본 연구는 철계 제진합금에 내식성을 향상시키고자 Cr을 첨가한 Fe-Mn-Cr계를 기본 조성으로 하여 제진성이 우수하면서 강도가 높고 내식성이 우수한 제진합금을 도출하고자 Cu, Co 및 Si 함량을 달리한 합금을 설계한 후 미세조직, 기계적 성질, 제진성 및 내식성을 조사한 연구이다. 이들 제진합금을 내마모성 및 내식성이 요구되는 부품에 적용하기 위하여 고온가스질화를 하였으며, 고온질화의 조건에 따른 상변화, 질소 및 합금원소의 거동, 경도변화, 내식성 및 제진특성을 조사하였다. 또한 기계적 특성과 진동 감쇠능을 향상시키기 위하여 고용화 어닐링 및 고온가스질화를 각각 수행한 후 냉간 가공도를 달리하여 소성변형을 시켜 상변화, 기계적 성질 및 제진성을 조사하였다.
첫째, 합금에 따른 미세조직 관찰 결과, Fe-20Mn-12Cr-1Cu (D1Cu), Fe-20Mn-12Cr-4Co-0.5Si (D4Co5Si), Fe-20Mn-12Cr-4Co-1Si (D4Co10Si) 및 Fe-20Mn-12Cr-6Co-0.5Si (D6Co5Si) 합금은 오스테나이트와 ε-마르텐사이트로 구성되어 있었고, Fe-20Mn-12Cr-3Co (D3Co) 및 Fe-20Mn-12Cr -4Co-2.5Si (D4Co25Si) 합금은 오스테나이트, ε-마르텐사이트 및 페라이트 세 상으로 구성되어 있었다. 투과전자현미경으로 관찰 결과, 오스테나이트 및 ε-마르텐사이트 내부에 적층결함이 많이 존재하며, ε-마르텐사이트는 얇은 판상 형태로 {111}γ//{0001}ε 및 <110>γ//<1120>ε의 방위관계를 가지며 형성되어 있었다. 인장강도는 D1Cu 합금이 가장 낮고 D6Co5Si 합금이 가장 높았으며, Co의 첨가량이 많을수록 인장강도는 상승하였다. Fe-20Mn-12Cr-4Co-xSi계에서는 Si 함량이 증가할수록 인장강도는 감소하였고, 연신율은 크게 증가하였다. 진동감쇠능은 Co 함량이 증가 할수록 향상되었으며, D4CoxSi계 합금에서는 Si이 1.0 wt.% 함유된 D4Co10Si 합금이 가장 우수하였다. 이는 Si 함량이 1.0 wt.%일 때 ε-마르텐사이트 분율이 가장 높으며 Si 함량이 2.5 wt.% 일 때는 ε-마르텐사이트 분율이 감소하며 적층결함 에너지가 높은 페라이트가 형성되었기 때문이라 판단된다. 1N H2SO4 수용액에서 동전위 분극시험 결과 Co 첨가로 인하여 대체적으로 부동태 영역이 감소되고, Si의 첨가량이 증가되면 부동태 전류밀도가 증가하여 내식성이 저하되었다.
둘째, Fe-20Mn-12Cr-1Cu 합금을 1000℃ ∼ 1150℃의 온도범위에서 고온 가스질화한 후 미세조직 변화를 관찰하였다. 오스테나이트와 ε-마르텐사이트로 구성된 원소재는 고온 가스질화에 의하여 질소가 침투된 표면층은 오스테나이트 단상으로 변화되었으며, 질소가 침투되지 않은 내부는 오스테나이트와 ε-마르텐사이트 혼합상을 유지하고 있었다. 고온 가스질화 온도가 높을수록 표면층에 침투되는 오스테나이트 안정화 원소인 질소의 농도는 증가하고 질소의 침투 깊이가 깊어져서 표면층의 오스테나이트 단상 영역의 깊이가 깊게 나타났다. 1000℃에서 고온 가스질화 한 경우 최외각 표면부에 Cr nitride가 형성되었는데 이는 열역학적으로 계산한 상태도와 잘 일치하였다. 표면층에 질소고용으로 인해 표면경도가 오스테나이트와 ε-마르텐사이트로 구성된 내부에 비해 150Hv 이상 증가하였다. 이 합금은 적층결함 에너지가 낮은 합금으로 표면의 오스테나이트는 가벼운 연마만으로 쉽게 적층결함이 발생되어 ε-마르텐사이트가 형성되었다. 따라서 고온질화에 의한 오스테나이트 상변화는 제진특성을 저해하지 않았을 것이며, 내식성은 향상되었다. 또한 기계적 특성 등을 판단하여 볼 때 1050℃ 이상에서의 고온가스질화처리는 적합한 표면처리로 기대되었다.
셋째, 고온가스질화에 의해 Fe-22Mn-12Cr-4Co-xSi 제진합금의 미세조직 변화와 상변태에 미치는 Si 첨가의 영향에 대하여 조사하였다. 고온가스질화에 의해 오스테나이트, ε-마르텐사이트 및 페라이트로 구성된 기지조직이 오스테나이트 단상으로 변화되었다. Si 함량 증가에 따라 정합석출물의 밀도는 감소하였으며 Stacking fault의 밀도는 증가하였다. 정합 석출물과 질소의 침입형 원소 고용효과는 표면부의 경도증가를 가져왔다. 따라서 고온가스질화는 제진합금의 표면특성을 향상시킬 수 있는 유용한 방법으로 생각되었다. Si은 표면으로부터 내부로의 질소 확산을 저해하며 nitride 형성을 방해하였다. Si 함량증가에 따라 내식성이 향상되었는데, 이는 Si 함량이 많을수록 질화물의 형성이 적어 내식성이 향상되는 것으로 판단된다.
넷째, D1Cu 및 D3Co 합금을 1100℃에서 각각 고용화 어닐링과 고온가스질화 후 냉간 가공도를 달리하여 소성변형시켜 상변화, 기계적 특성 및 제진특성을 조사하였다. 오스테나이트와 ε-마르텐사이트 혼합상을 가지는 D1Cu 합금과 오스테나이트, ε-마르텐사이트 및 페라이트 혼합상을 가지는 D3Co 합금은 냉간가공도에 따라 ε-마르텐사이트 및 α'' 마르텐사이트가 형성되어 가공이 심할수록 왜곡이 발생하였다. D1Cu 합금은 가공도에 따라 항복강도와 인장강도가 증가하며, 제진성은 가공도가 15%일 때 최대값을 보이다가 감소되고, D3Co 합금은 가공도에 따라 인장강도가 증가하며 제진성은 가공도가 10%일 때 최대값을 보였다. 표면부의 미세조직이 각각 오스테나이트 및 오스테나이트와 페라이트의 혼합상인 D1Cu 합금과 D3Co 합금은 고온가스질화 후 냉간가공에 의해 ε-마르텐사이트 및 α'' 마르텐사이트가 형성되었다. D1Cu 합금의 경우 고온가스질화 후 가공도가 15% 일 때 제진특성이 가장 우수하였다. D3Co 합금은 고온가스질화 후 가공도가 증가함에 따라 진동감쇠능이 향상되었으며, 이는 압연율 증가에 따라 전체의 진동감쇠능이 표면층 상변화에 의한 영향보다는 내부의 상변화가 더 크게 영향을 미치기 때문이다. 고온가스질화 후 냉간압연한 D1Cu 합금과 D3Co 합금은 가공도가 증가할수록 경도는 상승하였으며, 30%의 가공도에서 표면경도 상승폭이 가장 컸다.