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국문 초록 (Abstract)

회주철을 A3온도 이상으로 재가열하면 오스테나이트에 과포화된 탄소가 흑연으로 석출되어 흑연화 현상이 일어난다. 반면, 고크롬백주철에서는 합금원소가 포화된 오스테나이트에서 탄소와 크롬이 방출되어 M23C6 탄화물이 석출하는 탈안정화(destabilization)가 일어난다. 탈안정화의 정도는 수지상(dendrite)의 분율과 관계가 있으며, 수지상과 공정조직의 분율은 화학조성의 조정으로 조절할 수 있다.
고크롬주철의 응고에서 초정 수지상으로 응고된 오스테나이트 조직과 공정조직으로 응고된 오스테나이트는 화학조성이 약간 다르므로 이들 오스테나이트 조직에서의 탈안정화는 각각 다른 거동을 나타낼 수 있다. 또한 화학조성이 다른 합금들의 초정 수지상 오스테나이트는 화학성분이 각각 다를 수 있고 M23C6 석출 온도도 합금에 따라 또는 수지상 분율에 따라 서로 다르다. 따라서 본 연구의 목적은 여러 가지 수지상 분율을 가지는 아공정 및 공정조성 고크롬백주철에서 오스테나이트의 탈안정화에 따른 M23C6 탄화물의 석출거동을 이해하고자 하였다.
본 연구에서는 탄소 함량이 2.1 ~ 2.9 wt.%, 크롬 함량이 24.0 ~ 27.0 wt.% 고크롬백주철에서 탄소와 크롬 함량을 조절하여 수지상 오스테나이트 분율이 다른 5 종류의 합금을 제작하였다. 제작한 각 합금의 성분을 상용 열역학계산소프트웨어(ThermoCalc)를 이용하여 응고, 석출, 변태 거동을 예측하였다.
고크롬주철의 상용열처리 조건(conventional heat treatment)은 일반적으로 균질화 후 공냉처리와 템퍼링 처리로 구성된다. 이와 같은 상용열처리에 따른 조직 변화와 비교하기 위하여 열역학 계산(ThermoCalc)에서 나타난 각 합금에서 M23C6 탄화물이 최대로 석출되는 온도를 선택하여 직접시효(DA: Direct aging)를 통해 강화하는 방법을 선정하였다. DA에 따른 오스테나이트에서 M23C6 탄화물의 석출거동, 오스테나이트와 M7C3 탄화물의 반응 등을 상용열처리한 경우와 각 합금에서 비교 연구하였다.
M23C6 탄화물의 석출은 고온의 탈안정화 과정 중에 발생하는 것으로 상용열처리에서는 초정 수지상에서 많이 일어났으나 공정조직의 오스테나이트에서는 극히 소량 일어났다. 반면, DA 열처리에서는 시편 전체에 균일하게 M23C6 탄화물이 석출 되었다. 이는 DA 온도에서 오스테나이트의 탄소, 크롬의 고용도와 관련이 있을 것으로 판단된다. 특히, DA 처리에 따라 공정조직에서 M23C6 석출이 활발히 일어났다. 공정 M7C3 탄화물이 고온에서 변이(transition)에 의해 M23C6 탄화물로 계면에서 바뀌는 것으로 알려져 있었다. 그러나 본 연구에서는 공정조직의 오스테나이트와 M7C3 탄화물이 지속적으
로 반응하여 계면에 무석출대 (precipitation free zone: PFZ)에 고용되고, 다시 과포화된 PFZ에서 M23C6 석출이 일어나 PFZ 형성을 반복함으로 M7C3 탄화물을 소모함에 기인된 것을 확인하였다.
상용열처리에서는 초기응고 수지상 오스테나이트에서 우선적으로 M23C6가 석출하였으나, DA 처리에서는 초기응고 수지상(오스테나이트)과 공정 오스테나이트에서 균일하게 M23C6 탄화물이 석출하였다. 즉, DA 열처리 중에 수지상과 공정 오스테나이트에서 탈안정화가 일어나고, 공정 M7C3 탄화물과 오스테나이트의 반응도 동시에 일어난 것에 기인된 것으로 판단된다. 이는 ThermoCalc 결과에서 DA 온도 부근에서 M7C3의 량이 줄어들고 있는 것으로 확인할 수 있다.
DA 처리 시간 경과에(10분, 30분, 60분, 240분, 300분) 따른 M23C6 탄화물 석출 및 경도 변화를 고찰하였다. 모든 합금에서 수지상 분율(탄소당량)에 상관없이 경도값은 열처리 시간이 경과됨에 따라 증가하였으며, 240분에서는 모든 시편이 비슷한 가장 높은 경도 값을 나타내었다. 이는 240분 시효에서 모든 합금에서 미세한 탄화물의 석출이 가장 많음에 따른 것으로 사료된다. 시효시간이 증가하면 석출물이 조대하게 되어 경도 값이 감소하였다. 석출한 탄화물은 알려진 바와 같이 M23C6 탄화물임을 확인하였다.
상용열처리한 경우 수지상 분율이 높은 합금은 공정 M7C3의 분율이 상대적으로 낮아 낮은 경도값을 보였으나, DA 처리한 경우 수지상의 분율이 높음에 따라 부족한 공정 M7C3에 의한 강화를 더 많은 M23C6의 석출로 인해 모든 합금이 거의 유사한 경도 값을 가짐을 확인하였다.
초정 수지상 분율이 다른 5종류의 합금을 상용열처리와 DA 열처리를 하여 내마모성을 비교 시험한 결과 초정 수지상 분율이 가장 높은 2124 합금이 열처리 종류에 관계없이 내마모성이 가장 좋음을 확인하였다.
DA 열처리는 상용열처리에 비해 고크롬백주철을 위한 열처리 공정을 단순화 할 수 있음을 확인하였다.

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회주철을 A3온도 이상으로 재가열하면 오스테나이트에 과포화된 탄소가 흑연으로 석출되어 흑연화 현상이 일어난다. 반면, 고크롬백주철에서는 합금원소가 포화된 오스테나이트에서 탄소...

목차 (Table of Contents)

I. Introduction ---- 1
II. Theoretical Background ---- 4
1. Cast iron ---- 4
1) Classification of cast iron ---- 4
2) Solidification of hypoeutectic gray cast iron --- 5

I. Introduction ---- 1
II. Theoretical Background ---- 4
1. Cast iron ---- 4
1) Classification of cast iron ---- 4
2) Solidification of hypoeutectic gray cast iron --- 5
2. White iron --- 6
1) Classification of high alloy white iron ---- 6
2) High-Cr white iron --- 8
(1) Effect of alloying elements ---- 9
(2) Solidification behavior ---- 12
(3) Carbides in High-Cr white iron ---- 16
(4) Conventional heat treatment ---- 17
III. Experimental Procedure ---- 21
1. Specimen preparation ---- 21
2. Microstructural observation and phase identification ---- 24
3. Mechanical properties ---- 25
IV. Results and Discussions ---- 26
1. Prediction and as-cast microstructure ---- 26
2. Conventional heat treatment ---- 29
3. Modified heat-treated(DA-treated) microstructure ---- 38
1) Basic background of M23C6 precipitation ---- 38
2) Effect of Direct Aging(DA) on the M23C6 precipitation ---- 43
3) Phase identification of DA-treated alloys ---- 63
4. Mechanical properties ---- 76
1) Effect of DA treatment on the hardness ---- 76
2) Effect of DA treatment on the wear resistance ---- 79
V. Conclusions ---- 82
References ---- 84
국문요약 ---- 92
감사의 글 ---- 95

참고문헌 (Reference)

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2 Maratray , F. and Poulalion , A. ,, "Austenite Retention in High-Chromium White Irons", 90 , 795-804 ., 1982

3 Pearce , J.T.H, "High chromium cast irons to resist abrasive wear", vol . 95 , 156 ., 2002

4 Benz , R. , Elliott , J.F . and Chipman , J., "Thermodynamics of the carbides in the system Fe-Cr-C", vol.5 , 2235-2240, 1974

5 Mutton , P.J., "Abrasion resistant materials for the Australian minerals industry", vol.1 , 61 , Melbourne, 1988

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9 Tabrett , C.P . and Sare , I.R. ,, "Fracture thoughness of high-chromium white irons : influence of xast structure", 35 ,, 2000

10 Pearce , J.T.H., "Structure and wear performance of abrasion resistant chromium white cast irons", vol.92 , 599-622, 1984