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문제 정의
- 이때, 시편에 대한 충격은 1,000 mm의 일정 높이에서 50 N의 하중을 지닌 추를 자유 낙하시켜 발생시켰다. 기본적으로 100회 충격시험후 변형량을 측정하여 내구성을 평가하였으며 2 mm 이상 변형이 발생하였거나 파손시 실험을 중단하고 가해진 충격 회수를 명시하고자 하였다. 충격시편은 Fig.
- 이 경우 경도는 우수하지만 내충격이 나빠 수명이 저하될 수밖에 없는 것으로 사료된다. 따라서, 본 연구에서는 STD61 열간금형강의 담금질의 중요성을 확인하고자 가스퀜칭 압력에 따라 기지조직과 그에 따른 경도, 충격 그리고 열피로특성의 변화를 조사해 보고자 하였다.
제안 방법
- 광학적으로 분석이 어려운 단면조직 중 탄화물 등의 분포를 확인하기 위해 주사전자현미경(SEM) 분석을 진행하였다. Fig.
- 기지조직의 경도는 로크웰경도기를 이용하여 5 mm 간격으로 측정하여 경도 균일도를 확인하였다. 그리고 열처리 시편의 내구성 평가를 위해 충격실험을 진행하였다. 이때, 시편에 대한 충격은 1,000 mm의 일정 높이에서 50 N의 하중을 지닌 추를 자유 낙하시켜 발생시켰다.
- 단면조직은 기계연마기를 사용하여 ~2000φ grid까지 연마하고 경면연마를 진행하여 5% nital 용액에 15초간 에칭한 후 광학현미경과 주사전자현미경(FEI, NNS450)을 이용하여 시편의 기지조직과 탄화물을 관찰하였다. 기지조직의 경도는 로크웰경도기를 이용하여 5 mm 간격으로 측정하여 경도 균일도를 확인하였다. 그리고 열처리 시편의 내구성 평가를 위해 충격실험을 진행하였다.
- 열피로 시험은 기존의 고주파를 이용한 피로시험[2]과 유사하게 진행하였다. 다만 열을 인가시 600℃보다 높은 약 650~700℃의 온도로 가열하여 수 초간 노출하였다가 급수를 이용한 냉각으로 200회 반복 시험을 진행하였다. 열피로특성은 반복된 회수에 따라 시편의 길이, 직경의 변형률을 비교 분석하였다.
- 단면조직은 기계연마기를 사용하여 ~2000φ grid까지 연마하고 경면연마를 진행하여 5% nital 용액에 15초간 에칭한 후 광학현미경과 주사전자현미경(FEI, NNS450)을 이용하여 시편의 기지조직과 탄화물을 관찰하였다.
- 다만 열을 인가시 600℃보다 높은 약 650~700℃의 온도로 가열하여 수 초간 노출하였다가 급수를 이용한 냉각으로 200회 반복 시험을 진행하였다. 열피로특성은 반복된 회수에 따라 시편의 길이, 직경의 변형률을 비교 분석하였다. 충격 및 열피로특성 시험편의 변형정도는 디지털 버니어캘리퍼스를 이용하여 소수점 둘째자리까지 측정하였다.
- 이후 2 bar 이상의 가스퀜칭 압력을 요구하는데, 본 연구에서는 가스퀜칭 압력을 비교하기 위해 1, 2, 4, 6 bar의 압력별로 실험을 진행하였다. 이와 더불어 오스테나이트화 온도에서 시편을 1시간 유지하고 열원을 제거한 후, 진공상태에서 로냉한 시편은 0 bar로 표시하여 함께 비교하였다. 위의 모사 결과에서 1,030℃의 온도는 기존에 보고된 열간금형강의 최적조건[2]과 유사하였다.
- 그림에서 명시되듯이 균일한 열처리를 위해 600℃에서 30분, 850℃에서 30분 유지후 최종적으로 1,030℃에서 1시간 오스테나이트화 열처리 하도록 되었다. 이후 2 bar 이상의 가스퀜칭 압력을 요구하는데, 본 연구에서는 가스퀜칭 압력을 비교하기 위해 1, 2, 4, 6 bar의 압력별로 실험을 진행하였다. 이와 더불어 오스테나이트화 온도에서 시편을 1시간 유지하고 열원을 제거한 후, 진공상태에서 로냉한 시편은 0 bar로 표시하여 함께 비교하였다.
- 열피로특성은 반복된 회수에 따라 시편의 길이, 직경의 변형률을 비교 분석하였다. 충격 및 열피로특성 시험편의 변형정도는 디지털 버니어캘리퍼스를 이용하여 소수점 둘째자리까지 측정하였다.
- 충격시편은 Fig. 2a와 같이 10Φ × 20 H 크기의 원통형으로 채취하여 자체 제작한 반복 충격시험기에 의한 내구성 평가를 진행하고, 열피로 특성은 Fig. 2b의 10Φ × 60 H 크기의 원통형으로 채취하여 고주파 가열기를 이용하여 고온에 반복 노출시험을 진행하였다.
대상 데이터
- 내충격성과 더불어 STD61 강종의 중요한 내구성 중 하나인 열피로특성 실험을 길이 60 mm, 직경 10 mm의 크기로 평가를 진행하였다. Fig.
- 본 연구에서 사용된 STD61 열간 금형강은 Table 1과 같은 화학적 조성을 나타낸다. 금형강의 소입공정은 소입후 요구 경도인 53 HRC 이상을 달성하기 위해 1,030℃에서 1시간 동안 오스테나이트화 열처리후 1 bar에서 6 bar까지의 가스퀜칭 압력으로 담금질을 진행하였다.
성능/효과
- Fig. 5에서 (a) 사진은 기존에 보고된 결과와 같이 오스테나이트화 열처리 후 공냉한 시편에서 나타나는 페라이트 기지에 미세한 탄화물 입자가 분포된 조직을 나타내고[11], (b) 사진에서는 결정내에 탄화물들이 관찰되는 베이나이트와 탄화물이 관찰되지 않는 마르텐사이트로 구성되어진 것으로 나타났다[1]. 반면, 오스테나이트화 열처리 후 냉각을 위한 가스퀜칭 압력이 증가하면서 템퍼링되지 않은 마르텐사이트(어두운 부분) 상의 형성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 1. 기지조직 내에 마르텐사이트가 미세할수록 시편의 경도는 향상되었으며, 6 bar 이상의 가스퀜칭 압력에서 시험편의 경도는 약 53 HRC 이상으로 관찰되었다.
- 2. 가스퀜칭 압력에 따른 담금질된 시험편들의 주사전자현미경 관찰결과, 가스퀜칭 압력이 높아짐에 따라 베이나트 조직이 감소하고 마르텐사이트의 두께가 가늘어지면서 미세화되는 것을 확인하였다. 그에 따라 시편의 경도가 증가하는 경향을 보였다.
- 3. 또한, 가스퀜칭 압력 증가에 따라 기지내의 탄화물의 크기는 감소하며 균일하게 분포하는 것으로 관찰되었다. 특히 구형 탄화물은 VC 탄화물로 분석되었으며 그 크기는 100 nm 이하로 관찰되었다.
- 4. 100회 반복된 충격시험에서 열처리되지 않은 원소재의 경우에는 시편에 파단이 발생하면서 일부가 떨어져 나가고, 그에 따라 무게변화가 발생하였다. 반면 열처리된 시편들에서는 무게 변화는 관찰되지 않았다.
- 5. 열피로특성 분석에서도 가스퀜칭 압력이 높을수록 온도변화에 대한 길이, 직경의 변형량이 작아지는 것을 확인하였다. 결국 미세한 기지조직과 탄화물 분포가 내열충격 특성에 우수한 것으로 확인되었다.
- 반면 열처리된 시편들에서는 무게 변화는 관찰되지 않았다. 가스퀜칭 압력이 높을수록 시편의 길이 및 직경의 변화가 최소화 되는 것을 확인하였다.
- 5의 영문표식은 가스 압력과 분석 배율을 나타내는 것으로 영문-1은 5,000배, 영문-2는 20,000배를 나타내는 것이다. 가스퀜칭 압력이 증가하면서 입계의 검게 식각된 구형 탄화물의 크기가 미세해지는 것을 확인하였다. Fig.
- 열피로특성 분석에서도 가스퀜칭 압력이 높을수록 온도변화에 대한 길이, 직경의 변형량이 작아지는 것을 확인하였다. 결국 미세한 기지조직과 탄화물 분포가 내열충격 특성에 우수한 것으로 확인되었다.
- 9는 열충격 실험 전, 후의 시편사진이다. 그 결과, 소입후 냉각압력이 증가함에 따라 변형이 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 시편의 길이, 직경을 측정한 결과에서도 확연히 알 수 있다.
- 이는 가스퀜칭 압력이 높을수록 빠른 냉각속도에 의해 탄화물의 생성이 억제되고 마르텐사이트 조직이 형성 되는 것으로 사료된다[1-3]. 그에 따라 Fig. 4의 그래프와 같이 1 bar의 가스퀜칭 압력으로 냉각되어 약 49 HRC의 경도를 가진 시편이 가스퀜칭 압력이 높아짐에 따라 경도가 증가하면서 6 bar 냉각시에 약 53 HRC 이상으로 약 10% 이상 경도가 향상되는 것을 확인하였다.
- 반면, 오스테나이트화 열처리 후 냉각을 위한 가스퀜칭 압력이 증가하면서 템퍼링되지 않은 마르텐사이트(어두운 부분) 상의 형성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 로냉시편에서는 500 nm 정도의 탄화물이 분포하고 있었지만 압력이 증가함에 따라 100 nm 이하 크기의 구형 탄화물이 관찰되었다. 이 구형탄화물은 Fig.
- 5에서 (a) 사진은 기존에 보고된 결과와 같이 오스테나이트화 열처리 후 공냉한 시편에서 나타나는 페라이트 기지에 미세한 탄화물 입자가 분포된 조직을 나타내고[11], (b) 사진에서는 결정내에 탄화물들이 관찰되는 베이나이트와 탄화물이 관찰되지 않는 마르텐사이트로 구성되어진 것으로 나타났다[1]. 반면, 오스테나이트화 열처리 후 냉각을 위한 가스퀜칭 압력이 증가하면서 템퍼링되지 않은 마르텐사이트(어두운 부분) 상의 형성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 로냉시편에서는 500 nm 정도의 탄화물이 분포하고 있었지만 압력이 증가함에 따라 100 nm 이하 크기의 구형 탄화물이 관찰되었다.
- 21로 1/4배 감소하였다. 시편의 직경 변형률은 as-annealed 시편에서는 약 0.03이였지만 6 bar의 압력에서 가스퀜칭한 시편에서 최소변화인 약 0.01인 것을 확인하였다. 이러한 결과로부터, 담금질시 빠른 냉각을 통해 미세한 탄화물과 결정립을 가지는 조직이 우수한 내열충격특성을 보이는 것으로 사료된다.
- 01인 것을 확인하였다. 이러한 결과로부터, 담금질시 빠른 냉각을 통해 미세한 탄화물과 결정립을 가지는 조직이 우수한 내열충격특성을 보이는 것으로 사료된다.
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