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문제 정의
- 본 연구에서는 탄소강의 경화능과 기계적 특성에 큰 영향을 미치는 C, Mo, Cr을 단독으로 또는 복합적으로 첨가한 보론강 시편을 제조한 후 냉각 속도에 따른 미세조직과 변태 온도의 변화로부터 경화능을 평가하고, 보론강의 경화능에 미치는 합금원소의 영향을 규명하였다.
제안 방법
- 5 wt.%씩 단독 또는 복합적으로 첨가하여 총 6 종류의 보론강 시편을 제조하였다. BN의 형성에 따른 용질 B 농도의 감소를 막기 위해 질소(N)를 AlN, TiN으로 고정시키고자 Ti과 Al를 각각 0.
- 2~50℃/s의 다양한 냉각 속도로 상온까지 냉각하고, 미세조직 분석과 경도 시험을 실시하였다. 또한 판재로부터 sub-size의 판상 시편(표점거리 25.4 mm, 직경 6.3 mm)으로 가공한 후 시편을 1,100℃에서 5분간 유지하고, 0.2, 3, 20℃/s의 냉각 속도로 상온까지 냉각한 시편들에 대하여 ASTM E8 표준 시험법에 따라 10톤 용량의 Instron 시험기를 이용하여 2 mm/min의 속도로 인장 시험을 실시하였다. 인장 시험 시 연속 항복 거동을 나타내는 시편들의 경우 응력-변형률 곡선으로부터 0.
- 본 연구에서는 C, Mo, Cr의 첨가에 따른 보론강의 경화능을 평가하기 위하여 보론강의 화학조성을 Table 1과 같이 설계하였다. 문헌조사 결과를 토대로 가장 높은 경화능을 나타낼 수 있도록 B 농도를 0.
- 선팽창 분석 장치를 이용하여 보론강의 정량적인 경화능 평가 방안을 고려하였고, 미세조직과 기계적 특성 평가를 통해 그 타당성을 확인하였다. 보론강에서 C 첨가는 경화능을 증가시키지만, B이 첨가되지 않은 시편들에 비해 0.
- 실험에 사용된 강재는 50 kg으로 진공용해한 후 1,200℃에서 오스테나이트화 처리하고 950℃ 이상에서 두께 20 mm로 열간 압연하였다. 이 판재로부터 길이 10 mm, 지름 3 mm의 원통형 시편을 가공한후 가열 온도와 냉각 속도를 정밀하게 제어할 수있는 선팽창 분석 장치(Dilatometer, Dilatronic III, Theta Inc.)를 이용하여 열처리를 수행한 후 냉각 속도에 따른 경도값의 변화로부터 시편의 경화능을 임계 냉각 속도(V c-90)로 평가하였다. 이를 위해 시편을 1,100℃에서 5 분간 유지한 후 0.
- )를 이용하여 열처리를 수행한 후 냉각 속도에 따른 경도값의 변화로부터 시편의 경화능을 임계 냉각 속도(V c-90)로 평가하였다. 이를 위해 시편을 1,100℃에서 5 분간 유지한 후 0.2~50℃/s의 다양한 냉각 속도로 상온까지 냉각하고, 미세조직 분석과 경도 시험을 실시하였다. 또한 판재로부터 sub-size의 판상 시편(표점거리 25.
- 2, 3, 20℃/s의 냉각 속도로 상온까지 냉각한 시편들에 대하여 ASTM E8 표준 시험법에 따라 10톤 용량의 Instron 시험기를 이용하여 2 mm/min의 속도로 인장 시험을 실시하였다. 인장 시험 시 연속 항복 거동을 나타내는 시편들의 경우 응력-변형률 곡선으로부터 0.2% offset한 유동응력을 항복 강도로 하였고, 불연속 항복 거동을 나타내는 시편들의 경우 하부 항복점을 항복 강도로 측정하였다.
- 한편 본 연구에서 경화능을 정량적으로 평가하는 방법으로 사용되는 임계 냉각 속도(Vc-90)를 여러 냉각 속도에서 얻어진 경도값을 90% 마르텐사이트 조직의 경도값과 비교하여 구하였다. 0.
성능/효과
- )를 여러 냉각 속도에서 얻어진 경도값을 90% 마르텐사이트 조직의 경도값과 비교하여 구하였다. 0.1C 시편의 임계 냉각 속도는 35℃/s 정도인 반면, Mo과 Cr이 첨가된 0.1C-Mo, 0.1C-Cr, 0.1C-Mo-Cr 시편의 임계 냉각 속도는 각각 7.3, 11.1, 1.4(℃/s) 정도로 나타났다. 이들 임계 냉각 속도는 연속냉각 변태도나 미세조직 변화와 마찬가지로 Mo 첨가(7.
- 연속냉각 변태도를 보면(Fig. 4(a)), 10℃/s 이상의 빠른 냉각 속도에서 Cr 첨가는 Mo 첨가와 거의 같은 변태 시작과 종료 온도를 나타내며, 경도값도 거의 유사한 수준을 나타내었다. Mo과 Cr이 복합 첨가되는 경우 에는 0.
- 4(a)), 10℃/s 이상의 빠른 냉각 속도에서 Cr 첨가는 Mo 첨가와 거의 같은 변태 시작과 종료 온도를 나타내며, 경도값도 거의 유사한 수준을 나타내었다. Mo과 Cr이 복합 첨가되는 경우 에는 0.2℃/s의 낮은 냉각 속도에 초석 페라이트의 형성을 완전히 억제할 수 있을 뿐만 아니라 3℃/s의 냉각 속도에서 90% 이상의 마르텐사이트 조직이 형성시켜 Mo의 단독 첨가에 비해 경화능이 보다 향상 됨을 알 수 있었다.
- 2℃/s에서 3℃/s로 증가함에 따라 냉각 시 형성되는 베이나이트나 마르텐사이트의 분율이 높아져 항복 강도가 크게 증가하는 것으로 관찰된다. Mo와 Cr이 복합 첨가된 시편은 Mo 단독 첨가된 시편과 비교할 때, 3℃/s와 20℃/s 의 냉각 속도에서 항복 강도와 인장 강도가 모두 100 MPa 이상 높지만, 연신율은 큰 차이가 없는 우수한 인장 특성을 나타내었다.
- 냉각 속도에 따른 미세조직 변화를 비교해 보면(Fig. 5), Mo 첨가는 0.2℃/s의 낮은 냉각 속도에서도 초석 페라이트의 형성을 완전히 억제할 수 있었지만, Cr 첨가는 적어도 3℃/s 이상의 냉각 속도에서 초석 페라이트의 형성을 억제하였다. 그러나 Cr 첨가의 경우 마르텐사이트를 형성시킬 수 있는 경화능은 Mo과 큰 차이를 나타내지 않았다.
- Mo 첨가는 Cr과 같은 첨가량에도 불구하고, 느린 냉각속도에서 변태 시작과 종료 온도를 크게 감소시켜 Cr에 비해 상대적으로 보론강의 경화능에 큰 영향을 주었다. 미세조직 변화를 보면, Mo 첨가는 0.2℃/s의 낮은 냉각 속도에서도 초석 페라이트의 형성을 완전히 억제하였지만, Cr 첨가는 적어도 3℃/s 이상의 냉각 속도에서 초석 페라이트의 형성을 거의 억제할 수 있었다. 그러나 10℃/s 이상의 빠른 냉각 속도에서 Cr 첨가는 Mo 첨가와 거의 같은 변태 시작과 종료 온도를 나타내고, 경도값도 거의 유사하며, 마르텐사이트를 형성시킬 수 있는 경화능은 Mo과 큰 차이를 나타내지 않았다.
- 3에 녹색과 노란색 점선으로 각각 표시하였다[15]. 연속냉각 변태도를 보면, C 함량의 증가는 보론강의 경화능을 증가시키고 있으며, 특히 3℃/s 이상의 빠른 냉각 속도에서 경화능 증가의 폭이 두드러졌다(Fig. 2(a)).
- 4(℃/s) 정도로 나타났다. 이들 임계 냉각 속도는 연속냉각 변태도나 미세조직 변화와 마찬가지로 Mo 첨가(7.3℃/s)가 Cr 첨가(11.1℃/s)보다 낮은 임계 냉각 속도를 나타내어 상대적으로 우수한 경화능을 나타내었고, Mo과 Cr이 복합 첨가된 경우 가장 낮은 임계 냉각 속도를 나타내어 가장 우수한 경화능을 나타내었다.
- 그러나 10℃/s 이상의 빠른 냉각 속도에서 Cr 첨가는 Mo 첨가와 거의 같은 변태 시작과 종료 온도를 나타내고, 경도값도 거의 유사하며, 마르텐사이트를 형성시킬 수 있는 경화능은 Mo과 큰 차이를 나타내지 않았다. 한편 Mo과 Cr이 복합 첨가된 경우에는 0.2℃/s의 낮은 냉각 속도에 초석 페라이트의 형성을 완전히 억제할 수 있을 뿐만 아니라 3℃/s의 냉각 속도에서 90% 이상의 마르텐사이트 조직이 형성시켜 Mo의 단독 첨가에 비해 경화능이 보다 향상됨을 알 수 있었다.
- 7에 나타내었다. 합금원소에 관계없이 냉각 속도가 증가함에 따라 저온 변태 조직의 형성이 많아져 인장 강도는 모두 서서히 증가하고, 연신율은 감소하였다. 특히 Mo이 단독으로 첨가되거나 Mo과 Cr이 복합 첨가된 시편은 냉각 속도가 0.
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