유도 가열을 이용한 경화 및 템퍼링
하드닝이란 무엇인가요?
경화란 간단히 말해 재료의 경도를 높이고 연성을 낮추는 모든 공정을 의미합니다. 이 공정은 마모가 심한 표면을 보강하고 부품의 전반적인 수명을 연장하기 위해 사용됩니다. 다양한 경화 방법이 존재하며, 각 방법은 재료에 따라 적합성이 다르지만, 유도 경화 기술은 ‘담금질 및 템퍼링’으로 알려진 특정 경화 공정에 자주 적용됩니다.
담금질과 템퍼링이란 무엇인가요?
담금질과 템퍼링은 중탄소강에서 고탄소강에 이르는 강종에만 적용되는 경화 공정입니다. 먼저 강재를 충분히 높은 온도로 가열하면 결정 구조가 페라이트에서 오스테나이트로 변태합니다. 이러한 변형된 상태에서 강철은 정상적인 상태보다 더 많은 양의 탄소를 흡수할 수 있습니다. 그 후, 유도 가열 장비 내에서 물, 기름 또는 물-폴리머 용액을 사용하여 강철을 급속히 담금질합니다. 이러한 급속 냉각은 강철의 최종 경도를 저해할 수 있는 탄소 침전물의 형성을 방지합니다.
강철이 더 낮은 온도로 냉각되면 원래의 저온 상태로 되돌아가려고 합니다. 그러나 원래 상태가 수용할 수 있는 양보다 더 많은 탄소를 흡수한 상태이기 때문에, 강철은 마르텐사이트라고 알려진 독특한 결정 구조로 변합니다. 마르텐사이트는 왜곡된 결정 구조와 높은 탄소 포화도로 인해 매우 단단합니다. 이 시점에서 강철은 높은 경도를 얻게 되지만, 동시에 상당히 취성해집니다.
그 다음 단계인 템퍼링은 강재를 더 낮은 온도로 재가열하여 경도를 약간 낮추고, 그 결과 취성을 줄이는 공정입니다. 템퍼링에 사용되는 구체적인 온도는 원하는 경도 수준에 따라 달라집니다. 목표 경도에 도달하면, 잔류 열로 인해 강재가 추가로 템퍼링되는 것을 방지하기 위해 강재를 다시 한 번 담금질합니다.
유도 방식을 이용한 담금질 및 템퍼링
유도 기술은 주로 담금질 및 템퍼링 공정에 활용되며, 이 과정에서 뚜렷한 이점을 제공합니다. 이 공정에서 원하는 경도 분포를 얻기 위해서는 강재의 가열 및 담금질 단계 모두에서 탁월한 정밀도가 요구됩니다. 가열 시간을 잠시라도 초과하거나 잘못된 온도에서 담금질하는 등 사소한 편차만으로도 부품마다 상당한 차이가 발생할 수 있습니다. 따라서 공정을 정밀하게 제어하는 것이 매우 중요하며, 유도 가열 기술은 다른 가열 방식에 비해 뛰어난 제어 능력을 제공함으로써 두각을 나타냅니다.
가열 및 담금질 공정을 위한 부품의 자동 취급 및 고정 장치는 높은 생산성과 다양한 부품에 걸쳐 일관된 결과를 보장합니다. 유도 경화 및 열처리는 가장 빠른 공정으로 손꼽히며, 변형을 최소화하고 표면 탈탄 현상을 방지하며, 미세한 결정립 조직을 형성하고 경도 분포를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 생산 수준을 한 단계 더 높이고자 하는 모든 시설에 있어 유도 경화 및 열처리는 이상적인 해결책으로 자리매김하고 있습니다.
유도 표면 경화
선택적 유도 표면 경화 처리는 마모가 발생하는 표면에는 필요한 경도를, 심부에는 내충격성을 확보하기 위한 연성을 부여함으로써 부품의 성능을 향상시킬 수 있습니다.
선택적 유도 경화 공법은 부품의 특정 부위를 정밀하게 표적으로 삼아 신속하게 열을 가할 수 있습니다. 그 결과, 부품 표면에 경화된 재료로 이루어진 층, 즉 표면 경화층이 형성됩니다. 이 공법은 작동 시 높은 응력을 받으며 다양한 기계적 특성이 동시에 요구되는 부품에 이상적입니다. 예를 들어, 높은 항복 강도, 피로 저항성, 내마모성을 동시에 갖춰야 하는 부품이 이에 해당합니다.
사용되는 주파수, 유도 코일의 형상, 출력 수준 및 코일 내 부품의 위치를 적절히 조정함으로써 정확한 경도 분포를 제어할 수 있습니다. Radyne 시스템은 업계 최고 수준의 정밀도를 자랑하므로, 부품마다 경도 분포가 매우 일관되게 유지됩니다. 가열 과정에서 부품을 회전시키면 균일한 표면 경화 처리가 보장됩니다.
점진적 유도 경화 | 유도 스캐닝
부품의 경우, 최적의 성능과 긴 수명을 보장하기 위해 특정 부위의 표면을 경화해야 하는 경우가 많습니다. 점진적인 가열과 담금질을 활용하는 유도 경화 공정은 축이나 기타 부품을 가공하는 경제적인 방법을 제공합니다.
강철 샤프트를 가열 코일을 거쳐 물 담금질 장치로 점진적으로 통과시킴으로써, 샤프트의 중심부에 영향을 주지 않고 외피를 가열, 담금질 및 경화할 수 있습니다. 완전히 균일한 표면 경화층이 필요한 경우, 샤프트를 회전시켜야 하는 경우가 많습니다. 인덕터에 대한 물 담금질 장치의 위치가 매우 중요하기 때문에, 코일과 관련 물 담금질 장치는 대개 하나의 유닛을 형성합니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 물은 종종 코일 자체를 통해 공급됩니다. 회전하면서 샤프트를 유도 코일과 담금질 링을 통해 제어된 방식으로 이동시키면, 샤프트의 조정 가능한 길이에 걸쳐 표면 경화 깊이를 제어할 수 있으며, 이 모든 과정이 자동화된 사이클 내에서 이루어집니다.
표면 경화 깊이는 발전기의 입력 전력과 유도 코일을 통과하는 축의 하강 속도에 따라 결정되며, 경화 부위의 길이는 사양에 맞게 설정된 고온계로 제어됩니다. 장비 매개변수를 조정하여 원하는 표면 경화 깊이와 경도 분포를 확보한 후에는, 이러한 설정을 일관되게 유지함으로써 모든 부품에 걸쳐 재현 가능한 공정을 구현할 수 있습니다.
설명된 적용 사례는 표면 경화 공정을 다루고 있지만, 어닐링이나 템퍼링과 같이 점진적인 가열이 필요한 다른 열처리 공정에도 적용할 수 있습니다.