Effects of Carburizing Process on Sliding wear Behavior of Carburized SCM420H Steel

침탄처리한 SCM420H의 미끄럼 마모 특성에 미치는 침탄 조건의 영향

Abstract

The effects of the carburizing process on the sliding wear behavior of SCM420H steel have been investigated. In particular, the effects of grain boundary corrosion observed in the surface layer after gas carburizing and the effects of hardness of the carburized cases after heat-treatment on the sliding wear properties were examined. Pin specimens carburized by two methods (gas carburizing and vacuum carburizing) were tempered at two temperatures of 180℃ and 400℃ after oil-quenching, respectively. Sliding wear tests were carried out against heattreated SKH51 steel at several sliding speeds using a pin-on-disc type test machine. As results, it can be found that there is no difference in the wear behavior between the pins carburized using two methods. This implies that the grain boundary corrosion that formed in the surface layer after gas carburizing has no effect on the sliding wear behavior of carburized SCM420H steels. Additionally, there is no significant difference in the wear behavior between carburized pins tempered at 400℃ and at 180℃ after oil-quenching, regardless of the carburizing method. This is because carburized pins tempered at 400℃ have a troostite structure, which exhibits higher tribochemical reactivity even though its hardness is lower than that of martensite structure. In this respect, it can be considered that good wear resistance of carburized cases is maintained at least until the effective case depth.

1. 서론

침탄처리는 탄소 함유량이 낮은 철강재료의 표면층에 탄소를 침투, 확산시켜 고탄소화 함으로써 표면의 소입성을 확보하려는 열처리이다. 그래서 이후에 소입(quenching) 처리를 하면 표면이 마르텐사이트 변태를 하면서 내마모성과 내피로성이 확보되고 연한 심부에 의해 내충격성까지 겸비하게 되므로, 침탄처리는 구조용으로 아주 적합한 재료설계 방식이라고 할 수 있다[1].

침탄처리 방법으로는 고체침탄, 액체침탄, 가스침탄 등이 있으나 이중 대량생산이나 자동화 가능성은 가스침탄 방법이 가장 적합한 것으로 알려져 있다[1]. 사실 침탄처리에 의해 얻어지는 경화층의 성상은 이러한 침탄방법이나 각 방법의 처리 조건에 따라 크게 변화하게 된다.

가스침탄을 하면 침탄 후 표면층에 이상 변질층이 생성될 수 있는 것으로 알려져 있다[2-8]. 이것은 캐리어 가스 속에 들어있는 미량의 CO₂ 나 H₂O 등에 의해 합금성분(Cr, Mn, Si 등)이 산화되고 이들이 표면의 결정입계에 우선 석출되기 때문이다. 이 입계 산화층은 가스 침탄재의 내충격성이나 내피로성에 악영향[5,8]을 미치고 내마모 관련 성질 등에도 많은 영향[6, 9, 10]을 미치는 것으로 보고되고 있다. 한편 침탄처리 후 경화층의 평가는 일반적으로 표면경도 및 유효경화 깊이로 하게 되는데 이들에 의해 침탄 처리재의 기계적 성질이 변화하게 된다[1, 3, 7]. 이러한 침탄 경화층의 경도분포는 일반적으로 표면의 경도가 높고 내부로 갈수록 경도가 감소하는 형태이나 이에 상응하여 깊이에 따라 미세조직도 변화한다[3,7]. 그런데 이러한 침탄 처리재의 입계 산화층이나 특유의 경도분포가 응착마모 시의 마모거동에 미치는 영향에 대해서는 전혀 확인되고 있지 않다[11].

그래서 본 연구에서는 침탄용강인 SCM420H를 두 종류의 처리방법(가스침탄과 진공침탄)으로 침탄처리하고, 소입 열처리(quenching) 후 각각 두 온도에서 템퍼링(tempering) 처리하여 총 4종류의 시편을 제작하였다. 이 후 이들을 미끄럼 마모시험을 하여 각각의 마모특성을 조사하고 마모면을 분석하여 입계산화 및 경도변화의 영향에 대해 검토하였다.

2. 실험방법

본 연구에서는 침탄용강으로 널리 사용되는 시판의 SCM420H 환봉에서 소정의 핀(pin) 시편(Ф6 × 18 mm)을 가공하고 침탄처리를 하였다. 이때 진공침탄은 930 ℃, 가스침탄은 920 ℃까지 가열한 후 각각 2시간 동안 진행하였고 확산시간은 모두 1시간 동안 처리하였다. 이후 진공침탄의 소입온도 850 ℃, 가스침탄의 소입온도 840 ℃까지 냉각하고 그 온도에서 20분 유지 후 유냉하였다. 템퍼링 처리는 180 ℃ 및 400 ℃의 두 온도에서 각각 2시간씩 처리하였다(이하 180T 및 400T).

마모시험 시의 상대재는 고속도공구강인 SKH51 을 소정의 디스크(disc) 시편(Ф70 × 10 mm)으로 선삭 가공하고 열처리하였다. 열처리는 1,230 에서 1시간 동안 유지한 후 유냉하고, 550 에서 2시간 유지하는 템퍼링 열처리를 행하였다. 이 결과 상대재 디스크의 경도는 H_RC 64.1(환산경도 Hv 840)정도인 것으로 확인되었다.

미끄럼 마모시험은 pin-on-disc식 미끄럼 마모 시험기[12]에서 행하였다. 이때 수직하중을 500 g으로 하고 접촉부의 선속도를 6 종류(0.3, 0.7, 1. 2.5. 5 m/s)로 하여 각 속도에서 총 마찰거리 6 km까지 실험하였다. 실험 전 상대재와 시편의 접촉면은 #800 어브레시브 페이퍼(abrasive paper)로 마무리 가공하였으나 핀 표면의 연마는 입계산화층의 두께를 고려하여 최소한으로 주의 깊게 이루어졌다. 그리고 모든 실험은 상온에서 무윤활 상태로 행하였으며, 소정의 거리마다 시편의 중량 감소를 측정하여 마모량을 산출하였다. 이 때 마모량은 각 속도에서 2~3회 실험을 한 후 평균값을 사용하였다.

3. 실험결과 및 고찰

3-1. 침탄방법 및 처리조건에 따른 침탄층 비교

Fig. 1은 진공침탄 및 가스침탄 두 가지 방법으로 침탄처리 후 180T 시편의 단면을 광학현미경으로 관찰한 조직사진을 나타낸 것이다. 사진의 횡 방향 중앙부위에는 표면에서 깊이 방향으로 측정한 비이커스(Vickers)경도 시험 압흔이 관찰된다. Fig. 2는 진공침탄 및 가스침탄 두 가지 방법으로 침탄처리한 시편을 180T 및 400T 처리 후 깊이 방향으로 측정한 경도분포를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 어느 것도 표면의 경도는 높으나 심부로 들어갈수록 경도가 감소하는 경향이지만 템퍼링 온도에 따라 경도분포가 상이함을 알 수 있다. 180T 처리재의 경우는 침탄 방법에 따라 표면경도가 상이하나 어느 것도 Hv 700 이상의 고경도를 나타내고 있다. 한편, 400T 처리재의 경우는 180T 처리재의 결과와 비교하면 표면경도뿐만 아니라 심부의 경도도 현저히 낮아졌음을 알 수 있다. 그리고 그림에서는 진공침탄 처리재의 경우가 가스침탄 처리재에 비해 전반적으로 표면의 경도도 높고 경화층도 깊다는 것[2,3]을 확인할 수 있다. Table 1은 180T 처리 가스 침탄재와 진공 침탄재의 경도분포에서 산출한 유효경화 깊이와 전경화 깊이[3]를 비교한 것이다. 표에서 보듯이 경화층 두께는 전술한 대로 진공침탄 처리재의 경우가 약 0.32 mm 더 깊은 것으로 밝혀졌다. 한편, 400T 처리재의 표면의 경도는 약 Hv 550인 것으로 밝혀져, 침탄재의 유효경화 깊이 산출 시의 기준 경도와 일치함을 알 수 있다.

Fig. 1. Optical microstructure near surface of pins tempered at 180℃ after each carburizing process.

Fig. 2. Hardness distribution below surface of pins tempered at 180℃ and 400℃ after each carburizing process.

Table 1. Estimation result of case depth from surface for pins tempered at 180℃

Fig. 3는 Fig. 1의 표면부근을 고배율로 관찰한 광학현미경 조직사진을 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 진공 침탄 처리재(a)의 경우와 달리 가스침탄 처리재(b)의 표면에서는 입계산화층이 관찰되고 있다. 그리고 이 층의 두께는 측정결과 10.4 μm 정도인 것으로 밝혀졌다.

Fig. 3. Microstructures near surface of pin tempered at 180℃ after gas carburizing process.

3-2. 미끄럼 마모시험 결과

Fig. 4는 가스침탄 및 진공침탄 처리 후 180T 및 400T 처리한 핀 시편을 여러 속도에서 미끄럼 마모시험하고 미끄럼 거리에 따른 마모량의 변화를 도시한 것이다. 그림에서 보듯이 이들의 변화는 대부분 미끄럼 거리에 따라 초기마모와 정상마모를 보이나 그 구분이나 거동이 미끄럼속도에 따라 상이하다. 특히 저속도 영역의 마모거동은 템퍼링 온도에 따라서 차이가 있는 것으로 관찰된다.

Fig. 4. Wear loss as a function of sliding distance for pins tempered at two temperatures after carburizing process.

각 속도에서의 이러한 마모량 변화곡선을 초기마모 및 정상마모 영역으로 구분한 후 각 속도에서의 마모율을 산출하고 그 결과를 도시한 것이 Fig. 5이다. 그 결과, 이들 마모율 곡선은 마모영역과 무관하게 모두 1 m/s 부근에서 마모율의 극소점을 나타내는 유사한 형태의 특성을 보이고 있음을 알 수 있다. 특히 그림에서는 템퍼링 온도와 무관하게 두 침탄방법 즉 가스침탄 처리재와 진공침탄 처리재 간에 속도에 대한 마모율 곡선의 형태에 큰 차이가 없음을 확인할 수 있다. 가스침탄 처리재에서 확인된 입계 산화층의 평균 두께와 밀도를 고려하여 입계 산화층이 존재하는 두께까지의 개략적인 무게를 추정하면 약 2.3 mg으로 산출된다. 이 무게를 Fig. 4의 결과에서 추정하면 180T 처리 시편의 0.3 m/s 속도시험을 제외한 모든 속도시험에서는 모두 입계 산화층 내에서 마모가 발생한 것으로 추정할 수 있다. 이러한 측면에서 가스침탄 처리재의 입계 산화층은 미끄럼 마모 거동에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 결론 지을 수 있다. 이번에는 두 템퍼링 온도 처리재 간에 속도에 대한 마모율 곡선(Fig. 5)을 보면 0.3 m/s 의 미끄럼 속도에서는 400T 처리 시편의 마모율이 180T 처리 시편의 마모율보다 다소 적지만 전 시험 속도에서 거의 유사한 것을 확인할 수 있다. 이러한 측면에서 180T 처리 침탄 처리재의 마모 거동은 유효경화깊이(Hv 550)까지는 유사한 것으로 추정 할 수 있다.

Fig. 5. Wear rate as a function of sliding speed for pins tempered at two temperatures after carburizing process.​​​​​​​

3-3. 마모면 관찰 결과

Fig. 6은 진공침탄 후 180T 처리한 핀 시편을 여러 속도에서 미끄럼 마모 시험한 후 관찰한 마모면의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다. 그리고 Fig. 7는 이들의 상대 디스크의 마모면을 관찰한 결과를 나타낸 것이다. Fig. 6의 0.3 m/s 속도에서 시험한 핀 시편의 마모면에서는 굵은 띠 모양의 흑색 부위가 관찰되나, 0.7 m/s의 속도에서는 그 정도가 줄어들고 있다. 그리고 마모율의 극소를 나타낸 1 m/s의 마모면에서는 저속 시와는 양상이 다른 흑색 부위가 관찰되고, 5 m/s의 마모면에는 회색의 화합물이 다량으로 생성된 것을 확인할 수 있다. 한편 이들의 상대 디스크 마모면(Fig. 7)에서도 유사한 경향을 보이나 0.3 m/s 및 0.7 m/s의 속도에서는 핀 시편의 마모면의 경우와 달리 현저히 많은 흑색 화합물들이 관찰되고 1 m/s에서는 흑색 화합물 외에 고온의 철 산화물로 추정되는 회색의 화합물이 보이기 시작하고, 5 m/s의 경우는 시편과 마찬가지로 전면이 회색 산화물로 덮여 있는 것을 알 수 있다. 따라서 이러한 상대재 마모면상에 생성된 산화물들이 시편의 마모거동에 크게 영향을 미쳤음이 분명하다. 이러한 경향은 가스침탄 처리재의 경우도 동일하였다. 

Fig. 6. Optical micrographs on worn surface of pins tempered at 180℃ after vacuum carburizing process.​​​​​​​

Fig. 7. Optical micrographs on worn surface of discs mated with pins tempered at 180℃ after vacuum carburizing process.​​​​​​​

Fig. 8은 가스침탄 및 진공침탄 후 400T 처리재를 0.3 m/s에서 미끄럼 마모시험한 후 관찰한 핀 시편 및 상대재 마모면의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다. 이 0.3 m/s의 속도는 전술한대로 템퍼링 온도의 영향이 관찰되어 400T 처리 시편의 마모율이 180T 처리재의 마모율보다 적었던 속도 구간(Fig. 5)이다. 그림에서 보듯이 동일한 템퍼링 온도에서는 침탄방법에 따른 마모 거동의 차이가 없는 것으로 밝혀져, 전술한대로 입계 산화층의 영향을 확인할 수 없다. 그러나 이들을 180T 처리 시편의 동일한 미끄럼 속도에서의 마모면(Fig. 6과 Fig. 7)과 비교하면 다소 양상이 상이함을 알 수 있다. 즉 400T 처리 핀 시편의 마모면은 180T 의 경우와 달리 흑색 부위가 없고 스크래치가 관찰되고 있다. 그리고 이 상대재 디스크 마모면에서는 외관상 흑색이 아닌 다량의 적갈색의 화합물이 관찰되었다. 이러한 화합물들은 트라이보케미칼 반응에 의해 생성된 것으로 화합물의 색상으로 미루어 Fe₂O₃ 계열인 것으로 생각되었다. 반면 180T 의 상대재 디스크 마모면에서 관찰된 흑색 화합물은 Fe₃O₄ 계열임이 분명하다[12,13].

Fig. 8. Optical micrographs on worn surface of pins tempered at 400℃ after vacuum carburizing process and its mating disc after testing at 0.3 m/s.

Fig. 9는 가스침탄 및 진공침탄 후 180T 및 400T 처리한 핀 시편을 0.3 m/s 및 0.7 m/s 그리고 2.5 m/s의 세 속도에서 시험한 후 상대재 디스크 마모면상에 생성된 마모 트랙(track)에 수직방향으로 측정한 단면곡선(수직 × 2,000, 수평 × 20)을 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 0.3 m/s의 마모면은 템퍼링 온도와 무관하게 모두 돌출된 것으로 밝혀져 이 속도에서는 핀 시편으로부터 이착이 현저히 발생한 것을 알 수 있다. 이러한 경향은 진공침탄 처리재의 경우도 동일한 것으로 밝혀졌다.

Fig. 9. Surface profiles on worn surface of discs mated with gas carburized pin according to tempering temperature and sliding speed.​​​​​​​

사실 침탄처리 후 180T 처리한 시편의 조직은 고경도의 마르텐사이트(Martensite)이므로 마모가 적지만 상대적으로 온도상승이 커져 흑색의 Fe₃O₄ 계열의 산화물이 생성된 것으로 생각된다. 반면 400T 처리한 시편은 투르스타이트(Troostite) 조직으로 된다. 이러한 투르스타이트 조직은 철강재료 조직 중에서 내식성이 가장 열악하여 화학반응성이 아주 강한 것으로 알려져 있다[14]. 그래서 이 조직은 미끄럼 접촉 중에 산소농도가 높은 철 산화물(Fe₂O₃ 계통)을 우선적으로 생성하게 되는 것으로 생각된다[13]. 그렇지만 다량으로 존재하는 이들은 마모면을 현저히 어브레시브(abrasive) 시키는 것으로 생각된다. 결국 0.3 m/s에서의 마모거동의 차이는 열처리 조직 차이에 기인하는 것으로 생각된다. 그러나 그 이상의 속도가 되면 온도상승이 현저하여 조직에 따른 트라이보케미칼 반응성의 영향은 없어지는 것으로 생각된다. 그 결과 Fig. 9를 보면 미끄럼 속도 0.7 m/s의 단면곡선에서는 이착의 정도가 다소 감소하고 있으나, 400T 처리재의 상대 마모면의 경우는 마모가 상당히 진행된 것을 알 수 있다. 이는 핀 시편의 산화물들이 탈락하여 어브레시브 입자로 작용하여 핀 시편과 함께 상대재도 마모시키기 때문으로 생각되었다. 한편 2.5 m/s 이상의 속도에서는 모두 상대재 마모면에 현저한 그루브(groove)를 형성하는 것이 확인되었다.

4. 결론

가스침탄 및 진공침탄 두 방법으로 침탄처리한 SCM420H를 소입하고 두 온도에서 템퍼링 처리를 한 후, 각각의 미끄럼 마모특성을 조사하고 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 침탄 처리방법(가스침탄과 진공침탄)에 따른 마모 특성 차이는 없는 것으로 밝혀졌다. 결국 처리방법과 무관하게 각 속도에서 거리에 대한 마모특성 변화나 초기마모나 정상마모에서의 속도에 대한 마모특성 변화 모두 거의 유사하였다.

2) 이것으로 가스침탄 처리재 표면에 생성하는 입계 산화층은 응착마모 시의 미끄럼 마모에는 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다. 

3) 저경도의 투르스타이트 조직의 침탄층과 고경도의 마르텐사이트 조직의 침탄층 간의 마모특성 차이도 거의 없는 것으로 밝혀졌다. 오히려 0.3 m/s 정도의 저속도 영역에서는 투르스타이트 조직이 우수한 것으로 밝혀졌다.

4) 침탄 경화층의 미끄럼 마모특성은 표면에서 경도 Hv 550 부근(유효경화 깊이)까지 거의 동일한 것으로 간주할 수 있다.