[논문]고탄소강의 구상화속도에 미치는 초기 미세조직, 냉간압연 및 온도의 영향

김준호; 하태권

doi:10.5228/kstp.2013.22.3.158

문제 정의

다시 말해서 페라이트 기지에 균일하게 분포된 구상화된 Fe₃C 입자를 생성하여 연성이 향상된 미세조직으로 바뀌게 되는 것이다. 고탄소강 판재의 경우 최종제품으로 제조하는 과정에서 가공성을 향상시킬 목적으로 펄라이트의 미세화와 함께 미세구상화를 위한 열처리를 행하게 되는 것이다.
한편, 선진국에서는 SK85급의 미세구상화 강을 제조 판매하고 있어 이 분야에 대한 조속한 기술개발과 함께 미세 구상화를 이용한 신제품 개발이 시급히 이루어져야 할 상황이다. 본 연구에서는 SK85 고탄소강 열연강판의 구상화 속도에 미치는 초기 미세구조와 냉간압하율의 영향에 대하여 체계적으로 규명하고자 하였다. 이를 위하여SK85 고탄소강 열연판에 대하여 2단 열처리를 통해 미세한 펄라이트와 조대한 펄라이트 조직을 가지도록 하였고, 이어서 압하율을 20~40%로 변화시켜 냉간압연 한 후 600℃와 720℃에서의 구상화 속도를 측정하였다.
본 연구에서는 위의 다양한 미세조직들 중 구상화에 가장 효율적인 것으로 예상되는 미세한 펄라이트 조직을 선택하여 구상화 속도에 미치는 냉간압하율의 효과를 정량적으로 알아보고자 하였고, 초기 미세조직이 구상화에 미치는 영향을 알아보기 위하여 조대한 펄라이트 조직에 대하여도 구상화 속도를 측정하였다.
표점거리는 27mm였고 변형율 속도는 10^-4 s^-1로 일정하게 하였다. 인장시험을 통하여 항복강도 및 인장강도를 측정하여 구상화 분율과의 관계를 알아보고자 하였다.

가설 설정

0 영상분석 프로그램을 이용하였다. 분절된 세멘타이트 입자의 크기 및 형상비는 입자를 타원형으로 가정하여 계산하였다. 본 연구에서는 구상화 분율을 구상화된 세멘타이트의 전체 세멘타이트에 대한 분율로 정의하고[4], 형상비 1:5 이하면 구상화가 완료된 것으로 간주하였다[5, 6].

제안 방법

(1) SK85 고탄소강의 TTT diagram을 근거로 800℃에서 두 시간 오스테나이트화 처리 한 후, 670과 570℃로 유지시킨 염욕에 바로 투입하여 3 분간 열처리하고 수냉함으로써 각각 조대한 펄라이트와 미세한 펄라이트 조직을 얻었다. 열처리 온도가 높을수록 라멜라 크기가 커지고 층간 간격이 넓어지는 것을 알 수 있었다.
구상화 열처리 후 구상화가 진행됨에 따른 기계적 성질의 변화를 관찰하고자 경도와 인장시험을 실시하였다. 경도시험의 경우 Vickers 경도시험기를 이용하여 980.7mN의 하중을 부과하여 각각의 구상화 조건에 대하여 10번씩 측정하여 평균치를 계산하였다. 인장시험의 경우에는 미세한 펄라이트 조직을 가진 시편을 구상화 처리한 후 각각의 조건에서 세 개씩의 판상시편을 제작하여 상온에서 수행하였다.
구상화 분율을 측정하고자 구상화 소둔 후 수냉한 시편에서 얻은 SEM 사진을 이용하여 세멘타이트의 형상비(aspect ratio), 단위면적당의 개수 및 크기를 측정하였다. 이를 위하여 TDI PLUS 5.
구상화 속도에 미치는 온도의 영향 또한 매우 중요한 변수 중 하나이므로 본 연구에서는 구상화 온도를 600℃와 720℃로 변화시키고, 판재의 대량생산에 적합한 열처리 방법인 A_cm온도 직하에서 행하는 subcritical annealing 방법을 채택하여 진행하였다. 구상화 시간은 1, 2, 4, 8, 16, 32 시간으로 하였으며 각각의 구상화 소둔 처리 후에는 수냉하였고 SEM을 이용하여 미세조직을 관찰하였다.
온도 직하에서 행하는 subcritical annealing 방법을 채택하여 진행하였다. 구상화 시간은 1, 2, 4, 8, 16, 32 시간으로 하였으며 각각의 구상화 소둔 처리 후에는 수냉하였고 SEM을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 구상화 열처리 후 미세조직관찰을 위하여 시편 준비를 한 후 나이탈 용액을 이용하여 에칭한 후 광학현미경과 SEM을 이용하여 탄화물의 분포를 관찰하였다.
구상화 열처리 후 구상화가 진행됨에 따른 기계적 성질의 변화를 관찰하고자 경도와 인장시험을 실시하였다. 경도시험의 경우 Vickers 경도시험기를 이용하여 980.
구상화 시간은 1, 2, 4, 8, 16, 32 시간으로 하였으며 각각의 구상화 소둔 처리 후에는 수냉하였고 SEM을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 구상화 열처리 후 미세조직관찰을 위하여 시편 준비를 한 후 나이탈 용액을 이용하여 에칭한 후 광학현미경과 SEM을 이용하여 탄화물의 분포를 관찰하였다.
구상화 속도는 구상화열처리 시간에 따른 구상화 분율을 측정함으로써 얻을 수 있었다. 구상화의 진행에 따른 경도의 변화를 측정하였고 인장시험을 통해 얻은 기계적 특성의 변화도 함께 비교하였다.
미세한 펄라이트와 조대한 펄라이트 조직의 판재를 이용하여 냉간압하율이 구상화 속도에 미치는 영향을 정량적으로 조사하기 위하여 열처리를 통해 미세한 펄라이트와 조대한 펄라이트 조직을 가진 판재를 얻고 이를 중탕한 염산수용액에서 산세한 후 상온에서 압하율 20, 30, 40%로 냉간압연을 행하였다.
본 연구에서는 구상화 분율을 구상화된 세멘타이트의 전체 세멘타이트에 대한 분율로 정의하고[4], 형상비 1:5 이하면 구상화가 완료된 것으로 간주하였다[5, 6]. 본 연구에서는 각각의 구상화 소둔 조건으로 처리한 시편에서 무작위로 5000배의 배율로 10장의 사진을 영상분석 하여 분율 및 입자의 크기, 개수를 각각 측정하였다.
1과 같이 대체적으로 베이나이트에 가까운 조직이었다. 이 열연판재를 이용하여 다양한 미세조직을 얻기 위한 열처리를 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 SK85 고탄소강 열연강판의 구상화 속도에 미치는 초기 미세구조와 냉간압하율의 영향에 대하여 체계적으로 규명하고자 하였다. 이를 위하여SK85 고탄소강 열연판에 대하여 2단 열처리를 통해 미세한 펄라이트와 조대한 펄라이트 조직을 가지도록 하였고, 이어서 압하율을 20~40%로 변화시켜 냉간압연 한 후 600℃와 720℃에서의 구상화 속도를 측정하였다. 구상화 속도는 구상화열처리 시간에 따른 구상화 분율을 측정함으로써 얻을 수 있었다.
7mN의 하중을 부과하여 각각의 구상화 조건에 대하여 10번씩 측정하여 평균치를 계산하였다. 인장시험의 경우에는 미세한 펄라이트 조직을 가진 시편을 구상화 처리한 후 각각의 조건에서 세 개씩의 판상시편을 제작하여 상온에서 수행하였다. 표점거리는 27mm였고 변형율 속도는 10^-4 s^-1로 일정하게 하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 고탄소강 판재는 POSCO(주)에서 생산하고 있는 SK85 규격으로 화학적 조성은 Table 1에 정리한 것과 같이 무게분율로 0.83C, 0.2Si, 0.43Mn, 0.008P 그리고 0.001S 였다. 소재는 열간압연된 상태로 제공되었으며 초기 두께는 4mm 이었다.
001S 였다. 소재는 열간압연된 상태로 제공되었으며 초기 두께는 4mm 이었다. 초기 미세조직은 열간압연 후 냉각에 의해 매우 불규칙하였으며 Fig.

성능/효과

열처리 온도가 높을수록 라멜라 크기가 커지고 층간 간격이 넓어지는 것을 알 수 있었다. (2) 미세한 펄라이트(FP) 조직과 조대한 펄라이트(CP) 조직을 가지도록 열처리한 SK85 고탄소강 에 대하여 600℃와 720℃에서 1시간에서 36시간 까지 구상화 소둔 열처리를 진행한 결과 FP의 구상화속도가 CP에 비하여 빠른 것으로 나탔고, 구상화 시간이 길어짐에 따라 세멘타이트 판에 분절이 생기고 형태도 구형으로 바뀌다가 조대화되는 양상을 보였다. (3) 냉간압연한 판재에 대한 구상화 소둔 열처리한 결과 냉간압하율에 상관없이 구상화 소둔 열처리 시간이 길어짐에 따라 입자의 조대화가 관찰되었다.
(2) 미세한 펄라이트(FP) 조직과 조대한 펄라이트(CP) 조직을 가지도록 열처리한 SK85 고탄소강 에 대하여 600℃와 720℃에서 1시간에서 36시간 까지 구상화 소둔 열처리를 진행한 결과 FP의 구상화속도가 CP에 비하여 빠른 것으로 나탔고, 구상화 시간이 길어짐에 따라 세멘타이트 판에 분절이 생기고 형태도 구형으로 바뀌다가 조대화되는 양상을 보였다. (3) 냉간압연한 판재에 대한 구상화 소둔 열처리한 결과 냉간압하율에 상관없이 구상화 소둔 열처리 시간이 길어짐에 따라 입자의 조대화가 관찰되었다. 그러나 냉간압하율이 클수록 구상화 초기부터 미세한 입자들이 많이 관찰되었다.
그러나 냉간압하율이 클수록 구상화 초기부터 미세한 입자들이 많이 관찰되었다. (4) 냉간압연한 FP 시편의 경우 720℃에서 8시간 정도에서 구상화가 거의 완료되고 그 이후에 는 조대화가 지배적으로 일어나는 것으로 나타났다.
한편, CP 시편의 경우 구상화 완료시점이 보다 늦어져 16시간으로 나타났다. (5) 구상화 온도 및 초기 미세조직과 상관없이 냉간압하율이 증가함에 따라 포화 구상화 분율과 구상화 속도가 증가하는 경향을 보였다. 냉간압연에 의해 판상의 세멘타이트가 기계적으로 절단되어 구상화 열처리가 진행되는 동안 보다 쉽게 분절화 및 구형화 단계로 진행되고 있음을 알 수 있었다.
이 열연판재를 이용하여 다양한 미세조직을 얻기 위한 열처리를 수행하였다. Fig. 2에 나타낸 것과 같이, 오스테나이트화를 위하여 800℃에서 두 시간 동안 열처리 한 후, 미리 온도를 670, 630, 570, 500, 450, 그리고 400℃로 유지시킨 염욕에 바로 투입하여 3분간 열처리하고 수냉함으로써 조대한 펄라이트, 미세한 펄라이트, 펄라이트와 베이나이트의 혼합조직, 그리고 베이나이트의 다양한 미세조직을 얻을 수 있었다. 이때 사용한 염욕의 조성은 25NaNO₃+25KCl+50Na₂CO₃였다.
9에서도 확인할 수 있었다. Fig. 6의 결과와는 다르게 구상화시간이 증가함에 따라 32시간까지도 지속적으로 구상화 분율이 증가하고 있는 것을 알 수 있고, 그 값도 CP에서는 0.8에 미치지 못하고 FP에서는 0.8 정도로 낮았다. 하지만 냉간압하율이 증가함에 따라 구상화 분율의 증가가 관찰되기는 하였으나 그 차이가 크지 않았다
보다 정량적으로 분석하기 위하여 구상화 시간에 따른 단위면적당 입자의 개수와 평균입자크기 그리고 평균 형상비를 계산한 결과, FP 및 CP 모두 단위면적당 입자의 수가 한 시간에서 최대값을 보인 후 단조감소하는 경향을 보였다. 구상화의 진행이 분절(fragmentation), 구형화, 그리고 조대화로 이어지는 과정에서 비교적 짧은 시간인 한 시간 안에 분절이 일어나서 구형화가 이미 진행되고 있으며 한시간에서 분절이 일어나 최대값을 보이고 그 이후에 구형화와 조대화가 진행되면서 단위면적당입자 개수가 급격히 줄어드는 양상을 보였다.
5는 미세한 펄라이트와 조대한 펄라이트 조직의 720℃에서의 구상화 시간에 따른 구상화 분율을 표시한 것이다. 기준 형상비는 1:5였고, 전체적으로 미세한 펄라이트의 구상화 속도가 빠른것으로 나타났다.
(5) 구상화 온도 및 초기 미세조직과 상관없이 냉간압하율이 증가함에 따라 포화 구상화 분율과 구상화 속도가 증가하는 경향을 보였다. 냉간압연에 의해 판상의 세멘타이트가 기계적으로 절단되어 구상화 열처리가 진행되는 동안 보다 쉽게 분절화 및 구형화 단계로 진행되고 있음을 알 수 있었다.
7은 압하량을 20~40%까지 변화하며 냉간압연한 CP와 FP 시편에 대한 720℃에서의 구상화 분율을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 냉간압하율에 상관없이 구상화 소둔 열처리 시간이 길어짐에 따라 입자의 조대화가 관찰되었고 부위별로 아직 분절화가 이루어 지지 않는 탄화물도 일부 관찰되었으나, Fig. 6에서와 같이 냉간압하율이 커질수록 구상화 초기부터 미세한 입자들이 많이 관찰됨을 명확히 알 수 있었고 냉간압하율이 큰 FP 시편의 경우 8시간 정도에서 구상화분율이 포화값에 도달하였고 그 이후에는 조대화가 지배적으로 일어나는 것으로 나타났다. 냉간압연에 의해 판상의 세멘타이트가 기계적으로 절단되어 구상화 열처리가 진행되는 동안 보다 쉽게 분절화 및 구형화 단계로 진행되고 있음을 쉽게 알 수 있다.
그러나 16시간 동안 구상화 소둔을 한 경우에도 매우 긴 세멘타이트가 그대로 존재하기도 한다. 보다 정량적으로 분석하기 위하여 구상화 시간에 따른 단위면적당 입자의 개수와 평균입자크기 그리고 평균 형상비를 계산한 결과, FP 및 CP 모두 단위면적당 입자의 수가 한 시간에서 최대값을 보인 후 단조감소하는 경향을 보였다. 구상화의 진행이 분절(fragmentation), 구형화, 그리고 조대화로 이어지는 과정에서 비교적 짧은 시간인 한 시간 안에 분절이 일어나서 구형화가 이미 진행되고 있으며 한시간에서 분절이 일어나 최대값을 보이고 그 이후에 구형화와 조대화가 진행되면서 단위면적당입자 개수가 급격히 줄어드는 양상을 보였다.
(1) SK85 고탄소강의 TTT diagram을 근거로 800℃에서 두 시간 오스테나이트화 처리 한 후, 670과 570℃로 유지시킨 염욕에 바로 투입하여 3 분간 열처리하고 수냉함으로써 각각 조대한 펄라이트와 미세한 펄라이트 조직을 얻었다. 열처리 온도가 높을수록 라멜라 크기가 커지고 층간 간격이 넓어지는 것을 알 수 있었다. (2) 미세한 펄라이트(FP) 조직과 조대한 펄라이트(CP) 조직을 가지도록 열처리한 SK85 고탄소강 에 대하여 600℃와 720℃에서 1시간에서 36시간 까지 구상화 소둔 열처리를 진행한 결과 FP의 구상화속도가 CP에 비하여 빠른 것으로 나탔고, 구상화 시간이 길어짐에 따라 세멘타이트 판에 분절이 생기고 형태도 구형으로 바뀌다가 조대화되는 양상을 보였다.

후속연구

이와 함께 오스테나이트화 처리 후 염욕에서의 열처리 온도가 낮아지면서 비평형 상인 베이나이트의 양이 증가하고 있는 것을 확인하였는데, 베이나이트나 마르텐사이트의 양이 많아지면 차후 구상화 소둔에 있어서 탄화물의 석출이 일어나야 하므로 구상화 시간이 급격히 늘어나게 되어 현장에서의 적용은 어려워지므로 펄라이트 상태에서 구상화를 진행하는 것이 바람직하다. 또한 앞서 언급한 바와 같이 구상화는 판상의 세멘타이트에 분절이 일어나서 구형으로 전환되고 이어 구형의 세멘타이트가 조대화되어 가는 과정이므로 펄라이트 내 판상의 세멘타이트에 분절이 활발히 생기는 것이 구상화 속도를 높여주는 결과가 될 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고탄소강의 탄소함량은?	고탄소 박판강은 자동차, 기계, 공구 등 부품산업의 핵심소재로서 기술경쟁이 치열하고, 성장가능성이 높아 이의 제조기술은 국내 제조업의 경쟁력 강화라는 측면에서 반드시 확보하여야 할 기반기술이다. 고탄소강은 일반적으로 탄소함량이 0.3~1.2% 범위의 강을 말한다. 고탄소강 판재를 이용한 부품의 제조공정을 살펴보면 먼저, 철강업체에서 열연강판을 제조하고 재압연업체에서 산세, 구상화소둔 및 냉간압연을 행한 후 가공업체에서 블랭킹 등의 방법으로 부품을 가공하여 열처리, 도금 등을 거처 최종적인 부품으로 조립하게 된다.
	구상화 열처리란?	구상화 열처리란 페라이트/펄라이트 조직 혹은 펄라이트 조직의 소재가 장시간의 열처리에 의해 페라이트 기지에 탄소가 확산하여 열역학적으로 가장 안정한 구형의 탄화물로 성장하는 것을 일컫는 용어이다. 이러한 미세조직은 강에서 가장 안정화된 조직이며, 충분한 탄소의 확산반응을 가능하게 하는 높은 온도와 오랜 가열시간에 의해서 생성된다[1~3].
	구상화 열처리를 한 미세조직강의 안정화된 조직은 어떻게 생성되는가?	구상화 열처리란 페라이트/펄라이트 조직 혹은 펄라이트 조직의 소재가 장시간의 열처리에 의해 페라이트 기지에 탄소가 확산하여 열역학적으로 가장 안정한 구형의 탄화물로 성장하는 것을 일컫는 용어이다. 이러한 미세조직은 강에서 가장 안정화된 조직이며, 충분한 탄소의 확산반응을 가능하게 하는 높은 온도와 오랜 가열시간에 의해서 생성된다[1~3]. 다시 말해서 페라이트 기지에 균일하게 분포된 구상화된 Fe3C 입자를 생성하여연성이 향상된 미세조직으로 바뀌게 되는 것이다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

고탄소강의 구상화속도에 미치는 초기 미세조직, 냉간압연 및 온도의 영향
Effect of Initial Microstructure, Cold Rolling and Temperature on the Spheroidization Rate of Cementite in High Carbon Steel 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

고탄소강의 구상화속도에 미치는 초기 미세조직, 냉간압연 및 온도의 영향 Effect of Initial Microstructure, Cold Rolling and Temperature on the Spheroidization Rate of Cementite in High Carbon Steel 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

고탄소강의 구상화속도에 미치는 초기 미세조직, 냉간압연 및 온도의 영향
Effect of Initial Microstructure, Cold Rolling and Temperature on the Spheroidization Rate of Cementite in High Carbon Steel 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper