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문제 정의
- 본 논문에서는 SCM415H를 이용하여 기존의 가스침탄 열처리 방식을 진공 침탄 로에 적용하여 침탄효과 및 기계적 특성을 분석함으로써 초기 도입단계인 진공침탄의 활용 가능성을 검토하고자 하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 논문에서는 기존의 열처리 방식인 가스침탄 열처리와 아세틸렌가스를 이용한 진공침탄 열처리 후의 기계적 성질을 비교 분석하여 이상적인 진공침탄 열처리방법을 찾기 위한 연구를 진행하였다.
제안 방법
- 0.75㎜의 경화 깊이를 위한 온도는 900~1040℃에서 선택이 가능하지만 높은 온도에서 과열되면 입자의 크기가 커져 기계적 성질이 낮아지므로 SCM415H 시험편의 입자크기가 커지지 않는 최대 허용온도인 930℃에서 실험을 진행하였다. 따라서 K값은 0.
- JMatPro를 이용하여 SCM415H 온도에 따른 상변화분석과 CCT/TTT 곡선을 분석하였다.
- 침탄 및 확산시간을 결정하기 위한 변수 R(확산시간/침탄시간)값은 3가지 조건으로 변화를 주어 실험을 진행하고 기계적 성질과 조직, 경도값 등 여러 가지 성질을 비교해 보았다. R값은 Fig. 4의 상수 K(0.51)및 목표 경화 깊이 (0.75)를 해리스 식에 대입하여 구한 총 침탄시간, T(130분)을 침탄시간과 확산시간의 비율을 달리하여 최적의 조건을 구하였다. Table 3은 세 가지 침탄시간과 확산 시간에 대한 R값을 나타내었다.
- Table 2의 성분 값을 JMatPro(6)에 입력하여 온도에 따른 상변화와 CCT(Continuous cooling transformation) / TTT(Time temperature transformation) 곡선을 분석하였다. 이후부터 CCT, TTT라 칭한다.
- 가스 침탄열처리를 한 시편과 각각의 R값을 세 가지 비율로 변화시켜 진공침탄열처리 한 시험편의 경도시험을 실시하였다. 시험편은 Fig.
- 각각의 열처리 조건으로 시험한 시험편을 미세 조직 관찰 절차에 따라 마운팅, 폴리싱 과정을 거쳐 입계 산화 면을 관찰하고 3% Nital 용액으로 5∼10초 부식 후 열처리 전, 후 조직을 500배율로 비교 분석하였다.
- 상온에서 목표 온도까지의 시간은 PID(Proportional integral derivative control)제어되며 예열 단계에서부터 소입 전까지 RX가스(도시가스와 공기의 혼합)의 공급량은 13∼17㎥/hr이며 CP%(Cabon Potential)는 침탄단계에서는 1.1±0.05%, 소입 전 단계까지는 0.85±0.05%로 실험을 진행하였으며 오일냉각(Q)시의 오일의 교반속도는55㎐이다.
- 열처리 시험편의 경도 값과 경화 깊이의 비교를 위하여 마이크로 비커스 경도시험을 하중 9.807N으로 10초간 측정하였다.
- 열처리 전의 시편을 인장시험 후 파단면을 SEM을 이용하여 5000배의 배율로 관찰하고 가스 침탄, 진공침탄 열처리 후의 시험편을 인장시험 후 파괴 형상 및 파단면을 비교 분석하였다.
- 인장시험은 150N∼50kN 하중의 인장 시험기를 사용 분당 2mm/min의 속도로 실험을 실시하였다.
- 51로 결정되었다. 침탄 및 확산시간을 결정하기 위한 변수 R(확산시간/침탄시간)값은 3가지 조건으로 변화를 주어 실험을 진행하고 기계적 성질과 조직, 경도값 등 여러 가지 성질을 비교해 보았다. R값은 Fig.
- 침탄공정시의 펄스 조건은 1주기에 2.5분으로 주기 당 18ℓ의 C2H2를 주입하여 실험하였고 오일 냉각시의 N2가스 주입으로 100Torr로 유면압을 제어하였으며, 오일 교반속도는 60㎐로 진행하였다.
대상 데이터
- Fig. 2는 실험에 사용된 SCM415H Pinion shaft 시험편이다.
-
4.2 인장시험
시험편의 인장강도와 기계적 성질을 비교하기 위하여 시험편을 Fig. 7과 같이 KS B 0801규격 14A호 시험편에 맞추어 시험편을 가공하였다
. - 실험에 사용된 SCM415H 시험편의 성분은 아래의 Table 2와 같다.
성능/효과
- (1) 경도시험에서 표면에서의 경도 값은 가스와 진공침탄 모두 시험편의 사양을 만족하였으며 내부 홀에서의 경도 값은 진공침탄이 가스침탄 경도 값인 HV635보다 38% 높고 유효 경화 깊이 또한 가스침탄 0.67㎜보다 진공침탄이 29.8% 더 크다.
- (2) 인장시험 결과는 시험편의 요구치를 만족하는 수준이며 가스침탄보다 10%정도 낮은 인장강도가 나왔으나 진공침탄의 특성상 가열시간이나 퀜칭시 N2가스 압력 조절로 인장 강도를 높일 수 있을 것으로 사료된다.
- (3) 단면의 SEM분석과 조직관찰 결과 가스침탄과 진공침탄에서의 취성파괴를 확인할 수 있으며 벽개면이 관찰되었고 딤플은 관찰되지 않았다. 진공침탄에서는 입계산화가 전혀 발생하지 않았으며 템퍼드마르텐사이트와 초석페라이트가 관찰 되었다.
- (4) 진공침탄의 침탄효과 및 기계적 성질을 기존의 가스침탄 열처리 방식과 비교한 결과 막힌 홀 부위의 균일한 침탄층으로 기계적성질이 우수하며 입계산화가 발생하지 않아 정밀 부품의 열처리 가능하며 유해가스(CO2)의 발생이 없어 친환경적이므로 그 활용도가 크게 상승할 것으로 예상된다.
- Fig. 11과 Table 5에서와 같이 가스침탄과 진공 침탄 모두 표면에서는 높은 경도 값이 나타났으나 심부로 갈수록 낮은 경도값이 측정되었으며 막힌 홀 부위인 안쪽 면으로 갈수록 가스침탄과 진공침탄의 경도 값의 차이는 확연히 나타났다. 가스 침탄의 경우에는 막힌 홀 부위의 경도(Fig.
- 12와 같다. SCM415H 열처리전 시험편의 파단면은 500배율 관찰결과 연성파괴 형태인 Cup-Con형태가 나타났으며 5000배율 관찰시 슬립 면과 딤플은 입내와 입계에 관계없이 나타났다. 열처리 후의 시험편은 가스와 진공침탄 모두에서 취성파괴가 관찰되었고 그 형태는 입내파괴와 벽개 층이 대부분이었으며 불순물이 빠져나간 홀이 관찰되었고 딤플은 관찰되지 않았다.
- 14는 SCM415H 시험편과 가스침탄과 진공침탄후의 시험편을 에칭 후 조직을 비교한 것이다. 열처리 전 소재는 페라이트와 펄라이트를 확인할 수 있었으며 가스침탄 한 시험편은 입계산화층이 존재했고 템퍼드마르텐사이트와 페라이트가 관찰되었으며 미량의 탄화물을 관찰할 수 있었다. 진공침탄의 경우에는 A, B, C조건 모두 템퍼드마르텐사이트와 초석페라이트로 유사한 조직을 보였다.
- SCM415H 열처리전 시험편의 파단면은 500배율 관찰결과 연성파괴 형태인 Cup-Con형태가 나타났으며 5000배율 관찰시 슬립 면과 딤플은 입내와 입계에 관계없이 나타났다. 열처리 후의 시험편은 가스와 진공침탄 모두에서 취성파괴가 관찰되었고 그 형태는 입내파괴와 벽개 층이 대부분이었으며 불순물이 빠져나간 홀이 관찰되었고 딤플은 관찰되지 않았다.
- 이는 유효경화 깊이 증가로 인해 인성이 낮아져 인장강도가 감소한 것으로 사료된다. 하지만 트랜스 미션계에 사용하는 강의 인장강도 980MPa 이상의 조건은 모두 충족하였고 본 실험에서는 Vac B가 가스침탄 다음으로 인장강도가 좋은 것으로 확인되었다.
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