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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 Ni-base 초합금인 Inconel718 합금 소재를 공작기계나 터보 블로워의 주축소재로 사용할 때 고용화 열처리 후 시효처리 온도 및 시간을 변화 시켜 시효 열처리가 기계적 성질에 미치는 영향을 조사하여 열 변형을 최소화하면서 최적의 기계적 성질을 보이는 열처리 조건을 조사하였다.
제안 방법
- 1025℃에서 1 시간 동안 고용화 열처리 후 680℃, 700℃, 725℃, 750℃, 785℃에서 각 10 시간씩 시효 처리를 하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 2 단 시효에 의한 기계적 성질변화를 조사하기 위해 1025℃에서 고용화 열처리한 시료를 725℃에서 8 시간 시효 시킨 다음 55°C/h 로 620℃까지 냉각하여 이 온도에서 8 시간 유지 후 공냉 하였다.
- 열처리가 끝난 시료는 연마 및 정마 과정을 거친 후 HCl 15 ml + HNO3 10 ml + acetic acid 10 ml +glycerin 1 cc 의 용액에서 부식시킨 후 광학현미경 및 주사전자 현미경(FE-SEM Inspect F 50)을 이용하여 조직관찰 및 석출물의 EDX 분석을 수행하였다. 또한 열처리가 끝난 시험편은 시효온도 및 시효시간 경과에 따른 인장성질, 충격치, 경도변화 및 열 팽창수축 변화를 조사하였다. 인장 시험편은 2 mm 의 판재를 ASTM E8 규격으로 가공하여 열처리한 다음 인장시험기(Simatzu AG25TG)에서 crosshead speed 를 2 mm/min 으로 정하여 시험하였다.
- 이 소재는 VIM/ESR(진공유도용해/일랙트로스래그리멜팅)법 법에 의해 제조된 합금으로, 압연에 의해 2 mm 의 판재 및 12 mm 판재로 제조된 2 종류 판재를 시험편으로 사용하였다. 시험편의 열처리는 1025℃에서 1 시간 동안 고용화 처리한 다음 675℃~785℃의 범위에서 25℃간격으로 각각 5~40 시간 시효처리 하였다. 2 단 시효열처리는 1025℃에서 고용화 처리한 소재를 725℃에서 8 시간 시효 시킨 다음 55/h 로 620℃까지 냉각하여 8 시간 유지 후 공냉하였다.
- 열 팽창수축 실험은 시료를 3 mmΦ x 30 mm 로 가공하여 dilatometer(RB Model 401 DILPATS)를 이용하여 승온 및 냉각속도를 0.5 ℃/sec 로 정하여 상온에서 450℃까지 팽창수축을 측정하여 열팽창계수를 구하였다.
- 2 단 시효열처리는 1025℃에서 고용화 처리한 소재를 725℃에서 8 시간 시효 시킨 다음 55/h 로 620℃까지 냉각하여 8 시간 유지 후 공냉하였다. 열처리가 끝난 시료는 연마 및 정마 과정을 거친 후 HCl 15 ml + HNO3 10 ml + acetic acid 10 ml +glycerin 1 cc 의 용액에서 부식시킨 후 광학현미경 및 주사전자 현미경(FE-SEM Inspect F 50)을 이용하여 조직관찰 및 석출물의 EDX 분석을 수행하였다. 또한 열처리가 끝난 시험편은 시효온도 및 시효시간 경과에 따른 인장성질, 충격치, 경도변화 및 열 팽창수축 변화를 조사하였다.
- 또한 열처리가 끝난 시험편은 시효온도 및 시효시간 경과에 따른 인장성질, 충격치, 경도변화 및 열 팽창수축 변화를 조사하였다. 인장 시험편은 2 mm 의 판재를 ASTM E8 규격으로 가공하여 열처리한 다음 인장시험기(Simatzu AG25TG)에서 crosshead speed 를 2 mm/min 으로 정하여 시험하였다. 충격 시험편은 12 mm 판재를 KSD ISO 148-1 규격으로 가공하여 Charpy 충격 시험기를 이용하여 시험하였다.
대상 데이터
- 원 소재는 Ni-Cr-Fe 계의 초합금인 Inconel 718 합금으로 Table 1 에 원 소재의 화학조성을 나타내었다.
- 이 소재는 VIM/ESR(진공유도용해/일랙트로스래그리멜팅)법 법에 의해 제조된 합금으로, 압연에 의해 2 mm 의 판재 및 12 mm 판재로 제조된 2 종류 판재를 시험편으로 사용하였다. 시험편의 열처리는 1025℃에서 1 시간 동안 고용화 처리한 다음 675℃~785℃의 범위에서 25℃간격으로 각각 5~40 시간 시효처리 하였다.
- 인장 시험편은 2 mm 의 판재를 ASTM E8 규격으로 가공하여 열처리한 다음 인장시험기(Simatzu AG25TG)에서 crosshead speed 를 2 mm/min 으로 정하여 시험하였다. 충격 시험편은 12 mm 판재를 KSD ISO 148-1 규격으로 가공하여 Charpy 충격 시험기를 이용하여 시험하였다. 시효처리가 끝난 시험편은 마이크로 비커스 경도기(load : 1000 g)를 이용하여 경도를 측정하였다.
성능/효과
- 1) 고용화 열처리 후 존재하고 있었던 탄화물은 시효 시키면 조대화 되어 가공방향으로 길게늘어져 있었으며 725℃에서 장시간 시효 시키면 결정립이 조대화 되었다. 장시간 시효시킨 후 나타나는 석출물은 Nb 함량이 높은 탄화물과 Nb 과 Ti 함량이 높은 γ'상과 γ"상으로 밝혀졌다.
- 시효처리 온도가 상승 할수록 충격치는 급격히 감소하다가 725℃이상에서 약 105 J 로 거의 일정하게 나타났다. 10 시간 시효 시킬 때 충격치는 석출상의 종류에 크게 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있다.
- 2) 10 시간 시효 시킨 경우 시효 온도변화에 따른 강도 및 경도변화는 725℃에서 최대값을 나타내고 있었는데 이는 γ"상과 γ'상의 석출과 관련이 있다고 판단된다.
- 3) 10 시간 시효 시킨 경우 시효처리 온도상승에 따른 충격치 변화는 약 105 J 로 일정한 값을 보이고 있었지만, 725℃에서 시효시간이 경과할수록 충격치는 계속 감소하고 있었다. 이러한 충격치 감소원인은 시효시간이 길어지면 결정립 조대화와 함께 탄화물의 조대화로 인한 것으로 밝혀졌다.
- 4) Inconel 718 합금을 시효 시킨 후 열팽창 계수는 가열온도가 상승할수록 증가하며 150℃까지 가열하면 11.57~12.09 ㎛/m∙℃, 450℃까지 가열하면14.28~14.39 ㎛/m∙℃의 값을 나타내고 있었다.
- 5) 공작기계 및 터보 블로워 회전체로 사용되는 Inconel 718 합금의 주축을 비자성체인 γ'상의 석출로 강화시키기 위해서는 가급적 높은 온도로 시효 시키는 것이 바람직하며 시효 후 소재의 열팽창수축은 가열할 때보다 냉각할 때 더 많이 발생한다는 것을 고려하여야 한다.
- 8 은 고용화 열처리된 소재를 700℃~785℃의 범위에서 25℃간격으로 각각 10 시간시효처리 한 시료의 Charpy 충격치 변화를 나타낸 것이다. 시효처리 온도가 상승 할수록 충격치는 급격히 감소하다가 725℃이상에서 약 105 J 로 거의 일정하게 나타났다. 10 시간 시효 시킬 때 충격치는 석출상의 종류에 크게 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 이상의 열팽창수축 실험결과에서 공작기계 또는 터보 블로워에 사용되는 Inconel 718 합금의 주축소재는 가열할 때보다 냉각할 때에 더 많은 열변형을 받기 때문에 회전주축의 온도 상승이 되지 않도록 주의를 기울여야 할 것으로 판단된다.
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