열처리기술/ 침탄담금질된 강재의 피로강도와 잔류응력
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
침탄담금질된 강재의 피로강도와 잔류응력
도요다자동차 파인세라믹센터 소장 / FUNATANU
1. 서 론
침탄담금질은 강의 내마모성 및 내피로성을 향상시키는 방법으로 자동차용기어류, 그와 각 종 기계 부품에 널리 이용되고 있으며, 침탄담금질된 강재의 피로강도에 대해서는 오래전부 터 각종 연구 보고가 발표되고 있다.
통상, 침탄담금질 강재는 그 현미경조직, 표면경도, 내부경도 및 경도분포 혹은 침탄경화층 깊이 등에 의해 그 품질을 판정하는 경우가 많다.
이들은 좌우하는 강종과 열처리방법의 영향 혹은 비교를 목적으로 한 연구가 많은 위치를 차지하고 있다.
그러나, 실제적으로 한 강종을 이용해도 그 성분범위내에서 강재의 소입성이 광범위하게 변한다. 그리고 이 소입성의 차이에 따라 동일조건에서 침탄담금질처리를 하여도 참탄경화 깊이 등이 크게 다른 경우가 많다. 이와 같이 강재의 소입성 차이에 의해 경도, 침탄경화깊 이 등이 변하며, 이것은 피로강도에 영향을 미치나 아직 이에 대한 보고가 없다.
또한, 침탄담금질된 강재의 피로강도에 미치는 잔류응력의 영향이 큰 것으로 알려져 있으 며 잔류응력차와 분포상태는 강종, 용해 Lot, 침탄방법 담금질방법 및 템퍼링처리에 의해 좌 우되나 그것의 정확한 파악이 곤란하고, 단지 정상적으로 침탄경화층은 피로강도향상에 기 여하는 것으로 알고 있다.
따라서 저자는 여러 소입성을 부여한 피로시험편을 제작 피로시험을 행하여 시편의 중심부 경도 및 침탄경화층깊이와 내구한의 관계, 그리고 이 값과 잔류응력에 대하여 검토하였다.
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2. 실험방법
2.1 실험방법
사용된 재료는 여러 소입성을 가진 Cr-Mo 표면경화강 (JIS 21,22)이며 그 화학성분 및 소 입성을 표1에 나타내었다.
강재는 32㎜ø의 봉강을 17㎜ø로 단조한 다음 940℃에서 1시간 유지하여 노말라이징 처리하였으며, 그리고 560℃에서 템퍼링처리한 후 시험편을 가공하였다.

시험편의 9㎜ø평행부를 축방향으로 하여 emery paper로 연마하였다.
또한 Check부는 침탄담금질후 연삭하여 최종치수로 가공하였다.
시험편의 최종치수, 형상 을 그림1에 나타내었다.
표 1 그림 1

침탄담금질은 920℃에서 0.9% C의 탄소포텐셜을 유지한 가스침탄 분위기중에서 2. 5, 8 및 20시간 침탄후 로내에서 860℃로 냉각한 다음 25~35℃의 오일중에 담금질하였다.
그후 160℃에서 2시간동안 저온템퍼링 처리하였다.
동일조건에서 침탄담금질 을 행하였음에도 불구하고 그림 2에 나타낸 바와 같이 강재의 소입성이 높은 것이 중심부경 도 및 침탄 경화층의 깊이가 증가하였다.

2.2 사용된 시험기
사용된 시험기는 Rotary - bending farigue 시험기이며 회전수는 1800 rpm이다. 피로시험기 는 상온으로하여 시험의 한 조건당 14내지 20개의 시험편을 이용하였다.
침탄담금질된 강재 는 통상 명확하게 내구한을 표시하지 않는 경우가 많으며, S-N선도의 107 회에서 58% 수 명을 내구한으로 한다.

그림 2 표 2
2.3 X-선에 의한 잔류응력측정
X-선에 의한 잔류응력의 측정은 표 2에 나타낸 바와 같은 조건으로 시험편의 장축방향 잔류 응력을 Sin²ø법에 의해 구하였다.
측정치의 신뢰도는 ±3㎏/㎟정도이다.

3. 시험결과
3.1 피로시험결과
3.1.1. 시험편 중심부경도와 내구한
시험편 중심부의 경도를 횡축으로 하고 종축에 내구한의 값을 plot하여 (그림3)에 나타내었 으며 침탄시간은 짧은 것이 2, 5시간 그리고 가장 긴 것이 20시간이었다.
중심부 경도의 상 승으로 내구한이 증가하였으며 HV500정도의 값에서 최대의 내구한을 보인다.
그이상 증가 할 경우 반대로 내구한은 감소하였다. 일반적으로 5 및 8시간 침탄담금질한 경우 중심부경 도의 변화에 의한 내구한의 변동은 적고 중심부경도가 증가함에 따라 다소 내구한의 상승이 있을 정도이다.
즉, 침탄시간이 적당하면 중심부경도차이에 의한 피로강도의 변동은 적지만, 침탄시간이 부적당한 경우는 중심부경도가 피로강도에 매우 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

그림 3 그림 4

3.1.2 침탄경화깊이와 내구한
시험편의 유효경화깊이(표면으로부터 로크웰 C경로 HRC50, 혹은 비커즈 Hv513까지의 수 직거리)을 횡축으로하고 종축을 내구한으로 plot하면 (그림4)와 같다.
초기에 유효경화깊이가 깊어짐에 따라 내구한이 상승하며 유효경화깊이가 1~ 1.5mm에서 최 대의 내구한이 얻어지고 그 이상 깊어지면 내구한이 떨어지는 것을 알 수 있다.
즉, 유효경화깊이에는 최적치가 있고, 필요 이상으로 깊게하는 것은 굽힘 피로강도에 바람 직하지 않다.

3.1.3 파괴 개시점
상술한 바와 같이 회전 굽휨피로시험에서는 파괴가 최표면에 의해 발생하는 것과 표면직하 에서 일어나는 경우가 있다.
즉, 모재의 소입성이 낮아 중심부경도가 낮은 시료는 유효경화깊이가 얕은 경우 표면 밑에 서 파괴(혹은 Fish-eye파괴)가 일어나는 수가있으며 유효침탄깊이를 깊게하면 표면에서 파 괴가 일어난다.
또한, 모재의 소입성이 커서 중심부경도가 높은 시편에서는 거의 표면파괴만 이 발생한다.
이와 같이 파괴개시점과 침탄깊이의 관계는 (그림5)에 나타낸바와 같으며, 표면밑에서 파괴 가 발생하는 위치(기점)는 거의 전 침탄깊이에 상응하는 위치이다.
그리고 유효경화깊이가 1mm이상으로 되면 전부 표면파괴가 일어난다.

4. 잔류응력측정 결과
동일 Lot에서 침탄담금질한 회전 굽휨피로시험편 표면의 장축방향 잔류응력 측정결과를 횡 축에 그리고 침탄깊이를 종축으로하여 Plot하면 (그림6)과 같다.
거의 ±5㎏/㎟정도의 range 를 가지며 전체적인 경향으로서는 1.2mm유효침탄깊이에서 약 36㎏/㎟의 최대치를 가짐을 알 수 있다.
또한 이것으로부터 임의로 선택한 3개의 시험편을 조사한 잔류응력분포는 그림 7에 나타낸것처럼 거의 전 침탄깊이 상당의 위치까지 압축잔류응력이 존재하며 시험편간의 차이가 비교적 적고 균일한 열처리가 이루어졌음을 알 수 있다.
(그림7)에는 위의 피로시험 편과 동시에 침탄담금질된 S15CK 25mmø시편을 조사하여 탄소농도분포와 함께 나타내었 다.


그림 6 / 그림 7


한편, 이들 시험편의 피로시험에 의한 잔류응력을 조사한 결과, 응력반복회수와 표면잔류 응력의 관계는 (그림 8)에 나타낸 바와 같으며, 반드시 모든 시험편이 같은 과정을 거치지는 않으나 거의 감소, 증가, 감소의 단계를 거쳐 파탄에 이르는 것을 알 수 있다. 그림중의 각 곡선에 부기한 숫자는 응력의 진폭을 나타낸다.
그러나 일부의 시험편에서는 증가과정에서 파단되는 경우도 있었다.

이것은 파단 후 조사된 잔류응력분포 (그림9)로부터 알 수 있는 것 처럼 최표면의 수십 마이크론층에서 생기는 잔류응력의 이상 peak에 의한 것으로 잔류응력 이 응력반복에 의해 그림9에서처럼 감소함에 기인한다.
이와 같이 피로시험중 잔류응력이 감소하나 그량은 비교적 적고, 피로 파괴시에도 매우 큰 잔류응력이 잔존하고 있기 때문에 종래에 알려진 것보다 침탄담근질한 강재의 피로강도에 미치는 잔류응력의 영향이 상당히 큰 것을 알 수 있다.
그림 7에 나타낸 정도의 재현성이 좋은 값이 얻어지는 경우 표면 잔류응력치에 대한 개략적 경향을 파악할 수 있을 것으로 사료되어 여러 유효경화깊이를 부여한 각종 시험편의 표면잔 류응력을 측정하였다.
그 결과를 횡축에 유효경화깊이, 종축에 잔류응력치를 plot해 보면 (그림10)에서와 같이 1~1.5mm의 유효경화층에서 최대의 압축잔류응력이 생기는 것을 알 수 있다.
즉 본 실험범 위 정도의 시험조건에 있어서 유효경화깊이의 증가에 의해 초기부터, 표면층의 압축잔류응 력은 증가하며 1~ 1.5mm에서 최대에 도달한 다음 그 이상에서는 표면의 잔류응력이 감소하 는 것을 알 수 있다.

그림 9 그림 10

5. 고 찰
이상에서와 같이 침탄담금질한 강재의 피로강도는 시편의 중심부경도와 침탄경화깊이의 영 향을 받음으로서 변화하고 최적치를 갖는 조건이었다.
그 유효경화층 깊이와 내구한의 관계 (그림4)는 유효경화층 깊이와 표면잔류응력의 관계와 아주 비슷한 경향을 가지고 있다.
시험 편의 형상에 차이가 있을 때 잔류응력은 열처리 조건에 의해 변화되기 쉽기 때문에 그 절대 치의 신뢰도에는 다소 문제가 있지만 위에 기술한 양자의 경향을 대조해보면 (그림11)에 나 타낸것처럼 최적의 유효경화층 깊이값 및 전체의 경향이 상당히 잘 일치함을 알 수 있다.
내구한의 값과 압축잔류응력치의 비를 그림중의 최상부에 나타내었다.
즉 파괴 개시점부근 의 경도와 현미경조직에는 거의 차이가 없음에도 불구하고 유효경화깊이와 내구한 사이에 (그림4)에서와 같은 관계가 존재하는 원인은 침탄경화깊이의 차이에 의해서 변화하는 잔류 응력의 영향이 극히 크기 때문이라고 생각된다.
이와 같은 현상은 침탄경화층에 발생하는 압축잔류응력이 침탄되지 않은 심부에서의 인장응력과 적합한 관계 갖는 경우를 고려하면 잔류응력의 최적치가 존재하는 것이 해석된다.
위에서와 같이 침탄담금질된 강재의 피로강도는 종래에 밝혀진 바와 같이 경도나 침탄경화 층깊이의 영향을 받고 초기에는 그 값의 증가로 내구한이 상승하고중심부경도가 Hv450-500, 유효경화층깊이는 1~1.5mm인 경우 최대치를 보인다.
그리고 그 이상에서는 내 구한이 감소한다. 이와 같은 내구한의 거동을 현미경조직과 경도분포등의 재질적인 면으로 만 설명하는 것은 곤란하였다.
한편, 잔류응력에 대한 조사결과, 유효경화깊이와 잔류응력은 내구한과 유효경화깊이의 관계와 아주 유사한 것을 알 수 있었다.
이와 같이 침탄소입한 강 재의 피로강도에는 잔류응력의 영향이 대단히 크고 그것이 내구한의 거동에 기여하는 것으 로 생각된다.
따라서 실용적으로도 현미조직과 경도 등의 재질면 뿐만아니라 잔류응력을 충 분히 검토하여 이를 유효하게 활용하여야 할 것이다.

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