A Study on the Influence of Induction Coil Movement Speed and Frequency on Induction Hardening of SCM440 Steel

SCM440 강의 유도 경화에 미치는 유도코일 이동속도 및 주파수의 영향에 관한 연구

Abstract

In this study, microstructure, hardening layer hardness, and case depth were evaluated after induction hardening(IH) of base metal specimen(BM) treated with annealing and quenching-tempering specimen(QT) treated with quenching and tempering. The microstructure after IH was significantly influenced by the microstructure before IH and the induction coil heating movement speed, but the effect of the induction frequency was very small. The hardness of the hardened layer at an induction coil heating movement speed of 15 mm/s or less was more influenced by the microstructure before IH than the induction coil travel speed and induction frequency. The induction coil travel speed has the significantly effect on the case depth, the induction frequency has effect and the microstructure before IH has a small effect.

1. 서 론

재료는 표면 처리에 따라서 특성이 달라진다. 연 구자들은 다양한 표면 처리로 재료 특성을 평가하 였다[1-6]. 표면 처리 중에서 유도 경화(Induction Hardening: IH)는 요구하는 경화층 경도와 경화 층 깊이에 따라 작업조건을 변화하여 유도가열로 표면만 급속가열, 급속냉각하는 열처리 방법이다. 유도 경화와 일반 담금질를 비교하면, C%에 상관 없이 유도 경화의 조직이 미세하고 급열, 급냉에 수반되는 잔류 응력으로 경화층 경도가 높고 내마 모성 및 내피로성이 증가한다[7-8].

최근, 국제적으로 탄소배출 규제가 강화되자 유도 경화는 에너지 절약형·친환경 열처리기술로 주목받고 있다. 이것은 전기에너지를 사용함으로 제어 및 자동화가 쉽고, 현장 적용이 가능하므로 넓리 이용되고 있다. 종전 침탄법으로 표면경화 처리 하던 자동차 부품은 유도 경화로 대체되는 추세이다[9]. 특히 SCM440강은 Cr-Mo 구조용 합금강으로 Cr 강보다 Mo 소량 첨가로 경화능 을 현저하게 개선하고, 뜨임 취성에 대한 저항성 이 크다[10]. 또한, Ni-Cr 강보다 저렴하므로 구 조용 합금강 중 유도 경화에 가장 많이 이용되 고 있다[11]. Ni과 Mn 등은 A3 변태점을 내리 며 A4 변태점을 올리며, 반대로 Cr과 Mo 등은 A3 변태점을 올리고 A4 변태점을 내린다[12]. Ac3 온도는 합금 조성뿐만 아니라, 가열속도에 따라 변화하며 가열속도가 빠를수록 Ac3 온도는 증가한다.

전처리 조직은 층상의 퍼얼라이트(Pearlite)보다 입상의 퍼얼라이트가 좋다. 탄화물은 입도 크기, 분 포상태 및 양 등이 현저하게 영향을 미친다. Ac3 점은 풀림(Annealing)>불림(Normalizing)>담금질- 뜨임(Quenching-Tempering; QT) 순으로 상승한 다. 동일한 조건으로 유도가열하였을 때, 불림(Normalizing)>담금질-뜨임(QT) 순으로 전 경화층 깊이가 증가한다[13].

유도 경화는 급속 가열하므로 오스테나이트(Austenite) 화가 온도와 시간에 따라 현저하게 다르며, 유도 경화 후의 조직도 달라진다[14-16]. 유도 경화의 목적은 주로 내마모성과 내피로성을 증가시키는 것이다. 그러나 내마모성 향상은 경화층 깊이를 얕게 하지만, 내피로성 향상은 경화층 깊이를 깊 게 한다[17]. 유도코일(Induction coil) 이동식 가 열방법으로 유도 경화하는 경우, 가장 많이 영향 을 미치는 인자는 소요전력(전압, 전류), 주파수 및 유도코일 이동속도 등이다. 유도 경화 온도는 직접 측정이 불가능함으로 소요전력과 유도코일 이동속도로 결정하고, 경화층 깊이는 주파수와 유 도코일 이동속도로 결정한다. 소요전력과 유도코 일 이동속도가 부적절하면, 불완전 변태조직이 발 생한다. 이에 따라 경화층 경도 불량이 발생하거 나, 과열 조직이 생성되어 균열이 발생할 위험성이 높다.

경화층 깊이에 가장 크게 영향을 미치는 인자는 주파수와 유도코일 이동속도이다. 경화층 깊이는 동일 주파수에서 유도코일 이동속도를 느리게 할수 록 증가시킬 수 있으나, 유도코일 이동속도의 감속 은 유도 경화 온도가 증가하기 때문에 한계가 있 다. 경화층 깊이는 주파수는 낮을수록 증가하나, 임계 주파수 이하는 주파수 변동이 큰 가열 상태 의 변화를 초래한다. 주파수가 너무 높아지면 표피 효과에 의하여 열효율이 떨어지기 때문에 주파수로 경화층 깊이를 결정하는 데에도 한계가 있다.

따라서 본 연구는 SCM440강을 사용하여, 유도 경화 전의 조직, 유도코일 이동속도 및 유도 주파 수가 미세조직, 경화층 경도 및 경화층 깊이에 미 치는 영향을 규명하고, 산업현장에서 응용할 수 있는 유도 경화 작업조건 설정 데이터를 제공하고자 한다.

2. 시험편 및 실험 방법

2.1 시험편

본 연구에 사용된 재료는 기어(Gear) 및 샤프트 (Shaft)에 사용되는 구조용 합금강 SCM440(KS D3867)이다. 시험편은 직경 22 mm의 환봉을 구 입한 후, 직경 20 mm, 길이 200 mm로 정밀가 공하였다. Table 1과 2는 재료의 화학적 성분 및 기계적 특성이다.

재료 조직이 유도 경화에 미치는 영향을 조사 하기 위하여, 모재시험편(Base metal; BM)과 담금 징-뜨임시험편(QT)을 사용하였다. 모재시험편은 재료를 880℃에서 2시간 유지 후, 노냉하여 풀림 처리하였다. 담금질-뜨임시험편은 모재시험편을 850℃에서 1시간 유지한 후 수냉하고, 580℃에서 2시간 유지한 후 공냉하였다.

Table 1. Mechanical properties of SCM440 steel

Table 2. Chemical compositions of SCM440 steel. (wt.%)

Table 3. Condition of induction hardening applying on BM and QT specimen

모재시험편과 담금질-뜨임시험편의 경도는 각각 210 및 350HV였다. 유도 경화 모재시험편(IHBM) 과 유도 경화 담금질-뜨임시험편(IHQT)은 동일한 전력(220V, 318A)에서 주파수 100, 50 및 10 kHz와 유도코일 이동속도 30, 15 및 10 mm/s로 변화시켜 처리하였다. Table 3은 모재시험편 및 담 금질-뜨임시험편의 유도 경화 조건을 나타낸 것이다.

유도 경화 모재시험편과 담금질-뜨임시험편은 횡단면의 중간부에서 높이 20 mm로 절단하여, 조직관찰, 경화층 경도 및 유효경화층 깊이 측정에 사용하였다.

2.2 실험 방법

유도 경화 모재시험편 및 유도 경화 담금질-뜨 임시험편은 주파수 및 유도코일 이송속도가 경화 패턴, 미세조직, 경화층 경도, 경화층 깊이에 미치 는 영향을 평가하였다.

경화층 경도는 표면에서 0.1 mm 지점에서 마 이크로 비커스경도기(HM-122, Mitutoyo, 일본)의 하중 500g으로 10s 압입하여, 측정하였다.

유효경화층 깊이는 조직학적으로 50% 마르텐사 이트가 나타나는 지점까지의 거리이며, 임계담금 질 경도(HRC)는 식(1)로 주어진다[18].

\(HRC = 24 + 40 \times C \%\)

경도는 KS D 0027 규격에 따라 표면에서 0.1 mm 간격으로 9 mm까지 경도를 측정하여, 450HV 까지의 거리를 유효경화 깊이로 하였다.

경화 깊이는 시험편을 미세연마하고, 5% 나이 탈(Nital) 용액으로 에칭한 후. KS 규격에 따라 비 전 검사기(IV3, Keyence, 한국)로 측정하였다.

미세조직은 시험편을 미세연마하고, 3% 나이탈 용액으로 에칭한 후, 광학 현미경(GX71, Olympus, 일본)으로 관찰하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 유도 경화 전 조직

유도 경화 전의 초석 페라이트(Ferrite) 입자는 클 수록 단시간에 오스테나이트화가 매우 곤란하다. 이 것을 담금질-뜨임 처리하여 미세조직으로 하였을 때, 시간 온도 변태(Time temperature transformation; TTT) 선도는 현저하게 저온측으로 이동함으로 유 도 경화 전의 조직을 미세화하여 탄화물을 균등하 게 분포하여 두는 것이 중요하다[19].

Fig. 1은 유도 경화에 미치는 영향을 규명하기 위하여, 모재시험편과과 담금질-뜨임시험편의 조 직을 나타낸 것이다. (a) 모재시험편은 조대 초석 페라이트(Ferrite) 조직과 조대 퍼얼라이트(Pearlite) 조직에 미세탄화물 혼합된 조직이다. (b) 담금질- 뜨임시험편은 미세 초석 페라이트(Ferrite)조직과 미세 퍼얼라이트(Pearlite) 조직에 미세탄화물이 균등하게 분포된 조직이다.

Fig. 1 The micro-structure before induction hardening. (a) BM specimen, (b) QT specimen

3.2 유도 경화 후 조직

유도 경화는 단시간 내에 가열 변태와 냉각 변태를 수반한다. 가열 변태는 오스테나이트화 변태 이고 급속하게 가열하기 때문에, 가열 조건에 따 라 오스테나이트화 상황이 다르며, IH 후의 조직 변화도 현저하게 다르게 나타난다.

냉각 변태는 마르텐사이트 변태이고 무확산 변 태로 FCC 구조의 오스테나이트가 임계 냉각속도 이상으로 급냉될 때, Fe와 C의 원자가 재배열되어 BCT 구조로 바뀌는 변태이다. 이것은 Ms 점에서 시작하여 10-7s 이내의 매우 짧은 시간에 일어나 고, 온도 강하로 진행되는 변태이다[20-21].

Marder 등은 탄소강에서 Ms 점의 C량에 따라 서 조직이 다르다 하였다. 0.6 wt% 미만은 라스 마르텐사이트(Lath martensite), 0.6∼1.0 wt%은 혼합조직, 1.0 wt% 이상은 침상 마르텐사이트 (Acicular martensite)가 생성된다. 침상 마르텐사 이트가 생성되는 경우는 미 변태 잔류 오스테나이트 량이 많아진다[22].

Fig. 2는 유도 경화 모재시험편과 유도 경화 담 금질-뜨임시험편의 광학 현미경 조직을 나타낸 것 이다. (a)는 주파수 100 kHz에서 유도 경화한 경 우이다. 30 mm/s의 유도 경화 모재시험편시험편 은 초석 페라이트(흰 부분)가 상당히 미세화되었으 나, 상당량의 초석 페라이트와 미세 탄화화물을 함유한 불완전 변태조직이 관찰되었다. 이것은 유 도 경화 전 모재시험편의 초석 페라이트 입도가 커서, Ac3 온도가 높아 가열온도가 Ac3 온도보다 상당히 낮고 오스테나이트로의 변태시간이 길어 많은 량의 초석 페라이트가 오스테나이트로 변태 하지 못하고 상당량의 초석 페라이트와 미세 탄화화물을 함유한 불완전 변태 조직으로 나타났다고 생각된다.

Fig. 2 Micro-structure of BM and QT specimen according to the induction coil travel speed on each induction frequency. (a) 100 kHz, (b) 50 kHz, (c) 10 kHz

30 mm/s의 유도 경화 담금질-뜨임시험편은 유 도 경화 모재시험편보다 적은 미세 페라이트와 미 세 탄화화물을 함유한 함유한 다소 불완전 변태조 직으로 나타났다. 이것은 유도 경화 전 담금질-뜨 임시험편의 초석 페라이트 입도가 미세하여 Ac3 온도가 낮고 오스테나이트로의 변태시간이 짧아 오스테나이트로 미 변태한 초석 페라이트 량이 적기 때문이다. (b)와 (c)는 각각 주파수 50 및 10 kHz에서 유도 경화한 경우이다. 30, 15 및 10 mm/s로 이송 속도가 늦어짐에 따라 약간의 조직 차이는 있다. 유도 경화 모재시험편은 주파수에 상관없이 상당량의 초석 페라이트와 미세 탄화화 물을 함유한 불완전 변태조직 및 Lath-martensite 조직으로 변태하였다. 유도 경화 담금질-뜨임시험 편은 소량의 초석 페라이트와 미세탄화물을 함유 한 다소 불완전 변태조직, Lath-martensite, 약간 조대한 Lath-martensite가 관찰되었다. 이것은 유 도코일 이동속도가 늦어짐에 따라서 가열 시간이 증가하여 유도 경화 온도가 상승하였기 때문이라 고 생각된다.

동일한 주파수와 유도코일 이동속도에서 유도 경화 모재시험편과 유도 경화 담금질-뜨임시험편 의 조직은 현저하게 다르게 관찰되었다. 이것은 유도 경화 전의 조직이 현저하게 영향을 미친다는 것을 나타낸다.

유도코일에 의하여 시험편에 유도되는 전류는 표면에서 가장 강하게 흐르고, 깊어질수록 급격하 게 감소한다. 이를 표피효과라 한다.

표피효과는 주파수가 높을수록 현저하며, 유도 코일에 의하여 유도되는 전류 침투 깊이 δ는 식 (2)로 주어진다.

\(\delta = 5.033 \sqrt { \frac { \rho } { \mu \cdot f } }\)

여기서, δ : 전류 침투 깊이(mm), ρ : 고유저항 (μΩ・cm), f : 주파수 (Hz/s), μs : 비투자율이다.

전류 침투 깊이는 주파수의 제곱근에 반비례한 다. 식(2)에 의하여 계산한 전류 침투 깊이를 Table 4에 나타낸다. 주파수가 증가할수록 전류 침투 깊이는 감소한다. 따라서 가열에 필요한 중 량이 감소하기 때문에, 동일한 전력을 공급하여 유도 경화할 경우 주파수가 클수록 더 높은 온도 로 가열할 수 있다.

김대완 등은 유도가열 코일과 시험편의 간극이 클수록 자장 손실이 증가하여 유도가열이 작게 된 다고 하였다[23].

Table 4에 나타낸 전류 침투 깊이는 100 kHz 에서 1.70 mm, 50 kHz에서 2.41 mm, 10 kHz 에서 5.39 mm이다. 본 연구에서 시험편과 유도 코일의 간극은 1 mm로 주파수가 높을수록 상대 적으로 시험편과 유도코일의 사이로 자장 손실이 증가하여 유도가열되는 자장이 작아 더 낮은 온도 로 가열된다.

유도 경화 모재시험편과 유도 경화 담금질-뜨 임시험편은 유도코일 이동속도 30 mm/s, 50 kHz에서 초석 페라이트량이 가장 적게 관찰되었 다. 이것은 동일 전력으로 유도 경화할 경우, 주 파수가 증가할수록 전류 침투 깊이가 작아 더 높 은 온도로 가열할 수 있다. 그러나 주파수가 높을 수록 상대적으로 시험편과 유도코일 사이의 손실 이 증가하여, 유도가열 자장이 작아 더 낮은 온도 로 가열된다. 따라서 50 kHz의 유도 경화가 가장 높게 가열되었다고 생각된다.

이상에서 유도 경화 전의 조직이 Ac3점 및 오스테나이트화에 영향을 주고, 유도코일 이동속도 는 가열 시간에 영향을 미치기 때문에 조직이 달 라진다. 동일 전력에서 유도 경화할 경우, 주파수 가 조직에 미치는 영향이 크지 않았다.

Table 4. Relationship between current penetration depth and frequency obtained from calculation

3.3 경화층 경도

Fig. 3은 유도코일 이동속도에 따른 경화층 경 도를 나타낸 것이다. 유도코일 이동속도 30 mm/s 의 유도 경화 담금질-뜨임시험편(IHQT) 경화층 경도는 723, 751 및 734HV이고, 유도 경화 모재 시험편(IHBM)은 546, 575 및 557HV로 유도 경 화 담금질-뜨임시험편보다 각각 25, 23 및 24% 낮았다. 이것은 모재시험편의 조직이 담금질-뜨임 시험편보다 현저하게 조대하여, Ac3점이 담금질- 뜨임시험편보다 높기때문이다. 따라서 모재시험편 은 오스테나이트화에 가열 온도를 더 높고, 길게 유지해야 한다. 그러나 동일 조건으로 유도가열하 였기 때문에 상대적으로 온도가 낮고 가열 시간이 짧아 오스테나이트 화가 불충분하였기 때문이라고 생각한다. 유도코일 이동속도 15 mm/s의 유도 경화 담금질-뜨임시험편(IHQT) 경화층 경도는 739, 755 및 742HV이고, 유도 경화 모재시험편 (IHBM)은 692, 715 및 697HV로 유도 경화 담금 질-뜨임시험편보다 각각 약 6, 5 및 6% 낮았다. 유도코일 이동속도 10 mm/s의 유도 경화 담금질 -뜨임시험편(IHQT) 경화층 경도는 741, 776 및 763HV이고, 유도 경화 모재시험편(IHBM)은 701, 725 및 712HV로 유도 경화 담금질-뜨임시험편보 다 각각 5, 6.6 및 6.7% 낮았다. 유도 경화 모재 시험편 및 유도 경화 담금질-뜨임시험편의 경화층 경도는 3종류의 주파수에서 차이가 크지 않으나, 50 kHz의 경도가 가장 크고 100 kHz가 가장 작 다. 이것은 조직관찰 결과와 일치한다.

유도코일 이동속도가 30 mm/s에서 15 mm/s로

감소함에 따라 유도 경화 모재시험편의 경화층 경 도는 주파수와 관계없이 약 25% 증가하였으나, 10 mm/s로 감소함에 따라 약 1.3% 증가하였다. 이것 은 유도코일 이동속도 30 mm/s에서 15 mm/s로감소함에 따라 가열 시간이 증가하여, 오스테나이 트화가 현저하게 향상되었기 때문이다. 유도코일 이동속도가 15 mm/s에서 10 mm/s로 감소함에 따라 경화층 경도가 약간 증가한 것은 오스테나이 트화가 약간 향상되었기 때문이라고 생각한다.

Fig. 3 Influence of induction coil travel speed effected on hardness (HV) of BM and QT specimen on each induction frequency (a) 100 kHz, (b) 50 kHz, (c) 10 kHz

주파수와 관계없이 모든 유도코일 이동속도에서 유도 경화 담금질-뜨임시험편의 경화층 경도는 유 도 경화 모재시험편보다 높게 나타났다. 이것은 앞서 언급한 바와 같이 유도 경화 전의 조직 영향 이라 생각한다.

3.4 유도 경화층 깊이

Fig. 4는 유도 경화 모재시험편과 유도 경화 담 금질-뜨임시험편의 유효 경화 깊이(effective case depth:)와 전체 경화 깊이(total case depth: TCD)를 나타낸 것이다. 모든 주파수에서 유효 경 화 깊이 및 전체 경화 깊이는 유도코일 이동속도 가 감소(100, 50, 10 kHZ)함에 따라 현저하게 증 가하였다. 30 mm/s에서 15 mm/s 및 10 mm/s 로 감소할 때, 유효 경화 깊이 및 전체 경화 깊이 의 증가율을 살펴보자. 유도코일 이동속도 100 kHZ의 유효 경화 깊이는 모재시험편에서 166 및 383%, 담금질-뜨임시험편에서 100 및 250% 증가 하였다. 전체 경화 깊이는 모재시험편에서 100 및 255%, 담금질-뜨임시험편에서 83 및 208% 증가 하였다. 유도코일 이동속도 50 kHZ의 유효 경화 깊이는 모재시험편에서 200 및 363%, 담금질-뜨 임시험편에서 157 및 257% 증가하였다. 전체 경 화 깊이는 모재시험편에서 170 및 300%, 담금질- 뜨임시험편에서 144 및 231% 증가하였다. 유도코 일 이동속도 10 kHZ의 유효 경화 깊이는 모재시 험편에서 278 및 467%, 담금질-뜨임시험편에서 129 및 311% 증가하였다. 전체 경화 깊이는 모 재시험편에서 236 및 390%, 담금질-뜨임시험편에서 210 및 284% 증가하였다. 즉, 전체 경화 깊이 는 유도코일 이동속도 및 주파수와 상관없이 유효 경화 깊이보다 약 0.2∼0.3 mm 깊게 나타났다. 유도 경화 담금질-뜨임시험편의 유효 경화 깊이 및 전체 경화 깊이는 유도 경화 모재시험편보다

Fig. 4 Influence of induction coil travel speed effected on case depth of BM and QT specimen on each induction frequency (a) 100 kHz, (b) 50 kHz, (c) 10 kHz

각각 0.6-0.4 mm(100 kHz), 1.3-0.6 mm(50kHz) 및 1.9-0.6 mm(10kHz) 깊게 나타났다. 이것은 유도 경화 전 조직의 영향이라고 판단된다.

유도코일 이동속도와 주파수에 따른 유효 경화 깊이는 Table 4의 이론적 전류 침투 깊이와 다르 게 나타났다. 유도 경화 모재시험편과 유도 경화 담금질-뜨임시험편의 유효 경화 깊이와 정체 경화 깊이는 30 mm/s에서 주파수와 상관없이 이론적 전류 침투 깊이의 35-100%였다. 15 및 10 mm/s 는 각각 이론적 전류 침투 깊이 66-232% 및 54-130%로 나타났다.

실험에서 얻어진 유효 경화 깊이는 각 유도코 일 이동속도의 주파수 100, 50 및 10 kHz에 따 라서 다르게 나타났다. 30 mm/s에서 유도 경화 모재시험편은 0.6, 0.8 및 0.9 mm, 유도 경화 담 금질-뜨임시험편은 1.0, 1.4 및 1.7 mm이다. 15 mm/s에서 유도 경화 모재시험편은 1.6, 2.4 및 3.4 mm, 유도 경화 담금질-뜨임시험편은 2.0, 3.6 및 5.6 mm이다. 10 mm/s에서 유도 경화 모 재시험편은 2.9, 3.7 및 5.4 mm, 유도 경화 담금 질-뜨임시험편은 3.5, 5.0 및 7.0 mm이다. 이와 같이 유도 경화 모재시험편과 유도 경화 담금질- 뜨임시험편의 유효 경화 깊이는 각 고주파에서 유 도코일 이동속도가 증가할수록 작았다. 이러한 경 향은 전체 경화 깊이도 같았다.

4. 결 론

본 연구는 SCM440강의 모재시험편과 담금질- 뜨임시험편을 사용하여, 3종류의 주파수(100, 50, 10 kHz) 및 유도코일 이동속도(30, 15, 10 mm/s)가 유도 경화에 미치는 영향을 평가하였다. 얻어진 결론은 다음과 같다.

(1) 모재시험편은 조대 초석 페라이트(Ferrite)조직과 조대 퍼얼라이트(Pearlite) 조직에 미세탄화물 혼합된 조직이다. 담금질-뜨임 시험편은 미세 초석 페라이트(Ferrite)조직 과 미세 퍼얼라이트(Pearlite) 조직에 미세 탄화물이 균등하게 분포된 조직이다.

(2) SCM440강의 조직은 Ac3점 및 오스테나이 트화에 영향을 주고, 유도코일 이동속도는 가열 시간에 영향을 미치기 때문에 조직이 달라진다. 동일 전력에서 유도 경화할 경우, 주파수가 조직에 미치는 영향이 크지 않았다.

(3) 경화층 경도는 30 mm/s에서 15 mm/s로 감소함에 따라, 유도 경화 모재시험편은 주 파수와 관계없이 약 25% 증가하였으나, 10 mm/s로 감소함에 따라 약 1.3% 증가하였 다. 유도 경화 담금질-뜨임시험편은 주파수 와 관계없이 약 1.5% 증가하였으나, 10 mm/s로 감소함에 따라 약 3.6% 증가하였 다. 즉, 유도코일 이동속도 15 mm/s 이하 에서 유도 주파수가 미치는 영향보다 조직 의 영향이 더 컸다.

(4) 유효 경화 깊이는 각 고주파에서 유도코일 이동속도가 증가할수록 작았다. 즉, 경화 깊이는 유도코일 이동속도에 크게 영향을 받고, 유도코일 이동속도 15mm/s 이하는 유도 주파수가 작을수록 깊게 나타났다.