Effect of Ni or Cu content on Microstructure and Mechanical Properties of Solution Strengthened Ferritic Ductile Cast Iron

고용강화 페라이트계 구상흑연주철의 미세조직 및 기계적 성질에 미치는 Ni 및 Cu의 영향

In order to experimentally investigate the effect of Ni or Cu addition on microstructure and mechanical properties of high Si Solution Strengthened Ferritic Ductile cast Iron (SSF DI), a series of lab-scale sand casting experiment were conducted by changing initial concentration of Ni up to 3.0wt% or Cu up to 0.9wt% in the alloy. It was found that increase in Ni or Cu content in the alloy leads to increase in strength properties and hardness as well as decrease in ductility. The higher Ni or Cu content the SSF DI has, the higher fraction of pearlite was observed. At similar levels of Ni or Cu contents in the alloy, higher pearlite area fraction was observed in the Cu-containing SSF DI than that in the Ni-containing SSF DI. When the effect of the microstructure on the mechanical properties of Ni-containing SSF DI was considered, Ni-containing SSF DI was found to have excellent strength and hardness as well as good elongation when the pearlite fraction was controlled less than 10%. As the pearlite fraction in the Ni-containing SSF DI exceeds 10%, however, it shows drastic decrease in elongation. Meanwhile, gradual increase in strength and hardness, and decrease in elongation with respect to increase in pearlite fraction were observed in Cu-containing SSF DI. The different microstructure-mechanical property relationships between Ni-containing and Cu-containing SSF DI were due to the combined effect of the relatively weak pearlite stabilizing effect of Ni compared to that of Cu in high Si SSF DI, and matrix strengthening effect caused by the different amounts of those alloying elements required for similar pearlite fraction.

Ni 혹은 Cu 첨가에 따른 고규소 고용강화 페라이트계 구상흑연주철의 기계적 성질과 미세조직 변화를 실험적으로 확인하기 위해, Ni 및 Cu 투입량을 3.0wt% 이내 그리고 0.9wt% 이내에서 조절하여 시편단위 사형주조를 진행하였다. 실험 결과 고용강화 페라이트계 구상흑연주철 내 Ni 혹은 Cu 함량이 증가하면 합금 내 강도 특성과 경도가 증가하였고 연성은 감소하였다. 한편, 합금 내 Ni 및 Cu 함량이 비슷한 경우, Ni이 포함된 고용강화 페라이트계 구상흑연주철보다 Cu가 포함된 합금이 더 높은 펄라이트 분율을 나타내었다. Ni이 포함된 고용강화 페라이트계 구상흑연주철의 미세조직에 미치는 기계적 성질의 경우에는 펄라이트 분율이 10% 이내 일 때 강도, 경도, 연신율이 우수하였으나, 펄라이트 분율이 10% 이상 증가할 경우 급격한 연신율 감소를 나타내었다. 한편, Cu가 첨가된 고용강화 페라이트계 구상흑연주철의 경우에는 펄라이트 분율 증가에 따라 강도와 경도는 점점 증가하였으며 연신율은 점점 감소하는것을 확인하였다. 고용강화 페라이트계 구상흑연주철 내 첨가원소에 따른 이러한 미세조직과 기계적 성질 차이는 Cu 대비 Ni의 낮은 펄라이트 안정화 효과와 첨가원소 함량에 따른 기지상 강화효과 차이가 복합적으로 작용하였기 때문으로 판단된다.