주강의 유화물 형태와 편석에 대한 연구 (II) (Fe-Mn-S 합금의 유화물 형태에 미치는 Mn/S비의 영향) Morphology and Segregation of Sulfide Inclusions in Cast Steels (II) (Influence of [Mn/S] Ratios on the Morphology of Sulfide Inclusions in Fe-Mn-S Alloys)원문보기
After casting button-type small ingots of ternary Fe-Mn-S alloys which had three different Mn/S ratios (1, 5 and 70) in a vacuum arc furnace, the effect of the ratio on the sulfide formation was investigated. In case of the Mn/S ratio of 1, if alloy composition was located in an iron-rich corner on ...
After casting button-type small ingots of ternary Fe-Mn-S alloys which had three different Mn/S ratios (1, 5 and 70) in a vacuum arc furnace, the effect of the ratio on the sulfide formation was investigated. In case of the Mn/S ratio of 1, if alloy composition was located in an iron-rich corner on a Fe-Mn-S ternary phase diagram, only duplex MnS-FeS sulfide films were observed in the grain boundary. If the alloy composition was located in the miscibility gap area of the phase diagram, primary globular dendritic sulfides and dendritic sulfide slags were generated within the grain and tubular monotectic sulfides were also detected in the grain boundary. When the Mn/S ratio was 5, if the alloy composition was in the iron-rich corner, only bead-like sulfides were generated. On the other hand, if the composition was in the miscibility gap area, globular dendritic sulfides and dendritic sulfide slags were generated in the form of primary sulfide inclusions and rod-like eutectic sulfides were observed in the grain boundary. Especially, if the contents of Mn and S increased more in the miscibility gap area of the phase diagram, primary globular sulfides containing iron intrusions were observed. In case of Mn/S ratio of 70, if the contents of Mn and S was decreased in the Fe corner of the phase diagram, only bead-like sulfides were observed in the grain boundary. Despite the composition was outside the miscibility gap area of the phase diagram, if the contents of Mn and S increased, clusters of fine sulfide particles as well as fine spherical primary monophase sulfides were observed in the grain boundary.
After casting button-type small ingots of ternary Fe-Mn-S alloys which had three different Mn/S ratios (1, 5 and 70) in a vacuum arc furnace, the effect of the ratio on the sulfide formation was investigated. In case of the Mn/S ratio of 1, if alloy composition was located in an iron-rich corner on a Fe-Mn-S ternary phase diagram, only duplex MnS-FeS sulfide films were observed in the grain boundary. If the alloy composition was located in the miscibility gap area of the phase diagram, primary globular dendritic sulfides and dendritic sulfide slags were generated within the grain and tubular monotectic sulfides were also detected in the grain boundary. When the Mn/S ratio was 5, if the alloy composition was in the iron-rich corner, only bead-like sulfides were generated. On the other hand, if the composition was in the miscibility gap area, globular dendritic sulfides and dendritic sulfide slags were generated in the form of primary sulfide inclusions and rod-like eutectic sulfides were observed in the grain boundary. Especially, if the contents of Mn and S increased more in the miscibility gap area of the phase diagram, primary globular sulfides containing iron intrusions were observed. In case of Mn/S ratio of 70, if the contents of Mn and S was decreased in the Fe corner of the phase diagram, only bead-like sulfides were observed in the grain boundary. Despite the composition was outside the miscibility gap area of the phase diagram, if the contents of Mn and S increased, clusters of fine sulfide particles as well as fine spherical primary monophase sulfides were observed in the grain boundary.
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문제 정의
저자들은 Fe-FeS[17], Fe-Mn-S 및 Fe-C-Mn-S 합금계의 유화물 형태를 관찰하고, 대형 주강품의 유화물 편석[18]과 고온성질에 대한 일련의 연구를 수행하고 있다. 본 연구는 주입용강의 [Mn/S]비가 충분히 높게 관리되어도 주강품의 형상이나 응고조건에 따른 합금편석으로 국부적인 [Mn/S]비의 변화가 생길 경우, 또는 [Mn/S]비가 동일할지라도 Mn 및 S 함량이 증가 또는 감소할 경우에 생성되는 유화물의 형태를 고찰하기 위한 실험실적 기초연구이다. 이를 위하여 [Mn/S]비가 1, 5 및 70인 각각의 시편그룹에서 Mn 및 S의 함량을 변화시킨 Fe-Mn-S 합금의 단추모양 소형주괴를 제조하고, 이들 합금의 유화물 형태에 미치는 [Mn/S]비의 영향을 조사하였다.
제안 방법
단추모양의 소형 주괴 시편을 중심 종단면으로 절단하고 마운팅하여 연마하였다. 연마 상태, 나이탈 용액 또는 황산수용액으로 부식한 시편에 대하여 광학현미경과 주사전자현미경(SEM)으로 유화물 형태를 관찰하였다.
본 실험에서 관찰된 유화물의 미세조직 특성을 바탕으로 응고조직의 결정입내에서 관찰된 유화물은 초정 유화물(primary sulfide inclusions)로, 그리고 응고조직의 결정입계에서 관찰된 유화물은 2차상 유화물(secondary sulfide inclusions)로 분류하였다.
Table 1은 본 실험에 사용된 시편의 [Mn/S]비 그룹별 화학 조성을 나타낸다. 시편의 [Mn/S]비는 각각 1, 5 및 70의 3가지 그룹으로 나누었다. Mn의 변화폭은 좁고 S의 변화폭이 넓은 [Mn/S]비가 1인 시편그룹은 Mn/S의 함량(wt.
단추모양의 소형 주괴 시편을 중심 종단면으로 절단하고 마운팅하여 연마하였다. 연마 상태, 나이탈 용액 또는 황산수용액으로 부식한 시편에 대하여 광학현미경과 주사전자현미경(SEM)으로 유화물 형태를 관찰하였다. 유화물의 성분분포와 화학조성은 EPMA를 이용하여 분석하였다.
연마 상태, 나이탈 용액 또는 황산수용액으로 부식한 시편에 대하여 광학현미경과 주사전자현미경(SEM)으로 유화물 형태를 관찰하였다. 유화물의 성분분포와 화학조성은 EPMA를 이용하여 분석하였다. 이 때 유화물의 관찰 위치는 시편바닥에서 5-6 mm 높이로 통일하였다.
본 연구는 주입용강의 [Mn/S]비가 충분히 높게 관리되어도 주강품의 형상이나 응고조건에 따른 합금편석으로 국부적인 [Mn/S]비의 변화가 생길 경우, 또는 [Mn/S]비가 동일할지라도 Mn 및 S 함량이 증가 또는 감소할 경우에 생성되는 유화물의 형태를 고찰하기 위한 실험실적 기초연구이다. 이를 위하여 [Mn/S]비가 1, 5 및 70인 각각의 시편그룹에서 Mn 및 S의 함량을 변화시킨 Fe-Mn-S 합금의 단추모양 소형주괴를 제조하고, 이들 합금의 유화물 형태에 미치는 [Mn/S]비의 영향을 조사하였다.
진공아크로에서 [Mn/S]비가 각각 1, 5 및 70인 Fe-Mn-S3원계 합금의 단추모양 소형주괴를 제조하고, [Mn/S]비가 유화물 형태에 미치는 영향을 조사한 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
9%), 그리고 Fe-39wt.%S 합금철을 평량하여 장입하고 아크 용해하여 목표 성분조성을 갖는 시편을 제조하였다. 시편의 성분편석을 최소화하기 위하여 소형 주괴는 3회 반복 용해하였다.
무게 약 5 g, 직경 12-13 mm, 높이 7-8 mm 크기의 단추모양 소형주괴를 진공아크용해로(Vacuum arc furnace, 220V, 60Hz, 30kW)에서 수냉 구리기판을 이용하여 제조하였다. 구리 기판의 홈 속에 순철(99.
성능/효과
1) 유화물의 미세조직 특성을 바탕으로 결정입내의 초정 유 화물과 결정입계의 2차상 유화물로 분류하였다. 초정 유화물로는 미세입상 단상 유화물, 수지상 응고조직의 구상 유화물, Fe 가 침투된 구상 유화물 및 유화물 슬래그가 관찰되었다.
4) [Mn/S]비가 70인 시편 그룹의 경우, Fe-Mn-S 3원 평형 상태도의 Fe 모서리쪽으로 Mn 및 S의 함량이 모두 낮은 시편들은 입계에 사슬모양의 유화물만이 생성되었다. 한편 FeMn-S 3원 평형 상태도의 공용간격을 벗어나지만 Mn 및 S가 모두 증가하면 초정의 미세한 단상 유화물과 함께 미세한 알갱이의 유화물 군집체가 입계에서 관찰되었다.
4a의 IA에서 관찰된 필름상 유화물은 “A”로 표시한 연한 회색상과 “B”로 표시한 흑색상의 2상으로 이루어져 있다. EPMA 분석결과 A상의 화학조성은 42.5%Fe-6.5%Mn-51.1S(at.%)이고 B상의 화학조성은 40.1%Fe-15.8% Mn-44.1%S(at.%)이었으며, A상보다 B상의 Mn 함량이 2배 이상 높았다. 이 유화물은 MnS와 FeS의 고용량이 서로 다른두 종류의 Mn(Fe)S 유화물이 공존하는 MnS-FeS의 2상 유화물로 확인되었다.
[Mn/S]비가 1인 IIA와 같이 Mn 및 S 함량이 매우 높을 경우, 결정입계의 잔류액상 역시 Mn 및 S의 편석의 증가가 예상된다. 그 결과 Fe-MnS의 상태도에서와 같이 Lm 쪽의 액상은 MnS-FeS의 2상 유화물을 형성하고, MnS가 많은 Ls 액상은 편정반응이 촉진되어 관상의 편정 유화물[20]이 생성된 것으로 여겨진다.
초정 유화물로는 미세입상 단상 유화물, 수지상 응고조직의 구상 유화물, Fe 가 침투된 구상 유화물 및 유화물 슬래그가 관찰되었다. 그리고 2차상 유화물로는 사슬모양 유화물, 필름 또는 그물모양의 유화물, 미세한 알갱이의 유화물 군집체, 필름상의 FeS-MnS 2상 유화물, 봉상의 공정 유화물 및 관상의 편정 유화물이 관찰되었다.
나이탈 용액으로 고리모양 유화물의 중심부를 구성한 Fe를 용출시킨 결과, 광학현미경 조직에서 고리모양으로 관찰된 이 유화물은 직경 3-5 µm 이하의 파이프 또는 나팔모양의 관상 유화물로 확인되 었다.
유화물은 강의 기계적 성질과 밀접한 관계가 있으므로 유화물의 형태, 조성 및 편석을 제어하는 것은 제강이나 주조공정의 중요한 관리항목이다[1-8]. Sims 등[9,10]은 유화물 형태 분류에 대한 연구에서 Type I의 구상 유화물 또는 Type III의 다각형 유화물 보다 Type II의 필름상 또는 사슬모양의 유화물이 강의 기계적 성질에 훨씬 유해하다고 하였다.
유황(S)을 함유하는 강에 망간(Mn)이 첨가되면 어떻게 되는가?
유황(S)을 함유하는 강에 망간(Mn)이 첨가되면 저융점인 FeS 유화물의 생성은 억제되고 고융점인 MnS 유화물의 생성에 의한 유화물의 개량효과가 촉진된다[11,12]. 따라서 Mn은 강의 고온연성을 개선하는 유용한 합금원소이며, 최적의 Mn 첨가량, 즉 [Mn/S]비를 구하는 많은 연구들이 수행되었다[13-16].
진공아크로에서 [Mn/S]비가 각각 1, 5 및 70인 Fe-Mn-S3원계 합금의 단추모양 소형주괴를 제조를 통해 [Mn/S]비가 유화물 형태에 미치는 영향을 조사한 는?
1) 유화물의 미세조직 특성을 바탕으로 결정입내의 초정 유 화물과 결정입계의 2차상 유화물로 분류하였다. 초정 유화물로는 미세입상 단상 유화물, 수지상 응고조직의 구상 유화물, Fe 가 침투된 구상 유화물 및 유화물 슬래그가 관찰되었다. 그리고 2차상 유화물로는 사슬모양 유화물, 필름 또는 그물모양의 유화물, 미세한 알갱이의 유화물 군집체, 필름상의 FeS-MnS 2상 유화물, 봉상의 공정 유화물 및 관상의 편정 유화물이 관찰되었다.
2) [Mn/S]비가 1인 시편들의 합금조성이 Fe-Mn-S 3원 평형 상태도의 Fe 모서리쪽으로 이동하면 MnS-FeS 2상의 필름상 유화물만이 입계에서 관찰되었다. 시편의 합금조성이 FeMn-S 3원 평형 상태도의 공용간격으로 이동하면 수지상의 초정 구상 유화물과 유화물 슬래그가 생성되었고, 입계에서 MnS-FeS 2상의 필름상 유화물과 함께 관상의 편정 유화물이 동시에 관찰되었다.
3) [Mn/S]비가 5인 시편들의 합금조성이 Fe-Mn-S 3원 평형 상태도의 Fe 모서리쪽으로 이동하면 사슬모양의 유화물만이 입계에 생성되었다. 한편 시편들의 합금조성이 Fe-Mn-S 3원 평형 상태도의 공용간격으로 이동하면 수지상의 구상 유화물과 유화물 슬래그가 초정 유화물로 생성되고, 입계에서 봉상의 공정 유화물이 관찰되었다. 특히 Fe-Mn-S 3원 평형 상태도의 공용간격에서 Mn 및 S의 함량이 더욱 증가하면 Fe가 침투된 구상의 초정 유화물이 관찰되었다.
4) [Mn/S]비가 70인 시편 그룹의 경우, Fe-Mn-S 3원 평형 상태도의 Fe 모서리쪽으로 Mn 및 S의 함량이 모두 낮은 시편들은 입계에 사슬모양의 유화물만이 생성되었다. 한편 FeMn-S 3원 평형 상태도의 공용간격을 벗어나지만 Mn 및 S가 모두 증가하면 초정의 미세한 단상 유화물과 함께 미세한 알갱이의 유화물 군집체가 입계에서 관찰되었다. 감사의 글이 논문은 2007년도 부경대학교 연구년 교수 지원사업(PS2007-0012000200702200)에 의하여 연구되었음.
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