고주파수 예열보조 미세단조 공정의 FEM 해석과 실험적 분석

Abstract

고성능의 제품들이 개발됨에 따라 고부하, 장시간 사용에 적합한 부품이 필요하게 되었고, 이에 따라 높은 피로저항을 갖는 소재가 필요하게 되었다. 그러나 이러한 요구에 부합하는 새로운 재료는 높은 비용이 요구되며, 가공 또한 높은 기술을 필요로 한다. 이러한 이유로 소재의 변경 없이 표면 경도와 피로저항을 높일 수 있는 표면 처리 공법은 효율적이며 경제적인 방법으로 제시 되고 있다. 이 논문에서는 기존의 고주파 미세단조 공법과 레이저를 이용한 열처리 공법을 동시에 적용한 예열보조 미세단조 공법을 적용 시 일어나는 효과를 연구하였다. 기존의 고주파수 미세단조 공법은 표면에 미세한 소성 변형을 일으켜 금속 표면의 경도와 압축 잔류 응력을 증가시키는 표면처리 기술이다. 이 공정을 통해 효과적이고 비교적 간편하게 표면의 경도와 피로저항을 높일 수 있지만, 낮은 경화층 형성으로 효과가 제한적이었다. 반면 레이저 표면 개질 기술은 비 접촉 상태에서 표면 경도를 끌어올리는 공법이나, 열에 의한 취성 증가 및 잔류 응력이 남는 문제점이 있다. 이 논문에서는 이 두 가지 방법을 합하여 온도조건에 따른 미세 단조 공법의 효과를 알아보았다. AISI 4140 금속에 대하여 소성 변형과 피로 파괴에 큰 영향을 미치는 요인인 온도를 조절하여 표면처리의 효과를 연구해 보았다. 온도를 변수로 설정하여 예열보조 미세단조 표면처리 시스템을 구성하였고, 예열용 열원으로는 금속 표면 열처리용 레이저를 사용하였다. 표면 처리 위치와 레이저 조사지점을 90°로 배치하여 선반에 장착된 시편을 가공 하였다. 총 5종류의 시편(무처리 시편, 일반 열처리 시편, 상온, 400 ℃, 550 ℃ 에서 예열 보조 미세단조 처리 시편)을 비교하였고 각 효과의 차이를 피로 수명을 기준으로 비교해 보았다. 이후 단조 처리한 시편의 파단면의 SEM 측정과 개재물에 대한 EDS 분석을 시행하여 피로 파괴에 영향을 주는 요인을 연구하였다. 이 결과 표면처리를 통해 수명이 변화되고, 550 ℃ 예열보조 미세단조 시편 및 열처리 시편에서 일부 수명이 상승한 것을 확인하였고, 잔류 응력과 경도 변화를 측정하여 공정에 따른 차이를 확인 하였다. 이후 예열보조 미세단조 공법의 충격 과정을 FEM 해석을 통해 분석 하였다. 1회 충격 시, 1회전 충격 시 시편에 생성되는 잔류 응력의 분포와 크기를 확인하였다. 이 결과 시편 표면에서부터 약 0.4 mm 깊이의 영역에 대하여 잔류 응력이 형성되었으며, 상온 예열보조 미세단조 처리의 경우 856 MPa 의 압축잔류응력이 형성되었고, 550 ℃ 예열보조 미세단조 처리의 경우 1157 MPa 의 보다 높은 압축잔류응력이 형성된 것을 확인하였다. 이후 경도 측정법을 통해 계산한 잔류 응력 수치와 해석상의 잔류 응력을 비교 하였다. 그 결과 대체적으로 잔류응력의 거동이 일치하는 경향을 확인하였고, 약 예열 보조 미세 단조 처리의 경우, 463.8 MPa, 550 ℃ 예열보조 미세단조 처리의 경우 716.4 MPa 의 응력이 측정 되었다.