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문제 정의
- 또한 보론이 입계에 편석되면 입계의 P편석도 감소시키며 입계강화 역할을 하기 때문에 Cr-Mo계의 균일경도 확보에 매우 유용하게 사용될 수 있다. 본 연구에서는 Cr-Mo를 기본으로한 prehardened 플라스틱 금형강에서 Cr, Mo, Ni , V 및 B첨가에 따른 조미니 특성, 연속냉각 변태특성, 기계적특성 및 미세조직의 변화를 조사하였다.
제안 방법
- CCT 곡선은 노멀라이징한 시편을3 mm × 10 mm 크기로 가공한 다음 열팽창계를 이용하여 냉각시 변태온도를 측정하였고, 이때 시편의 냉각속도는 0.05o C~10o C/sec로 하였으며, 냉각속도 별로 미세조직 관찰과 경도(Hv)를 측정하였고 PTA(particle tracking auto-radiography)[8-10]를 이용하여 보론을 검출하다.
- 5시간 템퍼링 하였다. 광학현미경 조직은 기계 연마후 나이탈로 부식하여 관찰하였고, 충격파단면은 SEM을 이용하였으며 템퍼링온도에 따른 미세조직은 투과전자현미경을 이용하여 관찰하였다.
- 균일한 경도와 적정한 기계적 특성을 갖는 금형소재 개발을 위하여 0.27~0.42%C-Cr-Mo계 금형강에 합금원소 및 보론를 첨가하여 합금성분 및 열처리 조건에 따른 미세조직 및 기계적 특성을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 봉상 시편은 균질화를 목적으로 900o C에서 1.5시간 유지한 후 노멀라이징 처리하였으며, 강의 경화능을 조사하기 위하여 조미니시험을 실시하였다.
- 시편은 진공유도용해(VIM)하여 50 kg 잉곳으로 주조한 다음, 70 × 70 × 120 mm 크기로 절단하였다.
- 인장시험은 표점거리 25 mm의 ASTM E-8 subsize의 환봉시편으로 가공한 다음 5 mm/min의 인장속도로 인장하여 인장강도, 항복강도 및 연신율을 구하였다. 경도는 로크웰 경도시험기(HRC)와 Vicker's 경도시험기(Hv)를 이용하여 측정하였으며, 충격시험은 ASTM E-23에 따라 10 × 10 × 55 mm 의 샤르피 충격시편(Charpy V-notch)으로 가공하여 상온에서 시험하였다.
- 템퍼링온도에 따른 기계적 특성변화를 조사하기 위하여 시편은 단조 후 노멀라이징 처리한 직경 35 mm 환봉을 AC3 온도(805o C) 이상인 860o C에서1.5시간 유지 후 칭하고 200~600o C 온도 범위에서 1.5시간 템퍼링 하였다.
- 1는 A, B 및 C 시편의 경화능 조사 결과이며, 수냉 끝단으로부터 50 mm 거리까지의 경도 (HRC)를 나타낸 것이다. 표면부 최대경도와 50 mm 위치의 경도차(∆H)을 각각의 강종에 대한 경화능으로 판단하였다. 합금원소 첨가량이 많고 보론이 첨가된은 B, C 강의 ∆H 값은 5.
대상 데이터
- 본 연구에 사용한 강은 0.27~0.42%C-Cr-Mo계로 화학성분은 Table 1과 같으며 보론을 첨가시키지 않은 중탄소계 A강과 보론을 첨가시킨 저탄소계 B 및 C강을 제조하였다. 시편은 진공유도용해(VIM)하여 50 kg 잉곳으로 주조한 다음, 70 × 70 × 120 mm 크기로 절단하였다.
이론/모형
- 경도는 로크웰 경도시험기(HRC)와 Vicker's 경도시험기(Hv)를 이용하여 측정하였으며, 충격시험은 ASTM E-23에 따라 10 × 10 × 55 mm 의 샤르피 충격시편(Charpy V-notch)으로 가공하여 상온에서 시험하였다.
성능/효과
- 1. 경화능은 합금원소 첨가량이 증가함에 따라 향상되는 경향을 나타내었으며, 보론 첨가는 경화능 개선에 기여하지만 B 및 C강의 경우는 합금원소(Mn, Cr, Mo, V, Ni)의 첨가량이 많아 그 효과는 미약하였다.
- 2. 0.27C-1.23Cr-0.28Mo-B계 금형강에서 full bainite 조직이 되는 임계 냉각 속도는 0.5℃/sec이었다.
- 200o C 템퍼링시 미세조직은 합금조성에 따라 마르텐사이트의 형상과 크기에 다소 차이는 있지만 대부분 래스 마르텐 사이트 조직으로 되어 있고, 템퍼링 온도가 상승함에 따라 마르텐사이트가 분해되면서 템퍼드 마르텐사이트 또는 페라이트조직으로 변화되는 양상을 보였다.
- 3. 조미니 시편에서 보론 분포 조사결과 40 ppm 수준의 보론를 첨가하면 보론은 입내 및 입계에 분포하며 입계에 석출된 형태도 관찰되었다.
- 7에 비하여 낮은 값을 나타내고 있다. 3개 강종에 대한 이상임계 직경(Di)를 비교해보면 Di 값이 커질수록 경도차(∆H)가 감소되는 특징을 나타내었다.
- 5. 경도와 강도는 템퍼링 온도가 상승함에 따라 감소하고 연신율과 단면감소율은 증가하는 경향을 나타내었다. 반면에 충격에너지는 400℃에서 템퍼취성현상으로 가장 낮은 값을 보였다.
- 9에 나타난 바와 같이 대부분 강종에서 충격에너지는 400℃에서 템퍼링한 경우가 가장 낮은 값을 나타내었으며, 600℃에서는 현저히 상승하였다. 600℃에서 템퍼링한 B 시편의 충격에너지는 각각 88.9 J로서 비교적 우수하였으며, A와 C시편은 각각 64.7 J과 76.0 J를 나타내었다. 퀜칭한 강을 템퍼링할 경우 250~400℃의 온도범위에서 충격치가 낮아지며, 이 온도범위는 평면변형파괴인성(KIC) 값이 저하되는 현상이 관찰되는 영역으로서 이 영역의 취화현상을 저온템퍼취성 또는 350℃ 취성이라 한다.
- 그런데 합금원소 첨가량이 증가할수록 Ms 온도가 저하되므로 B 강종보다 C강종은 잔류오스테나이트량도 증가될 것이다. 따라서 본 강종에서 템퍼취성의 원인 중 하나인 잔류오스테나이트의 분해에 의한 탄화물설이 유력하다는 사실을 시사해 준다.
- 본 강종의 칭시 경도는 46~54 HRC 범위이었는데, 200o C에서 템퍼링한 경우 45~50 HRC로 약간 감소하였다.
- 파괴기구는 시편에 충격하중이 가해지면 래스사이에 있는 시멘타이트에 최초로 균열이 발생하며, 마르텐사이트의 패킷과 평행한 결정면에서 균열이 발생한다고 하였다. 본 연구에서도 B 강종에 대한 Scanning TEM 사진(Fig. 7)에서 볼 수 있듯이 퀜칭상태에서는 마르텐사이트 래스 경계에 필름상의 잔류오스테나이트가 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 그런데 합금원소 첨가량이 증가할수록 Ms 온도가 저하되므로 B 강종보다 C강종은 잔류오스테나이트량도 증가될 것이다.
- 즉 보론이 γ입계에 고용상태로 편석하면 변태는 억제되지만, 보론이석출물을 형성하면 보론의 효과가 현저히 감소한다.
- 템퍼링온도의 상승에 따라 인장감소는 감소되는 추세이지만 항복강도의 경우는 400o C 템퍼링에서 200o C와 유사한 특징을 나타내다가 600o C 템퍼링에서 크게 감소되는 특징을 나타내었으며, C강종의 경우는 400℃ 템퍼링에서 연신률과 단면감소율의 감소가 확인되었는데 이러한 현상은 고강도강에서의 흔히 나타나는 템퍼취성과 연관성이 있다.
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