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문제 정의
- 본 연구는 해양구조물용 응력집중부에 사용되는 저탄소 저온 고강도 Casting Steel 부품 소재개발을 위해 탄소함유량을 3 가지 조건으로 나누어 시편을 확보하였고, 열처리 조건 변화에 따른 화학적 조성 및 기계적 성질의 비교를 통해 다음 결론을 얻었다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 탄소함유량을 0.25% 이하로 설정한 가운데 미량원소의 함유량을 3 가지로 변화시킨 조건으로 나누어 시편을 개발하였고, 다양한 열처리 조건을 적용하여 강도, 인장율, 연신율, 단면수축율, 충격치 등 기계적 물성치의 목표수준을 DNV-OS-B101 NV 550 W 소재품질기준에 -40℃ 충격시험 조건을 추가한 상태로 설정하여 비교평가하였다.
- 소재의 개발과정은 화학적 조성에 대해 탄소 함유량 0.25%를 기본 제어요소로 설정하였으며 개발과정으로 일환으로 진행된 한국, 미국, 유럽 등의 등록특허 기술들을 분석한 한국특허정보원의 특허맵(2007)을 토대로 나머지 미량원소들의 함유비의 적절성을 찾는 시행착오 방식을 선택해 완료하였다.
- 열처리조건은 탄소함유량의 차이에 따라 Fe-상태도를 고려하여 Table 1 에서와 같이 설정하고 각 조건에 따른 열처리 후의 조직상태와 기계적 성질의 변화를 관찰하였다.
성능/효과
- (1) 개발소재는 탄소함유량 0.125%로 인장강도(600 MPa) 및 항복 강도(456 MPa)를 포함한 기계적 물성치가 우수하며 -40℃에서의 충격시험값 70J 을 얻음으로써 해양구조물용 주강재료로 적합한 수준인 것으로 나타났다.
- (2) 열처리 조건에서 580℃에서 5 시간을 적용하였을 때 미세조직의 단면이 우수하고, 기계적 성질도 우수한 것으로 밝혀졌다.
- (3) 개발소재는 탄소당량(CE) 0.411, 용접균열감수성지수(Pcm) 0.231 로 용접성능면에서 만족할만한 결과를 얻었다.
- 개발된 소재는 노르웨이 선급(DNV) 규정에서의 기준치와 비교해 볼 때 탄소함유량은 0.25%에 비해 모두 낮으며, 미량원소들 가운데 Mn, Si, P, S 등과 Cr, Ni, Mo 등의 조합으로 이루어져 있다.
- 탄소함유량이 적을수록 미세한 가지상 마르텐사이트로 변태됨을 확인할 수 있었다. 그러나 평행하게 배열되는 부분인 다발(Packet)이 탄소함유량이 작아짐에 따라 현저하게 발달되는 것을 확인 할 수 있었다.
- 때문에 취성의 저감과 조직 인성의 확보, 급랭에 따른 잔류응력 감소를 위해 뜨임 처리(Tempering)를 실시하였으며 잔가지상의 마르텐사이트 조직을 조대하고 구상화된 안정적 조직으로 유도할 수 있었다.
- 또한 개발소재의 용접성능 확보를 위해 탄소당량(CE)과 용접균열감수성지수(Pcm)를 산출하여 적절성을 판단하였다.
- 또한 탄소함유량 0.056%인 소재의 열처리 후 기계적 성질을 조사한 결과 탄소함유량이 매우 낮은 수치에서는 저온 충격성과 연신율, 단면감소율을 확보 할 수 있었으나 인장강도 값을 충족시키기가 어렵다는 것이 확인되었으며, 0.125%의 탄소함유량에 따라 580℃에서 5 시간 뜨임 처리를 한 조건에서 1 차 목표치(DNV NV 550 W)인 항복강도 및 저온충격성, 용접성능 등을 모두 충족하는 결과 값을 얻게 되었다.
- 뜨임 처리를 통해 잔가지상이 많이 제거되고 초기 오스테나이트와 다발 내의 조대하고 구상화된 시멘타이트(Cementite)의 입자가 생성되는 것을 확인하였다. 이는 비슷한 방향으로 배열된 다발 내의 잔가지상들 사이에 소경각경계가 소멸되고 동시에 소경각경계의 감소에 따라 전체 전위농도가 감소하며 재배치되기 때문으로 사료된다.
- 인장시험 결과 탄소함유량이 가장 높았던 0.232%C 에서는 충분한 강도를 나타내었지만, 연신율과 단면감소율 및 충격시험 에너지 값이 목표하는 값에 근접하지 못하였다. 이것은 뜨임 처리한 마르텐사이트 조직에 여전히 잔가지상이 많이 존재하였기 때문으로 판단된다.
- 주강품 제조시 A3(변태점 온도 910℃) 혹은 Acm(오스테나이트로부터 시멘타이트가 석출하기 시작하는 온도) 선 이하로 냉각속도를 느리게 하여 초석 페라이트의 연결이 끊어진 부분이 많도록 해야 하며, 보다 미세한 마르텐사이트 조직을 얻기 위해서는 모상인 오스테나이트의 조직이 조밀해야 한다는 것을 파악할 수 있었다.
- 탄소함유량에 따라 용탕에서 응고될 때 온도감소량과 탄소함유량에 따른 펄라이트(Pearlite) 양, 펄라이트 속에서 생성되어가는 오스테나이트의 핵 생성 속도가 다르기 때문에 탄소함유량이 적을수록 오스테나이트의 핵 생성을 위한 탄소의 확산이 느려져 오스테나이트가 발달하지 못한다는 것을 실험을 통하여 알 수 있었다.
- 탄소함유량이 0.056%C 인 뜨임 처리된 마르텐사이트 조직은 조대화로 인해서 보다 좋은 파괴인성을 나타내는데 조직의 조대화로 인하여 강도값은 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.
- 탄소함유량이 상대적으로 높은 0.232%의 시험편의 열처리조건에 따른 기계적 성질을 비교해본 결과 인장강도와 항복강도 값은 목표치를 만족하는 결과치를 얻을 수 있었다.
- 탄소함유량이 적을수록 미세한 가지상 마르텐사이트로 변태됨을 확인할 수 있었다. 그러나 평행하게 배열되는 부분인 다발(Packet)이 탄소함유량이 작아짐에 따라 현저하게 발달되는 것을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- 개발소재는 저온취성을 더욱 강화하기 위해 화학적 조성에 있어 Mn 과 Ni, Mo, Cr, V 등 미량원소의 성분조성에 대해 부분적으로 재조합하는 연구가 추가 보완되어야 할 것으로 사료된다. 개발된 소재는 부분 보완 후 해양구조용 주조부품과 신개념 표준형강재(Bulb bracket) 개발에 활용할 계획으로 있다.
- 개발소재는 저온취성을 더욱 강화하기 위해 화학적 조성에 있어 Mn 과 Ni, Mo, Cr, V 등 미량원소의 성분조성에 대해 부분적으로 재조합하는 연구가 추가 보완되어야 할 것으로 사료된다. 개발된 소재는 부분 보완 후 해양구조용 주조부품과 신개념 표준형강재(Bulb bracket) 개발에 활용할 계획으로 있다.
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