[논문]CD 침탄 및 Subzero 처리가 STS 304 스테인리스강의 미세조직에 미치는 영향

공정현; 이해정; 성장현; 김상권; 김성완

CD 침탄 및 Subzero 처리가 STS 304 스테인리스강의 미세조직에 미치는 영향
Microstructural Changes of STS304 Steel during the Carbide Dispersion (CD) Carburization and Subzero Treatment 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.20 no.2, 2007년, pp.65 - 71

공정현 (동아대학교 신소재공학과) , 이해정 (동아대학교 신소재공학과) , 성장현 (동아대학교 신소재공학과) , 김상권 (생산기술연구원) , 김성완 (생산기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Microstructural changes and hardness variations in STS 304 steel have been investigated during the processes of carbide dispersion (CD) carburization; carburization, austenitization, subzero treatment and tempering. The carbon content of the surface layer increased up to maximum 4.0% after carburization, and the content was homogenized with the value of 2.3% to the $95{\mu}m$ from the surface after austenitization. The carbide appeared during CD carburization process was $Cr_7C_3$ type, which was composed network carbides along the austenite grain boundaries, square type carbides in the interior of the grain and fine nano-sized carbides. The fine nano-sized carbides precipitated at the austenitization stage and possibly subzero treatment stage were coarsened after tempering at $200^{\circ}C$, resulting the hardness decrease. The tempered steel without subzero treatment increased hardness with increasing time due to the continuous precipitation of fine carbides during tempering. The nano-sized carbide appeared square type morphology.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 CD침탄 법을 STS 304 스테인리스강에 적용하여 강의 내마모 특성, 경도 및 강도를 향상시키고자 하였으며, 또한, CD침탄, Subzero처리 및 템퍼링 과정에서 탄화물의 석출 및 용해거동을 조사하였다.

제안 방법

각 열처리 단계에서의 경도변화는 비커스경 도기로 표면부에서 내부로 경도 값을 측정하였다. CD 침탄(A단계) 및 오스테나이트화 단계(B단계)에서 탄소의 농도변화는 GDS(Glow Discharge Spectrometer)로 분석하였다. 각 열처리 단계에서 내식성은 1N-H₂SO₄ 용액에서 potentio dynamic 시험법으로 측정하였다.
STS 304 스테인리스강을 CD침탄, subzero처리 및 200℃에서 tempering하여 미세조직 변화를 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
austenite 화가 끝난 강의 subzero 처리는, −100℃에서 60분 동안 실시하였으며(C단계), subzero 처리한 시료와 처리하지 않은 시료를 각각 200℃에서 120분 tempering하여(각각 D 및 E단계), 석출된 탄화물을 비교, 분석하였다.
각 단계에서 열처리가 끝난 강의 탄화물의 분포및 종류의 변화를 광학 현미경, XRD, 주사 전자현 미경(FESEM) 및 투과 전자현미경(TEM)으로 조사 하였다. 각 열처리 단계에서의 경도변화는 비커스경 도기로 표면부에서 내부로 경도 값을 측정하였다.
각 단계에서 열처리가 끝난 강의 탄화물의 분포및 종류의 변화를 광학 현미경, XRD, 주사 전자현 미경(FESEM) 및 투과 전자현미경(TEM)으로 조사 하였다. 각 열처리 단계에서의 경도변화는 비커스경 도기로 표면부에서 내부로 경도 값을 측정하였다. CD 침탄(A단계) 및 오스테나이트화 단계(B단계)에서 탄소의 농도변화는 GDS(Glow Discharge Spectrometer)로 분석하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 강은 STS 304 스테인리스강이며 화학조성을 Table 1에 나타내었다. CD 침탄 열처리 과정은 Fig.

이론/모형

CD 침탄(A단계) 및 오스테나이트화 단계(B단계)에서 탄소의 농도변화는 GDS(Glow Discharge Spectrometer)로 분석하였다. 각 열처리 단계에서 내식성은 1N-H₂SO₄ 용액에서 potentio dynamic 시험법으로 측정하였다.

성능/효과

1. CD 침탄과정에서 침탄에 의해 표면 탄소 농도는 최대 4%까지 상승되었으며, austenite화 처리 후에는 탄소농도가 표면층과 내부(95µm까지) 모두 2.3%로 균일화되었다.
2. austenite화 처리 후 subzero 처리하면 표면층의 경도는 약 50Hv 상승된 575Hv, 내부경도는 약 45Hv 저하된 430Hv를 나타내었으며, 이는 탄화물 분포 및 잔류 austenite량이 변하기 때문으로 생각된다.
3. austenite화 및 subzero처리에 의해 형성된 100nm 이하의 미세한 nano-size 입자는 200℃ tempering에 의해 조대화 되었으며, 이에 따라 경도 값이 저하되었다. subzero 처리하지 않고 tempering 한 강은 tempering 시간이 증가함에 따라 경도값이 상승하였으며 이는 계속적인 미세 탄화물의 석출 때문으로 생각된다.
4. nano-size를 갖는 Cr7C3 탄화물은 각형을 보이고 있었는데, 이는 탄소원자의 확산이 slip 방향과 일치하는 tetrahedral site로 확산되며 확산방향이 교차하는 지점에서 탄화물이 형성되어 성장하기 때문으로 판단된다.
7은 각 단계에서 강의 표면내식성을 조사하기 위해 1N H₂SO₄ 용액에서 potentio-dynamic시험한 결과이다. CD 침탄 전에 SA 처리한 시편과 비교해 보았을 때, 고농도의 탄소 침탄에 따른 탄화물의 석출로 인해, 내식성은 SA처리한 시료보다 감소하는 것을 확인할 수 있다. 특히 침탄 처리하여, 표면에 탄화물이 가장 많이 석출되어 있는 A단계 강의 내식성이 가장 저하되고 있다.
침탄 열처리한 A단계에서는 표면층에 무수히 많은 탄화물이 관찰된다(a). EDS분석결과 이들 입계망상 탄화물 및입내 구상 탄화물은 Cr탄화물임을 알 수 있으며, 상대적으로 기지는 탄화물 석출로 ④와 같이 Cr양이 현저히 감소됨을 알 수 있다. austenite화 열처리한 B 단계에서는 (b)사진에서와 같이 표면층에서는 입내 탄화물이 고용되어 미세하게 존재하고 있으며 입계및 쌍정주위에는 상대적으로 조대하고 길쭉한 망상탄 화물 주위에 탄화물이 없는 석출 자유구역(precipitation free zone)이 존재하고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CD 침탄법이란?	탄화물 분산을 수반하는 침탄법이라고 하여, A. Chiba에 의해 약칭된 CD 침탄법은 탄소량을 종래의 0.8~1.0wt% 보다 많은 2~3wt%까지 침탄시켜 기지에 탄화물을 분산 석출 시키는 방법이다[1]. 단순히, 과잉침탄만을 실시하였을 때에는, 침탄 층에 일반적으로 망상 탄화물(network carbide)이 석출되어 종래의 침탄법보다 기계적 성질이 낮아진다고 보고되고 있다[2].
	단순히 과잉침탄만 실시할 때 기계적 성질은 종래의 침탄법과 달리 어떻게 변하는가?	0wt% 보다 많은 2~3wt%까지 침탄시켜 기지에 탄화물을 분산 석출 시키는 방법이다[1]. 단순히, 과잉침탄만을 실시하였을 때에는, 침탄 층에 일반적으로 망상 탄화물(network carbide)이 석출되어 종래의 침탄법보다 기계적 성질이 낮아진다고 보고되고 있다[2]. 그러나, CD 침탄은 종래의 침탄법이나 과잉침탄에 비해 탄화물의 생성을 제어하여, 내마모성의 향상과 더불어 경도와 강도를 향상시키는 특징이 있다[3, 7].
	CD 침탄법의 장점은?	단순히, 과잉침탄만을 실시하였을 때에는, 침탄 층에 일반적으로 망상 탄화물(network carbide)이 석출되어 종래의 침탄법보다 기계적 성질이 낮아진다고 보고되고 있다[2]. 그러나, CD 침탄은 종래의 침탄법이나 과잉침탄에 비해 탄화물의 생성을 제어하여, 내마모성의 향상과 더불어 경도와 강도를 향상시키는 특징이 있다[3, 7]. 따라서 최근 침탄부품의 고강도화가 지속적으로 요구됨에 따라, 과잉침탄의 결점을 개선시킨 CD 침탄법이 주목을 받기 시작하였다[4-7].

참고문헌 (9)

Akira Chiba, Takashi Saito, and Keishi Yamaguchi : J. Japan Inst. Metals 47 (1983) 321
R. W. K. Honeycombe and P. Hancock : Steels Microstructure and Properties, Metallurgy and Materials Science, 1 (1981) 211
Lee-Der Liu and Fan-Shiong Chen : Surface & Coatings Technology 183 (2004) 233

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Fan-Shiong Chen and Kuo-Liang Wang : Surface & Coatings Technology 132 (2000) 36

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Y. Ueda, N. Kanayama, K. Ichii, T. Oishi, and H. Miyake : Surface & Coatings Technology, 193 (2005) 50

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E Ernst, Y. Cao, and G. M. Michal: Acta Materialia 52 (2004) 1469

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Jung Hyun Kong, Jang Hyun Sung, Sang Gweon Kim, and Sung Wan Kim : Solid State Phenomena, 118 (2006) 115

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김성완 : 침탄 열처리, 한국기계연구소, 40, 125 (1998) 1
J. W. Edington : The Operation and Calibration of the Electron Microscope, 205-275 (1984) 1

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