[논문]고주파 담금질에 의한 SCM440강의 기계적 특성에 관한 연구

안석환; 남기우; 김태일; 이문용; 김동규

고주파 담금질에 의한 SCM440강의 기계적 특성에 관한 연구
A Study on the Mechanical Properties by High-Frequency Induction Hardening of SCM440 Steel 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.23 no.2 = no.87, 2009년, pp.74 - 80

안석환 (부경대학교 기계공학부) , 남기우 (부경대학교 신소재공학부) , 김태일 ((주)성우하이텍) , 이문용 ((주)성우하이텍) , 김동규 ((주)성우하이텍)

Abstract ▼ AI-Helper

Surface hardening treatments, such as using the high-frequency induction hardening method, are widely used to increase the fatigue life and prevent the failure of materials by locally increasing the surface hardness. This method, in particular, brings an improvement in static strength by compressive residual surface stress due to the hardening. In this study, the mechanical properties of high-frequency induction hardened SCM440 steel were investigated. These results were also compared with those for base metal and a Q/T (tempering after quenching) treatment specimen. The test results showed that partially high-frequency induction hardened SCM440 steel specimens were more improved in static strength, surface hardness, fatigue limit, and anti-wear than the base metal and Q/T treatment specimens. In particular, the fatigue limit of the high-frequency induction hardened SCM440 steel increased by more than about 52% compared to that of base metal and by about 25% compared to that of the Q/T specimen.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

마모시험은 Ball on disc형 미끄럼마찰마모시험기(PD100)를 이용하였다. SCM440 모재(BM), Q/T 열처리재(QT), 고주파담금질재(HF)의 마모시험에 의한 마멸량을 비교하였다. 시험편은 각각의 열처리된 인장시험편으로부터 지름 12.
SCM440강에 표면경도를 향상시키기 위한 표면경화 열처리로서 고주파 담금질을 실시하였다. 먼저 SCM440강의 시편을 전처리(Q/T열처리)로서 870℃에서 150분간 유지 후 유냉(Oil quenching)한 다음 530℃에서 140분간 Tempering처리 후 공냉을 실시하여 미세조직을 균일화하였다.
SCM440강의 모재 및 각종 열처리에 의한 시험편에 대해서 표면경도를 측정하였다. Fig.
경도시험은 모재 및 표면경화 열처리를 행한 각 시험편으로부터 두께 약 10mm로 절취하여 실시하였다. 이때 경도시험에는 경화층 깊이에 따른 경도변화를 측정하기 위하여 비커스경도기(HM-124, Akashi Co.
그런 까닭으로, 본 연구에서는 Cr-Mo강인 SCM440강을 이용해 고주파 담금질(하사키 고가, 2004)에 의한 표면경화처리를 행하고 표면경도를 목적하는 SKD11강에 준하는 경도치로 조정한 다음 그 기계적 특성을 조사하였다.
1mg의 분해능을 사용하여 마모 전과 마모 후의 중량을 비교하여 측정하고 그 평균값을 산출하여 데이터로 이용하였다. 그리고 모재 및 표면경화 열처리된 시험편들의 조직과 인장시험 및 피로시험 후 각각의 파단면을 관찰하였다.
또한 ASTM E8규격에 준하여 피로시험편을 제작하고 피로수명시험을 행하여 S-N curve를 구하였다. 피로수명시험에는 오노식 회전굽힘피로시험기(KDMT-240, 경도KDP, 한국)를 이용하였다.
, Japan)를 사용하였다. 또한 로크웰경도시험기(ARK-600, Akashi Co., Japan)의 C스케일을 사용하여 시험편의 표면경도를 각 10회씩 측정하여 그 평균값을 산출하였다.
마찰마모시험의 총 미끄럼길이는 3000m로 하였으며, 회전속도는 100rpm, 부하하중은 10N으로 실온 대기 중에서 무윤활의 상태로 실시하였다. 마멸량은 마모트랙의 일정 거리(500m)마다 4회씩 0.1mg의 분해능을 사용하여 마모 전과 마모 후의 중량을 비교하여 측정하고 그 평균값을 산출하여 데이터로 이용하였다. 그리고 모재 및 표면경화 열처리된 시험편들의 조직과 인장시험 및 피로시험 후 각각의 파단면을 관찰하였다.
마모시험은 Ball on disc형 미끄럼마찰마모시험기(PD100)를 이용하였다. SCM440 모재(BM), Q/T 열처리재(QT), 고주파담금질재(HF)의 마모시험에 의한 마멸량을 비교하였다.
SCM440강에 표면경도를 향상시키기 위한 표면경화 열처리로서 고주파 담금질을 실시하였다. 먼저 SCM440강의 시편을 전처리(Q/T열처리)로서 870℃에서 150분간 유지 후 유냉(Oil quenching)한 다음 530℃에서 140분간 Tempering처리 후 공냉을 실시하여 미세조직을 균일화하였다. 이 시편을 Coil형 고주파 가열장치에 의해 적용주파수 300kHz, 순간 가열온도 850℃, 가열시간 1.
모재, Q/T열처리 및 표면경화처리로서 고주파담금질 처리한 피로시험편을 각각 이용하여 S-N curve를 조사하였다. 고주파담금질된 피로시험편의 경우 650~800µm의 부분경화층을 나타내었다.
모재, Q/T재 및 표면열처리재에 대하여 조직관찰용 시험편을 만들어 경면연마 후 조직관찰을 실시하였다. 조직관찰용 시험편의 표면은 Sand paper #100~#2000으로 정밀연마한 후 입도 0.
먼저 SCM440강의 시편을 전처리(Q/T열처리)로서 870℃에서 150분간 유지 후 유냉(Oil quenching)한 다음 530℃에서 140분간 Tempering처리 후 공냉을 실시하여 미세조직을 균일화하였다. 이 시편을 Coil형 고주파 가열장치에 의해 적용주파수 300kHz, 순간 가열온도 850℃, 가열시간 1.5~2초, 냉각매체로서 U-con(15%)+water(85%)의 혼합용액을 사용하여 고주파 담금질을 실시하여 목적하는 표면경도를 맞추었다.
3은 고주파담금질에 의한 경도의 변화를 표면으로부터 중심방향으로 경화깊이에 따라 나타내었다. 이때 경도값은 비커스경도를 적용하였다. 2개의 시험편을 이용하여 측정한 값들로서 대략 1.
이상과 같은 열처리방법으로 제작된 시편을 이용하여 인장시험, 경도시험, 피로시험 및 마모시험을 수행하여 기계적 특성치를 조사하였다.
인장시험에는 ASTM E8(Annual book of ASTM standards, 1997)규격에 의해 제작된 인장시험편을 사용하였다. 인장시험은 용량 980kN의 만능재료시험기(UH-F100A; Shimadzu Co., Japan)에 의해 크로스헤드(Cross hesd) 변위속도 1mm/min으로 하여 실온 대기 중에서 실시하였다.
그림 속의 BM은 모재, QT는 Q/T 열처리재, HF는 고주파담금질재를 각각 나타낸다. 특히, 고주파담금질재는 최표면 바로 아래 부분(HF-outer)과 표면으로부터 내부 방향으로 약 1mm 정도 떨어진 부분(HF-inner)의 2곳을 시험하고 측정하였다.
또한 ASTM E8규격에 준하여 피로시험편을 제작하고 피로수명시험을 행하여 S-N curve를 구하였다. 피로수명시험에는 오노식 회전굽힘피로시험기(KDMT-240, 경도KDP, 한국)를 이용하였다. 회전속도는 600~750rpm으로 하였으며, 실온 대기 중에서 실시하였다.

대상 데이터

Table 1에는 본 연구에 사용된 SCM440(JIS G 4105)강의 화학 성분을 나타내며, Table 2에는 SCM440강의 모재의 일반적인 기계적 특성을 나타낸다.
3µm의 Al₂O₃ 분말을 이용하여 경면연마를 실시하였다. 마찰마모시험의 총 미끄럼길이는 3000m로 하였으며, 회전속도는 100rpm, 부하하중은 10N으로 실온 대기 중에서 무윤활의 상태로 실시하였다. 마멸량은 마모트랙의 일정 거리(500m)마다 4회씩 0.
5mm, 높이 10mm의 디스크형상의 시험편을 절취하였다. 사용된 볼은 경도가 1000Hv 이상인 ZrO₂ 세라믹볼을 사용하였다. 시험전 시험편의 표면은 Sand paper #100~#2000으로 정밀연마한 후 입도 0.
시험전 시험편의 표면은 Sand paper #100~#2000으로 정밀연마한 후 입도 0.3µm의 Al2O3 분말을 이용하여 경면연마를 실시하였다.
SCM440 모재(BM), Q/T 열처리재(QT), 고주파담금질재(HF)의 마모시험에 의한 마멸량을 비교하였다. 시험편은 각각의 열처리된 인장시험편으로부터 지름 12.5mm, 높이 10mm의 디스크형상의 시험편을 절취하였다. 사용된 볼은 경도가 1000Hv 이상인 ZrO₂ 세라믹볼을 사용하였다.
인장시험에는 ASTM E8(Annual book of ASTM standards, 1997)규격에 의해 제작된 인장시험편을 사용하였다. 인장시험은 용량 980kN의 만능재료시험기(UH-F100A; Shimadzu Co.
조직관찰용 시험편의 표면은 Sand paper #100~#2000으로 정밀연마한 후 입도 0.3µm의 Al2O3 분말을 이용하여 경면연마한 후 초음파세척을 행하였다.

성능/효과

(1) 고주파담금질에 의해 표면경화시킨 경우 표면경도를 평균적으로 58~61HRC 정도 향상시킬 수 있었다.
(2) 고주파담금질재의 경우에는 유효한 한계 경화층 깊이가 존재하는 것으로 판단되며 열처리 세부조건에 따라 그 경화층 깊이는 달라질 수 있는 것으로 나타났다.
(3) 고주파담금질에 의해 표면경화처리한 경우 모재에 비해 약 38%, Q/T열처리에 비해 약 19% 정도 최대인장강도가 향상되었다. 반면, 연신율은 약 70% 정도 감소를 나타내었다.
(4) 표면경화한 SCM440강의 피로시험을 행한 결과, 고주파담금질재는 모재에 비해 약 52.1%, Q/T열처리재에 비해 24.7%의 피로한도 향상이 이루어졌다.
(5) 표면경화한 SCM440강의 마모시험을 행항 결과, 고주파담금질재는 모재 및 Q/T열처리재에 비해 표면경도의 향상으로 인해 마멸량의 변화가 적어 내마모성을 나타내고 있다고 사료된다.
결과로부터 모든 시험편에 있어서 미끄럼길이가 증가함에 따라 마멸량도 증가하고 있음을 알 수 있다. Q/T열처리재(QT)가 가장 큰 마멸량을 나타내었고, 고주파담금질재의 표면부 근처(HF-outer)가 가장 적은 마멸량의 변화를 나타내었다. Q/T 및 BM에서는 처음 마멸량이 크게 나타났다가 점차 완만한 양상을 보였다.
13(a)~(c)는 마모에 의한 마모파면의 SEM 사진을 나타낸 것이다. 결과로부터 모든 시험편에 있어서 미끄럼길이가 증가함에 따라 마멸량도 증가하고 있음을 알 수 있다. Q/T열처리재(QT)가 가장 큰 마멸량을 나타내었고, 고주파담금질재의 표면부 근처(HF-outer)가 가장 적은 마멸량의 변화를 나타내었다.
표면경화처리를 한 고주파담금질된 시험편에서 가장 높게 나타났다. 고주파담금질재는 모재에 비해 약 52.1%, Q/T열처리재에 비해 24.7%의 피로한도 향상이 이루어졌다. 이는 경화에 의한 표면개질의 영향으로 표면부에 생성된 압축의 잔류응력으로 인해 수명향상을 가져온 것으로 판단된다.
6MPa)의 최대인장강도를 나타내었다. 또한, HF-D4 및 HF-D5는 부분경화된 약 61HRC 정도의 경도를 가지는 경우로서 약 1% 정도의 연신율을 나타내며, 124kg_f/mm²(=1115.2MPa)~126kg_f/mm²(=1234.8MPa) 정도의 최대인장강도를 나타내었다.
또한, 모재, Q/T재 및 고주파담금질재의 표면의 경도를 여러 개의 시편을 통해 조사한 결과 모재는 223~257Hv, Q/T재는 294~326Hv, 고주파담금질재는 680~685Hv 정도를 각각 나타내었다. 고주파담금질에 의해 표면의 경도가 가장 높게 나타나고 있음을 알 수 있다.

후속연구

또한 소재 단가가 비싸며 기계가공비도 높다. 따라서 이들 냉간금형용강에 준할 수 있는 표면경도를 가지며 소재 가격이 저렴하여 경제적인 가공이 가능하다면 제품의 원가 절감에도 유익할 것이다.
이상과 같은 이유로 표면경화한 경우의 마모특성은 마멸량의 변화를 비교하여 볼 경우 상당히 수명적으로 향상될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Cr-Mo강은 무엇인가?	Cr-Mo강은 약 1%의 Cr외에 0.25% 정도의 Mo가 첨가된 것으로, Cr강 보다도 담금질성이 향상됨과 동시에 뜨임저항이 크다. 게다가 뜨임취성이 적은 강인강으로 잘 알려져 있다.
	일반적으로 Water quenching을 하면 어떻게 되나?	한편, 일반적으로 Water quenching을 하면 형상이 변형되기 때문에 게이지(Gauge) 혹은 다이스(Dies)를 제작하기 위해서는 가능한 한 Oil로 담금질이 가능한 담금질성이 좋은 강이 바람직하다. 따라서 이를 위해서는 담금질성을 좋게 하는 Mn과 Cr을 첨가할 필요가 있다.
	Cr-Mo강은 어디에서 많이 사용되는가?	게다가 뜨임취성이 적은 강인강으로 잘 알려져 있다. 또한 이 강은 고온강도와 용접성이 모두 양호할 뿐만 아니라, 400~500℃에서의 크리프저항도 크기 때문에 강력 볼트, 크랭크 축, 고온고압용 파이프 소재로서 광범위하게 사용되고 있다(일본금속학회, 1985; 일본열처리기술협회, 1997; 한봉희, 1997).

참고문헌 (15)

김정근, 김기영, 박해웅 (1999). 금속현미경조직학, 도서출판 골드
김성완 (2002). "금형열처리의 기술 전망", 열처리공학회지, 제15권, 제4호, pp 200-205

상세보기
대한금속학회 (1999). 금속조직학, 희중당
대화구 중웅 (1997). JIS 철강재료입문, 대하출판, pp 76-80
소지택양일 (1983). 플랙토그래피와 그 응용, 일간공업신문사
송삼홍, 최병호 (1998). "고주파 표면경화된 Cr-Mo(SCM440)강재의 피로특성에 대한 실험적 연구", 대한기계학회 1998년도 춘계학술대회논문집A, pp 219-224
송태훈, 전현배, 박원조 (2007). "고주파 열처리에 의한 SM53C 강의 마모특성에 관한 연구", 한국해양공학회 2007년도 추계학술대회 논문집, pp 282-286
오세욱, 허정원, 김영범, 박원조 (1991). "고주파 표면경화한 SM45C 강에서 유효경화층 깊이가 피로거동에 미치는 영향", 한국해양공학회지, 제5권, 제1호, pp 71-80
일본금속학회 (1985). 강좌 $\cdotp$ 현대의 금속학 재료편 4 - 철강재료, pp 103-109
일본열처리기술협회 (1997). 열처리입문, 대하출판
하사키 고가 (2004). "고주파 열처리기술의 최신 화제", 열처리 공학회지, 제17권, 제2호, pp 106-116

원문보기 상세보기
한봉희 (1997). 금속재료, 반도출판사
Annual Book of ASTM Standards (1997)
Doeling, N.E. (1999). Mechanical Behavior of Materials, 2nd Edition, Prentice Hall Int, Inc
JIS G 4105 (1997)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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