[논문]페라이트 내에 고용된 미량의 탄소가 오스테나이트화 거동 및 페라이트와 오스테나이트의 열팽창 계수에 미치는 영향

문유미; 박지혜; 강신곤; 정재길; 이상민; 이영국

doi:10.12656/jksht.2013.26.6.300

페라이트 내에 고용된 미량의 탄소가 오스테나이트화 거동 및 페라이트와 오스테나이트의 열팽창 계수에 미치는 영향
The Effects of Solute Carbon Atoms in Ferrite on Austenitization and the Thermal Expansion Coefficients of Ferrite and Austenite 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.26 no.6, 2013년, pp.300 - 305

문유미 (연세대학교 공과대학 신소재공학과) , 박지혜 (연세대학교 공과대학 신소재공학과) , 강신곤 (연세대학교 공과대학 신소재공학과) , 정재길 (연세대학교 공과대학 신소재공학과) , 이상민 (연세대학교 공과대학 신소재공학과) , 이영국 (연세대학교 공과대학 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of solute carbon atoms on the thermal expansion coefficients of ferrite and austenite as well as austenitization behavior were investigated by comparing carbon-free ferrite and carbon-containing ferrite. The thermal expansion coefficients and austenitization start and finish temperatures were measured using a dilatometer. Solute carbon atoms at elevated temperatures above the cementite dissolution temperature (650 K) decreased the thermal expansion coefficients of both ferrite and austenite. In addition, minute amount of carbon atoms dissolved in ferrite stimulated austenite nucleation during continuous heating, resulting in the lower starting temperature of austenitization.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 페라이트 내에 미량 고용된 탄소가 페라이트와 오스테나이트 열팽창계수, 그리고 페라이트에서 오스테나이트로의 역변태 거동에 미치는 영향에 대해 알아보고자 하였다.

제안 방법

미세조직은 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였으며, 에너지분산형 원소분석기(EDS)로 탄화물의 성분을 확인하였다. 열팽창계수를 측정하기 위하여 1 × 3 × 10 mm 크기를 갖는 시편으로 딜라토미터(Theta, Dilatronic III) 실험을 수행하였다. 두 시편 모두 1 K/s의 동일한 속도로 가열하였고, 산화를 방지하기 위해 가열하는 동안 약 1 × 10⁻⁵ Torr의 진공 상태를 유지하였다.
페라이트에서 오스테나이트로의 역변태 거동에 미치는 탄소의 영향을 확인하기 위하여 탄소를 제외한 모든 합금원소의 함량이 동일하고 100% 페라이트 조직을 갖는 두 강종을 비교하였다. Table 1에 표기한 바와 같이, A 강종은 Ti 탄질화물을 석출시켜 기지 내에 고용되어 있는 탄소 및 질소를 제거하기 위해 Ti을 첨가한 상용 극저탄소강(IF steel)이다.

대상 데이터

Table 1에 표기한 바와 같이, A 강종은 Ti 탄질화물을 석출시켜 기지 내에 고용되어 있는 탄소 및 질소를 제거하기 위해 Ti을 첨가한 상용 극저탄소강(IF steel)이다. B 강종은 탄소를 제외한 모든 합금원소의 함량이 A 강종과 동일하도록 설계되었다. 페라이트 기지 내에 고용된 미량의 탄소에 의한 영향을 알아보기 위하여 B 강종의 탄소 함량은 Ti 탄질화물로 석출되는데 소모되는 탄소량 이상, 페라이트 내의 최대 고용한 0.
페라이트에서 오스테나이트로의 역변태 거동에 미치는 탄소의 영향을 확인하기 위하여 탄소를 제외한 모든 합금원소의 함량이 동일하고 100% 페라이트 조직을 갖는 두 강종을 비교하였다. Table 1에 표기한 바와 같이, A 강종은 Ti 탄질화물을 석출시켜 기지 내에 고용되어 있는 탄소 및 질소를 제거하기 위해 Ti을 첨가한 상용 극저탄소강(IF steel)이다. B 강종은 탄소를 제외한 모든 합금원소의 함량이 A 강종과 동일하도록 설계되었다.

성능/효과

상온에서 오스테나이트 단상 영역의 온도까지 가열하면서 딜라토미터 실험을 수행하여 두 강종을 비교한 결과, 페라이트 내에 고용된 탄소에 의해 페라이트와 오스테나이트의 열팽창 계수가 감소됨을 알 수 있었다. 따라서 페라이트-펄라이트 혼합 조직에서의 오스테나이트화 모델에 적용되는 페라이트의 열팽창계수는 탄소가 고용되지 않은 페라이트로부터 측정한 값보다 5-8% 작은 값을 사용해야 더욱 정확한 오스테나이트 분율을 예측할 수 있을 것이다. 또한 페라이트 내에 고용된 미량의 탄소에 의해 오스테나이트 핵생성이 촉진되고 오스테나이트화 개시 온도가 낮아짐을 확인하였다.
따라서 페라이트-펄라이트 혼합 조직에서의 오스테나이트화 모델에 적용되는 페라이트의 열팽창계수는 탄소가 고용되지 않은 페라이트로부터 측정한 값보다 5-8% 작은 값을 사용해야 더욱 정확한 오스테나이트 분율을 예측할 수 있을 것이다. 또한 페라이트 내에 고용된 미량의 탄소에 의해 오스테나이트 핵생성이 촉진되고 오스테나이트화 개시 온도가 낮아짐을 확인하였다.
014%까지 페라이트 기지 내에 탄소가 고용될 수 있음을 확인하였다. 상온에서 오스테나이트 단상 영역의 온도까지 가열하면서 딜라토미터 실험을 수행하여 두 강종을 비교한 결과, 페라이트 내에 고용된 탄소에 의해 페라이트와 오스테나이트의 열팽창 계수가 감소됨을 알 수 있었다. 따라서 페라이트-펄라이트 혼합 조직에서의 오스테나이트화 모델에 적용되는 페라이트의 열팽창계수는 탄소가 고용되지 않은 페라이트로부터 측정한 값보다 5-8% 작은 값을 사용해야 더욱 정확한 오스테나이트 분율을 예측할 수 있을 것이다.
열역학적인 계산과 미세 조직 관찰을 통해, A 강종은 탄소가 모두 Ti 탄질화물로 석출되어 페라이트 내에 고용된 탄소의 함량이 거의 없는 반면, 탄소 함량 0.02%인 B 강종의 경우 페라이트 결정립계에 석출되어 있던 시멘타이트가 650 K 온도 근방에서 분해되기 시작하여 약 1000 K 온도에서는 최대 0.014%까지 페라이트 기지 내에 탄소가 고용될 수 있음을 확인하였다. 상온에서 오스테나이트 단상 영역의 온도까지 가열하면서 딜라토미터 실험을 수행하여 두 강종을 비교한 결과, 페라이트 내에 고용된 탄소에 의해 페라이트와 오스테나이트의 열팽창 계수가 감소됨을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다상복합조직강의 다양한 미세조직을 제어하기 위해 필요한 것은?	철강의 최종 미세조직과 기계적 성질을 제어하고 예측하기 위해서는 기본적으로 오스테나이트화 (Austenitization) 거동을 이해하는 것이 중요하다. 특히 다상복합조직강의 다양한 미세조직을 제어하기 위해서는 오스테나이트화 개시, 종료 온도의 정확한 측정 뿐 아니라 가열 혹은 등온 유지 열처리 공정 중 오스테나이트 분율의 예측이 필수적이다 [1]
	딜라토미터 장비를 이용하여 측정한 시편 길이 변화율로 예측 가능한 것은?	최근에는 오스테나이트화 거동이나 미세조직 변화를 연구하기 위해 등온 유지, 혹은 가열 중의 시편 길이의 변화를 실시간으로 측정할 수 있는 딜라토미터 장비가 유용하게 사용되고 있다. 딜라토미터로 측정한 시편 길이 변화율로부터 오스테나이트화 개시, 종료 온도 뿐 아니라 오스테나이트화가 진행되고 있는 동안의 각 온도별 상분율도 예측 가능하다[6-8]. 그 중에서도 페라이트-펄라이트 혼합 조직에서의 오스테나이트화 거동에 대한 연구가 활발하게 이루어져 왔는데, 그 중에서도 페라이트-펄라이트 혼합 조직에서의 오스테나이트화 거동에 대한 연구가 활발하게 이루어져 왔는데, Caballero 등은[4, 5] 딜라토미터를 이용하여 100% 페라이트 초기 조직을 갖는 극 저탄소강과 100% 펄라이트 초기 조직을 갖는 공석 강의 오스테나이트화 거동을 각각 분석하고 두 모델을 접목시켜 저탄소강의 페라이트-펄라이트 혼합 조직에서의 오스테나이트화 예측 모델을 제안하였다.
	저탄소강의 오스테나이트화는 어떤 두 단계로 구분되는가?	지금까지 많은 연구자들에 의해 오스테나이트화 거동을 이해하기 위한 연구가 이루어져 왔다[2-5]. 저탄소강의 오스테나이트화는 펄라이트나 구상화 시멘타이트 부분이 먼저 용해되면서 오스테나이트가 형성되기 시작하고, 시멘타이트 혹은 펄라이트 부분이 모두 소진된 이후 오스테나이트가 페라이트 내로 성장 하는 두 단계로 구분된다 [2, 3]. 기존의 연구에서는 고온에서의 오스테나이트화 거동이나 미세조직 변화를 관찰하기 위하여 주로 열처리 중 급랭 (Quenching)한 조직을 현미경으로 관찰하는 간접적인 방법이 적용되었다.

참고문헌 (13)

C.-S. Oh, H. N. Han, S.-J. Park and S.-J. Kim : 재료마당, 22 (2009) 4.
G. R. Speich and A. Szirmae : Trans. AIME 245 (1969) 1063.
C. I. Garcia and A. J. DeArdo : Met. Trans. 12A (1981) 521.
F. G. Caballero, C. Capdevila and C. Garcia de Andres : J. Mater. Sci. 37 (2002) 3533.

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F. G. Caballero, C. Capdevila and C. Garcia de Andres : ISIJ Int. 41 (2001) 1093.

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M. Onink, F. D. Tichelaar, C. M. Brakman, E. J. Mittemeijer and S. van der Zwaag : Z. Metallkd. 87 (1996) 24.
J. Z. Zhao, C. Mesplont and B. C. De Cooman : ISIJ Int. 41 (2001) 492.

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S.-J. Lee, M. T. Lusk and Y.-K. Lee : Acta Mater. 55 (2007) 875.

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M. Onink, C. M. Brakman, F. D. Tichelaar, E. J. Mittemeijer, S. van der Zwaag, J. H. Root and N. B. Konyer : Scripta Metall. Mater. 29 (1993) 1011.

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M. Hillert : Acta Metall. 2 (1954) 11.

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V. I. Savran, Y. Van Leeuwen, D. N. Hanlon, C. Kwakernaak, W. G. Sloof and J. Sietsma : Metal. Mater. Trans. 38A (2007) 946.
J.-H. Park and Y.-K. Lee : Scripta Materialia 58 (2008) 602.

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