기계부품의 피로파괴 원인 및 방지대책




이 상진 (李 相辰)




§1.

서론


§2.

피로파괴 사례고찰


2.1

Bolt의 피로파괴


2.2

기어의 피로파괴


2.3

Pin의 피로파괴


2.4

Shaft의 피로파괴


2.5

용접물의 피로파괴


2.6

기타 피로파괴


§3

결언









1. 서 론




기계제품의 피로파괴 방지를 위한 무척 오랜 연구 결과에도 불구하고 현재 기계제품의 피로파괴는 계속 보고되고 있다． 특히 현대에 와서 최적 설계 개념이 도입되고 경량화 추세가 진행됨에 따라 상대적으로 기계제품의 안전율이 낮아지게 되어 설계시에 예측하지 못했던 결함이 제품 내에 잠재하고 있는 경우， 그 결함이 변동하중에 의해 성장 할 수 있기 때문에 피로파괴에 매우 취약하게 된다． 그러나 복잡한 제조공정을 거치는 과정에서 모든 공정을 통해 결함이 발생하지 않도록 관리하는 것이 실제적으로 매우 어렵기 때문에 관리자는 결함이 도입되기 쉬운 공정을 사전에 파악하여 그에 대한 대비를 하는 것이 피로파괴 방지의 최선책이다．

현재 피로파괴 현상은 미시적으로 파괴 인성의 개념을 도입하여 균열의 전파거동이 이론적으로 잘 정리되어 있으며， 특정 부위의 재료 물성을 정확히 알면 그의 피로 수명까지도 예측 할 수 있는 단계까지 발전되어 있다．그러나 실제 제품들에 있어서는 실험실에서 실험하는 재료와 같이 균일하지 않을 뿐만 아니라， 응력상태도 일축(uni-axial) 상태가 아닌 다축상태가 많고 더우기 잔류응력이 중첩되어 있는 경우도 있으며 형상인자도 수학적으로 단순히 modelling 할 수 없는 복잡한 경우가 대부분이기 때문에， 이론적인 해석이 전반적인 추세를 짐작 하는데는 도움을 줄 수 있으나 정확한 정량 해석을 하는데는 역시 부족하다．

피로파괴가 발생한 파면은 beach mark 혹은 shell mark와 같은 특징적인 부위가 관찰 됨으로 해서 식별하기가 쉬우나， 저주기(low cycle) 피로파면은 취성파괴와 비슷하여 식별하기 매우 곤란하다． 참고로 그림 1에 대표적인 beach mark를 보였다．그리고 피로파괴 현상에 접했을때는 재료 자체의 문제 뿐만아니라 형상 및 하중 조건등을 종합적으로 검토해야만 비로서 그의 원인과 방지대책을 규명할 수 있음에 유의해야 한다．

그 동안 국내에서도 학교나 전문기관을 통해 재료의 피로 현상에 대한 교육이 수행된 결과 대부분의 기술자들이 재료의 피로 현상에 대한 인식을 갖고 있으나 주로 단순한 이론적인 내용에 한정되어 있는 형편이다．본고에 있어서는 실제 제품에서 발생하였던 피로파괴 사례를 중심으로 하여 고찰함으로써 피로파괴가 일어나기 쉬운 부위나 공정을 소개하고 그의 방지대책 수립에 도움

을 주고자 함을 목적으로 하고 있다．








2. 피로파괴 사례 고찰




2.1. Bolt의 피로파괴




기계부품의 체결용으로 가장 광범위하게 널리 사용되고 있는 요소부품인 bolt류 의 피로파괴 사례는 현장에서 흔히 접할 수 있다． 특히 10.9T Grade 이상의 고장력 bolt가 널리 사용되면서 bolt에 인가되는 하중 수준도 따라서 상승하여 bolt 에 결함이 있는 경우 쉽게 피로파괴를 일으키게 된다．파손된 bolt를 조사한 결과 표면에 미세균열들이 다수 발견되었다． 이러한 미세균열의 발생 원인은 표면처리 결과로 판명되었는데， 조사된 bolt는 통상적으로 고장력 bolt에서는 금지되어 있는 아연도금 공정으로 표면처리를 실시하였다．아연도금 공정 중에 전기분해에 의해 발생된 수소원자가 bolt의 내부로 확산 침투한 후 응력이 인가되면 결함부 주위로 수소원자들이 모이게 되어 그 부위가 취약해 지면서 균열이 발생되는데， 이것을 수소 유도균열 현상（Hydrogen inducedcracking）이라 한다．한편 bolt의 나사부위를 조사한 결과 파손된 bolt의 불완전나사부가 매우 예리하게 가공되어 있었는데， 조사결과 bolt의 제조공정이 일반적인 전조공정이 아닌 선반가공으로 제조되었음을 알 수 있었다． 그 결과 예리한 불완전나사부에 큰 응력집중이 발생되었고， 동시에 수소원자의 침투에 의 한 조직의 취성증가가 균열발생을 조장시켰으며， 그 뒤 반복하중에 의해 균열성장이 성장하여 파단으로 진행되었다．이 bolt는 그 뒤 전조공정으로 변경하여 제조하고 불완전나사부도 0.4R 이상이되게 관리 할 뿐아니라， 표면처리도 수소 취성파괴를 일으키지 않는 흑피처리나 인산염처리로 공정을 변경시켜서 파손을 방지 하였다． 참고로 고장력 bolt의 표면에 여려가지 제약상 반드시 아연도금을 실시해야 할 경우는 아연도금 처리 후 즉시 100～200℃에서 탈수소 처리를 반드시 해야 한다．








2.2. 기어의 피로파괴




기어는 기계제품의 동력을 전달하는 중요한 요소부품으로 회전도중에 각각의 tooth가 반복적으로 하중이 인가되어 내부나 외부에 결함이 있는 경우 피로파손이발생되기 쉽다．특히 기어는 내마모성을 향상시키기 위하여 많은 경우 표면처리를 실시하는데 침탄이나 고주파 열처리의 조직이 적절치 않을 경우는 표면에서 균열 발생이 쉽고 표면처리층의 두께가 적절치 않을 경우는 높은 면압에 의해 발생된 헤르츠 응력때문에 표면 직하에서 균열이 발생하여 표면층이 박리되는 pitting 혹은 spalling 현상이 나타나는데 이 경우도 피로파괴의 일종으로 분류한다．Pitting은 치면에서 V자 형태로 진행되는 피로 crack의 양상을 보이는데 반해 spalling은 경화층과 심부의 경계부 혹은 약간 심부로 들어간 곳에서 발생하여 성장하는 crack의 형태를 보이고 있다．위와 같은 현상은 계속 성장하여 결과적으로 기어의 파단으로까지 전파하기 때문에 매우 주의해야 한다．참고로 pitting을 방지하기 위해서는 표면경도를 증가시켜야 하며， spalling을 방지하기 위해서는 경화깊이를 증가시키거나 심부경도를 증가시켜 주어야 한다．한편 파손된 기어의 침탄 표면조직을 조사한 결과 잔류 오스테나이트가 다량 함유된 불량조직 이었으며 결정립 크기도 매우 조대하게 관찰되었을 뿐아니라（ASTM #2～3）， 동시에 열처리 균열이 관찰되었다． 열처리 균열은 입계균열 양상을 보이는 것이 특징이다．그리고 이 열처리 균열이 성장하여 파괴한 면을 조사한 결과 입계 파괴가 전자현미경으로 관찰할 수 있었다．

이와 같은 결과로부터 사용된 소재가 불순물 함량이 많은 불량 소재였을 뿐만 아니라 침탄 열처리 역시 부적절하여 조직불량 및 열처리 균열이 발생하여 동시에 파괴를 촉진 하였던 것으로 판단되었다． 그와 같은 결과에 의해 이 기어는 그 뒤 소재관리를 철저히 실시하여 불순물이 함유되지 않도록 하였으며， 침탄 열처리 역시 처리온도를 낮추고 2단 열처리를 실시하여 결정립의 크기를 미세하게 조절함으로 해서 파괴를 방지하였다．








2.3. Pin의 피로파괴




Pin은 주로 굽힙하중을 받게 되고 표면에서 응력이 가장 크게 인가되기 때문에 피로강도 상승을 위해 고주파 표면경화 열처리를 하거나 침탄 처리를 하여 표면 강도를 향상시킴과 동시에 표면에 높은 압축 잔류응력을 발생시켜 균열의 발생을 방지하고 피로수명을 향상시키고 있다． 그런데 이때 심부강도가 충분하지 않은 경우에는 피로강도 이하 부분이 나타나 균열이 내부에서 시작되어 파손에 이르는 경우가 있다．부적절한 경화깊이 또는 경화부와 심부의 너무 급격한 경도의 차이에 의해서 경화층 직하에 피로강도에 취약한 부분이 출현될 수 있다．이와 같은 현상을 방지하기 위해서는 심부의 강도(경도)를 향상시키거나， 경화부와 심부의 경도 전이를 부드럽게 한다．즉， 소재는 소입성이 좋은 재료를 사용하여 조절 처리를 하고 표면경화 장치의 선택을 신중히 하여 경도의 분포가 완만하도록 열처리한다． 최근에 와서는 표면부의 경화층 경도치 뿐만 아니라 경도분포 양상을 관리하고 있다． 그러나 그림 10에 보인 바와 같은 취약부가 나타나지 않도록 잘 열처리가 된 부품이라도 그 부위에 비금속개재물이 존재하면 그 역시 피로파괴의 기점이 될 수 있기 때문에 pin류에 있어서는 표면부위의 비금속개재물 관리를 철저히 해야 한다．보통 pin류의 파손은 저주기 피로파괴 양상을 보이는 경우가 많으며 이 경우 피로파면의 대표적인 beach mark등은 육안으로 관찰되지 않는 경우가 보통이다．








2.4. Shaft의 피로파괴




피로파괴를 방지하는 방법으로 가장 초보적인 것이 표면에서의 notch 제거이다.그러나 가공도중에 공구선정의 실수 혹은 관리 부주의로 인하여 종종 notch가 유입되는 경우가 있고 그 점으로부터 피로파괴가 일어나는 경우가 있다． 특히 shaft류는 회전운동의 전달체로서 표면부에 큰 torsion 응력이 인가되기 때문에 표면상의 미세한 결함에서도 쉽게 균열이 발생하여 파괴로 전파되는 경우가 많다. 기계가공시 notch 발생 이외에도 재료의 비금속개재물이 표면에 존재하는 경우

에 피로강도를 현저히 저하시키는 경우가 있다． Φ150mm의 대형 shaft가 표면부에 혼입된 1mm 이하의 비금속개재물에 의해서 피로 파괴가 발생한 경우도 있다．이상과 같이， 제품의 표면에 notch가 존재할 때는 피로강도가 저하된다는 것을 잘 알고 있지만， 실제적으로 가공 불량으로 발생된 notch로 인해 피로파손 사례가 종종 발생하기 때문에 관리자는 notch 발생이 우려되는 부위는 주기적으로 관리하여야 한다．








2.5. 용접물의 피로파괴




용접물에서는 자주 피로파괴 현상이 발생하는데 그 이유로는 용접 bead의 toe가 notch 효과를 야기시킬 뿐만아니라， undercut와 같은 표면 결함이 발생하기 쉽고 기타 혼입된 비금속개재물이 응력집중을 일으켜 피로균열 발생점들로 작용하게 되기 때문이다．한편 용접부는 보통 인장 잔류응력이 중첩되어 있고 조직 또한 취화되어 있어 균열의 진전속도가 빨라 쉽게 파단이 일어나게 된다．용접물의 피로파괴를 방지하기 위해서는 우선 응력집중부가 나타나지 않도록 표면상태를 잘 관리해야 하는데， 높은 피로강도가 필요한 경우에는 용접 후 grinding을 실시하여 용접 bead를 평평하게 가공 해 주어야 한다. 한편 탄소 함량이 높은 재료를 용접 할 때는 용접도중 재료가 열처리 되어 용접 열영향부에 취성이 큰 조직이 발생되고 경우에 따라서는 균열이 발생하기도 한다. S45C 재질의 부품과 SS41 강판이 용접되는 구조물에서 S45C 부품쪽의 열영향부에서 관찰된 균열을 나타내었다． 이 구조물은 균열이 성장되어 피로파괴로 발전되어 파손되었다． 용접 열영향부의 경도를 측정한 결과 부분적으로 Hv700 이상이 관찰되었으며 조직은 취성이 큰 마르텐사이트 조직이었다. 일반적으로 용접부에서는 용접 열영향부의 경도가 Hv350 이하가 되도록 관리하고 있는데 그와 같은 경도를 얻기 위해서 탄소 함량이 높은 강재나 합금강등은 용접 전에 모재를 예열한다． 예열을 실시하면 용접 후 냉각속도가 느려지게 되어 비교적 연성을 갖는 조직으로 상변태 되므로 취성이 방지되며 따라서 균열이 발생 되지 않는다．한편 피복 용접봉을 사용하여 용접 할 경우 염기성 피복 용접봉의 사용은 특별한 주의가 필요하다． 염기성 피복재는 그의 특징상 흡습성이 있는데 습기를 함유한 용접봉을 사용하여 용접하면 수소원자가 용접 도중에 용접부에 흡수되어 앞서 bolt의 피로파괴에서 설명한 수소 유도 균열이 발생한다． 그러므로 염기성피폭 용접봉은 사용전 충분히 건조시켜 습기를 방출 시키고， 저장 할 때도 습기가 침투하지 않게 포장하거나 oven에 넣어서 보관하여야 한다．








2.6. 기타 피로파괴




금형의 손상은 주로 마모에 의하지만 재료의 열처리가 적절치 않은 경우 취성파괴를 일으키는 경우도 있다． 그러나 열간금형의 경우 작업도중 계속 가열，냉각이 반복되면서 열응력이 발생하여 피로균열이 발생하는 경우가 있다．특히 금형의 사용온도 및 재질의 열처리 상태가 적절하지 못한 경우 재질이 취약하게 되어 미세한 균열이라도 급속히 성장하여 파괴에 이르게 된다．파단된 SKD61종 열간 단조용 금형의 주사전자현미경 사진을 보면 파단면 주위에 미세한 균열들이 존재하고 있음을 알 수 있는데 이러한 균열들은 사용도중 반복적인 열응력에 의해서 발생되었다．한편 파손된 금형의 조직을 조사한 결과 결정입계를 따라 탄화물이 망상으로 석출하여 있는 것을 관찰 할 수 있었다． 이것은 열처리 도중 냉각속도가 늦었다는 것을 의미한다． 그 결과 파괴는 취성이 큰 입계를 따라 쉽게 전파되어 단시간에 파단이 일어났음을 알 수 있었다． 그리고 작업상황을 조사한 결과 추천되는 금형 사용온도（약 250℃ 이상） 보다 낮은 온도에서 작업이 이루어졌음도 밝혀 졌다．이에따라 이 금형은 열처리에서 망상 탄화물이 생성되지 않도록 냉각속도를 빠르게 시정 하였으며， 작업에 들어가기 전 금형을 충분히 예열하여 실시한 결과 금형의 수명이 종전에 비해서 2배 이상 연장되는 효과를 거두었다．금형과 마찬가지로 반복되는 열응력에 의해서 피로파괴가 발생하기 쉬운 제품

중에 brake disk가 있다． 즉， 제동시에 brake disk는 매우 높은 온도까지 상승하고 이어서 급속히 냉각하게 된다． 따라서 일련의 주기적 열 충격을 받게 되고이때 재료의 선정이 적절치 못하면 균열이 발생하게 된다． 그 결과 큰 하중을 받는 brake disk 재료는 열 팽창 계수가 적고 열 전달이 잘 되는 고강도 주철을 이용해서 제조한다． 철도차량용 대형 주철제 brake disk에서 보이는 균열은 조사결과 주물품 내부에 다량의 결함이 함유되어 결과적으로 강도의 저하에 의한 것으로 밝혀졌고 결함의 원인을 조사하여 주물품의 품질을 향상시킨 결과 균열 발생을 방지 할 수 있었다．








3. 결 언




앞서 여러가지 요소부품의 다양한 피로파괴 사례에 대하여 고찰 해 보았는데 현재 생산현장에서 자주 발생하는 문제이기 때문에 주의를 기울일 필요가 있다．피로파괴의 발생 원인을 살펴보면 다음과 같이 4가지로 구별된다．




1) 설계 불량

2) 가공 불량

3) 소재 불량

4) 부적절한 사용




그러나 현재 기계설계시 일반적으로 형상계수 및 충격계수를 포함한 안전율을 여유있게 고려하기 때문에 피로강도가 간접적으로 설계시 반영되어 피로파괴는 주로 가공이나 원소재 불량 및 사용상의 부주의에 의한 경우가 대부분이다． 즉， 기계가공 도중에 notch가 유입되어 응력집중을 발생시키거나， 규정된 표면처리 혹은 열처리가 이루어지지 못해서 재료의 피로강도가 저하한 경우가 많으며， 소재 역시 비금속개재물이 다량 함유되어 있거나 열처리 특성이 조악한 소재가 사용되어 요구되는 강도를 확보하지 못한 경우도 많다．그 반면 사용자 측에서도 설계강도를 무시한 과부하를 인가하거나， 부식환경 혹은 고온에서 사용하여 피로파괴를 촉진시키는 경우도 있으므로 사용자도 설계조건을 인식하여 그 한계를 넘지 않도록 해야 한다．피로파괴는 단순한 원인에 의한 경우가 적고 복잡한 여러 현상이 중첩되는 경우가 많기 때문에 해석하기 어려운 경우가 많다． 결국 피로파괴의 방지는 피로강도를 저하시킬 수 있는 요인들을 종합하여 설계단계에서부터 최종 사용단계까지 지속적인 관리에 의해서만 달성 될 수 있다．