[논문]Fe-20Mn-12Cr-1Cu 제진합금의 고온가스 질화처리

성지현; 김영희; 성장현; 강창룡

doi:10.12656/jksht.2013.26.3.105

[국내논문] Fe-20Mn-12Cr-1Cu 제진합금의 고온가스 질화처리
High Temperature Gas Nitriding of Fe-20Mn-12Cr-1Cu Damping Alloy 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.26 no.3, 2013년, pp.105 - 112

성지현 (대구기계부품연구원) , 김영희 (동아대학교 클러스터사업단) , 성장현 (동아대학교 클러스터사업단) , 강창룡 (부경대학교 금속공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The microstructural changes of Fe-20Mn-12Cr-1Cu alloy have been studied during high temperature gas nitriding (HTGN) at the range of $1000^{\circ}C{\sim}1150^{\circ}C$ in an atmosphere of nitrogen gas. The mixed microstructure of austenite and ${\varepsilon}$-martensite of as-received alloy was changed to austenite single phase after HTGN treatment at the nitrogen-permeated surface layer, however the interior region that was not affected nitrogen permeation remained the structure of austenite and ${\varepsilon}$-martensite. With raising the HTGN treatment temperature, the concentration and permeation depth of nitrogen, which is known as the austenite stabilizing element, were increased. Accordingly, the depth of austenite single phase region was increased. The outmost surface of HTGN treated alloy at $1000^{\circ}C$ appeared Cr nitride. And this was in good agreement with the thermodynamically calculated phase diagram. The grain growth was delayed after HTGN treatment temperature ranges of $1000^{\circ}C{\sim}1100^{\circ}C$ due to the grain boundary precipitates. For the HTGN treatment temperature of $1150^{\circ}C$, the fine grain region was shown at the near surface due to the grain boundary precipitates, however, owing to the depletion of grain boundary precipitates, coarse grain was appeared at the depth far from the surface. This depletion may come from the strong affinity between nitrogen and substitutional element of Al and Ti leading the diffusion of these elements from interior to surface. Because of the nitrogen dissolution at the nitrogen-permeated surface layer by HTGN treatment, the surface hardness was increased above 150 Hv compared to the interior region that was consisted with the mixed microstructure of austenite and ${\varepsilon}$-martensite.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

따라서 본 연구에서는 Fe-Mn-Cr계 제진합금을 사용하여 내마모성, 내식성 및 표면의 기계적 특성을 향상시키는 고온 가스질화 처리를 수행한 다음 질소가 침투된 표면층의 상변화, 합금원소의 농도변화, 경도변화 등을 조사하였다.
% 첨가한 Fe20Mn-12Cr계 합금으로 화학조성은 Table 1에 나타내었다. 이 합금의 온도와 질소함량에 따른 상태도는 Thermo-Calc와 TCFE6 database를 이용하여 열역학계산을 하여 작성하였다. 이 합금은 20 kg 용량의 진공유도로에서 용해하였으며, 잉곳을 1200℃에서 열간압연하여 10 mm 두께의 판재로 제조한 후 20 mm × 50 mm × 10 mm 크기로 절단하여 시험편으로 사용하였다.
고온 가스질화 처리는 시험편을 #1500의 emery paper로 연마 후 1 kgf/cm² 압력의 질소가스 분위기에서 1000℃~1150℃에서 50℃ 간격으로 각각 10시간 유지 후 수냉 하였다. 고온 가스질화 처리한 시료의 미세조직은 절단하여 단면을 연마 및 정마 과정을 거친 후 30 ml ethanol + 10 ml HNO₃ + 10 ml acetic acid + 15 ml HCl용액으로 부식시켜 광학현미경 및 주사전자현미경(FE-SEM, FEI Inspect F50)으로 관찰하였다. 질소가 침투된 표면부와 질소가 침투되지 않은 내부의 상은 X-ray diffractometer(Rigaku Ultima Ⅳ)를 이용하여 분석하였다.
고온 가스질화 처리한 시료의 미세조직은 절단하여 단면을 연마 및 정마 과정을 거친 후 30 ml ethanol + 10 ml HNO₃ + 10 ml acetic acid + 15 ml HCl용액으로 부식시켜 광학현미경 및 주사전자현미경(FE-SEM, FEI Inspect F50)으로 관찰하였다. 질소가 침투된 표면부와 질소가 침투되지 않은 내부의 상은 X-ray diffractometer(Rigaku Ultima Ⅳ)를 이용하여 분석하였다. 이때 Cu-Kα₁의 radiation을 사용하였으며 2theta를 37~100° 범위에서 상 분석을 하였다.
이때 Cu-Kα₁의 radiation을 사용하였으며 2theta를 37~100° 범위에서 상 분석을 하였다. 고온 가스질화 처리한 시료의 표면에서 내부로의 경도 측정은 microvickers 경도기를 이용하여 100 g의 하중으로 측정하였다. 한편 표면에서 내부로의 질소, Cr 및 Mn의 농도 변화는 GDOES(Glow Discharge Optical Emission Spectrometer, Thermo GDA 750)를 이용하여 분석하였다.
고온 가스질화 처리한 시료의 표면에서 내부로의 경도 측정은 microvickers 경도기를 이용하여 100 g의 하중으로 측정하였다. 한편 표면에서 내부로의 질소, Cr 및 Mn의 농도 변화는 GDOES(Glow Discharge Optical Emission Spectrometer, Thermo GDA 750)를 이용하여 분석하였다.

대상 데이터

이 합금은 20 kg 용량의 진공유도로에서 용해하였으며, 잉곳을 1200℃에서 열간압연하여 10 mm 두께의 판재로 제조한 후 20 mm × 50 mm × 10 mm 크기로 절단하여 시험편으로 사용하였다.
본 연구에 사용된 합금은 오스테나이트 형성 촉진과 고용강화를 위해 Cu를 0.929 wt.% 첨가한 Fe20Mn-12Cr계 합금으로 화학조성은 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

즉, 가벼운 연마조건에서도 오스테나이트가 ε-마르텐사이트로 변태되는 현상이 나타났다.
1. 오스테나이트와 ε-마르텐사이트로 구성된 원소재는 고온 가스질화에 의하여 질소가 침투된 표면층은 오스테나이트 단상으로 변화되었으며, 질소가 침투되지 않은 내부는 오스테나이트와 ε-마르텐사이트 혼합상을 유지하고 있었다.
5. 이 합금은 적층결함 에너지가 낮은 합금으로 표면의 오스테나이트는 가벼운 연마만으로 쉽게 적층결함이 발생되어 ε-마르텐사이트가 형성되었다.
4. 표면층에 질소고용으로 인해 표면경도가 오스테나이트와 ε-마르텐사이트로 구성된 내부에 비해 150 Hv 이상 증가하였다.
2. 고온 가스질화 온도가 높을수록 표면층에 침투되는 오스테나이트 안정화 원소인 질소의 농도는 증가하고 질소의 침투 깊이가 깊어져서 표면층의 오스테나이트 단상 영역의 깊이가 깊게 나타났다. 1000℃에서 고온 가스질화 한 경우 최외각 표면부에 Cr nitride가 형성되었는데 이는 열역학적으로 계산한 상태도와 잘 일치하였다.
이 합금은 적층결함 에너지가 낮은 합금으로 표면의 오스테나이트는 가벼운 연마만으로 쉽게 적층결함이 발생되어 ε-마르텐사이트가 형성되었다. 따라서 고온질화에 의한 오스테나이트 상변화는 제진특성을 크게 저해하지 않을 것으로 판단되며, 기계적 특성 등을 판단하여 볼 때 1050℃ 이상에서의 고온가스 질화처리는 적합한 표면처리로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제진합금이란?	제진합금은 소음과 진동을 흡수하는 합금으로서 지금까지 주변 온도변화에 민감하지 않으면서도 강도가 높은 제진합금을 개발하려는 연구가 중점적으로 이루어지고 있다. 현재까지 개발된 제진합금은 Mn-Cu[1], Cu-Al-Ni[2], Ni-Ti[1, 3], Mg-Zr[4] 등이 있으나 이와 같은 비철계 제진합금은 낮은 강도, 까다로운 제조공정, 높은 제조비용, 열악한 가공성 등과 같은 단점으로 인해 그 응용이 제한 받고 있다[5].
	현재까지 개발된 제진합금은?	제진합금은 소음과 진동을 흡수하는 합금으로서 지금까지 주변 온도변화에 민감하지 않으면서도 강도가 높은 제진합금을 개발하려는 연구가 중점적으로 이루어지고 있다. 현재까지 개발된 제진합금은 Mn-Cu[1], Cu-Al-Ni[2], Ni-Ti[1, 3], Mg-Zr[4] 등이 있으나 이와 같은 비철계 제진합금은 낮은 강도, 까다로운 제조공정, 높은 제조비용, 열악한 가공성 등과 같은 단점으로 인해 그 응용이 제한 받고 있다[5]. 그러나 최근 제조비용이 저렴하고 우수한 기계적 특성과 진동 감쇠능을 겸비한 Fe-Mn계 제진합금이 개발되었으며[5~7], 공업적으로 대량생산 과정에서 야기되는 문제점들을 개선하기 위하여 Fe-Mn-Cr계 합금이 연구되고 있다[4, 9~13].
	Fe-20%Mn-12%Cr-1%Cu제진합금을 1000oC~1150oC의 온도범위에서 고온 가스질화한 후 미세조직 변화를 관찰한 결과는?	1. 오스테나이트와 ε-마르텐사이트로 구성된 원소재는 고온 가스질화에 의하여 질소가 침투된 표면층은 오스테나이트 단상으로 변화되었으며, 질소가 침투되지 않은 내부는 오스테나이트와 ε-마르텐사이트 혼합상을 유지하고 있었다. 2. 고온 가스질화 온도가 높을수록 표면층에 침투되는 오스테나이트 안정화 원소인 질소의 농도는 증가하고 질소의 침투 깊이가 깊어져서 표면층의 오스테나이트 단상 영역의 깊이가 깊게 나타났다. 1000oC에서 고온 가스질화 한 경우 최외각 표면부에 Cr nitride가 형성되었는데 이는 열역학적으로 계산한 상태도와 잘 일치하였다. 3. 1000oC~1100oC까지는 입계 석출물로 인해 결정립 성장이 지연되었으나 1150oC에서는 입계 석출물이 형성된 영역까지만 미세한 결정립을 보이고 입계 석출물이 없는 최외각 표면에서 먼 깊이에서는 조대한 결정립을 보이고 있다. 이는 질소와 친화력이 큰 Al과 Ti이 표면층으로 확산되어 이들 원소가 고갈되기 때문으로 판단된다. 4. 표면층에 질소고용으로 인해 표면경도가 오스테나이트와 ε-마르텐사이트로 구성된 내부에 비해 150 Hv 이상 증가하였다. 5. 이 합금은 적층결함 에너지가 낮은 합금으로 표면의 오스테나이트는 가벼운 연마만으로 쉽게 적층결함이 발생되어 ε-마르텐사이트가 형성되었다. 따라서 고온질화에 의한 오스테나이트 상변화는 제진특성을 크게 저해하지 않을 것으로 판단되며, 기계적 특성 등을 판단하여 볼 때 1050oC 이상에서의 고온가스 질화처리는 적합한 표면처리로 기대된다.

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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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