[논문]고강도 열연강판의 기계적 성질과 석출거동에 미치는 권취온도와 합금원소의 영향

강성수; 이오연; 한상호; 진광근; 성백석

doi:10.3740/mrsk.2003.13.10.683

문제 정의

따라서 본 연구는 10nm 크기 이하의 초미세 석출물을 이용한 780 MPa급 열연강판 개발을 위한 기초적 연구로서 Ti, Nb 등의 미량첨가원소를 첨가한 microalloying steel의 합금성분제어와 여러 열연공정인자중 특히 런아웃 테이블(run out table)상에서의 권취온도에 따른 기계적 성질과 석출물의 거동에 대하여 조사하였다.

가설 설정

아울러 시편 주변의 배경 산란 보정을 위하여 Cd 마스크 및 시료 흘(empty hole)을 측정하였으며, 다공성 SiO₂ 표준 시료의 SANS를 측정하여 시편의 절대산란 강도를 보정하였다. 이와 같이 계산된 시편의 절대산란 강도로부터 석 출물 크기를 여러 개의 정규로그 분포로 표현할 수 있다고 가정하고, 모델링하여 석출물의 단위 부피당 개수 및 부피분율을 계산하였다. 본 시편들의 해석에서 주된 석출물의 조성은 (Ti, Nb)C로 가정하여 철 기지와 (Ti, Nb)C 석출물간의 산란대비는(ΔP)hc= 6.

제안 방법

용해. 주조한 60TX160WX250 L(mm) 크기의 잉곳을 1200℃로 가열한 후 조압연하여 두께 30mm 슬래브를 제조하였으며, 이렇게 제조된 슬래브는 1200℃ 로 재가열하여 1시간 유지한 후 5회 압연하여 두께 3.0mm 까지 열간압연 하였다. 이때 마무리온도는 A 및 B 시편 의 경우 850℃였으며, C 시편은 890℃로 제어하였다.
이때 마무리온도는 A 및 B 시편 의 경우 850℃였으며, C 시편은 890℃로 제어하였다. 또한 열간압연직후 런아웃 테이블에서 시편의 냉각속도 는 일반적인 열연강판의 냉각속도에 해당하는 50~80℃/s의 냉각속도로 권취온도(400~700℃)까지 냉각하였고, 권 취공정은 각각의 권취온도에서 1시간 유지한 후 노냉하여 권취공정을 재현하였다.
미세조직은 압연방향에 수직한 면을 기계연마한 후 3% 나이탈 용액으로 부식하여 광학현미경으로 관찰하였으며, 열연강판에 석출된 미세 석출물을 관찰하기 위하여 추출 레프리카법을 이용하여 시편을 제작한 후 투과전자현미경 (TEM, 120 kV, Philips CM 120)으로 관찰하였다. 미세 석출물의 크기분포와 부피분율 측정은 한국원자 력 연구소의 하나로에 설치된 중성 자소각산란장치 (SANS)를 이용하였다.
1A'(Q = 4n-sin(0)/A, 20 = scattering angle, A = wavelength)으로 관찰하고자 하는 주된 석출물의 크기 영역은 약 6~60nm이었다. 아울러 시편 주변의 배경 산란 보정을 위하여 Cd 마스크 및 시료 흘(empty hole)을 측정하였으며, 다공성 SiO₂ 표준 시료의 SANS를 측정하여 시편의 절대산란 강도를 보정하였다. 이와 같이 계산된 시편의 절대산란 강도로부터 석 출물 크기를 여러 개의 정규로그 분포로 표현할 수 있다고 가정하고, 모델링하여 석출물의 단위 부피당 개수 및 부피분율을 계산하였다.
인장시험은 시편규격을 JIS 5호로 가공한 다음 10 mm/ min의 속도로 실험을 하여 인장 및 항복강도, 균일 연신율, 총 연신율을 구하였다.
또한 제조된 열연강판을 120X120X3 mm 크기로 절단한 다음 시편 중앙에 직경 10 mm의 구멍을 내고만 능드로잉 시험기를 이용하여 구멍확장율(Hole Expanding Ratio, HER) 시험을 하였다. 이때 사용된 구멍확장용 펀치는 STD11 재질의 60° 원추형 펀치이며, 펀치의 지름은 직경 40 mm를 사용하였다.
이때 사용된 구멍확장용 펀치는 STD11 재질의 60° 원추형 펀치이며, 펀치의 지름은 직경 40 mm를 사용하였다. 확장되는 구멍 단부에 균열이 발생하여 시편의 두께를 관통하는 즉시 펀치의 상승을 정지시키고, 압연방향에 대하여 각각 0°, 45°, 90° 방향으로 직경을 측정하여 산술 평균값(]%)을 구한 후 식 (1)과 같이 구멍확장율을 구하였다.
초미세 석출물을 이용한 780MPa급 고강도 열연강판 개발을 위해 Nb, Ti첨가 HSLA강을 제조하여 열간압연 후 제조공정 조건이 미세조직, 기계적 성질 및 석출거동에 미치는 영향을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시편은 50 kg 용량의 고주파유도로(VIM)에서 진공용해 하였으며, Table 1은 각 시편의 화학적 조성과 마무리 온도(FT)를 나타낸 것이다.
미세 석출물의 크기분포와 부피분율 측정은 한국원자 력 연구소의 하나로에 설치된 중성 자소각산란장치 (SANS)를 이용하였다. 중성자 검출기는 분해능 5X5 mm, 검출면적 65X65 cm인 He-3 gas 검출기를 사용하였으며, 측정 영역은 0.01 ~0.1A'(Q = 4n-sin(0)/A, 20 = scattering angle, A = wavelength)으로 관찰하고자 하는 주된 석출물의 크기 영역은 약 6~60nm이었다. 아울러 시편 주변의 배경 산란 보정을 위하여 Cd 마스크 및 시료 흘(empty hole)을 측정하였으며, 다공성 SiO₂ 표준 시료의 SANS를 측정하여 시편의 절대산란 강도를 보정하였다.

데이터처리

이와 같이 계산된 시편의 절대산란 강도로부터 석 출물 크기를 여러 개의 정규로그 분포로 표현할 수 있다고 가정하고, 모델링하여 석출물의 단위 부피당 개수 및 부피분율을 계산하였다. 본 시편들의 해석에서 주된 석출물의 조성은 (Ti, Nb)C로 가정하여 철 기지와 (Ti, Nb)C 석출물간의 산란대비는(ΔP)hc= 6.249X10-6 cn로 하였고, 해석은 SASFIT 프로그램을 이용하여 Q = 0.01~0.1 영역에서 모델링하였다.

이론/모형

미세조직은 압연방향에 수직한 면을 기계연마한 후 3% 나이탈 용액으로 부식하여 광학현미경으로 관찰하였으며, 열연강판에 석출된 미세 석출물을 관찰하기 위하여 추출 레프리카법을 이용하여 시편을 제작한 후 투과전자현미경 (TEM, 120 kV, Philips CM 120)으로 관찰하였다. 미세 석출물의 크기분포와 부피분율 측정은 한국원자 력 연구소의 하나로에 설치된 중성 자소각산란장치 (SANS)를 이용하였다. 중성자 검출기는 분해능 5X5 mm, 검출면적 65X65 cm인 He-3 gas 검출기를 사용하였으며, 측정 영역은 0.

성능/효과

미량의 합금원소인 Ti, Nb, Cr, Mo 등을 첨가한 HSLA강은 고용강화, 입자 미세화강화 및 석출강화 등의 각종 강화기구를 이용하여 최소한 550 MPa 이상의 항복강도를 얻을 수 있다.9)이때 석출강화 효과를 극대화 하기 위하여 일반적으로 권취온도는 550~620℃ 범위로 설정흐}는 것이 바람직하며 기본조직은 첨가원소량 및 냉각속도에 따라 차이는 있으나, 페라이트, 베이나이트, 펄 라이트의 복합조직 또는 페라이트 단상조직을 갖는다. Kawano 등은 페라이트-펄라이트를 기본조직으로 하는 HSLA강의 경우 페라이트 결정립이 미세할수록 균일 연신율은 향상되나 국부 연신율과 신장플랜지성은 저하된 다고 주장하고 있는 반면에, Morita 등”)은 페라이트 단 상강의 경우 페라이트 결정립이 미세화됨에 따라 신장플 랜지성이 향상된다고 하였다.
4는 A시편에 대한 기계적 성질과 신장플랜지성에 미치는 권취온도의 영향을 나타낸 것이다. 권취온도가 상승함에 따라 인장강도는 연속적으로 저하되지만 항복강도는 600℃ 권취온도에서 최대값을 보인 후 다시 감소하는 경향을 보였다. 이와 같은 항복강도 증가현상은 페라이트 기지내에 미세한 NbC석출에 의한 석출강화 효
과에 기인되며 이보다 높은 권취온도에서는 석출물의 조대화 및 결정립 성장으로 인해 강도가 저하되는 것으로 생각된다. 한편 연신율 및 신장플랜지성은 권취온도가 상승함에 따라 증가하는 경향을 보이는데, 신장플랜지성의 경우 모든 권취온도 조건에서 38.0~48.0%로써 비교적 낮은 값을 나타냈다.
5는 B 시편의 기계적 성질과 신장플랜지성에 미치는 권취온도의 영향을 나타낸 것으로 인장강도와 항복강도는 권취온도가 상승함에 따라 감소하며 신장플랜지성은 증가하는 경향을 보였다. 550℃ 권취온도에서 인장 강도와 연신율은 각각 825.7 MPa, 22%로서 매우 우수한 기계적 성질을 나타내었다. 이것은 결정립 미세화 (2.
1) 0.07C-0.4Mo-0.1Ti강은 등축페라이트의 단상조직이 얻어지며 500℃의 권취온도에서 인장강도는 853.1 MPa, 신장플랜지성은 60%를 나타내었다. 연신율은 20.
3) 석출물의 크기 분포는 5nm 이하의 석출물과 20~ 40 nm 크기의 석출물로서 주요 석출물의 분포가 2개의 피크로 나뉘어 있다. 이것은 석출물이 핵 생성된 후 용질 원자들의 확산율속에 의해 성장한 다음 조대화되는 현상에 기인한다.
2) SANS 측정결과 0.045C-0.4Mo-0.3Cr-0.03Nb강은 5nm 이하의 석출물이 최대 4x103개/〃n?정도로서 석출 강화를 크게 기대하기 어렵다. 그러나 0.

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