The spheroidal graphite cast iron which has excellent properties such as high ductility, high temperature resistance etc., was widely used for the material of the ship engine piston. The severe operating condition of engines for high power and the various impurities from the fuel caused the wear of the piston ring groove and deteriorated the performance of engines. In order to prevent the deterioration of an engine performance, the surface treatment such as high frequency induction heating, laser heating etc., was frequently adopted for the piston ring groove. But, the deformation due to the local heating during the surface treatment produced an uneven surface and inexavt ring groove size which might be unacceptable because of the possible requirment of subsequent machining. Therefore, the analysis of the surface deformation and hardened zone size in laser surface heat-treatment is important in laser applications.
In the present work, the laser surface hardening process of the piston ring groove was analysed. The finite element method was used to determine the heat flow, the thermal stress and the deformed shape during the laser hardening of the piston ring groove. Calcuations of the transient temperature distribution were based on the two-dimensional finite element model, while the analysis of the residual stresses and the deformed shapes was carried out by using a modified two-dimensional finite element model which satisfied the self-equilibrium of the resultant force in the longitudinal direction. The effect of the volume change and the plasticity in the phase transformation were also considered in the finite element analysis of this hardening process. For verifying the accuracy of calculated results, the sizes of the heat affected zone and the surface profiles of the laser hardened plate were measured. And the qualitative analysis of the effect of process parameters and material properties on the surface deformation was achieved by using the 2n-1 fractional method.
The transient heat flow, thermal stress and deformed shape of the piston ring groove were successfully analyzed as to its laser surface hardening by using the finite element method. The effect of the process parameters and material properties on the deformed shape of the laser surface hardened zone was also investigated.
The size and shape of the calculated hardened zone was in a fairly good agreement with those obtained by experiments. The process parameters were found to have a greater influence on the deformed shape of the hardened surface than the material properties. Thermal stresses were induced mainly by the temperature gradient and martensitic phase transformation. The tensile residual stress occurred in the hardened area, which was suddenly changed to the compressive stress as the distance from the surface increased. The displacement of the hardened surface was influenced mainly by the bending and bulging phenomenon which were due to the temperature gradient and martensitic phase transformation, while the bending effect played a more important role than the bulging effect. In the case of successive heating on the upper and lower surface, the maximum bulging height was slightly increased by the secondary heating compared with the results of heating only on the upper surface, while the maximum displacement of the free edge on the upper surface was considerably reduced. It was probably due to the reverse bending occurring in secondary heating on the lower surface.
본 硏究에서는 레이저 熱處理 工程에서 看過하고 있는 硬化層의 微小 變形을 분석하여, 레이저 경화처리 후의 殘留應力과 變形量을 미리 예측하므로써 각종 레이저 熱處理 부품의 정밀도를 높히는데 유용한 방법을 제시하고자 하였다.
평탄에 대한 탄소성 列應力 解析을 수행하여 레이저 熱處理에서 경화부의 크기, 殘留應力, 變形을 계산하고 이 방법의 타당성을 검토하기 위해 실험결과와 비교하여 실용성을 검증하였다. 解析 대상의 材料는 선박용 디젤 엔진 피스톤 소재로 사용되는 FCD600으로, 시편 크기는 길이 200mmm, 폭 100mm, 두께 6mm의 사각형 평판을 주조하여 사용하였다.
$2^n-1$ factorial법을 이용하여 레이저 경화 工程 변수와 材料의 물성치의 영향을 분석한 결과 레이저 출력과 이송속도가 硬化層의 표면 변형에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 따라서 有限要素 解析에서 마르텐사이트 變態 경화 시작 온도 및 계수 등 材料의 물성값은 참고 문헌에 근거하여 적절한 값을 사용해도 무방하다. 그리고 加熱速度는 레이저 출력에 의해서만 결정되며 레이저 熱處理 속도는 표면 硬化層의 최고 온도에만 영향을 미칠뿐 硬化層의 加熱速度에는 별다른 영향을 주지 않고, 최고 온도는 레이저 출력과 레이저 熱處理 속도에 의해서 결정되었다. 레이저 熱處理 실험 결과와 비교해 보면 $A_s$온도가 크게 상승된 것을 확인할 수 있고, 이것은 레이저 熱處理 工程에서의 加熱速度 크기에 비례하여 증가하였다.
有限要素法을 이용한 레이저 熱處理 工程의 열유동 및 殘留應力의 解析을 수행하고 이를 검증하기 위해서 평판에 레이저 빔을 조사한 후 X-ray를 이용한 殘留應力의 측정과 단면 검사를 통한 硬化層의 크기를 비교하였다. 硬化層의 표면에는 인장응력이 존재하고 硬化層 내부에는 큰 압축 殘留應力이 존재하며 계산결과와 잘 일치하는 것을 알 수 있었다. 본 방법의 실용성을 확인하고자 피스톤 링 그루브의 래이저 熱處理 工程에 본 모델을 적용하였다. 피스톤 링 그루브의 레이저 熱處理 工程에서는 3차원 熱流動 解析이 필요하지만, 熱遠의 이동속도가 빠르고, 피스톤의 크기가 경화층보다 충분히 큰 경우에는 적절하다. 표면 부근에는 인장 殘留應力이 부근에서 발생하였고, 硬化層 표면의 變形 形狀을 3차원 측정기를 이용한 측정 결과와 비교하였다. 이 방법의 타당성을 검토하기 위해서 상용 프로그램(ANSYS)을 사용하여 계산한 결과 變形 形遠과 變形量이 유사함을 확인하였고, 殘留應力이 분포 경향도 유사함을 확인 할 수 있었다.
본 연구에서 제시한 방법은 정밀 요소 부품의 表面 硬化 處理에 사용되는 레이저 熱處理 變形을 예측하여 기계 부품의 정밀도를 높이는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
