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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 주조된 자동차 변속기의 유성기어용 Carrier를 칭과 템퍼링을 하였을 때 나타나는 표면과 표면 3 mm 아래 부위의 경도 차이의 원인을 규명하기 위해 열처리에 따른 미세조직을 조사하였다.
제안 방법
- 흰색부위는 표면보다 내부에서 현저하게 많이 관찰 되었다. 갈색과 흰색 부분의 조직차이를 규명하기 위해서 하중 300 g 으로 비커스 경도를 측정하였다. 흰색 부위는 비커스 경도로 735~742를 나타내어 매우 높은 경도를 나타낸 반면, 갈색 부위는 434~654로 흰 색 부위에 비해 낮은 경도를 나타내었으며 경도도 다소 큰 편차를 나타내었다.
- 경도차이의 원인을 파악하기 위해 브리넬경도, 비커스경도와 로크웰경도(스케일 B, HRB)를 측정하였다. 주조, 칭 및 템퍼링 후 각각의 경도를 측정하여 공정별 경도의 상관성을 조사하였으며, 표면에서부터 표면 이하 3 mm 지점까지 연속적으로 경도를 측정하여 깊이방향별 경도 변화와의 상관성을 조사하였다.
- 구상 흑연을 둘러싸고 있는 흰색과 어두운 색의 조직 차이를 규명하기 위해 비커스 경도를 하중 300 g에서 측정하였다. 흰 색의 조직은 265 정도의 경도를 나타낸 반면 어두운 색은 358~427의 높은 경도를 나타내어 어두운 색의 조직이 흰색 보다 경도가 현저히 높은 조직임을 보여주었다.
- 미세조직은 광학현미경과 SEM(Scanning Electron Microscope, 주사전자현미경)을 이용하여 관찰하였다. 주조, 칭, 템퍼링 후 미세조직을 각각 관찰 하여 공정별 연관성을 조사하였으며, 표면에서부터 표면 이하 3 mm 지점까지 연속적으로 미세조직을 관찰하여 깊이 방향별 경도 변화와의 상관성을 조사하였다.
- 경도차이의 원인을 파악하기 위해 브리넬경도, 비커스경도와 로크웰경도(스케일 B, HRB)를 측정하였다. 주조, 칭 및 템퍼링 후 각각의 경도를 측정하여 공정별 경도의 상관성을 조사하였으며, 표면에서부터 표면 이하 3 mm 지점까지 연속적으로 경도를 측정하여 깊이방향별 경도 변화와의 상관성을 조사하였다.
- 미세조직은 광학현미경과 SEM(Scanning Electron Microscope, 주사전자현미경)을 이용하여 관찰하였다. 주조, 칭, 템퍼링 후 미세조직을 각각 관찰 하여 공정별 연관성을 조사하였으며, 표면에서부터 표면 이하 3 mm 지점까지 연속적으로 미세조직을 관찰하여 깊이 방향별 경도 변화와의 상관성을 조사하였다. 모든 시료는 2% 나이탈에서 부식하였다.
- 주철 표면에서부터 표면 직하 3 mm 지점까지 0.3 mm 간격으로 경도(HRB)를 측정 하여 깊이 방향별 경도 편차를 조사하였다. HRB 경도의 압흔 자국이 크기 때문에 경도는 페라이트와 구상흑연 및 펄라이트 모두를 포함한 경도에 해당된다.
- 지 연속적으로 미세조직을 관찰하여 템퍼링 후 표면과 표면 직하 3 mm 지점의 경도 차이가 칭조직에 기인하는지를 조사하였다. Fig.
- 칭 한 Carrier를 열처리업체의 양산로를 이용하여 템퍼링하였다. 템퍼링된 Carrier의 브리넬 경도는 표면이 238, 표면 아래 3 mm 지점이 255로서 경도 차이는 17이었다.
- 칭한 Carrier의 미세조직과 경도분석을 위해 주조업체에서 생산된 Carrier를 열처리업체의 양산로를 이용하여 칭한 제품을 절단하여 사용하였다. 이 부품의 브리넬 경도는 표면이 514, 표면 아래 3 mm 지점이 555를 나타내어 경도 차이가 41이었다.
- 템퍼링된 Carrier의 브리넬 경도는 표면이 238, 표면 아래 3 mm 지점이 255로서 경도 차이는 17이었다. 템퍼링 한 Carrier의 표면에서부터 표면 직하 3 mm 지점까지 연속적으로 미세조직을 관찰하여 템퍼링 후 표면과 표면 직하 3 mm 지점의 경도 차이가 템퍼링 재의 미세조직에 기인하는지를 조사하였다. Fig.
- 현미경 조직은 에칭시간에 따라 달라지기 때문에 필요한 경우 심하게 과 에칭을 시켜 편석이나 편석에 기인한 하부 미세조직의 차이를 관찰할 수 있도록 하였다. 합금성분의 편석 정도를 조사하기 위해 SEM의 2차전자상(Secondary Electron Image, SEI)과 후방산란 전자상(Back Scattered Electron Image, BEI)으로 관찰한 후 EDS(Energy Dispersive X-Ray Spectrometer)를 이용하였다.
- 모든 시료는 2% 나이탈에서 부식하였다. 현미경 조직은 에칭시간에 따라 달라지기 때문에 필요한 경우 심하게 과 에칭을 시켜 편석이나 편석에 기인한 하부 미세조직의 차이를 관찰할 수 있도록 하였다. 합금성분의 편석 정도를 조사하기 위해 SEM의 2차전자상(Secondary Electron Image, SEI)과 후방산란 전자상(Back Scattered Electron Image, BEI)으로 관찰한 후 EDS(Energy Dispersive X-Ray Spectrometer)를 이용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 Carrier 사진을 Fig. 1에, 주요 합금성분을 Table 1에 나타내었다. 이 성분계는 SAE J434b Pearlitic Ductile Iron D5506 Modified 규격과 KS D 4302의 GCD 400-450에 해당된다[6].
성능/효과
- 1. 주조조직에서 펄라이트는 주조 과정에서 Cr과 Mo 편석이 많이 일어난 영역으로 응고 속도가 느려 편석이 용이한 내부로 갈수록 그 수가 증가하였다.
- 2. 담금질 조직에서 흰색의 마르텐사이트는 구상 흑연 주위의 마르텐사이트에 비해 경도가 높고 표면에서 내부로 갈수록 그 양이 증가하였다. 흰 색의 마르텐사이트는 주조 조직에 존재하던 Cr과 Mo의 편석이 심한 펄라이트 영역에서 변태된 마르텐사이트로 판단된다.
- 3. 템퍼링 조직은 구상의 흑연, 흑연 주위의 흰색 조직, 흰색의 조직에 길게 혹은 구상흑연을 둘러싸는 형태로 존재하는 어두운 색의 조직 등 세 가지 종류의 상으로 구성되었다. 어두운 상의 조직은 표면에서 내부로 들어 갈수록 그 양이 증가 하였으며, 이것이 내부가 표면보다 경도가 높은 이유로 판단된다.
- 4. 주조조직에서 펄라이트는 칭되는 동안 경도가 높은 흰 색의 마르텐사이트로 되고, 이 마르텐사이트는 템퍼링 되는 동안 페라이트와 시멘타이트로의 분해에 강한 저항을 가져 경도가 높은 상으로 된다. Cr과 Mo의 편석은 표면보다는 주조 속도가 느린 내부에서 상대적으로 활발하게 일어나게 되므로 표면에서 깊어질수록 경도가 높은 상이 많아져서 표면보다 표면아래 3 mm 지점의 경도가 증가하게 된다.
- 5. 합금원소 중 편석이 가장 심한 원소는 Cr이었으며 그 다음이 Mo였다.
- 3에 나타내 었다. 길게, 덩어리 형태로 존재하는 상은 SEM에서는 밝은 색(P로 표시)으로 관찰 되어 구상 흑연과 분명한 색상 차이를 나타내었으며, 판상의 시멘타이트가 층을 지어 관찰되는 펄라이트임을 고배율 SEM 사진에서 확인할 수 있었다. 표면에서 내부로 갈수록 펄라이트가 많아지는 것은 주조 시 내부가 응고속도가 느린 것과 관계가 있는 것으로 판단된다.
- 구상 흑연을 둘러싸고 있는 흰색과 어두운 색의 조직 차이를 규명하기 위해 비커스 경도를 하중 300 g에서 측정하였다. 흰 색의 조직은 265 정도의 경도를 나타낸 반면 어두운 색은 358~427의 높은 경도를 나타내어 어두운 색의 조직이 흰색 보다 경도가 현저히 높은 조직임을 보여주었다.
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