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Contents

요약 8

1. INTRODUCTION 12

2. LITERATURE REVIEW 16

2.1. Titanium carbide 16

2.2. Steel 23

2.2.1. Carbon steel 23

2.2.2. Tool steel 24

2.3. Particulate reinforced metal matrix composites 26

2.4. Fabrication of metal matrix composites 28

2.4.1. Classification of reinforcement injection method 28

2.4.2. Classification for fabrication process 28

2.5. TiC ceramic particulate reinforced steel composites 31

2.6. Ostwald ripening 33

3. EXPERIMENTAL METHOD 34

3.1. Fabrication of infiltrated TiC-Steel composites 34

3.2. Microstructure and chemical composition analysis 40

3.3. Size distribution analysis 41

3.3.1. 3D - size distribution evaluation of TiC raw material 41

3.3.2. 2D - size distribution evaluation of TiC grains on TiC-steel composite 41

3.4. Thermodynamic calculations 44

4. RESULTS AND DISCUSSIONS 45

4.1. Microstructure evolution - Coarsening 45

4.1.1. Microstructure of TiC powder, preform and Composite A 45

4.1.2. Quantitative evaluation on the coarsening of TiC grains 47

4.1.3. Chemical composition analysis 50

4.1.4. Thermodynamic calculations 53

4.1.5. Compositional alternation of TiC grain during coarsening 57

4.1.6. Additional coarsening during solidification process 60

4.2. Effects of Mo, V, and W on the TiC morphology 63

4.2.1. Development of core-rim structure 63

4.2.2. Morphological difference of TiC grains 70

4.2.3. Compositional gradient of Mo, V, and W in rim according to morphological difference of TiC grain 72

4.2.4. Correlation between the initial liquid formation behavior and the composition of (Ti,M)Cx in rim[이미지참조] 75

4.2.5. Morphological evolution mechanism during the coarsening of TiC 78

5. CONCLUSIONS 84

REFERENCE 86

List of Tables

Table 1. General properties of titanium carbide. 22

Table 2. Chemical compositions of steel matrices. 37

List of Figures

Fig. 1. Crystal structure of TiC and the side view of TiC crystal structure for... 18

Fig. 2. Ti-C binary phase diagram. 19

Fig. 3. Lattice parameter of TiC1-x as a function of phase composition.[이미지참조] 20

Fig. 4. Variation of (a) Young's modulus E, (b) Coulomb's (shear) modulus... 21

Fig. 5. SEM Images of TiC powder as raw materials. (a) low resolution image... 35

Fig. 6. XRD analysis of as-received TiC powder. 36

Fig. 7. Schema for the fabrication process of TiC-steel composite including... 38

Fig. 8. Schematic diagram of temperature profile during the infiltration process. 39

Fig. 9. Learning process of reinforcement characteristics from microstructure... 43

Fig. 10. SEM image of (a) as-received TiC powder and BSE images (b) resin-... 46

Fig. 11. Size distribution curves of (a) as-received TiC powder by using... 49

Fig. 12. EPMA chemical analysis of Composite A and schematic diagram of... 52

Fig. 13. Thermodynamic calculations of Composite A (a-c): (a) phase... 56

Fig. 14. TEM-EDS chemical analysis (a-c): (a) FE-SEM image of Composite... 59

Fig. 15. Thermodynamic calculations of Composite A: (a) phase distribution... 61

Fig. 16. Temperature profile diagram of TiC coarsening mechanism during... 62

Fig. 17. BSE images of (a) Composite B, (b) Composite C, (c) Composite D,... 66

Fig. 18. EPMA mapping analysis of Composite B to C with sphere-like TiC... 67

Fig. 19. EPMA mapping analysis of Composite B. 68

Fig. 20. Phase-diagrams of Ti-M-C at 1600℃: (a) Ti-Mo-C, (b) Ti-V-C, and... 69

Fig. 21. Crystallographic orientations of TiC grains analyzed by EBSD: (a)... 71

Fig. 22. EPMA line-scanning analysis for rim of TiC grain: (a) Composite B,... 74

Fig. 23. Thermodynamic calculations of Composites B to E: phase distributions of... 77

Fig. 24. Schematic diagram of effect of Mo, V, and W on morphological... 83

초록보기

본 연구는 가스압 함침된 TiC-steel 복합재료의 제조과정동안 발생하는 TiC 입자 조대화와 형상 변화에 대하여 고찰하였으며, 함침 공정동안 발생하는 주요 미세조직 변화 기구를 규명하였다. TiC-steel 복합재료 제조를 위한 함침 공정동안 상당한 TiC 입자 조대화를 입도분석을 통해 정량적으로 확인하였으며, 조성 분석 및 열역학 계산을 기반으로, TiC 입자 조대화에 대한 기본적인 미세조직 변화 메커니즘은 계면에너지 안정화를 기반으로 한 용해-재석출(Ostwald ripening) 기구와 함께 상의 안정화 과정을 함께 수반한다는 것이 확인하였다. TiC-steel 복합재료에서 관찰된 Core-rim 구조는 기존의 TiC core로부터 함침 공정동안 rim으로 형성되는 (Ti,M)Cx (M＝치환형 원소)상에 의해 개발되는 것이며, TiC가 포화된 액상 기지 steel로부터 형성되는 (Ti,M)Cx rim은 stoichiometric TiC에 비해 Fe가 소량 고용되고, C가 부족한 (Ti,M)Cx 상임을 확인하였다. 또한, (Ti, M)Cx 탄화물을 형성에 강한 경향성을 보이는 Mo, V, W의 유무 및 농도에 따라 성장하는 TiC 입자의 형상학적 차이를 관찰하였다. 곡면의 계면을 가지는 구 형상의 TiC 입자가 개발된 TiC-steel 복합재료는 rim이 성장함에 따라 (Ti,M)Cx rim에서의 Mo, V, W의 농도가 감소하는 것을 알 수 있었으며, planar한 계면을 가진 각진 cube 형상의 TiC 입자가 개발된 TiC-steel 복합재료는 rim 성장에 따른 Mo, V, W 농도에 있어 반대의 경향을 보인다는 것을 확인하였다. 열역학 계산을 기반으로 다른 조성의 4종의 Steel의 초기 액상 형성 거동의 차이로부터 새롭게 형성되는 (Ti,M)Cx rim 내 Mo, V, W의 농도 차이가 기인된다는 것을 확인하였으며, 이는 곧 TiC의 (100)면과 (111)면의 계면에너지 관계를 변화시켜 TiC의 형상학적 변화를 야기함을 확인하였다. 본 연구에서는 위에서 언급한 미세조직적 변화 현상에 대한 깊은 고찰을 바탕으로 steel의 조성의 tailoring을 통한 TiC grain의 형상을 제어할 수 있음을 제안한다.

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