열처리기술/ W강 중 탄화물의 소둔에 따르는 거동과 소입
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W강 중의 탄화물의 소둔에 따르는 거동과 소입에 미치는 그영향
I. 개 요
950℃ 부근온도에서 소둔한 W강은 그후 정상소입을 하여도 충분히 경화되지 않고 소입후 의 경도와 보자력이 저하하고 소위 spoiling을 일으키는 것으로 오래전부터 알려져 있다.
W강중의 M23C6형 탄화물이 A1변태점 직하의 장시간 소둔에 의해서 M6C 또는 WC로 분 해하는 것을 밝힌 결과, W강에 있어서 spoiling 원인은 과소둔에 의해서 Austenite에 용해 하기 쉬운 M26C5가 용해가 어려운 M6C 또는 WC로 분해하는 것에 기인하는 소입성 열화 에 의한 것으로 추정하였다.
그렇지만 실제 spoiling을 일으키기는 소둔온도는 950℃ 부근의 비교적 고온이라 생각되기 때문에 그 원인을 밝히기 위해서는 변태점 이상의 고온에 있어서 탄화물의 거동을아는 것이 필요하다.
이와 같은 관점에서 700-1,200℃ 온도범위의 thens에 따르는 탄화물의 거동과 그후의 소입 에 미치는 영향에 대해서 검토하고 spoiling원인을 보다 명확하게 하고져 하였다.


II. 시료 및 실험방법
시료는 고주파용해로에서 진공용해하여 표1에 나타낸 것처럼 조성의 강을 사용했다. 7kg의 강괴를 15mmψ에 단신한 후 예비적 열처리로서 1,250℃에 10분간 가열후 700℃ 염욕중에 급냉하고 그 온도에서 14시간 유지하는 항온변태소둔을 하고 M23C6 이외의 변화물을 포함 하지 않는 표준상태로 한 시료에 대하여 그후 실험을 하였다.
먼저 표준상태시료를 700-1,200℃ 각 온도에 2시간 가열후 25℃/hr로 서냉한 후 일련의 소둔시료에서 단화물을 분리 화학분석 및 X선분석에 의해 탄화물조선을 조사했다. X선분 석은 자기X선 분석장치를 사용하였으며, CoKα선을 사용했다.
다음으로 이들의 소둔시료를 850℃에 2시간 가열후, 빙냉식염수 중에 급냉 혹은 유냉하여 급냉한 시려에 대해서는 미용 탄화물을 분리하고 그 조성과 matrix중에 고용한 C와 W을 정량하고 유냉시료에 대해서는 소입경도와 현미경조직을 조사했다. 더구나 보충적인 실험으로서 표준상태의 시료에서 분리 한 M23C6를 700 -1000℃로 가열하고 그 분해과정에 대해서도 검토하였다.
탄화물 전해분리는 그림1의 장치를 사용하였고 10mA/㎤ 전류밀도에서 40-50시간 전해하 였다. 전해액은 수종의 전해액에 대해서 비교시험을한 결과, 0.4CaC12+2% 구연산용액을 사 용했다.
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III. 실험결과 및 고찰
1.소둔조직중의 탄화물
그림2(a) 및 (b)는 thens조직중의 탄화물존재비율과 강의 탄화물함유량의 소둔온도에의 한 변화를 나타낸 것으로 탄화물 존재비율은 각각 탄화물의 최강회절선의적분강도비로서 나 타내고 있다.
그림2(a)에서 밝힌 것처럼 탄화물 조성은 소둔온도에 따라서 현저하게 다르고 800-1,200℃에서 소둔한 시료에 있어서는 어떻든 WC가 존재하고 그존재 비율은 1,000℃ 소 둔후가 최대로 된다. 또 800-900℃ 소둔후는 WC외에 M6C가 존재하지만 ()는 1.1% C, 2.39% W강의 소입에 있어서같은 것임을 알았고 가열에 따라서 M23C6→WC와 M6C의 2가 지의 탄화물 반응이 진행한다고 추정하였다.
이 강에 있어서는 생성된 M6C량은 매우 적고 가열에 따라서 진행하는 탄화물 반응은 M23C6→WC가 추테인 것으로 생각할 수있다. 1000-2000℃에서 thens한 시료에 있어서는 M23C6에 대신하여 Fe3C가 나타나지만 동일온도로 가열후 수냉한시료의 현미경조직을 조 사한 결과, 각온도에서 존재하는 미용해 탄화물은 1000℃에서는 WC와 소량의 Fe3C, 1100-1200℃에서는 WC만인 것을 알 수 있었다.
따라서 소둔조직 중에 나타나는 Fe3C 대부 분은 냉각도중에 Austenite에서 석출한 것으로 생각할 수 있다. 소둔시료의 현미경조직을 사진 1에 나타내었다. 1000℃ 및 1200℃로 소둔된 시료(사진1(c)(d))에 볼 수 있는 회색 3각 형 결정은 WC이다.

그림 2 사진 1

강의 탄화물 함유량은 사진2(b)에 나타내는 것과 같이 소둔온도 800-1000℃ 사이에서 약 9% 감소한다. 이 원인은 가열에 의해서 M23C6에서 WC가 생성함과 동시에 Ferk 유리되 고, 이것이 matrix중에 고용되디 때문이라 추정되지만 이것에 관해서는 다음절에 설명하겠 다.
다음에 탄화물 C농도 및 W농도의 소둔온도에 의한 변화를그림3(a)에 ferrite 중의 W고용 량 변화를 그림3(b)에 나타냈다. 탄화물의 C농도 및 W농도의소둔온도에 의한 변화를 그림 3(a)에 ferrite 중의 W고용량 그림3(b)에 나타냈다. 탄화물의 C농도 및 W농도는 WC생성량 과 전부대응하여 1000℃소둔후가 최대로 된다.
이것에대하여 ferrite중의 W소용량은 소둔온도 900℃부근에서 최소치를 나타내고 있다. 700-900℃에 있어서 W고용량의 감소는표준상태에서 ferrite중에 고용된 W가 그후의 thens 에 일부 석출되기때문이고 1100℃ 이상 고온에 있어서 증가하는 Austenite중의 W고용량이 가열온도상승과함께 증가하는 것에 기인하는 것으로 생각된다.
ferrite중의 W고용량이 현저하게 큰 1200℃ 소둔시료에 있어서는 ferrite중에 고용한 W의 소입에 미치는 무시할 수 없다고 생각된다.

그림 3 사진 2

2.유리 M23C6의가열에 의한 분해
강중의 M23C6에서 M6C 및 WC가 생성되는 기구를 고찰하기 위하여 표준상태의 시료에 서분리한 M23C6를 10-4mmHg의 진공 중에서 700-1000℃에 2시간 가열후 서냉하여 X선 분석에 의해서 그 변화를 조사했다.
표2는 결과를 정리한 것이다. A1변태점 이하 온도에서 행한 실험실에서는 유리상태의 M23C6는 550℃에서 분해를 개시하고 있지만 본실험에 있어 서눈 700℃가열에서는 전부 분해하지 않았다.
그렇지만 800℃에서는 일부가 M6C, WC와 Fe로분해가 시작되고 900℃에서는 그 대부분이 WC와 Fe로 분해하고 1000℃에 이르면 전 부가 분해하고 WC, Fe3C 및 Fe로변한다.

이들의 결과를 강중의 M23C6 소둔에 따르는 변 화는 본질적으로는 M23C6의 분해반응에 의한 것이라 생각되고 또 소둔시료 중의 만화물량 이 WC의 증가와 함께 감소하는 그림2(b)의 결과는 M23C6→WC+Fe에 의해 탄화물에서 유 리된 Fe가 matrix중에 고용되기 때문이라 해석된다.
1000℃ 가열후에 Fe3C가 나타나는 기 구로서눈 M23C6→Fe+WC반응이 진행됨에 따라서 나머지 M23C6 중의 W농도가 저하하며 결국은 Fe3C로 변하는 것으로 측정되지만 확증을 얻기에는 이른감이 있다.

3.소입경도에 미치는 소둔온도의 영향
그림4(a)-(c)는 700℃-1200℃ 각 온도에서 소둔한 시료를 상용소입온도 850℃에 2시간 Austenite화한 후 빙냉식염수에 급냉하여 미용ㅌ탄화물을 분리 그존재비율 C 및 W농도등 강중의 함유량을 정량한결 과이다.
소둔조직 중에 나타난 탄화물중 850℃에서 Austenite에 고용되는 것은 M23C6 와 Fe3C이 며 M6C 와 WC 는 증가하고 있다. 탄화물 중의 W농도도 이것과 대응하여 증가한다.
그림 5 (a)는 동일시요의 matrix 중 C 및 W고용량을 나타낸 것으로 소입후의 matrix 중 C 고용량은 900∼1100℃에서 소둔한 시료에서는 거의 0.1∼0.3%로 매우 낮은 값이 된다. 소입후의 matrix중 W 고용량이 소둔온도에 따라서 크게 변하는 것은 다음과 같은 이유에 의한 것이라 생각된다.
소둔조직 중에 있어서 그후 소입할 때 Austenite에 고용한 탄화물 은 소둔온도가 낮은 경우 W농도가 높은 M23C6 (표준상태에서는 8∼21%W) 이지만 소둔온 도의 상승과 함께 W농도가 감고하여 결국은 W 농도가 매우 낮은 Fe3C (0∼1.2%W)로 변 하므로 소입후 matrix중 W고용량은 소둔온도가 높은 것일수록 감소한다.
소둔온도 1200℃ 에 있어서는 그림2(b)에 나타나는 것처럼 소둔후 ferrite 중에 다량으로 고용된 W이 그후의 소입에서 matrix 중에고용되기 때문에 예외적으로 W고용량이 증가한 것으로 생각된다.
그림5(b)는 최고소입경도와 유냉경도의 소둔온도에의한 변화를 나타내는 것으로 최고소입 경도는 두께 3mm늬 소시편을 빙냉식염수에급냉한 때의 경도를 가진 근사치로 했다.
그림에 서 밝힌 바와같이 최고소입경도는 소둔온도 상승과 함께 잔류 Austenite 의 증가에 기인한 다고 생각되며 약간감소를 나타내는 것에 불과하지만 11mmψ×75mm의 원주상시험편의 유냉경도는 900∼1100℃에서 소둔한 시료에서는 상당히 감소하고 확실히 Spoiling임을 알 수 있다.

그림 4 그림 5

사진2(a) 및 (b)는 좋은 시료와 spoil된 시료의 유냉조직을 비교한 것으로 전자가 소량의 troostite를 혼합하고 있는 것에 대해서 후자는 전면에 troostite가 발생하여 소입성이 대단히 나쁜 것을 나타내고 있다. 900-1100℃ thens시로에 있어서이와같은 소입성의 열화가 matrix 중의 C고용량의감소에 기인하는 것이 아닌 것은 그림5(a)의결과에서 확실히발혀졌고 matrix 중의 W고용량의 감소가 그 주된 원인이라고 생각된다.



IV. 결론
1,45% C, 4.86% W 강중의 탄화물의 thens에 미치는 거동과 소입에 미치는 그 영향에 대해서 검토하고 다음의 결과를 얻었다.
(1) 표준조직 중의 M23C6는 800℃ 이상 소둔에 의해서 분해하여 WC를 생성하고 그량은 소둔온도 1000℃ 부근에서 최대로 된다. 이 경우 소둔상태에서 WC와 함께 존재하는탄화물 은 800-900℃ 소둔후는 M6C와 M23C6, 1000-1200℃ 소둔후는 Fe3C이었다.
(2) 유리상태의 M23C6는 800℃ 이상 가열에 의해서 강중의 M23C6와 거의 같은 과정으로 WC, M6C, Fe3C 등의 탄화물과 Fe로 분해한다.
(3) 900-1100℃에서 thens한 강은그후 소입에 있어서 소입성이 상당히 떨어지고 확실히 Spoilingdmf 일으키게된다. 이들 강에 있어서는 소입후 matrix 중의 C고용량은감소하지 않 고 고용량이 상당히 감소하고 있는 것을 알 수 있다.
(4) 이들 결과에서 W강에 있어서 spoiling 원인을다음과 같이측정 했다. 소둔에 따라서 M23C6→WC의 분해반응이진행함과 동시에 소둔상태에서 WC와 공존하는 용융성탄화물은 M23C6에서 Fe3C로 이행한다. 그 때문에 고온에서 소둔한 강에서는 그후 소입에 있어서 Austenite 중의 W고용량이낮게되고 소입성이 떨어지는 결과 spoiling을 일으키는 것으로된다.

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