14 기술보고 침상형페라이트조직의결정립크기측정방법 김가희 김희진 허무영 Technique for Grain Size Measurement of Acicular Ferrite Microstructure Ka Hee Kim, Hee Jin Kim and Moo-Young Huh 1. 배경 강의용접금속은여러가지미세조직성분들로구성되어있는데, 그중에서침상형페라이트는조직이매우미세하다는특성을가지고있어서용접금속의강도와인성을동시에향상시키는성분임이잘알려져있다 1-4). 이러한중요성때문에침상형페라이트의생성기구에관한연구도다수수행되어, 침상형페라이트가비금속개재물에서핵생성되어생성된조직 이라는것이확실히규명되었다 5,6). Fig. 1은그러한핵생성및초기성장과정을보여주는미세조직사진이다. 본사진에서알수있듯이비금속개재물에서생성된페라이트는오스테나이트기지내부로성장하게되는데, 성장단계에서침상형페라이트는판상으로 ( 또는래스상으로 ) 일정한방향성을가지고방사선방향으로성장한다. 이렇게방사선방향으로생성되는 1차판 (primary plate) 들사이의각도는정확히 60 o 임을알수있다. 이렇게 1차판들사이의각도가일정하게유지되는것은오스테나이트와침상형페라이트가일정한방위관계, 즉마르텐사이트변태와같이 KS 또는 NW 방위관계를가지고있기때문이다. 이러 Fig. 1 SEM micrograph showing the primary nucleation of acicular ferrite from the non-metallic inclusion and the sympathetic nucleation of secondary plates from the face of primary plates 한특성에근거하여침상형페라이트는금속학적으로베이나이트로구분되며, Bhadesia 는이를일반적인베이나이트 ( 구오스테나이트입계로부터생성되는베이나이트 ) 와구분하기위하여 결정립내에서생성된베이나이트 (intragranularly nucleated bainite) 라고정의하였다 5). 그리고 1차판들의측면또는선단에서는 2차판 (secondary plate) 들이발달하게되는데 7,8), 이러한 2차핵생성에의해생성된판들을 Fig. 1에서확인할수있다. 즉 1차생성된판에의해 2차판의생성이촉진되는것인데, 이러한 2차핵생성을공명핵생성 (sympathetic nucleation) 이라고한다 9,10). 이상에서기술한핵생성및성장과정을거쳐완성된침상형페라이트조직을나이탈용액으로에칭하여광학현미경으로관찰하게되면, Fig. 2와같은매우특이한형상을보이게되는데, 그러한형상적특징을문헌에서는다음과같이묘사하고있다. Abson 등은 11) 작고, 정렬되지않은그리고장축과단축의비 (aspect ratio) 가큰페라이트 라기술하였으며, 다른연구자들은 서로얽힌 (interlocking) 구조의작은미세조직 이라고묘사하였으며 12,13), Basu 등은 14) basket-weave 형상을가지는조직 이라고하였다. 이와같이과거연구자들은침상형페라이트조직에대해주로형상적인특성에대해서언급하였을뿐, 미세한정도에대해서는단순히 매우미세하다 라는정도로만기술하고있다. 실제로최근까지발표된논문들을검색하여보았으나, 침상형페라이트의미세정도를정량적으로측정한결과를보고한논문은극히한정되어있었으며 1), 더구나측정결과에대한신뢰성이결여되어있었다. 철강용접금속의미세조직을분석함에있어가장보편적으로사용하는방법은시편을나이탈 (nital) 용액으로에칭한다음, 에칭된시편을광학현미경으로관찰하는것이다. 나이탈용액을사용하면용접금속의미세조직을구성하고있는대표적인구성성분들, 즉입계페라이트, 위트멘스테텐페라이트, 침상형페라이트등이명 14 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 2009
침상형페라이트조직의결정립크기측정방법 15 탈용액으로에칭하고, 에칭된시편을광학현미경과주사전자현미경 (SEM) 으로관찰하여얻어진침상형페라이트의미세조직을보여주는것이다. Fig. 2(a) 는 1,000 배의배율에서관찰한광학현미경사진인데, 여기서는연신된결정립형상을확인할수있다. 그러나입계가분명치않은부분이많고또한극히미세한결정립들이혼재되어있어서결정립크기를정확히측정하기에는부적절하였다. 동일한시편을에칭정도를달리하여수차례에걸쳐 SEM으로관찰하여보았으나, Fig. 2(b) 에서보여주는바와같이, 결정립계가나타나지않았을뿐만아니라에칭조건에따라서미세조직이크게변화함을확인할수있었다. Fig. 3은에칭시간을달리하여관찰한 SEM 조직사진들이다. 에칭시간이부족하면 (Fig. 3(a)), 미세조직이나타나지않을정도로희미하여결정립의존재를확인할수없었다. 에칭시간이 10초가되면결정립형상이보이기는하는데, 이들결정립은결 Fig. 2 Acicular ferrite microstructures revealed by 2% nital solution; (a) optical micro- graph and (b) SEM micrograph 확하게구분되어각각의분율을정량적으로측정함에있어매우유용하다. 그래서 IIW에서도용착금속의미세조직구성성분들의분율을정량화함에있어나이탈용액을사용토록권장하고있는것이다 11). 그러나나이탈에칭된시편에서는침상형페라이트조직의입계 (grain boundary) 가명확히나타나지않기때문에침상형페라이트의입경을측정할수없는것이다. 그리고광학현미경의최대배율은일반적으로약 1000배정도인데, 이러한배율에서는마이크론단위의결정립크기를정확히측정할수없는것이다. 따라서지금까지통상적으로사용하고있는나이탈에칭 / 광학현미경을조합한시험방법은침상형페라이트의미세정도를정량적으로분석하기에부적절하다. 이에본저자들은본학회지를통하여침상형페라이트의결정립크기를정량적으로평가할수있는방법이정립되어있지않다는사실을지적한바있다 15). 그리고이러한사실은 Cerjak 등에 16) 의해서도이미언급된바있음을확인할수있었다. 이에본기술보고에서는저자들의연구실에서최근개발한시험방법, 즉침상형페라이트의결정립크기를측정할수있는시험방법을소개하고자한다. 2. 에칭방법에따른미세조직의차이 Fig. 2 는 E71T-1 규격의 FCAW 용접금속을 2% 나이 Fig. 3 Variation of acicular ferrite microstructure revealed by 2% Nital solution with different etching time: (a) 3 sec, (b) 10 sec and (c) 60 sec 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 1 號, 2009 年 2 月 15
16 김가희 김희진 허무영 정입계에의해보여지는것이아니고결정면 (crystallographic plane) 의부식정도차이에기인한단차에의해보여지는것이다. 이러한에칭현상은에칭시간이증가함에따라보다심하게나타나서, Fig. 3(c) 에서보여주듯이, 굴곡이심한요철만을보여주게된다. 결국나이탈에칭은결정립계자체를부식하는방법이아니기때문에, SEM을활용한다고하더라도결정립크기를정확하게측정할수없는방법이라고판단되었다. 한편, Fig. 4는저자들이비금속개재물에관한연구를수행하기위하여장시간전해에칭 (electro-etching) 한다음에에칭된시편을 SEM으로관찰한사진이다. 본사진에서는비금속개재물이기지로부터온전히노출되어있을뿐만아니라기지조직에입계와같이보이는선 (line) 들이선명히나타나고있음을우연히발견하게되었다. 이러한선들이부분적으로는결정면의단차에의해보여지기도하지만, 단차가없는평활한부위에서도나타나고있다. 여기서보여주는선들이어떠한성질의입계인지확인할수는없었지만, 이들이침상형페라이트의결정립계와관련되어있을것이라고판단하고, 전해에칭 /SEM 조합을활용하여결정입경을측정하고자하였다. 이를위해서먼저기존의전해에칭조건을입계관찰에적합한조건으로최적화할필요가있었다. 이에다음절에서는최적화하는과정에대해기술하고자한다. 3. 전해에칭조건의최적화 최소의실험으로최적의에칭조건을확보하기위하여최근여러분야에서다양하게적용되고있는실험계획법 (design of experiment, 이하 DOE라칭함 ) 을활용하였다. 전해에칭에사용된용액은 10% perchloric acid 만을사용하였다. 그리고 DOE에필요한설계인자와인자들의수준은 Table 1과같이하였다. 설계인자는전압 (V), 시간 (time), 온도 (temperature) 로하였고, 각각 Table 1 Design factors and levels for DOE Factor Level 1 Level 2 Voltage 30V 40V Time 90S 120S Temperature 0 10 Table 2 Orthogonal array of DOE Experiment No. Voltage Temperature Time (V) ( ) (s) 1 40 10 120 2 30 0 90 3 30 10 120 4 40 0 120 5 40 0 90 6 30 0 120 7 30 10 90 8 40 10 90 의인자에대해 2개의조건을설정하여 3인자 2수준으로하였다. Table 2는실험순서에따른각각의실험조건을직교배열표로나타내었는데, full factorial 로 2 2 2 = 8 번실험하였으며, 반복이나블록화는하지않았다. Table 2와같이구성된표에의하여각각의조건에서전해에칭을수행하고, 에칭된시편을 SEM으로관찰하였다. 관찰된결과는 Fig. 5에서보여주고있다. 이들 SEM 사진에나타난미세조직결과를비교하여보면, 1) 시험조건에따라입계의선명도에있어커다란차이를보여주었다. 2) 전압이 30V인경우보다는 40V인경우에보다양호한결과를보여주었다. 3) 일부시험조선에서는 (7번조건등 ) 입계가거의나타나지않았거나전혀나타나지않았다. 상기한결과를보다정량적으로평가하기위하여, 각각에대해등급 (rating) 을부여하여적정조건을도출하고자하였다. 등급의기준은 침상형페라이트의입계가명확하게관찰되어그형상과크기를측정하기에적합한가? 로하였으며, 동일한시편에서여러장의사진을얻어각각에대해등급을부여하고이를평균하여얻어진평균치를각각의조건에대한등급으로하였다. 이렇게하여얻어진등급판정결과를미니탭 (MINITAB) 을이용하여 cube plot한결과를 Fig. 6에서보여주고 Fig. 4 SEM micrograph showing the non-metallic 있는데, 시험번호가 5인조건 ( 즉, 전압 40V, 온도 0, inclusions revealed by electro-etching. Note the grain boundary-like feature showing in the 16 matrix Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 2009
침상형페라이트조직의결정립크기측정방법 17 Fig. 7 Main effect plot for rating Fig. 5 SEM images of acicular ferrite micro- structure revealed by electro-etching on the lines of orthogonal array Fig. 8 Interaction effect plot for rating Fig. 6 Cube plot for rating 시간 90 sec인조건 ) 이가장높은등급인 5등급으로판정되었다. 다음으로는어떤인자가가장큰영향을미치는지, 각각의설계인자가서로상호작용을가지고있는지, 영향을미친다면어느정도의영향을미치는지를파악하기위해요인분석을수행하였다. Fig. 7은설계인자가결과 (rating) 에미치는영향을보여주는결과인데, 전압이가장큰영향을미친다는것을알수있고전압이증가하면양의효과가있음을보여준다. 다음으로는시간의영향이다소있으며, 온도의영향은거의없는것 으로나타났다. 그밖에도교호작용분석을수행하였는데, 교호작용은한인자의효과가다른인자수준의변화에따라영향을받는지, 그리고영향이있으면어느정도의영향을받는지상대비교하는것이다. 이를 Fig. 8에서확인해보면, 전압과시간사이에는교호작용이크며, 전압과온도그리고시간과온도사이의교호작용은크지않음을알수있다. 이러한결과로부터전압과에칭시간을적절히조정하면보다좋은품질의미세조직을얻을수있을것으로판단하고, 이들을미세조정하여추가적인시험을수행하게되었다. 이러한추가시험을통하여최적의전해에칭조건을도출하게되었는데, 최적화된조건에서얻어진미세조직사진을 Fig. 9에서보여주고있다. Fig. 9는 10,000배의고배율 SEM 사진인데, 이사진에서보듯이침상형페라이트의결정립계가평활한면상에선명히나타나고있다. 여기서보여주듯이, 침상형페라이트조직의결정립형상은매우불규칙하며다소연신된형상을가지고있음을알수있다. 이들사진을기초하여각각의결정립에대해크기를측정하였는데, 결정립이연신되어있음을고려하여장축과단축의길이를측정하여평균하였다. 측정결과는장축이 2.69 μm, 단축이 0.87 μm이었으며, 장축과단축의비 (aspect 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 1 號, 2009 年 2 月 17
18 김가희 김희진 허무영 ratio) 는 3.1 이었다. 그리고 linear intercept 방법으로측 Fig. 9 SEM micrograph of acicular ferrite showing the grain boundaries revealed by electro- etching technique. Note the micro phases mostly located at the triple points of acicular ferrite grains 정한결정립크기의평균치는 1.27 μm으로확인되었다. 그러나여기서한가지언급하고자하는것은이들결정립이확산 (diffusion) 에의해생성된것이아니고, 베이나이트변태에의해생성된것이라는것이다. 따라서 Fig. 9에서보여주는입계는통상적인결정립계 (grain boundary) 라고부르기보다는 packet boundary 라고부르는것이옳을것이다. 그리고아직은이들입계가저각입계인지또는고각입계인지, 그리고이러한결정립계가어떻게생성되는건지등에대해서는확인하지못하였다. 결론적으로 Fig. 9에서보여주는결정입계를엄밀히규정한다면, 이를 morphological packet boundary 라고칭하여야할것이다. 향후 electron backscattered diffraction (EBSD) 등을이용하여이들경계의결정학적분석이이루어진다면결정학적인입계, 즉 cry- stallographic packet boundary와의상관성이밝혀질수있을것이다. 한편, Fig. 9에서는결정립계뿐만아니라, 광학현미경으로는명확히확인할수없었던미세상 (micro phase) 까지도보여주고있다. Fig. 9에서는이들미세상을화살표로표시하였는데, 이들은침상형페라이트조직내에분산되어있으며주로결정립의삼중점 (triple point) 에위치하고있다. 이와같은생성위치및형상으로보아이들미세상은마르텐사이트또는 MA조직일것으로추측된다. Fig. 9의결과를활용하면이러한미세상의분율을정량적으로평가할수있을것이다. 즉본시험방법은미세상을정량적으로평가함에있어서도유용하게활용될수있을것으로기대된다. 4. 맺음말 지금까지침상형페라이트미세조직은서로얽힌 (interlocking) 형상을가진극히미세한조직으로보고되고있었을뿐, 미세정도에대해서는정량적인평가가수행되지못하였다. 그러나본보고에서보여준전해에칭 /SEM 조합의시험방법을활용하면침상형페라이트의결정립형상을확인할수있고, 결정립의미세정도를결정립크기로정량화할수있다. 더구나본방법을활용하면침상형페라이트조직내에분산된미세상까지도명확히보여줄수있어서, 이들성분의분율도정량적으로그리고신뢰성있게측정할수있음을보여주었다. 이에저자들은향후이러한방법을활용하여용접금속의미세조직을보다세밀히분석할수있기를기대한다. 감사의글 본기술보고는민군겸용기술개발사업의일환으로수행된것으로이에관계자여러분들께감사드립니다. 참고문헌 1. G. M. Evans: Effect of manganese on the micro- structure and properties of all-weld-metal deposits, Welding Journal, 59-3 (1980), 67s-75s 2. M. M. Watson, P. L. Harrison and R. A. Farrar: How niobium influence SA mild steel weld metals, part 1: microstructure, mechanical properties, Welding and Metal Fabrication, 39-3 (1981), 101-107 3. G. M. Evans: The effect of carbon on the micro- structure and properties of C-Mn all-weld metal deposits, Welding Journal, 62-11 (1983), 313s-320s 4. G. M. Evans: The effect of nickel on the micro- structure and properties of C-Mn all-weld-metal deposits, Joining Sciences, 1-1 (1991), 2-13 5. H. K. D. H. Bhadeshia: Bainite in Steel, The Institute of Materials, London, (1992), 245-282 6. Tae-Kyu Lee, H. J. Kim, B. Y. Kang and S. K. Hwang: Effect of inclusion size on the nucleation of acicular ferrite in welds, ISIJ International, 40-12 (2000), 1260-1268 7. F. J. Barbaro, P. Krauklis and K. E. Eastering: Formation of acicular ferrite at oxide particles in steels, Mater. Sci. Technology, 5-11 (1989), 1057-1068 8. R. A. Ricks, P. R. Howell and G. S. Barritte: The nature of acicular ferrite in HSLA steel weld metals, Journal of Materials Science, 17 (1982), 732-740 9. H. I. Aaronson and C. Wells: Sympathetic nucleation of ferrite, Trans. AIME, 206 (1956), 1216 10. E. Sarath, K. Menon and H. I. Aaronson: Morphology, crystallography and kinetics of sympathetic nucleation, Acta Metallurgica, 35-3 (1987) 549-563 18 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 2009
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