1.676
1.713 1.808
1.905
1.588
1.696
1.845
1.733
1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2
180 x 30min 180 x 1hr 300 x 1hr
Temperature (℃)
A m ou nt o f w ea r lo ss ( m g )
QT
Fig. 5.22 Change in abrasive wear trace of austenitized at 1,020℃ for 40min, cryogenictreatedat-196℃ for24hrsSTD 61steelwithtempering temperature(Wear distance;100m);(a)180℃×30min,(b)180℃×60minand(c)300℃×1hr.
( c)
( b)
( a)
제 3절 결 론
SKD 61열간 금형강의 경도 및 내마모성을 개선하기 위하여 오스테나이타이징 처리,초심냉처리(Supersubzero)및 템퍼링처리 조건에 따른 상변화,미세조직 변 화,탄화물의 거동 및 기계적 성질 변화 등에 대해 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1)오스테나이타이징 온도가 낮은 970℃의 경우 플레이트 형의 마르텐사이트 기 지에 미용해 M7C3복합탄화물이 관찰되었으며 미용해된 M7C3복합탄화물 주위에 α-페라이트가 관찰되었다.오스테나이타이징 온도가 상승하면 탄화물의 양은 증가 하며 오스테나이트 결정립의 성장에 따라 마르텐사이트 플레이트는 성장하였다.
(2)오스테나이타이징 후 200℃×1hr템퍼링에 의해 마르텐사이트는 분해하여 기 지에 미세한 침상의 ε 탄화물이 석출하였다.템퍼링 온도가 상승하면 구상의 세멘 타이트의 석출에 의해 탄화물의 체적분율은 증가하였으나 600℃×1hr템퍼링에 의 해서는 세멘타이트의 재용해에 의해 탄화물의 체적 분률은 약간 감소하였다.
(3)오스테나이타이징 온도가 낮은 경우에는 탄화물이 기지에 고용되지 못하고 부분적으로 탄화물+페라이트의 평형상이 존재하여 경도값은 낮았으나 오스테나이 타이징 온도가 상승하면 균일한 α’마르텐사이트 생성에 의해 경도값은 증가하였 다.
(4)퀜칭(L61Q),서브제로(L61QS)및 크라이오(L61QC)처리한 시편들의 경도값 을 비교하면 L61Q → L61QS → L61QC 시편 순으로 크라이오 처리한 L61QC 시 편의 경도가 높게 나타났다.그러나 180℃에서 템퍼링 시간이 길어지거나 템퍼링 온도가 300℃로 높아지면 L61QC 시편의 경도값은 감소하였으나 L61Q 및 L61QS 시편의 경우에는 증가하는 경향을 나타냈다.
(5)마모량은 템퍼링 온도에 무관하게 오스테나이타이징 온도가 높으면 크게 나 타났다.그러나 동일한 오스테나이타이징 온도에서는 400℃ 템퍼링에서는 마모량이 감소하였으나 템퍼링 온도 200또는 600℃에서는 마모량은 증가하였다.
(6)크라이오 처리후 비교적 낮은 온도인 180℃×30min에서 템퍼링한 경우에는 마모면에서 상대재와의 미끌림에 의한 소성 변형 및 연삭 마모된 흔적이 관찰되었 다.그러나 템퍼링 온도 및 시간이 증가하면 변형층의 크기는 증가하였으며 변형층 일부가 시편 표면으로부터 이탈되어 마모량이 증가하였다.
제 6장 GCD 450의 열처리 조건에 따른 미세조직 및 기계적 특성
제 1절 서 론
기지조직 중에 8～10%의 구상흑연이 존재하는 구상흑연주철은 흑연의 형상계수 즉 흑연의 형태뿐만 아니라 기지조직에 의해서 기계적 성질이 크게 달라진다.기지 조직은 C,Si및 Mn등과 같은 주방상태의 화학성분과 냉각속도에 의해 변하고 특 히 열처리 조건에 따라 크게 달라진다.
구상흑연주철의 미세조직은 보통 주방상태에서는 퍼얼라이트,소둔상태에서는 페 라이트 그리고 주방상태 또는 소둔에 의해서 페라이트와 퍼얼라이의 혼합조직인 bull'seye조직이 얻어진다18～54).
그러나 구상흑연주철의 장점인 높은 강도,향상된 인성,피로강도 및 내마모성의 향상 등을 기대하기 위해서는 특별한 열처리 기술이 필요하다.일반적으로 이러한 우수한 기계적 성질을 얻기 위해서 행해지는 열처리방법으로는 오스템퍼링 또는 퀜칭-템퍼링이 있다.
오스템퍼링은 850～900℃온도 범위에서 장시간 오스테나이트화 처리한 후 260
～520℃의 온도에서 등온변태처리하여 기지조직을 베이나이트화하는 열처리로서 인성이 향상되고 열처리 후 변형이 작기 때문에 자동차 부품,철도부품,건설부품 및 광산부품 등과 같이 강도,피로한 및 인성이 필요한 부품제조에 이용된다.
한편 구상흑연주철을 850～900℃에서 일정한 시간 유지하여 물 또는 퀜칭유에 급냉하여 마르텐사이트를 얻거나 이를 다시 템퍼링하여 템퍼드 마르텐사이트를 얻 는 퀜칭-템퍼링법(일명 QT처리)은 오스템퍼링처리에 비해 변형이 크기는 하나 경 도 및 항복강도 등이 오스템퍼링처리한 경우보다 높기 때문에 내마모성이 필요한 소형 부품에 적용되고 있다54).
본 장에서는 크랭크 샤프트의 소재로 사용되는 GCD 450의 오스테나이타이징 및 템퍼링 온도에 따른 미세조직의 변화를 조사하고 미세조직의 변화에 따른 경도 및 마모 특성을 비교하여 GCD 450의 최적의 열처리 조건에 대하여 연구하였다.
제 2절 실험결과 및 고찰
1.오스테나이타이징 온도에 따른 미세조직 및 상변화
상용으로 사용되고 있는 가전제품의 컴프레셔용 크랭크 샤프트의 주방상태의 미 세조직은 Fig.6.1과 같다.기지조직은 페라이트로서 기지조직에 흑연의 형상계수18) 가 1에 가까운 양호한 구상흑연의 형태를 나타내고 있다.
주방상태에서 Fig.6.1과 같은 미세조직을 갖는 GCD 450의 오스테나이타이징 및 템퍼링 온도에 따른 미세조직을 조사하기 위하여 크랭크 샤프트로부터 절단한 D 30× t5(mm)크기의 시편을 800,830,860,890및 910℃에서 1시간 유지한 후 6 5℃의 퀜칭유에 급냉하였다.
Fig.6.1Opticalmicrographofas-castGCD 450.
Fig.6.2는 800～910℃ 온도구간에서 1시간 동안 오스테나이타이징처리한 후 퀜 칭유에 급냉한 시편들의 미세조직을 나타낸다.Fig.6.2의 (a)는 800℃×1hr에서 오 스테나이타이징처리한 시편의 광학현미경 조직사진으로서 구상흑연으로부터 거리 가 먼 구역에서는 마르텐사이트가 생성되었으나 구상흑연주위에는 페라이트 및 세 멘타이트가 나타났다.
이러한 미세조직의 불균일은 오스테나이타이징 온도가 너무 낮아 초기조직인 페라이 트 또는 펄라이트로부터 가열 중에 오스테나이트화가 일어나지 않고 또한 C 원자의 확산이 충분하지 못하여 불균일한 미세조직이 나타난 것으로 판단된다.그러나 Fig.
6.2의 (b)～(d)와 같이 오스테나이타이징 온도가 상승하면 페라이트→오스테나이트 변 태 및 C 원자의 확산이 충분히 일어나 냉각 중에 마르텐사이트 조직이 나타난다.
그러나 마르텐사이트 조직 내에는 일부 잔류 오스테나이트가 관찰되었으며 이러 한 잔류 오스테나이트의 양은 Fig.6.2의 (e)와 같이 오스테나이타이징 온도가 상승 하면 많아지는 경향을 나타냈다.이와 같이 오스테나이타이징 온도의 상승에 따라 잔류 오스테나이트의 양이 증가하는 이유는 높은 온도의 오스테나이타이징에 기지 내의 C 원자의 농도가 증가하여 오스테나이트가 안정화되기 때문이다.
Fig.6.3은 오스테나이타이징 온도가 각각 다른 시편들을 X-선 회절시험하여 얻 은 X-선 회절시험결과를 나타낸 것으로서 bct구조의 α’마르텐사이트 및 fcc구조 의 오스테나이트 피크들이 관찰되었다.Fig.6.2의 미세조직 사진과 마찬가지로 오 스테나이트 피크의 적분강도는 오스테나이타이징 온도가 너무 낮거나 높게 되면 큰 값을 나타내며 890℃×1hr의 경우에는 오스테나이트의 피크는 나타나지 않았다.
한편 Fig.6.3은 890℃×1hr에서 퀜칭한 시편의 마르텐사이트 조직을 1,000배의 배 율로 관찰한 광학현미경사진이다.GCD 450에서 퀜칭하여 나타나는 마르텐사이트 는 Fig.6.3과 같이 플레이트 타입의 마르텐사이트로서 기지조직 내에 균일하게 생 성되어 있다.
마르텐사이트의 형상은 C 원자의 양에 따라 다르게 나타나는 것으로 알려져 잇 다.즉 저탄소 합금강의 경우 내부구조가 전위구조로 되어 있는 래쓰(Lath)상의 마르텐사이트가 생성되나 고탄소강 또는 C의 함량이 높은 주철의 경우 내부구조가 쌍정인 플레이트 마르텐사이트가 생성된다55).또한 플레이트 마르텐사이트에 과포 화된 고용 탄소는 주로 쌍정 경계에 존재하게 되며 템퍼링에 의해 과포화된 C 원 자는 기지 내에 석출하게 된다.
( a) ( b)
( c) ( d)
( e)
Fig. 6.2 Optical micrographs of quenched GCD 450 with austenitizing temperature;(a)800℃,(b)830℃,(c)860℃,(d)890℃ and(e)910℃.
2θ
830℃
800℃
(200) γ (220) γ
(200) α` (211) α`
R e la ti ve i n te n s it y
860℃
910℃
890℃
2θ
830℃
800℃
(200) γ (220) γ
(200) α` (211) α`
R e la ti ve i n te n s it y
860℃
910℃
890℃
Fig.6.3 X-ray diffraction patterns of quenched GCD 450 with austenitizing temperature.
Fig.6.4 Opticalmicrograph ofGCD 450 austenitized at890℃×1hr and then cooledto65℃,whichrevealsplate-typemartensite.
2.템퍼링 온도에 따른 미세조직 및 상변화
Fig.6.2와 같이 각각 다른 온도에서 오스테나이타이징하여 370,390,410및 43 0℃에서 1시간 동안 유지한 후 공냉한 시편들의 미세조직 사진은 Fig.6.5～6.9와 같다.
800℃×1hr의 오스테나이타이징에 의해 흑연 주위에 초석 페라이트 및 펄라이트 가 석출된 시편의 경우 370,390,410및 430℃으로 템퍼링 온도가 증가함에 따라 흑연이 정출된 구상흑연 주위에 페라이트의 양이 증가하였다.이러한 페라이트의 석출은 흑연이 정출함에 따라 흑연 주위의 탄소농도가 낮고 더욱이 오스테나이타 이징 온도가 낮으면 C 원자의 확산이 충분히 일어나지 않아서 템퍼링에 의해 페라 이트가 평형상으로 존재하기 때문이다17).그러나 구상의 흑연으로부터 멀리 떨어진 구역 즉 기지 내에 C 원자의 농도가 높은 구역에서는 템퍼드 마르텐사이트가 관찰
되었으며 이러한 템퍼드 마르텐사이트의 양은 템퍼링온도가 상승하면 증가하였다.
830℃×1hr에서 오스테나이타이징에 의해 초석 페라이트와 마르텐사이트의 혼합 조직인 경우 템퍼링에 의해 마르텐사이트는 미세한 세멘타이트와 페라이트가 혼합 된 템퍼드 마르텐사이트의 특징을 나타내나 템퍼링 온도가 370,390,410및 430℃
로 상승함에 따라 막대상의 페라이트는 조대해 지고 있다.
한편 860℃×1hr,890℃×1hr또는 890℃×1hr의 오스테나이타이징에 의해 구상의 흑연들 사이에 오스테나이트가 잔류한 시편들에서는 템퍼링에 의해 불안정한 오스 테나이트는 분해하여 페라이트 및 세멘타이트가 관찰되었다.또한 마르텐사이트는 템퍼드 마르텐사이트로 분해하며 템퍼링 온도가 상승하면 탄화물의 석출 및 조대 화가 진행됨과 동시에 페라이트의 크기 역시 증가하고 있다.그러나 860℃ 이상의 오스테나이타이징에서 템퍼링에 미치는 오스테나이타이징 온도에 따른 미세조직의 큰 차이는 관찰되지 않았다.
마르텐사이트를 템퍼링할 때 전위 및 C 원자의 편석 등과 같은 격자결함이 소멸 되는 시기를 예측하거나 실험적으로 결정하는 것은 쉽지 않다.그러나 400℃이상의 템퍼링에서는 미세조직,전기저항 및 경도 등의 변화 등에 의해 탄화물의 거동을 예측할 수 있다45).
이러한 온도에서 강을 템퍼링할 때 나타나는 가장 큰 특징은 급격한 경도저하이 다.이와 같은 급격한 회복과정 중에는 마르텐사이트 내에 있는 전위 셀벽들은 소멸 되며 미세하고 침상의 탄화물 입자가 생성된다.또한 마르텐사이트 구조는 조대화되 나 재결정이 개시될 때까지 연신된 패켓(packet)구조로 남게 된다.재결정과정은 경 계 내에 있는 탄화물의 고착에 의해 억제되기 때문에 재결정은 고탄소 합금에서 보 다 더 빨리 일어난다.고온에서 마르텐사이트의 템퍼링거동은 다음과 같다36).
-초기의 급격한 연화과정(회복)
-탄화물 입자에 의한 결정립경계의 고착에 의해 재결정이 억제되는 중간 단계 -탄화물 입자의 조대화 때문에 결정립 성장이 일어나는 마지막 단계
고온에서 장시간 템퍼링에 의해 얻어지는 미세조직은 Fig.6.5～6.9의 (d)와 같이 전체적으로 탄화물이 분산된 페라이트 결정립으로 이루어져 있다.재결정이 완료된 이후 탄화물 및 페라이트 입자 성장은 지속적으로 일어나는 동적과정이다.