[논문]열처리 공정이 대형 주단조품의 조직변화에 미치는 영향

이명원; 이영선; 이승욱; 이동희; 김상식; 문영훈

열처리 공정이 대형 주단조품의 조직변화에 미치는 영향
Microstructure change of large cast-forged product by heat treatment conditions 원문보기

이명원 (한국기계연구원 변형제어연구그룹) , 이영선 (한국기계연구원 변형제어연구그룹) , 이승욱 (포스코 특수강) , 이동희 (포스코 특수강) , 김상식 (경상대 신소재 공학부) , 문영훈 (부산대 기계공학부)

Thermal energy control is a important factor in a large size casting and forging. Good control of thermal energy makes characteristics and defect of large cast-forged part, such as large sized forged shell. We have studied about not only large size ring forging process and after heat treatment by FEM simulation. Also, changes of temperature and microstructure for forged shell were predicted. Therefore, we can choose the proper heat treatment condition by FEA. The sectional properties confirmed by practical experiment and evaluation have presented possibilities of process design by computational analysis.

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문제 정의

링 단조공정은 소재를 펀치와 맨드렐 사이에서 가압하여 단면 감소시킨 후 반경방향으로 회전시키면서 점진적으로 링 지름 증가와 함께 추가적으로 단면을 감소시킨다. 본 연구에서는 대형 주단조품의 열처리 시 온도와 유지 시간 등의 변수가 조직변화에 미치는 영향을 살펴보기 위해 링 단조품(Forged shell)의 열처리 시뮬레이션을 실시하였다.
본 연구에서는 링 단조품 소재에 대하여 열처리 공정을 달리하여 FEM 을 실시하여 열처리 공정이 링 단조품 소재의 조직변화에 미치는 영향을 분석하였다.

제안 방법

포스코 특수강(Poscoss)에서 제공하였다. 링 단조 공정 후 세 가지의 다른 열처리 공정을 통하여 열처리가 대형 주단조품에 미치는 영향을 유한요소해석(FEM)으로 분석하였다. 아래의 Table 1은 해석에 사용된 소재 A1520의 화학 조성표이고 Table 2 는 링 단조품의 사이즈를 나타내고 있다.
2와 같다. 링 단조 후 열처리 해석을 조건 별로 진행한 후 단조품을 P1L0, P1L1, P2L0, P2L1 4부위별로 점 추적(Point tracking) 하였다. Fig.
링 단조품의 열처 리에 따른 조직변화를 프로세스 별로 살펴보았다. A, B, C 모두 오스테나이트(Austenite)는 거의 존재하지 않았으며 A와 C 프로세스에서는 페라이트(Ferrite)와 펄라이트(Pearlite), B프로세스에서는 베이나이트(Bainite)와 마르텐사이트(Martensite)가 확인 되었다.
먼저 링 단조 후 1050℃의 링 단조품을 650℃ 까지 공냉 후 650℃ 에서 4시간 동안 어닐링(Annealing) 공정을 거치는 A프로세스(Process), 단조 후 링 단조품을 200'C 까지 공냉 후 650℃에서 4시간 동안 어닐링 공정을 거치는 B 프로세스, 단조 후의 링 단조품을 280℃ 까지 시간당 20℃씩 온도를 하강 시 키는 제어냉각 후 650℃에서 15시간 동안 어닐링 공정을 거치는 C 프로세스, 이렇게 링 단조품을 소재에 대하여 세가지 서로 다른 조건으로 열처리 공정을 유한요소해석으로 실시하였다.
본 연구에서는 외 경 01750, 길이 2150mm 의 대형 링 단조품에 대하여 열처리 공정을 A, B, C 세 가지 프로세스로 유한요소해석을 실시하여 열처리 공정이 링 단조품의 조직변화에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.
후의 온도 변화는 물론 응력변화, 다른 결과상태의 응력분포, 경도, 다른 미세조직을 가진다. 여기서 A1520 소재가 가지는 TTTdiagram과 열처리해석 전과정의 소재 내 온도를 추적하여 두 개의 그래프를 오버랩(Overlap)하여 살펴보았다. 소재 A1520 의 TTT diagram 은 해석프로그램 인 Forge2008 heat treatment simulation 내 TTT 데이터베이스모듈을 이용하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 소재는 망간 첨가 탄소강으로 포스코 특수강(Poscoss)에서 제공하였다. 링 단조 공정 후 세 가지의 다른 열처리 공정을 통하여 열처리가 대형 주단조품에 미치는 영향을 유한요소해석(FEM)으로 분석하였다.
여기서 A1520 소재가 가지는 TTTdiagram과 열처리해석 전과정의 소재 내 온도를 추적하여 두 개의 그래프를 오버랩(Overlap)하여 살펴보았다. 소재 A1520 의 TTT diagram 은 해석프로그램 인 Forge2008 heat treatment simulation 내 TTT 데이터베이스모듈을 이용하였다.

데이터처리

링 단조 성형공정 해석은 유한요소해석(FEM) 프로그램 FORGE2008을 이용하였으며 링 단조 진행 과정은 Fig. 2와 같다. 링 단조 후 열처리 해석을 조건 별로 진행한 후 단조품을 P1L0, P1L1, P2L0, P2L1 4부위별로 점 추적(Point tracking) 하였다.

이론/모형

링 단조품의 시뮬레이션(Simulation)은 유한요소해석(FEM) 프로그램 FORGE2008을 이용하여 쿨링(Cooling)과 퀜칭(Quenching) 해석을 실시하였다.

성능/효과

(1) 대형 링 단조품의 열처리 해석의 가능성을 확인했으며 그에 따른 조직의 변화도 예즉 가능했다. 또한 최적열처리 조건의 선정이 가능했다.
(2) A, C 프로세스의 열처리 조건을 가지는 링 단조품이 B 프로세스보다 약 3배 정도 높은 유효응력 값을 가진다.
(3) A와 C 프로세스에서는 페라이트와 필라이트, B프로세스에서는 베이나이트와 마르텐사이트가 확인되었다.
(4) 링 단조품의 열처리 시에도 유지온도가 Ms점 이하로 되면 오스테나이트에서 유지온도까지의 급냉과정에서 생긴 마르텐사이트와 이후 일정하게 온도를 유지하며 생긴 베이나이트 조직이 확인된다.
별로 살펴보았다. A, B, C 모두 오스테나이트(Austenite)는 거의 존재하지 않았으며 A와 C 프로세스에서는 페라이트(Ferrite)와 펄라이트(Pearlite), B프로세스에서는 베이나이트(Bainite)와 마르텐사이트(Martensite)가 확인 되었다.
34MPa로 나타났다. A, C 프로세스의 열처리 조건을 가지는 링 단조품이 B 프로세스 열처리 조건의 링 단조품보다 약 3배 정도 높은 유효응력 값을 가지는 것으로 나타나고 있다.
링 단조품을 세가지 서로 다른 조건으로 열처리 한 공정을 유한요소해석으로 실시한 후의 결과를 Von Mises 항복 조건식에 의한 유효응력(Von Mises stress)값으로 비교하여 살펴보면 A 프로세스에서의 최고(Peak point)의 값은 150.12MPa, B 프로세스는 40.64MPa, C 프로세스는 126.34MPa로 나타났다. A, C 프로세스의 열처리 조건을 가지는 링 단조품이 B 프로세스 열처리 조건의 링 단조품보다 약 3배 정도 높은 유효응력 값을 가지는 것으로 나타나고 있다.
링 단조품의 열처리 유한요소해석을 진행하면서 B process에서처럼 유지온도가 Ms점 이하로 되면 오스테나이 트에 서 유지온도까지 의 급냉 과정 에서 생긴 마르텐사이트와 그 후 일정하게 온도를 유지하여 생긴 베이나이트 조직이 생기는 것을 해석 결과에서도 확인할 수 있었다.

후속연구

이와 같은 대형 자유 단조품에 대한 연구가 더욱 다양하게 진행되어 대형단조품의 단조 조건과 열처리 조건을 제어하여 더욱 우수한 강도 및 인성의 품질을 갖는 대형단조품의 생산이 이루어져야 할 것이다.

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