고품질 원자재는 고품질 체결 부품 생산의 기본입니다. 그러나 많은 체결 부품 제조업체의 제품에서 균열이 발생합니다. 왜 이런 현상이 발생하는 걸까요?

현재 국내 제철소에서 공급하는 탄소 구조용 강선재의 일반적인 규격은 φ 5.5~φ 45이며, ​​보다 성숙한 규격은 φ 6.5~φ 30입니다. 인 편석으로 인한 품질 사고가 많이 발생하는데, 특히 소형 강선재나 봉재의 인 편석이 대표적인 예입니다. 인 편석의 영향과 균열 발생 기전에 대한 분석은 아래에서 참고 자료로 소개합니다. 철-탄소 상평형도에서 인이 첨가되면 오스테나이트 상 영역이 닫히고 고상선과 액상선 사이의 거리가 필연적으로 증가합니다. 인을 함유한 강이 액체에서 고체로 냉각될 때, 넓은 온도 범위를 거쳐야 합니다.

강철에서 인의 확산 속도는 느리고, 인 농도가 높은 용융철(낮은 융점)에는 최초 응고된 수지상 결정이 많아 인 편석이 발생합니다. 냉간 단조 또는 냉간 압출 과정에서 균열이 자주 발생하는 제품의 경우, 금속 조직 검사 및 분석 결과 페라이트와 펄라이트가 띠 모양으로 분포되어 있고, 기지 내에 백색 띠 모양의 페라이트가 관찰됩니다. 띠 모양의 페라이트 기지에는 간헐적으로 연회색의 황화물 개재대가 나타나는데, 이러한 황화물 띠 구조를 황화물 편석으로 인한 "유령선(ghost line)"이라고 합니다.
그 이유는 인 편석이 심한 영역에서 인 농축 부위에 밝은 백색 영역이 나타나기 때문입니다. 연속 주조 슬래브에서 백색 영역의 인 함량이 높기 때문에 인이 풍부한 주상 결정이 농축되어 인 함량이 감소합니다. 빌릿이 응고될 때 오스테나이트 수지상 결정이 용강에서 먼저 분리됩니다. 이 수지상 결정 내의 인과 황은 감소하지만, 최종적으로 응고된 용강에는 인과 황 원소가 남아 있습니다. 인과 황 원소 함량이 높기 때문에 수지상 결정 축 사이에서 응고가 일어납니다. 이때 황화물이 형성되고 인은 기지에 용해됩니다. 인과 황 원소 함량이 높기 때문에 이 부분에서 황화물이 형성되고 인은 기지에 용해됩니다. 따라서 인과 황 원소 함량이 높기 때문에 인 고용체 내의 탄소 함량도 높아집니다. 탄질대 양쪽, 즉 인 부화 영역 양쪽에는 페라이트 백색대와 평행한 길고 좁은 간헐적인 펄라이트대가 형성되고, 인접한 정상 조직이 분리됩니다. 가열 압력 하에서 빌릿은 축 사이의 가공 방향으로 확장되는데, 페라이트대에 인 함량이 높기 때문에 인 편석이 발생하여 넓고 두꺼운 백색 페라이트대 구조가 형성됩니다. 넓고 두꺼운 백색 페라이트대에는 밝은 회색 황화물 띠도 나타나는데, 이는 황화물이 풍부한 인 페라이트대의 긴 띠 형태로 분포되어 있으며, 이를 일반적으로 "유령선"이라고 부릅니다. (그림 1-2 참조)

플랜지 볼트

열간압연 공정에서 인 편석이 발생하면 균일한 미세구조를 얻을 수 없습니다. 더욱 중요한 것은 인 편석이 "유령선" 구조를 형성하여 재료의 기계적 특성을 필연적으로 저하시킨다는 점입니다. 탄소 결합강에서 인 편석은 흔히 발생하지만 그 정도는 다양합니다. 심각한 인 편석("유령선" 구조)은 강재에 매우 악영향을 미칩니다. 명백히, 심각한 인 편석은 냉간 단조 균열의 원인입니다. 강재의 각 결정립 내 인 함량이 다르기 때문에 재료의 강도와 경도가 달라집니다. 또한, 이는 재료 내부에 응력을 발생시켜 균열 발생을 용이하게 합니다. "유령선" 구조를 가진 재료에서는 경도, 강도, 파괴 후 연신율, 단면 감소율, 특히 충격 인성이 감소하기 때문에 재료 내 인 함량이 강재의 구조 및 특성과 밀접한 관련이 있음을 알 수 있습니다.
시야 중앙의 "유령선"과 같은 조직에서 금속 조직 검사를 통해 다량의 얇고 밝은 회색 황화물이 검출되었습니다. 구조용 강재의 비금속 개재물은 주로 산화물과 황화물 형태로 존재합니다. GB/T10561-2005 강재 내 비금속 개재물 함량 분류 기준에 따르면, B급 개재물의 황화물 함량은 2.5 이상입니다. 비금속 개재물은 균열 발생의 잠재적 원인이 될 수 있으며, 강구조물의 연속성과 치밀성을 심각하게 손상시켜 입계 강도를 크게 저하시킵니다.
강철 내부 구조의 "유령선(ghost line)"에 존재하는 황화물이 가장 쉽게 균열이 발생하는 부분으로 추정됩니다. 따라서 생산 현장에서 냉간 단조 및 열처리 담금질 과정에서 다수의 체결 부품에 균열이 발생하는데, 이는 다량의 밝은 회색 장립 황화물 때문입니다. 이러한 부직포 형태의 황화물은 금속의 연속성을 저해하고 열처리 시 균열 발생 위험을 증가시킵니다. "유령선"은 노멀라이징 등의 방법으로 제거할 수 없으므로, 제련 전 또는 원자재가 공장에 반입되기 전에 불순물 함량을 엄격하게 관리해야 합니다. 비금속 개재물은 조성 및 변형성에 따라 알루미나(A형), 규산염(C형), 구형 산화물(D형)로 구분됩니다. 이러한 개재물은 금속의 연속성을 단절시키고 박리 후 구멍이나 균열을 형성하여 냉간 단조 시 균열 발생을 용이하게 하고 열처리 시 응력 집중을 유발하여 담금질 균열을 일으킬 수 있습니다. 따라서 비금속 개재물은 엄격하게 관리해야 합니다. 현행 구조용 탄소강 GB/T700-2006 및 GB T699-2016 고품질 탄소강 규격에서는 비금속 개재물에 대한 요구사항을 제시하고 있습니다. 중요 부품의 경우, 일반적으로 A, B, C형 조립계열 및 세립계열은 1.5 이하, D, Ds형 조립계열 및 2등급은 2등급 이하로 제한됩니다.

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