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문제 정의
- 그러나 개량형 C95600 청동의 기계적 성질 및 미세조직에 미치는 열처리의 영향에 관한 연구보고가 거의 전무한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 개량형 C95600 청동을 원심주조하여 중공 파이프 형태로 제작하고, 이 원심주조재로부터 채취한 시편을 퀜칭 열처리하여 기계적 성질, 브리넬 경도 및 미세조직에 미치는 퀜칭 조건의 영향을 조사하고자 한다.
- 5에 표시되어 있는 바와 같이 템퍼링을 실시한 시편의 인장강도 및 브리넬 경도가 오일 퀜칭한 시편의 그것보다 거의 변화되지 않고 있다. 이에 대한 원인을 템퍼링에 따른 미세조직 변화와 연관시켜 규명하고자 한다. Fig.
제안 방법
- 한편, 열처리가 완료된 소형 시편은 두께 방향으로 약 절반되는 위치를 시편의 두께 방향에 대하여 수직방향으로 고속회전 절단기를 사용하여 냉각수를 분사시키면서 절단하였다. 2개로 절단된 한쪽의 절단면은 연마 및 정마하여 브리넬 경도(대경 테크, DTB-500)를 측정하였으며, 사용한 압자는 직경 10mm의 강구이고, 적용한 하중은 3000kg, 하중 시간은 15s 이었다. 한 개의 시편당 4 군데 위치에 대하여 브리넬 경도를 측정하였다.
- 개량형 C95600 원심주조재를 항온 유지 후 유냉한 퀜칭의 경우, 기계적 성질 및 브리넬 경도 변화에 미치는 열처리 온도 및 항온 유지시간의 영향을 다음과 같은 방법으로 조사하였다. 열처리 온도 500℃에서 항온 유지시간을 1h부터 48h까지 각각 변화시킨 후 퀜칭한 시편의 브리넬 경도 변화를 Fig.
- 광학 현미경 조직관찰을 위해 정마된 시편을 FeCl3· 6H2O 20g, HCl 20mL, 메틸알콜 100mL의 혼합용액으로 부식한 후, 광학현미경(Nikon, LV-150)으로 배율 500배 및 1000배로 미세조직을 관찰하였다.
- 그리고 850℃에서 5h 동안 항온 유지 후 공기 중에서 냉각하는 노말라이징 및 노중에서 냉각하는 어닐링을 한 각각의 시편에 대하여 브리넬 경도를 측정하여 퀜칭한 시편의 브리넬 경도와 비교하였다. Fig.
- 광학 현미경 조직관찰을 위해 정마된 시편을 FeCl3· 6H2O 20g, HCl 20mL, 메틸알콜 100mL의 혼합용액으로 부식한 후, 광학현미경(Nikon, LV-150)으로 배율 500배 및 1000배로 미세조직을 관찰하였다. 그리고 열처리된 일부의 시편에 대해서는 SEM(Pescan, Vega2-LSU) 및 EDX(Horiba, 6074H)로 미소영역에 대한 조성 성분을 분석하였다.
- 항온 유지 온도는 500, 700, 800, 850 및 900℃ 이며, 항온유지 시간은 500℃의 경우 최소 1h로부터 최대 48h, 그 외의 온도에서는 최소 1h로부터 최대 12h로 항온유지시간을 변화시켰다. 그리고 템퍼링 열처리의 효과를 조사하기 위하여 850℃에서 5h 동안 유지한 후 유냉한 다음, 500℃에서 주어진 열처리 시간동안 유지한 후 유냉하였다. 그리고 노말라이징 및 어닐링의 영향을 조사하기 위하여 850℃에서 5h 동안 유지한 후 각각 공냉 및 노냉하였다.
- 한편, 퀜칭 후에는 인성을 부여하기 위해 약간의 고온에서 템퍼링을 실시하는 것이 일반적인 열처리 공정이다. 따라서 본 연구에서도 개량형 C95600 청동의 원심주조재에 대한 템퍼링 효과를 조사하고자 850℃에서 5h 동안 항온유지 후 오일 퀜칭한 후 이것을 다시 500℃에서 6h부터 24h까지 각각의 시간 동안 항온 유지한 후 오일 퀜칭하였다. 템퍼링 시간과 인장강도, 연신율 및 브리넬 경도와의 관계를 Fig.
- 또한, 원심주조재의 일부분을 가공하여 가로 약 30mm×세로 약30mm×두께 약 25mm의 소형 시편도 다량 제작하였으며, 소형 시편은 열처리 조건이 미세조직 및 경도에 미치는 영향을 조사하는 시편용으로 사용하였다.
- 본 연구는 C95600 화학적 조성에 중량비 0.7%의 Fe가 첨가된 Cu-7Al-2.5Si-0.7Fe 조성의 개량형 C95600 원심주조 청동주물에 대하여 기계적 성질 및 브리넬 경도에 미치는 열처리 조건의 영향을 조사하였으며, 미세조직 변화와 기계적 성질과의 연관성도 해석하여 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 퀜칭 온도가 증가할수록 인장강도 및 브리넬 경도는 증가하지만 신율은 감소하며, 각각의 퀜칭 온도에서 항온 유지시간은 기계적 성질 및 브리넬 경도에 영향을 미치지 않는다.
- 원통형의 원심주조재를 절단하여 인장시험편 제작용으로 직경 25mm×길이 260mm의 환봉으로 가공하였다.
- 인장시험(Shimadzu, UH-F500KNI)시 크로스헤드부의 이동속도는 10mm/min 이었다. 주어진 열처리조건에 대하여 사용한 인장시험편의 수는 3개를 기준으로 하였으며, 인장시험으로부터 각각의 인장시편에 대한 최대인장강도 및 연신율을 측정하였다. 한편, 열처리가 완료된 소형 시편은 두께 방향으로 약 절반되는 위치를 시편의 두께 방향에 대하여 수직방향으로 고속회전 절단기를 사용하여 냉각수를 분사시키면서 절단하였다.
- 주조재의 화학적 조성을 목표로 하는 화학적 조성이 되도록 순동을 비롯한 각각의 금속을 평량하고, 고주파 용해로에 장입하여 용해한 후에 수평형의 원심주조법으로 주조하였다. 원심주조용의 원통형의 주형은 회전속도가 1200rpm이고, 주형의 외벽은 주조과정 중 물탱크 속에 침지되어 있으며 순환수에 의해 수냉된다.
- 직경 25mm×길이 260mm의 환봉들을 미세조직 및 경도시험용의 소형 시편에 적용한 열처리 조건과 같은 방법으로 퀜칭 열처리하였고, 일부는 템퍼링도 추가하였다.
- 2개로 절단된 한쪽의 절단면은 연마 및 정마하여 브리넬 경도(대경 테크, DTB-500)를 측정하였으며, 사용한 압자는 직경 10mm의 강구이고, 적용한 하중은 3000kg, 하중 시간은 15s 이었다. 한 개의 시편당 4 군데 위치에 대하여 브리넬 경도를 측정하였다.
- 한편, 열처리된 소형 시편을 절단하여 비커스 경도 측정용으로 사용하고 남은 반쪽의 시편의 절단면을 에머리 페이퍼 연마하고, 직경 3μm의 다이야몬드 페이스트로 정마한 후 직경 1μm의 다이야몬드 페이스트를 사용한 정마를 추가하여 평탄한 거울면을 얻었다.
- 소형 시편을 열처리 온도±2℃의 일정한 온도로 제어되고 있는 전기로에 장입한 후, 주어진 시간동안 항온 유지한 다음 시편을 유냉으로 퀜칭하였다. 항온 유지 온도는 500, 700, 800, 850 및 900℃ 이며, 항온유지 시간은 500℃의 경우 최소 1h로부터 최대 48h, 그 외의 온도에서는 최소 1h로부터 최대 12h로 항온유지시간을 변화시켰다. 그리고 템퍼링 열처리의 효과를 조사하기 위하여 850℃에서 5h 동안 유지한 후 유냉한 다음, 500℃에서 주어진 열처리 시간동안 유지한 후 유냉하였다.
대상 데이터
- 열처리한 환봉을 KS 규격 10호의 인장시험편으로 기계 가공하였으며, 인장시험편의 표점부 직경은 12.5mm, 표점거리 50mm, 평행부의 길이 60mm 이다. 인장시험(Shimadzu, UH-F500KNI)시 크로스헤드부의 이동속도는 10mm/min 이었다.
- 제작된 원심주조재의 형태는 외경 370mm×내경 310mm×길이 540mm의 원통이며, 화학적 조성은 Table 1과 같다.
성능/효과
- 7Fe 조성의 개량형 C95600 원심주조 청동주물에 대하여 기계적 성질 및 브리넬 경도에 미치는 열처리 조건의 영향을 조사하였으며, 미세조직 변화와 기계적 성질과의 연관성도 해석하여 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 퀜칭 온도가 증가할수록 인장강도 및 브리넬 경도는 증가하지만 신율은 감소하며, 각각의 퀜칭 온도에서 항온 유지시간은 기계적 성질 및 브리넬 경도에 영향을 미치지 않는다. (2) 700℃에서부터 900℃까지의 퀜칭 온도범위에서 퀜칭 온도와인장강도와의 관계가 다음과 같은 식으로 표시된다.
- (4) 퀜칭된 시편의 미세조직은 α +β′ +FeSi +κ 의 4 종류의 혼합상으로 구성되며, 퀜칭 온도가 고온이 될수록 β′ 상의 분율이 증가한다.
- (5) 850℃에서 5h 동안 유지하고 오일 퀜칭한 후 500℃에서 템퍼링을 하는 경우, 기계적 성질 및 브리넬 경도가 템퍼링 시간 변화에는 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 퀜칭 후 템퍼링을 실시하여도 퀜칭 상태에 대한 기계적 성질 및 브리넬 경도가 거의 변화되지 않는 원인은 β′ 상이 소멸하는 대신에 α +γ 의 혼합상이 석출하기 때문인 것으로 해석된다.
- 따라서 C95600 청동에 첨가된 Fe 성분은 FeSi상을 생성시키고, 미세하고 균일하게 생성되어 있는 FeSi상은 템퍼링 과정에서 γ상의 석출을 향상시키는 역할을 함과 동시에 석출 γ상의 크기도 미세하게 하여 최종적으로는 γ상에 의한 석출강화의 효과를 증가시키는 것으로 생각할 수 있다.
- 따라서 퀜칭 온도가 고온일수록 β′상 생성량이 증가하며, 이에 따라 Fig. 3에 표시되어 있는 것과 같이 퀜칭 온도가 증가할수록 인장강도 및 브리넬 경도도 증가함을 알 수 있다.
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