[논문]Microalloyed 강에서 복합 탄질화물의 재용해 거동

정재길; 박준수; 하양수; 이영국; 배진호; 김기수

[국내논문] Microalloyed 강에서 복합 탄질화물의 재용해 거동
Dissolution Behavior of Complex Carbonitrides in a Microalloyed Steel 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.21 no.6, 2008년, pp.287 - 292

정재길 (연세대학교 공과대학 신소재공학과) , 박준수 (연세대학교 공과대학 신소재공학과) , 하양수 (연세대학교 공과대학 신소재공학과) , 이영국 (연세대학교 공과대학 신소재공학과) , 배진호 (포스코기술연구소) , 김기수 (포스코기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Dissolution behavior of complex carbonitrides in a Nb-Ti-V microalloyed steel was quantitatively examined by electrical resistivity, transmission electron microscopy (TEM), and optical microscopy. The electrical resistivity increased with solution treatment temperature up to $1250^{\circ}C$ for a holding time of 15 min. But, an increasing rate of electrical resistivity with temperature was obviously decreased above $1150^{\circ}C$. As the solution treatment temperature increases, irregular shaped Nb-rich carbonitrides disappear and cuboidal Ti-rich carbonitrides are observed. Abnormal grain growth occurs above $1250^{\circ}C$ for a holding time of 15 min. The optimal solution treatment temperature of a Nb-Ti-V microalloyed steel was determined as $1200^{\circ}C$ for a holding time of 15 min.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

따라서, 본 연구에서는 전기 비저항을 이용하여 Nb, Ti, 그리고 V이 복합 첨가된 microalloyed 강에서 응고나 열간 압연 중 이미 석출된 복합 석출 물들의 재용해 거동을 정량적으로 측정하였다. 또한 투과 전자 현미경을 통해 석출물의 형상, 크기, 조성을 측정하였으며, 광학 현미경을 통해 석출물의 재용해에 따른 비정상 결정립 성장을 관찰하여, Nb, Ti, V 복합 첨가 microalloyed 강의 용체화 처리 조건을 실험적으로 결정하고자 하였다.
따라서, 본 연구에서는 전기 비저항을 이용하여 Nb, Ti, 그리고 V이 복합 첨가된 microalloyed 강에서 응고나 열간 압연 중 이미 석출된 복합 석출 물들의 재용해 거동을 정량적으로 측정하였다. 또한 투과 전자 현미경을 통해 석출물의 형상, 크기, 조성을 측정하였으며, 광학 현미경을 통해 석출물의 재용해에 따른 비정상 결정립 성장을 관찰하여, Nb, Ti, V 복합 첨가 microalloyed 강의 용체화 처리 조건을 실험적으로 결정하고자 하였다.
POSCO에서 제공된 슬라브에서 준비된 판상 시편(20 × 20 × 1 mm3)을 진공 관상로를 이용하여 1100, 1150, 1200, 그리고 1250℃에서 각각 15분간 용체화 처리를 실시한 후 수냉하였고, 300℃에서 템퍼링을 실시하였다.
7 mm³의 판상으로 가공되었으며, 기계적 및 화학적 연마 후 ASTM 측정법 중 하나인 van der Pauw법[7]을 이용하여 25℃에서 전기 비저항을 측정하였다. 전위나 공공 등이 전기 비저항에 미치는 영향을 K_a1 (200)의 Line Broadening(LB)을 통해 보정하기 위해 X선 회절 분석을 실시하였다. 이때 주사선은 Fe − K_a(λ = 1.
전기 비저항을 이용하여 측정된 복합 탄질화물의 재용해 거동을 검증하기 위해 carbon extraction replica를 제작하여 투과 전자 현미경(TEM, JEM 2100F)과 에너지 분산 분광법(EDS)을 통해 석출물의 형상, 크기, 조성을 관찰하였다. 또한 석출물의 재용해에 따른 오스테나이트 결정립 크기를 측정하기 위해, 과포화 피크릭산 수용액을 이용하여 에칭한 후 광학현미경을 이용하여 용체화 처리 온도에 따른 오스테나이트 결정립 크기를 관찰하였다.
전기 비저항을 이용하여 측정된 복합 탄질화물의 재용해 거동을 검증하기 위해 carbon extraction replica를 제작하여 투과 전자 현미경(TEM, JEM 2100F)과 에너지 분산 분광법(EDS)을 통해 석출물의 형상, 크기, 조성을 관찰하였다. 또한 석출물의 재용해에 따른 오스테나이트 결정립 크기를 측정하기 위해, 과포화 피크릭산 수용액을 이용하여 에칭한 후 광학현미경을 이용하여 용체화 처리 온도에 따른 오스테나이트 결정립 크기를 관찰하였다.
그림 1을 살펴보면 열역학적으로 계산된 석출물들의 평형 재용해 온도가 약 1500℃이므로, 그림 2에서 1250℃까지 가열하여도 전기 비저항 값이 수렴하는 구간은 나타나지 않았으나, 전기 비저항 값이 1150℃까지 급격히 증가하고 1150℃ 이후로는 온도에 따른 전기 비저항의 증가폭이 감소함을 확인할 수 있다. 복합 석출물들의 재용해에 미치는 용체화 처리 시간의 영향을 알아보기 위해 1250℃에서 1시간 동안 유지한 시편의 전기 비저항도 측정하였다. 그림 2에 나타낸 바와 같이 1250℃에서 15분 유지한 시편에서보다 전기 비저항이 약간 증가하지만, 그 증가폭이 크지 않아 Nb, Ti, V 복합 첨가 microalloyed 강의 석출물의 재용해 조건 결정시 유지 시간의 영향은 크지 않은 것으로 생각된다.
전기 비저항을 이용하여 측정된 재용해 거동을 검증하기 위하여 슬라브 시편, 1100, 1150, 1200, 그리고 1250℃에서 15분 유지한 후 수냉한 시편과 1250℃에서 1시간 유지한 후 수냉한 시편들을 carbon extraction replica로 제작하여 TEM 관찰을 실시하였고, 그 결과를 그림 3에 나타내었다. 초기 슬라브 시편에서는 비교적 크고 꽃무늬 모양의 수지상 Nb-rich 석출물들이 관찰되었다(그림 3(a)).

데이터처리

Nb, Ti, V 복합 첨가 microalloyed 강에서 복합 탄질화물의 재용해 조건을 결정하기 위하여, 열역학 계산 프로그램인 Thermo-Calc[5]를 이용하여 복합 석출물에 대한 열역학적인 평형 계산을 수행하였다. 그림 1에서 알 수 있듯이 Nb, Ti, V 복합 첨가 microalloyed 강에서는 석출물들이 (Nb,Ti,V)(C,N)의 복합 탄질화물로 석출하고, 석출물의 조성이 고온에서는 Ti과 N-rich인 반면, 온도가 낮아질수록 Nb과 C-rich로 바뀌는 것을 알 수 있다.

이론/모형

전기 비저항 시편은 용체화 처리와 템퍼링을 거친 후 15 × 15 × 0.7 mm3의 판상으로 가공되었으며, 기계적 및 화학적 연마 후 ASTM 측정법 중 하나인 van der Pauw법[7]을 이용하여 25℃에서 전기 비저항을 측정하였다.

성능/효과

전기 비저항 값은 초기 슬라브 상태의 시편에서 가장 낮은 값을 보이며, 1100, 1150, 1200, 그리고 1250℃로 용체화 처리 온도가 높아질수록 계속 증가하는데, 이는 강의 연주 공정에서 이미 생성된 석출물들이 재용해되고 있기 때문이다. 그림 1을 살펴보면 열역학적으로 계산된 석출물들의 평형 재용해 온도가 약 1500℃이므로, 그림 2에서 1250℃까지 가열하여도 전기 비저항 값이 수렴하는 구간은 나타나지 않았으나, 전기 비저항 값이 1150℃까지 급격히 증가하고 1150℃ 이후로는 온도에 따른 전기 비저항의 증가폭이 감소함을 확인할 수 있다. 복합 석출물들의 재용해에 미치는 용체화 처리 시간의 영향을 알아보기 위해 1250℃에서 1시간 동안 유지한 시편의 전기 비저항도 측정하였다.
Nb, Ti, V 복합 첨가 microalloyed 강의 석출거동 연구는 균일한 오스테나이트 결정립 크기 조건에서 이루어지는 것이 타당하다고 판단되므로, 15분 유지 시 용체화 처리 온도는 1250℃ 이하가 적당하다. 또한 전기 비저항 결과 및 TEM을 통한 석출물 관찰 결과로부터 용체화 처리 온도는 15분 유지시 1150℃ 이상이 요구되므로, Nb, Ti, V 복합 첨가 microalloyed 강의 복합 탄질화물의 용체화 처리 온도는 15분 유지시 1200℃로 결정되었다.
Nb, Ti, V 복합 첨가 microalloyed 강의 석출물의 완전한 재용해는 1500℃ 이상 높은 온도에서 용체화 처리하는 것을 요구하므로, 통상의 열간 압연을 위한 슬라브 재가열 온도로서는 적합하지 않음을 열역학적으로 확인하였다. 전기 비저항과 TEM 실험 결과, 1150℃ 이상에서는 석출물의 재용해 속도가느리고, 불규칙한 형상의 Nb-rich 석출물들이 관찰되지 않고, Ti-rich 석출물들만이 잔류하는 것으로 보아 용체화 처리 온도를 1150℃ 이상으로 결정하여야 한다는 결론을 얻을 수 있었다.
Nb, Ti, V 복합 첨가 microalloyed 강의 석출물의 완전한 재용해는 1500℃ 이상 높은 온도에서 용체화 처리하는 것을 요구하므로, 통상의 열간 압연을 위한 슬라브 재가열 온도로서는 적합하지 않음을 열역학적으로 확인하였다. 전기 비저항과 TEM 실험 결과, 1150℃ 이상에서는 석출물의 재용해 속도가느리고, 불규칙한 형상의 Nb-rich 석출물들이 관찰되지 않고, Ti-rich 석출물들만이 잔류하는 것으로 보아 용체화 처리 온도를 1150℃ 이상으로 결정하여야 한다는 결론을 얻을 수 있었다. 그러나 오스테나 이트 결정립 크기가 1250℃ 이상에서는 급격히 조대해지므로, Nb, Ti, V 복합 첨가 microalloyed 강의 용체화 처리 조건은 1200℃에서 15분하는 것이 적합하다고 판단된다.

후속연구

그러나 기존 연구자들의 연구 결과를 보면 복합 석출물의 재용해 거동에 대한 정량적인 실험결과의 부재로 Nb, Ti, V 복합 첨가 microalloyed 강에서의 재용해 조건은 용해도적 식[4]이나 Thermo-Calc[5]와 같은 열역학 계산에 근거하여 경험이나 직관을 통해 결정되고 있다. 최근 본 저자들 중 일부[6]는 전기 비저항을 이용하여 Nb 단독 첨가 강에서 Nb(C,N)의 재용해 조건을 정량적으로 밝히는데 성공한 바 있는데, 전기 비저항은 Nb 단독 첨가 강뿐만 아니라 Nb, Ti, V 복합 첨가 강에서 석출물의 재용해 거동에 관한 연구에도 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Microalloyed 강에서 Nb, Ti 그리고 V 등으로 인해 형성된 탄질화물 형태의 석출물은 어떤 효과를 발생시키는가?	Microalloyed 강에 미량 첨가된 Nb, Ti 그리고 V 등은 열간 압연과 냉각 공정 중 탄소, 질소와 반응하여 탄질화물 형태의 미세한 석출물을 형성한다. 이들 석출물들은 열간 압연 중 오스테나이트의 재결정 및 결정립 성장을 억제시켜 결정립을 미세화시키고, 석출 강화를 통해 강의 기계적 성질을 크게 향상시키는 것으로 알려져 있다. 최근 Nb, Ti, V 복합 첨가 microalloyed 강의 석출 거동에 대하여 많은 연구가 이루어져[1-3], 자동차 소재나 파이프 소재로 널리 쓰이고 있다.
	Microalloyed 강에 미량 첨가된 Nb, Ti 그리고 V 등은 열간 압연과 냉각 공정 중 어떤 현상을 발생시키는가?	Microalloyed 강에 미량 첨가된 Nb, Ti 그리고 V 등은 열간 압연과 냉각 공정 중 탄소, 질소와 반응하여 탄질화물 형태의 미세한 석출물을 형성한다. 이들 석출물들은 열간 압연 중 오스테나이트의 재결정 및 결정립 성장을 억제시켜 결정립을 미세화시키고, 석출 강화를 통해 강의 기계적 성질을 크게 향상시키는 것으로 알려져 있다.
	Nb, Ti, V 복합 첨가 microalloyed 강은 어디에 사용되는가?	이들 석출물들은 열간 압연 중 오스테나이트의 재결정 및 결정립 성장을 억제시켜 결정립을 미세화시키고, 석출 강화를 통해 강의 기계적 성질을 크게 향상시키는 것으로 알려져 있다. 최근 Nb, Ti, V 복합 첨가 microalloyed 강의 석출 거동에 대하여 많은 연구가 이루어져[1-3], 자동차 소재나 파이프 소재로 널리 쓰이고 있다. Nb, Ti, V 복합 첨가 microalloyed 강의 석출 거동에 대한 정량적인 연구를 위해서는 먼저 고용 상태의 Nb, Ti, V의 초기 양이 결정되어야 한다.

참고문헌 (8)

C. P. Reip, S. Shanmugam and R. D. K. Misra : Mater. Sci. Eng. A, 424 (2006) 307

상세보기
S. Shanmugam, M. Tanniru, R D. K. Misra, D. Panda, and S. Jansto : Inst. Mater. Minerals and Mining, 21 (2005) 165
T. U. Kim, J. E. Kim, S. I. Oh, and Y. G. Kim : J Korean Inst. Met. 24 (1986) 1279
T. Gradman : The physical metallurgy of microalloyed steels, Institute of materials, London (1997) 81
N. Saunders and A. P. Miodownik : Calphad, Elsevier, Oxford (1998)
J. S. Park and Y. K. Lee : Scripta Mater., 56 (2007) 225

상세보기
ASTM Designation : ASTM, F76 (2002)
S. G. Hong, H. J. Jun, K. B. Kang and C. G. Park : Scripta Mater., 48 (2003) 1201

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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