[논문]중탄소 고망간강의 합금원소와 열처리 조건이 미세조직과 기계적 특성에 미치는 영향

이동수; 박현균

doi:10.12656/jksht.2010.23.6.338

중탄소 고망간강의 합금원소와 열처리 조건이 미세조직과 기계적 특성에 미치는 영향
Effect of Alloying Elements and Heat Treatment on the Microstructures and Mechanical Properties of Medium Carbon High Manganese Steels 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.23 no.6, 2010년, pp.338 - 343

이동수 (한국산업기술대학교 신소재공학과) , 박현균 (한국산업기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Mechanical properties and microstructures of medium carbon high manganese steels were investigated in terms of alloying elements such as Mn, C contents, and heat treatment condition. Austenite volume fraction was increased with increasing Mn content, leading to hardness decrease in the range of Mn content of above 10% after quenching and tempering. Such results are also supported by microstructural analysis and X-ray diffraction in that the increase in mangaese content results in the increase in austenite fraction. Studies on tempering condition indicated that not only hardness and tensile strength but also charpy impact values were reduced as tempering temperature were raised in the range of $250^{\circ}C$ to $600^{\circ}C$. It was also observed that fracture mode was changed from dimple to intergranular fracture. Such results are thought to be due to very fine carbide precipitation or impurity segreagation at grain boundaries as tempering temperature goes up. Heat treatment of Fe-5Mn-2Si-1Al-0.4C can be optimized by austenitizing at $850^{\circ}C$, air cooling and tempering at $250^{\circ}C$, resulting in 1950 MPa in Tensile strength, 17% in elongation and 23.3 $J/cm^2$ in charpy impact energy with high work hardening characteristics.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 Si도 C과 복합적인 상호관계로 결정립 미세화에 영향이 있다고 밝히고 있다[7]. 따라서 마르텐사이트계 중탄소 고망간강의 이러한 특성을 이용하여 유압브레이커 치즐 전용소재의 제조 가능성에 대한 기초자료를 얻고자 본 연구를 행하였다.
8 wt%) 수준으로 올리면서 망간강의 우수한 특성을 구현할 수 있는 중탄소 고망간강의 개발에 많은 관심이 집중되고 있으며 보다 높은 인성을 갖기 위한 합금원소를 첨가한 소재의 연구가 많이 행해지고 있다[3-5]. 본 연구에서는 Mn, Si 및 Al를 첨가한 마르텐사이트 조직의 중탄소 고망간강을 제조하여 유압브레이커와 같이 고강도 고인성이 필요한 분야의 소재 개발을 위한 연구를 진행하였다. 합금원소의 첨가량은 충분한 내마모성과 고강도를 얻기 위하여 중 탄소 범위 0.
본 연구에서는 마르텐사이트 계 중탄소 고망간강의 C과 Mn 함량변화에 따른 기계적 특성, 미세조직 그리고 열처리 특성 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

현재 유압브레이커 치즐에 사용되고 있는 범용기계 구조용강인 SCM440의 기계적 특성은 Table 4와 같다. SCM440의 기계적 특성과 비교하여 B2시편의 경우, 경도는 만족할만한 수준이지만 Mn의 함량이 7%의 많은 Mn함량이 첨가되어 퀜칭 균열이나 균열을 유발시키므로 유압브레이커 치즐의 소재의 기계적 성질에 만족할만하다고 판단되는 B1소재를 선택하여 템퍼링 온도를 변화를 주어 열처리를 행하였다. B1 조성의 Ms 온도를 식 (1)를 통하여 계산해보면 167°C이다[8].
현재 합금강의 Ms와 Md를 예측하는 계산식은 많이 발표되었지만 이는 저합금강을 기초로 만들어진 예측식들이기 때문에 본 연구에서처럼 다량의 Mn을 첨가한 합금강에서는 정확도면에서 신뢰성이 떨어져 사용할 수 없다. 따라서 C과 Mn 함량을 조절하여 Table 1과 같은 합금원소를 첨가된 시편을 제조 후, 동일 한 조건에서 열처리하여 미세조직 및 경도값의 변화를 관찰하였다.
Table 1에서 보여주는 바와 같이 A1~A5와 B1, B2는 주로 Mn 함량의 변화를 주었으며 A1, B1 및 C1은 탄소함량에 따른 특성을 관찰하기 위하여 C 함량의 변화를 주었다. 또한 Si 및 Al의 함량은 각각 2 wt% 및 1 wt%로 고정하였다. 예비시험 후 결과가 가장 우수한 특성을 보인 B1 조성에 대해서는 진공 유도 용해(VIM)를 이용하여 slab 형태의 25 kg의 잉고트를 제조하였으며 화학 성분을 분석한 결과를 Table 2에서 보여주고 있다.
열처리 조건에 따른 기계적 특성을 평가하기 위하여 로크웰 경도 시험기를 사용하여 경도값을 측정하였으며, 상온에서 V-notch 샤르피 충격시편으로 충격시험을 실시하였다. 또한 인장 시험하여 인장강도, 연신율을 측정하였다.
합금성분에 따른 상변화를 관찰하기 위하여 X-ray 회절 분석을 실시하였으며, 열처리조건에 따른 미세조직, 기계적 특성 그리고 파단거동의 변화를 알아보기 위하여 샤르피 충격시험 후 파단된 충격 시험편의 한쪽을 반을 절단하여 미세조직을 광학현미경으로 관찰하였다. 또한 파단 현상을 알아보기 위하여 시험편의 파단부는 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰하였다.
열처리 조건에 따른 기계적 특성을 평가하기 위하여 로크웰 경도 시험기를 사용하여 경도값을 측정하였으며, 상온에서 V-notch 샤르피 충격시편으로 충격시험을 실시하였다. 또한 인장 시험하여 인장강도, 연신율을 측정하였다.
제작된 판재형의 잉고트는 두께 70 mm로 15 mm두께까지 1200°C로 열간압연 하였는데 제조된 판재의 기계가공성이 좋지 않아 가공성 향상을 위하여 구상화 열처리를 하였으며 열처리 조건은 1050°C에서 60 min 유지 후 공냉하고 다시 700°C에서 12 h 유지 후 로냉하였다. 이런 공정을거친 판재로부터 KS규격인 3 mm 두께의 13B 인장시편과 표준 사르피 V-notch 충격시편을 제작하였다. 템퍼링온도에 따른 기계적인 평가를 하기 위하여 Table 3과 같이 템퍼링 온도에 변화를 주어 열처리하였으며 열처리한 인장시편과 충격시편은 시험 전 다시 2000번 연마지로 산화된 표면을 깨끗이 연마하였다.
제작된 판재형의 잉고트는 두께 70 mm로 15 mm두께까지 1200°C로 열간압연 하였는데 제조된 판재의 기계가공성이 좋지 않아 가공성 향상을 위하여 구상화 열처리를 하였으며 열처리 조건은 1050°C에서 60 min 유지 후 공냉하고 다시 700°C에서 12 h 유지 후 로냉하였다.
이런 공정을거친 판재로부터 KS규격인 3 mm 두께의 13B 인장시편과 표준 사르피 V-notch 충격시편을 제작하였다. 템퍼링온도에 따른 기계적인 평가를 하기 위하여 Table 3과 같이 템퍼링 온도에 변화를 주어 열처리하였으며 열처리한 인장시편과 충격시편은 시험 전 다시 2000번 연마지로 산화된 표면을 깨끗이 연마하였다.
합금성분에 따른 상변화를 관찰하기 위하여 X-ray 회절 분석을 실시하였으며, 열처리조건에 따른 미세조직, 기계적 특성 그리고 파단거동의 변화를 알아보기 위하여 샤르피 충격시험 후 파단된 충격 시험편의 한쪽을 반을 절단하여 미세조직을 광학현미경으로 관찰하였다. 또한 파단 현상을 알아보기 위하여 시험편의 파단부는 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰하였다.
본 연구에서는 Mn, Si 및 Al를 첨가한 마르텐사이트 조직의 중탄소 고망간강을 제조하여 유압브레이커와 같이 고강도 고인성이 필요한 분야의 소재 개발을 위한 연구를 진행하였다. 합금원소의 첨가량은 충분한 내마모성과 고강도를 얻기 위하여 중 탄소 범위 0.3~0.5 wt%의 C을 첨가시키고, 인장강도와 기지인성을 증가시키기 위하여 Si은 2 wt%, Al은 1 wt% 첨가시켰다. Al은 결정립을 미세화 시켜 충격값을 증가시키는 원소로써 1 w% 이상 첨가한 경우, 인장강도는 감소되지만 결정립 미세화로 충격값은 증가되는 것으로 보고하였다[6].

대상 데이터

중탄소 고망간강에서 합금원소인 C, Mn 함량에 따른 기본적인 고망간강의 조직과 기계적 성질을 파악하고자, 순 Fe, Mn, Si, Al 및 탄소원으로서 주철을 사용하여 여러 조성을 갖는 대략 5 g 중량의 시편을 진공 아크 용해로(VAR)을 이용하여 Ar 분위기하에서 제조하였다. 이 후 성분 균질화을 위하여 추가로 3회 재용해하였다.

성능/효과

2. Fe-5Mn-2Si-1Al-0.4C 강은 자경성이 있는 소재이며 용체화처리 후 템퍼링온도에 따라 충격값이 크게 변하였다. 템퍼링 온도가 증가함에 따라 경도, 인장강도, 연신율의 감소뿐만 아니라 충격값도 현저하게 감소하였다.
3. 본 소재에 대한 최적 열처리조건은 850°C에서 용체화처리를 한 후 공냉하고 250°C에서 템퍼링하는 것으로서 인장강도 199 kgf/mm2, 경도 52 HRC, 연신율 17% 및 충격값 23 J/cm2 의 우수한 기계적 성질을 얻을 수 있었다.
제작된 시편은 대기분위기 에서 1050°C에서 1시간 유지 후에 공냉한 후 200°C에서 1시간 템퍼링하였으며 이들의 목표성분은 Table 1과 같다. 또한 용해중의 탄소손실을 우려하여 제조된 시편을 C, S 분석을 해본결과 탄소함량이 목표성분과 동일함을 확인하였다. Table 1에서 보여주는 바와 같이 A1~A5와 B1, B2는 주로 Mn 함량의 변화를 주었으며 A1, B1 및 C1은 탄소함량에 따른 특성을 관찰하기 위하여 C 함량의 변화를 주었다.
좀 더 명확한 상분석을 위한 XRD 패턴인 Fig. 2를 보면 망간함량이 증가함에 따라 abcc(bcc-martensite)의 회절강도는 감소한 반면 γfcc(austenite)의 회절강도는 뚜렷이 증가하였다.
그림에서 볼 수 있듯이 항복강도는 500 Mpa인데 반해 인장강도는 1950 Mpa으로 항복강도 이후 급격하게 가공경화 현상이 일어나는 것을 볼 수 있으며 이러한 결과는 국부적인 반복하중을 받는 유압브레이커 치즐에 약간의 마모가 일어나면 마모된 부위의 경도 증가로 인해 급격히 내마모성이 향상됨을 의미한다. 지금까지의 실험결과에 기반하여 판단해보면 마르텐사이트계 Fe-5Mn-2Si1Al-0.4C강은 본 연구의 열처리 조건 중에 하나인 용체화처리온도 850oC, 템퍼링온도 250oC에서 건설기계부품용 전용소재인 SCM440보다 전체적으로 높은 기계적 특성을 나타내었지만 충격값은 비슷한 결과를 나타내었다. 따라서 고망간강의 높은 가공경화성과 경화능을 바탕으로 유압브레이커 치즐의 전용소재로 사용하기 위한 열처리 방법과 첨가 합금원소의연구가 보다 진행된다면 좀 더 낮은 가격으로 좋은품질의 유압브레이커 치즐의 전용소재가 개발될 것이라 생각된다.
4C 강은 자경성이 있는 소재이며 용체화처리 후 템퍼링온도에 따라 충격값이 크게 변하였다. 템퍼링 온도가 증가함에 따라 경도, 인장강도, 연신율의 감소뿐만 아니라 충격값도 현저하게 감소하였다. 이러한 현상은 SEM 관찰에서 파괴형태가 딤플형태에서 입계파괴형상으로 변해감을 알 수 있었으며, 이는 템퍼링 온도의 증가에 따라 입계 탄화물의 석출 또는 불순물의 입계편석에 기인한 것으로 추정된다.

후속연구

4C강은 본 연구의 열처리 조건 중에 하나인 용체화처리온도 850oC, 템퍼링온도 250oC에서 건설기계부품용 전용소재인 SCM440보다 전체적으로 높은 기계적 특성을 나타내었지만 충격값은 비슷한 결과를 나타내었다. 따라서 고망간강의 높은 가공경화성과 경화능을 바탕으로 유압브레이커 치즐의 전용소재로 사용하기 위한 열처리 방법과 첨가 합금원소의연구가 보다 진행된다면 좀 더 낮은 가격으로 좋은품질의 유압브레이커 치즐의 전용소재가 개발될 것이라 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중탄소 고망간강 제조시 Al첨가가 미치는 영향은?	5 wt%의 C을 첨가시키고, 인장강도와 기지인성을 증가시키기 위하여 Si은 2 wt%, Al은 1 wt% 첨가시켰다. Al은 결정립을 미세화 시켜 충격값을 증가시키는 원소로써 1 w% 이상 첨가한 경우, 인장강도는 감소되지만 결정립 미세화로 충격값은 증가되는 것으로 보고하였다[6]. 또한 Si도 C과 복합적인 상호관계로 결정립 미세화에 영향이 있다고 밝히고 있다[7].
	고탄소 고망간강이란?	해외 및 국내에서는 이러한 단점을 보완하기 위해서 비교적 저가인 Mn을 다량 함유한 망간계 전용 소재에 대한 연구가 많이 행해지고 있다[1, 2]. Hadfield 강으로 대표되는 고탄소 고망간강은 탄소가1.0~1.4%, 망간이 10~14% 정도 함유된 내마모강으로서 가공경화성, 인성 등의 우수한 성질을 가지고있으나, 압연재와 같은 성형상태에서는 입계에 탄화물이 석출하여 기계적 성질이 저하하므로 균질화처리 후 수인처리(water toughening)를 행하여 사용하고 있으나 수인처리를 한 경우라도 제조과정에서나 사용 중의 마찰에 의해서 약 260°C 이상으로 가열되면 입계 및 입내에 탄화물이 석출되어 기계적 성질이 저하하므로 기계부품에의 사용이 제한되고 있다. Mn 함량을 15~30% 수준으로 올리면서 탄소를 거의 함유하지 않은 저탄소 고망간강(TRIP 또는 TWIP 강)은 연신율이 95%에 이를 정도로 성형성이 우수하고 가공경화성도 우수하나 인장강도가 65 Kg/mm2 수준이어서 자동차 외판용 소재로서는 아주 우수하나 유압브레이커 치즐 소재로는 강도가 부족한 수준이다.
	고탄소 고망간강이 수인처리를 하더라도 기계부품 사용에 제한되는 이유는?	0~1.4%, 망간이 10~14% 정도 함유된 내마모강으로서 가공경화성, 인성 등의 우수한 성질을 가지고있으나, 압연재와 같은 성형상태에서는 입계에 탄화물이 석출하여 기계적 성질이 저하하므로 균질화처리 후 수인처리(water toughening)를 행하여 사용하고 있으나 수인처리를 한 경우라도 제조과정에서나 사용 중의 마찰에 의해서 약 260°C 이상으로 가열되면 입계 및 입내에 탄화물이 석출되어 기계적 성질이 저하하므로 기계부품에의 사용이 제한되고 있다. Mn 함량을 15~30% 수준으로 올리면서 탄소를 거의 함유하지 않은 저탄소 고망간강(TRIP 또는 TWIP 강)은 연신율이 95%에 이를 정도로 성형성이 우수하고 가공경화성도 우수하나 인장강도가 65 Kg/mm2 수준이어서 자동차 외판용 소재로서는 아주 우수하나 유압브레이커 치즐 소재로는 강도가 부족한 수준이다.

참고문헌 (11)

G.G. Chin, S.G. Kim, S.K. Kim and I.R. Sohn : Tre Met. Mater. Eng. 19, (2006) 12.
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H. Kwon and C.H. Kim : Metall. Trans., A, 17A (1986) 1173.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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