[논문]수소주입에 따른 590 MPa급 DP강 표면층의 미소경도와 조직특성

강계명; 박재우

doi:10.3740/mrsk.2010.20.11.581

[국내논문] 수소주입에 따른 590 MPa급 DP강 표면층의 미소경도와 조직특성
Micro-Hardnesses and Microstructural Characteristics of Surface Layer of 590MPa DP Steels According to Hydrogen Charging 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.20 no.11, 2010년, pp.581 - 585

강계명 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 박재우 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

High strength sheet steels for automobile are seriously compromised by hydrogen embrittlement. This issue has been continuously studied, but the field of interest, which lies between microstructural characteristics and hydrogen behavior with hydrogen charging, has not yet been thoroughly investigated. This study was done to investigate the behavior of hydrogen according to the hydrogen volume fraction on 590MPa grade DP steels, which are developed under hydrogen charging conditions as high strength sheet steels for automobiles. The penetration depths and the mechanical properties, according to charging conditions, were investigated through the distribution of micro-hardness and the microstructural observation of the subsurface zone. It was found that the amount of hydrogen trapping in 590MPa DP steels was related to the austenite volume fraction. It was confirmed that the distribution of micro-hardnesses according to the depth of the subsurface zone under the free surface showed the relationship of the depth of the hydrogen saturation between the charging conditions.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

수소포화상태에 관하여는 Murakami 등의 재료의 확산계수와 수소농도와의 관계에 관한 연구결과와도 일치하는 것을 알 수 있었다.^9~11) 따라서 본 실험의 경우, 장입시간과 전류밀도 및 표면침투 깊이와의 관계는 장입시간이 증가하여도 최대 수소침투 표면깊이까지가 수소의 확산깊이로 평가되어, 이들 표면수소 침투깊이를 미소경도값의 변화로 조사하여 시험재의 수소취성거동에 관하여 연구하였다.
경도시험은 연마지 #1500 까지 연마시킨 시험편을 3% 나이탈로 에칭시킨 후, 마이크로 비커스 경도계, FV TURETECH 사의 FM-7 미소 경도기를 사용하여 배율 × 1000배, 하중 25 gf, 부하시간 15 sec의 경도시험조건에서 DP강 표면하 subsurface zone의 깊이에 따라 70 µm간격으로 각각 미소경도를 측정하였다. 또한 미소경도측정 후 표면층과 표면하 subsurface zone의 조직을 관찰하여, 미소경도와 조직간의 관계로부터 수소주입에 따른 수소취성거동을 검토하고자 하였다. 이때 조직관찰은 광학현미경과 주사전자현미경을 사용하였다.
본 연구에서는 자동차용 고강도 박강판재로 개발중인 590 MPa급 DP강의 수소주입에 따른 강재의 기계적 성질 변화에 관한 수소영향에 관하여 연구하고자 하였다. 먼저 개발중인 DP강 표면층에 수소장입조건을 달리하여 수소를 주입시켜, DP강 표면층의 수소주입에 따른 기계적 성질의 변화와 조직 특성간의 관계를 조사·관찰 하였다.
3은 전류밀도가 큰 200 mA/cm² - 50시간 하에서 수소장입된 각 시험편의 자유표면하 subsurface zone의 미소경도 분포를 단면의 수직방향에 따라 측정, 조사한 결과이다. 이는 수소 침투깊이와 수소 포화조건과의 관계로부터 수소 확산깊이를 조사하고자 하였다. 그림에서 볼 수 있듯이 중심부인 450 µm 깊이의 경우 각 시험편의 모재 경도값으로 각각 나타났다.
먼저 개발중인 DP강 표면층에 수소장입조건을 달리하여 수소를 주입시켜, DP강 표면층의 수소주입에 따른 기계적 성질의 변화와 조직 특성간의 관계를 조사·관찰 하였다. 이를 통해 표면층의 수소거동을 알아보고자 하였다.

제안 방법

경도시험은 연마지 #1500 까지 연마시킨 시험편을 3% 나이탈로 에칭시킨 후, 마이크로 비커스 경도계, FV TURETECH 사의 FM-7 미소 경도기를 사용하여 배율 × 1000배, 하중 25 gf, 부하시간 15 sec의 경도시험조건에서 DP강 표면하 subsurface zone의 깊이에 따라 70 µm간격으로 각각 미소경도를 측정하였다.
먼저 개발중인 DP강 표면층에 수소장입조건을 달리하여 수소를 주입시켜, DP강 표면층의 수소주입에 따른 기계적 성질의 변화와 조직 특성간의 관계를 조사·관찰 하였다.
수소 분석은 장입된 원시험편을 다이아몬드 커터를 이용하여 3 × 3 mm로 재차 절단된 시험편을 사용하여, Leco사의 RH600 hydrogen determinator로 분석하였다.
수소장입용 시험편은 10 × 15 × 1 mm 크기로 절단하여 제작하였고, 시험편 표면을 sand paper #800의 연마지로 연마한 다음, 일정 정전류하에서 0.5 mol H2SO4 의 전해질을 사용하여 시험편을 cathode에 연결하고, Pt을 anode에 연결한 후, 음극전기분해법(cathodic electrolytic method)으로 수소를 장입시켰다.
5 mol H₂SO₄ 의 전해질을 사용하여 시험편을 cathode에 연결하고, Pt을 anode에 연결한 후, 음극전기분해법(cathodic electrolytic method)으로 수소를 장입시켰다. 수소장입조건은 전류밀도 150 mA/cm², 200 mA/cm²에서 장입시간은 각각 5시간, 10시간, 50시간, 100시간의 4가지 조건으로 하였다.
또한 시험편 모두에서 시간이 증가함에 따라 장입되는 수소량은 증가하다가 50시간 이후, 수소장입량의 변화가 적은 것을 알 수 있었다. 이는 50시간 이후 장입되는 수소량부터 일정치의 수소가 장입, 유지하는 것으로서, 본 연구에서는 50시간을 수소장입이 포화시간으로 설정하여 10시간과 50시간 시험편을 중심으로 수소거동을 조사하였다. 수소포화상태에 관하여는 Murakami 등의 재료의 확산계수와 수소농도와의 관계에 관한 연구결과와도 일치하는 것을 알 수 있었다.
또한 미소경도측정 후 표면층과 표면하 subsurface zone의 조직을 관찰하여, 미소경도와 조직간의 관계로부터 수소주입에 따른 수소취성거동을 검토하고자 하였다. 이때 조직관찰은 광학현미경과 주사전자현미경을 사용하였다.

대상 데이터

연구에 사용된 시험편은 자동차용 고강도 박강판재로 개발중인 590 MPa급 DP강재로서, 그 화학적 조성과 기계적 성질 및 시험편 DP강의 800℃에서의 오스테나이트 부피분율을 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

590 MPa DP강 조직내 장입되는 수소량은 장입시간의 증가와 오스테나이트조직의 부피분율의 변화 및 전류밀도와 상관관계를 가지는 것으로 조사되었다. 장입시간이 클수록 장입되는 수소량은 증가하였지만, 전류밀도의 영향은 적은 것으로 조사되었다.
5번 시험편 공히 표면경도값이 높게 조사되었고, 표면으로부터 내부로 갈수록 경도값이 저하하다가 250 µm에서부터 모재의 경도값을 가지는 것으로 조사되었다.
1은 수소 장입전 시험편의 표면조직을 관찰한 조직사진이다. 광학사진에서 볼 수 있듯이 1번 시험편에서 3번, 4번, 5번 시험편으로 갈수록 페라이트 경계 및 내부에 마르텐사이트의 분포가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Table 1에서 보는 바와같이 오스테나이트 부피분율의 분포와 상관관계를 가지는 것을 알 수 있었다.
장입시간이 클수록 장입되는 수소량은 증가하였지만, 전류밀도의 영향은 적은 것으로 조사되었다. 또한 DP강의 오스테나이트부피분율 증가가 수소장입량의 증가로 조사되었고, 미량 원소도 조직내 마르텐사이트상 형성에 영향을 줄 것으로 생각된다. 이는 DP강 조직의 BCT 마르텐사이트 상과 수소장입량은 비례적으로 증가하는 것으로 첨가원소의 영향도 마르텐사이트상 형성에 기여한 것으로 판단된다.
그림에서 볼 수 있듯이 5 종의 시험편 모두 장입시간에 따라 장입되는 수소량이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 시험편 모두에서 시간이 증가함에 따라 장입되는 수소량은 증가하다가 50시간 이후, 수소장입량의 변화가 적은 것을 알 수 있었다. 이는 50시간 이후 장입되는 수소량부터 일정치의 수소가 장입, 유지하는 것으로서, 본 연구에서는 50시간을 수소장입이 포화시간으로 설정하여 10시간과 50시간 시험편을 중심으로 수소거동을 조사하였다.
수소포화 시험조건인 150 mA/cm2 - 50 hrs의 시험편 내 수소장입량은 1번 시험편 56 µg/g, 2번 시험편 62 µg/g, 3번 시험편 70 µg/g, 4번 시험편 62 µg/g, 5번 시험편에서 74 µg/g으로 조사되되어, Fig. 1의 마르텐사이트부피분율과 비례관계를 가지는 것으로 나타났다.
이는 50시간 이후 장입되는 수소량부터 일정치의 수소가 장입, 유지하는 것으로서, 본 연구에서는 50시간을 수소장입이 포화시간으로 설정하여 10시간과 50시간 시험편을 중심으로 수소거동을 조사하였다. 수소포화상태에 관하여는 Murakami 등의 재료의 확산계수와 수소농도와의 관계에 관한 연구결과와도 일치하는 것을 알 수 있었다.^9~11) 따라서 본 실험의 경우, 장입시간과 전류밀도 및 표면침투 깊이와의 관계는 장입시간이 증가하여도 최대 수소침투 표면깊이까지가 수소의 확산깊이로 평가되어, 이들 표면수소 침투깊이를 미소경도값의 변화로 조사하여 시험재의 수소취성거동에 관하여 연구하였다.
이는 DP강 조직의 BCT 마르텐사이트 상과 수소장입량은 비례적으로 증가하는 것으로 첨가원소의 영향도 마르텐사이트상 형성에 기여한 것으로 판단된다. 자유표면하 subsurface zone의 깊이에 따른 미소경도 분포결과로부터 수소포화 표면하 깊이는 수소장입과 관계가 있는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

자동차용 박강판재가 경량화, 고강도화 됨에 따라 고강도 강판재의 주요 문제점인 수소취성문제가 주요 연구의 대상으로 부각되게 되었다.^1~3) 즉, 수소 취성현상은 수소가 존재하는 강재에 부가되는 외부응력 및 온도 그리고 수소량에 따라 강의 강도특성이 떨어지는 것으로, 수소 취성파괴 거동에서의 조직특성의 변화와 기계적 성질간의 관계에 관한 연구는 금후로도 규명하여 할 연구과제이다.^4,5)
그러나 수소취성현상은 강종마다 다른 수소취성거동을 나타냄으로서, 수소주입에 따른 기계적 성질의 변화와 조직과의 관계 연구는 수소에 기인한 수소취성파괴 즉, 지연파괴의 연구에 중요한 기초자료로 활용될 수 있다.
추후 이들 수소 침투깊이에 따른 미세조직 변화를 조사·연구할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DP강의 경우 사용환경이나 분위기 및 강도가 증가할 때 발생하는 문제은?	DP강은 2상 조직강으로서, 연질의 ferrite에 경질의 martensite 및 약간의 잔류 austenite가 약 분산 · 혼합된 조직으로 이루어진 고강도 강재이다.6) 그러므로 사용 환경이나 분위기 및 강도가 증가할수록 미량의 수소량에도 수소취성 파괴감수성은 높아지는 것으로 보고되고 있다.7,8)
	DP강이란?	최근 자동차용 외판용 박강판은 고강도 강판재에 대한 채용률이 급격히 증가하고 있으며, 개발중인 대표적인 강종으로 DP(Dual Phase)강이 있다. DP강은 2상 조직강으로서, 연질의 ferrite에 경질의 martensite 및 약간의 잔류 austenite가 약 분산 · 혼합된 조직으로 이루어진 고강도 강재이다.6) 그러므로 사용 환경이나 분위기 및 강도가 증가할수록 미량의 수소량에도 수소취성 파괴감수성은 높아지는 것으로 보고되고 있다.
	자동차용 박강판재가 경량화, 고강도화 됨에 따라 고강도 강판재의 주요 문제점은?	또한 경량화와 함께 탑승자의 안전성을 고려한 자동차 박판재의 고강도화도 주요 문제로 부각되었다. 자동차용 박강판재가 경량화, 고강도화 됨에 따라 고강도 강판재의 주요 문제점인 수소취성문제가 주요 연구의 대상으로 부각되게 되었다.1~3) 즉, 수소 취성현상은 수소가 존재하는 강재에 부가되는 외부응력 및 온도 그리고 수소량에 따라 강의 강도특성이 떨어지는 것으로, 수소 취성파괴 거동에서의 조직특성의 변화와 기계적 성질간의 관계에 관한 연구는 금후로도 규명하여 할 연구과제이다.

참고문헌 (12)

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Y. H. Kim and J. W. Morris, Metall. Trans. A, 14A, 1883 (1983).

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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