샤프트의 고주파 경화: 1045와 4140의 표면 경화

작동 원리

고주파 교류가 흐르는 유도 코일이 샤프트를 감싼다. 전류는 강 표면에 와전류를 유도하여 얇은 표층을 수 초 만에 변태 온도 위로 가열하고, 즉시 이어지는 물 또는 폴리머 스프레이 담금질이 그 표층을 단단한 마르텐사이트로 바꾼다. 샤프트의 대부분은 뜨거워지지 않으므로, 원래의 특성 — 흔히 미리 담금질·템퍼링된 특성 — 을 그대로 유지한다.

주파수가 유효 경화 깊이를 결정한다

유도 전류는 표면 근처에 집중되며, 가열 깊이는 주파수가 높아질수록 얕아진다. 이것이 이 공정의 핵심 설계 관계이다.

• 저주파(수 kHz, 중주파 장비): 깊은 케이스로, 대략 2–6 mm급이며, 대형 샤프트와 중하중 저널에 사용된다.
• 고주파(수백 kHz): 얕은 케이스로, 1 mm의 일부 수준에서 약 1.5 mm까지이며, 소형 부품과 미세한 형상에 사용된다.

실제로 유효 경화 깊이는 경도 한계(침탄과 마찬가지로 흔히 550 HV)를 기준으로 지정되며, 장비, 주파수, 가열 시간은 패턴 중 어느 곳에서도 연하고 경화되지 않은 표면으로 뚫고 나가지 않는 천이 영역을 유지하면서 그 깊이에 맞도록 선택된다.

사용되는 강

담금질 직후의 경도가 탄소로부터 나오므로 중탄소강이 지정된다.

• 1045 / C45 — 경제적인 표준 강종으로, 표면 경도는 일반적으로 50 HRC 중반대이며, 심부는 압연 상태 그대로 또는 노멀라이징 상태로 둔다.
• 4140 / 42CrMo4 — 심부가 실제 하중을 견뎌야 할 때 미리 담금질·템퍼링한 상태로 사용된다. 고주파 케이스는 강한 기재 위에 내마모성과 피로 저항을 더해주며, 합금 함량 덕분에 공정 윈도우도 넓어진다.

탄소 함량이 약 0.35%보다 낮으면 표면 경도가 기대에 미치지 못하고, 0.6%를 크게 웃돌면 담금질 균열 위험이 높아진다.

패턴과 연한 영역

스캐닝 인덕터는 샤프트를 따라 이동하면서 띠 모양으로 경화시키며, 스캔이 시작되고 끝나는 위치에 런아웃(run-out) 영역을 남긴다. 또한 복잡한 샤프트에서는 경화된 띠들이 **연한 영역(soft zone)**으로 분리된다. 이는 숄더, 언더컷, 인접 형상 사이에 나타나는데, 코일이 날카로운 내측 모서리를 균일하게 가열할 수 없고, 스캔이 겹치면 이전 띠가 다시 템퍼링되기 때문이다. 좋은 설계는 이를 결함이 아니라 사실로 취급한다.

• 실과 베어링의 접촉면은 런아웃에서 떨어진, 경화 패턴 안쪽에 두어야 한다.
• 연한 영역은 굽힘 응력과 마모가 낮은 위치에 두어야 한다.
• 균열에 민감한 형상에 주의해야 한다. 가열 영역 안의 키홈, 교차 구멍, 날카로운 필렛에는 모따기와 공정 시험이 필요하다.

왜 이 공정을 선택하는가

침탄과 비교하면 고주파 경화는 빠르고, 국부적이며, 인라인 자동화가 쉽고, 대부분의 기계 가공을 마친 뒤에 적용할 수 있다. 침탄의 깊고 점진적인 농도 구배를 가진 케이스를 포기하는 대신 속도와 선택성을 얻는 것인데, 샤프트에서는 대개 그것이 올바른 선택이다.

경화된 케이스에는 압축 잔류 응력도 존재한다. 팽창한 마르텐사이트 층이 변하지 않은 심부에 의해 구속되기 때문이다. 이 압축 응력이 고주파 경화된 저널과 필렛이 관통 경화품이나 무처리품에 비해 굽힘 및 비틀림 피로 수명이 현저히 우수한 이유의 상당 부분을 차지한다. 단, 경화 패턴이 응력 집중부를 실제로 덮고 있어야 하며, 이는 공정상의 우연이 아니라 설계상의 결정이다.