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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)
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