[논문]저탄소 보론강의 경화능에 미치는 Mo 및 Cr 함량의 영향

황병철; 서동우

doi:10.3740/mrsk.2013.23.10.555

저탄소 보론강의 경화능에 미치는 Mo 및 Cr 함량의 영향
Influence of Mo and Cr Contents on Hardenability of Low-Carbon Boron Steels 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.23 no.10, 2013년, pp.555 - 561

황병철 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 서동우 (포항공과대학교 철강대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

The hardenability of low-carbon boron steels with different molybdenum and chromium contents was investigated using dilatometry, microstructural observations and secondary ion mass spectroscopy (SIMS), and then discussed in terms of the segregation and precipitation behaviors of boron. The hardenability was quantitatively evaluated by a critical cooling rate obtained from the hardness distribution plotted as a function of cooling rate. It was found that the molybdenum addition was more effective than the chromium addition to increase the hardenability of boron steels, in contrast to boron-free steels. The addition of 0.2 wt.% molybdenum completely suppressed the formation of eutectoid ferrite, even at the slow cooling rate of $0.2^{\circ}C/s$, while the addition of 0.5 wt.% chromium did this at cooling rates above $3^{\circ}C/s$. The SIMS analysis results to observe the boron distribution at the austenite grain boundaries confirmed that the addition of 0.2 wt.% molybdenum effectively increased the hardenability of boron steels, as the boron atoms were significantly segregated to the austenite grain boundaries without the precipitation of borocarbide, thus retarding the austenite-to-ferrite transformation compared to the addition of 0.5 wt.% chromium. On the other hand, the synergistic effect of molybdenum and boron on the hardenability of boron steels could be explained from thermodynamic and kinetic perspectives.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

^5-8,12,15) 현재 Mo은 다른 합금원소에 비해 보론 강의 경화능 향상에 매우 효과적인 원소로 알려져 있는데,^7,8,12) B이 첨가되지 않은 강(boron-free steel)에 Mo을 첨가한 경우보다 경화능이 크게 증가하는 원인에 대해서는 아직 불분명한 점이 많은 실정이다. 본 연구에서는 B과 다른 합금원소의 상호작용이 보론강의 경화능에미치는 영향을 이해하기 위하여 일반 탄소강의 경화능 향상에 많이 사용되고 있는 Mo과 Cr을 포함한 보론강을 제조한 후 냉각 속도에 따른 미세조직, 변태 온도, 경도의 변화로부터 경화능을 다양하게 평가하였다. 이를 통해 보론강의 경화능에 미치는 Mo과 Cr 함량의 영향을 B의 편석과 석출 거동 관점에서 해석하고자 하였다.
본 연구에서는 선팽창 분석 장치를 이용하여 보론강의 경화능을 정량적으로 평가할 수 있는 임계 냉각 속도를 하나의 평가 방안으로 고려하였다. 다양한 함량의 Mo 및 Cr이 첨가된 보론강에 대한 연속 냉각 변태와 미세조직, 경도 변화를 분석한 결과 Mo 첨가는 Cr 첨가에 비해 보론강의 경화능을 향상시키는데 보다 효과적으로 작용하였다.
본 연구에서는 B과 다른 합금원소의 상호작용이 보론강의 경화능에미치는 영향을 이해하기 위하여 일반 탄소강의 경화능 향상에 많이 사용되고 있는 Mo과 Cr을 포함한 보론강을 제조한 후 냉각 속도에 따른 미세조직, 변태 온도, 경도의 변화로부터 경화능을 다양하게 평가하였다. 이를 통해 보론강의 경화능에 미치는 Mo과 Cr 함량의 영향을 B의 편석과 석출 거동 관점에서 해석하고자 하였다.

가설 설정

1에 나타내고, 베이나이트 변태 시작 온도(Bs)와 마르텐사이트 변태 시작 온도(Ms)를 점선으로 표시하였다.¹⁶⁾ Mo 및 Cr의 함량이 많아짐에 따라 변태 시작과 종료 온도가 모두 조금씩 낮아진다. 연속냉각 곡선을 살펴보면, Cr은 Mo보다 많은 양이 첨가되었음에도 불구하고 느린 냉각 속도에서 변태 시작과 종료 온도를 크게 낮추지 못하였다.

제안 방법

2 wt.% 씩 각각 첨가하여 총 6 종류의 보론강 시편을 제조하였다. 시편들에서 B이 BN로 형성되는 것을 막기 위해 질소(N)를 AlN, TiN으로 고정시키고자 Ti과 Al를 각각 0.
1,6-8) 본 연구에서는 여러 냉각 속도에서 얻어진 경도값을 90 % 마르텐사이트 조직의 경도값과 비교하여 임계 냉각 속도(V_c-90)를 구하였다. 임계 냉각 속도가 느리면 경화능이 높고, 임계 냉각 속도가 빠르면 경화능이 낮다고 할 수 있다.
본 연구에서 사용된 보론강 시편들은 진공 유도용해로를 이용하여 30 kg의 잉곳으로 제조한 후 1,200 ℃로 재가열하여 950 ℃ 이상의 온도에서 두께 20 mm로 열간압연하였다. 압연된 판재로부터 길이 10 mm, 지름 3 mm의 원통형 시편을 가공한 후 가열 온도와 냉각 속도를 정밀하게 제어할 수 있는 선팽창 분석 장치(Dilatometer, Dilatronic III, Theta Inc., USA)를 이용하여 열처리를 수행하고, 시편의 경화능을 정량적으로 평가하였다. 이를 위해 시편들을 1,100 ℃에서 5 분간 유지한 후 0.
, USA)를 이용하여 열처리를 수행하고, 시편의 경화능을 정량적으로 평가하였다. 이를 위해 시편들을 1,100 ℃에서 5 분간 유지한 후 0.2~50 ℃/s 범위의 냉각 속도로 상온까지 냉각하고, 미세조직 분석과 경도 시험을 실시하였다.
2 ℃/s와 20 ℃/s의 냉각 속도로 650 ℃까지 냉각한 후 급랭하였다. 이와 같이 열처리된 시편들에 대하여 2차 이온 질량 분석기(SIMS, secondary ion mass spectroscopy)를 이용하여 B 분포를 관찰하였다.
한편 보론강의 경화능에 미치는 Mo 및 Cr의 영향을 구체적으로 이해하기 위하여 9 % Ni이 첨가된 보론강 모델 합금을 제조한 후 냉각 속도에 따른 B의 편석 및 석출 거동을 분석하였다. 오스테나이트 입계에 편석되는 B 분포를 관찰하기 위하여 모델 합금 시편들을 1,100 ℃에서 5분간 열처리한 후 0.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 보론강 시편들은 진공 유도용해로를 이용하여 30 kg의 잉곳으로 제조한 후 1,200 ℃로 재가열하여 950 ℃ 이상의 온도에서 두께 20 mm로 열간압연하였다. 압연된 판재로부터 길이 10 mm, 지름 3 mm의 원통형 시편을 가공한 후 가열 온도와 냉각 속도를 정밀하게 제어할 수 있는 선팽창 분석 장치(Dilatometer, Dilatronic III, Theta Inc.

성능/효과

3 wt.% Cr첨가에 비해 경화능 효과가 우수한 것으로 나타났다. 이는 보론강에서의 Mo 첨가가 B이 첨가되지 않은 강에서와 달리 Mo과 B 사이의 시너지 효과로 인해 강의 경화능을 향상시키는데 보다 효과적인 것을 의미한다.
2 wt.% 첨가에 의해서 낮은 냉각 속도에서도 변태 시작과 종료 온도가 크게 낮아지며, 0.2 ℃/s의 낮은 냉각 속도에서도 초석 페라이트의 형성을 완전히 억제할 수 있었다. 그러나 Cr은 0.
2 wt.%의 Mo 첨가 시에는 0.2 ℃/s의 느린 냉각 속도에서도 변태 시작 온도가 크게 낮아져 경화능이 크게 향상되었다. 반면 Cr 은 0.
Base 시편의 임계 냉각 속도는 35 ℃/s 정도이며, Mo 및 Cr 함량이 증가함에 따라 임계 냉각 속도가 점점 감소하였다. 0.2 Mo과 0.5 Cr 시편의 임계 냉각 속도는 각각 16 ℃/s, 11 ℃/s 정도로 나타났다. 다양한 Mo 및 Cr 함량에 따른 임계 냉각속도를 Ueno에 의해 제시된 경험식^5,6)으로 계산된 값과 비교하여 Fig.
이러한 결과는 초석 페라이트가 형성되는 온도에서 등온 유지한 변태 거동을 통해서도 알 수 있다.¹²⁾ Fig. 4에서 Mo 및 Cr이 첨가된 시편들은 Base 시편에 비해 오스테나이트에서 초석 페라이트로의 확산 변태가 모두 지연되는 것을 볼 수 있다. 특히 0.
2에는 미세조직 분석과 경도 시험 결과를 토대로 마르텐 사이트와 베이나이트가 90 % 이상 존재하는 미세조직의 경계를 각각 녹색과 노란색 점선으로 표시하였다.¹⁷⁾ Mo과 Cr이 첨가되지 않은 Base 시편의 경우 초석 페라이트의 형성을 억제하기 위하여 20 ℃/s 이상의 빠른 냉각속도가 필요하였으나, 0.2 Mo 시편은 본 연구에서 사용된 가장 느린 냉각 속도인 0.2 ℃/s의 경우에도 초석 페라이트의 생성이 완전히 억제되어 미세조직의 대부분이 저온 변태조직(베이나이트 또는 마르텐사이트)으로 형성되었다.
그들은 CALPHAD 법에 근거한 열역학 계산을 통해 Mo 또는 Cr이 보론강에 첨가되었을 때 나타나는 M₂₃(C,B)₆ 석출물의 평형분율을 예측하였다. 계산 결과 보론강에 대한 Mo 첨가는 M₂₃(C,B)₆의 석출을 거의 억제하여 상 안정성이 매우 저하되는 것으로 예측되었다. 이는 Mo의 첨가에 의해 M₂₃(C,B)₆의 석출이 억제되면서 오스테나이트 입계에 존재하는 용질 B의 농도가 증가되어 경화능이 향상될 수 있음을 의미한다.
본 연구에서는 선팽창 분석 장치를 이용하여 보론강의 경화능을 정량적으로 평가할 수 있는 임계 냉각 속도를 하나의 평가 방안으로 고려하였다. 다양한 함량의 Mo 및 Cr이 첨가된 보론강에 대한 연속 냉각 변태와 미세조직, 경도 변화를 분석한 결과 Mo 첨가는 Cr 첨가에 비해 보론강의 경화능을 향상시키는데 보다 효과적으로 작용하였다. Mo은 0.
% 첨가 시 3 ℃/s 이상의 냉각 속도에서 초석 페라이트의 형성이 거의 억제되었다. 모델 합금의 B 분포에 대한 SIMS 분석 결과 0.2 Mo 시편은 0.2 ℃/s의느린 냉각 속도에서 다른 시편들에 비해 오스테나이트입계에 B이 상대적으로 많이 편석되는 것으로 관찰되어 초석 페라이트의 핵생성에 크게 지연시킬 수 있는 것이 확인되었다. 한편 Mo 첨가는 Cr 첨가에 비해 속도론적 및 열역학적 관점에서 모두 M₂₃(C,B)₆의 석출을 억제시켜 보론강의 경화능을 향상시키는데 도움을 줄 수 있다.
이는 Mo의 첨가에 의해 M₂₃(C,B)₆의 석출이 억제되면서 오스테나이트 입계에 존재하는 용질 B의 농도가 증가되어 경화능이 향상될 수 있음을 의미한다. 이를 통해 Mo 첨가는 Cr 첨가에 비해 속도론적 및 열역학적 관점에서 모두 M₂₃(C,B)₆의 석출을 억제시켜 보론강의 경화능을 향상시키는데 도움을 준다는 것을 알 수 있다.
5 Cr 시편(약 11 ℃/s)보다 큰 임계 냉각 속도를 갖게 된다. 이를 통해 Mo 첨가는 낮은 냉각 속도에서 B이 오스테나이트 결정립계에 잘 편석되어 초석 페라이트의 형성을 억제함으로써 베이나이트의 형성을 촉진하지만, 빠른 냉각 속도에서는 과잉의 B 편석으로 조대한 석출물이 형성되어 Cr 첨가에 비해 큰 임계 냉각 속도를 갖는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보론은 어떤 경화능 원소를 대체하기 위해 사용되는가?	Vogel과 G. Tammann에 의해 처음 발견되었으나 당시에는 큰 주목을 받지 못하다가 제 2차 세계대전과 한국전쟁을 거치면서 Ni, Cr, Mo과 같은 값비싼 경화능 원소를 대체하기 위하여 B이 첨가된 강(이하 보론강)에 대한 연구가 본격적으로 시작되었다.1-3) B의 경화능 효과는 B이 오스테나이트 입계(grain boundaries)에 편석(segregation)되어 계면 에너지가 감소됨으로써 초석 페라이트의 핵생성을 억제하기 때문으로 알려져 있다.
	오스테나이트 입계에 B가 과잉 존재할 경우 입계의 B 농도가 경화능에 큰 영향을 미치는 이유는?	보론강(boron steel)의 경화능은 일반적으로 오스테나이트 입계의 B 농도와 M23(C,B)6의 석출 거동에 의존하는 것으로 알려져 있다.1-7) 오스테나이트 입계에 B이 과잉으로 존재할 경우 B 원자들은 M23(C,B)6로 석출될 수 있기 때문에 입계의 B 농도는 경화능에 큰 영향을 미친다. M23(C,B)6 석출물은 용체화 처리 후 650~900 ℃의온도 구간에서 등온 유지 시 오스테나이트 입계에 생성되는 B 화합물로서 오스테나이트 냉각 중에 생성되는데 크기가 조대해지면 페라이트 핵생성 자리로 작용하여 B의 경화능 향상 효과가 감소된다.
	보론의 경화능 효과가 나타나는 이유는?	Tammann에 의해 처음 발견되었으나 당시에는 큰 주목을 받지 못하다가 제 2차 세계대전과 한국전쟁을 거치면서 Ni, Cr, Mo과 같은 값비싼 경화능 원소를 대체하기 위하여 B이 첨가된 강(이하 보론강)에 대한 연구가 본격적으로 시작되었다.1-3) B의 경화능 효과는 B이 오스테나이트 입계(grain boundaries)에 편석(segregation)되어 계면 에너지가 감소됨으로써 초석 페라이트의 핵생성을 억제하기 때문으로 알려져 있다.4-8)1960년대 중성자 조사에 의한 ATE(α-track etching) 법이 개발되면서 B의 입계 편석에 대한 연구가 시작되었고, 미국과 유럽, 일본을 중심으로 활발한 연구가 진행되어 오 스테나이트 입계에서 AlN, BN, M23(C,B)6 (borocarbide) 석출물의 존재가 확인되었다.

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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].

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