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문제 정의
- 압연롤강의 취성파손원인 분석을 위하여 본 연구에서는 압연 롤강재와 S25C의 열처리온도에 따른 충격치 변화에 관하여 성분분석, 경도시험, 충격시험, 전자현미경에 의한 표면관찰, 거시적인 파면관찰 등 일련의 실험을 통한 연구를 실시, 그 결과를 정리하였다. 특히 충격시험은 재료의 연성(Ductility) 또는 인성(Toughness)의 크기를 판정하는데 매우 유용한 방법으로 널리 사용되고 있다(김훈 등, 1997; 박정용 등, 2000; 우창기 등, 1999; 이동환과 김형섭, 2008; Strnadel and Hausild.
제안 방법
- (b)은 S25C강을 650℃에서 템퍼링 처리한 충격파면으로 (a)과 비교하여 각각 14.2%와 11.2%씩 소성 변형하였다. 즉 (a)와 같이 소성변형이 심한 경우이다.
- Normal 압연롤강(NRS)은 모두 상온에서 충격시험과 경도시험을 실시하는데 사용하였다. Abnormal 압연롤강(ARS)의 6개 (AA1, AA3, BA1, BA3, CA1, CA3)는 상온에서 충격시험과 경도시험을 실시하는데 사용하였다. 나머지 5개는 S25C와 같은 조건으로 Table 3과 같은 템퍼링 온도 650℃, 550℃, 450℃에서 각각 1시간씩 템퍼링을 실시하여 온도에 따른 영향을 분석하였다.
- Abnormal 압연롤강(ARS)의 6개 (AA1, AA3, BA1, BA3, CA1, CA3)는 상온에서 충격시험과 경도시험을 실시하는데 사용하였다. 나머지 5개는 S25C와 같은 조건으로 Table 3과 같은 템퍼링 온도 650℃, 550℃, 450℃에서 각각 1시간씩 템퍼링을 실시하여 온도에 따른 영향을 분석하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 DW식 충격시험기(Instron Dynaup 9250HV)를 주로 사용하여 충격시험을 실시하고, 또 샤르피 충격시험기를 사용하여 두 시험기 사이의 충격치의 변화와 상관관계를 비교하였다.
대상 데이터
- 여기서 각 충격시험 중 S25C재는 제작이 용이하므로 예비시험에도 사용한 후 압연롤강과 같이 충격시험에 사용하였다. 미처리재는 구매된 S25C강의 미열처리 상태이며 충격시험편은 V형과 I형 별로 각 4개씩을 제작하여 사용하였다.
- 본 연구에서는 압연롤강과 S25C재를 사용하여 다음과 같은 연구를 수행하여 기초자료를 획득하였다.
성능/효과
- (1) 전통적인 충격 표준시험편인 V형 노치(R=0.25mm)보다 2배로 예민한 I형 노치(R=0.125mm)의 경우는 낮은 충격치에서 파절되는 경향이 우세하며, 자료의 분산도가 적었다. 따라서 균열선단이 예민한 피로균열에서는 더욱 낮은 충격에너지로 순간 적으로 취성파괴가 생길 가능성이 크다.
- (2) Charpy impact tester와 Drop weight impact testing M/C으로 얻은 충격에너지(Jch와 Jdw)는 S25C강만의 데이터로서 서로 좋은 상관관계를 나타내며 세가지 선형식으로 나타났다.
- (3) Normal Shell강재(12개)의 평균충격치는 35.5J이며, Abnormal Shell강재 (6개) 평균충격치는 18.0J이다. Normal Shell에 대한 Abnormal Shell강은 49.
- (4) Abnormal Shell재는 450℃에서 템퍼링 효과가 미미하지만, 550℃에서는 충격에너지가 상승하였고, 650℃에서는 252.5J로 매우 크게 상승하였다. 즉, 650℃에서 매우 큰 인성이 형성되므로 560℃ ~ 570℃ 근방에서 템퍼링 처리를 하여야 Normal Shell강의 평균충격치 35.
- (5) 충격치가 큰 시험편에는 Dimple파면이 주로 관찰되었고, 충격치가 낮은 시험편에는 벽개파면이 주로 관찰되었다. 거시적인 파면관찰에서도 충격치가 증가하면 시험편의 소성변형이 크게 되었고, 충격치가 낮아지면 변형이 거의 없었다.
- 4배 증가되었다. 450℃, 550℃ 및 650℃로 각각 템퍼링 처리하면 충격치가 증가되었으며 원소재에 비하여 크게 증가되는 경향을 나타내었다. 전통적인 충격 표준시험편인 V형 노치 (R=0.
- 9J이 얻어졌다. Abnormal 압연롤강의 충격 에너지가 S25C의 550℃템퍼링강의 12.7%에 해당하는 낮은 충격치에서 파괴됨을 알 수 있다.
- Abnormal 압연롤강재는 450℃에서는 템퍼링의 효과가 전연 생기지 않았고 550℃에서는 충격에너지가 43.9% 상승하였다. 그러나 650℃에서는 252.
- Normal 압연롤강재의 평균 충격치는 12개의 시험편으로 V형, I형을 평균하면 35.5J이 얻어졌다. 반면 Abnormal 압연롤강재의 평균 충격치는 6개 시험편으로 V형, I형을 평균하면 18J이 얻어져서 Normal 압연롤에 대한 Abnormal 압연롤강의 충격치는 49.
- Table 1에는 압연롤강재의 화학적인 성분 비율표를 나타내었다. 그 결과 Abnormal 압연롤강과 Normal shell강 사이의 성분 비율은 큰 차이가 없었다. Table 2는 S25C재의 화학적인 성분 비율표를 나타내었다.
- 5J 상승하였다. 따라서 650℃에서 충분한 인성이 형성되므로 최소한 560℃~570℃ 근방에서 템퍼링 처리를 하여야 Normal 압연롤강의 평균 충격치 35.5J에 해당하는 성질을 가질 수 있을 것으로 예상된다.
- 2가 얻어졌다. 반면 Abnormal 압연롤강재의 평균 경도치는 6개 시험편으로 평균하면 493.3이 얻어져서 Normal 압연롤에 대한 Abnormal 압연롤강의 경도치는 17.1% 차이가 있고 NRS보다 ARS가 경도가 큼을 알 수 있다. S25C재는 450℃와 550℃에서 적절한 템퍼링 온도에 해당되고 650℃는 경도치가 크게 감소하므로 템퍼링온도가 한계를 넘어선 온도임을 Fig.
- 5J이 얻어졌다. 반면 Abnormal 압연롤강재의 평균 충격치는 6개 시험편으로 V형, I형을 평균하면 18J이 얻어져서 Normal 압연롤에 대한 Abnormal 압연롤강의 충격치는 49.3%에 해당하는 낮은 값을 나타내었다. S25C재는 450℃와 550℃에서 적절한 템퍼링 온도에 해당되고 650℃는 충격인성이 크게 감소하므로 템퍼링온도가 한계를 넘어선 온도임을 Fig.
- 11의 SEM관찰시험편을 거시적인 파면으로 나타낸 것으로 연성이 매우 증가한 것을 잘 나타내고 있다. 즉 거시적인 파면에서 충격 칼날이 접촉하는 곳은 노치부에 비하여 22% 소성 변형하였고, 폭도 12.7% 변형하였다. 나타낸 것으로 연성이 매우 증가한 것을 잘 나타내고 있다.
- 이와 같이 경도치의 온도와 재질과의 관계는 충격에너지의 온도 및 재질과의 관계와 매우 유사함을 나타내었다. 즉 충격에너지가 큰 재료는 경도치가 낮았고, 충격에너지가 작은 재료는 경도치가 높은 경향을 나타내었다.
- 12는 AA3으로 표시된 Abnormal 압연롤강을 650℃, 1시간 템퍼링한 후 공냉시킨 Drop weight식 충격파면을 20배의 저배율로 7장의 SEM사진을 합성시킨 것이다. 충격에너지가 작용하므로 I형 노치의 끝단에서 균열이 형성 전파되면서 칼날(Knife edge)이 닿는 해머 타격부(Hammer impact region)는 큰 소성 변형을 일으키며 충격시편의 양끝에서 Shear lip이 크게 형성된 것이 관찰되었고 시편 전체에서 연성파괴가 크게 나타났다.
- 12의 ①영역의 경우이고, (b)는 (a)의 중앙 부분을 3000배 확대한 사진이다. 파면양상은 전체적으로 딤플 파면을 나타내었고 큰 배율의 파면에서는 부분적 파괴인성이 작은 취성을 나타내는 벽개파면도 관찰되었다.
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