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문제 정의
- 본 연구에서는 SM45C 강에 시간과 온도를 변수로 하여 고주파 열처리를 하고, 인장시험을 통하여 고주파 열처리조건에 따른 강의 재질변화와 기계적 특성과의 관계를 음향방출법(AE, acoustic emission)[2]으로 분석하여 연구 자료를 산업현장에 제공하고자 한다.
제안 방법
- [Fig. 1]과 같은 인장시험편을 120kHz, 50kW의 850℃ 수평식 자동 고주파 유도가 열장치를 이용하여 이동 고주파 표면경화처리를 하였다.
- [Fig. 3]에 무처리한 시험편과 850℃, 120kHz, 50kW의 고주파 열처리 조건에 맞춰 열처리를 한 후, 온도조건을 150℃, 300℃, 450℃로, 시간조건을 30분, 60분, 90분으로 템퍼링한 시험편에 대하여 만능재료시험기로 인장시험을 하여 얻은 하중-변위 곡선과 이들의 대표적인 파단면 사진을 예시하였다.
- 이 경우 1220A(대역필터 100～300kHz, 게인 40dB) 전치증폭기와 R15(공진주파수 150kHz) 공진역 센서를 각각 2개씩 사용하였다. 또한 고진공 그리스를 사용하여 시험편에 각각의 센서를 압착한 후, 샤프심압절법[5]으로 캘리브레이션(calibration)을 실시하여 센서의 압착여부를 확인 하고, 이렇게 해서 검출된 AE 신호를 주 증폭기에서 2차 증폭하여 디지털 데이터로 저장한 후 신호분석을 하였다.
- 본 연구에서는 SM45C 인장시험편을 850℃, 120kHz, 50kW의 조건으로 고주파 유도 가열 하고 150℃, 300℃, 450℃의 온도조건과 30분, 60분, 90분의 시간조건으로 템퍼링한 후, 인장시험에서 획득한 AE 신호를 분석하여 아래의 결과를 얻었다.
- 시험편을 고주파 열처리 한 후, 시험편에서의 잔류응력과 표면 안쪽에 있는 인장응력을 감소시키기 위하여 템퍼링[4]을 하였으며, 이때 열처리 시 중요인자인 시간은 30분, 60분, 90분으로 하였고 온도는 150℃, 300℃, 450℃로 하였다.
- 이때 출력 82A±4에 하강 이송속도 120rpm, 시험편 정지 시 가열속도 1초인 이송냉각 방법을 채택하였으며, 냉각수는 삼화공업의 Nacon A 8% 냉각수 0.001초 냉각 0.2초 정도로 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 시험편은 POSCO에서 생산한 두께 3mm의 SM45C 기계구조용 강으로 [Fig. 1]과 같이 KS B 0801 ｢금속재료 인장시험편｣ 규격 [3]을 적용하여 압연방향으로 시료를 절단하여 와이어 컷 방전가공 (W-EDM)을 하였으며, 화학적 성분과 기계적 성질은 [Table 1], [Table 2]와 같다 .
- 인장시험 중에 발생하는 AE 신호는 DiSP AE system(PAC, USA)을 이용하여 동일한 조건에서 10MSPS의 샘플링 주기로 데이터를 획득하였다. 이 경우 1220A(대역필터 100～300kHz, 게인 40dB) 전치증폭기와 R15(공진주파수 150kHz) 공진역 센서를 각각 2개씩 사용하였다. 또한 고진공 그리스를 사용하여 시험편에 각각의 센서를 압착한 후, 샤프심압절법[5]으로 캘리브레이션(calibration)을 실시하여 센서의 압착여부를 확인 하고, 이렇게 해서 검출된 AE 신호를 주 증폭기에서 2차 증폭하여 디지털 데이터로 저장한 후 신호분석을 하였다.
- 인장시험 중에 발생하는 AE 신호는 DiSP AE system(PAC, USA)을 이용하여 동일한 조건에서 10MSPS의 샘플링 주기로 데이터를 획득하였다. 이 경우 1220A(대역필터 100～300kHz, 게인 40dB) 전치증폭기와 R15(공진주파수 150kHz) 공진역 센서를 각각 2개씩 사용하였다.
성능/효과
- 1. 고주파 열처리 후 150℃ 온도조건에서 템퍼링한 시험편의 경우 템퍼링 효과가 나타나지 않았으며, 모든 조건에 대하여 인장시험편의 곡선부에서 취성파괴가 발생하였고, 그 때 45～60dB의 비교적 낮은 진폭을 갖는 것으로 나타났다.
- 7로 450℃를 기준으로 시간이 경과 할수록 경도값이 최대 8 포인트 하락하였다. 150℃ 및 300℃를 기준으로 경도값이 떨어지는 차이보다 가장 많은 차이를 보이고 있으며, 퀜칭 시의 경도값보다 최대 27 포인트 하락하였다.
- 3. 450℃ 온도조건에서 템퍼링한 시험편의 경우, 모든 조건에 대하여 인장시험편의 평행부에서 시험편 양면에 걸쳐 45°로 찢겨지듯 취성파괴가 일어나면서 AE 에너지 값에 여러 번의 피크치가 나타났고, 비교적 낮은 진폭에 높은 에너지 값을 가짐을 알았다.
- 고주파 열처리한 시험편에 템퍼링 온도를 150℃로 고정시킨 후, 시간조건을 30분, 60분, 90분으로 변화시켰을 때, 30분의 HRC값은 61.3, 60.2, 60.7이고, 60분의 HRC값은 58, 56.8, 59.4이며, 90분의 HRC값은 56.7, 56.8 55.2으로 150℃를 기준으로 시간이 경과 할수록 경도값이 최대 6 포인트 하락하였다. 또한 퀜칭 시의 경도값보다 최대 6 포인트 하락하였다.
- 고주파 열처리한 시험편에 템퍼링 온도를 450℃로 고정시킨 후, 시간조건을 30분, 60분, 90분으로 변화시켰을 때, 30분의 HRC값은 42.5, 41.1, 41.2이고, 60분의 HRC값은 36.4, 35.8, 35.5이며, 90분의 HRC값은 36.2, 34.3, 36.7로 450℃를 기준으로 시간이 경과 할수록 경도값이 최대 8 포인트 하락하였다. 150℃ 및 300℃를 기준으로 경도값이 떨어지는 차이보다 가장 많은 차이를 보이고 있으며, 퀜칭 시의 경도값보다 최대 27 포인트 하락하였다.
- 항복점을 지나는 순간 간헐적으로 에너지 값이 증가하고, 그 때 70～85dB의 진폭을 갖는다. 또한 최대인장하중 이후엔 비교적 높은 진폭에 높은 에너지 분포를 가지며, 전체적으로 45～70dB의 진폭을 갖는 것으로 나타났다.
- 앞 절의 인장시험의 경우에서 확인한 바에 의하면 템퍼링 효과가 미미하여 AE 신호에 대한 경향 역시 유사한 경향을 보임을 알 수 있다. 비교적 짧은 시간에 시험편의 파단이 이루어졌고, 시험편의 거시적 파단 시 에너지가 최대값을 가짐을 확인할 수 있다. 그리고, b-value가 무처리재 시험편에 비하여 감소하는 것으로 나타나 상대적으로 높은 진폭의 신호가 많이 발생했으며, 대체적으로 45～60dB의 진폭이 주류를 이루고 있다.
- 주파 열처리한 시험편에 템퍼링 온도를 300℃로 고정시킨 후, 시간조건을 30분, 60분, 90분으로 변화시켰을 때, 30분의 HRC값은 48.5, 48.2, 48.5이고, 60분의 HRC값은 49.1, 49.6, 48.1이며, 90분의 HRC값은 48.0, 48.9, 48.1로 300℃를 기준으로 시간이 경과할수록 경도값이 최대 1 포인트 정도로 미소하게 하락하였다. 150℃를 기준으로 경도값이 떨어지는 차이와는 약간 대조를 보이며, 퀜칭 시의 경도값보다 최대 13 포인트 하락하였다.
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