[논문]탄소강 담금질 공정의 온도 측정방법에 대한 고찰

김동규; 정경환; 강성훈; 임용택

doi:10.5228/kspp.2010.19.1.025

탄소강 담금질 공정의 온도 측정방법에 대한 고찰
A Study on Temperature Measurement for Quenching of Carbon Steel 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.19 no.1 = no.115, 2010년, pp.25 - 31

김동규 (한국과학기술원 기계공학과 대학원) , 정경환 (한국과학기술원 기계공학과 대학원) , 강성훈 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 임용택 (한국과학기술원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

To achieve desired microstructure and mechanical property of a manufacturing product, heat treatment process is applied as a secondary process after forging. Especially, quenching process is used for improving strength, hardness, and wear resistance since phase transformation occurs owing to rapid heat transfer from the surface of the specimen. In the present paper, a study on surface temperature measurement for water quenching of eutectoid steel was investigated. In order to determine the temperature history in experiments, three different measuring schemes were used by varying installation techniques of K-type thermocouples. Depending on the measured temperature distribution at the surface of the specimen, convective heat transfer coefficients were numerically determined as a function of temperature by the inverse finite element analysis considering the latent heat generation due to phase transformation. Based on the inversely determined convective heat transfer coefficient, temperature, phase, and hardness distributions in the specimen after water quenching were numerically predicted. By comparing the experimental and computational hardness distribution at three different locations in the specimen, the best temperature measuring scheme was determined. This work clearly demonstrates the effect of temperature measurement on the final mechanical property in terms of hardness distribution.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

단, 담금질 동안 시편의 표면에 직접적으로 접촉하는 냉매의 냉각 특성을 정확히 모사하기 위해 열전대를 세 가지 방법으로 시편의 표면에 설치하여 표면온도를 측정하였고, 이를 이용하여 역해석(inverse analysis) 기법으로 대류 열전달 계수를 온도의 함수로 구하였다. 세 가지의 다른 냉각 특성을 나타내는 대류 열전달 계수를 담금질 공정 해석에 적용하여 대류 열전달 계수가 온도해석, 상의 체적분율 및 경도 예측에 미치는 영향을 고찰하고자 한다.

가설 설정

상변태 예측을 위해 시편을 탄소함유량이 0.80 wt%인 무한히 긴 원통형으로 가정하고 해석을 하였다. 초기 시편은 860℃의 균일한 오스테나이트로 가정하였으며 시편 주변 매질의 온도는 23℃로 하였다.
첫 번째 방법으로 각 상의 경도[12~13]를 가정하고 예측된 상의 체적분율을 이용하여 선형혼합법칙으로 경도를 구하였다. 즉, 펄라이트는 382 HV로 가정하고 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트는 865HV로 가정하여 각 상의 경도(HV_i)에 대해 분율(F_i)에 따른 가중 평균을 식 (7)과 같이 구하였다.
80 wt%인 무한히 긴 원통형으로 가정하고 해석을 하였다. 초기 시편은 860℃의 균일한 오스테나이트로 가정하였으며 시편 주변 매질의 온도는 23℃로 하였다. 또한, 각 상의 체적분율 계산 시 탄소 함량과 조성이 거의 같은 AISI 1080의 등온변태선도[11]를 이용하였다.

제안 방법

본 연구에서는 탄소강의 담금질 시 열전대의 설치법을 달리하여 표면온도를 측정하였고, 역해석을 통해 대류 열전달 계수를 온도의 함수로서 구하였다. 각 경우에 구해진 대류 열전달 계수를 이용해 해석을 수행하여 온도, 상의 체적분율, 경도를 예측하였다.
강편압연을 거친 빌렛으로부터 기계가공을 거쳐 직경 40mm, 길이 140mm인 원통형 시편을 제작하였다. 내부온도 측정을 위해 Fig. 1에 제시된 바와 같이 방전가공으로 표면으로부터 20mm와 35mm 깊이의 구멍을 만들어 직경 1mm인 K-type 열전대를 삽입하고 레이저 용접하였다. 시편의 표면 온도를 측정하기 위해서 Fig.
본 연구에서는 원통형 공석강의 담금질 공정을 수치해석으로 분석하여 상변태에 따른 각 상의 체적분율과 잠열을 고려한 온도이력을 계산하고 그 결과를 기반으로 시편 내의 경도분포를 예측하였다. 단, 담금질 동안 시편의 표면에 직접적으로 접촉하는 냉매의 냉각 특성을 정확히 모사하기 위해 열전대를 세 가지 방법으로 시편의 표면에 설치하여 표면온도를 측정하였고, 이를 이용하여 역해석(inverse analysis) 기법으로 대류 열전달 계수를 온도의 함수로 구하였다. 세 가지의 다른 냉각 특성을 나타내는 대류 열전달 계수를 담금질 공정 해석에 적용하여 대류 열전달 계수가 온도해석, 상의 체적분율 및 경도 예측에 미치는 영향을 고찰하고자 한다.
두 번째 방법은 조미니 시험 결과를 이용하는 것으로 경도는 조미니 거리 JD, 탄소함유량 C, 그리고 조미니 냉각 시간 JCT의 함수로서 계산된다. 즉, 조미니 원형봉의 각 위치에 따라 800℃에서 500℃까지 냉각되는 데 걸리는 시간이 고유하므로 조미니 원형봉의 위치에 따른 경도를 이용해 시편의 경도분포를 계산할 수 있다[14].
초기 시편은 860℃의 균일한 오스테나이트로 가정하였으며 시편 주변 매질의 온도는 23℃로 하였다. 또한, 각 상의 체적분율 계산 시 탄소 함량과 조성이 거의 같은 AISI 1080의 등온변태선도[11]를 이용하였다.
매 시간 스텝에 대해 실험으로부터 측정된 표면 온도와 상변태에 따른 잠열을 고려한 유한요소해석으로 계산된 표면 온도를 비교해 그 차이가 특정값 (Δ = 0.1℃) 이하로 수렴하도록 대류 열전달 계수를 계산하였다.
본 연구에서는 원통형 공석강의 담금질 공정을 수치해석으로 분석하여 상변태에 따른 각 상의 체적분율과 잠열을 고려한 온도이력을 계산하고 그 결과를 기반으로 시편 내의 경도분포를 예측하였다. 단, 담금질 동안 시편의 표면에 직접적으로 접촉하는 냉매의 냉각 특성을 정확히 모사하기 위해 열전대를 세 가지 방법으로 시편의 표면에 설치하여 표면온도를 측정하였고, 이를 이용하여 역해석(inverse analysis) 기법으로 대류 열전달 계수를 온도의 함수로 구하였다.
본 연구에서는 탄소강의 담금질 시 열전대의 설치법을 달리하여 표면온도를 측정하였고, 역해석을 통해 대류 열전달 계수를 온도의 함수로서 구하였다. 각 경우에 구해진 대류 열전달 계수를 이용해 해석을 수행하여 온도, 상의 체적분율, 경도를 예측하였다.
비등온 연속 냉각공정에서의 상변태를 모사하기 위해 가법정리 (additive rule) [7]를 도입하여 각 상의 핵생성 시기를 계산하였다.
담금질 후 경도를 측정하기 위해 중심축에 수직이 되도록 시편을 절단한 뒤 연마하였다. 압입 하중 0.5kg, 하중 유지 시간 10초로 설정하여 Vickers(Mitutoyo HM-122) 경도를 단면 중심에서 네 방향으로 측정한 뒤 평균값을 구하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 재료는 POSCORD 80S로서 시편의 화학적 조성은 Table 1과 같다. 강편압연을 거친 빌렛으로부터 기계가공을 거쳐 직경 40mm, 길이 140mm인 원통형 시편을 제작하였다. 내부온도 측정을 위해 Fig.
본 연구에 사용된 재료는 POSCORD 80S로서 시편의 화학적 조성은 Table 1과 같다. 강편압연을 거친 빌렛으로부터 기계가공을 거쳐 직경 40mm, 길이 140mm인 원통형 시편을 제작하였다.

이론/모형

그리고 시편 C에서는 구멍을 반대쪽 표면까지 관통시킨 뒤 열전대를 삽입하되 열전대 끝 부분이 시편 표면에 일치하도록 하고 레이저 용접하였다. 담금질 실험 시 온도이력을 측정하기 위해 DAQ system(National Instrument PCI-6220)을 사용하였다.
마르텐사이트 변태와 같은 무확산 변태의 경우에는 Koistinen-Marburger의 경험식 [8]을 도입하여 마르텐사이트의 체적분율을 예측하였다. 이는 다음과 같이 온도에만 의존하는 식으로 표현된다.
본 연구에서는 담금질과 같은 연속적인 냉각공정에서 각 상의 체적분율을 구하기 위해 본 연구실에서 개발된 CAMPphase[1]를 이용하였다. 확산 변태의 경우 탄소함유량에 해당하는 등온 변태선도에 따른 반응속도(reaction kinetics)를 모사하기 위해 JMAK식[5, 6]을 이용하였다.
1에 제시된 바와 같이 방전가공으로 표면으로부터 20mm와 35mm 깊이의 구멍을 만들어 직경 1mm인 K-type 열전대를 삽입하고 레이저 용접하였다. 시편의 표면 온도를 측정하기 위해서 Fig. 1의 세 가지 열전대 설치법을 이용하였다. 시편 A에서는 표면에 열전대를 덧붙였고, 시편 B에서는 깊이 0.
온도 계산시 상변화에 따른 잠열은 엔탈피 변화를 고려함으로써 계산되며 확산변태에 의한 잠열은 Darken과 Gury[9], 무확산변태에 의한 잠열은 Ericsson[10]이 제안한 다음의 식을 적용하였다.
경도를 예측하기 위해 두 가지 방법을 이용하였다. 첫 번째 방법으로 각 상의 경도[12~13]를 가정하고 예측된 상의 체적분율을 이용하여 선형혼합법칙으로 경도를 구하였다. 즉, 펄라이트는 382 HV로 가정하고 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트는 865HV로 가정하여 각 상의 경도(HV_i)에 대해 분율(F_i)에 따른 가중 평균을 식 (7)과 같이 구하였다.
본 연구에서는 담금질과 같은 연속적인 냉각공정에서 각 상의 체적분율을 구하기 위해 본 연구실에서 개발된 CAMPphase[1]를 이용하였다. 확산 변태의 경우 탄소함유량에 해당하는 등온 변태선도에 따른 반응속도(reaction kinetics)를 모사하기 위해 JMAK식[5, 6]을 이용하였다.

성능/효과

(1) 역해석으로부터 구한 대류 열전달 계수를 이용하여 상변태 해석을 수행했을 때 온도이력은 해석 B, C의 결과가 실험 결과와 비교적 잘 일치한 반면에 경도는 해석 A의 결과가 실험에서 측정된 경도분포와 상대적으로 잘 일치하였다.
(2) 이 결과를 통해 볼 때 담금질 후 경도를 예측하기 위해서는 열전대를 시편 A에서와 같이 설치하여 표면 온도를 측정하는 것이 좋다. 이는 표면 부에서 마르텐사이트층에 의한 급격한 경도 증가를 측정 방법 A가 잘 예측할 수 있기 때문이다.
0mm)는 열전대의 설치법에 따라 달랐다. 시편 A에서는 열전대와 냉매가 직접 접촉하기 때문에 가장 급격히 냉각되는 것으로 측정된 반면, 시편 B와 시편 C에서는 상대적으로 완만하게 냉각되는 것으로 측정되었다.
5는 유한요소해석과 실험으로부터 얻어진 온도이력을 나타낸다. 실험에서 측정된 온도를 보면 내부 온도(r=0.0, 15.0mm)는 세 시편 모두에서 거의 같았으나 표면 온도(r=20.0mm)는 열전대의 설치법에 따라 달랐다. 시편 A에서는 열전대와 냉매가 직접 접촉하기 때문에 가장 급격히 냉각되는 것으로 측정된 반면, 시편 B와 시편 C에서는 상대적으로 완만하게 냉각되는 것으로 측정되었다.
3은 세 시편의 표면에서 측정한 온도 이력이다. 열전대의 설치법에 따라 측정된 표면온도 이력에 차이가 있었으며, A, B, C 시편 순으로 냉각 속도가 빠른 것으로 측정되었다.
해석 결과는 실험과 경향이 잘 일치한다. 특히, 중심에서부터 표면경화가 관찰되는 위치까지 경도분포는 약간의 증가를 보이고 있는데, 이는 실험 결과와 거의 일치함을 관찰할 수 있다. 하지만 표면경화층에서는 각 해석에 따라 차이를 보이기도 하는 데, 이는 각 해석에서 다른 대류 열전달 계수를 이용한 결과 800℃에서 500℃까지 냉각되는 데 걸리는 시간이 달랐기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열처리는 어떤 기술인가?	열처리는 금속에 원하는 기계적, 물리적, 화학적 성질을 부여할 목적으로 가열과 냉각을 여러 형태로 조합시키는 기술로 열처리 시에 대부분의 금속은 상변태를 수반한다. 상변태를 수반하고 대표적으로 널리 쓰이는 열처리 공정 중에는 최종 제품의 경도, 인장력, 표면강도를 증가시킬 목적으로 행해지는 담금질이 있다.
	열처리시 대부분의 금속을 무엇을 수반하는가?	열처리는 금속에 원하는 기계적, 물리적, 화학적 성질을 부여할 목적으로 가열과 냉각을 여러 형태로 조합시키는 기술로 열처리 시에 대부분의 금속은 상변태를 수반한다. 상변태를 수반하고 대표적으로 널리 쓰이는 열처리 공정 중에는 최종 제품의 경도, 인장력, 표면강도를 증가시킬 목적으로 행해지는 담금질이 있다.
	탄소강이 담금질 공정 동안 수반하는 상변화에 따라 어떤 조직들이 얻어지는가?	탄소강은 담금질 공정 동안 온도 이력에 따른 상변화를 반드시 수반한다. 즉, 오스테나이트 조직으로부터 탄소함유량이나 냉각조건에 따라 페라이트, 펄라이트, 마르텐사이트 등의 다양한 조직이 얻어진다.

참고문헌 (14)

S. H. Kang, Y. T. Im, 2005, Three-dimensional finite-element analysis of the quenching process of plain-carbon steel with phase transformation, Metall. Mater. Trans. A, Vol. 36, pp. 2315-2325.

상세보기
S. H. Kang, Y. T. Im, 2007, Finite element investigation of multi-phase transformation within carburized carbon steel, J. Mater. Process. Technol., Vol. 183, pp. 241-248.

상세보기
S. H. Kang, Y. T. Im, 2007, Three-dimensional thermo-elastic-plastic finite element modeling of quenching process of plain-carbon steel in couple with phase transformation, Int. J. Mech. Sci., Vol. 49, pp. 423-439.

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P. R. Woodard, S. Chandrasekar, H. T. Y. Yang, 1999, Analysis of temperature and microstructure in the quenching of steel cylinders, Metall. Mater. Trans. B, Vol. 30, pp. 815-822.

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W. A. Johnson, R. F. Mehl, 1939, Reaction kinetics in processes of nucleation and growth, Trans. AIME, Vol. 135, pp. 416-458.
M. Avrami, 1939, Kinetics of phase change I, J. Chem. Phys., Vol. 7, pp. 1103-1112.

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E. Scheil, 1935, Anlaufzeit der austenitumwandlung, Arch. Eisenhuttenwes., Vol. 12, pp. 564-567.
D. P. Koistinen, R. E. Marburger, 1959, A general equation prescribing the extent of the austenitemartensite transformation in pure iron-carbon alloys and carbon steels, Acta. Metall., Vol. 7, pp. 59-60.

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L. S. Darken, R.W. Gury, 1953, Physical Chemistry of Metals, McGraw-Hill, New York, NY, p. 415.
T. Ericsson, S. Sjostrom, M. Knuuttila, 1983, Predicting Residual Stresses in Cases, D.E. Diesburg, ed., Case Hardened Steels, Metallurgical society of AIME, Warrendale, PA.
E. C. Bain, 1963, Isothermal transformation diagrams, Third ed., United States Steel Corporation, Pittsburgh, PA, USA.
C. A. Siebert, 1977, The hardenability of steels, ASM, Metals Park, OH.
R. D. Manning, H. M. Reichhold, J. M. Hodge, 1967, Transformation and hardenability in steels, Symp. Proc., Climax Molybdenum Company, Ann Arbor, MI.
A. Sugianto, M. Narazaki, M. Kogawara, A. Shirayori, S. Y. Kim, S. Kubota, 2009, Numerical simulation and experimental verification of carburizingquenching process of SCr420H steel helical gear, J. Mater. Process. Technol., Vol. 209, pp. 3597-3609.

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표제어: PCR

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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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