Effect of solidification variables on the microstructural evolution and the tensile strength of in-situ eutectic composite in Fe-28Cr-2.7C alloy = Fe-28Cr-2.7C 합금의 응고 변수가 공정 in-situ composite의 미세 조직 형성 및 인장 강도에 미치는 영향

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 공정 조성에 매우 근접한 아공정 조성을 갖는 Fe-27Cr-2.7C 합금을 대상으로, 15 K/mm 및 30 K/mm의 두 가지 온도 구배 조건에서 방향성 응고 실험을 수행하여 미세조직 변화를 상세히 조사하였다. 일반 주조된 합금에서는 공정 조직 내에 소량의 1차 오스테나이트 수지상이 존재하였는데, 이는 본 합금이 공정점 바로 아래의 좁은 아공정 영역에 위치함을 반영한다. 방향성 응고 조건에서는 인출 속도가 증가함에 따라 응고 모드가 변화하며, 이에 따라 1차 오스테나이트 수지상이 점차 형성되기 시작하였다. 특히 15 K/mm의 온도 구배에서는 50~100 µm/s 범위에서 수지상의 출현이 관찰되었고, 더 높은 온도 구배인 30 K/mm 조건에서는 160 µm/s에서 비로소 수지상이 형성되기 시작하였다.
한편, 10 K/mm의 온도 구배 조건에서는 인출 속도가 50 µm/s 이하일 때 M7C3/오스테나이트 in-situ 복합재가 안정적으로 형성되었으며, 온도 구배를 12.7 K/mm로 높인 경우에는 동일한 복합재가 150 µm/s라는 상대적으로 높은 속도까지도 안정적으로 유지되었다. 따라서 본 합금에서 관찰되는 M7C3/오스테나이트 in-situ 복합재 및 speckle 조직은 각 온도 구배 조건에서 수지상 응고로 전환되기 전의 임계 속도 이하에서만 형성된다는 점을 확인할 수 있다. 즉, 공정 계면이 안정적으로 유지되는 속도 범위 내에서만 이러한 in-situ 복합재가 생성된다. 또한 본 연구의 미세조직 분석 결과와 이론적 고찰을 통해, M7C3/오스테나이트 in-situ 복합재는 planar 공정 성장이나 fully eutectic growth가 아닌, 셀형(cellular) 공정 응고 영역에서 선택적으로 형성되는 조직임을 확인하였다.
각 온도 구배 조건에서 셀형 응고 영역 내에서는 인출 속도가 증가함에 따라 inter-fibre spacing과 M7C3 fiber 두께가 점진적으로 미세해지는 뚜렷한 조직적 변화를 보였다. 이러한 세밀한 조직 변화는 응고계의 열적 안정성 및 확산 제어 효과에 기인한 것으로, M7C3/오스테나이트 composite의 기계적 성질에도 직접적인 영향을 미쳤다. 실제로 M7C3/오스테나이트 in-situ composite은 일반 주조된 등축조직(equiaxed) 소재보다 현저히 높은 인장강도를 보였다. 미세한 inter-fibre spacing 또는 inter-speckle spacing을 가진 in-situ 복합재는 조대한 간격을 가진 재료보다 더 높은 인장 강도를 보였으며, 등축정 및 조대한 fiber 간격을 가진 재료의 상대적으로 낮은 인장 강도는 조대한 M7C3 입자 또는 섬유에서 균열이 쉽게 발생하는 데 기인한 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• Contents
• 1. Introduction 14
• 2. Literature Review 17
• 2.1. Cast iron 17
• 2.2. White cast iron 19
• 2.2.1. Overview 19
• 2.2.2. Classification of white iron 19
• 2.2.3. Solidification characteristics 24
• 2.2.4. Mechanical properties 26
• 2.2.5. Applications 29
• 2.3. Directional Solidification 32
• 2.3.1. Overview 32
• 2.3.2. Interface Stability 33
• 2.3.3. Planar, cellular, and dendritic Growth 36
• 2.4. In-situ composite materials 40
• 1) Overview 40
• 2) In-situ processing 41
• 3) In-situ composites based on eutectic system 42
• 2.5. Characteristic of Fe-Cr-C alloys 46
• 2.5.1. Overview 46
• 2.5.2. Solidification of Fe-Cr-C alloys 46
• 2.5.3. Mechanical properties of Fe-Cr-C alloys 49
• 3. Experimental Procedure 51
• 3.1. Specimen preparation 51
• 3.2. Microstructural analysis 54
• 3.3. Mechanical properties 54
• 4. Results 56
• 4.1. Solidification and microstructural evolution 56
• 4.1.1. Microstructure of conventionally cast Fe-Cr-C alloy 56
• 4.1.2. Evolution of microstructure during directional solidification 59
• 4.1.3. Dendrites and inter-speckle spacing 66
• 4.2. Mechanical property of directionally solidified near eutectic Fe-Cr-C alloy 81
• 4.2.1. Tensile strength 81
• 4.2.2. Fracture surface characteristics 86
• 5. Discussion 89
• 6. Conclusions 101
• References 105
• 국문 초록(요약) 110