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Fig. 1은 elbow 제작에 사용된 오스테나이트계 STS304L 강의 미세조직을 광학현미경으로 나타낸 것이다. 조직 내 부분적으로 쌍정이 존재하고 있는 오스테나이트 조직으로서 오스테나이트계 스테인리스강이 갖는 정형적인 조직임을 알 수 있다.

Fig. 1 
Optical micrography of STS 304L stainless steel (x200)

Fig. 2는 냉간 및 열간 성형으로 제작된 elbow의 미세조직을 광학현미경으로 나타낸 것이다. (a)는 냉간 성형으로 제작된 elbow의 미세조직이다. 이것은 오스테나이트에 냉간 성형으로 생성된 마르텐사이트가 소량 존재하고 있는 2상 조직으로 되어 있다. (b)는 열간 성형으로 제작한 elbow의 미세조직이다. 이것은 냉간 성형에서 생성되는 마르텐사이트가 없고, 오스테나이트 단상임을 알 수 있다. 이 결과로부터 냉간 성형은 오스테나이트의 일부가 마르텐사이트로 변태되어 2상으로 존재하지만,^6,7,9) 열간 성형은 오스테나이트 단상이 되는 것을 알 수 있다.

Fig. 2 
Optical micrography of elbow obtained from cold and hot forming (x200), (a) Cold forming, (b) Hot forming

Fig. 3은 냉간 및 열간 성형으로 제작된 elbow의 고용화 열처리 영향을 광학현미경으로 관찰하여 나타낸 것이다. 고용화 열처리 후의 조직은 성형 방법과 관계없이 오스테나이트 단상조직이다. 그러나 Fig. 1의 모재 미세조직보다 결정립이 약간 성장하였다. 이 결과로부터 성형 후 열처리하면 약간 결정립이 성장하고, 냉간 성형으로 생성된 마르텐사이트가 전부 오스테나이트로 역변태하는 것을 알 수 있다.¹⁵⁾

Fig. 3 
Optical micrography of after heat treatment in elbow obtained from cold and hot forming (x200), (a) Cold forming, (b) Hot forming

Fig. 4는 냉간 성형으로 제작된 elbow의 X선 회절시험에서 얻은 회절선도를 분석하여 나타낸 것이다. 이것은 오스테나이트의 피크와 α’마르텐사이트의 피크가 존재하고 있는 것을 알 수 있다. 냉간 성형 elbow는 오스테나이트의 일부가 마르텐사이트로 변태하여, 오스테나이트에 마르텐사이트가 함께 존재하는 2상 조직이 되는 것을 알 수 있다.⁷⁾

Fig. 4 
X-Ray diffraction pattern of elbow obtained from cold forming

Fig. 5는 열간 성형으로 제작된 elbow의 X선 회절시험에서 얻은 회절선도를 분석하여 나타낸 것이다. 이것은 냉간 성형 elbow와 다르게 오스테나이트의 피크만 존재하고 있는 것을 알 수 있다. 이 결과로부터 열간 성형 elbow는 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하지 않는다는 것을 알 수 있다.

Fig. 5 
X-Ray diffraction pattern of elbow obtained from hot forming

Fig. 6은 냉간 성형 elbow의 미세조직을 주사전자현미경으로 관찰하여 나타낸 것이다. 이것은 오스테나이트에 냉간 성형으로 생성된 소량의 마르텐사이트가 부분적으로 표면 기복을 일으키고, 일부는 서로 교차하면서 생성되었다.^8-10) 이 결과로부터 냉간 성형 elbow는 오스테나이트의 일부가 마르텐사이트로 변태하는 것을 확연히 알 수 있다.

Fig. 6 
SEM micrography of elbow after cold forming

Fig. 7은 열간 성형으로 제작된 elbow의 미세조직을 주사전자현미경으로 나타낸 것이다. 이 조직은 오스테나이트 단상으로 되어 있다. 즉, 열간 성형은 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하지 않는다는 것을 알 수 있다.

Fig. 7 
SEM micrography of elbow after hot forming

Fig. 8은 냉간 성형으로 제작한 elbow를 고용화 열처리한 후의 미세조직을 주사전자현미경으로 관찰하여 나타낸 것이다. 고용화 열처리는 1,050℃에서 30분 유지 후 수냉하였다. 이것은 냉간 성형으로 생성된 마르텐사이트가 사라지고, 오스테나이트 단상으로 되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 냉간 성형으로 생성된 마르텐사이트는 고용화 열처리로 전부 오스테나이트로 역변태하는 것을 알 수 있다.¹²⁾

Fig. 8 
SEM micrography of cold forming elbow after heat treatment

Fig. 9는 냉간 및 열간 성형으로 제작한 elbow와 고용화 열처리한 elbow의 인장강도를 조사하여 나타낸 것이다. 냉간 성형 elbow의 인장강도는 모재보다 17% 높고, 열간 성형 elbow는 3.7% 낮은 것을 알 수 있다. 이와 같은 이유는 냉간 성형 elbow는 Fig. 2, 4 및 6에서 알 수 있는 바와 같이 오스테나이트의 일부가 마르텐사이트로 변태할 뿐만 아니라 강도에 영향을 미치는 전위 등이 생성되기 때문에 강도가 크게 높아졌다.^6,9,12) 열간 성형 elbow는 Fig. 2 및 5에서 알 수 있는 바와 같이 성형과정에서 조직변화가 없을 뿐만 아니라, 가열과정에서 결정립이 성장하였다. 또한 열간 성형과정에서 생성된 강도에 영향을 미치는 전위 등은 성형 후 냉각되는 과정에서 소멸되어 강도가 약간 낮아졌다고 판단된다.

Fig. 9 
Effect of forming process on the tensile strength

한편, 냉간 및 열간 성형 elbow의 인장강도는 열처리로 감소하였다. 냉간 성형 elbow는 열처리로 많이 감소하는데, 열간 성형 elbow는 약간 감소하였다. 냉간 성형 elbow의 강도가 크게 감소하는 이유는 강도에 크게 영향을 미치는 냉간 성형으로 생성된 마르텐사이트가 오스테나이트로 역변태하고, 전위 등과 같은 결함들이 소멸되었기 때문이라 판단된다.¹²⁾ 그러나 열간 성형 elbow는 열간 성형으로 조직변화 없이 오스테나이트로 되어있을 뿐만 아니라, 열처리하는 동안 결정립이 성장하기 때문에 약간 감소하였다고 판단된다.

Fig. 10은 냉간 및 열간 성형으로 제작한 elbow와 고용화 열처리한 elbow의 연신율을 조사하여 나타낸 것이다. 냉간 성형 elbow의 연신율은 모재에 비하여 많이 감소하였으나,¹²⁾ 열간 성형 elbow는 약간 감소하였다. 냉간 성형 elbow는 Fig 2, 4 및 6에서 알 수 있는 바와 같이 냉간 성형하는 동안 오스테나이트의 일부가 마르텐사이트로 변태할 뿐만 아니라, 강도에 크게 영향을 미치는 전위 등이 생성되었기 때문이다.^7,9) 열간 성형 elbow는 Fig. 2 및 5에서 알 수 있는 바와 같이 성형과정에 조직변화가 없을 뿐만 아니라, 가열과정에서 결정립이 성장하여 감소하였다고 판단된다.

Fig 10 
Effect of forming process on the elongation

한편, 열처리한 냉간 및 열간 성형 elbow의 연신율은 열처리전에 비하여 크게 증가하였다. 고용화 열처리한 냉간 성형 elbow의 연신율이 증가하는 이유는 가공으로 생성된 마르텐사이트가 오스테나이트로 역변태하고, 전위 등과 같은 결함들이 소멸되었기 때문이라 판단된다.¹²⁾ 고용화 열처리한 열간 성형 elbow의 연신율이 성형전 보다 약간 증가하는 이유는 성형하는 동안 조직변화가 없었고, 또한 고용화 열처리하는 동안 연신율의 감소에 영향을 미치는 결함 등이 완전 소멸되었기 때문이라 판단된다. 이상의 결과로부터 냉간 성형 elbow의 인장강도는 모재보다 약 17% 증가하였으나, 연신율은 약 38% 감소하였다. 그러나 냉간 성형 후 고용화 열처리하면 강도는 모재 정도로 회복하고, 연신율 약 83% 정도 회복하는 것을 알 수 있다. 한편, 열간 성형 elbow의 강도와 연신율은 크게 변화가 없을 뿐만 아니라, 열간성형 후 고용화 열처리하여도 큰 변화가 없는 것을 알 수 있다.