[논문] 열처리공학회지, 제24권 제1호(2011)J. of the Korean Society for Heat Treatment, Vol. 24, No. 1, (2011) pp. 10~15

SCM440(H) 및 SNCM439 강의 열처리 특성에 미치는 질량효과

남기석*

†·현양기*·조창용*·조유종**

*한국기계연구원부설 재료연구소

**두산모트롤(주)

Mass Effect on the Heat Treated Mechanical Properties

of SCM440(H) and SNCM439 Steel

K. S. Nam*†, Y. K. Hyun*, C. Y. Jo* , Y. J. Cho**

*Korea Institute of materials Science, 531 Changwondaero, Changwon, Gyeongnam 641-831, Korea

**Doosan Motroll Co. 456-3, Naedong, Seongsan-Gu, Changwon, Gyeongnam 642-050, Korea

Abstract Recently, renewable energy sources such as wind turbine, solar cell are interested in preventing glo-

bal warming which is caused by the consumption of fossil fuel. SCM440(H) and SNCM439 have been used in the

major components of the wind turbine gear because of excellent mechanical properties. In the present study, the

heat treated mechanical properties of SCM440(H) and SNCM439 with 150 mm diameter were compared with

those with 25 mm diameter which is generally accepted material for structural application. Heat treated SCM440(H)

showed better mechanical properties such as tensile strength, hardness and impact absorbed energy compared

with those in SNCM439. Hardenss value between as-quenched and as-quenched followed by tempering showed

big difference in SNCM439, however the difference in SCM440(H) was relatively small. Heat treated mechanical

properties of the alloys with 25 mm diameter were more uniform value than those with 150 mm diameter.

(Received November 3, 2010; Accepted November 29, 2010)

Key words : SCM440(H), SNCM439, Mass effect, Mechanical properties

1. 서 론

최근 화석연료의 사용에 따른 지구온난화에 대처하

기 위해 풍력을 비롯한 재생에너지에 대한 관심이

고조되고 있으며, 풍력발전기용 증속기의 부품 소재

로 SCM440(H) 및 SNCM439의 구조용 강재가 사

용되고 있다. 이들 소재는 칭 및 템퍼링 하여 부

품에 요구되는 기계적 성질을 부여하게 된다.

한편 기계부품의 설계, 또는 열처리시 요구되는 기

계적 성질을 얻기 위해 표준시편을 열처리하여 얻은

기계적 성질을 참고로 하게 된다. 그러나 처리물의

질량에 따라 열처리에 의한 기계적 성질이 매우 달

라지며[1], 따라서 이에 대한 영향을 반드시 고려하

여야 한다.

이에, 본 연구에서는 D사에서 개발하고 있는

3 MW용 풍력발전기용 증속기 부품의 열처리 조건을

설정하기 위한 데이터를 확보할 목적으로 부품의 두

께를 고려한 시료의 크기를 선정하고 열처리하여 표

준시편으로부터 얻어진[2] 기계적 성질과의 차이를

비교 조사하였다.

2. 실험방법

D사가 설계한 3MW급 풍력발전기용 증속기 부품

을 조사하여 대표되는 두께 150 mm에 해당하는 직

경 D150 mm×L200 mm 크기의 Table 1과 같은

화학조성의 SCM440(H) 및 SNCM439의 강재를

열처리 시료로 사용하였다. 그 시료를 뱃지로에서

Table 2의 조건으로 적정 열처리온도 범위 내에서

노말라이징하고, D150 mm×L200 mm 크기의 8개

시료 215 kg 중량의 강재를 칭온도로 가열 유지

한 다음 80oC에서 유냉하여 템퍼링 하였다.

Fig. 1에서와 같이 열처리된 시료의 길이 방향 중

심부에서 A의 단면경도 분포를 조사하기 위한 경도†E-mail : ksnam@kims.re.kr

SCM440(H) 및 SNCM439 강의 열처리 특성에 미치는 질량효과 11

측정 시편을, 그리고 65/75R, 40/75R, 15/75R의 B

위치에서 직경 6 mm, 평행부 길이 32 mm의 인장

시편과 길이 55 mm, 높이 너비가 각 10 mm 인 V

노치 충격시편 채취 제작하였다.

그 시편을 이용하여 브리넬 경도시험기로 단면경도

를 측정하였으며, INSTRON 사의 INSTRON 4485

200 KN 모델의 인장 시험기를 이용하여 인장강도를,

그리고 Tinius Olsen사의 IT406 충격시험기를 이용

하여 충격 흡수에너지를 측정하였다. 또한 5% 나이

탈 부식용액으로 엣칭하여 미세조직을 관찰하였다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 2의 (a) 및 (b)는 SCM440(H) 및 SNCM439

강재의 템퍼링온도 변화에 따른 시험 위치별 인장

특성을, 그리고 Ref. SCM440 및 Ref. SNCM439

Table 1. Chemical composition of SCM440(H) and SNCM439 steel

C Si Mn P S Ni Cr Mo

SCM440(H) 0.42 0.25 0.85 - - - 1.05 0.21

SNCM439 0.41 0.32 0.82 - - 1.85 0.87 0.25

Table 2. Heat treatment condition of SCM440(H) and SNCM439 steel

Steel Transformation temperature (oC) Heat treatment

Ac1

Ac3

Ar3

Ar1

Normalizing Quenching Tempering

SCM440(H) 730 805 745 680 870(845~900)×6hrs 845(830~880)×3hrs 500~650×6hrs

SNCM439 725 775 710 655 870(845~900) ×6hrs 845(830~860) ×3hrs 500~650 ×6hrs

Fig. 1. Sampling position of test pieces.Fig. 3(a). Impact toughness property SCM40H steelaccording to tempering temperatures.

12 남기석·현양기·조창용·조유종

[2]의 비교 강재는 25 mm 환봉을 열처리하여 얻은

기계적 성질을 나타낸 것이다. SCM440(H) 및

SNCM439 강재 모두 템퍼링온도가 높아질수록, 그

리고 표면에서 내부로 갈수록 인장강도 및 항복강도

는 낮아지며, 연신율 및 단면수축율은 높아졌다. 마

찬가지로 Ref. SCM440 및 SNCM439 강재도 템

퍼링온도가 높아질수록 인장강도 및 항복강도는 낮아

지나 시험소재보다 높으며, 연신율 및 단면수축율은

커지나 시험소재보다 작았다.

그 원인은 템퍼링시 처리온도가 높아짐에 따라 인

장 및 항복 강도가 낮아지고 연신율 및 단면수축율

이 커지는 것은 처리온도가 높아짐에 따라 ε-철탄화

물의 석출, 잔류오스테나이트의 분해, ε-철탄화물의

세멘타이트로의 변환에 의한 정방성의 소실, 세멘타

이트의 구상화 및 조대화, 그리고 페라이트의 재결정

화 과정에 의해 연화됨 따른 것이다[3].

또한 SNCM439 강재가 SCM440(H) 강재보다 인

장강도 및 항복강도가 높은 것은 경화능이 우수하여

칭시 투르스타이트 등의 불완전 조직이 형성되지

않고, 마르텐사이트 조직이 형성됨에 따른 것이다.

그리고 Ref. SCM440 및 SNCM439의 비교강재가

시험강재보다 인장 및 항복강도가 높은 것은 직경이

25 mm로 작아 즉 질량이 적어 냉각이 잘 이루어져

마르텐사이트 변태량이 많아짐에 기인한다.

한편 Fig. 3은 충격특성을 나타낸 것으로 Fig.

3(a)의 SCM440(H) 및 Fig. 3(b)의 SNCM439 강

재 모두에서 템퍼링 온도가 높을수록, 그리고 내부보

다는 표면부에서 충격 흡수에너지가 높음을 볼 수

있다. 그리고 Ref. SNCM439 강재의 경우 시험재

SNCM439 강재와 유사한 충격특성을 보이는데 반하

여, Ref. SCM440 강재의 경우 시험재인 SCM440(H)

Fig. 2(b). Tensile properties of SNCM439 steel accordingto tempering temperatures.

Fig. 3(a). Impact toughness property SCM40H steelaccording to tempering temperatures.

Fig. 3(b). Impact toughness property SNCM439 steelaccording to tempering temperatures.

SCM440(H) 및 SNCM439 강의 열처리 특성에 미치는 질량효과 13

강재보다 훨씬 높은 충격흡수에너지를 나타낸다. 그

원인은 SNCM439 강재의 경우 경화능이 우수하고,

비교재 Ref. SCM440 및 SNCM439 강재는 직경

이 작아 마르텐사이트 조직이 형성되나 시험재인

SCM440(H)는 경화능이 작아 불완전 칭조직인

트루스타이트 조직이 형성된다. 마르텐사이트 조직은

결정입내에 packet을 형성하고 있으며, 또한 템퍼링

에 의해 미세한 구상 탄화물을 석출시켜 크랙의 전

Fig. 4. Hardness properties of SCM440(H) steel andSNCM439 steel according to tempering temperatures.

Fig. 5(a). Hardness profiles on the cross section area ofSCM440(H) steel according to heat treated condition.

Fig. 5(b). Hardness profiles on the cross section area ofSCM440(H) steel according to heat treated condition.

Photo. 1. Microstructures on the 65/75R, 40/75R, and15/75R position of the SCM440(H) steel tempered at 500oC.

14 남기석·현양기·조창용·조유종

파속도를 느리게 하여 충격인성이 우수해진다.

Fig. 4는 템퍼링온도 변화에 따른 경도 특성을 나

타낸 것으로 처리온도가 높아질수록 경도값이 낮아졌

다. 동일 처리온도에서 SNCM439가 SCM440(H)

강재보다 높은 경도값을 보였으며, 비교재인 Ref.

SCM 440 및 Ref. SNCM439 강재가 훨씬 높은

경도값을 나타내었다.

Fig. 5는 각 열처리조건에 따른 직경 150mm 강재

의 단면경도 분포를 나타낸 것으로 SNCM439 강재

의 칭경도가 SCM440(H) 강재보다 훨씬 높은 값

을 나타내었다. 시험재인 SCM440(H) 및

SNCM439 강재의 경우 중심부 및 표면부에서 칭

경도 값이 높았으나, 템퍼링 하는 경우 강재의 내부

와 외부의 경도 값이 큰 차이를 보이지 않았다. 마

찬가지로 그 원인은 SNCM439 강재의 경우 경화능

이 우수하고, Ref. SCM 440 및 Ref. SNCM439

강재의 경우 직경이 작아 경도가 높은 마르텐사이로

변태됨에 따른 것이며, 또한 표면에서 경도가 높은

것은 냉각효과가 우수하고, 중심부에서 경도가 높은

것은 C, Mo, Cr 등의 합금원소의 편석에 의해 경

화능이 커져 마르텐사이트가 형성됨에 기인한다[4].

Photo. 1은 SCM440(H) 강재의 칭·템퍼링 조

직으로 솔바이트 조직에 페라이트조직이 혼재하며,

경화능이 우수하지 못해 칭시 다량의 트루스타이

트가 형성되었던 것으로 추정된다. 그러나,

SNCM439 강재의 경우 Photo. 2에서와 같이 미세

한 솔바이트 조직을 나타내며, 칭시 마르텐사이트

조직이 형성되었던 것으로 사료된다. 이러한 조직의

변화는 전술한 기계적 성질의 거동을 뒷받침해준다.

4. 결 론

강재의 열처리 공정 및 부품 설계시 이용하기 위해

직경 150 mm의 구조용 SCM440(H) 및 SNCM439

강재를 열처리하여 기계적 성질을 조사하고, 현재 기

술자료로 활용하고 있는 직경 25 mm 강재의 열처

리에 따른 기계적 성질과 비교하여 다음과 같은 결

과를 얻었다.

1. SCM440(H) 및 SNCM439 강재를 칭·템

퍼링한 결과 SCM440(H) 강재보다 SNCM439 강

재가 높은 강도, 경도 및 충격 흡수에너지 값을 나

타내었다.

2. SNCM439 강재의 경우 칭 경도값 과 템퍼

링 경도값이 큰 차이를 보였 으나, SCM440(H) 강

재의 경우 큰 차 이를 보이지 않았다.

3. 직경 25 mm의 비교재가 직경 150 mm의 시험

강재보다 강도, 경도 및 충격흡수에너지 값이 크고,

Photo. 2. Microstructures on the 65/75R, 40/75R, and15/75R position of the SNCM439 steel tempered at 550oC.

SCM440(H) 및 SNCM439 강의 열처리 특성에 미치는 질량효과 15

시험재와 큰 차이를 보였다.

상기의 기계적 성질의 변화는 강재의 질량 및 냉

각효과에 따른 것으로 열처리 및 기계부품 설계시

고려하여야 한다.

후 기

본 연구는 에너지관리공단의 신재생에너지기술개발

사업의 연구비 지원에 의해 이루어졌습니다.

참고문헌

1. Harry Chandler : Heat treater's, ASM 2nd edition,

(1987), p. 321, 698.

2. 大和久重雄 :日本熱處理技術便覽, 日刊工業新聞

社 , (1976), p. 516, 518.3. R. W. Honeycombe : Steels, (1981), p. 140.

4. Edgar C. Bain : Alloying element in steel, ASM 2nd

edition, (1966), p. 43, 58.