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문제 정의
- 이러한 H 형강 내 냉각속도의 불균일은 상변화와 석출물 분포와 같은 미세조직과 그에 따른 기계적 성질에 크게 영향을 주지만, 이들에 대한 연구는 미비한 상황이다. 따라서, 본 연구에서는 V, Nb 첨가 미량 합금강을 가속냉각하여 제조한 600 MPa 급의 인장강도를 가지는 고강도 대형 H 형강의 부위별 미세조직과 그에 따른 경도변화를 체계적으로 연구하고자 하였다.
제안 방법
- H 형강 내 석출물을 관찰하기 위해 플랜지와 웹의 중심부에서 탄소 추출 복제막(carbon extraction replica)를 제작하여, 투과 전자 현미경(TEM, JEOL, JEM2100F)과 에너지 분산 분광법(EDXS, Oxford, INCA Energy)을 이용해서 석출물의 크기, 조성, 형상, 분포 등을 조사하였다.
- 미세조직 관찰을 위해 H 형강의 각 부위별 시편들을 기계연마 후 10% 나이탈 용액으로 에칭하여 광학현미경(Olympus, BX41M)을 이용하여 관찰하였다. H 형강의 각 부위별 경도는 미세조직 관찰 후비커스 경도기(Mitutoyo, 810-129K)를 이용하여 500 g의 하중으로 5회 이상 측정하였고, 이들 측정값의 평균값을 사용하였다.
- H 형강의 부위별 석출물의 분포는 플랜지와 웹의 중심부에서 탄소 추출 복제막을 제작하여 TEM을사용하여 관찰하였다. TEM을 이용하여 플랜지 중심부의 석출물 분포를 조사한 결과, 그림 6(a)에 나타낸 바와 같이 크기에 따라서 약 30 nm 내외의 석출물과 10~20 nm의 석출물, 그리고 10 nm 이하의 미세한 석출물로 분류할 수 있었다.
- 미세조직 관찰을 위해 H 형강의 각 부위별 시편들을 기계연마 후 10% 나이탈 용액으로 에칭하여 광학현미경(Olympus, BX41M)을 이용하여 관찰하였다. H 형강의 각 부위별 경도는 미세조직 관찰 후비커스 경도기(Mitutoyo, 810-129K)를 이용하여 500 g의 하중으로 5회 이상 측정하였고, 이들 측정값의 평균값을 사용하였다.
- 본 연구에서는 가속냉각으로 제조된 고강도 대형 H 형강의 미세조직, 석출물 분포, 그리고 경도 값을 각 부위별, 두께별로 조사하였다. 냉각수 분사에 의해 직접 수냉된 플랜지의 외부 표면은 냉각속도가 빨라서 마르텐사이트와 베이나이트의 이상 조직으로 구성되어 있었고, 300 Hv 이상의 높은 경도 값을 나타내었다.
- 반면, 샤르피 흡수에너지는 플랜지가 웹보다 2배 이상 높음을 알 수 있다. 이와 같이 H 형강의 부위별로 기계적 성질의 차이가 나타나는 원인을 알아보기 위해 H 형강의 각 부위별, 두께별 미세조직을 관찰하고 경도를 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 시편은 그림 1에 빗금으로 표시한 바와 같이, 플랜지의 외부 표면에서부터 두께 방향을 따라, 그리고 웹의 윗 표면에서 두께 방향을 따라 각각 채취하였으며, 모든 시편의 크기는 약 30 × 30 × 10 mm3이었다.
- 본 연구에서 사용된 V과 Nb이 복합 첨가된 H 형강의 화학 조성은 중량비로 Fe-0.13C-1.29Mn-0.21Si-0.066V-0.050Nb-0.013N이다. 상기의 V, Nb 첨가 미량 합금강에서 석출물은 (V, Nb)(C,N)의 복합 탄질화물의 형태로 석출하고, 이들 석출물의 재용해 온도는 약 1170℃로 알려져 있다[13].
성능/효과
- TEM을 이용하여 플랜지 중심부의 석출물 분포를 조사한 결과, 그림 6(a)에 나타낸 바와 같이 크기에 따라서 약 30 nm 내외의 석출물과 10~20 nm의 석출물, 그리고 10 nm 이하의 미세한 석출물로 분류할 수 있었다. EDXS를 이용하여 석출물의 화학조성을 분석해 본 결과, 크기가 비교적 큰 30 nm 내외의 석출물들은 V과 Nb의 원자비가 약 3 : 7인 Nb-rich (Nb,V)(C,N)인 반면(그림 6(c)), 10~20 nm의 석출물과 10 nm 이하의 미세한 석출물들은 V와 Nb의 원자비가 약 7 : 3인 V-rich (V,Nb)(C,N) 임을 확인할 수 있었다(Fig. 6(d)).
- (c))의 펄라이트의 분율은 약 20%로 플랜지 중심부(15%) 보다 조금 높았으며, 페라이트 결정립 크기 또한 약 20 μm로 플랜지 중심부(14 μm) 보다 약간 큰 것을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 가속냉각으로 제조된 고강도 대형 H 형강의 미세조직, 석출물 분포, 그리고 경도 값을 각 부위별, 두께별로 조사하였다. 냉각수 분사에 의해 직접 수냉된 플랜지의 외부 표면은 냉각속도가 빨라서 마르텐사이트와 베이나이트의 이상 조직으로 구성되어 있었고, 300 Hv 이상의 높은 경도 값을 나타내었다. 플랜지 내부로 갈수록 페라이트와 펄라이트의 분율이 점차 증가하고, 이에 따라 경도는 감소하였으나, 페라이트의 미세화가 관찰되는 플랜지의 내부 표면에서 경도가 소폭 증가하였다.
- 그림 3은 플랜지의 외부표면에서부터 두께방향으로의 거리에 따른 경도 변화를 보여준다. 미세조직 변화를 통해 예측할 수 있듯이, 마르텐사이트와 베이나이트로 구성된 외부 표면에서는 300 Hv 이상의 높은 경도를 보이는 반면, 플랜지의 외부 표면에서부터 두께방향으로의 거리가 증가함에 따라 약 7 mm 지점까지 경도 값은 급격히 감소함을 알 수 있다. 이는 플랜지의 두께가 증가함에 따라 느려진 냉각속도에 의해 저온 변태상인 마르텐사이트와 베이나이트의 생성이 억제되는 반면, 페라이트와 펄라이트의 변태가 촉진되었기 때문이다.
- 이처럼, 플랜지 부분의 비교적 작은 크기의 석출물 분포 또한 플랜지의 강도를 높이는데 기인했을 것이라 생각된다. 상기의 미세조직, 석출물 관찰과 경도 측정 결과를 통해 표 1의 플랜지의 항복강도와 인장강도가 웹보다 높은 이유는 플랜지 부분이 가속냉각에 의해 저온 변태조직의 분율이 높을뿐 아니라, 석출물의 크기 또한 웹 부분에 비해 작기 때문인 것으로 생각된다.
- 이 후 경도는 20 mm 두께 지점까지 점차적으로 감소하다가, 플랜지의 내부 표면에서 페라이트 결정립 미세화에 의해 약간 증가하였다. 이처럼, H 형강의 플랜지는 그 두께에 따라 마르텐사이트와 베이나이트의 경한 상에서부터 페라이트와 펄라이트의 연한 상까지 다양한 미세조직을 가지며, 이에 따라 두께별로 310 Hv에서 180 Hv의 넓은 범위의 경도 값을 가짐을 알 수 있었다.
- 냉각수 분사에 의해 직접 수냉된 플랜지의 외부 표면은 냉각속도가 빨라서 마르텐사이트와 베이나이트의 이상 조직으로 구성되어 있었고, 300 Hv 이상의 높은 경도 값을 나타내었다. 플랜지 내부로 갈수록 페라이트와 펄라이트의 분율이 점차 증가하고, 이에 따라 경도는 감소하였으나, 페라이트의 미세화가 관찰되는 플랜지의 내부 표면에서 경도가 소폭 증가하였다. 형강의 웹부분에서는 저온 변태상이 관찰되는 상하부 표면에서 경도 값이 약 290 Hv로 높았으며, 내부로 갈수록 경도 값은 점차 감소하였다.
- 플랜지와 웹의 항복강도는 각각 585 MPa와 443 MPa이고, 인장강도는 각각 699 MPa와 577 MPa이었다. 플랜지는 웹보다 높은 항복강도와 인장강도를 나타내었으나, 연신율은 플랜지와 웹 모두 약 20%로 비슷한 수준이었다. 반면, 샤르피 흡수에너지는 플랜지가 웹보다 2배 이상 높음을 알 수 있다.
- 형강의 웹부분에서는 저온 변태상이 관찰되는 상하부 표면에서 경도 값이 약 290 Hv로 높았으며, 내부로 갈수록 경도 값은 점차 감소하였다. 플랜지와 웹 부분 모두 30~50 nm의 Nb-rich 석출물과 20 nm 이하의 Vrich 석출물이 관찰되었으나, 플랜지의 석출물의 크기가 웹보다 상대적으로 작았다. 플랜지의 항복강도와 인장강도가 웹보다 높은 이유는 플랜지 부분이 냉각수 분사를 직접 받아 빠른 냉각속도로 냉각이 되었기 때문에 저온 변태조직의 분율이 높을 뿐 아니라, 석출물의 크기 또한 웹 부분에 비해 작기 때문인 것으로 생각된다.
- 플랜지 내부로 갈수록 페라이트와 펄라이트의 분율이 점차 증가하고, 이에 따라 경도는 감소하였으나, 페라이트의 미세화가 관찰되는 플랜지의 내부 표면에서 경도가 소폭 증가하였다. 형강의 웹부분에서는 저온 변태상이 관찰되는 상하부 표면에서 경도 값이 약 290 Hv로 높았으며, 내부로 갈수록 경도 값은 점차 감소하였다. 플랜지와 웹 부분 모두 30~50 nm의 Nb-rich 석출물과 20 nm 이하의 Vrich 석출물이 관찰되었으나, 플랜지의 석출물의 크기가 웹보다 상대적으로 작았다.
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