(4.5)= 0.15429nm인 CuKα 특성 X-선을 사용하였을 때 식 (2.15),식 (4.4)및 식 (4.5)를 이용하여 잔류오스테나이트의 체적분률을 구하기 위해서는 αʹ마르텐사이트 의 회절면인 (200)αʹ 및 (211)αʹ면들과 오스테나이트의 회절면인 (200)γ 및 (220)γ 면들의 이론적분강도 과 값들을 알아야 한다.
이론적분강도 은 구조산란인자,다중도,로렌즈-편광인자,온도인자 및 단위 격자의 체적과 관련된 값43)으로서 식 (4.6)과 같다.
∙ ∙ ∙ ∙
(4.6)
여기서 ;구조산란인자
;다중도인자
;단위포 부피
;로렌츠-편광인자 cos sincos
;온도인자(M은 일반적으로 sin )
Table4.3및 4.4는 αʹ마르텐사이트 및 오스테나이트의 주 회절면의 이론적분강 도를 구하는데 필요한 여러 인자들에 대한 값과 식 (4.6)을 이용하여 구한 이론적 분강도를 나타낸다.
Table.4.3Theoreticalintegratedintensityof(200)αʹ and(211)αʹ
sin
(200)αʹ 0.34 32.02 0.001803 6 1168.3 4.999 17.09 0.9195 58.09 (211)αʹ 0.42 40.71 0.001803 24 910.8 3.1701 15.09 0.8807 110.04
Table.4.4Theoreticalintegratedintensityof(200)γ and(220)γ
sin
(200)γ 0.28 25.21 0.000459 6 5655 8.5655 18.8 0.9473 126.48 (220)γ 0.39 37.23 0.000459 12 3999.3 3.6774 15.81 0.8965 72.69 또한,Fig.4.12은 오스테나이트 처리온도가 다른 시편들에 대해 ASTM에서 권 고40)한 시험조건인 0.5°2θ/min 이하의 스캔속도에 의해 얻는 X-선 회절시험결과를 나타낸다.
Fig.4.12.XRD patternsoftheAISID2steelwithaustenitizingtemperature.
Fig.4.12로부터 구한 αʹ마르텐사이트 및 오스테나이트 회절면들의 오스테나이트 화 온도에 따른 적분강도는 Table4.5와 같다.
따라서 Table4.3및 4.4로부터 구한 값들을 식 (4.4)및 (4.5)에 대입하여 오스테 나이트화 처리온도에 따른 잔류오스테나이트의 체적분률을 구하였으며 그 결과는 Fig.4.13과 같다.오스테나이트 처리온도에 따른 탄화물의 체적분률는 Fig.4.6 의 결과를 이용하였다.
Table4.5Relativeintegrated intensity ofαʹ martensiteand austeniteobtained by x-raydiffractometry
Austenitizing temperature(℃)
(200) (211) (200) (220) 1,020 105.3488 189.1210 39.4452 18.5662 1,040 104.2559 186.0705 40.9572 20.9050 1,060 92.7285 165.3297 77.9318 39.8359 1,080 77.2004 137.5242 109.7734 56.1525
Fig.4.13.Change in the volume fraction ofretained austenite ofthe D2 steelaustenitizedatvarioustemperatures.
X-선 회절법에 의해 구한 잔류오스테나이트의 체적분률을 화상분석법에 의해 구 한 값과 비교하기 위하여 화상분석을 실시하였다.
퀜칭하여 에칭한 상태에서는 αʹ마르텐사이트와 오스테나이트의 구별이 어렵기 때 문에 퀜칭한 시편을 잔류오스테나이트가 분해되지 않은 조건인 180 ℃ 온도에서 30분간 템퍼링하여 10％ Nital로 엣칭하여 Fig.4.15의 주사전자현미경 사진을 이용 하여 화상분석법을 실시하였으며 그 결과를 Fig.4.13과 비교하여 Fig.4.14에 나타 냈다.
X-선 회절분석법에 의해 구한 잔류오스테나이트의 체적분률과 화상분석에 의해 구한 잔류오스테나이트의 체적분률은 약 10％의 차이를 나타냈다.추후 두 시험법 에 대한 오차범위를 검토하여 X-선 회절시험법에 의한 잔류오스테나이트 체적분률 의 계산식의 보정이 필요할 것으로 판단된다.
Fig.4.14.Change in the volume fraction ofretained austenite ofthe D2 steelaustenitizedatvarioustemperatures.
(a)
(b)
(c)
(d)
Fig.4.15.SEM micrographsofAISID21steelwithquenched,andthentempered at180℃ for30min;(a)1,020℃×40min,(b)1,040℃×40min,(c)1,060℃×40min and(d)1,080℃×40min.
Fig.4.16.AFM imageofmartensiteandretainedaustenitemorphology.
제 2절 크라이오처리에 따른 제 특성 변화
1.크라이오 온도에 따른 미세조직 및 상변화
αʹ마르텐사이트 변태는 비등온변태(Athermaltransformation)로서 Ms온도(마르텐 사이트 변태개시온도)라는 특정한 온도에서 마르텐사이트 핵이 생성되기 시작하여 온도가 저하함에 따라 마르텐사이트 핵은 성장하여 Mf온도(마르텐사이트 변태종료 온도)에서 성장이 멈춘다32).
특히 이러한 오스테나이트 → 마르텐사이트 변태 시 Ms온도 및 Mf온도는 화학 조성,가공도 또는 결정립 크기32)등에 따라 다르게 나타난다.
퀜칭하였을 때 잔류하는 오스테나이트의 마르텐사이트 변태특성을 알아보기 위 하여 실온에 퀜칭한 시편을 -70℃(Shallow cryogenictreatment)또는 -196℃(Deep cryogenictreatment)의 액체질소에 20분 동안 침지하여 X-선 회절시험을 실시하 였으며 그 결과는 Fig.4.17과 같다.
Fig.4.18은 주사전자현미경 사진으로 미세조직 상으로는 큰 차이를 보이지 않는다.
또한 Fig.4.19는 Fig.4.17의 X-선 회절시험 결과로부터 구한 잔류오스테나이트 양을 나타낸다.1,020 ℃에서 오스테나이타이징 처리하여 퀜칭한 경우 약 12％의 오스테나이트가 실온에서 잔류하였다.
한편 실온이하의 온도인 -70 ℃에 침지한 경우에는 잔류오스테나이트의 체적분 률은 크게 변하지 않았으나 액체질소 온도인 -196 ℃에 20분간 침지한 경우에는 잔류오스테나이트 체적분률은 9％ 내외로 감소하였다.
이러한 잔류오스테나이트의 체적분률의 감소는 실온보다 낮은 온도에 침지함으 로써 미변태된 오스테나이트 핵생성 및 마르텐사이트의 성장에 기인하는 것으로 판단된다.그러나 -196℃의 액체질소 온도에서도 남아 있는 미변태 오스테나이트 는 오스테나이트화 온도에서 탄화물의 분해 및 합금원소의 재고용에 따른 모상의 화학적 안정화32∼34,38)에 기인하는 것으로서 이에 따라 마르텐사이트 변태개시온도 인 Ms온도가 액체질소온도 이하로 저하하였기 때문이다.
한편 크라이오 처리온도에 따른 비커스 경도 변화를 Fig.4.20에 나타냈다.퀜칭 한 시편에서 비커스 경도는 HV=747이었으나 -70℃ 또는 -196℃에서 침지하였 을 때 각각 HV=755또는 HV=765이었으며 이러한 경도값의 상승은 심냉처리에 의한 잔류오스테나이트의 마르텐사이트변태 또는 탄화물의 석출에 기인하는 것으로 판단된다.
Fig.4.17.X-ray diffraction patterns(2θ = 30°∼90°)ofAISID2 steel quenchedat1,020℃ withcryogenictreatmenttemperature.
(a) (b)
Fig.4.18. SEM micrograph of AISI D2 steel quenched at 1,020 ℃ and then immersed in LN2 for 20min; (a) -70 ℃ and (b) -196 ℃.
Fig.4.19.Changein thevolumefraction ofretained austeniteof theD2steelcryogenictreatmenttemperature.
Fig.4.20.ChangeinVickershardnessvalueofAISID2steelwith cryogenictemperature.
2.크라이오 유시시간에 따른 미세조직 및 상변화
상변태,탄화물의 석출 또는 이에 따른 결정학적 성질들의 변화는 특정온도에서 의 유지시간에 따라 다르게 나타난다.1,020및 1,060℃에서 퀜칭한 시편들은 각각 유지시간을 달리하여 액체질소에 침지하여 유지시간에 따른 상변화 및 탄화물의 석출거동 등을 조사하였다.Fig.4.21및 4.22는 1,020및 1,060℃에서 퀜칭하여 액 체질소에 12,24및 48시간 동안 침지한 시편들의 X-선 회절시험 결과를 나타내며 Fig.4.23및 Fig.4.24는 X-선 회절시험 결과로부터 구한 잔류오스테나이트 및 마 르텐사이트 결정의 정방성(Tetragonality)32)즉,c/a값의 변화를 나타낸다.
Fig.4.23에서 1,020℃ 오스테나이트화 처리한 시편의 경우 퀜칭한 상태에서 잔 류오스테나이트의 체적분률은 12％내외였으며 크라이오 처리시간 12시간에서는 9％로 감소하였다.그러나 유지시간이 24및 48시간으로 감소하더라도 잔류오스테 나이트의 체적분률은 큰 변화가 없었다.
한편,오스테나이타이징 온도가 높은 1.060℃의 경우 퀜칭한 상태에서 잔류오스 테나이트의 체적분률은 24.1％이었다.그러나 크라이오 처리시간이 12,24및 48시 간으로 증가함에 따라 잔류오스테나이트의 체적분률은 14.9,13및 9.8％로 감소하 였다.
Fig.4.24는 d200,d020및 d002로부터 구한 마르텐사이트의 정방성(c/a)을 크라이오 처리시간에 대해 나타낸 것으로서 c/a는 크라이오 처리시간이 증가함에 따라 증가 하는 경향을 나타냈다.이러한 경향은 1.020℃ 퀜칭의 경우보다 1,060℃에서 퀜칭 한 시편에서 더 크게 나타났으며 크라이오 처리에 의해 고용원자의 재배열 특히 8 면체공간에 침입형 원자로 고용하는 것으로 알려진 C원자의 재배열44∼47)에 의한 것 으로 판단된다.
Fig.4.25는 오스테나이트화 처리온도 및 크라이오 처리에 따른 탄화물의 석출 정도를 나타낸 미세조직사진이다.오스테나이타이징 온도가 높은 1.040 ℃의 경우 탄화물의 분해 및 고용도가 크기 때문에 탄화물의 체적분률은 낮게 관찰되었으나 24시간 크라이오 처리 후 고용원소가 다시 석출하여 오히려 오스테나이트화 온도 가 높은 1,040℃의 경우가 탄화물의 체적분률이 더 크게 나타났다.
Fig.4.26은 화상분석에 의해 구한 탄화물의 체적분률을 오스테나이타이징 온도 와 크라이오 처리시간에 따라 나타낸 것이다.
한편 Fig.4.27및 4.28은 1,020및 1,060℃에서 퀜칭한 시편들을 액체질소에 유 지시간을 달리하여 침지한 시편들의 경도변화를 각각 나타낸다.1,020 ℃ 퀜칭의 경우 경도값은 HV=747이었으나 크라이오 처리시간이 12,24및 48시간으로 길어 짐에 따라 경도값은 증가하였다.
또한 1,060℃ 퀜칭의 경우 경도값은 HV=694이었으며 크라이오 처리시간에 따 라 1,020 ℃ 퀜칭의 경우와 마찬가지로 경도값은 증가하였으나 증가하는 정도는 1,060℃의 경우가 더 컸다.
경도값에 기여하는 인자는 잔류오스테나이트의 체적분률,마르텐사이트의 미세조 직,탄화물의 크기,종류 및 체적분률 등이 있다.
오스테나이트의 경도는 마르텐사이트 경도에 비해 상대적으로 낮기 때문에 경도 면에서만 본다면 잔류오스테나이트는 제거되는 것이 바람직하다.특히 금형 및 공 구강에서 경도에 기여하는 마르텐사이트는 비교적 빠른 냉각 속도에 의해서 얻어 지며 이때 마르텐사이트의 경도는 과포화된 용질원자 특히 C원자의 함량이 증가하 면 마르텐사이트의 경도는 증가한다.
1,060℃ 에서 퀜칭한 경우,오스테나이타이징에 의해 더 많은 양의 C원자가 모 상에 고용되므로 오스테나이트가 잔류한다.그러나 이후 크라이오 처리에 의해 잔 류오스테나이트가 마르텐사이트로 변태한다면 이 때 얻어진 마르텐사이트는 높은 C원자의 함량 때문에 높은 경도를 나타내게 된다.
Fig.4.21.X-ray diffraction patterns(2θ = 30°∼130°)ofAISID2 steel quenchedat1,020℃ withcryogenictreatmenttime.
Fig.4.22.X-ray diffraction patterns(2θ = 30°∼130°)ofAISID2 steel quenchedat1,060℃ withcryogenictreatmenttime.
Fig.4.23.Change in the volume fraction ofretained austenite of theD2steelwithcryogenictreatmenttime.
Fig.4.24.Change in the tetragonality(c/a)ofmartensite ofthe D2 steelwithcryogenictreatmenttime.
1,020℃ 1,040℃
0hr
24hrs
Fig.4.25.SEM micrograph ofAISID2 steelquenched at1,020℃ and 1,040
℃,andthenimmersedinLN2.
Fig.4.26.ChangeinthenumberofSCC withcryogenictreatmenttime.
Fig.4.27.Changein VickershardnessvalueofAISID2steelquenched at1,020℃ withcryogenictreatmenttime.
Fig.4.28.ChangeinVickershardnessvalueofAISID2steelquenched at1,060℃ withcryogenictreatmenttime.
제 3절 템퍼링에 의한 미세조직 변화
1,040℃에서 퀜칭한 후 액체질소에 24시간 동안 침지한 시편들을 200,300,400
℃에서 30분 동안 템퍼링 하였으며 이들 시편에 대한 주사전자현미경 및 원자현미 경 사진은 각각 Fig.4.29및 4.30과 같다.
퀜칭한 D2강을 템퍼링하였을 때 나타나는 현상으로는 원자의 재배열,잔류응력 제거,마르텐사이트 또는 잔류오스테나이트 변태에 따른 평형상 즉,α-페라이트 및 (천이)탄화물의 생성 등을 들 수 있다.이러한 일련의 현상들은 템퍼링 온도 및 시 간에 따라 다르게 나타난다.
본 실험에서와 같이 퀜칭→크라이오처리 후 비교적 낮은 온도에서 템퍼링한 경 우에는 주로 비평형상인 마르텐사이트가 평형상인 α-페라이트와 여러 형태의 천이 탄화물48)을 거쳐 최종적으로 M7C3탄화물로 변태한다.
Fig.4.29및 4.30의 주사전자현미경 및 원자현미경에서 관찰되는 0.08μm 크기의 막대 형태의 탄화물들은 M7C3탄화물을 형성하기 위한 중간 생성물인 탄화물로서 MC 또는 M2C 천이탄화물로 판단된다.
한편 Fig.4.31은 1,040℃에서 퀜칭하여 액체질소 온도에서 24시간 동안 침지한 후 200,300및 400℃에서 각각 30분간 템퍼링한 시편들의 비커스 경도값의 변화 를 나타낸다.템퍼링 이전에는 HV= 764이었으나 템퍼링 온도가 200,300및 400
℃로 높아지면 비커스 경도값은 726,637및 633으로 저하하고 경도값이 저하하는 정도는 200℃ 템퍼링의 경우에는 크지 않았으나 300및 400℃ 템퍼링의 경우에 는 크게 나타났다.
이러한 경도값의 변화는 템퍼링에 따른 미세조직의 변화와 밀접한 관계가 있다.
즉 Fig.4.29및 4.30과 같이 템퍼링에 의해 마르텐사이트는 천이탄화물을 거쳐 페라이트 및 복합탄화물인 M7C3로 분해한다.
그러나 템퍼링 온도가 300및 400℃로 증가하면 α+M7C3의 석출에 의하여 경도 는 급격히 저하한다.