懸架用SAE 5155鋼의 環境腐蝕 및 疲勞特性 硏究

Abstract

본 연구는 현가용으로 사용되고 있는 SAE 5155강에 대하여 쇼트피닝가공에 의해 형성된 압축잔류응력이 세가지 부식수용액 3.5% NaCl 수용액, 10% HNO3 + 3% HF 수용액 그리고 6% FeCl3 수용액에서 8640시간까지 침지 후 무게감소량, 전위차변화 등 환경부식특성과 피로크랙진전특성의 영향을 언피닝재와 비교하여 실험적으로 규명하였으며, 그 결과는 다음과 같다. 1. 언피닝재의 무게감소량은 부식초기 침지 1000시간까지는 크게 감소하다가 그 후 부터 8640시간까지는 점진적인 증가를 보였다. 그리고 6% FeCl3 수용액에서 RCCS재가 가장 큰 무게감소량을 보였다. 그리고 CIS재에 비하여 RCCS재의 무게감소량이 전용액에서 크게 나타났다. 이러한 결과는 RCCS재는 부식생성물을 제거하여 부식환경에 더욱 빠르게 노출된 결과로 판단된다. 2. 쇼트피닝재의 무게감소량의 경향은 언피닝재와 비슷하였으나 6% FeCl3 수용액의 무게감소량이 타용액에 비하여 약 8% 무게감소량이 크게 나타났으며 RCCS재가 CIS재에 비해 평균 12.5%의 무게감소량을 나타내어 RCCS재가 더 많은 부식영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 언피닝재와 같은 경향이며 RCCS재는 부식생성물을 제거하여 부식환경에 더욱 빠르게 노출된 결과로 판단된다. 3. 언피닝재와 쇼트피닝재의 무게감소량은 부식초기에는 차이가 크게 나타났으나 시간의 경과에 따라 차이가 축소되어 안정된 일정한 감소량을 나타내었다. 쇼트피닝재에 비하여 언피닝재가 용액별로 1.3%∼10.1% 무게감소량이 증가하였다. 그러나 CIS재의 경우는 더 큰 차이를 보였다. 이는 공식과 입계부식의 영향으로 생각된다. 4. 세 가지 부식용액에 침지 시킨 후 조직사진 확인결과 언피닝재가 빠르게 부식이 진행되는 것을 확인할 수 있었으며, 6% FeCl3 수용액에서는 전형적인 공식의 진행을 확인할 수 있었다. 5. 침지 초기에는 쇼트피닝재와 언피닝재의 무게감소율의 차이가 크게 나타났지만, 일정시간을 기점으로 언피닝재와 쇼트피닝재의 무게감소율이 비슷해지는 경향을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로 볼 때 침지 초기에 쇼트피닝의 부식저항성이 강하게 나타나는 것으로 판단된다. 6. 세가지 수용액에서 언피닝재의 침지시간(X hours)과 무게감소율의 관계(Wloss mg/hours) 에서 3.5% NaCl 수용액에서 Wloss1 = -0.06ln(X) + 0.75 10% HNO3+3% HF 수용액에서 Wloss2 = 0.02ln(X) + 0.11 6% FeCl3 수용액에서 Wloss3 = -0.13ln(X) + 0.16 의 식을 제안하였다. 7. 세가지 수용액에서 쇼트피닝재의 침지시간(X hours)과 무게감소율(Wloss mg/hours)의 관계에서 3.5% NaCl 수용액에서 Wloss4 = -0.01ln(X) + 0.29 10% HNO3+3% HF 수용액에서 Wloss5 = 0.05ln(X) - 0.21 6% FeCl3 수용액에서 Wloss6 = -0.07ln(X) + 0.90 의 식을 제안하였다. 8. 부식환경에서 언피닝재에 비해 쇼트피닝재가 부식환경에 대한 저항성이 큰 것으로 나타났다. 이는 쇼트피닝가공시 재료표면에 형성된 압축잔류응력이 부식진행에 따른 보호피막이 되어 모재의 보호기능이 우수한 것으로 판단된다. 9. 부식전위변화는 부식초기에는 쇼트피닝재가 더 활성화된 전위를 나타내었으나 시간의 경과에 따라 비활성화 방향으로 변환하였다. 언피닝재의 경우 계속 활성화 방향으로 나타났다. 또 침지 6480시간까지는 일정한 전위의 경향을 나타내었으나 그 후는 변위가 변하였다. 이는 부동태의 경향이 소멸된 것으로 판단된다. 또 6480시간 경과 후는 쇼트피닝의 효과가 다소 약해진 것으로 판단된다. 10. 피로크랙진전파면의 확대사진 확인 결과 언피닝재와 쇼트피닝재의 파단면의 양상은 현저한 차이를 보였으며, 쇼트피닝재에서는 균열선단 소성영역의 구속력으로 작용하는 압축잔류응력 영향으로 피로균열진전속도가 지연되는 것을 확인할 수 있었다 11. 언피닝재와 쇼트피닝재의 피로크랙진전특성으로 하한계응력확대계수 △Kth가 쇼트피닝재가 2.23MPa 높았으며 수명도 1×105에서 2×105으로 증가하였다. m(fatigue crack growth exponent)와 C(material constant)의 값도 증가하였다. 이는 쇼트피닝가공의 압축잔류응력이 피로진전을 억제한 효과로 판단된다.

In this study, not only Compressive residual stress of Suspension Material SAE5155 Steel formed through shot peening processing was digested in the three solutions (3.5% NaCl solution, 10% HNO3 + 3% HF solution, and 6% FeCl3 solution) for 8,640 hours and compared its environment corrosion characteristics, such as the weight loss and dislocation difference, but also its fatigue crack progress characteristics were experimentally investigated, comparing with those of unpeening material. The results of the experiments are as follows. As for the weight loss of unpeening materials, it decreased drastically during the first 1,000 hours of the corrosion digestion and began to rise gradually during the next 8,640 hours. RCCS(Removed corrosion chemical specimen) material had the most weight loss in 6% FeCl3 solution. RCCS material had much weight loss in all the solutions, compared to CIS(Continuous immersed specimen) material. Shot peening material had similar weight loss tendencies compared to the unpeening material. However, it had about 8% more weight loss in 6% FeCl3 solution, than in other solutions, and RCCS had the average of 12.5% weight loss compared to CIS material, suggesting that RCCS has more corrosion effect. The difference of the weight loss between shot peening material and unpeening material was big in the beginning of the corrosion, but as time passed by, the difference got smaller and in the end got steady. While the weight loss of unpeening material increased ranging from 1.3% to 10.1%, compared to shot peening material, CIS materials showed a more difference, which is considered to be due to Pitting Corrosion and Intergranular Corrosion. By checking the sample pictures after digesting in the three corrosion solutions, it has been confirmed that corrosion develops faster in the unpeening material and that the typical formula is under way in 6% FeCl3 solution. There was a big weight loss difference of shot peening material and unpeening material in the beginning of the digestion. However, the weight loss difference began to get smaller to the point where in the end there was little difference. Based on the result, it is estimated that shot peening material has a strong Corrosion Resistance at the early stage of digestion. Three formulas were drawn regarding the relations between the digestion time(X hours) and the weight loss(Wloss mg/hours) of unpeening material in the three solutions; Wloss1 = -0.06ln(X) + 0.75 (in NaCl solution) Wloss2 = 0.02ln(X) + 0.11(in 10% HNO3 + 3% HF solution) Wloss3 = -0.13ln(X) + 0.16(6% FeCl3 solution). Another three formulas were drawn with regards to the relations between the digestion time(X hours) and the weight loss(Wloss mg/hours) of shot peening material in the three solutions; Wloss4 = -0.01ln(X) + 0.29 (in 3.5% NaCl solution) Wloss5 = 0.05ln(X) - 0.21 (in 10% HNO3 + 3% HF solution) Wloss6 = -0.07ln(X) + 0.90 (in 6% FeCl3 solution) In this study, shot peening material was found to have more resistant strain to corrosion environment than unpeening material. This estimates that compressive residual stress, which is formed on the surface of the material in processing shot peening, acts as protective coating film when corrosion progresses. Shot peening material had more active corrosion dislocation difference in the early stage of the corrosion, but less active as time went by. On the other hand, unpeening material maintained the activeness. Consistent dislocation was shown during the first 6,480 hours, but after that, displacement changed. It seems that the tendency of passivity disappeared and the effect of shot peening material somewhat weakened after 6,480 hours. As a result of checking the enlarged pictures of Fatigue Crack Propagation Rate, it has been confirmed that there is a drastic difference in the aspects of the fracture surfaces of the unpeening material and shot peening material and that in the shot peening material, fatigue crevice progress speed is delayed by Compressive residual stress acting as restrictive force of crack front plastic zone. When it comes to the fatigue crack characteristics of unpeening and shot peening materials, shot peening material was 2.23MPa higher in the threshold stress intensity factor range △Kth, increased its life span from 1×105 to 2×105 hours. In addition, its m(fatigue crack growth exponent) and C(material constant) value increased as well, which is inferred to be because compressive residual stress of shot peening processing restrained the fatigue progress.