非合金 球狀黑鉛鑄鐵의 質量效果 改善을 위한 熱處理 特性에 關한 硏究

Abstract

일반 공업용 회주철에 비하여 구상흑연주철의 수요는 계속해서 증가하는 경향을 나타낸다. 오스템퍼링 처리한 구상흑연주철은 고 강도 고 인성 을 요구하는 자동차 및 기계부품 등에 단조한 강 제품이나 주강 제품을 대체할 수 있는 새로운 부품소재로써 활용이 확대되고 있는 실정이다. 구상흑연주철에 대한 우수한 기계적 성질을 얻기 위해서는 강에 실시하는 것과는 다른 열처리 기술과 특수한 열처리 조건이 필요하다. 따라서 이러한 분야에 대한 많은 연구들이 이루지고 있지만, 보다 체계적이고 전문적인 새로운 공법에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 구상흑연주철의 열처리 특성에 따라서 기계적 성질 및 미세조직에 미치는 영항을 고찰하고, 본 연구와 관련된 오스템퍼링 열처리 기술의 종합적이고 구체적인 이론의 정립, 새로운 열처리 기술의 개발과 적용에 따른 제반 인자들의 영향을 고찰하고자 하였다. 구상흑연주철을 오스템퍼링 처리할 때에도 질량효과가 중요한 역할을 하기 때문에 현재 가장 보편적으로 사용하는 방법은 합금원소를 첨가하여 경화능을 증가시키는 방법을 사용하고 있다. 그러나 이러한 방법은 기계가공 시 가공의 난삭화, 별도의 스크랩을 관리해야 하는 문제점 등이 수반된다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 특수합금 원소가 첨가되지 않은 비합금 구상흑연주철을 소재로 사용하여 순수한 열처리 공법의 개발만으로 합금 구상흑연주철에서 얻을 수 있는 것과 동등하거나 그 이상의 기계적 성질을 얻고자하였다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 크게 세 가지 단계로 나누어 열처리 공법을 개선하고자 하였다. 첫 번째 단계는 오스테나이트화 시켜서 냉각할 때 시멘타이트의 핵 생성을 억제하기 위한 방법으로 900℃에서 2시간 유지 후 Ar3 근방 온도인 800℃까지 0.05 ℃/초의 속도로 서랭시킨 후 오스테나이트화 온도에서 급랭할 때 염욕에 5%의 물을 첨가하여 경화능을 증가시키는 효과를 얻고자 하였다. 두 번째 단계는 오스템퍼링 처리온도가 서로 다른 염욕을 2개의 로에서 각각 유지시간을 달리함으로써 공정창을 넓게 하여 탄화물이 생성되지 않는 베이나이틱 페라이트와 안정한 고 탄소 잔류 오스테나이트 조직과 기계적 성질을 얻고자 2단 오스템퍼링 공법으로 실험하였다. 세 번째 단계는 비합금 구상흑연주철을 사용하여 첫 번째와 두 번째의 처리공정 후 시험편의 두께에 따른 질량효과를 평가하기 위하여 직경이 서로 다른 3 가지의 봉재를 사용하여 실험하였다. 첫 번째 처리공정의 결과, 오스테나이트에서 냉각시의 탄화물 핵 생성 억제효과와 염욕에 물을 첨가한 효과로 우수한 경화능 증진효과가 나타나 인장강도 및 연신율, 충격치의 향상으로 ASTM 규격을 만족시킬 수 있었다. 처리온도 330℃에서 인장강도가 130 kgf/mm2, 연신율이 8.8%, 충격치는 112J, 잔류 오스테나이트는 380℃에서 16.8%를 얻었다. TEM에 의한 미세조직 분석은 래스상의 베이나이틱 페라이트 조직이며, 탄화물의 존재가 확인되지 않았기 때문에 베이나이트 조직이 나타나지 않았다. 두 번째 단계인 2단 오스템퍼링 처리공법은 오스테나이트화를 1단계와 동일한 공법을 적용한 후 오스템퍼링 처리를 2단으로 나누어 1차로 380℃에서 1시간 처리한 다음, 2차 300℃에서 5, 30, 120, 360 및 1,440분간 서로 다른 시간으로 유지한 후 공랭한 것이다. 이러한 처리결과로 탄화물이 없는 미세한 베이나이틱 페라이트와 풍부한 잔류 오스테나이트 조직을 얻게 됨으로서 인성과 연성이 크게 향상된 효과를 얻었다. 2차 처리시간 증가에 따라 인장강도 및 연신율과 충격치는 GCD 45의 경우 360분까지 증가한 후 감소하였다, GCD 50은 120분의 처리시간에서 최대치를 나타냈다. 특히, 충격치는 120∼360분 사이에서 최대로 나타났고 연신율의 증가치보다 3∼4배로 ASTM의 규격보다 60J이상 높게 나타났다. 세 번째 처리공정은 비합금 구상흑연주철 직경 14, 22 및 32mm의 환봉을 사용하여 중심부 조직의 변화와 질량효과 개선을 평가하기 위하여 3단계인 2단 오스템퍼링 처리 공법으로 열처리한 결과, 탄화물이 없는 베이나이틱 페라이트와 잔류 오스테나이트가 판상의 적층된 조직으로 연성을 개선시키게 되었다. 또한 처리시간 360분에서 중심부의 연신율은 직경 22와 32 mm는 약 13%이며 잔류 오스테나이트 양은 약 27%이고 이후 감소하였다. 충격강도 또한 360분에서 최고치로서 22 mm는 121 J이고, 32 mm의 경우는 99 J이며, 이후 감소하였다. 기계적 특성이 가장 우수한 2단 오스템퍼링 처리온도와 시간은 공정창의 안전한 범위인 330～300℃의 120∼360분 구간에서 실시하는 것이 유리하다고 판단되었다. 따라서 GCD 45 및 50의 실험을 종합적으로 고찰한 결과로 물을 첨가한 염욕에서 전반적인 기계적 특성이 향상되었다. 2단 오스템퍼링 처리로 인하여 잔류 오스테나이트의 체적을 높여서 특히 충격에너지를 크게 향상시켰다. 또한 물을 첨가한 염욕의 경화능 증진효과와 2단 오스템퍼링 처리로 인한 오스템퍼링 열처리 능력의 증대 효과로 연성을 크게 향상시켰다. 본 연구에서 적용한 열처리 공법은 발명특허로 이미 2건이 등록되었으며 1건은 출원중이다. 끝으로 본 연구결과 GCD 45 및 50 비합금 구상흑연주철을 사용하여 제어 오스테나이트화 열처리 공법과 물을 첨가한 냉각속도 제어에 의한 공법 및 2단 오스템퍼링 처리공법을 적용한 3가지의 열처리 공정에 의하여 경화능 증진효과와 오스템퍼링 능력이 향상되어 이에 따라 비합금 구상흑연주철이지만, 합금 구상흑주철과 대등하거나 그 이상의 질량효과를 크게 개선시키게 되었다.

The applications of ductile cast irons are gradually increased so it can be spotlighted as a new material that can provide high strength and high toughness. Studies on the heat treatment technologies for such ductile cast irons have been performed for the respective specific condition. This study is try to develop the heat treatment technology that is applicable to the industry by establishing the theoretical basis and conducting the study with systematic and comprehensive approaches. To do this, the background and the trends of the study on the heat treatment characteristics of ductile cast irons and on its microstructure were reviewed. The objective of this study is to examine various factors that effect on heat treatment and develop new method showing the theory related to the austempering technology comprehensively and in detail. Recently, alloy elements are added to improve mechanical properties but the attention was paid to the necessity that develops a heat treatment method to obtain mechanical properties corresponding to the alloy effects by utilizing unalloyed ductile iron. Austenitizing was processed at 900 ℃ for 2 hours. On austempering, the critical point of nose that forms pearlite structure at continuous cooling speed is at 650 ℃ for 8 seconds However, to avoid the pearlite formation, the cooling speed must be increased. On the viewpoint of GCD 45 at various austempering temperatures under the improved salt bath, the hardenability is significantly improved by using new method to add 5% water to the salt bath, that is, to improve tensile strength, elongation and impact energy and thus to meet ASTM standard. The elongation 8.8%, impact energy 11.4 kgf-m/cm2 and tensile strength 130 kgf/mm2 is obtained at 330 ℃ while the retained austenite 16.8% at 380 ℃. According to the result of microstructural analyses by OM, SEM and TEM, the lath is proved to be bainitic ferrite and carbide is not found. It is noted that the processing window is somewhat narrower than that of alloy ductile cast iron. The characteristics of austempering treatment at different processing step has also been investigated. Second step austempering that gives impact on the mechanical properties of ductile cast irons was identified and retained austenite quantity by the time to keep austempering, the change of mechanical properties to this respect and the characteristics of microstructure by TEM were studied. It proves that the mechanical properties of two cast irons was improved with stepped austempering treatment by controlled austenitization as well as using the salt bath added with 5% of water. When the first austempering was conducted at 380 ℃ and the second austempering at 300 ℃ for 5 to 1440 minutes, the bainitic ferrite structure containing carbide did not appear. It was noted as the time to process the austempering treatment lasts longer, GCD 45 increases for up to 360 minutes and thereafter decreases gradually and GCD 50 has the maximum value at the time of 120 minutes of austempering. Through TEM and XRD analysis, it proved the existence of retained austenite and at 5 minutes after the austempering starts, in case of GCD 45, 35% appears and GCD 50 reaches 37% at its maximum but the impact energy is at its lowest 130 J, at 120 minutes after, it became 160 J, that is not better than 170 J with ductility and toughness showing very low. However, it assumes that it should come from the temperature and the time that the processing window closes, i.e, we can see the effects of austempering at 380 ℃ and the higher as the temperature gets, the higher the retained austenite appears. The hardenability characteristics subject to the effects from the stepped austempering that influences on the core structure of ductile cast irons, i.e. the mass effects from the austemperability was examined. Bars with each diameter 14, 22 and 32 mm were austenized at 900 ℃ for 2 hours and right after they are cooled down to 800 ℃ at slow speed, the first austempering process was done in the salt bath with water added for 1 hour and after the second austempering was conducted at 300℃ for 5, 30, 120, 360 and 1440 minutes, and specimens were air-cooled. Therefore, through various tests of unalloyed ductile cast irons, the result of this comprehensive research shows that the mechanical properties in general improves when it is processed in the salt bath with water and especially its impact energy can be highly increased by heightening the retained austenite volume through the stepped austempering treatment. Besides, due to the effects of increasing austemperability through it‘s second austempering treatment as well as the hardenability improvement effect from the water added salt bath, the core structure of diameters 14, 22 and 32 mm has the characteristics in that the bainitic ferrite structure containing carbide does not appear. Therefore, there is no pearlitic structure. Impact energy reaches its maximum at the time of 360 minutes and then decreases. Thus, it is noted that the study shows an outstanding improvement on the ductility. It proves that the temperature and time for austempering that can provide excellent mechanical properties is temperature ranges at 330∼300 ℃ for 120∼360 minutes, i.e., the safety range(time and temperature) of processing window. It can also be expected that if the stepped austempering is conducted at lower temperature for the same time compared with the conditions established in the study, it should come up with a meaningful results.