강철이 때때로 예기치 않게 고장 나는 이유가 궁금한 적이 있나요? 이 블로그 게시물에서는 강철 결함의 매혹적인 세계에 대해 자세히 알아볼 것입니다. 숙련된 기계 엔지니어로서 강철의 강도와 성능을 저하시킬 수 있는 다양한 유형의 결함을 조명해 보겠습니다. 이러한 결함의 숨겨진 원인을 알아보고 이를 식별하고 예방하는 방법을 알아보세요. 강철을 바라보는 시각을 완전히 바꿀 귀중한 통찰력을 얻을 준비를 하세요!
강철 결함은 강철의 성능과 품질에 영향을 줄 수 있는 강철의 생산 또는 사용 중 표면 또는 내부에서 발생하는 다양한 비정상적인 현상을 말합니다.
강철의 일반적인 표면 결함에는 균열, 긁힘, 접힘, 귀, 딱지(두꺼운 피부), 용접 흉터, 끝부분 버 등이 있습니다. 또한 롤링 산화물, 패치, 갈라짐, 움푹 파인 표면 및 내포물과 같은 일반적인 표면 결함도 있습니다.
강철 결함의 원인은 이전 홀형 롤 홈의 심한 손상 또는 마모, 압연된 부품에 이물질이 떨어져 강철 표면에 눌리거나 이전 패스 압연 부품의 표면에 결함이 있는 경우 등 다양합니다. 가열 중 산화 분위기는 또한 강철 산화로 이어져 공작물 표면에 FeO, Fe2O3, Fe3O4와 같은 산화물을 형성합니다.
철강 결함 검출 기술은 크게 기존의 수동 육안 검출과 컴퓨터 비전 기반의 자동 검출로 나뉩니다. 최근에는 YOLOv5, YOLOv7과 같은 딥러닝 기반 방법이 철강 표면 결함의 자동 검출에 광범위하게 적용되고 있습니다.
밴딩과 같은 특정 결함의 경우 고온 확산 어닐링 방법을 통해 제거할 수 있습니다. 이 공정은 1050℃ 이상으로 가열하여 탄소 원자가 균일하게 확산되도록 하여 밴딩을 제거합니다.
강철 결함은 강철의 물리적 특성에 영향을 미칠 뿐만 아니라 사용 중 안전 위험을 초래할 수도 있습니다. 따라서 강철 결함을 감지하고 처리하는 것은 강철의 품질과 안전한 사용을 보장하는 데 매우 중요합니다.
강철 결함의 구체적인 이유와 메커니즘은 주로 다음과 같은 사항을 포함합니다:
표면 결함: 이러한 결함에는 균열, 긁힘, 접힘, 귀 등이 포함됩니다. 균열의 형성은 압연 중에 파열되거나 확장되는 강철 잉곳의 표면 기포, 청소되지 않은 균열 및 비금속 내포물, 압연 중에 팽창하여 표면으로 노출되는 강철 잉곳의 내부 균열로 인해 발생할 수 있습니다. 또한 강판 양쪽의 냉각 조건이 일정하지 않은 경우, 압연물의 온도가 고르지 않은 경우, 압연 공정 중 변형이 고르지 않은 경우, 스틸 벨트 롤러 경로의 냉각수가 고르지 않은 경우 등의 요인도 표면 결함을 유발할 수 있습니다.
내부 결함: 여기에는 수축 잔류물, 박리, 백색 반점, 분리, 비금속 내포물, 느슨함 등이 포함됩니다. 이러한 결함은 주로 제강 공정 중 장비, 공정 및 운영상의 이유로 인해 발생합니다.
모양 및 크기 결함: 이러한 결함은 철강 생산 중 크기 제어 문제와 관련이 있을 수 있습니다. 제가 검색한 정보에는 구체적인 생성 메커니즘이 자세히 나와 있지 않지만, 생산 공정 중 온도 제어, 압력 분포 및 기타 요인과 관련이 있을 것으로 유추할 수 있습니다.
기타 요인: 예를 들어 탄소강의 제련 및 압연(단조) 공정 중 장비, 공정 및 운영상의 이유로 발생하는 결함에는 딱지, 비금속 내포물 등이 포함됩니다. 또한 철강 생산에서 재료 특성 및 가공 기술과 같은 불가항력적인 요인의 영향으로 인해 압연 스케일, 반점 등과 같은 다양한 유형의 결함이 표면에 발생할 수 있습니다.
재료는 내구성 있는 공구를 생산하기 위한 기초를 형성합니다. 실제 생산 과정에서 다양한 유형의 재료 결함이 자주 발생합니다.
오늘은 원자재 선택 시 주의를 기울일 수 있도록 16가지 유형의 철강 결함에 대해 알려드리겠습니다.
강철에 산성 에칭 테스트를 실시한 결과, 샘플 표면의 일부 영역이 밀도가 높지 않고 눈에 보이는 공극이 있는 것으로 나타났습니다.
다른 영역에 비해 색조가 고르지 않은 어두운 점으로 나타나는 이러한 공극을 다공성이라고 합니다.
다공성이 시료의 중앙 부분에 집중되어 있는 경우를 중심 다공성이라고 하고, 표면에 고르게 분포되어 있는 경우를 일반 다공성이라고 합니다.
고속 공구강용 GB/T9943-2008과 공구강용 GB/T1299-2014에는 모두 강철의 다공성에 관한 구체적인 규정이 있지만, 공급량이 기준을 초과하는 경우가 많습니다.
다공성은 강철 강도에 큰 영향을 미치며, 다공성의 주요 위험 요소는 다음과 같습니다:
다공성은 강철의 성능에 영향을 미치기 때문에 공구강은 허용 가능한 다공성 수준에 대한 엄격한 요구 사항이 있습니다.
그림 1과 2는 φ90mm W18Cr4V(약칭 W18)를 나타냅니다. 철강 원자재1:1 HCl로 열 에칭 처리 후 다공성 및 다공성 균열 패턴을 보여주는 그림입니다.
그림 3은 1:1HCl로 열 에칭하여 열처리 중 스페어링으로 인해 심각한 균열이 발생한 W18Cr4V 강철 슬롯 밀링 커터의 사진을 보여줍니다.
그림 1 중앙 다공성
그림 2 빌릿 단조 중 중앙 다공성 강철의 균열
그림 3 열처리 중 다공성으로 인한 슬롯팅 커터 재료의 균열
잉곳을 주조하는 동안 액체 강철은 중앙 부분에서 응축 및 수축하여 수축이라고 하는 관 모양의 구멍을 형성합니다.
일반적으로 수축은 잉곳 헤드의 피더 근처에서 발견되며 빌렛을 형성할 때 제거해야 합니다.
그러나 완전히 제거할 수 없는 부분을 수축 잔여물이라고 합니다.
수축을 완전히 제거하는 것이 이상적이지만, 제철소에서는 생산 효율을 우선시하여 잔여물을 남기는 경우가 많아 후속 공정에 돌이킬 수 없는 결과를 초래합니다.
그림 4는 수축 잔류물과 심한 다공성이 있는 φ70mm W18 강철을 1:1 HCl로 열 에칭하여 묘사한 것입니다.
그림 5는 압연 후 1:1 염산을 사용한 열 에칭으로 균열이 형성된 수축 잔류물이 있는 φ70mm W18 강철을 보여줍니다.
몇 년 전, 한 회사에서 φ75mm M2 강철을 절단하는 과정에서 수축 잔류물이 발생했습니다.
그림 4
그림 5: W18 강철 수축으로 인한 균열
고속철 원자재 표면의 세로 균열은 흔히 발생하는 현상입니다.
여기에는 다음과 같은 다양한 원인이 있을 수 있습니다:
(1) 열간 압연 시 냉각 과정에서 응력 집중이 발생하여 표면 균열 또는 다이 구멍으로 인한 스크래치가 불완전하게 제거되어 스크래치 라인을 따라 균열이 발생할 수 있습니다.
(2) 열간 압연 중 다이 홀이 불량하거나 이송 속도가 크면 접힘이 발생하여 후속 가공에서 접힘 선을 따라 균열이 발생할 수 있습니다.
(3) 압연 정지 온도가 너무 낮거나 냉각 속도가 너무 빠르면 열간 압연 중에 균열이 발생할 수 있습니다.
(4) 추운 겨울 날씨에 압연되는 13mm × 4.5mm W18 강철 평강에서 표면 균열이 자주 관찰되며, 이는 균열이 기후 조건의 영향을 받을 수 있음을 나타냅니다.
그러나 동일한 강종과 사양을 다른 시간에 압연할 때는 균열이 관찰되지 않습니다.
그림 6은 1:1 HCl로 열 에칭한 φ30mm W18 강철의 표면 균열(깊이 6mm)을 보여줍니다.
그림 6 표면 균열
고속 강철의 열간 압연 공정 중에 과도한 변형이 발생하면 중심 온도가 낮아지지 않고 높아질 수 있습니다. 이로 인해 열 응력으로 인해 재료 중심에 균열이 생길 수 있습니다.
그림 7은 φ35mm W18 강철(1:1 HCl로 에칭)의 중앙 균열을 보여줍니다.
고속철 원자재의 중앙 균열은 공구 공장에서 흔히 발생하지만, 눈에 보이지 않고 만져서는 감지할 수 없기 때문에 유해합니다. 이러한 균열을 관찰할 수 있는 유일한 방법은 결함 탐지를 통해서입니다.
그림 7 중앙 균열
응고 과정에서 합금 내 화학 원소가 고르지 않게 분포하는 것을 분리라고 합니다. 이는 특히 탄소와 같은 불순물의 분포가 고르지 않은 경우 강철의 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
격리는 마이크로 분리, 밀도 분리, 지역 분리로 더 세분화할 수 있습니다.
밀도 분리는 합금의 구성 상 밀도 차이로 인해 발생하며, 응고 중에 더 무거운 원소는 가라앉고 더 가벼운 원소는 뜨게 됩니다. 국부적 분리는 잉곳이나 주물에 불순물이 국부적으로 축적되어 발생합니다.
그림 8은 W18 강철의 담금질된 금속조형 샘플(4% HNO3 알코올 용액을 사용하여 에칭)로, 십자형 패턴이 나타납니다.
화학 성분을 추가로 분석한 결과 매트릭스 부분은 탄소 함량의 탄소 함량이 더 높은 반면, 십자형 부분은 탄소 함량이 더 높았습니다.
이 십자 모양은 압연 공정 중 탄소와 합금 성분이 분리되어 발생하는 사각형 분리의 결과입니다.
지역 분리가 심하면 강철의 강도가 약해지고 열간 가공 시 균열이 발생하기 쉽습니다.
그림 8 십자형 분리(3×)
고속강(HSS)의 공융 탄화물이 분해되는 정도는 다음과 같습니다. 핫 프레스 공정을 카바이드 불균일성이라고 합니다. 변형이 클수록 카바이드 파단 정도는 높아지고 카바이드 불균일성 수준은 낮아집니다.
강철의 탄화물이 거친 리본, 그물망 또는 큰 탄화물 축적의 형태로 심하게 분해되면 강철의 품질에 상당한 영향을 미칩니다. 따라서 HSS 공구의 품질을 보장하려면 카바이드 불균일성을 세심하게 제어하는 것이 중요합니다.
그림 9는 카바이드 불균일성이 W18 강철의 굽힘 강도에 미치는 영향을 보여줍니다.
그림에서 볼 수 있듯이 불균일성이 있는 7-8 등급의 굽힘 강도는 1-2 등급의 40-50%에 불과하여 강도가 1200-1500MPa로 감소하여 초경합금의 고인성 등급 수준과 동등한 수준에 불과합니다. 수평 성능은 수직 성능의 약 85%입니다.
탄화물의 농도와 밴드형 분포는 또한 고르지 않은 담금질 입자와 고르지 않은 탄화물 용해를 초래하여 각각 과열 경향을 증가시키고 2차 경화 능력을 감소시킬 수 있습니다.
그림 9는 카바이드 불균일성이 W18Cr4V 고속강의 굽힘 강도에 미치는 영향을 보여줍니다.
카바이드 불균일성이 심하면 열간 가공 시 균열 및 과열이 발생하여 완성된 공구가 사용 중 고장날 수 있습니다.
그림 10은 W18 강철의 거친 구역 탄화물로 인한 담금질 균열을 보여줍니다(4% HNO3 알코올 용액으로 에칭).
그림 10 거친 구역 카바이드
열간 압연을 거친 강철 또는 어닐링 는 높은 가열 온도, 입자 성장을 유발하는 긴 유지 시간, 입자 경계를 따라 탄화물 침전을 초래하는 느린 냉각 공정으로 인해 네트워크 탄화물을 형성할 수 있습니다.
네트워크 카바이드가 있으면 공구의 취성이 크게 증가하여 칩핑이 발생하기 쉽습니다. 일반적으로 완전한 네트워크 카바이드는 강철에 허용되지 않습니다.
네트워크 탄화물 검사는 다음을 수행해야 합니다. 담금질 및 템퍼링.
그림 11은 T12A 강철(4% HNO3 알코올 용액으로 에칭)의 네트워크 탄화물을 보여주고, 그림 12는 9SiCr 강철(4% HNO3 알코올 용액으로 에칭)의 네트워크 탄화물의 형태를 보여 주며, 이 과정에서 심각한 과열이 발생했음을 보여줍니다. 어닐링 프로세스.
그림 11 T12A 스틸 메시 카바이드(500×)
그림 12 9SiCr 스틸 메시 카바이드(500×)
HSS 선삭 또는 밀링을 수행하는 공구 밀은 단단한 물질에 부딪혀 손상을 입을 수 있습니다. 이 결함은 일반적으로 고속 선삭 시에는 높은 절삭 속도와 소음으로 인해 쉽게 발견되지 않습니다.
그러나 밀링 중에 다음과 같이 슬롯을 밀링 할 때 삐걱 거리는 소리와 공구의 심한 소손과 같은 덩어리와 이상한 혼돈이 관찰 될 수 있습니다. 트위스트 드릴.
검사 결과, 밝은 블록은 육안으로 볼 수 있으며 경도가 1225HV에 이르는 매우 높은 것으로 확인된 반면, 경도가 낮은 부분은 정상적인 어닐링 상태입니다. 이를 "굳은 덩어리"라고 합니다.
굳은 덩어리가 있으면 공구가 손상되고 절단이 어려워집니다.
이러한 단단한 덩어리의 형성은 제련 과정에서 화학 성분이 분리되어 발생하는 것으로 생각되며, 일종의 고경도 복합 탄화물 또는 제련 중 내화 합금 블록을 추가한 결과일 수 있습니다.
그림 13은 W18 강철의 경화 덩어리(4% HNO3 알코올 용액으로 에칭)의 거시 구조를 보여주며, 흰색 물질은 경화 덩어리이고 회색 및 검은색 영역은 비트 홈을 나타냅니다.
그림 13 W18 강철 경화 덩어리의 거시 구조(20×)
내포물은 강철의 일반적인 결함으로 금속성 내포물 및 비금속 포함.
금속 내포물은 제련 과정에서 합금철이 불완전하게 녹거나 이물질이 남아 있기 때문에 형성됩니다. 강철 잉곳.
비금속 내포물은 두 가지 유형으로 나뉩니다:
(1) 내인성 내포물: 주로 더러운 주입 시스템, 장비에서 내화성 진흙을 벗겨내거나 불순한 충전 물질을 사용하여 발생하는 경우입니다;
(2) 제련 과정에서 화학 반응으로 인해 생성되고 침전된 내포물. 그림 14는 다음을 보여줍니다. 금속 내포물 에서 발견되며, 그림 15는 담금질 중 균열을 일으키는 비금속 개재물(4% HNO3 알코올 용액으로 에칭)을 나타냅니다.
그림 14 금속 내포물
그림 15 담금질 중 비금속 개재물로 인한 균열(400×)
내포물은 강철의 품질에 해로운 영향을 미칩니다. 내포물은 강철 매트릭스를 분할하고 가소성과 강도를 감소시켜 압연, 단조 및 열처리 중에 내포물 주변에 균열이 생기기 쉽습니다.
내포물은 또한 강철의 피로를 유발할 뿐만 아니라 절삭 및 연삭 시 어려움을 초래할 수 있습니다. 따라서 공구강은 내포물에 대해 지정된 요구 사항을 충족해야 합니다.
철강 제련 과정에서 성분 분리로 인해 탄화물이 고르지 않게 분포하거나 철 합금의 탄화물이 완전히 녹지 않아 단조 후에도 분쇄되지 않고 남아있는 큰 각 탄화물이 발생할 수 있습니다.
이러한 벌크 카바이드가 있으면 공구의 취성이 증가하고 기울어질 위험이 높아집니다.
열처리 과정에서 이러한 큰 탄화물과 합금 원소가 농축되어 과열, 템퍼링 부족, 입자 경계를 따라 균열이 발생하는 등의 결함이 발생할 수 있습니다.
그림 16은 대형 탄화물 주변 성분의 분리로 인한 담금질 중 과열을 보여줍니다(4% HNO3 알코올 용액에 에칭).
그림 16 담금질 중 벌크 탄화물 주변의 성분 분리로 인한 과열(500×)
액체 금속의 응고 과정에서 탄소와 합금 원소의 분리로 인해 냉각 중에 큰 탄화물 블록이 침전될 수 있습니다.
액화라고 하는 이러한 분리는 후속 공정 중에 쉽게 제거되지 않으며 강철의 압연 방향으로 벌크 조스터 카바이드가 존재하게 됩니다.
그림 17은 4% HNO3 알코올 용액으로 에칭된 CrMn 액상을 보여줍니다.
그림 17 카바이드 액화(500×)
액화가 있는 강철은 연속적인 금속 매트릭스가 파괴되어 강도가 감소하기 때문에 매우 부서지기 쉽습니다. 이전에는 CrWMn 및 CrMn 강철에서 액화가 흔히 발견되었으며, 이를 사용하여 게이지를 만들면 매끄러운 표면을 얻기가 어려웠습니다.
어닐링 온도가 너무 높고 유지 시간이 너무 길기 때문에 강철의 느린 냉각 과정에서 탄화물은 흑연으로 알려진 유리 탄소로 쉽게 분해됩니다.
그림 18은 T12A 강철의 흑연 탄소 미세 구조(4% 쓴산 알코올 용액으로 에칭)를 보여줍니다.
그림 18 T12A 강철의 흑연 탄소 미세 구조(500×)
흑연 탄소가 침전되면 강철의 강도와 인성이 크게 감소하여 나이프 및 중요 부품 생산에 적합하지 않습니다. 흑연 탄소가 많이 함유된 강철은 검은색 균열이 나타납니다.
흑연 탄소의 존재 여부는 정성 및 정량 분석을 위한 화학 분석을 통해 확인할 수 있으며, 금속학적 방법을 통해 그 모양과 분포를 관찰할 수 있습니다.
또한 흑연 주변에 페라이트 조직이 증가합니다.
공구 및 금형 제조 기업에서 재료 혼합은 관리 부실과 낮은 수준의 결함으로 인해 발생하는 일반적인 문제입니다. 혼합 재료에는 혼합 강재, 혼합 사양, 혼합 용광로 번호의 세 가지 측면이 포함될 수 있습니다.
특히 잘못된 열처리로 인해 많은 문제를 야기할 수 있는 잘못된 열처리는 이의를 제기할 방법이 없습니다. 때때로 부적합한 도구 재료 구성 요소도 발생합니다.
일부 고속강 부품은 특히 탄소 함량이 높거나 낮은 경우 GB/T9943-2008 고속 공구강 표준을 충족하지 못합니다. 예를 들어 W6Mo5Cr4V2Co5는 HSS-E 유형에 속하지만 탄소 함량이 표준 하한보다 낮습니다.
고성능 HSS라고 표시되어 있지만 열처리 후 경도는 67HRC에 미치지 못합니다. 제철소는 HSS-E 유형에 속하는 강재의 경도가 최소 67HRC에 도달할 수 있는지 확인해야 합니다.
공구에 그렇게 높은 경도가 필요한지 여부는 공구 공장의 내부 문제이며 제철소의 책임이 아닙니다.
그러나 경도가 67HRC에 미치지 못하면 제철소의 결함입니다. 또한 부적합한 경우도 많이 있습니다. 다이 스틸 구성으로 인해 지속적인 분쟁이 발생하고 있습니다.
국가는 다음과 같은 표준을 설정했습니다. 강철의 탈탄그러나 철강 공급업체는 종종 이러한 기준을 초과하는 자재를 공급하여 공구 제조 회사에 상당한 경제적 손실을 초래합니다.
탈탄층이 있는 소재의 경우 담금질 후 공구의 표면 경도가 감소하고 내마모성이 떨어집니다. 따라서 잠재적인 품질 문제를 방지하려면 가공 중에 탈탄층을 완전히 제거해야 합니다.
그림 19는 W18 강철 원료의 탈탄 형태를 보여줍니다(4% HNO3 알코올 용액에 에칭). 탈탄 영역은 바늘 모양의 강화 마르텐사이트이며, 비탈탄 영역은 담금질된 마르텐사이트, 탄화물 및 잔류물로 구성됩니다. 오스테나이트.
그림 20과 21은 각각 M2 강철과 T12 강철의 탈탄(4% HNO3 알코올 용액에 에칭)을 보여줍니다.
T12 강철의 경우 완전히 탈탄 된 층은 페라이트이며 전이 영역은 탄소가 적은 템퍼링으로 구성됩니다. 마텐사이트로 구성되어 있으며, 비탄화 영역은 강화 마르텐사이트와 탄화물로 구성되어 있습니다.
그림 19 오스템퍼드 탈탄층(250×)
그림 20 M2 강철의 탈탄
그림 21 T12A 강철의 탈탄층(담금질→템퍼링 후) (200×)
우리는 특정 회사에서 13mm x 4.5mm 크기의 W18 강철 플랫 바를 선택하여 1210℃, 1230℃, 1270℃의 온도에서 염욕에서 담금질했습니다.
가열 시간은 200초, 입자 크기는 그림 22와 같이 10.5였습니다. 담금질 후 경도는 65~65.5HRC였는데, 놀랍게도 550℃에서 3번 담금질한 후 경도가 감소했습니다.
이러한 비정상적인 상황을 '일화'라고 합니다.
그림 22 W18 강철 담금질 등급 10.5(500×)
탄화물이 우리를 속이고있는 것 같습니다. 즉, 탄화물이 가열되면 다음과 같이 용해되지 않습니다. 오스테나이트 템퍼링 과정에서 침전되지 않습니다.
이것은 단순히 출입이 불가능하다는 것인데, 2차 경화는 어디에 있을까요?
문제의 근원은 탄화물이 우리를 놀리는 것, 즉 가열 중에 오스테나이트에 용해되지 않고 템퍼링 과정에서 침전이 일어나지 않는다는 것입니다.
단순히 출입이 불가능한 경우일 뿐인데, 2차 경화는 어디에서 발생하는 것일까요?
표면 결함은 육안으로 쉽게 확인할 수 있습니다:
강철의 물리적 특성에 대한 강철 결함의 구체적인 영향은 주로 다음과 같은 측면을 포함합니다:
경도 및 가소성의 변화: 특정 요인의 영향을 받으면 강철의 강도는 증가하지만 동시에 가소성과 인성은 감소하여 경화라고 하는 취성이 증가합니다. 이는 일반적으로 탄성 한계가 증가하여 소성 단계로 진입하는 반복적인 하중 하에서 발생합니다.
내마모성 및 피로 저항성에 미치는 영향: 표면 품질 결함은 열연 스트립 강의 미적 외관에 영향을 미칠 뿐만 아니라 마모 및 피로 저항을 포함한 기계적 특성과 내식성에도 악영향을 미칠 수 있습니다.
도구 마모 및 매끄럽지 않은 표면: 재료에 느슨함이 있으면 공구강으로 만든 공구의 표면이 과도하게 마모되고 매끄럽지 않을 수 있습니다. 따라서 공구강에는 허용 가능한 느슨함 수준에 대한 엄격한 요구 사항이 있습니다.
미세 구조 및 결함의 분산: 강철의 인성은 주로 화학 성분보다는 미세 구조와 결함의 분산(집중된 결함 방지)에 따라 달라집니다. 인성은 열처리 후 상당한 변화를 겪습니다.
어닐링 및 정상화 처리의 효과: 어닐링은 강철의 경도를 낮추고 가소성을 개선하며 입자를 정제하고 주조, 단조 및 용접으로 인한 구조적 결함을 제거하며 강철의 구조와 조성을 균질화하고 강철의 내부 응력 및 작업 경화를 완화할 수 있습니다. 정규화는 대형 주조품, 단조품, 용접품에도 비슷한 효과를 가져옵니다.