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문제 정의
- 본 연구에서는 Al+Si 코팅 된 핫스탬핑용 보론 강판을 각기 다른 온도로 열처리하여 수냉 조건에 따른 기계적 특성 및 조직을 관찰하였다. 그리고 이 결과를 토대로 선별된 기계적 특성이 우수한 조건인 보론강 시험편과 일반 냉연 강판인 SPRC 340과 SPRC 590 2종류의 상대재를 사용하여 점용접을 실시하였다.
- 본 연구에서는 핫스탬핑용 보론 첨가 강판의 우수한 경화능을 보이는 임계 최적 열처리 조건을 파악하고자, Al+Si 코팅이 된 보론 강판을 각기 다른 온도로 열처리하여 수냉 조건에 따른 기계적 특성 및 조직을 관찰하였다. 또한, 이 결과를 토대로 선별된 기계적 특성이 우수한 보론강 시험편과 일반 냉연강판인 SPRC(steel plate rolled coil) 340과 SPRC 5902종류의 상대재를 활용하여 특정 점용접 조건에서 용접을 실시하고, 보론강 및 상대재의 기계적 특성 변화에 따른 용접 후의 기계적 특성 및 조직, 그리고 코팅층 유무에 따른 특성 변화를 연구하였다.
제안 방법
- 각각 다른 열처리 조건에서 수냉한 보론 강판의 기계적 특성 및 미세조직을 관찰하였다. 인장시험편(Fig.
- 각각 다른 열처리 조건에서 수냉한 보론 강판의 기계적 특성 및 미세조직을 관찰함으로서 재료 자체의 특성을 관찰하였다.
- 25 ㎛의 다이아몬드 페이스트를 사용하여 미세 연마하였다. 그 후에타놀 (97 ㎖) + HNO3 (3 ㎖)의 나이탈 용액에 15초간 에칭하여 광학현미경을 이용하여 관찰하였다.
- 본 연구에서는 Al+Si 코팅 된 핫스탬핑용 보론 강판을 각기 다른 온도로 열처리하여 수냉 조건에 따른 기계적 특성 및 조직을 관찰하였다. 그리고 이 결과를 토대로 선별된 기계적 특성이 우수한 조건인 보론강 시험편과 일반 냉연 강판인 SPRC 340과 SPRC 590 2종류의 상대재를 사용하여 점용접을 실시하였다. 보론강 및 상대재의 기계적 특성 변화에 따른 용접 후의 기계적 특성 및 조직, 그리고 코팅층 유무에 따른 특성 변화 등을 연구한 결과 아래와 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 핫스탬핑용 보론 첨가 강판의 우수한 경화능을 보이는 임계 최적 열처리 조건을 파악하고자, Al+Si 코팅이 된 보론 강판을 각기 다른 온도로 열처리하여 수냉 조건에 따른 기계적 특성 및 조직을 관찰하였다. 또한, 이 결과를 토대로 선별된 기계적 특성이 우수한 보론강 시험편과 일반 냉연강판인 SPRC(steel plate rolled coil) 340과 SPRC 5902종류의 상대재를 활용하여 특정 점용접 조건에서 용접을 실시하고, 보론강 및 상대재의 기계적 특성 변화에 따른 용접 후의 기계적 특성 및 조직, 그리고 코팅층 유무에 따른 특성 변화를 연구하였다.
- 미세조직은 시험편을 수직방향으로 절단하여 냉간 마운팅한 시편을 에머리페이퍼 #2000까지 단계적으로 습식연마한 후 윤활제와 입도가 0.25 ㎛의 다이아몬드 페이스트를 사용하여 미세 연마하였다. 그 후에타놀 (97 ㎖) + HNO3 (3 ㎖)의 나이탈 용액에 15초간 에칭하여 광학현미경을 이용하여 관찰하였다.
- 미소경도는 2.94 N 하중으로 10초간 압입하여 마이크로 비커스 경도측정을 실시하였다. 수냉조건에 따른 경도는 시험편당 5회 이상 측정한 Table 1 Chemical compositions of boron steel (wt.
- 보론 첨가강의 열처리에 따른 기계적 특성 변화를 파악하기 위하여 모재상태의 보론 첨가강에 대한 기계적 특성 및 미세조직을 관찰하였다.
- 본 연구에서는 일반적으로 널리 알려진 냉연강판 SPRC340과 SPRC 590 2가지를 상대재로 활용하여, 열처리 및 수냉 조건을 달리하여 우수한 기계적 특성을 나타내는 조건의 보론강과 점용접을 실시하였다.
- 본 절에서는 열처리 및 수냉 조건에 따라서 1450 MPa 이상의 인장강도를 나타는 시험편(870-10, 870-15, 900-10, 900-15, 900-20)을 활용하여 SPRC 340 과 SPRC 590 2가지 재료에 점용접을 실시하였다또한, 보론 첨가강은 표면 산화 방지를 위하여 Al+Si가 코팅되어 있으므로, 코팅 유무에 따라 점용접 후의 기계적 특성을 평가하였다.
- 용접기는 NADEX사의 점용접기를 사용하였으며, 선단지름 ϕ6을 가진 크롬동재를 사용한 RF형 전극에 냉각수를 10 L/min으로 일정하게 공급하였다. 점용접은 차체제조업체에서 시뮬레이션한결과, 최적 용접조건인 통전시간 20 cycle, 가압력 3.
- 후 평균값을 사용하였다. 이종재와의 점용접에 따른 경도 측정은 시험편 횡단면의 양쪽 가장자리에서 중앙으로 0.2 mm 간격으로 측정하였다.
- 각각 다른 열처리 조건에서 수냉한 보론 강판의 기계적 특성 및 미세조직을 관찰하였다. 인장시험편(Fig. 1)은 800 ℃, 840 ℃, 870 ℃ 및 900 ℃의 4조건에서 안정화하고, 10분간 열처리한 후 수냉하기까지의 대기 시간(0, 5, 10 및 30초)을 달리하는 방법으로 열처리 하였다.
- 용접기는 NADEX사의 점용접기를 사용하였으며, 선단지름 ϕ6을 가진 크롬동재를 사용한 RF형 전극에 냉각수를 10 L/min으로 일정하게 공급하였다. 점용접은 차체제조업체에서 시뮬레이션한결과, 최적 용접조건인 통전시간 20 cycle, 가압력 3.5 kN 및 전류 9 kA로 고정하여 실시한 후 기계적 특성 및 조직을 관찰하였다. 이러한 용접조건을 고정한 이유는 동일 용접조건에서 보론강과 각기 다른 기계적 특성을 가진 이종금속을 접합 하였을 때 특성변화를 비교 관찰하기 위함이다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 재료는 보론강에 산화피막 발생을 방지하기 위해 Al+Si을 도금 처리한 USIBOR 1500P 재료로서 일반적으로 22MnB5로 알려져 있는 보론 첨가강을 사용하였다. 사용된 보론강의 화학조성은 Table 1에 나타내었다.
- 수냉 조건에 따른 인장시험 및 이종재와의 점용접에 따른 전단인장시험(Fig. 2)은 250 kN 용량의 Zwick/Roell Z250 모델의 만능시험기를 사용하였다. 인장시험 조건은 pre-load를 50 N으로 가한 상태에서 시험속도를 1 mm/min로 실시하였다.
성능/효과
- (1) 즉시 수냉을 하였을 경우의 조직 관찰 및 경도 측정 결과, 800 ~ 840 ℃ 구간에서 마르텐사이트 변태가 일어남을 알 수 있었다.
- (2) 열처리 및 수냉 조건에 따른 기계적 특성치 측정 결과, 870 ℃ 15초 이내에, 900 ℃ 20초 이내에 수냉한 보론 첨가 강판의 인장강도는 1450 MPa 이상, 비커스 경도는 Hv 400 이상을 나타냄 으로서 열처리에 의한 고장력 강판의 특성을 나타내었다.
- (3) 점용접 후 전단인장하중 측정 결과, 코팅의 유무와는 무관한 것으로 나타났으며, 보론강판의 물성이 동일할 때 용접되는 상대재의 강도가 접합 후의 기계적 특성에 영향을 미친다는 것을 알수 있었다.
- (4) 점용접 후 경도 측정 결과, 보론강판의 경도 특성과 상관없이 점용접부의 경도는 SPRC 340보다 SPRC 590과 용접하였을 때가 약간 높은 경향을 보이긴 하였으나 380 Hv정도로 일정한 경향을 보였다.
- (5) 점용접 후 경도 측정 및 미세조직 관찰 결과, 열처리된 보론 강판과 용접부 그리고 열영향부에서는 마르텐사이트 조직을 보였으나, 용접열영향부와 열처리된 보론 강판 사이에서는 페라이트 조직이 관찰 되었으며 이는 경도 측정 결과와 동일한 경향을 보여 주었다.
- (6) 보론강판의 용접 열영향부 경도 측정 결과 모두 Hv 280 이상으로 SPRC 340모재의 경도인 Hv 100 수준, SPRC 590 모재의 경도인 Hv 180수준 보다 Hv 100이상 높은 것으로 보아 Hv 280수준의 냉연 강판을 용접 상대재로 사용할 경우 상당한 강도 개선 효과를 볼일 것으로 판단된다.
- 9에 나타난것과 같이 용접으로 인하여 용융되어 보론 첨가 강판과 일반 냉연강판이 접합된 부위는 비커스 경도 값이 Hv 400 전후로 일정하게 나타났다. 그리고 냉연 강판은 용접부를 거쳐 열영향부를 지나 냉연강판까지의 경도 값은 냉연강판 자체의 비커스 경도 수준(SPRC 340 : Hv 100 정도, SPRC 590 : Hv 180 정도)으로 지속적으로 낮아 지는 경향을 보였다. 그러나 보론강판의 경우 열 영향부에서 용접부보다 다소 높은 Hv 450 이상의 경도를 나타내다가 급격히 경도가 Hv 270 ~ 320으로 떨어지는 경향을 보였다.
- Table 4 및 Fig 5에서 알 수 있듯이, 동일한 열처리 조건에서 수냉하기까지 시간이 길어짐에 따라 인장 및 항복강도가 낮아지는 경향을 나타내었다. 그리고 열처리 온도가 높아짐에 따라 수냉까지 시간이 길어지더라도 인장 및 항복강도는 낮아지는 정도가 감소하였다. 즉시 수냉에 따른 보론강 재료의 특성 관찰 결과, 840 ℃ 이상의 온도에서 열처리한 후, 즉시 수냉한 시험편(840-0, 870-0, 900-0)의 경우는 모두 인장강도 1650 MPa 이상의 기계적 특성을 나타내었다.
- 표에서 900 ℃에서 20초 후에 수냉한 보론 강판과 점용접된 시험편 (900-20-C-340, 900-20-N-340, 900-20-C-590, 900-20-N-590)을 제외하고, SPRC 590과 용접된 시험편의 최대전단인장하중은 4900 ~5880 N 이상 높게 나타났다. 따라서 보론강판의 물성이 동일할 때, 코팅 유무에 관계없이 용접되는 상대재의 강도가 접합 후의 기계적 특성에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
- 인장시험에서 나타난 보론 첨가강은 항복강도 400 MPa, 인장강도 550 MPa 및 연신율 30 % 이상이다. 또한 2.94 N 하중으로 10초간 압입하여 5회 측정한 모재의 비커스 경도는 평균 Hv 178.3이었다.
- 9)와 같은 경향을 보였다. 또한 냉연 강판의 용접 열영향부(e)에서 냉연강판 모재(g)로 갈수록 특이한 조직의 변화 없이 페라이트 조직이 커지는 경향을 관찰 할 수 있었다.
- 인장 시험 결과와 마찬가지로, 같은 열처리 조건에서 수냉까지 시간이 길어짐에 따라 비커스 경도가 낮아지는 경향을 보였다. 그러나 열처리 온도가 높아짐에 따라 수냉까지 시간이 길어지더라도 경도가 낮아지는 정도가 감소하였다.
- 그리고 열처리 온도가 높아짐에 따라 수냉까지 시간이 길어지더라도 인장 및 항복강도는 낮아지는 정도가 감소하였다. 즉시 수냉에 따른 보론강 재료의 특성 관찰 결과, 840 ℃ 이상의 온도에서 열처리한 후, 즉시 수냉한 시험편(840-0, 870-0, 900-0)의 경우는 모두 인장강도 1650 MPa 이상의 기계적 특성을 나타내었다.
- 1450 MPa 이상의 인장강도를 나타내는 보론강과 일반냉연강판(SPRC 340, SPRC 590)을 점용접한 후에 전단 인장시험한 결과를 Table 6에 나타내었다. 표에서 900 ℃에서 20초 후에 수냉한 보론 강판과 점용접된 시험편 (900-20-C-340, 900-20-N-340, 900-20-C-590, 900-20-N-590)을 제외하고, SPRC 590과 용접된 시험편의 최대전단인장하중은 4900 ~5880 N 이상 높게 나타났다. 따라서 보론강판의 물성이 동일할 때, 코팅 유무에 관계없이 용접되는 상대재의 강도가 접합 후의 기계적 특성에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
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