[논문]고내열 페라이트계 스테인레스 주강의 고온인장특성 평가

정현경; 이동근

doi:10.12656/jksht.2021.34.1.10

고내열 페라이트계 스테인레스 주강의 고온인장특성 평가
High Temperature Tensile Properties of Heat-resistant Cast Ferritic Stainless Steels 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.34 no.1, 2021년, pp.10 - 16

정현경 (경남테크노파크) , 이동근 (순천대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

Exhaust manifold is a very important component that is directly connected to air environment pollution and that requires strict mechanical properties such as high temperature fatigue and oxidation. Among stainless steels, the ferritic stainless steel with body-centered cubic structure shows excellent resistance of stress-corrosion cracking, ferromagnetic at room temperature, very excellent cold workability and may not be enhanced by heat treatment. The microstructural characteristics of four cast ferritic stainless steels which are high heat-resistant materials, were analyzed. By comparing and evaluating the mechanical properties at room temperature and high temperature in a range of 400℃~800℃, a database was established to control and predict the required properties and the mechanical properties of the final product. The precipitates of cast ferritic stainless steels were analyzed and the high-temperature deformation characteristics were evaluated by comparative analysis of hardness and tensile characteristics of four steels at room temperature and from 400℃ to 800℃.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Diagrams of schematic and machined specimen for high temperature tensile tests.
표 Table 1. Chemical compositions of four cast ferritic stainless steels
그림 Fig. 2. Optical micrographs of four cast ferritic stainless steels; F1, F2, F3 and F4.
그림 Fig. 3. SEM images (x1000) of precipitation phases of each cast ferritic stainless steels (F1, F2, F3 and F4) and EDS analysis of these phases.
표 Table 2. Variation of hardness, converted and measured tensile strength of four cast ferritic stainless steels
표 Table 3. Tensile properties of four cast ferritic stainless steels according to test temperatures
그림 Fig. 4. Correlation between temperature and tensile strength of four cast ferritic stainless steels; F1, F2, F3 and F4.
그림 Fig. 5. Correlation between temperature and yield strength of four cast ferritic stainless steels; F1, F2, F3 and F4.
그림 Fig. 6. Correlation between temperature and elongation of four cast ferritic stainless steels; F1, F2, F3 and F4.

AI 본문요약
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문제 정의

03wt.% 이하로 낮추거나, Nb나 Ti을 첨가시켜 Cr계 탄화물 대신 Nb계 탄화물이나 Ti계 탄화물을 석출시켜 C를안정화시키는 것이 바람직하며, 본 연구에서는 Nb을첨가하여 C을 안정화하고자 하였다.
페라이트계 스테인레스 주강을 설계할 때, Cr 함량이 일정수준 이상으로 높을 경우 W 원소를 첨가하여도 고온인장특성에는 큰 상승효과를 불러일으키지 못하므로 Cr함량과 W함량을 최적화하는 것이 필요함을 확인하였다. 본 연구에서는 F2 합금 소재가 경도뿐 만 아니라 상온 및 고온에서 가장 우수한 항복강도 및 인장강도 특성을 나타내었다.
본 연구에서는 스테인레스강 중에서도 비교적 다량의 크롬을 함유하고 니켈 함유량이 없기 때문에 가격이 저렴한 4종의 페라이트계 스테인레스 주 강을 설계 제조하여 이들의 미세조직학적 특성을 분석 평가하고, 상온 및 고온 인장특성을 평가하여 데이터베이스를 구축하고 적절한 고내열 합금소재를 개발 및 선택하고자 하였다.

제안 방법

1. 크롬을 다량 포함하고 니켈을 함유하지 않은 고내열 소재인 페라이트계 스테인레스 주강 4종을 설계 제조하였고, 이들 4종의 합금소재에 대해 미세조직학적 특성을 분석·평가하고, 이를 고온의 기계적 특성과 연계하여 분석하였다.
3. SEM images (x1000) of precipitation phases of each cast ferritic stainless steels (F1, F2, F3 and F4) and EDS analysis of these phases.
사용하였다. 각 주강 소재들은 Y-Block 형태를 주조하여 사용했으며, 각 합금소재들의 화학 성분은 표1에 나타내었다. F1과 F2 합금은 Nb의 함량을 상대적으로 많이 함유하고 있으며, F3와 F4 합금은 상대적으로 Cr의 함량을 많이 함유하고 있다.
고온용 철강소재로 설계한 F1, F2, F3, F4 등 4 종류의 스테인레스 주강의 미세조직을 광학현미경으로 관찰하여 Fig. 2에 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 관찰된 미세조직은 수지상(dendrite) 조직이 혼재한 전형적인 주조조직의 특성을 나타내고 있으며, 모든 합금소재는 기지 전체적으로 균일한 미세조직을 형성하고 있는 것을 확인할 수 있다.
로크웰 경도시험은 Testor HT-2001인 시험기로 150kg 하중에서 측정하였으며, 상온인장시험은 ASTM E8M 소형크기 규격으로 제조한 후에 만능재료시험기(Instron, 5882)를 이용하여 항복강도, 인장강도, 연신율을 측정하였다. 고온인장시험은 AMSLER 장비를 이용하여 Fig. 1과 같이 ASTM E21 규격에 따라[9] 표 점 거리 25mm, 2.0mm/min 인장속도로 400^oC, 600^oC, 800^oC까지 200^oC 간격으로 수행되었다.
미세조직을 관찰하기 위해 글리세린 45ml, 염산 30ml, 질산 15ml을 혼합한 에칭액을 이용하였다. 광학현미경 (Optical Microscope, OM, BX53M, Olympus, Japan) 과 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM, JSM-7001F, JEOL, Japan)을 이용하여 미세조직을 관찰하였고, SEM/EDS를 이용하여 개 재물 또는 석출물을 확인하였다.
기계적 특성을 평가하기 위해 로크웰 경도, 상온 인장시험 및 고온인장시험을 시행하였다. 로크웰 경도시험은 Testor HT-2001인 시험기로 150kg 하중에서 측정하였으며, 상온인장시험은 ASTM E8M 소형크기 규격으로 제조한 후에 만능재료시험기(Instron, 5882)를 이용하여 항복강도, 인장강도, 연신율을 측정하였다.
및 고온인장시험을 시행하였다. 로크웰 경도시험은 Testor HT-2001인 시험기로 150kg 하중에서 측정하였으며, 상온인장시험은 ASTM E8M 소형크기 규격으로 제조한 후에 만능재료시험기(Instron, 5882)를 이용하여 항복강도, 인장강도, 연신율을 측정하였다. 고온인장시험은 AMSLER 장비를 이용하여 Fig.
시험용 시편은 중력방향에 수직한 방향으로 시편을 채취하여 기계가공하였다. 페라이트계 스테인레스 주 강은 기계가공 시 조도가 나쁜 편이었으나, 절삭 성이 양호하여 전반적으로 가공상의 큰 문제는 없었다.
자동차 배기가스용 배기 매니폴드 등의 제작에 활용될 수 있는 고온소재인 페라이트계 스테인레스 주 강의 미세조직학적 특성과 더불어 기계적 물성에 대한 데이터베이스를 확보하기 위해 상온 경도 및 인장, 그리고 고온인장특성을 평가하였다.
페라이트계 스테인레스 주 강은 기계가공 시 조도가 나쁜 편이었으나, 절삭 성이 양호하여 전반적으로 가공상의 큰 문제는 없었다. 주조된 각각의 주강들에 대해 중력방향에 수직인 면을 관찰하기 위해 시편의 표면은 #2000까지 기계적 마크로 연마를 수행하였으며, 그 후 0.04m 단위까지 마이크로 연마를 수행하였다. 미세조직을 관찰하기 위해 글리세린 45ml, 염산 30ml, 질산 15ml을 혼합한 에칭액을 이용하였다.

대상 데이터

04m 단위까지 마이크로 연마를 수행하였다. 미세조직을 관찰하기 위해 글리세린 45ml, 염산 30ml, 질산 15ml을 혼합한 에칭액을 이용하였다. 광학현미경 (Optical Microscope, OM, BX53M, Olympus, Japan) 과 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM, JSM-7001F, JEOL, Japan)을 이용하여 미세조직을 관찰하였고, SEM/EDS를 이용하여 개 재물 또는 석출물을 확인하였다.
본 실험에서 사용된 스테인레스 주강은 고온 특성을 강화하기 위해 설계된 페라이트계 스테인레스 주강으로, F1, F2, F3, F4 등 4 종류의 합금을 제조하여 사용하였다. 각 주강 소재들은 Y-Block 형태를 주조하여 사용했으며, 각 합금소재들의 화학 성분은 표1에 나타내었다.
우수한 철강재료이다. 이 소재는 고온상을 상온에급냉했을 때 얻어지는 미세조직을 기반으로 오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계 스테인리스강으로 구별된다. 오스테나이트계 스테인리스강은 본질적으로 Cr을 16~25%, Ni을 7~20% 함유하는 주요원소가 3개인 Fe-Cr-Ni의 3원계 합금이며, 페라이트계 스테인리스강은 Cr을 12~30% 함유하는 Fe-Cr 2원계 합금이라 할 수 있다.

성능/효과

% 정도의 Cr함량에, 2wt.% 정도의 Nb을 함유하고, W을 소량 첨가하는 것이 페라이트계 스테인레스 주강의 상온 경도뿐만 아니라 상온 및 고온 인장특성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.
2. 각 주강소재에 대해 상온, 400^oC~800^oC에서 인장시험을 수행한 결과, 500^oC까지는 비교적 우수한 고온 인장특성을 갖는 것을 확인하였으며, 500^oC~600^oC를 기점으로 온도 상승에 따른 항복강도, 인장강도, 연신율의 증감율이 급격한 변화 경향을 나타냈다.
3. Nb의 함량을 많이 함유하고 있는 F1과 F2 합금이 상대적으로 Cr 함량을 많이 함유하고 있는 F3 와 F4 합금보다 항복강도 및 인장강도가 높은 특성을 나타냈다.
4. 페라이트계 스테인레스 주강을 설계할 때, Cr 함량이 일정수준 이상으로 높을 경우 W 원소를 첨가하여도 고온인장특성에는 큰 상승효과를 불러일으키지 못하므로 Cr함량과 W함량을 최적화하는 것이 필요함을 확인하였다. 본 연구에서는 F2 합금 소재가 경도뿐 만 아니라 상온 및 고온에서 가장 우수한 항복강도 및 인장강도 특성을 나타내었다.
Table 2에서 알 수 있듯이, Nb의 함량을 상대적으로 많이 함유하고 있는 F1과 F2 합금의 경도값이 상대적으로 Cr 함량을 많이 함유하고 있는 F3와 F4 합금에 비해 7HRB~10HRB 정도 높은 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 한편, 상온에서 측정한 경도값을 이용하여 인장강도 값으로 환산하여 인장강도 값을 유추한 결과와 실제 실험으로 측정한 상온 인장강도 값은 유사한 경향을 나타내었다.
각각의 페라이트계 스테인레스 주강에 대해 미세조직을 보다 심도있게 관찰하고 분석하기 위해 주사전자현미경을 이용해 SEM/EDS 관찰한 결과, 많은 Nb계열과 Cr계열의 석출물을 확인할 수 있었다. Fig.
3%로 증가하는 일반적인 경향을 나타냈다. 그러나 Cr함량이 상대적으로 많거나 W이 첨가된 F2, F3, F4 합금의 경우는 상온 및 400^oC, 600^oC, 800^oC 등으로 온도가 상승함에 따라 항복강도는 감소하고 연신율은 증가하지만, 인장강도의 경우는 400^oC에서상온보다 높은 최대 인장강도값을 나타낸 후 온도증가에 따라 감소하는 경향을 나타냈다. 이것은 온도상승에 따라 항복현상은 낮은 강도에서 발생하나, 변형량(strain)이 증가하면서 Cr계 석출물 또는 W의 영향으로 전위의 이동방해 및 전위밀도 증가에 의해가공경화량이 증가하여 최대 인장강도는 다소 증가하기 때문이다.
3은 페라이트계 스테인레스 주강의 석출물을 관찰한 주사전자현미경 사진들이다. 그림들에서 알 수 있듯이 Nb계열은 흰색으로 석출되어 있는 것을 확인할 수 있고, 많은 양의 C함량으로 인해 결정립 계에 Cr계 탄화물(Cr₂₃C₆)이 석출되어 있음을 확인할 수 있다. Cr계 탄화물(Cr₂₃C₆)의 석출은 이 부근의 Cr의 농도를 낮추는 역할을 하게 되어 입계 부식의원인을 제공하여 스테인레스의 특성을 약화시키기도한다[10].
2에 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 관찰된 미세조직은 수지상(dendrite) 조직이 혼재한 전형적인 주조조직의 특성을 나타내고 있으며, 모든 합금소재는 기지 전체적으로 균일한 미세조직을 형성하고 있는 것을 확인할 수 있다. α-ferrite 상과 시멘타이트, 펄라이트 등이 혼재해 있고, 일부 석출물들이 기지에 존재하는 것을 확인할 수 있었다.
시멘타이트, 펄라이트의 양이 많으며 W이 첨가되지 않은 F1 합금의 경우, 온도가 상승함에 따라 항복강도와 인장강도는 각각 593MPa→63MPa, 832MPa →107MPa으로 점차 감소하나, 연신율은 1.8%→ 55.3%로 증가하는 일반적인 경향을 나타냈다. 그러나 Cr함량이 상대적으로 많거나 W이 첨가된 F2, F3, F4 합금의 경우는 상온 및 400^oC, 600^oC, 800^oC 등으로 온도가 상승함에 따라 항복강도는 감소하고 연신율은 증가하지만, 인장강도의 경우는 400^oC에서상온보다 높은 최대 인장강도값을 나타낸 후 온도증가에 따라 감소하는 경향을 나타냈다.
6에서 알 수 있듯이, 전체적으로 고온으로 갈수록 항복강도와 인장강도는 감소하고 연신율은 증가하는 일반적인 경향을 나타내었다. 온도가 점차 상승함에 따라 강도는 감소하는데, 500^oC와 700^oC 등의 조건에서 일부 추가 시험을 실시하여 500^oC~600^oC를전후로 항복강도와 인장강도가 급격히 감소하고 연신율은 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 한편, Nb의 함량을 상대적으로 많이 함유하고 있는 F1과 F2 합금의 경우, 앞서 미세조직에서 알 수 있듯이 α-ferrite 상의 양이 비교적 적고, 시멘타이트, 펄라이트의 양이 많아 항복강도 및 인장강도가 높은 값을 나타내었다.
Table 3에 나타내었다. 인장시험 결과 Fig. 4 ~ Fig. 6에서 알 수 있듯이, 전체적으로 고온으로 갈수록 항복강도와 인장강도는 감소하고 연신율은 증가하는 일반적인 경향을 나타내었다. 온도가 점차 상승함에 따라 강도는 감소하는데, 500^oC와 700^oC 등의 조건에서 일부 추가 시험을 실시하여 500^oC~600^oC를전후로 항복강도와 인장강도가 급격히 감소하고 연신율은 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
1%)를 얻을 수 있었다. 하지만, 상대적으로 Cr 함량을 많이 함유하고 있는 F3와 F4 합금은 시멘타이트, 펄라이트의 양이 비교적 적고, 기지를 이루고 있는 α-ferrite 상의 양이 많아 항복강도 및 인장강도가 F1 및 F2 합금에 비해 낮은 값을 나타냈다. 온도가 고온으로 상승하여도 항복강도 및 인장강도의 경향성은 그대로 나타났다.
온도가 점차 상승함에 따라 강도는 감소하는데, 500^oC와 700^oC 등의 조건에서 일부 추가 시험을 실시하여 500^oC~600^oC를전후로 항복강도와 인장강도가 급격히 감소하고 연신율은 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 한편, Nb의 함량을 상대적으로 많이 함유하고 있는 F1과 F2 합금의 경우, 앞서 미세조직에서 알 수 있듯이 α-ferrite 상의 양이 비교적 적고, 시멘타이트, 펄라이트의 양이 많아 항복강도 및 인장강도가 높은 값을 나타내었다. F2 합금의 경우 W 첨가에 의해 상온뿐만 아니라 고온에서도 강도의 향상효과(최대 847MPa)와 더불어 고온 연신율의 향상효과(최대 61.

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
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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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