표제지

요약문

목차

I. 서론 19

II. 문헌 조사 21

2-1. 열처리조건 및 기계적성질 21

2-2. 열처리 특성 23

2-3. 부식 특성 24

III. 관련 산업체의 파손부품현황 및 예비열처리 시험 결과 26

3-1. 마르텐사이트계 STS 410 부품의 파손분석사례 26

3-2. 관련 열처리 업체의 STS 420J2 열처리부품 조직판독 사례 33

3-3. 오스테나이트화 열처리 예비실험 결과 36

IV. STS 420J2의 960℃ Austenitizing에 따른 기계적성질 및 조직변화가 템퍼취성에 미치는 영향 40

4-1. 실험방법 40

4-2. 실험결과 및 고찰 46

4-3. 결론 70

V. STS 420J2의 1,000℃ Austenitizing에 따른 기계적성질 및 조직변화가 템퍼취성에 미치는 영향 71

5-1. 열처리 조건 71

5-2. 실험결과 및 고찰 72

5-3. 결론 94

VI. STS 420J2의 1,040℃ Austenitizing에 따른 기계적성질 및 조직변화가 템퍼취성에 미치는 영향 95

6-1. 열처리 조건 95

6-2. 실험결과 및 고찰 96

6-3. 결론 119

VII. 종합검토 및 결론 120

7-1. 광학현미경 조직 종합검토 120

7-2. 주사전자현미경(SEM) 조직 종합검토 126

7-3. 투과전자현미경(TEM) 조직 종합검토 128

7-4. 기계적성질 종합검토 133

7-5. 종합 결론 137

ABSTRACT 139

참고문헌 142

감사의 글 144

Table 2-1. Chemical composition of the STS 420 J1, J2 21

Table 2-2. Heat treatment conditions for Martensite Stainless Steel 420J1, J2 22

Table 2-3. Mechanical properties of heat treated Stainless Steels 23

Table 2-4. Nose & Starting point of transformation in STS 410,420J1,420J2 24

Table 4-1. Chemical composition and hot rolled sheet size of STS 420J2 40

Table 4-2. Heat Treatment Condition 41

Table 4-3. Result of Tensile Strength (Kg/㎟) 61

Table 4-4. Elongation Change with Tempering Conditions (%) 62

Table 4-5. Hardness Change with Tempering Conditions (HRC) 63

Table 4-6. Impact Energy Values of Tempering Conditions (Kg·m/㎠) 65

Table 4-7. Result of Wearing Test (g) 66

Table 4-8. Result of Corrosion Resistance (g) 67

Table 5-1. Heat Treatment Condition 71

Table 5-2. Result of Tensile Strength (Kg/㎟) 85

Table 5-3. Elongation Change with Tempering Conditions (%) 86

Table 5-4. Hardness Change with Tempering Conditions (HRC) 88

Table 5-5. Impact Energy Values of Tempering Conditions (Kg·m/㎠) 89

Table 5-6. Result of Wearing Test (1/10,000 g) 90

Table 5-7. Result of Corrosion Resistance (g) 91

Table 6-1. Heat Treatment Condition 95

Table 6-2. Result of Tensile Strength (Kg/㎟) 111

Table 6-3. Elongation Change with Tempering Conditions (%) 112

Table 6-4. Hardness Change with Tempering Conditions (HRC) 113

Table 6-5. Impact Energy Values of Tempering Conditions (Kg·m/㎠) 114

Table 6-6. Result of Wearing Test (1/10,000 g) 115

Table 6-7. Result of Corrosion Resistance (g) 116

Table 7-1. Cr% (Wt.) in the matrix of STS 420J2 stainless steel 127

Fig. 2-1. Changes in mechanical properties and corrosion rate according to the tempering temperature of STS 420 stainless steel. 25

Fig. 3-1. Fracture samples of Bushing in the sewage disposal plant. 26

Fig. 3-2. SEM photograph of failure bushing part. 27

Fig. 3-3. SEM photograph of pitting hole. 28

Fig. 3-4. EDS peak in normal surface area (A). 28

Fig. 3-5. EDS peak in pitting boundary (B). 29

Fig. 3-6. EDS peak in pitting center (C). 29

Fig. 3-7. Polarization curve for a metal/metal ion system that undergoes an active to passive transition. 30

Fig. 3-8. Autocatalytic processes occuring in a corrosion pit. The metal, M, is being pitted by an aerated NaCl solution. Rapid dissolution occurs within the pit, while oxygen reduction takes place on... 31

Fig. 3-9. Optical micrographs of pitting hole and SCM440 part. The pitting hole size is about 200㎛ 32

Fig. 3-10. Optical micrograph of pitting hole part in the "prior picture A". 32

Fig. 3-11. Optical micrograph of heat_treated STS 420J2 from vacuum furnace. 34

Fig. 3-12. Optical micrograph of Oil quenched STS 420J2 from pit furnace. 35

Fig. 3-13. Optical micrograph of Oil quenched STS 420J2 from the other pit furnace. 35

Fig. 3-14. STS 420J1 Microstructure of consisting of martensite, retained carbide and ferrite after Austenitizing 920℃ for 1hr. 36

Fig. 3-15. STS 420J1 Microstructure of consisting of martensite, retained carbide and ferrite after Austenitizing 950℃ for 1hr. 37

Fig. 3-16. STS 420J1 Microstructure of consisting of martensite, retained carbide and ferrite after Austenitizing 980℃ for 1hr. 37

Fig. 3-17. STS 420J1 Microstructure of consisting of martensite, retained carbide and ferrite after Austenitizing 1,000℃ for 1hr. 38

Fig. 3-18. STS 420J1 Microstructure of martensite after Austenitizing 1,040℃ for 1hr. 38

Fig. 4-1. Specimen of Tensile Strength Test. 41

Fig. 4-2. Summary of 960℃ Austenitizing and Tempering heat treatment. 41

Fig. 4-3. Wearing Tester. 43

Fig. 4-4. Speed Table of Wearing Tester. 43

Fig. 4-5. Rotatory disk of Wearing Tester. 44

Fig. 4-6. Pre Corrosion Resistance test of STS 420J2. 45

Fig. 4-7. Specimens of Corrosion Resistance. 45

Fig. 4-8. Raw Material Structure. ×500 46

Fig. 4-9. Oil Quenching Structure. ×500 47

Fig. 4-10. Tempering STS 420J2 steel at 350℃ for 2hrs after Austenitizing 960℃ for 3hrs. (×500) 47

Fig. 4-11. Tempering STS 420J2 steel at 350℃ for 6hrs after Austenitizing 960℃ for 3hrs. (×500) 48

Fig. 4-12. Tempering STS 420J2 steel at 450℃ for 2hrs after Austenitizing 960℃ for 3hrs. (×500) 49

Fig. 4-13. Tempering STS 420J2 steel at 450℃ for 6hrs after Austenitizing 960℃ for 3hrs. (×500) 49

Fig. 4-14. Tempering STS 420J2 steel at 500℃ for 6hrs after Austenitizing 960℃ for 3hrs. (×500) 50

Fig. 4-15. Tempering STS 420J2 steel at 500℃ for 6hrs after Austenitizing 960℃ for 3hrs. (×500) 51

Fig. 4-16. Tempering STS 420J2 steel at 550℃ for 2hrs after Austenitizing 960℃ for 3hrs. (×500) 52

Fig. 4-17. Tempering STS 420J2 steel at 550℃ for 6hrs after Austenitizing 960℃ for 3hrs. (×500) 52

Fig. 4-18. Tempering STS 420J2 steel at 600℃ for 2hrs after Austenitizing 960℃ for 3hrs. (×500) 53

Fig. 4-19. Microstructure austenitized at 960℃, oil quenched and tempered at 600℃ for 6hrs, ferrite free, tempered martensite. (×500) 54

Fig. 4-20. Tempering STS 420J2 steel at 500℃ for 12hrs after Austenitizing 960℃ for 3hrs. (×1,000) 55

Fig. 4-21. Tempering STS 420J2 steel at 600℃ for 12hrs after Austenitizing 960℃ for 3hrs. (×1,000) 55

Fig. 4-22. SEM micrograph of (a) raw material (b) oil quenched STS 420J2 after Austenitizing 960℃, 3hrs. 56

Fig. 4-23. SEM micrograph of (a) Tempering 350℃, 2hrs (b) Tempering 350℃, 12hrs after Austenitizing 960℃, 3hrs. 56

Fig. 4-24. SEM micrographs (×5,000) of 420J2 stainless steel at (a) Tempering 450℃, 2hrs (b) Tempering 500℃, 2hrs (c) Tempering 550℃, 2hrs (d) Tempering 600℃, 12hrs following... 58

Fig. 4-25. SEM micrograph (×1,000) of fracture mode. 59

Fig. 4-26. SEM micrograph of fracture mode after Austenitizing 960℃, 3hrs. 60

Fig. 4-27. Tensile Strength Change with Tempering Conditions. 61

Fig. 4-28. Elongation Result of Tempering Conditions. 63

Fig. 4-29. Hardness Change with Tempering Conditions. 64

Fig. 4-30. Impact Energy Change with Tempering Conditions. (Kg·m/㎠) 65

Fig. 4-31. Wearing Change with Tempering Conditions. 67

Fig. 4-32. Corrosion Resistance Change with Tempering Conditions. 68

Fig. 4-33. Corrosion resistance test results of 420J2 stainless steel at Tempering 350~600℃ (2~12hrs) following Austenitizing at 960℃, 3hrs. 69

Fig. 5-1. Summary of 1,000℃ Austenitizing and Tempering heat treatment. 72

Fig. 5-2. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 350℃, 2hrs following Austenitizing 1,000℃, 3hrs. (×500) 72

Fig. 5-3. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 350℃, 6hrs following Austenitizing 1,000℃, 3hrs. (×500) 73

Fig. 5-4. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 450℃, 2hrs following Austenitizing 1,000℃, 3hrs. (×500) 74

Fig. 5-5. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 450℃, 6hrs following Austenitizing 1,000℃, 3hrs. (×500) 75

Fig. 5-6. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 500℃, 2hrs following Austenitizing 1,000℃, 3hrs. (×500) 75

Fig. 5-7. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 500℃, 6hrs following Austenitizing 1,000℃, 3hrs. (×500) 76

Fig. 5-8. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 550℃, 2hrs following Austenitizing 1,000℃, 3hrs. (×500) 77

Fig. 5-9. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 550℃, 6hrs following Austenitizing 1,000℃, 3hrs. (×500) 78

Fig. 5-10. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 550℃, 12hrs following Austenitizing 1,000℃, 3hrs. (×1,000) 78

Fig. 5-11. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 600℃, 2hrs following Austenitizing 1,000℃, 3hrs. (×500) 79

Fig. 5-12. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 600℃, 6hrs following Austenitizing 1,000℃, 3hrs. (×500) 79

Fig. 5-13. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 600℃, 12hrs following Austenitizing 1,000℃, 3hrs. (×500) 80

Fig. 5-14. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 600℃, 12hrs following Austenitizing 1,000℃, 3hrs. (×1,000) 80

Fig. 5-15. SEM micrographs (5,000×) of 420J2 stainless steel at (a) Tempering 350℃, 12hrs (b) Tempering 450℃, 6hrs (c) Tempering 500℃, 6hrs (d) Tempering 600℃, 12hrs following... 81

Fig. 5-16. SEM micrograph of fracture mode after Austenitizing 1,000℃ for 3hrs. 82

Fig. 5-17. SEM micrograph of fracture mode after Austenitizing 1,000℃, 3hrs. 83

Fig. 5-18. SEM micrograph of fracture mode after Austenitizing 960℃, 3hrs. 84

Fig. 5-19. SEM micrograph of fracture mode after Austenitizing 1,000℃, 3hrs. 84

Fig. 5-20. Tensile Strength Change with Tempering Conditions 85

Fig. 5-21. Elongation Result of Tempering Conditions 87

Fig. 5-22. Hardness Change with Tempering Conditions 88

Fig. 5-23. Impact Energy Change with Tempering Conditions (Kg·m/㎠) 89

Fig. 5-24. Wearing Change with Tempering Conditions 90

Fig. 5-25. Corrosion Resistance Change with Tempering Conditions 91

Fig. 5-26. Corrosion resistance test results of 420J2 stainless steel at Tempering 350~600℃ (2~12hrs) following Austenitizing at 1,000℃, 3hrs. 93

Fig. 6-1. Summary of 1,040℃ Austenitizing and Tempering heat treatment 96

Fig. 6-2. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 350℃, 2hrs following Austenitizing 1,040℃, 3hrs. (×500) 97

Fig. 6-3. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 350℃, 6hrs following Austenitizing 1,040℃, 3hrs. (×500) 97

Fig. 6-4. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 450℃, 4hrs following Austenitizing 1,040℃, 3hrs. (×500) 98

Fig. 6-5. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 450℃, 6hrs following Austenitizing 1,040℃, 3hrs. (×500) 99

Fig. 6-6. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 500℃, 2hrs following Austenitizing 1,040℃, 3hrs. (×500) 99

Fig. 6-7. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 500℃, 4hrs following Austenitizing 1,040℃, 3hrs. (×500) 100

Fig. 6-8. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 550℃, 2hrs following Austenitizing 1,040℃, 3hrs. (×500) 101

Fig. 6-9. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 550℃, 4hrs following Austenitizing 1,040℃, 3hrs. (×500) 101

Fig. 6-10. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 550℃, 6hrs following Austenitizing 1,040℃, 3hrs. (×1,000) 102

Fig. 6-11. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 600℃, 2hrs following Austenitizing 1,040℃, 3hrs. (×500) 103

Fig. 6-12. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 600℃, 4hrs following Austenitizing 1,040℃, 3hrs. (×1,000) 103

Fig. 6-13. Microstructure of the STS 420J2 tempered at 600℃, 6hrs following Austenitizing 1,040℃, 3hrs. (×1,000) 104

Fig. 6-14. SEM micrographs of 420J2 stainless steel at (a) Tempering 350℃, 2hrs (×5,000) (b) Tempering 350℃, 4hrs (×5,000) (c) Tempering 350℃, 4hrs (×10,000), (d) Optical microstructure... 105

Fig. 6-15. SEM micrographs (×5,000) of 420J2 stainless steel at (a) Tempering 450℃, 2hrs (b) Tempering 450℃, 4hrs following Austenitizing at 1,040℃, 3hrs. 106

Fig. 6-16. SEM micrographs (×5,000) of 420J2 stainless steel at (a) Tempering 500℃, 2hrs (b) Tempering 500℃, 4hrs following Austenitizing at 1,040℃, 3hrs. 106

Fig. 6-17. SEM micrographs (×5,000) of 420J2 stainless steel at (a) Tempering 500℃, 12hrs (b) Tempering 500℃, 12hrs following Austenitizing at 1,040℃, 3hrs. 107

Fig. 6-18. SEM micrographs (×5,000) of 420J2 stainless steel at (a) Tempering 600℃, 6hrs (b) Tempering 600℃, 6hrs following Austenitizing at 1,040℃, 3hrs. 107

Fig. 6-19. SEM micrograph of fracture mode following Austenitizing 1,040℃, 3hrs. 108

Fig. 6-20. SEM micrograph of fracture mode following Austenitizing 1,040℃, 3hrs. 109

Fig. 6-21. SEM micrograph of fracture mode following Austenitizing 1,040℃, 3hrs. 110

Fig. 6-22. Tensile Strength Change with Tempering Conditions 112

Fig. 6-23. Elongation Result of Tempering Conditions 113

Fig. 6-24. Hardness Change with Tempering Conditions 114

Fig. 6-25. Impact Energy Change with Tempering Conditions(Kg·m/㎠) 115

Fig. 6-26. Wearing Change with Tempering Conditions 116

Fig. 6-27. Corrosion Resistance Change with Tempering Conditions 117

Fig. 7-1. Tempering STS420J2 steel at 350℃ for 12hrs after Austenitizing. 121

Fig. 7-2. Tempering STS420J2 steel at 450℃ for 12hrs after Austenitizing. 122

Fig. 7-3. Tempering STS420J2 steel at 500℃ for 12hrs after Austenitizing. 123

Fig. 7-4. Tempering STS420J2 steel at 550℃ for 12hrs after Austenitizing. 124

Fig. 7-5. Tempering STS420J2 steel at 600℃ for 12hrs after Austenitizing. 125

Fig. 7-6. (a) SEM micrographs after Austenitizing specimen and (b) EDS analysis results of (a). 126

Fig. 7-7. OM, SEM, TEM micrographs and carbide formed by 12hrs of tempering at 350℃ after Austenitizing 1,040℃_3hrs. 128

Fig. 7-8. TEM micrograph and diffraction pattern of carbide formed at 350℃_2hrs tempering after Austenitizing 1,040℃ _3hrs. 129

Fig. 7-9. TEM bright field image of tempering STS 420J2 at 350℃ for 12hrs after Austenitizing 1040℃ for 3hrs. 130

Fig. 7-10. TEM bright field image of precipitations in the matrix after Austenitizing 1040℃ for 3hrs. 131

Fig. 7-11. TEM bright field image of twin band, dislocations in the tempered martensite lath after Austenitizing 1040℃ for 3hrs. 132

Fig. 7-12. Comparison of tensile strength test results in the STS 420J2 133

Fig. 7-13. Comparison of charpy impact test results in the STS 420J2 134

Fig. 7-14. Comparison of the wearing test results in the STS 420J2 135

Fig. 7-15. Comparison of the corrosion resistance test results in the STS 420J2 136

본 논문은 11.5~18%의 Cr과 0.15~1.2% C가 함유된 마르텐사이트계의 스테인리스 STS 420J2 강재의 오스테나이트화와 템퍼링 조건에 따른 조직변화 및 기계적성질이 템퍼취성에 어떠한 영향을 미치는가에 관한 연구내용을 담고 있다.

마르텐사이트 스테인리스강은 오스테나이트화(Austenitizing) 가열 후 �칭에 의해 마르텐사이트 조직으로 되며, 적절한 내식성과 함께 인성과 강도, 내마모성, 피로강도가 요구되는 분야에서 특수용도로 사용된다.

특히 STS 420J2는 �칭 후 경도가 HRC50 이상이며 내식성이 양호한 강종으로서 내식성과 함께 강도 및 경도가 요구되는 부품에 광범위하게 사용된다.

본 연구에서는 STS 420J2를 하수 종말처리장의 슬러지(sludge)를 퍼내는 체인부품으로 사용할 때에 부품간의 접촉부 마모현상과 동시에 폐수의 각종 오염물질이 부품접촉부와 반응하여 부식이 촉진되어, 조기에 파손되는 파괴 메카니즘 현상을 규명하고자 선택하게 되었다.

이를 위하여 STS 420J2 강재를 960℃, 1000℃, 1040℃에서 각각 3시간씩 오스테나이트화 한 후, 스테인리스강의 템퍼취성 구간으로 알려진 350℃, 450℃, 500℃, 550℃, 600℃에서 2~12시간 템퍼링하여 조직 및 기계적성질의 변화를 관찰하였다.

본 연구로부터 얻어진 결과들을 요약하면 다음과 같다.

가열온도가 낮아 조직이 충분히 오스테나이트화 되지 못한 경우에는 �칭 후 조직내에 미용해 탄화물 및 페라이트(α)가 잔류하여 사용할 때 마모 및 부식의 촉발과 함께 파손을 야기할 수 있는 것으로 조사되었다.

또한, STS 420J2 강종은 유냉에 의한 담금질 경도가 HRC55 이상의 경질이므로 템퍼링을 한 후 사용하는데 대부분이 400~550℃의 취성온도 구간을 피하여 뜨임 열처리 할 것을 권장하고 있다. 본 연구의 실험결과에 의하면, 템퍼링의 가열온도가 500℃ 이상에서는 급격한 경도의 저하를 가져오므로 내마모성을 필요로 하는 부품에는 적합하지 않은 것으로 나타났으며, 각 조건별 템퍼링(350~600℃)에서 가열시간이 2시간보다 더 길더라도 경도 및 강도의 급격한 저하는 나타나지 않았다.

내식성은 저온템퍼링에서 양호하지만 템퍼링온도가 올라갈수록 저하되며, 이는 Cr 탄화물의 석출로 인한 기지(matrix)의 Cr 결핍현상이 주요 원인인 것으로 확인되었다.

오스테나이트화 온도가 증가할수록 결정립이 성장하여 템퍼취성 현상이 좀 더 뚜렷이 나타날 것으로 예상이 되나, 이후 템퍼취성 온도구간에서 템퍼링을 실시한 경우에도 충격치가 저하되지 않고 오히려 인성이 증가하였다. 이는 템퍼링에 의하여 기지내에 Cr 탄화물의 석출이 입계뿐만 아니라 입내에까지 고르게 분포하여 템퍼취성 현상을 감소시키며, 오히려 인성을 증가시킨 것으로 판단된다.

따라서 본 실험결과에 의하면 STS 420J2 강재는 소재의 탄화물 분포와 형상, 가공조건에 따라 오스테나이트화 온도가 달라져야 하며, 템퍼링에 의하여 템퍼취성 구간에서의 기계적성질도 향상될 수 있음을 보여준다.

이 논문은 각각의 오스테나이트화 온도별로 실험내용을 독립하여 기술하였으며, 종합적으로 요약하여 마르텐사이트계 STS 420J2 스테인리스강의 열처리조건에 따른 기계적성질의 특성 및 내식성, 템퍼취성의 발생유무를 파악하고자 하였다.