한국해양공학회지 제23권 제2호, pp 74-80, 2009년 4월 (ISSN 1225-0767)

고주 담 질에 의한 SCM440강의 기계 특성에 한 연구

안석환*․남기우**․김태일***․이문용***․김동규***

*부경 학교 기계공학부

**부경 학교 신소재공학부

***(주)성우하이텍

A Study on the Mechanical Properties by High-Frequency Induction Hardening of SCM440 Steel

Seok-Hwan Ahn*, Ki-Woo Nam**, Tae-Il Kim***, Mun-Yong Lee*** and Dong-Kyu Kim***

*School of Mechanical Engineering, Pukyong National University, Busan, Korea

**Division of Materials Science and Engineering, Pukyong National University, Busan, Korea***Sungwoo Hitech Co., LTD., Busan, Korea

KEY WORDS: SCM440 steel SCM440강, Mechanical property 기계 특성, High-frequency induction hardening 고주 담 질, Fatigue 피로, S-N curve S-N 곡선, Hardness 경도, Wear 마모

ABSTRACT: Surface hardening treatments, such as using the high-frequency induction hardening method, are widely used to increase the fatigue

life and prevent the failure of materials by locally increasing the surface hardness. This method, in particular, brings an improvement in static

strength by compressive residual surface stress due to the hardening. In this study, the mechanical properties of high-frequency induction hardened SCM440 steel were investigated. These results were also compared with those for base metal and a Q/T (tempering after quenching) treatment

specimen. The test results showed that partially high-frequency induction hardened SCM440 steel specimens were more improved in static strength,

surface hardness, fatigue limit, and anti-wear than the base metal and Q/T treatment specimens. In particular, the fatigue limit of the high-frequency induction hardened SCM440 steel increased by more than about 52% compared to that of base metal and by about 25% compared

to that of the Q/T specimen.

교신 자 남기우: 부산 역시 남구 용당동 산 100, 051-629-6358, namkw@pknu.ac.kr

본 연구는 2008년 울산 학교에서 개최된 추계학술 회에 발표된 논문을 근간으로 하고 있음을 밝힙니다.

1. 서 론

Cr-Mo강은 약 1%의 Cr외에 0.25% 정도의 Mo가 첨가된 것

으로, Cr강 보다도 담 질성이 향상됨과 동시에 뜨임 항이 크

다. 게다가 뜨임취성이 은 강인강으로 잘 알려져 있다. 한

이 강은 고온강도와 용 성이 모두 양호할 뿐만 아니라, 400~

500oC에서의 크리 항도 크기 때문에 강력 볼트, 크랭크 축,

고온고압용 이 소재로서 범 하게 사용되고 있다(일본

속학회, 1985; 일본열처리기술 회, 1997; 한 희, 1997).

한편, 일반 으로 Water quenching을 하면 형상이 변형되기

때문에 게이지(Gauge) 혹은 다이스(Dies)를 제작하기 해서는

가능한 한 Oil로 담 질이 가능한 담 질성이 좋은 강이 바람직

하다. 따라서 이를 해서는 담 질성을 좋게 하는 Mn과 Cr을

첨가할 필요가 있다. 따라서 주로 사용되는 냉간 형용강엔 Cr

을 1% 정도 첨가하고 있으며, 더욱 담 질성을 개선하기 해

13% 내외의 Cr을 첨가한 고탄소-고크롬강이 제강되어지고 있

다. 표 인 냉간 형용강(JIS G 4404)으로서 SKD1, SKD11 등

이 이용되어지고 있는데, 이들은 상온에서의 내마모성이 특히

커서 다이스, 나사 조롤러 등에 용된다. 그러나 이들은 기계

가공성이 나쁘고 담 질 온도가 높은 것이 결 이다( 화구

웅, 1997; 일본 속학회, 1985; 일본열처리기술 회, 1997; 김성

완, 2002). 한 소재 단가가 비싸며 기계가공비도 높다. 따라서

이들 냉간 형용강에 할 수 있는 표면경도를 가지며 소재 가

격이 렴하여 경제 인 가공이 가능하다면 제품의 원가 감

에도 유익할 것이다.

그런 까닭으로, 본 연구에서는 Cr-Mo강인 SCM440강을 이용

해 고주 담 질(하사키 고가, 2004)에 의한 표면경화처리를

행하고 표면경도를 목 하는 SKD11강에 하는 경도치로 조정

한 다음 그 기계 특성을 조사하 다.

2. 재료 및 실험 방법

2.1 재료

Table 1에는 본 연구에 사용된 SCM440(JIS G 4105)강의 화학

74

고주 담 질에 의한 SCM440강의 기계 특성에 한 연구 75

Table 1 Chemical compositions (wt%) (JIS G 4105)

C Si Mn Cr Ni Mo Cu P S

0.38~ 0.43

0.15~ 0.35

0.60~0.85

0.90~1.20

< 0.250.15~0.35

< 0.3 < 0.03 < 0.03

Table 2 Mechanical properties (JIS G 4105)

MaterialYield

strength(MPa)

Tensilestrength(MPa)

Elongation(%)

Hardness(HBS)

SCM440 >834 >1030 >12 302~363

성분을 나타내며, Table 2에는 SCM440강의 모재의 일반 인

기계 특성을 나타낸다.

2.2 시험편 및 실험방법

SCM440강에 표면경도를 향상시키기 한 표면경화 열처리로

서 고주 담 질을 실시하 다. 먼 SCM440강의 시편을

처리(Q/T열처리)로서 870oC에서 150분간 유지 후 유냉(Oil

quenching)한 다음 530oC에서 140분간 Tempering처리 후 공냉

을 실시하여 미세조직을 균일화하 다. 이 시편을 Coil형 고주

가열장치에 의해 용주 수 300kHz, 순간 가열온도 850oC,

가열시간 1.5~2 , 냉각매체로서 U-con(15%)+water(85%)의 혼

합용액을 사용하여 고주 담 질을 실시하여 목 하는 표면경

도를 맞추었다.

이상과 같은 열처리방법으로 제작된 시편을 이용하여 인장시

험, 경도시험, 피로시험 마모시험을 수행하여 기계 특성치

를 조사하 다.

인장시험에는 ASTM E8(Annual book of ASTM standards,

1997)규격에 의해 제작된 인장시험편을 사용하 다. 인장시험은

용량 980kN의 만능재료시험기(UH-F100A; Shimadzu Co.,

Japan)에 의해 크로스헤드(Cross hesd) 변 속도 1mm/min으

로 하여 실온 기 에서 실시하 다.

경도시험은 모재 표면경화 열처리를 행한 각 시험편으로

부터 두께 약 10mm로 취하여 실시하 다. 이때 경도시험에

는 경화층 깊이에 따른 경도변화를 측정하기 하여 비커스경

도기(HM-124, Akashi Co., Japan)를 사용하 다. 한 로크웰

경도시험기(ARK-600, Akashi Co., Japan)의 C스 일을 사용하

여 시험편의 표면경도를 각 10회씩 측정하여 그 평균값을 산출

하 다.

한 ASTM E8규격에 하여 피로시험편을 제작하고 피로수

명시험을 행하여 S-N curve를 구하 다. 피로수명시험에는 오

Fig. 1 Schematic of fatigue specimen (unit: mm)

노식 회 굽힘피로시험기(KDMT-240, 경도KDP, 한국)를 이용

하 다. 회 속도는 600~750rpm으로 하 으며, 실온 기 에

서 실시하 다. Fig. 1에는 피로시험편을 나타낸다.

마모시험은 Ball on disc형 미끄럼마찰마모시험기(PD100)를

이용하 다. SCM440 모재(BM), Q/T 열처리재(QT), 고주 담

질재(HF)의 마모시험에 의한 마멸량을 비교하 다. 시험편은

각각의 열처리된 인장시험편으로부터 지름 12.5mm, 높이

10mm의 디스크형상의 시험편을 취하 다. 사용된 볼은 경도

가 1000Hv 이상인 ZrO2 세라믹볼을 사용하 다. 시험 시험편

의 표면은 Sand paper #100~#2000으로 정 연마한 후 입도

0.3µm의 Al2O3 분말을 이용하여 경면연마를 실시하 다. 마찰

마모시험의 총 미끄럼길이는 3000m로 하 으며, 회 속도는

100rpm, 부하하 은 10N으로 실온 기 에서 무윤활의 상태

로 실시하 다. 마멸량은 마모트랙의 일정 거리(500m)마다 4회

씩 0.1mg의 분해능을 사용하여 마모 과 마모 후의 량을 비

교하여 측정하고 그 평균값을 산출하여 데이터로 이용하 다.

그리고 모재 표면경화 열처리된 시험편들의 조직과 인장시

험 피로시험 후 각각의 단면을 찰하 다.

3. 결과 및 고찰

3.1 조직관찰

모재, Q/T재 표면열처리재에 하여 조직 찰용 시험편을

만들어 경면연마 후 조직 찰을 실시하 다. 조직 찰용 시험

편의 표면은 Sand paper #100~#2000으로 정 연마한 후 입도

Fig. 2 Optical microstructures of BM (base metal), Q/T

(quenching/tempering) and HF (high-frequency induction

hardening) of SCM440 steel (× 500)

76 안석환․남기우․김태일․이문용․김동규

0.3µm의 Al2O3 분말을 이용하여 경면연마한 후 음 세척을

행하 다. Fig. 2(a)~(c)에는 모재, Q/T재, 고주 담 질재의 표

면조직을 학 미경으로 찰한 사진들을 나타낸다( 한 속

학회, 1999; 김정근 등, 1999). Fig. 2(a)는 SCM440강 모재의 조

직으로서 페라이트와 펄라이트로 구성된 조직을 하고 있다.

Fig. 2(b)는 Q/T열처리에 의해 얻어진 조직으로서 소르바이트

조직을 나타내고 있다. Fig. 2(c)는 Q/T열처리에 의해 조직을

균일하게 한 다음 고주 열처리에 의해 표면경화 처리를 행한

것으로 템퍼된 마르텐사이트조직을 하고 있다.

3.2 경도

SCM440강의 모재 각종 열처리에 의한 시험편에 해서

표면경도를 측정하 다. Fig. 3은 고주 담 질에 의한 경도의

변화를 표면으로부터 심방향으로 경화깊이에 따라 나타내었

다. 이때 경도값은 비커스경도를 용하 다. 2개의 시험편을

이용하여 측정한 값들로서 략 1.6~2.0mm 정도의 경화층을

나타내며 이때 경도는 680~620Hv 정도를 나타내었다.

한, 모재, Q/T재 고주 담 질재의 표면의 경도를 여러

개의 시편을 통해 조사한 결과 모재는 223~257Hv, Q/T재는

294~326Hv, 고주 담 질재는 680~685Hv 정도를 각각 나타내

었다. 고주 담 질에 의해 표면의 경도가 가장 높게 나타나고

있음을 알 수 있다.

이후 기계 특성 시험을 해 SCM440강에 Q/T열처리를 하

고 난 후 고주 담 질을 행한 경우에는 최 표면경도를 로크

웰경도 약 60.0HRC 정도로 유지하 다.

3.3 인장강도 및 파단면 관찰

모재(BM), Q/T재(QT) 고주 담 질재(HF-D)의 인장시험

에 의해 구해진 응력-변형율 선도를 Fig. 4에 나타낸다.

그림에서 HF-D1~HF-D3는 단면경화된 약 60HRC 정도의

경도를 가지는 경우로서 약 2% 정도의 연신율을 나타내며, 93kgf/

mm2(=911.4MPa)~97kgf/mm2(=950.6MPa)의 최 인장강도를

Fig. 3 Vickers hardness distribution from the surface to the

centre of the high-frequency induction hardened SCM440

steel

Fig. 4 Stress-strain curve of BM (base metal), Q/T (quenching/

tempering) and HF (High-frequency induction hardening)

specimens

나타내었다. 한, HF-D4 HF-D5는 부분경화된 약 61HRC

정도의 경도를 가지는 경우로서 약 1% 정도의 연신율을 나타내

며, 124kgf/mm2(=1115.2MPa)~126kgf/mm

2(=1234.8MPa) 정도

의 최 인장강도를 나타내었다.

Q/T재와 모재(BM)에서는 Q/T재가 다소 높은 최 인장응력

값을 가지고 연신율에 있어서는 상호 비슷하 다. 이들 값은 부

분경화된 고주 담 질재보다는 강도가 작았다. 그러나 단면

경화된 고주 담 질재보다는 강도가 다소 크게 나타났는데,

이는 단면 경화된 경우에는 단면의 경화에 의해 표면의 경

도는 크게 나타났으나 인성이 하되어 오히려 강도 하를 가

져온 것으로 사료된다.

표면경화된 고주 담 질재의 경우 부분의 시험편에서 표

면경도는 략 유사한 값들을 가지고 있으며, 연신율에 있어서

도 표면경화의 효과로 거의 취성 인 양상을 보이고 있는 은

동일하 다. 그러나 최 인장강도에 있어서는 부분경화가 형성

되든지 혹은 단면경화가 형성되든지에 따라 편차가 나타나고

있음을 알 수 있다. 강도 값에 있어서 차이가 발생하고 있는 것

은 고주 담 질의 경우 가열시간과 출력에 의한 차이로 단

된다. 특히 고주 담 질의 경우 인장시험편과 같이 불연속부

가 존재하여 단면의 형상이 변하는 부분 특히 단이 생기는 부

분과 그 지 않은 부분에서의 열처리가 상당히 곤란하 으며

통일된 열처리가 되지 못한 결과를 가져왔기 때문에 강도에

한 산포가 넓게 나타난 것으로 사료된다. 그러므로 고주 담

질에 한 정확한 Spec에 한 연구가 병행되어져야 할 것으로

단된다.

Fig. 5(a)는 모재의 인장 단면을, Fig. 5(b)는 Q/T열처리재의

인장 단면을 각각 나타낸다. , Fig. 5(c)~(e)는 고주 담 질

재의 인장 단면을 나타낸다. Fig. 5(c)는 부분경화된 고주 담

질재로서 표면경도 61.0HRC, Fig. 5(d)는 부분경화된 고주

담 질재로서 표면경도 60.5HRC의 인장 단면이다. Fig. 5(e)는

단면경화된 고주 담 질재의 인장 단면으로서 표면경도

60.0HRC이다. 모재 Q/T열처리재의 경우에는 연성 면을 나

고주 담 질에 의한 SCM440강의 기계 특성에 한 연구 77

타내고 있다. 특히 Q/T열처리재의 경우에는 뜨임(Tempering)

에 의해 모재보다도 경도 인성이 더 증가함으로서 상당히

거친 연성 면을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 반면 고주

담 질재의 경우에는 경화층은 취성 면을, 경화되지 않은

부분은 연성 인 면을 각각 나타내고 있다. Fig. 5(c)의 그림

속 사각형 안은 균열발생 을 나타낸다. Fig. 5(c)와 같이 부분

경화층을 형성하는 경우에는 표면에서 발생한 괴 기 에서의

균열이 경화층과 경화되지 않은 부분, 즉 경화가 천이되는 부분

인 경계층으로 균열이 하여 한계단면 이 되었을 때 경화

층의 단과 함께 단면의 단이 발생한 것으로 사료된다. 특

히 Fig. 5(d)와 같이 부분경화된 경우라도 경화층의 두께가 두

꺼워지면 경화층의 경도가 하하는 부분에서 동심원형상의 균

열이 형성되고 있다. 한 표면에서 산발 으로 괴기 이 되

는 균열이 발생하고 시험편 내부의 응력이 가장 집 되는 곳

혹은 게재물이 형성되는 곳으로 균열이 진 하여 방사상모양으

로 균열이 하고 있는 양상이다. 경화층에 있어서도 원주방

Fig. 5 Photographs of fracture surface by tensile test

Fig. 6 SEM photograph of the rectangle in Fig. 6(c) (× 60)

향으로 산발 으로 균열이 성장하고 있고, 발생된 괴 기 에

서 성장한 균열이 동심원상으로 진 하여 동심원 균열과 합체

하게 되고 단면 단에 이르는 것으로 사료된다. 그러나 두

경우에 있어서 최 인장강도에는 차이가 크게 발생하지 않으므

로 어느 정도의 경화층 깊이(한계경화층 깊이)가 형성될때까지

는 경화층의 두께의 향은 그다지 없는 것으로 사료된다. 이에

반해 Fig. 5(e)와 같이 단면경화가 된 경우에는 가장 응력이

집 된 표면층에서 발생한 균열이 괴 기 이 되어 그림과 같

이 내부 방향으로 진 하고 2차 게재물 등이 나타난 부분에서

방사상으로 균열이 되어, 표면층 근방에서 산발 으로 발

생한 균열들과 합체함으로써 최종 단에 이른 것으로 단된

다. 이때에는 (c)와 (d)의경우보다도 최 인장강도가 하하

는 경향을 나타내었다. 따라서 고주 담 질에 의한 표면경화

를 실시할 경우에는 유효한 경화층이 존재할 것이며 필요 이상

으로 경화층을 두껍게 할 필요는 없는 것으로 단된다.

Fig. 6은 Fig. 5(c)의 괴기 (사각형 안)에서의 SEM 사진을

나타낸다.

3.4 피로특성

모재, Q/T열처리 표면경화처리로서 고주 담 질 처리한

피로시험편을 각각 이용하여 S-N curve를 조사하 다. 고주

담 질된 피로시험편의 경우 650~800µm의 부분경화층을 나타

내었다. 부하응력은 식(1) (2)에 의하여 구하 다.

(1)

(2)

여기서, M: 굽힘모멘트(kgf-mm)

여기서, P: 부하하 (=회 피로시험기 추의 량)(kgf)

여기서, l: 부하스팬길이(mm)

여기서, σa: 부하응력(kgf/mm2)

78 안석환․남기우․김태일․이문용․김동규

여기서, z: 단면계수,

, (d=시험편의 직경)(mm

3)

3.4.1 S-N 곡선

Fig. 7에는 각각 모재(BM), Q/T열처리재(QT), 표면경화시킨

고주 담 질재(HF)의 S-N 곡선을 나타내었다. 이때 피로한도

는 약 1.5×106cycles까지 단되지 않았을 때의 응력을 용하

다.

모재(BM), Q/T열처리재(QT) 고주 담 질재(HF)의 S-N

선도로부터 얻어진 피로한도는 각각 34.8kgf/mm2, 54.7kgf/

mm2, 72.6kgf/mm

2를 나타내었다. 표면경화처리를 한 고주 담

질된 시험편에서 가장 높게 나타났다. 고주 담 질재는 모

재에 비해 약 52.1%, Q/T열처리재에 비해 24.7%의 피로한도

향상이 이루어졌다. 이는 경화에 의한 표면개질의 향으로 표

면부에 생성된 압축의 잔류응력으로 인해 수명향상을 가져온

것으로 단된다. 이와 같은 결과로부터 알려진 바와 같이 표면

Fig. 7 S-N curve

Fig. 8 Photographs of fracture surface by fatigue test

경화처리를 행한 경우 피로한도의 향상에 의한 수명증가가

상된다. 단, 107cycles 이상의 장수명 역에서의 평가가 후

필요할 것으로 사료된다(송삼홍과 최병호, 1998; Doeling, 1999).

3.4.2 피로 단면 찰

Fig. 8(a)~(c)는 피로수명시험 후 얻어진 피로 면의 학 미

경 사진을 나타낸다. 모재, Q/T열처리재 고주 담 질재에

서는 형 인 Fish-eye의 면이 나타나고 있다.

Fig. 9~Fig. 11는 Fig. 8에서 얻어진 각각의 면의 SEM 사진

을 나타낸다. Fig. 9~Fig. 11에서 각각의 시험편의 내부(Inner)로

나타낸 SEM 사진은 상기 Fish-eye 부분을 은 것으로서 개재

Fig. 9 SEM photographs of BM (base metal) specimen by fatigue

test

Fig. 10 SEM photographs of Q/T (quenching/tempering)

specimen by fatigue test

Fig. 11 SEM photographs of HF (high-frequency induction

hardening) specimen by fatigue test

고주 담 질에 의한 SCM440강의 기계 특성에 한 연구 79

물이 존재하고 있고 이 내부 개재물에 의해 단에 향을 미

친 것으로 사료된다(소지택양일, 1983; 송삼홍과 최병호, 1998;

Doeling, 1999). 한 표면(Outer)으로 표시한 부분을 보면 표면

에서 균열이 발생하고 있음을 알 수 있다(오세욱 등, 1991).

3.5 마모특성 및 마모면 관찰

Fig. 12는 2.2 에서 언 한 마모시험으로부터 구한 마멸

량의 변화를 나타낸 것이다. 그림 속의 BM은 모재, QT는 Q/T

열처리재, HF는 고주 담 질재를 각각 나타낸다. 특히, 고주

담 질재는 최표면 바로 아래 부분(HF-outer)과 표면으로부터

내부 방향으로 약 1mm 정도 떨어진 부분(HF-inner)의 2곳을

시험하고 측정하 다.

Fig. 13(a)~(c)는 마모에 의한 마모 면의 SEM 사진을 나타낸

것이다. 결과로부터 모든 시험편에 있어서 미끄럼길이가 증가

함에 따라 마멸량도 증가하고 있음을 알 수 있다. Q/T열처리재

(QT)가 가장 큰 마멸량을 나타내었고, 고주 담 질재의 표면

부 근처(HF-outer)가 가장 은 마멸량의 변화를 나타내었다.

Q/T BM에서는 처음 마멸량이 크게 나타났다가 차 완만한

양상을 보 다. 모재가 Q/T열처리재보다 마멸량이 게 나타

난 것은 상기 인장시험에 나타났듯이 모재와 Q/T재 모두 연신

율은 거의 비슷한 값을 가지고 있었으나 모재가 오히려 Q/T재

보다도 경도가 작고 상 재로 사용된 세라믹볼의 마모분이 모

재 표면에 응착되어 응착마모 상이 발생함으로서 오히려 마멸

이 다소 게 발생한 것으로 단된다(송태훈 등, 2007). 표면경

화처리한 고주 담 질재(HF)에 있어서는 모재 Q/T재에 비

해 마멸량이 은 것을 알 수 있다. 마모트랙의 형태가 모재

Q/T재에 비해 손상정도가 덜 심한 것을 알 수 있으며 이것은 표

면경화로 인하여 경도가 향상됨으로서 마모에 견디고 있음을 나

타내는 것이다. 미끄럼길이가 증가함에 따라 두 경우 모두 처음

보다는 마멸량이 미소하게 증가되는 경향을 나타내고 있는데 이

는 상 재인 세라믹볼과의 연삭마모가 발생한 것으로 생각된다.

이상과 같은 이유로 표면경화한 경우의 마모특성은 마멸량의

변화를 비교하여 볼 경우 상당히 수명 으로 향상될 것으로 사

료된다.

Fig. 12 Relationship between wear loss and sliding distance

Fig. 13 SEM photographs of wear surface

4. 결 론

SCM440강에 하여 표면경도를 향상시킬 목 으로 표면경화

처리법으로서 고주 열처리 침탄열처리를 용한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다.

(1) 고주 담 질에 의해 표면경화시킨 경우 표면경도를 평균

으로 58~61HRC 정도 향상시킬 수 있었다.

(2) 고주 담 질재의 경우에는 유효한 한계 경화층 깊이가

존재하는 것으로 단되며 열처리 세부조건에 따라 그 경화층

깊이는 달라질 수 있는 것으로 나타났다.

(3) 고주 담 질에 의해 표면경화처리한 경우 모재에 비해

약 38%, Q/T열처리에 비해 약 19% 정도 최 인장강도가 향상

되었다. 반면, 연신율은 약 70% 정도 감소를 나타내었다.

(4) 표면경화한 SCM440강의 피로시험을 행한 결과, 고주 담

질재는 모재에 비해 약 52.1%, Q/T열처리재에 비해 24.7%의

피로한도 향상이 이루어졌다.

(5) 표면경화한 SCM440강의 마모시험을 행항 결과, 고주 담

80 안석환․남기우․김태일․이문용․김동규

질재는 모재 Q/T열처리재에 비해 표면경도의 향상으로

인해 마멸량의 변화가 어 내마모성을 나타내고 있다고 사료

된다.

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2009년 1월 16일 원고 수

2009년 4월 2일 최종 수정본 채택