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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.29 No.3 pp.160-166
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2019.29.3.160

Effect of Thermo-Mechanical Treatment on the Damping Capacity of Alloy with Deformation Induced Martensite Transformation

Hyun-Sung Han1, Chang-Yong Kang2
1Dep. of Automatic Facilities, Korea Polytechnics College Daegu Campus, Daegu 41765, Republic of Korea
2Dept. of Metallurgical Engineering, Pukyong National University, Busan 48513, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : metkcy@pknu.ac.kr (C. Y. Kang, Pukyong Nat’l Univ.)
December 11, 2018 January 8, 2019 January 9, 2019

Abstract


This study investigates the effect of thermo-mechanical treatment on the damping capacity of the Fe-20Mn-12Cr-3Ni-3Si alloy with deformation induced martensite transformation. Dislocation, α’ and ε-martensite are formed, and the grain size is refined by deformation and thermo-mechanical treatment. With an increasing number cycles in the thermo-mechanical treatment, the volume fraction of ε-martensite increases and then decreases, whereas dislocation and α’-martensite increases, and the grain size is refined. In thermo-mechanical treated specimens with five cycles, more than 10 % of the volume fraction of ε-martensite and less than 3 % of the volume fraction of α’-martensite are attained. Damping capacity decreases by thermomechanical treatment and with an increasing number of cycles of thermo-mechanical treatment, and this result shows an opposite tendency for general metal with deformation induced martensite transformation. The damping capacity of the thermomechanical treated damping alloy with deformation induced martensite transformation greatly affect the formation of dislocation, grain refining and α’-martensite and then ε-martensite formation by thermo-mechanical treatment.



가공유기 마르텐사이트 변태를 갖는 합금의 감쇠능에 미치는 가공열처리의 영향

한 현성1, 강 창룡2
1한국폴리텍대학 대구캠퍼스 산업설비학과
2부경대학교 금속공학과

초록


    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    소음과 진동은 다양한 형태의 인적 및 물적 손실을 초 래하고 있기 때문에 이에 대한 규제가 갈수록 강화되어 가고 있다. 뿐만 아니라 생활 및 노동환경의 개선, 기 기 또는 장치 등의 안정성과 장수명화 등을 위해서도 소 음과 진동의 저, 감에 대한 필요성이 높아가고 있다.

    현재 공업적으로 이용되고 있는 소음과 진동 방지법은 여러 방법이 있지만 최근에는 가공성과 강도가 높고, 내 부마찰계수가 큰 오스테나이트 조직이 가공에 의해 마 르텐사이트로 변태하는 가공유기 마르텐사이트 변태를 일 으키는 합금을 소음과 진동원에 적용하여 직접 감쇠하 는 재료감쇠(material damping)법이 그 효과가 뛰어나고, 설치 등이 용이하여 이에 대한 관심이 높고, 많은 연구 들이 수행되어 왔다.1-5)

    한편 가공유기 마르텐사이트변태를 나타내는 상온에서 오스테나이트 조직을 갖는 강에서 강도를 높일 수 있는 방법은 가공에 의해 오스테나이트 조직을 마르텐사이트 조직으로 만든 다음 어닐링처리 하여 초미세립 오스테 나이트 조직으로 만드는 방법이 이상적인 방법이다.6) 그 러나 가공온도와 양을 달리하는 가공과 가공 한 다음 온 도와 시간을 달리하는 어닐링처리7) 및 가공과 어닐링처 리를 함께하는 가공열처리8) 등의 방법에 의해 오스테나 이트와 마르텐사이트 조직이 함께 존재하는 2상 조직으 로 만드는 것도 유용하다. 그러나 제조방법을 달리하여 2상 조직을 만들게 되면 오스테나이트와 마르텐사이트 조 직의 성상이 달라지게되어 기계적 성질과 감쇠능 등이 달라진다,7,8) 뿐만 아니라, 가공유기 마르텐사이트 변태를 나타내는 강에서 강도는 주로 가공에 의해 생성되는 α'- 마르텐사이트에, 감쇠능은 ε-마르텐사이트 지배된다.9) 따 라서 이러한 가공유기 마르텐사이트 변태를 갖는 강에 서 제조방법에 따른 미세조직과 기계적 성질 및 감쇠능 등을 조사하는 것은 이들 강에서 우수한 강도와 감쇠능 의 조합을 얻기 위해서 필요하다.

    따라서 본 연구는 감쇠능과 강도 등이 우수한 가공유 기 마르텐사이트 변태를 나타내는 Fe-Cr-Mn계 합금에 서3) 내식성과 고용강화 및 적층결함 형성에 의한 강도 와 감쇠능을 높이기 위하여10) 3 %의 Ni와 Si가 첨가된 합금을 설계하고, 오스테나이트 조직을 갖는 강에서 강 도를 높일 수 있는 한 방법인 가공과 어닐링처리를 병 행하는 가공열처리하여 미세조직변화를 조사하고 그에 따 른 감쇠능을 조사 하였다.

    2. 실험방법

    2.1 시료

    시료는 먼저 고주파 진공용해로에서 Table 1에 나타낸 성분으로 용해 후 잉곳으로 만든 후 1,200 °C에서 열간 압연하여 판재로 만든 후 1,050 °C에서 용체화처리 한 다 음 산세과정을 거쳐 압연율을 달리하는 냉간압연하여 여 러 두께를 갖는 판재로 만든 후 다시 용체화처리하여 시 료로 사용하였다.

    2.2 가공열처리

    가공열처리는 이 종류의 강을 냉간압연 하였을 때 높 은 감쇠율 나타낸 압연율인19) 18 % 압연을 하였다. 다 음 냉간압연에 의해 생성된 마르텐사이트를 오스테나이 트로 역변태 시키기 위하여 700 °C에서 20분 유지 후 수 냉하는 어닐링처리를 하였다.6,8) 또한, 이러한 압연과 어 닐링처리를 함께하는 과정을 1 cycle(회)로 하는 가공열 처리를 최대 5회까지 하였고, 가공열처리에는 1~2.5 mm 사이 여러 두께를 갖는 판재시료를 사용하여 필요한 사 이클 수로 가공열처리 후에는 동일하게 1 mm가 되도록 하였다.

    2.3 미세조직의 관찰

    가공열처리 전, 후 미세조직을 광학현미경, 주사 및 투 과전자현미경(Hitachi, 200 kV)으로 관찰하였고, 가공열처 리에 따른 각 상의 체적분율 변화는 Cu-Kα 특성 X선 을 이용한 X-선 회절시험으로 측정하였다11). 또한 가공 열처리에 의해 변화된 미세조직과 체적분율 변화를 EBSD (electron back scattered diffraction)를 사용하여 IQ(imag quality) map과 phase map 으로도 관찰하였다.

    2.4 감쇠능 측정

    감쇠능은 각 시료로부터 1 mm × 120 mm× 20mm 크 기의 시험편을 제작하여 횡 형 진동법을 이용하는 진 동감쇠능 측정장치를 사용하여 측정하였다. 이 방법은 시 험편에 자유진동을 가한 후 시간에 따른 진동의 진폭 변화를 potentiometer로 감지하고, 이를 증폭기와 A/D converter를 통하여 digital 신호로 변환시켜 컴퓨터에 입 력한 후 noise는 filtering 하여 제거하고 얻은 결과를 계 산용 프로그램에 입력하여 stress와 strain에 따른 대수감 쇠율(δ = 1/n ln A0/An, 여기서 n: 파수, A0: 최초 파의 진 폭, An: n번째 파의 진폭)을 구하는 방법이다.12)

    3. 실험결과 및 고찰

    3.1 미세조직

    Fig. 1은 Fe-20Mn-12Cr-3Ni-3Si 합금의 미세조직을 광 학현미경으로 나타낸 것이다. 부분적으로 쌍정들이 존재 하고 있는 오스테나이트 조직에 적은 양의 마르텐사이 트가 존재하고 있는 것을 알 수 있다.

    3.2 가공열처리에 따른 미세조직변화

    Fig. 2는 가공에 따른 미세조직변화를 알아보기 위하 여 16 % 냉간압연 한 시료의 미세조직을 광학현미경과 주사전자현미경으로 나타낸 것이다. (a)의 광학현미경사 진에서는 가공에 의해 오스테나이트의 일부가 마르텐사 이트로 변태되는데 기인하여 Fig. 1에서 보다 많은 양 의 마르텐사이트가 존재하는 것을 알 수 있고, 주사전 자현미경 사진 (b)에서는 가공열처리 전, 후에 생성되어 존재하고 있는 마르텐사이트가 특정 방향을 띄고, 부분 적으로는 서로 교차하며, 표면기복을 일으키면서 생성되 어 있는 것을 확인 할 수 있다.

    Fig. 3은 16 % 냉간 압연한 시료에서 존재하는 마르 텐사이트를 결정학적으로 조사하기 위하여 미세조직을 투 과전자현미경으로 나타낸 것이다. 사진 (a)는 암시야상으 로, (b)는 암시야상에서 나타낸 상들로부터 얻은 제한시 야 회절패턴(DP)과 이를 분석하여 나타낸 것이다. HCP 결정구조의 ε-마르텐사이트와 FCC 결정구조의 오스테나 이트 그리고 BCT 결정구조를 갖는 α'-마르텐사이트가 함 께 존재하고 있는 것을 확인 할 수 있다.

    Fig. 4는 냉간가공 후 어닐링처리 하였을 때의 미세조 직을 조사하기 위하여 16 % 냉간압연 후 700 °C에서 20 분 유지한 다음 수냉하는 어닐링처리 한 시료의 미세조 직을 투과전자현미경에 의해 (a)는 명시야상으로 (b)는 명 시야상에서 나타낸 상의 제한시야 회절패턴과 이를 분 석하여 나타낸 것이다. 가공에 의해 생성된 마르텐사이 트가 미세립의 오스테나이트로 역변태되어 있는 것을 알 수 있다.

    Fig. 5는 가공열처리에 따른 조직변화를 EBSD로 조사 하기 위하여 1회 및 5회 가공열처리한 시료의 미세조직 을 IQ map으로 나타낸 것이다. 가공열처리에 의해 전 위들이 도입되어 있고, 가공열처리 사이클 수가 증가함 에 따라 결정립의 크기가 작아지고 있고, 특히 5회 가 공열처리 한 시료에서는 오스테나이트의 평균 결정립 크 기가 5 μm 보다 적은 미세립으로 되어 있는 것을 알 수 있다.

    Fig. 6은 가공열처리에 따른 조직변화를 투과전자현미 경으로 조사하기 위하여 1회 및 3회 가공열처리한 시료 의 미세조직을 투과전자현미경으로 나타낸 것이다. 가공 열처리 사이클 수에 관계없이 ε-마르텐사이와 오스테나 이트 조직에 가공열처리에 의해 도입된 많은 전위와 적 층결함 들이 존재하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 가 공열처리사이클 수가 많아질수록 도입되는 전위와 적층 결함 등이 많아지는 것을 알 수 있다.

    Fig. 7은 가공열처리에 따른 α' 및 ε-마르텐사이트의 생 성을 조사하기 위하여 1회 및 3회 가공열처리 한 시료 에서 존재하는 미세조직들을 phase map으로 조사하여 나 타낸 것이다. 1회 가공열처리 한 사진 (a)에서는 오스테 나이트 상과 ε-마르텐사이트(노란색)가 관찰되고 α'-마르 텐사이트는 관찰되지 않는데 반하여, 3회 가공열처리한 시료에서는 오스테나이트에 적은양의 ε-마르텐사이트와 α'- 마르텐사이트(붉은색)가 존재하는 것을 확인 할 수 있 다. 따라서 가공열처리 사이클수가 많아지면 α'-마르텐사 이트가 생성되는 것을 확인 할 수 있다.

    Fig. 8은 가공열처리에 따른 마르텐사이트의 체적분율 변화를 조사하기 위하여 가공열처리 사이클 수를 달리 하여 가공열처리한 다음 마르텐사이트의 체적분율을 양 이 많은 ε-마르텐사이트는 X-회절 시험으로, 양이 적어 검출이 어려운 α'-마르텐사이트는 EBSD의 Phase map으 로 조사하여 나타낸 것이다. 사이클 수가 증가함에 따 라 ε-마르텐사이트는 증가하다 5사이클이 되면 약간 감 소하는 것을 알 수 있다13). 이에 반하여 α'-마르텐사이 트는 가공열처리하지 않은 시료와 1회 가공열처리한 시 료에서는 검출되지 않지만 가공열처리 사이클 수가 2회 이상이 되면 아주 적은 양이 검출되기 시작하고, 이후 가공열처리 사이클 수가 증가함에 따라 서서히 증가하 는 것을 알 수 있다. 그러나 5회 가공열처리한 시료에 서도 그 량은 3 % 이하로 조사되었다.

    한편 Fig. 6의 TEM 관찰결과와 8의 회절시험결과에 서는 α'-마르텐사이트의 존재가 확인되지 않았지만, Fig. 7의 phase map 결과에서는 적은 양의 α'-마르텐사이트가 확인되고 있는데 이는 EBSD 방법이 XRD 방법 등에 비 하여 α'-마르텐사이트의 측정감도가 상대적으로 우수하였 기 때문이다.14)

    3.3 감쇠능에 미치는 가공열처리의 영향

    이상의 가공열처리에 따른 미세조직 관찰로부터 가공 열처리에 의해 많은 전위 등과 같은 결함이 도입되고, 결정립 크기가 미세화 되며, α' 및 ε-마르텐사이트의 생 성거동 등이 달라지는 것을 알 수 있고, 이러한 변화는 감쇠능에도 영향을 미칠것으로 예상된다.

    Fig. 9는 가공열처리에 따른 감쇠능 변화를 조사하기 위하여 사이클 수를 달리하여 가공열처리한 다음 감쇠 능을 조사하여 나타낸 것이다. 가공열처리 사이클 수가 증가함에 따라 감쇠능은 서서히 감소하는 것을 알 수 있다.

    Fig. 10은 가공열처리한 시료의 감쇠능에 미치는 가공 열처리에 의해 생성된 마르텐사이트 조직의 영향을 조 사하기 이하여 사이클 수를 달리하여 가공열처리 한 시 료의 감쇠능과 가공열처리에 의해 생성된 ε-마르텐사이 트와의 관계를 조사하여 나타낸 것이다. ε-마르텐사이트 의 양이 증가함에 따라 감쇠능은 감소하고, 이러한 결 과는 가공유기 마르텐사이트 변태를 갖는 316 L 스테인 리스강 등에서 감쇠능에 미치는 미세조직의 영향을 연 구한 결과와15) 다른 것을 알 수 있다.

    Fig. 11은 감쇠능에 미치는 가공열처리에 의해 생성된 α' 및 ε-마르텐사이트를 더한 전체 마르텐사이트의 체적 분율과의 상호관계를 조사하여 나타낸 것이다. 전체 마 르텐사이트이 양이 증가가 함에 따라 감쇠능은 서서히 감소하고 있는 것을 알 수 있고, 이는 감쇠능에 미치는 가공열처리에 의해 생성된 ε-마르텐사이트의 영향과 같 은 것을 알 수 있다. 한편, α'-마르텐사이트 영향은 생 성된 양이 너무 적어 조사하지 않았다.

    이상의 결과로부터 감쇠능은 가공열처리하면 감소하 고, 가공열처리 사이클 수가 증가함에 따라서 서서히 감 소하고 있는 것을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 가공열처 리에 의해 생성되는 ε-마르텐사이트의 양이 증가하여도 감소하는 것을 알 수 있고, 이러한 결과는 가공유기 마 르텐사이트 변태를 일으키는 합금에서 얻어진 결과와16,17) 다른 것을 알 수 있다. 또한 이러한 이유는 일반적으로 오스테나이트 조직이 가공에 의해 α' 및 ε-마르텐사이트 로 변태를 일으키는 합금에서 감쇠는 오스테나이트와 ε- 마르텐사이트의 계면, 오스테나이트내 적층결함의 경계와 전위, ε-마르텐사이트 내부 적층결함의 경계와 전위 및 ε-마르텐사이트 플레이트 내부 형제정의 계면 등이 이동 하면서 진동에너지를 열에너지로 바꾸는데 기인하여 감 쇠가 일어난다.9,17) 따라서 감쇠능은 주로 ε-마르텐사이트 에 지배되기 때문에 가공열처리에 의해 생성되는ε-마르 텐사이트의 양이 많아지면 감쇠능은 증가하여야 한다. 그 러나 가공열처리에 의해 결정 내 많은 전위가 도입되거 나 또는 결정립 크기가 미세립으로 작아지게 되면 이들 이 전위, 척층결함의 경계 및 ε-마르텐사이트 플레이트 내부 형제정의 계면 등의 이동이 어려워지게 되어 진동 에너지의 소실을 어렵게 하여 감쇠능은 낮아 진다.18) 따 라서 이러한 결과와 본 연구에서 얻은 Fig. 5, 6, 7 등 의 결과로부터 판단해 보면 가공열처리에 의해 ε-마르텐 사이트가 생성되지만, 그 양이 적어 감쇠능이 ε-마르텐 사이트에 영향을 받기보다 가공열처리에 의해 도입된 많 은 전위들과 같은 결함, 결정립 크기의 미세화에 더 크 게 영향을 받았기 때문이라 판단되고, 이러한 결과에 의 해 가공유기마르텐사이트 변태를 일으키는 합금과는 다 른 결과를 나타낸다고 판단된다.

    4. 결 론

    가공유기 마르텐사이트 변태를 갖는 Fe-20Mn-3Ni-3Si 합금의 감쇠능에 미치는 가공한 다음 역변태 어닐링처 리 하는 가공열처리의 영향을 조사한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.

    • 1) 가공열처리에 의해 전위, 적층결함, α' 및 ε-마르텐 사이트 등이 생성되었다.

    • 2) ε-마르텐사이트는 가공열처리 사이클 수가 증가할수 록 증가하다 감소하는데 반하여 전위, 적층결함, α'-마르 텐사이트는 서서히 증가하였다.

    • 3) 5회 가공열처리한 시료에서 생성된 α'-마르텐사이트 의 양은 10 % 보다 많지만 ε-마르텐사이트는 3 % 보다 적었다.

    • 4) 가공열처리 사이클 수가 증가함에 따라 감쇠능은 감 소하였다. 또한 이러한 결 과는 가공유기 마르텐사이트 변태를 일으키는 합금에서 결과와는 반대이다.

    • 5) 가공열처리한 가공유기 마르텐사이트 변태를 갖는 Fe-20Mn-3Ni-3Si 제진합금의 감쇠능은 가공열처리에 의 해 생성되는 ε-마르텐사이트 보다는 전위, 결정립 미세 화 등에 더 크게 영향을 받았다.

    Figure

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    Optical micrograph of Fe-20Mn-12Cr-3Ni-3Si alloy.

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    Micrographs of 16 % cold rolled Fe-20Mn-12Cr-3Ni-3Si alloy: (a) Optical and (b) SEM.

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    TEM micrograph of 16 % cold rolled Fe-20Mn-12Cr-3Ni-3Si alloy: (a) Dark field and (b) SADP and indexing of SADP.

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    TEM micrograph of reversed austenite in 16 % cold rolled Fe-20Mn-12Cr-3Ni-3Si alloy, after annealing at 700 °C for 20 min: (a) Bright field image and (b) SADP and indexing of SADP.

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    IQ map showing the effect of thermo-mechanical treatment in Fe-20Mn-12Cr-3Ni-3Si alloy: (a) 1 Cycle and (b) 5 Cycle.

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    TEM micrographs of bright field image showing the effect of the thermo-mechanical treatment in Fe-20Mn-12Cr-3Ni-3Si alloy: (a) 1 Cycle and (b) 3 Cycle.

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    Phase map showing the effect of cycle number on martensite formation in Fe-20Mn-12Cr-3Ni-3Si alloy: (a) 1 Cycle and (b) 3 Cycle.

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    Effect of cycle number of thermo-mechanical treatment on the volume fraction of each phase in Fe-20Mn-12Cr-3Ni-3Si alloy.

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    Effect of the cycle number of thermo-mechanical treatment on the internal friction in Fe-20Mn-12Cr-3Ni-3Si alloy.

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    Relationship between internal friction and volume fraction of ε-martensite in thermo-mechanical treated Fe-20Mn-12Cr-3Ni- 3Si alloy.

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    Relationship between internal friction and volume fraction of α' + ε-martensite in thermo-mechanical treated Fe-20Mn-12Cr- 3Ni-3Si alloy.

    Table

    Chemical composition of specimen (wt%).

    Reference

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