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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.25 No.1 pp.9-15
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2015.25.1.9

Effect of Retained and Reversed Austenite on the Damping Capacity in High Manganese Stainless Steel

Y. H Kim, S. H Lee, S. G Kim, C. Y Kang†
Dept. of Metallurgical Engineering, Pukyong National University, Busan 608-739, Korea
Corresponding Author : metkcy@pknu.ac.kr (C.-Y. Kang, Pukyong Nat’l Univ.)
October 23, 2014 November 6, 2014 November 9, 2014

Abstract

The effect of retained and reversed austenite on the damping capacity in high manganese stainless steel with two phases of martensite and austenite was studied. The two phase structure of martensite and retained austenite was obtained by deformation for various degrees of deformation, and a two phase structure of martensite and reverse austenite was obtained by reverse annealing treatment for various temperatures after 70 % cold rolling. With the increase in the degree of deformation, the retained austenite and damping capacity rapidly decreased, with an increase in the reverse annealing temperature, the reversed austenite and damping capacity rapidly increased. With the volume fraction of the retained and reverse austenite, the damping capacity increased rapidly. At same volume of retained and reversed austenite, the damping capacity of the reversed austenite was higher than the retained austenite. Thus, the damping capacity was affected greatly by the reversed austenite.


고 Mn 스테인리스강의 감쇠능에 미치는 잔류 및 역변태 오스테나이트의 영향

김 영화, 이 상환, 김 슬기, 강 창룡†
부경대학교 금속공학과

초록


    1.서 론

    상온에서 FCC 결정구조를 갖는 오스테나이트계 스테 인리스강은 항복강도가 낮아 공업용 구조재로서 다양하 게 사용되지 못하고 있다. 때문에 강도를 높여 사용범 위를 확대하려는 많은 연구가 수행되어 왔다.1-5)

    이러한 강에서 강도를 높일 수 있는 방법으로서 합금 원소 첨가에 의한 고용 강화와 석출강화를 생각 할 수 있지만6) 합금원소 첨가에 따른 가격 상승 및 용접성 등 이 낮아지는 등의 문제가 발생된다. 열처리에 의한 방법 도 상온에서 오스테나이트 조직으로 되어 있기 때문에 가 열과 냉각에 따른 상변태가 일어나지 않아 어렵다. 따라 서 오스테나이트 조직을 가공에 의해 마르텐사이트 조 직으로 변태시킨 다음 역변태 처리하여 초 미세립 오스 테나이트로 만들거나,4) 또는 마르텐사이트와 오스테나이 트가 함께 존재하는 2상 조직강으로 만드는 방법을 생 각할 수 있다.3)

    마르텐사이트와 오스테나이트가 함께 존재하는 2상 조 직으로 만드는 방법은 오스테나이트 조직을 갖는 강을 가공온도와 가공량을 달리하는 가공에 의해 오스테나이 트를 전부 마르텐사이트로 가공유기변태시키지 않고 일 부 잔류시켜(잔류 오스테나이트) 만들 수 있고, 가공에 의해 전부 마르텐사이트로 만든 다음 온도와 시간을 달 리하는 역변태 어닐링처리에 의해 마르텐사이트의 일부 를 오스테나이트로 역변태시켜(역변태 오스테나이트) 만 들 수 있다.3,7) 그러나 이와 같이 제조방법을 달리하여 마르텐사이트와 오스테나이트가 함께 존재하는 2상 조직 강을 만들게 되면 제조방법에 따른 마르텐사이트와 오 스테나이트 조직의 성상이 달라지게 고,8) 그 결과 오 스테나이트계 스테인리스강이 강이 갖는 감쇠능도 달라 질 것으로 판단된다. 그러나 아직 이러한 2상 조직을 갖 는 강에서 감쇠능에 미치는 오스테나이트의 영향을 제 조방법에 따라 비교하여 연구한 논문은 없다. 그러나 2 상 조직을 갖는 스테인리스강에서 강도와 감쇠능의 우 수한 조합을 갖는 강을 설계하기 위해서는 기계적 성질 과 감쇠능 등에 미치는 제조방법에 따라 달리 얻어지는 오스테나이트의 영향을 조사할 필요성이 있다.

    따라서 본 연구는 Mn이 많이 첨가되어 있는 오스테 나이트계 스테인리스강에서 상온에서 가공량을 달리하는 가공과 가공한 다음 온도를 달리하는 역변태 어닐링처 리하는 2가지 방법으로 마르텐사이트와 잔류 또는 역변 태 오스테나이트가 존재하는 2상 조직으로 만들어서 감 쇠능에 미치는 잔류 및 역변태 오스테나이트의 영향을 비교 조사하였다.

    2.실험 방법

    2.1.시료

    시료는 Cr이 14 %, Ni이 5 % 정도 그리고 Ni의 양 을 낮추는 대신에 Mn이 6 % 첨가되어 있는 상온에서 오스테나이트 조직을 갖는 고 Mn 스테인리스강인 공시 재를 사용하였다. 시료의 화학조성을 Table 1에 나타내 었다.

    2.2.마르텐사이트와 오스테나이트의 2상 조직 강의 제조

    가공유기 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트가 함께 존 재하는 2상 조직을 갖는 강은 상온에서 가공도를 달리 하는 냉간압연에 의해 가공에 의해 생성된 가공유기 마 르텐사이와 마르텐사이트로 변태되지 않고 잔류하고 있 는 오스테나이트가 공존하도록 하여 제조하였다. 이에 반 하여 가공유기 마르텐사이트와 역변태 오스테나이트의 2 상 조직 강은 먼저 오스테나이트 조직으로 되어 있는 강 을 상온에서 70 % 냉간압연하여 오스테나이트의 97 % 이 상을 마르텐사이트로 변태시겼다. 다음 이를 500~700 °C 사이의 온도에서 10분 역변태 어닐링처리하여 마르텐사 이트의 일부를 오스테나이트로 역변태 시켜서 가공유기 마르텐사이트와 역변태 오스테나이트가 공존하는 2상 강 을 제조하였다.

    2.3.미세조직 관찰

    냉간압연한 시료의 미세조직은 광학현미경(OLIMPUS GX51-212B), 주사전자현미경(SEM, Hitachi-2400) 및 투 과전자현미경(Hitach, 200 kV) 등을 사용하여 관찰하였 다. 또한 냉간가공한 다음 온도를 달리하여 역변태 어 닐링처리한 시료의 미세조직도 투과전자현미경으로 관찰 하였다. 이때 투과전자현미경(Hitach, 200 kV) 관찰은 시 료를 박막으로 만든 다음 jet 연마후 관찰하였다.

    2.4.미세조직의 정량분석

    가공도를 달리하여 냉간가공한 시료와 가공한 다음 500~700 °C 사이의 온도에서 10분 역변태 어닐링처리한 시료에서 잔류 및 역변태 오스테나이트의 체적분율은 X- 선 회절시험법으로 측정하였다. 이 때 X-선 회절시험은 Cu-Kα선을 이용하여 2θ를 10°~80°범위로 정하여 1°/min 의 속도로 시험하였고, 이때 얻은 회절선도로부터 상대 적분강도 값을 이용하여 체적분율을 구하였다.9)

    2.5.감쇠능 측정

    감쇠능은 가공도를 달리하여 냉간 압연한 시료와 70 % 냉간가공한 다음 온도를 달리하여 10분 역변태 어닐링 처리한 시료로부터 방전가공에 의해 2 × 20 × 120 mm 크 기의 시험편으로 가공한 다음 어닐링처리 후 횡형 진동 법을 이용하는 진동감쇠능 측정장치(진공이화학, IFT-1500) 를 사용하여 측정하였다. 이 방법은 시험편에 진동을 가 한 후 시간에 따른 진동의 진폭 변화를 potentiometer로 감지하고, 이를 증폭기와 A/D converter를 통하여 digital 신호로 변환시켜 컴퓨터에 입력한 후 noise는 filtering 하 여 제거한 다음 분석된 결과를 계산용 프로그램에 입력 하여 strain에 따른 대수감쇠율(δ = 1/n ln A0/An, 여기서 n: 파수, A0 :최초 파의 진폭, An : n번째 파의 진폭)을 구하는 방법10)이다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.미세조직

    Fig. 1은 고 Mn 오스테나이트 스테인리스강의 미세조 직을 광학현미경으로 관찰하여 나타낸 것이다. 오스테나 이트 조직 내에 부분적으로 쌍정들이 존재하고 있는 조 직으로서 전형적인 오스테나이트계 스테인리스강의 조직 임을 알 수 있다.

    Fig. 2는 가공에 의해 생성되는 마르텐사이트를 조사 하기 위하여 오스테나이트 조직을 갖는 시료를 가공량 을 달리하여 압연한 다음 미세조직을 광학현미경으로 관 찰하여 나타낸 것이다. 냉간 압연한 두 시료 모두 가공 에 의해 오스테나이트의 일부가 마르텐사이트로 변태하 는데 기인되어 오스테나이트에 가공유기 마르텐사이트가 함께 존재하고 있는 2상 조직으로 되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 40 % 압연한 경우가 20 % 압연한 경우 보다 가공에 의해 생성된 마르텐사이트의 양이 많은 것 을 알 수 있다.

    Fig. 3은 가공에 의해 생성되는 마르텐사이트를 보다 상세하게 조사하기 위하여 70 % 냉간압연한 시료의 미 세조직을 주사전자현미경으로 관찰하여 나타낸 것이다. 대 부부분의 오스테나이트가 가공에 의해 마르텐사이트로 변 태 되어 있고, 이 때 생성된 마르텐사이트는 특정 방향 성을 띄고, 표면기복을 일으키면서 생성되어 있거나 또 는 서로 교차하며 생성되어 있는 것을 알 수 있다.11)

    이상의 미세조직 관찰로부터 가공에 의해 오스테나이 트가 마르텐사이트로 변태되고 있고, 이 때 마르텐사이 트는 방향성을 띄고, 표면기복을 일으키면서 생성되고 있 는 것을 알 수 있다. 또한, 가공량이 많을수록 마르텐 사이트가 많이 생성되고 있는 것을 알 수 있다.

    3.2.잔류 및 역변태 오스테나이트

    Fig. 4는 오스테나이트 조직을 갖는 강을 가공하여 가 공유기 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트의 2상 조직을 갖는 강으로 만들기 위하여 30 % 냉간 압연 하였을 때 의 미세조직을 투과전자현미경으로 나타낸 것이다. 사진 a)는 명시야상, b)는 암시야상으로 나타낸 것이며 c)는 명 시야상과 암시야 상에서 나타낸 상의 제한시야 회절패 턴(SADP)과 이를 분석하여 나타낸 것이다. 오스테나이 트 조직의 일부가 가공에 의해 BCT결정 구조를 갖는 α′-마르텐사이트로 변태되는데 기인되어 가공에 의해 마 르텐사이트로 변태되지 않고 잔류하고 있는 오스테나이 트 조직과 가공에 의해 마르텐사이트가 함께 존재하고 있 는 2상 조직으로 되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 마 르텐사이트는 밴드형상으로, 방향성을 띄고 생성되어 있 는 것을 알 수 있다. 한편 상온에서 오스테나이트 조직 을 갖는 강을 가공하면 주로 α′-마르텐사이트가 생성되 지만, 경우에 따라서는 감쇠능에 크게 영향을 미치는 것 으로 알려진 ε-마르텐사이트도 생성된다고 알려져 있지 만12) 본 연구에서는 ε-마르텐사이트는 생성되지 않았다.8)

    Fig. 5는 가공유기 마르텐사이트와 역변태 오스테나이 트가 함께 존재하는 2상조직강을 만들기 위하여 오스테 나이트 조직을 갖는 시료를 70 % 냉간가공한 다음 550 °C와 650 °C에서 10분 역변태 어닐링처리 하였을 때의 미세조직을 투과전자현미경으로 타나낸 것이다. 두 시료 가 동일하게 가공에 의해 생성된 마르텐사이트의 일부 가 역변태 어닐링처리에 의해 오스테나이트로 변태되는 데 기인되어 마르텐사이트 조직에 역변태 된 오스테나 이트가 함께 존재하고 있는 2상 조직으로 되어 있는 것 을 알 수 있다. 또한 역변태 어닐링처리 온도가 높은 650 °C의 경우가 550 °C 경우보다 역변태된 오스테나이 트의 양이 많은 것을 알 수 있다.

    Fig. 6은 가공유기 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트 가 함께 존재하는 2상 조직강을 만들기 위하여 가공량 을 달리하여 가공하였을때 가공량에 따라 가공에 의해 생성된 마르텐사이트와 마르텐사이트로 변태되지 않고 잔 류하는 오스테나이트의 변태 거동을 조사하여 나타낸 것 이다. 가공량이 증가함에 따라 오스테나이트 조직이 마 르텐사이트로 변태되는 양이 많아지는데 기인되어 마르 텐사이트로 변태되지 않고 남아있는 오스테나이트의 양 은 빠르게 감소하고 있는 것(가공에 의해 생성되는 마 르텐사이트는 이와 반대임)을 알 수 있다.

    Fig. 7은 가공유기 마르텐사이트와 역변태 오스테나이 트가 함께 존재하는 2상 조직 강을 만들기 위하여 70 % 냉간압연한 시료를 500~700 °C 사이의 여러 온도에서 10 분 역변태 어닐링처리 하였을 때 어닐링처리 온도에 따 른 역변태된 오스테나이트의 양과 역변태되지 않고 남 아있는 가공유기 마르텐사이트의 변태거동을 조사하여 나 타낸 것이다. 역변태 어닐링처리 온도가 증가함에 따라 역변태 된 오스테나이트의 양이 서서히 증가하다 550 °C 이상이 되면 빠르게 증가하고 있는 것(가공에 의해 생 성된 마르텐사이트는 이와 반대임)을 알 수 있다.

    이상의 결과로부터 마르텐사이트와 오스테나이트가 함 께 존재하고 있는 2상 조직 강의 제조는 오스테나이트 조직을 갖는 강은 가공온도와 가공량을 달리하는 가공 에 의해 제조가 가능할 뿐만 아니라, 냉간가공에 의해 오스테나이트 조직을 마르텐사이트로 만든 다음 온도와 시간을 달리하는 역변태처리에 의해서도 제조가 가능함 을 알 수 있다.8)

    3.3.감쇠능에 미치는 잔류 및 역변태 오스테나이트 의 영향

    Fig. 8은 고 Mn 오스테나이트 스테인리스강에서 가공 유기 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트가 함께 존재하 는 2상 조직을 만들기 위하여 압연량을 달리하여 냉간 압연한 시료의 감쇠능을 가공량에 대해 조사하여 나타 낸 것이다. 가공량이 증가함에 따라 내부마찰계수가 빠 르게 감소하고 있고, 이러한 거동은 가공량에 따른 잔 류오스테나이트의 체적분율 거동과 비슷한 것을 알 수 있다.

    Fig. 9는 고 Mn 오스테나이트 스테인리스강에서 가공 유기 마르텐사이트와 역변태 오스테나이트가 함께 존재 하는 2상 조직을 만들기 위하여 70 % 냉간압연하여 97 % 이상의 마르텐사이트로 되어 있는 강을 500 °C에서 700 °C 사이의 여러 온도에서 10분 역변태 어닐링처리 한 시료의 감쇠능을 역변태 어닐링처리 온도에 따라 조 사하여 나타낸 것이다. 역변태 어닐링처리 온도가 증가 함에 따라 내부마찰계수는 서서히 증가하다 550 °C 이 상이 되면 빠르게 증가하고 있다. 또한 이러한 거동은 역변태 어닐링처리에 따른 오스테나이트의 체적분율 변 화와 비슷함을 알 수 있다.

    Fig. 10은 마르텐사이트와 오스테나이트의 2상 조직을 갖는 고 Mn 스테인리스강의 감쇠능에 미치는 잔류 및 역변태 오스테나이트의 영향을 조사하기 위하여 Fig. 8 과 9의 실험에서 얻은 감쇠능과 Fig. 6과 7의 실험에서 얻은 잔류 및 역변태 오스테나이트 양과의 상호관계를 조 사하여 나타낸 것이다. 잔류 및 역변태 오스테나이트의 양 이 증가함에 따라 감쇠능은 비례적으로 빠르게 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 또한 오스테나이트의 양이 적은 범위에서는 잔류 및 역변태 오스테나이트가 갖는 감쇠능 의 차이는 거의 나타나지 않지만, 오스테나이트의 양이 많아지면 잔류 오스테나이트 보다 역변태 오스테나이트 의 경우가 감쇠능이 높게 나타나고 있으며, 이에 따라 감쇠능이 증가하는 정도도 큰 것을 알 수 있다.

    이상의 결과로부터 잔류 및 역변태 오스테나이트의 양 이 증가함에 감쇠능이 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같은 이유는 마르텐사이트는 내부에 많은 전위들 과 같은 결함을 지니고 있기 때문에 이들의 상호 작용 때문에 전위 이동이 어렵게 되어 진동에너지를 소실하 기 어려워 감쇠능은 낮다. 그러나 오스테나이트 조직이 되면 오스테나이트 내 전위 등과 같은 결함도 적게 되 어 전위 이동이 용이해져 진동에너지를 쉽게 소실 할 수 있다. 뿐만 아니라 오스테나이트 내는 쌍정과 적층결함 들이 존재하고 있어 오스테나이트와 쌍정 및 적층결함 의 계면 등이 진동에너지에 의해 용이하게 이동할 수 있 기 때문에 잔류 및 역변태 오스테나이트의 양이 많아질 수록 감쇠능은 증가한다고 생각된다.8) 또한 오스테나이 트의 양이 많아지면 잔류 오스테나이트 보다 역변태 오 스테나이트의 경우가 감쇠능이 높고 증가하는 속도도 빠 른 것을 알 수 있다. 이러한 이유는 잔류 오스테나이트 가 가공도를 달리하는 가공을 하였을 때 마르텐사이트 로 변태되지 않고 남아있는 조직이기 때문에 가공의 영 향을 받아 전위 등과 같은 많은 결함들이 도입되어 있 다. 이에 반하여 역변태 오스테나이트는 가공에 의해 생 성된 마르텐사이트가 어닐링처리에 의해 오스테나이트로 역변태 되어 생성되었기 때문에 오스테나이트 내에 전 위 등과 같은 결함의 농도가 잔류 오스테나이트보다는 낮다. 따라서 전위 이동이 용이하여 진동 에너지를 쉽 게 소실할 수 있기 때문이라 판단된다.8)

    4.결 론

    마르텐사이트와 잔류 및 역변태 오스테나이트가 함께 존재하고 있는 2상 조직을 갖는 고 Mn 오스테나이트계 스테인리스강의 감쇠능에 미치는 잔류 및 역변태 오스 테나이트의 영향을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻 었다.

    1. 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트가 함께 존재하 는 2상 조직 강은 가공량을 달리하는 가공에 의해 얻 어졌고, 마르텐사이트와 역변태 오스테나이트가 함께 존 재하는 2상 조직 강은 70 % 냉간압연한 다음 온도를 달 리하는 역변태 어닐링처리에 의해 얻어졌다.

    2. 가공량이 증가할수록 잔류 오스테나이트의 양과 감 쇠능은 빠르게 감소하였고, 역변태 어닐링처리 온도가 높 아질수록 역변태 오스테나이트의 양과 감쇠능은 빠르게 증가하였다

    3. 잔류 및 역변태 오스테나이트의 양이 증가함에 따 라 감쇠능은 빠르게 증가 하였다.

    4. 동일 역변태 및 잔류 오스테나이트의 양에서 역변 태 오스테나이트가 잔류 오스테나이트 보다 감쇠능은 높 게 나타났다. 따라서 감쇠능에는 역변태 오스테나이트가 잔류오스테나이트 보다 더 크게 영향을 미쳤다.

    Figure

    MRSK-25-9_F1.gif

    Optical micrograph of high manganese austenitic stainless steel.

    MRSK-25-9_F2.gif

    Optical micrographs showing the degree of deformation in high manganese austenitic stainless steel (a) 20 % rolling, (b) 40 % rolling.

    MRSK-25-9_F3.gif

    SEM micrograph of 70 % cold rolled high manganese austenitic stainless steel.

    MRSK-25-9_F4.gif

    TEM micrographs showing the deformation induced martensite in 30 % cold rolled high manganese austenitic stainless steel. (a) Bright field, (b) Dark field, (c) SADP and Indexing of SADP(BCT), Z = [134].

    MRSK-25-9_F5.gif

    TEM micrographs showing the effect of reverse treatment temperature in 70 % cold rolled high manganese austenitic stainless steel. (a) 550 °C, (b) 650 °C.

    MRSK-25-9_F6.gif

    Effect of degree of cold rolling on the retained austenite and deformation induced martensite in high manganese austenitic stainless steel.

    MRSK-25-9_F7.gif

    Effect of reverse annealing time on the volume fraction of reversed austenite and deformation induced martensite in 70 % cold rolled high maganese austenitic stainless steel.

    MRSK-25-9_F8.gif

    Effect of degree of cold rolling on the internal friction of high manganese austenitic stainless steel.

    MRSK-25-9_F9.gif

    Effect of reverse annealing temperature on the internal friction of 70 % cold rolled high manganese austenitic stainless steel.

    MRSK-25-9_F10.gif

    Effect of retained and reversed austenite on the internal friction in high manganese austenitic stainless steel with two phase of martensite and austenite.

    Table

    Chemical composition of specimen(wt. %)

    Reference

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