Effect of Quenching and Tempering Temperatures on Mechanical Properties of A487 Cast with Different C Contents

(1)

C 함량이 다른 A487 주강품의

열처리 조건에 따른 기계적 및 부식 특성

정우진·정대호·이영철 *·이재현 **·김상식^†

경상대학교 금속재료공학과, *한국생산기술연구원, **창원대학교

Effect of Quenching and Tempering Temperatures on Mechanical Properties of A487 Cast with Different C Contents

Woo-Jin Jung, Dae-Ho Jeong, Young-Cheol Lee*, Jae-Hyun Lee** and Sang-Shik Kim^†

Dept of Met. and Mat. Eng., ReCAPT, Gyeongsang National University, Chinju 52828, Korea

*Dongnam Regional Divison, Korea Institute of Industrial Technology, Busan 46742, Korea

**Dept. of Mat. Sci. and Eng., Changwon National University, Changwon 51140, Korea

Abstract

The effects of quenching and tempering temperatures on the tensile, impact and corrosion properties of A487 alloy cast with dif- ferent C contents of 0.16, 0.19 to 0.23 wt.% were examined. The impact tests were conducted at 25

^o

C and −60

^o

C and the immer- sion test was performed using 3.5% NaCl solution for 14 days. The quenching temperature affected the mechanical properties of A487 alloy cast, while the magnitude of change varied depending on the C content. The increase in tempering temperature showed the typical trend of decreasing tensile strength and increasing impact properties. The change in quenching and tempering tem- perature in this study did not affect the corrosion properties of A487 alloy significantly. The change in mechanical and corrosion properties of A487 with different C contents was discussed based on the microstructural and fractographic observation.

Key words: Tensile property, Impact property, Corrosion property, A487, Quenching temperature, Tempering temperature

1. 서 론

A487 합금 주강품은 주로 내압용 소재로 널리 사용되고 있으며, 최근에는 해양플랜트 사업 등에 적용 범위를 넓혀가 고 있다. 해양구조물용 저온·고충격 및 고강도 주강부품은 극지를 비롯한 자원개발 영역 확대 추세에 따라 극한환경에 서 적합한 특성을 만족하는 개발요구가 증가하고 있다. 해양 플랜트용 A487 합금 주강품의 요구특성으로 우수한 강도, 저온 충격 특성 및 부식 특성이 우수하며, 선급 규정에 의해 주된 합금원소인 C, Mn, Si, Ni, Cr 및 Mo 원소 함량이 엄격하게 관리된다. 특히 C는 미량의 함량 차이에 의해서 기 계적 특성이 크게 변화할 수 있으며, 칭(quenching)과 템

퍼링(tempering) 효과에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다 [1-3]. A487 합금 주강품의 칭 및 템퍼링 조건 또한 주 문주의 요구사양에 따른 기계적 특성을 만족하기 위하여 개 발 시 온도와 시간의 자유도가 크지 않은 실정이다. 지금까 지 A487 합금이나 유사한 합금의 주강품에 대한 열처리 조 건 또는 합금원소 변화에 따른 기계적 특성의 변화에 관한 연구는 다수 있어 왔다[4-6]. 그러나 실제 산업현장에서 요구 되는 규정을 만족하는 범위 내에서 c 함량과 열처리 조건의 동시 변화가 미세조직, 기계적 특성 그리고 부식 특성에 미 치는 영향에 대한 연구는 미흡한 실정이다.

본 연구에서는 A487 주강품의 c 함량을 규정 내에서 변 화시킨 3종류의 합금을 주조하여 노말라이징(normalizing) 처

Received: Apr. 7, 2015 ; Revised: May. 26, 2015 ; Accepted: Jul. 16, 2015

†

Corresponding author: Sang-Shik Kim (Gyeongsang National Univ.) Tel: +82-55-772-1667, Fax: +82-55-762-8670

E-mail: [email protected]

Journal of Korea Foundry Society 2015. Vol. 35 No. 4, pp. 088~098 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2015.35.4.088 pISSN 1598-706X / eISSN 2288-8381

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(2)

리한 후 칭 조건과 템퍼링 조건을 달리하여, 이러한 열처 리 조건의 변화가 합금의 미세조직, 상온 인장 특성, 상온 및 − 60

^o

C에서의 충격 특성 및 3.5% NaCl 용액에서의 부식 특성에 미치는 영향을 연구하였다.

2. 실험 방법

본 연구에서는 기준 A487 합금 조성에서 0.19 wt% C 함량을 표준으로 하여 변화시킨 0.23 wt% C의 A487+C 합 금과 0.16 wt% C인 A487-C 합금을 235 mm (w) × 70 mm (l) × 170 mm (h) 크기의 Y-블록(Y-block) 형태로 주조하여 사 용하였다. 각 합금의 표기 및 화학성분을 Table 1에 나타내 었다. A487, A487+C 및 A487-C 합금에서 C를 제외한 합 금 원소의 함량을 이용하여 국제용접협회 기준 탄소당량을 계산한 결과 0.33, 0.34 및 0.33으로 거의 동일한 값을 나 타내었다.

주조 후 모든 시편에 대해 910

^o

C에서 9시간 가열한 후 공랭하는 노말라이징 처리, 각 910

^o

C 또는 950

^o

C 의 온도에 서 5시간 가열한 후 수냉하는 칭 처리 그리고 인성을 부 여하기 위해 각각 610

^o

C, 630

^o

C 및 650

^o

C 온도에서 7시간 가열 후 공랭하는 템퍼링 처리를 행하였다. 이러한 열처리 공정을 Fig. 1에서 도식적으로 나타내었다.

미세조직은 시편을 경면 연마 후 3% 나이탈(3% 질산 + 97% 에탄올) 용액을 이용하여 에칭한 후 광학현미경으로 관찰하였다. 열처리된 Y-블록에서 표점거리 36 mm, 직경 6 mm 의 인장시험편과 10 mm × 10 mm × 55 mm 크기의 샤 르피 V노치 충격시험편을 제작하였다. 시편에 관한 정보는

참고문헌[7]에 수록되어 있다. 인장 시험은 ASTM E8M 규 정에 의거하여 만능재료시험기(모델: MTDI UT-050)를 이용 하여 상온에서 1 × 10

⁻³

/sec 의 변형률 속도로 실시하였다. 충 격시험은 ASTM E23에 의거하여 충격시험기(모델: Tinius Olsen PS-5236)를 이용하여 실시하였다. 인장 및 충격시험 후 파단면은 주사전자현미경(SEM, 모델: 필립스 XL30S FEG)을 이용하여 관찰하였다.

3. 시험 결과 및 고찰

3.1 칭 온도에 따른 기계적 특성

C 함량이 다른 A487 합금의 미세조직에 칭 온도가 미 치는 영향을 알아보기 위하여 템퍼링 조건을 610

^o

C로 고정 하고 칭 온도를 각각 910

^o

C 및 950

^o

C 로 변화시킨 (a) A487, (b) A487+C 및 (c) A487-C 합금의 광학현미경 조 직을 Fig. 2에 나타내었다. A487 합금과 A487+C 합금에서 는 대부분 템퍼드 마르텐사이트 조직과 일부 베이나이트 조 직이 관찰되고 있다. 이에 반해 C 함량을 감소시킨 A487-C 합금에서는 템퍼드 마르텐사이트와 페라이트 조직이 일부 관 찰되고 있다. 칭 온도가 910

^o

C에서 950

^o

C로 증가됨에 따 라 탄소함량이 작은 A487-C 합금에서는 페라이트가 명확히 관찰되었다. 탄소함량이 비교적 높은 A487 및 A487+C 합 금에서는 비슷한 일부 베이나이트를 포함하는 템퍼드 마르텐 사이트를 보여주었다. 칭 온도가 높을 때는 오스테나이트 결정립을 크게 만들며 냉각 시 냉각속도를 늦추어 페라이트 를 형성시켰다. 그러나 칭 온도가 높을 때 조직의 균질화 에 기여하여 전체적인 조직이 균일함을 보여주었다.

Table 2는 칭 및 템퍼링 온도를 달리한 A487, A487+C 및 A487-C 합금의 상온 인장 실험 결과를 나타내고 있다.

동일한 템퍼링 조건에서 칭 온도가 910

^o

C 에서 950

^o

C 로 증가할 때 인장특성의 변화는 C 함량에 따라 다소 차이를 보이고 있다. 즉 표준 A487 합금에서는 강도와 연신률의 차 이가 거의 관찰되지 않았으나, C 함량이 높은 A487+C 합 금에서는 강도는 증가하고 연신률은 다소 감소하는 경향을 보였다. 이는 C 함량이 상대적으로 높은 A487+C 합금에서 는 칭 온도가 높을 때 시편의 균질화에 따른 미세한 마르 텐사이트가 균일하게 형성되어 강도가 다소 증가된 것으로 판단된다. 반대로 C 함량을 낮춘 A487-C 합금에서는 강도 와 연신률이 소폭 감소하는 경향을 보이고 있다. 이는 미세 조직에서 관찰된 바와 같이 칭 온도가 증가에 따라 냉각 Table 1. The specimen designation and chemical composition of A487 alloys. (wt. pct.).

Alloy C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu Al Fe

A487 0.19 0.48 0.93 0.017 0.009 0.45 0.69 0.28 0.03 0.03 Bal.

A487+C 0.23 0.34 0.88 0.012 0.004 0.73 0.72 0.27 0.09 0.04 Bal.

A487-C 0.16 0.5 0.88 0.018 0.008 0.73 0.68 0.3 0.02 0.03 Bal.

Fig. 1. The schematic illustration of heat treatment condition for A487

cast in this study.

(3)

Fig. 2. The effect of quenching temperature on the microstructure of (a) A487, (b) A487+C and (c) A487-C alloy. The tempering was conducted at 610

^o

C.

Table 2. Effect of quenching and tempering temperature on tensile properties of A487 alloy with different C contents.

Alloy

Quenching temp.

(

^o

C)

Tempering temp.

(

^o

C)

Yield strength

(MPa)

Tensile strength (MPa)

Tensile elongation

(%)

Alloy

Quenching temp.

(

^o

C)

Tempering temp.

(

^o

C)

Yield strength

(MPa)

Tensile strength (MPa)

Tensile elongation

(%)

A487

910 610 601 735 19

A487-C

910 610 581 702 23.1

630 577 710 20.8 630 543 675 22.6

650 544 673 22.1 650 523 651 24.6

950 610 596 730 18.4

950 610 554 687 20.7

630 576 707 21.7 630 526 655 17.3

650 536 668 22.4 650 511 643 22.3

A487+C 910

610 654 767 20.7

630 616 740 19.2

650 580 702 22.3

950 610 708 817 17.5

630 659 776 18.9

650 604 718 21.5

(4)

속도가 감소하며 페라이트 조직의 조대화에 원인이 있을 것 으로 판단된다.

Table 3은 칭 및 템퍼링 온도를 달리한 A487, A487+C

및 A487-C 합금의 상온 및 −60

^o

C 충격 특성을 나타내고 있다. 이전에 보고된 바와 같이 A487 합금의 충격 특성은 상온 및 저온에서 C 함량에 따라 다소 다른 경향을 나타내 Table 3. Effect of quenching and tempering temperature on absorbed energy of A487 alloys with different C contents.

Testing temp. (

^o

C)

Quenching temp. (

^o

C)

Tempering temp. (

^o

C)

Impact energy (J) Testing temp. (

^o

C)

Quenching temp. (

^o

C)

Tempering temp. (

^o

C)

Impact energy (J)

A487 A487+C A487-C A487 A487+C A487-C

25

910 610 121.5 126.7 138.3

−60

910 610 39.1 99.9 36.3

630 128 140 142.8 630 54 103.9 43.5

650 135.9 141.6 142.8 650 45.8 94.5 49.1

950 610 118.1 116.1 125 950 610 32.3 91 34.3

630 121.1 137.6 134.4 630 34.7 95.7 27.7

650 122.2 131.8 149.1 650 42.3 61.6 32.5

Fig. 3. The SEM fractographs of room temperature impact tested (a) A487, (b) A487+C and (c) A487-C alloys quenched at different tem-

peratures of 910

^o

C and 950

^o

C. The tempering was conducted at 610

^o

C.

(5)

Table 4. Effect of quenching and tempering temperature on corrosion properties of A487 alloys with different C contents in 3.5% NaCl solution.

Alloy Quenching temp. (

^o

C)

Tempering temp. (

^o

C)

Weight loss (g)

Corrosion rate

(mpy

^*

) Alloy Quenching temp. (

^o

C)

Tempering temp. (

^o

C)

Weight loss (g)

Corrosion rate (mpy

^*

)

A487

910 610 0.0262 0.86

A487-C

910 610 0.0225 0.74

630 0.0281 0.92 630 0.0211 0.69

650 0.027 0.88 650 0.0225 0.74

950 610 0.0251 0.82

950 610 0.0224 0.73

630 0.0364 1.19 630 0.0173 0.57

650 0.0209 0.66 650 0.0199 0.65

A487+C

910 610 0.0481 1.57 *mpy: mils per year

630 0.0513 1.68 mpy = [(3.45 × 10

⁶

) × weight loss(g)]

650 0.0456 1.49 [area(cm

²

) × exposure time(h) × density]

950 610 0.0487 1.27

630 0.0518 1.69

650 0.0516 1.69

Fig. 4. The SEM fractographs of low temperature impact tested (a) A487, (b) A487+C and (c) A487-C alloys quenched at different temperatures

of 910

^o

C and 950

^o

C. The tempering was conducted at 610

^o

C.

(6)

었다[7]. 상온에서는 C 함량이 낮은 A487-C 합금의 충격흡 수에너지가 다른 합금에 비해 다소 높았으나, 그 정도는 전 체적으로 미미한 수준을 보였다. 상온에서의 A487+C 합금의 다소 우수한 충격흡수에너지는 상대적으로 연신률 감소 없이 강도가 다소 증가한 것에 기인한 것으로 판단된다. 그러나

−60

^o

C의 저온에서는 A487+C 합금의 충격흡수에너지가 A487 합금과 A487-C 합금에 비해 월등히 높은 것을 알 수 있었으며, A487 합금과 A487-C 합금의 충격흡수에너지 차 이는 크지 않았다. 칭 온도의 경우 모든 합금에서 910

^o

C 에서 950

^o

C로 증가함에 따라 상온 및 저온에서의 충격 특성 은 다소 감소하는 경향을 나타내었다. Fig. 3과 4는 칭 온도가 A487 합금의 충격 특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 칭 온도를 910

^o

C과 950

^o

C로 변화시키고 템퍼링 처리는 610

^o

C에서 동일하게 시행한 (a) A487, (b) A487+C

및 (c) A487-C 합금의 상온(Fig. 3)과 저온(Fig. 4) 충격 파단면을 나타내었다. 상온에서는 전반적으로 모든 합금에서 딤플 파단 양상과 연성찢김(ductile tearing) 양상이 동시에 관찰되었다[8]. Fig. 3을 통해 전반적으로 딤플 파단 양상은 칭 온도가 높아질수록 다소 감소하는 것을 확인할 수 있었 으며, 이러한 딤플 파단 양상의 감소가 A487 합금의 충격 특성을 다소 감소시킨 것으로 판단된다. −60

^o

C의 저온에서는 A487 합금과 A487-C 합금에서는 전형적인 벽계 파단 양상 이 관찰되었으며, 벽계면(cleavage facet) 주위의 소성변형의 정도는 칭 온도가 증가할수록 감소하는 것을 알 수 있다.

저온에서 충격 특성이 가장 높은 A487+C 합금의 경우에는 딤플 파단과 취성 파단이 동시에 관찰되고 있다. 이러한 파 단 양상은 상대적으로 높은 템퍼드 마르텐사이트의 양과 관 련이 있는 것으로 판단된다.

Fig. 5. The effect of tempering temperature on the microstructure of (a) A487, (b) A487+C and (c) A487-C alloy. The quenching was

conducted at 950

^o

C.

(7)

그러나 칭 온도가 증가함에 따라 딤플 파단 양상이 감 소하는 것을 알 수 있다. 따라서 Table 3의 칭 온도에 따른 A487 합금의 충격 특성 변화와 파단면 양상이 잘 일 치하는 것을 알 수 있다.

3.2 템퍼링 온도에 따른 기계적 특성

템퍼링 온도가 미세조직에 미치는 영향을 알아보기 위하여 칭 온도를 950

^o

C 로 고정하고 템퍼링 온도를 각각 610

^o

C 및 650

^o

C 변화시킨 (a) A487, (b) A487+C 및 (c) A487-C 합금의 광학현미경 조직을 Fig. 5에 나타내었다. 템퍼링 온도 가 높을 때 페라이트가 형성됨을 보여주었다. 특히 탄소함량 이 낮은 A487-C 시편에서는 다량의 페라이트가 형성되었고 표준 시편인 A487 시편에서도 다소 페라이트가 형성됨을 명 확히 보여주었다. 탄소함량이 높은 A487+C 시편에서는 높은

탄소함량에 따라 템퍼링 저항성이 높은 것으로 판단되며 페 라이트가 관찰되지 않았다.

Fig. 6 은 각각 910

^o

C 및 950

^o

C 의 온도에서 칭한 후 610

^o

C 에서 동일한 템퍼링 처리한 (a) A487, (b) A487+C 및 (c) A487-C 합금의 인장 파단면을 SEM을 이용하여 관 찰한 사진을 나타내고 있다. 모든 시편에서 딤플 파단 양상 이 관찰되었으며, C 함량이나 칭 온도에 따른 특이한 사 항은 관찰되지 않았다.

마르텐사이트계 강을 템퍼링하면 탄화물 생성, C의 편석, 잔류 오스테나이트의 분해, 회복 및 재결정 등의 현상이 동 반된다. A487 합금의 경우에도 템퍼링을 하면 라스 마르텐 사이트와 전위 구조의 회복 현상에 의해 많은 수의 공동 형 성과 함께 강도는 감소하는 반면 연성은 증가할 수 있다 [2,9,10]. 실제로 템퍼링 온도가 610

^o

C에서 650

^o

C로 증가함 Fig. 6. The SEM fractographs of tensile fractured (a) A487, (b) A487+C and (c) A487-C alloys quenched at different temperatures of 910

^o

C

and 950

^o

C. The tempering was conducted at 610

^o

C.

(8)

에 따라 C 함량에 무관하게 A487 합금의 항복 및 인장강 도는 감소하는 일반적인 경향을 보이고 있다. Fig. 7은 950

^o

C 에서 칭 처리한 (a) A487 합금, (b) A487+C 합금과 (c) A487-C 합금의 템퍼링 온도 변화에 따른 인장 파단면을 SEM을 이용하여 관찰한 사진을 나타내고 있다. A487 그리 고 A487+C 합금의 경우 템퍼링 온도가 610

^o

C에서 650

^o

C 로 증가함에 따라 딤플이 좀 더 미세해지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 A487-C 합금에서는 이러한 딤플의 미세화가 관찰되지 않고 있다. 이러한 딤플의 형상 변화는 Table 2에 서 관찰되는 템퍼링 온도 변화에 따른 연신률의 변화 경향과 잘 일치하는 것을 알 수 있다[11].

템퍼링의 경우에는 전체적으로 온도가 610

^o

C 에서 650

^o

C 로 증가함에 따라 상온 및 저온에서의 충격 특성도 향상되는 경 향을 나타내었다. 이러한 경향은 템퍼링 온도 증가에 따라

A487 합금의 회복과 템퍼드 마르텐사이트 분율이 증가하게 되고 이에 따라 충격 특성이 증가하는 일반적인 현상으로 볼 수 있다. Fig. 8과 9는 템퍼링 온도가 A487 합금의 충격 파단 양상에 미치는 영향을 알아보기 위하여 칭 온도를 950

^o

C로 고정시키고 템퍼링 처리를 각각 610

^o

C와 650

^o

C에서 시행한 (a) A487, (b) A487+C 및 (c) A487-C 합금의 상온 (Fig. 8)과 저온(Fig. 9) 충격 파단면을 나타내었다. 상온에서 는 모든 시편에서 전반적으로 연성적인 딤플 파단과 취성적 인 파단 형태가 동시에 관찰되었다. 특히 템퍼링 온도가 높 아질수록 연성적인 딤플 파단 양상이 증가하는 것을 알 수 있다. −60

^o

C의 저온에서는 3 합금 모두에서 벽계 파단 양상 이 주로 관찰되었다. 그러나 A487+C 합금의 경우에는 일부 딤플 파단 양상이 동시에 관찰되었으며, 이러한 경향은 템퍼 링 온도가 증가할수록 더욱 명확히 관찰되었다. 이처럼 Fig.

Fig. 7. The SEM fractographs of low temperature impact tested (a) A487, (b) A487+C and (c) A487-C alloys quenched at different

temperatures of 910

^o

C and 950

^o

C. The tempering was conducted at 610

^o

C.

(9)

8과 9에서 관찰되는 파단 양상은 Table 2의 충격 특성 변화 와 잘 일치하는 것을 알 수 있다.

3.3 열처리 조건에 따른 부식 특성

Table 4는 칭 및 템퍼링 온도를 달리한 A487, A487+C 및 A487-C 합금을 3.5% NaCl 수용액에 14일간 침지한 후 무게 변화를 측정하고 이를 부식속도로 환산한 값을 나타내 고 있다. C 함량이 부식에 미치는 영향을 살펴보면 칭 및 템퍼링 조건과 무관하게 전반적으로 C 함량이 높을수록 부식속도가 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 C 함량 증가에 따라 탄화물 분율이 증가하게 되고, 이에 따라 탄화물과 기 지의 갈바닉 부식이 증대됨으로써 기지의 부식속도가 증가한 것으로 판단된다. 열처리 조건이 A487 합금의 부식 특성에 미치는 영향의 경우에는 본 연구에서 사용한 칭 온도와

템퍼링 온도 조건의 변화 내에서 유의미한 부식속도의 변화 는 관찰되지 않았다.

4. 결 론

본 연구에서는 C 함량을 변화시킨 A487 주강품의 칭 및 템퍼링 조건을 달리하여 이러한 열처리 조건의 변화가 합 금의 상온 인장 특성, 상온 및 −60

^o

C 에서의 충격 특성 및 3.5% NaCl 용액에서의 부식 특성에 미치는 영향을 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 칭 온도가 910

^o

C에서 950

^o

C로 증가할 때 표준 A487 합금에서는 강도와 연신률의 차이가 거의 없었으나 C 함량이 높은 A487+C 합금에서는 강도는 증가하고 연신률은 다소 감소하는 경향을 보였다. 이에 반해 C 함량을 낮춘 A487-C Fig. 8. The SEM fractographs of room temperature impact tested (a) A487, (b) A487+C and (c) A487-C alloys tempered at different

temperatures of 610

^o

C and 650

^o

C. The quenching was conducted at 950

^o

C.

(10)

합금에서는 강도와 연신률이 소폭 감소하는 경향을 보였다.

한편 충격 특성은 칭 온도가 910

^o

C에서 950

^o

C 로 증가함에 따라 상온 및 저온 모두 다소 감소하는 경향을 나타내었다.

2) 템퍼링 온도가 610

^o

C 에서 650

^o

C 로 증가함에 따라 C 함량에 무관하게 A487 합금의 항복 및 인장강도는 감소하고 상온 및 저온에서의 충격 특성은 증가하는 일반적인 경향을 나타내었다.

3) 본 연구에서 사용한 칭 및 템퍼링 조건의 변화는 A487 합금의 3.5% NaCl 수용액에서의 부식 특성에 유의미 한 영향을 미치지 않았다.

감사의 글

이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국

연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(2011-0030058).

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Fig. 9. The SEM fractographs of low temperature impact tested (a) A487, (b) A487+C and (c) A487-C alloys tempered at different

temperatures of 610

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C and 650

^o

C. The quenching was conducted at 950

^o

C.

(11)

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