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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 합금원소를 첨가하지 않고도 동일한 질량효과를 얻기 위해 경화능 증가 열처리 공법을 개발하여 주철의 냉각특성을 향상시키고자 하였다. 연구대상 시료로 특수 합금원소가 첨가되지 않은 GCD 50을 사용하여 오스테나이트화 처리 시 제어냉각에 의하여 시멘타이트의 핵생성을 억제시키고자 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 합금원소를 첨가하지 않고도 동일한 질량효과를 얻기 위해 경화능 증가 열처리 공법을 개발하여 주철의 냉각특성을 향상시키고자 하였다. 연구대상 시료로 특수 합금원소가 첨가되지 않은 GCD 50을 사용하여 오스테나이트화 처리 시 제어냉각에 의하여 시멘타이트의 핵생성을 억제시키고자 하였다. 또한 냉각능 증가를 위하여 일반 염에서 ADI열처리를 하였을 때와, 염에 물을 첨가하여 냉각능을 증가시켰을 때 미세조직의 변화와 기계적 특성의 변화에 관하여 비교하였다.
제안 방법
- 1의 Y-block 금형에 주입하였다. Y-block형 시료의 하단부를 절단하여 KS B0801 규격의 4호 인장시험편으로 가공하였다. 열처리는 900℃로 유지된 Ar가스 분위기로에서 2시간 동안 오스테나이트화 처리한 후 퍼얼라이트의 핵생성을 억제하기 위하여 A1 변태 직상 온도인 800℃까지 0.
- 이어서, 380℃, 330℃, 280℃,230℃로 유지된 10 l 용량의 이코노T6(상품명, 주성분: K, NaNO3) 염욕을 사용하여 시료를 퀜칭하고 1시간동안 오스템퍼링 처리후 공랭시켰다. 같은 방법으로, 예비실험을 통해 결정된 5% 물을 첨가한 염욕에 전자와 동일한 오스템퍼링 온도와 시간으로 열처리하였다. 본 실험에서 사용된 시료의 분광분석 결과를 Table 1에, 시편의 열처리 과정은 Fig.
- 구상흑연주철 GCD 50을 900℃에서 2시간 동안 오스테나이트화 처리하여 800℃로 서랭시킨 후 5% 물을 첨가한 380℃, 330℃, 280℃, 230℃의 염욕에 1시간 동안 오스템퍼링 처리하였을 때 금속 조직적 특성과 기계적 성질의 변화에 미치는 영향에 대하여 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 구상흑연주철에 존재하는 흑연으로 인한 TEM 시편제작 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 SEM으로 관찰부위를 선택하고 Focused ion beam 장치(SEIKO SMI 3050SE)를 이용, 가속전압 30 KV에서 탄소와 갈리움 이온으로 시료를 50 nm 두께로 가공하여 TEM 그리드에 접착시켰다. 준비된 시편은 TEM(JEOL 2100F)으로 200 KV의 가속전압에서 관찰하였다.
- 따라서, 본 실험에서도 900℃로 가열 후 오스테나이트 조직 균일화를 위하여 유지시간을 2시간으로 오스테나이트화 처리를 실시하였다. 900℃에서 오스테나이트화 처리하여 800℃까지 서냉한 후 380℃,330℃, 280℃, 230℃의 염욕에 1시간 오스템퍼링시킨 SEM 조직사진을 Fig.
- 연구대상 시료로 특수 합금원소가 첨가되지 않은 GCD 50을 사용하여 오스테나이트화 처리 시 제어냉각에 의하여 시멘타이트의 핵생성을 억제시키고자 하였다. 또한 냉각능 증가를 위하여 일반 염에서 ADI열처리를 하였을 때와, 염에 물을 첨가하여 냉각능을 증가시켰을 때 미세조직의 변화와 기계적 특성의 변화에 관하여 비교하였다.
- 시료의 미세조직과, 오스템퍼링 열처리에 따른 미세조직 변화를 관찰하기 위해 광학현미경, SEM 및 TEM을 사용하였다.
- 열처리조건에 따른 기계적 성질을 평가하기 위하여 KS B0801 규격의 4호 인장시험편을 제작하여 크로스헤드 변위속도 5 mm/min 조건으로 인장강도 및 연신율을 측정하였다. 충격시험은 10 × 10 × 55 mm 칫수의 샤르피형 무노치 충격시험편을 사용하여 40 kgf-m 용량의 샤르피 충격시험기로 상온에서 실험하였다.
- 05℃/분의 속도로 서랭시켰다. 이어서, 380℃, 330℃, 280℃,230℃로 유지된 10 l 용량의 이코노T6(상품명, 주성분: K, NaNO3) 염욕을 사용하여 시료를 퀜칭하고 1시간동안 오스템퍼링 처리후 공랭시켰다. 같은 방법으로, 예비실험을 통해 결정된 5% 물을 첨가한 염욕에 전자와 동일한 오스템퍼링 온도와 시간으로 열처리하였다.
- 잔류 오스테나이트 체적분율 측정은 Cu타켓 X선 회절시험기로 40 KV, 30 mA 조건으로 면심입방 구조의 오스테나이트와 체심입방 구조의 페라이트 회절 피크의 적분강도의 비로 계산하였다.
- 충격시험은 10 × 10 × 55 mm 칫수의 샤르피형 무노치 충격시험편을 사용하여 40 kgf-m 용량의 샤르피 충격시험기로 상온에서 실험하였다.
대상 데이터
- 7은 900℃에서 2시간 동안 오스테나이트화 처리 후 물을 첨가하지 않은 염욕에서 각 온도 동안 오스템퍼링 처리를 한 TEM의 명시야상(Bright field image) 사진(a), (c)와 암시야상(Dark field image) 사진(b), (d)를 나타낸 것이다. 길이 200~1000 nm, 폭 10~50 nm 크기를 갖는 판상의 베이나이틱 페라이트 라스(Lath)로 구성되어 있으며, 오스템퍼링 온도가 낮을수록 미세하였다. ADI의 열처리 시 베이나이틱 페라이트와 잔류 오스테나이트 등이 혼재하고 있는 것으로 알려져 있으며[15], 사진 (a)와 (c)에서 어둡게 관찰되는 부분이 잔류 오스테나이트로 본 실험의 열처리 조건에서도 일부 잔류오스테나이트가 존재하고 있으나 탄화물은 존재하지 않고 있다.
- 본 실험에 사용한 시료는 고주파 유도 용해로를 이용하여 KS GCD 50 구상흑연주철을 용해·주조하여 Fig. 1의 Y-block 금형에 주입하였다.
- 구상흑연주철에 존재하는 흑연으로 인한 TEM 시편제작 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 SEM으로 관찰부위를 선택하고 Focused ion beam 장치(SEIKO SMI 3050SE)를 이용, 가속전압 30 KV에서 탄소와 갈리움 이온으로 시료를 50 nm 두께로 가공하여 TEM 그리드에 접착시켰다. 준비된 시편은 TEM(JEOL 2100F)으로 200 KV의 가속전압에서 관찰하였다.
이론/모형
- 인성향상을 위한 ADI 소재개발과 적용 확대를 위해 인장특성 평가에 있어(인장강도 × 연신율) 값을 평가방법으로 활용하였다[16].
성능/효과
- 1. 5% 물을 첨가한 염욕에서 오스템퍼링 처리시, 베이나이틱 페라이트 결정은 미세하고 치밀하게 분포하였으며, 잔류 오스테나이트의 생성량도 많아 물을 첨가하지 않은 경우보다 염욕의 경화능 증진효과를 얻었다.
- 2. 오스템퍼링 온도가 낮을수록 베이나이틱 페라이트 결정은 미세하였다. 230℃ 오스템퍼링 온도에서 일부 마르텐사이트 조직이 관찰되었으나, 탄화물의 존재는 확인되지 않았다.
- 3. 5%의 물을 첨가한 염욕에서 280℃ 오스 템퍼링 처리시 인장강도가 138 kgf/mm2로 최고값을 나타내었으며, 동일 염욕에서 380℃ 오스템퍼링 처리조건에서 연신율은 11.8%로 최고였다(인장강도 × 연신율).
- 4. 오스템퍼링 온도변화에 따른 충격 흡수에너지와 연신율을 평가한 결과, 5%의 물을 첨가한 염욕에서 380℃ 오스템퍼링 처리시 잔류 오스테나이트 체적분율이 최고 17%일 때 충격 흡수에너지와 연신율은 각각 11.4 kgf · m/cm2와 8.7%로 최고값을 나타내었다.
- 5%의 물을 첨가한 염욕에서 380℃ 오스템퍼링 처리시 잔류 오스테나이트 체적분율이 최고로 17%를 나타낼 때 충격 흡수에너지와 연신율은 각각 11.4 kgf · m/cm2와 8.7%로 최고 값을 나타내었다.
- ADI재료의 동적상태(dynamic state) 인성을 고려한다면 380℃ 오스템퍼링 처리 조건이 효과적인 것으로 평가되었다.
- 8%로 최고였다(인장강도 × 연신율). 값은 5% 물을 첨가한 염욕에서 330℃ 오스템퍼링 처리시 963.7 kgf/mm2%로 가장 우수하였다.
- 그러나, ADI재료의 정적상태(static state)에서 (인장강도 × 연신율)을 동시에 고려한다면, 5% 물을 첨가한 염욕에서 330℃ 오스템퍼링 처리한 조건이 963.7 kgf/ mm2%로 가장 우수하였다.
- ADI의 열처리 시 베이나이틱 페라이트와 잔류 오스테나이트 등이 혼재하고 있는 것으로 알려져 있으며[15], 사진 (a)와 (c)에서 어둡게 관찰되는 부분이 잔류 오스테나이트로 본 실험의 열처리 조건에서도 일부 잔류오스테나이트가 존재하고 있으나 탄화물은 존재하지 않고 있다. 따라서 본 열처리 조건에서 존재하는 조직은 베이나이틱 페라이트와 잔류 오스테나이트의 혼합 조직임을 알 수 있었다.
- 오스템퍼링 온도가 증가함에 따라 연신율, 충격흡수에너지의 및 잔류 오스테나이트 체적분율은 모두 증가하는 경향을 나타내었다. 또한, 5% 물을 첨가한 염욕으로 오스템퍼링 처리한 시험편이 모든 오스템퍼링 처리 온도구간에서 높은 연신율과 충격흡수에너지를 나타내었다.
- 모든 오스템퍼링 처리 온도구간에서 5% 물을 첨가한 염욕으로 오스템퍼링 처리한 시험편의 연신율과 (인장강도 × 연신율)값이 높게 나타났다.
- 본 실험에서 5%의 물을 첨가한 염욕에서 280℃ 오스템퍼링 처리한 조건에서 인장강도값은 138 kgf/ mm2으로 가장 높게 나타났으며, 연신율은 5%의 물을 첨가한 염욕에서 380℃로 오스템퍼링 처리한 조건에서 가장 높은 11.8%를 나타내었다. 그러나, ADI재료의 정적상태(static state)에서 (인장강도 × 연신율)을 동시에 고려한다면, 5% 물을 첨가한 염욕에서 330℃ 오스템퍼링 처리한 조건이 963.
- 10은 오스템퍼링 온도변화에 따른 연신율과 충격흡수에너지의 영향과, 잔류 오스테나이트 체적분율 변화량을 나타낸 것이다. 오스템퍼링 온도가 증가함에 따라 연신율, 충격흡수에너지의 및 잔류 오스테나이트 체적분율은 모두 증가하는 경향을 나타내었다. 또한, 5% 물을 첨가한 염욕으로 오스템퍼링 처리한 시험편이 모든 오스템퍼링 처리 온도구간에서 높은 연신율과 충격흡수에너지를 나타내었다.
- 이상의 연구결과로부터 5% 물을 첨가한 염욕에서 오스템퍼링 처리한 조건이 잔류 오스테나아트의 생성량이 많았으며, 미세한 베이나이틱 페라이트와 잔류오스테나이트 혼합조직으로 우수한 연신율, 충격 흡수에너지 특성을 나타내어 경화능 증진효과를 얻을수 있었다.
- 7%로 최고 값을 나타내었다. 잔류 오스테나이트 체적분율 증가는 충격흡수에너지 향상과 직접적인 영향을 미친 것으로 실험결과 분석되었다.
- 6은 오스템퍼링 온도 380℃에서 물을 넣지 않은 염욕(a)와 물을 넣은 염욕(b)에서 처리한 시료의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다. 회절실험 결과에서 알 수 있는 바와 같이 본 실험 조건에서는 시멘타이트의 존재가 나타나지 않았으며, 베이나이틱 페라이트와 잔류 오스테나이트의 존재만 확인 되었다.
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