SCM415 강재의 미세조직과 기계적 성질의 상관성1. 서론그림 1 철-탄소 계 상태도 철강은 철이 주성분인 합금이고 철과 탄소, 다른 합금 원소를 포함하고 있다. 철합금은 가정에서 사용하는 수저에서부터 건축구조물까지 산업에 광범위하게 사용되고 있고, 공학 구조용 재료로서 중요하다.[1] 철합금이 다른 금속보다 광범위하게 사용되는 이유는 철을 함유한 광석이 지구상에 풍부하게 존재하고 금속 철과 강 합금은 저렴하게 선광, 정련, 합금, 가공될 수 있다.[1] 또한 철합금은 광범위한 영역의 기계적, 물성적 성질을 갖는다.[1] 이러한 철합금은 그림 1에서 볼 수 있듯이 온도에 따라 상이 달라진다. 상변태가 일어나면 미세조직 변화에 영향을 끼치며 재료의 물성은 미세조직 변화에 따라 다르게 나타난다.따라서 재료의 원하는 기계적 성질을 얻기 위해서는 다양한 미세조직 변화에 대해 알아야하고 미세조직과 기계적 성질 간에 어떤 상관성이 있는지 살펴본다. 교과서를 공부하다보면 미세조직과 기계적 성질의 상관성에 대해 언급한다. 하지만 단순히 이론을 외우는 것보다 실험을 통해 직접 결과를 보면 이론을 이해하는데 도움이 될 것이다.철강재료 중에서도 탄소강 SCM415를 사용하여 열처리 후 냉각 과정을 다르게 하여 그에 따른 미세조직 변화를 관찰하고 기계적 성질에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.2. 실험방법본 연구에서는 SCM415 합금을 사용하였다. SCM415의 합금구성은 0.13~0.18 wt% C, 0.15~0.35 wt% Si, 0.60~0.90 wt% Mn, 0.030 max wt% P, 0.030 max wt% S, 0.25max wt% Ni, 0.90~1.20 wt% Cr, 0.15~0.25 wt% Mo, 0.30max wt% Cu 이다.세 가지 시편을 850℃에서 30분 동안 열처리를 하고 한 시편은 공냉, 공기 중에서 1시간 냉각시키고 또 한 시편은 로냉, 로의 온도를 850℃에서 1분당 10℃씩 내리며 30℃에 도달할 때까지 로 안에서 천천히 냉각시켰다. 나머지 시편은 수냉, 물속에서 냉각시켰다. 냉각시킨 시편들은 컷팅을 하여 10*5*2mm로 절단하고 관찰하고 싶은 단면이 아래로 가도록 놓고 레진가루를 이용하여 마운팅하였다. 본 연구에서는 짧은 시간에 마운팅할 수 있는 핫 마운팅을 사용하고 마운팅을 한 후에 그라인딩은 거칠기가 다른 사포들을 이용해 표면을 갈아낸다. grit 400, 800, 1200, 2000 순으로 그라인딩 해주고 폴리싱은 1μm 이하의 연마재를 사용하는 Fine Polishing을 진행하였다. 이때 마이크로미터 다이아몬드 서스펜션을 사용한다. 미세조직을 관찰하기 위해 광학현미경 시편은 98% 에탄올과 2% 질산을 섞어서 만든 2% 나이탈용액으로 에칭하여 관찰하였고, 이 시편을 이용하여 로크웰 경도 시험과 비커스 경도 시험을 하였다. 그리고 인장시험을 하고 파면을 주사전자현미경으로 관찰하였다.펄라이트 분율은 광학현미경으로 찍은 조직 사진 위에 grid를 그리고 node가 펄라이트 상에 위치한 것과 펄라이트, 페라이트 계면에 위치한 것을 구분지어 표시한다. 펄라이트 상에 표시한 점의 개수+1/2*(펄라이트, 페라이트 계면에 표시한 점의 개수)를 모든 점의 개수로 나눠서 펄라이트 분율을 구한다. 페라이트의 결정립 크기는 결정립계가 선명한 사진에 3개 이상의 직선을 긋고 직선과 결정립계가 만나는 지점 개수를 센 후 스케일바를 고려해서 직선의 길이를 측정한다. 직선의 총 길이에 페라이트 분율을 곱하고 직선에 교차한 결정립계 수를 나눈다. 이 방법으로 페라이트의 결정립 크기를 구하였다. 로크웰 경도 시험은 A스케일에서 588N의 하중을 이용하여 Dwelling time은 10sec로 측정하였고 비커스 경도 시험은 1000gf의 하중에서 Dwelling time은 10sec로 측정하였다.3. 실험결과그림 2 (a) 수냉, (b) 공냉, (c) 노냉냉각속도가 다른 세 개의 시편의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 것이다. 수냉에서는 마르텐사이트 상을 관찰할 수 있고 공냉에서는 페라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 모두 관찰할 수 있다. 노냉에서는 페라이트와 펄라이트가 함께 관찰된다. 수냉의 미세조직이 노냉의 미세조직보다 뾰족한 상이 많이 관찰된다.그림 3 수냉한 시편 (a) WQ#2 (b) WQ#3 의 응력-변형률 선도그림 4 수냉한 시편들의 항복강도, 인장강도, 전체 연신율, 균일 연신율, 인성의 각각의 값과 평균, 표준편차를 나타낸 표그림 5 공냉한 시편 (a) AC#4 (b) AC#7 의 응력-변형률 선도그림 6 공냉한 시편들의 항복강도, 인장강도, 전체 연신율, 균일 연신율, 인성의 각각의 값과 평균, 표준편차를 나타낸 표그림 7 노냉한 시편 (a) FC#2 (b) FC#4 의 응력-변형률 선도그림 8 공냉한 시편들의 항복강도, 인장강도, 전체 연신율, 균일 연신율, 인성의 각각의 값과 평균, 표준편차를 나타낸 표수냉, 공냉, 노냉한 시편의 응력-변형률 그래프와 각 그래프의 기계적 물성 값을 자세히 보여주는 표이다. 항복강도와 인장강도는 수냉에서 가장 높게 나왔고 그 다음 공냉, 노냉 순이다. 노냉에서는 연신율과 인성이 수냉과 공냉에서보다 높게 나왔다.그림 9 (a) 냉각 조건별 로크웰 경도시험 결과 값, (b) 냉각 조건별 비커스 경도시험 결과 값냉각 속도에 따른 로크웰 경도시험과 비커스 경도시험 값을 나타내는 표이다. 로크웰 경도시험에서 수냉의 평균 경도 값은 79.4이고 공냉의 평균 경도 값은 65.5, 노냉의 평균 경도 값은 42.5이다. 비커스 경도시험에서 수냉의 평균 경도 값은 458이고 공냉의 평균 경도 값은 275이다. 노냉의 평균 경도 값은 138이다. 두 경도시험 모두 수냉일 때 경도 값이 가장 크다.그림 10 approximate hardness conversion numbers for non-austenitic steels위의 표는 로크웰 경도시험과 비커스 경도시험의 값을 정리해놓은 것이다. 표에서 비커스 경도가 458일 때 로크웰 경도는 73.6인데 본 실험 결과는 비커스 경도가 458일 때 로크웰 경도가 79.4이다. 약간의 오차가 있지만 비슷한 결과가 나왔다.
