열간압연한 Fe-17wt%Mn 합금의 기계적 성질과 진동감쇠능에 미치는 티타늄 첨가의 영향
김태훈·김정철 *†
㈜우진 신금속재료연구실
Effects of Ti on Mechanical Property and Damping Capacity in Hot-rolled Fe-17%Mn Alloy
Tai-Hoon Kim, Jung-Chul Kim*†
New Material Research Laboratory, WOOJIN Inc., Kyong-gi, 445-813, Korea
Abstract
Effects of Ti on damping capacity and mechanical properties are investigated in hot rolled Fe-17%Mn alloy. The existing damp- ing alloy with Fe-Mn binary system was limited the use by high production cost, however in case of using scrap iron instead of pure iron although the content of carbon is higher it is possible to be applied wider field especially construction items because the production cost is lower. However, the excellent specific damping capacity is dropped due to the high content of carbon, we devel- oped advanced type of damping alloy included Ti. TiC is formed with added Ti and it holds the specific damping capacity similar to existing damping alloy. The effect of Ti on damping capacity is found to be beneficial in carbon-containing alloy, which is attrib- uted to the depletion of carbon solute due to the formation of TiC.
Key words : Damping capacity, Mechanical property, ε-martensite, Ti carbide.
(Received February 20, 2009 ; Accepted April 18, 2009)
1. 서 론
산업문명이 고도로 발전함에 따라 인류의 생활은 편의와 풍 요를 누리게 되었지만, 그것이 남긴 각종 부산물은 공해로서 우리의 자연환경을 위협하고 있다. 이들 공해 중 소음과 진동 은 인간에게 심리적 불안감과 난청 등의 질병을 유발시키며, 공업적 측면에서는 정밀기계의 정밀도 저하 및 부품의 조기피 로파괴 등의 성능저하를 야기시킨다. 이러한 소음과 진동을 방 지하기 위해서 종래에는 진동체에 오일댐퍼나 에어댐퍼를 설치 하여 진동에너지를 흡수시키거나 금속과 금속 사이에 점탄성이 큰 고분자재료를 끼워서 진동에너지를 흡수시키는 방법 등이 강구되어 왔었다. 이러한 구조적 방법에 의해서는 진동과 소음 을 제거하는데 있어서 많은 문제점들이 내포되어 있을 뿐만 아니라, 공업적 이용면에서도 그 한계성을 벗어날 수가 없다.
따라서 최근에 와서는 금속재료 그 자체가 진동에너지를 직접 흡수케 하는 적극적인 방식(material damping)으로 방진대책이 전환대면서 방진합금의 연구가 활발히 진행되고 있다[1].
최근 저자들 중의 일부[2~5]가 Fe-17%Mn 이원계 합금이 높은 진동감쇠능을 나타내며, 기계적 성질 또한 매우 우수하다 는 사실을 처음으로 밝혀내었으며, 방진합금의 성능을 표시하는 α값(비감쇠능×인장강도)이 30%×70 kg/mm2= 2,100%·kg/mm2
로써 지금까지 개발된 어느 합금보다도 우수한 성능을 가지고 있다.
그러나 경제성과 관련하여 이 합금을 공업적으로 제조하기 위해서는 양산과정 중에 탄소가 불순물로서 불가피하게 혼입된다.
따라서 본 연구에서는 앞서 조사된 Fe-17%Mn합금에 탄소 가 함유될 때 진동감쇠능이 어떻게 변하는지에 대한 결과[6]를 토대로 하여 탄소량을 0.10wt%로 고정시키고 탄화물 형성원소 인 Ti를 미량 첨가하여 탄소와 같은 침입형 원소가 불순물로 서 혼입되어 감쇠원을 고착하여 저하된 감쇠능을 어느 정도 회복시키는 지와 그에 따른 기계적 성질의 변화를 조사하였다.
2. 실험방법
본 연구에 사용된 Fe-17%Mn-0.1%C-X%Ti 합금은 고주파 진공 유도로에서 용해하였다. 먼저 마그네시아 도가니에 99.9%
순도의 전해철을 장입하여 용해시킨 다음, 메탈망간을 첨가하고 곧이어 티타늄과 가탄제(흑연전극분말)를 장입하여 용해하였다.
이 때 망간의 비산을 막기 위해 200torr 정도의 아르곤 분위 기를 유지하였으며, 1,650oC에서 용해한 후 용탕을 금형에 주 입하여 합금별로 6kg의 잉곳트를 제조하였다. 이들 잉곳트는 1,150oC에서 24시간 균질화처리 하여 응고 중에 형성된 편석
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을 제거하였다. 본 연구에 사용된 합금의 화학조성은 Table 1 에 나타내었다.
이후 각 조성별 잉곳트를 950oC에서 2시간 소킹한 후 길이 600 mm, 폭 100 mm, 두께 13 mm 판재로 열간압연하고 인장 시험편, 진동감쇠능 시험편, 충격시험편을 제작하여 1,050oC에 서 2시간 용체화처리 하였으며, TEM 관찰용 시험편을 제작하 기 위하여 950oC에서 3 mm의 두께로 열간압연하여 1,050oC 에서 1시간 용체화처리 한 후 수냉하였다. 또한, 이 시편을 이 용하여 시효에 따른 진동감쇠능의 변화를 조사하기 위해서 80oC에서 0~300분간 등온시효처리 하였다.
본 연구에서 진동감쇠능의 측정은 진동감쇠능 측정용 시험편 (Fig. 1)을 Föpple-Pertz 비틀림 시험장치[7]에 볼트를 이용하 여 접합하여 측정하였으며, 비감쇠능(Specific Damping Capacity, SDC)으로 나타내었다[8]. 이 시험장치의 원리는 시험편을 자유 진동시켰을 때 시간의 경과에 따라 진동의 진폭이 점차 감소 해가는 것을 potentiometer로 감지하여, 증폭기를 거쳐 변환기 를 통해 입력된 신호인 시간 대 진폭 변화 곡선으로부터 변형 률에 따른 진동감쇠능을 측정하였다.
한 사이클당 손실되는 에너지를 백분율로 나타내는 비감쇠능 은 Fig. 2과 같이 계산된다.
인장시험편은 Fig. 3과 같이 KS B 0801 13B호 인장시험 편으로 제작하여 GALDABINI-SUN/60 시험기를 이용하여 상 온에서 cross-head speed 2 mm/min로 인장하였다. 충격시험편 은 Fig. 4와 같이 KS B 0809 V 노치 시험편으로 제작하여 KS B 5522 샤르피 V-노치 충격시험기를 이용하여 상온에서 측정하였다.
한편 열처리를 행한 시편을 연마에 의해 형성될 수 있는 응 력유기 마르텐사이트 생성을 방지하기 위해 acetic acid(90 ml) +HClO4 (10 ml)의 혼합용액에서 전압 20V, 전류 90 mA의 조 건으로 전해 연마한 후 증류수(10cc)+이아황산칼륨 K2S2O5 (0.12 g)의 용액을 사용하여 부식시켜 조직관찰을 하였다.
또한 Fe-17%Mn-0.1%C-0.4%Ti 합금에서 탄화물을 관찰하 기 위하여 투과전자현미경을 이용하였다. 이 때 TEM 시편은 -50oC에서 10% HClO4/methanol용액에서 전해 연마하였으며, Philips CM-30을 사용하여 가속전압 300 kV로 관찰하였다.
Fig. 1. Bar-type specimen of measuring damping and schematic diagram of damping measuring apparatus.
Table 1. Chemical composition of the specimens used.
Alloy No. Chemical Composition (wt%)
Ti C Si Mn P S Fe
Alloy 1 - 0.10 0.19 17.48 0.02 0.01 bal.
Alloy 2 0.09 0.11 0.12 17.38 0.01 0.01 bal.
Alloy 3 0.22 0.09 0.10 17.32 0.02 0.01 bal.
Alloy 4 0.36 0.11 0.18 17.49 0.02 0.02 bal.
Alloy 5 0.58 0.10 0.13 17.21 0.02 0.01 bal.
Fig. 2. Calculation of SDC (specific damping capacity) from free vibration.
Fig. 3. Specimen of tensile test.
Fig. 4. Specimen of Charpy impact test (V-notch).
3. 실험결과 및 고찰
3.1 Ti 첨가에 따른 기계적 성질의 변화
Fig. 5에는 Fe-17%Mn-0.1%C-X%Ti 합금의 Ti 첨가량에 따른 기계적 성질의 변화를 보여주고 있는데 그러나 Ti가 첨 가되면서 인장강도와 항복강도는 증가하다가 다시 감소하는 경 향을 보인다. 이는 Alloy 2가 탄화물의 석출에 의한 석출강화 와 계면에 고용되어 있는 탄소의 고용강화 현상의 복합 작용 으로 인하여 보다 큰 강도를 가지게 되지만 그 이상의 조성에 서는 TiC의 생성으로 탄소의 고용강화 현상은 줄어들고 석출 강화만이 작용하여 강도가 감소하는 것으로 보인다.
한편 연신율은 이후 Ti 첨가에 의한 TiC 탄화물 석출로 고
용탄소가 석출됨으로써 연신율에 방해요인으로 작용하는 탄소가 감소하여 연신율이 상승되는 것으로 생각된다.
Fig. 6은 Fe-17%Mn-0.1%C-X%Ti 합금의 경도 변화를 나 타내고 있다. Alloy 2가 Alloy 1에 비해 경도값이 다소 증가 하였는데 이는 TiC가 형성됨으로써 나타나는 석출경화 현상과 ε 마르텐사이트 양의 증가 때문이라고 생각된다.
Fig. 7의 Ti 첨가에 대한 충격치는 Ti가 첨가될수록 높아지 는 것으로 보아 Fig. 8의 진동감쇠능 변화와 같이 충격에너지 는 진동감쇠능에 의해 흡수된다고 생각된다.
3.2 Ti 첨가에 따른 진동감쇠능의 변화
Fig. 8에는 Fe-17%Mn-0.1%C-X%Ti 합금의 Ti 첨가량에 따른 진동감쇠능의 변화를 보여주고 있는데 탄소의 첨가로 인
Fig. 5. Variation of mechanical property with Ti content in Fe-17%
Mn-0.1%C alloy.
Fig. 6. Variation of Hardness with Ti content in Fe-17%Mn-0.1%C alloy.
Fig. 7. Variation of impact absorb energy with Ti content in Fe- 17%Mn-0.1%C alloy.
Fig. 8. Variation of specific damping capacity with Ti content in Fe- 17%Mn-0.1%C alloy.
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해 감소된 진동감쇠능[9]이 Ti 첨가량이 증가할수록 증가함을 볼 수 있다.
이와 같은 현상은 Alloy 1과 Alloy 4를 광학현미경을 이용 하여 600배 확대한 Fig. 9에 보이는 바와 같이 Ti 양이 많아 질수록 grain size가 미세화되며 ε 마르텐사이트 양이 증가하 고 탄소를 탄화물로서 석출시킴으로써 감쇠원의 계면을 고착시 키는 고용탄소의 양이 감소하게 되면서 γ/ε 계면의 이동이 용 이하게 되면서 진동감쇠능이 증가한 것으로 생각된다. 또한 이 를 증명하기 위해 전자현미경 관찰을 시도하였는데 Fig. 10에 보이는 바와 같이 탄화물의 생성이 발견되었다.
3.3 Ti 첨가와 시효에 따른 진동감쇠능의 변화
Fe-17%Mn-0.1%C 합금에 Ti를 첨가한 합금에 대하여 100oC 에서 0~300분 등온시효하여, 시효시간에 따른 진동감쇠능의 변 화를 Fig. 11에 나타내었다. Fig. 8에 보이는 바와 같이 탄소 가 0.02%이고 Ti가 전혀 함유되지 않은 Alloy 0는 등온시효 에 따른 진동감쇠능의 변화가 거의 없으나, 탄소가 0.1%이고 Ti가 전혀 함유되지 않은 Alloy 1은 시효시간 40분까지는 진 동감쇠능이 급격히 감소하고 있다. 이와 같이 시효시 진동감쇠 능의 저하는 시효 중 탄소 원자가 확산하여 감쇠원의 계면을 고착하기 때문이라 생각된다.
탄소가 0.1%이고 Ti이 0.1% 첨가된 Alloy 2도 시효시간 40분까지는 진동감쇠능이 크게 떨어지고 있으나, 반면에 같은
탄소함량이지만 Ti이 0.4%, 0.6% 첨가된 Alloy 4와 Alloy 5 는 시효시간 300분까지 등온시효를 하여도 진동감쇠능에는 아 무런 변화가 없음을 보이고 있다.
이러한 현상에 대해 Ti은 강력한 탄화물 형성원소로서 탄소 화 결합하여 MC 형 탄화물을 형성하며 NaCl형 결정구조를 가지고 있는데, 합금에 고용되어 존재하는 모든 탄소와 Ti이 결합할 수 있는 화학양론적 비는 원자비로 Ti:C = 4:1이다.
따라서 완전한 TiC 탄화물을 형성하는 조성을 갖는 Alloy 4, Alloy 5에서만 고용탄소를 모두 석출시켰기 때문에 시효에 대한 저항성이 향상되어 일정한 진동감쇠능을 유지하고 있는 것으로 생각된다.
4. 결 론
Fe-17%Mn-0.1%C 합금에 Ti를 첨가하여 이에 따른 진동감 쇠능, 기계적 성질 및 미세조직을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) Fe-17%Mn-0.1%C 합금 내 탄소와 Ti의 함량비가 1:2까 지는 인장강도와 항복강도가 증가하지만, 그 이상의 함량비에서 는 낮아진다.
2) 연신율 특성은 Ti 함량이 증가할수록 탄화물의 생성으로 탄소 함량이 줄어들면서 증가한다.
3) 진동감쇠능은 Ti 함량이 증가함에 따라 증가하는데 이는
Fig. 10. Transmission electron micrographs of the Fe-17%Mn-0.1%C alloy (a) Alloy 1, (b) Alloy 4 (S.F. : Stacking Fault).
Fig. 9. Microstructures of Fe-17%Mn-0.1%C alloy (×600) (a) Alloy 1, (b) Alloy 4.
TiC의 형성으로 고용탄소의 함량이 감소하여 γ/ε 계면의 이동 이 용이해졌고 조직의 미세화로 인하여 ε마르텐사이트의 양이 증가했기 때문이다.
4) 진동감쇠특성은 실험 조성 중 TiC가 형성되는 Alloy 4, Alloy 5 조성에서는 기존 방진합금 Fe-17%Mn alloy(SDC 29%)와 유사한 수준을 보였다.
5) 100oC의 온도대역에서 300분간 등온시효를 한 경우 Alloy 4, Alloy 5 조성은 진동감쇠능의 변화가 없는 것으로 보아 실제 부품으로 적용시 100oC까지 온도가 상승하여도 고 유의 특성을 잃지 않는다.
이와 같은 실험 결과를 바탕으로 기존 방진합금의 단점인 고가의 생산비용이 순철 대신 일정한 탄소가 함유된 고철을 사용하면서 Ti을 미량 첨가함으로써 30% 가량 저감되면서 기 존에 보유하고 있던 기계적 성질이나 진동감쇠능을 유지할 수 있어 더욱 광범위한 산업분야에 적용하는 것이 가능할 것으로 분석되었다.
참고문헌
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100oC in Fe-17%Mn-0.1%C-X%Ti alloy. (Alloy 0 : Fe- 17%Mn-0.02%C).
