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The Effect of Austempering Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of NICI and DCI for Rolls Used in Hot Rolling Mill

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(1)

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 신소재공학부

The 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

3

C) 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 저렴한가격으로인해서제철소의열간선재조압연롤재 료로 현재까지널리상용되고있으며

,

미세조직은부피분률로

15~30%

시멘타이트

, 2%

내외의구상흑연

,

그리고나머지

퍼얼라이트상으로 구성되어있다

.

그간조압연롤의사용

수명증가를위해서

NICI

재의미세조직중에서시멘타이트

양을점진적으로증가시켜내마모성을증가시켜왔으나

,

이로

인한연성의저하

(

연신률

0.2%

이하

)

사용중에 표면에

서의크랙발생량증가와심지어는절손사고까지간혹

어나고있다

[1~3].

그리고선재압연 제품의고품질화를위해

서는보다저온에서의강압화를추구하고있고동시에생산성 향상을위한고속압연기술을개발하고있어점차선재조압연 롤이받게될부하량은증가하는추세여서내마모성과 인성이 보다 개선된 압연롤재의개발

[4,5]

필요로 하고있다

.

연구에서는

CO

2사형주조법으로제조된

NICI

재에오스 템퍼링

(austempering)

열처리를적용함으로서

NICI

재의기계적 성질

(

인장강도

,

충격흡수에너지

,

경도값

,

내마모성

)

변화를 펴보고자 했다

.

아울러

DCI(Ductile Cast Iron)

재의 경우도

NICI

재의비교재로서동일한조건의오스템퍼링열처리를하여 오스템퍼링처리가

DCI

재의기계적특성에미치는영향을 살펴보았다

.

오스템퍼링열처리를

DCI

재에적용할경우에 강도

,

경도

,

충격인성

,

내마모성등을동시에 향상시킬

있는것으로널리알려져있다

[6~14].

이는

DCI

재의미세조직

중에서구상흑연상을제외한전체기지조직을구성하게되는 얼라이트상과페라이트상이존재한영역을오스템퍼링열처리에 의해서고인성의오스페라이트

(ausferrite: acicular ferrite

+

high carbon austenite)

상으로변태시킬있기때문이다

[7,10,14].

따라서연구에서는

NICI

재의경우는시멘타이트상을 함하고있다는이외에는

DCI

재의구성상인구상흑연

,

퍼얼 라이트상

,

페라이트상을모두포함하고있기때문에

,

오스템퍼 열처리를통해서기지조직중에서퍼얼라이트상페라이 트상이존재하는영역을고인성의오스페라이트상으로변태시켜

NICI

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)

E-mail : [email protected]

(2)

252

오스템퍼링처리가열간압연롤용

NICI

DCI

재의미세조직 기계적성질에미치는 영향

-

白應律 et al.

요한합금원소들을첨가하여도가니에 장입고주파대기 유도로에서용해하고

,

용탕의출탕온도는

1380~1400

o

C

하여

CO

2사형에주입하여

Y-block

시편을제조하였다

. Y-block

편의도면은

Fig. 1

같다

.

시편

1

시멘타이트를

25%

출시키기위해합금을설계하여제조한

NICI

재를제조한것이

시편

2

DCI

제조한것이다

.

시편의성분 분석은발광 분광분석기

(Emission Spectrometer)

사용하여분석하였으며

,

분석한 결과를

Table 1

나타내었다

.

시편의오스템퍼링열처리는

870

o

C

에서

1

시간오스테나이트

(austenite)

300

o

C

염욕로에서

1

시간 동안 등온변태 공냉하였다

.

2.2 미세 조직 관찰

미세조직은시편을연마에칭액

(3% Nital)

으로초간

에칭시킨미세조직관찰시편을주사전자현미경

(SEM)

으로 찰하였다

.

그리고미세조직을구성하는상들의분율은

상분석기

(image analyzer)

이용하여 분석하였다

.

2.3 경도 시험

전체경도값은 로크웰

C

스케일

(Rockwell C scale)

7

측정한

,

최고·최저값을제외한나머지

5

회의평균값을 취했고

,

미세조직상들의미세경도는

Micro Vickers

경도기

같은방법으로평균을구했다

. Micro Vickers

경도의압입

시간은

15

,

압입하중은

300 g

이다

.

2.4 인장 및 충격 시험

인장시험에 사용된 인장시험기는

Instron 8516

이며분당

1 mm

연신하였다

.

시편은

ASTM E8M sub-size

제작하였

. Fig. 2

인장 시험에 사용된 판상시편의 도면이다

.

충격시험은

Charpy

충격시험기를사용하였으며

,

시편의

기는

Fig. 3

나타내었다

.

2.5 마모시험

마모 시험은

RWAT(Rubber Wheel Abrasive Tester)

용하였으며

,

마모재로는입자의크기가

0.15~0.3 mm

SiO

2 사용하였고

,

시험조건은분당회전수는

200rpm

이고

,

하중은

20 Kg,

공급되는 모래량은

250~300 g/min,

시험시간은

15

으로 하였다

.

3. 실험 결과

3.1 미세조직

Fig. 4

NICI

재의미세조직을 나타내는것으로

Fig. 4(a),

(b)

주방상태의미세조직을 나타낸것이고

, Fig. 4(c), (d)

오스템퍼링처리후의미세조직을나타낸것이다

. Fig. 4(a), (b)

있듯이

NICI

재의주방 상태에서의미세조직은구상

흑연

,

시멘타이트

,

퍼얼라이트로구성되어있고

,

상의부피 부율은구상흑연

2%,

시멘타이트

25%,

퍼얼라이트

73%

였다

. Fig. 4(c), (d)

에서있듯이오스템퍼링열처리후의

NICI

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

(3)

재의미세조직은구상흑연

,

시멘타이트

,

오스페라이트로이루 어져있으며

,

부피분율은구상흑연

4.5%,

시멘타이트

11.5%,

그리고잔류오스테나이트상을포함한오스페라이트상은

84%

였다

.

여기서미변태잔류오스테나이트상의정량분석은이루 어지지 않았다

.

한편한가지주목할사실은오스템퍼링열처리에의해서 스페라이트상이새로이생성된이외에주방조직에서존재했

25%

시멘타이트상이

11.5%

감소하였으며

,

흑연은

2%

에서

4.5%

증가했다는사실이다

. 870

o

C

에서

1

시간동안 지하는오스테나이트화도중에고온에서불안정한시멘타이트상 분해되면서탄소성분이일부는오스테나이트상으로고용되고

일부는

Fig. 4(c)

에서보이는바와같이무수히작은검은

으로 보여지는 흑연으로 정출된 것으로 판단된다

. Fig. 5

DCI

재의 미세조직을나타내는것으로

, Fig. 5(a)

주방상태의미세조직을나타낸것이고

, Fig. 5(b), (c)

오스템 퍼링처리후의미세조직을나타낸것이다

. Fig. 4(a)

살펴 보면퍼얼라이트

,

페라이트

,

구상흑연으로구성되어있으며

,

상의부피 분율은퍼얼라이트가

63%,

구상흑연이

12%

,

페라이트가

25%

였다

.

오스템퍼링처리후의미세조직인

Fig.

5(b), (c)

살펴보면구상흑연이

12%

이고

, 1

µ

m

이내의매우 미세한시멘타이트개를제외하고는전부미변태잔류오스테 나이트상과오스페라이트로구성되어져있음을있다

.

3.2 경도

Table 2

NICI

재와

DCI

재의 오스템퍼링처리 전·후의

크웰경도값

(HRC)

나타내었다

. NICI

재의경우에는오스템퍼

열처리전인주방상태의경도값은

HRC 47

이였으며

,

열처 후에는

HRC 50.4

로써경도값이

HRC

3.4

정도증가하 였다

.

오스템퍼링열처리로인해서부피분률로

72%

차지하 퍼얼라이트상

(Hv 350)

보다경도값이높은오스페라이트

(Hv 480)

으로바뀌었음에도불구하고경도값이

HRC

3.4

정도밖에증가하지못한것은고경도의시멘타이트상

(Hv 870

내외

)

양이열처리로인해서

25%

에서

11.5%

상당히많이

줄어들었기 때문이다

.

반면에

DCI

재의경우에는오스템퍼링열처리전인주방상태

에서는

HRC 19.7

낮은경도값을보였으나오스템퍼링열처

후의 경도값은

HRC 49.3

으로

2.5

증가하였다

. DCI

재의 오스템퍼링열처리후의경도값의급격한상승은순전히경도 값이낮은페라이트상퍼얼라이트상이경도값이높은오스 페라이트상으로 많은 양이 대체되었기때문이다

.

3.3 인장 강도 및 충격인성

Table 2

NICI

재와

DCI

재의 오스템퍼링처리전·후인장 강도값을나타내었다

. NICI

재의경우에는오스템퍼링열처리를 결과

38 kg/mm

2에서

64 kg/mm

2증가되었으며

, DCI

재의 경우도오스템퍼링열처리하기전에는

73 kg/mm

2이었으나

처리 후에는

153 kg/mm

2으로 상당히증가하였다

. NICI

재와

DCI

모두오스템퍼링처리인장강도가

2

정도증가된 것으로 보아서오스템퍼링열처리가이들재료의인장강도 선에는 확실한 효과가 있음을 보여주었다

.

Fig. 4.

SEM micrographs of specimen 1[NICI] (a), (b) as-cast, (c), (d) heat treated (austenitizing: 870

o

C, 1hr., tempering: 300

o

C, 1hr. in salt).

(4)

254

오스템퍼링처리가열간압연롤용

NICI

DCI

재의미세조직 기계적성질에미치는 영향

-

白應律 et al.

NICI

재와

DCI

재의 오스템퍼링열처리전·후의충격흡수에

너지값을

Table 2

에서 살펴보면

NICI

재는오스템퍼링열처리

결과

2.3J

에서

4.0J

증가하였고

, DCI

재는주방상태에서

3.8J

이었으나오스템퍼링열처리후에는

7.6J

증가하였다

.

NICI

재와

DCI

모두오스템퍼링처리인장강도가

2

증가된것과유사하게충격흡수에너지값또한

2

정도 가하였다

.

통상적으로철강재료에있어서인장강도값이증가하면내충격 특성은저하하는것이일반적인현상이나

,

알려진바와같이 스템퍼링열처리가

DCI

재에서강도충격인성을동시에 선시킨다는사실과마찬가지로실험에서사용된

NICI

재의 경우에도오스템퍼링열처리가강도충격인성을동시에 선시킬 있음을 보여주고 있다

.

3.4 내마모성

NICI

DCI

재의오스템퍼링열처리전·후의내마모성을

Table 2

나타내었다

. NICI

재의경우에는오스템퍼링열처리

결과내마모성이

11.1 km·N/mm

3 에서

8.9 km·N/mm

3

감소하였는데반해서

, DCI

재의경우에는열처리를결과 내마모성이

2.47 km·N/mm

3에서

3.49 km·N/mm

3증가하였다

. 4. 고 찰

오스템퍼링처리는

DCI

재의기지상인 페라이트

,

퍼얼라이트 오스페라이트로바꾸는열처리를말하며

,

오스템퍼링열처리

DCI

재를

ADI(Austempered Ductile Iron)

재라고 한다

.

이러한오스템퍼링처리는

815-925

o

C

에서일정시간동안오스

테나이징

(austenitising)

처리함으로써기지조직인페라이트와

얼라이트를 오스테나이트화 하고

250-550

o

C

칭시킨

,

온도에서

1-3

시간유지시켜오스페라이트로항온변태시키는

공정이다

. DCI

재의 경우오스템퍼링열처리를함으로써기지

조직을페라이트펄라이트에서오스페라이트로변태시킴으로 강도

,

경도

,

충격인성

,

내마모성등의기계적성질을향상을 시킬있다

.

그러나

Table 2

에서살펴본 바와같이

NICI

경우에는기지상을퍼얼라이트에서오스페라이트로변태시켜 강화시킬있으나다량존재하는시멘타이트의분해를초래 Fig. 5.

SEM micrographs of specimen 2[DCI]. (a) as-cast (b), (c) heat treated(austenitizing: 870

o

C, 1hr., tempering: 300

o

C, 1hr. in salt).

Table 2.

Mechanical properties of NICI and DCI.

mechanical properties

specimen Tensile strength

(kg/mm

2

) Toughness

(10

-3

J/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

(5)

하여내마모성이저하되었다

.

오스템퍼링열처리를

NICI

선재조압연롤재로적용할경우에는강도 충격인성이

기존의

NICI

재에비해서개선됨에따라사용중에발생하는

열피로크랙에대한저항성은상당히개선될것으로판단되나 내마모성의저하는마모량의증대로이어져사용수명 단축이 예상될 있는 문제점을 안고 있다

.

오스템퍼링열처리가시멘타이트의분해에어떤영향을미치 는지알아보기 위하여주방상태에서시멘타이트상의분률이

30%

NICI

재를

900

o

C

박스로 내에서 각각

10

30

, 60

유지시킨상온으로공냉시킨시멘타이트부피분률 변화를살펴본결과를

Fig. 6

나타내었다

. 900

o

C

에서 시간이

10

, 30

, 60

분이지남에따라

NICI

재의 미세조 중에존재하는시멘타이트부피분률의변화는초기

30%

에서

25%, 17%, 8%

급격히감소함을확인할있었다

.

고온에

서의시멘타이트상의분해의경우에는시멘타이트상의크기 형태

,

주위구성상등에따라 다소다르게나타나지만

DCI

있어서는

900

o

C

에서는

3

시간이내에 분해되며

, 970

o

C

도에서 가장빨리 분해되는 것으로 알려져 있다

[15].

따라서오스템퍼링열처리를

NICI

재를선재조압연롤재로 적용하고자경우에는목표하는시멘타이트상의부피분률을 확보하기위해서는열처리중에분해되어없어질시멘타이트상

양을고려하여

NICI

재를주조하거나열처리공정조건을

조정할 필요성이있다

.

그리고열처리 중에정출되는흑연은 압연롤재의사용압연재와의소착특성균열크랙전파성 등에많은영향을미치므로이들상들에 대한향후보다심도 있는 미세조직제어연구의필요성이있는 것으로판단된다

.

한편

Table 2

에서 살펴보았듯이

NICI

재를 오스템퍼링처리

함으로써인장강도는

38 kg/mm

2에서

64 kg/mm

2 증가하 였고

,

충격흡수에너지는

2.3J

에서

4J

증가하였다

. NICI

재의 경우인장강도

,

충격인성

,

그리고경도값의증가는 기지조직의 대부분을차지하는퍼얼라이트상이열처리오스페라이트상으

변태한것과밀접한관련이있다

. Fig. 7

NICI

재의오스

템퍼링열처리전·후의충격시험파단면을보여주는사진 이다

. Fig. 7(a)

NICI

재의오스템퍼링처리파단면의 습을보여주는것으로파단면의거의대부분이벽개파괴양상 보여주고있다

.

이는 기지조직중에존재하는다량의시멘 타이트상뿐만아니라퍼얼라이트상또한심한소성변형없이 벽개파괴양상으로파단이일어났음을의미한다

.

그러나오스템

퍼링 열처리를

NICI

재의충격 파단면을 나타내는

Fig.

7(b)

살펴보면일부지역의벽개파단면 뿐만아니라 심한

소성변형을 야기한딤플파단면또한다수존재하고 있음을 있다

.

이러한소성변형을동반한딤플파단면의경우는 미변태잔류오스테나이트상오스페라이트상에서발생된것으 판단되며

,

이들상이퍼얼라이트상에비해서보다풍부한 연성을 가지고 있음을 보여준다

.

DCI

재와

NICI

재의마모시험결과를 살펴보면

DCI

재의

우에는 오스템퍼링 처리를 결과 내마모성이

2.47 km·N/

mm

3에서

3.49 km·N/mm

3증가하였다

.

이는오스템퍼링처리 경도값이

2.5

증가하였기때문에내마모성이개선된것은 내마모성은재료의경도값에비례한다는긁힘마모이론

[16]

설명되어질있다

.

그러나

NICI

재의경우에는열처리 경도값이

DCI

만큼크게증가하지는 못했지만

HRC

3.4

정도증가했음에도불구하고내마모성은오히려감소했다

.

이러

현상은

NICI

재의경우에는

DCI

재와는달리미세조직중에

고경도값을가지는시멘타이트상을가지고있기때문에

DCI

와는다른마모거동을가지기때문이다

.

DCI

재의경우에는 열처리전·후의미세조직중에서경도값이제일높아 내마모 성에일차적으로기여하는상은각각퍼얼라이트상과오스페라 이트상이다

.

따라서열처리로인해서퍼얼라이트상이보다경도 Fig. 6.

Volume fraction of cementite of NICI (30Vol.% Fe

3

C as cast

specimen) according to austenitising treatment time at 900

o

C.

Fig. 7.

Fractographs of the impact specimens of NICI. (a) as cast, (b) heat treated (austenitizing: 870

o

C, 1hr., tempering: 300

o

C, 1hr. in salt).

(6)

256

오스템퍼링처리가열간압연롤용

NICI

DCI

재의미세조직 기계적성질에미치는 영향

-

白應律 et al.

값이 높은

(

오스페라이트

)

으로바뀌었기때문에내마모성은 증가하였다

.

이에 반해서

NICI

재의 경우에는열처리전·후의 미세조직중에서경도값이제일높아내마모성에일차적으로 기여하는상은각각동일한시멘타이트상이다

.

따라서시멘타이 트상의부피분률이열처리로인해서급격히줄어듬에따라서 오스페라이트상으로인한시편전체의경도값이다소증가했음 에도불구하고내마모성은감소한것으로나타난것으로판단 된다

.

5. 결 론

DCI

재에 강도

,

경도

,

충격인성

,

내마모성등의기계적성질 향상시키기위하여적용되어온오스템퍼링열처리를

NICI

재에도입하여

NICI

재의기계적특성에는어떤영향을미치는

알아본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

.

1) NICI

재를오스템퍼링처리를함으로써인장강도와충격인

성은기지조직중의일부인퍼얼라이트상이오스페라이트상으로 변태되고 시멘타이트상의일부가분해됨에따라각각

38 kg/

mm

2에서

64 kg/mm

2

, 2.3J

에서

4.0J

증가하였다

.

그러나 내마모성은기지조직의대부분을차지하는퍼얼라이트상이고경 도인오스페라이트상으로변태되어경화되었다고는하나내마모 성에 결정적인 역할을하는 시멘타이트상의 분해가일어나

11.1 km·N/mm

3 에서

8.9 km·N/mm

3으로 오히려 감소하였다

.

그리고경도값은고경도시멘타이트상이분해되어탄화물의

25%

에서

11.5%

줄어들었음에도불구하고기지조직의

부분을차지하는퍼얼라이트상

(Hv 350)

고경도인오스페라이 트상

(Hv 480)

으로 변태됨에따라

HRC 47

에서

HRC 50.4

증가하였다

.

2)

비교재로사용한

DCI

재를오스템퍼링처리를경우 스템퍼링열처리로인해기기조직의대부분을차지하는퍼얼라 이트상페라이트상이 대부분오스페라이트상으로변태됨에 따라인장강도는

73 kg/mm

2에서

153 kg/mm

2으로

,

충격흡수에 너지는

3.8J

에서

7.6J

,

내마모성은

2.47 km·N/mm

3에서

3.49 km·N/mm

3

,

경도값은

HRC 19.7

에서

49.3

으로증가하였다

.

감사의 글

연구는

POSCO(

)

지원에의해 이루어졌으며이에

감사드립니다

.

참고문헌

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18, Pergamon Press, (1976) 71

수치

Table 1.  Chemical compositions of NICI and DCI.
Table 2 에  NICI 재와  DCI 재의 오스템퍼링 처리 전·후의 로
Table 2.  Mechanical properties of NICI and DCI.
Fig. 7.  Fractographs of the impact specimens of NICI. (a) as cast, (b) heat treated (austenitizing: 870 o C, 1hr., tempering: 300 o C, 1hr

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