열처리 후 전조: 그 숫자 중 하나는 음수다

실험, 그리고 거기서 ‘초기 체결력’이 뜻한 것

Stephens와 공저자들은 열처리 전에 전조한 볼트(RBHT)와 열처리 후에 전조한 볼트(RAHT)를 다섯 단계의 초기 체결력에서 비교하고, 단계마다 S–N 곡선을 그렸습니다. 이 설계가 이 연구를 읽을 가치가 있는 이유입니다. 대부분의 피로 비교는 평균 응력 하나를 골라 거기서 멈춥니다.

영업 수치가 나온 표

이를 근거로 행동하기 전에: 단서는 실제로 중요하다

이 부분이 표를 쓸 수 있는지를 결정하므로 맨 끝에 묻어 두지 않았습니다.

• 굵은 나사산 그룹에는 교란 요인이 있었습니다. 다른 전조 다이, 5–15% 차이 나는 골 반지름, 비정상적인 잔류 응력, 굵은 나사산 RAHT 시편의 나사산 겹침(랩)입니다. 굵은 나사산 결과의 일부는 공정 순서가 아니라 제조 탓일 수 있습니다
• 1%에서 가는 나사산과 굵은 나사산의 차이가 유의하다는 것은 입증되지 않았습니다. +158% 대 +147%는 가설 검정을 거친 적이 없습니다
• 크기는 보편적이지 않습니다. 이후 M8 강도 등급 10.9 볼트를 대상으로 한 연구는 R ≈ 0.8에서 RAHT 개선이 약 9%에 그친다고 보고했습니다
• 발표된 값은 판에 따라 다릅니다. SAE와 JAI 초록은 ‘69에서 30%’라고 하고, 이후의 ASTM STP 표는 공칭 50, 75, 90%에서 67%, 50%, 40%를 제시합니다. 이는 거짓 정밀성이 아니라 반올림이나 분석 수정으로 보아야 합니다

이 모든 것을 거치고도 남는 것은 숫자가 아니라 모양입니다. RAHT의 이점은 초기 체결력이 거의 없을 때 가장 크고 초기 체결력이 높아질수록 줄어들며, 저자들은 이것을 추론에 맡기지 않고 결과로 명시합니다.

잔류 응력 수치는 틀렸다기보다 잘못 인용된다

RAHT는 재료가 경화된 뒤에 나사산 골을 냉간 가공하여, 그렇지 않으면 피로 균열이 시작될 자리에 압축 잔류 응력을 남기는 방식으로 작동합니다. 돌아다니는 숫자는 실제 측정값입니다 — 다만 사람들이 그 대상을 느슨하게 설명할 뿐입니다.

도금이 아니라 베이킹

흔히 ‘표면 처리가 RAHT의 이점을 상쇄한다’로 요약되는 연구가 있습니다. 이 요약은 바로잡을 가치가 있는 방식으로 틀렸습니다. 도면에서 엉뚱한 항목을 가리키기 때문입니다.

표준이 주는 것과 주지 않는 것

• ISO 898-1은 RAHT를 요구하지 않으며, 더 유용한 점은 피로 저항을 전혀 규정하지 않는다고 명시한다는 것입니다. 높은 강도 등급이 피로 성능을 사 주지는 않습니다 — 그것은 따로 명시해야 하는 별도 요구 사항입니다
• 열처리 후 나사산 전조가 표면 경도를 높일 수 있다는 점은 인정하지만, 제조 순서를 규정하지는 않습니다
• 항공우주도 일괄 규칙이 아닙니다. AS8879 같은 나사산 형상 표준은 기하를 정의할 뿐이며, 공정을 부과하는 것은 조달 사양이나 제품 사양입니다
• 보편적인 치수나 경도 상한은 없습니다. 일반적인 전조 관행은 32 HRC 정도이고, 특수한 항공우주용 다이와 공정은 대략 38–40 HRC 이상도 전조합니다. 지름, 피치, 연성, 다이 재질, 전조력, 허용 가능한 공구 수명이 모두 영향을 줍니다
• 20–40%의 비용 할증은 업계 추정치로, ASTM 논문에 언급된 뒤 반복되어 왔습니다. 그 뒤에 공급업체 중립적인 비용 데이터는 찾지 못했습니다

그렇다면 언제 지정할 가치가 있나

1. 체결부가 피로에 결정적이고 초기 체결력이 낮을 때. 측정된 이득이 가장 큰 곳이 여기이며, 실제로 있는 설계 사례입니다 — 모든 체결부를 세게 조이지는 않습니다.
2. 초기 체결력이 충분한 체결부의 일반적인 업그레이드로는 아닙니다. 특히 이 연구가 사용 수준 초기 체결력에서 신뢰할 만한 이점을 찾지 못한 굵은 나사산에서는 더욱 그렇습니다.
3. 전조 후에 무슨 일이 일어나는지 물으십시오. 부품을 도금하고 베이킹하거나 코팅을 열경화한다면, 구매하는 잔류 응력이 그 열을 겪습니다. 공정 이름만이 아니라 순서와 온도를 받으십시오.
4. 피로가 필요하면 요구 사항으로 명시하십시오. 강도 등급이 그것을 담보하지 않기 때문입니다. ISO 898-1 스스로 그렇게 말합니다.
5. 초기 체결력 문제부터 정리하십시오. 여기서 피로 거동은 평균 응력이 지배하므로, 대부분의 체결부에서는 전조 순서보다 체결 선도와 체결 방법이 초기 체결력을 얼마나 잘 관리하는지가 더 중요합니다.

그보다 앞선 질문 — 애초에 전조인가 절삭인가 — 는 전조인가 절삭인가에서 다룹니다.

참고 자료

• R. I. Stephens, N. J. Bradley, N. J. Horn, J. J. Gradman, J. M. Arkema, C. S. Borgwardt, ‘Fatigue of High Strength Bolts Rolled Before or After Heat Treatment with Five Different Preload Levels’, SAE Technical Paper 2005-01-1321, 2005, DOI 10.4271/2005-01-1321
• N. J. Bradley 외, ‘Influence of Cold Rolling Threads Before or After Heat Treatment on the Fatigue Resistance of High Strength Fine Thread Bolts for Multiple Preload Conditions’, Journal of ASTM International 3(4), 2006, JAI13069, DOI 10.1520/JAI13069
• R. I. Stephens 외, ‘Influence of Cold Rolling Threads Before or After Heat Treatment on the Fatigue Resistance of High Strength Coarse Thread Bolts for Multiple Preload Conditions’, Journal of ASTM International 3(3), 2006, JAI13075, DOI 10.1520/JAI13075
• N. J. Horn, R. I. Stephens, ‘Influence of Cold Rolling Threads Before or After Heat Treatment on High Strength Bolts for Different Fatigue Preload Conditions’, Journal of ASTM International 3(1), 2006, JAI12551, DOI 10.1520/JAI12551
• Marcelo 외, 2011 — M8, 강도 등급 10.9, R ≈ 0.8에서 RAHT 개선 약 9%
• ISO 898-1 — 체결 부품의 기계적 성질. 강도 등급을 규정하며 피로 저항은 규정하지 않는다고 명시. AS8879 — 나사산 형상 기하이며 공정 요구 사항이 아님

특정 체결부의 합격 여부는 귀사의 도면과 자체 시험에 따릅니다.

이 글은 2단계: 나사산를 다룹니다. 전체 순서는 모재, 나사산, 머리, 구동부, 표면 처리, 문서이며, 순서를 바꾸면 재작업이 되는 이유는 영어 글 Specifying a screw에 설명되어 있습니다.

자주 묻는 질문

열처리 후 나사산 전조는 비용을 들일 가치가 있나요?

거의 전적으로 체결부를 얼마나 세게 조이느냐에 달려 있습니다. Stephens 외의 다섯 단계 초기 체결력 연구에서 가는 나사산 RAHT 볼트는 초기 체결력 1%에서 1,000만 회 피로 강도가 158% 올랐지만, 공칭 90%에서는 약 40%에 그쳤습니다. 굵은 나사산 시편은 공칭 50%에서 8%, 75%에서 마이너스 9%, 90%에서 0%였고, 이는 저자들이 실제를 대표한다고 설명한 초기 체결력에서 신뢰할 만한 이득이 없다는 뜻입니다.

그 시험에서 초기 체결력 1%는 무엇을 뜻하나요?

고정된 최소 축방향 작용 응력으로, 열처리 전에 전조한 볼트의 평균 보증 응력인 약 1100 MPa의 1%로 설정되었습니다. 응력비는 0.05 미만이었으므로 볼트는 여전히 반복 인장을 받았지만 조립 초기 체결력은 사실상 없었습니다. 이 맥락 없이 158%라는 수치를 인용하면 조인 체결부를 설계하는 사람에게 그 의미를 왜곡하게 됩니다.

왜 백분율이 다른 그룹을 기준으로 하나요?

연구가 RBHT 평균 보증 응력을 모든 시편의 공통 기준으로 썼기 때문입니다. RAHT 볼트의 보증 응력은 약 10% 낮았으므로, 공칭 1, 50, 75, 90, 100%는 RAHT 볼트 자체 보증 응력의 대략 1,1, 55, 83, 100, 110%에 해당합니다. 공칭 90%에서 RAHT 볼트는 이미 자체 보증 응력 수준에 있었습니다.

도금하면 열처리 후 전조의 이점이 사라지나요?

잘못 읽은 것입니다. 흔히 인용되는 연구는 유기금속 코팅 경화와 전기 도금 후 수소 제거 베이킹에 수반되는 종류의 전조 후 온도 노출을 조사했으며, 문제가 되는 메커니즘은 냉간 가공 잔류 응력의 열적 완화입니다. 도금 화학 자체가 이점을 상쇄한다는 증거가 아니며, 같은 베이킹이 둘 다에 관련되기는 하지만 수소 취성과는 다른 메커니즘입니다.

강도 등급이 높으면 피로 성능도 좋은가요?

아닙니다. ISO 898-1은 기계적, 물리적 성질 등급을 규정하며 피로 저항은 규정하지 않는다고 명시합니다. 체결부에 피로가 중요하다면 별도 요구 사항으로 명시해야 하며, 피로를 좌우하는 것은 강도 등급 숫자가 아니라 제조 순서, 나사산 골의 상태, 초기 체결력입니다.