SM45C의 특성 및 설계 시 고려사항

1. SM45C 개요

 

SM45C는 기계구조용 탄소강재로, 중탄소강에 해당한다. 명칭은 Steel(Material) Machine(구조용) Carbon(탄소강) 0.45%(탄소 함유량)에서 유래한다. 가공성, 강도, 열처리성의 균형이 우수하여 기계 부품 제작에 광범위하게 사용된다.

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2. SM45C 화학 성분

원소	함량(%)
탄소(C)	0.42 ~ 0.48
규소(Si)	0.15 ~ 0.35
망간(Mn)	0.60 ~ 0.90
인(P)	0.030 이하
황(S)	0.035 이하

 

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3. SM45C 기계적 성질

 

풀림 상태 기준으로 인장강도는 약 570~750 MPa, 항복강도는 약 330 MPa이며, 연신율은 20% 내외이다. 경도는 브리넬 경도(HB)로 약 170~220 정도를 보인다. 열처리(담금질 후 뜨임)를 적용하면 인장강도는 800~950 MPa 수준까지 향상될 수 있다.

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4. SM45C 열처리 

 

SM45C는 다양한 열처리 방법을 통해 요구되는 기계적 성질을 조정할 수 있다. 설계자는 부품의 사용 조건과 요구 특성을 고려하여 적절한 열처리 방법을 선택하는 것이 매우 중요하다.

 

▶  풀림 (Annealing)

• 목적: 내부 응력 제거, 가공성 향상
• 공정 조건: 약 850℃ 가열 후 노냉(Slow Cooling)
• 결과: 조직 부드러움, 연성 증가

▶  담금질 (Quenching)

• 목적: 고강도, 고경도 확보
• 공정 조건: 820~860℃ 가열 후 수냉 또는 유냉
• 결과: 마르텐사이트 조직 형성, 강도 및 경도 대폭 상승

▶  뜨임 (Tempering)

• 목적: 담금질로 인한 과도한 경도와 취성 완화, 인성 확보
• 공정 조건: 500~650℃ 재가열 후 일정 시간 유지, 공냉
• 결과: 강도와 인성의 균형 확보

▶  고주파 경화처리 (Induction Hardening)

• 목적: 표면 경화, 내부 연성 유지
• 공정 조건: 고주파 유도 가열 → 표면온도 800~900℃ 도달 후 급속 냉각
• 결과: 표면 경도(HRC 50 이상) 확보, 내부는 연성 유지

▶  침탄 (Carburizing)

• 목적: 표면에 탄소를 확산시켜 표면 경도 강화
• 공정 조건: 900~950℃ 탄소 분위기 하에 수시간 유지 후 담금질
• 결과: 표면 경도 상승, 중심부 연성 유지

▶  질화 (Nitriding)

• 목적: 표면에 질소를 확산시켜 고경도, 내마모성, 내식성 확보
• 공정 조건: 500~550℃ 암모니아 분위기 하에 수십 시간 처리
• 결과: 얕은 깊이(0.1~0.5mm) 질화층 형성, 피로수명 및 내식성 향상

★  SM45C 열처리 

열처리 종류	주요 목적	적용 대상 부품
풀림	가공성 향상, 응력 제거	가공 전처리 부품
담금질	강도/경도 상승	축, 핀, 일반 기계 부품
뜨임	인성 회복	담금질 부품 전부
고주파 경화	표면 경도 강화, 내부 연성 유지	축, 기어, 롤러
침탄	표면 경도 강화 + 내부 연성 유지	경량축, 표면 내마모 요구 부품
질화	고경도, 내식성, 피로강도 향상	내마모 및 고내식성 부품

 

* SM45C는 다양한 열처리 조합을 통해 부품의 특성과 수명을 전략적으로 설계할 수 있는 소재이다.

설계자는 열처리 방법의 특성을 충분히 이해하고, 제품 요구 성능에 맞는 최적의 공정을 선택해야 한다.

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5. SM45C 주요 적용 분야

• 축(Shaft), 핀(Pin), 롤러(Roller), 플랜지(Flange) 등 기계 부품
• 자동차 부품(기어 허브, 크랭크샤프트)
• 산업기계 및 건설기계 부품

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6. 설계 시 주의사항

 

• 열처리 명시: 강도 확보를 위해 설계도면에 반드시 열처리(Q+T) 사양을 기재해야 한다.
• 용접성 고려: 탄소량으로 인해 용접성이 좋지 않으며, 프리히팅과 후열처리가 필수이다.
• 부식 방지: 방청처리(도장, 도금, 오일코팅 등)를 고려하여야 한다.
• 응력 집중 완화: 축 단면 변화부 및 키홈 끝단에 필렛(Fillet)을 적용하여 피로파괴를 방지해야 한다.

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7. 축 단면 변화부 필렛(R) 권장값

축 직경(Ø)	권장 필렛 반지름(R)
10mm 이하	R 0.5mm 이상
10~20mm	R 0.8~1.0mm
20~50mm	R 1.0~2.0mm
50~100mm	R 2.0~4.0mm
100mm 이상	R 4.0mm 이상

 

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8. SM45C와 피로파괴(Fatigue Failure)

 

피로파괴란?

한 번의 큰 하중이 아닌, 반복되는 작은 하중에 의해 미세균열이 성장하여 부품이 최종적으로 파단되는 현상을 의미한다. 특히 축의 단면 변화부나 키홈 끝단 등 응력 집중이 발생하는 부위에서 주로 발생한다. 설계 시 필렛 적용과 표면처리를 통해 이를 방지할 수 있다.

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9. SM45C의 한계와 대안

SM45C는 범용성이 뛰어난 소재이지만, 다음과 같은 한계를 가진다.

• 고속 회전 부품이나 고하중 부품에 적용 시 피로수명이 부족할 수 있다.
• 담금질 깊이가 얕아 대형 부품에는 적용이 제한된다.
• 용접성과 내식성이 부족하여 특수 환경에서는 사용에 제약이 따른다.

이러한 경우 SCM과 같은 크롬-몰리브덴계 합금강이 대안이 된다.

 

SCM435의 특성

• 더 높은 인장강도와 항복강도를 제공. (인장강도 930~1080MPa)
• 담금질 경화심이 깊어 대형 부품에도 적합.
• 고온 특성 및 피로 저항성이 뛰어남.
• 용접성과 내식성도 SM45C 대비 우수.

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10. 마무리

 

SM45C는 기계구조용 기본 탄소강으로 매우 널리 사용되지만, 설계자는 소재의 특성과 한계를 충분히 이해하고, 적용 부위의 하중 조건과 사용 환경을 고려하여 적절한 소재를 선정해야 한다.

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자격증 시험 (일반기계기사, 기계설계산업기사, 전산응용기계제도기능사)에서 재료의 선택을 고려하여 유도 설명하였으니 참고하시기 바랍니다.

 

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