34 연구논문 ISSN 1225-6153 Online ISSN 2287-8955 최현민 * ㆍ박용하 ** ㆍ신용택 *** ㆍ김명현 *, * 부산대학교조선해양공학과 ** 삼성중공업재료분석연구 *** 동아대학교신소재공학과 The Effect of Fatigue Strength according to Carburizing Depth Hyun Min Choi*, Yong Ha Park**, Yong Taek Shin*** and Myung Hyun Kim*, *Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Pusan National University, Busan 609-735, Korea **Dept. of Materials Research, Samsung Heavy Industries Co., Ltd, Geoje-si, Gyungnam 656-710, Korea ***Dept. of Materials Science and Engineering, Donga University, Busan 604-714, Korea Corresponding author : kimm@pusan.ac.kr (Received March 24, 2014 ; Revised June 11, 2014 ; Accepted August 27, 2014) Abstract Carburizing treatments are the important way to developing fatigue strength and wear resistance. It is well known that the case depth is one of the most significant parameters determining fatigue strength. In this study, 3-point bending fatigue test was conducted to evaluate fatigue strength for the carburized depth with 18CrNiMo7-6 steel. As a result, fatigue strength increased with effective case depth decreased. It is shown that hardness in case hardened layer played principal role in the fatigue strength. Key Words : Fatigue strength, 3-Point bending fatigue test, Carburized steel 1. 서론 기어, 크랭크축등기계부품에서는주로반복하중에의해피로파괴가발생한다. 따라서재료의피로거동은구조물의설계시고려해야할필수적인요소라고할수있다. 피로파괴는대부분재료의표면에서시작되는피로균열에의해일어나는데, 이를지연시키기위해서는열처리를통해재료의강도를높여야한다. 여러열처리방법중표면경화는재료의표면을단단한재질로만들기위한방법으로기계적강도의증가를통해재료및구조물의피로수명을증가시킬수있다 1,2). 표면경화에는침탄법, 질화법, 고주파경화법등의다양한열화학적표면처리방법이이용되고있다. 침탄처리는가공성이좋은저탄소강또는저탄소합금강을기계가공한후그표면층에탄소를증가시켜담금질하여표면을경화시키는방법이다. 자동차부품, 선박용부품등각종기계부품에널리응용되고있으며표면열처리중에서가장많이사용되고있다. 침탄처리한강재의표면은경도가높고내마모성이좋으며, 내부는인성이뛰어난특성을가진다 3). 침탄처리를통해구조물은재료적특성의변화가일어나고이를통해피로수명이증가하게된다. 그러나침탄처리시간이늘어난다면생산비용이증가하므로경제적인효과를고려한다면적절한침탄시간및두께의고려가필요하다. 앞선연구들에서는차량의기어및부품에사용되는유효침탄두께 1.5mm 이하의강재에대한피로강도특성을확인하고자수행한연구가많이진행되었다 4). 그러나조선분야에서사용되는기어에는약 3mm의유효침탄두께를이용하고있으며, 3mm 유효침탄두께가구조설계시기준에만족하는지판단하기위해서는 3mm 침탄된강재에대한경도, 피로강도등의특성을파악하여야한다. 또한다양한유효침탄두께를가진강 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Journal of Welding and Joining, Vol.32 No.4(2014) pp34-38 http://dx.doi.org/10.5781/jwj.2014.32.4.34
35 재와의비교를통해 3mm 침탄량이적절한지확인하여야한다. 이에본연구에서는 1.5mm 이상유효침탄두께를가진강재의피로강도평가를위해, 침탄두께가다른세가지시험편으로경도시험및피로시험을수행하였다. 위시험결과를통해각침탄두께별특성을비교, 고찰하였다. L Fig. 2 Specimen used for the fatigue tests t B 2. 시험편및열처리방법 Table 2 Dimension of specimens 본연구에서는기어, 체인기어, 베어링등에쓰이는 침탄용강재 18CrNiMo7-6(DIN spec.) 5) 를사용하였다. 시험편은침탄시간을달리하여 3 종류의열처리를진 행하였고, Fig. 1 및 Table 1 에시험편에대한침탄공 정을나타내었다. 각침탄공정에서목표한유효침탄두 께는 1.5mm, 3mm, 4.5mm 이다. 침탄공정중 93 0 및 180 에서유지시간에변화를주었으며, 나머 지조건은동일하게열처리를진행하였다. 시험편의형상과치수를 Fig. 2 및 Table 2 에나타 내었다. 시험편은침탄처리이후에굽힘응력이작용하 는 t 방향을제외한두방향의침탄층을제거하였기때 문에침탄두께에따라 L, B 방향의치수가차이가났 다. 그러나균열이진전하는방향인 t 의값은같고, 피 로시험수행시하중값은달라진치수에따라적용하여 동일한굽힘응력이작용하기때문에, 시험결과에는영 향을미치지않을것이라고판단된다. Temperature ( ) 830 (6h) 930 830 a (6h) Oil Quenching 180 b Air Cooling Time (h) Fig. 1 Carburizing treatment for test specimens Table 1 Carburizing treatment time for test specimens Carburizing depth Carburizing time (a in Fig.1) Tempering time (b in Fig.1) 1.5 14h 4h 25 3 61h 4h 25 3.8 105h 5h 10 Carburizing depth Hardness, Hv10 L B t 1.5 353 23 54 3 349 20 54 3.8 346 17 54 3.1 경도시험 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 3. 시험방법 침탄처리를거친재료는경화층을형성하며, 이때유 효침탄두께는경도시험을통하여판단한다. KS D ISO 4507 에서는비커스경도시험법으로 550Hv 에상응하 는곡선상의점을유효침탄두께로정의하고있다 6). 침탄열처리후경화깊이를확인하기위하여 Fig. 3 과 같이비커스경도로유효침탄깊이를측정하였고, 측정 방향은 Fig. 2 에나타난화살표와같다. 경도시험수행결과 550Hv 에해당하는유효침탄 두께는각 1.5mm, 3mm, 3.8mm 로나타났다. 따라 서침탄두께가 1,5mm 와 3mm 되도록열처리를진행 한시험편은유효침탄두께를만족하는것을알수있 다. 4.5mm 침탄두께는일반적으로이용하는침탄량보 다매우많기때문에두꺼운침탄두께를가지는열처리 공정은많이수행하지않았고, 이에따라 4.5mm 침탄 공정중침탄유지시간이짧았던것으로판단된다. 그 Depth from surface(mm) 1.5mm 3.0mm 3.8mm 5 6 7 8 9 10 Fig. 3 Vickers hardness profile 大韓熔接 接合學會誌第 32 卷第 4 號, 2014 年 8 月 373
36 최현민ㆍ박용하ㆍ신용택ㆍ김명현 결과모든시험편이유효침탄두께 3.8mm 로예상한것에비해적게나왔다. 표면에서의경도값은 1.5mm, 3mm에서약 700Hv, 3.8mm에서약 600Hv 으로측정되어침탄량이더적은시험편에서더높은경도값을가지는것으로나타났는데, 이현상도역시유효침탄두께와마찬가지로기존열처리과정과다른긴유지시간에따른영향으로판단된다. 경화층내부에서경도값은약 430Hv 으로유사하게측정되었으며, Fig. 3에경도시험측정결과를정리하여나타내었다. 3.2 피로시험본연구에서는 3점굽힘피로시험을수행하였다. 피로시험에사용된장비는 Fig. 4의 ±20ton 의최대용량을가지는축인장 / 압축유압피로시험기를사용하였고, 피로하중의파형은정현파, 응력비 R=0.1, 주파수 2~3Hz 의조건에서시험을수행하였다. 또한침탄두께별진행한시험편의개수는 Table 3에나타내었다. 기존에각종산업에서사용하는침탄두께보다두꺼운침탄두께를가지는 3.8mm 시험편은그특성을알아보기위해피로시험을진행하는데더많은시험편을사용하였다. 4.1 S-N data 600 500 4. 시험결과및고찰 침탄두께의차이이외에다른시험조건은동일한 상태에서피로시험을진행하였으며, Fig. 5 에응력범위 (stress range) 기준으로 S-N curve 를나타내었다. 유효침탄두께가가장적은 1.5mm, 3mm 시험편이 비슷한피로강도를가지며 3.8mm 시험편의피로강도 가가장낮다. 침탄두께별시험편의대표적인파단면을 Fig. 6~8 에나타내었다. 모든시험편은응력집중부인, 홈의반 대쪽면에서균열이발생하여두께방향 ( 그림내흰색 화살표 ) 으로진전하고파단에이르렀다. 균열이시작된 아래쪽면에서부터침탄두께만큼피로파괴가발생하였 고, 이후에는취성파괴가일어남을파면을통해확인하 였다. 그리고모든시험편은전체피로수명대비매우 짧은균열진전수명을가지고있었다. 4.2 경도및잔류응력 일반적으로유효침탄두께가증가함에따라피로수명 은증가하며, 유효침탄두께가피로수명증가에가장큰 1.5mm(Mean curve) 3mm(Mean curve) 3.8mm(Mean curve) Stress range(mpa) 400 300 200 10 3 10 4 10 5 10 6 Number of cycles Fig. 5 S-N Curves Fig. 4 Fatigue test machine Table 3 Number of test specimen Carburizing depth No. of Specimen 1.5 4EA 3 5EA 3.8 9EA Fig. 6 Fracture surface of specimen(1.5mm, σ= 400MPa) 374 Journal of Welding and Joining, Vol. 32, No. 4, 2014
37 Fig. 7 Fracture surface of specimen (3mm, σ= 375MPa) 반대로나오는경우에는압축잔류응력의크기를그원인으로보고있다 12). Fig. 9에서 Group A, B, C, D 의유효침탄두께는각각 0.86mm, 1.2mm, 0.76mm, 1.49mm 이다. 그러나시험편에서 Fig. 2의 L방향과같은길이방향잔류응력의크기는 A>B>C>D 순서이며, 피로강도역시 A>B>C>D 순서이다. 이와같이경화층내의압축잔류응력의크기에따라피로강도가나타나며, 본연구도침탄두께와피로강도의경향이다르기때문에이후 X-ray diffraction, 고유변형도법 13) 등의방법으로잔류응력측정과그영향에대한연구가필요하다. 5. 결론 Fig. 8 Fracture surface of specimen (3.8mm, σ= 375MPa) Residual stress, (MPa) 0-100 -200-300 -400-500 -600-700 Group A Group B Group C Group D -800 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Depth from the surface (mm) Fig. 9 Residual stress distribution [Osman Asi, 2009] 영향을미친다고알려져있다 1,7,8). 그러나본연구에서는동일한하중이작용할때, 1.5mm, 3mm 침탄시험편의피로수명이 3.8mm 시험편에비해높은것을확인할수있다. 탄소강의강도와경도는비례관계를가지는데 9), 1.5mm, 3mm의시험편이 3.8mm 시험편에비해표면에서더높은경도값을나타냈다. 이에따라 1.5mm, 3mm 침탄두께시험편의표면에서균열이생성되는것을늦추어균열생성수명이늘어나더긴피로수명을가진것으로판단된다. 침탄열처리를한경우경화층에는압축잔류응력이생성되어피로강도를향상시킨다 10,11). 또한침탄두께가증가함에따라피로강도역시증가하는경향이나타난다. 그러나침탄두께의크기와피로강도가무관하거나 본연구에서는침탄두께에대한피로강도특성을확 인하고자하였다. 경도시험, 3 점굽힘피로시험을수 행한결과얻어진연구성과를아래와같이정리하여 나타내었다. 1) 경도시험결과표면에서부터중심부로갈수록경 도값이줄어드는것을확인할수있으며, 표면에서의 경도값은침탄두께 1.5mm, 3mm, 3.8mm 에서각각 약 700Hv, 700Hv, 600Hv 이다. 중심부의경도값은 약 430Hv 로일정하였다. 2) 유효침탄두께 1.5mm, 3mm 시험편은비슷한 피로강도를가졌으며, 3.8mm 시험편은가장낮은피로 강도를나타냈다. 이는 1.5mm, 3mm 시험편이 3.8mm 시험편에비해침탄량이적음에도표면에서경도값의 영향으로균열생성수명이늘어나전체피로수명이증가 한것으로판단된다. 3) 일반적으로침탄두께가증가함에따라피로강도 역시증가하는경향이나타낸다. 그러나본연구에서는 침탄두께의크기와피로강도가무관하였는데, 이는경화 층내압축잔류응력이피로강도에영향을받은것으로 보인다. 따라서경화층내잔류응력에대해추가적인 연구가필요하다고판단된다. 후 기 이논문은 2013 년도정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으 로한국연구재단, 삼성중공업의지원을받아수행된연 구입니다 (No. 2011-0030013). 위기관의후원에감 사드립니다. References 1. Kenan Genel, Mehmet Demirkol: Effect of case depth on fatigue performance of AISI 8620 carburized 大韓熔接 接合學會誌第 32 卷第 4 號, 2014 年 8 月 375
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