[논문]B과 Cu가 포함된 고강도 저합금강의 연속냉각 변태와 미세조직 및 기계적 특성

황병철

doi:10.3740/mrsk.2013.23.9.525

B과 Cu가 포함된 고강도 저합금강의 연속냉각 변태와 미세조직 및 기계적 특성
Continuous Cooling Transformation, Microstructure and Mechanical Properties of High-Strength Low-Alloy Steels Containing B and Cu 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.23 no.9, 2013년, pp.525 - 530

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the continuous cooling transformation, microstructure, and mechanical properties of highstrength low-alloy steels containing B and Cu. Continuous cooling transformation diagrams under non-deformed and deformed conditions were constructed by means of dilatometry, metallographic methods, and hardness data. Based on the continuous cooling transformation behaviors, six kinds of steel specimens with different B and Cu contents were fabricated by a thermomechanical control process comprising controlled rolling and accelerated cooling. Then, tensile and Charpy impact tests were conducted to examine the correlation of the microstructure with mechanical properties. Deformation in the austenite region promoted the formation of quasi-polygonal ferrite and granular bainite with a significant increase in transformation start temperatures. The mechanical test results indicate that the B-added steel specimens had higher strength and lower upper-shelf energy than the B-free steel specimens without deterioration in low-temperature toughness because their microstructures were mostly composed of lower bainite and lath martensite with a small amount of degenerate upper bainite. On the other hand, the increase of Cu content from 0.5 wt.% to 1.5 wt.% noticeably increased yield and tensile strengths by 100 MPa without loss of ductility, which may be attributed to the enhanced solid solution hardening and precipitation hardening resulting from veryfine Cu precipitates formed during accelerated cooling.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 친환경 저가원소인 B과 Cu를 적극 활용하여 기계적 특성이 우수한 고강도 저합금강을 제어 압연과 가속 냉각을 통해 제조하고자 하였다. 이를 위하여 먼저 오스테나이트에서의 변형과 다양한 냉각 속도에 따른 연속냉각 변태(continuous cooling transformation) 거동을 분석하고, 미세조직을 체계적으로 분석하였다.

가설 설정

반면 비평형 편석은 냉각 시 과잉으로 형성된 공공이 결정립계로 이동하는 메커니즘에 의해 B 원자들이 결정립계로 움직이기 때문에, 결정립계에 편석되는 B 농도는 냉각 동안 결정립계로 소멸되는 공공-용질 복합체(vacancy-solute complexes)의 수에 의해 결정된다.¹⁰⁾ 따라서 B이 첨가된 강을 오스테나이트 영역의 고온에서 냉각 시 평형 편석보다는 비평형 편석이 오스테나이트 결정립계에 존재하는 B의 전체 편석에 더 큰 영향을 준다. 비평형 편석의 경우 냉각되는 구간의 온도 차이가 크고, 냉각 속도가 느릴수록 편석되는 B의 농도는 증가한다.

제안 방법

2~50℃/s, 820℃에서 냉각 시작)에서 얻어진 선팽창 곡선으로부터 변태 시작과 종료 온도를 측정하였고, 시편의 미세조직과 경도 변화를 관찰하였다. 경도는 비스커 경도 시험기(model: FM-300, Future-Tech Corp.)를 이용하여 300 g의 하중 하에서 측정하였다.
)를 이용하여 각 상의 분율을 정량적으로 측정하였다. 또한 저온 변태 조직의 하부 구조(substructure)를 분석하기 위해 투과 전자현미경(transmission electron microscopy, TEM, model: JEM-2100F, JEOL)을 이용하여 다양한 형태의 베이나이트와 마르텐사이트 조직을 관찰하였다.
%)을, 뒤의 문자는 B 첨가(약 10 ppm)를 나타낸다. 먼저 0.5Cu 시편과 0.5Cu-B 시편에 대하여 오스테나이트 변형에 따른 미변형(non-deformed) 및 변형(deformed) 연속냉각 변태 곡선을 작성하였다. 이를 위하여 열간 압연 모사 시험기(model: Gleeble 3500, Dynamic Systems Inc.
미세조직 분석은 판재의 윗면, 즉 L-T(longitudinal-transverse) 면을 관찰하였으며, 광학 현미경(model: EPIPHOT 200, Nikon)과 영상 분석기(SigmaScan Pro 4.0, Jandel Corp.)를 이용하여 각 상의 분율을 정량적으로 측정하였다. 또한 저온 변태 조직의 하부 구조(substructure)를 분석하기 위해 투과 전자현미경(transmission electron microscopy, TEM, model: JEM-2100F, JEOL)을 이용하여 다양한 형태의 베이나이트와 마르텐사이트 조직을 관찰하였다.
연속냉각 변태 거동에 대한 분석을 토대로 다양한 저온 변태 조직을 형성시키기 위해 제어 압연 및 가속 냉조건을 다음과 같이 설정하였다. 우선 100 mm 두께의 강재를 1,150℃에서 2시간 정도 재가열한 후 980℃에서 압연을 시작하며, 재결정 온도 이상과 그 이하에서 각각 50 % 이상의 압하를 가하고, 오스테나이트 단상 영역에서 마무리 압연을 실시하여 15 mm 두께의 판재로 제조하였다. 마무리 압연 후 800℃에서 약 250℃의 냉각 종료 온도까지 20℃/s 이상의 속도로 가속냉각하였다.
이를 위하여 먼저 오스테나이트에서의 변형과 다양한 냉각 속도에 따른 연속냉각 변태(continuous cooling transformation) 거동을 분석하고, 미세조직을 체계적으로 분석하였다. 이를 바탕으로 제어 압연을 통해 오스테나이트계 결정립을 미세화시킨 후 가속 냉각을 통해 다양한 미세조직을 갖는 고강도 저합금강을 제조하고, 인장 및 충격 시험을 실시하여 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 규명하였다.
본 연구에서는 친환경 저가원소인 B과 Cu를 적극 활용하여 기계적 특성이 우수한 고강도 저합금강을 제어 압연과 가속 냉각을 통해 제조하고자 하였다. 이를 위하여 먼저 오스테나이트에서의 변형과 다양한 냉각 속도에 따른 연속냉각 변태(continuous cooling transformation) 거동을 분석하고, 미세조직을 체계적으로 분석하였다. 이를 바탕으로 제어 압연을 통해 오스테나이트계 결정립을 미세화시킨 후 가속 냉각을 통해 다양한 미세조직을 갖는 고강도 저합금강을 제조하고, 인장 및 충격 시험을 실시하여 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 규명하였다.
이를 위하여 열간 압연 모사 시험기(model: Gleeble 3500, Dynamic Systems Inc.)를 이용하여 1,150 ℃에서 10 분간 유지 후 오스테나이트에서의 변형(850℃에서 1s−1의 변형률 속도로 30 % 변형) 유무와 다양한 냉각 속도(0.2~50℃/s, 820℃에서 냉각 시작)에서 얻어진 선팽창 곡선으로부터 변태 시작과 종료 온도를 측정하였고, 시편의 미세조직과 경도 변화를 관찰하였다.
)를 이용하여 −196 ~ +100℃의 온도 범위에서 실시하였다. 저온인성을 평가하기 위한 연성-취성 천이 온도(ductile-brittle transition temperature, DBTT)는 연성과 취성 파면이 각각 50 %인 온도로 결정하였다.

대상 데이터

기계적 특성을 평가하기 위하여 판재 두께의 1/2되는 위치에서 인장 및 충격 시편을 채취하였다. 인장 시험은 ASTM E8 시험법에 따라 sub-size 봉상 시편(표점거리 25.
본 연구에서 사용된 재료는 Fe-0.07C-0.25Si-1.8Mn-0.7(Ni+Cr+Mo)-0.01(Nb+V+Ti)-0.03Al(wt. %)을 기본 조성으로 하여 B 및 Cu의 함량을 달리한 6 종류의 시편들이다. 이제부터 편의상 이들 시편들을 ‘0Cu’, ‘0.

이론/모형

기계적 특성을 평가하기 위하여 판재 두께의 1/2되는 위치에서 인장 및 충격 시편을 채취하였다. 인장 시험은 ASTM E8 시험법에 따라 sub-size 봉상 시편(표점거리 25.4 mm, 직경 6.3 mm)으로 가공하고, 10톤 용량의 만능 시험기(model: Instron 5882, Instron Co.)를 이용하여 5 mm/min의 속도로 상온에서 실시하였다. 충격 시험은 ASTM E23 표준 시험법에 따라 T-L 방향으로 10 × 10× 55 mm의 Charpy V-notch(CVN) 시편으로 가공한 후 500 J 용량의 충격 시험기(model: FAHC-J-500-01, JT Toshi Inc.
충격 시험은 ASTM E23 표준 시험법에 따라 T-L 방향으로 10 × 10× 55 mm의 Charpy V-notch(CVN) 시편으로 가공한 후 500 J 용량의 충격 시험기(model: FAHC-J-500-01, JT Toshi Inc.)를 이용하여 −196 ~ +100℃의 온도 범위에서 실시하였다.

성능/효과

5 wt.%로 증가될 때 항복 강도와 인장 강도는 연성의 큰 저하없이 100 MPa 이상 크게 증가하였다. 이는 Cu 첨가에 의한 뚜렷한 고용강화 효과 이외에 가속 냉각으로 변태되는 도중에 형성된 매우 미세한 석출물의 영향으로 생각되었다.
LB는 래스 형태의 베이나이트 내에 고용된 탄소들이 미세하게 분산된 탄화물로 석출되고, 입방정 구조를 가지고 있어 다중 슬립계가 작동하기 때문에 LM보다 상대적으로 높은 상부 흡수에너지(upper shelf energy, USE)를 가진다.^1,2) 반면 LM은 많은 양의 탄소가 침입형 자리에 고용된 채 잔류되어 한 축으로 정방정 뒤틀림(tetragonal distortion)을 일으켜 슬립계를 제한하기 때문에 격자 마찰과 탄소 고용으로 인해 높은 강도를 갖지만, LB에 비해 대체로 낮은 연성과 인성을 갖는다.^4,5) LM은 일반적으로 탄화물이 존재하지 않지만, 가속 냉각 후 공랭될 경우 오토 템퍼링(auto-tempering)이 일어나 마르텐사이트 래스 내부에 탄화물들이 다양한 방향으로 석출되기도 한다(Fig.
미변형 및 변형 연속냉각 변태 곡선에서 모두 냉각 속도가 빨라짐에 따라 변태 시작과 종료 온도는 모두 낮아지며, 미세조직은 변태 온도에 따라 QPF(qausi-polygonal ferrite), GB(granular bainite), DUB(degenerate upper bainite), LB(lower bainite), LM(lath martensite)의 순서로 다양한 저온변태 조직이 형성되었다.^1,2,8,9) 0.5Cu-B 시편은 B 첨가에 의한 경화능 향상으로 인해 0.5Cu 시편에 비해 변태 시작과 종료 온도가 모두 낮아져 미세조직이 냉각 속도에 따라 큰 차이를 나타낸다. 이들 미세조직을 살펴보면(Fig.
4,5) 따라서 B 첨가에 관계없이 이러한 오스테나이트 변형은 변태 시작 온도를 크게 상승시키며, 변태 종료 온도에는 큰 영향을 주지 않는다. 그러나 B 첨가 유무에 따라 미변형 및 변형 연속냉각 변태 곡선의 변태 시작 온도는 냉각 속도에 따라 조금 다른 양상을 나타낸다.
6에 각각 나타내었다. B이 첨가된(B-added) 시편들은 B이 첨가되지 않은(B-free) 시편들에 비해 항복 강도와 인장 강도가 모두 높으며, Cu 함량이 높아짐에 따라 강도는 대체로 증가하고, 연신율은 감소하였다. 이는 B이 첨가되지 않은 시편들의 경우 GB 조직을 많이 포함하고 Cu 함량 증가에 따라 DUB나 LB/LM가 형성되며, B이 첨가된 시편들의 경우 LB/LM 조직이 대부분으로 형성되고 Cu 함량 증가에 따라 그 분율이 높아지기 때문이다.
이는 고강도 저합금강에서 B의 첨가가 상부 흡수에너지를 다소 감소시키지만, 강도와 저온인성을 모두 향상시키는데 효과적임을 의미한다. 또한 Cu 함량 증가에 따라 상부 흡수에너지는 서서히 감소하며, 연성-취성 천이 온도는 10~20℃ 정도 증가되었다. 이는 Cu 함량 증가에 낮은 인성을 갖는 DUB나 LB/LM 분율이 증가하기 때문이다.
2에 나타내었다. 미변형 및 변형 연속냉각 변태 곡선에서 모두 냉각 속도가 빨라짐에 따라 변태 시작과 종료 온도는 모두 낮아지며, 미세조직은 변태 온도에 따라 QPF(qausi-polygonal ferrite), GB(granular bainite), DUB(degenerate upper bainite), LB(lower bainite), LM(lath martensite)의 순서로 다양한 저온변태 조직이 형성되었다.^1,2,8,9) 0.
B이 첨가된 시편에 대한 오스테나이트에서의 변형은 비평형 편석에 의해 오스테나이트 입계에 편석되는 B 농도를 증가시킴으로써 경화능을 크게 향상시켰다. 한편 B이 첨가된 시편들은 B이 첨가되지 않은 시편들에 비해 항복 강도와 인장 강도가 모두 높으며, 연신율과 상부 흡수에너지는 다소 낮지만, 연성-취성천이 온도가 거의 같은 우수한 저온인성을 나타내었다. B 첨가에 관계없이 Cu 함량 증가에 따라 강도는 높아지지만, 인신율과 상부 흡수에너지는 서서히 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보론은 미량 첨가로 강에 어떤 조직의 변태를 촉진시키는가?	보론(B)은 Mo, Cr 등의 다른 경화능 원소와 달리 수십 ppm의 미량 첨가를 통해서 강의 경화능을 효과적으로 향상시켜 베이나이트 또는 마르텐사이트 변태를 촉진시키는 매우 유용한 원소이다.4-6) 구리(Cu)는 Ni, Mn 등 일반 오스테나이트 안정화 원소보다 친환경적이면서도 가격적 측면에서 경쟁력이 있을 뿐만 아니라 페라이트 내 고용 한도가 낮음에도 불구하고 매우 뚜렷한 고용강화 및 경화능 효과와 함께 베이나이트 변태 영역에서 기지 조직 내에 수 nm 크기의 입자를 석출시켜 부가적인 강화 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.
	고강도 저합금강을 제조하는 대표적인 기술은?	1-3) 최근 자원 재활용, 지구 온난화와 같은 환경적인 문제와 함께 원자재비 상승, 고유가에 따른 경제적인 측면이 크게 부각되면서 친환경 저가 원소의 활용(C, N, B, Cu 등)과 제조 공정의 단축을 통해 보다 환경 친화적이고 경제적인 방법으로 고강도 저합금강(high-strength low-alloy steel, HSLA)을 제조하려는 연구가 큰 관심을 받고 있다. 그 대표적인 예가 제어 압연과 가속 냉각을 이용한 가공 열처리(thermomechanical control process, TMCP) 제조 기술이다.4,5)일반적으로 Ni, Cr, Mo 등 고가의 합금원소를 많이 첨가할 경우 고강도와 저온인성을 동시에 만족시킬 수 있지만, 원소재의 가격이 증가하기 때문에 경제적인 측면에서 바람직하지 않다.
	구리를 합금원소로 첨가할 경우 얻을 수 있는 이점은?	보론(B)은 Mo, Cr 등의 다른 경화능 원소와 달리 수십 ppm의 미량 첨가를 통해서 강의 경화능을 효과적으로 향상시켜 베이나이트 또는 마르텐사이트 변태를 촉진시키는 매우 유용한 원소이다.4-6) 구리(Cu)는 Ni, Mn 등 일반 오스테나이트 안정화 원소보다 친환경적이면서도 가격적 측면에서 경쟁력이 있을 뿐만 아니라 페라이트 내 고용 한도가 낮음에도 불구하고 매우 뚜렷한 고용강화 및 경화능 효과와 함께 베이나이트 변태 영역에서 기지 조직 내에 수 nm 크기의 입자를 석출시켜 부가적인 강화 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.4,7)

참고문헌 (12)

J. Koo, M. J. Luton, N. V. Bangaru, R. A. Petkovic, D. P. Fairchild, C. W. Petersen, H. Asahi, T. Hara, Y. Terada, M. Sugiyama, H. Tamehiro, Y. Komizo, S. Okaguchi, M. Hamada, A. Yamamoto, I. Takeuchi, Int. J. Offshore and Polar Eng., 14, 2 (2004).
B. Hwang, C. G. Lee, S. Lee, C. Lee, Trends in Metals & Materials Engineering, The Korean Institute of Metals and Materials, 22, 28 (2009).
D. Raabe, D. Ponge, O. Dmitrieva, B. Sander, Adv. Eng. Mater., 11, 547 (2009).

상세보기
I. Tamura, H. Sekine, T. Tanaka, C. Ouchi: Thermomechanical Processing of High-Strength Low-Alloy Steels, Butterworth & Co. Ltd., London, 1988.
T. Gladman: The Physical Metallurgy of Microalloyed Steels, The Institute of Materials, London, 1997.
D. H. Werner, Boron and Boron Containing Steels, Verlag Stahleisen mbH, Dusseldorf (1995).
A. Ghosh, B. Mishra, S. Das, S. Chatterjee, Mater. Sci. Eng., A, 374, 43 (2004).

상세보기
B. L. Bramfitt and J. G. Speer, Metall. Mater. Trans. A, 21, 817 (1990).

상세보기
G. Krauss and S. W. Thompson, ISIJ Int., 35, 937 (1995).

상세보기
L. Karlsson, H. Norden and H. Odelius, Acta Metall., 36, 1 (1988).

상세보기
X. L. He, Y. Y. Chu and J. J. Jonas, Acta Metall., 37, 147 (1989).

상세보기
S. K. Ghosh, A. Haldar, P. P. Chattopadhyay, Mater. Sci. Eng., A, 519, 88 (2009).

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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