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문제 정의
- 기존 연구들에서는 냉각속도에 중요한 영향을 미치는 대류열전달계수를 실험실 조건 하에서 구함으로써, 그 결과를 실제 현장 열처리 조업조건에 적용하기 어려웠다. 따라서, 본 연구에서는 실제 열처리 조업 현장 욕조에서 위치 별로 대류열전달계수를 측정하므로써 향후 실제 조업에서 기어의 냉각속도를 정확히 예측할 수 있게 되었다.
제안 방법
- 2. SCM420H 강의 기어 열처리에 대한 전사모사를 위해 필요한 상변태 물성, 열물성, 기계적 물성들을 JMatPro를 사용하여 구하거나(JMat) 또는 상기 여러 물성 중 상변태 속도, 열팽창계수, 열용량, 열전도도 등을 본 연구에서 실측하거나 또는 실측된 문헌 값으로 치환하여 물성(Mod)을 확보하였다. 이런 두 가지 물성 데이터베이스를 사용하여 침탄 소입 공정을 전산모사하고 실험도 수행하였다.
- SCM 420H 유성기어의 유냉 시, 기어내 위치 별 냉각속도를 유한요소 모사하였고, 그 모사결과를 실측한 냉각속도와 비교하였다. Fig.
- 따라서, 상용프로그램을 통해 얻은 재료물성과 실험실 조건에서 구한 대류열전달계수를 사용하여, 실제 열처리 업체에서의 기어 열처리 시 미세조직 및 시편 변형을 예측하는 것은 매우 부정확할 수 밖에 없다. 따라서, 본 연구에서는 SCM 420H강 유성기어의 재료물성들을 직접 실험으로 측정하거나 또는 실험을 통해 얻어진 문헌값으로 확보하였다. 한편, 대류열전달계수는 열처리업체의 도움을 받아 실제 생산에 사용중인 기름욕조 조건에서의 실험을 통해 구하여, 실제 생산 환경에서의 침탄열처리 후 소입 시 미세조직, 침탄 깊이, 변형량을 전산모사하였다.
- 열처리 후 미세조직을 광학현미경(OM, Olympus, BX41M)과 주사전자현미경(SEM, JEOL, JSM7001F)을 이용하여 관찰하였다. 시편은 기계적 연마 후 4% nital용액과 10% 메타중아황산나트륨(Na2S2O5) 수용액으로 에칭(etching)하였다.
- 위와 같이 구한 냉각속도 및 STS 304의 재료 물성을 이용하여, 기어내 온도 측정 부위 및 욕조 내 소입 위치에 따른 대류열전달계수를 역추적하여 계산하였다(Fig. 4). 냉각속도가 가장자리에 비해 빨랐던 중심부의 경우(Fig.
- 위의 물성치들은 기본적으로는 상용프로그램인 JMatPro(version 8.0)[15] 의 데이터를 사용하였으며, 일부 물성치들은 열팽창계 실험 및 실험을 통해 구해진 문헌값 조사[16-20]를 통해 JMatPro의 물성을 대체하였는데 이를 Table 2에 정리하여 나타내었다.
- 유냉 시 욕조 중심부에 교반기가 기름을 교반하고 있기 때문에 욕조 내 가장자리와 중심부의 냉각속도가 차이가 날 수 있으므로 욕조 내 소입 위치에 따른 냉각속도 차이를 알아보고자, 가열된 기어를 욕조 내 가장자리와 중심부에 각각 소입하였다. 유냉 시 기어의 온도는 ① Top land ② Bottom land ③ Side surface ④ Inner surface의 네 곳에서 측정하여 기어내 위치에 따른 냉각속도의 차이를 측정하고자 하였다(Fig. 1 참조). 상기 네 위치에 두께 1.
- % 분위기의 920ºC에서 유지하고, 소입 전 변형량을 최소화 하기 위하여 890ºC로 냉각하여 약 40분 유지 후, 60ºC 기름욕조에 유냉하였다. 유냉 시 욕조 중심부에 교반기가 기름을 교반하고 있기 때문에 욕조 내 가장자리와 중심부의 냉각속도가 차이가 날 수 있으므로 욕조 내 소입 위치에 따른 냉각속도 차이를 알아보고자, 가열된 기어를 욕조 내 가장자리와 중심부에 각각 소입하였다. 유냉 시 기어의 온도는 ① Top land ② Bottom land ③ Side surface ④ Inner surface의 네 곳에서 측정하여 기어내 위치에 따른 냉각속도의 차이를 측정하고자 하였다(Fig.
- 유냉 후 기어의 변형량 측정을 위하여, 3D tooth flank measuring machine(Zeiss, zp630)을 이용하여 기어의 오버핀 경 오차(over pin diameter error, O.P.D. error), 전치형 오차(profile error), 리이드 오차(lead error), 크라우닝(crowning)을 측정하였다.
- 이 두 시편에서 10 × 3 × 1 mm3 크기의 판상시편을 제작하여 열팽창계(Theta Inc., Dilatronic III)를 사용해서, 여러 등온유지 시 유지시간에 따른 변형율과 연속가열 시 온도에 따른 변형율을 측정하였다.
- 경도값은 시편당 두 개의 치에서 측정되었기에, 각 기어치의 경도분포를 Vickers1과 Vickers 2로 명명하였다. 이들 실측 경도분포를 JMatPro에서 제공하는 물성치만으로 모사한 깊이에 따른 탄소농도분포(JMat) 및 실험 및 문헌을 통해 수정된 물성치로부터 모사한 깊이에 따른 탄소농도분포(Mod)과 비교하였다(Fig. 8). Vickers 1과 Vickers 2의 경화 깊이와 Mod로 예측한 침탄 깊이가 약 4.
- SCM420H 강의 기어 열처리에 대한 전사모사를 위해 필요한 상변태 물성, 열물성, 기계적 물성들을 JMatPro를 사용하여 구하거나(JMat) 또는 상기 여러 물성 중 상변태 속도, 열팽창계수, 열용량, 열전도도 등을 본 연구에서 실측하거나 또는 실측된 문헌 값으로 치환하여 물성(Mod)을 확보하였다. 이런 두 가지 물성 데이터베이스를 사용하여 침탄 소입 공정을 전산모사하고 실험도 수행하였다. 그 결과, 냉각속도는 동일한 대류열전달계수를 사용하므로써 Mod와 JMat 간에 계산 결과에 큰 차이가 없고 실측 냉각속도와 비교적 잘 일치하였다.
- [10]은 AISI 1045강으로 제조된 스퍼 기어(spur gear)의 급냉 시 소입제(oil, water)에 따른 냉각속도의 변화가 미세조직 및 경도에 미치는 영향에 대해 전산 모사하였다. 전산모사를 위해 대류열전달계수는 상변태가 없는 STS 304강을 실린더 형상으로 가공하여 각 소입제에 대하여 냉각속도를 측정함으로써 구하였다. Kim et al.
- [9]은 AISI 4140강으로 제조된 C 자 형상의 링(ring)의 열처리 공정에 대한 전산모사를 하여, 부위별 미세조직 및 변태소성(transformation plasticity) 차이가 최종 시편의 변형(distortion)에 미치는 영향을 분석하였다. 전산모사에 필요한 기계적, 열적, 상변태 물성은 상용프로그램들(DEFORMTM-3D와 JMatPro)내에 기존에 존재하는 값들을 이용하였고, 대류열전달계수는 교반기가 없는 기름욕조(oil bath)에서 측정된 문헌값[12]을 이용하였다.
- 침탄 된 시편에서 깊이에 따른 탄소량의 변화를 경도 변화로 간접적으로 알아보았는데, 이 때, micro-Vickers 경도기(Mitutoyo VLPAK2000)를 이용하였고, 245.2 mN의 하중으로 300 µm 간격으로 각 깊이 별 10회 측정한 후 그 평균 경도를 구하였으며 같은 기어 내 서로 다른 부위에서 2회 측정을 실시하였다.
- 침탄 소입 후 경화능 깊이를 알아보기 위하여 욕조 내 가장자리(Fig. 8a)와 중심부(Fig.8 b)에서 소 입시킨 기어의 치끝으로부터 매 300 µm마다 비커스 경도를 측정하였다.
- 침탄열처리 온도 범위에서 상변태가 일어나지 않는 오스테나이트계 스텐레스강(STS 304)을 사용하여 실제 유성기어와 동일한 치수와 형상을 갖는 기어를 제작하였다. 스텐레스 기어를 박스로에서 약 7.
- 침탄열처리 전 초기 시편을 10ºC/s의 가열속도로 890ºC까지 가열하여 그 온도에서 40분 유지 한 후, 410ºC700ºC 사이의 여러 온도까지 100ºC/s로 급랭하였다.
- 침탄열처리 후 유냉한 SCM 420H 유성기어내의 위치 별 미세조직(Fig. 7a 참조)에 대한 전산모사 결과(JMAT, Mod)와 실험결과(Exp)를 비교하였다. 기름욕조 내 가장자리(Fig.
- 따라서, 본 연구에서는 SCM 420H강 유성기어의 재료물성들을 직접 실험으로 측정하거나 또는 실험을 통해 얻어진 문헌값으로 확보하였다. 한편, 대류열전달계수는 열처리업체의 도움을 받아 실제 생산에 사용중인 기름욕조 조건에서의 실험을 통해 구하여, 실제 생산 환경에서의 침탄열처리 후 소입 시 미세조직, 침탄 깊이, 변형량을 전산모사하였다.
- 0)[13] 소프트웨어를 이용하여 전산 모사하였다. 해석의 효율성과 정확도 향상을 위하여, 대칭성으로 기어형상 전체를 표현할 수 있는 기하학적 최소형태로 제작 되었으며 요소(element) 수 약 200,000개, 절점 (node) 수 약 45000개의 정사면체 메시(mesh)로 분할하여 전산모사하였다(Fig. 2).
대상 데이터
- SCM 420H강의 상변태 속도와 조직 별 열팽창계수를 측정하기 위하여 두 개의 시편을 준비하였다. 즉, 침탄열처리 전 페라이트, 펄라이트 조직을 갖는 시편과 약 7.
- 대류열전달계수 계산에 필요한 STS 304의 물성은 기본적으로 DEFORM-HT3 library에 저장된 물성을 이용하였고, 결과값에 결정적인 영향을 미치는 열물성의 경우는 실험을 통해 구해진 문헌값[14](열전도도, 열용량)을 이용하였으며 이를 표1에 정리하였다.
- 본 연구에서는 SCM 420H 강으로 제조된 21톤 굴삭기 용 유성기어를 사용하였으며, 그 강의 화학조성은 Fe-0.21C-1.10Cr-0.81Mn-0.28Si-0.18Mo-0.07 Cu-0.05Ni(wt.%)이었다. 그 기어를 평형 탄소농도(carbon potential, C.
- 열처리 후 미세조직을 광학현미경(OM, Olympus, BX41M)과 주사전자현미경(SEM, JEOL, JSM7001F)을 이용하여 관찰하였다. 시편은 기계적 연마 후 4% nital용액과 10% 메타중아황산나트륨(Na2S2O5) 수용액으로 에칭(etching)하였다.
- 즉, 침탄열처리 전 페라이트, 펄라이트 조직을 갖는 시편과 약 7.5ºC/min의 가열속도로 890ºC까지 가열하고 그 온도에서 40 분간 진공에서 유지 후 수냉시켜 100% 마르텐사이트 조직을 갖는 시편을 사용하였다.
데이터처리
- 유한요소해석은 DEFORMTM-HT3(version 11.0)[13] 소프트웨어를 이용하여 전산 모사하였다. 해석의 효율성과 정확도 향상을 위하여, 대칭성으로 기어형상 전체를 표현할 수 있는 기하학적 최소형태로 제작 되었으며 요소(element) 수 약 200,000개, 절점 (node) 수 약 45000개의 정사면체 메시(mesh)로 분할하여 전산모사하였다(Fig.
성능/효과
- 7eg) 모두 Mod와 Exp가 잘 일치하였으나, JMat은 Exp와 비교하여 마르텐사이트 분율은 유사하지만 (Fig. 7b, e) 베이나이트 분율은 매우 적었고(Fig. 7c, f) 페라이트 분율은 매우 많게 나타났다(Fig.
- 이런 두 가지 물성 데이터베이스를 사용하여 침탄 소입 공정을 전산모사하고 실험도 수행하였다. 그 결과, 냉각속도는 동일한 대류열전달계수를 사용하므로써 Mod와 JMat 간에 계산 결과에 큰 차이가 없고 실측 냉각속도와 비교적 잘 일치하였다. 그러나, 침탄 깊이, 미세조직 분포, 열처리 후 변형량 등은 Mod로 계산한 결과들이 JMat으로 계산한 결과들보다 실측 결과들을 잘 모사하였다.
- 그러나, 오버핀경 오차(O.P.D error)의 경우 JMat 과 Mod 모두 Exp와 반대로 최대 외경이 오히려 감소한다는 결과가 나타났다. 이는 최대 외경의 변화는 기어의 표면부의 영향을 많이 받을 수 있는데, 표면부의 0.
- 그 결과, 냉각속도는 동일한 대류열전달계수를 사용하므로써 Mod와 JMat 간에 계산 결과에 큰 차이가 없고 실측 냉각속도와 비교적 잘 일치하였다. 그러나, 침탄 깊이, 미세조직 분포, 열처리 후 변형량 등은 Mod로 계산한 결과들이 JMat으로 계산한 결과들보다 실측 결과들을 잘 모사하였다.
- 7a 참조)에 대한 전산모사 결과(JMAT, Mod)와 실험결과(Exp)를 비교하였다. 기름욕조 내 가장자리(Fig. 7b-d)와 중심부(Fig. 7eg) 모두 Mod와 Exp가 잘 일치하였으나, JMat은 Exp와 비교하여 마르텐사이트 분율은 유사하지만 (Fig. 7b, e) 베이나이트 분율은 매우 적었고(Fig.
- 냉각곡선은 한 개의 실측 곡선 (Exp), JMatPro에서 제공하는 물성치만으로 모사된 곡선(JMat), 실험 및 문헌을 통해 수정된 물성치(Table 1 참조)로부터 모사된 곡선(Mod)이다. 기어내 온도 측정 위치에 별로 모사된 곡선과 실측곡선을 차례로 비교하였으며 기어내 위치 및 물성의 출처와 관계없이 JMat과 Mod모두 Exp와 대체로 잘 일치하였고 이는 재료물성의 차이보다는 대류열전달 계수가 냉각속도에 더 큰 영향을 미친다는 것을 보여준다. 기어내 부위별 냉각속도는 차례대로 top land 부위(Fig.
- 이는 욕조의 중앙부에서 기름을 교반하고 있기 때문에 대류가 활발한 중앙에서 냉각이 더 빠르기 때문이다. 기어내 측정부위별 냉각속도는 top land가 가장 빠르고, side surface와 bottom land가 비슷한 냉각속도를 보였고, inner surface 가 가장 느렸다.
- 이는 JMatPro로부터 구해진 페라이트의 상변태 속도가 실제보다 빠르고, 이로 인해 베이나이트의 상변태가 억제되었기 때문인 것으로 판단된다. 따라서, 미세조직 예측에는 Mod의 상변태 물성들이 더 정확함을 확인하였다.
- 4a). 예상대로, 기어 내에서는 냉각속도가 빨랐던 top land가 제일 높은 대류열전달계수 값을 보였고, 가장 느린 냉각속도를 보인 inner surface가 제일 낮은 대류열전달계수 값을 가졌다.
- 6d)에서 가장 느리게 나타났는데 이는 기어 내 위치에 따라 냉각제와의 접촉면적 및 냉각제의 유속 등에 받는 영향이 다르기 때문이다. 욕조 내 중심부에 대한 냉각속도 모사에서도 역시 가장자리에서의 결과와 마찬가지로 JMat, Mod가 실측곡선과 대체로 잘 일치하였고 기어내 위치 별 냉각속도 순서도 같게 나타났다.
- 9는 침탄 열처리 및 소입 이후 기어에서 발생할 수 있는 다양한 변형 종류별로 그 변형량을 실측(Exp)한 값과 JMatPro 값으로부터 모사된 변형량(JMat), 수정된 물성으로 모사된 변형량(Mod)를 비교하여 보여주고 있다. 치형 오차(Profile error) (Fig. 9a), 리이드 오차(lead error)(Fig. 9b), 크라우닝(crowning)(Fig. 9c), 오버핀경 오차(over pin diameter error, O.P.D. error)(Fig. 9d)의 변형량에 대해서는 JMat이나 Mod 모두 실측 변형량(Exp)의 측정 오차범위 안에 들어올 정도로 비교적 정확히 예측함을 알 수 있다. 이는 JMat이나 Mod 모두 변형량에 영향을 미치는 인자들(유동응력, 탄성계수, 페라이트/펄라이트/마르텐사이트/오스테나이트의 열팽창계수를 JMatPro로부터 계산된 동일한 값들을 사용하였기 때문으로 생각된다.
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