[논문]주조 합금 Alloy 718에서 미세조직과 인장특성에 미치는 열처리의 영향

도정현; 김인수; 최백규; 정중은; 정인용; 조창용

doi:10.7777/jkfs.2016.36.5.167

주조 합금 Alloy 718에서 미세조직과 인장특성에 미치는 열처리의 영향
Effect of Heat-treatment on Microstructure and Tensile Properties in Cast Alloy 718 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.36 no.5, 2016년, pp.167 - 173

도정현 (한국기계연구원 부설 재료연구소 내열재료연구실) , 김인수 (한국기계연구원 부설 재료연구소 내열재료연구실) , 최백규 (한국기계연구원 부설 재료연구소 내열재료연구실) , 정중은 (한국기계연구원 부설 재료연구소 내열재료연구실) , 정인용 (한국기계연구원 부설 재료연구소 내열재료연구실) , 조창용 (한국기계연구원 부설 재료연구소 내열재료연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of various types of heat-treatment on the mechanical properties of cast Alloy 718 has been investigated. Cast Alloy 718 bars were subjected to 'standard heat-treatment'_(SHT), 'HIP (Hot Isostatic Pressing) heat-treatment'_(HHT), and 'HIP-simulated heat-treatment'_(HS). In the absence of l...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 주조 공정에서 발생하는 주조 결함과 편석을 해소하기 위하여 HIP 공정 적용한 세 가지 열처리 공정에 설계하여 미세조직과 인장특성 간의 상관관계를 분석하고자 하였다.
본 연구에서는 주조 Alloy 718 합금의 열처리 공정에 따른 미세조직과 기계적 특성간의 상관관계를 고찰하였다. 주요연구 결과는 다음과 같다.

가설 설정

인장시험에서 결함은 응력집중을 야기시켜 균열의 생성과 전파를 용이하게 하는 역할을 하기 때문에 강도보다는 연신율에 크게 영향을 미친다. HHT와 HS 시편의 연신율을 비교해보았을 때, HS 시편의 결함 분율이 HHT 시편보다 높음에도 불구하고(Table 2) 연신율이 HS 시편이 HHT 시편보다 높게 나타나고 있어(Table 3) 결함이 인장 특성에 주요한 역할을 했다고 판단하기에는 무리가 있다. HIP 공정으로 인하여 결함이 감소 했음에도 불구하고 연신율이 반대의 경향성을 띄는 것은 HS시편에 형성된 결함의 분율이 일반적인 주조 결함 분율보다 낮았고[11], 그보다 연신율에 더 큰 영향을 미치는 인자가 있음을 의미한다.

제안 방법

1) 정밀주조법으로 봉상의 Alloy 718 합금을 제조하였으며, 단조 Alloy 718용 일반 열처리 공정 ‘SHT’, 주조결함을 완화시킬 수 있는 HIP 공정이 포함된 열처리 공정 ‘HHT’, 등방향 가압 요소를 제외하고 HIP 공정을 모사한 열처리 공정 ‘HS’ 설계하였다.
미세하게 형성된 강화상을 분석하기 위하여 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM: JEOL JEM-2100F)을 사용하였으며, TEM 시편은 메탄올80%, 과염소산 20%를 섞은 전해액을 이용하여 −25^oC 온도에서 14 V 전압으로 제트 연마하였다. 기계적 특성을 평가하기 위하여 경도, 상온 인장 시험을 수행하였다. 열처리가 수행된 합금의 전체적인 경도를 로크웰 경도기(C-scale)로 150kgf의 하중 하에서 측정하였다.
미세조직에 미치는 열처리 영향을 분석하기 위하여 Alloy 718 합금의 γ”와 δ 구성원소인 Nb의 분포를 EPMA mapping으로 분석하였으며, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다.
미세하게 형성된 강화상을 분석하기 위하여 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM: JEOL JEM-2100F)을 사용하였으며, TEM 시편은 메탄올80%, 과염소산 20%를 섞은 전해액을 이용하여 −25oC 온도에서 14 V 전압으로 제트 연마하였다.
1(c)에 나타내었다. 설계된 세 가지 열처리는 진공 분위기 하에서 수행하였다.
설계된 세 가지(SHT, HHT, HS) 열처리 공정으로 각각 열처리된 시편의 미세조직을 주사전자현미경으로 관찰하여 Fig. 3에 나타내었다. SHT 시편에서는 수지상 형태의 주조조직이 쉽게 구분되며(Fig.
압력의 영향에 따른 강화상과 미세조직 차이를 분석하기위하여 HHT 시편과 HS 시편의 TEM 분석을 수행하였다. 균일하게 분포된 γ”을 관찰할 수 있었지만, 시편의 위치에 따라 γ”의 형상이 조금씩 다름을 확인하였다.
정밀주조된 시험편의 부위별 주조조직과 주조결함을 확인하기 위하여 시험편을 길이 방향으로 절단하여 주조조직을 관찰하였으며, 결함 분율을 image analysis 프로그램을 이용하여 측정하였다. 열처리가 수행된 시편의 미세조직 차이를 분석하기 위하여 시편을 연마한 후, Kalling 용액(100 ml 에탄올, 100 ml 염산, 5 g CuCl₂(Cupric chloride))을 이용하여 에칭 하였으며, 광학 현미경과 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM: JEOL JSM-7001F)으로 미세조직을 관찰하였다. 미세하게 형성된 강화상을 분석하기 위하여 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM: JEOL JEM-2100F)을 사용하였으며, TEM 시편은 메탄올80%, 과염소산 20%를 섞은 전해액을 이용하여 −25^oC 온도에서 14 V 전압으로 제트 연마하였다.
기계적 특성을 평가하기 위하여 경도, 상온 인장 시험을 수행하였다. 열처리가 수행된 합금의 전체적인 경도를 로크웰 경도기(C-scale)로 150kgf의 하중 하에서 측정하였다. 인장시편을 시험편 중앙부를 중심으로 채취하였으며, 게이지 지름 6.
용해공정과 정밀주조 공정은 합금원소의 산화 방지를 위하여 10−3~10−4 Torr의 진공 중에서 실시하였다.
인장시편을 시험편 중앙부를 중심으로 채취하였으며, 게이지 지름 6.25 mm, 길이 25 mm봉상 시편을 가공하였고, 인장시험기(INSTRON 5982)를 이용하여 상온 분위기 하에서 10−3/sec 변형률 속도로 인장시험 하였다.
용해공정과 정밀주조 공정은 합금원소의 산화 방지를 위하여 10⁻³~10⁻⁴ Torr의 진공 중에서 실시하였다. 정밀 주조된 Alloy718 시험편의 강화상 형성과 미세조직 제어를 위하여 세 가지 열처리 공정을 설계하였다. 용체화 처리(Solution heattreatment)와 시효 처리(aging heat-treatment)로 구성된 일반적인 열처리 공정(SHT)을 Fig.

대상 데이터

본 연구에 사용된 Alloy 718 모합금은 Cannon-Muskegon사에서 구입하였으며, 진공유도용해로에서 재용해한 후, 지름13 mm 길이 150 mm의 봉상 형태로 정밀주조 하였다. 용해공정과 정밀주조 공정은 합금원소의 산화 방지를 위하여 10⁻³~10⁻⁴ Torr의 진공 중에서 실시하였다.
균일하게 분포된 γ”을 관찰할 수 있었지만, 시편의 위치에 따라 γ”의 형상이 조금씩 다름을 확인하였다. 집속이온빔(FIB technique)을 이용하여 수지상 중심부와 수지상간 영역을 구분하여 시편을 채취하였으며 이를 투과전자현미경으로 관찰한 사진은 Fig. 5(a-d)와 같다. DF (dark field) image를 통하여 HIP, HS 시편의 수지상 중심부와 수지상간 영역에서 γ”이 잘 형성되었음을 확인할 수 있으며, 이것은 SAD (Selected Area Diffraction pattern)에서도 확인할 수 있다(Fig.

데이터처리

정밀주조된 시험편의 부위별 주조조직과 주조결함을 확인하기 위하여 시험편을 길이 방향으로 절단하여 주조조직을 관찰하였으며, 결함 분율을 image analysis 프로그램을 이용하여 측정하였다. 열처리가 수행된 시편의 미세조직 차이를 분석하기 위하여 시편을 연마한 후, Kalling 용액(100 ml 에탄올, 100 ml 염산, 5 g CuCl₂(Cupric chloride))을 이용하여 에칭 하였으며, 광학 현미경과 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM: JEOL JSM-7001F)으로 미세조직을 관찰하였다.

성능/효과

γ”의 크기를 비교해보면 HS 시편은 수지상간 영역과 core 부분의 γ”의 형상과 크기가 크게 차이가 없음에 반하여, HHT 시편에서는 수지상간 영역의 γ”이 core 에 비하여 크기가 비교적 조대하다는 것을 확인할 수 있다.
2) 상대적으로 고온 장시간 열처리 공정이 포함되어 있지 않은 SHT 시편의 미세조직에서는 Laves 상이 잔류하고 있었으며, 그 주변에 침상의 δ 상이 관찰되었다.
3) 인장특성을 저해하는 Laves와 δ 상의 형성으로 SHT시편의 인장특성은 HHT와 HS 시편에 비하여 상대적으로 낮게 나타났다.
HHT 시편의 조대화된 γ”은 인장특성과 경도향상에 효과적으로 기여하여 HS 시편보다 높은 인장특성과 경도를 나타내었으며, 연성이 감소하여 낮은 연신율을 나타내었다.
δ상의 형성으로 인하여 화학조성이 같고 강화효과가 높은 γ”의 분율이 상대적으로 줄어들게 되며, 이런 경향성은 경도 결과에서도 잘 나타난다(Table 3). HHT과 HS 시편을 비교하였을 때, HHT의 강도가 높게 나타났으나 이에 반하여 연신율은 떨어지는 것으로 확인되었다.
γ”이 조대하게 성장하기 위해서는 γ” 구성원소인 Nb과 Ni이 충분히 공급이 되어야 하는데, Ni은 Alloy 718 합금의주요 구성원소로 부위에 상관없이 충분하게 분포되어 있기 때문에 Nb 의 분포가 γ”의 성장에 중요한 역할을 할 것으로 예상할 수 있다. Nb 편석을 분석해보면, 등방향 압력하의HIP 공정으로 인하여 HHT 시편에서 편석 해소 효과가 HS시편에 비해 상대적으로 미비하여 Nb이 수지상간 영역에 편석되어 있음을 확인할 수 있다. 이렇게 편석되어 있는 Nb은 γ”이 조대하게 성장하기 좋은 환경을 만들어주었으며, 이를 통하여 γ”이 10~12 nm 크기로 조대하게 형성되었다.
반면에 HHT시편과 HS 시편의 미세조직에서는 Laves와 δ 상이 관찰되 않았으며, Alloy 718 합금의 주요 강화상인 γ”이 잘 형성되어 있음을 확인하였다. 등방향 가압공정이 포함된 HHT 열처리 공정은 HS 열처리 공정에 비하여 Nb 원소의 편석해소 효과가 떨어지는 것으로 나타났다. HHT 시편의 수지상간 영역에 편석된 Nb 원소는 γ” 조대화에 기여하여 HS 시편의 γ”보다 상대적으로 크게 성장하였다.
반면에 HHT시편과 HS 시편의 미세조직에서는 Laves와 δ 상이 관찰되 않았으며, Alloy 718 합금의 주요 강화상인 γ”이 잘 형성되어 있음을 확인하였다.
001% 보다 적은 분율만 남아 있었다. 이는 설계된 HIP 처리의 고온 고압 조건이 Alloy 718 합금의 주조 결함 제거에 효과적이라는 것을 확인할 수 있는 결과이다.
4(b)). 이에 반하여 HHT와 HS 시편에서는 수지상 형상을 구분할 수 없으며 상대적으로 Nb 원소가 균일하게 분포되었음을 확인할 수 있다(Fig. 4(c-d)).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Alloy 718은다른 Ni계 초내열합금들과 비교하여 어떤 특징을 가졌는가?	Alloy 718은 현재 산업에서 가장 많이 사용되고 있는 초내열합금 중 하나로서 화학조성은 Table 1과 같다. 일반적인 Ni계 초내열합금은 Ni3(Al, Ti) 로 구성된 γ’’ 을 강화상으로 강도를 얻는 합금이지만, Alloy 718은 다른 Ni계 초내열합금과는 달리 Nb이 첨가되어 Ni3Nb으로 구성된 γ” 을 주강화상으로 강도를 얻는 특징이 있다[1-3].
	주조 공정 과정에서 합금에 생길 수 있는 문제는?	그러나 부품이 대형화 될수록 주조 공정 과정에서 발생하는 주조 결함과 편석은 합금의 심각한 기계적 특성 저하를 초래하게 된다[7]. 최근까지 여러 가지 진보한 주조 기술이 개발되었지만, 주조 공정 과정에서 주조 결함과 편석은 피할 수 없는 현상으로 이를 주조 공정에서 완전하게 해소하기 불가능하다.
	HIP 공정으로 주조 결함을 제거하는 원리는?	HIP 공정은 효과적으로 주조 결함을 제거할 수 있는 방안중 하나로서, 분말 야금학(powder metallurgy)에서 주로 사용되던 공정이다. 고온의 분위기에서 Ar 가스를 충진하여 등방향 강한 압력을 가하게 되면 내부에 형성된 주조 결함이 주변 원자들의 확산(diffusion)으로 채워지면서 해소된다. HIP공정을 이용한 Alloy 718 합금의 주조 결함 제어에 대한연구는 지속적으로 이루어져 왔으며[8], 1163oC에서 100MPa조건으로 공식화 되었다.

참고문헌 (13)

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