설비기술/ 소입.소려(Quenching) 고주파 유도 가열장치
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열처리(소입/Quenching) 고주파유도가열장치
1. 유도가열의 원리
고주파 전류에 따른 유도가열의 원리는 제1장 처럼 고주파전류가 흐르는 코일속에 있는 도 전체(주로 철강과 같은 통전성을 갖는 재료)가 전자유도 작용에 유기되는 과전류와 히스테 리시스손(자성재료가 교류자속에 의해 각 분자가 진동, 마찰하기 때문에 발생되는 열량)에 의해 급속히 가열되는 현상을 말한다.

다시 말해서 높은 주파수의 고주파수를 사용하여 전류의 표피작용(물체의 표면에만 전류가 흐르는 현상)과 근접효과(코일에 흐르는 1차전류와 피가열물에 유기된 2차 전류의 방향이 반대이므로 서로 간의 흡인력 때문에 전류는 피 가열물의 코일에 가까운 표면에 흐르는 현 상)에 따라서 피가열물의 표면층에 자속 및 과전류의 집중으로 재발생되는 2가지 열손실(과 전류손, 히스테리시스손)이 피가열물의 표면층을 가열하는 결과가 된다.

제2장은 실제로 강재를 1000℃로 유도가열했던 경우에 전류의 강한 흐름의 분로를 표시 하고 있주파수가 높을수록 전류의 감소정도가 빠르고 그림에서와 같이 낮은 주파수에서는 완만하게 감소한다.

이 경우 과전류가 표면강도의 약 37%(e=자연대수의 낮은점 2.718(1/e=0.368)로 감소한 점 (그림의 A선과의 교점)만의 깊이를 각각의 주파수에 걸린 전류의 침수깊이라고 부르고 보 통 δ로 표현한다.
전류의 침수깊이에 관해는 다음식과 같이 나타낼 수 있다.
이 식은 재질이 같다면 주파수가 높을수록 δ은 작아지고 가열은 표면 가까이에 집중되는 것을 나타내고 있다.

그렇지만 이 식은 이론적으로 전류의 분포상태에서 산출된 것이고 피가열물의 표면재질의 열전도를 무시한 것이기 때문에 실제의 가열층은 이 식에서 계산된 값보다도 크게 되는 경 향이 있다. (적정소입 단위설정(3) 사용주파수의 선정 참조)

2. 고주파 열처리(소입, 소려)의 목적 및 특징
표면 경화처리로서의 고주파 열처리(고주파 소입, 소려)의 목적은 기계구조부품의 표면을 경화하여 내마모성의 향상과 기계적 성질(특히 내피로성)을 높이는 것이다.

고주파 열처리는 고주파 유도 가열의 방법을 이용하고 피가열물(철강)의 표면을 소입온도(일반적으로 약 900℃정도)까지 급속 가열하고 다시 물로서 급속 냉각하는 것에 의해 표면층에 소입 경화층 을 만드는 방법이며 많은 특징을 가지고 있다.

①직접 가열에 의한 열효율이 좋다.
②단시간 가열로 산화가 극히 적다.
③국부가열을 함으로 경화 깊이 선정이 자유롭다.
④소입조건 조정이 용이하다.
⑤타 방법보다 소입시 불량이 적다.
⑥내마모성, 내피로성을 향상시킨다.
⑦일반적으로 값싼 탄소강도 특수강의 사용을 보충한다.
⑧자동화가 용이하다.
⑨기계 가공라인과의 연결이 가능하다.
⑩작업환경이 좋다.(무공해이다)


3. 고주파 소입 방법
(1)정지 소입법(일발 소입):
가열부분을 한 번에 소입하는 방법

①피가열물을 회전시켜 소입하는 방법
가열냉각을 피가열물에 대해 균일하게 실행하기 위해 회전을 가한다.
(예)기어, 스프라게트, 크랭크 샤프트, 샤프트, 스쿠류 샤프트등

②피가열물을 정지상태에서 소입하는 방법
피가열물의 형상 등의 관계에 의해 회전할 수 없는 경우에 실행한다.
(예)크랭크 샤프트, 로커암, 베아링, 로라등
③냉각 방법

냉각수는 가열직후 피가열물을 그대로의 위치에서 가열코일의 가는 구멍에서 피가열물을 향해서 분사되는 방법과 피가열물을 냉각환에서 분사냉각하는 방법, 거듭 피가열물을 침지 해서 냉각하는방법
(그림 3은 냉각방식이 다른 정지 소입법이다)


(2)이동 소입법:부분적인 가열을 하면서 연속으로 소입하는 방법
①피가열물을 회전시키고 이동하며 소입하는 방법(회전가능한 종류에 사용)
(예)핀, 연마봉, 샤프트, 드라이브 샤프트, 볼트, 너트 등
②피가열물을 정지시키고 이동하면서 소입하는 방법
회전불가능한 피가열물의 평면이나 복잡한 형상을 한 내면 등에 사용
(예)선반, 베드, 링크 등
③이동 소입법에는 가열 코일이 정지하고 피가열물이 이동하는 방법(피가열물의 크기, 중 량이 적은 경우 등)과 피가열물이 정지하고 가열코일이 이동하는 방법(피가열물의 크기, 중 량이 큰 경우)이 있다.
④냉각방법
냉각수는 가열코일에 설정된 가는 구멍에서 피가열물에 분사, 냉각하는 방법과 가열코일에 접속하는 냉각환에서 피가열물을 향해 연속 분사되는 방법이 있다.
(그림 4는 냉각방법이 다 른 이동 소입법이다)



4. 적정 소입조건의 선정
(1)주파수 및 전력밀도의 선택
고주파 소입을 합리적으로 사용하기 위해서는 목적에 적당한 고주파전원을 선택하고 고주 파 소입에 의해 얻어지는 경화층은 주파수 전력밀도, 가열온도, 냉각속도, 재료의 전처리조 건(예:냉간, 온간, 열간 등의 단조품)에 의해 변화한다.

따라서 주파수 및 전력밀도는 부품의 형상 및 소입규정에 맞는 적정치를 선택. 유도 가열에 필요한 전원용량은 피가열물의 중량, 가열온도 및 소요 가열시간에 의해 결정된다.

가열코일과 피가열물사이에 결합손실을 생각하지 않고 피가열물에 직접 가해진 열만으로써 생각한 경우의 소요전력은 다음의 식으로 계산된다.
P(소요전력)=P₁+P₂+P₃+P₄
P₁=피가열물에 흡수되는 전력
P₂=열 방사손
P₃=열대류손
P₄=열전도손
P₁,P₂,P₃,P₄에 관해서는 다음의 식으로 계산한다.
P₁=4.186*×M×C×△T[KW/sec]
M=질량
C=비열
△T=표면온도상승
P₂=5.74e×[(273+t₂/1000)⁴-(273+t₁/1000)⁴] [W/cm²]
t₁=상온
t₂=가열온도
e=방사율(철0.8)
P₃=159△T(uW/cm²)
uW=마이크로 와트
P₄=3.72△T√kcs/t[W/cm²]
K=열전도율
C=편균비율
S=밀도[g/cm²]
t=가열시간
소요전력 P는 고주파전원에서 가열코일을 경유해서 공급된다.
표면소입의 전력량은 소입면적과 경화층의 깊이에서 그 체적을 구해서 중량을 산출하고 흡수 전력을 계산한다.
그러나 열전도손 등의 정확한 계산이 어려워지기 때문에 경험적인 값에서 계산된다.

그림 5는 철강의 경화깊이와 주파수 전력밀도 및 가열시간의 관계를 표시했다. 표1은 소입 재료의 순서, 경화깊이에 대하여 적정 주파수를 표2는 전경화층 깊이와 주파수 전력밀도와 의 관계를 표시했다.

(2)발진기 용량의 계산방법
a : 소입깊이 및 길이……소입 깊이는 전경화층에서 사용한다.
b : 가열시간……처리배관으로부터 가열시간을 산출
c : 재질
d : 형상
e : 가열온도……냉간재 및 열간재에 의해서 온도를변화시킨다.
<예 제>직경 25 , 길이 50mm,소입깊이 표면으로부터 1.5mm(전경화층)재질 S45C,가열시간 을 2초에서 사용하는 경우 발진기의 용량은 몇 KW를 필요로 할까 계산해본다.
a : 가열부분의 중량
W=π×r²×h×비중
π=3.14
비중=철의 경우=7.8
r=반경
h=길이
-계산-W=3.14((2.5/2)²-(2.2/2)²)×5×7
8=42.861gr=0.049Kg
b : 정미흡수전력
P=4.186×가열부분의 중량(Kg)×평균비열(0.15)×가열온도(900)
4.186KW=1Kcal-매초[Kcal/s]
평균비열=철의 경우 0.15
가열온도=고주파소입의 경우 약 900℃∼1000℃
-계산-P=4.186×0.0429×0.15×900=24.24KW-sec
c : 열손실
열방사손, 열대류손, 열전도손, 그 외의 회로손실, 코일부하결합손실, 플레이트 손실이 있 고 정확한 계산이 어렵기 때문에 당사 실험치 및 경험치로부터 정미 흡수전력에 대하여 3배 에서 5배를 거는 것으로 한다.

전기의 예제에서 정미 흡수전력은 24.24KW-sec이기 때문에 환봉에서 코일과 부하(소입물) 와의 코일의 결합도 좋기 때문에 3배로 하면 24.24×3=72.72KW-sec가 된다. d : 예제는 2초 가열이므로 72.72KW/2sec=36.36KW-sec가 된다.

(3)사용 주파수의 선정
δ=5.03√ρ/uF[cm] F=주파수[Hz] u=수자율 철=1 ρ=uΩcm900℃로 115 상기식으로 계산된 주파수의 침수깊이를 다음에 나타낸다.

(4)소입 방법의 선택
정지 소입법과 이동 소입법중 어느 방법을 택하느냐 하는 것은 피대상부품의 재질, 형상, 치수, 소입 수단에 따라서 주파수 전력밀도부터 결정한다.
정지 소입을 사용할 때 가열시간과 주파수 전력밀도가 결정되었다면 표면이 소입온도가 되 는 시간을 뽑아서 시험하고 소입을 한다. 이 시험소입된 피소입물의 경화깊이를 측정하고 이 경화 깊이와 소정겨와깊이와 비교해 전력과 시간을 조정한다.

이동 소입의 경우도 같다. 표면이 소입 온도가 되도록 이동 속도를 선택해서 시험 소입하 고 소정 경화 깊이와 비교해 전력과 시간을 조정한다.
이동 소입의 경우도 같다. 표면이 소입 온도가 되도록 이동 속도를 선택해서 시험 소입하 고 소정 경화깊이와 비교해 전력과 이동 속도를 조정한다.

이동 소입의 경우도 같다. 표면이 소입 온도가 되도록 이동속도를 선택해서 시험소입하고 소정 경화깊이와 비교해 이동 속도를 조정한다.
여기서 주의할 점은 피대상부품의 전열처리방법 재료조성에 의해 표면소입온도를 약간 높 이(약1000℃)에 설정하는 경우가 있다. 이를 위해 시험 소입전에 피대상부품의 전열처리방법 재료조성의 조사비교에 조직검사가 필요하다.

(5)냉각제 및 냉각속도의 선정
고주파 소입에서는 보통 냉각제로 물이 쓰이는데 분사물에서는 냉각력이 뛰어나 금이 가 는 일도 있다. 그래서 높은 탄소량의 피소입물이라든지 형상이 복잡한 피소입물에 대해서 는 수용성유 또는 광물유를 이용 냉각시킨다.

수용성유에는 폴리비닐알콜, 폴리에텔, 트리콜 등의 수용성 포리머를 적당한 농도로 엷게 사용한다. 수용성유는 일반적으로 소할방지 냉각제로 부르고 있다.
이 냉각제는 설정에 있어서 소입할 때 또는 소입하고 나서 기울고 굽은 변화가 있기 때문에 충분한 검토가 필요하다. 그리고 부식방지를 위해 방청제를 첨가하는 방법이 있다. 냉각방법에는 일반적으로 분사 냉각을 사용하나 이 분사용 냉각환은 가열 코일이 냉각환을 겸하는 것도 있고 별개의 작업 방법이 있다. (그림 3,4 참조)

냉각환은 분사구의 크기, 구멍과 구멍의 간격, 피소입면과의 각도가 소입 결과에 영향을 줄 수도있다. 따라서 피소입물의 형상, 재질, 소입 상태에 따라 소할, 소의, 깊이 부족 등의 소 입수가 생성분사되는 상태, 구멍의 크기, 구멍의 간격, 구멍의 방향, 구멍의 각도를 선정한 다. 그것이 실제에는 현상적 경험에 의해 결정된다.

그림 6은 가열 코일의 분사 구멍의 예를 표시한다. 그림 7은 분사냉각선의 표시이다. 보통 충분한 냉각효과를 얻으려면 2∼6Kg/cm²의 압력을 필요로 한다.
일반 유량은 일발소입경우에 냉각제를 20℃의 물에서 시간은 8∼20cm²/sec를 요한다. 냉각 시간은 제품의 변화가 오지 않는 온도(약 100℃이하)가 되도록 설정이 중요하다. 거듭 소입 수의 온도는 30℃±3℃에 관리하는 것이 가장 이상적이다.

5. 고주파 유도소려
고주파 가열에 있어서 소려는 가열 시간이 짧고 극히 작업성이 좋기 때문에 고주파 소입의 다음 공정이 저온 소려에 종래의 전기로 소려에 대해서 교체하는 것이 근간에 많이 작용한 다.

고주파 유도 소려의 전원 및 가열코일(유도자)은 소입용의 물건을 그대로 사용하는 방법 과 피가물의 형상 또는 경화깊이로부터 소입용 전원보다 더 낮은 주파수를 사용하여 유도 소려를 행하는 방법이 있다. 또는 소려용 가열 코일도 소입용의 가열코일도 대폭 가열코일 을 사용하기도 한다.

표4는 고온 소려를 위한 주파수 설정을 표시한 것이다. 통상 소려에는 소입시간과 주파수 의 1/10위치의 주파수를 설정하는 것이 좋다. 표5는 소려에 필요한 전력밀도를 표시한 것이 다.

종래에는 소입된 피소입물에는 소입조직의 안정화 및 잔류응력의 제거목적에 있어 전기로 보다 1∼2시간 단위를 걸려서 소려를 행하고 소려시간은 긴방법이 좋다고 하지만 소려온도 를 높게 하는 것보다 소려 시간이 짧은 것이 소려 효과의 절감을 충분하게 보상되는 것이 실험 판명되었다.

소려 시간이 짧아도 장시간 소려한 방법과 동일한 경도를 얻기 위하여 소려 온도를 어느 정도 높게 설정할 필요가 있음을 통상 다음식이 제시한다.
이 식은 강을 소려하는 방법에 온도 T₁시간t₁조건에서 얻어지는 소려효과는 온도T₂, 시간t₂의 조건에서 얻어지는 소려효과에 이르는 것을 표시한 것이다.

그러나 이 식은 유도소려를 행할 때 표준이 되는 소려온도를 얻기 위한 식이다. 정확한 소 려온도를 구하기 위해 상기에서 얻은 소려온도 근변을 세밀하게 실험 수정할 필요가 있다.
이것을 위해 고주파 유도소려에서는 가열시간과 출력에서 제어관리하는 방법을 일보 나아가 직접 소려 온도를 측정해서 제어하는 방법이 많이 일어나고 있다.

6. 고주파 소입, 소려 설비의 구성
고주파 소입, 소려 설비의 구성은 보통 다음의 기계에 의해 성립되고 있다.

(1)수전반
1차 전원을 받기 위해서 주변 압기, F N B,전압,전류계등으로 구성되어 있다.

(2)고주파 발진장치(발진기)
고주파를 발생하는 장치는 발진장치, 본체부, 정압부, 출력 리드 덕트, 변성기부, 순수장치 부로 나눈다. (단지 정압부는 발진 장치 내부에 있는 경우도 있다. 발진장치의 상세한 내용 은 표6참조)

단 다른 규격의 발진 장치에 대한 것은 의뢰하기 바란다.
※주:순수장치는 사이리스타인바타 발진기의 100KW이상에는 적합하지 않다.


(3)소입기 또는 소려기
피가열물을 소입기에 반송, 고정, 이동, 회전하기 위한 물건이다.
이것을 크게 구분하면 자동기와 수동기로 나누어 생산량, 생산분제, 생산공정으로 판단한 다.
특히 최근에는 피소입물의 형상, 소입상태보다 NC제어한 소입기 및 소려기가 많이 제작 되고 있다.

(4)제어반 및 조작반
제어반은 통상 자립형이 되어 있는 릴레이 또는 도그리미트 로라가 내적되어 있다.
또 소입 조건의 설정도 여기서 한다. 조작반은 통상 소입기에 부착해서 몇 개의 동작작용 의 압구가 중요하게 장치되어 있다.
그러나 소입기에서는 조작반을 주조작반과 부조작반으 로 나누는 경우도 있다.
또 제어반 또는 조작반에서는 그라피크 패널이 부족되는 경우도 있 다.

(5)가열코일 및 홀더
가열방법 부분에 고주파 전류를 유도하기 위한 물건으로 피가열물에 합하는 종류의 형식이 있다.
코일 홀더는 고주파변성기와 가열코일 사이에 홀더 교체식과 레버식 등의 형식이 있다.

(6)냉각수 순환장치
이것은 고주파 발진장치, 변성기 가열코일을 냉각하기 위한 냉각수조와 소입을 하기위한 소입구조로 나눈다.
특히 소입주조에서는 소입하기 위한 액량, 액압 및 온도의 관리가 필요한 것은 언급하지 않았지만 소혈 냉각제를 사용하는 경우에는 매우 중요한 일이다.
대표적인 냉각수 순환장치는 배관계통도를 참고한다. (그림 10참조)



(7)다른 부속기품
①소입조건 설정장치
특히 NC제어 등을 하는 방법, 위치, 출력, 속도의 설정에 디지탈 스위치를 사용한다.
반면에 대상 테두리가 증가할 때나 위치설정, 속도설정이 많은 방법에는 CPU(중앙처리장치)를 사용하고 CRT(브라운관)화면에 대화형 설정을 사용하는 일이 가능하다.

②소입조건 감시장치
소입할 때의 각 제어 항목은 자동 제어 되어 있지만 특히 신뢰성을 높여 고품질을 확보하기 위해서는 각 제어항목의제어가 바로 사용되는가를 감시하는 장치로서 표시, 감시, 인쇄 기능을 가지고 있다.

③소입(소려)온도 제어장치
소입 또는 소려시의 온도를 제어하는 장치로서 보통 방사온도계에서 온도를 측정한다.
이것에는 보통 기록계가 부착되어 있고 고주파 발진장치와 연동시 소입(소려)온도를 일정하게 보존하는 PID제어도 가능하다. (사진3)

④가열 전력량 제어장치
가열시의 전력과 가열시간을 연산회로에 의해 합한 전력량을 일정하게 제어하는 장치

⑤비파괴정도 경화층 조사장치
과전류에서 피가열물의 경도, 경화층을 체크하는 장치로서 그 장치와 조합에 의해 전수검사를 한다. 불량품을 자동으로 처리하는 일도 한다.
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