Effect of Centrifugal Casting Thickness on the Mechanical Properties and the Microstructure of Alloy 625

Alloy 625의 특성과 조직에 미치는 원심주조품 두께의 영향

Abstract

The effect of thickness on the microstructure and the mechanical properties of centrifugal cast 625 was investigated. Centrifugal cast 625 with various thickness of 10, 17 and 50mm showed partially columnar grained structure 8, 12.3 and 18.5mm respectively from the outer surface. Secondary dendrite arm spacing in the columnar grains slightly increased with increasing casting thickness. Tensile strength of the columnar region was similar regardless of casting thickness. Solidification behavior of the columnar grained region is similar to that of directional solidification, thus solidification rate in the centrifugal cast tube was extrapolated from the secondary dendrite arm spacing data of the directionally solidified material. The equiax grained region formed interior of the thick castings. The tensile strength of the equiaxed region showed the average value of the columnar region which is presumably originated from the grain structure rather than secondary dendrite arm spacing.

초내열합금 625 튜브의 제조에 필요한 원심주조품의 두께에 따라 응고조직과 기계적 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 10, 17, 50 mm 두께로 원심주조한 625합금에서 두께의 증가에 따라 주상정 부분의 길이와 2차 수지상 간격이 약간 증가하였으나 상온 인장특성은 큰 차이를 보이지 않았다. 주상정 부분의 응고는 일방향응고의 형태로 응고가 진행되기 때문에 일방향응고 조건을 변화시켜 2차 수지상의 간격을 비교하여 각 두께의 주조품에서 응고속도를 계산하였다. 두꺼운 주조품일수록 내부 다결정 조직의 비율이 증가하였다. 다결정 부분의 인장특성은 주상정 부분의 평균값과 유사한 값을 보였으며 이는 2차 수지상의 간격보다 결정립 형태의 영향인 것으로 사료된다.

1. 서론

Ni기 초내열합금 625는 C, Cr, Mo와 소량의 Nb을 첨가하여 강화한 합금으로 700℃ 이하의 온도에서 내식성과 기계적 특성이 우수한 합금이다 [1-7]. 625 합금은 이와 같은 우수한 고온 기계적 특성과 내식성으로 인하여 항공기엔진,원자로 반응기, 화학 설비 등의 배관재에 널리 적용된다. 이 합금은 화학조성에서 알 수 있는 바와 같이 고용강화와 일부 석출강화가 가능하다. 따라서 석출을 위한 시효처리 이전에는 가공성이 우수한 합금이다.

배관재를 무계목관 (seamless tube)으로 제조하기 위해서는 압출에 의한 성형이 필요하다. 일반적으로 용해에 의해 잉곳을 제조한 후 내부 드릴 가공을 하여 중공형으로 잉곳을 가공한 다음 관 (tube)으로 압출하는 공정을 거친다. 이 경우 상대적으로 질긴 (tough) 625합금의 특성으로 인하여 가공이 어렵고 소재의 손실이 큰 단점이 있다. 이와 같은 단점을 보완하기 위해 원심주조에 의한 중공형 잉곳 (preform for extrusion)을 제조하는 공정이 고려되고 있다.

원심 주조방법은 재료가 응고될 때 원심력을 이용하기 때문에 주로 축대칭 제품을 생산하는 데 사용되는 주조 기술이며, 고속 회전하는 금형에 금속 용탕을 주입하여 원심력에 의해 치밀한 조직을 얻는 동시에 비중 차에 의한 불순물의 분리를 통해 우수한 특성의 주물을 제조하는 방법으로 적용되고 있다 [8]. 이 공정을 통해 얻은 부품의 야금학적인 특징은 결함이 다른 주조 공정에 비해 적은데, 이는 응고가 진행되는 과정에 비금속 개재물과 갇힌 가스가 제거되기 때문이다. 제품의 거시조직은 외부표면 근처는 빠른 열방출로 인해 주로 주상정 (columnar) 조직이 생성되며, 낮은 열구배와 마지막에 응고되는 과정에 발생되는 구조적 과냉각으로 인해 미세하게 등축 (Equiaxed) 조직이 내부에 생성된다 [8,9].

주상정으로 성장하는 부분은 외부에서 내부로의 일방향응고와 동일한 거동을 보인다. 따라서 본 연구에서는 625합금을 다양한 두께로 원심 주조한 후 주상정으로 성장한 부분의 조직에서 얻은 결과를 일방향응고 실험을 통해 조직에서 구한 결과와 비교하여 원심주조의 응고속도를 도출하였다. 이를 기계적 성질과 관계에 대해 고찰하였다.

2. 실험방법

2.1. 용해 및 주조

KPC사에서 제조한 초내열합금 625 모합금을 유도용해하고 1,650℃에서 출탕하여 래들에 주입한 후 1,630℃에서 1,100 rpm으로 회전하는 각기 몰드에 주입하여 원심주조하였다. 각각OD (외경) 170×ID (내경) 140×L (길이) 1625mm, OD170×D130×L1625mm와 OD175×ID50×L1625 형태로 원심주조한 후 외경과 내경의 산화물 층을 기계가공하여 10, 17, 50mm 두께의 튜브를 제작하였다. 사용한 모합금과 주조한 튜브의 조성은 Table 1과 같다.

Table 1. Chemical compositions of the master alloy and the cast tube

2.2. 일방향 응고 및 조직관찰

원심주조의 경우 상대적으로 차가운 외부 몰드로부터 주상의 결정립이 내부로 성장한다. 이와 같은 주상정이 형성되는 것은 일방향응고와 같은 기구에 의해 진행된다. 따라서 원심주조품의 주상정 부분에 대한 응고거동을 일방향응고 및 급랭 (Directional Solidification and Quenching: DSQ)실험을 통하여 보다 상세히 고찰하고자 하였다. DSQ 실험은 내경 5mm 알루미나튜브에 직경 4.7mm 625합금을 넣은 후 로터리 진공펌프를 사용하여 5×10^-2의 진공으로 한 다음 Ar 가스를 주입하는 공정을 3회 반복하여 진공밸브를 닫아 Ar 가스 분위기에서 원심주조와 동일한 조건인 1,630℃의 조건으로 유지하면서 0.5, 1, 10, 25, 50, 100μm/sec의 다양한 속도로 응고를 진행하였다. 고/액 계면의 형상을 관찰하기 위해 응고 도중에 급랭시켰다. 급랭된 시편을 응고방향과 평행하게 연마하여 Kalling 용액 (3g CuCl₂, 30ml HCl, 70 ml Ethanol)으로 부식시켜 광학현미경 (OM: Nikon/ECLIPSE MA200) 및 주사전자현미경 (SEM: JEOL/JSM–IT500LV)을 이용하여 미세조직을 관찰하였다.

한편, 원심주조된 튜브의 횡 방향으로 절단하여 마크로조직과 미세조직을 관찰하였다.

2.3. 기계적 성질

원심주조된 튜브의 길이 방향으로 인장시편을 채취하여 ASTM E8M에 따라 직경 6mm, 표점거리 30mm로 가공하여 만능시험기 (UTM, Instron 5882)에서 인장시험 하였다. 두께가 상대적으로 얇은 튜브 (10, 17mm)는 주상정 응고부분이 인장시편의 게이지 직경의 대부분을 차지하였다. 두꺼운 (50mm) 튜브는 상온 및 고온 (650℃) 인장시험을 위해 방전가공 (wire cutting)에 의해 주상정 부분과 등축정 부분을구분하여 인장시편을 가공하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 원심주조 조직

3.1.1 매크로조직

각각의 두께로 원심주조한 튜브의 단면 매크로 조직은 Fig. 1과 같다. 모든 조건에서 외부로부터 응고가 시작되어 내부로 일정 깊이까지 주상정이 성장하고 내부에는 다결정 조직을 나타낸다. 다만, 응고속도가 상대적으로 빠른 얇은 (10mm) 튜브는 많은 부분이 주상정 (8mm)으로 구성되고 두께가 두꺼워짐 (17, 50mm)에 따라 내부에 다결정 부분의 비율이 증가 (17t;12.3 mm, 50t: 18.5mm)하고 있다. 이는 단면을 고려할 때 차가운 외부 표면으로부터 내부로 온도구배가 형성되어 일방향 응고가 진행되지만 내부까지 일방향응고를 진행시킬 정도로 충분하지 못하여 내부에서 다결정응고가 진행된 것으로 판단된다. 따라서 두꺼울수록 주상정층의 비율이 감소하고 다결정 층의 비율이 증가한 것이다.

Fig. 1. Macrostructure of the centrifugal cast tubes.

3.1.2 미세조직

주상정 부분은 이미 언급한 바와 같이 표면부터 일방향응고가 진행된 것이다. 그러나 표면으로부터 내부까지 항상 일정한 온도구배를 형성하는 것이 아니고 표면에서는 내부로 갈수록 온도구배가 감소할 수밖에 없다. 따라서 주상정 부분의 표면과 내부의 응고조직에서 차이를 가질 수밖에 없다. 먼저 주상정 응고가 시작된 표면부분과 주상정 응고가 거의 종료되는 중심부분의 조직을 비교하면 Fig. 2와 같다. 수지상간 영역에 형성되는 MC 탄화물 또는 Laves 상의 크기와 형상을 비교해 보면 표면에서는 모두 냉각속도가 빠르기 때문에 두께에 관계없이 미세한 점 (Spotty) 형태로 나타난다[Fig. 2(a), (b)]. 반면, 주상정 응고가 거의 완료되는 중심부에서는 MC 탄화물 또는 Laves 상의 크기도 커지고 형태도 불규칙한 형태 (Chinese script morphology)를 나타낸다[Fig. 2(c), (d)]. 이는 중심부에서는 상대적으로 온도구배가 감소됨에 따라 응고가 늦어져 수지상간 영역이 넓어지게 됨에 의한 것이다. 따라서 수지상간 영역의 MC 탄화물이 형성되는 온도구간에서 응고가 서서히 진행됨에 따라 MC 탄화물 또는 Laves 상의 성장이 일어났기 때문인 것으로 사료된다.

Fig. 2. SEM micrographs of the centrifugal cast tubes showing morphological difference of MC (or Laves) between the surface and the middle part. Arrow shows MC particles. (a) surface of 10t tube, (b) surface of 17t tube, (c) middle part (final freezing of columnar grain) of 10t and (d) middle part (final freezing of columnar grain) of 17t.

반면, 두께에 따른 다결정 부분의 조직을 비교하면 Fig. 3과 같다. 마지막으로 응고가 진행된 부분인 내부의 다결정 부분은 상대적으로 응고가 늦음에 따라 최종 응고가 일어나는 영역이 명확히 구분되고 크기도 주상정 부분의 최종응고 영역(두께의 중간부분)에 비해 상대적으로 크다. 다결정 영역에서는 MC 탄화물 또는 Laves 상 형성온도 부근의 응고가 상대적으로 늦어 MC 탄화물 또는 Laves 상이 충분히 성장할 수 있어 상대적으로 응고가 빠른 주상정 구간 (Spotty)과 달리 블록형태 (Blocky)를 보인다. 두께가 상대적으로 두꺼운 튜브의 최종응고 부위와 MC 탄화물 또는 Laves 상이 상대적으로 큰 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 최종응고 부위의 영역이 넓어짐에 따라 응고 편석이 증가하여 여러 상들이 나타나고있다. 최종응고 부의 조직은 응고속도에 따라 나타나는 상과 형태 등이 변할 수 있으므로 응고속도를 다양하게 조절하여 관찰한 DSQ 부분에서 비교하여 다시 언급하기로 한다.

Fig. 3. SEM micrographs of the equiaxed area in Fig. 1. (a) 10t tube and (b) 17t tube.

3.2. 원심주조 소재의 인장특성

각각의 두께로 원심주조한 튜브의 길이방향으로 시험편을 채취하여 인장시험한 결과는 Table 2와 같다. 두께가 상대적으로 얇은 10t와 17t의 경우 횡단면인 Fig. 1에서 보이는 것처럼 인장시험편 게이지 부분이 주상정 조직이 되도록 인장시험편을 채취하였고, 두께가 두꺼운 50t의 경우 표면 부분에서 주상정 조직이 18.5mm 깊이까지 성장해 있으므로 표면의 주상정 부분과 내부의 등축정 부분으로 구분하여 인장시험편을 가공하였다. 따라서 각 결정립의 형태에 따라 인장특성을 비교해 보면 상대적으로 응고속도가 빠른 주상정 부분은 Table 2와 같이 주조품의 두께가 상대적으로 두꺼운 50t의 경우 상온 인장강도가 약간 낮지만, 시편에 따라 큰 차이를 보이지 않고 거의 유사한 항복강도, 인장강도 및 높은 연신율을 나타낸다. 이는 뒤에 언급할 각 튜브의 주상정 부분조직에서 2차 수지상 간격 (Secondary Dendrite Arm Spacing: SDAS)이 두 튜브 두께의 차이에 따라 약간 차이를 보이기는 하지만 거의 유사한 것과 관계가 있을 것으로 사료된다.

Table 2. Tensile properties of the centrifugal castings at room temperature and at 650℃.

반면, 50t 튜브의 등축정 조직부분에서 인장특성도 주상정 부분에서 인장특성의 평균값 정도를 가져 결정립의 형태나 응고조직에 큰 영향을 받지 않음을 알 수 있다.

625합금을 무계목 파이프 (seamless pipe)로 제조하기 위해 열간 압출공정을 적용하는데 원심주조하여 중공형으로 제조하면 잉곳주조에 비해 공정을 단순화할 수 있다. 따라서 두께가 두꺼운 50t튜브는 열간 압출을 해야 하기 때문에 고온 인장특성이 후 가공에 영향을 줄 수 있다. 650℃에서 인장시험한 결과 주상정 부분과 등축정 부분이 거의 유사한 인장특성을 보였으며 50% 정도의 높은 연신율을 보였다. 따라서 원심주조한 경우 두께에 따른 조직의 차이는 있으나 인장특성에서 큰 차이가 40MPa 이내로 큰 차이가 없이 유사하여 후가공도 비교적 용이할 것으로 판단된다.

3.3. DSQ를 통한 조직 및 특성 해석

원심주조품의 단면은 표면으로부터 내부로 주상정이 성장한다. 이는 내부로 일방향응고가 진행된 것으로 볼 수 있다. 따라서 일방향응고 거동을 분석하면 주상정으로 성장한 조직이 응고특성을 분석하고 인장특성이 응고조건과 어떤 관계가 있는지를 이해할 수 있다. 따라서 응고속도를 0.5, 1, 10, 25, 50, 100μm/sec로 변화시키면서 DSQ를 진행하여 수지상의 형성과 조직의 변화를 고찰하였다. 일방향응고 조직과 원심주조한 튜브에서 주상정으로 성장한 부분의 응고조직을 비교분석하고 인장특성의 관계를 고찰하였다.

3.3.1. DSQ조직

각 응고속도로 DSQ한 조직은 Fig. 4와 같다. 아주 느린 0.5μm/sec 냉각속도에서는 셀 (Cel) 형태로 응고가 진행되지만 1μm/sec 이상으로 응고속도가 빨라지면 모두 수지상 응고가 진행되고 있다. 잘 알려진 바와 같이 응고속도가 빨라지면 수지상 간격이 줄어들고 미세해짐을 알 수 있다. 1차 수지상 간격 (Primary Dendrite Spacing: PDAS)은 응고구간에서 고체/액체의 분배계수, 원소들의 확산계수, 응고속도(V), 온도구배 (G) 등에 관계되며, 일방향응고나 단결정으로 제조하는 경우 특성과 제조공정 조건을 결정하는 주요한 인자이다. 이와 같은 인자들을 이용하여 1차 수지상 간격을 예측하기 위해 Hunt 등 [10], Kurz 등 [11], Trivedi [12] 등이 다음과 같은 단순화한 실험식을 제시하였다.

λ_PDAS = K₁G^-1/2V^-1/4       (1)

Fig. 4. Micrographs parallel to the solidification direction showing solid/liquid interface and dendrite morphology of DSQ specimens at various solidification rates. (a) 0.5μm/sec, (b)1μm/sec, (c) 10μm/sec, (d) 25μm/sec, (e) 50μm/sec and (f) 100μm/sec.

여기서, λ_PDAS는 1차 수지상 간격, K₁은 상수, V는 응고속도, G는 온도구배이다.

이와 같이 1차 수지상 간격은 공정조건인 고/액계면의 온도구배와 응고속도에 지배되어 결정된다. 즉, 초기 1차 수지상 간격은 합금의 응고구간 내에서 결정된다.

Hunt 등 [10]이 지적한 바와 같이 온도구배의 존재는 수지상간 영역에서 용질원소 확산의 구동력이 되어 고체에서 용질원소의 재분배를 일으킬 수 있고 2차 수지상을 온도구배의 따라 이동을 일으킬 수 있다. 따라서 2차 수지상 간격은 응고조건과 밀접한 관계가 있다. McLean 등 [13]은 2차 수지상 간격에 대해 공정조건과 관계를 냉각속도(GV)에 관련됨을 다음과 같이 제시하였다.

logλ_SDAS = K₂(GV)^-1/3       (2)

여기서 K₂는 상수이고, 수지상 간격은 온도구배(G)와 응고속도(V)에 의해 결정된다. 식(1)과 (2)에 의하면 1차 및 2차 수지상 간격은 온도구배와 응고속도가 증가 할수록 감소하게 된다.

그러나 원심주조품과 같이 부분적으로 많은 주상정이 형성되고 그 방위도 Fig. 1과 같이 불규칙하며 이후 다결정 조직이 형성된다. 따라서 1차 수지상 간격을 적용하여 응고거동을 분석하는 것은 큰 의미를 갖지 못한다. 2차 수지상은 Fig. 4와 같이 1차 수지상의 성장 방위와 수직한 방위로 미세하고 촘촘히 성장하게 된다. 이는 원심주조품에서도 주상정부분에서 응고 방향과 수직하게 성장한 2차 수지상의 간격(Secondary Dendrite Arm Spacing: SDAS)을 용이하게 측정할 수 있고 응고조직과 2차 수지상과의 관계를 고찰할 수있다.

원심주조품의 2차 수지상 간격을 이용하여 응고거동과 특성 등을 고찰하기 위해 Fig. 4의 DSQ한 조직에서 각 응고조건별로 2차 수지상 간격 (SDAS)을 측정한 결과는 Fig. 5와 같다. SDAS 값은 동일한 온도구배 조건에서 응고속도의 증가에 따라 감소하며 그 기울기 (log-log plot)가 -0.39로서위의 식 (1), (2)와 유사한 경향을 가진다.

Fig. 5. Secondary dendrite arm spacings (SDAS) measured from DSQ specimens.

3.3.2. DSQ 조직과 원심주조 조직 비교

원심주조 튜브의 주상정 형성 부분에서 SDAS를 측정한 결과 각각 10t; 24μm, 17t; 26μm, 50t; 30μm의 값을 갖는다.이를 DSQ 조직에서 얻은 값들 비교한 결과는 Fig. 6과 같다. SDAS는 식 (2)와 같이 온도구배와 응고속도에 의해 지배된다. 본 연구에서는 동일한 용탕온도 (1,630℃)로 원심주조함에 따라 온도구배 (G)는 비록 두께의 차이는 있으나 몰드 온도가 동일하기 때문에 거의 일정하다고 할 수 있다. 응고속도 (V)는 두께에 따라 용탕량의 차이가 있으므로 응고잠열의 방출량에 따라 약간의 차이는 있을 수 있으나 몰드의 온도가 동일하고 지속적으로 냉각이 진행되기 때문에 큰 차이는 없을 것으로 판단된다. 따라서 SDAS 값이 많은 차이를 보이지 않고 가장 두꺼운 50t가 30μm이고 가장 얇은 10t도 24μm로 거의 유사한 값을 보인다. 따라서 주상정 부분이 응고속도는 Fig. 6에서 산출하면 원심주조품의 두께에 따른 차이가 상대적으로 적고 대략 평균 24~39μm/sec의 범위일 것으로 사료된다.

Fig. 6. Secondary dendrite arm spacing in the columnar grains of centrifugal castings.

원심주조한 Fig. 2의 최종응고부 조직이 Fig. 7의 일방향 응고 조직에서 수지상간 영역의 조직과 비교하면 다음과 같다. 원심주조한 표면의 MC 탄화물과 Laves상이 언급한 바와 같이 두께에 관계없이 미세하여 (Spotty) 아주 빠른 속도(100μm/sec)로 일방향응고한 Fig. 7(a)와 유사하다. 이는 고온의 용탕이 상대적으로 저온인 몰드에 주입되면서 급냉이 진행된 결과로 판단된다. 반면 Fig. 2(c), (d)의 주상정응고가 종료되는 부분의 MC 탄화물과 Laves 상은 아주 응고가 늦은 (1μm/sec) Fig. 7(b)와 상대적으로 빠른 Fig. 7(c), (d)의 중간 정도의 형태를 유지한다. 이는 주상정 응고가 종료되는 부분에서 온도구배가 감소되고 응고속도가 늦어진 것이 원인으로 판단된다.

Fig. 7. Laves and MC morphologies (indicated by oval) in the interdendritic region at each directional solidification rate. (a) 100 μm/sec (b) 1 μm/sec (c) 50 μm/sec (d) MC at 50 μm/sec.

이와 같이 일방향응고 조직과 원심주조한 조직의 비교를 통해 원심주조에서 주상정으로 응고되는 부분의 응고 거동과 응고속도 등을 대략적으로 도출할 수 있었다.

조직과 기계적 특성의 관계를 보면 상온 인장특성에서 두께에 따라 큰 차이를 보이지 않고 유사한 값을 보인 것은 주상정 부분의 SDAS 값이 유사한 것과 동일한 경향을 나타내는 것에 기인된 결과로 사료된다.

4. 결론

625합금의 원심주조 후 조직을 일방향 응고 조직과 비교하여 2차 수지상 간격을 통하여 응고속도를 유추하고, 인장특성에 미치는 영향을 관찰하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 원심주조품이 두께가 증가함에 따라 주상정의 길이가 증가하고 내부 다결정 영역이 확대되었다.

2) 원심주조품의 두께의 증가는 주상정 부분의 2차 수지상 간격에 약간의 영향을 미쳤으나 그 효과는 미미하였고 인장특성에 미치는 영향도 미미하였다. 이는 열처리를 하지 않은 주조상태이므로 2차 수지상의 차이보다 주조조직의 불균일성이 영향을 미쳐 모든 주조품이 유사한 강도를 가진 것으로사료된다.

3) 원심주조품 내부의 다결정 부분의 인장강도는 주상정 응고 부의 평균값을 보였다. 따라서 응고의 형태에 따른 차이가 미미하였다.

4) 일방향응고 2차 수지상 간격을 이용한 원심주조품의 주상정 부분의 응고속도 계산 결과 24~39μm/sec의 범위임을 알 수 있었다.

감사의 글

이 논문은 2021년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(20214000000480, 청정가스복합화력발전 핵심요소기술 및 국산화 전문인재양성).