템퍼링한 기계구조용 탄소강 SM45C의 경도 및 흡수에너지에 대한 신뢰성 평가

Abstract

국산 기계구조용 강의 품질은 세계 최고 수준에 이르고 있으나, 특성에 맞은 데이터가 부족하여 설계에 어려움의 따르고 있다. 일부 수요자는 국산 재료보다는 외국산 재료를 선호하는 등 국산 철강 재료에 대한 정확한 정보가 부족하다. 일본은 1970년대부터 금속재료 기술연구소에서 피로 및 크리프 특성 데이터를 작성하고 있다. 이것은 공학적인 데이터의 제공뿐만 아니라, 품질 경쟁을 유도하는 효과를 얻기도 하였다. 탄소강 SM45C(KS D3752)는 기계구조 및 금형 등에 많이 사용되는 재료이다. SM45C에 관한 연구는 이온 질화하여 반복 인장-압축의 피로 거동[1], 고주파 경화처리[2], CO2 레이저를 사용한 표면경화[3], 퀜칭 냉매 특성[4,5], 어닐링 최적화[6], 고온 동적 거동[7], 플라즈마 질화처리강의 마모특성[8], 용접된 강봉의 피로 거동[9], 이종재와의 마찰용접 특성[10] 등이 있다. 또한 용접된 선박구조용 강판의 기계적 및 침지특성 평가[11] 및 열처리 후의 감쇠능 평가[12] 등이 있다. 그러나 구조용 강재의 강도, 경도 등의 기계적 특성은 재료 개발의 기초 데이터로 사용하기 위해서는 통계적 특성(평균값, 분산) 및 정량적 확률분포 특성을 파악하고 평가하는 것이 매우 중요하다.[13-15] 이러한 관점에서 본 연구에서는 기계구조용 강으로 많이 사용되는 SM45C를 사용하여, 침탄 후에 2종류 온도에서 열처리(템퍼링)하였다. 열처리한 재료는 반복 사용하는 구조물을 고려하여 인장시험, 경도시험, 충격시험 및 감쇠능을 평가하였다. 특히 경도 및 충격 흡수에너지는 템퍼링 온도 및 시간에 의한 영향을 검토하기 위하여 와이블 통계해석을 실시하였다.

In this study, SM45C steel(KS D3752), which is widely used for mechanical structure, was carburized at 870℃ for 4 hours and tempered at 300℃ and 400℃ for 1, 3 and 6 hours. The tempered materials were evaluated for tensile test, hardness test, impact test and damping ability. In particular, the hardness and the absorption energy were evaluate the reliability by the Weibull statistical analysis. 300℃-1h specimen is considered to be the best heat treatment condition in the tensile stress, strain and the observation of fracture surface. 300 ℃ specimens showed very fine grains, and increased hardness and strength compared to the as-received specimens. 400℃ specimens were slightly finer than the 300℃ specimens, and formed tempered martensite and reduced strength and hardness. 300℃-1h specimen showed larger shape and scale parameter than the other specimens, and Rockwell hardness variance was small and showed the best characteristics. 400℃-3h specimen showed larger shape and scale parameter than the other specimens, the dispersion of impact absorption energy is small, and showed excellent characteristics. The bursted surface absorbed the impact energy and showed high impact absorption energy. The damping ability of 400℃ specimen was superior to that of 300℃ specimen due to the formation of tempered martensite.