[논문]고탄소 나노 베이나이트강의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 오스템퍼링의 영향

이지민; 고석우; 함진희; 송영범; 김홍규; 황병철

doi:10.5228/kstp.2019.28.4.219

고탄소 나노 베이나이트강의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 오스템퍼링의 영향
Effect of Austempering on Microstructure and Mechanical Properties of High-Carbon Nano-Bainite Steels 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.28 no.4, 2019년, pp.219 - 225

이지민 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 고석우 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 함진희 (국방과학연구소 제4기술연구본부) , 송영범 (국방과학연구소 제4기술연구본부) , 김홍규 (국방과학연구소 제4기술연구본부) , 황병철 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study deals with the effect of austempering temperature and time on the microstructures and mechanical properties of high-carbon nano-bainite steels. Although all the austempered specimens are mainly composed of bainite, martensite, and retained austenite, the specimens which are austempered at lower temperatures contain finer packets of bainite. As the duration for austempering increases, bainite packets are clearly seen due to larger amount of carbon atoms being redistributes into bainite and retained austenite during bainite transformation. As the austempering time increases, the hardness of the specimens gradually decreases as a result of lower martensite volume fraction, and later increases again due to the formation of nano-bainite structure. The Charpy impact test results indicate that the impact toughness of the austempered specimens can be improved if the formation of nano-bainite structure and the transformation induced plasticity effect of retained austenite are optimized at higher austempering temperature.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1 Time-temperature-transformation(TTT) curve of an Fe-0.81C-1.45Si-1.98Mn-1.5(Cr+Mo) alloy. Open symbols indicate austempering temperatures and times. Martensite transformation start temperature (MS) was calculated by JMatPro v7.0 software.
그림 Fig. 2 Optical micrographs of the high-carbon nano-bainite steel specimens austempered at the (a)-(c) 250 ℃ and (d)-(f) 200 ℃ for different hours
그림 Fig. 3 SEM micrographs of the high-carbon nano-bainite steel specimens austempered at the (a)-(c) 250 ℃ and (d)-(f) 200 ℃ for different hours
그림 Fig. 4 High-magnification SEM micrographs of the high-carbon nano-bainite steel specimens austempered at the (a) and (d) 200 ℃, and (b), (c), (e) and (f) 250 ℃ for different hours
표 Table 1 Thickness of bainitic ferrite and retained austenite in the high-carbon nano-bainite steel specimens austempered at different temperatures and times
그림 Fig. 5 Vickers hardness of the high-carbon nano-bainite steel specimens plotted as a function of austempering time
$Fig. 7 SEM fractographs of Charpy impact specimens austempered at the (a) and (b) 250 ℃, and (c) and (d) 200 ℃ for 24 hr$ 그림 Fig. 7 SEM fractographs of Charpy impact specimens austempered at the (a) and (b) 250 ℃, and (c) and (d) 200 ℃ for 24 hr
그림 Fig. 6 Charpy impact toughness of the high-carbon nano-bainite steel specimens with different austempering temperatures for 24 hr

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고탄소 나노 베이나이트강의 물성을 향상시키기 위해 베이나이트 변태를 모두 완료시키지 않고 급랭 처리를 통한 마르텐사이트 형성과 잔류 오스테나이트의 변태유기소성 효과를 통해 우수한 강도와 인성의 조합을 얻고자 하였다. 이를 위해 오스템퍼링 온도와 시간을 조절하여 다양한 미세조직을 갖는 시편을 제조한 후 미세조직의 특징과 변화를 관찰하고, 경도 및 충격 시험을 실시하여 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 고찰하였다.

제안 방법

본 연구에서는 오스템퍼링 온도와 시간에 따라 다양한 미세조직을 갖는 고탄소 나노 베이나이트강을 제조하고, 미세조직 분석, 경도 및 충격 시험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
오스템퍼링 후 각 시편들의 미세조직은 판재의 옆면(longitudinal-short transverse plane)을 기계적으로 연마하고, 3% 나이탈 용액으로 에칭한 후 광학현미경 및 전계 방출 주사전자현미경(FE-SEM, field-emission scanning electron microscopy, SU8010, Hitachi, Japan)으로 관찰하였다.
본 연구에서는 고탄소 나노 베이나이트강의 물성을 향상시키기 위해 베이나이트 변태를 모두 완료시키지 않고 급랭 처리를 통한 마르텐사이트 형성과 잔류 오스테나이트의 변태유기소성 효과를 통해 우수한 강도와 인성의 조합을 얻고자 하였다. 이를 위해 오스템퍼링 온도와 시간을 조절하여 다양한 미세조직을 갖는 시편을 제조한 후 미세조직의 특징과 변화를 관찰하고, 경도 및 충격 시험을 실시하여 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 고찰하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 강재의 화학조성은 Fe-0.81C-1.45Si-1.98Mn-1.5(Cr+Mo)(wt.%)이며, 오스템퍼링 온도와 시간에 따라 다양한 미세조직을 갖는 시편들이 제조되었다. 이들은 900 ℃의 온도에서 15 분간 오스테나이트화 처리 후 200 ℃ 및 250 ℃에서 각각 1, 6, 24, 48, 72, 144, 250 및 275 시간 동안 오스템퍼링을 실시하고 급랭 처리되었다.

성능/효과

(2) 오스템퍼링 조건에 따른 경도 시험 결과 오스템퍼링 시간이 증가할수록 경도 값이 감소하다 다시 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 베이나이트 변태에 의해 마르텐사이트 분율이 감소함에 따라 경도 값이 감소하고, 이후 미세한 나노 베이나이트의 형성이 경도 향상에 기여하기 때문이다.
(3) 충격 시험 결과 베이나이트 변태가 완료되기 전 동일한 시간의 오스템퍼링을 실시한 경우 오스템퍼링 온도가 높아질수록 베이나이트 분율 및 잔류 오스테나이트의 변태유기소성 효과가 증가하여 상대적으로 높은 충격 인성 값을 나타내었다.
2에 나타내었다. 200 ℃에서 6 시간 및 250 ℃ 에서 1 시간 오스템퍼링한 시편들의 미세 조직은 TTT 곡선의 베이나이트 변태 시작점 근처에서 급랭 처리를 통해 베이나이트가 거의 생성되지 않고, 미세한 마르텐사이트가 주로 형성된 것을 확인할 수 있다. 오스템퍼링 시간이 증가할수록 베이나이트 변태가 진행되어 200 ℃ 에서 144 시간 및 250 ℃ 에서 72 시간 오스템퍼링한 시편들은 대부분 베이나이트 조직을 나타내었다.
3), 오스템퍼링 시간에 따라 형성되는 베이나이트 분율이 크게 달라지는 것을 볼 수 있다. 오스템퍼링 시간이 증가할수록 베이나이틱 페라이트 판과 필름 형태의 잔류 오스테나이트가 층상 구조로 이루어진 베이나이트 패킷(packet)이 관찰되며, 최종적으로 베이나이트 패킷과 블록(blocky) 형태의 잔류 오스테나이트가 존재하는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	베이나이트 변태 온도를 낮추려는 연구를 하는 이유는?	최근 높은 강도와 내충격성을 요구하는 다양한 분야에 적용하기 위해 나노 베이나이트강에 대한 폭넓은 연구가 진행되고 있다[2, 3]. 일반적으로 나노 베이나이트강은 베이나이틱 페라이트 판(plate)과 필름(film) 형태의 잔류 오스테나이트가 미세해질수록 수많은 계면에 의한 전위 이동의 방해로 인해 강도가 증가된다[4]. 이로 인해 특정한 소재에서 요구되는 강도 개선을 위해 탄소 함량을 높여 베이나이트 변태 온도를 낮추려는 연구가 꾸준히 진행되어 왔다[5, 6].
	나노 베이나이트강(nano-bainite steel)이 무엇인가?	나노 베이나이트강(nano-bainite steel)은 마르텐사이트 변태 시작 온도 직상의 저온에서 오스템퍼링(austempering)을 실시하여 미세한 베이나이틱 페라이트(bainitic ferrite)와 잔류 오스테나이트의 층상 구조를 통해 기존 베이나이트강 대비 강도 및 경도를 향상시킨 소재이다[1]. 최근 높은 강도와 내충격성을 요구하는 다양한 분야에 적용하기 위해 나노 베이나이트강에 대한 폭넓은 연구가 진행되고 있다[2, 3].
	잔류 오스테나이트의 기계적 안정성에 영향을 주는 인자는?	최근 Zhang 등은 외부 응력에 의해 잔류 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하는 변태유기소성(TRIP, transformation induced plasticity) 효과에 의해 나노 베이나이트강의 충격 인성이 향상된다고 보고하였다. 일반적으로 잔류 오스테나이트의 기계적 안정성은 결정립 크기, 형태, 탄소 함량 및 결정 방위 등에 영향을 받는다고 알려져 있다[11, 12]. 따라서 나노 베이나이트강에서는 잔류 오스테나이트와 기계적 특성의 상관관계에 대한 이해가 매우 중요하다.

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