[논문]뜨임한 구조용강 SCM435의 경도 및 충격 흡수에너지에 대한 신뢰성 평가

윤서현; 구세훈; 남기우

doi:10.21289/ksic.2019.22.6.681

뜨임한 구조용강 SCM435의 경도 및 충격 흡수에너지에 대한 신뢰성 평가
Reliability Evaluation of Hardness and Impact Absorption Energy of Tempered Structure Steel SCM435 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.22 no.6, 2019년, pp.681 - 688

윤서현 (부경대학교 마린융합디자인협동) , 구세훈 (부경대학교 재료공학과) , 남기우 (부경대학교 재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

SM45C steel, which is widely used for mechanical structure, was carburized at 870℃ for 4 hours and tempered at 300℃ and 400℃ for 1, 3 and 6 hours. The tempered materials were evaluated for tensile test, hardness test and impact test. In particular, the hardness and the absorption energy were evaluate the reliability by the Weibull statistical analysis. 300℃-1h specimen is considered to be the best heat treatment condition in the tensile stress and the observation of fracture surface. 300℃-1h specimen showed larger shape and scale parameter than the other specimens, and Rockwell hardness variance was small and showed the best characteristics. 400℃-3h specimen showed larger shape and scale parameter than the other specimens, the dispersion of impact absorption energy is small, and showed excellent characteristics.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Mean tensile stress according to heat treatment conditions
그림 Fig. 2 Fracture surafce. (a) As-received specimen, (b) 400℃-6h specimen
$Fig. 3 Relationship of fracture surface percentage and heat treatment conditions$ 그림 Fig. 3 Relationship of fracture surface percentage and heat treatment conditions
그림 Fig. 4 Metallic microscopy structure.
그림 Fig. 5 Rockwell hardness according to heat treatment conditions
그림 Fig. 6 Weibull plot of Rockwell hardness according to heat treatment conditions
그림 Fig. 7 Shape parameter and scale parameter from Weibull probability of Rockwell hardness according to heat treatment conditions
표 Table 1. The estimated Weibull parameters of specimens by Rockwell hardness
그림 Fig. 8 Comparison of absorbed energy for as-received specimen and heat treatment specimen
그림 Fig. 9 Weibull plot of absorbed energy for as-received specimen and heat treatment specimen
표 Table 2. The estimated Weibull parameters of absorbed energy

AI 본문요약
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제안 방법

그러나 구조용강재의 강도, 경도 등의 기계적 특성은 재료 개발의 기초 자료로 사용하기 위해서는 통계적 특성(평균값, 분산) 및 정량적 확률분포 특성을 파악하고 평가하는 것이 매우 중요하다.[9] 본 연구는 기계구조용로 많이 사용되는 SM45C를 사용하여, 인장시험, 경도시험 및 충격시험을 실시하였다. 특히 경도 및 충격 흡수에너지는 뜨임온도 및 시간에 의한 영향을 검토하기 위하여 와이블 통계 해석을 실시하였다.
인장시험은 기계식 만능재료시험기(DTU-900MH, 대경테크)를 사용하였으며, 크로스헤드 속도는 5㎜/min이었다. 경도는 로크웰 경도기를 사용하여, 각각 20회 측정하여 특성을 평가하였다. 충격시험은 20 kgf-m의 충격시험기를 사용하여, 각 열처리 조건에 10개의 시험편의 충격 흡수에너지를 측정하였다.
모재시험편은 하중방향에 대하여 수직한 평탄한 파면(평면변형률)을 나타내었다. 그러나 뜨임 온도 및 시간이 증가함에 따라서 평탄한 파면(평면변형률)에서 전단형파면(평면응력)으로 변하였다. 모재 시험편은 100% 편면변형률파면을 나타내었다.
모재시험편은 하중방향에 대하여 수직한 평탄한 파면(평면변형률)을 나타내었다. 그러나 뜨임 온도 및 시간이 증가함에 따라서 평탄한 파면(평면변형률)에서 전단형파면(평면응력)으로 변하였다. 모재 시험편은 100% 편면변형률파면을 나타내었다.
측정된 로크윌경도와 흡수에너지는 와이블 통계 해석을 수행하였다. 뜨임한 시험편의 미세조직과 파단면은 광학현미경(GX51 ; Olympus)으로 관찰하였다. 이때 미세 조직은 3% 나이탈 용액으로 10초간 엣칭하였다.
본 연구는 담금질한 후, 뜨임한 SM45C강을 사용하였다. 열처리는 이것을 사용하여 870℃에서 4시간 침탄 후, 300℃ 및 400℃에서 1, 3, 6시간 뜨임하고, 인장시험, 경도시험 및 충격시험을 실시하였다. 특히 경도 및 충격 흡수에너지는 와이블 통계 해석에 의한 신뢰성 평가를 실시하였다.
경도는 로크웰 경도기를 사용하여, 각각 20회 측정하여 특성을 평가하였다. 충격시험은 20 kgf-m의 충격시험기를 사용하여, 각 열처리 조건에 10개의 시험편의 충격 흡수에너지를 측정하였다. 충격시험편은 V-노치 표준시험편을 사용하였다.

대상 데이터

(2) 금속현미경 조직에서, 모재시험편은 페라이트와 펄라이트이다. 300℃시험편은 모재시험편에 비하여 결정립이 매우 미세하여, 경도와 강도가 증가하였다.
본 연구는 담금질한 후, 뜨임한 SM45C강을 사용하였다. 열처리는 이것을 사용하여 870℃에서 4시간 침탄 후, 300℃ 및 400℃에서 1, 3, 6시간 뜨임하고, 인장시험, 경도시험 및 충격시험을 실시하였다.
재료는 기계구조용 탄소강재인 SM45C이다. 모재 시험편은 850℃에서 1.
충격시험은 20 kgf-m의 충격시험기를 사용하여, 각 열처리 조건에 10개의 시험편의 충격 흡수에너지를 측정하였다. 충격시험편은 V-노치 표준시험편을 사용하였다. 측정된 로크윌경도와 흡수에너지는 와이블 통계 해석을 수행하였다.

데이터처리

충격시험편은 V-노치 표준시험편을 사용하였다. 측정된 로크윌경도와 흡수에너지는 와이블 통계 해석을 수행하였다. 뜨임한 시험편의 미세조직과 파단면은 광학현미경(GX51 ; Olympus)으로 관찰하였다.
[9] 본 연구는 기계구조용로 많이 사용되는 SM45C를 사용하여, 인장시험, 경도시험 및 충격시험을 실시하였다. 특히 경도 및 충격 흡수에너지는 뜨임온도 및 시간에 의한 영향을 검토하기 위하여 와이블 통계 해석을 실시하였다.
열처리는 이것을 사용하여 870℃에서 4시간 침탄 후, 300℃ 및 400℃에서 1, 3, 6시간 뜨임하고, 인장시험, 경도시험 및 충격시험을 실시하였다. 특히 경도 및 충격 흡수에너지는 와이블 통계 해석에 의한 신뢰성 평가를 실시하였다.

성능/효과

(1) 인장응력 및 파단면 관찰에서 300℃-1h시험편이 가장 우수한 열처리 조건이라 판단된다. 뜨임 온도 및 시간이 증가함에 따라서 평탄한파면(평면변형률)에서 전단형파면(평면응력)으로 변하였다.
(3) 300℃-1h시험편은 형상 및 척도 파라미터가 다른 조건보다 크게 나타나, 로크웰경도의 분산이 적으며, 가장 우수한 특성을 나타내었다.
(4) 400℃-3h시험편은 형상 및 척도 파라미터가 다른 조건보다 크게 나타나, 충격흡수 에너지의 분산이 적으며, 우수한 특성을 나타내었다.
4는 금속현미경 조직을 나타낸다. (a)모재 시험편은 아공석강이므로 페라이트(흰색)와 펄라이트(검은색) 조직인 것을 확인할 수 있다. Fig.
그리고 400℃시험편은 모재보다 각각 158%(1h), 141% (3h) 및 522%(6h) 크게 나타났다. 300℃ 및 400℃시험편은 뜨임 시간이 길어짐에 따라서 작아지는 경향을 나타내었으며, 300℃시험편의 로크웰경도는 400℃시험편보다 모두 높게 나타났다. 한편 척도 파라미터는 300℃시험편은 모재시험편보다 각각 약 94%(1h), 92%(3h) 및 85%(6h) 크게 나타났다.
1은 평균인장응력과 열처리 조건과의 관계를 나타낸다. 300℃ 및 400℃의 모든 뜨임시험편은 모재시험편보다 모든 시간에서 응력이 증가하였지만, 각 온도에서 시간이 증가함에 따라서 응력은 감소하였다. 뜨임 시험편은 모재시험편에 비교하여 300℃-1h시험편 140%, 300℃-3h시험편 118%, 300℃-6h시험편 105%, 400℃-1h시험편 87%, 400℃-3h시험편 79%, 400℃-6h시험편 50% 증가하였다.
그리고 400℃시험편은 모재보다 각각 433%(1h), 598%(3h) 및 232%(6h) 크게 나타났다. 300℃시험편은 시간이 길어짐에 따라서 작아지는 경향을 나타내었으나, 400℃-3h시험편은 매우 큰 값을 나타내었다. 그러나 1h 및 6h 시험편은 시간이 긴 것이 작게 나타났다.
3은 파면률을 나타낸다. 300℃시험편은 평면응력파면이 나타났고, 뜨임 시간이 길어질수록 평면응력파면이 넓어지고, 평면변형률파면이 감소하는 것을 알 수 있었다. 이것은 300℃에서 뜨임할 경우 청열 취성에 의한 영향이라 판단된다.
한편 척도 파라미터는 300℃시험편이 모재 시험편보다 각각 약 68%(1h과 3h) 및 62%(6h) 작게 나타났다. 400℃시험편은 모재 시험편보다 각각 54%, 205% 및 83% 크게 나타났다. 또한 변동계수는 척도 파라미터와 비슷한 경향을 나타내었다.
로크웰경도 결과에서 300℃-1h시험편의 형상 및 척도 파라미터는 다른 조건보다 크게 나타나, 경도의 분산이 적으며, 가장 우수한 특성을 나타내는 것으로 판단된다.
모든 뜨임 시간에서 평면응력파면이 나타났으며, 파면은 완전한 컵&콘 형태로 400℃ 뜨임은 담금질로 인하여 높아진 경도와 강도를 많이 낮출 수 있다는 것을 알 수 있다.
모재 시험편은 약 27.5∼32.9HRc로 가장 작으나, 300℃-1h시험편은 모재보다 약 2배 정도 높게 나타났다 그러나 각 온도에서 시간이 증가함에 따라서 감소하였다.
위의 결과에서 400℃-3h시험편의 형상 및 척도 파라미터는 다른 조건 시험편보다 크게 나타나, 충격흡수 에너지의 분산이 적으며, 우수한 특성을 나타내는 것으로 판단된다.
이와 같이 형상파라 메터와 척도파라메터는 각 뜨임 온도에서 시간이 증가할수록 감소하였고, 400℃시험편이 300℃시험편보다 더 감소하였다. 이 결과에서 300℃-1h 시험편의 형상파라메터와 척도파라메터가 가장 크고, 분산이 가장 작으며, 로크웰경도가 가장 높게 나타나, 가장 우수한 뜨임조건이라 판단된다.
이것은 높은 온도에 의한 탈탄 현상으로 인하여 강도와 경도가 낮아진 것으로 예측된다. 이상과 같은 인장시험의 결과에서 300℃-1h시험편이 최적의 기계적 특성이라 판단된다.
표에는 산술통계에 의한 평균, 표준편차(Std) 및 변동계수(COV)도 함께 나타내었다. 이상에서, 모재의 형상 파라미터가 21.18로 가장 적게 나타났으며, 300℃시험편은 모재보다 각각 214%(1h), 134%(3h) 및 114%(6h) 크게 나타났다. 그리고 400℃시험편은 모재보다 각각 158%(1h), 141% (3h) 및 522%(6h) 크게 나타났다.
표에는 산술통계에 의한 평균, 표준편차(Std) 및 변동계수(COV)도 함께 나타내었다. 이상에서, 모재의 형상 파라미터가 3.14로 가장 적게 나타났으며, 300℃시험편은 모재보다 각각 61%(1h), 75%(3h) 및 46%(6h) 크게 나타났다. 그리고 400℃시험편은 모재보다 각각 433%(1h), 598%(3h) 및 232%(6h) 크게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SM45C에 관한 연구는 무엇이 있는가?	탄소강 SM45C는 기계구조 및 금형 등에 많이 사용되는 재료이다. SM45C에 관한 연구는 이온질화하여 반복 인장-압축의 피로 거동[1], 고주파 경화처리[2], CO2 레이저를 사용한 표면경화[3], 불림 최적화[4], 플라즈마 질화처리강의 마모특성[5], 이종재와의 마찰용접 특성[6] 등이 있다. 또한 용접된 선박구조용 강판의 기계적 및 침지특성 평가[7] 및 열처리 후의 감쇠능 평가[8] 등이 있다.
	탄소강 SM45C는 어디에 사용되는 재료인가?	국산 기계구조용강의 품질은 세계 최고 수준에 이르고 있으나, 특성에 맞은 자료가 부족하여 설계에 어려움의 따르고 있다. 탄소강 SM45C는 기계구조 및 금형 등에 많이 사용되는 재료이다. SM45C에 관한 연구는 이온질화하여 반복 인장-압축의 피로 거동[1], 고주파 경화처리[2], CO2 레이저를 사용한 표면경화[3], 불림 최적화[4], 플라즈마 질화처리강의 마모특성[5], 이종재와의 마찰용접 특성[6] 등이 있다.
	기계구조용 강인 SM45C를 인장시험, 경도시험 및 충격시험을 실시한 결과는 무엇인가?	(1) 인장응력 및 파단면 관찰에서 300℃-1h시험편이 가장 우수한 열처리 조건이라 판단된다. 뜨임 온도 및 시간이 증가함에 따라 서 평탄한파면(평면변형률)에서 전단형파면 (평면응력)으로 변하였다. (2) 금속현미경 조직에서, 모재시험편은 페라이트와 펄라이트이다. 300℃시험편은 모재시험편에 비하여 결정립이 매우 미세하여, 경도와 강도가 증가하였다. 400℃시험편은 300℃시험편보다 약간 미세하며, 템퍼드 마르텐사이트가 형성되어, 강도와 경도가 감소하였다. (3) 300℃-1h시험편은 형상 및 척도 파라미터가 다른 조건보다 크게 나타나, 로크웰경도의 분산이 적으며, 가장 우수한 특성을 나 타내었다. (4) 400℃-3h시험편은 형상 및 척도 파라미터가 다른 조건보다 크게 나타나, 충격흡수 에너지의 분산이 적으며, 우수한 특성을 나타내었다.

참고문헌 (10)

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J. S. Park, O. Y. Lee, K. H. Song and Y. H. Han,"Surafce Hardening of SM45C Steel by CO2 Laser, "Journal of the Korean Society for Heat Treatment, vol. 8, no. 1, pp. 44-52, (1995).
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K. W. Nam and K. H. Lee, "Mechanical and Immersion Characteristics of Weled EH36 Steel with Different Heat Input," Journal of the Korean Society for Power System Engineering, vol. 22, no. 3, pp. 51-59, (2018).
J. H. Kwak, C. Y. Kang and K. H. Kim, "Internal Friction Behavior in AZ31 Magnesium Alloy after Annealing Treatment," Journal of the Korean Society for Power System Engineering, vol. 22, no. 1, pp. 87-93, (2018).

원문보기 상세보기
K. W. Nam, S. J. Kim and D. S. Kim, "Weibull Statistical Analysis on Mechanical Properties in $ZrO_2$ with SiC Additive," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, vol. 39, no. 9, pp. 901-907, (2015).

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D.J. Han, "A Study on the Difference between Surface and Core Hardness of SCM435 Steel Q/T", Ulsan University, Master's Thesis (2008).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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