4.1 다이오드 레이저의 표면경화 특성
4.1.4 열처리 적용부위에 따른 경화특성 비교
일단 평면 열처리와 같이 기본적인 공정변수인 레이저 출력과 빔의 이송속도 를 변화시키면서 열처리를 실시하여 그 경화특성을 조사하였다. 시험편 소재는 금형공정에 맞추어 구상화흑연 주철인 HD700을 사용하였다. Fig. 4.7에 최적 열 처리 조건을 나타낸 10 mm/sec에서의 출력별 표면 및 단면 사진을, 그리고 경화 길이(Lh) 및 깊이(Dh)의 변화를 나타내었다. HD700 소재의 모서리부 최적 열처 리 조건은 이송속도가 10 mm/sec일때 레이저 출력 3.0 kW이며, 평면 열처리시와 마찬가지로 적정 조건 미만의 출력에서는 표면에 발색만을 나타내었고, 초과한 출력에서 표면 용융이 발생하는 제한적인 열처리 범위를 나타내었다. 다만 모 서리부 형상에 기인하여 평면 열처리보다 빠른 이송속도에서 경화가 이루어졌 는데, 역시 모서리부의 한정적인 열전달로 인하여 입열을 적게 제어하기 위해 이송속도가 증가한 것이다.
Fig. 4.8은 빔의 이송속도가 10 mm/sec일때 레이저 출력이 3.0 kW와 3.5 kW의 경도분포를 나타낸 것이다. 모서리부의 경도 역시 최적 열처리 조건인 3.0 kW 미만의 출력에서 모재와 열처리부간의 경도차이는 발생하지 않았다. 하지만 최 적 조건인 3.0 kW에서 길이방향으로 최대 경도 900 Hv, 평균 경도 800 Hv로, HD700 소재의 모재 경도 240~280 Hv에 비해 약 3배 정도 상승하였으며, 폭방
향으로 0.8 mm까지 경화되어 평면 열처리에서와 같이 경화처리가 잘 이루어졌
다고 할 수 있다. 다만 길이방향으로 약 5 mm 정도에서부터 경도가 완만한 분 포를 이루면서 열영향부(HAZ)를 형성하고 있는데, 이러한 원인으로는 모서리부 의 레이저 조사시에 기울어진 빔의 영향으로 모서리에서부터 멀어질수록 비초 점이 증가하기 때문이다. 즉 빔이 기울어진 상태로 조사되면 작동거리인 모서 리부를 제외한 부분은 비초점거리로 작용하여 파워밀도가 떨어지기 때문에 레
밀도가 급격히 떨어지며, 옆면도 표면과 맞닿아있어 냉각속도가 빨라짐에 따라 서 템퍼링구간이 형성되지 않고 경화부와 모재 사이의 경계가 명확해졌다고 판 단된다. 레이저 출력이 3.5 kW에서는 상대적으로 높은 출력에 의해 표면에 용 융이 발생하였으나 높은 파워밀도에 의해 템퍼링 구간이 없는 긴 경화 길이 및 깊이를 나타내고 있다.
모서리부에 대한 열처리를 실시하는 동안에도 평면과 마찬가지로 온도센서를 통하여 시험편의 표면온도를 측정하였으며, Fig. 4.9에 이송속도 10 mm/sec에서 의 출력별 표면온도 변화를 나타내었다. 표면온도의 변화는 레이저 조사 후 2 초 이내에 표면의 등온구간까지 급격히 상승하였는데, 이러한 온도 상승은 평 면의 경우와 비교하여 매우 빠른 변화로, 앞서 설명한 모서리부의 열전도 특성 에 기인한 것으로 생각된다. 또한 평면 열처리시의 온도변화에 비해 등온구간 에서의 온도편차가 크게 나타나는데, 이는 시험편의 모서리 끝단에 잔류하고 있는 버(bur)의 영향으로 판단되며, 실험 전 버를 제거하여 온도편차를 줄일 수 있다.
각 출력별 표면온도를 살펴보면, 우산 열처리가 이루어지는 3.0 kW에서는 등 온구간의 온도가 약 1,000℃정도로, 평면 열처리시 최적 조건에서 측정된 표면 온도 1,070℃에 비하여 낮은 온도에서 열처리가 이루어짐을 알 수 있다. 또한 표면 용융이 발생한 3.5 kW는 표면온도가 흑연의 공정온도와 비슷한 약 1,150℃ 로 측정되었다.
이와 같이 평면 열처리 온도보다 모서리부의 열처리 온도가 저하하는 현상이 일어나는 이유는 모서리 측정에 따른 온도센서의 계측 오차일수도 있지만, 그 보다는 모서리부 열처리 조건이 평면에 비하여 매우 빠른 이송속도에서 이루어 지는 점을 미루어볼 때 역시 모서리부의 형상에 따른 열전달의 영향에 의한 것 이 더 클 것으로 생각된다.
(a) Surface and cross section HD700; v= 10mm/sec, Gs : Ar 20ℓ/min
Photos
PL(kW) Surface Cross section
2.0
2.5
3.0
3.5
Melting
l
d
3mm 3mm
Position
Graph Hardened length, l(Lh) Hardened depth, d(Dh)
Variation of hardened zone
2 4 6 8 10
Hardened length, Lh(mm)
Non-
treating Treating Melting 0.5
1.0 1.5 2.0 2.5
Hardened width, Wh(mm)
Non-
treating Treating Melting
Fig. 4.8 Hardness distribution on edge position at traveling speed 10 mm/sec
Position
Power Length direction Depth direction
3.0kW
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0 200 400 600 800 1000 1200
Hardness,Hv
Hardened length, Lh(mm) Base metal
Hardened zone
HAZ
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 0
200 400 600 800 1000 1200
Hardness, Hv
Hardened depth, Dh(mm) Base metal
Hardened zone
3.5kW
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0 200 400 600 800 1000 1200
Hardness,Hv
Hardened length, Lh(mm)
Base metal
Hardened zone
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 0
200 400 600 800 1000 1200
Hardness, Hv
Hardened depth, Dh(mm) Base metal
Hardened zone
Fig. 4.9 Surface temperature graph with laser power on edge position HD700, v = 10mm/sec, Gs : 20ℓ/min