Research into the development of high strength (1 GPa) and superior formability, such as total elongation (10%), and stretch-flangeability (50%) in hot-rolled steel was conducted with a thermomechanically controlled hot-rolling process. To improve the overall mechanical properties simultaneously, lo...
Research into the development of high strength (1 GPa) and superior formability, such as total elongation (10%), and stretch-flangeability (50%) in hot-rolled steel was conducted with a thermomechanically controlled hot-rolling process. To improve the overall mechanical properties simultaneously, low-carbon steel using precipitation hardening of Ti-Nb-V multimicroalloying elements was employed. And, ideal microstructural characteristics for the realization of balanced mechanical properties were determined using SEM, EBSD, and TEM analyses. The developed steel, 0.06C-2.0Mn-0.5Cr-0.2(Ti + Nb + V), consisted of ferrite as the matrix phase and second phase of granular bainite with fine carbides (20-50 nm) in both phases. The significant factor of the microstructural characteristics that affect stretch-flangeability was found to be the microstructural homogeneity. The microstructural homogeneity, manifest in such characteristics as low localization of plastic strain and internally stored energy, was identified by grain average misorientation method, analyzed by electron backscattered diffraction (EBSD) and hardness deviation between the phases. In summar, a hot-rolled steel having a composition 0.06C-2.0Mn-0.5Cr-0.2(Ti + Nb + V) demonstrated a tensile strength of 998 MPa, a total elongation of 19%, and a hole expansion ratio of 65%. The most important factors to satisfy the mechanical property were the presence of fine carbides and the microstructural homogeneity, which provided low hardness deviation between the phases.
Research into the development of high strength (1 GPa) and superior formability, such as total elongation (10%), and stretch-flangeability (50%) in hot-rolled steel was conducted with a thermomechanically controlled hot-rolling process. To improve the overall mechanical properties simultaneously, low-carbon steel using precipitation hardening of Ti-Nb-V multimicroalloying elements was employed. And, ideal microstructural characteristics for the realization of balanced mechanical properties were determined using SEM, EBSD, and TEM analyses. The developed steel, 0.06C-2.0Mn-0.5Cr-0.2(Ti + Nb + V), consisted of ferrite as the matrix phase and second phase of granular bainite with fine carbides (20-50 nm) in both phases. The significant factor of the microstructural characteristics that affect stretch-flangeability was found to be the microstructural homogeneity. The microstructural homogeneity, manifest in such characteristics as low localization of plastic strain and internally stored energy, was identified by grain average misorientation method, analyzed by electron backscattered diffraction (EBSD) and hardness deviation between the phases. In summar, a hot-rolled steel having a composition 0.06C-2.0Mn-0.5Cr-0.2(Ti + Nb + V) demonstrated a tensile strength of 998 MPa, a total elongation of 19%, and a hole expansion ratio of 65%. The most important factors to satisfy the mechanical property were the presence of fine carbides and the microstructural homogeneity, which provided low hardness deviation between the phases.
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문제 정의
1) 본 연구에서는 3가지 합금조성에서 권취 온도를 달리하여 얻어진 페라이트-입상 베이나이트, 베이나이트-마르텐사이트, 그리고 템퍼 마르텐사이트 3가지 미세조직조합에 대하여 미세조직이 신장플랜지성에 미치는 영향을 고찰하였다.
본 연구에서는 통상적인 780MPa급의 열연강판보다 뛰어난 1GPa급 인장강도 그리고 성형성 (10% 이상의 연신율, 50% 이상의 HER)을 가지는 자동차 샤시 및 프레임용 열연강판을 개발하기 위해 열연강판에서 신장플랜지성에 영향을 미치는 미세조직 및 기계적 특성의 영향을 알아보고자 하였고, 독자적으로 설계된 3가지의 강종을 사용하여 실험실 스케일의 압연모사시험을 실시하였다.
본 절에서는 9가지의 모든 강종에서 인장 및 경도 결과와 신장플랜지성과의 연관성을 분석하여 미세조직과의 상관관계를 3.1절의 결과와 함께 분석하였고, 이를 토대로하여 설계된 3가지의 합금 성분 중에서 어떠한 강종이 목표한 기계적 특성의 달성에 가장 이상적인지 고찰하였다.
제안 방법
페라이트 기지 내에는 Fig. 2(b)와 같이 매우 미세한 탄화물들이 균일하게 분포하고 있는 것으로 확인되었으며, 이들의 정확한 크기와 성분을 알아보고자 TEM 미세조직을 분석하였다[Fig. 2(c)].
특히 투과전자현미경은 탄화물의 거동을 분석하기 위하여 레플리카 법을 이용해 샘플을 채취 후 가속전압 200kV에서 관찰하였으며, EDS (energy dispersive spectrometer)를 통해 탄화물의 성분을 분석하였다. 또한 상간의 기계적 특성을 알아보기 위하여 마이크로 비커스 경도기(Mitutoyo HM-100)로 하중 50 mN, 각 50회의 경도를 측정하여 전체적인 경도분포 및 상간 경도편차를 분석하였다.
미세조직학적 요인이 신장플랜지성에 미치는 영향을 자세히 분석하기 위해 3.1절에서 사용된 강종을 대상으로 EBSD 분석을 수행하였다. 결과 데이터는 평균적으로 0.
본 절에서는 개발된 열연강판 중 미세조직을 크게 3가지(HER 65%: 페라이트 + 베이나이트, HER 25%: 베이나이트 + 마르텐사이트, HER 18%: 마르텐사이트 단상)로 구분하였으며, 그에 따른 탄화물의 종류와 크기를 분석하였다.
1은 대략적인 열간 압연 공정을 나타낸다. 인장특성과 신장플랜지성의 연관성을 알아보기 위해서 인장시험 및 구멍확장시험을 수행하였다. 특히 구멍확장시험은 ERICHSEN 사의 Universal Sheet Metal Testing Machine (model 145-60)을 이용하였다.
미세조직관찰은 주사전자현미경(SEM model: HITACHI S-4800), EDAX-TSL Hikari EBSD (electron back scattered diffraction)가 장착된 주사전자현미경(SEM model: Tescan Mira II) 그리고 투과전자현미경(TEM model: JEOL JEM-2010)을 사용하였다. 특히 투과전자현미경은 탄화물의 거동을 분석하기 위하여 레플리카 법을 이용해 샘플을 채취 후 가속전압 200kV에서 관찰하였으며, EDS (energy dispersive spectrometer)를 통해 탄화물의 성분을 분석하였다. 또한 상간의 기계적 특성을 알아보기 위하여 마이크로 비커스 경도기(Mitutoyo HM-100)로 하중 50 mN, 각 50회의 경도를 측정하여 전체적인 경도분포 및 상간 경도편차를 분석하였다.
대상 데이터
사용된 강의 대표적인 화학성분은 Table 1에 나타내었고, 진공유도용해로를 이용하여 잉곳을 제조하였다. 특히 Ti, Nb, V의 합은 0.
페라이트상을 기지로 한 A-650°C가 998MPa의 인장강도, 19%의 총 연신율 그리고 65% 이상의 구멍확장율을 확보하였다.
데이터처리
1절에서 사용된 강종을 대상으로 EBSD 분석을 수행하였다. 결과 데이터는 평균적으로 0.7이상의 신뢰도지수(CI)를 나타냈고, 측정데이터의 분석은 TSL OIM 5.3 소프트웨어를 사용하여 grain dilation 방법으로 1차 정화시켜 부정확한 측정결과를 수정한 후 최종 분석하였다.
이론/모형
이를 위한 시편은 ISO/TS 16630 (Metallic materials-Method of hole expanding)에 입각하여 압연코일에서 일정 길이만큼 전폭방향에 대해 채취하여 실시하였으며 시험편의 구멍가공은 펀치가공을 사용하였다. 미세조직관찰은 주사전자현미경(SEM model: HITACHI S-4800), EDAX-TSL Hikari EBSD (electron back scattered diffraction)가 장착된 주사전자현미경(SEM model: Tescan Mira II) 그리고 투과전자현미경(TEM model: JEOL JEM-2010)을 사용하였다. 특히 투과전자현미경은 탄화물의 거동을 분석하기 위하여 레플리카 법을 이용해 샘플을 채취 후 가속전압 200kV에서 관찰하였으며, EDS (energy dispersive spectrometer)를 통해 탄화물의 성분을 분석하였다.
특히 구멍확장시험은 ERICHSEN 사의 Universal Sheet Metal Testing Machine (model 145-60)을 이용하였다. 이를 위한 시편은 ISO/TS 16630 (Metallic materials-Method of hole expanding)에 입각하여 압연코일에서 일정 길이만큼 전폭방향에 대해 채취하여 실시하였으며 시험편의 구멍가공은 펀치가공을 사용하였다. 미세조직관찰은 주사전자현미경(SEM model: HITACHI S-4800), EDAX-TSL Hikari EBSD (electron back scattered diffraction)가 장착된 주사전자현미경(SEM model: Tescan Mira II) 그리고 투과전자현미경(TEM model: JEOL JEM-2010)을 사용하였다.
인장특성과 신장플랜지성의 연관성을 알아보기 위해서 인장시험 및 구멍확장시험을 수행하였다. 특히 구멍확장시험은 ERICHSEN 사의 Universal Sheet Metal Testing Machine (model 145-60)을 이용하였다. 이를 위한 시편은 ISO/TS 16630 (Metallic materials-Method of hole expanding)에 입각하여 압연코일에서 일정 길이만큼 전폭방향에 대해 채취하여 실시하였으며 시험편의 구멍가공은 펀치가공을 사용하였다.
성능/효과
C 합금을 400°C에서 권취하여 마르텐사이트 단상의 강을 확보하였고, Fig. 4(a)의 SEM 미세조직에서 모든 부분이 마르텐사이트상으로 구성되어 있음을 확인할 수 있었다. 400°C 권취로 인해 마르텐사이트상에 템퍼링이 되었으며, 그 결과 Fig.
(b)와 같이 조대하며 연신된 형태의 탄화물을 확인 할 수 있었고, 그 분율은 A-650°C, B-500°C에 비하여 매우 크게 증가한 것을 쉽게 확인할 수있다.
신장플랜지성은 인장 특성 이외에 구성 상간의 경도차이에 밀접한 관련성이 있다고 보고되고 있다.1-10) 본 연구에서 상간 경도 차이는 모든 강종에서 발생하였고, 전반적으로 동일한 합금조성에서는 구성 상간의 경도차가 감소할수록 구멍확장율이 상승하는 경향을 보인다. 그러나 경향을 벗어나는 경우도 발생하므로, 3가지 합금조성을 총괄하여 볼 때 모든 데이터가 경도편차와 일정한 관계에 놓이는 것은 아닌 것으로 판단된다.
2) Steel A의 합금이 650°C에서 권취되었을 때 얻어진 페라이트 - 입상 베이나이트 미세조직이 가장 우수한 인장특성 및 신장플랜지성을 나타내었다.
3) Steel B의 합금이 500°C에서 권취되었을 때 얻어진베이나이트-마르텐사이트 미세조직은 Steel A-650°C에 비하여 미세 탄화물이 균일하게 존재하지 않으며, 두 상간의 경도편차가 높게 나타남으로써 우수한 인장특성에 비해 신장플랜지성은 50%의 HER값을 달성하지 못하였다.
4) Steel C의 합금이 400°C에서 권취되었을 때 얻어진 템퍼 마르텐사이트 미세조직은 인장강도와 연신율에서는 목표 달성하였으나, 템퍼링 시에 발생한 조대한 탄화물이다량 존재하여 HER은 낮은 값을 나타내었다.
5) 신장플랜지성은 인장특성 중에서 인장강도와는 반비례 그리고 총연신율과는 비례관계를 보였다.
500°C의 권취 온도에서 경도편차가 상승하는 경향이 있으므로 500°C는 본 연구에서 다루어진 강종에 대하여 가장 취약한 권취 온도임을 재 확인할 수 있었다.
6) 신장플랜지성은 상간경도차와 대략적인 연관성은 있었으나 정확히 일정한 관계를 나타내지는 않았다.
7) EBSD 분석 결과 열연강판에서 권취 온도에 따라 압연 중 발생된 결함들이 회복되는 정도가 달라지기 때문에, 미세조직의 균질성(낮은 평균 결정립 방위차)이 신장플랜지성에 미치는 영향은 매우 중요하였다.
2(c)]. SEM 미세조직에서 페라이트 입내에 분포하는 탄화물들은 20-50 nm 크기의 구형 탄화물로 보이고, TEM 조직상에서도 입내에 균일하게 분포함을 확인하였다. 그리고 탄화물의 성분은 Fig.
결론적으로 베이나이트와 마르텐사이트의 이상 조직은 500°C의 비교적 낮은 온도에서 수행된 권취로 인하여, A-650°C의 경우처럼 균일하게 분포된 다량의 미세 탄화물은 보여지지 않았다.
본 탄화물은 재가열시에 고용되지 않은 조대한 탄화물과는 달리 압연후 권취시에 새롭게 핵 생성된 탄화물로 판단된다. 따라서 본 강종의 최종 미세조직은 수십 nm 크기의 탄화물이 균일하게 분포된 페라이트와 입상 베이나이트임을 확인하였다.
따라서 인장강도와 신장플랜지성의 조합으로 보았을 때, 500°C의 권취 온도가 본연구에 사용된 강재에 가장 취약한 권취 온도로 나타났고 650°C가 가장 효과적인 권취 온도임을 확인 할 수있었다.
반면 베이나이트와 마르텐사이트의 조합인 B-500°C 강종의 경우 1046MPa의 인장강도, 13%의 총 연신율에서는 우수한 값을 보이지만, 구멍확장율은 50%에 매우 못미치는 결과를 나타내었다.
반면 베이나이트와 마르텐사이트의 조합인 B-500°C 강종의 경우 1046MPa의 인장강도, 13%의 총 연신율에서는 우수한 값을 보이지만, 구멍확장율은 50%에 매우 못미치는 결과를 나타내었다. 베이나이트와 마르텐사이트 조합의 미세조직은 1GPa급의 인장강도를 달성하기에는 충분하지만 신장플랜지성에는 불리한 미세조직 조합으로 판단되었다.
신장플랜지성이 가장 높은 A-650°C의 경우 1° 이하의 파란색 영역이 가장 넓었으며, 신장플랜지성이 가장 낮은 C-400°C의 경우 1° 이하의 파란색 영역이 가장 좁았다.
즉, 평균 방위 차 1° 이하를 가지는 결정립의 부피 분율과 신장플랜지성은 정확히 비례함을 검증 할 수 있었다.
참고적으로 1°이하의 평균 방위 차가 신장플랜지성과 비례한다는 결과는 본 연구에 기술한 대표적 강종 3가지 이외 다른 권취 온도에서 수행된 강종에서도 같은 경향성을 볼 수 있었다.
특히 A-650°C의 경우는 HER(%) × TS(MPa)값이 65000MPa%를 나타냄으로써 본 연구에서 사용된 강종 중가장 우수한 기계적 특성 조합을 나타내었다.
후속연구
1) 더불어 경량화가 지속됨에 따라 열연강판의 고강도화도 지속적으로 추진되고 있는 추세이므로, 향후 인장강도 1GPa급 이상의 초고강도 열연강판의 개발에 대한 기대는 아주 크다고 할 수 있다. 또한 장출 성형, 신장 플랜지 성형, 드로잉 및 굽힘 성형으로구분 되는 자동차 부품의 성형 모드를 만족하기 위해서는 강도뿐 아니라 적절한 성형성의 확보도 중요하다.
특히, 자동차 강판에 사용되는 여러 성형 모드 중 균일 연신을 초과하는 큰 변형을 받을 경우 견딜 수 있는 극한 변형능으로 정의되는 신장플랜지성은 인장강도와 연신율 만큼 중요한 기계적 특성이다. 그리고 인장시험에서의 넥킹(necking) 이후의 변형조직 및 파괴거동과는 차이가 있기 때문에, 이에 미치는 야금학적 영향에 대한 연구가 필요하다.4-6)
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 논문에서 실험을 위해 진공유도용해로를 이용하여 제조한 것은 무엇인가?
사용된 강의 대표적인 화학성분은 Table 1에 나타내었고, 진공유도용해로를 이용하여 잉곳을 제조하였다. 특히 Ti, Nb, V의 합은 0.
용해된 잉곳은 열간 압연을 위해 어떤 처리를 하였는가?
2wt%으로 하였고 3강종 모두 동일한 비율로 용해 하였다. 용해된 잉곳은 열간 압연을 위해 1250°C에서 2시간 동안 재 가열 하여 균질화 시킨 후 실험실 스케일의 압연모사시험을 통해 3.5 mm 두께로 열간 압연 하였다.
자동차 강판의 경량화가 지속됨에 따라 지속적으로 추진되고 있는 것은 무엇인가?
자동차 강판 중 프레임, 서스펜션, 샤시 등의 차체 부에는 냉연재가 사용되는 외판부와 달리 열연강판의 사용이 꾸준히 증가하고 있으며, 요구되는 특성들은 강도뿐 아니라 우수한 피로특성, 내부식성 등의 다양한 특성들이 요구되고 있다.1) 더불어 경량화가 지속됨에 따라 열연강판의 고강도화도 지속적으로 추진되고 있는 추세이므로, 향후 인장강도 1GPa급 이상의 초고강도 열연강판의 개발에 대한 기대는 아주 크다고 할 수 있다. 또한 장출 성형, 신장 플랜지 성형, 드로잉 및 굽힘 성형으로구분 되는 자동차 부품의 성형 모드를 만족하기 위해서는 강도뿐 아니라 적절한 성형성의 확보도 중요하다.
참고문헌 (16)
S. Kazuhiro, F. Yoshimasa and K. Shinjiro, JFE Technical Report. 10, 19 (2007).
V. Uthaisangsuk, U. Prahl and W. Bleck, Comput. Mater. Sci., 45(3), 617 (2009).
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