[논문]고온 가스질화 된 STS 430 스테인리스강의 냉간 가공성에 미치는 항온변태 열처리 시간 변화의 영향

김정민; 현양기; 송상우; 김기동; 손영호; 성장현

doi:10.12656/jksht.2014.27.1.15

고온 가스질화 된 STS 430 스테인리스강의 냉간 가공성에 미치는 항온변태 열처리 시간 변화의 영향
Effect of Isothermal Transformation Heat-treatment Time on Cold Workability of STS 430 Stainless Steel after High Temperature Gas Nitriding 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.27 no.1, 2014년, pp.15 - 22

김정민 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 현양기 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 송상우 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 김기동 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 손영호 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 성장현 (동아대학교 신소형재가공청정공정개발 연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

This study is to investigate the phase changes and cold workability after isothermal transformation at $780^{\circ}C$ by using the high temperature gas nitrided (HTGN) STS 430 ferritic stainless steel specimens. The phase diagram of STS 430 steel obtained by calculation showed that the phase appeared at $1100^{\circ}C$ showed as ${\alpha}+{\gamma}{\rightarrow}{\gamma}{\rightarrow}{\gamma}+Cr_2N{\rightarrow}{\gamma}+Cr_2N+CrN$ with increasing nitrogen concentration. Also, the transformation of ${\gamma}{\rightarrow}Cr_2N$ during heat treatment isothermally at $780^{\circ}C$, nitrogen pearlite with lamellar type was fully formed at the nitrogen permated surface layer for 10 hrs. However, this transformation was not completed for 1 hr, resulting nitrogen pearlite plus martensite. The cold rolled specimen of isothermally transformed at $780^{\circ}C$ for 10 hrs after high temperature gas nitriding decreased the layer thickness of nitrogen pearlite inducing the deformation of hard $Cr_2N$ phase. the dissolution rate of $Cr_2N$ phase increased rapidly with increasing cold rolling ratio. Specimens with the microstructure of nitrogen pearlite (isothermally transformed at $780^{\circ}C$ for 10 hrs) were possible to cold rolling without crack formation. However, the mixed structures of nitrogen pearlite + martensite (isothermally transformed at $780^{\circ}C$ for 1 hr) were impossible to cold deformation without cracking.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

(a)와 같이 고온가스질화 처리를 분위기 가스 및 압력 조절이 가능한 수직 관상 로에서 질소압력을 1 kg/cm2로 하여 1100ºC에서 10시간 처리한 후 10ºC/min으로 780ºC까지 냉각하여 1시간, 10시간 항온변태 열처리하였다.
STS 430 페라이트계 스테인리스강을 고온가스질화 처리 후 780ºC에서 1시간 및 10시간 항온변태열처리 한 다음 냉간 압연하였을 때 상 변태 및 냉간 가공성 변화를 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
각각의 열처리 및 가공을 완료한 시험편은 절단, 마운팅 및 정마과정을 거친 다음 15 ml HCl +10 ml HNO₃ + 10 ml acetic acid 용액에서 부식시켜 광학 현미경 및 주사전자현미경(FE-SEM, Inspect F50)으로 표면 및 내부조직을 관찰하였다. 최외각 표면 및 내부에 형성된 석출물과 상은 X-선 회절기(X-ray diffractometer, Rikagu Ultima Ⅳ)를 이용하여 분석하였다.
고온가스질화 처리 후 780ºC에서 1시간, 10시간 항온변태 열처리 된 강의 가공성을 확인하기 위해서 압연률을 25%, 50%, 75%로 변화시켜 냉간 압연하여 표면의 마크로조직과 수 직절단부의 조직을 관찰하여 Fig. 7에 나타내었다.
고온가스질화처리 후 780ºC에서 10시간 항온변태 열처리한 강의 압연률을 변화시켜 압연한 후 nitrogen pearlite를 마르텐사이트로 변태시키기 위해서 1100ºC에서 1시간 고용화 어닐링하였다.
즉, STS 430강 봉재를 1100ºC에서 10시간 고온가스질화 처리하여 충분히 질소를 침투시킨 뒤 2ºC/sec으로 1100ºC까지 승온하여 1시간 유지한 뒤 780ºC까지 10ºC/min으로 냉각 후 2시간 유지하였다. 딜라토미터 실험으로 구한 상변태를 참고하여 판재의 고온가스 질화처리와 항온변태 열처리를 수행하였다. 판재의 열처리는 Fig.
본 연구에서는 STS 430 페라이트계 스테인리스강을 사용하여 고온가스질화 처리 후 딜라토미터를 이용하여 질소가 침투된 표면층의 상변태를 예측하고 상변태 구간에서 항온변태열처리(Isothermal Transformation Heat Treatment : IT)하여 질소가 침투된 표면층에 연한 질화물 상을 형성시킴으로서 표면층 경도를 낮추어 소성가공(냉간압연)을 용이하게 하였다. 또한 본 연구에서 냉간 압연율을 달리하여 가공율 변화에 따른 냉간 소성가공의 용이성을 검토한 후 고용화 어닐링 처리 후 냉각시켜 표면층에 마르텐사이트 상을 형성시켜 기계적 특성을 향상시켰다.
본 연구에서는 STS 430 페라이트계 스테인리스강을 사용하여 고온가스질화 처리 후 딜라토미터를 이용하여 질소가 침투된 표면층의 상변태를 예측하고 상변태 구간에서 항온변태열처리(Isothermal Transformation Heat Treatment : IT)하여 질소가 침투된 표면층에 연한 질화물 상을 형성시킴으로서 표면층 경도를 낮추어 소성가공(냉간압연)을 용이하게 하였다. 또한 본 연구에서 냉간 압연율을 달리하여 가공율 변화에 따른 냉간 소성가공의 용이성을 검토한 후 고용화 어닐링 처리 후 냉각시켜 표면층에 마르텐사이트 상을 형성시켜 기계적 특성을 향상시켰다.
우선 고온가스질화 처리 후 항온 변태열처리에 의한 상변태는 딜라토미터(R&B, RB Model 401 DILPATS-IH)를 이용하여 실험하였다.
즉, STS 430강 봉재를 1100ºC에서 10시간 고온가스질화 처리하여 충분히 질소를 침투시킨 뒤 2ºC/sec으로 1100ºC까지 승온하여 1시간 유지한 뒤 780ºC까지 10ºC/min으로 냉각 후 2시간 유지하였다.
+ 10 ml acetic acid 용액에서 부식시켜 광학 현미경 및 주사전자현미경(FE-SEM, Inspect F50)으로 표면 및 내부조직을 관찰하였다. 최외각 표면 및 내부에 형성된 석출물과 상은 X-선 회절기(X-ray diffractometer, Rikagu Ultima Ⅳ)를 이용하여 분석하였다. 항온변태열처리, 냉간압연 및 고용화 열처리에 따른 표면에서 내부로의 경도 변화는 마이크로 비커스 경도계(load : 100 g)로 측정하였으며, 표면에서 약 80 µm까지의 N, Cr 및 C의 농도변화는 GDA(SPECTRUMA, GDA 750)을 사용하여 측정하였으며 그 이상의 깊이에서의 각 원소의 농도변화는 스펙트로미터(SPECTRUMA, New spectrolab)를 이용하여 분석하였다.
항온변태열처리, 냉간압연 및 고용화 열처리에 따른 표면에서 내부로의 경도 변화는 마이크로 비커스 경도계(load : 100 g)로 측정하였으며, 표면에서 약 80 µm까지의 N, Cr 및 C의 농도변화는 GDA(SPECTRUMA, GDA 750)을 사용하여 측정하였으며 그 이상의 깊이에서의 각 원소의 농도변화는 스펙트로미터(SPECTRUMA, New spectrolab)를 이용하여 분석하였다.
1의 (a)와 같이 고온가스질화 처리를 분위기 가스 및 압력 조절이 가능한 수직 관상 로에서 질소압력을 1 kg/cm²로 하여 1100ºC에서 10시간 처리한 후 10ºC/min으로 780ºC까지 냉각하여 1시간, 10시간 항온변태 열처리하였다. 항온변태열처리가 끝난 냉간 가공성을 확인하기 위해서 25%, 50%, 75%로 압연률을 변화시켜 냉간압연하였다. 냉간압연 후 질소침투층에 존재하는 질화물의 고용으로 마르텐사이트 형성 여부를 알기 위하여 질소분위기의 수직관상로를 사용하여 Fig.

대상 데이터

본 연구에서 열처리에 사용된 강은 POSCO에서 생산된 두께 3 mm의 STS 430 스테인리스 강판 및 5Φ 환봉을 사용하였다.

데이터처리

강판의 경우 5 × 60 × 3 mm로 절단하여 고온가스질화 처리 및 소성가공 시험편으로 사용하였고, 환봉의 경우 4 × 8 mm로 가공하여 딜라토미터 시험편으로 사용하였다. N함량 변화에 따른 STS 430 강의 평형상태도는 Fe-0.26 Si-16.26Cr-0.1Ni-0.4Mn-C의 조성으로 Thermo-calc 를 이용하여 계산하였다.

성능/효과

1. STS 430 페라이트계 스테인리스강의 질소 농도변화에 따른 Fe-Cr-N 평형상태도를 계산한 결과 질소 농도가 증가함에 따라 1100ºC에서 α + γ → γ → γ + Cr2N → γ + Cr2N + CrN이 존재하였다.
1100ºC에서 N 함량이 증가함에 따라 α + γ → γ → γ + Cr2N → γ +Cr2N + CrN 상으로 변태되는 것을 확인하였다.
2. 미세조직을 관찰한 결과 고온가스질화 처리 후 780ºC에서 1시간 항온변태 열처리한 강의 질소가 침투된 표면층에 nitrogen pearlite + martensite가 생성된 반면 10시간 처리하면 γ가 α + Cr2N으로 변태가 충분히 일어나 질소침투층 전체에 nitogen pearlite가 생성되었다.
3. 고온가스질화 처리된 STS 430강을 780ºC에서1시간 항온변태열처리한 후 냉간 압연과정에서 높은 경도를 가지는 마르텐사이트가 생성되어 표면과 단면에 균열이 발생한 반면 780ºC에서 10시간 항온변태열처리한 강은 낮은 경도로 인하여 균열이 발생하지 않았다.
4. 고온가스질화 처리 후 780ºC에서 10시간 항온변태열처리한 강을 압연률을 변화하여 냉간 압연한 결과 압연률이 증가함에 따라 질소 침투층의 두께는 감소하였다.
경도를 측정한 결과 Fig. 4와 같이 생성된 nitrogen pearlite로 인하여 표면에서 약 150 µm까지 약 262 Hv로 낮은 경도값을 나타내다 150 µm~ 700 µm 사이에서는 마르텐사이트가 생성되어 약 600 Hv 이상의 높은 경도 값을 나타낸다.
즉, 1100ºC 오스테나이트화로 인하여 생성된 γ가 780ºC에서 γ → nitrogen pearlite로 변태가 일어나 팽창하였다[18]. 이 강의 미세조직을 관찰한 결과 N이 침투한 표면에 층상의 nitrogen pearlite가 생성된 것을 확인할 수 있었고 EDS 분석 결과 N과 Cr의 함량이 높게 나타났다. N 함량에 따른 STS 430 평형상태도인 Fig.
즉, 페라이트(α)와 오스테나이트(γ)가 공존하다가 오스테나이트 안정화 원소인 N의 함량이 증가하면서 α상은 소멸되고 γ 단상으로 변하며 질소의 함량이 더 많아지면 질소와 친화력이 강한 Cr과 N이 결합하여 Cr2N, CrN의 질화물이 생성되는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	STS 430 페라이트계 스테인리스강을 사용하여 고온가스질화 처리 후 어떤 과정을 통해 소성가공을 용이하게 하였는가?	본 연구에서는 STS 430 페라이트계 스테인리스강을 사용하여 고온가스질화 처리 후 딜라토미터를 이용하여 질소가 침투된 표면층의 상변태를 예측하고 상변태 구간에서 항온변태열처리(Isothermal Transformation Heat Treatment : IT)하여 질소가 침투된 표면층에 연한 질화물 상을 형성시킴으로서 표면층 경도를 낮추어 소성가공(냉간압연)을 용이하게 하였다. 또한 본 연구에서 냉간 압연율을 달리하여 가공율 변화에 따른 냉간 소성가공의 용이성을 검토한 후 고용화 어닐링 처리 후 냉각시켜 표면층에 마르텐사이트 상을 형성시켜 기계적 특성을 향상시켰다.
	STS 430 페라이트계 스테인리스강을 고온가스질화 처리 후 780ºC에서 1시간 및 10시간 항온변태열처리 한 다음 냉간 압연한 결과 열처리 시간에 따라 어떤 미세조직이 생성되었는가?	2. 미세조직을 관찰한 결과 고온가스질화 처리 후 780ºC에서 1시간 항온변태 열처리한 강의 질소가 침투된 표면층에 nitrogen pearlite + martensite가 생성된 반면 10시간 처리하면 γ가 α + Cr2N으로 변태가 충분히 일어나 질소침투층 전체에 nitogen pearlite가 생성되었다.
	스테인리스강에 질소가 첨가되면 어떤 영향을 미치는가?	한편, 스테인리스강의 강도 및 내식성을 개선하는 방법으로 질소를 첨가하여 고용강화와 함께 Fcc 기지의 적층결함에너지를 낮추어 강화시키는 방법이 소개되고 있다. 스테인리스강에 질소가 첨가되면 결정립이 미세화 되고, 인성이 향상되며, 탄소의 확산 속도를 늦추어 탄화물 석출을 지연시켜 내식성을 향상시킨다고 알려져 있다[2, 3]. 질소는 강력한 오스테나이트 형성 원소로 스테인리스강의 표면에서 내부로 침투, 확산되어 표면의 미세조직이 오스테나이트 변화하며 침투된 질소의 농도에 의존하여 표면층의 경도 및 내식성이 향상된다[4, 5].

참고문헌 (21)

B. J. Park, C. U. Lee, G. S. Shin and Y. D. Lee : 5th Steel symposium (1999) 363.
K. Oda, N. Kondo and K. Shibata : ISIJ International 30(8) (1990) 625.

상세보기
P. J. Uggowitzer, R. Magdowski and M. O. Speidel : ISIJ international 36(7) (1996) 901.

상세보기
H. Berns : ISIJ international 36(7) (1996) 909.

상세보기
J. Charles : Forth International Conference DUPLEX STAINLESS STEEL (1994) paper KI.
J. H. Kong, C. Y. Kang and J. H. Sung : 열처리공학회지 22(5) (2009) 282.

원문보기 상세보기
D. K. Yoo, D. W. Joo, I. S. Kim, C. Y. Kang and J. H. Sung : 열처리공학회지 15(2) (2002) 57.

원문보기 상세보기
J. H. Sung, J. H. Kong, D. K. Yoo, H. Y. On, D. J. Lee and H. W. Lee : Materials Science and Engineering A 489 (2008) 38.

상세보기
S. J. Park, J. M. Kim, H. J. Kang, C. Y. Kang, Y. H. Kim and J. H. Sung : 열처리공학회지 25(3) (2012) 115.

원문보기 상세보기
D. K. Yoo and J. H. Sung : 열처리공학회지 19(2) (2006) 83.

원문보기 상세보기
B. T. Park, J. M. Kim, H. J. Kang, J. H. Kong, C. Y. Kang and J. H. Sung : 열처리공학회지 24(6) (2011) 318.

원문보기 상세보기
D. K. Yoo, J. H. Kong, H. W. Lee, C. Y. Kang, Y. H. Kim and J. H. Sung : 열처리공학회지 21(5) (2008) 244.

원문보기 상세보기
D. K. Yoo, H. J. Lee, C. Y. Kang, K. H. Kim, Y. H. Kim and J. H. Sung : Solid State Pheomena 118 (2006) 149.

상세보기
V. G. Garvriljuk and H. Berns : "High Nitrogen Steels" (1999) 215.
M. L. G. Byrnes, M. Grujicic and W. S. Owen : Acta Metal 35(7) (1987) 1853.

상세보기
I. D. Park and K. W. Nam : J. Kor. Inst. Met. & Mater 40(5) (2002) 478.

상세보기
J. H. Kong, D. J. Lee, H. Y. On, S. H. Lee, J. H. Sung and H. W. Lee : Met. Mater. Int 15(2) (2009) 179.

상세보기
이수진, 조정기, 지무성 : 강의 열처리도해와 조직, 원장출판사 15.
M. B. Horovita, F. Beneduceneto and A. Garbogini : ISIJ international 36(7) (1996) 840.

상세보기
J. Foct and N. Akdut : Scripta Metallurgical 29(2) (1993) 153.

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이성범 : 금속강도학, 문운당 (2006).

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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