초음파 나노표면 개질처리를 통한 베어링강의 회전접촉피로 및 잔류응력 특성에 대한 연구 Rolling Contact Fatigue and Residual Stress Properties of SAE52100 Steel by Ultrasonic Nano-Crystalline Surface Modification (UNSM)원문보기
To investigate the effect of ultrasonic nano-crystalline surface modification (UNSM) treatment on rolling contact fatigue and residual stress properties of bearing steels, this paper carried out a rolling contact fatigue test, measured residual stress and retained austenite, performed a wear test, o...
To investigate the effect of ultrasonic nano-crystalline surface modification (UNSM) treatment on rolling contact fatigue and residual stress properties of bearing steels, this paper carried out a rolling contact fatigue test, measured residual stress and retained austenite, performed a wear test, observed microstructure, measured micro hardness, and analyzed surface topology. After the UNSM treatment, it was found that the surface became minute by over $100{\mu}m$. The micro surface hardness was changed from Hv730~740 of base material to Hv850~880 with about 20% improvement, and hardening depth was about 1.3 mm. The compressive residual stress was measured as high as -700~-900 MPa, and the quantity of retained austenite was reduced to 27% from 34%. The polymet RCF-6 ball type rolling contact fatigue test showed over 4 times longer fatigue lifetime after the UNSM treatment under 551 kgf load and 8,000 rpm. In addition, this paper observed the samples, which went through the rolling contact fatigue test, with OM and SEM, and it was found that the samples had a spalling phenomenon (the race way is decentralized) after the UNSM treatment. However, before the treatment, the samples had excessive spalling and complete exploration. Comparison of the test samples before and after the UNSM treatment showed a big difference in the fatigue lifetime, which seems to result from the complicated effects of micro particles, compressive residual stress, retained austenite, and surface topology.
To investigate the effect of ultrasonic nano-crystalline surface modification (UNSM) treatment on rolling contact fatigue and residual stress properties of bearing steels, this paper carried out a rolling contact fatigue test, measured residual stress and retained austenite, performed a wear test, observed microstructure, measured micro hardness, and analyzed surface topology. After the UNSM treatment, it was found that the surface became minute by over $100{\mu}m$. The micro surface hardness was changed from Hv730~740 of base material to Hv850~880 with about 20% improvement, and hardening depth was about 1.3 mm. The compressive residual stress was measured as high as -700~-900 MPa, and the quantity of retained austenite was reduced to 27% from 34%. The polymet RCF-6 ball type rolling contact fatigue test showed over 4 times longer fatigue lifetime after the UNSM treatment under 551 kgf load and 8,000 rpm. In addition, this paper observed the samples, which went through the rolling contact fatigue test, with OM and SEM, and it was found that the samples had a spalling phenomenon (the race way is decentralized) after the UNSM treatment. However, before the treatment, the samples had excessive spalling and complete exploration. Comparison of the test samples before and after the UNSM treatment showed a big difference in the fatigue lifetime, which seems to result from the complicated effects of micro particles, compressive residual stress, retained austenite, and surface topology.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구에서는 최근 국내에서 개발되어 활용되고 있는 초음파 나노표면 개질기술을 베어링 내륜 및 외륜 궤도 표면에 적용하기 위한 상용화 응용기술개발로 JIS-SUJ2 베어링강의 회전접촉 피로특성과 압축잔류응력의 분포를 밝히고자 시도하였다[4].
제안 방법
이는 초기 직진도의 정밀 치수에 따라 시험결과에 큰 영향을 주기 때문이다. 또한 열처리 변형을 고려하여 가공 후 정밀연삭으로 최종 제작하였다. 이 시편을 Fig.
마모시험은 pin-on-disk type의 마모시험기(TRIBOMETER)를 이용하여 수행하였으며, 시험방법은 초음파 나노표면 개질처리로 유기되는 표면의 micro dimple 효과와 hydrodynamic lubrication과의 연관성을 평가하기 위하여 초음파 나노표면 개질처리 전 시험편을 정밀 lapping한 후 윤활 분위기에서 비교 수행하였다. 마모시험 조건은 5.
시편은 JIS-SUJ2(SAE52100 equivalent) 베어링강으로서 화학조성은 Table 2에 나타내었고, 열처리 조건은 Table 3에 나타낸 것과 같이 850℃에서 2시간 30분 동안 어닐링 처리한 후 유냉하여 시편의 균열 및 변형 여부를 조사한 다음, 180℃에서 2시간동안 템퍼링 처리하였다.
또한 열처리 변형을 고려하여 가공 후 정밀연삭으로 최종 제작하였다. 이 시편을 Fig. 4에 도식적으로 나타낸 Polymet RCF6Ball Type 시험기에 설치하고 시편과 베어링 볼사이에 회전속도 1,000 rpm, 하중 551 kgf를 가하면서 탄성유체 윤활조건으로 회전접촉 피로시험을 실시하였다. 시편 위, 아래쪽의 베어링 볼에 의해 하중이 가해지며 시편을 지지해 주는 판과 연결된 모터에 의해 시편이 회전하면서 시편에 접촉한 베어링 볼도 회전한다.
기존 연구결과에 의하면 진폭이 작을 경우 표면거칠기에는 좋으나 표면경화에는 약하다. 이에 베어링의 고특성화에 맞게 표면경화 및 dimple structure를 위주로 최대 70%에 가깝게 시험조건을 설정하였으며, 아래 Table 1에 가공 parameter를 나타내었다. 또한 공구팁 ball은 tungsten carbide(WC)로 경도값이 Hv = 1600이며, ball size는 2.
잔류 austenite는 X-ray 회절방법을 다른 깊이의 궤도에서 측정함으로써 결정하였다. 잔류 austenite는 회절 폭이 크기 때문에 Cr Kα 방사선을 사용할 수 없어 Cu Kα 방사선을 사용하였으며, Cu Kα방사선의 관통거리는 τ = 1.
이는 ball의 크기가 작을수록 응력집중을 통한 경화현상을 더욱 극대화할 수 있기 때문이다[5, 6]. 장비의 이송속도와 경로간격은 처리시간 및 타격횟수에 중요한 인자로서 가공효율 및 정밀도를 고려하여 결정하였다.
회전접촉 피로저항이 우수한 저비용 고성능 베어링을 개발하기 위해 초음파 나노표면 개질처리된 SUJ2(SAE52100)강의 미세조직 및 피로특성과 잔류 응력을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다(Fig. 14).
대상 데이터
277의 측정 표준 편차를 사용하였다. 깊이별 잔류응력의 측정을 위해 전해 연마기(Movipol-3, STRUERS, Sweden)를 사용하였고, 전해 에칭액으로는 2-Butoxyethanol 10% + Ethanol 75% + Water 15%의 Electrolyte 200 ml와 Perchloric acid 50% + Water 50%의 Electrolyte 200 ml을 1 : 1 비율로 혼합하여 사용하였으며, 아래 Table 5에 측정 parameter를 나타내었다[9-12].
마모시험은 pin-on-disk type의 마모시험기(TRIBOMETER)를 이용하여 수행하였으며, 시험방법은 초음파 나노표면 개질처리로 유기되는 표면의 micro dimple 효과와 hydrodynamic lubrication과의 연관성을 평가하기 위하여 초음파 나노표면 개질처리 전 시험편을 정밀 lapping한 후 윤활 분위기에서 비교 수행하였다. 마모시험 조건은 5.0 kgf 하중으로 상온에서 측정하였고, 마모 상대재인 pin은 SUJ2를 사용하였다. 시편준비는 30 × 30 mm 크기로 정밀시편절단기를 이용하여 준비하였으며, Table 7에마모시험 조건을 나타내었다.
잔류 austenite는 X-ray 회절방법을 다른 깊이의 궤도에서 측정함으로써 결정하였다. 잔류 austenite는 회절 폭이 크기 때문에 Cr Kα 방사선을 사용할 수 없어 Cu Kα 방사선을 사용하였으며, Cu Kα방사선의 관통거리는 τ = 1.5 µm이다. 이러한 분석을 위해 (200) 잔류 austenite peak는 2θ = 60°와 martensite doublet (211)(112)의 2θ = 67.
2와 같이 공작기계(선반, 머시닝센터)에 부착하여 환형물, 평면형상 및 자유곡면 형상물을 가공할 수 있다. 최적의 가공 parameter 설정은 기존 연구[5, 6]와 발진기가 안정화된 상태에서 실험조건을 선정하였다. 발진기는 20 kHz로써 측정진폭은 70 µm로 선정한다.
회전접촉 피로시험용 시험편은 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 기계가공과 정밀 연삭가공에 의해 외경 60 mm, 두께 5 mm로 직진도를 중심으로 제작하였다. 이는 초기 직진도의 정밀 치수에 따라 시험결과에 큰 영향을 주기 때문이다.
이론/모형
09° 범위정도 오차가 생긴 것으로 추정된다. 평면응력(2축성)상태는 각각 시험된 깊이로 추측되고, 응력이 없는 격자 간격 d0는 Hauk-Döle의 방법을 이용하여 산출하였으며, 응력 변형 분석은 고전적인 Hauk의 알고리즘법을 사용하여 수행하였다. 응력 변환은 Young's modulus, E = 201 GPa, Poisson's ratio υ = 0.
성능/효과
1. 초음파 나노표면 개질처리 후 100 µm 이상 결정립이 미세화된 조직으로, 미세표면경도는 기지경도 Hv = 730~740에서 Hv = 850~880로 약 130 정도 향상되었으며, 경화 깊이는 1.3 mm로 나타났다. 또한 인장잔류응력 영역에서 초음파 나노표면 개질처리에 의해 −700~−900 MPa의 높은 압축잔류응력과 31.
2. 표면거칠기는 lapping처리한 Ra = 0.06 µm과 초음파 나노표면 개질처리한 Ra = 0.24 µm 값으로 윤활상태에서 마모시험 결과, 초음파 나노표면 개질처리된 시험편이 Lamda값이 3배 이상 낮은 상태임에도 불구하고 마찰계수값은 0.090에서 0.094로 비슷하게 나왔으나 마찰 변위폭은 오히려 현저히 작게 나타났다. 이와 같은 마찰계수 및 변위폭의 차이는 결정립 미세화 강화와 더불어 표면조직의 micro dimple화 구조의 효과라고 사료된다.
3. 회전접촉 피로시험은 동일한 조건에서 비교 수행한 결과, Polymet RCF-6ball type으로 6.38 × 106에서 25.69 × 106로 높은 피로수명 향상을 나타내었으며, 초음파 나노표면 개질처리 후 시편의 박리가처리 전보다 2배나 크지만 내부를 관찰한 결과 미세 크랙들이 전반적으로 분포되어 있음을 확인하였다.이는 spall이 생기기까지의 응력 분산의 효과로 피로수명의 결정적인 인자로서 결정립의 미세화와 압축잔류응력, 잔류오스테나이트, surface topology 등의 복합적인 효과에 의한 결과라고 사료된다.
3 mm로 나타났다. 또한 인장잔류응력 영역에서 초음파 나노표면 개질처리에 의해 −700~−900 MPa의 높은 압축잔류응력과 31.94%에서 23.52%로 잔류오스테나이트량이 감소하였다. 이러한 현상은 표면층의 소성유기변태와 관련된 현상으로 설명되어진다.
7과 같이 나타났다. 미세표면경도 분포로부터 유효 경화층 깊이를 구한 결과 1.3 mm로, 표면경도는 기지경도 Hv = 730~740에서 200 µm 이내 깊이에서 Hv = 850~880으로 약 Hv = 130 정도 높은 표면경도 값을 보였다. 이는 초음파 나노표면 개질처리에 의하여 내부 결정립 미세화 강화효과로 확인된다.
시편에 가해지는 반복 하중의 변화에 따른 회전접촉 피로수명을 진공 소입처리한 시편과 진공 소입처리 후 초음파 나노표면 개질처리한 시편의 회전접촉 피로시험을 551 kgf의 load와 1,000 rpm의 동일한 시험조건에서 실험을 수행한 결과, Table 8과 같이 초음파 나노표면 개질처리 전은 6.38 × 106 cycles의 수명을 나타내었고, 개질처리 후의 시편은25.69 × 106 cycles로 약 4배 정도의 긴 수명을 나타내었다.
24 µm수준의 micro dimple 표면형상 조건에서 마모시험을 수행한 결과이다. 시험결과는 초음파 나노표면 개질처리된 시험편이 Lamda값이 3배 이상 낮은 상태임에도 불구하고 micro dimple 표면에서의 마찰계수가 lapping 처리된 표면의 경우와 유사할 뿐 아니라, 변화폭은 오히려 작아 진동유발저지 효과까지 기대할 수 있다. 이러한 효과는 결정립 미세화 강화와 함께 표면층의 micro dimples 구조가 응력집중 분산과 더불어 윤활효과의 주원인으로 hydrodynamic lubrication과 관련하여 충분한 유막형성을 통한 스트리백 선도(Stribeck curve)[13]에 있어 전체기구에서Fig.
이는 시험편 제작의 최종 가공조건인 연삭가공의 효과로 알 수 있으며, 초음파 나노표면 개질처리 후의 시편은 −700~−900 MPa의 높은 압축잔류응력으로 바뀌었으며, 압축잔류응력 깊이는 240 µm에서 −400~−500 MPa의 압축 잔류응력으로 기울기를 고려하면 대략 600 µm정도로 판단된다. 이와 같이 초음파 나노표면 개질처리 전후의 압축잔류응력의 차이가 −500~−700 MPa정도로 확인되었다.
8은 SUJ2(SAE52100 equivalent) 시편의 잔류응력측정 data이다. 초음파 나노표면 개질처리 전의 시편은 −90~−200 MPa의 압축잔류응력이 나타나다가 표면으로부터 20~40 µm부터는 인장잔류응력 영역으로 존재함을 알 수 있었다. 이는 시험편 제작의 최종 가공조건인 연삭가공의 효과로 알 수 있으며, 초음파 나노표면 개질처리 후의 시편은 −700~−900 MPa의 높은 압축잔류응력으로 바뀌었으며, 압축잔류응력 깊이는 240 µm에서 −400~−500 MPa의 압축 잔류응력으로 기울기를 고려하면 대략 600 µm정도로 판단된다.
12와 13은 동일 시험조건에서 회전접촉 피로시험 시 반복응력을 받았을 때 나타나는 미세조직의 변화와 박리(spalling)의 생성 및 성장거동을 분석한 결과로, 초음파 나노표면 개질처리 전 박리의 크기와 깊이는 각각 약 500~700 µm와 101 µm이고, load movement 방향에 직각으로 미세하고 큰 박리의 생성과 여러 겹의 sheared lip들이 큰 영역에서 관찰되었다. 초음파 나노표면 개질처리 후 박리의 크기와 깊이는 각각 약 700~800 µm와 258 µm로 나타났으며, 동일조건에서 회전접촉 피로수명은 초음파 나노표면 개질처리한 시험편이 훨씬 증가하였다. 게다가 박리의 크기 및 깊이 또한 큰 경향을 보였다.
5는 회전접촉 피로시험편 초기 grinding과 UNSM 처리 후의 표면사진 및 표면의 거칠기 변화를 보여주고 있다. 표면거칠기 측정 결과 초음파 나노표면 개질처리 전 값은 Ra = 0.1901 µm에서 초음파 나노표면 개질처리 후 Ra = 0.1089 µm 값으로 측정되었으며, surface topology 현상은 초기 grinding 시험편에서는 크고 작은 연삭흔적이 선명하게 나타나는 반면, 초음파 나노표면 개질처리 후 표면에서는 존재해 있던 연삭흔적이 없어지면서 일정한 texture가 형성됨을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과로 낮은 표면거칠기를 가지면서 미세 texture 구조로 형성되었을 경우 응력집중의 분산화와 oil pocket 효과를 통해 베어링강에 있어서 중요한 마찰과 윤활효과를 극대화할 수 있다고 판단된다.
후속연구
이와 같은 마찰계수 및 변위폭의 차이는 결정립 미세화 강화와 더불어 표면조직의 micro dimple화 구조의 효과라고 사료된다. 이에 hydrodynamic lubrication에 관한 연구가 추가로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
회전접촉 피로저항이 우수한 저비용 고성능 베어링을 개발하기 위해 초음파 나노표면 개질처리된 SUJ2(SAE52100)강의 미세조직 및 피로특성과 잔류 응력을 분석한 결과로 얻은 결론은?
1. 초음파 나노표면 개질처리 후 100 µm 이상 결정립이 미세화된 조직으로, 미세표면경도는 기지경도Hv = 730~740에서 Hv = 850~880로 약 130 정도 향상되었으며, 경화 깊이는 1.3 mm로 나타났다. 또한 인장잔류응력 영역에서 초음파 나노표면 개질처리에 의해 −700~−900 MPa의 높은 압축잔류응력과 31.94%에서 23.52%로 잔류오스테나이트량이 감소하였다. 이러한 현상은 표면층의 소성유기변태와 관련된 현상으로 설명되어진다.
2. 표면거칠기는 lapping처리한 Ra = 0.06 µm과 초음파 나노표면 개질처리한 Ra = 0.24 µm 값으로 윤활상태에서 마모시험 결과, 초음파 나노표면 개질처리된 시험편이 Lamda값이 3배 이상 낮은 상태임에도 불구하고 마찰계수값은 0.090에서 0.094로 비슷하게 나왔으나 마찰 변위폭은 오히려 현저히 작게 나타났다. 이와 같은 마찰계수 및 변위폭의 차이는 결정립 미세화 강화와 더불어 표면조직의 micro dimple화 구조의 효과라고 사료된다. 이에 hydrodynamic lubrication에 관한 연구가 추가로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
3. 회전접촉 피로시험은 동일한 조건에서 비교 수행한 결과, Polymet RCF-6ball type으로 6.38 × 106에서 25.69 × 106로 높은 피로수명 향상을 나타내었으며, 초음파 나노표면 개질처리 후 시편의 박리가처리 전보다 2배나 크지만 내부를 관찰한 결과 미세 크랙들이 전반적으로 분포되어 있음을 확인하였다.이는 spall이 생기기까지의 응력 분산의 효과로 피로수명의 결정적인 인자로서 결정립의 미세화와 압축잔류응력, 잔류오스테나이트, surface topology 등의 복합적인 효과에 의한 결과라고 사료된다.
베어링는 어떤 역할을 하는가?
철강산업에서부터, 자동차산업, 발전설비, 항공기 부품 등 동력전달계에서 회전운동을 위하여 거의 모든 분야에서 사용되는 베어링은 부품소재 산업에 없어서는 안 되는 매우 중요한 기계요소로서 그 역할을 하고 있다. 따라서 국내에서 생산되고 있는 각 분야의 베어링의 량과 그 시장은 매우 크다.
베어링의 수명은 어떻게 나타내는가?
베어링의 수명은 작동 중 회전접촉면인 궤도면에서 받는 반복응력으로 인하여 생기는 피로에 의해 궤도면에 박리(Flaking)가 발생할 때까지 베어링의 회전 수로 나타낸다. 베어링의 강성과 내구성 향상 지표인 Dynamic Load Rating/Static Load Rating의 향상을 위해 제조기술에서는 소재, 가공, 열처리, 표면처리 등 모든 기계기술이 집약되며, 가장 원천적인 소재기술과 표면처리기술이 점점 부각되고 있다.
참고문헌 (13)
O. Zwirlein and H. Schlicht : Rolling Contact Fatigue Testing of Bearings-ASTM STP, B. J. Hamrock and D. J. Dowson (Eds.), 771 (1982) 358
Q. Chan, E. Shao, D. Zhao, J. Guo and Z. Fan : Wear, 147 (1991) 285
E. N. Bamberger and J. C. Clark : ASTM STP, 771 (1982) 85
R. C. Dommarco, P. C. Bastias, G. T. Hahn and C. A. Rubin : Wear, 252 (2003) 430
Clayton O. Ruud : ASM Metals Handbook, Mechanical Testing and Evaluation, Klihn Dana and Medlin Dana (Eds.), vol. 8. Metals Park, American Society for Metals (2000) 886
Iris V. Rivero and Clayton O. Ruud : Lubr. Eng., 58(10) (2002) 35
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.