오스템퍼링 처리가 열간압연롤용 NICI재 및 DCI재의 미세조직 및 기계적 성질에 미치는 영향
金宰瑨·吳錫重 *·劉國鍾 **· Tirta Andy***·白應律 ***† AVL 코리아(주),
*
현대제철(주),**
동부제철(주),***
영남대학교 신소재공학부The Effect of Austempering Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of NICI and DCI for Rolls Used in Hot Rolling Mill
Jae-Jin Kim, Seok-Jung Oh*, Kook-Jong Yoo**, Tirta Andy***, and Eung-Ryul Baek***
†AVL Korea, *Hyundai Steel Co., **Dongbu Steel Co.,
***School of Materials Science & Engineering, Yeungnam University, Gyeongsan, 712-749 Korea
Abstract
The effect of austempering treatment on mechanical properties of nodular indefinite chilled iron(NICI) and ductile cast iron(DCI) was investigated. In microstructural observation, matrix phase(pearlite and ferrite) was changed to ausferrite after austempering treatment both DCI and NICI. In case of NICI, decomposition of cementite(Fe
3C) during austempering treatment was induced. After austempering treatment, mechanical properties such as hardness, tensile strength and impact toughness was improved in NICI and DCI. The wear resistance is slightly decreased because of decomposition of cementite during austempering treatment in NICI but impact toughness and strength is dramatically increased.
Key words :
Nodular indefinite chilled iron (NICI), Ductile cast iron (DCI), Austempered ductile iron (ADI), Austempering treatment.
(Received October 3, 2009 ; Accepted November 8, 2009)
1. 서 론
NICI(Nodular Indefinite Chilled Iron)
재는뛰어난내마모성 과저렴한가격으로인해서제철소의열간선재조압연롤재 료로 현재까지널리상용되고있으며,
미세조직은부피분률로15~30%
의시멘타이트, 2%
내외의구상흑연,
그리고나머지는퍼얼라이트상으로 구성되어있다
.
그간조압연롤의사용수명증가를위해서
NICI
재의미세조직중에서시멘타이트상의양을점진적으로증가시켜내마모성을증가시켜왔으나
,
이로인한연성의저하
(
연신률0.2%
이하)
로사용중에 롤표면에서의크랙발생량증가와심지어는롤절손사고까지간혹일
어나고있다
[1~3].
그리고선재압연 제품의고품질화를위해서는보다저온에서의강압화를추구하고있고동시에생산성 향상을위한고속압연기술을개발하고있어점차선재조압연 롤이받게될부하량은증가하는추세여서내마모성과 인성이 보다 개선된 압연롤재의개발
[4,5]
을 필요로 하고있다.
본연구에서는
CO
2사형주조법으로제조된NICI
재에오스 템퍼링(austempering)
열처리를적용함으로서NICI
재의기계적 성질(
인장강도,
충격흡수에너지,
경도값,
내마모성)
의변화를살 펴보고자 했다.
아울러DCI(Ductile Cast Iron)
재의 경우도NICI
재의비교재로서동일한조건의오스템퍼링열처리를하여 오스템퍼링처리가DCI
재의기계적특성에미치는영향을함 께살펴보았다.
오스템퍼링열처리를DCI
재에적용할경우에 는강도,
경도,
충격인성,
내마모성등을동시에 향상시킬수있는것으로널리알려져있다
[6~14].
이는DCI
재의미세조직중에서구상흑연상을제외한전체기지조직을구성하게되는퍼 얼라이트상과페라이트상이존재한영역을오스템퍼링열처리에 의해서고인성의오스페라이트
(ausferrite: acicular ferrite
+high carbon austenite)
상으로변태시킬수있기때문이다[7,10,14].
따라서본연구에서는
NICI
재의경우는시멘타이트상을포 함하고있다는점이외에는DCI
재의구성상인구상흑연,
퍼얼 라이트상,
페라이트상을모두포함하고있기때문에,
오스템퍼 링열처리를통해서기지조직중에서퍼얼라이트상및페라이 트상이존재하는영역을고인성의오스페라이트상으로변태시켜NICI
재의 기계적 성질을 향상시키고자 했다. 2. 실험 방법
2.1 시편 제조 및 오스템퍼링 열처리
고철
,
선철, Fe-Si-Mg(45wt.%Si-5wt.%Mg-50wt.%Fe)
과 필†
E-mail : [email protected]
−
252
− 오스템퍼링처리가열간압연롤용NICI
재및DCI
재의미세조직 및기계적성질에미치는 영향-
白應律 et al.요한합금원소들을첨가하여도가니에 장입후고주파대기 유도로에서용해하고
,
용탕의출탕온도는1380~1400
oC
로하여CO
2사형에주입하여Y-block
시편을제조하였다. Y-block
시 편의도면은Fig. 1
과같다.
시편1
은 시멘타이트를25%
석출시키기위해합금을설계하여제조한
NICI
재를제조한것이고시편
2
는DCI
를제조한것이다.
시편의성분 분석은발광 분광분석기(Emission Spectrometer)
를사용하여분석하였으며,
분석한 결과를
Table 1
에 나타내었다.
시편의오스템퍼링열처리는
870
oC
에서1
시간오스테나이트(austenite)
화 한 후300
oC
염욕로에서1
시간 동안 등온변태 후 공냉하였다.
2.2 미세 조직 관찰
미세조직은시편을연마후에칭액
(3% Nital)
으로수초간에칭시킨미세조직관찰시편을주사전자현미경
(SEM)
으로관 찰하였다.
그리고미세조직을구성하는각상들의분율은영상분석기
(image analyzer)
를 이용하여 분석하였다.
2.3 경도 시험
전체경도값은 로크웰
C
스케일(Rockwell C scale)
로7
회 씩측정한후,
최고·최저값을제외한나머지5
회의평균값을 취했고,
미세조직상들의미세경도는Micro Vickers
경도기로같은방법으로평균을구했다
. Micro Vickers
경도의압입시간은
15
초,
압입하중은300 g
이다.
2.4 인장 및 충격 시험
인장시험에 사용된 인장시험기는
Instron 8516
이며분당1 mm
로연신하였다.
시편은ASTM E8M sub-size
로제작하였다
. Fig. 2
는 인장 시험에 사용된 판상시편의 도면이다.
충격시험은
Charpy
충격시험기를사용하였으며,
시편의크기는
Fig. 3
에 나타내었다.
2.5 마모시험
마모 시험은
RWAT(Rubber Wheel Abrasive Tester)
를 사 용하였으며,
마모재로는입자의크기가0.15~0.3 mm
인SiO
2를 사용하였고,
시험조건은분당회전수는200rpm
이고,
하중은20 Kg,
공급되는 모래량은250~300 g/min,
시험시간은15
분 으로 하였다.
3. 실험 결과
3.1 미세조직Fig. 4
는NICI
재의미세조직을 나타내는것으로Fig. 4(a),
(b)
는주방상태의미세조직을 나타낸것이고, Fig. 4(c), (d)
는 오스템퍼링처리후의미세조직을나타낸것이다. Fig. 4(a), (b)
에알수있듯이
NICI
재의주방 상태에서의미세조직은구상흑연
,
시멘타이트,
퍼얼라이트로구성되어있고,
각상의부피 부율은구상흑연2%,
시멘타이트25%,
퍼얼라이트73%
였다. Fig. 4(c), (d)
에서알수있듯이오스템퍼링열처리후의NICI
Fig. 1.
Dimension of Y-block specimen.
Fig. 2.
ASTM E8M tensile specimen. Lo : 100, G : 25, Wc : 6, Wo:
10, T : 6, B : 28, R : 6 (mm)
Fig. 3.
Dimension of Charpy Impact Test Specimen (unit : mm).
Table 1.
Chemical compositions of NICI and DCI.
composition specimen
Element (wt.%)
CE C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Mg
No.1(NICI) 4.0 3.13 2.62 0.05 0.059 0.009 0.01 0.0 0.003 0.02 0.04
No.2(DCI) 4.37 3.46 2.72 0.29 0.04 0.01 0.93 0.68 0.03 0.15 0.03
*CE: Carbon Equivalent
재의미세조직은구상흑연
,
시멘타이트,
오스페라이트로이루 어져있으며,
부피분율은구상흑연4.5%,
시멘타이트11.5%,
그리고잔류오스테나이트상을포함한오스페라이트상은
84%
였다
.
여기서미변태잔류오스테나이트상의정량분석은이루 어지지 않았다.
한편한가지주목할사실은오스템퍼링열처리에의해서오 스페라이트상이새로이생성된것이외에주방조직에서존재했 던
25%
의시멘타이트상이11.5%
로감소하였으며,
흑연은2%
에서
4.5%
로증가했다는사실이다. 870
oC
에서1
시간동안 유 지하는오스테나이트화도중에고온에서불안정한시멘타이트상 은분해되면서탄소성분이일부는오스테나이트상으로고용되고일부는
Fig. 4(c)
에서보이는바와같이무수히작은검은점으로 보여지는 흑연으로 정출된 것으로 판단된다
. Fig. 5
는DCI
재의 미세조직을나타내는것으로, Fig. 5(a)
는 주방상태의미세조직을나타낸것이고, Fig. 5(b), (c)
는오스템 퍼링처리후의미세조직을나타낸것이다. Fig. 4(a)
를살펴 보면퍼얼라이트,
페라이트,
구상흑연으로구성되어있으며,
각상의부피 분율은퍼얼라이트가
63%,
구상흑연이12%
이 고,
페라이트가25%
였다.
오스템퍼링처리후의미세조직인Fig.
5(b), (c)
를살펴보면구상흑연이12%
이고, 1
µm
이내의매우 미세한시멘타이트몇개를제외하고는전부미변태잔류오스테 나이트상과오스페라이트로구성되어져있음을알수있다.
3.2 경도
Table 2
에NICI
재와DCI
재의 오스템퍼링처리 전·후의로크웰경도값
(HRC)
을나타내었다. NICI
재의경우에는오스템퍼링열처리전인주방상태의경도값은
HRC 47
이였으며,
열처 리후에는HRC 50.4
로써경도값이HRC
로3.4
정도증가하 였다.
오스템퍼링열처리로인해서부피분률로72%
를차지하 는퍼얼라이트상(Hv 350)
이보다경도값이높은오스페라이트상
(Hv 480)
으로바뀌었음에도불구하고경도값이HRC
로3.4
정도밖에증가하지못한것은고경도의시멘타이트상
(Hv 870
내외
)
의양이열처리로인해서25%
에서11.5%
로상당히많이줄어들었기 때문이다
.
반면에
DCI
재의경우에는오스템퍼링열처리전인주방상태에서는
HRC 19.7
로낮은경도값을보였으나오스템퍼링열처리후의 경도값은
HRC 49.3
으로2.5
배증가하였다. DCI
재의 오스템퍼링열처리후의경도값의급격한상승은순전히경도 값이낮은페라이트상및퍼얼라이트상이경도값이높은오스 페라이트상으로 많은 양이 대체되었기때문이다.
3.3 인장 강도 및 충격인성
Table 2
에NICI
재와DCI
재의 오스템퍼링처리전·후인장 강도값을나타내었다. NICI
재의경우에는오스템퍼링열처리를 한결과38 kg/mm
2에서64 kg/mm
2로증가되었으며, DCI
재의 경우도오스템퍼링열처리하기전에는73 kg/mm
2이었으나열처리 후에는
153 kg/mm
2으로 상당히증가하였다. NICI
재와DCI
재모두오스템퍼링처리후인장강도가2
배정도증가된 것으로 보아서오스템퍼링열처리가이들재료의인장강도개 선에는 확실한 효과가 있음을 보여주었다.
Fig. 4.
SEM micrographs of specimen 1[NICI] (a), (b) as-cast, (c), (d) heat treated (austenitizing: 870
oC, 1hr., tempering: 300
oC, 1hr. in salt).
−
254
− 오스템퍼링처리가열간압연롤용NICI
재및DCI
재의미세조직 및기계적성질에미치는 영향-
白應律 et al.NICI
재와DCI
재의 오스템퍼링열처리전·후의충격흡수에너지값을
Table 2
에서 살펴보면NICI
재는오스템퍼링열처리를한결과
2.3J
에서4.0J
로증가하였고, DCI
재는주방상태에서는
3.8J
이었으나오스템퍼링열처리후에는7.6J
로증가하였다.
NICI
재와DCI
재모두오스템퍼링처리후인장강도가2
배정 도증가된것과유사하게충격흡수에너지값또한2
배정도증 가하였다.
통상적으로철강재료에있어서인장강도값이증가하면내충격 특성은저하하는것이일반적인현상이나
,
알려진바와같이오 스템퍼링열처리가DCI
재에서강도및충격인성을동시에개 선시킨다는사실과마찬가지로본실험에서사용된NICI
재의 경우에도오스템퍼링열처리가강도및충격인성을동시에 개 선시킬 수 있음을 보여주고 있다.
3.4 내마모성
NICI
재와DCI
재의오스템퍼링열처리전·후의내마모성을Table 2
에나타내었다. NICI
재의경우에는오스템퍼링열처리를한결과내마모성이
11.1 km·N/mm
3 에서8.9 km·N/mm
3 으로감소하였는데반해서
, DCI
재의경우에는열처리를한결과 내마모성이2.47 km·N/mm
3에서3.49 km·N/mm
3로증가하였다. 4. 고 찰
오스템퍼링처리는
DCI
재의기지상인 페라이트,
퍼얼라이트 를오스페라이트로바꾸는열처리를말하며,
오스템퍼링열처리 를 한DCI
재를ADI(Austempered Ductile Iron)
재라고 한다.
이러한오스템퍼링처리는
815-925
oC
에서일정시간동안오스테나이징
(austenitising)
처리함으로써기지조직인페라이트와퍼얼라이트를 오스테나이트화 하고
250-550
oC
로 칭시킨후,
이온도에서
1-3
시간유지시켜오스페라이트로항온변태시키는공정이다
. DCI
재의 경우오스템퍼링열처리를함으로써기지조직을페라이트및펄라이트에서오스페라이트로변태시킴으로 써강도
,
경도,
충격인성,
내마모성등의기계적성질을향상을 시킬수있다.
그러나Table 2
에서살펴본 바와같이NICI
재 의경우에는기지상을퍼얼라이트에서오스페라이트로변태시켜 강화시킬수있으나다량존재하는시멘타이트의분해를초래 Fig. 5.SEM micrographs of specimen 2[DCI]. (a) as-cast (b), (c) heat treated(austenitizing: 870
oC, 1hr., tempering: 300
oC, 1hr. in salt).
Table 2.
Mechanical properties of NICI and DCI.
mechanical properties
specimen Tensile strength
(kg/mm
2) Toughness
(10
-3J/mm
3) Wear resistance
(kJ/mm
3) Hardess
(HRc)
NICI as cast 38 2.3 11.1 47
heat treated 64 4 8.9 50.3
DCI as cast 73 3.8 2.47 19.7
heat treated 153 7.6 3.49 48.7
하여내마모성이저하되었다
.
오스템퍼링열처리를한NICI
재 를 선재조압연롤재로적용할경우에는강도및 충격인성이기존의
NICI
재에비해서개선됨에따라롤사용중에발생하는열피로크랙에대한저항성은상당히개선될것으로판단되나 내마모성의저하는롤마모량의증대로이어져롤사용수명 의 단축이 예상될 수 있는 문제점을 안고 있다
.
오스템퍼링열처리가시멘타이트의분해에어떤영향을미치 는지알아보기 위하여주방상태에서시멘타이트상의분률이
30%
인NICI
재를900
oC
의 박스로 내에서 각각10
분30
분, 60
분유지시킨후상온으로공냉시킨후시멘타이트부피분률 의변화를살펴본결과를Fig. 6
에나타내었다. 900
oC
에서 유 지시간이10
분, 30
분, 60
분이지남에따라NICI
재의 미세조 직중에존재하는시멘타이트부피분률의변화는초기30%
에서25%, 17%, 8%
로급격히감소함을확인할수있었다.
고온에서의시멘타이트상의분해의경우에는시멘타이트상의크기및 형태
,
주위구성상등에따라 다소다르게나타나지만DCI
재 에 있어서는900
oC
에서는3
시간이내에 분해되며, 970
oC
정도에서 가장빨리 분해되는 것으로 알려져 있다
[15].
따라서오스템퍼링열처리를한
NICI
재를선재조압연롤재로 적용하고자할경우에는목표하는시멘타이트상의부피분률을 확보하기위해서는열처리중에분해되어없어질시멘타이트상의양을고려하여
NICI
재를주조하거나열처리공정조건을조정할 필요성이있다
.
그리고열처리 중에정출되는흑연은 압연롤재의사용중압연재와의소착특성및균열크랙전파성 등에많은영향을미치므로이들상들에 대한향후보다심도 있는 미세조직제어연구의필요성이있는 것으로판단된다.
한편
Table 2
에서 살펴보았듯이NICI
재를 오스템퍼링처리를함으로써인장강도는
38 kg/mm
2에서64 kg/mm
2로 증가하 였고,
충격흡수에너지는2.3J
에서4J
로증가하였다. NICI
재의 경우인장강도,
충격인성,
그리고경도값의증가는 기지조직의 대부분을차지하는퍼얼라이트상이열처리후오스페라이트상으로변태한것과밀접한관련이있다
. Fig. 7
은NICI
재의오스템퍼링열처리전·후의충격시험후파단면을보여주는사진 이다
. Fig. 7(a)
는NICI
재의오스템퍼링처리전파단면의모 습을보여주는것으로파단면의거의대부분이벽개파괴양상 을보여주고있다.
이는 기지조직중에존재하는다량의시멘 타이트상뿐만아니라퍼얼라이트상또한심한소성변형없이 벽개파괴양상으로파단이일어났음을의미한다.
그러나오스템퍼링 열처리를 한
NICI
재의충격 파단면을 나타내는Fig.
7(b)
를살펴보면일부지역의벽개파단면 뿐만아니라 심한소성변형을 야기한딤플파단면또한다수존재하고 있음을 알수있다
.
이러한소성변형을동반한딤플파단면의경우는 미변태잔류오스테나이트상및오스페라이트상에서발생된것으 로판단되며,
이들상이퍼얼라이트상에비해서보다풍부한 연성을 가지고 있음을 보여준다.
DCI
재와NICI
재의마모시험결과를 살펴보면DCI
재의경우에는 오스템퍼링 처리를한 결과 내마모성이
2.47 km·N/
mm
3에서3.49 km·N/mm
3로증가하였다.
이는오스템퍼링처리 후경도값이2.5
배증가하였기때문에내마모성이개선된것은 내마모성은재료의경도값에비례한다는긁힘마모이론[16]
에따 라설명되어질수있다.
그러나NICI
재의경우에는열처리후 경도값이DCI
재만큼크게증가하지는 못했지만HRC
로3.4
정도증가했음에도불구하고내마모성은오히려감소했다
.
이러한현상은
NICI
재의경우에는DCI
재와는달리미세조직중에고경도값을가지는시멘타이트상을가지고있기때문에
DCI
재 와는다른마모거동을가지기때문이다.
즉DCI
재의경우에는 열처리전·후의미세조직중에서경도값이제일높아 내마모 성에일차적으로기여하는상은각각퍼얼라이트상과오스페라 이트상이다.
따라서열처리로인해서퍼얼라이트상이보다경도 Fig. 6.Volume fraction of cementite of NICI (30Vol.% Fe
3C as cast
specimen) according to austenitising treatment time at 900
oC.
Fig. 7.
Fractographs of the impact specimens of NICI. (a) as cast, (b) heat treated (austenitizing: 870
oC, 1hr., tempering: 300
oC, 1hr. in salt).
−
256
− 오스템퍼링처리가열간압연롤용NICI
재및DCI
재의미세조직 및기계적성질에미치는 영향-
白應律 et al.값이 높은상
(
오스페라이트)
으로바뀌었기때문에내마모성은 증가하였다.
이에 반해서NICI
재의 경우에는열처리전·후의 미세조직중에서경도값이제일높아내마모성에일차적으로 기여하는상은각각동일한시멘타이트상이다.
따라서시멘타이 트상의부피분률이열처리로인해서급격히줄어듬에따라서 오스페라이트상으로인한시편전체의경도값이다소증가했음 에도불구하고내마모성은감소한것으로나타난것으로판단 된다.
5. 결 론
DCI
재에 강도,
경도,
충격인성,
내마모성등의기계적성질 을향상시키기위하여적용되어온오스템퍼링열처리를NICI
재에도입하여
NICI
재의기계적특성에는어떤영향을미치는지 알아본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다
.
1) NICI
재를오스템퍼링처리를함으로써인장강도와충격인성은기지조직중의일부인퍼얼라이트상이오스페라이트상으로 변태되고 시멘타이트상의일부가분해됨에따라각각
38 kg/
mm
2에서64 kg/mm
2로, 2.3J
에서4.0J
로증가하였다.
그러나 내마모성은기지조직의대부분을차지하는퍼얼라이트상이고경 도인오스페라이트상으로변태되어경화되었다고는하나내마모 성에 결정적인 역할을하는 시멘타이트상의 분해가일어나11.1 km·N/mm
3 에서8.9 km·N/mm
3으로 오히려 감소하였다.
그리고경도값은고경도시멘타이트상이분해되어탄화물의양
이
25%
에서11.5%
로줄어들었음에도불구하고기지조직의대부분을차지하는퍼얼라이트상
(Hv 350)
이고경도인오스페라이 트상(Hv 480)
으로 변태됨에따라HRC 47
에서HRC 50.4
로 증가하였다.
2)
비교재로사용한DCI
재를오스템퍼링처리를한경우오 스템퍼링열처리로인해기기조직의대부분을차지하는퍼얼라 이트상및페라이트상이 대부분오스페라이트상으로변태됨에 따라인장강도는73 kg/mm
2에서153 kg/mm
2으로,
충격흡수에 너지는3.8J
에서7.6J
로,
내마모성은2.47 km·N/mm
3에서3.49 km·N/mm
3로,
경도값은HRC 19.7
에서49.3
으로증가하였다.
감사의 글
본 연구는
POSCO(
주)
의 지원에의해 이루어졌으며이에감사드립니다