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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기존의 오버레이 용접법으로 제조하던 연주 가이드롤의 마르텐사이트계 스테인레스강 오버레이 용접부합금 성분[3]을 기준으로 미세 석출물과 고온 내부식성 개선 효과가 있는 질소 및 알루미늄 원소 첨가량을 달리한 합금계[9]를 원심주조법으로 주조하고, 이를 템터링 열처리 한 후의 미세조직과 기계적 성질간의 상관성을 조사하여 원심주조법에 의한 연주 가이롤재로서의 적용 가능성을 평가하고자 했다.
제안 방법
- 미세조직 관찰은 광학현미경 및 주사전자현미경을 사용하였으며 δ-페라이트상 분률은 광학 조직 사진으로부터 상 분률 분석 장비인 시그마 스캔(sigma scan)을 이용하였다. 그리고 엑스선회절기를 이용하여 결정상 분석과 잔류 오스테나이트상의 분율을 구하였다[10]. 인장시험은 ASTM E8M subsize 시편을 사용하여 실시하였으며, 경도값 측정은 비커스 경도기를 사용하였다.
- 미세조직 관찰은 광학현미경 및 주사전자현미경을 사용하였으며 δ-페라이트상 분률은 광학 조직 사진으로부터 상 분률 분석 장비인 시그마 스캔(sigma scan)을 이용하였다.
- 미세조직의 관찰은 비렐라액(Vilella’s regent)와 칼링액(Kalling’s regent)을 이용하여 에칭을 하였다.
- %) 원소 첨가량을 달리하였으며, 이를 원심주조법으로 제조한 시편의 합금조성은 Table 1에 나타내었다. 실험은 고철과 합금철을 이용하여 대기 고주파 유도로에서 용해하고, 용탕의 주입은 회전하는 금형에 1550~1600℃에서 주입하였다. 이때의 금형의 예열 온도는 400~450℃, 회전 속도는 900 rpm으로 하였다.
- 마르텐사이트상이 대부분인 미세조직에서는 광학현미경 조직 상에서 δ-페라이트상과는 달리 뚜렷이 구분되어지지 않는 잔류오스테나이트상을 함유하고 있다. 엑스선회절기를 이용하여 각 상들의 회절강도 및 적분강도값을 이용하여 잔류오스테나이트의 정량분석[10]을 하였다.
- 원심주조한 마르텐사이트계 스테인레스강의 기계적 성질에 미치는 템퍼링의 영향을 조사하기 위하여 200~600℃에서 1시간의 템퍼링 처리 후 미세조직 및 기계적 성질(경도, 강도, 연신률)을 조사한 결과는 다음과 같다.
- 그리고 엑스선회절기를 이용하여 결정상 분석과 잔류 오스테나이트상의 분율을 구하였다[10]. 인장시험은 ASTM E8M subsize 시편을 사용하여 실시하였으며, 경도값 측정은 비커스 경도기를 사용하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 합금조성은 연주 가이드롤용 재료이므로 사용 중 회전하는 연주가이드롤 표면에는 고온의 연주 주편과 접촉 시에는 급속히 가열되었다가 이후 냉각수에 의해 급속 냉각됨에 따라서 롤이 회전할 때 인장과 압축 응력이 주기적으로 발생된다. 가열 단계에서 발생되는 압축응력이 재료의 압축 항복 한계(compressive yield limit)를 넘게 되면 롤 표면부에 소성변형이 일어나고, 냉각 단계에서는 인장응력이 부과된다.
- 본 연구에 사용된 합금조성은 오버레이 용접법으로 제조하고 있는 상용 연주롤의 합금조성[3]을 기준으로 질소(0.01~0.16 wt.%) 및 알루미늄(0.02~0.50 wt.%) 원소 첨가량을 달리하였으며, 이를 원심주조법으로 제조한 시편의 합금조성은 Table 1에 나타내었다. 실험은 고철과 합금철을 이용하여 대기 고주파 유도로에서 용해하고, 용탕의 주입은 회전하는 금형에 1550~1600℃에서 주입하였다.
성능/효과
- 3) 모든 시험시편의 주방상태 인장강도는 500~860 MPa., 1% 이하의 매우 낮은 연신률을 나타내었으나, 템퍼링에 의해 인장강도값은 1,400~1,600 MPa, 그리고 연신률은 2.0~3.4%까지 크게 증가하였다.
- 1) 질소의 함유량이 0.12~0.16% 증가함에 따라 원심주조 시편의 미세조직 중 δ-페라이트상 분률은 16.4%에서 2% 이하로 급감하였다.
- 5는 원심주조된 1번~4번 시편을 200~600℃ 온도 범위에서 2시간 동안 템퍼링한 후 인장시험을 한 결과이다. 1번~4 번 시편 모두 주방상태의 인장강도는 500~860 MPa 범위의 값을 나타내었으며, 1% 이하의 매우 낮은 연신률을 가짐으로 해서 큰 소성변화 없이 탄성변형 후 곧바로 파단이 발생함에 따라 항복강도값와 인장강도값의 차이를 구분할 수없었다. 반면에 템퍼링을 한 후의 인장강도값은 1,400~1,600 MPa, 그리고 연신률은 2.
- 4는 원심주조된 1번~4번 시편을 200~600℃ 온도 범위 에서 2시간 동안 템퍼링 처리한 후 미세조직 중에서 대부분을 차지하는 마르텐사이트상의 비커스 경도값 변화를 나타낸 것이다. 1번~4번 시편 모두 주방상태의 경도값은 평균 Hv 505~550 범위로서 비교적 높은 경도값을 나타났다. 그 이유는 본 실험에 사용한 합금은 침입형 고용원소인 탄소와 질소를 함유하고 동시에 다량의 고용강화 원소와 석출경화 원소를 포함하고 있기 때문에 마르텐사이트 조직의 경도값이 높게 나타난 것으로 판단된다.
- 2) 템프링 온도 450℃에서 최고의 경도값을 나타내었으며, 이는 침입형 원소인 탄소 및 질소가 탄/질화물 형성 원소인 크롬, 몰리브덴, 바나디움, 니오비움과 템프링 도중에 가장 많은 양의 미세 탄/질화물이 석출된 결과라고 판단된다.
- 3) 모든 시험시편의 주방상태 인장강도는 500~860 MPa., 1% 이하의 매우 낮은 연신률을 나타내었으나, 템퍼링에 의해 인장강도값은 1,400~1,600 MPa, 그리고 연신률은 2.
- 4) 원심주조법으로 제조한 본 연구의 시험 시편의 항복강도 값(1,200~1,400 MPa)이 기존의 오버레이 용접법으로 제조되고 있는 연주가이드롤 재료의 항복강도값(800~1,200 MPa)과 비교해 볼 때 우수한 내열피로 크랙성을 가질 것으로 예측되어 연주가이드롤 재료로서의 적용 가능성이 확인되었다.
- 3번 시편의 경우는 550℃의 템퍼링온도에서 최대인장강도가 1,600 MPa이상으로 나타났는데, 이는 다른 시편보다 Mo의 함량이 조금 더 높아 템퍼링 연화 저항성이 더 좋기 때문인 것으로 생각된다. 550℃의 템퍼링 처리 후에도 경도값이 최대 경도값 (Hv 625) 보다는 다소 감소가 되었지만 다른 시편들 보다는 더 높은 경도값을 가졌으며, 다른 시편들과는 달리 주방 상태의 경도값 (Hv 525)을 유지하고 있는 점을 고려할 때 고온에서의 연화 저항성이 우수한 것으로 판단된다.
- Fig. 5에서 살펴본 바와 같이 본 실험에 사용된 시편들은 항복강도값(1,200~1,400 MPa)은 오버레이용접에 의해 제조되는 기존의 연주가이드롤재의 항복강도값(800~1,200 MPa)[5]과 비교해 볼 때 200MPa 이상의 높은 고강도 특성을 나타내는 것으로 보아 열피로크랙의 발생 저항성이 매우 우수할 것으로 예측된다.
- 각 시편의 최대 인장강도가 나타나는 템퍼링 온도는 시편별 로 차이가 났는데 대체로 400~550℃의 온도에서 최대값이 나 타났다. 여러 온도 구간에서 인장시험한 4번 시편의 결과를 보면 450℃의 온도에서 최대 인장강도값 1,600 MPa 및 최대 항복강도값 1,400 MPa를 나타났으며, 300~550℃ 온도 범위에 서는 인장강도값이 1,500~1,600 MPa 범위내에 분포한 매우 높은 고강도 특성을 나타내었다.
- 그리고 4번 시편의 경우에는 200℃에서는 경도값 저하 현상이 발생하지 않았으나 300℃에서 Hv 60내외의 급격한 경도값 저하가 발생한 후 400℃까지 미미한 경도값 감소현상이 지속된 후 450℃에서는 급격한 2차 경화 현상이 발생하여 주방상태의 경도값 보다 더 높은 Hv 580을 나타내었다. 450℃에서 주방 상태의 경도값 보다 더 높은 경도값 상승 거동을 보인 2차경화 효과는 바나디움이 0.
- 따라서 2~4번 시편의 경우에는 1번 시편과 비교시 질소의 첨가량이 증가함에 따라서 고온에서 δ-페라이트상의 존재량이 줄어들고 대신에 보다 많은 양의 오스테나이트상이 안정화 되었으며, 고온에서 안정화 상인 이들 오스테나이트상은 상온으로 냉각되면서 대부분이 마르텐사이트상으로 변태된 것으로 판단된다.
- 1번~4 번 시편 모두 주방상태의 인장강도는 500~860 MPa 범위의 값을 나타내었으며, 1% 이하의 매우 낮은 연신률을 가짐으로 해서 큰 소성변화 없이 탄성변형 후 곧바로 파단이 발생함에 따라 항복강도값와 인장강도값의 차이를 구분할 수없었다. 반면에 템퍼링을 한 후의 인장강도값은 1,400~1,600 MPa, 그리고 연신률은 2.0~3.4%까지 크게 증가하였다. 이는 원심주조 시편들의 응고과정 중에 발생한 열응력과 마르텐사이트변태 과정 중에 발생한 응력들이 템프링에 의해 해소되었고, 이로인해 인장강도 및 연신률이 동시에 증가된 것으로 판단된다.
- 각 시편의 최대 인장강도가 나타나는 템퍼링 온도는 시편별 로 차이가 났는데 대체로 400~550℃의 온도에서 최대값이 나 타났다. 여러 온도 구간에서 인장시험한 4번 시편의 결과를 보면 450℃의 온도에서 최대 인장강도값 1,600 MPa 및 최대 항복강도값 1,400 MPa를 나타났으며, 300~550℃ 온도 범위에 서는 인장강도값이 1,500~1,600 MPa 범위내에 분포한 매우 높은 고강도 특성을 나타내었다. 450℃의 템프링 온도에서 최대 인장강도 및 최대 항복강도 특성을 나타낸 것과 Fig.
- Table 2에 나타낸 시료1번~4번의 잔류오스테나이트상 분율을 살펴보면 다음과 같다. 오스테나이트상 안정화 원소로 작용하는 질소의 함유량이 0.15~0.16%로 시험 시료들 중에서는 높은 측에 속하는 시료2번과 4번의 경우에는 잔류오스테나이트상 또한 3.8%와 3.7%로 제일 많이 존재하였으며, 그 다음으로 질소 함유량이 0.12%인 시료 3번의 경우에는 3.0%, 그리고 질소함유량이 0.01%로 제일 낮은 1번 시료의 경우에는 2.7%로 잔류오스테나이트상 함유량이 제일 적게 존재하는 것으로 나타났다.
- 한편 1번 시편의 경우에는 최대인장강도값 및 최대항복강도 값이 시편들 중에서 가장 낮은 1,400 MPa와 1,220 MPa로 나타났다. 이는 1번 시편의 경우 약 16 vol.
후속연구
- 그리고 4번 시편의 경우에는 200℃에서는 경도값 저하 현상이 발생하지 않았으나 300℃에서 Hv 60내외의 급격한 경도값 저하가 발생한 후 400℃까지 미미한 경도값 감소현상이 지속된 후 450℃에서는 급격한 2차 경화 현상이 발생하여 주방상태의 경도값 보다 더 높은 Hv 580을 나타내었다. 450℃에서 주방 상태의 경도값 보다 더 높은 경도값 상승 거동을 보인 2차경화 효과는 바나디움이 0.37%로 시험 시편들 중에서 가장 많은 양이 첨가되었기 때문인 것으로 유추되나 보다 정확한 요인의 분석을 위해서는 추가적으로 투과전자현미경을 이용한 미세 탄화물 및 질화물들의 석출 거동을 확인해볼 필요가 있다.
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