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문제 정의
- 구상흑연주철의 열처리 반응성에 미치는 합금 원소의 영향을 시험하기 위하여 열처리 실험을 하였다. 3.
- 일반적으로 강도와 경도가 증가하면 연신률이 감소한다. 따라서 여기에서는 열처리한 경우 인장 강도에 미치는 합금 원소의 영향을 고찰하였다.
- 본 연구에서는 구상흑연주철을 열처리하여 기계적 성질을 향상시키기 위한 기초 연구를 하였다. 기본 소재로 탄소와 규소함량이 각각, 오스템퍼드 구상흑연주철을 제조할 때 일반적으로 선택되는 조성 범위의 평균 조성인[2], 3.
- 50wt%인 조성의 구상흑연주철을 선택하였다. 이 조성의 구상흑연주철의 특성과 열처리 반응성에 미치는 합금 원소의 영향을 연구하였다. 특히, 주방 상태, 소둔 및 소준 처리한 이 조성의 구상흑연주철의 기계적 성질에 미치는 0.
제안 방법
- 3.1 kW 용량의 발열체가 칸탈인 상용 및 최고 온도가 각각 900 및 1, 200。(2인박스로를 이용하여 오스테나이트화 처리를 하였다. 용해 및 주조하여 얻은 표준 Y 블록 시편을 밴드 쏘를 이용하여 절단하여 직사각형 단면의 봉재 시편을 얻었다.
- 3.60wt%C - 2.50wt%Si 구상흑연주철의 열처리 거동에 미치는 합금 원소의 영향을 시험하기 위하여 합금 원소를 첨가하여 주조한 시편을 열처리하였다. 열처리된 시편을 기계 가공하여 얻은 인장 시편을 인장 시험하고 미세 조직을 관찰하였다.
- 2에서 보이는 바와 같다. 50톤 용량의 만능 재료 시험기를 이용하고 2.0mm/min 의 크로스 헤드 속도 조건에서 인장 시험하였다. 투영기를 이용하여 인장 시험 전의 단면의 직경과 인장 시험 전후의 표점거리를 측정하여 항복 및 인장 강도 그리고 연신률을 측정하였으며 각 조건별로 3회 시험하여 그 평균값을 얻었다.
- 구리의 함량은 0.00, 0.20, 0.50, 0.80 및 1.20師%>로 변화시켰다. 그리고 몰리브덴 함량은 0.
- 0%나이탈 용액으로 부식시킨 후 기지 조직을 관찰하였다. 그리고 구상화율 측정 장치를 이용하여 기지 조직 중 펄라이트의 부피 분률을 측정하였다. 이 경우에도 5개의 위치를 선정하여 측정하고 최대 및 최소값을 제외한 세 값의 평균값을 얻었다.
- 0wt%Mg-Fe-Si 합금을 플런징하는 방법으로 구상화 처리하였다. 그리고 규소 함량을 0.4wt% 증가시키는 방법으로 용탕을 후접종 처리하였다. 접종제로는 직경 약 1.
- 20師%>로 변화시켰다. 그리고 몰리브덴 함량은 0.00, 0.30 및 0.50wt%로 변화시켜 시험하였으며 니켈 함량은 0.00~ 1.60wt% 범위에서 0.40wt% 간격으로 변화시켰다.
- 투영기를 이용하여 인장 시험 전의 단면의 직경과 인장 시험 전후의 표점거리를 측정하여 항복 및 인장 강도 그리고 연신률을 측정하였으며 각 조건별로 3회 시험하여 그 평균값을 얻었다. 그리고 미세 조직 관찰용 시편을 다시 연마하여 하중 3, 000 kg의 조건에서 브리넬 경도를 측정하였다.
- 일반적으로 구상흑연주철 주조품을 열처리하여 미세 조직과 기계적 성질을 조절할 수 있으며 목적에 따라 열처리 방법은 달라진다. 그리고 열처리 반응성을 증가시키기 위하여 구리,몰리브덴 및 니켈 등과 같은 몇 가지 합금 원소를 첨가한다. 이와 같은 합금 원소는 구상흑연주철을 오스테나이트화 처리한 후 냉각하는 동안 오스테나이트가 펄라이트로 분해하는 것을 지연시킨다[2, 3].
- 구상화율 측정 장치를 이용하여 구상흑연의 수를 측정하였으며 시편당 5개의 위치를 선정하여 측정하고 최대값과 최소값을 제외한 세 값의 평균값을 얻었다. 그리고 열처리한 경우 3.0%나이탈 용액으로 부식시킨 후 기지 조직을 관찰하였다. 그리고 구상화율 측정 장치를 이용하여 기지 조직 중 펄라이트의 부피 분률을 측정하였다.
- 60M%로 하여 주물선과 강고철을 장입하여 20 kg의 용탕을 얻었다. 그리고 필요에 따라서 합금 원소를 첨가한 후, 기본용탕의 규소의 목표 함량 2.10wt%를 얻기 위하여 규소 함량이 약 75.0wt%인 페로실리콘을 노 중 용탕에 첨가하였다. 최종 주조품의 목표 규소 함량은 2.
- 기계적 시험과 미세 조직 검사용 시편을 얻기 위하여 표준 Y 블록 시편을 주조하였다. 이때 사용한 Y 블록 시편의 모양과 크기는 Fig.
- 10~13에서 보이는 바와 같다. 기지 조직 중 펄라이트 부피 분률을 화상 분석 장치로 측정하였으며 소둔및 소준한 경우에는 합금 원소 첨가량에 따라 차이는 있으나 페라이트 및 펄라이트 조직을 각각 나타났으며 대표적인 0.80wt%Ni을 첨가한 시편의 열처리 조건에 따른 기지 조직의 변화는 Fig. 14에서 보이는 바와 같다. 열처리 조건에 따라 서로 다른 기지 조직이 형성한 결과를 보여주고 있으며 열처리 결과는 열처리 반응성에 미치는 합금 원소의 영향 시험 결과를 검토호〕는 데에는 대체로 문제가 없는 것으로 생각되었다.
- 1에서 보이는 바와 같다. 두 개의 Y 블록 금형과 상부 및 하부 조형 상자를 이용하여 각 조건별로 생형을 조형하였다.
- 그리고 공냉하였다. 또한 봉재 시편을 사용하여 소준 처리하였다. 이 경우에는 소둔한 경우와 마찬 가지로 910℃의 온도에서 2시간동안 오스테나이트화 처리한 후 압축 공기와 냉각 팬으로 강제 급공냉하였다.
- 망간은 75wt%Mn 함량의 페로망간을 사용하여 첨가하였다. 망간의 함량을 0.00, 및 0.25 및 0.45wt%로 변화시켜 시험하였다. 망간을 제외한 다른 합금 원소의 영향을 시험한 모든 경우의 규소 함량이 2.
- 용해하였다. 망간의 함량을 변화시키거나 낮게 유지하기 위하여 장입용 주물선으로는 저 망간 주물선을 선택하였다. 탄소의 목표 함량을 3.
- 먼저 주방 상태의 구상흑연주철 주조품의 기계적 성질 및 미세 조직 그리고 열처리 반응성에 미치는 합금 원소의 영향을 시험하기 위하여 망간을 첨가하였다. 망간은 75wt%Mn 함량의 페로망간을 사용하여 첨가하였다.
- 미세 조직 관찰용 시편을 절단하고 남은 봉형 시편을 기계가공하여 KS B 0801 규격 중 평행부의 지름과 표점 거리가 12.5 및 50mm인 10호 표준 인장 시편을 사용하여 인장 시험하였다. 인장 시편의 모양과 크기는 Fig.
- 시험 주조품의 화학 조성을 확인하기 위하여 얻은 화학 조성 분석용 칠 시편의 표면을 100번 연마지를 사용하여 연마한 후 에미션 스펙트로미터(emission spectrometer)를 이용하여 분석하였다. 주방 상태와 소둔 및 소준한 경우에는 Y 블록 시험주조품을 절단하여 얻은 봉형 시편의한 쪽 끝으로부터 25 mm 위치를 절단하여 미세 조직 관찰용 시편을 얻었다.
- 50wt%Si 구상흑연주철의 열처리 거동에 미치는 합금 원소의 영향을 시험하기 위하여 합금 원소를 첨가하여 주조한 시편을 열처리하였다. 열처리된 시편을 기계 가공하여 얻은 인장 시편을 인장 시험하고 미세 조직을 관찰하였다. 첨가한 합금 원소의 함량과 열처리의 종류에 따른 인장 강도의 변화는 Fig.
- 1 kW 용량의 발열체가 칸탈인 상용 및 최고 온도가 각각 900 및 1, 200。(2인박스로를 이용하여 오스테나이트화 처리를 하였다. 용해 및 주조하여 얻은 표준 Y 블록 시편을 밴드 쏘를 이용하여 절단하여 직사각형 단면의 봉재 시편을 얻었다. 한 개의 표준 Y 블록 시편당 2개의 봉재 시편을 각각 얻었다.
- 이와 같은 결과의 원인을 알아보기 위하여 각 조건 별 시편의 미세 조직을 확인하고 기지 조직중 펄라이트의 부피 분률을 측정하였으며 그 결과는 Table 3 및 Fig. 8에서 보이는 바와 같다. 몰리브덴을 첨가한 경우는 그렇지 않으나 구리와 니켈을 첨가한 경우 그 첨가량이 1.
- 첨가한 접종제가 완전히 녹아 들어간 후 슬럭스를 사용하여 용탕 표면의 슬래그를 제거하고 레이들에 출탕하여 용탕 온도를 측정한 후 주형에 주입하였다. 이때 주입온도는 1, 300- 1, 350。(2의 범위 내에 있었다.
- 50wt%였다. 최종 주조품이 목표 규소 함량은 2.50wt%였다, R타입의 열전대를 부착시킨 침적식 온도계를 이용하여 용탕의 온도를 측정하였으며 용탕의 온도가 약 1, 45(TC의 온도에 도달하였을 때 Y 블록 시험 주조품 중 0.04wt%의 잔류 마그네슘 함량을 얻기 위하여 5.0wt%Mg-Fe-Si 합금을 플런징하는 방법으로 구상화 처리하였다. 그리고 규소 함량을 0.
- 0mm/min 의 크로스 헤드 속도 조건에서 인장 시험하였다. 투영기를 이용하여 인장 시험 전의 단면의 직경과 인장 시험 전후의 표점거리를 측정하여 항복 및 인장 강도 그리고 연신률을 측정하였으며 각 조건별로 3회 시험하여 그 평균값을 얻었다. 그리고 미세 조직 관찰용 시편을 다시 연마하여 하중 3, 000 kg의 조건에서 브리넬 경도를 측정하였다.
- 이 조성의 구상흑연주철의 특성과 열처리 반응성에 미치는 합금 원소의 영향을 연구하였다. 특히, 주방 상태, 소둔 및 소준 처리한 이 조성의 구상흑연주철의 기계적 성질에 미치는 0.00~1.20wt% 범위의 구리, 0.00 ~0.50wt% 범위의 몰리브덴 및 0.00~1.60wt% 범위의 니켈첨가의 영향을 연구하였다.
대상 데이터
- 위한 기초 연구를 하였다. 기본 소재로 탄소와 규소함량이 각각, 오스템퍼드 구상흑연주철을 제조할 때 일반적으로 선택되는 조성 범위의 평균 조성인[2], 3.60 및 2.50wt%인 조성의 구상흑연주철을 선택하였다. 이 조성의 구상흑연주철의 특성과 열처리 반응성에 미치는 합금 원소의 영향을 연구하였다.
- 각 조건별로 주형에 주입하였으며 완전히 응고가. 일어나고 상온으로 냉각된 후 탈사 및 쇼트 피닝처리하여 2개의 Y 블록 시험 주조품을 얻었다.
- 4wt% 증가시키는 방법으로 용탕을 후접종 처리하였다. 접종제로는 직경 약 1.0~3.0min 크기의 입자형 1.0wt%Ba-Fe-Si 합금을 사용하였으며 용해시 사용한 장입물, 첨가제 및 용탕 처리제의 화학 조성은 Table 1에서 보이는 바와 같다.
- 용해 및 주조하여 얻은 표준 Y 블록 시편을 밴드 쏘를 이용하여 절단하여 직사각형 단면의 봉재 시편을 얻었다. 한 개의 표준 Y 블록 시편당 2개의 봉재 시편을 각각 얻었다. 소둔 및 소준 처리하는 경우에는 각 조건별로 3개의 봉재 시편을 열처리하였다.
데이터처리
- 모든 경우 절단면을 보통의 방법으로 조연마하고 다이아몬드 페이스트로 1 nm 등급까지 세연마하였다. 구상화율 측정 장치를 이용하여 구상흑연의 수를 측정하였으며 시편당 5개의 위치를 선정하여 측정하고 최대값과 최소값을 제외한 세 값의 평균값을 얻었다. 그리고 열처리한 경우 3.
성능/효과
- 1) 망간 첨가량이 0.45wt%까지 증가함에 따라 항복 및 인장 강도는 각각 278 및 415 MPa에서 316 및 440 MPa로 증가하고 연신률은 29.2에서 18.3%로 감소하였다.
- 2) 구리 첨가량이 1.20wt%까지 증가함에 따라 항복 및 인장 강도는 각각 309 및 435 MPa에서 646 및 822 MPa로 크게 증가하고 연신률은 24.2에서 5.0%로 감소하였다.
- 3) 몰리브덴 첨가량이 0.50wt%까지 증가함에 따라 항복 및 인장 강도는 각각 331 및 416 MPa까지 증가하고 연신률은 23.7-24.4% 범위에서 크게 달라지지 않았다.
- 4) 니켈 첨가량이 1.60wt%까지 증가함에 따라 항복 및 인장 강도는 각각 436 및 568 MPa까지 증가하고 연신률은 16.7%까지 감소하였다.
- 5) 망간 첨가량이 증가함에 따라 소둔 및 소준 처리시 인장 강도는 각각 403 및 690 MPa에서 440 및 910 MPa까지 증가하였다.
- 6) 구리 첨가량이 증가함에 따라 소둔 및 소준 처리시 인장 강도는 각각 415 및 786MPa에서 686 및 675 MPa까지 증가하였다.
- 7) 몰리브덴 첨가량이 증가함에 따라 소둔 처리시 인장 강도는 426MPa까지 증가하였으나, 소준 처리시에는 773-786 MPa 범위에서 크게 달라지지 않았다.
- 8) 니켈 첨가량이 증가함에 따라 소둔 및 소준 처리시 인장 강도는 각각 415 및 786 MPa에서 460 및 1070 MPa까지 증가하였다.
- 6 및 7에서 보이는 바와 같다. 구리의 첨가량이 1.20wt%까지 증가함에 따라 항복 강도, 인장 강도 및 브리넬 경도는 각각 309에서 646 MPa, 435에서 822 MPa 그리고 150에서 250으로 크게 증가하고 연신률은 24.2에서 5.0%로 크게 감소하였다.
- 니켈 첨가량이 L60wt%까지 증가함에 따라 항복 강도, 인장 강도 및 브리넬 경도는 각각 309, 435MPa 및 150에서 436, 568 MPa 및 183으로 증가하였다. 연신률은 니켈 함량이 증가함에 따라 24.
- 9에서 보이는 바와 같다. 따라서 구리와 니켈을 첨가한 경우 강도와 경도는 증가하고 연신률은 감소하였으며 그 효과는 구리를 첨가하는 경우가 훨씬 더 컸다.
- 망간은 탄화물 형성 원소이며 비록 펄라이트 기지 조건을 얻기 위하여 의도적으로 첨가하는 원소가 아니기는 하지만 응고가 일어나는동안 오스테나이트 기지에 고용되어 공석 온도 부근에서 오스테나이트가 변태하는 동안 탄소의 확산을 억제하여 펄라이트의 형성을 촉진한다. 따라서 망간 첨가량이 0.45wt%까지 증가함에 따라 주방 상태의 기지 조직 중 펄라이트 부피 분률이 증가하고 이에 따라 강도 및 경도는 증가하고 연신률은 감소하였다.
- 57wt%로 각각 나타났다. 따라서 모든시편의 화학 조성은 실험 오차 범위 내에 있었으며 구상흑연주철의 기계적 성질, 미세 조직 그리고 열처리 반응성에 미치는 합금 원소의 영향 시험 결과를 분석하는 데에는 대체로 문제가 없는 것으로 판단되었다.
- 몰리브덴 첨가량이 0.5wt%까지 증가함에 따라 항복 강도는 309에서 331 MPa까지 증가하였으며 인장 강도는 435에서 461 MPa까지 증가하였다. 브리넬 경도는 150에서 157로 증가 하였다가 155로 감소하였으며 연신률은 23.
- 니켈 함량이 증가함에 따라 큰 차이는 없으나 인장 강도가 약간 증가한 것은 펄라이트 부피 분률의 변화의 영향과 함께 니켈이 페라이트에 고용되어 약간 고용 강화시켰기 때문으로 생각된다. 소준 처리된 경우에는 인장 강도는 786 -1071 MPa의 범위로 주방 상태에 비하여 크게 증가하였으며 니켈 함량이 증가함에 따라 증가하였다. 이것도 소준 처리시 강제 공냉으로 인한 펄라이트 부피 분률의 증가 및 펄라이트 미세화와 함께 니켈 함량이 증가함에 따라 펄라이트의 부피 분률이 증가하고 페라이트의 고용 경화 효과가 증가하였기 때문으로 생각되었다.
- 8%로 감소하였기 때문이다. 소준 처리로 인장 강도가 크게 증가하였으며 망간 첨가량이 증가함에 따라 인장 강도는 690에서 910 MPa로 증가하였다. 이것은 소준 처리한 경우 망간 함량이 증가함에 따라 펄라이트 부피 분률이 56.
- 11에서 보이는 바와 같다. 주방 상태에서 구리첨가량이 증가함에 따라 인장 강도는 435에서 822MPa로 증가하였으며 소둔 처리한 경우에는 415에서 686 MPa로 증가하였으나, 소둔 처리로 인장 강도는 주방 상태에 비하여 감소하였다. 이것은 구리 첨가량이 증가함에 따라 주방 상태에서 펄라이트 부피 분률이 12.
- 소둔 처리 처리로 인장 강도는 감소하였으나 니켈 함량이 이 범위에서 증가함에 따라 415에서 460 MPa로 약간 증가하였다. 주방 상태에서 니켈 함량이 1.60wt%까지 증가함에 따라 펄라이트 부피 분률이 12.6에서 31.0%까지 증가하여 인장 강도가 증가하였다. 소둔 처리한 경우에는, 비록 니켈 함량이 증가함에 따라 펄라이트 부피 분률이 약간 증가하기는 하나 전체적으로 펄라이트 부피 분률이 주방 상태에 비하여 낮아서 인장 강도가 주방 상태에 비하여 낮은 것으로 생각된다.
- 10에서 보이는 바와 같다. 주방 상태에서 망간함량이 증가함에 따라 인장 강도는 415에서 440 MPa로 그리고 소둔 처리한 경우에는 403에서 421 MPa로 약간 증가하였으나 소둔 처리로 인장 강도는 전체적으로 낮아졌다. 이것은 망간 첨가량이 증가함에 따라 펄라이트 부피 분률이 증가하기는 하나 주방 상태에서 5.
- 12에서 보이는 바와 같다. 주방 상태에서 몰리브덴 첨가량이 증가함에 따라 인장 강도는 435에서 461 MPa로 증가하였으며 소둔 처리한 경우에는 415에서 426 MPa로 증가하였다. 소둔 처리로 인장 강도는 주방 상태에 비하여 감소하였다.
- 0wt%인 페로실리콘을 노 중 용탕에 첨가하였다. 최종 주조품의 목표 규소 함량은 2.50wt%였다. 최종 주조품이 목표 규소 함량은 2.
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