KR100482523B1

KR100482523B1 - 침탄 열처리한 합금강 표면에 존재하는 잔류오스테나이트내 잔류응력 측정방법

Info

Publication number: KR100482523B1
Application number: KR10-2002-0046938A
Authority: KR
Inventors: 정승철
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2005-04-14
Also published as: KR20040013851A

Abstract

본 발명은 침탄 또는 침탄침질 열처리한 합금강의 표면에 존재하는 잔류오스테나이트 내의 잔류응력을 측정하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 X-Ray 회절분석기를 이용하여 X-Ray를 침탄 또는 침탄침질 열처리한 합금강의 표면에 존재하는 잔류오스테나이트 조직의 표면으로 조사하되, 곤이어메터를 움직여 2θ가 119 ∼ 149.8°인 범위에서 X-Ray가 입사되도록 하면서 이 범위에서의 최대 회절각 2θ를 측정하고, 이를 이용하여 합금강의 표면에 존재하는 잔류오스테나이트 내의 잔류응력만을 정량측정함으로써, 합금강을 소재로 한 부품의 정확한 피로수명 예측 및 정량적인 피로연구에 기여할 수 있는 침탄 또는 침탄침질 열처리한 합금강 표면에 존재하는 잔류오스테나이트 내 잔류응력 측정방법에 관한 것이다.

Description

침탄 열처리한 합금강 표면에 존재하는 잔류오스테나이트 내 잔류응력 측정방법{Analysis method of residual stress in retained austenite mixed with martensite microstruture of carburized steel alloy surface}

일반적으로 자동차 변속기 기어는 소재 →열간 또는 냉간단조 →냉각(공냉 또는 방냉) →가공전 열처리(ISO Annealing or Normalizing) →가공(Shaving & Hobbing) →침탄 열처리 →후가공(연마, Honing) 등의 공정을 통하여 제조되고 있다.

또한, 자동차 변속기 기어용 합금강으로 많이 사용되는 소재로는 크롬(Cr) 합금강, 크롬-몰리브덴(Cr-Mo) 합금강, 니켈-크롬-몰리브덴(Ni-Cr-Mo) 합금강 등이 있으며, 각각의 공정에 적합하고 가격이 싸며 열처리 후 물성도 우수한 것이 최적의 합금강 소재라 할 수 있다.

즉, 자동차 변속기 기어용 합금강 소재는 단조성 및 가공성이 우수하고 가격도 적합하며 물성(예를 들어, 피로특성, 충격특성 등)도 우수해야 하는 것이다.

한편, 자동차 변속기 기어의 제조시에는 위에서 언급한 바와 같이 표면 경화를 위하여 가공 후 주로 침탄 또는 침탄침질 열처리를 실시하는데, 자동차 변속기 기어와 같이 침탄 열처리 또는 침탄침질 열처리를 실시한 합금강의 표면 미세조직은 최종의 표면 경화 조직인 마르텐사이트 조직과, 이 마르텐사이트 조직 내에 존재하는 잔류오스테나이트 조직의 2상 조직으로 구성된다.

상기와 같이 표면 경화한 변속기 기어의 피로수명을 예측하고 열처리특성을 평가, 분석하는 데에는 변속기 기어의 최종 표면상 미세조직의 잔류응력을 측정하는 방법이 있으며, 합금강 표면의 미세조직에 존재하는 잔류응력을 측정하기 위해서는 첨부한 도 2에 도시한 바와 같은 X-Ray 회절분석기(XRD:X-Ray Diffractometry)를 이용하는 것이 통상적이다.

종래에는 X-Ray 회절분석기를 이용하여 표면 경화 후 형성되는 잔류응력을 합금강 표면의 조직 구분 없이 측정하였는 바, 마르텐사이트 내에 존재하는 잔류응력에 대한 측정만으로 합금강의 잔류응력을 대표하여 내피로특성을 정의하였다.

즉, 종래에는 합금강 표면의 기지조직이 100% 마르텐사이트 조직인 것으로 가정하여 잔류응력을 측정하였는 바, 이와 같은 X-Ray 회절분석기를 이용한 잔류응력 측정원리를 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도시한 X-Ray 회절분석기에서, 도면부호 11a는 곤이어메터(goniometer, X-Ray 발생장치를 지지하는 축)를, 도면부호 12a는 X-Ray 발생장치를, 도면부호 13a는 측정용 시편을 나타낸다.

먼저, X-Ray 회절분석기를 이용한 잔류응력 측정원리는 상온에서의 철계 결정구조인 면심입방구조(BCC:Body Centered Cubic)의 결정격자(마르텐사이트)가 X-Ray를 주사할 때 X-Ray 입사각 중 최대 회절각 2θ= 156.08°(Cr Kα타겟 사용시)에서 최대 강도값(intensity)을 나타내는 원리를 응용한 것으로서, X-Ray를 BCC 결정격자의 표면에 조사하되, 2θ가 140 ∼ 170°인 범위에서 X-Ray가 입사되도록 하면서, 이 범위에서 측정되어진 최대 회절각 2θ가 최대 강도값을 나타내는 BCC 결정격자 고유의 최대 회절각 2θ값인 156.08°로부터 벗어난 정도를 측정하여 잔류응력을 계산한다.

즉, 잔류응력의 존재란 결정격자가 원래의 위치에서 틀어져서 결정격자 내에 응력장이 형성되어 있음을 말하는 결정격자적 원리를 이용한 것으로서, 결정격자가 최대 강도값을 나타내는 위치에서 얼마만큼 틀어져 있는가를 측정하여 이를 응력으로 변환시키는 방법인 것이다.

다음의 식은 잔류응력을 구하는 식을 나타낸 것이다.

여기서, υ: 포아손비(가로방향변형량/세로방향변형량)

E : 탄성계수

K : 응력정수,

를 나타낸다.

또한, θ는 X-Ray 입사 후 결정격자와 부딪친 후 최대 반사각을 나타낸다.

또한, Ψ는 X-Ray 조사각도로 Ψ= Ψ₀ + η이고, X-Ray 조사시 Ψ₀가 0°, 10°, 20°, 30°, 40°, 45°에서부터 조사하며, 마르텐사이트에서 η는 11.96이다.

상기 υ, E 및 K는 결정격자의 고유값으로 마르텐사이트(BCC 결정격자)의 υ, E 및 K를 다음의 표 1에 요약하여 나타내었다.

따라서, 마르텐사이트 조직 내 잔류응력은 필요한 상수정보(υ, E, cotθ및 K)와 측정정보(2θ, sin²Ψ)를 상기 수학식 1에 대입하면 쉽게 계산되어진다.

즉, X축은 sin²Ψ를, Y축은 측정되어진 최대 2θ값을 대입하여 그 기울기값에 마르텐사이트 조직의 고유 응력정수 K(=-30.33㎏/㎟)를 곱한 값이 곧 잔류응력이 된다.

그러나, 최근 기어 표면의 내접촉피로강도를 향상시키기 위하여 합금강 내에 잔류오스테나이트를 적극적으로 형성시키는 열처리방법이 개발 적용되고 있는 바(침탄 열처리시 분율 30 ∼ 40%), 상기한 방법의 잔류응력 측정은 마르텐사이트 결정격자에 대한 내용이며, 이러한 방법으로는 실제 합금강 표면에 마르텐사이트 조직과 혼재하여 잔존하는 잔류오스테나이트 조직에 대한 잔류응력 측정이 불가능하다.

즉, 기존의 잔류응력 측정방법으로는 합금강 표면 전체에 존재하는 응력의 형태만이 측정 가능하였으며, 잔류오스테나이트 조직에 대한 잔류응력의 정량측정이 불가능하여 정량적인 미세조직과 응력, 피로강도와의 상관관계 규명에 많은 어려움이 있었다.

더욱이, 합금강 표면의 기지조직이 100% 마르텐사이트 조직인 것으로 가정하여 잔류응력을 측정하는 것으로는 그 합금강의 정확한 잔류응력의 측정 및 내피로특성의 평가가 이루어질 수 없었고, 따라서 잔류오스테나이트 내에 존재하는 잔류응력만을 분리하여 측정할 필요성이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, X-Ray 회절분석기를 이용하여 X-Ray를 침탄 또는 침탄침질 열처리한 합금강의 표면에 존재하는 잔류오스테나이트 조직의 표면으로 조사하되, 곤이어메터를 움직여 2θ가 119 ∼ 149.8°인 범위에서 X-Ray가 입사되도록 하면서 이 범위에서의 최대 회절각 2θ를 측정하고, 이를 이용하여 합금강의 표면에 존재하는 잔류오스테나이트 내의 잔류응력만을 정량측정함으로써, 합금강을 소재로 한 부품의 정확한 피로수명 예측 및 정량적인 피로연구에 기여할 수 있는 침탄 또는 침탄침질 열처리한 합금강 표면에 존재하는 잔류오스테나이트 내 잔류응력 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 X-Ray 회절분석기를 이용하여 합금강 표면에 존재하는 미세조직 내 잔류응력을 측정하는 방법에 있어서,

상기 X-Ray 회절분석기의 X-Ray 발생장치를 통해 X-Ray를 합금강 표면에 존재하는 잔류오스테나이트 조직의 표면으로 조사하되, 곤이어메터를 움직여 2θ가 119 ∼ 149.8°인 범위에서 X-Ray가 입사되도록 하면서 이 범위에서의 최대 회절각 2θ를 측정하고, 측정시의 조사각도 Ψ와 이 조사각도 Ψ에서의 측정되어진 최대 회절각 2θ를 이용하여 를 계산한 후, 이에 잔류오스테나이트의 고유 응력정수 K를 곱하여, 잔류오스테나이트 조직 내의 잔류응력을 계산하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 X-Ray 회절분석기를 이용하여 자동차 변속기 기어와 같이 침탄 또는 침탄침질 열처리한 합금강의 표면에 존재하는 잔류오스테나이트 내의 잔류응력만을 정량측정함으로써, 표면 경화한 합금강의 피로수명 예측 및 열처리특성을 평가하는데 분석적으로 기여할 수 있는 잔류오스테나이트 내 잔류응력 측정방법에 관한 것이다.

본 발명의 측정방법은 X-Ray 회절분석기를 이용한 기존의 마르텐사이트 조직 내 잔류응력 측정의 원리를 응용한 것으로서, 마르텐사이트 조직 내 잔류응력의 측정에서와 같이, 필요한 상수정보(υ, E, cotθ및 K)와 측정정보(2θ, sin²Ψ)를 이용하여 잔류오스테나이트 내 잔류응력을 측정하게 된다.

물론, 상기 상수정보(υ, E, cotθ및 K)는 잔류오스테나이트, 즉 FCC 결정격자가 갖는 고유의 값으로서, 잔류오스테나이트(FCC 결정격자)의 υ, E 및 K를 다음의 표 2에 요약하여 나타내었다.

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 합금강 표면의 잔류오스테나이트, 즉 FCC 결정격자의 탄성계수(E)는 19600㎏/㎟이고, 포아손비(υ)는 0.28이며, 최대 강도값을 나타내는 FCC 결정격자 고유의 최대 회절각 2θ값은 128.70°이고, 이들을 이용하여 계산한 응력정수 K는 -64.13㎏/㎟이다.

또한, 피크값, 즉 최대 회절각 2θ와 관련된 측정정보를 X-Ray 회절분석기를 통해 얻기 위하여, 첨부한 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 측정방법에서는 X-Ray 회절분석기에 있는 기존의 곤이어메터(goniometer, X-Ray 발생장치를 지지하는 축)에 부가적인 축을 설치하고, 이 새로 설치한 축에 설치한 새로운 곤이어메터(11a)를 이용하여 X-Ray를 X-Ray 발생장치(12a)를 통해 FCC 결정격자 표면에 조사하되, 2θ가 119 ∼ 149.8°인 범위에서 X-Ray가 입사되도록 하면서, 이 범위에서 측정되어진 피크값, 즉 측정되어진 최대 회절각 2θ가 최대 강도값을 나타내는 FCC 결정격자(잔류오스테나이트) 고유의 최대 회절각 2θ값인 128.70°로부터 벗어나는 정도를 측정하여 잔류응력을 계산한다.

즉, 잔류오스테나이트 내 잔류응력을 측정하기 위하여 새로운 축에 곤이어메터를 별도 설치하고, 이 새로이 설치한 곤이어메터를 움직여 2θ가 119 ∼ 149.8°인 범위에서 X-Ray를 FCC 결정격자 표면에 조사하는데, 이때 상기 곤이어메터는 움직여 회전시키는 동안 2θ가 최대 강도값을 나타내는 FCC 결정격자 고유의 최대 2θ= 128.70°인 지점을 통과하도록 한다.

한편, sin²Ψ와 관련된 측정정보는 입사각의 변화에 따라서 계산되어 다음의 표 3과 같이 정리될 수 있다.

다음의 식은 상기 상수정보(υ, E, cotθ및 K)와 측정정보(2θ, sin²Ψ)를 이용하여 잔류오스테나이트 내 잔류응력을 구하는 식을 나타낸 것이며, 이는 마르텐사이트 내 잔류응력을 구하는 수학식 1과 동일하다.

여기서, υ: 포아손비(가로방향변형량/세로방향변형량)

E : 탄성계수

K : 응력정수,

를 나타낸다.

또한, Ψ는 X-Ray 조사각도로 Ψ= Ψ₀ + η이고, X-Ray 조사시 Ψ₀가 0°, 10°, 20°, 30°, 40°, 45°에서부터 조사하며, 잔류오스테나이트에서 η는 25.7이다.

결국, 잔류오스테나이트 조직 내 잔류응력은 필요한 상수정보(υ, E, cotθ 및 K)와 측정정보(2θ, sin²Ψ)를 상기 수학식 2에 대입하면 쉽게 계산되어진다.

즉, X축은 sin²Ψ를, Y축은 측정되어진 최대 2θ값을 대입하여 그 기울기값에 잔류오스테나이트 조직의 고유 응력정수 K(=-64.13㎏/㎟)를 곱한 값이 곧 잔류응력이 된다.

다음은 침탄 열처리한 변속기 기어의 표면에 존재하는 잔류오스테나이트 내 잔류응력을 본 발명의 측정방법에 의거 측정한 예를 나타낸 것이다.

여기서, 측정용 시편으로는 서로 다른 침탄 열처리 과정을 거친 두 개의 변속기 기어가 사용되었다.

먼저, 새로이 설치한 곤이어메터(11a)를 이용하여 X-Ray 발생장치(12a)를 통해 X-Ray를 시편(13a)의 표면, 즉 합금강 표면의 FCC 결정격자 표면에 조사하되, 2θ가 119 ∼ 149.8°인 범위에서 X-Ray가 입사되도록 하면서 2θ= 128.70°인 지점을 통과하도록 주사하여, 이때 측정되어진 피크값, 즉 측정되어진 최대 회절각 2θ를 측정하였다.

이후, 상기와 같이 얻어진 2θ와 sin²Ψ의 측정정보를 이용하여 를 계산한 다음, 이에 잔류오스테나이트의 응력정수 K(=-64.13)를 곱하여 잔류응력을 계산하였으며, 그 결과를 다음의 표 4에 나타내었다.

그 측정의 결과로서, 표 4에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 변속기 기어에서는 그 표면에 존재하는 잔류오스테나이트 내 잔류응력이 양의 값으로 인장잔류응력을 나타내었고, 실시예 2의 변속기 기어에서는 그 표면에 존재하는 잔류오스테나이트 내 잔류응력이 음의 값으로 압축잔류응력을 나타내었다.

즉, 실시예 1의 변속기 기어는 그 표면의 잔류오스테나이트 내에 인장잔류응력이 존재하여 피로수명이 단축될 수 있고 내구성을 불만족시키는 것임을 알 수 있는 것이다.

또한, 실시예 2의 변속기 기어는 그 표면의 잔류오스테나이트 내에 압축잔류응력이 존재하여 충분한 피로수명과 내구성을 만족시키는 것임을 알 수 있는 것이다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 자동차 변속기 기어와 같이 침탄 또는 침탄침질 열처리한 후 합금강 표면에 생성되는 마르텐사이트와 잔류오스테나이트 조직 중 특히 X-Ray 회절분석기를 이용하여 잔류오스테나이트 내에 존재하는 잔류응력만을 정량측정함으로써, 표면 경화한 변속기 기어의 정량적인 미세조직과 응력과의 상관관계를 통하여 피로수명을 예측하고 열처리특성을 평가하는데 분석적으로 기여할 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 침탄 열처리한 합금강 표면에 존재하는 잔류오스테나이트 내 잔류응력 측정방법에 의하면, X-Ray 회절분석기를 이용하여 침탄 또는 침탄침질 열처리한 합금강의 표면에 존재하는 잔류오스테나이트 내 잔류응력만을 정량측정할 수 있게 됨으로써, 합금강의 내피로특성 및 열처리특성을 보다 정확히 평가할 수 있고, 합금강을 소재로 한 부품의 정확한 피로수명 예측 및 정량적인 피로연구에 기여할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 잔류오스테나이트 내 잔류응력 측정시 이용될 수 있는 X-Ray 회절분석기를 보여주는 도면이고,

도 2는 일반적인 X-Ray 회절분석기를 보여주는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11a : 곤이어메터(goniometer) 12a : X-Ray 발생장치

13a : 시편

Claims

X-Ray 회절분석기를 이용하여 합금강 표면에 존재하는 미세조직 내 잔류응력을 측정하는 방법에 있어서,

상기 X-Ray 회절분석기의 X-Ray 발생장치를 통해 X-Ray를 합금강 표면에 존재하는 잔류오스테나이트 조직의 표면으로 조사하되, 곤이어메터를 움직여 2θ가 119 ∼ 149.8°인 범위에서 X-Ray가 입사되도록 하면서 이 범위에서의 최대 회절각 2θ를 측정하고, 측정시의 조사각도 Ψ와 이 조사각도 Ψ에서의 측정되어진 최대 회절각 2θ를 이용하여 를 계산한 후, 이에 잔류오스테나이트의 고유 응력정수 K를 곱하여, 잔류오스테나이트 조직 내의 잔류응력을 계산하는 것을 특징으로 하는 침탄 열처리한 합금강 표면에 존재하는 잔류오스테나이트 내 잔류응력 측정방법.