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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 SAE 1144 소재의 균질화 처리와 인발 가공 정도에 따른 미세조직 변화와 황화물의 형상 변화 등이 강도와 피로수명, 절삭성에 미치는 영향을 검토하였으며, 균질화 처리와 인발 가공의 최적 조건에 대해서 연구하였다.
- 본 연구에서는 SAE1144 쾌삭강의 가공열처리 정도에 따른 미세조직의 변화와 황화물의 형상 변화 등이 강도와 피로수명, 절삭성에 미치는 영향을 검토 하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 가공열처리 조건이 피로수명에 미치는 영향을 검토하기 위해 850℃와 900℃에서 균질화처리한 후 단면감소율 20%로 인발한 시편과 850℃에서 균질화처리한 후 단면감소율 20%와 25%로 인발한 시편을 준비하였다. 피로시험용 시편은 인발 방향에 평행하게 표점거리부의 지름이 8mm가 되도록 제작하였으며, 시편의 표면 거칠기 영향을 최소화하기 위해 입자가 매우 미세한 사포 (#240~#2000)를 이용하여 기계연마한 다음 최종적으로 1μm의 알루미나 입자를 사용하여 길이방향으로 최종 연마하였다.
- 인장시편은 가공열처리에 의한 표면과 중심부의 편차를 최소화하기 위해 표점거리부의 단면이 큰 KS B 0801 4호 규격을 채택하였으며, 실험은 크로스헤드 속도를 일정하게 하는 변위제어 방식으로 120mm/s 의 속도로 하였다. 경도는 시편을 원주방향으로 절단하여 로크웰 경도기로 시편 중심부의 경도를 측정하였다.
- 절삭시험는 870℃에서 균질화처리한 다음 단면 감소율 20%와 25%에서 인발한 시편을 사용하여 직경 9mm의 초경드릴로 소재의 중심부를 드릴로 가공하였다. 드릴 날부 마모량의 증가에 따라 조향입력축 내경부의 거칠기가 증가하여 불량이 증가하기 때문에 동일 시간 절삭 후 드릴 날부의 최대 마모길이를 관찰하여 소재의 절삭성을 평가하였다.
- 미세조직과 개재물은 가공열처리한 시편을 길이방향으로 절단하여 마운팅하고, 기계 연마와 경면 연마한 다음 2%의 나이탈 용액으로 부식한 후광학 현미경을 사용하여 관찰하였다. 인장시편은 가공열처리에 의한 표면과 중심부의 편차를 최소화하기 위해 표점거리부의 단면이 큰 KS B 0801 4호 규격을 채택하였으며, 실험은 크로스헤드 속도를 일정하게 하는 변위제어 방식으로 120mm/s 의 속도로 하였다.
- 연속주조한 핫코일 상태의 소재를 850~900℃의 온도 범위에서 3시간 등온 유지하여 균질화한 다음 단면감소율(reduction of area)을 0~25%로 변화시켜 인발 가공 하였다. Table 2에 가공열처리 조건을 나타내었다.
- 유압 서보식 동적재료시험장비 MTS 810을 사용하여 피로시험 후 파면을 주사전자 현미경(SEM)을 사용하여 관찰하였으며, 개재물의 분석에는 에너지 분산형 스펙트럼(EDS)을 이용하였다.
- 피로시험은 하중제어 방식으로 소재가 400MPa의 탄성응력을 받도록 하였으며, 10Hz의 속도에서 수행하였다. 응력비(최소응력/최대응력)가 -1이며, 평균응력이 0인 사인파를 이용하여 시험하였다. 실험의 신뢰성 확보를 위해서 3회 시험하여 평균 수명을 사용하였다.
- 조향입력축용 소재는 반복 하중에 견디기 위한 내피로성과 원활한 제조를 위한 절삭성이 요구된다. 절삭 가공량이 많기 때문에 SAE 1144 과 같은 쾌삭강이 조향입력축용 소재로 사용되며, 강인성과 내구성을 부여하기 위해 열처리와 인발 가공을 조합한 가공열처리를 실시한다. 조향입력축은 연속주조(hot coil)한 상태의 환봉형 소재를 고온에서 균질화(normalizing)한 다음 인발 가공 후 절삭 가공하여 Fig.
- 절삭시험는 870℃에서 균질화처리한 다음 단면 감소율 20%와 25%에서 인발한 시편을 사용하여 직경 9mm의 초경드릴로 소재의 중심부를 드릴로 가공하였다. 드릴 날부 마모량의 증가에 따라 조향입력축 내경부의 거칠기가 증가하여 불량이 증가하기 때문에 동일 시간 절삭 후 드릴 날부의 최대 마모길이를 관찰하여 소재의 절삭성을 평가하였다.
- 피로시험용 시편은 인발 방향에 평행하게 표점거리부의 지름이 8mm가 되도록 제작하였으며, 시편의 표면 거칠기 영향을 최소화하기 위해 입자가 매우 미세한 사포 (#240~#2000)를 이용하여 기계연마한 다음 최종적으로 1μm의 알루미나 입자를 사용하여 길이방향으로 최종 연마하였다. 피로시험은 하중제어 방식으로 소재가 400MPa의 탄성응력을 받도록 하였으며, 10Hz의 속도에서 수행하였다. 응력비(최소응력/최대응력)가 -1이며, 평균응력이 0인 사인파를 이용하여 시험하였다.
대상 데이터
- 단면감소율이 증가할수록 결정립은 인발 방향으로 길게 연신되었으며, 페라이트와 펄라이트의 이상간격과 층간간격도 감소하였다. 본 실험에 사용된 쾌삭강의 미세 조직은 약 50%의 페라이트와 50%의 펄라이트로 구성되며, 펄라이트는 페라이트와 시멘타이트로 구성된다. 인발 공정에 의해 페라이트와 펄라이트는 인발 방향을 따라 길게 연신되며, 임의의 방향으로 존재하던 펄라이트의 콜로니(colony)들이 인발 방향으로 회전하여 집합조직을 형성하게 된다.
- 본 연구에 사용된 재료는 SAE1144 쾌삭강이며, 그 화학 조성은 Table 1 과 같다.
- 미세조직과 개재물은 가공열처리한 시편을 길이방향으로 절단하여 마운팅하고, 기계 연마와 경면 연마한 다음 2%의 나이탈 용액으로 부식한 후광학 현미경을 사용하여 관찰하였다. 인장시편은 가공열처리에 의한 표면과 중심부의 편차를 최소화하기 위해 표점거리부의 단면이 큰 KS B 0801 4호 규격을 채택하였으며, 실험은 크로스헤드 속도를 일정하게 하는 변위제어 방식으로 120mm/s 의 속도로 하였다. 경도는 시편을 원주방향으로 절단하여 로크웰 경도기로 시편 중심부의 경도를 측정하였다.
- 피로시험용 시편은 인발 방향에 평행하게 표점거리부의 지름이 8mm가 되도록 제작하였으며, 시편의 표면 거칠기 영향을 최소화하기 위해 입자가 매우 미세한 사포 (#240~#2000)를 이용하여 기계연마한 다음 최종적으로 1μm의 알루미나 입자를 사용하여 길이방향으로 최종 연마하였다.
데이터처리
- 응력비(최소응력/최대응력)가 -1이며, 평균응력이 0인 사인파를 이용하여 시험하였다. 실험의 신뢰성 확보를 위해서 3회 시험하여 평균 수명을 사용하였다.
성능/효과
- 이는 결정립 크기의 영향인 것으로 판단되며, 단면감소율이 20%와 25%에서도 동일한 경향을 나타냈다. 균질화처리 온도의 감소에 의한 인장 강도의 증가는 결정립의 미세화로 설명될 수 있으나, 본 시험 조건에서는 균질화처리 온도가 강도에 미치는 영향은 인발, 즉 가공경화에 의한 영향에 비해서는 크지 않음을 알 수 있다.
- Table 3 에 피로시험 결과를 나타냈다. 균질화처리 조건이 동일한 경우에는 단면감소율이 20%에서 25%로 증가함에 따라서 피로수명이 증가하는 경향을 나타내었으며, 단면감소율이 20%로 동일한 경우 균질화처리 온도가 낮아질수록 피로수명이 증가하는 경향을 나타내었다. 동일 균질화처리 온도에서는 단면감소율이 증가할수록 소재의 강도는 가공경화에 의해 증가하게 되고 균열의 시작점으로 작용하기 쉬운 개재물의 형상은 커다란 압축응력에 의해 연신되며, 부피가 작아지게 되어 축방향의 피로수명을 향상시킨 것으로 생각된다[8].
- 3에 단면감소율의 변화에 따른 인장 강도의 변화를 나타냈다. 단면감소율이 20%까지는 단면 감소율의 증가에 따란 인장강도가 큰 폭으로 증가하다가 이 후 증가율이 둔화되는 경향을 나타냈다. Fig.
- 낮은 균질화처리 온도는 조직의 미세화에 기여하여 소재의 강도와 피로특성의 향상에 영향을 미쳤으며 강도적인 면에서는 인발의 영향이 더욱 우세하였으나 피로특성에는 그 영향도가 유사하였다. 단면감소율이 25% 정도 수준까지는 강도와 피로수명이 모두 향상되었으며, 균질화 효과와 단면감소율에 의한 가공경화 효과가 모두 피로수명 향상에 유효한 인자임을 알 수 있었다. 그러나 단면감소율의 증가는 절삭성의 감소와 직결되기 때문에 균질화처리에 의한 조직의 미세화를 통해 피로수명을 향상시킨 후 단면감소율의 최소화를 통해서 절삭성을 향상 시키는 것이 효과적일 것으로 판단된다.
- 단면감소율이 증가할수록 개재물도 인발 방향으로 연신되었으며, 이들 개재물은 EDS 분석으로부터 황화물인 MnS 로 확인되었다(Fig. 5). MnS 는 다양한 크기로 분포하였으며, 위치에 따라서는 군집(cluster)을 형성하기도 한다.
- 4 (a), (b)에 인발 조건에 따른 미세조직의 변화를 나타냈다. 단면감소율이 증가할수록 결정립은 인발 방향으로 길게 연신되었으며, 페라이트와 펄라이트의 이상간격과 층간간격도 감소하였다. 본 실험에 사용된 쾌삭강의 미세 조직은 약 50%의 페라이트와 50%의 펄라이트로 구성되며, 펄라이트는 페라이트와 시멘타이트로 구성된다.
- 7에 나타냈으며, 단면감소율이 20%에서 25%로 증가할 경우에 공구의 마모량은 증가하는 것으로 나타났다. 동일조건에서 시험 후 드릴 날부의 최대 마모량의 크기는 단면감소율이20%인 경우는 2.7mm였으며, 25%인 경우는 5.1mm로 나타났다. 즉, 5%의 단면감소율이 증가하였을 경우 드릴의 마모가약 2배 정도 증가하였다.
- 그러나 모든 개재물에서 균열이 진전하는 것은 아니며, 일정한 크기 이상의 개재물 혹은 클러스터를 이루고 있는 경우에 균열의 시작점으로 작용할 가능성이 커진다고 알려져 있다[5]. 본 연구에서는 피로 균열의 시작점인 표면에서 MnS의 정확한 관찰은 어려웠으나 조직관찰의 결과로부터 개재물의 분포와 형상이 피로수명에 영향을 미쳤을 것으로 생각된다. Fig.
- 개재물의 분포와 형상 변화가 단면감소율 5% 에서는 크지 않다고 가정하면 드릴의 마모 증가는 단면감소율의 증가에 의한 소재의 강도 증가로 설명된다. 쾌삭강의 피로특성과 절삭성을 모두 고려하면 균질화 처리 온도를 낮추어 결정립을 충분히 미세화 시킨 후 인발시 단면감소율을 최소로 하는 것이 가장 효과적일 것으로 판단된다.
후속연구
- 단면감소율이 25% 정도 수준까지는 강도와 피로수명이 모두 향상되었으며, 균질화 효과와 단면감소율에 의한 가공경화 효과가 모두 피로수명 향상에 유효한 인자임을 알 수 있었다. 그러나 단면감소율의 증가는 절삭성의 감소와 직결되기 때문에 균질화처리에 의한 조직의 미세화를 통해 피로수명을 향상시킨 후 단면감소율의 최소화를 통해서 절삭성을 향상 시키는 것이 효과적일 것으로 판단된다.
- 그러나 소성 가공량이 과도하게 증가하면 페라이트와 펄라이트의 계면, 펄라이트 내의 시멘타이트 등에서 응력 집중이 발생하여 균열이 생성됨으로써 오히려 피로수명을 저하시키게 된다. 또한 소성 가공량이 증가할수록 소재의 강도가 증가하여 절삭시 공구의 마모를 촉진시킴으로 피로특성과 절삭성을 동시에 고려한 가공열처리의 최적화가 요구된다.
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