KR20190137084A - 저사이클 피로 특성이 우수한 Fe-Mn-Si계 합금 주조재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조용 건축재 등으로서 유용한 저사이클 피로 특성이 우수한 새로운 Fe-Mn-Si계 합금 주조재를 제공한다. 본 발명의 일시시형태에 따른 Fe-Mn-Si계 합금 주조재는 Mn 및 Si를 필수 성분 원소로서 함유하고, 또한, Cr, Ni, Al, C 중 1종 이상을 임의 성분 원소로서 함유하고, 성분 조성이, 5질량%≤Mn≤35질량%, 1.5질량%≤Si≤6.5질량%, 0질량%≤Cr≤15질량%, 0질량%≤Ni≤15질량%, 0질량%≤Al≤3질량%, 0질량%≤C≤0.4질량%, 잔부 Fe 및 불가피 불순물인 Fe-Mn-Si계 합금 주조재로서, 식(a): 37＜[%Mn]+0.3[%Si]+0.7[%Cr]+2.4[%Ni]+5.2[%Al]+28[%C]＜45, 또한, 식(b): [%Ni]+30[%C]+0.5[%Mn]＞0.75[%Cr]+1.125[%Si]+2[%Al]의 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.

Description

저사이클 피로 특성이 우수한 Fe-Mn-Si계 합금 주조재

본 발명은 저사이클 피로 수명이 우수한 Fe-Mn-Si계 합금 주조재에 관한 것이다.

주조는 고대부터 있는 금속의 가공 방법이며, 금속을 융점보다 높은 온도에서 달구어서 액체로 한 후, 형에 흘려 넣고, 식혀서 목적의 형상으로 굳힘으로써, 여러가지 형상으로 가공할 수 있다. 현대에서도 주조는 많은 수송 기기 부품이나 기계공작의 구체(軀體) 부품 등 소량 생산품부터 대량 생산 부품 등의 제조에 폭넓게 이용되고 있다. 또 주조는 소성가공이나 절삭가공에서는 제조가 어려운 단단한 재료, 취성적인 재료, 복잡한 형상의 제품의 제조에 이용되고 있다.

단, 주조에 의해 제조된 주조재는 고액의 체적차에 기인하는 응고 수축이나 성분 원소의 재분배에 의해, 공극, 편석, 개재물 등의 주조 결함을 포함하는 경우가 있다. 이들 주조 결함은 통상 주조재의 기계적 특성을 현저하게 저하시키므로, 종래부터 응고를 제어해서 결함이 없는 제품을 만들어 내도록 하고 있다. 그래도 일부의 구조용 금속재료의 중요부품 등의 경우에는 균일화 열처리나, 균일화를 촉진시키는 단조·압연 등의 소성가공을 실시해서 주조 결함을 제거하고, 재질을 균일화하고나서 사용된다. 내식성이나, 내마모성 등의 특수한 용도에 사용하는 기계부품 등은 일반적으로 기계가공성이 나쁘기 때문에 주조에 의해 제작되는 경우가 많지만, 이러한 부품은 주조 후 균일화 열처리를 행하고, 재질을 균일화하고나서 사용하는 일도 있다.

그러나, 종래부터 주조 결함의 극복에 대해서 여러가지 연구, 개선이 이루어져오고 있지만, 저사이클 피로 변형과 같이 큰 소성 뒤틀림을 반복해서 부하하는 경우에는 주조 결함이 피로 균열의 발생원이 되므로, 용이하게 피로 파괴해 버리고, 균일화 처리한 금속재료와 비교해서 주조재의 저사이클 피로 수명은 현저하게 짧다고 하는 과제가 있었다.

이 때문에, 주조재를 강도부재로서 사용할 때에는 단조·압연 등으로 균질화된 재료에 비해 안전율을 높게 설정하고, 피로 파괴를 방지하기 위해서 주조재에 생기는 응력을 탄성범위로 하는 등의 배려가 필요하며, 예를 들면, 건축부재에서는 대지진시에도 탄성범위에서 사용하는 부재에밖에 사용할 수 없는 등, 강도를 충분히 살린 효율적인 소재의 사용법이 불가능하기 때문에 비경제적이다.

이러한 배경에 있어서, 최근에 들어서 건축용 제진 댐퍼의 심재로서 Fe-Mn-Si계 합금이 특허문헌 1에 있어서 제안되어 있다. 이 합금은 우수한 저사이클 피로 수명을 나타낸다고 되어 있다. 그리고, 이 Fe-Mn-Si계 합금은 어떤 방향으로의 소성 변형에 의한 면심입방(FCC) 구조의 γ오스테나이트상으로부터 최밀육방(HCP) 구조의 ε마텐자이트상으로의 마텐자이트 변태와, 이것에 계속되는 역방향으로의 소성 변형에 의한 ε마텐자이트상으로부터 γ오스테나이트상으로의 역마텐자이트 변태가 교대로, 또한 가역적으로 발생하는 구조에 의해, 반복 소성 변형에 의한 원자배열의 변화가 가역적으로 발생하고, 금속 피로의 원인이 되는 격자결함의 축적이 일어나기 어렵기 때문에, 종래재보다 비약적으로 우수한 저사이클 피로 수명을 나타낸다고 되어 있다.

비특허문헌 1에는 Fe-Mn-Si계 합금의 저사이클 피로 수명을 개선하기 위한 설계 지침으로서, (A)γ상과 ε상의 자유 에너지차를 작게 하는 것, (B)체심입방 구조의 α'마텐자이트상의 형성을 억제하는 것, (C)약 4질량%의 Si를 첨가하는 것의 3조건이 개시되어 있다. 그리고, 특허문헌 1에서는 (A)의 조건을 만족시키기 위한 성분 설계 지침으로서, 이하의 식(X)에서 주어지는 Mn당량([%Mn]eq)을 정의하고, 화학 성분으로서의 Mn, Cr, Ni, Al의 질량%([%Mn], [%Cr], [%Ni], [%Al])의 배합 비율이 식(Y)을 만족해야 하는 것이 개시되어 있다.

[%Mn]eq=[%Mn]+[%Cr]+2[%Ni]+5[%Al] (X)

37＜[%Mn]eq＜45 (Y)

또한, 특허문헌 1에서는 조건 (B)를 만족시키기 위한 성분 설계 지침으로서, 소위 셰플러 상태도의 개념을 받아 들여, Mn, Cr, Ni, Si, Al의 질량%([%Mn], [%Cr], [%Ni], [%Si], [%Al])의 배합 비율이 이하의 식(Z)을 만족해야 한다고 되어 있다.

[%Ni]+0.5[%Mn]＞0.75[%Cr]+1.125[%Si]+2[%Al] (Z)

또한, 특허문헌 1에서는 조건 (C)의 최적 Si농도 4질량%를 중심으로, Fe-Mn-Si계 합금이 통상의 강재보다 유의하게 높은 저사이클 피로 수명을 나타내는 조건이 0질량%＜Si＜6.5질량%, 더욱 바람직하게는 2질량%≤Si≤6질량%이다라고 되어 있다.

비특허문헌 2에 따르면, 이상의 설계 지침을 기초로, 종래비 10배의 저사이클 피로 수명을 갖는 Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si 합금이 개발되고, 초고층 빌딩의 전단 패널형 제진 댐퍼로서 채용되어 있고, 장주기 지진동에 대한 내구성도 우수한 고기능 제진 댐퍼로서 기대되고 있다. 이러한 우수한 피로 내구성은 전단 패널형 제진 댐퍼 뿐만 아니라, 여러가지 부재에의 활용이 기대된다고 되어 있다.

그러나, 특허문헌 1, 비특허문헌 1, 2에서 개시되어 있는 Fe-Mn-Si계 합금은 주괴를 단조·압연해서 열처리함으로써, 판상으로 성형함과 아울러, 조대하고 결정 배향성이 높은 주조 조직을 균일 미세한 랜덤 등축정 조직으로 함으로써, 결함이 적은 재질로 한 것이며, 특허문헌 1, 비특허문헌 1, 2에서는 주조재의 저사이클 피로 특성에 대해서는 개시도 시사도 되어 있지 않다.

Fe-Mn-Si계 합금 주조재로서는 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 체결부재가 특허문헌 2에 개시되어 있다. 특허문헌 2에서는 목적으로 하는 제품부재에 가까운 형상의 소부재로 주조한 후, 적당히 가열 처리를 실시함으로써, 열간 가공 공정을 거치지 않고 간략한 제조 공정으로, 또한 종래에서는 간단하게는 얻어지지 않았던 장식적인 또는 복잡한 형상의 체결부재를 용이하게 얻을 수 있는 방법이 제공되고 있다. 또한, 특허문헌 3에서는 원심주조법에 의해 제작된 철계 형상기억합금제 파이프용 조인트에 있어서, 횡단면 내의 매크로 조직 중에서, 주상정의 면적율을 50% 이상으로 함으로써, 높은 내경 수축률이 얻어지는 것이 개시되어 있다.

그러나, 특허문헌 2 및 3은 주형으로의 주조, 또는 연속 주조로 제조한 Fe-Mn-Si계 형상기억합금 조인트가 형상기억 효과를 발현시키기 위해서 충분한 변형능을 갖는 것을 시사하고 있지만, 저사이클 피로 변형에 대한 내구성에 대해서는 개시도 시사도 되어 있지 않다.

구조용 재료로서 넓게 사용되고 있는 유사의 주조재로서는 고Mn 내마모 주강이나 고Mn 비자성 주강을 들 수 있다. 고Mn 내마모 주강은 내마모성이나 강도가 우수하고, 레일 포인트 등에 사용되고 있다. 강도나 가공 경화율이 높고, 소성가공에 의한 형성이 어렵기 때문에, 주조에 의해 제작된다. 특허문헌 4에는 고Mn 내마모 주강 중의 오스테나이트상이 균열진전에 대한 높은 내구성을 나타내는 것도 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 5에는 고C 고Mn 비자성 강의 연속 주조법이 개시되어 있다.

특허문헌 4 및 5는 고Mn 주강의 역학특성이 우수한 것과, 그 대량 생산 기술이 충분히 확립되어 있는 것을 나타내는 것이며, 피로 내구성의 높이에 대해서도 시사하는 것이지만, Fe-Mn-Si계 후판에서 얻어진 종래비 10배의 저사이클 피로 수명이 얻어지는지의 여부에 대해서는 개시도 시사도 되어 있지 않다.

특허문헌 6에서는 Si를 4.7∼5.7질량%, Cr을 0.8∼2.2질량%, Mn을 2.0∼5.5질량%, Ni를 11∼14질량%, Cu를 0.8∼1.8질량% 포함하는 오스테나이트계 주물이 개시되어 있다. 단지, 특허문헌 6의 주물은 C를 2.1∼3.1질량%를 포함하므로, 주철에 해당되고, C가 2.1질량%보다 적은 주강의 분류와는 전혀 다른 재료이다. 또한, 동 문헌에는 피로 내구성에 대한 언급은 없다.

특허문헌 7에는 Si 1.0질량% 이하, Mn 10∼20질량%, Cr 15.0∼20.0질량%, Ni 2.5∼6.0질량%를 포함하는 고Mn 비자성 주조체가 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 7에서의 주조체는 C의 함유량으로부터 주강으로 분류되지만 Si 함유량이 낮고, 동 문헌에는 피로 내구성에 대해서는 시사되어 있지 않다.

특허문헌 8에는 Si 0.2∼1.5질량%, Mn 10∼24질량%, Cr 12∼20질량%, Ni 4질량% 미만을 함유하는 고온 내마모재가 개시되어 있다. 이 고온 내마모재는 C 함유량 0.2∼0.5질량%이기 때문에 주강으로 분류되는 재료이지만, 특허문헌 8에는 내마모성, 내깨짐성이 우수한 것으로 언급되어 있지만, 저사이클 피로 수명에 관한 기재는 없다.

일본 특허 공개 2014-129567호 공보 일본 특허공개 평10-280061호 공보 일본 특허 공개 2001-082642호 공보 일본 특허 공개 2001-140039호 공보 일본 특허 공개 2013-173159호 공보 일본 특허 공개 2011-68921호 공보 일본 특허 공개 평7-197196호 공보 일본 특허 공개 2014-1831360호 공보

T. Sawaguchi, I. Nikulin, K. Ogawa, K. Sekido, S. Takamori, T. Maruyama, Y. Chiba, A. Kushibe, Y. Inoue, K. Tsuzaki, Designing Fe-Mn-Si alloys with improved low-cycle fatigue lives, Scripta Mater., 99(2015) 49-52. T. Sawaguchi, T. Maruyama, H. Otsuka, A. Kushibe, Y. Inoue, K. Tsuzaki, Design Concept and Applications of Fe-Mn-Si-Based Alloys --from Shape Memory to Seismic Response Control, Mater. Trans., 57(2016) 283-293. 하타나카 켄지, 금속재료의 반복 응력-뒤틀림 특성과 저사이클 피로 수명, 일본 기계학회 논문집(A편), 50, (1984), 831.

주조재는 지금까지 건축·토목 구조물에 있어서 범용되어 왔다. 그 이유는 복잡한 형상의 것이나 대형의 것 등을 용이하게 저렴하게 만들 수 있는 것, 용접을 다용하지 않고 기하학적으로 복잡한 변단면 형상 부재(판두께, 판폭 가변)의 제조가 가능(기둥, 조인트, 노드 등)하며, 공수가 줄고(조립 정밀도 향상), 저비용화로도 이어지는 것, 주조를 채용하면(예를 들면, 다이캐스트 등), 거의 후가공 없이 사용할 수 있는 것, 및 조립 정밀도가 향상되어 주형의 수명이 있는 한 대량생산이 가능한 것 등 큰 이점이 있었던 등의 이유에 의한다. 또한, 주조재를 기둥 등에 이용하는 경우, 복잡한 보와의 접합부의 배치가 가능하며 건축적으로 다양한 평면 플랜을 실현할 수 있는 등, 실용상의 메리트도 크기 때문에 적재적소에서 활용되어 왔다.

그러나, 주조재는 편석, 공극, 개재물 등의 주조 결함을 포함하므로 동일 조성의 압연재 등에 비해서 피로 특성이 명확히 떨어지고, 예를 들면, 건축부재에서는 대지진시에도 탄성범위에서 사용하는 부재로밖에 사용할 수 없는 등, 사용 범위는 한정되어 있었다.

이러한 배경으로부터, 본 발명은 종래 기술의 문제점을 해소하고, 상기 Fe-Mn-Si계 합금의 특이한 변형 거동에 주목해서 구조용 건축재 등으로서 유용한 저사이클 피로 특성이 우수한 새로운 주조재를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

즉, 본 발명의 Fe-Mn-Si계 합금 주조재는 이하의 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 일국면에서는 Mn 및 Si를 필수 첨가 원소로서 함유하고, 또한, Cr, Ni, Al, C 중 1종 이상을 임의 첨가 원소로서 함유하고, 성분 조성이,

5질량%≤Mn≤35질량%,

1.5질량%≤Si≤6.5질량%,

0질량%≤Cr≤15질량%,

0질량%≤Ni≤15질량%,

0질량%≤Al≤3질량%,

0질량%≤C≤0.4질량%,

잔부 Fe 및 불가피 불순물인 Fe-Mn-Si계 합금 주조재로서, 다음 식(a)

37＜[%Mn]+0.3[%Si]+0.7[%Cr]+2.4[%Ni]+5.2[%Al]+28[%C]＜45 (a)

또한, 다음 식(b)

[%Ni]+30[%C]+0.5[%Mn]＞0.75[%Cr]+1.125[%Si]+2[%Al] (b)

(식 중 [%Mn], [%Si], [%Cr], [%Ni], [%Al], [%C]는 Mn, Si, Cr, Ni, Al, C의 질량%를 의미한다)

의 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 국면에서는 상기 Fe-Mn-Si계 합금 주조재에 있어서, 성분 조성이,

25질량%≤Mn≤35질량%,

2질량%≤Si≤6질량%,

0질량%≤Cr≤8질량%,

0질량%≤Al≤3질량%,

0질량%≤C≤0.2질량%,

잔부 Fe 및 불가피 불순물인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 국면에서는 상기 Fe-Mn-Si계 합금 주조재에 있어서, 성분 조성이,

10질량%≤Mn≤20질량%,

2질량%≤Si≤6질량%,

5질량%≤Cr≤15질량%,

5질량%≤Ni≤10질량%,

0질량%≤C≤0.2질량%,

잔부 Fe 및 불가피 불순물인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 국면에서는 상기 Fe-Mn-Si계 합금 주조재에 있어서, 성분 조성이,

5질량%≤Mn≤8질량%,

2질량%≤Si≤6질량%,

9질량%≤Cr≤15질량%,

9질량%≤Ni≤15질량%,

0질량%≤C≤0.4질량%,

잔부 Fe 및 불가피 불순물인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 국면에서는 상기 Fe-Mn-Si계 합금 주조재를 사용한 제진장치가 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 국면에서는 상기 Fe-Mn-Si계 합금 주조재를 사용한 철골 구조물 또는 철근 콘크리트 구조물이 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 국면에서는 상기 Fe-Mn-Si계 합금 주조재를 이용한 제진장치용 주조재가 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 국면에서는 상기 Fe-Mn-Si계 합금 주조재의 제진장치, 철골 구조물 또는 철근 콘크리트 구조물에의 사용이 제공된다.

본 발명에 따르면, 피로 특성이 매우 우수한 주조품이 제공된다. 즉, 본 발명에서는 후술하는 실시예에 있어서 구체적으로 나타내어지듯이, 일반강재에 필적 또는 능가하는 (3배 이상) 내피로성능이 얻어지는 주조재를 실현하고 있다. 이것은 제진재료로서도 종래의 극저항복점강을 훨씬 능가할 정도의 성능이다. 본 발명의 Fe-Mn-Si계 합금 주조재는 통상 생각되는 사이즈의 결함을 내포하고 있어도, 각종 성능열화(안정성, 변형성능, 피로내구성 등)에 대한 영향이 극히 적기 때문에, 소재강도를 유효하게 사용할 수 있다.

따라서, 본 발명의 Fe-Mn-Si계 합금 주조재는 종래의 개념을 넘어서 탄소성 영역에서 사용 가능하며, 대지진시에 대변형을 받는 기둥, 보, 주강 노드 등을 비롯해 제진부재에서조차도 적용의 대상을 넓힐 수 있다.

도 1은 Fe-Mn-Si계 합금 주조재의 저사이클 피로 수명을 향상시키는 조직의 모식도.
도 2는 Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si 합금 주조재의 저사이클 피로 시험전의 조직. (a)상분포도(백색:γ상, 회색:ε상, 농회색:α'상), (b)γ상 역극점 방위도, (c)γ상 001극점도
도 3은 Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si 합금 주조재의 저사이클 피로 파단 후의 변형 조직. (a)상분포도(백색:γ상, 회색:ε상), (b)γ상 역극점 방위도, (c)ε상 역극점 방위도, (d)γ상 001극점도, (e)ε상 0001극점도
도 4는 Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si 합금 주조재의 저사이클 피로 파단 후의 변형 조직에 있어서의 수축공(shrinkage cavity)의 형성. (a)광역상 분포도, (b)수축공 주변의 상분포도(백색:γ상, 회색:ε상)
도 5는 Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si 합금 주조재에 있어서의 수축공 주변의 원소 농도분포. (a)2차전자상, (b)Fe원소 농도분포, (c)Mn원소 농도분포, (d)Ni원소 농도분포, (e)Cr원소 농도분포, (f)Si원소 농도분포
도 6은 열역학 계산 소프트 Pandat을 이용해서 계산한 Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si 합금 중의 각 성분 원소의 재분배와 고상률의 관계. (a)Lever칙 근사, (b)Scheil칙 근사

본 발명에서는 상기와 같이, 저사이클 피로 수명이 우수한 주조재를 개발하기 위해서, Fe-Mn-Si계 합금의 특이한 변형 거동에 착안했다. 그리고, 주조재의 금속 피로에 대한 약점은 공극이나 개재물 등의 주조 결함이지만, 만약에 이들 주조 결함으로부터 피로 균열을 발생시키지 않고, 가역적인 γ오스테나이트상과 ε마텐자이트상 사이의 마텐자이트 변태에 의한 내피로 메커니즘을 작동시킬 수 있으면, 주조재라도 저사이클 피로 수명의 개선이 기대된다라는 관점에서 검토를 행하고, 본 발명을 완성시켰다.

즉, 본 발명의 일실시형태에서는 Fe-Mn-Si계 합금 주조재는 성분 조성으로서 Fe를 주성분으로 하고 Mn 및 Si를 필수 첨가 원소로서 함유하고, 주조 후의 금속조직이 85체적% 이상인 γ오스테나이트상을 갖고, 또한, γ오스테나이트상이 덴드라이트상의 성분 농도 편석을 가짐과 아울러, 불가피적인 공극이나 개재물이 상기 덴드라이트상의 성분 농도 편석 사이의 미크로 최종 응고부에 분산·형성되어 이루어지는 Fe-Mn-Si계 합금 주조재로서, 반복 인장 압축 변형했을 때의 변형 조직 변화가 상기 덴드라이트상의 성분 농도 편석부의 가역적인 γ오스테나이트상과 ε마텐자이트상 사이의 마텐자이트 변태로 일어나고, 상기 덴드라이트상의 성분 농도 편석 사이의 미크로 최종 응고부에 분산·형성된 공극이나 개재물로부터의 피로 균열 발생이 억제되어서, 진폭±1%의 저사이클 피로 수명이 3000사이클 이상인 것을 특징으로 한다.

저사이클 피로 수명은 재질이나 뒤틀림 진폭 뿐만 아니라, 샘플형상, 표면상태, 결함, 변형 제어의 정밀도 등, 여러가지 조건에 영향을 받으므로, 실험자가 제어 가능한 조건 외의 원인에 의해, 재료 본래의 성능보다 낮은 값이 되는 일이 많고, 통계적 편차도 크다. 그런데, 각종 문헌에서 보고되고 있는 시판 강재의 진폭±1%의 저사이클 피로 수명은 극히 신중하게 실험 조건이 배려된 경우이어도, 재료종에 의하지 않고, 고작해야 2000사이클이다(비특허문헌 3). 주조 결함을 포함하는 주조재는 이것보다 훨씬 낮은 저사이클 피로 수명을 나타내는 것이 통상이므로, 본 발명에서는 2000사이클에 안전율 1.5를 곱한 3000사이클을 종래재보다 유의하게 우수한 저사이클 피로 수명의 기준으로 한다.

본 발명에서는 Fe-Mn-Si계 합금 주조재에 있어서, 응고시의 액상으로의 성분농축에 의한 편석을 적극적으로 이용함으로써, 주조 결함으로부터 피로 균열을 발생시키지 않고, 가역적인 γ오스테나이트상과 ε마텐자이트상 사이의 마텐자이트 변태에 의한, 내피로 메커니즘을 작동시키도록 하고 있다. 즉, 선행해서 응고한 덴드라이트상 편석부 중, 인장·압축 변형축에 대해서 경사진 γ상의 슬립면 상에서 가역적인 γ오스테나이트상과 ε마텐자이트상 사이의 마텐자이트 변태에 의한, 내피로 메커니즘을 작동시켜서 덴드라이트상 편석 사이의 미크로 최종 응고부의 γ상이 변형을 받지 않는 상태를 만들어 낸다. 이것에 의해, 미크로 최종 응고부에 포함되는 공극이나 개재물로부터 균열 발생을 억제한다.

γ오스테나이트 합금에 있어서의 소성 변형 기구는 일반적인 금속의 소성 변형 기구인 격자전위의 슬립 운동 이외에, 격자전위가 두개의 부분 전위와 그 사이의 적층 결함에 분해해서 운동하는 확장 전위의 슬립 운동, γ쌍정변형, ε마텐자이트 변태, α'마텐자이트 변태 등의 다양한 형태를 취하고, 통상 복수의 소성 변형 기구가 동시에 발현된다.

본 발명의 Fe-Mn-Si계 합금 주조재에서는 Mn, Si, 그 밖의 첨가 원소의 배합 비율을 조정함으로써, 인장 압축 소성 변형에 의한 구조변화가 γ오스테나이트상과 ε마텐자이트상 사이에서 발생하는 2방향 마텐자이트 변태에 의해, 가역적으로 진행하는 상태를 만들어 내고, 반복 경화의 억제와 파단 반복수의 증가를 꾀한다. 그리고, 도1의 Fe-Mn-Si계 합금 주조재의 저사이클 피로 수명을 향상시키는 조직의 모식도에 나타내듯이, 그러한 가역적인 소성 변형이 덴드라이트상 편석부에서만 진행하고, 응고 수축의 결과 형성되는 공극이나, 성분농축의 결과 형성되는 개재물이 다수 존재하는 덴드라이트상 편석 사이의 미크로 최종 응고부는 이 변형에 기여하지 않고 γ상으로서 잔류하는 상황을 만들어냄으로써, 공극이나 개재물로부터의 균열의 발생을 억제한다. 초기의 변형에 의해 γ상으로부터 마텐자이트 변태에 의해 생긴 ε상은 판면이 인장·압축축에 기운 상태로 평행하게 배열하므로, ε상의 결정학적인 기저면(//판면) 상에서 생기는 슬립 변형이나, γ상과 ε상 사이의 2방향 마텐자이트 변태는 인장·압축 변형에 대해서 가역적으로 생기고, 공극이나 개재물의 영향을 전혀 받지 않고, 균열의 발생·진전을 지연시킬 수 있다.

그것을 위해서는 변형 전의 상태가 γ오스테나이트 단상이며, 덴드라이트상 편석부의 소성 변형 기구는 주로 ε마텐자이트 변태에 의해 진행하는 것, 및, 미크로 최종 응고부로의 성분농축은 ε마텐자이트 변태를 억제하는 측에 발생하는 것이 바람직하다. 그 때, 덴드라이트상 편석부의 ε마텐자이트 변태에 따라 불가피적으로 동시 발생하는 쌍정변형, 격자 전위 슬립, 확장 전위 슬립은 일부 포함되어 있어도 좋지만, α' 마텐자이트 변태는 합금을 현저하게 경화시키므로 발생을 억제하지 않으면 안된다.

변형 전의 상태는 γ오스테나이트 단상이 바람직하지만, 소량이면 ε마텐자이트상, δ페라이트상, α'마텐자이트상이 포함되어도 좋다. 변형에 의해 ε마텐자이트 변태가 유기되기 쉬운 상태로 조정된 합금은 환경의 온도변화나 가공의 영향 등에 의해, 의도하지 않게 ε마텐자이트상이 형성되는 경우가 있다.

이들 의도하지 않게 형성된 ε마텐자이트상, δ페라이트상, α'마텐자이트상은 인장·압축축에 대해서 경사진 특정 결정면 상에 발생하는 변형 유기 ε마텐자이트상의 성장에 대한 장벽이 되고, 피로 균열 발생원이 될 수 있으므로, 이것을 방지하기 위해서, 주상 γ오스테나이트의 체적율은 85체적% 이상으로 한다.

또한, 주조재에는 공극이나 개재물 등의 주조 결함 이외에, 다원계에서는 의도하지 않게 형성된 석출물이 피로 균열 발생의 기점이 되는 것도 우려된다. 그러나, 그러한 석출물도 미크로 최종 응고부로의 성분농축의 결과 형성된 것이면, 공극이나 개재물과 마찬가지로, 주변의 γ상은 변형을 그다지 받지 않으므로 균열 발생원이 될 우려는 없다.

또한, 본 발명에 있어서의 상기 「주조재」의 용어에 있어서는 본 발명의 특징으로서 당연한 것이지만, 주조 후의 주괴를 단조나 압연한 것이나 열처리에 의해 결정상을 변화시킨 것을 그 의의에 포함하지 않는다.

또한, 본 발명의 주조재에 있어서의 결정 조직이나 그 변화에 대해서는 주사형 전자현미경 및 후방 산란 전자회절법 등의 통상의 해석수단에 의해 확인된다.

이하, 본 발명의 Fe-Mn-Si계 합금 주조재를 구성하는 성분 원소에 대해서 설명한다. 또한, 본 발명에 있어서, 「Fe-Mn-Si계 합금」이란 용어는 철(Fe)을 주성분으로서 망간(Mn) 및 규소(Si)를 함유시킨 합금을 가리키는 것으로 한다.

망간(Mn)은 Fe-Mn-Si계 합금의 소성 변형 기구에 중심적인 영향을 미치는 필수 성분 원소이다. Mn은 철기 합금에 있어서 γ오스테나이트상을 안정화시킴과 아울러 적층 결함 에너지를 저하시켜서 γ오스테나이트상으로부터 ε마텐자이트상으로의 마텐자이트 변태가 생기기 쉬운 상태를 만들어 내는 작용이 있다.

따라서, 본 발명의 주조재에서는 Mn의 첨가량을 조정함으로써, 인장 압축 소성 변형시에, 변형 유기 γ로부터 ε마텐자이트 변태와 이 역변태를 교대로 발생시키고, 또한, α'마텐자이트상의 형성을 억제하여 피로 특성을 개선할 수 있다.

Mn의 첨가량이 35질량%를 초과하면, 다른 원소의 첨가량을 어떻게 조정해도, γ상이 반강자성화해서 강하게 안정화되므로, ε마텐자이트가 얻어지지 않게 된다. 또한, Mn의 첨가량이 5질량% 미만이 되면, 피로 특성에 유해한 α'마텐자이트상의 형성을 피할 수 없는 경우가 있다. 그 때문에, 본 발명에서는 Mn의 첨가량은 5질량%≤Mn≤35질량%의 범위로 한다.

또한, 특허문헌 1에 기재되듯이, Cr, Ni, Al도 Mn 대체 원소로서 첨가해도 좋고, Mn, Cr, Ni, Al이 소성 변형 기구에 미치는 효과는 동등한 효과를 주는 Mn의 질량%(Mn당량:[%Mn]eq)로 대표시킬 수 있다. 본 발명에서는 또한, 성분 원소 Si, C의 영향을 고려해서 관계식에 수정을 추가하여 Mn당량을 각 성분 원소의 첨가량(질량%)을 이용하여 이하의 식(1)으로 나타낸다.

Mn당량([%Mn]eq)=[%Mn]+0.3[%Si]+0.7[%Cr]+2.4[%Ni]+5.2[%Al]+28[%C] (1)

또한, 식 중의 [%Mn], [%Si], [%Al], [%Cr], [%Ni], [%C]는 Fe-Mn-Si계 합금 주조재의 화학 성분으로서의 Mn, Si, Al, Cr, Ni, C의 질량%를 의미한다.

또한, 본 발명에서는 γ오스테나이트상-ε마텐자이트상 사이의 2방향의 마텐자이트 변태를 발현시키기 위한 Mn당량의 범위는 이하의 식(2)으로 나타내는 조건으로 한다.

37＜[%Mn]eq＜45 (2)

Mn당량이 37 이하가 되면, ε마텐자이트상의 열역학적 안정성이 매우 높아지므로, 덴드라이트상 편석 사이의 γ상도 ε마텐자이트 변태를 받게 되고, 공극이나 개재물로부터의 피로 균열 발생의 확률이 높아지고, 저사이클 피로 수명이 저하된다.

또한, Mn당량이 45 이상이 되면, 적층 결함 에너지가 상승해서 덴드라이트상 편석부에 ε마텐자이트가 형성되지 않게 되고, 내피로 메커니즘이 작동하지 않게 되고, 저사이클 피로 수명이 저하된다.

한편, 본 발명의 Fe-Mn-Si계 합금에 있어서의 또 하나의 필수 성분 원소인 규소(Si)는 Mn당량에는 거의 영향을 주지 않지만, γ 오스테나이트상과 ε마텐자이트상의 2방향 마텐자이트 변태의 가역성을 향상시키는 것이 특허문헌 1, 비특허문헌 1, 2에 개시되어 있다. Si가 갖는 이 작용은 주조재에 있어서도 유효하지만, Si를 과도하게 첨가하면, 주조재의 파단 반복수가 저하된다. 특히, Si를 6.5질량%를 초과해서 첨가하면 합금이 현저하게 경화되고, 반복 인장 압축 변형의 응력진폭이 상승하거나, 실리사이드계 금속간 화합물이 형성되어 합금이 취화되거나 하는 등의 문제가 생기는 경우가 있다. 또한, Si의 첨가량을 1.5질량% 미만으로 하면, 전위가 교차 슬립해서 셀형상으로 재배열되고, 균열 발생 전파를 가속한다. 이상으로부터, 본 발명에서는 Si의 첨가량은 1.5질량%≤Si≤6.5질량%로 하고, 보다 바람직하게는 2질량%≤Si≤6질량%로 한다. 특히, Si의 첨가량이 4질량% 부근이면 Si의 작용이 가장 효과적으로 발휘된다.

또한, 본 발명의 Fe-Mn-Si계 합금에서는 임의 성분 원소로서, Cr, Ni, Al 및 C를 첨가해도 좋다.

크롬(Cr)은 γ오스테나이트상의 적층 결함 에너지를 저하시키고, ε마텐자이트상으로의 마텐자이트 변태를 촉진하고, 본 발명의 주조재의 피로 특성을 향상시키는 원소이다. 또한, 내식성이나 내고온 산화성의 향상에도 더 기여한다. 그러나, Cr의 첨가량이 15질량%를 초과하면, 페라이트나 α'마텐자이트가 형성되기 쉬워지고, 저사이클 피로 수명이 저하된다. 이상으로부터, 본 발명에서는 Cr의 첨가량은 0질량%≤Cr≤15질량%의 범위로 한다.

니켈(Ni)은 Mn의 오스테나이트 안정화 작용을 대체하는 원소이다. 특히, Mn의 첨가량을 20질량% 미만으로 하는 경우에는 오스테나이트 안정화 원소로서의 Ni를 2질량% 이상 첨가함으로써, 변형 전의 상태로서 γ오스테나이트 단상을 얻을 수 있다. 한편, Ni의 첨가량이 15질량%를 초과하면, FeNi 실리사이드나, NiMn 실리사이드의 형성이 현저해져서 합금이 취화된다. 이상으로부터 본 발명에서는 Ni의 첨가량은 0질량%≤Ni≤15질량%의 범위로 한다.

알루미늄(Al)은 상기 식(1)에 나타내어지듯이 Mn당량에 계수 5.2로 영향을 주는 원소이므로, Mn의 대체 원소로서 첨가해도 좋다. 그러나, Al의 첨가량이 3질량%를 초과하면, 페라이트 형성에 의한 저사이클 수명 저하가 생기기 쉬워진다. 또한, 대기 중에서 열처리하면, 질소와 친화성이 높은 Al이 질화물을 형성해서 합금을 취화시킬 가능성도 있다. 이렇게, Al은 미량이라도 Mn당량의 조정에 유효한 한편, 과잉 첨가한 경우에는 폐해도 있으므로, 본 발명에서는 Al의 첨가량은 0질량%≤Al≤3질량%의 범위로 한다.

탄소(C)는 Mn의 오스테나이트 안정화 작용을 대체하는 원소이지만, C의 첨가량이 0.4질량%를 초과하면, 탄화물이 형성되어서 저사이클 피로 수명이 저하된다. 이상으로부터, 본 발명에서는 C의 첨가량은 0질량%≤C≤0.4질량%의 범위로 한다.

본 발명에 있어서, 필수 성분 원소로서의 Mn, Si, 및 임의 성분 원소로서의 Cr, Ni, Al, C의 첨가량에 대해서는 변형 전의 금속조직이 γ오스테나이트 단상이 되도록 오스테나이트 안정화 원소인 Ni, C, Mn의 총량과, 페라이트 안정화 원소인 Cr, Si, Al의 총량의 밸런스 조정이 중요하다. 페라이트 안정화 원소 농도가 높고, 오스테나이트 안정화 원소 농도가 낮아질수록 δ페라이트상이 형성되기 쉽고, 페라이트 안정화 원소 농도와 오스테나이트 안정화 원소 농도가 모두 낮은 경우에는 α'마텐자이트상이 형성되기 쉬워진다.

발명자들의 실험의 결과, 본 발명의 Fe-Mn-Si계 합금에 있어서, 주조 후의 상태, 또는 주조 후, 1000℃, 1분 이상, 균일화 열처리후, 수냉 또는 서냉한 경우에, δ페라이트상 형성을 억제해서 γ오스테나이트 단상을 얻기 위해서 성분 원소의 첨가량이 만족해야 할 조건은 이하의 식(3)으로 주어지는 것이 판명되었다.

[%Ni]+30[%C]+0.5[%Mn]＞0.75[%Cr]+1.125[%Si]+2[%Al] (3)

또한, 식 중의 [%Ni], [%C], [%Mn], [%Cr], [%Si], [%Al]은 Fe-Mn-Si계 합금 주조재의 화학 성분으로서의 Ni, C, Mn, Cr, Si, Al의 질량%를 의미한다.

이상의 것을 근거로 하여, 본 발명의 Fe-Mn-Si계 합금 주조재의 성분 조성에 대해서 바람직한 형태를 예시하면 이하와 같다.

<조성 1>

Fe를 주성분으로서, Mn 및 Si를 필수 성분 원소로서 함유하고, 또한, Cr, Ni, Al, C 중 1종 이상을 임의 성분 원소로서 함유하고, 성분 조성이,

5질량%≤Mn≤35질량%,

1.5질량%≤Si≤6.5질량%,

0질량%≤Cr≤15질량%,

0질량%≤Ni≤15질량%,

0질량%≤Al≤3질량%,

0질량%≤C≤0.4질량%,

잔부 Fe 및 불가피 불순물로서, 다음 식(a)

37＜[%Mn]+0.3[%Si]+0.7[%Cr]+2.4[%Ni]+5.2[%Al]+28[%C]＜45 (a)

또한, 다음 식(b)

[%Ni]+30[%C]+0.5[%Mn]＞0.75[%Cr]+1.125[%Si]+2[%Al] (b)

(식 중 [%Mn], [%Si], [%Cr], [%Ni], [%Al], [%C]는 Mn, Si, Cr, Ni, Al, C의 질량%를 의미한다)

의 조건을 만족한다.

<조성 2>

Fe를 주성분으로서, Mn 및 Si를 필수 성분 원소로서 함유하고, 또한, Cr, Al, C 중 1종 이상을 임의 성분 원소로서 함유하고, 성분 조성이,

25질량%≤Mn≤35질량%,

2질량%≤Si≤6질량%,

0질량%≤Cr≤8질량%,

0질량%≤Al≤3질량%,

0질량%≤C≤0.2질량%,

잔부 Fe 및 불가피 불순물로서, 다음 식(a')

37＜[%Mn]+0.3[%Si]+0.7[%Cr]+5.2[%Al]+28[%C]＜45 (a')

또한, 다음 식(b')

30[%C]+0.5[%Mn]＞0.75[%Cr]+1.125[%Si]+2[%Al] (b')

(식 중 [%Mn], [%Si], [%Cr], [%Al], [%C]는 Mn, Si, Cr, Al, C의 질량%를 의미한다)

의 조건을 만족한다.

<조성 3>

Fe를 주성분으로서, Mn 및 Si를 필수 성분 원소로서 함유하고, 또한, Cr, Ni, C 중 1종 이상을 임의 성분 원소로서 함유하고, 성분 조성이,

10질량%≤Mn≤20질량%,

2질량%≤Si≤6질량%,

5질량%≤Cr≤15질량%,

5질량%≤Ni≤10질량%,

0질량%≤C≤0.2질량%,

잔부 Fe 및 불가피 불순물로서, 다음 식(a'')

37＜[%Mn]+0.3[%Si]+0.7[%Cr]+2.4[%Ni]+28[%C]＜45 (a'')

또한, 다음 식(b'')

[%Ni]+30[%C]+0.5[%Mn]＞0.75[%Cr]+1.125[%Si] (b'')

(식 중 [%Mn], [%Si], [%Cr], [%Ni], [%C]는 Mn, Si, Cr, Ni, C의 질량%를 의미한다)

의 조건을 만족한다.

<조성 4>

Fe를 주성분으로서, Mn 및 Si를 필수 성분 원소로서 함유하고, 또한, Cr, Ni, C 중 1종 이상을 임의 성분 원소로서 함유하고, 성분 조성이,

5질량%≤Mn≤8질량%,

2질량%≤Si≤6질량%,

9질량%≤Cr≤15질량%,

9질량%≤Ni≤15질량%,

0질량%≤C≤0.4질량%,

잔부 Fe 및 불가피 불순물로서, 다음 식(a'')

37＜[%Mn]+0.3[%Si]+0.7[%Cr]+2.4[%Ni]+28[%C]＜45 (a'')

또한, 다음 식(b'')

[%Ni]+30[%C]+0.5[%Mn]＞0.75[%Cr]+1.125[%Si] (b'')

(식 중 [%Mn], [%Si], [%Cr], [%Ni], [%C]는 Mn, Si, Cr, Ni, C의 질량%를 의미한다)

의 조건을 만족한다.

조성 1은 식(1), (2)의 조건을 만족하는 것이며, 상술한 바와 같이 각 성분 원소가 주조 조직이나 반복 변형 조직에 미치는 영향을 고려함으로써 결정되는 본 발명의 Fe-Mn-Si계 합금의 조성의 적합한 실시형태이다.

조성 2는 Mn의 첨가량을 25질량%≤Mn≤35질량%, 및 Si의 첨가량을 2질량%≤Si≤6질량%로 함으로써, 저사이클 피로 수명의 개선 효과가 가장 효과적으로 발휘되는 성분 범위이다. 이 경우에, 식(1), (2)의 조건을 만족시키기 위한 다른 성분 원소의 첨가량은 0질량%≤Cr≤8질량%, 0질량%≤Al≤3질량%, 0질량%≤C≤0.2질량%가 된다.

조성 3은 보다 실용적인 관점에서 대량 생산을 고려하여, Mn의 첨가량을 비교적 낮게 해서 10질량%≤Mn≤20질량%로 함으로써, 전기 로 용해를 용이하게 하기 위한 성분 범위이다. 다른 성분 원소의 첨가량의 범위는 식(1), (2)의 조건에 의해 결정된다.

조성 4는 또한 Mn의 첨가량을 저하시키고, 한편 Cr, Ni의 첨가량을 높임으로써, 내식성의 개선 효과를 얻기 위한 성분 범위이다. 다른 성분 원소의 첨가량의 범위는 식(1), (2)의 조건에 의해 결정된다.

이상과 같은 본 발명의 Fe-Mn-Si계 합금 주조재에 대해서는 그 주조는 원재료의 금속성분을 융해해서 이루어진 것이어도 좋다.

또한, 본 발명의 Fe-Mn-Si계 합금 주조재는 피로 특성이 우수하므로, 종래의 탄성영역 뿐만 아니라 소성영역에서도 사용할 수 있는 주조부재로서의 용도에 적용할 수 있다. 구체적으로는 예를 들면, 본 발명의 Fe-Mn-Si계 합금 주조재는 제진장치용 주조재로서의 용도에 특히 적합하다. 또한, 본 발명의 Fe-Mn-Si계 합금 주조재를 사용한 제진장치, 철골 구조물 및 철근 콘크리트 구조물은 종래재보다 유의하게 우수한 저사이클 피로 수명을 나타낸다.

실시예

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

Mn:15질량%, Cr:10질량%, Ni:8질량%, Si:4질량%, 잔부 Fe 및 불가피 불순물의 성분 조성의 합금(이하, Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si 합금이라고 칭한다.)을 고주파 진공 유도 용해에 의해 제작했다. 이 Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si 합금 주괴로부터 선반가공에 의해 평행부 직경 8mm에서의 저사이클 피로 시험편을 변형축이 주조시에 발달한 주상정과 직교하는 방향으로 제작하고, 실온 대기 중, 0.4%/초의 삼각파, 진폭±1%의 인장 압축 뒤틀림 제어 저사이클 피로 시험을 행하고, 주사형 전자현미경-후방 산란 전자 회절법에 의해, 피로 시험 전후의 조직 관찰을 행했다. 또한, X선 회절에 의한 상의 동정을 행하고, 리트벨트 해석법에 의해 구성상의 체적분률을 평가했다.

도 2는 후방 산란 전자 회절법에 의해 분석한 Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si 합금 주조재의 저사이클 피로 시험 전(주조상태재)의 조직이다. 도 2(a)는 상분포도이며, γ상을 백색, ε상을 회색, α'상을 농회색으로 분포 상태를 나타내고 있다. 도 2(a)의 조직에서는 백색의 γ오스테나이트상이 지배적이며, 약간 회색의 ε마텐자이트상이 산재하지만, 그 체적율은 3%에 미치지 않는다. 또한, γ상은 세로방향으로 주상으로 발달되어 있다. 도 2(b)는 γ상 역극점 방위도이며, 도면 중 입방체 모형의 방향에서 나타내듯이, 주상정은 γ상의 001방위를 따라 발달되어 있다. 이것은 FCC(면심 입방 격자 구조) 금속의 주조 조직에 보여지는 일반적인 특징이다. 도 2(c)는 γ상 001극점도이며, 001방위가 주상정 발달 방향에 평행한 것이 확인된다.

도 3은 Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si 합금 주조재의 저사이클 피로 파단 후의 변형 조직이다. 도 3(a)의 상분포도로부터는 γ상(백색) 내부에 ε상(회색)이 반복 인장 압축 변형 사이에 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 잔류 γ상은 001방위를 따라 성장한 주상정(도 3(b), (d))이며, 그 중에 형성된 수지상 ε상(도 3(c))도 0001 기 저면이 특정 방위 범위에 분포되어 있는 것을 극점도(도 3(e))로부터 알 수 있다. 비특허문헌 2에 따르면, ε상은 일단 형성해도, 변형 방향이 반전되면 역변태에 의해 소멸하는 것을 반복하지만, 인장 압축 변형을 반복하는 동안 서서히 안정화되어서 누적 체적율이 천천히 상승한다.

도 4(a)는 수축공이라고 불리는 응고 수축을, Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si 합금 주조재의 저사이클 피로 파단 후의 조직 중의 분포 상태(광역상 분포도)로서 나타낸 것이며, 도 4(b)는 수축공 주변의 확대도이다. 공극 주변은 잔류 γ상으로 되어 있고, ε상이 발생하고 있는 개소에는 공극의 존재는 거의 보여지지 않는다. 또한, 덴드라이트상 ε상은 박판상의 ε상이 겹쳐져서 형성되어 있는 모양도 판독할 수 있다.

이상의 조직 분석 결과는 Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si 합금의 주조상태재가 도 1의 모식도에 그린 구조와 변형 양식을 나타내는 것을 증명하는 것이다.

도 5는 도 4(b)의 수축공 주변의 성분 원소 농도 분포를 에너지 분산형 X선 분석으로 해석한 결과이다. 도 5(a)∼(f)는 Fe, Cr이 농화되어 있는 영역과, Mn, Ni, Si가 농화되어 있는 영역이 응고 편석에 의해 발생되어 있는 것을 나타내고 있다.

도 6은 열역학 계산 소프트 Pandat을 이용해서 계산한 Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si 합금 중의 각 성분 원소의 액상 농축 경향을 나타내는 도면이다. 도 6(a)의 Lever칙은 열역학 평형 상태를 실현하는데에 충분한 원소확산을 가정한 모델, (b)의 Scheil칙은 액상 농도가 일률적으로 확산이 없는 것을 가정한 모델이다. 이들 모델을 사용함으로써 현실의 재료는 이들 모델의 중간 상태에 있다고 상정해서, 응고 도중의 고액 공존 상태에서 원소가 액상으로 농축되기 쉬운지의 여부를 의논할 수 있다. 이 해석 결과로부터 Mn, Si는 액상 농축의 경향이 강하고, 즉 최종 응고부에 농축되기 쉬운 것을 알 수 있다.

즉, 도 5(a)∼(f)에서 나티내어지는 성분 원소의 편석으로부터는 Fe, Cr 농화 영역이 선행해서 응고된 덴드라이트상 영역의 암 선단이며, Mn, Ni, Si 농화 영역이 최종 응고부인 것을 알 수 있다. 또한, 도 4와의 대비로부터, ε마텐자이트상은 Fe, Cr 농화 영역에만 형성되고, Mn, Ni, Si 농화 영역은 변형에 의해 ε변태하지 않고, γ오스테나이트상인 상태인 것을 알 수 있다. 응고 수축에 기인하는 공극은 최종 응고부의 Mn, Ni, Si 농화 영역에 형성하는 결과, ε변태에 의한 전단 변형을 받지 않으므로, Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si 합금 주조재에 있어서는 도 1의 모식도에 나타낸 바와 같이, 본래 균열 발생의 기점이 되기 쉬운 공극이 반복 변형 하에서 미변형인 상태로 보존되는 메커니즘이 실현되었다고 생각된다.

이하의 표 1에 같은 방법으로 제작한 각 성분 조성의 Fe-Mn-Si계 합금 주괴의 시험편에 대해서 실온 대기 중, 0.4%/초의 삼각파, 진폭±1%의 인장 압축 뒤틀림 제어로 측정한 저사이클 피로 수명을 나타낸다.

실시예 1∼11의 주조재는 변형 전에 체적율 85% 이상의 γ오스테나이트상을 나타내고, 피로 파단 후에는 ε마텐자이트상의 체적율이 증가하고 있는 것이 공통의 특징이며, 또한, 저사이클 피로 수명이 모두 3000사이클을 초과하고 있다. 이것은 가역적인 γ오스테나이트상과 ε마텐자이트상 사이의 마텐자이트 변태가 저사이클 피로 수명의 향상에 유효한 것을 나타내고 있다.

한편, 비교예 1∼8의 주조재는 소성 변형이 γ상의 슬립 변형이거나 α'마텐자이트 변태에 의해 이루어지므로, 가역적인 γ오스테나이트상과 ε마텐자이트상 사이의 마텐자이트 변태에 의한 내피로 메커니즘이 유효하게 작동하지 않는 결과, 저사이클 피로 수명이 3000사이클 미만으로 되어 있다.

또한, 실시예 1의 Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si 합금, 및 실시예 2의 Fe-30Mn-4Si-2Al 합금의 주조재를 1000℃에서 1시간, 또는 24시간, 균일화 열처리한 경우에, 모두 보다 우수한 저사이클 피로 수명이 얻어지는 것이 확인되어 있다(데이터 나타내지 않음).

(산업상의 이용 가능성)

피로 특성이 매우 우수한 본 발명의 Fe-Mn-Si계 합금 주조재를 사용함으로써, 탄성영역 뿐만 아니라 소성영역에서도 사용할 수 있는 주조부재로서 건축·토목구조용 구조부재, 제진 댐퍼, 기계부품, 각종 체결품 등, 산업적으로 주조재의 용도가 비약적으로 넓어지는 효과가 기대된다.

Claims (8)

1. Mn 및 Si를 필수 성분 원소로서 함유하고, 또한, Cr, Ni, Al, C 중 1종 이상을 임의 성분 원소로서 함유하고, 성분 조성이,
   5질량%≤Mn≤35질량%,
   1.5질량%≤Si≤6.5질량%,
   0질량%≤Cr≤15질량%,
   0질량%≤Ni≤15질량%,
   0질량%≤Al≤3질량%,
   0질량%≤C≤0.4질량%,
   잔부 Fe 및 불가피 불순물인 Fe-Mn-Si계 합금 주조재로서, 다음 식(a)
   37＜[%Mn]+0.3[%Si]+0.7[%Cr]+2.4[%Ni]+5.2[%Al]+28[%C]＜45 (a)
   또한, 다음 식(b)
   [%Ni]+30[%C]+0.5[%Mn]＞0.75[%Cr]+1.125[%Si]+2[%Al] (b)
   (식 중 [%Mn], [%Si], [%Cr], [%Ni], [%Al], [%C]는 Mn, Si, Cr, Ni, Al, C의 질량%를 의미한다)
   의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 Fe-Mn-Si계 합금 주조재.
2. 제 1 항에 있어서,
   성분 조성이,
   25질량%≤Mn≤35질량%,
   2질량%≤Si≤6질량%,
   0질량%≤Cr≤8질량%,
   0질량%≤Al≤3질량%,
   0질량%≤C≤0.2질량%,
   잔부 Fe 및 불가피 불순물인 것을 특징으로 하는 Fe-Mn-Si계 합금 주조재.
3. 제 1 항에 있어서,
   성분 조성이,
   10질량%≤Mn≤20질량%,
   2질량%≤Si≤6질량%,
   5질량%≤Cr≤15질량%,
   5질량%≤Ni≤10질량%,
   0질량%≤C≤0.2질량%,
   잔부 Fe 및 불가피 불순물인 것을 특징으로 하는 Fe-Mn-Si계 합금 주조재.
4. 제 1 항에 있어서,
   성분 조성이,
   5질량%≤Mn≤8질량%,
   2질량%≤Si≤6질량%,
   9질량%≤Cr≤15질량%,
   9질량%≤Ni≤15질량%,
   0질량%≤C≤0.4질량%,
   잔부 Fe 및 불가피 불순물인 것을 특징으로 하는 Fe-Mn-Si계 합금 주조재.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 Fe-Mn-Si계 합금 주조재를 사용한 제진장치.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 Fe-Mn-Si계 합금 주조재를 사용한 철골 구조물 또는 철근 콘크리트 구조물.
7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 Fe-Mn-Si계 합금 주조재를 사용한 제진장치용 주조재.
8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 Fe-Mn-Si계 합금 주조재의 제진장치, 철골 구조물 또는 철근 콘크리트 구조물에의 사용.

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