[논문]선조질강 ESW95의 기계적 성질에 관한 연구

박지태; 엄재근; 김종훈; 윤덕재; 전만수

[국내논문] 선조질강 ESW95의 기계적 성질에 관한 연구
Study on Mechanical Behavior of a Pre-Heat Treated Steel of ESW95 원문보기

박지태 (삼화강봉(주)) , 엄재근 ((사)경상대 수송기계부품기술현신센터) , 김종훈 (태양금속공업(주)) , 윤덕재 (한국생산기술연구원) , 전만수 (경상대학교 기계항공공학부)

We investigate the mechanical behavior of a pre-heat treated steel of ESW95, which is being used for automotive parts including tie-rods to save manufacturing cost and enhance product quality. SCM435 is also investigated to reveal the characteristics of the pre-heat treated steel tested. AFDEX/MAT is used to extract the true stress-strain curve over the large strain with higher accuracy. It has been found that ESW95 has very week strain-hardening behavior which can be negligible compared with SCM435 and that the initial yield strength is quite high and the toughness of ESW95 reaches nearly 75% of SCM435. ESW95 is characterized by the weak strain-hardening behavior and high yield strength that can be lead to minimization of post-processing including heat treatment and straightening. ESW95 and SCM435 are also compared by applying them to ball-stud forging by computer simulation. It is expected that a great deal of change may take place in production as well as in service if the pre-heated steels are adopted.

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문제 정의

선조질강에 관한 유동응력 등의 기계적 특성이 아직 발표된 바 없다. 본 연구에서는 전만수등[2, 3]이 개발한 인장시험 해석 및 유동응력 획득 기법을 이용하여 삼화강봉(주)에서 개발하여 국내외에서 활용되고 있는 이 선조질강 ESW95[1]의 유동응력 등 거시적 특성을 제시한다. 그리고 적용 연구로 실시한 볼스타드 제조 공정의 시뮬레이션 결과를 통하여 선조질강의 실공정 적용과 관련된 제반 기술적 문제를 검토한다.
본 연구에서는 일반강 중에서 SCM435와 상용화에 성공한 선조질강 ESW95를 동일한 조건하에서 유동응력을 획득하여 상호 비교 검토한다.

가설 설정

공정시뮬레이션의 결과에 영향을 비교적 많이 미치는 마찰법 칙 으로 Coulomb 마찰법 칙 을 사용하였으며, 마찰계수는 0.05로 가정하였다. 사용된 단조 시뮬레이터는 AFDEX/2D이다.
따라서 공정의 최적화와 금형 재료와 금형 구조의 혁신이 불가피하다. 둘째, 전후처리 공정의 변화가 발생할 것이다. 우선 현재 성공적으로 적용되고 있는 타이로드(Tierod) 의 제조 공정에서 보는 바와 같이 에너지의 사용과 환경의 파괴를 부르는 후처리 공정의 생략이 예상된다.

제안 방법

본 연구에서는 전만수등[2, 3]이 개발한 인장시험 해석 및 유동응력 획득 기법을 이용하여 삼화강봉(주)에서 개발하여 국내외에서 활용되고 있는 이 선조질강 ESW95[1]의 유동응력 등 거시적 특성을 제시한다. 그리고 적용 연구로 실시한 볼스타드 제조 공정의 시뮬레이션 결과를 통하여 선조질강의 실공정 적용과 관련된 제반 기술적 문제를 검토한다.
인장시험은 5개의 시편에 대하여 실시되었으며, SCM435와 ESW95의 시험 결과 중, 항복강도, 인장강도, 연신률 등을 Table 1과 Table 2에 각각 나타내었다. Table 에서 보는 바와 같이, 인장시험 결과가 시편에 따라 큰 차이를 나타내지 않았으므로 Fig. 2에서 보는 바와 같이 대표적인 하나의 하중-변위 곡선을 선택하여 유동응력을 획득하였다. 유동응력의 획득은 AFDEX/MAT에 의하여 이 루어 졌다.
본 장에서는 2장에서 인장시험에 의하여 획득된 유동응력 정보를 이용하여 볼스타드 단조 공정을 시뮬레이션하여 그 결과를 비교하였다. 공정시뮬레이션의 결과에 영향을 비교적 많이 미치는 마찰법 칙 으로 Coulomb 마찰법 칙 을 사용하였으며, 마찰계수는 0.

대상 데이터

1(b)에서 보는 바와 같이 그립 부분에 나사를 내었다. 인장시험은 KIMM에서 실시하였고, 사용된 인장시험기는 Instron model 5882 이다. 인장시험은 5개의 시편에 대하여 실시되었으며, SCM435와 ESW95의 시험 결과 중, 항복강도, 인장강도, 연신률 등을 Table 1과 Table 2에 각각 나타내었다.
05로 가정하였다. 사용된 단조 시뮬레이터는 AFDEX/2D이다.
적용 대상 공정은 4단으로 구성되어 있다. Fig.
본 연구는 2단계 BK21 사업. (사)경상대 수송기계부품기술혁신센터, 공통핵심기술개발의 지원으로 실시된 연구 결과의 일부임.

성능/효과

그리고 세계적인 에너지 사용 규제 움직임으로 에너지를 많이 사용하는 기계부품 제조공정에도 점진적인 변화가 불가피하다. 결론은 에너지 사용의 최소화이다. 이러한 흐름의 연장선상에서 개발된 것이 고주파유도가열 열처리된 선조질 강이다 [1].
고주파유동가열 열처리 된 선조질강은 초기항복응력이 일반강 또는 원소재에 비하여 높은 반면, 변형경화가 거의 없는 것으로 나타났다. 기존의 볼스타드의 제조 공정에 선조질강 ESW95를 시뮬레이션을 통하여 적용해 본 결과, 하중의 증가가 크게 나타났으며, 변형 경화가 발생하지 않기 때문에 기존 공정에 비하여 공정 후미에서의 하중증가가 상대적으로 작게 나타났다.
기존의 볼스타드의 제조 공정에 선조질강 ESW95를 시뮬레이션을 통하여 적용해 본 결과, 하중의 증가가 크게 나타났으며, 변형 경화가 발생하지 않기 때문에 기존 공정에 비하여 공정 후미에서의 하중증가가 상대적으로 작게 나타났다. 그러나 그 절대치는 SCM435를 사용하는 기존의 공정에 비하여 여전히 25 % 정도 크게 나타났다.
첫째, 단조 자체만 볼 때, 기존의 공정설계를 적용하기가 용이하지 않다. 따라서 공정의 최적화와 금형 재료와 금형 구조의 혁신이 불가피하다.

후속연구

그러나 그 절대치는 SCM435를 사용하는 기존의 공정에 비하여 여전히 25 % 정도 크게 나타났다. 이러한 단점에도 불구하고, 수요자 입장에서의 장점, 즉 후속공정 최소화와 제조비용 절감, 고강도 재료 사용으로 인한 중량 절감 및 연비 향상, 에너지 절약의 세계적 추세, 후처리 시의 유독성 물질 사용억제 등으로 인하여 선조질강과 같은 고기능성 소재의 사용의 증가는 지속될 것이다.

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