Fe-Cr-Mn-C 합금의 마모저항성에 미치는 Ti, V의 영향

Abstract

변형유기 상변태 현상에 의해 내마모 성능이 발휘되는 합금계에 있어서, carbide former의 첨가에 의한 carbide의 형성은 금속간 마모환경 하에서는 기지상의 metal to metal contact를 막아주거나 혹은 carbide 자체의 hard한 성질로 인해 내마모 성능이 추가 향상될 것이 기대되지만, 해당 조성에서 생성되지 않던 carbide가 첨가원소에 의해 생성되는 현상, 또는 해당 조성의 일반적인 carbide가 아닌 첨가원소에 의한 carbide가 생성되는 것과 같은 영향, 그리고 matrix의 조성 및 상이 변화되어 변형유기 상변태 현상에 미치는 영향 등이 발생될 수 있다. 따라서 마모 저항성 연구를 위해서는 matrix, 석출물 및 첨가원소의 영향 등을 동시에 고려하여 연구하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 변형유기 마르텐사이트 상변태 현상에 의해 우수한 마모저항성을 나타내는 오스테나이트계 Fe-Cr-C-Mn 합금계에 더하여, 강력한 carbide former로 알려져 있고 주기율표상에서 서로 인접해있는 Ti과 V을 각각 첨가하였을 때, 변형유기 마르텐사이트 상변태 현상의 전제조건인 오스테나이트 상의 형성에 미치는 영향을 분석하고, 실제 마모실험을 통하여 마모 저항성에 미치는 영향을 연구하였다. 이를 위해 Ti 또는 V을 일정량 첨가한 각각의 경우에 대하여, Cr과 C의 조성을 축으로 갖는 상-조성 도표를 구축하였다. 다양한 조성의 Fe-Cr-C-Mn의 4원계 합금에 대하여 3wt.%까지의 Ti과 V 첨가에 의해 오스테나이트 상이 안정한 Cr-C 조성의 영역이 축소되는 현상이 일부 관찰되었으며, Ti 첨가의 경우에 그 정도가 더욱 심하였다. 이와 같이 구축된 상-조성 도표를 기초로 하여 첨가원소 및 그 양에 따라 생성된 상이 변화된 Fe-12Cr-0.4C-10Mn-X (X=Ti, V) 조성을 선택하였고 해당 조성의 금속에 대하여 sliding 마모 실험을 수행하였다. 1~3wt.% V 또는 1wt.% Ti을 첨가한 경우, 변형유기 상변태 현상과 함께 carbide의 hard한 성질이 동시에 작용하여 더욱 우수한 siding 마모 저항성을 나타낸 것을 볼 수 있었다. 그러나, 3wt.% Ti을 첨가한 경우, 오스테나이트 상이 생성되지 않아 변형유기 상변태 현상 역시 일어나지 못하였고 그에 따라 매우 좋지 않은 sliding 마모 저항성을 나타내었다. 한편, sliding 마모 현상과는 달리 cavitation erosion에서는 carbide와 기지상의 관계에 따라 마모저항성에 대한 다양한 현상이 보고되고 있어, 이에 대한 실험 또한 진행하였다. 실험 결과, Ti이나 V을 첨가하여 석출물이 생성된 경우, 그것이 손상의 시초가 되므로, 석출물이 없는 경우보다는 마모저항성이 낮음을 확인하였는데, 이는 sliding 마모의 경우와는 다른 경향이었다. 한편, V 첨가의 경우가 Ti 첨가의 경우에 비해 더 우수한 마모저항성을 나타내었는데 이는 Critical Strain Energy(CSE)를 사용하여 유추한 Ti이나 V의 첨가에 따른 변형유기 상변태 현상의 변화 경향과 일치하는 거동을 나타낸 것임을 알 수 있었다. Carbide의 분율이나 크기는 큰 차이가 없었으나, 마모량은 큰 차이를 보인 것은 matrix의 변형유기 상변태 현상이 더 잘 일어난 경우 우수한 cavitation 마모 저항성을 나타낸 때문인 것으로 생각된다. 이와 같이 Ti과 V의 첨가가 마모 저항성에 미치는 영향을 알아볼 수 있었는데, 변형유기 상변태 현상이 일어난 경우에는 Ti 또는 V의 첨가에 의한 carbide의 생성으로 sliding 마모 저항성은 증대되었고, cavitation 마모 저항성은 저하되었다. 그러나, 변형유기 상변태 현상이 일어나지 않은 경우에는 sliding 마모 및 cavitation 마모의 두 경우 모두 마모 저항성이 급격하게 저하된 것, 그리고 변형유기 상변태 현상이 일어난 조성에서의 상변태 경향성과 cavitation 마모 저항성이 일치한 것 등으로 보아, 변형유기 상변태 현상이나 carbide의 형성 등과 같은 요소들이 동시에 고려되는 상황이라면 Ti이나 V의 첨가가 변형유기 상변태 현상에 미치는 영향이 마모 저항성에 있어 더 중요한 요소인 것으로 사료된다.