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문제 정의
- Si 첨가량이 증가함에 따라 JMat Pro의 전사모사와 Dilatometer측정에서 A1 변태점 및 Acm 변태점이 증가하는 경향을 보였다. 이에 따라 2상 영역에서의 현재 사용되고 있는 구상화 열처리 구간 보다 비교적 높은 온도에서 구상화가 가능하리라 판단하였다.
제안 방법
- 0wt.% 첨가하였을 때 나타나는 상변태 온도의 변화 및 이에 따른 미세조직 경도 변화를 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이러한 관점에서 본 연구에서는 오스테나이트 영역축소형(γ 축소형) 합금원소로 알려진 Si를 첨가하여 상변태점을 고온측으로 이동시킨 후 2상(오스테나이트 + 시멘타이트) 영역에서의 시멘타이트 구상화 가능 여부를 판단하는 것을 목적으로 1) 과공석강의 승온중에 발생하는 상변태 온도의 변화를 시뮬레이션 프로그램을 통해서 예측하고, 2) 이를 실제 실험을 통해서 확인한 후, 3) 이를 기초로 한 구상화 미세조직의 제어가 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 본 연구에서는 1wt%.
- Si 첨가량의 변화에 따른 Ae1 및 Aecm 변태점의 변화 예측은 CALPHD기법에 기초한 열역학 계산 프로그램인 JMat Pro을 이용하여 수행하였으며[11], Si 첨가에 따른 과공석강의 변태점 변화를 실측하기 위해서 동일한 조성을 갖는 길이 10 mm, 지름3mm의 봉상시편을 제작한 후 Dilatometer를 이용하여 가열속도 1℃/s로 1200℃까지 승온하면서 각 조성별 상변태 온도를 측정하였으며, 가열 전 초기 미세조직은 완전 펄라이트이었다[12].
- 2는 Dilatometer를 이용하여 측정한 온도에 따른 상변태점의 변화이다. 과공석강에 Si의 첨가가 어떤 영향을 주는지 조사하였다. Dilatometer를 1200℃까지 1℃/s의 승온속도로 올리면서 측정하였다.
- 또한 Si 함량 및 열처리 온도에 따른 미세조직의 변화에 따른 기계적 성질의 변화는 로크웰 경도(Daeyoung Tech &Testers 사의 DTE 150N)를 측정하여 확인하였다.
- % 첨가한 합금조성을 사용하였다. 열역학 계산 프로그램인 JMatPro를 이용하여 Si 첨가에 따른 Ae1 및 Aecm 변화를 예측하였고[9-11], dilatometer를 이용하여 1℃/s의 승온속도로 가열하고 1200℃에서 10분간 유지한 후 다시 1℃/s로 냉각하면서 상변태 온도를 측정하였으며, 이때 형성된 미세조직의 차이에 따른 기계적 성질의 변화는 경도시험을 통하여 알아보았다.
- 열처리 온도에 따른 미세조직의 변화는 조성별로 주어진 온도에서 급냉한 후 #100 ~ #2000의 기계적 연마 및 1µm의 diamond paste 미세연마를 수행하고 3% 나이탈 용액(질산 3ml+ 에탄올 97 ml)으로 부식한 후 전계방사형 주사전자현미경 (JEOL, JSM-6500F)으로 관찰하였다.
- 잔류 시멘타이트 양을 관찰하기 위해 Dilatometer를 이용하여 상변태점 전후에서 급랭하여 미세조직을 관찰하였다. Fig.
- Table 1은 본 연구에서 사용된 서로 다른 Si 함량을 갖는 3가지의 합금조성을 나타낸 것이다. 현재 P사에서 양산에 적용되고 있는 베어링강 SUJ2가 기본조성이며, Si 첨가량의 증가가 시멘타이트 구상화에 미치는 영향에 대해 알아보고자 Si를 1.5% 및 2.0%로 늘려서 첨가한 2가지 합금조성을 설계하였다. Si 첨가량의 변화에 따른 Ae1 및 Aecm 변태점의 변화 예측은 CALPHD기법에 기초한 열역학 계산 프로그램인 JMat Pro을 이용하여 수행하였으며[11], Si 첨가에 따른 과공석강의 변태점 변화를 실측하기 위해서 동일한 조성을 갖는 길이 10 mm, 지름3mm의 봉상시편을 제작한 후 Dilatometer를 이용하여 가열속도 1℃/s로 1200℃까지 승온하면서 각 조성별 상변태 온도를 측정하였으며, 가열 전 초기 미세조직은 완전 펄라이트이었다[12].
이론/모형
- 열처리 온도에 따른 미세조직의 변화는 조성별로 주어진 온도에서 급냉한 후 #100 ~ #2000의 기계적 연마 및 1µm의 diamond paste 미세연마를 수행하고 3% 나이탈 용액(질산 3ml+ 에탄올 97 ml)으로 부식한 후 전계방사형 주사전자현미경 (JEOL, JSM-6500F)으로 관찰하였다. 이때 각 조성별 시험편의 잔류시멘타이트 측정은 IM Technology사의 I-Solution DT 프로그램을 이용하여 측정하였다. 또한 Si 함량 및 열처리 온도에 따른 미세조직의 변화에 따른 기계적 성질의 변화는 로크웰 경도(Daeyoung Tech &Testers 사의 DTE 150N)를 측정하여 확인하였다.
성능/효과
- 그러나 1.5%Si 및 2.0%Si 조성에 대한 전산모사 결과 두 조성의 상변태 온도에는 큰 변화가 없는 것으로 나타난 반면에 0.25%Si 조성과는 Ae1 35℃정도, Aecm은 40℃정도 상승하는 것을 알 수 있었다.
- 1. Si 첨가량이 증가함에 따라 JMat Pro의 전사모사와 Dilatometer측정에서 A1 변태점 및 Acm 변태점이 증가하는 경향을 보였다. 이에 따라 2상 영역에서의 현재 사용되고 있는 구상화 열처리 구간 보다 비교적 높은 온도에서 구상화가 가능하리라 판단하였다.
- 2. Si가 2.0%첨가된 과공석강에서는 1050℃에서도 잔류 시멘타이트가 관찰 되었고, Si 첨가량이 많아질수록 같은 열처리 온도에서 미용해 시멘타이트량이 증가함을 확인하였다.
- 3. 페라이트 안정화 원소인 Si의 첨가로 상변태점을 상승 시켜 같은 온도 영역에서 효과적으로 잔류시멘타이트를 얻을 수 있었다. 이는 가능한 많은 양의 잔류 시멘타이트를 생성시켜 구상화 열처리시 구상화 seed를 효과적으로 얻을 수 있었다.
- 0%Si의 미세구조와 연관하여 살펴볼 수 있는데 Ac1 변태점 이상 열처리시에 용해 된 오스테나이트가 퀜칭 시 마르텐사이트로 상변태가 일어났기 때문에 높은 경도 값을 가진 것으로 판단되며, 이때 얻어진 경도값은 SUJ2 QT재의 통상적인 경도값과 동일 수준임을 확인할 수 있었다[3-4]. 또한 0.25%Si가 첨가 된 시편보다 2.0%Si가 첨가된 시편이 경도값이 더 낮았는데 이는 미세조직 내부에 퀜칭으로 인한 마르텐사이트 조직보다 미용해 시멘타이트의 분율이 많을 경우 다소 낮은 경도 값을 가지게 되므로 잔류된 시멘타이트양과 관련이 있는 것으로 판단된다. 또한 0.
- 또한 0.25%Si시편을 770℃에서 퀜칭한 경도값이 2.0%Si 시편을 830℃에서 퀜칭했을 때와 비슷한 경도값을 나타내는 것으로 나타나서 2.0%Si을 첨가한 시편에서는 비교적 높은 열처리온도에서도 미용해 시멘타이트가 잔류하는 것으로 판단된다.
- 따라서 Ae1 변태점은 약 750℃로 예측되었다. 또한 1.5wt% Si(이하 1.5%Si) 및 2.0wt% Si(이하 2.0%Si) 조성에 대해서도 각각 동일한 방법으로 전산모사한 결과를 분석한 결과 Ae1는 약 785℃, Aecm는 약 930℃ 정도로 예측되었다. 그러나 1.
- 86Å)를 가지고 있기 때문에 결정구조 변화에 의한 상변태시 변위의 감소로 나타나게 된다[13]. 또한, 오스테나이트상으로 변태를 완료한 760℃에서부터 약 900℃까지의 구간과 900℃ 이후의 고온 영역에서 나타나는 팽창율 곡선의 기울기는 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 초기 미세조직에서 존재하고 있던 시멘타이트의 용해가 진행되는 과정에서 나타나는 변화로 판단되며, 이 기울기 변화가 나타나는 구간이 오스테나이트상과 시멘타이트상이 함께 공존하는 2상 영역임을 알 수 있다.
- 0%Si 시편에서 잔류된 미용해 시멘타이트 입자를 면적분율로 취하여 이를 온도의 함수로 나타낸 것이다. 모든 시편에서 Ac1 변태점 이상 승온시 잔류 시멘타이트의 양은 급격히 감소하고, Si 첨가량 증가에 따른 상변태점 증가로 인해 시멘타이트 분율은 증가하였다.
후속연구
- 이때 적용되는 어닐링 온도를 조금 더 높이면 잔류 시멘타이트의 용해 속도가 높아져서 일부 판상으로 잔류하던 시멘타이트들도 모두 구형의 시멘타이트로 형상이 바뀌거나 용해되는 현상이 일어난다. 따라서 최종적으로 적용되는 가열온도를 높이게 되면 열처리 유지시간이 짧아지더라도 보다 큰 구상화 효과를 얻는 효과가 기대된다.
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