[논문]고주파 표면경화퇸 SM53C강의 파괴인성 특성

박원조; 전현배; 허정원; 김진범

문제 정의

또한, 표면경화 조건에 따른 기계적 성질과 파괴인성을 비교분석함으로써 캠샤프트의 안전성 확보를 위한 기술자료를 죽적하고자 하는데 목적이 있다.
본 연구에서는 상용자동차용 캠샤프트 재료인 SM53C에 대한 경화층 깊이에 따른 표면 경화 특성을 비교 평가하기 위하여 경화조직, 경도, 인장강도 특성 및 파괴인성특성에 대해 검토하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 승용자동차용 캠샤프트 재료로 사용되는 SM53C를 고주파표면 열처리를 행하여 미세조직과 경도의 변화 및 표면 경화특성을 비교 평가하였다. 또한, 표면경화 조건에 따른 기계적 성질과 파괴인성을 비교분석함으로써 캠샤프트의 안전성 확보를 위한 기술자료를 죽적하고자 하는데 목적이 있다.

제안 방법

검증하고 싶은 유효경화층 깊이보다 얕은 부위01) 와 깊은 부위02)의 수직단면 위에 경도를 측정하였으며, 이때 dz-die 0.3mn가 초과되지 않게 하였다. 이와 같은 결과에서 유효경화층깊이를 구하였으며, 목표로 하였던 E.
경도측정은 마이크로비커스 경도계(Wutoyo MVK-G1)를 이용하여 하중 500gf, 하중유지시간 10sec의조건에서 각 열처리 부분과 모재 부분의 표면으로부터 깊이 방향으로 0.1mm 간격으로 경도를 측정하였다. 또한, 부식 액(HNOj 5% + ethanol 95%)을 사용하여 에칭을 하였으며, 열처리부와 비열처리부를채취하여 광학현미경으로 미세조직 및 경화층을 관찰하였다.
고주파 열처리는 주파수(Hz), 사용전력(kW ), 코일이송속도 등의 변수가 작용하는데 본 실험에서는 주파수, 사용전력을 동일하게 하고 코일 이송도를 속조절함으로써 소재의 경화층 깊이를 다르게 하였다. 준비한 시험편은 3종류이며, 각각에 대한 고주파 열처리 조건은 Table 2와 같다
1mm 간격으로 경도를 측정하였다. 또한, 부식 액(HNOj 5% + ethanol 95%)을 사용하여 에칭을 하였으며, 열처리부와 비열처리부를채취하여 광학현미경으로 미세조직 및 경화층을 관찰하였다.
미세조직 및 경도측정을 위하여 고주파 열처리를 실시한 시험편에 샌드페이퍼를 사용하여 #400 ~ #1500까지 연마한 후 0.3nm의 AI2O₃ 분말을 이용하여 마무리 작업을 하였다.
5mm/min의 조건으로 수행하였다. 인장시험 편의 고주파 경화 깊이는 기존 캠샤프트의 크기와 유효경화층 깊이(Cam nose: 4mm, Base: 2mm) 와 시험편 크기를 고려하여 유효경화층 깊이를 1.10 mm, 0.55mm 및 0.35mm로 고주파표면 열처리를 하였으며, 인공결함이 표면경화층 내에 있을 때와 경계부 및 경계부 근처에 있는 경우를 고려하여 수행한 것이다.

대상 데이터

본 연구에서는 사용한 소재는 상용 자동차용 캠샤프트 재료인 SM53C이며, Table 1은 이 재료의 화학적 조성을 나타낸 것이다.
시험편은 환봉에서 C-R 방향으로 채취하였으며, Table 2에서 표시한 조건으로 시험편의 전후방 양면에 경화층 깊이 1mm 2mm 표면경화한 시험편을 준비하였다.
3mn가 초과되지 않게 하였다. 이와 같은 결과에서 유효경화층깊이를 구하였으며, 목표로 하였던 E.C.D.가 1.10mm, 0.55mm 및 0.35mm 인 3종류의 시험편을 준비하였다.
캠샤프트는 SM53C강을 소재로 사용하여 가공 . 제작되고 있으며 부품의 특성상 고속회전에 의한 마모와 피로하중을 받기 때문에 부품의 안전성을 확보하기 위해서는 고주파표면 열처리 조건에 따른 재료의 파괴인성에 대한 다양한 연구가 필요하다.
파괴 인성시험은 MIS(10to旳를 사용하여 상온에서 수행하였으며, 시험편은 ASTM E399의 규정勺에따라 1/2CT 시험편을 제작하였다. 프리크랙은 주파수 15Hz, 정현파로 하였으며, 노치선단에서 2.
파괴인성시험은 모재와 경화층 깊이(Haidaiin职 D邙ith) 1mm, 2mm 시험편을 대상으로 각각 실행하였다.

이론/모형

인장시험은 ASTM E8규정에 따라 수행하였으며 MTS(Model 810, lOtoni)를 사용하여 상온에서 크로스헤드 속도 0.5mm/min의 조건으로 수행하였다. 인장시험 편의 고주파 경화 깊이는 기존 캠샤프트의 크기와 유효경화층 깊이(Cam nose: 4mm, Base: 2mm) 와 시험편 크기를 고려하여 유효경화층 깊이를 1.

성능/효과

(B)조직은 내부로 갈수록 기저조직이 완전히 오스테나이트로 변태할 수 있는 온도와 시간이 불충분하여 오스테나이트화 과정에서 탄화물의 고용량이 감소하며, 또한 초석페라이트(White)가 많이 분포되어 있으며 거의 분해되지 않고 그대로 존재하고 있음을 관찰할 수 있었다.
1) 고주파 열처리부의 경도값은 평균 717Hv 정도의 경도값을 보이다가 각각의 고주파 열처리부와 기저부의 경계로 해서 급격하게 감소하는 것을 알 수 있었다. 따라서 고주파 유도경화 처리된 SM 53C의 표면경도는 각각 평균 717Hv으로서 표면경도 680Hv 이상이어야 된다는 캠샤프트의 제작사양의 요구조건에 만족하고 있음을 알 수 있다.
2) 경화층의 표면부에서는 급속냉각에 의해서 전면에 걸쳐서 균일하고 미세한 마르텐사이트 조직으로 구성되어 있는 것을 볼 수 있으며, 약간의 잔류 오스테나이트도 잔존하고 있다.
3) 고주파 열처리한 시험편의 경우 경화층 두께가 깊어짐에 따라 인장강도와 항복강도가 모재보다 향상됨을 알 수 있다.
4) 고주파 열처리로 1mm 및 2mm 표면경화된 재료는 표면부가 고강도화 되기 때문에 유효경화층 깊이(ECD)가 깊은 경우가 Kic값이 높게 나타났다.
경화층 깊이에 따른 표면경도는 경화층(1.10, 0.55, 0.35mm)에 관계없이 3종류 모두가 약 717HV이었고, 비경화층인 중심부 경도는 약 240HV으로 소재와 동일한 값을 보이고 열 영향을 받지 않음을 알수가 있었다. 또한, 고주파 유도경화 처리된 SM53C 의 표면경도는 각각 평균 717HV으로써 표면경도 680HV 이상이어야 된다는 캠샤프트의 제작사양의요구조건에 만족함을 확인하였다.
내부로 갈수록 기저조직이 완전히 오스테나이트로 변태할 수 있는 온도와 시간이 불충분하여 오스테나이트화 과정에서 탄화물의 고용량이 감소하며, 또한 초석페라이트가 거의 분해되지 않고 그대로 존재하고 있음을 관찰할 수 있었다.
수 있었다. 따라서 고주파 유도경화 처리된 SM 53C의 표면경도는 각각 평균 717Hv으로서 표면경도 680Hv 이상이어야 된다는 캠샤프트의 제작사양의 요구조건에 만족하고 있음을 알 수 있다.
35mm)에 관계없이 3종류 모두가 약 717HV이었고, 비경화층인 중심부 경도는 약 240HV으로 소재와 동일한 값을 보이고 열 영향을 받지 않음을 알수가 있었다. 또한, 고주파 유도경화 처리된 SM53C 의 표면경도는 각각 평균 717HV으로써 표면경도 680HV 이상이어야 된다는 캠샤프트의 제작사양의요구조건에 만족함을 확인하였다. Fig.
5는 고주파 열처리 조건에 따른 인장시험 결과를 나타내고 있다. 모재와 비교해 볼 때 고주파 열처리한 A타입, B타입 및 C타입은 인장강도가 873 MPa, 833MPa, 831MPa로 각각 나타내고 있으며, A 타입의 경우 인장강도는 873MPa, 항복강도는 731MPa 로 가장 높은 인장 . 항복강도를 나타내고 있다.
모재와 B타입, C타입을 비교해 볼 때, 인장강도는 크게 차이가 없는 반면, 항복강도에서 다소 차이가 있음을 알 수 있다. 전체적으로 고주파 열처리한 시험편의 경우 경화층 두께가 깊어짐에 따라 인장강도와 항복강도가 모재보다 증가됨을 알 수 있다.
6은 고주파 열처리를 한 강의 취성을 줄이고, 인성을 부여하기 위하여 템퍼링(500℃, 690℃) 을 수행한 후 인장시험 결과를 나타내고 있다. 템퍼링 후의 인장시험결과 전체적으로 연신율이 증가하였으나 인장강도는 다소 감소하고 있다는 것을 알 수 있다.

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