유도 가열을 이용한 나사산 어닐링의 유한요소법(FEA) 해석

강철 부품을 경화한 후 수행해야 할 중요한 가공 단계로는 템퍼링, 응력 제거, 준임계 어닐링 등이 있습니다. 담금질을 통해 마르텐사이트로 상변태가 일어나면 연성이 낮은 매우 단단한 조직이 형성됩니다. 템퍼링 처리되지 않은 마르텐사이트는 높은 수준의 잔류 응력을 유지하며, 주로 내마모성이 요구되는 부품을 제외하고는 대부분의 상업적 용도에서 너무 취성이 강합니다. 담금질된 강재와 주철을 템퍼링을 위해 재가열하면 템퍼링된 마르텐사이트 미세구조가 형성됩니다. 템퍼링 온도는 하부 상변태 온도 A1보다 낮으며(일반적으로 120~650°C 또는 250~1200°F 범위), 네 단계의 겹치는 템퍼링 단계로 구성됩니다.
유도 가열을 이용한 나사산의 국부적 템퍼링은 더 높은 연성이 필요한 부위에 열 에너지를 집중시킬 수 있게 해줍니다. 이러한 공정을 개발하는 데에는 몇 가지 과제가 있습니다:
• 샤프트의 나사산 부위는 적절히 연화되도록 A1 임계 온도 바로 아래로 가열해야 하며, 동시에 인접 부위(숄더 및 직경 변화 부위 포함)의 온도가 재오스테나이트화되지 않도록 해야 합니다.
• 열처리 조건과 공정 레시피는 템퍼 마르텐사이트 취화 및 템퍼 취화와 같은 바람직하지 않은 금속학적 현상이 발생하지 않도록 방지하거나 그 가능성을 줄일 수 있도록 선정되어야 합니다.
• “템퍼 처리된-템퍼 처리되지 않은” 전이 영역의 특정 길이를 초과해서는 안 됩니다.
• 공정은 신뢰할 수 있고 재현 가능해야 합니다.
수치 컴퓨터 모델링은 최적의 코일 설계 및 공정 레시피를 결정할 뿐만 아니라, 치수 공차, 고정구의 무결성, 부품과 인덕터 간의 위치 관계와 같은 실제 공정 편차의 영향을 추정함으로써 특정 템퍼링 공정의 견고성을 평가하는 데에도 도움이 됩니다.
이를 설명하기 위해, 아래 그림은 최적화된 2회전 인덕터 인서트(전자기적으로 결합된 2차 코일을 가진 인덕터)를 사용하여 나사산 부위를 유도 템퍼링하는 동안의 전자기장 분포(위) 및 온도 변화의 동적 양상을 보여줍니다. 이러한 유형의 인덕터가 선택된 이유는 고객이 사용하는 인버터의 부하 조정 특성에 기인합니다.

추가 참고 문헌
• V. Rudnev, D. Loveless 외, 『유도 가열 핸드북(Handbook of Induction Heating)』, Marcel Dekker, 뉴욕, 2003.