알루미늄 함량에 따른 AGI (Austempered Gray Cast Iron)의 오스테나이트 형성 및 기계적 특성에 관한 연구

Study on the Austenite Formation and Mechanical Properties of AGI (Austempered Gray Cast Iron) According to Aluminum Content

Abstract

알루미늄 주철은 내산화성, 내황화성 및 부식성이 우수하다. Ti, Ni 합금에 비해 비전략적 원소인 Fe를 사용하는 비용이 상대적으로 저렴하여 구조재 및 스테인리스강의 대체재로 기대되고 있다. 이는 스테인리스 스틸을 사용하는 경우에 비해 약 30%의 중량 감소 효과를 가져온다. 알루미늄 합금의 경우 최근 몇 년간 주철의 합금원소로 널리 사용되고 있는 원소이다. 실온에서 연성이 부족하고 600℃를 초과하면 강도가 급격히 감소하여 실용화가 지연되었다. 실온 연성이 약한 원인은 수소에 의한 환경 취화로 알려져 있으며, 이러한 특성의 약점을 개선하기 위해 다양한 합금원소의 첨가가 시도되고 있다. 회주철의 경도와 내마모성을 높이기 위해 주로 바나듐, 크롬, 망간 등의 합금원소를 사용하고 있지만, 이러한 원소를 포함하는 완제품의 가격과 합금화의 문제는 많은 한계가 있다.

Aluminum cast iron has excellent oxidation resistance and good resistance to sulfide and corrosion. Compared to Ti and Ni alloys, it is expected to be a substitute material for structural materials and stainless steels because it is relatively inexpensive to use Fe, which is a non-strategic element. This results in a weight reduction effect of about 30% as compared to the use of stainless steel. With regard to aluminum as an alloying material, it is an element that has been widely used for the alloying of cast iron in recent years. Practical use has been delayed owing to the resulting lack of ductility at room temperature and the sharp decrease in the strength above 600℃ of this alloy, however. The cause of the weak room temperature ductility is known to be environmental embrittlement by hydrogen, and the addition of various alloying elements has been attempted in order to mitigate these shortcomings. Although alloying elements such as vanadium, chromium, and manganese are mainly used to increase the hardness and wear resistance of gray cast iron, the price of finished products containing these elements and the problems associated with alloys with this material impose many limitations.

1. 서론

주철은 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 또는 이들의 조합 등 다양한 상에 존재할 가능성이 있다 [1]. 그리고 합금 주철은 내마모성, 내식성, 내 산화성과 함께 기계적 특성의 향상으로 이어질 수 있다 [2]. 알루미늄 합금의 경우 최근 몇년 동안 주철의 합금원소에 광범위하게 활용되고 있는 원소이다 [3-5]. 많은 연구자들은 알루미늄과 실리콘이 철-탄소 합금 시스템에 유사한 영향을 미친다고 되어 있다 [6]. 특히 알루미늄 주철의 경우 우수한 내산화성, 내황화성과 내식성을 가지며, Ti계 및 Ni계 합금과 비교할 때 비전략 원소인 Fe를 사용하여 값이 비교적 저렴하기 때문에 구조재료 및 스테인리스강의 대체 재료로 기대를 모으고 있다 [7, 8]. 철의 우수한 비강도는 부품 제조 시 같은 수준의 강도를 가지고 있는 스테인리스강을 사용할 때에 비해 약 30% 정도의 중량 감소 효과를 얻을 수 있으며, 상온 연성이 부족하고 600ºC 이상에서 강도가 급격히 저하되기 때문에 실용화가 지연되어 왔다. 취약한 상온 연성의 원인은 수소에 의한 환경취화 (Environmental embrittlement)로 알려져 있으며, 이러한 물성의 취약점을 개선하기 위하여 여러 가지 합금원소의 첨가가 시도되고 있다 [9, 10]. 회주철의 경도 및 내마모성을 높이기 위해 바나듐, 크롬, 망간 등의 합금원소를 주로 사용하지만, 이러한 원소를 함유한 합금 주철의 완제품 가격과 이를 합금화하는 문제는 많은 한계를 안고 있다 [11].

따라서 본 연구에서는 편상 흑연 주철에 0~4wt.% 알루미늄을 첨가한 알루미늄 주철을 이용하여 오스템퍼링 열처리를 진행하였다. 알루미늄 함량에 따른 열처리 조건과 성분 변화에 따른 미세조직 및 기계적 물성 변화에 대해서는 일부 연구가 진행되었지만 [12-14], 그 원인에 대해서 접근한 경우가 미흡한 것으로 나타났다. 본 연구에서는 알루미늄 함량에 따른 최적 오스템퍼링 열처리 조건 확립 및 오스템퍼링 열처리 조건에 따른 특성 변화를 평가하기 위하여 미세조직 및 상 분석 그리고 기계적 특성 변화를 관찰함으로써 알루미늄 함량에 따른 오스테나이트와 페라이트의 형성 및 분율 그리고 기계적 특성에 미치는 원인을 규명하고자 하였다.

2. 실험 방법

2.1. 합금의 용해 및 주조

Fe-Al-C계 합금 주철에서 알루미늄 함량에 증가에 따른 흑연의 면적 분율과 Fe-Al -C계 합금 주철에서 알루미늄 함량에 따른 탄소의 비율 자료를 참고하여 알루미늄 함량을 선정하였다 [15]. 주철에 알루미늄 함량이 약 4wt.% 이상 첨가될 경우 흑연의 면적 분율과 탄소의 함량이 감소하기 때문에 본 실험에서는 4wt.% 알루미늄 이하에서 합금 설계를 하였다.

본 연구에서 AGI의 오스테나이트 형성과 기계적 특성을 평가 및 오스템퍼링 열처리 실험을 할 수 있는 시편을 제작하였다.

고주파 용해로를 이용하여 용해/주조를 진행하였으며, 탄소 및 알루미늄, 규소 2.0~2.1wt.%, 망간 0.4wt.% 이하로 선정하였으며, 그 외 인과 황은 선철 및 고철에 함유된 성분으로 미량 첨가되었다. 용해 작업은 100 kg/Fe급 고주파 용해로를 이용하였으며, 용해온도 1,430~1,450ºC, 주입온도 약 1,260ºC에 주입하였다. Y블록은 ASTM 규격을 참고하여 규격에 맞추어 제작하였으며, CO₂ 주형법으로 주형을 제작 하였다. 주조 완료된 Y-bl ock의 일부분을 절단하여 유도결합 플라즈마 분광분석기 (ICP, Inductively coupled plasma spectrometer)를 이용하여 규소, 망간, 인, 알루미늄에 대한 성분을 분석하였으며, 탄소와 황 성분은 탄소/황 분석기 (Carbon/Sulfur determinator)로 분석하여 그 결과는 Table 1에 나타내었다. 그리고 알루미늄 함량에 따른 오스테나이트 형성 및 기계적 특성을 평가하기 위하여 인장시험편 (KS 8C/KS 8A) 및 경도 시편을 Fig. 1에 나타내었다.

Table 1. Chemical composition of cast iron and Al-cast iron used in the present study. [Unit: wt.%]

Fig. 1. Specimen preparation (Y block & Experimental specimen).

2.2. 냉각곡선 분석을 통한 열처리 조건 확립

오스템퍼링 열처리에서 오스테나이타이징 온도를 확립하기 위하여 Fig. 2와 같은 방법으로 냉각곡선 실험을 진행하였다. 알루미늄 0~4wt.% 알루미늄 주철을 용해하여 Y 블록에 주입하기 전에 용탕을 채취하여 열전대가 삽입된 shel l 컵에 주입하여 냉각될 때의 온도 분포를 확인하는 실험을 하였다. 알루미늄 함량에 따른 초정반응 및 공정반응이 일어나는 온도 구간이 다를 수 있기 때문에 냉각 곡선 실험 결과를 토대로 오스테나이타이징 온도를 설정할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 냉각 곡선 시뮬레이션 프로그램 인 J-mat Pro를 이용하여 동일한 조성으로 시뮬레이션함으로써 초정 오스테나이트 상이 형성되는 구간과 실제 냉각 곡선 시험 결과를 비교/분석하여 실험조건을 확립하였다.

Fig. 2. Cooling curve measurement experiment.

2.3. 오스텀퍼링 열처리

실험에 사용한 열처리로는 Fig. 3과 같은 형태의 2단 열처리로에서 진행하였다. 열처리로는 시편을 오스테나이트화 시키기 위한 박스로와 ?칭 및 오스템퍼링 처리를 위한 염욕으로 구성되어 있으며, 중간 도어와 엘리베이터는 공압으로 작동되고 있다 [16]. 시편의 고온 산화를 방지하기 위해 먼저 불활성 기체인 아르곤 (Ar) 가스를 10L/min로 주입하여 로내 아르곤 분위기로 만들고 열처리로의 온도를 가열하였다. 열처리 실험조건은 유사한 성분으로 오스템퍼링 실험을 진행한 선행 연구 자료를 기준으로 온도를 설정하였으며, 오스테나이타이징 온도의 경우 시뮬레이션 및 냉각 곡선 실험을 통하여 최적 온도를 선정하였다.

Fig. 3. The schematic diagram of AGI heat treatment furnace: ① heating furnace, ② salt bath, ③ controller, ④ middle door, ⑤ elevator, ⑥ hot space [5].

Fig. 4는 오스템퍼링에 사용된 염욕의 조성을 나타내었다. 오스템퍼링 열처리에 사용된 염욕조의 경우 질산칼륨 (NaNO₃) 55%와 질산나트륨 (KNO₃) 45%의 조성으로 공정조성에 유사하게 제조하였다. 이는 그림에서 보는 것과 같이 질산칼륨과 질산나트륨의 혼합 비율의 경우 용해 온도가 가장 낮은 (222ºC, 54%) 부분의 공정조성을 선택하였다 [17].

Fig. 4. NaNO₃–KNO₃ phase diagram [14].

2.4. 미세조직 및 기계적특성 평가

조성이 다른 각 시편 및 냉각곡선 실험을 통한 오스테나이징과 오스템퍼링 온도에 따른 미세조직 분석을 위하여 광학현미경, 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였다. 기계 연마 후 다이아몬드 연마제를 이용하여 순차적으로 연마천에서 정마 하였다. 광학현미경으로 100배에서 흑연 및 기지 조직을 관찰하였으며, 3% 나이탈 (Nital, 97%C2H5OH–3%HNO3)을 이용하여 수초 동안 부식하여 미세조직을 관찰하였다. 또한 시편의 미세 표면을 관찰하기 위하여 주사전자현미경을 이용하여 미세조직 관찰하였다. 경도 시험의 경우 상온 및 열처리 후 경도측정을 위하여 시편을 12×12×12 mm의 큐빅으로 가공한 후 브리넬 경도기 B-scale를 이용하여 5회 측정한 후 최대/최솟값을 제한 나머지를 평균 내어 경도값을 구하였다.

2.5. 후방산란전자회절 분석

주사전자현미경 (SEM, Scanning electron microscope) 장비를 활용하여 미세조직사진을 측정하였으며, 가속 전압은 15kV로 설정하여 알루미늄 함량에 따른 미세조직 및 상을 관찰하였다. 또한 SEM 관찰 시편을 이용하여 EBSD 전처리 장비인 이온 밀링을 이용하여 연마하였으며, 가속 전압 25kV, 회전각도 75º로 국부적으로 전 처리한 시편을 후방산란전자회절 (EBSD, Electron back scatter diffraction)분석하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 냉각곡선 분석을 통한 오스테나이타이징 열처리 조건 확립

Fig. 5는 알루미늄 함량에 따른 냉각곡선 그래프를 나타내었다. 각 합금의 냉각 곡선 결과를 보면 일반적인 주철에서 일어나는 응고반응과 유사하며, 초정반응 (Nucleation), 용융금속에서 처음으로 나오는 결정, 즉 정출하는 결정 (수지상, 구상, 침상 등) 후 공정반응 (Eutectic, 하나의 액체에서 두 종류의 고체가 일정한 비율로 동시에 정출되어 생기는 혼합물)이 일어나는 것을 알 수 있다. 다만 알루미늄 함량이 증가할수록 초정반응 및 공정반응이 일어나는 온도 구간이 높아지는 것을 알 수 있다. 냉각 곡선 실험 결과를 토대로 열분석한 결과와 비교분석을 하였다. Fig. 6은 냉각 곡선 그래프와 열 분석한 그래프를 나타내었다. 열 분석한 결과를 보면 초정응고가 일어나는 온도는 약 1,175ºC이며, 공정응고가 일어나는 온도는 약 800ºC로 나타내고 있다. 이는 알루미늄 함량이 증가할수록 공석반응 온도는 증가하여 4wt.% 알루미늄 합금에서는 약 800ºC 근처까지 증가한 것으로 보이며, 이때 반응 구간이 짧아진 것이 펄라이트가 적게 생성되었기 때문에 오스페라이트가 이루어지지 않은 것으로 판단된다. 냉각 곡선 및 열분석 그리고 시뮬레이션 결과를 바탕으로 설정된 오스템퍼링 열처리 조건을 Table 2에 나타내었다.

Fig. 5. Results of cooling curve measurement experiment.

Fig. 6. Results of DSC analysis experiment : (a) 0wt.% Al cast iron, (b) 2wt.% Al cast iron and (c) 4wt.% Al cast iron.

Table 2. Heat treatment conditions.

3.2. 알루미늄 함량에 따른 미세조직 및 기계적특성 변화

Fig. 7은 주조상태의 0~4wt.% 알루미늄 주철의 주조품을 나이탈 3%에 부식한 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이다. 일반적으로 페라이트와 펄라이트 기지조직으로 구성되어 있다. 알루미늄 첨가는 기지조직의 페라이트의 부피 분율이 높은 것을 알 수 있다. 그리고 알루미늄 함량이 증가함에 따라 편상흑연의 크기가 감소하며, 알루미늄 증가에 따라 편상흑연의 수가 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 알루미늄이 있는 용탕에서 탄소의 용해도가 감소하여 흑연이 더 많이 생성되기 때문이다. 다시 말해 알루미늄의 공석반응으로 치환될 때 흑연 형성에 적합한 용융물에서 탄소의 활성화를 증가시키기 때문이다 [18].

Fig. 7. Optical microscopy images of the as-cast etched by 3 % nital : (a) 0wt.% Al cast iron, (b) 2wt.% Al cast iron and (c) 4wt.% Al cast iron.

이는 알루미늄 함유량이 증가할수록 펄라이트가 감소하면서 페라이트화 되고 있는 것을 알 수 있으며, 특히 4wt.% 알루미늄 주철의 경우 펄라이트 양이 상당히 감소되고 페라이트와의 경계에 가까운 곳에서 입자 상태로 나타나고 있다. Fig. 8은 0~4wt.% 알루미늄 주철의 SEM 사진을 나타내었다. (a)는 편상 흑연주철에서 관찰되는 조직으로 흑연 및 펄라이트 상의 분포가 많으며, 부분적으로 페라이트 상이 나타나고 있다. (b)는 흑연의 형상이 일반적인 편상흑연과 다르게 관찰되었으며, 기지조직은 페라이트로 되어있는 것을 알 수 있었다. (c)는 기지조직은 페라이트로 구성되어 있으며, 알루미늄 함량이 증가할수록 펄라이트가 감소하면서 페라이트화가 되고 있는 것을 알 수 있다. Fig. 9는 주조 상태의 경도 시험 결과를 나타내었다. 오스템퍼링 열처리를 하지 않은 조건에서 알루미늄 함량 증가에 따라 경도값이 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 알루미늄 함량에 따른 알루미늄 주철의 내산화성에 관한 연구 [19]에서 언급한 바와 같이 알루미늄 함량이 증가할수록 기지조직이 페라이트화 됨으로 인하여 경도값이 감소하는 것을 알 수 있다. Fig. 10은 오스템퍼링 열처리 조건 및 알루미늄 함량에 따른 경도값을 나타내었다. (a)는 오스템퍼링 온도 320ºC의 경도값으로 전체적으로 큰 차이는 나타내고 있지 않으며, 경도값은 약 200~225 HB 값을 나타내고 있다. (b)는 오스템퍼링 온도 380ºC의 경도값으로 전반적으로 320ºC 오스템퍼링 온도 보다 낮은 경도값을 나타내었다. 이는 오스템퍼링 온도가 낮을수록 완전한 오스페라이트가 완전히 변형되지 않았다고 판단된다. 그리고 오스템퍼링 온도가 높을수록 오스페라이트의 그레인 성장에 따라 경도값이 감소하는 것으로 판단된다. 또한 경도값은 오스템퍼링 온도에 영향을 받는 것으로 서술되어 있으며, 동일한 조건일 때 오스템퍼링 시간에 따라 경도값이 변화하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 이전의 연구자들과 일치한다 [20].

Fig. 8. SEM images of the as-cast : (a) 0wt.% Al cast iron, (b) 2wt.% Al cast iron and (c) 4wt.% Al cast iron.

Fig. 9. Brinell hardness value of the as cast : (a) 0wt.% Al-cast iron, (b) 2wt.% Al-cast iron and (c) 4wt.% Al-cast iron.

Fig. 10. The variation of the brinell hardness with different austemperings : (a) 320ºC and (b) 380ºC.​​​​​​​

3.3. 후방산란전자회절 분석

오스템퍼링 온도 및 알루미늄 함량에 따른 오스테나이트 및 페라이트의 상 분석과 분율 그리고 방향성을 관찰하기 위하여 후방산란 전자회절 분석 장비를 이용하여 관찰하였다. 분석에 사용된 상은 오스페라이트의 두 상인 페라이트와 오스테나이트로 선택하였으며, Confidence index가 0.1 이하로 키쿠치 패턴 일치율이 저조한 부분은 제외하여 관찰하였다. Fig. 11은 오스템퍼링 온도 320ºC 조건에서 0~4wt.% 알루미늄 주철의 phase map으로 키쿠치 패턴 (Kikuchi pattern)을 이용하여 상 분석 결과로 상의 구분은 파란색이 오스테나이트, 노란색이 페라이트로 구분하였다. Phase map 분석 결과 사진으로는 오스테나이트와 페라이트의 분율을 정확히 파악하기 힘들며, 정확한 상 분율 측정을 위하여 Phase map 분석값을 확인할 필요성이 있다. Fig. 12는 오스템퍼링 온도 380ºC 조건에서 0~4wt.% 알루미늄 주철의 Phase map을 나타내었다. 오스페라이트의 생성은 오스템퍼링 도중, 페라이트의 생성으로 오스테나이트 내로 탄소를 집중시켜 안정화함으로써 진행된 것이다.

Fig. 11. Result of the electron backscatter diffraction phase map images at austempering temperature 320ºC : (a) 0wt.% Al cast iron, (b) 2wt.% Al cast iron and (c) 4wt.% Al cast iron.

Fig. 12. Result of the electron backscatter diffraction phase map images at austempering temperature 380ºC : (a) 0wt.% Al cast iron, (b) 2wt.% Al cast iron and (c) 4wt.% Al cast iron.

4. 결론

본 연구에서는 알루미늄 함량에 따른 오스템퍼링 열처리조건 확립을 통한 상 분석 및 기계적 특성평가를 진행하였다. 오스테타나이징 온도 확립을 위한 냉각 곡선 실험을 진행하여 오스템퍼링 열처리 조건 확립과 알루미늄 함량 및 최적 열처리를 통한 상 분석 및 기계적 특성을 평가하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

1) 알루미늄 함량이 증가할수록 공석반응 온도는 증가하는 것을 알 수 있다. 4wt.% 알루미늄 합금에서는 약 800ºC 근처까지로 증가한 것으로 보이며, 이는 등온구간이 짧아진 것이 펄라이트 생성량이 적었기 때문에 오스페라이트가 이루어지지 않은 것으로 판단된다.

2) 주조 및 오스템퍼링 열처리된 알루미늄 주철의 기계적 특성은 알루미늄 함량이 증가할수록 감소하는 경향이 있다. 이는 이전 연구 자료에 설명한 바와 같이 알루미늄 함량이 증가할수록 기지조직이 페라이트화 됨으로 인하여 기계적 특성이 감소하는 것을 알 수 있다.

3) 후방산란 전자회절 분석 결과 모든 오스템퍼링 온도 및 합금에서 오스테나이트 보다 페라이트 분율이 높게 나타난 것을 확인하였다.

4) 오스템퍼링 온도 및 알루미늄 함량에 따른 Phase map 분석을 종합해볼 때 오스템퍼링 온도 320ºC일 때 오스페라이트상과 침상의 페라이트가 도출되었기 때문에 기계적 특성이 향상된 것으로 판단되며, 320ºC일 때 페라이트와 오스테나이트 분율 차이는 크지 않는 것으로 나타났다.