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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 Nb, Ti, V 등을 각각 첨가한HSLA 주강의 열처리 조건에 따른 기계적 특성을 평가하고 비교 분석하였다.
- 충격치는 그림 2의 경도값과는 반비례하는 경향을 나타내며 오스테나이징 온도가 감소함에 따라 대체로 충격치는 증가하는 경향을 나타낸다. 서두에서도 언급했듯 HSLA 주강은 주 목적은 C-Mn 주강을 대체하는 데 그 목적이 있다. 따라서 HSLA 주강이 C-Mn 을 대체하려면 C-Mn의 충격치(본연구결과에서 측정한 결과 SC46 구조물의 경우 약 2kg-m/cmz) 비해 동 등 이상이어야 한다.
제안 방법
- HSLA 주강의 경우 템퍼링 온도와 시간은 석출물의 경도에 미치는 중요한 변수 중의 하나이며 주로 580-660 ºC 온도 범위에서 이루어진다.(1) 본 연구에서는 오스테나이징 온도를 1150ºC 및 950ºC로 한 경우에 있어 템 퍼링 시간에 따른 경도 변화를 관찰하였으며 템퍼링온도는 600ºC로 일정하게 하였다.
- HSLA주강의 열처리 조건에 따른 특성을 비교평가하기 위하여 표 1과 같이 microalloying element 인 Nb, V 및 Ti를 각각 0.15%씩 첨가한 3종와 화학 조성으로 진공주조 후 그림1에서와 같이 열처리 롤 실시하였고 노말라이징시 냉각속도는 IP/sec로 하였다. 열처리는 오스테나이징 온도별 변화가 기계적 특성에 미치는 영향을 알기 위해 1050 ℃에서 2시간 균질화 처리 후 1150℃-950℃ 구간에서 단계별로 2시간씩 열처리를 하였으며 이때 템퍼링 조건은 60bC에서 4시간 동안 동일하게 유지하였다.
- Nb, Ti 및 V를 0.15%씩 각각 첨가한 3종의 HSLA 주강에 대해 오스테나이징 온도를 에서 950℃ 구간에서 열처리하거나 템퍼링 시간을 10분에서 10시간까지 변하시킨 공냉조직의 기계적 특성 및 조직학적 특성 등을 관찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 템퍼링 시간이 기계적 특성 등에 미치는 영향을 검토하기 위해 오스테나이징 온도를 1150℃ 및 950℃ 두 조건에서 유지 후 10분-10시간 범위 내에서 템퍼링 시간 변화에 따른 특성을 분석하였다. 기계적 특성을 평가하기 위한 수단으로 비커스 경도 및 샤르피 충격시험을 수행하였으며 조직 관찰을 위해 광학현미경 및 SEM을 사용하였고 TEM을 이용석출물의 거동을 분석하였다.
- 본 연구에서는 오스테나이징 온도를 115CTC부터 950℃ 구간 사야에서 각각 변화시켜가며 가열 후 공냉시킨 경우의 졍도 및 충격값의 변화를 관찰하였다. 그림 2는 경도 결과를 나타낸 것이다.
- 15%씩 첨가한 3종와 화학 조성으로 진공주조 후 그림1에서와 같이 열처리 롤 실시하였고 노말라이징시 냉각속도는 IP/sec로 하였다. 열처리는 오스테나이징 온도별 변화가 기계적 특성에 미치는 영향을 알기 위해 1050 ℃에서 2시간 균질화 처리 후 1150℃-950℃ 구간에서 단계별로 2시간씩 열처리를 하였으며 이때 템퍼링 조건은 60bC에서 4시간 동안 동일하게 유지하였다. 템퍼링 시간이 기계적 특성 등에 미치는 영향을 검토하기 위해 오스테나이징 온도를 1150℃ 및 950℃ 두 조건에서 유지 후 10분-10시간 범위 내에서 템퍼링 시간 변화에 따른 특성을 분석하였다.
- 오스테나이징 온도가 석출물의 분포나 크기에 미치는 영향을 평가하기 위해 1150r 및 950℃에서 각각 오스테나이징한 Nb, Ti 및 V 첨가시험편에 대해 TEM을 이용석 출물을 관찰하였다. 그림8은 그 결과를 나타낸 것이다.
- 템퍼링 시간 증가에 따른 보다 구체적인 조직인 석출 그림 11은 그 결과를 나타낸 것이다. 이 결과에 의하면 템퍼링 전이나 후를 비교 시 Nb, Ti 및 V석출물의 분포나 크기변화는 거의 없는 것을 알 수 있는데 이러한 사실로 보아 공냉시 템퍼링에 의한 석출효과는 그다지 크지 않으며 이는물 변화를 보기 위해 TEM 관찰을 하였다. 그림 13은 11501 오스테나이징 열처리 조건에 대한 10분 및 10시간 템퍼링에서의 석출물 변화를 나타낸 결과이다.
- 그러나 오스테나이징 온도가 다를 경우 석출에 기여하지 않고 페라이트(ferrite) 중에 고용되어 있는 성분 등에 의한 고용 강화 효과도 차이가 날 수 있다. 이러한 가능성을 검토하기 위해 Nb , Ti 및 V 첨가 시험 편의 950ºC 및 1150ºC 열 처리 조건에 대한 페라이트 경도를 측정하였다. 표 2는 그 결과를 나타낸 것이다.
- 이러한 템퍼링 초기의 경도상승 현상은 템퍼링에 의한 석출 현상 때문일 가능성이 높다. 이러한 석출 효과를 확인하기 위해 템퍼링전 및 템퍼링 10분 후의 석출물의 거동을 관 찰하였다.
- 열처리는 오스테나이징 온도별 변화가 기계적 특성에 미치는 영향을 알기 위해 1050 ℃에서 2시간 균질화 처리 후 1150℃-950℃ 구간에서 단계별로 2시간씩 열처리를 하였으며 이때 템퍼링 조건은 60bC에서 4시간 동안 동일하게 유지하였다. 템퍼링 시간이 기계적 특성 등에 미치는 영향을 검토하기 위해 오스테나이징 온도를 1150℃ 및 950℃ 두 조건에서 유지 후 10분-10시간 범위 내에서 템퍼링 시간 변화에 따른 특성을 분석하였다. 기계적 특성을 평가하기 위한 수단으로 비커스 경도 및 샤르피 충격시험을 수행하였으며 조직 관찰을 위해 광학현미경 및 SEM을 사용하였고 TEM을 이용석출물의 거동을 분석하였다.
성능/효과
- 이와 같은 단점을 보완하기 위해 고려할 수 있는 것이 HSLA 주강 (cast steel) 로서 이재질은 HSLA 가공재 (wrought steel) 에서의 Nb, V, Ti 등과 같은 미량원소첨가에 의한 석출 강화, 결정립 미세화 및 고용강화 등에 의한 강도항상 효과를 주강에 적용한 예이다.1) 따라서 HSLA 주강과 가공재의 물리야금 학적인 원리는 유사하나 화학성분이나 조직 및 제조공정은 판이하다. 즉 탄소 함량을 낮추고 적절한 미량원소첨가와 열처리 조건에 의한 입자미세화, 석출경화 효과 및 고용강화를 얻을 수 있는 HSLA (High Strength Low Alloy)주강으로 기존의 C-Mn 주강을 대체시 높은 강도값, 인성값과 같은 우수한 기계적 특성을 얻을 수 있어 실제 부품에 적용 시, 무게 감소와 비용절감을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, C함량의 저하에 의한 우수한 용접성 및 우수한 열적 특성도 기대할 수 있다.
- 1) 오스테나이징 온도를 1150℃로 하여 2시간 가열시킨 경우 첨가원소의 종류에 관계없이 경도가 가장 증가하였으며 오스테나이징 온도를 1100℃로 낮춤에 따라 경도는 급속히 감소하여 그 이하의 온도에서는 서서히 경도가 감소하는 경향을 나타내었고 결정립의 크기는 반대의 경향을 나타내었다.
- 2) 오스테나이징 온도를 1153℃로 하여 2시간 가열시킨 경우 Nb, Ti, V 첨가원소 중에서 경도가 가장 높게 나타난 것은 Ti 첨가 HSLA 주강이며 오스테나이징 온도 변화에 따라 경도차가 나는 주된 이유는 베이나이트 조직의 상대적인 양과 고용 강화에 주로 기인한 것으로 석출물의 영향은 거의 미미하였다.
- 3) 1150℃에서 오스테나이징 한 Ti 첨가 HSLA 주강의 경우를 제외하고는 대부분의 경우에 있어C-Mn 주강을 대체 하기 위한 최소 충격 값인 2kg-m/cm2 이상의 충격치를 나타내었다.
- 4) 1150℃에서 오스테나이징 한 경우 첨가원소의 종류에 관계없이 10분 정도 템퍼링에서 경도가 약간 증가하여 그 이후는 템퍼링 시간이 중가함에 따라 약간의 기복 현상을 보이며 일정하게 유지되는 경향을 나타냈으나 V 첨가 HSLA 주강의 경우 템퍼링 시간이 1시간 이후부터 감소하기 시작하여 10시간 후에는 상당히 감소하는 경향을 나타내었는데 이는 석출물의 조 대화 때문이다.
- 5) 950℃에서 오스테나이징 한 경우 Nb, Ti 첨가의 경우 10분 정도 템퍼링에서 경도가 약간 증가하는 경항을 나타내었으나 미미한 수준이었고 그아후는 템퍼링 시간이 증가함에 따라 약간의 기복 현상을 보이며 일정하게 유지되는 경향을 나타내었다.
- Ti 첨가의 경우도 Nb 첨가의 경우와 유사하게 조대한 석출물이 950℃에서도 녹지 않고 남아있음을 알 수 있다. 석출물의 성분은 Nb 첨가시험편의 경우와는 달리 EDS 분석 결과 Ti 외에 S가 검출됨을 알 수 있었다. 이러한 사실로 보아 Ti 첨가의 경우 석출물은 carbo- sulphide로도 존재함을 알 수 있으며 이는 다른 문헌*에서도 확인된다.
- 그러나 Nb 첨가 HSLA 주강의 경우 긴 꼬리를 가지는 석출물형상도 관찰되는데 이는 성분분석결과 Nb가 대부분이거나 Nb와 Mo 성분이 혼합된 것으로 나타났으며 cubic 형태를 제외한 대부분의 부정형 석출물에서는 Nb 성분 단독으로 존재하는 경우는 거의 없었다. 석출물의 크기는 첨가원소의 종류에 관계없이 큰 것과 작은 것이 혼재함을 알 수 있었고 1㎛에 서부터 수nm 크기까지 다양하였으나 강도에 큰 영향을 주는 lOnrn 이하 의 석출물은 많지 않았다. 석출물의 성분은 대부분 Nb, V, 및 Ti를 위주로 하지만 공통적으로 첨가된 Mo, Si, Al 등도 관찰되었다 - Nb 첨가석출물의 경우 오스테나이징 온도가 1150℃ 인 경우 950℃에 비해 큰 석출물의 크기가 상대적으로 적어 보이는데 이는 1150℃ 에서는 일부 석출물이 오스테나이트 중으로 용해된 반면 950℃에 서는 그렇지 않고 석출물이 남아 있었기 때문으로 판단된다.
- 그림 2는 경도 결과를 나타낸 것이다. 이 결과에 의하면 V첨가 HSLA주강의 경우를 제외하고는 주조 조직에서는 대체로 높은 경도값을 가지지만 열처리가 진행됨에 따라 경도가 점차 감소하는 것을 알 수 있다. 오스테나이징 온도에 따른 경도값은 첨가원소의 종류에 관계없야 1050℃에서 2시간 균질화 처리 후.
- 그림 11은 그 결과를 나타낸 것이다. 이 결과에 의하면 템퍼링 전이나 후를 비교 시 Nb, Ti 및 V석출물의 분포나 크기변화는 거의 없는 것을 알 수 있는데 이러한 사실로 보아 공냉시템 퍼링에 의한 석출 효과는 그다지 크지 않으며 이는 템퍼링에 의한 석출효과는 그다지 크지 않으며 이는템퍼링 초기에 경도향상 효과가 그다지 크지않은 결과와 잘 일치한다. 그리고 비록 석출 현상에 의한 경도 향상 효과가 약간 있더라도 주조시험 편의 경우 특히 관찰부위에 따랴 석출물의 크기나 분포의 변화가 심하므로 TEM 관찰에 의한 석출물의 거동으로 5-20Hv 정도의 경도 향상 효과를 설명하기에는 다소 무리인 것으로 판단된다
- 1150℃ 에서 2시간 오스테나이징시 가장 높은 경향을 나타내는 것을 알 수 있고 이러한 경향은 Ti 첨가주강의 경우 가장 심하며 그 다음이 V 첨가 주강이다. 이러한 사실로 미루어 보아 Ti 첨가 HSLA 주강의 경우 U5CTC에서 오스테나이징 처리를 하면 Nb나 V 첨가 HSLA 주강보다도 매우 높은 경도값을 얻음을 알 수 있다. 그러나 1050℃의 오스테나이징 온도부터는 첨가원소의 종류에 관계없이 오스테나이징 온도가 감소함에 따라 점차적으로 완만한 경도 감 소를 나타냄을 알 수 있다.
후속연구
- 따라서 동일 냉각 속도에서는 단연 베이나이트의 양이 가장 많은 것은 V 첨가 HSLA 주강일 것이다. 그러나 변태점 저하에 영향을 미칠 수 있는 요인들은 합금원소별로도 차이가 나고 이외에도 여러 가지가 복합적으로 존재하므로 이에 대해서는 좀 더 많은 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 1) 따라서 HSLA 주강과 가공재의 물리야금 학적인 원리는 유사하나 화학성분이나 조직 및 제조공정은 판이하다. 즉 탄소 함량을 낮추고 적절한 미량원소첨가와 열처리 조건에 의한 입자미세화, 석출경화 효과 및 고용강화를 얻을 수 있는 HSLA (High Strength Low Alloy)주강으로 기존의 C-Mn 주강을 대체시 높은 강도값, 인성값과 같은 우수한 기계적 특성을 얻을 수 있어 실제 부품에 적용 시, 무게 감소와 비용절감을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, C함량의 저하에 의한 우수한 용접성 및 우수한 열적 특성도 기대할 수 있다.2~8)그러나 HSLA 주강이 많은 적용 분야에 대한 잠재적인 가능성을 가지고 있음에도 불구하고 아직까지 재질 규격이나 사용처 및 체계적인 연구 등 이 미진한 실정이며1) 특히 기계적 특성에 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 열처리 조건에 대한 첨가원소별 영향에 대한 체계적인 연구는 많지 않은 실정이다.
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