기어의 금속조직 검사: 원리, 방법 및 핵심 지식

핵심 목적 및 검사 항목

• 경화층 깊이: 탄침/담금질 처리된 기어의 마모 저항성을 평가하는 핵심 지표 (ISO 6336 표준에서 요구됨).
• 입자 크기: 기어의 강도와 인성을 결정하는 요소 (ASTM E112 기준에 따라 등급 분류됨).
• 미세조직: 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트 및 탄화물의 형태는 피로 성능을 결정합니다.
• 표면 결함: 연마 소성(버닝) 및 균열을 검출 (AIAG CQI-9 표준 준수).

기본 미세조직 구성 요소

• 페라이트(α): 체심입방(BCC) 구조로, 부드럽고 인성이 좋으며 경도가 낮음(~80HV). 저탄소강 및 순철에서 흔히 발견됨.
• 오스테나이트(γ): 면심입방(FCC) 구조로, 연성과 가공성이 뛰어나며 비자성임. 304 스테인리스강 및 고망간강과 같은 고온 또는 고합금강에 존재함.
• 시멘타이트(Fe₃C): 사방정계 결정 구조를 가지며, 단단하고 취약함(~800HV)이며 내마모성을 향상시킴. 백주철 및 고탄소강에서 발견됨.
• 마르텐사이트: 체심정방(BCT) 구조로, 급냉 처리 시 발생하며 매우 높은 경도(500~1000HV)를 가짐. 담금질된 강 및 공구강에 사용됨.

일반적인 미세조직 형태

시험 과정 및 표준 방법

시료 채취 및 시료 준비

• 시료 채취 위치: 이끝(표면 경화 효과 평가), 이뿌리(응력 집중 구역의 미세조직 분석), 단면(경화층 경사도 측정)
• 주요 준비 절차: 절단 → 마운팅 → 연마 → 광택 → 에칭 → 현미경 관찰
• 마운팅: 열적 영향을 피하기 위해 냉간 마운팅을 권장하며, 엣지 보호를 위해 에폭시 수지를 사용
• 광택: 스크래치 간섭을 방지하기 위해 다이아몬드 광택 페이스트로 0.05μm 거울 마무리까지 광택 처리

에칭제 선택

주요 시험 장비

광학 현미경(OM)

• 적용 분야: 기본 미세구조 관찰 (예: 결정립 크기 등급 평가).
• 구성 요구사항: 500배~1000배 배율, 이미지 분석 소프트웨어 장착 (예: Olympus Stream).

주사 전자 현미경(SEM)

• 장점: 비금속 포함물(예: MnS)의 고해상도 관찰 및 EDS를 통한 조성 분석.
• 사례: 풍력 발전기 기어박스 파손 분석에서 황 불순물 집합으로 인한 입계 균열 검출.

미세 경도 시험

• 방법: Vickers 경도(HV0.3~HV1) 구배 시험을 통해 표면 경화 곡선 도출.
• 표준: ISO 2639는 표면 경화 깊이를 표면에서 기지까지 550HV1에 도달하는 거리로 정의함.

미세구조 분석

정상적인 미세조직

일반적인 결함 및 원인

• 과도한 침탄: 표면에 망상 탄화물이 형성되어 취성을 증가시키고 톱니면의 벗겨짐 위험이 높아짐.
• 연마 소성: 산세로 노출된 담금질 무늬(ASTM E1257), 공급 속도를 조절하고 CBN 연마숫돌을 사용하여 방지 가능.
• 담금질 균열: 입계를 따라 전파되며 끝부분이 날카로움(SEM으로 확인 가능).