[논문]초급속열처리 구상흑연주철 FCD500의 피로파괴특성

지정근; 김민건; 김진학; 김정두

doi:10.3795/ksme-a.2002.26.4.596

초급속열처리 구상흑연주철 FCD500의 피로파괴특성
Fatigue Fracture Behavior of Spheroidal Graphite Cast Iron FCD500 by Super-Rapid induction Quenching 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.26 no.4 = no.199, 2002년, pp.596 - 601

지정근 (강원대학교 기계메카트로닉스공학부) , 김민건 (강원대학교 기계메카트로닉스공학부) , 김진학 (강원대학교 기계메카트로닉스공학부) , 김정두 (세종대학교 기계공학과)

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Rotary bending fatigue tests were carried out to investigate the fatigue characteristics of high performance ductile cast iron experienced super rapid induction treatment. The influence of super rapid induction treatment on fatigue limit was experimentally examined with the special focus on the variation of surface microstructure and the fatigue crack initiation and propagation through fractography. Main results obtained are as follows. By super rapid induction treatment in FCD500, the martensite structure obtained through conventional heat treatment was confirmed on the specimen surface. The fatigue crack initiation in the hardened surface layer was restricted by the martensite structure and compressive residual stress. Thus, it could be interpreted that the initiation stress would be increased by improved structure in the surface. The fatigue crack propagation in the hardened layer was retarded by the presence of the globular shape martensite around the graphite nodule and compressive residual stress and the crack propagation behavior has zigzag pattern in the hardened surface layer.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 구상흑 연주철의 고기능화를 목표로 초급속 열처리를 행하고, 이것이 구상흑 연주 철의 피로 특성에 미치는 영향을 검토하고자 한다.

제안 방법

5 의 f 마크 시편), 또한 표면충에서의 크랙 발생 억제 효과가 피로한 도의 중가로도 이어졌다고 할 수 있다. 다음은 초급속 열처리로 인한 표면 잔류 응력을 조사하였다. Fig.
이 초급속 열처리한 평활환봉시험 편에 대하여 상온, 대기 중에서 회전굽힘 피로시험기를 사용하여 피로실험을 행하였다. 파단 후의 파면 관찰은 주사형 전자현미경 (SEM)을 사용하였으며 잔류응력의 즉 정은 직경 0.
초급속 열처리는 600kw, 153kHz의 출력으로 고주파 유도로를 이용하여 처리하였으며 처리과정 은 Fig. 2에 실선으로 표시하였다. 그림 중의 점선은 보통의 고주파 담금질에 따른 열처리의 과정을 표시하였다.
초급속 열처리를 행한 구상흑 연주철 FCD500에 대하여 회전굽힘 피로시험을 실시한 후, 초급속 열 처리가 피로한도에 미치는 영향을 표면조직의 변화, 피로크랙의 발생 거동을 통하여 검토한 결과, 다음과 같은 결과를 얻었다.
초급속 열처리한 시험 편의 미시조직의 변화를 조사하기 위하여 표면부의 미시조직의 관찰을 행하였다. Fig.
이 초급속 열처리한 평활환봉시험 편에 대하여 상온, 대기 중에서 회전굽힘 피로시험기를 사용하여 피로실험을 행하였다. 파단 후의 파면 관찰은 주사형 전자현미경 (SEM)을 사용하였으며 잔류응력의 즉 정은 직경 0.15mm까지 측정이 가능한 미소X선 잔류응력 측정기를 사용하였다.

대상 데이터

시험재는 펄라이트 면적율이 30% 인 구상 흑연 주철 FCD500로 Table 1에 기계적 성질을 Table 2 에 화학적 성질을 나타내었다. 이 시험재를 Fig.

성능/효과

(1) 초급속 열처리를 행한 FCD500의 표면조직은 통상의 가열처리와는 달리 구상흑 연주위에서 환형의 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있고, 경도 70 아如, 깊이 500z/m 정도의 경화조직이 얻어진다.
10은 미소잔류응력 측정장치에 의한 잔류웅력의 크기를 보여준다. 모재의 피로한도가 250MPa 정도임을 감안할 때 600MPa 정도의 표면잔류 웅력은 충분히 표면 부근 의 흑연이나 주조 결함으로부터의 크랙 발생을 억제할 수 있을 것으로 생각된다. 그러나 모재의 피로한도보다 현저히 큰 압축성 잔류응력 하에서 피로한 도의 증가가 40% 정도에 그친 것은 잔류 응력층이 얇기 때문에 표면에서 억제된 크랙발생 이 잔류응력이 소실되는 경화층 직하에서 피시아 이(fish eye)형의 내부 파괴형으로 발생되기 때문이다.
^”) 그러나 기존의 고주파열처리 법은 구상흑 연주철의 표면을 강화시키는 효과는 매우 크나, 표면 상태에 따른 고주파 흡수차이로 불균일 가열층이 얻어질 가능성이 크고, 경화층이 필요 이상 두꺼워져 재료의 인성을 저하시키는 경향이 있다. 이에 반해 초급 속 열처리 법은 매우 짧은 시간 안에 열처리를 수행할 수 있으며 그에 따라 열처리 부가 표면에 국한됨으로 내마모성과 표면강도를 향상시키면서도 재료의 인성을 저하시키지 않아, 종래 고주파열처리의 단점인 취성 증가에 의한 내피로 성의 저하를 방지하고, 오히려 증가시키는 이상적인 표면처리를 할 수 있고 경제적인 면에서도 유리한 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각된다.
4에 나타내었다. 측정 결과 초급속 가열재에서는 약 500㎛ 정도의 깊이에 걸쳐 최고 경도 700Hv 정도의 경화조직이 얻어진다는 것을 알 수 있다. 이것은 표면으토부터 깊이 약 500㎛까지의 펄 라이트부가 초급속 열처리에 의해 마르텐 사이트로 변화된 것으로 보여진다.
8은 초급 속 가열 처리재의 피로파면으로, 표면으로부터 일정 깊이까지 경화층이 존재하고 있다. 파면상에 나타난 흑연입 자 수를 조사한 결과, 경화충에는 모재부에 비하여 그 수가 약 60%나 적은 것으로 조사되었다. 이 사실은 경화층 또는 경화 충 직하에서 발생한 크랙이 흑연을 둘러싸고 있는 환형 마르텐 사이트 를 돌파하지 못하고 우회하여 전파했기 때문이라고 판단된다.

참고문헌 (12)

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김민건, 김진학, 1999, '오스템퍼링처리한 구상흑연주철의 피로한도에 미치는 기지조직인자와 역학인자의 영향,' 大韓機械學會論文集, A권 제23권 제2호, pp. 287-293

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