm로 한다. 소입부의 금속조직은 가공재료의 철강종의 목적에 의해 정상조직이 되고 결정입자에 붙어 성장하고 그위에 유용한 사양에는 결함이 없다.

 [표2]   (단위mm)

변형은 가공품 이후의 기계가공 및 사용상 지장을 초래하지 않는 범위이다.

그리고 굽은 허용치에 있어서는 가공한 부분의 길이 1MM 미만인 것은 전장에 있고 길이 1m 에 있어서 [표2]의 허용치를 벗어나지 않는다.

[비 고]
1종 : 그대로 사용 또는 직후에 연삭부분을 높이게 하는것.
2종 : 직후에 절삭부분을 높이게 하는것.

4. 적정 소입조건의 선정

(1)주파수 및 전력밀도의 선택

고주파 소입은 합리적으로 사용하기 위해서는 목적에 적당한 고주파 전원을 선택하고 고주파 소입에 의해 얻어지는 경화층은 주파수 전력밀도, 가열온도, 냉각속도, 재료의 전처리 조건(예 : 냉간,온간,열간 등의 단조품)에 의해 변화한다. 따라서 주파수 및 전력밀도는 부품의 형상 및 소입규정에 맞는 적정치를 선택,유도가열에 필요한 전원용량은 피가열물의 중량,가열온도 및 소요 가열시간에 의해 결정된다. 가열코일과 피가열물사이에 결합손실을 생각하지 않고 피가열물에 직접 가해진 열만 으로써 생각한 경우의 소요전력  는 다음의 식으로 계산된다.

※소요전력 는 고주파 전원에서 가열코일을 경유해서 공급된다. 표면 소입의 전력량은 소입면적과 경화층의 깊이에서 그 체적을 구해서 중량을 산출하고 흡수 전력을 계산한다. 그러나 열저도 손실들은 정확한 계산이 어렵기 때문에 경험적 값에서 계산된다. 첨부표를 참고하는 것이 실수를 피할 수 있다.

(2)발진기 용량의 계산방법
a : 소입깊이 및 길이 - 소입깊이는 전 경화층에서 사용한다.
b : 가열시간 - 처리배관으로부터 가열시간을 산출해 낸다.
c : 재질
d : 형상
e : 가열온도 - 냉간재 및 열간재의 의하여 온도를 변화 시킨다.

(예제)직경이25Ø , 길이50mm,소입깊이 표면으로부터 1.5mm(전경화층),재질S45C, 가열시간을 2초에서 사용하는 경우의 발진기의 용량은 몇 KW를 필요로 할까?

a : 가열부분의 중량

계산)
W = 3.14[(25÷ 2)²-(22÷ 2)²] x 50 x 7.8÷ 1000(g)÷ 1000 = 0.043Kg

b : 소요전력
= 4.186 x 가열부분의 중량(Kg)x평균비열(0.15)x가열온도
      (900℃)4.186(Kw)=1Kcal-매초(Kcal/sec)
    평균비열 = 철의 경우 0.15
    가열온도 = 고주파 소입의 경우 약900℃ ~ 1000℃
계산)
=4.186 x 0.043 x 0.15 x 900 = 24.24Kw ÷  2sec = 12.14Kw/Hr

c : 열손실
열방사손,열대류손,열전도선, 그 외의 회로손실,코일부하 결합손실, 플레이트 손실이 있어 정확하게 계산은 어렵기 때문에 당사의 시험치 및 경험치로부터 소요전력에 대하여 3 ~ 5 배를 거는 것으로 한다. [12.14Kw x 3 = 36.42Kw/Hr]가 된다.

(3)사용 주파수 선정

※고주파 담금질의 공정설계는 사용목적,사용소재,사용개도에 따른 재료의 기계적 성질을 고려해서 제일 먼저 경화 깊이를 결정 해야 한다. 보편적으로 0.5 ~ 10mm 정도가 사용된다. 도표상에서 표피현상 침투깊이와 일치하는 주파수의 선정이 무난하다.

[ 소입주파수에 대한 경화깊이,가열시간,전력밀도의 관계 ]

※보통 철의 고주파에 의한 담금질 소요시간은 3초 정도가 양호하다.

[ 소입재료 및 경화층에 대한 조정주파수 ]

[ 전경화 깊이와 소입 주파수 전력밀도와의 관계 ]