주사전자현미경을 이용하여 피로파괴를 관찰하고 파괴 메커니즘을 분석하였다. 동시에, 탈탄 처리된 시편에 대해 다양한 온도에서 스핀 벤딩 피로 시험을 수행하여 탈탄 처리 유무에 따른 시험강의 피로 수명을 비교하고, 탈탄이 시험강의 피로 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 실험 결과, 가열 과정에서 산화와 탈탄이 동시에 발생하여 두 반응이 상호작용함으로써 완전 탈탄층의 두께가 온도가 증가함에 따라 증가하다가 감소하는 경향을 보였다. 완전 탈탄층의 두께는 750℃에서 최대값인 120μm에 도달하고, 850℃에서 최소값인 20μm에 도달하였다. 시험강의 피로 한계는 약 760MPa이었으며, 시험강 내 피로 균열의 주요 원인은 Al2O3 비금속 개재물인 것으로 나타났다. 탈탄 현상은 시험강의 피로 수명을 크게 감소시켜 시험강의 피로 성능에 영향을 미치며, 탈탄층이 두꺼울수록 피로 수명은 더욱 짧아집니다. 탈탄층이 시험강의 피로 성능에 미치는 영향을 줄이기 위해 시험강의 최적 열처리 온도는 850℃로 설정해야 합니다.
기어는 자동차의 중요한 구성 요소입니다.고속 작동으로 인해 기어 표면의 맞물림 부분은 높은 강도와 내마모성을 가져야 하며, 치근은 지속적인 반복 하중으로 인해 재료 파손으로 이어지는 균열을 방지하기 위해 우수한 굽힘 피로 성능을 가져야 합니다. 연구에 따르면 탈탄은 금속 재료의 회전 굽힘 피로 성능에 영향을 미치는 중요한 요소이며, 회전 굽힘 피로 성능은 제품 품질의 중요한 지표이므로 시험 재료의 탈탄 거동과 회전 굽힘 피로 성능을 연구하는 것이 필수적입니다.
본 논문에서는 20CrMnTi 기어강의 표면 탈탄 시험을 위해 열처리로를 사용하고, 가열 온도 변화에 따른 시험강의 탈탄층 깊이 변화 양상을 분석하였다. 또한, QBWP-6000J 단순 빔 피로 시험기를 이용하여 시험강의 회전 굽힘 피로 시험을 수행하고, 시험강의 피로 성능을 측정하였다. 동시에 탈탄이 시험강의 피로 성능에 미치는 영향을 분석하여 실제 생산 공정 개선, 제품 품질 향상 및 합리적인 참고 자료를 제공하고자 한다. 시험강의 피로 성능은 회전 굽힘 피로 시험기를 통해 측정하였다.
1. 시험 재료 및 방법
시험 재료는 표 1에 나타낸 주 화학 조성을 갖는 20CrMnTi 기어강을 사용했습니다. 탈탄 시험: 시험 재료를 직경 8mm, 두께 12mm의 원통형 시편으로 가공하고, 표면은 얼룩 없이 깨끗해야 합니다. 열처리로를 이용하여 시편을 675℃, 700℃, 725℃, 750℃, 800℃, 850℃, 900℃, 950℃, 1,000℃로 가열하고 각 온도에서 1시간 동안 유지한 후, 상온까지 공랭했습니다. 열처리 후, 시편을 세팅, 연마 및 광택 처리하고, 4% 질산알코올 용액으로 침식시킨 후, 야금 현미경을 이용하여 시험강의 탈탄층을 관찰하고, 각 온도에서의 탈탄층 깊이를 측정했습니다. 회전 굽힘 피로 시험: 시험 재료는 요구 사항에 따라 두 그룹의 회전 굽힘 피로 시험편으로 가공하였다. 첫 번째 그룹은 탈탄 시험을 수행하지 않았고, 두 번째 그룹은 서로 다른 온도에서 탈탄 시험을 수행하였다. 회전 굽힘 피로 시험기를 이용하여 두 그룹의 시험강에 대해 회전 굽힘 피로 시험을 실시하고, 두 그룹 시험강의 피로 한계를 측정하고, 피로 수명을 비교하였다. 또한 주사 전자 현미경을 이용하여 피로 파괴를 관찰하고, 시험편의 파괴 원인을 분석하여 탈탄이 시험강의 피로 특성에 미치는 영향을 규명하였다.
표 1. 시험강의 화학 조성(질량 분율) (중량%)
가열 온도가 탈탄에 미치는 영향
그림 1은 다양한 가열 온도에서 탈탄 조직의 형태를 보여줍니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 온도가 675℃일 때는 시편 표면에 탈탄층이 나타나지 않습니다. 온도가 700℃로 상승하면 시편 표면에 얇은 페라이트 탈탄층이 나타나기 시작합니다. 온도가 725℃로 상승함에 따라 시편 표면의 탈탄층 두께가 크게 증가합니다. 750℃에서 탈탄층 두께는 최대값에 도달하며, 이때 페라이트 결정립이 더욱 뚜렷하고 조대해집니다. 온도가 800℃로 상승하면 탈탄층 두께가 크게 감소하기 시작하여 750℃에서의 절반 수준으로 줄어듭니다. 온도가 850℃까지 계속 상승하면 탈탄층 두께는 그림 1에 나타낸 바와 같이 완전히 감소하여 750℃에서의 절반 수준이 됩니다. 온도가 850℃ 이상으로 계속 상승함에 따라, 시험강의 완전 탈탄층 두께는 지속적으로 감소하고, 부분 탈탄층 두께는 점차 증가하기 시작하여 완전 탈탄층 형태가 완전히 사라지고 부분 탈탄층 형태가 점차 뚜렷해집니다. 온도가 증가함에 따라 완전 탈탄층 두께가 처음에는 증가하다가 감소하는 것을 알 수 있는데, 이는 가열 과정에서 시편이 산화와 탈탄을 동시에 진행하기 때문입니다. 탈탄 속도가 산화 속도보다 빠를 때만 탈탄 현상이 나타납니다. 가열 초기에는 완전 탈탄층 두께가 온도가 상승함에 따라 점차 증가하여 최대값에 도달합니다. 이때부터 온도를 계속 상승시키면 시편의 산화 속도가 탈탄 속도보다 빨라져 완전 탈탄층 두께 증가가 억제되고 감소 추세를 보입니다. 675~950℃ 범위 내에서 750℃에서의 완전 탈탄층 두께가 가장 크고, 850℃에서의 완전 탈탄층 두께가 가장 작다는 것을 알 수 있으므로, 시험강의 가열 온도는 850℃로 하는 것이 좋다.
그림 1. 서로 다른 가열 온도에서 1시간 동안 유지한 시험강의 탈탄층의 조직 형태학적 특징
부분 탈탄층과 비교했을 때, 완전 탈탄층의 두께는 재료 특성에 더욱 심각한 악영향을 미칩니다. 강도, 경도, 내마모성, 피로 한계 등 재료의 기계적 특성을 크게 저하시킬 뿐만 아니라 균열 발생 민감도를 증가시켜 용접 품질 등에도 영향을 미칩니다. 따라서 완전 탈탄층의 두께를 제어하는 것은 제품 성능 향상에 매우 중요합니다. 그림 2는 온도에 따른 완전 탈탄층 두께의 변화 곡선을 보여주며, 완전 탈탄층 두께의 변화를 더욱 명확하게 나타냅니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 700℃에서의 완전 탈탄층 두께는 약 34μm에 불과하지만, 온도가 725℃로 상승함에 따라 86μm로 크게 증가하여 700℃에서의 완전 탈탄층 두께의 두 배 이상이 됩니다. 온도가 750℃까지 상승하면 완전 탈탄층의 두께는 최대값인 120μm에 도달합니다. 온도가 계속 상승함에 따라 완전 탈탄층의 두께는 급격히 감소하여 800℃에서는 70μm가 되고, 850℃에서는 최소값인 약 20μm까지 떨어집니다.
그림 2. 다양한 온도에서 완전 탈탄층의 두께
스핀 벤딩 시 피로 성능에 대한 탈탄의 영향
스프링강의 피로 특성에 대한 탈탄의 영향을 연구하기 위해 두 그룹의 스핀 굽힘 피로 시험을 수행했습니다. 첫 번째 그룹은 탈탄 처리를 하지 않고 바로 피로 시험을 진행했고, 두 번째 그룹은 동일한 응력 수준(810 MPa)에서 탈탄 처리를 한 후 피로 시험을 진행했습니다. 탈탄 공정은 700~850℃에서 1시간 동안 유지했습니다. 표 2는 첫 번째 그룹 시편의 스프링강 피로 수명을 나타냅니다.
첫 번째 시편 그룹의 피로 수명은 표 2에 나타나 있다. 표 2에서 볼 수 있듯이, 탈탄 처리를 하지 않은 시험강은 810 MPa의 응력에서 10⁷ 사이클까지만 견뎌냈고 파손은 발생하지 않았다. 응력 수준이 830 MPa를 초과했을 때 일부 시편에서 파손이 시작되었고, 850 MPa를 초과했을 때는 모든 시편이 파손되었다.
표 2. 다양한 응력 수준에서의 피로 수명 (탈탄 처리 없음)
피로 한계를 결정하기 위해 군집법을 사용하여 시험강의 피로 한계를 측정하였고, 데이터의 통계적 분석 결과 시험강의 피로 한계는 약 760 MPa인 것으로 나타났습니다. 다양한 응력 조건에서 시험강의 피로 수명을 특성화하기 위해 그림 3과 같이 S-N 곡선을 작성했습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, 응력 수준에 따라 피로 수명이 달라지며, 피로 수명이 7일 때(사이클 수 10⁷에 해당)는 시편이 이 조건에서 수명을 다했음을 의미합니다. 따라서 해당 응력 값은 피로 강도 값인 760 MPa로 근사할 수 있습니다. S-N 곡선은 재료의 피로 수명을 결정하는 데 중요한 참고 자료임을 알 수 있습니다.
그림 3. 실험용 강철 회전 굽힘 피로 시험의 SN 곡선
두 번째 시편 그룹의 피로 수명은 표 3에 나타나 있다. 표 3에서 볼 수 있듯이, 시험강을 다양한 온도에서 탈탄 처리한 후, 사이클 횟수가 현저히 감소하여 10⁷회를 초과했고, 모든 피로 시편이 파손되어 피로 수명이 크게 감소했다. 탈탄층 두께와 온도 변화 곡선을 함께 살펴보면, 750℃에서 탈탄 처리했을 때 탈탄층 두께가 가장 두꺼워 피로 수명이 가장 낮았고, 850℃에서 탈탄 처리했을 때는 탈탄층 두께가 가장 얇아 피로 수명이 비교적 높았다. 따라서 탈탄 처리는 재료의 피로 성능을 크게 저하시키며, 탈탄층이 두꺼울수록 피로 수명이 낮아지는 것을 알 수 있다.
표 3. 다양한 탈탄 온도에서의 피로 수명 (560 MPa)
그림 4에서와 같이 시편의 피로 파괴 형상을 주사 전자 현미경으로 관찰하였다. 그림 4(a)는 균열 발생 부위를 보여주는데, 명확한 피로 아크가 관찰된다. 피로 아크를 통해 피로의 원인을 찾아보면, "물고기 눈" 모양의 비금속 개재물이 균열의 원인임을 알 수 있다. 이러한 개재물은 응력 집중을 유발하기 쉬운 위치에 존재하여 피로 균열을 발생시킨다. 그림 4(b)는 균열 확장 부위의 형상을 보여주는데, 강물처럼 흐르는 형태의 명확한 피로 줄무늬가 관찰된다. 이는 준분리 파괴에 해당하며, 균열이 지속적으로 확장되어 최종적으로 파괴에 이르는 것을 나타낸다.
피로 파괴 분석
그림 4. 실험용 강재의 피로 파괴면의 SEM 이미지.
그림 4에 나타난 개재물의 종류를 확인하기 위해 에너지 스펙트럼 조성 분석을 수행하였고, 그 결과는 그림 5에 나타내었다. 비금속 개재물은 주로 Al2O3 개재물임을 알 수 있으며, 이는 개재물 균열이 균열 발생의 주요 원인임을 시사한다.
그림 5. 비금속 개재물의 에너지 분광 분석
끝내다
( 1) 가열 온도를 850℃로 설정하면 탈탄층의 두께가 최소화되어 피로 성능에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.
(2) 시험강 스핀벤딩의 피로한계는 760MPa이다.
(3) 시험강은 비금속 개재물, 주로 Al2O3 혼합물에서 균열이 발생합니다.
(4) 탈탄은 시험강의 피로수명을 심각하게 감소시키며, 탈탄층이 두꺼울수록 피로수명이 낮아집니다.
게시 시간: 2024년 6월 21일
