[논문]고크롬 백주철의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 초기응고 조직의 영향

조현욱; 도정현; 조원제; 정현득; 이재현; 조창용

doi:10.7777/jkfs.2015.35.6.178

[국내논문] 고크롬 백주철의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 초기응고 조직의 영향
Effect of Primarily Solidified Structure on the Microstructure and the Mechanical Properties of High Cr White Iron 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.35 no.6, 2015년, pp.178 - 184

조현욱 (창원대학교 금속재료공학과) , 도정현 (재료연구소 내열재료연구실) , 조원제 (서울대학교 재료공학부) , 정현득 ((주)케이와이엠텍) , 이재현 (창원대학교 금속재료공학과) , 조창용 (재료연구소 내열재료연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

Due to excellent abrasion resistance the high-chrome white irons are widely used in mining and mineral industries. Minor variation of carbon content in 28% chrome white iron resulted in difference in primarily solidified microstructure. Sub-eutectic (hypoeutectic) composition led to formation of primarily solidified dendrites. Formation of primarily solidified dendrites which were supersaturated with carbon and chrome also caused precipitation of fine secondary carbides that are different from relatively large plate type $M_7C_3$ carbides in the eutectic structure. Small portion of primarily solidified dendrite expected to contribute significantly to the improvement of abrasion resistance of the white iron because the dendrites provided mechanical support to carbides. The relative fraction of primary dendrite increased with reduction of carbon content from the eutectic composition. The increased fraction of primary dendrite increased hardness value of the white irons.

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문제 정의

Class III 합금은 Class II 합금에 비해 상대적으로 경도값은 낮으나 내식성이 동시에 요구되는 경우에 적용된다. 따라서 본 연구에서는 Class III 고Cr 내마모 주철에서 초기응고조직의 차이에 따른 내마모특성을 상대적으로 비교하고 인성을 비교 고찰하였으며, 이들 기계적 특성과 최종 미세조직과의 관계를 고찰하였다.

가설 설정

이는 일반적으로 회주철에서 탄소량의 감소에 따라 퍼얼라이드의 량이 많아지고 이에 따라 흑연화가 적게 진행되는 것과 유사하게, 본 고Cr 주철에서도 공정조성에서 탄소량의 적어짐에 따라 공정조성의 량이 줄고 초기 오스테나이트의 생성이 많아짐과 동일한 경향이다. 공정반응 생성되는 M₇C₃ 탄화물은 크기가 크고 불균일하다. 이 탄화물의 생성으로 공정의 오스테나이트에서 최종 응고와 열처리에 따른 탄소와 Cr의 량이 고갈됨에 따라 2차 탄화물의 생성이 상대적으로 적다.

제안 방법

주조상태 및 열처리 후 조직은 연마를 거쳐 Viella 용액(45 ml Glycerol, 15 ml HNO₃, and 30 ml HCl)으로 부식한 다음 광학현미경, 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope: JSM-7001F, Jeol)으로 관찰하였다. 채취한 시편의 상분석은 X-선 회절 분석법을 이용하였으며, 본 실험에서는 X-선 회절 분석기(X-ray Diffractometer: D-MAX 2500, Rigaku)의 Cu Kα 선을 사용하여 40 kV 전압 100 mA 전류조건, 20°~ 80° 주사 범위에서 4°/min 속도로 분석하였다.
탄소함량에 따른 초기 응고조직과 경도값의 관계를 고찰하기 위하여 과공정, 공정 및 아공정의 다양한 범위의 탄소함량으로 비소모식 전극의 진공아크 용해에 의해 버튼 시편을 제작하여 초기 응고조직을 비교 관찰하였다. Table 4은 버튼 시편으로 탄소량을 조절하여 제작한 시편들의 조성이다.

대상 데이터

고주파 유도용해에 의해 2개 회사에서 각기 제조된 내마모성을 요구하는 상용 제품에서 고 Cr 내마모 주철 시험편을 채취하였다. 채취한 고 Cr 내마모 주철을 SubEU와 EU로 각각 명명하고, ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy: iCAP6000, Thermo Scientific)를 이용하여 정량 분석하였으며, 분석된 조성은 Table 1과 같이 28% Cr계 주철이다.
고주파 유도용해에 의해 2개 회사에서 각기 제조된 내마모성을 요구하는 상용 제품에서 고 Cr 내마모 주철 시험편을 채취하였다. 채취한 고 Cr 내마모 주철을 SubEU와 EU로 각각 명명하고, ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy: iCAP6000, Thermo Scientific)를 이용하여 정량 분석하였으며, 분석된 조성은 Table 1과 같이 28% Cr계 주철이다. 일반적으로 고 Cr계 내마모 백주철은 아공정부터 공정조성 부근을 선택한다.

데이터처리

고 Cr 주철의 가장 중요한 특성은 내마모성으로 두 시편에 대한 내마모 특성을 상대적 수명으로 비교 평가하였다. 마모시험은 Fig.

이론/모형

따라서, 샤르피충격(Charpy Impact) 특성도 시편별로 비교 고찰하였다. 샤르피 충격시편은 ASTM E23[10]에 따라 10 × 10 × 55 mm 규격으로 가공하였으며, 상온에서 충격 시험을 실시하였다.
고 Cr 주철은 경도가 대략 HRC 60 정도로 상대적으로 높고 탄화물이 상대적으로 큰 공정조직이 나타나므로 본 연구에서 경도측정은 로크웰 경도기(AMH43, Leco)로 수행하였다.
, and 30 ml HCl)으로 부식한 다음 광학현미경, 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope: JSM-7001F, Jeol)으로 관찰하였다. 채취한 시편의 상분석은 X-선 회절 분석법을 이용하였으며, 본 실험에서는 X-선 회절 분석기(X-ray Diffractometer: D-MAX 2500, Rigaku)의 Cu Kα 선을 사용하여 40 kV 전압 100 mA 전류조건, 20°~ 80° 주사 범위에서 4°/min 속도로 분석하였다.

성능/효과

1) 28% Cr계 백주철은 공정부근의 조성을 가지며 극히 미세한 탄소량의 변화에 따라 초기 응고조직이 크게 변화하였다.
2) 탄소량의 감소에 따라 초기 응고 수지상이 증가하였고 미소하나마 기계적 특성이 향상되었다. 특히, 100% 공정조직을 갖는 소재에 비해 미량의 초기 응고 수지상이 존재하면 내마모 특성의 상대비교에서 큰 차이를 보인다.
3) 초기 응고 수지상이 존재하면 상대적으로 취약한 100% 공정조직에 비해 수지상의 지지대 역할로 인하여 경도와 내마모성이 향상됨을 확인하였다.
4) 초기 응고 수지상이 존재하면 공정응고에서 형성된 탄화물에 비해 수지상 내에 2차로 미세한 탄화물이 석출함을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	내마모 백주철은 크롬 함량에 따라 내마모성을 향상시키는 중요한 상이 어떻게 다른가?	일반적으로 내마모 백주철의 내마모성을 향상시키는 가장 중요한 상은 상대적으로 크롬 함량이 높은 Class III (23~28% Cr) 합금에서는 불연속의 M7C3 공정탄화물이지만, 상대적으로 크롬의 함량이 낮은 Class II (14~23% Cr) 합금에 백주철들은 일반적으로 공정이나 아공정 조성을 갖는다[8].
	고Cr계 내마모주철에 부분적인 마르텐사이트는 어떤 부분에서 나타나는가?	고Cr계 내마모주철은 주조상태에서 상대적으로 느린 냉각속도를 갖는 두꺼운 부분에서 부분적인 마르텐사이트가 얻어질 수 있다. 두꺼운 부분의 느린 냉각속도로 인하여 초정의 오스테나이트의 안정화가 불완전하여 부분적인 마르텐사이트 변태가 일어나고 경도값이 상대적으로 낮을 수 있지만, 열처리에 의해 충분한 변태와 높은 경도값을 얻는 것으로 알려져 있다.
	고Cr계 내마모주철에서 퍼얼라이트 형성이 미치는 영향은?	두꺼운 부분의 느린 냉각속도로 인하여 초정의 오스테나이트의 안정화가 불완전하여 부분적인 마르텐사이트 변태가 일어나고 경도값이 상대적으로 낮을 수 있지만, 열처리에 의해 충분한 변태와 높은 경도값을 얻는 것으로 알려져 있다. 특히, 본 합금에서 퍼얼라이트의 형성은 경도의 저하와 내마모성의 저하를 가져 올 수 있으므로 합금원소의 조절을 통해 퍼얼라이트가 생성되지 않도록 하여야 한다. 이는 주조품의 두께에 따라 합금원소 첨가량도 조절돼야 하며 첨가되는 원소는 합금의 종류와 두께에 따라 Mo를 0.

참고문헌 (11)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
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W. F. Smith, "Structure and properties of engineering alloys" McGraw-Hill, New York (1993).

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