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문제 정의
- 본 연구에서는 중탄소강의 인장 및 피로특성에 이온질화 및 탄질화 표면처리가 미치는 영향을 알아보기 위해 자동차 부품을 비롯해 많은 분야에서 사용되고 있는 대표적인 중탄소 박판강 SCr430B에 구상화 열처리 후 질화처리를 하여 인장실험과 인장-인장 고주기 피로 실험을 수행하였다.
제안 방법
- 탄질화처리는 NH3와 CO를 주성분으로 하는 가스탄질화법이 사용되었으며 처리시간은 330분과 660분 두 조건에서 수행하였고, 이온질화처리는 N2와 H2 가스를 진공로에서 직류전압을 가하여 글로우 방전을 일으켜 이온이 소재표면에 충돌시켜 가열과 질화가 동시에 일으키는 방법이 사용되었다.
- 3mm이며, 화학 조성은 Table 1과 같다. 700℃에서 15시간 동안 구상화 열처리된 모재 판재에서 인장 및 고주기피로 시험편을 채취 후 Fig. 1과 같은 조건에서 탄질화 및 이온질화처리를 수행하였다. 탄질화처리는 NH3와 CO를 주성분으로 하는 가스탄질화법이 사용되었으며 처리시간은 330분과 660분 두 조건에서 수행하였고, 이온질화처리는 N2와 H2 가스를 진공로에서 직류전압을 가하여 글로우 방전을 일으켜 이온이 소재표면에 충돌시켜 가열과 질화가 동시에 일으키는 방법이 사용되었다.
- 표면처리로 인한 경도 변화를 확인하기 위해 비커스 경도시험기를 이용하여 100gf의 시험 하중으로 10초 동안 실시하여 깊이에 따른 경도 분포를 측정하였다. 인장 시험편은 ASTM E8M의 규격에 따라 Fig.
- 인장 시험편은 ASTM E8M의 규격에 따라 Fig. 2(a)와 같이 압연 방향과 평행한 방향으로 채취하여, INSTON 8501 시험기를 이용하여 변형율 속도 0.005/sec 하에서 수행하였다. 고주기피로 시험은 ASTM E466에 따라 Fig.
- 고주기피로 시험은 ASTM E466에 따라 Fig. 2(b)와 같이 시편을 채취 후 INSTRON 8801 유압피로시험기를 사용하여 상온에서 sine파형, 진동수 25Hz, 응력비 R=0.1(R=Pmin./Pmax.)의 조건에서 수행하였다.
- 4에서 보이는 바와 같이 질화처리로 인해 형성된 화합물층 아래에는 모재와 동일한 조직을 가지고 있으나, 탄질화의 경우 탄소와 질소가 그리고 이온질화의 경우 질소가 질화처리 중 표면에서 내부로 확산되어 들어가 화합물층 아래에는 높은 경도를 가지는 경화층을 형성시킨다. 탄소 또는 질소의 침투로 인한 경도 변화를 확인하기 위해 Fig. 5와 같이 50㎛ 간격으로 깊이에 따라 경도를 측정하여 경도 분포를 구하였다. 질화처리로 인해 표면경도는 모재에 비해 3배 이상 높은 값을 보였으며, 내부로 갈수록 경도가 점차 감소하여 1mm 이상의 내부에서는 모재와 거의 동일한 경도 값을 보인다.
- 이러한 원인을 확인하기 위해 Fig. 11과 같이 330분 탄질화처리된 시편의 표면을 #400 샌드페이퍼로 시작하여 #2000까지 폴리싱하여 표면조도를 개선시킨 시편과 100㎛ 밀링을 통해 화합물층을 제거한 후 동일한 방법으로 폴리싱하여 화합물층에 존재하는 미세기공의 영향을 제거한 시편에 대하여 앞서 수행한 피로시험과 동일한 시험조건에서 고주기 피로시험을 수행하여 Fig. 12와 같은 실험결과를 얻었으며, 피로강도는 Table 5와 같다. Table 5에서 보이는 바와 같이 폴리싱을 한 시편은 하지 않은 시편과 동일한 피로강도를 보이는 반면, 화합물층을 제거하고 폴리싱한 시편은 피로강도가 425MPa로 화합물층 제거 전 탄질화재의 피로강도 300MPa에 비해 42%가량 크게 향상하였으며, 모재의 피로강도 375MPa 보다도 13%가량 높은 피로 강도를 보인다.
- 본 연구에서는 구상화처리된 SCr430B 박판강에 이온질화 및 탄질화처리 후 고주기 피로실험을 수행하였다. 질화처리시 화합물층에 존재하는 미세기공에서 피로균열이 발생하여 피로강도가 감소하였으며, 미세기공을 포함하는 화합물층을 제거시 경화층의 높은 표면 경도로 인해 피로균열 발생이 저지되어 피로강도가 향상되어 질화처리 전보다 우수한 피로저항성을 보였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 소재는 SCr430B(0.32%C)로 판재의 두께는 2.3mm이며, 화학 조성은 Table 1과 같다. 700℃에서 15시간 동안 구상화 열처리된 모재 판재에서 인장 및 고주기피로 시험편을 채취 후 Fig.
성능/효과
- 5와 같이 50㎛ 간격으로 깊이에 따라 경도를 측정하여 경도 분포를 구하였다. 질화처리로 인해 표면경도는 모재에 비해 3배 이상 높은 값을 보였으며, 내부로 갈수록 경도가 점차 감소하여 1mm 이상의 내부에서는 모재와 거의 동일한 경도 값을 보인다. Table 2는 모재와 질화처리된 시편들의 화합물층의 표면경도, 내부 심부경도, 그리고 모재 경도보다 30%이상 높은 경도를 가지는 경화 층의 두께를 나타낸 것이다.
- Table 2는 모재와 질화처리된 시편들의 화합물층의 표면경도, 내부 심부경도, 그리고 모재 경도보다 30%이상 높은 경도를 가지는 경화 층의 두께를 나타낸 것이다. 질화처리 방법 또는 시간에 상관없이 유사한 경도 감소 경향을 보이고 있으나, 경화층 두께는 화합물층 두께와 비례하여 25㎛의 가장 두꺼운 화합물층을 가지는 660분 탄질화처리된 시편이 750㎛의 가장 두꺼운 경화층을 보였다.
- 9 와 같으며, 2,000,000 사이클까지 파단이 되지 않은 피로하중, 즉 피로강도는 Table 4 와 같이 나타났다. 일반적으로 탄질화 및 이온질화와 같은 표면처리는 표면의 경도를 향상시키고 표면에 압축 잔류응력을 형성시켜 피로특성에 중요한 표면의 특성을 개선시켜 피로강도가 향상하는 것으로 알려져 있으나, 본 실험에서는 Table 4 와 같이 표면경도가 크게 향상되었음에도 불과하고 질화처리 후 피로 강도가 모재에 비해 15~20% 가량 감소하였다.
- 12와 같은 실험결과를 얻었으며, 피로강도는 Table 5와 같다. Table 5에서 보이는 바와 같이 폴리싱을 한 시편은 하지 않은 시편과 동일한 피로강도를 보이는 반면, 화합물층을 제거하고 폴리싱한 시편은 피로강도가 425MPa로 화합물층 제거 전 탄질화재의 피로강도 300MPa에 비해 42%가량 크게 향상하였으며, 모재의 피로강도 375MPa 보다도 13%가량 높은 피로 강도를 보인다. 이러한 결과로 볼 때, 질화처리로 인해 야기되는 거친 표면조도는 피로강도의 감소에 영향을 미치지 않으며, 화합물층 내에 생성된 미세기공에서 피로 균열이 발생하여 피로강도가 크게 감소했음을 알 수 있다.
- Table 5에서 보이는 바와 같이 폴리싱을 한 시편은 하지 않은 시편과 동일한 피로강도를 보이는 반면, 화합물층을 제거하고 폴리싱한 시편은 피로강도가 425MPa로 화합물층 제거 전 탄질화재의 피로강도 300MPa에 비해 42%가량 크게 향상하였으며, 모재의 피로강도 375MPa 보다도 13%가량 높은 피로 강도를 보인다. 이러한 결과로 볼 때, 질화처리로 인해 야기되는 거친 표면조도는 피로강도의 감소에 영향을 미치지 않으며, 화합물층 내에 생성된 미세기공에서 피로 균열이 발생하여 피로강도가 크게 감소했음을 알 수 있다. 이는 Fig.
- 본 연구에서는 구상화처리된 SCr430B 박판강에 이온질화 및 탄질화처리 후 고주기 피로실험을 수행하였다. 질화처리시 화합물층에 존재하는 미세기공에서 피로균열이 발생하여 피로강도가 감소하였으며, 미세기공을 포함하는 화합물층을 제거시 경화층의 높은 표면 경도로 인해 피로균열 발생이 저지되어 피로강도가 향상되어 질화처리 전보다 우수한 피로저항성을 보였다.
- 화합물층의 두께는 이온질화된 시편은 8㎛, 330분 탄질화 처리된 시편은 18㎛, 660분 탄질화처리된 시편은 25㎛를 나타내었다. 보다 면밀한 화합물층을 확인하기 위해 Fig. 4와 같이 주사전자현미경을 통해 관찰한 결과 화합물층 내에서 미세한 기공 또는 미세크랙들이 표면과 인접한 영역에서 다수 존재하고 있으며 이온질화에 비해 탄질화 시편이 더 많은 미세결함이 존재하였다. 또한, 피로특성은 표면상태에 큰 영향을 받는 것으로 잘 알려져 있는데, 화합물층의 표면조도가 다소 거친 것을 알 수 있다.
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