[논문]보자력 측정에 의한 아공석강 및 공석강의 열처리에 따른 미세조직 평가

변재원; 김정석; 권숙인

doi:10.3740/mrsk.2004.14.8.565

문제 정의

본 연구에 사용된 공석강은 아공석강에 비해 탄소의 함량이 많으며, 이외의 원소의 함량은 거의 유사하다. Table 2에 나타낸 바와 같이 연속냉각 열처리, 항온변태 열처리 및 구상화 열처리를 행하여 다양한 미세조직을 갖는 시험편을 제작하고자 하였다. 수냉을 하여 마르텐사이트 조직을 얻었으며, 다양한 연속냉각 열처리(공냉 및 노냉) 및 항온변태열처리를 통해 펄라이트 라멜라 층상 간격이 다른 펄라이트 조직을 얻었다.
구상화 열처리에 따른 시멘타이트의 변화가 보자력에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 포항제철(주)에서 제조된 0.
본 연구에서는 아공석강과 공석강의 열처리에 따른 미세조직 변화를 보자력을 측정함으로써 간접적으로 평가하고자 하였다. 아공석강(0.

가설 설정

0)를 이용하여 시멘타이트의 구상화율, 단위면적당 개수, 크기 및 형상비를 측정하였다. 이때 구상화 열처리에 의해 분절된 시멘타이트 입자의 크기는 타원형을 가정하여 장축과 단축의 길이를 측정한 후 등가 크기⁶⁾로 환산하였으며 분절되지 않은 판상의 시멘타이트(as-received)는 크기를 정량화하지 않았다. 구상화율⁷⁾은 형상비가 5:1 이하인 시멘타이트 입자의 면적분율로 정의하였다.

제안 방법

45% 탄소강)에 대해 구상화 열처리를 하였으며, 이에 대해 보자력을 측정하여 구상화 열처리에 따른 미세조직 변화의 비파괴적 평가 가능성을 확인하였다. 공석강(0.85% 탄소강)에 대해서는 연속 냉각 열처리, 항온변태 열처리 및 구상화 열처리를 하여 다양한 미세조직(상, 구오스테나이트 결정립 크기, 펄라이트 라멜라 층상간격)을 갖는 시험편을 제작하였으며, 이들에 대해 보자력을 측정하여 미세조직 인자와의 상관 관계를 고찰하였다. 또한 두 재료(0.
45% 탄소강을 사용하였으며 그 화학적 조성을 Table 1에 나타내었다. 구상화 정도가 다른 시험편을 제작하기 위해 700ºC에서 100시간까지 구상화 열처리를 행하였다. 이때 열처리는 염욕(KCl:Na2CO₃= 1:1)에서 실시하였으며, 열처리 후 표면 탈탄층을 제거한 후 시험편을 채취하였다.
85% 탄소강)에 대해서는 연속 냉각 열처리, 항온변태 열처리 및 구상화 열처리를 하여 다양한 미세조직(상, 구오스테나이트 결정립 크기, 펄라이트 라멜라 층상간격)을 갖는 시험편을 제작하였으며, 이들에 대해 보자력을 측정하여 미세조직 인자와의 상관 관계를 고찰하였다. 또한 두 재료(0.45% 및 0.85% 탄소강)의 보자력을 비교함으로써 탄소 함량이 미치는 영향을 고찰하였다.
펄라이트 조직에서의 층상 시멘타이트 및 페라이트 조직에서의 구상 시멘타이트 입자는 5% 피크랄 용액으로 에칭 후 주사전자현미경을 사용하여 관찰하였다. 마르텐사이트 조직과 페라이트 조직의 시험편은 3% 나이탈 용액으로 에칭 후 광학현미경으로 관찰하였다. 펄라이트 라멜라 층 상간격은 진층상간격 (true interlamellar spacing)을 측정할 수 있는 Underwood 법⁸⁾을 이용하여 구하였다.
Table 2에 나타낸 바와 같이 연속냉각 열처리, 항온변태 열처리 및 구상화 열처리를 행하여 다양한 미세조직을 갖는 시험편을 제작하고자 하였다. 수냉을 하여 마르텐사이트 조직을 얻었으며, 다양한 연속냉각 열처리(공냉 및 노냉) 및 항온변태열처리를 통해 펄라이트 라멜라 층상 간격이 다른 펄라이트 조직을 얻었다. 이후 펄라이트 조직의 시험편을 700°C에서 150시간⁷⁾동안 구상화 열처리를 함으로써 페라이트 조직의 시험편을 제작하였다.
이때 열처리는 염욕(KCl:Na2CO₃= 1:1)에서 실시하였으며, 열처리 후 표면 탈탄층을 제거한 후 시험편을 채취하였다. 시멘타이트 입자를 관찰하기 위해 5% 피크랄(picral) 용액으로 에칭 후 주사전자 현미경을 사용하여 관찰하였다. 영상분석기 (Visus Image Analysis 2.
본 연구에서는 아공석강과 공석강의 열처리에 따른 미세조직 변화를 보자력을 측정함으로써 간접적으로 평가하고자 하였다. 아공석강(0.45% 탄소강)에 대해 구상화 열처리를 하였으며, 이에 대해 보자력을 측정하여 구상화 열처리에 따른 미세조직 변화의 비파괴적 평가 가능성을 확인하였다. 공석강(0.
시멘타이트 입자를 관찰하기 위해 5% 피크랄(picral) 용액으로 에칭 후 주사전자 현미경을 사용하여 관찰하였다. 영상분석기 (Visus Image Analysis 2.0)를 이용하여 시멘타이트의 구상화율, 단위면적당 개수, 크기 및 형상비를 측정하였다. 이때 구상화 열처리에 의해 분절된 시멘타이트 입자의 크기는 타원형을 가정하여 장축과 단축의 길이를 측정한 후 등가 크기⁶⁾로 환산하였으며 분절되지 않은 판상의 시멘타이트(as-received)는 크기를 정량화하지 않았다.
이후 펄라이트 조직의 시험편을 700°C에서 150시간⁷⁾동안 구상화 열처리를 함으로써 페라이트 조직의 시험편을 제작하였다. 오스테나이트화 온도는 850°C, 950°C, 1050°C, 1150°C로 다르게 하였으며 각각 A, B, C, D로 나타내었다. 항온 변태온도는 600°C, 650°C, 700°C로 다르게 하였으며 각각 1, 2, 3으로 구분하였다.
수냉을 하여 마르텐사이트 조직을 얻었으며, 다양한 연속냉각 열처리(공냉 및 노냉) 및 항온변태열처리를 통해 펄라이트 라멜라 층상 간격이 다른 펄라이트 조직을 얻었다. 이후 펄라이트 조직의 시험편을 700°C에서 150시간⁷⁾동안 구상화 열처리를 함으로써 페라이트 조직의 시험편을 제작하였다. 오스테나이트화 온도는 850°C, 950°C, 1050°C, 1150°C로 다르게 하였으며 각각 A, B, C, D로 나타내었다.
진동시료자속계(vibrating sample magnetometer, LakeShore사, 모델 735)를 이용하여 자기이력곡선(M-H 곡선)을 얻었으며 이로부터 보자력을 구하였다. 시편은 형상에 의한 이방성을 줄이기 위해 원기둥 모양(3.
구상화 열처리된 시험편은 sph로 표시하였다. 펄라이트 조직에서의 층상 시멘타이트 및 페라이트 조직에서의 구상 시멘타이트 입자는 5% 피크랄 용액으로 에칭 후 주사전자현미경을 사용하여 관찰하였다. 마르텐사이트 조직과 페라이트 조직의 시험편은 3% 나이탈 용액으로 에칭 후 광학현미경으로 관찰하였다.
오스테나이트화 온도는 850°C, 950°C, 1050°C, 1150°C로 다르게 하였으며 각각 A, B, C, D로 나타내었다. 항온 변태온도는 600°C, 650°C, 700°C로 다르게 하였으며 각각 1, 2, 3으로 구분하였다. 냉각방법은 수냉, 공냉, 노냉으로 다르게 하였으며 각각 WQ, air, fur로 명명하였다.

대상 데이터

구상화 정도가 다른 시험편을 제작하기 위해 700ºC에서 100시간까지 구상화 열처리를 행하였다. 이때 열처리는 염욕(KCl:Na2CO₃= 1:1)에서 실시하였으며, 열처리 후 표면 탈탄층을 제거한 후 시험편을 채취하였다. 시멘타이트 입자를 관찰하기 위해 5% 피크랄(picral) 용액으로 에칭 후 주사전자 현미경을 사용하여 관찰하였다.
구상화 열처리에 따른 시멘타이트의 변화가 보자력에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 포항제철(주)에서 제조된 0.45% 탄소강을 사용하였으며 그 화학적 조성을 Table 1에 나타내었다. 구상화 정도가 다른 시험편을 제작하기 위해 700ºC에서 100시간까지 구상화 열처리를 행하였다.
포항제철(주)에서 제조된 두께 25 mm의 0.85% 탄소강을 사용하였으며 그 화학적 조성을 Table 1에 나타내었다. 본 연구에 사용된 공석강은 아공석강에 비해 탄소의 함량이 많으며, 이외의 원소의 함량은 거의 유사하다.

이론/모형

마르텐사이트 조직과 페라이트 조직의 시험편은 3% 나이탈 용액으로 에칭 후 광학현미경으로 관찰하였다. 펄라이트 라멜라 층 상간격은 진층상간격 (true interlamellar spacing)을 측정할 수 있는 Underwood 법⁸⁾을 이용하여 구하였다.

성능/효과

(1) 0.45% 탄소강에서 보자력은 구상화 열처리 시간에 따라서는 큰 차이를 보이지 않았다. 따라서 구상화 열처 리에 따른 시멘타이트의 변화를 평가하기에 부적절한 비 파괴평가 파라미터인 것으로 판단된다.
(2) 0.85% 탄소강에서 마르텐사이트, 펄라이트, 페라이 트 조직의 순서로 보자력이 크게 나타났다. 따라서 보자 력은 철강재의 상(phase)을 구분하는데 이용 될 수 있음 을 보여주었다.
(3) 구오스테나이트 결정립 크기의 차이는 0.85% 탄소강의 보자력에 큰 영향을 미치지 않았다. 0.
65 Oe 사이의 값을 나타내었다. 0.45% 탄소강의 펄라이트 조직 시험편(as-received)과 유사한 펄라이트 라멜라 층상간격을 갖는 0.85% 탄소강의 시험편(C-1)의 보자력을 비교한 결과(0.45%: 20.83 Oe, 0.85%: 22.32 Oe), 0.85% 강의 값이 더 크게 나타났다. 탄소 함량에 따른 보자력 의 차이는 탄화물(시멘타이트)의 양의 차이에 기인한 것 으로 생각된다.
85% 탄소강의 보자력에 큰 영향을 미치지 않았다. 0.85% 탄소강의 펄라이트 라멜라 층상간격은 보자력과 선형적으로 반 비례하는 관계를 나타내었다. 또한, 탄소량이 많은 0.
83 Oe)에 비해 작게 나타났다. 다시 말해 시멘타이트가 층상으로 존재하는 펄라이트 조직 (as-received)의 보자력이 구상화된 조직의 보자력보다 크게 나타났다. 그러나 구상화 열처리된 시험편들은 열처리 시간이 증가함에 따라 보자력이 조금 감소하는 경향이 있었으나, 그 차이가 크지는 않았다.
85% 탄소강의 펄라이트 라멜라 층상간격은 보자력과 선형적으로 반 비례하는 관계를 나타내었다. 또한, 탄소량이 많은 0.85% 탄소강의 보자력이 0.45% 탄소강에 비해 크게 나타났다.
성장 단계는 구형화가 완료된 시멘타이트 입자가 조대화되는 단계이다. 본 재료에서 구상화 열처리 시간이 증가함에 따라 시멘타이트의 구상화율, 크기, 개수, 형상비 등이 변하였음에도 (Table 2) 보자력은 크게 변하지 않는 것으로 볼 때, 구상화 열처리에 따른 시멘타이트의 변화를 보자력을 이용해 평가하기에는 부적절한 것으로 판단된다.
5는 펄라이트 조직을 갖는 시험편에서 라멜라 층상간격에 따른 보 자력의 변화를 보여주고 있으며, 이들 사이에는 반비례 하는 상관관계가 있음을 알 수 있다. 즉 펄라이트 라멜라 층상간격이 좁을수록 보자력이 크게 나타났다.
213µm)이 다른 펄라이트 조직을 갖고 있다. 펄라이트 라멜라 층상간격은 항온변태온도가 높을수록(C-l, C-2, C-3) 또는 냉각속도가 느릴수록(A-air, A-fur/C-air, C-fur) 증가하였다. 펄라이트 조직의 시험편을 구상화 열처리한 시험편들은, 시멘타이트 입자의 크기 및 분포가 조금씩 다르기는 하지만 모두 페라이트 기지에 구상의 시멘타이트 입 자가 분포되어 있는 조직을 가졌다.

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